JP3859382B2

JP3859382B2 - 動力伝達軸

Info

Publication number: JP3859382B2
Application number: JP03307099A
Authority: JP
Inventors: 和彦吉田; 弘昭牧野; 明脇田
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 1999-02-10
Filing date: 1999-02-10
Publication date: 2006-12-20
Anticipated expiration: 2019-02-10
Also published as: JP2000234141A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車や産業機械などにおいてトルク伝達用に使用される動力伝達軸であって、詳しくは等速自在継手に使用される動力伝達軸に関する。
【０００２】
【従来の技術】
動力伝達軸、例えば自動車の駆動軸では、素材として通常炭素鋼が用いられ、さらに熱処理により表面を硬化させて所定の強度が確保されている。
【０００３】
近年では自動車の高出力化、あるいは安全性指向による車両重量の増加等に対応して駆動軸のさらなる高強度化が望まれている。また、燃費向上の観点から駆動軸の軽量化要求が顕在化しており、これを達成する上でも駆動軸の高強度化が急務である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
軸の負荷容量向上のためには、素材の炭素濃度を高めるなどして素材強度を向上させる方法が一般的である。しかしながら、この方法では、平滑部では強度アップが達成され得るが、セレーションなどの切欠き部では焼割れ等が発生しやすく、逆に強度低下を招く場合があり、強度面で不安が残る。セレーション軸を捩り試験に供して破壊モードを解析した結果、炭素濃度が低い場合はせん断面破壊であるが、炭素濃度が高い場合は主応力が支配的となり、主応力が破壊（粒界破面率増加）することが明らかとなっており、この結果からも鋼組織のさらなる粒界強化が望まれる。
【０００５】
また、高炭素量化は、鍛造性や被削性などの機械加工性も損なう。
【０００６】
そこで、本発明は、加工性を損なうことなく、動力伝達軸のさらなる高強度化、軽量化を図ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる動力伝達軸は、等速自在継手に使用され、冷間鍛造により成形されたセレーションを有する動力伝達軸であって、セレーションが焼入れ硬化比０．２５〜０．５０で高周波焼入れした炭素鋼で形成されると共に、セレーションの表面圧縮残留応力が６０ｋｇｆ／ｍｍ ² 以上であり、上記炭素鋼が重量％で、Ｃ：０．３９〜０．４９％、Ｓｉ：０．４〜１．５％、Ｍｎ：０．４〜１．０％、Ｓ：０．０２５％以下、Ｐ：０．０２％以下、Ａｌ：０．０１〜０．１％、Ｂ：０．００１〜０．００４％、Ｔｉ：０．０２〜０．０５％、およびＮ：０．００８％以下、かつＴｉ／Ｎ比３．４以上を基本成分とし、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、炭素鋼のフェライト結晶粒度番号が７以上であることを特徴とするものである。
【０００８】
焼入れ硬化比は、有効硬化層深さ／軸半径比で表わされ、これが０．２５未満では破損の起点が軸の内部（芯部）に発生するため、強度が低下する。一方、０．５０を越えると、セレーション部等の切欠き部に焼割れが発生する。
【０００９】
上記各元素のうち、Ｃが０．３９％未満であると、熱処理後の表面硬さが低すぎて十分な強度が得られず、０．４９％を越えると、表面硬さが高すぎるために切欠き部の切欠き感受性が増し、強度低下を招く。図３は、静捩り強度に及ぼす炭素量の影響を測定したもので、この結果からも上記範囲内の炭素量であれば、十分な静的強度（破損応力１６００ＭＰａ程度）を得られると考えられる。
【００１０】
Ｓｉは、製鋼段階での脱酸剤として、さらには粒界強化のために添加される。これが０．４％未満であると、粒界強化の効果が得られず、１．５％を越えると冷間加工性（鍛造性、旋削性）が著しく低下する。
【００１１】
Ｍｎは、鋼中硫黄をＭｎＳとして固定・分散させるために必要であり、これが、０．４％未満であると、焼入れ性が低下し（焼入れ深さが得られない）、１．０％を越えると、焼入れ性が飽和して冷間加工性を低下させる。
【００１２】
Ｓは、Ｍｎと結合してＭｎＳ介在物として存在するが、冷間加工時の割れ発生の起点となるので０．０２５％以下とする。また、Ｐは、鋼中において粒界に析出して熱間加工性を著しく損ない、かつ素材強度を著しく低下させるので０．０２％以下とする。
【００１３】
Ａｌは脱酸剤で、製鋼段階で鋼中酸素を酸化物介在物として除去し、粒径を調整するために０．０１％以上とするが、酸化物介在物が多すぎると靭性が低下し、冷間加工時の割れ発生起点となるので、０．１０％以下とする。
【００１４】
鋼組織中のフェライト粒度が大きすぎると、焼割れ感受性が著しく増加するので、炭素鋼のフェライト結晶粒度番号（ＪＩＳに規定）は７以上とする。なお、結晶粒度の測定は、高周波焼入れによる熱影響が及んでいない例えば軸芯部で行うことができる。
【００１５】
炭素鋼は、重量％でＢ：０．００１〜０．００４％、Ｔｉ：０．０２〜０．０５％、およびＮ：０．００８％以下を含むものとし、かつＴｉ／Ｎ比が３．４以上のものとする。
【００１６】
Ｂは焼入れ性の向上、粒界強化、焼割れ感受性の低下等を目的として添加される。０．００１％未満であると、これらの効果が十分に得られず、０．００４％を越えると、粒界にＢＣが生成されて強度低下を招く。Ｔｉは、ＴｉＮの生成によりＮを固定し、ＢＮの生成を防止するために添加される。０．０２％未満ではＢＮの生成を防止できず、０．０５％を越えると清浄度を害して強度低下を招く。Ｎは不純物として鋼中に含まれるが、０．００８％を越えると、ＢＮが生成されてＢを添加した効果が減失する。Ｔｉ／Ｎ比は、ＴｉとＮの重量比で、ＴｉによってどれだけのＮが固定されるかを表わす。これが大きいほどＢＮの生成量が少なくなる。Ｔｉ／Ｎ比が３．４未満であると、有効なＢの確保が困難となる。
【００１７】
炭素鋼として、Ｍｏ：０．４重量％以下を含むものを使用すれば、焼入れ性が改善される。０．４％を越えて添加しても焼入れ性の改善効果が飽和する。
【００１８】
炭素鋼が、Ｎｂ、Ｖ、Ｚｒのうちの何れか１種または２種以上を含むものであれば、結晶粒の微細化により靭性が向上するので、より過酷な使用条件が予想される場合に有効である。これらの割合が０．０１重量％未満では靭性向上効果が不十分であり、０．３重量％を越えると逆に靭性が低下する。
【００１９】
高周波焼入れ後の表面の圧縮残留応力を６０ｋｇｆ／ｍｍ²以上とすれば、疲労強度の向上が達成される。高周波焼入れ後のショットピーニングにより表面の圧縮残留応力を１００ｋｇｆ／ｍｍ²以上とすれば、さらなる疲労強度の向上が図れる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基いて説明する。
【００２１】
図１に等速自在継手の一例として、ツェッパー型等速自在継手（ボールフィクストジョイント）を示す。この等速自在継手は、球面状の内径面１ａに複数（通常は６本）の曲線状の案内溝１ｂを軸方向に形成した外側部材１（外輪）と、球面状の外径面２ａに複数（通常は６本）の曲線状の案内溝２ｂを軸方向に形成した内側部材２（内輪）と、外側部材１の案内溝１ｂと内側部材２の案内溝２ｂとが協働して形成されるボールトラックに配された複数（通常は６個）のトルク伝達ボール３と、トルク伝達ボール３を保持する保持器４とで構成される。
【００２２】
外側部材１の案内溝１ｂの中心Ａと内側部材２の案内溝２ｂの中心Ｂとは、トルク伝達ボール３の中心を含む継手中心面Ｏに対して軸方向に等距離だけ反対側にオフセットされ、そのため、ボールトラックは開口側が広く、奥部側に向かって漸次縮小した形状（くさび状）になっている。保持器４の案内面となる外側部材１の内径面１ａおよび内側部材２の外径面２ａの球面中心は何れも継手中心面Ｏと一致する。外側部材１と内側部材２とが角度θだけ角度変位すると、保持器４に案内されたトルク伝達ボール３は常にどの作動角θにおいても、角度θの二等分面（θ／２）内に維持され、継手の等速性が確保される。
【００２３】
外側部材１のマウス底部には、第１軸部１１が一体に形成され、あるいは別体の軸部が適宜の手段で接合される。また、内側部材２の内周部には、第２軸部１２がセレーション等のトルク伝達用歯部１３を介して結合される。この両軸部１１、１２は、何れか一方が原動軸となり、その動力はトルク伝達ボール３を介して、従動軸となる他方の軸部に伝達される。
【００２４】
内側部材２にセレーション結合された第２軸部１２の素材としては、Ｃ：０．３９〜０．４９％、Ｓｉ：０．４〜１．５％、Ｍｎ：０．４〜１．０％、Ｓ：０．０２５％以下、Ｐ：０．０２％以下、Ａｌ：０．０１〜０．１％（何れも重量％）を基本成分とし、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる炭素鋼（中炭素鋼）が用いられる。
【００２５】
前述した通り、上記炭素鋼としては、Ｂ：０．００１〜０．００４％、Ｔｉ：０．０２〜０．０５％、およびＮ：０．００８％以下を含み、かつＴｉ／Ｎ比が３．４以上のものが望ましく、また、フェライト結晶粒度番号が７以上のものが望ましい。その他、必要に応じて、Ｍｏ：０．４重量％以下を添加したり、Ｎｂ、Ｖ、Ｚｒのうちの何れか１種または２種以上を０．０１〜０．３重量％添加してもよい。
【００２６】
この炭素鋼は、所定形状に鍛造後、焼入れ硬化比０．２５〜０．５０で高周波焼入れされ、表面圧縮残留応力が６０ｋｇｆ／ｍｍ²以上となるまで硬化される。この圧縮残留応力値は、焼戻し温度を調整したり、焼入れ冷却液（水、油等）を変更、あるいは調節することによって達成することができる。さらに、高周波焼入れ後のショットピーニングにより表面の圧縮残留応力を１００ｋｇｆ／ｍｍ²以上まで高め、更なる疲労強度の向上を図るのが望ましい。この圧縮残留応力値は、例えばショットピーニングを２回行うことによって実現され得る。ショットピーニングは、トルク伝達用歯部１３に施すことを基本とするが、それ以外の平滑部１２ａに施しても良い。
【００２７】
以上の説明は、第２軸部１２についてのものであるが、第１軸部１１を外側部材１と別体に構成する場合は、当該第１軸部にも上記構成を適用することができる。また、軸部１１、１２に限らず、圧接スタブや溶接スタブなど、等速自在継手に連結、結合される動力伝達軸にも広く適用することができ、軸形状も中空、中実を問わない。図２は、圧接用スタブを例示するもので、一端に内側部材２などと結合するためのトルク伝達用歯部１３（セレーション）が設けられ、他端に鋼管を圧接固定するためのフランジ部１４が設けられている。
【００２８】
本発明にかかる動力伝達軸は、図１に示すツェッパー型等速自在継手に限らず、ダブルオフセット型等速自在継手やトリポード型等速自在継手など、他タイプの等速自在継手にも広く使用することができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、従来品より高強度の動力伝達軸を提供することができ、その結果、負荷容量の増大や軽量化を図ることができる。また、炭素鋼を使用するのでコスト的にも安価である。さらに、高強度化のために高炭素化する必要もなく、機械加工性を損なうこともない。
【図面の簡単な説明】
【図１】図（ａ）はツェッパー型等速自在継手の縦断面図（図（ｂ）中のＣ−Ｃ断面）、図（ｂ）はその横断面図である。
【図２】圧接用スタブの側面図である。
【図３】静捩り強度に及ぼす炭素量の影響を表わす図である。
【符号の説明】
１外側部材
１ｂ案内溝
２内側部材
２ｂ案内溝
３トルク伝達ボール
４保持器
１１軸部
１２軸部
１３トルク伝達用歯部

Claims

等速自在継手に使用され、冷間鍛造により成形されたセレーションを有する動力伝達軸であって、セレーションが焼入れ硬化比０．２５〜０．５０で高周波焼入れした炭素鋼で形成されると共に、セレーションの表面圧縮残留応力が６０ｋｇｆ／ｍｍ ² 以上であり、上記炭素鋼が重量％で、Ｃ：０．３９〜０．４９％、Ｓｉ：０．４〜１．５％、Ｍｎ：０．４〜１．０％、Ｓ：０．０２５％以下、Ｐ：０．０２％以下、Ａｌ：０．０１〜０．１％、Ｂ：０．００１〜０．００４％、Ｔｉ：０．０２〜０．０５％、およびＮ：０．００８％以下、かつＴｉ／Ｎ比３．４以上を基本成分とし、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、炭素鋼のフェライト結晶粒度番号が７以上であることを特徴とする動力伝達軸。
上記炭素鋼が、Ｍｏ：０．４重量％以下を含む請求項１記載の動力伝達軸。
上記炭素鋼が、Ｎｂ、Ｖ、Ｚｒのうちの何れか１種または２種以上を０．０１〜０．３重量％含む請求項１記載の動力伝達軸。
ショットピーニングにより表面の圧縮残留応力を１００ｋｇｆ／ｍｍ²以上にした請求項１記載の等速自在継手。