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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024117655
(43)【公開日】2024-08-29
(54)【発明の名称】中空シャフトおよびその製造方法
(51)【国際特許分類】
F16C 3/02 20060101AFI20240822BHJP
B21K 21/08 20060101ALI20240822BHJP
B21J 5/08 20060101ALI20240822BHJP
B21J 5/06 20060101ALI20240822BHJP
B21K 1/06 20060101ALI20240822BHJP
【ＦＩ】
F16C3/02
B21K21/08
B21J5/08 Z
B21J5/06 C
B21K1/06
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023023869
(22)【出願日】2023-02-17
(71)【出願人】
【識別番号】593146017
【氏名又は名称】光精工株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100147625
【弁理士】
【氏名又は名称】澤田 高志
(72)【発明者】
【氏名】西村 憲一
(72)【発明者】
【氏名】西村 昌能
(72)【発明者】
【氏名】山本 啓二
(72)【発明者】
【氏名】水谷 崇人
(72)【発明者】
【氏名】柴田 健一郎
(72)【発明者】
【氏名】岩田 隆
(72)【発明者】
【氏名】福森 久登
【テーマコード（参考）】
3J033
4E087
【Ｆターム（参考）】
3J033AA01
3J033BA02
3J033BA07
3J033BC10
4E087AA10
4E087CA26
4E087EA11
4E087EC18
4E087EC27
4E087HA36
4E087HB01
(57)【要約】
【課題】製品コストを低減し、かつ、ねじれに対する剛性を高め得る中空シャフトおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】中空シャフト１０は、中間部２０、一端部３０および他端部４０を備える。中間部２０は、内部空間２７，２８を区画する壁部２５を軸方向ほぼ中央に有する円筒状である。一端部３０は、中間部２０の内部空間２７の内径と同径の内部空間３７を一端３１ａに有するとともに内部空間３７よりも小径の内部空間３８を他端３１ｂに有して一端３１ａが中間部２０の一端２２ａに接続される。他端部４０は、中間部２０の内部空間２８の内径と同径の内部空間４７を一端４１ａに有するとともに内部空間４７よりも小径の内部空間４８を他端４１ｂに有して一端４１ａが中間部２０の他端２３ａに接続される。これにより、材料コストが安価なコイル材を原材料にすることが可能になり、機械的な強度として周方向に対する剛性も高まる。
【選択図】図１
【解決手段】中空シャフト１０は、中間部２０、一端部３０および他端部４０を備える。中間部２０は、内部空間２７，２８を区画する壁部２５を軸方向ほぼ中央に有する円筒状である。一端部３０は、中間部２０の内部空間２７の内径と同径の内部空間３７を一端３１ａに有するとともに内部空間３７よりも小径の内部空間３８を他端３１ｂに有して一端３１ａが中間部２０の一端２２ａに接続される。他端部４０は、中間部２０の内部空間２８の内径と同径の内部空間４７を一端４１ａに有するとともに内部空間４７よりも小径の内部空間４８を他端４１ｂに有して一端４１ａが中間部２０の他端２３ａに接続される。これにより、材料コストが安価なコイル材を原材料にすることが可能になり、機械的な強度として周方向に対する剛性も高まる。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
内部空間を二つに区画する壁部を軸方向ほぼ中央に有する円筒状の中間部と、
前記壁部に区画された前記内部空間の一方側の内径と同径の端部空間を一端側に有しかつ前記端部空間よりも小径または大径の異径空間を他端側に有して前記一端側が前記中間部の一端に接続される一端部と、
前記壁部に区画された前記内部空間の他方側の内径と同径の端部空間を一端側に有しかつ前記端部空間よりも小径または大径の異径空間を他端側に有して前記一端側が前記中間部の他端に接続される他端部と、
を備えることを特徴とする中空シャフト。
前記壁部に区画された前記内部空間の一方側の内径と同径の端部空間を一端側に有しかつ前記端部空間よりも小径または大径の異径空間を他端側に有して前記一端側が前記中間部の一端に接続される一端部と、
前記壁部に区画された前記内部空間の他方側の内径と同径の端部空間を一端側に有しかつ前記端部空間よりも小径または大径の異径空間を他端側に有して前記一端側が前記中間部の他端に接続される他端部と、
を備えることを特徴とする中空シャフト。
【請求項2】
前記壁部は、その厚さが前記中間部の軸方向長さの５５％以下に設定されている、ことを特徴とする請求項１に記載の中空シャフト。
【請求項3】
円柱部をそれぞれ有する第１パンチと第１カウンターパンチの間に位置する中間部ワークに対して前記第１パンチを押圧することにより内部空間を二つに区画する壁部を軸方向ほぼ中央に備えた円筒状の中間部を形成する中間部成形工程と、
前記第１パンチの円柱部と同径の円柱部を有する第２パンチとこの円柱部よりも小径または大径の異径円柱部を有する第２カウンターパンチとの間に位置する一端部ワークに対して前記第２パンチを押圧することにより前記中間部の一端に接続可能な一端側を備えた一端部を形成する一端部成形工程と、
前記第１カウンターパンチの円柱部と同径の円柱部を有する第３パンチとこの円柱部よりも小径または大径の異径円柱部を有する第３カウンターパンチとの間に位置する他端部ワークに対して前記第３パンチを押圧することにより前記中間部の他端に接続可能な一端側を備えた他端部を形成する他端部成形工程と、
前記中間部の一端と前記一端部の一端側とを接続し、前記中間部の他端と前記他端部の一端側とを接続する接続工程と、
を含む、ことを特徴とする中空シャフトの製造方法。
前記第１パンチの円柱部と同径の円柱部を有する第２パンチとこの円柱部よりも小径または大径の異径円柱部を有する第２カウンターパンチとの間に位置する一端部ワークに対して前記第２パンチを押圧することにより前記中間部の一端に接続可能な一端側を備えた一端部を形成する一端部成形工程と、
前記第１カウンターパンチの円柱部と同径の円柱部を有する第３パンチとこの円柱部よりも小径または大径の異径円柱部を有する第３カウンターパンチとの間に位置する他端部ワークに対して前記第３パンチを押圧することにより前記中間部の他端に接続可能な一端側を備えた他端部を形成する他端部成形工程と、
前記中間部の一端と前記一端部の一端側とを接続し、前記中間部の他端と前記他端部の一端側とを接続する接続工程と、
を含む、ことを特徴とする中空シャフトの製造方法。
【請求項4】
円柱部をそれぞれ有する第１パンチと第１カウンターパンチの間に位置する中間部ワークに対して前記第１パンチを押圧することにより内部空間を二つに区画する壁部を軸方向ほぼ中央に備えた円筒状の中間部を形成する中間部成形工程と、
前記円柱部と同径の円柱部を有する第２パンチと前記円柱部よりも小径または大径の異径円柱部を有する第２カウンターパンチとの間に位置する端部ワークに対して前記第２パンチを押圧することにより前記中間部の両端のいずれにも接続可能な一端側を備えた端部を形成する端部成形工程と、
前記中間部の両端に前記端部の一端側をそれぞれ接続する接続工程と、
を含む、ことを特徴とする中空シャフトの製造方法。
前記円柱部と同径の円柱部を有する第２パンチと前記円柱部よりも小径または大径の異径円柱部を有する第２カウンターパンチとの間に位置する端部ワークに対して前記第２パンチを押圧することにより前記中間部の両端のいずれにも接続可能な一端側を備えた端部を形成する端部成形工程と、
前記中間部の両端に前記端部の一端側をそれぞれ接続する接続工程と、
を含む、ことを特徴とする中空シャフトの製造方法。
【請求項5】
前記壁部は、その厚さが前記中間部の軸方向長さの５５％以下に設定されている、ことを特徴とする請求項３または４に記載の中空シャフトの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、中空シャフトおよびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
中空シャフトの一例として、例えば、下記特許文献１に開示される自動車用の駆動軸がある。この駆動軸では、一端側から他端側まで内部に空間を設けてパイプ状にすることによって内部に空間のない中実の駆動軸よりも軽量になるように構成し、さらに軸方向対象かつ回転対称に構成された中間部とその両端部との曲げこわさの比率を著しく大きくすることによって振動騒音の発生を減少可能にしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開平５－２６３８１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで、上記特許文献１には、このように構成される駆動軸の製造方法については「精密変形加工によって一体に製造されており」との記載はあるものの、その詳細に関しては言及がない。このようなパイプ状の駆動軸は、典型的には、例えば、円筒状のパイプ材に対して絞り加工が行われることより製造されることが多い。ところが、パイプ材は、内部空間のない中実線状のコイル材（棒材、丸棒）に比べて材料コストが高い傾向にある。そのため、中空シャフトの被成形材にパイプ材を用いた場合には製品コストの低減が難しくなるという問題がある。
【0005】
また、パイプ材は、一端側から他端側まで内部空間を有する。そのため、機械的な強度については、コイル材等に比べると、軸周り、つまり周方向に対する剛性（ねじり剛性）が低くならざるをえないという問題がある。ねじり剛性が低いと、中空シャフトは、中実線状のコイル材等から成形された中実のシャフトに比べてねじれ易い。したがって、中実のシャフトと同等のねじり剛性を得ようとすると、中空シャフトを太くせざるを得ないことから、配置やレイアウトの都合上、望ましくない場合も生じ得る。
【0006】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、製品コストを低減し、かつ、ねじり剛性を高め得る中空シャフトおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記目的を達成するため、特許請求の範囲に記載された請求項１の技術的手段を採用する。この手段によると、請求項１の中空シャフトは、中間部、一端部および他端部を備える。中間部は、内部空間を二つに区画する壁部を軸方向ほぼ中央に有する円筒状である。一端部は、壁部に区画された内部空間の一方側の内径と同径の端部空間を一端側に有する。また一端部は、この端部空間よりも小径または大径の異径空間を他端側に有し、一端側が中間部の一端に接続される。他端部は、壁部に区画された内部空間の他方側の内径と同径の端部空間を一端側に有する。また他端部は、この端部空間よりも小径または大径の異径空間を他端側に有し、一端側が中間部の他端に接続される。
【0008】
当該中空シャフトは、中間部に内部空間が存在しながらもその軸方向ほぼ中央に内部空間を二分する壁部を有する。このような壁部を有する中間部は、例えば、中実線状のコイル材から切り出した棒材や丸棒に対して鍛造により、当該棒材の一方側と他方側にそれぞれ内部空間を形成することによって成形することが可能である。また一端部や他端部についても、例えば、同様にコイル材から切り出した棒材や丸棒に対して鍛造により、当該棒材の一方側に端部空間を形成し、当該棒材の他方側に異径空間を形成することによって成形することが可能である。これにより、パイプ材に比べて材料コストが安価な中実線状のコイル材（棒材、丸棒）を当該中空シャフトの被成形材にすることが可能になる。また、当該中空シャフトは、中間部が軸方向ほぼ中央に壁部を有するため、このような壁部を有しないパイプ材を絞り加工等して製造された中空シャフトに比べて、機械的な強度として周方向に対する剛性が高まる。
【0009】
また、特許請求の範囲に記載された請求項２の技術的手段を採用する。この手段によると、壁部は、その厚さが中間部の軸方向長さの５５％以下に設定されている。(※１)後述するように、例えば、中間部の軽量化よりもねじり剛性の増加を重視する場合には、中間部の軸方向長さに対する壁部の厚さ比率を５０％前後（例えば４５～５５％）に設定することによって、壁部のない中間部の全部が中空であるときのねじり剛性に対する、中間部のねじり剛性の増加率を約１４～３２％に高めることが可能になり（図５(B)参照）、また重量比率を約６０～７６％にすることが可能になる（図５(A)参照）。
【0010】
また、例えば、中間部の軽量化を重視する場合には、中間部の軸方向長さに対する壁部の厚さ比率を１０％以下（例えば１～１０％）に設定することによって、中間部を中実で構成した場合の重量に対する中間部の重量の重量比率を約２５～５２％（ほぼ５０％以下）に抑えることが可能になり（図５(A)参照）、壁部のない中間部の全部が中空であるときのねじり剛性に対する、中間部のねじり剛性の増加率を約２～７％に高めることが可能になる（図５(B)参照）。さらに、例えば、中間部の軽量化とねじり剛性の増加の両方を重視する場合においては、中間部の軸方向長さに対する壁部の厚さ比率を３０％前後（例えば２５～３５％）に設定することによって、重量比率を約４５～６５％（５５％前後）に抑えることが可能になり（図５(A)参照）、ねじり剛性の増加率を約７．５～１８％（１２％前後）に高めることが可能になる（図５(B)参照）。(※２)これらをまとめると、上記の壁部の厚さ比率は、例えば、１％以上５５％以下の範囲内において設定されることで、トレードオフの関係にある、ねじり剛性の増加と重量の低減を任意に調整することができる。
【0011】
上記目的を達成するため、特許請求の範囲に記載された請求項３の技術的手段を採用する。この手段によると、請求項３の中空シャフトの製造方法は、中間部成形工程、一端部成形工程、他端部成形工程および接続工程を含む。中間部成形工程では、同径の円柱部をそれぞれ有する第１パンチと第１カウンターパンチの間に位置する中間部ワークに対して第１パンチを押圧することにより内部空間を二つに区画する壁部を軸方向ほぼ中央に備えた円筒状の中間部を形成する。一端部成形工程では、第１パンチの円柱部と同径の円柱部を有する第２パンチとこの円柱部よりも小径または大径の異径円柱部を有する第２カウンターパンチとの間に位置する一端部ワークに対して第２パンチを押圧することにより中間部の一端に接続可能な一端側を備えた一端部を形成する。また、他端部成形工程では、第１カウンターパンチの円柱部と同径の円柱部を有する第３パンチとこの円柱部よりも小径または大径の異径円柱部を有する第３カウンターパンチとの間に位置する他端部ワークに対して第３パンチを押圧することにより中間部の他端に接続可能な一端側を備えた他端部を形成する。そして、接続工程では、中間部の一端と一端部の一端側とを接続し、中間部の他端と他端部の一端側とを接続する。
【0012】
中間部成形工程により、内部空間を二つに区画する壁部を軸方向ほぼ中央に備えた円筒状の中間部が形成される。また、一端部成形工程により、中間部の一端に接続可能な一端側を備えた一端部が形成される。さらに、他端部成形工程により、中間部の他端に接続可能な一端側を備えた他端部が形成される。そして、接続工程により、中間部の一端と一端部の一端側とが接続され、中間部の他端と他端部の一端側とが接続されて、中空シャフトが製造される。これにより、パイプ材に比べて材料コストが安価な中実線状のコイル材（棒材、丸棒）を被成形材にすることが可能になる。また、当該中空シャフトは、中間部が軸方向ほぼ中央に壁部を有するため、このような壁部を有しないパイプ材を絞り加工等して製造された中空シャフトに比べて機械的な強度として周方向に対する剛性が高まる。
【0013】
また、特許請求の範囲に記載された請求項４の技術的手段を採用する。この手段によると、請求項４の中空シャフトの製造方法は、中間部成形工程、端部成形工程および接続工程を含む。中間部成形工程では、同径の円柱部をそれぞれ有する第１パンチと第１カウンターパンチの間に位置する中間部ワークに対して第１パンチを押圧することにより内部空間を二つに区画する壁部を軸方向ほぼ中央に備えた円筒状の中間部を形成する。端部成形工程では、円柱部と同径の円柱部を有する第２パンチと円柱部よりも小径または大径の異径円柱部を有する第２カウンターパンチとの間に位置する端部ワークに対して第２パンチを押圧することにより中間部の両端のいずれにも接続可能な一端側を備えた端部を形成する。そして、接続工程では、中間部の両端に端部の一端側をそれぞれ接続する。
【0014】
中間部成形工程により、内部空間を二つに区画する壁部を軸方向ほぼ中央に備えた円筒状の中間部が形成される。また、端部成形工程により、中間部の両端のいずれにも接続可能な一端側を備えた端部が形成される。そして、接続工程により、中間部の両端に端部の一端側をそれぞれ接続されて中空シャフトが製造される。これにより、パイプ材に比べて材料コストが安価な中実線状のコイル材（棒材、丸棒）を被成形材にすることが可能になる。また、当該中空シャフトは、中間部が軸方向ほぼ中央に壁部を有するため、このような壁部を有しないパイプ材を絞り加工等して製造された中空シャフトに比べて、機械的な強度として周方向に対する剛性が高まる。
【0015】
また、特許請求の範囲に記載された請求項５の技術的手段を採用する。この手段によると、壁部は、その厚さが中間部の軸方向長さの５５％以下に設定されている。これにより、上記の(※１)から(※２)の間で述べたように、中間部の軸方向長さに対する壁部の壁部の厚さ比率は、例えば、１％以上５５％以下の範囲内において設定されることで、トレードオフの関係にある、ねじり剛性の増加と重量の低減を任意に調整することができる。
【発明の効果】
【0016】
請求項１の発明では、パイプ材に比べて材料コストが安価な中実線状のコイル材（棒材、丸棒）を中空シャフトの被成形材にすることが可能になる。また、当該中空シャフトは、中間部が軸方向ほぼ中央に壁部を有するため、このような壁部を有しないパイプ材を絞り加工等して製造された中空シャフトに比べて機械的な強度として周方向に対する剛性が高まる。したがって、製品コストを低減し、かつ、ねじり剛性を高めることができる。
【0017】
請求項２の発明では、中間部が中実である場合に比べて重さをほぼ５０％（５２％）以下に減少させることができ、かつ、中間部の全部が中空である場合に比べてねじり剛性を増加させることができる。したがって、製品コストを低減し、かつ、ねじり剛性を高めることに加えて、より軽量化に資することが可能になる。
【0018】
請求項３の発明では、中間部成形工程、一端部成形工程、他端部成形工程および接続工程で中空シャフトを製造することにより、パイプ材に比べて材料コストが安価な中実線状のコイル材（棒材、丸棒）を被成形材にすることが可能になる。また、当該中空シャフトは、中間部が軸方向ほぼ中央に壁部を有するため、このような壁部を有しないパイプ材を絞り加工等して製造された中空シャフトに比べて機械的な強度として周方向に対する剛性が高まる。したがって、製品コストを低減し、かつ、ねじり剛性を高めることができる。
【0019】
請求項４の発明では、中間部成形工程、端部成形工程および接続工程で中空シャフトを製造することにより、パイプ材に比べて材料コストが安価な中実線状のコイル材（棒材、丸棒）を被成形材にすることが可能になる。また、当該中空シャフトは、中間部が軸方向ほぼ中央に壁部を有するため、このような壁部を有しないパイプ材を絞り加工等して製造された中空シャフトに比べて機械的な強度として周方向に対する剛性が高まる。したがって、製品コストを低減し、かつ、ねじり剛性を高めることができる。
【0020】
請求項５の発明では、中間部が中実である場合に比べて重さをほぼ５０％（５２％）以下に減少させることができ、かつ、中間部の全部が中空である場合に比べてねじり剛性を増加させることができる。したがって、製品コストを低減し、かつ、ねじり剛性を高めることに加えて、より軽量化に資することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【0021】
【図1】本発明の一実施形態に係る中空シャフトの構成例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0022】
以下、本発明の中空シャフトおよびその製造方法の実施形態について図を参照して説明する。まず、本実施形態に係る中空シャフト１０の構成例を図１および図２に基づいて説明する。図１は、中空シャフト１０の構成例を示す説明図であり、一点鎖線で表した中心軸より上半分に外観、下半分に断面を図示している。図２は、中空シャフト１０を構成する中間部２０、一端部３０および他端部４０の各断面を図示している。
【0023】
＜中空シャフト１０の構成＞
図１に示すように、中空シャフト１０は、中間部２０と、この中間部２０の一端２２ａに接続される一端部３０と、中間部２０の他端２３ａに接続される他端部４０と、により構成されている。中空シャフト１０は、例えば、自動車のドライブシャフトとして用いられる。ドライブシャフトは、エンジンやモータ等の駆動源からプロペラシャフトやディファレンシャルギア等を介して伝達された駆動力を駆動輪に伝えるものである。
図１に示すように、中空シャフト１０は、中間部２０と、この中間部２０の一端２２ａに接続される一端部３０と、中間部２０の他端２３ａに接続される他端部４０と、により構成されている。中空シャフト１０は、例えば、自動車のドライブシャフトとして用いられる。ドライブシャフトは、エンジンやモータ等の駆動源からプロペラシャフトやディファレンシャルギア等を介して伝達された駆動力を駆動輪に伝えるものである。
【0024】
中間部２０は、円周壁を形成する外周壁２１を備えた円筒状部材であり、内部空間２７を有する中空部２２、内部空間２８を有する中空部２３およびこれらの内部空間２７，２８を軸方向に区画する壁部２５により構成されている。即ち、中間部２０は、壁部２５を中心に一端２２ａの方向に内部空間２７を備え、また他端２３ａの方向に内部空間２８を備えるように構成されている。
【0025】
図２(A)に示すように、中間部２０の中空部２２は、壁部２５の一端側２５ａに連続して形成されている。本実施例では、中間部２０の軸方向に沿って内周壁２２ｃが均一の薄い肉厚を有するとともに、平坦な底端２２ｂを有するカップ形状に形成されている。このカップ形状は、後述する鍛造工程により、その内部空間２７とほぼ同形状の円柱部を有するパンチ５５をワークＷに押圧することによって当該ワークＷがパンチ５５の後方に押し出されて（後方押出し）形成される（図３(B)等を参照のこと）。
【0026】
一方、中間部２０の中空部２３は、中空部２２の反対側、つまり壁部２５の他端側２５ｂに連続して形成されている。本実施形態では、中空部２２と同様に、中間部２０の軸方向に沿って内周壁２３ｃが均一の薄い肉厚を有するとともに、平坦な底端２３ｂを有するカップ形状に形成されている。このカップ形状は、後述する鍛造工程により、その内部空間２８とほぼ同形状の円柱部を有するカウンターパンチ５８に対してワークＷがパンチ５５により押圧されることによって当該ワークＷがパンチ５５の前方に押出しされて（前方押出し）形成される（図３(B)等を参照のこと）。
【0027】
本実施形態では、中空部２２に形成される内部空間２７と、中空部２３に形成される内部空間２８とは、内径および軸方向長さが同じ寸法形状に設定されている。そのため、中間部２０の軸方向ほぼ中央に中実の壁部２５が位置することから、中間部２０は、内部空間２７，２８を二つに区画する壁部２５を軸方向ほぼ中央に有する円筒状になる。なお、中間部２０は、例えば、軸方向長さＬが２００mm、外径Ｄが３０mm、肉厚ｔが３mm、内部空間２７，２８の軸方向長さが９０mm、内径が２４mm、壁部２５の厚さＴが２０mm、にそれぞれ設定されている。
【0028】
一端部３０は、中間部２０の一端２２ａに接続される円柱状部材であり、大径部３１と小径部３２とにより構成されている。本実施形態では、これらは段部３３を介して連続して形成されている。大径部３１は、中間部２０の一端２２ａと同じ外径でありかつ同じ内径の内部空間３８を備えている。大径部３１の一端３１ａは、後述するように、中間部２０の一端２２ａと摩擦圧接が可能になるように構成されており、これらは一本のパイプのように内部空間２７と内部空間３７が連通し得るように構成されている。
【0029】
即ち、大径部３１は、中間部２０の中空部２２と同様に、一端部３０の軸方向に沿って内周壁３１ｃが均一の薄い肉厚を有するとともに、平坦な底端３１ｂを有するカップ形状に形成されている。本実施形態では、大径部３１に形成される内部空間３７は、中空部２２に形成される内部空間２７に比べて軸方向長さが短く設定されている。
【0030】
小径部３２は、大径部３１よりも軸方向長さが長く、その大半が中実部３５で構成されている。段部３３の反対側にあたる小径部３２の他端３２ａには内部空間３８が形成されている。この内部空間３８は、例えば、軽量化のために設けられるものであり、必ずしも設ける必要はない。本実施形態では、大径部３１の内部空間３７よりも内径が小さくかつ軸方向長さも短く設定されている。つまり、小径部３２の他端３２ａには一端部３０の軸方向に沿って厚肉の内周壁３２ｃと平坦な底端３２ｂを有する凹形状に形成されている。
【0031】
本実施形態では、他端部４０は一端部３０と同形状に構成されている。一端部３０と他端部４０は同じものである。そのため、後述する鍛造工程では、これらは同じ加工装置６０により成形される。図面表現の便宜上、図１および図２においては、他端部４０には一端部３０と異なる符号が付してあるものの、一端部３０を構成する各部の符号の番号に１０を加えたものが他端部４０を構成する各部の符号に対応する。そのため、他端部４０の構成については説明を概ね省略する。
【0032】
大径部４１の一端４１ａは、中間部２０の他端２３ａと摩擦圧接が可能になるように構成されており、これらは一本のパイプのように内部空間２８と内部空間４７が連通し得るように構成されている。なお、図２(B)の断面図を紙面左右反転させたものが他端部４０の断面図になる。また、図２(C)の正面図を紙面左右反転させたものが一端部３０の正面図になる。したがって、図２(C)においては、同図の符号の番号から１０を引いたものが一端部３０を構成する各部の符号に対応する。
【0033】
次に、本実施形態に係る中空シャフト１０の製造方法を使用する加工装置５０，６０の構成例を図３および図４に基づいて説明する。これらの加工装置５０，６０は、いずれも鍛造工程で用いられるものである。加工装置５０は、前述した中間部２０を成形する場合に使用される成形装置であり、また加工装置６０は、前述した一端部３０や他端部４０を成形する場合に使用される成形装置である。
【0034】
＜加工装置５０の構成＞
図３(A)に示すように、加工装置５０は、主に、ダイ５１、パンチ５５、パンチホルダ５６、カウンターパンチ５８、リングスノックアウト５９等により構成されている。ダイ５１は、内部に成形空間等５２を有する金型である。本実施形態では、成形空間等５２は、ダイ５１の一端側５１ａから他端側５１ｂに向かって、ホルダ収容部５２ａ、段部５２ｃ、ワーク成形部５２ｂの順に構成されている。中間部２０の被成形材であるワークＷは、このうちのワーク成形部５２ｂにセットされる。
図３(A)に示すように、加工装置５０は、主に、ダイ５１、パンチ５５、パンチホルダ５６、カウンターパンチ５８、リングスノックアウト５９等により構成されている。ダイ５１は、内部に成形空間等５２を有する金型である。本実施形態では、成形空間等５２は、ダイ５１の一端側５１ａから他端側５１ｂに向かって、ホルダ収容部５２ａ、段部５２ｃ、ワーク成形部５２ｂの順に構成されている。中間部２０の被成形材であるワークＷは、このうちのワーク成形部５２ｂにセットされる。
【0035】
パンチ５５は、前述した中空部２２の内部空間２７の内径とほぼ同じ寸法の外径を有するとともに内部空間２７よりも軸方向長さが長い円柱部材である。パンチ５５は、その基端部５５ｂが固定ねじ５７を介してパンチホルダ５６に取り付けられており、パンチホルダ５６は、加圧力を加え得るプレス装置等に接続されている。
【0036】
より詳細には、パンチホルダ５６は、図略のプレス装置等に接続されるプレート部５６ａと、パンチ５５の基端部５５ｂの周囲を包み込むように覆うスリーブ部５６ｂとにより構成されている。ダイ５１のホルダ収容部５２ａは、このスリーブ部５６ｂを収容可能な内径寸法に設定されている。パンチホルダ５６は、押圧方向への移動がダイ５１の段部５２ｃにより制限される。そのため、先端部５５ａが所定位置に到達するとパンチ５５はそれ以上、押圧方向、つまり他端側５１ｂに移動することができない。
【0037】
パンチ５５の先端部５５ａは、パンチホルダ５６を介して図略のプレス装置等から加えられる加圧力によって、ワーク成形部５２ｂにセットされたワークＷの一方側Ｗａを押圧する。本実施形態では、ワーク成形部５２ｂは、パンチ５５の外径よりも大径の内径を有する。そのため、パンチ５５の外周壁とワーク成形部５２ｂの内周壁との間には、パンチ５５を囲むように形成される周囲空間Ｓａが形成される。
【0038】
このようなパンチ５５に対向する位置でカウンターパンチ５８がホルダ収容部５２ａ内に収容されている。カウンターパンチ５８は、その先端側５８ａがパンチ５５に対向するようにダイ５１の他端側５１ｂからワーク成形部５２ｂ内に収容されており、ワーク成形部５２ｂにセットされたワークＷの他方側Ｗｂに先端側５８ａが当接する。カウンターパンチ５８は、前述した中空部２３の内部空間２８の内径とほぼ同じ寸法の外径を有するとともに内部空間２８よりも軸方向長さが長い円柱部材である。
【0039】
本実施形態では、前述したように、内部空間２７と内部空間２８は、内径および軸方向長さが同じ寸法形状に設定されている。そのため、カウンターパンチ５８は、パンチ５５と同じ外径寸法を有することから、カウンターパンチ５８の外周壁とワーク成形部５２ｂの内周壁との間には、カウンターパンチ５８を囲むように形成される周囲空間Ｓｂが形成される。
【0040】
カウンターパンチ５８の基端側５８ｂには、後述するように、成形後においてワークＷをダイ５１の外に押し出すリングスノックアウト５９が設けられている。本実施形態では、リングスノックアウト５９は、カウンターパンチ５８の外周を取り囲むように構成される長尺の円筒体であり、その外径はワーク成形部５２ｂの内径よりも僅かに小径に設定されている。そのため、リングスノックアウト５９は、ワーク成形部５２ｂ内においてカウンターパンチ５８の周囲に形成される周囲空間Ｓｂ内に収容され得る。
【0041】
加工装置５０をこのように構成することによって、ダイ５１のワーク成形部５２ｂにセットされたワークＷは、次に説明する成形工程（鍛造工程）において加工されて中間部２０として成形される。なお、ワークＷは、例えば、炭素鋼、合金鋼、ステンレス鋼等の鋼（鉄）や非鉄金属からなり、中実線状のコイル材を所定寸法（ワーク成形部５２ｂに収容可能な外径および軸長）の棒状に切り出したものである。ワークＷは、コイル材ではなく、バー材（棒材）として供給されるものでよい。
【0042】
＜中間部２０の成形工程＞
図３(A)に示すように、パンチホルダ５６がプレス装置等に加圧されてパンチ５５がダイ５１の一端側５１ａから他端側５１ｂに向かって移動し始めると、ワーク成形部５２ｂにセットされたワークＷは、その一方側Ｗａがパンチ５５の先端部５５ａに押圧されて他端側５１ｂに移動しようとする。しかし、ワークＷの他方側Ｗｂには固定されたカウンターパンチ５８が存在することから、ワークＷの他端側５１ｂへの移動は阻止される。
図３(A)に示すように、パンチホルダ５６がプレス装置等に加圧されてパンチ５５がダイ５１の一端側５１ａから他端側５１ｂに向かって移動し始めると、ワーク成形部５２ｂにセットされたワークＷは、その一方側Ｗａがパンチ５５の先端部５５ａに押圧されて他端側５１ｂに移動しようとする。しかし、ワークＷの他方側Ｗｂには固定されたカウンターパンチ５８が存在することから、ワークＷの他端側５１ｂへの移動は阻止される。
【0043】
このため、図３(B)に示すように、パンチ５５が他端側５１ｂにさらに移動することで、ワークＷ’は、その一方側Ｗａ’にパンチ５５の先端部５５ａが押圧され続けることによって当該一方側Ｗａ’に塑性変形が生じてパンチ５５の周囲空間Ｓａ内に押し出される。つまり、一方側Ｗａ’の一部が先端部５５ａの後方に存在する周囲空間Ｓａ内に後方押出しされて円筒形状Ｗｃを形成する。
【0044】
また、他端側５１ｂへの移動がカウンターパンチ５８により阻止されているワークＷ’の他方側Ｗｂ’においても、カウンターパンチ５８の先端側５８ａに押圧され続けることによって、当該他方側Ｗｂ’に塑性変形が生じてカウンターパンチ５８の周囲空間Ｓｂ内に押し出される。つまり、他方側Ｗｂ’の一部が先端側５５ａの前方に存在する、カウンターパンチ５８の周囲空間Ｓｂ内に前方押出しされて円筒形状Ｗｄを形成する。
【0045】
パンチ５５の他端側５１ｂへの移動（押圧方向への移動）がさらに進むことによって、パンチ５５の周囲空間Ｓａ内に押し出される円筒形状Ｗｃはその軸長が増加し、またカウンターパンチ５８の周囲空間Ｓｂ内に押し出される円筒形状Ｗｄもその軸長が増加する。そして、図３(C)に示すように、ダイ５１の段部５２ｃにより制限される位置までパンチホルダ５６が他端側５１ｂに移動すると、パンチ５５による押圧が終了してワークＷ”の成形が完了する。
【0046】
これにより、パンチ５５の先端部５５ａが当接しているワークＷ”の一方側Ｗａ”が中間部２０の中空部２２の底端２２ｂとして形成され、またカウンターパンチ５８の先端側５８ａが当接しているワークＷ”の他方側Ｗｂ”が中間部２０の中空部２３の底端２３ｂとして形成される。また、パンチ５５の周囲空間Ｓａ内に押し出されて軸長がさらに増加した円筒形状Ｗｃ’は、均一の薄い肉厚を有する内周壁２２ｃとして形成され、カウンターパンチ５８の周囲空間Ｓｂ内に押し出されて軸長がさらに増加した円筒形状Ｗｄ’は、均一の薄い肉厚を有する内周壁２３ｃとして形成される。
【0047】
ワークＷ”の成形が完了すると、パンチホルダ５６は、成形済みのワークＷ”である中間部２０をダイ５１から取り出す際に、当該中間部２０に先端部５５ａが干渉しない位置までパンチ５５を退避させる。これとほぼ同時に、図３(D)に示すように、リングスノックアウト５９がダイ５１の一端側５１ａに移動することでその先端側５９ａが中間部２０の他端２３ａに当接しさらなる移動により当該中間部２０をダイ５１から外部に押し出す。これにより、ダイ５１から中間部２０が取り出される。なお、このようなリングスノックアウト５９の移動は、基端側５９ｂに接続されている図略の駆動機構により行われる。
【0048】
なお、このような中間部２０の成形工程は、特許請求の範囲に記載の「中間部成形工程」に相当し得るものである。
【0049】
＜加工装置６０の構成＞
次に、一端部３０や他端部４０を成形する加工装置６０の構成について説明する。本実施例では、前述したように、一端部３０と他端部４０は同形状に形成される。そのため、加工装置６０は、一端部３０および他端部４０のいずれも成形することが可能な成形装置であるが、ここでは、これらを代表して一端部３０を成形する場合を例示して説明する。
次に、一端部３０や他端部４０を成形する加工装置６０の構成について説明する。本実施例では、前述したように、一端部３０と他端部４０は同形状に形成される。そのため、加工装置６０は、一端部３０および他端部４０のいずれも成形することが可能な成形装置であるが、ここでは、これらを代表して一端部３０を成形する場合を例示して説明する。
【0050】
図４(A)に示すように、加工装置６０は、主に、ダイ６１、パンチ６５、パンチホルダ６６、カウンターパンチ６８、リングスノックアウト６９等により構成されている。ダイ６１は、内部に成形空間等６２を有する金型である。本実施形態では、成形空間等６２は、ダイ６１の一端側６１ａから他端側６１ｂに向かって、ホルダ収容部６２ａ、段部６２ｄ、ワーク成形大径部６２ｂ、肩部６２ｅ、ワーク成形小径部６２ｃの順に構成されている。一端部３０の被成形材であるワークＸは、ワーク成形大径部６２ｂとワーク成形小径部６２ｃの両方にセットされる。
【0051】
このように加工装置６０は前述した加工装置５０と構成が似ている。そのため、ここでは、加工装置５０に対して構成が異なる点について主に説明し、構成が同じである点は説明を省略する。なお、加工装置６０を構成する各部のうち、加工装置５０と構成が同じであるものについては、各部の符号の番号から１０を引いたものが加工装置５０を構成する各部の符号に対応する。例えば、加工装置５０のパンチホルダ５６と同様に構成される加工装置６０のパンチホルダには「６６」が付されている。
【0052】
加工装置６０は、加工装置５０に比べて、ダイ６１の成形空間６２、カウンターパンチ６８やリングスノックアウト６９の形状が異なる。成形空間６２の形状は、加工装置６０により成形される一端部３０や他端部４０が段部３３、４３を有するために異なる。より具体的には、ワークＸがセットされるワーク成形部において、当該ワークＸに段部３３を成形する必要から、ワーク成形大径部６２ｂとワーク成形小径部６２ｃの間に肩部６２ｅが介在している点が加工装置５０のワーク成形部５２ｂと異なる。ワークＸの径方向長さは、ワーク成形小径部６２ｃの内径よりもわずかに小さく、ワーク成形大径部６２ｂの内径よりもやや小さく設定されている。そのため、ワーク成形大径部６２ｂにおいてはワークＸの一方側Ｘａの周囲に隙間が形成される。
【0053】
また、カウンターパンチ６８の形状は、一端部３０や他端部４０の他端３２ａ，４２ａに形成される内部空間３８，４８が一端３１ａ，４１ａに形成される内部空間３７，４７よりも内径が小さいため、径方向長さが小さく、つまり細くなっている。リングスノックアウト６９の形状が異なるのは、カウンターパンチ６８が細くなったことに伴うものであり、長尺の円筒体の肉厚が厚くなっている。なお、一端部３０や他端部４０の一端３１ａ，４１ａに形成される内部空間３７，４７は、中間部２０の一端２２ａに形成される内部空間２７と同じ内径を有する。そのため、加工装置６０のパンチ６５は、加工装置５０のパンチ５５と同様に構成される。
【0054】
このように加工装置６０を構成することによって、ダイ６１のワーク成形大径部６２ｂおよびワーク成形小径部６２ｃにセットされたワークＸは、次に説明する成形工程（鍛造工程）において加工されて一端部３０や他端部４０として成形される。ワークＸの材質や供給形状は、ワークＷと同様である。
【0055】
＜一端部３０の成形工程＞
図４(A)に示すように、パンチホルダ６６がプレス装置等に加圧されてパンチ６５がダイ６１の一端側６１ａから他端側６１ｂに向かって移動し始めると、ワーク成形大径部６２ｂ等にセットされたワークＸは、その一方側Ｘａがパンチ６５の先端部６５ａに押圧されて他端側６１ｂに移動しようとする。しかし、ワークＸの他方側Ｘｂには固定されたカウンターパンチ６８が存在することから、ワークＸの他端側６１ｂへの移動は阻止される。
図４(A)に示すように、パンチホルダ６６がプレス装置等に加圧されてパンチ６５がダイ６１の一端側６１ａから他端側６１ｂに向かって移動し始めると、ワーク成形大径部６２ｂ等にセットされたワークＸは、その一方側Ｘａがパンチ６５の先端部６５ａに押圧されて他端側６１ｂに移動しようとする。しかし、ワークＸの他方側Ｘｂには固定されたカウンターパンチ６８が存在することから、ワークＸの他端側６１ｂへの移動は阻止される。
【0056】
このため、図４(B)に示すように、パンチ６５が他端側６１ｂにさらに移動することで、ワークＸ’は、その一方側Ｘａ’にパンチ６５の先端部６５ａが押圧され続けることによって当該一方側Ｘａ’に塑性変形が生じる。これにより、ワーク成形大径部６２ｂ内において形成されていた一方側Ｘａの周囲の隙間を、一方側Ｘａ’の一部が埋めるとともに成形後に段部３３になる段形状Ｘｃを形成し、さらにそれらに伴い新たに形成されるパンチ６５の周囲空間Ｐａ内に一方側Ｘａ’の一部が押し出される。つまり、一方側Ｘａ’の一部が先端部６５ａの後方に存在する周囲空間Ｐａ内に後方押出しされて円筒形状Ｘｅを形成する。
【0057】
また、他端側６１ｂへの移動がカウンターパンチ６８により阻止されているワークＸ’の他方側Ｘｂ’においても、カウンターパンチ６８の先端側６８ａに押圧され続けることによって、当該他方側Ｘｂ’に塑性変形が生じてカウンターパンチ６８の周囲空間Ｐｂ内に押し出される。つまり、他方側Ｘｂ’の一部が先端側６５ａの前方に存在する、カウンターパンチ６８の周囲空間Ｐｂ内に前方押出しされて円筒形状Ｘｄを形成する。
【0058】
パンチ６５の他端側６１ｂへの移動（押圧方向への移動）がさらに進むことによって、パンチ６５の周囲空間Ｐａ内に押し出される円筒形状Ｘｃはその軸長が増加する。そして、図４(C)に示すように、所定位置までパンチホルダ６６が他端側６１ｂに移動すると、パンチ６５による押圧が終了してワークＸ”の成形が完了する。
【0059】
これにより、パンチ６５の先端部６５ａが当接しているワークＸ”の一方側Ｘａ”が一端部３０の大径部３１の底端３１ｂとして形成され、またカウンターパンチ６８の先端側６８ａが当接しているワークＸ”の他方側Ｘｂ”が一端部３０の小径部３２の底端３２ｂとして形成される。また、パンチ６５の周囲空間Ｐａ内に押し出されて軸長がさらに増加した円筒形状Ｘｅ’は、均一の薄い肉厚を有する内周壁３１ｃとして形成され、カウンターパンチ６８の周囲空間Ｐｂ内に押し出された円筒形状Ｘｄ’は、均一の厚い肉厚を有する内周壁３２ｃとして形成される。
【0060】
ワークＸ”の成形が完了すると、パンチホルダ６６は、成形済みのワークＸ”である一端部３０をダイ６１から取り出す際に、当該一端部３０に先端部６５ａが干渉しない位置までパンチ６５を退避させる。これとほぼ同時に、図４(D)に示すように、リングスノックアウト６９がダイ６１の一端側６１ａに移動することでその先端側６９ａが一端部３０の他端３２ａに当接しさらなる移動により当該一端部３０をダイ６１から外部に押し出す。これにより、ダイ６１から一端部３０が取り出される。なお、このようなリングスノックアウト６９の移動は、基端側６９ｂに接続されている図略の駆動機構により行われる。
【0061】
前述したように、加工装置６０は、一端部３０および他端部４０のいずれも成形することが可能な成形装置である。そのため、このような一端部３０の成形工程は、他端部４０の成形工程でもある。なお、一端部３０の成形工程は、特許請求の範囲に記載の「一端部成形工程」や「端部成形工程」に相当し、また他端部４０の成形工程は、特許請求の範囲に記載の「他端部成形工程」に相当し得るものである。
【0062】
加工装置５０により成形された中間部２０と、加工装置６０に成形された一端部３０や他端部４０は、次の接続工程において一体に接続される。本実施形態では、例えば、摩擦圧接により接続される。中間部２０の一端２２ａに一端部３０の一端３１ａを接続したり、他端２３ａに他端部４０の一端４１ａを接続したりする際において、それぞれの軸を一致させる軸芯だしが容易になるためである。このような軸芯だしの容易よりも設備の簡素化等を重視する場合には、例えば、これらを溶接により接続してもよい。
【0063】
このように中空シャフト１０を構成することによって、中間部２０内には内部空間２７，２８が形成されることから、中実のシャフトに比べて中空シャフト１０の重量を削減することが可能になる。例えば、図５(A)に示すように、中間部２０において、軸方向長さ（全長）Ｌ、外径Ｄ、肉厚ｔ、壁部２５の厚さＴとし、かつ、単位体積あたりの重量を１に設定した場合には、当該中間部２０の重量Ｙは次式(1)により求められる。
【0064】
Ｙ ＝ ((Ｄ／２)2×π×Ｌ)－((Ｄ／２)－ｔ)2×π×(Ｌ－Ｔ) … (1)
この式(1)において、第１項は、中間部２０を内部空間のない中実で構成した場合の重量Ｚ（＝(Ｄ／２)2×π×Ｌ）であり、また第２項は、内部空間２７，２８を中実で構成した場合の重量である。
この式(1)において、第１項は、中間部２０を内部空間のない中実で構成した場合の重量Ｚ（＝(Ｄ／２)2×π×Ｌ）であり、また第２項は、内部空間２７，２８を中実で構成した場合の重量である。
【0065】
このため、中間部２０を中実で構成した場合の重量Ｚに対する中間部２０の重量Ｙの比率、つまり重量比率(％)は、(Ｙ／Ｚ)×１００により求めることができることから、この重量比率(％)を縦軸にし、中間部２０の全長Ｌに対する壁部２５の厚さＴの比率(％)（＝(Ｔ／Ｌ)×１００）を横軸にして、次の４つの条件（条件１～３）についてそれぞれプロットして図５(A)に示す特性図を得た。
【0066】
[条件１]（プロット●印）：中間部２０の全長Ｌ＝２００mm、外径Ｄ＝３０mm、肉厚ｔ＝２mm、壁部２５の厚さＴ＝０mm，１０mm，２０mm，６０mm，１００mm，２００mm
[条件２]（プロット×印）：中間部２０の全長Ｌ＝２００mm、外径Ｄ＝３０mm、肉厚ｔ＝３mm、壁部２５の厚さＴ＝０mm，１０mm，２０mm，６０mm，１００mm，２００mm
[条件３]（プロット■印）：中間部２０の全長Ｌ＝２００mm、外径Ｄ＝３０mm、肉厚ｔ＝４mm、壁部２５の厚さＴ＝０mm，１０mm，２０mm，６０mm，１００mm，２００mm
なお、壁部２５の厚さＴ＝０mmは、壁部２５のない全部が中空のパイプである。
[条件２]（プロット×印）：中間部２０の全長Ｌ＝２００mm、外径Ｄ＝３０mm、肉厚ｔ＝３mm、壁部２５の厚さＴ＝０mm，１０mm，２０mm，６０mm，１００mm，２００mm
[条件３]（プロット■印）：中間部２０の全長Ｌ＝２００mm、外径Ｄ＝３０mm、肉厚ｔ＝４mm、壁部２５の厚さＴ＝０mm，１０mm，２０mm，６０mm，１００mm，２００mm
なお、壁部２５の厚さＴ＝０mmは、壁部２５のない全部が中空のパイプである。
【0067】
これにより、上記の条件１では、壁部２５の厚さＴの比率が１０％以下である場合に重量比率が約２５～３２％になることがわかった。また、条件２では、壁部２５の厚さＴの比率が１０％以下である場合に重量比率が約３７～４２％になり、条件３では、壁部２５の厚さＴの比率が１０％以下である場合に重量比率が約４７～５２％になることがそれぞれ確認できた。したがって、中間部２０の全長Ｌに対する壁部２５の厚さＴの比率が１０％以下である場合（中間部２０の軽量化を重視する場合）には、中実である場合に比べて重さをほぼ５０％（５２％）以下に減少可能であることが理解できる。
【0068】
また、上記の条件１～３のそれぞれにおいて本願発明者らが行った計算機シミュレーションによって中間部２０の軸周りのねじり剛性を確認した。そして、そのシミュレーション結果に基づいて、中間部２０の全長Ｌに対する壁部２５の厚さＴの比率(％)（＝(Ｔ／Ｌ)×１００）に対して、中間部２０のねじり剛性の増加率(％)をそれぞれプロットしたところ、図５(B)に示すような特性図が得られた。これにより、上記の条件１～３のいずれにおいても壁部２５の厚さＴの比率が１０％以下である場合には、壁部２５のない全部が中空のパイプである場合に比べて軸周りのねじり剛性が約２～７％増加することが確認できた。なお、「中間部２０のねじり剛性の増加率」とは、壁部２５のない全部が中空のパイプのねじり剛性に対する中間部２０のねじり剛性の増加率(％)のことである。
【0069】
中間部２０の肉厚ｔは、条件１（●印）＜条件２（×印）＜条件３（■印）の順番に厚くなることから、中間部２０の肉厚ｔが薄いほど壁部２５の影響が大きく、ねじり剛性の増加率が高まることがわかる。また、中間部２０の肉厚ｔが厚いほど壁部２５の影響が小さくなり、壁部２５の存在意義が薄れてしまうことがわかる。図５(B)から、ねじり剛性の増加率は、壁部２５の厚さＴの比率が５０％前後になるまでは、ほぼ壁部２５の厚さＴに比例して増加するが、それを超えると増加割合が減少することがわかる。この増加割合の減少は、中間部２０の肉厚ｔが厚いほど顕著に現れることが同図から理解できる。
【0070】
即ち、図５(B)に示す特性図から、中間部２０は、その内部空間２７，２８に壁部２５を備えることによって、当該中間部２０の肉厚ｔが薄いほど「ねじり剛性を高める効果」が得られるものの、その厚さＴが当該中間部２０の全長Ｌに対して５０％前後を超えると「ねじり剛性を高める効果」が低下し始めることがわかる。そして、このような効果の低下は、中間部２０の肉厚ｔが厚いほど顕著になることがわかった（条件３（■印））。
【0071】
これらの特性図から、中間部２０の軽量化を重視する場合には、例えば、中間部２０の全長Ｌに対する壁部２５の厚さＴの比率を１０％以下（例えば１～１０％）に設定することによって、重量比率を約２５～５２％に抑えることが可能になり（図５(A)参照）、ねじり剛性の増加率を約２～７％（５％前後）に高めることが可能になる（図５(B)参照）。
【0072】
また、中間部２０の軽量化よりもねじり剛性の増加を重視する場合には、例えば、中間部２０の全長Ｌに対する壁部２５の厚さＴの比率を５０％前後（例えば４５～５５％）に設定することによって、ねじり剛性の増加率を約１４～３２％に高めることが可能になる（図５(B)参照）。ただし、この場合には、重量比率が約６０～７６％になることから、中実のシャフトよりも約２４～４０％の削減にとどまる（図５(A)参照）。
【0073】
さらに、中間部２０の軽量化とねじり剛性の増加の両方を重視する場合においては、例えば、中間部２０の全長Ｌに対する壁部２５の厚さＴの比率を３０％前後（例えば２５～３５％）に設定することによって、重量比率を約４５～６５％（５５％前後）に抑えることが可能になり（図５(A)参照）、ねじり剛性の増加率を約７．５～１８％（１２％前後）に高めることが可能になる（図５(B)参照）。
【0074】
以上説明したように、本実施形態の中空シャフト１０は、中間部２０、一端部３０および他端部４０を備える。中間部２０は、内部空間２７，２８を二つに区画する壁部２５を軸方向ほぼ中央に有する円筒状である。一端部３０は、中間部２０の一端２２ａ側の内部空間２７の内径と同径の内部空間３７を一端３１ａに有するとともに、この内部空間３７よりも小径の内部空間３８を他端３１ｂに有し、一端３１ａが中間部２０の一端２２ａに接続される。他端部４０は、中間部２０の他端２３ａ側の内部空間２８の内径と同径の内部空間４７を一端４１ａに有するとともに、この内部空間４７よりも小径の内部空間４８を他端４１ｂに有し、一端４１ａが中間部２０の他端２３ａに接続される。中空シャフト１０は、中間部２０に内部空間２７，２８が存在しながらもその軸方向ほぼ中央に内部空間２７，２８を二分する壁部２５を有する。
【0075】
このような壁部２５を有する中間部２０は、例えば、中実線状のコイル材から切り出した棒材や丸棒等のワークＷに対して加工装置５０により、ワークＷの一方側Ｗａと他方側Ｗｂにそれぞれ内部空間２７，２８を形成することによって成形することが可能である。また一端部３０や他端部４０についても、例えば、同様にコイル材から切り出した棒材や丸棒等のワークＸに対して加工装置６０により、ワークＸの一方側Ｘａに内部空間３７を形成し、ワークＸの他方側Ｘｂに内部空間３８を形成することによって成形することが可能である。これにより、パイプ材に比べて材料コストが安価な中実線状のコイル材（棒材、丸棒）を当該中空シャフト１０の被成形材にすることが可能になる。また、当該中空シャフト１０は、中間部２０が軸方向ほぼ中央に壁部２５を有するため、このような壁部２５を有しないパイプ材を絞り加工等して製造された中空シャフトに比べて、機械的な強度として周方向に対する剛性が高まる。したがって、製品コストを低減し、かつ、ねじれに対する剛性も高めることができる。
【0076】
中空シャフト１０の中間部２０は、加工装置５０による中間部成形工程によって、同径の円柱部をそれぞれ有するパンチ５５とカウンターパンチ５８の間に位置するワークＷに対して第１パンチを押圧することにより内部空間２７，２８を二つに区画する壁部２５が軸方向ほぼ中央に形成される。また、中空シャフト１０の一端部３０や他端部４０は、加工装置６０による端部成形工程によって、パンチ５５と同径の円柱部を有するパンチ６５とこのパンチ６５の円柱部よりも小径の異径円柱部を有するカウンターパンチ６８との間に位置するワークＸに対して第２パンチを押圧することにより、中間部２０の一端２２ａや他端２３ａに接続可能な一端３１ａ，４１ａ、これらの一端３１ａ，４１ａに内部空間３７，４７や、他端３２ａ，４２ａに内部空間３８，４８を形成する。そして、接続工程では、中間部２０の一端２２ａと一端部３０の一端３１ａとを接続し、中間部２０の他端２３ａと他端部４０の一端４１ａとを接続する。したがって、製品コストを低減し、かつ、ねじれに対する剛性も高めることができる。
【0077】
なお、上述した実施形態では、中間部２０として、壁部２５が当該中間部２０の軸方向ほぼ中央に位置する場合を例示して説明したが、本発明の中空シャフトを構成する中間部はこれに限られることはなく、中間部２０の一端２２ａまたは他端２３ａのいずれかに片寄るように壁部２５を位置させてもよい。例えば、中間部２０内において、一端２２ａに近づいた位置に壁部２５を設けたり、他端２３ａに近づいた位置に壁部２５を設けたりしてもよい。
【0078】
また、上述した実施形態では、中間部２０として、一端２２ａの中空部２２と他端２３ａの中空部２３を同じ形状で構成する場合を例示して説明したが、本発明の中空シャフトを構成する中間部はこれに限られることはなく、一端２２ａの中空部２２と他端２３ａの中空部２３を異なる形状で構成してもよい。例えば、一端２２ａよりも他端２３ａを大径にしたり軸方向長さを長く設定したり、また逆に一端２２ａよりも他端２３ａを小径にしたり軸方向長さを短く設定したりしてもよい。
【0079】
さらに、上述した実施形態では、中空シャフト１０を自動車のドライブシャフトに適用する場合を例示して説明したが、本発明の中空シャフトはこれに限られることはなく、例えば、自動車のプロペラシャフトやモータのシャフト、航空機、船舶、ロボット等を構成する棒状部材に適用してもよい。
【0080】
なお、上述した実施形態においては、中間部２０の一端２２ａに一端部３０を接続し他端２３ａに他端部４０を接続する構成を有する中空シャフト１０を例示して説明したが、一端部３０や他端部４０を接続することのない中間部２０を単体で使用してもよい。例えば、中間部２０自体を、ドライブシャフト、プロペラシャフトやトーションバー等の棒状部材に用いてもよい。トーションバーは、棒体をその軸を中心に周方向にねじる場合に生じる反発力を利用したばね部材であり、ねじり棒、ねじりばね、ねじり棒ばね、とも呼ばれるものである。
【0081】
前述したように、中間部２０は、軸方向長さＬ、外径Ｄ、肉厚ｔ、壁部２５の厚さ（壁厚さ）Ｔのうち、軸方向長さＬに対する壁厚さＴの比（Ｔ／Ｌ）を変動させることによってねじり剛性を制御することが可能である。そのため、例えば、トーションバーのように、中間部２０が軸周りにねじれることを前提にした棒状部材として機能させる場合においては、軸方向長さＬに対する壁厚さＴの比（Ｔ／Ｌ）を変更することによって、ねじれ角（ねじれ変形角）を任意に設定することが可能になる。したがって、中実の棒材を用いたトーションバー等では任意のねじり角を設定することが困難な場合があっても、上述した中間部２０のような構成を採用することにより、中実の棒材でトーションバー等を構成する場合に比べて任意のねじれ角（ねじれ変形角）を容易に得ることができる。
【0082】
上述した中間部２０を、トーションバー等の軸周りにねじれることを前提にした棒状部材として用いる場合の構成を技術的思想の創作として把握すると、例えば「軸方向に延びる内部空間を有する棒状部材であって、前記軸方向ほぼ中央に前記内部空間を二つに区画する壁部を有する、ことを特徴とする棒状部材。」のように表現することができる。
【0083】
また、トーションバー等のように、軸周りにねじれることを前提にした棒状部材を製造する方法は「軸方向に延びる内部空間を有する棒状部材の製造方法であって、円柱部をそれぞれ有する第１パンチと第１カウンターパンチの間に位置するワークに対して前記第１パンチを押圧することにより、前記軸方向ほぼ中央に前記内部空間を二つに区画する壁部を形成する、ことを特徴とする棒状部材の製造方法。」のように表現することができる。
【0084】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、上述した具体例を様々に変形または変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。さらに、本明細書または図面に例示した技術は、複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つ。なお、[符号の説明]の欄における括弧内の記載は、上述した各実施形態で用いた用語と、特許請求の範囲に記載の用語との対応関係を明示し得るものである。
【符号の説明】
【0085】
１０…中空シャフト
２０…中間部
２２，２３…中空部
２２ａ…一端（中間部の一端）
２３ａ…他端（中間部の他端）
２５…壁部
２７，２８…内部空間
３０…一端部
３１，４１…大径部
３１ａ，４１ａ…一端（一端側）
３２，４２…小径部
３２ａ，４２ａ…他端（他端側）
３３，４３…段部
３５，４５…中実部
３７，４７…内部空間（端部空間）
３８，４８…内部空間（異径空間）
４０…他端部
５０，６０…加工装置
５１，６１…ダイ
５２，６２…成形空間等
５５…パンチ（第１パンチ）
５６，６６…パンチホルダ
５８…カウンターパンチ（第１カウンターパンチ）
５９，６９…リングスノックアウト
６５…パンチ（第２パンチ、第３パンチ）
６８…カウンターパンチ（第２カウンターパンチ、第３カウンターパンチ）
Ｗ…ワーク（中間部ワーク）
Ｘ…ワーク（一端部ワーク、他端部ワーク、端部ワーク）
２０…中間部
２２，２３…中空部
２２ａ…一端（中間部の一端）
２３ａ…他端（中間部の他端）
２５…壁部
２７，２８…内部空間
３０…一端部
３１，４１…大径部
３１ａ，４１ａ…一端（一端側）
３２，４２…小径部
３２ａ，４２ａ…他端（他端側）
３３，４３…段部
３５，４５…中実部
３７，４７…内部空間（端部空間）
３８，４８…内部空間（異径空間）
４０…他端部
５０，６０…加工装置
５１，６１…ダイ
５２，６２…成形空間等
５５…パンチ（第１パンチ）
５６，６６…パンチホルダ
５８…カウンターパンチ（第１カウンターパンチ）
５９，６９…リングスノックアウト
６５…パンチ（第２パンチ、第３パンチ）
６８…カウンターパンチ（第２カウンターパンチ、第３カウンターパンチ）
Ｗ…ワーク（中間部ワーク）
Ｘ…ワーク（一端部ワーク、他端部ワーク、端部ワーク）
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】