JP2007292170A

JP2007292170A - 動力伝達軸及びその製造方法

Info

Publication number: JP2007292170A
Application number: JP2006119538A
Authority: JP
Inventors: Yukio Matsubara; 幸生松原; Yuichi Asano; 祐一浅野
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2006-04-24
Filing date: 2006-04-24
Publication date: 2007-11-08

Abstract

【課題】相手部品との接触部の馴染みを良くして、接触縁に作用する引張応力を低減させて疲労強度を向上させることができる動力伝達軸及びその製造方法を提供する。
【解決手段】端部２、３にトルク伝達用の溝を有する中炭素鋼からなる動力伝達軸である。端部２、３の溝形成部５、６の表層に浸炭焼入層を形成する。浸炭焼入層の表面における残留オーステナイト量が２０％以上である。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車や各種産業機械における動力の伝達に用いられる動力伝達軸に関し、特に等速自在継手に使用される動力伝達軸及びその製造方法に関するものである。

近年では、環境問題に対する関心の高まりから、例えば自動車では排ガス規制の強化や燃費向上等が強く求められており、それらの対策の一環として、ドライブシャフト、プロペラシャフト等の動力伝達軸にもさらなる軽量化・強度向上が強く求められている。

これらの動力伝達軸の多くは、軸端に形成されたスプラインあるいはセレーション（以下、スプラインで代表する）によって、相手部品（例えば、等速自在継手の内輪）と連結される。この種の動力伝達軸のスプライン部は、転造加工やプレス加工等の塑性加工によって成形され、その後焼入れ（高周波焼入れ）を施して強度を確保している。

一般に、動力伝達軸の疲労破壊は、前記スプライン部を起点として起きる。スプライン部の破壊モードは大きく２つに分けられる。一つは一般的な破損モードであり、このモードは、図３のスプライン部の拡大模式図で示すように、スプライン溝底の引張応力が集中するα部、もしくはせん断応力が集中するβ部が起点となって、破損するモードである。このような破損を防止するために、応力集中を緩和する形状にすることで強度を高める方法が提案されている（特許文献１）。

また、もう一つの破損モードは、相手部品との接触領域（接触部）５０の縁である図３におけるγ部に作用する引張応力に起因する場合である。

特開２００５−１４７３６７号公報

図３におけるγ部に作用する引張応力に起因するモードの破損は、高サイクル疲労の場合に、まれにではあるが前記一般的な破損モードに先行して起きることがある。しかしながら、この破損モードに対しては十分な考慮がはらわれていないのが現状である。

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、相手部品との接触部の馴染みを良くして、接触縁に作用する引張応力を低減させて疲労強度を向上させることができる動力伝達軸及びその製造方法を提供することにある。

本発明の動力伝達軸は、端部にトルク伝達用の溝を有する中炭素鋼からなる動力伝達軸であって、端部の溝形成部の表層に浸炭焼入層を形成し、かつこの浸炭焼入層の表面における残留オーステナイト量が２０％以上であるものである。

本発明の動力伝達軸では、浸炭焼入層の表面に軟質な残留オーステナイト量が多く含まれるので、この端部のトルク伝達用の溝（スプライン溝）における相手部品との接触部の馴染みを良くすることができる。

本発明の動力伝達軸の製造方法は、端部にトルク伝達用の溝を有する中炭素鋼からなる動力伝達軸の製造方法であって、油中での高周波焼入れを行って、端部の溝形成部の表層に浸炭焼入層を形成した後、全体を大気中で高周波焼入れを行い、浸炭焼入層の表面における残留オーステナイト量を２０％以上とするものである。

本発明の動力伝達軸の製造方法では、油中での高周波焼入れにより、形成される硬化層は、油に含まれる炭素が侵入・拡散して母材より炭素濃度が増加する。これは、高周波焼入れ中に被処理物と油との間に介在する蒸気膜が還元雰囲気(浸炭雰囲気)となるからである。このため、端部の表面に簡便にかつ迅速に薄い浸炭層を設けることができる。

本発明の動力伝達軸は、浸炭焼入層の表面に軟質な残留オーステナイト量が多く含まれるので、この端部のトルク伝達用の溝（スプライン溝）における相手部品（例えば、等速自在継手の内輪）との接触部の馴染みを良くすることができる。このため、相手部品との接触部に作用する引張応力を低減させて疲労強度を向上させることができる。また、接触部に作用する引張応力に起因する早期破損を防止でき、寿命を高めることができる。

本発明の動力伝達軸の製造方法は、端部の表面に簡便にかつ迅速に薄い浸炭層を設けることができる。このため、相手部品との接触部に作用する引張応力を低減させて疲労強度を向上させることができる動力伝達軸を製造することができる。

本発明に係る動力伝達軸およびその製造方法の実施形態を以下に詳述する。

図１は動力伝達軸の実施形態として、例えば、自動車のドライブシャフトに使用される場合を例示する。ドライブシャフトは、動力伝達軸である中間シャフト１の一方の軸端部２に摺動式等速自在継手（図示せず）がスプライン嵌合などにより連結され、他方の軸端部３に固定式等速自在継手（図示せず）がスプライン嵌合などにより連結される。

また、シャフト１の端部２、３には夫々スプライン部５、６が形成されている。すなわち、シャフト１は、本体部４と、この本体部４の両端にテーパ部７、８及び大径部９、１０を介して連設されるスプライン部５、６とを備える。また、スプライン部５、６には、このシャフト１が等速自在継手の内方部材に連結された際の抜け止め用の止め輪（スナップリング）が嵌合される周方向溝１１、１２が形成されている。

この中間シャフト１は、炭素含有量が約０．３〜０．７ｗｔ％の中炭素鋼を用いている。なお、この中間シャフト１は、中実の棒材から加工された中実シャフト、あるいは鋼管などから加工された中空シャフト、あるいは溶接や摩擦圧接を用いた接合シャフトのいずれであってもよい。

このシャフト１のスプライン部５、６（溝形成部）の表層に浸炭焼入層を形成している。また、この浸炭焼入層の表面における残留オーステナイト量が２０％以上としている。

ここで、残留オーステナイトとは、鋼を焼入れた場合、その鋼のマルテンサイト変態終了温度（Ｍｆ点）が室温以下になると、まだ変態を完了していないオーステナイトは、そのまま焼入れ後も残ることになり、この残ったものである。この残留オーステナイトは、じん性、転がり疲れ強さを向上させる。このため、浸炭焼入層は、耐なじみ性向上と面圧の緩和効果により寿命はさらに向上することになる。この場合、残留オーステナイトは、２０％以上が好ましい。残留オーステナイトが２０％未満では、馴染み性および面圧の緩和効果が十分に得られないからである。なお、残留オーステナイトが５０％を超えると硬度が低下するおそれがある。このため、残留オーステナイトが２０％〜５０％とするのがより好ましいといえる。

次にこのシャフト１の製造方法を説明すると、中炭素鋼からなるシャフト素材の端部にスプライン溝を有するスプライン部５、６を転造加工によって形成し、このスプライン部５、６に対して油中で高周波焼入れを行い、その後、全体に対して大気中で高周波焼入れを行う。ここで、油中で高周波焼入れとは、スプライン部５、６を油に浸漬した状態で高周波焼入れを行うことである。また、この際使用する油は、一般的な市販の焼入用コールド油でよい。高周波焼入れとは、焼入れ用コイルに高周波電流を流すことによって、誘導体（被加工体）の表面部分に誘導電流を生じさせて発熱させ、この熱により被加工体の表面を急速に加熱して焼入れを行う方法である。また、大気中での高周波焼入れ後には低温焼戻しを行う。

これによって、スプライン部５、６（溝形成部）の表面に浸炭焼入層を形成することができ、しかもこの浸炭焼入層の表面における残留オーステナイト量を２０％以上とすることができる。すなわち、油中で高周波焼入れを行えば、高周波焼入れ中に被処理物（シャフト１）と油との間に介在する蒸気膜が還元雰囲気(浸炭雰囲気)となって炭素の侵入・拡散が起きるので、浸炭焼入層を形成することができる。このように、油に含まれる炭素が侵入・拡散して母材より炭素濃度が増加し、スプライン部５、６（溝形成部）の表面に簡便にかつ迅速に薄い浸炭層を設けることができる。

ところで、油中で高周波焼入れの焼入れ温度が重要であり、ある温度以下では浸炭されず、この温度をさらに下回れば、逆に脱炭が生じる。ここで、ある温度は、１０００℃である。

また、油中での高周波焼入れによって、設けたスプライン部５，６の浸炭層の炭素濃度が適正以上あれば、その後の全体の高周波焼入れによって、この浸炭層（浸炭焼入層）にオーステナイトが多く（２０％以上）残留する。ここで、この浸炭層の適正炭素濃度は、１．０ｗｔ％以上である。

本発明の動力伝達軸では、浸炭焼入層の表面に軟質な残留オーステナイトが多く含まれるので、この端部のトルク伝達用の溝（スプライン溝）における相手部品（例えば、等速自在継手に内輪）との接触部５０（図３参照）の馴染みを良くすることができる。このため、相手部品との接触部に作用する引張応力を低減させて疲労強度を向上させることができる。また、接触部５０に作用する引張応力に起因する早期破損を防止でき、寿命を高めることができる。

本発明の動力伝達軸の製造方法では、端部２、３の表面に簡便にかつ迅速に薄い浸炭層を設けることができる。これにより、相手部品との接触部５０に作用する引張応力を低減させて疲労強度を向上させることができる動力伝達軸を製造することができる。

ところで、浸炭層を形成する場合、還元雰囲気炉内で浸炭焼入れを行うことも可能である。

図１に示す形状の５種類のシャフト（発明品Ａ１〜Ａ５）と、このシャフトと同一形状をなす２種類のシャフト（比較品Ｂ１、Ｂ２）とを形成して、発明品と比較品とについて捩り疲労試験を行った。発明品及び比較品の各シャフト素材は、表１に示すような成分の中炭素鋼を使用した。すなわち、Ｃを０．３９ｗｔ％、Ｓｉを０．０５ｗｔ％、Ｍｎを０．９７ｗｔ％、Ｐを０．０１４ｗｔ％、Ｓを０．０１７ｗｔ％、Ｃｕを０．１８ｗｔ％、Ｎｉを０．０５ｗｔ％、Ｃｒを０．１１ｗｔ％、Ｂを０．００１７ｗｔ％含有している。

また、各シャフト１は、その全長Ｌが２００ｍｍとされ、一方の端面１ａから大径部９とテーパ部７との境目１５までの寸法Ｌ１を３２ｍｍとし、端面１ａから周方向溝１１の大径部側端縁１６までの寸法Ｌ２を８．１ｍｍとし、周方向溝１１の大径部側端縁１６からスプライン部５の端縁１７までの寸法Ｌ３を１９．４５ｍｍとしている。また、他方の端面１ｂから大径部９とテーパ部８との境目２０までの寸法Ｌ４を２９ｍｍとし、端面１ｂから周方向溝１２の大径部側端縁２１までの寸法Ｌ５を４．０５ｍｍとし、周方向溝１２の大径部側端縁２１からスプライン部６の端縁２２までの寸法Ｌ６を２０．２ｍｍとしている。シャフト１の本体部４の外径Ｄを１９ｍｍとし、大径部９、１０の外径Ｄ１を２２ｍｍとし、テーパ部７、８のテーパ角度θを１５度としている。

発明品と比較品とは、それぞれスプライン部となるスプライン溝を転造加工によって形成し、発明品Ａ１〜Ａ５及び比較品Ｂ１では、このスプライン部のみを油中で高周波焼入れを行って表面に薄い浸炭層を形成した後、全体を大気中で高周波焼入れを行った。また、比較品Ｂ２では、単に全体を大気中で高周波焼入れを行ったのみである。

油中で高周波焼入れは、次の表２で示すように、各発明品で条件を変えた。すなわち、焼入れ温度として、高温（１２００℃）と低温（１０５０℃）との２水準を設け、焼入時間として、長時間（９秒）と中時間（６秒）と短時間（３秒）との３水準を設けて、これらを組み合わせた。具体的には、発明品Ａ１では高温長時間とし、発明品Ａ２では高温中時間とし、発明品Ａ３では高温短時間とし、発明品Ａ４では低温長時間とし、発明品Ａ５では低温中時間とし、比較品Ｂ１では低温短時間とした。そして、全発明品Ａ１〜Ａ５及び比較品Ｂ１、Ｂ２について、大気中での高周波焼入れ後に、同一条件（１７０℃×１ｈ）での低温焼戻しを行った。

表２においては、スプライン溝横（図３に示すδ部に対応する部位）について測定した残留オーステナイト量を記載している。

そして、前記表２のように形成した各発明品と比較品とにおいて、捩りトルク８５０Ｎ・ｍの一定負荷条件にて両振り捩り疲労試験を行った。図２に試験結果の例として、浸炭層を設けずに、全体を高周波焼入れのみを行った比較品Ｂ２について破断寿命のワイブル分布図を示す。ここで、ワイブル分布とは、故障（損傷）率等の時間変化を近似できる分布曲線である。

図２において、横軸は寿命（時間）を示し、縦軸は累積破損確率（％）を示している。また、黒塗り●は一般的なモードの破損（図３のα部やβ部が起点となる破損）を示し、白抜き○は接触縁（図３のγ部）が起点となる破損を示している。このように、接触縁起点の破損が一般的なモードの破損に対して早期に発生したことを示している。

次に、表３に、接触縁起点型早期破損比率、１０％寿命、及びワイブルスロープｅを示す。ここで、接触縁起点型早期破損比率は、全破損数（一般型の破損の数と接触縁に起因する早期破損の数と合計した数）に対する接触縁に起因する早期破損の比率である。また、１０％寿命は、図２の回帰線から求めた累積破損確率１０％における寿命、すなわち信頼度９０％の寿命のことであり、ワイブルスロープｅは、図２の回帰線の傾きであり、確率密度分布の形態を表す値である。

この表３から分かるように、全発明品Ａ１〜Ａ５は、接触縁に起因する早期破損はなく、α部やβ部に起因する一般的な破損モードの破損のみ生じた。このため、全発明品Ａ１〜Ａ５は、１０％寿命及びワイブルスロープｅ値が大きくなっている。これは、高め安定の寿命分布といえる。これに対して、比較品Ｂ１、Ｂ２では、接触縁起点の早期破損が混在しているため、１０％寿命及びワイブルスロープｅ値が小さくなっている。すなわち、偶発的な短寿命が起き得るといえる。

このように、表２及び表３から、スプライン部の残留オーステナイト量が多いほど、接触縁起点の早期破断が起きにくいことがわかる。これは、軟質な残留オーステナイトは接触縁での馴染みを良くし、その結果、そこに作用する引張応力を低減できると考えられる。特に、残留オーステナイト量を２０％以上とするのが好ましいといえる。

本発明の動力伝達軸の実施形態を示す正面図である。動力伝達軸の破断寿命のワイブル分布図である。スプライン溝の拡大模式図である。

符号の説明

１動力伝達軸
２、３端部

Claims

端部にトルク伝達用の溝を有する中炭素鋼からなる動力伝達軸であって、端部の溝形成部の表層に浸炭焼入層を形成し、かつこの浸炭焼入層の表面における残留オーステナイト量が２０％以上であることを特徴とする動力伝達軸。
端部にトルク伝達用の溝を有する中炭素鋼からなる動力伝達軸の製造方法であって、油中での高周波焼入れを行って、端部の溝形成部の表層に浸炭焼入層を形成した後、全体を大気中で高周波焼入れを行い、浸炭焼入層の表面における残留オーステナイト量を２０％以上とすることを特徴とする動力伝達軸の製造方法。