(57)【要約】【課題】  内方部材の軸孔の雌スプライン部に熱処理を施す場合、内方部材の強度を確保すると共に雌スプライン部の寸法精度も同時に確保することができ、しかも、シャフトとのスプライン嵌合のガタを抑制する。【解決手段】  外輪との間で角度変位を許容しながらトルクを伝達する等速自在継手に装備され、内径に形成された軸孔２２にシャフトを挿入してスプライン嵌合する内輪であって、前記軸孔２２の軸方向中央部位２９のみに熱処理による硬化層２８を形成し、その軸方向中央部位２９を除く内径面には硬化層２８を形成しない。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外方部材との間で角度変位を許容しながらトルクを伝達する等速自在継手に装備され、内径に形成された軸孔にシャフトを挿入してスプライン嵌合する内方部材であって、前記軸孔の軸方向中央部位のみに熱処理による硬化層を形成したことを特徴とする等速自在継手の内方部材。
【請求項２】
前記硬化層は、高周波焼入れによる熱処理で形成されている請求項１に記載の等速自在継手の内方部材。
【請求項３】
前記硬化層は、軸孔の円周方向に沿って不連続に形成されている請求項１又は２に記載の等速自在継手の内方部材。
【請求項４】
前記硬化層は、軸孔の円周方向に沿って全周に亘って形成されている請求項１又は２に記載の等速自在継手の内方部材。
【請求項５】
外方部材と、請求項１〜４のいずれか一項に記載の内方部材と、前記外方部材と内方部材の間に介在してトルクを伝達するトルク伝達部材とを具備した等速自在継手。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車や各種産業機械の動力伝達系において使用され、例えば４ＷＤ車やＦＲ車などで使用されるドライブシャフトやプロペラシャフトに組み込まれる固定型あるいは摺動型の等速自在継手及びその等速自在継手の一部を構成する内方部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、自動車のドライブシャフト等の連結用継手として使用されている固定型等速自在継手（ツェパー型等速自在継手：ＢＪ）は、球面状の内径面に曲線状のトラック溝を軸方向に形成した外方部材としての外輪と、球面状の外径面に曲線状のトラック溝を軸方向に形成した内方部材としての内輪と、外輪のトラック溝とこれに対応する内輪のトラック溝とが協働して形成されるボールトラックに配された複数のトルク伝達用ボールと、それらのボールを保持するポケットを備えた保持器とで構成される。複数のボールは、保持器に形成されたポケットに収容されて円周方向等間隔に配置されている。
【０００３】
この等速自在継手をドライブシャフトに使用する場合、外輪の一端から軸方向に一体的に延びる軸部（従動軸）を車輪軸受装置に連結すると共に、内輪の軸孔にスプライン嵌合されたシャフト（駆動軸）を摺動型等速自在継手に連結するようにしている。この外輪の軸部と内輪側のシャフトの二軸間で外輪と内輪とが角度変位すると、保持器のポケットに収容されたボールは常にどの作動角においても、その作動角の二等分面内に維持され、継手の等速性が確保される。ここで、作動角とは、外輪の軸部と内輪のシャフトとがなす角度を意味する。
【０００４】
等速自在継手の内輪については、高強度化を図るために熱処理により硬化層を形成し、製品寿命を向上させ、ひいては等速自在継手の製品寿命を向上させるようにしている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２０００−２２７１２３号公報
【特許文献２】実公平６−３３２２０号公報
【特許文献３】特開２００１−３４３０２３号公報
【特許文献４】特開２００１−２８７１２２号公報
【特許文献５】特開２００１−３２３９２０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、前述した等速自在継手における内輪は、通常、焼入れ硬化能を有する鋼材にて形成されており、図８および図９に示すように保持器の内径面と接触する外径面１０４と、ボールが転動するために高面圧に晒されるトラック溝１０５とに、高周波焼入れによる硬化層１２１が形成されている。
【０００６】
なお、図８は図９のＦ−Ｆ線に沿う断面図であり、図９は図８のＥ−Ｏ−Ｅ線に沿う断面図である。同図においては、断面を表すハッチングを省略し、硬化層１２１を形成部位をハッチングで表している。
【０００７】
一方、内輪１０６の軸孔１２２の内径面に雌スプライン部１２３を軸方向に沿って形成すると共に、図示しないが、シャフトの外径面に雄スプライン部を軸方向に沿って形成し、内輪１０６の軸孔１２２にシャフトを挿入することにより、内輪１０６の雌スプライン部１２３とシャフトの雄スプライン部を噛み合わせることで内輪１０６とシャフトをトルク伝達可能なように連結固定している。
【０００８】
ここで、シャフトがスプライン嵌合する内輪１０６の軸孔１２２の雌スプライン部１２３には、通常、熱処理による硬化層が形成されていない。この内輪１０６の雌スプライン部１２３に高周波焼入れによる深い硬化層を形成すると、その熱処理変形によってスプライン嵌合の精度を確保することが困難となるためである。
【０００９】
しかしながら、雌スプライン部１２３に高周波焼入れによる硬化層が形成されていない内輪１０６と、その雌スプライン部１２３に高周波焼入れによる硬化層が形成されている内輪とを比較した場合、高周波焼入れによる硬化層が形成されていない内輪１０６は、強度が低いものになってしまう。
【００１０】
このように内輪１０６の軸孔１２２の雌スプライン部１２３に高周波焼入れによる硬化層を形成すれば、内輪１０６の強度を確保することができるが、その場合、熱処理変形により雌スプライン部１２３の精度を確保することが困難となる。逆に、内輪１０６の軸孔１２２の雌スプライン部１２３に高周波焼入れによる硬化層を形成しなければ、雌スプライン部１２３の精度を確保することができるが、内輪１０６の強度を向上させることが困難となる。
【００１１】
以上のように内輪１０６の軸孔１２２の雌スプライン部１２３における熱処理の有無は、内輪１０６の強度の点と雌スプライン部１２３の精度の点で一長一短があり、それら強度と精度をうまく両立させる手段がないというのが現状であった。
【００１２】
また、近年の自動車においては、乗り心地を良くするために駆動系のガタを小さくすることが求められている。内輪１０６とシャフトのスプライン嵌合については、一般的に、シャフトの雄スプライン部に捩れ角を付加することで内輪１０６とシャフトのスプライン嵌合のガタ量を低減するようにしている。しかしながら、捩れ角は、捩れる方向（自動車の前進と後退の二方向）に対して非対称の形状となるため、捩れトルクの負荷方向に対してシャフトの強度が変化してしまう。
【００１３】
これを防止する目的で、自動車に使用される左右一組のドライブシャフトに対して、シャフトの雄スプライン部の捩れ角の方向を左右別々に設定することが提案されている（例えば、特許文献２参照）。しかしながら、このような手段を採用すると、左右同じシャフトで生産可能なものでも、雄スプライン部のみ左右別形状となって製品の種類が増えてしまうことになる。また、捩れ角の方向の違いは目視での確認が困難なために製品管理が困難になり、また、左右別々に生産ラインが必要となるために生産性が悪くなるという問題がある。
【００１４】
この問題を解決するため、シャフトの雄スプライン部に左右対称形状のクラウニングを設けることにより、内輪１０６とシャフトのスプライン嵌合のガタをなくし、捩れトルクの負荷方向に強度が依存しないようにしたものが提案されている（例えば、特許文献３〜５参照）。しかしながら、これらの手段は、前述した特許文献２と同様、いずれもシャフトに関するものであり、内輪１０６の雌スプライン部１２３に関して解決手段を講じたものがないというのが現状であった。
【００１５】
そこで、本発明は前述の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、内方部材の軸孔の雌スプライン部に熱処理を施す場合、内方部材の強度を確保すると共に雌スプライン部の寸法精度も同時に確保することができ、しかも、シャフトとのスプライン嵌合のガタを抑制し得る等速自在継手及びその内方部材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前述の目的を達成するための技術的手段として、本発明は、外方部材との間で角度変位を許容しながらトルクを伝達する等速自在継手に装備され、内径に形成された軸孔にシャフトを挿入してスプライン嵌合する内方部材であって、前記軸孔の軸方向中央部位のみに熱処理による硬化層を形成したことを特徴とする。
【００１７】
前述の構成において、「軸方向中央部位のみ」としたのは、軸方向の中央部位に硬化層を形成し、かつ、その硬化層が形成された中央部位を除く軸方向の両側部位には、硬化層を形成しないことを意味する。
【００１８】
この硬化層は、高周波焼入れによる熱処理で形成されていることが望ましい。高周波焼入れによる熱処理では、内方部材の強度を高める上で深い硬化層を形成することが容易であり、生産ラインのインライン化を実現することができる点で好適である。また、雌スプライン部と、保持器の内径面と接触する外径面およびボールが転動するトラック溝とを一工程で同時に熱処理することも可能であるため、生産性がよくコスト面で有利である。さらに、硬化層における焼入れ深さにより、内輪に対するシャフトの締め代を調整することが可能となる。なお、硬化層は、軸孔の円周方向に沿って不連続に形成したり、あるいは全周に亘って形成したりすることが可能である。
【００１９】
前述の構成からなる内方部材に、外方部材と、その外方部材と内方部材の間に介在してトルクを伝達するトルク伝達部材とを付加すれば、等速自在継手を構成することが可能となる。
【００２０】
この等速自在継手のように内方部材とシャフトがスプライン嵌合されている構造の場合、そのシャフトに捩りトルクが負荷されると、捩りの支点となるシャフトのスプライン根元部に応力が集中する。また、内方部材とシャフトのスプライン嵌合状態でガタ発生を抑制するために雄スプライン部に捩れ角を付加したシャフトを使用した場合、さらに、シャフトのスプライン根元部に応力が集中することになる。
【００２１】
この応力集中により捩り強度が低下する。また、捩れ角を付加した場合、捩れ角が捩れ方向に対して非対称な形状となってしまうため、捩る方向により応力集中の状況が異なり、捩りに対して強度が強い方向と弱い方向が発生してしまう。
【００２２】
そこで、本発明では、内方部材の軸孔の軸方向中央部位のみに熱処理による硬化層を形成する。なお、軸方向中央部位を除く軸方向両側部位は、未熱処理部分として維持する。このように軸孔の軸方向中央部位のみを熱処理することで、その軸方向中央部位の内径部が熱処理によりマルテンサイト変態によって体積が膨張し、雌スプライン部の内径が小さくなる。
【００２３】
この内方部材とシャフトがスプライン嵌合されている構造の場合、内径が小さい雌スプライン部の軸方向中央部位でシャフトが内方部材に対して圧入状態となる。その結果、シャフトに捩りトルクが負荷されると、従来、捩りの支点となるシャフトのスプライン根元部に応力が集中していたのが、本発明では、圧入状態となっている雌スプライン部の軸方向中央部位でも応力が集中し、シャフトのスプライン根元部にかかる応力集中を分散、緩和することができる。
【００２４】
一方、内方部材は、通常、球面状の外径面を有する形状、つまり、軸方向中央部が厚肉で軸方向両側部が薄肉となる形状を具備していることから、従来、応力が集中していたシャフトのスプライン根元部と対応する軸方向両側部位が薄肉であったのに対して、本発明では、応力が集中する軸方向中央部位が最も肉厚が大きいことから、内方部材の強度を確保することができる。
【００２５】
また、内方部材の雌スプライン部の軸方向中央部位では、その内径が小さくなることで、内方部材とシャフトが内方部材の軸方向中央部位で圧入嵌合した状態となることから、シャフトに捩れ角を付加することなく、内方部材とシャフトのスプライン嵌合でガタをなくすことが可能となる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、軸孔の軸方向中央部位のみに熱処理による硬化層を形成したことにより、内方部材とシャフトをスプライン嵌合した場合、応力が集中する内方部材の軸方向中央部位が最も肉厚が大きく、シャフトのスプライン根元部にかかる応力集中を分散、緩和することができるので、内方部材の雌スプライン部の強度を確保することができる。また同時に、その雌スプライン部の一部のみを熱処理してその残部を未熱処理部分としていることから、雌スプライン部の寸法精度を確保することができる。さらに、内方部材とシャフトが内方部材の軸方向中央部位で圧入嵌合した状態となることから、内方部材とシャフトのスプライン嵌合でガタをなくすことが可能となる。その結果、製品寿命を向上させることができると共に製品の信頼性も大幅に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】
【００２７】
本発明の実施形態を以下に詳述する。なお、以下の実施形態は、８個ボールの固定式（ツェパー型）等速自在継手（ＢＪ）に適用した場合を例示するが、他の等速自在継手、例えば、固定式（アンダーカットフリー型）等速自在継手（ＵＪ）、摺動式（クロスグルーブ型）等速自在継手（ＬＪ）や摺動式（ダブルオフセット型）等速自在継手（ＤＯＪ）、摺動式（トリポード型）等速自在継手（ＴＪ）も適用可能である。また、６個ボールの固定式等速自在継手にも適用可能である。
【００２８】
図６および図７に示す実施形態の等速自在継手は、球面状の内径面１に曲線状のトラック溝２を軸方向に形成した外方部材としての外輪３と、球面状の外径面４に曲線状のトラック溝５を軸方向に形成した内方部材としての内輪６と、外輪３のトラック溝２とこれに対応する内輪６のトラック溝５とが協働して形成されるボールトラックに配された８個のトルク伝達用ボール７と、それらのボール７を保持するポケット８を備えた保持器９とで構成される。８個のボール７は、保持器９に形成されたポケット８に一個ずつ収容されて円周方向等間隔に配置されている。
【００２９】
外輪３のトラック溝２の曲率中心Ｏ1と内輪６のトラック溝５の曲率中心Ｏ2とは、ボール７の中心を含む継手中心面Ｏに対して軸方向に等距離だけ反対側にオフセットされ、そのため、ボールトラックは開口側が広く、奥側に向かって漸次縮小した楔形状になっている。また、外輪３の内径面１および内輪６の外径面４の球面中心はいずれも継手中心面Ｏと一致する。
【００３０】
前述の構成からなる等速自在継手を自動車のドライブシャフトに使用する場合、前述の外輪３のマウス部１０の底部から一体的に延びる軸部１１（従動軸）を車輪軸受装置（図示せず）に連結すると共に、内輪６の軸孔２２にスプライン嵌合されたシャフト１２（駆動軸）を摺動型等速自在継手（図示せず）を連結する。
【００３１】
この等速自在継手では、外輪３の軸部１１と内輪側のシャフト１２の二軸間で作動角度変位を許容しながらトルク伝達が可能な構造となっている。つまり、外輪３と内輪６とが角度θだけ角度変位すると、保持器９に案内されたボール７は常にどの作動角θにおいても、その作動角θの二等分面（θ／２）内に維持され、継手の等速性が確保される。
【００３２】
前述した内輪６とシャフト１２の連結構造では、内輪６の軸孔２２の内径面に雌スプライン部２３を軸方向に沿って形成すると共に、シャフト１２の外径面に雄スプライン部２４を軸方向に沿って形成し、内輪６の軸孔２２にシャフト１２を挿入することにより、内輪６の雌スプライン部２３とシャフト１２の雄スプライン部２４を噛み合わせることで内輪６とシャフト１２をトルク伝達可能なようにスプライン嵌合させている。
【００３３】
このようにして、内輪６の軸孔２２に挿入されてスプライン嵌合したシャフト１２は、その先端部に設けられた環状溝２５に嵌め込まれたスナップリング２６を、内輪６の軸孔２２の奥側端部に設けられた段部２７に係止させることにより、抜け止めされている。
【００３４】
この等速自在継手の内輪６は、高周波焼入れによる硬化処理が可能な鋼材、例えば機械構造用炭素鋼で製作されている。内輪６は、図１および図２に示すように保持器９の内径面と接触する外径面４と、ボール７が転動するために高面圧に晒されるトラック溝５と、軸孔２２の雌スプライン部２３の軸方向中央部位２９とに、高周波焼入れによる硬化層２１，２８が形成されている。内輪６の軸孔２２の雌スプライン部２３について、その軸方向中央部位２９を除く残部である軸方向両側部位には、高周波焼入れによる硬化層２８が形成されていない。
【００３５】
ここで、図１は図２のＢ−Ｏ−Ｂ線に沿う断面図であり、図２は図１のＡ−Ａ線に沿う断面図であるが、同図においては、断面を表すハッチングを省略し、硬化層２１，２８を形成部位をハッチングで表している。
【００３６】
内輪６の軸孔２２の雌スプライン部２３の軸方向中央部位２９に形成された硬化層２８は、図２に示すように円周方向に沿って全周に亘って形成したり、あるいは、図３に示すように円周方向に沿って不連続に形成することも可能である。図３に示す硬化層２８は、円周方向に沿って等間隔に複数配列した状態で断続的に形成された場合を例示している。
【００３７】
この等速自在継手のように内輪６とシャフト１２がスプライン嵌合されている構造の場合、そのシャフト１２に捩りトルクが負荷されると、捩りの支点となるシャフト１２のスプライン根元部３０に応力が集中する（図４参照）。また、内輪６とシャフト１２のスプライン嵌合状態でガタ発生を抑制するために雄スプライン部２４に捩れ角を付加したシャフト１２を使用した場合には、シャフト１２のスプライン根元部３０に応力がさらに集中することになる。この応力の集中により捩り強度が低下し、また、捩れ角を付加した場合、捩れ角が捩れ方向に対して非対称な形状となってしまうため、捩る方向により応力集中の状況が異なり、捩りに対して強度が強い方向と弱い方向が発生してしまう。
【００３８】
そこで、この実施形態の内輪６では、図１に示すように軸孔２２の軸方向中央部位２９のみに熱処理による硬化層２８を形成し、その軸方向中央部位２９を除く残部の軸方向両側部位に硬化層２８を形成しないようにしたことにより、シャフト１２のスプライン根元部３０での応力集中を緩和する。つまり、内輪６の軸孔２２の軸方向中央部位２９のみを熱処理することで、その軸方向中央部位２９が熱処理によりマルテンサイト変態によって体積が膨張し、その部位の雌スプライン部２３の内径が小さくなる。
【００３９】
そのため、図５に示すように軸方向中央部位２９での雌スプライン部２３の内径Ｒ1が軸方向両側部位での雌スプライン部２３の内径Ｒ2よりも小さくなり、その軸方向中央部位２９で雌スプライン部２３が部分的に内径側へ膨出した状態となる。この状態で、シャフト１２を内輪６の軸孔２２に挿入すると、その軸方向中央部位２９での雌スプライン部２３の内径Ｒ1が小さくなっているので、軸方向中央部位２９でシャフト１２が圧入状態となる。その結果、捩りトルクを負荷した場合、シャフト１２のスプライン根元部３０に加えてスプライン中央部３１（内輪６の軸孔２２の軸方向中央部位２９と対応する部位）の二点で応力集中が発生し、この応力集中を二箇所に分散させたことから、応力集中を緩和させることができる。
【００４０】
一方、内輪６は、前述したように球面状の外径面４を有する形状、つまり、軸方向中央部が厚肉で軸方向両側部が薄肉となる形状を具備していることから、従来、応力が集中していたシャフト１２のスプライン根元部３０と対応する軸方向両側部位が薄肉であったのに対して、この実施形態の場合、応力が集中する軸方向中央部位２９が最も肉厚が大きいことから、内輪６の強度を確保することができる。
【００４１】
また、内輪６の雌スプライン部２３の軸方向中央部位２９では、その内径が小さくなることで、内輪６とシャフト１２が内輪６の軸方向中央部位２９で圧入嵌合した状態となることから、シャフト１２に捩れ角を付加することなく、スプライン嵌合のガタをなくすことが可能となる。このように捩れ角を付加しないシャフト１２と内輪６をスプライン嵌合させることにより、内輪６とシャフト１２の強度を確保しつつ、かつ、捩れ方向に強度が依存しないスプライン嵌合が可能となる。これは、従来の場合（左右のドライブシャフトについてシャフトのスプラインに捩れ角を別々に設ける手段）に対して、製品点数の削減、生産性の面で有利である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施形態で、軸孔の雌スプライン部の軸方向中央部位に硬化層を形成した内輪を示し、図２のＢ−Ｏ−Ｂ線に沿う断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う断面図で、硬化層の形成パターンの一例を示す。
【図３】図２の変形例で、硬化層の形成パターンの他例を示す。
【図４】図１の内輪にシャフトをスプライン嵌合させた状態を示す断面図である。
【図５】図１の内輪の一部とその内輪の軸孔に形成された雌スプライン部を模式的に示す断面図である。
【図６】固定型等速自在継手の構造例で、図７のＤ−Ｏ−Ｄ線に沿う断面図である。
【図７】図６のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。
【図８】内輪の従来例で、図９のＦ−Ｆ線に沿う断面図である。
【図９】図８のＥ−Ｏ−Ｅ線に沿う断面図である。
【符号の説明】
【００４３】
３  外方部材（外輪）
４  内方部材（内輪）の外球面
５  内方部材（内輪）のトラック溝
６  内方部材（内輪）
７  トルク伝達部材（ボール）
２１  硬化層
２２  軸孔
２３  雌スプライン部
２８  硬化層
２９  軸方向中央部位
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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