WO2020174692A1 - 動力伝達軸用の管体及び動力伝達軸 - Google Patents

Abstract

本発明は、回転することで動力を伝達する繊維強化プラスチック製の動力伝達軸（１）用の管体（２）であって、軸線（Ｏ１）を中心とする筒状の本体部（１０）を備え、本体部（１０）の外径は、中央部（１３）から両端部（１１，１２）に向うに連れて縮径しており、本体部（１０）の板厚は、両端部（１１），（１２）から中央部（１３）に向うに連れて薄くなっている。

Description

動力伝達軸用の管体及び動力伝達軸

　本発明は、動力伝達軸用の管体及び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する管体を備え、この管体により原動機で発生し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用の管体として、繊維強化プラスチックで形成されたものがある。例えば、下記特許文献１の繊維強化プラスチック製の管体は、円筒状をなしており、一端から他端に至るまで外径が変わることなく一定に形成され、中間部の外径と端部の外径が同一となっている。

特開平３－２６５７３８号公報

　ところで、繊維強化プラスチック製の管体は、曲げ一次共振点を向上させるため、曲げ剛性の向上が図られている。このような理由から、管体の外径が大径化し、管体が重量化している。

　本発明は、このような課題を解決するために創作されたものであり、軽量化した動力伝達軸用の管体及び動力伝達軸を提供することを目的とする。

　前記課題を解決するため、第一発明に係る動力伝達軸用の管体は、回転することで動力を伝達する繊維強化プラスチック製の動力伝達軸であって、軸線を中心とする筒状の本体部を備え、前記本体部の外径は、中央部から両端部に向うに連れて縮径しており、前記本体部の板厚は、両端部から中央部に向うに連れて薄くなっていることを特徴とする。

　また、前記課題を解決するため、第二発明に係る動力伝達軸用の管体は、回転することで動力を伝達する繊維強化プラスチック製の動力伝達軸であって、軸線を中心とする筒状の本体部を備え、前記本体部の外径は、一端部から中央部まで同径に形成されるとともに中央部から他端部に向うに連れて縮径し、前記本体部の板厚は、他端部から中央部に向うに連れて薄くなっているとともに中央部から一端部まで均一となっていることを特徴とする。

　本発明によれば、曲げ応力が集中し易い本体部の中央部は、外径が大径化し、所定の曲げ剛性が確保される。一方、曲げ応力が集中し難い本体部の両端部（又は他端部）は、外径が小径化して軽量化している。さらに、本体部の中央部は、肉薄になり軽量化している。以上から、本体部全体が軽量化している。また、製造に必要とされる材料が低減し、低コスト化を図れる。

第一実施形態の動力伝達軸を側面視した側面図である。 第一実施形態の管体の本体部を軸線方向に切った断面図である。 第一実施形態の管体の傾斜部及び第二接続部を軸線方向に切った断面図である。 第二実施形態の管体の本体部を軸線方向に切った断面図である。 第三実施形態の管体の本体部を軸線方向に切った断面図である。 第四実施形態の管体の本体部を軸線方向に切った断面図である。

　続いて各実施形態の管体を備えた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、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と、管体２の前端に接合するカルダンジョイントのスタブヨーク３と、管体２の後端に接合する等速ジョイントのスタブシャフト４と、を備えている。
　スタブヨーク３は、車体の前部に搭載された変速機と管体２とを連結する連結部材である。スタブシャフト４は、車体の後部に搭載された終減速装置と管体２とを連結する連結部材である。
　動力伝達軸１は、変速機から動力（トルク）が伝達されると軸線Ｏ１回りに回転し、その動力を終減速装置に伝達する。

　管体２は、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）により形成されている。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第一成形体を形成し、その後、第一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）を巻き付けて製造されている。よって、管体２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２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第一成形体は、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。
　一方、シートワインディング法によれば、マンドレルの軸線方向に延在するように炭素繊維を配置することができ、軸線Ｏ１方向に高弾性化した第二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、軸線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。

　また、本発明は、上記した製造方法に限定されない。本発明の管体２は、マンドレルにプリプレグを巻き付けて第一成形体を形成し、その第一成形体の外周に連続炭素繊維を巻き付けることで製造されたものでもよい。または、本発明の動力伝達軸は、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）によって製造されたものであってもよい。

　管体２は、管体２の大部分を占める本体部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、本体部１０と第二接続部３０との間に位置する傾斜部４０と、を備えている。

　図２は、管体２から本体部１０のみを抽出するとともに、本体部１０の形状を分かり易くするために本体部１０の特徴を誇張して図示している。
　図２に示すように、本体部１０の前端部１１には、第一接続部２０が連続し、本体部１０の後端部１２には、傾斜部４０が連続している。

　軸線Ｏ１を法線とする平面で本体部１０を切った場合、本体部１０の外周面１４の断面形状及び内周面１５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１３から両端部（前端部１１及び後端部１２）に向うに連れて縮径しており、中央部１３の外径Ｒ１は、両端部（前端部１１及び後端部１２）の外径Ｒ２よりも大きい。
　同様に、本体部１０の内径も、本体部１０の中央部１３から両端部（前端部１１及び後端部１２）に向うに連れて縮径している。

　軸線Ｏ１に沿って本体部１０を切った場合、本体部１０の外周面１４の断面形状及び内周面１５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１３が径方向外側に膨らみ樽形状（バレル形状）となっている。
　また、その断面形状において、内周面１５の曲率は、外周面１４の曲率よりも大きい。言い換えると、本体部１０の板厚は、両端部（前端部１１及び後端部１２）から中央部１３に向うに連れて薄くなっており、中央部１３の板厚Ｔ１は、両端部（前端部１１及び後端部１２）の板厚Ｔ２よりも薄い。

　図１に示すように、第一接続部２０内には、スタブヨーク３のシャフト部３ａが嵌め込まれている。シャフト部３ａの外周面は、多角形状に形成されている。第一接続部２０の内周面は、シャフト部３ａの外周面に倣った多角形状に形成されている。このため、スタブヨーク３と管体２が互いに相対回転しないように構成されている。

　図３に示すように、第二接続部３０内には、スタブシャフト４のシャフト部５が嵌め込まれている。スタブシャフト４のシャフト部５の外周面６は、多角形状に形成されている。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の外周面６に倣った多角形状に形成されている。このため、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。
　また、第二接続部３０の外径は、本体部１０の後端部１２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。よって、本実施形態の第二接続部３０の板厚は、本体部１０の後端部１２の板厚よりも厚く形成され、所定の捩じれ強度を有するようになっている。

　傾斜部４０は、本体部１０と第二接続部３０との間に形成された円筒状の部位である。傾斜部４０の外径は、本体部１０から第一接続部２０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）の端部から本体部１０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４０のうち前端部４１の板厚が最も薄く、脆弱部を構成している。

　以上、上記した動力伝達軸１用の管体２によれば、曲げ応力が集中し易い本体部１０の中央部１３は、外径Ｒ１が大径に形成され、所定の曲げ剛性を有している。一方で、曲げ応力が集中し難い本体部１０の両端部（前端部１１及び後端部１２）は、外径Ｒ２が小径に形成され、軽量化している。よって、中央部１３の所定の曲げ剛性を確保しつつ本体部１０が軽量化していることから、本体部１０の曲げ一次共振点が向上する。

　また、管体２の本体部１０に作用する曲げ応力は、中央部１３から両端部（前端部１１、後端部１２）に向かうにつれて円弧状（曲線状）を描くように変化（減少）していくところ、本実施形態の管体２の外形は、円弧状に形成され、その変化率に応じて小さくなるように形成されている。よって、本体部１０は、中央部１３や両端部（前端部１１及び後端部１２）のみならず、中央部１３と両端部との間の部位も所定の曲げ剛性を有しつつ、軽量化している。
　以上から、管体２の本体部１０は、各部位に要求される所定の曲げ剛性を有しつつ、極限的に軽量化しており、本体部１０の曲げ一次共振点が大きく向上している。

　また、管体２における本体部１０の板厚は、捻じり応力に対応するために、中央部１３から両端部（前端部１１、後端部１２）に向かうにつれて、外径の変化率（縮径率）に応じて厚くなっている。これにより、本体部１０の各部位に対して均一に作用する捻じり応力に対応した所定の強度が確保されている。
　以上から、管体２の本体部１０は、所定の曲げ応力及び捻じり応力に対応した強度を備えている。

　また、管体２の両端部（第一接続部２０と第二接続部３０）は、金属製部品（スタブヨーク３とスタブシャフト４）と連結する必要があるため、小型化し、かつ、強度を確保する必要がある。
　実施形態の管体２によれば、中央部１３が大径となっているものの、第一接続部２０と第二接続部３０が小径に形成され、かつ、板厚が厚くなっているため、小型化し、かつ強度を確保させる、という要件を満たすことができる。

　また、中央部１３が薄肉化されるとともに、両端部（前端部１１及び後端部１２）が小径化されていることから、管体２の製造に必要とされる材料が低減する。このため、低コスト化を図れる。
　また、管体２は、繊維強化プラスチックにより形成されるため、設計の自由が高く、更なる低コスト化を図れる。

　また、上記管体２によれば、車両が前方から衝突され、管体２に衝突荷重が入力すると、軸線Ｏ１に対して傾斜する傾斜部４０にせん断力が作用する。そして、傾斜部４０に作用するせん断力が所定値を超えると、傾斜部４０において最も脆弱な前端部（脆弱部）４１が破損する。よって、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。

［第二実施形態］
　次に第二実施形態の動力伝達軸１０１について図４を参照しながら説明する。なお、図４は、本体部１１０の特徴を誇張して図示してある。
　第二実施形態の動力伝達軸１０１は、管体１０２と、管体１０２の前端に接合するスタブヨーク３（図１参照）と、管体２の後端に接合するスタブシャフト４（図１参照）と、を備えている。
　図４に示すように、管体１０２は、本体部１１０と、本体部１１０の前側に配置された第一接続部２０と、本体部１１０の後側に配置された第二接続部３０（図４において不図示）と、本体部１１０と第二接続部３０との間に位置する傾斜部１４０と、を備えている。

　軸線Ｏ１を法線とする平面で本体部１１０を切った場合、本体部１１０の外周面１１４の断面形状と内周面１１５の断面形状は、円形状となっている。
　本体部１１０の外径は、中央部１１３から両端部（前端部１１１及び後端部１１２）に向うに連れて縮径し、中央部１１３の外径Ｒ３は、両端部（前端部１１１及び後端部１１２）の外径Ｒ４よりも大きい。
　同様に、本体部１１０の内径も、本体部１１０の中央部１１３から両端部（前端部１１１及び後端部１１２）に向うに連れて縮径している。

　軸線Ｏ１に沿って本体部１１０を切った場合、本体部１１０の外周面１１４の断面形状及び内周面１１５の断面形状は、階段状に形成されている。
　本体部１１０の板厚は、両端部（前端部１１１及び後端部１１２）から中央部１１３に向うに連れて薄くなっている。よって、中央部１１３の板厚Ｔ３は、両端部（前端部１１１及び後端部１１２）の板厚Ｔ４よりも薄い。

　特に図示しないが、傾斜部１４０の板厚は、本体部１１０側（前側）の端部から第二接続部３０側（後側）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のうち後端部の板厚が最も薄くなっており、傾斜部１４０の後端部が脆弱部を構成している。よって、車両が前方から衝突され、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において最も脆弱な後端部（脆弱部）が破損する。

　第二実施形態の動力伝達軸２０１用の管体１０２によれば、第一実施形態の管体２と同様に、本体部１１０が軽量化し、本体部１１０の曲げ一次共振点が向上する。また、両端部（前端部１１１及び後端部１１２）の小径化及び中央部１１３の薄肉化によって製造に必要とされる材料が低減し、低コスト化を図れる。

［第三実施形態］
　次に第三実施形態の動力伝達軸２０１について図５を参照しながら説明する。なお、図５は、本体部２１０の特徴を誇張して図示してある。
　第三実施形態の動力伝達軸２０１は、管体２０２と、管体２０２の前端に接合するスタブヨーク３（図１参照）と、管体２０２の後端に接合するスタブシャフト４（図１参照）と、を備えている。
　図５に示すように、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３０（図５において不図示）と、本体部２１０と第二接続部３０との間に位置する傾斜部４０と、を備えている。

　軸線Ｏ１を法線とする平面で本体部２１０を切った場合、本体部２１０の外周面２１４の断面形状と内周面２１５の断面形状は、円形状となっている。
　本体部２１０の外径は、中央部２１３から両端部（前端部２１１及び後端部２１２）に向うに連れて縮径しており、中央部２１３の外径Ｒ５は、両端部（前端部２２１及び後端部２１２）の外径Ｒ６よりも大きい。
　同様に、本体部２１０の内径も、中央部２１３から両端部（前端部２１１及び後端部２１２）に向うに連れて縮径している。

　軸線Ｏ１に沿って本体部２１０を切った場合、本体部２１０の外周面２１４の断面形状は円弧状、内周面２１５の形状は階段状となっている。
　本体部２１０の板厚は、両端部（前端部２１１及び後端部２１２）から中央部１３に向うに連れて薄くなっており、中央部２１３の板厚Ｔ５は、両端部（前端部２１１及び後端部２１２）の板厚Ｔ６よりも薄い。

　第三実施形態の動力伝達軸２０１用の管体２０２によれば、第一実施形態の管体２と同様に、本体部２１０が軽量化し、本体部２１０の曲げ一次共振点が向上する。また、両端部（前端部２１１及び後端部２１２）の小径化及び中央部２１３の薄肉化によって製造に必要とされる材料が低減し、低コスト化を図れる。また、管体２０２は、繊維強化プラスチックにより形成されるため、設計の自由が高く、低コスト化を図れる。

［第四実施形態］
　第四実施形態の動力伝達軸３０１は、管体３０２と、管体３０２の前端に接合するスタブヨーク３（図１参照）と、管体３０２の後端に接合するスタブシャフト４（図１参照）と、を備えている。
　図６に示すように、管体３０２は、本体部３１０と、本体部３１０の前側に配置された第一接続部２０と、本体部３１０の後側に配置された第二接続部３０（図６において不図示）と、本体部３１０と第二接続部３０との間に位置する傾斜部４０と、を備えている。

　軸線Ｏ１を法線とする平面で本体部３１０を切った場合、本体部３１０の外周面３１４の形状と内周面３１５の形状は、円形状となっている。
　本体部３１０の外径は、前端部３１１から中央部３１３までが同一に形成され、中央部３１３から後端部３１２に向うに連れて縮径している。よって、前端部３１１及び中央部３１３の外径Ｒ７は、後端部３１２の外径Ｒ８よりも大きい。
　同様に、本体部３１０の内径も、本体部３１０の前端部３１１から中央部３１３までが同一に形成され、中央部３１３から後端部３１２に向うに連れて縮径している。

　軸線Ｏ１に沿って本体部３１０を切った場合、本体部３１０の外周面３１４の断面形状及び内周面３１５の断面形状は、前端部３１１から中央部３１３までは直線状を呈し、中央部３１３から後端部３１２にかけて緩やかな曲線を描き、円弧状となっている。
　また、本体部３１０の板厚は、後端部３１２から中央部３１３に向うに連れて薄くなるとともに、中央部３１３から前端部３１１までは均一に形成されている。よって、前端部３１１及び中央部３１３の板厚Ｔ７は、後端部３１２の板厚Ｔ８よりも薄い。

　第四実施形態の動力伝達軸３０１用の管体３０２によれば、本体部３１０の中央部３１３は、外径Ｒ７が大径に形成されて所定の曲げ剛性が確保されている。本体部３１０の後端部３１２は、外径Ｒ８が小径に形成されて軽量化している。また、本体部３１０の中央部３１３は、板厚Ｔ７が薄く軽量化している。よって、中央部３１３の所定の曲げ剛性を確保しつつ本体部３１０が軽量化していることから、本体部３１０の曲げ一次共振点が向上する。
　また、後端部３１２の小径化及び中央部３１３の薄肉化によって製造に必要とされる材料が低減し、低コスト化を図れる。また、動力伝達軸２０１は、繊維強化プラスチックにより形成されるため、設計の自由が高く、低コスト化を図れる。

　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、各実施形態の管体は、スタブヨーク３等と連結するための接続部（第一接続部２０、第二接続部３０）を備えているが、本発明は、本体部のみから構成される管体であってもよい。つまり、本発明においては、管体が本体部のみから構成され、本体部の両端部内にスタブヨーク３等の嵌合させるようにしてもよい。

　各実施形態の傾斜部４０は、板厚が次第に薄くなることで端部に破損し易い脆弱部が形成されるようにしているが、板厚を均一するとともに外周面又は内周面に凹部を設けることで脆弱部を形成してもよい。

　１，１０１，２０１，３０１　動力伝達軸
　２，１０２，２０２，３０２　管体
　１０，１１０，２１０，３１０　本体部
　１１，１１１，２１１，３１１　前端部
　１２，１１２，２１２，３１２　後端部
　１３，１１３，２１３，３１３　中央部
　２０　　第一接続部
　３０　　第二接続部
　４０　　傾斜部
　Ｏ１　　軸線

Claims (13)

1. 　回転することで動力を伝達する繊維強化プラスチック製の動力伝達軸用の管体であって、
   　軸線を中心とする筒状の本体部を備え、
   　前記本体部の外径は、中央部から両端部に向うに連れて縮径しており、
   　前記本体部の板厚は、両端部から中央部に向うに連れて薄くなっていることを特徴とする動力伝達軸用の管体。
2. 　前記本体部の外周面は、前記両端部の一端から前記両端部の他端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に記載の動力伝達軸用の管体。
3. 　前記本体部の外周面は、前記両端部の一端から前記両端部の他端にかけて前記軸線方向に階段状に形成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用の管体。
4. 　前記本体部の内周面は、前記両端部の一端から前記両端部の他端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３のいずれか１項に記載の動力伝達軸用の管体。
5. 　前記本体部の内周面は、前記両端部の一端から前記両端部の他端にかけて前記軸線方向に階段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３のいずれか１項に記載の動力伝達軸用の管体。
6. 　回転することで動力を伝達する繊維強化プラスチック製の動力伝達軸用の管体であって、
   　軸線を中心とする筒状の本体部を備え、
   　前記本体部の外径は、一端部から中央部まで同径に形成されるとともに中央部から他端部に向うに連れて縮径し、
   　前記本体部の板厚は、他端部から中央部に向うに連れて薄くなっているとともに中央部から一端部まで均一となっていることを特徴とする動力伝達軸用の管体。
7. 　前記本体部における中央部から他端部までの外周面は、前記軸線方向に曲線状を呈していることを特徴とする請求項６に記載の動力伝達軸用の管体。
8. 　前記本体部における中央部から他端部までの内周面は、前記軸線方向に曲線状を呈していることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の動力伝達軸用の管体。
9. 　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から請求項８のいずれか１項に記載の動力伝達軸用の管体。
10. 　連結部材と接合する筒状の接続部と、
    　前記本体部と前記接続部との間に介在し、外径が前記本体部から前記接続部に向うに連れて縮径する傾斜部と、を備えていることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の動力伝達軸用の管体。
11. 　前記傾斜部の板厚は、前記接続部から前記本体部に連れて薄くなっていることを特徴とする請求項１０に記載の動力伝達軸用の管体。
12. 　前記接続部の内周形状は、多角形状に形成されていることを特徴とする請求項１０又は請求項１１に記載の動力伝達軸用の管体。
13. 　請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の動力伝達軸用の管体を備えた動力伝達軸。

Images