JP2008064293A - Power transmission shaft - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、雌側部材とスプライン(セレーションも含まれる。以下、同じ)を介して結合される動力伝達シャフトに関する。 The present invention relates to a power transmission shaft coupled to a female member through a spline (including serrations, the same applies hereinafter).
近年、環境問題に対する関心の高まりから、例えば自動車では排ガス規制の強化や燃費向上等が強く求められており、それらの対策の一環として、ドライブシャフト、プロペラシャフト等に使用する動力伝達シャフトにもさらなる軽量化・強度向上が強く求められている。これら動力伝達シャフトの多くは、外周面にスプライン部を有する。動力伝達シャフトのスプライン部(雄スプライン部)と、動力伝達シャフトに外嵌する雌側部材のスプライン部(雌スプライン部)とを嵌合させることにより、動力伝達シャフトと雌側部材が連結され、回転動力が伝達される。 In recent years, due to increasing interest in environmental issues, for example, automobiles are strongly required to tighten exhaust gas regulations and improve fuel efficiency. As part of these measures, power transmission shafts used for drive shafts, propeller shafts, etc. There is a strong demand for weight reduction and strength improvement. Many of these power transmission shafts have spline portions on the outer peripheral surface. By fitting the spline part (male spline part) of the power transmission shaft and the spline part (female spline part) of the female side member fitted on the power transmission shaft, the power transmission shaft and the female side member are coupled, Rotational power is transmitted.
雄スプライン部を有する動力伝達シャフトには強度が要求されるため、通常は、素材として鋼を用い、雄スプライン部を転造加工やプレス加工などによって成形した後、少なくとも雄スプライン部を焼入れ硬化させて使用される。成形後の焼入れ硬化の方法としては、高周波焼入れによることが多いが、ずぶ焼入れや浸炭焼入れによる場合もある。 Since a power transmission shaft with a male spline part requires strength, usually steel is used as the material, and after forming the male spline part by rolling or pressing, at least the male spline part is hardened and hardened. Used. As a method of quenching and hardening after molding, induction hardening is often used, but there are also cases of submerged hardening and carburizing and hardening.
図8は、谷部100の反軸端側(図面左側)の端部を、外径寸法を徐々に拡径させた拡径部102を介して雄側部材の外周面(平滑部)101につなげた、いわゆる切上がりタイプの雄スプライン部の平面図である。この形態の雄スプライン部の疲労破壊は、通常、谷部100と拡径部102のつなぎ目付近もしくは拡径部102で生じる。その際のき裂発生モードは2つあり、1つはA部に集中する引張応力によるもの、もう一つはB部に集中するせん断応力によるものである。鋼の場合、目安としてビッカース硬さ700を境に、それ以下ではき裂発生が主としてせん断応力支配となり、それ以上でかつ片振り捩り疲労の場合は引張応力支配となる。
FIG. 8 shows an end on the opposite axis end side (left side in the drawing) of the
これまで、スプライン部の疲労強度を向上させるための手段として、いくつかの方法が提案されている。例えば特許文献1では、拡径部と歯面の境界を鈍化させて応力集中を緩和する技術が開示されている。また、特許文献2では、通常は一つの拡径部を軸方向に2つ以上並べて設けた高強度化技術が開示されている。
しかしながら、特許文献1に記載された技術では、引張応力集中の緩和には効果が認められるが、せん断応力集中の緩和効果は不充分である。また、特許文献2の技術では、せん断応力集中の緩和はできるが、引張応力集中の緩和効果は不充分である。このように、き裂発生を支配する2つの応力のどちらか一方を緩和できる技術は存在するが、双方を同時に緩和する技術は存在せず、さらなる疲労強度向上を実現するためには改良の余地があった。
However, in the technique described in
そこで、本発明では、引張応力とせん断応力の双方の応力集中を緩和させて、動力伝達シャフトの疲労強度の向上を図ることを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to alleviate the stress concentration of both tensile stress and shear stress and improve the fatigue strength of the power transmission shaft.
本発明者らは、平行部に切欠きを有する試験片を製作し、これを回転曲げ疲労試験と捩り疲労試験にそれぞれ供して、応力集中係数と疲労強度との関係を求めた。 The inventors of the present invention manufactured a test piece having a notch in a parallel portion, and used it for a rotational bending fatigue test and a torsional fatigue test, respectively, to determine the relationship between the stress concentration factor and the fatigue strength.
試験片としては、図9に示す化学成分の同一ロットの中炭素鋼を用い、図10aおよび図11aに示す形状および寸法(単位mm)の試験片を製作した。図10aは回転曲げ疲労試験の試験片であり、図11aは捩り疲労試験の試験片である。回転曲げ疲労試験の試験片では、切欠き先端の曲率半径を0.10、0.15、0.25、0.50、1.40の5水準とし、それぞれの応力集中係数αを3.5、3.0、2.5、2.0、1.5に設定した(図10c参照)。捩り疲労試験の試験片では、切欠き先端の曲率半径を0.15、0.25、0.50、1.40の4水準とし、それぞれの応力集中係数αを3.0、2.5、2.0、1.5に設定した(図11c参照)。これら全ての試験片に対し、切欠きを含む平行部に高周波焼入れを施した後に低温焼戻しを施した。何れの試験片も熱処理後の表面硬度は約HV650であった。 As a test piece, a medium carbon steel having the same chemical composition shown in FIG. 9 was used, and a test piece having the shape and dimensions (unit: mm) shown in FIGS. 10a and 11a was produced. FIG. 10 a is a test piece for a rotating bending fatigue test, and FIG. 11 a is a test piece for a torsional fatigue test. In the specimen of the rotating bending fatigue test, the radius of curvature of the notch tip is set to five levels of 0.10, 0.15, 0.25, 0.50, and 1.40, and the stress concentration coefficient α is 3.5. , 3.0, 2.5, 2.0, 1.5 (see FIG. 10c). In the torsional fatigue test specimen, the radius of curvature of the notch tip is set to four levels of 0.15, 0.25, 0.50, 1.40, and the stress concentration coefficient α is 3.0, 2.5, 2.0 and 1.5 were set (see FIG. 11c). All of these test pieces were subjected to induction quenching in parallel portions including the notches and then subjected to low temperature tempering. All the test pieces had a surface hardness of about HV650 after the heat treatment.
先ず、回転曲げ疲労試験は、小野式回転曲げ疲労試験機により、常温大気中で負荷周波数50Hzにて行った。 First, the rotating bending fatigue test was performed with an Ono type rotating bending fatigue tester in a room temperature atmosphere at a load frequency of 50 Hz.
回転曲げ疲労試験の結果、切欠きの水準によらず、切欠き底に沿ってき裂が発生して破断に至った。この場合のき裂発生モードは引張応力支配となる。破断に至るまでの負荷回数が105を越える辺りまでは、応力振幅の減少に伴って疲労曲線が降下し、応力振幅が一定値を下回ると破断しなくなる明瞭な疲労限現象を示した。なお、ここでの応力振幅は、切欠きの水準によらない公称応力振幅のことで、切欠き底直径(φ6.5mm)を有する平滑丸棒に疲労試験と同じ大きさの曲げモーメントを与えた時に表面に作用する最大引張応力振幅を意味する。 As a result of the rotating bending fatigue test, cracks occurred along the bottom of the notch regardless of the level of the notch, leading to fracture. The crack initiation mode in this case is governed by tensile stress. Until around beyond the load count is 10 5 up to the break, fatigue curve drops with decreasing stress amplitude, stress amplitude showed clear fatigue limit phenomena no longer fracture and below a certain value. The stress amplitude here is a nominal stress amplitude that does not depend on the level of the notch, and a smooth round bar having a notch bottom diameter (φ6.5 mm) was given a bending moment of the same size as the fatigue test. It means the maximum tensile stress amplitude that sometimes acts on the surface.
図12に、上記回転曲げ疲労試験で得られた応力集中係数ασと疲労限強度との関係を示す。図示のように、ασの減少に伴って疲労強度は向上したが、図中に破線で示すように、ασ≦2.7では疲労曲線の勾配が大きく、ασを減少させた時の疲労強度の向上がより顕著に現れることが判明した。 FIG. 12 shows the relationship between the stress concentration factor α σ obtained in the rotating bending fatigue test and the fatigue limit strength. As shown in the figure, the fatigue strength improved as α σ decreased. However, as shown by the broken line in the figure, when α σ ≦ 2.7, the fatigue curve has a large gradient, and when α σ is decreased. It has been found that the improvement in fatigue strength appears more prominently.
次に、捩り疲労試験は、電気式油圧サーボ疲労試験機により、トルク制御にて、常温大気中で負荷周波数2Hz、完全両振り(応力比R=−1)の条件で行った。 Next, the torsional fatigue test was carried out under the conditions of a load frequency of 2 Hz and a full swing (stress ratio R = -1) in a normal temperature atmosphere by torque control using an electric hydraulic servo fatigue tester.
捩り疲労試験の結果、切欠きの水準によらず、切欠き底に沿ってき裂が発生して破断に至った。この場合のき裂発生モードはせん断応力支配となる。両振り捩り疲労試験は負荷回数が最大で106回近くになるまで行ったが、その範囲では応力振幅の減少に伴って、疲労曲線が降下した。なお、ここでの応力振幅は、切欠きの水準によらない公称応力振幅のことで、切欠き底直径(φ17mm)を有する平滑丸棒に疲労試験と同じ大きさの捩りトルクを与えた時に表面に作用する最大せん断応力振幅を意味する。 As a result of the torsional fatigue test, cracks occurred along the bottom of the notch regardless of the level of the notch, leading to fracture. The crack initiation mode in this case is governed by shear stress. Both reversed torsional fatigue test is load count went until near 10 6 times at most in the range with decreasing stress amplitude fatigue curve drops. The stress amplitude here is a nominal stress amplitude that does not depend on the level of the notch, and is applied to a smooth round bar having a notch bottom diameter (φ17 mm) when a torsion torque of the same magnitude as that in the fatigue test is applied. Means the maximum shear stress amplitude acting on
図13に、上記両振り捩り疲労試験で得られた応力集中係数ατと105回における疲労強度との関係を示す。図示のように、ατの減少に伴って疲労強度は向上したが、図中に破線で示すように、ατ≦2.1では疲労曲線の勾配が大きく、ατを減少させた時の疲労強度の向上がより顕著に現れることが判明した。 13 shows a relationship between fatigue strength of the both reversed torsional fatigue test with the resulting stress concentration factor alpha tau and 10 5 times. As shown in the figure, the fatigue strength improved as α τ decreased. However, as shown by the broken line in the figure, when α τ ≦ 2.1, the fatigue curve has a large gradient, and when α τ is decreased. It has been found that the improvement in fatigue strength appears more prominently.
以上から、き裂発生が引張応力、せん断応力のどちらに支配される場合であっても応力集中緩和によって疲労強度が向上し、特に引張応力に対してはασ≦2.7で、また、せん断応力に対してはατ≦2.1でより応力集中の緩和効果が高まることが判明した。従って、双方の破損モードで疲労破壊する雄スプライン部の拡径部においては、そこに集中する第1主応力の最大値σ1maxを基準応力τ0の2.7倍以下(σ1max≦2.7τo)、軸方向のせん断応力の最大値τθzmaxを基準応力τ0の2.1倍以下(τθzmax≦2.1τ0)となるよう形状をチューニングすることが望ましい。ここで、基準応力τ0は、トルクTと、図6に示す雄スプライン部Smの谷部底の直径doと、雄スプライン部の内径di(スプライン部が中空の場合。中実の時はdi=0となる)とに対し、以下で与えられる値である。 From the above, whether the crack initiation is governed by either tensile stress or shear stress, the fatigue strength is improved by stress concentration relaxation, particularly α σ ≦ 2.7 for tensile stress, It has been found that the stress concentration relaxation effect is further enhanced when α τ ≦ 2.1 against shear stress. Accordingly, in the expanded portion of the male spline portion that undergoes fatigue failure in both failure modes, the maximum value σ 1max of the first principal stress concentrated there is not more than 2.7 times the reference stress τ 0 (σ 1max ≦ 2. 7τ o ), and it is desirable to tune the shape so that the maximum value τ θzmax of the shear stress in the axial direction is 2.1 times or less (τ θzmax ≦ 2.1τ 0 ) of the reference stress τ 0 . The reference stress tau 0 is the torque T, the diameter d o of the valley bottom of the male spline section Sm shown in FIG. 6, when the inner diameter d i (spline portion of the male spline portion of the hollow case. In real Is given by d i = 0).
τ0=16Tdo/[π(do 4−di 4)] τ 0 = 16 Td o / [π (d o 4 −d i 4 )]
本発明者らが拡径部の形状を種々チューニングした結果、雄スプライン部の拡径部の円周方向両側にアール部を設け、アール部の曲率半径を反軸端側に向けて徐々に大きくすれば、σ1max≦2.7τo、およびτθzmax≦2.1τ0を満足できることが判明した。 As a result of various tunings of the shape of the enlarged diameter portion by the present inventors, rounded portions are provided on both sides in the circumferential direction of the enlarged diameter portion of the male spline portion, and the curvature radius of the rounded portion is gradually increased toward the opposite shaft end side. if, was found to be able to satisfy σ 1max ≦ 2.7τ o, and τ θzmax ≦ 2.1τ 0.
次に、図10(a)および図11(a)の切欠き疲労試験片と同じ成分(図9参照)の素材を用いて、両軸端に雄スプライン部を有するシャフト形状試験片を製作し(図17a参照)、この試験片を用いて両振り捩り疲労試験および片振り捩り疲労試験を行った。試験片は、図17bに示すインボリュートスプライン諸元に準じ、本発明品相当と従来品相当の2種類を製作した。これら試験片には、その全体に大気中の同一条件で高周波焼入れおよび焼戻しが施されている。両振り捩り疲労試験は850〜1300Nmの範囲の4水準で行い、片振り捩り疲労試験は1250〜2000Nmの範囲の4水準の最大捩りトルクを付与している。図18に両振り捩り疲労試験で得られたT/N線図、図19に片振り疲労試験で得られたT/N線図を示す。両図からも明らかなように、本発明品では、従来品に対して両振り捩り疲労および片振り捩り疲労の双方で大幅な疲労強度の向上を達成することができる。 Next, a shaft-shaped test piece having male spline portions at both shaft ends is manufactured using a material having the same component (see FIG. 9) as the notched fatigue test piece of FIGS. 10 (a) and 11 (a). (See FIG. 17a) Using this test piece, a double torsional fatigue test and a single torsional fatigue test were performed. According to the involute spline specifications shown in FIG. 17b, two types of test pieces were produced, equivalent to the product of the present invention and equivalent to the conventional product. These test pieces are subjected to induction hardening and tempering under the same conditions in the atmosphere as a whole. The double torsional fatigue test is performed at four levels in the range of 850 to 1300 Nm, and the single swing torsional fatigue test gives a maximum level of torsional torque in the range of 1250 to 2000 Nm. FIG. 18 shows a T / N diagram obtained in the double swing torsional fatigue test, and FIG. 19 shows a T / N diagram obtained in the single swing fatigue test. As is clear from both figures, the product of the present invention can achieve a significant improvement in fatigue strength in both the torsional fatigue and the single-sided torsional fatigue compared to the conventional product.
以上から、本発明は、以下の事項によって特徴付けられるものである。 As described above, the present invention is characterized by the following matters.
(I)外周に雄スプライン部が設けられ、雄スプライン部の谷部の軸方向一端側にその外径寸法を徐々に拡径させた拡径部を有する動力伝達シャフトにおいて、雄スプライン部の拡径部の円周方向両側にアール部を設け、アール部の曲率半径を軸方向一端側に向けて徐々に大きくする。 (I) In a power transmission shaft having a male spline portion on the outer periphery and having a diameter-expanded portion whose outer diameter is gradually expanded on one end side in the axial direction of the valley portion of the male spline portion, Round portions are provided on both sides of the radial portion in the circumferential direction, and the radius of curvature of the round portion is gradually increased toward one end in the axial direction.
(II)トルクTが負荷されたときに、雄スプライン部の拡径部に作用する第1主応力、および軸方向のせん断応力の最大値をそれぞれσ1max、τθzmaxとし、トルクT、雄スプライン部の谷部の直径do、雄スプライン部の内径diに対し、1)式で与えられる基準応力τ0とするとき、下記2)式と3)式を同時に満たすようにする。 (II) When the torque T is applied, the first principal stress acting on the diameter-expanded portion of the male spline portion and the maximum value of the shear stress in the axial direction are σ 1max and τ θzmax , respectively. valleys diameter d o of the parts, with respect to the inner diameter d i of the male spline section, 1) when the reference stress tau 0 given by equation to satisfy the following 2) and 3) at the same time.
τ0=16Tdo/[π(do 4−di 4)] …1) τ 0 = 16 Td o / [π (d o 4 −d i 4 )]... 1)
σ1max≦2.7τo …2) σ 1max ≦ 2.7τ o ... 2)
τθzmax≦2.1τ0 …3) τ θzmax ≦ 2.1τ 0 ... 3)
本発明者が検証したところ、以上の構成においては、アール部の曲率半径の増加率をdR/dL、拡径部の軸方向断面の内径端と外径端を結ぶ直線の角度をθとするとき、それぞれの値を0.05≦dR/dL≦0.60、および5°≦θ≦20°の範囲に設定するのが望ましいことが判明した。 As a result of verification by the present inventor, in the above configuration, the rate of increase in the radius of curvature of the rounded portion is dR / dL, and the angle of the straight line connecting the inner diameter end and the outer diameter end of the axial section of the enlarged diameter portion is θ. It was found that it is desirable to set the respective values in the ranges of 0.05 ≦ dR / dL ≦ 0.60 and 5 ° ≦ θ ≦ 20 °.
動力伝達シャフトの雄スプライン部は、例えば高周波焼入れで焼入れ硬化させるのが望ましい。さらに動力伝達シャフトの雄スプライン部にショットピーニングを施すことにより、雄スプライン部の疲労強度をより一層高めることができる。 The male spline portion of the power transmission shaft is preferably hardened by induction hardening, for example. Furthermore, the fatigue strength of the male spline portion can be further increased by performing shot peening on the male spline portion of the power transmission shaft.
以上のように、本発明によれば、雄スプライン部における引張応力集中とせん断応力集中の双方を緩和させることができる。従って、より高い疲労強度を有する動力伝達シャフトの提供が可能となる。 As described above, according to the present invention, both the tensile stress concentration and the shear stress concentration in the male spline part can be relaxed. Therefore, it is possible to provide a power transmission shaft having higher fatigue strength.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図1に、動力伝達シャフト2の一部断面図を示す。図示例の動力伝達シャフト2は、中実状であり、炭素量0.30〜0.60wt%程度の中炭素鋼で形成される。C量が0.30wt%を下回ると、高周波焼入れしても安定した高硬度を得ることができず、0.60wt%をこえると、素材硬度が上昇して転造等の加工性が著しく低下する。特に溶接部もしくは摩擦圧接部を有するスタブシャフト(図30参照)の場合、鋼中のS量は、0.002〜0.008wt%の範囲内が望ましい。S量の上限値を0.008wt%としたのは、溶接性や摩擦圧接性を良好に保つためである。下限値を0.002wt%としたのは、それ以下にすることが困難であり、そうすることの意義も薄いからである。
FIG. 1 shows a partial cross-sectional view of the
動力伝達シャフト2の軸端外周には、雄スプライン部Smが形成される。この雄スプライン部Smを、図3に示すように雌側部材Fの内周に形成された雌スプライン部Sfと嵌合させることによって、動力伝達シャフト2と雌側部材Fとがトルク伝達可能に結合されている。雌側部材Fは、その反軸端側(図3の左側)の内径端部を動力伝達シャフト2外周の肩部24に当接させ、かつ軸端側(図3の右側)の内径端部を、例えば止め輪8(図28参照)で係止することによって、動力伝達シャフト2に対して軸方向で位置決め固定される。
A male spline portion Sm is formed on the outer periphery of the shaft end of the
図2、図3、および図6に示すように、動力伝達シャフト2の雄スプライン部Smは、軸方向に延びる谷部21と山部22とを円周方向に交互に有する。この実施形態の雄スプライン部Smは、転造加工で形成されたいわゆる切上りタイプで、各谷部21は、軸方向で同径寸法のストレート部21aと、その反軸端側に形成された拡径部21bとで構成される。各山部22も同様に、軸方向で同径寸法のストレート部22aと、その反軸端側に形成された縮径部22bとで構成される。図4に示すように、拡径部21bと縮径部22bの始端は軸方向で同じ位置にあり、かつその終端も軸方向で同じ位置にある。この雄スプライン部Smは冷間鍛造で成形することもでき、この場合は、通常、山部22の縮径部22bは形成されず、山部22の反軸端側は全体が同一外径寸法となる。成形後の雄スプライン部Smには、高周波焼入れ等による熱処理が施され、さらに必要に応じてショットピーニングが施される。
As shown in FIGS. 2, 3, and 6, the male spline portion Sm of the
図3に示すように、雌側部材Fの内周に形成された雌スプライン部Sfの谷部31は、同径寸法で反軸端側の端部まで形成されている。一方、山部32は、小径部32a、大径部32b、小径部32aと大径部32bの間の立ち上り部32cを有する。大径部32bの内径寸法は、雄スプライン部Smの山部22の最大外径寸法(ストレート部22aの外径寸法)よりも小さく、雄スプライン部Smの反軸端側に形成された動力伝達シャフト2の平滑部25の外径寸法よりも大きい。
As shown in FIG. 3, the
雄スプライン部Smと雌スプライン部Sfとを互いに嵌合させると、雄スプライン部Smの歯面23と、雌スプライン部Sfの歯面(図示省略)とが強く圧接する。この時の両歯面の嵌合部(散点模様で表す)は、図4に示すように、拡径部21bの外径側領域にも及んでいる。
When the male spline portion Sm and the female spline portion Sf are fitted to each other, the
なお、図3では、拡径部21bおよび縮径部22bの軸方向断面を何れも直線的なテーパ状に形成した場合を例示しているが、両者の軸方向断面を曲線状に形成することもできる。また、直線状と曲線状の複合形状とすることもできる。
In addition, although FIG. 3 illustrates the case where both the axial sections of the
図2に示すように、本発明において雄スプライン部Smの拡径部21bは、その円周方向両側に形成されたアール部21b1(散点模様で示す)と、アール部21b1の間に形成された平面状の平坦部21b2とで構成される。アール部21b1は半径方向断面が円弧状をなし、その円周方向両側は歯面23および平坦部21b2に滑らかにつながっている。
As shown in FIG. 2, in the present invention, the
図4は、雄スプライン部Smのうち、拡径部21b付近を示す平面図、図5a〜図5dは、図4におけるA−A線、B−B線、C−C線、D−D線の各断面図である。図5aに示すように、谷部21のストレート部21aと歯面23とをつなぐアール部の曲率半径RAは、拡径部21bとの境界部に至るまで一定である。図5b〜図5dに示すように、拡径部21bでは、アール部21b1の曲率半径が、境界部の曲率半径RAよりも大きく、かつ反軸端側ほど徐々に大きくなっている(RA<RB<RC<RD)。また、図4に示すように、アール部21b1の境界線が山部の稜線と交わって歯面23が無くなる位置までは、アール部21b1の円周方向の幅寸法は反軸端側(図面上方)に向けて徐々に拡大し、これを超えると幅寸法は徐々に縮小している。平坦部21b2の円周方向の幅寸法も反軸端側に向けて徐々に拡大している。
4 is a plan view showing the vicinity of the
図4中のLは、拡径部21bのアール部21b1において、その曲率半径の中心を通る線の方向にとった座標を示す。アール部21b1の曲率半径の増加率は、dR/dLで表され、本実施形態ではdR/dL=0.18に設定している。また、図4中のθは、拡径部21bの軸方向断面の内径端と外径端を結ぶ直線の傾斜角を表し、本実施形態ではθ=8.3°に設定している。
L in FIG. 4 indicates coordinates taken in the direction of a line passing through the center of the radius of curvature in the rounded portion 21b1 of the
図14〜図16に、上記特許文献1(特開2005−147367号公報)に記載された雄スプライン部Sm’、すなわち、拡径部21b’と歯面23’の境界にアール部21b1’を形成し、かつアール部21b1’の曲率半径を軸方向全長にわたって一定とした雄スプライン部Sm’を示す(なお、図14〜図16では、図2〜図4に表された部位と対応する部位に(’)を加えた同一符号を付している)。
14 to 16, the male spline portion Sm ′ described in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-147367), that is, the rounded portion 21b1 ′ is formed at the boundary between the
図2に示す雄スプライン部Sm(本発明品)と図14に示す雄スプライン部Sm’(従来品)のそれぞれについてFEM解析を行い、それぞれについて第1主応力の最大値σ1maxとせん断応力の最大値τθzmaxを求め、これらを上記基準応力τ0で除した値を算出した。本実施形態のような中実軸では、τ0は上記(1)式において、di=0とすることにより求められる。 FEM analysis is performed for each of the male spline portion Sm (product of the present invention) shown in FIG. 2 and the male spline portion Sm ′ (conventional product) shown in FIG. 14, and the maximum value σ 1max of the first principal stress and the shear stress of each are analyzed. A maximum value τ θzmax was obtained, and a value obtained by dividing the maximum value τ θzmax by the reference stress τ 0 was calculated. In the solid axis as in the present embodiment, τ 0 is obtained by setting d i = 0 in the above equation (1).
このFEM解析は、3次元線形弾性解析であり、解析ソフトとして “I-deas Ver.10”を使用した。解析モデルは、図20に示すように、雄スプライン部Sm、Sm’の1つの谷部21、21’を含む線形弾性体で、モデル長は100mmである。図21に、この解析モデルに付したメッシュを示す。各要素は4面体二次要素で、総要素数は約20万個、総接点数は約30万個である。要素長は、主要部分P(雄スプライン部Sm、Sm’を含む部分で)で0.2mm以下とし(最小要素長は0.05mm)、主要部分P以外で0.5mmとした。図22は、主要部分Pのメッシュを拡大して示す図であり、同図(a)が図2に対応した本発明品を表し、同図(b)が図14に対応した従来品を表す。図23に示すように、解析モデルの反軸端側端面MにRigid要素を作成し、この端面Mの中心軸O上にトルクTを負荷した。但し、モデルとして、1/歯数モデルを使用しているので、負荷トルクは、実際のトルクの1/歯数である。図24に示すように、解析モデルは、谷部21の中心を通る半径方向軸を対称軸とした形状で、円周方向の両側面Wの全接点を周期対称としている。なお、図25に示すように、解析モデルの相手部材との接触面(散点模様で示す)では、その法線方向の変位が拘束されている。
This FEM analysis is a three-dimensional linear elastic analysis, and “I-deas Ver. 10” was used as analysis software. As shown in FIG. 20, the analysis model is a linear elastic body including one
第1主応力σ1の解析結果を図26に示し、軸方向せん断応力τθzの解析結果を図27に示す。なお、図26および図27の何れでも、(a)図が本発明品モデルを表し、(b)図が従来品モデルを示す。この解析結果から、従来品では、σ1max/τ0=3.03であるのに対し、本発明品では、σ1max/τ0=2.48となり、従来品より引張応力に対する応力集中の緩和効果が高まることが判明した。これは、本発明品では、歯面23の終端近傍におけるアール部21b1の曲率半径が、従来品の対応部位での曲率半径よりも大きくなるためと考えられる。先に説明したように、引張応力に対する応力集中係数ασが2.7以下であれば、応力集中の緩和効果が顕著となるので、σ1max/τ0≦2.7の本発明品であれば、従来品に比べ、引張り応力に対する疲労強度を大幅に増大させることが可能である。
The analysis result of the first principal stress σ 1 is shown in FIG. 26, and the analysis result of the axial shear stress τ θz is shown in FIG. 26A and 27B, FIG. 26A shows the product model of the present invention, and FIG. 26B shows the conventional product model. From this analysis result, σ 1max / τ 0 = 3.03 in the conventional product, whereas σ 1max / τ 0 = 2.48 in the product of the present invention, which reduces the stress concentration with respect to the tensile stress compared to the conventional product. It turns out that the effect increases. This is presumably because the radius of curvature of the rounded portion 21b1 in the vicinity of the end of the
また、従来品では、τθzmax/τ0=2.28であるのに対し、本発明品ではτθzmax/τ0=1.74となり、従来品より軸方向のせん断応力に対する応力集中の緩和効果も高まることが判明した。上記のとおり、せん断応力に対する応力集中係数ατが2.1以下であれば、応力集中の緩和効果が顕著となるので、τθzmax/τ0≦2.1である本発明品は、従来品に比べ、せん断応力に対する疲労強度を大幅に向上させることができる。このように本発明によれば、雄スプライン部Smで引張応力およびせん断応力の双方に対して高い応力集中緩和効果を得ることができる。従って、動力伝達シャフト2の疲労強度を高めることができる。
Further, in the conventional product, τ θzmax / τ 0 = 2.28, whereas in the product of the present invention, τ θzmax / τ 0 = 1.74, which is a stress relaxation effect on the shear stress in the axial direction as compared with the conventional product. It was also found to increase. As described above, if the stress concentration coefficient α τ with respect to the shear stress is 2.1 or less, the stress concentration relaxation effect becomes significant. Therefore, the product of the present invention in which τ θzmax / τ 0 ≦ 2.1 is a conventional product. Compared to the above, the fatigue strength against shear stress can be greatly improved. Thus, according to the present invention, it is possible to obtain a high stress concentration relaxation effect with respect to both tensile stress and shear stress in the male spline portion Sm. Therefore, the fatigue strength of the
本発明者がさらに解析したところ、図4に示すアール部21b1の曲率半径の増加率dR/dLが0.05≦dR/dL≦0.60であり、かつ拡径部21bの傾斜角θが5°≦θ≦20°の範囲であれば、σ1max/τ0≦2.7、τθzmax/τ0≦2.1を満足できることが判明した。
As a result of further analysis by the present inventor, the rate of increase dR / dL of the radius of curvature of the rounded portion 21b1 shown in FIG. 4 is 0.05 ≦ dR / dL ≦ 0.60, and the inclination angle θ of the
また、図14に示すように、従来品では、最大せん断応力τθzmaxが拡径部21b’の起点の中心線上で生じる。このように、中心線上で最大せん断応力が発生すると、動力伝達シャフト2が正逆両方向のトルクを伝達する際、正逆何れの回転時にも同じ部位に最大せん断応力が生じるため、それだけ疲労破壊が進展し易くなる。これに対し、本発明品では、最大せん断応力τθzmaxは、図2に示すように、拡径部21bの起点よりも反軸端側の双方のアール部21b1で生じる。そのため、正回転時と逆回転時で最大せん断応力の発生部位が異なり、従って、疲労破壊の進展速度も抑制することが可能となる。以上から、本発明品は、トルクの伝達方向が頻繁に切り替わる用途、例えば車両の前進・後退に応じてトルク伝達方向が反転するような用途に特に好適なものとなる。
Further, as shown in FIG. 14, in the conventional product, the maximum shear stress τ θzmax is generated on the center line of the starting point of the
以上に述べたアール部21b1を有する拡径部21bは、転造加工時に使用する転造ラックに、当該拡径部21bに対応した形状の成形部を形成することにより、雄スプライン部Smの歯と同時に形成することができる。雄スプライン部をプレス加工で冷間鍛造する場合も同様に、プレス加工用のダイスに拡径部21bの形状に対応した成形部を予め形成することにより、雄スプライン部Smの歯と同時にアール部21b1を成形することができる。
The
図7に本発明の他の実施形態を示す。この実施形態は、雄スプライン部Smもしくは雌スプライン部Sf(図面では雄スプライン部Sm)のうち、何れか一方の歯に軸心方向に対して捩れ角βを持たせた実施形態であり、嵌合後の両スプライン部Sm、Sf間のガタ詰めに有効な手法である。捩れ角βを設けた場合、トルク伝達側の歯面同士の接触圧力が高まり、これに伴って拡径部に集中する引張応力、せん断応力も高くなるため、疲労強度の低下を招く。この観点から、従来品では、捩れ角βは実質15’が限度とされてきた。これに対し、本発明品では、上記のとおり動力伝達スプラインの疲労強度を大幅に高めることができるので、15’以上の捩れ角βをとることができ、高いガタ詰め効果を得ることが可能である。 FIG. 7 shows another embodiment of the present invention. This embodiment is an embodiment in which either one of the male spline part Sm or the female spline part Sf (male spline part Sm in the drawing) has a twist angle β with respect to the axial direction. This is an effective method for loosening between the spline portions Sm and Sf after the combination. When the torsion angle β is provided, the contact pressure between the tooth surfaces on the torque transmission side increases, and as a result, the tensile stress and the shear stress concentrated on the enlarged diameter portion also increase, resulting in a decrease in fatigue strength. From this point of view, the conventional product has been limited to a torsion angle β of substantially 15 '. On the other hand, in the present invention product, the fatigue strength of the power transmission spline can be greatly increased as described above, so that a twist angle β of 15 ′ or more can be obtained and a high backlash filling effect can be obtained. is there.
上述の実施形態では、雄スプライン部Smとして、拡径部21bの円周方向幅を反軸端側で徐々に拡大させたいわゆる「槍形タイプ」を例示しているが、これに限らず、拡径部21bの円周方向幅を一定にしたいわゆる「舟形タイプ」の雄スプライン部Smに本発明を適用することもできる。この場合も、拡径部21bの円周方向両側にアール部を設け、かつアール部の曲率半径を反軸端側ほど徐々に大きくすることにより、本発明と同様の効果が得られる。
In the above-described embodiment, as the male spline portion Sm, a so-called “saddle type” in which the circumferential width of the
図28に、以上に述べた中実の動力伝達シャフト2と結合した等速自在継手1を示す。この等速自在継手1は、動力伝達シャフト2に固定される内側継手部材3、内側継手部材3の外径側に配置される外側継手部材4、内側継手部材3と外側継手部材4との間でトルクを伝達するトルク伝達部材としてのボール5を主要構成要素とする。図示例の等速自在継手は、ツエッパ型と称される固定型のもので、内側継手部材3の外周に形成されたトラック溝3aと外側継手部材4の内周に形成されたトラック溝4aとで形成されるボールトラックにボール5を配置し、円周方向等配位置に配置した複数のボール5をケージ7で保持したものである。等速自在継手1としては、図示例のものに限定されず、他の固定型等速自在継手、さらにはトリポード型をはじめとする摺動式等速自在継手等も使用可能である
FIG. 28 shows the constant velocity
この等速自在継手1では、内側継手部材3が図3に示す雌側部材Fとなる。内側継手部材3の内周に形成された雌スプライン部Sfに、動力伝達シャフト2の雄スプライン部Smを嵌合させることにより、内側継手部材3と動力伝達シャフト2との間で動力伝達が行われる。動力伝達シャフト2の雄スプライン部Smを図2〜図5に示す形状に形成することにより、動力伝達シャフト2の疲労強度を向上させることができる。
In this constant velocity
この実施形態の雄スプライン部Smは、動力伝達シャフト2の内側継手部材3との結合部に形成する他、図示のように、外側継手部材4に一体または別体に設けたステム部9の外周に形成することもできる。
The male spline portion Sm of this embodiment is formed at the joint portion of the
図29は、動力伝達シャフト2’を有するドライブシャフトの断面図である。このドライブシャフトは、動力伝達シャフト2’のアウトボード側(車両搭載時に車幅方向の外となる側)の端部に図28に示す固定型等速自在継手1(J1)を装着すると共に、インボード側(車両搭載時に車幅方向中央寄りとなる側)の端部にトリポード型等の摺動型等速自在継手J2を装着して構成される。トリポード型等速自在継手J2は、動力伝達シャフト2に結合される内側継手部材3’と、内側継手部材3’の外径側に配置される外側継手部材4’と、内側継手部材3’と外側継手部材4’との間でトルクを伝達するトルク伝達部材としてのローラ5’とを主要構成要素とする。内側継手部材3’の円周方向三箇所には、脚軸3a’が突設されている。外側継手部材4’の内周の円周方向三等分位置には軸方向に延びるトラック溝4a’が形成され、このトラック溝4a’をローラ5’が転動する。
FIG. 29 is a cross-sectional view of a drive shaft having a power transmission shaft 2 '. This drive shaft has a fixed type constant velocity universal joint 1 (J1) shown in FIG. 28 attached to the end of the
動力伝達シャフト2’の軸方向両端には、それぞれ図2〜図5に示す形状の雄スプライン部Smが形成され、この雄スプライン部Smをそれぞれ内側継手部材3、3’の雌スプライン部Sfに嵌合させて両軸端に等速自在継手J1、J2がトルク伝達可能に結合される。
Male spline portions Sm having the shapes shown in FIGS. 2 to 5 are formed at both ends in the axial direction of the
図示のように、この実施形態の動力伝達シャフト2’は中空状に形成される。この場合、上記基準応力τ0は、 As shown in the figure, the power transmission shaft 2 'of this embodiment is formed in a hollow shape. In this case, the reference stress τ 0 is
τ0=16Tdo/[π(do 4−di 4)
なる式で求められる。σ1max/τ0≦2.7およびτθzmax/τ0≦2.1なる式を満たすように雄スプライン部Smの形状をそれぞれチューニングすることにより、引張応力とせん断応力の双方について動力伝達シャフト2’の疲労強度を大幅に高めることが可能となる。
τ 0 = 16 Td o / [π (d o 4 −d i 4 )
It is calculated by the following formula. By tuning the shape of the male spline portion Sm so as to satisfy the expressions σ 1max / τ 0 ≦ 2.7 and τ θzmax / τ 0 ≦ 2.1, the
動力伝達シャフトとして、いわゆるスタブシャフト(圧接スタブシャフトあるいは溶接スタブシャフト)を使用する場合にも本発明を適用することができる。図30に示すように、スタブシャフト200は、一端に等速自在継手の内側継手部材3,3’等に結合するための雄スプライン部Smを形成すると共に、他端に鋼管203を圧接あるいは溶接するためのフランジ部202を形成したものである。このスタブシャフト200の雄スプライン部Smに本発明を適用することにより、スタブシャフト200の疲労強度の向上を図ることができる。なお、図面では、中実状のスタブシャフトを例示しているが、これを中空に形成することもできる。
The present invention can also be applied to a case where a so-called stub shaft (pressure-welded stub shaft or welded stub shaft) is used as the power transmission shaft. As shown in FIG. 30, the
以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明の特徴は形状の改善による応力集中係数の緩和であって、前記実施形態に限定されることなく、様々な材質にも適用が可能である。例えば、焼入れ硬化しない鋼で形成される動力伝達シャフトであってもよい。さらには、非鉄金属、セラミック材料、樹脂材料などで形成される動力伝達シャフトであってもよい。 As described above, the embodiment of the present invention has been described. However, the feature of the present invention is the relaxation of the stress concentration coefficient by improving the shape, and the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be applied to various materials. . For example, a power transmission shaft formed of steel that is not quenched and hardened may be used. Furthermore, a power transmission shaft formed of a non-ferrous metal, a ceramic material, a resin material, or the like may be used.
1 等速自在継手
2 動力伝達シャフト
3 内側継手部材
4 外側継手部材
5 トルク伝達ボール
7 保持器
21 谷部
21a ストレート部
21b 拡径部
21b1 アール部
21b2 平坦部
22 山部
23 歯面
24 肩部
25 平滑部
Sm 雄スプライン部
Sf 雌スプライン部
DESCRIPTION OF
Claims (6)
雄スプライン部の拡径部の円周方向両側にアール部を設け、アール部の曲率半径を軸方向一端側に向けて徐々に大きくしたことを特徴とする動力伝達シャフト。 In the power transmission shaft provided with a male spline part on the outer periphery, and having a diameter-expanded part gradually expanding the outer diameter dimension on one end side in the axial direction of the valley part of the male spline part.
A power transmission shaft, wherein rounded portions are provided on both sides in the circumferential direction of the enlarged diameter portion of the male spline portion, and the radius of curvature of the rounded portion is gradually increased toward one end in the axial direction.
τ0=16Tdo/[π(do 4−di 4)] …1)
σ1max≦2.7τo …2)
τθzmax≦2.1τ0 …3) When the torque T is applied, the first principal stress acting on the diameter-expanded portion of the male spline portion and the maximum values of the shear stress in the axial direction are σ 1max and τ θzmax , respectively. 2. The power transmission shaft according to claim 1, wherein the following 2) and 3) are satisfied at the same time when the reference stress τ 0 given by the equation (1) is used for the diameter d o of the portion and the inner diameter d i of the male spline portion.
τ 0 = 16 Td o / [π (d o 4 −d i 4 )]... 1)
σ 1max ≦ 2.7τ o ... 2)
τ θzmax ≦ 2.1τ 0 ... 3)
0.05≦dR/dL≦0.60、
5°≦θ≦20°
の範囲にある請求項2記載の動力伝達シャフト。 When the rate of increase in the radius of curvature of the radius portion is dR / dL and the angle of the straight line connecting the inner diameter end and the outer diameter end of the axial section of the enlarged diameter portion is θ, each value is 0.05 ≦ dR / dL ≦ 0.60,
5 ° ≦ θ ≦ 20 °
The power transmission shaft according to claim 2, which is in the range of.
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