JP2006038128A - プロペラシャフト - Google Patents

Abstract

【課題】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。
【解決手段】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、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、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、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。
【選択図】図１

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 図１のプロペラシャフトの金属製継手の側面図である。 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。 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。 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。 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。 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。

符号の説明

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

Claims (7)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。

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