JP2012067825A - 外側継手部材および等速自在継手 - Google Patents

Abstract

【課題】表面硬度を下げることなく、捩り強度向上を図ることができるトルク伝達用軸部品、このようなトルク伝達用軸部品を用いた外側継手部材、このような外側継手部材を用いた等速自在継手、及び、このような等速自在継手を用いたドライブシャフトアッセンブリを提案する。
【解決手段】トルク伝達用軸部品はＳ４７Ｃ〜Ｓ５８Ｃ相当材を用い、剪断型破壊になるように、硬度が変化する勾配区間を調整した。トルク伝達用軸部品が、マウス部３とマウス部３の底壁３ａから突設されるステム部４とを備えた外側継手部材１０である。
【選択図】図１

Description

本発明は、トルク伝達用軸部品、外側継手部材、等速自在継手、プロペラシャフト、およびドライブシャフトアッセンブリに関する。

等速自在継手は、入出力軸間の角度変位のみを許容する固定式と、角度変位および軸方向変位を許容する摺動式に大別され、それぞれ用途・使用条件等に応じて機種選定される。

固定式、摺動式のいずれの等速自在継手も、外側継手部材、内側継手部材、トルク伝達部材、シャフト及びブーツを主な構成要素とする。外側継手部材は、一端で開口するカップ状の部位（マウス部）と、このマウス部の底壁から突設されるステム部とを備える。そして、内側継手部材は、このマウス部内に配置される。トルク伝達部材は、前記外側継手部材と前記内側継手部材との間でトルクを伝達する。シャフトは、前記内側継手部材にトルク伝達可能に連結され前記外側継手部材のマウス部の開口から延出する。ブーツは、一端が前記外側継手部材の外周面に固定されると共に他端が前記シャフトの外周面に固定され、弾性的に屈曲自在である。

このような外側継手部材は、一般的には、機械構造用鋼材によって、一体に形成されるのであるが、特許文献１に記載のように、マウス部のトラック溝を含む内面とステム部外周面とには、焼入れ焼戻しによる硬化層が形成されている。これによって、当該トラック溝の転がり疲労寿命を確保し、同時にステム部の捩り強度や繰り返し負荷に対する疲労破壊強度を確保して、外側継手部材としての機能を強度的に保証している。

特開平５−９５８３号公報

外側継手部材のステム部には、その外周面（外径面）にはトルク伝達用のセレーション部（スプライン部）が形成される。このため、外側継手部材のステム部において、セレーション部のマウス部側の端部が、捩り破壊の最も起こり易い部位となっている。

ところで、自動車用の等速自在継手においては燃料向上のため小型軽量化が追求される。また、エンジンの高性能に伴って外側継手部材に作用する負荷トルクが一層高くなり、これに耐える外側継手部材を必要としている。さらに、外側継手部材のマウス部の耐久性を確保するため硬化部表面硬度をＨＲＣ５８〜ＨＲＣ６３に規定する必要があり、材質としてＳ４７Ｃ〜Ｓ５８Ｃ相当が望ましい。このため、このステム部の硬化部表面硬度も同様に高くなる。このように、表面硬度が高くなれば、セレーション部とマウス部の底壁との間の切欠部における割れ感受性が高くなるという弊害が生じる。

このため、前記特許文献１に記載のものでは、セレーション端部近傍の表面硬度を低く調整することにより、ステム部の捩り破壊トルクを高めるようにしている。

そこで、本発明は斯かる実情に鑑み、表面硬度を下げることなく、捩り強度向上を図ることができるトルク伝達用軸部品、このようなトルク伝達用軸部品を用いた外側継手部材、このような外側継手部材を用いた等速自在継手、及び、このような等速自在継手を用いたドライブシャフトアッセンブリを提供しようとするものである。

本発明のトルク伝達用軸部品は、表面硬化処理部を有するトルク伝達用軸部品であって、Ｓ４７Ｃ〜Ｓ５８Ｃ相当材を用い、剪断型破壊になるように、硬度が変化する勾配区間を調整したものである。勾配区間を３．５ｍｍ以上とすることによって調整することができる。

本発明のトルク伝達用軸部品によれば、硬化処理におけるヒートパターンの勾配を、勾配区間を調整することによって、この種の従来におけるヒートパターンの勾配よりも緩やかにすることができる。このため、硬度分布全体における硬さの偏りが抑えられ捩れ易くなる。すなわち、表面の硬度の高い部位からなだらかに硬度が低下するので、捩れ易くなる。

本発明の外側継手部材は、前記トルク伝達用軸部品が、マウス部とこのマウス部の底壁から突設されるステム部とを備えた外側継手部材であって、ステム部に表面硬化処理部が形成されている。そして、このような外側継手部材を、固定式等速自在継手に用いても、摺動式等速自在継手に用いてもよい。また、等速自在継手として自動車のプロペラシャフト用とすることができる。

本発明のドライブシャフトアッセンブリは、アウトボード側の等速自在継手と、インボード側の等速自在継手と、これらの等速自在継手を連結するシャフトとを備えたドライブシャフトアッセンブリであって、少なくともいずれか一方の等速自在継手の外側継手部材に前記外側継手部材を用いたものである。

本発明のトルク伝達用軸部品では、従来におけるヒートパターンの勾配よりも緩やかにすることができる。このため、硬度分布全体における硬さの偏りが抑えられ捩れ易くなり、破壊モードが主応力型から剪断型に移行し捩り強度が向上する。また、主応力型破壊に至った場合でも、捩れ易くなるため剪断型破壊に近い破壊モードとなる。特に、勾配区間を３．５ｍｍ以上とすることによって、一層剪断型破壊する頻度が高くなって、高強度化を図ることができる。

このため、このトルク伝達用軸部品を等速自在継手の外側継手部材に用いれば、ステム部の破壊強度を高めることで、等速自在継手全体の高強度化に繋がり、小型軽量化や伝達効率向上等の自動車メーカの要求事項に応じ、社会的に貢献する。プロペラシャフト用の等速自在継手に最適となる。

トルク伝達用軸部品にて構成された外側継手部材を使用した等速自在継手を用いたドライブシャフトアッセンブリでは、小型軽量化を図るとともに伝達効率に優れたものとなる。

本発明の実施形態を示す外側継手部材の一部断面で示す側面図である。 トルク伝達用軸部品の硬化部における硬さと表層からの深さとの関係を示すグラフ図である。 トルク伝達用軸部品の硬化部における硬さと表層からの深さとの関係を簡略化したグラフ図である。 本発明の実施形態を示す等速自在継手の断面図である。 本発明の実施形態を示すドライブシャフトアッセンブリの断面図である。 捩りトルクと捩れ角度との関係を示すグラフ図である。

以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。

図１は本発明のトルク伝達軸部品としての外側継手部材を示し、この外側継手部材１０は、内径面１に複数本のトラック溝２が形成されたマウス部３と、このマウス部３の底壁３ａから突設されるステム部４とからなる。ステム部４は、軸方向中間に設けられるスプライン部５と、反マウス部側の端部の雄ねじ部６とを有する。また、スプライン部５と雄ねじ部６との間にくびれ部７が設けられるとともに、スプライン部５とマウス部３の底壁３ａとの間には、周方向凹溝からなる首部８が設けられている。

ところで、外側継手部材は、少なくとも、ステム部４の表面部及びトラック溝２の底壁には硬化層Ｓ、Ｓ１が形成されている。この硬化層Ｓ、Ｓ１は高周波焼入れにて形成される。ステム部４の硬化層Ｓは、軸方向範囲においては、図１のクロスハッチングで示すように、マウス部３の底壁３ａの一部からスプライン部５の反マウス部側の端部までである。なお、周方向範囲においては、一部のみ記載されているが、実際には周方向全周である。

高周波電流の流れているコイル中に焼入れに必要な部分を入れると、電磁誘導作用により誘導起電力が生ずる。この電磁誘導作用により、ジュール熱が発生することを利用して、伝導性物体を過熱する原理を応用した焼入れ方法が高周波焼入れである。導電中を移動する自由電子が原子と衝突して、原子運動が激しくなり、消費される電力は、熱エネルギーにかわる。いわゆるジュールの法則を利用した焼入れ方法である。高周波焼入れの場合、上記原理に基づき、鋼を焼入れ温度まで急速加熱し、急冷する操作を行う。高周波焼入れは、次の利点がある。部分焼入れが出来る。疲労強度を上げることが出来る。耐摩耗性の向上。材質が安価な炭素鋼でよい。焼入れ条件の調整が容易で、有効深さ等調整できる。

この外側継手部材１０は、Ｓ４７Ｃ〜Ｓ５８Ｃ相当材の機械構造用炭素鋼等が用いられる。このため、通常の高周波焼入れを行えば、硬化部の表面硬度がＨＲＣ６０程度となる。従って、スプライン部５のマウス部側の端部(図１の矢印で示す部位)にて主応力型破壊し易くなる。

ところで、図６は捩れトルクと捩れ角度との関係を示している。この図６からわかるように、捩れ角度が大きく（高く）なるに伴って捩りトルクが高くなる。また捩れ角度が小さい（少ない）と脆性的な主応力型破壊し、捩れ角度が高いと延性的な剪断型破壊する。捩れ角度は硬さに依存しており、硬度が低い方がより捩れ易くなる。このため、剪断型破壊する方が高強度である。

そこで、本発明では、図２に示すように、剪断型破壊になるように、硬度が変化する勾配区間（表面硬化処理部（硬化部）Ｓでの表面から内部母材までの間）を調整した。すなわち、勾配区間を長く確保した。

図２において、○が従来のヒートパターンにて高周波焼入れを行った場合を示し、△は本発明のように勾配区間を大きくした場合（本発明のヒートパターン）を示している。図２の縦軸は硬さを示し、横軸は表面硬化処理部での表面（表層）からの深さを示している。勾配区間は、表面硬度が低下した点から内部硬度（内部母材の硬度）に至る点までの範囲である。すなわち、この勾配区間は、従来パターンのものでは、２ｍｍ〜３ｍｍ程度であるのに対して、本発明では、勾配区間を３・５ｍｍ以上とした。

剪断型破壊になるように、硬度が変化する勾配区間を長くするには、高周波焼入れ時において、高周波焼入れ装置のコイルに印加する高周波電流の周波数および出力等を調整すればよい。このように、制御すれば、図３に示すように、表層以降の硬度を従来のパターンよりも穏やかに下げることができ、内部の母材硬度に至るまで同一勾配として繋がるように内部側の硬度を上げることができた。

本発明では、硬化処理におけるヒートパターンの勾配を、勾配区間を調整することによって、この種の従来におけるヒートパターンの勾配よりも緩やかにすることができる。このため、硬度分布全体における硬さの偏りが抑えられ捩れ易くなる。すなわち、表面の硬度の高い部位からなだらかに硬度が低下するので、捩れ易くなる。したがって、硬度分布全体における硬さの偏りが抑えられ捩れ易くなり、破壊モードが主応力型から剪断型に移行し捩り強度が向上する。また、主応力型破壊に至った場合でも捩れ易くなるため剪断型破壊に近い破壊モードとなる。

表１は、硬度が変化する勾配区間と破壊モードとの関係を示したものである。すなわち、勾配区間が３ｍｍまでは、主応力型破壊の発生頻度が高く、３ｍｍを越えると剪断型破壊の発生頻度が高くなる。このため、勾配区間を３．５ｍｍ以上とすることによって、一層剪断型破壊する頻度が高くなって、高強度化を図ることができる。

ところで、Ｓ４７Ｃ以上の炭素含有量の炭層鋼では脆性的な主応力型破壊が生じ強度低下しやすいものである。そこで、このような鋼材に対して強度向上のため、本願発明では、「剪断型破壊になるように、硬度が変化する勾配区間を長く確保した」ものである。しかしながら、Ｓ４７Ｃ未満の炭素含有量の炭層鋼においては延性的な剪断型破壊するため、脆性的な主応力型破壊の可能性が低い。このため、勾配区間規制の適用が逆効果となり強度低下を招くことがある。そこで、前記したように、Ｓ４７Ｃ以上の機械構造用炭層鋼等を用いるのが好ましい。なお、Ｓ５８Ｃを越えた炭素含有量の炭層鋼を使うと硬くなりすぎ、脆くなって次工程の加工が難しくなるので、前記したように、Ｓ５８Ｃ以下の炭素含有量の機械構造用炭層鋼が好ましい。

図４は前記外側継手部材１０を用いた等速自在継手を示している。この等速自在継手は、前記外側継手部材１０と、外径面１５に外側継手部材１０のトラック溝２と対をなす複数のトラック溝１６が形成された内側継手部材１７と、外側継手部材１０のトラック溝２と内側継手部材１７のトラック溝１６との間に介在してトルクを伝達する複数のボール１８と、外側継手部材１０の内径面１と内側継手部材１７の外径面１５との間に介在してボール１８を保持するケージ１９とを備えている。ケージ１９には、ボール１８が収容される窓部２０が周方向に沿って複数配設されている。

また、内側継手部材１７の軸心孔の内径面には雌スプライン２１が形成され、この内側継手部材１７の軸心孔にシャフトの端部が嵌入される。このシャフトの端部には雄スプラインが形成され、この雄スプラインが内側継手部材１７の軸心孔の雌スプライン２１に嵌合される。

この外側継手部材１０では、ステム部４の破壊強度を高めることができ、この外側継手部材１０を用いた等速自在継手では、等速自在継手全体の高強度化に繋がり、小型軽量化や伝達効率向上等の自動車メーカの要求事項に応じ、社会的に貢献する。プロペラシャフト用の等速自在継手に最適となる。

次に、図５はドライブシャフトアッセンブリを示し、このドライブシャフトアッセンブリは、アウトボード側の等速自在継手３０と、インボード側の等速自在継手３１と、これらの等速自在継手３０、３１を連結するシャフト３２とを備える。車体に取付けた状態で車幅方向の外側寄りとなる側をアウトボード側と呼び、車幅方向の中央寄りとなる側をインボード側と呼ぶ。

アウトボード側の等速自在継手３０は、前記図４に示す固定式等速自在継手と同様の構成である。このため、図４と同一の符号を付してそれらの説明を省略する。また、シャフト３２は、アウトボード側の端部に雄スプライン３２ａが形成され、この雄スプライン３２ａが内側継手部材１７の軸心孔に嵌入され、雌スプライン２１に嵌合する。

等速自在継手３０の開口部は、ブーツ３５にて密封されている。ブーツ３５は、大径部３５ａと、小径部３５ｂと、大径部３５ａと小径部３５ｂとを連結する蛇腹部３５ｃとからなる。そして、大径部３５ａが外側継手部材１０の外径面の開口部側のブーツ装着部３７に外嵌され、その外嵌された状態で大径部３５ａに対してブーツバンド３６を締め付ける。これによって、大径部３５ａが外側継手部材１０のブーツ装着部に装着される。また、シャフト３２には、周方向溝が形成されたブーツ装着部３８が形成され、このブーツ装着部３８にブーツ３５の小径部３５ｂが外嵌され、その外嵌された状態で小径部３５ｂに対してブーツバンド３６を締め付ける。

インボード側の等速自在継手３１は、トリポード型等速自在継手であって、トリポード型等速自在継手は、内周面に軸方向に延びる三本のトラック溝４１が形成され、各トラック溝４１の両側でそれぞれ軸方向に延びるローラ案内面４１ａを有する外側継手部材４０と、半径方向に突出した三本の脚軸４２を有するトリポード部材４３と、前記トリポード部材４３の脚軸４２に回転自在に支持されると共に前記外側継手部材４０のトラック溝４１に転動自在に挿入されたローラ部材４３とを備える。

トリポード部材４３は、軸心孔が形成されたボス４４と、このボス４４から半径方向に突出した前記三本の脚軸４２とからなる。軸心孔の内径面には雌スプライン４５が形成されている。また、シャフト３２のインボード側の端部には雄スプライン３２ｂが形成され、この雄スプライン３２ｂがトリポード部材４３の軸心孔に嵌入され、雌スプライン４５に嵌合する。

等速自在継手３１の開口部は、ブーツ５５にて密封されている。ブーツ５５は、大径部５５ａと、小径部５５ｂと、大径部５５ａと小径部５５ｂとを連結する蛇腹部５５ｃとからなる。そして、大径部５５ａが外側継手部材４０の外径面の開口部側のブーツ装着部５７に外嵌され、その外嵌された状態で大径部５５ａに対してブーツバンド５６を締め付ける。これによって、大径部５５ａが外側継手部材４０のブーツ装着部５７に装着される。また、シャフト３２には、周方向溝が形成されたブーツ装着部５８が形成され、このブーツ装着部５８にブーツ５５の小径部５５ｂが外嵌され、その外嵌された状態で小径部５５ｂに対してブーツバンド５６を締め付ける。

外側継手部材４０は、トラック溝４１を有するマウス部６０と、このマウス部６０の底壁６０ａから突設されるステム部６１とからなる。ステム部６１は、大径の基部６１ａと、中径の中間部６１ｂと、先端のスプライン６１ｃと、スプライン６１ｃと中間部６１ｂとの間の溝形成部６１ｄとを備える。

この場合の外側継手部材４０のステム部６１においてもその表面に硬化層（硬化部）を設けることになる。このため、硬化層（硬化部）としては、従来のヒートパターン勾配によって、形成してもよいが、剪断型破壊になるように、硬度が変化する勾配区間を長く確保するようできる。

このため、トルク伝達用軸部品にて構成された外側継手部材を使用した等速自在継手を用いたドライブシャフトアッセンブリでは、小型軽量化を図るとともに伝達効率に優れたものとなる。

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、本発明に係る外側継手部材を用いて固定式等速自在継手を構成する場合、固定式等速自在継手として、前記実施形態のようなバーフィールドタイプに限らず、アンダーカットフリータイプ等の固定式等速自在継手であってもよい。また、摺動式等速自在継手である場合、トリポード型等速自在継手に限らず、ダブルオフセットタイプやクロスグルーブタイプ等の摺動式等速自在継手であってもよい。なお、トルク伝達用軸部品として等速自在継手の外側継手部材に限るものではなく、例えば、図５に示すドライブシャフトアッセンブリのシャフト３２等であってもよい。また、勾配区間を前記実施形態では、３．５ｍｍ以上としたが、この範囲の上限については、硬化層（硬化処理部）Ｓを設ける部位の軸径、材質等に応じて種々設定できる。しかしながら、あまり範囲が大きければ、表層の硬化範囲(硬度が低下するまでの範囲)が小さくなって、硬化層Ｓの機能を発揮できないおそれがある。このため、上限については、１０ｍｍ程度とするのが好ましい。

３ マウス部
３ａ 底壁
４ ステム部
１０ 外側継手部材
３０、３１ 等速自在継手
３２ シャフト
Ｓ 硬化層（表面硬化処理部）

Claims (7)

1. 表面硬化処理部を有するトルク伝達用軸部品であって、Ｓ４７Ｃ〜Ｓ５８Ｃ相当材を用い、剪断型破壊になるように、硬度が変化する勾配区間を調整したことを特徴とするトルク伝達用軸部品。
2. 前記勾配区間を３．５ｍｍ以上として調整したことを特徴とする請求項１に記載のトルク伝達用軸部品。
3. 前記請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のトルク伝達用軸部品が、マウス部とこのマウス部の底壁から突設されるステム部とを備えた外側継手部材であって、ステム部に表面硬化処理部が形成されていることを特徴とする外側継手部材。
4. 固定式等速自在継手に用いることを特徴とする請求項４に記載の外側継手部材。
5. 摺動式等速自在継手に用いることを特徴とする請求項４に記載の外側継手部材。
6. 自動車のプロペラシャフト用の等速自在継手であって、前記請求項４に記載の外側継手部材を用いたことを特徴とする等速自在継手。
7. アウトボード側の等速自在継手と、インボード側の等速自在継手と、これらの等速自在継手を連結するシャフトとを備えたドライブシャフトアッセンブリであって、少なくともいずれか一方の等速自在継手の外側継手部材に前記請求項４に記載の外側継手部材を用いたことを特徴とするドライブシャフトアッセンブリ。

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