JP5240497B2 - スプラインシャフト - Google Patents

Description

本発明は、相互に軸線方向の相対移動を可能としつつトルクを伝達するスプラインシャフトに関するものである。

スプラインシャフトの一例として、車両に搭載されたパワーユニットの駆動力を車輪に伝達するプロペラシャフトがある。このプロペラシャフトは、パワーユニットに連結されるトランスミッションと車輪に連結されるディファレンシャルギヤとの間に配置され、トランスミッションの出力をディファレンシャルギヤへ伝達する。ここで、路面からの衝撃や車両の運転状態などにより、トランスミッションとディファレンシャルギヤとの相対位置関係が移動する。特に車両前後方向の相対位置の移動を吸収するために、プロペラシャフトは、外周スプラインが形成された第１シャフトと、内周スプラインが形成された第２シャフトとに分割されている。（特開２００４−３５９０８７号公報参照）つまり、外周スプラインと内周スプラインとが、軸方向（車両前後方向）に摺動できるような構成としている。

ところで、車両の加減速時などにトランスミッションとディファレンシャルギヤとの間が変動することにより、スティックスリップという現象が生じることがある。スティックスリップとは、第１シャフトの外周スプラインと第２シャフトの内周スプラインとが、軸方向に断続的に相対移動するという現象である。そして、スティックスリップにより、車体振動や異音が発生することになる。
このスティックスリップの発生は、外周スプラインと内周スプラインとの静摩擦係数を低くすることにより、抑制することができる。そこで、静摩擦係数を低くするために、外周スプラインと内周スプラインの表面の表面粗さを小さくすることが考えられる。しかし、例えば、表面粗さをＲｚ（ＪＩＳ Ｂ ０６０１：１９９４に基づく十点平均粗さ、以下同様）０．１μｍ以下と非常に低くした場合には、スクイズ効果等により、却って静摩擦係数が増加してしまう。さらに、表面粗さをＲｚ０．１μｍ以下と小さくした場合には、中すべり領域、すなわち第１シャフトと第２シャフトの相対的な摺動速度が０．１ｍ／ｓ以上の領域において、摺動速度に対する動摩擦係数が負勾配となる。これは、外周スプラインと内周スプラインとの間における巨視的な油膜の増加に伴い、混合潤滑状態に移行するためである。ここで、動摩擦係数が摺動速度に対して負勾配である場合とは、摺動速度が増加するにつれて、動摩擦係数が減少する場合である。そして、このように摺動速度に対する動摩擦係数が負勾配となることにより、やはりスティックスリップが発生するおそれがある。
本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、表面粗さを単に小さくすること以外の手段により、スティックスリップが生じることを確実に抑制することができるスプラインシャフトを提供することを目的とする。
本発明のスプラインシャフトは、相互に軸線方向の相対移動を可能としつつトルクを伝達するスプラインシャフトであって、第１シャフトと、第２シャフトとを備える。第１シャフトとは、外周面に外周スプラインが形成されたシャフトである。第２シャフトとは、内周面に外周スプラインに対して周方向に係合し且つ軸方向に摺動可能な内周スプラインが形成されたシャフトである。そして、外周スプライン及び内周スプラインのうち少なくとも何れか一方は、表面を所定の表面粗さに形成された基材と、基材の表面を被覆形成し、表面粗さをＲｚ（ＪＩＳ Ｂ ０６０１：１９９４に基づく十点平均粗さ）０．１μｍ以上３．０μｍ以下とするアモルファス炭素系硬質薄膜とを備え、外周スプラインと内周スプラインとの動摩擦係数に対する外周スプラインと内周スプラインとの静摩擦係数の比は、第１シャフトと第２シャフトとの相対的な摺動速度が０．１ｍ／ｓにおいて、１．０以下とすることを特徴とする。
つまり、本発明のスプラインシャフトは、外周スプラインの表面部のみ、内周スプラインの表面部のみ、又は、外周スプライン及び内周スプラインの双方の表面部に、アモルファス炭素系硬質薄膜が形成されている。ただし、アモルファス炭素系硬質薄膜が、外周スプラインの表面部のみに形成されるようにした場合には、非常に製造が容易となる。これは、アモルファス炭素系硬質薄膜を物理的蒸着法又は化学的蒸着法で成膜する際に、軸状部材の外表面への成膜は非常に容易にできるからである。ここで、単に「表面」という場合は、その部材の表面そのもの、すなわち、その部材のうち表に露出している面を意味する。また、「表面部」という場合は、その部材の表面のみならず、その部材の表面から所定深さまでの範囲を含む意味である。
ここで、アモルファス炭素系硬質薄膜は、炭素を主成分とするアモルファスの硬質薄膜を意味する。このアモルファス炭素系硬質薄膜としては、例えば、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）のみものや、ＤＬＣにシリコン（Ｓｉ）、タングステン（Ｗ）の何れかを含有させたものや、炭化タングステン（ＷＣ）とＤＬＣとの積層膜（ＷＣ／Ｃ）としてもよい。なお、ＷＣ／Ｃの場合には、最表面にＤＬＣの層が配置されるようにする。また、第１シャフト及び第２シャフトの基材は、いずれも鋼材などの金属製材料を主とする。例えば、これらの基材には、機械構造用炭素鋼・合金鋼などが用いられる。ただし、これらの基材は、金属製材料のみからなるものの他、金属製材料部とその表面に下地処理を施したものからなるものを含む。
そして、このアモルファス炭素系硬質薄膜は、固体潤滑性に富み、アモルファスであるため、アモルファス炭素系硬質薄膜自体の表面粗さは小さい。さらに、アモルファス炭素系硬質薄膜は、その下地の表面粗さ、すなわち、アモルファス炭素系硬質薄膜を形成する前の部材の表面粗さに倣う性質（トレース性）を有している。つまり、本発明のスプラインシャフトにおいては、アモルファス炭素系硬質薄膜の表面粗さは、その下地に相当する基材の表面粗さに倣うものとなる。
つまり、基材の表面粗さが大きい場合には、アモルファス炭素系硬質薄膜を形成した後の表面粗さも大きくなり、基材の表面粗さが小さい場合には、アモルファス炭素系硬質薄膜を形成した後の表面粗さも小さくなる。さらに、アモルファス炭素系硬質薄膜自体の表面粗さは小さいため、基材の表面粗さを十分に小さくした場合には、アモルファス炭素系硬質薄膜を形成した後の表面粗さも、十分に小さくなる。
従って、本発明のスプラインシャフトによれば、基材の表面粗さを所定の表面粗さに形成することで、アモルファス炭素系硬質薄膜を被覆形成した後の表面粗さを、所定の表面粗さとすることができる。つまり、アモルファス炭素系硬質薄膜を形成した後のスプラインの表面粗さを、適切にコントロールすることができる。
つまり、基材の表面粗さを適切な表面粗さに形成しておき、この基材の表面をアモルファス炭素系硬質薄膜により被覆形成することで、外周スプラインと内周スプラインとの静摩擦係数が確実に低くなるように設定することができる。
その結果、外周スプラインと内周スプラインとが断続的な相対移動をすることなく、滑らかな連続的な相対移動をすることができる。つまり、スティックスリップの発生を抑制することができる。さらに、アモルファス炭素系硬質薄膜は摩耗しにくいので、本発明のスプラインシャフトを長期間使用した場合であっても、スティックスリップの発生を抑制することができる。また、アモルファス炭素系硬質薄膜として、シリコン、タングステンをＤＬＣに含有させたものとした場合は、比較的厚い膜を形成することができる。比較的厚い膜を形成することで、アモルファス炭素系硬質薄膜の摩耗に対する耐久性を確保することができる。
ところで、基材の表面を被覆するものとして、例えばナイロンコートやダイヤモンドコート等が考えられる。しかし、ナイロンコートは下地に相当する基材の表面粗さを倣う性質はなく、ダイヤモンドコートはトレース性はあるが、アモルファス炭素系硬質薄膜のトレース性に比べて非常に劣るものである。さらに、ダイヤモンドコートは、それ自体の結晶性により微細な粗さが形成され、結果として表面粗さが大きくなってしまう。このように、本発明は、ナイロンコートやダイヤモンドコート等が有しないアモルファス炭素系硬質薄膜の特有の性質を利用することで、上述したように、スティックスリップの発生を抑制することができる。
ここで、基材の所定の表面粗さは、Ｒｚ（ＪＩＳ Ｂ ０６０１：１９９４に基づく十点平均粗さ）０．１μｍ以上とするとよい。基材の表面粗さをＲｚ０．１μｍ以上とすることで、アモルファス炭素系硬質薄膜の表面粗さをＲｚ０．１μｍ以上とすることができる。つまり、上述したように、スプラインの表面粗さが小さすぎることにより、却って静摩擦係数を大きくすることを抑制できる。換言すると、確実に静摩擦係数を小さくすることができる。さらに、中すべり領域、すなわち第１シャフトと第２シャフトの相対的な摺動速度が０．１ｍ／ｓ以上の領域において、摺動速度に対する動摩擦係数を正勾配とすることができる。従って、両シャフトの相対的な摺動速度が０．１ｍ／ｓ以上となるような場合において、確実にスティックスリップの発生を抑制することができる。なお、摩擦係数が摺動速度に対して正勾配である場合とは、摺動速度が増加するにつれて、摩擦係数が一定若しくは増加する場合である。
また、基材の所定の表面粗さは、Ｒｚ５．０μｍ以下とするとよい。このように、十分に小さな表面粗さとすることで、外周スプラインと内周スプラインとの静摩擦係数を十分に小さくすることができる。
また、外周スプラインと内周スプラインとの摩擦係数の関係が次のようになるようなアモルファス炭素系硬質薄膜を形成するようにするとよい。すなわち、外周スプラインと内周スプラインとの摩擦係数は、第１シャフトと第２シャフトとの相対的な摺動速度が０．１ｍ／ｓ以下の範囲において０．１５以下であるようにする。さらに、摺動速度が０．１ｍ／ｓにおける外周スプラインと内周スプラインとの動摩擦係数に対する外周スプラインと内周スプラインとの静摩擦係数の比は、１．４以下であるようにする。動摩擦係数に対する静摩擦係数の比（動摩擦係数と静摩擦係数との比）は、好ましくは１．２以下、より好ましくは１．０以下である。そして、外周スプラインと内周スプラインとの動摩擦係数及び静摩擦係数を上記のようにすることで、確実にスティックスリップの発生を抑制することができる。
特に、動摩擦係数に対する静摩擦係数の比（動摩擦係数と静摩擦係数との比）は、摺動速度が０．１ｍ／ｓ以下の範囲において、１．０以下にするとよりよい。これにより、摺動速度が０．１ｍ／ｓ以下の範囲において、摩擦係数が摺動速度に対して正勾配とすることができる。従って、スティックスリップの発生をより確実に抑制できる。
ここで、アモルファス炭素系硬質薄膜の表面粗さは、Ｒｚ（ＪＩＳ Ｂ ０６０１：１９９４に基づく十点平均粗さ）３．０μｍ以下である。つまり、アモルファス炭素系硬質薄膜の表面粗さを上記の範囲にすることで、外周スプラインと内周スプラインとの静摩擦係数及び動摩擦係数を低くすることができる。さらには、外周スプラインと内周スプラインとの摩擦係数の関係を上述したような関係とすることができる。
また、アモルファス炭素系硬質薄膜の膜厚は、０．４以上１０．０μｍ以下とするとよい。当該膜厚の上限値は、好ましくは０．７μｍ以上、より好ましくは０．８μｍ以上である。また、当該膜厚の下限値は、好ましくは８．０μｍ以下、より好ましくは４．０μｍ以下である。これにより、アモルファス炭素系硬質薄膜は、基材の表面粗さを確実に倣うことができる。さらに、本発明のスプラインシャフトを長期間使用した場合であっても、摩耗・剥離などの生じにくいアモルファス炭素系硬質薄膜とすることができる。従って、本発明のスプラインシャフトを長期間使用した場合であっても、スティックスリップの発生をより確実に抑制することができる。
また、アモルファス炭素系硬質薄膜の硬度は、８００Ｈｖ以上とするとよい。これにより、アモルファス炭素系硬質薄膜の摩耗を抑制することができる。従って、本発明のスプラインシャフトを長期間使用した場合であっても、スティックスリップの発生を抑制することができる。
また、アモルファス炭素系硬質薄膜の基材への密着力は、１０Ｎ以上とするとよい。これにより、アモルファス炭素系硬質薄膜が基材から剥離することを抑制することができる。従って、本発明のスプラインシャフトを長期間使用した場合であっても、スティックスリップの発生を抑制することができる。
特に、アモルファス炭素系硬質薄膜の基材への密着力を向上させるために、以下のようにするとよい。すなわち、外周スプライン及び内周スプラインのうち少なくとも何れか一方の基材のうちの表面部に、窒化層、Ｓｉ層、Ｃｒ層、及びＣｒＮ層の何れかからなる下地処理が施されているようにするとよい。この場合、アモルファス炭素系硬質薄膜は、基材のうちの表面部に形成された下地層を被覆形成することになる。そして、この下地処理により形成される下地層により、アモルファス炭素系硬質薄膜と基材との密着力を十分に得ることができる。
なお、基材とアモルファス炭素系硬質薄膜との間に、中間層を形成するようにしてもよい。ただし、この中間層の膜厚は、アモルファス炭素系硬質薄膜の膜厚に比べて非常に薄く形成されるため、中間層の表面の表面粗さは、基材の表面粗さに倣うものとなっている。
また、アモルファス炭素系硬質薄膜は、２００度以下の物理的蒸着法（ＰＶＤ）又は高周波プラズマ化学的蒸着法（ＣＶＤ）により成膜されるようにするとよい。ここで、例えば５００度などの非常に高い温度でアモルファス炭素系硬質薄膜を成膜する場合には、成膜対象である第１シャフト及び／又は第２シャフトの基材の強度を低下させるおそれがある。しかし、２００度以下にてアモルファス炭素系硬質薄膜を成膜することで、成膜対象である基材の強度の低下を防止することができる。特に、アモルファス炭素系硬質薄膜の成膜温度を１５０度以下とすると、基材の強度の低下をより確実に防止できる。
ここで、上述したスプラインシャフトは、車両のプロペラシャフトに適用するとよい。すなわち、この場合、当該スプラインシャフトは、車両に搭載されたパワーユニットの駆動力を車輪に伝達するプロペラシャフトであり、第１シャフトは、一端側が前記パワーユニット及び車輪の何れか一方側に連結され、他端側の外周面に外周スプラインが形成され、第２シャフトは、一端側がパワーユニット及び車輪の他方側に連結され、他端側の内周面に外周スプラインに対して周方向に係合し且つ軸方向に摺動可能な内周スプラインが形成される。このように、本発明のスプラインシャフトをプロペラシャフトに適用することで、スティックスリップの発生に伴う車体振動や異音を確実に抑制することができる。
また、外周スプラインと内周スプラインとの間に潤滑油を介在するようにするとよい。これにより、適切に外周スプラインと内周スプラインとの静摩擦係数を小さくしつつ、超寿命化を図ることができる。
これまでは、本発明をスプラインシャフトとして捉えた場合について説明したが、この他に、本発明は、スプラインシャフトの製造方法としても捉えることができる。
すなわち、本発明のスプラインシャフトの製造方法は、相互に軸線方向の相対移動を可能としつつトルクを伝達するスプラインシャフトの製造方法である。ここで、スプラインシャフトは、外周面に外周スプラインが形成された第１シャフトと、内周面に前記外周スプラインに対して周方向に係合し且つ軸方向に摺動可能な内周スプラインが形成された第２シャフトとを備える。そして、外周スプライン及び内周スプラインのうち少なくとも何れか一方は、基材の表面を所定の表面粗さに形成した後、当該基材の表面に表面粗さをＲｚ（ＪＩＳ Ｂ ０６０１：１９９４に基づく十点平均粗さ）０．１μｍ以上３．０μｍ以下のアモルファス炭素系硬質薄膜を被覆形成し、外周スプラインと内周スプラインとの動摩擦係数に対する外周スプラインと内周スプラインとの静摩擦係数の比は、第１シャフトと第２シャフトとの相対的な摺動速度が０．１ｍ／ｓにおいて、１．０以下とすることを特徴とする。これにより、上述したスプラインシャフトによる効果と同一の効果を発揮することができる。
さらに、上述したスプラインシャフトに適用する他の特徴を、当該スプラインシャフトの製造方法に同様に適用することができる。この場合、それぞれの効果と同様の効果を発揮する。

第１図は、車両の駆動系の構成を示す斜視図である。
第２図は、プロペラシャフト１０の部分断面図を示す。
第３図は、外周スプライン１１１の軸方向断面を示す模式図である。
第４図は、実験結果を示す図である。
第５図は、実験結果を示す図である。
第６図は、実験結果を示す図である。

次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。本発明のスプラインシャフトを、車両に搭載されるプロペラシャフト１０に適用した場合を例に挙げて説明する。
（１）車両の駆動系の構成
まず、プロペラシャフト１０が適用される車両の駆動系の構成について図１を参照して説明する。ここで、図１は、車両の駆動系の構成を示す斜視図である。図１に示すように、当該車両は、フロントエンジンリアドライブ（ＦＲ）車である。すなわち、当該車両の駆動系は、車両前方に配置されたエンジン２０（本発明におけるパワーユニット）と、トランスミッション３０と、プロペラシャフト１０と、ディファレンシャルギヤ４０と、リアアクスル５０とを備えている。
トランスミッション３０は、車両の前方側であって、エンジン２０の後方に配置されている。そして、トランスミッション３０は、エンジン２０から出力される駆動力を変速する。プロペラシャフト１０は、車両前後方向に延伸するように配置されている。このプロペラシャフト１０の車両前端側は、トランスミッション３０の出力シャフト（図示せず）に連結されている。プロペラシャフト１０の車両後端側は、車両後方側に配置されたディファレンシャルギヤ４０の入力シャフト（図示せず）に連結されている。すなわち、プロペラシャフト１０は、トランスミッション３０から出力されるエンジン２０の駆動力をディファレンシャルギヤ４０に伝達している。そして、ディファレンシャルギヤ４０は、プロペラシャフト１０を介して伝達された駆動力を左右の後輪６０へ左右のリアアクスル５０を介して伝達する。
このように、プロペラシャフト１０は、車両前方に配置されたエンジン２０の駆動力を後輪６０へ伝達するためのシャフトである。ここで、トランスミッション３０及びディファレンシャルギヤ４０の相対的位置は、路面からの衝撃や車両の運転状態などにより、移動する。そして、トランスミッション３０とディファレンシャルギヤ４０とが相対的に車両前後方向、車両左右方向、及び車両上下方向に移動した場合であっても、プロペラシャフト１０は、確実にトランスミッション３０からディファレンシャルギヤ４０へ駆動力を伝達できる構成とされている。具体的には、プロペラシャフト１０の車両前端側とトランスミッション３０の出力シャフトとは、自在継手１０ａにより連結されている。さらに、プロペラシャフト１０の車両後端側とディファレンシャルギヤ４０の入力シャフトとは、自在継手１０ｂにより連結されている。さらに、プロペラシャフト１０は、軸方向に伸縮可能な構成とされている。以下、プロペラシャフト１０の詳細構成について説明する。
（２）プロペラシャフト１０の詳細構成
プロペラシャフト１０の詳細構成について図２を参照して説明する。図２は、プロペラシャフト１０の部分断面図を示す。図２に示すように、プロペラシャフト１０は、第１シャフト１１と、第２シャフト１２とから構成されている。
第１シャフト１１は、軸状からなる。この第１シャフト１１の車両後端側には、ディファレンシャルギヤ４０の入力シャフトと連結する自在継手１０ｂが配置されている。第１シャフト１１の車両前端側には、外周面にスプライン（以下、「外周スプライン」という）１１１が形成されている。この外周スプライン１１１の径方向断面形状は、周方向に凹凸状をなしている。そして、外周スプライン１１１の凹凸状は、軸方向に延伸するように形成されている。また、この第１シャフト１１は、主として、機械構造用炭素鋼・合金鋼などからなる。さらに、外周スプライン１１１の表面部には、アモルファス炭素系硬質薄膜が形成されている。具体的には、外周スプライン１１１の凸面、凹面、側面の全ての表面部にアモルファス炭素系硬質薄膜が形成されている。なお、この外周スプライン１１１の表面部の詳細については、後述する。
第２シャフト１２は、軸状からなる。この第２シャフト１２の車両前端側には、トランスミッション３０の出力シャフトと連結する自在継手１０ａが配置されている。第２シャフト１２の車両後端側は、筒状をなしており、この筒状部分の内周面にスプライン（以下、「内周スプライン」という）１２１が形成されている。内周スプライン１２１の径方向断面形状は、周方向に凹凸状をなしている。そして、内周スプライン１２１の凹凸状は、軸方向に延伸するように形成されている。この内周スプライン１２１は、外周スプライン１１１に対して周方向に係合し、且つ、軸方向に摺動するようにされている。また、この第２シャフト１２は、主として、機械構造用炭素鋼・合金鋼などからなる。
つまり、外周スプライン１１１と内周スプライン１２１とが周方向に係合することにより、第２シャフト１２の回転が第１シャフト１１へ伝達される。また、外周スプライン１１１と内周スプライン１２１とが軸方向に摺動することができるので、プロペラシャフト１０全体の長さを伸縮することができる。
（３）外周スプライン１１１の表面部の詳細構成
次に、外周スプライン１１１の表面部の詳細構成について図３を参照して説明する。図３は、外周スプライン１１１の軸方向断面を示す模式図である。図３に示すように、外周スプライン１１１は、基材１１１ａと、ＤＬＣ層１１１ｂとからなる。
基材１１１ａは、例えば、機械構造用炭素鋼・合金鋼などからなる。この基材１１１ａの表面部は、高周波焼き入れ処理などが施されている。さらに、高周波焼き入れが施された後、基材１１１ａの表面部には、ダイヤモンドブラスト又はマイクロブラストなどの処理が施されている。ここで、例えば、ダイヤモンドブラスト処理は、ダイヤモンド粒子を配合した粒直径が数十〜数百μｍの樹脂粒子を基材１１１ａの表面に投射することにより行う処理である。これらの処理により、基材１１１ａの表面粗さは、Ｒｚ０．１μｍ以上５．０μｍ以下とする。なお、基材１１１ａのうちの表面部（基材１１１ａの一部分である）には、窒化層、Ｓｉ層、Ｃｒ層、又はＣｒＮ層などの下地層１１１ｃを形成する下地処理が施されるようにしてもよい。もちろん、下地処理を施した場合における下地層１１１ｃの表面粗さは、Ｒｚ０．１μｍ以上５．０以下μｍとする。この下地処理により形成される下地層１１１ｃの厚みは、例えば、２〜１０μｍなどとする。
ＤＬＣ層１１１ｂは、基材１１１ａの表面側を被覆するように形成される。仮に、基材１１１ａの表面部に下地層１１１ｃが形成されている場合には、ＤＬＣ層１１１ｂは、下地層１１１ｃの表面側を被覆するように形成される。このＤＬＣ層１１１ｂは、ダイヤモンドライクカーボン（以下、「ＤＬＣ」という）などのアモルファス炭素系硬質薄膜からなる。具体的には、ＤＬＣ層１１１ｂは、ＤＬＣ、シリコン（Ｓｉ）をＤＬＣに含有させたＤＬＣ−Ｓｉ、チタン（Ｔｉ）をＤＬＣに含有させたＤＬＣ−Ｔｉ、タングステン（Ｗ）をＤＬＣに含有させたＤＬＣ−Ｗ、炭化タングステン（ＷＣ）とＤＬＣとの積層膜（ＷＣ／Ｃ）などである。
そして、ＤＬＣ層１１１ｂは、２００度以下の物理的蒸着法又は高周波プラズマ化学的蒸着法により成膜される。このＤＬＣ層１１１ｂは、表面粗さがＲｚ０．１μｍ以上５．０μｍ以下である。これは、ＤＬＣ層１１１ｂは基材１１１ａの表面粗さに倣う性質を有しているため、ＤＬＣ層１１１ｂの表面粗さは、基材１１１ａの表面粗さとほぼ同一の表面粗さとなる。また、ＤＬＣ層１１１ｂは、膜厚が０．４μｍ以上１０．０μｍ以下であり、硬度が８００Ｈｖ以上である。そして、ＤＬＣ層１１１ｂの基材１１１ａへの密着力は、１０Ｎ以上確保されている。
（４）ＤＬＣ層１１１ｂの摩擦係数μに関する実験
ここで、外周スプライン１１１と内周スプライン１２１との摩擦係数μは、外周スプライン１１１と内周スプライン１２１との間にて発生するスティックスリップの指標となる。具体的には、外周スプライン１１１と内周スプライン１２１との摩擦係数μを低下させることが、スティックスリップの発生を抑制するように作用する。さらに、外周スプライン１１１と内周スプライン１２１との相対的な摺動速度Ｖに対して摩擦係数μが正勾配となるようにすることが、スティックスリップの発生を抑制するように作用する。
そこで、スティックスリップの発生の指標である外周スプライン１１１と内周スプライン１２１との摩擦係数μに関する実験を行った。
（ａ）まず、第１シャフト１１と第２シャフト１２との相対的な摺動速度Ｖを変化させた場合における外周スプライン１１１と内周スプライン１２１との摩擦係数μを計測した。ここで、ＤＬＣ層１１１ｂは、処理温度５００度の直流プラズマＣＶＤにより、Ｓｉ含有量２０ｗｔ％のＤＬＣ−Ｓｉを成膜した。また、ＤＬＣ層１１１ｂは、表面粗さがＲｚ２．０μｍ、膜厚が３μｍ、密着力が４０Ｎ、硬度が２０００Ｈｖ、下地層が窒化層である。
そして、当該実験は、駆動系潤滑油中にて、外周スプライン１１１と内周スプライン１２１との面圧を約１．７ＧＰａとして行った。比較のため、ＤＬＣ層１１１ｂが形成されていない外周スプライン１１１を用いた場合についても同様の実験を行った。
この実験結果を図４に示す。図４は、上記の実験結果を示す図であり、横軸を摺動速度Ｖとし、縦軸を摩擦係数μとする、いわゆるμ−Ｖ特性を示す図である。図４に示すように、ＤＬＣ層１１１ｂが形成されている場合には、摺動速度Ｖが０ｍ／ｓの摩擦係数μ、いわゆる静摩擦係数μｓが、約０．１２程度である。そして、摺動速度Ｖの増加に伴って、摩擦係数μが０．１３付近まで増加している。そして、摺動速度Ｖが約０．０１ｍ／ｓ以上における摩擦係数μ、いわゆる動摩擦係数μｄは、０．１３付近でほぼ一定となっている。例えば、摺動速度Ｖが０．１ｍ／ｓの場合における動摩擦係数μｄは、約０．１３である。
ここで、外周スプライン１１１と内周スプライン１２１との間にてスティックスリップが発生するおそれのある摺動速度Ｖは、０．１ｍ／ｓ以下の範囲である。つまり、ＤＬＣ層１１１ｂが形成されている場合には、スティックスリップが発生するおそれのある摺動速度Ｖが０．１ｍ／ｓ以下の範囲において、摩擦係数μが摺動速度Ｖに対して正勾配となっている。さらに、摺動速度Ｖが０．１ｍ／ｓ以下の範囲において、摩擦係数μは０．１５以下となっている。なお、摩擦係数μが摺動速度Ｖに対して正勾配である場合とは、摺動速度Ｖが増加するに従って、摩擦係数μが一定若しくは増加する場合である。
一方、ＤＬＣ層１１１ｂが形成されていない場合には、静摩擦係数μｓが、約０．２３程度である。そして、摺動速度Ｖが増加するのに伴って、摩擦係数μが０．１９前後まで徐々に減少する。例えば、摺動速度Ｖが０．１ｍ／ｓの場合における動摩擦係数μｄは、約０．２０である。つまり、摺動速度Ｖが０．１ｍ／ｓ以下の範囲において、摩擦係数μは摺動速度Ｖに対して正勾配となっていない。
このように、ＤＬＣ層１１１ｂが形成されている場合には、ＤＬＣ層１１１ｂが形成されていない場合に比べて、摺動速度Ｖが０．１ｍ／ｓ以下の範囲において摩擦係数μを低くすることができる。さらに、ＤＬＣ層１１１ｂが形成されることで、ＤＬＣ層１１１ｂが形成されていない場合には成し得なかった摺動速度Ｖに対して摩擦係数μを正勾配にすることができる。このように、ＤＬＣ層１１１ｂを形成することで、スティックスリップが発生するおそれのある摺動速度Ｖにおいて、摩擦係数μを低下でき、且つ、正勾配とすることができるので、スティックスリップの発生を抑制することができる。
さらに、ＤＬＣ層１１１ｂは、摩耗しにくい特性を有している。従って、プロペラシャフト１０を長期間使用した場合であっても、上述したμ−Ｖ特性が維持される。これは、上述したＤＬＣ層１１１ｂが形成されている場合におけるμ−Ｖ特性は、ＤＬＣ層１１１ｂが形成されていることによる影響が非常に大きいためである。すなわち、外周スプライン１１１と内周スプライン１２１との間に配置させていたグリスや駆動系潤滑油などが消耗したとしても、摩擦係数μはほとんど大きくならない。これに対して、ＤＬＣ層１１１ｂが形成されていない場合には、グリスや駆動系潤滑油が消耗した場合には、摩擦係数μは大きくなる。これは、ＤＬＣ層１１１ｂが形成されていない場合におけるμ−Ｖ特性は、グリスや駆動系潤滑油による影響が非常に大きいためである。
このように、ＤＬＣ層１１１ｂが形成されている場合には、摩擦係数μを低くすることができ、摺動速度Ｖに対して摩擦係数μを正勾配にすることができ、さらに、この状態を長期間維持することができる。従って、スティックスリップの発生を長期間抑制することができる。
（ｂ）次に、外周スプライン１１１の表面粗さを変化させた場合における外周スプライン１１１と内周スプライン１２１との摩擦係数μを計測した。ここで、ＤＬＣ層１１１ｂは、処理温度５００度の直流プラズマＣＶＤにより、Ｓｉ含有量２０ｗｔ％のＤＬＣ−Ｓｉを成膜した。また、ＤＬＣ層１１１ｂは、膜厚が３．０μｍ、密着力が３０〜４０Ｎ、硬度が２０００Ｈｖ、下地層が窒化層である。
そして、当該実験は、駆動系潤滑油中にて、外周スプライン１１１と内周スプライン１２１との面圧を約１．７ＧＰａとして行った。比較のため、ＤＬＣ層１１１ｂが形成されていない外周スプライン１１１を用いた場合についても同様の実験を行った。
この実験結果を図５に示す。図５は、上記の実験結果を示す図であり、横軸を外周スプライン１１１の表面粗さとし、縦軸を静摩擦係数μｓと動摩擦係数μｄとの比とする図である。ここで、図５における縦軸の静摩擦係数μｓと動摩擦係数μｄとの比とは、摺動速度Ｖが０．１ｍ／ｓにおける動摩擦係数μｄに対する静摩擦係数μｓの比、すなわち、静摩擦係数μｓを摺動速度Ｖが０．１ｍ／ｓにおける動摩擦係数μｄで除した値である。つまり、図５は、表面粗さを変化させた場合に、摺動速度Ｖに対して摩擦係数μが正勾配となるか否かを判断することができる図である。つまり、縦軸の静摩擦係数μｓと動摩擦係数μｄとの比が１．０以下の場合には、摺動速度Ｖに対して摩擦係数μが正勾配となり、１．０より大きい場合には、摺動速度Ｖに対して摩擦係数μが正勾配とならない。なお、以下、静摩擦係数と動摩擦係数との比を「静摩擦係数／動摩擦係数」と記す。
図５に示すように、ＤＬＣ層１１１ｂが形成されている場合には、表面粗さがＲｚ３．０μｍ以下において、静摩擦係数／動摩擦係数は、１．０より小さくなっている。また、表面粗さがＲｚ５．０μｍにおいては、静摩擦係数／動摩擦係数は、約１．１である。
一方、ＤＬＣ層１１１ｂが形成されていない場合には、表面粗さがＲｚ１．０μｍ以下においては、静摩擦係数／動摩擦係数は、約１．１である。表面粗さがＲｚ２．０〜３．０μｍにおいては、静摩擦係数／動摩擦係数は、約１．２５である。また、表面粗さがＲｚ５．０μｍにおいては、静摩擦係数／動摩擦係数は、約１．４である。
以上より、ＤＬＣ層１１１ｂが形成されている場合には、ＤＬＣ層１１１ｂが形成されていない場合に比べて、静摩擦係数／動摩擦係数が小さくなっている。つまり、ＤＬＣ層１１１ｂが形成されることが、摺動速度Ｖに対して摩擦係数μを正勾配に近づかせるように作用する。
そして、ＤＬＣ層１１１ｂが形成されている場合には、摺動速度Ｖが０．１ｍ／ｓ以下の範囲において、表面粗さがＲｚ３．０μｍ以下であれば、摺動速度Ｖに対して摩擦係数μが正勾配となる。また、表面粗さがＲｚ３．０〜５．０μｍにおいては、摺動速度Ｖに対して摩擦係数μが正勾配にはならないとしても、静摩擦係数μｓと動摩擦係数μｄとの差が非常に小さい。従って、正勾配となる場合とほど同等と考えることができる。従って、表面粗さがＲｚ５．０μｍ以下であれば、スティックスリップの発生を抑制することができる。さらには、表面粗さがＲｚ３．０μｍ以下であれば、スティックスリップの発生をより抑制することができる。特に、表面粗さがＲｚ０．５μｍ以下であれば、スティックスリップの発生をさらに抑制することができる。
また、ＤＬＣ層１１１ｂは、上述したように、摩耗しにくい特性を有している。従って、プロペラシャフト１０を長期間使用した場合であっても、摺動速度Ｖに対して摩擦係数μが正勾配になる状態又は正勾配に近い状態を維持することできる。
（ｃ）次に、ＤＬＣ層１１１ｂの種類を変化させた場合の摩擦係数μを計測した。ここで、ＤＬＣ層１１１ｂは、ＤＬＣ−Ｓｉと、ＤＬＣと、ＷＣ／Ｃとした。ＤＬＣ−ＳｉからなるＤＬＣ層１１１ｂは、Ｓｉ含有量２０ｗｔ％のＤＬＣであって、処理温度５００度の直流プラズマＣＶＤにより成膜し、表面粗さがＲｚ２．６μｍ、膜厚が３μｍ、密着力が４０Ｎ、硬度が２０００Ｈｖ、下地層が窒化層である。ＤＬＣからなるＤＬＣ層１１１ｂは、処理温度１５０度のＰＶＤにより成膜し、表面粗さがＲｚ２．５μｍ、膜厚が３μｍ、密着力が２０Ｎ、硬度が２０００Ｈｖ、下地層が窒化層である。ＷＣ／ＣからなるＤＬＣ層１１１ｂは、処理温度１８０度のＰＶＤにより成膜し、表面粗さがＲｚ３．６μｍ、膜厚が３μｍ、密着力が４０Ｎ、硬度が１０００Ｈｖ、下地層が窒化層である。
そして、当該実験は、駆動系潤滑油中にて、外周スプライン１１１と内周スプライン１２１との面圧を約１．７ＧＰａ、摺動速度Ｖを０．０８ｍ／ｓとして行った。比較のため、ＤＬＣ層１１１ｂが形成されていない外周スプライン１１１についても同様の実験を行った。
この実験結果を図６に示す。図６は、ＤＬＣ層１１１ｂの各種、及び、比較例についての摩擦係数μを示す図である。図６に示すように、ＤＬＣ−Ｓｉが形成されている場合には、摩擦係数μは約０．１３となる。また、ＤＬＣのみが形成されている場合には、摩擦係数μは約０．１２５である。ＷＣ／Ｃが形成されている場合には、摩擦係数μは約０．１２である。また、ＤＬＣ層１１１ｂが形成されておらず基材１１１ａのみの場合には、摩擦係数μは約０．２である。
つまり、ＤＬＣ−Ｓｉ、ＤＬＣ、又はＷＣ／ＣのＤＬＣ層１１１ｂが形成されることで、基材１１１ａのみの場合に比べて、摩擦係数μを低くすることができる。すなわち、ＤＬＣ層１１１ｂの種類をＤＬＣ−Ｓｉに代えて、ＤＬＣ、ＷＣ／Ｃとした場合であっても、スティックスリップの発生を抑制することができる。
ここで、上記各実験において、ＤＬＣ層１１１ｂの成膜は、処理温度５００度の直流プラズマＣＶＤにより行った。ただし、実際には、ＤＬＣ層１１１ｂは、２００度以下、好ましくは１５０度以下のＰＶＤ又は高周波プラズマＣＶＤにより成膜されるようにする。これにより、ＤＬＣ層１１１ｂを成膜することにより、基材１１１ａの焼き鈍しによる強度低下を防止することができる。なお、上記実験において、処理温度５００度の直流プラズマＣＶＤにより行ったが、このことは、摩擦係数μには影響を及ぼすことはない。
なお、上記実施形態においては、ＤＬＣ層１１１ｂは、外周スプライン１１１に形成するようにしたが、内周スプライン１２１に形成するようにしてもよい。内周スプライン１２１にＤＬＣ層を形成する場合にも、外周スプライン１１１にＤＬＣ層１１１ｂを形成する場合と同様の効果を奏する。さらに、外周スプライン１１１及び内周スプライン１２１の双方にＤＬＣ層を形成するようにしてもよい。この場合には、より効果的に、スティックスリップの発生を抑制することができる。

Claims (13)

1. 相互に軸線方向の相対移動を可能としつつトルクを伝達するスプラインシャフトであって、
   外周面に外周スプラインが形成された第１シャフトと、
   内周面に前記外周スプラインに対して周方向に係合し且つ軸方向に摺動可能な内周スプラインが形成された第２シャフトと、
   を備え、
   前記外周スプライン及び前記内周スプラインのうち少なくとも何れか一方は、
   表面を所定の表面粗さに形成された基材と、
   前記基材の表面を被覆形成し、表面粗さをＲｚ（ＪＩＳ Ｂ ０６０１：１９９４に基づく十点平均粗さ）０．１μｍ以上３．０μｍ以下とするアモルファス炭素系硬質薄膜と、
   を備え、
   前記外周スプラインと前記内周スプラインとの動摩擦係数に対する前記外周スプラインと前記内周スプラインとの静摩擦係数の比は、前記第１シャフトと前記第２シャフトとの相対的な摺動速度が０．１ｍ／ｓにおいて、１．０以下とすることを特徴とするスプラインシャフト。
2. 前記アモルファス炭素系硬質薄膜は、シリコン、タングステンの何れかを含有することを特徴とする請求項１記載のスプラインシャフト。
3. 前記外周スプラインと前記内周スプラインとの摩擦係数は、前記第１シャフトと前記第２シャフトとの相対的な摺動速度が０．１ｍ／ｓ以下の範囲において０．１５以下である請求項１または２に記載のスプラインシャフト。
4. 前記基材の表面粗さは、Ｒｚ０．１μｍ以上５．０μｍ以下である請求項１〜３の何れか一項に記載のスプラインシャフト。
5. 前記アモルファス炭素系硬質薄膜の膜厚は、０．４μｍ以上１０．０μｍ以下である請求項４記載のスプラインシャフト。
6. 前記アモルファス炭素系硬質薄膜の硬度は、８００Ｈｖ以上である請求項１〜５の何れか一項に記載のスプラインシャフト。
7. 前記アモルファス炭素系硬質薄膜の前記基材への密着力は、１０Ｎ以上である請求項１〜６の何れか一項に記載のスプラインシャフト。
8. 前記外周スプライン及び前記内周スプラインのうち少なくとも何れか一方の前記基材のうちの表面部に、窒化層、Ｓｉ層、Ｃｒ層、及びＣｒＮ層の何れかからなる下地処理が施されている請求項７記載のスプラインシャフト。
9. 前記アモルファス炭素系硬質薄膜は、２００度以下の物理的蒸着法又は高周波プラズマ化学的蒸着法により成膜される請求項１〜８の何れか一項に記載のスプラインシャフト。
10. 前記アモルファス炭素系硬質薄膜は、前記外周スプラインの表面部に形成されている請求項１〜９の何れか一項に記載のスプラインシャフト。
11. 前記スプラインシャフトは、車両に搭載されたパワーユニットの駆動力を車輪に伝達するプロペラシャフトであり、
    前記第１シャフトは、一端側が前記パワーユニット及び前記車輪の何れか一方側に連結され、他端側の外周面に前記外周スプラインが形成され、
    前記第２シャフトは、一端側が前記パワーユニット及び前記車輪の他方側に連結され、他端側の内周面に前記外周スプラインに対して周方向に係合し且つ軸方向に摺動可能な前記内周スプラインが形成される請求項１〜１０の何れか一項に記載のスプラインシャフト。
12. 前記外周スプラインと前記内周スプラインとの間に潤滑油を介在する請求項１〜１１の何れか一項に記載のスプラインシャフト。
13. 相互に軸線方向の相対移動を可能としつつトルクを伝達するスプラインシャフトの製造方法であって、
    前記スプラインシャフトは、
    外周面に外周スプラインが形成された第１シャフトと、
    内周面に前記外周スプラインに対して周方向に係合し且つ軸方向に摺動可能な内周スプラインが形成された第２シャフトと、
    を備え、
    前記外周スプライン及び前記内周スプラインのうち少なくとも何れか一方は、基材の表面を所定の表面粗さに形成した後、当該基材の表面に表面粗さをＲｚ（ＪＩＳ Ｂ ０６０１：１９９４に基づく十点平均粗さ）０．１μｍ以上３．０μｍ以下のアモルファス炭素系硬質薄膜を被覆形成し、
    前記外周スプラインと前記内周スプラインとの動摩擦係数に対する前記外周スプラインと前記内周スプラインとの静摩擦係数の比は、前記第１シャフトと前記第２シャフトとの相対的な摺動速度が０．１ｍ／ｓにおいて、１．０以下とすることを特徴とするスプラインシャフトの製造方法。

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