JP2007177955A - プロペラシャフト - Google Patents

Abstract

【課題】耐摩耗性の高いプロペラシャフトを提供する。
【解決手段】プロペラシャフト１は、互いに嵌合するスプラインシャフト２０とスプラインスリーブ３０とを有し、いずれか一方にＤＬＣコーティング２４が施されている。ＤＬＣコーティング２４の表面粗さＲａが０．５μｍ以下である。
【選択図】図３

Description

この発明は、プロペラシャフトに関し、より特定的には、スプラインシャフト部とスプラインスリーブ部とが互いに嵌合して摩擦摺動するプロペラシャフトに関するものである。

従来、プロペラシャフトは、たとえば特開平９−１０５４１９号公報（特許文献１）および特開平８−１０９９１８号公報（特許文献２）に開示されている。
特開平９−１０５４１９号公報 特開平８−１０９９１８号公報

特許文献１では、スプライン部に樹脂コーティングを施す技術が開示されているが、相手側摺動部材の表面の影響を強く受けるため、樹脂コーティングで所望の摩擦特性を得ることが困難である。すなわち静摩擦係数を動摩擦係数とほぼ等しくすることが困難である。

特許文献２では、スプライン部にプラスティックコーティングをする技術が開示されているが、これにおいても摩擦特性を所望のものとすることができないという問題があった。

そこで、この発明は上述のような問題点を解決するためになされたものであり、静摩擦係数を動摩擦係数とほぼ等しくし、かつ摩耗を抑制することが可能なプロペラシャフトを提供することを目的とする。

この発明に従ったプロペラシャフトは、互いに嵌合して摺動するスプラインシャフトおよびスプラインスリーブと、スプラインシャフトおよびスプラインスリーブの少なくともいずれか一方の摺動面に設けられたダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）コーティングとを備え、ＤＬＣコーティングの表面粗さＲａは０．５μｍ以下である。

このように構成されたプロペラシャフトでは、硬質および耐摩耗性に優れたＤＬＣコーティングを摺動面に設けるため、プロペラシャフトスプライン部で所望の摩擦特性を得ることができ、かつ摩耗を抑制することができる。したがって、所望の摩擦特性を得ることで停止および発進時のプロペラシャフトの伸縮による騒音低減を実現することができる。

さらに好ましくは、ＤＬＣコーティングはスプラインシャフト側にのみ施される。この場合、シャフトの外周面にＤＬＣコーティングを形成するため、スリーブ内周面にＤＬＣコーティングを形成する場合に比較してＤＬＣコーティングの形成が容易となる。

より好ましくは、ＤＬＣコーティングの厚みは２μｍ以上６μｍ以下である。

この発明に従えば、振動および騒音を低減することが可能で、かつ摩耗を抑制することで低減の効果を持続させることが可能なプロペラシャフトを提供することができる。

以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施の形態では同一または相当する部分については同一の参照符号を付し、その説明については繰返さない。

図１は、この発明の実施の形態１に従ったプロペラシャフトの断面図である。図２は、図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。図１および図２を参照して、この発明の実施の形態１に従ったプロペラシャフト１は、左右両端に設けられたユニバーサルジョイント１０，４０と、ユニバーサルジョイント１０に接続されるスプラインシャフト２０と、スプラインシャフト２０に嵌合するスプラインスリーブ３０とを有する。スプラインスリーブ３０はスプラインシャフト２０に対して長手方向に移動してプロペラシャフト１の全長が伸縮することが可能である。図２で示すように、スプラインスリーブ３０は円筒形状であり、その内周面に凹部３１と凸部３２により構成されるスプライン３３が形成されている。スプライン３３は複数本が長手方向に互いに平行に延びている。

スプラインシャフト２０は円筒形状であり、その外周面に凹部２１と凸部２２とにより構成されるスプライン２３が設けられている。スプラインシャフト２０のスプライン２３はスプラインスリーブ３０のスプライン３３と嵌合しており、スプラインスリーブ３０がスプラインシャフト２０に対して長手方向に摺動可能な構成としている。なお、図２で示す実施の形態では、スプラインシャフト２０のスプライン２３の数とスプラインスリーブ３０のスプライン３３の数とが等しくされているが、これに限るものではなく、一部の凸部２２がかけている構造とされていてもよい。具体的には、スプラインシャフト２０の凸部２２の数がスプラインスリーブ３０の凹部３１の数よりも少なくてもよい。

図３は、図２中のＩＩＩで囲んだ部分を拡大して示す断面図である。図３を参照して、スプラインシャフト２０の外周面に設けられたスプライン２３表面にはＤＬＣコーティング２４が施されている。ＤＬＣコーティング２４はカーボン（炭素）材料により構成される。ＤＬＣコーティング２４はダイヤモンドに類似した高硬度、および電気絶縁性を有する。ＤＬＣコーティング２４は炭素を主成分とし、若干の水素を含有したアモルファス構造であり、ダイヤモンド結合とグラファイト結合が混在している。

ＤＬＣコーティング２４の製造方法として、真空チャンバ内にベンゼンなどの炭化水素ガスを導入し、直流アーク放電でこのガスをプラズマ化して炭化水素イオンを発生させ、このイオンを被処理物に衝突させることで成膜することが可能である。ＤＬＣ膜はアモルファス構造であるため結晶粒界を持たず、結晶性の材料と比較して平滑な表面を有している。ＤＬＣコーティング２４の成膜温度は、約２００℃以下であることが好ましい。

また、ＤＬＣコーティング２４の厚みは、２μｍ以上６μｍ以下とすることが好ましい。厚みが２μｍ以下では、ＤＬＣコーティング２４をコーティングすることのメリット（静摩擦係数の低減）が小さくなる。ＤＬＣコーティング２４の厚みが６μｍを超えるとＤＬＣコーティング２４の剥離のおそれがある。

ＤＬＣコーティング２４の表面粗さＲａは０．５μｍ以下である。ＤＬＣコーティング２４の表面粗さＲａを０．５μｍ以下とすることで、より優れた磨耗特性が得られる。ＤＬＣコーティング２４の潤滑にはグリスを用いる。グリスは、硫黄（Ｓ）、リン（Ｐ）系添加剤を含んだリチウム石鹸グリスである。これにより、スプライン摺動時の摩擦係数の関係において、静摩擦係数を動摩擦係数以下とすることが可能となる。次に、スプラインシャフト２０の製造方法について説明する。

図４は、本発明に従ったスプラインシャフトの製造方法を示す流れ図である。図４のステップ１０１に従い、スプラインシャフト２０の外周面にスプライン２３（オススプライン）を成形する。この成形方法としてはホブによる切削加工、またはあい対する歯型が形成されたラック状金型の間でスプラインシャフト２０を転がす転造がある。

ステップ１０２に従い、スプライン２３に高周波焼入れおよび焼戻しを施す。これにより強度を高めることができる。

ステップ１０３に従い、スプライン２３にショットピーニングを施し、スケールを除去する。

最後に、ステップ１０４に従い、スプライン２３表面にＤＬＣコーティングを施す。
図５は、従来のスプラインシャフトの製造方法を示す図である。図５を参照して、従来ではステップ１０２においてオススプラインを成形した後、ステップ１０２においてスプライン部に高周波焼入れをおよび焼戻しを施すことにより製造が終了しており、ショットピーニングおよびＤＬＣ処理が行なわれていない。

図６は、本発明に従ったプロペラシャフトのスライド特性を示すグラフである。図６では横軸が時間を示し、縦軸がスライド抵抗を示している。スプラインシャフト２０に捩じりトルクを加えると、スプラインシャフト２０のスプライン２３とスプラインスリーブ３０のスプライン３３との間で摩擦が発生する。この状態でプロペラシャフト１を軸方向に伸縮させるとスライド抵抗が生じる。このスライド運動を往復して継続した場合に、本発明品では図６で示すようなスライド抵抗の値が得られる。図６において、「スライド抵抗」が「０」となっている状態では、スプラインシャフト２０がスプラインスリーブ３０に対して停止した状態である。これに対して、スライド抵抗が０より大きい領域では、スプラインシャフト２０がスプラインスリーブ３０に対して近づいている状態または遠ざかっている状態のいずれか一方であり、スライド抵抗が０より小さい領域では、そのいずれかの他方の状態である。すなわち、スライド抵抗が０以外の領域では、スプラインシャフト２０がスプラインスリーブ３０に対して動いている状態である。本発明品では、図６で示すように時間に対してパルス状のスライド抵抗の値が得られる。図６中の丸印で囲んだ部分が静スライド抵抗を示し、それ以外の平坦な部分が動スライド抵抗を示す。本発明では、静スライド抵抗と動スライド抵抗とがほぼ等しくなっていることがわかる。

図７は、図６中のＶＩＩで囲んだ部分を拡大して示す図である。図７を参照して、実線が本発明品でのスライド抵抗を示し、点線が比較品（ＤＬＣコーティングなし）のスライド抵抗を示す。図７で示す本発明品のヒゲ部１１０の突出量が小さく、従来品の点線で示すヒゲ部１１１は突出量が大きい。これは、静スライド抵抗が従来品では大きくなっており、これに対して本発明品では静スライド抵抗が低減されていることを示している。図１から３で示す中間スライドタイプのプロペラシャフト１では、車両が走行中からブレーキで停止した後再発進するときに車両の姿勢の変化が発生する。車両の姿勢の変化によりプロペラシャフト１の長さは変化し、中間スライド部を構成するスプライン２３，３３において滑りが発生する。このときスライド部の摩擦特性によりスティックスリップ振動が発生し、異音および振動の原因となる。本発明では、スプライン２３，３３により構成されるスライド部にＤＬＣコーティング２４を施すことで、静摩擦係数を動摩擦係数と同じかそれより小さくすることで摩擦特性を改善し、異音および振動を低減している。なお、図７で示すように、本発明に従えば、ヒゲ部１１０が小さくなっているため、静止状態での静スライド抵抗が小さい。その結果、静止状態から移動状態へ容易に変位することが可能となり、従来生じていた振動の発生を抑制することができる。

図８は、本発明に従ったサンプルおよび比較品のサンプルでの耐久性のサイクル数を示す表およびグラフである。まず、図１から３で示す形状のプロペラシャフト１を準備した。スプラインスリーブ３０を固定し、スプラインシャフト２０に捩じりトルクを加え所定のストロークで往復運動をさせてＤＬＣコーティング２４が剥離するまでのサイクル数を測定した。図８中の表で示すように、サンプル１から７では、ＤＬＣコーティング２４の表面粗さを変えている。なお、この表面粗さＲａは、ＪＩＳ規格Ｂ０６０１（１９９４年）に準じ、小坂ラボ（株）社製高精度表面粗さ計（製品型番ＳＥ３４００）を用いて測定した。なお、触針は先端の半径５μｍのものを使用した。

さらに、試験条件は以下のとおりである。
捩じりトルク：５０Ｎ・ｍ
スプラインシャフト外径：３３．３ｍｍ
スプラインスリーブ内径：２９．６ｍｍ
ＤＬＣコーティング厚み：２．７〜４．４μｍ
ストローク：±１０ｍｍ
１分間の往復数：１５０回
図８で示すように、ＤＬＣコーティングの表面粗さが０．５μｍ以下であれば、特に耐久性に優れていることがわかる。

図９は、本発明品と従来品とにおける摩擦性能を比較したグラフである。図９において、ＤＬＣコーティングの動スライド抵抗と静スライド抵抗とがほぼ等しくなっていることがわかる。なお、図中の「ナイロンコーティング」は、ナイロン７７を使用したコーティングであり、ナイロン７７の材料特性により、静スライド抵抗が動スライド抵抗より大きくなっている。ナイロン７７を図３で示すＤＬＣコーティング２４と置き換えてコーティングした比較品である「樹脂コーティング」とは、図３中のＤＬＣコーティング２４を樹脂コート剤で置き換えたものである。樹脂コーティングは、エポキシ樹脂をバインダとして二硫化モリブデン・テフロン（登録商標）を混在させたものを塗布および焼成したものであるが、このサンプルについても、静スライド抵抗が動スライド抵抗よりも大きくなっている。すなわち、比較品に従った各種表面処理では、静スライド抵抗が動スライド抵抗よりも大きくなっていることがわかる。

比較品では、コーティング層の表面硬さは樹脂の表面硬さとなり、金属の表面硬さと比較して柔らかくなる。このような柔らかいコーティングをプロペラシャフトのスプラインに適用した場合に、摺動する相手材は金属であり、なおかつ形成加工法の制約の点から表面粗さが粗くなる。表面粗さが粗い金属と樹脂コーティングとが摺動した場合に、金属表面の微小突起が樹脂コーティング層にめり込み、固体潤滑剤の本来の摩擦特性が発揮できなくなり、静摩擦係数が動摩擦係数よりも大きくなる。これに対して、本発明では、硬質のＤＬＣコーティングを用いているため、金属の微小突起がＤＬＣコーティング２４にめり込むことを防止でき、静摩擦係数と動摩擦係数とをほぼ等しくすることが可能となる。

すなわち、この発明に従ったプロペラシャフト１は、互いに嵌合するオススプラインとしてのスプラインシャフト２０とメススプラインとしてのスプラインスリーブ３０を有し、少なくともいずれかに表面粗さＲａ０．５μｍ以下のＤＬＣコーティング２４が施されている。なお、この実施の形態ではスプラインシャフト２０にＤＬＣコーティング２４が設けられているが、これとは逆に、スプラインスリーブ３０のスプライン３３にＤＬＣコーティング２４が設けられてもよい。さらに、スプラインシャフト２０のスプライン２３とスプラインスリーブ３０のスプライン３３の両方にＤＬＣコーティング２４が設けられていてもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、たとえば車両に搭載されるプロペラシャフトの分野で用いることができる。

この発明の実施の形態１に従ったプロペラシャフトの断面図である。 図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。 図２中のＩＩＩで囲んだ部分を拡大して示す断面図である。 本発明に従ったスプラインシャフトの製造方法を示す流れ図である。 従来のスプラインシャフトの製造方法を示す図である。 本発明に従ったプロペラシャフトのスライド特性を示すグラフである。 図６中のＶＩＩで囲んだ部分を拡大して示す図である。 本発明に従ったサンプルおよび比較品のサンプルでの耐久性のサイクル数を示す表およびグラフである。 本発明品と従来品とにおける摩擦性能を比較したグラフである。

符号の説明

１ プロペラシャフト、１０，４０ ユニバーサルジョイント、２０ スプラインシャフト、２１，３１ 凹部、２２，３２ 凸部、２３，３３ スプライン、２４ ＤＬＣコーティング。

Claims (3)

1. 互いに嵌合して摺動するスプラインシャフトおよびスプラインスリーブと、
   前記スプラインシャフトと前記スプラインスリーブの少なくともいずれか一方の摺動面に設けられたダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）コーティングとを備え、
   前記ＤＬＣコーティングの表面粗さＲａが０．５μｍ以下である、プロペラシャフト。
2. 前記ＤＬＣコーティングは前記スプラインシャフト側にのみ施されている、請求項１に記載のプロペラシャフト。
3. 前記ＤＬＣコーティングの厚みが２μｍ以上６μｍ以下である、請求項１または２に記載のプロペラシャフト。

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