JP2020163838A - Ｆｒｐ製筒体および動力伝達軸 - Google Patents

Abstract

【課題】筒体の捩り強度を維持して、相手部材との接合強度をより向上させることができる繊維強化プラスチック製筒体およびその筒体を使用した動力伝達軸を提供する。【解決手段】補強繊維と樹脂からなるプリプレグを筒状に巻回してなる繊維強化プラスチック製筒体において、この筒体の径方向断面形状における外径形状が多角形であり、かつ、この筒体の径方向断面における内径形状が円形であり、該筒体の軸方向全体にわたり一定形状であり、特に上記多角形が正多角形である。【選択図】図１

Description

本発明は、捩り強度を低下させることなく、相手部材との接合強度を高めた繊維強化プラスチック(以下、ＦＲＰという）製筒体およびその筒体からなる動力伝達軸に関する。

近年、燃費向上による二酸化炭素排出量の削減要請を受けて、例えばドライブシャフトやプロペラシャフトなどの動力伝達軸などの車両部品をＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）円筒体で構成して、車両部品ひいては車両全体を軽量化する研究が盛んに行なわれており、一部では実用化もされている。例えば、ＦＲＰ製ドライブシャフトやプロペラシャフトの場合、（１）ＦＲＰ製円筒体の捩り強度、（２）相手部材との接合強度の両立が求められる。特に接合技術は重要であり、種々の取り組みがされている。

従来のＦＲＰ製筒体の一例として、特許文献１が知られている。図２０にこのＦＲＰ製筒体を示す。ＦＲＰ製筒体１１は、円筒体の本体１６と、この本体１６にテーパー部１７を介して設けられた接合部１５とを有する。ＦＲＰ製筒体１１において、円筒体の本体１６の径方向断面における外径形状を円形とし、接合部１５の径方向断面における外径形状１２のみを正多角形（１３は多角形の頂点）としている。このような構成により、大きなトルクに対してもすべりが生じず、全体が円形の場合よりも高い接合強度を得ている（特許文献１参照）。

また、従来のＦＲＰ製筒体の他の例として、円筒体の接合部を正六角形とし、正六角形の角の頂部からパイプ直管部に至るまで傾斜角１０°以下のテーパー状にすることで応力集中を緩和し、高い接合強度が得られる筒体が知られている（特許文献２参照）。

特開平３−２５４９２６号公報 特開平４−３０７２２５号公報

特許文献１に記載されているＦＲＰ製筒体は、接合部を機械的に接合することで、高い接合強度が得られるが、正多角形状と円筒形状の境目にどうしても段差ができてしまい、応力集中により本来のＦＲＰ製筒体の捩り強度以下でしか接合できない。

特許文献２に記載されているＦＲＰ製筒体は、正六角形状テーパー形状にすることで応力集中が緩和されている。しかし、接合部を多角形状にすることで、接合強度は一定以上担保できているが、多角形から円筒にするためのテーパーエッジ部に特許文献１と同様に応力集中が発生してしまい、やはり本来のＦＲＰ製筒体の捩り強度以下でしか接合できない。

本発明はこのような問題に対処するためになされたものであり、ＦＲＰ製筒体の捩り強度を維持して、相手部材との接合強度をより向上させることができるＦＲＰ製筒体およびその筒体を使用した動力伝達軸の提供を目的とする。

本発明のＦＲＰ製筒体は、補強繊維と樹脂からなるプリプレグを筒状に巻回してなるＦＲＰ製筒体である。この筒体の径方向断面における外径形状が多角形であり、かつ、上記筒体の径方向断面における内径形状が円形であり、上記筒体の軸方向全体にわたり一定形状であることを特徴とする。特にこの多角形が、正多角形であることを特徴とする。

上記多角形が、五角形以上の多角形であることを特徴とする。また、上記プリプレグの巻き終わり端部が、上記多角形の頂点であるエッジ部に位置することを特徴とする。

上記補強繊維が炭素繊維であり、上記樹脂がエポキシ樹脂であることを特徴とする。

本発明の動力伝達軸は、捩り作用を受けながら回転することで動力を伝達するものであって、この動力伝達軸が本発明のＦＲＰ製筒体であることを特徴とする。

本発明のＦＲＰ製筒体は、接合部と本体との区別なく全体の外径形状が多角形であり、かつ、内径形状が円形であるので、捩り強度を低下させることなく高い接合強度を有する。

プリプレグの巻き終わり端部が、多角形の頂点であるエッジ部に位置するので、巻き終わり端部からの亀裂や層間破壊を好適に抑制でき、高いねじり強度になる。

本発明の動力伝達軸は、本発明の繊維強化プラスチック製筒体を使用するので、捩り強度を低下させることなく相手部材との高い接合強度が得られる。

外径形状が正五角形のＦＲＰ製筒体の側面図と正面図である。 外径形状が正六角形のＦＲＰ製筒体の側面図と正面図である。 外径形状が正八角形のＦＲＰ製筒体の側面図と正面図である。 外径形状が正四角形のＦＲＰ製筒体の側面図と正面図である。 外径形状が真円のＦＲＰ製筒体の側面図と正面図である。 比較例２で用いたＦＲＰ製筒体の側面図と正面図である。 比較例３で用いたＦＲＰ製筒体の側面図と正面図である。 比較例４で用いたＦＲＰ製筒体の側面図と正面図である。 比較例５で用いたＦＲＰ製筒体の側面図と正面図である。 比較例６で用いたＦＲＰ製筒体の側面図と正面図である。 比較例７で用いたＦＲＰ製筒体の側面図と正面図である。 試験方法を示す概念図である。 捩り試験の際にＦＲＰ製筒体に発生する応力の分布図である。 シートワインディング法による円筒体の作製を示す図などである。 外径形状が正四角形のＦＲＰ製筒体の斜視図などである。 実施例５〜７で用いたＦＲＰ製筒体の側面図である。 実施例８〜１０で用いたＦＲＰ製筒体の側面図である。 比較例８〜９で用いたＦＲＰ製筒体の側面図である。 捩り試験の際にＦＲＰ製筒体に発生する応力の分布図である。 従来例のＦＲＰ製円筒体を説明する図である。

本発明者達は、ＦＲＰ製筒体の捩り強度および接合強度を向上する目的で鋭意検討を行なった。従来のように、接合部の径方向断面の外径形状を六角形などの正多角形にすると共に、円筒体本体との境目をテーパーとすることで、接合強度は向上するが、正多角形部分と円筒部分もしくはテーパー部分の境目に応力が集中してしまい、本来のパイプの捩り強度以下でしか接合できない。円筒体全体を多角形とすることで、正多角形部分と円筒形部分の境目の応力集中をなくすことができ、パイプ強度と接合強度を両立できることを見い出した。本発明はこのような知見に基づいてなされたものである。

図１を参照して、本発明のＦＲＰ製筒体を説明する。図１はＦＲＰ製筒体を説明する図であり、図１（ａ）はＦＲＰ製筒体の側面図であり、図１（ｂ）は正面図である。
本発明のＦＲＰ製筒体は、全体が多角形状の筒状体である。すなわち、筒体の径方向断面における外径形状が多角形であり、筒体の軸方向には端部を含めて一定の形状となる。例えば、図１に示す例では、ＦＲＰ製筒体１は、径方向断面における外径形状２が正五角形である。また、多角形の頂点であるエッジ部３がシャープエッジとなる場合、応力集中や補強繊維の破壊などを抑えるため、面取り加工をすることが好ましい。筒体１の内径形状４は、円形、好ましく真円であることが、捩り強度を維持するために好ましい。また、筒体の径方向断面において、円形中心は、多角形の中心に位置することが好ましい。

筒体の径方向断面における外径形状は、三角形以上であればよく、頂点数としては３以上である。頂点数は、好ましくは４以上であり、より好ましくは５以上であり、さらに好ましくは５〜１２程度である。また、筒体の捩り強度を確保しやすいことから、正多角形であることが好ましい。汎用性などを考慮すると、特に、正四角形、正五角形、正六角形、または正八角形とすることが好ましい。

本発明のＦＲＰ製筒体は、補強繊維と樹脂からなるプリプレグを巻回してなる。プリプレグに使用されるマトリックス樹脂としては、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂のいずれも使用することができるが、成形時に補強繊維への含浸が容易であり、高強度なものが得られやすいことから熱硬化性樹脂が好ましい。熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂などを使用することができる。なかでも、耐熱性、耐水性、接着性に優れたエポキシ樹脂が好ましい。

また、補強繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、ポリアミド繊維、その他の高強度、高弾性率繊維を使用することができる。なかでも、比強度、比弾性率に優れた炭素繊維が好ましく、炭素繊維のなかでもＰＡＮ系炭素繊維が好ましい。なお、これらの補強繊維は、異なる種類のものを併用することができる。また、同じ種類のものであっても、特性の異なるものを併用することができる。

プリプレグに含まれる繊維含有率は、各層の特性、特に機械的特性を考慮すれば、好ましくは、プリプレグ全体に対して、３０体積％〜８５体積％、より好ましくは５０体積％〜８０体積％であり、さらに薄肉軽量を指向する場合には、６５体積％〜７５体積％であるのが好ましい。

ここで、ＦＲＰ製筒体の作製方法として、炭素繊維などの補強繊維を樹脂に含浸させながらマンドレルに巻いていくフィラメントワインディング法や、炭素繊維などの補強繊維と樹脂からなる複数のプリプレグを筒状に巻回して熱硬化させ、複数のＦＲＰ層とするシートワインディング（プリプレグ）法が知られている。フィラメントワインディング法によるＦＲＰ製筒体は、所定量以上の樹脂を必要とし、かつ、補強繊維の体積含有率に上限があるため、軽量化と高強度化の要望に充分に応えることが困難である。

これに対して、シートワインディング法によるＦＲＰ製筒体は、必要最小限の樹脂量でも補強繊維の体積含有率を高くできるという特徴があり、軽量化と高強度化を同時に図る上で有利である。そのため、本発明のＦＲＰ製筒体では、シートワインディング法を用いることが好ましい。さらには、ねじりを受けた際の繊維座屈を抑制するために、ＦＲＰ製筒体の複数のＦＲＰ層中に、筒体の軸方向に斜交する繊維層を有するねじり剛性保持プリプレグと、筒体の軸方向に直交する繊維層を有する座屈防止プリプレグを重ねたセットプリプレグを複数回連続して巻回して熱硬化させた同時多層巻回層を含ませてもよい。これにより、ねじり強度の向上を図ることができる。

図１４に、シートワインディング法の概略を示す。図１４（ａ）はＦＲＰ製筒体の製造過程を示す斜視図であり、図１４（ｂ）はＦＲＰ製円筒体の斜視図であり、図１４（ｃ）はＢ部拡大図である。図１４（ａ）に示すように、マンドレル９を矢印Ａの方向に回転させ、プリプレグ８をマンドレル９に巻き付けることでＦＲＰ製筒体を製造する。プリプレグ８は、補強繊維８ｂを多数本平行に引き揃えたシートに、マトリックス樹脂８ａを含浸させた成形材料であり、一方向プリプレグ（ＵＤプリプレグ）である。マトリックス樹脂８ａには、上述のように熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂を用いることができる。プリプレグ８の１枚の厚さは、例えば０．０５ｍｍ〜１．０ｍｍであり、好ましくは０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍである。ＦＲＰ製筒体を構成するプリプレグ８は、捩り強度を向上させるために、補強繊維８ｂが樹脂シート中において筒体の軸方向に対して角度θとなるように配向していることが好ましい。角度の範囲は、例えば３０°≦θ≦６０°であり、好ましくは４０°≦θ≦５０°である。捩り強度を考慮すると、より好ましい角度θは大略４５°である。

シートワインディング法で作製した筒体の場合、筒体の最外層にプリプレグ８の巻き終わり端部Ｐが形成される（図１４（ｂ）、（ｃ）参照）。図１４（ｂ）に示すように、巻き終わり端部Ｐは、筒体の軸方向に沿って一端から他端にかけて形成される。ねじりの際には、この筒体の最外層に最大せん断応力が発生するため、繊維座屈を抑制しても巻き終わり端部Ｐから亀裂が進展するおそれがある。

そこで、筒体の径方向断面における外径形状を多角形、内径形状を円形とした上で、更に巻き終わり端部Ｐの位置を制御することでねじり強度を一層向上させることが好ましい。具体的な一形態を図１５に示す。

図１５（ａ）は、ＦＲＰ製筒体の斜視図であり、図１５（ｂ）は側面図である。ＦＲＰ製筒体１０の外径形状１０ａは正四角形であり、内径形状１０ｄは真円である。ＦＲＰ製筒体１０の径方向断面において、円形中心は、正四角形の中心に位置している。図１５（ｂ）に示すように、外径形状１０ａは、４つの辺部１０ｂと４つのエッジ部１０ｃとで形成される。エッジ部１０ｃは、正四角形の頂点が面取りなどされた丸角となっている。この形態では、プリプレグの巻き終わり端部Ｐが、正四角形のエッジ部に位置することを特徴としている。ねじりの際、外径形状が円形の場合には外径部全周に均等に最大せん断応力がかかるが、外径形状を多角形とすることで、エッジ部にかかるせん断応力は低くなる。そのため、巻き終わり端部をせん断応力がかかりにくいエッジ部に位置させることで、巻き終わり端部からの亀裂や層間破壊を好適に抑制でき、高いねじり強度が得られる。

なお、外径形状の多角形のエッジ部はシャープエッジでもよいが、応力集中や補強繊維の破壊を防止する点から、チャンファーを付与すること（糸面取りなど）が好ましい。

本発明のＦＲＰ製筒体は、捩り強度および接合強度に優れるため、具体的には、例えば、航空機、自動車、自転車などにおける各種フレーム、パイプとして、またプロペラシャフト、ドライブシャフトなどの動力伝達軸として、さらに釣竿、ゴルフクラブ用シャフト、スキーポール、テントの支柱などの各種レジャー用品としてのＦＲＰ製筒体に使用できる。

実施例１〜４および比較例１〜７に用いたプリプレグは、厚さ０．１ｍｍの東レ（株）製プリプレグＰ３２５２Ｓ−１０を用いた。このプリプレグは、東レ（株）製ＰＡＮ系炭素繊維Ｔ７００ＳＣを互いに平行かつシート状に引き揃えたものにＢステージのエポキシ樹脂を含浸した一方向性プリプレグである。プリプレグ全体における炭素繊維の含有率は６７体積％である。プリプレグは内層部分にプリプレグの繊維の配向方向が筒体の軸方向に対して９０°となるように巻き付けた後、２枚目以降は±４５°で巻き付け、１３０℃で１２０分間加熱してマトリックス樹脂を硬化させることで作製した。筒体外径部には研磨を施した。なお、プリプレグの巻き終わり端部は、この研磨によって消失している。また、実施例１〜４および比較例１〜７で得られたＦＲＰ製筒体に対して捩り試験および接合試験を行なった。

図１２は試験方法を示す概念図であり、捩り強度評価方法を図１２（ａ）に、接合試験方法を図１２（ｂ）、（ｃ）に示す。捩り強度はＦＲＰ製筒体の試験体７の両端をチャック５（５ａと５ｂ）で固定し、一方の端部を捩るときの捩り力を測定した。図１２（ｂ）に示す接合試験は、試験体７の一方の端部の外径部に接合治具６を設け、試験体７の一方の端部をチャック５ａで固定し、他方の端部は接合治具６をチャック５ｂで固定し、筒体の端部を捩るときの捩り力および捩りに伴う破断の状況を測定した。図１２（ｃ）に示す接合試験は、試験体７の一方の端部の内径部に接合治具６を設け、試験体７の一方の端部をチャック５ａで固定し、他方の端部は接合治具６をチャック５ｂで固定し、筒体の端部を捩るときの捩り力および捩りに伴う破断の状況を測定した。接合試験の接合長さはすべて５０ｍｍで実施した。捩りの評価は、○が１５００Ｎ・ｍ以上、△が５０１〜１５００Ｎ・ｍ未満、×が５００Ｎ・ｍ以下である。

実施例１
円筒のマンドレルにプリプレグをシートワインディング法で巻き付け、五角形形状を付与したい箇所に外径より正五角形の割型にて拘束し、硬化させることにより、図１に示す正五角形状のＦＲＰ製筒体を作製した。なお、後述の実施例２〜４および比較例２〜３では、それぞれ所望の多角形形状の割型を用いて作製した。図１は、外径形状２が正五角形のＦＲＰ製筒体１の側面図（ａ）および正面図（ｂ）である。内径形状４は真円であり、円形中心は、外径形状２の正五角形の中心に位置する。筒体の長軸の長さｒ_１が３０ｍｍ、一辺の長さｒ_２が２０ｍｍ、内径φが２２ｍｍであった。その後、接合試験のため、治具にエポキシ系接着剤を用いて嵌め合わせ、ねじり速度０．５°／ｓで捩り試験を行なった。結果を表１に示す。

実施例２
実施例１と同様の方法により、図２に示す正六角形状のＦＲＰ製筒体を作製した。図２は、外径形状２Ａが正六角形のＦＲＰ製筒体１Ａの側面図（ａ）および正面図（ｂ）である。内径形状４は真円であり、円形中心は、外径形状２Ａの正六角形の中心に位置する。筒体の対辺の長さｒ_３が３０．５ｍｍ、内径φが２２ｍｍであった。その後、接合試験のため、治具にエポキシ系接着剤を用い嵌め合わせ、ねじり速度０．５°／ｓで捩り試験を行なった。結果を表１に示す。

実施例３
実施例１と同様の方法により、図３に示す正八角形状のＦＲＰ製筒体を作製した。図３は、外径形状２Ｂが正八角形のＦＲＰ製筒体１Ｂの側面図（ａ）および正面図（ｂ）である。内径形状４は真円であり、円形中心は、外径形状２Ｂの正八角形の中心に位置する。筒体の対辺の長さｒ_４が２９．５ｍｍ、内径φが２２ｍｍであった。その後、接合試験のため、治具にエポキシ系接着剤を用い嵌め合わせ、ねじり速度０．５°／ｓで捩り試験を行なった。結果を表１に示す。

実施例４
実施例１と同様の方法により、図４に示す正四角形状のＦＲＰ製筒体を作製した。図４は、外径形状２Ｃが正四角形のＦＲＰ製筒体１Ｃの側面図（ａ）および正面図（ｂ）である。内径形状４は真円であり、円形中心は、外径形状２Ｃの正四角形の中心に位置する。一辺の長さｒ_５が２９．４ｍｍ、内径φが２２ｍｍであった。その後、接合試験のため、治具にエポキシ系接着剤を用い嵌め合わせ、ねじり速度０．５°／ｓで捩り試験を行なった。結果を表１に示す。

比較例１
シートワインディング法により、図５に示す真円筒形状のＦＲＰ製筒体を作製した。図５は、外径形状１２Ａが真円形のＦＲＰ製筒体１１Ａの側面図（ａ）および正面図（ｂ）である。内径形状１４は真円であり、その円形中心は、外径形状１２Ａの円形中心と同心である。筒体の外径ｒ_６が３０．０ｍｍ、内径φが２２ｍｍであった。その後、接合試験のため、治具にエポキシ系接着剤を用い嵌め合わせ、ねじり速度０．５°／ｓで捩り試験を行なった。結果を表１に示す。

比較例２
実施例１と同様の方法により、図６に示すＦＲＰ製筒体を作製した。図６は、接合部１５の断面の外径形状１２Ｂが正四角形であり、この接合部１５からテーパー部１７を経て設けられた本体１６が円筒形のＦＲＰ製筒体１１Ｂの側面図（ａ）および正面図（ｂ）である。内径形状１４は真円であり、その円形中心は、接合部１５の外径形状１２Ｂの正四角形の中心に位置し、かつ、本体１６の外径形状の円形中心と同心である。接合部１５の一辺の長さｒ_７が２６．６ｍｍ、内径φが２２ｍｍ、本体１６における円筒外径が２５ｍｍであった。その後、接合試験のため、治具にエポキシ系接着剤を用い嵌め合わせ、ねじり速度０．５°／ｓで捩り試験を行なった。結果を表１に示す。

比較例３
実施例１と同様の方法により、図７に示すＦＲＰ製筒体を作製した。図７は、接合部１５の断面の外径形状１２Ｃが正六角形であり、この接合部１５からテーパー部１７を経て設けられた本体１６が円筒形のＦＲＰ製筒体１１Ｃの側面図（ａ）および正面図（ｂ）である。内径形状１４は真円であり、その円形中心は、接合部１５の外径形状１２Ｃの正六角形の中心に位置し、かつ、本体１６の外径形状の円形中心と同心である。接合部１５の対辺の長さｒ_８が３０．５ｍｍ、本体１６における円筒外径ｒ_９が３０ｍｍ、内径φが２２ｍｍであった。その後、接合試験のため、治具にエポキシ系接着剤を用い嵌め合わせ、ねじり速度０．５°／ｓで捩り試験を行なった。結果を表１に示す。

比較例４
正四角形のマンドレルにプリプレグをシートワインディング法で巻き付け、四角形形状を付与したい箇所に外径より正四角形の割型にて拘束し、硬化させることにより、図８に示す正四角形状のＦＲＰ製筒体を作製した。なお、後述の比較例５〜７では、それぞれ所望の多角形形状のマンドレルおよび多角形形状の割型を用いて作製した。図８は、外径形状１２Ｄが正四角形のＦＲＰ製筒体１１Ｄの側面図（ａ）および正面図（ｂ）である。内径形状１４は正四角形であり、該正四角形の中心は、外径形状１２Ｄの正四角形の中心に位置する。外径の正四角形の一辺の長さｒ_１０が２９．４ｍｍ、内径の正四角形の一辺の長さｒ_１１が２１．４ｍｍであった。その後、接合試験のため、内径接合となるように治具にエポキシ系接着剤を用い嵌め合わせ、ねじり速度０．５°／ｓで捩り試験を行なった。結果を表１に示す。

比較例５
比較例４と同様の方法により、図９に示す正五角形状のＦＲＰ製筒体を作製した。図９は、外径形状１２Ｅが正五角形のＦＲＰ製筒体１１Ｅの側面図（ａ）および正面図（ｂ）である。内径形状１４は正五角形であり、該正五角形の中心は、外径形状１２Ｅの正五角形の中心に位置する。外径の正五角形の長軸の長さｒ_１２が３０ｍｍ、一辺の長さｒ_１３が２０ｍｍ、内径の正五角形の長軸の長さｒ_１４が２２ｍｍ、一辺の長さｒ_１５が１４．７ｍｍであった。その後、接合試験のため、内径接合となるように治具にエポキシ系接着剤を用い嵌め合わせ、ねじり速度０．５°／ｓで捩り試験を行なった。結果を表１に示す。

比較例６
比較例４と同様の方法により、図１０に示す正六角形状のＦＲＰ製筒体を作製した。図１０は、外径形状１２Ｆが正六角形のＦＲＰ製筒体１１Ｆの側面図（ａ）および正面図（ｂ）である。内径形状１４は正六角形であり、該正六角形の中心は、外径形状１２Ｆの正六角形の中心に位置する。外径の正六角形の対辺の長さｒ_１６が３０．５ｍｍ、内径の正六角形の対辺の長さｒ_１７が２２．５ｍｍであった。その後、接合試験のため、内径接合となるように治具にエポキシ系接着剤を用い嵌め合わせ、ねじり速度０．５°／ｓで捩り試験を行なった。結果を表１に示す。

比較例７
比較例４と同様の方法により、図１１に示す正八角形状のＦＲＰ製筒体を作製した。図１１は、外径形状１２Ｇが正八角形のＦＲＰ製筒体１１Ｇの側面図（ａ）および正面図（ｂ）である。内径形状１４は正八角形であり、該正八角形の中心は、外径形状１２Ｇの正八角形の中心に位置する。外径の正八角形の対辺の長さｒ_１８が２９．５ｍｍ、内径の正八角形の対辺の長さｒ_１９が２１．５ｍｍであった。その後、接合試験のため、内径接合となるように治具にエポキシ系接着剤を用い嵌め合わせ、ねじり速度０．５°／ｓで捩り試験を行なった。結果を表１に示す。

また、一部のＦＲＰ製筒体において、ねじりを受けた際の応力状態を図１３に示す。

表１に示すように、実施例１〜４は、ＦＲＰ製筒体の捩り強度に優れていると共に、接合試験においても筒体と接合治具との接着強さが優れていた。特に、実施例１〜３は、実施例４に比べて、多角形の頂点数が多く、接合部の応力集中がより抑制され、捩り強度と同等の接合試験結果が得られた。また、接合試験においても、捩りに対する破断が筒体中心で発生し、筒体と接合治具との接着強さが優れていた。これに対して、比較例１は、接合部の接着剤より破断した。比較例２および比較例３は、ＦＲＰ製筒体でねじり試験をした際も、形状が変わる境目より割れが発生し、本来の材料規格値以下の捩り強度となった。

比較例４〜比較例７は、内径形状を多角形として内径接合にて接合試験を実施した。これらでは筒体単体の強度を評価したが、内径部の応力集中により、本来の材料規格値以下の捩り強度となった。表１の結果より、内径形状は円形にしないと材料規格値の捩り強度が得られないことが判明した。また、筒体の材料規格値を十分に発揮し接合するためには、外径側を用いて接合することが好ましい。

また、図１３より、外径形状が多角形で、かつ、内径形状が円形の筒体（実施例２）では平面部の略中央部に最大応力がかかるに対して、真円筒形状（比較例１）では外径部に最大応力がかかり、外径形状および内径形状が多角形の筒体（比較例６）では内径形状の多角形のエッジ部に最大応力がかかることが分かる。言い換えると、外径形状が多角形で、かつ、内径形状が円形の筒体では、ねじりの際に外径形状の多角形のエッジ部にはせん断応力がかかりにくいことが分かる。

次に、シートワインディング法で筒体を作製した際の巻き終わり端部の位置について検討した。以下の実施例５〜１０および比較例８〜９に用いたプリプレグは、上記と同様に、厚さ０．１ｍｍの東レ（株）製プリプレグＰ３２５２Ｓ−１０を用いた。プリプレグは、内層部分にプリプレグの繊維の配向方向が筒体の軸方向に対して９０°となるように巻き付けた後、２枚目以降を±４５°の繊維配向で巻き付け、１３０℃で１２０分間加熱してマトリックス樹脂を硬化させることで作製した。

実施例５〜７
円筒のマンドレルにプリプレグをシートワインディング法で巻き付け、各多角形形状を付与したい箇所に外径より正多角形の割型にて拘束し、硬化させることにより、図１６（ａ）〜（ｃ）に示す各多角形状のＦＲＰ製筒体を作製した。各ＦＲＰ製筒体の内径形状は内径φ２２ｍｍの真円であり、その円形中心は、外径形状の正多角形の中心に位置する。各ＦＲＰ製筒体の筒体長さは２１０ｍｍである。図１６（ａ）は、実施例５を示し、外径形状が正三角形（一辺の長さ５０ｍｍ）のＦＲＰ製筒体である。図１６（ｂ）は、実施例６を示し、外径形状が正四角形（一辺の長さ２９．４ｍｍ）のＦＲＰ製筒体である。図１６（ｃ）は、実施例７を示し、外径形状が正六角形（対辺の長さ３０．５ｍｍ）のＦＲＰ製筒体である。なお、図１６に示すように、巻き終わり端部Ｐは各多角形の辺部の略中央に位置している。

実施例８〜１０
円筒のマンドレルにプリプレグをシートワインディング法で巻き付け、各多角形形状を付与したい箇所に外径より正多角形の割型にて拘束し、硬化させることにより、図１７（ａ）〜（ｃ）に示す各多角形状のＦＲＰ製筒体を作製した。各ＦＲＰ製筒体の内径形状は内径φ２２ｍｍの真円であり、その円形中心は、外径形状の正多角形の中心に位置する。各ＦＲＰ製筒体の筒体長さは２１０ｍｍである。図１７（ａ）は、実施例８を示し、外径形状が正三角形（一辺の長さ５０ｍｍ）のＦＲＰ製筒体である。図１７（ｂ）は、実施例９を示し、外径形状が正四角形（一辺の長さ２９．４ｍｍ）のＦＲＰ製筒体である。図１７（ｃ）は、実施例１０を示し、外径形状が正六角形（対辺の長さ３０．５ｍｍ）のＦＲＰ製筒体である。なお、図１７に示すように、巻き終わり端部Ｐは各多角形のエッジ部に位置している。

比較例８〜９
シートワインディング法により、図１８（ａ）に示す真円筒形状のＦＲＰ製筒体、および図１８（ｂ）に示す楕円筒形状のＦＲＰ製筒体を作製した。図１８（ｂ）のＦＲＰ製筒体は、楕円筒のマンドレルにプリプレグをシートワインディング法で巻き付け、楕円形状を付与したい箇所に外径より楕円形の割型にて拘束し、硬化させることにより作製した。各ＦＲＰ製筒体の筒体長さは２１０ｍｍである。図１８（ａ）は、比較例８を示し、外径φが２８ｍｍ、内径φが２２ｍｍである。図１８（ｂ）は、比較例９を示し、外径側の楕円の長径が３２ｍｍ、短径が２８ｍｍであり、内径側の楕円の長径が２２．５ｍｍ、短径が１８．５ｍｍである。なお、図１８に示す筒体の外径形状にはエッジ部がなく、巻き終わり端部Ｐは、図１８に示した位置にそれぞれ位置している。

上記で得た実施例５〜１０および比較例８〜９のＦＲＰ製筒体に対して、ねじり速度０．５°／ｓで捩り試験を行なった。捩り試験は、上述した図１２（ａ）の方法に基づいて実施した。なお、各ＦＲＰ製筒体の断面積の違いで破断トルクが異なるため、最大せん断応力にて評価した。各ＦＲＰ製筒体の最大せん断応力を表２にそれぞれ示す。また、一部のＦＲＰ製筒体において、ねじりを受けた際の応力状態を図１９に示す。

捩り試験の結果、実施例５〜７および比較例８〜９は、巻き終わり端部が起点となって破断した。一方、実施例８〜１０は、巻き終わり端部からではない箇所が起点となって破断した。表２に示すように、巻き終わり端部をエッジ部に位置させることで、巻き終わり端部に起因する破断の影響を抑制できるため、より高い最大せん断応力が得られた。

また、図１９に示すように、ねじりの際、外径形状が円形の場合には外径部全周に均等に最大せん断応力がかかるが、外径形状を多角形とすることで、エッジ部にかかるせん断応力は低くなる。そのため、巻き終わり端部をせん断応力がかかりにくいエッジ部に位置させることで、巻き終わり端部からの亀裂や層間破壊を好適に抑制でき、結果的に高いねじり強度が得られる。このように、特に実施例８〜１０では、筒体の形状および巻き終わり端部を制御することで、高いねじり強度を有するＦＲＰ製筒体が得られた。

本発明の繊維強化プラスチック製筒体および動力伝達軸は、捩り強度が大幅に向上すると共に、接合強度にも優れているので、自動車用ドライブシャフトなど、特定の捩り方向に捩り負荷の掛かりやすい部材に利用することができる。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ ＦＲＰ製筒体
２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ 外径形状
３ エッジ部
４ 内径形状
５ チャック
６ 接合治具
７ 試験体
８ プリプレグ
９ マンドレル
１０ ＦＲＰ製筒体
１１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ、１１Ｅ、１１Ｆ、１１Ｇ ＦＲＰ製筒体
１２、１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄ、１２Ｅ、１２Ｆ、１２Ｇ 外径形状
１３ 多角形の頂点
１４ 内径形状
１５ 接合部
１６ 本体
１７ テーパー部
Ｐ 巻き終わり端部

Claims (6)

1. 補強繊維と樹脂からなるプリプレグを筒状に巻回してなる繊維強化プラスチック製筒体であって、
   前記筒体の径方向断面における外径形状が多角形であり、かつ、前記筒体の径方向断面における内径形状が円形であり、前記筒体の軸方向全体にわたり一定形状であることを特徴とする繊維強化プラスチック製筒体。
2. 前記多角形が、正多角形であることを特徴とする請求項１記載の繊維強化プラスチック製筒体。
3. 前記多角形が、五角形以上の多角形であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の繊維強化プラスチック製筒体。
4. 前記プリプレグの巻き終わり端部が、前記多角形の頂点であるエッジ部に位置することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項記載の繊維強化プラスチック製筒体。
5. 前記補強繊維が炭素繊維であり、前記樹脂がエポキシ樹脂であることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項記載の繊維強化プラスチック製筒体。
6. 捩り作用を受けながら回転することで動力を伝達する動力伝達軸であって、この動力伝達軸が請求項１から請求項５までのいずれか１項記載の繊維強化プラスチック製筒体であることを特徴とする動力伝達軸。