JP2016098945A - 動力伝達シャフト - Google Patents

Abstract

【課題】トルク伝達機能に優れ、しかも、軽量化を図ることが可能な動力伝達シャフトを提供する。【解決手段】固定式等速自在継手と摺動式等速自在継手とを連結する動力伝達シャフトである。等速自在継手側の両端部が小径部とされるとともに中間部が大径部とされた軸本体を備える。軸本体の大径部軸方向端部の外周面に綾目ローレットを形成する。大径部に、その外周面に密着する繊維強化プラスチックにて構成される被覆体にて被覆する。繊維強化プラスチックの長繊維の繊維配向角度を綾目ローレットの綾目とを一致させる。軸本体の少なくとも小径部乃至大径部軸方向端部は金属製とされる。【選択図】図１

Description

本発明は、動力伝達シャフトに関し、特に、自動車や各種産業機械に用いられる動力伝達用シャフトに関する。

自動車や各種産業機械に用いられる動力伝達用シャフトは、一般的には鋼製である。しかしながら、このような鋼製では重量が大となる。このため、近年では、軽量化のためにＣＦＲＰ(炭素繊維強化プラスチック)等の繊維強化プラスチックを用いる場合がある。

このように、繊維強化プラスチックを用いる場合、強度を補強するために、鉄鋼部材との併用となる。このため、繊維強化プラスチックと鉄鋼部材とを接合する必要が生じ、従来には、この繊維強化プラスチックと鉄鋼部材とを接合性を考慮したものがある(特許文献１〜特許文献３)

特許文献１では、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製のチューブ体の端部において、リベットを介して金属製ヨークと接合するものである。この場合、ＦＲＰ製のチューブ体は、中心軸に対して繊維の配向角度が略直角に巻回される直角巻層からなり、端部においては、中心軸に対して繊維の配向角度が鋭角に巻回される鋭角巻層と、前記直角巻層とが交互に配設したものである。

特許文献２では、ＦＲＰ製筒体の端部が、中心軸に対して繊維の配向角度が４５度未満とされたヘリカル巻層と、このヘリカル巻層間に介装されるフープ巻層とを介在させたものである。フープ巻層はその繊維の配向角度が４５度以上９０度未満とされる。そして、この端部に、金属板から形成される中間円筒部材が圧入され、さらに、この中間円筒部材に、金属製ヨークの圧入軸部が嵌入される。

この場合、中間円筒部材の外径面及び内径面にセレーションが形成され、中間円筒部材がＦＲＰ製筒体の端部に圧入された際に、外径面側のセレーションがＦＲＰ製筒体の端部の内径面に食い込むものである。また、中間円筒部材に、金属製ヨークの圧入軸部が嵌入されることによって、内径面のセレーションには金属製ヨークの圧入軸部の外径面に形成されたセレーションが噛合される。これらよって、ＦＲＰ製筒体に金属ヨークが接合されることになる。

特許文献３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駆動シャフトが記載されている。この場合、端部ジョイントは、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。そして、セレーション軸部材に、波形係合部が形成された短円筒体からなる金属製の突き合わせカラーが外嵌されるとともに、ＦＲＰ円筒の端部がセレーション軸部材に外嵌状に嵌入されるものである。

また、ＦＲＰ円筒の端部には波形係合部が形成され、この波形係合部に前記突き合わせカラーの波形係合部が突き合わされた状態で、波形係合部同士が嵌合する。そして、この波形係合部の嵌合部位に短円筒体からなるカラーが外嵌される。この場合、ＦＲＰ円筒の波形係合部とカラーの波形係合部とを嵌合させ、その状態で、波形係合部の嵌合部位にカラーを外嵌して接着する。そして、ＦＲＰ円筒と突き合わせカラーとが一体したものを、セレーション軸部材に圧入することになる。

実開平１−９１１１８号公報 特開２００４−３０８７００号公報 特開２０１１−５２７２０号公報

前記特許文献１では、前記したように、ＦＲＰ製のチューブ体の端部に金属製ヨークを嵌入し、リベットを用いてこれらを連結するものである。このため、トルク負荷時等に、リベット貫通部位に応力が集中し、比較的低トルク発生時に破損するおそれがある。また、リベットを用いるもので、組み立て性および接合性に優れると言えるものではない。

特許文献２では、中間円筒部材の外径面側のセレーションをＦＲＰ製筒体の端部の内径面に食い込ませるものであり、この食い込みによって、ＦＲＰ製筒体の内径面側の繊維が切断されるおそれがある。このため、トルク負荷時にＦＲＰ（繊維強化プラスチック）層間で剥離が生じやすいものとなっている。

特許文献３では、ＦＲＰ円筒の端部には波形係合部と突き合わせカラーの波形係合部とが突き合わされた状態で、波形係合部同士が嵌合するものであるが、この場合もＦＲＰ円筒の端部には波形係合部の内径面に、セレーション軸部材のセレーションが食い込むことになる。このため、前記特許文献２と同様、ＦＲＰ円筒の内径面側の繊維が切断されるおそれがある。また、ＦＲＰ円筒の繊維配向方向についての限定はない。このため、トルク負荷時において、繊維が剪断方向に力を受けるおそれがあり、強度的に安定しない。

そこで、本発明は、トルク伝達機能に優れ、しかも、軽量化を図ることが可能な動力伝達シャフトを提供する。

本発明の動力伝達シャフトは、固定式等速自在継手と摺動式等速自在継手とを連結する動力伝達シャフトであって、等速自在継手側の両端部が小径部とされるとともに中間部が大径部とされた軸本体を備え、この軸本体の大径部軸方向端部の外周面に綾目ローレットを形成するとともに、綾目ローレットを含む前記大径部に、その綾目ローレットに密着する繊維強化プラスチックにて構成される被覆体にて被覆し、繊維強化プラスチックの長繊維の繊維配向角度を綾目ローレットの綾目角度と一致させ、軸本体の少なくとも前記小径部乃至大径部軸方向端部は金属製とされたものである。

本発明の動力伝達シャフトによれば、綾目ローレットを繊維強化プラスチックにて構成される被覆体にて被覆し、繊維強化プラスチックの長繊維の繊維配向角度を綾目ローレットの綾目角度と一致させているので、トルク伝達時に、繊維強化プラスチックからなる被覆体に綾目ローレット側からの引張力が作用する。

前記被覆体は大径部の綾目ローレットの全範囲にわたって被覆するのが好ましい。これによって、安定して引張力が作用する。また、安定した引張力を作用させるために、綾目ローレットの方向を、シャフト径中心線に対称に配設したり、シャフト径中心線に対する長繊維の繊維配向角度θを±４５°としたりできる。

繊維強化プラスチックは、長繊維に炭素繊維を用いた炭素繊維強化プラスチックであったり、長繊維にガラス繊維を用いたガラス繊維強化プラスチックであったりする。また、繊維強化プラスチックに多数の短繊維が含浸されているものであってもよい。

綾目ローレットが形成された一対の端部軸部と、一対の端部軸部を連結する中空の本体軸部とを有するものであっても、綾目ローレットよりも端部側の一対の端部軸部と、一対の端部軸部を連結する中空の本体軸部とを有するものであってもよい。

端部軸部が中実軸からなるものであっても、端部軸部が中空軸からなるものであっても、端部軸部と本体軸部とが別体にて成形されているものであっても、端部軸部と本体軸部とはそれぞれ金属製であっても、本体軸部が樹脂製であってもよい。

端部軸部が小径部と大径の大径部構成部とからなり、大径部構成部と本体軸部とが溶接にて接合され、大径部構成部と本体軸部とで中間部の大径部を構成するものであってもよい。

固定式等速自在継手側の軸部と、摺動式等速自在継手側の軸部とを有し、固定式等速自在継手側の軸部と摺動式等速自在継手側の軸部とが突き合わされた状態で接合され、少なくとも、中間部位の大径部においては中空軸にて形成されたものであってもよい。この場合、シャフト全長にわたって中空軸とすることができる。

綾目ローレットを被覆している被覆体のローレット対応部位にリング部材を外嵌してもよい。このように、リング部材を外嵌することによって、被覆体のローレット対応部位を、内径側（綾目ローレット側）へ押さえるこができる。

前記被覆体は強化繊維に樹脂を浸み込ませた束を軸本体に巻き付けてなるものであってもよい。すなわち、繊維強化プラスチック製の筒体成形に用いるフィラメントワインディング法を用いることができる。

また、前記被覆体はプレプレグシートが巻設されてなるものであってもよい。すなわち、繊維強化プラスチック製の筒体成形に用いるシートワインディング法の方法（マンドレルを引き抜く工程は省略）を採用できる。

トルク伝達時に、繊維強化プラスチックからなる被覆体に綾目ローレット側からの引張力が作用するので、シャフトとしての強度の向上を図ることができ、トルク伝達機能に優れたものとなる。しかも、繊維強化プラスチックからなる被覆体を用いるので、全体を金属製管にて構成されたものと比べて軽量化を図ることができる。

前記被覆体は大径部の綾目ローレットの全範囲にわたって被覆したり、綾目ローレットの方向を、シャフト径中心線に対称に配設したり、シャフト径中心線に対する長繊維の繊維配向角度θを±４５°としたりすることによって、安定して前記引張力を作用させることができて、一層、強度の向上を図ることができる。

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ったり、ガラス繊維強化プラスチックであったり、多数の短繊維が含浸されているものであってもよく、さらには、綾目ローレットが形成された一対の端部軸部と、一対の端部軸部を連結する中空の本体軸部とを有するものであっても、綾目ローレットよりも端部側の一対の端部軸部と、一対の端部軸部を連結する中空の本体軸部とを有するものであってもよいので、シャフトとして、設計性に優れる。

端部軸部が小径部と大径の大径部構成部とからなり、大径部の溶接接合とするものでは、トルク伝達時には、主にこの溶接部でトルクを受けることになり、トルクによる変形に対しては金属製の綾目ローレットから繊維強化プラスチックからなる被覆体に引張方向の力がかかるようになる。このため、軸本体の剛性が向上することになる。

中空の本体軸部を用いるものでは、大径部の大半を中空軸で構成できるとともに、繊維強化プラスチックからなる被覆体を用いるので、全体を金属製管にて構成されたものと比べて軽量化を図ることができる。また、薄肉中空としたシャフトの中央部の金属部を繊維強化プラスチックからなる被覆体にて補強されることになり、捩り強度が向上し、比較的大きなトルクの伝達が可能となる。

リング部材を外嵌することによって、被覆体のローレット対応部位を、内径側（綾目ローレット側）へ押さえるこができ、長期にわたって安定して引張力を作用させることができる。

被覆体は強化繊維に樹脂を浸み込ませた束を軸本体に巻き付けてなるものでは、繊維配列コントロールが容易で機械特性に優れ、連続炭素繊維を使用するので大型成形品の生産性が良い等の利点がある。プレプレグシートを用いて被覆体を成形すれば、シートワインディング法の利点（管状製品の成形に適する、フィラメントワインディング法に比べて小型品の成形に有利で、形状精度が高く生産性が高い、プリプレグ（中間材料）を用いるので繊維含有率が高く、高性能成形品の生産が可能）を生かせることができる。

本発明の第１の動力伝達シャフトの要部断面図である。 前記図１に示す動力伝達シャフトの軸本体の斜視図である。 綾目ローレットの簡略平面図である。 前記図１に示す動力伝達シャフトにおいて、被覆体を被覆する前の要部断面図である。 シャフト全長にわたって中空とされた動力伝達シャフトの要部断面図である。 前記図１に示す動力伝達シャフトの被覆体のローレット対応部位にリング部材が外嵌されている要部断面図である。 前記図５に示す動力伝達シャフトの被覆体のローレット対応部位にリング部材が外嵌されている要部断面図である。 本発明の第２の動力伝達シャフトの要部断面図である。 図８に示す動力伝達シャフトの軸本体の要部斜視図である。 図８に示す動力伝達シャフトの軸本体の要部断面図である。 シャフト全長にわたって中空とされた動力伝達シャフトの要部断面図である。 前記図８に示す動力伝達シャフトの被覆体のローレット対応部位にリング部材が外嵌されている要部断面図である。 前記図１１に示す動力伝達シャフトの被覆体のローレット対応部位にリング部材が外嵌されている要部断面図である。 本発明の第３の動力伝達シャフトの要部断面図である。 図１４に示す動力伝達シャフトの軸本体の要部断面図である。 シャフト全長にわたって中空とされた動力伝達シャフトの要部断面図である。 前記図１４に示す動力伝達シャフトの被覆体のローレット対応部位にリング部材が外嵌されている要部断面図である。 前記図１６に示す動力伝達シャフトの被覆体のローレット対応部位にリング部材が外嵌されている要部断面図である。 本発明の第４の動力伝達シャフトの要部断面図である。 図１９に示す動力伝達シャフトにおいて、被覆体を被覆する前の要部断面図である。 シャフト全長にわたって中空とされた動力伝達シャフトの要部断面図である。 前記図１９に示す動力伝達シャフトの被覆体のローレット対応部位にリング部材が外嵌されている要部断面図である。 前記図２１に示す動力伝達シャフトの被覆体のローレット対応部位にリング部材が外嵌されている要部断面図である。 フィラメントワインディング法を示す簡略図である。 プリプレグシートを示す簡略図である。 ドライブシャフトの断面図である。

以下本発明の実施の形態を図１〜図２６に基づいて説明する。図２６にドライブシャフトを示し、このドライブシャフトは、固定式等速自在継手２と摺動式等速自在継手３とを、本発明に係る動力伝達シャフト１にて連結してなるものである。この図例では、固定式等速自在継手２にバーフィールド型等速自在継手を用い、摺動式等速自在継手３にトリポード型等速自在継手を用いている。

固定式等速自在継手２は、軸方向に延びる複数のトラック溝５が内径面６に形成された外側継手部材７と、軸方向に延びる複数のトラック溝８が外径面９に円周方向等間隔に形成された内側継手部材１０と、外側継手部材７のトラック溝５と内側継手部材１０のトラック溝８との間に介在してトルクを伝達する複数のボール１１と、外側継手部材７の内径面６と内側継手部材１０の外径面９との間に介在してボール１１を保持するケージ１２とを備えている。

摺動式等速自在継手３は、内周に軸線方向に延びる三本のトラック溝１５を設けると共に各トラック溝１５の内側壁に互いに対向するローラ案内面１５ａを設けた外側継手部材１６と、半径方向に突出した３つの脚軸１７を備えたトリポード部材１８と、前記脚軸１７に外嵌する内側ローラ１９と、前記トラック溝１５に挿入されると共に前記内側ローラ１９に外嵌する外側ローラ２０とを備えものである。すなわち、この摺動式等速自在継手３は、外側ローラ２０が脚軸１７に対して回転自在であると共にローラ案内面１５ａに沿って移動可能なダブルローラタイプである。また、トリポード部材１８はボス２１と前記脚軸１７とを備える。脚軸１７はボス２１の円周方向三等分位置から半径方向に突出している。

固定式等速自在継手２における内側継手部材１０の軸孔２４にトルク伝達可能にシャフト１の軸端嵌合部を嵌入し、摺動式等速自在継手３における内側継手部材であるトリポード部材１８の軸孔２５にトルク伝達可能にシャフト１の軸端嵌合部を嵌入している。なお、シャフト１の両軸端嵌合部の端部は、スナップリング等の止め輪３４，３４によりそれぞれ抜け止めされている。すなわち、軸端嵌合部の端部に周方向溝３５、３５が形成され、この周方向溝３５、３５に止め輪３４，３４が嵌合されている。

このシャフト１の軸端嵌合部の外径には雄スプライン２６が形成され、両等速自在継手の内側継手部材１０及びトリポード部材１８の軸孔２４，２５には雌スプライン２７，２７が形成されている。シャフト１の軸端嵌合部を等速自在継手２，３の内側継手部材１０及びトリポード部材１８の軸孔２４，２５に嵌入することにより、雄スプライン２６，２６と雌スプライン２７，２７とを噛み合わせることで結合させ、シャフト１と内側継手部材１０及びトリポード部材１８との間でトルク伝達を可能としている。

シャフト１と各外側継手部材７，１６との間には、外部からの異物の侵入および内部からのグリースの漏洩を防止するためのブーツ３０がそれぞれ装着されている。ブーツ３０は、大径端部３０ａと、小径端部３０ｂと、大径端部３０ａと小径端部３０ｂとを連結する蛇腹部３０ｃとからなる。ブーツ３０の大径端部３０ａは外側継手部材７，１６の開口端でブーツバンド３１により締め付け固定され、その小径端部３０ｂはシャフトのブーツ取付部３３でブーツバンド３２により締め付け固定されている。

動力伝達シャフト１は、図１に示すように、等速自在継手側の両端部が小径部４１とされるとともに中間部が大径部４２とされた軸本体４０と、この軸本体４０の大径部４２のほぼ全長を被覆する繊維強化プラスチックからなる被覆体４３とで構成される。この被覆体４３は、例えば、繊維強化プラスチック製のパイプ材を成形する際に用いるフィラメントワインディング法を用いることができる。

フィラメントワインディング法は、図２４に示すように、回転しているマンドレルに対して強化繊維に樹脂を浸み込ませた束を、所定の角度で巻き付け、所定の肉厚となるまで、一定のパターンで巻き付ける。そして、硬化させた後、マンドレルを引き抜くものである。

ところで、軸本体４０は、一対の端部軸部４４，４４と、この端部軸部４４，４４間に介在される中間筒体からなる本体軸部４５とで構成される。端部軸部４４は、小径軸部４６と、この小径軸部４６の一方の端部に連設される大径軸部４７とからなる。このため、この小径軸部４６でもって前記小径部４１を構成し、大径軸部４７と本体軸部４５とで大径部４２を構成することになる。すなわち、図１に示す範囲Ｈ１が小径部４１であり、図１に示す範囲Ｈ２が大径部４２である。なお、小径部４１と大径部４２との間には、小径部４１と大径部４２とを連設するテーパ部４９が設けられている。

図１と図２に示すように、大径部４２の軸方向端部の外周面、つまり、端部軸部４４の大径軸部４７の外周面４８には、綾目ローレット５０を形成している。この場合、綾目ローレット５０は大径軸部４７の外周面４８に全長にわたって形成されるものではなく、テーパ部４９側の一部においては形成されない。また、綾目ローレット５０は、図３に示すように、軸線方向に対して＋４５°に傾斜する第１方向溝５１と、軸線方向に対して−４５°に傾斜する第２方向溝５２とを備えることになる。綾目ローレット５０の成形範囲Ｌとしては、溝深さ、溝ピッチ、溝傾斜角度等に応じて種々変更可能であり、後述するように、トルク伝達時に、繊維強化プラスチックからなる被覆体４３にこの綾目ローレット５０側からの引張力が作用できればよい。なお、端部軸部４４の反綾目ローレット側の端部には、前記雄スプライン２６が形成されている。

端部軸部４４と本体軸部４５とは、それぞれ、例えば、Ｓ５３ＣやＳ４３Ｃなどに代表される機械構造用鋼や、ボロンを添加して焼入深さと強度向上を図った１０Ｂ３８等を用いることができる。端部軸部４４では、小径軸部４６のうち、少なくとも、等速自在継手の内側継手部材の雌スプライン２６乃至ブーツ３０にて包囲される範囲においては、熱硬化処理を行って強度を確保するようにするのが好ましい。勿論、綾目ローレット５０においても、熱硬化処理を行ってもよい。

また、本体軸部４５としては、肉厚寸法を大としたり、外径寸法を大としたりすることによって、強度を確保できれば、熱硬化処理を行う必要がないが、熱硬化処理を行って強度向上を図ようにしてもよい。本体軸部４５の肉厚としては、２ｍｍ〜１０ｍｍ程度とするのが好ましい。

端部軸部４４及び本体軸部４５の熱硬化処理としては、高周波熱処理や浸炭熱処理等であり、このように熱硬化処理を施した場合、その表面硬度としては、５２ＨＲＣ〜６５ＨＲＣとするのが好ましい。また、端部軸部４４及び本体軸部４５として、アルミニウム合金、マグネシウム合金、チタン合金等の非金属でもって構成してもよい。

次に、前記図１に示すシャフトの成形方法を説明する。まず、図２と図４に示すように、端部軸部４４の大径軸部４７のテーパ部４９側に、強化繊維の巻き付け用のピン部材５５を、周方向に沿って所定ピッチで配設する。そして、一対の端部軸部４４、４４間に本体軸部４５と配設した状態とする。すなわち、図４に示すように、端部軸部４４の大径軸部４７の端面４７ａと、本体軸部４５の端面４５ａとを突き合わせる。なお、図４では、一方の端部軸部４４側のみ記載している。また、端部軸部４４の大径軸部４７のテーパ部４９側にリング体５４が外嵌され、このリング体５４に、ピン部材５５が周方向に沿って所定ピッチで立設されている。

この状態で、樹脂に含浸させた強化繊維を、この軸本体４０に、フィラメントワインディング法の巻設方法で巻設していく。この際、繊維配向角度を、綾目ローレット５０の溝角度（綾目角度）と同一角度をする。すなわち、この繊維配向角度θ１が＋４５°となる第１繊維Ｍ１（図２４参照）と、繊維配向角度θ２が−４５°となる第２繊維Ｍ２（図２４参照）とを有るものとなり、第１繊維Ｍ１の傾斜角度θ１と、第１方向溝５１の傾斜角度α１（図３参照）とを一致させるとともに、第２繊維Ｍ２の傾斜角度θ１と、第２方向溝５２の傾斜角度α２（図３参照）とを一致させる。その後、この巻設されてなる被覆体４３が硬化すれば、シャフト１が完成する。

ところで、被覆体の第１繊維（Ａ方向繊維）の繊維配向角度θ１としては、＋４５°に限るものではなく、＋３０°〜＋６０°であればよく、第２繊維（Ｂ方向繊維）の繊維配向角度θ２としても−３０°〜−６０°であればよい。このため、綾目ローレット５０の第１方向溝５１の傾斜角としても＋３０°〜＋６０°とし、綾目ローレット５０の第２方向溝５２の傾斜角としても−３０°〜−６０°であればよい。

また、被覆体の樹脂としては、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂であっても、ＰＡ（ナイロン）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルケトン）等の熱可塑性樹脂等とすることができる。繊維強化プラスチックとしては、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）や炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）を用いるこことができ、さらには、ボロン繊維強化プラスチック（ＢＦＲＰ）、アラミド繊維強化プラスチック（ＡＦＲＰ, ＫＦＲＰ）やポリエチレン繊維強化プラスチック（ＤＦＲＰ）等も用いることができる

繊維強化プラスチック製のパイプ材を成形する方法としては、図２５に示すようなプリプレグシート５６を用いるシートワインディング法がある。このため、プリプレグシート５６を用いる被覆体４３を成形してもよい。

プリプレグシート５６を用いる場合、軸本体４０の大径部４２にこのプリプレグシート５６を巻き付けて、硬化させればよい。この場合、図４に示すような位置決めのためにピン部材５５必要としない。この場合も、繊維配向角度を、綾目ローレット５０の溝角度と同一角度とする。すなわち、この繊維配向角度θ１が＋４５°となる第１繊維Ｍ１（図２４参照）と、繊維配向角度θ１が−４５°となる第２繊維Ｍ２（図２４参照）とを有するものとなり、第１繊維Ｍ１の傾斜角度θ１と、第１方向溝５１の傾斜角度α１とを一致させるとともに、第２繊維Ｍ２の傾斜角度θ２と、第２方向溝５２の傾斜角度α２とを一致させる。

また、この場合も、被覆体の第１繊維（Ａ方向繊維）の繊維配向角度θ１としては、＋４５°に限るものではなく、＋３０°〜＋６０°であればよく、第２繊維（Ｂ方向繊維）の繊維配向角度θ２としても−３０°〜−６０°であればよい。このため、綾目ローレット５０の第１方向溝５１の傾斜角α１としても＋３０°〜＋６０°とし、綾目ローレット５０の第２方向溝５２の傾斜角α２としても−３０°〜−６０°であればよい。

繊維強化プラスチックとしては、繊維が予め樹脂の層を通って含浸させる際に、無数の短繊維を樹脂層に攪拌させながら含浸させておき、巻きつける繊維（第１繊維及び第２繊維）に短繊維を付着させたものであってもよい。これにより、硬化した樹脂内で巻き付けられた長繊維だけでなく、無数の短繊維が含有されたことになる。なお、短繊維の繊維長さとしは、１ｍｍ未満とする。また、含浸させる短繊維としては、前記したようなガラス繊維や炭素繊維等を用いることができるが、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）やセルロースナノファイバー（ＣＮＦ）等であってもよい。

図１に示すシャフト１では、軸本体４０の端部軸部４４が中実であったが、図５では、軸本体４０の端部軸部４４が中空とされている。この場合も、フィラメントワインディング法やシートワインディング法等で被覆体４３を成形することができる。また、中空の端部軸部４４としては、栓部材５７にて、開口部を施蓋するのが好ましい。

また、図６では、図１に示すシャフト１において、綾目ローレット５０を被覆している被覆体４３のローレット対応部位（綾目ローレット５０の成形範囲Ｌに対応する部位）にリング部材５８を外嵌したものであり、図７では、図５に示すシャフト１において、綾目ローレットを被覆している被覆体４３のローレット対応部位にリング部材５８を外嵌したものである。

ところで、リング部材５８としては、鉄、アルミニウム合金、マグネシウム合金、チタン合金等の金属、さらには、樹脂やＦＲＰ等の非金属であってもよい。また、その肉厚としては、例えば、１ｍｍ〜５ｍｍ程度とされる。その材質、ローレット５０の外径寸法及び長さ寸法等に応じて、種々変更可能である。

次に、図８に示す動力伝達シャフト１は、軸本体４０が、一対の端部軸部６１と、これらを連結する本体軸部６２とで構成される。端部軸部６１は、小径部４１と、大径部の一部を構成する大径部構成部６３と、小径部４１と大径部構成部６３とを連設するテーパ部４９とで構成される。また、本体軸部６２は、その外周面に綾目ローレット５０が形成された一対の軸端部６４と、軸端部６４とを一体に連設される大径部本体６５とからなる。

この場合、端部軸部６１と本体軸部６２とはその対向する端面６１ａ，６２ａが突き合わされて、電子ビーム溶接、レーザー溶接等で接合される。なお、端部軸部６１の大径部構成部６３の端面（接合端面）６１ａには孔部６６が形成され、本体軸部６２が中空軸とされる。また、本体軸部６２の軸端部６４の孔部６４ａは、小径部６７と、この小径部６７から大径部本体６５に向かって順次縮径するテーパ部６８とからなる。

この場合も、一対の綾目ローレット５０間全体（全長）にわたって繊維強化プラスチックからなる被覆体４３が被覆される。この場合も、フィラメントワインディング法やシートワインディング法等で被覆体４３を成形することができる。フィラメントワインディング法を用いる場合は、図９及び図１０に示すように、本体軸部６２の軸端部６４の綾目ローレット５０を有さない部位に、強化繊維を巻き付け用のピン部材５５を、周方向に沿って所定ピッチで配設することになる。

図１１では、端部軸部６１を中空軸としている。また、図１２では、図８に示すシャフト１において、綾目ローレット５０を被覆している被覆体４３のローレット対応部位にリング部材５８を外嵌したものであり、図１３では、図１１に示すシャフト１において、綾目ローレットを被覆している被覆体４３のローレット対応部位にリング部材５８を外嵌したものである。

図１４では、図１５に示すように、端部軸部６１の端面６１ａには、内周側に凸部７０が設けられるとともに、本体軸部６２の端面６２ａには、内周側に凹部７１が設けられている。そして、端部軸部６１の端面６１ａと本体軸部６２の端面６２ａとを突き合わされた際に、端部軸部６１の端面６１ａの凸部７０が本体軸部６２の端面６２ａの凹部７１に嵌合する。そして、その状態で、その合わせ部がアーク溶接、ガス溶接等で接合される。

このように構成された軸本体４０は、一対の綾目ローレット５０間全体（全長）にわたって繊維強化プラスチックからなる被覆体４３が被覆される。この場合も、フィラメントワインディング法やシートワインディング法等で被覆体４３を成形することができる。フィラメントワインディング法を用いる場合は、図１５に示すように、本体軸部６２の軸端部６４の綾目ローレット５０を有さない部位に、強化繊維を巻き付け用のピン部材５５を、周方向に沿って所定ピッチで配設することになる。

図１６では、端部軸部６１を中空軸としている。また、図１７では、図８に示すシャフト１において、綾目ローレット５０を被覆している被覆体４３のローレット対応部位にリング部材５８を外嵌したものであり、図１８では、図１１に示すシャフト１において、綾目ローレットを被覆している被覆体４３のローレット対応部位にリング部材５８を外嵌したものである。

次に、図１９では、軸本体４０が、固定式等速自在継手側の軸部８１と、摺動式等速自在継手側の軸部８２とを有し、固定式等速自在継手側の軸部８１の端面８１ａと摺動式等速自在継手側の軸部８２の端面８２ａとが突き合わされた状態で溶接等で接合される。

軸部８１，８２は、小径部４１と大径部４２Ａとを備えたものであり、大径部４２Ａの小径部側の外周面には、綾目ローレット５０が形成されている。このため、軸部８１，８２が突き合わされて接合された際に、接合されてなる大径部４２Ａ，４２Ａが大径部４２を構成する。なお、軸部８１，８２の小径部４１、４１の端部には、雄スプライン２６が形成される。

また、一対の綾目ローレット５０間全体（全長）にわたって繊維強化プラスチックからなる被覆体４３が被覆される。この場合も、フィラメントワインディング法やシートワインディング法等で被覆体４３を成形することができる。フィラメントワインディング法を用いる場合は、図２０に示すように、軸部の大径部の綾目ローレット５０を有さない部位に、強化繊維の巻き付け用のピン部材５５を、周方向に沿って所定ピッチで配設することになる。

図２１では、端部軸部６１を中空軸としている。また、図２２では、図１９に示すシャフト１において、綾目ローレット５０を被覆している被覆体４３のローレット対応部位にリング部材５８を外嵌したものであり、図２３では、図２２に示すシャフト１において、綾目ローレット５０を被覆している被覆体４３のローレット対応部位にリング部材５８を外嵌したものである。

本発明の動力伝達シャフトによれば、綾目ローレット５０を繊維強化プラスチックにて構成される被覆体４３にて被覆し、繊維強化プラスチックの長繊維の繊維配向角度を綾目ローレット５０の綾目角度と一致させているので、トルク伝達時に、繊維強化プラスチックからなる被覆体４３に綾目ローレット５０側からの引張力が作用する。このため、シャフトとしての強度の向上を図ることができ、トルク伝達機能に優れたものとなる。しかも、大径部４２の大半を中空軸で構成できるとともに、繊維強化プラスチックからなる被覆体を用いるので、全体を金属製管にて構成されたもの比べて軽量化を図ることができる。また、薄肉中空としたシャフトの中央部の金属部を繊維強化プラスチックからなる被覆体にて補強されることになり、捩り強度が向上し、比較的大きなトルクの伝達が可能となる。

また、前記被覆体４３は大径部４２の綾目ローレット５０の全範囲にわたって被覆したり、綾目ローレット５０の方向を、シャフト径中心線に対称に配設することによって、トルク伝達に関し、正トルク及び逆トルクで、綾目ローレット５０から被覆体４３にかかる引張方向の力を同じにすることができ、シャフトはいずれの方向の回転であってもトルク伝達が安定する。特に、長繊維の繊維配向角度θを±４５°とすることによって、安定して前記引張力を作用させることができて、一層、強度の向上を図ることができる。

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ったり、ガラス繊維強化プラスチックであったり、多数の短繊維が含浸されているものであってもよく、さらには、図１に示すように、綾目ローレット５０が形成された一対の端部軸部４４と、一対の端部軸部４４を連結する中空の本体軸部４５とを有するものであっても、図１４等に示すように、一対の端部軸部６１と、一対の端部軸部６１を連結するとともに綾目ローレット５０が形成された中空の本体軸部６２とを有するものであってもよいので、シャフトとして、設計性に優れる。

図８等のように、端部軸部６１が小径部４１と大径の大径部構成部６３とからなり、大径部構成部６３と本体軸部６２とが溶接にて接合され、大径部構成部６３と本体軸部６２とで中間部の大径部４２を構成するものでは、トルク伝達時には、主にこの溶接部でトルクを受けることになり、トルクによる変形に対しては金属製の綾目ローレットから繊維強化プラスチックからなる被覆体に引張方向の力がかかるようになる。このため、軸本体の剛性が向上することになる。

リング部材５８を外嵌することによって、被覆体４３のローレット対応部位を、内径側（綾目ローレット側）へ押さえるこができ、長期にわたって安定して引張力を作用させることができる。

被覆体４３は強化繊維に樹脂を浸み込ませた束を軸本体４０に巻き付けてなるものでは、繊維配列コントロールが容易で機械特性に優れ、連続炭素繊維を使用するので大型成形品の生産性が良い等の利点がある。また、プレプレグシート５６を用いて被覆体を成形すれば、シートワインディング法の利点（管状製品の成形に適する、フィラメントワインディング法に比べて小型品の成形に有利で、形状精度が高く生産性が高い、プリプレグ（中間材料）を用いるので繊維含有率が高く、高性能成形品の生産が可能）を生かせることができる。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく種々の変形が可能であって、固定式等速自在継手２として、図例のものに限らず、アンダーカットフリータイプの等速自在継手であっても、摺動式等速自在継手３としては、ダブルオフセットタイプ、クロスグルーブタイプの等速自在継手であってもよい。また、前記実施形態では、動力伝達シャフトとしてはドライブシャフトに用いたが、ドライブシャフト以外のプロペラシャフトに用いてもよい。なお、摺動式等速自在継手３としてトリポードタイプを用いる場合、シングルローラタイプであっても、ダブルローラタイプであってもよい。

また、被覆体４３の肉厚としては、使用する繊維強化プラスチックの種類、さらには、本体軸部４５の材質及び肉厚等に応じて種々選択でき、繊維強化プラスチックとしても、短繊維が含浸されてないものであってもよい。

軸本体４０において、接合する場合の溶接は、電子ビーム溶接、レーザ溶接、アーク溶接、又はガス溶接等の種々の溶接方法を採用することができる。なお、溶接以外に、摩擦接合(摩擦圧接・圧接）にて行ってもよい。摩擦接合とは、金属材料を接触加圧しながら相対運動を起こさせ、発生する摩擦熱を熱源とする接合法である。

図１４に示すように、端部軸部６１と本体軸部６２とを凹凸嵌合に介して突き合わせる場合、前記実施形態では、端部軸部６１の端面６１ａの中央部に凸部７０を形成し、本体軸部６２の端面６２ａの中央部に凹部７１を形成していたが、逆に、本体軸部６２の端面６２ａの中央部に凸部を形成し、端部軸部６１の端面６１ａの中央部に凹部を形成したものであってもよい。

２ 固定式等速自在継手
３ 摺動式等速自在継手
４０ 軸本体
４１ 小径部
４２、４２Ａ 大径部
４３ 被覆体
４４、６１ 端部軸部
４５，６２ 本体軸部
５０ 綾目ローレット
５５ ピン部材
５６ プリプレグシート
８１，８２ 軸部

Claims (20)

1. 固定式等速自在継手と摺動式等速自在継手とを連結する動力伝達シャフトであって、
   等速自在継手側の両端部が小径部とされるとともに中間部が大径部とされた軸本体を備え、この軸本体の大径部軸方向端部の外周面に綾目ローレットを形成するとともに、綾目ローレットを含む前記大径部に、その綾目ローレットに密着する繊維強化プラスチックにて構成される被覆体にて被覆し、繊維強化プラスチックの長繊維の繊維配向角度を綾目ローレットの綾目角度と一致させ、軸本体の少なくとも前記小径部乃至大径部軸方向端部は金属製とされたことを特徴とする動力伝達シャフト。
2. 前記被覆体は大径部の綾目ローレットの全範囲にわたって被覆することを特徴とする請求項１に記載の動力伝達シャフト。
3. 綾目ローレットの方向を、シャフト径中心線に対称に配設したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の動力伝達シャフト。
4. シャフト径中心線に対する長繊維の繊維配向角度θが±４５°であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の動力伝達シャフト。
5. 繊維強化プラスチックは、長繊維に炭素繊維を用いた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〜請求項４のいずれか１項に記載の動力伝達シャフト。
6. 繊維強化プラスチックは、長繊維にガラス繊維を用いたガラス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〜請求項４のいずれか１項に記載の動力伝達シャフト。
7. 繊維強化プラスチックに多数の短繊維が含浸されていることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の動力伝達シャフト。
8. 前記軸本体は、綾目ローレットが形成された一対の端部軸部と、一対の端部軸部を連結する中空の本体軸部とを有することを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の動力伝達シャフト。
9. 前記軸本体は、一対の端部軸部と、一対の端部軸部を連結するとともに綾目ローレットが形成された中空の本体軸部とを有することを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の動力伝達シャフト。
10. 前記軸本体は、端部軸部と本体軸部とはそれぞれ金属製であることを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の動力伝達シャフト。
11. 前記軸本体は、端部軸部が金属製でかつ本体軸部が樹脂製であることを特徴とする請求項８に記載の動力伝達シャフト。
12. 前記軸本体は、端部軸部が中実軸からなることを特徴とする請求項８〜請求項１１のいずれか１項に記載の動力伝達シャフト。
13. 前記軸本体は、端部軸部が中空軸からなることを特徴とする請求項８〜請求項１１のいずれか１項に記載の動力伝達シャフト。
14. 前記軸本体は、端部軸部と本体軸部とが別体にて成形されていることを特徴とする請求項８〜請求項１３のいずれか１項に記載の動力伝達シャフト。
15. 前記端部軸部が小径部と大径の大径部構成部とからなり、大径部構成部と本体軸部とが溶接にて接合され、大径部構成部と本体軸部とで中間部の前記大径部を構成することを特徴とする請求項９、請求項１０、請求項１２、請求項１３、又は請求項１４のいずれか１項に記載の動力伝達シャフト。
16. 前記軸本体は、固定式等速自在継手側の軸部と、摺動式等速自在継手側の軸部とを有し、固定式等速自在継手側の軸部と摺動式等速自在継手側の軸部とが突き合わされた状態で接合され、少なくとも、中間部位の大径部においては中空軸に形成されたことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の動力伝達シャフト。
17. シャフト全長にわたって中空軸とされていることを特徴とする請求項１６に記載の動力伝達シャフト。
18. 綾目ローレットを被覆している被覆体のローレット対応部位にリング部材を外嵌したことを特徴とする請求項１〜請求項１７のいずれか１項に記載の動力伝達シャフト。
19. 前記被覆体は強化繊維に樹脂を浸み込ませた束を軸本体に巻き付けてなることを特徴とする請求項１〜請求項１８のいずれか１項に記載の動力伝達シャフト。
20. 前記被覆体はプレプレグシートが巻設されてなることを特徴とする請求項１〜請求項１８のいずれか１項に記載の動力伝達シャフト。

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