JP2018044225A

JP2018044225A - 等速自在継手の外側継手部材および外側継手部材の製造方法

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Publication number: JP2018044225A
Application number: JP2016181477A
Authority: JP
Inventors: 祐一淺野; Yuichi Asano
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2016-09-16
Filing date: 2016-09-16
Publication date: 2018-03-22
Anticipated expiration: 2036-09-16
Also published as: JP6685871B2

Abstract

【課題】ステム軸の軽量・コンパクト化が可能で、自動車用ドライブシャフトに最適な等速自在継手の外側継手部材及び外側継手部材の製造方法を提供する。【解決手段】材質が、合金元素の含有率が重量％で、Ｃ：０．４５〜０．６０％、Ｓｉ：０．４〜１．５％、Ｍｎ：０．４〜１．０％、Ｓ：０．０２５％以下、Ａｌ：０．０１〜０．１％、Ｂ：０．００１〜０．００４％, Ｔｉ：０．０２〜０．０５％、およびＮ：０．００８％以下、かつＴｉ／Ｎ比３．４以上を基本成分とし、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる炭素鋼である。炭素鋼のフェライト結晶粒度番号が７以上であり、ステム軸の平滑部及びスプライン部のうち、少なくとも最弱となる部位に、焼入れ硬化比が０．３〜０．６となる熱硬化層を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、自動車や各種産業機械の動力伝達装置で利用される等速自在継手の外側継手部材および外側継手部材の製造方法に関する。

等速自在継手には、角度変位だけを許容する固定式等速自在継手と、角度変位だけでなく軸方向変位（プランジング）も可能である摺動式等速自在継手とがある。固定式等速自在継手には、トラック溝の溝底が円弧部のみからなるバーフィールド型等速自在継手（ＢＪ）と、トラック溝の溝底が円弧部と直線部とからなるアンダーカットフリー型等速自在継手（ＵＪ）等がある。また、摺動式等速自在継手には、トリポード型等速自在継手、ダブルオフセット型等速自在継手、クロスグルーブ型等速自在継手などがある。

ところで、自動車のドライブシャフトは、一対の等速自在継手と、この一対の等速自在継手を連結するシャフトとを備えたものである。そして、一般的には、一対の等速自在継手の一方の等速自在継手を固定式等速自在継手とし、他方の等速自在継手を摺動式等速自在継手としている（特許文献１）。

近年、自動車の低燃費化や車両足回りのスペース確保のため、ドライブシャフトの軽量・コンパクト化の要求が高まっており、トルク伝達部材としてボールを用いた等速自在継手において、ボール個数を８個にして軽量・コンパクト化したり、シャフトの材料を焼入れ性が高いものに変更したりしていた。このように構成することで、焼入れ性の向上、高強度化により、軽量・コンパクト化が進んでいる。

ところで、図１０にトラック溝の溝底が円弧部のみからなるバーフィールド型等速自在継手（ＢＪ）を示している。この等速自在継手は、内径面１にトラック溝２が形成された外側継手部材３と、外径面４にトラック溝５が形成された内側継手部材６と、外側継手部材３のトラック溝２と内側継手部材６のトラック溝５との間に介在されるトルク伝達部材としてのボール７と、このボール７を収容するポケット９を有するとともに外側継手部材３と内側継手部材６との間に介装されるケージ８とを備える。ケージ８の外径面８aは外側継手部材３の内径面１と、ケージ８の内径面８ｂは内側継手部材６の外径面４とそれぞれ嵌合している。

外側継手部材３は、内径面１にトラック溝２が形成されたカップ部１０と、このカップ部１０の底壁１０ａから突設されるステム軸１１とからなる。ステム軸１１は、中間部に設けられるスプライン部（雄スプライン）１１ａと、先端側に設けられるネジ部１１ｂとを有する。

内側継手部材６の軸心孔には、雌スプライン１２が形成され、内側継手部材６の軸心孔にシャフト１３の端部が嵌入される。シャフト１３の端部には雄スプライン１４が形成され、シャフト１３の端部が内側継手部材６の軸心孔に嵌入された際に、雌スプライン１２と雄スプライン１４とが嵌合する。なお、雄スプライン１４の端部には周方向溝１６が形成され、この周方向溝１６に止め輪１７が嵌着されている。これによって、シャフト１３の抜け止めが構成される。

外側継手部材３の開口部がブーツ２０にて塞がれている。ブーツ２０は、一方の開口部を構成する大径部２０ａと、他方の開口部を構成する小径部２０ｂと、大径部２０ａと小径部２０ｂとを連結する蛇腹部２０ｃとを備える。そして、ブーツ２０の大径部２０ａが、外側継手部材３の開口部に外嵌された状態で装着される。また、ブーツ２０の小径部２０ｂが、シャフト１３のブーツ装着部１３ａに外嵌された状態で装着される。

等速自在継手の外側継手部材３のカップ部１０は、トラック溝２とボール７との接触部の寿命を確保するため、Ｃ量０．４５％〜０．６０％の炭素鋼を高周波焼入れしたり、肌焼鋼を浸炭焼入れすることで、表面硬度を高めている。外側継手部材３のステム軸１１はカップ部１０と一体のものが多く、カップ部１０と同じ材料、熱処理となるが、軸の強度を高めるには、Ｃ量０．３５〜０．４５％の炭素鋼に高周波焼入れで深く焼入れするのが最適である。

しかしながら、カップ部１０の材料と熱処理では、高強度化が難しいため、軸径を上げて強度を確保する必要があり、軽量・コンパクト化を図ることができない。ところで、従来には、Ｃ：０．５０〜０．８０％、Ｓｉ：０．１５％以下、Ｍｎ：０．６０％以下、Ｂ：０．０００５〜０．００５０％, Ｔｉ：０．０５％以下の被削性に優れた高強度高周波焼入用鋼が提案されている（特許文献２）。

特開２０００−２４０６６９号公報特開平８−８１７３３号公報

特許文献２に記載の高強度高周波焼入用鋼を外側継手部材に用いれば、Ｍｎ及びＳｉを少なくでき、切削性を確保することができる。しかも、Ｍｎ及びＳｉを低減させることによって、焼入れ性が低下するが、Ｂの添加で焼入れ性の低下を防止している、しかしながら、ステム軸の軽量・コンパクト化には十分な対策ではない。

そこで、本発明は、ステム軸の軽量・コンパクト化が可能で、自動車用ドライブシャフトに最適な等速自在継手の外側継手部材及び外側継手部材の製造方法を提供する。

本発明の等速自在継手の外側継手部材は、内径面にトラック溝が形成されたカップ部と、このカップ部の底壁から突出するステム軸とが同一材質で一体に成形されてなり、ステム軸には平滑部及びスプライン部が形成された等速自在継手の外側継手部材であって、前記材質が、合金元素の含有率が重量％で、Ｃ：０．４５〜０．６０％、Ｓｉ：０．４〜１．５％、Ｍｎ：０．４〜１．０％、Ｓ：０．０２５％以下、Ａｌ：０．０１〜０．１％、Ｂ：０．００１〜０．００４％, Ｔｉ：０．０２〜０．０５％、およびＮ：０．００８％以下、かつＴｉ／Ｎ比３．４以上を基本成分とし、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる炭素鋼であり、この炭素鋼のフェライト結晶粒度番号が７以上であり、ステム軸の平滑部及びスプライン部のうち、少なくとも最弱となる部位において、焼入れ硬化比が０．３〜０．６となる熱硬化層を有するものである。

焼入れ硬化比は、有効硬化層深さ/軸半径比であらわされ、これが０．３未満では、焼入れ硬化比が不足し、通常の炭素鋼に高周波焼入れしたステム軸の強度と変わらず、軽量・コンパクト化が達成できない。一方、０．６０％を超えると、スプライン部等の切欠き部に焼割れが発生する。

Ｃが０．４５％未満であると、熱処理後の表面硬さが低すぎて、外輪カップ部のトラックにおいて、十分な耐久性が得られず、０．６０％を超えると、表面硬さが高すぎるため、切欠き部の切欠き感受性が増し、強度低下を招く。

Ｓｉは、製鋼段階での脱酸剤として、さらには粒界強化のために添加される。これが、０．４０％未満であると、粒界強化の効果が得られず、１．５％を超えると冷間加工性（鍛造性、切削性）が著しく低下する。

Ｍｎは、焼入れ性を向上（焼入れ硬化比向上）させたり、鋼中の硫黄をＭｎＳとして固定・分散させるために必要であり、これが、０．４％未満であると、焼入れ性が低下し、焼入れ深さが得られない。１．０％を超えると、焼入れ性が飽和して冷間加工性を低下させる。

Ｓは、Ｍｎと結合してＭｎＳ介在物として存在するが、冷間加工時の焼割れ発生の起点となるので、０．０２５％以下とする。また、Ｐは、鋼中において粒界に析出して熱間加工性を著しく損ない、かつ素材強度を著しく低下させるため、０．０２％以下とする。

Ａｌは脱酸剤で、製鋼段階で鋼中酸素を酸化物介在物として除去し、粒界を調整するため、０．０１％以上とするが、酸化物介在物が多すぎると靱性が低下し、冷間加工時の焼割れ発生起点となるため、０．１０％以下とする。

Ｂは焼入れ性の向上、粒界強化、焼割れ感受性の低下などを目的として添加される。０．００１％未満であると、これらの効果が十分に得られず、０．００４％を超えると、粒界にBCが生成されて強度低下を招く。

Ｔｉは、ＴｉＮの生成によりＮを固定し、ＴｉＮの生成を防止するために添加される。０．０２％未満ではＢＮの生成を防止できず、０．０５％を超えると清浄度が低下し、強度低下を招く。Ｎは、不純物として鋼中に含まれるが、０．０８％を超えると、ＢＮが生成されてＢを添加した効果が無くなる。

Ｔｉ／Ｎ比は、ＴｉとＮの重量比で、ＴｉによってどれだけのＮが固定されるかを表す。これが大きい程ＢＮの生成量が少なくなる。Ｔｉ／Ｎ比が３．４未満であると、有効なＢの確保が困難となる。

鋼組織中のフェライト粒度が大きすぎると、焼割れ感受性が著しく増加するので、炭素鋼のフェライト結晶粒度番号は７以上とする。

最弱となる部位が、ステム軸に設けられるスプライン部であったり、ステム軸に設けられる平滑部であったりする。また、熱硬化層の表面の圧縮残留応力を５００ＭＰａ以上とするのが好ましい。圧縮残留応力を５００ＭＰａ以上することによって、疲労強度の向上を図ることができる。

本発明の外側継手部材の製造方法は、前記等速自在継手の外側継手部材を製造する外側継手部材製造方法であって、ステム軸の平滑部及びスプライン部のうち、少なくとも最弱となる部位に高周波焼入れ・焼戻しを行って焼入れ部を形成した後、この焼入れ部にショットピーニングを施して、表面の圧縮残留応力を１０００ＭＰａ以上となる熱硬化層を形成するものである。

本発明の等速自在継手の外側継手部材では、従来品より高強度のステム軸を提供することができ、ステム軸の負荷容量の増大や軽量・コンパクト化を図ることができ、このような外側継手部材を用いた等速自在継手は、ドライブシャフトに最適な等速自在継手となる。また、この外側継手部材は、炭素鋼をベースとするため、コスト的にも安価となる利点がある。

本発明の等速自在継手の外側継手部材を用いたドライブシャフトの断面図である。図１に示すドライブシャフトの固定式等速自在継手の断面図である。図１に示すドライブシャフトの摺動式等速自在継手の断面図である。前記摺動式等速自在継手の横断面図である。焼入れ硬化比と捩り強度比との関係を示すグラフ図である。アンダーカットフリータイプの固定式等速自在継手の断面図である。ダブルオフセットタイプの摺動式等速自在継手の断面図である。クロスグルーブタイプの摺動式等速自在継手の断面図である。図８に示すクロスグルーブ型等速自在継手のトラック溝（ボール溝）の展開図である。従来の固定式等速自在継手の断面図である。

以下本発明の実施の形態を図１〜図９に基づいて説明する。図１はドライブシャフトを示し、このドライブシャフトは、一対の等速自在継手３１，３２と、この一対の等速自在継手３１，３２を連結するシャフトＳとを備えたものである。この図例では、一方の等速自在継手３１がバーフィールドタイプの固定式等速自在継手であり、他方の等速自在継手３２がトリポードタイプの摺動式等速自在継手である。

固定式等速自在継手３１は、図２に示すように、軸方向に延びる複数のトラック溝３３が内径面３４に形成された外側継手部材３５と、軸方向に延びる複数のトラック溝３６が外径面３７に円周方向等間隔に形成された内側継手部材３８と、外側継手部材３５のトラック溝３３と内側継手部材３８のトラック溝３６との間に介在してトルクを伝達する複数のボール３９と、外側継手部材３５の内径面３４と内側継手部材３８の外径面３７との間に介在してボール３９を保持するケージ４０とを備えている。

摺動式等速自在継手（トリポード型等速自在継手）は、図３と図４に示すように、外側継手部材４２と、内側継手部材としてのトリポード部材４４と、トルク伝達部材４８とを備える。外側継手部材４２は一端にて開口したカップ状のマウス部７５を有し、内周の円周方向三等分位置に軸方向に延びるトラック溝４１が形成してある。マウス部７５は、横断面で見ると、大径部７５ａと小径部７５ｂが交互に現れる非円筒形状である。すなわち、マウス部７５は、大径部７５ａと小径部７５ｂとを形成することによって、その内周面に、軸方向に延びる３本の前記トラック溝４１が形成される。

各トラック溝４１の円周方向で向き合った側壁にローラ案内面（ローラ摺接面）４１ａ、４１ａが形成される。また、内径面においては、円周方向に交互に現れる小内径部４２ｂと大内径部４２ａをローラ案内面４１ａで接続した３弁の花冠状を呈している。すなわち、外側継手部材４２は、円周方向に向き合ったローラ案内面４１ａ，４１ａと両ローラ案内面４１ａ，４１ａ間に設けられた大内径部４２ａからなるトラック溝４１が内周の三箇所に形成されるものである。

トリポード部材４４はボス４７と脚軸４３とを備える。ボス４７にはシャフトＳとトルク伝達可能に結合するスプライン孔４４ａが形成してある。脚軸４３はボス４７の円周方向三等分位置から半径方向に突出している。

また、トルク伝達部材（ローラ部材）４８は、その外径面が凸球面とされたリング状体からなるローラ４６と、このローラ４６に複数のころ４９を介してリング４５とを備える。すなわち、ローラ４６とリング４５とが複数のころ４９を介してユニット化され、これら等でローラアセンブリ（ローラ部材）を構成している。この場合、ローラ４６を外側ローラと呼び、リング４５を内側ローラと呼ぶことができる。

すなわち、リング（内側ローラ）４５は脚軸４３の外周面に外嵌している。内側ローラ４５の円筒形外周面を内側軌道面とし、外側ローラ４６の円筒形内周面を外側軌道面として、これらの内外軌道面間に針状ころ４９が転動自在に介在する。針状ころ４９は、できるだけ多くのころを入れた、保持器のない、いわゆる総ころ状態で組み込まれている。なお、外側ローラ４６の端部内周面に形成した環状溝には、針状ころ４９の抜け止め用のワッシャ５０ａ、５０ｂが装着されている。

図２に示すように、固定式等速自在継手３１における内側継手部材３８の軸孔３８ａにトルク伝達可能にシャフトＳの一方に端部の雄スプライン５１を嵌入し、図３に示すように、摺動式等速自在継手３２における内側継手部材であるトリポード部材４４の軸孔４４ａにトルク伝達可能にシャフトＳの他方の端部に雄スプライン５２を嵌入している。この場合、図２に示すように、固定式等速自在継手３１の内側継手部材３８の軸孔３８ａの内径面には雌スプライン５３が設けられ、図４に示すように、摺動式等速自在継手３２のトリポード部材４４の軸孔４４ａの内径面には雌スプライン５４が設けられている。

このため、シャフトＳの一方に端部の雄スプライン５１を内側継手部材３８の軸孔３８ａに嵌入させることによって、シャフトＳの雄スプライン５１が内側継手部材３８の雌スプライン５３に嵌合する。また、シャフトＳの他方に端部の雄スプライン５２をトリポード部材４４の軸孔４４ａに嵌入させることによって、シャフトＳの雄スプライン５２がトリポード部材４４の雌スプライン５４に嵌合する。なお、シャフトＳの両端部は、スナップリング等の止め輪５５，５５によりそれぞれ抜け止めされている。すなわち、シャフトＳの両端部に周方向溝５６、５６が形成され、この周方向溝５６、５６に止め輪５５，５５が嵌合されている。

シャフトＳと各外側継手部材３５、４２との間には、外部からの異物の侵入および内部からのグリースの漏洩を防止するためのブーツ６０Ａ，６０Ｂがそれぞれ装着されている。ブーツ６０Ａ，６０Ｂは、大径部６０ａと、小径部６０ｂと、大径部６０ａと小径部６０ｂとを連結する蛇腹部６０ｃとからなる。ブーツ６０Ａ，６０Ｂの大径部６０ａ，６０ａは外側継手部材の開口端でブーツバンド６１Ａ，６１Ｂにより締め付け固定され、その小径部６０ｂはシャフトＳのブーツ装着部５８，５９でブーツバンド６２Ａ、６２Ｂにより締め付け固定されている。

ところで、固定式等速自在継手３１の外側継手部材３５は、トラック溝３３が内径面３４に形成されたカップ部７０とこのカップ部７０の底壁７０ａから突設されるステム軸７１とからなる。ステム軸７１は、カップ部７０の底壁７０ａから平滑部７１ａを介してカップ部７０に連設されるスプライン部（雄スプライン）７１ｂと、このスプライン部７１ｂにくびれ部７１ｃを介して連設されるネジ部７１ｄと、このネジ部７１ｄの端面から突設される端部軸部７１ｅとからなる。

この固定式等速自在継手３１の外側継手部材３５の材質は、合金元素の含有率が重量％で、Ｃ：０．４５〜０．６０％、Ｓｉ：０．４〜１．５％、Ｍｎ：０．４〜１．０％、Ｓ：０．０２５％以下、Ａｌ：０．０１〜０．１％、Ｂ：０．００１〜０．００４％, Ｔｉ：０．０２〜０．０５％、およびＮ：０．００８％以下、かつＴｉ／Ｎ比３．４以上を基本成分とし、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる炭素鋼である。この場合の炭素鋼のフェライト結晶粒度番号（ＪＩＳＧ０５５２（鋼のフェライト結晶粒度試験方法）の比較法により測定した結晶粒度番号）が７以上である。

そして、ステム軸７１の平滑部７１ａ及びスプライン部７１ｂのうち、少なくとも最弱となる部位においてクロスハッチングで示すように熱硬化層Ｈ１を有する。この場合、ステム軸７１の平滑部７１ａ及びスプライン部７１ｂのうち、最弱となる部位はスプライン部７１ｂである。このため、少なくとも、スプライン部７１ｂに熱硬化層Ｈ１を設ければよいが、この実施形態では、カップ部７０の底壁７０ａからスプライン部（雄スプライン）７１ｂにわたって熱硬化層Ｈ１が形成されている。そして、この熱硬化層Ｈ１は焼入れ硬化比が０．３〜０．６となる。ここで、焼入れ硬化比とは、焼入れ深さ／軸半径である。すなわち、図２に示すように、焼入れ深さをｔ１とし、軸半径をＲ１としたときに、焼入れ硬化比は、ｔ１／Ｒ１となり、軸半径は、スプライン部７１ｂの小径（直径）の半径であり、Ｒ１＝Ｄ２／２となる。このため、０．３≦ｔ１／Ｒ１≦０．６となる。熱硬化層Ｈの表面の圧縮残留応力を５００ＭＰａ以上とするのが好ましい。

ところで、外側継手部材３５は、カップ部７０とステム軸７１とが一体に成形されており、前記炭素鋼を用いて、熱間鍛造でカップ部７０とステム軸７１を一体に成形した後、冷間鍛造を行うことで、カップ部７０内およびステム軸７１の寸法精度を向上させている。鍛造後、旋削加工で所定の形状に成形し、ステム軸７１にはハブ輪（図示省略）と嵌合するためのスプライン部７１ｂを転造加工やプレス加工などで形成し、ステム軸７１の軸端にはハブ輪とナットで締結するためのネジ部７１ｄが転造形成される。その後、ステム軸７１には高周波焼入れ焼戻しを施し、前記熱硬化層Ｈ１を設けることになる。

高周波焼入れ焼き戻しは、高周波電流の流れているコイル中に焼入れに必要な部分を入れると、電磁誘導作用により誘導起電力が生ずる。この電磁誘導作用により、ジュール熱が発生することを利用して、伝導性物体を過熱する原理を応用した焼入れ方法である。このため、高周波焼入れは必要な部分だけに選択的に硬化層を設けることが可能であり、外側継手部材のステム軸の硬化層形成には最適となる。

また、摺動式等速自在継手３２の外側継手部材４２は、内周に軸線方向に延びる三本のトラック溝４１を有するカップ部７５と、このカップ部７５の底壁７５ｃから突設されるステム軸７６とからなる。ステム軸７６は、底壁７５ｃに連設される大径ボス部７６ａと、この大径ボス部７６ａよりも小径の中間軸部（平滑部）７６ｂと、この平滑部７６ｂに連設されるスプライン部（雄スプライン）７６ｃとを有するものである。

この外側継手部材４２の材質も、固定式等速自在継手３１の外側継手部材３５と同様、合金元素の含有率が重量％で、Ｃ：０．４５〜０．６０％、Ｓｉ：０．４〜１．５％、Ｍｎ：０．４〜１．０％、Ｓ：０．０２５％以下、Ａｌ：０．０１〜０．１％、Ｂ：０．００１〜０．００４％, Ｔｉ：０．０２〜０．０５％、およびＮ：０．００８％以下、かつＴｉ／Ｎ比３．４以上を基本成分とし、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる炭素鋼である。この場合の炭素鋼のフェライト結晶粒度番号が７以上である。

外側継手部材４２のステム軸７６には、大径ボス７６ａからスプライン部７６ｃにわたって、クロスハッチングで示すように熱硬化層Ｈ２が形成されている。この熱硬化層Ｈ２においても、焼入れ硬化比が０．３〜０．６となる。焼入れ深さをｔ２とし、軸半径をＲ２としたときに、焼入れ硬化比は、ｔ２／Ｒ２となり、軸半径は、スプライン部７６ｃの小径（直径）の半径であり、Ｒ２＝Ｄ４／２となる。このため、０．３≦ｔ２／Ｒ２≦０．６となる。熱硬化層Ｈの表面の圧縮残留応力を５００ＭＰａ以上とするのが好ましい。

この場合も、外側継手部材４２は、カップ部７５とステム軸７６とが一体に成形されており、前記炭素鋼を用いて、熱間鍛造でカップ部７５とステム軸７６を一体に成形した後、冷間鍛造を行うことで、カップ部７５内およびステム軸７６の寸法精度を向上させている。鍛造後、旋削加工で所定の形状に成形し、ステム軸７６にはスプライン部７６ｃを転造加工やプレス加工などで形成し、その後、ステム軸７６には高周波焼入れ焼戻しを施し、前記熱硬化層Ｈ２を設けることになる。

また、外側継手部材３５、４２のカップ部７０，７５内においても高周波焼入れ焼き戻しの熱処理を施して、所定の硬さ、焼入れ深さの熱硬化層を設けるのが好ましい。しかしながら、カップ部７０，７５内においては、外表面まで焼抜けすると強度低下を招くことになる。このため、ステム軸７１，７６のような高い焼入れ硬化比は不要である。

ステム軸において、熱硬化層Ｈ１,Ｈ２を形成する場合、高周波焼入れ焼き戻し後にショットピーニングを行って、その熱硬化層Ｈ１,Ｈ２の表面の圧縮残留応力を１０００ＭＰａ以上とすることも可能である。

図１に示すドライブシャフトにおいて、シャフト（中間シャフト）Ｓに対しても、クロスハッチングで示すように熱硬化層Ｈ３を形成している。シャフトＳとしては、前記外側継手部材３５、４２と同じ炭素鋼を用いても、従来のドライブシャフトのシャフトに一般的に用いられている炭素鋼であってもよい。

また、熱硬化層Ｈ３を高周波焼入れ焼き戻しの熱処理を施すことによって形成することができ、この場合、図例のように、ほぼ全長にわたってこの熱硬化層Ｈ３が形成されている。この場合も、焼入れ深さ／軸半径で表される焼入れ硬化比を０．３〜０．６に設定できるが、これに限るものではない。

このため、本発明の等速自在継手の外側継手部材では、従来品より高強度のステム軸を提供することができ、ステム軸の負荷容量の増大や軽量・コンパクト化を図ることができ、このような外側継手部材を用いた等速自在継手は、ドライブシャフトに最適な等速自在継手となる。また、この外側継手部材は、炭素鋼をベースとするため、コスト的にも安価となる利点がある。

すなわち、焼入れ硬化比は、有効硬化層深さ/軸半径比で表され、これが０．３未満では、焼入れ硬化比が不足し、通常の炭素鋼に高周波焼入れしたステム軸の強度と変わらず、軽量・コンパクト化が達成できない。一方、０．６０％を超えると、スプライン部等の切欠き部に焼割れが発生する。

ところで、従来の固定式等速自在継手や摺動式等速自在継手の外側継手部材に用いる炭素鋼は、通常、合金元素の含有率が重量％で、Ｃ：０．４５〜０．６０％、Ｓｉ：０．１５〜０．３５％、Ｍｎ：０．６〜０．９％、Ｓ：０．０３５％以下を基本成分とし、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる。

このような炭素鋼を用いた場合、Ｂの添加が無いので、焼入れ硬化比が０．２〜０．４の範囲でばらつくことになる。そのため捩り強度を検討する際には焼入れ硬化比が小さい０．２を採用することになる。図５に示すように、焼入れ硬化比が０．２の時の捩り強度を１．０とすると、本発明のような炭素鋼の場合、焼入れ性が向上するため、焼入れ硬化比が硬化範囲全域においてばらつくことなく０．３〜０．６にすることができるので捩り強度比１．２５〜１．６５に向上する。

図６は、固定式等速自在継手として、アンダーカットフリー型であって、内径面８１に複数のトラック溝８２が形成された外側継手部材８３と、外径面８４に外側継手部材８３のトラック溝８２と対をなす複数のトラック溝８５が形成された内側継手部材８６と、外側継手部材８３のトラック溝８２と内側継手部材８６のトラック溝８５との間に介在してトルクを伝達する複数のボール８７と、外側継手部材８３の内径面８１と内側継手部材８６の外径面８４との間に介在してボール８７を保持するケージ８８とを備えている。ケージ８８にはボール８７が収容される窓部８８ａが周方向に沿って複数配設されている。

この固定式等速自在継手は、外側継手部材８３のトラック溝８２の溝底は、開口側のストレート部８２ａ（外側継手部材８３の軸線方向と平行な直線部）と、奥側の円弧部８２ｂとからなる。内側継手部材８６のトラック溝８５の溝底は、開口部側の円弧部８５ａと、奥側のストレート部８５ｂ（内側継手部材８６の軸線方向と平行な直線部）とからなる。この場合、外側継手部材８３のトラック溝８２の中心Ｏ１と内側継手部材８６のトラック溝８５の中心Ｏ２とが、それぞれ、軸方向に継手中心Ｏから等距離ｆ、ｆだけ反対側にオフセットされている。なお、内側継手部材８６の軸孔には、シャフトＳの端部の雄スプライン５１（図２参照）が嵌合する雌スプライン８６ａが形成されている。

この場合の外側継手部材８３も図２等に示す外側継手部材３５と同様の炭素鋼からなり、カップ部８９と、このカップ部８９の底壁８９ａから突設されるステム軸９０とからなり、これらは一体成形されている。そして、ステム軸９０には、スプライン部（雄スプライン）９０ａとネジ部９０ｂとが形成されている。

この場合も、外側継手部材８３はカップ部８９の底壁８９ａからスプライン部（雄スプライン）９０ａにわたって熱硬化層Ｈ１が形成されている。熱硬化層Ｈ１は焼入れ硬化比が０．３〜０．６となる。焼入れ深さをｔ１とし、軸半径をＲ１としたときに、焼入れ硬化比は、ｔ１／Ｒ１となり、軸半径は、スプライン部９０ａの小径（直径）の半径であり、Ｒ１＝Ｄ２／２となる。このため、０．３≦ｔ１／Ｒ１≦０．６となる。熱硬化層Ｈの表面の圧縮残留応力を５００ＭＰａ以上とするのが好ましい。

図７は、ダブルオフセットタイプの摺動式等速自在継手を示し、摺動式等速自在継手は、内径面９１にトラック溝９２が形成された外側継手部材９３と、外径面９４にトラック溝９５が形成された内側継手部材９６と、外側継手部材９３のトラック溝９２と内側継手部材９６のトラック溝９５との間に介在してトルクを伝達するトルク伝達部材としてのボール９７と、このボール９７を収容するポケット９９を有するとともに外側継手部材９３と内側継手部材９６との間に介装されるケージ９８とを備えたものである。ケージ９８の外周面９８ａの曲率中心と内周面９８ｂの曲率中心とが、継手の角度中心に対し、軸方向に逆方向にオフセットしている。

内側継手部材９６の軸心孔には、雌スプライン９６ａが形成され、内側継手部材９６の軸心孔にシャフトＳの端部が嵌入される。シャフトＳの端部が内側継手部材９６の軸心孔に嵌入された際に、雌スプライン９６ａと雄スプライン５２とが嵌合する。なお、雄スプライン５２の端部には周方向溝５６が形成され、この周方向溝に止め輪５５が嵌着されている。これによって、シャフトＳの抜け止めが構成される。

外側継手部材９３の開口部がブーツ１００にて塞がれている。このため、ブーツ１００は、一方の開口部を構成する大径部１００ａと、他方の開口部を構成する小径部１００ｂと、大径部１００ａと小径部１００ｂとを連結する蛇腹部１００ｃとを備える。そして、ブーツ１００の大径部１００ａが、外側継手部材９３の開口部に外嵌された状態で装着される。また、ブーツ１００の小径部１００ｂが、シャフトＳのブーツ装着部５９に外嵌された状態で装着される。すなわち、ブーツ１００の大径部１００ａは外側継手部材の開口端でブーツバンド１０１により締め付け固定され、その小径部１００ｂはシャフトＳのブーツ装着部５９でブーツバンド１０２により締め付け固定されている。

外側継手部材９３も図４等に示す外側継手部材と同様の炭素鋼からなり、カップ部１０３と、このカップ部１０３の底壁１０３ａから突設されるステム軸１０４とからなり、これらは一体成形されている。そして、ステム軸１０４は、カップ部１０３の底壁１０３ａに連設されるボス部１０４ａと、ボス部１０４ａに連設される平滑部１０４ｂと、この平滑部１０４ｂに連設されるスプライン部（雄スプライン）１０４ｃとを備える。

この場合も、ステム軸１０４には、平滑部１０４ｂからスプライン部（雄スプライン）１０４ｃにわたって熱硬化層Ｈ２が形成されている。熱硬化層Ｈ２は焼入れ硬化比が０．３〜０．６となる。焼入れ深さをｔ２とし、軸半径をＲ２としたときに、焼入れ硬化比は、ｔ２／Ｒ２となり、軸半径は、スプライン部１０４ｃの小径（直径）の半径であり、Ｒ２＝Ｄ４／２となる。このため、０．３≦ｔ２／Ｒ２≦０．６となる。熱硬化層Ｈ２の表面の圧縮残留応力を５００ＭＰａ以上とするのが好ましい。

図８はカップタイプのクロスグルーブ型の摺動式等速自在継手を示し、この摺動式等速自在継手は、外周面１０５に軸線に対して互いに逆方向にねじれたボール溝１０６（１０６ａ、１０６ｂ）（図９参照）を円周方向に交互に形成した内側継手部材１０７と、内周面１０８に軸線に対して互いに逆方向にねじれたボール溝１０９（１０９ａ、１０９ｂ）を円周方向に交互に形成した外側継手部材１１０と、軸線に対して互いに逆方向にねじれた内側継手部材１０７のボール溝１０６と外側継手部材１１０のボール溝１０９との交差部に組み込んだ複数個のトルク伝達ボール１１１と、内側継手部材１０７の外周面１０５と外側継手部材１１０の内周面１０８との間に介装してトルク伝達ボール１１１を円周方向で所定間隔に保持する窓部１１２ａを有するケージ１１２とを有する。

図９におけるβは、軸線に対する各ボール溝１０６ａ、１０６ｂ、１０９ａ、１０９ｂの交差角を示している。トルク伝達ボール１１１は、各ボール溝１０６ａ、１０６ｂ、１０９ａ、１０９ｂの交差部に組み込まれている。

外側継手部材１１０も図４等に示す外側継手部材と同様の炭素鋼からなり、カップ部１１５と、このカップ部１１５の底壁１１５ａから突設されるステム軸１１６とからなり、これらは一体成形されている。そして、ステム軸１１６は、カップ部１１５の底壁１１５ａに連設される平滑部１１６ａと、この平滑部１１６ａに連設されるスプライン部（雄スプライン）１１６ｂとを備える。なお、内側継手部材１０７の軸心孔には、シャフトＳの雄スプライン５２（図３参照）が嵌合する雌スプライン１０７ａが形成されている。

この場合も、ステム軸１１６には、平滑部１１６ａからスプライン部１１６ｂに亘って熱硬化層Ｈ２が形成されている。熱硬化層Ｈ２は、少なくとも最弱部となる平滑部１１６ａにおいて焼入れ硬化比が０．３〜０．６となる（スプライン部１１６ｂの焼入れ硬化比は０．３以下でも構わない）。焼入れ深さをｔ２´とし、軸半径をＲ２´としたときに、焼入れ硬化比は、ｔ２´／Ｒ２´となり、軸半径は、平滑部１１６ａの小径（直径）の半径であり、Ｒ２´＝Ｄ４´／２となる。このため、０．３≦ｔ２´／Ｒ２´≦０．６となる。熱硬化層Ｈ２の表面の圧縮残留応力を５００ＭＰａ以上とするのが好ましい。

このように、図６〜図９に示す等速自在継手の外側継手部材も、図２及び図４等に示す外側継手部材と同様の炭素鋼からなり、しかも、熱硬化層Ｈの焼入れ硬化比が０．３〜０．６としている。このため、図２及び図４等に示す外側継手部材と同様の作用効果を奏することになる。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく種々の変形が可能であって、トルク伝達部材としてボールを用いたもの（固定式等速自在継手であっても、摺動式等速自在継手であっても）では、そのボールの数としては、６個や８個であってもよく、増減は任意である。クロスグローブ型等速自在継手として、フロートタイプ（ケージの最小内径よりも内側継手部材の最大外径を大きく設定し、内側継手部材とケージの干渉によって軸方向変位を規制するもの）であっても、ノンフロートタイプ（ケージの最小内径よりも内側継手部材の最大外径を小さく設定し、ボールとケージの干渉によって軸方向変位を規制するもの）であってもよい。

また、本発明に係る外側継手部材を備えた等速自在継手において、ドライブシャフトの固定式等速自在継手や摺動式等速自在継手に用いるのが好ましいが、ドライブシャフト以外のプロペラシャフトや、さらには、車両用以外の各種産業機械の動力伝達装置に利用できる。

図２や図６に示す外側継手部材３５，８３において、熱硬化層Ｈ１が、カップ部７０，８９の底壁７０ａ、８９ａからスプライン部（雄スプライン）７１ｂ、９０ａにわたって形成されているが、スプライン部７１ｂ、９０ａのみであってもよい。また、図４や図７に示す外側継手部材４２、９３において、熱硬化層Ｈ２が、平滑部７６ｂ、１０４ｂからスプライン部７６ｃ、１０４ｃのほぼ全長に至る範囲に設けられているが、スプライン部７６ｃ、１０４ｃのみであってもよい。

３３トラック溝
３４内径面
３５外側継手部材
４１トラック溝
４２外側継手部材
７０，７５カップ部
７１、７６ステム軸
７１ａ平滑部
７１ｂスプライン部
７６ｂ平滑部
７６ｃスプライン部

Claims

内径面にトラック溝が形成されたカップ部と、このカップ部の底壁から突出するステム軸とが同一材質で一体に成形されてなり、ステム軸には平滑部及びスプライン部が形成された等速自在継手の外側継手部材であって、
前記材質が、合金元素の含有率が重量％で、Ｃ：０．４５〜０．６０％、Ｓｉ：０．４〜１．５％、Ｍｎ：０．４〜１．０％、Ｓ：０．０２５％以下、Ａｌ：０．０１〜０．１％、Ｂ：０．００１〜０．００４％, Ｔｉ：０．０２〜０．０５％、およびＮ：０．００８％以下、かつＴｉ／Ｎ比３．４以上を基本成分とし、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる炭素鋼であり、この炭素鋼のフェライト結晶粒度番号が７以上であり、ステム軸の平滑部及びスプライン部のうち、少なくとも最弱となる部位において、焼入れ硬化比が０．３〜０．６となる熱硬化層を有することを特徴とする等速自在継手の外側継手部材。
最弱となる部位が、ステム軸に設けられるスプライン部であることを特徴とする請求項１に記載の等速自在継手の外側継手部材。
最弱となる部位が、ステム軸に設けられる平滑部であることを特徴とする請求項１に記載の等速自在継手の外側継手部材。
前記熱硬化層の表面の圧縮残留応力を５００ＭＰａ以上としたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の等速自在継手の外側継手部材。
前記請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の等速自在継手の外側継手部材を製造する外側継手部材製造方法であって、
ステム軸の平滑部及びスプライン部のうち、少なくとも最弱となる部位に高周波焼入れ・焼戻しを行って焼入れ部を形成した後、この焼入れ部にショットピーニングを施して、表面の圧縮残留応力を１０００ＭＰａ以上となる熱硬化層を形成することを特徴とする外側継手部材製造方法。