WO2020174697A1 - 動力伝達軸の製造方法 - Google Patents

Abstract

繊維強化プラスチック製の管体（２）と、管体（２）の端部に接続し、軸線（Ｏ１）方向に貫通する通し孔（８）が形成されたスタブヨーク（３）、スタブシャフト（４）と、を備える動力伝達軸の製造方法であって、砂型（２０）が形成されたマンドレル（３０）にスタブヨーク（３）、スタブシャフト（４）を接続する接続工程と、繊維強化プラスチックを砂型（２０）およびスタブヨーク（３）、スタブシャフト（４）に巻き付けて管体（２）を形成する巻付工程と、管体（２）を硬化する硬化工程と、砂型（２０）を分解する外的エネルギー付与工程と、マンドレル（３０）を砂型（２０）およびスタブヨーク（３）の通し孔（８）から引き抜く引抜工程と、マンドレル（３０）を引き抜くことで開いたスタブヨーク（３）の通し孔（８）から、崩れた砂型（２０）を排出する排出工程と、を備える。

Description

動力伝達軸の製造方法

　本発明は、動力伝達軸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（例えば、特許文献１）。特許文献１には、フィラメントワインディング工法により、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。

特開平３－２６５７３８号公報

　プロペラシャフトの曲げ剛性を上げる構造として、管体の中央部を端部よりも大径化する技術が挙げられる。これによれば、曲げ応力が集中し易い管体の中央部周りのみを大径化することで、曲げ剛性の確保と重量の抑制との両立を図れる。しかしながら、マンドレルに繊維強化プラスチックを巻き付ける技術では、管体の形成後にマンドレルを管体の端部から引き抜く必要があるため、管体の形状は特許文献１のように内径を一定径にせざるを得ない。マンドレルを引き抜き可能な中子構造や可変構造を採用することも考えられるが、マンドレルの構造が複雑となって動力伝達軸の製造コストが高くなりやすい。

　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、管体の形状の制約をさほど受けずに、繊維強化プラスチックをマンドレルに巻き付けて管体を形成できる動力伝達軸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の管体と、前記管体の端部に接続し、前記管体の軸線方向に貫通する通し孔が形成された連結部材と、を備える動力伝達軸の製造方法であって、外的エネルギーの付与で分解または溶解する型が形成されたマンドレルに前記連結部材を接続する接続工程と、前記接続工程の後に、繊維強化プラスチックを前記型および前記連結部材に巻き付けて前記管体を形成する巻付工程と、前記巻付工程の後に、前記管体を硬化する硬化工程と、前記硬化工程の後に、前記型に前記外的エネルギーを付与して、前記型を分解または溶解する外的エネルギー付与工程と、前記外的エネルギー付与工程の後に、前記マンドレルを前記型および前記連結部材の通し孔から引き抜く引抜工程と、前記引抜工程の後に、前記マンドレルを引き抜くことで開いた前記連結部材の通し孔から、分解または溶解した型を排出する排出工程と、を備えることを特徴とする。

　本発明によれば、外的エネルギーの付与で分解または溶解する型を用いることにより、管体を形状の制約をさほど受けることなく形成でき、マンドレルを引き抜くことで開いた通し孔を利用し、分解または溶解した型を容易に排出できる。繊維強化プラスチックを型と連結部材に巻き付けて管体を形成することで、管体と連結部材とを容易に接続させることができる。

第一実施形態の動力伝達軸の側面図である。 スタブヨークの外観斜視図である。 スタブシャフトの外観斜視図である。 第一実施形態における動力伝達軸の接続工程を示す側断面図である。 第一実施形態における動力伝達軸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動力伝達軸の引抜工程を示す側断面図である。 第一実施形態における動力伝達軸の排出工程を示す側断面図である。 動力伝達軸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工法の説明図である。 シートワインディング工法の説明図である。 第三実施形態における動力伝達軸および砂型の側断面図である。 第四実施形態における動力伝達軸および砂型の側断面図である。

　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。

［第一実施形態］
　図１ないし図８を参照して第一実施形態を説明する。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。

　第一接続部１２０の内周面は、スタブヨーク３の多角形状の接続部７（図２）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の多角形状の接続部１０（図３）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。図２において、スタブヨーク３は、軸線Ｏ１を中心とする円盤状の基部５と、基部５から前方に延び十字軸を支承する一対のアーム部６と、基部５から後方に延び管体２の第一接続部１２０（図１）の内側に接続する接続部７と、を備えている。接続部７は、後端側が開口した筒形状を呈している。接続部７の外周面は、軸線Ｏ１方向視で多角形状を呈している。基部５には、後述するマンドレル３０を通す通し孔８が軸線Ｏ１を中心に貫通形成されている。

　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。図３において、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９と、連結部９の前端に形成され管体２の第二接続部１３０（図１）の内側に接続する接続部１０と、を備えている。接続部１０の外周面は、軸線Ｏ１方向視で多角形状を呈している。接続部１０の前端面には、マンドレル３０の後端が嵌り込む位置決め穴１１が軸線Ｏ１を中心に形成されている。

　図８は、動力伝達軸１の製造方法のフローチャートである。動力伝達軸１の製造方法は、外的エネルギーの付与で分解または溶解する型が形成されたマンドレル３０にスタブヨーク３およびスタブシャフト４を接続する接続工程（ステップＳ１）と、繊維強化プラスチックを型およびスタブヨーク３、スタブシャフト４に巻き付けて管体２を形成する巻付工程（ステップＳ２）と、管体２を硬化する硬化工程（ステップＳ３）と、型に外的エネルギーを付与して、型を分解または溶解する外的エネルギー付与工程（ステップＳ４）と、マンドレル３０を砂型２０およびスタブヨーク３の通し孔８から引き抜く引抜工程（ステップＳ５）と、マンドレル３０を引き抜くことで開いたスタブヨーク３の通し孔８から、分解または溶解した型を排出する排出工程（ステップＳ６）と、を備えている。以下、外的エネルギーの付与で分解または溶解する型を砂型２０とした場合について説明する。

　「接続工程」
　接続工程では、図４に示すように、砂型２０が形成されたマンドレル３０にスタブヨーク３およびスタブシャフト４を接続する。マンドレル３０は、軸線Ｏ１を中心に配置される丸棒状の心金部材である。砂型２０は、マンドレル３０で貫通されている。砂型２０は、中央部から両端部に向かうに連れて外径が縮径し、外周面が軸線Ｏ１方向に円弧状に形成された樽形状の型本体部２１を備えている。型本体部２１の前端には、スタブヨーク３の接続部７が外嵌する型接続部２２が形成されている。型本体部２１の後端には、後方に向かうに連れて縮径する略円錐台形状の型傾斜部２５が形成されている。マンドレル３０の前端周りは型接続部２２から前方に延びている。マンドレル３０の後端は型傾斜部２５の後面から若干突出している。

　以上のように構成された砂型２０およびマンドレル３０に対し、スタブヨーク３の接続として、通し孔８にマンドレル３０を通してスタブヨーク３をスライドさせ、接続部７を砂型２０の型接続部２２に外嵌させる。また、スタブシャフト４の接続として、位置決め穴１１をマンドレル３０の後端に嵌め合わせる。スタブヨーク３、スタブシャフト４をマンドレル３０に対して正確に芯出しするため、通し孔８および位置決め穴１１の内径はマンドレル３０の外径に対して所定の寸法公差で形成されている。

　「巻付工程」
　接続工程の後、図５に示すように、巻付工程では、繊維強化プラスチックを砂型２０とスタブヨーク３とスタブシャフト４とに巻き付けて管体２を形成する。第一実施形態では、フィラメントワインディング工法により繊維強化プラスチックを砂型２０とスタブヨーク３とスタブシャフト４とに巻き付ける。

　図９にフィラメントワインディング工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３０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本のロービング４９として集約される。移動供給部４７は、集約部４６とマンドレル３０との間に配設され、ロービング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、マンドレル３０の前端とスタブシャフト４の連結部９を支持してマンドレル３０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３０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、ロービング４９が、砂型２０と、スタブヨーク３の接続部７と、スタブシャフト４の接続部１０とにわたり、所定のヘリカル巻きやフープ巻き等の巻回方法により巻かれる。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。

　以上の巻付工程により、管体２は、砂型２０の樽形状の型本体部２１に巻かれた部分が樽形状の本体部１１０として形成され、型傾斜部２５に巻かれた部分が傾斜部１４０として形成される。そして、スタブヨーク３の多角形状の接続部７に巻かれた部分が、多角形状の内周面を有する第一接続部１２０として形成される。同様に、スタブシャフト４の多角形状の接続部１０に巻かれた部分が、多角形状の内周面を有する第二接続部１３０として形成される。

　「硬化工程」
　巻付工程の後、硬化工程では、適宜に加熱処理を行い、管体２の含浸樹脂を硬化させる。

　「外的エネルギー付与工程」
　硬化工程の後、外的エネルギー付与工程では、砂型２０に外的エネルギーを付与して砂型２０を分解させる。例えば、砂型２０への外的エネルギーの付与として、管体２を振動させる。これにより、振動が砂型２０に伝わり、砂型２０が崩れて分解する。

　「引抜工程」
　外的エネルギー付与工程の後、引抜工程では、図６に示すように、マンドレル３０を砂型２０およびスタブヨーク３から前方に引き抜く。これにより、スタブヨーク３の通し孔８が開いた状態となる。

　「排出工程」
　引抜工程の後、排出工程では、図７に示すように、マンドレル３０を引き抜くことで開いた通し孔８から分解した砂型を外部に排出する。例えば、管体２内にエアを噴射し、分解した砂型を通し孔８から排出する。

　以上のように、繊維強化プラスチック製の管体２と、管体２の端部に接続し、軸線Ｏ１方向に貫通する通し孔８が形成された連結部材（スタブヨーク３）と、を備える動力伝達軸１に関して、前記した接続工程と巻付工程と硬化工程と外的エネルギー付与工程と引抜工程と排出工程とを備える製造方法とすれば、次のような効果が奏される。繊維強化プラスチックを金型に巻き付けて管体２を製造する方法においては、管体２の中央部が大径に形成された場合等、管体２の形状によっては、金型を管体２から取り出すことが困難となる。金型を取り出し可能な中子構造や可変構造にすると、金型の構造が複雑になりやすい。

　これに対し、本発明によれば、外的エネルギーの付与で分解または溶解する型（砂型２０）を用いることにより、管体２を形状の制約をさほど受けることなく形成でき、マンドレル３０を引き抜くことで開いた通し孔８を利用し、砂型２０を容易に排出できる。また、繊維強化プラスチックを砂型２０と連結部材（スタブヨーク３、スタブシャフト４）とに巻き付けて管体２を形成することで、管体２と連結部材（スタブヨーク３、スタブシャフト４）とを容易に接続させることができる。

　また、スタブヨーク３の接続部７とスタブシャフト４の接続部１０の各外周面を多角形状に形成したことにより、管体２の第一接続部１２０、第二接続部１３０の各内周面も多角形状に形成される。つまり、管体２とスタブヨーク３、スタブシャフト４とが多角形状部同士で係合するので、両者間の回転の動力伝達性能が向上する。

　第一実施形態では、砂型２０が、中央部から両端部に向かうに連れて外径が縮径する型本体部２１を備えることにより、曲げ応力が集中し易い管体２の本体部１１０に樽形状部が形成され、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。

　また、フィラメントワインディング工法により繊維強化プラスチックを砂型２０およびスタブヨーク３、スタブシャフト４に巻き付ける方法とすれば、動力伝達軸１の製造コストを抑えることができる。

　［第二実施形態］
　第二実施形態の動力伝達軸の製造方法も、第一実施形態と同様に、外的エネルギーの付与で分解または溶解する型が形成されたマンドレル３０にスタブヨーク３およびスタブシャフト４を接続する接続工程と、繊維強化プラスチックを型およびスタブヨーク３、スタブシャフト４に巻き付けて管体２を形成する巻付工程と、管体２を硬化する硬化工程と、型に外的エネルギーを付与して、型を分解または溶解する外的エネルギー付与工程と、マンドレル３０を砂型２０およびスタブヨーク３の通し孔８から引き抜く引抜工程と、マンドレル３０を引き抜くことで開いたスタブヨーク３の通し孔８から、分解または溶解した型を排出する排出工程と、を備えている。第一実施形態がフィラメントワインディング工法を用いたのに対し、第二実施形態の動力伝達軸６１の製造方法では、シートワインディング工法で管体２を形成することを特徴とする。

　シートワインディング工法は、例えば、図１０に示すように、回転装置４８Ａ，４８Ｂで回転させる砂型２０に対し、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５０、例えば複数の圧着ローラ５１～５３を利用して巻き付けていく。フィラメントワインディング工法のヘリカル巻きでは強化繊維を軸線Ｏ１方向に沿わせて巻くことが困難であるが、シートワインディング工法によれば、プリプレグ５０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でき、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。

　［第三実施形態］
　第三実施形態の動力伝達軸の製造方法も、第一実施形態と同様に、外的エネルギーの付与で分解または溶解する型が形成されたマンドレル３０にスタブヨーク３およびスタブシャフト４を接続する接続工程と、繊維強化プラスチックを型およびスタブヨーク３、スタブシャフト４に巻き付けて管体２を形成する巻付工程と、管体２を硬化する硬化工程と、型に外的エネルギーを付与して、型を分解または溶解する外的エネルギー付与工程と、マンドレル３０を砂型２０およびスタブヨーク３の通し孔８から引き抜く引抜工程と、マンドレル３０を引き抜くことで開いたスタブヨーク３の通し孔８から、分解または溶解した型を排出する排出工程と、を備えている。第一実施形態では、砂型２０が、中央部から両端部に向かうに連れて外径が縮径する型本体部２１を備えていたのに対し、第三実施形態の動力伝達軸７１の製造方法では、図１１に示すように、砂型２０が、一端部から他端部まで外径が均一に形成された型本体部２３を備えることを特徴とする。

　型本体部２３の外面に強化繊維プラスチックを巻き付けることにより、管体２には、一端部から他端部まで外径が均一の本体部２１０が形成される。管体２の本体部２１０の外径を均一にすることにより、管体２の形状を簡素化でき、成型コストの低減を図れる。

　［第四実施形態］
　第四実施形態の動力伝達軸の製造方法も、第一実施形態と同様に、外的エネルギーの付与で分解または溶解する型が形成されたマンドレル３０にスタブヨーク３およびスタブシャフト４を接続する接続工程と、繊維強化プラスチックを型およびスタブヨーク３、スタブシャフト４に巻き付けて管体２を形成する巻付工程と、管体２を硬化する硬化工程と、型に外的エネルギーを付与して、型を分解または溶解する外的エネルギー付与工程と、マンドレル３０を砂型２０およびスタブヨーク３の通し孔８から引き抜く引抜工程と、マンドレル３０を引き抜くことで開いたスタブヨーク３の通し孔８から、分解または溶解した型を排出する排出工程と、を備えている。第一実施形態では、砂型２０が、中央部から両端部に向かうに連れて外径が縮径する型本体部２１を備えていたのに対し、第四実施形態の動力伝達軸８１の製造方法では、図１２に示すように、砂型２０が、中央部から他端部まで外径が均一に形成され、中央部から一端部に向かうに連れて外径が縮径し、外周面が軸線Ｏ１方向に曲線状に形成された型本体部２４を備えることを特徴とする。

　型本体部２４の外面に強化繊維プラスチックを巻き付けることにより、管体２には、中央部から他端部まで外径が均一に形成され、中央部から一端部に向かうに連れて外径が縮径し、外周面が軸線Ｏ１方向に曲線状に形成された本体部３１０が形成される。このような本体部３１０を形成すれば、管体２の形状の簡素化と強度の向上との両立を図れる。

　なお、各実施形態において、繊維強化プラスチックの含浸樹脂として熱硬化性樹脂を用いた例を挙げたが、本発明では熱可塑性樹脂を用いてもよい。熱可塑性樹脂を用いる場合には、硬化工程で行う加熱処理に替えて、熱可塑性樹脂を硬化させる冷却処理を行えばよい。

　また、外的エネルギーの付与で分解または溶解する型としては、砂型２０に限定されることはなく、熱や振動等の外的エネルギーによって分解または溶解し、通し孔８からの排出が可能なものであれば他の型であってもよい。例えば、熱や振動で溶融する樹脂で成型された型などが考えられる。

　１，６１，７１，８１　動力伝達軸
　２　　管体
　３　　スタブヨーク（連結部材）
　４　　スタブシャフト（連結部材）
　８　　通し孔
２０　　砂型
２１，２３，２４　型本体部
３０　　マンドレル

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し、前記管体の軸線方向に貫通する通し孔が形成された連結部材と、を備える動力伝達軸の製造方法であって、
   　外的エネルギーの付与で分解または溶解する型が形成されたマンドレルに前記連結部材を接続する接続工程と、
   　前記接続工程の後に、繊維強化プラスチックを前記型および前記連結部材に巻き付けて前記管体を形成する巻付工程と、
   　前記巻付工程の後に、前記管体を硬化する硬化工程と、
   　前記硬化工程の後に、前記型に前記外的エネルギーを付与して、前記型を分解または溶解する外的エネルギー付与工程と、
   　前記外的エネルギー付与工程の後に、前記マンドレルを前記型および前記連結部材の通し孔から引き抜く引抜工程と、
   　前記引抜工程の後に、前記マンドレルを引き抜くことで開いた前記連結部材の通し孔から、分解または溶解した型を排出する排出工程と、
   　を備えることを特徴とする動力伝達軸の製造方法。
2. 　前記連結部材の前記管体との接続部は、外周面が多角形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の製造方法。
3. 　前記型は、中央部から両端部に向かうに連れて外径が縮径し、外周面が軸線方向に円弧状に形成された型本体部を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の動力伝達軸の製造方法。
4. 　前記型は、一端部から他端部まで外径が均一に形成された型本体部を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の動力伝達軸の製造方法。
5. 　前記型は、中央部から他端部まで外径が均一に形成され、前記中央部から一端部に向かうに連れて外径が縮径し、外周面が軸線方向に曲線状に形成された型本体部を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の動力伝達軸の製造方法。
6. 　前記巻付工程において、フィラメントワインディング工法により繊維強化プラスチックを前記砂型および前記連結部材に巻き付けることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の動力伝達軸の製造方法。

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