JP2009014203A - Intermediate shaft with constant velocity joints connected to both ends - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、自動車等のドライブシャフトに用いられる等速ジョイントが両端に連結された中間シャフトに関するものである。 The present invention relates to an intermediate shaft in which a constant velocity joint used for a drive shaft of an automobile or the like is connected to both ends.
前輪駆動自動車用ドライブシャフトは、図6に示すように、エンジン側及び車輪側の等速ジョイント1,2と該等速ジョイントのインナレース3,4が両端に連結された中間シャフト5により構成されている。エンジン側の等速ジョイント1は軸方向の相体運動が可能なタイプで、車輪を懸架するサスペンション動作時の両ジョイント間の長さ及び角度変化を許容してトルクを伝達する。車輪側の等速ジョイント2は大角度タイプで、主として操舵による車輪の偏向を可能にしている。等速ジョイント1,2の軸動、角度変位時に中間シャフト5がジョイントのアウタレース6,7に干渉しないようにするために中間シャフト5の両端部外径は制限され、その中で所定の静的強度とねじり疲労強度が要求される。
As shown in FIG. 6 , the drive shaft for a front-wheel drive vehicle is constituted by an
従来、制限された外径のなかで静的強度、ねじり疲労強度を確保するために、係る中間シャフト5は中実にされ、シャフト表面を高周波コイルで加熱して急冷し表面焼入れしていた。静的強度の向上には、焼入れ率を高くするのが有効であるが、焼入れ率を高くし過ぎるとシャフト表面部分の残留圧縮応力が小さくなり、ねじり疲労強度が低下する。中実シャフトの焼入れ率は、硬度がHv400以上に焼入れされている外周表面からの焼き入れ深さとシャフトの半径との比である。中間シャフト5は、その静的強度及びねじり疲労強度の要求値を満たすために、高周波焼入れにより焼入れ率0.4〜0.6に表面焼入れを施されていた。
Conventionally, in order to ensure static strength and torsional fatigue strength within a limited outer diameter, the
近年、軽量化と高剛性化のために中間シャフトの中空化が図られている。しかし、中実シャフトと同径の中空シャフトに焼入れ率0.4〜0.6で表面焼入れを施すと中実シャフトに比して強度が著しく低下する不具合があった。中空シャフトの焼入れ率は、硬度がHv400以上に焼入れされている外周表面からの焼き入れ深さとシャフトの肉厚との比である。 In recent years, hollowing of the intermediate shaft has been attempted in order to reduce the weight and increase the rigidity. However, when surface quenching is performed on a hollow shaft having the same diameter as that of the solid shaft at a quenching rate of 0.4 to 0.6, there is a problem that the strength is remarkably reduced as compared with the solid shaft. The quenching rate of the hollow shaft is a ratio of the quenching depth from the outer peripheral surface that is hardened to Hv 400 or more and the thickness of the shaft.
本発明は、係る従来の不具合を解消するためになされたもので、中空の中間シャフトの静的強度及びねじり疲労強度を中実のもの以上にすることである。 The present invention has been made in order to eliminate such a conventional problem, and is to make the static strength and torsional fatigue strength of a hollow intermediate shaft more than solid.
上記の課題を解決するため、請求項1に係る発明の構成上の特徴は、等速ジョイントが両端に連結された中間シャフトにおいて、前記中間シャフトを内径と外径との比が0.15〜0.8の中空シャフトにし、該中空シャフトの外周表面を高周波焼入れすることにより、焼入れされている外周表面からの焼き入れ深さと該中空シャフトの肉厚との比である焼入れ率を0.7〜0.9とすることである。
In order to solve the above problems, the structural feature of the invention according to
請求項2に係る発明の構成上の特徴は、請求項1に記載の等速ジョイントが両端に連結された中間シャフトにおいて、前記高周波焼入れによって硬度がHv400以上に焼入れされている前記中空シャフトの外周表面からの焼き入れ深さと該中空シャフトの肉厚との比である焼入れ率を0.7〜0.9とすることである。
The structural feature of the invention according to claim 2 is that the outer circumference of the hollow shaft, wherein the constant velocity joint according to
請求項3に係る発明の構成上の特徴は、請求項2に記載の等速ジョイントが両端に連結された中間シャフトにおいて、前記中空シャフトを0.9〜2.0%のマンガン、0.06〜0.2%のクロム及び0.0005〜0.005%の硼素を含有し、硫黄の含有量を0.001〜0.005%に低減した炭素鋼で形成したことである。 The structural feature of the invention according to claim 3 is that in the intermediate shaft in which the constant velocity joint according to claim 2 is connected to both ends, the hollow shaft is made of 0.9 to 2.0% manganese, 0.06 It is formed of carbon steel containing ˜0.2% chromium and 0.0005˜0.005% boron and having a sulfur content reduced to 0.001˜0.005%.
上記のように構成した請求項1に係る発明においては、等速ジョイントが両端に連結された中間シャフトを内径と外径との比が0.15〜0.8の中空にし、該中空シャフトを0.7〜0.9の焼入れ率で外周表面を高周波焼入れした。焼入れ率を高くするために中空シャフトは軸穴に接する内周表面の近傍まで加熱されるが、中空シャフトは軸穴内に空気が存在し、この空気が加熱時に加熱され且つ鋼材から空気層への熱伝導率の低下により中空シャフトの内周表面近傍では急冷されないので、硬度は直線的に低下する。従って、焼入れ条件を適切に設定することにより中空シャフトを0.7〜0.9の焼入れ率で表面焼入れすることができ、静的強度及びねじり疲労強度を中実シャフト以上或いは同定度に維持して軽量化と高剛性化を可能にすることができる。
In the invention according to
上記のように構成した請求項2に係る発明においては、高周波焼入れによって硬度がHv400以上に焼入れされている中空シャフトの外周表面からの焼き入れ深さと該中空シャフトの肉厚との比を0.7〜0.9としたので、自動車等のドライブシャフトに用いられる中空シャフトを外周表面から必要な深さだけHv400以上の必要硬度に高周波焼入れし、中空シャフトの静的強度及びねじり疲労強度を中実シャフト以上或いは同定度に維持して軽量化と高剛性化を可能にすることができる。 In the invention according to claim 2 configured as described above, the ratio between the quenching depth from the outer peripheral surface of the hollow shaft that has been hardened to Hv 400 or more by induction hardening and the thickness of the hollow shaft is set to 0. Since it is 7 to 0.9, the hollow shaft used for the drive shaft of automobiles, etc. is induction-hardened to the required hardness of Hv400 or more by the required depth from the outer peripheral surface, and the static strength and torsional fatigue strength of the hollow shaft are medium It is possible to reduce the weight and increase the rigidity while maintaining the actual shaft or more or the identification degree .
上記のように構成した請求項3に係る発明においては、前記中空シャフトを0.9〜2.0%のマンガン、0.06〜0.2%のクロム及び0.0005〜0.005%の硼素を含有し、硫黄の含有量を0.001〜0.005%に低減した炭素鋼で形成したので、高周波焼入れの安定性及び焼入れ性が向上し、中空シャフトを0.7〜0.9の焼入れ率に正確に表面焼入れし、靭性の高い焼き入れ層を得ることができる。 In the invention which concerns on Claim 3 comprised as mentioned above, the said hollow shaft is 0.9-2.0% manganese, 0.06-0.2% chromium, and 0.0005-0.005%. Since it is formed of carbon steel containing boron and sulfur content reduced to 0.001 to 0.005% , the induction hardening stability and hardenability are improved, and the hollow shaft is made 0.7 to 0.9. Thus, a hardened layer with high toughness can be obtained.
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。図1において、10はエンジンの回転を車輪に伝達するドライブシャフトで、中間シャフトである中空シャフト11、中空シャフト11の両端にインナレース12,13が夫々スプライン嵌合されたエンジン側及び車輪側の等速ジョイント14,15により構成されている。中空シャフト11の両端部18は、等速ジョイント14,15が角度変位したときに中空シャフト11が等速ジョイント14,15のアウタレース16,17と干渉しないように中央部分19より外径が小さく形成されている。中央部分19は外径を大きくして剛性アップを図っている。中空シャフト11は、一例として、炭素鋼のパイプ材を軸線方向に延びないように両端を規制した状態で、外周を殴打して外径を所定寸法に収縮させ軸線上に軸穴20を設けてスエージングにより形成され、両端の小径部分18は中央の大径部分19より外径を収縮された分だけ肉厚が厚くなっている。中空シャフト11の寸法は車種によって異なるが、一般的には全長200〜650mm、両端部18の外径16〜30mm、内径3〜21mm、中央部分の外径29〜39mm、内径20〜31mmに形成され、中空シャフト11の内径と外径との比は0.15〜0.8である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In FIG. 1 ,
中空シャフト11は前述のように炭素鋼で形成され、該炭素鋼の含有成分及びその含有量(重量%)の一例を示すと、炭素(C)0.3〜0.5%、珪素(Si)0.01〜0.2%、マンガン(Mn)0.9〜2.0%、燐(P)0.001〜0.015、硫黄(S)0.001〜0.005%、クロム(Cr)0.06〜0.20、チタン(Ti)0.005〜0.2%、硼素(B)0.0005〜0.005%である。この中、マンガンは高周波焼入れの安定性を確保し、クロム及び硼素は高周波焼入れ性を向上する。硫黄は含有量を低減することにより高周波焼入れ層の靭性が向上する。
The
中空シャフト11は、上述のような材料、形状で形成された中間品の外周表面を高周波コイルで加熱して急冷し、0.7〜0.9の焼入れ率で表面焼入れされている。焼入れ率を高くするために中空シャフト11は軸穴20に接する内周表面の近傍まで加熱されるが、中空シャフト11は軸穴20内に空気が存在し、この空気が加熱時に加熱され且つ鋼材から空気層への熱伝導率の低下により中空シャフト11の内周表面近傍では急冷されない。中実シャフトの場合は、加熱された層の熱は外周表面からの急冷時に非加熱層にも急激に伝達されて急冷されるので、焼入れ硬度は加熱された深さまで高くなりそれより深い部分では階段状に低下するが、中空シャフトの場合は、上述のように内周表面近傍では急冷されないので、図2に示すように、硬度は直線的に低下する。従って、焼入れ条件を最適化することにより中空シャフト11を0.7〜0.9の焼入れ率で表面焼入れすることができる。中空シャフト11の焼入れ率は、硬度がHv400以上に焼入れされている外周表面からの焼き入れ深さhとシャフトの肉厚tとの比h/tである。高周波焼入れは焼入れ条件の設定、コントロールを正確に行なうことができるので、中空シャフト11を0.7〜0.9の焼入れ率で表面焼入れする焼入れ条件の最適化に適している。
The
本発明に係る等速ジョイントが両端に連結された中間シャフトによれば、中空シャフト11の両端部18の外径が同径の従来の中実のものに比して、両端部11の静的強度及びねじり疲労強度が同定度以上となる。図3は、横軸に焼入れ率、縦軸に中実及び中空シャフトの同径の両端部のねじり疲労強度を示したもので、白丸で示す中実シャフトのねじり疲労強度は、焼入れ率が0.4〜0.6の範囲で要求値以上になっているが、焼入れ率の増加につれて低下し0.6以上では要求値以下となる。これに対し、黒丸で示す中空シャフト11のねじり疲労強度は焼入れ率が0.7〜0.9の範囲において要求値以上に山状に高くなっている。図4は焼入れ率0.5で表面焼入れした従来の中実シャフトと焼入れ率0.8で表面焼入れした本発明に係る中空シャフトの残留圧縮応力を示すもので、中空シャフトの方が中実シャフトより残留圧縮応力が18%増加している。
According to the intermediate shaft in which the constant velocity joint according to the present invention is connected to both ends, the outer diameters of the both
図5は、焼入れ率0.5の中実及び中空シャフト、焼入れ率0.8の中空シャフト11の同径の端部の静的強度を示すもので、中間シャフトを中空シャフトにして焼入れ率を中実シャフトと同じ0.5にすると静的強度が約1割低下するが、0.8にすると従来の中実シャフトで焼入れ率0.5で表面焼入れした中間シャフトと同程度以上の静的強度になる。
FIG. 5 shows the static strength of a solid and hollow shaft with a quenching rate of 0.5 and an end portion of the same diameter of the
このように本発明に係る等速ジョイントが両端に連結された中間シャフトは、端部の外径が従来の中実シャフトと同一で、内径と外径との比が0.15〜0.8の中空シャフト11にすることによって軽量化し、中空シャフト11を0.7〜0.9の焼入れ率で表面焼入れすることによって静的強度及びねじり疲労強度を中実のもの以上或いは同程度にし、さらに、中央部分19の外径を大きくして剛性アップしたので、エンジンの回転を車輪に確実に効率的に応答性よく伝達することができる。
Thus, the intermediate shaft in which the constant velocity joint according to the present invention is connected to both ends has the same outer diameter as that of the conventional solid shaft, and the ratio of the inner diameter to the outer diameter is 0.15 to 0.8. The
10・・・ドライブシャフト、11・・・中空シャフト(中間シャフト)、14,15・・・等速ジョイント、18・・・両端部、19・・・中央部分、21・・・軸穴。
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