JP2004293718A - 動力伝達シャフト及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＦＲＰ製パイプへのセレーションの圧入を行うことに起因する不具合を解消でき、フィラメントワインディング（ＦＷ）及び樹脂硬化工程において撓みを抑制して動力伝達シャフトを精度良く製造することを可能にする。
【解決手段】プロペラシャフトは、芯出し固定工程、ＦＷ工程、硬化工程、取外し工程及び溶着工程を経て製造される。芯出し固定工程で、被巻付け部材１５と、繊維束被巻付け部１３ａ，１４ａを備えた中空の端部部材１３，１４とを被巻付け部材１５及び端部部材１３，１４を貫通するシャフト１８に対して、治具１９，２０を介して芯出しした状態で一体回転可能に固定する。ＦＷ工程では芯出し固定工程が完了した組立品２１をＦＷ装置のチャックに支持してＦＷを行い、硬化工程では巻き付けられた樹脂含浸繊維束を硬化させる。取り外し工程で治具１９，２０及びシャフト１８を取り外した後、端部部材１３，１４に継手部を溶着する。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、動力伝達シャフト及びその製造方法に係り、詳しくは筒状の被巻付け部材の少なくとも一端に端部部材が結合されている動力伝達シャフト及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、車両の軽量化を図るために各構造部材のさらなる軽量化が要求され、プロペラシャフトにおいてもＦＲＰ（繊維強化プラスチック）製のものに切り替えることによる軽量化が検討され、一部実施されている。ＦＲＰ製プロペラシャフトとして、ＦＲＰ製パイプの両端に、ＦＲＰ製パイプを駆動軸や従動軸等と連結する金属製の継手（ヨーク）を圧入接合した構造のものが一般的である。ＦＲＰ製パイプの製造には一般にフィラメントワインディング法が用いられる。
【０００３】
そして、継手にはＦＲＰ製パイプとの接合部となる外周面に、ＦＲＰ製パイプの端部内径より大きな外径のセレーションが形成されている。そして、ＦＲＰ製パイプに継手の接合部を圧入することで、継手のセレーションの歯によって、ＦＲＰ製パイプの内周面に溝が刻設され、歯が溝に食い込むことで継手とＦＲＰ製パイプとが一体回転するための接合強度が確保される。継手はＦＲＰ製パイプの内面とセレーションの溝の底部との間に隙間が存在する状態でＦＲＰ製パイプに結合されている。
【０００４】
ところで、プロペラシャフトは、その太さや肉厚が、車両の使用トルクに応じて異なり、車両の車種に応じてプロペラシャフトの内径が異なる。そのため、ＦＲＰ製プロペラシャフトに使われている継手の接合部の外径も、使用されるプロペラシャフトの内径に応じて変化する。そして、一般に継手は、駆動軸や従動軸に連結される継手部（連結部）と、ＦＲＰ製パイプに圧入される接合部とが鍛造等にて一体に成形されているため、異なる車種毎に対応して多品種の継手を製造するとコストアップになる。この問題を解消するため、継手を接合部となる接合部材と、連結部となる連結部材とを溶接手段にて結合させて形成したものが開示されている（特許文献１参照）。
【０００５】
また、図１０（ａ）に示すように、外側端に中心軸５５を突設した端部金具５６を両端にそれぞれ嵌着した薄肉円筒５７を使用してフィラメントワインディング法により製造する方法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。この製造方法では、図１０（ｂ）に示すように、樹脂が含浸された炭素繊維５８を端部金具５６から薄肉円筒５７にかけて連続して巻き付けて樹脂含浸炭素繊維層を形成し、そのまま硬化成形した後、必要により中心軸５５を除去してプロペラシャフトを製造する。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−３３７３４３号公報（明細書の段落［００２４］〜［００２７］、図１〜図３）
【特許文献２】
特開昭５５−１１８８３１号公報（２頁、図３、図４）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１に開示されたプロペラシャフトの継手は、別々に形成した連結部材と接合部材とを溶接することにより形成される。従って、継手の製造コストを低減することができる。しかし、継手を備えたＦＲＰ製パイプの製造は、従来と同様に、ＦＲＰ製パイプに対して継手の接合部を嵌合させることで行われる。
【０００８】
特許文献１に開示されたＦＲＰ製プロペラシャフトのように、ＦＲＰ製パイプに継手の接合部を圧入する構成では、圧入時にＦＲＰ製パイプに掛かる多大な応力の対策が必要である。また、ＦＲＰ製パイプの内面とセレーションの溝の底部との間に隙間が存在するため、ＦＲＰ製パイプの端面から水分が侵入するのを防止するシール等の対策が必要であった。また、ＦＲＰ製パイプをフィラメントワインディング法で製造する際に、マンドレルの脱型の工程が必要であった。
【０００９】
一方、特許文献２に開示されたプロペラシャフトでは、継手に相当する端部金具５６をＦＲＰ製パイプに圧入する工程やマンドレルの脱型が不要となり、シール工程も不要となる。しかし、特許文献２に開示されたプロペラシャフトでは、マンドレルに代えて、薄肉円筒５７の両端に端部金具５６を嵌着したものに樹脂含浸繊維束が巻き付けられる。プロペラシャフトは車種にもよるが、長さが１ｍ程度で細長いため、薄肉円筒５７が薄いと撓みが生じ易く、芯出しされた状態でフィラメントワインディングを行うのが難しくなり、薄肉円筒５７の触れが発生し易くなる。また、特許文献２に開示されたプロペラシャフトでは、端部金具５６に中心軸５５が必須のため、孔を有する一対の支持部を備えたヨークタイプの継手（特許文献１に開示されたもの）を設けることができない。その結果、プロペラシャフトをドライブシャフトと連結するユニバーサルジョイントに一般的な十字軸でなく特別な構造のものが必要となるという問題もある。
【００１０】
また、繊維束に含浸される樹脂の粘度が低いと、フィラメントワインディングの終了後に樹脂硬化を行う際、樹脂含浸繊維束を回転させた状態で硬化を行わないと、樹脂が下方に偏った状態で樹脂含浸繊維束が硬化されてしまう。従って、特許文献２のように薄肉円筒５７の両端に端部金具５６を嵌着したものに樹脂含浸繊維束を巻き付けてプロペラシャフトを製造する場合は、フィラメントワインディング時だけでなく、硬化時にも撓みによる悪影響が発生する場合がある。
【００１１】
本発明は前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、第１の目的は、ＦＲＰ製パイプへのセレーションの圧入を行うことに起因する不具合を解消でき、フィラメントワインディング及び樹脂硬化工程において撓みを抑制して精度良く製造することが可能な動力伝達シャフトを提供することにある。第２の目的は、前記動力伝達シャフトを容易に製造できるとともに、ヨークタイプの継手を設けることが可能な動力伝達シャフトの製造方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記第１の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、筒状の被巻付け部材の少なくとも一端に端部部材を備え、前記被巻付け部材及び前記端部部材の外周面にＦＲＰ製の筒部材が成形されている動力伝達シャフトであって、前記端部部材は中空に形成されている。
【００１３】
この発明の動力伝達シャフトは、端部部材をＦＲＰ製の筒部材に圧入せずに形成可能なため、ＦＲＰ製の筒部材へのセレーションの圧入を行うための構成に起因する従来の不具合を解消できる。また、端部部材が中空のため、少なくとも一端に端部部材を備えた筒状の被巻付け部材にフィラメントワインディング法で樹脂含浸繊維束を巻き付ける際や樹脂硬化の際に、被巻付け部材を貫通するシャフトに治具を介して固定した状態で行うことができる。そのため、被巻付け部材として薄肉の筒部材を使用しても、撓みを抑制して芯出しされた状態でフィラメントワインディングや樹脂硬化を行うことが可能となる。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記被巻付け部材は紙製である。この発明では、被巻付け部材が樹脂製や金属製の場合に比較して軽量化することができる。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、芯出し固定工程、フィラメントワインディング工程、硬化工程及び取外し工程を備えている。芯出し固定工程では、筒状の被巻付け部材及び外周面に係止部が形成された繊維束被巻付け部を備えた中空の端部部材を、該被巻付け部材及び該端部部材を貫通するシャフトに対して、治具を介して芯出しした状態で一体回転可能に固定する。フィラメントワインディング工程では、前記芯出し固定工程が完了した組立品をフィラメントワインディング装置の回転支持部に一体回転可能に支持した状態でフィラメントワインディングを行う。硬化工程では、フィラメントワインディング後、巻き付けられた樹脂含浸繊維束を硬化させる。取外し工程では前記硬化工程の完了後に前記治具及びシャフトを取り外す。
【００１６】
この発明の方法では、マンドレルを使用せずに、端部部材が取り付けられて製品の一部を構成する被巻付け部材及び端部部材の繊維束被巻付け部に樹脂含浸繊維束が巻き付けられて硬化されることにより、端部部材がＦＲＰ製の筒部材に結合される。被巻付け部材及び端部部材は、それらを貫通するシャフトに対して、治具を介して芯出しされた状態で一体回転可能に固定される。そして、フィラメントワインディング装置の回転支持部に支持されて、フィラメントワインディングが行われる。従って、被巻付け部材が薄肉円筒であっても、フィラメントワインディングの際や樹脂硬化の際に撓みを抑制して、精度良く容易に製造することができる。また、端部部材としてヨークタイプの継手部を備えた動力伝達シャフトを容易に製造することができる。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記治具は前記繊維束被巻付け部を除いた箇所を覆うカバー部を備えている。この発明では、端部部材は、樹脂含浸繊維束が巻き付けられる必要が無い部分をカバー部で覆われた状態でシャフトに対して固定される。従って、フィラメントワインディング後に製品として不要な樹脂含浸繊維束の除去が簡単になる。
【００１８】
請求項５に記載の発明は、請求項３又は請求項４に記載の発明において、前記被巻付け部材及び前記端部部材の組み合わせが、前記シャフトに複数組固定され、複数組同時にフィラメントワインディング及び樹脂含浸繊維束の硬化が行われた後に、複数に分割される。この発明では、一回のフィラメントワインディングにより、複数の動力伝達シャフトが製造されるため、生産性が高くなる。
【００１９】
請求項６に記載の発明は、請求項３〜請求項５のいずれか一項に記載の発明において、前記端部部材として継手部を備えないものが使用され、前記取外し工程の完了後、前記端部部材に継手部が溶着される溶着工程を備えている。この発明では、被巻付け部材及び端部部材の周囲にＦＲＰ製の筒部材が形成された後、継手部が端部部材に溶着される。従って、継手部として軸部を備えたタイプあるいはヨークタイプの区別無く、動力伝達シャフトを製造できる。また、動力伝達シャフトをプロペラシャフトとして使用する際、車種に合わせた適正な継手部を溶着することで、多品種少量生産に対応し易い。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を動力伝達シャフトとしてのプロペラシャフトに具体化した一実施の形態を図１〜図７に従って説明する。図１（ａ）はプロペラシャフトの一部破断模式側面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線における模式拡大断面図である。
【００２１】
図１（ａ）に示すように、プロペラシャフト１１は、ＦＲＰ製の筒部材１２と、その第１端部に接合された第１の端部部材１３と、第２端部に接合された第２の端部部材１４と、筒部材１２の内側で第１及び第２の端部部材１３，１４間に配置された筒状の被巻付け部材１５とを備えている。被巻付け部材１５には紙製の円筒が使用されている。第１の端部部材１３には自在継手を構成する継手としての金属製のヨークが使用され、第２の端部部材１４には金属製の滑り継手が使用されている。筒部材１２は、第１及び第２の端部部材１３，１４との結合部分１２ａが肉厚に形成されている。
【００２２】
第１の端部部材１３及び第２の端部部材１４は、筒部材１２との結合部分となる円筒状の繊維束被巻付け部１３ａ，１４ａを備え、その外周面には係止部としてのセレーション１６が形成されている。筒部材１２の強化繊維は複数の層を構成するように巻き付けられた繊維束からなり、最内層にヘリカル巻層が設けられている。繊維束は同一層においては互いに平行に配列されており、セレーション１６はその歯が繊維束の配列方向に沿って延びるように形成されている。ヘリカル巻層を構成する繊維束は、セレーション１６により端部部材１３，１４に対する周方向への相対移動が規制されるとともに筒部材１２の全長にわたって連続している。即ち、セレーション１６が形成された端部部材をＦＲＰ製のパイプに後から圧入する構成と異なり、セレーション１６と係合する繊維束が切断されていない。
【００２３】
セレーション１６の歯は、最内層のヘリカル巻層を構成する繊維束が第１及び第２の端部部材１３，１４の軸方向と成す角度（配列角度）に等しい角度で、第１及び第２の端部部材１３，１４の軸方向に対して延びるように形成されている。また、セレーション１６の歯の高さ、即ち溝の深さは１層分の繊維束の厚さとほぼ同じに形成されている。
【００２４】
第１及び第２の端部部材１３，１４は、中空に形成されるとともに、繊維束被巻付け部１３ａ，１４ａを挟んで、その一端側に継手部１３ｂ，１４ｂが溶着された円筒状の突出部１３ｃ，１４ｃが、他端側に繊維束被巻付け部１３ａ，１４ａより小径の嵌合筒部１３ｄ，１４ｄが突設されている。継手部１３ｂ，１４ｂは、基端に繊維束被巻付け部１３ａ，１４ａの外径より小径の円筒部１３ｅ，１４ｅを備え、円筒部１３ｅ，１４ｅにおいて繊維束被巻付け部１３ａ，１４ａの突出部１３ｃ，１４ｃに溶着されている。第１の端部部材１３の継手部１３ｂには例えば十字軸式ジョイントを取り付けるための孔１３ｆが形成されている。第２の端部部材１４の継手部１４ｂはシャフト状に形成されている。
【００２５】
被巻付け部材１５はその端部が嵌合筒部１３ｄ，１４ｄの外周に嵌合された状態で第１及び第２の端部部材１３，１４に連結されている。被巻付け部材１５は紙製（例えば、ボール紙製）で円筒状に形成されている。被巻付け部材１５は筒部材１２をフィラメントワインディング法で形成する際に、樹脂含浸繊維束が巻き付けられても所定の円筒形状を保つ強度があればよく、プロペラシャフト１１が使用される際のトルク伝達に寄与する強度を有する必要はない。以下、フィラメントワインディングをＦＷと記載する。
【００２６】
筒部材１２は、第１及び第２の端部部材１３，１４との結合部分１２ａが肉厚に形成されている。筒部材１２はＦＷ法によって形成され、強化繊維としては炭素繊維のロービングが使用される。ロービングとは細い単繊維のフィラメントを多数本束ねた実質無撚りの繊維束を意味する。マトリックス樹脂としてはエポキシ樹脂が使用されている。
【００２７】
筒部材１２は主にヘリカル巻層で構成されているが、結合部分１２ａ及びその近くにはフープ巻層が形成されている。また、筒部材１２の最外層には炭素繊維束ではなく、ポリエステル糸が全長にわたってフープ巻で巻き付けられている。図１（ｂ）に示すように、第１の端部部材１３と筒部材１２との結合部分の構成は、繊維束被巻付け部１３ａと接触する最内層側から順に、ヘリカル巻層１７ａ、フープ巻層１７ｂ、ヘリカル巻層１７ｃ、ポリエステル糸層１７ｄが設けられた構成となる。
【００２８】
次に前記のように構成されたプロペラシャフト１１を２本同時に製造する製造方法を説明する。プロペラシャフト１１を製造する際は、マンドレルを使用せずに、治具及びシャフトを使用して、第１及び第２の端部部材１３，１４が両端に結合された被巻付け部材１５をフィラメントワインディング装置（ＦＷ装置）に支持してＦＷが行われる。
【００２９】
図２（ａ）は第１の端部部材１３、第２の端部部材１４、被巻付け部材１５、シャフト１８及び治具１９，２０等の関係を示す模式側面図である。図２（ｂ）は図２（ａ）のシャフト１８及び治具１９の組み付け部の一部破断部分模式断面図であり、図３は図２（ａ）の第１及び第２の端部部材１３，１４の連結部分の一部破断部分模式断面図である。図５はＦＷ装置の模式側面図、図４は図５のＢ−Ｂ線における模式部分断面図である。
【００３０】
図２（ａ）に示すように、被巻付け部材１５及び端部部材１３，１４の組み合わせが、被巻付け部材１５及び端部部材１３，１４を貫通するシャフト１８に対して、治具１９，２０を介して２組固定され、この組立品２１がＦＷ装置に取り付けられてＦＷが行われる。
【００３１】
第１及び第２の端部部材１３，１４をシャフト１８の端部寄りに固定する治具１９は、図２（ｂ）に示すように、シャフト１８の端部に固定される本体部２２と、本体部２２に一体回転可能に固定されるピンリング２３とから構成されている。本体部２２は軸部２２ａとその先端に一体に形成された嵌合筒部２２ｂとを備えている。軸部２２ａの先端側にはシャフト１８の端部に嵌合される嵌合穴２２ｃが形成され、軸部２２ａの後端側には嵌合穴２２ｃより小径の穴２２ｄが形成され、嵌合穴２２ｃ及び穴２２ｄは孔２２ｅにより連通されている。ピンリング２３は外径が嵌合筒部２２ｂと同じに形成され、軸部２２ａにキーを介して一体回転可能に固定されている。ピンリング２３の外周面にはピン２４が一定ピッチで周方向に沿って環状に設けられている。
【００３２】
シャフト１８の端部には蓋体２５が固着され、蓋体２５の中心にはねじ孔２５ａが形成されている。本体部２２は穴２２ｄに頭部が収容されるとともに孔２２ｅを貫通してねじ孔２５ａに螺合されるボルト２６により、シャフト１８に一体回転可能に固定される。
【００３３】
嵌合筒部２２ｂは突出部１３ｃ，１４ｃの外周に嵌合可能に形成され、外径が１３ａ，１４ａとほぼ同じ、かつ若干小さく形成されている。本体部２２は、突出部１３ｃ，１４ｃの先端に当接されて軸方向の位置決めが行われ、かつ嵌合筒部２２ｂの先端と繊維束被巻付け部１３ａ，１４ａとの間に隙間がある状態でシャフト１８に固定される。嵌合筒部２２ｂは、第１及び第２の端部部材１３，１４の繊維束被巻付け部１３ａ，１４ａを除いた箇所を覆うカバー部を構成する。
【００３４】
図３に示すように、第１及び第２の端部部材１３，１４をシャフト１８の中央部に固定する治具２０は、シャフト１８に嵌挿される筒部２０ａの外側の軸方向の中央部にフランジ２０ｂが形成され、その両側に嵌合筒部２０ｃが形成されている。嵌合筒部２０ｃは突出部１３ｃ，１４ｃの外周に嵌合可能に形成され、外径が１３ａ，１４ａとほぼ同じ、かつ若干小さく形成されている。第１及び第２の端部部材１３，１４は、突出部１３ｃ，１４ｃの先端がフランジ２０ｂに当接して軸方向の位置決めが行われ、かつ嵌合筒部２０ｃの先端と繊維束被巻付け部１３ａ，１４ａとの間に隙間がある状態でシャフト１８に固定される。第１及び第２の端部部材１３，１４は、突出部１３ｃ，１４ｃの外面が、嵌合筒部２０ｃに嵌合されて、芯出しが行われるようになっている。
【００３５】
図５に示すように、ＦＷ装置３１は組立品２１の軸部を回転可能に支持する一組の回転支持部としてのチャック３２を備えている。ＦＷ装置３１は、本願出願人が先に提案した装置（特開２００２−２８３４６７号公報に開示された装置）と同様な巻付けヘッド（ヘリカル巻用ヘッド及びフープ巻用ヘッド）３３を備えており、図５ではヘリカル巻用ヘッドのみが図示されている。巻付けヘッド３３はベースプレート３４上に設けられたレール３５（図４に図示）上をチャック３２に支持された組立品２１に沿って、図示しない駆動手段により移動可能となっている。チャック３２は可変速モータ（図示せず）により回転駆動され、制御装置Ｃの指令によってチャック３２が巻付けヘッド３３の移動速度と同期した状態で回転駆動される。そして、図示しない繊維束供給部から樹脂含浸装置を経て供給される樹脂含浸繊維束Ｒを、組立品２１に対する巻付け角度を任意の角度に設定して巻き付けることができるようになっている。なお、以下、樹脂含浸繊維束Ｒを単に繊維束Ｒと称す場合もある。
【００３６】
図４に示すように、巻付けヘッド３３は、組立品２１に貫通される孔を有する支持板３６を備えている。ヘリカル巻用ヘッドの支持板３６には、複数本の繊維束を同時に組立品２１に対してヘリカル巻で巻付け可能とするため、図４に示すように複数のガイド３７が組立品２１の周方向に沿って配列された状態で設けられている。この実施の形態では２８本の繊維束を案内可能にそれぞれ２８個の大小２種のガイド３７が２個の同心円上に配列されている。フープ巻部を備えたフープ巻用ヘッドは、繊維束Ｒを組立品２１に対して２本同時にフープ巻で巻付け可能とするためのガイドを備えている。ヘリカル巻用ヘッドとフープ巻用ヘッドとは一体的な移動と、独立した状態での移動とが可能に構成されている。そして、多数本の繊維束Ｒを同時に組立品２１に対してヘリカル巻で巻付け可能となり、ヘリカル巻用ヘッドが組立品２１に沿って一回往動又は復動することで組立品２１の全周面に亘って繊維束Ｒがヘリカル巻で巻き付けられる。
【００３７】
プロペラシャフト１１は、芯出し固定工程、フィラメントワインディング工程、硬化工程、取外し工程及び溶着工程を経て製造される。先ず芯出し固定工程では、シャフト１８に第１及び第２の端部部材１３，１４が、シャフト１８の異なる端部からそれぞれ突出部１３ｃ，１４ｃ側から１個ずつ遊挿されるとともに、治具２０に嵌合固定される。第１及び第２の端部部材１３，１４は突出部１３ｃ，１４ｃが治具２０の嵌合筒部２０ｃと嵌合して、芯出しされた状態で固定される。
【００３８】
次に被巻付け部材１５がシャフト１８に、シャフト１８の異なる端部からそれぞれ１個ずつ遊挿されるとともに、第１及び第２の端部部材１３，１４の嵌合筒部１３ｄ，１４ｄに嵌合される。次に第１及び第２の端部部材１３，１４がそれぞれ嵌合筒部１３ｄ，１４ｄ側からシャフト１８に遊挿されるとともに、嵌合筒部１３ｄ，１４ｄが被巻付け部材１５に嵌合される。次に、治具１９の本体部２２が、嵌合筒部２２ｂ側からシャフト１８に嵌挿され、嵌合筒部２２ｂが第１及び第２の端部部材１３，１４の突出部１３ｃ，１４ｃに嵌合される。その状態でボルト２６が穴２２ｄに入れられ、孔２２ｅを貫通して蓋体２５のねじ孔２５ａに螺着される。その結果、二組の被巻付け部材１５及び端部部材１３，１４が、シャフト１８に対して芯出しされた状態で一体回転可能に固定された状態となる。
【００３９】
次にピンリング２３が治具１９の軸部２２ａに嵌合される。ピンリング２３はキーを介して軸部２２ａに一体回転可能に固定される。以上により、芯出し固定工程が完了し、被巻付け部材１５及び端部部材１３，１４を二組備えた組立品２１が完成する。なお、治具１９，２０及びピンリング２３には、樹脂含浸繊維束Ｒが固着しないように離型剤が塗布された状態で組み付けられる。
【００４０】
次にＦＷ工程において、組立品２１をＦＷ装置３１のチャック３２に支持した状態でＦＷが行われる。ＦＷを行う場合は、作業者により組立品２１がＦＷ装置３１のチャック３２に支持される。次に作業者は、繊維束供給部から繊維束を引き出し、開繊機構、樹脂含浸槽、張力調整部等を経て巻付けヘッド３３に導き、巻付けヘッド３３のガイド３７に挿通した後、繊維束Ｒの端部を組立品２１の一端側の治具１９の所定位置に固定する。繊維束Ｒの端部の固定作業は作業者が手作業で行い、例えば粘着テープを使用して行われる。
【００４１】
また、作業者は、ＦＷ時の回転速度、巻付けヘッド３３の巻付け時の往復移動幅等の巻付け条件を制御装置Ｃに入力する。繊維束として炭素繊維のロービングが使用される。ロービングとは細い単繊維のフィラメントを多数本束ねた実質無撚りの繊維束を意味する。
【００４２】
次にＦＷ装置３１による繊維束Ｒの巻付け運転が開始される。ＦＷ装置３１が駆動されると、組立品２１が一定方向に回転され、巻付けヘッド３３が組立品２１の長手方向に沿って往復移動される。繊維束Ｒは少なくとも最内層となる一層目がヘリカル巻層を形成するように、組立品２１の軸方向となす角度（巻付け角度）が所定の角度となるように巻き付けられる。巻付け角度は製品のＦＲＰ製パイプに要求される、曲げ、ねじり、振動等の特性を満足する所定の値（例えば、１０〜１５°）に設定される。そして、この巻付け角度がセレーション１６の歯の延びる方向と軸方向との成す角度と同じため、繊維束Ｒはセレーション１６の溝内に配列されるように巻き付けられる。また、繊維束Ｒはピンリング２３に設けられたピン２４の間を通過するように巻き付けられ、ピン２４によってピンリング２３の周方向への移動が規制された状態で巻き付けられる。
【００４３】
ヘリカル巻層が所定層（例えば４層）形成された後、第１及び第２の端部部材１３，１４と対応する部分及び被巻付け部材１５の第１及び第２の端部部材１３，１４の近傍部に、繊維束Ｒの巻付け角度がほぼ９０°に近い状態で巻き付けられる所謂フープ巻層が所定層（例えば１層）形成される。その後、再びヘリカル巻層が所定層（例えば２層）形成された段階で樹脂含浸繊維束Ｒの巻き付けが完了する。次にポリエステル糸がフープ巻で巻き付けられる。ポリエステル糸が巻き付けられる際に、内側に巻き付けられている繊維束Ｒに含浸されている樹脂の一部が染み出しポリエステル糸の表面が樹脂で被覆された状態となる。
【００４４】
ポリエステル糸の巻付けが完了した後、組立品２１上に形成された成形体３８（図６に図示）の両端部が、ピン２４の突設位置より繊維束被巻付け部１３ａ，１４ａ寄りとなる位置、例えばピンリング２３と嵌合筒部２２ｂとの境と対向する位置でそれぞれ切断される。そして、繊維束供給部に繋がる繊維束Ｒから成形体３８が切り離された後、組立品２１がＦＷ装置３１のチャック３２から取り外され、成形体３８の未硬化の段階で、前記切断位置より軸部２２ａ側に巻き付けられた樹脂含浸繊維束Ｒが除去される。
【００４５】
その後、硬化工程で、組立品２１が成形体３８と共に加熱炉に入れられ、回転されながら所定温度で樹脂が硬化される。硬化温度は樹脂により異なるが、例えばエポキシ樹脂の場合は１８０℃程度である。
【００４６】
硬化工程の完了後、取外し工程において、成形体３８が繊維束被巻付け部１３ａ，１４ａと、治具１９の嵌合筒部２２ｂの先端との間に対応する位置及び繊維束被巻付け部１３ａ，１４ａと、治具２０の嵌合筒部２０ｃの先端との間に対応する位置で切断される。図６に示すように、切断はカッター３９により行われる。次にボルト２６とねじ孔２５ａとの螺合を解除して、両治具１９が取り外された後、２個の成形体３８がシャフト１８から取り外される。
【００４７】
次に溶着工程において、第１及び第２の端部部材１３，１４に継手部１３ｂ，１４ｂが摩擦圧接により溶着される。継手部１３ｂを第１の端部部材１３に溶着する際には、筒部材１２を固定し、継手部１３ｂ側を回転させた状態で、継手部１３ｂの円筒部１３ｅの端面を突出部１３ｃの端面に圧接させる。摩擦圧接装置（図示せず）には、図７に鎖線で示すように、突出部１３ｃと係合して突出部１３ｃを芯出しした状態で支持する金属製の芯出し支持部４０が設けられている。そして、芯出し支持部４０が突出部１３ｃと係合することにより、突出部１３ｃはその回転が阻止された状態で支持されて摩擦圧接が行われる。
【００４８】
また、継手部１４ｂも同様にして第２の端部部材１４の突出部１４ｃに摩擦圧接により溶着される。そして、継手部１３ｂ，１４ｂの溶着が完了すると、プロペラシャフト１１が完成する。
【００４９】
この実施の形態では以下の効果を有する。
（１） 筒状の被巻付け部材１５の両端に端部部材１３，１４を備え、かつ被巻付け部材１５及び端部部材１３，１４の外周面に樹脂含浸繊維束Ｒが巻き付けられて硬化されたＦＲＰ製の筒部材１２を備えている。従って、ＦＲＰ製の筒部材１２への第１及び第２の端部部材１３，１４の圧入を行うことに起因する不具合を解消できる。
【００５０】
（２） 端部部材１３，１４が中空のため、両端に端部部材１３，１４を備えた筒状の被巻付け部材１５にＦＷ法で樹脂含浸繊維束Ｒを巻き付ける際や樹脂硬化の際に、被巻付け部材１５を貫通するシャフト１８に治具１９，２０を介して固定した状態で行うことができる。従って、被巻付け部材１５として薄肉円筒を使用しても、撓みを抑制して芯出しされた状態でＦＷや樹脂硬化を行うことが可能となり、軸ずれや曲がりが発生し難い。
【００５１】
（３） 被巻付け部材１５は紙製であるため、被巻付け部材１５が樹脂製や金属製の場合に比較して軽量化することができる。また、径の異なる被巻付け部材１５を製造する場合、例えば、金属製の筒に紙を巻き付けることで被巻付け部材１５を製造できる。従って、金属や樹脂を型から押し出して被巻付け部材を形成したり、マンドレルに樹脂含浸繊維束を巻き付けて加熱硬化し、脱型して熱硬化性樹脂製の被巻付け部材を製造する場合に比較して、被巻付け部材１５のサイズ変更が容易で、種々の動力伝達シャフトに対応し易い。
【００５２】
（４） マンドレルを使用せずに、製品の一部を構成する被巻付け部材１５及び端部部材１３，１４が、それらを貫通するシャフト１８に対して、樹脂含浸繊維束Ｒが巻き付けられる必要が無い部分を嵌合筒部２０ｃ，２２ｂで覆われた状態で治具１９，２０を介して芯出しされた状態で一体回転可能に固定される。そして、ＦＷ装置３１のチャック３２に支持されて、ＦＷが行われる。従って、被巻付け部材１５が薄肉円筒であっても、ＦＷの際や樹脂硬化の際に撓みを抑制して、精度良く容易に製造することができる。また、端部部材１３としてヨークタイプの継手部１３ｂを備えた動力伝達シャフトを容易に製造することができる。
【００５３】
（５） 被巻付け部材１５及び端部部材１３，１４の組み合わせが、シャフト１８に複数組固定され、複数組同時にＦＷ及び樹脂含浸繊維束の硬化が行われた後に、複数に分割される。従って、一回のＦＷにより、複数のプロペラシャフト１１を製造できるため、生産性が高くなる。また、複数の筒部材１２を形成する箇所に連続して樹脂含浸繊維束Ｒが巻き付けられるため、１本ずつ形成する場合に比較して、繊維束の歩留まりが良くなり、強化繊維に炭素繊維やポリアラミド繊維等の比較的高価なものを使用した場合、コスト低減に寄与する。
【００５４】
（６） シャフト１８の中央部に配置される第１及び第２の端部部材１３，１４をシャフト１８に対して芯出しした状態で固定する治具２０は、シャフト１８の中央に固着されている。従って、シャフト１８にその両端から第１及び第２の端部部材１３，１４を遊挿することで第１及び第２の端部部材１３，１４をシャフト１８の所定位置に簡単に固定することができる。
【００５５】
（７） 端部部材１３，１４として継手部１３ｂ，１４ｂを備えないものが使用され、取外し工程完了後、端部部材１３，１４に継手部１３ｂ，１４ｂが溶着される。従って、継手部１３ｂ，１４ｂとして軸部を備えたタイプあるいはヨークタイプの区別無く、動力伝達シャフトを製造できる。また、動力伝達シャフトをプロペラシャフト１１として使用する際、車種に合わせた適正な継手部１３ｂ，１４ｂを溶着することで、多品種少量生産に対応し易い。
【００５６】
（８） 端部部材１３，１４には外周面に係止部（セレーション１６）が形成され、筒部材１２の強化繊維は最内層にヘリカル巻層が設けられ、係止部により端部部材１３，１４に対する周方向への相対移動が規制されるとともに全長にわたって連続するように配列されている。従って、端部部材１３，１４間のねじり強度が、ＦＲＰ製の筒部材に端部部材のセレーションを圧入して製造されたプロペラシャフトに比較して大きくなり、回転トルクの伝達が良好に行われる。
【００５７】
（９） 治具１９はＦＷ時に樹脂含浸繊維束Ｒの配列を規制するピン２４が突設されたピンリング２３を備えている。従って、第１及び第２の端部部材１３，１４の繊維束被巻付け部１３ａ，１４ａに巻き付けられる樹脂含浸繊維束Ｒの巻付け角度が適正な値に規制され、プロペラシャフト１１のねじり強度の向上に寄与する。
【００５８】
なお、実施の形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
〇 複数本のプロペラシャフト１１を１回のＦＷで同時に形成する場合、シャフト１８を複数に分割可能に構成してもよい。例えば、２本のプロペラシャフト１１を同時に形成する際、図８（ａ），（ｂ）示すように、シャフト１８を、治具１９が組み付けられる側と反対側の端部に雄ねじ部４１ａが形成されたシャフト１８ａと、治具１９が組み付けられる側と反対側の端部に雌ねじ部４１ｂが形成されたシャフト１８ｂとで構成する。そして、治具２０を雌ねじ部４１ｂが形成されたシャフト１８ｂに固着する。この場合、シャフト１８を保管する際や組み付ける際に、シャフト１８を短く重量の軽い分割されたシャフト１８ａ，１８ｂの状態で取り扱えるため、保管スペースの確保や取りまわしがよくなる。
【００５９】
〇 シャフト１８に治具１９を介して第１及び第２の端部部材１３，１４を芯出しした状態で固定してＦＷ装置３１に支持する組立品２１として、チャック３２に支持される部分を治具１９の軸部２２ａとする構成に代えて、シャフト１８の端部をチャック３２に支持する構成としてもよい。例えば、図９に示すように、シャフト１８を長く形成するとともに、治具１９の本体部２２をシャフト１８に貫通される筒状に形成する。そして、例えば、ボルト４２により本体部２２をシャフト１８に対して一体回転可能に固定する。この場合、前記実施の形態においてシャフト１８の端部に固着した蓋体２５が不要となるため、構成が簡単になる。
【００６０】
〇 ピンリング２３が治具１９の本体部２２に取り外し可能に固定された構成に限らず、ピンリング２３が本体部２２に一体形成された構成としてもよい。また、ピン２４を省略してもよい。
【００６１】
〇 プロペラシャフト１１の製造は、複数本のプロペラシャフト１１を１回のＦＷで同時に形成する方法に限らず、１本ずつ形成してもよい。１本ずつ形成する場合は、１組の端部部材１３，１４と被巻付け部材１５との組合わせを治具１９を介して組み付けるのに適した長さのシャフト１８を使用して、１本のシャフト１８に端部部材１３，１４及び被巻付け部材１５を１組分組み付けて、ＦＷ等を同様に行う。
【００６２】
〇 シャフト１８を３本以上に分割する場合は、中間に配置されるシャフトとして、一端に雌ねじ部４１ｂ有するとともに治具２０が固着され、他端に雄ねじ部４１ａを有するものを使用することにより対応できる。
【００６３】
〇 ヨークタイプの継手部１３ｂを備えた第１の端部部材１３を継手として備えるプロペラシャフト１１の場合は、継手部１３ｂをＦＷ後に溶着する代わりに、継手部１３ｂを備えた第１の端部部材１３を最初からシャフト１８に固定してＦＷを行ってもよい。なお、継手部１３ｂにはシャフト１８が貫通可能な孔が形成されており、その孔は、ＦＷ、樹脂硬化、治具１９，２０等の取り外し完了後に、必要に応じて塞がれる。但し、ヨーク径が繊維束被巻付け部１３ａの外径より大きいと、継手部１３ｂを嵌合筒部２２ｂで覆った状態で、嵌合筒部２２ｂと繊維束被巻付け部１３ａとの間に段差部が存在する状態となるため、繊維束Ｒをセレーション１６の溝内に配列するのが困難となる。従って、治具１９の嵌合筒部２２ｂの外径を繊維束被巻付け部１３ａの外径より大きくせずに、継手部１３ｂが嵌合筒部２２ｂに収容できる大きさの場合に可能となる。この場合、ＦＷ後に継手部１３ｂを溶着する工程が不要となる。
【００６４】
〇 被巻付け部材１５は樹脂含浸繊維束Ｒを巻き付ける際に変形しない程度の強度を持つものであればよく、紙製に限らず樹脂製や金属製としてもよい。樹脂製とする場合は、成形体３８を硬化させる際の温度で変形し難いものが好ましい。金属製とする場合は、軽量で耐熱性及び剛性の高い金属で形成されたものが好ましい。この場合も紙製より被巻付け部材１５の真円精度が高く、回転バランスが良くなる。
【００６５】
○ 繊維束被巻付け部１３ａ，１４ａの外周面に形成される係止部は、最内層に形成されるヘリカル巻層を構成する繊維束Ｒが該係止部により第１及び第２の端部部材１３，１４に対する周方向への相対移動を規制可能な形状であればよく、セレーション１６に限らない。例えば、繊維束Ｒの配列方向に沿って延びるように形成された複数の凸条や、軸方向に対する配列角度が互いに反対となるヘリカル巻層を構成するいずれの繊維束Ｒに対してもその配列を案内可能な多数の凸部（例えば、ピン）を係止部として設けてもよい。凸部が設けられた端部部材１３，１４を使用した場合は、同一層において繊維束Ｒが互いに平行に配列される構成は必ずしも必要ではない。同時に巻き付ける繊維束の本数が１本の一般的なＦＷ装置を使用してヘリカル巻層を形成しても、繊維束が係止部によって案内されて所定の巻付け角度で良好に配列される。
【００６６】
〇 被巻付け部材１５として熱硬化性樹脂を含浸、硬化させた紙製としてもよい。この場合も樹脂製の被巻付け部材１５を使用した場合と同様な効果が得られる他に、熱硬化性樹脂だけで被巻付け部材１５を製造する場合に比較して製造が簡単になる。
【００６７】
〇 端部部材の組み合わせは、ヨークタイプの第１の端部部材１３と、シャフトを有するタイプの第２の端部部材１４との組み合わせに限られない。例えば、プロペラシャフト１１の使用態様に応じて、ヨークタイプの第１の端部部材１３が筒部材１２の両端に結合された構成や、シャフトを有するタイプの第２の端部部材１４が筒部材１２の両端に結合された構成としてもよい。これらのプロペラシャフト１１も前記各実施の形態と同様にして製造することができる。
【００６８】
○ 筒部材１２は必ずしも結合部分１２ａの肉厚が厚く形成されるものに限らず、全長にわたって一定の厚さであってもよい。両端部部材１３，１４はＦＲＰ製の筒部材１２に後から圧入するのではなく、各端部部材１３，１４の繊維束被巻付け部１３ａ，１４ａに樹脂が含浸された繊維束Ｒを巻き付けて硬化させることにより形成される。従って、圧入時にＦＲＰ製の筒部材１２に掛かる応力に対抗する機能を有するフープ巻層１７ｂの層数を少なくしたり省略してもよい。省略した場合は、筒部材１２は全長にわたって一定の厚さとなり、軽量化にも寄与する。
【００６９】
○ 筒部材１２の最内層を構成し、互いに交差せずに配列される繊維束は、ヘリカル巻に限らず、フープ巻であってもよい。この場合、第１及び第２の端部部材１３，１４の繊維束被巻付け部１３ａ，１４ａの外周面に形成される係止部として、ねじ状の溝が形成される。また、フープ巻の範囲はＦＲＰ製の筒部材１２の全長に亘ってもよいし、繊維束被巻付け部１３ａ，１４ａを覆う部分のみでもよい。
【００７０】
〇 成形体３８の硬化前には繊維束供給部に繋がる繊維束の切断だけを行い、不要な部分の除去は成形体３８の硬化後に、ピン２４を抜いた状態で除去するようにしてもよい。
【００７１】
○ セレーション１６の歯の高さ、即ち溝の深さは１層分の繊維束の厚さとほぼ同じに限らず、最内層の繊維束の厚さの１／４層程度〜１層分あれば充分である。
【００７２】
○ 治具１９，２０と端部部材１３，１４とを連結する際、端部部材１３，１４の繊維束被巻付け部１３ａ，１４ａと、治具１９，２０との隙間から、樹脂が治具１９，２０の内側に入り込むのを防止した状態で繊維束Ｒの巻き付けを行ってもよい。例えば、耐熱性のテープを端部部材１３，１４と治具１９，２０に跨るように巻き付ける。ここで言う「耐熱性のテープ」とは、ＦＷの後の樹脂の硬化時の温度で溶融しないテープを意味する。この場合、治具１９，２０と端部部材１３，１４との連結を解除する際、治具１９，２０の取り外しが難くなるのを防止することができる。
【００７３】
○ 治具１９，２０は、端部部材１３，１４の繊維束被巻付け部１３ａ，１４ａを除いた箇所を覆うカバー部を備えていなくてもよい。例えば、端部部材１３，１４の突出部１３ｃ，１４ｃの内径を嵌合筒部２２ｂ，２０ｃの外径より大きく形成し、突出部１３ｃ，１４ｃが嵌合筒部２２ｂ，２０ｃの外側に嵌合するように構成する。この場合、嵌合筒部２２ｂ，２０ｃはカバー部として機能しない。
【００７４】
○ 突出部１３ｃ，１４ｃと継手部１３ｂ，１４ｂとの溶着は、摩擦圧接に限らず、例えば、溶接によって両者を溶着してもよい。
○ 動力伝達シャフトは、プロペラシャフト１１に限定されず、その他の動力伝達シャフトに適用してもよい。
【００７５】
○ 筒部材１２の形状は全体を円筒状とするものに限定されず、両端部を円筒状とし、中間部を多角形筒状としてもよい。その場合、被巻付け部材１５も対応する多角形筒状に形成される。
【００７６】
○ 筒部材１２の材料であるＦＲＰは、強化繊維として炭素繊維を、マトリックス樹脂としてエポキシ樹脂を使用したものに限らない。例えば、強化繊維として、アラミド繊維、ガラス繊維等の一般に高弾性・高強度といわれるその他の繊維を採用したり、マトリックス樹脂として、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂等のその他の熱硬化性樹脂を採用してもよい。しかし、プロペラシャフト１１の場合は、炭素繊維とエポキシ樹脂の組み合わせが強度やコストの点で好ましい。
【００７７】
○ ＦＲＰのマトリックス樹脂が熱硬化性樹脂であることに限定されない。例えば紫外線硬化樹脂をマトリックス樹脂として使用してもよい。
以下の技術的思想（発明）は前記実施の形態から把握できる。
【００７８】
（１） 請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記端部部材には外周面に係止部が形成されている。
（２） 請求項１、請求項２及び前記技術的思想（１）のいずれか一項に記載の発明において、前記端部部材には継手部が溶着により固着されている。
【００７９】
（３） 請求項１、請求項２及び前記技術的思想（１），（２）のいずれか一項に記載の発明において、前記端部部材は少なくとも一方がヨークタイプの継手部を備えている。
【００８０】
（４） 請求項５に記載の発明において、前記シャフトは前記被巻付け部材及び前記端部部材の組合せの数に分割可能に形成されている。
【００８１】
【発明の効果】
以上、詳述したように、請求項１及び請求項２に記載の発明の動力伝達シャフトによれば、ＦＲＰ製パイプへのセレーションの圧入を行うことに起因する不具合を解消できる。また、フィラメントワインディング及び樹脂硬化工程において撓みを抑制して精度良く製造することが可能になる。また、請求項３〜請求項６に記載の発明によれば、前記動力伝達シャフトを容易に製造できるとともに、ヨークタイプの継手を設けることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は一実施の形態のプロペラシャフトの一部破断側面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線における模式拡大断面図。
【図２】（ａ）は被巻付け部材及び治具等が組み付けられた状態の模式図、（ｂ）は（ａ）の部分拡大部分断面図。
【図３】図２（ａ）の部分拡大部分断面図。
【図４】図５のＢ−Ｂ線における模式拡大断面図。
【図５】ＦＷ装置の部分概略図。
【図６】ＦＷにより成形体が形成された状態の部分模式断面図。
【図７】摩擦圧接を説明する模式部分断面図。
【図８】（ａ）は別の実施の形態の治具とシャフトの関係を示す模式側面図、（ｂ）はシャフトの連結状態を示す模式断面図。
【図９】別の実施の形態の治具とシャフトの関係を示す模式断面図。
【図１０】（ａ），（ｂ）は従来技術のプロペラシャフトの製法を示す模式斜視図。
【符号の説明】
Ｒ…樹脂含浸繊維束、１１…動力伝達シャフトとしてのプロペラシャフト、１２…筒部材、１３，１４…端部部材、１３ａ，１４ａ…繊維束被巻付け部、１３ｂ，１４ｂ…継手部、１５…被巻付け部材、１６…係止部としてのセレーション、１８，１８ａ，１８ｂ…シャフト、１９，２０…治具、２０ｃ，２２ｂ…カバー部としての嵌合筒部、２１…組立品、３１…ＦＷ装置。

Claims (6)

1. 筒状の被巻付け部材の少なくとも一端に端部部材を備え、前記被巻付け部材及び前記端部部材の外周面に繊維強化プラスチック製の筒部材が成形されている動力伝達シャフトであって、
   前記端部部材は中空に形成されている動力伝達シャフト。
2. 前記被巻付け部材は紙製である請求項１に記載の動力伝達シャフト。
3. 筒状の被巻付け部材及び外周面に係止部が形成された繊維束被巻付け部を備えた中空の端部部材を、該被巻付け部材及び該端部部材を貫通するシャフトに対して、治具を介して芯出しした状態で一体回転可能に固定する芯出し固定工程と、
   前記芯出し固定工程が完了した組立品をフィラメントワインディング装置の回転支持部に一体回転可能に支持した状態でフィラメントワインディングを行うフィラメントワインディング工程と、
   フィラメントワインディング後、巻き付けられた樹脂含浸繊維束を硬化させる硬化工程と、
   前記硬化工程の完了後に前記治具及びシャフトを取り外す取外し工程と
   を備えた動力伝達シャフトの製造方法。
4. 前記治具は前記繊維束被巻付け部を除いた箇所を覆うカバー部を備えている請求項３に記載の動力伝達シャフトの製造方法。
5. 前記被巻付け部材及び前記端部部材の組み合わせが、前記シャフトに複数組固定され、複数組同時にフィラメントワインディング及び樹脂含浸繊維束の硬化が行われた後に、複数に分割される請求項３又は請求項４に記載の動力伝達シャフトの製造方法。
6. 前記端部部材として継手部を備えないものが使用され、前記取外し工程完了後、前記端部部材に継手部が溶着される溶着工程を備えた請求項３〜請求項５のいずれか一項に記載の動力伝達シャフトの製造方法。

Images