JP2007224981A

JP2007224981A - 等速自在継手の外方部材及びその製造方法

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Publication number: JP2007224981A
Application number: JP2006045220A
Authority: JP
Inventors: Hiroo Morimoto; 洋生森本; Kazuhiko Yoshida; 和彦吉田
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2006-02-22
Filing date: 2006-02-22
Publication date: 2007-09-06

Abstract

【課題】簡単な手段により、低コストで高強度を確保する。
【解決手段】トリポード部材２０との間で角度変位および軸方向変位を許容しながらローラ機構３０を介してトルクを伝達する等速自在継手に装備され、一端が開口したカップ状本体１３と、そのカップ状本体１３の底部から一体的に延び、軸孔１５の内径面にスプラインが形成された軸部１４とからなり、軸部１４は、高周波焼入れにより、その厚み方向全領域に亘って硬化処理されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車や各種産業機械の動力伝達系において使用され、例えば４ＷＤ車やＦＲ車などで使用されるドライブシャフトやプロペラシャフトに組み込まれる等速自在継手の外方部材に関する。

例えば、自動車のドライブシャフト等の連結用継手として使用される摺動式等速自在継手の一種にトリポード型等速自在継手がある。このトリポード型等速自在継手は、駆動側と従動側の二軸を連結してその二軸が作動角をとっても等速で回転トルクを伝達し、しかも、軸方向の相対変位も許容することができる構造を備えている。

この種の等速自在継手は、例えば自動車のドライブシャフトを構成する部品の一つであることから、低コスト、高強度であることが望まれている。この高強度化を実現するため、継手の構成部品に浸炭窒化処理を施し、各構成部品の接触面の直下に形成された表層部（浸炭窒化層）の残留オーステナイト量を２０〜４０ｖｏｌ％と規定した等速自在継手が提案されている（例えば、特許文献１参照）。これにより、構成部品の表層部の亀裂敏感性を改善することで等速自在継手の高強度化を図っている。

一般的に、トリポード型等速自在継手は、内周面に三本のトラック溝が軸方向に形成され、各トラック溝の両側にそれぞれ軸方向のローラ案内面を有する外方部材としての外輪と、半径方向に突出した三本の脚軸を有する内方部材としてのトリポード部材と、そのトリポード部材の脚軸と外輪のローラ案内面との間に回転自在に収容された転動部材としてのローラとを主要な部材として構成される。この等速自在継手では、前述した駆動（デファレンシャル）側の軸が外輪に連結され、従動側の軸としてシャフトがトリポード部材に連結される。

このようにトリポード部材の脚軸と外輪のローラ案内面とがローラを介して二軸の回転方向に係合することにより、駆動側から従動側へ回転トルクが等速で伝達される。また、各ローラが脚軸に対して回転しながらローラ案内面上を転動することにより、外輪とトリポード部材間の相対的な軸方向変位や角度変位が吸収される。

この等速自在継手を構成する外輪は、一端が開口したカップ状本体と、そのカップ状本体の底部から一体的に延びる軸部とからなる。この軸部は、軸孔の内径面にスプラインが形成されている。一方、この外輪に連結される駆動（デファレンシャル）側の軸の端部外周面にスプラインが形成されている。この外輪の軸部内径に駆動（デファレンシャル）側の軸を圧入してスプライン嵌合させている。このようにして両者のスプライン同士を噛み合わせることによりトルク伝達が可能となっている。

さらに、外輪の軸部の外径には、シールやベアリング等の他の構成部品を取り付ける必要があり、これら構成部品の取り付けでは、高精度を確保するため、軸部の外径を研削するようにしている。

以上のように、従来の等速自在継手では、外輪の軸部の内径には駆動（デファレンシャル）側の軸がスプライン嵌合され、また、その外径にはシールやベアリング等の他の構成部品が嵌合固定されることから、軸部の内外径を硬化させる必要があるため、浸炭焼入れ処理が施されている。
特開２００１−２００８５９号公報

ところで、前述した外輪の軸部の内外径を硬化させる浸炭焼入れ処理では、浸炭後の表層部に表面異常層が生成し、強度のばらつきを招く問題がある。また、浸炭焼入れ処理は、表面に高濃度の炭素を拡散させるため、炭化物が多く粒界に析出する結晶粒の粗大化が発生し変形を招き強度が低下する問題がある。そのため、トリポード部材が外輪の開口端（スライドアウト）側に軸方向変位した時の許容負荷トルクが著しく低下し、その軸方向変位の領域が極めて限定されるという課題が生じてくる。

また、外輪の軸部の外径については、シールやベアリング等の他の構成部品を嵌合固定するために、浸炭焼入れ処理後に研削工程が必要であり、研削取り代を考慮した硬化深さを得るために浸炭焼入れ処理において一定の処理時間が必要となる。そのため、処理費用の大半を処理時間が占める浸炭焼入れ処理では、低コスト化を図ることが困難である。

そこで、本発明は前述の問題点に鑑みて提案されたもので、その目的とするところは、簡単な手段により、低コストで高強度を確保し得る等速自在継手の外方部材及びその製造方法を提供することにある。

また、本発明に係る外方部材の製造方法は、内方部材との間で角度変位および軸方向変位を許容しながら転動部材を介してトルクを伝達する等速自在継手に装備され、一端が開口したカップ状本体と、そのカップ状本体の底部から一体的に延び、軸孔内径面にスプラインが形成された軸部とからなり、軸部をその内径面側あるいは外径面側のいずれか一方から高周波焼入れし、その内径面側あるいは外径面側のいずれか一方から他方へ至る厚み方向全領域に亘って硬化処理することを特徴とする。

本発明では、外方部材の軸部の硬化処理として、従来の浸炭焼入れ処理を廃止し、高周波焼入れ処理を適用する。浸炭焼入れ処理を行わないことから、浸炭異常層による強度低下および処理時間によるコストアップを回避する。つまり、高周波焼入れ処理を採用したことにより、強度の向上および処理時間の短縮による低コスト化を図ることができる。

通常の高周波焼入れ処理では、比較的高い周波数で加熱することにより、表面のみを硬化処理しているため、外方部材の軸部の内径面と外径面の両方を硬化処理するためには、２回の高周波焼入れ処理が必要となり、コストアップを招くことになる。

そこで、本発明では、比較的低い周波数で軸部をその内径面側あるいは外径面側のいずれか一方から加熱し、軸部の内径面側から加熱した場合にはその反対側の外径面、また、軸部の外径面側から加熱した場合にはその反対側の内径面についても、確実な硬化処理を容易に実現できる。このように１回の高周波焼入れ処理で済むことから、コストアップを招くことはない。

本発明の外方部材は、Ｃ：０．４５〜０．６５ｗｔ％を含む炭素鋼からなり、軸部の内外径表面部の硬度をＨｖ６５０以上とすることが望ましい。また、軸部の外径面に他部品を嵌合させるため、その外径面は研削加工により仕上げされてその研削後の表面硬度をＨｖ６５０以上とすることが望ましい。

炭素鋼のＣが０．４５ｗｔ％より小さいと、焼入れ焼戻し後に所望の硬さが得られず、強度が不足する。逆に、０．６５ｗｔ％より大きいと、冷間鍛造性と機械加工性が著しく低下する。また、表面硬度がＨｖ６５０より小さいと、内径面では駆動（デファレンシャル）側の軸、外径面ではシールやベアリング等の他の構成部品との接触により摩耗が著しく進行することにより、寿命の低下を招くことになる。

前述の構成からなる外方部材に、内方部材と、その外方部材と内方部材の間に介在してトルクを伝達するトルク伝達部材とを付加すれば、等速自在継手を構成することが可能となる。

本発明によれば、軸部をその内径面側あるいは外径面側のいずれか一方から高周波焼入れし、その高周波焼入れにより、内径面側あるいは外径面側のいずれか一方から他方へ至る厚み方向全領域に亘って硬化処理することにより、高強度の外方部材を提供することができると共に、その製品コストの低減化を容易に実現することができる。

図１および図２は本発明の実施形態で、ダブルローラタイプのトリポード型等速自在継手を例示する。この等速自在継手は、外方部材としての外輪１０と、内方部材としてのトリポード部材２０と、転動部材としてのローラ機構３０とで主要部が構成され、駆動（デファレンシャル）側と従動側で連結すべき二軸のうち、駆動側の軸が外輪１０に連結され、従動側の軸がトリポード部材２０に連結されて作動角をとっても等速で回転トルクを伝達し、しかも、軸方向の相対変位も許容することができる構成を備えている。

外輪１０は、内周面に軸方向の三本のトラック溝１１が中心軸の周りに１２０°間隔で形成されている。各トラック溝１１は、その円周方向で向かい合った側壁にそれぞれ凹曲面状のローラ案内面１２が軸方向に形成されている。

トリポード部材２０は、半径方向に突出した三本の脚軸２１を有し、その脚軸２１にローラ機構３０が首振り揺動自在に装着されている。このローラ機構３０は、トリポート部材２０の脚軸２１と外輪１０のローラ案内面１２との間に収容されている。

ローラ機構３０は、内側ローラ３１、外側ローラ３２および両ローラ３１，３２間に介設された転動体としての針状ころ３３からなるアッセンブリ体で構成される。外側ローラ３２は、その外周面にローラ案内面１２と適合する凸曲面を有し、外輪１０のトラック溝１１内に収容される。内側ローラ３１は、脚軸２１の外周面に外嵌されている。

内側ローラ３１の円筒形外周面を内側軌道面とし、外側ローラ３２の円筒形内周面を外側軌道面として、これらの内外軌道面間に針状ころ３３が転動自在に介在する。針状ころ３３は、総ころ状態で組み込まれ、脚軸２１に装着されたサークリップ４０，４１により抜け止めされている。

この等速自在継手では、トリポード部材２０の脚軸２１と外輪１０のローラ案内面１２とがローラ機構３０を介して二軸の回転方向に係合することにより、駆動側から従動側へ回転トルクが等速で伝達される。また、ローラ機構３０が脚軸２１に対して回転しながらローラ案内面１２上を転動することにより、外輪１０とトリポード部材２０との間の相対的な軸方向変位や角度変位が吸収される。

外輪１０は、一端が開口し、他端が閉塞したカップ状本体１３と、そのカップ状本体１３の底部から軸方向に一体的に延び、軸孔１５の内径面にスプライン１６が形成された軸部１４とからなる。一方、この外輪１０に連結される駆動（デファレンシャル）側の軸（図示せず）の端部外周面にスプラインが形成されている。この外輪１０の軸部１４の軸孔１５に駆動（デファレンシャル）側の軸を圧入してスプライン嵌合させている。このようにして両者のスプライン同士を噛み合わせることによりトルク伝達を可能にしている。また、軸部１４の外径には、シールやベアリング等の他の構成部品を嵌合固定される。

また、トリポード部材２０は、円筒状のボス部２２の中心軸周りに１２０°間隔で三本の脚軸２１が一体的に突設され、そのボス部２２の軸孔２３の内径面にスプライン２４が形成されている。一方、シャフト５０の軸端の外径面にスプライン５１が形成されている。このトリポード部材２０のボス部２２の軸孔２３に従動側の軸であるシャフト５０を圧入してスプライン嵌合させている。このようにして両者のスプライン同士を噛み合わせることによりトルク伝達を可能にしている。このシャフト５０はサークリップ４２によりトリポード部材２０に対して抜け止めされている。

ところで、等速自在継手の構成部品である外輪１０は、前述したようにカップ状本体１３と軸部１４からなり、その軸部１４の内径には駆動（デファレンシャル）側の軸がスプライン嵌合され、その外径にはシールやベアリング等の他の構成部品を嵌合固定される。そこで、軸部１４の内径および外径の強度を確保するため、軸部１４を、高周波焼入れにより、その厚み方向全領域に亘って硬化処理する。この高周波焼入れ領域を図１のクロスハッチングで示す。

この硬化処理は、以下の要領で行われる。図３に示すように軸部１４をその内径面側から高周波焼入れし、軸部１４の内径面から外径面に至る厚み方向全領域に亘って硬化処理する。この高周波焼入れは、軸部１４の軸孔１５に高周波加熱コイル６０を挿入配置することにより実現できる。

ここで、通常の高周波焼入れでは、比較的高い周波数で高周波加熱することにより、表面のみを硬化処理するのが一般的である。そのため、外輪１０の軸部１４の内径面と外径面の両方を硬化処理するためには、２回の高周波焼入れが必要となり、コストアップを招くことになる。

これに対して、この実施形態では、比較的低い周波数で軸部１４をその内径面側から高周波焼入れする。この１回の高周波焼入れでもって、軸部１４の内径面から外径面に至る厚み方向全領域に亘って硬化処理する。このように１回の高周波焼入れで済むことから、コストアップを招くことはない。

なお、この高周波焼入れは、軸部１４の外径面側から行うことも可能である。その場合、高周波加熱コイルを軸部１４の外径面側に配置し、軸部１４の内径面側から行う場合と同一要領で行えばよい。これにより、１回の高周波焼入れでもって、軸部１４の外径面から内径面に至る厚み方向全領域に亘って硬化処理する。

このように外輪１０の軸部１４の硬化処理として、従来の浸炭焼入れ処理を廃止し、高周波焼入れ処理を適用することにより、浸炭焼入れ処理を行わないことから、浸炭異常層による強度低下および処理時間によるコストアップを回避することができる。つまり、高周波焼入れ処理を採用したことにより、強度の向上および処理時間の短縮による低コスト化を図ることができる。

図４は外輪１０の軸部１４を高周波焼入れした本発明品と、外輪の軸部を浸炭焼入れした従来品とについて、その軸部の硬度分布を比較したものである。同図からも明らかなように、本発明品は、従来品と比較して、軸部１４の外径面から内径面に至る厚み方向全領域に亘ってほぼ均一な硬度を確保している。

このような硬度分布を持つ外輪１０の強度評価として、図５に示すような静的捩り試験を行った。この静的捩り試験では、駆動（デファレンシャル）側の軸に相当するトルク負荷側治具７０の突起部７１に外輪１０の軸部１４をスプライン嵌合させ、外輪１０のカップ状本体１３の内部にトリポード部材２０およびローラ機構３０を組み付けた上で、そのトリポード部材２０にシャフト５０の一方の軸端をスプライン嵌合させた状態でそのシャフト５０の他方の軸端を固定側治具７２に固定する。

以上のようにセッティングした状態でトルク負荷側治具７０から外輪１０に捩りトルクを負荷する。この捩りトルクの負荷により外輪１０の一部が破壊した際の負荷トルクをその外輪１０についての捩り強度とした。

図６は外輪１０の軸部１４を高周波焼入れした本発明品と、外輪の軸部を浸炭焼入れした従来品とについて、その外輪の捩り強度比を比較したものである。ここでは、従来品の捩り強度を１として本発明品の捩り強度を比較すると、同図から明らかなように、本発明品は、従来品よりも捩り強度が向上している。

外輪１０は、Ｃ：０．４５〜０．６５ｗｔ％を含む炭素鋼からなり、軸部１４の内外径表面部の硬度をＨｖ６５０以上とする。また、軸部１４の外径面にシールやベアリング等の他部品を嵌合させるため、その外径面は研削加工により仕上げされてその研削後の表面硬度をＨｖ６５０以上とする。

本発明の実施形態で、トリポード型等速自在継手を示す縦断面図である。本発明の実施形態で、トリポード型等速自在継手を示す横断面図である。本発明の実施形態で、外輪を示す縦断面図である。本発明品と従来品とについて比較した軸部の硬度分布を示す図である。本発明品と従来品とについて行った静的捩り試験を説明する図である。本発明品と従来品とについて比較した静的捩り強度比を示す図である。

符号の説明

１０外方部材（外輪）
１３カップ状本体
１４軸部
１５軸孔
２０内方部材（トリポード部材）
３０転動部材（ローラ機構）

Claims

内方部材との間で角度変位および軸方向変位を許容しながら転動部材を介してトルクを伝達する等速自在継手に装備され、一端が開口したカップ状本体と、そのカップ状本体の底部から一体的に延び、軸孔内径面にスプラインが形成された軸部とからなり、前記軸部は、高周波焼入れにより、その厚み方向全領域に亘って硬化処理されていることを特徴とする等速自在継手の外方部材。
Ｃ：０．４５〜０．６５ｗｔ％を含む炭素鋼からなり、前記軸部の内外径表面部の硬度をＨｖ６５０以上とした請求項１に記載の等速自在継手の外方部材。
前記軸部の外径面は、研削加工により仕上げされてその研削後の表面硬度をＨｖ６５０以上とした請求項１又は２に記載の等速自在継手の外方部材。
前記内方部材と、請求項１〜３のいずれか一項に記載の外方部材と、前記内方部材と外方部材の間に介在してトルクを伝達する転動部材とを具備した等速自在継手。
内方部材との間で角度変位および軸方向変位を許容しながら転動部材を介してトルクを伝達する等速自在継手に装備され、一端が開口したカップ状本体と、そのカップ状本体の底部から一体的に延び、軸孔内径面にスプラインが形成された軸部とからなる等速自在継手の外方部材の製造方法であって、前記軸部をその内径面側あるいは外径面側のいずれか一方から高周波焼入れし、その内径面側あるいは外径面側のいずれか一方から他方へ至る厚み方向全領域に亘って硬化処理することを特徴とする等速自在継手の外方部材の製造方法。