JP2020138587A - 動力伝達軸 - Google Patents

Abstract

【課題】製造時に接続部と連結部材とを容易に調心することができ、回転バランスを良くできる動力伝達軸を提供する。【解決手段】動力伝達軸１であって、軸線Ｏ１を中心とする筒状の本体部１０と、本体部１０に連続している第一接続部２０と、第一接続部２０に接合されたスタブヨーク３（連結部材）と、を備えている。本体部１０及び第一接続部２０は、繊維強化プラスチック製の管体２であり、第一接続部２０にスタブヨーク３が嵌め込まれている。スタブヨーク３の外周面５１ｂには、複数の凹部５３が形成されるとともに、第一接続部２０の内周面２０ａには、各凹部５３にそれぞれ挿入された複数の凸部２１が形成されている。第一接続部２０の熱膨張率は、スタブヨーク３の熱膨張率よりも高くなっている。【選択図】図２

Description

本発明は、動力伝達軸に関する。

車両に搭載される動力伝達軸（プロペラシャフト）は、車両の前後方向に延在しており、原動機で発生して変速機で減速された動力を終減速装置に伝達している。
前記した動力伝達軸は、筒状の本体部と、本体部の端部に連続している筒状の接続部と、スタブヨークとを備えている。そして、スタブヨークに内管部と外管部とを内外に二重に形成し、接続部を内管部と外管部との間に圧入することで、接続部にスタブヨークを接合しているものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開平１−１５３８０８号公報

動力伝達軸の接続部とスタブヨークとを調心して、動力伝達軸の回転バランスを良くすることが好ましいが、前記した従来の動力伝達軸では、製造時に接続部とスタブヨークとを調心するのが難しいという問題がある。

本発明は、前記した問題を解決し、製造時に接続部と連結部材とを容易に調心することができ、回転バランスを良くできる動力伝達軸を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、繊維強化プラスチック製の管体と、前記管体の端部に接続された連結部材と、から形成され、回転することで動力を伝達する動力伝達軸である。前記管体は、軸線を中心とする筒状の本体部と、前記本体部の端部に連続している接続部と、を備えている。前記接続部に前記連結部材が嵌め込まれている。前記連結部材の外周面には、複数の凹部が形成されるとともに、前記接続部の内周面には、前記各凹部にそれぞれ挿入された複数の凸部が形成されている。前記接続部の熱膨張率は、前記連結部材の熱膨張率よりも高いように設定されている。

本発明の動力伝達軸では、製造時に未硬化の接続部に連結部材を挿入したときに、接続部の凸部と連結部材の凹部とが間隔を空けて対峙するように設定しておく。そして、管体を加熱することで、熱膨張率が高い接続部の凸部を連結部材の凹部に大きく入り込ませることができる。そして、接続部の内周面に形成された複数の凸部によって、連結部材が支持されることで、接続部と連結部材とが調心される。
このように、本発明の動力伝達軸では、製造時に接続部とスタブヨークとを容易に調心することができ、回転バランスを良くできる。

第一実施形態の動力伝達軸を示した側面図である。 第一実施形態の動力伝達軸における接合構造を示した図１のII−II断面図である。 第一実施形態の動力伝達軸において、加熱前の凸部及び凹部を示した断面図である。 第一実施形態の動力伝達軸において、加熱後の凸部及び凹部を示した断面図である。 第一実施形態の動力伝達軸の製造方法を示したフローチャートである。 第二実施形態の動力伝達軸を示した側面図である。 第二実施形態の動力伝達軸における接合構造を示した図６のVI−VI断面図である。 第三実施形態の動力伝達軸を示した側面図である。

続いて、各実施形態の動力伝達軸について図面を参照しながら説明する。なお、各実施形態では、本発明の動力伝達軸を、ＦＦ（Ｆｒｏｎｔ−ｅｎｇｉｎｅ Ｆｒｏｎｔ−ｄｒｉｖｅ）ベースの四輪駆動車に搭載されるプロペラシャフトに適用した例を挙げる。また、各実施形態で共通する技術的要素には、共通の符号を付し、説明を省略する。

［第一実施形態］
図１に示すように、第一実施形態の動力伝達軸１は、車両の前後方向に延在する略円筒状の管体２（パイプ）と、管体２の前側に配置された第一自在継手５（特許請求の範囲における「連結部材」）と、管体２の後側に配置された第二自在継手６と、を備えている。

第一実施形態の第一自在継手５は、カルダンジョイントであり、車体の前部に搭載された変速機と動力伝達軸１とを連結するための金属製の連結部材である。
第一実施形態の第二自在継手６は、等速ジョイントであり、車体の後部に搭載された終減速装置と動力伝達軸１とを連結するための金属製の連結部材である。
そして、変速機から動力伝達軸１に動力（トルク）が伝達すると、動力伝達軸１が軸線Ｏ１回りに回転して、終減速装置に動力が伝達される。

管体２は、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）製に形成されている。なお、本発明において繊維強化プラスチックに使用される強化繊維は、炭素繊維に限られず、ガラス繊維やアラミド繊維であってもよい。

管体２の製造方法は、図示しないマンドレルに連続炭素繊維を巻き付けて成形体を形成し、その後、成形体の外周にプリプレグ（炭素繊維に樹脂を含浸させたシート）を巻き付けている。よって、管体２は、フィラメントワインディング法とシートワインディング法との二つの工法を取り入れられて製造されている。
ここで、フィラメントワインディング法によって製造される成形体は、繊維（炭素繊維）の連続性が保たれるため機械的強度（特にねじり強度）が高い。
また、シートワインディング法によれば、炭素繊維をマンドレルの軸線方向に延在するように配置することができ、軸線Ｏ１方向に高弾性化した成形体を製造できる。
つまり、上記した製造方法によれば、管体１０２の内部で、軸Ｏ１回りに巻回された繊維からなる繊維層と、軸線Ｏ１方向に延在する繊維からなる繊維層と、が積層しており、機械的強度が高く、かつ、軸線Ｏ１方向に高弾性化した管体２を製造できる。
なお、周方向に配向する繊維としてＰＡＮ系（Ｐｏｌｙａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ）繊維が好ましく、軸線Ｏ１方向に配向する繊維としてピッチ繊維が好ましい。

なお、本発明の管体２は、上記した製造方法に限定されない。管体２の製造方法としては、マンドレルにプリプレグを巻き付けて成形体を形成し、その成形体の外周に連続炭素繊維を巻き付けてもよい。又は、管体２の製造方法としては、単一の製造方法（フィラメントワインディング法又はシートワインディング法）を用いてもよい。

管体２は、本体部１０と、本体部１０の前側に配置された第一接続部２０と、本体部１０の後側に配置された第二接続部３０と、を備えている。

軸線Ｏ１を法線とする平面で本体部１０を切った場合には、本体部１０の外周面の断面形状は円形状となっている。
また、本体部１０の外径は、中央部から両端部に向うに連れて縮径しており、中央部の外径は、両端部の外径よりも大きい。
つまり、軸線Ｏ１に沿って本体部１０を切った場合には、本体部１０の外周面の断面形状は、緩やかな曲線を描き、外側に向けて突出する円弧状となっている。よって、本体部１０の外形は、中央部が径方向外側に膨らんだ樽形状（バレル形状）となっている。

なお、第一実施形態の動力伝達軸１では、軸線Ｏ１に沿って本体部１０を切った場合に、本体部１０の外周面の断面形状は円弧状となっているが、本発明においては、本体部１０の外周面の断面形状を階段状に形成してもよい。
また、軸線Ｏ１に沿って本体部１０を切った場合に、本体部１０の外周面の断面形状が中央部から両端部に向かうに連れて中心側に向かうように直線状に傾斜させてもよい。つまり、本体部１０を側面視で菱形となるように形成してもよい。

第二接続部３０内には、第二自在継手６のスタブシャフト４のシャフト部４ａが嵌め込まれている。第二接続部３０の内周面は、スタブシャフト４のシャフト部４ａの多角形状の外周面に倣った多角形状を呈している。このように、第二接続部３０とスタブシャフト４とが互いに相対回転しないように構成されている。

本体部１０と第二接続部３０との間には、円筒状の傾斜部４０が形成されている。第二接続部３０は、傾斜部４０を介して本体部１０の後端に連続している。傾斜部４０の外径は、本体部１０から第二接続部３０に向かうに連れて次第に縮径し、円錐台形状となっている。
傾斜部４０の板厚は、第二接続部３０側（後側）の端部（後端部、一端部）から本体部１０側（前側）の端部（前端部、他端部）に向かうに連れて漸次薄くなっている。このため、傾斜部４０のうち前端部の板厚が最も薄くなっており、傾斜部４０の前端部が脆弱部を構成している。脆弱部は、傾斜部４０のせん断強度が最も低下している部位である。
なお、管体２では、傾斜部４０全体の板厚が変化しているが、本発明においては、傾斜部４０の一部区間において板厚を変化させてもよい。
また、傾斜部４０の板厚を、本体部１０側（前側）の端部（前端部、他端部）から第二接続部３０側（後側）の端部（後端部、一端部）に向かうに連れて漸次薄くして、傾斜部４０の後端部に脆弱部を設けてもよい。

第一接続部２０は、本体部１０の前端に連続して形成されている筒状の部位である。
第一接続部２０内には、第一自在継手５のスタブヨーク３のシャフト部５１が嵌め合わされている。図２に示すように、軸線Ｏ１を法線とする平面で第一接続部２０を切った場合には、第一接続部２０の内周形状及び外周形状が円形となっている。

スタブヨーク３は、図１に示すように、筒状のシャフト部５１と、シャフト部５１の前面から前方に突出した一対のアーム５２と、を備えている金属部材である。アーム５２には、ジョイントピンが差し込まれる軸孔が貫通している。

図２に示すように、軸線Ｏ１を法線とする平面でシャフト部５１を切った場合には、シャフト部５１の内周形状及び外周形状が円形となっている。
シャフト部５１の軸心及び第一接続部２０の軸心は軸線Ｏ１に配置されている。この状態において、シャフト部５１の外周面５１ｂと、第一接続部２０の内周面２０ａとは、僅かに隙間を空けて配置されている。

シャフト部５１の外周面５１ｂには、複数の凹部５３が形成されている。凹部５３は、外周面５１ｂに形成された窪みである。第一実施形態では、三つの凹部５３が外周面５１ｂの周方向に等間隔に形成されている。

また、第一接続部２０の内周面２０ａには、複数の凸部２１が形成されている。凸部２１は、内周面２０ａから内側に向けて突出した突起である。第一実施形態では、軸線Ｏ１を法線とする平面で凸部２１を切った場合に、凸部２１が三角形に形成されている。第一実施形態では、三つの凸部２１が内周面２０ａの周方向に等間隔に形成されている。

第一接続部２０の各凸部２１と、シャフト部５１の各凹部５３とは、動力伝達軸１の径方向にそれぞれ対峙している。そして、各凸部２１は各凹部５３にそれぞれ入り込んでいる。
第一実施形態では、凸部２１の先端部が凹部５３の底面に接触し、凸部２１の基端部が凹部５３の開口縁部に接触しているが、本発明においては、凸部２１が凹部５３の内面から僅かに離れていてもよい。

なお、本発明においては、凸部２１及び凹部５３の形状は限定されるものではない。例えば、凸部２１を円錐形状や半球形状に形成してもよい。また、凸部２１を軸線Ｏ１方向に延ばしてもよい。
また、凹部５３は、シャフト部５１の外周面５１ｂにおいてアーム５２とは逆側の端部まで軸線Ｏ１方向に延ばしてもよい。
凹部５３を軸線Ｏ１方向の一部分に設けた場合には、第一接続部２０の凸部２１がシャフト部５１の外周面５１ｂに接触しながら嵌め込まれる。この場合には、シャフト部５１の外周面５１ｂの外径を、第一接続部２０の内周面２０ａの内径よりも小さく設定する。これにより、第一接続部２０の凸部２１とシャフト部５１の外周面５１ｂとの接触圧を低減できる。

第一実施形態では、第一接続部２０は熱硬化性樹脂を用いており、製造工程において加熱することで形状が定まる。
第一接続部２０の熱膨張率は、金属製のスタブヨーク３の熱膨張率よりも高くなっている。したがって、製造工程において第一接続部２０及びスタブヨーク３を加熱したときに、第一接続部２０の径方向の膨張量が、スタブヨーク３の径方向の膨張量よりも大きくなっている。

次に、第一実施形態の動力伝達軸１の製造方法において、第一接続部２０にスタブヨーク３を接合するための各工程について説明する。なお、以下の説明においては図５のフローチャートを適宜に参照する。

まず、準備工程においては、図１に示すスタブヨーク３及び未硬化の管体２を用意する（ステップＳ１）。そして、挿入工程においては、図３に示すように、第一接続部２０にスタブヨーク３のシャフト部５１を挿入する（ステップＳ２）。これにより、第一接続部２０の凸部２１とシャフト部５１の凹部５３とが径方向に間隔を空けて対峙する。

続いて、加熱工程においては、図４に示すように、管体２及びスタブヨーク３を加熱すると、熱膨張率が高い第一接続部２０の凸部２１が、シャフト部５１の凹部５３に大きく入り込む（ステップＳ３）。図２に示すように、第一接続部２０の三つの凸部２１が、シャフト部５１の三つの凹部５３にそれぞれ入り込むことで、シャフト部５１の外周面５１ｂが第一接続部２０の三つの凸部２１によって三方向から支持される。これにより、第一接続部２０の軸心とシャフト部５１の軸心とが一致するように、第一接続部２０に対してシャフト部５１が位置決めされる。

接着工程においては、第一接続部２０とシャフト部５１とが調心された状態で、第一接続部２０の内周面２０ａとシャフト部５１の外周面５１ｂとを接着剤により接着することで、第一接続部２０にスタブヨーク３が接合される（ステップＳ４）。

以上、第一実施形態の動力伝達軸１では、図３に示すように、第一接続部２０にスタブヨーク３を挿入したときには、第一接続部２０の凸部２１とシャフト部５１の凹部５３とが間隔を空けて対峙するため、第一接続部２０にシャフト部５１をスムーズに挿入できる。
その後、図４に示すように、管体２を加熱すると、熱膨張率が高い第一接続部２０の凸部２１が、シャフト部５１の凹部５３に大きく入り込み、この状態で第一接続部２０が硬化する。これにより、第一接続部２０の内周面２０ａに形成された各凸部２１によって、シャフト部５１が支持されることで、第一接続部２０とシャフト部５１とが調心される。
このように、第一実施形態の動力伝達軸１では、製造時に第一接続部２０とスタブヨーク３とを容易に調心することができ、回転バランスを良くできる。

なお、第一実施形態では、三つの凸部２１が第一接続部２０の周方向に等間隔に配置されるとともに、三つの凹部５３がシャフト部５１の周方向に等間隔に配置されているが、凸部２１及び凹部５３の数や配置は限定されるものではない。第一接続部２０の各凸部２１とシャフト部５１の各凹部５３によって、第一接続部２０とシャフト部５１とが調心されるように、凸部２１及び凹部５３の数や配置は設定される。

また、各凸部２１が各凹部５３にそれぞれ入り込むことで、第一接続部１２０とシャフト部１５１とが周方向に係合されている。

また、動力伝達軸１の管体２では、図１に示すように、曲げ応力が集中し易い本体部１０の中央部の外径が大径に形成されているため、所定の曲げ強度を有している。
また、動力伝達軸１の管体２は、繊維強化プラスチックにより形成されているため、設計の自由が高く、更なる低コスト化を図れる。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態に係る動力伝達軸１０１について説明する。
第二実施形態の動力伝達軸１０１は、図６に示すように、管体１０２と、管体１０２の前側に配置された第一自在継手５と、管体１０２の後側に配置された第二自在継手６と、を備えている。
管体１０２は、本体部１１０と、本体部１１０の前側に配置された第一接続部１２０と、本体部１１０の後側に配置された第二接続部３０と、を備えている。

第二実施形態の本体部１１０を軸線Ｏ１を法線とする平面で切った場合には、本体部１１０の外周面の形状は円形状となっている。
第二実施形態の本体部１１０の外径は、前端部から後端部まで均一である。つまり、第二実施形態の本体部１１０の外形は、ストレートな円筒体となっている。

図７に示すように、第二実施形態の第一接続部１２０を、軸線Ｏ１を法線とする平面で切った場合には、第一接続部１２０の内周形状が多角形となっている。
また、第二実施形態のスタブヨーク１０３のシャフト部１５１を、軸線Ｏ１を法線とする平面で切った場合には、シャフト部１５１の外周形状が多角形となっている。
そして、第一接続部１２０の内周面１２０ａと、シャフト部１５１の外周面１５１ｂとが嵌め合わされている。
なお、第二実施形態では、第一接続部１２０の内周形状及びシャフト部１５１の外周形状が八角形に形成されているが、本発明において、その形状は限定されるものではない。

第二実施形態では、第一接続部１２０の内周面１２０ａに四つの凸部１２１が等間隔に形成されている。また、シャフト部１５１の外周面１５１ｂに四つの凹部１５３が等間隔に形成されている。そして、各凸部１２１が各凹部１５３にそれぞれ入り込むことで、第一接続部１２０とシャフト部１５１とが容易に調心される。

以上、第二実施形態の動力伝達軸１０１では、第一実施形態の動力伝達軸１（図２参照）と同様に、製造時に第一接続部１２０とスタブヨーク１０３とを容易に調心することができ、回転バランスを良くできる。

［第三実施形態］
次に、本発明の第三実施形態に係る動力伝達軸２０１について説明する。
第三実施形態の動力伝達軸２０１は、図８に示すように、管体２０２と、管体２０２の前側に配置された第一自在継手５と、管体２０２の後側に配置された第二自在継手６と、を備えている。
管体２０２は、本体部２１０と、本体部２１０の前側に配置された第一接続部２０と、本体部２１０の後側に配置された第二接続部３０と、を備えている。

第三実施形態の本体部２１０を軸線Ｏ１を法線とする平面で切った場合には、本体部２１０の外周面の形状は円形状となっている。
本体部２１０の外径は、前端部から中央部までが同一に形成され、中央部から後端部に向うに連れて縮径している。よって、本体部２１０の前端部及び中央部の外径は、後端部の外径よりも大きい。

軸線Ｏ１に沿って本体部２１０を切った場合に、本体部２１０の外周面の断面形状は、前端部から中央部までは直線状となり、本体部２１０の中央部から後端部にかけては緩やかな曲線を描いた円弧状となっている。

第三実施形態の動力伝達軸２０１は、第一実施形態の動力伝達軸１と同様に、図２に示すように、第一接続部２０の内周面２０ａに複数の凸部２１が形成されるとともに、シャフト部５１の外周面５１ｂに複数の凹部５３が形成されている。そして、各凸部２１が各凹部５３にそれぞれ入り込んでいる。

以上、第三実施形態の動力伝達軸２０１では、第一実施形態の動力伝達軸１と同様に、製造時に第一接続部２０とスタブヨーク３とを容易に調心することができ、回転バランスを良くできる。

以上、各実施形態について説明したが、本発明は各実施形態で説明した例に限定されない。
例えば、各実施形態では、第一接続部とスタブヨーク（連結部材）との接合構造に本発明の構成を適用しているが、第二接続部とスタブシャフト（連結部材）との接合構造に本発明の構成を適用してもよい。

１，１０１，２０１ 動力伝達軸
２，１０２，２０２ 管体
３，１０３ スタブヨーク
４ スタブシャフト
５ 第一自在継手
６ 第二自在継手
１０，１１０，２１０ 本体部
２０，１２０ 第一接続部
２０ａ，１２０ａ 内周面
２１，１２１ 凸部
３０ 第二接続部
４０ 傾斜部
５１，１５１ シャフト部
５１ｂ，１５１ｂ 外周面
５２ アーム
５３，１５３ 凹部
Ｏ１ 軸線

Claims (6)

1. 繊維強化プラスチック製の管体と、前記管体の端部に接続された連結部材と、から形成され、回転することで動力を伝達する動力伝達軸であって、
   前記管体は、
   軸線を中心とする筒状の本体部と、
   前記本体部の端部に連続している接続部と、を備え、
   前記接続部に前記連結部材が嵌め込まれており、
   前記連結部材の外周面には、複数の凹部が形成されるとともに、
   前記接続部の内周面には、前記各凹部にそれぞれ挿入された複数の凸部が形成されており、
   前記接続部の熱膨張率は、前記連結部材の熱膨張率よりも高いことを特徴とする動力伝達軸。
2. 前記接続部の内周形状が多角形に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の動力伝達軸。
3. 前記繊維強化プラスチックは、炭素繊維強化プラスチックであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の動力伝達軸。
4. 前記本体部の外径は、中央部から両端部に向かうに連れて縮径されており、
   前記本体部の外周面は、前記両端部の一端部から他端部にかけて前記軸線方向に円弧状に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の動力伝達軸。
5. 前記本体部の外径が一端部から他端部まで均一であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の動力伝達軸。
6. 前記本体部の外径は、中央部から一端部に向かうに連れて縮径されるとともに、中央部から他端部まで均一であり、
   前記本体部の中央部から一端部までの外周面は、前記軸線方向に曲線状に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の動力伝達軸。

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