JP4271301B2 - 動力伝達機構 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二部材間で回転トルクの伝達を行う動力伝達機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
動力（トルクまたは回転）を伝達する伝動軸は、自動車や産業機械等の多くの機械部品に使用されている。軸には中実や中空のものがあり、これらはバー材やパイプ材に直接切削や塑性加工を加えたり、あるいは近年、粉末を焼結処理することよって製造される場合もある。
【０００３】
高トルクを伝達するスプライン軸やセレーション軸は、一般に塑性加工性や機械加工性およびコストを考慮し、中炭素鋼や低合金鋼（肌焼鋼、窒化用鋼等）に、浸炭焼入れ・高周波焼入れ・窒化等の表面硬化処理や調質等の熱処理を施し、軸強度を高めて使用されている。また、最近では、非調質鋼を使用して調質を廃止したものや、さらに強度を向上させるため、高合金化や高清浄度化（介在物の低減、Ｐの低減等）した材料の使用や、疲労強度を向上させるためのショットピーニング処理を併用したものも存在する。
【０００４】
図５は、上記伝動軸を有する機械部品の一例で、自動車のドライブシャフトに使用される等速自在継手を示す。この等速自在継手は、軸１１の外周にスプライン１３を介して内輪１２を嵌合した構造で、軸１１のトルクはスプライン１３の凹凸嵌合を介して内輪１２に伝達される。
【０００５】
ところで、軸１１のスプライン終端側（図中Ｃ）の形状には種々のタイプがある（「終端側」とは、内輪１２内径部への軸１１の挿入時に、内輪１２に最初に嵌合する軸端面を入口側とした場合の反対側をいう）。図６乃至図９はその一例を示すもので、図６は、スプライン１３の谷部11ａをそのまま軸１１の外周面に抜いたタイプ（「切抜けタイプ」と仮称する）、図７乃至図９は、スプライン谷部11ａを滑らかに拡径させて軸１１の外周面につなげたタイプ（「切上りタイプ」と仮称する）である。切上りタイプには、半径Ｒ１の円弧で拡径させたもの（図７）、図７より大きい半径Ｒ２の円弧（Ｒ２＞Ｒ１）で拡径させたもの（図８参照）、半径ＳＲの球状に拡径させたもの（図９参照）等が知られている。
【０００６】
図１０は、上記軸１１と内輪１２の従来の嵌合状況を示すもので、内輪１２のスプライン山部12ｂの終端側に内径を大きくした逃げ領域Ｔ’を設け、かつ逃げ領域Ｔ’以外の山部12ｂを軸１１側の拡径領域Ｓ’以外の谷部11ａに嵌合させて、これらの嵌合部Ｆ’（散点模様を付している）が軸１１側の谷部11ａの拡径領域Ｓ’に入らないようにしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
近年、地球環境問題がクローズアップされるのに伴い、自動車でも排ガス規制の強化や燃費の向上が強く求められており、その対策として軽量化が進められている。自動車にはトランスミッション、デファレンシャル、ドライブシャフト、プロペラシャフト等にスプラインやセレーション（以下、スプライン軸で代表する）が多用されているが、このスプライン軸の軽量化が自動車の軽量化に大きく寄与するため、スプライン軸の高強度化、すなわち静的強度と疲労強度の両面での強度アップが強く要求されている。
【０００８】
スプライン軸の高強度化および軽量化対策としては、上記のような高合金化や高清浄度化が考えられるが、これらは材料コストの増大や加工性の大幅な低下を伴うため、製品コスト面で得策ではない。また、ショットピーニング処理は疲労強度の向上に効果があるが、静的強度については十分な効果が認められず、高コストを招く。
【０００９】
スプライン軸の終端を大きな円弧で拡径させたもの（図８）や球状に拡径させたもの（図９）は、図１３の実験結果からも明らかなように、図７のタイプに比べ、静的強度の向上は達成されるが、疲労強度の向上には十分な効果が認められない。また、加工工具（ホブカッタ、転造ラック等）を新規に製作する必要があるためにコスト高である。一方、図６の切抜けタイプは、図１２の実験結果からも明らかなように、図７の切上りタイプに比べて静的強度および疲労強度の両面で劣るため、軽量化対策には不向きである。
【００１０】
以上のように従来の軽量化対策は、コスト面若しくは強度面の何れかで課題があり、これらを両立させたものは見受けられないのが実状である。
【００１１】
そこで、本発明はコストアップを招くことなく、スプライン軸やセレーション軸の静的強度および疲労強度の向上を達成可能とすることを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
谷部を円弧で拡径させた図７のタイプのスプライン軸（諸元は図１４参照）に内輪のボス部を嵌合し、これを捩り試験に供試して破壊モードを鋭意解析した結果、図１１に示すように、破面は二つの主破面Ａ、Ｂから構成され、軸１１側の谷部11ａの底に沿った破面（Ａ：軸方向破断面）と、軸方向に対して４５°傾いた破面（Ｂ：主応力破面）からなることがわかった。軸方向破断面Ａは軸方向に作用するせん断力によるせん断破面で、主応力破面Ｂは捩りの主応力による引張り破面であると考えられる。
【００１３】
次に、ボスの嵌合位置を軸方向に段階的にずらし、各位置でスプライン軸の強度を測定したところ、図１５（Ａ）に示す結果を得た。同図の横軸はボスの嵌合位置Ｘ［mm］を、縦軸左は、疲労破断に至るまでの繰り返し数の比率Ｙ１（負荷せん断応力は±６６５ＭＰａ［６７．８kgf ／mm² ］に設定した）を、縦軸右は、捩り破断強度の増加率Ｙ２［％］をそれぞれ表わす。ここで横軸のＸは、同図（Ｂ）に示すように軸１１の谷部11ａの終端部11a1から、ボス１２の山部12ｂ終端に形成された立ち上り部12b1の外周面が軸１１の外周レベルＬと交差する点（●）までの距離を表わす。測定は、Ｘ＝ａ、ｂ、…ｅの各位置で行い、繰返し数の比率Ｙ１および増加率Ｙ２は、ａ位置（Ｘ＝６ｍｍ）を基準（Ｙ１＝１、Ｙ２＝０）とした。また、図１５（Ａ）中の（２）、（４）、（６）、（10）、および（12）は、それぞれ軸方向せん断亀裂の長さ［mm］を表わす。
【００１４】
図１５（Ａ）から、ボスの嵌合位置が軸１１の終端側（図面左）に近づくほど、軸方向せん断破面（軸方向せん断亀裂）は減少し、強度が増加することが判明した。これは、捩り試験中にボスと嵌合していないスプライン（非嵌合部）が局所的に捩られるが、非嵌合部の長さが減少すると局所的な捩れが減少し、非嵌合部の軸側谷部に作用するせん断応力が減少するためと考えられる。
【００１５】
また、図１５（Ａ）から、静的強度および疲労強度は、ボスの嵌合位置がスプライン軸の終端直前の特定位置に達してから急激に増大することがわかる。疲労強度が急激に増加する臨界位置は、同図（Ｂ）中のｂ点とｃ点との間の領域に存在するが、この領域は、ボスの山部12ｂ終端の立ち上り部12b1が、軸１１の谷部11ａの拡径領域Ｓ’と交差し始める位置（山部12ｂの立ち上り部12b1が拡径領域Ｓ’中の谷部11ａと嵌合し始める位置）に概ね一致する。これは、前述した非嵌合部の歯底部のせん断応力の減少に加え、拡径領域Ｓ’では谷部11ａが拡径することにより歯底径が増加してこの部分での応力が減少するためと考えられる。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は以上の考察に基づいてなされたもので、等速自在継手の軸部材と軸部材の外周側に配置した外周部材とが、軸部材側の歯と外周部材側の歯との嵌合により、相互にトルク伝達可能に結合され、少なくとも軸方向一端側で、軸部材側の歯の谷部を拡径させたものにおいて、軸部材側の歯が塑性加工で成形された後、高周波焼入れされたものであり、軸部材に、前記拡径した谷部がつながる平滑部を設けると共に、平滑部の軸方向一端側に平滑部よりも大径の肩部を設け、外周部材の軸方向一端側の内径端が軸部材の肩部に当接し、軸部材側の歯の山部の軸方向一端側が縮径して平滑部につながり、上記谷部が拡径すると共に山部が縮径する領域内に、軸部材側の歯と外周部材側の歯との嵌合部を有する動力伝達機構を提供するものである。この場合、軸部材と外周部材とはスプラインまたはセレーションで結合される。
【００１８】
この場合、外周部材のガタ止めとして、外周部材の軸方向他端側への移動を防止する拘束手段を具備させるのが望ましい。
【００１９】
拘束手段は、外周部材を軸方向一端側に押圧する押圧手段や、軸部材側の歯と外周部材側の歯とを円周方向で相互に圧接させる圧接手段で構成することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図１乃至図２２に基いて説明する。
【００２１】
図１に示すように、本発明にかかる動力伝達機構は、軸部材１と軸部材１の外周に配置したボス等の外周部材２とを、軸部材１側の歯31と外周部材２側の歯32とを嵌合させたスプライン３（セレーションでもよい）で結合させたものである。歯31、32は、軸方向に沿って延びている。
【００２２】
軸部材１の外周部に設けられた歯31の谷部31ａおよび山部31ｂのうち、谷部31ａの終端側（図１右側）は、円弧状に滑らかに拡径する拡径領域Ｓ１を有し、拡径領域Ｓ１の終端部31a1（大径端）では当該谷部31ａが軸部材１の平滑部１ａ（セレーション３の終端側に隣接して形成される）の外周面につながっている。一方、軸部材１側の山部31ｂの終端は、僅かに縮径して谷部31ａの終端部31a1と同一箇所で軸部材１の平滑部１ａ外周面につながっている。軸部材１の強度面を考慮すると、平滑部１ａの外径は、山部31ｂの外径寸法と等しくするか若しくはこれに近似させておくのが望ましい。拡径領域Ｓ１の谷部31ａは、円弧のみで形成する他、図２に示すように、円弧と直線の組合わせにしてもよい（円弧を入口側に配置する）。
【００２３】
外周部材２は、終端側の内径端を軸部材１の外周に形成された肩部１ｂに当接させ、かつ入口側（図面左側）の内径端を止め輪（１４：図５参照）で係止することによって軸部材１に対して位置決めされる。外周部材２の内周部に形成された歯32（ハッチングで表わす）の谷部32ａおよび山部32ｂのうち、谷部32ａは、同径のまま外周部材２の終端までストレートに形成される。一方、山部32ｂの終端側は、傾斜した立ち上り部32b1を介し、入口側よりも内径を大きくした逃げ領域Ｔになっている。逃げ領域Ｔの内径は、軸部材１の平滑部１ａの外径よりも大きく、軸部材１側の肩部１ｂの外径よりも小さい。
【００２４】
本発明では、軸部材１側の歯31と外周部材２側の歯32との嵌合部Ｆ（散点模様で表わす）をスプライン有効領域Ｓ２（拡径領域Ｓ１を除く谷部をいう）のみならず、谷部31ａの拡径領域Ｓ１にも設け、両歯31、32を拡径領域Ｓ１中で互いに円周方向で接触させることとした。これは、図１０に示す従来品が、拡径領域Ｓ’を避けて嵌合部Ｆ’を設けていたのと著しい対照をなす。
【００２５】
かかる構成から、上記の理由により軸部材１の静的強度および疲労強度を向上させることができる。強度向上のためには、外周部材２の軸部材１に対する嵌合位置をできるだけ終端側とするのがよく、従って、図１に示すように、軸部材１側の歯31の谷部31ａと外周部材２側の歯32の山部32ｂとを拡径領域Ｓ１中で接触させておくのが好ましい。この場合、図３に示すように、谷部31ａと接触する外周部材２側の山部32ｂの立ち上り部32b1に円弧状のチャンファ（半径ｒ）を設けておけば、嵌合部Ｆの面積の拡大によるさらなる強度アップが図れる。
【００２６】
軸部材１には、表面硬化処理、例えば高周波焼入れを施すのが好ましい。その場合、図４（Ａ）からも明らかなように表面硬さは硬い方が望ましく、使用する材料の最高硬さを狙うことが望ましい。また、焼入れ深さは硬化比（有効深さまでの深さ／軸半径）で０．５付近を狙うのが望ましい（図４（Ｂ）参照）。
【００２７】
この他、軸部材１にショットピーニング処理を施して疲労強度のさらなる向上を図ってもよく、また、既存の高強度化対策、例えば、図８に示すように谷部31ａの拡径領域Ｓを大きな円弧で形成したり、あるいは図９に示すように拡径領域Ｓの谷部31ａを球面に形成する等の対策を併用してもよい。
【００２８】
図１６は、軸部材１側の歯31のうち、谷部31ａの拡径領域Ｓ１の終端部（大径端）31a1に、外周部材２側の歯32の山部32ｂ、特にその終端のテーパ状の立ち上り部32b1を接触させた例であり、図１に示す場合と同様に軸部材１の強度（静的および疲労強度）の向上が達成される。図１７は、外周部材２側の歯32のうち、山部32ｂ終端の立ち上り部32b1を円弧状のチャンファとし、かつチャンファの曲率ｒを谷部31の拡径領域Ｓ１の曲率Ｒよりも大きくして図１６と同様に立ち上り部32b1を谷部31ａの終端部31a1に接触させたものである。何れの場合も、立ち上り部32b1と終端部31a1との接触で外周部材２が軸方向終端側に位置決めされるため、外周部材２と軸部材１の肩部１ｂとは非接触にすることができる。
【００２９】
上述のように外周部材２は、入口側の内径端を止め輪14で係止することによって軸部材１に対して固定される。この場合、加工誤差等により、図１８に示すように外周部材２の入口側内径端と止め輪14との間に隙間15が生じ、外周部材２が軸方向にがたつく場合がある。このようなガタツキがあると、図１６および図１７に示す構造においてＸ＝０を保持することができず、軸強度にバラツキを生じる要因となる。
【００３０】
これを回避するには、図１９〜図２２に示すように、軸部材１と外周部材２との間に、外周部材２の軸方向他端側（入口側）への移動を防止する拘束手段16ａ、16ｂを設けるのがよい。この拘束手段16ａ、16ｂは、外周部材２を軸方向一端側（終端側）に押圧する押圧手段16ａや、軸部材１側の歯31と外周部材２側の歯32とを円周方向で相互に圧接させる圧接手段16ｂで構成することができる。図１９乃至図２１は、上記押圧手段16ａの例であり、このうち図１９は、２つの止め輪14ａ、14ｂを圧接状態で配置し、一方の止め輪14ａを外周部材２の抜け止め、他方の止め輪14ｂを軸部材１と外周部材２のガタ止めとした構造（ダブルクリップ方式）、図２０および図２１は何れも止め輪１４に変えて圧縮状態の弾性部材17ａ、17ｂ（図２０はコイルバネ17ａを使用したコイルバネ方式、図２１はウェーブワッシャ17ｂを使用したウェーブワッシャ方式）を使用し、その弾性力で外周部材２に軸方向終端側への予圧を付与する構造を示す。上記圧接手段16ｂとしては、図２２に示すように、例えば、軸部材１あるいは外周部材２の歯31、32に捻れ角θを設け（捻れ角θは誇張して描いている。また、図面は外周部材２側の歯32の山部32ｂに捻れ角θを設けた場合を例示する）、Ｘ＝０となるまで外周部材２に軸部材１を圧入する構造が考えられる。
【００３１】
以上の拘束手段16ａ、16ｂは、図１や図３に示すように、軸部材１側の歯31の谷部31ａと外周部材２側の歯32の山部32ｂとを拡径領域Ｓ１中で接触させた場合にも同様に適用することができる（この場合、図１６および図１７と同様に外周部材１と軸部材１の肩部１ｂを非接触とすることができる）。
【００３２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、スプライン軸あるいはセレーション軸の静的強度および疲労強度を大幅に向上させることができる。しかも、高合金鋼や高清浄度鋼を使用する場合のように、加工性が低下したり、コストの増加を招く等の不具合も生じず、また、ショットピーニング処理のような設備の導入コストの著しい増加を招くことがない。これにより低コストにスプライン軸の軽量化が可能となり、本発明では例えば１９％の高強度化が達成され得るから、１２％の軽量化が達成可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる動力伝達機構の軸方向の断面図である。
【図２】本発明の他の実施形態を示す軸方向の断面図である。
【図３】本発明の他の実施形態を示す軸方向の断面図である。
【図４】（Ａ）図は捩り強度と捩り疲労強度に及ぼす表面硬さの影響、（Ｂ）図は、捩り強度と捩り疲労強度に及ぼす焼入れ深さ（硬化比）の影響の各実験データを表わす図である。
【図５】動力伝達機構を有する等速自在継手の軸方向の断面図である。
【図６】スプライン軸の終端（図５中のＣ）の形状例を示す軸方向の断面図である。
【図７】スプライン軸の終端（図５中のＣ）の形状例を示す軸方向の断面図である。
【図８】スプライン軸の終端（図５中のＣ）の形状例を示す軸方向の断面図である。
【図９】スプライン軸の終端（図５中のＣ）の形状例を示す軸方向の断面図である。
【図１０】従来の動力伝達機構の軸方向の断面図である。
【図１１】スプライン軸の捩り破壊モードを示す断面図である。
【図１２】図６と図７に示すスプライン軸の強度比較データを示す図である。
【図１３】図７タイプと図８および図９タイプの強度比較データを示す図である。
【図１４】スプライン軸の捩り強度供試品の諸元を示す図である。
【図１５】（Ａ）図は捩り強度試験の結果を示す図、（Ｂ）図は（Ａ）図を説明するための動力伝達機構の拡大断面図である。
【図１６】本発明の他の実施形態を示す軸方向の断面図である。
【図１７】本発明の他の実施形態を示す軸方向の断面図である。
【図１８】外周部材の固定構造を示す軸方向の断面図である。
【図１９】拘束手段を示す軸方向の断面図である。
【図２０】拘束手段を示す軸方向の断面図である。
【図２１】拘束手段を示す軸方向の断面図である。
【図２２】拘束手段を示す円周方向の断面図である。
【符号の説明】
１ 軸部材
２ 内輪（外周部材）
３ スプライン
16ａ 拘束手段（押圧手段）
16ｂ 拘束手段（圧接手段）
17ａ コイルバネ
17ｂ ウエーブワッシャ
31 歯（軸部材側）
31ａ 谷部（軸部材側）
31a1 終端部
31ｂ 山部（軸部材側）
32 歯（外周部材側）
32ａ 谷部（外周部材側）
32ｂ 山部（外周部材側）
32b1 立ち上り部
Ｆ 嵌合部
Ｌ 外周レベル
Ｓ１ 拡径領域

Claims (6)

1. 等速自在継手の軸部材と軸部材の外周側に配置した外周部材とが、軸部材側の歯と外周部材側の歯との嵌合により、相互にトルク伝達可能に結合され、少なくとも軸方向一端側で、軸部材側の歯の谷部を拡径させたものにおいて、
   軸部材側の歯が塑性加工で成形された後、高周波焼入れされたものであり、軸部材に、前記拡径した谷部がつながる平滑部を設けると共に、平滑部の軸方向一端側に平滑部よりも大径の肩部を設け、外周部材の軸方向一端側の内径端が軸部材の肩部に当接し、軸部材側の歯の山部の軸方向一端側が縮径して平滑部につながり、上記谷部が拡径すると共に山部が縮径する領域内に、軸部材側の歯と外周部材側の歯との嵌合部を有する動力伝達機構。
2. 軸部材の外周レベルよりも内径側に、上記嵌合部を有する請求項１記載の動力伝達機構。
3. 外周部材の軸方向他端側への移動を防止する拘束手段を具備する請求項１または２記載の動力伝達機構。
4. 拘束手段が、外周部材を軸方向一端側に押圧する押圧手段で構成されている請求項３記載の動力伝達機構。
5. 拘束手段が、軸部材側の歯と外周部材側の歯とを円周方向で相互に圧接させる圧接手段で構成されている請求項３記載の動力伝達機構。
6. 軸部材と外周部材とがスプラインまたはセレーションで結合されている請求項１乃至８記載の動力伝達機構。