JP2007247847A

JP2007247847A - 動力伝達シャフト

Info

Publication number: JP2007247847A
Application number: JP2006074880A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Asano; 祐一浅野; Hiroo Morimoto; 洋生森本
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2006-03-17
Filing date: 2006-03-17
Publication date: 2007-09-27

Abstract

【課題】加工しわに起因する捩り強度の低下を防止できる動力伝達シャフトを提供する。
【解決手段】鋼管から塑性加工により成形され、端部１ｂ、１ｃに連結要素を一体に有し、熱硬化処理されている動力伝達シャフトである。塑性加工後の熱硬化処理前における内径面１５の加工しわ除去処理が施されている。外径最小径部１８の内径面に加工しわ除去処理が施されている。連結要素２５を有する端部１ｂ、１ｃの内径面に加工しわ除去処理が施されている。
【選択図】図１

Description

本発明は動力伝達シャフトに関し、例えば、自動車の動力伝達系の一部を構成するドライブシャフト（駆動軸）やプロペラシャフト（推進軸）に使用される動力伝達シャフトに関する。

自動車の動力伝達系を構成するシャフトには、エンジンと車輪軸受装置を繋ぐドライブシャフトや、変速機から減速歯車装置に動力を伝達するプロペラシャフトがあり、いずれも軸端部に連結要素であるスプライン等が設けられる。この動力伝達シャフトは、その種類を基本構造で大別すると、中実の棒材から加工された中実シャフトと、鋼管などから加工された中空シャフトとがある。

従来は、中実シャフトを使用していたが、近年、自動車の足回りの軽量化、捩り剛性やＮＶＨ特性の向上といった機能面での必要性から中空シャフトが用いられることが多くなってきた。

中空シャフトには、鋼管から塑性加工により成形され、端部に連結要素を一体に有する一体型中空シャフトがある。この一体型中空シャフトは、例えば、鋼管をその軸周りに回転させながら、高速度で直径方向に打撃して縮径させるスウェージング加工や鋼管をダイスに軸方向に押し込むことで縮径させるプレス加工により成形されたものが用いられる。このようなスウェージング加工などの塑性加工により製作された中空シャフトは、鋼管が縮径される際にその内径側に素材が塑性流動することにより、内径面（内表面）に加工しわが残り易い。この内表面の加工しわは、シャフトに捩りトルクが付加される際、破損起点となる可能性があり、この部位から破損すれば、静捩り強度や捩り疲労強度が低下するおそれがある。

内表面の加工しわの発生を抑制する方法として、スウェージング加工時にマンドレルを挿入することで内径を拘束しながら加工する方法がある。しかしながら、内部にマンドレルを挿入してスウェージング加工した場合、外径形状を成形するダイスにかかる負荷が高くなることや、外径を縮径しながら増肉する際、マンドレルにより内径が拘束されるため、マンドレル無しに比べて肉厚の増加量に制限を受けるデメリットがある。また、マンドレルを挿入して加工しても、内表面の加工しわを完全に無くすことができるわけではない。

そこで、従来では、内表面の加工しわがある程度残った状態でもシャフトの強度を向上させるとともに、安定した捩り強度を確保する方法として、中空シャフトの内表面を硬化させる方法が提案されている（特許文献１）。
特開２００２−３４９５３８号公報

前記特許文献１に記載のように、内表面を硬化させる方法によれば、加工しわが浅ければ、硬化することによって、加工しわが起点となる破損を抑制することが可能である。しかしながら、加工しわが深ければ、内表面を硬化させても、加工しわが起点となる破損が生じる可能性がある。特に、マンドレルを使用せずにスウェージング加工を行った場合や、絞り量が多いスウェージング加工等を行った場合、内表面に深い加工しわが形成される可能性が高い。このため、内表面に深い加工しわが形成されるおそれがある中空シャフトに対しては、超音波探傷などにより、過度に深い加工しわを検出する必要があり、深い加工しわが検出されれば、不良品等となって、使用できない。

本発明は、上記課題に鑑みて、加工しわに起因する捩り強度の低下を防止できる動力伝達シャフトを提供する。

本発明の動力伝達シャフトは、鋼管から塑性加工により成形され、端部に連結要素を一体に有し、熱硬化処理されている動力伝達シャフトであって、塑性加工後の熱硬化処理前における内径面の加工しわ除去処理が施されているものである。

本発明では、内径面の加工しわ除去処理が施されているので、等速自在継手等に連結されて、捩りトルクが付加された際に、破損起点となり得る加工しわを有しない。

外径最小径部の内径面または連結要素を有する端部の内径面に加工しわ除去処理が施されている。すなわち、強度的に劣る部位で加工しわが除去されている。

加工しわ除去処理を切削および研磨加工にて行うことができる。

捩りトルクが付加された際に、破損起点となり得る加工しわを有しないので、捩り強度が安定する。また、このシャフトを成形する際の塑性加工（スウェージング加工）時に、内径面の加工しわを抑制するためのマンドレルを挿入する必要がなくなり、金型費を低減できる。さらに、マンドレルが無いので、外径形状を成形するダイスの加工負荷が低減する。このため、ダイスの寿命向上が達成できる。しかも、寿命が向上した分、より大きな絞り率で加工でき、より大きな増肉加工が可能となる。また、加工しわを検出する超音波探傷などの検査工程を省略することができ、製造コストの低減を図ることができる。

特に、外径最小径部の内径面に加工しわ除去処理を施したり、連結要素を有する端部の内径面に加工しわ除去処理を施したりすれば、加工しわ除去処理が最小限作業で済む。すなわち、外径最小径部の内径面や端部の内径面は、加工しわが発生しやすく、また他の部位は加工しわが発生しにくいので、外径最小径部の内径面や端部の内径面の加工しわを除去すれば、シャフト全体に深い加工しわを有さない状態となる。また、外径最小径部や端部は、捩り強度の最弱部となるため、この部位の内径面の加工しわさえ除去すれば、外径側起点の破損モードに比べて低強度となり易い内径面の加工しわが起点となる破損モードを防ぐことができる。このように、加工しわ除去処理が最小限作業で済むことによって、生産性に優れ、コスト低減に寄与する。

本発明に係る動力伝達シャフトの実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。

図１に示す実施形態の動力伝達シャフト１は、最外径部を持つ中央のパイプ部１ａと端部外周面にスプライン等の連結部が形成された端部１ｂ、１ｃとを同一鋼管から一体成形した一体型中空シャフトである。

この動力伝達シャフト１は、例えば、図２に示すように、自動車のフロント用ドライブシャフトに適用され、デファレンシャル側（デフ側）の摺動式等速自在継手２と、ホイール側の固定式等速自在継手３とを連結する。

摺動式等速自在継手２は、この場合、トリボード型等速自在継手であって、外側継手部材４と、内側継手部材としてのトリボード部材５と、トルク伝達部材としてのローラ６を主要な構成要素としている。そして、トリボード部材５はボス９と脚軸７とを備え、ボス９にはシャフト１の一方の端部１ｂとトルク伝達可能に結合するスプラインまたはセレーション孔が形成してある。すなわち、この端部１ｂの外周面にはスプラインまたはセレーションからなる連結要素２５が形成されている。この場合、なお、脚軸７にローラ６が装着され、外側継手部材４とシャフト１との間にブーツ８が装着されている。

固定式等速自在継手３は、内球面にトラック溝が形成された外側継手部材１０と、外球面にトラック溝が形成された内側継手部材１１と、前記外側継手部材１０のトラック溝と内側継手部材１１のトラック溝との間に介在してトルクを伝達する複数のボール１２と、前記外側継手部材１０と内側継手部材１１との間に介在してボール１２を保持するケージ１３とを備える。そして、内側継手部材１１にはシャフト１の他方の端部１ｃとトルク伝達可能に結合するスプラインまたはセレーション孔が形成してある。この端部１ｃの外周面にはスプラインまたはセレーションからなる連結要素２５が形成されている。なお、外側継手部材１０とシャフト１との間にブーツ１４が装着されている。

動力伝達シャフト１は、動力伝達シャフト１のパイプ部１ａは、中間大径部１７と、他方の端部１ｃ側の外径最小径部１８と、中間大径部１７と外径最小径部１８との間にテーパ部１９を介して配設される中径部２０と、中間大径部１７と一方の端部１ｂの間にテーパ部２１を介して配設される中径部２２とを備える。

そして、この動力伝達シャフト１は、鋼管をその軸周りに回転させながら、高速度で直径方向に打撃して縮径させるスウェージング加工などの塑性加工により成形される。このようなスウェージング加工などの塑性加工により製作された動力伝達シャフト１は、鋼管が縮径される際にその内径側に素材が塑性流動することにより、内径面（内表面）１５に加工しわ１６（図３参照）ができ易い。なお、図３では加工しわ１６を誇張して記載しており、実際にはもう少し小さい。

そこで、本発明では、スウェージング加工などの塑性加工後に、動力伝達シャフト１の内径面１５の形成された加工しわ１６の除去処理を行う。この除去処理としては、切削加工を行うことになる。スウェージング加工には、マンドレルを使用（挿入）する加工と、マンドレルを使用しない加工とがある。また、切削加工には、後述する穴あけ加工（ドリリング）、中ぐり（ボーリング）、フライス加工、及びリーマ仕上げ等の切削加工と、ホーニング仕上げ等のといしを工具として微量ずつ工作物を削る加工と、ラップ仕上げ、バフ仕上げ等の微細な砥粒によって工作面を仕上げる研磨加工等を含むものとする。

ところで、マンドレルを使用（挿入）せずにスウェージング加工した場合や、マンドレルを使用（挿入）しても絞り量が多い場合、スウェージング加工等にて塑性加工を行えば、内径面１５に深い加工しわ１６が形成される可能性が高い。特に、外径最小径部１８および端部１ｂ、１ｃは、絞り量が多いため、この部位の内径面１５ｄ、１５ｂ、１５ｃに深い加工しわ１６が形成され易い。外径最小径部１８および端部１ｂ、１ｃは、捩り強度で最弱部となるため、この部位の内径面１５ｄ、１５ｂ、１５ｃに深い加工しわ１６があると、ここが破損起点となり、さらに捩り強度が低下する可能性がある。このため、この実施形態では、連結要素２５を有する端部１ｂ、１ｃの内径面１５ｂ、１５ｃ、及び外径最小径部１８の内径面１５ｄに発生した加工しわ１６のみを除去している。図１において、αは一方の端部１ｂにおける内表面切削加工範囲を示し、βは他方の端部１ｃにおける内表面切削加工範囲を示し、γは外径最小径部１８における内表面切削加工範囲を示している。

この場合、穴（孔）あけ加工（ドリリング）、中ぐり（ボーリング）、フライス加工（ミーリング）等の切削加工を施して、端部１ｂ、１ｃの内径面１５ｂ、１５ｃ、及び外径最小径部１８の内径面１５ｄに発生した加工しわ１６を除去する。

また、スウェージング加工時にマンドレルを挿入し、ある程度加工しわ１６が抑制されている場合、さらには塑性加工の絞り量が小さくて加工しわ１６が小さい場合等においては、リーマ仕上げやホーニング加工等の少ない加工代による切削加工および研磨加工にて加工しわ除去処理を行う。

このように、加工しわ除去処理が終了すれば、動力伝達シャフト１に対して高周波焼入れ・焼戻し処理等の熱硬化処理を施す。動力伝達シャフト１の硬化処理は、高周波誘導加熱用コイルを動力伝達シャフト１の外径側に配置することにより行う。これにより、動力伝達シャフト１の外径面３０から内径面１５までの肉厚全体または一部内径面に未硬化層をのこして硬化部が形成される。

本発明の動力伝達シャフトによれば、内径面１５の加工しわ除去処理が施されているので、捩りトルクが付加された際に、破損起点となり得る加工しわ１６が無く、捩り強度が安定する。また、このシャフトを成形する際の塑性加工（スウェージング加工）時に、内径面の加工しわ１６を抑制するためのマンドレルを挿入する必要がなくなり、金型費を低減できる。さらに、マンドレルが無いので、外径形状を成形するダイスの加工負荷が低減する。このため、ダイスの寿命向上が達成できる。しかも、寿命が向上した分、より大きな絞り率で加工でき、より大きな増肉加工が可能となる。また、加工しわ１６を検出する超音波探傷などの検査工程を省略することができ、製造コストの低減を図ることができる。

特に、外径最小径部１８の内径面１５ｄに加工しわ除去処理を施したり、連結要素２５を有する端部１ｂ、１ｃの内径面１５ｂ、１５ｃに加工しわ除去処理を施したりすれば、加工しわ除去処理が最小限作業で済む。すなわち、外径最小径部１８の内径面１５ｄや端部１ｂ、１ｃの内径面１５ｂ、１５ｃは、加工しわ１６が発生しやすく、また他の部位は加工しわ１６が発生しにくいので、外径最小径部１８の内径面１５ｄや端部１ｂ、１ｃの内径面１５ｂ、１５ｃの加工しわ１６を除去すれば、シャフト全体に深い加工しわ１６が有さない状態となる。また、外径最小径部１８や端部１ｂ、１ｃは、捩り強度の最弱部となるため、この部分の内径面１５ｄ、１５ｂ、１５ｃの加工しわ１６さえ除去すれば、外径側起点の破損モードに比べて低強度となり易い内径面の加工しわが起点となる破損モードを防ぐことができる。このように、加工しわ除去処理が最小限作業で済むことによって、生産性に優れ、コスト低減に寄与する。

また、加工しわ１６の除去処理が不十分で加工しわ１６が残っても、動力伝達シャフト１の内径面１５を高周波焼入れ・焼戻し処理により硬化処理すれば、この残った加工しわ１６が破損の起点となりにくくなり、動力伝達シャフト自体の強度を向上させると共に安定した捩り疲労強度を確保することができる。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく種々の変形が可能であって、例えば、塑性加工としては、スウェージング加工以外のプレス装置を使用した絞り加工等であってもよい。また、加工しわ１６の除去処理を行う際に、内径面１５全体を行うようにしてもよい。なお、動力伝達シャフト１の外径面３０に所定の残留圧縮応力を付与すれば、その残留圧縮応力の増大により、動力伝達シャフト１の捩り疲労強度をより一層向上させることが可能となる。その残留圧縮応力は、例えばショットピーニング処理により付与することができる。ここで、ショットピーニング処理とは、ショット材と呼ばれる硬質な小球を、投射装置により加速して噴射させ、被加工部体に高速で衝突させる冷間加工法である。

また、前記実施形態では、動力伝達シャフト１の一方の端部１ｂに装着される摺動式等速自在継手２としてトリポード型等速自在継手（ＴＪ）を採用し、他方の端部１ｃに装着される固定式等速自在継手３としてツェッパ型等速自在継手（ＢＪ）を採用していたが、摺動式等速自在継手として、ダブルオフセット型等速自在継手（ＤＯＪ）やクロスグルーブ型等速自在継手（ＬＪ）を採用したり、固定式等速自在継手として、アンダーカットフリー型等速自在継手（ＵＪ）を採用したりすることも可能である。

本発明の実施形態を示す動力伝達シャフトの一部断面で示す正面図である。前記動力伝達シャフトに等速自在継手自在継手を装着した状態の断面図である。前記図１のＸ−Ｘ線拡大断面図である。

符号の説明

１ｂ、１ｃ端部
１５内径面
１８外径最小径部
２５連結要素

Claims

鋼管から塑性加工により成形され、端部に連結要素を一体に有し、熱硬化処理されている動力伝達シャフトであって、塑性加工後の熱硬化処理前における内径面の加工しわ除去処理が施されていることを特徴とする動力伝達シャフト。
外径最小径部の内径面に加工しわ除去処理が施されていることを特徴とする請求項１の動力伝達シャフト。
前記連結要素を有する端部の内径面に加工しわ除去処理が施されていることを特徴とする請求項１の動力伝達シャフト。
前記加工しわ除去処理が切削および研磨加工であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかの動力伝達シャフト。