| 【発明の名称】 |
ＦＲＰ製プロペラシャフト用継手 |
| 【発明者】 |
【氏名】野々垣 保紀
【住所又は居所】愛知県刈谷市豊田町２丁目１番地 株式会社豊田自動織機内
【氏名】高橋 良彰
【住所又は居所】愛知県刈谷市豊田町２丁目１番地 株式会社豊田自動織機内
|
| 【要約】 |
【課題】ＦＲＰ製パイプとセレーションとの接合性能を確保したまま、セレーションを加工する刃具の寿命を長くすることができるＦＲＰ製プロペラシャフト用継手を提供する。
【解決手段】ヨーク13は、ＦＲＰ製パイプの端部に内嵌接合される接合部13ａと、プロペラシャフトの自在継手の一部を構成する継手部13ｂとを有する。ＦＲＰ製パイプとヨーク13とは、ヨーク13の接合部13ａがＦＲＰ製パイプの端部の結合部に圧入されることで結合される。接合部13ａにはその外周面に、軸方向と平行に延びる歯14ａを有するセレーション14が形成され、歯14ａの断面形状はほぼ三角形状を成している。歯14ａはその基端（歯元）の外面が内側に凸の曲面状に形成され、その歯丈ｈが、隣接する歯14ａの隣り合う歯形線Ｌの延長線の交点Ｃと、歯14ａの外径線との距離Ｈの１／２以下に形成されている。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 一端側に設けられた接合部の外周面に、ＦＲＰ製パイプの内面にその軸方向に延びる溝を刻設可能な多数の歯を有するセレーションを備えたＦＲＰ製プロペラシャフト用継手において、前記セレーションの歯丈を、隣接する歯の隣り合う歯形線の延長線の交点と、前記歯の外径線との距離の１／２以下にしたＦＲＰ製プロペラシャフト用継手。
【請求項２】 前記セレーションの各歯の歯元の外面を曲面とした請求項１に記載のＦＲＰ製プロペラシャフト用継手。
【請求項３】 前記セレーションの各歯の歯元の外面を形成する曲面は、隣接する歯において共通の１個の円弧面で構成されている請求項２に記載のＦＲＰ製プロペラシャフト用継手。
【請求項４】 前記セレーションの歯丈が０．５〜０．７ｍｍである請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のＦＲＰ製プロペラシャフト用継手。
【請求項５】 前記セレーションの歯丈が食い込み代に０．１ｍｍ〜０．２ｍｍを加えた値に形成されている請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載のＦＲＰ製プロペラシャフト用継手。
|
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一端側に設けられた接合部の外周面に、ＦＲＰ製パイプの内面に軸方向に延びる溝を刻設可能な多数の歯を有するセレーションを備えたＦＲＰ製プロペラシャフト用継手に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】車両のプロペラシャフトは、一般に金属製のシャフト部材の両端に、駆動軸や従動軸と連結する金属製の自在継手（ユニバーサルジョイント）のヨークを溶接したもの（以下、金属製プロペラシャフトという）が使用されている。
【０００３】近年、車両の軽量化を図るために各構造部材のさらなる軽量化が要求され、プロペラシャフトにおいても繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製のものに切り替えることによる軽量化が図られている。図４に示すように、このようなＦＲＰ製プロペラシャフトは、ＦＲＰ製パイプ５１の端部に、ＦＲＰ製パイプ５１を駆動軸や従動軸等と連結する金属製の継手（ヨーク）５２を圧入接合した構造のＦＲＰ製シャフト５３を備えている（例えば、特開２０００−１２０６４９号公報）。
【０００４】継手５２にはＦＲＰ製パイプ５１との接合部となる外周面に、ＦＲＰ製パイプ５１の端部内径より大きな外径のセレーション５４が形成されている。ＦＲＰ製パイプ５１に継手５２の接合部を圧入することで、継手５２のセレーション５４の歯によって、ＦＲＰ製パイプ５１の内周面に溝が刻設される。そして、歯が溝に深く食い込むことで継手５２とＦＲＰ製パイプ５１とが一体回転するための接合強度が確保される。
【０００５】また、一般にセレーション５４は、図５に示すように、ほぼ三角形状の歯５４ａが連続するように形成されている。その歯丈ｈ、即ち歯５４ａの歯底円と歯先円との距離は、隣接する歯５４ａの隣り合う歯形線Ｌの延長線の交点Ｃと、歯５４ａの外径線即ち歯先円との距離Ｈとほぼ同じに形成されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ＦＲＰ製パイプに接合されるヨーク（継手）の接合部に必要とされることは、必要な伝達トルクを確保することと、圧入時に圧入力がＦＲＰ製シャフトに与える損傷をできる限り少なくすることとである。そのため、圧入力をできるだけ小さくする必要がある。
【０００７】また、最近の自動車設計においては、衝突時において過大な衝撃を発生させず、エアバック等の各種安全装置の作動に時間的な余裕を与える設計がなされている。そのため、衝突時に発生する大きな衝撃をプロペラシャフトの軸方向の圧縮変形又は破壊によって緩やかに吸収させる技術が提案されている。その方法としては、衝突時においてプロペラシャフトに対して軸方向に発生する衝撃力が所定値を超えたとき、ヨークがその衝撃力によってＦＲＰ製パイプ内に更に圧入されてプロペラシャフトを軸方向圧縮変形又は破壊させるという方法がある。この場合も、小さな圧入力でヨークがＦＲＰ製パイプ内に圧入されることが好ましい。
【０００８】そして、前記必要な伝達トルクを確保するためには、セレーションの歯数やＦＲＰ製パイプの内径にもよるが、前記内径が７０ｍｍ程度の場合、セレーションの歯の食い込み量は０．１〜０．３ｍｍ程度で良いことを発明者等は確認した。従って、ＦＲＰ製パイプに接合されるヨークのセレーションは、ＦＲＰ製パイプの内面に食い込む部分となる歯の先端から０．１〜０．３ｍｍの部分の形状が機能的に重要となる。即ち、歯元の部分の形状は、必要な伝達トルクを確保する上ではさほど重要ではない。
【０００９】また、セレーションを形成するための加工は、歯丈が小さい（低い）方が比較的楽に行える。そして、切削加工の場合、素材硬度が硬い場合は特に、歯丈が小さいと切削抵抗を低減でき、刃具の寿命を延ばすのに有効となる。また、切削加工で超硬の刃具を使用する場合、刃具先端はチッピング等の異常摩耗が発生し易く、刃具先端形状が角張った形状の場合、特にチッピング（マイクロチッピングを含む）を起こし易い。
【００１０】ところが、従来は、前記のようにセレーション５４の歯丈ｈが、隣接する歯５４ａの隣り合う歯形線Ｌの延長線の交点Ｃと、歯５４ａの外径線との距離Ｈとほぼ同じに形成されている。従って、歯丈ｈが大きく、隣接する歯５４ａの歯形線Ｌがなす形状（セレーションの谷の形状）が比較的尖った形状のため、セレーションを加工する刃具の寿命が比較的短いという問題があった。
【００１１】本発明は、前記の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的はＦＲＰ製パイプとセレーションとの接合性能を確保したまま、セレーションを加工する刃具の寿命を長くすることができるＦＲＰ製プロペラシャフト用継手を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、一端側に設けられた接合部の外周面に、ＦＲＰ製パイプの内面にその軸方向に延びる溝を刻設可能な多数の歯を有するセレーションを備えた。そして、前記セレーションの歯丈を、隣接する歯の隣り合う歯形線の延長線の交点と、前記歯の外径線との距離の１／２以下にした。
【００１３】従って、この発明では、必要な伝達トルクを確保するのに必要な食い込み量を確保した状態でセレーションの歯丈を小さくできる。その結果、セレーションを加工する刃具の寿命を長くすることができる。また、セレーションの谷の形状を加工用の刃具先端形状を角張った形状あるいは小さなＲ形状にする必要がなくなり、加工時に刃具がチッピング（マイクロチッピングを含む）を起こし難くなる。
【００１４】請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の発明において、前記セレーションの各歯の歯元の外面を曲面とした。この発明では、セレーションの加工時に加工用の刃具の寿命をより長くすることができる。
【００１５】請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の発明において、前記セレーションの各歯の歯元の外面を形成する曲面は、隣接する歯において共通の１個の円弧面で構成されている。この発明ではセレーションの加工用の刃具の切削が容易となる。
【００１６】請求項４に記載の発明では、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の発明において、前記セレーションの歯丈が０．５〜０．７ｍｍである。この発明は、必要な伝達トルクを確保するのに必要な食い込み量を確保した状態でセレーションの歯丈を小さくするのに適している。
【００１７】請求項５に記載の発明では、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の発明において、前記セレーションの歯丈が食い込み代に０．１ｍｍ〜０．２ｍｍを加えた値に形成されている。歯丈が食い込み代と同じ場合は、セレーションをＦＲＰ製パイプの内面に食い込むように圧入する場合、隣接する歯の歯元間の部分がＦＲＰ製パイプの内面に摺接して圧入時の抵抗が大きくなる。しかし、この発明では、継手の軸と、ＦＲＰ製パイプの軸とが同一直線上に位置する状態で前記圧入が正常に行われる際、隣接する歯の歯元間の部分がＦＲＰ製パイプの内面に摺接することはない。また、継手が傾いた状態で圧入されようとした場合、セレーションの歯がＦＲＰ製パイプの内面に歯丈の分食い込んだ時に、隣接する歯の歯元間の部分が前記内面に接触する状態となり、傾きが修正されて圧入される。即ち、圧入時の傾き防止の機能も有する。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、本発明を、具体化した一実施の形態を図１及び図２に基づいて説明する。
【００１９】図２（ａ）に示すように、プロペラシャフト用ＦＲＰ製シャフト１１は、ＦＲＰ製パイプ１２と、その両端部（片側のみ図示）に内嵌接合された金属製の継手としてのヨーク１３とを備えている。ヨーク１３は、ＦＲＰ製パイプ１２の端部に内嵌接合される接合部１３ａと、プロペラシャフトの自在継手の一部を構成する継手部１３ｂとを有し、継手部１３ｂには、自在継手（例えば十字軸式ジョイント）を取り付けるための孔１３ｃ（図１（ａ）に図示）が形成されている。ＦＲＰ製パイプ１２とヨーク１３とは、ヨーク１３の接合部１３ａがＦＲＰ製パイプ１２の端部の結合部１２ａに圧入されることで結合されている。
【００２０】ＦＲＰ製パイプ１２は、ヨーク１３との結合部１２ａが肉厚に形成されている。ＦＲＰ製パイプ１２はフィラメントワインディング法（ＦＷ法）によって作製され、強化繊維としては炭素繊維が使用され、マトリックス樹脂としてはエポキシ樹脂が使用されている。そして、樹脂含浸繊維をマンドレル（芯材）に巻き付けて筒体に成形した後、繊維に含浸された樹脂を熱硬化させ、その後、マンドレルを抜き取ることによってＦＲＰ製パイプ１２が作製される。
【００２１】図１（ａ），（ｂ）に示すように、接合部１３ａにはその外周面に、軸方向と平行に延びる歯１４ａを有するセレーション１４が形成されている。セレーション１４の歯１４ａは周方向に一定ピッチＰで形成され、その断面形状はほぼ三角形状を成している。歯１４ａはその基端（歯元）の外面が内側に凸の曲面状に形成されている。曲面の曲率半径は歯丈ｈの１／２以上に設定されている。また、セレーション１４はその歯丈ｈが、隣接する歯１４ａの隣り合う歯形線Ｌの延長線の交点Ｃと、歯１４ａの外径線との距離Ｈの１／２以下に形成されている。
【００２２】この実施の形態では、セレーション１４は、その外径が７０ｍｍ程度、歯数が１４０〜１４５程度に形成されている。歯１４ａは、歯丈ｈが０．５〜０．７ｍｍに形成されている。また、歯丈ｈは、歯１４ａのＦＲＰ製パイプ１２内面への食い込み代Ｂに０．１ｍｍ〜０．２ｍｍを加えた値に形成されている。なお、図２（ｂ）では、分かり易くするため、歯丈ｈと食い込み代Ｂの差、即ちＦＲＰ製パイプ１２の内面とセレーション１４の谷との間隔を大きく表している。
【００２３】また、必要な強度を確保するため、接合部１３ａの歯１４ａを除いた部分の厚さＴ１は、歯丈ｈの値に拘わらず同じに形成されるため、歯丈ｈが小さくなった分、接合部１３ａの内径がＤ１からＤ２に拡大される。この場合、歯数及び歯丈ｈの大きさによっては、接合部１３ａの軽量化を図ることができる。
【００２４】ヨーク１３のセレーション１４は、例えばトッピングホブを使用して加工される。トッピングホブを使用することにより、通常のホブを使用する場合と異なり、歯１４ａの頂部（歯先）の加工が可能となり、歯先を狭く加工できる。
【００２５】次に前記のように構成されたヨーク１３の作用を説明する。ＦＲＰ製パイプ１２とヨーク１３とを接合する際は、ＦＲＰ製パイプ１２を治具で固定し、ＦＲＰ製パイプ１２とヨーク１３とを芯出しした状態で、工具を用いてＦＲＰ製パイプ１２の端部にセレーション１４を圧入する。セレーション１４が圧入されるとき、歯１４ａがＦＲＰ製パイプ１２の内周面に軸方向に延びる溝としてのセレーション溝を刻設しながら、セレーション１４がＦＲＰ製パイプ１２内に進入する。そして、ヨーク１３のセレーション１４の歯１４ａがセレーション溝にしっかり食い込み、ＦＲＰ製パイプ１２とヨーク１３とが高い強度で接合される。ＦＲＰ製パイプ１２の両端部にヨーク１３が接合されてプロペラシャフト用ＦＲＰ製シャフト１１が製造される。
【００２６】セレーション１４の加工を容易にするため歯丈を小さくした場合、歯丈を食い込み代と同じに形成すると、隣接する歯１４ａの歯元間の部分がＦＲＰ製パイプ１２の内面と摺接するため圧入時の抵抗が大きくなり、圧入能力の大きな圧入設備が必要となる。しかし、この実施の形態では、歯丈ｈがＦＲＰ製パイプ１２内面への食い込み代より大きく形成されているため、食い込み代部分のみがＦＲＰ製パイプ１２内面と接触する状態となり、圧入時の抵抗が小さくなる。
【００２７】ヨーク１３が傾いた状態で圧入されようとした場合、歯１４ａがＦＲＰ製パイプ１２の内面に歯丈ｈの分食い込んだ時に、隣接する歯１４ａの歯元間の部分が前記内面に接触する状態となる。従って、その後は、隣接する歯１４ａの歯元間の部分がガイドの役割を果たし、傾きが修正されて圧入される。歯１４ａの歯丈ｈが食い込み代に０．１ｍｍ〜０．２ｍｍを加えた値に形成されているため、ヨーク１３が傾いた状態で圧入されようとした場合、すぐに前記圧入時の傾き防止機能が作用する状態となる。即ち、隣接する歯１４ａの歯元間の部分が圧入時の傾き防止部として機能する。
【００２８】この実施の形態では以下の効果を有する。
（１） ヨーク１３の接合部１３ａの外周面に形成されたセレーション１４の歯丈ｈを、隣接する歯１４ａの隣り合う歯形線Ｌの延長線の交点Ｃと、歯１４ａの外径線との距離Ｈの１／２以下にした。従って、必要な伝達トルクを確保するのに必要な食い込み量を確保した状態でセレーション１４の歯丈ｈを小さくでき、セレーション１４を加工する刃具の寿命を長くすることができる。また、セレーション１４の谷の形状を加工用の刃具先端形状を角張った形状あるいは小さなＲ形状にする必要がなくなり、加工時に刃具がチッピング（マイクロチッピングを含む）を起こし難くなる。
【００２９】（２） また、接合部１３ａの歯１４ａを除いた部分の厚さＴ１を従来のものと同じにした場合、歯数と歯丈ｈの大きさによっては、接合部１３ａの軽量化を図ることができる。
【００３０】（３） セレーション１４の各歯１４ａの歯元の外面が曲面に形成されている。従って、セレーション１４の加工時に加工用の刃具の寿命をより長くすることができる。
【００３１】（４） 歯１４ａの歯元の外面が内側に凸の曲面状に形成され、その曲面の曲率半径が歯丈ｈの１／２以上に設定されている。従って、歯１４ａの歯形線Ｌと歯底円とを滑らかに連続させる形状とするのが容易になる。
【００３２】（５） 前記歯１４ａの歯丈ｈが０．５〜０．７ｍｍである。従って、必要な伝達トルクを確保するのに必要な食い込み量を確保した状態でセレーション１４の歯丈ｈを小さくするのに適している。
【００３３】（６） セレーション１４の歯１４ａの歯丈ｈが食い込み代に０．１ｍｍ〜０．２ｍｍを加えた値に形成されている。従って、ヨーク１３の軸と、ＦＲＰ製パイプ１２の軸とが同一直線上に位置する状態でセレーション１４の圧入が正常に行われる際、隣接する歯１４ａの歯元間の部分がＦＲＰ製パイプ１２の内面に摺接せず、圧入抵抗が小さくなる。また、ヨーク１３が傾いた状態で圧入されようとした場合、隣接する歯１４ａの歯元間の部分がＦＲＰ製パイプ１２の内面に接触する状態となり、傾きを修正して圧入することができる。
【００３４】なお、実施の形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ セレーション１４の各歯１４ａの歯元の外面を形成する曲面を、図３（ａ）に示すように、隣接する歯１４ａにおいて共通の１個の円弧面で構成する。この場合、前記実施の形態の（１）〜（６）と同様な効果を有する他に、セレーション１４の加工用の刃具の切削が容易となる。
【００３５】〇 セレーション１４の各歯１４ａの歯元の外面を曲面とする代わりに、図３（ｂ）に示すように、各歯１４ａの歯元の外面を平面としてもよい。この場合、前記実施の形態の（２），（５），（６）と同様な効果を得ることができる。また、歯丈が小さく切削抵抗が低くでき、先端形状を鋭利にする必要が無くチッピングが起こり難い。
【００３６】○ 歯１４ａの形状は、歯形線Ｌが直線状に限らずインボリュート曲線となる形状としてもよい。ただし、この場合、隣接する歯１４ａの隣り合う歯形線Ｌの延長線の交点Ｃを求める際、基準ピッチ円より歯先側における歯形線の接線の交点Ｃを求め、歯丈ｈを前記交点Ｃと歯１４ａの外径線との距離Ｈの１／２以下に形成する。
【００３７】〇 ヨーク１３は接合部１３ａ及び継手部１３ｂが一体に形成されたものにセレーション１４を加工して形成したものに限らず、接合部１３ａと継手部１３ｂとを別々に形成し、セレーション１４を加工した接合部１３ａに対して、継手部１３ｂを溶接や摩擦圧接で溶着してもよい。この場合、継手部１３ｂとして既存の金属製プロペラシャフトの製造に使用される部品を流用でき、製造コストを低減できる。
【００３８】〇 接合部１３ａ及び継手部１３ｂを溶着してヨーク１３を形成する構成において、接合部１３ａをＦＲＰ製パイプ１２に圧入した後、継手部１３ｂを溶接してもよい。
【００３９】〇 セレーション１４の歯１４ａの食い込み代を歯丈の１／２〜３／４にしてもよい。この場合も圧入抵抗が小さくなり、また、ヨーク１３が傾いた状態で圧入されようとした場合、隣接する歯１４ａの歯元間の部分がＦＲＰ製パイプ１２の内面に接触する状態となり、傾きを修正して圧入することができる。
【００４０】〇 セレーション１４の歯丈ｈを食い込み代と同じに形成してもよい。
〇 セレーション１４の歯１４ａをその歯丈ｈが食い込み代に０．２ｍｍ以上を加えた値に形成してもよい。
【００４１】○ ＦＲＰ製パイプ１２は継手部１３ｂが加工された金属パイプの切削加工により、セレーション１４を形成する製造方法に限らず、例えば鍛造（冷間、熱間）でセレーション１４を形成するようにしてもよい。
【００４２】○ 継手部１３ｂの形状はＵ字状に限らず、滑り継手に対応した形状としてもよい。
○ ＦＲＰ製パイプ１２の形状は全体を円筒状とするものに限定されず、両端部を円筒状とし、中間部を多角形筒状としてもよい。
【００４３】○ ＦＲＰ製パイプ１２の製造方法はフィラメントワインディング法に限定されない。例えばシートワインディング法を採用することもできる。ＦＲＰ製パイプ１２がプロペラシャフトの部品として使用されるときに必要な特性を満足できるようにＦＲＰ製パイプ１２を製造できれば、製造方法は特に限定されないが、フィラメントワインディング法が好ましい。
【００４４】○ ＦＲＰ製パイプ１２の材料であるＦＲＰは、強化繊維として炭素繊維を、マトリックス樹脂としてエポキシ樹脂を使用したものに限らない。例えば、強化繊維として、アラミド繊維、ガラス繊維等の一般に高弾性・高強度といわれるその他の繊維を採用したり、マトリックス樹脂として、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂等のその他の熱硬化性樹脂を採用してもよい。
【００４５】○ ＦＲＰのマトリックス樹脂が熱硬化樹脂であることに限定されない。例えば紫外線硬化樹脂や熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂として使用することもできる。
【００４６】前記実施の形態から把握できる発明（技術的思想）について、以下に記載する。
（１） 請求項２又は請求項３に記載の発明おいて、前記曲面の曲率半径は歯丈の１／２以上に設定されている。
【００４７】（２） 請求項１〜請求項４のいずれかに記載の発明において、前記歯の食い込み代は歯丈の１／２〜３／４である。
【００４８】
【発明の効果】以上詳述したように請求項１〜請求項５に記載の発明によれば、ＦＲＰ製パイプとセレーションとの接合性能を確保したまま、セレーションを加工する刃具の寿命を長くすることができる。
|
| 【出願人】 |
【識別番号】０００００３２１８
【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機
【住所又は居所】愛知県刈谷市豊田町２丁目１番地
|
| 【出願日】 |
平成１４年１月２３日（２００２．１．２３） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００６８７５５
【弁理士】
【氏名又は名称】恩田 博宣 （外１名）
|
| 【公開番号】 |
特開２００３−２１１９８５（Ｐ２００３−２１１９８５Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１５年７月３０日（２００３．７．３０） |
| 【出願番号】 |
特願２００２−１４７３８（Ｐ２００２−１４７３８） |
|