JP4340494B2

JP4340494B2 - シャフト及びハブの動力伝達機構

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Publication number: JP4340494B2
Application number: JP2003288918A
Authority: JP
Inventors: 正彦五十嵐; 武志望月; 雅紀小杉
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-08-07
Filing date: 2003-08-07
Publication date: 2009-10-07
Anticipated expiration: 2023-08-07
Also published as: CN100404896C; CN1833115A; JP2005054962A

Description

本発明は、シャフト及びハブからなる２部材間で回転トルクを円滑に伝達することが可能なシャフト及びハブの動力伝達機構に関する。

自動車等の車両において、エンジンからの駆動力を車軸に伝達するためにシャフトを介して一組の等速ジョイントが用いられている。この等速ジョイントは、アウタ部材とインナ部材との間に配設されたトルク伝達部材を介してアウタ・インナ部材間のトルク伝達を行うものであり、シャフトに形成されたシャフト歯部とハブに形成されたハブ歯部とが係合した歯部組立体を有するシャフト及びハブのユニットを含む。

ところで、近年、騒音、振動等の動力伝達系のガタに起因して発生する等速ジョイントの円周方向のガタを抑制することが要求されている。従来では、内輪とシャフトとのガタを抑制するために、等速ジョイントの軸セレーションにねじれ角を設けたものがあるが、前記ねじれ角の方向とトルク負荷方向によって、内輪及びシャフトの強度、寿命にばらつきが生じるおそれがある。

また、歯車等の技術分野において、例えば、特許文献１〜３に示されるように、その歯面部にクラウニングを設ける技術的思想が開示されている。

本出願人は、スプラインが形成されたスプラインシャフトのクラウニングトップの位置を、スプラインシャフトと等速ジョイントとの嵌合部位に回転トルクが付与された際に最小となる位置に対応する位置に設けることにより、所定部分に応力が集中することを抑制するとともに、装置の全体構成を簡素化することを提案している（特許文献４参照）。

特開平２−６２４６１号公報特開平３−６９８４４号公報特開平３−３２４３６号公報特開２００１−２８７１２２号公報

本発明は、前記の提案に関連してなされたものであり、所定部位に対する応力集中を抑制して、より一層、静的強度及び疲労強度を向上させることが可能なシャフト及びハブの動力伝達機構を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、シャフトに形成されたシャフト歯部と、前記シャフトの外周側に配置されたハブのハブ歯部とが係合することにより、前記シャフト及びハブ間で相互にトルク伝達が可能に結合された機構において、
前記シャフト歯部は、歯厚が変化したクラウニングからなり且つ軸線方向に沿って一定の外径からなる山部と、端部からシャフトシャンク側に向かって径が大きくなる谷部とを有し、
前記ハブ歯部は、歯厚が一定の直線状からなり且つ端部からシャフトシャンク側に向かって内径が小さくなる山部と、軸線方向に沿って一定の径からなる谷部とを有し、
前記シャフト歯部の谷部には、前記ハブ歯部側に向かって所定の曲率で延在する円弧部が形成され、前記ハブ歯部の山部には、前記円弧部に臨み該シャフト歯部側と反対方向に窪んだ段差部が形成され、
前記円弧部と前記段差部の存在により、前記シャフト歯部の谷部と前記ハブ歯部の山部が非対称形状をなすことを特徴とする。

本発明によれば、円弧部の存在によって谷部の外径が変化するシャフト歯部に対し、段差部の存在によって山部の内径が変化するハブ歯部が噛合される。このように非対称形状の歯部同士が噛合されることにより、シャフト歯部とハブ歯部との係合部位における応力が分散され、応力集中が緩和される。

この場合、前記シャフト歯部の谷部に連続する円弧部の起点と、前記ハブ歯部の山部に連続する段差部の起点とは、それぞれ所定距離だけオフセットした位置に設定されるとよい。

本発明によれば、シャフト歯部とハブ歯部とが係合した状態においてシャフト及びハブ間に回転トルクが付与された場合、前記シャフト歯部に形成された所定の曲率半径からなる円弧部と前記ハブ歯部に形成された段差部との共働作用下にシャフト歯部とハブ歯部との係合部位に付与される応力が分散され、応力集中が緩和される。

また、前記シャフト歯部の谷部にハブ歯部側に向かって所定の曲率で延在する円弧部を形成することにより、応力が集中する部位であるシャフト歯部の谷部の径を増大させ、軸強度を向上させることができる。

さらに、シャフト歯部の谷部に連続する円弧部の起点とハブ歯部の山部に連続する段差部の起点とが所定距離だけオフセットしているため、前記シャフト歯部に付与された応力が一方の起点と他方の起点とにそれぞれ分散されることによりより一層応力集中が緩和される。

この結果、応力の集中を緩和して分散させることができるため、シャフト歯部とハブ歯部との係合部位に対する静的強度及び疲労強度を向上させることができる。

本発明によれば、以下の効果が得られる。

すなわち、例えば、段差部等からなる内径が変化する山部をハブ歯部に形成することにより、前記内径が変化したシャフト歯部とハブ歯部との係合部位における応力が分散され、応力集中が緩和される。この結果、シャフト歯部とハブ歯部との係合部位に対する静的強度及び疲労強度を向上させることができる。

また、シャフト歯部に形成された所定の曲率半径からなる円弧部と前記ハブ歯部に形成された段差部との共働作用下に、シャフト歯部とハブ歯部との係合部位に付与される応力がそれぞれ分散されることにより、応力の集中を緩和してシャフト歯部とハブ歯部との係合部位に対する静的強度及び疲労強度をより一層向上させることができる。

本発明に係るシャフト及びハブの動力伝達機構について好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。

図１において参照数字１０は、本発明の実施の形態に係る動力伝達機構が適用されたシャフト及びハブのユニットを示す。このユニット１０は、等速ジョイントの一部を構成するものであり、前記シャフト１２は、駆動力伝達軸として機能し、ハブ１４は、図示しないアウタ部材の開口部内に収納され図示しないボールが係合する案内溝１５を有するインナリングとして機能するものである。

前記シャフト１２の一端部及び他端部には、それぞれ、ハブ１４の軸孔１６に嵌合する嵌合部１８が形成される。ただし、図１では、シャフト１２の一端部のみを示し、他端部の図示を省略している。前記嵌合部１８は、シャフト１２の軸線に沿って所定の歯長からなり、周方向に沿って形成された複数のスプライン歯２０を有するシャフト歯部２２を備える。前記シャフト歯部２２は、凸状の山部２２ａと凹状の谷部２２ｂとが周方向に沿って交互に連続して構成される。

前記シャフト１２の中心側の前記シャフト歯部２２に近接する部位には、シャフトシャンク２４が設けられ、また、シャフト１２の端部側には、前記ハブ１４の抜け止め機能を有する図示しない止め輪が環状溝（図示せず）を介して装着される。

前記シャフト１２を半径内方向に向かって見た場合、シャフト歯部２２の山部２２ａは、図２Ａに示されるように、歯厚が最大となるクラウニングトップＰ０から山部２２ａの両端部に向かって前記歯厚が連続的に減少するように形成されたクラウニングを有する。換言すると、シャフト歯部２２の山部２２ａを平面視した場合、図２Ａに示されるように両側がそれぞれ等しく湾曲したクラウニング形状を有する。

前記ハブ１４の軸孔１６の内周面には、前記シャフト１２の嵌合部１８に嵌合する複数の直線状のスプライン歯２６を有するハブ歯部２８が形成される。前記ハブ歯部２８は、凸状の山部２８ａと凹状の谷部２８ｂとが周方向に沿って交互に連続して構成され、前記ハブ歯部２８の山部２８ａは、図２Ａに示されるように、略同一の歯厚からなり、シャフト１２の軸線と略平行となるように形成されている。

図３は、シャフト歯部２２の谷部２２ｂとハブ歯部２８の山部２８ａとが係合した状態におけるシャフト１２の軸線方向に沿った一部拡大縦断面図である。図３中において、Ｐ０はクラウニングトップに対応する位置を示す。

シャフト歯部２２の谷部２２ｂ（谷部径φ１）のクラウニングトップＰ０に対応する位置（破線参照）からシャフトシャンク２４側に向かって水平方向に所定距離Ｌ１だけ移動した点Ｐ１を設定する。前記設定された点Ｐ１を起点としてハブ歯部２８側に向かって延在し、曲率中心を点Ｐ３として所定の曲率半径Ｗからなる円弧部３０を形成してシャフトシャンク２４側に連続させる。なお、シャフト歯部２２の山部２２ａの外径は、軸線方向に沿って一定で変化しないものとする。

ハブ歯部２８の山部２８ａでは、前記シャフト歯部２２の点Ｐ１からシャフトシャンク２４と反対側に水平方向に沿った所定距離Ｌ４だけオフセットした位置に点Ｐ２を設定し、前記点Ｐ２からその山部径φ２を山部径φ３に変化させた段差部３２を形成し、さらに、所定距離Ｌ３だけ前記山部径φ３を延在させて形成する。

この場合、シャフト歯部２２側と反対方向に窪んで形成されるハブ歯部２８の前記段差部３２は、例えば、傾斜面または所定の曲率半径からなる円弧状の曲面または複合面等によって形成するとよい。前記点Ｐ２を起点とする段差部３２の傾斜角度は、円弧部３０に対応して任意に設定される。なお、ハブ歯部２８側の形状は、前記段差部３２の形状に限定されるものではなく、例えば、所定の曲率半径を有するＲ形状、テーパ形状等を含む形状であってもよい。また、ハブ歯部２８の谷部２８ｂの内径は、軸線方向に沿って一定で変化しないものとする。

前記谷部径φ１は、シャフト１２の軸心からシャフト歯部２２の谷部２２ｂの底面までの離間距離を示したものであり、前記山部径φ２、φ３は、それぞれ、シャフト１２の軸心からハブ歯部２８の山部２８ａの歯先までの離間距離を示したものである。

なお、シャフト歯部２２側のＬ２は、Ｌ１より大きく設定され（Ｌ１＜Ｌ２）、しかも、ハブ歯部２８側のＬ３は、シャフト歯部２２側のＬ２よりも小さく設定されるものとする（Ｌ２＞Ｌ３）。

図３から諒解されるように、シャフト歯部２２の円弧部３０の立ち上がりの起点（変化点）となる点Ｐ１と、ハブ歯部２８の段差部３２の立ち上がりの起点（変化点）となる点Ｐ２とが所定の離間距離Ｌ４だけ略水平方向にオフセットした位置に設定されている。

従って、シャフト歯部２２とハブ歯部２８とが係合したシャフト１２及びハブ１４のユニット１０に対して回転トルクが付与された場合、シャフト歯部２２側の点Ｐ１とハブ歯部２８側の点Ｐ２とが所定距離Ｌ４だけオフセットしているため、前記ユニット１０に付与された応力が前記点Ｐ１と点Ｐ２とにそれぞれ分散されることにより応力集中を緩和することができる。

この結果、応力の集中を緩和して分散させることができるため、シャフト歯部２２とハブ歯部２８との係合部位に対する静的強度及び疲労強度を向上させることができる。

さらに、図４に示されるように、シャフト歯部２２側の円弧部３０の起点となる点Ｐ１とハブ歯部２８側の段差部３２の起点となる点Ｐ２とをオフセットさせることがなく、鉛直線上に前記点Ｐ１及び点Ｐ２が一致するように設定してもよい。この場合、シャフト歯部２２側に形成された円弧部３０とハブ歯部２８側に形成された段差部３２の共働作用下に、シャフト歯部２２の円弧部３０に付与される応力が分散されて応力集中を緩和することができる。

ここで、ハブ歯部２８に段差部３２が形成されていない比較例に係る応力値の特性曲線Ａと、図３に示されるように、所定距離（Ｌ４）だけオフセットした点Ｐ１及びＰ２を有し、シャフト歯部２２側に円弧部３０が形成され且つハブ歯部２８側に段差部３２が形成された構造の応力値の特性曲線Ｂを、それぞれ図５に示す。

特性曲線Ａと特性曲線Ｂとを比較すると、図３に示す構造からなる特性曲線Ｂでは、応力値のピークをｔ０部とｔ１部とに分散させることにより、前記ｔ１部における前記応力値のピークが減少していることが諒解される。すなわち、特性曲線Ｂにおけるｔ０部の応力値は、特性曲線Ａにおけるｔ０部の応力値と比較して増加しているが、特性曲線Ｂにおける最大応力値であるｔ１部の応力値は、特性曲線Ａに比べて減少しているため、シャフト１２に発生する最大応力値のピークを低減させ、しかも測定位置の全体にわたって応力値を低減させることができる。

次に、シャフト歯部２２側の点Ｐ１とハブ歯部２８側の点Ｐ２とが所定距離だけオフセットした状態における応力値の特性曲線（実線）Ｍと、前記点Ｐ１と点Ｐ２とがオフセットしていない、すなわち水平方向に沿った離間距離が零の状態における応力値の特性曲線（破線）Ｎとを図１１に示す。

この場合、特性曲線Ｍ及び特性曲線Ｎのオフセットの有無部分（図１１中のア部分参照）を比較すると、オフセットしていない特性曲線Ｎに対してシャフト歯部側の起点Ｐ１とハブ歯部側の起点Ｐ２とがオフセットした特性曲線Ｍが緩やかな曲線となっており、オフセットさせることにより径の変化部分における応力の集中が緩和されている。

次に、回転トルクが付与されていない無負荷状態から、回転トルクが付与されてクラウニング形状を有するシャフト歯部２２の山部２２ａと直線形状を有するハブ歯部２８の山部２８ａとが噛合して変形した状態を図２Ａ及び図２Ｂに示す。なお、回転トルクによる荷重入力方向は、クラウニングの軸線と直交する矢印Ｙ方向に設定した。

この場合、応力値と測定位置（図２Ａ、図２Ｂの矢印Ｘ参照）との関係を表した図６に示されるように、入力される荷重の度合いが異なることにより、応力値のピークポイントが測定位置に沿って変化していることがわかる。前記入力される荷重の度合いを、例えば、低荷重、中荷重、高荷重の三段階とすると、前記段階に対応した低荷重特性曲線Ｄ、中荷重特性曲線Ｅ、高荷重特性曲線Ｆとなる。

また、図７は、低荷重、中荷重、高荷重のように入力される荷重の分類と、前記荷重が付与される位置との関係を示す特性図である。図２Ｂから諒解されるように、入力される荷重の度合いによってシャフト歯部２２とハブ歯部２８との噛合部位が、荷重付与位置ａ、ｂ、ｃに対応する円ａ、円ｂ、円ｃのように順次変化している。この噛合部位は、入力される荷重の度合いに対応してクラウニングトップＰ０からシャフトシャンク２４側に離間する方向に作用している。

すなわち、低荷重が付与されたときには、円ａの領域が主たる低荷重伝達領域となり、中荷重が付与されたときには、前記円ａからシャフトシャンク２４側に僅かに離間した円ｂの領域が主たる中荷重伝達領域となり、高荷重が付与されたときには、前記円ｂからシャフトシャンク２４側に僅かに離間する円ｃの領域が主たる高荷重伝達領域となる。

このようにシャフト歯部２２をクラウニング形状とすることにより、入力される荷重の度合いに応じて荷重が伝達される領域（応力値のピークポイント）が変化する。

図８〜図１０は、シャフト１２とハブ１４とを組み付けた際のシャフト歯部２２の谷部２２ｂとハブ歯部２８の山部２８ａとの接触状態を示す縦断面図である。なお、図８〜図１０中におけるφｄ１〜φｄ３は、それぞれシャフト１２の軸芯からの離間距離を示す。

シャフト歯部２２をクラウニング形状とすることにより、クラウニングトップＰ０の近傍領域のみが接触し（図９の接触部位参照）、その他の領域では、シャフト歯部２２の谷部２２ｂとハブ歯部２８の山部２８ａとが非接触状態となる（図８及び図１０参照）。

このようにクラウニング形状とすることによりシャフト歯部２２とハブ歯部２８との接触面積を減少させることができ、シャフト１２及びハブ１４の組み付け時における圧入荷重を低下させてシャフト歯部２２の谷部２２ｂに作用する応力を低減することができる。また、組み付け時における圧入荷重を増大させることがなく、シャフト歯部２２とハブ歯部２８との間のバックラッシュを抑制することができる。

また、図８及び図９と、図１０とを比較して諒解されるように、シャフト歯部２２及びハブ歯部２８のシャフトシャンク２４に近接する部位に円弧部３０及び段差部３２をそれぞれ形成することにより、応力が集中する領域のシャフト歯部２２の径をαだけ増大させることができる。

従って、応力が集中する領域のシャフト歯部２２の径をαだけ増大させることにより、シャフト歯部２２の谷部２２ｂの歯底Ｒの曲率を大きく設定することが可能となり、応力を分散させることができる。また、シャフトシャンク２４に近接する部位の径を他の部位と比較して増大させることにより、全体応力（主応力）を低減させることができる。

次に、シャフト歯部２２のスプライン歯２６の製造方法について説明する。

図１２に示されるように、超硬材料によって略直線状に形成された上下一組の転造ラック４０ａ、４０ｂの間に棒状の被加工物４２を挿入し、相互に対向する一組の転造ラック４０ａ、４０ｂによって被加工物４２を押圧した状態において、図示しないアクチュエータの駆動作用下に前記一組の転造ラック４０ａ、４０ｂを相互に反対方向（矢印方向）に変位させることにより、被加工物４２の外周面に対してクラウニング形状を有するスプライン加工が施される。

本実施の形態では、転造成形を用いることにより、クラウニング形状を有するシャフト歯部２２のスプライン歯２６を簡便に成形することができる。また、転造成形を用いた場合、圧造（鍛造）成形と比較して、成形サイクルが速く、前記転造ラック４０ａ、４０ｂ等の成形歯具の耐久性を向上させることができる。さらに、転造成形では、転造ラック４０ａ、４０ｂ等の成形歯を再研磨して再利用することが可能である。従って、転造成形を用いた場合、圧造（鍛造）成形と比較して、寿命、成形サイクル、再利用等の点からコスト的に有利である。

ただし、転造の場合は歯先へ向かっての肉流れによって成形されるため、歯先の断面形状は必ずしも均等でない場合がある。

本発明の実施の形態に係る動力伝達機構が適用されたシャフト及びハブのユニットの一部切欠斜視図である。シャフト歯部とハブ歯部とが係合した状態において、図２Ａは、無負荷状態を示し、図２Ｂは、前記無負荷状態から矢印Ｙ方向に回転トルクが付与された状態をそれぞれ示す拡大横断面図である。図１のシャフト歯部の谷部とハブ歯部の山部とが係合した状態におけるシャフトの軸線方向に沿った一部拡大縦断面図である。シャフト歯部に形成された円弧部の起点である点Ｐ１とハブ歯部に形成された段差部の起点である点Ｐ２とがオフセットされることなく鉛直線上に一致した状態を示す一部拡大縦断面図である。ハブ歯部に段差部が形成されていない状態と、シャフト歯部に円弧部が形成され且つハブ歯部に段差部が形成された状態におけるシャフトに発生する応力値とその応力を測定した位置との関係を示す特性曲線図である。回転トルクが付与されたときの入力荷重に対応してシャフトに発生する応力値とその応力を測定した位置との関係を示す特性曲線図である。前記荷重が付与される位置と荷重の分類との関係を示す特性曲線図である。図３のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿った拡大縦断面図である。図３のＩＸ−ＩＸ線に沿った拡大縦断面図である。図３のＸ−Ｘ線に沿った拡大縦断面図である。シャフト歯部の径の変化点及びハブ歯部の径の変化点がオフセットした状態とオフセットしていない状態におけるシャフトに発生する応力値とその応力を測定した位置との関係を示す特性曲線図である。シャフト歯部のスプライン歯を転造ラックによって転造成形する状態を示す一部省略斜視図である。

符号の説明

１０…ユニット１２…シャフト
１４…ハブ１６…軸孔
１８…嵌合部２０、２６…スプライン歯
２２…シャフト歯部２２ａ、２８ａ…山部
２２ｂ、２８ｂ…谷部２４…シャフトシャンク
２８…ハブ歯部３０…円弧部
３２…段差部

Claims

シャフトに形成されたシャフト歯部と、前記シャフトの外周側に配置されたハブのハブ歯部とが係合することにより、前記シャフト及びハブ間で相互にトルク伝達が可能に結合された機構において、
前記シャフト歯部は、歯厚が変化したクラウニングからなり且つ軸線方向に沿って一定の外径からなる山部と、端部からシャフトシャンク側に向かって径が大きくなる谷部とを有し、
前記ハブ歯部は、歯厚が一定の直線状からなり且つ端部からシャフトシャンク側に向かって内径が小さくなる山部と、軸線方向に沿って一定の径からなる谷部とを有し、
前記シャフト歯部の谷部には、前記ハブ歯部側に向かって所定の曲率で延在する円弧部が形成され、前記ハブ歯部の山部には、前記円弧部に臨み該シャフト歯部側と反対方向に窪んだ段差部が形成され、
前記円弧部と前記段差部の存在により、前記シャフト歯部の谷部と前記ハブ歯部の山部が非対称形状をなすことを特徴とするシャフト及びハブの動力伝達機構。
請求項１記載の機構において、
前記シャフト歯部の谷部に連続する円弧部の起点と、前記ハブ歯部の山部に連続する段差部の起点とは、それぞれ所定距離だけオフセットした位置に設定されることを特徴とするシャフト及びハブの動力伝達機構。