JP7217587B2

JP7217587B2 - 動力伝達用シャフト

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Publication number: JP7217587B2
Application number: JP2017251141A
Authority: JP
Inventors: 卓板垣; 実石島
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2017-12-27
Filing date: 2017-12-27
Publication date: 2023-02-03
Anticipated expiration: 2037-12-27
Also published as: JP2019116932A; US20200318676A1; EP3734090A1; EP3734090B1; EP3734090A4; US11767876B2; WO2019131549A1

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、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セレーション結合（スプライン結合）を用いたものがある（特許文献１～特許文献３）。

各特許文献１～３に記載されている構成は、図９に示すような金属製シャフト７１の軸端部７１ａに、雄セレーション（雄スプラインを含み、以下雄スプラインと呼ぶ）７２を設け、この金属製シャフト７１の軸端部７１ａを、繊維強化プラスチック製（ＦＲＰ製）の筒体（図示省略）に圧入するものである。

すなわち、雄スプライン７２を、ＦＲＰ製の筒体に圧入することによって、ＦＲＰ製の筒体の内径面に切り込ませることによって、このＦＲＰ製の筒体と金属製シャフト７１とを一体に接合するものである。

従来には、筒体（パイプ）の内径面にも予め雌スプラインを形成しておき、金属製シャフト７１の軸端部７１ａの雄スプラインと雌スプラインを嵌合させるものがある（特許文献４）、さらには、セレーション部の外径を、ＦＲＰ製の筒体の内径面の内径よりもやや大きくして、圧入後の圧縮応力と引張応力とで接合するものがある（特許文献５）。また、金属製シャフト７１の軸端部７１ａの雄スプラインを圧入されたＦＲＰ製の筒体に、外装スリーブを外嵌し、ＦＲＰ製の筒体の外周面と外装スリーブの内周面との間に接着剤等を介在させるものがある。（特許文献６）

特開２０００－３３７３４４号公報特開２００４－３０８７００号公報特許第５６８３７９８号公報特開２００１－２６３３２９号公報特開２０１０－８３２５３号公報特開２０１７－１４１８６５号公報

特許文献１から特許文献３では、金属製の軸部（シャフト）７１の軸端部７１ａに予め雄スプライン７２を設け、この雄スプライン７２をＦＲＰ製の筒体（パイプ）に圧入するものである。この場合、筒体（パイプ）の内径面に雄スプライン７２の形状の刻設（切削）を行って、内径面に雄スプライン７２が嵌合する雌スプラインを形成することになる。しかしながら、金属製の軸部７１の雄スプライン７２をＦＲＰ製の筒体の内径面（内周面）に圧入する際、図１０に示すように、圧入方向に対して直交する圧入始端面７２ａが切削始端となって、被削性の劣るものとなっている。このため、圧入荷重と筒体との長さによっては、筒体が座屈するおそれがある。

また、刻設性、すなわち、スプラインの被削性を良好に維持できない場合、筒体が金属製の軸部の圧入によって、拡径する。このように拡径した場合、筒体の内径面に形成（刻設）される雌スプラインの歯面と金属製の軸部のスプラインの歯面の密着面積が小さくなり、許容伝達トルクが低下するおそれがあった。

特許文献４では、予め、雄スプラインに嵌合する雌スプラインを形成する必要があり、しかも、雄スプラインと雌スプラインとの位相合わせが必要で、生産性に劣ることになる。また、特許文献５では、圧入後の圧縮応力と引張応力とで接合するもので、接合力に問題があり、許容伝達トルクが低下するおそれがある。また、特許文献６では、部品点数が増加され、生産性及びコスト面で劣ることになる。

そこで、本発明は、上記課題に鑑みて、金属製軸部材の樹脂製軸部材への圧入時の被削性の向上を図ることができて、密着嵌合部の歯面の密着面積を十分に確保できて、許容伝達トルクの低下を有効に防止でき、しかも生産性に優れた動力伝達シャフトを提供するものである。

本発明の動力伝達シャフトは、金属製軸部材と、この金属製軸部材に軸方向に沿って連設される樹脂製軸部材とを備えた動力伝達シャフトであって、前記樹脂製軸部材が繊維強化プラスチックで構成され、前記金属製軸部材と前記樹脂製軸部材とは、金属製軸部材の外表面に設けられた雄スプラインと、この雄スプラインの樹脂製軸部材への圧入によって成形される雌スプラインとの密着嵌合部を介して接合され、かつ、雄スプラインの圧入始端面を、その外端縁から内径側に向かって圧入方向後方側に傾斜する端面側テーパ面とするとともに、雄スプラインの凸歯の外面を圧入始端縁から圧入方向後方側に向かって内径側へ傾斜する外径側テーパ面とし、前記端面側テーパ面と前記外径側テーパ面との交点を、金属製軸部材の雄スプラインの圧入始端面の外径縁部に圧入方向前方側へ突出する、切削始端となるエッジとしたものである。

金属製軸部材の雄スプラインの圧入始端面の外径縁部に圧入方向前方側へ突出するエッジを設けたことによって、圧入時に、このエッジが切削始端となって、被削性の向上を図ることができる。

雄スプラインの圧入始端面を、その外端縁から内径側に向かって圧入方向後方側に傾斜する端面側テーパ面とすることができる。端面側テーパ面を形成することによって、エッジを安定して形成することができる。また、雄スプラインの凸歯の外面を圧入始端縁から圧入方向後方側に向かって内径側へ傾斜する外径側テーパ面としてよい。このような外径側テーパ面を形成することによっても、エッジを安定して形成することができる。

本発明では、被削性の向上を図ることができるので、圧入荷重を抑制することができ、圧入時に樹脂製軸部材に座屈を生じさせない。しかも、雄スプラインの被削性を良好に維持でき、金属製軸部材の圧入による樹脂製軸部材の拡径を有効に防止できる。これによって、密着嵌合部（噛合部）の歯面の接触面積を十分に確保でき、許容伝達トルクの低下を有効に防止できる。また、金属製軸部材を樹脂製軸部材に圧入するのみで、金属製軸部材と樹脂製軸部材とを安定して接合することが可能で、生産性に優れる。

本発明の動力伝達シャフトの要部斜視図である。図１に示す動力伝達シャフトの要部断面図である。図１に示す動力伝達シャフトの金属製軸部材と樹脂製軸部材との接合部位の拡大断面図である。図３の要部拡大断面図である。金属製軸部材の圧入始端部を示し、（ａ）はエッジを有する圧入始端部の簡略図であり、（ｂ）他の形状のエッジを有する圧入始端部の簡略図である。金属製軸部材を圧入する前の樹脂製軸部材の拡大断面図である。金属製軸部材を樹脂製軸部材に圧入完了した状態の要部断面図である。本発明に係る動力伝達シャフトを用いたドライブシャフトの断面図である。従来の動力伝達シャフトの金属製軸部材を示す側面図である。従来の動力伝達シャフトの金属製軸部材の雄スプラインの要部拡大簡略図である。

以下本発明の実施の形態を図１～図８に基づいて説明する。図８は、本発明に係る動力伝達シャフト１を用いたドライブシャフトを示し、この動力伝達シャフト１は、一対の金属製軸部材２，２と、金属製軸部材２，２に軸方向に沿って連設される樹脂製軸部材３とを備える。すなわち、樹脂製軸部材３は、一対の金属製軸部材２，２間に配設されてこれらを連結する中間軸を構成する。

このドライブシャフトは、固定式等速自在継手３１と摺動式等速自在継手３２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３１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３２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３１は、軸方向に延びる複数のトラック溝３３が内径面３４に形成された外側継手部材３５と、軸方向に延びる複数のトラック溝３６が外径面３７に円周方向等間隔に形成された内側継手部材３８と、外側継手部材３５のトラック溝３３と内側継手部材３８のトラック溝３６との間に介在してトルクを伝達する複数のボール３９と、外側継手部材３５の内径面３４と内側継手部材３８の外径面３７との間に介在してボール３９を保持するケージ４０とを備えている。

摺動式等速自在継手３２は、内周に軸線方向に延びる三本のトラック溝５１を設けると共に各トラック溝５１の内側壁に互いに対向するローラ案内面５１ａを設けた外側継手部材５２と、半径方向に突出した３つの脚軸５３を備えたトリポード部材５４と、脚軸５３に外嵌する内側ローラ５５と、トラック溝５１に挿入されると共に内側ローラ５５に外嵌する外側ローラ５６とを備えたものである。なお、外側ローラ５６と内側ローラ５５との間に図示しない複数の針状ころが介在している。すなわち、この摺動式等速自在継手３２は、外側ローラ５６が脚軸５３に対して回転自在であると共にローラ案内面５１ａ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５４はボス５７と前記脚軸５３とを備える。脚軸５３はボス５７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３１における内側継手部材３８の軸孔にトルク伝達可能に動力伝達シャフト１の軸端嵌合部を嵌入し、摺動式等速自在継手３２におけるトリポード部材５４の軸孔にトルク伝達可能に動力伝達シャフト１の軸端嵌合部を嵌入している。なお、動力伝達シャフト１の両軸端嵌合部の端部は、スナップリング等の止め輪２５，２５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２６、２６が形成され、この周方向溝２６、２６に止め輪２５，２５が嵌合している。

この動力伝達シャフト１の両端にある軸端嵌合部の外径には雄スプライン５，５が形成され、両等速自在継手の内側継手部材３８及びトリポード部材５４の軸孔には雌スプライン２７，２７が形成されている。動力伝達シャフト１の両端にある軸端嵌合部を等速自在継手３１，３２の内側継手部材３８及びトリポード部材５４の軸孔に嵌入することにより、雄スプライン５，５と雌スプライン２７，２７とを噛み合わせることで結合させ、動力伝達シャフト１と内側継手部材３８及びトリポード部材５４との間でトルク伝達を可能としている。

動力伝達シャフト１と各外側継手部材３８，５２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３５，５２の開口端でブーツバンド４５により締め付け固定され、その小径端部３０ｂは動力伝達シャフト１の後述するブーツ装着部６ｃでブーツバンド４６により締め付け固定されている。

金属製軸部材２は、図１と図２に示すように、一方の端部に大径ボス部４が設けられるとともに、他方の端部に雄スプライン５が設けられている。すなわち、大径ボス部４から雄スプライン５に向かって中径部６ａ、小径部６ｂ、ブーツ装着部６ｃ、小径部６ｄ、中径部６ｅが設けられている。ブーツ装着部６ｃに周方向凹溝７が設けられ、ブーツ３０の小径端部３０ｂ（図８参照）がブーツ装着部６ｃに装着された際に、周方向凹溝７に小径端部３０ｂの内径面の一部が嵌合する。

樹脂製軸部材３は、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）製筒体からなる。ＦＲＰ製筒体としては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にて成形される。フィラメントワインディング法とは、樹脂を含浸した炭素繊維（繊維束）を心棒のまわりに巻いて成形し、加熱して硬化させた後に心棒を取り外す方法である。繊維の束でなく、シートを巻きつけるのが「シートワインディング」という。

この場合、樹脂製軸部材３に開口端部３ａを、図３に示すように、金属製軸部材２の大径ボス部４に外嵌接合する。この場合、金属製軸部材２の大径ボス部４と、樹脂製軸部材３の開口端部３ａとは密着嵌合部Ｍを介して結合されている。

すなわち、金属製軸部材２の大径ボス部４の外径面（外表面）には雄スプライン（雄セレーションを含む）１０（雄セレーションを含む）が形成され、樹脂製軸部材３の開口端部３ａの内径面には雌スプライン（雌セレーションを含む）１１が形成され、雄スプライン１０と雌スプライン１１とが嵌合している。雄スプライン１０は、複数本の凸歯１０ａと、複数本の凹歯１０ｂとが周方向に沿って交互に配設されてなる。雌スプライン１１は、複数本の凹歯１１ａと、複数本の凸歯１１ｂとが周方向に沿って交互に配設されてなる。雄スプライン１０の凸歯１０ａが雌スプライン１１の凹歯１１ａに嵌合し、雌スプライン１１の凸歯１１ｂが雄スプライン１０の凹歯１０ｂに嵌合している。この場合、凹歯１１ａと凸歯１０ａとの嵌合接触部位全域１２（図４参照）が密着している。

次に密着嵌合部Ｍを成形方法を説明する。この場合、金属製軸部材２の大径ボス部４の外径面には雄スプライン１０を形成する。この雄スプライン１０は、公知公用の手段であるブローチ加工、切削加工、プレス加工、引き抜き加工等の種々の加工方法によって、形成することができる。また、雄スプライン１０に対して、熱硬化処理を施してもよい。熱硬化処理としても、高周波焼入れ、浸炭焼入れ等の種々の熱処理を採用することができる。

これに対して、樹脂製軸部材３の開口端部３ａの内径面は、図６に示すように、雌スプライン１１を形成しない状態である円筒面８としておく。また、図５（ａ）に示すように、金属製軸部材２の雄スプライン１０の端面、すなわち、圧入始端面１３の外径縁部に圧入方向前方側へ突出するエッジ１４を設ける。この場合、雄スプライン１０の圧入始端面１３を、その外端縁から内径側に向かって圧入方向上流側（圧入方向後方側）に傾斜する端面側テーパ面１５とする。これによって、前記エッジ１４を構成する。この場合、金属製軸部材２の大径ボス部４の端面（雄スプライン１０の端面を省く端面）４ａが、エッジ１４よりも後退した状態となっている。この端面側テーパ面１５の傾斜角度αとして、例えば、５°から３０°程度に設定し、ほぼ中央値角度の１５°程度が好ましい。

図５（ｂ）に示すように、雄スプライン１０の凸歯１０ａの外面１６を圧入始端縁から圧入方向後方側に向かって内径側へ傾斜する外径側テーパ面１７としてもよい。この場合、端面側テーパ面１５を設けることなく、外径側テーパ面１７のみであっても、圧入始端面１３の外径縁部にエッジ１４を形成することができる。しかしながら、この図５（ｂ）に示すように、端面側テーパ面１５及び外径側テーパ面１７を設けることによって、エッジ１４を形成している。この外径側テーパ面１７の傾斜角度βとして、例えば、５°から３０°程度に設定し、ほぼ中央値角度の１５°程度が好ましい。

次に、この図５（ａ）や図５（ｂ）に示すように雄スプライン１０を成形後、雄スプライン１０を樹脂製軸部材３の開口端部３ａに圧入することになる。この場合、図４に示すように、樹脂製軸部材３の開口端部３ａの内径面の内径寸法をＤとし、雄スプライン１０のスプライン大径をＤ１とし、雄スプライン１０のスプライン小径をＤ２としたときに、Ｄ２＜Ｄ＜Ｄ１とする。なお、図５（ｂ）に示すように、外径側テーパ面１７が形成されたものでは、スプライン小径とは、圧入始端面１３の外径縁部のエッジ１４の外径寸法とする。

このように、構成された雄スプライン１０を樹脂製軸部材３に開口端部３ａに圧入していけば、雄スプライン１０の凸歯１０ａが樹脂製軸部材３の開口端部３ａの内径面に切り込まれることによって、樹脂製軸部材３の開口端部３ａの内径面に雄スプライン１０に嵌合する雌スプライン１１を刻設することができる。しかも、圧入始端面１３の外径縁部にエッジ１４が形成されているので、圧入時に、このエッジが切削始端となって、被削性の向上を図ることができる。

ところで、図２に示す範囲Ｈは、密着嵌合部Ｍの範囲を示し、この範囲Ｈとしては、任意に設定できるが、金属製軸部材２と樹脂製軸部材３との接合力、金属製軸部材２の大径ボス部４の外径寸法、および使用する繊維強化プラスチック等を考慮して、設定することができる。なお、雄スプライン１０を樹脂製軸部材３の開口端部３ａに圧入して、樹脂製軸部材３の開口端部３ａの内径面に雄スプライン１０に嵌合する雌スプライン１１を刻設すれば、図７に示すような切粉２０が形成されるが、図２ではこの切粉２０を除去した場合を示している。この動力伝達シャフトを用いる場合、図７に示すように切粉２０が形成されたままであっても、図２に示すように切粉２０が除去したものであってもよい。

このように、本発明に係る動力伝達シャフトでは、エッジ１４が切削始端となって、被削性の向上を図ることができ、圧入荷重を抑制することができるので、圧入時に樹脂製軸部材３に座屈を生じさせない。しかも、雄スプライン１０の被削性を良好に維持でき、金属製軸部材２の圧入による樹脂製軸部材３の拡径を有効に防止できる。これによって、密着嵌合部（噛合部）Ｍの歯面の接触面積を十分に確保でき、許容伝達トルクの低下を有効に防止できる。また、金属製軸部材２を樹脂製軸部材３に圧入するのみで、金属製軸部材２と樹脂製軸部材３とを安定して接合することが可能で、生産性に優れる。

エッジ１４としては、雄スプライン１０の圧入始端面１３を、その外端縁から内径側に向かって圧入方向後方側に傾斜する端面側テーパ面１５とすることによって、安定して形成できる。また、雄スプライン１０の凸歯１０ａの外面を圧入始端縁から圧入方向後方側に向かって内径側へ傾斜する外径側テーパ面１７を形成することによっても、エッジ１４を安定して形成することができる。

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、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。また、含浸させる短繊維としては、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。

繊維強化プラスチックとしては、フープ巻きであってもヘリカル巻きであってもよい。フープ巻きとは、中心軸と繊維の巻き付け方向とがなす角度が略垂直となるように、繊維を巻回する方法である。ここで「略垂直」とは、９０°と、繊維同士が重ならないように繊維の巻き付け位置をずらすことによって生じ得る９０°前後の角度と、の両方を含む。また、ヘリカル巻きとは、中心軸と繊維の巻き付け方向とがなす角度が所定の角度となるように、繊維を巻回する方法である。

樹脂製軸部材３の肉厚寸法及び外径寸法として、用いる部位や、動力伝達シャフト全長等に応じて任意に設定できるが、トルク伝達に対応でき、かつ大径化及び重量化しない範囲で種々設定できる。

エッジ１４を形成するための端面側テーパ面及１５及び外径側テーパ面１７の各傾斜角度α、βとして、前記したものに限るものではないが、被削性の向上を図ることができ、圧入荷重を抑制することができる範囲で種々変更できる。

固定式等速自在継手３１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３２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３２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。

雄スプライン１０の凸歯１０ａの形状として、断面三角形状、断面台形、半円形状、半楕円形状、矩形形状等の種々の形状のものを採用でき、各凸歯１０ａの面積、数、周方向配設ピッチ等も任意に変更できる。

Ｍ密着嵌合部
α 傾斜角度
２金属製軸部材
３樹脂製軸部材
１０雄スプライン
１１雌スプライン
１３圧入始端面
１４エッジ
１５端面側テーパ面
１７外径側テーパ面

Claims

金属製軸部材と、この金属製軸部材に軸方向に沿って連設される樹脂製軸部材とを備えた動力伝達シャフトであって、
前記樹脂製軸部材が繊維強化プラスチックで構成され、前記金属製軸部材と前記樹脂製軸部材とは、金属製軸部材の外表面に設けられた雄スプラインと、この雄スプラインの樹脂製軸部材への圧入によって成形される雌スプラインとの密着嵌合部を介して接合され、かつ、雄スプラインの圧入始端面を、その外端縁から内径側に向かって圧入方向後方側に傾斜する端面側テーパ面とするとともに、雄スプラインの凸歯の外面を圧入始端縁から圧入方向後方側に向かって内径側へ傾斜する外径側テーパ面とし、前記端面側テーパ面と前記外径側テーパ面との交点を、金属製軸部材の雄スプラインの圧入始端面の外径縁部に圧入方向前方側へ突出する、切削始端となるエッジとしたことを特徴とする動力伝達シャフト。