JP7374817B2 - ドライブシャフト及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、自動車において走行駆動力発生機構が発生した走行駆動力を車輪に伝達するためのドライブシャフト及びその製造方法に関する。
自動車のドライブシャフトは、軽量でありながら、等速ジョイント等が設けられる端部の剛性が優れるものである必要がある。この要請に対応するべく、例えば、特許文献１には、ドライブシャフトを中空管体と中実スタブシャフトとの接合体として構成することが提案されている。すなわち、ドライブシャフトの端部を除く中央部分を中空管体とすることで軽量化を図る。また、ドライブシャフトの端部を中実スタブシャフトとすることで高剛性化を図る。
中空管体と中実スタブシャフトとの接合手法としては、例えば、摩擦圧接が採用される。摩擦圧接を行う場合、中空管体の端部に環状に設けられた第１環状壁と、該第１環状壁と略同形状の環状となるように中実スタブシャフトの端部に設けられた第２環状部とを摩擦圧接する。これによって、第１環状壁と第２環状壁との間に形成される摩擦圧接部を介して中空管体と中実スタブシャフトとが接合される。
特開２００８－８７００３号公報
上記の摩擦圧接部にはバリが形成される。第１環状部及び第２環状部の各々の外周面側に形成されるバリは、ドライブシャフトの外側から機械加工等を施すことにより除去可能である。しかしながら、第１環状部及び第２環状部の各々の内周面側に形成されるバリは、ドライブシャフトの外側から除去することはできず、ドライブシャフトの製品に残存する。このバリの形状によっては、該バリの立ち上がり基端部等が応力集中部となって、ドライブシャフトの疲労強度を低下させる懸念がある。
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、疲労強度及びねじり強度に優れたドライブシャフト及びその製造方法を提供する。
本発明の一態様は、中炭素鋼からなる中空管体の端部に環状に設けられた第１環状壁と、中炭素鋼からなる中実スタブシャフトの端部に環状に設けられた第２環状壁とが摩擦圧接部を介して軸方向に接合されたドライブシャフトであって、前記第１環状壁及び前記第２環状壁のそれぞれは、外径が３０～５０ｍｍであり且つ壁厚が３～５ｍｍであり、前記摩擦圧接部には、前記第１環状壁の内壁面である第１内壁面、及び前記第２環状壁の内壁面である第２内壁面からそれぞれ立ち上がるバリが形成され、前記バリは、前記第１内壁面からの立ち上がり基端であるバリ底部と、前記第１内壁面の直交方向に延在する直交部とを有し、前記バリ底部の曲率半径であるつなぎアールｒは０．５ｍｍ以上であり、前記バリの前記バリ底部と前記直交部との間の部分の最小曲率半径である根本アールＲは０．５ｍｍ以上であり、前記第１内壁面に対する前記バリ底部の傾斜角度であるバリ底角度θが４０°以下であり、前記バリ底部と前記直交部との間の部分の前記軸方向に沿う長さであるバリ傾斜部長さＬが０．２～５ｍｍである。
本発明の別の一態様は、中炭素鋼からなる中空管体の端部に環状に設けられた第１環状壁と、中炭素鋼からなる中実スタブシャフトの端部に環状に設けられた第２環状壁とを摩擦圧接部を介して接合してドライブシャフトを得るドライブシャフトの製造方法であって、前記中実スタブシャフトを冷間鍛造で得る鍛造工程と、外径が３０～５０ｍｍであり且つ壁厚が３～５ｍｍである前記第１環状壁及び前記第２環状壁を摩擦圧接する摩擦圧接工程と、を有し、前記摩擦圧接工程では、前記第１環状壁の内壁面である第１内壁面、及び前記第２環状壁の内壁面である第２内壁面からそれぞれ立ち上がるバリが、前記第１内壁面からの立ち上がり基端であるバリ底部と、前記第１内壁面の直交方向に延在する直交部とを有し、前記バリ底部の曲率半径であるつなぎアールｒが０．５ｍｍ以上となり、前記バリの前記バリ底部と前記直交部との間の部分の最小曲率半径である根本アールＲが０．５ｍｍ以上となり、前記第１内壁面に対する前記バリ底部の傾斜角度であるバリ底角度θが４０°以下となり、前記バリ底部と前記直交部との間の部分の前記軸方向に沿う長さであるバリ傾斜部長さＬが０．２～５ｍｍとなる前記摩擦圧接部を形成する。
このドライブシャフトでは、摩擦圧接部に形成されるバリの形状が上記のように設定される。このため、バリに応力集中が生じることを抑制して、ドライブシャフトの疲労強度を向上させることができる。また、摩擦圧接部を介して中空管体と中実スタブシャフトとを良好に接合して、ドライブシャフトのねじり強度を向上させることが可能になる。
本発明の実施の形態に係るドライブシャフトの長手方向に沿った一部断面側面図である。 バリの形状を説明する要部概略説明図である。 摩擦圧接部における第１環状壁及び第２環状壁の顕微鏡写真である。 摩擦圧接部における中空管体（第１環状壁）の顕微鏡写真である。 摩擦圧接部における中実スタブシャフト（第２環状壁）の顕微鏡写真である。 本発明の実施の形態に係るドライブシャフトの製造方法の概略フローである。 摩擦圧接前の中空管体及び中実スタブシャフトの要部概略断面図である。 摩擦圧接後の中空管体及び中実スタブシャフトの要部概略断面図である。 バリのつなぎアールｒ及び根本アールＲと、最大応力集中係数との関係を示すグラフである。 バリのつなぎアールｒ及び根本アールＲと、破断トルクとの関係を示すグラフである。
本発明に係るドライブシャフト及びその製造方法について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の図において、同一又は同様の機能及び効果を奏する構成要素に対しては同一の参照符号を付し、繰り返しの説明を省略する場合がある。
図１に示すように、ドライブシャフト１０では、中空管体１２の軸方向の両端部に中実スタブシャフト１４がそれぞれ一体化されている。中空管体１２の両端部には、第１環状壁１６がそれぞれ設けられている。中実スタブシャフト１４の端部には、第２環状壁１８が設けられている。第２環状壁１８は、第１環状壁１６と略同形状に形成されている。
第１環状壁１６及び第２環状壁１８のそれぞれは、外径が３０～５０ｍｍであり且つ壁厚が３～５ｍｍとなっている。第１環状壁１６と第２環状壁１８とは軸方向に摩擦圧接されている。これによって、第１環状壁１６及び第２環状壁１８に形成された摩擦圧接部２０を介して中空管体１２と中実スタブシャフト１４とが接合されている。中空管体１２の軸方向の一端側と他端側とでは、互いに略同様に摩擦圧接部２０が形成されている。
図２に示すように、摩擦圧接部２０には、第１環状壁１６の内壁面である第１内壁面２２ａ、及び第２環状壁１８の内壁面である第２内壁面２４ａからそれぞれ立ち上がるバリ２６が形成されている。具体的には、バリ２６は、第１内壁面２２ａから立ち上がって、軸方向の第２内壁面２４ａと反対側に向かって湾曲する第１湾曲部２８と、第２内壁面２４ａから立ち上がって、軸方向の第１内壁面２２ａと反対側に向かって湾曲する第２湾曲部３０とを有する。
第１湾曲部２８は、第１内壁面２２ａからの立ち上がり基端であるバリ底部３２と、第１内壁面２２ａの直交方向に沿う直交部３４とを有する。バリ底部３２の曲率半径であるつなぎアールｒ１（つなぎアールｒ）は０．５～３ｍｍであることが好ましい。また、バリ２６のバリ底部３２と直交部３４との間の部分の最小曲率半径である根本アールＲ１（根本アールＲ）は０．５～２．５ｍｍであることが好ましい。さらに、第１内壁面２２ａに対するバリ底部３２の傾斜角度であるバリ底角度θ１（バリ底角度θ）は４０°以下である。さらにまた、バリ底部３２と直交部３４との間の部分の軸方向に沿う長さであるバリ傾斜部長さＬ１（バリ傾斜長さＬ）が０．２～５ｍｍである。
第２湾曲部３０は、第２内壁面２４ａからの立ち上がり基端であるバリ底部３６と、第２内壁面２４ａの直交方向に延在する直交部３８とを有する。第２湾曲部３０におけるつなぎアールｒ２、根本アールＲ２、バリ底角度θ２、バリ傾斜部長さＬ２のそれぞれは、特に限定されるものではないが、第１湾曲部２８におけるつなぎアールｒ１、根本アールＲ１、バリ底角度θ１、バリ傾斜部長さＬ１と略同様に設定されることが好ましい。
第１湾曲部２８と第２湾曲部３０との間には谷底部４０が形成される。この谷底部４０を、第１環状壁１６及び第２環状壁１８の径方向に沿って通る仮想線を仮想中心線Ｉとする。図３に示すように、摩擦圧接部２０では、第２環状壁１８の軸方向の端部１８ａが、仮想中心線Ｉから第１環状壁１６側に１～３０μｍ入り込んでいる。
本実施の形態において、図１の中空管体１２は中炭素鋼からなる。該中炭素鋼の好適な例としては、重量割合で０．４３～０．４７％のＣ、０．３０％以下のＳｉ、０．６０～０．９０％のＭｎ、０．０１０％以下のＰ、０．０２０％以下のＳ、０．１％以下のＣｕ、０．１％以下のＮｉ、０．０５以下％のＣｒ、０．０２～０．０４％のＡｌを含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物であるものが挙げられる。また、この中炭素鋼の結晶粒度は、ＡＳＴＭ Ｅ１１２に準拠した粒度番号で表すと＃５～＃９である。
図１の中実スタブシャフト１４も中炭素鋼からなる。該中炭素鋼の好適な例としては、重量割合で０．４５～０．５１％のＣ、０．２５％以下のＳｉ、０．３０～０．５０％のＭｎ、０．０１０％以下のＰ、０．００８～０．０２０％のＳ、０．１％以下のＣｕ、０．１％以下のＮｉ、０．１～０．２％のＣｒ、少なくとも、０．０５～０．２５％のＭｏ、０．０３～０．０８％のＮｂ、０．０１～０．０５％のＴｉの何れか１つ、０．０２～０．０４％のＡｌ、１０～３０ｐｐｍのＢを含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物であるものが挙げられる。
すなわち、中実スタブシャフト１４の素材である中炭素鋼には、中空管体１２の素材である中炭素鋼に比して多くのＭｏ、Ｎｂ、Ｔｉが含まれている。また、中実スタブシャフト１４を形成する中炭素鋼の結晶粒度は、ＡＳＴＭ Ｅ１１２に準拠した粒度番号で表すと＃９～＃１１である。
図４及び図５中の枠は、結晶粒界を表す。図４の顕微鏡写真の倍率及び枠の寸法に基づいて摩擦圧接部２０における中空管体１２（第１環状壁１６）の結晶粒度を求めた結果、ＡＳＴＭ Ｅ１１２に準拠した粒度番号で表すと＃５～＃９であった。図５の顕微鏡写真の倍率及び枠の寸法に基づいて摩擦圧接部２０における中実スタブシャフト１４（第２環状壁１８）の結晶粒度を求めた結果、ＡＳＴＭ Ｅ１１２に準拠した粒度番号で表すと＃１０～＃１２であった。このことから、図１の中実スタブシャフト１４及び中空管体１２の双方ともに、摩擦圧接部２０では結晶粒が微細化している。
摩擦圧接部２０における結晶粒の粒界近傍につき分析を行うと、特に、第２環状壁１８の金属組織中の結晶粒界にＭｏ2Ｃ、ＮｂＣ、ＴｉＣが析出粒子として存在していることが認められた。このことから、Ｍｏ2Ｃ、ＮｂＣ、ＴｉＣが結晶粒の成長を抑制していると推察される。
次に、本実施の形態に係るドライブシャフト１０の製造方法につき、図６に示す概略フローに基づいて説明する。この製造方法は、中実スタブシャフト１４を得る鍛造工程Ｓ１と、中空管体１２と中実スタブシャフト１４を摩擦圧接する摩擦圧接工程Ｓ２と、焼鈍工程Ｓ３と、焼入れ工程Ｓ４とを有する。
中実スタブシャフト１４を得るための素材としては、上記の組成比の中炭素鋼が好ましい。この中炭素鋼からなる鋼材に対し、８５０℃以下の温度で圧延加工を施す。このような温度領域での圧延により、鋼材に歪みが残留する。また、オーステナイトからフェライトへの変態が起こるとともに、歪みが残留した凹凸からフェライトが析出する。以上の結果として、結晶粒が微細で且つ成形加工が容易な軟質組織が形成される。
その後、鋼材に対して球状化焼鈍を施す。その際、例えば、７２０～７６０℃に所定時間保持した後、６００℃までの冷却速度を０．５℃／分以下とする徐冷を行えばよい。これによりセメンタイト（Ｆｅ3Ｃ）の球状化が進行し、比較的軟質なフェライトが多く存在する組織となる。
次に、鍛造工程Ｓ１として、球状化焼鈍後の鋼材に対して冷間鍛造を施す。このように冷間鍛造を行うことで、結晶粒が粗大化することを回避することができる。換言すれば、冷間鍛造の前後で結晶粒が微細な状態に保たれる。しかも、鋼材が軟質であるので、冷間鍛造であっても中実スタブシャフト１４の形状に成形することが容易である。
次に、摩擦圧接工程Ｓ２を行う。なお、摩擦圧接工程Ｓ２は、例えば、ＪＩＳ Ｚ ３６０７に準拠して行うことができる。摩擦圧接工程Ｓ２では、例えば、図７の中実スタブシャフト１４を不図示の回転保持具に保持して回転させる。また、図７の中空管体１２を不図示の推進保持具に保持する。そして、中実スタブシャフト１４の回転が所定の回転数（例えば、２．５～１０ｍ／秒）に達した後、推進保持具により中空管体１２を中実スタブシャフト１４と同軸上に接近させる。このようにして第１環状壁１６と第２環状壁１８とを圧接させることで、互いの接合界面に摩擦圧力を付与して、該接合界面を摩擦熱により発熱させる。この際の摩擦圧力は、例えば、２０～６０ＭＰａとする。
上記の摩擦熱により温度上昇した接合界面が、所望の軟化状態になると、回転保持具による中実スタブシャフト１４の回転を停止する。そして、中実スタブシャフト１４の回転が停止するタイミングで、推進保持具により中空管体１２を中実スタブシャフト１４に向かって推進させる。これによって、接合界面に、例えば、５０～２００ＭＰａのアップセット圧力を加える。
その結果、図８に示すように、第１環状壁１６と第２環状壁１８とが摩擦圧接部２０を介して固相接合される。この際、第１環状壁１６及び第２環状壁１８の一部が、接合界面から摩擦圧接部２０の内周側及び外周側に向かって塑性流動で排出される。これによって、摩擦圧接部２０には、第１環状壁１６の第１内壁面２２ａ及び第１外壁面２２ｂ、及び第２環状壁１８の第２内壁面２４ａ及び第２外壁面２４ｂのそれぞれから立ち上がるバリ２６が形成される。
この摩擦圧接工程Ｓ２では、摩擦熱により温度上昇した接合界面近傍の第１環状壁１６及び第２環状壁１８の表面温度が８００～８７０℃に達するように、上記の回転数や、摩擦圧力及びアップセット圧力等の摩擦圧接条件を設定する。この場合、接合界面近傍の第１環状部及び第２環状部の内部温度が７００℃に達すると推定される。これによって、特に、第２環状壁１８の金属組織中の結晶粒界に、Ｍｏ2Ｃ、ＮｂＣ、ＴｉＣの少なくとも何れかが析出する。
Ｍｏ2Ｃ、ＮｂＣ、ＴｉＣは、粒界に析出し、ピン止め効果によって結晶の粗大化を防ぎ結晶粒界の強度を向上させる。ひいては、摩擦圧接部２０における第１環状壁１６及び第２環状壁１８に硬化が生じ、例えば６００℃程度の高温下における強度、耐力を向上させることができる。
また、特に第２環状壁１８に上記の析出が生じることで、第１環状壁１６よりも第２環状壁１８が硬化する。このため、第２環状壁１８よりも変形し易くなった第１環状壁１６が第２環状壁１８を包むように変形する。これによって、摩擦圧接部２０では、図３に示すように、第２環状壁１８の軸方向の端部１８ａが、仮想中心線Ｉから第１環状壁１６側に１～３０μｍ入り込み、第１環状壁１６と第２環状壁１８とが強固に接合される。
上記の摩擦圧接工程Ｓ２では、中空管体１２の軸方向の両端部の第１環状壁１６に、中実スタブシャフト１４の第２環状壁１８をそれぞれ摩擦圧接する。なお、摩擦圧接工程Ｓ２は、中空管体１２を回転保持具に保持し、中実スタブシャフト１４を推進保持具に保持して行ってもよい。
次に、焼鈍工程Ｓ３を行う。すなわち、ドライブシャフト１０を所定の温度に加熱する。この焼鈍工程Ｓ３により、摩擦圧接の際に発生した歪みが除去されるとともに、再結晶化が促進される。再結晶によって結晶粒が２０μｍ程度の微細組織となる。また、焼鈍工程Ｓ３によっても、結晶粒界にＮｂＣ、ＶＣ、Ｍｏ2Ｃ等が析出する。以上の結晶粒の微細化、及び結晶粒界での炭化物の析出により、摩擦圧接部２０に優れた強度が発現する。なお、焼鈍の温度は６５０～７２０℃、保持時間は３０～９０分とすることが好ましい。
次に、ドライブシャフト１０に対して、所定の機械加工を施すことで、例えば、図８の摩擦圧接部２０の外周側に形成されたバリ２６を除去する。すなわち、第１環状壁１６の第１外壁面２２ｂ及び第２環状壁１８の第２外壁面２４ｂのそれぞれから立ち上がるバリ２６を除去する。これによって、図１及び図２に示すように、摩擦圧接部２０は、第１環状壁１６の第１内壁面２２ａ及び第２環状壁１８の第２内壁面２４ａのそれぞれから立ち上がる第１湾曲部２８及び第２湾曲部３０からなるバリ２６を有する。
摩擦圧接工程Ｓ２における摩擦圧接条件を上記のように設定することで、図２に示すように、第１湾曲部２８のつなぎアールｒ１は０．５～３ｍｍとなり、根本アールＲ１は０．５～２．５ｍｍとなり、バリ底角度θ１は４０°以下となり、バリ傾斜部長さＬ１が０．２～５ｍｍとなっている。
次に、上記の整形を行ったドライブシャフト１０に対して、焼入れ工程Ｓ４を行って図１のドライブシャフト１０の製品を得る。焼入れ工程Ｓ４では、熱効率に優れる等の様々な利点から、高周波焼入れを行うことが好ましい。高周波焼入れでは、ドライブシャフト１０に対し、高周波加熱を行った後に、冷却を行う。この冷却時、摩擦圧接部２０のバリ２６が、上記の形状であることにより、該バリ２６に熱がこもることを抑制できる。これによって、摩擦圧接部２０に硬度のバラツキが生じることや、焼き割れが生じることを抑制できる。
また、この焼入れ工程Ｓ４では、ドライブシャフト１０の全体にわたって焼入れを施すことができる。ここで、上記したような組成の中炭素鋼からなる中実スタブシャフト１４では、それ以外の中炭素鋼に比して焼入れを容易に進行させて、十分な硬化層を形成することができる。
このように、中実スタブシャフト１４の素材である中炭素鋼が、焼入れ性に優れる。このため、中実スタブシャフト１４より薄肉の中空管体１２に合わせて、該中空管体１２に十分な深さの硬化層が形成される条件で焼入れを施しても、中実スタブシャフト１４における硬化層深さを確保することができる。すなわち、焼入れが施された中空管体１２の組織中で結晶粒が粗大化することが回避される。このため、焼入れによって、結晶粒が粗大化することを回避しつつ中空管体１２の強度を向上させることができる。
このため、中空管体１２に焼入れを施さずに外径又は肉厚を大きくして強度を確保する必要がない。この分、ドライブシャフト１０の軽量化を図ることができる。また、中空管体１２が過度の加熱処理に曝されることがないので、ドライブシャフト１０に焼割れが発生することが回避される。
しかも、該ドライブシャフト１０では、摩擦圧接部２０の結晶粒が微細であり、且つ結晶粒界に炭化物が析出している。この炭化物によって、いわゆる粒子分散強化効果が得られる。以上のような理由から、摩擦圧接部２０が強度や靭性に優れたものとなる。
また、中空管体１２が軽量であるので、ドライブシャフト１０の軽量化を図ることができる。すなわち、本実施の形態では、中空管体１２と中実スタブシャフト１４を接合したドライブシャフト１０であっても、軽量化を図りながら十分な強度を確保することが可能となる。
以上から、本実施形態に係るドライブシャフト１０及びその製造方法では、摩擦圧接部２０の第１内壁面２２ａに対して、つなぎアールｒ１が０．５ｍｍ以上であり、根本アールＲ１が０．５ｍｍ以上であり、バリ底角度θ１が４０°以下であり、バリ傾斜部長さＬ１が０．２～５ｍｍであるバリ２６が形成される。
なお、上記の形状のバリ２６を形成するための摩擦圧接条件は、以下のようにして求めることができる。すなわち、例えば、試験用の摩擦圧接条件を定め、この試験用摩擦圧接条件で摩擦圧接部２０を形成する。この摩擦圧接部２０に対して顕微鏡観察を行って、つなぎアールｒ１、根本アールＲ１、バリ底角度θ１、バリ傾斜部長さＬ１のそれぞれを測定する。これらの測定値と、試験用摩擦圧接条件とから、つなぎアールｒ１、根本アールＲ１、バリ底角度θ１、バリ傾斜部長さＬ１が上記の範囲となる摩擦圧接条件を求める。
ここで、つなぎアールｒ１及び根本アールＲ１のそれぞれの大きさと、バリ２６の最大応力集中係数との関係を求めるべく銅めっき応力測定法を行った結果を図９に示す。この銅めっき応力測定法では、先ず、つなぎアールｒ１又は根本アールＲ１の大きさが異なる複数の摩擦圧接試験体を形成するための摩擦圧接条件を上記のようにして求めた。これらの摩擦圧接条件に基づいて作製した複数の摩擦圧接試験体について、メッキ応力測定法により最大応力集中係数をそれぞれ測定した。
図９に示すように、つなぎアールｒ１及び根本アールＲ１のそれぞれが０．５ｍｍ以上であるとき、最大応力集中係数は基準値以下となることが分かった。最大応力集中係数が基準値以下であるとき、ドライブシャフト１０の使用時において、バリ２６に応力集中が生じることを十分に抑制できるといえる。従って、つなぎアールｒ１が０．５ｍｍ以上とし、根本アールＲ１を０．５ｍｍ以上とすることで、バリ２６に応力集中が生じることを抑制して、ドライブシャフト１０の疲労強度を向上させることができる。
次に、つなぎアールｒ１及び根本アールＲ１のそれぞれの大きさと、ドライブシャフト１０の破断トルクとの関係を求めるべくシミュレーション（ＣＡＥ：Computer Aided Engineering）を行った結果を図１０に示す。この図１０から、つなぎアールｒ１及び根本アールＲ１のそれぞれが０．５ｍｍ以上であるとき、破断トルクは、ドライブシャフト１０として必要とされる破断トルクの基準値を上回ることが分かった。従って、つなぎアールｒ１を０．５ｍｍ以上とし、根本アールＲ１を０．５ｍｍ以上とすることで、ドライブシャフト１０のねじり強度を良好に向上させることができる。
このドライブシャフト１０では、バリ底角度θ１を４０°以下とすることで、つなぎアールｒ１及び根本アールＲ１のそれぞれを０．５ｍｍ以上とすることが容易となる。また、バリ傾斜部長さＬ１を０．２ｍｍ以上とすることで、摩擦圧接工程Ｓ２において、摩擦熱により軟化した接合界面が凝固して形成されるビード部を十分な大きさとすることができる。これによって、つなぎアールｒ１を容易に０．５ｍｍ以上とすることができ、摩擦圧接部２０における接合強度を高めることができる。
上記の通り、第１環状壁１６及び第２環状壁１８のそれぞれは、外径が３０～５０ｍｍであり且つ壁厚が３～５ｍｍであることから、摩擦圧接における接合代は５ｍｍ程度であればよい。このため、バリ傾斜部長さＬ１を５ｍｍ以下とすることで、摩擦圧接における接合代が必要以上に増大することを回避できる。ひいては、摩擦圧接部２０を形成するために使用される第１環状部及び第２環状部の材料の割合を減らすことができるため、材料歩留まりを向上させることができる。
また、バリ傾斜部長さＬ１を５ｍｍ以下とすることで、バリ２６が必要以上に大きくなることを回避できる。このため、バリ２６が自重で破断すること等を回避できる。また、高周波加熱後の冷却時に、バリ２６に熱がこもることを抑制し易くなり、摩擦圧接部２０に硬度のバラツキが生じることや、焼き割れが生じることを抑制できる。ひいては、摩擦圧接部２０における接合強度を高めることができる。
上記の実施形態に係るドライブシャフト１０では、つなぎアールｒ１は３ｍｍ以下であり、根本アールＲ１は２．５ｍｍ以下であることとした。また、上記の実施形態に係るドライブシャフト１０の製造方法の摩擦圧接工程Ｓ２では、つなぎアールｒ１が３ｍｍ以下となり、根本アールＲ１が２．５ｍｍ以下となる摩擦圧接部２０を形成することとした。
つなぎアールｒ１を３ｍｍ以下とすることで、バリ２６が必要以上に大きくなることを回避できるため、摩擦圧接部２０における接合強度を高めることができる。また、根本アールＲ１を２．５ｍｍ以下とすることで、つなぎアールｒ１を容易に０．５ｍｍ以上とすることができ、摩擦圧接部２０における接合強度を高めることができる。
上記の実施形態に係るドライブシャフト１０では、バリ２６は、第１内壁面２２ａから立ち上がって、軸方向の第２内壁面２４ａと反対側に向かって湾曲する第１湾曲部２８と、第２内壁面２４ａから立ち上がって、軸方向の第１内壁面２２ａと反対側に向かって湾曲する第２湾曲部３０とを有し、第１湾曲部２８と第２湾曲部３０との間に形成される谷底部４０を、第１環状壁１６及び第２環状壁１８の径方向に沿って通る仮想線を仮想中心線Ｉとするとき、摩擦圧接部２０では、第２環状壁１８の軸方向の端部１８ａが、仮想中心線Ｉから第１環状壁１６側に１～３０μｍ入り込んでいることとした。この場合、上記の通り、第１環状壁１６と第２環状壁１８とが強固に接合された摩擦圧接部２０を形成することができる。
上記の実施形態に係るドライブシャフト１０の摩擦圧接部２０では、第２環状壁１８の金属組織中の結晶粒界に、ＮｂＣ、Ｍｏ2Ｃ、ＴｉＣの少なくとも何れかが析出していることとした。
また、上記の実施形態に係るドライブシャフト１０では、中実スタブシャフト１４の素材である中炭素鋼は、重量割合で、Ｃ：０．４５～０．５１％、Ｓｉ：０．２０％以下、Ｍｎ：０．３０～０．５０％、Ｐ：０．０１０％以下、Ｓ：０．００８～０．０２０％、Ｃｕ：０．１％以下、Ｎｉ：０．１％以下、Ｃｒ：０．１～０．２％、Ｍｏ：０．０５～０．２５％、Ｎｂ：０．０３～０．０８％、Ｔｉ：０．０１～０．０５％（ただし、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔｉは少なくとも何れか１つ）、Ａｌ：０．０２～０．０４％、Ｂ：１０～３０ｐｐｍを含み、残部がＦｅ及び不可避不純物であり、粒度番号が＃９～＃１１であることとした。
さらに、上記の実施形態に係るドライブシャフト１０では、中空管体１２の素材である中炭素鋼は、重量割合で、Ｃ：０．４３～０．４７％、Ｓｉ：０．３０％以下、Ｍｎ：０．６０～０．９０％、Ｐ：０．０１０％以下、Ｓ：０．０２０％以下、Ｃｕ：０．１％以下、Ｎｉ：０．１％以下、Ｃｒ：０．０５％以下、Ａｌ：０．０２～０．０４％を含み、残部がＦｅ及び不可避不純物であり、粒度番号が＃５～＃９であることとした。
さらにまた、上記の実施形態に係るドライブシャフト１０の製造方法では、摩擦圧接工程Ｓ２の後、保持温度６５０～７２０℃、保持時間３０～９０分の条件下でドライブシャフト１０に対して焼鈍を施す焼鈍工程Ｓ３と、焼鈍後のドライブシャフト１０に対して焼入れを施す焼入れ工程Ｓ４と、を有し、中実スタブシャフト１４の金属組織中の結晶粒界に、ＮｂＣ、Ｍｏ2Ｃ、ＴｉＣとして析出させることとした。
これらの場合、析出したＭｏ2Ｃ、ＮｂＣ、ＴｉＣが、結晶粒界に析出し、ピン止め効果で結晶粒の成長を妨げることで、結晶粒界の強度を向上させることができる。ひいては、摩擦圧接部２０における接合強度を向上させることができる。従って、ドライブシャフト１０につき引っ張り試験を行うと、摩擦圧接部２０ではなく、中空管体１２が破断する。
また、焼入れ工程Ｓ４において、ドライブシャフト１０の全体にわたって焼入れを施すことができる。このため、中空管体１２と中実スタブシャフト１４を接合したドライブシャフト１０であっても、軽量化を図りながら十分な強度を確保することが可能となる。
本発明は、上記した実施形態に特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変形が可能である。
１０…ドライブシャフト １２…中空管体
１４…中実スタブシャフト １６…第１環状壁
１８…第２環状壁 １８ａ…端部
２０…摩擦圧接部 ２２ａ…第１内壁面
２４ａ…第２内壁面 ２６…バリ
２８…第１湾曲部 ３０…第２湾曲部
３２…バリ底部 ３４…直交部
４０…谷底部 Ｉ…仮想中心線
Ｌ、Ｌ１…バリ傾斜部長さ ｒ、ｒ１…つなぎアール
Ｒ、Ｒ１…根本アール θ、θ１…バリ底角度

Claims (9)

  1. 中炭素鋼からなる中空管体の端部に環状に設けられた第１環状壁と、中炭素鋼からなる中実スタブシャフトの端部に環状に設けられた第２環状壁とが摩擦圧接部を介して軸方向に接合されたドライブシャフトであって、
    前記第１環状壁及び前記第２環状壁のそれぞれは、外径が３０～５０ｍｍであり且つ壁厚が３～５ｍｍであり、
    前記摩擦圧接部には、前記第１環状壁の内壁面である第１内壁面、及び前記第２環状壁の内壁面である第２内壁面からそれぞれ立ち上がるバリが形成され、
    前記バリは、前記第１内壁面からの立ち上がり基端であるバリ底部と、前記第１内壁面の直交方向に沿う直交部とを有し、
    前記バリ底部の曲率半径であるつなぎアールｒは０．５ｍｍ以上であり、
    前記バリの前記バリ底部と前記直交部との間の部分の最小曲率半径である根本アールＲは０．５ｍｍ以上であり、
    前記第１内壁面に対する前記バリ底部の傾斜角度であるバリ底角度θが４０°以下であり、
    前記バリ底部と前記直交部との間の部分の前記軸方向に沿う長さであるバリ傾斜部長さＬが０．２～５ｍｍである、ドライブシャフト。
  2. 請求項１記載のドライブシャフトにおいて、
    前記つなぎアールｒは３ｍｍ以下であり、
    前記根本アールＲは２．５ｍｍ以下である、ドライブシャフト。
  3. 請求項１又は２記載のドライブシャフトにおいて、
    前記バリは、前記第１内壁面から立ち上がって、前記軸方向の前記第２内壁面と反対側に向かって湾曲する第１湾曲部と、前記第２内壁面から立ち上がって、前記軸方向の前記第１内壁面と反対側に向かって湾曲する第２湾曲部とを有し、
    前記第１湾曲部と前記第２湾曲部との間に形成される谷底部を、前記第１環状壁及び前記第２環状壁の径方向に沿って通る仮想線を仮想中心線とするとき、
    前記摩擦圧接部では、前記第２環状壁の前記軸方向の端部が、前記仮想中心線から前記第１環状壁側に１～３０μｍ入り込んでいる、ドライブシャフト。
  4. 請求項１～３の何れか１項に記載のドライブシャフトにおいて、
    前記摩擦圧接部では、前記第２環状壁の金属組織中の結晶粒界に、ＮｂＣ、Ｍｏ2Ｃ、ＴｉＣの少なくとも何れかが析出している、ドライブシャフト。
  5. 請求項１～４の何れか１項に記載のドライブシャフトにおいて、
    前記中実スタブシャフトの素材である中炭素鋼は、重量割合で、Ｃ：０．４５～０．５１％、Ｓｉ：０．２０％以下、Ｍｎ：０．３０～０．５０％、Ｐ：０．０１０％以下、Ｓ：０．００８～０．０２０％、Ｃｕ：０．１％以下、Ｎｉ：０．１％以下、Ｃｒ：０．１～０．２％、Ｍｏ：０．０５～０．２５％、Ｎｂ：０．０３～０．０８％、Ｔｉ：０．０１～０．０５％（ただし、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔｉは少なくとも何れか１つ）、Ａｌ：０．０２～０．０４％、Ｂ：１０～３０ｐｐｍを含み、残部がＦｅ及び不可避不純物であり、粒度番号が＃９～＃１１である、ドライブシャフト。
  6. 請求項１～５の何れか１項に記載のドライブシャフトにおいて、
    前記中空管体の素材である中炭素鋼は、重量割合で、Ｃ：０．４３～０．４７％、Ｓｉ：０．３０％以下、Ｍｎ：０．６０～０．９０％、Ｐ：０．０１０％以下、Ｓ：０．０２０％以下、Ｃｕ：０．１％以下、Ｎｉ：０．１％以下、Ｃｒ：０．０５％以下、Ａｌ：０．０２～０．０４％を含み、残部がＦｅ及び不可避不純物であり、粒度番号が＃５～＃９である、ドライブシャフト。
  7. 中炭素鋼からなる中空管体の端部に環状に設けられた第１環状壁と、中炭素鋼からなる中実スタブシャフトの端部に環状に設けられた第２環状壁とを摩擦圧接部を介して軸方向に接合してドライブシャフトを得るドライブシャフトの製造方法であって、
    前記中実スタブシャフトを冷間鍛造で得る鍛造工程と、
    外径が３０～５０ｍｍであり且つ壁厚が３～５ｍｍである前記第１環状壁及び前記第２環状壁を摩擦圧接する摩擦圧接工程と、を有し、
    前記摩擦圧接工程では、前記第１環状壁の内壁面である第１内壁面、及び前記第２環状壁の内壁面である第２内壁面からそれぞれ立ち上がるバリが、前記第１内壁面からの立ち上がり基端であるバリ底部と、前記第１内壁面の直交方向に沿う直交部とを有し、前記バリ底部の曲率半径であるつなぎアールｒが０．５ｍｍ以上となり、前記バリの前記バリ底部と前記直交部との間の部分の最小曲率半径である根本アールＲが０．５ｍｍ以上となり、前記第１内壁面に対する前記バリ底部の傾斜角度であるバリ底角度θが４０°以下となり、前記バリ底部と前記直交部との間の部分の前記軸方向に沿う長さであるバリ傾斜部長さＬが０．２～５ｍｍとなる前記摩擦圧接部を形成する、ドライブシャフトの製造方法。
  8. 請求項７記載のドライブシャフトの製造方法において、
    前記摩擦圧接工程では、前記つなぎアールｒが３ｍｍ以下となり、前記根本アールＲが２．５ｍｍ以下となる前記摩擦圧接部を形成する、ドライブシャフトの製造方法。
  9. 請求項７又は８記載のドライブシャフトの製造方法において、
    前記摩擦圧接工程の後、
    保持温度６５０～７２０℃、保持時間３０～９０分の条件下でドライブシャフトに対して焼鈍を施す焼鈍工程と、
    焼鈍後のドライブシャフトに対して焼入れを施す焼入れ工程と、
    を有し、
    前記中実スタブシャフトの金属組織中の結晶粒界に、ＮｂＣ、Ｍｏ2Ｃ、ＴｉＣとして析出させる、ドライブシャフトの製造方法。
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