JP3063583B2

JP3063583B2 - プロペラシャフト

Info

Publication number: JP3063583B2
Application number: JP7222191A
Authority: JP
Inventors: 和義伴
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 1995-08-30
Filing date: 1995-08-30
Publication date: 2000-07-12
Anticipated expiration: 2015-08-30
Also published as: JPH0968214A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＦＲＰ製の中空軸
を採用したプロペラシャフトに関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車（車両）の動力伝達系には、エン
ジンからの動力をプロペラシャフトを介して駆動輪に伝
達する構造を採用したものがある。多くはＦＲ（フロン
トエンジン・リアドライブ）方式と呼ばれる駆動方式に
用いられている。

【０００３】プロペラシャフトは、中空軸の両端部に、
ユニバーサルジョイントを構成するヨークを組合わせた
構造が採用され、エンジンからの動力を一方の端部か
ら、他方の端部を介して、デファレンシャルギヤへ伝達
する。

【０００４】一般、自動車に用いられるプロペラシャフ
トは、中空軸をスチール，アルミニウムなどの金属製の
中空軸で製作した構造が採用されている。また近時で
は、特開昭５８−２１１０１１号公報にも開示されてい
るように比強度（強度／比重）、比弾性（弾性率／比
重）が、スチール，アルミニウムなどの金属に比べて優
れている点を利用して、ＦＲＰ（繊維強化プラスチッ
ク）製の中空軸を採用したプロペラシャフトが提案され
ている。

【０００５】このプロペラシャフトには、図１２に示さ
れるようにＦＲＰ製の中空軸ａの両端部に、金属製のヨ
ークｂを接着剤ｍで固定した構造が用いられる。このＦ
ＲＰ製の中空軸ａを採用したプロペラシャフトは、上記
の点から金属製の中空軸を採用したプロペラシャフトに
比べ、共振を避けながら高速回転が達成することが可
能、さらには軽量であるなどの多くの利点をもたらす。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、こうしたＦ
ＲＰ製の中空軸ａを採用したプロペラシャフトｃは、軸
方向から加わる衝撃エネルギーを吸収する点で難があ
る。すなわち、ＦＲＰ製の中空軸ａは、ねじり強度を大
きく、軸方向の圧縮強度を小さくするよう、強化繊維の
角度を設定しているが、それでも、かなり大きな荷重を
軸方向から加えないと、変形（破壊）されない。

【０００７】しかも、変形をもたらす荷重が加わると、
ＦＲＰ製の中空軸ａは、強度の弱い部分、通常は軸方向
中央部分だけが折れるという挙動を示す。このため、Ｆ
ＲＰ製の中空軸ａを採用したプロペラシャフトｃは、プ
ロペラシャフト自身による衝撃エネルギーの吸収は必ず
しも十分でない。

【０００８】本発明は上記事情に着目してなされたもの
で、その目的とするところは、難しいとされていたＦＲ
Ｐ製の中空軸自身による衝撃エネルギーの吸収を可能と
したプロペラシャフトを提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に請求項１に記載した発明は、ＦＲＰ製の中空軸の端部
に、基端部を当該端部内周に対し、同中空軸とは回転方
向に対しては拘束され、かつ軸方向には所定以上の荷重
が加わると変位するべく嵌挿させてヨークを設け、この
中空軸の軸端に同中空軸の破壊起点をなす脆弱部を形成
し、かつヨークに中空軸の軸端面と向き合うように、ヨ
ークの変位に伴い中空軸の軸端と当接する当接部を形成
し、さらに中空軸の軸端から所定の距離だけ離れた部位
に、同中空軸が径方向に拡げられるのを規制する規制手
段を設けて、プロペラシャフトを構成したことにある。

【００１０】この請求項１に記載した発明によると、軸
方向からプロペラシャフトへ所定以上の荷重が加わる
と、基端部が中空軸内に入り込むよう、ヨークは中空軸
に対して変位する。

【００１１】これにより、ヨークの当接部が、中空軸の
軸端に形成された脆弱部に当接していく。すると、中空
軸の端部は、小さな荷重で変形（壊れる）される。

【００１２】続いて、この変形に誘発されてヨークの当
接部が、中空軸の軸端を押し拡げるように作用して、軸
端の変形した部分に続いて、ヨークの周壁を変形させ
る。ここで、実験により、ＦＲＰ製の中空軸は、軸端が
壊れ始めると、当接部の変位にしたがって逐次、破壊す
ることが確認された。

【００１３】このＦＲＰ製の中空軸の破壊具合を利用し
て、衝撃エネルギーが吸収されるようになる。このこと
は、ＦＲＰ製の中空軸には、今まで無かった衝撃吸収性
能がもたせられる。

【００１４】つまり、難しいとされていたＦＲＰ製の中
空軸自身による衝撃エネルギーの吸収が可能となる。し
かも、強度を弱くした軸端に応力を集中させて、中空軸
を端から変形させるから、小さい荷重でも中空軸の衝撃
吸収性能は発揮されるようになる。

【００１５】そのうえ、ＦＲＰ製の中空軸は、軸端に脆
弱部が形成されるだけであるから、中空軸のねじり強
度、軸方向の圧縮強度といった元来の強度は、そのまま
維持され、動力伝達に影響を与えることはない（通常の
ＦＲＰ製の中空軸を用いたときと同じ）。加えて、規制
手段により、上記プロペラシャフトの変形の進行を所望
とする地点で止めることができる。

【００１６】

【００１７】

【００１８】

【００１９】

【００２０】請求項２に記載した発明は、ＦＲＰの繊維
束を用いて、プロペラシャフトの変形の進行を所望とす
る地点で止めるために、請求項１に記載の規制手段を、
中空軸と一体に設けられ中空軸の周方向に沿って延びる
繊維束を有するＦＲＰ製規制手段としたことにある。

【００２１】請求項３に記載した発明は、リング部材を
用いて、プロペラシャフトの変形の進行を所望とする地
点で止めるために、請求項１に記載の規制手段を、中空
軸と別体に形成され同軸に嵌挿されたリング部材で構成
したことにある。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図１ないし図６に
示す第１の実施形態にもとづいて説明する。図１は、本
発明を適用した車両、例えばＦＲ駆動方式を採用した乗
用車を示し、図中１は車体、２は車体１のフロントに搭
載されたエンジン・トランスミッション、３は車体１の
リアに設けたデファレンシャルギヤである。

【００２３】エンジン・トランスミッション２に付いて
いる変速機４とデファレンシャルギヤ３との間は、車体
１の床下を通る一本のプロペラシャフト５で接続されて
いて、エンジン・トランスミッション２からの動力を、
プロペラシャフト５、デファレンシャルギヤ４を通じ
て、後輪６ａ（駆動輪）へ伝達するようにしてある。な
お、６ｂは前輪（操舵輪）を示す。

【００２４】図２および図３には、本発明の要部となる
プロペラシャフト５の構造が示されている。プロペラシ
ャフト５の構造について説明すれば、図中７はＦＲＰ製
の中空軸、例えばＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチッ
ク）製の中空軸である。

【００２５】この中空軸７は、必要なねじり強度、軸圧
縮強度が得られるよう、例えば図４に示される引張強度
の線図から繊維角度を選んで、多数の強化繊維、例えば
多数のカーボンファイバー８を巻いて積層した構造が採
用してある。

【００２６】このカーボンファイバー８の巻き角度の選
定により、中空軸７はねじり強度を大きく、かつ軸方向
の圧縮強度を小さくした強度に設定してある。なお、図
４は強化繊維の巻き角度が中空軸７の軸心と同方向の角
度（０°）であれば、大きな引張強度が得られ、中空軸
７の軸心と直角な径方向と同方向の角度（９０°）であ
れば小さな引張強度が得られることを示している。

【００２７】また中空軸７の両端部、例えば各軸端全周
には、中空軸７の破壊起点を構成する脆弱部９が形成さ
れている。この脆弱部９は、例えば中空軸７の軸端の外
周部分に、軸端に向かうにしたがい肉厚が減少するテー
パ部９ａを形成してなる。

【００２８】中空軸７の両端部には、例えば金属製のヨ
ーク１０がそれぞれ組み付けられている。ヨーク１０
は、いずれも同じ構造なので、このうちの片側について
説明すれば、図３に示されるようにヨーク１０は先端側
に互いに対向する一対のアーム部１１，１１を有し、基
端側に中空軸７内に圧入可能な基端部１２を有して構成
されている。

【００２９】アーム部１１，１１には、それぞれ支持孔
１１ａが形成されている。また基端部１２は、中空軸７
の軸心方向に沿うスプライン１３が外周面に形成された
軸部１４から形成されている。

【００３０】この基端部１２が中空軸７の軸端内周に圧
入（嵌挿）され、ヨーク１０の全体を中空軸７に取り付
けてある。具体的には、ヨーク１０は、基端部１２の中
空軸７内に対する圧入により、スプライン１３が中空軸
７の内周部に食い込むことを利用して、ヨーク全体を中
空軸７の回転方向に対して拘束、軸方向に対して所定以
上の荷重が加わるときのみ中空軸７の軸方向への変位が
可能となるように、中空軸７を固定してある。

【００３１】このヨーク１０の取り付けにより、動力伝
達に必要なヨーク１０の回転方向の結合と、衝撃エネル
ギーを吸収するのに必要なヨーク１０の変位可能な結合
との双方を両立させている。なお、スプライン１３の代
わりにセレーション（図示しない）を基端部１２の外周
部に設けた構造でも同様である。

【００３２】そして、中空軸１２の両端に在る各アーム
部１１の支持孔１１ａと、変速機４の出力軸１６のヨー
ク１６ａに在る各アーム部１６ｂの支持孔と、デファレ
ンシャルギヤ３の入力軸３ａのヨーク１７に在る各アー
ム部１７ａの支持孔とは、それぞれ十字軸１８を介して
回転自在に支持され、エンジン２からの回転力が、出力
軸１６ａと中空軸７との間に構成されるユニバーサルジ
ョイント１９ａ、中空軸７、中空軸７と入力軸３ａとの
間に構成されるユニバーサルジョイント１９ｂを介し
て、デファレンシャルギヤ３へ伝達されるようにしてあ
る。

【００３３】また各ヨーク１０の各部位のうち、中空軸
７の軸端直前となる部分には、当接部１５が形成されて
いる。当接部１５は、例えば同部分の全体を径方向に拡
げて、例えばフランジ形に形成してなる。

【００３４】この当接部１５は、中空軸７の軸端面と向
き合う地点まで突き出ていて、ヨーク１０が圧縮方向の
荷重を受けて変位すると、中空軸７の軸端と当接するよ
うにしてある。

【００３５】これにより、強度的に弱くなっている中空
軸７の軸端に応力を集中させて、今まで変形を起こさな
いような小さな荷重でも、中空軸１２の軸端において変
形（破壊）が起きるようにしてある。

【００３６】この軸端での変形（破壊）により、ヨーク
１０で中空軸７を端側から順に変形（破壊）させること
を実現して、衝撃エネルギーの吸収を可能としている。
つぎに、作用を説明する。

【００３７】乗用車は、変速機４から出力されたエンジ
ン２の動力が、ユニバーサルジョイント１９ａ、ヨーク
１０のスプライン１３、ＦＲＰ製の中空軸７、ヨーク１
０のスプライン１３、ユニバーサルジョイント１９ｂを
経て後輪２０へ伝達されて、走行する。

【００３８】このとき、車体１のフロント側から衝撃力
が加わり、プロペラシャフト５に軸方向から圧縮させる
ような所定以上の荷重が加わったとする。すると、ヨー
ク１０は、中空軸７に対して基端部１２が中空軸７内に
入り込むように変位する。

【００３９】具体的には、スプライン１３の凹凸が中空
軸７の内周部を押し退けながら、軸部１４が中空軸７内
へ進入（没入）していく。この挙動にしたがいヨーク１
０の当接部１５が、中空軸７の軸端に形成されている脆
弱部９に当接していく。

【００４０】このときの挙動としては、強度的に弱くし
た軸端に対して、応力が集中するように荷重が加わるの
で、今まで変形（破壊）を起こさないようなかなり小さ
な荷重でも、ＦＲＰ製の中空軸７では軸端に変形（壊れ
る）が起きる。

【００４１】この中空軸７の軸端での破壊の起点に続い
て、ヨーク１０の当接部１５が、中空軸７の軸端を押し
拡げるように進行して、図５に示されるように軸端の変
形した部分に続いて、ヨーク１０の周壁を変形（破壊）
させる。

【００４２】ここで、実験により、ＦＲＰ製の中空軸７
は、軸端が壊れ始める（破壊起点）と、当接部１５の変
位にしたがって逐次、破壊するものであった。このＦＲ
Ｐ製の中空軸７の変形（破壊）具合を利用して、加わる
衝撃エネルギーが吸収される。

【００４３】実験によれば、図６の「軸圧縮による荷重
変位曲線」の線図中、破線で示される特性のように従来
のプロペラシャフト（軸端に脆弱部が無いＣＦＲＰ製の
中空軸、当接部が無いヨークで構成されるもの）は、大
きな圧縮荷重を加えないと中空軸が破壊せず、しかも変
形は強度の弱い部分にだけ、例えば中空軸の軸方向中央
だけが折れるという現象となって現れるから、衝撃エネ
ルギーの吸収には至らない。

【００４４】これに比べ、本発明の脆弱部９が有るＣＦ
ＲＰ製の中空軸７、当接部１５が有るヨーク１０で構成
されるプロペラシャフトだと、小さな圧縮荷重で中空軸
は破壊を起こし、しかもこの変位は時間の経過と共に増
大するから、この破壊を利用して衝撃エネルギーの吸収
が行なわれることとなる。

【００４５】このことにより、ＦＲＰ製の中空軸７に
は、今まで無かった衝撃吸収性能がもたせられることが
確認された。したがって、難しいとされていた、ＦＲＰ
製の中空軸自身による衝撃エネルギーの吸収を実現する
ことができる。

【００４６】しかも、強度を弱くした軸端に応力を集中
させて、中空軸７を端から変形させる構造の採用によっ
て、今まで破壊を起こさないような小さな荷重でも、中
空軸７に衝撃吸収性能を発揮させることができる。

【００４７】そのうえ、中空軸７は、軸端に脆弱部９が
形成されるだけであるから、中空軸７のねじり強度、軸
方向の圧縮強度といった元来の強度は、そのまま維持さ
れ、動力伝達に影響を与えることはない（通常のＦＲＰ
製の中空軸を用いたときと同じ）。

【００４８】そのうえ、ヨーク１０の取付構造には、基
端部外周にスプライン１３（あるいはセレーション）を
有したヨーク１０を用い、このヨーク１０の基端部１２
を中空軸７の内周部に圧入して、スプライン１３を中空
軸７の内周部に食い込ませる構造を採用したので、スプ
ライン１３（あるいはセレーション）を基端部１２に設
けるといった簡単な構造で、エンジン２からの回転力を
伝達するために必要な結合と、衝撃エネルギーを吸収す
るために必要なヨーク１０の挙動との双方を両立させる
ことができる。

【００４９】なお、第１の実施形態は、カーボンファイ
バーを用いたＦＲＰ製の中空軸を採用したが、他の強化
繊維を用いたＦＲＰ製の中空軸でも同様な効果を奏する
ことはいうまでもない。

【００５０】第１の実施形態は、基端部の軸端部にテー
パ部を形成することによって脆弱部を形成した例を挙げ
ているが、これに限らず、たとえば肉厚を変えずに基端
部の軸端部分だけ、強化繊維の積層数を他の部分より少
なくしてもよく、要は軸端部分が他の部分より強度的に
弱くした構造であればよい。

【００５１】第１の実施形態は、フランジ形（リング
形）の当接部を採用したが、これに限らず、例えば金属
製ヨーク１０の一部が中空軸７の外周より突起した形状
でも、周囲に張り出す複数の突起でも、ヨークのアーム
部の基部を周囲に張り出すようにしても構わない。

【００５２】第１の実施形態は、外周部にスプライン又
はセレーションが形成されたヨークの基端部を中空軸内
に圧入して、ヨークを取り付ける構造を採用したが、こ
れに限らず、中空軸内にもスプライン又はセレーション
と組合う複数の凹凸条を設けて、ヨークを取り付けるよ
うにしてもよい。

【００５３】図７ないし図１１は、本発明の第２の実施
形態を示す。第２の実施形態は、ストッパーとしてのリ
ング部材２０を用いて、プロペラシャフト５の変形の進
行を所望とする地点で止めることを可能にしたものであ
る。

【００５４】具体的には、リング部材２０には、図８に
示されるように周方向の引張強度が大きくなる巻き角度
（中空軸７の軸心とは直角となる向き）で、多数の強化
繊維２１を巻いて積層したＦＲＰ製であり、フィラメン
トワインディング法で中空軸７と一体成形されている。

【００５５】また、リング部材２０は、中空軸７とは別
体に製造されたＦＲＰ製または金属製リング部材で、図
９に示されるように中空軸７の各端部の外周にそれぞれ
嵌挿され、図８に示されるように両軸端から所定の距離
だけ離れた地点で配置されて、例えば接着剤２３で中空
軸７に固定（接着）してもよい。

【００５６】図中Ｌは、これらリング部材２０によって
設定された変形しない領域を示してある。このリング部
材２０は、内径が中空軸７の外周部に嵌挿可能な寸法
で、他の厚さ，幅寸法といった各部はプロペラシャフト
５に入力される荷重に耐える強度をもたらすように設定
されている。

【００５７】リング部材２２，２２を設けると、図１０
に示されるように中空軸７の軸端を押し拡げるように進
行するヨーク１０は、図１１に示されるようにリング部
材２０が在る地点で、同リング部材２０の剛性により中
空軸７が径方向に拡げられるのが規制される。

【００５８】この規制によって、ヨーク１０の進行は、
それ以降、至らずに止まる。つまり、リング部材２０に
よって、プロペラシャフト５の変形の進行を所望とする
地点で止めることができることとなる。なお、図７ない
し図１１において、上述した一実施形態で説明した構成
部品を同じ部分には同一符号を付してその説明を省略し
た。

【００５９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、Ｆ
ＲＰ製の中空軸は、小さな圧縮荷重で、まず、軸端が変
形（破壊）され、続いて同変形に誘発され、ヨークの押
し拡げによる変形が中空軸の軸方向に進行するようにな
る。この中空軸の変形（破壊）にて、加わる衝撃エネル
ギーの吸収が行えるようになる。

【００６０】したがって、難しいとされていたＦＲＰ製
の中空軸自身による衝撃エネルギーの吸収を可能とした
プロペラシャフトを提供できる。しかも、強度を弱くし
た軸端に応力を集中させて、中空軸を端から変形させる
構造だと、小さい荷重でも衝撃吸収性能を発揮させるこ
とができる。

【００６１】そのうえ、ＦＲＰ製の中空軸は、軸端に脆
弱部が形成されるだけであるから、中空軸のねじり強
度、軸方向の圧縮強度といった元来の強度は、そのまま
維持され、動力伝達に影響を与えることはない。加え
て、規制手段により、プロペラシャフトの変形の進行を
所望とする地点で止めることができる。

【００６２】

【００６３】

【００６４】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態のプロペラシャフト
を、同プロペラシャフトを適用した自動車と共に示す
図。

【図２】同プロペラシャフト回りを拡大して示す一部断
面した側面図。

【図３】同プロペラシャフトの構造を説明するための分
解図。

【図４】同プロペラシャフトを構成するＦＲＰ製中空軸
の強化繊維の強度特性を示す線図。

【図５】同プロペラシャフトのＦＲＰ製中空軸による衝
撃エネルギー吸収の挙動を説明するための断面図。

【図６】同プロペラシャフトの衝撃吸収性能を、従来の
プロペラシャフトと退避して説明するための線図。

【図７】本発明の第２の実施形態のプロペラシャフト
を、同プロペラシャフトを適用した自動車と共に示す
図。

【図８】同プロペラシャフト回りを、同シャフトに一体
成形されたリング部材を示す一部断面した側面図。

【図９】プロペラシャフトの外周面に嵌挿されて固定さ
れる同シャフトは別体なリング部材の構造を説明するた
めの分解図。

【図１０】同プロペラシャフトのＦＲＰ製中空軸による
衝撃エネルギー吸収の挙動を説明するための断面図。

【図１１】同プロペラシャフトの変形の進行がリング部
材によって止まることを説明するための断面図。

【図１２】従来のＦＲＰ製中空軸を採用したプロペラシ
ャフトの構造を説明するための断面図。

【符号の説明】

５…プロペラシャフト７…ＦＲＰ製の中空軸８…カーボンファイバー（強化繊維）９…脆弱部９ａ…テーパ部１０…ヨーク１２…基端部１３…スプライン（ｏｒセレーション）１５…当接部２０…リング部材（規制手段、ＦＲＰ製規制手段）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F16C 3/02 F16D 3/38 F16D 9/08

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ＦＲＰ製の中空軸と、この中空軸の端部に、基端部が前記端部内周に中空軸と
は回転方向に対しては拘束され、かつ軸方向には所定以
上の荷重が加わると変位するべく嵌挿されて設けられた
ヨークと、前記中空軸の軸端に形成された、同中空軸の破壊基点を
なす脆弱部と、前記中空軸の軸端面と向き合うように前記ヨークに形成
され、前記ヨークの変位に伴い前記中空軸の軸端と当接
する当接部と、前記中空軸の軸端から所定の距離だけ離れた部位に設け
られ、同中空軸が径方向に拡げられるのを規制する規制
手段とを具備したことを特徴とするプロペラシャフト。
【請求項２】請求項１に記載のプロペラシャフトにお
いて、前記規制手段は、前記中空軸と一体に設けられ前記中空
軸の周方向に沿って延びる繊維束を有するＦＲＰ製規制
手段であることを特徴とするプロペラシャフト。
【請求項３】請求項１に記載のプロペラシャフトにお
いて、前記規制手段は、前記中空軸と別体に形成され同軸に嵌
挿されたリング部材であることを特徴とするプロペラシ
ャフト。