JP2010249145A - ドライブシャフト用中間軸 - Google Patents

Abstract

【課題】中間軸とその両端に取り付けた等速自在継手からなるドライブシャフトの一層の軽量化を図る。
【解決手段】ドライブシャフト用中間軸は、鋼製の中空軸2の外周にＦＲＰ層20を設けることにより軽量化と曲げ剛性の向上を図る。中空軸2は鋼製で、中間部4と、中間部4の両側の接続部6とからなり、全長にわたり中空で、中間部4の外周にＦＲＰ層20が設けてある。具体的には、パイプ状に成形したＦＲＰを中空軸2の外周に嵌合させる、樹脂を含浸させた炭素繊維の束を中空軸2の外周に巻き付ける、シート状に成形したＣＦＲＰを中空軸2の外周に巻き付ける、といった態様がある。
【選択図】図１

Description

この発明は自動車のドライブシャフト用中間軸に関する。

自動車のドライブシャフトは、中間軸とその両端に取り付けた等速自在継手とで構成され、例えば前輪駆動車の場合、エンジンと前輪との間に介在して動力を伝達する役割を果たす。従来、この中間軸には鋼製の中実軸が広く使用されていた。しかし、最近、燃費向上や静粛性向上が求められる中で、鋼製の中実軸を使用したドライブシャフトは、重量が重く、その割りには剛性が低いことが原因となって、しばしば燃費向上のための軽量化や振動低減を目的とした高剛性化の要求が課せられている。そこで、中実軸に代えて中空軸が採用され始めている（特許文献１等）。

図７は、中空の中間軸１を用いたドライブシャフトの例である。このドライブシャフトは、中空の中間軸１と、中間軸１の一方の端部に取り付けた固定式等速自在継手Ｊ１と、中間軸１のもう一方の端部に取り付けたしゅう動式等速自在継手Ｊ２とで構成されている。

固定式等速自在継手Ｊ１は、原動軸と従動軸との間で角度変位のみ可能なタイプで、外輪１１０と、内輪１２０と、複数のボール１３０と、ケージ１４０とからなり、内輪１２０と中間軸１（原動軸）をトルク伝達可能に接続し、外輪１１０と駆動車輪のホイールハブ（従動軸）をトルク伝達可能に接続するようになっている。

しゅう動式等速自在継手Ｊ２は、原動軸と従動軸との間で角度変位だけでなく軸方向変位（プランジング）も可能なタイプで、ここではトリポード型が例示してある。トリポード型等速自在継手Ｊ２は、外輪２１０と、トリポード２２０と、ローラ２３０とからなり、外輪２１０をディファレンシャルの出力軸（原動軸）とトルク伝達可能に接続し、トリポード２２０を中間軸１（従動軸）とトルク伝達可能に接続するようになっている。

潤滑グリースの洩れや異物の進入を防止するため、蛇腹状のブーツ１５０、２５０を装着して使用するのが一般的である。車両に搭載した状態における位置関係から、固定式等速自在継手Ｊ１をアウトボードジョイント、しゅう動式等速自在継手Ｊ２をインボードジョイントと呼ぶこともある。なお、等速自在継手の詳細はすでによく知られており、また、この発明の要旨と直接関係するものではないため、ここでは省略する。

特開２００１−２０８０３７号公報

中実軸に代えて中空軸を採用することによる軽量化の効果は小さく、より軽量なドライブシャフトが求められるようになってきた。そこで、この発明の目的は、ドライブシャフトの一層の軽量化を図ることにある。

この発明は、中空シャフトの外周部分を繊維強化樹脂（以下、ＦＲＰという）で置換することによって課題を解決したものである。すなわち、この発明のドライブシャフト用中間軸は、中間軸とその両端に取り付けた等速自在継手とで構成されるドライブシャフトにおける中間軸であって、前記中間軸は、中間部４と前記中間部４の両側の接続部６とからなり全長にわたって中空の中空軸２と、前記中間部４の外周に設けたＦＲＰ層２０とを有することを特徴とするものである（請求項１）。

ＦＲＰ層２０の具体的な態様を例示するならば、パイプ状に成形したＦＲＰを前記中空軸２の前記中間部４の外周に嵌合させたもの（請求項２）、樹脂を含浸させた炭素繊維の束を前記中空軸２の前記中間部４の外周に巻き付けたもの（請求項５）、シート状に成形した炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）を前記中空軸２の前記中間部４の外周に巻き付けたもの（請求項６）が挙げられる。

パイプ状に成形したＦＲＰを前記中空軸２の前記中間部４の外周に嵌合させることによりＦＲＰ層２０を形成する場合、パイプ状に成形したＦＲＰの成形長さを中空軸２の中間部４と嵌合させる長さＬの２以上の整数倍としてもよい（請求項３）。中空軸２の中間部４との嵌合長さＬの２以上の整数倍の長さを有するＦＲＰ製パイプを成形し、嵌合長さＬに切断して使用するようにすれば、複数本分のＦＲＰ製パイプを一度に成形することができるため工数低減が図れる。

また、パイプ状に成形したＦＲＰと中空軸２の中間部４との接合に接着剤２２を使用してもよい（請求項４）。この場合、例えばエポキシ系接着剤、ウレタン系接着剤を使用することができる。

樹脂を含浸させた炭素繊維の束を中空軸２の中間部４の外周に巻き付け、あるいは、シート状に成形した炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）を中空軸２の中間部４の外周に巻き付けることによってＦＲＰ層２０を形成する場合、中空軸２の軸線に対する炭素繊維の角度を４５°としてもよい（請求項７）。炭素繊維は強度に異方性があり、巻き方によって強度が異なる。基本的に、捩れに対しては４５°方向に巻く。中間軸の破損モードは捩れであるため、軸線に対して４５°方向に巻くことで捩れに対する強化が期待できる。また、中空軸の軸線に対する炭素繊維の角度を４５°より小さくすることで曲げ、引張りに対してはより強化されるため、必要に応じて０〜４５°の巻き角を選ぶことによって曲げ剛性、引張剛性を向上させることができる。

また、中空軸２の軸線に対する炭素繊維の角度を０より大きく４５°以下の任意の角度とし、２種類以上の角度を複合させてもよい（請求項８）。

中空軸２とＦＲＰ層２０の回り止めをするため、中空軸２の中間部４の外周面の輪郭を多角形とし（請求項９）、あるいは、中空軸２の中間部４の外周面に軸方向の溝を設けてもよい（請求項１０）。

接着剤２２を使用する、中空軸２の中間部４の外周面の輪郭を多角形とする、中空軸２の中間部４の外周面に軸方向の溝を設ける、といった構成は、それぞれ単独でも、任意に組み合わせても、実施することができる。

この発明によれば、中間軸を構成する鋼製の中空軸２の中間部４の外周部分を軽量素材である繊維強化樹脂からなる層すなわちＦＲＰ層２０で置換することで、中間軸のさらなる軽量化が実現する。したがって、この発明によるドライブシャフト用中間軸を使用することにより、自動車の燃費向上と振動特性の向上を図ることができる。

（Ａ）はシャフトの半縦断面図、（Ｂ）は横断面図、（Ｃ）は図１（Ａ）の部分拡大図である。 （Ａ）はシャフトの半縦断面図、（Ｂ）は部分拡大図である。 （Ａ）はシャフトの横断面図、（Ｂ）は別の横断面図、（Ｃ）は図３（Ｂ）の部分拡大図である。 （Ａ）はシャフトの横断面図、（Ｂ）は別の横断面図、（Ｃ）は図４（Ｂ）の部分拡大図である。 シャフトの半縦断面図である。 シャフトの半縦断面図である。 ドライブシャフトの縦断面図である。

以下、図面に従ってこの発明の実施の形態を説明する。中間軸は鋼製の中空軸２とＦＲＰ層２０とで構成されるが、まず中空軸２について述べる。

図１に示すように、中空軸２は中間部４とその両側の、中間部４よりも小径の接続部６とからなり、全長にわたって中空である。中空軸２は、中間部４よりも大径のパイプ素材を冷間加工で縮径させることにより、中間部４と接続部６を一体的に形成してある。冷間加工によって加工硬化が付与される。

各接続部６は、中間部４側の端部（内端部）に形成したテーパ部８を介して中間部４と一体化させてある。各接続部６は、中間部４寄りの位置に、転造等によりブーツ取り付け溝１０ａ、１０ｂが形成してある。これはブーツの小径部を取り付ける部分である。また、各接続部６の先端部（外端部）には転造等によりスプライン（またはセレーション）１２が形成してある。スプライン（またはセレーション）１２の先端部（外端部）に止め輪溝１４が形成してあり、スプライン（またはセレーション）１２の終端部には膨出部１６が形成してある。この膨出部１６とブーツ取り付け溝１０ａ、１０ｂの間の部分１８が接続部６において最も小径となっている。

次に、図１に示す実施例は、上に述べた鋼製の中空軸２の中間部４の外周に、繊維強化樹脂の層すなわちＦＲＰ層２０を設けたものである。言い換えれば、中間部４の最外層の鋼材をＦＲＰに置換したものである。周知のとおりＦＲＰは、炭素繊維やガラス繊維等の繊維で強化した樹脂からなる複合材料である。繊維強化材には、ガラス繊維、有機繊維、炭素繊維、金属繊維、無機繊維等がある。この実施例は、パイプ状に成形したＦＲＰ層２０を中空軸２の中間部４の外周に嵌合させた例である。

中空軸２とＦＲＰ層２０の接合には、接着剤２２（図１（Ｃ））やレーザ溶着２４（図２（Ａ））を採用することができる。接着剤には例えばエポキシ系やウレタン系接着剤を使用することができる。接着剤２２は母材（中空軸２）とＦＲＰ層２０の接合状態を強固にする役割を果たす。母材とＦＲＰ層間の接合状態が悪いと、母材すなわち中間軸２のみがトルクを受けて、ＦＲＰ層２０がトルクを分担することができず、強化という目的が達成できなくなる。図２（Ａ）は、符号２４で示すように、母材である中間軸２とＦＲＰ層２０の端部との間を複数箇所でレーザ溶着した例を示す。

図２（Ｂ）に示すように、中空軸２の母材とＦＲＰ層２０との接着力を向上させるために、中空軸２の外周に下地処理２６を施してもよい。ここでの下地処理は一種の粗面化であって、接着剤を介在させる表面に多数の凹凸を設けて表面積を増やすことにより、接着剤の接着力を増強するものである。そのような下地処理の具体例としては、ショットブラストやローレット加工を挙げることができる。

中空軸２とＦＲＰ層２０との間の滑りによる強度低下を防止するため、図３（Ａ）に示すように、中空軸２の中間部４（最大径部）の外周面の輪郭を多角形にしてもよい。図面には正多角形の場合を例示したが、必ずしも正多角形である必要はない。図４（Ａ）に示すように、中空軸２の中間部４の外周面に軸方向の溝を複数設けてもよい。この場合、図示するようにセレーション類似の断面形状とするほか、スプラインあるいは歯車類似の凹凸形状としてもよい。

中間部４の外周面の輪郭を多角形にし、または軸方向溝を設ける場合、図３（Ｂ）（Ｃ）および図４（Ｂ）（Ｃ）に示すように、稜線部分に丸みを付けることにより、ＦＲＰ層２０に対する応力集中が緩和されるため、高強度を確保できる。

以上のように鋼製の中空軸２とＦＲＰ層２０との複合体とすることで、軽量化と高強度の両立を図ることができる。また、すでに述べたとおり、接続部６よりも中間部４が大径であることから、中間部４が中空軸２の最大外径部分である。この最大外径部分の外周についてＦＲＰ層２０による置換を行なうことにより、重量軽減、曲げ剛性向上といった効果を最大限引き出すことができる。比重で比較すると、鋼の比重７．９に対してＣＦＲＰ（樹脂の繊維体積含有量６０％と仮定）の比重は１．６である。強度は、炭素繊維の強度に異方性があるため一概には言えないが、比強度（単位密度当たりの引張強度）では鋼が６０ＭＰａであるのに対してＣＦＲＰは３００ＭＰａとなり、同じ重量では５倍の引張強度を持つことになる。

また、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化樹脂）製パイプを成形する際、炭素繊維の巻き付け角度を４５°方向とする。５〜３０°の巻き角と組み合わせることにより曲げ剛性が向上する。あらかじめ中空軸２の中間部４の外周に１°方向シート状ＣＦＲＰを巻き付けておいてもよい。それにより、さらなる曲げ剛性向上を図ることができる。炭素繊維は強度に異方性があり、巻き方によって強度が異なる。基本的に、捩れに対しては４５°方向に巻く。中間軸の破損モードは捩れであるため、軸線に対して４５°方向に巻くことで捩れに対する強化が期待できる。また、中空軸の軸線に対する炭素繊維の角度を４５°より小さくすることで曲げ、引張りに対してはより強化されるため、必要に応じて０〜４５°の巻き角を選ぶことによって曲げ剛性、引張剛性を向上させることができる。

ＦＲＰ製パイプの成形長さは、嵌合する中空軸２の中間部４の嵌合長さＬ（図１）の２以上の整数倍とすることで、複数本分のＦＲＰ製パイプを一度に成形することができるため、工数低減が図れる。

次に、図５に示す実施例は、鋼製の中空軸２の外周に、樹脂を含浸させた炭素繊維の束またはシート状に成形した炭素繊維を直接巻き付けてＦＲＰ層２０を形成したものである。この場合、別体のＣＦＲＰ製パイプを成形する必要がないため、製造効率を改善できる。

鋼製の中空軸２の断面形状に関しては、図３および図４を参照して上に述べたのと同様とすることができる。炭素繊維を巻き付ける角度αは、中間軸の軸方向に対して４５°方向が好ましい。

図６に示すように、巻き角βおよびγは、５〜３０°方向と４５°方向を組み合わせて巻き付けることにより、曲げ剛性向上を図ることができる。シート状ＣＦＲＰを巻き付ける場合には０°方向（シャフト１の軸方向）も可能である。

２ 中空軸
４ 中間部
６ 接続部
８ テーパ部
１０ａ、１０ｂ ブーツ取り付け溝
１２ スプライン
１４ 止め輪溝
１６ 膨出部
１８ 最小径部分
２０ ＦＲＰ層
２２ 接着剤
２４ レーザ溶着
２６ 下地処理

Claims (10)

1. 中間軸とその両端に取り付けた等速自在継手とで構成されるドライブシャフトにおける中間軸であって、前記中空軸は、中間部と前記中間部の両側の接続部とからなり全長にわたって中空の中空軸と、前記中間部の外周に設けた繊維強化樹脂層とを有する、ドライブシャフト用中間軸。
2. パイプ状に成形した繊維強化樹脂を前記中空軸の前記中間部の外周に嵌合させた請求項１のドライブシャフト用中間軸。
3. パイプ状に成形した繊維強化樹脂の成形長さを前記中空軸に嵌合させる必要長さの倍数とした請求項２のドライブシャフト用中間軸。
4. パイプ状に成形した繊維強化樹脂と前記中空軸との接合に接着剤を使用した請求項２または３のドライブシャフト用中間軸。
5. 樹脂を含浸させた炭素繊維の束を前記中空軸の前記中間部の外周に巻き付けた請求項１のドライブシャフト用中間軸。
6. シート状に成形した炭素繊維強化樹脂を前記中空軸の前記中間部の外周に巻き付けた請求項１のドライブシャフト用中間軸。
7. 前記中空軸の軸線に対する炭素繊維の角度を４５°とした請求項５または６のドライブシャフト用中間軸。
8. 前記中空軸の軸線に対する炭素繊維の角度を０より大きく４５°以下の任意の角度とし、２種類以上の角度を複合した請求項５または６のドライブシャフト用中間軸。
9. 前記中空軸の前記中間部の外周面の輪郭を多角形とした請求項１から６のいずれか１項のドライブシャフト用中間軸。
10. 前記中空軸の前記中間部の外周面に軸方向の溝を設けた請求項１から７のいずれか１項のドライブシャフト用中間軸。

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