WO2020174701A1

WO2020174701A1 - 動力伝達軸に用いられる管体及び動力伝達軸

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Publication number: WO2020174701A1
Application number: PCT/JP2019/010061
Authority: WO
Inventors: 貴博中山; 一希大田; 森　健一
Original assignee: 株式会社ショーワ
Priority date: 2019-02-27
Filing date: 2019-03-12
Publication date: 2020-09-03
Also published as: US11885375B2; US20210190132A1; CN112638690A; JP6600434B1; JP2020138592A

Abstract

繊維強化プラスチック製の動力伝達軸（１）に用いられる管体（２）である。管体（２）は、筒状の本体部（１０）と、本体部（１０）の端部に連続し、スタブシャフト（４）が接合される第二接続部（３０）と、を備えている。本体部（１０）には、軸線（Ｏ１）方向に入力された荷重が所定値を超えると破損する脆弱部（５０）が形成されている。脆弱部（５０）の外周面（１５）には線状の破断部（５１）が形成されている。この構成では、管体（２）の低コスト化及び軽量化を図れるとともに、管体（２）に対して軸線方向に所定の荷重が入力したときに管体（２）が確実に破損する。

Description

動力伝達軸に用いられる管体及び動力伝達軸

　本発明は、動力伝達軸に用いられる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とで、傾斜部が破損する。これにより、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とともに、接続部が大径になるため、製造コスト及び重量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、低コスト化及び軽量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、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に用いられる管体であって、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、連結部材が接合される接続部と、を備えている。前記本体部には、軸線方向に入力された荷重が所定値を超えると破損する脆弱部が形成されており、前記脆弱部の外周面には、線状の破断部が形成されている。

　前記課題を解決するため、第二の発明は、動力伝達軸であって、前記した動力伝達軸に用いられる管体と、前記接続部に接合された前記連結部材と、を備えている。

　本発明の動力伝達軸に用いられる管体を備えている動力伝達軸では、軸線方向に荷重が入力され、その荷重が所定値を超えると、脆弱部が破損して、本体部の一部が押し潰される。
　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くなり、接続部の成形が容易になるとともに、脆弱部の外周面に線状の破断部を加工し易い。また、本体部を大きくしたり、本体部に他の部材を設けたりすることなく、脆弱部を形成できる。
　したがって、本発明の動力伝達軸では、低コスト化及び軽量化を図れる。また、本発明の動力伝達軸では、線状の破断部の形状を調整することで、脆弱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脆弱部を示した側面図である。第一実施形態の動力伝達軸において、脆弱部が破損した状態を示した側面図である。第二実施形態の動力伝達軸の脆弱部を示した側面図である。第三実施形態の動力伝達軸の脆弱部を示した側面図である。第四実施形態の動力伝達軸を示した側面図である。

　続いて、各実施形態の管体及び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、軸線Ｏ１を中心軸とする筒状の本体部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、本体部１０に脆弱部５０が形成されている。

　軸線Ｏ１を法線とする平面で本体部１０を切った場合には、本体部１０の外周面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１５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１５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１５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内には、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。

　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。第二接続部３０の内周面は、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。

　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。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。

　本体部１０の後部１２には、図２に示すように、脆弱部５０が形成されている。
　第一実施形態の脆弱部５０には、本体部１０の外周面１５を切り込んだ線状の破断部５１が形成されている。破断部５１は、本体部１０の軸線Ｏ１方向（前後方向）に直線状に延びている切り込み線である。
　また、線状の破断部５１は、本体部１０の周壁部を貫通しておらず、各破断部５１から本体部１０内に水や埃が入り込まないように構成されている。

　第一実施形態の脆弱部５０には、破断部５１が外周面１５の周方向に間隔を空けて複数形成されている。
　このように、本体部１０に複数の破断部５１を形成することで、本体部１０の他の部位よりも強度が低下した脆弱部５０が形成されている。

　なお、本発明においては、破断部５１の数は限定されるものではなく、例えば、脆弱部５０の外周面１５に一本の破断部５１のみを形成してもよい。
　また、線状の破断部５１の長さや太さは限定されるものではない。また、線状の破断部５１を軸線Ｏ１方向に対して湾曲や屈曲させてもよい。さらに、複数の破断部５１を軸線Ｏ１方向に並べてもよい。

　以上のような第一実施形態の管体２を備えている動力伝達軸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方向に入力された衝突荷重が所定値を超えると、図３に示すように、各破断部５１が周方向に切り開かれて破損する。これにより、本体部１０の脆弱部５０（後部１２）が径方向に膨らんで押し潰される。よって、車両衝突時に動力伝達軸１が破損することで、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、第一実施形態の管体２及び動力伝達軸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３との接合力を精度良く設定する必要がなくなり、第二接続部３０の成形が容易になるとともに、脆弱部５０の外周面１５に線状の破断部５１を加工し易い。また、本体部１０を大きくしたり、本体部１０に他の部材を設けたりすることなく、脆弱部５０を形成できる。
　したがって、第一実施形態の管体２及び動力伝達軸１では、低コスト化及び軽量化を図れる。また、第一実施形態の管体２及び動力伝達軸１では、線状の破断部５１の形状を調整することで、脆弱部５０が破損する荷重値を設定できる。

　また、管体２及び動力伝達軸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、管体２及び動力伝達軸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管体１０２を備えている動力伝達軸１０１について説明する。
　第二実施形態の動力伝達軸１０１は、図４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３（図１参照）と、管体１０２の後端に接合されたスタブシャフト４と、を備えている。
　第二実施形態の管体１０２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（図１参照）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、本体部１０には脆弱部１５０が形成されている。

　第二実施形態の脆弱部１５０に形成された線状の破断部１５１は、本体部１０の外周面１５を窪ませた溝である。破断部１５１は、本体部１０の軸線Ｏ１方向（前後方向）に直線状に延びている。
　なお、第二実施形態の破断部１５１を、軸線Ｏ１を法線とする平面で切った場合には、破断部１５１の断面形状は四角形となっているが、本発明において、破断部１５１の断面形状は限定されるものではなく、例えば、半円形状や三角形状に形成してもよい。

　第二実施形態の脆弱部１５０には、複数の破断部１５１が外周面１５の周方向に間隔を空けて形成されている。
　なお、第一実施形態の動力伝達軸１（図２参照）と同様に、第二実施形態の破断部１５１の数、長さ、太さ、形状及び配置は限定されるものではない。

　以上のような第二実施形態の管体１０２を用いた動力伝達軸１０１では、車両が前方から衝突され、軸線Ｏ１方向に入力された衝突荷重が所定値を超えると、各破断部１５１が周方向に開いて破損し、本体部１０の脆弱部１５０が押し潰される。よって、車両衝突時に動力伝達軸１０１が破損することで、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、第二実施形態の管体１０２及び動力伝達軸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３０及び本体部１０の成形が容易になるとともに、脆弱部１５０の外周面１５に線状の破断部１５１を形成している。したがって、第二実施形態の管体１０２及び動力伝達軸１０１では、低コスト化及び軽量化を図れる。また、第二実施形態の管体１０２及び動力伝達軸１０１では、線状の破断部１５１の形状を調整することで、脆弱部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管体２０２を備えている動力伝達軸２０１について説明する。
　第三実施形態の動力伝達軸２０１は、図５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（図１参照）と、管体２０２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１０と、本体部１０の前側に配置された第一接続部２０（図１参照）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、本体部１０には脆弱部２５０が形成されている。

　第三実施形態の脆弱部２５０に形成された線状の破断部２５１は、本体部１０の周方向に螺旋状に形成した切り込み線である。第三実施形態の破断部２５１は、軸線Ｏ１を中心軸として螺旋状に回転している。
　なお、第三実施形態の破断部２５１は、連続した一本の螺旋状の線であるが、本発明においては、破断部２５１を一定の間隔で隙間を空けた破線によって形成してもよい。また、破断部２５１を螺旋状の溝によって形成してもよい。

　以上のような第三実施形態の管体２０２を備えている動力伝達軸２０１では、車両が前方から衝突され、軸線Ｏ１方向に入力された衝突荷重が所定値を超えると、破断部２５１が切り開かれて破損し、本体部１０の脆弱部２５０が押し潰される。よって、車両衝突時に動力伝達軸２０１が破損することで、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、第三実施形態の管体２０２及び動力伝達軸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３０及び本体部１０の成形が容易になるとともに、脆弱部２５０の外周面１５に線状の破断部２５１を形成している。したがって、第三実施形態の管体２０２及び動力伝達軸２０１では、低コスト化及び軽量化を図れる。
　また、第三実施形態の管体２０２及び動力伝達軸２０１では、脆弱部２５０の形状を調整することで、脆弱部２５０が破損する荷重値を設定できる。なお、螺旋状の破断部２５１の回転方向は限定されるものではない。

［第四実施形態］
　次に、本発明の第四実施形態に係る管体３０２を備えている動力伝達軸３０１について説明する。
　第四実施形態の動力伝達軸３０１は、図６に示すように、管体３０２と、管体３０２の前端に接合されたスタブヨーク３（図１参照）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と、を備えている。また、本体部３１０には脆弱部３５０が形成されている。

　第四実施形態の本体部３１０の外径は、前端部から後端部まで均一である。つまり、第四実施形態の本体部３１０の外形は、ストレートな円筒体となっている。

　なお、第四実施形態の本体部３１０の外径は、前端部から後端部まで均一であるが、本発明においては、本体部３１０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。

　第四実施形態の脆弱部３５０に形成された線状の破断部３５１は、本体部３１０の後部３１２の外周面３１５を切り込んだ切り込み線である。第四実施形態では、複数の破断部３５１が脆弱部３５０の外周面３１５の周方向に間隔を空けて形成されている。
　なお、第一実施形態の動力伝達軸１（図２参照）と同様に、第四実施形態の破断部３５１の数、長さ、太さ、形状及び配置は限定されるものではない。

　以上のような第四実施形態の管体３０２を備えている動力伝達軸３０１では、車両が前方から衝突され、軸線Ｏ１方向に入力された衝突荷重が所定値を超えると、各破断部３５１が周方向に開いて破損し、本体部３１０の脆弱部３５０が押し潰される。よって、車両衝突時に動力伝達軸３０１が破損することで、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、第四実施形態の管体３０２及び動力伝達軸３０１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３０及び本体部３１０の成形が容易になるとともに、脆弱部３５０の外周面３１５に線状の破断部３５１を形成している。したがって、第四実施形態の管体３０２及び動力伝達軸３０１では、低コスト化及び軽量化を図れる。また、第四実施形態の管体３０２及び動力伝達軸３０１では、線状の破断部３５１の形状を調整することで、脆弱部３５０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では、本体部の後部に脆弱部を形成しているが、本体部の前部又は中間部に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
　３　　　スタブヨーク
　４　　　スタブシャフト
　１０，３１０　　本体部
　１２，３１２　　後部
　１５，３１５　　外周面
　２０　　第一接続部
　３０　　第二接続部
　４０　　傾斜部
　５０，１５０，２５０，３５０　　脆弱部
　５１，１５１，２５１，３５１　　破断部
　Ｏ１　　軸線

Claims

　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に用いられる管体であって、
　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、連結部材が接合される接続部と、を備え、
　前記本体部には、軸線方向に入力された荷重が所定値を超えると破損する脆弱部が形成されており、
　前記脆弱部の外周面には、線状の破断部が形成されていることを特徴とする動力伝達軸に用いられる管体。
　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に記載の動力伝達軸に用いられる管体。
　前記破断部は、前記本体部の軸方向に延びている切り込み線又は溝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に用いられる管体。
　前記破断部は、前記本体部の周方向に間隔を空けて複数形成されていることを特徴とする請求項３に記載の動力伝達軸に用いられる管体。
　前記破断部は、前記本体部の周方向に螺旋状に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の動力伝達軸。
　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５のいずれか一項に記載の動力伝達軸に用いられる管体。
　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５のいずれか一項に記載の動力伝達軸に用いられる管体。
　請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の動力伝達軸に用いられる管体と、
　前記接続部に接合された前記連結部材と、を備えていることを特徴とする動力伝達軸。