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JP2006038128A - Propeller shaft - Google Patents

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JP2006038128A
JP2006038128A JP2004219906A JP2004219906A JP2006038128A JP 2006038128 A JP2006038128 A JP 2006038128A JP 2004219906 A JP2004219906 A JP 2004219906A JP 2004219906 A JP2004219906 A JP 2004219906A JP 2006038128 A JP2006038128 A JP 2006038128A
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JP
Japan
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cylindrical body
propeller shaft
frp
frp cylindrical
trigger
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Application number
JP2004219906A
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Japanese (ja)
Inventor
Yasuyuki Kawanomoto
靖之 川野元
Yasushi Iida
靖 飯田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toray Industries Inc
Original Assignee
Toray Industries Inc
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a propeller shaft having a structure capable of surely generating and advancing breaking by a required low load. <P>SOLUTION: This propeller shaft has an FRP cylindrical body and a metallic joint pressed in an end of the FRP cylindrical body. The propeller shaft is characterized in that the metallic joint is provided with a flange capable of transmitting a shaft directional compressive load applied to the metallic joint to the end surface of the FRP cylindrical body, and the end of the FRP cylindrical body is provided with a layered and annular trigger part extending in the shaft direction from the end surface of the FRP cylindrical body in a position corresponding to an outer diameter of the flange part and becoming a starting point of the breaking of the FRP cylindrical body to the shaft directional compressive load. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、自動車等のプロペラシャフト(駆動推進軸)に関し、とくにFRP製円筒体を用いて構成したプロペラシャフトに関する。   The present invention relates to a propeller shaft (drive propulsion shaft) for an automobile or the like, and more particularly to a propeller shaft configured using an FRP cylindrical body.

近年、省エネルギーの観点および地球環境保全の観点から燃費の向上を目的とした自動車の軽量化が強く望まれている。その一つの手段として、プロペラシャフトを金属製からFRP(繊維強化プラスチックス)製のものに代替することが検討されてきた。その際、使用する強化繊維にも種々あり、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等が検討されているが、この中で特に、比強度、比弾性率の面で優れた炭素繊維を強化繊維とするCFRP(炭素繊維強化プラスチックス)が有力とされ、一部で既に採用されるに至っている。   In recent years, there has been a strong demand for weight reduction of automobiles for the purpose of improving fuel efficiency from the viewpoints of energy saving and global environmental protection. As one of the means, it has been considered to replace the propeller shaft with one made of FRP (fiber reinforced plastics) instead of metal. At that time, there are various types of reinforcing fibers to be used. For example, carbon fibers, glass fibers, aramid fibers, and the like have been studied. Among them, carbon fibers excellent in terms of specific strength and specific elastic modulus are reinforced. CFRP (carbon fiber reinforced plastics), which is used as a fiber, is considered to be promising and has already been partially adopted.

自動車のプロペラシャフトは、エンジンから発生する大きなトルクを伝達する必要があることから、1,000〜4,000Nm程度の捩り強度を必要とする。これまでのCFRP製プロペラシャフト、特にその本体筒部は、特許文献1等に記載されているように、必要なトルクを伝達するために、積層角度とその積層構成、シャフトのサイズ(内径、外径、肉厚)、使用する強化繊維の種類、繊維の含有率などをパラメータとして設計されている。これらの設計パラメータを適切に設定することにより、上述のような実用上必要とされる捩り強度の達成が可能となる。また、高速回転時に共振を起こさないよう、危険回転数が5,000〜15,000rpm程度であることも要求される。そのため、これらの基本的要求が満たされるよう、FRP製の本体は、強化繊維の種類、含有量や、強化繊維の配列方向、層構成や、外径、内径、肉厚等のパラメータを考慮した設計がなされる。たとえば、強化繊維の配列方向の選定には、次のようなことが考慮される。すなわち、主として捩り強度に関しては、強化繊維を本体の軸方向に対して±45゜の角度で螺旋状に配列するのが最も効果的であるが、主として捩り座屈強度に関しては、軸方向に対して±80〜90゜の角度で周方向に配列するのが最も効果的である。また、主として危険回転数に関しては、強化繊維を可能な限り軸方向に配列してその軸方向における曲げ弾性率を大きくし、高い曲げ共振周波数が得られるようにする。   Since the propeller shaft of an automobile needs to transmit a large torque generated from the engine, it requires a torsional strength of about 1,000 to 4,000 Nm. Conventional CFRP propeller shafts, in particular, the main body cylinder portion, as described in Patent Document 1 and the like, are used to transmit a necessary torque in order to transmit a necessary angle, a stacking configuration, a shaft size (inner diameter, outer (Diameter, wall thickness), types of reinforcing fibers used, fiber content, and the like. By appropriately setting these design parameters, it is possible to achieve the torsional strength required for practical use as described above. Further, it is also required that the critical rotational speed is about 5,000 to 15,000 rpm so that resonance does not occur during high-speed rotation. Therefore, in order to satisfy these basic requirements, the main body made of FRP considers parameters such as the type and content of reinforcing fibers, the arrangement direction of reinforcing fibers, the layer configuration, outer diameter, inner diameter, and wall thickness. Design is made. For example, the following is considered in selecting the arrangement direction of the reinforcing fibers. That is, with respect to the torsional strength, it is most effective to arrange the reinforcing fibers in a spiral shape at an angle of ± 45 ° with respect to the axial direction of the main body. It is most effective to arrange them in the circumferential direction at an angle of ± 80 to 90 °. Further, mainly regarding the critical rotational speed, reinforcing fibers are arranged in the axial direction as much as possible to increase the bending elastic modulus in the axial direction so that a high bending resonance frequency can be obtained.

このように、本体筒においては、捩り強度と危険回転数といった基本的要求に関して最も効果的な強化繊維の配列方向が存在するので、これらの要求に好適な配列方向を組み合わせた層構成を採ることになるが、捩り強度の問題は外径や肉厚等の寸法面からも解決できることから、通常は、強化繊維の配列方向への依存性の大きい危険回転数を優先した設計がなされ、強化繊維が軸方向に対して小さな角度で配列された層の割合を多くしている。ところが、そのために以下において説明するような問題が起こっている。   As described above, in the main body cylinder, there are the most effective reinforcing fiber arrangement directions with respect to basic requirements such as torsional strength and dangerous rotation speed. Therefore, a layer configuration in which arrangement directions suitable for these requirements are combined is adopted. However, since the problem of torsional strength can be solved from dimensions such as outer diameter and wall thickness, usually, priority is given to the critical rotational speed, which has a large dependence on the arrangement direction of reinforcing fibers. The ratio of the layers arranged at a small angle with respect to the axial direction is increased. However, this causes problems as described below.

すなわち、軽量化とともに重要なことに、衝突時における乗員の安全確保がある。この安全確保についての近年における自動車の設計思想は、ボディをクラッシャブル構造とし、衝突時の衝撃エネルギーをボディの変形・破壊により吸収し、もって搭乗者にかかる急激な加速度を緩和することに支配されるが、上述した、危険回転数を優先した思想の下にFRP製の本体筒を設計すると、必然的に軸方向の圧縮荷重に対する強度が高くなり、衝突時にボディが破壊し、その破壊が逐次進行してプロペラシャフトに達したときに、プロペラシャフトがあたかもつっかい棒のように作用して衝撃エネルギーの吸収効果が損われるようになってしまう。   That is, in addition to weight reduction, it is important to ensure the safety of passengers in the event of a collision. The design philosophy of automobiles in recent years for ensuring safety is dominated by the fact that the body has a crushable structure and the impact energy at the time of collision is absorbed by deformation and destruction of the body, thus mitigating rapid acceleration on the passenger. However, if the FRP main body cylinder is designed under the above-mentioned concept of giving priority to the dangerous rotation speed, the strength against the axial compressive load is inevitably increased, and the body is destroyed at the time of collision, and the destruction is successively performed. When the propeller shaft is reached by advancing, the propeller shaft acts like a thick rod and the impact energy absorbing effect is lost.

かかる問題を解決しようとして、特許文献2に記載の発明は、衝突時の圧縮荷重で継手が本体筒との接合面において軸方向に移動し、同時に継手が本体筒全体をその端部から徐々に押し拡げて破壊するようにしたプロペラシャフトを提案している。しかしながら、この従来のプロペラシャフトにおいては、継手の移動を確保するために本体筒と継手とを複雑な歯形や分離剤を介して接合しなければならず、構造が複雑になるばかりか、製造上の煩雑さも免れない。また、そのような構成のプロペラシャフトにおいて継手を圧入接合しようとすると、本体筒に圧入時の力に耐える強度をもたせなければならないが、そのための強度をもたせることは、圧縮荷重による本体筒の押し拡げ、破壊を困難にする。すなわち、上述した基本的要求と、押し拡げ、破壊という相反する要求とを同時に満足させることはなかなか難しい。   In an attempt to solve such a problem, the invention described in Patent Document 2 is such that the joint moves in the axial direction at the joint surface with the main body cylinder by a compressive load at the time of collision, and at the same time, the joint gradually moves the entire main body cylinder from its end. Propeller shafts that are expanded and destroyed are proposed. However, in this conventional propeller shaft, in order to ensure the movement of the joint, the main body cylinder and the joint must be joined through complicated tooth shapes and separating agents, which not only makes the structure complicated, The intricacies of unavoidable. In addition, when attempting to press-fit a joint in a propeller shaft having such a configuration, the main body cylinder must be strong enough to withstand the force during press-fitting. Spread and make destruction difficult. That is, it is difficult to satisfy the above-mentioned basic requirements and conflicting requirements such as expansion and destruction at the same time.

このように、従来のプロペラシャフトは、いずれも、捩り強度や危険回転数といった基本的要求と衝突時における乗員の安全確保においてバランスのとれたものであるとはいい難いおそれがある。
特開平2−236014号公報 特開平3−37416号公報
As described above, any of the conventional propeller shafts may be difficult to be balanced in terms of basic requirements such as torsional strength and dangerous rotational speed and ensuring the safety of passengers in the event of a collision.
JP-A-2-236014 JP-A-3-37416

そこで本発明の課題は、FRP製プロペラシャフトにおいて、自動車用等に必要とされる高い捩り強度および危険回転数の特性を確保しつつ、軸方向荷重に対しては、クラッシャブルな車体等に合わせて、必要な低い荷重で破壊を確実に発生、進行させることのできる構造のプロペラシャフトを提供することにある。   Therefore, the object of the present invention is to ensure that the FRP propeller shaft has the characteristics of high torsional strength and dangerous rotational speed required for automobiles and the like, and is adapted to a crashable vehicle body etc. with respect to the axial load. An object of the present invention is to provide a propeller shaft having a structure capable of reliably generating and advancing fracture at a necessary low load.

上記課題を解決するために、本発明に係るプロペラシャフトは、FRP製円筒体と、該FRP製円筒体の端部に圧入された金属製継手とを有するプロペラシャフトであって、前記金属製継手に、該金属製継手に加わった軸方向圧縮荷重をFRP製円筒体の端面に伝達可能なフランジ部を設けるとともに、前記FRP製円筒体の端部に、前記フランジ部の外径に相当する位置においてFRP製円筒体の端面から軸方向に延び、前記軸方向圧縮荷重に対してFRP製円筒体の破壊の起点となる層状かつ環状のトリガー部を設けたことを特徴とするものからなる。   In order to solve the above problems, a propeller shaft according to the present invention is a propeller shaft having an FRP cylindrical body and a metal joint press-fitted into an end of the FRP cylindrical body, and the metal joint A flange portion capable of transmitting an axial compressive load applied to the metal joint to the end surface of the FRP cylindrical body, and a position corresponding to the outer diameter of the flange portion at the end portion of the FRP cylindrical body. In this embodiment, a layered and annular trigger portion is provided which extends in the axial direction from the end face of the FRP cylindrical body and serves as a starting point of destruction of the FRP cylindrical body against the axial compression load.

上記プロペラシャフトにおいては、FRP製円筒体の端部が、径方向内側に位置し、強化繊維の周方向巻層(例えば、軸方向に対し±70〜90度の巻層)を含む補強層と、該補強層の外側に位置し、強化繊維の螺旋巻層(例えば、軸方向に対し±10〜65度の巻層)を含む、トルクを伝達する円筒体の軸方向全長に渡って延在する筒体形成層とからなり、前記フランジ部の外径が、前記補強層と筒体形成層との境界に相当する位置に設定されているとともに、前記トリガー部が、該境界に相当する位置に設けられている。   In the propeller shaft, the end portion of the FRP cylindrical body is located on the radially inner side, and includes a reinforcing layer including a circumferential winding layer of reinforcing fibers (for example, a winding layer of ± 70 to 90 degrees with respect to the axial direction) , Located outside the reinforcing layer, and extending over the entire axial length of the cylindrical body for transmitting torque, including a spiral wound layer of reinforcing fibers (for example, a wound layer of ± 10 to 65 degrees with respect to the axial direction) A position where the outer diameter of the flange portion corresponds to the boundary between the reinforcing layer and the cylinder forming layer, and the trigger portion corresponds to the boundary. Is provided.

また、トリガー部は、例えば、シート状物を埋設することにより構成されている。例えば、FRP製円筒体の前記境界部に、円筒体のFRPに用いられているマトリクス樹脂との接着剪断強度がFRPの層間剪断強度よりも低く、かつ、その層厚さが強化繊維の積層構成をなす円筒体のFRPの単一層の厚さよりも薄いシート状物を埋設することにより形成される。トリガー部を形成するシート状物の形状としては、一定幅の帯状シートが環状に延びるものとすることもできるし、シート状物の軸方向奥部端面が、波状またはジグザグ状に形成されている形状を採用することもできる。   Moreover, the trigger part is comprised by embedding a sheet-like thing, for example. For example, at the boundary of the FRP cylindrical body, the adhesive shear strength with the matrix resin used for the FRP of the cylindrical body is lower than the interlayer shear strength of FRP, and the layer thickness is a laminated structure of reinforcing fibers Is formed by embedding a sheet-like material that is thinner than the thickness of a single layer of FRP of the cylindrical body forming As the shape of the sheet-like material forming the trigger portion, a belt-like sheet having a constant width can be annularly extended, and the axially inner end surface of the sheet-like material is formed in a wave shape or a zigzag shape. A shape can also be adopted.

このシート状物は、プラスチックフイルム、金属薄板、金属網、有機繊維の織物、ガラス繊維の織物、アラミド繊維の織物などから選ぶことができる。   This sheet-like material can be selected from a plastic film, a metal thin plate, a metal net, an organic fiber fabric, a glass fiber fabric, an aramid fiber fabric, and the like.

FRP製円筒体の成形方法としては、フィラメントワインディング成形、シートワィンディング成形などがあり、成形途中で所定の位置にトリガー部を形成するシート状物を挿入することにより目標とするプロペラシャフトのFRP製円筒体が得られる。   FRP cylindrical body forming methods include filament winding molding, sheet winding molding, and the like. The target propeller shaft FRP cylinder is formed by inserting a sheet-like material that forms a trigger portion at a predetermined position during molding. The body is obtained.

また、別のトリガー部の形成方法として、所定の方法で成形されたFRP製の円筒筒の前記境界層部分に、円周方向に延びる環状の溝加工を施すことにより、つまり環状のスリットを形成することにより、所望のトリガー部を構成することができる。   As another method of forming the trigger portion, an annular groove is formed in the boundary layer portion of the FRP cylindrical tube formed by a predetermined method, that is, an annular slit is formed. By doing so, a desired trigger portion can be configured.

更に好ましい構造として、前記金属製継手の前記フランジ部の圧入側前方に、前記FRP製円筒体の内径よりも小さい外径を有する凹部が設けられ、前記トリガー部の軸方向長さが、該凹部の軸方向長さと実質的に同一の長さに設定されている構造を採用することができる。   As a more preferable structure, a recess having an outer diameter smaller than the inner diameter of the FRP cylindrical body is provided in front of the flange portion of the metal joint on the press-fitting side, and the axial length of the trigger portion is the recess. It is possible to employ a structure that is set to a length that is substantially the same as the axial length.

この構造においては、更に、金属製継手のFRP製円筒体への圧入部外周にセレーション部が設けられており、FRP製円筒体の少なくとも端部の内径が、前記凹部の軸方向長さに渡って金属製継手のセレーション部外径よりも大きく設定されている構造を採用することができる。   In this structure, a serration portion is further provided on the outer periphery of the press-fitting portion of the metal joint into the FRP cylinder, and the inner diameter of at least the end of the FRP cylinder extends over the axial length of the recess. Thus, a structure that is set larger than the outer diameter of the serration portion of the metal joint can be employed.

このようなプロペラシャフトにおいては、FRP製円筒体に軸方向圧縮荷重が作用した場合、金属製継手のフランジ部からFRP製円筒体端部のトリガー部へ荷重が伝達され、トリガー部に大きな応力集中が発生して破壊が開始、進行し、かつ、円筒体の他の部位よりも小さな圧縮荷重で破壊が開始する。また、上記トリガー部はいずれも、金属製継手の圧入接合時の強度およびFRP製円筒体の捩り強度を実質的に低下させない構造を採用しているので、通常使用時に対する要求強度上は全く問題を生じない。   In such a propeller shaft, when an axial compressive load is applied to the FRP cylinder, the load is transmitted from the flange portion of the metal joint to the trigger portion at the end of the FRP cylinder, resulting in a large stress concentration in the trigger portion. Is generated and breakage starts and progresses, and the breakage starts with a smaller compressive load than other portions of the cylindrical body. In addition, all the trigger parts adopt a structure that does not substantially reduce the strength during press-fitting of metal joints and the torsional strength of FRP cylindrical bodies, so there is no problem in the required strength for normal use. Does not occur.

自動車用プロペラシャフトに要求される捩り強度については、前述の如く、FRP製円筒体の設計の最適化で達成可能であるから、上記トリガー部を設けることにより、必要な捩り強度を確保しつつ、筒軸方向圧縮荷重に対しては、円筒体の軸圧縮強度より低い荷重で、確実に円筒体の破壊を開始させることができ、車両本体自身と同様の良好な衝撃エネルギー吸収能を発揮させることができる。   As described above, the torsional strength required for the propeller shaft for automobiles can be achieved by optimizing the design of the FRP cylindrical body, so that the necessary torsional strength can be ensured by providing the trigger portion, For cylinder axial compression load, the cylinder body can be reliably destroyed with a load lower than the axial compression strength of the cylinder body, and the same impact energy absorption ability as the vehicle body itself can be exhibited. Can do.

また、上記金属製継手のフランジ部の前方に円筒体本体の内径よりも外径の小さい凹部を形成し、かつ上記トリガー部の軸方向長さがフランジ部の前方に配置された凹部の軸方向長さに設定されることにより、通常のトルク伝達時はトリガー部へ荷重を負荷させることなく使用できるようになる。   Further, a concave portion having an outer diameter smaller than the inner diameter of the cylindrical body is formed in front of the flange portion of the metal joint, and the axial length of the trigger portion is disposed in front of the flange portion. By setting the length, it becomes possible to use the trigger portion without applying a load to it during normal torque transmission.

更に、FRP製円筒体に設けられたトリガー部の軸方向長さに合わせて、円筒体の内径を金属製継手のセレーション部外径よりも大きくすることにより、金属製継手圧入時にトリガー部へ荷重を負荷させることなく組立することが可能となる。   Furthermore, according to the axial length of the trigger part provided in the FRP cylindrical body, the inner diameter of the cylindrical body is made larger than the outer diameter of the serration part of the metal joint, thereby loading the trigger part when the metal joint is press-fitted. It becomes possible to assemble without loading.

本発明によれば、プロペラシャフトのFRP製円筒体端部に、筒軸方向圧縮荷重に対して破壊の起点となるトリガー部を適切な位置に適切な形態にて設け、圧縮破壊が確実にトリガー部から開始、進行するようにしたので、自動車用等に必要とされる高い捩り強度を確保しつつ、衝突時等に要求される、望ましい破壊の形態を現出できる。   According to the present invention, the FRP cylindrical body end portion of the propeller shaft is provided with the trigger portion that is the starting point of the fracture against the compressive load in the cylinder axial direction in an appropriate form, and the compression fracture is reliably triggered. Since it starts and progresses from a part, the desirable form of destruction required at the time of a collision, etc. can be revealed, ensuring the high torsional strength required for automobiles and the like.

以下に、本発明に係るプロペラシャフトの望ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図1〜図3は、本発明の第1実施態様に係るプロペラシャフトを示している。図1において、1はプロペラシャフト全体を示しており、2はFRP製円筒体、3はFRP製円筒体2の両端部(図1には片方の端部のみ図示)に圧入された金属製継手を、それぞれ示している。本実施態様では、FRP製円筒体2の内径は74.05mmとされており、FRP製円筒体2は、端部において径方向内側に位置する、円筒体2の軸方向に対して±70度〜90度の角度で巻かれた強化繊維の周方向巻層を含む補強層2bと、その外側に位置し、円筒体2の軸方向に対して例えば±10度〜65度の角度の螺旋巻層を含み円筒体2の全長に渡って延びる筒体形成層2aとからなる。本実施態様では、補強層2bは、厚さ2.5mm、軸方向長さ60mmのストレート部および軸中央方向に向かった長さ60mmのテーパー部にて形成されている。筒体形成層2aは、円筒体の軸方向に全長に渡って延在する複数の±15度層からなる主層を有しており、厚さ2.5mmに形成されている。
Hereinafter, preferred embodiments of a propeller shaft according to the present invention will be described with reference to the drawings.
1 to 3 show a propeller shaft according to a first embodiment of the present invention. In FIG. 1, 1 shows the entire propeller shaft, 2 is an FRP cylindrical body, 3 is a metal joint press-fitted into both ends of the FRP cylindrical body 2 (only one end is shown in FIG. 1). Respectively. In the present embodiment, the inner diameter of the FRP cylindrical body 2 is 74.05 mm, and the FRP cylindrical body 2 is ± 70 degrees with respect to the axial direction of the cylindrical body 2 located radially inward at the end. Reinforcing layer 2b including a circumferentially wound layer of reinforcing fibers wound at an angle of ˜90 degrees, and a spiral winding positioned on the outer side and having an angle of, for example, ± 10 degrees to 65 degrees with respect to the axial direction of cylindrical body 2 It consists of the cylinder formation layer 2a including the layer and extending over the full length of the cylindrical body 2. In this embodiment, the reinforcing layer 2b is formed of a straight portion having a thickness of 2.5 mm and an axial length of 60 mm and a tapered portion having a length of 60 mm toward the axial center. The cylinder forming layer 2a has a main layer composed of a plurality of ± 15 degrees layers extending over the entire length in the axial direction of the cylinder, and is formed to a thickness of 2.5 mm.

金属製継手3は、FRP製円筒体2への圧入部にセレーション部3aを有しており、FRP製円筒体2の端面に対向する位置に、該FRP製円筒体2の端面に軸方向圧縮荷重を伝達可能なフランジ部3bを有している。また、本実施態様では、フランジ部3bの圧入側前方に、FRP製円筒体2の内径よりも小さい外径を有する凹部3cが設けられており、該凹部3cの軸方向長さは、後述のトリガー部の軸方向長さと実質的に同一の長さに設定されている。   The metal joint 3 has a serration portion 3a at the press-fitting portion into the FRP cylinder 2 and is axially compressed to the end surface of the FRP cylinder 2 at a position facing the end surface of the FRP cylinder 2. It has a flange portion 3b capable of transmitting a load. In this embodiment, a recess 3c having an outer diameter smaller than the inner diameter of the FRP cylindrical body 2 is provided in front of the flange portion 3b on the press-fitting side, and the axial length of the recess 3c is described later. The length is set to be substantially the same as the axial length of the trigger portion.

フランジ部3bの外径は、FRP製円筒体2のトリガー部の径方向位置における径に概略合わせることが好ましく、78.5mmとした。凹部3cの軸方向長さは、後述するトリガー部の長さを考慮し、13mmとしている。セレーション部3aは、ピッチ約2mm、歯高さ0.9mm、先端R0.05mm、歯先角90度のセレーションを用い、外径は74.45mmに加工した。従って直径で0.40mmの圧入代を有している。   The outer diameter of the flange portion 3b is preferably approximately matched to the diameter of the trigger portion of the FRP cylindrical body 2 at the radial position, and is 78.5 mm. The length of the recess 3c in the axial direction is set to 13 mm in consideration of the length of a trigger portion described later. The serration part 3a used a serration having a pitch of about 2 mm, a tooth height of 0.9 mm, a tip R of 0.05 mm, and a tooth tip angle of 90 degrees, and the outer diameter was processed to 74.45 mm. Therefore, it has a press-fitting allowance of 0.40 mm in diameter.

本実施態様では、軸方向圧縮荷重(圧縮衝撃荷重)に対してFRP製円筒体2の破壊の起点となるトリガー部4が、円筒体2の端部に埋設した層状かつ環状のシート状物によって形成されている。このトリガー部4は、フランジ3bの外径とほぼ同位置に配置され、軸方向の長さは10mmとした。このシート状物によるトリガー部4は、FRP製円筒体2の製造時において、内側の周方向巻補強層2bを積層後に、所定のシート状物を挿入、巻き付けることによって埋設できる。このFRP製円筒体2の端部に金属製継手3をプレスにより圧入し、両者を一体化した。このときの圧入速度は1〜20mm/秒が好ましい。遅すぎると作業効率が低下するし、また速すぎる場合、FRP製円筒体2にダメージを与える懸念がある。また、このときに発生した最終の圧入荷重は4トンであった。   In this embodiment, the trigger portion 4 that is the starting point of the fracture of the FRP cylindrical body 2 against the axial compression load (compression impact load) is formed by a layered and annular sheet-like material embedded in the end of the cylindrical body 2. Is formed. The trigger portion 4 is disposed at substantially the same position as the outer diameter of the flange 3b, and the axial length is 10 mm. The trigger part 4 by this sheet-like material can be embedded by inserting and winding a predetermined sheet-like material after laminating the inner circumferential winding reinforcing layer 2b when manufacturing the FRP cylindrical body 2. A metal joint 3 was press-fitted into the end portion of the FRP cylindrical body 2 by pressing, and both were integrated. The press-fitting speed at this time is preferably 1 to 20 mm / sec. If it is too slow, the working efficiency will be reduced, and if it is too fast, there is a concern of damaging the FRP cylinder 2. The final press-fitting load generated at this time was 4 tons.

なお、トリガー部4を形成するシート状物の材質としては、特に限定されないが、例えばフッ素樹脂フイルム、ポリエチレンテレフタレートフイルム、ポリプロピレンフイルム等が適当である。なお、トリガー部4としての機能を適正化するために、場合によっては、フイルムの表面に離型剤を塗布するなどの離型処理を施してもよい。   The material of the sheet-like material forming the trigger portion 4 is not particularly limited, but for example, a fluororesin film, a polyethylene terephthalate film, a polypropylene film, etc. are suitable. In addition, in order to optimize the function as the trigger part 4, depending on the case, you may perform mold release processing, such as apply | coating a mold release agent to the surface of a film.

本発明のFRP製プロペラシャフトを構成するFRPのマトリクス樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル等の熱硬化性樹脂を使用するが、他の樹脂、たとえば、ポリアミド、ポリカーボネード、ポリエーテルイミド等の熱可塑性樹脂を使用することも可能である。また、強化繊維についても、炭素繊維に限らず、たとえばガラス繊維、アラミド繊維等を使用することが可能であり、これらを併用することも可能である。   As the FRP matrix resin constituting the FRP propeller shaft of the present invention, an epoxy resin, a phenol resin, a polyimide resin, a vinyl ester resin, a thermosetting resin such as an unsaturated polyester is used, but other resins, for example, It is also possible to use thermoplastic resins such as polyamide, polycarbonate, and polyetherimide. Further, the reinforcing fibers are not limited to carbon fibers, and for example, glass fibers, aramid fibers, and the like can be used, and these can be used in combination.

上記のような構造とすることにより、軸方向圧縮荷重が加わった際に、金属製継手3のフランジ部3bからトリガー部4へ瞬間的に大きな荷重がかかり、必ずトリガー部4先端から破壊が開始し、図4に示すように、周方向巻補強層2bと筒体形成層2aとの境界における剥離破壊が進行する。更に、分離された周方向巻補強層2b部分のくさび効果によりFRP製円筒体2の主層である筒体形成層2aの破壊を進行させる。本実施態様では、金属製継手3から軸圧縮荷重を負荷させると、フランジ部3bからトリガー部4へ荷重が伝達され、約6トンで初期破壊が発生し、逐次破壊が進行した。   With the above structure, when an axial compressive load is applied, a large load is instantaneously applied from the flange portion 3b of the metal joint 3 to the trigger portion 4, and destruction always starts from the tip of the trigger portion 4. Then, as shown in FIG. 4, delamination failure proceeds at the boundary between the circumferential winding reinforcing layer 2b and the cylinder forming layer 2a. Furthermore, destruction of the cylindrical body forming layer 2a which is the main layer of the FRP cylindrical body 2 is advanced by the wedge effect of the separated circumferentially wound reinforcing layer 2b. In this embodiment, when an axial compression load was applied from the metal joint 3, the load was transmitted from the flange portion 3b to the trigger portion 4, an initial failure occurred at about 6 tons, and sequential failure proceeded.

このトリガー部4は、FRP製円筒体2の端縁における軸方向圧縮荷重に対してのみ、強度を意図的に弱めるものであるから、円筒体2の他の部位における、軸方向強度、弾性率、特に捩り強度には、実質的に全く影響しない。したがって、必要な捩り強度は確保されつつ、目標とする軸方向圧縮破壊が確実に開始される。   Since this trigger part 4 intentionally weakens the strength only against the axial compressive load at the edge of the FRP cylindrical body 2, the axial strength and the elastic modulus at other parts of the cylindrical body 2. In particular, it has substantially no effect on the torsional strength. Accordingly, the target axial compressive fracture is reliably started while the necessary torsional strength is ensured.

なお、圧縮に対する破壊開始荷重は、トリガー部の材質、厚さ、長さ等の設定により、最適な荷重に設定可能である。   The fracture start load for compression can be set to an optimum load by setting the material, thickness, length, etc. of the trigger portion.

また、トリガー部4を形成するシート状物の形態としては、図5に示すように、単に帯状のシート材が環状に延びるものでもよいが(図5の4a)、より好ましい形態として、軸方向奥部端面が波状またはジグザグ状に形成されたものを使用することもできる(図5の4b)。シート状物4bのような形状に形成することにより、圧縮荷重が作用した場合の破壊開始荷重をより低減させることが可能となる。   Moreover, as a form of the sheet-like material forming the trigger portion 4, as shown in FIG. 5, a belt-like sheet material may be simply extended in an annular shape (4 a in FIG. 5). It is also possible to use one having a back end face formed in a wave shape or a zigzag shape (4b in FIG. 5). By forming in a shape like the sheet-like material 4b, it is possible to further reduce the fracture start load when a compressive load is applied.

さらに、金属製継手3のフランジ部3bの前方にFRP製円筒体2のの内径よりも小さい外径の凹部3cを設けたことにより、かつ、上記トリガー部4の軸方向長さが凹部3cの軸方向長さと同等の長さに設定したことにより、トリガー部4に望ましくないトルクが作用するのを防ぐことが可能となる。この凹部3cの形成はセレーション部3aの形成後機械加工等により容易に設けることできる。   Furthermore, the recess 3c having an outer diameter smaller than the inner diameter of the FRP cylindrical body 2 is provided in front of the flange portion 3b of the metal joint 3, and the axial length of the trigger portion 4 is the recess 3c. By setting the length equal to the axial length, it is possible to prevent an undesirable torque from acting on the trigger portion 4. The recess 3c can be easily formed by machining after the serration portion 3a is formed.

また、トリガー部の形成は上記シート状物の埋設の他に、図6に第2実施態様に係るプロペラシャフト5を示すように、周方向巻補強層2bと筒体形成層2aとの境界部に、環状に延びるスリット6を設けてもよい。スリット6の加工は例えば機械加工による工法を用いることができる。このように、上記境界部にスリット状に配置してトリガー部を形成することで、前記シート状物によりトリガー部を形成した場合と同様に軸方向圧縮荷重が作用した場合に、スリット先端部にて応力集中を発生させ破壊の起点とすることができる。   In addition to embedding the sheet-like material, the trigger portion is formed at the boundary between the circumferentially wound reinforcing layer 2b and the cylindrical body forming layer 2a as shown in FIG. 6 of the propeller shaft 5 according to the second embodiment. In addition, an annularly extending slit 6 may be provided. For the processing of the slit 6, for example, a machining method can be used. In this way, by forming the trigger portion by arranging the trigger portion in the slit shape at the boundary portion, when an axial compressive load is applied as in the case where the trigger portion is formed by the sheet-like material, the slit tip portion is formed. Thus, stress concentration can be generated and used as a starting point of fracture.

図7は、本発明の第3実施態様に係るプロペラシャフト7を示している。FRP製円筒体2の両端部には、第1実施態様同様、環状に延びるシート状物の埋設によりトリガー部4が形成されている。本実施態様では、さらに、FRP製円筒体2の少なくとも端部2cの内径が、金属製継手3の凹部3cの軸方向長さに渡って金属製継手3のセレーション部3aの外径よりも大きく設定されており、本実施態様では、外方に向かってテーパー状に内径が拡径された構造となっている。   FIG. 7 shows a propeller shaft 7 according to a third embodiment of the present invention. Trigger portions 4 are formed at both ends of the FRP cylindrical body 2 by embedding an annular sheet-like material as in the first embodiment. In this embodiment, the inner diameter of at least the end portion 2c of the FRP cylindrical body 2 is larger than the outer diameter of the serration portion 3a of the metal joint 3 over the axial length of the recess 3c of the metal joint 3. In this embodiment, the inner diameter is increased in a tapered shape toward the outside.

このようにFRP製円筒体2のトリガー部設置位置に対応する位置にて、FRP製円筒体2の内径を上記凹部3cの長さに渡って金属製継手3のセレーション部3aの外径よりも大きく設定することで、圧入組立時の金属製継手3のセレーション切り込みによって生じる軸方向圧縮力の発生を防止し、この段階でのトリガー部の破壊開始を防止できる。この端部の内径の大きな範囲はトリガー部の軸方向長さにほぼ合わせて設定することができる。内径の加工は切削等による機械加工、FRP製円筒体2の成形時にマンドレル上に離型フィルムなどを巻き付け、成形後に除去することにより設けることも可能である。また、圧入時に作用する荷重からFRP製円筒体2の損傷を防ぐ効果も期待できる。   In this way, the inner diameter of the FRP cylindrical body 2 is longer than the outer diameter of the serration part 3a of the metal joint 3 over the length of the recess 3c at a position corresponding to the trigger part installation position of the FRP cylindrical body 2. By setting a large value, it is possible to prevent the generation of the axial compressive force caused by the serration cut of the metal joint 3 during press-fit assembly, and to prevent the trigger portion from starting to break at this stage. The large range of the inner diameter of the end portion can be set in accordance with the axial length of the trigger portion. The processing of the inner diameter can be provided by machining by cutting or the like, winding a release film or the like on a mandrel at the time of forming the FRP cylindrical body 2, and removing it after the forming. Moreover, the effect which prevents the damage to the cylinder 2 made from FRP from the load which acts at the time of press fit can also be anticipated.

なお、本発明のプロペラシャフトにおいては、FRP製円筒体と金属製継手との間の適当な位置(たとえば、各部材端部位置)に、シール材を配設してもよい。シール材としては、樹脂、リング状弾性体、フイルム等が適当である。このようなシール材配設により、水分等の進入をより確実に防止し、接合部の腐食を防止することができる。   In the propeller shaft of the present invention, a sealing material may be disposed at an appropriate position (for example, each member end position) between the FRP cylindrical body and the metal joint. As the sealing material, a resin, a ring-shaped elastic body, a film or the like is appropriate. By providing such a sealing material, it is possible to more reliably prevent moisture and the like from entering, and to prevent corrosion of the joint.

また、金属製継手を圧入する際、圧入用治具で継手を把持する必要があるが、確実に把持できるよう、かつ、圧入力によって継手が破損しないよう、継手に、圧入用治具の係止または係合部を設けておくことが好ましい。このような係止または係合部は、継手の外面の適当な位置に、段付部または溝部を形成することにより構成できる。   In addition, when a metal joint is press-fitted, it is necessary to grip the joint with a press-fitting jig, but the press-fitting jig must be connected to the joint so that it can be securely gripped and the joint is not damaged by pressure input. It is preferable to provide a stop or engaging portion. Such a locking or engaging portion can be configured by forming a stepped portion or a groove portion at an appropriate position on the outer surface of the joint.

比較例として本発明を用いない従来技術を用いた場合の結果を示す。FRP製円筒体および金属製継手などの構成は同一とし、FRP製円筒体にトリガー部を配置しない状態とした。この構成で前述と同様に軸圧縮荷重を作用させたところ、約13トンで初期破壊が発生した。前述の第1実施態様における破壊開始荷重約6トンと比較すれば、本発明によるトリガー部の効果は明らかである。   The result at the time of using the prior art which does not use this invention as a comparative example is shown. The configuration of the FRP cylindrical body and the metal joint was the same, and the trigger portion was not disposed on the FRP cylindrical body. When an axial compression load was applied in the same manner as described above, initial fracture occurred at about 13 tons. The effect of the trigger portion according to the present invention is obvious when compared with the breaking start load of about 6 tons in the first embodiment described above.

本発明に係るプロペラシャフトは、FRP製円筒体を備えたあらゆるプロペラシャフトに適用でき、とくに車体にクラッシャブル構造が採用されている自動車のFRP製プロペラシャフトに好適である。   The propeller shaft according to the present invention can be applied to any propeller shaft provided with an FRP cylindrical body, and is particularly suitable for an FRP propeller shaft of an automobile in which a crushable structure is adopted for a vehicle body.

本発明の第1実施態様に係るプロペラシャフトの要部を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the principal part of the propeller shaft which concerns on the 1st embodiment of this invention. 図1のプロペラシャフトの金属製継手の側面図である。It is a side view of the metal coupling of the propeller shaft of FIG. 図1のプロペラシャフトのFRP製円筒体の部分断面図である。It is a fragmentary sectional view of the cylinder made from FRP of the propeller shaft of FIG. 図1のプロペラシャフトにおける破壊の進行状況を示すプロペラシャフト端部の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the propeller shaft end part which shows the progress of destruction in the propeller shaft of FIG. トリガー部を形成するシート状物の例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the example of the sheet-like material which forms a trigger part. 本発明の第2実施態様に係るプロペラシャフトの要部を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the principal part of the propeller shaft which concerns on the 2nd embodiment of this invention. 本発明の第3実施態様に係るプロペラシャフトの要部を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the principal part of the propeller shaft which concerns on the 3rd embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1、5、7 プロペラシャフト
2 FRP製円筒体
2a 筒体形成層
2b 補強層
2c 内径拡大部
3 金属製継手
3a セレーション部
3b フランジ部
3c 凹部
4 トリガー部
4a、4b トリガー部を形成するシート状物
6 スリット
1, 5, 7 Propeller shaft 2 FRP cylinder 2a Tube forming layer 2b Reinforcing layer 2c Enlarged inner diameter part 3 Metal joint 3a Serration part 3b Flange part 3c Recessed part 4 Trigger part 4a, 4b Sheet-like material forming the trigger part 6 Slit

Claims (7)

FRP製円筒体と、該FRP製円筒体の端部に圧入された金属製継手とを有するプロペラシャフトであって、前記金属製継手に、該金属製継手に加わった軸方向圧縮荷重をFRP製円筒体の端面に伝達可能なフランジ部を設けるとともに、前記FRP製円筒体の端部に、前記フランジ部の外径に相当する位置においてFRP製円筒体の端面から軸方向に延び、前記軸方向圧縮荷重に対してFRP製円筒体の破壊の起点となる層状かつ環状のトリガー部を設けたことを特徴とするプロペラシャフト。   A propeller shaft having an FRP cylindrical body and a metal joint press-fitted into an end of the FRP cylindrical body, wherein an axial compressive load applied to the metal joint is applied to the metal joint. A flange portion capable of transmitting to the end surface of the cylindrical body is provided, and the end portion of the FRP cylindrical body extends in the axial direction from the end surface of the FRP cylindrical body at a position corresponding to the outer diameter of the flange portion. A propeller shaft, characterized in that a layered and annular trigger portion is provided as a starting point of destruction of an FRP cylindrical body against a compressive load. 前記FRP製円筒体の端部が、径方向内側に位置し、強化繊維の周方向巻層を含む補強層と、該補強層の外側に位置し、強化繊維の螺旋巻層を含む筒体形成層とからなり、前記フランジ部の外径が、前記補強層と筒体形成層との境界に相当する位置に設定されているとともに、前記トリガー部が、該境界に相当する位置に設けられている、請求項1に記載のプロペラシャフト。   Forming a cylindrical body including an end portion of the cylindrical body made of FRP positioned radially inside and including a circumferential wound layer of reinforcing fibers and a spiral wound layer of reinforcing fibers positioned outside the reinforcing layer And the outer diameter of the flange portion is set at a position corresponding to the boundary between the reinforcing layer and the cylinder forming layer, and the trigger portion is provided at a position corresponding to the boundary. The propeller shaft according to claim 1. 前記トリガー部が、シート状物を埋設することにより構成されている、請求項1または2に記載のプロペラシャフト。   The propeller shaft according to claim 1, wherein the trigger portion is configured by embedding a sheet-like material. 前記トリガー部が、スリットを形成することにより構成されている、請求項1または2に記載のプロペラシャフト。   The propeller shaft according to claim 1, wherein the trigger portion is configured by forming a slit. 前記金属製継手の前記フランジ部の圧入側前方に、前記FRP製円筒体の内径よりも小さい外径を有する凹部が設けられ、前記トリガー部の軸方向長さが、該凹部の軸方向長さと実質的に同一の長さに設定されている、請求項1〜4のいずれかに記載のプロペラシャフト。   A concave portion having an outer diameter smaller than the inner diameter of the FRP cylindrical body is provided in front of the flange portion of the metal joint on the press-fitting side, and the axial length of the trigger portion is equal to the axial length of the concave portion. The propeller shaft according to any one of claims 1 to 4, wherein the propeller shaft is set to substantially the same length. 前記金属製継手の前記FRP製円筒体への圧入部外周にセレーション部が設けられており、前記FRP製円筒体の少なくとも端部の内径が、前記凹部の軸方向長さに渡って金属製継手のセレーション部外径よりも大きく設定されている、請求項5に記載のプロペラシャフト。   A serration portion is provided on the outer periphery of the press-fitting portion of the metal joint into the FRP cylindrical body, and the inner diameter of at least the end of the FRP cylindrical body extends over the axial length of the concave portion. The propeller shaft according to claim 5, wherein the propeller shaft is set to be larger than an outer diameter of the serration portion. 前記トリガー部を形成するシート状物の軸方向奥部端面が、波状またはジグザグ状に形成されている、請求項3に記載のプロペラシャフト。   4. The propeller shaft according to claim 3, wherein an end face in an axial direction of the sheet-like material forming the trigger portion is formed in a wave shape or a zigzag shape.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019077128A (en) * 2017-10-26 2019-05-23 三菱重工業株式会社 Impact absorption member, buffer, cask and manufacturing method of buffer

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