(57)【要約】【課題】静的捩り強度の向上を図ることができるとともに、疲労強度の低下を防止でき、しかも加工性にも優れる等速自在継手用シャフトの提供、このような等速自在継手用シャフトの製造方法、及び、このような等速自在継手用シャフトを用いた等速自在継手を提供する。【解決手段】高周波焼入れによる表面硬化処理が施された等速自在継手用シャフトである。硬度が２５０ＨＶ〜４００ＨＶとなる調質処理を行った後に高周波焼入れによる表面硬化処理が施されてなる硬化層１２０を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波焼入れによる表面硬化処理が施された等速自在継手用シャフトであって、
硬度が２５０ＨＶ〜４００ＨＶとなる調質処理を行った後に高周波焼入れによる表面硬化処理が施されてなることを特徴とする等速自在継手用シャフト。
【請求項２】
調質処理を行う前の材質硬度が２５０ＨＶ未満であることを特徴とする請求項１に記載の等速自在継手用シャフト。
【請求項３】
材質を、炭素量が０．３ｗｔ％〜０．５ｗｔ％を含む中炭素鋼としたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の等速自在継手用シャフト。
【請求項４】
前記調質処理は、焼入れ焼きもどしの熱処理を施す熱調質であって、焼入れと焼きもどしの少なくとも一方を高周波熱処理にて行うことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の等速自在継手用シャフト。
【請求項５】
外側継手部材と、内側継手部材と、外側継手部材と内側継手部材との間に介在されるトルク伝達部材とを備えた等速自在継手であって、前記請求項１〜請求項４のいずれか１項の等速自在継手用シャフトを前記内側継手部材に連結したことを特徴とする等速自在継手。
【請求項６】
表面に硬化層を有する等速自在継手用シャフトの製造方法であって、調質処理を行って硬度が２５０ＨＶ〜４００ＨＶとなるシャフト素材を成形した後、このシャフト素材に対して、高周波熱処理を行って表面に硬化層を形成することを特徴とする等速自在継手用シャフトの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、等速自在継手用シャフト、等速自在継手用シャフトの製造方法、及び等速自在継手に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等の車両のエンジン動力を車輪に伝達する動力伝達装置は、エンジンから車輪へ動力を伝達すると共に、悪路走行時における車両のバウンドや車両の旋回時に生じる車輪からの径方向や軸方向変位、およびモーメント変位を許容する必要がある。このため、例えば、図３に示すように、エンジン側と車輪側との間に介装されるドライブシャフト１の一端を、インボード側の摺動型等速自在継手２を介してディファレンシャルに連結し、他端を、アウトボード側の固定型等速自在継手３を含む車輪用軸受装置（図示省略）を介して車輪に連結している。
【０００３】
すなわち、一対の等速自在継手２，３と、これら等速自在継手に連結されたドライブシャフト１と、一対の等速自在継手２，３のうちアウトボード側の等速自在継手３と車輪用軸受とがユニット化された車輪用軸受アッセンブリー（以下、アクスルモジュールと言う）を構成している。自動車等の車両に組付けた状態で車両の外側となる方をアウトボード側（図面左側）、自動車等の車両に組付けた状態で車両の内側となる方をインボード側（図面右側）という。
【０００４】
等速自在継手３は、外側継手部材としての外輪５と、外輪５の内側に配された内側継手部材としての内輪６と、外輪５と内輪６との間に介在してトルクを伝達する複数のボール７と、外輪５と内輪６との間に介在してボール７を保持するケージ８とを主要な部材として構成される。内輪６孔部内径６ａとシャフト１端部１ａはトルク伝達するために、スプライン嵌合により結合されている。
【０００５】
外輪５はマウス部１１とステム部（軸部）１２とからなり、マウス部１１は一端にて開口した椀状で、その内球面１３に、軸方向に延びた複数のトラック溝１４が円周方向等間隔に形成されている。そのトラック溝１４はマウス部１１の開口端まで延びている。内輪６は、その外球面１５に、軸方向に延びた複数のトラック溝１６が円周方向等間隔に形成されている。
【０００６】
また、マウス部１１の開口部はブーツ２０にて覆われている。ブーツ２０は、大径部２０ａと、小径部２０ｂと、大径部２０ａと小径部２０ｂとを連結する蛇腹部２０ｃとからなる。大径部２０ａがマウス部１１の開口部に外嵌され、この状態でブーツバンド２１にて締結され、小径部２０ｂがシャフト１のブーツ装着部１ｂに外嵌され、この状態でブーツバンド２１にて締結されている。
【０００７】
インボード側の摺動型等速自在継手は、円筒状の内径面２３ａに複数の直線状のトラック溝２２を軸方向に形成した外側継手部材としての外輪２３と、球面状の外径面２６ａに複数の直線状のトラック溝２５を軸方向に形成した内側継手部材としての内輪２６と、外輪２３のトラック溝２２と内輪２６のトラック溝２５との間に介在してトルクを伝達するボール２７と、外輪２３の内径面と内輪２６の外径面との間に介在してボール２７を保持するケージ２８とを備える。
【０００８】
外輪２３は、内径面２３ａに前記トラック溝２２が形成されたカップ部２９ａと、このカップ部２９ａの底壁から突設されるステム部２９ｂとを備える。内輪２６孔部内径２６ｂとシャフト１端部１ｃはトルク伝達するために、スプライン嵌合により結合されている。
【０００９】
また、カップ部２９ａの開口部はブーツ４０にて覆われている。ブーツ４０は、大径部４０ａと、小径部４０ｂと、大径部４０ａと小径部４０ｂとを連結する蛇腹部４０ｃとからなる。大径部４０ａがカップ部２９ａの開口部に外嵌され、この状態でブーツバンド４１にて締結され、小径部４０ｂがシャフト１のブーツ装着部１ｄに外嵌され、この状態でブーツバンド４１にて締結されている。
【００１０】
このように、アウトボード側の等速自在継手（固定型等速自在継手）であっても、インボード側の等速自在継手（摺動型等速自在継手）であっても、その開口部がブーツ２０、４０にて覆われる。この場合、縮径可能なバンド２１、４１を縮径させることによって、ブーツ２０、４０を締め付けるものである。
【００１１】
ところで、等速自在継手においては、軽量・コンパクト化を図ると、自動車の燃費向上や駆動系レイアウトの自由度向上に寄与するため、必要とされる機能を満たした上で、できる限り小さい方が望ましい。このため、アクスルモジュールにおけるシャフト（中間シャフト）も同様に軽量化を達成できるようにするのが好ましい。
【００１２】
そこで、従来には、軽量化を達成でき、しかも強度の低下を補強するようにしたものがある（特許文献１）。この特許文献１に記載のものは、軸方向の全体が熱処理されている動力伝達シャフトであって、軸方向の所定部位が軸中心部に至るまでの熱処理がなされ、かつ、同シャフトの加工にともなう切欠部の根本部位がショットピーニング処理されている。
【００１３】
また、優れた静的捩り強度特性、及び優れた捩り疲労強度特性を得ることを可能としたものもある（特許文献２）。この特許文献２に記載のものは、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｓ、Ｍｏ、Ｂ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎ、Ｃｒ、Ｐの含有率を規定するとともに、ベイナイト＋マルテンサイトの組織分率を４０％以上とし、さらに、硬さを２５０〜３４０ＨＶであるようにするものである。
【特許文献１】特開２００３−３０７２１１号公報
【特許文献２】特開２００６−１３８００７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
特許文献１に記載のものでは、軸心部まで焼き入れすることによって、静的強度が向上するが、疲労強度が低下する。このため、切欠部にはショットピーニングを施して疲労強度が低下するのを防止している。このように、特許文献１に記載のものは、成形工程において、ショットピーニング加工を行う必要があり、コスト高となるとともに、成形時間が大となる欠点があった。なお、中心まで焼入することで疲労強度が落ちるのは、高周波熱処理で表面に通常生成する圧縮残留応力が、小さくなるあるいは引張残留応力となったためである。
【００１５】
また、特許文献２に記載のものは、非焼入部の硬度を上げるため、素材硬度を２５０〜３４０ＨＶとしている。しかしながら、素材硬度を上げると、加工性に劣ることになり、特に、雄スプライン等の加工（転造加工）が困難となる。
【００１６】
本発明は、前記課題に鑑みて、静的捩り強度の向上を図ることができるとともに、疲労強度の低下を防止でき、しかも加工性にも優れる等速自在継手用シャフトの提供、このような等速自在継手用シャフトの製造方法、及び、このような等速自在継手用シャフトを用いた等速自在継手を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の等速自在継手用シャフトは、高周波焼入れによる表面硬化処理が施された等速自在継手用シャフトであって、硬度が２５０ＨＶ〜４００ＨＶとなる調質処理を行った後に高周波焼入れによる表面硬化処理が施されてなるものである。
【００１８】
本発明の等速自在継手用シャフトによれば、調質処理によって、硬度を２５０ＨＶ〜４００ＨＶとすることができる。ここで、調質とは、鋼の結晶粒を微細にして材質を均質化し、延性や靭性を向上させ性質の改善を図る操作をいう。焼入れ、焼き戻し、あるいは焼きなましを行う熱調質と、機械的作業と焼きなましを組み合わせた機械的調質がある。この調質によって、非焼入部の組織を、フェライト−パーライト組織あるいはフェライト−パーライト組織から、トルースタイト組織あるいはソルバイト組織に変化させる。
【００１９】
調質処理を行う前の材質硬度が２５０ＨＶ未満であるのが好ましい。また、材質を、炭素量が０．３ｗｔ％〜０．５ｗｔ％を含む中炭素鋼とすることができる。
【００２０】
前記調質処理は、焼入れ焼きもどしの熱処理を施す熱調質であって、焼入れと焼きもどしの少なくとも一方を高周波熱処理にて行うようにできる。高周波熱処理とは、「高周波誘導加熱」という電磁誘導現象を利用した加熱方法で行う焼入である。高周波電流の流れるコイルのなかに金属（電気的導体）を置くと、電磁誘導によって、金属の表面に高周波磁束による誘導電流が流れる。この電流は、金属のもつ抵抗によってエネルギーを損失し、熱を発生させる。この発熱現象を熱源として利用したのが誘導加熱である。
【００２１】
高周波誘導加熱は、次の利点がある。非接触で加熱でき、ワーク自体が発熱するため作業環境が良い。短時間に加熱できるため、酸化が極めて少ない。急速加熱が可能であり、エネルギー効率が良い。局部加熱ができ、焼入条件の調整も容易である。他の焼入方法に比べ、焼入歪みが少ない。自動化が容易で機械加工ラインへの組み入れも可能である。
【００２２】
本発明の等速自在継手は、外側継手部材と、内側継手部材と、外側継手部材と内側継手部材との間に介在されるトルク伝達部材とを備えた等速自在継手であって、前記等速自在継手用シャフトを前記内側継手部材に連結したものである。
【００２３】
本発明の等速自在継手用シャフトの製造方法は、表面に硬化層を有する等速自在継手用シャフトの製造方法であって、調質処理を行って硬度が２５０ＨＶ〜４００ＨＶとなるシャフト素材を成形した後、このシャフト素材に対して、高周波熱処理を行って表面に硬化層を形成するものである。
【発明の効果】
【００２４】
本発明では、調質処理を行うことによって、非焼入れ部（シャフト内部）の硬度が上昇する。このため、非焼入れ部の引張強度が改善され、静的捩り強度が向上する。しかも、非焼入れ部の硬度は調質により上げるので、素材は低硬度でよく、素材に対して旋削及び転造等が容易であって、加工性の向上を図ることができる。特に、調質処理を行う前の材質硬度が２５０ＨＶ未満とすることによってより加工しやすくなる。
【００２５】
調質を行った後の熱処理は、中心（軸心）まで高周波焼入れを行わなくてよく、熱処理後の圧縮残留応力が通常の高周波焼入れと同等に生成され、疲労強度の低下がない。また、調質処理はショットピーニングよりも安価である利点もある。炭素量が０．３ｗｔ％〜０．５ｗｔ％を含む中炭素鋼に対して高周波焼入れすると、高い圧縮残留応力が発生して疲労強度が向上する。このため、シャフトを、炭素量が０．３ｗｔ％〜０．５ｗｔ％を含む中炭素鋼とすることによって、疲労強度の向上を一層図ることができる。
【００２６】
このように、静的捩り強度の向上を図ることができかつ疲労強度の低下を防止できるシャフトを用いれば、耐久性に優れて高品質の等速自在継手を提供できる。
【００２７】
本発明の等速自在継手用シャフトの製造方法では、静的捩り強度の向上を図ることができかつ疲労強度の低下を防止できるシャフトを安価に安定して製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下本発明の実施の形態を図１と図２とに基づいて説明する。
【００２９】
図２は、本発明に係る等速自在継手用シャフトを用いたアクスルモジュールを示す。アクスルモジュールは、アウトボード側の等速自在継手Ｔ１と、インボード側の等速自在継手Ｔ２と、これら等速自在継手Ｔ１、Ｔ２に連結されるシャフト（等速自在継手用シャフト）６５とを備える。自動車等の車両に組付けた状態で車両の外側となる方をアウトボード側（図面左側）、自動車等の車両に組付けた状態で車両の内側となる方をインボード側（図面右側）という。
【００３０】
固定式等速自在継手は、図２に示すように内球面５１に複数のトラック溝５２が形成された外方部材（外側継手部材）としての外輪５３と、外球面５４に外輪５３のトラック溝５２と対をなす複数のトラック溝５５が形成された内方部材（内側継手部材）としての内輪５６と、外輪５３のトラック溝５２と内輪５６のトラック溝５５との間に介在してトルクを伝達するトルク伝達部材であるボール５７と、外輪５３の内球面５１と内輪５６の外球面５４との間に介在してボール５７を保持するケージ５８とを備えている。
【００３１】
内輪５６はその孔部内径５６ａとシャフト６５の一方の端部の雄スプライン６５ａが、スプライン嵌合により結合されることで、シャフト６５とトルク伝達が可能になる。また、シャフト６５の雄スプライン６５ａには抜け止め用の止め輪６０が装着されている。
【００３２】
外輪５３は、マウス部５３ａとステム部（軸部）５３ｂとからなり、マウス部５３ａは一端にて開口した椀状で、その内球面５１に、軸方向に延びた複数のトラック溝５２が円周方向等間隔に形成されている。
【００３３】
マウス部５３ａの開口部はブーツ７０にて覆われている。ブーツ７０は、大径部７０ａと、小径部７０ｂと、大径部７０ａと小径部７０ｂとを連結する蛇腹部７０ｃとからなる。大径部７０ａがマウス部５３ａの開口部に外嵌され、この状態でバンド１１１が締結され、小径部７０ｂがシャフト６５のブーツ装着部６５ｂに外嵌され、この状態でバンド１１１が締結されている。
【００３４】
摺動型等速自在継手は、円筒状の内径面８３ａに複数の直線状のトラック溝８２を軸方向に形成した外側継手部材としての外輪８３と、球面状の外径面８６ａに複数の直線状のトラック溝８５を軸方向に形成した内側継手部材としての内輪８６と、外輪８３のトラック溝８２と内輪８６のトラック溝８５との間に介在してトルクを伝達するトルク伝達部材としてのボール８７と、外輪８３の内径面と内輪８６の外径面との間に介在してボール８７を保持するケージ８８とを備える。
【００３５】
外輪８３は、内径面８３ａに前記トラック溝８２が形成されたカップ部９０と、このカップ部９０の底壁から突設されるステム部９１とを備える。内輪８６はその孔部内径８６ｂとシャフト６５の他の端部の雄スプライン６５ｃがスプライン嵌合により結合されることで、シャフト６５とトルク伝達が可能になる。シャフト６５の雄スプライン６５ｃには抜け止め用の止め輪６１が装着されている。
【００３６】
また、カップ部９０の開口部はブーツ１００にて覆われている。ブーツ１００は、大径部１００ａと、小径部１００ｂと、大径部１００ａと小径部１００ｂとを連結する蛇腹部１００ｃとからなる。大径部１００ａがカップ部９０の開口部に外嵌され、この状態でバンド１１１が締結され、小径部１００ｂがシャフト６５のブーツ装着部６５ｄに外嵌され、この状態でバンド１１１が締結されている。
【００３７】
シャフト６５は中実体であって、シャフト本体９２と、このシャフト本体９２の両端部に設けられる前記雄スプライン６５ａ、６５ｃとを備える。なお、雄スプライン６５ａ、６５ｃは、本体側から端部側へ向かって拡大するテーパ部９３ａ，９３ｃを介してシャフト本体９２に連設される端部大径部に形成される。
【００３８】
また、シャフト本体９２には、ブーツ装着部６５ｂ、６５ｄが形成されるが、この場合、シャフト本体９２の雄スプライン６５ｃ側に大径部９４ｂを形成し、この大径部９４ｂに周方向溝９５ｂを設けることによって、ブーツ装着部６５ｂを構成している。また、シャフト本体９２の雄スプライン６５ｃ側に大径部９４ｄを形成し、この大径部９４ｄに周方向溝９５ｄを設けることによって、ブーツ装着部６５ｄを構成している。なお、大径部９４ｂ、９４ｄの両端部にはテーパ９６ｂ、９７ｂ、９６ｄ、９７ｄが設けられている。雄スプライン６５ａ、６５ｃにはそれぞれ周方向溝９８，９９が形成されている。
【００３９】
ところで、シャフト６５は図１に示すように、その表面全長に渡って硬化層１２０が形成される。この表面硬化層１２０は高周波焼入れによる表面硬化処理で形成される。なお、図例のハッチングは、シャフト６５に表面硬化層１２０が形成されていることを示すためのものであって、実際の表面硬化層１２０はシャフト６５の表面全体に形成されている。
【００４０】
次にシャフト６５の製造方法を説明する。まず、炭素量が０．３ｗｔ％〜０．５ｗｔ％を含む中炭素鋼からなる棒状の素材を用意する。次に、その素材に対して調質処理を行う。調質処理とは、焼入れ焼きもどしの熱処理を施す熱調質である。焼入れ焼きもどしは、高周波熱処理で行うことができる。すなわち、調質処理によって、組織を、フェライト−パーライト組織あるいはフェライト−パーライト組織から、トルースタイト組織あるいはソルバイト組織に変化させる。この調質前の素材の硬度（表面硬化層１２０以外の非焼入部の硬度）を１５０ＨＶ〜２３０ＨＶ程度とする。そして、調質によって、２５０ＨＶ以上とする。
【００４１】
高周波熱処理とは、「高周波誘導加熱」という電磁誘導現象を利用した加熱方法で行う焼入である。高周波電流の流れるコイルのなかに金属（電気的導体）を置くと、電磁誘導によって、金属の表面に高周波磁束による誘導電流が流れる。この電流は、金属のもつ抵抗によってエネルギーを損失し、熱を発生させる。この発熱現象を熱源として利用したのが誘導加熱である。なお、高周波誘導加熱は、次の利点がある。非接触で加熱でき、ワーク自体が発熱するため作業環境が良い。短時間に加熱できるため、酸化が極めて少ない。急速加熱が可能であり、エネルギー効率が良い。局部加熱ができ、焼入条件の調整も容易である。他の焼入方法に比べ、焼入歪みが少ない。自動化が容易で機械加工ラインへの組み入れも可能である。
【００４２】
その後、加工精度が要求されるため、旋削及び転造を行うことによって、雄スプライン６５ａ、６５ｂ、ブーツ装着部６５ｂ、６５ｄ等を備えたシャフト（硬化層形成前のシャフト）を成形する。なお、この旋削及び転造は、加工の容易性を考慮して、調質前に行ってもよい。
【００４３】
次に、高周波熱処理（高周波焼入れ）によって、表面硬化層１２０を形成してシャフト６５を完成する。硬化層１２０の硬度としては、５５０〜７５０ＨＶ程度とする。この高周波焼入れによって、高い捩り強度を有するものとなる。なお、高周波焼入れ後において、必要に応じて焼き戻しを行ってもよい。ここで、焼き戻しとは、焼入れによって硬化した鋼に靭性を与える目的で行われる熱処理で、マルテンサイト組織の状態から鋼を再加熱し、一定時間保持した後に徐冷する作業をいう。
【００４４】
ところで、高周波熱処理で圧縮応力を生成させることになる。そこで、この高周波熱処理前における素材の硬度を調質によって２５０ＨＶ以上としているが、４００ＨＶ以下とするのが好ましい。
【００４５】
本発明によれば、調質処理を行うことによって、非焼入れ部（シャフト内部）の硬度が上昇する。このため、非焼入れ部の引張強度が改善され、静的捩り強度が向上する。しかも、非焼入れ部の硬度は調質により上げるので、素材は低硬度でよく、素材に対して旋削及び転造等が容易であって、加工性の向上を図ることができる。特に、調質処理を行う前の材質硬度が２５０ＨＶ未満とすることによってより加工しやすくなる。
【００４６】
調質を行った後の熱処理は、中心（軸心）まで高周波焼入れを行わなくてよく、熱処理後の圧縮残留応力が通常の高周波焼入れと同等に生成され、疲労強度の低下がない。また、調質処理はショットピーニングよりも安価である利点もある。炭素量が０．３ｗｔ％〜０．５ｗｔ％を含む中炭素鋼に対して高周波焼入れすると、高い圧縮残留応力が発生して疲労強度が向上する。このため、シャフト６５を、炭素量が０．３ｗｔ％〜０．５ｗｔ％を含む中炭素鋼とすることによって、疲労強度の向上を一層図ることができる。
【００４７】
このように、静的捩り強度の向上を図ることができかつ疲労強度の低下を防止できるシャフト６５を用いれば、耐久性に優れて高品質の等速自在継手を提供できる。
【００４８】
本発明の等速自在継手用シャフトの製造方法では、静的捩り強度の向上を図ることができかつ疲労強度の低下を防止できるシャフトを安価に安定して製造することができる。
【００４９】
前記実施形態では、調質処理における焼入れ焼きもどしは、高周波熱処理でおこなったが、浸炭焼入れ等の種々の他の熱処理を採用することができる。ここで、浸炭焼入れとは、低炭素材料の表面から炭素を浸入／拡散させ、その後に焼入れを行う方法である。調質処理を高周波熱処理で行うことによって、硬化層形成時に使用する高周波熱処理装置をそのまま使用することができ、コスト低減を図ることができる。なお、調質処理の焼入れ焼きもどしのいずれか一方のみを高周波熱処理で行って、他方を他の熱処理手段で行ってもよい。
【００５０】
以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく種々の変形が可能であって、図２に示すアクスルモジュールにおいては、アウトボード側の等速自在継手（固定式等速自在継手）Ｔ１を、トラック溝底が円弧部のものからなるバーフィールド型（ＢＪ）としているが、トラック溝底が円弧部とストレート部とを備えたアンダーカットフリー型（ＵＪ）であってもよい。また、インボード側の等速自在継手（摺動式等速自在継手）Ｔ２を、ダブルオフセット型等速自在継手としているが、トリポード型等速自在継手等の他の摺動式等速自在継手であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施形態を示すシャフトの側面図である。
【図２】前記図１に示すシャフトを用いたアクスルモジュールの断面図である。
【図３】従来のシャフトを用いたアクスルモジュールの断面図である。
【符号の説明】
【００５２】
６５   シャフト
１２０ 硬化層
Ｔ１   等速自在継手
Ｔ２   等速自在継手
【図１】
2010007694.tif 000003
【図２】
2010007694.tif 000004
【図３】
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