JP2010107020A - 動力伝達部材 - Google Patents

Abstract

【課題】高い同軸度で結合され、圧入力、固定力、及び破壊強度のバラツキを低減し、軸方向の固定力が十分大きい動力伝達部材を提供する。
【解決手段】繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製円筒部材１０と、継ぎ手部材２０とを有し、継ぎ手部材２０のボス部２２の外周面２２ａには雄ねじ２３が形成され、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製円筒部材１０の内周面１０ａに雌ねじ１１が形成され、雄ねじ２３と雌ねじ１１と螺合させることによって繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製円筒部材１０と継ぎ手部材２０とが接合されている動力伝達部材１である。
【選択図】図１

Description

本発明は、動力伝達部材、特に、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製円筒部材と継ぎ手とを有する動力伝達部材に関する。

近年、地球温暖化問題に対応して、炭酸ガスの排出量を低減する要求が強くなってきている。これに対し、自動車関連分野では、車両重量を軽減して燃費節減を図るために、各種の構成部材を繊維強化プラスチックで代替することを試みた結果、構成部材の材料として、プラスチックが占める割合が年々増加している。これら構成部材のうち、動力伝達部材としては、比強度及び比剛性に優れた繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）への代替が試みられ、使用され出している。ＦＲＰとしては、例えば、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）や、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）が挙げられる。

ここで、ＦＲＰは、動力伝達部材の材料として単独で使用されることはほとんどなく、トルクを伝達するための継手部材と接合する円筒部材などに使用される。そして、前記円筒部材と継手部材との接合部分には大きな力が作用するため、接合部分には十分大きな固定力と破壊強度が必要となる。
ＦＲＰを材料として用いた動力伝達部材として、特許文献１には、プロペラシャフトが開示されている。

特許文献１に開示された動力伝達部材としてのプロペラシャフト１０１は、図８に示すように、ＣＦＲＰからなる円筒体１０２の両端に、炭素鋼製の接続継ぎ手としてヨーク１０３を圧入して固定してなる。ヨーク１０３の嵌合部１０６は、円筒体１０２の端部の内径よりも大きい歯先円を有する。すなわち、ヨーク１０３の嵌合部１０６は、圧入により円筒体１０２の端部１０２ａにセレーション結合される歯部１０８と圧入位置を規制するフランジ部１０９と、フランジ部１０９側に沿って塗布されたシール材１１１とを有する。
特開２００１−６５５３８号公報

しかしながら、特許文献１に開示された動力伝達部材は、その接合形態から、円筒体の端部内径と、継ぎ手のセレーション結合される歯部とのセンタリングを精度よく行いながら圧入することが難しい。したがって、円筒体外径と継ぎ手との同軸度を精度よく結合することが困難である。
また、圧入時には、継ぎ手の歯部で円筒体の端部内径を削りながら圧入するため、円筒体の端部内径寸法及び継ぎ手歯部外径寸法のバラツキにより圧入力及び固定力や破壊強度のバラツキも大きくなる。
さらに、セレーション結合では、回転方向の固定力は大きくできるが、軸方向の固定力を十分大きくすることができない。

そこで、本発明は上記の問題点に着目してなされたものであり、その目的は、高い同軸度で結合され、圧入力、固定力、及び破壊強度のバラツキを低減し、軸方向の固定力が十分大きい動力伝達部材を提供することにある。

本発明の請求項１に係る発明は、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製円筒部材と、継ぎ手部材とを有し、
前記継ぎ手部材の一方の端部に形成されたボス部の外周面には雄ねじが形成され、前記繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製円筒部材の内周面に雌ねじが形成され、前記雄ねじと前記雌ねじと螺合させることによって前記繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製円筒部材と継ぎ手部材とが結合されることを特徴としている。

本発明の請求項２に係る発明は、請求項１に記載の動力伝達部材において、前記繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製円筒部材は、内筒面に金属製の心材が結合されていることを特徴としている。

本発明の請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の動力伝達部材において、前記外周面と前記内周面との間に接着剤を供給する接着剤貯留部が前記継ぎ手部材に形成されたことを特徴としている。

本発明の請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の動力伝達部材において、前記繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製円筒部材の側面部に歯部が形成され、該歯部が、ラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置のラックとして用いられることを特徴としている。

請求項１の動力伝達部材によれば、継ぎ手部材のボス部の外周面の雄ねじ加工、及び繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製円筒部材の内周面の雌ねじ加工とも、同軸度を精度よく加工することが容易である。したがって、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製円筒部材の外径と継ぎ手部材との同軸度を精度よく結合できる。さらに、ねじの締め付けトルクを管理することも容易であるため、固定力及び破壊強度のバラツキも小さく、十分に大きな軸方向の固定力を有している。

請求項２の動力伝達部材によれば、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製円筒部材のつぶれ変形が発生してその部分に大きな圧縮や引張り応力が作用して破壊に至ることが起きにくくなり、圧縮強度が向上するという効果を奏する。

請求項３の動力伝達部材によれば、前記外周面と前記内周面との間に接着剤が塗布され、ねじによる螺合力と接着力とにより継ぎ手部材と繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製円筒部材とが結合されているので、回転方向及び軸方向の固定力がさらに向上する。

請求項４の動力伝達部材によれば、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製円筒部材の側面部に形成されたラックをラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置のラックとして用いるので、鉄系材料並みの強度を維持し、軽量化と高信頼性を併せ持つ電動パワーステアリング装置を提供することができる。

以下、本発明に係る動力伝達部材の実施形態について図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１は本発明に係る動力伝達部材の第１の実施形態における構成を示す断面図であり、（ａ）は継ぎ手部材の構成を示す断面図、（ｂ）は繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製円筒部材の構成を示す断面図、（ｃ）は継ぎ手部材と繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製円筒部材とを接合したときの動力伝達部材の構成を示す断面図である。

＜動力伝達部材の構成＞
図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、動力伝達部材１は、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製円筒部材１０（以下、円筒部材１０と呼ぶ）と、継ぎ手部材２０とを有している。円筒部材１０の内周面１０ａの両端部（図では一方の端部のみ示し、他方の端部を省略している。）には、一方の端面１０ｃから所定の距離にわたって雌ねじ１１が形成されている。

一方、継ぎ手部材２０は、軸状の本体部２１と、本体部２１の一方の端部に形成されたボス部２２と、本体部２１の外周面２１ａに沿って円環状に形成されたフランジ部２４とを有している。ボス部２２の外周面２２ａには雄ねじ２３が形成されており、この雄ねじ２３が、雌ねじ１１に螺合されることによって円筒部材１０と継ぎ手部材２０とが接合可能とされている。円筒部材１０と継ぎ手部材２０との接合にあっては、円筒部材１０の一方の端面１０ｃが、継ぎ手部材２０のフランジ２４の当接面２４ａに当接することにより円筒部材１０及び継ぎ手部材２０の螺合する軸方向の動きが制限される。円筒部材１０の材料としては、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）が用いられる。

継ぎ手部材２０のボス部２２の外周面２２ａの雄ねじ２３の加工、及び円筒部材１０の内周面１０ａの雌ねじ１１の加工とも同軸度を精度よく加工することは容易である。したがって、円筒部材１０の外径と継ぎ手部材２０との同軸度を高い精度に維持しつつ、円筒部材１０と継ぎ手部材２０とを接合することができる。さらに、雄ねじ２３及び雌ねじ１１の締め付けトルクを管理することも容易であるため、固定力及び破壊強度のバラツキも小さく、軸方向の固定力も十分に大きく得ることができる効果がある。

円筒部材１０の製造方法としては、支持材としての炭素繊維と、母材（マトリクス）とを複合化する方法が採用される。このような製造方法としては、例えば、シートワインディング法やフイラメントワインディング法が挙げられる。また、円筒部材１０の外周面１０ｂを成形するための切削又は研削や、内周面１０ａに形成される雌ねじ１１の加工等、高い精度が要求される加工については、機械加工により仕上げられる。

シートワインディング法を具体的に説明すると、まず、炭素繊維にマトリクス樹脂を含浸させ、該マトリクス樹脂の硬化反応を進めることによってプリプレグが作製される。このプリプレグは、シート状になっており、作業者が一定環境の下で容易に積層できる程度に、マトリクス樹脂が半硬化状態になっている。その後、このシート状のプリプレグを、金型にワインディング（巻きつけ）し、硬化炉で熱硬化させ、脱芯機で金型から分離させて円筒形状の円筒部材１０が作製される。

マトリクス樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、ビスマレイミド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂が挙げられる。これらの中でも、炭素繊維との相性がよく、取り扱い性に優れたエポキシ樹脂が好ましい。
マトリクス樹脂の含有割合としては、２０〜５０重量％が好ましく、２５〜４０重量％がより好ましい。マトリクス樹脂の含有量が２０％未満であると、シートワインディング法においては、プリプレグ同士の接着が難しく、積層体の層間強度が弱くなるので好ましくない。一方、フイラメントワインディング法においては、炭素繊維の外周面全てに樹脂を行き渡らせるのが難しく、やはりその部位の強度が弱くなるので好ましくない。それに対して、マトリクス樹脂の含有量が５０重量％を超える場合は、積層体の層間強度や炭素繊維間の強度が強くなり、柔軟性も向上するが、炭素繊維が少なすぎるため、円筒部材１０そのものの強度が低下するので好ましくない。

（第２の実施形態）
以下、本発明に係る動力伝達部材の第２の実施形態について、図面を参照して説明する。本実施形態は、継ぎ手部材２０の構造が前述の第１の実施形態と異なるだけであるので、第１の実施形態と同じ符号を付した同様の構成については説明を省略する。図２は本発明に係る動力伝達部材の第２の実施形態を示す断面図である。

本実施形態では、フランジ部２４のボス部２２側の当接面２４ａに接着剤貯留部２５が設けられている。接着剤貯留部２５は、フランジ部２４の当接面２４ａ（円筒部材１０と継ぎ手部材２０とを接合させるときに端面１０ｃに当接する面）においてボス部２２の外周縁に沿う基端部２４ｂに形成された円環状の溝である。接着剤貯留部２５の内部には、接着剤が貯留される。円筒部材１０と継ぎ手部材２０とを接合させて、面２４ｂと面１０ｃとが当接したときには、接着剤貯留部２５と、雄ねじ２３と雌ねじ１１とによって形成される間隙とが連通し、この間隙に接着剤を供給することができる。なお、接着剤貯留部２５の形状は、雄ねじ２３と雌ねじ１１とによって形成される間隙に接着剤を供給することができる形状であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択される。

接着剤貯留部２５が設けられることにより、余分な接着剤が、接合時に接着剤貯留部２５で保持されて、フランジ面２５と円筒部材２０の端面に入り込むことがないため、円筒部材１０と継ぎ手部材２０の位置合わせ精度や同軸度等の精度が低下することもない。
そして、雄ねじ２３と雌ねじ１１との螺合及び接着剤による固定により、第１の実施形態よりさらに固定強度の向上が図れ、接着剤で固着されているため、雄ねじ２３と雌ねじ１１との螺合の緩みの発生も抑えられ長期に渡り安定した固定強度が確保される。

（第３の実施形態）
以下、本発明に係る動力伝達部材の第３の実施形態について、図面を参照して説明する。本実施形態は、円筒部材の構造が前述の第１の実施形態と異なるだけであるので、第１の実施形態と同じ符号を付した同様の構成については説明を省略する。図３は本発明に係る動力伝達部材の第３の実施形態を示す断面図である。

本実施形態では、円筒部材１０の外周面１０ｂに鋸歯形状の歯部１２が形成され、その歯部１２がラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置のラックとして用いられる。歯部１２は、内周面１０ａに形成された雌ねじ１１のねじ軸方向に沿った鋸歯形状をなしている。また、継ぎ手部材２０の他方の端部（本体部２１においてボス部２２が設けられた側とは反対側の端部）にはボールジョイント２６が設置され、継ぎ手部材２０と共に自在継ぎ手をなしている。ている。このようにすることで、軽量化を実現するだけでなく、歯部１２の外径及び外周面１０ｂの外径と、継ぎ手部材２０との同軸度を精度よく結合でき、雄ねじ２３及び雌ねじ１１の締め付けトルクを管理することも容易である。従って、固定力及び破壊強度のバラツキも小さく、十分に大きな固定力と破壊強度も得られるという効果がある。

（第４の実施形態）
以下、本発明に係る動力伝達部材の第４の実施形態について、図面を参照して説明する。本実施形態は、継ぎ手部材の構造が前述の第３の実施形態と異なるだけであるので、第３の実施形態と同じ符号を付した同様の構成については説明を省略する。図４は本発明に係る動力伝達部材の第４の実施形態を示す断面図である。

本実施形態は、第３の実施形態の構成に、継ぎ手部材２０においてフランジ部２４の当接面２４ａに接着剤貯留部２５が形成された前述の第２の実施形態の構成を加えたものである。
接着剤貯留部２５が設けられることにより、余分な接着剤が、接合時に接着剤貯留部２５で保持されて、フランジ部２４と円筒部材２０の端面に入り込むことがないため、円筒部材１０と継ぎ手部材２０の位置合わせ精度や同軸度等の精度が低下することもない。

そして、雄ねじ２３と雌ねじ１１との螺合及び接着剤による固定により、第１の実施形態よりさらに固定強度の向上が図れ、接着剤で固着されているため、雄ねじ２３と雌ねじ１１との螺合の緩みの発生も抑えられ長期に渡り安定した固定強度が確保される。
また、軽量化を実現するだけでなく、歯部１２の外径及び外周面１０ｂの外径と、継ぎ手部材２０との同軸度を精度よく結合でき、雄ねじ２３及び雌ねじ１１の締め付けトルクを管理することも容易である。従って、固定力及び破壊強度のバラツキも小さく、十分に大きな固定力と破壊強度も得られるという効果がある。

（第５の実施形態）
以下、本発明に係る動力伝達部材の第５の実施形態について、図面を参照して説明する。本実施形態は、円筒部材の構造が前述の第４の実施形態と異なるだけであるので、第４の実施形態と同じ符号を付した同様の構成については説明を省略する。図５は本発明に係る動力伝達部材の第５の実施形態を示す断面図である。

本実施形態では、第４の実施形態の構成に加え、円筒部材１０の内周面１０ａに円柱形状の心材１３が接合されている。剛性が大きい材料を心材１３の材料として採用することにより、圧縮強度が向上するという更なる効果を奏する。
心材１３の材料としては、金属が好ましく、ＣＦＲＰより剛性の大きい金属がより好ましい。ＣＦＲＰより剛性の大きい金属としては、例えば、鉄系や非鉄系（例えばアルミ等）が挙げられる。

ここで、シートワインディング法でプリプレグを積層して外径φ２７（ｍｍ）、内径φ８（ｍｍ）のパイプを円筒部材１０とした場合、内径φ８（ｍｍ）の中空構造の円筒部材１０と、心材１３としてφ８（ｍｍ）のアルミ芯を設けた円筒部材１０とで円環圧縮強度を比較すると、心材１３としてアルミ芯を設けた円筒部材１０の方が５〜７倍と大きく強度が向上した。円筒部材１０は、金属と比較して、つぶれ方向の剛性は小さいため、心材１３を設けない中空構造の場合は、円筒部材１０のつぶれ変形が発生して、その部分に大きな圧縮や引張り応力が作用して破壊に至るためである。

（第６の実施形態）
以下、本発明に係る動力伝達部材の第６の実施形態について、図面を参照して説明する。本実施形態も、円筒部材の構造が前述の第５の実施形態と異なるだけであるので、第５の実施形態と同じ符号を付した同様の構成については説明を省略する。図６は、本発明に係る動力伝達部材の第６の実施形態を示す断面図である。

本実施形態は、第５の実施形態の構成において、心材１３の形状をパイプ材（円筒形状）としている。この心材１３は、重量や必要な強度により使い分けることが好ましい。
心材の材料としては、前述の第５の実施形態と同様に、金属が好ましく、ＣＦＲＰより剛性の大きい金属がより好ましい。ＣＦＲＰより剛性の大きい金属としては、例えば、鉄系や非鉄系（例えばアルミ等）が挙げられる。

（第７の実施形態）
以下、本発明に係る動力伝達部材の第７の実施形態について、図面を参照して説明する。本実施形態は、継ぎ手部材の構造が前述の第６の実施形態と異なるだけであるので、第６の実施形態と同じ符号を付した同様の構成については説明を省略する。図７は本発明に係る動力伝達部材の第７の実施形態を示す図である。

本実施形態は、第６の実施形態の構成に加え、継ぎ手部材２０の他方の端部の形状を、自在継ぎ手のヨーク２７としている。このようにすることにより、円環圧縮強度は大きく向上するという更なる効果を奏する。
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されずに、種々の変更、改良を行うことができる。例えば、上述の実施形態では、接着剤貯留部を継ぎ手部材に設けたが、適切な使用に影響を及ぼさない限り、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製円筒部材に接着剤貯留部を設けてもよい。

本発明に係る動力伝達部材の第１の実施形態の構成を示す断面図であり、（ａ）は継ぎ手部材の構成を示す断面図、（ｂ）は繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製円筒部材の構成を示す断面図、（ｃ）は継ぎ手部材と繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製円筒部材とを接合した動力伝達部材の構成を示す断面図である。 本発明に係る動力伝達部材の第２の実施形態の構成を示す断面図である。 本発明に係る動力伝達部材の第３の実施形態の構成を示す断面図である。 本発明に係る動力伝達部材の第４の実施形態の構成を示す断面図である。 本発明に係る動力伝達部材の第５の実施形態の構成を示す断面図である。 本発明に係る動力伝達部材の第６の実施形態の構成を示す断面図である。 本発明に係る動力伝達部材の第７の実施形態の構成を示す断面図である。 従来における動力伝達部材の構成を示す断面図である。

符号の説明

１ 動力伝達部材
１０ 繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製円筒部材
１０ａ 内周面
１０ｂ 外周面
１１ 雌ねじ
１２ 歯部
１３ 心材
２０ 継ぎ手部材
２１ 本体部
２２ ボス部
２２ａ 外周面
２３ 雄ねじ
２５ 接着剤貯留部

Claims (4)

1. 繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製円筒部材と、継ぎ手部材とを有し、
   前記継ぎ手部材の一方の端部に形成されたボス部の外周面には雄ねじが形成され、前記繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製円筒部材の内周面に雌ねじが形成され、前記雄ねじと前記雌ねじと螺合させることによって前記繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製円筒部材と継ぎ手部材とが結合されることを特徴とする動力伝達部材。
2. 前記繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製円筒部材は、内筒面に金属製の心材が結合されていることを特徴とする請求項１に記載の動力伝達部材。
3. 前記外周面と前記内周面との間に接着剤を供給する接着剤貯留部が前記継ぎ手部材に形成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の動力伝達部材。
4. 前記繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製円筒部材の側面部に歯部が形成され、該歯部が、ラックアンドピニオン式電動パワーステアリング装置のラックとして用いられることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の動力伝達部材。

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