JP2011017413A - 動力伝達軸用シャフト - Google Patents

Abstract

【課題】動力伝達軸用シャフトを、強度を確保しつつ、一層軽量化する。
【解決手段】動力伝達軸用シャフトS1は、中央の大径部１４と両端の小径部１６とからなる中空(中空部１２)の鋼部材１０と、鋼部材１０の大径部１４の外周にはめ合わせたＣＦＲＰ部材２０との複合体である。軽量高強度素材であるＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）で成形したパイプ状のＣＦＲＰ部材２０と中空軸状の鋼部材１０とを複合化することで強度低下すること無く、動力伝達軸の軽量化を達成できる。ＣＦＲＰ部材２０の外周面にはブーツ溝２２が設けてある。
【選択図】図１

Description

この発明は自動車の動力伝達軸用シャフトに関する。動力伝達軸（ドライブシャフト）はシャフトとその両端に取り付けた等速ジョイントとからなり、自動車の駆動系に組み込み、非直線上に存在する回転軸同士の間で、回転力の伝達を行なう。

従来、動力伝達軸用シャフトとして鋼製中実シャフトが広く使用されている。
最近、車両の燃費向上や静粛性向上が求められる中で、鋼製中実シャフトを使用したドライブシャフトは、重量が重く、また剛性が低いことから、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が求められている。この問題を解決する手段として、特許文献１では、シャフトを中空にすることで振動特性の改善を達成することが提案されている。

特許文献１から引用して説明すると、図７に四輪駆動の自動車の駆動系が概略示してあり、前置機関１によって変速機２および前軸差動装置３、さらに前部の動力伝達軸５を介して前輪４を駆動するようになっている。後輪６への駆動トルクは前軸差動装置３から分岐してプロペラシャフト７を経て後軸差動装置８へ伝わる。後軸差動装置８は後部の動力伝達軸９を介して後輪６を駆動する。

図８に、前部および後部の動力伝達軸５、９に用いられるシャフトの一例を示す。このシャフトＳは鋼製で、全長にわたって中空である。シャフトＳは中央部と、その両側に位置して中央部よりも小径の端部とからなり、符号Ｌは中央部の長さを表している。各端部にはセレーション（またはスプライン、以下同じ）軸が形成してあり、図示してない内側ジョイント部材のセレーション孔とトルク伝達可能に接続するようになっている。

特開平５−２６３８１９号公報

しかしながら、鋼製シャフトの中空化による軽量化には限界がある。例えば、軽量化のために中央部を薄肉にすると必要強度が得られない。捩り剛性を確保するために中央部の外径を大きくし、かつ、肉厚を確保すると、所望の軽量効果が得られなくなる。また、シャフトにブーツを取り付けるための溝（ブーツ溝）を最小軸径部に設ける必要があることから、軽量化のために中央部の軸方向長さを長くするには限界があった。

この発明の課題は、動力伝達軸用シャフトを、強度を確保しつつ、一層軽量化することにある。

この発明の動力伝達軸用シャフトは、特許請求の範囲の請求項１に記載したように、中央の大径部と両端の小径部とからなる中空の鋼部材と、鋼部材の大径部の外周にはめ合わせたＣＦＲＰ部材との複合体であって、ＣＦＲＰ部材の外周面にブーツ溝を設けたことを特徴とするものである。

請求項２の発明は、請求項１の動力伝達軸用シャフトにおいて、パイプ状に成形したＣＦＲＰ部材を鋼部材の大径部にはめ合わせたことを特徴とするものである。

請求項３の発明は、請求項１または２の動力伝達軸用シャフトにおいて、ＣＦＲＰ部材のブーツ溝を機械加工により形成したことを特徴とするものである。

請求項４の発明は、請求項１または２の動力伝達軸用シャフトにおいて、ＣＦＲＰ部材のブーツ溝をプレス加工により形成したことを特徴とするものである。

請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれか１項の動力伝達軸用シャフトにおいて、鋼部材とＣＦＲＰ部材を接着剤により固定したことを特徴とするものである。

請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれか１項の動力伝達軸用シャフトにおいて、鋼部材の大径部の外周に接着剤溜まりを設けたことを特徴とするものである。

請求項７の発明は、請求項１〜４のいずれか１項の動力伝達軸用シャフトにおいて、パイプ状ＣＦＲＰ部材と鋼部材を回転方向の係止部位を介して圧入固定したことを特徴とするものである。

請求項８の発明は、請求項７の動力伝達軸用シャフトにおいて、前記回転方向係止部位を鋼部材の両端部に設けたことを特徴とするものである。

請求項９の発明は、請求項７または８の動力伝達軸用シャフトにおいて、前記回転方向係止部位はセレーションまたはスプラインであることを特徴とするものである。

請求項１０の発明は、請求項７または８の動力伝達軸用シャフトにおいて、前記回転方向係止部位はローレット加工面であることを特徴とするものである。

この発明によれば、動力伝達軸用シャフトを、軽量高強度素材であるＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）で成形したパイプ状のＣＦＲＰ部材と、中空軸状の鋼部材とを複合化することで、強度低下することなく動力伝達軸の一層の軽量化を達成することができる。したがって、動力伝達軸の軽量化を通じて車両の燃費向上に貢献することができる。
また、ＣＦＲＰ部材の外周にブーツ溝を形成することで、大径部（中央部）の軸方向長さをより長くすることが可能となる。したがって、大径部（中央部）の軸長大により得られる捩り剛性が向上し、当該動力伝達軸を搭載した車両の振動特性の向上に寄与する。

実施例の動力伝達軸用シャフトの、中心線の片側を断面にした半断面図である。 図１の動力伝達軸用シャフトの複合化前の状態を示す半断面図である。 別の実施例を示す部分拡大図である。 別の実施例を示す部分拡大図である。 （Ａ）は部分的に断面にした部分拡大図、（Ｂ）は図５（Ａ）における鋼部材のＢ−Ｂ断面図である。 部分的に断面にした部分拡大図である。 自動車の駆動系の略図である。 従来例を示す半断面図である。

図１に示すように、動力伝達軸用シャフト（以下、単にシャフトとも呼ぶ）Ｓ１は鋼部材１０とＣＦＲＰ部材２０を複合化したものである。鋼部材１０は全長にわたり中空で、符号１２は中空部を表している。鋼部材１０は中央の大径部１４と、両端の小径部１６とからなり、大径部１４の長さを符号Ｌ１で示してある。小径部１６の軸端部にはセレーション（またはスプライン、以下同じ）軸１８が設けてある。

ＣＦＲＰ部材２０はＣＦＲＰをパイプ状に成形したものである。なお、ここでは、ＣＦＲＰ部材２０の製造方法や材料プラスチックの詳細については特に限定するものではない。たとえば、製造方法としてはフィラメントワインディング法、シートワインディング法、引き抜き成形法（Pultrusion Process）、プリプレグシートのローリング成形法などが知られている。また、強化繊維たる炭素繊維の種類や巻き角度等についても特に限定するものではない。

ＣＦＲＰ部材２０の長さＬ１は上に述べた鋼部材１０の大径部１４の長さＬ１とほぼ等しい。ＣＦＲＰ部材２０は全長にわたってほぼ同径で、両端部の外周にブーツを嵌合させるためのブーツ溝２２が設けてある。ブーツ溝２２をＣＦＲＰ部材２０に形成することにより、鋼部材１０の小径部１６を短くしてその分だけ大径部１４を長くすることができる。

このように、鋼部材１０の大径部１４の長さＬ１およびＣＦＲＰ部材２０の長さＬ１は、図８に示した従来のシャフトＳの大径部の長さＬよりも長く設定してある（Ｌ１＞Ｌ）。このような構成を採用することで、シャフトＳ１は従来のシャフトＳよりも軽量で、かつ、剛性の高いものとなる。すなわち、（１）鋼部材１０の大径部１４を薄肉にしてＣＦＲＰ部材２０で補強することにより（材料の置換）、軽量化が達成できる。（２）鋼部材１０の全長のうち大径部１４が占める割合を大きくすることにより（Ｌ１＞Ｌ）、上記軽量化効果が一層助長されるばかりでなく、大径部（中央部）１４が長くなったことにより得られる捩り剛性が向上し、当該動力伝達軸を搭載した車両の振動特性の向上に寄与する。

鋼部材１０と外径両端部にブーツ溝２２を成形したＣＦＲＰ部材２０を嵌め合わせる複合化は、種々の方法で実施することができる。図３に示すように、鋼部材１０とあらかじめパイプ状に成形したＣＦＲＰ部材２０を接着剤２４により接合してもよい。また、接着剤による密着性を高めるために、図４に示すように、接着剤溜まり２６を設けてもよい。図４は、鋼部材１０の大径部１４の外周に形成した凹部によって接着剤溜まり２６が形成された例を示している。なお、図３および図４は接着剤層の厚さや接着剤溜まり２６の深さに関して幾分誇張してある。

図５に示すように、鋼部材１０とＣＦＲＰ部材２０の結合強度を増すために、鋼部材１０の大径部１４の外周に回転方向係止部位３０を設けてもよい。そして、鋼部材１０をＣＦＲＰ部材２０に圧入することにより、ＣＦＲＰ部材２０の内周面に回転方向係止部位３０の凸部を食い込ませて一体化する。回転方向係止部位３０は、鋼部材１０の大径部１４の全長にわたって配置するほか、その一部分たとえば図５（Ａ）に示すように両端部にのみ配置してもよい。回転方向係止部位３０は鋼部材１０とＣＦＲＰ部材２０との間に介在して相対回転を阻止する役割を果たすもので、セレーションやスプラインが代表例として挙げられるが、その他の類似の形状のものを採用することもできる。回転方向係止部位３０がセレーションまたはスプラインの形態をとる場合、歯と溝が軸方向に延在し（図５（Ａ））、横断面では凹凸の連続として現われる（図５（Ｂ））。

回転方向係止部位３０の他の形態としてローレット加工面を挙げることができる。すなわち、図６に示すように、鋼部材１０とＣＦＲＰ部材２０の結合強度を増すために、鋼部材１０の大径部１４の外周面にローレット加工により凹凸面３４を成形し、凹凸面３４の凸部をＣＦＲＰ部材２０の内周面に食い込ませるようにしてもよい。

ＣＦＲＰ部材２０のブーツ溝２２は、ＣＦＲＰ部材２０の熱硬化後、機械加工により形成するか、あるいは、ＣＦＲＰ部材２０を熱硬化させる際、外径側から軸心に向かってプレスにより金型を押し付けることにより、同時に焼き固めるようにしてもよい。
また、セレーションやスプライン、あるいは、ローレット成形による凹凸状の係止部を、鋼部材１０の大径部１４両端に成形する場合は、鋼部材１０にフィラメントワインディング法 あるいは シートワインディング法 等の手法で、樹脂を含有させた炭素繊維 あるいは 樹脂を含有した炭素繊維のシートを直接巻き付け、その後、熱効果（キュア）させる方法で、鋼部材とＣＦＲＰ部材を複合化させてもよい。この場合、熱硬化によりＣＦＲＰ部材が収縮することで、鋼部材１０に設けた凹凸部にＣＦＲＰ部材２０の内径面が食い込むことで一体化される。尚、ブーツ溝は、前述の如く形成する。

図面を参照して上に述べた実施の形態の効果は以下のとおりである。

動力伝達軸用シャフトＳ１は、外径面両端にブーツ溝を付帯しパイプ状に成形したＣＦＲＰ部材２０を鋼部材１０の大径部１４にはめ合わせた構造とすることにより、捩り剛性に影響する大径部を軸方向に向かって長くすることが可能となり、高剛性化を図ることができる。

ＣＦＲＰ部材２０のブーツ溝２２を機械加工で形成することにより、ブーツ溝２２を任意の形状に成形しやすくなる（機械加工による利点）。

ＣＦＲＰ部材２０のブーツ溝２２をプレス加工で形成することにより、定常形状を成形する場合、切削加工が不要となるため低コスト化を図ることができる。

鋼部材１０とＣＦＲＰ部材２０を接着剤２４で固定することにより、鋼部材１０とＣＦＲＰ部材２０の結合強度が増す。

鋼部材１０の大径部１４の外周に接着剤溜まり２６を設けることで、鋼部材１０とＣＦＲＰ部材２０の間に存在する僅かな接着剤層（図４参照）により、仮に、径方向にこれ等部材が偏った状態で嵌合され、円周上不連続な接着状態になったとしても、接着剤溜りの部分は偏りに関係なく円周上全面接着固定することができる。

パイプ状ＣＦＲＰ部材２０と鋼部材１０を回転方向係止部位を介して圧入することにより、鋼部材１０とＣＦＲＰ部材２０の結合強度が一層増す。

回転方向係止部位を鋼部材１０の両端部に設けることにより、シャフトが捩られた状態で、複合化された部位の最も負荷がかかる場所を確実に固定することができる。

前記回転方向係止部位を、セレーションまたはスプラインあるいは ローレット加工による凹凸形状とすることで、機械加工による鋼部材１０への成形性が容易となる。

Ｓ１ 動力伝達軸用シャフト
１０ 鋼部材
１２ 中空部
１４ 大径部
１６ 小径部
１８ セレーション軸
２０ ＣＦＲＰ部材
２２ ブーツ溝
２４ 接着剤
２６ 接着剤溜まり
３０ 回転方向係止部位
３２ セレーション軸
３４ ローレット加工面

Claims (10)

1. 中央の大径部と両端の小径部とからなる中空の鋼部材と、鋼部材の大径部の外周にはめ合わせたＣＦＲＰ部材との複合体であって、ＣＦＲＰ部材の外周面にブーツ溝を設けた動力伝達軸用シャフト。
2. パイプ状に成形したＣＦＲＰ部材を鋼部材の大径部にはめ合わせた請求項１の動力伝達軸用シャフト。
3. ＣＦＲＰ部材のブーツ溝を機械加工により形成した請求項１または２の動力伝達軸用シャフト。
4. ＣＦＲＰ部材のブーツ溝をプレス加工により形成した請求項１または２の動力伝達軸用シャフト。
5. 鋼部材とＣＦＲＰ部材を接着剤により固定した請求項１〜４のいずれか１項の動力伝達軸用シャフト。
6. 鋼部材の大径部の外周に接着剤溜まりを設けた請求項１〜５のいずれか１項の動力伝達軸用シャフト。
7. パイプ状ＣＦＲＰ部材に鋼部材を回転方向係止部位を介して圧入した請求項１〜４のいずれか１項の動力伝達軸用シャフト。
8. 前記回転方向係止部位を鋼部材の大径部の両端部に設けた請求項７の動力伝達軸用シャフト。
9. 前記回転方向係止部位はセレーションまたはスプラインである請求項７または８の動力伝達軸用シャフト。
10. 前記回転方向係止部位はローレット加工面である請求項７または８の動力伝達軸用シャフト。

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