(57)【要約】【課題】金属製の部分と繊維強化プラスチック製の部分とを有するシャフトの捩り強度を高める。【解決手段】シャフト１は、金属製のシャフト本体２と、繊維強化プラスチック製のシャフト副体３とを備える。シャフト１は、シャフト本体２とシャフト副体３とを接合する摩擦攪拌接合部４を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製のシャフト本体と、繊維強化プラスチック製のシャフト副体とを備える等速自在継手用シャフトにおいて、
前記シャフト本体と前記シャフト副体とを接合する摩擦攪拌接合部を備えることを特徴とする等速自在継手用シャフト。
【請求項２】
前記シャフト副体は、前記シャフト副体の軸心方向に対する繊維配向角度が＋４５°の第一繊維と、前記繊維配向角度が−４５°の第二繊維とが重なることにより構成される請求項１に記載の等速自在継手用シャフト。
【請求項３】
前記シャフト副体は、前記シャフト副体の軸心方向に対する繊維配向角度が０°〜４５°の範囲で異なる第一繊維と第二繊維とが重なることにより構成される請求項１に記載の等速自在継手用シャフト。
【請求項４】
前記シャフト本体の外径寸法と前記シャフト副体の外径寸法とが等しくされてなる請求項１から３のいずれか一項に記載の等速自在継手用シャフト。
【請求項５】
前記摩擦攪拌接合部の外面に、前記シャフト副体の軸心方向に対する繊維配向角度が９０°となる繊維を含む保護層を備える請求項１から４のいずれか一項に記載の等速自在継手用シャフト。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車や産業機械に使用される等速自在継手を連結するためのシャフトに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車等の駆動系において、アウトボート側の等速自在継手とインボード側の等速自在継手を連結するシャフトとして、金属製（鋼製）の中実シャフトが広く使用されてきた。
【０００３】
しかし近年では、車両の燃費向上や静粛性向上が益々求められる中、軽量化及び振動低減の観点からシャフトを従来よりも高剛性化することが課題となっている。この課題を解決するための手段として、例えば特許文献１には、中空化によって軽量化及び振動特性の改善を図ったシャフトが開示される。しかしながら、シャフトの強度を高く確保するために当該シャフトを依然として金属製（鋼製）のものとする必要があり、十分な軽量化の効果を得ることができなかった。
【０００４】
特許文献２には、軽量化と高剛性化とを両立する技術として、鋼製のシャフト本体と、繊維強化プラスチック製のシャフト副体とを備えた動力伝達シャフトが開示される。この動力伝達シャフトにおいて、シャフト本体及びシャフト副体は、その端部に、周方向に沿って複数の三角形状部が配設されてなる三角波形部を備える。シャフト本体とシャフト副体は、各々の端部を突き合わせた状態で、当該シャフト本体側の三角波形部と当該シャフト副体側の三角波形部とを噛合させることにより直線状に一体化される。
【０００５】
この動力伝達シャフトでは、捩り強度を高レベルに確保すべく、シャフト副体の繊維強化プラスチックの繊維配向角度を、トルク負荷状態において各三角形状部の斜辺に生じる応力方向と同方向となるように構成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平５−２６３８１９号公報
【特許文献２】特開２０１６−９５０１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献２に係る動力伝達シャフトのように、シャフト本体の三角波形部とシャフト副体の三角波形部とが噛合された状態では、シャフト本体とシャフト副体とが別々の部材のままで、三角波形部同士の物理的な接触のみによって接合されることになる。このため、動力伝達シャフトの捩り強度は、三角波形部の強度（剛性）の影響を受ける。特に、鋼製のシャフト本体と繊維強化プラスチック製のシャフト副体とを接合する場合、捩り強度は、繊維強化プラスチックに係るマトリクス材の強度に大きく影響を受けることになる。このことから、シャフト本体とシャフト副体との接触のみによる接合形態では、動力伝達シャフトの捩り強度を更に高めることが難しい。
【０００８】
本発明は上記の事情に鑑みて為されたものであり、金属製の部分と繊維強化プラスチック製の部分とを有するシャフトの捩り強度を高めることを技術的課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は上記の課題を解決するためのものであり、金属製のシャフト本体と、繊維強化プラスチック製のシャフト副体とを備える等速自在継手用シャフトにおいて、前記シャフト本体と前記シャフト副体とを接合する摩擦攪拌接合部を備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る摩擦攪拌接合部は、シャフト本体とシャフト副体とを摩擦攪拌接合することにより構成される。摩擦攪拌接合とは、二部材の接合対象部分にツールを押し当て、当該ツールの回転による摩擦熱により接合対象部分を軟化させると共に、当該ツールの回転によって軟化部分を攪拌・混合することで二部材を接合する方法である。すなわち、摩擦攪拌接合部は、シャフト本体の金属とシャフト副体の繊維強化プラスチックとが混合（複合）することにより構成される。このため、本発明では、従来のようにシャフト本体とシャフト副体とを物理的な接触のみによって接合した場合と比較して、シャフト本体とシャフト副体とをより強固に接合できる。このようにシャフト本体とシャフト副体との接合部分（摩擦攪拌接合部）の接合強度を高めることで、等速自在継手用シャフトの捩り強度を大幅に向上させることが可能になる。
【００１１】
上記構成の等速自在継手用シャフトにおいて、前記シャフト副体は、前記シャフト副体の軸心方向に対する繊維配向角度が＋４５°の第一繊維と、前記繊維配向角度が−４５°の第二繊維とが重なることにより構成されることが望ましい。これにより、シャフト副体の捩り強度を高めることができる。したがって、このシャフト副体を摩擦攪拌接合部によってシャフト本体に接合することで、等速自在継手用シャフトの捩り強度をより一層高めることができる。
【００１２】
上記の構成に限らず、前記シャフト副体は、前記シャフト副体の軸心方向に対する繊維配向角度が０°〜４５°の範囲で異なる第一繊維と第二繊維とが重なることにより構成されてもよい。
【００１３】
上記構成の等速自在継手用シャフトにおいて、前記シャフト本体の外径寸法と前記シャフト副体の外径寸法とが等しくされてなることが望ましい。本発明では、摩擦攪拌接合部によってシャフト本体とシャフト副体とを接合することから、シャフト本体又はシャフト副体の外径寸法を、接合のために大きくする必要がなくなる。これにより、等速自在継手用シャフトを可及的に小型化でき、更なる軽量化を実現できる。
【００１４】
上記構成の等速自在継手用シャフトにおいて、前記摩擦攪拌接合部の外面に、前記シャフト副体の軸心方向に対する繊維配向角度が９０°となる繊維を含む保護層を備えることが望ましい。このように、保護層は、繊維配向角が９０°となる繊維を有することから、特に摩擦攪拌接合部の半径方向の変形等を効果的に防止でき、信頼性の高いシャフトを実現できる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、金属製の部分と繊維強化プラスチック製の部分とを有するシャフトの捩り強度を高めることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第一実施形態に係る等速自在継手用シャフトの斜視図である。
【図２】等速自在継手用シャフトの断面図である。
【図３】等速自在継手用シャフトを含むドライブシャフトの断面図である。
【図４】シャフト本体とシャフト副体とを接合する方法を示す断面図である。
【図５】シャフト本体とシャフト副体とを接合する方法を示す斜視図である。
【図６】第二実施形態に係る等速自在継手用シャフトの断面図である。
【図７】シャフト本体とシャフト副体とを接合する方法を示す断面図である。
【図８】第三実施形態に係る等速自在継手用シャフトの断面図である。
【図９】シャフト本体とシャフト副体とを接合する方法を示す断面図である。
【図１０】第四実施形態に係る等速自在継手用シャフトの断面図である。
【図１１】第五実施形態に係る等速自在継手用シャフトの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。図１乃至図５は、本発明に係る等速自在継手用シャフト（以下、単に「シャフト」という）の第一実施形態を示す。
【００１８】
シャフト１は、例えば、自動車や各種産業機械の駆動系に用いられるものであって、図１乃至図３に示すように、一対の金属製のシャフト本体２と、このシャフト本体２に連設される繊維強化プラスチック製のシャフト副体３と、シャフト本体２とシャフト副体３とを接合する摩擦攪拌接合部４と、を備える。
【００１９】
図３は、本実施形態に係るシャフト１を用いたドライブシャフトを示す。このドライブシャフトは、固定式等速自在継手５と摺動式等速自在継手６とをシャフト１にて連結することにより構成される。本実施形態では、固定式等速自在継手５としてバーフィールド型等速自在継手を例示し、摺動式等速自在継手６としてトリポード型等速自在継手を例示する。
【００２０】
固定式等速自在継手５は、複数のトラック溝７が内径面８に形成された外側継手部材９と、複数のトラック溝１０が外径面１１に形成された内側継手部材１２と、外側継手部材９のトラック溝７と内側継手部材１２のトラック溝１０との間に介在してトルクを伝達する複数のボール１３と、外側継手部材９の内径面８と内側継手部材１２の外径面１１との間に介在してボール１３を保持するケージ１４とを備える。
【００２１】
摺動式等速自在継手６は、内周に三本のトラック溝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、ボス１７から半径方向に突出した三つの脚軸１８を有するトリポード部材１９と、脚軸１８に外嵌する内側ローラ２０と、トラック溝１５に挿入されると共に内側ローラ２０に外嵌する外側ローラ２１とを備える。すなわち、この摺動式等速自在継手６は、外側ローラ２１が脚軸１８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。
【００２２】
シャフト１の端部には、雄スプライン２２が形成されている。また、各等速自在継手５，６の内側継手部材１２及びトリポード部材１９の軸孔には、雌スプライン２３が形成されている。シャフト１の端部は、等速自在継手５，６の内側継手部材１２及びトリポード部材１９の軸孔に嵌入されている。これにより、雄スプライン２２と雌スプライン２３とが噛合し、シャフト１と、内側継手部材１２及びトリポード部材１９との間でのトルク伝達が可能となる。なお、シャフト１の各端部は、周方向溝２４を備えている。シャフト１は、周方向溝２４に嵌合する止め輪２５により抜け止めされている。
【００２３】
シャフト１と各外側継手部材９，１６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２６がそれぞれ装着されている。ブーツ２６は、大径端部２６ａと、小径端部２６ｂと、大径端部２６ａと小径端部２６ｂとを連結する蛇腹部２６ｃとを有する。ブーツ２６の大径端部２６ａは、外側継手部材９，１６の開口端でブーツバンド２７により締め付け固定される。ブーツ２６の小径端部２６ｂは、シャフト１の所定部位でブーツバンド２８により締め付け固定されている。
【００２４】
図１乃至図３に示すように、シャフト本体２は、一方の端部に大径部２９が設けられると共に、他方の端部に上記の雄スプライン２２が設けられたスタブシャフト３０により構成される。
【００２５】
スタブシャフト３０は、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鋼材により構成される。スタブシャフト３０において、雄スプライン２２を含む部位に、高周波熱処理や浸炭熱処理等の熱硬化処理を施すことが望ましい。
【００２６】
シャフト副体３は、繊維強化プラスチックにより円筒状に構成される。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のマトリクス材としては、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂、或いは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が用いられる。
【００２７】
図２に示すように、円筒状に構成されるシャフト副体３の外径寸法Ｄ２は、シャフト本体２の大径部２９の外径寸法Ｄ１と等しくなっている（Ｄ１＝Ｄ２）。
【００２８】
シャフト副体３は、例えば、フィラメントワインディング法により成形される。ここで、フィラメントワインディング法とは、樹脂を含浸させた強化繊維をマンドレル（中空円筒形の成形型）に巻き付けて成形し、加熱硬化炉で硬化させて完成品を得る方法である。フィラメントワインディング法には、マンドレル側を回転させる方式と、クリールと呼ばれる巻き付けヘッドを回転させる方式とがある。
【００２９】
図２に示すように、シャフト副体３は、軸心方向（軸線Ｘに沿う方向）に対して所定の繊維配向角度θ１，θ２で重なる繊維Ｍ１，Ｍ２を有する。すなわち、シャフト副体３は、繊維配向角度θ１が＋４５°となる第一繊維Ｍ１と、繊維配向角度θ２が−４５°となる第二繊維Ｍ２とを有する。第一繊維Ｍ１の繊維配向角度θ１については、＋４５°に限らず、＋３０°〜＋６０°であればよく、同様に第二繊維Ｍ２の繊維配向角度θ２についても−４５°に限らず、−３０°〜−６０°であればよい。
【００３０】
摩擦攪拌接合部４は、シャフト本体２の一部とシャフト副体３の一部とを摩擦攪拌接合することにより構成される。摩擦攪拌接合とは、加工対象となる二部材の接合対象部分にツールを押し当て、当該ツールの回転による摩擦熱により接合対象部分を軟化させると共に、当該ツールの回転によって軟化部分を攪拌・混合することで二部材を接合する方法である。
【００３１】
以下、図４及び図５を参照しながら、シャフト本体２とシャフト副体３とを摩擦攪拌接合により一体化する方法（シャフト１の製造方法）について詳細に説明する。
【００３２】
まず、図４に示すように、シャフト本体２に係る大径部２９の端面２９ａと、シャフト副体３の端面３ａとを当接させる（突き合わせる）。その後、大径部２９の端面２９ａとシャフト副体３の端面３ａとの当接部分３２に、回転ツール３３を外側から接触させる。回転ツール３３は、プローブ部３４と、プローブ部３４を支持するショルダ部３５とを備える。プローブ部３４は、シャフト本体２及びシャフト副体３の軸線Ｘに対して直交するように配置される。ショルダ部３５はプローブ部３４よりも大径に構成される。ショルダ部３５は、当接部分３２を外側から押圧しながら、プローブ部３４と共に回転する。
【００３３】
本方法では、回転ツール３３を回転させ、プローブ部３４を大径部２９の端面２９ａとシャフト副体３の端面３ａとの当接部分３２に介在させる。当接部分３２は、回転するプローブ部３４との摩擦によって加熱される。この加熱により、当接部分３２及びその周囲に存在する、大径部２９の一部とシャフト副体３の一部とが軟化する。プローブ部３４及びショルダ部３５は、その回転により軟化部分を攪拌し、当該軟化部分を塑性流動させる。この攪拌により、シャフト本体２の軟化部分（鋼）とシャフト副体３の軟化部分（繊維強化プラスチック）とが混合される。
【００３４】
図５に示すように、本方法では、回転ツール３３を回転させると共に、シャフト本体２及びシャフト副体３をその軸線Ｘまわりに回転させる（回転方向を符号Ｒの矢印で示す）。これにより、当接部分３２の全周に亘って摩擦攪拌接合が行われる。上記の攪拌により混合された軟化部分が凝固することで、シャフト本体２の一部とシャフト副体３の一部とを複合一体化してなる摩擦攪拌接合部４がシャフト１の全周に亘って形成される。
【００３５】
以上説明した本実施形態に係るシャフト１によれば、摩擦攪拌接合部４によってシャフト本体２の一部とシャフト副体３の一部とを複合一体化するため、従来のようにシャフト本体２とシャフト副体３とを物理的な接触のみにより接合する場合と比較して、接合部（摩擦攪拌接合部４）の接合強度を高めることが可能になる。これにより、シャフト１の剛性（捩り強度）を大幅に向上させることができる。
【００３６】
図６及び図７は、本発明に係るシャフトの第二実施形態を示す。本実施形態に係るシャフト１において、シャフト本体２は、シャフト副体３の外径面３ｂに接合される突起部３６を備える。突起部３６は、円筒状に構成されると共に、シャフト副体３の外径面３ｂに接触可能な内径面３６ａを有する。
【００３７】
本実施形態においてシャフト１に摩擦攪拌接合部４を形成するには、図７に示すように、シャフト副体３の端部を筒状の突起部３６の内側に挿入し、当該シャフト副体３の端面３ａを大径部２９の端面２９ａに接触させる。このとき、シャフト副体３の外径面３ｂは、突起部３６の内径面３６ａに重ね合わせられる。本実施形態では、重ね合わせられた外径面３ｂと内径面３６ａとの当接部分３２の少なくとも一部に摩擦攪拌接合を実施することで、大径部２９（突起部３６）とシャフト副体３とを接合する摩擦攪拌接合部４が形成される（図６参照）。
【００３８】
なお、本実施形態では、突起部３６の内側にシャフト副体３を挿入する構造であることから、大径部２９（突起部３６）の外径寸法Ｄ１は、シャフト副体３の外径寸法Ｄ２よりも大きくなる（Ｄ１＞Ｄ２）。
【００３９】
図８及び図９は、本発明に係るシャフトの第三実施形態を示す。本実施形態に係るシャフト１において、シャフト本体２は、大径部２９の端部に小径部３７を有する。小径部３７は円柱状に構成されるが、これに限らず円筒状に構成されてもよい。小径部３７は、端面３７ａと、大径部２９の外径面２９ｂよりも小径の外径面３７ｂとを有する。
【００４０】
本実施形態においてシャフト１に摩擦攪拌接合部４を形成するには、図９に示すようにシャフト本体２の小径部３７をシャフト副体３の内側に挿入すると共に、シャフト副体３の端面３ａを大径部２９の端面２９ａに当接（接触）させる。このとき、シャフト副体３の外径面３ｂは、シャフト本体２の大径部２９の外径面２９ｂに対して面一となる。また、シャフト副体３の内径面３ｃの一部は、小径部３７の外径面３７ｂに接触する。
【００４１】
その後、シャフト本体２に係る大径部２９の端面２９ａと、シャフト副体３の端面３ａとの当接部分３２に対して摩擦攪拌接合を実施する。この摩擦攪拌接合によって当接部分３２（界面）が消失し、シャフト本体２とシャフト副体３とを一体的に接合する摩擦攪拌接合部４が形成される（図８参照）。
【００４２】
本実施形態において、小径部３７の外径面３７ｂは、シャフト本体２とシャフト副体３との当接部分３２が摩擦熱によって軟化した場合に、当該軟化部分がシャフト１の半径方向内方に塑性流動することを防止する流動規制部として機能する。これにより、シャフト１の更なる軽量化が可能となる。
【００４３】
また、本実施形態によれば、シャフト本体２の大径部２９と小径部３７とにより形成される段差（大径部２９の端面２９ａ及び小径部３７の外径面３７ｂ）にシャフト副体３を接触させることにより、シャフト本体２に対するシャフト副体３の位置決めを高精度で行うことができる。これにより、摩擦攪拌接合部４を精度良く成形でき、軽量化され、高剛性及び高寸法精度を有するシャフト１を製造できる。
【００４４】
図１０は、本発明に係るシャフトの第四実施形態を示す。本実施形態に係るシャフト１では、シャフト副体３における繊維Ｍ１，Ｍ２の配向態様が第一実施形態と異なる。すなわち、このシャフト副体３では、繊維配向角度が０°〜４５°の範囲で、第一繊維Ｍ１の繊維配向角度θ１と第二繊維Ｍ２との繊維配向角度θ２とを異ならせている。本実施形態では、例えば第一繊維Ｍ１の繊維配向角度θ１が＋４５°とされ、第二繊維Ｍ２の繊維配向角度θ２が＋３０°とされている。これに限らず、例えば第一繊維Ｍ１の繊維配向角度θ１が＋４５°の場合、第二繊維Ｍ２の繊維配向角度θ２は、＋５°〜＋３０°の範囲で適宜設定されることが望ましい。
【００４５】
図１１は、本発明に係るシャフトの第五実施形態を示す。本実施形態に係るシャフト１は、摩擦攪拌接合部４の外径面の全周に亘って設けられる保護層３８を更に備える。保護層３８は、例えば繊維に樹脂を含浸させてなるシート材により構成され得る。或いは、保護層３８は、樹脂を含侵させた繊維体を摩擦攪拌接合部４の外周面に巻き付けることにより構成されてもよい。保護層３８を構成する繊維Ｍ３は、その繊維配向角度θ３が９０°とされることが望ましい。保護層３８は、特に摩擦攪拌接合部４の半径方向における変形を効果的に防止でき、これによりシャフト１の信頼性を向上させることができる。
【００４６】
なお、本発明は、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、上記した作用効果に限定されるものでもない。本発明は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００４７】
上記の実施形態では、シャフト副体３の製法としてフィラメントワインディング法を例示したが、これに限らず、シートワインディング法等の他の方法を採用してもよい。シートワインディング法とは、回転しているマンドレルの外側に、シート状の繊維に樹脂を含浸し半硬化状態のもの（プリプレグ）を巻き付け、硬化させた後、マンドレルを引き抜いて筒状体を成形する方法である。
【００４８】
上記の実施形態に限らず、固定式等速自在継手５として、アンダーカットフリータイプの等速自在継手を用いてもよい。また、摺動式等速自在継手６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を用いてもよい。上記の実施形態では、シャフト１を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６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。
【符号の説明】
【００４９】
１            等速自在継手用シャフト
２            シャフト本体
３            シャフト副体
４            摩擦攪拌接合部
３８            保護層
Ｄ１          シャフト本体の外径寸法
Ｄ２          シャフト副体の外径寸法
Ｍ１          第一繊維
Ｍ２          第二繊維
【図１】
2019167989.tif 000003
【図２】
2019167989.tif 000004
【図３】
2019167989.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2019167989.tif 000008
【図７】
2019167989.tif 000009
【図８】
2019167989.tif 000010
【図９】
2019167989.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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