CN112638689A - 用于传动轴的管体和传动轴 - Google Patents

用于传动轴的管体和传动轴 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于传动轴(1)的管体(2)，其为通过旋转来传递动力的纤维增强塑料制的部件，该管体(2)具有以轴线(O1)为中心的筒状的主体部(10)，主体部(10)的外径随着从中央部(13)靠向两端部(11、12)而缩径，主体部(10)的板厚随着从两端部(11)、(12)靠向中央部(13)而变薄。

Description

用于传动轴的管体和传动轴
技术领域
本发明涉及一种用于传动轴的管体和传动轴。
背景技术
搭载于车辆的传动轴(propeller shaft)具有沿车辆的前后方向延伸的管体，通过该管体将由原动机产生并由变速器减速后的动力传递给最终减速装置。
作为这样的用于传动轴的管体，有由纤维增强塑料形成的管体。例如，下述专利文献1的纤维增强塑料制的管体呈圆筒状，从一端到另一端外径不变而恒定形成，中间部的外径与端部的外径相同。
[现有技术文献]
[专利文献]
专利文献1：日本发明专利公开公报特开平3-265738号
发明内容
[本发明所要解决的技术问题]
但是，对于纤维增强塑料制的管体而言，为了提高弯曲一次共振点，而试图提高弯曲刚性。基于这样的理由，使得管体的外径大径化，而使得管体重量化。
本发明是为了解决这样的技术问题而创作的，其目的在于，提供一种轻量化的用于传动轴的管体和传动轴。
[用于解决技术问题的技术方案]
为了解决上述技术问题，第一发明所涉及的用于传动轴的管体为通过旋转来传递动力的纤维增强塑料制的传动轴，其特征在于，具有以轴线为中心的筒状的主体部，所述主体部的外径随着从中央部靠向两端部而缩径，所述主体部的板厚随着从两端部靠向中央部而变薄。
另外，为了解决上述技术问题，第二发明所涉及的用于传动轴的管体为通过旋转来传递动力的纤维增强塑料制的传动轴，其特征在于，具有以轴线为中心的筒状的主体部，所述主体部的外径从一端部到中央部形成为相同直径，并且随着从中央部靠向另一端部而缩径，所述主体部的板厚随着从另一端部靠向中央部而变薄，并且从中央部到一端部为均匀厚度。
[发明效果]
根据本发明，使弯曲应力容易集中的主体部的中央部的外径大径化，能确保规定的弯曲刚性。另一方面，使弯曲应力难以集中的主体部的两端部(或另一端部)的外径小径化而轻量化。并且，主体部的中央部的壁厚变薄而轻量化。由此，使主体部整体轻量化。另外，制造所需的材料减少，实现了低成本化。
附图说明
图1是从侧面观察第一实施方式的传动轴的侧视图。
图2是沿轴线方向剖切第一实施方式的管体的主体部的剖视图。
图3是沿轴线方向剖切第一实施方式的管体的倾斜部和第二连接部的剖视图。
图4是沿轴线方向剖切第二实施方式的管体的主体部的剖视图。
图5是沿轴线方向剖切第三实施方式的管体的主体部的剖视图。
图6是沿轴线方向剖切第四实施方式的管体的主体部的剖视图。
具体实施方式
接着，边参照附图边对具有各实施方式的管体的传动轴进行说明。此外，在各实施方式中，列举将本发明的传动轴应用于搭载在FF(Front-engine Front-drive：发动机前置前轮驱动)驱动方式的四轮驱动车的传动轴的例子。另外，针对各实施方式中共同的技术要素，标注共同的附图标记，并省略说明。
[第一实施方式]
如图1所示，传动轴1具有：管体2，其为大致圆筒状，沿车辆的前后方向延伸；短节叉3，其为卡丹接头(cardan joint)，与管体2的前端接合；和短轴4，其为恒速接头，与管体2的后端接合。
短节叉3是连结搭载在车身的前部的变速器和管体2的连结部件。短轴4是连结搭载在车身的后部的最终减速装置和管体2的连结部件。
传动轴1在从变速器传递动力(转矩)时绕轴线O1旋转，将该动力传递至最终减速装置。
管体2由碳纤维增强塑料(CFRP)形成。此外，在本发明中，用于纤维增强塑料的纤维不限于碳纤维，也可以是玻璃纤维或芳纶纤维。
对于管体2的制造方法而言，在未图示的芯棒(mandrel)上卷绕连续碳纤维而形成第一成型体，在此之后，在第一成型体的外周卷绕预浸料坯(使树脂浸渍到碳纤维中而成的片材)来制造管体2。因此，管体2是采用长丝缠绕法(filament winding)和片材缠绕法(sheet winding)这两种方法制造而成的。
在此，通过长丝缠绕法制造的第一成型体由于保持了纤维(碳纤维)的连续性，因此机械强度(特别是扭转强度)高。
另一方面，根据片材缠绕法，能够以沿芯棒的轴线方向延伸的方式配置碳纤维，从而能够制造沿轴线O1方向高弹性化的第二成型体。
即，根据上述制造方法，在管体102的内部层叠有由绕轴线O1卷绕的纤维构成的纤维层和由沿轴线O1方向延伸的纤维构成的纤维层，从而能够制造机械强度高且沿轴线O1方向的高弹性化的管体2。
此外，作为沿周向配置的纤维，优选PAN系(Polyacrylonitrile：聚丙烯腈)纤维，作为沿轴线O1方向配置的纤维，优选沥青纤维。
另外，本发明不限于上述制造方法。本发明的管体2也可以通过在芯棒上卷绕预浸料坯而形成第一成型体，在该第一成型体的外周上卷绕连续碳纤维来制造。或者，本发明的传动轴也可以通过单一的制造方法(长丝缠绕法或片材缠绕法)来制造。
管体2具有：主体部10，其占据管体2的大部分；第一连接部20，其配置于主体部10的前侧；第二连接部30，其配置于主体部10的后侧；和倾斜部40，其位于主体部10与第二连接部30之间。
图2中示出了仅从管体2提取出主体部10，并且为了便于理解主体部10的形状而夸张地图示了主体部10的特征。
如图2所示，第一连接部20与主体部10的前端部11连续，倾斜部40与主体部10的后端部12连续。
在用以轴线O1为法线的平面剖切主体部10的情况下，主体部10的外周面14的剖面形状和内周面15的剖面形状为圆形。
另外，主体部10的外径随着从中央部13靠向两端部(前端部11和后端部12)而缩径，中央部13的外径R1比两端部(前端部11和后端部12)的外径R2大。
同样，主体部10的内径也随着从主体部10的中央部13靠向两端部(前端部11和后端部12)而缩径。
在沿轴线O1剖切主体部10的情况下，主体部10的外周面14的剖面形状和内周面15的剖面形状描绘出平缓的曲线，且呈朝外侧突出的圆弧状。据此，主体部10的外形为中央部13向径向外侧鼓出的桶(barrel)形。
另外，在其剖面形状中，内周面15的曲率比外周面14的曲率大。换言之，主体部10的板厚随着从两端部(前端部11和后端部12)靠向中央部13而变薄，中央部13的板厚T1比两端部(前端部11和后端部12)的板厚T2薄。
如图1所示，短节叉3的轴部3a嵌入第一连接部20内。轴部3a的外周面形成为多边形。第一连接部20的内周面形成为与轴部3a的外周面适配的多边形。因此，短节叉3和管体2构成为彼此无法相对旋转。
如图3所示，短轴4的轴部5嵌入第二连接部30内。短轴4的轴部5的外周面6形成为多边形。第二连接部30的内周面31形成为与短轴4的轴部5的外周面6适配的多边形。因此，管体2和短轴4构成为彼此无法相对旋转。
另外，第二连接部30的外径比主体部10的后端部12的外径小。此外，第二连接部30的小径化会导致扭转强度的下降。因此，本实施方式的第二连接部30的板厚形成为比主体部10的后端部12的板厚厚，而具有规定的扭转强度。
倾斜部40是形成于主体部10与第二连接部30之间的圆筒状的部位。倾斜部40的外径随着从主体部10靠向第一连接部20而逐渐缩径，成为圆台形状。
倾斜部40的板厚随着从第二连接部30侧(后侧)的端部靠向主体部10侧(前侧)的端部而逐渐变薄。因此，倾斜部40中的前端部41的板厚最薄，而构成脆弱部。
以上，根据上述的用于传动轴1的管体2，弯曲应力容易集中的主体部10的中央部13的外径R1形成为大径，具有规定的弯曲刚性。另一方面，弯曲应力难以集中的主体部10的两端部(前端部11和后端部12)的外径R2形成为小径，从而实现轻量化。因此，由于在确保中央部13的规定弯曲刚性的同时使主体部10轻量化，因此，提高了主体部10的弯曲一次共振点。
另外，作用在管体2的主体部10上的弯曲应力以随着从中央部13向两端部(前端部11、后端部12)描绘出圆弧状(曲线状)的方式变化(减少)，因此，本实施方式的管体2的外形形成为圆弧状，并形成为按照其变化率而变小。因此，对于主体部10而言，不仅中央部13和两端部(前端部11和后端部12)，而且中央部13与两端部之间的部位也具有规定的弯曲刚性的同时使主体部10轻量化。
根据以上内容，管体2的主体部10具有各部位所要求的规定的弯曲刚性，并且尽可能地轻量化，大幅提高了主体部10的弯曲一次共振点。
另外，为了应对扭转应力，管体2的主体部10的板厚随着从中央部13靠向两端部(前端部11、后端部12)而与外径的变化率(缩径率)相应地变厚。据此，确保了与均匀地作用于主体部10的各部位的扭转应力对应的规定的强度。
根据以上内容，管体2的主体部10具有与规定的弯曲应力和扭转应力相对应的强度。
另外，管体2的两端部(第一连接部20和第二连接部30)需要与金属制零部件(短节叉3和短轴4)连结，因此需要小型化且确保强度。
根据实施方式的管体2，虽然中央部13的直径大，但第一连接部20和第二连接部30形成为小径，且板厚较厚，因此能够满足小型化且确保强度的要件。
另外，由于中央部13被薄壁化，并且两端部(前端部11和后端部12)被小径化，因此，制造管体2所需的材料减少。因此，能够实现低成本化。
另外，由于管体2由纤维增强塑料形成，因此，设计自由度高，能够实现进一步的低成本化。
另外，根据上述管体2，当车辆从前方碰撞而对管体2输入碰撞载荷时，在相对于轴线O1倾斜的倾斜部40上作用有剪切力。并且，当作用在倾斜部40上的剪切力超过规定值时，倾斜部40中最脆弱的前端部(脆弱部)41发生破损。因此，在车辆碰撞时，搭载于车身前部的发动机或变速器迅速后退，碰撞能量被车身前部吸收。
[第二实施方式]
接着，边参照图4边对第二实施方式的传动轴101进行说明。此外，图4夸张地图示了主体部110的特征。
第二实施方式的传动轴101具有管体102、与管体102的前端接合的短节叉3(参照图1)、与管体2的后端接合的短轴4(参照图1)。
如图4所示，管体102具有主体部110、配置于主体部110的前侧的第一连接部20、配置于主体部110的后侧的第二连接部30(在图4中未图示)、以及位于主体部110与第二连接部30之间的倾斜部140。
在利用以轴线O1为法线的平面剖切主体部110的情况下，主体部110的外周面114的剖面形状和内周面115的剖面形状为圆形。
主体部110的外径随着从中央部113靠向两端部(前端部111和后端部112)而缩径，并且中央部113的外径R3大于两端部(前端部111和后端部112)的外径R4。
同样，主体部110的内径也随着从主体部110的中央部113靠向两端部(前端部111和后端部112)而缩径。
在沿轴线O1剖切主体部110的情况下，主体部110的外周面114的剖面形状和内周面115的剖面形状形成为阶梯状。
主体部110的板厚随着从两端部(前端部111及后端部112)靠向中央部113而变薄。因此，中央部113的板厚T3比两端部(前端部111以及后端部112)的板厚T4薄。
虽然未特别图示，但倾斜部140的板厚随着从主体部110侧(前侧)的端部靠向第二连接部30侧(后侧)的端部而逐渐变薄。因此，倾斜部140中的后端部的板厚最薄，倾斜部140的后端部构成脆弱部。因此，当车辆从前方受到碰撞，作用于倾斜部140的剪切力超过规定值时，倾斜部140中最脆弱的后端部(脆弱部)破损。
根据第二实施方式的用于传动轴201的管体102，与第一实施方式的管体2同样使得主体部110轻量化，提高了主体部110的弯曲一次共振点。另外，通过两端部(前端部111和后端部112)的小径化以及通过中央部113的薄壁化而减少制造所需的材料，能够实现低成本化。
[第三实施方式]
接着，边参照图5边对第三实施方式的传动轴201进行说明。此外，图5夸张地图示出了主体部210的特征。
第三实施方式的传动轴201具有管体202、与管体202的前端接合的短节叉3(参照图1)、与管体202的后端接合的短轴4(参照图1)。
如图5所示，管体202具有主体部210、配置于主体部210的前侧的第一连接部20、配置于主体部210的后侧的第二连接部30(在图5中未图示)、以及位于主体部210与第二连接部30之间的倾斜部40。
在用以轴线O1为法线的平面剖切主体部210的情况下，主体部210的外周面214的剖面形状及内周面215的剖面形状为圆形。
主体部210的外径随着从中央部213靠向两端部(前端部211和后端部212)而缩径，中央部213的外径R5比两端部(前端部221和后端部212)的外径R6大。
同样，主体部210的内径也随着从中央部213靠向两端部(前端部211和后端部212)而缩径。
在沿轴线O1剖切主体部210的情况下，主体部210的外周面214的剖面形状为圆弧状，内周面215的形状为阶梯状。
主体部210的板厚随着从两端部(前端部211和后端部212)靠向中央部13而变薄，中央部213的板厚T5比两端部(前端部211和后端部212)的板厚T6薄。
根据第三实施方式的用于传动轴201的管体202，与第一实施方式的管体2同样使得主体部210轻量化，提高了主体部210的弯曲一次共振点。另外，通过两端部(前端部211和后端部212)的小径化以及通过中央部213的薄壁化而减少制造所需的材料，能够实现低成本化。另外，由于管体202由纤维增强塑料形成，因此，设计自由度高，能够实现低成本化。
[第四实施方式]
第四实施方式的传动轴301具有管体302、与管体302的前端接合的短节叉3(参照图1)、与管体302的后端接合的短轴4(参照图1)。
如图6所示，管体302具有主体部310、配置于主体部310的前侧的第一连接部20、配置于主体部310的后侧的第二连接部30(在图6中未图示)、以及位于主体部310与第二连接部30之间的倾斜部40。
在用以轴线O1为法线的平面剖切主体部310的情况下，主体部310的外周面314的形状及内周面315的形状为圆形。
主体部310的外径是从前端部311到中央部313形成为相同直径，且随着从中央部313靠向后端部312而缩径。因此，前端部311和中央部313的外径R7大于后端部312的外径R8。
同样，主体部310的内径也是从主体部310的前端部311到中央部313形成为相同的直径，且随着从中央部313靠向后端部312而缩径。
在沿着轴线O1剖切主体部310的情况下，主体部310的外周面314的剖面形状和内周面315的剖面形状从前端部311到中央部313呈直线状，从中央部313到后端部312描绘出平缓的曲线，呈圆弧状。
另外，主体部310的板厚随着从后端部312靠向中央部313而变薄，并且从中央部313到前端部311均匀地形成。因此，前端部311和中央部313的板厚T7比后端部312的板厚T8薄。
根据第四实施方式的用于传动轴301的管体302，主体部310的中央部313的外径R7形成为大径，从而确保了规定的弯曲刚性。主体部310的后端部312的外径R8形成为小径而实现轻量化。另外，主体部310的中央部313的板厚T7薄且轻量化。因此，由于在确保中央部313的规定弯曲刚性的同时使主体部310轻量化，因此，提高了主体部310的弯曲一次共振点。
另外，通过后端部312的小径化以及中央部313的薄壁化，而使制造所需的材料减少，从而实现低成本化。另外，传动轴201由纤维增强塑料形成，因此，设计自由度高，能够实现低成本化。
以上，对各实施方式进行了说明，但本发明不限定于各实施方式中说明的例子。
例如，各实施方式的管体具有用于与短节叉3等连结的连接部(第一连接部20、第二连接部30)，但本发明也可以是仅由主体部构成的管体。即，在本发明中，管体也可以仅由主体部构成，在主体部的两端部内嵌合短节叉3等。
各实施方式的倾斜部40通过板厚逐渐变薄而在端部形成容易破损的脆弱部，但也可以通过使板厚均匀并且在外周面或内周面设置凹部而形成脆弱部。
[附图标记说明]
1、101、201、301：传动轴；2、102、202、302：管体；10、110、210、310：主体部；11、111、211、311：前端部；12、112、212、312：后端部；13、113、213、313：中央部；20：第一连接部；30：第二连接部；40：倾斜部；O1：轴线。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种用于传动轴的管体，其为通过旋转来传递动力的纤维增强塑料制的部件，其特征在于，
具有以轴线为中心的筒状的主体部，
所述主体部的外径随着从中央部靠向两端部而缩径，
所述主体部的板厚随着从两端部靠向中央部而变薄，
所述主体部的内周面从所述两端部的一端到所述两端部的另一端沿所述轴线方向形成为阶梯状。
2.根据权利要求1所述的用于传动轴的管体，其特征在于，
所述主体部的外周面从所述两端部的一端到所述两端部的另一端沿所述轴线方向形成为阶梯状。
3.一种用于传动轴的管体，其为通过旋转来传递动力的纤维增强塑料制的部件，其特征在于，
具有以轴线为中心的筒状的主体部，
所述主体部的外径随着从中央部靠向两端部而缩径，
所述主体部的板厚随着从两端部靠向中央部而变薄，
所述主体部的外周面从所述两端部的一端到所述两端部的另一端沿所述轴线方向形成为圆弧状，
所述主体部的内周面从所述两端部的一端到所述两端部的另一端沿所述轴线方向形成为圆弧状。
4.根据权利要求3所述的用于传动轴的管体，其特征在于，
所述主体部的内周面的曲率比所述主体部的外周面的曲率大，据此，所述主体部的板厚随着从所述两端部靠向所述中央部而变薄。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的用于传动轴的管体，其特征在于，
纤维增强塑料是碳纤维增强塑料。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的用于传动轴的管体，其特征在于，
具有连接部和倾斜部，其中，
所述连接部为筒状，与连结部件接合，
所述倾斜部夹设于所述主体部与所述连接部之间，且外径随着从所述主体部靠向所述连接部而缩径。
7.根据权利要求6所述的用于传动轴的管体，其特征在于，
所述倾斜部的板厚随着从所述连接部靠向所述主体部而变薄。
8.根据权利要求6或7所述的用于传动轴的管体，其特征在于，
所述连接部的内周形状形成为多边形。
9.一种传动轴，其特征在于，具有权利要求1至8中任一项所述的用于传动轴的管体。

Claims (13)

1.一种用于传动轴的管体，其为通过旋转来传递动力的纤维增强塑料制的部件，其特征在于，
具有以轴线为中心的筒状的主体部，
所述主体部的外径随着从中央部靠向两端部而缩径，
所述主体部的板厚随着从两端部靠向中央部而变薄。
2.根据权利要求1所述的用于传动轴的管体，其特征在于，
所述主体部的外周面从所述两端部的一端到所述两端部的另一端沿所述轴线方向形成为圆弧状。
3.根据权利要求1所述的用于传动轴的管体，其特征在于，
所述主体部的外周面从所述两端部的一端到所述两端部的另一端沿所述轴线方向形成为阶梯状。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的用于传动轴的管体，其特征在于，
所述主体部的内周面从所述两端部的一端到所述两端部的另一端沿所述轴线方向形成为圆弧状。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的用于传动轴的管体，其特征在于，
所述主体部的内周面从所述两端部的一端到所述两端部的另一端沿所述轴线方向形成为阶梯状。
6.一种用于传动轴的管体，其为通过旋转来传递动力的纤维增强塑料制的部件，其特征在于，
具有以轴线为中心的筒状的主体部，
所述主体部的外径从一端部到中央部形成为相同直径，并且随着从中央部靠向另一端部而缩径，
所述主体部的板厚随着从另一端部靠向中央部而变薄，并且从中央部到一端部为均匀厚度。
7.根据权利要求6所述的用于传动轴的管体，其特征在于，
所述主体部中的从中央部到另一端部的外周面沿所述轴线方向呈曲线状。
8.根据权利要求6或7所述的用于传动轴的管体，其特征在于，
所述主体部中的从中央部到另一端部的内周面沿所述轴线方向呈曲线状。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的用于传动轴的管体，其特征在于，
纤维增强塑料是碳纤维增强塑料。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的用于传动轴的管体，其特征在于，
具有连接部和倾斜部，其中，
所述连接部为筒状，与连结部件接合，
所述倾斜部夹设于所述主体部与所述连接部之间，且外径随着从所述主体部靠向所述连接部而缩径。
11.根据权利要求10所述的用于传动轴的管体，其特征在于，
所述倾斜部的板厚随着从所述连接部靠向所述主体部而变薄。
12.根据权利要求10或11所述的用于传动轴的管体，其特征在于，
所述连接部的内周形状形成为多边形。
13.一种传动轴，其特征在于，具有权利要求1至12中任一项所述的用于传动轴的管体。
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