JP4554299B2 - 中空状動力伝達シャフトの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、等速自在継手等に連結される中空状動力伝達シャフトの製造方法に関するものである。本発明の製造方法によって製造された中空状動力伝達シャフトは、例えば、自動車の動力伝達系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。

例えば、自動車の動力伝達系において、減速装置（ディファレンシャル）から駆動輪に動力を伝達する動力伝達シャフトは、ドライブシャフト（駆動軸）と呼ばれることがある。特にＦＦ車に使用されるドライブシャフトでは、前輪操舵時に大きな作動角と等速性が要求され、また、懸架装置との関係で軸方向の変位を吸収する機能が要求されるので、その一端部をダブルオフセット型等速自在継手やトリポード型等速自在継手等の摺動型等速自在継手を介して減速装置側に連結し、その他端部をバーフィールド型等速自在継手（ゼッパジョイントと呼ばれることもある。）等の固定側等速自在継手を介して駆動輪側に連結する機構が多く採用されている。

上記のようなドライブシャフトとしては、従来より、中実シャフトが多く使用されているが、自動車の軽量化、ドライブシャフトの剛性増大による機能向上、曲げ一次固有振動数のチューニング最適化による車室内の静粛性向上等の観点から、ドライブシャフトを中空シャフト化する要求が増えてきている。

また、この種の中空シャフトでは、等速自在継手等に連結するためのスプラインをその端部に形成する場合がある。このスプラインの成形方法として、スプライン成形部を内周に設けたダイスにシャフト端部を軸方向に圧入する、いわゆるプレス加工が知られている（例えば、特許文献１）。プレス加工は、転造加工に比べて、薄肉品でも対応できるという利点がある。
特開２００３−０９４１４１号公報

従来のプレス加工によるスプライン成形においては、シャフト端部をダイスに軸方向に圧入していく過程で反圧入方向への素材の塑性流動があり、しかもその素材流動量が比較的大きいために、成形後のスプラインの形状は、その終端部の歯厚が軸端側部分に比べて相対的に大きくなり、終端部のＯ．Ｐ．Ｄ．が他の部分に比べて大きく増加する。ここで、Ｏ．Ｐ．Ｄ．（オーバーピン径）とは、スプラインの１８０度対向した歯部にそれぞれ所定径のピンをあてがい、シャフトの直径方向における両ピン間の最大離間寸法を測定して得られる値である。ピンに代えて、所定径のボールを用いる場合もある（オーバーボール径）。このような終端部のＯ．Ｐ．Ｄ．が大きく増加した形状のスプラインを、例えば等速自在継手の内輪などの、相手側部材のスプライン穴に嵌合させると、Ｏ．Ｐ．Ｄ．が増加した部分によってスプライン穴のスプラインを部分的に開かせるような力が働き、相手側部材の強度が低下する可能性がある。

また、シャフトと相手側部材とをスプライン嵌合する際、嵌合部分のガタ（クリアランス）を抑制するために、シャフトに捩れ角を与える場合があるが、終端部のＯ．Ｐ．Ｄ．が大きく増加した形状のスプラインでは、捩れ角の最適設定が難しくなる。

そこで、本発明の課題は、この種の中空状動力伝達シャフトのスプラインをプレス加工で精度良く成形することができる製造方法を提供することである。

前記目的を達成するため、本発明は、軸方向中間部が大径部に形成されると共に、大径部よりも軸方向両端部がそれぞれ小径部に形成され、小径部の端部にスプラインが形成された中空状動力伝達シャフトの製造方法において、パイプ素材に絞り加工を施して、大径部と小径部とを有する中空状シャフト素材を形成し、内周にスプライン成形部を有し、スプライン成形部の最大径が、中空状シャフト素材の小径部の端部外径よりも大きく、かつ、スプライン成形部の最小径が、中空状シャフト素材の小径部の端部外径よりも小さなダイスを用意し、ダイスのスプライン成形部にシャフト素材の小径部の端部を軸方向に圧入して、該端部にスプラインを成形する構成を提供する。

ダイスの内周に設けられるスプライン成形部の最大径を、中空状シャフト素材の小径部の端部外径よりも大きく、かつ、スプライン成形部の最小径を、中空状シャフト素材の小径部の端部外径よりも小さく設定することにより、シャフト端部をダイスに軸方向に圧入していく過程で、素材の一部がスプライン成形部の最大径に向かって盛り上がるように塑性流動し、反圧入方向に流動する素材量が従来よりも低減する。これにより、スプラインの終端部における歯厚の増大を抑制して、スプラインを精度良く成形することができる。

好ましくは、スプラインの成形時に、スプラインの最大径がダイスのスプライン成形部の最大径に接触しないようにするのが良い。ダイスのスプライン成形部の最大径に向かって盛り上がるように塑性流動した素材が、スプライン成形部の最大径と接触しなくなることにより、ダイスの入り口部分における素材の滞留がなくなり、反圧入方向へ流動する素材量がより一層低減される。これにより、スプラインをより一層精度良く成形することができる。

なお、シャフトを形成するパイプ素材の材質として、例えば、ＳＴＫＭやＳＴＭＡ等の機械構造用炭素鋼、または、それらをベースに加工性や焼入れ性等の改善のために合金元素を添加した合金鋼、あるいは、ＳＣｒ、ＳＣＭ、ＳＮＣＭ等のはだ焼鋼等の金属材料を用いることができる。また、パイプ素材として、継目無管（シームレス管）、電縫管、鍛接管、冷牽管の何れも採用することができる。

また、上記の塑性加工としては、スウェージング加工やプレス加工等がある。前者のスウェージング加工には、ロータリースウェージングとリンクタイプスウェージングがあり、その何れも採用することができる。例えば、ロータリースウェージングは、機内の主軸に組込まれた一対又は複数対のダイスとバッカーとが回転運動を行なうと共に、外周ローラとバッカー上の突起により一定ストロークの上下運動を行なって、挿入されるパイプ素材に打撃を加えて絞り加工を行なう加工法である。また、プレス加工は、パイプ素材をダイスに軸方向に押し込んで絞り加工を行なう加工法である。このような絞り加工は、パイプ素材の軸方向両側部に対してのみ部分的に行なっても良いし、パイプ素材の軸方向全域に対して行なっても良い。

本発明によれば、この種の中空状動力伝達シャフトのスプラインをプレス加工で精度良く成形することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、中空状の動力伝達シャフト１と、動力伝達シャフト１の一端部に連結された摺動型等速自在継手２と、動力伝達シャフト１の他端部に連結された固定型等速自在継手３とを備えた自動車の動力伝達機構を示している。この実施形態の動力伝達機構において、摺動型等速自在継手２は減速装置（ディファレンシャル）に連結され、固定型等速自在継手３は駆動輪側に連結される。動力伝達シャフト１の一端部は摺動型等速自在継手２のトリポード部材２ａにスプライン連結され、摺動型等速自在継手２の外輪２ｂの端部外周と動力伝達シャフト１の外周にブーツ２ｃがそれぞれ固定されている。また、動力伝達シャフト１の他端部は固定型等速自在継手３の内輪３ａにスプライン連結され、固定型等速自在継手３の外輪３ｂの端部外周と動力伝達シャフト１の外周にブーツ３ｃがそれぞれ固定されている。尚、同図には、摺動型等速自在継手２としてトリポード型等速自在継手が例示され、固定型等速自在継手３としてバーフィールド型等速自在継手が例示されているが、他の型式の等速自在継手が用いられる場合もある。

図２は、動力伝達シャフト（ドライブシャフト）１を示している。この動力伝達シャフト１は、軸方向全域に亘って中空状をなし、軸方向中間部に大径部１ａ、大径部１ａよりも軸方向両側部にそれぞれ小径部１ｂを有している。大径部１ａと小径部１ｂとは、軸端側に向かって漸次縮径したテーパ部１ｃを介して連続している。小径部１ｂは、等速自在継手（２、３）との連結に供される端部側の連結部１ｄと、ブーツ（２ｃ、３ｃ）が固定される軸方向中間部側のブーツ固定部１ｅとを有している。連結部１ｄには、等速自在継手（２、３）にスプライン連結されるスプライン１ｄ１と、等速自在継手（２、３）に対する軸方向抜け止め用の止め輪を装着するための止め輪溝１ｄ２が形成されている。ブーツ固定部１ｅには、ブーツ（２ｃ、３ｃ）の小径端部の内周を嵌合するための嵌合溝１ｅ１が形成されている。

また、この動力伝達シャフト１は、止め輪溝１ｄ２の近傍から軸端に至る一部領域を除く、軸方向のほぼ全域に亘って、焼入れ処理による硬化層を有している。この硬化層は、外周表面から所定深さの領域又は全深さの領域に形成されている。

上記構成の動力伝達シャフト１は、例えば、パイプ素材にスウェージング加工を施して、軸方向中間部に大径部１ａ、軸方向両側部に小径部１ｂを有する中空状シャフト素材を成形し、この中空状シャフト素材に所要の機械加工（スプライン１ｄ１の成形加工等）を施した後、焼入れ処理を施すことによって製造される。

図３は、中空状シャフト素材の小径部１ｂの連結部１ｄにスプライン１ｄ１を成形する工程で用いるダイス４を示している。ダイス４は、ダイス孔４ｃを有し、そのダイス孔４ｃの奥側領域にスプライン成形部４ａを有している。スプライン成形部４ａは、中空状シャフト素材の連結部１ｄに形成すべきスプライン１ｄ１（図４参照）の形状に対応する歯型を有し、その最大径（歯型の底部４ａ１の直径）はφＢ、最小径（歯型の頂部４ａ２の直径）はφＣに設定されている。

図５に示すように、ダイス４のスプライン成形部４ａの最大径（歯型の底部４ａ１の直径）φＢは、中空状シャフト素材の連結部１ｄの外径φＡよりも大きく設定され、最小径（歯型の頂部４ａ２の直径）φＣは外径φＡよりも小さく設定されている。そして、このようなダイス４のスプライン成形部４ａに中空状シャフト素材の連結部１ｄを軸方向に圧入する。そうすると、連結部１ｄの素材の一部が塑性流動を起こし、スプライン成形部４ａの最大径（歯型の底部４ａ１）に向かって盛り上がるように流動する素材の流れが起こり、これにより、連結部１ｄの外周にスプライン１ｄ１が成形される。この実施形態では、スプライン成形部４ａの最大径（歯型の底部４ａ１）に向かって盛り上がるように塑性流動した素材が、スプライン成形部４ａの最大径（歯型の底部４ａ１）と接触しないように、φＡ、φＢ、φＣの関係が設定されている。

φＡ、φＢ、φＣの関係を上記のように設定することにより、スプライン１ｄ１の成形時、ダイス４のスプライン成形部４ａの入り口部分における素材の滞留がなくなり、反圧入方向へ流動する素材量がより低減される。したがって、スプライン１ｄ１は、その終端部においてＯ．Ｐ．Ｄ．が大きく増加することなく、精度良く成形される。ここで、Ｏ．Ｐ．Ｄ．（オーバーピン径）は、図４に示すように、スプライン１ｄ１の１８０度対向した歯部にそれぞれ所定径のピン５をあてがい、連結部１ｄの直径方向における両ピン５間の最大離間寸法を測定して得られる値である。

上記のようにしてスプライン１ｄ１を成形し、止め輪溝１ｄ２やブーツ固定部１ｅの嵌合溝１ｅ１等を加工した後、中空状シャフト素材に焼入れ処理を施して硬化層を形成する。焼入れ処理としては、パイプ素材の材質や動力伝達シャフトに要求される特性等に応じて、高周波焼入れ、浸炭焼入れ、浸炭窒化焼入れ等の種々の手段を採用することができるが、硬化層の範囲や深さを自由に選択でき、また、表面に残留圧縮応力が生成されることによる耐疲れ疲労性の改善等の点から、高周波焼入れを採用するのが好ましい。例えば、中空状シャフト素材の外周表面の側に高周波誘導加熱コイルを配置して、外周表面の側から高周波焼入れを行なう。この高周波焼入れは、定置式焼入れ、移動式焼入れの何れの方式で行なっても良い。

中空状シャフト素材の小径部１ｂの連結部１ｄに上述した態様でスプライン１ｄ１を成形した実施例と、図７に示すような態様で、中空状シャフト素材の小径部１１ｂの連結部１１ｄにスプライン１１ｄ１を成形した比較例について、Ｏ．Ｐ．Ｄ．の増加量δを測定した。その結果を図６に示す。

図７に示すように、比較例では、ダイス１４のスプライン成形部１４ａの最大径（歯型の底部１４ａ１の直径）φＢ’を、中空状シャフト素材の連結部１１ｄの外径φＡよりも小さく設定した。そして、このようなダイス１４のスプライン成形部１４ａに中空状シャフト素材の連結部１１ｄを軸方向に圧入して、スプライン１１ｄ１を成形した。

図６に示す測定結果から明らかなように、実施例ではスプラインの終端部（Ｏ．Ｐ．Ｄ．の増加エリア）においてＯ．Ｐ．Ｄ．の増加量は比較的少なかったが、比較例ではスプラインの終端部（Ｏ．Ｐ．Ｄ．の増加エリア）においてＯ．Ｐ．Ｄ．の増加量が顕著に大きかった。

自動車の動力伝達機構を示す図である。 中空状動力伝達シャフトを示す一部断面図である。 図３（ａ）は、ダイスのスプライン成形部を示す縦断面、図３（ｂ）は、ダイスのスプライン成形部を示す横断面図である。 動力伝達シャフトにおける連結部の断面図である。 図５（ａ）は、プレス加工工程を示す拡大断面図、図５（ｂ）は、動力伝達シャフトのスプライン終端部の拡大断面図である。 スプラインのＯ．Ｐ．Ｄ．増加量を測定した結果を示す図である。 図７（ａ）は、比較例に係るプレス加工を示す拡大断面図、図７（ｂ）は、比較例に係る動力伝達シャフトのスプライン終端部の拡大断面図である。

符号の説明

１ 動力伝達シャフト
１ｄ 連結部
１ｄ１ スプライン
４ ダイス
４ａ スプライン成形部
４ａ１ 歯型の底部
４ａ２ 歯型の頂部
４ｃ ダイス孔
Ｌ スプライン成形部長さ
φＡ 中空状シャフト素材の連結部１ｄの外径
φＢ ダイス４のスプライン成形部４ａの最大径
φＣ ダイス４のスプライン成形部４ａの最小径
δ Ｏ．Ｐ．Ｄ．増加量

Claims (2)

1. 軸方向中間部が大径部に形成されると共に、該大径部よりも軸方向両端部がそれぞれ小径部に形成され、該小径部の端部にスプラインが形成された中空状動力伝達シャフトの製造方法において、
   パイプ素材に絞り加工を施して、前記大径部と小径部とを有する中空状シャフト素材を形成し、
   内周にスプライン成形部を有し、該スプライン成形部の最大径が、前記中空状シャフト素材の小径部の端部外径よりも大きく、かつ、該スプライン成形部の最小径が、前記中空状シャフト素材の小径部の端部外径よりも小さなダイスを用意し、
   前記ダイスのスプライン成形部に前記シャフト素材の小径部の端部を軸方向に圧入して、該端部にスプラインを成形することを特徴とする中空状動力伝達シャフトの製造方法。
2. 前記スプラインの成形時に、前記スプラインの最大径が前記ダイスのスプライン成形部の最大径に接触しないことを特徴とする請求項１記載の中空状動力伝達シャフトの製造方法。

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