JP2004293717A - 動力伝達シャフト - Google Patents

Abstract

【課題】ＦＲＰ製の筒部材の内面と、端部部材の外周面との接合面におけるトルクの伝達が良好となり、シール材を設ける必要がない動力伝達シャフトを提供する。
【解決手段】ＦＲＰ製の筒部材１２の両端に端部部材１３，１４が結合されているプロペラシャフト１１である。端部部材１３，１４の筒部材１２との結合部分における外周面にセレーション１６が形成され、筒部材１２の強化繊維は複数の層を構成するように外周面において端部部材１３，１４に巻き付けられ、かつ最内層にヘリカル巻層が設けられている。ヘリカル巻層を構成する繊維束はセレーション１６により端部部材１３，１４に対する周方向への相対移動が規制されるとともに全長にわたって連続している。端部部材１３，１４の繊維束被巻付け部１３ａ，１４ａの外周面と、筒部材１２の内面との間に隙間がない状態で筒部材１２と端部部材１３，１４とが結合されている。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、繊維強化プラスチック（以下、ＦＲＰとも記載する）製の筒部材の両端に端部部材が結合された動力伝達シャフトに関する。
【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ＦＲＰ製のものに切り替えることによる軽量化が検討され、一部実施されている。図８（ａ）に示すように、ＦＲＰ製プロペラシャフト５１として、ＦＲＰ製パイプ５２の両端（片側のみ図示）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のものが一般的である（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
継手５３にはＦＲＰ製パイプ５２との接合部となる外周面に、図８（ｂ）に示すように、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、ＦＲＰ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。図８（ｃ）に示すように、継手５３はＦＲＰ製パイプ５２の内面とセレーション５４の溝の底部との間に隙間が存在する状態でＦＲＰ製パイプ５２に結合されている。
【０００５】
また、図９（ａ）に示すように、外側端に中心軸５５を突設した端部金具５６を両端にそれぞれ嵌着した薄肉円筒５７を使用してフィラメントワインディング法により製造する方法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。この製造方法では、図９（ｂ）に示すように、樹脂が含浸された炭素繊維５８を端部金具５６から薄肉円筒５７にかけて連続して巻き付けて樹脂含浸炭素繊維層を形成し、そのまま硬化成形した後、必要により中心軸５５を除去してプロペラシャフトを製造する。
【０００６】
また、ＦＲＰ製の内側軸部材の両端に、端面部の中心から軸部が突出する金属製継手部材を嵌合させ、前記内側軸部材及び前記金属製継手部材の筒状部にフィラメントワインディング法により樹脂被覆した繊維束を巻き付けて製造する方法も提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平５−１３９１７０号公報（明細書の段落［００１４］、［００１８］、［００２０］、図１、図２）
【特許文献２】
特開昭５５−１１８８３１号公報（２頁、図３、図４）
【特許文献３】
特開昭５９−５０２１６号公報（２，３頁、図２）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１に開示されたＦＲＰ製プロペラシャフト５１のように、ＦＲＰ製パイプ５２に継手５３を圧入する構成では、ＦＲＰ製パイプ５２の内面とセレーション５４の溝の底部との間に隙間が存在する。従って、隙間がない場合に比較してＦＲＰ製パイプ５２とセレーション５４との間の接合面積が小さくなる。また、ＦＲＰ製パイプ５２の内面とセレーション５４の溝の底部との間に隙間が存在するため、ＦＲＰ製パイプ５２の端面から水分が侵入するのを防止するためシールに手間がかかっていた。
【０００９】
一方、特許文献２に開示されたプロペラシャフトでは、継手５３に相当する端部金具５６をＦＲＰ製パイプに圧入する工程が不要なため、シール工程が不要となる。しかし、特許文献２に開示されたプロペラシャフトでは、端部金具５６の外周面は平坦なため、端部金具５６の外周面とＦＲＰ製のパイプとの接合面の間のトルクの伝達が不十分となる。また、端部金具５６に中心軸５５が必須のため、孔を有する一対の支持部を備えたヨークタイプの継手５３（特許文献１に開示されたもの）を設けることができない。その結果、プロペラシャフトをドライブシャフトと連結するユニバーサルジョイントに一般的な十字軸でなく特別な構造のものが必要となるという問題がある。
【００１０】
また、特許文献３に開示された製造方法においても、金属製継手部材の外周面は平坦に形成されているため、その外周面とその外側に形成されたＦＲＰとの接合面の間のトルクの伝達が不十分となる。
【００１１】
本発明の目的は、ＦＲＰ製の筒部材の両端に端部部材が結合された動力伝達シャフトにおいて、ＦＲＰ製の筒部材の内面と端部部材の外周面との接合面におけるトルクの伝達が良好となり、シール材を設ける必要のない動力伝達シャフトを提供することにある。
【００１２】
【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に記載の発明は、繊維強化プラスチック製の筒部材の両端に端部部材が結合された動力伝達シャフトである。前記端部部材は、前記筒部材との結合部分における外周面に係止部が形成され、前記外周面と前記筒部材の内面との間に隙間がない状態で前記筒部材と前記端部部材とが結合されている。従って、この発明では、端部部材の外周面とＦＲＰ製の筒部材の内面との間に隙間がなく、前記外周面に係止部が存在するため、ＦＲＰ製の筒部材の内面と端部部材の外周面との接合面におけるトルクの伝達が良好となる。また、シール材を設ける必要がない。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記筒部材の強化繊維は繊維束で構成され、前記係止部は規則的に配列された複数の凸部で構成され、最内層は前記繊維束が前記凸部に案内された状態で配列されて構成されている。この発明では、最内層を構成する繊維束が同一層において交差する配列状態でも、互いに平行となる配列状態のいずれであっても端部部材と筒部材との結合が良好になされる。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記筒部材のヘリカル巻層を構成する繊維束は、同一層内において交差するように配列されている。この発明の動力伝達シャフトは、同時に１〜３本の繊維束の巻付けを行うことができる一般のフィラメントワインディング装置を使用して形成できる。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記係止部は前記端部部材の軸方向に平行に延びるセレーションで構成され、前記筒部材の強化繊維は繊維束で構成され、最内層を構成する繊維束は少なくとも一部が前記セレーションにより切断されている。この発明の動力伝達シャフトは、端部部材として従来使用されているセレーションを備えたものを使用することができる。例えば、動力伝達シャフトを製造する際、熱硬化性樹脂をセレーションに塗布した状態で圧入し、その後に硬化させることにより、セレーションの溝内に充填された樹脂は筒部材と一体化される。そして、端部部材の外周面と筒部材の内面との間に隙間がない状態で筒部材と端部部材とが結合された状態となる。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記筒部材を構成する繊維束のうちヘリカル巻で配列された繊維束は同一層において互いに平行に配列されている。この発明の動力伝達シャフトは、ヘリカル巻層を形成する際、１層分の繊維束を同時に巻き付けることが可能なため、巻き付け時間の短縮が可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を動力伝達シャフトとしてのプロペラシャフトに具体化した一実施の形態を図１〜図５に従って説明する。図１（ａ）はプロペラシャフトの一部破断模式側面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線における模式断面図である。
【００１８】
図１（ａ）に示すように、プロペラシャフト１１は、ＦＲＰ製の筒部材１２と、その第１端部に結合された第１の端部部材１３と、第２端部に結合された第２の端部部材１４と、筒部材１２の内側で第１及び第２の端部部材１３，１４間に配置された筒状の被巻付け部材１５とを備えている。被巻付け部材１５には紙製の円筒が使用されている。第１の端部部材１３には自在継手を構成する継手としての金属製のヨークが使用され、第２の端部部材１４には金属製の滑り継手が使用されている。筒部材１２は、第１及び第２の端部部材１３，１４との結合部分１２ａが肉厚に形成されている。
【００１９】
第１の端部部材１３及び第２の端部部材１４は、筒部材１２との結合部分となる円筒状の繊維束被巻付け部１３ａ，１４ａを備え、その外周面には係止部としてのセレーション１６が形成されている。筒部材１２の強化繊維は複数の層を構成するように巻き付けられた繊維束からなり、最内層にヘリカル巻層が設けられている。筒部材１２と第１及び第２の端部部材１３，１４とは、繊維束被巻付け部１３ａ，１４ａの外周面と、筒部材１２の内面との間に隙間がない状態で結合されている。
【００２０】
繊維束は同一層においては互いに平行に配列されており、セレーション１６はその歯が繊維束の配列方向に沿って延びるように形成されている。最内層のヘリカル巻層を構成する繊維束は、セレーション１６により端部部材１３，１４に対する周方向への相対移動が規制されるとともに筒部材１２の全長にわたって連続している。即ち、セレーション１６が形成された端部部材をＦＲＰ製のパイプに後から圧入する構成と異なり、セレーション１６と係合する繊維束が切断されていない。
【００２１】
セレーション１６の歯は、最内層のヘリカル巻層を構成する繊維束が第１及び第２の端部部材１３，１４の軸方向と成す角度（配列角度）に等しい角度で、第１及び第２の端部部材１３，１４の軸方向に対して延びるように形成されている。また、セレーション１６の歯の高さ、即ち溝の深さは１層分の繊維束の厚さとほぼ同じに形成されている。
【００２２】
第１の端部部材１３は、繊維束被巻付け部１３ａの一端側に継手部１３ｂが突設され、他端側に繊維束被巻付け部１３ａより小径の嵌合筒部１３ｃが突設されている。継手部１３ｂには、例えば十字軸式ジョイントを取り付けるための孔１３ｄが形成されている。第２の端部部材１４は、繊維束被巻付け部１４ａの一端側にシャフト状の継手部１４ｂが突設され、他端側に繊維束被巻付け部１４ａより小径の嵌合筒部１４ｃが突設されている。シャフト状の継手部１４ｂには、筒部材１２をフィラメントワインディング法で形成する際に使用する治具の固定に使用するねじ穴１４ｄが先端に形成されている。第１及び第２の端部部材１３，１４の繊維束被巻付け部１３ａ，１４ａと、継手部１３ｂ，１４ｂとの間には、環状溝１７が形成されている。環状溝１７はバランスピース（図示せず）を溶接する必要がある場合に、該バランスピースが外側に突出しない幅及び深さに形成されている。なお、以後、フィラメントワインディングをＦＷと略す。
【００２３】
被巻付け部材１５はその端部が嵌合筒部１３ｃ，１４ｃの外周に嵌合された状態で第１及び第２の端部部材１３，１４に連結されている。被巻付け部材１５は紙製（例えば、ボール紙製）で円筒状に形成されている。被巻付け部材１５は筒部材１２をＦＷ法で形成する際に、樹脂含浸繊維束が巻き付けられても所定の円筒形状を保つ強度があればよく、プロペラシャフト１１が使用される際のトルク伝達に寄与する強度を有する必要はない。
【００２４】
筒部材１２はＦＷ法によって形成され、強化繊維としては炭素繊維のロービングが使用される。ロービングとは細い単繊維のフィラメントを多数本束ねた実質無撚りの繊維束を意味する。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。
【００２５】
筒部材１２は主にヘリカル巻層で構成されているが、結合部分１２ａ及びその近くにはフープ巻層が形成されている。また、筒部材１２の最外層には炭素繊維束ではなく、ポリエステル糸が全長にわたってフープ巻で巻き付けられている。図１（ｂ）に示すように、第１の端部部材１３と筒部材１２との結合部分の構成は、繊維束被巻付け部１３ａと接触する最内層側から順に、ヘリカル巻層１８ａ、フープ巻層１８ｂ、ヘリカル巻層１８ｃ、ポリエステル糸層１８ｄが設けられた構成となる。
【００２６】
次に前記のように構成されたプロペラシャフト１１の製造方法を説明する。図２は第１の端部部材１３、第２の端部部材１４、被巻付け部材１５及び治具２０の関係を示す模式分解斜視図であり、図３は第１の端部部材１３、第２の端部部材１４、被巻付け部材１５及び治具２０が組み付けられた状態の一部破断模式断面図である。
【００２７】
プロペラシャフト１１を製造する際は、マンドレルを使用せずに、治具２０を使用して第１及び第２の端部部材１３，１４が両端に結合された被巻付け部材１５をＦＷ装置に支持してＦＷが行われる。
【００２８】
図２に示すように、治具２０は、各端部部材１３，１４の樹脂含浸繊維束が密着して巻き付けられる部分を除いた部分を覆うとともに、ＦＷ時に樹脂含浸繊維束の一部が巻き付けられる筒状のカバー部２１を備えている。カバー部２１は一端側が小径に形成され、ＦＷ装置の回転支持部に支持可能な軸部２２がカバー部２１の小径側の端部に連続して一体的に形成されている。カバー部２１の周面にはピン２３が一定ピッチで周方向に沿って環状に設けられている。
【００２９】
また、第１の端部部材１３に組み付けられる治具２０は、第１の端部部材１３を軸部２２と被巻付け部材１５の回転中心とが同軸となる状態で支持可能で、軸部２２と一体回転可能な支持部２４を備えている。支持部２４は、一端側に端部部材１３に取り外し可能に固定される固定部としてのＴ字状部２４ａが設けられたシャフトで構成され、他端側に雄ねじ部２４ｂが形成されている。そして、Ｔ字状部２４ａが孔１３ｄに挿通された状態で、軸部２２から突出した雄ねじ部２４ｂに螺合されるナット２６が締め付けられることにより、軸部２２の端部に一体に形成された座金部２７を介して軸部２２に固定されるようになっている。図３に示すように、治具２０はカバー部２１の端部内面が、継手部１３ｂの段部に嵌合されて、治具２０の芯出しが行われるようになっている。
【００３０】
第２の端部部材１４の支持部に組み付けられる治具２０は、第２の端部部材１４を軸部２２と被巻付け部材１５の回転中心とが同軸となる状態で支持可能で、軸部２２と一体回転可能な支持部としてのボルト２５を備えている。ボルト２５は先端部に雄ねじ２５ａが設けられ、雄ねじ２５ａが端部部材１４に取り外し可能に固定される固定部を構成する。ボルト２５は雄ねじ２５ａがねじ穴１４ｄに螺合される状態で締め付けられることにより、軸部２２の端部に一体に形成された座金部２７を介して軸部２２に固定されるようになっている。図３に示すように、治具２０はカバー部２１の端部内面が、継手部１４ｂの基端の段部に嵌合されて、治具２０の芯出しが行われるようになっている。
【００３１】
両端に第１及び第２の端部部材１３，１４がそれぞれ連結された被巻付け部材１５にＦＷを行う場合は、先ず第１及び第２の端部部材１３，１４にそれぞれ治具２０を組み付ける。第１の端部部材１３に治具２０を組み付ける際は、支持部２４のＴ字状部２４ａを孔１３ｄに挿通した後、支持部２４をカバー部２１の大径部側から軸部２２に挿通する。そして、軸部２２から突出した雄ねじ部２４ｂにナット２６を螺合させて締め付けることにより、軸部２２の端面とナット２６との間に介装された座金部２７を介して軸部２２を第１の端部部材１３側に押圧し、支持部２４を介して治具２０が第１の端部部材１３に組み付けられる。
【００３２】
第２の端部部材１４に治具２０を組み付ける際は、カバー部２１を第２の端部部材１４の継手部１４ｂ側を覆うように第２の端部部材１４に当接させ、ボルト２５を座金部２７に挿通して軸部２２側からカバー部２１に挿通する。そして、雄ねじ２５ａを第２の端部部材１４のねじ穴１４ｄに螺合させて締め付けることにより、軸部２２の端面とボルト２５の頭部との間に介装された座金部２７を介して軸部２２を第２の端部部材１４側に押圧し、ボルト２５を介して治具２０が第２の端部部材１４に組み付けられる。そして、図３に示すように、被巻付け部材１５、第１の端部部材１３、第２の端部部材１４及び治具２０が組み付けられると、ＦＷ装置の一組のチャック間に支持される被繊維束巻付け部材２８を構成する。
【００３３】
ＦＷ装置は、本願出願人が先に出願した特開２００２−２８３４６７号公報に開示された装置に開示されたものと同様な巻付けヘッド（ヘリカル巻用ヘッド及びフープ巻用ヘッド）を備えている。図４は巻き付けヘッドの要部模式図であり、ヘリカル巻用ヘッドのみが図示されている。
【００３４】
巻付けヘッド３０は、被繊維束巻付け部材２８に貫通される孔を有する支持板３１を備えている。ヘリカル巻用ヘッドの支持板３１には、複数本の繊維束を同時に被繊維束巻付け部材２８に対してヘリカル巻で巻付け可能とするため、図４に示すように複数のガイド３２が被繊維束巻付け部材２８の周方向に沿って配列された状態で設けられている。この実施の形態では２８本の繊維束を案内可能にそれぞれ２８個の大小２種のガイド３２が２個の同心円上に配列されている。フープ巻部を備えたフープ巻用ヘッドは、繊維束Ｒを被繊維束巻付け部材２８に対して２本同時にフープ巻で巻付け可能とするためのガイドを備えている。ヘリカル巻用ヘッドとフープ巻用ヘッドとは一体的な移動と、独立した状態での移動とが可能に構成されている。そして、数本の繊維束Ｒを同時に被繊維束巻付け部材２８に対してヘリカル巻で巻付け可能となり、ヘリカル巻用ヘッドが被繊維束巻付け部材２８に沿って一回往動又は復動することで被繊維束巻付け部材２８の全周面に亘って繊維束Ｒがヘリカル巻で巻き付けられる。
【００３５】
ＦＷ装置はマンドレルや芯材あるいはタンクを製造する場合のライナ等の被繊維束巻付け部材を回転可能に支持する一組の回転支持部材としてのチャックを備えている。巻付けヘッド３０はベースプレート上に設けられたレール３３上をチャックに支持された被繊維束巻付け部材２８に沿って、図示しない駆動手段により移動可能となっている。チャックは可変速モータにより回転駆動され、制御装置の指令によってチャックが巻付けヘッド３０の移動速度と同期した状態で回転駆動される。そして、図示しない繊維束供給部から樹脂含浸装置を経て供給される繊維束Ｒを、被繊維束巻付け部材２８に対する巻付け角度を任意の角度に設定して被繊維束巻付け部材２８に巻き付けることができるようになっている。
【００３６】
ＦＷに先立って、作業者により被繊維束巻付け部材２８がＦＷ装置のチャックに支持される。次に作業者は、繊維束供給部から繊維束Ｒを引き出し、開繊機構、樹脂含浸槽、張力調整部等を経て巻付けヘッド３０に導き、巻付けヘッド３０のガイド３２に挿通した後、繊維束Ｒの端部をカバー部２１の所定位置に固定する。繊維束Ｒの端部の固定作業は作業者が手作業で行い、例えば粘着テープを使用して行われる。
【００３７】
また、作業者は、被繊維束巻付け部材２８の回転速度、巻付けヘッド３０の巻付け時の往復移動幅等の巻付け条件を制御装置に入力する。繊維束Ｒとして炭素繊維のロービングが使用される。ロービングとは細い単繊維のフィラメントを多数本束ねた実質無撚りの繊維束を意味する。
【００３８】
次にＦＷ装置による繊維束Ｒの巻付け運転が開始される。ＦＷ装置が駆動されると、被繊維束巻付け部材２８が一定方向に回転され、巻付けヘッド３０が被繊維束巻付け部材２８の長手方向に沿って往復移動される。繊維束Ｒは少なくとも最内層となる一層目がヘリカル巻層を形成するように、被繊維束巻付け部材２８の軸方向となす角度（巻付け角度）が所定の角度となるように巻き付けられる。巻付け角度は製品のＦＲＰパイプに要求される、曲げ、ねじり、振動等の特性を満足する所定の値（例えば、１０〜１５°）に設定される。そして、この巻付け角度がセレーション１６の歯の延びる方向と軸方向との成す角度と同じため、繊維束Ｒはセレーション１６の溝内に配列されるように巻き付けられる。また、繊維束Ｒはカバー部２１に設けられたピン２３の間を通過するように巻き付けられ、ピン２３によってカバー部２１の周方向への移動が規制された状態で巻き付けられる。
【００３９】
ヘリカル巻層が所定層（例えば４層）形成された後、第１及び第２の端部部材１３，１４と対応する部分及び被巻付け部材１５の第１及び第２の端部部材１３，１４の近傍部に、繊維束Ｒの巻付け角度がほぼ９０°に近い状態で巻き付けられる所謂フープ巻層が所定層（例えば１層）形成される。その後、再びヘリカル巻層が所定層（例えば２層）形成された段階で樹脂が含浸された繊維束Ｒの巻き付けが完了する。次にポリエステル糸がフープ巻で巻き付けられる。ポリエステル糸が巻き付けられる際に、内側に巻き付けられている繊維束Ｒに含浸されている樹脂の一部が染み出しポリエステル糸の表面が樹脂で被覆された状態となる。
【００４０】
ポリエステル糸の巻付けが完了した後、被繊維束巻付け部材２８上に形成された成形体３４の両端部を、ピン２３の突設位置より繊維束被巻付け部１３ａ，１４ａ寄りの治具２０の表面と対向する位置でそれぞれ切断する。第１の端部部材１３側の切断位置は、例えば、図５にＡで示す位置となり、第２の端部部材１４側の切断位置も同様な位置になる。そして、繊維束供給部に繋がる繊維束Ｒから成形体３４が切り離された後、被繊維束巻付け部材２８がＦＷ装置のチャックから取り外され、成形体３４の未硬化の段階で、前記切断位置より軸部２２側に巻き付けられた樹脂含浸繊維束が除去される。
【００４１】
その後、被繊維束巻付け部材２８が成形体３４と共に加熱炉に入れられ、所定温度で樹脂が硬化される。硬化温度は樹脂により異なるが、例えばエポキシ樹脂の場合は１８０℃程度である。加熱硬化後、成形体３４が繊維束被巻付け部１３ａ，１４ａと、カバー部２１の先端との間に対応する位置、この実施の形態では環状溝１７と対応する位置で切断される。図５に示すように、切断はカッター３５により行われる。次に両治具２０が取り外された後、回転バランスの検査が行われる。回転バランスが悪い場合は、バランスピースを第１及び第２の端部部材１３，１４の少なくとも一方に溶接して、バランス調整処理がなされて、筒部材１２の端部に第１及び第２の端部部材１３，１４が結合されたプロペラシャフト１１が完成する。
【００４２】
治具２０を取り外す場合、第１の端部部材１３側では、ナット２６を緩めて支持部２４から取り外し、次にカバー部２１を取り外し、最後にＴ字状部２４ａを孔１３ｄから取り外す。第２の端部部材１４側では、ボルト２５の雄ねじ２５ａと第２の端部部材１４のねじ穴１４ｄとの螺合を解除した後、カバー部２１を取り外すことで治具２０の除去が完了する。
【００４３】
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製の筒部材１２の両端に結合された第１及び第２の端部部材１３，１４の筒部材１２との結合部分における外周面に係止部が形成され、前記外周面と筒部材１２の内面とが密着している。即ち、第１及び第２の端部部材１３，１４の外周面と、筒部材１２の内面との間に隙間がない状態で筒部材１２と第１及び第２の端部部材１３，１４とが結合されている。従って、第１及び第２の端部部材１３，１４の外周面とＦＲＰ製の筒部材１２の内面との間に隙間がなく、筒部材１２の端面から水分がセレーション１６の部分に侵入するのが阻止され、水分の侵入を防止するためのシール材を設ける必要がない。また、第１及び第２の端部部材１３，１４の外周面に係止部が形成されているため、係止部が存在しない場合に比較して接合面積が大きくなり、筒部材１２の内面と端部部材１３，１４の外周面との接合面におけるトルクの伝達が良好となる。
【００４４】
（２） 複数の層を構成する繊維束Ｒのうちヘリカル巻で配列された繊維束Ｒは同一層において互いに平行に配列されている。従って、プロペラシャフト１１は、ヘリカル巻層を形成する際、１層分の繊維束Ｒを同時に巻き付けて生産することが可能なため、巻き付け時間の短縮が可能となって生産性が向上する。
【００４５】
（３） 前記係止部は最内層のヘリカル巻層を構成する繊維束Ｒの配列方向に沿って延びるセレーション１６で構成され、最内層の繊維束Ｒはセレーション１６により第１及び第２の端部部材１３，１４に対する周方向への相対移動が規制されている。従って、第１及び第２の端部部材１３，１４間のねじり強度が、ＦＲＰ製の筒部材に端部部材のセレーションを圧入して製造されたプロペラシャフトに比較して大きくなり、トルクの伝達がより良好に行われる。また、複数の凸条をセレーション１６と異なり規則性のない状態で設ける場合に比較して、前記係止部の加工が容易となる。
【００４６】
（４） 筒部材１２の一端にヨークタイプの継手部１３ｂを備えているため、プロペラシャフト１１をドライブシャフトと連結するユニバーサルジョイントに一般的な十字軸を使用することができる。
【００４７】
（５） 第１及び第２の端部部材１３，１４が金属製で、継手部１３ｂ，１４ｂが筒部材１２から突出しているため、特許文献２に開示された継手の部分全体がＦＲＰで被覆されている構成のプロペラシャフトと異なり、バランスピースを溶接で取り付けることができる。また、第１及び第２の端部部材１３，１４が非金属製の場合でも、ＦＲＰを構成している繊維を切断せずに、バランスピースを取り付けることができる。
【００４８】
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、次のように具体化してもよい。
○ 筒部材１２の最内層を構成し、互いに交差せずに配列される繊維束は、ヘリカル巻に限らず、フープ巻であってもよい。この場合、第１及び第２の端部部材１３，１４の繊維束被巻付け部１３ａ，１４ａの外周面に形成される係止部として、ねじ状の溝が形成される。また、フープ巻の範囲はＦＲＰ製の筒部材１２の全長に亘ってもよいし、繊維束被巻付け部１３ａ，１４ａを覆う部分のみでもよい。
【００４９】
○ 繊維束被巻付け部１３ａ，１４ａの外周面に形成される係止部は、最内層に形成されるヘリカル巻層を構成する繊維束Ｒが該係止部により第１及び第２の端部部材１３，１４に対する周方向への相対移動を規制可能な形状であればよく、セレーション１６に限らない。例えば、繊維束Ｒの配列方向に沿って延びるように形成された複数の凸条を設けてもよい。凸条は繊維束被巻付け部１３ａ，１４ａの軸方向全長に連続している必要はなく、隣接する凸条間の周方向における間隔も一定でなくてもよい。また、凸状の断面形状は三角形状や台形状に限らず矩形状や正方形状、半円形状等でもよい。この場合も、同一層においては繊維束Ｒが互いに平行に配列される構成において、最内層のヘリカル巻層が所定の巻付け角度で巻き付けられるのに凸条が寄与する。
【００５０】
〇 繊維束被巻付け部１３ａ，１４ａの外周面に形成される係止部は、最内層に配列される繊維束Ｒの配列方向に沿って延びる凸条に限らず、軸方向に対する配列角度が互いに反対となるヘリカル巻層を構成するいずれの繊維束Ｒに対してもその配列を案内可能な多数の凸部を係止部として設けてもよい。例えば、図６（ａ）に示すように、繊維束被巻付け部１３ａの表面に多数のピン３６を突設したり、図６（ｂ）に示すように、溝が繊維束Ｒの配列角度と同じ方向に延びるローレット３７を形成してもよい。繊維束被巻付け部１４ａについても同様なピン３６やローレット３７を設けてもよい。図６（ａ）ではピン３６の長さを誇張して表しているが、ピン３６は少なくともヘリカル巻層１層分の厚さに相当する長さ以上で、最外層に配列された繊維束Ｒの外側に突出しない長さが好ましい。ローレット３７の溝の深さは、ヘリカル巻層１層分の厚さに相当する深さが加工の容易性の点から好ましい。
【００５１】
これらの係止部（ピン３６又はローレット３７）が設けられた第１及び第２の端部部材１３，１４を使用した場合は、同一層において繊維束Ｒが互いに平行に配列される構成は必ずしも必要ではない。同時に巻き付ける繊維束の本数が１〜３本の一般的なＦＷ装置を使用してヘリカル巻層を形成すると、ヘリカル巻層を構成する繊維束は同じ層内で互いに交差するように配列される。従って、係止部がヘリカル巻層を構成する繊維束Ｒの配列方向に沿って延びる凸条の場合は、繊維束Ｒを該凸条が存在する面内で交差するように配列することが阻止されるため一般的なＦＷ装置を使用してヘリカル巻層を形成すると、繊維束の配列が円滑に行われない。しかし、前記構成のピン３６やローレット３７が設けられた場合は、同時に巻き付ける繊維束の本数が１〜３本の一般的なＦＷ装置を使用してヘリカル巻層を形成しても、繊維束が係止部によって案内されて所定の巻付け角度で良好に配列される。
【００５２】
○ 繊維束被巻付け部１３ａ，１４ａの外周面に形成される係止部として、外周面をサンドブラスト等で粗面化した構成としてもよい。この場合も、最内層に形成されるヘリカル巻層を構成する繊維束の周方向への移動が規制される。また、一般的なＦＷ装置を使用してヘリカル巻層を形成しても、繊維束Ｒは係止部によって第１及び第２の端部部材１３，１４に対する周方向への相対移動が規制される。
【００５３】
○ 繊維束被巻付け部１３ａ，１４ａの外周面に形成される係止部として、外周面に凹部あるいは長手方向の端部が開放されていない溝を設けてもよい。溝の延びる方向は最内層のヘリカル巻層を構成する繊維束の配列方向に沿っていなくてもよく、例えば第１及び第２の端部部材１３，１４の軸方向と平行に延びていてもよい。これらの構成では繊維束Ｒは凹部あるいは溝内に充填されないが、樹脂が凹部あるいは溝内に充填された状態で硬化されるため、係止部が存在しない場合に比較して接合面積が大きくなり、筒部材１２の内面と端部部材１３，１４の外周面との接合面におけるトルクの伝達が良好となる。
【００５４】
〇 被巻付け部材１５は紙製の円筒に限らず、樹脂製や金属製としてもよい。耐熱性が不充分な熱可塑性の樹脂製とした場合は、成形体３４を硬化させる際に被巻付け部材１５が溶融し、筒部材１２の内面に偏った状態で付着して回転バランス不良となり易い。従って、熱硬化性樹脂製もしくは耐熱性の熱可塑性樹脂とする方がよい。耐熱性の熱可塑性樹脂とする場合、ＦＲＰマトリックス樹脂の硬化温度（百数十℃）より耐熱温度が高い樹脂がより好ましいが、マトリックス樹脂の初期硬化温度（１００℃程度）より耐熱温度が高ければ適用可能である。被巻付け部材１５が紙製の場合は、プロペラシャフト１１を使用する際、被巻付け部材１５の部分は回転トルクの伝達に殆ど寄与しないが、樹脂製や金属製とすることにより回転トルクの伝達に寄与する。また、樹脂製や金属製の方が紙製より被巻付け部材１５の真円精度が高く、回転バランスが良い。熱硬化性樹脂としては、例えば、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、アルキッド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ジアリルフタレート樹脂、シリコーン樹脂、ポリウレタン樹脂等が挙げられる。耐熱性の熱可塑性樹脂のうち、エポキシ（マトリックス）硬化温度以上の耐熱性があるものとして、例えば、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、熱可塑性ポリイミド（ＰＩ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリサルホン（ＰＳＦ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリアリレート（ＰＡＲ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）等の所謂スーパーエンプラが挙げられる。また、エポキシ初期硬化温度より耐熱性がある熱可塑性樹脂としては、ポリアミド＝ナイロン（ＰＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート＝ポリエステル（ＰＥＴ）等の汎用エンプラで耐熱性が比較的高いものが挙げられる。
【００５５】
〇 被巻付け部材１５として熱硬化性樹脂を含浸、硬化させた紙製としてもよい。この場合も樹脂製の被巻付け部材１５を使用した場合と同様な効果が得られる他に、熱硬化性樹脂だけで被巻付け部材１５を製造する場合に比較して製造が簡単になる。
【００５６】
〇 被巻付け部材１５としてＦＲＰ製の円筒を使用してもよい。強化繊維としては炭素繊維が好ましい。また、本硬化したＦＲＰ製の円筒に限らず、プレキュアされた状態のＦＲＰ製の円筒を使用してもよい。プレキュアされた状態のＦＲＰ製の円筒は成形体３４の硬化時に本硬化されるため、製品であるプロペラシャフト１１として完成した段階では、トルクの伝達に寄与する。そして、炭素繊維強化のＦＲＰ製の円筒を使用した場合は、被巻付け部材１５に巻き付けられた繊維束Ｒによって形成されるヘリカル巻層の層数を減らすことも可能になり、小径化、軽量化に寄与する。また、プレキュアされた状態のＦＲＰ製の円筒の場合、その上に巻き付けられる樹脂含浸繊維束との接着強度が、本硬化されたＦＲＰ製の円筒に巻き付ける場合に比較して高くなる。
【００５７】
○ プロペラシャフト１１として、図７（ａ）に示すように、係止部が第１及び第２の端部部材１３，１４の軸方向に平行に延びるセレーション１６で構成され、最内層のヘリカル巻層を構成する繊維束Ｒは少なくとも一部がセレーション１６により切断されている構成としてもよい。図７（ａ）では第１の端部部材１３側のみ図示している。このプロペラシャフト１１を製造する際は、セレーション１６がＦＲＰ製の筒部材１２に圧入されるが、熱硬化性樹脂をセレーションに塗布した状態で圧入し、その後に硬化させることにより、セレーション１６の溝内に充填された樹脂は筒部材１２と一体化される。従って、図７（ｂ）に示すように、第１の端部部材１３の外周面と筒部材１２の内面との間に隙間がない状態で筒部材１２と第１及び第２の端部部材１３，１４とが結合された状態となる。なお、図においてはヘリカル巻層及びフープ巻層の区別をせずに筒部材１２を表している。
【００５８】
この場合も、筒部材１２の端面から水分がセレーション１６の部分に侵入するのが阻止され、水分の侵入を防止するためのシール材を設ける必要がない。また、単にセレーション１６を圧入した場合に比較して、第１及び第２の端部部材１３，１４の外周面と筒部材１２の内面との接合面積が大きくなり、筒部材１２の内面と端部部材の外周面との接合面におけるトルクの伝達が良好となる。また、端部部材１３，１４として従来使用されているセレーションを備えたものを使用することができる。
【００５９】
○ 第１及び第２の端部部材１３，１４のセレーション１６をＦＲＰ製の筒部材１２に圧入してプロペラシャフト１１を製造する際、半硬化状態の筒部材１２を形成し、その状態で前記と同様に熱硬化性樹脂をセレーション１６に塗布した状態で圧入する。そして、その後に加熱して筒部材１２及び塗布した熱硬化性樹脂を完全硬化させるようにしてもよい。この場合、セレーション１６の圧入時にクラックが発生する虞がない。また、塗布後に硬化される樹脂と筒部材１２の樹脂との接着強度が完全硬化後のＦＲＰ製の筒部材１２にセレーション１６を圧入する構成に比較して大きくなる。
【００６０】
○ 筒部材１２はＦＷでなくシートワインディンクで形成されたものでもよい。例えば、炭素繊維のバイアス織りのシートに樹脂を含浸させて、所定層巻き付けた後、硬化させて製造する。係止部としては繊維束被巻付け部１３ａ，１４ａの外周面を荒らしたものや、図６（ａ），（ｂ）に示したような、繊維束が同一層内で交差していても支障ないものにする。この場合、ＦＷで製造する場合に比較して生産性が向上する。
【００６１】
○ 一方の端部部材のみが被巻付け部材１５に結合された状態でＦＷを行い、他方の端部部材はＦＲＰ製の筒部材１２が形成された後に圧入して形成されたプロペラシャフト１１としてもよい。
【００６２】
○ 被巻付け部材１５に制振作用を持たせてもよい。プロペラシャフト１１が自動車に組み付けられた場合、露出状態で使用されるため、走行中にタイヤが跳ねた小石等の異物が当たることがあり、その際、大きな音が発生する。被巻付け部材１５に制振作用を持たせることにより、前記異物が当たった際の振動を吸収して大きな音の発生を抑制することができる。例えば、ボール紙製や段ボール製の筒の表面に樹脂の含浸を阻止する処理を施したり、被巻付け部材１５の材質を独立気泡の発泡体で形成する。独立気泡の発泡体としては、例えばポリイミド系の発泡プラスチックなどが適用可能である。
【００６３】
〇 端部部材の組み合わせは、ヨークタイプの第１の端部部材１３と、シャフトを有するタイプの第２の端部部材１４との組み合わせに限られない。例えば、プロペラシャフト１１の使用態様に応じて、ヨークタイプの第１の端部部材１３が筒部材１２の両端に結合された構成や、シャフトを有するタイプの第２の端部部材１４が筒部材１２の両端に結合された構成としてもよい。これらのプロペラシャフト１１も前記各実施の形態と同様にして製造することができる。また、シャフトを有するタイプの端部部材が両端に結合された被巻付け部材１５に繊維束Ｒを巻き付ける場合は、治具２０を用いずに、特許文献２に開示された方法のようにシャフトをＦＷ装置の回転支持部材に支持させてＦＷを行ってもよい。この場合は、繊維束は端部部材の端で折り返された状態で巻き付けられる。
【００６４】
○ 筒部材１２は必ずしも結合部分１２ａの肉厚が厚く形成されるものに限らず、全長にわたって一定の厚さであってもよい。フープ巻層１８ｂの役割の一つにセレーション１６を圧入する際にＦＲＰ製の筒部材１２に掛かる応力に対抗する機能がある。従って、両端に第１及び第２の端部部材１３，１４が結合された状態でＦＷを行う場合は、セレーション１６を圧入しないため、フープ巻層１８ｂの層数を少なくしたり省略してもよい。省略した場合は、筒部材１２は全長にわたって一定の厚さとなり、軽量化にも寄与する。
【００６５】
○ 筒部材１２を構成する繊維束Ｒのうち、少なくとも最内層に配列されるヘリカル巻層を構成する繊維束Ｒが同一層内において互いに平行に配列され、他の層は互いに平行に配列されていなくてもよい。例えば、最内層のヘリカル巻層のみ全周一斉に繊維束Ｒを配列し、他の層は１〜３本の繊維束の巻付けにより構成してもよい。
【００６６】
○ 筒部材１２を構成する繊維束Ｒのうち、少なくとも最内層に配列されるヘリカル巻層を構成する繊維束Ｒが同一層内において互いに平行に配列されず、他の層は互いに平行に配列されていてもよい。例えば、最内層のヘリカル巻層のみ１〜３本の繊維束の巻付けにより構成し、他の層は全周一斉に繊維束Ｒを配列してもよい。
【００６７】
○ 第２の端部部材１４に取り付ける治具２０の芯出しは、カバー部２１の端部内面を、継手部１４ｂの基端の段部に嵌合することにより行う構成に代えて、継手部１４ｂの軸部が治具２０の軸部２２の内面と嵌合することで芯出しが行われる構成としてもよい。
【００６８】
○ 治具２０と端部部材１３，１４とを固定する方法は、上記実施の形態に限らない。例えば、第１の端部部材１３を固定する方法として、カバー部２１にヨークタイプの継手部１３ｂに形成されている孔１３ｄと対応する孔を形成する。そして、カバー部２１が継手部１３ｂの段部と嵌合した状態で、その孔及び孔１３ｄが対応し、その状態で孔及び孔１３ｄを貫通するようにピンを挿入して、治具２０と第１の端部部材１３とを固定してもよい。
【００６９】
また、第２の端部部材１４と治具２０とを固定する場合、継手部１４ｂのシャフト部にねじ穴１４ｄを設けずに、第２の端部部材１４と治具２０とを固定する補助部材を使用する。補助部材は板材の両端が直角に折り曲げられて形成され、継手部１４ｂのシャフト部の中間位置に形成された溝部に係止される係止部が一端に形成され、ボルト２５の雄ねじ２５ａが螺合されるねじ孔が他端に形成されている。そして、係止部が前記溝部に係止されて第２の端部部材１４に固定された状態で、ボルト２５の雄ねじ２５ａがねじ孔に螺合されることにより第２の端部部材１４と治具２０とが固定される。
【００７０】
○ セレーション１６の歯の高さ、即ち溝の深さは１層分の繊維束の厚さとほぼ同じに限らず、最内層の繊維束の厚さの１／４層程度〜１層分あれば充分である。
【００７１】
〇 第１及び第２の端部部材１３，１４の材質は金属に限らず、セラミックスでもよい。
○ 動力伝達用シャフトは、プロペラシャフト１１用に限定されず、その他の動力伝達用シャフトに適用してもよい。
【００７２】
○ 筒部材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。その場合、被巻付け部材１５も対応する多角形筒状に形成される。
【００７３】
○ 筒部材１２の材料であるＦＲＰ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。しかし、プロペラシャフト１１の場合は、炭素繊維とエポキシ樹脂の組み合わせが強度やコストの点で好ましい。
【００７４】
○ ＦＲＰのマトリックス樹脂が熱硬化性樹脂であることに限定されない。例えば紫外線硬化樹脂をマトリックス樹脂として使用してもよい。
以下の技術的思想（発明）は前記実施の形態から把握できる。
【００７５】
（１） 請求項２に記載の発明において、前記繊維束のうちヘリカル巻で配列された繊維束は少なくとも一方の端部部材側の端部で折り返されるように配列されている。
【００７６】
（２） 請求項１に記載の発明において、前記筒部材の強化繊維は炭素繊維のバイアス織りシートで構成されている。
（３） 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、前記端部部材は金属製の継手である。
【００７７】
【発明の効果】
以上、詳述したように、請求項１〜請求項５に記載の発明の動力伝達シャフトによれば、ＦＲＰ製の筒部材の内面と端部部材の外周面との接合面におけるトルクの伝達が良好となり、シール材を設ける必要がない。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は第１の実施の形態のプロペラシャフトの一部破断側面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線における模式断面図。
【図２】模式分解斜視図。
【図３】治具が組み付けられた状態の一部破断模式断面図。
【図４】ＦＷ装置の巻付けヘッドの模式図。
【図５】樹脂含浸繊維の切断位置を示す模式断面図。
【図６】（ａ）は別の実施の形態の端部部材の斜視図、（ｂ）は別の端部部材の側面図。
【図７】（ａ）別の実施の形態のプロペラシャフトの模式部分断面図、（ｂ）は端部部材と筒部材との結合部分の模式部分断面図。
【図８】（ａ）は従来技術のプロペラシャフトの部分分解断面図、（ｂ）はプロペラシャフトの断面図、（ｃ）は（ｂ）の部分拡大図。
【図９】（ａ），（ｂ）は別の従来技術のプロペラシャフトの製法を示す模式斜視図。
【符号の説明】
Ｒ…繊維束、１１…動力伝達シャフトとしてのプロペラシャフト、１２…筒部材、１２ａ…結合部分、１３，１４…端部部材、１６…係止部としてのセレーション、１８ａ，１８ｃ…ヘリカル巻層、３６…係止部としてのピン、３７…係止部としてのローレット。

Claims (5)

1. 繊維強化プラスチック製の筒部材の両端に端部部材が結合された動力伝達シャフトであって、
   前記端部部材は、前記筒部材との結合部分における外周面に係止部が形成され、前記外周面と前記筒部材の内面との間に隙間がない状態で前記筒部材と前記端部部材とが結合されている動力伝達シャフト。
2. 前記筒部材の強化繊維は繊維束で構成され、前記係止部は規則的に配列された複数の凸部で構成され、最内層は前記繊維束が前記凸部に案内された状態で配列されて構成されている請求項１に記載の動力伝達シャフト。
3. 前記筒部材のヘリカル巻層を構成する繊維束は、同一層内において交差するように配列されている請求項１又は請求項２に記載の動力伝達シャフト。
4. 前記係止部は前記端部部材の軸方向に平行に延びるセレーションで構成され、前記筒部材の強化繊維は繊維束で構成され、最内層を構成する繊維束は少なくとも一部が前記セレーションにより切断されている請求項１に記載の動力伝達シャフト。
5. 前記筒部材を構成する繊維束のうちヘリカル巻で配列された繊維束は同一層において互いに平行に配列されている請求項４に記載の動力伝達シャフト。

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