JP3508941B2 - プロペラシャフト - Google Patents

プロペラシャフト

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JP3508941B2 JP34184593A JP34184593A JP3508941B2 JP 3508941 B2 JP3508941 B2 JP 3508941B2 JP 34184593 A JP34184593 A JP 34184593A JP 34184593 A JP34184593 A JP 34184593A JP 3508941 B2 JP3508941 B2 JP 3508941B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、自動車等のプロペラ
シャフトに関する。
【0002】
【従来の技術】近年、省エネルギーの観点から燃費の向
上を目的とした自動車の軽量化が強く望まれている。そ
の一つの手段としてプロペラシャフトを金属製のものか
らFRP(繊維強化プラスチック)製のものに代替させ
ることが検討されている。その際、使用する強化繊維に
も種々あり、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド
繊維等が検討されているが、この中で特に、強度、弾性
率の面から炭素繊維を強化繊維とするCFRP(炭素繊
維強化プラスチック)が有力とされている。
【0003】自動車のプロペラシャフトは、エンジンか
ら発生する大きなトルクを伝達する必要があることか
ら、大きな捩り強度を必要とするとともに、高速で回転
され、かつ、車体側から、あらゆる方向の振動が伝達さ
れてくることから、極力、振動抑止効果の大きいもの、
および、振動減衰効果の大きなものが望まれる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上述の如く、プロペラ
シャフトの設計において基本的に満足しなければならな
い特性は、使用回転数で共振しない固有振動数であるこ
と(いわゆる危険回転数を回避できること)と、所定の
捩りトルクを伝達できる捩り強度を持っていることであ
る。
【0005】FRPで上記特性を満足させるための強化
繊維の配向角度は、プロペラシャフトの回転軸に対し
て、危険回転数については±10〜20°、捩り強度に
ついては±45°にするのが最も効果的であり、両者を
それぞれ満足させる積層角度は一致しない。したがって
実際には、シャフトの外径および肉厚などの諸寸法を考
慮した上で、複数の配向角度を組合せて最適な積層構成
を選択することになるが、多くは、FRP製本体筒の長
手方向の弾性率を高くした方が有利なので、強化繊維の
配向角度は小さな値になる。すなわち、FRP製本体筒
の弾性率は、長手方向に較べて周方向が著しく小さいと
いう異方性を持つことになる。
【0006】プロペラシャフトには、回転という加振力
の他にも、エンジンからのトルク発生の変動に伴う周波
数の振動や、他部品の振動およびこれらの高次の振動が
複雑に作用する。これらの外部振動による周波数とプロ
ペラシャフトの固有振動数が一致するとプロペラシャフ
トは共振状態となり、大きな振動や騒音を発生する。回
転しトルクを伝達するというプロペラシャフトの基本的
な機能が満足されたとしても、これら振動や騒音が発生
するのでは、搭乗者に対して不快感を与えたり、外部に
騒音を撒き散らしたり環境上も好ましいことではない。
【0007】従来の通常のプロペラシャフトは、等方性
材料であるスチールを用いているので、シャフトの周方
向の弾性率が長手方向の弾性率と同等であるのに対し
て、FRP製プロペラシャフトでは先に述べたように、
周方向の弾性率が著しく低い。そのため、スチール製プ
ロペラシャフトでは問題とならなかったような低い周波
数の振動源との共振が振動および騒音発生の点で問題と
なることがある。
【0008】この問題を解決するための究極の方法とし
ては、すべての振動源(外部加振力)の周波数と、それ
ぞれの高次の周波数に対して、プロペラシャフトの固有
振動数が一致しないようにすればよいが、現実的には極
めて困難あるいは不可能である。
【0009】そこでよく行われる手法は、たとえ共振が
起きても、プロペラシャフト側の振動応答を低くし、振
動や騒音の発生を低く抑えようとする方法である。すな
わちプロペラシャフトの振動減衰機能を上げる方法が採
られる。たとえば、特開昭63−199915号公報で
はポリウレタンなどの発砲体をチューブ内部に充填させ
たり、特開平4−94921号公報ではチューブ自身を
二重管構造や、あるいは円錐形にしたりする方法を採っ
ている。しかしこのような方法には、成形工程が複雑に
なったり、回転バランスを取ることが難しくなったり、
シャフトの成形加工に制限が生じるなどの問題があっ
た。
【0010】そこで、この発明の目的は、上述した従来
の方法におけるような製造上の問題を生じさせることな
く、振動および騒音の発生を効果的に抑制し得るプロペ
ラシャフトを提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明のプロペラシャフトは、FRP製本体筒を
有するプロペラシャフトにおいて、本体筒の内側に、回
転に伴う遠心力により外周面が本体筒の内周面に密着す
るまで拡径可能な円筒状物を、本体筒に対し相対回転自
在に内挿し、前記円筒状物の比重がFRP製の本体筒の
比重よりも小さいことを特徴とするものから成る。
【0012】遠心力により拡径可能な円筒状物は、たと
えば、円筒体にらせん状に延びる切り込みを刻設した部
材からなる。また、円筒状物は、円筒体にその長手方向
に延びる切り込みを周方向に複数配設した部材からな
る。この円筒状物においては、円筒体の周方向に複数配
設された切り込みは、たとえば、円筒体の長手方向各端
面に交互に開口している。さらに、円筒状物は、長手方
向に貫通した少なくとも2本の切り込みにより、少なく
とも2つの部材に分割された円筒体からなっていてもよ
い。
【0013】
【作用】このようなプロペラシャフトにおいては、FR
P製本体筒の低い周方向弾性率に起因するプロペラシャ
フトの周方向の振動が最も大きな問題であると捉えら
れ、この振動に対する振動減衰特性を高める構造とし
て、遠心力により拡径可能な円筒状物が、本体筒の内側
に本体筒に対し相対回転自在に内挿される。すなわち、
内挿された円筒状物は、プロペラシャフトの回転停止時
には本体筒に対して機械的に拘束されていないが、回転
時には、回転に伴う遠心力によって拡径し、その外周面
が本体筒の内周面に相対摺動回転可能に密着する。
【0014】この状態においては、相対摺動回転可能な
円筒状物を、プロペラシャフト回転時の、外部振動源に
よるプロペラシャフトの共振に対し、本体筒内周面に摺
接する構造とすることで、摩擦減衰を生じるので、共振
応答を低くでき、プロペラシャフトの振動および騒音の
発生を抑えることができる。
【0015】とくに内挿円筒状物は遠心力で本体筒内周
面に押さえ付けられることになるので、本体筒との接触
面には常に均一な摩擦力が作用し、安定した摩擦減衰が
得られる。
【0016】さらに内挿円筒状物の比重を、FRP製本
体筒の比重よりも小さくしているので、プロペラシャフ
トの危険回転数に対する影響を小さくすることができ
る。また、円筒状物の周方向の引張破断伸度を、FRP
製本体筒の周方向の引張破断伸度よりも大きくすれば、
内挿円筒状物自体の振動減衰特性を利用することができ
る。
【0017】
【実施例】以下に、本発明のプロペラシャフトの望まし
い実施例を、図面を参照して説明する。図1は、本発明
の一実施例に係るプロペラシャフトの、片方の端部を示
している。他方の端部の図示は省略してあるが、本実施
例では、図示端部と同様の構成とされている。図1にお
いて、1はFRP製筒状体からなる本体筒を示してお
り、本体筒1の端部外周側には、圧入接合部補強のため
の外部補強層1aが設けられている。本体筒1の両端部
には(図1では片方の端部のみ示してある)、金属製継
手2が、圧入により接合されている。
【0018】本発明のFRP製プロペラシャフトを構成
するマトリクス樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノー
ル樹脂、ポリイミド樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和
ポリエステル等の熱硬化性樹脂を使用するが、他の樹
脂、たとえば、ポリアミド、ポリカーボネード、ポリエ
ーテルイミド等の熱可塑性樹脂でもよい。また、強化繊
維についても、炭素繊維に限らず、たとえばガラス繊
維、アラミド繊維等を使用することが可能であり、これ
らを併用することも可能である。
【0019】上記のようなFRP製本体筒1の内側に、
円筒状物3が内挿されている。円筒状物3は、回転に伴
う遠心力により外周面が本体筒1の内周面に密着するま
で拡径可能な円筒部材からなっている。したがって、こ
の円筒状物3は、プロペラシャフトの回転停止時には、
本体筒1の内径よりも小さな外径を有し、回転時には、
遠心力による拡径により本体筒1の内径と略同一の外径
を有する。そして、この円筒状物3は、拡径時にも、本
体筒1に対し相対回転可能となるように、本体筒1に内
挿されている。
【0020】この円筒状物3は、比重がFRP製本体筒
1の比重よりも小さい材質から構成されている。また、
円筒状物3の周方向の引張破断伸度が、FRP製本体筒
1の周方向の引張破断伸度よりも大きいことが好まし
い。たとえば、本体筒1を熱硬化性樹脂と強化繊維との
FRPで構成し、円筒状物3には熱可塑性樹脂(繊維強
化、非強化を含む)を用いることができる。
【0021】円筒状物3は、上記遠心力による拡径を可
能とするために、たとえば図2ないし図5に示すように
構成されている。図2に示す構造においては、円筒体3
aにらせん状に延びる切り込み4aが刻設されており、
遠心力により拡径可能となっている。
【0022】図3に示す構造では、円筒体3bに、その
長手方向に延びる切り込み4bが周方向に複数配設され
ている。この複数の切り込み4bは、円筒体3bの長手
方向の各端面5a、5bに交互に開口している。
【0023】図4に示す構造では、円筒体3cに、長手
方向に貫通して延びる1本の切り込み4cが設けられて
おり、切り込み4c部が開くことによって拡径できるよ
うになっており、このような構成も可能である。
【0024】図5に示す構造では、円筒体3dが、長手
方向に貫通して延びる少なくとも2本の切り込み4d、
4dを設けることによって複数の断面円弧状部材6a、
6b(図示例では2つの部材)に分割されている。
【0025】このような遠心力により拡径可能な円筒状
物3(3a、3b、3c、3d)を本体筒1に内挿する
ことにより、プロペラシャフトの回転停止時には、円筒
状物3は本体筒1内に遊嵌された状態にあり、その外周
面は本体筒の内周面に一箇所当接するのみであり、全周
にわたっては当接していない。プロペラシャフトが回転
されると、円筒状物3も本体筒1との接触により回転さ
れる。この回転に伴う遠心力により、円筒状物3が拡径
され、その外周面が本体筒1の内周面に密着する。
【0026】円筒状物3は、本体筒1に対し相対回転自
在となっているので、円筒状物3が拡径して本体筒1の
内周面に密着した状態では、円筒状物3の外周面と本体
筒1の内周面との間に相対回転に伴う摺動が生じ、摩擦
力が発生する。この摩擦により、プロペラシャフトの振
動が減衰され、騒音の発生も抑えられる。
【0027】円筒状物3の拡径は、遠心力を利用して自
然に行われるものであり、特別な拡径装置を必要としな
い。また、円筒状物3の外周面は遠心力によって本体筒
1の内周面に押しつけられるので、均一な摩擦力を発生
させることができる。さらに、摩擦力の大きさは、プロ
ペラシャフトの回転数、円筒状物の径や壁厚や材質を考
慮しつつ、前述の切り込み4a、4b、4c、4dを適
切に設計することにより、目標とする摩擦減衰を得るた
めの最適値に設定することができる。
【0028】なお、本発明のプロペラシャフトにおいて
は、FRP製本体筒と金属製継手との間の適当な位置
(たとえば、各部材端部位置)に、シール材を配設して
もよい。シール材としては、樹脂、リング状弾性体、フ
イルム等が適当である。このようなシール材配設によ
り、水分等の進入をより確実に防止し、接合部の腐食を
防止することができる。
【0029】また、金属製継手を圧入する際、圧入用治
具で継手を把持する必要があるが、確実に把持できるよ
う、かつ、圧入力によって継手が破損しないよう、継手
に、圧入用治具の係止または係合部を設けておくことが
好ましい。このような係止または係合部は、継手の外面
の適当な位置に、段付部または溝部を形成することによ
り構成できる。
【0030】また、金属製継手の圧入力を極力低減し
て、効率よく圧入するためには、以下のような方法が有
効である。 継手の温度を下げ、FRP製本体筒端部の温度を上げ
て圧入する。 接着剤を潤滑剤として用いる。 圧入後には残らない、揮発性の液状潤滑剤を用いる。
【0031】さらに、金属製継手にバランスウエイト取
付部を設けて、該取付部に適当なバランスウエイトを溶
接等によって付加することにより、プロペラシャフト完
成後のバランスを調整することが可能である。このバラ
ンスウエイト取付部の周囲、とくに、バランスウエイト
取付部と、接合されるFRP製本体筒との間の部分の継
手外面に、冷却フィンを形成しておくと、バランスウエ
イトを接合する際の溶接熱がFRP製本体筒側に伝わる
のを抑制することができる。
【0032】
【発明の効果】本発明によれば、本体筒の内側に遠心力
により拡径可能な円筒状物を内挿し、本体筒内周面と円
筒状物外周面との間での摩擦力により振動を減衰させる
ようにしたので、プロペラシャフトの回転に伴い、自然
に、適切な摩擦減衰を生じさせることができ、簡単な構
造、簡単な製造方法にて、高い振動抑止効果および騒音
発生抑止効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係るFRP製プロペラシャ
フトの部分断面図である。
【図2】図1の円筒状物の一例を示す斜視図である。
【図3】別の円筒状物の例を示す斜視図である。
【図4】さらに別の円筒状物の例を示す斜視図である。
【図5】さらに別の円筒状物の例を示す斜視図である。
【符号の説明】
1 FRP製本体筒 2 金属製継手 3 円筒状物 3a、3b、3c、3d 円筒体 4a、4b、4c、4d 切り込み
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭53−71423(JP,A) 実開 昭56−102233(JP,U) 実開 昭58−111449(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F16F 15/10 - 15/12 B60K 17/22

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 FRP製本体筒を有するプロペラシャフ
    トにおいて、本体筒の内側に、回転に伴う遠心力により
    外周面が本体筒の内周面に密着するまで拡径可能な円筒
    状物を、本体筒に対し相対回転自在に内挿し、前記円筒
    状物の比重がFRP製の本体筒の比重よりも小さいこと
    を特徴とするプロペラシャフト。
  2. 【請求項2】 前記円筒状物の周方向の引張破断伸度
    が、FRP製本体筒の周方向の引張破断伸度よりも大き
    い、請求項1のプロペラシャフト。
  3. 【請求項3】 前記円筒状物が、円筒体にらせん状に延
    びる切り込みを刻設した部材からなる、請求項1又は2
    のプロペラシャフト。
  4. 【請求項4】 前記円筒状物が、円筒体にその長手方向
    に延びる切り込みを周方向に複数配設した部材からな
    り、前記円筒体の周方向に複数配設された切り込みが、
    円筒体の長手方向各端面に交互に開口している、請求項
    1又は2のプロペラシャフト。
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