JP2006103032A - Ｆｒｐ製円筒体と金属製継ぎ手との接合体 - Google Patents

Abstract

【課題】ＦＲＰ製円筒体の端部に金属製の継ぎ手が圧入される接合体において、必要とされる高い捩り強度を確保しつつ、金属製継ぎ手の圧入接合操作に伴うＦＲＰ製円筒体端部からの損傷の発生を防止し、かつ、その部分の劣化進行も防止し得る構造を提供する。
【解決手段】ＦＲＰ製円筒体と、該ＦＲＰ製円筒体の端部に圧入された金属製継ぎ手との接合体であって、ＦＲＰ製円筒体の端面から軸方向にスリット加工が施されていることを特徴とする接合体。
【選択図】図３

Description

本発明は、ＦＲＰ（繊維強化プラスチックス）製の円筒体と、この円筒体の端部に圧入された金属製の継ぎ手との接合体に関し、とくに、自動車のプロペラシャフト等の駆動軸に好適なＦＲＰ製円筒体と金属製継ぎ手との接合体の構造に関する。

近年、省エネルギーの観点や地球環境保全の観点等から、各種産業機器の軽量化、とくに動力を消費する機器の軽量化が強く望まれている。その一つの手段として駆動軸を金属製からＦＲＰ製のものに代替させることが検討されてきた。その際、使用する強化繊維にも種々あり、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等が検討されているが、この中で特に、比強度、比弾性率の面で優れた炭素繊維を強化繊維とするＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチックス）が有力とされている。

例えば自動車の駆動軸としてミッションからデフ間でトルクを伝えるプロペラシャフトが知られている。この駆動軸は、エンジンから発生する大きなトルクを伝達する必要があることから、１０００〜４０００Ｎｍ程度の捩り強度を必要とする。これまでのＣＦＲＰ製駆動軸、特にその本体筒部は、特許文献１等に記載されているように、必要なトルクを伝達させるために、強化繊維の積層角度とその積層構成、軸のサイズ（内径、外径、肉厚）、使用する強化繊維の種類、繊維の含有率などをパラメータとして設計されている。これらの設計パラメータを適切に設定することにより、上述のような実用上必要とされる捩り強度の達成が可能となる。

ところで、ＦＲＰ製円筒体と金属製継ぎ手との接合においては、ＦＲＰ製円筒体の捩り強度とバランスが採れた接合法が必要とされているが、近年ＦＲＰ製駆動軸の接合構造として金属製継ぎ手の圧入接合部にセレーション加工を施し、該セレーション加工部の外径をＦＲＰ製円筒体の内径よりも大きくすることにより圧入代を設け、かつ、ＦＲＰ製円筒体の接合部は強化繊維を円周方向に配した補強層と捩りトルクを伝達する主層とから構成し、その円筒体端部へ、金属製継ぎ手を圧入接合することにより金属製継ぎ手とＦＲＰ製円筒体とを接合一体化する接合構造が知られている。

このような接合構造を有するＦＲＰ製駆動軸を設計する際に、仮に捩り強度のみを追求し、圧入代の大きな設計にして高い捩り強度を有する駆動軸とするならば、圧入時や使用中にＦＲＰ製駆動軸の端部周辺の材料に大きな損傷を与える場合があることが予想される。たとえば、このような圧入接合部を有するＦＲＰ製駆動軸が自動車に用いられた場合、その駆動軸は自動車の下部に取り付けられ、外気と接触するため、水や様々な化学物質、車体からの熱などの影響を受けることから、捩りり強度に対する耐久性が低下し、所定のトルクの伝達が困難になることが生じる場合がある。また、圧入代が適正な範囲で設計されたとしても、ＦＲＰ製円筒体の端部には切断された端面が露出しており、継ぎ手圧入時に発生する応力により初期損傷を受ける可能性がある。この初期損傷が、使用中の熱応力や水分、その他の使用環境下の影響により、ＦＲＰ製円筒体の損傷が加速進行し、所定のトルクの伝達が困難になる場合が予想される。
特開平２−２３６０１４号公報

そこで本発明の課題は、ＦＲＰ製円筒体の端部に金属製の継ぎ手が圧入される接合体において、必要とされる高い捩り強度を確保しつつ、金属製継ぎ手の圧入接合操作に伴うＦＲＰ製円筒体端部からの損傷の発生を防止し、かつ、使用環境下での劣化進行も防止し得る接合体構造を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る接合体は、ＦＲＰ製円筒体と、該ＦＲＰ製円筒体の端部に圧入された金属製継ぎ手との接合体であって、ＦＲＰ製円筒体の端面から軸方向にスリット加工が施されていることを特徴とするものからなる。

この接合体においては、金属製継ぎ手がフランジ部と該フランジ部の圧入方向前方部に形成されたＦＲＰ製円筒体の内径よりも小さい外径の凹部を有し、かつ、前記スリット加工部の軸方向長さが凹部の軸方向長さ以下に設定されていることが好ましい。

また、ＦＲＰ製円筒体が、両端部内側に設けられた、軸方向に対して±７０°以上の角度で巻かれた強化繊維の周方向巻き層と、ＦＲＰ製円筒体の軸方向全長にわたって延在し、軸方向に対して±６５°以下の角度で巻かれた強化繊維のらせん巻き層とを有する構造に構成されていることが好ましい。これによって、ＦＲＰ製円筒体両端部を、金属製継ぎ手の圧入に対して適切に補強できる。

また、金属製継ぎ手のＦＲＰ製円筒体への圧入部にセレーション加工が施され、該セレーション加工部の外径がＦＲＰ製円筒体の接合部内径よりも大きく設定されていることが好ましい。これによって、適切な圧入代が確保されるとともに、セレーション加工部の圧入構造により、金属製継ぎ手とＦＲＰ製円筒体との間の所定のトルク伝達が円滑に行われるようになる。

さらに、スリット加工部にはシール材を充填しておき、外部環境から保護しておくこともできる。このようにスリット部に予めシール材、例えば合成樹脂材料を充填しておくと、ＦＲＰ製円筒体の耐久性を向上させる点で好ましい。合成樹脂材料としてはオキシム型シリコンシーラントや弾性接着剤が品質上好ましい。

ＦＲＰ製円筒体としては、とくに強化繊維が少なくとも比強度、比弾性率に優れた炭素繊維を含むものであることが、高い強度や捩りトルク伝達特性発現の点から好ましい。

このような本発明に係るＦＲＰ製円筒体と金属製継ぎ手との接合体は、とくに所定のトルク伝達性能が求められ、かつ、軽量化が要求される駆動軸に適用して好適なものである。中でも、高い捩りトルク伝達性能が求められる自動車用のプロペラシャフトとして好適なものである。

ここで上記スリット部は、例えば次のように形成される。通常ＦＲＰ製円筒体は樹脂を含浸させた強化繊維を予め定められた積層構成でマンドレルに巻き付けた後、硬化して得られる。この後、目的に合わせた長さに切断される。スリット部は、円筒体の端部を軸方向に、例えば回転式のカッターにより加工されることが好ましく、特に、ダイヤモンドを使用したカッターが作業性、耐久性の点で好ましい。また、スリット部は、所望される特性に合わせて複数個配置することも可能である。

上記のような本発明における接合構造においては、ＦＲＰ製円筒体の端部に軸方向に延びるスリットを有しているため、この円筒体の端部に金属製の接合部分を有する継ぎ手が圧入された場合、ＦＲＰ製円筒体の円周方向拘束力がなくなり当該部分には圧入によって生じる応力が作用せず、スリットの施されていない部分から初めて、圧入によって生じる応力が作用するようになる。従って、スリット長に対応する軸方向長さのＦＲＰ製円筒体の端部には、圧入によって生じる高応力が作用せず、圧入時の初期負荷がかかることを防止することが可能となり、併せてそのような初期負荷によりＦＲＰ製円筒体端部に初期損傷が生じた場合の耐久性低下が防止され、外部環境下でのＦＲＰ製円筒体の耐久性が高められる。

また、金属製継ぎ手のフランジ部の前方にＦＲＰ製円筒体の内径よりも外径の小さい凹部が設けられ、かつ上記スリット加工の軸方向長さがフランジ部の前方に配置された凹部の軸方向長さ以下に設定されることにより、圧入接合後もＦＲＰ製円筒体端部およびスリット先端部に圧入による大きな応力が発生することが、より確実に防止される。

また、スリット加工に加え、ＦＲＰ製円筒体が、その両端部内側に±７０°より大きな角度で巻かれた強化繊維の周方向巻き層と、円筒体の軸方向に全長にわたって延在する複数の±θ°層（例えば、上述の如く±６５°以下の角度で巻かれた強化繊維の層）からなるらせん巻き層（主層）の少なくとも２層から構成されたＦＲＰ製円筒体とすることにより、全体にわたって良好な捩りトルク伝達性能が確保されるとともに圧入端部が適切に補強される。また、金属製継ぎ手の圧入接合部分の表面にセレーション加工が施され、セレーション加工部の外径を円筒体端部の接合部内径より大きくして適切な圧入代を設定することができる。そして、上記スリット加工が施されることにより、±７０°より大きな角度で巻かれた周方向巻き層の強化繊維を切断することにより、円周方向の変形し易さを確保でき、圧入時に発生する応力を緩和することが可能となる。また、スリット加工の施されていない部分からは、金属製継ぎ手との間で所定の圧入接合が行われるため、所定の強度を有する接合構造が得られる。

このような接合体の一つの用途としての駆動軸に要求される捩り強度については、前述の如く、ＦＲＰ製円筒体設計の最適化で達成可能であるから、上記スリット部を設けることにより、必要な捩り強度を確保しつつ、必要に応じて、確実にＦＲＰ製円筒体の環境劣化を抑制することができ、円筒体自身の耐久性を、効果的に向上させることができる。

本発明に係るＦＲＰ製円筒体と金属製継ぎ手との接合体によれば、ＦＲＰ製円筒体の端部から軸方向にスリット加工が施されれているので、金属製継ぎ手の圧入組立時に発生するＦＲＰ製円筒体の端部の応力を適切に緩和して初期損傷の発生を防止することができ、それによって耐久性に優れた接合構造の形態を現出できる。

以下に、本発明の望ましい実施の形態を、実際に製作した実施例の各寸法とともに、図面を参照しながら説明する。
図１〜図３は、本発明の一実施態様に係るＦＲＰ製円筒体と金属製継ぎ手との接合体を示している。図１において、１はＦＲＰ製円筒体を示しており、実施例ではＦＲＰ製円筒体１の内径は７４ｍｍである。１ａは、ＦＲＰ製円筒体の全長にわたって延在する強化繊維のらせん巻き層を含む層を示しており、円筒体中央部において軸方向に対して±θ°のらせん巻き層として概略±１５°および±４５°で積層された複数の強化繊維層を有する、厚み２．５ｍｍのらせん巻き層である。１ｂは、接合の為にＦＲＰ製円筒体の両端部に設けられた補強部であり、内層側に±８５°の強化繊維の周方向巻き層で構成される厚み２．５ｍｍの補強層が軸方向に６０ｍｍの長さで構成され、軸方向中央部に向かって端部テーパ形状を有しており、その外側に、上記中央部と同様の±θ°のらせん巻き層が配置されている。１ｃが、ＦＲＰ製円筒体１の端部に、その端面から軸方向に加工された、本発明に係る接合構造のスリット部を示している。

２は金属製継ぎ手を示しており、本実施例では、金属製継ぎ手２の圧入接合部には先端角９０°、先端Ｒ０．０４ｍｍ、ピッチ２ｍｍのセレーション加工が施され（セレーション加工部２ａ）、該セレーション加工部２ａの外径は７４．４ｍｍとされ、ＦＲＰ製円筒体１の内径の７４ｍｍよりも僅かに大きく設定され、圧入代が半径当たり０．２ｍｍとされている。また、セレーション加工部２ａの軸方向長さは４０ｍｍに設定されている。金属製継ぎ手２にはフランジ部２ｂが設けられており、その圧入方向前方部に、外径がＦＲＰ製円筒体１の内径よりも小さい環状に延びる凹部２ｃが形成されている。この凹部の長さは１３ｍｍとされ、スリット部（スリット加工部）１ｃの軸方向長さ以上に設定されている。つまり、セレーションの軸方向根元とフランジ部２ｂの間に、セレーション加工部の最小外径よりも外径の小さい凹部２ｃが設けられている。

ＦＲＰ製円筒体１の両端部に設けられたスリット部１ｃは、例えば図２に示すように、ＦＲＰ製円筒体１の端面において、円周方向に適当な位置に、例えば円周方向複数の等配位置において、ＦＲＰ製円筒体１の端面から軸方向に延びるように加工される。スリット部１ｃは、本実施例では２箇所形成されている。各スリット部１ｃは、本実施例ではカッターにより、幅２ｍｍ、長さ６ｍｍに加工されている。このスリット部１ｃには、金属製継ぎ手２の圧入前に予め、オキシム型シリコンシーラント等のシール材を充填しておくことができる。これによりスリット部分に侵入してくる水分等を防止できる。

上記のようなスリット部１ｃが加工されたＦＲＰ製円筒体１の端部に（本実施例では両端部に）、図３に示すように金属製継ぎ手２が圧入により接合され、本発明に係る接合体とされる。

このような接合構造とすることにより、ＦＲＰ製円筒体１の内径より大きな外径を持つ金属製継ぎ手２を圧入しても、ＦＲＰ製円筒体１の端部にスリット部１ｃが形成されているために、圧入時に円周方向の引張応力は作用しない。このスリット部１ｃは、ＦＲＰ製円筒体１の端部にのみ配置されているので、筒軸方向強度、弾性率、特に捩り強度には、実質的に全く影響しない。したがって、必要な捩り強度は確保されつつ、目標とする環境下での劣化を抑制し耐久性を確保することが可能となる。

なお、スリット部１ｃの配置はバランスを考え２箇所以上とし、円周方向に等配することが好ましい。これにより、圧入時の偏心を防止し、真直性に優れた接合部を得ることが可能となる。

また、セレーション加工部２ａの後端部とスリット先端部までの距離は、極端に近いとスリット部先端に応力集中が発生するおそれがあるので、強度の低下が起こらないように若干の距離を保つことが好ましい。この距離は、金属製継ぎ手２に設けられた凹部２ｃの軸方向長さの範囲で選ぶことができる。スリット部１ｃの軸方向長さを、凹部２ｃの軸方向長さの３０％〜６０％の範囲内としておくことが好ましい。

比較例として、上記のような本発明に係る接合構造、具体的にはＦＲＰ製円筒体端部にスリット構造を持たない接合体では、圧入時に端面に高い応力が負荷したため、端部ＦＲＰ層にクラックが生じた。

本発明に係る接合体においては、ＦＲＰ製円筒体と金属製継ぎ手との間の適当な位置（たとえば、各部材端部位置）に、シール材を配設してもよい。シール材としては、樹脂、リング状弾性体、フイルム等が適当である。このようなシール材配設により、水分等の進入をより確実に防止し、接合部の腐食を防止することができる。

また、金属製継ぎ手を圧入する際、圧入用治具で継ぎ手を把持する必要があるが、確実に把持できるよう、かつ、圧入力によって継ぎ手が破損しないよう、継ぎ手に、圧入用治具の係止または係合部を設けておくことが好ましい。このような係止または係合部は、継ぎ手の外面の適当な位置に、段付部または溝部を形成することにより構成できる。

なお、本発明におけるＦＲＰ製円筒体を構成するマトリクス樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル等の熱硬化性樹脂を使用するが、他の樹脂、たとえば、ポリアミド、ポリカーボネード、ポリエーテルイミド等の熱可塑性樹脂を使用することも可能である。

また、強化繊維についても、炭素繊維に限らず、たとえばガラス繊維、アラミド繊維等を使用することが可能であり、これらを併用することも可能である。

本発明に係るＦＲＰ製円筒体と金属製継ぎ手との接合体の用途は特に限定されず、高いトルク伝達を要求され、かつ全体として軽量化が要求されるあらゆる用途、とくに駆動軸として、中でも自動車用プロペラシャフトとして好適である。

本発明の一実施態様に係るＦＲＰ製円筒体と金属製継ぎ手との接合体の部分物界断面図である。 図１のＦＲＰ製円筒体の端部の斜視図である。 図１の金属製継ぎ手をＦＲＰ製円筒体に圧入した接合体の一端部を示し、（Ａ）は（Ｂ）のＡ−Ａ線に沿う断面図、（Ｂ）は接合体の一端部の平面図である。

符号の説明

１ ＦＲＰ製円筒体
１ａ 強化繊維のらせん巻き層を含む層
１ｂ 強化繊維の周方向巻き層を含む層と外側のらせん巻き層を含む層とからなる補強層
１ｃ スリット部（スリット加工部）
２ 金属製継ぎ手
２ａ セレーション加工部
２ｂ フランジ部
２ｃ 凹部

Claims (8)

1. ＦＲＰ製円筒体と、該ＦＲＰ製円筒体の端部に圧入された金属製継ぎ手との接合体であって、ＦＲＰ製円筒体の端面から軸方向にスリット加工が施されていることを特徴とする接合体。
2. 金属製継ぎ手がフランジ部と該フランジ部の圧入方向前方部に形成されたＦＲＰ製円筒体の内径よりも小さい外径の凹部を有し、かつ、前記スリット加工部の軸方向長さが凹部の軸方向長さ以下に設定されている、請求項１の接合体。
3. ＦＲＰ製円筒体が、両端部内側に設けられた、軸方向に対して±７０°以上の角度で巻かれた強化繊維の周方向巻き層と、ＦＲＰ製円筒体の軸方向全長にわたって延在し、軸方向に対して±６５°以下の角度で巻かれた強化繊維のらせん巻き層とを有する、請求項１または２の接合体。
4. 金属製継ぎ手のＦＲＰ製円筒体への圧入部にセレーション加工が施され、該セレーション加工部の外径がＦＲＰ製円筒体の接合部内径よりも大きい、請求項１〜３のいずれかに記載の接合体。
5. スリット加工部にシール材が充填されている、請求項１〜４のいずれかに記載の接合体。
6. ＦＲＰ製円筒体の強化繊維が少なくとも炭素繊維を含む、請求項１〜５のいずれかに記載の接合体。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の接合体からなる駆動軸。
8. 自動車用のプロペラシャフトからなる、請求項７の駆動軸。

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