JP6025172B2 - スプライン伸縮軸の製造方法 - Google Patents

Description

本発明はスプライン伸縮軸の製造方法に関する。

特許文献１では、第１樹脂被膜が形成された雄スプラインを有する内軸製造用中間体と、雌スプラインが形成された外軸製造用中間体とを一定の条件で軸方向に強制的に往復摺動させて、第１樹脂被膜の樹脂材料の一部を外軸製造用中間体の雌スプラインに転写して第２樹脂被膜を形成している。

特開２０１１−３８５６１号公報

例えば車両の操舵軸や中間軸に用いられるスプライン伸縮軸に要求される性能として、軸方向の摺動荷重が所定値以下であること、および回転方向の遊び（ガタ）が所定量以下であることがある。
通例、摺動荷重を小さくし過ぎると、回転方向のガタが大きくなり、逆に、回転方向のガタを小さくし過ぎると、摺動荷重が大きくなる傾向にある。すなわち、両性能を両立することが困難である。

特許文献１の摺動工程を、一定の条件（例えば摺動工程において、摺動荷重が一定の荷重に達した時点で摺動工程を終了するという条件）で行うとすると、スプライン伸縮軸を大量生産した場合に、スプラインの歯形の不良に起因して、両性能（摺動荷重およびガタ）の何れかが不良になって不良率が高くなるおそれがある。
そこで、本発明の目的は、不良率の低いスプライン伸縮軸の製造方法を提供することである。

前記目的を達成するため、請求項１の発明は、何れか一方のスプライン（４または５）に樹脂被膜が設けられた内軸製造用中間体（２０）および外軸製造用中間体（３０）を軸方向（Ｘ１）に摺動させる摺動工程を含む、スプライン伸縮軸（１）の製造方法であって、前記摺動工程では、両製造用中間体の摺動荷重（Ｗ）が検出され、検出された摺動荷重が摺動開始時に検出された初期摺動荷重（Ｗ０）に基づいて決定される閾値荷重（Ｗ１）に達した時点で摺動を終了するスプライン伸縮軸の製造方法を提供する。

なお、括弧内の英数字は、後述する実施形態における対応構成要素等を表すが、このことは、むろん、本発明がそれらの実施形態に限定されるべきことを意味するものではない。以下、この項において同じ。
また、請求項２のように、前記閾値荷重をＷ１とし、前記初期摺動荷重をＷ０としたときに、閾値荷重Ｗ１が初期摺動荷重Ｗ０をパラメータとする単調増加関数を用いて求められてもよい。

また、請求項３のように、前記閾値荷重Ｗ１が、Ａ，Ｂを定数とし、初期摺動荷重Ｗ０をパラメータとする下記の一次関数式を用いて求められてもよい。
Ｗ１＝Ａ・Ｗ０＋Ｂ
また、請求項４のように、前記定数Ｂが、前記摺動工程での両製造用中間体の摺動ストロークＬの大小に応じて増減されてもよい。

また、請求項５のように、前記定数Ｂが摺動ストロークＬに比例してもよい。

本願発明者は、鋭意研究の結果、下記の知見を得た。すなわち、摺動工程において摺動開始時の初期摺動荷重が大きい場合と小さい場合とを比較すると、初期摺動荷重が大きい前者の場合、摺動により発生する摩擦熱が大きいので、検出された摺動荷重が相対的に高い閾値荷重まで低下した時点で摺動を終了しても、両スプラインの歯形を良好に形成するために必要な熱量（エネルギ量）を得ることができる。逆に、初期摺動荷重が小さい後者の場合には、摺動により発生する摩擦熱が小さいので、検出された摺動荷重が相対的に低い閾値荷重まで低下する時点まで、摺動工程を相対的に長く継続して初めて、両スプラインの歯形を良好に形成するために必要な熱量（エネルギ量）を得ることができる。

かかる知見に鑑み、請求項１の発明によれば、両製造用中間体の摺動荷重を検出し、検出された摺動荷重が摺動開始時に検出された初期摺動荷重に基づいて決定される閾値荷重に達した時点で摺動を終了する。したがって、両製造用中間体の個体のばらつきに拘らず、両スプラインの歯形を現品合わせで良好になじませることができ、その結果、摺動荷重が低く且つガタの少ないスプライン伸縮軸を実現することができる。

具体的には、請求項２の発明のように、閾値荷重Ｗ１を初期摺動荷重Ｗ０とする単調増加関数とすることで、初期摺動荷重Ｗ０が相対的に大きいときには、閾値荷重Ｗ１を相対的に大きくし、初期摺動荷重Ｗ０が相対的に小さいときには、閾値荷重Ｗ１を相対的に小さくすることができる。
また、請求項３の発明のように、Ａ，Ｂを定数として、一次関数式Ｗ１＝Ａ・Ｗ０＋Ｂを用いることで、閾値荷重Ｗ１と初期摺動荷重Ｗ０とに線形性を持たせることができるので、個体毎に適した摺動工程を実現することができる。

また、請求項４の発明によれば、定数Ｂを両製造用中間体の摺動ストロークＬの大小に応じて増減するので、個体毎に適した摺動工程を実現することができる。すなわち、摺動ストロークが相対的に長い個体では、発生する摩擦熱が相対的に大きくなるので、検出された摺動荷重が相対的に高い閾値荷重に達した時点で摺動を終了しても、両スプラインの歯形を良好に形成するために必要な熱量（エネルギ量）を得ることができる。逆に、摺動ストロークが相対的に短い個体では、発生する摩擦熱が相対的に小さいので、検出された摺動荷重が相対的に低い閾値荷重になるまで、摺動工程を相対的に長く継続して初めて、両スプラインの歯形を良好に形成するために必要な熱量（エネルギ量）を得ることができる。

請求項５の発明によれば、摺動ストロークＬの個体において定数Ｂが既知である場合に、摺動ストロークＬ１の個体における定数Ｂ１は、比例式Ｂ１＝（Ｌ１／Ｌ）・Ｂを用いた演算により求めることができる。未だ実験的に求められていない未知の定数Ｂ１を予測することができるので、個体毎に適した摺動工程を容易に実現することができる。

本発明の一実施形態の製造方法により製造されたスプライン伸縮軸の部分断面側面図である。 スプライン伸縮軸の要部の断面図である。 樹脂被膜で被覆された内軸製造用中間体の概略断面図である。 外軸製造用中間体の概略断面図である。 摺動工程で用いる加振装置の概略図である。 加振装置の動作を制御する制御フローである。 初期摺動荷重Ｗ０と摺動工程を終了する閾値荷重Ｗ１との関係を示すグラフ図である。 摺動工程における摺動荷重の経時変化を示すグラフ図である。

本発明の好ましい実施の形態を添付図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明の一実施形態に製造方法により製造されたスプライン伸縮軸１の部分断面側面図である。スプライン伸縮軸１は、例えば、ステアリングシャフト（図示せず）とラックアンドピニオン機構のピニオン軸（図示せず）との間に介在するインターミディエイトシャフト（中間軸）として用いられる場合がある。また、スプライン伸縮軸１は、衝撃吸収時に収縮するステアリングシャフトとして用いてもよい。

スプライン伸縮軸１は、互いに嵌合した内軸２と筒状の外軸３とを備えている。内軸２と外軸３とは、軸方向Ｘ１に沿って摺動可能に且つトルク伝達可能にスプライン嵌合している。
内軸２の外周２ａには、複数の雄スプライン４が設けられ、外軸３の内周３ａには、雄スプライン４に交互に噛み合う複数の雌スプライン５が設けられている。図１において、両スプライン４，５は模式的に示されている。

スプライン伸縮軸１がインターミディエイトシャフトを構成する場合、図１に示すように、内軸２の一端には、自在継手６の一方のヨーク６ａが一体に取り付けられている。また、外軸３の一端には、自在継手７の一方のヨーク７ａが一体に取り付けられている。
図２に示すように、雄スプライン４の表面には、樹脂被膜４０が形成されている。樹脂被膜４０は、合成樹脂を用いて形成されている。この合成樹脂として、ポリアミド、ポリアセタールなどの熱可塑性樹脂や、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を例示できる。

図３Ａに示すように雄スプライン４の表面に樹脂被膜４１が形成された内軸製造用中間体２０と、図３Ｂに示すように雌スプライン５を有する、金属のみで構成された外軸製造用中間体３０とを、負の嵌合隙間で嵌合する。すなわち、内軸製造用中間体２０を外軸製造用中間体３０に圧入する。
その後、両製造用中間体２０，３０を図４に示す加振装置７０に取り付けて、内軸製造用中間体２０と外軸製造用中間体３０とを、軸方向Ｘ１に強制的に摺動させる摺動工程を経て、成形された樹脂被膜４０を得る。両製造用中間体２０，３０を強制的に摺動させるときに、両製造用中間体２０，３０の間に、ねじりトルクを負荷してもよいし負荷しなくてもよい。

摺動工程に用いる加振装置７０は、固定フレーム７１と、固定フレーム７１の一端に固定された加振アクチュエータ７２（例えば油圧シンリダ）と、加振アクチュエータ７２から伸縮する伸縮ロッド７３と、伸縮ロッド７３の先端に取り付けられた第１取付ブラケット７４と、固定フレーム７１の他端に荷重センサ７５を介して固定された第２取付ブラケット７６とを備えている。

加振アクチュエータ７２には、油圧ポンプ７７および油圧タンク７８に接続された油圧機構７９を介して作動油が供給され、これにより、伸縮ロッド７３が伸縮される。
例えば外軸製造用中間体３０の一端を、加振アクチュエータ７２の伸縮ロッド７３の一端の第１取付ブラケット７４に取り付け、内軸製造用中間体２０の一端を荷重センサ７５に固定された第２取付ブラケット７６に固定する。

加振アクチュエータ７２には、伸縮ロッド７３のストローク位置を検出する位置センサ８０が設けられている。荷重センサ７５および位置センサ８０の検出信号は、制御装置８１に与えられる。制御装置８１は、位置センサ８０による位置情報並びにこれを微分して得られた速度情報に基づいて、油圧機構７９に制御信号を出力し、伸縮ロッド７３を所定のストロークと所定の速度で伸縮運動させる。

また、制御装置８１は、荷重センサ７５の検出信号を入力し、加振サイクル毎のピーク値に基づいて摺動荷重Ｗを検出し、その摺動荷重Ｗが所定の条件を満たした時点で、加振アクチュエータ７２による摺動工程を終了する。
具体的には、図５のフローチャートに示すように、システムの起動とともに、ステップＳ１において、各パラメータをイニシャライズした後、ステップＳ２において、加振アクチュエータ７２を駆動して摺動を開始する。

ステップＳ３において、摺動の開始直後に荷重センサ７５によって検出された摺動荷重Ｗを読み込み、ステップＳ４において、読み込んだ摺動荷重Ｗを初期摺動荷重Ｗ０として記憶する。
次いで、ステップＳ５において、初期摺動荷重Ｗ０に基づいて、下記の一次関数式（１）を用いて、閾値荷重Ｗ１（ＫＮ）を演算する。

Ｗ１＝Ａ・Ｗ０＋Ｂ …（１）
次いで、ステップＳ６において、摺動荷重Ｗが閾値荷重Ｗ１より大きいか否かを判定する。摺動荷重Ｗが閾値荷重Ｗ１より大きい場合（ステップＳ６においてＹＥＳの場合）には、ステップＳ７に進んで摺動荷重Ｗを読み込む。
ステップＳ７において検出された摺動荷重Ｗが閾値荷重Ｗ１以下（Ｗ≦Ｗ１）になるまで、ステップＳ６，Ｓ７の処理を繰り返し、検出された摺動荷重Ｗが閾値荷重Ｗ１以下になった場合（ステップＳ６においてＮＯの場合）に、ステップＳ８に進んで摺動を停止し、処理を終了する。

摺動工程では、外部からの加熱を用いることなく、内軸製造用中間体２０と外軸製造用中間体３０との摺動による摩擦熱のみによって、両軸２，３の歯形が成形される。すなわち、内軸製造用中間体２０の樹脂被膜４１の樹脂材料の一部が、外軸製造用中間体３０の雌スプライン５の摺動領域と共ずりされる。これにより、樹脂被覆４１が樹脂被膜４０となり、内軸２が完成する。また、外軸製造用中間体３０の雌スプラインの歯形が、前記共ずりにより成形されて外軸３が完成する。

本実施形態によれば、両製造用中間体２０，３０の摺動荷重Ｗを検出し、検出された摺動荷重Ｗが摺動開始時に検出された初期摺動荷重Ｗ０に基づいて決定される閾値荷重Ｗ１に達した時点で摺動を終了する。したがって、両製造用中間体２０，３０の個体のばらつきに拘らず、両スプライン４，５の歯形を現品合わせで良好になじませることができ、その結果、完成後において、摺動荷重が低く且つガタの少ないスプライン伸縮軸１を不良率の少ない状態で実現することができる。

摺動工程を終了する閾値荷重Ｗ１を初期摺動荷重Ｗ０に基づいて決定する理由は下記である。すなわち、一般に２つの物体を接触させて摺動させたときに発生する単位面積、単位時間当たりの熱量は、２つの物体の接触面間の摩擦係数、接触面間の面圧、およびすべり速度の積に比例する。これを本実施形態に当てはめると、摺動なじみにより発生する単位面積、単位時間当たりの発熱量は、摺動荷重（前記の摩擦係数と面圧との積に相当）と摺動速度との積に比例すると考えられる。ここで、本願発明者らが得た知見によると、図７のように、摺動時間とともに摺動荷重が低下していくことが判った。例えば、初期摺動荷重ＷＯＢで摺動開始から摺動時間ｔが経過するまでに発生した熱量の合計は、図７の斜線の領域の面積に比例すると考えられる。

このことにより、摺動工程において摺動開始時の初期摺動荷重Ｗ０が大きい場合と小さい場合とを比較すると、初期摺動荷重が図７に実線で示すようにＷ０Ｂと大きい前者の場合、摺動により発生する摩擦熱が大きいので、検出された摺動荷重Ｗが相対的に高い閾値荷重Ｗ１Ｂまで低下した時点で摺動を終了しても、両スプライン４，５の歯形を良好に形成するための熱量（エネルギ量）を得ることができる。

逆に、初期摺動荷重が図７に一点鎖線で示すようにＷ０Ｓと小さい後者の場合には、摺動により発生する摩擦熱が小さいので、検出された摺動荷重Ｗが相対的に低い閾値荷重Ｗ１Ｓまで低下する時点まで、摺動工程を長く継続しなければ、両スプライン４，５の歯形を良好に形成するための熱量（エネルギ量）を得ることができない。
また、Ａ，Ｂを定数として、初期摺動荷重Ｗ０から、一次関数式Ｗ１＝Ａ・Ｗ０＋Ｂを用いて、閾値荷重Ｗ１を求めることで、閾値荷重Ｗ１と初期摺動荷重Ｗ０とに線形性を持たせることができるので、個体毎に適した摺動工程を実現することができる。

また、一次関数式（１）において、定数Ｂが、摺動工程での両製造用中間体２０，３０の摺動ストロークＬの大小に応じて増減されてもよい。すなわち、摺動ストロークＬが相対的に長い個体では、発生する摩擦熱が相対的に大きくなるので、検出された摺動荷重Ｗが相対的に高い閾値荷重Ｗ１に達した時点で摺動を終了しても、両スプライン４，５の歯形を良好に形成するために必要な熱量（エネルギ量）を得ることができる。

逆に、摺動ストロークＬが相対的に短い個体では、発生する摩擦熱が相対的に小さいので、検出された摺動荷重Ｗが相対的に低い閾値荷重Ｗ１になるまで、摺動工程を相対的に長く継続して初めて、両スプライン４，５の歯形を良好に形成するために必要な熱量（エネルギ量）を得ることができる。
より具体的には、一次関数式（１）において、定数Ｂが摺動ストロークＬに比例してもよい。すなわち、摺動ストロークＬの個体において好ましい定数Ｂが既知である場合に、摺動ストロークＬ１である未知の個体において好ましい定数Ｂ１は、下記の比例式（２）を用いて演算することにより求められる。

Ｂ１＝（Ｌ１／Ｌ）・Ｂ …（２）
比例式（２）を用いることで、未だ実験的に求められていない未知の定数Ｂ１を予測することができるので、個体毎に適した摺動工程を容易に実現することができる。
本実施形態では、一次関数式（１）を用いて閾値荷重Ｗ１を求めたが、一次関数式に限らず、閾値荷重Ｗ１を初期摺動荷重Ｗ０とする単調増加関数（例えば二次関数Ｗ１＝Ｃ・Ｗ０² ＋Ｄ・Ｗ０＋Ｅ：ただし、Ｃ，Ｄ，Ｅは定数）を用いて求めてもよい。これにより、初期摺動荷重Ｗ０が相対的に大きいときには、閾値荷重Ｗ１を相対的に大きくし、また、初期摺動荷重Ｗ０が相対的に小さいときには、閾値荷重Ｗ１を相対的に小さくすることができる。

本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、例えば前記実施形態では、内軸製造用中間体２０に樹脂被膜４１を設けているが、これに代えて、外軸製造用中間体に樹脂被膜を設けておいてもよい。その他、本発明の請求項記載の範囲内で種々の変更を施すことができる。

１…スプライン伸縮軸、２…内軸、２ａ…外周、３…外軸、３ａ…内周、４…雄スプライン、５…雌スプライン、２０…内軸製造用中間体、３０…外軸製造用中間体、４０…樹脂被膜、４１…樹脂被膜、７０…加振装置、７２…加振アクチュエータ、７３…伸縮ロッド、７５…荷重センサ、８１…制御装置、Ａ，Ｂ…定数、Ｌ，Ｌ１…摺動ストローク、Ｗ…摺動荷重、Ｗ０，Ｗ０Ｂ，Ｗ０Ｓ…初期摺動荷重、Ｗ１，Ｗ１Ｂ，Ｗ１Ｓ…閾値荷重、Ｘ１…軸方向

Claims (5)

1. 何れか一方のスプラインに樹脂被膜が設けられた内軸製造用中間体および外軸製造用中間体を軸方向に摺動させる摺動工程を含む、スプライン伸縮軸の製造方法であって、
   前記摺動工程では、両製造用中間体の摺動荷重が検出され、検出された摺動荷重が摺動開始時に検出された初期摺動荷重に基づいて決定される閾値荷重に達した時点で摺動を終了するスプライン伸縮軸の製造方法。
2. 請求項１において、前記閾値荷重をＷ１とし、前記初期摺動荷重をＷ０としたときに、閾値荷重Ｗ１が初期摺動荷重Ｗ０をパラメータとする単調増加関数を用いて求められるスプライン伸縮軸の製造方法。
3. 請求項２において、前記閾値荷重Ｗ１が、Ａ，Ｂを定数とし、初期摺動荷重Ｗ０をパラメータとする下記の一次関数式を用いて求められるスプライン伸縮軸の製造方法。
   Ｗ１＝Ａ・Ｗ０＋Ｂ
4. 請求項３において、前記定数Ｂが、前記摺動工程での両製造用中間体の摺動ストロークＬの大小に応じて増減されるスプライン伸縮軸の製造方法。
5. 請求項４において、前記定数Ｂが摺動ストロークＬに比例するスプライン伸縮軸の製造方法。

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