WO2000005514A1

WO2000005514A1 - Mecanisme de transmission de puissance

Info

Publication number: WO2000005514A1
Application number: PCT/JP1999/003840
Authority: WO
Inventors: Hiroaki Makino; Kazuhiro Muramatsu; Kazuhiko Yoshida; Akira Wakita; Katsuyuki Ikei; Hisaaki Kura
Original assignee: Ntn Corporation
Priority date: 1998-07-22
Filing date: 1999-07-15
Publication date: 2000-02-03
Also published as: WO2000005514A9; EP1016801B1; EP1016801A4; EP1016801A1; US6685572B2; US20020173363A1

Description

- 明糸田書動力伝達機構背景技術

本発明は、二部材間で回転トルクの伝達を行う動力伝達機構に関する。動力（トルクまたは回転）を伝達する伝動軸は、自動車や産業機械等の多くの機械部品に使用されている。軸には中実や中空のものがあり、これらはバー材ゃパイプ材に直接切削ゃ塑性加工を加えたり、あるいは近年、粉末を焼結処理することよって製造される場合もある。

高トルクを伝達するスプライン軸やセレ一シヨン軸は、一般に塑性加工性や機械加工性およびコストを考慮し、中炭素鋼や低合金鋼（肌焼鋼、窒化用鋼等）に、浸炭焼入れ · 高周波焼入れ · 窒化等の表面硬化処理や調質等の熱処理を施し、軸強度を高めて使用されている。また、最近では、非調質鋼を使用して調質を廃止したものや、さらに強度を向上させるため、高合金化や高清浄度化（介在物の低減、 Pの低減等）した材料の使用や、疲労強度を向上させるためのショットピ一ニング処理を併用したものも存在する。

図 5は、上記伝動軸を有する機械部品の一例で、自動車のドライブシャフトに使用される等速自在継手を示す。この等速自在継手は、軸 1 1の外周にスプライン 1 3 を介して内輪 1 2 を嵌合した構造で、軸 1 1 のトルクはスプライン 1 3の凹凸嵌合を介して内輪 1 2に伝達される。

ところで、軸 1 1 のスプライン終端側（図中 C ) の形状には種々のタイプがある（「終端側」とは、内輪 1 2内径部への軸 1 1の挿入時に、内輪 1 2に最初に嵌合する軸端面を入口側とした場合の反対側をいう）。図 6乃至図 9はその一例を示すもので、図 6は、スプライン 1 3の谷部 1 1 aをそのまま軸 1 1 の外周面に抜いたタイプ（「切抜けタイプ」と仮称する）、図 7乃至図 9は、スプライン谷部 11 aを滑らかに拡径させて軸 1 1の外周面につなげたタイプ（「切上りタイプ」と仮称する）である。切上りタイプには、半径 R 1 の円弧で拡径させたもの (図 7 ) 、図 7 より大きい半径 R 2の円弧（R 2 > R 1 ) で拡径させたもの（図 8参照）、半径 S Rの球状に拡径させたもの（図 9参照）等が知られている。図 1 0は、上記軸 1 1 と内輪 1 2の従来の嵌合状況を示すもので、内輪 1 2のスプライン山部 12 bの終端側に内径を大きくした逃げ領域 T ' を設け、：6^っ逃げ領域 Τ，以外の山部 12 bを軸 1 1側の拡径領域 S，以外の谷部 1 1 aに嵌合させて、これらの嵌合部 F ' (散点模様を付している）が軸 1 1側の谷部 11 aの拡径領域 S ' に入らないようにしている。近年、地球環境問題がクローズアップされるのに伴い、自動車でも排ガス規制の強化や燃費の向上が強く求められており、その対策として軽量化が進められている。自動車にはトランスミッション、デフアレンシャル、ドライブシャフト、プロペラシャフト等にスプラインやセレ一シヨン（以下、スプライン軸で代表する）が多用されているが、このスプライン軸の軽量化が自動車の軽量化に大きく寄与するため、スプライン軸の高強度化、すなわち静的強度と疲労強度の両面での強度アップが強く要求されている。

スプライン軸の高強度化および軽量化対策としては、上記のような高合金化や高清浄度化が考えられるが、これらは材料コストの増大や加工性の大幅な低下を伴うため、製品コスト面で得策ではない。また、ショットピ一ニング処理は疲労強度の向上に効果があるが、静的強度については十分な効果が認められず、高コストを招く。

スプライン軸の終端を大きな円弧で拡径させたもの（図 8 ) や球状に拡径させたもの（図 9 ) は、図 1 3の実験結果からも明らかなように、図 7のタイプに比ベ、静的強度の向上は達成されるが、疲労強度の向上には十分な効果が認められない。また、加工工具（ホブカツ夕、転造ラック等）を新規に製作する必要があるためにコスト高である。一方、図 6の切抜け夕イブは、図 1 2の実験結果からも明らかなように、図 7の切上りタイプに比べて静的強度および疲労強度の両面で劣るため、軽量化対策には不向きである。

以上のように従来の軽量化対策は、コスト面若しくは強度面の何れかで課題があり、これらを両立させたものは見受けられないのが実状である。

そこで、本発明はコストアップを招くことなく、スプライン軸やセレ一シヨン軸の静的強度および疲労強度の向上を達成可能とすることを目的とする。発明の開示

谷部を円弧で拡径させた図 7のタイプのスプライン軸（諸元は図 1 4参照）に内輪のボス部を嵌合し、これを捩り試験に供試して破壊モードを鋭意解析した結果、図 1 1に示すように、破面は二つの主破面 A、 Bから構成され、軸 Γϊ側の谷部 11aの底に沿った破面（A : 軸方向破断面）と、軸方向に対して 4 5 ° 傾いた破面（B ：主応力破面）からなることがわかった。軸方向破断面 Aは軸方向に作用するせん断力によるせん断破面で、主応力破面 Bは捩りの主応力による引張り破面であると考えられる。

次に、ボスの嵌合位置を軸方向に段階的にずらし、各位置でスプライン軸の強度を測定したところ、図 1 5 ( A) に示す結果を得た。同図の横軸はボスの嵌合位置 X [mm] を、縦軸左は、疲労破断に至るまでの繰り返し数の比率 Y 1 (負荷せん断応力は ± 6 6 5 M P a [ 6 7. 8 kgf /mm² ] に設定した）を、縦軸右は、捩り破断強度の増加率 Y 2 [ ] をそれそれ表わす。ここで横軸の Xは、同図

( B ) に示すように軸 1 1の谷部 11aの終端部 llalから、ボス 1 2の山部 12 b終端に形成された立ち上り部 12¾1の外周面が軸 1 1の外周レベル Lと交差する点 (·) までの距離を表わす。測定は、 X = a、 b、〜eの各位置で行い、繰返し数の比率 Y 1および増加率 Y 2は、 a位置（X= 6 mm) を基準（Y 1 = 1、 Y 2 = 0 ) とした。また、図 1 5 (A) 中の（ 2 ) 、（ 4 ) 、（ 6 ) 、（10) 、および（12) は、それそれ軸方向せん断亀裂の長さ [ ] を表わす。

図 1 5 ( A) から、ボスの嵌合位置が軸 1 1の終端側（図面左）に近づくほど、軸方向せん断破面（軸方向せん断亀裂）は減少し、強度が増加することが判明した。これは、捩り試験中にボスと嵌合していないスプライン（非嵌合部）が局所的に捩られるが、非嵌合部の長さが減少すると局所的な捩れが減少し、非嵌合部の軸側谷部に作用するせん断応力が減少するためと考えられる。

また、図 1 5 ( A) から、静的強度および疲労強度は、ボスの嵌合位置がスプライン軸の終端直前の特定位置に達してから急激に増大することがわかる。疲労強度が急激に増加する臨界位置は、同図（B ) 中の b点と c点との間の領域に存在するが、この領域は、ボスの山部 12b終端の立ち上り部 12blが、軸 1 1の谷部 11aの拡径領域 S ' と交差し始める位置（山部 12bの立ち上り部 12hlが拡径領域 S ' 中の谷部 11aと嵌合し始める位置）に概ね一致する。これは、前述した非嵌合部の歯底部のせん断応力の減少に加え、拡径領域 S ' では谷部 11aが拡径することにより歯底径が増加してこの部分での応力が減少するためと考えられる。本発明は以上の考察に基いてなされたもので、軸部材と軸部材の外周側に配置した外周部材とが、軸部材側の歯と外周部材側の歯との嵌合により、相互にトルク伝達可能に結合され、少なくとも軸方向一端側で、軸部材側の歯の谷部を拡径させたものにおいて、上記谷部の拡径領域内に、軸部材側の歯と外周部材側の歯との嵌合部を有する動力伝達機構を提供するものである。この場合、軸部材と外周部材とはスプラインまたはセレ一シヨンで結合される。

上記谷部の拡径領域中で、軸部材側の歯の谷部と外周部材側の歯の山部とを接触させておけば、嵌合部の面積が十分に確保され、強度の大幅な向上が達成される。この場合、軸部材側の歯の谷部と接触する外周部材側の歯の山部に、円弧状のチャンファ部を設けておけば、拡径領域中で両者を面接触させることができ、嵌合部の面積拡大によりさらなる強度アップを図ることができる。

また、上記谷部の拡径領域の大径端（終端部）に、外周部材側の歯の山部を接触させてもよく、これより嵌合部の面積が十分に確保され、軸強度の大幅な向上が達成される。この場合、外周部材のガ夕止めとして、外周部材の軸方向他端側への移動を防止する拘束手段を具備させるのが望ましい。

拘束手段は、外周部材を軸方向一端側に押圧する押圧手段や、軸部材側の歯と外周部材側の歯とを円周方向で相互に圧接させる圧接手段で構成することができる。本発明によれば、スプライン軸あるいはセレーシヨン軸の静的強度および疲労強度を大幅に向上させることができる。しかも、高合金鋼や高清浄度鋼を使用する場合のように、加工性が低下したり、コストの増加を招く等の不具合も生じず、また、ショットピーニング処理のような設備の導入コストの著しい増加を招くことがない。これにより低コストにスプライン軸の軽量化が可能となり、本発明では例えば 1 9 %の高強度化が達成され得るから、 1 2 %の軽量化が達成可能となる。図面の簡単な説明

図 1 は、本発明にかかる動力伝達機構の軸方向の断面図である。

図 2は、本発明の他の実施形態を示す軸方向の断面図である。

図 3は、本発明の他の実施形態を示す軸方向の断面図である。

図 4 ( A ) は、捩り強度と捩り疲労強度に及ぼす表面硬さの影響、図 4 ( B ) は、捩り強度と捩り疲労強度に及ぼす焼入れ深さ（硬化比）の影響の各実験データを表わす図である。

図 5は、動力伝達機構を有する等速自在継手の軸方向の断面図である。図 6は、スプライン軸の終端（図 5中の C ) の形状例を示す軸方向の面図である。

図 7は、スプライン軸の終端（図 5中の C ) の形状例を示す軸方向の断面図である。

図 8は、スプライン軸の終端（図 5中の C ) の形状例を示す軸方向の断面図である。

図 9は、スプライン軸の終端（図 5中の C ) の形状例を示す軸方向の断面図である。

図 1 0は、従来の動力伝達機構の軸方向の断面図である。

図 1 1は、スプライン軸の捩り破壊モードを示す断面図である。

図 1 2は、図 6 と図 7に示すスプライン軸の強度比較デ一夕を示す図である。図 1 3は、図 7タイプと図 8および図 9夕ィプの強度比較デ一夕を示す図である。

図 1 4は、スプライン軸の捩り強度供試品の諸元を示す図である。

図 1 5 ( A ) は、捩り強度試験の結果を示す図、図 1 5 ( B ) は、図 1 5 ( A ) を説明するための動力伝達機構の拡大断面図である。

図 1 6は、本発明の他の実施形態を示す軸方向の断面図である。

図 1 7は、本発明の他の実施形態を示す軸方向の断面図である。

図 1 8は、外周部材の固定構造を示す軸方向の断面図である。

図 1 9は、拘束手段を示す軸方向の断面図である。

図 2 0は、拘束手段を示す軸方向の断面図である。

図 2 1 は、拘束手段を示す軸方向の断面図である。

図 2 2は、拘束手段を示す円周方向の断面図である。

発明の実施をするための最良の形態以下、本発明の実施形態を図 1乃至図 2 2 に基いて説明する。

図 1 に示すように、本発明にかかる動力伝達機構は、軸部材 1 と軸部材 1 の外周に配置したボス等の外周部材 2 とを、軸部材 1側の歯 31と外周部材 2側の歯 32 とを嵌合させたスプライン 3 (セレーシヨンでもよい）で結合させたものである _t 歯 31、 32は、軸方向に沿って延びている。軸部材 1 の外周部に設けられた歯 31の谷部 31 aおよび山部 31 bのうち、 '谷部 31 aの終端側（図 1右側）は、円弧状に滑らかに拡径する拡径領域 S 1 を有し、拡径領域 S 1 の終端部 31al (大径端）では当該谷部 31 aが軸部材 1 の平滑部 1 a (セレ一シヨン 3の終端側に隣接して形成される）の外周面につながつている。一方、軸部材 1側の山部 31 bの終端は、僅かに縮径して谷部 31 aの終端部 31 alと同一箇所で軸部材 1 の平滑部 l a外周面につながつている。軸部材 1 の強度面を考慮すると、平滑部 l aの外径は、山部 31 bの外径寸法と等しくするか若しくはこれに近似させておくのが望ましい。拡径領域 S 1 の谷部 31 aは、円弧のみで形成する他、図 2 に示すように、円弧と直線の組合わせにしてもよい（円弧を入口側に配置する）。

外周部材 2は、終端側の内径端を軸部材 1 の外周に形成された肩部 1 bに当接させ、かつ入口側（図面左側）の内径端を止め輪（ 1 4 ：図 5参照）で係止することによって軸部材 1 に対して位置決めされる。外周部材 2の内周部に形成された歯 32 (ハッチングで表わす）の谷部 32 aおよび山部 32 bのうち、谷部 32 aは、同径のまま外周部材 2の終端までストレートに形成される。一方、山部 32 bの終端側は、傾斜した立ち上り部 32blを介し、入口側よりも内径を大きくした逃げ領域 Tになっている。逃げ領域 Tの内径は、軸部材 1 の平滑部 1 aの外径よりも大きく、軸部材 1側の肩部 1 bの外径よりも小さい。

本発明では、軸部材 1側の歯 31と外周部材 2側の歯 32との嵌合部 F (散点模様で表わす）をスプライン有効領域 S 2 (拡径領域 S 1 を除く谷部をいう）のみならず、谷部 31 aの拡径領域 S 1 にも設け、両歯 31、 32を拡径領域 S 1 中で互いに円周方向で接触させることとした。これは、図 1 0 に示す従来品が、拡径領域 S ' を避けて嵌合部 F ' を設けていたのと著しい対照をなす。

かかる構成から、上記の理由により軸部材 1 の静的強度および疲労強度を向上させることができる。強度向上のためには、外周部材 2の軸部材 1 に対する嵌合位置をできるだけ終端側とするのがよく、従って、図 1 に示すように、軸部材 1 側の歯 31の谷部 31 aと外周部材 2側の歯 32の山部 32 b とを拡径領域 S 1 中で接触させておくのが好ましい。この場合、図 3に示すように、谷部 31 aと接触する外周部材 2側の山部 32 bの立ち上り部 32blに円弧状のチャンファ（半径）を設けておけば、嵌合部 Fの面積の拡大によるさらなる強度アップが図れる。

軸部材 1 には、表面硬化処理、例えば高周波焼入れを施すのが好ましい。その場合、図 4 ( A ) からも明らかなように表面硬さは硬い方が望ましく、使用する _ 材料の最高硬さを狙うことが望ましい。また、焼入れ深さは硬化比（有 ¾)深さまでの深さ/軸半径）で 0 . 5付近を狙うのが望ましい（図 4 ( B ) 参照）。

この他、軸部材 1 にショットピーニング処理を施して疲労強度のさらなる向上を図ってもよく、また、既存の高強度化対策、例えば、図 8 に示すように谷部 31 aの拡径領域 Sを大きな円弧で形成したり、あるいは図 9に示すように拡径領域 Sの谷部 31 aを球面に形成する等の対策を併用してもよい。

図 1 6は、軸部材 1側の歯 31のうち、谷部 31 aの拡径領域 S 1 の終端部（大径端） 31 alに、外周部材 2側の歯 32の山部 32 b、特にその終端のテーパ状の立ち上り部 32blを接触させた例であり、図 1 に示す場合と同様に軸部材 1の強度（静的および疲労強度）の向上が達成される。図 1 7は、外周部材 2側の歯 32のうち、山部 32 b終端の立ち上り部 32blを円弧状のチヤンファとし、かつチャンファの曲率 rを谷部 31の拡径領域 S 1 の曲率 Rよりも大きくして図 1 6 と同様に立ち上り部 32Mを谷部 31 aの終端部 31 alに接触させたものである。何れの場合も、立ち上り部 321)1と終端部 31 alとの接触で外周部材 2が軸方向終端側に位置決めされるため、外周部材 2 と軸部材 1の肩部 1 b とは非接触にすることができる。

上述のように外周部材 2は、入口側の内径端を止め輪 14で係止することによつて軸部材 1 に対して固定される。この場合、加工誤差等により、図 1 8に示すように外周部材 2の入口側内径端と止め輪 14との間に隙間 15が生じ、外周部材 2が軸方向にがたつく場合がある。このようなガ夕ツキがあると、図 1 6および図 1 7に示す構造において X = 0 を保持することができず、軸強度にパラツキを生じる要因となる。

これを回避するには、図 1 9〜図 2 2 に示すように、軸部材 1 と外周部材 2 との間に、外周部材 2の軸方向他端側（入口側）への移動を防止する拘束手段 16 a、 16 bを設けるのがよい。この拘束手段 16 a、 16 bは、外周部材 2 を軸方向一端側 (終端側）に押圧する押圧手段 16 aや、軸部材 1側の歯 31と外周部材 2側の歯 32 とを円周方向で相互に圧接させる圧接手段 16 bで構成することができる。図 1 9 乃至図 2 1 は、上記押圧手段 16 aの例であり、このうち図 1 9は、 2つの止め輪 14 a、 14 bを圧接状態で配置し、一方の止め輪 14 aを外周部材 2の抜け止め、他方の止め輪 14 bを軸部材 1 と外周部材 2のガ夕止めとした構造（ダブルクリヅプ方式）、図 2 0および図 2 1 は何れも止め輪 1 4に変えて圧縮状態の弾性部材 1 7 a、 17 b (図 2 0はコィルバネ 17 aを使用したコィルバネ方式、図 2 1はゥェ一ブヮッシャ 17 bを使用したウエーブヮヅシャ方式）を使用し、その弾性力で外周部材 2に軸方向終端側への予圧を付与する構造を示す。上記圧接手段 16 b'としては、図 2 2に示すように、例えば、軸部材 1あるいは外周部材 2の歯 31、 32に捻れ角 Sを設け（捻れ角 6は誇張して描いている。また、図面は外周部材 2側の歯 32の山部 32bに捻れ角 Sを設けた場合を例示する）、 X= 0 となるまで外周部材 2に軸部材 1を圧入する構造が考えられる。

以上の拘束手段 16a、 16bは、図 1や図 3に示すように、軸部材 1側の歯 31の谷部 31 aと外周部材 2側の歯 32の山部 32bとを拡径領域 S 1中で接触させた場合にも同様に適用することができる（この場合、図 1 6および図 1 7 と同様に外周部材 1 と軸部材 1の肩部 l bを非接触とすることができる）。

Claims

言青求の範囲

1 . 軸部材と軸部材の外周側に配置した外周部材とが、軸部材側の歯と外周部材側の歯との嵌合により、相互にトルク伝達可能に結合され、少なくとも軸方向一端側で、軸部材側の歯の谷部を拡径させたものにおいて、上記谷部の拡径領域内に、軸部材側の歯と外周部材側の歯との嵌合部を有する動力伝達機構。

2 . 軸部材の外周レベルよりも内径側に、上記嵌合部を有する請求項 1記載の動力伝達機構。

3 . 上記谷部の拡径領域中で、軸部材側の歯の谷部と外周部材側の歯の山部とを接触させた請求項 1記載の動力伝達機構。

4 . 軸部材側の歯の谷部と接触する外周部材側の歯の山部に、円弧状のチャンファ部を設けた請求項 3記載の動力伝達機構。

5 . 上記谷部の拡径領域の大径端に、外周部材側の歯の山部を接触させた請求項 1記載の動力伝達機構。

6 . 外周部材の軸方向他端側への移動を防止する拘束手段を具備する請求項 3 または 5記載の動力伝達機構。

7 . 拘束手段が、外周部材を軸方向一端側に押圧する押圧手段で構成されている請求項 6記載の動力伝達機構。

8 . 拘束手段が、軸部材側の歯と外周部材側の歯とを円周方向で相互に圧接させる圧接手段で構成されている請求項 6記載の動力伝達機構。

9 . 軸部材と外周部材とがスプラインまたはセレ一ションで結合されている請求項 1乃至 8記載の動力伝達機構。