(57)【要約】【課題】強度を向上させると共に安定した捩り疲労強度を確保し得る動力伝達シャフトを提供する。【解決手段】動力伝達シャフト１は、最外径部を持つ中央のパイプ部１ａと端部外周面にスプライン等の連結部が形成された軸部１ｂとを同一素管から一体成形した一体型中空シャフトである。動力伝達シャフト１は、高周波焼入れにより、外径面から肉厚の３／４の深さ位置の硬度がＨＲＣ３５以上になるように硬化処理されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼製素管から塑性加工により成形され、端部に連結要素を一体に有する動力伝達シャフトにおいて、高周波焼入れにより、外径面から肉厚の３／４の深さ位置の硬度がＨＲＣ３５以上になるように硬化処理されていることを特徴とする動力伝達シャフト。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は動力伝達シャフトに関し、例えば、自動車の動力伝達系の一部を構成するドライブシャフト（駆動軸）やプロペラシャフト（推進軸）に適用することができる。
【背景技術】
【０００２】
自動車の動力伝達系を構成するシャフトには、エンジンと車輪軸受装置を繋ぐドライブシャフトや、変速機から減速歯車装置に動力を伝達するプロペラシャフトがあり、いずれも軸端部に連結要素であるスプライン等が設けられる。この動力伝達シャフトは、その種類を基本構造で大別すると、中実の棒材から加工された中実シャフトと、鋼管などから加工された中空シャフトとがある。
【０００３】
従来は、中実シャフトを使用していたが、近年における自動車の高機能化や車室内の静粛性向上の要求から、動力伝達シャフトにも、強度、耐久性のみならず、軽量化、コンパクト化、ＮＶＨ特性の向上など様々な機能が必要になってきている。また、自動車の発進時の操縦性やダイレクト感を得るために捩り剛性の向上が必要である。捩り剛性の向上を図るためにはシャフト径を大きくすることが考えられるが、重量増加を招来し、連結部の削り量も増加してコストアップを招くことになる。さらに、自動車の走行時、エンジン振動とシャフトが共振して車内への騒音を招くのでそれを回避するために固有振動数のチューニングが必要である。固有振動数のチューニングを図るためには動力伝達シャフトにダンパー等を取り付けることが考えられるが、部品点数の増加や組み付け工数の増加などからコストアップを招来する。
【０００４】
これら機能面での必要性から、中実シャフトに代えて中空シャフトを多用する傾向にある。この種の中空シャフトは、一体型中空シャフトと接合型中空シャフトに大別される。一体型中空シャフトは、最外径部を持つ中央のパイプ部と端部外周面にスプライン等の連結部が形成された軸部とを同一素管から一体成形した構造を有する（例えば、下記の特許文献１〜３）。これに対して、接合型中空シャフトは、パイプ部と軸部とを別々に成形して摩擦圧接や溶接などにより接合した構造を有する（例えば、下記の特許文献４）。
【特許文献１】特開平１１−１０１２５９号公報
【特許文献２】特公平７−８８８７６号公報
【特許文献３】特開２００１−３２８１８号公報
【特許文献４】特開平１０−２６７０２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、前述した一体型や接合型の中空シャフトは、中実シャフトに比べて断面係数が減少し、中空シャフトに作用する最大剪断応力が大きくなるため、捻り疲労強度が低下する虞がある。また、動力伝達用の一体型中空シャフトには、例えば、素管をその軸周りに回転させながら、高速度で直径方向に打撃して縮径させるスウェージング加工や素管をダイスに軸方向に押し込むことで縮径させるプレス加工により成形されたものが用いられる。このようなスウェージング加工などの塑性加工により製作された中空シャフトは、素管が縮径される際にその内径側に素材が塑性流動することにより、内径面に加工しわが残り易い。これが破損の起点となる虞があり、動力伝達シャフトの強度低下を招来していた。
【０００６】
そこで、本発明は前記問題点に鑑みて提案されたもので、その目的とするところは、強度を向上させると共に安定した捩り疲労強度を確保し得る動力伝達シャフトを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するため、本発明は、鋼製素管から塑性加工により成形され、端部に連結要素を一体に有する動力伝達シャフトにおいて、高周波焼入れにより、外径面から肉厚の３／４の深さ位置の硬度がＨＲＣ３５以上になるように硬化処理されている構成を提供する。
【０００８】
本発明では、以上のようにして外径面から肉厚の３／４の深さ位置の硬度がＨＲＣ３５以上になるように硬化処理されていることにより、動力伝達シャフトとして要求される硬さを満足させることができ、安定した捩り疲労強度を確保することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、動力伝達シャフトとして要求される硬さを満足させることができ、安定した捩り疲労強度を確保することができて長寿命で信頼性の高い動力伝達シャフトを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１に示す実施形態の動力伝達シャフト１は、最外径部を持つ中央のパイプ部１ａと端部外周面にスプライン等の連結部が形成された軸部１ｂとを同一素管から一体成形した一体型中空シャフトである。
【００１１】
この動力伝達シャフト１は、例えば、素管をその軸周りに回転させながら、高速度で直径方向に打撃して縮径させるスウェージング加工などの塑性加工により成形される。このようなスウェージング加工などの塑性加工により製作された動力伝達シャフト１は、素管が縮径される際にその内径側に素材が塑性流動することにより、内径面に加工しわができ易い。
【００１２】
そこで、動力伝達シャフト１の内径面１ｃを高周波焼入れ・焼戻し処理により硬化処理する。前記動力伝達シャフト１の内径面１ｃの硬化処理は、高周波誘導加熱用コイルを動力伝達シャフト１の外径側に配置することにより行う。この高周波焼入れ・焼戻し処理により、動力伝達シャフト１の外径面１ｄから内径面１ｃまでの肉厚全体（図１におけるハッチング部分は高周波焼入れ・焼戻しされた領域で焼き抜けた状態を示す）に亘って硬化処理することで、動力伝達シャフト１の内径面１ｃの表層部硬度をロックウェル硬さＨＲＣ３５以上とする。ここで、表層部とは、動力伝達シャフト１の肉厚の例えば１／４程度をいう。従って、外径面１ｄから肉厚の３／４の深さ位置で硬度がＨＲＣ３５以上となる。
【００１３】
前述のように、動力伝達シャフト１の内径面１ｃを高周波焼入れ・焼戻し処理により硬化処理し、その内径面１ｃの表層部硬度をロックウェル硬さＨＲＣ３５以上としたことにより、塑性加工による動力伝達シャフト１の製作時に前記内径面１ｃに生じた加工しわが破損の起点となりにくくなり、動力伝達シャフト自体の強度を向上させると共に安定した捩り疲労強度を確保することができる。
【００１４】
また、動力伝達シャフト１の外径面１ｄに所定の残留圧縮応力を付与すれば、その残留圧縮応力の増大により、動力伝達シャフト１の捩り疲労強度をより一層向上させることが可能となる。その残留圧縮応力は、例えば二段のショットピーニング処理により付与し、７５０ＭＰａ以上とする。ここで、前記ショットピーニング処理とは、一般的に小さな鋼粒を圧縮空気または遠心力で金属表面にたたきつけて表面の応力を均一化することである。
【００１５】
一段目のショットピーニング処理では、高い残留圧縮応力を深くまで形成させるものであるが、そのためにはショット粒硬さをＨＶ７５０以上、ショット粒径０．５〜１．０ｍｍ、ショット粒子投射速度６０ｍ／sec以上の条件下でショットピーニング処理を施す必要がある。この時、ショット粒が１ｍｍを超えると動力伝達シャフト１の表面が荒れて疲労強度が低下する。
【００１６】
一方、二段目のショットピーニング処理では、一段目のショット粒より小さなショット粒を用いて表面部の残留圧縮応力と最表面硬さを上昇させて表面粗さを改善する。そのために、ショット粒硬さをＨＶ７５０以上、ショット粒径０．１〜０．５ｍｍの範囲で、かつ、一段目より粒径の小さなショット粒でショットピーニング処理を施して、動力伝達シャフト１の表面部の残留圧縮応力を７５０ＭＰａ以上とする。なお、動力伝達シャフト１の表面部の残留圧縮応力を７５０ＭＰａ以上に規定したのは、ショットピーニング等により残留圧縮応力を付与していない動力伝達シャフトの残留圧縮応力が７５０ＭＰａ以下であり、７５０ＭＰａ以上の残留圧縮応力を付与することで、より一層捩り疲労強度を高めることができるからである。
【実施例１】
【００１７】
本出願人は、内径および外径が同一で高周波焼入れ・焼戻し処理を行い、外径面の表層部硬度をロックウェル硬さＨＲＣ５０以上とした上、内径面の表層部硬度（ロックウェル硬さＨＲＣ）が異なる９個の動力伝達シャフト（サンプル）について、捩り疲労強度試験を行った。その試験結果を図２に示す。
【００１８】
なお、内径面１ｃの表層部の硬さは内径面から０．５ｍｍ付近をビッカース硬度計で測定したものをロックウェル硬さに換算した結果である。この試験では、動力伝達シャフト１の両端を支持した状態でその一端を固定し、他端から負荷トルク（±１．０ｋＮ・ｍと±１．２ｋＮ・ｍ）を付与した。破損起点の「外」は外径側起点を、「内」は内径側起点をそれぞれ示す。判定については、同一軸部径を有する中実シャフトの強度下限レベルを判定基準として、負荷トルクが±１．０ｋＮ・ｍの場合に４０万回以上を合格とし、負荷トルクが±１．２ｋＮ・ｍの場合に１０万回以上を合格とした。
【００１９】
図２に示す試験結果から明らかなように、内径面１ｃの表層部硬度がロックウェル硬さＨＲＣ３５以上の動力伝達シャフト１については、内径面１ｃに生じた加工しわが破損の起点となることがないことから、捩り疲労強度の点で合格であった。
【００２０】
また、本出願人は、内径および外径が同一で高周波焼入れ・焼戻し処理を同一条件で行った動力伝達シャフト１（サンプル）を使用して、ショットピーニング処理の有り無しで捩り疲労強度試験を行った。その試験結果を図３に示す。なお、動力伝達シャフト１の外径表面部の残留圧縮応力は、任意のサンプルを抽出してショットピーニング処理の有り無しのものについて測定した。この試験では、動力伝達シャフト１の両端を支持した状態でその一端を固定し、他端から負荷トルク（０〜１．３ｋＮ・ｍ）を付与した。
【００２１】
図３に示す試験結果から明らかなように、ショットピーニング処理を施した動力伝達シャフト１は、ショットピーニング処理を施さなかったものよりも捩り疲労強度を向上させる点で有利であり、ショットピーニング処理を施さなかった動力伝達シャフト１では、その表面部の残留圧縮応力が７５０ＭＰａで最大であったことから、ショットピーニング処理により表面部の残留圧縮応力を７５０ＭＰａ以上とすることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る動力伝達シャフトの実施形態で、一部断面部分を含む正面図である。
【図２】捩り疲労強度試験の結果を示す表である。
【図３】ショットピーニング処理の有無による捩り疲労強度試験の結果を示す表である。
【符号の説明】
【００２３】
１  動力伝達シャフト
１ｄ  外径面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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