JP5398965B2 - 固定式等速自在継手 - Google Patents

Description

この発明は固定式等速自在継手に関するもので、自動車や各種産業機械の動力伝達装置に利用することができる。

しゅう動式等速自在継手が角度変位だけでなく軸方向変位（プランジング）も可能であるのに対して、固定式等速自在継手は角度変位のみ可能で、たとえば自動車のドライブシャフトの車輪側（アウトボード側）に使用される。

固定式等速自在継手の軽量・コンパクト化は自動車の燃費や駆動系レイアウトの自由度の向上に寄与する。したがって、固定式等速自在継手は、必要とされる性能を満たして、できるかぎり小さくすることが望ましい。図２〜図４に示すように、固定式等速自在継手の主要な構成要素は外輪１０と内輪２０とボール３０とケージ４０であるが、継手全体の軽量・コンパクト化のために、各構成要素の小型・軽量化が提案されている（たとえば特許文献１、特許文献２参照）。図２の固定式等速自在継手に対して軽量・コンパクト化した固定式等速自在継手を図３に示す。
特許第３４６０１０７号公報 特開平９−３１７７８４号公報

従来、固定式等速自在継手の外輪はコストの面から冷間鍛造により製造するのが一般的である。そして、外輪の材料としては、鍛造の容易性、切削性、熱処理、経済性、強度等々の面から、機械構造用の中炭素鋼が採用されることが多い。
一方、自動車のドライブシャフトに用いる固定式等速自在継手の場合、車種によって外輪の形状が異なり、また、その生産数によっては、冷間鍛造のコスト（金型代や鍛造設備費）を考慮すると、数種類の外輪形状を共用できる熱間鍛造により製造する場合や、丸棒鋼などのバー材から旋削により削り出して製造することもある。

固定式等速自在継手の軽量・コンパクト化に伴い、外輪も薄肉となっている。そのため、外輪自体の機械的強度が素材である中炭素鋼の疲労限に近付きつつあり、一層のコンパクト化・軽量化を図ることは困難になってきている。
このようなコンパクト化された固定式等速自在継手の外輪に熱間鍛造品や旋削品を使用して、固定式等速自在継手の強度評価を行うと、冷間鍛造品を使用した場合に比べて若干弱くなる傾向にある。その理由は次のように考えられる。すなわち、冷間鍛造品は、冷間加工の効果で組織が微細化し、加工硬化により素材の硬度が高まり、さらにメタルフローの切断がない。そのため、外輪素材の引っ張り強度が改善され、熱間鍛造品や棒鋼からの旋削品よりも高強度となる。

また、固定式等速自在継手は作動角をとった状態でトルクが入力されると、位相によってトラックに負荷される荷重が変化する。図５に６個ボールの場合の、位相角とトラック荷重の関係を示す。基本的にはボール個数が変わっても同様の傾向が認められ、作動角が大きくなるとトラックの荷重が大きくなる。したがって、大トルクが瞬時に入力されると、作動角が小さい場合は各トラックで比較的均等に荷重を受けるが、作動角が大きくなるとトラックによって荷重が大きく異なる。

そして、大荷重を受けるトラックでは応力が集中するため、素材の引っ張り強度が改善されると強度は向上する。また、作動角が大きくトルクが長時間入力されて回転している場合には、各トラックは荷重を大きく受ける位相と受けない位相が発生し、その応力により外輪が絶えず変形を繰り返し、疲労破損の原因となる。

そこで、この発明の目的は、熱間鍛造や旋削により製造した固定式等速自在継手の外輪に、その形状を変更することなく冷間鍛造品と同等以上の強度をもたせることにある。

この発明の固定式等速自在継手は、マウス部とステム部とからなり、前記マウス部の球面状の内周面に軸方向に延びるボール溝を円周方向に等間隔に形成した外輪と、球面上の外周面に軸方向に延びるボール溝を円周方向に等間隔に形成した内輪と、対をなす外輪のボール溝と内輪のボール溝との間に介在させたボールと、ボールを収容するためのポケットを円周方向に所定間隔で形成したケージとを有し、前記外輪は炭素０．４０〜０．６０ｗｔ％を含有する中炭素鋼から熱間鍛造により製造したものであって調質処理を施すことによりコア部の組織を硬さＨＶ２７０〜３５０の微細化組織とし、前記調質処理の後に熱処理を施すことにより前記外輪の前記内周面および前記ボール溝ならびにステム部に局部的な表面硬化層を形成させたことを特徴とするものである（請求項１）。

また、この発明の固定式等速自在継手は、マウス部とステム部とからなり、前記マウス部の球面状の内周面に軸方向に延びるボール溝を円周方向に等間隔に形成した外輪と、球面上の外周面に軸方向に延びるボール溝を円周方向に等間隔に形成した内輪と、対をなす外輪のボール溝と内輪のボール溝との間に介在させたボールと、ボールを収容するためのポケットを円周方向に所定間隔で形成したケージとを有し、前記外輪は炭素０．４０〜０．６０ｗｔ％を含有する中炭素鋼の棒鋼から旋削により製造したものであって調質処理を施すことによりコア部の組織を硬さＨＶ２７０〜３５０の微細化組織とし、前記調質処理の後に熱処理を施すことにより前記外輪の前記内周面および前記ボール溝ならびにステム部に局部的な表面硬化層を形成させたことを特徴とするものである（請求項２）。

調質処理により、外輪のコア部の硬さはＨＶ２７０〜３５０とするのが好ましい（請求項１、２）。コア部の硬さがＨＶ２７０未満の場合、冷間鍛造品と比較して強度が低下する。ＨＶ３５０を越えると強度は上がるものの熱変形が大きくなるという問題がある。素材硬度の上昇と、組織の微細化により、固定式等速自在継手の疲労強度は改善される。熱間鍛造外輪や旋削外輪の素材硬度を高め、組織の微細化をするために調質処理を行い、コア部の組織をトルースタイトまたはソルバイトとし微細化させて（請求項４）、素材の硬さを高める。

ここで、外輪のコア部とは、外輪の内周面とボール溝とステム部に形成した表面硬化層（請求項１）を除いた部分を意味する。ボール溝はボールの転走面となるため、内周面はケージと球面接触するため、ステム部はセレーション（またはスプライン。以下、同じ。）嵌合する部分であるため、それぞれ、たとえば高周波焼入れ・焼戻しからなる熱処理を施すことにより表面硬化層を形成する。

調質処理は一種の焼戻し（tempering）であって、８００〜９００℃に加熱した後急冷し、４５０〜６５０℃に再加熱して所望の焼戻し組織を得る（請求項３）。具体的には、調質処理によって鉄の金属組織をソルバイトやトルースタイトにする場合（請求項４）、鉄の金属組織を一度マルテンサイトにしなければならないため、マルテンサイト変態が生じる８００〜９００℃に加熱する。そして、急冷後に焼戻しをしてソルバイトまたはトルースタイト組織にするために、４５０〜６５０℃から急冷する。

述べたような熱処理を施すことから、外輪の材料としては、炭素０．４０〜０．６０ｗｔ％を含有する中炭素鋼が好ましい（請求項１）。この炭素量の範囲は等速自在継手に一般的に用いられる機械構造用炭素鋼ではＳ４８Ｃ〜Ｓ５５Ｃに相当する。この範囲よりも炭素量が低い場合、硬度が必要な部位に十分な焼入れができず、逆にこの範囲よりも炭素量が高い場合、鍛造での成形性や加工性が悪くなり、コスト高や加工不良の発生につながりやすい。

この発明によれば、調質処理を施した外輪のコア部（高周波熱処理が施されていない部分）の組織は、トルースタイトまたはソルバイト組織になって微細化され、さらに硬度も高まるため、外輪コア部の引っ張り強度が改善され、破損強度が向上する。
また、繰り返し応力が入力された場合でも、コア部の強度の上昇と、組織の微細化により疲労強度が改善される。
このように、冷間鍛造により製造した外輪を用いた固定式等速自在継手と同等の強度が得られる。
したがって、この発明は、生産数が少ないためにコストを考慮して外輪を熱間鍛造や旋削で製造せざるをえない固定式等速自在継手や、外輪形状が複雑なため冷間鍛造が困難で、熱間鍛造または旋削でのみ製造が可能となる固定式等速自在継手には、とりわけ好適である。

以下、図面に従ってこの発明の実施の形態を説明する。
まず、固定式等速自在継手の基本的構成について述べる。図２〜図４に示すように、固定式等速自在継手は、外側継手部材としての外輪１０と、内側継手部材としての内輪２０と、トルク伝達要素としてのボール３０と、ボールを保持するケージ４０とを主要な構成要素としている。

外輪１０はマウス部１２とステム部１８とからなり、ステム部１８のセレーション (またはスプライン。以下、同じ)軸部で、連結すべき２軸のうちの一方とトルク伝達可能に接続するようになっている。ここではマウス部１２はベル型で、球面状の内周面１４を有し、その球面状内周面１４の円周方向に等間隔に、軸方向に延びるボール溝１６が形成してある。

内輪２０は、軸心部分に形成したセレーション孔２２で、連結すべき２軸のうちのもう一方とトルク伝達可能に接続するようになっている。内輪２０は球面状の外周面２４を有し、その球面状外周面２４の円周方向に等間隔に、軸方向に延びるボール溝２６が形成してある。

外輪１０のボール溝１６と内輪２０のボール溝２６は対をなし、各対のボール溝１６，２６間に１個のボール３０が組み込んである。すべてのボール３０はケージ４０により同一平面内に保持される。一般に６個または８個のボール３０が使用されるが、ボールの数はここでは特に限定するものでない。

ケージ４０は外輪１０の内周面１４と内輪２０の外周面２４との間に介在させてある。そして、ケージ４０の外周面４２は外輪１０の内周面１４と球面接触し、ケージ４０の内周面４４は内輪２０の外周面２４と球面接触している。ケージ４０は、ボール３０を収容するためのポケット４６が円周方向に所定間隔で形成してある。

外輪１０のボール溝１６の中心と、内輪２０のボール溝２６の中心は、継手中心から互いに反対方向に等距離だけ軸方向にオフセットさせてある。したがって、対をなす外輪１０のボール溝１６と内輪２０のボール溝２６とで形成されるトラックが、軸方向の一方から他方に向かって次第に狭くなったくさび形状を呈する。継手が作動角をとると、ボール３０は２軸の二等分面内に保持され、ボール３０の中心から各軸へ下ろした垂線の長さが相等しくなる。したがって、２軸は常に等角速度で回転する。

外輪１０の材料としては、炭素０．４０〜０．６０ｗｔ％を含有する中炭素鋼を採用し、外輪１０の製造方法としては熱間鍛造または旋削を採用する。いずれの場合も、内周面１４、ボール溝１６、そしてステム部１８には、通常の高周波焼入れ・焼戻しからなる高周波熱処理により表面硬化層を形成させる。ボール溝１６はボール３０の転走面となり、内周面１４はケージ４０との球面嵌合部となり、ステム部１８はハブ輪とのスプライン嵌合部となるため、高周波熱処理を施し、ボール転走面の転動耐久性、ケージ嵌合部の擦れに対する耐久性、スプライン嵌合の強度・耐久性およびステム強度を確保する。

上述の高周波熱処理の前に、次に述べる調質処理を施すのであるが、表面硬化層が形成されていない部分をコア部と呼ぶこととする。図１は外輪１０を一部破断面にしたもので、狭幅の平行斜線が表面硬化層を、広幅の平行斜線がコア部を示している。

なお、熱間鍛造の場合、通常は鍛造仕上げのままとするところ、加工精度が必要な場合にはさらに旋削を行うことがある。この旋削は調質処理の後に行うが、加工の容易性を考慮して、調質処理の前に旋削を行ってもよい。

冷間鍛造により製造した外輪のコア部の硬度はビッカース硬さＨＶ２７０〜３４０程度である。一方、熱間鍛造や旋削により製造した外輪ではコア部の硬度はＨＶ１８０〜２５０程度であるため、調質処理により、コア部の硬度を冷間鍛造外輪と同程度以上、たとえばＨＶ２７０〜３５０とする。調質処理により、外輪１０のコア部の組織を、フェライトが混ざった一般的な組織からトルースタイトまたはソルバイト組織に変化させ、組織を微細化させ、硬度を上げる。

調質処理は一種の焼戻し（tempering）であって、８００〜９００℃に加熱した後急冷し（焼入れ）、４５０〜６５０℃に再加熱（焼戻し）して所望の焼戻し組織を得る。
調質処理の具体例を挙げるならば次のとおりである。
焼入れは、バッチ型焼入れ炉で、焼入れ温度８５０℃で約１．５時間保持した後、冷却液（例：コスモクェンチＡ２１２）を用いて急冷する。炉内雰囲気はＣＰ（カーボンポテンシャル）０．５％とする。
焼戻しは、焼戻し炉で、焼戻し温度５００〜５５０℃で約２時間保持した後、空冷する。

調質処理を施した外輪１０の組織はトルースタイトまたはソルバイトになって微細化され、さらに硬度も高まるため、外輪１０の引っ張り強度が改善され、破損強度が向上する。また、繰り返し応力に対しても、強度の向上と組織の微細化により疲労強度が改善される。

調質処理を終えた外輪１０に高周波熱処理を施す。すなわち、既に述べたように、ケージ４０と接触する内周面１４、ボール３０と接触するボール溝１６、そしてステム部１８に、局部的に表面硬化層を形成させる。

なお、アンダーカットフリー型等速自在継手（ＵＪ）の場合を例にとって説明したが、この発明はバーフィールド型（ＢＪ）等の他の固定式等速自在継手にも適用することができる。

固定式等速自在継手の外輪の一部破断正面図である。 一般的な固定式等速自在継手の縦断面図である。 コンパクト化した固定式等速自在継手の縦断面図である。 固定式等速自在継手の端面図である。 位相角とトラック荷重の関係を示す線図である。

符号の説明

１０ 外輪（外側継手部材）
１２ マウス部
１４ 内周面
１６ ボール溝
１８ ステム部
２０ 内輪（内側継手部材）
２２ セレーション孔
２４ 外周面
２６ ボール溝
３０ ボール（トルク伝達要素）
４０ ケージ
４２ 外周面
４４ 内周面
４６ ポケット

Claims (4)

1. マウス部とステム部とからなり、前記マウス部の球面状の内周面に軸方向に延びるボール溝を円周方向に等間隔に形成した外輪と、
   球面上の外周面に軸方向に延びるボール溝を円周方向に等間隔に形成した内輪と、
   対をなす外輪のボール溝と内輪のボール溝との間に介在させたボールと、
   ボールを収容するためのポケットを円周方向に所定間隔で形成したケージと
   を有し、前記外輪は炭素０．４０〜０．６０ｗｔ％を含有する中炭素鋼から熱間鍛造により製造したものであって調質処理を施すことによりコア部の組織を硬さＨＶ２７０〜３５０の微細化組織とし、前記調質処理の後に熱処理を施すことにより前記外輪の前記内周面および前記ボール溝ならびにステム部に局部的な表面硬化層を形成させた、
   固定式等速自在継手。
2. マウス部とステム部とからなり、前記マウス部の球面状の内周面に軸方向に延びるボール溝を円周方向に等間隔に形成した外輪と、
   球面上の外周面に軸方向に延びるボール溝を円周方向に等間隔に形成した内輪と、
   対をなす外輪のボール溝と内輪のボール溝との間に介在させたボールと、
   ボールを収容するためのポケットを円周方向に所定間隔で形成したケージと
   を有し、前記外輪は炭素０．４０〜０．６０ｗｔ％を含有する中炭素鋼の棒鋼から旋削により製造したものであって調質処理を施すことによりコア部の組織を硬さＨＶ２７０〜３５０の微細化組織とし、前記調質処理の後に熱処理を施すことにより前記外輪の前記内周面および前記ボール溝ならびにステム部に局部的な表面硬化層を形成させた、固定式等速自在継手。
3. 前記調質処理は、焼入れ温度８００〜９００℃、焼戻し温度４５０〜６５０℃で行う請求項１または２の固定式等速自在継手。
4. 前記コア部の微細化組織は、トルースタイト又はソルバイトである請求項１、２または３の固定式等速自在継手。

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