JP4766236B2 - 車両用ドライブシャフト及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、自動車の駆動部（エンジン）からの駆動トルクを伝達するドライブシャフト及びその製造方法に関するものであり、より詳細には、高速回転する回転軸として使用した場合に高い制振効果を有するドライブシャフト及びその製造方法に関するものである。

一般的に、自動車に用いられる動力伝達装置においては、エンジンからの駆動トルクが、変速機、終減速機構及び差動機構等を介してドライブシャフトに伝達され、さらに、ドライブシャフトによって駆動車輪に伝達される。従来のドライブシャフトの一例について、図６乃至図８を参照して説明する。図６に示すように、ドライブシャフト１は、シャフト２の両端部に等速ジョイント３、４（ユニバーサルジョイント）が取付けられたものであり、これらの等速ジョイント３、４を介して差動機構及び駆動車輪に連結される。そして、等速ジョイント３、４によって、駆動トルクを伝達すると共に、サスペンション装置あるいはステアリング装置による車輪の動きを吸収している。シャフト２と等速ジョイント３、４との結合部は、ブーツ５、６によって覆われており、これにより、等速ジョイント５、６の内部に潤滑剤を保持すると共に外部からの異物の侵入を防止している。

ドライブシャフト１は、差動機構から駆動車輪へ駆動トルクを伝達する回転軸であり、大きなトルクが作用すると共に、変速機、終減速機構及び差動機構の内部の歯車の噛合いに起因する振動成分が伝達される。この振動成分は、シャフト２の固有の曲げ共振周波数付近で増幅されて、サスペンション装置等を介して車体に伝達され、乗員に不快な振動、騒音を与える原因となっている。

そこで、差動機構等からシャフト２に伝達される振動を制振するため、従来は、シャフト２の径を大きくしてその内部を中空とすることによって、シャフト２の曲げ共振周波数を高くし、振動成分の周波数から離して、共振を防止していた。また、図７に示すように、シャフト２にダイナミックダンパ７を取付けて、曲げ共振周波数のピークを分離すると共に共振倍率を低下させたり、あるいは、中実のシャフトの断面を二面取り（非円形）形状として（図８参照）、曲げ共振周波数に方向性をもたせ、振動の増幅を抑制するようにしていた（例えば特許文献１参照）。
特開平７−１７４１３２号公報

しかしながら、上記従来の対処では、次のような問題がある。シャフト２の径を変更したり、大径の中空軸を使用するものでは、強度上の問題及び重量増の問題から、調整範囲が制限されるため、充分な制振効果を得ることが困難である。ダイナミックダンパ７を使用するものでは、ドライブシャフト１の車両への取付部周囲のスペース上の制約から、ダイナミックダンパ７の取付スペースを確保することが困難であり、加えて、部品点数が増加するため、重量増及びコスト増が避けられない。また、特許文献１に記載されたものでは、制振効果を高めるためには、断面形状の縦横比を充分大きくとる必要があるため、必要な強度を確保しようとすると、長い方の寸法Ｌが非常に大きくなってしまう。このため、重量増大の問題に加えて、高周波焼入れの際にコイルへの挿入が困難になり、また、ブーツ４、５の取付性が悪化するという問題が生じる。更に、中実のシャフト２の断面形状を非円形にするため、切削加工等の機械加工が必要であり、工程増によって製造コストが増大する。

本発明は、上記の点に鑑みて成されたものであり、装着スペース及び重量の増大を最小限に抑えつつ、制振効果を高めることができる車両用ドライブシャフト及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、請求項１に係る発明は、中間シャフトの両端に等速ジョイントが接続され、ディファレンシャル装置側のシャフトとホイール側のシャフトとにそれぞれ連結される車両用ドライブシャフトにおいて、
前記中間シャフトは、回転軸線に直交する断面が楕円形状の中空部を有するパイプ材から形成され、前記中空部は、前記中間シャフトの前記等速ジョイントが接続される両端部以外の内部全体において軸方向に延びて、前記回転軸線に直交する任意の断面が略同一形状及び略同一大きさの楕円形状であり、
前記両端部は、前記回転軸線に直交する断面が円形であり、前記中空部の形成された部分の径よりも小径であり、
前記中間シャフトは、前記両端部が円形断面のパイプ材を絞り加工して焼入することによって形成され、前記中空部が前記円形断面のパイプ材を直径方向外側から押圧して冷間加工することによって楕円形状に形成されていることを特徴とする。
請求項２に係る発明は、中間シャフトの両端に等速ジョイントが接続され、ディファレンシャル装置側のシャフトとホイール側のシャフトとにそれぞれ連結される車両用ドライブシャフトの製造方法であって、
前記中間シャフトは、回転軸線に直交する断面が楕円形状の中空部を有するパイプ材から形成され、前記中空部は、前記中間シャフトの前記等速ジョイントが接続される両端部以外の内部全体において軸方向に延びて、前記回転軸線に直交する任意の断面が略同一形状及び略同一大きさの楕円形状であり、
前記両端部は、前記回転軸線に直交する断面が円形であり、前記中空部の形成された部分の径よりも小径であり、
前記中間シャフトの形成する工程は、円形断面のパイプ材の両端を絞り加工によって縮径し、焼入れして前記両端部を形成し、中間部を直径方向外側から押圧して冷間加工することによって楕円形状に形成して前記中空部を成形する工程を含むことを特徴とする。

本発明に係る車両用ドライブシャフトによれば、装着スペース及び重量の増大を最小限に抑えつつ、制振効果を高めて、振動、騒音の発生を低減することができる。また、本発明に係る車両用ドライブシャフトの製造方法によれば、回転軸線に直交する断面形状が楕円形の中空部を有する車両用ドライブシャフトを容易に製造することができる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態に係るドライブシャフト８（車両用ドライブシャフト）は、前輪駆動の自動車の動力伝達装置において、エンジンによって駆動される変速機、終減速機構及び差動機構（ディファレンシャル装置）等が一体に組込まれたトランスアクスル（伝動装置）から駆動車輪に駆動力を伝達するための回転軸である。ドライブシャフト８は、中空の中間シャフト９の両端部に等速ジョイント１０、１１が連結されており、中間シャフト９と等速ジョイント１０、１１との結合部は、ブーツ１２、１３によって覆われている。

一方の等速ジョイント１０は、トランスアクスル（ディファレンシャル装置側のシャフト）に連結するための軸方向に伸縮可能な摺動型等速ジョイントであり、その内輪１４には、中間シャフト９の一端部がスプライン結合され、また、その外輪１５には、トランスアクスルに連結するためのスプライン部１６が形成されている。また、他方の等速ジョイント１１は、操舵車輪を兼ねた駆動車輪（フロントホイール側のシャフト）に連結するための許容屈曲角度が大きい固定型等速ジョイントであり、その内輪１７には、中間シャフト９の他端部がスプライン結合されており、その外輪１８には、駆動車輪に連結するためのスプライン部１９が形成されている。ブーツ１２、１３は、等速ジョイント１０、１１の内部に潤滑剤を保持すると共に外部からの異物の侵入を防止している。

中間シャフト９は、等速ジョイント１０、１１が接続される両端部以外の中央部に大径で回転軸線に直交する断面形状が楕円形の中空部２０が形成され、両端部に小径で回転軸線に直交する断面形状が円形のジョイント部２１、２２が形成されている。すなわち、中空部２０は、中間シャフト９における等速ジョイント１０、１１の接続された両端部以外の内部全体において軸方向に延びるように形成されており、その断面形状が回転軸線に直交する任意の断面を略同一形状及び略同一大きさの楕円形状となっている。ジョイント部２１、２２の先端部には、等速ジョイント１０、１１の内輪１４、１７に結合するためのスプライン部２１Ａ、２２Ａが形成されている。中間シャフト９は、例えば次のようにして製造することができる。中空円形断面のパイプ材の両端部を絞り加工して小径のジョイント部２１、２２を形成し、中央部（両端のジョイント部２１、２２以外の部分）をその直径方向外側から略均一に加圧して断面形状が楕円形の中空部２０を形成する。そして、ジョイント部２１、２２の両端部にスプライン部２１Ａ、２２Ａを形成し、ジョイント部２１、２２を高周波焼入れする。

以上のように構成した本実施形態の作用について次に説明する。
ドライブシャフト８は、一端側の等速ジョイント１０がトランスアクスルに連結され、他端側の等速ジョイント１１が駆動車輪に連結されて車両に搭載され、トランスアクスルから駆動車輪へ駆動トルクを伝達する。このとき、トランスアクスル内部の歯車の噛合いに起因する振動がドライブシャフト８に伝達される。

中間シャフト９は、中央部に大径の楕円断面を有する中空部２０が形成されているので、図４に示すように、曲げ共振周波数のピークが、円形断面の場合の１つに対して、２つに分離されると共に、共振倍率が低下している。これにより、トランスアクスルから伝達される振動周波数に対して、共振倍率が低くなるように楕円断面の長径ａと短径ｂとの比率を適当に設定することによって、共振を抑制して車体に伝達される振動、騒音を低減することができ、車両の乗り心地を向上させることができる。

図４は、便宜的に中実としたシャフトの断面形状による曲げ共振周波数の変化をシミュレーションした結果を示しており、図４中、曲線（Ａ）は円形断面の場合の曲げ共振周波数を示し、曲線（Ｂ）、（Ｃ）及び（Ｄ）は、それぞれ長径の短径に対する比が１．１、１．２及び１．３である楕円断面とした場合の曲げ共振周波数を示している。図４から分るように、円形断面では、曲げ共振周波数は、ピークが１つで共振倍率が大きいのに対して、楕円断面では、曲げ共振周波数は、ピークが２つに分離され、共振倍率が小さくなっており、また、長径ａを大きくするほど、一方のピーク周波数が高くなっている。このシミュレーション結果に基づいて、楕円断面の長径ａと短径ｂとの比率を適当に設定（一般的には、２つのピーク間の共振倍率が最も小さくなる周波数が振動周波数もしくは他の伝達の共振周波数と一致するように設定）することにより、効果的に共振を抑制して振動、騒音の発生を低減することができる。

次に、ドライブシャフト８の実車搭載状態における振動低減効果について、図５を参照して説明する。図５は、走行中の車両における車体のショックアブソーバ上端部取付部の振動を測定したものであり、図５中、曲線（Ａ）は、中実円形断面のドライブシャフトの場合を示し、曲線（Ｂ）は、本実施形態の中空楕円断面のドライブシャフト８の場合を示している。図５から、本実施形態のドライブシャフト８を使用することによって、振動のピークを低減することができることが分る。

このような制振効果により、従来のダイナミックダンパ等の制振手段が不要となり、部品点数を削減できるため、組付工数及び製造コストを低減することができる。また、中間シャフト９を中空楕円断面とすることにより、上記従来例に比して、装着スペース及び重量増を最小限に抑えつつ、制振効果を高めることができる。このとき、楕円断面の長径ａと短径ｂとの比率を変えることにより、中間シャフト９に伝達される振動周波数及びサスペンション装置の固有振動数に応じて、中間シャフト９の曲げ共振周波数の特性を容易にコントロールすることができる。

また、中間シャフト９を中空とすることにより、中実の場合に比して、軽量化及び捩り剛性の向上が可能になるので、中間シャフト９の重量、捩り剛性、曲げ共振周波数等の特性のコントロール範囲を拡大することができる。これにより、中間シャフト９の汎用性を高めることができ、従来、アルミホイール、スチールホイール等による車輪の重量の違いや車型等に応じて異なる特性のシャフトを使用していたものを共通化することが可能となり、設計及び製造コストを大幅に削減することができる。

中間シャフト９の中空部２０は、円形断面のパイプ材をその直径方向外側から押圧することにより、容易に断面形状を楕円形に形成することができるので、従来の中実非円形断面の場合に必要な切削等の機械加工が不要であり、製造コストが安価である。また、中空部２０を冷間加工によって楕円形状に形成することにより、加工硬化によって強度が高まって焼入れが不要となるので、両端のジョイント部２１、２２のみを焼入れすればよく、容易に高周波焼入れすることができる。

次に、本実施形態の変形例について、図２及び図３を参照して説明する。なお、図１に示す実施形態に対して、同様の部分には同一の符号を付して、異なる部分についてのみ詳細に説明する。図２に示す変形例では、中間シャフト９の中空部２０とジョイント部２１、２２とが別体とされて、摩擦圧接等によって結合されており、また、図３に示す変形例では、中間シャフト９の一方のジョイント部２１が別体とされて、摩擦圧接等によって中空部２０に接合されている。これにより、図１に示すものと同様の作用、効果を奏することができる。

なお、上記実施形態では、一例として本発明を自動車の前輪駆動用のドライブシャフトに適用した場合について説明しているが、本発明は、これに限らず、前輪駆動車ベースの４輪駆動車、あるいは、ミッドシップ車等の後輪駆動用のドライブシャフトにも同様に適用することができる。

本発明の一実施形態に係るドライブシャフト及びその中空部の断面形状を示す図である。 本発明の一実施形態に係るドライブシャフトの変形例を示す図である。 本発明の一実施形態に係るドライブシャフトの他の変形例を示す図である。 中実シャフトにおける断面形状による曲げ共振周波数の変化を示すグラフ図である。 図１に示すドライブシャフトの実車搭載状態における振動低減効果を示すグラフ図である。 従来のドライブシャフトを示す図である。 図６に示す従来のドライブシャフトに装着されるダイナミックダンパの縦断面図である。 従来の非円形断面を有するドライブシャフトのシャフト部の断面形状を示す図である。

符号の説明

８ ドライブシャフト（車両用ドライブシャフト）、９ 中間シャフト、１０，１１ 等速ジョイント、２０ 中空部

Claims (2)

1. 中間シャフトの両端に等速ジョイントが接続され、ディファレンシャル装置側のシャフトとホイール側のシャフトとにそれぞれ連結される車両用ドライブシャフトにおいて、
   前記中間シャフトは、回転軸線に直交する断面が楕円形状の中空部を有するパイプ材から形成され、前記中空部は、前記中間シャフトの前記等速ジョイントが接続される両端部以外の内部全体において軸方向に延びて、前記回転軸線に直交する任意の断面が略同一形状及び略同一大きさの楕円形状であり、
   前記両端部は、前記回転軸線に直交する断面が円形であり、前記中空部の形成された部分の径よりも小径であり、
   前記中間シャフトは、前記両端部が円形断面のパイプ材を絞り加工して焼入することによって形成され、前記中空部が前記円形断面のパイプ材を直径方向外側から押圧して冷間加工することによって楕円形状に形成されていることを特徴とする車両用ドライブシャフト。
2. 中間シャフトの両端に等速ジョイントが接続され、ディファレンシャル装置側のシャフトとホイール側のシャフトとにそれぞれ連結される車両用ドライブシャフトの製造方法であって、
   前記中間シャフトは、回転軸線に直交する断面が楕円形状の中空部を有するパイプ材から形成され、前記中空部は、前記中間シャフトの前記等速ジョイントが接続される両端部以外の内部全体において軸方向に延びて、前記回転軸線に直交する任意の断面が略同一形状及び略同一大きさの楕円形状であり、
   前記両端部は、前記回転軸線に直交する断面が円形であり、前記中空部の形成された部分の径よりも小径であり、
   前記中間シャフトを形成する工程は、円形断面のパイプ材の両端を絞り加工によって縮径し、焼入れして前記両端部を形成し、中間部を直径方向外側から押圧して冷間加工することによって楕円形状に形成して前記中空部を成形する工程を含むことを特徴とする車両用ドライブシャフトの製造方法。

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