JP2011002096A

JP2011002096A - 駆動軸

Info

Publication number: JP2011002096A
Application number: JP2010194428A
Authority: JP
Inventors: Kenji Sakamoto; 賢志坂本; Hiroyuki Chiba; 博行千葉
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2010-08-31
Filing date: 2010-08-31
Publication date: 2011-01-06

Abstract

【課題】樹脂の被膜で被覆する場合に比べて、グリース切れが生じた際に、より長時間に亘って当接面同士の良好な摺動を維持して、摩耗によるガタの発生や焼き付き等を防止できる駆動軸を提供する。
【解決手段】雄スプライン軸２と雌スプライン軸３のうち雄スプライン軸２の、他方への動力伝達面としての当接面２１ａを含む雄スプライン部２２のキー２１の表面を、金属の下地にケイ素膜、またはクロム膜を形成した上に、ビッカース硬さＨｖが１０００以上、摩擦係数μが０．２５以下の、連続したダイヤモンドライクカーボン膜(6)によって被覆した駆動軸１である。
【選択図】図３

Description

本発明は、鉄道車輌、鉄鋼圧延機、自動車等において動力伝達に用いる駆動軸に関するものである。

例えば、鉄道車両において、エンジンからトルクコンバータを介して、車軸に動力を伝達するための駆動軸は、走行中の車輪の上下動や、曲線を通過する際の台車の首振り等に応じて軸方向に伸縮されながら動力を伝達する必要がある。そのため、駆動軸としては、軸方向に伸縮可能で、かつ軸を中心とする回転方向に動力伝達可能に連結される雄スプライン軸と雌スプライン軸とを備えたものが一般的に用いられる。また、上記雄スプライン軸と雌スプライン軸とを備えた駆動軸は、鉄鋼圧延機において、モータと圧延ロールとを連結する駆動軸や、自動車のプロペラシャフト、ステアリング軸、ハンドルジョイント等にも用いられる。

また、雄スプライン軸と雌スプライン軸とを備えた駆動軸としては、雄スプライン軸の外周と雌スプライン軸の内周とにそれぞれ、両スプライン軸の軸方向への摺動を許容しつつ、回転方向に当接して動力を伝達する当接面（動力伝達面）を備えたスプライン部を形成し、それぞれのスプライン部を、駆動軸の回転時に当接面同士が当接するように噛み合わせたタイプの駆動軸がある。

前記駆動軸には、軸の回転時に互いに当接された当接面同士の、軸方向へのスムースな摺動を確保するためにグリースが封入される。ところが、グリースは、スプライン軸が軸方向への伸縮を繰り返すことによって徐々に外部に押し出されるため、やがてグリース切れを生じて、金属同士の摩耗によるガタの発生や、焼き付き等を生じるという問題がある。

そこで、両スプライン軸の当接面のうち少なくとも一方を、両スプライン軸を構成するステンレス鋼等の金属よりも摩擦係数が小さく、良好な摺動性を有する樹脂の被膜で被覆しておき、グリース切れが生じた際には、上記樹脂の被膜によって応急的に摺動を維持して、直ちにガタや焼き付き等を生じないようにすることが提案されている。

例えば、特許文献１には、前記駆動軸である回転シャフトにおいて、両スプライン軸のスプライン部のうち少なくとも一方の、他方のスプライン部への当接面を、ポリフェニレンサルファイド、ポリブチレンテレフタレート等の樹脂の被膜で被覆すること、上記被膜中に、炭酸カルシウム等の充てん材と、固体潤滑剤とを含有させることが記載されている。

また、特許文献２には、スプライン部等の、他部材への嵌合部を有する結合部材において、上記嵌合部を、ポリフェニレンサルファイド系樹脂からなる第１の樹脂層と、この第１の樹脂層を覆う、ナイロン系等の樹脂からなる第２の樹脂層とで被覆することが記載されている。
さらに、特許文献３には、駆動軸としての車輌ステアリング用伸縮軸において、両スプライン軸のスプライン部の、他方のスプライン部への当接面を、それぞれポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の被膜で被覆することが記載されている。

特開２００１−３３６５４３号公報（請求項１〜３、第０００５欄〜第００１０欄）特開２００３−１１２８０号公報（請求項１〜２、第０００５欄〜第０００７欄）特開２００３−５４４２１号公報（請求項１、第０００６欄〜第０００９欄）

ところが、樹脂の被膜では、グリース切れが生じた際に当接面の摺動を維持する効果が十分でない場合がある。特に、高速で回転しながら、なおかつ高速で軸方向に伸縮されることの多い鉄道車両用の駆動軸や、当接面に極めて高い荷重が加わる鉄鋼圧延機の駆動軸において、スプライン部の当接面を樹脂の被膜で被覆した場合、当該被膜は、グリース切れが生じるとごく短時間で摩耗されて消滅してしまう。そのため、グリース切れが生じた際に、樹脂の被膜によって当接面の摺動を維持する効果はごく短時間しか持続されず、その後、短時間で、金属同士の摩耗によるガタの発生や、焼き付き等を生じるという問題がある。

本発明の目的は、樹脂の被膜で被覆した場合に比べて、グリース切れが生じた際に、より長時間に亘って、当接面同士の良好な摺動を維持して、摩耗によるガタの発生や、焼き付き等を防止することができる駆動軸を提供することにある。

本発明の駆動軸は、雄スプライン軸(2)と雌スプライン軸(3)とを備え、
前記雄スプライン軸(2)は全体が金属によって一体に形成され、前記雄スプライン軸(2)の、雌スプライン軸(3)と連結される端部の外周面には、前記外周面から径方向外方に向けて多数のキー(21)が突設されて雄スプライン部(22)が構成され、
前記雌スプライン軸(3)は全体が金属によって一体に形成され、前記雌スプライン軸(3)の、雄スプライン軸(2)と連結される端部は、雄スプライン軸(2)側の端部に開口(30)が形成され、前記開口(30)を通して内部に雄スプライン部(22)が挿入される筒状に形成されていると共に、筒の内周面には、前記内周面から径方向外方に向けて、前記雄スプライン部(22)のキー(21)と噛み合わされる多数のキー溝(31)が凹入されて雌スプライン部(32)が構成され、
前記雄スプライン部(22)を構成する各キー(21)の両側面、および雌スプライン部(32)を構成する各キー溝(31)の両側面は、それぞれ動力伝達面としての当接面(21a)(31a)とされ、
前記雄スプライン軸(2)と雌スプライン軸(3)とが、前記キー(21)とキー溝(31)とを噛み合わせて互いの当接面(21a)(31a)を軸方向に摺動可能に当接させた状態で、軸方向に伸縮可能で、かつ軸を中心とする回転方向に動力伝達可能に連結される駆動軸(1)であって、
前記雄スプライン部２２を構成する各キー２１の両側面である当接面(21a)と、頂面(21b)と、雄スプライン軸(2)の外周面に相当する、隣り合うキー(21)間の底面(21c)とが、金属の下地にケイ素膜、またはクロム膜を形成した上に、ビッカース硬さＨｖが１０００以上、摩擦係数μが０．２５以下の、連続したダイヤモンドライクカーボン膜(6)によって被覆されていると共に、
前記雌スプライン部(32)を構成する各キー溝(31)の両側面である当接面(31a)と、キー溝(31)の底面(31b)と、隣り合うキー溝(31)間の凸条(36)の頂面(31c)とは、前記ダイヤモンドライクカーボン膜(6)によって被覆せずに金属の下地が露出されており、かつ
前記雄スプライン部(22)と雌スプライン部(32)との間にグリースが封入されていることを特徴とするものである。

本発明によれば、雄スプライン部のキーの両側面である動力伝達面としての当接面と、前記キーの頂面と、隣り合うキー間の底面とを、ビッカース硬さＨｖが１０００以上という高い硬度を有し、グリース切れが発生しても短時間で摩耗されて消滅してしまわない強固なダイヤモンドライクカーボン膜（ＤＬＣ膜）によって被覆していると共に、当該ＤＬＣ膜が、摩擦係数μが０．２５以下という良好な摺動性を有していることから、たとえグリース切れが発生しても、樹脂の被膜に比べてより長期間に亘って、当接面（動力伝達面）同士の良好な摺動を維持して、金属同士の摩耗によるガタの発生や、焼き付き等を防止することが可能となる。
また前記ＤＬＣ膜を、金属の下地にケイ素膜、クロム膜等を形成した上に積層しているため、当該ＤＬＣ膜の密着性を向上させると共に、摩擦係数μを低下させることができる。
なおＤＬＣ膜にタングステンを含有させることによって、当該ＤＬＣ膜の下地に対する密着性をさらに向上させると共に、摩擦係数μをより一層低下させることもできる。

本発明の一実施形態にかかる駆動軸の全体を示す一部切り欠き正面図である。上記例の駆動軸の要部である、雄スプライン軸の雄スプライン部と、雌スプライン軸の雌スプライン部とを噛み合わせた部分を示す、図１のII−II線断面図である。上記雄スプライン部の一部を拡大した断面図である。雌スプライン部の一部を拡大した断面図である。本発明の実施例において、ＤＬＣ膜のすべり試験を行った装置の概略を説明する図である。本発明の実施例において、ＤＬＣ膜の転がり試験を行った装置の概略を説明する図である。転がり試験において求めた、ＳＵＪ２玉の接触面圧と、ＤＬＣ膜が寿命に到るまでの回転回数との関係を示すグラフである。

図１は、本発明の一実施形態にかかる駆動軸の全体を示す一部切り欠き正面図である。また、図２は、上記例の駆動軸の要部である、雄スプライン軸の雄スプライン部と、雌スプライン軸の雌スプライン部とを噛み合わせた部分を示す、図１のII−II線断面図である。さらに、図３は、上記雄スプライン部の一部を拡大した断面図、図４は、雌スプライン部の一部を拡大した断面図である。

図１および図２を参照して、この例の駆動軸１は、いずれもステンレス鋼等の金属によって形成された雄スプライン軸２と雌スプライン軸３とを備えており、このうち雄スプライン軸２の、雌スプライン軸３と連結される端部の外周面には、当該外周面から径方向外方に向けて、多数のキー２１が、雄スプライン軸２の軸方向と平行で、かつ周方向に等間隔に突設されて、雄スプライン部２２が構成されている。また、雄スプライン軸２の、雄スプライン部２２が形成された側と反対側の端部２３には、駆動軸１を、図示しない駆動入力軸または駆動出力軸と連結するための十字軸継ぎ手４が接続されている。

また、図１および図２を参照して、雌スプライン軸３は、雄スプライン軸２側の端部に開口３０が形成され、この開口３０を通して、内部に雄スプライン部２２が挿入される筒状に形成されていると共に、筒の内周面には、当該内周面から径方向外方に向けて、上記雄スプライン部２２のキー２１と噛み合わされる多数のキー溝３１が、雌スプライン軸３の軸方向と平行で、かつ周方向に等間隔に凹入されて、雌スプライン部３２が構成されている。また、雌スプライン軸３の、開口３０側と反対側の端部３３には、駆動軸１を、図示しない駆動出力軸または駆動入力軸と連結するための十字軸継手５が接続されている。

また、雌スプライン軸３の、開口３０側の端部には略筒状の固定部材３４を介して、ゴムや樹脂等からなる環状のシール部材３５が取り付けられており、このシール部材３５を、筒内に挿入された雄スプライン軸２の外周面に当接させることによって、両スプライン軸２、３間がシールされている。そして、このシールによって、両スプライン軸２、３が軸方向への伸縮を繰り返した際に、当該両スプライン軸２、３のスプライン部２２、３２間に封入したグリースが外部に押出されるのが抑制されると共に、砂埃等の異物が両スプライン部２２、３２間に侵入するのが防止される。

図２を参照して、両スプライン部２２、３２の噛み合い部には、微小なクリアランスが設定されており、このクリアランスによって形成される両者の隙間に、グリースが封入される。
図２および図３を参照して、雄スプライン部２２を構成する各キー２１は、その両側面が、動力伝達面としての当接面２１ａとされている。また、図２および図４を参照して、雌スプライン部３２を構成する各キー溝３１は、キー２１と噛み合わされた際に、上記当接面２１ａと対向する両側面が、動力伝達面としての当接面３１ａとされている。そして、駆動軸１の回転時には、各キー２１の、いずれか一方の当接面２１ａと、各キー溝３１の、上記当接面２１ａに対向する当接面３１ａとが互いに当接することによって、両スプライン軸２、３間で動力が伝達される。

図３を参照して、上記雄スプライン部２２を構成する各キー２１の両側面である当接面２１ａと、頂面２１ｂと、雄スプライン軸２の外周面に相当する、隣り合うキー２１間の底面２１ｃとは、金属の下地にケイ素膜、またはクロム膜を形成した上に、ビッカース硬さＨｖが１０００以上、摩擦係数μが０．２５以下の、連続したＤＬＣ膜６によって被覆されている。
これにより、グリース切れが発生した際には、当接面２１ａ、３１ａ間での摩耗や焼き付きを防止できるだけでなく、キー２１とキー溝３１とが、前記当接面２１ａ、３１ａ以外の面同士の間でも摩耗して、焼き付き等を生じることも防止できる。
また前記ＤＬＣ膜６を、金属の下地にケイ素膜、クロム膜等を形成した上に積層しているため、当該ＤＬＣ膜６の密着性を向上させると共に、摩擦係数μを低下させることができる。

一方、上記雄スプライン部２２と噛み合わされる雌スプライン部３２を構成する各キー溝３１の両側面である当接面３１ａ、底面３１ｂ、および隣り合うキー溝３１間の凸条３６の頂面３１ｃは、ＤＬＣ膜によって被覆せずに金属の下地を露出させておく。
雌スプライン部３２の表面はＤＬＣ膜によって被覆せず、雄スプライン部２２の表面のみをＤＬＣ膜６によって被覆するだけで、先に述べたＤＬＣ膜６の機能によって、樹脂の被膜に比べてより長期間に亘って、当接面２１ａ、３１ａの良好な摺動を維持して、金属同士の摩耗によるガタの発生や、焼き付き等を防止することができる。

ＤＬＣ膜は、例えばスパッタリング法等の、従来公知の種々の気相成長法によって成膜することができる。スパッタリング法によるＤＬＣ膜の成膜方法の例を挙げると、圧力が１．３３×１０^−１〜１．３３×１０^２Ｐａとなるようにアルゴンガス、炭化水素ガス等の導入ガスを導入したチャンバ内で、ターゲットとしての炭素に対して、電圧１００〜２００Ｖ、電流２〜１０Ａ程度の条件で放電処理を行うことにより、スプライン軸２、３の所定の面に炭素を蒸着させる。そうすると、上記所定の面に、グラファイト（ＳＰ２）構造とダイヤモンド（ＳＰ３）構造とが共存した非晶質構造からなるＤＬＣ膜が形成される。

また、他の成膜方法の例としては、ベンゼンを原料ガスとしたイオンビーム蒸着によるイオンプレーティング法等の物理蒸着（ＰＶＤ）法や、成膜ガスとして炭化水素化合物を用いたプラズマＣＶＤ法等の化学蒸着（ＣＶＤ）法等が挙げられる。また、プラズマジェットを利用したプラズマ溶射等の溶射法を採用することもできる。
また、ＤＬＣ膜にタングステンを含有させることによって、当該ＤＬＣ膜の下地に対する密着性を向上させると共に、摩擦係数μを低下させることができる。

ＤＬＣ膜６の膜厚は特に限定されないが、高い硬度と良好な摺動性とを有すると共に、これらの特性に起因して高い耐摩耗性、耐焼き付き性とを発揮しうるＤＬＣ膜６を形成することを考慮すると１〜５μｍであるのが好ましい。

以下に、実施例に基づいて本発明を説明する。
ＤＬＣ膜の形成：
動力伝達面のモデルとしての、ステンレス鋼ＳＵＳ４４０Ｃ製の基板の片面に、プラズマＣＶＤ法、またはスパッタリング法によって、表１に示す実施例１、２、比較例１のＤＬＣ膜を形成した。なお、表中、成膜方法の欄のＰ−ＣＶＤはプラズマＣＶＤ法、ＰＶＤはスパッタリング法を示す。

すべり試験：
図５に示すように、上記各実施例、比較例の基板９０を、ＤＬＣ膜９１を形成した面を上にして、回転軸Ｓの先端に固定し、次いで５／３２”のＳＵＪ２玉Ｂを、自転しないように固定した状態で、図中に白矢印で示すように１．０ＧＰａの荷重をかけてＤＬＣ膜９１の表面に圧接しながら、回転軸Ｓを摺動速度０．１ｍ／ｓで回転させた。そして、ＤＬＣ膜９１とＳＵＪ２玉Ｂとの摺動距離が３６０ｍに達するまで回転させて、試験最終時に、ＳＵＪ２玉Ｂに、基板９０の回転方向に加わった応力から、摩擦係数μを求めた。また、試験終了後に、ＤＬＣ膜９１の表面に発生した摩耗痕跡の長さを測定した。上記の試験は、比較のため表面にＤＬＣ膜９１を形成していない、ステンレス鋼ＳＵＳ４４０Ｃ製の基板９０に対しても行った。結果を表２に示す。なお、表中の従来例１は、ＤＬＣ膜９１を形成していないステンレス鋼製の基板を示す。

表より、ステンレス鋼製の基板の表面にＤＬＣ膜を形成することで、摩擦係数を大きく低減できること、摺動による摩耗を防止できることが確認された。また、各実施例、比較例を比較すると、下地にケイ素膜、またはクロム膜を形成した上にＤＬＣ膜を積層することによって、当該ＤＬＣ膜の密着性を向上させると共に、摩擦係数μを低下できること、ＤＬＣ膜にタングステンを含有させることによって、前記密着性をさらに向上させると共に、摩擦係数μをより一層低下できることがわかった。

転がり試験：
図６に示すように、上記各実施例、比較例の基板９０を、ＤＬＣ膜９１を形成した面を上にして、潤滑油としてスピンドル油（６．６ｍｍ^２／ｓ）Ｌを満たした容器Ｃ中に浸漬し、次いでＤＬＣ膜９１の上に、スラスト玉軸受を構成する３／８”のＳＵＪ２玉Ｂ（１１個）と保持器Ｒと内輪ＩＲとを組み立てると共に、内輪ＩＲに回転軸Ｓを取り付けた。そして、図中に白矢印で示すように、ＳＵＪ２玉Ｂを、一定の接触面圧でＤＬＣ膜９１の表面に圧接しながら、回転軸Ｓを毎分１２００回の回転速度で最大１０８回転まで回転させて、ＤＬＣ膜９１が寿命に到るまでの回転回数を求める試験を、数段階の異なる接触面圧について繰り返し行った。結果を図７に示す。なお、実施例２のＤＬＣ膜は、１０８回転まで回転させても寿命に到らず、図７に結果を記載できなかったが、長寿命であることが確認された。また、実施例１、比較例１を比較すると、下地にケイ素膜を形成した上にＤＬＣ膜を積層することによって、ＤＬＣ膜の寿命を向上できることがわかった。

１駆動軸
２雄スプライン軸
３雌スプライン軸
２１ａ、３１ａ当接面（動力伝達面）
６ＤＬＣ膜

Claims

雄スプライン軸(2)と雌スプライン軸(3)とを備え、
前記雄スプライン軸(2)は全体が金属によって一体に形成され、前記雄スプライン軸(2)の、雌スプライン軸(3)と連結される端部の外周面には、前記外周面から径方向外方に向けて多数のキー(21)が突設されて雄スプライン部(22)が構成され、
前記雌スプライン軸(3)は全体が金属によって一体に形成され、前記雌スプライン軸(3)の、雄スプライン軸(2)と連結される端部は、雄スプライン軸(2)側の端部に開口(30)が形成され、前記開口(30)を通して内部に雄スプライン部(22)が挿入される筒状に形成されていると共に、筒の内周面には、前記内周面から径方向外方に向けて、前記雄スプライン部(22)のキー(21)と噛み合わされる多数のキー溝(31)が凹入されて雌スプライン部(32)が構成され、
前記雄スプライン部(22)を構成する各キー(21)の両側面、および雌スプライン部(32)を構成する各キー溝(31)の両側面は、それぞれ動力伝達面としての当接面(21a)(31a)とされ、
前記雄スプライン軸(2)と雌スプライン軸(3)とが、前記キー(21)とキー溝(31)とを噛み合わせて互いの当接面(21a)(31a)を軸方向に摺動可能に当接させた状態で、軸方向に伸縮可能で、かつ軸を中心とする回転方向に動力伝達可能に連結される駆動軸(1)であって、
前記雄スプライン部２２を構成する各キー２１の両側面である当接面(21a)と、頂面(21b)と、雄スプライン軸(2)の外周面に相当する、隣り合うキー(21)間の底面(21c)とが、金属の下地にケイ素膜、またはクロム膜を形成した上に、ビッカース硬さＨｖが１０００以上、摩擦係数μが０．２５以下の、連続したダイヤモンドライクカーボン膜(6)によって被覆されていると共に、
前記雌スプライン部(32)を構成する各キー溝(31)の両側面である当接面(31a)と、キー溝(31)の底面(31b)と、隣り合うキー溝(31)間の凸条(36)の頂面(31c)とは、前記ダイヤモンドライクカーボン膜(6)によって被覆せずに金属の下地が露出されており、かつ
前記雄スプライン部(22)と雌スプライン部(32)との間にグリースが封入されていることを特徴とする駆動軸。
前記ダイヤモンドライクカーボン膜(6)は、タングステンを含有している請求項１に記載の駆動軸。
雌スプライン軸(3)の、開口(30)側の端部には環状のシール部材(35)が取り付けられており、前記シール部材(35)を、筒内に挿入された雄スプライン軸(2)の外周面に当接させることで両スプライン軸(2)(3)間がシールされている請求項１または２に記載の駆動軸。