JP2009085381A - 動力伝達シャフト - Google Patents

Abstract

【課題】両端外周に形成されたスプラインおよび軸方向に沿って延在する電縫部を有するパイプ自体の強度を向上させる。
【解決手段】鋼材から形成されたパイプの両端外周にトルク伝達用のスプライン１４が形成された軸部１６を備え、自動車の動力伝達系の一部を構成する動力伝達シャフトにおいて、前記パイプは、その軸方向に延在する電縫部１１を有し、その電縫部１１を、軸部１６におけるスプライン１４の谷部を除く部位に配設する。軸方向に延在する電縫部を軸部における凹凸連結部の凹部を除く部位に配設することにより、電縫部と凹凸連結部の凹部とがパイプの周方向で一致することを回避し、パイプに最弱部が形成されることを防止することで、パイプの強度を確保する。
【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。

例えば、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と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る。これらドライブシャフトやプロペラシャフトの端部外周には、等速自在継手を結合させるためにスプライン等の凹凸連結部が形成されている。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、近年における自動車の高機能化や車室内の静粛性向上の要求から、動力伝達シャフトにも、強度、耐久性のみならず、軽量化、コンパクト化、ＮＶＨ（Noise Vibration Harshness）特性の向上など様々な機能が必要になってきている。

また、自動車の発進時の操縦性やダイレクト感を得るために捩り剛性の向上が必要である。捩り剛性の向上を図るためにはシャフト径を大きくすることが考えられるが、重量増加を招来し、シャフト径を大きくしてもスプライン径を所定値に設定する必要があるため、凹凸連結部の削り量も増加してコストアップを招くことになる。

さらに、自動車の走行時、エンジン振動とシャフトが共振して車内への騒音を招くのでそれを回避するために固有振動数のチューニングが必要である。固有振動数のチューニングを図るためには動力伝達シャフトにダンパー等を取り付けることが考えられるが、部品点数の増加や組み付け工数の増加などからコストアップを招来する。

これら機能面での必要性から、中実シャフトに代えて中空シャフトを多用する傾向にある。この種の中空シャフトは、一体型中空シャフトと接合型中空シャフトに大別される。一体型中空シャフトは、最外径部を持つ中央のパイプ部と、両端外周にスプライン等の凹凸連結部が形成された軸部とを同一素管から一体成形した構造を有する。これに対して、接合型中空シャフトは、パイプ部と、両端外周にスプライン等の凹凸連結部が形成された軸部（スタブ）とを別々に成形して摩擦圧接や溶接などにより接合した構造を有する。

ところで、前述した一体型や接合型の中空シャフトは、中実シャフトに比べて断面係数が減少し、中空シャフトに作用する最大剪断応力が大きくなるため、剪断強度が低下するおそれがある。また、動力伝達用の中空シャフトには、肉厚精度が高く、安定した強度が得られる電縫管が用いられる場合がある（例えば、特許文献１参照）。
特許第３７６０１１２号公報

しかしながら、電縫管は、寸法精度や仕上げ精度が良好な鋼材をパイプ状に成形して電気抵抗溶接で突き合わせ溶接した構造を有するため、その軸線方向に沿って延在する溶接部分の電縫部で破損し易く、動力伝達シャフトの強度低下を招来する。

一方、凹凸連結部としてのスプラインは、等速自在継手の内輪の軸孔内径に形成されたスプラインと嵌合することにより、その等速自在継手の内輪と動力伝達シャフトの軸部とをトルク伝達可能に連結する構造となっている。このスプラインは、山部と谷部が円周方向に交互に形成された軸方向に延びる多数の歯からなる。一般的に、スプラインを構成する歯の谷部は、応力集中などにより破損の起点となり易いことが知られている。

そこで、本発明は前述の点を改善して提案されたもので、その目的とするところは、両端外周に形成されたスプライン等の凹凸連結部および軸方向に沿って延在する電縫部を有するパイプ自体の強度を向上させ得る動力伝達シャフトを提供することにある。

前述の目的を達成するための技術的手段として、本発明は、鋼材から形成されたパイプの両端外周にトルク伝達用の凹凸連結部が形成された軸部を備え、自動車の動力伝達系の一部を構成する動力伝達シャフトにおいて、パイプは、その軸方向に延在する電縫部を有し、その電縫部を、軸部における凹凸連結部の凹部を除く部位に配設したことを特徴とする。なお、パイプの軸部における凹凸連結部としてはスプラインが適用可能である。スプラインは、山部と谷部が円周方向に交互に形成された軸方向に延びる多数の歯からなるため、凹凸連結部の凹部はスプラインの谷部となる。

前述の電縫部は、電気抵抗溶接で突き合わせ溶接した部分であるために強度が低い。また、凹凸連結部は、凸部と凹部が円周方向に交互に形成された軸方向に延びる多数の歯状をなし、その凹部の強度が低い。そのため、軸方向に延びる電縫部と軸部に位置する凹凸連結部の凹部とがパイプの周方向で一致した位置にあると、電縫部における凹凸連結部の凹部が最弱部となってパイプの強度が著しく低下する。

そこで、本発明では、前述したように、軸方向に延在する電縫部を、軸部における凹凸連結部の凹部を除く部位に配設することにより、電縫部と凹凸連結部の凹部とがパイプの周方向で一致することを回避し、パイプに最弱部が形成されることを未然に防止することで、パイプの強度を確保する。

本発明のパイプは、表面硬化処理が施されていることが望ましい。この表面硬化処理としては、浸炭処理、窒化処理あるいは高周波焼入れが好適である。このように、浸炭処理、窒化処理あるいは高周波焼入れによる表面硬化処理を施すことにより、パイプの強度を向上させることが可能となる。

また、本発明のパイプの電縫部のうち、少なくとも凹凸連結部に位置する電縫部にショットピーニング処理が施されていることが望ましい。このように、少なくとも凹凸連結部に位置する電縫部にショットピーニング処理を施せば、少なくとも凹凸連結部における電縫部を表面硬さを向上させることができ、電縫部表面の残留圧縮応力を増大させることにより捩り疲労強度を向上させることができる。

ここで、「少なくとも凹凸連結部に位置する電縫部」とは、凹凸連結部に位置する電縫部にショットピーニング処理を施すのに加えて、凹凸連結部に位置する電縫部以外の電縫部にもショットピーニング処理を施してもよいことを意味する。

本発明では、パイプの凹凸連結部での硬化層深さ比を０．５以上とすることが望ましい。このように凹凸連結部での硬化層深さ比を０．５以上とすれば、その凹凸連結部に等速自在継手をトルク伝達可能に連結する上で必要とする硬度を確保することが容易となる。この凹凸連結部での硬化層深さ比が０．５より小さいと、凹凸連結部に等速自在継手をトルク伝達可能に連結する上で必要とする硬度を確保することが困難となって好ましくない。なお、硬化層深さ比とは、凹凸連結部でのパイプ肉厚に対する硬化層の深さの比を意味する。

本発明によれば、鋼材から形成されたパイプの両端外周にトルク伝達用の凹凸連結部が形成された軸部を備え、自動車の動力伝達系の一部を構成する動力伝達シャフトにおいて、パイプは、その軸方向に延在する電縫部を有し、その電縫部を、軸部における凹凸連結部の凹部を除く部位に配設したことにより、電縫部と凹凸連結部の凹部とがパイプの周方向で一致することを回避し、パイプに最弱部が形成されることを未然に防止することで、パイプの強度を確保することができる。その結果、長寿命で信頼性の高い動力伝達シャフトを提供できる。

図１に示す実施形態の動力伝達シャフト１０は、最外径部を持つ中央のパイプ部１２と両端外周にスプライン１４が形成された凹凸連結部である軸部１６とを同一素管から一体成形したパイプからなる一体型中空シャフトである。また、図２に示す実施形態の動力伝達シャフト２０は、最外径部を持つ中央のパイプ部２２と、両端外周にスプライン２４が形成された凹凸連結部である軸部２ｂとを別々に成形して摩擦圧接や溶接などにより接合したパイプからなる接合型中空シャフトである。なお、図中の符号２８は接合部を示す。本発明は、これら一体型中空シャフトあるいは接合型中空シャフトのいずれにも適用可能である。

図３は、図１に示す動力伝達シャフト１０のパイプ部１２または図２に示す動力伝達シャフト２０のパイプ部２２の断面図、図４は、図１に示す動力伝達シャフト１０の軸部１６または図２に示す動力伝達シャフト２０の軸部２６の部分拡大断面図である。以下では、図１の実施形態および図２の実施形態を共通して説明する。

この動力伝達シャフト１０（２０）には、肉厚精度のよい電縫管を使用する。この電縫管では、寸法精度や仕上げ精度が良好な板材をパイプ状に成形して電気抵抗溶接で突き合わせ溶接したものであるため、その軸線方向に沿って形成された溶接部分である電縫部１１（２１）を有する（図３参照）。

一方、軸部１６（２６）は、等速自在継手の内輪とトルク伝達可能に連結される。例えば、この動力伝達シャフト１０（２０）をドライブシャフトとして使用する場合、一方の軸部１６（２６）には、バーフィールド型（ＢＪ）やアンダーカットフリー型（ＵＪ）の固定式等速自在継手の内輪がトルク伝達可能に連結され、他方の軸部１６（２６）には、ダブルオフセット型（ＤＯＪ）やトリポード型（ＴＪ）の摺動式等速自在継手の内輪がトルク伝達可能に連結される。なお、動力伝達シャフト１０（２０）は、ドライブシャフト以外にプロペラシャフトにも適用可能である。

これら等速自在継手の内輪とトルク伝達可能に連結するための構造として、軸部１６（２６）の外周面に、凹凸連結部であるスプライン１４（２４）が形成されている。スプライン１４（２４）は、図４に示すように山部１３（２３）と谷部１５（２５）が円周方向に交互に形成された軸方向に延びる多数の歯からなる。

なお、図示の実施形態では、台形状の山部１３（２３）と谷部１５（２５）からなるスプライン１４（２４）を例示しているが、本発明はこれに限定されることなく、台形状以外の形状を持つ山部と谷部からなるスプラインやセレーション、さらに、スプラインやセレーション以外の他の凹凸部を円周方向に交互に形成して軸方向に延びる多数の歯からなるものであってもよい。

ここで、前述の電縫部１１（２１）は、電気抵抗溶接で突き合わせ溶接した部分であるために強度が低い。また、軸部１６（２６）の外周面に形成されたスプライン１４（２４）は、山部１３（２３）と谷部１５（２５）が円周方向に交互に形成された軸方向に延びる多数の歯状をなし、その谷部１５（２５）の強度が低い。

そのため、軸方向に延びる電縫部１１（２１）と、軸部１６（２６）のスプライン１４（２４）における谷部１５（２５）とがパイプの周方向で一致した位置にあると、電縫部１１（２１）におけるスプライン１４（２４）の谷部１５（２５）が最弱部となってパイプの強度が著しく低下する。

そこで、この実施形態の動力伝達シャフト１０（２０）では、図４に示すように、軸方向に延在する電縫部１１（２１）を、軸部１６（２６）におけるスプライン１４（２４）の谷部１５（２５）を除く部位、つまり、山部１３（２３）が位置する部位Ｘに配設する。このように、電縫部１１（２１）をスプライン１４（２４）の谷部１５（２５）を除く部位〔山部１３（２３）が位置する部位〕Ｘに配設したことにより、電縫部１１（２１）とスプライン１４（２４）の谷部１５（２５）とがパイプの周方向で一致することを回避し、パイプに最弱部が形成されることを未然に防止することで、パイプの強度を確保する。

このパイプの強度を向上させるためには、パイプに表面硬化処理を施すことが好ましい。パイプ全体に亘って表面硬化処理を施す場合には、例えば、浸炭処理、窒化処理あるいは高周波焼入れが好適である。このように、浸炭処理、窒化処理あるいは高周波焼入れによる表面硬化処理を施すことにより、パイプの強度を向上させることが可能となる。

浸炭処理としては、例えば、Ｓ３５Ｃ材から形成されたパイプ素材を用いて、所望の形状に加工した後、保持温度９３０℃で４時間の浸炭および拡散処理を行えばよい。さらに、８５０℃で保持した後に急冷することで焼入れを行っても良い。

また、窒化処理としては、例えば、Ｓ３５Ｃ材から形成されたパイプ素材を用いて、所望の形状に加工した後、保持温度９３０℃で４時間の浸炭および拡散処理を行えばよい。さらに、８５０℃で保持した後に急冷することで焼入れを行っても良い。

さらに、高周波焼入れによる表面硬化処理としては、例えば、Ｓ３５Ｃ材から形成されたパイプ素材を用いて、所望の形状に加工した後、供試体の表面の最高加熱温度を１０００℃とし、移動焼入れで行っても良い。

また、パイプの電縫部１１（２１）のうち、軸部１６（２６）のスプライン１４（２４）に位置する電縫部１１（２１）にショットピーニング処理を施すようにしてもよい。パイプに部分的な表面硬化処理を施す場合には、ショットピーニング処理が好適である。ここで、ショットピーニング処理とは、一般的に小さな鋼粒を圧縮空気または遠心力で金属表面にたたきつけて表面の応力を均一化することである。

このように、軸部１６（２６）のスプライン１４（２４）に位置する電縫部１１（２１）にショットピーニング処理を施せば、軸部１６（２６）のスプライン１４（２４）における電縫部１１（２１）を表面硬さを向上させることができ、電縫部表面の残留圧縮応力を増大させることにより捩り疲労強度を向上させることができる。

ここで、前述の場合、軸部１６（２６）のスプライン１４（２４）に位置する電縫部１１（２１）にショットピーニング処理を施したが、軸部１６（２６）のスプライン１４（２４）に位置する電縫部以外の電縫部１１（２１）や、その電縫部１１（２１）を含めたパイプ全体にショットピーニング処理を施してもよい。

また、軸部１６（２６）のスプライン１４（２４）での硬化層深さ比は０．５以上が好ましい。このようにスプライン１４（２４）での硬化層深さ比を０．５以上とすれば、その軸部１６（２６）に等速自在継手をトルク伝達可能に連結する上で必要とする硬度を確保することが容易となる。

このスプライン１４（２４）での硬化層深さ比が０．５より小さいと、軸部１６（２６）に等速自在継手をトルク伝達可能に連結する上で必要とする硬度を確保することが困難となって好ましくない。ここで、硬化層深さ比とは、軸部１６（２６）でのパイプ肉厚に対する硬化層の深さの比を意味する。

なお、前述したように、この動力伝達シャフト１０（２０）をドライブシャフトに使用する場合、次のような利点がある。つまり、アンダーカットフリー型（ＵＪ）の固定式等速自在継手の作動角がバーフィールド型（ＢＪ）の固定式等速自在継手よりも高角であることから、一方の軸部１６（２６）にアンダーカットフリー型（ＵＪ）の固定式等速自在継手を連結した場合、その軸部１６（２６）にバーフィールド型（ＢＪ）の固定式等速自在継手を連結した場合よりも、パイプの最小径部を厚肉化することができる。

本発明は前述した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、さらに種々なる形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。

本発明に係る動力伝達シャフトの実施形態で、一体型中空シャフトを示す一部断面部分を含む正面図である。 本発明に係る動力伝達シャフトの他の実施形態で、接合型中空シャフトを示す一部断面部分を含む正面図である。 パイプ（電縫管）の電縫部を示す断面図である。 パイプの軸部のスプラインを示す部分拡大断面図である。

符号の説明

１０，２０ 動力伝達シャフト
１１，２１ 電縫部
１３，２３ 凸部（山部）
１４，２４ 凹凸連結部（スプライン）
１５，２５ 凹部（谷部）

Claims (7)

1. 鋼材から形成されたパイプの両端外周にトルク伝達用の凹凸連結部が形成された軸部を備え、自動車の動力伝達系の一部を構成する動力伝達シャフトにおいて、前記パイプは、その軸方向に延在する電縫部を有し、その電縫部を、前記軸部における凹凸連結部の凹部を除く部位に配設したことを特徴とする動力伝達シャフト。
2. 前記パイプは、浸炭処理による表面硬化処理が施されている請求項１に記載の動力伝達シャフト。
3. 前記パイプは、窒化処理による表面硬化処理が施されている請求項１又は２に記載の動力伝達シャフト。
4. 前記パイプは、高周波焼入れによる表面硬化処理が施されている請求項１〜３のいずれか一項に記載の動力伝達シャフト。
5. 前記パイプの凹凸連結部はスプラインであり、前記凹部はスプラインの谷部である請求項１〜４のいずれか一項に記載の動力伝達シャフト。
6. 前記パイプの電縫部のうち、少なくとも凹凸連結部にショットピーニング処理が施されている請求項１〜５のいずれか一項に記載の動力伝達シャフト。
7. 前記パイプの凹凸連結部での硬化層深さ比を０．５以上とした請求項１〜６のいずれか一項に記載の動力伝達シャフト。

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