JPH06123308A - プロペラシャフト - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 軽量でかつ膜１次共振点における減衰性能に
優れた繊維強化プラスチック性チューブを用いたプロペ
ラシャフトを提供することを目的とする。 【構成】 繊維強化プラスチック製円筒状本体１の両端
部にトルク伝達継手２が接合され、上記本体１は、厚み
が１．５〜４．０ｍｍの範囲にあり、長さ方向に対して
±５〜２０°の範囲でヘリカル巻された炭素繊維を含
み、かつ、内部には、その本体１の全長の５〜４０％の
範囲に比重０．１以下の発泡体３が装填されているプロ
ペラシャフト。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はプロペラシャフトに関
し、とくに自動車用として最適な、繊維強化プラスチッ
クを用いたプロペラシャフトに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のスチール製プロペラシャフトにお
いては、トルク伝達時に、エンジン等の振動発生源やプ
ロペラシャフト自身の回転により加振される各振動モー
ドに対して、プロペラシャフトを共振現象から防止する
必要がある。

【０００３】プロペラシャフトの振動のモードとして
は、曲げ振動および膜振動が考えられる。この２つの振
動モードに対する現行のスチール製プロペラシャフトの
設計は次のように行なわれている。

【０００４】曲げ１次共振振動数は、スチールチューブ
の断面２次モーメント、縦弾性率、比重、長さにより決
定されるため、搭載できるスチールチューブ径での長さ
を分割することにより、使用域で曲げ１次共振点が生じ
ることを回避している。

【０００５】このような構造のスチールチューブ製プロ
ペラシャフトは高速回転時に大きな騒音を発生し、乗員
に不快感を与えることがある。これに対処するため、ス
チールチューブの内面に吸音材を取り付けたり、全長に
わたって延びる条溝が形成された吸音性の可とう体を円
筒状本体内部に挿入することによって、減衰効果を得よ
うとしている。

【０００６】また、スチールチューブを用いたプロペラ
シャフトでは、そのスチールの等方性と弾性率の高さか
ら、通常、使用範囲に膜１次共振点が現われる可能性は
なく、特に膜１次共振に対して回避の手段を必要としな
い。

【０００７】また、特公昭４９−２０６４４号公報で
は、プロペラシャフトを構成しているスチール製チュー
ブの中空部分に液体またはゴム状弾性物質を挿入し、他
の振動源による振動のレベル低下を試みている。

【０００８】一方、自動車工業の分野では、車両重量を
軽減して燃費節減を図るために、各種の部材を繊維強化
プラスチック材料で代替することが試みられている。各
種部材の内、プロペラシャフトの場合には、繊維強化プ
ラスチック製チューブの両端部に、駆動軸や従動軸と連
結してエンジンのトルクを車輪へ伝達するための接続継
手を接合した構造になっている。繊維強化プラスチック
製チューブを用いたプロペラシャフトでも、スチール製
のプロペラシャフトと同様に各振動現象を回避する設計
が行われている。繊維強化プラスチック製チューブを用
いたプロペラシャフトでは、繊維強化プラスチック製チ
ューブの軸方向の弾性率を効果的に高めることにより、
プロペラシャフトに必要な曲げ１次振動による共振の回
避をはかっている。また、繊維強化プラスチック製チュ
ーブの比弾性率の高さから、プロペラシャフトの分割数
を減らす可能性が生まれ、より一層の軽量化が図れる。

【０００９】繊維強化プラスチック製チューブを用いた
プロペラシャフトの製造方法として、米国特許第３，５
５３，９７８号公報に開示された方法が知られている。
この方法では、ポリウレタンフォーム軸の両端部表面に
突起をつけ、かつ、ポリウレタンフォーム軸の外径と等
しい外径の接合部を持つ継手部材を直線的に配置し熱硬
化性樹脂を含浸した強化繊維を張り渡した後、硬化を行
ないチューブと継手部材とを一体成形する方法について
述べている。この方法によれば、軽量なポリウレタンフ
ォームを捨てマンドレルとして用いることにより、軽量
なかつ接合強度に優れたプロペラシャフトを一体成形で
製造できる、とある。

【００１０】一方、膜振動に対しては、繊維強化プラス
チック製チューブはその振動減衰性能が良いことが知ら
れており、振動源の振動を伝え難い特性を持つため、単
に該繊維強化プラスチック製チューブの表面に樹脂層を
塗布するといった程度の簡単な防振対策しかとられてい
ない。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】振動減衰性能の高い繊
維強化プラスチック製チューブを用いたプロペラシャフ
トは、前述したスチール製プロペラシャフトの構成ある
いは繊維強化プラスチック製チューブを用いたプロペラ
シャフトの製造方法の提案を適用することにより得られ
そうに考えられるが、次のような問題点が生じる。

【００１２】まず、前述のスチール製プロペラシャフト
では、それ自身の膜１次共振周波数が実際の使用域より
十分高い位置にあるためプロペラシャフト自身の共振は
発生せず、他の振動源による振動の伝幡を防止しようと
している。ところが、本発明の様に繊維強化プラスチッ
ク製チューブをプロペラシャフトに用いるケースでは、
上述したように曲げ１次振動の共振点を回避するために
軸方向の弾性率を高くする構成を採る必要がある。しか
しそうすると必然的に円周方向の弾性率は著しく低下
し、それにともなって該プロペラシャフトの膜１次共振
周波数も低下して使用条件の範囲内に入ってくる可能性
が生じる。すなわち、プロペラシャフト自身の共振が発
生し不快な騒音を発生してしまうことになるのである。

【００１３】本発明はこの膜１次共振に於ける減衰効果
を有効に向上させるための方法に関するものであり、前
述のスチール製プロペラシャフトで用いられている防振
対策とは根本の目的が異なる。

【００１４】また、前述のスチール製プロペラシャフト
の減衰性能を向上させる方法を繊維強化プラスチック製
チューブに応用すればたしかに減衰効果は向上するが、
質量の増加により曲げ１次共振周波数が低下してしま
い、プロペラシャフトとしての機能を失ってしまう。

【００１５】従って、繊維強化プラスチック製チューブ
を用いてプロペラシャフトを製作する場合には、繊維強
化プラスチック製チューブの特性について十分な配慮を
行った減衰効果の向上手段を用いる必要がある。

【００１６】米国特許３，５５３，９７８号の提案につ
いても上記の問題が生じる。つまり、繊維強化プラスチ
ック製チューブの内部にポリウレタンフォーム軸を存在
させることにより、結果として膜１次共振における減衰
特性が向上するかもしれないが、その膜振動の減衰特性
向上への効果や充填物の充填量、充填位置については何
等明らかにされていない。また、プロペラシャフトとし
ての性能を達成するためのチューブの設計条件に対して
も何ら説明されていない。

【００１７】さらに、従来技術においては、前述の如
く、チューブの表面を樹脂で被覆することにより減衰効
果の向上を狙っているが、この方法では十分な減衰効果
が得られないばかりか、減衰効果を向上させるために樹
脂層を厚くする必要があり、厚くすると全体の質量が増
加して本来の目的である軽量化の意味が薄れてしまう。
また、表面に樹脂層を被覆することによる質量の増加
は、曲げ１次共振周波数の低下を招き使用条件を満たせ
なくなるおそれがある。

【００１８】この発明は、上記問題点に鑑みてなされた
もので、上記問題点を解決し、自動車などで用いられる
プロペラシャフトにおいて、軽量でかつ膜１次共振点に
おける減衰性能に優れた繊維強化プラスチック製チュー
ブを用いたプロペラシャフトを提供することを目的とす
る。

【００１９】

【課題を解決するための手段】この目的に沿う本発明の
プロペラシャフトは、繊維強化プラスチック製円筒状本
体の両端部にトルク伝達継手が接合され、上記本体は、
厚みが１．５〜４．０ｍｍの範囲にあり、長さ方向に対
して±５〜２０°の範囲でヘリカル巻された炭素繊維を
含み、かつ、内部には、その本体の全長の５〜４０％の
範囲に比重０．１以下の発泡体が装填されているものか
ら成る。

【００２０】また、もう一つの本発明のプロペラシャフ
トは、繊維強化プラスチック製円筒状本体の両端部にト
ルク伝達継手が接合され、上記本体は、全体厚みが１．
５〜４．０ｍｍの範囲にあり、かつ、厚みが１．５〜
３．８ｍｍの範囲の、長さ方向に対して±５〜２０°の
範囲でヘリカル巻された炭素繊維を含む層と、厚みが
０．２〜０．６ｍｍの範囲の、長さ方向に対して±８０
〜９０°の範囲でフープ巻された炭素繊維を含む層との
層状構成を有し、かつ、内部には、その本体の全長の５
〜４０％の範囲に比重０．１以下の発泡体が装填されて
いるものから成る。

【００２１】自動車用途等に用いられるプロペラシャフ
トは高速で回転するために曲げ共振における危険速度を
高く設計する必要があり、プロペラシャフトに必要な軸
方向弾性率を発現させるためには、強化繊維である炭素
繊維の構成が長さ方向に対して±５〜２０°のヘリカル
巻単一構成、あるいは±５〜２０°のヘリカル巻構成と
±８０〜９０°のフープ巻構成との２つの層構成の中か
ら選択する必要がある。実際にはプロペラシャフトの仕
様に合わせて上記の範囲で適切な層構成を選ぶ。

【００２２】ここで、上記ヘリカル巻の角度を長さ方向
に対して±５°以下としても、得られる繊維強化プラス
チック製円筒状本体の軸方向弾性率は上昇しないし、±
２０°以上にすると軸方向弾性率が低下し仕様の曲げ１
次共振周波数を満足出来なくなるか、若しくは繊維強化
プラスチック製円筒状本体の直径が非常に大きくなり自
動車への搭載が不可能となる。

【００２３】本発明のプロペラシャフトにおいては、繊
維強化プラスチック製円筒状本体の肉厚について１．５
〜４．０ｍｍの範囲とする必要がある。自動車用のプロ
ペラシャフトでは静的なねじり強度として１５０〜４０
０ｋｇｆ・ｍ程度が必要で、かつねじり剛性が６〜２０
ｋｇｆ・ｍ／ｄｅｇ・ｍ程度の範囲をとる必要がある
が、肉厚が１．５ｍｍ未満ではねじり強度、ねじり剛性
の仕様値を満足することができないし、かといって４ｍ
ｍを越えると、ねじり強度、ねじり剛性がオーバースペ
ックとなり材料に無駄が生じ好ましくない。また、軽量
化の目的にも反する。

【００２４】炭素繊維の巻構成を、±５〜２０°のヘリ
カル巻と±８０〜９０°のフープ巻の層状構成とする場
合には、円筒状本体の全体厚みを１．５〜４．０ｍｍの
範囲とし、ヘリカル巻による層の厚みを１．５〜３．８
ｍｍの範囲から、フープ巻による層の厚みを０．２〜
０．６ｍｍの範囲から設定することが好ましい。そし
て、フープ巻層が内層を形成し、ヘリカル巻層が外層を
形成することが好ましい。

【００２５】本発明のプロペラシャフトの繊維強化プラ
スチック製円筒状本体の内部には、比重０．１以下の発
砲体が装填される。発泡体の比重が０．１を越えると、
繊維強化プラスチック製円筒状本体の質量が増加してし
まい、上述した繊維強化プラスチック製円筒状本体の構
成をもってしても曲げ１次の危険速度の仕様を達成する
ことが困難になる。また、軽量化の目的にも反する。

【００２６】ここで円筒状本体内部に充填される材料と
しては、ポリウレタン、ポリエチレン、ポリプロピレ
ン、シリコン、ゴム等の材料で構成される発泡体で、自
動車用途で使用される耐熱性や耐久性を持っていれば特
に限定しない。また、発泡体等の装填方法については、
円筒状本体内に発泡体等の原液を注入して発泡させても
良く、あるいは発泡体の成形品から円筒状本体内に嵌合
出来るように切りとったものを装着（圧入）してもよ
い。但し、発泡体等の装填位置は膜振動の起こり易い中
央部とすることが効果的である。

【００２７】その充填量（装填長さ）は、円筒状本体長
さの５〜４０％の範囲とされる。５％未満ではその発泡
体の膜振動に対する減衰効果が不十分であり、かといっ
て４０％を越えると確かに減衰効果は向上するが、減衰
効果のオーバースペックとなりそれ自身としては何等問
題ないが、重量の増加により曲げ振動などの他の性能に
対して悪影響を与えるからである。

【００２８】さらに、使用する強化繊維は、その弾性率
の高さから炭素繊維を用いることとしているが、プロペ
ラシャフトに要求される曲げ１次共振周波数の要求が低
い場合では他の繊維を混合しても良い。

【００２９】上記のように構成される繊維強化プラスチ
ック製円筒状本体の両端部にトルク伝達用の継手が接合
されることにより、本発明のプロペラシャフトが構成さ
れる。継手の接合方法については、特に限定されない。

【００３０】

【作用】本発明の繊維強化プラスチック製円筒状本体を
用いたプロペラシャフトは、円筒状本体内に発泡体を充
填しているため、円筒状本体自身が発生する膜共振のレ
ベルが非常に小さくなる。また、円筒状本体の厚みを、
共振防止に必要な大きさを確保しつつ、必要最小限かつ
最適な範囲としたので、全体として極めて軽いものにな
る。したがって、自動車用途として用いられる、プロペ
ラシャフトとしての性能を満足しつつ、その軽量化が達
成される。

【００３１】

【実施例】以下この発明を、実施例に基づいて図面を参
照しながら具体的に説明する。図１はこの発明に係るプ
ロペラシャフトの概略断面図を示しており、図６は、図
１に示したプロペラシャフトのＦＦＴ（高速フーリエ変
換）を用いたインパルス加振応答による伝達関数を示し
ている。

【００３２】実施例１ このプロペラシャフトに用いた繊維強化プラスチック製
円筒状本体はフィラメントワインディング法によって得
た。その製造過程は次の通りであった。東レ株式会社製
の炭素繊維“トレカ”Ｔ３００−１２ｋを４本引き揃え
エポキシ樹脂含浸した状態でフィラメントワインディン
グ法により±１４°でマンドレル上に８層積層した後、
全体を回転しながら加熱してエポキシ樹脂を硬化させ、
次いでマンドレルを抜取り図２に示す外径７５ｍｍ、内
径７０ｍｍ（つまり肉厚２．５ｍｍ）の、長さ１２００
ｍｍの繊維強化プラスチック製円筒状本体１を製造し
た。この繊維強化プラスチック製円筒状本体の物性につ
いて試験を行なったところ、ねじり強度が２３０ｋｇｆ
・ｍでねじり剛性が１４ｋｇｆ・ｍ／ｄｅｇ・ｍでプロ
ペラシャフトとしての条件を満足していることを確認し
た。

【００３３】図３および図４は繊維強化プラスチック製
円筒状本体の内部に発泡体を充填する作業を示したもの
で、図に示すように充填したいところに原液受け４をセ
ットし、所定の量の発泡体原液を供給し常温で放置して
発泡体３を成形した。得られた発泡体３の比重は０．０
７で、充填位置は中央部でその長さは２００ｍｍであ
り、図４に示す断面形状となった。この発泡体として
は、日本ソフラン化工（株）製のポリウレタン系発泡体
ソフランを用いた。

【００３４】更に、発泡体３の充填された繊維強化プラ
スチック製円筒状本体１の両端に、スチール製のトルク
伝達用継手２を接着剤により接合し、図１に示すプロペ
ラシャフトを得た。

【００３５】このプロペラシャフトの減衰性能の測定
は、ＦＦＴを用いたインパルス加振応答による伝達関数
から求めた。測定方法は次の通りである。

【００３６】上記のように作成した発泡体３の充填され
たプロペラシャフトを、図５に示すように、両端を直径
５ｍｍのゴム８で吊した状態で、加速度センサー６を全
長の１／４の位置にセットし、加速度センサー６の１８
０°反対位置でかつ全長の１／２の位置でインパルスハ
ンマー５により加振し、両方のシグナルをＦＦＴアナラ
イザー７へ取り組んで伝達関数を求め、さらに演算プロ
グラムにより減衰比の計算を行なった。この伝達関数の
測定結果が図６に示したものである。

【００３７】上記構成からなるプロペラシャフトの振動
特性測定結果から、曲げ１次共振周波数が２６０Hz、膜
１次共振周波数が８８６Hzで、膜１次共振点における振
動減衰比が０．１であった。

【００３８】比較例１ 実施例１での繊維強化プラスチック製円筒状本体の内部
に、前記実施例１の発泡体を全長の５０％まで充填を行
なったプロペラシャフトについて、同様に振動特性の測
定を行なったところ、曲げ１次共振周波数が２２０Hzと
大幅に低下してしまい、プロペラシャフトとしての性能
が大幅に低下してしまった。

【００３９】比較例２ 実施例１での繊維強化プラスチック製円筒状本体の内部
に、前記実施例１の発泡体を全長の５％充填を行なった
プロペラシャフトについて、同様に振動特性の測定を行
なったところ、図７に示すように、曲げ１次共振周波数
が２６５Hz、膜１次共振周波数が６３０Hzで減衰比が
０．０３７であり、膜１次共振点における振動減衰効果
が不十分であった。

【００４０】比較例３ 東レ株式会社製の炭素繊維“トレカ”Ｔ３００−１２ｋ
を４本引き揃えエポキシ樹脂を含浸した状態でフィラメ
ントワインディング法により±１４°でマンドレル上に
４層積層した後、全体を回転しながら加熱してエポキシ
樹脂を硬化させ、ついでマンドレルを抜取り図２に示す
外径７５ｍｍ、内径７２．５ｍｍ（つまり肉厚１．２５
ｍｍ）の、長さ１２００ｍｍの繊維強化プラスチック製
円筒状本体を製造した。この円筒状本体の両端にトルク
伝達用継手を接着により接続しプロペラシャフトとし
た。このプロペラシャフトのねじり強度を測定したとこ
ろ、１２０ｋｇｆ・ｍの強度しかなくプロペラシャフト
として用いることは困難である。

【００４１】比較例４ 実施例１での繊維強化プラスチック製円筒状本体の内部
に、比重０．１５の発泡体を長さ２００ｍｍにわたって
充填し、実施例１と同様に振動特性の測定を行なった。
その結果、曲げ１次共振周波数が２４０Hz、膜１次共振
周波数が９００Hzで減衰比が０．１５であった。結果と
して曲げ１次共振周波数の低下が大きくプロペラシャフ
トとしての性能が大幅に低下することになる。

【００４２】これらの実施例および比較例から明らかな
ように、この発明による繊維強化プラスチック製円筒状
本体の内部に発泡体を装着したプロペラシャフトは、曲
げ１次共振周波数の低下が少なく、かつ、膜１次共振点
での振動減衰比が円筒状本体の内部に発泡体を装填して
いないものに対して格段に高く、その減衰性能の優秀性
が明らかである。併せて、プロペラシャフトとして必要
なねじり強度、ねじり剛性を有している。

【００４３】また、この発明によって得られたプロペラ
シャフトは、円筒状本体内部に発泡体を装填していない
ものに比べて、膜１次共振周波数が高くなるので、膜１
次共振が使用範囲から完全に外れ、更に静寂性の高いプ
ロペラシャフトを得ることができる。

【００４４】さらに、本発明実施例によれば、発泡体の
充填量はわずか２０〜８０ｇ程度ですみ、円筒状本体の
重量に対してわずか２〜７％の重量増化で抑えられ、軽
量なプロペラシャフトを得ることができる。

【００４５】

【発明の効果】本発明は、上述した構成を有するので以
下に述べる優れた効果を発揮する。すなわち、特定の最
適な範囲の肉厚と炭素繊維巻構成とを有する繊維強化プ
ラスチック製円筒状本体の内部に、適切な長さにわたっ
て比重０．１以下の発泡体を装填しているので、自動車
用のプロペラシャフトとして用いた場合、軽量でかつ、
プロペラシャフトとしてねじり強度、ねじり剛性、曲げ
１次共振点等の必要な仕様を満足でき、さらに膜１次共
振点での減衰性能が高いために極めて静寂性の高いプロ
ペラシャフトを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る繊維強化プラスチック製円筒状本
体を用いたプロペラシャフトの一実施態様を示す断面図
である。

【図２】繊維強化プラスチック製円筒状本体の断面図で
ある。

【図３】繊維強化プラスチック製円筒状本体の内部に発
泡体を充填する方法を示す断面図である。

【図４】図３の方法における発泡体発泡後の状態を示す
断面図である。

【図５】プロペラシャフトの振動特性測定法を示す概略
斜視図である。

【図６】実施例１における伝達関数特性図である。

【図７】比較例２における伝達関数特性図である。

【符号の説明】

１ 繊維強化プラスチック製円筒状本体 ２ トルク伝達用金属製継手 ３ 発泡体 ４ 発泡体の原液受け ５ インパルスハンマー ６ 加速度センサー ７ ＦＦＴアナライザー ８ ゴム

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 繊維強化プラスチック製円筒状本体の両
   端部にトルク伝達継手が接合され、上記本体は、厚みが
   １．５〜４．０ｍｍの範囲にあり、長さ方向に対して±
   ５〜２０°の範囲でヘリカル巻された炭素繊維を含み、
   かつ、内部には、その本体の全長の５〜４０％の範囲に
   比重０．１以下の発泡体が装填されていることを特徴と
   するプロペラシャフト。
2. 【請求項２】 繊維強化プラスチック製円筒状本体の両
   端部にトルク伝達継手が接合され、上記本体は、全体厚
   みが１．５〜４．０ｍｍの範囲にあり、かつ、厚みが
   １．５〜３．８ｍｍの範囲の、長さ方向に対して±５〜
   ２０°の範囲でヘリカル巻された炭素繊維を含む層と、
   厚みが０．２〜０．６ｍｍの範囲の、長さ方向に対して
   ±８０〜９０°の範囲でフープ巻された炭素繊維を含む
   層との層状構成を有し、かつ、内部には、その本体の全
   長の５〜４０％の範囲に比重０．１以下の発泡体が装填
   されていることを特徴とするプロペラシャフト。
3. 【請求項３】 フープ巻された炭素繊維の層が内層を形
   成し、ヘリカル巻された炭素繊維の層が外層を形成して
   いる、請求項２のプロペラシャフト。
4. 【請求項４】 発泡体が、本体の内部で発泡形成された
   ものである、請求項１、２または３のプロペラシャフ
   ト。
5. 【請求項５】 発泡体が、本体の長さ方向中央部に装填
   されている、請求項１、２、３または４のプロペラシャ
   フト。
6. 【請求項６】 本体のねじり強度が１５０〜４００ｋｇ
   ｆ・ｍの範囲にあり、かつ、ねじり剛性が６〜２０ｋｇ
   ｆ・ｍ／ｄｅｇ・ｍの範囲にある、請求項１、２、３、
   ４または５のプロペラシャフト。
7. 【請求項７】 膜１次共振点における振動減衰比が０．
   ０５以上である、請求項１、２、３、４、５または６の
   プロペラシャフト。