(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マウス部とステム部とからなり、前記マウス部の球面状の内周面に軸方向に延びるボール溝を円周方向に等間隔に形成した外輪と、
球面上の外周面に軸方向に延びるボール溝を円周方向に等間隔に形成した内輪と、
対をなす外輪のボール溝と内輪のボール溝との間に介在させたボールと、
ボールを収容するためのポケットを円周方向に所定間隔で形成したケージとを有し、
前記外輪は炭素０．４０〜０．６０ｗｔ％を含有する中炭素鋼から冷間鍛造により製造したものであって調質処理を施すことによりコア部の組織を硬さＨＶ３２０以上の微細化組織とし、
前記調質処理の後に熱処理を施すことにより前記外輪の前記内周面および前記ボール溝ならびに前記ステム部に局部的な表面硬化層を形成させた、固定式等速自在継手。
【請求項２】
前記調質処理は、焼入れ温度８００〜９００℃、焼戻し温度４５０〜６５０℃で行う請求項１の固定式等速自在継手。
【請求項３】
前記微細化組織は、トルースタイト又はソルバイトである請求項１又は２の固定式等速自在継手。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項の固定式等速自在継手における外輪を製造するに当たり、鋼材から亜熱間鍛造または温間鍛造により予備成形を行い、冷間鍛造により仕上げ成形をした後、調質処理を行い、その後表面硬化層を形成させるための熱処理を行う、固定式等速自在継手の外輪の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は固定式等速自在継手およびその外輪の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車や各種産業機械の動力伝達装置に利用される等速自在継手は、固定式としゅう動式に大別することができる。しゅう動式等速自在継手が角度変位だけでなく軸方向変位（プランジング）も可能であるのに対して、固定式等速自在継手は角度変位のみ可能で、たとえば自動車のドライブシャフトの車輪側（アウトボード側）に使用される。
【０００３】
図２〜図４に示すように、固定式等速自在継手の主要な構成要素は外輪１０と内輪２０とボール３０とケージ４０であるが、継手全体の軽量・コンパクト化のために、各構成要素の小型・軽量化が提案されている。図２の固定式等速自在継手に対して軽量・コンパクト化した固定式等速自在継手を図３に示す。
【０００４】
固定式等速自在継手の軽量・コンパクト化は自動車の燃費や駆動系レイアウトの自由度の向上に寄与する。したがって、固定式等速自在継手は、必要とされる性能を満たした上で、できるかぎり小さくすることが望ましい。従来、固定式等速自在継手の性能を維持した上で軽量化を図るために次のような提案がされている。
（１）疲労強度対策として特殊材料を使用する（特許文献１）。
（２）ショットピーニングを施して疲労強度を向上させる（特許文献２）。
（３）冷間鍛造前に調質処理を施して材料組織を均一化し、冷間端造後の寸法精度や熱処理のばらつきを改善する。調質処理の効果で、破断延性、降伏強度、靭性が改善される（特許文献３）。
【特許文献１】特開２００５−６０７２４号公報
【特許文献２】特開平４−１０４４１８号公報
【特許文献３】特開平１０−１４８２１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
固定式等速自在継手の外輪はコストの面から冷間鍛造により製造するのが一般的である。そして、外輪の材料としては、鍛造の容易性、切削性、熱処理、経済性、強度等々の面から、機械構造用の中炭素鋼が採用されることが多い。固定式等速自在継手の軽量・コンパクト化に伴い、外輪も薄肉となっている。そのため、外輪自体の機械的強度が素材である中炭素鋼の疲労限に近付きつつあり、一層のコンパクト化・軽量化を図ることは困難になってきている。
【０００６】
強度の改善手段として、上記の提案（１）では特殊材料を使用するため、製造工場がグローバルに展開している場合に調達が困難となる。また、材料に合金を添加しているため、材料コストが増加し、冷間鍛造の加工性や切削性が悪化し、金型寿命や工具寿命が低下し、製造コストが上昇する。
【０００７】
提案（２）でも、ショットピーニング加工を追加することにより工程が増加し、製造コストが上昇する。疲労強度には有効であるが、破断延性は改善されないため、コンパクト化により肉厚が減少した場合には静的な破損強度は改善されない。
【０００８】
提案（３）では、亜熱間鍛造後の調質処理の硬さにより、冷間鍛造での金型寿命の低下や鍛造成形割れを起こす可能性が予想される。
【０００９】
また、固定式等速自在継手は作動角をとった状態でトルクが入力されると、位相によってトラックに負荷される荷重が変化する。図５に６個ボールの場合の、位相角とトラック荷重の関係を示す。基本的にはボール個数が変わっても同様の傾向が認められ、作動角が大きくなるとトラックの荷重が大きくなる。したがって、大トルクが瞬時に入力されると、作動角が小さい場合は各トラックで比較的均等に荷重を受けるが、作動角が大きくなるとトラックによって荷重が大きく異なる。
【００１０】
そして、大荷重を受けるトラックでは応力が集中するため、素材の引っ張り強度が改善されると強度は向上する。また、作動角が大きくトルクが長時間入力されて回転している場合には、各トラックは荷重を大きく受ける位相と受けない位相が発生し、その応力により外輪が絶えず変形を繰り返し、疲労破損の原因となる。
【００１１】
そこで、この発明の目的は、固定式等速自在継手の基本性能を維持した上で一層の軽量化・コンパクト化を可能にすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明の固定式等速自在継手は、マウス部とステム部とからなり、前記マウス部の球面状の内周面に軸方向に延びるボール溝を円周方向に等間隔に形成した外輪と、球面上の外周面に軸方向に延びるボール溝を円周方向に等間隔に形成した内輪と、対をなす外輪のボール溝と内輪のボール溝との間に介在させたボールと、ボールを収容するためのポケットを円周方向に所定間隔で形成したケージとを有し、前記外輪は炭素０．４０〜０．６０ｗｔ％を含有する中炭素鋼から冷間鍛造により製造したものであって調質処理を施すことによりコア部の組織を硬さＨＶ３２０以上の微細化組織とし、前記調質処理の後に熱処理を施すことにより前記外輪の前記内周面および前記ボール溝ならびに前記ステム部に局部的な表面硬化層を形成させたことを特徴とするものである（請求項１）。
【００１３】
ここで、外輪のコア部とは、外輪の球面状内周面とボール溝とステム部に形成した表面硬化層（請求項１）を除いた部分を意味する。外輪の内周面はケージと球面接触するため、ボール溝はボールの転走面となるため、ステム部はセレーション（またはスプライン。以下、同じ。）嵌合する部分であるため、それぞれ、たとえば高周波焼入れ・焼戻しからなる熱処理を施すことにより表面硬化層を形成する。
【００１４】
調質処理により、外輪のコア部の硬さはビッカース硬さＨＶ３２０以上とするのが好ましい（請求項１）。
調質処理は一種の焼戻し（tempering）であって、冷間鍛造後、８００〜９００℃に加熱した後急冷し、４５０〜６５０℃に再加熱して所望の焼戻し組織を得る（請求項２）。具体的には、調質処理によって鉄の金属組織をソルバイトやトルースタイトにする場合（請求項３）、鉄の金属組織を一度マルテンサイトにしなければならないため、マルテンサイト変態が生じる８００〜９００℃に加熱する。そして、急冷後に焼戻しをしてソルバイトまたはトルースタイト組織にするために、４５０〜６５０℃から空冷する。
なお、冷間鍛造前の調質では素材が硬くなり、鍛造金型寿命や成形割れの可能性があるのに対し、冷間鍛造後の調質処理では従来の冷間鍛造加工が可能となり、金型寿命を考慮した設備、金型の変更は不要となる。
【００１５】
述べたような熱処理を施すことから、外輪の材料としては、炭素０．４０〜０．６０ｗｔ％を含有する中炭素鋼が好ましい（請求項１）。この炭素量の範囲は等速自在継手に一般的に用いられる機械構造用炭素鋼ではＳ４８Ｃ〜Ｓ５５Ｃに相当する。この範囲よりも炭素量が低い場合、硬度が必要な部位に十分な焼入れができず、逆にこの範囲よりも炭素量が高い場合、鍛造での成形性や加工性が悪くなり、コスト高や加工不良の発生につながりやすい。
【００１６】
この発明の固定式等速自在継手の外輪の製造方法は、鋼材から亜熱間鍛造または温間鍛造により予備成形を行い、冷間鍛造により仕上げ成形をした後、調質処理を行い、その後表面硬化層を形成させるための熱処理を行うことを特徴とするものである（請求項４）。                                                                            
【発明の効果】
【００１７】
この発明によれば、調質処理を施した外輪のコア部は、炭化物が球状化されたトルースタイトまたはソルバイト組織となり、調質前素材のフェライト・パーライト組織と比較すると微細化され、硬度も上昇している。したがって、外輪の引っ張り強度が改善され、破損強度が向上する。また、繰り返し応力が入力された場合でも、コア部の強度の上昇と組織の微細化により、疲労強度が改善される。このように外輪の強度が改善される結果、外輪の肉厚を冷間鍛造外輪よりも減少させることが可能になり、従来の固定式等速自在継手に比べて、一層の軽量・コンパクト化が達成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面に従ってこの発明の実施の形態を説明する。
まず、固定式等速自在継手の基本的構成について述べる。図２〜図４に示すように、固定式等速自在継手は、外側継手部材としての外輪１０と、内側継手部材としての内輪２０と、トルク伝達要素としてのボール３０と、ボールを保持するケージ４０とを主要な構成要素としている。
【００１９】
外輪１０はマウス部１２とステム部１８とからなり、ステム部１８のスプライン(またはセレーション。以下、同じ)軸部で、連結すべき２軸のうちの一方とトルク伝達可能に接続するようになっている。ここではマウス部１２はベル型で、球面状の内周面１４を有し、その球面状内周面１４の円周方向に等間隔に、軸方向に延びるボール溝１６が形成してある。
【００２０】
内輪２０は、軸心部分に形成したスプライン孔２２で、連結すべき２軸のうちのもう一方とトルク伝達可能に接続するようになっている。内輪２０は球面状の外周面２４を有し、その球面状外周面２４の円周方向に等間隔に、軸方向に延びるボール溝２６が形成してある。
【００２１】
外輪１０のボール溝１６と内輪２０のボール溝２６は対をなし、各対のボール溝１６，２６間に１個のボール３０が組み込んである。すべてのボール３０はケージ４０により同一平面内に保持される。一般に６個または８個のボール３０が使用されるが、ボールの数はここでは特に限定するものでない。
【００２２】
ケージ４０は外輪１０の内周面１４と内輪２０の外周面２４との間に介在させてある。そして、ケージ４０の外周面４２は外輪１０の内周面１４と球面接触し、ケージ４０の内周面４４は内輪２０の外周面２４と球面接触している。ケージ４０は、ボール３０を収容するためのポケット４６が円周方向に所定間隔で形成してある。
【００２３】
外輪１０のボール溝１６の中心と、内輪２０のボール溝２６の中心は、継手中心から互いに反対方向に等距離だけ軸方向にオフセットさせてある。したがって、対をなす外輪１０のボール溝１６と内輪２０のボール溝２６とで形成されるボールトラックが、軸方向の一方から他方に向かって次第に狭くなったくさび形状を呈する。継手が作動角をとると、ボール３０は２軸の二等分面内に保持され、ボール３０の中心から各軸へ下ろした垂線の長さが相等しくなる。したがって、２軸は常に等角速度で回転する。
【００２４】
外輪１０の材料としては、炭素０．４０〜０．６０ｗｔ％を含有する中炭素鋼を採用し、外輪１０の製造方法としては冷間鍛造を採用する。そして、球面状の内周面１４、ボール溝１６、そしてステム部１８には、通常の高周波焼入れ・焼戻しからなる高周波熱処理により表面硬化層を形成させる。内周面１４はケージ４０との球面嵌合部となり、ボール溝１６はボール３０の転走面となり、ステム部１８はハブ輪とのスプライン嵌合部となるため、それぞれ高周波熱処理を施してマルテンサイトを主な組織とし、ボール転走面の転動耐久性、ケージ嵌合部の擦れに対する耐久性、スプライン嵌合の強度・耐久性およびステム強度を確保する。
【００２５】
上述の高周波熱処理の前に、次に述べる調質処理を施すのであるが、表面硬化層が形成されていない部分をコア部と呼ぶこととする。図１は外輪１０を一部破断面にしたもので、狭幅の平行斜線が表面硬化層を、広幅の平行斜線がコア部を示している。
【００２６】
なお、冷間鍛造の場合、通常は鍛造仕上げのままとするところ、加工精度が必要な場合にはさらに旋削を行うことがある。調質処理はこの旋削加工の前に行ってもよく、あるいは、加工の容易性を考慮して旋削加工の後に調質処理を行ってもよい。
【００２７】
調質処理により、外輪１０の組織を、フェライトが混ざった一般的な組織からトルースタイトまたはソルバイト組織に変化させる、組織を微細化させ、硬度を上げる。具体的には、冷間鍛造により製造した外輪の硬度はビッカース硬さＨＶ２７０〜３４０程度であるが、調質処理を施すことにより硬度をＨＶ３２０以上とする。
【００２８】
調質処理は一種の焼戻し（tempering）であって、８００〜９００℃に加熱した後急冷し（焼入れ）、４５０〜６５０℃に再加熱（焼戻し）して所望の焼戻し組織を得る。
調質処理の具体例を挙げるならば次のとおりである。
焼入れは、バッチ型焼入れ炉で、焼入れ温度８５０℃で約１．５時間保持した後、冷却液（例：コスモクェンチＡ２１２）を用いて急冷する。炉内雰囲気はＣＰ（カーボンポテンシャル）０．５％とする。
焼戻しは、焼戻し炉で、焼戻し温度５００〜５５０℃で約２時間保持した後、空冷する。
【００２９】
調質処理を施した外輪１０の組織はトルースタイトまたはソルバイトになって微細化され、さらに硬度も高まるため、外輪１０の引っ張り強度が改善され、破損強度が向上する。また、繰り返し応力に対しても、強度の向上と組織の微細化により疲労強度が改善される。
【００３０】
調質処理を終えた外輪１０に高周波熱処理を施す。すなわち、既に述べたように、ケージ４０と接触する内周面１４、ボール３０と接触するボール溝１６、そしてステム部１８に、局部的に高周波焼入れを施してマルテンサイト組織からなる表面硬化層を形成させる。
【００３１】
なお、アンダーカットフリー型等速自在継手（ＵＪ）の場合を例にとって説明したが、この発明はバーフィールド型（ＢＪ）等の他の等速自在継手にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】固定式等速自在継手の外輪の一部破断正面図である。
【図２】一般的な固定式等速自在継手の縦断面図である。
【図３】コンパクト化した固定式等速自在継手の縦断面図である。
【図４】固定式等速自在継手の端面図である。
【図５】位相角とトラック荷重の関係を示す線図である。
【符号の説明】
【００３３】
１０  外輪（外側継手部材）
１２  マウス部
１４  内周面
１６  ボール溝
１８  ステム部
２０  内輪（内側継手部材）
２２  スプライン孔
２４  外周面
２６  ボール溝
３０  ボール（トルク伝達要素）
４０  ケージ
４２  外周面
４４  内周面
４６  ポケット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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