WO2019131549A1 - 動力伝達シャフト - Google Patents

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resin
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卓 板垣
石島　実
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Definitions

  • the present invention relates to a power transmission shaft, and more particularly to a power transmission shaft used in automobiles and various industrial machines.
  • Fiber reinforced plastics such as CFRP (carbon fiber reinforced plastic), may be used for weight reduction.
  • male serrations (including male splines, hereinafter referred to as male splines) 72 are provided on the shaft end 71a of the metal shaft 71 as shown in FIG.
  • the shaft end 71a of the metal shaft 71 is press-fit into a fiber reinforced plastic (FRP) cylinder (not shown).
  • FRP fiber reinforced plastic
  • the FRP cylindrical body and the metal shaft 71 are integrally joined by pressing the male spline 72 into the FRP cylindrical body and cutting it into the inner diameter surface of the FRP cylindrical body. It is a thing.
  • a female spline is formed in advance also on the inner diameter surface of a cylindrical body (pipe), and a male spline and a female spline are fitted to each other at a shaft end 71a of a metal shaft 71 (Patent Document 4). Further, there is one in which the outer diameter of the serration portion is slightly larger than the inner diameter of the inner diameter surface of the FRP-made cylinder, and bonding is performed by compressive stress and tensile stress after press-fitting (Patent Document 5).
  • the outer sleeve is externally fitted to the FRP cylindrical body into which the male spline of the shaft end portion 71a of the metal shaft 71 is press-fitted, and the outer circumferential surface of the FRP cylindrical body and the inner circumferential surface of the outer sleeve In some cases, an adhesive or the like is interposed.
  • Patent Document 6 Patent Document 6
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Publication No. 2017-141865
  • male splines 72 are provided in advance at the shaft end 71a of a metal shaft portion (shaft) 71, and the male splines 72 are press-fit into a FRP cylindrical body (pipe). .
  • engraving (cutting) of the shape of the male spline 72 is performed on the inner diameter surface of the cylindrical body (pipe) to form a female spline in which the male spline 72 is fitted on the inner diameter surface.
  • the press-fit start end face 72a orthogonal to the press-fit direction is As a cutting start point, the machinability is poor. For this reason, depending on the press-fit load and the length of the cylinder, the cylinder may be buckled.
  • the cylinder is expanded in diameter by press-fitting of the metal shaft.
  • the contact area between the tooth surface of the female spline formed (cut) on the inner diameter surface of the cylinder and the tooth surface of the spline of the metal shaft decreases, and the allowable transmission torque decreases. There was a fear.
  • patent document 4 it is necessary to form the female spline fitted to a male spline beforehand, moreover, the phasing with a male spline and a female spline is required, and it will be inferior to productivity. Moreover, in patent document 5, it joins by the compressive stress and tensile stress after press-in, there exists a problem in joint force, and there exists a possibility that an allowances transmission torque may fall. Moreover, in patent document 6, the number of parts is increased and it will be inferior in terms of productivity and cost.
  • the present invention can aim at the improvement of the machinability at the time of press fit to the resin-made axial member of a metal axial member, and sufficient adhesion area of the tooth surface of a close fitting part is enough.
  • a power transmission shaft which can ensure the reduction of the allowable transmission torque effectively and is excellent in productivity.
  • the power transmission shaft of the present invention is a power transmission shaft including a metal shaft member and a resin shaft member connected to the metal shaft member along the axial direction, and the resin shaft member is
  • the metal shaft member and the resin shaft member are made of fiber reinforced plastic, and are formed by male splines provided on the outer surface of the metal shaft member and press fitting the male spline onto the resin shaft member.
  • An edge is formed which is joined through a close fitting portion with a female plug line and which protrudes outward in the press-fitting direction on the outer diameter edge of the press-fit start end face of the male spline of the metal shaft member.
  • this edge serves as the cutting start edge at the time of press-fitting, improving machinability be able to.
  • the press-fit start end face of the male spline can be an end-side tapered surface that inclines rearward in the press-fitting direction from the outer end edge toward the inner diameter side.
  • the edge can be stably formed by forming the end face side tapered surface.
  • the outer surface of the convex tooth of the male spline may be an outer diameter side taper surface which is inclined from the press-in start edge toward the inner side in the direction of the press-in direction backward.
  • the edge can be stably formed also by forming such an outer diameter side tapered surface.
  • the machinability can be improved, the press-fit load can be suppressed, and no buckling occurs in the resin shaft member at the time of press-fit.
  • the machinability of the male spline can be favorably maintained, and the diameter expansion of the resin shaft member due to the press-fitting of the metal shaft member can be effectively prevented.
  • the contact area of the tooth surface of the tight fitting portion (meshing portion) can be sufficiently secured, and a reduction in the allowable transmission torque can be effectively prevented.
  • FIG. 7 is a simplified view of a press-fit start end of a metal shaft member, and is a simplified view of a press-fit start end having an edge.
  • FIG. 8 is a simplified view of a press-fit end of a metal shaft member showing a press-fit end and having edges of other shapes. It is an expanded sectional view of resin-made shaft members before pressing in metal-made shaft members.
  • FIG. 8 shows a drive shaft using the power transmission shaft 1 according to the present invention, and the power transmission shaft 1 extends in the axial direction between the pair of metal shaft members 2, 2 and the metal shaft members 2, 2. And a resin-made shaft member 3 connected in series. That is, the resin-made shaft member 3 is arrange
  • the drive shaft is formed by connecting a fixed type constant velocity universal joint 31 and a sliding type constant velocity universal joint 32 by a power transmission shaft 1 according to the present invention.
  • a bar field constant velocity universal joint is used as the fixed constant velocity universal joint 31
  • a tripod constant velocity universal joint is used as the sliding constant velocity universal joint 32.
  • the fixed type constant velocity universal joint 31 has an outer joint member 35 in which a plurality of axially extending track grooves 33 are formed in the inner diameter surface 34 and a plurality of axially extending track grooves 36 in the outer diameter surface 37 in the circumferential direction.
  • Inner joint members 38 formed at equal intervals, a plurality of balls 39 transmitting torque by being interposed between the track groove 33 of the outer joint member 35 and the track grooves 36 of the inner joint member 38, and the outer joint member 35
  • a cage 40 for holding the ball 39 interposed between the inner diameter surface 34 of the inner joint member 38 and the outer diameter surface 37 of the inner joint member 38.
  • the sliding type constant velocity universal joint 32 has an outer joint member 52 in which three track grooves 51 extending in the axial direction are provided on the inner circumference and a roller guide surface 51 a facing each other is provided on the inner side wall of each track groove 51;
  • the tripod member 54 having three leg shafts 53 that project radially, the inner roller 55 externally fitted to the leg shaft 53, and the outer roller 56 inserted to the track groove 51 and externally fitted to the inner roller 55 It is equipped.
  • a plurality of needle rollers intervene between the outer roller 56 and the inner roller 55. That is, the sliding constant velocity universal joint 32 is a double roller type in which the outer roller 56 is rotatable with respect to the leg shaft 53 and movable along the roller guide surface 51a.
  • the tripod member 54 includes a boss 57 and the leg shaft 53. The leg shaft 53 protrudes radially from the circumferential three-way position of the boss 57.
  • the shaft end fitting portion of the power transmission shaft 1 is fitted into the shaft hole of the inner joint member 38 in the fixed type constant velocity universal joint 31 so that torque can be transmitted, and the shaft hole of the tripod member 54 in the sliding type constant velocity universal joint 32
  • the shaft end fitting portion of the power transmission shaft 1 is fitted so as to transmit torque.
  • the end portions of the both-shaft end fitting portion of the power transmission shaft 1 are prevented from coming off by snap rings 25 such as snap rings. That is, circumferential grooves 26, 26 are formed at the end of the shaft end fitting portion, and the snap rings 25, 25 are fitted in the circumferential grooves 26, 26.
  • Male splines 5, 5 are formed on the outer diameters of the shaft end fitting portions at both ends of the power transmission shaft 1, and female splines 27 are formed in the shaft holes of the inner joint member 38 and the tripod member 54 of the two constant velocity universal joints. , 27 are formed.
  • Male splines 5 and 5 and female splines 27 and 27 are obtained by fitting the shaft end fitting portions at both ends of the power transmission shaft 1 into the shaft holes of the inner joint member 38 and the tripod member 54 of the constant velocity universal joints 31 and 32. And the torque transmission between the power transmission shaft 1 and the inner joint member 38 and the tripod member 54.
  • a boot 30 is mounted between the power transmission shaft 1 and each of the outer joint members 38 and 52 for preventing foreign matter from the outside and grease from the inside from leaking.
  • the boot 30 includes a large diameter end 30a, a small diameter end 30b, and a bellows 30c connecting the large diameter end 30a and the small diameter end 30b.
  • the large diameter end 30a of the boot 30 is fastened and fixed by the boot band 45 at the open end of the outer joint members 35 and 52, and the small diameter end 30b is fastened by the boot band 46 at the boot mounting portion 6c of the power transmission shaft 1 described later. It is fixed.
  • the metal shaft member 2 is provided with a large diameter boss 4 at one end and a male spline 5 at the other end. That is, the medium diameter portion 6a, the small diameter portion 6b, the boot mounting portion 6c, the small diameter portion 6d, and the medium diameter portion 6e are provided from the large diameter boss portion 4 toward the male spline 5.
  • the circumferential groove 7 is provided in the boot mounting portion 6c, and the small diameter end 30b (see FIG. 8) of the boot 30 is attached to the boot mounting portion 6c, the inner diameter of the small diameter end 30b in the circumferential groove 7 Part of the face fits.
  • the resin shaft member 3 is made of an FRP (fiber reinforced plastic) cylinder.
  • the FRP cylinder is formed by a filament winding method or a sheet winding method.
  • the filament winding method is a method in which a resin-impregnated carbon fiber (fiber bundle) is wound around a mandrel, formed, heated and cured, and then the mandrel is removed. It is called "sheet winding" to wind a sheet instead of a bundle of fibers.
  • the open end 3a is externally fitted and joined to the large diameter boss 4 of the metal shaft 2 as shown in FIG.
  • the large diameter boss portion 4 of the metal shaft member 2 and the open end 3 a of the resin shaft member 3 are connected via the tight fitting portion M.
  • male splines (including male serrations) 10 are formed on the outer diameter surface (outer surface) of the large diameter boss portion 4 of the metal shaft member 2, and the open end of the resin shaft member 3
  • a female spline (including female serration) 11 is formed on the inner diameter surface of the portion 3a, and the male spline 10 and the female spline 11 are fitted.
  • the male spline 10 is formed by alternately arranging a plurality of convex teeth 10 a and a plurality of concave teeth 10 b along the circumferential direction.
  • the female spline 11 is formed by alternately arranging a plurality of concave teeth 11 a and a plurality of convex teeth 11 b along the circumferential direction.
  • the convex teeth 10 a of the male spline 10 are fitted to the concave teeth 11 a of the female spline 11, and the convex teeth 11 b of the female spline 11 are fitted to the concave teeth 10 b of the male spline 10.
  • the entire area 12 (see FIG. 4) of the fitting contact portion between the concave tooth 11a and the convex tooth 10a is in close contact.
  • male splines 10 are formed on the outer diameter surface of the large diameter boss portion 4 of the metal shaft member 2.
  • the male spline 10 can be formed by various processing methods such as broaching, cutting, pressing, and drawing which are publicly known means.
  • the male spline 10 may be subjected to a thermosetting process.
  • Various heat treatments such as induction hardening and carburizing and quenching can be adopted as the heat hardening treatment.
  • the inner diameter surface of the open end 3a of the resin shaft member 3 is a cylindrical surface 8 in which the female spline 11 is not formed.
  • the end surface of the male spline 10 of the metal shaft member 2 that is, the outer diameter edge portion of the press-fit start end surface 13 is provided with an edge 14 projecting forward in the press-fitting direction.
  • the press-fit start end face 13 of the male spline 10 is an end-face side tapered face 15 which is inclined from the outer end edge toward the inner diameter side toward the press-fit direction upstream side (press-fit direction backward side). This constitutes the edge 14.
  • the end surface (the end surface excluding the end surface of the male spline 10) 4a of the large diameter boss portion 4 of the metal shaft member 2 is in a state of being receded from the edge 14.
  • the inclination angle ⁇ of the end-side tapered surface 15 is set to, for example, about 5 ° to about 30 °, and preferably about 15 °, which is a substantially median angle.
  • the outer surface 16 of the convex tooth 10a of the male spline 10 may be an outer diameter side taper surface 17 which is inclined toward the inner diameter side from the press-fit start edge toward the press-fit direction rear side.
  • the edge 14 can be formed on the outer diameter edge portion of the press-in start end surface 13 even with only the outer diameter side tapered surface 17 without providing the end surface side tapered surface 15.
  • the edge 14 is formed by providing the end surface side tapered surface 15 and the outer diameter side tapered surface 17.
  • the inclination angle ⁇ of the outer diameter side tapered surface 17 is set to, for example, about 5 ° to about 30 °, and preferably about 15 °, which is a substantially median angle.
  • the male splines 10 are press-fit into the open end 3a of the resin shaft member 3.
  • the inner diameter of the inner diameter surface of the open end 3a of the resin shaft member 3 is D
  • the spline large diameter of the male spline 10 is D1
  • the spline small diameter of the male spline 10 is D2.
  • D2 ⁇ D ⁇ D1 is the outer diameter dimension of the edge 14 of the outer diameter edge portion of the press-fit start end surface 13.
  • the convex teeth 10a of the male spline 10 are in the inner diameter surface of the opening end 3a of the resin shaft member 3.
  • the female spline 11 fitted to the male spline 10 can be engraved on the inner diameter surface of the open end 3 a of the resin shaft member 3.
  • the edge 14 is formed at the outer diameter edge of the press-fit start end face 13, this edge serves as a cutting start end at the time of press-fitting, and machinability can be improved.
  • the range H shown in FIG. 2 shows the range of the close fitting portion M, and although this range H can be set arbitrarily, the bonding force between the metal shaft member 2 and the resin shaft member 3, metal It can be set in consideration of the outer diameter of the large diameter boss portion 4 of the shaft member 2 and the fiber reinforced plastic to be used.
  • the male spline 10 is press-fit into the open end 3a of the resin shaft member 3, and the female spline 11 fitted to the male spline 10 is engraved on the inner diameter surface of the open end 3a of the resin shaft member 3.
  • FIG. 2 shows the case where the chip 20 is removed. When this power transmission shaft is used, the chips 20 may be formed as shown in FIG. 7 or the chips 20 may be removed as shown in FIG.
  • the edge 14 becomes the cutting start end, machinability can be improved, and the press-fit load can be suppressed. Does not cause buckling. And machinability of male spline 10 can be maintained satisfactorily, and diameter expansion of resin-made shaft member 3 by press fit of metal-made shaft member 2 can be prevented effectively. As a result, the contact area of the tooth surface of the tight fitting portion (meshing portion) M can be sufficiently secured, and a reduction in the allowable transmission torque can be effectively prevented. Further, it is possible to stably join the metal shaft member 2 and the resin shaft member 3 only by press-fitting the metal shaft member 2 into the resin shaft member 3, and the productivity is excellent.
  • the edge 14 can be stably formed by forming the press-fit start end surface 13 of the male spline 10 as the end-side taper surface 15 which is inclined rearward in the press-fitting direction from the outer end edge toward the inner diameter side. Further, the edge 14 can be stably formed also by forming the outer diameter side tapered surface 17 in which the outer surface of the convex tooth 10a of the male spline 10 is inclined toward the inner diameter side from the press-fit start edge toward the press-fit direction rear side. Can.
  • the present invention can be variously modified without being limited to the above embodiment, and as the fiber reinforced plastic, glass fiber reinforced plastic (GFRP) or carbon fiber reinforced Plastic (CFRP) can be used, and furthermore, boron fiber reinforced plastic (BFRP), aramid fiber reinforced plastic (AFRP, KFRP), polyethylene fiber reinforced plastic (DFRP), etc. can be used. Moreover, as a short fiber to be impregnated, glass fiber, carbon fiber, etc. can be used, but carbon nanotube (CNT), cellulose nanofiber (CNF), etc. may be used.
  • GFRP glass fiber reinforced plastic
  • CFRP carbon fiber reinforced Plastic
  • BFRP boron fiber reinforced plastic
  • AFRP aramid fiber reinforced plastic
  • DFRP polyethylene fiber reinforced plastic
  • CNT carbon nanotube
  • CNF cellulose nanofiber
  • the fiber reinforced plastic may be hoop-wound or helically-wound.
  • the hoop winding is a method of winding a fiber so that an angle between the central axis and the winding direction of the fiber is substantially perpendicular.
  • substantially perpendicular includes both 90 ° and an angle of around 90 ° that can be generated by shifting the winding position of the fibers so that the fibers do not overlap with each other.
  • the helical winding is a method of winding the fiber such that the angle between the central axis and the winding direction of the fiber is a predetermined angle.
  • the thickness dimension and outer diameter dimension of the resin shaft member 3 can be arbitrarily set according to the portion to be used, the total length of the power transmission shaft, etc., but various torques can be handled and various diameters can be achieved. It can be set.
  • the inclination angles ⁇ and ⁇ of the end face side taper surface 15 and the outer diameter side taper surface 17 for forming the edge 14 are not limited to those described above, the machinability can be improved. Various changes can be made as long as the press-fit load can be suppressed.
  • the convex teeth 10a of the male spline various shapes such as cross-sectional triangle, cross-section trapezoid, semicircular, semi-elliptical, rectangular and the like can be adopted, and the area, number and circumferential direction of each convex tooth 10a
  • the arrangement pitch can also be changed arbitrarily.
  • the shaft which connects a fixed type constant velocity universal joint and a sliding type constant velocity universal joint.
  • a fixed type constant velocity universal joint a constant velocity universal joint of bar field type or undercut free type can be used
  • the sliding type constant velocity universal joint constant velocity of tripod type, double offset type, cross groove type Universal joints can be used.

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Abstract

金属製軸部材と、この金属製軸部材に軸方向に沿って連設される樹脂製軸部材とを備えた動力伝達シャフトである。樹脂製軸部材が繊維強化プラスチックで構成される。金属製軸部材と前記樹脂製軸部材とは、金属製軸部材の外表面に設けられた雄スプラインと、この雄スプラインの樹脂製軸部材への圧入によって成形される雌ププラインとの密着嵌合部を介して接合される。金属製軸部材の雄スプラインの圧入始端面の外径縁部にエッジを設けた。

Description

動力伝達シャフト
　本発明は、動力伝達シャフトに関し、特に、自動車や各種産業機械に用いられる動力伝達シャフトに関する。
　自動車や各種産業機械に用いられる動力伝達シャフトは、一般的には鋼製である。しかしながら、このような鋼製では重量が大となる。このため、近年では、軽量化のためにＣＦＲＰ(炭素繊維強化プラスチック)等の繊維強化プラスチックを用いる場合がある。
　このように、繊維強化プラスチックを用いる場合、鉄鋼部材との併用となる。このため、繊維強化プラスチックと鉄鋼部材とを接合する必要が生じ、従来には、この繊維強化プラスチックと鉄鋼部材とをセレーション結合（スプライン結合）を用いたものがある（特許文献１～特許文献３）。
　各特許文献１～３に記載されている構成は、図９に示すような金属製シャフト７１の軸端部７１ａに、雄セレーション（雄スプラインを含み、以下雄スプラインと呼ぶ）７２を設け、この金属製シャフト７１の軸端部７１ａを、繊維強化プラスチック製（ＦＲＰ製）の筒体（図示省略）に圧入するものである。
　すなわち、雄スプライン７２を、ＦＲＰ製の筒体に圧入することによって、ＦＲＰ製の筒体の内径面に切り込ませることによって、このＦＲＰ製の筒体と金属製シャフト７１とを一体に接合するものである。
　従来には、筒体（パイプ）の内径面にも予め雌スプラインを形成しておき、金属製シャフト７１の軸端部７１ａの雄スプラインと雌スプラインを嵌合させるものがある（特許文献４）、さらには、セレーション部の外径を、ＦＲＰ製の筒体の内径面の内径よりもやや大きくして、圧入後の圧縮応力と引張応力とで接合するものがある（特許文献５）。また、金属製シャフト７１の軸端部７１ａの雄スプラインを圧入されたＦＲＰ製の筒体に、外装スリーブを外嵌し、ＦＲＰ製の筒体の外周面と外装スリーブの内周面との間に接着剤等を介在させるものがある。（特許文献６）
特開２０００－３３７３４４号公報 特開２００４－３０８７００号公報 特許第５６８３７９８号公報 特開２００１－２６３３２９号公報 特開２０１０－８３２５３号公報 特開２０１７－１４１８６５号公報
　特許文献１から特許文献３では、金属製の軸部（シャフト）７１の軸端部７１ａに予め雄スプライン７２を設け、この雄スプライン７２をＦＲＰ製の筒体（パイプ）に圧入するものである。この場合、筒体（パイプ）の内径面に雄スプライン７２の形状の刻設（切削）を行って、内径面に雄スプライン７２が嵌合する雌スプラインを形成することになる。しかしながら、金属製の軸部７１の雄スプライン７２をＦＲＰ製の筒体の内径面（内周面）に圧入する際、図１０に示すように、圧入方向に対して直交する圧入始端面７２ａが切削始端となって、被削性の劣るものとなっている。このため、圧入荷重と筒体との長さによっては、筒体が座屈するおそれがある。
　また、刻設性、すなわち、スプラインの被削性を良好に維持できない場合、筒体が金属製の軸部の圧入によって、拡径する。このように拡径した場合、筒体の内径面に形成（刻設）される雌スプラインの歯面と金属製の軸部のスプラインの歯面の密着面積が小さくなり、許容伝達トルクが低下するおそれがあった。
　特許文献４では、予め、雄スプラインに嵌合する雌スプラインを形成する必要があり、しかも、雄スプラインと雌スプラインとの位相合わせが必要で、生産性に劣ることになる。また、特許文献５では、圧入後の圧縮応力と引張応力とで接合するもので、接合力に問題があり、許容伝達トルクが低下するおそれがある。また、特許文献６では、部品点数が増加され、生産性及びコスト面で劣ることになる。
　そこで、本発明は、上記課題に鑑みて、金属製軸部材の樹脂製軸部材への圧入時の被削性の向上を図ることができて、密着嵌合部の歯面の密着面積を十分に確保できて、許容伝達トルクの低下を有効に防止でき、しかも生産性に優れた動力伝達シャフトを提供するものである。
　本発明の動力伝達シャフトは、金属製軸部材と、この金属製軸部材に軸方向に沿って連設される樹脂製軸部材とを備えた動力伝達シャフトであって、前記樹脂製軸部材が繊維強化プラスチックで構成され、前記金属製軸部材と前記樹脂製軸部材とは、金属製軸部材の外表面に設けられた雄スプラインと、この雄スプラインの樹脂製軸部材への圧入によって成形される雌ププラインとの密着嵌合部を介して接合され、かつ、金属製軸部材の雄スプラインの圧入始端面の外径縁部に圧入方向前方側へ突出するエッジを設けたものである。
　金属製軸部材の雄スプラインの圧入始端面の外径縁部に圧入方向前方側へ突出するエッジを設けたことによって、圧入時に、このエッジが切削始端となって、被削性の向上を図ることができる。
　雄スプラインの圧入始端面を、その外端縁から内径側に向かって圧入方向後方側に傾斜する端面側テーパ面とすることができる。端面側テーパ面を形成することによって、エッジを安定して形成することができる。また、雄スプラインの凸歯の外面を圧入始端縁から圧入方向後方側に向かって内径側へ傾斜する外径側テーパ面としてよい。このような外径側テーパ面を形成することによっても、エッジを安定して形成することができる。
　本発明では、被削性の向上を図ることができるので、圧入荷重を抑制することができ、圧入時に樹脂製軸部材に座屈を生じさせない。しかも、雄スプラインの被削性を良好に維持でき、金属製軸部材の圧入による樹脂製軸部材の拡径を有効に防止できる。これによって、密着嵌合部（噛合部）の歯面の接触面積を十分に確保でき、許容伝達トルクの低下を有効に防止できる。また、金属製軸部材を樹脂製軸部材に圧入するのみで、金属製軸部材と樹脂製軸部材とを安定して接合することが可能で、生産性に優れる。
本発明の動力伝達シャフトの要部斜視図である。 図１に示す動力伝達シャフトの要部断面図である。 図１に示す動力伝達シャフトの金属製軸部材と樹脂製軸部材との接合部位の拡大断面図である。 図３の要部拡大断面図である。 金属製軸部材の圧入始端部を示し、エッジを有する圧入始端部の簡略図である。 金属製軸部材の圧入始端部を示し、他の形状のエッジを有する圧入始端部の簡略図である。 金属製軸部材を圧入する前の樹脂製軸部材の拡大断面図である。 金属製軸部材を樹脂製軸部材に圧入完了した状態の要部断面図である。 本発明に係る動力伝達シャフトを用いたドライブシャフトの断面図である。 従来の動力伝達シャフトの金属製軸部材を示す側面図である。 従来の動力伝達シャフトの金属製軸部材の雄スプラインの要部拡大簡略図である。
　以下本発明の実施の形態を図１～図８に基づいて説明する。図８は、本発明に係る動力伝達シャフト１を用いたドライブシャフトを示し、この動力伝達シャフト１は、一対の金属製軸部材２，２と、金属製軸部材２，２に軸方向に沿って連設される樹脂製軸部材３とを備える。すなわち、樹脂製軸部材３は、一対の金属製軸部材２，２間に配設されてこれらを連結する中間軸を構成する。
　このドライブシャフトは、固定式等速自在継手３１と摺動式等速自在継手３２とを、本発明に係る動力伝達シャフト１にて連結してなるものである。この図例では、固定式等速自在継手３１にバーフィールド型等速自在継手を用い、摺動式等速自在継手３２に、トリポード型等速自在継手を用いている。
　固定式等速自在継手３１は、軸方向に延びる複数のトラック溝３３が内径面３４に形成された外側継手部材３５と、軸方向に延びる複数のトラック溝３６が外径面３７に円周方向等間隔に形成された内側継手部材３８と、外側継手部材３５のトラック溝３３と内側継手部材３８のトラック溝３６との間に介在してトルクを伝達する複数のボール３９と、外側継手部材３５の内径面３４と内側継手部材３８の外径面３７との間に介在してボール３９を保持するケージ４０とを備えている。
　摺動式等速自在継手３２は、内周に軸線方向に延びる三本のトラック溝５１を設けると共に各トラック溝５１の内側壁に互いに対向するローラ案内面５１ａを設けた外側継手部材５２と、半径方向に突出した３つの脚軸５３を備えたトリポード部材５４と、脚軸５３に外嵌する内側ローラ５５と、トラック溝５１に挿入されると共に内側ローラ５５に外嵌する外側ローラ５６とを備えたものである。なお、外側ローラ５６と内側ローラ５５との間に図示しない複数の針状ころが介在している。すなわち、この摺動式等速自在継手３２は、外側ローラ５６が脚軸５３に対して回転自在であると共にローラ案内面５１ａに沿って移動可能なダブルローラタイプである。また、トリポード部材５４はボス５７と前記脚軸５３とを備える。脚軸５３はボス５７の円周方向三等分位置から半径方向に突出している。
　固定式等速自在継手３１における内側継手部材３８の軸孔にトルク伝達可能に動力伝達シャフト１の軸端嵌合部を嵌入し、摺動式等速自在継手３２におけるトリポード部材５４の軸孔にトルク伝達可能に動力伝達シャフト１の軸端嵌合部を嵌入している。なお、動力伝達シャフト１の両軸端嵌合部の端部は、スナップリング等の止め輪２５，２５によりそれぞれ抜け止めされている。すなわち、軸端嵌合部の端部に周方向溝２６、２６が形成され、この周方向溝２６、２６に止め輪２５，２５が嵌合している。
　この動力伝達シャフト１の両端にある軸端嵌合部の外径には雄スプライン５，５が形成され、両等速自在継手の内側継手部材３８及びトリポード部材５４の軸孔には雌スプライン２７，２７が形成されている。動力伝達シャフト１の両端にある軸端嵌合部を等速自在継手３１，３２の内側継手部材３８及びトリポード部材５４の軸孔に嵌入することにより、雄スプライン５，５と雌スプライン２７，２７とを噛み合わせることで結合させ、動力伝達シャフト１と内側継手部材３８及びトリポード部材５４との間でトルク伝達を可能としている。
　動力伝達シャフト１と各外側継手部材３８，５２との間には、外部からの異物の侵入および内部からのグリースの漏洩を防止するためのブーツ３０がそれぞれ装着されている。ブーツ３０は、大径端部３０ａと、小径端部３０ｂと、大径端部３０ａと小径端部３０ｂとを連結する蛇腹部３０ｃとからなる。ブーツ３０の大径端部３０ａは外側継手部材３５，５２の開口端でブーツバンド４５により締め付け固定され、その小径端部３０ｂは動力伝達シャフト１の後述するブーツ装着部６ｃでブーツバンド４６により締め付け固定されている。
　金属製軸部材２は、図１と図２に示すように、一方の端部に大径ボス部４が設けられるとともに、他方の端部に雄スプライン５が設けられている。すなわち、大径ボス部４から雄スプライン５に向かって中径部６ａ、小径部６ｂ、ブーツ装着部６ｃ、小径部６ｄ、中径部６ｅが設けられている。ブーツ装着部６ｃに周方向凹溝７が設けられ、ブーツ３０の小径端部３０ｂ（図８参照）がブーツ装着部６ｃに装着された際に、周方向凹溝７に小径端部３０ｂの内径面の一部が嵌合する。
　樹脂製軸部材３は、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）製筒体からなる。ＦＲＰ製筒体としてはフィラメントワインディング法やシートワインディング法にて成形される。フィラメントワインディング法とは、樹脂を含浸した炭素繊維（繊維束）を心棒のまわりに巻いて成形し、加熱して硬化させた後に心棒を取り外す方法である。繊維の束でなく、シートを巻きつけるのが「シートワインディング」という。
　この場合、樹脂製軸部材３に開口端部３ａを、図３に示すように、金属製軸部材２の大径ボス部４に外嵌接合する。この場合、金属製軸部材２の大径ボス部４と、樹脂製軸部材３の開口端部３ａとは密着嵌合部Ｍを介して結合されている。
　すなわち、金属製軸部材２の大径ボス部４の外径面（外表面）には雄スプライン（雄セレーションを含む）１０（雄セレーションを含む）が形成され、樹脂製軸部材３の開口端部３ａの内径面には雌スプライン（雌セレーションを含む）１１が形成され、雄スプライン１０と雌スプライン１１とが嵌合している。雄スプライン１０は、複数本の凸歯１０ａと、複数本の凹歯１０ｂとが周方向に沿って交互に配設されてなる。雌スプライン１１は、複数本の凹歯１１ａと、複数本の凸歯１１ｂとが周方向に沿って交互に配設されてなる。雄スプライン１０の凸歯１０ａが雌スプライン１１の凹歯１１ａに嵌合し、雌スプライン１１の凸歯１１ｂが雄スプライン１０の凹歯１０ｂに嵌合している。この場合、凹歯１１ａと凸歯１０ａとの嵌合接触部位全域１２（図４参照）が密着している。
　次に密着嵌合部Ｍを成形方法を説明する。この場合、金属製軸部材２の大径ボス部４の外径面には雄スプライン１０を形成する。この雄スプライン１０は、公知公用の手段であるブローチ加工、切削加工、プレス加工、引き抜き加工等の種々の加工方法によって、形成することができる。また、雄スプライン１０に対して、熱硬化処理を施してもよい。熱硬化処理としても、高周波焼入れ、浸炭焼入れ等の種々の熱処理を採用することができる。
　これに対して、樹脂製軸部材３の開口端部３ａの内径面は、図６に示すように、雌スプライン１１を形成しない状態である円筒面８としておく。また、図５Ａに示すように、金属製軸部材２の雄スプライン１０の端面、すなわち、圧入始端面１３の外径縁部に圧入方向前方側へ突出するエッジ１４を設ける。この場合、雄スプライン１０の圧入始端面１３を、その外端縁から内径側に向かって圧入方向上流側（圧入方向後方側）に傾斜する端面側テーパ面１５とする。これによって、前記エッジ１４を構成する。この場合、金属製軸部材２の大径ボス部４の端面（雄スプライン１０の端面を省く端面）４ａが、エッジ１４よりも後退した状態となっている。この端面側テーパ面１５の傾斜角度αとして、例えば、５°から３０°程度に設定し、ほぼ中央値角度の１５°程度が好ましい。
　図５Ｂに示すように、雄スプライン１０の凸歯１０ａの外面１６を圧入始端縁から圧入方向後方側に向かって内径側へ傾斜する外径側テーパ面１７としてもよい。この場合、端面側テーパ面１５を設けることなく、外径側テーパ面１７のみであっても、圧入始端面１３の外径縁部にエッジ１４を形成することができる。しかしながら、この図５Ｂに示すように、端面側テーパ面１５及び外径側テーパ面１７を設けることによって、エッジ１４を形成している。この外径側テーパ面１７の傾斜角度βとして、例えば、５°から３０°程度に設定し、ほぼ中央値角度の１５°程度が好ましい。
　次に、この図５Ａや図５Ｂに示すように雄スプライン１０を成形後、雄スプライン１０を樹脂製軸部材３の開口端部３ａに圧入することになる。この場合、図４に示すように、樹脂製軸部材３の開口端部３ａの内径面の内径寸法をＤとし、雄スプライン１０のスプライン大径をＤ１とし、雄スプライン１０のスプライン小径をＤ２としたときに、Ｄ２＜Ｄ＜Ｄ１とする。なお、図５Ｂに示すように、外径側テーパ面１７が形成されたものでは、スプライン小径とは、圧入始端面１３の外径縁部のエッジ１４の外径寸法とする。
　このように、構成された雄スプライン１０を樹脂製軸部材３に開口端部３ａに圧入していけば、雄スプライン１０の凸歯１０ａが樹脂製軸部材３の開口端部３ａの内径面に切り込まれることによって、樹脂製軸部材３の開口端部３ａの内径面に雄スプライン１０に嵌合する雌スプライン１１を刻設することができる。しかも、圧入始端面１３の外径縁部にエッジ１４が形成されているので、圧入時に、このエッジが切削始端となって、被削性の向上を図ることができる。
　ところで、図２に示す範囲Ｈは、密着嵌合部Ｍの範囲を示し、この範囲Ｈとしては、任意に設定できるが、金属製軸部材２と樹脂製軸部材３との接合力、金属製軸部材２の大径ボス部４の外径寸法、および使用する繊維強化プラスチック等を考慮して、設定することができる。なお、雄スプライン１０を樹脂製軸部材３の開口端部３ａに圧入して、樹脂製軸部材３の開口端部３ａの内径面に雄スプライン１０に嵌合する雌スプライン１１を刻設すれば、図７に示すような切粉２０が形成されるが、図２ではこの切粉２０を除去した場合を示している。この動力伝達シャフトを用いる場合、図７に示すように切粉２０が形成されたままであっても、図２に示すように切粉２０が除去したものであってもよい。
　このように、本発明に係る動力伝達シャフトでは、エッジ１４が切削始端となって、被削性の向上を図ることができ、圧入荷重を抑制することができるので、圧入時に樹脂製軸部材３に座屈を生じさせない。しかも、雄スプライン１０の被削性を良好に維持でき、金属製軸部材２の圧入による樹脂製軸部材３の拡径を有効に防止できる。これによって、密着嵌合部（噛合部）Ｍの歯面の接触面積を十分に確保でき、許容伝達トルクの低下を有効に防止できる。また、金属製軸部材２を樹脂製軸部材３に圧入するのみで、金属製軸部材２と樹脂製軸部材３とを安定して接合することが可能で、生産性に優れる。
　エッジ１４としては、雄スプライン１０の圧入始端面１３を、その外端縁から内径側に向かって圧入方向後方側に傾斜する端面側テーパ面１５とすることによって、安定して形成できる。また、雄スプライン１０の凸歯１０ａの外面を圧入始端縁から圧入方向後方側に向かって内径側へ傾斜する外径側テーパ面１７を形成することによっても、エッジ１４を安定して形成することができる。
　以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく種々の変形が可能であって、繊維強化プラスチックとしては、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）や炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）を用いることができ、さらには、ボロン繊維強化プラスチック（ＢＦＲＰ）、アラミド繊維強化プラスチック（ＡＦＲＰ, ＫＦＲＰ）やポリエチレン繊維強化プラスチック（ＤＦＲＰ）等も用いることができる。また、含浸させる短繊維としては、ガラス繊維や炭素繊維等を用いることができるが、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）やセルロースナノファイバー（ＣＮＦ）等であってもよい。
　繊維強化プラスチックとしては、フープ巻きであってもヘリカル巻きであってもよい。フープ巻きとは、中心軸と繊維の巻き付け方向とがなす角度が略垂直となるように、繊維を巻回する方法である。ここで「略垂直」とは、９０°と、繊維同士が重ならないように繊維の巻き付け位置をずらすことによって生じ得る９０°前後の角度と、の両方を含む。また、ヘリカル巻きとは、中心軸と繊維の巻き付け方向とがなす角度が所定の角度となるように、繊維を巻回する方法である。
　樹脂製軸部材３の肉厚寸法及び外径寸法として、用いる部位や、動力伝達シャフト全長等に応じて任意に設定できるが、トルク伝達に対応でき、かつ大径化及び重量化しない範囲で種々設定できる。
　エッジ１４を形成するための端面側テーパ面及１５及び外径側テーパ面１７の各傾斜角度α、βとして、前記したものに限るものではないが、被削性の向上を図ることができ、圧入荷重を抑制することができる範囲で種々変更できる。
　雄スプライン１０の凸歯１０ａの形状として、断面三角形状、断面台形、半円形状、半楕円形状、矩形形状等の種々の形状のものを採用でき、各凸歯１０ａの面積、数、周方向配設ピッチ等も任意に変更できる。
　固定式等速自在継手と摺動式等速自在継手とを連結するシャフトに用いることがきる。固定式等速自在継手として、バーフィールドタイプやアンダーカットフリータイプの等速自在継手を用いることができ、摺動式等速自在継手としては、トリポードタイプ、ダブルオフセットタイプ、クロスグルーブタイプの等速自在継手を用いることができる。
Ｍ     密着嵌合部
α     傾斜角度
２     金属製軸部材
３     樹脂製軸部材
１０   雄スプライン
１１   雌スプライン
１３   圧入始端面
１４   エッジ
１５   端面側テーパ面
１７   外径側テーパ面

Claims (3)

  1. 　金属製軸部材と、この金属製軸部材に軸方向に沿って連設される樹脂製軸部材とを備えた動力伝達シャフトであって、
    　前記樹脂製軸部材が繊維強化プラスチックで構成され、前記金属製軸部材と前記樹脂製軸部材とは、金属製軸部材の外表面に設けられた雄スプラインと、この雄スプラインの樹脂製軸部材への圧入によって成形される雌ププラインとの密着嵌合部を介して接合され、かつ、金属製軸部材の雄スプラインの圧入始端面の外径縁部に圧入方向前方側へ突出するエッジを設けたことを特徴とする動力伝達シャフト。
  2. 　雄スプラインの圧入始端面を、その外端縁から内径側に向かって圧入方向後方側に傾斜する端面側テーパ面としたことを特徴とする請求項１に記載の動力伝達シャフト。
  3. 　雄スプラインの凸歯の外面を圧入始端縁から圧入方向後方側に向かって内径側へ傾斜する外径側テーパ面としたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の動力伝達シャフト。
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