JP2001082439A - 動力伝達部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 繊維強化樹脂製で構成しても、実際の車両に
適用して十分な信頼性が得られる動力伝達部材とする。 【解決手段】 繊維配向角を略12度にしてカーボン繊維
強化樹脂を３層巻き、その外周に繊維配向角を略12度に
してガラス繊維強化樹脂を３層巻いて円筒体２を成形す
ることにより、耐衝撃性及びねじり強度を満足して信頼
性を高め、繊維強化樹脂製で構成しても、実際の車両に
適用して十分な信頼性が得られるプロペラシャフト１と
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、動力伝達部材、例
えば、車両のプロペラシャフトに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、車両重量を軽くして燃費の向上を
図るため、各種の部材を繊維強化樹脂製で代替えするこ
とが試みられている。車両用の部材のうち、例えば、動
力伝達部材であるプロペラシャフトは、繊維強化樹脂
（カーボン繊維強化樹脂）製の円筒の両端に炭素鋼製の
接続継ぎ手（ヨーク）を圧入して固定した構造となって
いる。プロペラシャフトは、ヨークを介して駆動軸側と
従動軸側を連結してトルクを伝達するようになってい
る。このため、カーボン繊維強化樹脂製の円筒は、カー
ボン繊維の原糸を軸方向に対して所定の角度（配向角）
を持って複数層に積層して巻いて構成することで、所定
のねじり強度が確保されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】カーボン繊維強化樹脂
製の円筒は、炭素鋼等の金属に比べて弾性範囲が大きい
ので、衝撃が加わった時にへこむことなく復元すること
になる。このため、外観からは衝撃が加わったかどうか
が判断できなかった。即ち、カーボン繊維強化樹脂製の
円筒に一度衝撃が加わると、外観上は何ら問題がなくて
も、層間剥離等が生じることがあり、ねじり強度が大幅
に低下してしまうことがある。

【０００４】カーボン繊維強化樹脂製の円筒の耐衝撃性
を高めるためには、カーボン繊維の配向角を小さくする
（例えば15度以下）とよく、ねじり強度を高めるために
は、カーボン繊維の配向角を45度にするとよいことが確
認されている。このように、カーボン繊維の配向角に対
して耐衝撃性とねじり強度とは相反する関係にある。こ
のため、カーボン繊維強化樹脂製の円筒で耐衝撃性及び
ねじり強度を十分に満足するものは実在しないのが現状
であり、プロペラシャフトの組み立て時等には部品管理
を徹底して行なう等して信頼性を損なうことがないよう
にしているのが実情である。

【０００５】本発明は上記状況に鑑みてなされたもの
で、繊維強化樹脂製であっても耐衝撃性及びねじり強度
を満足して信頼性を高めた動力伝達部材を提供すること
を目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の動力伝達部材は、炭素繊維とガラス繊維の混
成体からなる繊維強化樹脂製の本体と、本体の端部に装
着された接続継ぎ手とからなることを特徴とし、炭素繊
維のみからなる繊維強化樹脂製の本体に比べて耐衝撃性
を高めるようにしたものである。そして、本体は炭素繊
維強化樹脂層とガラス繊維強化樹脂層とからなる複数層
に積層された積層体であり、ガラス繊維強化樹脂層を最
外層として構成することが好ましい。また、繊維強化樹
脂の炭素繊維とガラス繊維の本体の軸方向に対する繊維
配向角度を１２度±１度の範囲としたことを特徴とし、
更に耐衝撃性を高めるようにしたものである。

【０００７】

【発明の実施の形態】図１には本発明の一実施形態例に
係る動力伝達部材としてのプロペラシャフトの外観状
況、図２にはプロペラシャフトの断面、図３には図２中
の矢印III 部の詳細状況、図４には円筒体の形成状況を
表す概念を示してある。

【０００８】図１に示すように、動力伝達部材としての
プロペラシャフト１は、炭素繊維（カーボン繊維）とガ
ラス繊維の混成体からなる繊維強化樹脂製の本体として
の円筒体２と、円筒体２の両端に圧入により嵌合された
炭素鋼製の接続継ぎ手としてのヨーク３とで構成されて
いる。円筒体２の繊維強化樹脂は、エポキシ樹脂を母体
としてカーボン繊維及びガラス繊維を強化材とした複合
材料であり、円筒体２はフィラメントワインディング法
等により形成されたものである。

【０００９】図２に示すように、円筒体２は、ヨーク３
が圧入される端部2aの内周側が、繊維強化樹脂を周方向
に巻いたフープ層４で形成されて引張強度が高められ、
フープ層４の外周を含む中間の筒部が、軸方向に対して
所定の角度をもって繊維強化樹脂を巻いた（所定の繊維
配向角）ヘリカル層５で形成されている。フープ層４に
より円周方向の弾性率が確保されヨーク３が圧入された
ときの良好な接続状態が得られる。そして、軸圧縮時の
発生応力を材料の破壊応力より大きく、トルク伝達時の
発生応力を材料の破壊応力より非常に小さく設計され、
軸圧縮破壊とトルク伝達の両立が可能になっている。

【００１０】図３に示すように、円筒体２のヘリカル層
５は、カーボン繊維強化樹脂１０が３層に巻かれ、外周
側にガラス繊維強化樹脂１１が３層に巻かれ、合計で６
層の繊維強化樹脂が巻かれた状態になっている。ガラス
繊維強化樹脂１１はカーボン繊維強化樹脂１０に比べて
柔軟であり耐衝撃性が高いので、ガラス繊維強化樹脂１
１を外層とすると耐衝撃性を向上させることができる。

【００１１】尚、カーボン繊維強化樹脂１０及びガラス
繊維強化樹脂１１をそれぞれ３層巻いてヘリカル層５を
形成したが、ガラス繊維強化樹脂１１の体積割合がヘリ
カル層５全体の約40％から約60％になるようにしてカー
ボン繊維強化樹脂１０及びガラス繊維強化樹脂１１の層
数を設定すればよい。

【００１２】図４に示すように、円筒体２は、カーボン
繊維及びガラス繊維の原糸２１を樹脂含浸槽２２に含浸
させた後、それぞれの繊維が所定の層数になるようにマ
ンドレル２３に巻き付け、熱処理することで硬化させ、
冷却した後マンドレル２３を抜くことで形成される。ヘ
リカル層５を形成する際には、円筒体２の軸方向に対し
て原糸２１を角度θ（略12度）傾けて巻き付ける。即
ち、カーボン繊維及びガラス繊維の繊維配向角θを共に
略12度にしてヘリカル層５を形成する。

【００１３】繊維配向角θがカーボン繊維とガラス繊維
で異なると、成形時にカーボン繊維とガラス繊維の境界
部で残留応力が大きくなり耐衝撃性が低下してしまう
が、繊維配向角θを同一にしておくことで、成形時の残
留応力を小さくすることができ、また、耐衝撃性を一層
向上させることができる。

【００１４】上述したプロペラシャフト１の円筒体２の
耐衝撃性及びねじり強度について説明する。円筒体２の
ヘリカル層５は、繊維配向角θが略12度にされてカーボ
ン繊維強化樹脂１０が３層巻かれ、その外周に繊維配向
角θが略12度にされてガラス繊維強化樹脂１１が３層巻
かれて成形されている。耐衝撃性及びねじり強度を調べ
るために、円筒体２を所定の高さから突起が形成された
治具上に落下させ、その後静ねじり試験を行なった。比
較のために、他に８種類の繊維強化樹脂製の円筒体で同
様に試験を行なった。その結果を図５に示してある。図
５には衝撃を加えた後のねじり試験結果を表すグラフを
示してある。

【００１５】図５中のＡが本実施形態例の円筒体２であ
る。Ｂは繊維配向角θが略12度でカーボン繊維強化樹脂
が４層、ガラス繊維強化樹脂が３層巻かれた円筒体であ
る。Ｃは繊維配向角θが略12度でカーボン繊維強化樹脂
が７層巻かれた円筒体である。Ｄは繊維配向角θが略10
度でカーボン繊維強化樹脂が３層、ガラス繊維強化樹脂
が３層巻かれた円筒体である。Ｅは繊維配向角θが略10
度でカーボン繊維強化樹脂が４層、ガラス繊維強化樹脂
が２層巻かれた円筒体である。Ｆは繊維配向角θが略10
度でカーボン繊維強化樹脂が４層、ガラス繊維強化樹脂
が３層巻かれた円筒体である。Ｇは繊維配向角θが略10
度でカーボン繊維強化樹脂が５層、ガラス繊維強化樹脂
が２層巻かれた円筒体である。Ｈは繊維配向角θが略10
度でカーボン繊維強化樹脂が７層巻かれた円筒体であ
る。Ｉは繊維配向角θが略45度でカーボン繊維強化樹脂
が６層巻かれた円筒体である。

【００１６】静ねじり試験は、衝撃を加えた後の破断ト
ルク値（Nm）を調べたものである。この結果、Ａ，Ｂ，
Ｆ，Ｇの円筒体が判定基準値Ｓ（Nm）である実際に車両
のプロペラシャフトとして用いて十分な性能が得られる
破断トルクの値（Nm）を越えており、実際の車両への適
用が可能であることが判る。

【００１７】Ｃの円筒体と本実施形態例の円筒体２であ
るＡ及びＢの円筒体とを比較した場合、及び、Ｆの円筒
体とＨ，Ｅの円筒体とを比較した場合、繊維強化樹脂と
してガラス繊維を含めることで、また、ガラス繊維を体
積割合で約40％以上含めることで、破断トルク値（Nm）
が判定基準値Ｓ（Nm）を越えることが判る。従って、繊
維強化樹脂としてガラス繊維を体積割合で約40％以上含
めることで、実際の車両への適用が可能な耐衝撃性及び
ねじり強度が得られることになる。

【００１８】本実施形態例の円筒体２であるＡとＤの円
筒体を比較した場合、繊維強化樹脂が同じ層数であれ
ば、繊維配向角θを約10度から約12度にすることで、破
断トルク値（Nm）が判定基準値Ｓ（Nm）を越えることが
判る。従って、カーボン繊維とガラス繊維の混成体から
なる繊維強化樹脂の円筒体では、繊維配向角θを約12度
にすることで、実際の車両への適用が可能な耐衝撃性及
びねじり強度が得られることになる。

【００１９】本実施形態例の円筒体２であるＡと、Ｂ，
Ｆ，Ｇの円筒体とを比較した場合、全ての円筒体が破断
トルク値（Nm）が判定基準値Ｓ（Nm）を越えているが、
Ｂ，Ｆ，Ｇの円筒体は繊維強化樹脂が７層であるのに対
し、円筒体２は繊維強化樹脂が６層となっている。従っ
て、実際の車両へ適用する場合、必要性能を確保した状
態で最小限のコストとするためには本実施形態例の円筒
体２が最適であることが判る。

【００２０】上述したように、繊維配向角θを略12度に
してカーボン繊維強化樹脂１０を３層巻き、その外周に
繊維配向角θを略12度にしてガラス繊維強化樹脂１１を
３層巻いて（ガラス繊維を体積割合で約40％以上含め
る）円筒体２を成形することにより、プロペラシャフト
として用いて十分な性能が得られる破断トルク値（Nm）
を越え、コストを高めることなく実際の車両に適用可能
な耐衝撃性及びねじり強度が得られるプロペラシャフト
の円筒体２とすることができる。

【００２１】従って、上述したプロペラシャフト１は、
軽量化を図るために繊維強化樹脂製で構成しても耐衝撃
性及びねじり強度を満足して信頼性を高めることができ
る。このため、コスト的にも信頼性の面でも実車に適用
して好適なプロペラシャフト１となる。

【００２２】

【発明の効果】本発明の動力伝達部材は、繊維強化樹脂
製であっても耐衝撃性及びねじり強度を満足して信頼性
を高めることができ、実際の車両に適用して十分な信頼
性が得られる動力伝達部材となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態例に係る動力伝達部材とし
てのプロペラシャフトの外観状況図。

【図２】円筒体の断面図。

【図３】図２中の矢印III 部の詳細状況図。

【図４】円筒体の形成状況を表す概念図。

【図５】衝撃を加えた後のねじり試験結果を表すグラ
フ。

【符号の説明】

１ プロペラシャフト ２ 円筒体 ３ ヨーク ４ フープ層 ５ ヘリカル層 １０ カーボン繊維強化樹脂 １１ ガラス繊維強化樹脂

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小林 史典 東京都港区芝五丁目33番８号 三菱自動車 工業株式会社内 (72)発明者 後藤 正樹 東京都港区芝五丁目33番８号 三菱自動車 工業株式会社内 Ｆターム(参考） 3J033 AB02 BA03 BA07 BA20

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炭素繊維とガラス繊維の混成体からなる
   繊維強化樹脂製の本体と、同本体の端部に装着された接
   続継ぎ手とからなることを特徴とする動力伝達部材。
2. 【請求項２】 請求項１において、繊維強化樹脂の炭素
   繊維とガラス繊維の前記本体の軸方向に対する繊維配向
   角度を１２度±１度の範囲としたことを特徴とする動力
   伝達部材。