JP5609378B2 - プロペラシャフト - Google Patents

Description

本発明は、入力軸及び出力軸を備えたプロペラシャフトに関する。

従来のプロペラシャフトとして、入力軸及び出力軸を備え、トランスミッションとディファレンシャルとの間に介在してトランスミッションの出力をディファレンシャルに伝達するものが知られている（例えば特許文献１）。

入力軸は、円筒部を有し、トランスミッションの出力部に第１のジョイント部を介して連結されている。

出力軸は、入力軸に伸縮部を介して接続され、かつディファレンシャルの入力部に第２のジョイント部を介して連結されている。出力軸の外周囲には、潤滑油としてのグリスを内封し、かつ入力軸の円筒部の一部を覆う蛇腹状のシール部材（ブーツ）が伸縮可能に配置されている。これにより、伸縮部が封止され、シール性が高められる。

伸縮部は、雌雄（内外周）スプラインを有するスプライン摺動機構からなり、入力軸の円筒部の内周面と出力軸の外周面との間に配置されている。

以上の構成により、入力軸及び出力軸が伸縮部を介してシャフト方向に相対移動すると、プロペラシャフトがシール部材と共に伸縮する。

特開平６−１７３９３４号公報

ところで、この種のプロペラシャフトにおいては、伸縮部（内外周スプライン間）の摩擦係数（μ）とすべり速度（ｖ）との関係を示すμ−ｖ特性（直線）が負勾配であると、伸縮時に両軸の断続的な動き（スティック・スリップ）が発生することが一般的に知られている。

このため、スティック・スリップの発生を抑制するには、μ−ｖ特性を正勾配にすること、換言すれば内外周スプライン間のすべり速度の増加に対する摺動抵抗の低下を小さくすることが重要になる。

一方、スティック・スリップの発生を抑制するために、グリス等で内外周スプライン間の摩擦係数を小さくすること（低μ化）が行われていたが、スティック・スリップの十分な発生抑制効果を得ることができなかった。

また、ダイヤモンドライクカーボン（Diamond Like Carbon：ＤＬＣ）等の固体潤滑被膜のコーティング処理によってスティック・スリップの発生を抑制することができるが、この場合にはコスト高になる。

そこで、本発明者は、スティック・スリップの発生抑制効果を安価に得るために、内外周スプライン間のすべり速度の増加に対する摺動抵抗の低下を小さくすることの検討を開始したが、その過程で内外周スプラインの各歯面に互いに交差する微細溝が存在すると、内外周スプライン間に発生するすべり速度の増加に対する摺動抵抗の低下が小さくなることを見出した。

従って、本発明の目的は、ＤＬＣ等によるコーティング処理を施さなくてもμ−ｖ特性を正勾配にすることが可能なプロペラシャフトを提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために、（１）〜（７）のプロペラシャフトを提供する。

（１）第１の方向に延びる複数の第１の微細溝をトルク伝達面に有する第１のスプライン軸と、前記第１のスプライン軸にその軸線方向に相対移動可能に連結され、前記第１の方向と交差する第２の方向に延びる複数の第２の微細溝をトルク伝達面に有する第２のスプライン軸とを備え、潤滑油によって前記第１のスプライン軸と前記第２のスプライン軸との摺動が潤滑されるプロペラシャフト。
（２）上記（１）に記載のプロペラシャフトにおいて、前記第１のスプライン軸は、前記複数の第１の微細溝が前記軸線方向に延びる油溝である。

（３）上記（２）に記載のプロペラシャフトにおいて、前記第２のスプライン軸は、前記複数の第２の微細溝が前記軸線方向と直交する方向に延びる油溝である。

（４）上記（１）乃至（３）のいずれかに記載のプロペラシャフトにおいて、前記第１のスプライン軸は、前記複数の第１の微細溝の溝ピッチが前記複数の第２の微細溝の溝ピッチよりも小さい寸法に設定されている。

（５）上記（４）に記載のプロペラシャフトにおいて、前記複数の第１の微細溝は、その溝ピッチｐ_１が１００μｍ≦ｐ_１≦５００μｍを満足する寸法に設定され、前記複数の第２の微細溝は、その溝ピッチｐ_２が１ｍｍ≦ｐ_２≦２ｍｍを満足する寸法に設定されている。

（６）上記（４）に記載のプロペラシャフトにおいて、前記複数の第１の微細溝は、その溝深さｈ_１が５μｍ≦ｈ_１≦４０μｍを満足する寸法に設定され、前記複数の第２の微細溝は、その溝深さｈ_２が２μｍ≦ｈ_２≦８μｍを満足する寸法に設定されている。

（７）上記（１）乃至（６）のいずれかに記載のプロペラシャフトにおいて、前記第１のスプライン軸は雌スプライン軸によって形成され、前記第２のスプライン軸は雄スプライン軸によって形成されている。

本発明によると、ＤＬＣ等によるコーティング処理を施さなくてもμ−ｖ特性を正勾配にすることができる。

本発明の実施の形態に係るプロペラシャフトの全体を説明するために示す局部断面図。 本発明の実施の形態に係るプロペラシャフトのスプライン嵌合部を説明するために示す断面図。 図１のＡ−Ａ断面図。 本発明の実施の形態に係るプロペラシャフトの要部を説明するために模式化して示す断面図。 （ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施の形態に係るプロペラシャフトにおける第１のスプライン軸の歯面を説明するために示す斜視図とそのＭ部分の断面図。（ａ）は斜視図を、また（ｂ）は断面図をそれぞれ示す。 （ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施の形態に係るプロペラシャフトにおける第２のスプライン軸の歯面を説明するために示す斜視図とそのＮ部分の断面図。（ａ）は斜視図を、また（ｂ）は断面図をそれぞれ示す。 本発明の実施の形態に係るプロペラシャフトにおけるスティック・スリップの発生抑制効果を得る場合の測定方法を説明するために示す斜視図。 （ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施の形態に係るプロペラシャフトの雌スプライン軸における歯面の断面プロフィールを示すグラフ。 本発明の実施の形態に係るプロペラシャフトの雄スプライン軸における歯面の断面プロフィールを示すグラフ。 本発明の実施の形態に係るプロペラシャフトにおけるスティック・スリップの発生抑制効果を考察した結果を示すグラフ。

[実施の形態]
以下、本発明の実施の形態に係るプロペラシャフトについて、図面を参照しながら詳細に説明する。

（プロペラシャフトの全体構成）
図１は車両のプロペラシャフトの全体を示す。図２及び図３はプロペラシャフトのスプライン嵌合状態を示す。図１〜図３に示すように、プロペラシャフト１は、第１のシャフト２及び第２のシャフト３を備え、トランスミッション（図示せず）とディファレンシャル（図示せず）との間に配置されている。そして、プロペラシャフト１は、エンジンからトランスミッションを介してディファレンシャルに駆動力を伝達するように構成されている。

プラペラシャフト１には、潤滑油としてのグリスを内封し、かつ内周スプライン部（後述するスプライン部２０）と外周スプライン部（後述するスプライン部３０）との間を封止するゴム等からなる蛇腹状のシール部材（図示せず）が伸縮可能に取り付けられている。

（第１のシャフト２の構成）
第１のシャフト（第１のスプライン軸）２は、各外径が互いに異なる大小２つのシャフト部２ａ，２ｂからなり、小径のシャフト部２ａが第２のシャフト３にその軸線方向に相対移動可能に、また大径のシャフト部２ｂがトランスミッションにユニバーサルジョイント４を介してそれぞれ連結され、全体が例えばＳ３０Ｃ等の機械構造用炭素鋼からなる中空の雌スプライン軸によって形成されている。

小径のシャフト部２ａは、スプライン部２０を内周面に有し、第１のシャフト３のディファレンシャル側に配置されている。スプライン部２０の外周面には、第１のシャフト２の軸線方向Ｏに沿って延びる内周スプライン歯２０ａが設けられている。内周スプライン歯２０ａの詳細については後述する。

大径のシャフト部２ｂは、第１のシャフト２のトランスミッション側に配置され、かつ小径のシャフト部２ａに溶接されている。

（第２のシャフト３の構成）
第２のシャフト（第２のスプライン軸）３は、第１のシャフト２（小径のシャフト部２ａ）のスプライン部２０に対応するスプライン部３０を外周面に有し、ディファレンシャルにユニバーサルジョイント（図示せず）を介して連結され、全体が例えばＳ３５Ｃ等の機械構造用炭素鋼からなる中空の雄スプライン軸によって形成されている。そして、第２のシャフト３は、第１のシャフト２とのスプライン嵌合によって軸線方向Ｏに移動し、かつ第１のシャフト２と共に回転するように構成されている。

スプライン部３０には、内周スプライン歯２０ａにスプライン嵌合する外周スプライン歯３０ａが設けられている。

次に、外周スプライン歯３０ａ及び内周スプライン歯２０ａにつき、図４〜図６を用いて説明する。図４はプロペラシャフトのスプライン嵌合状態を拡大して示す。図５（ａ）及び（ｂ）は内周スプライン歯を示す。図６（ａ）及び（ｂ）は外周スプライン歯を示す。図４に示すように、内周スプライン歯２０ａは第１のシャフト２（図３に示す）のスプライン部２０に、また外周スプライン歯３０ａは第２のシャフト３（図３に示す）のスプライン部３０にそれぞれ設けられている。

内周スプライン歯２０ａには、図５（ａ）に示すように、トルク伝達面（歯面）２００ａに開口し、かつ第１の方向としての歯幅方向（第１のシャフト２の軸線方向Ｏ）に延びる油溝からなる複数の第１の微細溝５が設けられている。

複数の第１の微細溝５は、内周スプライン歯２０ａの歯面２００ａ上でその歯底面から歯先面に向かって並列して配置されている。図５（ｂ）に示すように、第１の微細溝５の溝ピッチｐ_１は１００μｍ≦ｐ_１≦５００μｍを、また溝深さｈ_１は５μｍ≦ｈ_１≦４０μｍをそれぞれ満足する寸法に設定されている。

一方、外周スプライン歯３０ａには、図６（ａ）に示すように、トルク伝達面（歯面）３００ａに開口し、かつスプライン嵌合状態（互いに対応する内周スプライン歯２０ａと外周スプライン歯３０ａとが当接する状態）において第１の微細溝５の第１の方向に直交する第２の方向（外周スプライン歯３０ａの歯底面から歯先面に至る方向）に延びる油溝からなる複数の第２の微細溝６が設けられている。

複数の第２の微細溝６は、外周スプライン歯３０ａの歯面３００ａ上でその歯幅方向に並列して配置されている。図６（ｂ）に示すように、第２の微細溝６の溝ピッチｐ_２は１ｍｍ≦ｐ_２≦２ｍｍを、また溝深さｈ_２は２μｍ≦ｈ_２≦８μｍをそれぞれ満足する寸法に設定されている。複数の第２の微細溝６は、外周スプライン歯３０ａの形成（ホブ加工）時にその加工速度を調整することで形成することができる。

（プロペラシャフト１の動作）
次に、本発明の実施の形態に示すプロペラシャフト１の動作につき、図１を用いて説明する。

本実施の形態に示すプロペラシャフト１の動作は、自動車が走行することにより行われる。すなわち、自動車の発進時や走行中には、車輪を懸架するサスペンションが動作し、これに伴い両ユニバーサルジョイント４（一方のみ示す）間の長さ及び角度変化を許容してエンジンからトランスミッション，プロペラシャフト１を介してディファレンシャルに駆動力が伝達される。

この場合、第１のシャフト２が内周スプライン歯２０ａを介して、また第２のシャフト３が外周スプライン歯３０ａを介してそれぞれ軸線方向に相対移動すると、プロペラシャフト１がシール部材（図示せず）と共に軸線方向に伸縮する。

この際、互いに嵌合する内周スプライン歯２０ａと外周スプライン歯３０ａとが歯面２００ａ，３００ａ間で複数の箇所において点接触する。このため、内周スプライン歯２０ａと外周スプライン歯３０ａとの間の接触領域が減少し、内周スプライン歯２０ａ及び外周スプライン歯３０ａの各歯面２００ａ，３００ａに作用するグリスによる油圧反力が減少する。よって、すべり速度が高くなっても固体潤滑が維持される。

これにより、本実施の形態においては、内周スプライン歯２０ａと外周スプライン歯３０ａとの間のすべり抵抗（摺動抵抗）の低下を小さくすることができ、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、本実施の形態に示すプロペラシャフト１におけるスティック・スリップの発生抑制効果につき、図７〜図１０を用いて考察する。

本考察は、先ず微細溝を有する雌スプライン軸と微細溝を有しない雌スプライン軸とを用意し、これら両方の雌スプライン軸をそれぞれ微細溝（ホブ溝）付きの雄スプライン軸にスプライン嵌合させて２種のプロペラシャフトを作製した後、これら各種プロペラシャフトを所定の速度で回転させるとともに、各種プロペラシャフトの雌雄スプライン軸を図７に示すように相対すべり速度Ｖ（０＜Ｖ≦０．５ｍ／ｓｅｃ）で動作させた場合に雌スプライン軸（第１のシャフト２）から雄スプライン軸（第２のシャフト３）に伝達されるトルクＴ（相対すべり速度ＶをＶ＝０としたときのトルクＴ_０をＴ_０＝１とし、Ｖ＝０．０５〜０．５としたときのＴ_０に対するトルクＴ）を測定することにより試みた。

この結果、微細溝を有する雌スプライン軸とホブ溝付きの雄スプライン軸とをスプライン嵌合させてなるプロペラシャフトにおいては、雌スプラインの微細溝の溝ピッチｐ_１が１００μｍ≦ｐ_１≦５００μｍを、また溝深さｈ_１が５μｍ≦ｈ_１≦４０μｍをそれぞれ満足する寸法に設定され、一方雄スプライン軸のホブ溝の溝ピッチｐ_２が１ｍｍ≦ｐ_２≦２ｍｍを、また溝深さｈ_２が２μｍ≦ｈ_１≦８μｍをそれぞれ満足する寸法に設定されている場合に雌雄スプライン軸間のすべり抵抗の低下が小さくなり、スティック・スリップの発生抑制効果を有することが確認された。図８（ａ）及び（ｂ）は、スティック・スリップの発生抑制効果が得られる場合の雌スプライン軸の微細溝の断面プロフィールの一例である。また、図９は、スティック・スリップの発生抑制効果が得られる場合の雄スプライン軸のホブ溝の断面プロフィールの一例である。

これに対して、微細溝を有しない雌スプライン軸とホブ溝付きの雄スプライン軸とをスプライン嵌合させてなるプロペラシャフトにおいては、雌雄スプライン軸間のすべり抵抗の低下が大きくなり、所望するスティック・スリップの発生抑制効果が得られない。

このことは、図１０に示す通りである。図１０は、プロペラシャフトにおけるスティック・スリップの発生抑制効果を考察した結果を示すグラフである。図１０において、（ａ）雌スプラインに溝無しの場合にはトルク比（Ｔ）と相対すべり速度（Ｖ）との関係を示すＴ−Ｖ特性（Ｖ＝０〜０．０１３）が負勾配であり、（ｂ）雌スプラインに溝有りの場合にはＴ−Ｖ特性が正勾配である。なお、図１０において、縦軸はトルク比を、また横軸は相対すべり速度をそれぞれ示す。

[実施の形態の効果]
以上説明した実施の形態によれば、次に示す効果が得られる。

ＤＬＣによるコーティング処理及びグリス等による第１のスプライン軸２と第２のスプライン軸３との間の低μ化を必要とせず、スティック・スリップの十分な発生抑制効果を安価に得ることができる。

以上、本発明のプロペラシャフトを上記の実施の形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の態様において実施することが可能であり、例えば次に示すような変形も可能である。

（１）上記実施の形態では、第２の微細溝６が第１の微細溝５の第１の方向（内周スプライン歯２０ａの歯幅方向）に直交する第２の方向（外周スプライン歯３０ａの歯底面から歯先面に至る方向）に延びる場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、第１の微細溝の第１の方向と交差する第２の方向に延びる第２の微細溝であればよい。

（２）上記実施の形態では、第１のシャフト２及び第２のシャフト軸３の各材料として機械構造用炭素鋼が用いられている場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、実施の形態と同様の機械的強度を確保できる場合には例えば炭素繊維強化プラスチック（Carbon Fiber Reinforced Plastic：ＣＦＲＰ）など他の材料を用いてもよい。

（３）上記実施の形態では、第１のシャフト２がトランスミッションに、また第２のシャフト３がディファレンシャルにそれぞれ連結されている場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、トランスミッションに第２のシャフトを、またディファレンシャルに第１のシャフトをそれぞれ連結しても差し支えない。

１…プロペラシャフト、２…第１のシャフト、２ａ…小径のシャフト部、２０…スプライン部、２０ａ…内周スプライン歯、２００ａ…歯面、２ｂ…大径のシャフト部、３…第２のシャフト、３０…スプライン部、３０ａ…外周スプライン歯、３００ａ…歯面、４…ユニバーサルジョイント、５…第１の微細溝、６…第２の微細溝、Ｏ…軸線方向

Claims (7)

1. 第１の方向に延びる複数の第１の微細溝をトルク伝達面に有する第１のスプライン軸と、
   前記第１のスプライン軸にその軸線方向に相対移動可能に連結され、前記第１の方向と交差する第２の方向に延びる複数の第２の微細溝をトルク伝達面に有する第２のスプライン軸とを備え、
   潤滑油によって前記第１のスプライン軸と前記第２のスプライン軸との摺動が潤滑されるプロペラシャフト。
2. 前記第１のスプライン軸は、前記複数の第１の微細溝が前記軸線方向に延びる油溝である請求項１に記載のプロペラシャフト。
3. 前記第２のスプライン軸は、前記複数の第２の微細溝が前記軸線方向と直交する方向に延びる油溝である請求項２に記載のプロペラシャフト。
4. 前記第１のスプライン軸は、前記複数の第１の微細溝の溝ピッチが前記複数の第２の微細溝の溝ピッチよりも小さい寸法に設定されている請求項１乃至３のいずれか１項に記載のプロペラシャフト。
5. 前記複数の第１の微細溝は、その溝ピッチｐ_１が１００μｍ≦ｐ_１≦５００μｍを満足する寸法に設定され、
   前記複数の第２の微細溝は、その溝ピッチｐ_２が１ｍｍ≦ｐ_２≦２ｍｍを満足する寸法に設定されている請求項４に記載のプロペラシャフト。
6. 前記複数の第１の微細溝は、その溝深さｈ_１が５μｍ≦ｈ_１≦４０μｍを満足する寸法に設定され、
   前記複数の第２の微細溝は、その溝深さｈ_２が２μｍ≦ｈ_２≦８μｍを満足する寸法に設定されている請求項４に記載のプロペラシャフト。
7. 前記第１のスプライン軸は雌スプライン軸によって形成され、
   前記第２のスプライン軸は雄スプライン軸によって形成されている請求項１乃至６のいずれか１項に記載のプロペラシャフト。
   

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