トランスミッションシャフトおよびそれを作るための方法

本発明は、トランスミッションシャフト、および前記トランスミッションシャフトの作るために使用される製造方法に関する。

本発明はまた、トランスミッションシャフトの本体の一端に位置付けられるように設計された継手部品に関する。

トランスミッションシャフトは、本体と、例えばギアボックスまたは自在継手への連結を提供することを意図される本体の端部に配置される継手部品とから構成される。航空部門における例示的な用途は、航空機の翼のフラップを作動させるためのトランスミッションシャフトの使用である。自動車部門における別の例示的用途は、ギアボックスと車両の後車軸との間でのトランスミッションシャフトの使用である。

シャフトの本体を複合材料で作り、金属製継手部品を本体へ取り付けることが既知である。したがって、文献(特許文献1)および(特許文献2)は、複合チューブと、重合チューブの端部へ軸方向に押し当てられた金属継手とを備えるシャフトを作るための方法を説明する。継手には、チューブの外側面に溝を付け、それによりチューブと継手との間に機械的連結を形成するように設計された歯が設けられる。そのような溝を形成することにより、文献(特許文献1)の場合には、継手部品における歯の傍に機械加工されるくぼみ内に集められる屑が生じる。

これらの文献において説明される方法の主な欠点は、継手部品をシャフトの本体へ取り付けるために、チューブが損傷を受けなければならないことである。これは、使用中に大きくなる亀裂をもたらし得る。さらに、屑および屑を集めるように設計されたくぼみの存在は、継手部品とチューブとの間に完全な接触が達成されることを妨げる。チューブ/継手部品アセンブリは、したがって、経時的に部品の機械的強度に悪影響を及ぼす隙間および気孔を有する構造を形成し、前記部品は環境条件(湿気、温度変化、油および解氷剤などの外部の有害要素)の影響をより受けやすくなり、回転方向が逆にされたときの疲労強度が低下する。さらに、チューブおよび継手は、変形されたチューブおよび屑が異なる機械的特性を有するため、異なる耐荷重領域を有する機械的アセンブリを形成する。

連接棒を製造するための方法であって、硬化されていない中空の(すなわち依然として変形され得る)本体が半径方向に引っ込められ、次いで先端へ滑り込む方法が文献(特許文献3)から既知である。次いで、膨張式要素が、その外側面の端部が先端の内側面と合致するように本体全体の内側に置かれる。換言すると、やわらかいスリーブ形本体が圧力を本体の内側へかけることにより膨らむ。この方法の問題は、膨張の度合い、したがって本体の内径を厳密に制御することである。厳密な制御がないと、内径は、本体の軸に沿っておよびある操作と次の操作との間で変わる傾向がある。公差は航空および他の部門において小さい。寸法が10分の1ミリメートル以内であることを保証し得ることが非常に重要である。さらに、膨張はシャフト全体にくまなく生じるため、前記膨張は型内で生じなければならず、このことは機械加工コストを増大させる。

フィラメントワインディングを行い、繊維チューブをフォームコア上に置くことによりシャフトを製造するための方法が文献(特許文献4)から既知である。コアは、製造後にシャフトの内側に残る。これは、工具が各部品とともに失われ、重量増加があることを意味し、このことは航空学では許容可能ではない。この方法はまた、本体全体にわたって均一な構造を達成するという目的と両立しない強化剤および接着剤を必要とするという欠点を有し、シャフトの本体の内側の膨張差の問題を防ぐために均一な構造が推奨される。

米国特許第7,874,925号明細書

米国特許出願公開第2006/0258469号明細書

独国特許出願公開第102011053480号明細書

独国特許第3408650号明細書

本発明は、トランスミッションシャフトを製造するための方法であって、シャフトの本体の端部へ継手を取り付ける間、本体の全体が保持される方法を提供することが意図される。

本発明はまた、方法全体を通じて制御可能である厳密な幾何学的寸法を有するトランスミッションシャフトを作るための方法を提供することが意図される。

本発明はまた、トランスミッションシャフトであって、トランスミッションシャフトの継手と本体との間に隙間も気孔もなく、本体全体にわたって均一な構造を有するトランスミッションシャフトを提供することが意図される。

本発明は、複合材料でできた本体と、本体の一端にある継手部品とを含むトランスミッションシャフトを作るための方法であって、前記継手部品が中空であり、かつその内側面にスプラインを有し、スプラインのベースが直径D2の円の外周の境界を定め、およびスプラインのヘッドが直径D1の円の外周の境界を定める、方法において、以下の連続ステップ: − 膨張可能部分と膨張不能部分とを有するマンドレルを提供するステップと、 − 予め含浸させた繊維フィラメントをマンドレルの周りに巻き付けることにより本体を作るステップと、 − 継手部品を、マンドレルの膨張可能部分上の本体の周りに位置付けるステップと、 − スプラインのベースを本体の予め含浸させた繊維で満たすために、マンドレルの膨張可能部分を膨張させるステップと、 − 継手部品が設けられた本体を硬化するステップと を含むことを特徴とする、方法に関する。

本発明の特定の実施形態によると、本方法は、以下の特徴の少なくとも1つまたは好適な組合せを含む: − 本体が硬化される前に、継手部品が本体の周りに位置付けられ、 − フィラメントワインディングにより形成された本体の外径が直径D1を僅かに下回り、 − スプラインが継手部品の長さ全体に沿って延在し、 − 継手部品の内側面が、スプラインに垂直に延在する溝を有し、およびマンドレルの膨張可能部分の膨張がまた、本体の予め含浸させた繊維で溝が満たされることを可能にし、 − トランスミッションシャフトがその端部の各々に継手部品を有し、マンドレルが、膨張可能部分により各端部で挟まれる膨張不能部分を含む。

本発明はまた、複合材製本体と、その端部の一方で本体の周りに位置付けられる中空の継手部品とを有するトランスミッションシャフトであって、前記継手部品の内側面がスプラインを有し、本体とスプラインとの間の全てのポイントでの接触を確実にするなどのために、前記複合材製本体がスプラインを完全に満たし、隙間を残さない、トランスミッションシャフトに関する。

本発明の特定の実施形態によると、トランスミッションシャフトは、以下の特徴の少なくとも1つまたは好適な組合せを含む: − スプラインが継手部品の長さ全体に沿って延在し、 − 継手部品の内側面がスプラインに垂直に延在する溝を有し、 − 1つまたは複数の溝が継手部品の外周全体の周りに延在する、 − トランスミッションシャフトが本体の各端部に継手部品を有する。

本発明はまた、中空の継手部品であって、継手部品の長さ全体に沿って延在するスプラインをその内側面に有する中空の継手部品に関する。

本発明の特定の実施形態によると、継手部品は、以下の特徴の少なくとも1つまたは好適な組合せを含む: − 継手部品の内側面がスプラインに垂直に延在する1つまたは複数の溝を有し、 − スプラインのベースが平坦であり、 − スプラインのヘッドが先を切られている。

最後に、本発明は、上述の継手部品を含むトランスミッションシャフトに関する。

本発明によるトランスミッションシャフトの側面図である。

本発明による継手の側面図および線A−Aに沿った断面を示す。

本発明による継手の側面図、スプラインのヘッドでの半径(R1)およびベース(R2)での半径を示す領域Bの拡大図、ならびにスプラインの形状を示す断面を示す。

本発明による、組み立てられた3つのマンドレルの軸方向断面を示す。中央マンドレルは膨張可能ではなく、両側のマンドレルは膨張可能である。

3つのマンドレルの周りでのフィラメントワインディングにより得られる、本発明によるチューブの軸方向断面を示す。

本発明による、チューブ上を摺動した継手の軸方向断面を示す。

チューブの周りに取り付けられた、図6の継手部品の一方の拡大図を示す。

膨張可能マンドレルの膨張前の継手部品内でのチューブの位置を示す部分図である。

膨張可能マンドレルの膨張の前および後の、継手部品内でのチューブの位置の2つの部分図を示す。

マンドレルの除去に続く図6によるアセンブリを示す。

本発明は、トランスミッションシャフト製造するための方法と、前記方法を使用して得られるトランスミッションシャフトとに関する。発明はまた、シャフトの一端に位置付けられる継手部品に関し、この部品の特定の形状は、この部品が使用時に耐荷重を最適化することを可能にし、かつ継手部品とシャフトの本体との間の完全な接触を確実にする。

図1に示されるとおり、トランスミッションシャフト1は、複合材料でできているチューブ2と、チューブ2の各端部に位置付けられた継手部品3とを含む。図2および3に示される継手部品3は、中空であり、かつチューブ2の周りに組み付けられるように設計される。継手部品の円筒形内側壁は、内側壁の長さ全体に沿って部品の軸方向に平行に延在する、スプラインとも呼ばれる一連の長手方向溝4を有する。より具体的には、スプライン付き内側壁は、平坦なベース6により分離される歯5の連続を有する。歯のヘッドの開きは、図3に示されるとおり最大で55°である。歯は、シャフトの製造中に複合材料製チューブの繊維に損傷が生じるのを防ぐために、好ましくは尖っていない。結果として、歯の頂部は先を切られた先端を有してもよい。スプラインヘッドとも呼ばれる歯の頂部5は、図3に示されるとおり、直径D1の円の外周(半径1についてR1と示される)の境界を定め、スプラインベースとも呼ばれる滑らかなベース6は、直径D2の円(半径2についてR2と示される)の境界を定める。

さらに、継手の内側壁は、1つまたは複数の横断溝7であって、シリンダの外周全体の周りを長手方向溝4に垂直な方向に延在し、かつ長手方向溝4と交差する1つまたは複数の横断溝7を有してもよい。

継手の外側壁は、一端において、ボルト締めのためのオリフィス9を有するフランジ8が設けられ、その後、壁厚さが最初は一定であり、その後で継手部品の他端に向かって狭くなる円筒形部分が続く(図2および3参照)。

本発明によると、トランスミッションシャフトは以下のとおり作られる。

第1ステップにおいて、図4に示されるとおり、シャフトの本体とも呼ばれるチューブ2は、3つの部分を有する一体の金属マンドレル10への、予め含浸させた繊維の1つまたは複数の層のフィラメントワインディングにより作られる。このマンドレルは剛性であり、本体の軸に沿って内径が完璧に一定である本体を得るために、第3ステップ中にマンドレルの膨張を厳密に制御するために60GPaを超えるヤング率を有する。マンドレルの第1部分11は滑らかで非膨張可能であり、各端部において膨張可能な滑らかな部分12により挟まれる。3つの部分は同じ直径を有し、これは作られるチューブの内径である。繊維層のフィラメントワインディング後、図5に示されるチューブ2が得られる。チューブの外径はスプラインヘッドでの直径D1を僅かに下回り、それにより、継手が、第2ステップにおいて、チューブに損傷を与えることなくチューブ上を摺動することを可能にする。この段階で、チューブは依然として硬化サイクルを経ていない。

第2ステップは、継手3を、マンドレルの膨張可能部分12においてチューブ2の周りに配置することを含む(図6および7参照)。図6および7に示されるとおり、継手部品3全体は、端部または端部の近くにおいてチューブ2の周りに位置付けられ、複合材料2の余剰は継手部品3の後ろに残されてもよい。図8に概略的に示されるとおり、このステップ中、複合チューブ2は継手3の内側に位置付けられる。チューブ2はスプラインのヘッドに接触するが、スプラインのベースおよび側面と接触しない。

第3ステップは、マンドレルの膨張可能部分12を開き、かつ膨張させることを含む。マンドレルを開くことで、繊維をスプラインのベース6に至るまで長手方向溝4に押し込むことになる(図9参照)。さらに、継手部品が横断溝を有する場合、繊維が横断溝に入り、これは継手を軸方向に固定する。

第4ステップにおいて、樹脂を予め含浸させた繊維を重合し、かつ継手の固定を完了するためにチューブ2が硬化される。

第5ステップはマンドレルを除去することを含む(図10参照)。

最後に、第6ステップは、図1における完成したシャフトを得るために、継手部品のフランジの後ろに複合チューブ2の余剰がある場合、余剰をトリミングすることを含む。

このようにして得られるドライブシャフトは、継手のスプラインを完全に満たす複合材料でできている。

本発明によると、および一例として、トランスミッションシャフトの本体は炭素繊維を使用して作られ、継手は金属、合成または複合材料である。

最後に、本方法は、各端部に継手部品が設けられたシャフトについて説明されたことに留意されたい。本発明はまた、一端のみに継手部品が設けられたシャフトを製造するための方法を包含し、ここで、他方の端部は例えばフォーク型先端であってもよい。

本発明による方法、トランスミッションシャフトおよび継手部品の利点 シャフトは、その機械的特性を最適化する一方で、膨張によってシャフトを固定し、それにより継手部品と本体との間の完全な接触を確実にする繊維の緊張レベルを有する、フィラメントワインディングによりもたらされる特徴から恩恵を受ける。チューブと継手との間のこの完全な接触は、接着を向上させるために接着剤が必要ではないことを意味する。さらに、先行技術のシャフトと異なり、継手部品を位置付けるときにチューブが潰れるのを防ぐため、膨張ステップ中にチューブの壁を支持する必要がないことから、チューブ内側の強化は必要とされない。

剛性のマンドレルを使用する機械的膨張は、圧力を適合させることにより制御が行われるガス注入による膨張と異なり、マンドレルの半径方向の動きに基づく膨張を厳密に制御するのに寄与する。したがって、本発明による方法は、厳密に0.1mmである寸法を有するシャフトをもたらす。

さらに、より大きい圧力がマンドレルの半径方向の動きを介して加えられ得る。これは、歯が55°以下のヘッド開口角度を有して鋭い場合であっても、スプラインと本体との間の気孔のない接触をもたらす。これは、隙間が歯のベースに形成されるのを防ぐために、歯のプロファイルがあまり鋭くないことが必要であるガス膨張の場合には当てはまらない。

さらに、膨張は特定のポイントでのみ実施されるため、本方法は鋳造を必要とせず、工具類の準備のために単一のバーのみを使用し、これは本方法を実施するのに必要な工具類のコストを著しく減らす。

本発明による方法は、樹脂が重合される前に、繊維が第3ステップ中に形成されるという利点を有する。これは、樹脂に依然として順応性があることを意味する。このような形成は、複合チューブと継手との間の完全な接触の確立に寄与する。予め含浸させた繊維は、損傷を受けることなく溝を満たす。これは、亀裂が現れて広がるリスクを全てなくし、シャフトは、気孔のない均一な全体を形成する。

シャフトの製造中に屑は生じない。連結は、したがって、屑を集めるように設計された後方領域がなく、ベースとヘッドとを備えるスプラインにより、継手の内側面のみに形成され得る。

長手方向溝は、ねじれ負荷が完全にかつ継手と複合チューブとの間に遊びがない状態で伝達されることを可能にする。溝が継手部品の長さ全体に沿って延在し、これは、チューブと継手部品との間の継手部品の長さ全体に沿った完全な接触を維持するのに寄与し、これは文献米国特許第7,874,925号明細書および米国特許出願公開第2006/0258469号明細書の場合には当てはまらない。この後者の場合、係合領域と呼ばれ得る溝のない領域が、溝付き領域におけるチューブの変形の前に、継手部品をチューブの周りに、すなわち同心円状に自由に配置するために必要である。この領域がないと、チューブに溝をくり抜く前に、継手部品が正しく位置付けられることを確実にするために工具類の位置調整が必要となるであろう。

横断溝は、複合チューブと継手との間の位置調整および軸方向耐荷重を可能にし、横断溝の数は、継手により吸収される長手方向負荷に依存する。

さらにおよび文献米国特許第7,874,925号明細書と異なり、継手部品を複合チューブへ取り付ける方法および継手部品のスプラインの形状は、組立後の残留応力を生じない。この継手部品/複合チューブ連結原理は、トルクを伝えるときに複合壁が潰れるのを防ぐために、ワッシャを複合チューブの内側に位置付ける必要性をなくす。これは、アセンブリの重量を減らすとともに製造コストを下げることを意図するものである。

繊維がその長手方向表面に沿ってチューブの端部で切断され、材料を弱める、文献米国特許第7,874,925号明細書および米国特許出願公開第2006/0258469号明細書のトランスミッションシャフトとは異なり、繊維はチューブの端部まで連続的である。

(1) トランスミッションシャフト (2) チューブ、トランスミッションシャフトの本体とも呼ばれる (3) 継手部品、継手とも呼ばれる (4) 継手部品の内側面とも呼ばれる内側壁上のスプライン、長手方向溝とも呼ばれる (5) 歯、スプラインヘッドとも呼ばれる (6) スプラインベース、くぼみとも呼ばれる (7) 横断溝 (8) フランジ (9) 締結オリフィス (10) マンドレル (11) マンドレルの膨張不能部分 (12) マンドレルの膨張可能部分