JP7221080B2 - 動力伝達軸に用いられる管体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、動力伝達軸に用いられる管体の製造方法に関する。

自動車のプロペラシャフト（動力伝達軸）は、車両の前後方向に延びて、原動機で発生し変速装置で減速された動力を終減速装置に伝達する。プロペラシャフトの従来例として、繊維強化プラスチック製の管体を備えたものが挙げられる。特許文献１には、フィラメントワインディング法により、マンドレルに繊維強化プラスチックを巻き付けて管体を形成することが記載されている。

特許第３３９８４５５号公報

プロペラシャフトの管体の外周面に傾斜部を形成する場合、この傾斜部に対応したマンドレル側の型傾斜部にフィラメントを巻き付けることとなる。このとき、型傾斜部の傾斜角度とフィラメントの配向角度との関係によっては、フィラメントが型傾斜部上で滑ってしまい、フィラメントを密に巻くことが困難な場合がある。

本発明は、以上のような問題を解決するために行われたものであり、その目的は、フィラメントをマンドレルの型傾斜部に巻く際に、型傾斜部でのフィラメントの滑りを防止し、フィラメントを密に巻くことができる動力伝達軸に用いられる管体の製造方法を提供することにある。

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で傾斜部を有する管体をフィラメントワインディング法により製造する動力伝達軸に用いられる管体の製造方法であって、前記傾斜部に対応するマンドレルの型傾斜部または当該型傾斜部に巻き付くフィラメントが通る箇所の前記マンドレルの外周面に、複数の突起体が周方向に間隔を空けて設けられた環状部材を取り付ける環状部材取付工程と、フィラメントを前記突起体同士の間を通すように巻き付ける巻付工程と、前記管体を硬化させる硬化工程と、前記マンドレルを前記管体から引き抜く脱芯工程と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、フィラメントを突起体同士の間を通すように巻き付けることで、フィラメントが突起体に引っ掛かり、型傾斜部上での滑りが抑制される。これにより、フィラメントを型傾斜部に密に巻くことができる。管体の傾斜部は、車両の前方衝突の際に破損の起点になり得る他、小径側においては、管体と連結する連結部材の小型化を図れる。

第一実施形態の動力伝達軸の側面図である。 第一実施形態における製造方法の環状部材取付工程を示す側断面図である。 第一実施形態における製造方法の巻付工程を示す側断面図である。 第一実施形態における製造方法の硬化工程を示す側断面図である。 第一実施形態における製造方法の脱芯工程を示す側断面図である。 管体の製造方法のフローチャートである。 フィラメントワインディング法の説明図である。 第二実施形態における製造方法の巻付工程を示す側断面図である。 第三実施形態における製造方法の巻付工程を示す側断面図である。 動力伝達軸の変形例の側面図である。 動力伝達軸の他の変形例の側面図である。

各実施形態について図面を参照しながら説明する。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、重複説明は省略する。

図１に示すように、動力伝達軸１は、軸線Ｏ１を中心軸とする管体２と、管体２の第一接続部１２０の内側に接続する連結部材としてのスタブヨーク３と、管体２の第二接続部１３０の内側に接続する連結部材としてのスタブシャフト４とを備えている。管体２は、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）で形成されている。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１３０と、本体部１１０と第二接続部１３０との間に位置する傾斜部１４０と、を備えている。

本体部１１０の外径は、中央部１１３から両端部（前端部（他端部）１１１及び後端部（一端部）１１２）に向かうに連れて縮径しており、中央部１１３の外径は両端部（前端部（他端部）１１１及び後端部（一端部）１１２）の外径よりも大きい。つまり、軸線Ｏ１に沿って本体部１１０を切った場合には、本体部１１０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１１０の外形は、中央部１１３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。また、本体部１１０の板厚は、両端部（前端部（他端部）１１１及び後端部（一端部）１１２）から中央部１１３に向うにしたがい薄くなっており、中央部１１３の板厚は、両端部（前端部（他端部）１１１及び後端部（一端部）１１２）の板厚よりも薄く形成されている。

曲げ応力が集中し易い本体部１１０の中央部１１３は、外径が大径に形成され、所定の曲げ強度を有することとなる。一方で、曲げ応力が集中し難い本体部１１０の両端部（前端部（他端部）１１１及び後端部（一端部）１１２）は、外径が小径に形成されることで軽量化されている。本体部１１０の中央部１１３においても、板厚が薄くなっていることで軽量化されている。よって、動力伝達軸１は、中央部１１３の所定の曲げ剛性を確保しつつ軽量化がなされ、曲げ一次共振点が向上する。

第一接続部１２０の内周面は、スタブヨーク３の接続部５の多角形状の外周面に倣った多角形状を呈している。第二接続部１３０の内周面も、スタブシャフト４の接続部６の多角形状の外周面に倣った多角形状を呈している。

傾斜部１４０の外径は、本体部１１０側から第二接続部１３０側に向かうにしたがい次第に縮径し、円錐台形状となっている。傾斜部１４０の板厚は、第二接続部１３０側（後側）の端部から本体部１１０側（前側）の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１４０のうち前端部の板厚が最も薄く、脆弱部を構成している。以上から、動力伝達軸１に車両が前方から衝突されて衝突荷重が入力すると、軸線Ｏ１に対して傾斜する傾斜部１４０にせん断力が作用する。そして、傾斜部１４０に作用するせん断力が所定値を超えると、傾斜部１４０の前端部（脆弱部）が破損する。このため、車両衝突時、車体の前部に搭載されたエンジンや変速機は速やかに後退し、衝突エネルギーは車体の前部により吸収される。

スタブヨーク３は、カルダンジョイントを構成する金属製の部材である。スタブヨーク３の接続部５は、後端側が開口した筒形状を呈している。接続部５の外周面は、軸線Ｏ１方向視で多角形状を呈している。スタブシャフト４は、等速ジョイントを構成する金属製の部材である。スタブシャフト４は、等速ジョイントの動力伝達部材に一体に回転するように連結する連結部７と、連結部７の前端に形成され管体２の第二接続部１３０の内側に接続する接続部６と、を備えている。接続部６の外周面は、軸線Ｏ１方向視で多角形状を呈している。

図６は、動力伝達軸１に用いられる管体２の製造方法のフローチャートである。動力伝達軸１に用いられる管体２の製造方法は、傾斜部１４０に対応するマンドレル８の型傾斜部９または型傾斜部９に巻き付くフィラメントが通る箇所のマンドレル８の外周面に、複数の突起体１１が周方向に間隔を空けて設けられた環状部材１０を取り付ける環状部材取付工程（ステップＳ１）と、フィラメントを突起体１１同士の間を通すように巻き付ける巻付工程（ステップＳ２）と、管体２を硬化させる硬化工程（ステップＳ３）と、マンドレル８を管体２から引き抜く脱芯工程（ステップＳ４）と、を備えている。

［第一実施形態］
「環状部材取付工程」
図２に示すように、マンドレル８には、管体２の傾斜部１４０を形成するために、円錐台形状の型傾斜部９が形成されている。型傾斜部９の傾斜面は車幅方向視で平面を呈しているが、曲面であってもよい。環状部材１０は、樹脂材料やゴム材料等で成形されている。環状部材１０には、複数の突起体１１が径外方向に向けて突設されている。突起体１１は円柱形状、円錐形状、半球形状等の小さなピン部からなり、フィラメントが引っ掛かる形状であれば特に限定されない。

本実施形態では、環状部材１０は、型傾斜部９を軸線Ｏ１方向に挟んで一対配置された大径の第一環状部材１０Ａと小径の第二環状部材１０Ｂとから構成されている。第一環状部材１０Ａは、本体部１１０（図１）の後端部１１２を形成する部位であるマンドレル８の型本体部１２の外周面に取り付けられ、第二環状部材１０Ｂは、第二接続部１３０（図１）を形成する部位であるマンドレル８の型第二接続部１３の外周面に取り付けられる。取り付け構造は、圧着でもよいし、接着性の弱い接着剤で仮止めをしてもよい。

「巻付工程」
巻付工程では、図３に示すように、フィラメント４９を突起体１１同士の間を通すように螺旋状に巻き付ける、つまりヘリカル巻きを行う。型傾斜部９は軸線Ｏ１に対して傾斜しているため、従来では、フィラメント４９の配向角度の大きさやフィラメント４９の含浸樹脂材の粘度が低い等の条件によって、フィラメント４９が型傾斜部９上で滑り、目が開いて巻かれてしまう等のおそれがあった。これに対し、フィラメント４９を突起体１１同士の間を通すように巻き付けることで、フィラメント４９が突起体１１に引っ掛かって型傾斜部９上での滑りが抑制される。これにより、フィラメント４９を型傾斜部９に密に巻くことができる。

図７にフィラメントワインディング法で用いるワインディング装置の一例を示す。ワインディング装置４０は、強化繊維の束であるストランドがそれぞれ巻回された複数のボビン４１～４４と、樹脂含浸部４５と、集約部４６と、移動供給部４７と、マンドレル８を回転させる回転装置４８Ａ，４８Ｂと、を備えて構成されている。

各ボビン４１～４４から引き出されたストランドは、樹脂含浸部４５で熱硬化性樹脂に含浸処理されたうえで集約部４６で１本のフィラメント（ロービング）４９に集約される。移動供給部４７は、集約部４６とマンドレル８との間に配設され、フィラメント４９を挿通可能に支持する。移動供給部４７は、軸線Ｏ１方向に往復動可能に構成されている。回転装置４８Ａ，４８Ｂは、例えばマンドレル８の前端と後端を支持してマンドレル８を回転させる。

以上により、回転装置４８Ａ，４８Ｂによってマンドレル８が回転し、移動供給部４７が軸線Ｏ１方向に往復動することで、フィラメント４９が所定のヘリカル巻きで巻かれる。ワインディング装置４０は、図示しない制御部を備えており、当該制御部を操作することにより、フィラメントワインディングの巻回方法、ラップ長、巻回速度等を設定できるようになっている。

「硬化工程」
図４において、硬化工程では、加熱炉等で管体２を加熱し、管体２の含浸樹脂を硬化させる。環状部材１０は、この加熱により溶ける材料であってもよい。含浸樹脂が熱可塑性樹脂の場合は、冷却により管体２の含浸樹脂を硬化させる。

「脱芯工程」
硬化工程の後、図５に示すように、脱芯工程では、環状部材１０を管体２と一体に残したまま、マンドレル８を管体２から引き抜く。本実施形態のように管体２の本体部１１０が樽形状を呈している場合であっても、例えばマンドレル８を可変構造の型としたり、中子構造等を採用することで、マンドレル８を管体２から引き抜くことができる。環状部１０は、管体２の内面側に固設された状態となるので、あるいは加熱により溶けた状態となっているので、残ったことによる問題はない。

以上のように、繊維強化プラスチック製で傾斜部１４０を有する管体２をフィラメントワインディング法により製造する動力伝達軸１に用いられる管体２の製造方法であって、前記した環状部材取付工程と巻付工程と硬化工程と脱芯工程とを備える方法とすれば、フィラメント４９の滑りを抑えつつ傾斜部１４０を形成できる。傾斜部１４０は、車両の前方衝突の際に破損の起点になり得る他、小径側においてはスタブシャフト４等の連結部材の小型化を図れる。

環状部材１０を、型傾斜部１４０を軸線Ｏ１方向に挟んで一対配置すれば、フィラメント４９の引っ掛かり箇所が多くなるので、フィラメント４９の滑り抑制の向上を図れる。

［第二実施形態］
図８は第二実施形態の説明図である。第二実施形態の動力伝達軸に用いられる管体の製造方法も、第一実施形態と同様に、傾斜部１４０に対応するマンドレル８の型傾斜部９または型傾斜部９に巻き付くフィラメントが通る箇所のマンドレル８の外周面に、複数の突起体１１が周方向に間隔を空けて設けられた環状部材１０を取り付ける環状部材取付工程と、フィラメント４９を突起体１１同士の間を通すように巻き付ける巻付工程と、管体２を硬化させる硬化工程と、マンドレル８を管体２から引き抜く脱芯工程と、を備えている。第二実施形態の環状部材１０は、型傾斜部９に配置され、型傾斜部９の軸方向長さＬよりも狭幅に形成された環状部材１０Ｃで構成されている。

環状部材１０Ｃも、樹脂材料やゴム材料等で成形されており、複数の突起体１１が径外方向に向けて突設されている。突起体１１は円柱形状、円錐形状、半球形状等の小さなピン部からなり、フィラメント４９が引っ掛かる形状であれば特に限定されない。

環状部材１０Ｃによっても、フィラメント４９の滑りが生じることなく傾斜部１４０を形成できる。傾斜部１４０は、車両の前方衝突の際に破損の起点になり得る他、小径側においてはスタブシャフト４等の連結部材の小型化を図れる。型傾斜部９上に１つの環状部材１０Ｃを配置することで、フィラメント４９の滑り止め確保と部品点数の低減の両立を図れる。

［第三実施形態］
図９は第三実施形態の説明図である。第三実施形態の動力伝達軸に用いられる管体の製造方法も、第一実施形態と同様に、傾斜部１４０に対応するマンドレル８の型傾斜部９または型傾斜部９に巻き付くフィラメントが通る箇所のマンドレル８の外周面に、複数の突起体１１が周方向に間隔を空けて設けられた環状部材１０を取り付ける環状部材取付工程と、フィラメント４９を突起体１１同士の間を通すように巻き付ける巻付工程と、管体２を硬化させる硬化工程と、マンドレル８を管体２から引き抜く脱芯工程と、を備えている。第三実施形態の環状部材１０は、型傾斜部９の全体を覆うように広幅に形成された環状部材１０Ｄで構成されている。

環状部材１０Ｄも、樹脂材料やゴム材料等で成形されており、略円錐台形状を呈している。環状部材１０Ｄの前側および後側はそれぞれ、型本体部１２、型第二接続部１３の外周面にかかっている。環状部材１０Ｄの外周面には、円周方向に間隔を空けて突設された複数の突起体１１群を１つの環状列とし、この環状列が軸線Ｏ１方向に複数列となるように、突起体１１が形成されている。突起体１１は円柱形状、円錐形状、半球形状等の小さなピン部からなり、フィラメント４９が引っ掛かる形状であれば特に限定されない。

環状部材１０Ｄによっても、フィラメント４９の滑りが生じることなく傾斜部１４０を形成できる。傾斜部１４０は、車両の前方衝突の際に破損の起点になり得る他、小径側においてはスタブシャフト４等の連結部材の小型化を図れる。単体で型傾斜部９の全体を覆う広幅の環状部材１０Ｄを用いることで、フィラメント４９の滑り止め確保と部品点数の低減の両立を図れる。

以上、本発明の好適な実施形態を説明した。管体２としては、図１０に示すように、前端部（他端部）１１１から後端部（一端部）１１２まで外径が均一に形成されたストレートな本体部２１０を備えたものとしてもよいし、図１１に示すように、中央部１１３から前端部（他端部）１１１まで外径が均一に形成され、中央部１１３から後端部（一端部）１１２に向かうに連れて外径が縮径し、外周面が軸線０１方向に曲線状に形成された本体部３１０を備えたものとしてもよい。

また、いずれの実施形態において、巻付工程の後、フィラメントワインディング法またはシートワインディング法により、繊維が軸線Ｏ１方向に沿って配向した軸方向配向層を形成してもよい。シートワインディング法は、強化繊維に樹脂（熱硬化性樹脂）を含浸させたシート状のプリプレグをヘリカル層の上に巻き付けていく。フィラメントワインディング法のヘリカル巻きでは、たとえ配向角度を小さくしても強化繊維を軸線Ｏ１方向に沿わせて巻くことが難しいが、シートワインディング法によれば、プリプレグの内部に含まれる強化繊維を軸線Ｏ１方向に延在するように容易に配置可能である。このように、繊維が軸線Ｏ１方向に沿って配向した軸方向配向層を形成することで、管体２の軸線Ｏ１方向の高弾性化を図れる。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。

１ 動力伝達軸
２ 管体
３ スタブヨーク
４ スタブシャフト
８ マンドレル
９ 型傾斜部
１０ 環状部材
１１ 突起体

Claims (7)

1. 繊維強化プラスチック製で傾斜部を有する管体をフィラメントワインディング法により製造する動力伝達軸に用いられる管体の製造方法であって、
   前記傾斜部に対応するマンドレルの型傾斜部または当該型傾斜部に巻き付くフィラメントが通る箇所の前記マンドレルの外周面に、複数の突起体が周方向に間隔を空けて設けられた環状部材を取り付ける環状部材取付工程と、
   フィラメントを前記突起体同士の間を通すように巻き付ける巻付工程と、
   前記管体を硬化させる硬化工程と、
   前記マンドレルを前記管体から引き抜く脱芯工程と、
   を備え、
   前記脱芯工程は、前記環状部材を前記管体と一体に残したまま、前記マンドレルを前記管体から引き抜く
   ことを特徴とする動力伝達軸に用いられる管体の製造方法。
2. 前記硬化工程は、加熱により前記管体を硬化させる工程からなり、
   前記環状部材は、前記硬化工程の加熱により溶ける材料で成形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に用いられる管体の製造方法。
3. 前記管体は、炭素繊維強化プラスチック製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に用いられる管体の製造方法。
4. 前記環状部材は、前記マンドレルの外周面に、前記型傾斜部を軸方向に挟んで一対配置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に用いられる管体の製造方法。
5. 前記環状部材は、前記型傾斜部に配置され、前記型傾斜部の軸方向長さよりも狭幅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に用いられる管体の製造方法。
6. 前記環状部材は、前記型傾斜部の全体を覆うように広幅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に用いられる管体の製造方法。
7. 前記巻付工程の後、
   フィラメントワインディング法またはシートワインディング法により、繊維が軸方向に沿って配向した軸方向配向層を形成することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の動力伝達軸に用いられる管体の製造方法。

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