JP2016098945A - 動力伝達シャフト - Google Patents
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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。
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。
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
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)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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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JP2014237830A JP2016098945A (ja) | 2014-11-25 | 2014-11-25 | 動力伝達シャフト |
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JP2019167989A (ja) * | 2018-03-22 | 2019-10-03 | Ntn株式会社 | 等速自在継手用シャフト |
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CN112638689A (zh) * | 2019-02-27 | 2021-04-09 | 日立安斯泰莫株式会社 | 用于传动轴的管体和传动轴 |
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- 2014-11-25 JP JP2014237830A patent/JP2016098945A/ja active Pending
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