CN115023338B - 管体中间体和管体制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种能够抑制制造成本并且即使在纤维体的定向角度较小的情况下也能抑制纤维体的偏移的管体中间体。管体中间体(10A)具有碳纤维和第一固定部件(14)，其中，所述碳纤维以在周向上不满1周且沿芯棒(1)的轴线方向延伸的方式配置于该芯棒(1)的外周面；所述第一固定部件(14)以从碳纤维之上沿周向卷绕1周以上且沿芯棒(1)的轴线方向延伸的方式卷绕于芯棒(1)的外周面。

Description

管体中间体和管体制造方法
技术领域
本发明涉及一种用作例如车辆的传动轴的管体的中间体和管体的制造方法。
背景技术
搭载于车辆的传动轴(propeller shaft)具有沿车辆的前后方向延伸的管体，通过该管体，将由原动机产生并由变速器减速的动力传递至最终减速装置。作为用于这种传动轴的管体，有一种利用芯棒(mandrill)制成的纤维增强塑料制的管体(参照下述专利文献1)。
[现有技术文献]
[专利文献]
专利文献1：日本发明专利公开公报特开平3-265738号
发明内容
[发明所要解决的技术问题]
另外，作为在芯棒上缠绕材料的方法，可列举出缠绕浸渍有树脂的连续纤维的长丝缠绕法和缠绕预浸料坯(使树脂浸渍于纤维而成的片材)的片材缠绕法。在此，长丝缠绕法虽然能廉价地进行制造，但是不易沿芯棒的轴向对纤维进行定向，换言之，不易沿管体的轴向对纤维进行定向。另一方面，片材缠绕法虽然能沿芯棒的轴向对纤维进行定向，但花费制造成本。
在此，在芯棒中，将设置纤维的轴线方向尺寸设为L，将芯棒的外周面的半径设为r，将纤维相对于芯棒的定向角度设为θ(参照图1)。在定向角度θ较小(tanθ＜|2πr/L|)的情况下，无法将纤维在芯棒上卷绕1周以上，因此，纤维有可能会因重力而从芯棒脱离。
本发明是为了解决这样的问题而作出的，其技术问题在于，提供一种能抑制制造成本并且在纤维体的定向角度较小的情况下也能抑制纤维体的偏移的管体中间体和管体制造方法。
[用于解决技术问题的技术方案]
为了解决上述技术问题，本发明的管体中间体的特征在于，具有纤维体和第一固定部件，其中，所述纤维体以沿芯棒的轴线方向延伸的方式配置于该芯棒的外周面；所述第一固定部件以从所述纤维体之上沿周向卷绕1周以上且沿所述芯棒的轴线方向卷绕的方式卷绕于该芯棒的外周面。
另外，本发明的管体制造方法的特征在于，包括配置步骤、固定步骤和成型步骤，其中，在所述配置步骤中，将纤维体以沿芯棒的轴线方向延伸的方式配置于该芯棒的外周面；在所述固定步骤中，将第一固定部件以从所述纤维体之上沿周向卷绕1周以上且沿所述芯棒的轴线方向卷绕的方式卷绕于该芯棒的外周面；在所述成型步骤中，在所述芯棒的外周面上以包覆所述纤维体的方式将树脂成型为管状。
[发明效果]
根据本发明，能够抑制制造成本的同时即使在纤维的定向角度较小的情况下也能抑制纤维的偏移。
附图说明
图1是示意地表示本发明的第一实施方式所涉及的管体中间体的图。
图2是示意地表示本发明的第一实施方式所涉及的芯棒和管体中间体的第一碳纤维层的图。
图3是示意地表示本发明的第一实施方式所涉及的管体中间体的第二碳纤维层的图。
图4是示意地表示本发明的第一实施方式所涉及的管体中间体的第三碳纤维层的图。
图5是示意地表示本发明的第一实施方式所涉及的用于制造管体的成型装置的图。
图6是示意地表示使用本发明的第一实施方式所涉及的管体中间体制造而成的管体的图。
图7是用于说明本发明的第一实施方式所涉及的管体制造方法的流程图。
图8是示意地表示本发明的第一实施方式所涉及的管体的一例的图。
图9是示意地表示本发明的第二实施方式所涉及的管体中间体的剖视图。
图10是用于说明本发明的第二实施方式所涉及的管体制造方法的流程图。
图11的(a)～(d)是用于示意地说明本发明的第二实施方式所涉及的管体中间体的制造方法的图。
图12是示意地表示使用本发明的第二实施方式所涉及的管体中间体制造而成的管体的图。
图13是示意地表示本发明的第三实施方式所涉及的管体中间体的图。
图14是用于说明本发明的第三实施方式所涉及的管体制造方法的流程图。
具体实施方式
以通过碳纤维增强塑料来制造作为管体的车辆的传动轴(propeller shaft)的情况为例，参照附图来详细地说明本发明的实施方式。在以下的说明中，针对相同的结构要素标注相同的附图标记并省略重复的说明。另外，参照的附图为了易于理解而夸张地进行了图示，并未对各部件的尺寸等(例如，图5和图7中的接头22、23的形状等)进行准确地表示。
＜第一实施方式＞
图1所示的管体中间体10A通过在芯棒1(参照图2)的外周面上设置碳纤维层而形成。如图2所示，芯棒1为呈圆筒形状的金属制部件。
＜管体中间体＞
如图1所示，本发明的第一实施方式所涉及的管体中间体10A为在制造后述的管体20A(参照图6)的中间阶段形成的、由多个碳纤维层层叠而成的圆筒状的部件。管体中间体10A从径向内侧(芯棒1侧)起依次具有第一碳纤维层11(参照图2)、第二碳纤维层12(参照图3)和第三碳纤维层13(参照图4)。第一碳纤维层11、第二碳纤维层12和第三碳纤维层13为被后述的管体20中的树脂21包覆，用于增强该树脂21的增强纤维的层。另外，在管体中间体10A的第三碳纤维层13中具有作为用于固定碳纤维13a的部件的第一固定部件13b。此外，在图2～图4中，各碳纤维层11、12、13仅图示出了一部分。
《第一碳纤维层》
如图2所示，第一碳纤维层11由以覆盖芯棒1的方式设置于该芯棒1的外周面的多条碳纤维11a构成。第一碳纤维层11中的碳纤维11a设置为，以相对于芯棒1的轴线方向倾斜45°的方式卷绕1周以上，且相对于芯棒1的轴线方向呈螺旋状延伸。即，碳纤维11a相对于芯棒1的轴线X的定向角度θ为45°。
《第二碳纤维层》
如图3所示，第二碳纤维层12被设置于第一碳纤维层11的径向外侧，由以覆盖第一碳纤维层11的方式设置的多条碳纤维12a构成。第二碳纤维层12中的碳纤维12a设置为，以相对于芯棒1的轴线方向倾斜-45°的方式卷绕1周以上，且相对于芯棒1的轴线方向呈螺旋状延伸。即，碳纤维12a相对于芯棒1的轴线X的定向角度θ为-45°。
《第三碳纤维层》
如图4所示，第三碳纤维层13被设置于第二碳纤维层12的径向外侧，由以覆盖第二碳纤维层12的方式设置的多条碳纤维13a和第一固定部件13b构成。第三碳纤维层13中的碳纤维13a设置为，与芯棒1的轴线方向平行地延伸。即，碳纤维13a相对于芯棒1的轴线X的定向角度θ为0°。另外，碳纤维13a的长度与芯棒1的设有各碳纤维层11～13的区域的轴线方向尺寸L相等。此外，由于芯棒1的两端部为被各装置等把持的部位，因此不设置各碳纤维层11～14。
《第一固定部件》
如图1所示，第一固定部件13b为用于将碳纤维13a固定于芯棒1的外周面的部件。第一固定部件13b为线状、带状等的具有挠性的树脂制部件。第一固定部件13b可以由与后述的树脂21相同的材料形成，也可以由通过成型装置(模具)2和/或树脂21的热量而熔融并混入树脂21内的材料形成。第一固定部件13b设置为，以相对于芯棒1的轴线方向倾斜的方式卷绕1周以上，且沿芯棒1的轴线方向呈螺旋状延伸。
所述第一固定部件13b用于防止在以轴线方向为水平方向的方式设置的(即，横卧的)芯棒1的外周面上配置的碳纤维13a因重力而下垂。详细而言，第一固定部件13b适当地防止配置在芯棒1的外周面的下部的碳纤维13a的轴线方向中间部因重力而下垂。
＜管体制造方法＞
接着，使用图7的流程图来说明第一实施方式所涉及的经由管体中间体10A的管体20A(参照图6)的制造方法。
首先，在芯棒1的轴线方向一端部设置接头(短节叉或短轴)22(参照图5)(步骤S1、接头设置步骤)。接着，如图2所示，通过未图示的装置，在芯棒1的外周面上形成第一碳纤维层11(步骤S2、第一碳纤维层形成步骤)。接着，如图3所示，通过未图示的装置，在第一碳纤维层11的外周面上形成第二碳纤维层12(步骤S3、第二碳纤维层形成步骤)。接着，如图4所示，通过未图示的装置，在第二碳纤维层12的外周面上形成第三碳纤维层13的碳纤维13a(步骤S4、第三碳纤维层形成步骤、配置步骤)。
接着，如图1所示，通过未图示的装置，在第三碳纤维层13中的碳纤维13a的外周面上设置第一固定部件13b，将碳纤维13a固定于芯棒1(步骤S5、第三碳纤维层形成步骤、固定步骤)。
所述的第一碳纤维形成步骤～固定步骤也称为制造管体中间体10A的管体中间体制造方法。
接着，如图5所示，通过成型装置(模具)2，在第一碳纤维层11、第二碳纤维层12和第三碳纤维层13中浸渍树脂21，并且对成型装置2加热，据此，形成管体20(步骤S6、成型步骤)。树脂21例如为热固化性树脂。在本实施方式中，成型装置2的模具被分割成多个，在成型步骤中，对管体中间体10A加热，并且在进行将成型装置2的模具闭合的闭模操作后，进一步进行对闭合的模具施加压力的合模操作，从而使模具内的压力上升，由此促进树脂21的固化。此外，在本实施方式中，以模具被分割为多个的结构进行了说明，因此进行了闭模操作和合模操作，但合模操作未必是必需的。另外，在模具未被分割为多个的情况下，所述闭模操作和合模操作未必是必需的。在图5所示的例子中，在芯棒1的轴线方向一端部设置有接头(短节叉或短轴)22，管体中间体10A延伸设置到该接头22的外周面。另外，在成型装置2内，在导入熔融状态的树脂21的浇口2a的出口侧形成有空间(树脂积存部2b)。导入成型装置2内的树脂21经由该树脂积存部2b沿芯棒1的轴线方向移动。所述树脂21浸渍于第一碳纤维层11、第二碳纤维层12和第三碳纤维层13内。在树脂21浸渍于各碳纤维层11～13的状态下，对成型装置2加热，并且对成型装置2内施加压力，据此，形成管体20。在成型步骤中，第一固定部件13b也可以通过成型装置(模具)2和/或树脂21的热量而熔融并混入树脂21内。
接着，将成型后的管体20A和芯棒1从成型装置2取出，将芯棒1从管体20A抽出(步骤S7、脱芯步骤)。接着，在芯棒1的轴线方向另一端部安装接头(短节叉和短轴的另一方)23(步骤S8、接头安装步骤)。
本发明的第一实施方式所涉及的管体中间体10A具有纤维体(碳纤维13a)和第一固定部件13b，其中，所述纤维体(碳纤维13a)以沿芯棒1的轴线方向延伸的方式配置于该芯棒1的外周面；所述第一固定部件13b以从所述纤维体之上沿周向卷绕1周以上且沿所述芯棒1的轴线方向卷绕的方式卷绕于该芯棒1的外周面。
另外，本发明的第一实施方式所涉及的管体制造方法包括配置步骤、固定步骤和成型步骤，其中，在所述配置步骤中，将纤维体(碳纤维13a)以沿芯棒1的轴线方向延伸的方式配置于该芯棒1的外周面；在所述固定步骤中，将第一固定部件13b以从所述纤维体之上沿周向卷绕1周以上且沿所述芯棒1的轴线方向卷绕的方式卷绕于该芯棒1的外周面，其中，所述第一固定部件13b将所述纤维体固定于所述芯棒1的外周面；在所述成型步骤中，通过在所述芯棒1的外周面上使树脂21浸渍于所述纤维体，并加热所浸渍的所述树脂21而进行成型。
根据所述结构，能抑制制造成本，并且，即使在纤维体的定向角度θ较小的情况下也能抑制纤维的偏移。
＜第二实施方式＞
接着，以与第一实施方式的不同点为中心来说明本发明的第二实施方式所涉及的管体中间体和管体制造方法。
如图9所示，本发明的第二实施方式所涉及的管体中间体10B还具有第四碳纤维层14，该第四碳纤维层14被设置于第三碳纤维层13的径向外侧。
《第四碳纤维层》
第四碳纤维层14被设置于第三碳纤维层13的径向外侧，由多条碳纤维14a和第一固定部件14b构成，其中，所述多条碳纤维14a以覆盖第三碳纤维层13的方式设置。第四碳纤维层14中的碳纤维14a以相对于芯棒1的轴线方向平行延伸的方式设置。即，碳纤维14a相对于芯棒1的轴线X的定向角度θ为0°。另外，碳纤维14a的长度与芯棒1的设有各碳纤维层11～14的区域的轴线方向尺寸L相等。
《第一固定部件》
第一固定部件14b为用于将碳纤维14a固定于芯棒1的外周面的部件。第一固定部件14b为线状、带状等的具有挠性的树脂制部件。第一固定部件14b可以由与后述的树脂21相同的材料形成，也可以由通过成型装置(模具)2和/或树脂21的热量而熔融并混入树脂21内的材料形成。第一固定部件14b设置为，以相对于芯棒1的轴线方向倾斜的方式卷绕1周以上，且沿芯棒1的轴线方向呈螺旋状延伸。第一固定部件14b与第一固定部件13b在芯棒1的轴线方向上以不同的相位且相互平行地设置。换言之，第一固定部件14b和第一固定部件13b以在芯棒1的径向上彼此不重叠的方式设置。
所述第一固定部件14b用于防止在以轴线方向为水平方向的方式设置的(即，横卧的)芯棒1的外周面上配置的碳纤维14a因重力而下垂。详细而言，第一固定部件14b适当地防止配置在芯棒1的外周面的下部的碳纤维14a的轴线方向中间部因重力而下垂。
＜管体制造方法＞
接着，使用图10的流程图来说明第二实施方式所涉及的经由管体中间体10B的管体20B(参照图12)的制造方法。
在本制造方法中，如图11的(a)所示，通过未图示的装置，在第二碳纤维层12(参照图7)的外周面上形成第三碳纤维层13的碳纤维13a(步骤S4、第三碳纤维层形成步骤、配置步骤)。
接着，如图11的(b)所示，通过未图示的装置，在第三碳纤维层13中的碳纤维13a的外周面上设置第一固定部件13b，将碳纤维13a固定于芯棒1(步骤S5、第三碳纤维层形成步骤、固定步骤)。
接着，如图11的(c)所示，通过未图示的装置，在第三碳纤维层13的外周面上形成第四碳纤维层14的碳纤维14a(步骤S4B、第四碳纤维层形成步骤、配置步骤)。
接着，如图11的(d)所示，通过未图示的装置，在第四碳纤维层14中的碳纤维14a的外周面上设置第一固定部件14b，将碳纤维14a固定于芯棒1(步骤S5B、第四碳纤维层形成步骤、固定步骤)。
此外，在图9所示的例子中，各碳纤维层13、14中的碳纤维13a、14a分别沿周向紧贴配置，外侧的碳纤维14a重叠设置于内侧的碳纤维层13a和第一固定部件13b的径向外侧。相对于此，在图11所示的例子中，第三碳纤维层13中的碳纤维13a沿周向隔开间隙地配置，第四碳纤维层14中的碳纤维14a被配置于碳纤维13之间的间隙。在该结构中，第四碳纤维层14中的碳纤维14a也重叠设置于第三碳纤维层13中的第一固定部件13b的径向外侧。在该情况下，与仅通过第一固定部件14b来固定碳纤维13a、14a的情况(省略第一固定部件13b的情况)相比，能够减少分别由第一固定部件13b、14b固定的碳纤维13a、14a的条数，进而能够提高第一固定部件13b、14b的设计自由度。
本发明的第二实施方式所涉及的管体中间体10B具有多个由所述纤维体和所述第一固定部件构成的纤维层，多个所述纤维层(碳纤维13a、14a)沿所述芯棒1的径向重叠配置，至少相当于下层的所述纤维层13中的所述第一固定部件13b与相当于所述下层的上层的所述纤维层14中的所述纤维体(碳纤维14a)在径向上重叠，分别设置于多个所述纤维层的所述第一固定部件13b、14b在所述芯棒的轴线方向上以彼此不同的相位(且相互平行地(以相同的定向角度))设置。换言之，第一固定部件14b和第一固定部件13b以在芯棒1的径向上彼此不重叠的方式设置。
另外，在本发明的第二实施方式所涉及的管体制造方法中，在所述成型步骤之前，通过重复多次所述配置步骤和所述固定步骤，以沿所述芯棒1的径向重叠配置的方式形成多个由所述纤维体和所述第一固定部件构成的纤维层，至少相当于下层的所述纤维层中的所述第一固定部件13b与相当于所述下层的上层的所述纤维层中的所述纤维体(碳纤维14a)在径向上重叠，在多次的所述固定步骤中，将分别设置于多个所述纤维层的所述第一固定部件13b、14b在所述芯棒1的轴线方向上以彼此不同的相位设置。
根据该结构，即使在纤维体的定向角度θ较小的情况下也能够更适当地抑制纤维体的偏移。另外，与第一固定部件13b、14b设置为以相同相位在径向上彼此重叠的情况相比，能够抑制管体中间体10B的厚度并且抑制局部的应力集中。
＜第三实施方式＞
接着，以与第二实施方式的不同点为中心来说明本发明的第三实施方式所涉及的管体中间体和管体制造方法。
如图13所示，本发明的第三实施方式所涉及的管体中间体10C具有一对第二固定部件15、15作为用于固定第三碳纤维层13的部件。
《第二固定部件》
第二固定部件15为用于将第三碳纤维层13的端部固定于芯棒1的轴线方向端部的外周面的部件。第二固定部件15为带状的具有挠性的树脂制部件，在一表面(径向内表面)侧具有粘接部。第二固定部件15呈环状卷绕。与第一固定部件14b同样，第二固定部件15可以由与树脂21相同的材料形成，也可以由通过成型装置(模具)2和/或树脂21的热量而熔融并混入树脂21内的材料形成。
＜管体制造方法＞
接着，使用图14的流程图来说明第三实施方式所涉及的经由管体中间体10C的管体的制造方法。
在第四碳纤维层形成步骤(步骤S4B)和成型步骤(步骤S6)之间，通过未图示的装置，在第四碳纤维层14中的两端部的外周面上设置第二固定部件15、15，将第三碳纤维层13和第四碳纤维层14的两端部固定于芯棒1(步骤S5C、两端部固定步骤)。优选由第二固定部件15、15实现的固定在由第一固定部件14b、14b实现的固定(步骤S5B)之前执行。另外，由第二固定部件15、15实现的固定也可以在第三碳纤维层形成步骤(步骤S4)和第四碳纤维层形成步骤(步骤S4B)之间执行。
本发明的第三实施方式所涉及的管体中间体10C具有第二固定部件15，该第二固定部件15用于将所述纤维体的两端部固定于所述芯棒1的外周面。
另外，在本发明的第三实施方式所涉及的管体制造方法中，在所述固定步骤中，通过第二固定部件15将所述纤维体的两端部固定于所述芯棒1的外周面。
根据该结构，即使在纤维体的定向角度θ较小的情况下也能够更适当地抑制纤维体的偏移。
以上，说明了本发明的实施方式，但本发明并不限定于所述实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内能够适当变形。例如，可以为省略第一碳纤维层11和第二碳纤维层12，而在芯棒1的外表面上直接设置第三碳纤维层13的结构。另外，第三碳纤维层13和第四碳纤维层14中的碳纤维13a、14a的定向角度θ并不限定于0°(与芯棒1的轴线方向平行)，只要是碳纤维13a、14a在芯棒1上不满1周的角度即可。即，本发明适用于碳纤维13a的定向角度θ满足tanθ＜|2πr/L|的情况。另外，用于管体中间体10A～10C的纤维体并不限定于碳纤维11a～14a，只要是能够增强管体20的纤维即可。另外，在第一实施方式中，也可以是多个第一固定部件13b在芯棒1的轴线方向上以彼此不同的相位且相互平行地设置的结构。而且，在第二实施方式中，也可以是多个第一固定部件13b和多个第一固定部件14b在芯棒1的轴线方向上以彼此不同的相位且相互平行地设置的结构。
[附图标记说明]
1：芯棒；10A、10B、10C：管体中间体；13a、14a：碳纤维(纤维体)；13b、14b：第一固定部件；15：第二固定部件；20A、20B：管体；21：树脂。

Claims (4)

1.一种管体中间体，其特征在于，
具有多个由纤维体和第一固定部件构成的纤维层，其中，
所述纤维体以沿芯棒的轴线方向延伸的方式配置于该芯棒的外周面；
所述第一固定部件以从所述纤维体之上沿周向卷绕1周以上且沿所述芯棒的轴线方向卷绕的方式卷绕于该芯棒的外周面，
多个所述纤维层沿所述芯棒的径向重叠配置，
至少相当于下层的所述纤维层中的所述第一固定部件与相当于所述下层的上层的所述纤维层中的所述纤维体在径向上重叠，
分别设置于多个所述纤维层的所述第一固定部件以在所述芯棒的径向上彼此不重叠的方式，在所述芯棒的轴线方向上以彼此不同的相位设置。
2.根据权利要求1所述的管体中间体，其特征在于，
具有第二固定部件，该第二固定部件将所述纤维体的两端部固定于所述芯棒的外周面。
3.一种管体制造方法，其特征在于，
具有配置步骤、固定步骤和成型步骤，其中，
在所述配置步骤中，将纤维体以沿芯棒的轴线方向延伸的方式配置于该芯棒的外周面；
在所述固定步骤中，将第一固定部件以从所述纤维体之上沿周向卷绕1周以上且沿所述芯棒的轴线方向卷绕的方式卷绕于该芯棒的外周面，其中，所述第一固定部件用于将所述纤维体固定于所述芯棒的外周面；
在所述成型步骤中，通过在所述芯棒的外周面上使树脂浸渍于所述纤维体，并加热所浸渍的所述树脂而进行成型，
在所述成型步骤之前，通过重复多次所述配置步骤和所述固定步骤，以沿所述芯棒的径向重叠配置的方式形成多个由所述纤维体和所述第一固定部件构成的纤维层，
至少相当于下层的所述纤维层中的所述第一固定部件与相当于所述下层的上层的所述纤维层中的所述纤维体在径向上重叠，
在多次的所述固定步骤中，将分别设置于多个所述纤维层的所述第一固定部件以在所述芯棒的径向上彼此不重叠的方式，在所述芯棒的轴线方向上以彼此不同的相位设置。
4.根据权利要求3所述的管体制造方法，其特征在于，
在所述固定步骤中，通过第二固定部件将所述纤维体的两端部固定于所述芯棒的外周面。
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