JP2003237396A - Frp製プロペラシャフト - Google Patents

Frp製プロペラシャフト

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JP2003237396A
JP2003237396A JP2002043213A JP2002043213A JP2003237396A JP 2003237396 A JP2003237396 A JP 2003237396A JP 2002043213 A JP2002043213 A JP 2002043213A JP 2002043213 A JP2002043213 A JP 2002043213A JP 2003237396 A JP2003237396 A JP 2003237396A
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tooth
serration
frp
propeller shaft
frp pipe
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Yasunori Nonogaki
保紀 野々垣
Kouya Suzuki
航也 鈴木
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Toyota Industries Corp
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    • F16C3/02Shafts; Axles
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 FRP製パイプへのセレーションの圧入を容
易に行うことができ、かつFRP製パイプとセレーショ
ンとの間のねじりトルクを確保することができるFRP
製プロペラシャフトを提供する。 【解決手段】 FRP製プロペラシャフトは、FRP製
パイプ12と、その両端部内面12bに圧入接合された金属
製のヨークとを備えている。ヨークの接合部13aには、
FRP製パイプ12の端部内面12bにその軸方向に延びる
溝12cを刻設可能な多数の歯14aを有するセレーション
14が形成されている。セレーション14の歯14aは周方向
に一定ピッチPで形成され、その断面形状は三角形状を
成している。セレーション14は各歯14aの頂角θが60
°で、かつ隣接する歯14aの歯面14bの成す角度φが頂
角θとほぼ同じに形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、FRP製パイプの
端部に、該FRP製パイプの端部内面にその軸方向に延
びる溝を刻設可能な多数の歯を有するセレーションを備
えた金属製部材が接合されたFRP製プロペラシャフト
に関するものである。
【0002】
【従来の技術】車両のエンジンで発生する回転動力を車
両の駆動輪に伝達するプロペラシャフトは、一般に金属
製シャフト部材の両端に、駆動軸や従動軸と連結する金
属製の自在継手(ユニバーサルジョイント)のヨークを
溶接したもの(以下、金属製プロペラシャフトという)
が使用されている。
【0003】近年、車両の軽量化を図るために各構造部
材のさらなる軽量化が要求され、プロペラシャフトにお
いても繊維強化プラスチック(FRP)製のものに切り
替えることによる軽量化が図られている。図5(a)に
示すように、このようなFRP製プロペラシャフト51
は、FRP製パイプ52の両端に、FRP製パイプ52
を駆動軸や従動軸等(図示せず)と連結する金属製の継
手(ヨーク)53を圧入接合した構造となっている(例
えば、特開2000−120649号公報)。
【0004】継手53にはFRP製パイプ52との接合
部となる外周面に、FRP製パイプ52の端部内径より
大きな外径のセレーション54が形成されている。そし
て、FRP製パイプ52に継手53の接合部を圧入する
ことで、継手53のセレーション54の歯によって、F
RP製パイプ52の内周面に溝が刻設され、歯が溝に食
い込むことで継手53とFRP製パイプ52とが一体回
転するための接合強度が確保される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】従来の継手53では、
セレーション54の歯54aの頂角θが90°前後であ
る。ここで、頂角θとは、図5(b)に示すように、一
つの歯54aの歯面を示す線Lsが成す角度を意味す
る。頂角θが大きいと、セレーション54をFRP製パ
イプ52に圧入する際に高い圧入力が必要となり、FR
P製パイプ52の割れが発生したり、圧入能力の大きな
圧入設備が必要となる(生産コスト増)等の問題があ
る。また、セレーション54の歯54aの先端形状を尖
った形状にするのは難しく、歯54aは先端が台形状あ
るいは円弧面となるように形成されている。そのため、
頂角θが90°前後であると、セレーション54の圧入
時にFRP製パイプ52が、セレーション54の歯54
aによって外周側に押されて拡径し易くなり、歯54a
によって十分深い溝が刻設されず、歯54aのFRP製
パイプ52の内面への食い込みが不十分になる場合があ
った。その結果、FRP製パイプ52と継手53との接
合強度が不十分になるという問題があった。
【0006】FRP製パイプに接合されるヨーク(継
手)の接合部に必要とされることは、必要な伝達トルク
(ねじりトルク)を確保することと、圧入時にFRP製
パイプに過大な圧入力が作用するのを抑制することであ
る。そのため、圧入力をできるだけ小さくする必要があ
る。しかし、ヨークのFRP製パイプに対するトルク伝
達は、歯54aのFRP製パイプ52への食い込み量だ
けによるものではなく、セレーション54がFRP製パ
イプ52を拡張して圧入されたことによる反力としての
締め付け力も大きな役割を果たしている。従って、頂角
θをあまり小さくした場合は、FRP製パイプ52があ
まり拡張されず、締め付け力が不足して必要な伝達トル
クを確保できない。また、頂角θがあまり小さいと、必
要な強度を確保できない。
【0007】また、最近の自動車設計においては、衝突
時において過大な衝撃を発生させず、エアバック等の各
種安全装置の作動に時間的な余裕を与えるため、衝突時
に発生する大きな衝撃をプロペラシャフトの軸方向の圧
縮変形又は破壊によって緩やかに吸収させる技術が提案
されている。その方法としては、衝突時においてプロペ
ラシャフトに対して軸方向に発生する衝撃力が所定値を
超えたとき、ヨークがその衝撃力によってFRP製パイ
プ内に更に圧入されてプロペラシャフトを軸方向圧縮変
形又は破壊させるという方法がある。この場合も、小さ
な圧入力でヨークがFRP製パイプ内に圧入されること
が好ましい。
【0008】本発明は、前記の問題点に鑑みてなされた
ものであって、その目的はFRP製パイプへのセレーシ
ョンの圧入を容易に行うことができ、かつFRP製パイ
プとセレーションとの間のねじりトルクを確保すること
ができるFRP製プロペラシャフトを提供することにあ
る。
【0009】
【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め、請求項1に記載の発明では、FRP製パイプの端部
に、該FRP製パイプの端部内面にその軸方向に延びる
溝を刻設可能な複数の歯を有するセレーションを備えた
金属製部材が接合されたFRP製プロペラシャフトであ
る。前記セレーションは、各歯の頂角が45°〜75°
に形成されている。
【0010】この発明では、金属製部材のセレーション
をFRP製パイプの端部に圧入する際の圧入力を小さく
でき、しかも、接合後のFRP製パイプに対するねじり
トルクを確保することができる。
【0011】請求項2に記載の発明では、請求項1に記
載の発明において、前記セレーションは、各歯の頂角が
45°〜75°で、かつ隣接する歯の対向する歯面の成
す角度が頂角とほぼ同じに形成されている。ほぼ同じと
は0〜5°の差の範囲にあることを意味する。この発明
でも、金属製部材のセレーションをFRP製パイプの端
部に圧入する際の圧入力を小さくでき、しかも、接合後
のFRP製パイプに対するねじりトルクを確保すること
ができる。
【0012】請求項3に記載の発明では、請求項1に記
載の発明において、前記セレーションは、各歯の歯丈
(h)と、歯の根元の幅(W)との比(h/W)の値
が、0.63〜1.16で歯の先端歯厚が0.05±
0.02mmに形成されている。この発明の場合も金属
製部材のセレーションをFRP製パイプの端部に圧入す
る際の圧入力を小さくでき、しかも、接合後のFRP製
パイプに対するねじりトルクを確保することができる。
【0013】請求項4に記載の発明では、請求項1又は
請求項2に記載の発明において、前記セレーションは、
歯の先端歯厚が0.1mm以下に形成されている。この
発明では、圧入力を小さくするとともに食い込み量を適
切な値とするのが容易となる。
【0014】請求項5に記載の発明では、請求項1〜請
求項4のいずれか一項に記載の発明において、前記セレ
ーションは、前記歯の前記FRP製パイプの端部内面に
対する食い込み量が歯丈の1/5以下となるように形成
されている。この発明では、金属製部材のセレーション
を圧入する際に、FRP製パイプに過大な拡張力が作用
し難くなる。
【0015】請求項6に記載の発明では、請求項1〜請
求項5のいずれか一項に記載の発明において、前記セレ
ーションは、外径が70mm〜75mm、歯数が142
〜145に形成されている。この発明でも、金属製部材
のセレーションを圧入する際に、FRP製パイプに過大
な拡張力が作用し難くなる。
【0016】請求項7に記載の発明では、請求項1〜請
求項6のいずれか一項に記載の発明において、前記金属
製部材は金属製の継手である。この発明では、金属製の
継手において、各請求項に対応した作用効果が得られ
る。
【0017】
【発明の実施の形態】以下、本発明を具体化した一実施
の形態を図1〜図3に基づいて説明する。なお、図1は
FRP製プロペラシャフトの模式断面図、図2はヨーク
の半分を破断した側面図、図3(a)はセレーションの
拡大部分模式正面図、図3(b)はセレーションとFR
P製パイプとの接合部の拡大部分模式断面図を示す。
【0018】図1に示すように、FRP製プロペラシャ
フト(以下、単にプロペラシャフトと呼ぶ)11は、F
RP製パイプ12と、その両端部(片側のみ図示)の内
面に圧入接合された金属製部材としての金属製のヨーク
(継手)13とを備えている。ヨーク13は、FRP製
パイプ12の端部に圧入接合される接合部13aと、プ
ロペラシャフトを車両の駆動軸等と連結するための自在
継手(例えば十字軸式ジョイント)に連結する継手部1
3bとを有し、継手部13bには、自在継手を取り付け
るための孔13c(図2に図示)が形成されている。F
RP製パイプ12とヨーク13とは、ヨーク13の接合
部13aがFRP製パイプ12の端部の結合部12aに
圧入されることで接合されている。
【0019】FRP製パイプ12は、ヨーク13との結
合部12aが肉厚に形成されている。FRP製パイプ1
2はフィラメントワインディング法(FW法)によって
作製され、強化繊維としては炭素繊維が使用され、マト
リックス樹脂としてはエポキシ樹脂が使用されている。
そして、樹脂含浸繊維をマンドレル(芯材)に巻き付け
て筒体に成形した後、繊維に含浸された樹脂を熱硬化さ
せ、その後、マンドレルを抜き取ることによってFRP
製パイプ12が作製される。
【0020】接合部13aにはその外周面に、軸方向と
平行に延びる歯14aを有するセレーション14が形成
されている。セレーション14は、FRP製パイプ12
の端部内面12bにその軸方向に延びる溝12c(図3
(b)に図示)を刻設可能な多数の歯14aを有する。
図3(a)に示すように、セレーション14の歯14a
は周方向に一定ピッチPで形成され、その断面形状は三
角形状を成している。セレーション14は、各歯14a
の頂角θが60°で、かつ隣接する歯14aの歯面14
bの成す角度φが頂角θとほぼ同じ(=0〜5°の差)
に形成されている。この実施の形態では隣接する歯14
aはその基端同士が連続する状態、即ち鋸歯状に形成さ
れている。
【0021】セレーション14は、外径が70mm〜7
5mmの所定の値(この実施の形態では71mm)に、
歯数が142〜145の所定の数(この実施の形態では
144)に形成されている。また、セレーション14
は、隣接する歯14aの歯面14bを示す線Lsの交点
Cからセレーション14の外径線Ldまでの距離Hが
0.9mm〜1.8mmの所定の値(この実施の形態で
は1.25mm)に形成されている。この実施の形態で
は歯丈hが距離Hと同じに形成されている。
【0022】セレーション14は、歯14aの先端歯厚
(歯先端の幅)Tが0.1mm以下(この実施の形態で
は0.05mm)に形成され、歯の根元の幅Wは1.5
mmに形成されている。また、プロペラシャフト11
は、セレーション14の歯14aのFRP製パイプ12
の端部内面12bに対する食い込み量が歯丈hの1/5
以下(この実施の形態では0.15mm)となるように
形成されている。なお、図3(b)では分かりやすくす
るため、食い込み量を過大に図示している。
【0023】ヨーク13のセレーション14は、例えば
トッピングホブを使用して加工される。トッピングホブ
を使用することにより、通常のホブを使用する場合と異
なり、歯14aの頂部(歯先)の加工が可能となり、歯
先を狭く加工できる。
【0024】次に前記のように構成されたヨーク13の
作用を説明する。FRP製パイプ12とヨーク13とを
接合する際は、FRP製パイプ12を治具で固定し、F
RP製パイプ12とヨーク13とを芯出しした状態で、
工具を用いてFRP製パイプ12の端部にセレーション
14を圧入する。セレーション14が圧入されるとき、
歯14aがFRP製パイプ12の内周面に軸方向に延び
る溝12cを刻設しながら、セレーション14がFRP
製パイプ12内に進入する。そして、セレーション14
の歯14aが溝12cにしっかり食い込み、FRP製パ
イプ12とヨーク13とが高い強度で接合される。FR
P製パイプ12の両端部にヨーク13が接合されてプロ
ペラシャフト11が完成する。
【0025】従来のように、セレーション14の歯14
aの頂角θを90°前後とした場合は、セレーション1
4をFRP製パイプ12に圧入する際の圧入力が大きく
なる。しかし、歯14aの頂角θを60°にするととも
に、隣接する歯14aの歯面14bの成す角度φが頂角
θとほぼ同じになるように形成することにより、圧入力
を小さくでき、しかも、接合後のFRP製パイプ12に
対するヨーク13のねじりトルクを確保することができ
た。
【0026】頂角θ、歯丈hを変更したセレーション1
4を備えたヨーク13を作製し、圧入力及び接合後のF
RP製パイプ12に対するねじりトルクを調べた結果、
頂角θが45°〜75°の範囲では、圧入力及びねじり
トルクに関して満足できる結果が得られた。頂角θが4
5°より小さくなると、歯14aの強度を確保するのが
難しくなり、頂角θが75°より大きくなると大きな圧
入力が必要になった。頂角θが45°の場合、歯丈hは
1.7mmで、歯の根元の幅Wは頂角θが60°の場合
より若干小さくなった。また、頂角θが75°の場合、
歯丈hは0.95mmで、歯の根元の幅Wは頂角θが6
0°の場合より若干大きくなった。
【0027】この実施の形態では以下の効果を有する。 (1) プロペラシャフト11は、FRP製パイプ12
の端部に、該FRP製パイプ12の端部内面12bにそ
の軸方向に延びる溝12cを刻設可能な多数の歯14a
を有するセレーション14を備えた金属製のヨーク13
が接合されて形成されている。そして、各歯14aの頂
角θが45°〜75°に形成されている。従って、ヨー
ク13のセレーション14をFRP製パイプ12の端部
に圧入する際の圧入力を小さくでき、しかも、接合後の
FRP製パイプ12に対するねじりトルクを確保するこ
とができる。
【0028】(2) セレーション14は、各歯14a
の頂角θが45°〜75°で、かつ隣接する歯14aの
歯面14bの成す角度φが頂角θとほぼ同じに形成され
ている。従って、ヨーク13のセレーション14をFR
P製パイプ12の端部に圧入する際の圧入力を小さくで
き、しかも、接合後のFRP製パイプ12に対するねじ
りトルクを確保することができる。
【0029】(3) セレーション14は、歯14aの
FRP製パイプ12の端部内面12bに対する食い込み
量が歯丈hの1/5以下となるように形成されている。
従って、ヨーク13のセレーション14をFRP製パイ
プ12に圧入する際に、FRP製パイプ12に過大な拡
張力が作用し難くなる。
【0030】(4) セレーション14は、外径が70
mm〜75mmであることに対して、歯数が142〜1
45に形成されているため、セレーション14を圧入す
る際に、FRP製パイプ12に過大な拡張力が作用し難
くなる。
【0031】(5) セレーション14は、隣接する歯
14aの歯面14bを示す線Lsの交点Cからセレーシ
ョン14の外径線Ldまでの距離Hが0.9mm〜1.
8mmに形成されている。従って、セレーション14の
加工が容易になる。
【0032】(6) セレーション14は、歯14aの
先端歯厚Tが0.1mm以下(0.05mm)に形成さ
れているため、圧入力を小さくするとともに食い込み量
を適切な値とするのが容易となる。
【0033】(7) セレーション14は、歯14aの
先端歯厚(歯先端の幅)Tが0.1mm以下(この実施
の形態では0.05mm)に形成され、かつ歯の根元の
幅Wは1.5mmに形成されている。従って、鋸歯状の
セレーション14において、FRP製パイプ12の端部
に圧入する際の圧入力を小さくでき、しかも、接合後の
FRP製パイプ12に対するねじりトルクを確保するの
が容易となる。
【0034】なお、実施の形態は前記に限定されるもの
ではなく、例えば、次のように変更してもよい。 ○ 隣接する歯14aはその基端同士が連続せず、図4
に示すように、所定の間隔を保つように形成されてもよ
い。隣接する歯14aの対向する歯面14bの成す角度
φは頂角θとほぼ同じに形成される。この場合も、歯1
4aが鋸歯状の場合と同様な効果が得られる。
【0035】○ 歯14aの形状は、歯面14bを示す
線Lsが直線状に限らず、歯14aの基端側において歯
面14bを示す線Lsが曲線となる形状としてもよい。
この場合、頂角θは線Lsの直線部の成す角度となる。
【0036】○ 歯14aの形状は、歯面14bを示す
線Lsが直線状に限らず、全体が曲線、例えばインボリ
ュート曲線となる形状としてもよい。各歯14aの歯丈
hと、歯の根元の幅Wとの比(h/W)の値を0.63
〜1.16で、歯の先端歯厚を0.05±0.02mm
に形成すれば、この場合でもセレーション14をFRP
製パイプ12の端部に圧入する際の圧入力を小さくで
き、接合後の前記ねじりトルクを確保することができ
る。各歯14aの歯面14bが平面であれば、比(h/
W)の値が1.16で各歯14aの頂角θがほぼ45°
となり、比(h/W)の値が0.63で各歯14aの頂
角θがほぼ75°となる。
【0037】○ 歯14aの根元の外側における歯面1
4bを円弧面となるように形成してもよい。また、角度
φは頂角θとほぼ同じに形成しなくてもよい。 〇 ヨーク13は接合部13a及び継手部13bが一体
に形成されたものにセレーション14を加工して形成し
たものに限らず、接合部13aと継手部13bとを別々
に形成し、セレーション14を加工した接合部13aに
対して、継手部13bを溶接や摩擦圧接で溶着してもよ
い。この場合、継手部13bとして既存の金属製プロペ
ラシャフトの製造に使用される部品を流用でき、製造コ
ストを低減できる。
【0038】〇 接合部13a及び継手部13bを溶着
してヨーク13を形成する構成において、接合部13a
をFRP製パイプ12に圧入した後、継手部13bを溶
接してもよい。
【0039】〇 セレーション14の歯14aの食い込
み代を歯丈の1/5よりも大きくしてもよい。歯14a
の頂角θが45°に近い場合は、食い込み代を歯丈の1
/5より大きくしても、圧入抵抗が支障を来すほど大き
くならず、ねじりトルクを確保できる。
【0040】○ 継手部13bが加工された金属パイプ
の切削加工により、セレーション14を形成する製造方
法に限らず、例えば鍛造(冷間、熱間)でセレーション
14を形成するようにしてもよい。
【0041】○ ヨーク13に限らず、セレーションが
形成された金属製部材としての金属製のシャフトをFR
P製パイプ12に圧入してもよい。 ○ FRP製パイプ12の形状は全体を円筒状とするも
のに限定されず、両端部を円筒状とし、中間部を多角形
筒状としてもよい。
【0042】○ FRP製パイプ12の製造方法はフィ
ラメントワインディング法に限定されない。例えばシー
トワインディング法を採用することもできる。FRP製
パイプ12がプロペラシャフトの部品として使用される
ときに必要な特性を満足できるようにFRP製パイプ1
2を製造できれば、製造方法は特に限定されないが、フ
ィラメントワインディング法が好ましい。
【0043】○ FRP製パイプ12の材料であるFR
Pは、強化繊維として炭素繊維を、マトリックス樹脂と
してエポキシ樹脂を使用したものに限らない。例えば、
強化繊維として、アラミド繊維、ガラス繊維等の一般に
高弾性・高強度といわれるその他の繊維を採用したり、
マトリックス樹脂として、不飽和ポリエステル樹脂、フ
ェノール樹脂、ポリイミド樹脂等のその他の熱硬化性樹
脂を採用してもよい。
【0044】○ FRPのマトリックス樹脂が熱硬化樹
脂であることに限定されない。例えば紫外線硬化樹脂や
熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂として使用することも
できる。
【0045】前記実施の形態から把握できる発明(技術
的思想)について、以下に記載する。 (1) 請求項1〜請求項7のいずれか一項に記載の発
明において、前記各歯の頂角が50°〜70°に形成さ
れている。
【0046】(2) 請求項1〜請求項7のいずれか一
項に記載の発明において、前記各歯の頂角が55°〜6
5°に形成されている。(3) 請求項1又は請求項2
に記載の発明において、前記歯の先端歯厚が0.05±
0.02mmである。
【0047】(4) 請求項1〜請求項7のいずれか一
項に記載の発明において、前記セレーションは、隣接す
る歯の対向する歯面を示す線の交点からセレーションの
外径線までの距離が0.9mm〜1.8mmに形成され
ている。
【0048】
【発明の効果】以上詳述したように請求項1〜請求項7
に記載の発明によれば、FRP製パイプへのセレーショ
ンの圧入を容易に行うことができ、かつFRP製パイプ
とセレーションとの間のねじりトルクを確保することが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 一実施の形態のFRP製プロペラシャフトの
模式部分断面図。
【図2】 ヨークの半分を破断した側面図。
【図3】 (a)はセレーションの拡大部分模式正面
図、(b)はセレーションとFRP製パイプとの接合部
の拡大部分模式断面図。
【図4】 別の実施の形態のセレーションの部分拡大模
式正面図。
【図5】 (a)は従来技術のFRP製プロペラシャフ
トの模式断面図、(b)はセレーションの歯の頂角を説
明する模式図。
【符号の説明】
φ…角度、θ…頂角、C…交点、h…歯丈、H…距離、
T…先端歯厚、Ld…外径線、Ls…線、11…FRP
製プロペラシャフト、12…FRP製パイプ、12b…
端部内面、12c…溝、13…金属製部材としてのヨー
ク、14…セレーション、14a…歯、14b…歯面。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 3D042 AA06 AA07 AB01 DA05 DA09 DA12 DA15 3J033 AA01 AB01 BA07 BC10

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 FRP製パイプの端部に、該FRP製パ
    イプの端部内面にその軸方向に延びる溝を刻設可能な複
    数の歯を有するセレーションを備えた金属製部材が接合
    されたFRP製プロペラシャフトであって、前記セレー
    ションは、各歯の頂角が45°〜75°に形成されてい
    るFRP製プロペラシャフト。
  2. 【請求項2】 前記セレーションは、各歯の頂角が45
    °〜75°で、かつ隣接する歯の対向する歯面の成す角
    度が頂角とほぼ同じに形成されている請求項1に記載の
    FRP製プロペラシャフト。
  3. 【請求項3】 前記セレーションは、各歯の歯丈(h)
    と、歯の根元の幅(W)との比(h/W)の値が、0.
    63〜1.16で歯の先端歯厚が0.05±0.02m
    mに形成されている請求項1に記載のFRP製プロペラ
    シャフト。
  4. 【請求項4】 前記セレーションは、歯の先端歯厚が
    0.1mm以下に形成されている請求項1又は請求項2
    に記載のFRP製プロペラシャフト。
  5. 【請求項5】 前記セレーションは、前記歯の前記FR
    P製パイプの端部内面に対する食い込み量が歯丈の1/
    5以下となるように形成されている請求項1〜請求項4
    のいずれか一項に記載のFRP製プロペラシャフト。
  6. 【請求項6】 前記セレーションは、外径が70mm〜
    75mm、歯数が142〜145に形成されている請求
    項1〜請求項5のいずれか一項に記載のFRP製プロペ
    ラシャフト。
  7. 【請求項7】 前記金属製部材は金属製の継手である請
    求項1〜請求項6のいずれか一項に記載のFRP製プロ
    ペラシャフト。
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