(57)【要約】【課題】  スプライン軸など、トルク伝達用歯部を有する動力伝達軸の強度、特に疲労強度の向上を図る。【解決手段】  動力伝達軸４は、等速自在継手２、３の内側継手部材２２、３２にせれぞれセレーション結合される。動力伝達軸１は、セレーション部Ａ１の他に外周が円筒面状の平滑部Ｂ１を備えるもので、セレーション部Ａ１の終端形状は切上りタイプである。平滑部Ｂ１およびセレーション部Ａ１にそれぞれ高周波焼入れを施し、平滑部Ｂ１の焼入れ比を、セレーション部Ａ１の焼入れ比と異なる値で、かつ平滑部Ｂ１の疲労強度≧セレーション部Ａ１の疲労強度となる値に設定する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
等速自在継手の内側継手部材または外側継手部材に結合され、外周が円筒面状の平滑部と、終端形状を切上りタイプとしたトルク伝達用歯部とを有する動力伝達軸において、
平滑部およびトルク伝達用歯部にそれぞれ高周波焼入れが施され、平滑部の焼入れ比が、トルク伝達用歯部の焼入れ比と異なる値で、かつ平滑部の疲労強度≧トルク伝達用歯部の疲労強度となる値に設定されていることを特徴とする動力伝達軸。
【請求項２】
平滑部の焼入れ比が、０．４０以上、０．７０以下である請求項１記載の動力伝達軸。
【請求項３】
トルク伝達用歯部の焼入れ比が０．２０以上、０．６０以下である請求項２記載の動力伝達軸。
【請求項４】
平滑部およびトルク伝達用歯部にショットピーニングを施した請求項１〜３何れか記載の動力伝達軸。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、等速自在継手を介してとの間でトルク伝達を行う動力伝達軸に関する。
【背景技術】
【０００２】
等速自在継手を使用した動力伝達軸は、自動車や産業機械などの多くの機械部品に使用されている。この種の動力伝達軸は、通常、外周に嵌合した相手部材（ボス）とトルク伝達を行うためにセレーションやスプラインを介して相手部材と結合される。このセレーション軸やスプライン軸は、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に高周波焼入れ、浸炭焼入れ、窒化等の表面硬化処理や調質等の熱処理を施すことにより軸強度を高めて使用される。熱処理により軸強度を高める一例として、特許第３１９４０９３号公報記載の発明があり、この発明では、軸形状機械部品に高周波焼入れや浸炭焼入れを施し、有効硬化層深さと部品半径との比を０．４〜０．８に設定している。
【０００３】
【特許文献１】特許第３１９４０９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記公報記載発明では、スプライン等のトルク伝達用歯部と、この種の歯のない円筒面状の平滑部とを特に区別することなく熱処理している。これはトルク伝達用歯部と平滑部とを同時に同条件で熱処理するものと考えられ、この場合の焼入れ深さはトルク伝達用歯部と平滑部とでほぼ同一となる。
【０００５】
近年では、地球環境問題がクローズアップされるのに伴い、例えば自動車では排ガス規制の強化や燃費の向上が強く求められており、その対策としてプロペラシャフトやドライブシャフト等の動力伝達軸にもさらなる軽量化・強度向上が強く求められている。かかる産業界の要請に対し、上記公報記載発明では十分に応えることができないことも予想される。
【０００６】
そこで、本発明ではスプライン軸やセレーション軸など、トルク伝達用歯部を有する動力伝達軸の強度、特に疲労強度の向上を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明は、等速自在継手の内側継手部材または外側継手部材に結合され、外周が円筒面状の平滑部と、終端形状を切上りタイプとしたトルク伝達用歯部とを有する動力伝達軸において、平滑部およびトルク伝達用歯部にそれぞれ高周波焼入れを施し、平滑部の焼入れ比を、トルク伝達用歯部の焼入れ比と異なる値で、かつ平滑部の疲労強度≧トルク伝達用歯部の疲労強度となる値に設定したものである。
【０００８】
ここでいう動力伝達軸は、等速自在継手の内側継手部材や外側継手部材に結合される軸部材を意味する。トルク伝達用歯部は、トルクを伝達するための軸方向の歯を円周方向に備え、その外周に嵌合した相手部材（ボス）の歯と嵌合することで相手部材との間でトルク伝達を行うものであり、スプラインやセレーションが代表的である。トルク伝達用歯部の終端とは、軸の一端に形成されたトルク伝達用歯部のうち、軸の他端側に位置する端部を意味する。また、切上りタイプとは、図２に示すように、小径部１１および大径部１２で形成されるトルク伝達用歯部Ａ１、Ａ２の終端でその小径部１１を拡径させて軸４の外周面４ａにつなげたものをいう。
【０００９】
焼入れ深さと疲労強度との関係を求めるべく本発明者が行った疲労試験（両振り捩り疲労試験）の結果を図４に示す。図４において、横軸は焼入れ比（焼入れ深さａ／半径ｒ）を表し、縦軸は繰り返し数３０万回時の最大せん断応力のデータより、トルク伝達用歯部の焼入れ比０．３５を１とした時の強度比を表す。図中の丸印のプロット点は平滑部のデータを、四角印はトルク伝達用歯部のデータを表す。なお、トルク伝達用歯部においては、上式中の「焼入れ深さ」は歯の小径部での値を表し、「半径」は歯の小径部の半径を表す。
【００１０】
図４に示すように、先ず平滑部における焼入れ比と強度比とは、焼入れ比０．５〜０．６を疲労強度のピークとする上に凸の関係にあり（実線で示す）、この焼入れ比よりも大きくても小さくても疲労強度が低下する。一方、トルク伝達用歯部においても、焼入れ比０．３程度を疲労強度のピークとする上に凸の関係が成り立つが（破線で示す）、このピークを挟む両側領域における疲労強度の低下割合は平滑部の場合よりも緩やかである。従って、焼入れ深さが疲労強度へ与える影響は、トルク伝達用歯部に比べて平滑部の方がより大きいと考えられる。また、同じ焼入れ比の平滑部とトルク伝達用歯部とを比較した場合、焼入れ比が低い時はトルク伝達用歯部の疲労強度が平滑部の疲労強度を上回り、焼入れ比が高い時は逆に平滑部の疲労強度がトルク伝達用歯部の疲労強度を上回る。
【００１１】
以上の検証から、上述のように、少なくとも平滑部の焼入れ比を、平滑部の疲労強度が変動幅の少ないトルク伝達用歯部の疲労強度以上となるように設定することにより、軸全体で安定的に高い疲労強度を確保することが可能となる。この場合、平滑部の焼入れ比をトルク伝達用歯部の焼入れ比と異なる値に設定することにより、平滑部およびトルク伝達用歯部の双方で疲労強度のピーク値を確保することができ、軸全体で疲労強度を高めることが可能となる。
【００１２】
平滑部の疲労強度が実用範囲内の疲労強度（強度比０．８５程度）を越えるのは、図４に示すように、平滑部の焼入れ比が０．４０以上の場合である。一方、平滑部の焼入れ比が０．７０を越えると、平滑部の疲労強度が限度以上に低下する。従って、平滑部の焼入れ比は、０.４０以上（より好ましくは０.４５以上）、０.７０以下（より好ましくは０.６５以下）に設定するのが望ましい。
【００１３】
また、トルク伝達用歯部の焼入れ比は、０.２０以上（より好ましくは０.３０以上）、０.６０以下（より好ましくは０.５７以下）に設定するのが望ましい。焼入れ比が０．２０を下回ると安定した焼入れが行えず、０．６０を上回るとトルク伝達用歯部の疲労強度の低下が著しくなるからである。
【００１４】
さらにトルク伝達用歯部と平滑部にショットピーニング処理を施せば、これらの表面における圧縮残留応力を高めて疲労強度のさらなる向上を図ることができる。この場合、より高い圧縮残留応力を得るため、ショットピーニングは二回以上（望ましくは二回）行うのが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、平滑部とトルク伝達用歯部のそれぞれで最大限の疲労強度を確保することができるので、動力伝達軸の全体で疲労強度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。
【００１７】
図１は、自動車等の車両に装備されるドライブシャフト１の断面図で、このドライブシャフト１の両端は摺動式の等速自在継手２および固定式の等速自在継手３を介して駆動系に連結される。図示例のドライブシャフトの場合、車両の車幅方向中央側（インボード側）はトリポード型等速自在継手２を介して図示しないディファレンシャルと連結され、車両の車幅方向外側（アウトボード側）はツエッパ型等速自在継手３を介して図示しないアクスルと連結される。ドライブシャフト１の両端の等速自在継手２、３には、図示例の組合せに限られず、種々の形式の等速自在継手が使用可能である。
【００１８】
等速自在継手２・３は、有底カップ状の外側継手部材２１・３１と、外側継手部材の内側に配置された内側継手部材２２・３２と、外側継手部材２１・３１と内側継手部材２２・３２間でトルク伝達を行うトルク伝達部材２３・３３を主要な構成要素とする。インボード側のトリポード型等速自在継手では、トルク伝達部材２３としてローラが使用され、アウトボード側のツエッパ型等速自在継手ではトルク伝達部材２３としてボールが使用されている。内側継手部材２２・３２の内周には、それぞれ中実の中間軸４の両端がセレーション結合されており、このセレーション結合部を介して両等速自在継手２、３間でトルク伝達が行われる。
【００１９】
中間軸４の両端には、トルク伝達用歯部となるセレーション部Ａ１，Ａ２が形成される。このうち、インボード側のセレーション部Ａ１は、軸方向に延びる歯を有するもので、図２に示すように、歯の小径部１１と大径部１２のうち、小径部１１の終端を断面円弧状に拡径して軸４の外周面４ａにつなげた切上りタイプとなっている。小径部１１終端の拡径面１３は、円筒面とする他、球面とすることもできる。アウトボード側のセレーション部Ａ２も、以上に述べたインボード側セレーション部Ａ１と同じ形状である
【００２０】
中間軸４には、外周を円筒面状とした平滑部が軸方向の複数箇所に形成される。このうち、最小径の平滑部Ｂ１，Ｂ２（以下、単に「平滑部」と呼ぶ）は、それぞれ中間軸４の両端で等速自在継手２、３のブーツ２４・３４内に形成される。この平滑部Ｂ１、Ｂ２とこれに隣接するセレーション部Ａ１、Ａ２との軸径比（平滑部の外径／セレーション部の小径）は、０．９５〜１．０５の範囲内に設定される。
【００２１】
このドライブシャフト１の製造工程では、炭素鋼、例えばＪＩＳに規定するＳ４０Ｃ〜Ｓ４５Ｃ程度の中炭素鋼を鍛造成形し、セレーション部Ａ１，Ａ２を冷間で転造やプレスで塑性加工した後、全体に高周波焼入れが施される。この高周波焼入れは、芯部を熱影響の及んだフェライトとマルテンサイトの二相組織とするため、二回に分けて行うのが望ましいが、１回の焼入れでも、例えば低い周波数で加熱する、加熱時間を長くする、加熱終了時から冷却までの時間（遅延時間）を長くする等の手段により、芯部に上記二相組織を形成することができる。
【００２２】
焼入れ後の平滑部Ｂ１、Ｂ２の焼入れ比は、既述のように、焼入れ深さの相違に応じて疲労強度の値が大きく変化するという平滑部の特質を考慮し、平滑部Ｂ１の疲労強度が隣接するセレーション部Ａ１の疲労強度以上となるように設定する（同様に平滑部Ｂ２の疲労強度≧セレーション部Ａ２の疲労強度となるように設定する）。具体的には、平滑部Ｂ１およびＢ２の焼入れ比は、０.４０以上（より好ましくは０.４５以上）、０.７０以下（より好ましくは０.６５以下）に設定すると共に、セレーション部Ａ１およびＡ２の焼入れ比は、０.２０以上（より好ましくは０.３０以上）、０.６０以下（より好ましくは０.５７以下）に設定し、かつ平滑部とセレーション部で異なる焼入れ比に設定する。異なる焼入れ比は、例えば部位ごとに高周波焼入れ装置への入力電力を変更したりあるいは加熱時間を変更する等の手段で焼入れ深さを調節することにより実現することができる。
【００２３】
このように平滑部Ｂ１およびＢ２の疲労強度をセレーション部Ａ１およびＡ２以上とした場合、疲労強度の最弱部はセレーション部Ａ１、Ａ２となる。この時、セレーション部Ａ１、Ａ２は、図４に示す試験結果からも明らかなように、焼入れ比によって疲労強度が大きく変化することがなく、高い疲労強度が安定的に得られるので、少なくとも平滑部Ｂ１、Ｂ２を、セレーション部Ａ１、Ａ２以上の疲労強度となる焼入れ比とすることで、中間軸４全体で高い疲労強度を得ることができる。そして、セレーション部Ａ１、Ａ２と平滑部Ｂ１、Ｂ２とで異なる焼入れ比をとることにより、各部位で疲労強度のピーク値をとることが可能となり、中間軸４全体の疲労強度をさらに高めることができる。また、上述のようにセレーション部Ａ１、Ａ２では焼入れ比の相違による疲労強度の変化が少ないので、焼入れ品質に多少のばらつきがあっても疲労強度に大きな差は生じない。従って、ドライブシャフト１の品質安定化を図ることができる。
【００２４】
熱処理の終了後は、ショットピーニングを施して表面の圧縮残留応力を９８０Ｎ／ｍｍ2以上にまで高め、さらなる疲労強度の向上を図るのが望ましい。この圧縮残留応力値は、例えばショットピーニングを二回行うことにより実現できる。ショットピーニングは、中間軸４の全体に施す他、平滑部Ｂ１、Ｂ２に比べて疲労強度の劣るセレーション部Ａ１、Ａ２のみに行ってもよい。
【００２５】
また、以上の説明では、動力伝達軸としてドライブシャフト１の中間軸４を例示しているが、本発明の適用範囲は中間軸４に限られず、等速自在継手２、３の内側継手部材２２、３２や外側継手部材２１、３１に結合される動力伝達軸に広く適用することができる。図３は、この種の動力伝達軸の一例として、スタブシャフト４０（圧接スタブシャフトあるいは溶接スタブシャフト）を例示するもので、一端に等速自在継手２、３の内側継手部材２２、３２などに結合するためのセレーション部Ａが設けられ、他端に鋼管を圧接あるいは溶接するためのフランジ部４１が形成されている。最小径の平滑部Ｂはフランジ部４１とセレーション部Ａの間に設けられている。セレーション部Ａと平滑部Ｂの焼入れ比を上記の関係に設定することにより、同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】ドライブシャフトの断面図である。
【図２】セレーション部の終端形状を示す拡大断面図である。
【図３】圧接スタブシャフトの側面図である。
【図４】トルク伝達用歯部と平滑部のそれぞれで焼入れ比を異ならせて行った疲労試験の結果を示す図である。
【符号の説明】
【００２７】
１      ドライブシャフト
２      摺動式等速自在継手
３      固定式等速自在継手
４      中間軸
４ａ    外周面
１１    小径部
１２    大径部
２１、３１    外側継手部材
２２、３２    内側継手部材
２３、３３    トルク伝達部材
２４、３４    ブーツ
４０    圧接スタブシャフト
４１    フランジ部
Ａ１、Ａ２    トルク伝達用歯部（セレーション部）
Ｂ１、Ｂ２    平滑部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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