ドライブシャフト
ドライブシャフト、ドライブシャフト、ドライビング シャフト、テールシャフト(オーストラリア英語)、プロペラ シャフト(プロップ シャフト)、またはカルダン シャフト(ジローラモ カルダーノにちなんで) は、機械的な動力、トルク、および回転を伝達するためのコンポーネントであり、通常は、距離があるため、またはそれらの間の相対的な動きを可能にする必要があるために、直接接続できない ドライブトレインの他のコンポーネントを接続するために使用されます。
トルクキャリアであるドライブシャフトは、入力トルクと負荷の差に相当するねじり応力とせん断応力を受けます。そのため、ドライブシャフトは応力に耐えられる強度を備えていなければなりませんが、同時に、慣性モーメントを増加させる過剰な重量増加も避けなければなりません。
駆動部品と従動部品間の位置合わせや距離の変化に対応するために、ドライブ シャフトには 1 つ以上のユニバーサル ジョイント、ジョー カップリング、またはラグ ジョイントが組み込まれていることが多く、スプライン ジョイントやプリズマティック ジョイントが組み込まれる場合もあります。
歴史
「ドライブシャフト」という用語は、19世紀半ばに初めて登場しました。ストーバーが1861年に取得したプレーニング・マッチングマシンの特許再発行において、この用語は、機械を駆動するベルト駆動シャフトを指して使用されています。 [ 1 ] この用語は、彼の最初の特許では使用されていません。[ 2 ] この用語のもう一つの初期の用例は、1861年にワトキンスとブライソンが馬に引かせる草刈り機の特許再発行において見られます。[ 3 ] ここで、この用語は、機械の車輪から、刈り取り機構を駆動する歯車列に動力を伝達するシャフトを指しています。
1890年代には、この用語は現代的な意味に近い形で使われるようになりました。例えば1891年、バトルズはクライマックス機関車のトランスミッションと駆動台車の間のシャフトをドライブシャフトと呼び、[ 4 ]スティルマンはシャフト駆動自転車のクランクシャフトと後車軸を連結するシャフトをドライブシャフトと呼びました。[ 5 ] 1899年、ビューキーは馬力においてユニバーサルジョイント を介して車輪から被駆動機械に動力を伝達するシャフトを説明するのにこの用語を使用しました。[ 6 ] 同じ年、クラークはマリン・ベロシペードを説明する際に、ユニバーサルジョイントを介してプロペラシャフトに動力を伝達するギア駆動シャフトを指すのにこの用語を使用しました。[ 7 ]クロンプトンは1903年の蒸気動力自動車のトランスミッションと被駆動車軸 の間のシャフトを指すのにこの用語を使用しました。 [ 8 ]
ドライブシャフトを備えた最初のガソリン車は、1898年製のルノー・ヴォワチュレットでした。オートカーは、ガソリン車にドライブシャフトを採用した最初のアメリカ企業でした。[ 9 ]この車は1901年に製造され、現在スミソニアン協会のコレクションに収められています。[ 10 ]
自動車用ドライブシャフト
車両
自動車では、エンジン／トランスミッションからの動力を車輪に伝える前に、縦置きシャフトを用いて車両の反対側へ動力を伝えることがあります。センターデファレンシャル、トランスミッション、またはトランスアクスルからの動力を車輪に伝えるには、通常、一対の短いドライブシャフトが使用されます。
フロントエンジン、リアホイールドライブ
フロントエンジン・リアホイールドライブ車では、車体全長にわたって動力を伝えるために、より長いドライブシャフトも必要です。主流は2つの形式、すなわち1つのユニバーサルジョイントを備えたトルクチューブと、2つ以上のジョイントを備えたより一般的なホッチキスドライブです。このシステムは、特許を取得した自動車会社パナール・エ・ルヴァッソールにちなんで、システム・パナール（Système Panhard）として知られています。
これらの車両のほとんどは、クラッチとギアボックス（またはトランスミッション）がエンジンに直接取り付けられており、ドライブシャフトが後車軸のファイナルドライブにつながっています。車両が停止しているときは、ドライブシャフトは回転しません。一部の車両（一般的にはシボレーコルベットC5 / C6 / C7、アルファロメオアルフェッタ、ポルシェ924 / 944 / 928などのスポーツカー）では、フロントとリアの重量バランスを改善するために、リアマウントトランスアクスルを使用しています。ポルシェ以外のモデルでは、これによりクラッチとトランスミッションが車両の後部に配置され、ドライブシャフトがそれらとエンジンの間に配置されます。この場合、車が停止してギアが入っていないときでも、ドライブシャフトはエンジンと一緒に連続的に回転します。しかし、ポルシェ924/944/928モデルでは、クラッチはエンジン後部のベルハウジング内に搭載されており、クラッチ出力からのドライブシャフトは中空の保護トルクチューブ内に配置され、後部に搭載されたトランスアクスル（トランスミッション＋ディファレンシャル）に動力を伝達します。したがって、ポルシェのドライブシャフトは、エンジン搭載クラッチがエンジンのクランクシャフトの回転をドライブシャフトから切り離すことができるため、後輪が回転しているときのみ回転します。そのため、ポルシェの場合、ドライバーがクラッチを使用しながら素早くシフトアップまたはシフトダウン（マニュアルトランスミッション）すると、クラッチが切断されているためエンジンとフライホイールの慣性が比較的低く、ドライブシャフトの追加回転慣性の負担がかからないため、ドライバーのアクセルペダル入力でエンジンを自由に回転させることができます。ポルシェ トルク チューブは、エンジンのベル ハウジングとトランスアクスル ケースの両方にしっかりと固定されており、ベル ハウジングとトランスアクスル間の長さと位置合わせを固定し、あらゆる平面でトランスアクスルをねじることによって生じる後輪駆動の反作用トルクを大幅に最小限に抑えます。
リアデファレンシャルと後輪を接続するドライブシャフトは、ハーフシャフトと呼ばれることがあります。この名称は、1つのリアアクスルを形成するために2本のハーフシャフトが必要であることに由来しています。
初期の自動車では、ドライブシャフトではなく、チェーンドライブやベルトドライブが主流でした。中には、車輪への動力伝達に発電機やモーターを使用するものもありました。
前輪駆動
イギリス英語では、「ドライブシャフト」という用語は、車輪、特に前輪に動力を伝達する横方向のシャフトを指します。ギアボックスとリアデファレンシャルを接続するシャフトは、「プロペラシャフト」または「プロップシャフト」と呼ばれます。プロペラシャフトアセンブリは、プロペラシャフト、スリップジョイント、および1つ以上のユニバーサルジョイントで構成されます。四輪駆動車や後輪駆動車のように、エンジンと車軸が分離されている場合、エンジンで発生した駆動力を車軸に伝達するのはプロペラシャフトです。
自動車業界では、いくつかの異なるタイプのドライブ シャフトが使用されています。
- ワンピースドライブシャフト
- 2ピースドライブシャフト
- スリップインチューブドライブシャフト
スリップインチューブドライブシャフトは、衝突安全性を向上させる新型ドライブシャフトです。衝突時に圧縮してエネルギーを吸収するため、「コラプシブルドライブシャフト」とも呼ばれています。
四輪駆動と全輪駆動
これらはフロントエンジン・リアホイールドライブのレイアウトから発展したものです。トランスファーケースと呼ばれる新しい形式のトランスミッションが、両方の車軸のトランスミッションとファイナルドライブの間に配置されました。これにより、駆動力が 2 つの車軸に分割され、減速ギア、ドッグクラッチ、またはデファレンシャルも含まれていた可能性があります。トランスファーケースから各車軸に 1 つずつ、少なくとも 2 つのドライブシャフトが使用されました。一部の大型車では、トランスファーボックスが中央に取り付けられ、短いドライブシャフトによって駆動されていました。ランドローバーほどの大きさの車では、前車軸へのドライブシャフトが後車軸よりも著しく短く、より急角度で連結されているため、信頼性の高いドライブシャフトの製造が技術的に難しくなり、より高度な形式のユニバーサルジョイントが必要になる場合もあります。
現代の四輪駆動軽自動車（特にアウディやフィアット・パンダ）は、前輪駆動に近いレイアウトのシステムを採用している場合があります。前輪駆動用のトランスミッションとファイナルドライブはエンジン横のハウジングに一体化されており、1本のドライブシャフトが車体全長にわたって後輪駆動まで伸びています。これは、トルクを前輪に偏らせて乗用車のようなハンドリングを実現する場合や、多くの部品を共通化して四輪駆動車と前輪駆動車の両方を製造したい場合に好まれる設計です。
研究開発
自動車業界では、試験工場でもドライブシャフトが使用されています。
エンジンテストスタンドでは、ドライブシャフトを使用して、特定の速度またはトルクを内燃エンジンから動力計に伝達します。
「シャフト ガード」は、シャフト接続部に使用され、ドライブ シャフトとの接触を防ぎ、シャフトの故障を検出します。
トランスミッションテストスタンドでは、ドライブシャフトが原動機とトランスミッションを接続します。
ドライブシャフトの不良の症状
自動車のドライブシャフトの寿命は通常約12万km（7万5000マイル）です。しかし、車両に以下の兆候が見られる場合は、できるだけ早く点検を受ける必要があります。[ 11 ]
- カチカチ音やキーキー音: 運転中に、車両の下からカチカチ音、キーキー音、または軋む音が聞こえることがあります。
- カチカチという音: 車を旋回させるとき、加速させるとき、または後退させるときに、運転者はカチカチという音を聞くことがあります。
- 振動：ドライブシャフトの故障の初期症状としてよく見られるのは、車両の下側から伝わる激しい振動です。カップリング、Uジョイント、ベアリングの摩耗は、ドライブシャフトの過度の振動を引き起こす可能性があります。
- 旋回の問題: 低速走行時および高速走行時に車両を旋回させるときに問題が発生する場合は、ドライブ シャフトの欠陥が原因である可能性があります。
カルダンシャフトパーキングブレーキ
カルダンシャフト式パーキングブレーキは、車輪ではなく駆動軸に作用します。[ 12 ]このブレーキは小型トラックによく使用されています。このタイプのブレーキは故障しやすく、坂道でトラックが暴走し、安全警報が発せられる事故が発生しています。[ 13 ]このタイプのパーキングブレーキを備えた大型車両は、通常、エアブレーキのボタンやレバーではなく、自動車のハンドブレーキやパーキングブレーキに似たラチェットハンドルを備えています。
ドライバーにとっての危険要因としては、重い荷物を積んだ状態で急な坂道に駐車すること、ブレーキの踏み込みが不十分であること、坂道駐車中に荷物の積載量や積載バランスが変化すること、車両の片側が滑る可能性がある場所に駐車することなどが挙げられます。坂道での車両の移動を防ぐ方法の一つとして、車輪 止めの使用が挙げられます。
オートバイのドライブシャフト
ドライブシャフトは、 1903年のベルギーFNモーターサイクルや1912年のスチュアート・ターナー・ステラーモーターサイクルなど、第一次世界大戦以前からオートバイに使用されてきました。チェーンやベルトドライブの代替として、ドライブシャフトは長寿命でクリーン、そして比較的メンテナンスフリーの動作を提供します。オートバイにおけるシャフトドライブの欠点は、シャフトから後輪への動力を90°回転させるためにヘリカルギア、スパイラルベベルギア、あるいは類似のギアが必要となり、その過程で動力が失われることです。
BMWは1923年からシャフトドライブのオートバイを製造しており、モト・グッツィは1960年代からシャフトドライブVツインエンジンを製造しています。英国のトライアンフや、日本の主要メーカーであるホンダ、スズキ、カワサキ、ヤマハもシャフトドライブのオートバイを製造しています。
ランブレッタのスクータータイプAからタイプLDまではシャフト駆動である[ 14 ]。NSUプリマスクーターもシャフト駆動である[ 15 ]。
シャフトドライブ式のオートバイでは、クランクシャフトがフレームと平行かつ縦方向に配置されるエンジンがよく使用されます。これにより、動力伝達において90度回転が2回ではなく1回で済みます。Moto GuzziやBMWのバイク、そしてTriumph Rocket IIIやHonda STシリーズはすべてこのエンジンレイアウトを採用しています。
シャフトドライブのオートバイは、シャフト効果（動力伝達時に車体が持ち上がる現象）の影響を受けます。この効果はチェーンドライブのオートバイとは逆で、BMWのパラレバー、モト・グッツィのCARC、カワサキのテトラレバーなどのシステムによって抑制されています。
船舶用ドライブシャフト
動力船では、ドライブシャフト（またはプロペラシャフト）は通常、船体と交差する箇所で少なくとも1つのシャフトシールまたはスタッフィングボックスを通過し、船外のプロペラと船内の駆動機械を接続します。プロペラによって発生する推力（軸方向の力）は、スラストブロックまたはスラストベアリングによって船体に伝達されます。スラストブロックまたはスラストベアリングは、超小型船を除き、主機関またはギアボックスに組み込まれています。シャフトは、搭載される船舶の種類に応じて、ステンレス鋼[ 16 ]または複合材料[ 17 ]で作られます。
プロペラに直接接続するドライブトレインの部分はテールシャフトと呼ばれます。[ 18 ]
機関車の駆動軸
19世紀後半に導入されたシェイ、クライマックス、ハイスラーの各機関車は、中央に搭載された多気筒エンジンからの動力を、エンジンを支える各台車にクイルドライブで連結していました。これらのギア式蒸気機関車では、駆動軸の一端はユニバーサルジョイントを介して駆動台車に連結され、もう一端はクランクシャフト、トランスミッション、または別の台車から2つ目のユニバーサルジョイントを介して駆動されていました。クイルドライブは長さ方向にスライドする機能も備えており、実質的に長さを変えることができます。これは、カーブを通過する際に台車を回転させるために必要です。
カルダンシャフトは、一部のディーゼル機関車（主に英国国鉄クラス52などの油圧式ディーゼル機関車）や一部の電気機関車（例：英国国鉄クラス91 ）に使用されています。また、ディーゼル機関車にも広く使用されています。
自転車のドライブシャフト
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ドライブシャフトは、過去1世紀にわたり自転車のチェーンドライブの代替として使用されてきましたが、普及には至りませんでした。シャフト駆動自転車（初期のメーカーからは「アカテーヌ」と呼ばれていました）には、いくつかの長所と短所があります 。
利点
- 駆動システムが詰まる可能性が低くなります。
- ライダーはチェーングリースで汚れたり、保護されていないチェーンとスプロケットの間に衣服や体の一部が挟まって「チェーンバイト」を起こして怪我をしたりすることはありません。
- ドライブ シャフトがチューブ内に収納されている場合、チェーン システムよりもメンテナンスが少なくて済みます。
- より安定したパフォーマンス。Dynamic Bicycles社によると、ドライブシャフト式自転車は94%の効率を実現できるのに対し、チェーン駆動式自転車は状態に応じて75%から97%の効率を実現できるとのことです。
デメリット
- ドライブ シャフト システムはチェーン システムよりも重く、通常は 0.5 ～ 1 kg (1 ～ 2 ポンド) 重くなります。
- ドライブシャフトの支持者が主張する利点の多くは、チェーンやスプロケットを覆うなど、チェーン駆動の自転車でも実現できます。
- ハブギアは使用できますが、高比数の軽量ディレイラーギアの使用は不可能です。
- 一部の設計では、ホイールの取り外しが複雑になる場合があります (ハブ ギアを備えたチェーン駆動の自転車など)。
PTOドライブシャフト
ドライブシャフトは、エンジンとPTOからの動力を、エアコンプレッサーなどの車載補機に伝達する方法の一つです。ドライブシャフトは、エンジンの横に追加の補機を設置するための十分なスペースがない場合に使用されます。ドライブシャフトは、エンジンPTOと補機の間の隙間を埋めることで、補機を車両の他の場所に取り付けることを可能にします。[ 19 ]
ドライブシャフトの生産
今日、ドライブシャフトの製造プロセスには新たな可能性が生まれています。フィラメントワインディング法は、複合材ドライブシャフトの製造において人気が高まっており、自動車業界の多くの企業が、この技術を量産プロセスに導入することを検討しています。
参照
参考文献
- ^ Henry D. Stover、「木材プレーニングマシンの改良」、米国特許再発行1,190、1861年5月21日。
- ^ Henry D. Stover、「かんな盤」、米国特許30,993、1860年12月18日、1861年。
- ^ジョン・デランシー・ワトキンスとロバート・ブライソン、「芝刈り機」、米国特許再発行1904、1861年7月23日。
- ^ Rush S. Battles、機関車、米国特許455,154、1891年6月30日。
- ^ Walter Stillman、「自転車」、米国特許456,387、1891年7月21日。
- ^ Dudley D. Bukey、「馬力」、米国特許631,198、1899年8月15日。
- ^チャールズ・クラーク、「海洋用ベロシペード」、米国特許637,547、1899年11月21日。
- ^チャールズ・クロンプトン、自動車に関する米国特許718,097、1903年1月
- ^ 「オートカー、1901年」。
- ^ 「Autocar automobile」 . 国立アメリカ歴史博物館. 2016年11月2日. 2017年11月19日閲覧。
- ^ 「ドライブシャフト — 2021年版決定版ガイド」Saiko .マレーシア. 2021年9月10日閲覧。
- ^ 「カルダンシャフトブレーキとは何か、そしてなぜ故障するのか」。運転免許試験リソース。2022年11月10日。 2022年11月14日閲覧。
- ^ 「商用車および産業用車両におけるドライブシャフトパーキングブレーキの故障」 WorkSafe、2019年10月15日。 2022年11月14日閲覧。
- ^ 「Lambretta Scooters Models」ケンブリッジ・ランブレッタ・ワークショップ（英国）2016年8月26日閲覧。
- ^ 「NSU Prima 販売パンフレット」 NSU Prima 2016年8月26日閲覧。
- ^ 「BTマリンプロペラ - プロペラシャフト」 www.btmarinepropellers.co.uk 2021年3月28日閲覧。
- ^ 「複合シャフト」 www.vulkan.com . 2021年3月28日閲覧。
- ^ 「Wärtsilä海洋技術百科事典」。
- ^ 「PTO駆動エアコンプレッサーとは？」 VMAC 、 2019年3月15日。 2019年3月25日閲覧。
外部リンク
- 「ドライブトレイン - ドライブシャフトの種類」 . Motor Car . イギリス. 2023年2月11日閲覧。
