JPWO2008015734A1 - 組部材と組部材の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、上記の問題を解決する。一対の部材を強固に締結可能な技術を提供する。
この製造方法によると、第1部材と第2部材を強固に締結した組部材を製造することができる。
あるいは、前記柱状部の側面と前記孔の側面のうちの硬度が高い方に、軸方向に伸びる突起を周方向に繰返し形成することができる。この場合、その突起の峰の高さを、圧入開始側に位置する端部において低く、反圧入開始側に位置する端部において高く、圧入開始側の端部から反圧入開始側の端部まで連続させることが好ましい。ここで、突起の峰の高さが連続しているとは、峰の高さが軸直角方向に向かって変化していないことを意味する。
それにより、同一仕様の複数の組部材を製造する際に、締結力のばらつきを抑えることができる。
軸方向に伸びる突起の峰から周方向両側に伸びる2つの傾斜面が、軸心と峰を通過する半径に対して非対称になっていると、第1部材と第2部材の軸廻りの締結強度が、トルクをかける方向によって違ってくる。一方の方向にトルクをかけた場合の締結強度よりも、他方の方向にトルクをかけた場合の締結強度の方が強くなる。トルクをかける方向によって締結強度が違う状態を実現することができる。
ここで、回転対称とは、周方向に部分的に伸びる壁が、円周の3箇所以上に等間隔に形成されており、中心から部分壁に向かうベクトルをベクトル加算するとゼロベクトルとなる状態を意味する。
円周に沿って壁が、回転対称をなす複数個所に形成されていると、第1部材の柱状部と第2部材の孔の同軸度を確保することができる。
この製造方法では、介在させた部材が塑性流動し、柱状部の側面と孔の側面との間に形成される隙間を満たす。介在させた部材の残留応力が、柱状部の側面と孔の側面に加えられ、柱状部の側面と孔の側面との締結力が増す。
この製造方法によれば、柱状部の側面と孔の側面との接触面積が増し、第1部材と第2部材との締結力を上昇させることができる。
第2部材の端面の一部を拘束して残部が塑性流動可能な状態で圧入すると、第1部材と第2部材との締結力を安定化することができる。
本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態では、図1に示す第1部材100と第2部材150を締結する技術について説明する。図1に示すように、第1部材100には、軸M1に沿って伸びる柱状部102が形成されている。第2部材150には、軸M2に沿って伸びる孔152が形成されている。第1部材100の柱状部102を、第2部材150の孔152に圧入することによって、第1部材100と第2部材150を互いに締結する。柱状部102を孔152に圧入する際には、柱状部102の先端102a側を、孔152の一端152a側から圧入する。
図1、図3に示すように、第2部材150の孔152は、軸M2に垂直な断面(横断面)が円形をしている。孔152の横断面は軸M2方向に沿って一定であり、その径はD6である。孔152の横断面は円形であることから、孔152の横断面に外接する外接円の径と、孔152の横断面に内接する内接円の径も、共にD6となる。
本発明の実施形態2について図面を参照して説明する。本実施形態では、図7に示す第1部材100と第2部材250を締結する技術について説明する。実施形態1と比較して、第1部材100は同一であり、第2部材250は異なっている。図7に示すように、第2部材250には、軸M2に沿って伸びる孔252が形成されている。第1部材100の柱状部102を、第2部材250の孔252に圧入することによって、第1部材100と第2部材250を互いに締結する。柱状部102を孔252に圧入する際には、柱状部102の先端102a側を、孔252の一端252a側から圧入する。
第1部材100の柱状部102の側面124は、第2部材250の孔252の側面よりも、硬度が高くされている。
本発明の実施形態3について図面を参照して説明する。本実施形態では、図10に示す第1部材300と第2部材350を締結する技術について説明する。図10に示すように、第1部材300には、軸M1に沿って伸びる柱状部302が形成されている。第2部材350には、軸M2に沿って伸びる孔352が形成されている。第1部材300の柱状部302を、第2部材350の孔352に圧入することによって、第1部材300と第2部材350を互いに締結する。柱状部302を孔352に圧入する際には、柱状部302の先端302a側を、孔352の一端352a側から圧入する。
図10、図12に示すように、第2部材350の孔352は、軸M2に垂直な断面(横断面)が正方形をしている。孔352の一端352a側には、テーパ部352bが形成されている。テーパ部352bでは、一端352a側ほど横断面が拡大しており、孔352の側面が軸M2に対して傾斜している。図12中のD6は、孔352の横断面に外接する外接円C6の直径を示している。図12中のD7は、孔352の横断面に内接する内接円C7の直径を示している。図12中のD8は、孔352の一端352aにおける横断面に内接する内接円C8の直径を示している。
第1部材300の柱状部302の側面324は、第2部材350の孔352の側面よりも、硬度が低くされている。
本発明の実施形態4について図面を参照して説明する。本実施形態では、図15に示す第1部材100と第2部材150を締結する技術について説明する。実施形態1と比較して、第1部材100と第2部材150はそれぞれ同一であるが、挿入部材400を介装させる点で相違する。挿入部材400は、内孔402を有するリング状の部材である。挿入部材400は、金属製でも非金属製であってもよい。挿入部材400は、第1部材100と第2部材150よりも、硬度が低いことが好ましい。
最初に、後述する実施形態5の主要な特徴を記載する。
(特徴1)柱状部材12の下端側には、軸18方向に伸びるとともに周方向に繰り返す突起16群が形成されている。突起16には、峰の高さが一定の高さ一定部位19と、峰の高さが上方に向かって一様に変化する高さ変化部20が設けられている(図21参照)。
(特徴2)柱状部材12には、軸方向と周方向に伸びる一対の第1当接面25が形成されている。一方の第1当接面25と他方の第1当接面25は、柱状部材12の軸18を挟んで対称な位置に配されている。さらに柱状部材12には、軸方向と周方向に伸びるとともに、第1当接面25と位相が90度ずれた一対の第2当接面26が形成されている。
(特徴3)柱状部材12は、筒状部材14よりも高い硬度の素材から製造されている。
(特徴4)筒状部材は、型治具の円形状凹部にセットされる。
(特徴5)柱状部材12と筒状部材14を締結するときには、柱状部材12を筒状部材14に向けて降下させる。筒状部材14の塑性変形された部分は、柱状部材12に突起16の高さ変化部20と、テーパ面41が設けられているので、下方にはそれほど流動せず、流動しながら突起16と突起16との間の溝17内に入り込んでゆく。筒状部材14と柱状部材12の突起16が塑性変形することによって、双方の変形部分に加工硬化が生じる。筒状部材14の塑性変形部分が柱状部材12の溝17内に十分に入り込むことと、塑性変形にともなう加工硬化によって、柱状部材12と筒状部材14は強固に締結される。
図17、図19に示すように、柱状部材12の下端側には、軸18方向に伸びるとともに周方向に繰り返す突起16群が形成されている(セレーションが形成されている)。図19に良く示すように、突起16と突起16の間には、溝17が形成されている。図21に示すように、突起16には、峰の高さが一定の部位19(以下、「高さ一定部19」と言う)と、峰の高さが上方に向かって一様に増加(変化)する部分20(以下、「高さ変化部20」と言う)が設けられている。高さ変化部20の上端部22、すなわち高さ変化部20が高さ一定部19に連続する部位には、アール(丸み)が付けられている。
突起16の高さ変化部20と、テーパ面41の側面形状は、図21では直線状になっているが、それに限られるものではない。例えば、高さ変化部20とテーパ面41の側面形状が曲面状であってもよい。突起16の高さ変化部20の上端部22は、高さ一定部19に滑らかに連続していればよく、必ずしもアール状でなくてもよい。
図20に示すように、突起16の一方の側面27は、直径方向と一致している。突起16の他方の側面28は、一方の側面27に対して傾斜している。
柱状部材12の軸18に垂直な断面に外接する外接円の径D1(以下、単に外径D1という)は、筒状部材14の内径D6(図18参照)よりも大きい寸法に設定されている。柱状部材12の先端面24の直径D3は、筒状部材14の内径D6よりも小さい寸法に設定されている。柱状部材12の軸18に垂直な断面に内接する内接円の径、即ち、柱状部材12の溝17の各底面23を含む円の直径(以下「底面径D2」と言う)は、筒状部材14の内径D6よりも大きい寸法に設定されている。なお、底面径D2は、筒状部材14の内径D6よりも小さい寸法に設定することもできる。
柱状部材12は、鍛造品であり、筒状部材14よりも高い硬度の素材から製造されている。柱状部材12の突起16と突起16の根本部分に、例えば高周波焼き入れ等を施し、突起16とその根本部分の硬度を筒状部材14よりも高くすることもできる。柱状部材12と筒状部材は、例えば、スチール製や、アルミニウム製や、銅製とすることができる。
図22に示すように、柱状部材12は、型治具30にセットされた筒状部材14の上方に、昇降機構(図示省略)が支持した状態で配置されている。柱状部材12と筒状部材14を締結するときには、柱状部材12を降下させる。既に説明したように、先端面24の直径D3は、筒状部材14の内径D6よりも小さい寸法に設定されている。このため、柱状部材12が降下すると、図24に示すように、柱状部材12のテーパ面41と筒状部材14の内周上縁36が接触する。また、溝17の底面径D2は、筒状部材14の内径D6よりも大きい寸法に設定されている。このため、柱状部材12が降下してテーパ面41が筒状部材30の内周上縁36に接触したときには、水平方向の位置関係において、筒状部材14の内周面35は、溝17の底面23よりも内側(軸側)に配置される。
図26は、柱状部材12が最下方位置に達して停止した状態を図示している。柱状部材12の突起16が筒状部材14を塑性変形させ、筒状部材14が型治具30にセットされていて外方側に変形できないことから、筒状部材14の上面33は変形前よりも高く配置される。また、筒状部材14の内周面35も、変形前よりも内方側に配置される。図27に示すように、筒状部材14の塑性変形部分は、柱状部材12の溝17内に、十分に入り込む。また、筒状部材14の突起16が食い込んだ部分近傍と、柱状部材12の突起16が塑性変形することによって、双方の変形部分に加工硬化が生じる。このため、塑性変形部分の硬度が高くなる。従って、筒状部材14の塑性変形部分が柱状部材12の溝17内に十分に入り込むことと、塑性変形にともなう加工硬化によって、柱状部材12と筒状部材14は強固に締結される。
これに対して、柱状部材12に高さ変化部20とテーパ面41が設けられていないと、設けられている場合よりも筒状部材14の内周部分が真下に多く押し退けられてしまう。このため、筒状部材14の塑性変形部分の溝17内に入り込む量が少なくなる。もちろん、テーパ面41が設けられていなくても、筒状部材14の塑性変形部分が溝17内に入り込むので、柱状部材12と筒状部材14は確実に締結される。
既に説明したように、柱状部材12が降下してそのテーパ面41が筒状部材14の内周上縁36に接触したときに、筒状部材14の内周面35は、溝17の底面23よりも内側に配置される。このような関係が筒状部材12の内径D6がばらついても保証されるように、柱状部材12の先端面24の直径D3と、底面23の底面径D2が設定されている。従って、筒状部材12の内径D6がばらついても、柱状部材12が筒状部材14の内周上縁36に接触したときに、水平方向の位置関係において、筒状部材14の内周面35と溝17の底面23との間に隙間が生じない。筒状部材14の内周面35と溝17の底面23との間に隙間が生じないと、柱状部材12がさらに降下して筒状部材14が変形したときに、溝17内に塑性変形部分が十分に入り込む。
上述したように、突起16の高さ変化部20の上端部22にはアールが付けられている。このため、柱状部材12が降下して突起16の高さ変化部20が筒状部材14に接触している状態から、それに加えて突起16の高さ一定部19も筒状部材14に接触する状態に移行したときに、柱状部材12を降下させる力が急に低下するのが抑制される。従って、柱状部材12の降下速度を制御するのが容易になる。柱状部材12を降下させる力の変化を検出し、その変化から柱状部材12の降下位置を推定することもできる。このようにすると、柱状部材12の移動距離のみに基づいて圧入制御するよりも、正確な締結が可能になる。
一対の第1当接面25と、一対の第2当接面26との位相のずれは90度に限られない。それらの位相のずれが90度以外の角度であっても、それら当接面25、26は、柱状部材12の軸と筒状部材14の軸を精度良く一致させることができる。第1当接面25や、第2当接面26のような面は、5箇所以上設けることもできる。当接面を複数配置し、その配置を圧入時に当接面に作用する力のベクトル加算がゼロになるようにすることにより、柱状部材12の軸と筒状部材14の軸を精度良く一致させることができる。
図30に示すように、型治具30を用いずに柱状部材12と筒状部材14を締結することもできる。この場合には、支持台40上で筒状部材14を位置決めしておく。型治具30を用いなくても、筒状部材14の肉厚(外周面31と内周面35との距離)が大きい場合や、筒状部材14の硬度が柱状部材12の硬度よりも大幅に小さい場合には、柱状部材12の溝17に筒状部材14の塑性変形部分を十分に入り込ませることができる。
柱状部材12は、円柱状であることに限られず、角柱状であってもよい。筒状部材14は、円筒状でなくてもよい。例えば、筒状部材14の内周面が多角形状であってもよい。
図31の上半分には、柱状部材12の溝17に筒状部材14の塑性変形部分が入り込んだ状態の断面図が示されている。柱状部材12は点線で示されており、筒状部材14は実線で示されている。筒状部材14は、深さにして約「2/3」溝17に入り込んでいる。締結条件は、「δ/h=0.5」であり、高さ変化部20とテーパ面41を側面視したときの傾斜角度(軸18方向に対する角度)は、30度である。ここで、「δ」は、柱状部材12の外径D1から、筒状部材14の内径D6を差し引いた値の「1/2」である。すなわち、締結前の状態において、柱状部材12と筒状部材14を軸方向に重ね合わせた場合に、突起16と筒状部材14が重複している部分の直径方向の距離である。「h」は、突起16の峰の高さ(溝17の深さ)である。従って、「δ/h」が大きいほど、柱状部材12と筒状部材14の圧入代が大きいことになる。筒状部材12の硬度測定は、(a)〜(f)の6列について、各列の各ポイント(菱形で示されている)毎に行った。
図31の下半分は、硬度測定結果をグラフにまとめている。グラフの横軸は、所定位置を基準に、(a)〜(f)の各列に沿った距離に対応している。縦軸は、測定した硬度(ビッカース硬さHv)に対応している。グラフ中の(m)は、筒状部材14の素材硬度(圧入前の硬度)を示している。グラフから明らかなように、締結後には(a)列〜(f)列の全てについて硬度が高くなっている。全体的な傾向として、溝17に深く入り込んだ部分の方が、より硬度が高くなる傾向を示している。
図33は、締結条件「δ/h=0.75」、傾斜角度30度で締結した場合の硬度測定結果を示している。図33の上半分に示したように、筒状部材14は、深く溝17に入り込んでいる。(a)列〜(f)列の全てについて硬度が高くなっている。筒状部材14が深く溝17に入り込み、硬度が高くなっていることによって、柱状部材12と筒状部材14の軸廻りの締結強度は、本締結条件で締結した場合が最も大きくなる。
図34は、締結条件が「δ/h=0.5」、傾斜角度が30度の場合(図31の場合と同条件)における、締結後の突起16の硬度をまとめたグラフである。グラフの横軸は、突起16の頂面から柱状部材12の軸18方向に向かう距離に対応している。グラフの縦軸は、測定した硬度(ビッカース硬さHv)に対応している。グラフ中の実線は測定した硬度を示しており、点線は柱状部材14の素材硬度を示している。突起16の硬度は、距離が約2(mm)まではほぼ一定を維持し、さらに距離が大きくなると素材硬度まで急減している。
図35は、子部品43〜48を持つクランクシャフト42を示している。子部品43には、凹部50が形成されている。子部品44〜47には、それぞれ凹部50と複数の突起を持つセレーション51が形成されている。子部品48には、セレーション51が形成されている。図36は、セレーション51が凹部50に圧入されて子部品43〜48が締結され、クランクシャフト42が完成した状態を示している。
従来、クランクシャフトは一体で製作されている。その場合に、図36に示す隙間52は、熱間鍛造加工されている。隙間52を鍛造する型の幅は、薄くしようとしても限界がある。このため、クランクシャフトの軸方向長さを小さくすることができなかった。本発明の締結技術によれば、子部品43〜48を締結してクランクシャフト42を完成させるので、隙間52を熱間鍛造加工する必要がない。従って、クランクシャフト42の軸方向長さを、従来よりも小さくすることができる。
また、V型エンジンのクランクシャフトでは、一体で製作した場合にツイスト工程が必要である。本発明の締結技術によれば、締結時に凹部とセレーションの軸廻りの位置関係を調整することができるので、ツイスト工程を省略することができる。
小部品44〜48をさらに複数の孫部品で構成し、それらの締結に本発明の技術を適用することもできる。
図39は、等速ジョイントのアウターレース56とチューリップ57を示している。アウターレース56には、内周面にセレーション58が形成されている。アウターレース56のセレーションの内径は、その端部72が開口に向かって徐々に拡経している。チューリップ57の一端部74は、徐々に縮径している。図40に示すように、アウターレース56とチューリップ57は、本発明の締結技術によって締結されている。
図41は、シャフト60とリングギヤ61が本発明の締結技術によって締結された状態を示している。シャフト60の外周部には、セレーション62が形成されている。これに対して、本発明の締結技術を採用しないと、図42に示すようにボルト65でシャフト63とリングギヤ61を締結しなければならず、部品点数が増加してしまう。
(1)リヤアクスルシャフトの軸とフランジの締結(従来は、一体成形)。製造設備の小型化が可能になる。
(2)エンジンマニホールドとフランジの締結(従来は、溶接結合)。結合信頼性が向上する。
(3)ステアリング構成部品同士の締結(従来は、スプラインによる軽圧入締結)。締結強度が向上する。
(4)プロペラシャフトのジョイントヨークとシャフトの締結、あるいはトランスミッション構成部品同士の締結(従来は、電子ビーム溶接によって結合)。コストダウンが可能になるとともに、締結強度が向上する。
(5)軸部品と、底とフランジが付いた形状の部品の締結(例えば、車両のリアシャフト)。
筒状部材の内側に突起を形成し、その突起の峰の高さが低い側から圧入することによって柱状部材を塑性変形させ、筒状部材と柱状部材を締結することもできる。
本発明の締結技術によれば、突起の峰の高さが低い側から圧入するので、塑性変形が効率的に行われる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
Claims (11)
- 第1部材と第2部材とが締結されている組部材の製造方法であり、
第1部材に柱状部を形成する工程と、
第2部材に孔を形成する工程と、
第1部材の柱状部を第2部材の孔に圧入する工程を備えており、
前記柱状部の軸に垂直な断面に外接する外接円の径は、前記孔の軸に垂直な断面に内接する内接円の径よりも大きく、
前記柱状部の軸に垂直な断面に内接する内接円の径は、前記孔の軸に垂直な断面に外接する外接円の径よりも小さく、
前記柱状部と前記孔のうちの側面の硬度が高い方には、柱状部の圧入方向に向けて軸に垂直な断面が縮小するテーパ部が形成されている、
ことを特徴とする製造方法。 - 前記柱状部と前記孔のうちの側面の硬度が高い方は、軸に垂直な断面が多角形であるとともに、その圧入開始側の端部に前記テーパ部が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
- 前記柱状部の側面と前記孔の側面のうちの硬度が高い方に、軸方向に伸びる突起が周方向に繰返し形成されており、
その突起の峰の高さは、圧入開始側に位置する端部において低く、反圧入開始側に位置する端部において高く、圧入開始側の端部から反圧入開始側の端部まで連続していることを特徴とする請求項1に記載の製造方法。 - 前記軸方向に伸びる突起は、峰の高さが軸方向に一様に増加する部分と、峰の高さが軸方向に一定に維持されている部分が連続していることを特徴とする請求項3に記載の製造方法。
- 前記軸方向に伸びる突起の峰から周方向両側に伸びる2つの傾斜面が、軸心と峰を通過する半径に対して非対称であることを特徴とする請求項3又は4に記載の製造方法。
- 前記柱状部の側面と前記孔の側面のうちの硬度が高い方には、突起の峰と谷の中間高さを通過する円周に沿って部分的に伸びる壁が、回転対称をなす複数個所に形成されていることを特徴とする請求項3から5のいずれかに記載の製造方法。
- 第1部材の柱状部を第2部材の孔に圧入する際に、柱状部の側面と孔の側面よりも硬度の低い部材を、柱状部の側面と孔の側面との間に介在させることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の製造方法。
- 前記第1部材の柱状部の側面の方が、前記第2部材の孔の側面よりも硬度が高く、
第2部材の外周を金型で拘束した状態で、前記第1部材の柱状部を前記第2部材の孔に圧入することを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の製造方法。 - 前記第1部材の柱状部の側面の方が、前記第2部材の孔の側面よりも硬度が高く、
第2部材の端面の一部と外周を金型で拘束するとともに前記端面の残部が塑性流動可能な状態で、前記第1部材の柱状部を前記第2部材の孔に圧入することを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の製造方法。 - 第1部材と第2部材とが締結されている組部材であり、
前記請求項1から9のいずれかに記載の製造方法で製造されており、
前記柱状部の側面と前記孔の側面のうちの硬度が低い方には、前記柱状部の側面と前記孔の側面が離間するスペースに向けて塑性流動した塑性流動部が形成されていることを特徴とする組部材。 - 第1部材と第2部材とが締結されている組部材であり、
第1部材には柱状部が形成されており、
第2部材には前記柱状部が圧入されている孔が形成されており、
前記柱状部の側面と前記孔の側面は、周方向の一部の範囲で当接しているとともに一部の範囲で離間しており、
柱状部と孔のうちの側面の硬度が高い方には、柱状部の圧入方向に向けて軸に垂直な断面が縮小するテーパ部が形成されており、
前記柱状部の側面と前記孔の側面のうちの硬度が低い方には、前記柱状部の側面と前記孔の側面が離間するスペースに向けて塑性流動した塑性流動部が形成されていることを特徴とする組部材。
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