JP4133220B2 - 耐久性の優れた高強度プロペラシャフトの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、乗用車、トラック、トラクター等の自動車、車両等においてエンジンの推進力を各車輪に伝達するプロペラシャフトであって、耐久性、特に、耐ねじり疲労特性に優れる高強度プロペラシャフトの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンの推進力を各車輪に伝達するプロペラシャフトにおいては、高速回転時に振動が少ないことが、必須の特性として要求される。この対策として、図１に示すように、プロペラシャフト１の周面に、バランスピース２をスポット溶接又はプロジェクション溶接で取り付けて、周方向の重量バランスを調整している（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
しかし、プロペラシャフトに、機動力を繰り返し伝達することに対応する繰り返しねじり荷重を付加した時、バランスピースの溶接部から疲労亀裂が発生することがある。
【０００４】
この疲労亀裂の発生により、プロペラシャフトの長期の耐久性は損なわれるので、プロペラシャフトに用いる鋼管の強度を高めても、高強度化による効果（軽量化等）を充分に得ることができない。
【０００５】
その対策として、プロペラシャフトにバランスピースを溶接した後、バランスピースの取り付け部を局所的に、又は、プロペラシャフトの全体を加熱して、応力集中部分の組織を均一化したり、残留応力を軽減したりする方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
しかし、上記方法によれば、加熱により鋼管の強度が低下するし、また、加熱には大型の加熱設備を必要とするので、製品コストが高くならざるを得ない。
【０００７】
また、バランスピースを溶接する際、疲労亀裂の発生起点となる溶接部を低減する方法が提案されているが、この方法では、溶接部の数が少ないので、鋼管との間で適正な接合強度を確保することができず、プロペラシャフトの耐久性を高めることにならない。
【０００８】
さらに、プロペラシャフトの周面にバランスピースを接着剤で接合し、疲労亀裂の発生起点となる溶接部をなくしてしまう方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）が、接着剤の強度は長期使用中に低下してしまうので、この方法では、長期間、適正な接合強度を確保することができない。
【０００９】
このように、従来、プロペラシャフトの長期の耐久性または寿命を高める方法が各種提案されているが、いずれも、その耐久性または寿命は必ずしも満足できるものではない。
【００１０】
近年、プロペラシャフトにおいては、環境保護の観点から、高強度の、特に、引張強度が７００Ｎ／mm^２以上の鋼管を用いて、全体の重量を軽減することが求められているが、この場合、バランスピースの溶接部における耐ねじり疲労特性が、プロペラシャフト全体の耐ねじり疲労特性を支配することになる。
【００１１】
それ故、高強度の鋼管を用いてプロペラシャフトを製造する場合、バランスピースの溶接部における耐ねじり疲労特性を、しかも、低コストで高めることが強く求められている。
【００１２】
【特許文献１】
特開平６−２４６４４０号公報
【特許文献２】
特開平６−２４９２９１号公報
【非特許文献１】
自動車技術ハンドブック、第４分冊、生産・品質・整備編（１９９１年９月 １日初版発行、社団法人自動車技術会）、２３３頁
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記要請に応えるべく、引張強度が７００Ｎ／ｍｍ²以上の鋼管に溶接したバランスピースの溶接部の耐ねじり疲労特性を高めた高強度プロペラシャフトの製造方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
バランスピースを、スポット溶接又はプロジェクション溶接で鋼管に取り付けてプロペラシャフトを製造し、ねじり疲労試験を実施すると、バランスピースの溶接部近傍から疲労亀裂が発生する場合があるが、これは、バランスピースの溶接部においては、急熱・急冷を受けて、母材部と異なる金属微細組織が発現し残留応力が生じるとともに、幾何学形状に由縁する応力集中部が形成されていることによる（例えば、特許文献１及び同２参照）。
【００１５】
本発明者は、急熱・急冷で生じた残留応力を低減するとともにその分布を均一化し、かつ、幾何学形状に由縁する応力集中部をなくせば、バランスピースの溶接部近傍からの疲労亀裂の発生を著しく遅らせることができ、結果として、耐ねじり疲労特性を高めることができるのではないかと発想した。
【００１６】
そして、引張強度が７００Ｎ／mm^２以上の鋼管にバランスピースを溶接した場合において、その溶接部の耐ねじり疲労特性を高める具体的な方策について鋭意検討した。
【００１７】
その結果、本発明者は、バランスピースの溶接部の背面に、超音波振動によるピーニング処理で塑性変形領域を形成すれば、その溶接部の耐ねじり疲労特性を高めることができることを見いだした。
【００１８】
本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、その要旨とするところは以下のとおりである。
【００２４】
（１） 引張強度が７００Ｎ／ｍｍ²以上の鋼管の両端に動力伝達部を接合したプロペラシャフトの周面にバランスピースを溶接し、次いで、溶接部の背面に超音波振動によるピーニング処理で塑性変形領域を形成することを特徴とする耐久性の優れた高強度プロペラシャフトの製造方法。
【００２５】
（２） 前記プロペラシャフトが、動力伝達部を溶接で接合したものであることを特徴とする前記（１）に記載の耐久性の優れた高強度プロペラシャフトの製造方法。
【００２６】
（３） 前記動力伝達部の溶接部に超音波振動によるピーニング処理で塑性変形領域を形成することを特徴とする前記（２）に記載の耐久性の優れた高強度プロペラシャフトの製造方法。
【００２９】
【発明の実施の形態】
本発明は、引張強度が７００Ｎ／ｍｍ²以上の鋼管の周面にバランスピースを溶接してなる高強度プロペラシャフトにおいて、バランスピースの溶接部の背面に超音波振動によるピーニング処理で塑性変形領域を形成することを特徴とする。
【００３０】
プロペラシャフトとして、引張強度が７００Ｎ／mm^２以上の鋼管を用いた場合、バランスピースの溶接部からの疲労亀裂の発生が著しい。そこで、本発明では、引張強度が７００Ｎ／mm^２以上の鋼管を用いた場合における耐ねじり疲労特性の改善を目標とした。
【００３１】
上記塑性変形領域は、上記引張強度の鋼管の両端に動力伝達部を接合したプロペラシャフトの周面にバランスピースを溶接した後、バランスピースの溶接部の背面に、変形エネルギーを短時間集中的に付加して形成する。
【００３２】
具体的には、超音波振動によるピーニング処理によって形成する。
【００３３】
超音波振動によるピーニング処理は、振動数１９〜６０ｋＨｚ、振幅、２０〜５０μｍ、出力０．２〜３ｋＷとすることが好ましい。
【００３４】
この塑性変形領域における塑性変形の程度は、１％以上必要であり、大きいほど好ましい。例えば、バランスピースの厚さに対して、その１０％以上とすることが必要であり、１５％以上とすることが、より好ましい。
【００３５】
そして、この塑性変形領域の形成により、バランスピースの溶接部及び／又は溶接部近傍における残留応力を大幅に低減するとともにその分布を均一化し、かつ、幾何学形状に由縁する応力集中部をなくすことができる。そして、この結果、バランスピースの溶接部近傍からの疲労亀裂の発生を著しく遅らせることができる。
【００３６】
この塑性変形領域は、バランスピースの溶接部に対応する背面に形成してもよいし、該背面を包むように形成してもよい。また、幾何学形状に由縁する応力集中部は、溶接部と鋼管母材の境界に沿って生成し易いので、塑性変形領域を、該境界に沿って形成してもよい。
【００３７】
高強度プロペラシャフトにおいては、鋼管端部と動力伝達部の接合部にもねじり応力が作用するが、鋼管端部と動力伝達部が、アーク溶接等で接合されている場合、この溶接部に、超音波振動によるピーニング処理によって、バランスピースの溶接部の背面に形成する塑性変形領域と同様の塑性変形領域を形成してもよい。
【００３８】
この塑性変形領域の形成により、鋼管端部と動力伝達部の溶接部の耐ねじり疲労特性が、バランスピースの溶接部の耐ねじり疲労特性と同様に向上する。
【００３９】
次に、実施例について説明するが、本発明は、実施例で採用した条件に限定されるものではない。
【００４０】
【実施例】
（実施例１）
引張強度８００Ｎ／mm^２級の鋼管（外径７８．０mm×板厚１．２mm）を母材とし、共金系のバランスピース（板厚１．０mm×幅５０mm×長さ５０mm）をスポット溶接（４点）にて溶接・固定した。本発明例では、溶接部にバランスピースの上から、表１に示す条件で、超音波衝撃処理を施した。比較例では、超音波衝撃処理を施していない。
【００４１】
表１には、上記鋼管をねじり疲労試験に供して結果を、併せて示す。一般に、疲労破断までのサイクル数が１０^７を超える場合には、その条件下で、その材料は疲労破壊に対して不感と考えられるので、疲労試験は、サイクル数が１０^７を超えた時点で中止した。
【００４２】
表１から、本発明例１〜８では、長期の疲労耐久性が得られているのに対して、溶接ままの比較例９、１２では、短期間で破断していることが分かる。本発明の効果が顕著であることは明らかである。
【００４３】
【表１】

【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、引張強度が７００Ｎ／mm^２以上の鋼管にバランスピースを溶接した高強度プロペラシャフトにおいて、バランスピースの溶接部の耐ねじり疲労特性を高め、全体としての耐ねじり疲労特性を、静的強度等を維持しつつ簡易な方法で高めることができるので、環境の保護に資する高強度で軽量、かつ、耐久性に優れたプロペラシャフトを、低コストで提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】バランスピースを溶接したプロペラシャフトを示す図である。
【符号の説明】
１…鋼管
２…動力伝達部
３…バランスピース
４…溶接部

Claims (3)

1. 引張強度が７００Ｎ／mm²以上の鋼管の両端に動力伝達部を接合したプロペラシャフトの周面にバランスピースを溶接し、次いで、溶接部の背面に超音波振動によるピーニング処理で塑性変形領域を形成することを特徴とする耐久性の優れた高強度プロペラシャフトの製造方法。
2. 前記プロペラシャフトが、動力伝達部を溶接で接合したものであることを特徴とする請求項１に記載の耐久性の優れた高強度プロペラシャフトの製造方法。
3. 前記動力伝達部の溶接部に超音波振動によるピーニング処理で塑性変形領域を形成することを特徴とする請求項２に記載の耐久性の優れた高強度プロペラシャフトの製造方法。

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