三球销型等速万向联轴器的制作方法

本发明涉及一种在机动车、各种工业机械的动力传递用中使用的三球销型等速万向联轴器。

背景技术：

在机动车的动力传递系统使用的驱动轴中，中间轴的内方侧(车宽方向的中央侧)与滑动式等速万向联轴器相结合，且外方侧(车宽方向的端部侧)与固定式等速万向联轴器相结合这样的情况较多。此处的滑动式等速万向联轴器允许二轴间的角度位移以及轴向相对移动这双方，固定式等速万向联轴器允许二轴间的角度位移但不允许二轴间的轴向相对移动。

三球销型等速万向联轴器作为滑动式等速万向联轴器而被大家所熟知。该三球销型等速万向联轴器存在单列滚子型以及双列滚子型。在单列滚子型中，向外侧联轴器构件的滚道槽插入的滚子经由多个滚针而以能够旋转的方式安装于三球销构件的脚轴。在双列滚子型中，具备：向外侧联轴器构件的滚道槽插入的滚子、以及外嵌于三球销构件的脚轴且将所述滚子支承为旋转自如的内圈。双列滚子型能够使滚子相对于脚轴而摇头摆动，因此与单列滚子型相比，双列滚子型具有能够实现减小诱发推力(由联轴器内部的部件之间的摩擦诱发的轴向力)与滑动阻力的优点。例如日本专利第3599618号公报记载了双列滚子型的三球销型等速万向联轴器的一例。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第3599618号公报

技术实现要素：

发明要解决的课题

在专利文献1记载的双列滚子型的三球销型等速万向联轴器中，在转矩负载侧，三球销构件的脚轴的外周面与内圈的内周面以近乎点的形式接触。特别是在高负载转矩时，由于该接触部的面压变高，因此影响脚轴外周面的耐久性。如果能够提高脚轴的耐久性，则能够维持滚子的稳定的动作，从而能够进一步防止振动特性的经时劣化。

将形成于脚轴的表面的硬化层的深度加深能够有效提高脚轴的耐久性。然而，在三球销构件中，由于通常对表面硬化钢应用渗碳淬火回火而在表面形成硬化层，从而为了将硬化层形成得更深而需要大量的渗碳时间，制造成本高涨。

并且，即使加深硬化层的深度，关于为了确保脚轴的耐久性而应当加深至何种程度的验证也并不充分。

作为其他对策，也可以考虑由增加碳含量后的钢材、例如s50c～s55c等机械构造用碳钢(参照jisg4051)来制作三球销构件，并通过高频淬火而在其表面形成硬化层。然而在该方法中，钢材由于碳量的增加而变硬，因此通过锻造加工而成形三球销构件时的加工载荷增大。从而导致了锻造设备的大型化、锻造模具寿命的降低。

因此，本发明的目的在于，在抑制制造成本的高涨的同时提高三球销构件的脚轴的耐久性。

用于解决课题的方案

为了解决上述的课题，如上所述，将高硬度的硬化层形成得更深是有效的。本发明者通过验证而得到如下见解：为了解决上述的课题，相比于以往使用的钢材，增加钢材中的碳量来作为三球销构件的原材料，并且一并地将硬化层的有效硬化层深度(临界硬度600hv)设定为与三球销型等速万向联轴器所负载的转矩对应的最大剪切应力深度以上是有效的。

基于以上见解而完成的本发明是一种三球销型等速万向联轴器，具备：外侧联轴器构件，其在圆周方向的三处具备沿轴向延伸的滚道槽，各滚道槽具有在圆周方向上对置配置的一对滚子引导面；三球销构件，其具备沿半径方向突出的三个脚轴；滚子，其插入所述滚道槽；以及内圈，其外嵌于所述脚轴且将所述滚子支承为旋转自如，具有所述滚子与所述内圈的滚子单元能够相对于所述脚轴而摇头摆动，所述滚子单元构成为能够沿所述滚子引导面而在所述外侧联轴器构件的轴向上移动，在所述三球销构件的各脚轴的表面通过渗碳淬火回火而形成有硬化层，所述三球销型等速万向联轴器的特征在于，所述三球销构件由碳含量为0.23％～0.44％的钢材形成，将与所述三球销构件连结的轴发生扭转断裂的最小的静扭矩的0.3倍设为ts转矩，以600hv为临界硬度的所述硬化层的有效硬化层深度为负载所述ts转矩时的最大剪切应力深度以上。

通过该结构能够提高脚轴的耐久性。因此，能够抑制滚子的动作被阻碍的情况，防止振动特性的经时恶化。另一方面，将钢材的碳量限制为0.44％以下，由此三球销构件的锻造成形性不会极端恶化，从而能够防止三球销构件的锻造成本的高涨。

另外，通过如上述那样基于ts转矩的概念而确定最大剪切应力深度，能够以适合实际的使用条件的方式来确定有效硬化层深度。因此，无论三球销型等速万向联轴器的尺寸如何，都能够稳定地得到上述的作用效果。

作为该三球销型等速万向联轴器，优选所述脚轴的外周面在纵剖面中形成为直线形状且在横剖面中形成为大致椭圆的形状，所述内圈的内周面形成为凸曲面，所述脚轴的外周面在与联轴器的轴线正交的方向上与所述内圈的内周面接触，并且所述脚轴的外周面在联轴器的轴线方向上与所述内圈的内周面之间形成间隙。

另外，本发明是一种三球销型等速万向联轴器，具备：外侧联轴器构件，其在圆周方向的三处具备沿轴向延伸的滚道槽，各滚道槽具有在圆周方向上对置配置的一对滚子引导面；三球销构件，其具备沿半径方向突出的三个脚轴；以及滚子，其经由多个滚针而以能够旋转的方式安装于各脚轴，所述滚子构成为能够沿所述滚子引导面而在所述外侧联轴器构件的轴向上移动，在所述三球销构件的各脚轴的表面通过渗碳淬火回火而形成有硬化层，所述三球销型等速万向联轴器的特征在于，所述三球销构件由碳含量为0.23％～0.44％的钢材形成，将与所述三球销构件连结的轴发生扭转断裂的最小的静扭矩的0.3倍设为ts转矩，以600hv为临界硬度的所述硬化层的有效硬化层深度为负载所述ts转矩时的最大剪切应力深度以上。

通过提高渗碳淬火回火后的内部硬度，能够加深有效硬化层深度。通过使内部硬度为513hv以上，能够得到如上所述的深度为最大剪切应力深度以上的有效硬化层深度(临界硬度：600hv)。

为了抑制对象部件相对于脚轴的滚动而造成的磨损，优选脚轴的表面硬度为653hv以上。

发明效果

根据本发明，能够在抑制制造成本的高涨的同时提高三球销构件的脚轴的耐久性。

附图说明

图1是三球销型等速万向联轴器的第一实施方式的纵向剖视图。

图2是在图1的k-k线处向视观察而得到的横向剖视图。

图3是在图1的l-l线处向视观察而得到的横向剖视图。

图4是表示图1的三球销型等速万向联轴器取得了工作角的状态的纵向剖视图。

图5是示出在三球销构件上形成的硬化层的纵向剖视图。

图6是说明接触椭圆的面压分布与深度方向的剪切应力的变化的图。

图7是示出以往品的硬度分布的曲线图。

图8是示出实施例品的硬度分布的曲线图。

图9是示出有效硬化层深度以及脚轴的耐久性的测定结果的表。

图10是另一实施方式的三球销型等速万向联轴器的横向剖视图。

具体实施方式

基于图1～图9说明本发明所涉及的三球销型等速万向联轴器的第一实施方式。

图1～图4示出的本实施方式的三球销型等速万向联轴器1是双列滚子型。需要说明的是，图1是示出双列滚子型的三球销型等速万向联轴器的纵向剖视图，图2是在图1的k-k线处向视观察而得到的局部横向剖视图。图3是在图1的l-l线处向视观察而得到的横向剖视图，图4是表示取得了工作角时的三球销型等速万向联轴器的纵向剖视图。

如图1以及图2所示，该三球销型等速万向联轴器1的主要部分包括外侧联轴器构件2、作为内侧联轴器构件的三球销构件3、以及作为转矩传递构件的滚子单元4。外侧联轴器构件2呈一端开口的杯状，并且在内周面上以周向等间隔的方式形成有沿轴向延伸的三条直线状滚道槽5。在各滚道槽5形成有滚子引导面6，该滚子引导面6在外侧联轴器构件2的圆周方向上对置配置并且各自沿外侧联轴器构件2的轴向延伸。外侧联轴器构件2的内部收容有三球销构件3与滚子单元4。

三球销构件3一体地具有：耳轴主体部3a、以及从耳轴主体部3a的圆周方向的三等分位置处沿半径方向突出的三根脚轴7(耳轴轴颈)。三球销构件3通过使在作为主轴的轴9上形成的外花键(参照图1)与在耳轴主体部3a的中心孔8形成的内花键23嵌合，从而以能够传递转矩的方式与轴9结合。通过使在轴9的前端装配的挡圈10与三球销构件3的端面卡合，从而三球销构件3相对于轴9而在轴向上固定。

滚子单元4的主要部分包括：滚子即外圈11；圆环状的内圈12，其配置于该外圈11的内侧并且外嵌于脚轴7；以及多个滚针13，其夹设在外圈11与内圈12之间，且该滚子单元4收容于外侧联轴器构件2的滚道槽5。包括内圈12、滚针13以及外圈11在内的滚子单元4形成为不由于垫圈14、15而分离的结构。

在该实施方式中，外圈11的外周面是以在脚轴7的轴线上具有曲率中心的圆弧为母线的凸曲面。外圈11的外周面与滚子引导面6角接触。

滚针13以外圈11的圆筒状内周面为外侧轨道面，以内圈12的圆筒状外周面为内侧轨道面，并滚动自如地配置在这些外侧轨道面与内侧轨道面之间。

在包含脚轴7的轴线的纵剖面中，三球销构件3的各脚轴7的外周面形成为直线形状。另外，如图3所示，在与脚轴7的轴线正交的横剖面中，脚轴7的外周面形成为大致椭圆形状。在与联轴器的轴线正交的方向即长轴a的方向上，脚轴7的外周面与内圈12的内周面12a接触。在联轴器的轴线方向即短轴b的方向上，在脚轴7的外周面与内圈12的内周面12a之间形成有间隙m。

内圈12的内周面12a形成为凸曲面状，具体而言，在包含内圈12的轴线的纵剖面中形成为凸圆弧状。并且还由于脚轴7的剖面形状如上述那样为大致椭圆形状，脚轴7与内圈12之间设置有规定的间隙m，因此内圈12能够相对于脚轴7而摇头摆动。如上所述，内圈12与外圈11经由滚针13而相对旋转自如地组合，因此外圈11与内圈12形成为一体而能够相对于脚轴7摇头摆动。换句话说，在包含脚轴7的轴线的平面内，外圈11以及内圈12的轴线能够相对于脚轴7的轴线而倾斜(参照图4)。

如图4所示，在三球销型等速万向联轴器1取得工作角而旋转时，三球销构件3的轴线相对于外侧联轴器构件2的轴线而倾斜，但滚子单元4能够摇头摆动，因此能够避免外圈11与滚子引导面6斜交的状态。由此，外圈11相对于滚子引导面6而水平地滚动，从而能够实现诱发推力、滑动阻力的减小，能够实现联轴器的低振动化。

另外，如上所述，脚轴7的横剖面为大致椭圆状，内圈12的内周面12a的横剖面为圆弧状凸截面，因此转矩负载侧的脚轴7的外周面与内圈12的内周面12a以近乎点接触的狭小面积来接触。由此，使滚子单元4倾斜的力变小，从而提高了外圈11的姿态的稳定性。

以上所述的三球销构件3由钢材料经过以下的主要工序制作而成：锻造加工→机械加工(旋削)→渗碳淬火回火→脚轴7的外周面的磨削加工。也能够代替磨削加工而通过淬火钢切削对脚轴7的外周面进行精加工。

图5是示出形成于三球销构件3的硬化层16的纵向剖视图。如图5所示，在包含三球销构件3的脚轴7的外周面以及内花键23的整个表面上形成有硬化层16。对作为成品的三球销构件3而言，脚轴7的外周面通过磨削(或者淬火钢切削)来精加工，因此脚轴7的外周面的硬化层16的深度比其他的区域浅上磨削等的加工余量。需要说明的是，该加工余量通常是0.1mm左右而较小，因此在图5中将硬化层16的厚度描绘为在整个表面上均匀。

然而，如上所述，如图3所示，在双列滚子型的三球销型等速万向联轴器中，转矩负载侧的脚轴7的外周面与内圈12的内周面12a以近乎点的区域m接触，因此在高转矩负载时存在该接触部的面压变高的问题。若面压过大，则会导致脚轴7的耐久性的降低。

为了应对该问题，在本实施方式中，有了应当使高硬度的硬化层形成得深的构思。并且，在该构思下，相比以往使用的钢材，增加钢材中的碳量来作为三球销构件的材料，并且一并地将硬化层的有效硬化层深度设定为与三球销型等速万向联轴器所负载的转矩对应的深度。以下，分别进行说明。

(1)碳量的增大

以往的三球销构件3多使用表面硬化钢的一种即铬·钼钢来作为原材料。在本实施方式中，使用碳量超过0.23％的钢材(优选碳量为0.24％以上的钢材，更优选碳量为0.32％以上的钢材)作为原材料(表示碳量的“％”指“质量％”)。但是，若碳量过多，则锻造三球销构件时的成形性降低，因此使用碳量为0.44％以下的钢材。作为符合该条件的表面硬化钢，能够列举例如jisg4053所规定的铬·钼钢scm435、或者scm440。另外，作为钢材，优选使用淬火性有保证的jisg4052所规定的所谓h钢(scm435h、scm440h)。值得一提的是，根据jisg4052，scm435h的碳量为0.32％～0.39％，scm440的碳量为0.37％～0.44％。

需要说明的是，只要是满足上述碳量(0.23％～0.44％以下)的表面硬化钢，也能够使用其他种类的钢材，例如jisg4053所规定的铬钢(scr435、scr440等)。关于铬钢，也优选使用与上述相同的scr435h、scr440h等h钢。值得一提的是，scr435h的碳量为0.32％～0.39％，scr440h的碳量为0.37％～0.44％。

(2)有效硬化层深度的设定

并且，在本实施方式中，将在三球销构件3的表面形成的硬化层16的有效硬化层深度h(临界硬度600hv)设定为三球销型等速万向联轴器1负载有ts转矩时的最大剪切应力深度z以上(h≥z)。

此处的“ts转矩”是使与三球销构件3连结的轴9发生扭转断裂的最小的静扭矩的0.3倍的值。在三球销型等速万向联轴器1负载ts转矩时，在与内圈12的内周面12a之间构成负载侧的接触部m(参照图3)的脚轴7的外周面产生接触椭圆。此时，如图6所示，接触椭圆的中心为最大面压pmax。在该接触椭圆的中心上且脚轴正下方向(脚轴7的内径方向)上产生最大的剪切应力τmax的深度为“最大剪切应力深度z”。

需要说明的是，有效硬化层深度是指从钢材的表面到临界硬度的位置为止的距离。根据jisg0557，有效硬化层的临界硬度为550hv，但也规定了“在距表面为硬化层的3倍的位置的硬度超过维氏硬度450hv的情况下，可以通过当事人间的协定而采用超过550hv的临界硬度”。如后所述，在本实施方式中，三球销构件3的内部硬度(未经淬火区域的硬度)为513hv以上，因此属于上述的例外，在本实施方式中将有效硬化层深度的临界硬度规定为600hv。需要说明的是，硬化层16的硬度越高则在脚轴7的耐久性这方面越优选，因此优选将有效硬化层深度的临界硬度规定为653hv或者653hv以上。

能够通过提高渗碳淬火回火后的内部硬度来加深有效硬化层深度。通过使内部硬度为513hv以上，能够如上述那样得到最大剪切应力深度以上的有效硬化层深度(临界硬度600hv)。

需要说明的是，为了抑制对象部件(在本实施方式中为内圈12)相对于脚轴的滚动而引起的磨损，优选脚轴7的表面硬度设为653hv以上。

图7以及图8是示出以距离脚轴表面的深度作为横轴时的硬度分布的图。需要说明的是，硬度是在脚轴7的外周面中的与内圈12的内周面12a接触的接触部m处测得的。两图中，图7为以往品的硬度分布，图8为使用了高碳量钢材(碳量0.34％相当材)的实施例品的硬度分布。以600hv作为临界硬度时的有效硬化层深度在图7中由“a”表示，在图8中由“b”表示。很明显，通过像这样使碳量不同，即使以相同的处理条件进行渗碳淬火回火，有效硬化层深度也会产生差别(a＜b)。

图9示出了对以往品(规格1)与两个实施例品(规格2)的有效硬化层进行实际测量并且评价了脚轴7的耐久性后所得到的结果。在实施例品中，使用了碳量0.34％相当材与碳量0.41％相当材这两种钢材。有效硬化层深度的临界硬度为600hv。在“脚轴耐久性”示出的评价指标中，“△”指“未达成目标特性”，“○”指“满足目标特性”，“◎”指“充分满足目标特性”。

虽然以往品与各实施例品使用的钢种不同，但尺寸以及热处理(渗碳淬火回火)的条件是相同的。渗碳淬火采用以下步骤：将三球销构件的中间制品在约850℃中恒温保持1小时，然后加热至约940℃并在该温度下进行3小时的渗碳，接着通过炉冷使温度下降至约860℃，保持该状态30分钟后进行油淬火。回火的条件为在约180℃中保持40分钟。

由图9可以明确确认到，相比于以往品的有效硬化层深度a，在使用碳量多的碳量0.34％相当材的情况下，有效硬化层深度为2倍(2.0a)，在使用碳量更多的碳量0.41％相当材的情况下，有效硬化层深度为2.5倍(2.5a)。另外，明确了脚轴的耐久性也在碳量0.34％相当材中达到目标特性，在碳量0.41％相当材中轻松达到目标特性。

从图8示出的结果可知，在实施例品中，能够抑制从表面到内部的硬度的降低，在内部也能够维持作为目标特性的513hv的硬度。因此，能够将硬化层16的有效硬化层深度h设定为三球销型等速万向联轴器1负载有ts转矩时的最大剪切应力深度z以上。由此，在脚轴7的外周面与内圈12的内周面12a于转矩负载侧以近乎点的区域接触的双列滚子型的三球销型等速万向联轴器中，能够提高脚轴的耐久性。因此，抑制滚子单元4的动作被阻碍的情况，防止振动特性的经时劣化。

另一方面，将碳量限制在0.44％以下，由此三球销构件3的锻造成形性不会极端恶化，从而能够防止三球销构件3的锻造成本的高涨。

另外，通过如本实施方式一样基于ts转矩的概念而确定最大剪切应力深度，能够以适合实际的使用条件的方式来确定有效硬化层深度。因此，无论三球销型等速万向联轴器的尺寸如何，都能够稳定地得到上述的作用效果。

本发明不限于以上所述的实施方式，也能够应用于具有其他结构的双列滚子型的三球销型等速万向联轴器。

例如，也能够将脚轴7的外周面形成为凸曲面(例如剖面凸圆弧状)，并且将内圈12的内周面12a形成为圆筒面状。另外，也能够将脚轴7的外周面形成为凸曲面(例如剖面凸圆弧状)，并且将内圈12的内周面12a形成为与脚轴外周面相嵌合的凹球面。此时，也能够通过在外圈的内径两端部设置凸缘而省去垫圈14、15。

接下来，基于图10对本发明的第二实施方式进行说明。

图10是第二实施方式所涉及的单列滚子型的三球销型等速万向联轴器100的横向剖视图。

如图10所示，该三球销型等速万向联轴器100主要包括：外侧联轴器构件102；作为内侧联轴器构件的三球销构件103；作为转矩传递构件的滚子111；以及作为转动体的滚针113。外侧联轴器构件102为中空杯状，在其内周具有在圆周方向的三等分位置处沿轴向延伸的三条滚道槽105。在各滚道槽105的圆周方向上对置的侧壁上形成有滚子引导面106。滚子引导面106由圆筒面的一部分、即局部圆筒面形成。

三球销构件103具有在圆周方向的三等分位置处从耳轴主体部沿半径方向突出的三条脚轴107。三球销构件103以能够传递转矩的方式花键嵌合于轴。滚子111经由多个滚针113而旋转自如地装配于脚轴107的圆筒状外周面的周围。脚轴7的外周面形成滚针113的内侧轨道面。滚子111的内径面呈圆筒形状并且形成滚针113的外侧轨道面。

耳轴轴颈9的轴端附近隔着外垫圈115而装配有挡圈112。滚针113沿脚轴107的轴线方向的移动被内垫圈114与外垫圈115限制。

旋转自如地装配在三球销构件103的脚轴7上的滚子111被外侧联轴器构件102的滚道槽105的滚子引导面106旋转自如地引导。通过上述那样的结构，外侧联轴器构件102与三球销构件103之间的相对的轴向位移、角度位移被吸收，旋转被等速地传递。

在以上所述的单列滚子型的三球销型等速万向联轴器100中，也与所述的第一实施方式同样地，将三球销构件103由碳含量为0.23％～0.44％的钢材形成，并且将连结于三球销构件103的轴9发生扭转断裂的最小的静扭矩的0.3倍设为ts转矩，将以600hv为临界硬度的所述硬化层的有效硬化层深度h设为负载ts转矩时的最大剪切应力深度z以上(h≥z)，从而能够与第一实施方式同样地提高脚轴107的耐久性并得到相同的作用效果。

如上所述的三球销型等速万向联轴器1、100不限于应用于机动车的驱动轴，也能够广泛地应用于机动车、工业机器等的动力传递路线。

附图标记说明

1、100三球销型等速万向联轴器

2、102外侧联轴器构件

3、103三球销构件

4滚子单元

5、105滚道槽

6、106滚子引导面

7、107脚轴

9轴(主轴)

11滚子(外圈)

12内圈

13、113滚针

16硬化层

111滚子