JP3760112B2

JP3760112B2 - 動力伝達シャフト

Info

Publication number: JP3760112B2
Application number: JP2001158691A
Authority: JP
Inventors: 和哉脇田; 勝幸池井; 久昭藏
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2001-05-28
Filing date: 2001-05-28
Publication date: 2006-03-29
Anticipated expiration: 2021-05-28
Also published as: JP2002356742A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は動力伝達シャフトに関し、例えば、自動車の動力伝達系の一部を構成するドライブシャフト（駆動軸）やプロペラシャフト（推進軸）に使用される動力伝達シャフトに関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車の動力伝達系を構成するシャフトには、エンジンと車輪軸受装置を繋ぐドライブシャフトや、変速機から減速歯車装置に動力を伝達するプロペラシャフトがあり、いずれも軸端部にスプライン等の連結要素が設けられる。この動力伝達シャフトは、その種類を基本構造で大別すると、中実の棒材から加工された中実シャフトと、鋼管などから加工された中空シャフトとがある。
【０００３】
従来は、中実シャフトを使用していたが、近年における自動車の高機能化や車室内の静粛性向上の要求から、動力伝達シャフトにも、強度、耐久性のみならず、軽量化、コンパクト化、ＮＶＨ特性の向上など様々な機能が必要になってきている。また、自動車の発進時の操縦性やダイレクト感を得るために捩り剛性の向上が必要である。捩り剛性の向上を図るためにはシャフト径を大きくすることが考えられるが、重量増加を招来し、連結部の削り量も増加してコストアップを招くことになる。さらに、自動車の走行時、エンジン振動とシャフトが共振して車内への騒音を招くのでそれを回避するために固有振動数のチューニングが必要である。固有振動数のチューニングを図るためには動力伝達シャフトにダンパー等を取り付けることが考えられるが、部品点数の増加や組み付け工数の増加などからコストアップを招来する。
【０００４】
これら機能面での必要性から、中実シャフトに代えて中空シャフトを多用する傾向にある。この種の中空シャフトは、一体型中空シャフトと接合型中空シャフトに大別される。一体型中空シャフトは、最外径部を持つ中央のパイプ部と端部外周面にスプライン等の連結部が形成された軸部とを同一素管から一体成形した構造を有する。これに対して、接合型中空シャフトは、パイプ部と軸部（スタブ）とを別々に成形して摩擦圧接や溶接などにより接合した構造を有する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述した一体型や接合型の中空シャフトは、中実シャフトに比べて断面係数が減少し、中空シャフトに作用する最大剪断応力が大きくため、剪断強度が低下する虞がある。また、動力伝達用の中空シャフトには、肉厚精度が高く、安定した強度が得られる電縫管が用いられる場合がある。しかしながら、電縫管は、寸法精度や仕上げ精度が良好な鋼材をパイプ状に成形して電気抵抗溶接で突き合わせ溶接した構造を有するため、その軸線方向に沿って延在する溶接部分の電縫部で破損し易く、動力伝達シャフトの強度低下を招来する。
【０００６】
そこで、本発明は前記問題点に鑑みて提案されたもので、その目的とするところは、電縫部を有するパイプ自体の強度を向上させると共に安定した捩り疲労強度を確保し得る動力伝達シャフトを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための技術的手段として、本発明は、鋼材から形成されたパイプの両端に連結要素を備え、自動車の動力伝達系の一部を構成する動力伝達シャフトにおいて、前記鋼材は、Ｃが０．３０ｗｔ％以上で０．４５ｗｔ％以下、Ｓｉが０．０５ｗｔ％以上で０．３５ｗｔ％以下、Ｍｎが１．０ｗｔ％以上で２．０ｗｔ％以下、Ａｌが０．０５ｗｔ％以下、Ｓが０．０１ｗｔ％以下で含有して残部がＦｅおよび不可避不純物を有し、かつ、前記パイプは、その軸方向に延在する電縫部を有し、電縫部中央部から円周方向両側５ｍｍの範囲がロックウェル硬さＨＲＣ４５以上に硬化処理されていることを特徴とする。なお、前記硬化処理は高周波焼入れ・焼戻し処理が好適である。
【０００８】
本発明では、前記Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、ＡｌおよびＳ成分を前述の範囲内に規定した鋼材を使用し、パイプの電縫部中央部から円周方向両側５ｍｍの範囲でのロックウェル硬さをＨＲＣ４５以上としたことにより、動力伝達シャフトとして要求されるパイプの硬さを満足させることができ、そのような硬さが得られたことにより安定した捩り疲労強度を確保することができる。また、パイプに使用する鋼管として、シャフト強度の安定確保を図ることができる電縫管を使用するが、その電縫部で破損しにくくなり、パイプの強度低下を抑止することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１に示す実施形態の動力伝達シャフト１は、最外径部を持つ中央のパイプ部１ａと端部外周面にスプライン等の連結部が形成された軸部１ｂとを同一素管から一体成形したパイプからなる一体型中空シャフトである。なお、図２に示す実施形態の動力伝達シャフト２のように、パイプ部２ａと軸部２ｂとを別々に成形して摩擦圧接や溶接などにより接合したパイプからなる接合型中空シャフトであってもよい。図３は、図１に示す動力伝達シャフト１のパイプ部１ａまたは図２に示す動力伝達シャフト２のパイプ部２ａの断面図である。図１および図２の実施形態ではその説明が共通するため、以下、図１の実施形態に基づいて詳述する。
【００１０】
この動力伝達シャフト１には、肉厚精度のよい電縫管を使用する。この電縫管では、寸法精度や仕上げ精度が良好な板材をパイプ状に成形して電気抵抗溶接で突き合わせ溶接したものであるため、その軸線方向に沿って形成された溶接部分である電縫部３を有する（図３参照）。
【００１１】
前記動力伝達シャフト１は、Ｃが０．３０ｗｔ％以上で０．４５ｗｔ％以下、Ｓｉが０．０５ｗｔ％以上で０．３５ｗｔ％以下、Ｍｎが１．０ｗｔ％以上で２．０ｗｔ％以下、Ａｌが０．０５ｗｔ％以下、Ｓが０．０１ｗｔ％以下で含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物を有する鋼材により形成され、かつ、前記電縫部３の中央部から円周方向両側５ｍｍの範囲がロックウェル硬さＨＲＣ４５以上に硬化処理されている。
【００１２】
この硬化処理は、動力伝達シャフト１を高周波焼入れ・焼戻し処理することにより実現される。図１および図２におけるハッチング部分は高周波焼入れ・焼戻しされた領域で焼き抜けた状態を示す。動力伝達シャフト１を、前記成分を含有する鋼材により形成することにより、電縫部３の中央部から円周方向両側５ｍｍの範囲がロックウェル硬さＨＲＣ４５以上に硬化処理することが可能となる。これにより、パイプ自体の強度を向上させると共に安定した捩り疲労強度を確保することができる。
【００１３】
ここで、動力伝達シャフト１における捩り疲労強度に対して硬さが大きな要因となっていることは一般的に知られており、硬さは鋼材の成分にも大きく左右される。つまり、焼入れ後の硬さを決める元素はＣであるが、深さ方向の焼入れ後の硬さを決めるには、その他の元素（例えば、Ｓｉ、Ｍｎ等）が有効に作用する点でこれら成分を調整する必要がある。
【００１４】
Ｃは、動力伝達シャフト１の捩り疲労強度を確保するために必要な元素であり、所定の熱処理後の硬さを得るためには、０．３０ｗｔ％以上必要である。また、０．４５ｗｔ％を超えた場合は、鋼材の硬さが増加しすぎて加工性を低下させる点でこれを上限とする。Ｓｉは、鋼材の脱酸剤として若干量だけ必要であると共に、鋼材の高周波焼入れ性を確保するためにも必要な元素であり、その含有量が０．０５ｗｔ％未満ではこの効果が小さい。また、０．３５ｗｔ％を超えて添加すると、加工性が著しく低下するのでこれを上限とする。Ｍｎは、鋼材の高周波焼入れ性を高く確保するためには１．０ｗｔ％以上の添加量が必要である。しかしながら、２．０ｗｔ％を超えて添加すると、加工性が著しく低下するのでこれを上限とする。Ａｌは、鋼材の脱酸剤として添加するものであり、鋼材の清浄度を害さないために低減することが望ましく、０．０５ｗｔ％を上限とする。また、Ｓは、冷間加工時の変形能を低下させ、０．０１ｗｔ％を超えると変形能の低下が著しくなることから、０．０１ｗｔ％を上限とする。
【００１５】
なお、鋼材の高周波焼入れ性を補うために、Ｃｒが０．１ｗｔ％以上で０．３５ｗｔ％以下、Ｂが０．０００５ｗｔ％以上で０．００５ｗｔ％以下で含有させてもよい。ＣｒとＢの両者は、少なくともいずれか一方を含有させればよい。Ｃｒは、その含有量が０．１ｗｔ％未満であると、鋼材の高周波焼入れ性を補う効果が小さく、また、０．３５ｗｔ％を超えて添加すると、鋼材のコストアップを招来する。また、Ｂは、その含有量が０．０００５ｗｔ％未満であると、鋼材の高周波焼入れ性を補う効果が小さく、また、０．００５ｗｔ％を超えて添加しても高周波焼入れ性の効果は変わらない。
【００１６】
また、高周波焼入れ・焼戻し処理の後、動力伝達シャフト１の全周にショットピーニング処理を施してもよい。動力伝達シャフト１の表面部の残留圧縮応力を増大させることによって捩り疲労強度をより一層向上させることができる。ここで、前記ショットピーニング処理とは、一般的に小さな鋼粒を圧縮空気または遠心力で金属表面にたたきつけて表面の応力を均一化することである。
【００１７】
【実施例】
本出願人は、内径および外径が同一で高周波焼入れ・焼戻し処理を行い、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｓ、Ａｌ、ＣｒおよびＢ成分の含有量と電縫部の中央部から円周方向両側５ｍｍの範囲のロックウェル硬さＨＲＣを異ならせた８個の動力伝達シャフト（サンプルNo.１〜８）について捩り疲労強度試験を行った。その試験結果を図４に示す。
【００１８】
なお、電縫部以外の部分については外径部での表面硬さをロックウェル硬さＨＲＣ５０以上の硬さ分布となるように焼入れ・焼戻し処理をした。電縫部の中央部から円周方向両側５ｍｍの範囲の硬さは内径側より２ｍｍ位置で測定したビッカース硬さをロックウェル硬さに換算した結果である。この試験では、動力伝達シャフト１の両端を支持した状態で一端を固定し、他端から負荷トルクを付与した。判定については、同一軸部径を有する中実シャフトの強度下限レベルを判定基準として４０万回以上を合格とした。
【００１９】
図４に示す試験結果から明らかなように、動力伝達シャフト１が、Ｃが０．３０ｗｔ％以上で０．４５ｗｔ％以下、Ｓｉが０．０５ｗｔ％以上で０．３５ｗｔ％以下、Ｍｎが１．０ｗｔ％以上で２．０ｗｔ％以下、Ａｌが０．０５ｗｔ％以下、Ｓが０．０１ｗｔ％以下で含有する鋼材により形成され、かつ、前記電縫部３の中央部から円周方向両側５ｍｍの範囲がロックウェル硬さＨＲＣ４５以上に硬化処理されているサンプル（サンプルNo.４〜８）のみが捩り疲労強度の点で合格であった。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、動力伝達シャフトは、Ｃが０．３０ｗｔ％以上で０．４５ｗｔ％以下、Ｓｉが０．０５ｗｔ％以上で０．３５ｗｔ％以下、Ｍｎが１．０ｗｔ％以上で２．０ｗｔ％以下、Ａｌが０．０５ｗｔ％以下、Ｓが０．０１ｗｔ％以下で含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物を有する鋼材により形成され、かつ、電縫部中央部から円周方向両側５ｍｍの範囲がロックウェル硬さＨＲＣ４５以上に硬化処理されていることにより、動力伝達シャフトとして要求されるパイプの硬さを満足させることができ、そのような硬さが得られたことにより安定した捩り疲労強度を確保することができて長寿命で信頼性の高い動力伝達シャフトを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る動力伝達シャフトの実施形態で、一体型中空シャフトを示す一部断面部分を含む正面図である。
【図２】本発明に係る動力伝達シャフトの他の実施形態で、接合型中空シャフトを示す一部断面部分を含む正面図である。
【図３】パイプ（電縫管）の電縫部を示す断面図である。
【図４】捩り疲労強度試験の結果を示す表である。
【符号の説明】
１，２動力伝達シャフト
３電縫部

Claims

鋼材から形成されたパイプの両端に連結要素を備え、自動車の動力伝達系の一部を構成する動力伝達シャフトにおいて、前記鋼材は、Ｃが０．３０ｗｔ％以上で０．４５ｗｔ％以下、Ｓｉが０．０５ｗｔ％以上で０．３５ｗｔ％以下、Ｍｎが１．０ｗｔ％以上で２．０ｗｔ％以下、Ａｌが０．０５ｗｔ％以下、Ｓが０．０１ｗｔ％以下で含有して残部がＦｅおよび不可避不純物を有し、かつ、前記パイプは、その軸方向に延在する電縫部を有し、電縫部中央部から円周方向両側５ｍｍの範囲がロックウェル硬さＨＲＣ４５以上に硬化処理されていることを特徴とする動力伝達シャフト。
前記硬化処理が高周波焼入れ・焼戻し処理であることを特徴とする請求項１に記載の動力伝達シャフト。