JP2018115704A

JP2018115704A - 中空状動力伝達シャフト

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Publication number: JP2018115704A
Application number: JP2017006600A
Authority: JP
Inventors: 裕一郎北村; Yuichiro Kitamura
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2017-01-18
Filing date: 2017-01-18
Publication date: 2018-07-26
Also published as: WO2018135205A1

Abstract

【課題】生産性の向上、コスト低減、及び生産管理の負荷低減等を達成可能な中空状動力伝達シャフトを提供する。
【解決手段】一対の軸部材と、この一対の軸部材間に介在されて各軸部材とそれぞれ一体接合される中間筒体とからなり、各軸部材の端部に等速自在継手が接続される中空状動力伝達シャフトである。一対の軸部材の軸方向長さを同一長さに設定され、かつ一対の軸部材は内外径寸法が中間筒体の内外寸法と同一である筒状接合部を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、等速自在継手等に連結される中空状動力伝達シャフトに関する。

例えば、自動車の動力伝達系において、減速装置(デファレンシャル)から駆動輪に動力を伝達する動力伝達シャフトが用いられる。動力伝達シャフトの一方の端部にて摺動式等速自在継手が接続され、動力伝達シャフトの他方の端部にて固定式等速自在継手が接続され、ドライブシャフトが構成される。

この場合、摺動式等速自在継手を介して減速装置側に連結し、その他端部、いわゆる固定側等速自在継手を介して駆動輪側に連結することになる。この動力伝達シャフトとしては、従来、また現在においても、中実シャフトが多く採用されている。しかしながら、自動車の軽量化、動力伝達シャフトの剛性増大による機能向上、曲げ一次固有振動数のチューニング最適化による車室内の静粛性向上の観点から、近時では、動力伝達シャフトを中空化する要求が増えてきている。

従来には、例えば、パイプ素材に絞り加工を施して、軸方向中間部に大径部、軸方向両側部に小径部を有する中空状シャフト素材を成形し、この中空状シャフト素材に必要に応じて所要の機械加工を施した後、熱処理を施すことによって、中空状動力伝達シャフトが製造される（特許文献１）。

また、特許文献２には、中実の棒材を冷間鍛造して形成された一対のスタブシャフトの中空端面同士を接合して成形してなる中空状動力伝達シャフト（２ピース型）、さらには、一対のスタブシャフトと、このスタブシャフト間に配設されるパイプ材とからなる中空状動力伝達シャフト）（３ピース型）が開示されている。

特開２００７−０７５８２４号公報特開２００１−３１５５３９号公報

特許文献１に示す中空状動力伝達シャフトは、一体型中空シャフトである。このような一体型中空シャフトは、スウェージング加工等で加工されている。このため、金型費、設備費等に多額の費用が掛かり、さらに原材料にパイプ材を使用するが、パイプ材は中実棒材に比べてコスト高であり、材料コストが高くつく。

そのため、このような一体型中空シャフトは、製造単価が高くなって多品種少量生産の車両用中間軸には不適当であり、汎用性に劣る。また、パイプ材からシャフトを成形した後、中央部の内面のキズや欠陥の有無、大小を検査することが難しく、これがシャフト全体の品質管理の工数を多くし、高精度な検査を難しくしている。また、顧客から製造依頼があった場合、試作期間等を必要として、リードタイムが長くなっていた。

また、特許文献２に記載のように、３ピース型では、スタブシャフト及びパイプ材としては、等速自在継手毎、延いては車両毎に異なる形状（径寸法、軸方向長さ）のものを用いる必要がある。

すなわち、軽量化要求、車両振動問題に対応する為の曲げ固有振動数のチューニング、トルクステア等を防ぐ為の剛性値のチューニングが必要となってくる為、中央部のパイプについても、様々な径が必要となってくる。それに合わせて、ステム部接合部径についても、様々な径が必要となる。このため、車種毎に様々なステム部、パイプの仕様が存在していた。このため、生産性に劣るとともに、コスト高となっていた。

そこで、本発明は、上記課題に鑑みて、生産性の向上、コスト低減、及び生産管理の負荷低減等を達成可能な中空状動力伝達シャフトを提供するものである。

本発明の中空状動力伝達シャフトは、一対の軸部材と、この一対の軸部材間に介在されて各軸部材とそれぞれ一体接合される中間筒体とからなり、各軸部材の端部に等速自在継手が接続される中空状動力伝達シャフトであって、一対の軸部材の軸方向長さが同一長さに設定され、かつ一対の軸部材は内外径寸法が中間筒体の内外径寸法と同一である筒状接合部を有するものである。

本発明の中空状動力伝達シャフトによれば、軸部材（ステム部）はジョイントサイズ１つに対して１つの仕様となり、軸部材（ステム部）の品種統合を図ることができる。また、中間筒体についても、ジョイントサイズ１つに対して１つの内外径のものを調達すればよく、中間筒体も品種統合を図ることができる。この場合、一対の軸部材は同一仕様であるのが好ましい。一対の軸部材を同一仕様とすることによって、安定して品種統合を図ることができる。

一対の軸部材は、中間筒体側の外径が中間筒体の外径と同一となる接合部と、この接合部位よりも小径の軸部材本体部と、軸部材本体部と接合部と連設する連設部とを有し、中間筒体の外径をＤとし、軸部材本体部をｄとしたときに、Ｄ＝０．５２×ｄ＋Ｃとし、Ｃを、１５．９２〜２３．０９とするのが好ましい。このように設定することによって、既存の（量産されている）中空状動力伝達シャフトと対応するシャフトとすることができる。

軸部材と中間筒体とは、電子ビーム溶接にて接合一体化されていても、レーザ溶接にて接合一体化されていてもよい。ここで、電子ビーム溶接は、陰極をフィラメントで加熱することによって放出される熱電子を利用したもので、この熱電子を電圧差で作った電磁場を利用して加速させ、溶接対象物に衝突させたときに生じる衝撃発熱を利用して溶接を行う方法である。また、レーザ溶接とは、レーザ光を熱源として主として金属に集光した状態で照射し、金属を局部的に溶融・凝固させることによって接合する方法のことである。

軸部材が鍛造加工品にて構成されているのが好ましい。

本発明では、軸部材及び中間筒体の品種統合が可能となって、生産性の向上、及びコスト低減が可能となる。また、部材の品種の減少によって、生産管理の負荷を低減することができる。

接合手段として電子ビーム溶接を用いた本発明の中空状動力伝達シャフトの半裁断面図である。中空状動力伝達シャフトを用いたドライブシャフトの断面図である。本発明の短尺の中空状動力伝達シャフトの半裁断面図である。本発明の長尺の中空状動力伝達シャフトの半裁断面図である。接合手段としてレーザ溶接を用いた本発明の中空状動力伝達シャフトの半裁断面図である。接合手段として摩擦圧接を用いた本発明の中空状動力伝達シャフトの半裁断面図である。本発明の中空状動力伝達シャフトの製造方法を示す工程図である。旋削工程前の軸部材の側面図である。軸部材の品種統合例を示すブロック図である。

以下本発明の実施の形態を図１〜図９に基づいて説明する。図２は、本発明に係る中空状動力伝達シャフトを用いたドライブシャフトを示す。固定式等速自在継手１と、摺動式等速自在継手２と、これらの等速自在継手を連結する中空状動力伝達シャフトＳとを備える。この図例では、固定式等速自在継手にバーフィールド型等速自在継手を用い、摺動式等速自在継手にトリポード型等速自在継手を用いている。

固定式等速自在継手１は、軸方向に延びる複数のトラック溝３が内球面４に形成された外側継手部材５と、軸方向に延びる複数のトラック溝６が外球面７に形成された内側継手部材８と、外側継手部材５のトラック３と内側継手部材８のトラック６との間に介在してトルクを伝達する複数のボール９と、外側継手部材５の内球面４と内側継手部材８の外球面７との間に介在してボール９を保持するケージ１０とを備えている。

摺動式等速自在継手２は、内周に軸線方向に延びる三本の溝１１を設けると共に各溝１１の内側壁に互いに対向するローラ案内面１１ａを設けた外側継手部材１２と、半径方向に突出した３つの脚軸１３を備えた内側継手部材としてのトリポード部材１４と、前記脚軸１３に回転自在に支持されると共に外側継手部材の溝１１に転動自在に挿入されたトルク伝達手段としてのローラ１５とを備える。この場合、ローラ１５は脚軸１３の外径面に周方向に沿って配設される複数のころ１６を介して外嵌されている。なお、トリポード部材１４は、ボス部１７と、このボス部１７から径方向に伸びる前記脚軸１３とからなる。

中空状動力伝達シャフトＳは、その両端部に雄スプライン(スプライン軸)２１ａ，２１ｂが形成され、一方の雄スプライン２１ａが固定式等速自在継手１の内側継手部材８に嵌入され、他方の雄スプライン２１ｂが摺動式等速自在継手２のトリポード部材１４に嵌入される。内側継手部材８の軸心孔２２に雌スプライン（スプライン孔）２３が形成され、シャフトＳの一方の雄スプライン２１ａが内側継手部材８の軸心孔２２に嵌入されて、雌スプライン(スプライン孔)２３に噛合する。また、シャフトＳの他方の雄スプライン（スプライン軸）２１ｂがトリポード部材１４のボス部１７の軸心孔２４に嵌入されて、この軸心孔２４の雌スプライン(スプライン孔)２５に噛合する。

そして、固定式等速自在継手１には外側継手部材５の開口部を密封するためのブーツ３０Ａが付設され、摺動式等速自在継手２には外側継手部材１２の開口部を密封するためのブーツ３０Ｂが付設されている。ブーツ３０Ａ，３０Ｂは、大径の取付部３０ａと、小径の取付部３０ｂと、大径の取付部３０ａと小径の取付部３０ｂとを連結する屈曲部を構成する蛇腹部３０ｃとからなる。ブーツ３０Ａ，３０Ｂの大径の取付部３０ａは外側継手部材１２，５の開口部側の外径面に形成されるブーツ装着部３１，３１で締結バンド３２により締め付け固定され、その小径の取付部３０ｂはシャフトＳの所定部位（ブーツ装着部３３，３３）で締結バンド３２により締め付け固定されている。

中空状動力伝達シャフトＳは、図１に示すように、一対の軸部材４０（４０Ａ，４０Ｂ）と、この一対の軸部材４０（４０Ａ，４０Ｂ）間に介在される中間筒体４１とからなる。一対の軸部材４０（４０Ａ，４０Ｂ）は、端部に雄スプライン２１ａ（２１ｂ）が有する本体部４２と、内外径寸法が中間筒体４１の内外径寸法が同一に設定される筒状接合部４３と、この筒状接合部４３と本体部４２とを連設するテーパ状の連設部４４とからなる。この場合、本体部４２の外径寸法は、中間筒体４１の外径寸法よりも小さく設定されている。また、一対の軸部材４０（４０Ａ，４０Ｂ）は、筒状接合部４３以外、すなわち、本体部４２と連設部４４とが中実体にて構成されている。

一対の軸部材４０（４０Ａ，４０Ｂ）の本体部４２には、雄スプライン２１ａ、２１ｂ以外に、ブーツ装着部３３，３３の周方向凹溝４５，４５が形成される。また、雄スプライン２１ａ、２１ｂの端部には、抜け止め用の止め輪４６，４７(図２参照)が嵌合される周方向凹溝４８，４８が設けられている。

一方の軸部材４０Ａと中間筒体４１とは、軸部材４０Ａの筒状接合部４３の端面４３ａと中間筒体４１の一方の端面４１ａとが突き合わされて接合手段を介して接合されている。また、他方の軸部材４０Ｂと中間筒体４１とは、軸部材４０Ｂの筒状接合部４３の端面４３ｂと中間筒体４１の一方の端面４１ｂとが突き合わされて接合手段を介して接合されている。この場合の接合手段としては、電子ビーム溶接である。ここで、電子ビーム溶接は、陰極をフィラメントで加熱することによって放出される熱電子を利用したもので、この熱電子を電圧差で作った電磁場を利用して加速させ、溶接対象物に衝突させたときに生じる衝撃発熱を利用して溶接を行う方法である。なお、図１のＷａは電子ビーム溶接にて形成された接合部Ｗを示している。

このシャフトＳは、中間筒体４１の外径をＤとし、軸部材本体部４２の外径をｄとしたときに、Ｄ＝０．５２×ｄ＋Ｃとし、Ｃを、１５．９２〜２３．０９としている。この寸法設定は、次の表１に基づくものである。

この表１は、軸部径（軸部材の本体部の外径）と素管径（中間筒体４１の外径）との関係を示している。Ｄ＝０．５２×ｄ＋２３．０９は、既存のトライブシャフトの量産品の上限を示し、Ｄ＝０．５２×ｄ＋１５．９２は、既存のトライブシャフトの量産品の下限を示している。このため、０．５２×ｄ＋１５．９２≦Ｄ≦０．５２×ｄ＋２３．０９に設定すれば、既存のトライブシャフトの量産品に対応することになる。

ところで、中空状動力伝達シャフトＳとしては、軸方向長さが相違する中間筒体４１を用いれば、図３に示すようないわゆる短尺の中空状動力伝達シャフトＳや図４に示すようないわゆる長尺の中空状動力伝達シャフトＳを構成できる。すなわち、図３に示す中空状動力伝達シャフトＳと図４に示す中空状動力伝達シャフトＳとは、各軸部材４０（４０Ａ，４０Ｂ）の長さ寸法（軸方向長さ）それぞれ同一の寸法Ａとして、図３に示す中空状動力伝達シャフトＳの中間筒体４１の軸方向長さをＬ１とし、図４に示す中空状動力伝達シャフトＳの中間筒体４１の軸方向長さをＬ２としときに、Ｌ１＜Ｌ２となっている。このため、中間筒体４１を変更することによって、種々の長さ（軸方向長さ）の中空状動力伝達シャフトＳを構成できる。

図５は、接合手段として、レーザ溶接を用いた場合を示している。ここで、レーザ溶接とは、レーザ光を熱源として主として金属に集光した状態で照射し、金属を局部的に溶融・凝固させることによって接合する方法のことである。なお、図５において、Ｗｂはレーザ溶接にて形成された接合部Ｗを示している。

図６では、接合手段として、摩擦圧接を用いた場合を示している。ここで、摩擦圧接とは、接合する部材（たとえば金属や樹脂など）を高速で擦り合わせ、そのとき生じる摩擦熱によって部材を軟化させると同時に圧力を加えて接合する方法である。なお、図６において、Ｗｃはレーザ溶接にて形成された接合部Ｗを示している。

次に、図７は、この中空状動力伝達シャフトＳの製造工程を示し、この場合、ステム材（軸部材４０）の製造工程と、素管材（中間筒体４１）の製造工程と、ステム材（軸部材４０）と素管材（中間筒体４１）とを接合する工程がある。

ステム材（軸部材４０）の製造工程は、素材であるバー材を所定寸（所定の軸方向長さ）に切断する切断工程Ｓ１ｓと、鍛造加工工程Ｓ２ｓと、旋削工程Ｓ３ｓとがある。素材としては、例えば、炭素濃度が低い浸炭材（ＳＣｒやＳＣＭ等）、炭素濃度が０．２５％〜０．６％の中炭素鋼（Ｓ３０ｃやＳ５５Ｃ等）、合金鋼（ＳＡＥ１５３５Ｍ等）等がある。鍛造加工工程Ｓ２ｓにて、図８に示す加工品が形成される。すなわち、雄スプライン２１ａ、２１ｂ、周方向凹溝４５，４８を有しない軸部材４０Ｓを形成する。このため、この軸部材４０Ｓは、本体部４２を構成する本体部構成部４２Ｓと、筒状接合部４３を構成する接合部構成部４３Ｓと、連設部４４を構成する連設部構成部４４Ｓとからなる。このため、本体部構成部４２Ｓの外径寸法ｄｓが、形成後のシャフトＳの本体部４２の外径寸法ｄと同一で、接合部構成部４３Ｓの外径寸法ｄ１ｓが、中間筒体４１の外径寸法Ｄと同一に設定されている。

旋削工程Ｓ３ｓは、雄スプライン形成工程、周方向凹溝形成工程、接合部形成工程とがある。雄スプライン形成工程は雄スプライン２１ａ，２１ｂを形成する部位において、その径（外径）をスプライン下径とする切削を行い、このスプライン下径に転造加工（又はプレス加工）にて雄スプライン２１（２１ａ、２１ｂ）を形成する。周方向凹溝形成工程は、周方向凹溝を旋削加工する工程である。接合部形成工程は、筒状接合部４３の仕上げ加工である。なお、鍛造加工工程Ｓ２ｓを行わない場合、外径旋削を行うことになる。

素管材（中間筒体）製造工程は、素管切断工程Ｓ１ｐと、旋削加工工程Ｓ２ｐとがある。素管切断工程Ｓ１ｐは、所定寸（所定の軸方向長さ）に長尺の素管を切断する工程である。旋削加工工程Ｓ２ｐは中間筒体の接合部（軸部材と接合する部位）の旋削による仕上げ工程である。

このように形成された軸部材４０（４０Ａ，４０Ｂ）と中間筒部４１とが接合工程（この場合、溶接工程Ｓ４）を行って、一対の軸部材４０Ａ，４０Ｂ間に中間筒部４１が介在されたシャフトＳを形成する。その後、熱処理工程Ｓ５を行う。熱処理工程Ｓ５としては、浸炭焼入れや高周波焼入れ等がある。また、熱処理範囲としては、シャフトＳの全長に渡っても、雄スプライン２１ａ、２１ｂのみであっても、雄スプライン２１ａ、２１ｂと中空部位等であってもよい。

ところで、例えば、図９に示すように、一の軸部材４０Ａ、４０Ｂに対して、中間筒体４１を複数種揃えれば、複数種の中空状動力伝達シャフトＳを形成することができる。すなわち、軸部材４０Ａ、４０Ｂを一つの品番（Ｓ００１）に対して、中間筒体４１を複数種の品番（Ｐ００１，Ｐ００２，Ｐ００３，Ｐ００４、Ｐ００５・・・・・Ｐ（ｎ））のものを揃えれば、製品として、複数種の品番（Ａ００１，Ａ００２，Ａ００３，Ａ００４、Ａ００５・・・・・Ａ（ｎ））のものを形成することができる。

中間筒体４１の複数種とは、内外径が軸部材４０（４０Ａ，４０Ｂ）の筒状接合部４３の内外径と同一であって、軸方向長さが相違するものである。すなわち、車両によって、用いるドライブシャフトの軸方向長さが相違するものであるので、各車両に対応する長さのシャフトＳを安定して製造することができる。

本発明の中空状動力伝達シャフトＳでは、軸部材４０（４０Ａ，４０Ｂ）（ステム部）はジョイントサイズ１つに対して１つの仕様となり、つまり中間筒体４１の両端の軸部材４０（４０Ａ，４０Ｂ）は同一仕様の軸部材となり、軸部材４０（４０Ａ，４０Ｂ）の品種統合を図ることができる。また。中間筒体４１についても、ジョイントサイズ１つに対して１つの内外径のものを調達すればよく、中間筒体４１も品種統合を図ることができる。すなわち、軸部材４０（４０Ａ，４０Ｂ）及び中間筒体４１の品種統合が可能となって、生産性の向上、及びコスト低減が可能となる。また、部材の品種の減少によって、生産管理の負荷を低減することができる。軸部材４０Ａと軸部材４０Ｂとを同一仕様とすることによって、安定して品種統合を図ることができる。

中間筒体４１の外径をＤとし、軸部材本体部４２の外径をｄとしたときに、Ｄ＝０．５２×ｄ＋Ｃとし、Ｃを、１５．９２〜２３．０９とすることによって、既存の（量産されている）中空状動力伝達シャフトと対応する中空状動力伝達シャフトＳとすることができる。

軸部材４０（４０Ａ，４０Ｂ）と中間筒体４１との接合手段としては、電子ビーム溶接であっても、レーザ溶接であっても、摩擦接合であってもよいので、用いる材質等に応じてその接合手段を選択できる。このため、軸部材と中間筒体とを最適な接合手段にて接合一体化でき、強度的に安定する。

また、軸部材４０（４０Ａ，４０Ｂ）として、鍛造加工にて製作したり、切削加工にて製作したりでき、生産性に優れる。さらには、軸部材４０（４０Ａ，４０Ｂ）と中間筒体４１を、浸炭材、中炭素鋼、合金鋼等にて構成でき、材質の選択の自由度が高く、使用する部位等に応じた材質の中空状動力伝達シャフトＳを安定して構成できる。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明は前記した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、適用（使用）する部位として、ドライブシャフトに限るものではなく、プロペラシャフトであっても、さらには、後輪駆動車の駆動軸に限るものではなく、前輪駆動車および４ＷＤ車のフロント駆動軸であってもよい。また、このような自動車の動力伝達系以外にも、回転するシャフトを有する種々の一般機械、電気機械、又は輸送機械等にも使用可能である。

図２に示すドライブシャフトにおいて、固定式等速自在継手１として、前記実施形態では、バーフィールドタイプであったが、アンダーカットフリータイプの固定式等速自在継手であってもよく、摺動式等速自在継手２としても、トリポードタイプに限らず、ダブルオフセットタイプやクロスグルーブタイプの摺動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としてトリポードタイプを用いる場合、シングルローラタイプであっても、ダブルローラタイプであってもよい。

４０、４０Ａ、４０Ｂ軸部材
４１中間筒体
４２本体部
４３筒状接合部
４４連設部
Ｓ中空状動力伝達シャフト
Ｍ接合部

Claims

一対の軸部材と、この一対の軸部材間に介在されて各軸部材とそれぞれ一体接合される中間筒体とからなり、各軸部材の端部に等速自在継手が接続される中空状動力伝達シャフトであって、
一対の軸部材の軸方向長さを同一長さに設定され、かつ一対の軸部材は内外径寸法が中間筒体の内外寸法と同一である筒状接合部を有することを特徴とする中空状動力伝達シャフト。
一対の軸部材は同一仕様であることを特徴とする請求項１に記載の中空状動力伝達シャフト。
一対の軸部材は、前記筒状接合部と、この接合部位よりも小径の軸部材本体部と、軸部材本体部と接合部と連設する連設部とを有し、中間筒体の外径をＤとし、軸部材本体部をｄとしたときに、Ｄ＝０．５２×ｄ＋Ｃとし、Ｃを、１５．９２〜２３．０９としたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の中空状動力伝達シャフト。
軸部材と中間筒体とは、電子ビーム溶接にて接合一体化されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の中空状動力伝達シャフト。
軸部材と中間筒体とは、レーザ溶接にて接合一体化されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の中空状動力伝達シャフト。
軸部材が鍛造加工品であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の中空状動力伝達シャフト。