JP5914636B2 - 複合体チューブシャフト及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、複合体チューブシャフトを有するタイプの駆動システムに関し、より詳細には、複合体チューブシャフトを形成するための複合体基材に連結された金属基材を含むものに関する。

従来の駆動系システムは典型的には、モータ又はエンジン等の駆動システムから、車輪又は動力設備等の被駆動システムに、トルクを伝達するためのチューブシャフト組立体を含む。典型的にはこれらのシャフトは、恒速度継手又はその他のジョイントエンドの取り付け部等の接続デバイスを有する鋼鉄、アルミニウム、又は複合材料製のものであった。

複合体駆動／シャフトは、金属製駆動シャフトに比べて優れた強度：重量比及び剛直性：重量比をもたらす。これらの熱膨張率は一般に低く、このため熱サイクルによって発生する連結部及びハンガーベアリングへの負荷が低減される。これらの駆動シャフトは、今日の航空機及び自動車駆動系の産業分野においてますます重要な役割を果たしており、これらの産業分野では、機体の総重量を削減しつつ強度を増大させるための方法が常に模索されている。駆動系システムの設計においては、摩耗の低減及び強度の向上のために、複合体駆動シャフトが多数応用されている。

しかしながら、複合体駆動シャフトは、負荷を伝達するために他のシャフト構成部品に接合するための金属アダプタを必要とする。一般に、複合体チューブシャフトは典型的には、シャフトマンドレルの周りで複合体の糸を織ったものに樹脂を添加し、硬化させて作製する。続いて、製作したチューブを機械加工して、所望の相互ロック構造を製作し、ジョイントエンドをシャフトの端部へと摺動させ、固定カラーを用いるか、又はジョイントエンドの周囲に更に複合体を巻き付けて硬化プロセスを繰り返すかによって、所定の位置にロックする。別の一般的な方法は、ジョイントエンドを所定の位置に有するシャフトマンドレルの周囲に複合体の糸を巻き付ける方法、又は、ジョイントエンドを完成品の複合体シャフトの端部に挿入し、追加の複合材料をジョイントエンドに巻き付けて、ジョイントエンドを複合体シャフトに固定する方法である。一般に、複合体駆動シャフトには、複数のタイプの複合体-アダプタジョイントエンドシステム：ノッチ付き（シャフトの端部の切り欠き部と、これに対応するジョイントエンドの隆起した特徴部分）、保持カラー、圧入（内側へ又は外側へ）、突起部付き（ジョイントエンドが、複合体で囲まれた後所定の位置で硬化させられたラグを含む）、接着ジョイント（ジョイントエンドをチューブ内に配置し、追加の複合体を周囲に巻き付けて、硬化後に接着部が形成される）、及びリブを有する接着ジョイント（ジョイントエンドをチューブ内に配置した後硬化させる）が用いられる。これらの設計は、その構造的完全性、重量、又は製造コスト及び複雑さによって制限される。

したがって、チューブシャフトの金属接合面のための、一体として製造される被包された接続、並びに、低コスト、軽量、及び高強度なこの接続を提供するための方法が必要とされている。

ここで図面を参照して、以下に例示的な実施形態を詳細に示す。図面にはいくつかの実施形態を示すが、図面の縮尺は正確である必要はなく、本発明をより良好に図示及び説明するために、ある特徴部分を誇張したり、除去したり、又は部分的に切断したりしている。更に、ここに挙げる実施形態は例示的なものであり、排他的なものであること、又は、図面に図示しかつ以下の詳細な説明に開示する正確な形状及び構成に限定若しくは制約することを意図したものではない。

図１は、例示的な駆動系システムの平面図である。 図２は、一体の金属端部を有するチューブシャフトを製作するために巻いた後の、複合体基材及び金属基材の斜視図である。 図３は、複合体基材、及び第１の端部を係合する前の金属基材の斜視図である。 図４は、複合体基材、及び第１の端部を係合する途中の金属基材の斜視図である。 図５は、複合体基材、及び第１の端部を完全に係合した金属基材の斜視図である。 図６は、複合体基材、第２の端部を係合する途中の及び逆棘のついた金属基材の斜視図である。 図７は、複合体基材、並びに前記複合基材の第１の端部及び第２の端部で係合された２つの金属基材の斜視図である。 図８は、複合体チューブシャフトの作製方法を示すフローチャートである。 図９は、複合体チューブシャフトの他の作製方法を示すフローチャートである。

例示的な図について以下に説明する。分かりやすくするために、本明細書では、実際の実装形態の全ての特徴部分は説明しない。当然のことであるが、このような実際の実装形態のいずれを開発するにあたり、開発者の特定の目標を達成するために、実装形態毎に変化することになるシステム関連及びビジネス関連の制約の許諾等、数多くの実装に特化した決定がなされなければならないことを理解されたい。更に、このような開発への努力は複雑かつ時間がかかるものであり得るが、それにもかかわらず、本開示の便益を有する当該分野で通常の記述を有するものにとっては平凡な仕事であることを理解されたい。

図面を参照すると、図１は、機体（図示せず）の例示的な駆動系１０を示す。一般に、プロペラシャフトがチューブシャフト３６である。チューブシャフト３６は、駆動部材（図示せず）から差動歯車（図示せず）へ、トルク伝達要素を介してトルクを伝達する。しかしながら、複合体チューブシャフト３６は、例えばハーフシャフト等のいずれの公知のトルク伝達シャフト、又は回転力を車輪へ伝達するための駆動部材等に使用してもよい。

図２は、例示的なチューブシャフト３６を示す。チューブシャフト３６は、複合体シート基材５０、固定手段（図示せず）、及び金属基材６０から構成されている。

図３は、概ね平坦な鋸状の金属基材６０と、概ね平坦な複合体基材５０とを巻く以前でかつ係合する以前の状態を示すチューブシャフト３６の組立体である。概ね平坦な鋸状の金属基材６０は、少なくとも２つの鋸歯状の歯６２及び６４、並びに、トルク伝達要素取り付け領域６８を含む。金属基材６０は、鋼鉄、鉄又はその他の材料で作製してよい。金属基材６０の取り付け領域６８は、公知の取り付け方法（ネジ切り、接着、溶接又は溶射）を用いて、トルク伝達要素取り付け領域６８においてヨーク（図示せず）又は恒速度継手（図示せず）等のトルク伝達要素に接続してよい。

鋸歯状の歯６２及び６４は、複合体基材５０に係合する。この係合は、複合体基材５０の第１の表面５６及び第２の表面５８の両方に同時に圧縮力（図示せず）を印加することにより、歯６２、６４と複合体基材５０との間のロック接合面を形成する。これらの力（図示せず）は、各歯６２及び６４の間に複合体基材５０を織り込み、交互の歯６２、６４の間で張力を生み出すことによって発生する。複合体基材５０と金属基材６０との係合は、係合により２つの基材５０、６０の間にロック接合面が形成されるならば、噛み合わせ又は織り込み等のいずれの公知のタイプの係合であってもよい。歯６２及び６４は概ね三角形の形状を有するように図示したが、他の形状を有するよう構成してよい。

図３の概ね平坦な複合体基材５０は、カーボン／エポキシ、ガラス／エポキシ、カーボン／ガラス／エポキシ又はグラファイト等のいずれのポリマー複合体マトリクス材料製のものであってよい。概ね平坦な複合体基材５０は、織られた状態、積層状態、又は複合体材料の分野の当業者にはよく知られているその他の形態の耐荷重性複合体材料であってもよい。複合体マトリクス材料は一般には、組立て中及び硬化プロセス以前は柔軟である。この柔軟性により、固定手段が硬化する以前の、複合体基材５０と鋸歯状の歯６２、６４との間の均質な噛み合いが可能になる。固定手段を塗布してチューブシャフト３６を組立てた後、組立体を巻いて硬化させ、チューブシャフト３６を形成する。硬化はエポキシ樹脂の硬化によるものであり、これにより複合体マトリクス材料に剛性をもたらし、これを接着する。硬化プロセスは、熱の印加、又は、組立体を制御環境下に所定の時間静置することによるものであってよい。重合が起きると、チューブシャフト３６の複合体基材５０は、それ自体及び金属基材６０に完全に接合され、したがって、駆動系１０において使用できる状態になる。

図４は、概ね平坦な複合体基材５０と、部分的に係合する鋸歯状の歯６２及び６４を有する概ね平坦な鋸状の金属基材６０とを備えた部分的に係合したチューブシャフト３６の組立体を示す。この係合は第１の端部５２で起こっている。

図５は、トルク伝達要素取り付け領域６８の基部６６に噛み合う概ね平坦な複合体基材５０と完全に係合する鋸歯状の歯６２を有する概ね平坦な鋸状の金属基材６０を備えた完全に係合したチューブシャフト３６の組立体を示す。この図は、鋸歯状の歯６２が複合体基材５０の第１の表面５６上で、及び鋸歯状の歯６４（図５では図示せず）が複合体基材５０の第２の表面５８上で離間していることにより、複合体基材５０に金属基材６０をどのように織り込むかを示すものである。図では等間隔に離間しているが、歯６２及び６４は、所望の鋸歯状の歯の形状それぞれの間でいずれの距離を有するように構成してよい。

図６は、鋸歯状の歯６２、６４内又はこれらの上に一体形成された開口部６９及び逆棘６７を有する概ね平坦な鋸状の金属基材６０’と部分的に噛み合う概ね平坦な複合体基材５０を備える、部分的に係合したチューブシャフト３６を示す。金属基材６０’は複合体基材５０と部分的に係合し、第２の端部５４に位置する。逆棘６７は、複合体基材５０及び金属基材６０を巻いてチューブシャフト３６を形成する際に、複合体基材５０の複数の層とのロック係合を可能とするような、いずれの寸法又は角度のものであってよい。更に、開口部６９は、チューブシャフト３６の組立て及び硬化中に複合体基材５０がこの開口部を貫通して、巻かれた層を接着することができるような、いずれのサイズ又は寸法のものであってもよい。

図７は、第１の端部５２及び第２の端部５４において、概ね平坦な鋸状の金属基材６０と完全に噛み合う概ね平坦な複合体基材５０を備えた完全に係合したチューブシャフト３６を示す。

当然、複合体基材５０及び金属基材６０は、巻いて所望の長さ、厚さ及び直径のチューブシャフト３６の組立体の完成品を製作することができるような、いずれの適切な寸法のものであってもよい。複合体材料もまた、各応用例に関して所望の材料強度特性をもたらすような望ましい厚さのものであってもよい。

複合体チューブシャフト３６の組立体を作製する方法は：複合体シート基材５０を位置決めして、ある平面に対して概ね平坦にすること；歯６２、６４を有する金属基材６０を位置決めして、ある平面に対して概ね平坦とし、かつ複合体基材５０の少なくとも１つの端部５２、５４に隣接させること；金属基材６０を摺動させて噛み合わせ、少なくとも１つの鋸歯状の歯６２を複合体基材５０の第１の表面５６上に、及び少なくとも１つの鋸歯状の歯６４を複合体基材５０の第２の表面５８に係合させること；固定手段を塗布し、複合体基材５０の第１の表面５６及び第２の表面５８を、金属基材６０が位置決めされた一端５２、５４において飽和させること；複合体基材５０及び金属基材６０を巻いて、積層チューブシャフト３６の組立体を製作すること、を含む。チューブシャフト３６の組立体を製作したら、硬化又は重合プロセスが開始し、チューブシャフト３６組立体の巻いた基材５０、６０は１つに接着されて、一体型のチューブシャフト３６のアセンブリを形成する（図８）。

固定手段の塗布は、金属基材６０の係合の以前又は以後に、ただし組立体を巻いてチューブシャフト３６を製作する以前に、行うことができる。更に、鋸歯状の歯６２、６４は、少なくとも１つの歯６２、６４を複合体基材５０の上側に位置決めし、少なくとも１つの歯６２、６４を複合体基材５０の下側に位置決めするようにすれば、交互になるようにすることができる（図９）。

以上の説明は、本発明の方法及びシステムの例示的な実施形態を図示及び説明するためにのみ提示したものである。排他的であること、又は本発明をここに開示したいずれの形態に正確に制限することを意図したものではない。当業者には、本発明の範囲から逸脱しない限りにおいて、様々な変更を行うことができ、また、均等物をその要素に関して置換することができることが理解できるであろう。更に、本質的な範囲から逸脱しない限りにおいて、特定の状況又は材料を本発明の教示に適合させるために、多くの改変を行うことができる。したがって、本発明は、本発明を実施するにあたって考えられる最良の形態としてここに開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は、特許請求の範囲内である全ての実施形態を含むことを意図している。本発明は、その精神又は範囲から逸脱することなく、具体的に説明及び図示されたものとは異なるように実行され得る。本発明の範囲は、特許請求の範囲によってのみ限定される。

Claims (9)

1. 第１の表面及び第２の表面によって画定される複合体基材；並びに
   少なくとも２つの歯を有する金属基材を備える、車両の複合体チューブシャフト組立体であって、
   前記歯は、前記複合体基材と係合し、
   前記少なくとも２つの歯のうち少なくとも一方の１つの前記歯は、前記第１の表面上に位置決めされ、前記少なくとも２つの歯のうち他方の少なくとも１つの前記歯は、前記第２の表面上に位置決めされており、これにより、前記金属基材が前記複合体基材に係合しており、
   そして、前記複合体基材と前記金属基材が巻かれた状態で車両の複合体チューブシャフト組立体に形成されている車両の複合体チューブシャフト組立体。
2. 前記金属基材を前記複合体基材に接着するための固定手段を更に含む、請求項１に記載の車両の複合体チューブシャフト組立体。
3. 前記金属基材は、前記複合体チューブシャフトをトルク伝達要素に取り付けるための取り付け領域を含む、請求項１に記載の車両の複合体チューブシャフト組立体。
4. 前記取り付け領域は、基部を含み、これにより、前記少なくとも２つの歯が前記基部から延伸して、前記複合体基材の前記第１及び第２の表面上に位置決めされる、請求項３に記載の車両の複合体チューブシャフト組立体。
5. 前記金属基材の前記歯は、鋸歯状である、請求項１に記載の車両の複合体チューブシャフト組立体。
6. 前記金属基材は開口部を含む、請求項１に記載の車両の複合体チューブシャフト組立体。
7. 前記金属基材は逆棘を含む、請求項１に記載の車両の複合体チューブシャフト組立体。
8. 前記歯は等しくサイズ決めされ、互いに等間隔に離間されている、請求項１に記載の車両の複合体チューブシャフト組立体。
9. 平坦な複合体基材を位置決めすること；
   少なくとも２つの歯を有する金属基材を、前記複合体基材に対して概ね平坦に位置決めすること；
   前記金属基材の前記少なくとも２つの歯の一方を前記複合体基材の第１の表面上に、及び前記金属基材の前記少なくとも２つの歯の他方を前記複合体基材の第２の表面上に位置決めし、前記複合体基材の端部を、前記金属基材の基部に取付けること；
   前記金属基材の前記少なくとも２つの歯及び前記複合体基材に固定手段を塗布すること；
   前記複合体基材及び前記金属基材を巻いてチューブシャフトを形成すること；並びに
   前記チューブシャフトを硬化させること
   を含む、複合体チューブシャフトの製造方法。

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