JP4829798B2

JP4829798B2 - 駆動シャフトを製造する装置と方法

Info

Publication number: JP4829798B2
Application number: JP2006550487A
Authority: JP
Inventors: ガフリ，オーレン; リブシズ，ユリ
Original assignee: パルサーウェルディングリミティド．
Priority date: 2004-01-26
Filing date: 2005-01-25
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2025-01-25
Also published as: EP1708834A1; WO2005070583A1; KR20070001105A; US7256373B2; CN1917972A; JP2011152586A; US20060289479A1; JP2007520353A

Description

本発明は、細長いシャフトとこのシャフトに結合された端部部分とを有する乗用車の駆動シャフトを製造する方法および装置に関する。本発明の方法と装置は、パルス磁力（pulsed magnetic force (PMF)）利用プロセスにより、行われる。

乗用車の駆動シャフトは、上記した一般的な構造を有し、端部部品を円筒状のシャフトの端部に結合（溶接）することにより製造されている。従来の溶接方法は、時間もかかり、比較的高価なプロセスである。さらに、ワークピース（シャフトと端部部品）は、通常、このプロセスで加熱され、それ故に、冷却装置を必要としていた。

ワークピースを互いに、急速「冷間」結合あるいは溶接する公知の方法は、ＰＭＦプロセスを用いることである。この技術により、極短時間且つ高強度の電気パルスがコイルに放電され、この放電によりワークピース内に渦電流を誘導し、電気コイルとワークピースの間の磁気反発を引き起こす。この磁気反発により、形成コイル近傍のワークピースを変形させ、これにより、その表面を別のワークピースに急激に移動（衝突）させ、これにより、圧力接合、あるいは高エネルギーで表面が他のワークピースに溶接される。特にこのプロセスの応用例は、円筒状の第１ワークピースをその中に収納される柱状の第２ワークピースに結合する、すなわち表面溶接することである。これは、ワークピースを半径方向に変形させることにより、行われる。ＰＭＦプロセスとそのある種の応用例は、特許文献１、２、３、４、５、６、７、８に記載されている。

米国特許第３，６５４，７８７号明細書米国特許第３，９６１，６３９号明細書米国特許第４，１７０，８８７号明細書米国特許第４，５３１，３９３号明細書米国特許第３，８０７，３５１号明細書米国特許第５，３５３，６１７号明細書米国特許第５，４４２，８４６号明細書米国特許第５，８２４，９９８号明細書米国特許第５，９８１，９２１号明細書

自動車用駆動シャフトの構成要素を結合するためのＰＭＦプロセスの特定のアプリケーションは、特許文献９に記載されている。

駆動シャフトを形成するために、ＰＭＦプロセスを実用化する際の問題点は、端部ピースがシャフトの円周を超えて、半径方向に突出することである。ＰＭＦプロセスを有効活用するために、形成コイルが、変形したワークピースの近傍に配置される。この場合、形成コイルを、シャフト周囲に近接して適合することが必要である。シャフトと端部部品とを結合した後、或いは表面溶接した後、従来の方法では、形成コイルの巻回と駆動シャフトを分離することは不可能であった。その理由は、ＰＭＦプロセスは、駆動シャフトの製造分野では、応用されていないからである。

本発明により、駆動シャフトを形成する装置と方法が提供できる。本発明により、上記の問題点が解決されうる。本発明は、形成コイルがシャフトの周囲に配置される複数の互いに固く取り付けられるコイル部分から形成される装置と方法である。この形成コイルは、電流生成装置に接続され、電流生成装置からの放電を介してＰＭＦが生成される。これにより、駆動シャフト構成を構成する２個の構成要素の圧力結合あるいは表面溶接が行われる。

以下の説明において、用語「結合」とは、２個のワークピースを「結合」することと「表面溶接」することの両方を意味する。「結合」とは、２個のワークピースの表面に衝撃圧力がかかるように極近接して配置することを意味する。「表面溶接」とは、２個のワークピースの表面の間に分子レベルの相互作用が働くことを意味する。実際に、ＰＭＦプロセスで、「結合」あるいは「表面溶接」が行われるか否かは、これは多くの場合、正確な動作パラメータとＰＭＦエネルギーの量に依存する。当業者は、「結合」または「表面溶接」のいずれが必要であるかを、また、結合あるいは溶接のいずれかを行うのに必要な正確なパラメータを決定できる。溶接を行うためのパラメータは、特許文献８を参照されたい。要するに、用語「結合」とは、「結合」、「表面溶接」のいずれかあるいは両方を意味する。

本発明によれば、シャフトと、このシャフトの直径よりも大きな直径を有する２個の端部部品を有する駆動シャフトを形成する新規な装置と方法を提供できる。

本発明の装置は、前記駆動シャフトの一端あるいは両端を形成する１つあるいは２つの形成組立装置を有する。前記形成組立装置は、ホルダーと、形成ユニットとを有する。前記ホルダーは、２個の構成要素からなる駆動シャフト端部仮組立体を収納／保持する。前記２個の構成要素は、前記シャフトの端部部分と前記端部部品用部材である。前記２個の構成要素のいずれか一方は、軸方向円筒状キャビティを有する。前記軸方向円筒状キャビティは、他方の軸方向円筒状部分を収納し、一体になって円筒状の結合部分を形成する。前記形成ユニットは、前記結合部分を収納するスペースを形成する形成コイル装置と、前記結合部分の２個の構成要素の結合を形成するのに十分な強さのパルス状磁力（PMF）を生成する電流パルスを前記形成コイル内に流す電流生成ユニットとを有する。前記形成コイル装置は、取付面で互いに接続される複数のコイル部分からなり、製造された駆動シャフト端部部分を取り外すことができるよう、分解可能である。

本発明の駆動シャフトを製造する方法は、（Ａ１）シャフトと端部部品用部材とを用意するステップと、前記シャフトの端部部分と前記端部部品用部材の一部のいずれか一方は、軸方向円筒状キャビティを有し、他方は、前記軸方向円筒状キャビティに適合する軸方向円筒部分を有し、（Ａ２）前記軸方向円筒部分を前記キャビティ内に挿入するステップと、（Ａ３）前記シャフトと端部部品からなる円筒状の結合部分を形成するステップと、
（Ｂ）形成コイル装置を前記結合部分の周囲に配置するステップと、前記形成コイル装置は、取付面で互いに固定される複数のコイル部分からなり、電流生成ユニットに接続され、
（Ｃ）前記形成コイル装置に、前記結合部分を構成する２つの部品を接合するのに十分なパルス状磁力を生成する電流パルスを流すステップと、
（Ｄ）駆動シャフトを取り出すために、前記形成コイル装置を分解するステップとを有し、
前記ステップ（Ａ）−（Ｄ）を、２個の端部部品用部材を前記シャフトの各端部に同時に結合するために、シャフトの２個の端部で、同時に実行するか、または前記端部部品用部材をシャフトの第１端に結合するために、前記ステップ（Ａ）−（Ｄ）を最初に実行し、別の端部部品用部材を前記シャフトの第２端に結合するために、前記ステップ（Ａ）−（Ｄ）を繰り返す。

駆動シャフトの２個の端部部品を同時に形成する装置は、２個の組立装置を有する。この形成する装置が１個の組立装置しか有さない場合には、一方の端部を形成し、その後シャフトを反転し、他端を形成する。

本発明の一実施例によれば、形成コイルは、放電回路に直接接続される。この実施例によれば、コイル装置は、複数個（通常３個以上）のコイル部分を有し、その内の２個のコイル部分は、放電回路の１つの極にそれぞれ端部が接続される。例えばコイル部分を３個有する場合には、その内の２個は接続用端部であり、残りの１個は相互接続端部である。本発明の一実施例によれば、この種のコイルは、誘電体材料（即ち非導電性材料）から形成され、内側層が導電性材料で形成される。誘電体材料は構造要素として機能する。このような材料の一例は、エポキシ・ガラスである。導電層は、銅あるいは他の適宜な材料と方法で形成される。通常導電層は、取り付け表面にまで延び、２個の端部間の導電リンクとして機能する。

別々の端部部分は、強化構造体により一体に保持され、ネジとボルト、より一般的には他の適宜の手段により、互いに結合してもよい。

本発明の他の実施例によれば、前記形成コイル装置は、放電回路に接続された主コイルと誘導関係にあり、前記主コイルを介して放電された電流パルスが、前記整形コイル内で電流パルスの形成を誘導する。本発明の他の実施例によれば、前記形成ユニットは、電流パルスを生成する放電回路に接続された主コイルと、複数の挿入部とを有する。前記各挿入部は、前記主コイルにより形成された開口内に収納される形成コイル装置の一部を構成する。前記開口は、前記結合部分がその中を貫通できる直径を有し、前記結合部分を収納するスペースを形成する。前記挿入部は、取付面で互いに接続される導電性外部層と、前記導電性外部層の間に配置された絶縁部とを有する。

本発明の駆動シャフトを製造する方法は、
（Ｂ）形成コイル装置を前記結合部分の周囲に配置するステップと、前記形成コイル装置は、電流パルスを生成する放電回路に接続された主コイルと、複数の挿入部とを有し、前記各挿入部は、前記主コイルにより形成された開口内に収納される形成コイル装置の一部を構成し、前記開口は、前記結合部分がその中を貫通できる直径を有し、前記結合部分を収納するスペースを形成し、前記挿入部は、取付面で互いに接続される導電性外部層と、前記導電性外部層の間に配置された絶縁部とを有し、
（Ｃ）前記形成コイル装置の内側表面に、前記結合部分を構成する２つの部品を接合するのに十分なパルス状磁力（ＰＭＦ）を生成する電流を誘導する為に、前記主コイルに電流パルスを生成するステップと、
（Ｄ）前記主コイル又は製造された駆動シャフトのいずれかを軸方向に移動させて、前記挿入部を分解し、主コイルを取り除くステップとを有する。

本発明の一実施例によれば、優れた結合が、補助装置を利用することにより達成できる。この補助装置は、一時的に端部部材に適合され、一体となって軸対称の本体を形成する。シャフトと端部部材の間の結合が形成された後、補助装置を取り外す。

図１Ａに従来の駆動シャフトを示す。駆動シャフト１は、筒状シャフト２と、この筒状シャフト２の各端部に配置される２個の結合用の端部部品３、４とから構成される。筒状シャフト２の端部２Ａ、２Ｂは、それぞれ、端部部品３、４のリセス３Ａ、４Ａでシールされ、従来の溶接３Ｂ、４Ｂで溶接される。

従来の駆動シャフトとは異なる本発明の駆動シャフト６を図１Ｂに示す。同図に示すように、シャフト２′を結合端部部品３′、４′に、ＰＭＦプロセスを用いて、溶接する。端部２Ａ′、２Ｂ′は、リセス３Ａ′、４Ａ′に拘束／封止される。この拘束は、ＰＭＦプロセスにより、行われる。このＰＭＦプロセスにより、端部２Ａ′、２Ｂ′は、それそれリセス３Ａ′、４Ａ′に溶接される。

図示したシャフトは、チューブ（円筒状）であるが、他の実施例では、中実の細長い円柱でもよい。

図１Ｃは、ＰＭＦプロセスを行う前の端部部品３′のリセス３Ａ′に重なったシャフト２′の端部２Ａ′を示す。２個のワークピースの間にはギャップ（ｈ）があり、重なり合った部分の長さ（ｌ）のギャップ（ｈ）に対する比率は通常次式を満足する。
ｈ／ｌ＝０．１−０．５

図２Ａ、２Ｂは、駆動シャフトを組み立てる前の前組立体を収納するコイル装置８を示す。この駆動シャフト組立体の組み立て前の状態は、フランジ部分１２を有する端部部材１０と、筒状シャフトの端部部分１１とからなる。コイル装置８は、３個のコイル部分１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃにより形成された１個の巻回コイルである。各コイル部分は、誘電体部分１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃからなり、導電層１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃを具備する。

導電層１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃは、銅製あるいは他の高導電率の材料から形成される。誘電体部分１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃは、例えばエポキシ・ガラス、あるいは強い力即ち衝撃力（ＰＭＦプロセスにより形成コイル上にかかる非常に強い半径方向の力）に耐える他の適宜の誘電体材料からなる。各導電層１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃは、取付面１７の上に延びる。この取付面１７により別々のコイル部分が互いに接続され、別々のコイル部分１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃの導電層１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃの間の電気的接触が確保される。これにより、全ての導電層１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃが、一体となって１本の巻回コイルを形成する。他端において、導電層１６Ａ、１６Ｂは、２個のそれぞれの突出した導電突起部１８Ａ、１８Ｂを介して放電回路１９に接続される。放電回路１９は、キャパシタ２０とスイッチ２１からなる。誘電体部分１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃには、それぞれ、冷却チャネル２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃが形成される。これらのチャネルは、それぞれ入口２２、出口２３を有し、その中を冷却流体（気体または液体）が流れる。各コイル部分は、さまざまな手段（例えば外部保持構造あるいは公知の適宜の固定装置）により、互いに一体に保持される。

図から明らかなように、端部部材１０をシャフトの端部部分１１に結合した後、コイル装置を分解し、端部部分を有する駆動シャフトを取り外す。

図３Ａ、３Ｂを参照すると、組立装置３０は、駆動シャフト仮組立体３１を収納する。駆動シャフト仮組立体３１は、シャフト３２とこのシャフト３２の両端に配置された２個の端部部材３３とを有する。この実施例の装置にでは、駆動シャフトの２個の端部は、同時に形成される。

駆動シャフト仮組立体３１は、２個のホルダー３５の間に搭載される。駆動シャフト仮組立体３１は、シャフト３２の穴に適合した内側部分３７を有する段付き突起部３６と、中間部分３８と、外側フランジ３９とを有する。かくして、駆動シャフト仮組立体３１が組立装置３０内に保持される。

本発明の装置は、２個の溶接装置４０、４１を有する。各溶接装置４０、４１は、多巻主コイル４４、４５をそれぞれ有する。多巻主コイル４４、４５は、リード線４６で相互接続され、その端部４７で放電回路４８に接続される。放電回路４８は、キャパシタ４９とスイッチ５０から構成される。多巻主コイル４４、４５は、シャフト３２と同軸に配置される。断面が台形の２個の電界整形器４２、４３は、多巻主コイル４４、４５により形成されたスペース内に配置され、一体となって溶接用コイル装置５１を形成する。この溶接用コイル装置５１は、シャフト３２と同軸である。この２個の電界整形器４２、４３が一体となってスペース５２を形成する。このスペース５２は、駆動シャフト仮組立体３１の周囲に配置される。ホール５５が、電界整形器４２、４３内に形成されるが、冷却用と電流を集中させるためである。端部５６、５７は、絶縁され、２個の挿入部分の間の電気的接触を回避する。

次に本発明の装置の動作について述べる。非常に短く且つ強力な電気パルスが放電回路４８から発生し、それが多巻主コイル４４、４５を流れる。これにより、電界整形器４２、４３内に対向する方向に電流が誘導される。この電界整形器４２、４３のそれぞれの中を巡回する電流により、電界整形器４２、４３と、形成スペース内に配置された駆動シャフト仮組立体３１との間に電磁反発を引き起こす。これにより、２個の部品を圧縮結合し、非常に高いエネルギーで両者を表面溶接する。この実施例においては、２種類の結合が同時に行われる。本発明の他の実施例においては、多巻主コイル４４、４５を分離して、それぞれに独立した点火構成を有する独立した放電回路を具備させてもよい。別の構成として、多巻主コイル４４、４５は、並列の導体（両方とも同一の放電回路に接続される）でもよい。

図３Ａ、３Ｂに示す装置の実施例においては、電界整形器４３は、ポール６０に固定され、電界整形器４２は、解放機構６１に結合される。操作の終了時に、多巻主コイル４４、４５を軸方向に移動させ、電界整形器４２を取り外す。その後、形成された駆動シャフトを取り外す。

端部部品部材が、結合あるいは溶接すべき部分の近傍で、軸方向に、大きな非対称性を有する場合、例えば、駆動シャフト端部部分を具備するケースのようなフォーク形状の端部部分の場合、ＰＭＦプロセスにより生成される電磁界は、非対称ピース部分近傍で不規則となり、結合部が非均一になることがある。この種の問題を解決するために、補助装置を用いて、結合端部部材の軸方向対称性を一時的に生成させている。この補助装置である挿入部品は、結合端部部品部材と似た電磁特性を有するの材料から形成される。

図４は、円筒状結合部分７１とフォーク７２とからなる駆動シャフト結合端部部分部材を示す。

図５において、軸方向非対称のフォーク７０の軸方向非対称性は、補助装置７５を使用することにより、補償される。補助装置７５は、この場合、ホルダー３５と一体に構成される。駆動シャフト仮組立体３１をホルダー３５に固定すると、フォーク７２は補助装置７５と結合されて、軸方向に対称な結合体を構成する。駆動シャフトが装置から外された時は、補助装置は、駆動シャフト仮組立体３１に接続されたままである。

本発明の他の実施例の装置で使用されるコイル組立体を図６に示す。２個のコイル形成部材８１と８２は、それぞれ、構造体８３、８４を構成し、同図は展開図であるが、使用中は２ｍｍ以下の距離で互いに根本部に配置される。

構造体８３は、平面状（コイル形成部材８１を除いて）導電性ストリップにより構成される閉鎖ループ導体である。構造体８４は、同様に平面状導電性ストリップから構成され、放電回路（図示せず）に、端部８５、８６で接続される。

使用動作について説明すると、電流が導体構造体８４を介して放電されると、電流は矢印９０に沿って進み、これにより、構造体８３内を矢印９１の方向に反対方向の電流が流れる。これにより、２個のコイル形成部材８１、８２により規定されるスペース９５周囲全体に回転電流が生成される。導体構造体８３、８４の内側に向いた結合端部部分を具備した駆動シャフト前組立体の一部を結合する為に、このスペース９５内に配置される。

以上の説明は、本発明の一実施例に関するもので、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々の変形例を考え得るが、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。特許請求の範囲の構成要素の後に記載した括弧内の番号は、図面の部品番号に対応し、発明の容易なる理解の為に付したものであり、発明を限定的に解釈するために用いてはならない。また、同一番号でも明細書と特許請求の範囲の部品名は必ずしも同一ではない。これは上記した理由による。

従来技術に係る乗用車の駆動シャフトの軸方向断面図。本発明の乗用車の駆動シャフトの軸方向断面図。図１Ｂの駆動シャフトを形成するために、結合する前に、端部部品の端部リセスに重なるシャフトの端部部分を表す図。製造される駆動シャフトを具備する本発明の装置の軸方向部分断面図。図２Ａの矢印ＩＩの方向から見た断面図。製造される駆動シャフトを具備する本発明の他の実施例による装置の軸方向断面図。図３Ａの線ＩＩＩ−ＩＩＩの断面図。フォーク形状をした駆動シャフト端部ピースを表す図。図４の端部ピースを結合するのに適した本発明の装置の平面図。本発明の他の実施例によるコイル装置構造体を表す図。

符号の説明

１駆動シャフト
２筒状シャフト
２Ａ，２Ｂ端部
３，４端部部品
３Ａ，４Ａリセス
３Ｂ，４Ｂ溶接
６駆動シャフト
８コイル装置
１０端部部材
１１端部部分
１２フランジ部分
１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃコイル部分
１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ誘電体部分
１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ導電層
１７取付面
１８Ａ，１８Ｂ導電突起部
１９放電回路
２０キャパシタ
２１スイッチ
２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ冷却チャネル
２２入口
２３出口
３０形成組立装置
３１駆動シャフト仮組立体
３２シャフト
３３端部部材
３５ホルダー
３６段付き突起部
３７内側部分
３８中間部分
３９外側フランジ
４０，４１組立体（形成ユニット）
４２，４３電界整形器（挿入部）
４４，４５多巻主コイル
４６リード線
４７端部
４８放電回路
４９キャパシタ
５０スイッチ
５１溶接用コイル装置
５２スペース
５５ホール
５６，５７端部
６０ポール
６１解放機構
７０軸方向非対称フォーク
７１円筒状結合部分
７２フォーク
７５補助装置
８１，８２形成コイル部材
８３，８４構造体
８５，８６端部
９５スペース

Claims

シャフトと前記シャフトよりも大きな直径を有する結合用の端部部品とを有する駆動シャフトを製造する装置において、
前記装置は、前記駆動シャフトの両端を同時に形成するために２個の形成組立装置を有し、前記形成組立装置は、ホルダーと、形成ユニットとを有し、
前記ホルダーは、２個の構成要素からなる駆動シャフト端部仮組立体を収納／保持し、
前記２個の構成要素は、前記シャフトの端部部分と前記端部部品用部材であり、
前記２個の構成要素のいずれか一方は、軸方向円筒状キャビティを有し、
前記軸方向円筒状キャビティは、他方の軸方向円筒状部分を収納し、一体になって円筒状の結合部分を形成し、
前記形成ユニットは、
前記結合部分を収納するスペースを形成する形成コイル装置と、
前記結合部分の２個の構成要素の結合を形成するのに十分な強さのパルス状磁力（PMF）を生成する電流パルスを前記形成コイル内に流す電流生成ユニットと、
を有し、
前記形成コイル装置は、取付面で互いに接続される複数のコイル部分からなり、製造された駆動シャフト端部部分を取り外すことができるよう、分解可能であり、
ことを特徴とする駆動シャフトの製造装置。
前記複数のコイル部分は、前記電流生成ユニットの１つの極にそれぞれ接続された２個のコイル端を有する
ことを特徴とする請求項１記載の製造装置。
前記形成コイル装置は、３個のコイル部分からなり、
その内の２個は、固定コイル端部部分であり、
残りの１個は、取り外し可能な相互接続部分である
ことを特徴とする請求項２記載の製造装置。
前記形成コイル装置の各部分は、導電性の内側層と、誘電体材料製の外側強化本体とを有する
ことを特徴とする請求項３記載の製造装置。
前記導電性の内側層は、前記取付面まで延びる
ことを特徴とする請求項４記載の製造装置。
シャフトと前記シャフトの直径より大きな直径を有する結合用の端部部品を有する駆動シャフトを製造する方法において、
（Ａ１）シャフトと端部部品用部材とを用意するステップと、
前記シャフトの端部部分と前記端部部品用部材の一部のいずれか一方は、軸方向円筒状キャビティを有し、他方は、前記軸方向円筒状キャビティに適合する軸方向円筒部分を有し、
（Ａ２）前記軸方向円筒部分を前記キャビティ内に挿入するステップと、
（Ａ３）前記シャフトと端部部品からなる円筒状の結合部分を形成するステップと、
（Ｂ）形成コイル装置を前記結合部分の周囲に配置するステップと、
前記形成コイル装置は、取付面で互いに固定される複数のコイル部分からなり、電流生成ユニットに接続され、
（Ｃ）軸対称の本体を形成するために、補助装置を前記結合端部部材に一時的に取り付けるステップと、
（Ｄ）前記形成コイル装置に、前記結合部分を構成する２つの部品を接合するのに十分なパルス状磁力（ＰＮＦ）を生成する電流パルスを流すステップと、
（Ｅ）前記補助装置を結合装置から取り外し、製造された駆動シャフトの端部部分を解放するために、前記組立コイル装置を分解するステップと、
を有し、
前記ステップ（Ａ）−（Ｅ）を、２個の端部部品用部材を前記シャフトの各端部に同時に結合するために、前記シャフトの２個の端部で同時に実行する
ことを特徴とする駆動シャフトの製造方法。
前記補助装置は、前記結合用の端部部品と電磁特性が同一の材料から形成される
ことを特徴とする請求項６記載の製造方法。