JP2014238105A - プロペラシャフト及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 低コストで耐久性に優れ、かつスティックスリップの発生を低減できるプロペラシャフト及びその製造方法を提供すること。【解決手段】 本発明のプロペラシャフトは、樹脂コーティングが施されるスプラインの表面が０．７５ｍｍ以下のピッチでホブ加工されてなることを特徴とする。また、本発明の製造方法は、０．７５ｍｍ以下のピッチでホブによるスプライン加工し、樹脂コーティングを施すことを特徴とする。【選択図】図６

Description

本発明は、プロペラシャフト及びその製造方法に関する。

プロペラシャフトには、滑らかに摺動することが求められている。そして、静摩擦係数に対して動摩擦係数が低い場合に、すなわち摩擦係数と速度の特性（μ−Ｖ特性）が負勾配になる場合に、スティックスリップが生じやすいことが知られている。

これを解決するために、特許文献１〜２には、プロペラシャフトの摺動面に、ダイヤモンドライクカーボン（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ；ＤＬＣ）や樹脂コーティングの固体潤滑被膜を施すことが記載されている。

ＤＬＣよりなる固体潤滑被膜をコーティングすることにより、スティックスリップの発生を抑制することができる。しかし、ＤＬＣを形成するための処理がバッチ処理であるため、コスト高になっていた。

樹脂コーティングの固体潤滑被膜では、ＤＬＣと比して安価にスティックスリップの発生抑制効果を得ることができる。しかし、ＤＬＣと比べると強度（硬度）に乏しく、耐摩耗性に問題があった。

特開平６−１７３９３４号公報 特開平９−１０５４１９号公報

本発明は、上記実状に鑑みてなされたものであり、低コストで耐久性に優れ、かつスティックスリップの発生を低減できるプロペラシャフト及びその製造方法を提供することを課題とする。

本発明は、上記課題を解決するために樹脂コーティング被膜を備えたプロペラシャフトについて検討を重ねた結果、（１）〜（４）のプロペラシャフト及び（５）〜（８）のプロペラシャフトの製造方法を見出した。

（１）本発明のプロペラシャフトは、互いに嵌合するスプラインシャフト及びスプラインスリーブを有し、スプラインシャフトの外面又はスプラインスリーブの内面の少なくとも一方に樹脂コーティングを施したプロペラシャフトにおいて、樹脂コーティングが施されるスプラインの表面は、０．７５ｍｍ以下のピッチでホブ加工されてなることを特徴とする。

本発明のプロペラシャフトは、摺動面に樹脂コーティングを施したものであり、大気中での処理が可能となり、低コスト化を図ることができる。そして、樹脂コーティングが施される表面が、０．７５ｍｍ以下のピッチでホブ加工されてなることで、摺動時に樹脂コーティングにかかる荷重の部分的な集中が抑えられ、その結果として、樹脂コーティングの摩耗が抑えられる。

そして、摺動面の樹脂コーティングは、繰り返し回数が増加したとしても静摩擦係数の増大を抑制でき、かつ、動摩擦係数の低下を抑制できる。つまり、静摩擦係数と動摩擦係数の差が小さな状態を維持することができる。従って、スティックスリップの発生を長期間にわたって抑制し続けることができる。
すなわち、本発明のプロペラシャフトは、スティックスリップの発生を抑制できる樹脂コーティングの摩耗が抑えられたことで、スティックスリップの発生をより長期間にわたって抑制し続けることができる。

（２）好ましくは、ピッチが、０．５ｍｍ以上である。ピッチを０．５ｍｍ以上とすることで、ホブ加工の加工時間の長期化を抑えることができ、生産効率の低下を抑えることができる。

（３）好ましくは、樹脂コーティングが、固体潤滑剤を樹脂バインダで結合してなるものである。固体潤滑剤を樹脂バインダで結合してなる樹脂コーティングでは、上記効果をより発揮できる。特に、この構成の樹脂コーティングはＤＬＣよりも強度が低く、荷重の部分的な集中が発生すると、より摩耗が生じやすくなっていた。このような比較的摩耗が生じやすい樹脂コーティングにおいても、樹脂コーティングの摩耗が抑えられたことでその寿命が長くなり、スティックスリップの発生をより長期間にわたって抑制し続けることができる。

（４）好ましくは、樹脂コーティングの固体潤滑剤が、二硫化モリブデン，二硫化タングステン，ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ），ポリエチレン，グラファイト，カーボンナノチューブより選ばれる少なくとも一種であり、樹脂バインダが、エポキシ樹脂，フェノール樹脂より選ばれる少なくとも一種であるものである。
樹脂コーティングの固体潤滑剤及び樹脂バインダがこれらより選ばれることで、上記効果をより発揮できる。

（５）本発明のプロペラシャフトの製造方法は、互いに嵌合するスプラインシャフト及びスプラインスリーブを有し、スプラインシャフトの外面又はスプラインスリーブの内面の少なくとも一方に樹脂コーティングを施したプロペラシャフトの製造方法であって、樹脂コーティングが施されるスプラインの表面に、０．７５ｍｍ以下のピッチでホブ加工する工程と、ホブ加工された表面に樹脂コーティングを施す工程と、を有することを特徴とする。

本発明のプロペラシャフトの製造方法は、上記のプロペラシャフトを製造することができる。つまり、上記の（１）の効果を発揮するプロペラシャフトを製造することができる。

（６）好ましくは、ピッチが、０．５ｍｍ以上である。これにより、上記の（２）の効果を発揮するプロペラシャフトを製造することができる効果を発揮する。
（７）好ましくは、樹脂コーティングが、固体潤滑剤を樹脂バインダで結合してなるものである。これにより、上記の（３）の効果を発揮するプロペラシャフトを製造することができる。

（８）好ましくは、樹脂コーティングの固体潤滑剤が、二硫化モリブデン，二硫化タングステン，ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ），ポリエチレン，グラファイト，カーボンナノチューブより選ばれる少なくとも一種であり、樹脂バインダが、エポキシ樹脂，フェノール樹脂より選ばれる少なくとも一種であるものである。これにより、上記の（４）の効果を発揮するプロペラシャフトを製造することができる。

実施形態の摺動式スプラインシャフトの構成を示す軸方向断面図である。 実施形態の摺動式スプラインシャフトの雄スプラインの径方向部分拡大断面図である。 雄スプラインの母材の表面の部分拡大断面図である。 雄スプラインのスプライン加工時の加工工程を示した拡大断面図である。 雄スプラインのスプライン加工時の加工工程を示した拡大断面図である。 雄スプラインの被膜の構成を示す部分拡大断面図である。 雄スプラインの製造方法のフローチャートである。 実施例におけるピッチと摩耗率の関係を示したグラフである。

本実施形態として、自動車のプロペラシャフトなどに使用される摺動式スプラインシャフトを例に挙げて説明する。ただし、本発明のプロペラシャフトは、自動車のプロペラシャフト以外にも、摺動式スプラインシャフトを備えたプロペラシャフトに適用できる。

図１に示すように、摺動式スプラインシャフトは、雄スプライン１１を有する第一軸部材１０、雌スプライン２１を有する第二軸部材２０とを備える。雄スプライン１１は、雌スプライン２１に対してスプライン嵌合し、軸方向に相対的に摺動可能に設けられている。このような構成により、両部材１０，２０は、相互にトルクを伝達可能であって、軸方向に相対移動可能となる。ここで、スプライン摺動部位には、潤滑剤としてのグリースが存在している。

雄スプライン１１の母材１６は、ホブ加工された鋼材に、焼入れ、焼戻しを行って形成されている。雄スプライン１１を形成している鋼材は、例えばＳ３０Ｃをあげることができる。本実施形態において、雄スプライン１１はＳ３０Ｃで形成されているが、鋼材、または、金属材料であればこれに限らない。

本実施形態において、雄スプライン１１は、ホブによりホブ加工が施されて形成されている。つまり、棒状（円柱状）の母材１６の外周面に軸方向に沿ったホブ切りを行うことで、雄スプライン１１が形成されている。この母材１６にホブ切りを行う具体的な方法は、従来のホブ盤に母材１６を装着して、外周面にスプラインを形成することで行うことができる。

ホブによりスプライン加工が施されて形成された雄スプライン１１の母材１６の表面は、図３に示したように、微細な凹凸が形成されている。この微細な凹凸は、母材１６の被加工面がホブ４０の刃４１０，４１１で切削されることで形成される。具体的には、スプライン加工では、まず、ホブ４０の刃４１０が母材１６に当たって、母材１６の表面が切削される（図４（ａ））。その後、母材１６が軸方向に移動し（送られ）、次のホブ４０の刃４１１が、先の切削位置から僅かにずれた位置に当たり、母材１６の表面が図４（ａ）と同様に切削される（図４（ｂ））。そして、次のホブ４０の刃がさらにずれた位置に当たり、母材１６の表面が同様に切削される。この切削が繰り返されて、雄スプライン１１が形成される。図４に示したように、ホブ４０の刃４１０，４１１が母材１６を切削する刃先（母材１６を切削する当接部）は、直線ではなく、弧を描く。図４（ｂ）に示したように、連続する二つのホブ４０の刃４１０，４１１のそれぞれが描く弧により、微細な凹凸（凸となった部分）が形成される。そして、スプラインでは、このホブ４０による加工が繰り返されることで、図３に示した微細な凹凸を備えた母材１６が形成される。

雄スプライン１１の表面の凹凸形状は、ホブ４０での加工条件により決定できる。具体的には、ホブ４０による加工時の母材１６の送り速度を調節することで、凹凸形状の凸の先端の距離（ピッチ）を調節することができる。母材１６の送り速度を早くすると図４（ａ）〜図４（ｂ）に至るまでの移動距離が長くなり、ピッチが大きく（広く）なる。遅くなるとピッチが小さく（狭く）なる。

また、同様に送り速度を調節することで、凸の先端の高さ（凹の深さ）を調節することができる。母材１６の送り速度を早くすると凸の高さが高く（凹の深さが深く）なり、遅くすると凸の高さが低く（凹の深さが浅く）なる。

本実施形態では、ピッチが０．７５ｍｍ以下となるように加工が行われる。ピッチが０．７５ｍｍ以下となることで、摺動時に樹脂コーティングにかかる荷重の部分的な集中が抑えられ、その結果として、樹脂コーティングの摩耗が抑えられる。なお、送り速度を遅くすると、ピッチをより小さくすることができ、樹脂コーティングにかかる荷重の部分的な集中がより抑えられるようになるが、雄スプライン１１の形成に長時間がかかるようになり生産効率が低下する。このため、ピッチが０．５ｍｍ以上であることが好ましい。

雄スプライン１１の表面には、下地層１７および被膜１８が形成されている。つまり、鋼材からなる母材１６の表面に、下地層１７が形成され、下地層１７の表面に、表層である被膜１８が形成されている。この被膜１８には、樹脂をバインダとし、固体潤滑剤を配合した乾性被膜が適用される。このように、ＤＬＣ被膜ではなく樹脂被膜である乾性被膜を適用することにより、低コスト化を図ることができる。

雌スプライン２１は、鋼材、例えばＳ３０Ｃで形成されている。本実施形態において、雌スプライン２１はＳ３０Ｃで形成されているが、鋼材、または、金属材料であればこれに限らない。そして、雄スプライン１１の被膜１８は、雌スプライン２１の表面に摺動可能である。

本実施形態では、雄スプライン１１の表面に下地層１７および被膜１８を形成し、雌スプライン２１の表面には被膜を形成していないが、雄スプライン１１と摺動する雌スプライン２１の表面にも被膜を形成してもよい。この場合、雄スプライン１１と同様に、雌スプライン２１の表面に下地層を形成した後に被膜を形成してもよい。

雄スプライン１１の表面の下地層１７および被膜１８を、図５に模式的に示した。下地層１７は、母材１６の表面に、１〜５μｍの範囲の厚さのリン酸塩からなる層で形成されている。下地層１７は、母材１６の鋼材の保護（耐蝕性）や、母材１６の鋼材と被膜１８の樹脂コーティングとの接合性を高める機能を発揮できる表面処理層であれば限定されるものではなく、従来公知の表面処理層とすることができ、リン酸塩での処理被膜やカップリング材での処理被膜をあげることができる。

被膜１８には、エポキシ樹脂（ＥＰ）およびフェノール樹脂（ＰＦ）の混合物よりなる樹脂バインダ３１と、バインダ３１に結着された固体潤滑剤である二硫化物３３，ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）３４およびポリエチレン（ＰＥ）３２と、が含まれている。これらの成分比率は、表１のとおりである。

なお、樹脂バインダ３１には、エポキシ樹脂およびフェノール樹脂の混合物を用いているが、エポキシ樹脂のみ、あるいはフェノール樹脂のみ、であってもよい。また、固体潤滑剤では二硫化物３３として二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）を例に挙げて記載している。もちろん、二硫化物として、二硫化タングステン（ＷＳ_２）も適用可能である。さらに、固体潤滑剤には、グラファイトやカーボンナノチューブも適用可能である。本発明では、カーボンナノチューブは、フラーレンを含む。なお、本実施形態では表１に示した固体潤滑剤を用いているが、これらの潤滑剤を単独で、あるいは異なる組み合わせとしてもよい。さらに、被膜１８には、その他の従来公知の添加剤を適宜含ませてもよい。

被膜１８の膜厚は、５〜１００μｍの範囲の厚さであり、密着性および耐摩耗性の観点からより好ましくは１０〜４０μｍの範囲の厚さであり、生産効率の観点から更に好ましくは１０〜３０μｍの範囲の厚さである。

本実施形態において、樹脂バインダ３１のエポキシ樹脂とフェノール樹脂の混合割合（質量割合）は、固体潤滑剤を結着するバインダとしての機能を発揮できるものであれば限定されるものではないが、エポキシ樹脂１００質量％に対してフェノール樹脂２５〜１００質量％である。好ましい質量比率は、エポキシ樹脂１００質量％に対してフェノール樹脂６５〜７５質量％である。

樹脂バインダ３１に結着される固体潤滑剤の具体的な材質，質量比率，粒径（平均粒径）についても、限定されるものではない。ポリエチレン３２は、平均粒径１〜３０μｍであり、被膜１８全体に対する質量比率は、５〜１０質量％である。ポリエチレン３２の平均粒径は、被膜１８の膜厚に応じて適宜選択する。二硫化物３３は、平均粒径１〜５μｍであり、被膜１８全体に対する質量比率は、１０〜１５質量％である。ＰＴＦＥ３４は、平均粒径１〜１０μｍであり、被膜１８全体に対する質量比率は、１０〜１５質量％である。本実施形態では、二硫化物３３、ＰＴＦＥ３４およびポリエチレン３２の比率は、二硫化物（二硫化モリブデン）：ＰＴＦＥ：ポリエチレン＝３．８：３．８：２．５とするとよい。このように、少なくとも、ポリエチレン３２の比率は、二硫化物３３およびＰＴＦＥ３４と同一もしくはそれ以下とする。

被膜１８は、表２に示すような組成の溶液とし、当該溶液を塗布することで形成することができる。溶液の溶剤には、メチルエチルケトン、トルエン、キシレン、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、イソプロピルアルコール、１−ブタノール、メチルイソブチルケトン、フェノール、オルソクレソールより選ばれる１種又は２種以上の混合溶媒をあげることができる。

本実施形態の雄スプライン１１の製造は、以下のように行うことができる。図６を参照して説明する。

まず、摺動式スプラインシャフトの雄スプライン１１を有する第一軸部材１０となる母材１６に、ホブを用いてスプライン加工を施す（Ｓ１）。この加工は、ピッチが０．７５ｍｍ以下となるように、好ましくは０．５〜０．７５ｍｍとなるように行われる。この加工により、図３に示した微細な凹凸をもつ表面が形成される。

次に、ホブ加工された母材１６の表面をアルカリ脱脂処理により洗浄し（Ｓ２）、リン酸亜鉛もしくはリン酸マンガンなどのリン酸塩からなる下地層１７を形成する（Ｓ３）。この下地層１７により、被膜１８の密着性を高めることができる。

続いて、大気雰囲気にてスプレーにより、表層になる被膜１８を形成するための溶液を下地層１７の表面に塗装する（Ｓ４）。その後、大気雰囲気にて焼成を行う（Ｓ４）。なお、焼成は、安価なため大気雰囲気としたが、窒素雰囲気でもよい。

（実施例）
実施例として、炭素鋼（Ｓ３０Ｃ）から、図６に記載の製造方法で、試料１〜６の雄スプライン１１（摺動式スプラインシャフト）を製造した。

具体的には、炭素鋼（Ｓ３０Ｃ）よりなる母材１６の外周面にホブを用いてスプライン加工を施し、その後、焼入れ、焼戻しして雄スプライン１１の母材１６を得た。なお、スプライン加工におけるホブのピッチは、表３に示した通りである。

そして、図６に記載のように、リン酸亜鉛被膜よりなる下地層１７を形成し、その上に、表１に示す成分の被膜１８を形成した。下地層１７の膜厚はばらつきを有しているが、膜厚の範囲は１〜３μｍの範囲となっている。被膜１８におけるＰＥ３２の平均粒径は１０μｍとし、ＭｏＳ_２３３の平均粒径は３μｍとし、ＰＴＦＥの平均粒径は５μｍとする。また、被膜１８の膜厚は表３に示した通りである。なお、被膜１８の膜厚は、母材１６の最も突出した先端部からの厚さである。

（評価）
実施例のスプラインシャフトの評価として耐久性試験を施した。
耐久試験は、第二軸部材２０を固定し、かつ、第一軸部材１０に予め決められた捻りトルクを付与した状態で、軸方向に所定回数往復移動させることで行われた。そして、耐久試験後の被膜１８の膜厚を測定し、試験での膜厚の摩耗率を得た。測定結果を表３及び図７に合わせて示した。ここで、本耐久試験では、表４に示したグリースの存在下で摺動が行われた。

表３に示したように、被膜１８の膜厚が３０μｍの場合に、ピッチが１ｍｍ以上の試料１〜２の雄スプライン１１は、試験により被膜１８が摩耗し、母材１６が露出した状態となっている。

これに対し、被膜１８の膜厚が３０μｍの場合に、ピッチが０．７５ｍｍ以下の試料３，試料４の雄スプライン１１は、被膜１８の摩耗量が１０μｍ，５μｍと少なく、試料１〜２と比較して耐摩耗性が向上していることがわかる。

さらに、ピッチが１．５ｍｍの試料１，試料５，試料６の雄スプライン１１の結果から、被膜１８の膜厚が１０〜３５μｍのいずれであっても、耐摩耗性が不十分であることが確認できた。

すなわち、ピッチが０．７５ｍｍ以下となることで、被膜１８の耐摩耗性が向上することが確認できた。このことは、以下のように解釈される。まず、スプラインシャフトが摺動するときには、被膜１８が母材１６に押し付けられる。このとき、被膜１８には、微細な凸の先端に対応する位置に、部分的に高い荷重が加わる。そして、本実施例では、ピッチが０．７５ｍｍ以下となることで、母材１６の表面の微細な凸の間隔が短くなるとともに、その数が多くなる。この結果、被膜１８に加わる荷重（微細な凸の一つずつに加わる荷重）が減少する。この結果、摩耗が抑えられ、被膜１８の耐摩耗性が高まる。

なお、下地層１７を介して母材１６の表面に形成された被膜１８が、固体潤滑剤を樹脂バインダで結着した被膜であり、この被膜がスプラインシャフトの摺動面においてμ−ｖ特性を改善する固体潤滑剤被膜であることから、実施例のスプラインシャフトは、スティックスリップの発生が低減できたプロペラシャフトとなっている。

さらに、スプラインを形成するためのホブ加工においてピッチ（送り速度）を調節することで、耐摩耗性に優れたスプラインシャフトを低コストで製造することができた。その上で、被膜１８を、樹脂溶液を塗布して形成することができ、低コストでその製造を行うことができる。
上記のように、実施例のプロペラシャフトは、低コストで耐久性に優れ、かつスティックスリップの発生を低減できるものとなっている。

１０：第一軸部材、 １１：雄スプライン、１６：母材、１７：下地層、１８：被膜、２０：第二軸部材、２１：雌スプライン、３１：樹脂バインダ、３２：ポリエチレン、３３：二硫化物、４０：ホブ、４１０，４１１：ホブの刃

Claims (8)

1. 互いに嵌合するスプラインシャフト及びスプラインスリーブを有し、スプラインシャフトの外面又はスプラインスリーブの内面の少なくとも一方に樹脂コーティングを施したプロペラシャフトにおいて、
   前記樹脂コーティングが施される前記スプラインの表面は、０．７５ｍｍ以下のピッチでホブ加工されてなることを特徴とするプロペラシャフト。
2. 前記ピッチは、０．５ｍｍ以上である請求項１記載のプロペラシャフト。
3. 前記樹脂コーティングは、固体潤滑剤を樹脂バインダで結合してなる請求項１〜２のいずれか１項に記載のプロペラシャフト。
4. 前記樹脂コーティングは、
   前記固体潤滑剤が、二硫化モリブデン，二硫化タングステン，ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ），ポリエチレン，グラファイト，カーボンナノチューブより選ばれる少なくとも一種であり、
   前記樹脂バインダが、エポキシ樹脂，フェノール樹脂より選ばれる少なくとも一種である請求項３記載のプロペラシャフト。
5. 互いに嵌合するスプラインシャフト及びスプラインスリーブを有し、スプラインシャフトの外面又はスプラインスリーブの内面の少なくとも一方に樹脂コーティングを施したプロペラシャフトの製造方法であって、
   前記樹脂コーティングが施される前記スプラインの表面に、０．７５ｍｍ以下のピッチでホブ加工する工程と、
   ホブ加工された前記表面に前記樹脂コーティングを施す工程と、
   を有することを特徴とするプロペラシャフトの製造方法。
6. 前記ピッチは、０．５ｍｍ以上である請求項５記載のプロペラシャフトの製造方法。
7. 前記樹脂コーティングは、固体潤滑剤を樹脂バインダで結合してなる請求項５〜６のいずれか１項に記載のプロペラシャフトの製造方法。
8. 前記樹脂コーティングは、
   前記固体潤滑剤が、二硫化モリブデン，二硫化タングステン，ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ），ポリエチレン，グラファイト，カーボンナノチューブより選ばれる少なくとも一種であり、
   前記樹脂バインダが、エポキシ樹脂，フェノール樹脂より選ばれる少なくとも一種である請求項７記載のプロペラシャフトの製造方法。
   

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