JP2016153671A - プロペラシャフト - Google Patents

Abstract

【課題】繊維強化プラスチック製本体筒を有するプロペラシャフトの所定の捩り強度、接合強度を確保し、また、マンドレルの周囲に樹脂を含浸させた繊維又は繊維束を巻き付けた後樹脂を硬化させる工程で発生するフープ巻層でのクラックの発生を抑制できる長期使用時の信頼性が高いプロペラシャフト及びその製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】本体筒は、少なくとも最外層から順に、強化繊維を巻き付けたヘリカル巻Ａ層、前記本体筒の回転軸の延在方向に対して７０〜９０°の巻き角度で強化繊維を巻き付けたフープ巻層を有し、前記本体筒の少なくとも一方の端部には前記フープ巻層を厚肉化した補強部が形成され、前記補強部の最内層には、ガラス不織布、強化繊維からなる布帛、または耐熱性の樹脂フィルムの少なくとも１つを含むクラック防止層が設けられていることを特徴とするプロペラシャフト。【選択図】図１

Description

本発明は、自動車等のプロペラシャフトやロール等として用いられる繊維強化プラスチック（ＦＲＰ: Fｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ）製のプロペラシャフトに関する。

繊維強化プラスチック製の比較的大型のパイプは、軽量で各種機械的物性に優れているので、近年、自動車のプロペラシャフトや工業用の各種回転ロール等に多用されるようになっている。例えば、自動車は、省エネルギーの観点から燃費の向上を目的とした軽量化が強く望まれており、例えば、プロペラシャフト等の軸部品では、その一つの手段として、本体筒を金属製から繊維強化プラスチック製に代替させることが行われている。プロペラシャフトの場合、プロペラシャフトの本体筒を繊維強化プラスチック製とし、その両端部に自在継手として機能する金属部品（この部品をヨークともいう）を接合する構成が採られている。

繊維強化プラスチック製の本体筒を効率よく製造する方法として、例えば、フィラメントワインディング法がある。フィラメントワインディング法では、一般に、マンドレルの周囲に樹脂を含浸させた繊維又は繊維束を巻き付けた後、樹脂を硬化させ、その後マンドレルを引き抜くことによって製品、即ち、繊維強化プラスチック製の本体筒が製造される。フィラメントワインディング法で製造された製品の強度は、繊維とマンドレルの軸方向とのなす巻付け角度や繊維の配列状態の影響を大きく受ける。

また、繊維強化プラスチック製プロペラシャフトにおいては、本体筒は繊維強化プラスチックで構成されるものの、継手は金属製であるから、全体がスチール製であるプロペラシャフトのように溶接により接合することは不可能である。この本体筒と金属製継手との接合強度についても、上述したような捩り接合強度を達成する必要がある。また、継手圧入部については、圧入による接合強度等を確保するために、本体筒の端部外周に、繊維強化プラスチックの外部補強層を設けることが有効であることが知られている。

繊維強化プラスチック製プロペラシャフトの本体筒は、主として繊維強化プラスチック製プロペラシャフトに優れた捩り強度や曲げ剛性を持たせるために、本体筒の軸方向に対して±５〜±４５°程度の巻き角度でらせん状に強化繊維束を巻き付けたヘリカル巻層と、主としての接合強度を持たせるために本体筒の軸方向に対して±９０°程度の巻き角度で強化繊維束を巻き付けたフープ巻層を組み合わせて形成することが多く行われてきている。

自動車のプロペラシャフト等の工業用の各種軸部品等は、繊維強化プラスチック製本体筒の少なくとも一方の端部にヨーク等の金属部材を挿入・接合して用いられる場合が多いため、挿入・接合部の補強向上を図る必要がある。同時に、巻き角度の異なる層間で層間破壊の防止や、マンドレルの周囲に樹脂を含浸させた繊維又は繊維束を巻き付けた後樹脂を硬化させる工程で発生する本体筒の巻かれた層がひび割れる、いわゆるクラックを防止するための各種手段も講じられている。

特許文献１（特開２０００−３１８０５３号公報）では、プロペラシャフトは円筒軸（繊維強化プラスチック製パイプ）と、その両側に接合された金属部品とを備え、この円筒軸と金属部品とがセレーション結合により結合され、セレーションを円筒軸の内周面に食い込ませることで、円筒軸と金属部品とを接合している。具体的には、円筒軸は樹脂が含浸された強化繊維を層状に巻き付けることにより形成され、強化繊維は円筒軸の軸方向に対してなす角度（配向角）が±１０度前後で巻かれたヘリカル巻層と、配向角が略９０度で巻かれたフープ巻層とを構成し、フープ巻層は円筒軸の端部にのみ形成され、ヘリカル巻層の間に挟まれた状態で配置されている構成が記載されている。

特許文献１において、マトリックス樹脂としては、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂や曲げ弾性率の高い熱可塑性樹脂等が例示されている。しかし、プロペラシャフト等の円筒軸にはより高い耐久性が要求され、フープ巻層のクラック対策や耐久性向上のためにはマトリックス樹脂の特性が重要であるものの、具体的対策の構成については開示されていない。また層間剥離やクラックが防止でき、耐久性向上のためのフープ巻層とヘリカル巻層間での強化繊維束の巻き角度の好適な関係や、層厚関係についての開示はなされていない。

また、特許文献２（特開２００３−１７１７号公報）では、配向角が±５〜１５度となるように強化繊維が巻かれたヘリカル巻層と、配向角が８０〜９０度となるように強化繊維が巻かれたフープ巻層とを有し、ヘリカル巻層は６層巻き付けられ、フープ巻層はヘリカル巻層の４層目と５層目との間に配置された繊維強化プラスチック製筒体の構成が記載されている。

特許文献２の構成では、ヘリカル巻層とフープ巻層の接合部は金属部品とＦＲＰ製パイプとの接合部から離間するため、ヘリカル巻層とフープ巻層の接合部にかかる応力が小さく抑えられ、ＦＲＰ製パイプの強度特性が向上できるものの、フープ巻層が本筒体からより外周側に離れることで、繊維強化プラスチック製プロペラシャフト筒体の接合強度が弱くなる場合がある。

また、特許文献３（特開平７−９１４３０号公報）では、プロペラシャフトは、本体筒として、内層側に回転軸の延在方向に対し±５°〜±３０°のヘリカル巻層、外層側に７５°〜９０°の一方向巻層が形成されている構成、又は、内層側に回転軸の延在方向に対し±１０°〜±４５°の有撚糸からなるヘリカル巻層、最外層に±４５°〜９０°の無撚糸からなる強化繊維層が形成されている構成、がそれぞれ開示され、ヘリカル巻層と一方向巻層との厚み比率が５０：１〜１０：１の範囲が好ましいことが記載されている。

しかし、特許文献３の構成では、単にヘリカル巻層と一方向巻層を設ける構成のため、プロペラシャフト等の円筒軸に対するより高い耐久性を実現するには不十分である。また、層間剥離やクラックが防止でき、耐久性向上のためのフープ巻層とヘリカル巻層間での強化繊維束の巻き角度の好適な関係や、マトリックス樹脂の具体的な特性については開示されていない。

また、特許文献４（特開２００４−２９３７０８号公報）では、繊維強化プラスチック製筒体と金属部品とを一体に接合させた繊維強化プラスチック製プロペラシャフトにおいて、繊維強化プラスチック製筒体には、内周面側の最内層にヘリカル巻層が形成され、両端部において、軸方向強化巻層の外側にヘリカル巻層を備える構成が記載されている。

特開２０００−３１８０５３号公報 特開２００３−１７１７号公報 特開平７−９１４３０号公報 特開２００４−２９３７０８号公報

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑み、繊維強化プラスチック製本体筒を有するプロペラシャフトにおいて、マンドレルの周囲にマトリックス樹脂を含浸させた繊維束を巻き付け、硬化させる工程で発生するフープ巻層でのクラックの発生を抑制でき、また、捩り強度や接合強度を確保するとともに、本体筒の端部に他部材を圧入接合する際に、端部の層間が層間破壊を起こしにくく、かつ長期使用時の信頼性の高いプロペラシャフトを提供することを目的とする。

（１）繊維強化プラスチック製本体筒を有するプロペラシャフトであって、前記本体筒は、少なくとも最外層から順に、強化繊維を巻き付けたヘリカル巻Ａ層、前記本体筒の回転軸の延在方向に対して７０〜９０°の巻き角度で強化繊維を巻き付けたフープ巻層を有し、前記本体筒の少なくとも一方の端部には前記フープ巻層を厚肉化した補強部が形成され、前記補強部の最内層には、ガラス不織布、強化繊維からなる布帛、または耐熱性の樹脂フィルムの少なくとも１つを含むクラック防止層が設けられていることを特徴とするプロペラシャフト。
（２）前記補強部における前記クラック防止層と前記フープ巻層との厚み比率が１：２〜１：２０の範囲である（１）に記載のプロペラシャフト。
（３）前記クラック防止層が、強化繊維を回転軸の延在方向に対して５〜３０°の巻き角度ＨＢ（°）で巻き付けたヘリカル巻Ｂ層である（１）又は（２）に記載のプロペラシャフト。
（４）前記ヘリカル巻Ｂ層の巻き角度ＨＢ（°）と前記フープ巻層の巻き角度ＨＰ（°）との角度差が４０〜８５°である（３）に記載のプロペラシャフト。
（５）前記ヘリカル巻Ａ層の巻き角度ＨＡ（°）が５〜４５°である（１）〜（４）のいずれかに記載のプロペラシャフト。
（６）前記ヘリカル巻Ａ層の巻き角度ＨＡ（°）と前記ヘリカル巻Ｂ層の巻き角度ＨＢ（°）が以下関係式を有する（３）〜（５）に記載のプロペラシャフト。
ＨＢ（°）＜ＨＡ（°）
（７）前記ヘリカル巻Ａ層が最外層から順にヘリカル巻Ａ１層及びＡ２から構成され、前記ヘリカル巻Ａ１層及びＡ２それぞれの巻き角度をＨＡ１（°）、ＨＡ２（°）としたとき、前記ヘリカル巻Ｂ層の巻き角度ＨＢ（°）と以下式の関係を有する（３）〜（５）のいずれかに記載のプロペラシャフト。
ＨＡ１（°）≦ＨＢ（°）＜ＨＡ２（°）
（８）前記フープ巻層に用いるマトリックス樹脂として、少なくともガラス転移点が１８５〜２３０℃であるエポキシ系熱硬化性樹脂を含む（１）〜（７）のいずれかに記載のプロペラシャフト。
（９）前記マトリックス樹脂は、脂環式エポキシ樹脂がエポキシ主剤１００重量部に対して２５重量部以上１００重量部以下含まれる（８）に記載のプロペラシャフト。
（１０）強化繊維を巻き付けた層に用いるマトリックス樹脂が同一の樹脂である（８）又は（９）に記載のプロペラシャフト。

本発明のプロペラシャフトによれば、フープ巻層でのクラックの発生を抑制でき、また、捩り強度や接合強度を確保することができる。また、プロペラシャフトの本体筒の端部に他部材を圧入接合する際に、端部の層間が層間破壊を起こしにくく、かつ長期使用時の信頼性の高いプロペラシャフトを提供することを目的とする。

本発明の一実施形態の係るプロペラシャフトを構成する繊維強化プラスチック本体筒１の片側端部の拡大断面図である。 本体筒１の回転軸１１の延在方向に対しクラック防止層４における一定の巻き角度で強化繊維１２が巻かれた形態図である。 図２ａに示すクラック防止層４に巻かれた強化繊維１２の回転軸１１の延在方向に対する巻角度ＨＢを示す図である。 クラック防止層の強化繊維１２上にフープ巻層３の強化繊維１３が一定の巻き角度で巻かれた形態図である。 図３ａに示すクラック防止層４に巻かれた強化繊維１２とフープ巻層３の強化繊維１３の回転軸１１の延在方向に対する巻角度ＨＢ、ＨＰを示す図である。 強化繊維１２の巻かれる方向が図２ａと相対関係が逆の方向に巻かれた形態図である。 強化繊維１２の巻かれる方向が図２ｂと相対関係が逆方向の図である。 フープ巻層３の強化繊維１３の巻かれる方向が図３ａと相対関係が逆の方向に巻かれた形態図である。 フープ巻層３の強化繊維１３の巻かれる方向が図３ｂと相対関係が逆方向の図である。 本発明の一実施形態に係る金属継手８が圧入接合されたプロペラシャフトの断面図である。 本発明の一実施形態に係るヘリカル巻Ａ層が最外層から順にヘリカル巻Ａ１層及びＡ２から成るプロペラシャフトを構成する繊維強化プラスチック本体筒１の片側端部の拡大断面図である。 捩り評価試験機２０の概略図である。

以下、本発明について図面を用いながら説明する。なお、本発明は図面によって何ら制限されるものではない。

図１は、プロペラシャフト用繊維強化プラスチック製の本体筒１の片側の端部拡大断面図であって、本体筒１は、少なくとも最外層から順に、強化繊維で巻かれたヘリカル巻Ａ層２、本体筒１の回転軸１１の延在方向に対して７０〜９０°の巻き角度で強化繊維が巻かれたフープ巻層３、ガラス不織布、強化繊維からなる布帛、または耐熱性の樹脂フィルムの少なくとも１つを含むクラック防止層４を有する構成である。

本発明は、強化繊維で巻かれたヘリカル巻Ａ層を最外層に配置し、次にフープ巻層３を配置することが重要である。これにより、本体筒１の捩り強度の向上及び曲げ剛性を確保することができる。

本発明の構成のうち、ヘリカル巻Ａ層２は、詳細は後述するが、本体筒１の回転軸１１と平行に近い角度で強化繊維を巻き付けた層である。フープ巻層３は金属製継ぎ手８との接合強度を確保するため、半径方向（回転軸１１と直交する方向）に近い巻き角度を有している。そのため、マンドレルに巻き付けた後、マトリックス樹脂を硬化させるにしたがって、繊維の巻き付け方向（回転軸１１に対して垂直に近い方向）にまず樹脂の収縮によりクラックの起点が生じ、それが広がってクラックとなる。これに対し、クラック発生の起点となるフープ巻層３の内側、すなわち、本体筒１の最内層に、後述するクラック防止層４を配置することにより、フープ巻層３が熱硬化の際の熱膨張の影響により繊維配向に沿って生じるクラック発生を抑制することができる。

フープ巻層３の強化繊維１３の巻き角度として、好ましくは本体筒１の回転軸１１に対して７２〜８８°、より好ましくは７５〜８７°、さらに好ましくは７８〜８６°である。７０°未満の巻き角度となると金属製継ぎ手８の接合強度の確保が難しくなる。

クラック防止層４としては、ガラス不織布、強化繊維からなる布帛、または耐熱性の樹脂フィルムの少なくとも１つを使用することが重要である。

ガラス不織布は、フープ巻層３と交差する方向に配向した繊維が存在することで、フープ巻層３に生じるクラック発生を抑制することができる。クラック防止層４として機能するガラス不織布としては、一方向材料、マット、クロスが好ましく使用可能である。ガラス不織布を本体筒に設置する場合、あらかじめガラス不織布をマンドレルに設置してからフィラメントワインディング成形を行うことが好ましい。この時、ガラス不織布への樹脂含浸は成形前に別工程を設けて行っても良いし、成形中に巻きつける強化繊維の余剰樹脂を活用することもできる。

また、強化繊維からなる布帛は、綾織や平織り等、回転軸１１又はその近傍に繊維配向形態を持つ織組織のものを用いることで、フープ巻層３に生じるクラックを押さえ込む機能を発揮することができる。クラック防止層４として使用する強化繊維からなる布帛としては、棉、麻、絹だけでなく、炭素繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、セラミック繊維、セルロース繊維等を原糸とする布、織物が好ましく使用可能である。布帛を本体筒に設置する場合、あらかじめ布帛をマンドレルに設置してからフィラメントワインディング成形を行うことが好ましい。この時、布帛への樹脂含浸は成形前に別工程を設けて行っても良いし、成形中に巻きつける繊維の余剰樹脂を活用することもできる。

また、クラック防止層４として機能する耐熱性の樹脂フィルムとしては、ポリ酢酸ビニル樹脂、ポリカーボネイト樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリフェニレンオキシド樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリアラミド樹脂、ポリベンゾイミダゾール樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、酢酸セルロース樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂等が好ましく使用可能である。樹脂フィルムを本体筒に設置する場合、あらかじめ樹脂フィルムをマンドレルにテープで貼り付け後、フィラメントワインディング成形を行う。この時、樹脂フィルムへの樹脂含浸は成形中に巻きつける繊維の余剰樹脂を活用することができる。

また、本発明において、本体筒１の少なくとも一方の端部から一定長さの領域に、クラック防止層４、フープ巻層３及びヘリカル巻Ａ層２からなる補強部５を配置することが重要である。補強部５が配置される長さとしては、金属継手８の接合部９の全長と同じか、それよりも長く設置するのが好ましい。これにより金属継手８等の他部材を圧入接合することが可能となる。ここで圧入接合とは、本体筒１と金属継手８を接合させる方法であって、本体筒１の内径よりもわずかに外径の大きな金属継手８に圧力をかけ、本体筒１の内側に押し込み接合することである。

本体筒１の補強部６において、クラック防止層４とフープ巻層３との厚み比率が、１：２〜１：２０の範囲であることが好ましい。クラック防止層４は、フープ巻層３に生じるクラックを押さえ込むフタの役目を果たし、薄肉でもその役目を十分に発揮させることができる。しかしながら、クラック防止層４とフープ巻層３との厚み比率が１：２よりもフープ巻層３の厚みが薄くなると、フープ層の量が少なくなるので、フープ巻層３による金属継手８を締め付けて締結する力（接合強度）が弱くなり、本体筒１と金属継手８の接合強度が弱くなる場合ある。また、１：２０よりもよりもフープ巻層３の厚みが厚くなると、軽量化に反する。厚み比率は好ましくは１：３〜１：１８、より好ましくは１：５〜１：１５、更に好ましくは１：８〜１：１０である。

また、本発明において、クラック防止層４の一つとして、フープ巻層３の繊維巻き角と異なる方向に強化繊維を配向させた布帛を用いることも好ましい。具体的には、ヘリカル巻Ａ層と同様の巻角度からなるヘリカル巻層（以下ヘリカル巻Ｂ層）とすることが好ましい。すなわち、本体筒１の回転軸１１と並行に近い巻き角度に強化繊維１２を配置することで、クラック発生に対する防護壁の役目をなしている。

ヘリカル巻Ｂ層は、本体筒１の回転軸１１に対して５〜３０°の巻き角度で強化繊維を巻き付けることが好ましい。ヘリカル巻Ｂ層の本体筒１の回転軸１１に対する巻き角度が５°未満であると、捩り強度の確保が難しくなるととに、フィラメントワインディング成形の性格からマンドレル半径方向に対して繊維に張力が負荷されにくく本体筒１の強度が低下する場合がある。また、ヘリカル巻Ｂ層の本体筒１の回転軸１１に対する巻き角度が３０°を超えるとフープ巻層３のクラック発生に対する防護壁の役目の効果が弱まるとともに曲げ剛性の確保が難しくなる場合がある。前記ヘリカル巻層の巻き角度として、好ましくは本体筒１の回転軸１１に対して６〜２８°、より好ましくは８〜２６°、さらに好ましくは１０〜２５°である。

さらに、ヘリカル巻Ｂ層の回転軸１１に対する巻き角度をＨＢ（°）、フープ巻層３の回転軸１１に対する巻き角度をＨＰ（°）とすると、ＨＰ（°）とＨＢ（°）との角度差が４０〜８５°であることが好ましい。

ヘリカル巻Ｂ層をフープ巻層３の繊維の巻き角度に対し４０°以上開いた角度差で配置することで、クラックの発生を抑制することが出来る。フープ巻層３の角度ＨＰ（°）は金属継手８との接合強度を確保するために、７０〜９０°の範囲にあることが望ましい。一方、ヘリカル巻Ｂ層の角度ＨＢ（°）は前述したとおり、５〜３０°の範囲であることが望ましい。よって、ＨＰ（°）とＨＢ（°）の角度差は４０°〜８５°の範囲にあることが良い。

ここで、巻き角度の角度差について説明する。図２ａは、本体筒１の回転軸１１に対しクラック防止層４がヘリカル巻層（前述したヘリカル巻Ｂ層）の場合における一定の巻き角度で強化繊維１２が巻かれた形態の一部を、本体筒１を側面から見た場合の模式図である。ここで、図２ａで示されたヘリカル巻Ｂ層の強化繊維１２が巻かれている角度ＨＢ（°）は、図２ｂに示すように、回転軸１１（横軸）に対して左回りに計測した角度として示される。

図３ａは、ヘリカル巻Ｂ層の上にフープ巻層３の強化繊維１３が一定の巻き角度で巻かれた形態の一部を、本体筒１を側面から見た場合の模式図である。前述した図２ｂと同様に、図３ｂに示すように、フープ巻層３の強化繊維１３が巻かれている角度ＨＰ（°）が定義でき、ヘリカル巻Ｂ層の角度ＨＢ（°）と、フープ巻層３の角度ＨＰ（°）との角度の差（図３ｂにおいて角度１４）を巻き角度の角度差とする。

図４ａに示すように、ヘリカル巻Ｂ層の強化繊維１２が、図２ａと相対的に逆の方向に巻かれる場合、強化繊維１２が巻かれている角度ＨＢ（°）は、図４ｂで示すように、回転軸１１に対して右回りに計測した角度として示される。すなわち、強化繊維の巻き角度は強化繊維が回転軸と交差する角度が９０°以下になるように規定する。

図５ａに示すようなヘリカル巻Ｂ層の強化繊維１２とフープ巻層３の強化繊維１３が巻かれる場合であっても、ヘリカル巻Ｂ層の強化繊維１２の角度ＨＢ（°）と、フープ巻層３の強化繊維１３の角度ＨＰ（°）との角度差は、図５ｂで示すように、９０°以下となる交差角１５を角度差とする。

また、本発明において、ヘリカル巻Ａ層２の回転軸１１に対して強化繊維が巻かれる巻き角度ＨＡ（°）は、５〜４５°であることが好ましい。ヘリカル巻Ａ層２を配し、巻き角度を４５°以下にすることにより本体筒１に捩りトルクが負荷されたときの、高い捩り強度と曲げ剛性を確保することができる。５°未満であると、マンドレル半径方向に対して強化繊維に張力が負荷されにくく本体筒１の強度が低下する場合がある。また、４５°を超えると捩り強度の確保が難しくなる場合がある。好ましくは６〜４５°、より好ましくは８〜４５°さらに好ましくは１０〜４５°である。

本発明において、ヘリカル巻Ｂ層の強化繊維１２の巻き角度をＨＢ（°）、ヘリカル巻Ａ層２の強化繊維が巻かれる巻き角度をＨＡ（°）とすると、ＨＢ（°）＜ＨＡ（°）であることがより好ましい。

本体筒１に捩りトルクが負荷されると、本体筒１には圧縮力がかかり、座屈破壊が起きて想定以下の捩り強度で破壊することがある。ここで、最も圧縮力が作用するヘリカル巻Ｂ層に耐圧縮力を持たせることで座屈破壊を抑止することができる。例えば、ＨＢ（°）を５°とする等、できるだけヘリカル巻Ｂ層の回転軸１１に対して小さい角度にすることが、耐圧縮力を発揮できて有利になる。一方、捩り強度を向上させるためには回転軸１１に対して４５°に近い角度を配することが有利である。しかしながら、一つのヘリカル巻層で耐圧縮性と捩り強度を両立することは困難であるので、ヘリカル巻層を分割し、ヘリカル巻Ｂ層の強化繊維の巻き角度よりも大きい巻き角度を有するヘリカル巻Ａ層２を外周側に設置することにより、本体筒１に耐圧縮性と捩り強度との両立を図ることができる。

また、本発明において、ヘリカル巻Ａ層２は単一角度でも良いし、２つの巻き角度を有する繊維を配しても良い。特に、ヘリカル巻Ａ層２を最外層側からヘリカル巻Ａ１層とヘリカル巻Ａ２層の２層とし、それぞれの角度をＨＡ１（°）とＨＡ２（°）とした場合、ヘリカル巻Ｂ層の巻き角度ＨＢ（°）との関係がＨＡ１（°）≦ＨＢ（°）＜ＨＡ２（°）になっていることが好ましい。前述した通り、ヘリカル角度は小さいほど耐圧縮力が高くなり、角度が大きくなると捩り強度が高くなる。前記関係式ＨＡ１（°）≦ＨＢ（°）＜ＨＡ２（°）の場合、ヘリカル巻Ａ層２を２層構成にすると捩り強度を負担するヘリカル巻Ａ２層が耐圧縮力を負担するヘリカル巻Ａ１層とヘリカル巻Ｂ層に挟まれる積層構成になるので、捩りトルクが負荷された時にかかるヘリカル巻Ａ２層の変形を上下から強固に抑えることができ、より高い捩り強度を発現する。

ここで、ヘリカル巻Ａ１層の巻き角度ＨＡ１（°）は耐圧縮力を期待するため、ヘリカル巻Ｂ層の角度ＨＢ（°）と同程度もしくはより小さいことが好ましい。

ＨＡ１（°）はＨＢ（°）と同様に、本体筒１の回転軸１１に対して５〜３０°の巻き角度で強化繊維を巻き付けることが好ましく、ＨＡ１（°）をＨＢ（°）と類似の角度にすることにより、ヘリカル巻Ａ２層に捩りトルクが負荷されたときの圧縮変形を抑制することができる。ヘリカル巻Ａ１層の巻き角度ＨＡ１（°）として、好ましくは本体筒１の回転軸１１に対して６〜２８°、より好ましくは８〜２６°、さらに好ましくは１０〜２５°である。

本発明の本体筒１を有する構成するマトリックス樹脂としては、熱硬化性のエポキシ樹脂を使用することができる。エポキシ樹脂としては、例えば、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、グリシジルアミン型エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂、ウレタン変性エポキシ樹脂、ブロム化ビスフェノールＡ 型エポキシ樹脂などを使用することができる。これらのエポキシ樹脂は、単独または２種類以上を併用して使用することができ、さらには液状のものから固体状のものまで使用することができる。

さらに、本発明は、フープ巻層３を形成するマトリックス樹脂は、ガラス転移点が１８５〜２３０℃のエポキシ系熱硬化性樹脂を用いることが好ましい。

上記ガラス転移点を有するエポキシ系熱硬化性樹脂のマトリックス樹脂の使用により、本体筒１の耐熱性を確保することができる。また、耐熱性の高いマトリックス樹脂は脆性傾向があるが、クラック防止層４を内側に配することにより、硬化時の熱膨張により自由端である本体筒１の内周面側が回転軸１１に膨張した際のクラックに対するに対する防護壁の役割を果たすことで、フープ巻層３の回転軸方向１１の膨張を抑えられ、フープ巻層３のクラックを抑制できる。

ガラス転移点が１８５℃未満であると、本体筒１の耐熱性に課題が生じる場合がある。また、ガラス転移点が２３０℃を超えると、本体筒１が脆くなり捩り強度が低下する場合があり、また、硬化時の熱膨張によるクラック発生抑制が困難になる場合がある。ガラス転移点は好ましくは１８８〜２２５℃、より好ましくは１９０〜２２０℃、更に好ましくは１９５〜２１５℃である。

また、本発明において、マトリックス樹脂は、脂環式エポキシ樹脂がエポキシ主剤１００重量部に対して２５重量部以上１００重量部以下含まれることが好ましい。マトリックス樹脂として脂環式エポキシのような比較的安価であるが脆性エポキシを使用することで一定の耐熱性を確保でき、かつ製品コスト競争力を下げることなく、クラックを抑制しながら、耐熱性向上の効果がえられ、捩り強度、曲げ剛性を向上させることが出来る。

また、本発明において、強化繊維を巻き付けた層に用いるマトリックス樹脂は巻層ごとに変えても良いし、同一でも良い。

本発明において、本体筒１は、強化繊維として、炭素繊維やアラミド繊維、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てもよく、これら繊維を組み合わせて使用してもよい。この中でもプロペラシャフトに必要な剛性を考慮すると炭素繊維が好ましい。また、フープ巻層やヘリカル巻層に用いられる繊維は同一でも良いし、層ごとに変えても良い。

クラック防止層４としては前述したように、ガラス不織布、強化繊維からなる布帛又は耐熱性の樹脂フィルムが好ましい。または強化繊維が回転軸方向に対して５〜３０°の巻き角度で巻かれたヘリカル巻Ｂ層とすることも好ましい。ガラス不織布、強化繊維からなる布帛又は耐熱性の樹脂フィルムは成形前にマンドレルに巻きつけておくことが望ましい。マンドレルへの巻きつけ方法は必要な長さに切った不織布などをテープでマンドレルに貼り付けたり、ローラーを使って成形に使用する樹脂を不織布などに含浸した後、不織布などをマンドレルに貼り付ける方法がある。また、クラック防止層４が強化繊維の場合、フープ巻層３やヘリカル巻Ａ層２と同じく後述するフィラメントワインディング法でマンドレルに巻きつけても良い。フープ巻層３やヘリカル巻Ａ層２は、フィラメントワインディング法によって成形されていることが好ましい。すなわち、エポキシ樹脂等のマトリックス樹脂を含浸させた炭素繊維束を、給糸ノズルを介して供給し、ローラー等で押し潰して所定の開繊幅として、前述したクラック防止層４の外周に、樹脂含浸させた炭素繊維束を層状に巻き付けたものである。このとき、フープ巻層３の両側端部は、厚肉部とするために厚肉巻きにすることが好ましい。フープ巻層３を巻き終えた後、ヘリカル巻Ａ層を形成する際には、樹脂含浸させた炭素繊維束をマンドレルの全長に亘って巻き付け、マトリックス樹脂を加熱硬化させることで、本体筒１が形成される。

以下、実施例によって、本発明の一体化成形体およびその製造方法について具体的に説明するが、下記の実施例は本発明を何ら制限するものではない。

（１）クラック発生有無の確認方法
得られた本体筒１の両端部を軸方向に切断し、切断面を研磨紙♯４００、♯８００、♯１２００（Ｒｅｆｉｎｅ ｔｅｃ製）で研磨した後、マイクロスコープ（（株）キーエンス製ＶＨＸ−１０００）で観察した。

（２）ガラス転移点の測定方法
（１）で製作した本体筒１からダイアモンドカッターを用いて約２０ｍｇの試験片を切り出した後、Ｄｉａｍｏｎｄ ＤＳＣ（（株）パーキンエルマージャパン製））を用いて、ＪＩＳ Ｋ７１２１（２０１２年版）の示差走査熱量測定法に基づきガラス転移点を測定した。なお、温度条件は２０℃で５分間保持した後、４０℃／分の速度で３００℃まで昇温とした。

（３）捩り強度の評価試験方法
得られたプロペラシャフトの捩り評価試験は、トルク検出器２１とトルク負荷装置２２を具備する図８に示す捩り評価試験機２０によって測定した。

両端に継ぎ手２３が接合されたプロペラシャフト２４を、捩り評価試験機２０の固定部フランジ部２５に固定した。このとき、一方の可動部フランジ２６に設けられた油圧による回転駆動部により、プロペラシャフト２４へトルク負荷を作用させた。回転部に角度計を設けておき、変位量もあわせて計測した。他方の固定部フランジ２５は試験器ベースに固定され、可動部フランジ部２６に連結されたロードセルから破壊時のトルクを検出し、トルクｖｓ角度線図を表示させ破壊時のトルクを読み取った。捩り評価試験は恒温槽でプロペラシャフトを１７０℃で１時間加熱してから行った。

（実施例１）
図１に示すような３層構造の本体筒前駆体を以下の手順で製造した。クラック防止層４としてガラス不織布（オリベスト（株）製、ＡＵＯ-９０）をマンドレルの両端部に１周巻きつけた後、ハンドレイアップで樹脂を含浸させた。ガラス不織布を巻きつけた領域は本体筒１の端部から１５０ｍｍの長さとし、層厚は０．５ｍｍであった。

ガラス不織布の上に強化繊維である炭素繊維束（東レ（株）製“トレカ”（登録商標）Ｔ７００ＳＣ−５０Ｃ、２４０００フィラメント）を３本引き揃え、マンドレル直前での３本の炭素繊維束の合計張力を１５ｋｇに調整した後、炭素繊維束にマトリックス樹脂を含浸させた。マトリックス樹脂は、硬化剤（日立化成（株）製、ＭＨＡＣ−Ｐ）と、硬化促進剤（四国化成工業（株）製、“キュアゾール”（登録商標）２Ｅ４ＭＺ）と、エポキシ主剤（ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（三菱化学（株）製、ｊＥＲ８２７）と脂環式エポキシ樹脂（ハンツマン・ジャパン（株）製、ＣＹ１７９）を５０:５０の重量比で混合したもの）とを１０６．７:２:１００の重量比で調合したものを使用した。マトリックス樹脂を含浸させた炭素繊維束を、マンドレルの軸方向に対して８５°の巻き角度でマンドレルの全長にわたり巻き付け、フープ巻層３を得た。フープ巻層３の層厚は０．２ｍｍであった。さらに、本体筒１の端部から１５０ｍｍの領域に、マンドレルの軸方向に対して８５°の巻き角度でフープ巻層３を積層した。フープ巻層３全体の層厚は２．５ｍｍであった。

さらに、フープ巻層３の上に、前述のマトリックス樹脂を含浸させた炭素繊維束を、マンドレルの軸方向に対して４５°の角度で、本体筒１の全長にわたり、ヘリカル巻Ａ層２を積層した。ヘリカル巻Ａ層２の層厚は３．５ｍｍであった。

続いて、得られた本体筒前駆体を加熱炉に投入し、１００℃、２時間と１８０℃、４．５時間の温度条件にてマトリックス樹脂を硬化させ、硬化が完了した後、マンドレルを抜き取った（脱芯）。脱芯後、両端を切り落とし、長さ１０００ｍｍの本体筒１を得た。また、図６に示すように、得られた本体筒１にあらかじめ接合部９にセレーションを設けた金属継手８を本体筒１の両端に圧入しプロペラシャフト２４を得た。得られた本体筒のガラス転移温度は２００℃であった。

表１に積層の各層の構成と素材、各層の特性を示す。

実施例１において、金属継手８の圧入前の本体筒１のフープ巻層３にはクラックの発生は観察されなかった。また、捩り評価試験において、本体筒１の中央で破壊し、この時の破壊トルクは６０００Ｎｍであり、実使用上問題ないレベルであった。

（実施例２）
クラック防止層２として、マンドレル上に実施例１と同じ炭素繊維束に、実施例１と同じマトリックス樹脂を含浸させながら、マトリックス樹脂を含浸させた炭素繊維束を、マンドレルの軸方向に対して５°の巻き角度で、本体筒１の全長に相当する長さにわたって巻き付け、ヘリカル巻Ｂ層を形成した。ヘリカル巻Ｂ層の層厚は０．６ｍｍであった。

ヘリカル巻Ｂ層の上に、マンドレルの軸方向に対して８８°の巻き角度とした以外は、実施例１と同様にフープ巻層３を巻き付けた。

さらに、フープ巻層３の上に、含浸させた炭素繊維束を、マンドレルの軸方向に対して１０°の角度とした以外は実施例１と同様にして、ヘリカル巻Ａ層２を積層した。

続いて、実施例１と同様にして、本体筒１に金属継手８を圧入したプロペラシャフトを得た。

実施例２において、金属継手８の圧入前の本体筒１のフープ巻き層３にはクラックの発生は観察されなかった。また、捩り評価試験において、本体筒１の中央で破壊し、この時の破壊トルクは５０００Ｎｍであり、実使用上問題ないレベルであった。

（実施例３）
クラック防止層２として、強化繊維の巻き角度を１０°で積層したヘリカル巻Ｂ層を形成した。ヘリカル巻Ｂ層は本体筒１の全長に渡り、層厚は１．２ｍｍとした以外は実施例２と同様の条件でヘリカル巻Ｂ層を形成した。その後、実施例１と同様の条件で、フープ巻層３およびヘリカル巻Ａ層２を形成した。

その後は実施例２と同様にして、本体筒１に金属継手８を圧入したプロペラシャフトを得た。

実施例３において、金属継手８の圧入前の本体筒１のフープ巻層３にはクラックの発生は観察されなかった。また、捩り評価試験において、本体筒１の中央で破壊し、この時の破壊トルクは７８００Ｎｍであり、実使用上問題ないレベルであった。

（実施例４）
クラック防止層２としてヘリカル巻Ｂ層を巻き角度を１０°とし、層厚を０．６ｍｍとして本体筒１の全長に渡り積層した。その後、実施例２と同様にフープ巻層３を形成した。

その後、強化繊維の巻き角度を４５°、層厚を３．５ｍｍとしたヘリカル巻Ａ２層を形成した後、更にその外側に、強化繊維の巻き角度を１０°、層厚を０．６ｍｍとしたヘリカル巻Ａ１層を形成して、２層構成のヘリカル巻Ａ層とした。そして、実施例２と同様にして、本体筒１に金属継手８を圧入したプロペラシャフトを得た。

実施例４において、金属継手８の圧入前の本体筒１のフープ巻き層３にはクラックの発生は観察されなかった。また、捩り評価試験において、本体筒１の中央で破壊し、この時の破壊トルクは８４００Ｎｍであり、実使用上問題ないレベルであった。

（実施例５）
クラック防止層２としてヘリカル巻Ｂ層を形成し、フープ巻層３の積層構成を次のようにした以外は実施例２と同様に製造した。クラック防止層２としてヘリカル巻Ｂ層の強化繊維の巻き角度を２６°、ヘリカル巻Ｂ層は本体筒１の全長に渡り積層した。このとき、ヘリカル巻Ｂ層の層厚は１．２ｍｍであった。

また、フープ巻層３は、強化繊維の巻き角度を７４°とした以外は、実施例２と同様にして、本体筒１に金属継手８を圧入したプロペラシャフトを得た。

実施例５において、金属継手８の圧入前の本体筒１のフープ巻層３にはクラックの発生は観察されなかった。また、捩り評価試験において、本体筒１の中央で破壊し、この時の破壊トルクは８５００Ｎｍであり、実使用上問題ないレベルであった。

（実施例６）
クラック防止層２として、マトリックス樹脂が含浸した強化繊維からなる平織物(ＡＳ４００Ｓ)を用いて、厚みを１ｍｍとした以外は、実施例１と同様にしてプロペラシャフトを得た。

実施例６において、金属継手８の圧入前の本体筒１のフープ巻層３にはクラックの発生は観察されなかった。また、捩り評価試験において、本体筒１の中央で破壊し、この時の破壊トルクは６２００Ｎｍであり、実使用上問題ないレベルであった。

（実施例７）
クラック防止層２として、ポリエチレンテレフタレート樹脂製の耐熱性樹脂フィルム(東レ（株）製、“ルミラー”（登録商標） 品番Ｓ１０)を用いて、厚みを０．２５ｍｍとした以外は、実施例１と同様にしてプロペラシャフトを得た。

実施例７において、金属継手８の圧入前の本体筒１の、フープ巻層３にはクラックの発生は観察されなかった。また、捩り評価試験において、本体筒１の中央で破壊し、この時の破壊トルクは７４００Ｎｍであり、実使用上問題ないレベルであった。

（実施例８）
マトリックス樹脂として、硬化剤（日立化成（株）製、ＭＨＡＣ−Ｐ）と、硬化促進剤（四国化成工業（株）製、“キュアゾール”（登録商標）２Ｅ４ＭＺ）と、エポキシ主剤（脂環式エポキシ樹脂（ハンツマン・ジャパン（株）製、ＣＹ１７９）のみ）とを１０６．７:２:１００の重量比で調合したものを使用した以外は、実施例１と同様にして本体筒１を得た。

実施例８において、金属継手８の圧入前の本体筒１の得られた本体筒のガラス転移温度は２３０℃であった。また、捩り評価試験において、本体筒１の中央で破壊し、この時の破壊トルクは７６００Ｎｍであり、実使用上問題ないレベルであった。

（実施例９）
マトリックス樹脂として、硬化剤（日立化成（株）製、ＭＨＡＣ−Ｐ）と、硬化促進剤（四国化成工業（株）製、“キュアゾール”（登録商標）２Ｅ４ＭＺ）と、エポキシ主剤（ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（三菱化学（株）製、ｊＥＲ８２７）と脂環式エポキシ樹脂（ハンツマン・ジャパン（株）製、ＣＹ１７９）を７５:２５の重量比で混合したもの）とを１０６．７:２:１００の重量比で調合したものを使用した以外は、実施例１と同様にして本体筒１を得た。

実施例９において、金属継手８の圧入前の本体筒１の得られた本体筒のガラス転移温度は１８５℃であった。また、捩り評価試験において、本体筒１の中央で破壊し、この時の破壊トルクは６５００Ｎｍであり、実使用上問題ないレベルであった。

（比較例１）
ガラス不織布であるクラック防止層２を用いなかった以外は、実施例１と同じ方法で本体筒１を得た。比較例１において、金属継手８の圧入前の本体筒１のフープ巻層にはクラックの発生が見られ、実使用上問題のあるレベルであった。

本発明のプロペラシャフトは、自動車用プロペラシャフトのみならず、他の動力伝達のための製造機械や、搬送機械用のトルク伝達軸として有効に使用できる。

１ 本体筒
２ ヘリカル巻Ａ層
２ａ ヘリカル巻Ａ１層
２ｂ ヘリカル巻Ａ２層
３ フープ巻層
４ クラック防止層
５ 補強部
８ 金属継手
９ 接合部
１１ 回転軸
１２、１３ 強化繊維
１４、１５ 角度差
２０ 捩り評価試験機
２１ トルク検出器
２２ トルク負荷装置
２３ 継ぎ手
２４ プロペラシャフト
２５ 固定部フランジ部
２６ 可動部フランジ

Claims (10)

1. 繊維強化プラスチック製本体筒を有するプロペラシャフトであって、前記本体筒は、少なくとも最外層から順に、強化繊維を巻き付けたヘリカル巻Ａ層、前記本体筒の回転軸の延在方向に対して７０〜９０°の巻き角度で強化繊維を巻き付けたフープ巻層を有し、前記本体筒の少なくとも一方の端部には前記フープ巻層を厚肉化した補強部が形成され、前記補強部の最内層には、ガラス不織布、強化繊維からなる布帛、または耐熱性の樹脂フィルムの少なくとも１つを含むクラック防止層が設けられていることを特徴とするプロペラシャフト。
2. 前記補強部における前記クラック防止層と前記フープ巻層との厚み比率が１：２〜１：２０の範囲である請求項１に記載のプロペラシャフト。
3. 前記クラック防止層が、強化繊維を回転軸の延在方向に対して５〜３０°の巻き角度ＨＢ（°）で巻き付けたヘリカル巻Ｂ層である請求項１又は請求項２に記載のプロペラシャフト。
4. 前記ヘリカル巻Ｂ層の巻き角度ＨＢ（°）と前記フープ巻層の巻き角度ＨＰ（°）との角度差が４０〜８５°である請求項３に記載のプロペラシャフト。
5. 前記ヘリカル巻Ａ層の巻き角度ＨＡ（°）が５〜４５°である請求項１〜４のいずれかに記載のプロペラシャフト。
6. 前記ヘリカル巻Ａ層の巻き角度ＨＡ（°）と前記ヘリカル巻Ｂ層の巻き角度ＨＢ（°）が以下関係式を有する請求項３〜５のいずれかに記載のプロペラシャフト。
   ＨＢ（°）＜ＨＡ（°）
7. 前記ヘリカル巻Ａ層が最外層から順にヘリカル巻層ヘリカル巻Ａ１層及びＡ２から構成され、前記ヘリカル巻層ヘリカル巻Ａ１層及びＡ２それぞれの巻き角度をＨＡ１（°）、ＨＡ２（°）としたとき、前記ヘリカル巻Ｂ層の巻き角度ＨＢ（°）と以下式の関係を有する請求項３〜５のいずれかに記載のプロペラシャフト。
   ＨＡ１（°）≦ＨＢ（°）＜ＨＡ２（°）
8. 前記フープ巻層に用いるマトリックス樹脂として、少なくともガラス転移点が１８５〜２３０℃であるエポキシ系熱硬化性樹脂を含む請求項１〜７のいずれかに記載のプロペラシャフト。
9. 前記マトリックス樹脂は、脂環式エポキシ樹脂がエポキシ主剤１００重量部に対して２５重量部以上１００重量部以下含まれる請求項８に記載のプロペラシャフト。
10. 強化繊維を巻き付けた層に用いるマトリックス樹脂が同一の樹脂である請求項８又は９に記載のプロペラシャフト。

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