WO2011024527A1 - Ｆｒｐ製駆動シャフト - Google Patents

Abstract

　ＦＲＰ円筒と端部の金属製ジョイントとの結合強度を高めることができ、高い伝達トルクが得られるＦＲＰ製駆動シャフトを得る。本発明のＦＲＰ製駆動シャフトは、ＦＲＰ円筒の両端部に、金属製の端部ジョイントを結合してなるＦＲＰ製駆動シャフトにおいて、上記端部ジョイントを、ＦＲＰ円筒内に圧入されるセレーション部を有する圧入ジョイントと、ＦＲＰ円筒の外周に固定される円筒状アウタカラーとから構成し、この圧入ジョイントと円筒状アウタカラーとに、互いに係合して回転を伝達する非円形係合部をそれぞれ形成した。

Description

ＦＲＰ製駆動シャフト

　本発明は、例えば車両のプロペラシャフト（ドライブシャフト）に用いられるＦＲＰ製駆動シャフトに関する。

　ＦＲＰ製駆動シャフトは、ＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics：繊維強化プラスチックス）円筒の両端部に金属製の端部ジョイントを結合してなるもので、軽量という利点がある。しかし、ＦＲＰ円筒と端部ジョイントとの結合強度を如何にして高くするかが一つの技術的課題であり、従来各種の提案がなされている（特許文献１ないし３）。

実開平１-９１１１８公報 実開平６-３２７２６公報 特開２００４-３０８７００号公報

　特許文献１は、ＦＲＰ円筒と端部ジョイントを、両者間を径方向に貫通する締結部材を介して結合する構造を前提として、ＦＲＰ円筒側の新たな繊維構造を提案している。しかし、径方向の貫通部材で結合する構造は貫通部分に応力集中が生じ、依然としてＦＲＰ円筒あるいは貫通部材の破損が生じやすい。

　特許文献２は、端部ジョイントを、ＦＲＰ円筒に挿入固定される金属ヨークと、ＦＲＰ円筒の外周に嵌められてこの金属ヨークに溶接固定されるアウタカラーとから構成することを提案している。しかし、金属ヨークとアウタカラーとを溶接する際、ＦＲＰ円筒が熱により損傷するおそれが高く、同文献に記載されているような機械的強度を得ることは全く困難である。

　特許文献３は、ＦＲＰ円筒と端部ジョイントとの間に中間円筒部材を介在させ、この中間円筒部材の外周面をＦＲＰ円筒にセレーション結合させ、内周面を端部ジョイントとスプライン結合させる構造を提案している。しかし、端部ジョイントからＦＲＰ円筒にトルクが伝達される際、ＦＲＰ円筒自体が破損するおそれが高い。特にＦＲＰ円筒が、炭素繊維を熱硬化性樹脂シート中に含浸させてなる複数のプリプレグを筒状に巻回して熱硬化させた複数のＦＲＰ層からなる場合には、層間の剥離現象が生じ、破損に繋がるおそれがある。

　本発明は、以上の問題意識に基づき、ＦＲＰ円筒と端部の金属製ジョイントとの結合強度を高めることができ、高い伝達トルクが得られるＦＲＰ製駆動シャフトを得ることを目的とする。

　本発明者らは、ＦＲＰ製駆動シャフトにおけるＦＲＰ円筒の破損は、ＦＲＰ円筒の両端部に挿入された端部ジョイントと該ＦＲＰ円筒との間でトルクが伝達される際、ＦＲＰ円筒には、該円筒内に挿入された端部ジョイントを介してその内周面に大きな力が加わるのに対し、外周面にはＦＲＰ円筒の肉厚を介して間接的に力が加わるに過ぎないため、内外周に大きな応力差、さらには層間の剥離現象が生じることが原因であるとの結論に達し、本発明に至ったものである。

　本発明は、ＦＲＰ円筒の両端部に、金属製の端部ジョイントを結合してなるＦＲＰ製駆動シャフトにおいて、端部ジョイントを、ＦＲＰ円筒内に圧入されるセレーション部を有する圧入ジョイントと、ＦＲＰ円筒の外周に固定される円筒状アウタカラーとから構成し、この圧入ジョイントと円筒状アウタカラーとに、互いに係合して回転を伝達する非円形係合部をそれぞれ形成したことを特徴としている。

　非円形係合部は、具体的には、加工性を考慮すると、小判状穴と小判状断面軸部（一対の平行平面部を有する穴部と軸部）から構成するのがよい。

　具体的な一態様では、圧入ジョイントとして、セレーション部の径が最大径の棒状圧入ジョイントを用い、円筒状アウタカラーには、ＦＲＰ円筒の外周面に固定される筒状部と、この筒状部の端部に位置する端面部とを設ける。そしてこの端面部にＦＲＰ円筒の外径内に収まる大きさの非円形係合穴を形成し、圧入ジョイントには、この非円形係合穴に係合する非円形断面軸部を形成する。この態様では、ＦＲＰ円筒内に圧入ジョイントのセレーション部を圧入した後、円筒状アウタカラーをＦＲＰ円筒の外周面に嵌めて固定し、同時に圧入ジョイントの非円形断面軸部に円筒状アウタカラーの非円形断面穴を嵌めることができる。

　また、圧入ジョイントに、セレーション部に続けて該セレーション部より大径のフランジ部を設ける態様では、円筒状アウタカラーに、ＦＲＰ円筒より大径の端面部を設け、この端面部に、ＦＲＰ円筒の外径からはみ出す大きさの非円形係合穴を形成する。一方、圧入ジョイントには、セレーション部と大径フランジ部の間に介在させて、この非円形係合穴に係合する非円形断面軸部を形成する。この態様では、ＦＲＰ円筒の外周面に円筒状アウタカラーを嵌めて固定した後、圧入ジョイントのセレーション部をＦＲＰ円筒内に圧入し、同時に非円形断面軸部を円筒状アウタカラーの非円形係合穴に嵌める。セレーション部と大径フランジ部を有する圧入ジョイントは一部材から構成することも、後に結合される大径フランジ部材とセレーション軸部材の二部材から構成することもできる。

　ＦＲＰ円筒の外側に位置する円筒状アウタカラーの筒状部の軸方向長は、ＦＲＰ円筒の内側に位置するセレーション部の有効セレーション長と略同一、あるいはそれよりも長くすることが強度の観点から好ましい。後者の場合、円筒状アウタカラーの筒状部のうち内側にセレーション部が存在しない部分とＦＲＰ円筒を、さらに径方向の貫通リベット（ブラインドリベット）で結合すると、ＦＲＰ円筒と円筒状アウタカラーの結合強度を高めることができる。

　アウタカラーは、全円筒状部材で構成するほか、断面半円筒状の２つの分割アウタカラーと、この２つの分割アウタカラーを結合する結合部材とから構成することができる。この構成によれば、円筒状アウタカラーの内周面を圧入ジョイントに軸方向から通す必要がないので組立が容易である。

　ＦＲＰ円筒の両端部外周には、セレーション部の圧入に対する耐性及び強度を高めるために周方向の繊維成分を含む補強ＦＲＰ層を円筒状に設けることが好ましい。

　本発明のＦＲＰ製駆動シャフトは、ＦＲＰ円筒の構成、樹脂（例えば熱可塑性樹脂）、繊維を問わずに適用可能であるが、特に炭素強化繊維を熱硬化性樹脂シート中に含浸させてなる複数のプリプレグを筒状に巻回して熱硬化させた複数のＣＦＲＰ層からなるＣＦＲＰ円筒に適用したとき、ＣＦＲＰ層の層間剥離を防いで高強度のＦＲＰ製駆動シャフトを得ることができる。

　本発明のＦＲＰ製駆動シャフトは、端部ジョイントを、ＦＲＰ円筒内に圧入されるセレーション部を有する圧入ジョイントと、ＦＲＰ円筒の外周に固定される円筒状アウタカラーとから構成し、この圧入ジョイントと円筒状アウタカラーとに、互いに係合して回転を伝達する非円形係合部をそれぞれ形成したから、端部ジョイントとＦＲＰ円筒との間でトルクが伝達されるとき、ＦＲＰ円筒の内外に同時にトルクが加わる。このため、ＦＲＰ円筒に加わる内外の荷重差（トルク差）に起因する破損が生じにくい。特にＦＲＰ円筒が複数のプリプレグを筒状に巻回して熱硬化させた複数のＦＲＰ層からなる場合には、複数のＦＲＰ層に大きな剥離荷重が加わることがないため、剥離破損を防止することができる。

本発明の実施の形態１に係るＦＲＰ製駆動シャフトの分解状態を示す斜視図である。 同部分断面である。 本発明の実施の形態１に係るＦＲＰ製駆動シャフトの組立状態を示す斜視図である。 同部分断面図である。 圧入ジョイントと円筒状アウタカラーの非円形係合部を示す図４のV-V線に沿う断面図である。 円筒状アウタカラーの変形例の部分断面図であり、（Ａ）は分解状態を示す図、（Ｂ）は組立状態を示す図である。 本発明の実施の形態２に係るＦＲＰ製駆動シャフトのＦＲＰ円筒と端部ジョイントの結合部を示す部分断面図である。 圧入ジョイントと円筒状アウタカラーの非円形係合部を示す図７のVIII-VIII線に沿う断面図である。 図６の第１の変形例を示す部分断面図である。 図６の第２の変形例を示す部分断面図である。 図６の第３の変形例を示す部分断面図である。

（実施の形態１）
　図１ないし図５は、本発明の実施の形態１に係るＦＲＰ製駆動シャフト１００の構成を示している。ＦＲＰ製駆動シャフト１００は、ＦＲＰ円筒１０の両端部に、金属製の端部ジョイント２０を結合してなる。本実施形態では、２つの端部ジョイント２０は同一の構成を有しているため同一の符号を付して説明する。

　ＦＲＰ円筒１０は、炭素強化繊維を熱硬化性樹脂シート中に含浸させてなる複数のプリプレグを筒状に巻回して熱硬化させた複数のＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics：炭素繊維強化プラスチックス）層からなる。

　端部ジョイント２０は、ＦＲＰ円筒１０の内周面１１内に圧入されるセレーション部３１を有する圧入ジョイント３０と、ＦＲＰ円筒１０の外周面１２に接着固定される円筒状アウタカラー４０とを有している。ＦＲＰ円筒１０の両端部には、セレーション部３１の圧入に対する耐性及び強度を高めるために周方向の繊維成分を含む補強ＦＲＰ層１３が円筒状に形成されている。

　圧入ジョイント３０は、セレーション部３１の径が最大径の棒状圧入ジョイントからなり、セレーション部３１に続けて非円形断面軸部（小判状断面軸部）３２が形成されており、セレーション部３１と反対側の端部に回転伝達部（接続セレーション部）３３が形成されている。

　円筒状アウタカラー４０は、ＦＲＰ円筒１０の外周面１２に接着固定される筒状部４１と、この筒状部４１の端部に位置する端面部４２とを有し、この端面部４２に、ＦＲＰ円筒１０の外径内に収まる大きさの非円形係合穴（小判状穴）４３が形成されている。

　図５に示すように、圧入ジョイント３０の非円形断面軸部３２と円筒状アウタカラー４０の非円形係合穴４３は、互いに係合して回転を伝達する非円形係合部を構成する。

　以上の構成のＦＲＰ製駆動シャフト１００は、ＦＲＰ円筒１０の内周面１１に圧入ジョイント３０のセレーション部３１を圧入した後、円筒状アウタカラー４０をＦＲＰ円筒１０の外周面１２に嵌めて接着固定し、同時に圧入ジョイント３０の非円形断面軸部３２に円筒状アウタカラー４０の非円形係合穴４３を嵌めることで組み立てられる（図１ないし図４）。図４に示すシャフト組立状態では、ＦＲＰ円筒１０の外側に位置する円筒状アウタカラー４０の筒状部４１の軸方向長Ｄは、ＦＲＰ円筒１０の内側に位置するセレーション部３１の有効セレーション長ｄと略同一である。有効セレーション長とは、セレーション部３１のうち先端のテーパ部を除くＦＲＰ円筒１０の内周面１１と噛み合う部分の軸方向長を意味する。

　本ＦＲＰ製駆動シャフト１００を車両のプロペラシャフトとして用いる態様では、圧入ジョイント３０の両端部の回転伝達部３３がエンジン回転部とディフェレンシャルギヤ（図示せず）にそれぞれ接続され、ＦＲＰ製駆動シャフト１００に回転トルクが加わると、端部ジョイント２０とＦＲＰ円筒１０の間で回転トルクが伝達される。

　本実施形態では、ＦＲＰ円筒１０の内周面１１に圧入ジョイント３０のセレーション部３１が圧入され、ＦＲＰ円筒１０の外周面１２に円筒状アウタカラー４０が接着固定され、圧入ジョイント３０の非円形断面軸部３２と円筒状アウタカラー４０の非円形係合穴４３が互いに係合して回転を伝達する非円形係合部を構成するので、ＦＲＰ円筒１０と端部ジョイント２０の結合強度を高めることができ、高い伝達トルクを得ることができる。また、ＦＲＰ円筒１０の内外に同時に回転トルクが加わるため、ＦＲＰ円筒１０に加わる内外の荷重差（トルク差）に起因する破損が生じにくい。特にＦＲＰ円筒１０が複数のプリプレグを筒状に巻回して熱硬化させた複数のＦＲＰ層からなる場合には、複数のＦＲＰ層に大きな剥離荷重が加わることがないため、剥離破損を防止することができる。

　図６は、円筒状アウタカラー４０を断面半円筒状の２つの分割アウタカラー４４、４５と、この２つの分割アウタカラー４４、４５を結合するリング部材（結合部材）４６、４７とから構成した変形例を示している。すなわち、ＦＲＰ円筒１０の内周面１１に圧入ジョイント３０のセレーション部３１を圧入した後、ＦＲＰ円筒１０の外周面１２に、分割アウタカラー４４、４５を径方向から包み込むようにして突き合わせ、分割アウタカラー４４の端部小径部４４ａ、４４ｂと分割アウタカラー４５の端部小径部４５ａ、４５ｂにそれぞれ、予めＦＲＰ円筒１０の外周に嵌めておいたリング部材（結合部材）４６、４７を嵌合する。分割アウタカラー４４、４５はさらに接着または溶接してもよい。以上により、分割アウタカラー４４、４５とリング部材４６、４７が組立てられて円筒状アウタカラー４０が完成する。この構成によれば、円筒状アウタカラー４０の内周面を圧入ジョイント３０に軸方向から通す必要がないので組立が容易である。

（実施の形態２）
　図７は、本発明の実施の形態２に係るＦＲＰ製駆動シャフト２００のＦＲＰ円筒１０と端部ジョイント２０’の結合部を示す断面図である。実施の形態１と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

　本実施形態の圧入ジョイント５０は、ＦＲＰ円筒１０の内周面１１内に圧入されるセレーション部５１と、このセレーション部５１に続けて該セレーション部５１より大径の大径フランジ部５２を有している。また、圧入ジョイント５０には、セレーション部５１と大径フランジ部５２の間に介在させて、非円形断面軸部（小判状断面軸部）５３が形成されている。図７に示すように、圧入ジョイント５０は、セレーション部５１を有するセレーション軸部材と、このセレーション軸部材に結合される大径フランジ部５２を有する大径フランジ部材の二部材から構成されている。尚、圧入ジョイント５０は、セレーション部５１と大径フランジ部５２を一体に有する一部材から構成することもできる。

　円筒状アウタカラー６０は、ＦＲＰ円筒１０の外周面１２に固定される筒状部６１と、この筒状部６１の端部に位置する端面部６２とを有し、この端面部６２に、非円形係合穴（小判状穴）６３が形成されている。端面部６２は、ＦＲＰ円筒１０より大径に形成されており、非円形係合穴６３は、ＦＲＰ円筒１０の外径からはみ出す大きさに形成されている。

　これにより、図８に示すように、圧入ジョイント５０にセレーション部５１より大径の大径フランジ部５２を設けた本実施形態においても、圧入ジョイント５０の非円形断面軸部５３と円筒状アウタカラー６０の非円形係合穴６３を、互いに係合して回転を伝達する非円形係合部として構成することができる。

　以上の構成のＦＲＰ製駆動シャフト２００は、ＦＲＰ円筒１０の外周面１２に円筒状アウタカラー６０を嵌めて接着固定した後、圧入ジョイント５０のセレーション部５１をＦＲＰ円筒１０の内周面１１に圧入し、同時に圧入ジョイント５０の非円形断面軸部５３を円筒状アウタカラーの非円形係合穴６３に嵌めることにより組み立てられる。図７に示すシャフト組立状態では、ＦＲＰ円筒１０の外側に位置する円筒状アウタカラー６０の筒状部６１の軸方向長Ｄは、ＦＲＰ円筒１０の内側に位置するセレーション部５１の有効セレーション長ｄと略同一である。本ＦＲＰ製駆動シャフト２００を車両のプロペラシャフトとして用いる態様では、両端の大径フランジ部５２がエンジン回転部とディフェレンシャルギヤにそれぞれ接続される。

　図９に示すように、ＦＲＰ円筒１０の外側に位置する円筒状アウタカラー６０の筒状部６１の軸方向長Ｄを、ＦＲＰ円筒１０の内側に位置するセレーション部５１の有効セレーション長ｄよりも長くしてもよい。この態様では、図１０に示すように、円筒状アウタカラー６０の筒状部６１を、内側にセレーション部５１が存在しない部分において、ＦＲＰ円筒１０と径方向の貫通リベット（ブラインドリベット）７０で結合するとより高い強度が得られる。

　さらには、図１１に示すように、円筒状アウタカラー６０の筒状部を、端面部６２に向かって肉厚になるようなテーパ形状の筒状部６１’とすることも可能である（コーン状アウタカラー）。

　以上の実施形態では、圧入ジョイントと円筒状アウタカラーの非円形係合部を小判形状（一対の平行平面部を有する穴部と軸部）とした場合を例示して説明したが、回転（トルク）を伝達可能であれば、多角形状などのあらゆる形状とすることができる。

　以上の実施形態では、ＦＲＰ円筒をプリプレグ法で作成した多層円筒としており、多層円筒の場合に層間剥離を防止するという効果が得られる。しかし、本発明は、ＦＲＰ円筒の構成及び製法は問わずに適用することができる。例えば、フィラメントワインディング法などで製造したあらゆる構成のＦＲＰ円筒を適用可能である。

　本発明によるＦＲＰ製駆動シャフトは、例えば車両のプロペラシャフト（ドライブシャフト）等の各種産業分野に広く利用することができる。

１００　ＦＲＰ製駆動シャフト
１０　ＦＲＰ円筒
１１　円筒内周面
１２　円筒外周面
１３　補強ＦＲＰ層
２０　端部ジョイント
３０　圧入ジョイント
３１　セレーション部
３２　非円形断面軸部（小判状断面軸部）
３３　回転伝達部（接続セレーション部）
４０　円筒状アウタカラー
４１　筒状部
４２　端面部
４３　非円形係合穴（小判状穴）
４４　４５　分割アウタカラー
４６　４７　リング部材（結合部材）
４５ａ　４５ｂ　４６ａ　４６ｂ　端部小径部
２００　ＦＲＰ製駆動シャフト
２０’　端部ジョイント
５０　圧入ジョイント
５１　セレーション部
５２　大径フランジ部
５３　非円形断面軸部（小判状断面軸部）
６０　円筒状アウタカラー
６１　筒状部
６１’　テーパ状筒状部
６２　端面部
６３　非円形係合穴（小判状穴）
７０　貫通リベット（ブラインドリベット）

Claims (12)

1. 　ＦＲＰ円筒の両端部に、金属製の端部ジョイントを結合してなるＦＲＰ製駆動シャフトにおいて、
   　上記端部ジョイントを、ＦＲＰ円筒内に圧入されるセレーション部を有する圧入ジョイントと、ＦＲＰ円筒の外周に固定される円筒状アウタカラーとから構成し、この圧入ジョイントと円筒状アウタカラーとに、互いに係合して回転を伝達する非円形係合部をそれぞれ形成したことを特徴とするＦＲＰ製駆動シャフト。
2. 　請求の範囲第１項記載のＦＲＰ製駆動シャフトにおいて、
   　上記非円形係合部は、小判状穴と小判状断面軸部からなるＦＲＰ製駆動シャフト。
3. 　請求の範囲第１項又は第２項記載のＦＲＰ製駆動シャフトにおいて、
   　上記圧入ジョイントはセレーション部の径が最大径の棒状圧入ジョイントからなり、円筒状アウタカラーは、ＦＲＰ円筒の外周面に固定される筒状部と、この筒状部の端部に位置する端面部とを有していて、この端面部にＦＲＰ円筒の外径内に収まる大きさの非円形係合穴が形成されており、上記圧入ジョイントには、セレーション部に続けて、上記円筒状アウタカラーの非円形係合穴に係合する非円形断面軸部が形成されているＦＲＰ製駆動シャフト。
4. 　請求の範囲第１項又は第２項記載のＦＲＰ製駆動シャフトにおいて、
   　上記圧入ジョイントは、セレーション部に続けて該セレーション部より大径のフランジ部を有し、円筒状アウタカラーは、ＦＲＰ円筒より大径の端面部を備えていて、この端面部に、ＦＲＰ円筒の外径からはみ出す大きさの非円形係合穴が形成されており、上記圧入ジョイントには、上記セレーション部と大径フランジ部の間に介在させて、この非円形係合穴に係合する非円形断面軸部が形成されているＦＲＰ製駆動シャフト。
5. 　請求の範囲第４項記載のＦＲＰ製駆動シャフトにおいて、
   　上記圧入ジョイントは、セレーション部と大径フランジ部を一体に有する一部材からなるＦＲＰ製駆動シャフト。
6. 　請求の範囲第４項記載のＦＲＰ製駆動シャフトにおいて、
   　上記圧入ジョイントは、セレーション部を有するセレーション軸部材と、このセレーション軸部材に結合される大径フランジ部材とからなるＦＲＰ製駆動シャフト。
7. 　請求の範囲第３項乃至第６項のいずれか１項記載のＦＲＰ製駆動シャフトにおいて、
   　上記ＦＲＰ円筒の外側に位置する上記円筒状アウタカラーの筒状部の軸方向長は、上記ＦＲＰ円筒の内側に位置する上記セレーション部の有効セレーション長と略同一であるＦＲＰ製駆動シャフト。
8. 　請求の範囲第３項乃至第６項のいずれか１項記載のＦＲＰ製駆動シャフトにおいて、
   　上記ＦＲＰ円筒の外側に位置する上記円筒状アウタカラーの筒状部の軸方向長は、上記ＦＲＰ円筒の内側に位置する上記セレーション部の有効セレーション長よりも長いＦＲＰ製駆動シャフト。
9. 　請求の範囲第８項記載のＦＲＰ製駆動シャフトにおいて、
   　上記円筒状アウタカラーの筒状部は、内側にセレーション部が存在しない部分において、上記ＦＲＰ円筒と径方向の貫通リベットで結合されているＦＲＰ製駆動シャフト。
10. 　請求の範囲第１項乃至第９項のいずれか１項記載のＦＲＰ製駆動シャフトにおいて、
    　上記円筒状アウタカラーは、断面半円筒状の２つの分割アウタカラーと、この２つの分割アウタカラーを結合する結合部材とからなるＦＲＰ製駆動シャフト。
11. 　請求の範囲第１項乃至第１０項のいずれか１項記載のＦＲＰ製駆動シャフトにおいて、
    　上記ＦＲＰ円筒の両端部外周には、周方向の繊維成分を含む補強ＦＲＰ層が円筒状に形成されているＦＲＰ製駆動シャフト。
12. 　請求の範囲第１項乃至第１１項のいずれか１項記載のＦＲＰ製駆動シャフトにおいて、
    　上記ＦＲＰ円筒は、炭素強化繊維を熱硬化性樹脂シート中に含浸させてなる複数のプリプレグを筒状に巻回して熱硬化させた複数のＣＦＲＰ層からなるＦＲＰ製駆動シャフト。

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