JP6111296B2 - 異種金属接合シャフトを備えた変速機 - Google Patents

Description

本発明は異種金属接合シャフトを備えた変速機に関するものである。

軸方向に対向した一の被接合部材と他の被接合部材との突き合わせ部（接合部）を接合する方法として、両部材を押し付けながら一方の被接合部材を回転させることにより摩擦熱を発生させ、その摩擦熱によって接合部を軟化させ、そして被接合部材の回転を停止し両部材を押し付けることにより新生面同士を固相接合する、いわゆる摩擦圧接が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。

下記特許文献１によると、一方の被接合部材を所定の回転数ｒ１に達するまで回転上昇させ、次に両部材の突き合わせ部における摩擦圧力が所定の圧力Ｐ１に達するまで摩擦圧力を高めながら一定の時間（摩擦時間）Ｔ１に亘って両部材の端面同士を突き合わせると共に押し付け、圧接に必要な温度まで接合界面を加熱する。そして、必要な温度に達したら回転を止めて回転数をゼロにすると共に、両部材の突き合わせ部における摩擦圧力が所定の圧力Ｐ２に達するまで摩擦圧力を高めながら一定の時間（アプセット時間）Ｔ２に亘って両部材の端面同士を突き合わせると共に押し付ける。このアプセット工程によって、摩擦工程で接合界面に生成した金属間化合物、酸化物、及び軟化層等がバリとして接合界面の周縁部から排出されると共に、各部材の接合界面の新生面同士が接合される旨が記載されている（例えば、特許文献１の［００２４］及び［００２５］を参照。）。

一方、軸方向に対向した上記突き合わせ部を接合するその他の方法として、先端中央部にピンを備えたショルダーと呼ばれる円柱体を回転させながら上記突き合わせ部に径方向外側から押し付ける（押圧入する）ことにより摩擦熱を発生させ、その摩擦熱によって接合部位を軟化させると共に、先端中央部に設けられたピンによって軟化した接合部位を攪拌することにより塑性流動状態を引き起こし、そしてショルダーを接合部の全周に亘って移動させることにより通過部位を軟化・攪拌しながら、両部材を固相接合する、いわゆる摩擦攪拌接合が知られている（例えば、特許文献２を参照。）。

特開２００２−２２４８５７号公報 特開２００６−６８７８２号公報 特開２００７−２９６５６３号公報

上記特許文献１に記載の摩擦圧接では、以下に記す問題がある。
先ずアプセット工程において突き合わせ部にバリが発生するため、バリ取り加工が必要となる。

また、アプセット工程において、一方の被接合部材を他方の被接合部材に軸方向に移動（ストローク）させることにより、突き合わせ部に高いアプセット圧が負荷されるため、アプセット圧ならびにストロークにバラツキが必然的に発生し、摩擦圧接後のシャフトの軸方向の寸法精度（公差）が安定しない。

また、被接合部材に油路が形成され両部材間において位相合わせが必要な場合、回転している被接合部材を回転停止させる際、高精度な位置決め制御が必要となる。

また、鋼とアルミの組合せの様に互いにヤング率の異なる異種金属同士が軸方向に突き合わされ摩擦圧接によって接合されている場合、シャフトに対し回転トルク（捩り荷重）や曲げ荷重等が負荷されると、摩擦圧接による突き合わせ部（接合部）に応力が集中し、接合部が剥離し易くなる。

さらに、鋼とアルミニウム合金のように強度差の大きい異種材の摩擦圧接では、鋼のように強度の高い材料が変形しないため酸化層や汚染物質が接合界面に残留し易いという問題がある。そのため、接合部が十分な接合強度を有するように、接合部に対し人工時効処理等の熱処理が必要となる。（例えば、特許文献３の［０００３］及び［０００６］を参照。）。

また、上記特許文献２に記載の摩擦攪拌接合では、一方の被接合部材を回転させる或いは軸方向に圧接させる必要がないため、上述のバリ取り加工、シャフトの軸方向寸法精度（公差）の不安定、高精度な位置決め制御、或いは酸化層や汚染物質の接合境界面における残留の問題は起きないものと考えられる。

しかし、摩擦圧接と同様に、シャフトに対し回転トルクや曲げ荷重等が負荷されると、摩擦圧接による突き合わせ部（接合部）に応力が集中し、接合部が剥離し易くなるという問題がある。

そこで、本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み成されたものであり、その目的は、製造時におけるシャフト接合部に対するバリ取り加工ならびに高精度な位置決め制御が不要となると共に、シャフトの軸方向寸法精度（公差）の不安定あるいは酸化層等の汚染物質の接合境界面における残留がなくなり、更には動作時において曲げ・捩り荷重等が負荷される場合であってもシャフト接合部における応力集中が好適に緩和され、シャフト接合部が剥離しにくい異種金属接合シャフトを備えた変速機を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る変速機では、互いに異なる材質から成る少なくとも第１シャフト（４１）及び第２シャフト（４２）が同軸に接合された異種金属接合シャフト（４０）を備えた変速機（１００）であって、前記第１シャフト（４１）は中空構造を有すると共に前記第２シャフト（４２）は前記第１シャフト（４１）の内部に圧入され、該第１シャフト（４１）の内周面（４１Ｓａ）と該第２シャフト（４２）の外周面（４２ｂ）が軸方向に関し重複した軸方向重複部（４２ｂｓ）を有し、該軸方向重複部は摩擦攪拌接合によって接合されていることを特徴とする。

上記構成では、第１シャフト（４１）と第２シャフト（４２）とのシャフト接合部の径方向外側に第１シャフト（４１）が配置され、シャフト接合部が第１シャフト（４１）によって径方向に支持されている。そのため、曲げ荷重や捩り荷重（回転トルク）が軸に作用する場合であっても、シャフト接合部に対する荷重（応力）集中が好適に緩和され、シャフト接合部が剥離しにくくなり接合強度が向上する。

また、第１シャフト（４１）と第２シャフト（４２）は静止した状態で摩擦攪拌接合によって接合されるため、摩擦圧接において必要となるバリ取り加工および高精度な位置決め制御が不要となると共に、シャフトの軸方向寸法精度（公差）の不安定あるいは酸化層や汚染物質の接合境界面における残留という摩擦圧接に固有の問題は生じない。

本発明に係る変速機の第２の特徴は、前記第１シャフト（４１）は軽金属から構成されていると共に前記第２シャフト（４２）の外周面（４２ｂｓ）は前記軽金属より強度及び融点の高い金属から構成されていることである。

上記構成では、比較的高い融点の第２シャフト（４２）が比較的低い融点の第１シャフト（４１）の内部に圧入されている。これにより、第１シャフト（４１）の径方向外側から摩擦攪拌接合ツール（６０）を第１シャフト（４１）の外周面（４１Ｓｂ）に当接することが可能となり、所望の接合経路（４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄ、４０ｅ）に沿って第１シャフト（４１）と第２シャフト（４２）との軸方向に関する重複部を摩擦攪拌接合することが可能となる。

また、高い強度が要求される軸に比較的高い強度を有する第２シャフト（４２）を配置すると共に高い強度が要求されない軸に軽量な第１シャフト（４１）を配置することが可能となるため、軸全体の大幅な軽量化が可能となる。

本発明に係る変速機の第３の特徴は、前記軸方向重複部（４２ｂｓ）は、円周方向の所定間隔（θ）毎に円周方向（４０ａ）、軸方向（４０ｂ）或いは軸方向に対して所定の角度（δ）傾斜した傾斜方向（４０ｄ）、又は螺旋方向（４０ｆ）の何れかに沿って所定の長さ（ＬＣ、ＬＳ、ＬＯ）にわたり連続して、又はこれらの方向が組み合わされて成る複合方向（４０ｃ）に沿って連続して摩擦攪拌接合によって接合されていることである。

上記構成では、第１シャフト（４１）と第２シャフト（４２）との接合に係る接合経路の長さ・面積の自由度が増大する。これにより、異種金属接合シャフト（４０）が受ける荷重の大きさ・方向に応じて最適な接合強度を有する接合経路を選択することが可能となる。

本発明に係る変速機の第４の特徴は、前記軸方向重複部（４２ｂｓ）は、円周方向の所定間隔（θ）毎に軸方向に対する傾斜角度（δ、−δ）が交互に反転した傾斜方向（４０ｅ）に沿って摩擦撹拌接合によって接合されていることである。

上記構成では、接合部（４０ｅ）の第２シャフト（４２）側の端点（Ｅ２）を通り軸方向に平行な直線（Ｌａ）に関する接合部（４０ｅ）の傾斜方向について、直線（Ｌａ）に関して両方向（両振り）の２種類の傾斜方向（±δ）が含まれる。つまり、上記構成では、捩り荷重の作用方向が左回りまたは右回りのどちらになる場合であっても、捩り方向と同じ方向になる傾斜方向が必ず含まれる。接合部の傾斜方向が捩り方向と同方向になる場合は、接合部には圧縮荷重が作用するため、接合部は剥離しにくくなる。つまり、上記構成では捩り荷重の作用方向に関係なく両シャフトの接合部が剥離しにくくなり接合強度がより向上する。

本発明に係る変速機の第５の特徴は、前記傾斜方向（４０ｄ）に係る接合部は、該接合部の前記第２シャフト（４２）側の端部（Ｅ２）を通る軸方向に平行な直線（Ｌａ）に関して該第２シャフト（４２）に作用する捩り荷重の方向と同方向に傾斜していることである。

上記構成では、接合部に負荷される荷重が接合方向荷重とその垂直方向荷重に分散される。特に、上記傾斜方向を上記回転方向と同方向とすることにより、接合方向に作用する荷重は圧縮荷重となり、第１シャフト（４１）と第２シャフト（４２）とのシャフト接合部が剥離しにくくなり接合強度がより向上する。

本発明に係る変速機の第６の特徴は、前記変速機（１００）はトルクコンバータ（２）を備え、前記トルクコンバータ（２）のステータ（２４）は前記第２シャフト（４２）によって支持され、前記第１シャフト（４１）は前記変速機（１００）の固定部材（４３）に固定されていることである。

上記構成では、ステータ（２４）からの荷重を受ける軸として、第１シャフト（４１）に比べ強度及び剛性に優れた材料から成る第２シャフト（４２）を配置し、他方、比較的受ける荷重の小さい部位に対しては第１シャフト（４１）を配置することにより、必要な強度・剛性を確保しながらシャフト全体の大幅な軽量化が可能となる。

本発明の異種金属接合シャフトを備えた変速機によれば、製造時における異種金属接合シャフトに対するバリ取り加工ならびに高精度な位置決め制御が不要となると共に、シャフトの軸方向寸法精度（公差）の不安定あるいは酸化層等の汚染物質の接合境界面における残留がなくなり、更には動作時において曲げ・捩り荷重等が負荷される場合であってもシャフト接合部における応力集中が好適に緩和され、シャフト接合部が剥離しにくくなり接合強度が向上する。
また、受ける荷重に応じて最適な強度を有するシャフトを配置することが可能となり、これにより必要な強度・剛性を確保しながらシャフト全体の大幅な軽量化が可能となる。

本発明の第１の実施形態に係る変速機を示すスケルトン図である。 本発明の第１の実施形態に係るステータシャフトの周辺部を示す要部半断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るステータシャフトを示す説明図である。 本発明の第１の実施形態に係る摩擦攪拌接合による接合部（接合経路）のバリエーションを示す説明図である。 図４（ｄ）の第１シャフトの外周面を平面に展開した展開図である。 接合部の軸方向に関する傾斜方向と端部の荷重集中緩和との関係を示す説明図である。 図４（ｅ）の第１シャフトの外周面を平面に展開した展開図である。 本発明の第１の実施形態に係る摩擦攪拌接合による接合部（接合経路）のバリエーションを示す説明図である。 本発明の第２の実施形態に係るステータシャフトを示す説明図である。 本発明の第３の実施形態に係るステータシャフトを示す要部断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る変速機１００を示すスケルトン図である。なお、説明の都合上、エンジン（駆動源）１についても併せて図示されている。図１に示すように、本変速機１００は、エンジン（駆動源）１と、トルクコンバータ２と、変速機本体３と、ディファレンシャル機構５とを備える。

エンジン１の駆動はクランクシャフト１１に出力される。このクランクシャフト１１の回転は、トルクコンバータ２を介して変速機本体３に入力される。トルクコンバータ２は流体（作動油）を介してトルクの伝達を行う流体伝動装置であり、フロントカバー２１と、このフロントカバー２１と一体に形成されたポンプ翼車（ポンプインペラ）２２と、フロントカバー２１とポンプ翼車２２との間にポンプ翼車２２に対向するように配置されたタービン翼車（タービンランナ）２３と、ワンウェイクラッチ２５を介してステータシャフト４０に支持されるステータ２４とを有する。図１に示すように、クランクシャフト１１はトルクコンバータ２のポンプ翼車２２にフロントカバー２１を介して接続され、タービン翼車２３はメインシャフト１２に接続される。また、ワンウェイクラッチ２５は中間部材２６に取り付けられ、中間部材２６はステータシャフト４０の第２シャフト４２にスプライン結合して取り付けられている。第２シャフト４２の内周面にはメインシャフト１２を回転可能に支持するベアリング１３が設けられている。なお、本発明に係るこのステータシャフト４０の詳細については図２及び図３を参照しながら後述する。

タービン翼車２３とフロントカバー２１との間には、ロックアップクラッチピストン２７ａを備えたロックアップクラッチ２７が設けられている。従って、ロックアップクラッチピストン２７ａがフロントカバー２１の内面に当接して両部材２７ａ,２１が係合されることにより、エンジン１からの駆動力は直接メインシャフト１２に伝達されるようになる。ロックアップクラッチピストン２７ａの作動は、トルクコンバータ２内の空間がロックアップクラッチピストン２７ａにより仕切られて形成される２つの油室、すなわちロックアップクラッチピストン２７ａよりもタービン翼車２３側に形成された油室２７ｂ及びロックアップクラッチピストン２７ａよりもフロントカバー２１側に形成された油室２７ｃに作動油をそれぞれ供給および排出または排出および供給させ、両油室間に圧力差を形成することにより行われる。フロントカバー２１およびポンプ翼車２２により形成される容器内には作動油が封入されている。

ロックアップ制御がなされていない場合では、ポンプ翼車２２とタービン翼車２３の相対回転が許容される。この状態において、クランクシャフト１１の回転トルクがフロントカバー２１を介してポンプ翼車２２に伝達されると、トルクコンバータ２の容器を満たしている作動油は、ポンプ翼車２２の回転により、ポンプ翼車２２からタービン翼車２３に、次いでステータ２４へと循環する。これにより、ポンプ翼車２２の回転トルクがタービン翼車２３に伝達され、メインシャフト１２を駆動する。

一方、ロックアップ制御中には、ロックアップクラッチ２７が係合されている状態となり、フロントカバー２１からタービン翼車２３へと作動油を介して回転させるのではなく、フロントカバー２１とタービン翼車２３とが一体的に回転し、クランクシャフト１１の回転トルクがメインシャフト１２に直接伝達される。

変速機本体３は、例えば一対のプーリーによって構成されるベルト式無段変速機あるいは１又は複数の遊星歯車機構及びクラッチ機構によって構成される自動変速機を適用することが可能である。エンジン１からの駆動力は変速機本体３によって所望の回転数に変速された後、ファイナルドライブギヤ３１を介して後述するディファレンシャル機構５へ出力される。

ディファレンシャル機構５は、ファイナルドライブギヤ３１と噛み合うファイナルドリブンギヤ５１と、ファイナルドリブンギヤ５１から伝達されて来るエンジン１からの駆動力を左右のドライブシャフト５４Ｌ,５４Ｒを介して左右の駆動輪（図示せず）へそれぞれ伝達する左右サイドギヤ５２Ｌ,５２Ｒと、左右駆動輪の差回転を吸収する前後ピニオンギヤ５３Ｆ,５３Ｒとを備えている。

図２は、本発明の一実施形態に係るステータシャフト４０の周辺部を示す要部半断面図である。なお、図示の都合上ハッチングの一部については省略してある。
メインシャフト１２の内部には油路１２ａが形成され、この油路１２ａを介してトルクコンバータ２、クラッチＣＬ及び変速機本体３（図１参照。）等の油圧作動機器へ作動油が供給される。

メインシャフト１２の外周面にはステータシャフト４０が回転不能に固定されている。ステータシャフト４０は第１隔壁４３にボルトＢＴを介して固定され、メインシャフト１２の一部をベアリング１３を介して回転可能に支持している。

また、メインシャフト１２とステータシャフト４０の第１シャフト４１との間には第３シャフト１４が設けられ、第３シャフト１４の内部には油路が形成されている。第３シャフト１４はメインシャフト１２の外周面に取り付けられている。

ステータシャフト４０の第１シャフト４１の外周面には、ボス部材２２ａが回転可能に取り付けられ、このボス部材２２ａにポンプ翼車２２が溶接され、ポンプ翼車２２にフロントカバー２１が溶接されている。

ボス部材２２ａの外周面にはオイルポンプＯＰを駆動するためのスプロケット４５がスプライン嵌合により取り付けられている。このスプロケット４５は、第２隔壁４４に設けられたベアリング４６により回転可能に支持されている。

ステータシャフト４０の第２シャフト４２の先端部には、ワンウェイクラッチ２５が固定された中間部材２６がスプライン嵌合により取り付けられている。従ってステータ２４は中間部材２６上にワンウェイクラッチ２５を介して一方向のみ回転可能に取り付けられている。

メインシャフト１２の先端部にはタービンランナハブ２３ａがスプライン嵌合により取り付けられ、このタービンランナハブ２３ａにタービン翼車２３が溶接されている。

また、タービンランナハブ２３ａにはロックアップクラッチピストン２７ａが取り付けられている。

図３は、本発明の第１の実施形態に係るステータシャフト４０を示す説明図である。なお、図３（ａ）は要部断面図であり、図３（ｂ）は曲げ荷重に対するシャフトの接合部４０ａの応力集中緩和を示す説明図である。また、説明の都合上、第３シャフト１４及び摩擦攪拌接合ツール６０についても図３（ａ）に併せてそれぞれ図示されている。

このステータシャフト４０は、変速機本体３の第１隔壁４３（図２）に固定され第２シャフト４２を支持する第１シャフト４１と、第１シャフト４１の内周面に圧入接合されステータ２４を支持する第２シャフト４２とから構成されている。

第１シャフト４１は全体が軽金属、例えばアルミニウム又はその合金から成る中空シャフトであり、円筒状のストレート部４１Ｓと円板状のフランジ部４１Ｆとから構成される。ストレート部４１Ｓは第２シャフト４２と係合すると共に、フランジ部４１Ｆは変速機本体３の第１隔壁４３（図２）に係合し、これによりステータシャフト４０は回転不能に固定される。

第２シャフト４２は、鉄系金属、例えばステンレス鋼から成り第１シャフト４１と同心の中空シャフトである。また、外周面４２ｂの内、変速機本体３側の先端から軸方向に長さＬの範囲が第１シャフト１４の内周面４１Ｓａに圧入接合され、これにより第１シャフト４１と軸方向に沿って重複する軸方向重複部４２ｂｓが形成されている。さらに、第２シャフト４２の外周面４２ｂの内、その軸方向重複部４２ｂｓから径方向に長さＲの範囲が第１シャフト４１の端面４１Ｓｃに突き合わされ、これにより第１シャフト４１と径方向に沿って重複する径方向重複部４２ｂｗが形成されている。

第２シャフト４２のエンジン１側の先端部外周面にはスプライン歯４２ｃが周方向に沿って形成され、ワンウェイクラッチ２５（図２）が取り付けられる中間部材２６（図２）にスプライン結合する。一方、第２シャフト４２の先端部内周面にはメインシャフト１２（図２）を回転可能に支持するベアリング１３が取り付けられている。

第１シャフト４１と第２シャフト４２は、円筒回転体のショルダー６１と、ショルダー６１の先端中央部に設けられたピン６２とを備えた摩擦攪拌接合ツール６０によって両シャフトの軸方向重複部４２ｂｓを、例えば円周方向に沿った接合部（接合経路）４０ａで面接合されている。なお、この接合部４０ａのバリエーションについては図４を参照しながら後述する。

摩擦攪拌接合ツール６０は、第１シャフト４１の外周面４１Ｓｂに径方向外側から回転しながら当接し、ショルダー６１と外周面４１Ｓｂとの摩擦により発生した摩擦熱によって当接部位を軟化させ、さらに径方向内側に移動して軸方向重複部４２ｂｓ近傍を軟化させる。そして軟化部位をピン６２によって攪拌し塑性流動状態にしながら軸方向位置を保持した状態で、軸方向重複部４２ｂｓ近傍を円周方向に沿って移動して、軸方向重複部４２ｂｓを摩擦攪拌接合する。

図３（ｂ）に示されるように、本発明に係るシャフトの接合部４０ａは、外側の第１シャフト４１によって径方向に支持されている。そのため、第２シャフト４２に曲げ荷重が負荷される場合、第１シャフト４１によって接合部４０ａにおける応力集中が好適に緩和され、接合部４０ａが剥離しにくくなる。

なお、第１シャフト４１と第２シャフト４２の軸方向重複部４２ｂｓに加えて、両シャフトの径方向に関する重複部である径方向重複部４２ｂｗを円周方向に沿った接合経路で摩擦攪拌接合しても良い。

このように本発明に係るステータシャフト４０は、従来、全体が鉄系金属から作られていたステータシャフトに代えて、強度が要求される先端部を鉄系金属から成る第２シャフト４２で構成され、強度が要求されない先端部以外の部位をアルミニウム系軽金属から成る第１シャフト４１で構成されている異種金属接合シャフトである。従って、上記ステータシャフト４０は先端部以外の部位がアルミニウム系軽金属によって構成されているため、軸全体の大幅な軽量化が可能となる。

また、第１シャフト４１と第２シャフト４２との接合は、第２シャフト４２を第１シャフト４１の内周面に圧入接合後、摩擦攪拌接合ツール６０によって円周方向に沿って面接合することにより成される。

さらに、第２シャフト４２に曲げ荷重が負荷される場合、接合部４０ａが第１シャフト４１によって径方向に支持されているため、接合部４０ａにおける応力集中が好適に緩和され、接合部４０ａが剥離しにくくなり接合強度が向上する。

また、第２シャフト４２は外周面４２ｂのみを鉄系金属によって構成し、外周面４２ｂ以外の部位を非鉄金属（例えばアルミ系金属）あるいは非金属（樹脂材）によって構成することも可能である。

図４は、本発明の第１の実施形態に係る摩擦攪拌接合による接合部（接合経路）のバリエーションを示す説明図である。なお、以下の説明中における軸方向および円周方向の各方向（左右方向）については、図４に示されるシャフト姿勢を基準とした方向とする。
先ず、図４（ａ）に示される接合部４０ａは、第１シャフト４１と第２シャフト４２の軸方向重複部４２ｂｓ（図３）に対し、摩擦攪拌接合ツール６０（図３）を第１シャフト４１の外周面４１Ｓｂの径方向外側から、円周方向に沿って直線状に連続して駆動させて第１シャフト４１と第２シャフト４２を摩擦攪拌接合したものである。なお、ここで言う「直線状」とは、接合経路を平面に展開した際の展開図において接合経路が直線になることを意味している。

摩擦攪拌接合ツール６０を軸方向に固定し円周方向に直線状に連続的に駆動すればよいため、この接合部４０ａは生産効率が最も優れた接合部である。

次に、図４（ｂ）に示される接合部４０ｂは、第１シャフト４１と第２シャフト４２との軸方向重複部４２ｂｓに対し、摩擦攪拌接合ツール６０を所定の円周角度θ毎（等間隔）に軸方向に所定の長さＬＳにわたり直線状に連続して駆動させて第１シャフト４１と第２シャフト４２を摩擦攪拌接合したものである。なお、摩擦攪拌接合ツール６０の軸方向駆動の始点については、例えば１つ前の軸方向駆動の終点と同じ側の端点とした方が、最小の駆動距離で接合部４０ｂを形成することが可能となる。例えば、摩擦攪拌接合ツール６０を軸方向右向きへ端点Ｅ１から端点Ｅ２へ駆動させた後、次の軸方向駆動の始点は端点Ｅ２となる。

この接合部４０ｂでは、接合本数（円周角度θ）および軸方向長さＬＳを増加させて接合面積を増加させることができるため、接合強度の更なる増加が可能となる。また、上記接合部４０ａは円周方向に連続しているため、一部の剥離が起点となって全体が剥離する懸念があるのに対し、この接合部４０ｂでは各接合が独立しているため、一部が剥離しても全体が剥離することはない。

また、この接合部４０ｂは軸方向の接合面積を大きく確保することが可能であるため、曲げ荷重に対する接合部４０ｂの剛性を好適に維持することができる。

なお、各接合部は円周方向に不均等に設けても良く、円周角度θ毎に軸方向長さＬＳを変えても良い。また、各接合部は直線状だけでなく曲線状で構成しても良い。

次に、図４（ｃ）に示される接合部４０ｃは、第１シャフト４１と第２シャフト４２との軸方向重複部４２ｂｓに対し、摩擦攪拌接合ツール６０を所定の円周角度θ毎に軸方向の駆動方向（左向き、右向き）のみを反転させながら所定の軸方向長さＬＳ、続けて所定の円周方向長さＬＣにわたり直線状に連続して駆動させて第１シャフト４１と第２シャフト４２を摩擦攪拌接合したものである。例えば、摩擦攪拌接合ツール６０を、円周方向右向きに長さＬＣ→軸方向右向きに長さＬＳ→円周方向右向きに長さＬＣ→軸方向左向きに長さＬＳ→円周方向右向きに長さＬＣ→軸方向右向きに長さＬＳ→円周方向右向きに長さＬＣ→軸方向左向きに長さＬＳ→円周方向右向きに長さＬＣ・・・、というように摩擦攪拌接合ツール６０を直線状に連続して駆動させて第１シャフト４１と第２シャフト４２を摩擦攪拌接合したものである。なお、接合部４０ｃの始点と終点が一致するように、周方向長さＬＣについては、例えば第１シャフト４１の外周全長をＬＣで除算した値が偶数となるように決定される。

この接合部４０ｃは上記接合部４０ａ（円周方向）および上記接合部４０ｂ（軸方向）が組み合わされた複合型であり、生産効率および接合面積の点において優れている。

なお、軸方向長さＬＳ及び周方向長さＬＣは一定値でなくても良い。また、接合部は直線状だけでなく曲線状で構成しても良い。

次に、図４（ｄ）に示される接合部４０ｄは、第１シャフト４１と第２シャフト４２との軸方向重複部４２ｂｓに対し、摩擦攪拌接合ツール６０を所定の円周角度θ毎に、軸方向に平行な直線Ｌａに関し傾斜角δに沿って長さＬＯにわたり直線状に駆動させて第１シャフト４１と第２シャフト４２を摩擦攪拌接合したものである。

図５は、図４（ｄ）の第１シャフト４１の外周面４１Ｓｂを平面に展開した展開図である。なお、太点線は円周角度θ毎の摩擦攪拌接合ツール６０の軸方向重複部４２ｂｓに対する駆動方向を示している。
図５から明らかな通り、摩擦攪拌接合ツール６０の駆動は、摩擦攪拌接合ツール６０の軸方向駆動と円周方向駆動が同時に組み合わされたものである。また、図５に示される摩擦攪拌接合ツール６０の駆動では、駆動の始点は１つ前の駆動の終点と同じ側の端点となっている。この場合、円周角度θ毎に軸方向駆動方向と円周方向駆動方向の双方の駆動方向がともに反転していることが分かる。

ところで図６（ａ）に示されるように、接合部が軸方向に沿って形成されている場合（例えば上記接合部４０ｂ）、捩りモーメントが負荷されると、第２シャフト４２側の端部Ｅ２において接合方向に直交した方向に荷重Ｆが集中する。これに対し図６（ｂ）に示されるように、接合部が軸方向に関し傾斜して形成されている場合（例えば上記接合部４０ｄ）、端部に集中する荷重Ｆは接合方向成分Ｆ１とその垂直方向成分Ｆ２に分解されるため、端部に集中する荷重Ｆを好適に分散させることができる。

なお、図６（ｂ）の場合、接合部の傾斜方向が捩り方向と同方向、すなわち第２シャフト４２側の端部Ｅ２を通る、軸方向に平行な直線Ｌａを基準としたときの接合部の傾斜方向が捩り方向と同方向の場合、荷重Ｆの接合方向成分Ｆ１は接合部４０ｄに対し圧縮方向に作用する。すなわち接合方向成分Ｆ１は第２シャフト４２が第１シャフト４１の内周面に圧入接合する方向に作用するため、接合部４０ｄは剥離しにくくなる。

再び図４（ｄ）に戻って、接合部４０ｄは、第２シャフト４２側の端部Ｅ２通る、軸方向に平行な直線Ｌａを基準とした時の傾斜方向が捩り方向と同方向の、いわゆる片振り荷重の場合にのみ、接合強度の向上に有効である。

なお、各接合部は円周上均等に設けなくても良く、傾斜角δ及び長さＬＯは一定値でなくても良い。また、各接合部は直線状だけでなく曲線状で構成しても良い。

図４（ｅ）に示される接合部４０ｅは、第１シャフト４１と第２シャフト４２との軸方向重複部４２ｂｓに対し、例えば軸方向に平行な直線Ｌａに関し円周方向右向きの傾斜角δで軸方向左向きに長さＬＯ’だけ直線状に駆動させて、続けて傾斜角δと直線Ｌａに関し対称の円周方向左向きの傾斜角δで軸方向右向きに長さＬＯ’だけ直線状に駆動させて、以後この駆動を繰り返して第１シャフト４１と第２シャフト４２を摩擦攪拌接合したものである。なお、上記接合部４０ｃと同様に、接合部４０ｅの始点と終点が一致するように、円周角度θについては、例えば３６０°をθで除算した値が偶数となるように決定される。

図７は、図４（ｅ）の第１シャフト４１の外周面４１Ｓｂを平面に展開した展開図である。なお、太点線は円周角度θ毎の摩擦攪拌接合ツール６０の軸方向重複部４２ｂｓに対する駆動方向を示している。
図７から明らかな通り、摩擦攪拌接合ツール６０の駆動は、摩擦攪拌接合ツール６０の軸方向駆動と円周方向駆動が同時に組み合わされたものである。また、図７に示される摩擦攪拌接合ツール６０の駆動では、駆動の始点は１つ前の駆動の終点と同じ端点となっている。この場合、円周角度θ毎に軸方向駆動方向のみの駆動方向が反転し、円周方向の駆動方向は定方向であることが分かる。

再び図４（ｅ）に戻ってこの接合部４０ｅは、傾斜方向が捩り方向と同方向ならびに捩り方向と逆方向の２種類の接合部から構成されているため、捩り方向に拘わらず、いわゆる片振り荷重だけでなく両振り荷重の場合においても、接合強度の向上に有効である。この場合、軸方向の接合面積が広いため、曲げ荷重に対しても強固な接合となる。従って、この接合部４０ｅは上記接合部４０ａ,４０ｂ,４０ｃ,４０ｄを加えた中で最も強固な接合強度を有している。

なお、傾斜角δ及び長さＬＯ’は一定値でなくても良い。また、各接合部は直線状だけでなく曲線状で構成しても良い。また、傾斜角δ及び傾斜角−δの各絶対値については、例えば１０°、−１５°のように互いに異なっていても良い。すなわち、傾斜角は直線Ｌａに関し非対称に反転させても良い。

なお、上記接合部のバリエーションの説明においては、摩擦撹拌接合される第１シャフト４１及び第２シャフト４２（以下、単に「ワーク」とも言う。）は固定された状態で、摩擦撹拌接合ツール６０（以下、単に「ツール」とも言う。）を所定の方向に駆動させることとしている。

この方式とは逆に、ツールは固定された状態でワークを所定の方向に駆動させることにより所定の接合部を得ることも可能である。例えば、ツールは固定された状態でワークを例えば３６０°だけ回転駆動または距離ＬＳだけ軸方向駆動させることにより、円周方向又は軸方向に沿ってワークが摩擦撹拌接合された、図４（ａ）又は図４（ｂ）に示される上記接合部４０ａ,４０ｂをそれぞれ得ることも可能である。なお、ここで言う「ツールは固定された状態」とは、ツールはワークの軸方向及び回転方向（円周方向）に対し変位することが出来ない状態を意味する。従って、ツールはワークの径方向に対し変位することは可能である。なお、ここで言う「回転駆動」とは軸の回りに回転させることを意味し、「軸方向駆動」とは軸に対し平行に直線移動させることを意味する。

また、ワーク又はツールの何れかを駆動させる方式ではなく、ワーク及びツールの双方を所定の方向へ順にそれぞれ駆動させることにより、所定の接合部を得ることも可能である。例えば、ツールを距離ＬＳだけ軸方向駆動させた後にワークを所定角度θ（円弧長ＬＣ）だけ回転駆動させることにより、軸方向と円周方向が組み合わされた複合方向に沿ってワークが摩擦撹拌接合された、図４（ｃ）に示される上記接合部４０ｃを得ることも可能である。

また、ツールを所定の距離（ＬＯ×cosδ）だけ軸方向駆動させるのと同時にワークを所定の角度θ（円弧長ＬＯ×sinδ）だけ回転駆動させることにより、軸方向に対し所定の角度δだけ傾斜した傾斜方向に沿ってワークが摩擦撹拌接合された、図４（ｄ）に示される上記接合部４０ｄを得ることも可能である。

また、所定の円周角度θ毎に軸方向に関する駆動方向を反転させながら、ツールを所定の距離（ＬＯ‘×cosδ）だけ軸方向駆動させるのと同時にワークを所定の角度θ（円弧長ＬＯ’×sinδ）だけ回転駆動させることにより、軸方向に対し所定の角度δ、−δだけ交互に傾斜した傾斜方向に沿ってワークが摩擦撹拌接合された、図４（ｅ）に示される上記接合部４０ｅを得ることも可能である。

また、例えば、ワークを所定周回数（本実施形態では５.５周回数）だけ回転駆動させるのと同時にツールを軸方向に駆動させることにより、螺旋方向に沿ってワークが摩擦撹拌接合された、図８に示される接合部４０ｆを得ることも可能である。

（第２の実施形態）
ところで、摩擦攪拌接合ツール６０を使用して第１シャフト４１と第２シャフト４２との軸方向重複部４２ｂｓを摩擦攪拌接合する場合、摩擦攪拌接合ツール６０を引き抜く際に、第１シャフト４１の外周面４１Ｓｂにいわゆるツール抜き穴が生じる。従って、このツール抜き穴を油路の一部（下穴）として利用することにより、第１シャフト４１と第２シャフト４２との軸方向重複部４２ｂｓを通る油路を設けることが可能となる。この場合、第２シャフト４２が第１シャフト４１の内周面４１Ｓａに圧入接合されているため、油路のレイアウト自由度が高くなる。以下、内部に油路が形成されたステータシャフトについて説明する。

図９は、本発明の第２の実施形態に係るステータシャフト４０Ａを示す説明図である。なお、図９（ａ）はステータシャフト４０Ａの要部断面図であり、図９（ｂ）は軸方向重複部４２ｂｓを摩擦攪拌接合した直後のステータシャフト４０Ａの簡略図である。
図９（ａ）に示されるように、このステータシャフト４０Ａでは、第１シャフト４１のストレート部４１Ｓに２つの油路４１ｏｐ,４１ｏｐがそれぞれ形成される一方、第２シャフト４２の軸方向重複部４２ｂｓに上記油路４１ｏｐ,４１ｏｐに連通する油路４２ｏｐが形成されている。また、油路４２ｏｐの両側の軸方向重複部４２ｂｓは、上記第１の実施形態の図４（ａ）に示される円周方向の接合経路に沿ってそれぞれ摩擦攪拌接合され、これにより図４（ａ）に示される接合部と同じ構成の接合部４０ａ,４０ａがそれぞれ形成されている。なお、上記以外の構成については上記第１の実施形態に係るステータシャフト４０の構成と同じである。

第２シャフト４２の油路４２ｏｐは軸方向重複部４２ｂｓに予め形成されているのに対し、第１シャフト４１の２つの油路４１ｏｐ,４１ｏｐは軸方向重複部４２ｂｓを摩擦攪拌接合した後に形成される。すなわち、図９（ｂ）に示されるように、第２シャフト４２の軸方向重複部４２ｂｓを円周方向に沿って摩擦攪拌接合する場合、摩擦攪拌接合ツール６０を引き抜く際に、第１シャフト４１の外周面４１Ｓｂにツール抜き穴４１ＴＨが生じる。このツール抜き穴４１ＴＨを油路の下穴として利用し、このツール抜き穴４１ＴＨを軸方向重複部４２ｂｓに予め形成された油路４２ｏｐに連通させることにより、上記油路４１ｏｐが形成される。その結果、これらの油路４１ｏｐ,４１ｏｐ及び油路４２ｏｐは、例えば、オイルポンプＯＰを駆動するためのスプロケット４５（図２）及びスプロケット４５を回転可能に支持するベアリング４６（図２）等を潤滑するための油路として利用することが可能となる。なお、摩擦攪拌接合による接合部４０ａは、油路４１ｏｐ,４１ｏｐ及び油路４２ｏｐを軸方向に挟む形態で油路４１ｏｐ,４１ｏｐ及び油路４２ｏｐの両側にそれぞれ形成されているため、これら接合部４０ａ,４０ａは油路４１ｏｐ,４１ｏｐ及び油路４２ｏｐに対しシール機能を発揮している。

なお、上記ツール抜き穴４１ＴＨは、ステータ２４（図２）からの回転荷重を受ける部位（第２シャフト４２の先端部４２ｃ）から離れた部位（遠い部位）に形成されている。上記ツール抜き穴４１ＴＨが第２シャフト４２の先端部４２ｃから近い部位に形成されている場合、上記ツール抜き穴４１ＴＨに応力が集中し、この応力集中により直近の接合部４０ａが剥離する虞があるためである。従って、上記ツール抜き穴４１ＴＨは第２シャフト４２の先端部４２ｃから離れた部位（遠い部位）に形成することが好ましい。

（第３の実施形態）
図１０は、本発明の第３の実施形態に係るステータシャフト４０Ｂを示す要部断面図である。
このステータシャフト４０Ｂは、上記ステータシャフト４０と異なり、第１シャフト４１のエンジン１側の軸方向端面４１Ｓｃが第２シャフト４２の外周面４２ｂに接合していない。すなわち、第１１シャフト４１と第２シャフト４２は軸方向重複部４２ｂｓにおいてのみ面接合している。径方向重複部４２ｂｗ（図３）を省略することにより、第２シャフト４２の構造が簡素化され、これにより製造コストの削減に寄与することが可能となる。

以上の通り、第１シャフト４１と第２シャフト４２との軸方向に沿った上記重複部に摩擦攪拌接合を適用することにより、以下の効果を得ることができる。
（１）摩擦圧接では接合部に対するバリの除去が必要である。これに対し摩擦攪拌接合では回転するツールで鋼の新生面を露出させるため、発生するバリは微細であり除去不要である。これにより、製造コストの削減が可能となる。
（２）摩擦圧接では両接合部材を軸方向に押し付け合うため軸方向の寸法精度が不安定である。これに対し、摩擦攪拌接合では両接合部材に対する荷重はツールによる径方向の荷重のみであるため、軸方向の寸法精度は安定する。このため被接合部材同士を摩擦攪拌接合によって接合した後そのままの状態で製品として用いることができる。
（３）被接合部材間に油圧孔等の位相がある場合、摩擦圧接では高精度の回転静止制御が必要である。これに対し、摩擦攪拌接合では位相を合わせ後に第２シャフト４２を第１シャフト４１に圧入接合することが可能であり、高精度の回転静止制御が不要となり製品品質が安定する。
（４）従来技術のように第１シャフト４１と第２シャフト４２を軸方向に突き当てて摩擦圧接によって接合した場合、軸に曲げ荷重が負荷されると、その接合部に応力が集中する。これに対し、本願のように第２シャフト４２を第１シャフト４１の内周面に圧入接合し摩擦攪拌接合によって接合した場合、外側をなす第１シャフト４１が接合部４０ａを支持する役目を果たすため、接合部における応力集中を緩和することができ、曲げ荷重に対して強固な接合になる。
（５）鋼側において摩擦圧接の場合は接合部から広い範囲まで熱影響部が及ぶのに対し、摩擦攪拌接合の場合はツール径の範囲の加熱であり、さらにアルミニウム（第１シャフト４１）の塑性流動による冷却作用も付加される。このため、熱処理部品でも焼き戻しされることがなくなり、被接合部材の適用範囲が広くなる。
（６）第１シャフト４１と第２シャフト４２との上記重複部を、２箇所以上摩擦攪拌接合によって面接合することにより、第１シャフト４１と第２シャフト４２との間に油路を設けることができる。この場合、接合部は油路に対するシール機能を発揮する。また、第２シャフト４２が第１シャフト４１の内周面に圧入接合されているため、油路のレイアウト自由度が高くなる。

１ エンジン
２ トルクコンバータ
３ 変速機本体
５ ディファレンシャル機構
１４ 第３シャフト
２１ フロントカバー
２２ ポンプ翼車（ポンプインペラ）
２２ａ ボス部材
２３ タービン翼車（タービンランナ）
２３ａ タービンランナハブ
２４ ステータ
２５ ワンウェイクラッチ
２６ 中間部材
２７ ロックアップクラッチ
２７ａ ロックアップクラッチピストン
２７ｂ 油室
２７ｃ 油室
４０ ステータシャフト
４０Ａ ステータシャフト
４０Ｂ ステータシャフト
４０ａ 接合部
４０ｂ 接合部
４０ｃ 接合部
４０ｄ 接合部
４０ｅ 接合部
４０ｆ 接合部
θ 円周角
δ 傾斜角
４１ 第１シャフト
４１Ｓ ストレート部
４１Ｓａ ストレート部内周面
４１Ｓｂ ストレート部外周面
４１Ｆ フランジ部
４１ｏｐ 油路
４１ＴＨ ツール抜き穴
４２ 第２シャフト
４２ａ 内周面
４２ｂ 外周面
４２ｂｓ 段差面
４２ｂｗ 段差壁
４２ｏｐ 油路
４３ 第１隔壁
４４ 第２隔壁
４５ スプロケット
４６ ベアリング
６０ 摩擦攪拌接合ツール
６１ ショルダー
６２ ピン
１００ 変速機

Claims (6)

1. 互いに異なる材質から成る少なくとも第１シャフト及び第２シャフトが同軸に接合された異種金属接合シャフトを備えた変速機であって、
   前記第１シャフトは中空構造を有すると共に前記第２シャフトは前記第１シャフトの内部に圧入され、該第１シャフトの内周面と該第２シャフトの外周面が軸方向に関し重複した軸方向重複部を有し、該軸方向重複部は摩擦攪拌接合によって接合されていることを特徴とする異種金属接合シャフトを備えた変速機。
2. 前記第１シャフトは軽金属から構成されていると共に前記第２シャフトの外周面は前記軽金属より強度及び融点の高い金属から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の異種金属接合シャフトを備えた変速機。
3. 前記軸方向重複部は、円周方向の所定間隔毎に円周方向、軸方向或いは軸方向に対して所定の角度傾斜した傾斜方向、又は螺旋方向の何れかに沿って所定の長さにわたり連続して、又はこれらの方向が組み合わされて成る複合方向に沿って連続して摩擦攪拌接合によって接合されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の異種金属接合シャフトを備えた変速機。
4. 前記軸方向重複部は、円周方向の所定間隔毎に軸方向に対する傾斜角度が交互に反転した傾斜方向に沿って摩擦撹拌接合によって接合されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の異種金属接合シャフトを備えた変速機。
5. 前記傾斜方向に係る接合部は、該接合部の前記第２シャフト側の端部を通る軸方向に平行な直線に関して該第２シャフトに作用する捩り荷重の方向と同方向に傾斜していることを特徴とする請求項３に記載の異種金属接合シャフトを備えた変速機。
6. 前記変速機はトルクコンバータを備え、前記トルクコンバータのステータは前記第２シャフトによって支持され、前記第１シャフトは前記変速機の固定部材に固定されていることを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の異種金属接合シャフトを備えた変速機。

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