JP6549048B2

JP6549048B2 - 自動車用の動力伝達系シャフト

Info

Publication number: JP6549048B2
Application number: JP2016021154A
Authority: JP
Inventors: 吉田　博司; 博司吉田; 水村　正昭; 正昭水村; 康範森; 紘明窪田; 秀輔飯塚; 啓介小飯塚
Original assignee: Yamada Manufacturing Co Ltd; Nippon Steel Corp
Current assignee: Apic Yamada Corp; Nippon Steel Corp
Priority date: 2016-02-05
Filing date: 2016-02-05
Publication date: 2019-07-24
Anticipated expiration: 2036-02-05
Also published as: JP2017136635A

Description

本発明は、自動車用の動力伝達系シャフトに関する。

現在、地球環境の保護の観点から、自動車の軽量化が求められている。例えば、車体を構成する鋼板の高張力化による板厚の低減や、各種の自動車搭載部品の軽量化が強力に推進されている。このため、自動車の製造コストは上昇する傾向にあり、各種自動車搭載部品のいっそうの低コスト化も求められている。

例えば、左右のドライブシャフトに接続されてトルクステアを防止する動力伝達系シャフトでは、既に、旧来の中実部品から中空化を図ることによって軽量化を図ることが実用化されている。

このような中空のシャフトは、その軸方向で外径および内径が変化する形状を有することが多く、これまで、以下に列記の製造方法により製造されてきた。

（ａ）摩擦圧接を利用した製造方法
軸方向で外径および内径が変化する形状を有するシャフトにおける軸方向中央部と軸方向両端部を別々に製造し、摩擦圧接によりこれらを接合する方法である。軸方向中央部は鋼管を切断することにより製造し、軸方向両端部は鍛造品を削り出して製造する。

（ｂ）ロータリースウェージングを利用した製造方法
軸方向の肉厚が一定な鋼管の両端部を、ロータリースウェージングにより薄肉化や縮径、増肉することにより製造する方法である。特許文献１には、この方法により、中空のシャフトを製造する発明が開示されている。

特開２０１１−１２１０６８号公報

摩擦圧接を利用した製造方法によれば、製品の軸方向中央部を薄肉化できるためにシャフトの軽量化を図ることが確かに可能であるが、軸方向中央部と軸方向両端部を接合する必要があるため、製造コストの上昇は避けられない。また、接合部の品質管理を厳しく行う必要もあり、この面からも製造コストが嵩む。

また、ロータリースウェージングを利用した製造方法を実施するための設備は非常に高価であるとともに、この製造方法による加工時間は不可避的に長くなることから、製造コストが嵩む。

このように、従来の技術では、動力伝達系シャフトのような中空のシャフトを安価に製造することは難しかった。

本発明の目的は、中空の動力伝達系シャフトを提供することである。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、素材である肉厚一定の鋼管を、製造しようとする製品の外形と同じ形状の内面形状を有する外型の内部に配置し、この鋼管の軸方向の両端面それぞれを鋼管の軸方向へ押圧可能なベース部と、このベース部に設けられて鋼管の軸方向の両端部の内面形状と同じ形状の外面形状を有する芯金部とを有する一対の金型の間で、鋼管を軸方向に圧縮することにより、中空の動力伝達系シャフトを安価に製造できることを知見し、さらに検討を重ねて本発明を完成した。

本発明は、軸方向の両端部から軸方向の中央部へ向けて、肉厚が最も厚い増肉部と、該増肉部よりも外径が大きいとともに肉厚が薄い膨出部と、該膨出部よりも外径が小さい中央部とを有する自動車用の中空の動力伝達系シャフトであって、
前記増肉部および前記膨出部の硬さは、前記中央部の硬さよりも大きい、自動車用の中空の動力伝達系シャフトである。

本発明により、中空の動力伝達系シャフトを安価に提供することができるようになる。

図１は、本発明の実施状況を模式的に示す説明図であり、図１（ａ）は鍛造加工前を示し、図１（ｂ）は鍛造加工後を示す。図２（ａ）は、本発明で用いることができる加工素材の鋼管の寸法の範囲を示す説明図であり、図２（ｂ）は、本発明により製造可能な中空の動力伝達系シャフトの寸法の範囲を示す説明図である。図３は、図１（ａ）および図１（ｂ）に示す一対の金型の変形例を示す説明図である。図４（ａ）は、芯金部がテーパ形状を有する場合におけるテーパ角度αを示す説明図であり、図４（ｂ）は、芯金部のテーパ角度が一定の場合における成形完了時の状態を示す説明図であり、図４（ｃ）は、芯金部のテーパ角度が段階的に変化する場合における成形完了時の状態を示す説明図であり、さらに、図４（ｄ）は、芯金部のテーパ角度が連続的に変化する場合における成形完了時の状態を示す説明図である。図５は、図１（ａ）および図１（ｂ）に示す一対の金型の他の変形例を示す説明図である。図６は、図１（ａ）および図１（ｂ）に示す一対の金型のさらに他の変形例を示す説明図である。

添付図面を参照しながら、本発明に係る自動車用の中空の動力伝達系シャフトとその製造方法を説明する。

１．自動車用の中空の動力伝達系シャフト１
図１は、本発明の実施状況を模式に示す説明図であり、図１（ａ）は鍛造加工前を示し、図１（ｂ）は鍛造加工後を示す。

図１（ｂ）に示すように、本発明により自動車用の中空の動力伝達系シャフト１を鍛造加工による一工程で製造する。

動力伝達系シャフト１は、軸方向の両端部２−１，２−２から軸方向の中央部２−３へ向けて、増肉部３−１，３−２と、膨出部４−１，４−２と、中央部５とを有する。

増肉部３−１，３−２は、増肉部３−１，３−２、膨出部４−１，４−２および中央部５のうちで、肉厚が最も厚い部分である。さらに、この増肉部３−１，３−２の外面にスプラインが刻設される。

膨出部４−１，４−２は、増肉部３−１，３−２よりも外径が大きいとともに肉厚が薄い部分である。増肉部３−１，３−２の外径は、増肉部３−１，３−２の外径を起点として徐々に増加し、膨出部４−１，４−２の軸方向の略中央位置で最大値となり、その後、中央部５へ向かうにつれて徐々に減少する。また、増肉部３−１，３−２の内径も、増肉部３−１，３−２の外径を起点として徐々に増加し、膨出部４−１，４−２の軸方向の略中央位置で最大値となり、その後、中央部５へ向かうにつれて徐々に減少する。

中央部５は、膨出部４−１，４−２よりも外径が小さい。中央部５の肉厚は、動力伝達系シャフト１の軸方向について略一定である。

増肉部３−１，３−２は、鍛造加工により増肉されるため、大きくかつ均一に加工硬化されている。ここで、「大きく均一に」とは、硬度：２００〜２５０Ｈｖ程度であり、硬度のばらつき（最大硬度と最小硬度の差）は５０Ｈｖ程度であることを意味する。

また、膨出部４−１，４−２も、鍛造加工により拡径されるため、加工硬化されている。加工硬化の程度は膨出量にもよるが、およそ硬度：２００〜２５０Ｈｖ程度である。

さらに、中央部５も、鍛造加工により拡径されるため、均一に加工硬化されている。ただし、増肉部や膨出部と比べると加工硬化の程度は小さく、硬度：１９０〜２１０Ｈｖ程度であり、硬度のばらつき（最大硬度と最小硬度の差）は２０Ｈｖ程度である。

増肉部３−１，３−２、膨出部４−１，４−２、中央部５がこのように加工硬化されていることにより、動力伝達系シャフト１は、自動車用の動力伝達系シャフトの基本的性能として要求される捩り強度や捩り疲労への特性向上が十分に図られている。

動力伝達系シャフト１は、例えば、Ｓ４５ＣＢ軟質化材（ＴＳ＝５５０ＭＰａ級）からなることが例示されるが、これに限定されるものではない。動力伝達系シャフト１は、鍛造加工による軸押しにより増肉と拡管を行われるために、加工による変形は、圧縮変形が主体となり、引張変形が少ない。このため、材料の高強度化による破断のリスクは非常に少ない。したがって、Ｓ４５ＣＢ軟質化材よりも低強度材を適用可能であることは言うまでもないが、Ｓ４５ＣＢ軟質化材よりも高強度材を用いても破断することなく成形可能である。

Ｓ４５ＣＢ軟質化材よりも高強度材では、軸押し荷重が高強度化に比例して増加するが、Ｓ３５ＣＢ軟質化材でも３５０トン程度であることから、１０００ＭＰａ級の高強度材でも７００トン程度となり、量産プレス機でも十分に製造可能である。

２．動力伝達系シャフト１の製造方法
はじめに、図１（ａ）に示すように、素材である肉厚一定の鋼管６を、動力伝達系シャフト１の外形と同じ形状の内面形状７ａを有する外型７の内部に、外型７の内面から離間させて配置する。

鋼管６の径方向に関する外型７の内面と鋼管６の外面との間の隙間Ｗ（ｍｍ）は、鋼管６の軸方向の任意の位置における肉厚をｔ（ｍｍ）とするとともに外径をｄ（ｍｍ）とした場合に、Ｗ≧０．２×（ｔ／ｄ）であることが、加工時における荷重を低減できるために、望ましい。

なお、図示していないが、外型７は、一般的な型鍛造に用いられる金型と同様に、左右２分割されて構成されており、成形後の製品を取り出すことができるように構成されている。

次に、鋼管６の軸方向の両端面６−１，６−２それぞれを鋼管６の軸方向へ押圧可能なベース部８−１，８−２と、ベース部８−１，８−２に設けられて動力伝達系シャフト１の軸方向の両端部の内面形状１−１，１−２と同じ形状の外面形状９−１ａ，９−２ａを有する芯金部９−１，９−２とを有する上下一対の金型（芯金付きパンチ）１０−１，１０−２の間で、鋼管６を軸方向に圧縮する型鍛造を行う。

この型鍛造の際、図１（ｂ）中のＡ部では、金型１０−１，１０−２の底面から軸押しにより、増肉部３−１，３−２が形成される。図１（ｂ）中のＢ部では、鋼管６が拘束されていないため、軸押しにより増肉はほとんどされずに拡管して膨出部４−１，４−２が形成される。さらに、図１（ｃ）中のＣ部では、鋼管６が拘束されていないため、軸押しにより若干拡管され、場合によっては若干増肉されて中央部５が形成される。

図２（ａ）は、本発明で用いることができる加工素材の鋼管６の寸法の範囲を示す説明図であり、図２（ｂ）は、本発明により製造可能な中空の動力伝達系シャフト１の寸法の範囲を示す説明図である。なお、図２（ａ）および図２（ｂ）に示す各部寸法は、鋼管６の素材としてＳ４５ＣＢ軟質化材（ＴＳ＝５５０ＭＰａ級）を用いた場合である。

図２（ｂ）に示す動力伝達系シャフト１は、各部の肉厚に関する下記条件１と、各部の外径に関する下記条件２とをともに満足する。
条件１：ｔ_１＞ｔ_２、ｔ_３であって、かつ４ｍｍ＜ｔ_１、ｔ_２、ｔ_３＜１５ｍｍ
条件２：Ｄ_２＞Ｄ_１およびＤ_２＞Ｄ_３、２０ｍｍ＜Ｄ_１，Ｄ_３＜４５ｍｍであって、かつ２２ｍｍ＜Ｄ_２＜５５ｍｍ
さらに、鋼管６の軸方向長さＬ（ｍｍ）に関する下記条件３を満足することが望ましい。
条件３：１００≦Ｌ≦２０００
この後、型鍛造により成形された中空の動力伝達系シャフト１から金型１０−１，１０−２を抜き出し、外型７を左右に２分割して、動力伝達系シャフト１を取り出す。このようにして、中空の動力伝達系シャフト１が一工程の型鍛造により、製造される。

図３は、図１（ａ）および図１（ｂ）に示す一対の金型１０−１，１０−２の変形例を示す説明図である。

型鍛造により成形された中空の動力伝達系シャフト１から金型１０−１，１０−２を抜き出す際の引き抜き荷重を低減するために、金型１０−１，１０−２の芯金部９−１，９−２は、図３に示すように、その先端に向かうにつれて外径が小さくなるテーパ形状を有することが望ましい。

特に、管端部である増肉部３−１，３−２を所望の肉厚分布とするためには、芯金部９−１，９−２の外径は、増肉部３−１，３−２の肉厚に応じて段階的または連続的に変化することが望ましい。

図４（ａ）は、芯金部９−１がテーパ形状を有する場合におけるテーパ角度αを示す説明図であり、図４（ｂ）は、芯金部９−１のテーパ角度が一定の場合における成形完了時の状態を示す説明図であり、図４（ｃ）は、芯金部９−１のテーパ角度が段階的に変化する場合における成形完了時の状態を示す説明図であり、さらに、図４（ｄ）は、芯金部９−１のテーパ角度が連続的に変化する場合における成形完了時の状態を示す説明図である。

図４（a）に示すテーパ角度αは、０．３°以上１０°以下であることが好ましい。

図４（ｂ）に示す芯金部９−１は図３（a）および図３（ｂ）に示す芯金部９−１と同様である。

一方、図４（ｃ）に示す芯金部９−１を有する金型１０−１を用いることにより、製造される動力伝達系シャフト１の肉厚を段階的に変化させることができる。図４（ｃ）に示す芯金部９−１では、テーパ角度αを、Ａ部、Ｂ部、Ｃ部の３段階に分けている。Ａ〜Ｃ部それぞれのテーパ角度αは、それぞれ０．３°以上１０°以下の範囲で適宜組み合わせればよい。

さらに、図４（ｄ）に示す芯金部９−１を有する金型１０−１を用いることにより、製造される動力伝達系シャフト１の肉厚を連続的に変化させることができる。テーパ角度αは、それぞれ０．３°以上１０°以下の範囲で適宜変化させればよい。

また、このテーパ形状を有することにより、鋼管１に金型１０−１，１０−２をセットする際の軸芯合わせを容易にすることも可能になる。

図５は、図１（ａ）および図１（ｂ）に示す一対の金型１０−１，１０−２の他の変形例を示す説明図である。

型鍛造により成形された中空の動力伝達系シャフト１から金型１０−１，１０−２を抜き出す際の引き抜き荷重を低減するために、金型１０−１，１０−２の芯金部９−１，９−２は、図５に示すように、ベース部８−１，８−２における鋼管６の軸方向の両端面６−１，６−２との当接部８−１ａ，８−２ａは、鋼管６の外側へ向けて傾斜して形成されることが望ましい。また、当接部８−１ａ，８−２ａがこのように傾斜して形成されることにより、鋼管１に金型１０−１，１０−２をセットする際の軸芯合わせを容易にすることも可能になる。

さらに、当接部８−１ａ，８−２ａがこのように傾斜して形成されることにより、当接部８−１ａ，８−２ａがこのように傾斜して形成されない場合（図１（ａ）および図１（ｂ）参照）に比較して、鋼管６における膨出部４−１，４−２に形成される部分に対して、拡管方向への力がより負荷され、これにより、膨出部４−１，４−２をより早く形成することができるため、より小さい軸押し荷重で成形可能である。

図６は、図１（ａ）および図１（ｂ）に示す一対の金型１０−１，１０−２のさらに他の変形例を示す説明図である。

図６に示すように、芯金部９−１，９−２がこのテーパ形状を有することと、当接部８−１ａ，８−２ａが傾斜して形成されることを併せ持ってもよいことは言うまでもない。

このようにして、本発明によれば、中空の動力伝達系シャフト１を、一工程の型鍛造により安価に製造することができる。

１動力伝達系シャフト
１−１，１−２両端部
３−１,３−２増肉部
４−１，４−２膨出部
５中央部
６鋼管
６−１，６−２両端面
７外型
７ａ内面形状
８−１，８−２ベース部
８−１ａ，８−２ａ当接部
９−１，９−２芯金部

Claims

軸方向の両端部から軸方向の中央部へ向けて、肉厚が最も厚い増肉部と、該増肉部よりも外径が大きいとともに肉厚が薄い膨出部と、該膨出部よりも外径が小さい中央部とを有する自動車用の中空の動力伝達系シャフトであって、
前記増肉部および前記膨出部の硬さは、前記中央部の硬さよりも大きい、自動車用の中空の動力伝達系シャフト。