(57)【要約】【課題】伝動軸の耐衝撃性を向上させつつ、物性低下を防止すること。【解決手段】金属チューブ（１１）の内面に複合材料（１２）を積層接着させ、推進軸（１０）に予圧と真空をかけて前記金属チューブの内面において前記複合材料を硬化させ、金属ヨークを推進軸の両端に圧入結合させることによって、伝動軸（１）が形成される。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属チューブを含む推進軸と、前記推進軸の両端に結合されて他の装置に連結される金属ヨークとを含む伝動軸を製造する方法において、
前記金属チューブの内面に複合材料を積層接着させる内面積層段階と、
前記推進軸に予圧と真空を作用させて前記金属チューブの内面において前記複合材料を硬化させる硬化段階と、
前記金属ヨークを前記推進軸の両端に圧入結合させる結合段階とを含むことを特徴とする複合材料が内面に積層された伝動軸の製造方法。
【請求項２】
前記内面積層段階は、前記複合材料を裁断する第１段階と、前記裁断された複合材料をマンドレルに巻く第２段階と、前記複合材料が巻かれたマンドレルを前記金属チューブの内部に挿入する第３段階と、前記複合材料と前記金属チューブの内面とが相接するように、前記マンドレルに巻かれた複合材料を前記金属チューブの内面に接着させる第４段階とを含むことを特徴とする請求項１記載の複合材料が内面に積層された伝動軸の製造方法。
【請求項３】
前記第２段階において、前記複合材料と前記マンドレルとの間には前記伝動軸の減衰比を高める保護層が付着して巻かれることを特徴とする請求項２記載の複合材料が内面に積層された伝動軸の製造方法。
【請求項４】
前記第２段階と第３段階との間に、前記金属チューブの内面に前記複合材料を接着させるために前記金属チューブを予熱することを特徴とする請求項２記載の複合材料が内面に積層された伝動軸の製造方法。
【請求項５】
前記第４段階は前記金属チューブを固定し、前記マンドレルを前記金属チューブの内面に沿って加圧しながら回転させることを含む請求項２記載の複合材料が内面に積層された伝動軸の製造方法。
【請求項６】
前記第４段階は前記マンドレルを固定し、前記金属チューブを偏心状態で回転させることを含む請求項２記載の複合材料が内面に積層された伝動軸の製造方法。
【請求項７】
前記硬化段階は、前記推進軸の両端に気密を維持する栓をそれぞれ結合させる第１段階と、前記栓に設けられた中空を通して前記推進軸の内部に真空チューブ及び予圧軸を順次挿入する第２段階と、前記栓のいずれか一方に、前記予圧軸と回転可能に嵌合される予圧治具を結合させる第３段階と、前記予圧治具を回転させて前記推進軸に予圧を加えながら、前記推進軸の複合材料と前記真空チューブとの間の空気を吸入して真空を形成する第４段階とを含むことを特徴とする請求項１記載の複合材料が内面に積層された伝動軸の製造方法。
【請求項８】
前記第１段階は、前記栓のいずれか一面に、気密を保つためのリング又はゴム板を取り付けらることを含む請求項７記載の複合材料が内面に積層された伝動軸の製造方法。
【請求項９】
前記栓の側部には、前記推進軸の内側空気を吸入し得るように真空通路が設けられることを特徴とする請求項８記載の複合材料が内面に積層された伝動軸の製造方法。
【請求項１０】
前記第２段階は、前記栓の他面に、前記予圧軸と前記栓の中空との間の気密を維持しながら前記予圧軸を固定するダミー栓を結合することを含む請求項７記載の複合材料が内面に積層された伝動軸の製造方法。
【請求項１１】
前記第３段階は、前記栓と前記予圧治具との間に、前記予圧治具が回転しながら発生させるトルクを減殺させるスラストベアリングを結合することを含む請求項７記載の複合材料が内面に積層された伝動軸の製造方法。
【請求項１２】
前記内面積層段階は、軸の中心部が中空からなるマンドレルを真空チューブの内側に挿入し、前記真空チューブの外面に、前記金属チューブの内径と一致し或いは微小な公差でより小さい外径を有する前記複合材料を順次覆い被せる積層段階と、前記複合材料が巻かれた前記マンドレルを前記金属チューブに挿入する挿入段階とを含むことを特徴とする請求項１記載の複合材料が内面に積層された伝動軸の製造方法。
【請求項１３】
前記硬化段階は、前記マンドレルが挿入された前記金属チューブの両端に気密を保つ栓をそれぞれ結合させる第１段階と、前記栓に設けられた中空と前記マンドレルの中空を貫通するように予圧軸を挿入する第２段階と、前記栓に、前記予圧軸と回転可能に嵌合される予圧治具を結合させる第３段階と、前記予圧治具を回転させて前記推進軸に予圧を加えながら前記推進軸の複合材料と前記真空チューブとの間の空気を吸入して真空を形成する段階とを含むことを特徴とする請求項１２記載の複合材料が内面に積層された伝動軸の製造方法。
【請求項１４】
前記結合段階では、前記金属ヨークの内面に設けられた突条又は凸凹によって、当該突条又は凸凹に対応するように、凹部又は凸凹が前記推進軸の金属チューブに刻まれて、前記金属ヨークと前記推進軸とが嵌合されることを特徴とする請求項１記載の複合材料が内面に積層された伝動軸の製造方法。
【請求項１５】
前記金属ヨークに熱を加え、前記金属ヨークに前記推進軸を圧入結合させた後、前記金属ヨークを冷却させることを特徴とする請求項１４記載の複合材料が内面に積層された伝動軸の製造方法。
【請求項１６】
前記金属ヨークの内面又は前記推進軸の両端には接着剤を塗布し、前記金属ヨークと前記推進軸を強制嵌合あるいは焼嵌めにて結合させることを特徴とする請求項１４記載の複合材料が内面に積層された伝動軸の製造方法。
【請求項１７】
前記金属ヨークに、湿気又は異物が前記金属ヨークの内部に侵入するのを防止するゴムパッキングを取り付け、前記推進軸を圧入結合させることを特徴とする請求項１４記載の複合材料が内面に積層された伝動軸の製造方法。
【請求項１８】
前記推進軸の内部に、前記推進軸の内径と同一の外径を有するインサートを挿入し、前記金属ヨークを嵌合させることにより、前記推進軸の形状が維持されるようにすることを特徴とする請求項１４記載の複合材料が内面に積層された伝動軸の製造方法。
【請求項１９】
複合材料が金属チューブの内面に積層された推進軸と、前記推進軸の両端に結合して他の装置に連結される金属ヨークとを含む伝動軸において、
前記推進軸は真空と予圧を同時に作用させて前記金属チューブにおいて前記複合材料が硬化したものであり、前記金属ヨークは前記推進軸が圧入結合されるように内側に凹部を有し、かつ、前記凹部の内周面に凸凹又は突条が設けられていることを特徴とする複合材料が内面に積層された伝動軸。
【請求項２０】
前記金属チューブの内面に積層された前記複合材料の表面には減衰比を高める保護層が被されて積層されることを特徴とする請求項１９記載の複合材料が内面に積層された伝動軸。
【請求項２１】
前記複合材料は、多数枚の炭素繊維複合材料が、隣接する複合材料の炭素繊維方向が互いに直角となるように積層されていることを特徴とする請求項１９記載の複合材料が内面に積層された伝動軸。
【請求項２２】
前記金属チューブの内面に接する前記複合材料は、腐食を防止し且つ残留熱応力を最小化するためにガラス繊維エポキシ複合材料を含むことを特徴とする請求項２１記載の複合材料が内面に積層された伝動軸。
【請求項２３】
前記凹部は前記推進軸を前記金属ヨークに嵌合するのを案内するガイド部と、段差を介して前記ガイド部に隣接して形成された結合部とを有し、前記ガイド部は前記推進軸の外径よりやや大きく設けられ、前記結合部はその内周面に前記凸凹又は突条が設けられることを特徴とする請求項１９記載の複合材料が内面に積層された伝動軸。
【請求項２４】
前記ガイド部は前記金属ヨークの内部中心方向及び内側方向に傾かせて設けられることを特徴とする請求項２３記載の複合材料が内面に積層された伝動軸。
【請求項２５】
前記結合部は、前記凸凹の凹部に形成され、前記推進軸と前記金属ヨークとを接合させる接着剤を充填するための接着溝を含むことを特徴とする請求項２３記載の複合材料が内面に積層された伝動軸。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、後輪駆動車両に用いられる伝動軸及びその製造方法に関し、特に、金属材料の内面に複合材料を積層することにより、軸方向剛性と軸の固有振動数を向上させ且つ外部衝撃による物性低下を防止する伝動軸及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
伝動軸は、後輪駆動車両でのようにエンジンからの回転力を後輪推進軸に伝達するもので、一般に鋼鉄あるいはアルミニウムのような材料を使用する。最近、軽量化及びＮＶＨ（Ｎｏｉｓｅ，　Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ，　Ｈａｒｓｈｎｅｓｓ）の低減のために複合材料を使用する伝動軸が活発に研究されており、このような複合材料を使用した伝動軸が車両に直接装着されたりもする。
【０００３】
このような複合材料は、鋼鉄あるいはアルミニウム材料に比べて比剛性（Ｓｐｅｃｉｆｉｃ　ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ）及び比強度（Ｓｐｅｃｉｆｉｃ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ）に優れるという特性がある。従って、複合材料を使用した伝動軸は軸方向比剛性が高くなり、曲げ方向の固有振動数が増加する。
【０００４】
ところが、複合材料を使用した伝動軸は、エンジンからの回転力を伝達するに足りるトルク伝達能力と固有振動数の条件をそれぞれ満足させるために十分な複合材料を使用しなければならない。これにより、複合材料のみを使用した伝動軸は、従来の鋼鉄あるいはアルミニウムで製作された伝動軸より製造コストが高くなるという欠点がある。
【０００５】
従って、伝動軸は、製造コストを考慮し、軽くてトルク伝達能力に優れた金属材料（例：アルミニウム合金）の内面に、比剛性に優れた複合材料（例：一方向炭素繊維エポキシ複合材料）が接合されて製作されることもある。
【０００６】
上述したように、金属材料と複合材料を共に使用する伝動軸の製造方法は、本出願人が出願して登録を受けた韓国特許第１０３２４５号に開示されている。
前記韓国特許第１０３２４５号の伝動軸の製造方法では、マンドレルに空気チューブと複合材料を順次覆い被せた後、このマンドレルを金属チューブに挿入して複合材料を金属チューブの内面に接着させる。次に、マンドレルを抜き出した後、空気チューブに空気を注入して金属チューブの内側に圧力を加えながら、複合材料を金属チューブに適した硬化サイクルで硬化させる。ところが、前記製造方法による伝動軸は複合材料と金属チューブとの熱膨張係数に差異があるため、２つの材料の界面に高い残留熱応力が存在する。これにより、伝動軸は、微小な外部衝撃によっても金属チューブの内面に接合された複合材料が容易に剥離され、複合材料が剥離された金属チューブの内面に水分が染み込んで伝動軸の物性を低下させるという問題点がある。
【０００７】
従って、金属材料と複合材料を使用する他の伝動軸は、かかる問題点を克服するために水分浸透を遮断し耐衝撃性を高める高価の防水用エポキシペイントとウレタンペイントを付加的にコートして使用する。しかし、付加的なコーティング剤を使用する伝動軸は、製造コストが高くなって使用し難いという欠点がある。
【０００８】
そして、前記伝動軸は、金属材料の内面の複合材料が硬化して推進軸として製造され、この推進軸の両端に金属ヨークが結合される。このような推進軸に金属ヨークを結合する方法は、本出願人が出願し登録を受けた韓国特許第１９７３５５号に開示されている。
【０００９】
前記金属材料と複合材料を使用した推進軸は接着剤によって金属ヨークに結合されるが、このような伝動軸はトルク伝達能力と固有振動数の条件が低下し、軸の中心がずれ易いという欠点があった。一方、前記推進軸を溶接方式で金属ヨークに結合させる伝動軸は、複合材料の材質である炭素繊維とエポキシが熱を受けて強度と剛性が大きく劣化するという欠点があった。
【００１０】
従って、前記韓国特許第１９７３５５号では、推進軸の端部内面及び金属ヨークの外面にそれぞれ精密にセレーションを加工し、推進軸と金属ヨークを互いに噛み合わしている。これにより、前記金属ヨークが結合された伝動軸は、長さ約１．５ｍ程度の二軸からなる従来の伝動軸とは異なり、一体型に製作されるため、２つの軸を連結するために中間連結部に、従来使用されたヨーク、中心支持用ベアリング及び防振減衰用ゴムが不要になる。
【００１１】
ところが、推進軸のセレーションと金属ヨークのセレーションが互いに噛み合うためには加工精密度が高くなければならず、このような精密加工を行うためには伝動軸の製造コスト及び生産時間が増加するという欠点がある。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる従来の技術の問題点を解決するためのもので、その目的は、外部衝撃による複合材料の層間剥離現象を防止して耐衝撃性を向上させ、水分浸透による物性低下を防止する伝動軸及びその製造方法を提供することにある。
【００１３】
また、本発明の他の目的は、短い結合長さであっても高いトルク容量、高い疲労寿命を有する伝動軸及びその製造方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、金属チューブを含む推進軸と、前記推進軸の両端に結合されて他の装置に連結される金属ヨークとを含む伝動軸を製造する方法において、前記金属チューブの内面に複合材料を積層接着させる内面積層段階と、前記推進軸に予圧と真空を作用させて前記金属チューブの内面において前記複合材料を硬化させる硬化段階と、前記金属ヨークを前記推進軸の両端に圧入結合させる結合段階とを含む。
【００１５】
また、前記内面積層段階は、前記複合材料を裁断する第１段階と、前記裁断された複合材料をマンドレルに巻く第２段階と、前記複合材料が巻かれたマンドレルを前記金属チューブの内部に挿入する第３段階と、前記複合材料が前記金属チューブの内面とが相接するように、前記マンドレルに巻かれた複合材料を前記金属チューブの内面に接着させる第４段階とを含むことが好ましい。
【００１６】
また、第２段階において、前記複合材料と前記マンドレルとの間には前記伝動軸の減衰比を高める保護層が付着して巻かれることが好ましい。
また、前記第２段階と第３段階との間には、前記金属チューブの内面に前記複合材料を容易に接着させるために金属チューブを予め予熱することがさらに好ましい。
【００１７】
また、前記第４段階では前記金属チューブを固定し、前記マンドレルを前記金属チューブの内面に沿って加圧しながら回転させることがさらに好ましい。
また、前記第４段階では前記マンドレルを固定し、前記金属チューブを偏心状態で回転させることがさらに好ましい。
【００１８】
また、前記硬化段階は、前記推進軸の両端に気密を維持する栓をそれぞれ結合させる第１段階と、前記栓に設けられた中空を通して前記推進軸の内部に真空チューブ及び予圧軸を順次挿入する第２段階と、前記栓のいずれか一方に、前記予圧軸と回転可能に嵌合される予圧治具を結合させる第３段階と、前記予圧治具を回転させて前記推進軸に予圧を加えながら、前記推進軸の複合材料と前記真空チューブとの間の空気を吸入して真空を形成する第４段階とを含むことが好ましい。
【００１９】
また、前記第１段階で、前記栓のいずれか一面には、気密を保つために、リング又はゴム板が取り付けられることがさらに好ましい。
また、前記栓の側部には、前記推進軸の内側空気を吸入し得るように真空通路が設けられることがさらに好ましい。
【００２０】
また、前記第２段階で、前記栓の他面には、前記予圧軸と前記栓の中空との間の気密を維持しながら前記予圧軸を固定するダミー栓が結合されることがさらに好ましい。
【００２１】
また、前記第３段階で、前記栓と前記予圧治具との間には、前記予圧治具が回転しながら発生させるトルクを減殺させるスラストベアリングが結合されることがさらに好ましい。
【００２２】
また、他の実施例の内面積層段階は、軸の中心部が中空からなるマンドレルを真空チューブの内側に挿入し、前記真空チューブの外面に、前記金属チューブの内径と一致し或いは微小な公差でより小さい外径を有する前記複合材料を順次覆い被せる積層段階と、前記複合材料が巻かれた前記マンドレルを前記金属チューブに挿入する挿入段階とを含むことが好ましい。
【００２３】
また、他の実施例の硬化段階は、前記マンドレルが挿入された前記金属チューブの両端に気密を保つ栓をそれぞれ結合させる第１段階と、前記栓に設けられた中空と前記マンドレルの中空を貫通するように予圧軸を挿入する第２段階と、前記栓に、前記予圧軸と回転可能に嵌合される予圧治具を結合させる第３段階と、前記予圧治具を回転させて前記推進軸に予圧を加えながら前記推進軸の複合材料と前記真空チューブとの間の空気を吸入して真空を形成する段階とを含むことがさらに好ましい。
【００２４】
また、前記結合段階では、前記金属ヨークの内面に設けられた突条又は凸凹によって、当該突条又は凸凹に対応するように、凹部又は凸凹が前記推進軸の金属チューブに刻まれ、前記金属ヨークと前記推進軸とが嵌合されることがさらに好ましい。
【００２５】
また、前記結合段階では、前記金属ヨークに熱を加え、前記金属ヨークに前記推進軸を圧入結合させた後、前記金属ヨークを冷却させることがさらに好ましい。
【００２６】
また、前記金属ヨークの内面又は前記推進軸の両端には接着剤を塗布し、前記金属ヨークと前記推進軸とを強制嵌合あるいは焼嵌めにて結合させることがさらに好ましい。
【００２７】
また、前記金属ヨークには、湿気又は異物が前記金属ヨークの内部に侵入するのを防止するゴムパッキングを取り付け、前記推進軸を圧入結合させることがさらに好ましい。
【００２８】
また、前記推進軸の内部には、前記推進軸の内径と同一の外径を有するインサートを挿入し、前記金属ヨークを嵌合させることにより、前記推進軸の形状が維持されるようにすることがさらに好ましい。
【００２９】
そして、本発明の伝動軸は、複合材料が金属チューブの内面に積層された推進軸と、前記推進軸の両端に結合して他の装置に連結される金属ヨークとを含む。
前記推進軸は真空と予圧が同時に作用させて前記金属チューブに前記複合材料が硬化したものであり、前記金属ヨークは前記推進軸が嵌合されるように内側に凹部を有し、かつ、前記凹部の内周面には凸凹又は突条が設けられていることが好ましい。
【００３０】
また、前記金属チューブの内面に積層された前記複合材料の表面には減衰比を高める保護層が被されて積層されることが好ましい。
また、前記金属チューブの内面に接する前記複合材料としては、腐食を防止し且つ残留熱応力を最小化するためにガラス繊維エポキシ複合材料を使用することが好ましい。
【００３１】
また、前記凹部は前記推進軸を前記金属ヨークに嵌合するのを案内するガイド部と、段差を介して前記ガイド部に隣接して形成された結合部とを有し、前記ガイド部は前記推進軸の外径よりやや大きく設けられ、前記結合部は内周面に前記凸凹又は突条が設けられていることが好ましい。
【００３２】
また、前記ガイド部は前記金属ヨークの内部中心方向及び内側方向に傾かせて設けられることが好ましい。
また、前記結合部において、前記凸凹の凹部には、前記推進軸と前記金属ヨークとを結合させる接着剤を充填するための接着溝が設けられることが好ましい。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る複合材料が内面に積層された伝動軸の好適な実施例を添付図面に基づいて詳細に説明する。
【００３４】
図１は本発明の一実施例に係る金属チューブの内面に複合材料が積層された伝動軸１を示す断面図、図２は図１に示した金属チューブの内面に複合材料が積層された伝動軸１の推進軸１０を示す縦断面図及び横断面図である。
【００３５】
図１及び図２に示すように、本発明の伝動軸１は、金属チューブ１１の内面に複合材料１２が積層されて硬化した推進軸１０と、この推進軸１０の両端に嵌合される金属ヨーク４０とを含む。
【００３６】
このような伝動軸１を製造する方法は、複合材料１２を金属チューブ１１の内面に積層する内面積層段階と、このように積層された推進軸１０に予圧と真空を同時に作用させた後硬化させる硬化段階と、推進軸１０を金属ヨーク４０に結合させる結合段階とからなる。
【００３７】
次に、金属チューブ１１の内面に複合材料１２を積層してなる推進軸及びその製造方法について説明する。
図３ａは図２に示した推進軸の製造方法であって、複数枚の複合材料を積層してマンドレルに巻く過程を示す斜視図、図３ｂは図３ａに示した複合材料が巻かれたマンドレルを金属チューブに挿入する過程を示す斜視図、図４ａは図３ｂに示した複合材料が巻かれたマンドレルを金属チューブに完全に挿入した状態を示す斜視図、図４ｂは図４ａに示したマンドレルを回転させて複合材料を金属チューブの内面に積層する過程を示す側面図である。
【００３８】
図２乃至図４ｂに示すように、推進軸１０は、金属チューブ１１と、前記金属チューブ１１の内面に設けられた複合層１４とを備える。複合層１４は多数枚の複合材料１２を積層し、その上端に保護層１３を積層して形成される。
【００３９】
まず、前記複合材料１２としては、常温で生地が半硬化状態で撓む、粘性のあるプリプレグ状のものを使用し、本発明では一例として炭素繊維エポキシ複合材料を使用する。その後には複合材料１２としての多数枚のプリプレグを設計角度で適切にそれぞれ裁断して多重に積層する。この際、多数枚の炭素繊維複合材料はその繊維方向が互いに直角となるように積層し、推進軸１０の円周方向の剛性を高めるか、あるいは残留熱応力を調節する。
【００４０】
この際、複合材料１２の幅（Ｗ）は接合する金属チューブ１１の内面の円周長と一致させ、複合材料の長さ（Ｌ）は金属チューブ１１の長さと同一にする。複合材料１２のプリプレグには、貯蔵または運搬過程での相互間の接着を防ぐために、ポリエチレンあるいはテトラフルオロエチレンのようなバックアップフィルムが覆い被せられているので、複合材料１２の積層過程で、プリプレグはバックアップフィルムを除去した後積層する。
【００４１】
また、最上部に積層される複合材料１２としてのプリプレグは、バックアップフィルムを除去していない状態で積層してバックアップフィルムを保護層１３として使用する。本実施例では保護層１３としてプリプレグのバックアップフィルムを用いるが、このようなバックアップフィルムを除去した後、紙又は薄いゴム板からなる保護層１３は伝動軸１の振動を減少させる減衰層の役割を果たす。そして、保護層１３は、図４ｂに示すようにマンドレル２１と複合材料１２との接着を防いで滑り易くし、複合層１４が互いにオーバーラップする部分２２において複合層１４間の接着を防いで金属チューブ１１の内面に複合層１４が均一に積層されるようにする機能を行う。
【００４２】
また、最下部に位置する複合材料１２にはガラス繊維エポキシ複合材料を使用する。このようなガラス繊維エポキシ複合材料は複合材料１２と金属チューブ１１との界面に発生する電解腐食を防止し、残留熱応力の発生を減少させる。
【００４３】
そして、前記のように積層された複合層１４は、マンドレル２１の外面に複合層１４の保護層１３が相接するように位置し、マンドレル２１に巻かれる。その後、複合層１４が巻かれたマンドレル２１を金属チューブ１１の内部に挿入した後回転させる。金属チューブ１１の内径は複合層１４が巻かれたマンドレル２１の直径より大きい状態なので、マンドレル２１が金属チューブ１１の内面に沿って加圧されながら回転することにより、図４ｂに示すように、半硬化状態の複合層１４はその接着力によって金属チューブ１１の内面に積層される。
【００４４】
そして、推進軸１０の金属チューブ１１は、複合層１４と金属チューブ１１との接着を容易にするため、予め４０〜７０℃に予熱することが好ましい。マンドレル２１の回転方向は時計又は反時計方向のいずれであっても構わないが、マンドレル２１に巻かれた複合層１４が解ける方向に回転しなければならない。また、マンドレル２１が金属チューブ１１の内部で回転すると説明したが、本発明による伝動軸の製造方法では、金属チューブ１１が固定されたマンドレル２１に対して偏心状態で回転しても、マンドレル２１に巻かれた複合層１４が金属チューブ１１の内面に積層されることができる。
【００４５】
このように複合層１４が金属チューブ１１に積層された後には、複合層１４の幅（Ｗ）が金属チューブ１１の内周長と一致するように裁断されたので、推進軸１０にはオーバーラップ部分２２又は不足な部分はない。
【００４６】
そして、複合層１４が金属チューブ１１の内面に完全に積層された後には、マンドレル２１を金属チューブ１１から除去する。保護層１３は伝動軸の減衰比を高めるので、複合層１４の積層後にも除去されない。このように推進軸１０の製造方法による内面積層段階の完了後には、推進軸１０を硬化させる硬化段階を施す。
【００４７】
図５ａは図２に示した複合材料が積層された金属チューブに結合された栓とその内部に挿入される真空チューブとをそれぞれ分離して示す縦断面図及び側面図、図５ｂは図５ａに示した栓に順次結合するダミー栓、スラストベアリング、予圧治具をそれぞれ分離して示す縦断面図及び側面図、図５ｃは図５ｂに示した複合材料が積層された金属チューブの内部に予圧軸が挿入され、その両端に栓、ダミー栓、スラストベアリング、予圧治具が順次結合された状態を示す縦断面図及び側面図である。
【００４８】
図５ａ乃至図５ｃに示すように、硬化段階では、推進軸１０の両端に、Ｏリング３２と真空通路３３が備えられた栓３１をしっかり固定する。このような栓３１はその中心部を貫通する穴が設けられており、推進軸１０と接する一面には気密を保つためにＯリング３２又はゴム板が取り付けられ、栓３１の側部には真空通路３３が設けられる。このように構成された栓３１は真空通路３３を介して推進軸１０の内部に真空がかけられる場合に空気が漏れないように気密を保つ役割を果たす。
【００４９】
栓３１を固定した後には、推進軸１０の内部に真空チューブ３４及びねじ部付きの予圧軸３８を順次挿入する。その後、推進軸１０と接しない、栓３１の他面にダミー栓３５をそれぞれ結合させる。ダミー栓３５は二次的に推進軸１０の内部を密封しながら予圧軸３８を固定する役割をする。いずれか一方のダミー栓３５にはトルクの発生を防ぐスラストベアリング３６、及び内面にねじ部が設けられたスクリュー型予圧治具３７をそれぞれ順次結合させる。予圧治具３７は予圧軸３８に回転可能に螺合されるので、推進軸１０の軸方向に予圧を印加し、スラストベアリング３６は推進軸１０にトルクが伝達されることを防止する役割を果たす。
【００５０】
その後、予圧治具３７を回転させて推進軸１０の軸方向に、計算された所定の予圧を加えることにより、推進軸１０の軸方向残留熱応力の発生を抑制させる。
すなわち、推進軸１０には予圧の除去後にも金属チューブ１１の復元力による引張変位が発生して熱膨張係数による収縮変位を相殺させる。これにより、金属チューブ１１は複合材料１２と同一の水準で熱収縮される。そして、硬化段階では栓３１の真空通路３３に真空ポンプを連結し、予圧が加わった状態で推進軸１０の複合材料と真空チューブとの間に真空をかけて適切な硬化サイクルで推進軸１０を硬化させる。
【００５１】
硬化の完了後には、推進軸１０を常温に冷却し、予圧治具３７、スラストベアリング３６、ダミー栓３５、栓３１及び予圧軸３８を順次分離する。推進軸１０の内側に挿入された真空チューブ３４は剰余レジンに直接接着せず保護層１３と相接しているので、容易に分離することができる。
【００５２】
また、伝動軸を製造する方法において、推進軸は図６に示すように他の実施形態で製造することができる。
まず、軸の中心部が中空からなるマンドレル２４を真空チューブ３４の内側に挿入し、真空チューブ３４の外面に、金属チューブ１１の内径とほぼ一致し或いは微細な公差によってより小さい外径を有する複合材料からなる複合層１４を覆い被せる。その後、複合層１４が巻かれたマンドレル２４を金属チューブ１１の内側に挿入し、複合層１４が粘着力によって金属チューブ１１の内面に一時的に接着されるようにする。
【００５３】
その後、金属チューブ１１にマンドレル２４を挿入した状態で予圧軸をマンドレル２４の中空に挿入する。そして、前記推進軸１０の硬化段階と同様に金属チューブの両端に栓、ダミー栓及び予圧治具を順次結合し、複合材料が接着された金属チューブに予圧と真空をそれぞれかけて複合材料を硬化させる。この際、マンドレル２４は金属チューブに結合される栓との間で相互干渉が生じないように、金属チューブの長さよりやや短いものを使用する。また、マンドレル２４は硬化段階で真空チューブと複合材料とが互いに分離されず、複合材料が金属チューブの内面に一定の厚さで粘着されるようにする役割をする。このように硬化段階を済ませた後には、金属チューブからマンドレル２４を分離して推進軸１０を完成する。
【００５４】
このような硬化段階を経て完成した推進軸１０は他の装置との連結のために金属ヨーク４０と結合し、最終完成品の伝動軸１として製造される。
次に、金属ヨーク、及び前記金属ヨークと推進軸の結合方法について説明する。
【００５５】
図７ａは図２に示した推進軸の両端に結合する金属ヨークを示す縦断面図及び側面図、図７ｂは図２に示した推進軸の両端に結合する金属ヨークの他の実施形態を示す縦断面図及び側面図、図８は図２に示した推進軸とその両端に結合する金属ヨークとを分離して示す伝動軸１の縦断面図、図９は図２に示した推進軸の内部にインサートが挿入されており、推進軸の両端に結合する金属ヨークをそれぞれ分離して示す伝動軸１の縦断面図、図１０ａは図８に示した金属ヨークに推進軸が結合される状態を一部切り取って示す斜視図、図１０ｂは図１０ａに示した金属ヨークに推進軸が結合された状態を一部切り取って示す斜視図である。
【００５６】
図７ａ乃至図１０ｂに示すように、金属ヨーク４０にはその内側凹部に推進軸１０が嵌合されるが、このような金属ヨーク４０の凹部には結合部４１とガイド部４２が段差を介して形成される。ガイド部４２は、推進軸１０と金属ヨーク４０とが嵌合される際、それぞれの中心軸が互いに一致するように推進軸１０を案内する部分であって、結合部４１の内径よりやや大きい内径を有する。また、ガイド部４２の内面は推進軸１０が容易に挿入されるように、金属ヨーク４０の中心方向及び内側方向に傾かせて形成することもできる。そして、結合部４１は推進軸１０に強制的に嵌合されるが、このために結合部４１の内周面には図７ａと図７ｂにそれぞれ示すように多数の突条４３又は凸凹４４が設けられる。
【００５７】
金属ヨーク４０のガイド部４２にはゴムパッキング４６が設置されるが、このようなゴムパッキング４６は環状であり、その内径が推進軸１０の外径とほぼ同一の大きさを有する。すなわち、ゴムパッキング４６は推進軸１０が金属ヨーク４０に嵌合された状態で金属ヨーク４０の内部に水分又は異物が侵入しないようにして伝動軸１の疲労寿命を向上させ、伝動軸１の振動を抑制する役割を果たす。また、金属ヨーク４０の結合部４１及びゴムパッキング４６の内面には接着剤を塗布して、隙間への水分又は異物の侵入を防止し、推進軸１０と金属ヨーク４０とが容易に結合されるようにする。また、金属ヨーク４０の結合部４１には隣接した一対の凸部同士の間に接着溝４５が設けられ、このような接着溝４５には接着剤が充填される。接着溝４５を大きく形成する場合には、充填される接着剤の量が増加するため、推進軸１０の疲労特性、静的トルク容量及び推進軸１０と金属ヨーク４０との接合性がそれぞれ向上する（図７ｂ、図１０ａ及び図１０ｂ参照）。
【００５８】
このように形成された金属ヨーク４０は、図８に示すように、推進軸１０の両端に嵌合される。すなわち、推進軸１０は金属ヨーク４０のガイド部４２の内側に中心線を合わせて挿入され、金属ヨーク４０に強制嵌合あるいは焼嵌めによって結合される。すなわち、推進軸１０の金属チューブ１１の外面には金属ヨーク４０の突条４３又は凸凹４４が圧入され、推進軸１０と金属ヨーク４０とが嵌合される。この際、金属ヨーク４０の突条４３又は凸凹４４の接触面には圧縮応力が発生して伝動軸１のフレッチング（ｆｒｅｔｔｉｎｇ）疲労強度が増加する。
【００５９】
また、推進軸１０は選択的に図９に示すように内部にインサート４７が挿入されることができる。このようなインサート４７は、推進軸１０が金属ヨーク４０に結合される場合、推進軸１０の円周方向に座屈が発生することを防止し、金属ヨーク４０の凸凹４４が、推進軸１０の半径方向に圧縮応力が作用するように、推進軸１０の形状を支持する役割をする。
【００６０】
そして、本発明は、金属ヨーク４０に熱を加えて推進軸１０に結合させる。すなわち、結合段階では金属ヨーク４０に熱を加え、前記金属ヨーク４０に前記推進軸１０を圧入した後、金属ヨーク４０を冷却させて結合させる。すると、伝動軸は、金属ヨーク４０の内面に設けられた突条４３又は凸凹４４の形状が推進軸１０の金属チューブ１１に刻まれるので、より容易に嵌合される。
【００６１】
【実施例】
金属ヨーク４０は鋼鉄で製作され、９６ｍｍの外径を有する。結合部４１は、内径８９．７５ｍｍ、長さ１０ｍｍを有する。結合部４１の内面には高さ０．２５ｍｍ、幅０．１２５ｍｍの凸凹が内周面に沿って設けられる。また、推進軸１０の金属チューブ１１はアルミニウムで製作され、９０ｍｍの外径、８６ｍｍの内径を有する。
【００６２】
その後、金属ヨーク４０の内部に推進軸１０を１４ｋＮの力で圧入結合し、図１に示すように結合長さＬを有する伝動軸として製作する。
そして、伝動軸に回転力を印加し、伝動軸の結合部位に発生する静的破壊を観察実験した。伝動軸は４３００Ｎｍで伝動軸の結合部位に静的破壊が発生し、多数の実験結果、平均破壊剪断強度が約３４ＭＰａと測定された。このような結果値は金属ヨーク及び複合材料で製作されたシャフトがセレーション結合された伝動軸の平均破壊剪断強度８ＭＰａより約４．３倍高い数値であった。
【００６３】
また、本発明の伝動軸は、金属ヨーク４０を推進軸１０に嵌合するのに必要な力が１４ｋＮであって、従来の技術に比べて一層小さかった。これは本発明の伝動軸が接着溝内の接着剤によっても接合されるので、相対的に少ない個数の凸凹が圧入されるためである。
【００６４】
本発明の伝動軸は、短い結合長さ（Ｌ）１０ｍｍにも拘らず、トルク伝達容量が４３００Ｎｍであって、従来の技術に比べて高い数値を示した。これは金属ヨーク４０と推進軸１０のアルミニウムチューブが接着溝内の接着剤によって接合され、圧入による伝動軸の結合部位に圧縮応力が発生して疲労強度が大きく向上したからである。
【００６５】
本発明の伝動軸は０〜１５００Ｎｍの動的トルクで１５，０００，０００回以上回転可能であり、これは一般な伝動軸の設計基準より優れた性能を示した。
以上、本発明の複合材料が内面に積層された伝動軸及びその製造方法の技術思想を添付図面と共に叙述したが、これは本発明の好適な実施例を例示的に説明したものに過ぎず、本発明を限定するものではない。また、当技術分野の通常の知識を有する者であれば、本発明の技術思想の範疇を逸脱しない範囲内で様々な変形及び模倣が可能であることは明らかである。
【００６６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の伝動軸は、複合材料が金属材料の内面に積層されて硬化するため、従来の伝動軸に比べて耐衝撃性、耐磨耗性が向上し、水分浸透が遮断されて耐水性が向上するという長所がある。
【００６７】
また、本発明は、凸凹又は突条を有する金属ヨークに推進軸が圧入結合されるため、従来の技術に比べて製造コストが低くなり、短い結合長さで製造されながらも複合材料の物性低下と固有振動数及び減衰の損失なしでトルク伝達能力と疲労寿命がそれぞれ高くなるという利点がある。
【００６８】
また、本発明の伝動軸の製造方法は、マンドレルと複合材料が保護層によって接着されないため、複合材料を内面に積層する内面積層段階を容易に実行することができて伝動軸の生産性が向上するという利点がある。
【００６９】
また、本発明は、金属チューブに予圧を加える工程と、金属チューブの内面に積層された複合材料に真空をかける工程を同時に行うため、生産性が向上するという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る金属チューブの内面に複合材料が積層された伝動軸を示す図である。
【図２】図１に示した金属チューブの内面に複合材料が積層された伝動軸の推進軸を示す縦断面図及び横断面図である。
【図３】（ａ）は図２に示した推進軸の製造方法で多数枚の複合材料を積層してマンドレルに巻く過程を示す斜視図であり、（ｂ）は図３ａに示した複合材料が巻かれたマンドレルを金属チューブに挿入する過程を示す斜視図である。
【図４】（ａ）は図３ｂに示した複合材料が巻かれたマンドレルを金属チューブに完全に挿入した状態を示す斜視図であり、（ｂ）は図４ａに示したマンドレルを回転させて複合材料を金属チューブの内面に積層する過程を示す側面図である。
【図５】（ａ）は図２に示した推進軸の両端に結合される栓と、その内部に挿入される真空チューブとをそれぞれ分離して示す縦断面図及び側面図であり、（ｂ）は図５ａに示した栓に順次結合するダミー栓、スラストベアリング、予圧治具をそれぞれ分離して示す縦断面図及び側面図であり、（ｃ）は図５ｂに示した推進軸の内部に予圧軸が挿入され、その端部に栓、ダミー栓、スラストベアリング、予圧治具が順次結合された状態を示す縦断面図及び側面図である。
【図６】図２に示した推進軸の他の製造方法で金属チューブの内径に一致するように，マンドレルに巻かれた複合材料が金属チューブに挿入される状態を示す図である。
【図７】（ａ）は図２に示した推進軸の両端に結合する金属ヨークを示す縦断面図及び側面図であり、（ｂ）は図２に示した推進軸の両端に結合する金属ヨークの他の実施形態を示す縦断面図及び側面図である。
【図８】図２に示した推進軸とその両端に結合する金属ヨークをそれぞれ分離して示す伝動軸の縦断面図である。
【図９】図２に示した推進軸の内部にインサートが挿入されており、推進軸の両端に結合する金属ヨークをそれぞれ分離して示す伝動軸の縦断面図である。
【図１０】（ａ）は図８に示した金属ヨークに推進軸が圧入される状態を一部切り取って示す斜視図であり、（ｂ）は図１０ａに示した金属ヨークに推進軸が圧入結合された状態を一部切り取って示す斜視図である。
【符号の説明】
１　　伝動軸
１１　金属チューブ
１４　複合層
２１　マンドレル
２２　オーバーラップ部分
３１　栓
３３　真空通路
３５　ダミー栓
３７　予圧治具
４０　金属ヨーク
４４　凸凹
４５　接着溝
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2004144290.tif 000009
【図８】
2004144290.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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