JPS62113909A - 円筒部材に捩りに対する抗力を増大させる方法と同じ方法で構成された円筒部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はトルク作用を受ける伝達軸のような円筒部材を
補強する方法に関する。また本発明は捩り強さの増大さ
れた、前述の方法で構成され得る円筒部材にも関する。

〔従来技術と問題点〕

従来の代表的な伝達軸は金属管（９通は鋼材）のような
中空円筒部材や中実円筒部材で構成され、使用状態では
トルク作用を受ける。円筒部材を構成している材料の特
性とトルクの大きさとに依存して、該部材は捩れ角度の
大小に応した回転変位を受ける。

円筒部材に作用する最大トルクの作用下における最大捩
れ角度を仮定して伝達軸に剪断応力に対する抵抗力を付
与するためには、前記部材の板厚と直径とは十分大きく
なければならない。従って、前記円筒部材が最高トルク
の大きな電動機に連結される場合、該部材は重くて扱い
にくいものである。更には、伝達軸の重量はもっと大き
いので、振動が起こらないようにするために、軸の動的
平衡を精度よくとることに更に注力することが必要とな
る。このために更に中間に軸受を配設する必要のあるこ
とが分かる。

上記の如き理由により、伝達軸の捩り強さと伝達可能ト
ルクとを減少させることなく、その重量を最小にするこ
とが望ましい目標である。

本発明はその直径や重量及び捩れ角度を制限した上で、
トルク作用を受ける伝達軸のような円筒部材を補強する
方法を提起することにより上記目標を成し遂げることを
主目的とする。

ｙ′上下余白 ｃ問題点を解決するための手段と作用〕本発明の方法に
よれば、小断面の複合帯が予め設定された張力下で前述
の円筒部材につる巻状に揚湯げられて、予め定めた方向
に円筒部材を完全に囲繞する第１つる巻状巻揚帯を形成
する。それから第２巻揚帯が反対方向に第１巻揚帯を横
切って対称に形成され、それから揚湯の方向は再び逆に
されて第１巻揚帯と平行な方向の第３巻揚帯が得られる
。このようにして作業を続けるのである。

この作業は円筒部材の全表面が一方向の巻揚帯金てによ
って被覆されるまで続行される。この一方向の巻揚帯の
数は反対方向の巻揚帯の数と同一である。一方向に形成
された巻揚帯は他方向に形成された巻揚帯により作用さ
れるトルクと同じ大きさで逆方向の低トルクを円筒部材
に作用させるよう細長帯に張力がかけられる。これらの
トルクの合計は少なくとも円筒部材に作用させられる最
大トルクと等しくし、そのトルクと反対の方向に作用し
ている巻揚帯が決争て圧縮状態にならないよう、また細
長帯の許容応力を超えないようにしている。

従って一方向に形成した巻揚帯によって作用するトルク
は反対方向に形成した巻揚帯により作用するトルクと平
衡し、これにより円筒部材には捩れが生じない。

トルクが円筒部材に作用させられた時、このトルクと同
じ方向に揚湯された巻揚帯において、該トルクによって
発生する引張応力により円筒部材が捩られるのを防ぎ、
一方、反対方向に形成された巻揚帯においては、このト
ルクは張力を減少させ、両者間の相違が作用させられた
トルクに対応する。

これにより達成させられる効果は前記円筒部材の捩れ角
度を押えることである。こうして円筒部材の直径や管状
部材の場合の！ＩＪｉ厚を減少させることができて、重
量が軽くなる。

本発明の好ましい実施例においては、細長帯が円筒部材
に揚湯げられる角度は一方向の揚湯から反対方向の揚湯
に変わる時に逆になり、一方向の巻揚帯と他方向の巻揚
帯とが円筒部材の母線に関して対称となるよう保証して
いる。

更には、細長帯の揚場中に該細長帯にかけた張力によっ
て、折返された各細長帯は円筒部材に各一連の折返し毎
に増加する円周方向応力と長手方向応力とを生じさせる
。′一方、揚湯によって生ずる捩れ応力は一定であり、
春陽作業が止められると同数の反対方向の巻揚帯との間
で平衡に達するので捩れ応力は零となる。これらの応力
の総合結果は円筒部材に捩れ応力を発生させることのな
い円周方向圧縮と軸方向圧縮とのちととなる。これらの
圧縮応力は、最大設計トルクよりも小さなトルクが作用
されたときに一方向の巻揚帯に生ずる張力の増加は反対
方向の巻揚帯に同じ量の張力減少が生じて打ち消し合う
ので変化しない。

好ましくは細長帯が円筒部材に揚湯げられる角度は該円
筒の軸線に関して＋４５°又は−４５°である。この角
度は円筒部材が捩り応力だけの作用下にある場合には最
適値である。然しなから、円筒部材が捩れ応力に加えて
曲げ応力や内圧を受ける場合には、前記角度は４５°よ
り小さいか又は大きい。

本発明の他の側面によると、本発明の方法によって構成
されトルクの作用を受ける伝達軸と同じ様な円筒部材は
樹脂に埋め込まれて細長帯の方向に延長している連続繊
維から成る細長帯の揚湯によって補強されている。例と
しては、ここで考えている細長帯はフランス国特許第２
．５１６，４４１号に記載した方法に従って製造される
。このタイプの細長帯は大きな可撓性、小さな比重養、
大きな破壊強さ、そして高い弾性率を有しており、この
結果この細長帯は特に本発明の適用に適している。

〔実施例〕

以下、本発明を添付図面に示す実施例に基づいて更に詳
細に説明する第１図は本発明に係る方法を図示しており
、金属の管状部材であってトルク作用を受ける円筒部材
ｌを補強している。例えば、この円筒部材１は自動車両
用の伝達軸となり得る。

この方法によると、細長帯２は予め設定された張力下で
予め定めた方向Ｆ１に前記円筒部材１の周囲を完全に巻
回して第１のつる巻状揚場２ａを形成する。それから第
２の春陽２ｂは対向した方向Ｆ２方向に形成されて、第
１つる巻状揚場を横切っている。それから巻揚方向は逆
にされて春陽２Ｃを得る。この春陽２Ｃは第１揚場２ａ
と併設関係にあるか、或いは細長帯の全数に等しい間隔
だけ該第１揚場２ａから離間されている。再び巻揚方向
を逆にして春陽２ｄを得る。この春陽２ｄは第２巻揚帯
２ｂと併設関係にあるか、或いは細長帯の全数に等しい
間隔だけ該第２＠揚帯２ｂから離間されている。こうし
て、この操作は円筒部材の全表面が方向Ｆ、の多数の巻
揚帯によって被覆されるまで続けられ、また対向方向Ｆ
２の春陽も方向Ｆ、の春陽の数と同じ数になるまで続け
られる。

前述の春陽げ操作を遂行するために、円筒部材１はその
軸線ｘ−ｘ　’を中心として回転させられ、そして細長
帯２は第１図に矢印Ｆで図示されている様に、円筒部材
１の軸線に平行な方向にそれ自体知られている手段を利
用して横方向に移動させられる。

細長帯２に作用させられる張力は、矢印Ｆ１の方向に形
成された春陽２ａ、２ｃが円筒部材１にトルクを作用さ
せ、このトルクは他の方向Ｆ２に形成された春陽２ｂ、
２ｄにより作用させられるトルクと同じ大きさでしかも
方向が反対となるようにし、そして両トルクの合計が少
なくとも円筒部材１に作用する最大設計トルクと等しく
なるように計算される。

この条件を満足させるためには、与えられた方向、例え
ばＦ、方向の巻揚帯の数は反対方向、例えばＦ２方向の
巻揚帯の数と全（同一でなければならない。明らかに円
筒部材１はその許容応力を超えることなく、細長帯２が
張力を受けて春陽げられることによる円周方向と長手方
向の圧縮応力に対する抗力を有する保証が必要である。

同様に、細長帯２に作用させられた張力はその帯の最大
許容応力よりも小さくなくてはならない。これはその細
長帯２が許容応力値を超えることなく、円筒部材１に最
大トルクが作用した場合に加わる引張応力を受容するこ
とができな（てはならないからである。

第１図から明らかなように、細長帯が円筒部材１に春陽
げられている角度ａは方向Ｆ、の春陽２ａ、２ｃが反対
方向Ｆ２の春陽２ｂ、２ｄに変わると逆になり、これに
より一方向の細長帯の春陽は反対方向の春陽を横切り、
しかも円筒部材の１１：線に関し対称であることを保証
している。第１図と第２図とに図示された例において、
細長帯２が円筒部材１に春陽げられている角度ａは＋４
５゜又は−４５°に等しく、この角度は本発明に係る応
用範囲内で最適値と考えられる。細長帯の特性、巻揚帯
の層数、及び巻揚帯の全ＩＩは円筒部材ｌに作用するト
ルクの関数として設定される。これらの値は細長帯の既
知の機械的物性値、特にその弾性限度及び円筒部材の弾
性限度とから容易に計算可能である。

お分かりのように、細長帯の春陽は少なくとも円筒部材
ｌの端部に固定される。この取付けは細長帯２を形成し
ている材料の性質に従って、機械的取付け、溶接、又は
接着によって実行することができる。前記細長帯２は好
ましくは連続した繊維から作られる。例として、ポリア
ミド樹脂のような熱可塑性樹脂に埋め込まれたガラス繊
維、炭素繊維、アラミツド繊維等がある。前記細長帯は
、好ましくは前に引用したフランス国特許第２．５１６
，４４１号内に記載された方法に従ってつくられる。円
筒部材１の端面、又は円筒部材１の全表面への繊維−樹
脂復合細長帯の取付けは熱可塑性溶接、即ち、複合細長
帯を円筒部材１に巻き付けながら熱して十分な温度に上
げ、細長帯表面を溶融させて円筒部材１に融着させる方
法によって容易に実行される。この場合には、円筒部材
１は予め同じ熱可塑性樹脂を加熱状態で被覆しておく。

この技術はフランス国特許第２，４９１，０４４号に記
載されている。

次に第２図を参照して、本発明に係る方法とこの方法に
より得られる補強された円筒部材の技術的効果と利点と
について説明しよう。本図の展開平面図によると、鋼管
１は直径りを有して、円周はπＤに等しい。細長帯２の
連続した巻揚は、例えば奇数層２′（第２図に破線で図
示）の場合には＋４５”の角度で描かれており、また偶
数層２　（第２図に実線で図示）の場合では一４５°で
描かれている。

細長帯２及び７は結果の発生引張応力Ｔが該細長帯の最
大許容応力Ｓの２７３（即ち、Ｔ＝２３／３）となる引
張応力下で円筒管１に巻揚げられていることが分かるで
あろう。巻揚帯の厚さはトルクＭｔに対して抗力を有し
て応力がＳとなるように計算される。管１にトルクＭＬ
が作用すると、細長帯２にはＴ／２に等しい付加応力が
発生し、細長帯ＺにはＴ／２に等しい減少応力が発生す
る。

それ故に巻揚帯２と２間の応力の相違は３Ｔ／２−Ｔ／
２＝Ｔである。作用させたトルクに対抗して釣合う大き
さＭｔのトルクに対応するものである。従って巻揚帯２
の応力は２　Ｓ／３　Ｘ　３／２　＝Ｓであり、細長帯
の許容応力である。

第２図において分かるように、各巻揚帯に発生する応力
Ｔの長手方向成分と円周方向成分、即ちｓｌ／２とｓｃ
／２とはｓｌに等しい長手方向圧縮とｓｃに等しい半径
方向圧縮を両方向に発生させる。円筒部材中のこれらの
応力によって材料力学の従来の解析手法に基づいて円筒
部材の寸法を決定できる。更には、対をなして互いに釣
合っている小断面巻揚帯を連続して多数使用しているた
め捩りを起こす初期応力が得られることから、捩り抵抗
力の小さな、それ故に軽量構造の円筒部材を使用するこ
とが可能となる。

もし巻揚帯が張力なしで巻揚げされたならば、トルクＭ
ｔの作用下において巻揚帯の１つに発生する応力はＴに
等しいであろう。この場合には、本発明に係る張力下で
巻揚げされた巻揚帯の場合に得られる角度の２倍の捩れ
角度を生じ、反対方向の巻揚帯は圧縮状態となり、繊維
がたわみ変形や座屈を起こす危険が伴なう。

従って、本発明による方法を用いると、管１の涙れ角度
を張力なしで巻揚げた場合の捩れ角度の半分だけ減少さ
せることが可能となる。こうして作用させたトルクが複
合巻揚帯の異なる牽引力と、半分の値の捩れ角度に基づ
く減少した捩り応力を伴った円筒支持部材の長手方向と
円周方向の圧縮力と、円筒部材の捩り係数の値と比較し
て高い複合巻揚帯の引張係数とによって吸収されるので
、本発明により補強された円筒部材は金属や複合材料か
ら成る従来の軸とは全く異なった様相となる。

伝達軸の捩れ角度を小さくすることができると、荷物を
扱うロボットのようなある応用分野において大変重要な
利点を提供することとなる。更には本発明は与えられた
最大トルクに対し−て、伝達軸の直径と特に重量とを小
さくすることを可能にさせる。以下に数値例を示す。４
００ｍＮのトルクを作用させる場合、８００ＭＰａの破
壊強さを有し、外径が２９酊、内径が２３ｍＩＩ、即ち
厚さが３鶴で長さ１メートル当り１９２３　ｇの重さの
鋼管を使用する必要がある。これに対し、本発明方式に
よれば、同じ強さを有し、外径２７１１ｍ、内径２５龍
、即ち厚さ１龍の鋼管に、厚さがｌ、　５　ｕ＋に等し
く、ポリアミド樹脂に埋め込まれたケブラー（登録商標
）繊維の細長帯によって形成された巻揚帯を被覆し、管
と巻揚帯の合計重量が長さ１メートル当り８３０ｇであ
る管によって同じ４００ｍＮのトルクが伝達可能である
。

〔発明の効果〕

伝達軸の重量や直径を小さくすることが可能であるため
、このタイプの伝達軸を装備した比較的軽量の車両や装
置の生産を可能にして性能を上昇させるのみならず、高
速で回転する大きな直径の伝達軸の動的平衡を完全にと
る必要性からくる困難さを減少させることができ、この
ため１個又は複数の中間軸受が除去可能となることがあ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は伝達軸を構成している円筒部材を図示し、本発
明による方法の実際上の適用を示した断片平面図、第２
図は左側に零トルクで平衡した応力を、右側にトルクの
作用した応力状態を図示した円筒部材の展開平面図。 １・・・円筒部材、　　　　　２・・・細長帯、Ｆｌ・
・・細長帯の１つの春陽方向、 Ｆ２・・・細長帯の他の巻揚方向。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、伝達軸のような円筒部材（１）に捩り応力に対する
   抗力を与える方法であって、複合細長帯（２）が所定の
   張力下で前記円筒部材（１）につる巻状に巻揚げられ、
   所定の方向（Ｆ＿１）に該円筒部材を完全に囲繞する第
   １つる巻状巻揚帯（２ａ）を巻揚げ、それから該第１巻
   揚帯を横切って対称となるよう、第２巻揚帯（２ｂ）が
   対向方向（Ｆ＿２）に巻揚げられ、次に第１巻揚帯（２
   ａ）と平行な巻揚帯（２ｃ）を得るよう巻揚方向が逆に
   され、それから、第２巻揚帯（２ｂ）と平行な巻揚帯（
   ２ｄ）を得るよう巻揚方向は再び逆にされ、こうしてこ
   の操作は円筒部材の全表面が一方向（Ｆ＿１）の巻揚帯
   の数と対向方向（Ｆ＿２）の巻揚帯の数とが等しく織り
   交ぜられた２層によって覆われるまで続行され、細長帯
   （２）に張力を作用させて一方向（Ｆ＿１）に巻揚げら
   れる巻揚帯は円筒部材（１）に他方向（Ｆ＿２）に巻揚
   げられる巻揚帯によって作用させられるトルクと大きさ
   が等しく反対方向のトルクを作用させ、外部からかけら
   れたトルクと反対方向に巻揚げられた巻揚帯は決して圧
   縮状態にならず、そして円筒部材は細長帯の巻揚げが全
   て完了したとき捩れが零の状態となり、層の数は、全て
   の前記巻揚帯によって誘起されるトルクが張力の作用す
   る複合細長帯の許容応力や圧縮力の作用する基礎円筒体
   の許容応力を超えることなく、少なくとも円筒部材に作
   用させられる最大トルクに等しくなるよう決定される円
   筒部材に捩り応力に対する抗力を与える方法。 ２、前記細長帯（２）が前記円筒部材（１）に巻揚げら
   れる角度（ａ）が一方向（Ｆ＿１）の巻揚帯（２ａ、２
   ｃ）から対向方向（Ｆ＿２）の巻揚帯（２ｂ、２ｄ）へ
   転換する毎に逆にされ、一方向の巻揚帯が円筒部材（１
   ）の母線に関して対称に対向方向の巻揚帯を横断するこ
   とを保証して成る特許請求の範囲第１項に記載の方法。 ３、前記細長帯（２）が円筒部材に巻揚げられる角度（
   ａ）が管部材の軸線に関して＋４５°か−４５°に等し
   い特許請求の範囲第２項に記載の方法。 ４、巻揚げる場合に前記細長帯に作用させられる張力は
   円筒部材（１）に最大トルクを作用させるときに発生す
   る引張応力を前記細長帯（２）が許容応力を超えること
   なく受け入れ得ることを保証するよう計算される特許請
   求の範囲第１項に記載の方法。 ５、前記各巻揚の細長帯（２）が少なくとも円筒部材（
   １）の端部に取付けられる特許請求の範囲第１項に記載
   の方法。 ６、前記複合補強細長帯が熱可塑性樹脂の母材中に埋め
   込まれて平行にかつ連続した繊維から成る特許請求の範
   囲第１項に記載の方法。 ７、前記細長帯を張力をかけて巻揚げながら熱シール手
   段によって円筒部材に取付ける特許請求の範囲第１項に
   記載の方法。 ８、複合細長帯（２）が所定の張力下で円筒部材（１）
   につる巻状に巻揚げられ、所定の方向（Ｆ＿１）に該円
   筒部材を完全に囲繞する第１つる巻状巻揚帯（２ａ）を
   巻揚げ、それから該第１巻揚帯を横切って対称となるよ
   う、第２巻揚帯（２ｂ）が対向方向（Ｆ＿２）に巻揚げ
   られ、次に第１巻揚帯（２ａ）と平行な巻揚帯（２ｃ）
   を得るよう巻揚方向が逆にされ、それから、第２巻揚帯
   （２ｂ）と平行な巻揚帯（２ｄ）を得るよう巻揚方向は
   再び逆にされ、こうしてこの操作は円筒部材の全表面が
   一方向（Ｆ＿１）の巻揚帯の数と対向方向（Ｆ＿２）の
   巻揚帯の数とが等しく織り交ぜられた２層によって覆わ
   れるまで続行され、細長帯（２）に張力を作用させて一
   方向（Ｆ＿１）に巻揚げられる巻揚帯は円筒部材（１）
   に他方向（Ｆ＿２）に巻揚げられる巻揚帯によって作用
   させられるトルクと大きさが等しく反対方向のトルクを
   作用させ、外部からかけられたトルクと反対方向に巻揚
   げられた巻揚帯は決して圧縮状態にならず、そして円筒
   部材は細長帯の巻揚げが全て完了したとき捩れが零の状
   態となり、層の数は、全ての前記巻揚帯によって誘起さ
   れたトルクが張力の作用する複合細長帯の許容応力や圧
   縮力の作用する基礎円筒体の許容応力を超えることなく
   、少なくとも円筒部材に作用させられる最大トルクに等
   しくなるよう決定される伝達軸のような円筒部材（１）
   に捩り応力に対する抗力を与える方法によって構成され
   るトルク伝達用円筒部材であって、前記円筒部材が熱可
   塑性樹脂に埋め込まれて前記細長帯（２）の長手方向に
   延長した連続繊維から形成される該細長帯（２）から成
   る巻揚帯（２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ…）によって補強さ
   れたトルク伝達用円筒部材。