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ドライブシャフト、ドライブシャフト、駆動シャフト、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、回転を伝達するための部品であり、通常、距離や相対的な動きを許容する必要性のために直接接続できないドライブトレインの他の部品を接続するために使用されます。
トルク伝達体である駆動軸は、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、駆動軸はこれらの応力に耐えられるだけの強度を備えている必要があり、同時に、慣性モーメントが増加する原因となる過剰な重量増加を避ける必要があります。
駆動部品と被駆動部品の位置合わせや距離のばらつきに対応するため、駆動軸には、ユニバーサルジョイント、ジョーカップリング、ラグジョイントが1つ以上組み込まれていることが多く、場合によってはスプラインジョイントやプリズムジョイントも組み込まれています。
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。ストーバーの 1861 年のプレーニングおよびマッチングマシンの特許再発行では、この用語は、機械を駆動するベルト駆動シャフトを指すために使用されています。 [ 1 ] この用語は、彼の元の特許では使用されていません。[ 2 ] この用語のもう 1 つの初期の用例は、ワトキンスとブライソンの馬牽引式草刈り機の 1861 年の特許再発行にあります。[ 3 ] ここでは、この用語は、機械の車輪から切断機構を駆動するギアトレインに動力を伝達するシャフトを指します。
1890年代には、この用語は現代に近い意味で使われるようになった。例えば、1891年にバトルズは、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んだ[ 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つなぐシャフトをドライブシャフトと呼んだ[ 5 ] 。1899年には、ブーキーは、ホースパワーで、 車輪から駆動機械にユニバーサルジョイントを介して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た[ 6 ]。同年 、クラークは、マリンベロシペードを説明する際に、ギア駆動シャフトが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シャフトを指すのにこの用語を使用した[ 7 ] 。クロンプトンは、1903年の蒸気自動車のトランスミッションと駆動車軸 の間のシャフトを指すのにこの用語を使用した[ 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使用した最初のアメリカの会社でした。[ 9 ] 1901年に製造されたこの車両は、現在スミソニアン博物館のコレクションに収蔵されています。[ 10 ]
自動車では、エンジンやトランスミッションから車両の反対側まで動力を伝達し、その後車輪に動力を伝えるために、縦方向のシャフトが使用されることがある。中央のディファレンシャル、トランスミッション、またはトランスアクスルから車輪に動力を伝えるには、通常、一対の短いドライブシャフトが用いられる。
フロントエンジン・リア駆動車では、車両全長にわたって動力を伝達するために、より長いドライブシャフトが必要となる。ドライブシャフトには主に2つの方式が用いられている。1つは単一のユニバーサルジョイントを備えたトルクチューブ式、もう1つは2つ以上のジョイントを備えたより一般的なホットキス式である。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、パナールシステムとして知られるようになった。
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最終駆動部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。前後重量バランスの改善を目指す一部の車両（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）は、後部にトランスアクスルを取り付けています。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、車が停止してい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ともに常に回転します。しかし、ポルシェ924/944/928モデルでは、クラッチはエンジンの後部にあるベルハウジング内に取り付けられており、中空の保護トルクチューブ内に配置されたクラッチ出力からのドライブシャフトが、後部に取り付けら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。そのため、エンジンに取り付けられたクラッチによってエンジンのクランクシャフトの回転とドライブシャフトの回転が切り離されるため、ポルシェのドライブシャフトは後輪が回転しているときだけ回転します。したがって、ポルシェでは、ドライバーがクラッチを使用して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）を行うと、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回転慣性による負荷がかからないため、ドライバーのアクセルペダル入力に応じてエンジンを自由に回転させることができます。ポルシェのトルクチューブは、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、あらゆる平面においてトランスアクスルをねじることによる後輪駆動の反力トルクを大幅に最小限に抑えます。
リアディ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る。この名称は、1つのリアアクスルを構成するために2本のハーフシャフトが必要であることに由来する。
初期の自動車は、駆動軸ではなくチェーン駆動やベルト駆動機構を採用することが多かった。中には、発電機やモーターを使って車輪に動力を伝えるものもあった。
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に限定されます。ギアボックスとリアディ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、エンジンによって生成された駆動力を車軸に伝達する役割を果たす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。
スリップインチューブ式ドライブシャフトは、衝突安全性を向上させる新しいタイプのドライブシャフトです。衝突時に圧縮されてエネルギーを吸収するため、「折りたたみ式ドライブシャフト」とも呼ばれています。
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タイプのトランスミッションが、両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、またはディファレンシャルが含まれる場合もあります。少なくとも2本のドライブシャフトが使用され、1本はトランスファーケースから各車軸に伸びています。一部の大型車両では、トランスファーボックスが中央に配置され、それ自体が短いドライブシャフトによって駆動されます。ランドローバーサイズの車両では、フロント車軸へのドライブシャフトはリアシャフトよりも明らかに短く、関節角度も急になっているため、信頼性の高いドライブシャフトを製造するのはより困難なエンジニアリング上の問題となり、より高度なユニバーサルジョイントが必要になる場合があります。
現代の小型四輪駆動車（特にアウディやフィアット・パンダなど）は、前輪駆動レイアウトに非常によく似たシステムを採用している場合がある。前車軸のトランスミッションと最終減速機はエンジンと並んで一体型のハウジングに収められ、1本のドライブシャフトが車体全長にわたって後車軸まで伸びている。この設計は、前輪にトルクを配分して乗用車のようなハンドリングを実現する場合や、メーカーが多くの共通部品を用いて四輪駆動車と前輪駆動車の両方を生産したい場合に好まれる。
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る。
エンジン試験台では、ドライブシャフトを使用して、内燃機関からダイナモメーターに一定の速度またはトルクを伝達します。
「シャフトガード」は、シャフト接続部において、駆動シャフトとの接触を防ぎ、シャフトの故障を検知するために使用されます。
トランスミッション試験台では、駆動軸が原動機とトランスミッションを接続している。
自動車のドライブシャフトは通常約12万km（7万5千マイル）持ちます。ただし、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する必要があります。[ 11 ]
カルダンシャフトパーキングブレーキは、車輪ではなくドライブシャフトに作用します。[ 12 ]これらのブレーキは、小型トラックでよく使用されます。このタイプのブレーキは故障しやすく、トラックが坂道で暴走する事故が発生し、安全警告が発令される原因となっています。[ 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、エアブレーキボタンやレバーではなく、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。
運転者にとってのリスク要因としては、荷物を満載した状態で急な坂道に駐車すること、ブレーキを十分に踏まないこと、坂道に駐車中に荷物や荷物のバランスを変えること、車両の片側が滑りやすい場所に駐車することなどが挙げられます。車輪止めを使用することは、坂道で車両が動くのを防ぐ一つの方法です。
ドライブシャフトは、第一次世界大戦以前からオートバイに使用されており、例えば1903年のベルギー製FNオートバイや1912年のスチュアート・ターナー・ステラーオートバイなどが挙げられます。チェーンやベルト駆動の代替として、ドライブシャフトは長寿命でクリーン、かつ比較的メンテナンスフリーな動作を実現します。オートバイにおけるシャフト駆動の欠点は、シャフトから後輪へ動力を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、または同様の機構が必要となり、その過程でいくらかの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式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式のVツインエンジン搭載バイクを製造している。イギリスのトライアンフ社や、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式のオートバイを製造している。
ランブレッタのモータースクーターのタイプAからタイプLDまではシャフト駆動です[ 14 ]。NSUプリマスクーターもシャフト駆動です[ 15 ]。
クランクシャフトがフレームに対して縦方向に平行に配置されたモーターサイクルエンジンは、シャフトドライブ式のモーターサイクルによく用いられます。これにより、動力伝達に必要な回転角度が2回ではなく、90°回転が1回で済むようになります。モト・グッツィやBMWのバイク、トライアンフのロケットIII、ホンダのSTシリーズなどはいずれもこのエンジンレイアウトを採用しています。
シャフトドライブ式のオートバイは、動力を加えると車体が持ち上がる「シャフト効果」の影響を受けやすい。チェーン駆動式のオートバイとは逆のこの効果は、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といったシステムによって抑制されている。
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、船外のプロペラと船内の駆動装置を接続し、船体と交差する少なくとも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ります。プロペラによって発生する軸方向の推力は、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に伝達されます。これは、ごく小型のボートを除いて、メインエンジンまたはギアボックスに組み込まれています。シャフトは、設置する船の種類に応じて、ステンレス鋼[ 16 ]または複合材[ 17 ]で作ることができます。
駆動系のうちプロペラに直接接続されている部分は、テールシャフトとして知られています。[ 18 ]
19世紀後半に登場したシェイ式、クライマックス式、ハイスラー式の蒸気機関車は、中央に搭載された多気筒エンジンからエンジンを支える各台車に動力を伝達するために、クイル駆動方式を採用していました。これらのギア式蒸気機関車では、各駆動軸の一端がユニバーサルジョイントを介して駆動台車に接続され、もう一端は別のユニバーサルジョイントを介してクランクシャフト、トランスミッション、または別の台車に動力が伝達されていました。クイル駆動方式は長手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が回転できるようにするために必要です。
カルダンシャフトは、一部のディーゼル機関車（主にディーゼル油圧式、例えば英国鉄道の52形機関車）や一部の電気機関車（例えば英国鉄道の91形機関車）で使用されています。また、ディーゼル多目的車両でも広く使用されています。
ドライブシャフトは過去1世紀にわたり、自転車のチェーン駆動の代替手段として用いられてきたが、あまり普及することはなかった。シャフト駆動の自転車（初期のメーカーが「アカテーヌ」と呼んだもの）には、いくつかの利点と欠点がある。
ドライブシャフトは、エンジンとPTOからエアコンプレッサーなどの車両搭載型補助機器に動力を伝達する手段の一つです。ドライブシャフトは、エンジンの横に追加の補助機器を取り付けるスペースが十分にない場合に使用されます。シャフトはエンジンのPTOと補助機器の間の隙間を埋め、補助機器を車両の別の場所に取り付けることを可能にします。[ 19 ]
近年、ドライブシャフトの製造工程には新たな可能性が広がっている。フィラメントワインディング製法は、複合材製ドライブシャフトの製造において人気を集めている。自動車業界の複数の企業が、この技術を大量生産工程に導入しようとしている。