JP2020063784A - 動力伝達シャフト - Google Patents

Abstract

【課題】所望の機械的強度を具備した動力伝達シャフトを低コストに提供可能とする。
【解決手段】大径部２および小径部３と、大径部２と小径部３を接続するテーパ部４とを備えた動力伝達シャフト１において、小径部３およびテーパ部４は、焼入れ組織を有する焼入れ部７を有すると共に、大径部２は、厚さ方向の全域で焼入れ組織がない未焼入れ部６を有し、かつ、未焼入れ部６の最大外径、最大せん断応力および降伏点をそれぞれＤａ、τａおよびＴａとし、焼入れ部７の最小外径、最大せん断応力および降伏点をそれぞれＤｂ、τｂおよびＴｂとしたとき、Ｄａ＞Ｄｂ、および２．３＜[（Ｔａ／τａ）／（Ｔｂ／τｂ）]の関係式を満たす。
【選択図】図２

Description

本発明は、自動車や各種産業機械の動力伝達装置に組み込まれる動力伝達シャフトに関する。

自動車の動力伝達装置として使用されるドライブシャフトやプロペラシャフトは、２つの等速自在継手、およびこれらをトルク伝達可能に連結する動力伝達シャフト（「中間シャフト」とも称される）を備える。動力伝達シャフトとしては、中実の鋼製軸（棒鋼）を加工して得られる中実タイプと、中空の鋼製軸（鋼管）を加工して得られる中空タイプとがある。量産仕様のドライブシャフト等においては、自動車の軽量化、操縦性向上およびＮＶＨ特性向上等といった機能面での必要性から中空タイプの動力伝達シャフトが重用される一方、例えばドライブシャフトの試作対応等、特に納期が重視される局面においては中実タイプの動力伝達シャフトが重用される。

動力伝達シャフトは、通常、大径部およびその軸方向両側に設けられた小径部と、大径部と小径部を接続するテーパ部と、小径部の自由端側の外周面に形成された動力伝達用の連結要素（例えばスプライン）とを備えており、少なくとも外径側表層部には熱処理（焼入れ硬化処理）により形成された硬化層が設けられている（例えば、特許文献１）。このような動力伝達シャフトは、例えば、径一定の鋼製軸に機械加工や塑性加工を施すことで大径部、小径部およびテーパ部を有するシャフト素材を得た後、このシャフト素材を完成品形状に仕上げてから、完成品形状のシャフト素材に焼入れ硬化処理を施すことによって完成する。

ところで、自動車の操縦性は、動力伝達シャフトの捩れ強度によって左右され、動力伝達シャフトの捩れ強度が高まるほど自動車の操縦性が向上する。動力伝達シャフトの捩れ強度を高めるには、表面硬化層の厚さを大きくする（外周表面からの焼入れ深さを深くする）のが有効である。

シャフト素材を焼入れする際のシャフト素材の加熱方法としては、中実タイプ／中空タイプの別を問わず、エネルギー効率が高く、しかも熱処理装置のコンパクト化（省スペース化）に有利な高周波誘導加熱が重用される。高周波誘導加熱としては、加熱（焼入れ）対象のシャフト素材と、該シャフト素材よりも短寸の加熱コイルとをシャフト素材の軸方向に相対移動させながら加熱コイルに通電することにより、シャフト素材の軸方向各部を順次加熱・焼入れする移動式、あるいは、シャフト素材よりも長寸の加熱コイルの内周（対向領域）にシャフト素材を配置した状態で加熱コイルに通電することにより、シャフト全体をまとめて焼入れする定置式（特許文献２）が採用される。

特開２００７−７５８２４号公報 特開２００６−８３４６０号公報

定置式高周波焼入れは、移動式高周波焼入れを採用した場合に生じ得る問題、具体的には、シャフトの一端側と他端側とで加熱温度（焼入れに伴うシャフトの変形量）に差が生じ、その結果、焼入れ後のシャフトの全長寸法にバラツキが生じるという問題の発生を可及的に防止できる、という利点がある。しかしながら、定置式高周波焼入れを実施するには、焼入れ対象のシャフト素材の全長寸法に応じた数多くの加熱コイルを準備・保有する必要があることから、多大な設備投資が必要になり、動力伝達シャフトの製造コストが増大する。

上記の実情に鑑み、本発明の目的は、所望の機械的強度（特に捩れ強度）を具備した動力伝達シャフトを低コストに提供可能とすることにある。

上記の目的を達成するために創案された本発明は、中実又は中空の鋼製軸からなり、大径部およびその軸方向両側に設けられた小径部と、大径部と小径部を接続するテーパ部とを備え、小径部の自由端側の外周面に動力伝達用の連結要素が設けられた動力伝達シャフトにおいて、小径部およびテーパ部は、少なくとも外径側表層部に焼入れ組織を有する焼入れ部を有すると共に、大径部は、厚さ方向の全域で焼入れ組織がない未焼入れ部を有し、かつ、未焼入れ部の最大外径をＤａ、焼入れ部の最小外径をＤｂ、未焼入れ部の最大せん断応力をτａ、焼入れ部の最大せん断応力をτｂ、未焼入れ部の降伏点（降伏応力）をＴａ、焼入れ部の降伏点をＴｂとしたとき、Ｄａ＞Ｄｂ、および２．３＜[（Ｔａ／τａ）／（Ｔｂ／τｂ）]の関係式を満たすことを特徴とする。なお、本発明でいう「動力伝達用の連結要素」としては、軸方向に延びる凸部（歯）と凹部（歯底）が周方向に交互に形成されたスプラインやセレーションを挙げることができる。

上記構成において、大径部が、厚さ方向の全域で焼入れ組織がない未焼入れ部を有するとの構成は、動力伝達シャフト（最終的に動力伝達シャフトになるシャフト素材）のうち、大径部の軸方向一部領域に対する焼入れ硬化処理を省略することで得ることができる。この場合、シャフト素材の軸方向全域に焼入れ硬化処理を施す従来構成に比べ、シャフト素材に対する総入熱量を減じることができるので、焼入れ硬化処理の実施に伴う寸法変化量を減じることができる。焼入れ後の寸法変化量を減じることができれば、焼入れ後のシャフト素材相互間で全長寸法にバラツキが生じ難くなるので、焼入れ後に実施すべきシャフト素材の測長・検査工程は、必ずしも全数に対して行う必要はなく抜き打ちで行えば足りる。そのため、動力伝達シャフトの製造工程を簡略化し、動力伝達シャフトの製造コストを減じることができる。

一方、本発明に係る動力伝達シャフトにおいては、大径部の一部が未焼入れとなっているので、何らの対策も講じなければ、動力伝達シャフトに必要とされる機械的強度（特に捩れ強度）が不足する可能性がある。この点、本発明では、未焼入れ部の最大外径（Ｄａ）を焼入れ部の最小外径（Ｄｂ）よりも大きくしている（Ｄａ＞Ｄｂという関係式を満たすようにしている）ので、大径部に必要とされる機械的強度を確保することができる。さらに、本発明では、未焼入れ部の最大せん断応力をτａ、焼入れ部の最大せん断応力をτｂ、未焼入れ部の降伏点をＴａ、焼入れ部の降伏点をＴｂとしたとき、２．３＜[（Ｔａ／τａ）／（Ｔｂ／τｂ）]という関係式を満たすようにした。このようにすれば、未焼入れ部について焼入れ部と同等以上の強度を確保することができる。なお、上記の“２．３”という値は、焼入れ済の動力伝達シャフト（焼入れ材）で保証されている静的せん断応力（τ）を、未焼入れの動力伝達シャフト（生材）の静的せん断応力（τ’：実測値）で除すことで得られる値（＝τ／τ’）が２．３程度であったことに基づく。

良好な加工性や焼入れ性を担保する観点から、動力伝達シャフトを構成する中実又は中空の鋼製軸は、炭素含有量が０．２〜０．４５質量％の鋼製軸（例えば、ＪＩＳ Ｇ４０５１に規定された機械構造用炭素鋼であるＳ２０ＣやＳ４５Ｃ等からなる軸）とするのが好ましい。この場合には、２．６＜[（Ｔａ／τａ）／（Ｔｂ／τｂ）]＜３．０の関係式を満たすようにするのが好ましい。これは、Ｓ２０Ｃ〜Ｓ４５Ｃの範囲内、要するにＪＩＳ Ｇ４０５１に規定されたＳ２０Ｃ、Ｓ２２Ｃ、Ｓ２５Ｃ、Ｓ２８Ｃ、Ｓ３０Ｃ、Ｓ３３Ｃ、Ｓ３５Ｃ、Ｓ３８Ｃ、Ｓ４０Ｃ、Ｓ４３ＣおよびＳ４５Ｃでは、焼入れ材のせん断強度が生材のせん断強度の２．６〜３．０倍であったことに由来する。

上記構成において、未焼入れ部の金属組織（鉄組織）が焼準相当のフェライト・パーライト組織となっていれば、未焼入れ部の金属組織が、硬度および靱性を併せ持つ組織となるので、動力伝達シャフトの耐久性を高める上で有利となる。

動力伝達シャフトを構成する中実又は中空の鋼製軸としては、例えば、浸炭鋼、中炭素鋼又は合金鋼からなる軸部材を使用することができる。

以上から、本発明によれば、低コストに製造可能でありながら、所望の機械的強度（特に捩れ強度）を具備した動力伝達シャフトを提供することができる。従って、この動力伝達シャフトを構成部品として備える動力伝達装置（ドライブシャフトやプロペラシャフト等）は、低コストで、しかも所望の動力伝達機能を長期間に亘って安定的に発揮することができて信頼性に富む、という特長を有する。

ドライブシャフトの一例を示す断面図である。 本発明の第１実施形態に係る動力伝達シャフトを示す図である。 図２に示す動力伝達シャフトの製造工程のうち焼入れ工程を模式的に示す部分断面図であって、（ａ）図は同焼入れ工程の初期段階を示す図、（ｂ）図は同焼入れ工程の途中段階を示す図、（ｃ）図は同焼入れ工程の最終段階を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る動力伝達シャフトを示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図１〜４に基づいて説明する。

図１に、動力伝達装置の一種であるドライブシャフトの一例を示す。このドライブシャフトは、エンジンから駆動車輪に動力（回転トルク）を伝達するものであり、エンジン側（インボード側）に配置される摺動式等速自在継手１０と、駆動車輪側（アウトボード側）に配置される固定式等速自在継手２０と、両等速自在継手１０，２０をトルク伝達可能に連結する動力伝達シャフト１とを備える。なお、以下では、摺動式等速自在継手１０が配置された側および固定式等速自在継手２０が配置された側を、それぞれ、軸方向一方側および軸方向他方側ともいう。

図１に示す摺動式等速自在継手１０はいわゆるトリポード型であり、カップ部１２および軸部１３を有する外側継手部材１１と、カップ部１２の内周に収容された内側継手部材としてのトリポード部材１４と、トルク伝達部材としてのローラ１６とを主要な構成として備える。トリポード部材１４には径方向に延びる脚軸１５が円周方向等間隔で３本設けられており、各脚軸１５の外周には、ローラ１６が１個ずつ回転自在に嵌合されている。なお、この摺動式等速自在継手１０には、ダブルオフセット型等、他の形式の摺動式等速自在継手が用いられる場合もある。

図１に示す固定式等速自在継手２０はいわゆるバーフィールド型であり、カップ部２２および軸部２３を有する外側継手部材２１と、カップ部２２の内周に収容された内側継手部材２４と、カップ部２２と内側継手部材２４の間に配置されたトルク伝達部材としてのボール２５と、カップ部２２の内径面と内側継手部材２４の外径面との間に配され、ボール２５を円周方向等間隔に保持する保持器２６とを備える。なお、この固定式等速自在継手２０には、アンダーカットフリー型等、他の形式の固定式等速自在継手が用いられる場合もある。

動力伝達シャフト１の軸方向一方側および他方側の端部外周面には、それぞれ、動力伝達用の連結要素としてのスプライン（雄スプライン）５が設けられている。一端側のスプライン５は、摺動式等速自在継手１０のトリポード部材１４の孔部に設けられた図示外の雌スプラインに嵌合され、これによって動力伝達シャフト１と摺動式等速自在継手１０のトリポード部材１４とがトルク伝達可能に連結される。また他端側のスプライン５は、固定式等速自在継手２０の内側継手部材２４の孔部に設けられた図示外の雌スプラインに嵌合され、これによって動力伝達シャフト１と固定式等速自在継手２０の内側継手部材２４とがトルク伝達可能に連結される。

両等速自在継手１０，２０の内部にはグリース等の潤滑剤が封入されている。潤滑剤の外部漏洩や継手外部からの異物侵入を防止するため、摺動式等速自在継手１０の外側継手部材１１と動力伝達シャフト１との間、および固定式等速自在継手２０の外側継手部材２１と動力伝達シャフト１との間には、筒状のブーツ１７，２７がそれぞれ装着されている。

図２に、図１に示す動力伝達シャフト１であって、本発明の一実施形態に係る動力伝達シャフト１を抜き出して示す。この動力伝達シャフト１は、いわゆる中実タイプであり、軸方向中央部に配された大径部２と、大径部２の軸方向両側に配された小径部３，３と、大径部２と小径部３を接続するテーパ部４とを備え、スプライン５は各小径部３の自由端側の外周面に形成されている。この動力伝達シャフト１は、加工性や焼入性が良好な炭素含有量０．２０〜０．４５質量％の鋼材（ＪＩＳ Ｇ４０５１に規定のＳ２０ＣやＳ４５Ｃ等）からなる中実軸（中実の鋼製軸）を用いて作製される。上記鋼材の具体例としては、浸炭鋼、中炭素鋼、合金鋼などを挙げることができる。

動力伝達シャフト１は、図３に示すシャフト素材１’に焼入れ硬化処理を施すことによって形成された硬化層（表面硬化層）を有する。本実施形態において、硬化層は、図２中に斜線ハッチングで示す部分、具体的には、大径部２のうちテーパ部４に近接した軸方向領域の外径側表層部、小径部３のうち自由端側の軸方向領域を除く軸方向領域の外径側表層部、およびテーパ部４の外径側表層部全域に形成されている。要するに、小径部３およびテーパ部４は、少なくとも外径側表層部に焼入れ組織を有する焼入れ部７を有し、大径部２は、その軸方向中央領域に厚さ方向の全域で焼入れ組織がない未焼入れ部６を有する。未焼入れ部６の最大外径Ｄａは、焼入れ部７の最小外径Ｄｂよりも大きく設定される（Ｄａ＞Ｄｂ）。詳細な図示は省略するが、未焼入れ部６の金属組織は、焼準相当のフェライト・パーライト組織（フェライトとパーライトの二相組織）とされる。これにより、未焼入れ部６の金属組織が、硬度および靱性を併せ持つ組織となるので、動力伝達シャフト１の耐久性を高める上で有利となる。一方、焼入れ部７の金属組織（焼入れ組織）は、マルテンサイト組織を主体としたものとされる。

上記の構成を有する動力伝達シャフト１は、主に、上述した中実の鋼製軸に塑性加工や機械加工を施すことにより、完成品形状のシャフト素材１’を得る素材作製工程と、シャフト素材１’に焼入れ硬化処理を施すことにより、シャフト素材１’の軸方向所定箇所に表面硬化層（焼入れ部７）を形成する焼入れ工程と、焼入れ済のシャフト素材１’に焼戻し処理を施すことにより、シャフト素材１’内部の残留応力を除去し、シャフト素材１’に靱性を付与する焼戻し工程とを経て製造される。焼入れ・焼戻しに伴って生じた形状の崩れを修整するため、焼戻し後のシャフト素材１’に対して適当な仕上げ処理が施される場合もある。

ここで、焼入れ工程のうち、シャフト素材１’の加熱方法の一例を図３（ａ）〜（ｃ）に基づいて説明する。図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、シャフト素材１’に対する焼入れ硬化処理は、シャフト素材１’とシャフト素材１’よりも短寸の加熱コイル３０とをシャフト素材１’の軸方向に沿って相対移動させながら（図示例では、シャフト素材１’を移動側、加熱コイル３０を静止側としている）加熱コイル３０に通電することにより、シャフト素材１’の要焼入れ部を狙い温度に到達するまで誘導加熱し、その後、加熱されたシャフト素材１’の要焼入れ部を図示しない適宜の冷却手段で急冷することにより行われる。

より具体的には、加熱コイル３０の軸方向外側に配置されたシャフト素材１’を軸方向に連続送り又は間欠送りし、図３（ａ）に示すように、シャフト素材１’の要焼入れ部（ここでは軸方向一方側の焼入れ部７の形成予定部）が加熱コイル３０の対向領域に位置すると、加熱コイル３０に通電してシャフト素材１’を加熱する。以降、図３（ｂ）に示すように、シャフト素材１’の焼入れ不要部（未焼入れ部６の形成予定部）が加熱コイル３０と対向するまで加熱コイル３０への通電を継続する。すなわち、図３（ｂ）に示す位置までシャフト素材１’が送られると、加熱コイル３０への通電を中断する。その後、シャフト素材１’の軸方向移動が進展し、図３（ｃ）に示すように、シャフト素材１’の焼入れ不要部が加熱コイル３０の対向領域を通過すると、加熱コイル３０への通電を再開し、シャフト素材１’の要焼入れ部（軸方向他方側の焼入れ部７の形成予定部）を加熱する。この要焼入れ部が加熱コイル３０の対向領域を通過すると、加熱コイル３０への通電を停止する。

以上で説明したように、本発明に係る動力伝達シャフト１においては、大径部２が、その厚さ方向の全域で焼入れ組織がない未焼入れ部６を有する。係る構成は、上述したように、最終的に動力伝達シャフト１になるシャフト素材１’のうち、大径部２の軸方向所定領域の加熱を省略（中断）することで得られる。この場合、シャフト素材１’の全域に焼入れ硬化処理を施す場合に比べ、シャフト素材１’に対する総入熱量を減じることができるので、焼入れ硬化処理の実施に伴う寸法変化量（シャフト素材１’の全長寸法の変化量）を減じることができる。このように寸法変化量を減じることができれば、焼入れ後のシャフト素材１’相互間で全長寸法にバラツキが生じ難くなるので、熱処理後に実施すべきシャフト素材１’の測長検査は、必ずしも全数に対して行う必要はなく、抜き打ちで行えば足りる。そのため、動力伝達シャフト１の製造工程を簡略化し、動力伝達シャフト１の製造コストを減じることができる。

また、焼入れ硬化処理の実施に伴うシャフト素材１’の寸法変化量を抑えることができれば、シャフト素材１’に焼入れ硬化処理を施す際の方法として、図３（ａ）〜（ｃ）を参照して説明した、いわゆる移動式高周波焼入れを採用することができる。移動式高周波焼入れであれば、特許文献２に開示された定置式高周波焼入れを採用する場合のように、シャフト素材１’の全長寸法に応じた加熱コイルを準備・保有する必要がなく、シャフト素材１’の全長寸法が異なる場合でも加熱コイル３０を共用することができるので設備投資を抑制することができる。

特に、以上で説明したように、大径部２に焼入れ組織を有さない未焼入れ部６を設ける場合において、移動式高周波焼入れを採用して焼入れ部７（硬化層）を形成するようにすれば、焼入れ工程の途中段階でシャフト素材１’の加熱が一時的に中断される[図３（ｂ）参照]。そのため、図３（ｃ）に示す焼入れ工程の最終段階で大径部２の軸方向他方側に設けられたテーパ部４、さらには小径部３を加熱する際に、これらが比較的高温に予加熱された状態で加熱が開始されるのを回避することができる。これにより、軸方向他方側のテーパ部４および小径部３が過剰に加熱されるのを可及的に防止することができるので、焼入れ硬化処理の実施に伴うシャフト素材１’の寸法変化量を抑制する上で一層有利となる。なお、移動式高周波焼入れは、定置式高周波焼入れよりもシャフト素材１’一本当たりの焼入れに要する時間（サイクルタイム）が長くなる可能性があるが、上述したようにシャフト素材１’の一部を加熱しない場合には、その分だけサイクルタイムを減じることができる。

一方、動力伝達シャフト１においては、大径部２の一部が未焼入れとなっているので、何らの対策も講じなければ、大径部２、ひいては動力伝達シャフト１に必要とされる機械的強度（特に捩れ強度）が不足する可能性がある。このような懸念事項に対しては、未焼入れ部６の最大外径Ｄａを焼入れ部７の最小外径Ｄｂよりも大きくした（Ｄａ＞Ｄｂの関係式を満たすようにした）ので、所望の機械的強度を確保することができる。

さらに、本発明では、未焼入れ部６の最大せん断応力をτａ、焼入れ部７の最大せん断応力をτｂ、未焼入れ部６の降伏点をＴａ、焼入れ部７の降伏点をＴｂとしたとき、２．３＜[（Ｔａ／τａ）／（Ｔｂ／τｂ）]の関係式を満たすようにした。このようにすれば、未焼入れ部７について焼入れ部６と同等以上の機械的強度を確保することができる。

ここで、断面円形の中実軸の最大せん断応力τは、この中実軸に作用するトルク（捩りモーメント）をＴ、軸径をｄとしたとき、
τ＝１６*Ｔ／（π*ｄ³）
という計算式によって導出される。この計算式を移項すると、
Ｔ／τ＝（π*ｄ³）／１６
という計算式が成立する。
従って、上記のとおり、未焼入れ部６の最大せん断応力をτａ、未焼入れ部６の降伏点をＴａとし、未焼入れ部６の最大外径をＤａ（図２参照）とすると、
Ｔａ／τａ＝（π*Ｄａ³）／１６
という計算式が成立し、また、焼入れ部７の最大せん断応力をτｂ、焼入れ部７の降伏点をＴｂとし、焼入れ部７の最小外径をＤｂ（図２参照）とすると、
Ｔｂ／τｂ＝（π*Ｄｂ³）／１６
という計算式が成立する。
そして、本発明者らの検証によれば、（Ｔｂ／τｂ）に対する（Ｔａ／τａ）の比[＝（Ｔａ／τａ）／（Ｔｂ／τｂ）]が２．３よりも大きければ、未焼入れ部６について焼入れ部７と同等以上の機械的強度を確保することができることが判明した。

なお、上記の比[＝（Ｔａ／τａ）／（Ｔｂ／τｂ）]は２．６よりも大きく、３．０よりも小さく設定するのが好ましい。すなわち、２．６＜[（Ｔａ／τａ）／（Ｔｂ／τｂ）]＜３．０の関係式を満たすようにするのが好ましい。このようにすれば、大径部２の大径化に起因した動力伝達シャフト１の重量化・高コスト化を可及的に防止しつつ、大径部２の機械的強度を大幅に高めることができる。

従って、以上で説明した本発明の第１実施形態に係る動力伝達シャフト（中実タイプの動力伝達シャフト）１は、必要とされる機械的強度（特に捩れ強度）を具備するものでありながら、低コストに製造可能である、という特長を有する。従って、この動力伝達シャフト１を構成部品として備える図１に示すドライブシャフトは、低コストで、しかも所望の動力伝達機能を長期間に亘って安定的に発揮することができて信頼性に富む、という特長を有する。

以上、本発明の第１実施形態に係る動力伝達シャフト１について説明を行ったが、本発明は、中空タイプの動力伝達シャフトにも適用可能であり、その具体的な実施形態を図４に示す。

図４に示す中空タイプの動力伝達シャフト３１は、図２に示す中実タイプの動力伝達シャフト１の代替品として使用することが可能なものであって、図２に示す動力伝達シャフト１と同様に、軸方向中央部に配された大径部３２と、大径部３２の軸方向両側に配された小径部３３，３３と、大径部３２と小径部３３を接続するテーパ部３４とを備え、スプライン（雄スプライン）３５は各小径部３３の自由端側の外周面に形成されている。この動力伝達シャフト３１は、炭素含有量が０．２０〜０．４５質量％の鋼材、例えば、浸炭鋼、中炭素鋼又は合金鋼で形成された鋼製軸（中空の鋼製軸）を用いて作製される。

動力伝達シャフト３１は、大径部３２、小径部３３およびテーパ部３４を有する中空のシャフト素材（図示省略）に焼入れ硬化処理を施すことによって形成された硬化層を有する。本実施形態において、硬化層は、図４中に斜線ハッチングで示す部分、具体的には、大径部３２のうちテーパ部３４に近接した軸方向領域の厚さ方向全域、小径部３３のうち自由端側の軸方向領域を除く軸方向領域の厚さ方向全域、およびテーパ部３４の厚さ方向全域に形成されている。要するに、小径部３３およびテーパ部３４は、焼入れ組織を有する焼入れ部３７を有し、大径部３２は、その軸方向中央領域に厚さ方向の全域で焼入れ組織がない未焼入れ部３６を有する。詳細な図示は省略するが、未焼入れ部３６の金属組織は、焼準相当のフェライト・パーライト組織（フェライトとパーライトの二相組織）とされ、焼入れ部３７の金属組織は、マルテンサイト組織を主体としたものとされる。

上記の構成を有する動力伝達シャフト３１は、第１実施形態に係る動力伝達シャフト１と同様の理由により、低コストに製造することができる。その一方、動力伝達シャフト３１においても、未焼入れ部３６の最大外径Ｄａは、焼入れ部３７の最小外径Ｄｂよりも大きく設定した（Ｄａ＞Ｄｂ）ので、所望の機械的強度を確保することができる。さらに、動力伝達シャフト３１においても、未焼入れ部３６の最大せん断応力をτａ、焼入れ部３７の最大せん断応力をτｂ、未焼入れ部３６の降伏点をＴａ、焼入れ部３７の降伏点をＴｂとしたとき、
２．３＜[（Ｔａ／τａ）／（Ｔｂ／τｂ）]
という関係式を満たすようにした。このようにすれば、未焼入れ部３６について焼入れ部３７と同等以上の機械的強度を確保することができる。

ここで、断面円形の中空軸の最大せん断応力τ’は、この中実軸に作用する最大トルク（捩りモーメント）をＴ’、軸外径をｄ１、軸内径をｄ２としたとき、
τ’＝１６*Ｔ’*ｄ１／（π*（ｄ１⁴−ｄ２⁴））
という計算式によって導出される。この計算式を移項すると、
Ｔ’／τ’＝（π*（ｄ１⁴−ｄ２⁴））／１６*ｄ１
という計算式が成立する。
従って、上記のとおり、未焼入れ部３６の最大せん断応力をτａ、未焼入れ部３６の降伏点をＴａとし、未焼入れ部３６の最大外径をＤａ（図４参照）、未焼入れ部３６の最大内径をｄａ（図４参照）とすると、
Ｔａ／τａ＝（π*（Ｄａ⁴−ｄａ⁴））／１６*Ｄａ
という計算式が成立する。
また、焼入れ部３７の最大せん断応力をτｂ、焼入れ部３７の降伏点をＴｂとし、焼入れ部３７の最小外径をＤｂ（図４参照）、焼入れ部３７の最小内径をｄｂとすると、
Ｔｂ／τｂ＝（π*（Ｄｂ⁴−ｄｂ⁴））／１６*Ｄｂ
という計算式が成立する。
そして、本発明者らが検証したところ、（Ｔｂ／τｂ）に対する（Ｔａ／τａ）の比[＝（Ｔａ／τａ）／（Ｔｂ／τｂ）]が２．３よりも大きければ、未焼入れ部３６について焼入れ部３７と同等以上の機械的強度を確保することができることが判明した。

なお、中空タイプの動力伝達シャフト３１においても、中実タイプの動力伝達シャフト１と同様に、上記の比[＝（Ｔａ／τａ）／（Ｔｂ／τｂ）]を２．６よりも大きく、３．０よりも小さく設定するのが好ましい。すなわち、２．６＜[（Ｔａ／τａ）／（Ｔｂ／τｂ）]＜３．０の関係式を満たすようにするのが好ましい。このようにすれば、大径部３２の大径化に起因した動力伝達シャフト３１の重量化・高コスト化を可及的に防止しつつ、大径部３２の機械的強度を大幅に高めることができる。

以上で説明した実施形態では、いわゆる移動式高周波焼入れによって焼入れ部７，３７を形成するようにしたが、焼入れ部７，３７は、いわゆる定置式高周波焼入れによって形成することも可能である。特に、動力伝達シャフト１，３１（シャフト素材）の全長寸法が異なる場合であっても、小径部３およびテーパ部４の軸方向寸法を合算した値（シャフト素材の自由端と、テーパ部４と大径部２の境界部との軸方向離間距離）が略同一であれば、共通の加熱コイルを用いてシャフト素材を加熱する（シャフト素材に焼入れ硬化処理を施す）ことができる。

従って、本発明のように、大径部２，３２に未焼入れ部６，３６を設け、焼入れ部（硬化層）７，３７を軸方向で分離して設けるようにすれば、軸方向で連続した硬化層を設ける従来構成において、移動式高周波焼入れを採用する場合に生じる問題、および定置式高周波焼入れを採用する場合に生じる問題を解消することができる。そのため、本発明によれば、焼入れ方法の選択自由度が向上する、という作用効果も併せて享受することができる。

以上では、ドライブシャフトを構成する動力伝達シャフトに本発明を適用した場合について説明したが、本発明は、プロペラシャフト等、その他の動力伝達装置を構成する動力伝達シャフトにも好ましく適用することができる。

１ （中実タイプの）動力伝達シャフト
２ 大径部
３ 小径部
４ テーパ部
５ スプライン（動力伝達用の連結要素）
６ 未焼入れ部
７ 焼入れ部
１０ 摺動式等速自在継手
２０ 固定式等速自在継手
３０ 加熱コイル
３１ （中空タイプの）動力伝達シャフト
３２ 大径部
３３ 小径部
３４ テーパ部
３５ スプライン（動力伝達用の連結要素）
３６ 未焼入れ部
３７ 焼入れ部

Claims (4)

1. 中実又は中空の鋼製軸からなり、大径部およびその軸方向両側に設けられた小径部と、前記大径部と前記小径部を接続するテーパ部とを備え、前記小径部の自由端側の外周面に動力伝達用の連結要素が形成された動力伝達シャフトにおいて、
   前記小径部および前記テーパ部は、少なくとも外径側表層部に焼入れ組織を有する焼入れ部を有すると共に、前記大径部は、厚さ方向の全域で焼入れ組織がない未焼入れ部を有し、かつ、
   前記未焼入れ部の最大外径をＤａ、前記焼入れ部の最小外径をＤｂ、前記未焼入れ部の最大せん断応力をτａ、前記焼入れ部の最大せん断応力をτｂ、前記未焼入れ部の降伏点をＴａ、前記焼入れ部の降伏点をＴｂ、としたとき、Ｄａ＞Ｄｂ、および２．３＜[（Ｔａ／τａ）／（Ｔｂ／τｂ）]の関係式を満たすことを特徴とする動力伝達シャフト。
2. 前記鋼製軸は、炭素含有量が０．２〜０．４５質量％の鋼製軸であり、
   ２．６＜[（Ｔａ／τａ）／（Ｔｂ／τｂ）]＜３．０の関係式を満たす請求項１に記載の動力伝達シャフト。
3. 前記未焼入れ部の金属組織が、焼準相当のフェライト・パーライト組織である請求項１又は２に記載の動力伝達シャフト。
4. 前記鋼製軸が、浸炭鋼、中炭素鋼又は合金鋼からなる請求項１〜３の何れか一項に記載の動力伝達シャフト。

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