JP2011052720A - Ｆｒｐ製駆動シャフト - Google Patents

Abstract

【課題】ＦＲＰ円筒と端部の金属製ジョイントとの結合強度を高めることができ、高い伝達トルクが得られるＦＲＰ製駆動シャフトを得ること。
【解決手段】ＦＲＰ円筒１０の両端部に、金属製の端部ジョイント２０を結合してなるＦＲＰ製駆動シャフト１００において、ＦＲＰ円筒の両端部に、端部ジョイントより軟質な金属からなる突き合わせカラー３０を位置させて、ＦＲＰ円筒と突き合わせカラーの対向端面に互いに面接触する波形係合部１１、３１を形成し、端部ジョイントに、突き合わせカラーとＦＲＰ円筒内に跨って圧入されるセレーション部２１ａを設け、突き合わせカラーとＦＲＰ円筒に、波形係合部を覆って突き合わせカラーとＦＲＰ円筒の外周面に接触するアウタカラー４０を嵌めた。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば車両のプロペラシャフト（ドライブシャフト）に用いられるＦＲＰ製駆動シャフトに関する。

ＦＲＰ製駆動シャフトは、ＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics：繊維強化プラスチックス）円筒の両端部に金属製の端部ジョイントを結合してなるもので、軽量という利点がある。しかし、ＦＲＰ円筒と端部ジョイントとの結合強度を如何にして高くするかが一つの技術的課題であり、従来各種の提案がなされている（特許文献１ないし３）。

実開平１-９１１１８公報 実開平６-３２７２６公報 特開２００４-３０８７００号公報

特許文献１は、ＦＲＰ円筒と端部ジョイントを、両者間を径方向に貫通する締結部材を介して結合する構造を前提として、ＦＲＰ円筒側の新たな繊維構造を提案している。しかし、径方向の貫通部材で結合する構造は貫通部分に応力集中が生じ、依然としてＦＲＰ円筒あるいは貫通部材の破損が生じやすい。

特許文献２は、端部ジョイントを、ＦＲＰ円筒に挿入固定される金属ヨークと、ＦＲＰ円筒の外周に嵌められてこの金属ヨークに溶接固定されるアウタカラーとから構成することを提案している。しかし、金属ヨークとアウタカラーとを溶接する際、ＦＲＰ円筒が熱により損傷するおそれが高く、同文献に記載されているような機械的強度を得ることは全く困難である。

特許文献３は、ＦＲＰ円筒と端部ジョイントとの間に中間円筒部材を介在させ、この中間円筒部材の外周面をＦＲＰ円筒にセレーション結合させ、内周面を端部ジョイントとスプライン結合させる構造を提案している。しかし、端部ジョイントからＦＲＰ円筒にトルクが伝達される際、ＦＲＰ円筒自体が破損するおそれが高い。特にＦＲＰ円筒が、炭素繊維を熱硬化性樹脂シート中に含浸させてなる複数のプリプレグを筒状に巻回して熱硬化させた複数のＦＲＰ層からなる場合には、層間の剥離現象が生じ、破損に繋がるおそれがある。

本発明は、以上の問題意識に基づき、ＦＲＰ円筒と端部の金属製ジョイントとの結合強度を高めることができ、高い伝達トルクが得られるＦＲＰ製駆動シャフトを得ることを目的とする。

本発明者らは、ＦＲＰ製駆動シャフトにおけるＦＲＰ円筒の破損は、ＦＲＰ円筒の両端部に挿入された端部ジョイントと該ＦＲＰ円筒との間でトルクが伝達される際、ＦＲＰ円筒には、該円筒内に挿入された端部ジョイントを介してその内周面に大きな力が加わるのに対し、外周面にはＦＲＰ円筒の肉厚を介して間接的に力が加わるに過ぎないため、内外周に大きな応力差、さらには層間の剥離現象が生じることが原因であるとの結論に達し、本発明に至ったものである。

本発明は、ＦＲＰ円筒の両端部に、金属製の端部ジョイントを結合してなるＦＲＰ製駆動シャフトにおいて、ＦＲＰ円筒の両端部に、上記端部ジョイントより軟質な金属からなる突き合わせカラーを位置させて、該ＦＲＰ円筒と突き合わせカラーの対向端面に互いに面接触する波形係合部を形成し、上記端部ジョイントに、突き合わせカラーとＦＲＰ円筒内に跨って圧入されるセレーション部を設け、突き合わせカラーとＦＲＰ円筒に、波形係合部を覆って該突き合わせカラーとＦＲＰ円筒の外周面に接触するアウタカラーを嵌めたことを特徴としている。

アウタカラーは、軽量化のためには、ＦＲＰ製とすることが望ましい。

端部ジョイントは、突き合わせカラーをＦＲＰ円筒の波形係合部との間に挟着して軸方向位置を定めて組立てるのが好ましい。

端部ジョイントは、その一態様では、セレーション部に続けて該セレーション部より大径のフランジ部を有する。

セレーション部と大径フランジ部を有する端部ジョイントは、一部材から構成することも、後に結合される大径フランジ部材とセレーション軸部材の二部材から構成することもできる。

ＦＲＰ円筒と突き合わせカラーの対向端面に形成する波形係合部は、滑らかな曲線で輪郭を構成したＵ字状の係合歯を周方向に等間隔で形成することが望ましい。

また、上記セレーション部の有効セレーション長をＬ、上記係合歯の数をＮ、各係合歯の最大周方向長をＳ、軸方向長をＤとしたとき、
（１／３）Ｌ≦Ｄ≦（２／３）Ｌ、２≦Ｎ≦１０、π／Ｎ≦Ｓ／Ｄ≦４π／Ｎ
を満足することが好ましい。

本発明のＦＲＰ製駆動シャフトは、ＦＲＰ円筒の構成、樹脂（例えば熱可塑性樹脂）、繊維を問わずに適用可能であるが、特に炭素強化繊維を熱硬化性樹脂シート中に含浸させてなる複数のプリプレグを筒状に巻回して熱硬化させた複数のＣＦＲＰ層からなるＣＦＲＰ円筒に適用したとき、ＣＦＲＰ層の層間剥離を防いで高強度のＦＲＰ製駆動シャフトを得ることができる。

本発明のＦＲＰ製駆動シャフトは、ＦＲＰ円筒の両端部に、端部ジョイントより軟質な金属からなる突き合わせカラーを位置させて、該ＦＲＰ円筒と突き合わせカラーの対向端面に互いに面接触する波形係合部を形成し、端部ジョイントに、突き合わせカラーとＦＲＰ円筒内に跨って圧入されるセレーション部を形成したから、端部ジョイントとＦＲＰ円筒との間でトルクが伝達されるとき、面接触する波形係合部を介してＦＲＰ円筒の内外に同時にトルクが加わる。このため、ＦＲＰ円筒に加わる内外の荷重差（トルク差）に起因する破損が生じにくい。また、突き合わせカラーとＦＲＰ円筒に、波形係合部を覆って該突き合わせカラーとＦＲＰ円筒の外周面に接触するアウタカラーを嵌めたから、波形係合部の係合が外れることがない。特にＦＲＰ円筒が複数のプリプレグを筒状に巻回して熱硬化させた複数のＦＲＰ層からなる場合には、複数のＦＲＰ層に大きな剥離荷重が加わることがないため、剥離破損を防止することができる。

本発明の一実施の形態に係るＦＲＰ製駆動シャフトを示す分解斜視図である。 同アウタカラーを透視して描いた組立状態の斜視図である。 端部ジョイントの別の例を示す図である。

図１及び図２は、本発明の一実施の形態に係るＦＲＰ駆動シャフト１００の構成を示している。ＦＲＰ駆動シャフト１００は、ＦＲＰ円筒１０の両端部に金属製の端部ジョイント２０を結合してなる。図１及び図２ではＦＲＰ製駆動シャフト１００の一方の端部のみを描いているが、他方の端部も同一の構成となっている（同一の構成によりＦＲＰ円筒１０に端部ジョイント２０が結合されている）。

ＦＲＰ円筒１０は、炭素強化繊維を熱硬化性樹脂シート中に含浸させてなる複数のプリプレグを筒状に巻回して熱硬化させた複数のＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics：炭素繊維強化プラスチックス）層からなる。ＦＲＰ円筒１０の端部には、端部ジョイント２０より軟質な金属からなる突き合わせカラー３０が位置しており、ＦＲＰ円筒１０の突き合わせカラー３０との対向端面には、波形係合部１１が形成されている。突き合わせカラー３０のＦＲＰ円筒１０との対向端面には、波形係合部３１が形成されており、シャフト組立時には、ＦＲＰ円筒１０の波形係合部１１と突き合わせカラー３０の波形係合部３１が互いに面接触して係合する（図２）。

ＦＲＰ円筒１０の波形係合部１１と突き合わせカラー３０の波形係合部３１はともに、滑らかな曲線で輪郭を構成したＵ字状の係合歯を周方向に等間隔で形成してなる。ＦＲＰ円筒１０の波形係合部１１と突き合わせカラー３０の波形係合部３１の係合面は、半径方向において均一に面接触する面とする。好ましくは、その係合面と、軸の中心軸と垂直に交わる平面との交線とが、半径方向の線となるように係合面形状を定めるのがよい。

端部ジョイント２０は、セレーション軸部材２１と、このセレーション軸部材２１に結合される大径フランジ部材２２からなる。セレーション軸部材２１のセレーション部２１ａは、突き合わせカラー３０の内周面３２とＦＲＰ円筒１０の内周面１２に跨って圧入されている。大径フランジ部材２２は、セレーション軸部材２１のセレーション部２１ａに続けて、このセレーション部２１ａよりも大径の大径フランジ部２２ａを有している。

ＦＲＰ円筒１０の波形係合部１１及び突き合わせカラー３０の波形係合部３１は、セレーション部２１ａの有効セレーション長をＬ、波形係合部１１、３１の係合歯の数をＮ、各係合歯の最大周方向長をＳ、同軸方向長をＤとしたとき、（１／３）Ｌ≦Ｄ≦（２／３）Ｌ、２≦Ｎ≦１０、π／Ｎ≦Ｓ／Ｄ≦４π／Ｎを満足させることが好ましい。有効セレーション長とは、セレーション部２１ａのうち先端のテーパ部を除くＦＲＰ円筒１０の内周面１２と噛み合う部分の軸方向長を意味する。Ｄが（１／３）Ｌ未満ではセレーション部２１ａと波形係合部１１、３１との係合長が短すぎて十分な結合強度が得られず、（２／３）Ｌを超えると、同係合長が不必要に長くなりすぎる。Ｎが１１以上では、歯元への応力集中が大きくなり、強度が下がる。Ｓ／Ｄがこの範囲を外れると、波形係合部１１、３１の係合面の係合強度を十分に保つことが困難になる。尚、Ｎが１、すなわち波形係合部１１、３１の係合歯の数を１とすることも可能である。

アウタカラー４０は、金属製とすることも可能であるが、ＦＲＰ円筒と同様のＦＲＰ製の円筒状部材とすることが軽量化の観点から好ましい。図２に示すシャフト組立時には、アウタカラー４０は、ＦＲＰ円筒１０の波形係合部１１と突き合わせカラー３０の波形係合部３１を覆って、突き合わせカラー３０の外周面３３とＦＲＰ円筒１０の外周面１３に接触するように嵌められる。

以上の構成のＦＲＰ製駆動シャフト１００を組立てる場合、まずＦＲＰ円筒１０の両端部の波形係合部１１に突き合わせカラー３０の波形係合部３１を互いに面接触させて係合させる。次にこの係合状態で、ＦＲＰ円筒１０の波形係合部１１と突き合わせカラー３０の波形係合部３１を覆って、突き合わせカラー３０の外周面３３とＦＲＰ円筒１０の外周面１３に接触するようにアウタカラー４０を嵌めて接着固定する。最後に、突き合わせカラー３０の内周面３２とＦＲＰ円筒１０の内周面１２に跨って端部ジョイント２０のセレーション部２１ａを圧入する。このとき、例えば端部ジョイント２０に固定したジグ（図示せず）を用いた圧入操作により、端部ジョイント２０は、突き合わせカラー３０をＦＲＰ円筒１０の波形係合部１１との間に挟着して軸方向位置を定めて組立てられる。

本ＦＲＰ製駆動シャフト１００を車両のプロペラシャフトとして用いる態様では、両端の大径フランジ部２２ａがエンジン回転部とディフェレンシャルギヤ（図示せず）にそれぞれ接続され、ＦＲＰ製駆動シャフト１００に回転トルクが加わると、端部ジョイント２０とＦＲＰ円筒１０の間で回転トルクが伝達される。

本実施形態では、ＦＲＰ円筒１０の両端部に、端部ジョイント２０より軟質な金属からなる突き合わせカラー３０を位置させて、ＦＲＰ円筒１０と突き合わせカラー３０の対向端面に互いに面接触する波形係合部１１、３１を形成し、端部ジョイント２０に、突き合わせカラー３０とＦＲＰ円筒１０内に跨って圧入されるセレーション部２１ａを形成したから、端部ジョイント２０とＦＲＰ円筒１０との間でトルクが伝達されるとき、面接触する波形係合部１１、３１を介してＦＲＰ円筒１０の内外に同時にトルクが加わる。このため、ＦＲＰ円筒１０に加わる内外の荷重差（トルク差）に起因する破損が生じにくい。

また、突き合わせカラー３０とＦＲＰ円筒１０に、波形係合部３１、１１を覆って突き合わせカラー３０とＦＲＰ円筒１０の外周面に接触するアウタカラー４０を嵌めたから、波形係合部３１、１１の係合が外れることがない。すなわち、波形係合部３１、１１の係合面は、セレーション部２１ａとアウタカラー４０により内外から押さえ付けられてずれることがない。特にＦＲＰ円筒１０が複数のプリプレグを筒状に巻回して熱硬化させた複数のＦＲＰ層からなる場合には、複数のＦＲＰ層に大きな剥離荷重が加わることがないため、剥離破損を防止することができる。

以上の実施形態では、端部ジョイント２０が、セレーション部２１ａに続けてセレーション部２１ａより大径の大径フランジ部２２ａを有する場合を例示して説明したが、端部ジョイントの形状はこれに限定されない。例えば、図３に示すように、端部ジョイント５０を、セレーション部５１の径が最大径の棒状圧入ジョイントとすることもできる。シャフト組立時には、端部ジョイント５０に固定したジグ（図示せず）を用いた圧入操作により、突き合わせカラー３０をＦＲＰ円筒１０（波形係合部１１）との間に挟着して軸方向位置を定める。

以上の実施形態では、端部ジョイント２０をセレーション軸部材２１と大径フランジ部材２２の二部材から構成したが、これらを一部材として端部ジョイントを構成することもできる。

以上の実施形態では、ＦＲＰ円筒をプリプレグ法で作成した多層円筒としており、多層円筒の場合に層間剥離を防止するという効果が得られる。しかし、本発明は、ＦＲＰ円筒の構成及び製法は問わずに適用することができる。例えば、フィラメントワインディング法などで製造したあらゆる構成のＦＲＰ円筒を適用可能である。

１００ ＦＲＰ製駆動シャフト
１０ ＦＲＰ円筒
１１ 波形係合部
１２ 円筒内周面
１３ 円筒外周面
２０ 端部ジョイント
２１ セレーション軸部材
２１ａ セレーション部
２２ 大径フランジ部材
２２ａ 大径フランジ部
３０ 突き合わせカラー
３１ 波形係合部
３２ 突き合わせカラー内周面
３３ 突き合わせカラー外周面
４０ アウタカラー
５０ 端部ジョイント（棒状圧入ジョイント）
５１ セレーション部

Claims (9)

1. ＦＲＰ円筒の両端部に、金属製の端部ジョイントを結合してなるＦＲＰ製駆動シャフトにおいて、
   上記ＦＲＰ円筒の両端部に、上記端部ジョイントより軟質な金属からなる突き合わせカラーを位置させて、該ＦＲＰ円筒と突き合わせカラーの対向端面に互いに面接触する波形係合部を形成したこと、
   上記端部ジョイントに、突き合わせカラーとＦＲＰ円筒内に跨って圧入されるセレーション部を設けたこと、及び
   上記突き合わせカラーとＦＲＰ円筒に、上記波形係合部を覆って該突き合わせカラーとＦＲＰ円筒の外周面に接触するアウタカラーを嵌めたこと、
   を特徴とするＦＲＰ製駆動シャフト。
2. 請求項１記載のＦＲＰ製駆動シャフトにおいて、
   上記アウタカラーは、ＦＲＰ製円筒であるＦＲＰ製駆動シャフト。
3. 請求項１または２記載のＦＲＰ製駆動シャフトにおいて、
   上記端部ジョイントは、上記突き合わせカラーをＦＲＰ円筒の波形係合部との間に挟着して軸方向位置を定めて組立てられるＦＲＰ製駆動シャフト。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項記載のＦＲＰ製駆動シャフトにおいて、
   上記端部ジョイントは、上記セレーション部に続けて該セレーション部より大径のフランジ部を有するＦＲＰ製駆動シャフト。
5. 請求項４記載のＦＲＰ製駆動シャフトにおいて、
   上記端部ジョイントは、セレーション部を有するセレーション軸部材と、このセレーション軸部材に結合される大径フランジ部材とからなるＦＲＰ製駆動シャフト。
6. 請求項４記載のＦＲＰ製駆動シャフトにおいて、
   上記端部ジョイントは、セレーション部と大径フランジ部を一体に有する一部材からなるＦＲＰ製駆動シャフト。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項記載のＦＲＰ製駆動シャフトにおいて、
   ＦＲＰ円筒と突き合わせカラーの対向端面に形成した波形係合部は、滑らかな曲線で輪郭を構成したＵ字状の係合歯を周方向に等間隔で形成してなるＦＲＰ製駆動シャフト。
8. 請求項７記載のＦＲＰ製駆動軸において、
   上記セレーション部の有効セレーション長をＬ、上記係合歯の数をＮ、各係合歯の最大周方向長をＳ、軸方向長をＤとしたとき、
   （１／３）Ｌ≦Ｄ≦（２／３）Ｌ、２≦Ｎ≦１０、π／Ｎ≦Ｓ／Ｄ≦４π／Ｎ
   を満足するＦＲＰ製駆動シャフト。
9. 請求項１ないし８のいずれか１項記載のＦＲＰ製駆動シャフトにおいて、
   上記ＦＲＰ円筒は、炭素強化繊維を熱硬化性樹脂シート中に含浸させてなる複数のプリプレグを筒状に巻回して熱硬化させた複数のＣＦＲＰ層からなるＦＲＰ製駆動シャフト。

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