JP2005140207A - プロペラシャフト - Google Patents

Abstract

【課題】シャフト部全体がＦＲＰ製のプロペラシャフトに比較して、プロペラシャフトに過大な軸方向の圧縮荷重が作用した際の継手の没入荷重を低くする。
【解決手段】プロペラシャフト11は、シャフト部12と、シャフト部12の両端に接合された継手13とを備えている。シャフト部12は、紙製の円筒状の筒状芯材14と、筒状芯材14より長く形成されたＦＲＰ製の円筒状の筒部材15とで構成されている。筒部材15の両端の継手連結部15ａに対して金属製の継手13がそのセレーション16で接合されている。セレーション16の外径D3が筒状芯材14の外径D2より小さく、かつ筒状芯材14の内径d1より大きく形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、繊維強化プラスチック（以下、ＦＲＰと称す場合もある。）製の筒部材に継手が接合されているプロペラシャフトに関する。

従来、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一部実施されている。ＦＲＰ製のプロペラシャフトは、ＦＲＰ製の筒部材とその両端に金属製の継手（ヨークやスプラインギヤ付きシャフト等の駆動力を伝達するための部品）を備える。このＦＲＰ製のプロペラシャフトは、一般にフィラメントワインディング（以下、ＦＷと称す。）法等の手法により形成された円筒シャフト（筒部材）の端部に、継手がセレーション接合によって接合されている。

また、ＦＲ（フロントエンジンリアドライブ）車用のＦＲＰ製プロペラシャフトは、車両衝突の際の衝撃を吸収するため、プロペラシャフトに過大な軸方向の荷重が作用するとセレーションが円筒シャフト内に没入するように設計されている。この種のプロペラシャフトとして、ＦＲＰ製円筒の端部に引張破断伸度が高い部分を設け、継手に過大な軸方向の荷重が作用するとその部分を介してＦＲＰ製円筒を破壊するものがある（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１に記載のプロペラシャフトは、図１０に示すように、ＦＲＰ製の円筒状の本体５１と、本体５１の両端部に圧入接合された継手５２とを有する。なお、図１０はプロペラシャフトに軸方向の圧縮荷重が加わり、継手５２が本体５１内に没入してプロペラシャフトの破壊が生じた状態におけるプロペラシャフトの一方の端部を示している。本体５１は本体５１の全長にわたって延在し、ヘリカル巻された補強繊維を含む主層５１ａと、本体５１の両端部において、主層５１ａと一体に、かつ、主層５１ａの内側に設けられた、フープ巻された補強繊維を含む部分層５１ｂとを有する。継手５２は、部分層５１ｂに内接し、かつ、部分層５１ｂよりもやや短い接合面５２ａと、接合面５２ａに隣接して外径が本体５１の内径よりやや大きいリング状凸部５２ｂと、リング状凸部５２ｂから接合面５２ａに向かう下りの斜面５２ｃとを有している。

そして、プロペラシャフトに軸方向の圧縮荷重が加わると、図１０に示すように継手５２が本体５１側に押され、そのリング状凸部５２ｂの斜面５２ｃによって本体５１が押し広げられる。内側にある部分層５１ｂは引張破断伸度が高いので破壊しないが、その外側にある主層５１ａは部分層５１ｂよりも引張破断伸度が低いので、主層５１ａが先ず破壊し、主層５１ａと部分層５１ｂとの間で層間剥離が起こる。そして、部分層５１ｂは破壊することなく継手５２とともに主層５１ａを破壊しながら、本体５１中をその軸方向に移動する。

また、プロペラシャフトに軸方向圧縮衝撃荷重が作用した際、ＦＲＰ製円筒に破壊の起点を生じさせるトリガ部を継手に設けたものも提案されている（例えば、特許文献２参照。）。特許文献２に記載されたプロペラシャフトでは、継手のＦＲＰ製円筒との接合部に三角形状（くさび状）の複数のトリガ部が形成されている。
特開平７−２０５３４０号公報（明細書の段落［００１９］〜［００２４］、図１，３） 特開平７−９１４３２号公報（明細書の段落［００１８］〜［００２１］、図１）

ところが、特許文献１の構成では部分層５１ｂにくさび効果を持たせるため、部分層５１ｂはある程度厚くないと成立せず、その分、ＦＲＰの量を増加させる必要があり、プロペラシャフトの重量増となる。また、主層５１ａ及び部分層５１ｂ間の層間剥離を故意に発生させる必要があり、その強度設計、製造要件が難しい。さらに、プロペラシャフトは、エンジンで発生するトルクをねじりトルクとして駆動輪に伝達するものであるので、その強度が高く形成されており通常は炭素繊維が強化繊維として使用されている。従って、くさび作用でＦＲＰ製円筒を破壊させるには大きな荷重が必要になる。特許文献２の場合も同様に大きな荷重が必要になり、継手の没入荷重を下げることが難しい。

また、ＦＲＰ製円筒はＦＷ装置でマンドレルに巻き付けられて形成されるため、硬化後にマンドレルから円滑に離脱させるには、円筒の内径は一定か、端面側が拡径されている必要がある。そのため、継手にＦＲＰ製円筒と接合するためのセレーションを設けた場合、継手がＦＲＰ製円筒内に没入するためには、セレーションがＦＲＰを没入に必要な距離にわたって削る必要があり、やはり継手が没入するのに必要な荷重が大きくなる。

本発明は、前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、シャフト部全体がＦＲＰ製のプロペラシャフトに比較して、プロペラシャフトに過大な軸方向の圧縮荷重が作用した際の継手の没入荷重を低くすることができるプロペラシャフトを提供することにある。

前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、シャフト部が紙製又は樹脂製の筒状芯材と、前記筒状芯材より長く形成されるとともにその両端が前記筒状芯材の両端部より突出する状態で成形された繊維強化プラスチック製の筒部材とで構成され、前記筒部材の両端の継手連結部に対して継手がそのセレーションで接合されたプロペラシャフトである。そして、前記セレーションの外径が前記筒状芯材の外径より小さく、かつ前記筒状芯材の内径より大きく形成されている。

この発明のプロペラシャフトは、シャフト部の全体がＦＲＰで形成されているのではなく、紙製又は樹脂製、即ち強度がＦＲＰより低い材質製の筒状芯材の外周面にＦＲＰ製の筒部材が成形された構造で、筒状芯材の端部より突出する状態の継手連結部に継手のセレーションが接合されている。そして、セレーションの外径が前記筒状芯材の外径より小さく、かつ前記筒状芯材の内径より大きく形成されているため、プロペラシャフトに軸方向の圧縮荷重が過大に加わると、セレーションが筒状芯材を切削しながらシャフト部に没入する。筒状芯材の材質である紙又は樹脂はＦＲＰに比較して強度が低いため、切削抵抗はＦＲＰを切削する場合より小さくなる。従って、シャフト部全体がＦＲＰ製のプロペラシャフトに比較して、プロペラシャフトに過大な軸方向の圧縮荷重が作用した際の継手の没入荷重を低くすることができる。

請求項２に記載の発明は、シャフト部が紙製又は樹脂製の筒状芯材と、前記筒状芯材より長く形成されるとともにその両端が前記筒状芯材の両端部より突出する状態で成形された繊維強化プラスチック製の筒部材とで構成され、前記筒部材の両端の継手連結部に対して継手がそのセレーションで接合されたプロペラシャフトである。そして、前記筒状芯材は、端面からの距離が前記継手に対してプロペラシャフトの軸方向に過大な荷重が作用した際に前記セレーションが前記筒部材内に侵入可能な距離より短い範囲の外径が、前記セレーションの外径より小さく形成されている。

この発明では、継手がシャフト部に没入する際、筒状芯材の外径がセレーションの外径より小さい範囲では、セレーションがＦＲＰ製の筒部材も切削し、その後、紙製又は樹脂製の筒状芯材のみ切削する。従って、請求項１に記載の発明に比較して、没入荷重は大きくなるが、没入の間、セレーションが常にＦＲＰ製の筒部材を削る構成に比較して没入荷重を低くすることができる。また、セレーションがＦＲＰ製の筒部材を切削する長さを変更することで、没入荷重とストロークの関係を調整できる。

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、前記継手は前記セレーションの外径が、継手部に近い側ほど小さくなるように形成されている。セレーションの外径が一定の場合、セレーションが筒部材あるいは筒状部材を切削して継手が没入する際、セレーション全体が切削された溝に接して進むため摩擦抵抗が大きい。しかし、この発明では、セレーションの外径が継手部に近い側ほど小さくなるように形成されているため、継手の没入時、セレーションの進行方向後側の部分は溝との間に隙間がある状態で移動することになり、摩擦抵抗が小さくなって没入荷重をさらに低くすることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の発明において、前記継手は前記セレーションに対して継手部と反対側に、前記筒状芯材の内面に嵌合される嵌合部が形成されている。前記嵌合部と前記セレーションが形成された部分との間に、前記嵌合部の外径より大径で前記筒状芯材の外径より小径の第１の段差部が形成されている。この発明では、継手がシャフト部に没入する際、セレーションが筒状部材を削る前に、筒状芯材の内側部分が第１の段差部によって破壊されるため、セレーションが削る筒状部材の量が少なくなり、その分、継手の没入荷重が低くなる。

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、前記筒状芯材の端部内面に環状の第２の段差部が形成され、前記嵌合部には前記第２の段差部と嵌合する第３の段差部が形成されている。この発明では、筒状芯材の端部内面に環状の第２の段差部が形成されているため、継手がシャフト部に没入する際、筒状芯材がより破壊され易くなり、継手の没入荷重がより低くなる。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の発明において、前記継手は前記セレーションに対して継手部と反対側に、前記筒状芯材の内面に嵌合される嵌合部が形成されている。前記筒状芯材の端部内面に端面側ほど大径となる第１のテーパ部が設けられ、前記嵌合部には前記第１のテーパ部に嵌合する第２のテーパ部が設けられている。この発明では、筒状芯材と嵌合部とがテーパ部で嵌合しているため、継手がシャフト部に没入する際、セレーションが筒状部材を削る前に、筒状芯材の内側部分が第２のテーパ部によって破壊されるため、セレーションが削る筒状部材の量が少なくなり、その分、継手の没入荷重が低くなる。

本発明によれば、シャフト部全体がＦＲＰ製のプロペラシャフトに比較して、プロペラシャフトに過大な軸方向の圧縮荷重が作用した際の継手の没入荷重を低くすることができる。

（第１の実施形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施形態を図１〜図３を参照して説明する。
図１（ａ）はプロペラシャフトの部分模式断面図、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図であり、図２（ａ）はプロペラシャフトを製造する際に使用する治具が筒状芯材に組み付けられた部分模式断面図、（ｂ）は治具の側面図である。なお、この実施形態のプロペラシャフトは対称形状のため、長手方向の片側のみを図示している。

プロペラシャフト１１は、シャフト部１２と、シャフト部１２の両端に接合された継手１３とを備えている。シャフト部１２は、紙製の円筒状の筒状芯材１４と、筒状芯材１４より長く形成されるとともにその両端が筒状芯材１４の両端部より突出する状態で成形されたＦＲＰ製の円筒状の筒部材１５とで構成されている。筒部材１５の両端の継手連結部１５ａに対して金属製の継手１３がそのセレーション１６で接合されている。

継手１３は、筒部材１５との接合部分となる円筒部１３ａを備え、その外周面にセレーション１６が形成されている。継手１３は、円筒部１３ａの一端側に継手部１３ｂが突設され、他端側に円筒部１３ａより小径で筒状芯材１４に嵌合される嵌合部１３ｃが形成されている。即ち、セレーション１６に対して継手部１３ｂと反対側に、筒状芯材１４の内面に嵌合される嵌合部１３ｃが形成されている。嵌合部１３ｃと、セレーション１６が形成された部分である円筒部１３ａとの間に、嵌合部１３ｃの外径Ｄ１より大径で筒状芯材１４の外径Ｄ２より小径の第１の段差部１３ｄが形成されている。第１の段差部１３ｄは、その最大外径がセレーション１６の歯底部１６ａ（図１（ｂ）に破線で図示）の径以下に形成されている。継手部１３ｂとしてはヨークタイプのものが形成され、継手部１３ｂには、例えば、ユニバーサルジョイントを取り付けるための孔１３ｅが形成されている。

筒部材１５は肉厚がほぼ一定に形成され、継手連結部１５ａの内径が筒状芯材１４を覆う本体部１５ｂの内径より小さく、かつ筒状芯材１４の内径ｄ１より大きく形成され、継手連結部１５ａと本体部１５ｂとの間がテーパ部で連結されている。

継手１３は、セレーション１６の外径Ｄ３が筒状芯材１４の外径Ｄ２より小さく、かつ筒状芯材１４の内径ｄ１より大きく形成されている。
筒部材１５はＦＷ法によって形成される。筒部材１５は、主にヘリカル巻で構成されているが、継手連結部１５ａ及びその近くにはフープ巻が形成されている。また、筒部材１５の最外層にはポリエステル糸が全長に渡ってフープ巻で巻き付けられている。

次に前記のように構成されたプロペラシャフト１１の製造方法について説明する。プロペラシャフト１１を製造する際は、マンドレルの代わりに、治具及びシャフトを使用して、筒状芯材１４をＦＷ装置に支持してＦＷが行われる。

図２（ａ），（ｂ）に示すように、治具１７は、中空に形成されるとともに、繊維束被巻付け部１７ａの一端に筒状芯材１４が嵌合される嵌合凸部１７ｂが形成されている。嵌合凸部１７ｂは筒状に形成されている。繊維束被巻付け部１７ａの外径Ｄ４は筒状芯材１４の外径Ｄ２より小さく、かつ筒状芯材１４の内径ｄ１より大きく形成されている。繊維束被巻付け部１７ａと嵌合凸部１７ｂとの間には両者の外径の中間の外径を有する段差部が設けられている。繊維束被巻付け部１７ａの他端寄りにはピン１８が一定ピッチで周方向に沿って環状に配設されている。治具１７の中心にはシャフト１９が貫通する状態で嵌合可能な孔１７ｃが形成されている。また、繊維束被巻付け部１７ａには環状の溝部１７ｄが形成されている。繊維束被巻付け部１７ａの表面には、治具１７の軸方向に対して斜めに延びるようにセレーション１７ｅが形成されている。セレーション１７ｅは、継手１３のセレーション１６と同じ角度で延びるように形成されている。

そして、図２（ａ）に示すように（片側のみ図示）、両端に治具１７が嵌合された筒状芯材１４が、シャフト１９に対して一体回転可能に固定され、治具１７及び筒状芯材１４が固定されたシャフト１９がＦＷ装置にセットされて、ＦＷが行われる。シャフト１９に対する治具１７の固定は、シャフト１９に固定されたキー（図示せず）に、治具１７に形成されたキー溝（図示せず）が嵌合した状態で、シャフト１９に止めねじ２０が螺合されることで行われる。筒状芯材１４は筒部材１５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。

ＦＷ装置は、図３に示すように、本願出願人が先に提案した装置（特開２００２−２８３４６７号公報に開示された装置）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）３１を備えており、図３ではヘリカル巻用ヘッドのみが図示されている。巻付けヘッド３１はベースプレート（図示せず）上に設けられたレール３２上をチャック（図示せず）に支持されたシャフト１９及び筒状芯材１４等に沿って、図示しない駆動手段により移動可能となっている。巻付けヘッド３１は、シャフト１９等に貫通される孔を有する支持板３３を備えている。ヘリカル巻用ヘッドの支持板３３には、複数本の樹脂含浸繊維束Ｒを同時に筒状芯材１４等に対してヘリカル巻で巻付け可能とするため、複数のガイド３４が筒状芯材１４の周方向に沿って配列された状態で設けられている。フープ巻部を備えたフープ巻用ヘッドは、樹脂含浸繊維束Ｒを筒状芯材１４等に対して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、多数本の繊維束を同時に筒状芯材１４等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筒状芯材１４等に沿って一回往動又は復動することで筒状芯材１４等の全周面に亘って樹脂含浸繊維束Ｒがヘリカル巻で巻き付けられる。なお、治具１７は樹脂含浸繊維束Ｒが固着しないように離型剤が塗布された状態で組み付けられる。

次にＦＷ装置によるＦＷが行われる。ヘリカル巻層が所定層（例えば４層）形成された後、繊維束被巻付け部１７ａと対応する部分に、樹脂含浸繊維束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含浸繊維束Ｒの巻き付けが完了する。ＦＷの際は、樹脂含浸繊維束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、シャフト１９の軸方向となす角度（巻付け角度）が、セレーション１７ｅの歯の延びる方向と軸方向との成す角度と同じため、樹脂含浸繊維束Ｒはセレーション１７ｅの溝内に配列されるように巻き付けられる。

次にポリエステル糸がフープ巻で巻き付けられる。ポリエステル糸の巻付けが完了した後、成形体の両端部が、ピン１８の突設位置と溝部１７ｄとの間の位置でそれぞれ切断される。ここで、「成形体」とは筒部材１５及び治具１７に巻き付けられた樹脂含浸繊維束の部分を意味する。そして、繊維束供給部に繋がる樹脂含浸繊維束Ｒから成形体が切り離された後、チャックから取り外され、成形体の未硬化の段階で、前記切断位置よりシャフト１９の端部側に巻き付けられた樹脂含浸繊維束Ｒが除去される。

その後、硬化工程で、樹脂が硬化され、硬化完了後、成形体が溝部１７ｄと対応する位置で切断される。次に止めねじ２０のシャフト１９への螺合が解除された後、両治具１７とともに成形体がシャフト１９から取り外され、さらに成形体から治具１７が取り外される。次に成形体の端部に継手１３が圧入されて図１（ａ）に示すプロペラシャフト１１が完成する。

治具１７を成形体から脱型する際は、治具１７をセレーション１７ｅの角度に合わせてねじりながら脱型する。治具１７の脱型により成形体（筒部材１５）の端部内面にはセレーション１７ｅの凹凸に対応する凹凸が転写された状態となる。次に成形体の端部に継手１３が圧入されて図１（ａ）に示すプロペラシャフト１１が完成する。継手１３を圧入する際は、継手１３をねじりながら筒部材１５に圧入する。

次に前記のように構成されたプロペラシャフト１１の作用を説明する。プロペラシャフト１１は継手１３の部分において、ユニバーサルジョイントを介して自動車に取り付けられて、エンジンの回転を車軸に伝達する回転伝達部の一部として機能する。

自動車の衝突時に、プロペラシャフト１１に軸方向の過大な圧縮荷重が加わると、継手１３が筒状芯材１４側に押されてシャフト部１２内に没入する。その際、セレーション１６が筒状芯材１４を切削しながらシャフト部１２内に没入する。従って、従来のプロペラシャフトと異なり、継手１３はＦＲＰ製の筒部材１５を破壊せずに、ＦＲＰ製の筒部材１５より強度の弱い筒状芯材１４を破壊しながらシャフト部１２内に没入するため、没入荷重が小さくなる。

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、シャフト部１２の全体がＦＲＰで形成されているのではなく、紙製の筒状芯材１４の外周面にＦＲＰ製の筒部材１５が成形された構造で、筒状芯材１４の端部より突出する状態の継手連結部１５ａに継手１３のセレーション１６が接合されている。そして、セレーション１６の外径Ｄ３が筒状芯材１４の外径Ｄ２より小さく、かつ筒状芯材１４の内径ｄ１より大きく形成されているため、プロペラシャフト１１に軸方向の圧縮荷重が過大に加わると、セレーション１６が筒状芯材１４を切削しながらシャフト部１２に没入する。筒状芯材１４の材質である紙はＦＲＰに比較して強度が低いため、切削抵抗はＦＲＰを切削する場合より小さくなる。従って、シャフト部１２全体がＦＲＰ製のプロペラシャフトに比較して、プロペラシャフト１１に過大な軸方向の圧縮荷重が作用した際の継手１３の没入荷重を低くすることができる。また、筒部材１５を構成するＦＲＰのフープ巻を切断しないため、フープ巻層の厚さ、層数を自由に設定できる。また、くさび状のＦＲＰ製の部分を設けて層間剥離によりＦＲＰ製の円筒部を破壊する構成のプロペラシャフトに比較して、没入荷重が層間剥離荷重のばらつきの影響を受け難い。また、くさび状のＦＲＰ製の部分を設ける必要がないため、その分、軽量になるとともに、コストも安くなる。

（２） 継手１３はセレーション１６に対して継手部１３ｂと反対側に、筒状芯材１４の内面に嵌合される嵌合部１３ｃが形成され、嵌合部１３ｃとセレーション１６が形成された円筒部１３ａとの間に、嵌合部１３ｃの外径Ｄ１より大径で筒状芯材１４の外径Ｄ２より小径の第１の段差部１３ｄが形成されている。従って、継手１３がシャフト部１２に没入する際、セレーション１６が筒状芯材１４を削る前に、筒状芯材１４の内側部分が第１の段差部１３ｄによって破壊されるため、セレーション１６が削る筒状芯材１４の量が少なくなり、その分、継手１３の没入荷重が低くなる。

（３） 筒状芯材１４が紙製であるため、筒状芯材１４を樹脂製や金属製の場合に比較して軽量化することができる。また、径の異なる筒状芯材１４を製造する場合、例えば、金属製の筒に紙を巻き付けることで筒状芯材１４を製造できる。従って、金属や樹脂を型から押し出して筒状芯材１４を形成したり、マンドレルに樹脂含浸繊維束を巻き付けて加熱硬化し、脱型して熱硬化性樹脂製の筒状芯材１４を製造する場合に比較して、筒状芯材１４のサイズ変更が容易で、種々のプロペラシャフト１１に対応し易い。

（４） プロペラシャフト１１の一部となる筒状芯材１４の周面にＦＷにより樹脂含浸繊維束Ｒが巻き付けられ、樹脂硬化後には治具１７の部分を脱型するだけでよい。従って、従来と異なり、ＦＲＰ製パイプ（筒部材１５）の長さに対応する長くて重いマンドレルの脱型が不要となる。また、長くて重いマンドレルを樹脂の熱硬化時に加熱する必要がないため、熱硬化時に必要なエネルギーを低減できる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について図４を参照して説明する。この実施形態は、プロペラシャフト１１の製造方法が異なっており、その他は前記第１の実施形態と基本的に同じである。第１の実施形態と同様な部分は同じ符号を付して詳しい説明を省略する。

前記第１の実施形態では筒状芯材１４の両端に治具１７を嵌合した状態でＦＷを行い、樹脂含浸繊維束の硬化後に、治具１７を取り外し、治具１７の嵌合されていた位置に継手１３を接合することでプロペラシャフト１１を製造した。それに対して、この実施形態では、筒状芯材１４の両端に継手１３を嵌合させた状態でＦＷを行う点が大きく異なる。しかし、両端に継手１３が連結された状態の筒状芯材１４をそのままＦＷ装置のチャックに固定するのは難しく、継手部１３ｂに樹脂含浸繊維束Ｒを巻き付けずにＦＷを行うのも難しい。そこで、継手部１３ｂを覆う治具４０を使用する。

図４は継手１３、筒状芯材１４及び治具４０が組み付けられた状態の一部破断模式部分断面図である。図４に示すように、治具４０は継手１３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Ｒの一部が巻き付けられる筒状のカバー部４１を備えている。カバー部４１は一端側が小径に形成され、ＦＷ装置のチャックに支持可能な軸部４２がカバー部４１の小径側の端部に連続して一体的に形成されている。また、カバー部４１の周面には周方向に沿ってピン４３が一定間隔で設けられている。

治具４０は、継手１３を軸部４２と筒状芯材１４の回転中心とが同軸となる状態で支持可能で、軸部４２と一体回転可能な支持部材４４を備えている。支持部材４４は、一側端に継手１３に取り外し可能に固定されるＴ字状部４４ａが設けられたシャフトで構成され、他端側に雄ねじ部４４ｂが形成されている。そして、Ｔ字状部４４ａが孔１３ｅに挿通された状態で、軸部４２から突出した雄ねじ部４４ｂに螺合されるナット４５が締め付けられることにより、軸部４２の端部に一体に形成された座金部４６を介して軸部４２に固定されるようになっている。

両端に継手１３が取り付けられた筒状芯材１４にＦＷを行う場合は、前記のように筒状芯材１４に嵌合された継手１３の継手部１３ｂを覆う状態で治具４０を組み付ける。次に、その組立体をＦＷ装置にセットする。そして、前記第１の実施形態と同様にＦＷを行い、筒状芯材１４、継手１３及び治具４０の周囲に樹脂含浸繊維束Ｒ及びポリエステル糸が巻き付けられる。

そして、巻き付けが終了した成形品の両端部を、ピン４３の突設位置よりセレーション１６寄りの治具４０と対面する位置でそれぞれ切断する。成形品が治具４０と共にＦＷ装置のチャックから取り外され、成形品の未硬化の段階で前記切断位置より軸部４２側に巻き付けられた樹脂含浸繊維束Ｒが除去される。

その後、成形品は加熱炉に入れられ、加熱硬化後、セレーション１６とカバー部４１の大径側の端との間に対応する位置に設けられた溝１３ｆの箇所で切断される。次に、両治具４０が取り外されることにより、筒状芯材１４の外周面上に筒部材１５が形成されるとともに、筒部材１５の端部に継手１３が接合されたＦＲＰ製のプロペラシャフト１１が完成する。

この実施形態では第１の実施形態の（１）〜（３）と同様の効果を有する他に以下の効果を有する。
（５） 筒状芯材１４の両端に継手１３が取り付けられ、その状態でＦＷ装置により樹脂含浸繊維束Ｒが巻き付けられてプロペラシャフト１１が製造される。従って、継手１３の圧入が不要となる。

（６） 筒部材１５を構成する繊維束のうち最内層を構成する全ての繊維束は、継手１３の円筒部１３ａ外周面に形成されたセレーション１６の溝内に沿って配列されるように巻き付けられている。従って、筒部材１５に継手１３のセレーション１６を圧入しなくても、筒部材１５は継手１３に対する周方向への相対移動がセレーション１６によって規制され、回転トルクの伝達が確実に行われる。また、全長にわたって樹脂含浸繊維束Ｒが連続しており、切断されていないため、回転トルクの伝達が良好に行われる。

（第３の実施形態）
次に第３の実施形態を図５に従って説明する。この実施形態は、継手１３のセレーション１６の外径Ｄ３が、継手部１３ｂに近い側ほど小さくなるように形成されている点が前記第１及び第２の実施形態と異なっており、その他は前記第１の実施形態と基本的に同じである。但し、プロペラシャフト１１の製造は、第１の実施形態の治具１７を用いる方法ではなく、継手１３を筒状芯材１４に嵌合し、治具４０を用いてＦＷを行う第２の実施形態の方法で製造される。第１の実施形態あるいは第２の実施形態と同様な部分は同じ符号を付して詳しい説明を省略する。

継手１３は、筒部材１５との接合部分となる円筒部１３ａが継手部１３ｂ側ほど小径となるテーパ状に形成され、その外周面にセレーション１６が形成されている。筒部材１５の継手連結部１５ａも継手部１３ｂ側ほど小径となるテーパ状に形成されている。

第１の段差部１３ｄは、嵌合部１３ｃの外径Ｄ１より大径で筒状芯材１４の外径Ｄ２より小径に形成されている。セレーション１６は、第１の段差部１３ｄ側端部の外径が筒状芯材１４の外径Ｄ２より小さく、かつ筒状芯材１４の内径ｄ１より大きく形成されている。

この実施形態のプロペラシャフト１１は、治具１７として繊維束被巻付け部１７ａの形状がテーパ状のものを使用することにより第１の実施形態と同様に製造できる。また、嵌合部１３ｃがテーパ状の継手１３を使用して第２の実施形態の製造方法と同様にして製造することもできる。

この実施形態では第１の実施形態の（１）〜（３）と、第２の実施形態の（５），（６）と同様の効果を有する他に以下の効果を有する。
（７） 第１の実施形態のようにセレーション１６の外径が一定の場合、セレーション１６が筒部材１５あるいは筒状芯材１４を切削して継手１３が没入する際、セレーション１６全体が切削された溝に接して進むため摩擦抵抗が大きい。しかし、この実施形態では、第１の実施形態の構成に加えて、セレーション１６の外径Ｄ３が継手部１３ｂに近い側ほど小さくなるように形成されているため、継手１３のシャフト部１２への没入時、セレーション１６の進行方向後側の部分は、セレーション１６の進行方向前側の部分が切削した溝との間に隙間がある状態で移動することになる。その結果、摩擦抵抗が小さくなって没入荷重をさらに低くすることができる。

（第４の実施形態）
次に第４の実施形態を図６に従って説明する。この実施形態は、継手１３のシャフト部１２への没入時、セレーション１６が筒状芯材１４だけを切削するのではなく、没入途中まで筒部材１５をも切削しつつ没入する点が前記第１〜第３の実施形態と大きく異なっている。その他は前記第１の実施形態と基本的に同じであり、第１の実施形態と同様な部分は同じ符号を付して詳しい説明を省略する。また、継手部１３ｂの図示も省略する。

継手１３の円筒部１３ａは一定の径に形成され、セレーション１６の外径Ｄ３も一定に形成されている。一方、筒状芯材１４は、端面１４ａからの距離が継手１３に対してプロペラシャフト１１の軸方向に過大な荷重が作用した際にセレーション１６が筒部材１５内に侵入可能な距離より短い範囲の外径が、セレーション１６の外径Ｄ３より小さく形成されている。詳述すれば、筒状芯材１４は、内径ｄ１がセレーション１６の外径Ｄ３より小さな値で一定で、筒状芯材１４の外径Ｄ２は、前記範囲においてセレーション１６の外径Ｄ３より小さく、前記範囲より筒状芯材１４の端面１４ａから離れた部分ではセレーション１６の外径Ｄ３より大きく形成されている。即ち、筒状芯材１４は中間部はほぼ一定径で、両端部にはその外周面が筒状芯材１４の端面１４ａに近いほど縮径となるテーパ面１４ｂが形成されている。

筒部材１５は、継手連結部１５ａの部分が最も小径で、そこから筒状芯材１４のテーパ面１４ｂと対応する部分がテーパ状に形成され、筒状芯材１４のテーパ面１４ｂと対応する部分より中央側の部分はほぼ一定径に形成されている。

この実施形態のプロペラシャフト１１は、筒状芯材１４として前記形状のものを使用し、治具１７は第１の実施形態と同じものを使用して、第１の実施形態と同様に製造できる。また、第２の実施形態の製造方法によっても製造することができる。

この実施形態では第１の実施形態の（１）、（３）、（４）と同様の効果を有する他に以下の効果を有する。
（８） 継手１３がシャフト部１２に没入する際、筒状芯材１４の外径Ｄ２がセレーション１６の外径Ｄ３より小さい範囲では、セレーション１６がＦＲＰ製の筒部材１５も切削し、その後、筒状芯材１４のみを切削する。従って、セレーション１６が筒状芯材１４のみを切削する前記各実施形態に比較して、継手１３の没入荷重は大きくなるが、没入の間、セレーション１６が常にＦＲＰ製の筒部材を削る従来の構成に比較して没入荷重を低くすることができる。

（９） セレーション１６がＦＲＰ製の筒部材１５を切削する長さを変更することにより、没入荷重とストロークの関係を調整することができる。
実施の形態は前記に限定されるものではなく、例えば次のように構成してもよい。

○ 継手１３と筒状芯材１４との嵌合構造は前記各実施形態のような第１の段差部１３ｄと筒状芯材１４の端面１４ａとが当接する構造に限らない。例えば、図７（ａ）に示すように、筒状芯材１４の端部内面に端面１４ａ側ほど大径となる第１のテーパ部１４ｃが設けられ、嵌合部１３ｃには第１のテーパ部１４ｃに嵌合する第２のテーパ部２１ａが設けられた構成としてもよい。また、継手１３には円筒部１３ａと嵌合部１３ｃとの間に第１の段差部１３ｄに代えて、第２のテーパ部２１ａに連続するテーパ部２１ｂが設けられる。この構成では、筒状芯材１４と嵌合部１３ｃとがテーパ面１４ｂ及び第２のテーパ部２１ａで嵌合しているため、継手１３がシャフト部１２に没入する際、セレーション１６が筒状芯材１４を削る前に、筒状芯材１４の内側部分が第２のテーパ部２１ａ及びテーパ部２１ｂによって破壊される。従って、セレーション１６が削る筒状芯材１４の量が少なくなり、その分、継手１３の没入荷重が低くなる。

○ 継手１３と筒状芯材１４との係合状態として、図７（ｂ）に示すように、円筒部１３ａと嵌合部１３ｃとの間に第１の段差部１３ｄに代えて、テーパ部２１ｂを設けてもよい。この場合も、継手１３がシャフト部１２に没入する際、セレーション１６が筒状芯材１４を削る前に、筒状芯材１４の内側部分がテーパ部２１ｂによって破壊され、セレーション１６が削る筒状芯材１４の量が少なくなり、その分、継手１３の没入荷重が低くなる。

○ 嵌合部１３ｃと円筒部１３ａとの間に第１の段差部１３ｄやテーパ部２１ｂを設けずに、図８（ａ）に示すように、嵌合部１３ｃと円筒部１３ａとが連続して、セレーション１６の端部が筒状芯材１４の端面１４ａに当接する構成としてもよい。

○ 図８（ｂ）に示すように、筒状芯材１４の端部内面に環状の第２の段差部１４ｄが形成され、嵌合部１３ｃには第２の段差部１４ｄと嵌合する第３の段差部２２が形成された構成としてもよい。この場合、筒状芯材１４の端部内面に環状の第２の段差部１４ｄが形成されているため、継手１３がシャフト部１２に没入する際、筒状芯材１４がより破壊され易くなり、継手１３の没入荷重がより低くなる。

○ 両方の継手１３がヨークタイプのプロペラシャフト１１に限らない。プロペラシャフト１１の使用態様に応じて、例えば、シャフト部１２の一方にヨークタイプの継手１３が接合され、他方に継手部として図９に示すようなシャフト２３ａを有するタイプの継手２３が接合された構成や、シャフトタイプの継手２３がシャフト部１２の両端に接合された構成としてもよい。

○ 治具１７を使用して製造されるプロペラシャフト１１において、繊維束被巻付け部１７ａにセレーション１７ｅが形成されていないものを使用し、ＦＷ及び樹脂硬化が完了後、継手１３のセレーションを圧入するようにしてもよい。この場合、セレーションとしてその歯が円筒部１３ａの軸方向と平行に延びる形状としてもよい。

○ プロペラシャフト１１において、継手１３は必ずしも筒状芯材１４に嵌合される嵌合部１３ｃを備えず、継手１３が筒状芯材１４と離れた状態で筒部材１５に接合された構成でもよい。このようなプロペラシャフト１１は治具１７を使用する方法で製造することができる。

○ 筒状芯材１４は、筒部材１５をＦＷ法で形成する際に、樹脂含浸繊維束Ｒ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。従って、筒状芯材１４は紙製に限らず、例えば、樹脂製であってもよい。樹脂製の場合、ＦＷ後の樹脂硬化の際の加熱時に溶融しない樹脂が好ましく、熱可塑性樹脂の場合は溶融温度が前記加熱時の温度より高いものが好ましい。

○ 継手１３の円筒部１３ａと嵌合部１３ｃとの間に第１の段差部１３ｄを設けた場合、第１の段差部１３ｄの端面は必ずしも筒状芯材１４の端面１４ａに当接した状態に形成される必要はなく、第１の段差部１３ｄが端面１４ａに当接していなくてもよい。

○ 筒部材１５は全長にわたってほぼ一定の厚さ形成されるものに限らず、継手連結部１５ａの肉厚が厚く形成されてもよい。
○ 治具１７，４０を使用して、一層分の複数本の繊維束を同時にヘリカル巻で巻き付けるＦＷ法に限らず、一本の樹脂含浸繊維をＦＷ法によりヘリカル巻で巻き付けて製造してもよい。

○ 製品のプロペラシャフトに要求される、曲げ、ねじり、振動等の特性等を考慮して、フープ巻の廃止、巻き層数の削減、巻き付け範囲（軸方向における範囲）低減、付着の樹脂量の削減等を実施してもよい。この場合、プロペラシャフト１１をより軽量化することができる。

前記実施形態から把握される発明（技術的思想）について以下に記載する。
（１） 請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の発明において、前記筒部材は少なくとも最内層にヘリカル巻層が形成され、前記セレーションは最内層の繊維束の配列方向と同方向に延びるように形成されている。

（ａ）は第１の実施形態のプロペラシャフトの部分模式断面図、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図。 （ａ）はプロペラシャフトを製造する際に使用する治具が筒状芯材に組み付けられた部分模式断面図、（ｂ）は治具の側面図。 ＦＷ装置の巻付けヘッドの模式図。 第２の実施形態のプロペラシャフトを製造する際に使用する継手、筒状芯材及び治具が組み付けられた状態の部分模式断面図。 第３の実施形態のプロペラシャフトの部分模式断面図。 第４の実施形態のプロペラシャフトの模式部分断面図。 （ａ），（ｂ）は別の実施形態のプロペラシャフトの模式部分断面図。 （ａ），（ｂ）は別の実施形態のプロペラシャフトの模式部分断面図。 継手の形状が異なる別の実施形態のプロペラシャフトの模式部分断面図。 従来のプロペラシャフトの破壊の進行状態を示す部分断面図。

符号の説明

Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３…外径、ｄ１…内径、１１…プロペラシャフト、１２…シャフト部、１３，２３…継手、１３ｂ…継手部、１３ｃ…嵌合部、１３ｄ…第１の段差部、１４…筒状芯材、１４ａ…端面、１４ｃ…第１のテーパ部、１４ｄ…第２の段差部、１５…筒部材、１５ａ…継手連結部、１６…セレーション、２１ａ…第２のテーパ部、２２…第３の段差部、２３ａ…継手部としてのシャフト。

Claims (6)

1. シャフト部が紙製又は樹脂製の筒状芯材と、前記筒状芯材より長く形成されるとともにその両端が前記筒状芯材の両端部より突出する状態で成形された繊維強化プラスチック製の筒部材とで構成され、前記筒部材の両端の継手連結部に対して継手がそのセレーションで接合されたプロペラシャフトであって、
   前記セレーションの外径が前記筒状芯材の外径より小さく、かつ前記筒状芯材の内径より大きく形成されているプロペラシャフト。
2. シャフト部が紙製又は樹脂製の筒状芯材と、前記筒状芯材より長く形成されるとともにその両端が前記筒状芯材の両端部より突出する状態で成形された繊維強化プラスチック製の筒部材とで構成され、前記筒部材の両端の継手連結部に対して継手がそのセレーションで接合されたプロペラシャフトであって、
   前記筒状芯材は、端面からの距離が前記継手に対してプロペラシャフトの軸方向に過大な荷重が作用した際に前記セレーションが前記筒部材内に侵入可能な距離より短い範囲の外径が、前記セレーションの外径より小さく形成されているプロペラシャフト。
3. 前記継手は前記セレーションの外径が、継手部に近い側ほど小さくなるように形成されている請求項１又は請求項２に記載のプロペラシャフト。
4. 前記継手は前記セレーションに対して継手部と反対側に、前記筒状芯材の内面に嵌合される嵌合部が形成されており、前記嵌合部と前記セレーションが形成された部分との間に、前記嵌合部の外径より大径で前記筒状芯材の端面の外径より小径の第１の段差部が形成されている請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のプロペラシャフト。
5. 前記筒状芯材の端部内面に環状の第２の段差部が形成され、前記嵌合部には前記第２の段差部と嵌合する第３の段差部が形成されている請求項４に記載のプロペラシャフト。
6. 前記継手は前記セレーションに対して継手部と反対側に、前記筒状芯材の内面に嵌合される嵌合部が形成されており、前記筒状芯材の端部内面に端面側ほど大径となる第１のテーパ部が設けられ、前記嵌合部には前記第１のテーパ部に嵌合する第２のテーパ部が設けられている請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のプロペラシャフト。

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