JP7264665B2 - 動力伝達軸 - Google Patents

Description

本発明は、回転することで動力を伝達する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。このような動力伝達軸としては、繊維強化プラスチックで形成されたものがある。

繊維強化プラスチック製の筒状の動力伝達軸としては、本体部と、本体部よりも拡径された接続部と、本体部と接続部との間に形成された傾斜部と、を備え、接続部に自在継手のシャフト部が嵌め込まれているものがある（例えば、特許文献１参照）。

前記した動力伝達軸では、車両が前方から衝突され、動力伝達軸に所定値を超える衝突荷重が入力したときに、接続部に対してシャフト部がスライドして傾斜部の内面に接触する。これにより、傾斜部が破損し、車体の前部に搭載されたエンジンや変速機が速やかに後退し、衝突エネルギーが車体の前部により吸収される。

また、動力伝達軸の他の構成としては、接続部の周壁部を多層に形成し、動力伝達軸に所定値を超えた衝突荷重が入力したときに、シャフト部とともに接続部の内層部が剥離して、シャフト部が後退するものがある（例えば、特許文献２参照）。

特開平９－１７５２０２号公報 特開平７－２０８４４５号公報

前記した従来の動力伝達軸において、所定値を超える衝突荷重が入力した場合のみに接続部に対してシャフト部がスライドする構成では、接続部とシャフト部との接合力を精度良く設定する必要がある。そのためには、接続部及びシャフト部の寸法を高精度に成形する必要があるため、製造コストが増加するという問題がある。

また、前記した従来の動力伝達軸において、衝突時にシャフト部とともに接続部の内周部が剥離する構成では、接続部の周壁部を多層に形成するため、製造コストが増加するという問題がある。

本発明は、前記した問題を解決し、低コスト化を図れるとともに、軸線方向に所定の荷重が入力したときに確実に破損す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、第一の発明は、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、により構成され、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形成される筒状の接続部と、を備えている。前記接続部の内周面には、前記連結部材が嵌め込まれるとともに、前記連結部材の前記本体部側への移動を規制する突起部が形成されている。前記突起部は、前記連結部材の外周面に形成された凹部に入り込んでいる。

前記課題を解決するため、第二の発明は、繊維強化プラスチック製の管体と、前記管体の両端部に接続される連結部材と、により構成され、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形成される筒状の接続部と、を備えている。前記接続部の内周面には、前記連結部材が嵌め込まれるとともに、軸方向視において前記連結部材と重なるように突出した突起部が形成されている。前記突起部は、前記連結部材の外周面に形成された凹部に入り込んでいる。前記突起部は、前記連結部材によって前記本体部側に押し出される力が所定値を超えると破損するように構成されている。

なお、突起部の形状や数は限定されるものではない。例えば、接続部の内周面の周方向に突起部を延ばして環状の突起部を形成してもよい。また、接続部の内周面に複数の突起部を周方向又は軸方向に並べてもよい。

本発明の動力伝達軸では、軸線方向に荷重が入力され、連結部材が突起部を本体部側に押し出すと、突起部にせん断力が作用する。そして、突起部に作用するせん断力が所定値を超えると突起部が破損し、接続部と連結部材とが互いに軸線方向に相対移動可能となる。この構成では、接続部と連結部材との接合力を精度良く設定する必要がないため、接続部の成形が容易になる。
したがって、本発明の動力伝達軸では、接続部の成形が容易になることで、低コスト化を図れる。また、本発明の動力伝達軸では、突起部の形状や材質を調整することで、突起部が破損する荷重値を設定できる。

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の接続部を示した側断面図である。 第一実施形態の動力伝達軸の接続部を示した図２のIII－III断面図である。 第一実施形態の動力伝達軸において、突起部が破損した状態を示した側断面図である。 第二実施形態の動力伝達軸の接続部を示した側断面図である。 第二実施形態の動力伝達軸において、接続部を形成する工程を示した側断面図である。 第二実施形態の動力伝達軸において、突起部が破損した状態を示した側断面図である。 第三実施形態の動力伝達軸を示した側面図である。 第三実施形態の動力伝達軸の接続部を示した側断面図である。 第三実施形態の動力伝達軸の接続部を示した図９のIX－IX断面図である。

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）を備えている。また、動力伝達軸１は、管体２の前端に接合されたカルダンジョイントのスタブヨーク３と、管体２の後端に接合された等速ジョイントのスタブシャフト４（特許請求の範囲における「連結部材」）と、を備えている。
動力伝達軸１は、スタブヨーク３を介して車体の前部に搭載された変速機に連結するとともに、スタブシャフト４を介して車体の後部に搭載された終減速装置と連結している。
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、動力伝達軸１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。また、動力伝達軸１は、図２に示すように、第二接続部３０の内周面３１に突起部５０が形成されている。

図１に示す本体部１０を軸線Ｏ１を法線とする平面で切った場合には、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、第一実施形態の管体２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。

第一接続部２０の内周面には、スタブヨーク３のシャフト部（図示せず）が嵌め込まれている。第一接続部２０の内周面は、スタブヨーク３のシャフト部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、管体２とスタブヨーク３とが互いに相対回転しないように構成されている。

図２に示すように、第二接続部３０の内周面３１には、スタブシャフト４のシャフト部５が嵌め込まれている。
第二接続部３０の内周面３１は、スタブシャフト４のシャフト部５の多角形状の外周面６に倣った多角形状を呈している。このように、管体２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。
なお、第一実施形態では、第二接続部３０の内周形状が多角形に形成されているが、本発明においては、その形状は限定されるものではなく、シャフト部５の外周面６の形状に合わせて形成する。

第二接続部３０の外径は、図２に示すように、スタブシャフト４のシャフト部５の外径に対応して形成されており、本体部１０の後端部よりも小径となっている。
なお、第二接続部３０の小径化は、捩れ強度の低下を招くため、第二接続部３０の板厚を本体部１０の後端部の板厚よりも厚くすることで、所定の捩じれ強度を有するようになっている。

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、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。

第二接続部３０の内周面３１には、図２に示すように、突起部５０が突出している。第一実施形態の突起部５０は、図３に示すように、第二接続部３０の内周面３１の周方向に延びており、第二接続部３０の内周面３１の全周に亘って環状に形成されている。

突起部５０の後面５１と、スタブシャフト４のシャフト部５の前端面５ａとは前後方向に対峙している。つまり、突起部５０は、スタブシャフト４の軸方向視においてシャフト部５の前端面５ａと重なるように突出している。
なお、第一実施形態では、突起部５０の後面５１にシャフト部５の前端面５ａが接しているが、本発明においては、突起部５０の後面５１とシャフト部５の前端面５ａとが間隔を空けて対峙していてもよい。

突起部５０は、第二接続部３０が後方に移動しないように規制するストッパである。突起部５０は、図４に示すように、スタブシャフト４によって本体部１０側に押し出される力が所定値を超えると破損するように、強度が設定されている。

以上のような動力伝達軸１では、車両が前方から衝突され、動力伝達軸１に対して軸線Ｏ１方向に衝突荷重が入力されると、図４に示すように、スタブシャフト４の前端面５ａが突起部５０を本体部１０側（前側）に押し出す。
そして、突起部５０に作用するせん断力が所定値を超えると、図４に示すように、突起部５０が破損し、第二接続部３０とスタブシャフト４とが互いに軸線Ｏ１方向に相対移動可能となり、動力伝達軸１が後方に移動する。よって、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。

なお、図４では突起部５０が内周面３１から破断されているが、動力伝達軸１に対して軸線Ｏ１方向に入力した荷重が所定値を超えたときに、突起部５０が折れ曲がったり、押し潰されたりして変形するように構成してもよい。

以上、第一実施形態の動力伝達軸１では、図２に示すように、第二接続部３０とスタブシャフト４との接合力を精度良く設定する必要がないため、第二接続部３０の成形が容易になる。

第一実施形態の動力伝達軸１では、第二接続部３０の成形が容易になることで、低コスト化を図れる。また、第一実施形態の動力伝達軸１では、突起部５０の形状や材質を調整することで、突起部５０が破損する荷重値を設定できる。

また、動力伝達軸１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５に示すように、管体１０２と、管体１０２の前端に接合されたスタブヨークと、管体１０２の後端に接合されたスタブシャフト１０４と、を備えている。
第二実施形態の管体１０２は、本体部１０と、本体部１０の後側に配置された第二接続部１３０と、を備えている。また、第二接続部１３０には、図５に示すように、二つの突起部１５０，１５０が形成されている。

第二実施形態の第二接続部１３０の内周面１３１には、二つの突起部１５０，１５０が前後方向に間隔を空けて配置されている。
第二実施形態の各突起部１５０，１５０は、スタブシャフト１０４のシャフト部１０５の外周面１０６に形成された環状の凹部１０７，１０７にそれぞれ入り込んでいる。
第二実施形態の動力伝達軸１０１では、二つの突起部１５０，１５０によって、第二接続部１３０に対するスタブシャフト１０４のシャフト部１０５の前後方向への移動が規制されている。

第二実施形態では、動力伝達軸１０１を製造する工程において、図６に示すように、マンドレルＭの外周面に、樹脂を含浸した強化繊維又はプリプレグを巻き付ける際に、スタブシャフト１０４のシャフト部１０５を芯材として用いる。これにより、シャフト部１０５の凹部１０７に樹脂が流入して突起部１５０が形成されるとともに、第二接続部１３０とシャフト部１０５とが溶着する。

両突起部１５０，１５０は、図７に示すように、スタブシャフト１０４によって本体部１０側に押し出される力が所定値を超えると破損するように、強度が設定されている。

以上のような第二実施形態の動力伝達軸１０１では、車両が前方から衝突され、突起部１５０に作用するせん断力が所定値を超えると、両突起部１５０，１５０が破損する。これにより、第二接続部１３０とスタブシャフト１０４とが互いに軸線Ｏ１方向に相対移動可能となり、動力伝達軸１０１が後退する。よって、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。

以上、図５に示す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、第二接続部１３０の成形が容易になることで、低コスト化を図れる。また、第二実施形態の動力伝達軸１０１では、二つの突起部１５０，１５０の形状や材質を調整することで、突起部１５０が破損する荷重値を設定できる。

［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の前端に接合されたスタブヨーク３と、管体３０２の後端に接合されたスタブシャフト４と、を備えている。
第三実施形態の管体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２３０と、を備えている。また、第二接続部２３０には、図９に示すように、複数の突起部２５０が形成されている。

図８に示す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、本体部２１０の外周面の断面形状は円形状となっている。本体部２１０の外径は、前端部から後端部まで均一である。つまり、第三実施形態の本体部２１０の外形は、ストレートな円筒体となっている。

なお、第三実施形態の本体部２１０の外径は、前端部から後端部まで均一であるが、本体部２１０の外径を中央部から一端部に向かうに連れて縮径するとともに、中央部から他端部まで均一に形成してもよい。

第二接続部２３０の内周面２３１には、図９に示すように、複数の突起部２５０が突出している。第三実施形態では、図１０に示すように、四つの突起部２５０が第二接続部２３０の内周面２３１の周方向に等間隔に配置されている。なお、突起部２５０の数は限定されるものではない。

各突起部２５０は、図９に示すスタブシャフト４によって本体部１０側に押し出される力が所定値を超えると破損するように、強度が設定されている。

以上のような第三実施形態の動力伝達軸２０１では、車両が前方から衝突され、各突起部２５０に作用するせん断力が所定値を超えると、各突起部２５０が破損する。これにより、第二接続部２３０とスタブシャフト４とが互いに軸線Ｏ１方向に相対移動可能となり、動力伝達軸２０１が後方に移動する。よって、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。

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（図２参照）と同様に、第二接続部２３０の成形が容易になることで、低コスト化を図れる。また、第三実施形態の動力伝達軸２０１では、各突起部２５０の形状や材質を調整することで、突起部２５０が破損する荷重値を設定できる。

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、各実施形態の動力伝達軸は、第二接続部の内周面に突起部を形成しているが、第一接続部の内周面に突起部を形成してもよい。

また、第二接続部の内周面に、スタブシャフト（連結部材）の端面に対峙している第一の突起部と、スタブシャフトの外周面に形成された凹部に入り込んでいる第二の突起部との両方を形成してもよい。

１，１０１，２０１ 動力伝達軸
２，１０２，２０２ 管体
３ スタブヨーク
４，１０４ スタブシャフト（連結部材）
５，１０５ シャフト部
１０，２１０ 本体部
２０ 第一接続部
３０，１３０，２３０ 第二接続部
３１，１３１，２３１ 内周面
４０ 傾斜部
５０，１５０，２５０ 突起部
１０７ 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、により構成され、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形成される筒状の接続部と、を備え、
   前記接続部の内周面には、前記連結部材が嵌め込まれるとともに、前記連結部材の前記本体部側への移動を規制する突起部が形成されており、
   前記突起部は、前記連結部材の外周面に形成された凹部に入り込んでいることを特徴とする動力伝達軸。
2. 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る連結部材と、により構成され、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形成される筒状の接続部と、を備え、
   前記接続部の内周面には、前記連結部材が嵌め込まれるとともに、軸方向視において前記連結部材と重なるように突出した突起部が形成され、
   前記突起部は、前記連結部材の外周面に形成された凹部に入り込んでおり、
   前記突起部は、前記連結部材によって前記本体部側に押し出される力が所定値を超えると破損することを特徴とする動力伝達軸。
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. 前記接続部の内周面に、前記連結部材の端面に対峙している他の突起部をさらに有し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４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４のいずれか一項に記載の動力伝達軸。

Images