JP2005098450A - 等速自在継手の外側継手部材およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】等速自在継手の、カップ状または筒状のマウス部材を板材または管材からプレス加工などの冷間加工により成形した薄肉の外側継手部材のねじり強度を向上させる。
【解決手段】板材または管材から冷間加工により成形した外側継手部材の、トラック溝部の外周表面に熱処理による硬化層を有する等速自在継手において、前記硬化層の表面にショットピーニング加工を施す。
【選択図】図１

Description

この発明は、トリポード型もしくはダブルオフセット型の摺動式等速自在継手またはバーフィールド型の等速自在継手のうち、カップ状または筒状のマウス部材を板材または管材からプレス加工などの冷間加工により成形した薄肉の外側継手部材を有する等速自在継手に関する。

等速自在継手における、内径部と、転動体が係合するトラック溝部が円周方向に交互に列設された、カップ状のマウス部分を有する外側継手部材に対する従来の製造技術としては、一体素材として温間鍛造または熱間鍛造により成形を行う方法や、カップ状または筒状のマウス部材を板材または管材からプレス加工などの冷間加工により成形し、別体として製作したステム部材と接合して外側継手部材を構成する方法などがある。

近年、自動車業界においては、等速自在継手に小型・軽量化が要求されるようになってきており、後者の冷間成形により得られる外側継手部材は、このようなニーズに応えるものである。また、前者の温間または熱間鍛造による成形方法では、鍛造型が熱により劣化することや、多品種にわたる製品形状に対して一品一様で鍛造型が必要になること、鍛造工程および前処理などが煩雑な多工程となること、などの理由から製造コストを低減できないという問題がある。これに対して後者の冷間成形では、工程削減、工具の長寿命化および合理化の点から全体としてコストダウンを図ることができる。
特開平８−４９７２７号公報（段落番号０００８） 特開平９−１７７８０８号公報（段落番号０００６）

プレスなどの冷間成形においては、材料に大きな変形を与える部分において割れが生じやすく、温間または熱間鍛造に比べて材料に加えることができる変形量が小さい。結果として、プレスなどの冷間成形により得られるカップ状または筒状のマウス部材は、温間鍛造または熱間鍛造により得られる外側継手部材のカップ状マウス部分に比べ、横断面において、薄肉であり、かつ、周上の各部位における肉厚の差が小さい略均一な肉厚の断面形状となる。

一方、マウス部分が薄肉になるほど、ねじり破壊強度は低下する。特に、転動体が係合するトラック溝部における、転動体から加わる荷重の作用点から荷重方向に伸ばした線上における外側継手部材のマウス部分の肉厚は、そのねじり破壊強度を左右する主要な要因である。すなわち、トラック溝部が薄肉になるほど、トラック溝部の外周面と荷重方向線との交点付近に転動体から加わる荷重により生じる引張応力が集中し、より低い荷重において破壊に至る。転動体からトラック溝部に加わる荷重は、等速自在継手に加わる負荷トルクに比例して発生するため、外側継手部材のねじり破壊強度が低いと等速自在継手の許容負荷トルクも低くなる。そのため、プレスなどの冷間加工により成形されるマウス部材により構成した外側継手部材は、許容負荷トルクの低い等速自在継手にしか適用できないという問題があった。

このような問題に対し、特開平９−１７７８０８号公報にトラック溝部の外周面の硬度を内周面よりも低くすることにより、カップ状部材のねじり破壊強度を改善する方法が開示されている。この方法においては、転動体からトラック溝部に作用する荷重が静的な場合において、ねじり破壊強度を高めることができるが、動的な繰り返し荷重が作用する場合、すなわち、ねじり疲労破壊に対する強度については効果が得られにくい。そのため、等速自在継手の適用状況によりマウス部材のねじり疲労強度が特に重要視される場合に、効果的な対策方法がなかった。

この発明の目的は、等速自在継手の、マウス部材を板材または管材からプレス加工などの冷間加工により成形した薄肉の外側継手部材のねじり疲労強度の向上を図ることにある。

この発明は、浸炭焼入れまたは高周波焼入れなどにより、あらかじめ表面に浅い硬化層が設けられているトラック溝部外周面に対して、ショットピーニング加工を施すことにより、熱処理によって生じた表面異常層を除去し、圧縮残留応力の高い表層部を設けて、マウス部材のねじり疲労強度を改善するようにしたものである。

熱処理によって生じる表面異常層とは、表面の粒界に沿って酸化物が生成する粒界酸化と焼入性低下による不完全な組織をいい、上に述べたような外側継手部材のマウス部材において引張応力が集中する部分では、粒界に沿って初期クラックが発生しやすくなる。ショットピーニング加工により表面異常層を除去することにより、初期クラックの発生を抑えてねじり疲労強度を高めることができる。

また、ショットピーニング加工における加工条件（ショットの材質、硬さ、径、投射速度、投射時間など）により、圧縮残留応力の大きさやその最大となる深さは異なるが、圧縮残留応力は前述の引張応力を打ち消す方向に作用し、疲労き裂の進展を抑制する効果があるため、圧縮残留応力が作用する表層部を設けることにより、マウス部材のねじり疲労強度を高めることができる。

本発明によれば、外側継手部材のねじり疲労強度を改善することができ、低コストで優れた性能をもつ等速自在継手を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

まず、図１２〜１４を参照して、ダブルオフセット型等速自在継手の場合を例にとって、マウス部とステム部とからなる外側継手部材の一体化について説明する。

図１２に示すように、外側継手部材は、マウス部１とステム部５とからなる。マウス部１は、薄肉の鋼板からなるパイプ素材または有底の円筒状素材をプレス加工して全体がカップ状に成形される。図１３（ａ）および図１４（ａ）に示すように、マウス部１の円周方向等配位置に複数のトラック溝２が形成され、その結果、マウス部１の開口端は花冠状を呈している。なお、図１３（ａ）および図１４（ａ）はトラック溝２が６本の場合を例示したものであるが、６本以外の、たとえば８本の場合もある。図１２（ｂ）に想像線で示すように、マウス部１の内部にボールやケージ、内輪などからなるトルク伝達部材３を組み込むことにより等速自在継手が構成される。また、マウス部１の端壁１ａの中央には、プレスの打抜き加工によって貫通孔４が形成されている。貫通孔４は、図１３（ａ）に示すような多角形、または図１４（ａ）に示すようなセレーション孔もしくはスプライン孔とし、浸炭処理や高周波焼入れ等の表面効果処理を施す。

一方、マウス部１と接合されるステム部５は、一方の端部にセレーションまたはスプライン６が形成され、他方の端部に大径部８が形成され、その大径部８の先端面に、大径部８より小径の突出部７が形成されている。突出部７は生材のままであり、表面の硬化処理はされていない。また、突出部７の外径寸法は、マウス部１の貫通孔４の内接円径よりも若干大きく設定される。大径部８と突出部７との間の段部に周溝が形成され、その周溝にシール部材９が装着される。

マウス部１とステム部５との接合は、図１２（ａ）に示すように、マウス部１の貫通孔４にステム部５の突出部７を圧入し、マウス部１の内側に突出した突出部７の先端をカシメ具１０により軸方向に打撃して図１２（ｂ）に示すようにかしめ、マウス部１とステム部５を一体化する。

図１に示す実施の形態について説明すると、図１（ａ）はトリポード型等速自在継手の縦断面を、図１（ｂ）はその横断面を示す。トリポード型等速自在継手は、駆動軸または従動軸と接続するトリポード部材１４と、従動軸または駆動軸と接続する外側継手部材１６とで構成される。この実施の形態では、外側継手部材１６は、板材より連続プレス加工により成形されるカップ状のマウス部材１１と、それとは別体として製作されたステム部材１２とが接合されて構成される。

プレス加工により成形されるマウス部材１１は、加工上の制約により、図１（ｂ）に示すように、略均一な肉厚の横断面形状を有している。また、プレス加工においては炭素含有量の低い材料の方がより加工が容易であるため、浸炭焼入れ処理用の低炭素鋼が用いられる。マウス部材１１は、成形加工後に浸炭焼入れによりトラック溝部１５の内外周面を含む全表面に硬化層を設けた後、ステム部材１２と接合される。トラック溝部１５の外周面にショットピーニング加工を施すのは、浸炭焼入れの後であれば、ステム部材１２と接合する前でも後でもどちらでもよい。

内側継手部材１４に図１（ｂ）および図２（ａ）の矢印の方向に作用する回転トルクＴ₁により、転動体１３からトラック溝部１５に荷重が加わり、トラック溝部１５の外周面のＺ₁部に引張応力が集中する。そのため、Ｚ₁部に初期クラックが発生して破損起点となるが、トリポード型等速自在継手のような摺動式等速自在継手においては、外側継手部材１６に対する内側継手部材１４の相対角度と軸方向位置とが変動しながら回転する用途に用いられるため、転動体１３とトラック溝部１５の接触位置と、引張応力が集中するＺ₁部も軸方向に移動する。そのため、ショットピーニング加工は、横断面（図２（ａ））における外周輪郭上の範囲Ｌ₁ａと、トラック溝部１５と転動体１３が接触し得る軸方向範囲Ｌ₁ｂ（図２（ｂ））を含む外周面に対して行う必要があり、その範囲は、トリポード型では６ヶ所ある。そのうち数ヶ所を図２（ｂ）に斜線部にて示した。また、これらの範囲が含まれていれば、ショットピーニング加工を施す範囲はより広い範囲であっても、あるいは外周面全体であってもよい。横断面（図２（ａ））における外周輪郭上の範囲Ｌ₁ａはトラック溝部１５の幅と同程度である。

次に、図３に示す実施の形態について説明すると、図３（ａ）はダブルオフセット型等速自在継手の縦断面を、図３（ｂ）はその横断面を示す。ダブルオフセット型等速自在継手は、駆動軸または従動軸と接続する内側継手部材２４と、従動軸または駆動軸と接続する外側継手部材２６とで構成される。この実施の形態では、外側継手部材２６は、板材より連続プレス加工により成形されるカップ状のマウス部材２１と、それとは別体として製作されたステム部材２２とが接合されて構成される。

プレス加工により成形されるマウス部材２１は、加工上の制約により、図３（ｂ）に示すように、略均一な肉厚の横断面形状を有している。また、プレス加工においては炭素含有量の低い材料の方がより加工が容易であるため、浸炭焼入れ処理用の低炭素鋼が用いられている。マウス部材２１は、成形加工後に浸炭焼入れによりトラック溝部２５の内外周面を含む全表面に硬化層を設けた後、ステム部材２２と接合される。トラック溝部２５の外周面にショットピーニング加工を施すのは、浸炭焼入れの後であれば、ステム部材２２と接合する前でも後でもどちらでもよい。

内側継手部材２４に図３（ｂ）および図４（ａ）の矢印の方向に作用する回転トルクＴ₂により、転動体２３からトラック溝部２５に荷重が加わり、トラック溝部２５の外周面のＺ₂部に引張応力が集中する。そのため、Ｚ₂部に初期クラックが発生して破損起点となるが、ダブルオフセット型のような摺動式等速自在継手においては、外側継手部材２６に対する内側継手部材２４の相対角度と軸方向位置とが変動しながら回転する用途に用いられるため、転動体２３とトラック溝部２５の接触位置と、引張応力が集中するＺ₂部も軸方向に移動する。そのため、ショットピーニング加工は、横断面（図４（ａ））における外周輪郭上の範囲Ｌ₂ａと、トラック溝部２５と転動体２３が接触し得る軸方向範囲Ｌ₂ｂ（図４（ｂ））を含む外周面に対して行う必要があり、その範囲は、ダブルオフセット型では１２ヶ所ある。そのうち数ヶ所を図４（ｂ）に斜線部にて示した。また、これらの範囲が含まれていれば、ショットピーニング加工を施す範囲はより広い範囲であっても、あるいは外周面全体であってもよい。横断面（図４（ａ））における外周輪郭上の範囲Ｌ₂ａは転動体２３の直径の２／３程度である。

ショットピーニング加工における加工条件は、浸炭焼入れされたマウス部材１１，２１において表面硬度がＨＲＣ６０前後の場合には、深さ１０〜５０μｍの範囲において−１０００ＭＰａ以上の圧縮残留応力を生じるように設定する。一般的に、ショットの径を小さくすれば表面から浅い範囲に高い圧縮残留応力を生じやすく、ショットの径を大きくするほど表層から深い範囲まで圧縮残留応力を生じやすい。また、浸炭焼入れによる表面異常層が除去されにくい場合には、あらかじめ表面異常層の除去を目的とした加工条件により前加工を行うと効果的である。

図１および図２に示すようなトリポード型等速自在継手における、ショットピーニング加工の有無によるカップ状または筒状のマウス部材１１のねじり疲労破壊に対する強度の差を、図５および図６に示す構造の試料を用いて確認した結果を、図１１に示す。試料の外側継手部材４６を固定し、内側継手部材４４に一定の回転方向に対して負荷トルクを繰り返し加え、筒状のマウス部材４１がトラック溝部４５の外周面を起点として疲労破損するまでの繰り返し回数を記録したものである。図１に示した実施の形態に対して図５および図６に示す試料は、マウス部材４１とステム部材４２とを外周面の境界部４９を溶接することにより構造した点と、マウス部材４１はプレスなどの冷間加工ではなく素材から削り出し加工によって得られたものである点が異なるが、略均一な肉厚の軸方向断面形状を有するカップ状または筒状のマウス部材における、トラック溝部の外周面へのショットピーニング加工の有無によるねじり疲労強度の違いを確認することができる。

図５の試料の外側継手部材４６は、マウス部材４１をＳＣＭ４１５素材から削り出し加工により成形した後、浸炭焼入れ焼もどし処理により表面硬化層を設け、別体に製作したステム部材４２と溶接により接合したものである。図１１における試料１および試料２は、ＨＲＣ６０前後において、表面硬度と硬化層深さの異なる２種類を作製したものである。さらに、試料１、２のそれぞれについて、マウス部材４１のトラック溝部４５の外周面の、前述した図２に示すマウス部材１１の軸方向断面における外周輪郭上の範囲Ｌ₁ａおよび軸方向範囲Ｌ₁ｂと同様の６ヶ所の範囲を含む外周面にショットピーニング加工を施したもの（図１１中の白丸，白四角）と、そうでないもの（図１１中の黒丸，黒四角）を準備した。ショットピーニングの加工条件は、深さ１０〜５０μｍの範囲において−１０００ＭＰａ以上の圧縮残留応力を生じるように設定した。

図１１に示すとおり、試料１または試料２において表面硬度の違いにより効果に差はあるものの、ショットピーニング加工を行うことにより、破損までの繰り返し回数は、試料１において約３．９倍、試料２において約６．６倍以上増加している。これにより、ショットピーニング加工によるマウス部材４１のねじり疲労強度に対する改善効果が確認された。

図７および図８に示す実施の形態は、トリポード型等速自在継手において、カップ状のマウス部材５１の材料として炭素含有量が０．５％程度の鋼材を使用し、高周波焼入れにより熱処理を行う場合である。図１に示した実施の形態の浸炭焼入れ焼もどしの場合には、マウス部材の全表面に硬化層が生じるのに対し、高周波焼入れでは部分的に加熱・冷却を行って表面硬化層を設ける点が異なる。ショットピーニング加工により圧縮残留応力を得るためには、対象とする表面が熱処理により硬化されている必要があり、外側継手部材５６と転動体５３との接触による摩耗を抑えるために必要とされるトラック溝部５５の内面の表面硬化層５７とは別に、ショットピーニング加工を行うトラック溝部５５の外周面に比較的浅い表面硬化層５８を設ける必要がある。このとき、トラック溝部５５の内周面と外周面の表層だけでなく芯部まで硬化させてしまうとねじり疲労強度は著しく低下するので、芯部はＨＲＣ４５以下の非硬化部分であることが必要である。そのためトラック溝部５５の内周面と外周面は二工程に分けて高周波焼入れする必要がある。しかしながら、第一工程での焼入れ部分は第二工程の加熱の影響で焼き戻される可能性がある。そこで、トラック溝部５５の外周面を第一工程として高周波焼入れした後、より高い表面硬度を要する内周面を第二工程として高周波焼入れすることで、内周面の表面硬度をＨＲＣ６０前後、外周面の表面硬度をＨＲＣ５５前後とした表面硬化層５７，５８を得る。トラック溝部５５の外周面の表面硬度はＨＲＣ５５程度確保されていれば、ショットピーニング加工によるマウス部材５１のねじり疲労強度に対する改善効果が得られやすい。

また、以上の高周波焼入れによりトラック溝部の内周面と外周面の表面硬化層を設けてショットピーニング加工を行う方法を、ダブルオフセット型等速自在継手（図３および図４参照）のマウス部材に適用してもよい。

図９および図１０に、外側継手部材６６が、板材より連続プレス加工により成形されるカップ状のマウス部材６１と、別体として製作されたステム部材６２とが、外周面の境界部６９を溶接することにより構成される、バーフィールド型等速自在継手における実施の形態を示す。

プレス加工により成形されるカップ状のマウス部材６１は、背景技術の項で述べたような加工上の制約により、略均一な肉厚の横断面形状を有している。また、プレス加工においては炭素含有量の低い材料の方がより加工が容易であるため、浸炭焼入れ処理用の低炭素鋼が用いられている。マウス部材６１は、成形加工後に浸炭焼入れによりトラック溝部６５内外周面を含む全表面に硬化層を設けた後、ステム部材６２と接合される。トラック溝部６５の外周面にショットピーニング加工を施すのは、浸炭焼入れの後であれば、ステム部材６２と接合する前でも後でもどちらでもよい。また、マウス部材６１の境界部６９付近は、溶接時の割れを防止するため防炭処理を施してもよい。

内側継手部材６４に図９（ｂ）および図１０（ａ）の矢印の方向に作用する回転トルクＴ₆により、転動体６３からトラック溝部６５に荷重が加わり、トラック溝部６５の外周面のＺ₆部に引張応力が集中する。そのためＺ₆部に初期クラックが発生して破損起点となるが、バーフィールド型等速自在継手においては、外側継手部材６６に対する内側継手部材６４の相対角度が変動しながら回転する用途に用いられるため、転動体６３とトラック溝部６５の接触位置と、引張応力が集中するＺ₆部はトラック溝部６５の軌道に沿って移動する。そのためショットピーニング加工は、横断面（図１０（ａ））における外周輪郭上の範囲Ｌ₆ａと、トラック溝部６５と転動体６３が接触し得る軸方向範囲Ｌ₆ｂ（図１０（ｂ））を含む外周面に対して行う必要がある。そのような範囲はバーフィールド型では１２ヶ所あり、そのうちの数ヶ所を図１０（ｂ）に斜線部にて図示してある。範囲Ｌ₆ａは転動体６３の直径の２／３程度である。

ショットピーニング加工における加工条件は、この実施の形態のような浸炭焼入れされたカップ状のマウス部材において表面硬度がＨＲＣ６０前後の場合には、深さ１０〜５０μｍの範囲において−１０００ＭＰａ以上の圧縮残留応力を生じるように設定されている。一般的に、ショットの径を小さくすれば表面から浅い範囲に高い圧縮残留応力を生じやすく、ショットの径を大きくするほど表層から深い範囲まで圧縮残留応力を生じやすい。また、浸炭焼入れによる表面異常層が除去されにくい場合には、あらかじめ表面異常層の除去を目的とした加工条件により前加工を行うと効果的である。

また、その逆に、図７に示すトリポード型等速自在継手の実施の形態に関連して前述した、高周波焼入れによりトラック溝部の内周面の表面硬化層を設けてショットピーニング加工を行う方法を、バーフィールド型等速自在継手のマウス部材に適用してもよい。

尚、本発明の等速自在継手は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

（ａ）はトリポード型等速自在継手の縦断面図、（ｂ）は横断面図である。 （ａ）は図１（ｂ）と同じ横断面図、（ｂ）は側面図である。 （ａ）はダブルオフセット型等速自在継手の縦断面図、（ｂ）は横断面図である。 （ａ）は図３（ｂ）と同じ横断面図、（ｂ）は側面図である。 （ａ）は供試用のトリポード型等速自在継手の縦断面図、（ｂ）は横断面図である。 （ａ）は図５（ｂ）と同じ横断面図、（ｂ）は側面図である。 （ａ）はトリポード型等速自在継手の縦断面図、（ｂ）は横断面図である。 （ａ）は図７（ｂ）と同じ横断面図、（ｂ）は側面図である。 （ａ）はバーフィールド型等速自在継手の縦断面図、（ｂ）は横断面図である。 （ａ）は図９（ｂ）と同じ横断面図、（ｂ）は側面図である。 疲労破壊試験の結果を示すグラフである。 （ａ）はトリポード型等速自在継手の外側継手部材の製造過程を示す縦断面図、（ｂ）はトリポード型等速自在継手の縦断面図である。 （ａ）は図１２（ａ）における外側継手部材の端面図、（ｂ）はステム部材の端面図である。 （ａ）は図１２（ａ）における外側継手部材の端面図、（ｂ）はステム部材の端面図である。

符号の説明

１１，２１，４１，５１，６１ マウス部材
１２，２２，４２，５２，６２ ステム部材
１３，２３，４３，５３，６３ 転動体
１４，２４，４４，５４，６４ 内側継手部材
１５，２５，４５，５５，６５ トラック溝
１６，２６，４６，５６，６６ 外側継手部材
４９，６９ 境界部
５７，５８ 表面硬化層

Claims (2)

1. 板材または管材から冷間加工により成形した外側継手部材であって、前記外側継手部材のトラック溝部の外周表面に熱処理による硬化層を有し、前記硬化層の表面にショットピーニング加工を施したことを特徴とする等速自在継手の外側継手部材。
2. 板材または管材から冷間加工により外側継手部材を成形し、前記外側継手部材のトラック溝部の外周表面に熱処理による硬化層を設け、前記硬化層の表面にショットピーニング加工を施すことを特徴とする等速自在継手の外側継手部材の製造方法。

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