JP2021016863A - 金属部材の接合構造 - Google Patents

Abstract

【課題】パイプ部材と端部部材との電磁パルス接合による冶金的接合と機械的接合とを組み合わせた接合強度の大きい金属部材の接合構造を提供する。【解決手段】金属材料からなるパイプ部材２の内周部と、パイプ部材２と異種の金属材料からなり、パイプ部材２の端部内周に設けられた端部部材３の外周部とを電磁パルス接合した金属部材の接合構造である。パイプ部材２の端部に拡径部１０が設けられている。端部部材３の外周部の軸方向中間部に周方向に延びる突起７が設けられている。端部部材３の突起７よりパイプ部材２の端部側に位置する部分に大径部８が設けられている。端部部材３の突起７よりパイプ部材２の反端部側に位置する部分に大径部８より小径の小径部９が設けられている。パイプ部材２の拡径部１０と端部部材３の大径部８が接合された第１接合部１７と、パイプ部材２の拡径部１０と端部部材３の突起７が接合された第２接合部１８とを有する。【選択図】図３

Description

本発明は、金属材料からなるパイプ部材と、該パイプ部材の内側に置かれ、パイプ部材と異種の金属材料からなる端部部材とを電磁パルス接合する金属部材の接合構造に関する。

近年、車両のプロペラシャフト等のパイプ部材をアルミニウム製にして軽量化、低燃費化を図ることが行われている。例えば、特許文献１には、アルミニウム製のプロペラシャフトの端部に、プロペラシャフトと異種金属の鉄製のヨークを電磁パルス接合によって接合することが提案されている。

図８（ａ）に示すように、プロペラシャフトのようなパイプ部材１０１と、ヨークのような端部部材１０２の電磁パルス接合では、パイプ部材１０１の外側に設置したコイル１０３に瞬時に通電すると、コイル１０３の周りに磁界が発生し、パイプ部材１０１の端部に渦電流が誘起されて、パイプ部材１０１の端部が電磁力により２点鎖線で示すように内側に移動して端部部材１０２に衝突し、図８（ｂ）に示すように冶金的に接合（拡散接合）する。

パイプ部材１０１がプロペラシャフトのような動力伝達部材である場合、端部部材１０２に作用する捩じり力や軸方向の力に対して抜けるのを防止するために、端部部材１０２の外周面に突起を設けて、電磁パルス接合時にパイプ部材１０１の内面が端部部材１０２突起を覆う凹凸構造の機械的接合を形成することで、冶金的接合と機械的接合を融合させて強度を向上することが考えられる。

例えば第１例として、図９に示すように、パイプ部材１０１と端部部材１０２の接合範囲内、すなわち、コイル１０３の幅内であって、パイプ部材１０１の反端部側における端部部材１０２の端面の近傍に、突起１０４を設ける。この場合、パイプ部材１０１と端部部材１０２との接合がパイプ部材１０１の端部から反端部側に向かって進行して突起１０４を越えたとき、パイプ部材１０１を受け止める部材がなくなるので、パイプ部材１０１は慣性で内側に落ち込む。この結果、パイプ部材１０１の破断や、急激な外径の変化により、却って強度が低下するという問題がある。

また、第２例として、図１０に示すように、突起１０４をパイプ部材１０１と端部部材１０２の接合範囲外、すなわち、コイル１０３の幅外に設ける。この場合、パイプ部材１０１と端部部材１０２との接合が突起１０４に達しないため、突起１０４は強度の向上の役に立たない。

さらに、第３例として、図１１に示すように、突起１０４をパイプ部材１０１と端部部材１０２の接合範囲の中間、すなわち、コイル１０３の幅の中間に設けたり、突起１０４をパイプ部材１０１の反端部側に延ばして形成する。この場合、端部部材１０２を引き抜く方向に軸方向の力が作用したとき、パイプ部材１０１と突起１０４の接合部に、径方向外側に向かう方向、すなわち、突起１０４にパイプ部材１０１と端部部材１０２の接合を引き剥がす方向の力ｆが作用するため、接合強度が低下するという問題がある。

特開２０００−２０２６４０号公報

本発明は前記従来の問題点に鑑みてなされたもので、パイプ部材と端部部材との電磁パルス接合による冶金的接合と機械的接合とを組み合わせた接合強度の大きい金属部材の接合構造を提供することを課題とする。

前期課題を解決するため、本発明は、
金属材料からなるパイプ部材の内周部と、前記パイプ部材と異種の金属材料からなり、前記パイプ部材の端部内周に設けられた端部部材の外周部とを電磁パルス接合するようにした金属部材の接合構造であって、
前記パイプ部材の端部に拡径部が設けられ、
前記端部部材の外周部の軸方向中間部に周方向に延びる突起が設けられ、
前記端部部材の前記突起より前記パイプ部材の端部側に位置する部分に大径部が設けられ、
前記端部部材の前記突起より前記パイプ部材の反端部側に位置する部分に前記大径部より小径の小径部が設けられている。

前記パイプ部材の拡径部と前記端部部材の前記大径部が接合された第１接合部と、前記パイプ部材の拡径部と前記端部部材の前記突起が接合された第２接合部とを有する。

前記パイプ部材の拡径部は、前記端部部材の前記突起より端部側に前記突起の外径より径が大きい大径端部と、前記端部部材の前記突起より反端部側に反端部側に向かって径が小さくなるテーパ部とが設けられている。

前記端部部材の前記突起は、前記パイプ部材の内周部と前記端部部材の外周部の電磁パルス接合の範囲内に位置する。

前記パイプ部材が車両のプロペラシャフトのシャフト本体であり、前記端部部材が前記シャフト本体の内側に設けられるヨークである。

前記パイプ部材が車両のトランスミッションのクラッチにおけるドラム又はハブの側面部の内周に設けられた管状部であり、前記端部部材が前記ドラム又はハブの前記管状部の内側に設けられた動力伝達部材である。

前記パイプ部材が車両のステアリングシャフトのシャフト本体であり、前記端部部材が前記シャフト本体の内側に設けられる固定部材である。

請求項１の発明によれば、電磁パルス接合時にパイプ部材と端部部材との接合がパイプ部材の端部から反端部側に向かって進行して大径部から突起を越えたとき、パイプ部材が小径部に当接する。このため、端部部材を引き抜く方向の軸方向に力が作用したとき、パイプ部材と端部部材の突起との接合部から小径部に向かう方向に力が作用し、パイプ部材と端部部材の接合部を引き剥がすような力は作用しないので、パイプ部材と端部部材の接合強度の向上を図ることができる。

請求項２の発明によれば、パイプ部材の拡径部と端部部材の大径部が接合された第１接合部と、パイプ部材の拡径部と端部部材の前記突起が接合された第２接合部とを有するので、第１接合部と第２接合部のパイプ部材と端部部材との電磁パルス接合による冶金的接合と、第２接合部における機械的接合とを組み合わせた接合強度の大きい金属部材の接合構造を提供することができる。

請求項３の発明によれば、パイプ部材の拡径部に大径端部とテーパ部とが設けられているので、電磁パルス接合時にパイプ部材の大径端部とテーパ部がそれぞれ端部部材の大径部と小径部に向かって変形するのが容易になり、確実に接合することができる。

請求項４の発明によれば、端部部材の突起がパイプ部材の内周部と端部部材の外周部の電磁パルス接合の範囲内に位置するので、パイプ部材と端部部材の突起が電磁パルス接合による冶金的接合と、パイプ部材の内面が端部部材の突起を覆う凹凸構造を有する機械的接合とにより、パイプ部材と端部部材を確実に接合することができる。

請求項５の発明によれば、異種材料のシャフト本体とヨークが電磁パルス接合された車両のプロペラシャフトにおいて、捩じり及び軸方向の力に対する接合強度を向上することができる。

請求項６の発明によれば、異種材料の管状部と動力伝達部材が電磁パルス接合された車両のクラッチのドラム又はハブにおいて、捩じり及び軸方向の力に対する接合強度を向上することができる。

請求項７の発明によれば、異種材料のシャフト本体と固定部材が電磁パルス接合された車両のステアリングシャフトにおいて、捩じり及び軸方向の力に対する接合強度を向上することができる。

本発明の実施形態に係る接合構造を有するプロペラシャフトの断面図。 図１のプロペラシャフトのシャフト本体とヨークの接合構造を示す拡大断面図。 シャフト本体とヨークの電磁パルス接合による接合前（ａ）及び接合後（ｂ）の構造を示す断面図。 シャフト本体とヨークの電磁パルス接合による接合初期の状態を示す拡大断面図。 シャフト本体とヨークの接合構造の変形例を示す拡大図。 本発明の実施形態に係る接合構造を有するクラッチドラムの断面図。 本発明の実施形態に係る接合構造を有するステアリングシャフトの断面図。 従来のパイプ部材と端部部材の電磁パルス接合による接合工程を順に示す断面図。 従来のパイプ部材と端部部材の電磁パルス接合による接合構造の第１例を示す断面図。 従来のパイプ部材と端部部材の電磁パルス接合による接合構造の第２例を示す断面図。 従来のパイプ部材と端部部材の電磁パルス接合による接合構造の第３例を示す断面図。

以下、本発明の実施形態を添付図面に従って説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る接合構造を有する車両のプロペラシャフト１を示す。プロペラシャフト１は、シャフト本体２の両端の端部の内周部にヨーク３の外周部が電磁パルス接合により接合されている。シャフト本体２は本発明のパイプ部材に相当し、ヨーク３は本発明の端部部材に相当する。

シャフト本体２は、５０００／６０００系アルミニウム合金（Al-Mg(-Si)系）、７０００系アルミニウム合金（Al-Zn-Mg系）などのアルミニウム製で、１００ｍｍ程度の径を有する細長いパイプ部材である。

ヨーク３は、ＦＣＤ４５０，ＦＣＤ５５０などの球状黒鉛鋳鉄製で、一端にシャフト本体２の端部に挿入される円筒状のスリーブ４、他端に二俣のアーム５を有する。スリーブ４のアーム側端部は閉塞され、反アーム側端部は開口している。ヨーク３のアーム５には図示しないクロスベアリングが装着される孔６が形成されている。

シャフト本体２とヨーク３の接合方法を説明する前に、シャフト本体２とヨーク３の接合部の接合前の形状について説明する。

まず、接合前のヨーク３には、図２に示すように、スリーブ４の外周部の軸方向中間部に周方向に延びる突起７が設けられている。突起７より閉塞端側、すなわち、シャフト本体２の端部側に位置する部分には大径部８が設けられ、また、突起７より開口端側、すなわちシャフト本体２の反端部側に位置する部分には大径部８より小径の小径部９が設けられている。

ヨーク３の突起７の位置は、軸方向の中央でなくてもよいが、図２に示すように、開口端側に寄っていてもよい。突起７は、スリーブ４の全周に延びていてもよいが、周方向に複数に分割されていてもよい。また、突起７の頂部の断面形状は、シャフト本体２とヨーク３の間に軸方向の力が作用したときに突起７の頂部に応力集中が生じるのを避けるため、円弧であることが好ましい。

ヨーク３の突起７の大径部８からの高さＡと小径部９からの高さＢは、Ａ＜＝Ｂであることが好ましい。具体的は、Ａ＝２〜３ｍｍ、Ｂ＝４〜６ｍｍである。ヨーク３の小径部９は、シャフト本体２に挿入可能なように、シャフト本体２の中央部の内径よりやや小さいことが好ましい。

接合前のシャフト本体２は、端部に拡径部１０を有する。拡径部１０は、図２に示すように、シャフト本体２の両端部を除く中央部の径より大径の大径端部１０ａと、該大径端部１０ａから中央部に向かって径が小さくなるように傾斜するテーパ部１０ｂとを有する。シャフト本体２の大径端部１０ａと、ヨーク３の突起７との隙間Ｃは、具体的には、突起７の外径より１．５から２ｍｍ大きいことが好ましい。隙間Ａ＋Ｃは、電磁パルス接合時にシャフト本体２の端部が電磁力により移動するときの加速代となる。

次に、シャフト本体２とヨーク３の接合方法を説明する。

図３（ａ）に示すように、予め、シャフト本体２の端部に拡径部１０を形成し、ヨーク３のスリーブ４に突起７、大径部８、及び小径部９を形成しておく。

次に、シャフト本体２の端部の拡径部１０にヨーク３のスリーブ４を挿入し、ヨーク３の突起７がシャフト本体２のテーパ部１０ｂの少し手前で大径端部１０ａと対向するように位置決めし、ヨーク３とシャフト本体２の隙間（Ａ＋Ｃ）が均一になるようにシャフト本体２とヨーク３を適宜手段により固定する。

続いて、シャフト本体２とヨーク３を電磁パルス発生装置１１のコイル１２の内側に設置する。ここで、コイル１２の幅内に、シャフト本体２の拡径部１０の端面とヨーク３の突起７が入るようにする。

電磁パルス発生装置１１は、環状に巻回されたコイル１２と、コイル１２にギャップスイッチ１３を介して高電圧を印加するコンデンサ１４と、電源１５の電圧を増幅してコンデンサ１４を充電する充電回路１６とを備えている。

ギャップスイッチ１３をオンして、コンデンサ１４よりコイル１２に瞬時（μ秒レベル）に２６００ボルト程度の高電圧を印加する。これにより、コイル１２の周りに磁界Ｈが発生し、シャフト本体２の端部に渦電流が誘起されて、シャフト本体２の端部が電磁力Ｆにより径方向内側に高速で移動してヨーク３に衝突し、図３（ｂ）に示すように、ヨーク３と冶金的に接合（拡散接合）する。

シャフト本体２とヨーク３との接合は、剛性の低いシャフト本体２の大径端部１０ａの先端から反端部側に向かって進行する。シャフト本体２とヨーク３との接合箇所が大径部８から突起７を越え、コイル１２の幅の範囲外となったとき、シャフト本体２のテーパ部１０ｂは慣性で移動し、ヨーク３の小径部９に当接する。

図３（ｂ）に示すように、シャフト本体２の端部は、電磁パルス接合により、ヨーク３の大径端部１０ａとの第１接合部１７と、ヨーク３の突起７との第２接合部１８と、ヨーク３の小径部９との当接部１９が形成される。第２接合部１８は、電磁パルス接合による冶金的接合と、凹凸構造の機械的接合とを組み合わせた接合となっている。

以上のような電磁パルス接合によるシャフト本体２とヨーク３の接合構造では、図３（ｂ）に示すように、ヨーク３を引き抜く方向の軸方向に力が作用したとき、シャフト本体２とヨーク３の突起７との第２接合部１８から小径部９に向かう方向に力ｆが作用し、シャフト本体２とヨーク３の第１接合部１７及び第２接合部１８を引き剥がすような力は作用しないので、シャフト本体２とヨーク３の接合強度の向上を図ることができる。したがって、異種材料のシャフト本体２とヨーク３が電磁パルス接合されたプロペラシャフト１は、捩じり及び軸方向の力に対する接合強度を向上することができる。

また、シャフト本体２の拡径部１０に大径端部１０ａとテーパ部１０ｂとが設けられているので、テーパ部１０ｂに代えて段部とした場合に比べて、電磁パルス接合時にシャフト本体２の大径端部１０ａとテーパ部１０ｂがそれぞれヨーク３の大径部８と小径部９に向かって変形するのが容易になり、確実に接合することができる。

前記実施形態では、端部部材であるヨーク３の小径部９を円筒面に形成したが、図５に示すように、突起７の基部からシャフト本体２の反端部側に向かって径が小さくなるようなテーパ面としてもよい。この場合でも、ヨーク３を引き抜く方向の軸方向に力が作用したとき、シャフト本体２とヨーク３の突起７との第２接合部１８から小径部９に向かう方向に力ｆが作用し、シャフト本体２とヨーク３の第１接合部１７及び第２接合部１８を引き剥がすような力は作用しないので、シャフト本体２とヨーク３の接合強度の向上を図ることができる。

図６は、本発明の実施形態に係る接合構造を有する車両のトランスミッションのクラッチ装置２０を示す。クラッチ装置２０は、入力軸２１と一体に回転するドラム２２と、図示しないプラネタリギアのサンギアと一体に回転するハブ２３と、ドラム２２とハブ２３の間に設けられた複数の摩擦板２４とからなり、摩擦板２４を図示しないピストンにより軸方向に移動させることで、ドラム２２の回転をハブ２３に伝達し、或いは遮断するものである。

ドラム２２は、外周部２５と、側面部２６と、該側面部２６の内周に形成された管状部２７とからなるアルミニウム製のドラム本体２８と、動力伝達部材である鋼製の軸部２９とから構成されている。ドラム本体２８の管状部２７は本発明のパイプ部材に相当し、軸部２９は本発明の端部部材に相当する。

プロペラシャフト１の実施形態と同様に、ドラム本体２８の管状部２７には、拡径部１０が設けられ、軸部２９には、突起７と、大径部８と、小径部９とが形成されている。ドラム本体２８の管状部２７と軸部２９は前述した実施形態と同様に電磁パルス接合により接合される。このため、本実施形態のドラム２２は、ドラム本体２８の管状部２７と軸部２９の接合部における捩じり及び軸方向の力に対する接合強度を向上することができる。

図６の実施形態は、クラッチ装置２０のドラム２２のドラム本体２８と軸部２９の接合に適用されたものであるが、本発明は、ハブ２３のハブ本体と軸部の接合にも適用することができる。

図７は、本発明の実施形態に係る接合構造を有する車両のステアリングシャフト３０を示す。ステアリングシャフト３０は、ステアリングコラム３１内に回転可能に設けられ、前端にステアリング３２が取り付けられる。ステアリングシャフト３０は、シャフト本体３３と、該シャフト本体３３の端部に設けられ、ステアリング３２が固定される固定部材３４とから構成されている。シャフト本体３３は本発明のパイプ部材に相当し、固定部材３４は本発明の端部部材に相当する。

プロペラシャフト１の実施形態と同様に、シャフト本体３３の端部には、拡径部１０が設けられ、固定部材３４には、突起７と、大径部８と、小径部９とが形成されている。シャフト本体３３と固定部材３４は前述した実施形態と同様に電磁パルス接合により接合される。このため、本実施形態のステアリングシャフト３０は、シャフト本体３３と固定部材３４の接合部における捩じり及び軸方向の力に対する接合強度を向上することができる。

１ プロペラシャフト
２ シャフト本体
３ ヨーク
７ 突起
８ 大径部
９ 小径部
１０ 拡径部
１０ａ 大径端部
１０ｂ テーパ部
１１ 電磁パルス発生装置
１２ コイル
１７ 第１接合部
１８ 第２接合部
１９ 当接部
２０ クラッチ装置
２２ ドラム
２３ ハブ
２６ 側面部
２７ 管状部
２９ 軸部
３０ ステアリングシャフト
３３ シャフト本体
３４ 固定部材

Claims (7)

1. 金属材料からなるパイプ部材の内周部と、前記パイプ部材と異種の金属材料からなり、前記パイプ部材の端部内周に設けられた端部部材の外周部とを電磁パルス接合するようにした金属部材の接合構造であって、
   前記パイプ部材の端部に拡径部が設けられ、
   前記端部部材の外周部の軸方向中間部に周方向に延びる突起が設けられ、
   前記端部部材の前記突起より前記パイプ部材の端部側に位置する部分に大径部が設けられ、
   前記端部部材の前記突起より前記パイプ部材の反端部側に位置する部分に前記大径部より小径の小径部が設けられていることを特徴とする金属部材の接合構造。
2. 前記パイプ部材の拡径部と前記端部部材の前記大径部が接合された第１接合部と、前記パイプ部材の拡径部と前記端部部材の前記突起が接合された第２接合部とを有することを特徴とする請求項１に記載の金属部材の接合構造。
3. 前記パイプ部材の拡径部は、前記端部部材の前記突起より端部側に前記突起の外径より径が大きい大径端部と、前記端部部材の前記突起より反端部側に反端部側に向かって径が小さくなるテーパ部とが設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の金属部材の接合構造。
4. 前記端部部材の前記突起は、前記パイプ部材の内周部と前記端部部材の外周部の電磁パルス接合の範囲内に位置することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の金属部材の接合構造。
5. 前記パイプ部材が車両のプロペラシャフトのシャフト本体であり、前記端部部材が前記シャフト本体の内側に設けられるヨークであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の金属部材の接合構造。
6. 前記パイプ部材が車両のトランスミッションのクラッチにおけるドラム又はハブの側面部の内周に設けられた管状部であり、前記端部部材が前記ドラム又はハブの前記管状部の内側に設けられた動力伝達部材であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の金属部材の接合構造。
7. 前記パイプ部材が車両のステアリングシャフトのシャフト本体であり、前記端部部材が前記シャフト本体の内側に設けられる固定部材であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の金属部材の接合構造。

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