JP2021160263A - Ｆｒｐ製円筒体および動力伝達軸 - Google Patents

Abstract

【課題】ＦＲＰ製円筒体に加わる捩り負荷に対する捩り強度の長期信頼性を確立してその破壊を確実に防止することができるＦＲＰ製円筒体およびその円筒体を使用した動力伝達軸を提供する。【解決手段】ＦＲＰ製円筒体１は、熱硬化性樹脂４と一方向に配向した補強繊維３とを含む複数の一方向プリプレグを円筒状に巻回してなり、複数のＦＲＰ層が積層されており、複数のＦＲＰ層は、補強繊維３が円筒中心軸Ｏに対して＋４５°の角度をなす第１のＦＲＰ層２ａと、補強繊維３が円筒中心軸Ｏに対して−４５°の角度をなす第２のＦＲＰ層２ｂのみからなり、ＦＲＰ製円筒体１の主回転方向への回転時の捩り作用によって生じる圧縮力Ｆｂの方向が、第２のＦＲＰ層２ｂの補強繊維３と略平行であり、かつ、その補強繊維３を有する第２のＦＲＰ層２ｂの積層枚数が、第１のＦＲＰ層２ａおよび第２のＦＲＰ層２ｂの合計の積層枚数に対して６０％〜８０％の割合である。【選択図】図１

Description

本発明は、捩り負荷に対する耐性の大きい、繊維強化プラスチック（以下、ＦＲＰという）製円筒体に関し、特に、捩り強度が向上した、ＦＲＰ製円筒体およびその円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）製の円筒体で構成して、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われており、一部では実用化もされている。また、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製円筒体で構成することで、車両の低振動化や静寂性の向上といった付加価値も期待できる。

ＦＲＰ製円筒体の製造にかかる工程として、強化繊維（例えば炭素繊維）を樹脂に含浸させながらマンドレルに巻いてゆくフィラメントワインディング法、および、強化繊維（例えば炭素繊維）に熱硬化性樹脂を含浸させて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製円筒体は、所定量以上の樹脂を必要とし、かつ強化繊維の体積含有率に上限があるので、軽量化と高強度化の要望に充分に応えることができない。

これに対して、シートワインディング法によるＦＲＰ製円筒体は、必要最小限の樹脂量でも強化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。また、形状精度の良い小型品が製造可能であり、積層構成の自由度が高い。しかし、シートワインディング法によるＦＲＰ製円筒体でも、まだ、捩り強度には満足できていない。また、捩り強度を向上することにより、ＦＲＰ製円筒体の肉厚を薄くすることができ、更なる軽量化や、コスト的にも有利となる。

この問題を解決するべく、特許文献１において、ＦＲＰ製円筒体の複数のＦＲＰ層中に、円筒軸線方向に斜交する繊維層を有する捩り剛性保持プリプレグと、円筒軸線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ることが提案されている（特許文献１）。

国際公開第２０１０／０８４８０９号

特許文献１に記載されているＦＲＰ製円筒体は、これを動力伝達軸であるドライブシャフトやプロペラシャフトなどの車両部品に適用した場合、円筒体の軸線方向に直交する繊維層を有する座屈防止プリプレグだけでは、その内側に存在する、円筒体の軸線方向に斜交する繊維層を有する捩り剛性保持プリプレグが座屈するおそれがあり、この点において改良の余地があることが判明した。ＦＲＰ製円筒体において、円筒体の捩り強度の向上は重要な問題である。つまり、ＦＲＰ製円筒体に加わる捩り負荷に対する捩り強度（捩り剛性）の長期信頼性の確立が求められている。また、捩り強度を向上することによりシャフトを細くすることができ、車両への取り付け時の自由度が向上し、肉厚を薄くすることで、材料費や加工費が抑えられ、低コストなシャフトの製造が可能となる。

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製円筒体に加わる捩り負荷に対する捩り強度の長期信頼性を確立してその破壊を確実に防止することができるＦＲＰ製円筒体、および、その円筒体を使用した動力伝達軸を提供することを目的とする。

本発明の繊維強化プラスチック製円筒体は、熱硬化性樹脂と一方向に配向した補強繊維とを含む複数の一方向プリプレグを円筒状に巻回してなり、複数のＦＲＰ層が積層されたＦＲＰ製円筒体であって、上記ＦＲＰ製円筒体を径方向から見て、円筒中心軸に対して反時計回りの角度を正の角度、該円筒中心軸に対して時計回りの角度を負の角度とした場合、上記複数のＦＲＰ層は、上記補強繊維が上記円筒中心軸に対して＋４５°の角度をなす第１のＦＲＰ層と、上記補強繊維が上記円筒中心軸に対して−４５°の角度をなす第２のＦＲＰ層のみからなり、上記ＦＲＰ製円筒体の主回転方向への回転時の捩り作用によって生じる圧縮力の方向が、上記第１のＦＲＰ層または上記第２のＦＲＰ層のいずれか一方の上記補強繊維と略平行であり、かつ、該補強繊維を有するＦＲＰ層の積層枚数が、上記第１のＦＲＰ層および上記第２のＦＲＰ層の合計の積層枚数に対して６０％〜８０％の割合であることを特徴とする。

本発明において、「主回転方向」とは、例えば、使用頻度が高い回転方向、回転トルクが大きい回転方向を指す。例えば、自動車においては、前進する場合にドライブシャフトやプロペラシャフトが回転する方向が主回転方向である。

本発明の繊維強化プラスチック製円筒体は、熱硬化性樹脂と一方向に配向した補強繊維とを含む複数の一方向プリプレグを円筒状に巻回してなり、複数のＦＲＰ層が積層されたＦＲＰ製円筒体であって、上記ＦＲＰ製円筒体を径方向から見て、円筒中心軸に対して反時計回りの角度を正の角度、該円筒中心軸に対して時計回りの角度を負の角度とした場合、上記複数のＦＲＰ層は、上記補強繊維が上記円筒中心軸に対して＋４５°の角度をなす第１のＦＲＰ層と、上記補強繊維が上記円筒中心軸に対して−４５°の角度をなす第２のＦＲＰ層のみからなり、上記ＦＲＰ製円筒体の主回転方向への回転時の捩り作用によって生じる圧縮力の方向が、上記第１のＦＲＰ層または上記第２のＦＲＰ層のいずれか一方の上記補強繊維と略平行であり、かつ、該補強繊維を有するＦＲＰ層の厚みの割合が、上記第１のＦＲＰ層および上記第２のＦＲＰ層の合計の厚みに対して６０％〜８０％の割合であることを特徴とする。

上記補強繊維がＰＡＮ（ポリアクリロニトリル）系炭素繊維であることを特徴とする。

試験長２００ｍｍ、捩り速度０．５°／秒の捩り試験において、捩り強度が２０００Ｎ・ｍ以上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動力伝達軸であって、この動力伝達軸が本発明のＦＲＰ製円筒体であることを特徴とする。

上記動力伝達軸が、車両に用いられるドライブシャフトまたはプロペラシャフトであり、上記主回転方向は、上記車両が前進の際に上記ドライブシャフトまたは上記プロペラシャフトが回転する方向であることを特徴とする。

本発明のＦＲＰ製円筒体は、複数のＦＲＰ層を有し、該複数のＦＲＰ層は、補強繊維が円筒中心軸に対して＋４５°の角度をなす第１のＦＲＰ層と、−４５°の角度をなす第２のＦＲＰ層のみからなっている。ここで、ＦＲＰ製円筒体を捩り作用を受けながら一方向に回転させた場合、捩りによるせん断応力を主応力に変換すると、円筒中心軸に対して±４５°の方向にそれぞれ、引張力と圧縮力がかかる。捩り強度においては、圧縮による座屈が支配的であるため、圧縮力の方向と略平行な補強繊維を有するＦＲＰ層（第１のＦＲＰ層または第２のＦＲＰ層）の積層枚数の割合を、ＦＲＰ層全体の積層枚数に対して６０％〜８０％とすることで、圧縮による座屈を抑制でき、優れた捩り強度が得られる。

本発明の動力伝達軸は、本発明のＦＲＰ製円筒体を使用するので、特定の捩り方向に捩り負荷がかかりやすい部材の破壊を抑制することができる。

本発明のＦＲＰ製円筒体を説明する図である。 ＦＲＰ製円筒体の積層構成を示す図である。 本発明のＦＲＰ製円筒体の製造にかかる工程を説明する図である。 実施例のＦＲＰ製円筒体の積層構成を示す図である。 比較例のＦＲＰ製円筒体の積層構成を示す図である。

本発明者は、ＦＲＰ製円筒体の捩り強度を向上する目的で鋭意検討を行なった。その結果、補強繊維が円筒中心軸に対して＋４５°斜交したＦＲＰ層と、補強繊維が円筒中心軸に対して−４５°斜交したＦＲＰ層とが積層したＦＲＰ製円筒体において、ＦＲＰ層全体の積層枚数に対する＋４５°斜交したＦＲＰ層（または−４５°斜交したＦＲＰ層）の積層枚数の割合が、一方向の捩り強度に大きく影響することを見出した。特に、上記積層枚数の割合を６０％〜８０％とし、割合が多い方のＦＲＰ層の補強繊維の繊維方向を、捩り作用によって生じる圧縮に対して略平行になるようにした場合、捩り強度が大きく向上することを見出した。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製円筒体を説明する。図１（ａ）はＦＲＰ製円筒体の斜視図であり、図１（ｂ）および図１（ｃ）は、各ＦＲＰ層の補強繊維の繊維方向を説明する図である。本発明のＦＲＰ製円筒体は、例えば、自動車用プロペラシャフトや自動車用ドライブシャフトといった、特定の捩り方向に負荷が掛かりやすい動力伝達軸などに適用される。

図１（ａ）に示すように、ＦＲＰ製円筒体１は、軸方向端部１ａ、１ｂが開口した円筒体である。ＦＲＰ製円筒体１は、複数のプリプレグを円筒状に巻回して、熱硬化されて形成されている。プリプレグは巻回されることで複数の層をなすことから、ＦＲＰ製円筒体１は、複数のＦＲＰ層が積層された積層体ともいえる。ＦＲＰ製円筒体１において、複数のＦＲＰ層は、円筒中心軸Ｏに対して異なる向きで斜交したＦＲＰ層２ａとＦＲＰ層２ｂのみで構成されており、複数のＦＲＰ層に、円筒中心軸Ｏに対して平行なＦＲＰ層や円筒中心軸Ｏに対して直交するＦＲＰ層は含まれない。

本発明において、ＦＲＰ製円筒体１を径方向から見て、円筒中心軸Ｏに対して反時計回りの角度を正の角度とし、円筒中心軸Ｏに対して時計回りの角度を負の角度とする。

図１（ｂ）は、ＦＲＰ製円筒体１を径方向から見た場合のＦＲＰ層２ａを示している。ＦＲＰ層２ａは、熱硬化性樹脂４と一方向に配向した補強繊維３とを含み、補強繊維３は円筒中心軸Ｏに対して＋４５°の角度をなしている。一方、図１（ｃ）は、ＦＲＰ製円筒体１を径方向から見た場合のＦＲＰ層２ｂを示している。ＦＲＰ層２ｂは、熱硬化性樹脂４と一方向に配向した補強繊維３とを含み、補強繊維３は円筒中心軸Ｏに対して−４５°の角度をなしている。なお、図１におけるＦＲＰ層２ａが第１のＦＲＰ層に相当し、ＦＲＰ層２ｂが第２のＦＲＰ層に相当する。

図１（ａ）において、例えば、ＦＲＰ製円筒体１の軸方向端部１ｂ側を固定して、軸方向端部１ａ側をＸ方向（円筒中心軸Ｏ上から固定側に向かって時計回り）に回転させる際には、ＦＲＰ製円筒体１に捩りによるせん断応力が生じる。このせん断応力を主応力に変換すると、円筒中心軸Ｏに対して＋４５°の方向の引張力Ｆａと−４５°の方向の圧縮力Ｆｂになる。このように、円筒体における捩りの主応力は±４５°の方向の引張りと圧縮である。従来のＦＲＰ製円筒体では、これら引張りと圧縮による座屈を抑制するため、＋４５°斜交したＦＲＰ層と−４５°斜交したＦＲＰ層の積層枚数の割合が等しくなっている。つまり、ＦＲＰ層全体に対して、それぞれの割合が５０％となるように積層されている。しかし、この積層構成では、捩りによるトルクを与えた場合、圧縮によって早期に補強繊維が座屈し、ドライブシャフトなどの動力伝達軸に求められる捩り強度を達成することが困難である。

そこで、本発明では、ＦＲＰ層全体の積層枚数に対して、一方のＦＲＰ層（＋４５°斜交したＦＲＰ層または−４５°斜交したＦＲＰ層）の積層枚数の割合（以下、積層割合ともいう。）を６０％〜８０％とし、ドライブシャフトやプロペラシャフトにおける前進方向といった主に使用される一方向の回転に対して強化されたＦＲＰ製円筒体にすることで、優れた捩り強度を達成している。つまり、主に使用される回転方向に対して、その回転トルクから発生する圧縮力の方向と、積層割合が６０％〜８０％のＦＲＰ層の繊維方向が平行になるように配置することで、圧縮による座屈が抑制され、捩り強度の向上につながる。

例えば、図１の場合、圧縮力Ｆｂの方向は、ＦＲＰ層２ｂの補強繊維３と平行であり、ＦＲＰ層２ａおよびＦＲＰ層２ｂからなるＦＲＰ層全体の積層枚数に対する、ＦＲＰ層２ｂの積層枚数の割合を増やすことで、圧縮による座屈を抑制することができる。また、上記の積層割合を８０％以下にすることで、引張力に対しても耐性を持たせている。なお、本発明において、圧縮力の方向に対して平行とは、厳密な平行関係だけでなく、ある程度ずれた平行関係も含む。

上述の積層割合について、図２に基づいて説明する。図２は図１のＡ部拡大図であり、ＦＲＰ製円筒体１の積層構成を示している。図中下側が円筒内側に相当し、図中上側が円筒外側に相当する。図２では、便宜上、ＦＲＰ層２ａを網掛けで表示しており、図３〜図５も同様である。図２に示すように、ＦＲＰ製円筒体１は、ＦＲＰ層２ａおよびＦＲＰ層２ｂからなる、複数のＦＲＰ層２の積層体である。図１で示したように、圧縮力Ｆｂの方向とＦＲＰ層２ｂの補強繊維が平行である場合、積層割合は下記の式（１）で示される。
積層割合＝（ＦＲＰ層２ｂの積層枚数）×１００／｛（ＦＲＰ層２ａの積層枚数）＋（ＦＲＰ層２ｂの積層枚数）｝・・・（１）
また、ＦＲＰ製円筒体１は複数の一方向プリプレグを巻回して形成されることから、各ＦＲＰ層の積層枚数は、巻回される一方向プリプレグの枚数に等しい。

本発明のＦＲＰ製円筒体において、上記の積層割合は６０％〜８０％である。積層割合が６０％〜８０％の範囲内であれば、各ＦＲＰ層の積層順序は、特に限定されない。図２では、ＦＲＰ層２ａが最内層２ｃに位置し、ＦＲＰ層２ｂが最外層２ｄに位置しているが、例えば、ＦＲＰ層２ａ（引張力の方向と平行な補強繊維を有するＦＲＰ層）を最内層２ｃおよび最外層２ｄに位置させてもよく、ＦＲＰ層２ｂ（圧縮力の方向と平行な補強繊維を有するＦＲＰ層）を最内層２ｃおよび最外層２ｄに位置させてもよい。上記の積層割合は、好ましくは６０％〜７０％である。

なお、図１において、圧縮力Ｆｂの方向とＦＲＰ層２ａの補強繊維が平行である場合には、積層割合は、ＦＲＰ層全体の積層枚数に対する、ＦＲＰ層２ａの積層枚数の割合として求められる。この場合も、積層割合は６０％〜８０％である。

図２において、ＦＲＰ層２ａ、２ｂの一層の厚みＴａ、Ｔｂは、ほぼ同じ厚みであり、例えば０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍである。厚みＴａ、Ｔｂが０．０５ｍｍ未満では、ＦＲＰ製円筒体１を製造するためにマンドレルへ巻き付ける際に、テンションをかけながら巻きつけるため、プリプレグに微小なクラックや欠陥が発生し、所望の捩り強度が得られにくい。また、厚みＴａ、Ｔｂが０．２ｍｍよりも厚いと捩り強度が低下しやすい傾向がある。厚みＴａ、Ｔｂは、好ましくは０．０５ｍｍ〜０．１ｍｍである。なお、厚みＴａ、Ｔｂは互いに異なっていてもよい。

また、本発明のＦＲＰ製円筒体は、ＦＲＰ層全体の厚みに対して、一方のＦＲＰ層（＋４５°斜交したＦＲＰ層または−４５°斜交したＦＲＰ層）の厚みの割合（以下、厚み割合ともいう。）が６０％〜８０％である。例えば、図１で示したように、圧縮力Ｆｂの方向とＦＲＰ層２ｂの補強繊維が平行である場合、厚み割合は下記の式（２）で示される。
厚み割合＝（ＦＲＰ層２ｂの厚み）×１００／｛（ＦＲＰ層２ａの厚み）＋（ＦＲＰ層２ｂの厚み）｝・・・（２）
図２において、ＦＲＰ層２ａの積層枚数をｍとした場合、ＦＲＰ層２ａの厚みは「Ｔａ×ｍ」であり、ＦＲＰ層２ｂの積層枚数をｎとした場合、ＦＲＰ層２ｂの厚みは「Ｔｂ×ｎ」である。また、ＦＲＰ層全体の厚みＴは、「（Ｔａ×ｍ）＋（Ｔｂ×ｎ）」で表される。
この場合、圧縮力の方向と平行な補強繊維を有するＦＲＰ層（第１のＦＲＰ層または第２のＦＲＰ層）の厚みの割合を、ＦＲＰ層全体の厚みに対して６０％〜８０％とすることで、圧縮による座屈を抑制でき、優れた捩り強度が得られる。

なお、図１において、圧縮力Ｆｂの方向とＦＲＰ層２ａの補強繊維が平行である場合には、厚み割合は、ＦＲＰ層全体の厚みに対する、ＦＲＰ層２ａの厚みの割合として求められる。この場合も、厚み割合は６０％〜８０％である。

本発明において、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。

ＦＲＰ製円筒体の製造にかかる工程について図３により説明する。図３（ａ）はＦＲＰ製円筒体の製造過程を示す斜視図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＢ部拡大図である。図３（ａ）に示すように、マンドレル６をＹ方向に回転させ、プリプレグをマンドレル６に巻き付けることでＦＲＰ製円筒体を製造する。本発明で用いるプリプレグは、補強繊維３を多数本平行に引き揃えたシートに、熱硬化性樹脂４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。熱硬化性樹脂４には、上述のような熱硬化性樹脂を用いることができる。プリプレグの１枚の厚さは、例えば０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍであり、好ましくは０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍである。

マンドレル６に巻き付ける際には、通常、プリプレグを複数枚貼り合わせたプリプレグ体（セットプリプレグ）５として、マンドレル６に巻き付ける。図３（ｂ）には、プリプレグ体の一例を示す。図３（ｂ）では、３枚のプリプレグを貼り合わせたプリプレグ体５を示す。プリプレグ体５の貼り合わせ枚数ｓは３である。プリプレグ体５は、図の下から順にプリプレグ５ｂ、プリプレグ５ｂ、プリプレグ５ａが貼り合わされ、プリプレグ５ａがマンドレル６の外周面に接触する。プリプレグ体５において、プリプレグ５ａとプリプレグ５ｂは、それぞれの補強繊維の繊維方向が互いに直交するように貼り合わされる。なお、プリプレグ５ａは、図１のＦＲＰ製円筒体において円筒中心軸に対して補強繊維が＋４５°の角度をなすＦＲＰ層２ａを形成するプリプレグに相当し、プリプレグ５ｂは、円筒中心軸に対して補強繊維が−４５°の角度をなすＦＲＰ層２ｂを形成するプリプレグに相当する。

図３に示すプリプレグ体５をマンドレル６に巻き付ける際には、マンドレル６が１周する毎にＦＲＰ層の積層枚数が３ずつ増えていく。その結果、最内層から最外層まで、プリプレグ５ａ、プリプレグ５ｂ、プリプレグ５ｂ・・・、プリプレグ５ａ、プリプレグ５ｂ、プリプレグ５ｂの順に積層される。この場合、ＦＲＰ製円筒体の最内層にプリプレグ５ａが位置し、最外層にプリプレグ５ｂが位置する。

図３に示すように、複数のプリプレグを貼り合わせたプリプレグ体を巻回する場合、プリプレグ体における一方のプリプレグ（繊維方向がマンドレル軸方向に対して＋４５°または−４５°斜交したプリプレグ）の枚数の割合は、ＦＲＰ製円筒体における積層割合と同じとなる。そのため、プリプレグ体全体の貼り合わせ枚数に対する、一方のプリプレグの貼り合わせ枚数の割合（以下、貼り合わせ割合ともいう）を６０％〜８０％とすることで、ＦＲＰ製円筒体の積層割合を容易に６０％〜８０％にすることができる。この場合、貼り合わせ割合が６０％〜８０％の範囲内であれば、プリプレグ体における各プリプレグの貼り合わせ枚数や貼り合わせ順序は、特に限定されない。また、プリプレグ体全体の貼り合わせ枚数は、後述の実施例で示すように４枚以下が好ましい。

例えば、図１で示したように、圧縮力Ｆｂの方向とＦＲＰ層２ｂの補強繊維が平行である場合、貼り合わせ割合は下記の式（３）で示される。
貼り合わせ割合＝（プリプレグ５ｂの貼り合わせ枚数）×１００／｛（プリプレグ５ａの貼り合わせ枚数）＋（プリプレグ５ｂの貼り合わせ枚数）｝・・・（３）

なお、図１において、圧縮力Ｆｂの方向とＦＲＰ層２ａの補強繊維が平行である場合には、貼り合わせ割合は、プリプレグ体全体の貼り合わせ枚数に対する、プリプレグ５ａの貼り合わせ枚数の割合として求められる。この場合も、貼り合わせ割合は６０％〜８０％にすることが好ましい。

本発明のＦＲＰ製円筒体は、捩り強度に著しく優れるため、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、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使用できる。また、ＦＲＰ製円筒体は、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使用できる。

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動力伝達軸であり、車両に用いられるドライブシャフトまたはプロペラシャフトであることが好ましい。これらドライブシャフトやプロペラシャフトは、主に一定の方向に回転する。

実施例１〜３および比較例１〜５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。各試験例においてＦＲＰ製円筒体を製造する際のプリプレグの貼り合わせ枚数を表１に示す。

また、図４および図５に、各試験例のＦＲＰ製円筒体の積層構成を示す。図４（ｂ）および図５は、図４（ａ）のＣ部拡大図であり、ＦＲＰ製円筒体の最内層側から８層分のＦＲＰ層を抜き出して記載している。各図において、「＋４５°」の表記の層が上述のＦＲＰ層２ａに相当し、「−４５°」の表記の層が上述のＦＲＰ層２ｂに相当する。なお、図４（ｂ）および図５中の符号ｓは、プリプレグの貼り合わせ枚数を示している。

実施例１
プリプレグ３枚を下層から０°、９０°、９０°に貼り合わせ、その貼り合わせた０°のプリプレグの繊維方向がマンドレル軸方向に対して＋４５°にし、下層が最内層になるように、かつ肉厚が４ｍｍになるように、マンドレル（外径２２ｍｍ、長さ１０００ｍｍ）に巻き付け、１３０℃で１２０分間加熱して成形し、内径２２ｍｍ、外径３０ｍｍ、長さ５００ｍｍとなるＦＲＰ製円筒体を得た。得られたＦＲＰ製円筒体（内径２２ｍｍ、外径３０ｍｍ）について、試験長２００ｍｍ、図１に示すように圧縮力が−４５°に働くような捩り方向で捩り速度０．５°／ｓで捩り試験を実施した。試験結果、およびＦＲＰ層全体の積層枚数に対する−４５°の層の積層枚数の割合を表１に示す。

実施例２
プリプレグ４枚を下層から０°、９０°、９０°、９０°に貼り合わせ、その貼り合わせた０°のプリプレグの繊維方向がマンドレル軸方向に対して＋４５°にし、下層が最内層になるように、かつ肉厚が４ｍｍになるように、マンドレル（外径２２ｍｍ、長さ１０００ｍｍ）に巻き付け、１３０℃で１２０分間加熱して成形し、内径２２ｍｍ、外径３０ｍｍ、長さ５００ｍｍとなるＦＲＰ製円筒体を得た。得られたＦＲＰ製円筒体について、実施例１と同様に試験を実施した。

実施例３
プリプレグ６枚を下層から０°、９０°、９０°、０°、９０°、９０°に貼り合わせ、その貼り合わせた０°のプリプレグの繊維方向がマンドレル軸方向に対して＋４５°にし、下層が最内層になるように、かつ肉厚が４ｍｍになるように、マンドレル（外径２２ｍｍ、長さ１０００ｍｍ）に巻き付け、１３０℃で１２０分間加熱して成形し、内径２２ｍｍ、外径３０ｍｍ、長さ５００ｍｍとなるＦＲＰ製円筒体を得た。得られたＦＲＰ製円筒体について、実施例１と同様に試験を実施した。

比較例１
プリプレグ３枚を繊維方向が平行になるように貼り合わせ、その貼り合わせたプリプレグを繊維方向がマンドレル軸方向に対して＋４５°にし、肉厚が４ｍｍになるように、マンドレル（外径２２ｍｍ、長さ１０００ｍｍ）に巻き付け、１３０℃で１２０分間加熱して成形し、内径２２ｍｍ、外径３０ｍｍ、長さ５００ｍｍとなるＦＲＰ製円筒体を得た。得られたＦＲＰ製円筒体について、実施例１と同様に試験を実施した。

比較例２
プリプレグ４枚を下層から０°、０°、０°、９０°に貼り合わせ、その貼り合わせた０°のプリプレグの繊維方向がマンドレル軸方向に対して＋４５°にし、下層が最内層になるように、かつ肉厚が４ｍｍになるように、マンドレル（外径２２ｍｍ、長さ１０００ｍｍ）に巻き付け、１３０℃で１２０分間加熱して成形し、内径２２ｍｍ、外径３０ｍｍ、長さ５００ｍｍとなるＦＲＰ製円筒体を得た。得られたＦＲＰ製円筒体について、実施例１と同様に試験を実施した。

比較例３
プリプレグ３枚を下層から０°、０°、９０°に貼り合わせ、その貼り合わせた０°のプリプレグの繊維方向がマンドレル軸方向に対して＋４５°にし、下層が最内層になるように、かつ肉厚が４ｍｍになるように、マンドレル（外径２２ｍｍ、長さ１０００ｍｍ）に巻き付け、１３０℃で１２０分間加熱して成形し、内径２２ｍｍ、外径３０ｍｍ、長さ５００ｍｍとなるＦＲＰ製円筒体を得た。得られたＦＲＰ製円筒体について、実施例１と同様に試験を実施した。

比較例４
プリプレグ２枚を下層から０°、９０°に貼り合わせ、その貼り合わせた０°のプリプレグの繊維方向がマンドレル軸方向に対して＋４５°にし、下層が最内層になるように、かつ肉厚が４ｍｍになるように、マンドレル（外径２２ｍｍ、長さ１０００ｍｍ）に巻き付け、１３０℃で１２０分間加熱して成形し、内径２２ｍｍ、外径３０ｍｍ、長さ５００ｍｍとなるＦＲＰ製円筒体を得た。得られたＦＲＰ製円筒体について、実施例１と同様に試験を実施した。

比較例５
プリプレグ３枚を繊維方向が平行になるように貼り合わせ、その貼り合わせたプリプレグを繊維方向がマンドレル軸方向に対して−４５°にし、肉厚が４ｍｍになるように、マンドレル（外径２２ｍｍ、長さ１０００ｍｍ）に巻き付け、１３０℃で１２０分間加熱して成形し、内径２２ｍｍ、外径３０ｍｍ、長さ５００ｍｍとなるＦＲＰ製円筒体を得た。得られたＦＲＰ製円筒体について、実施例１と同様に試験を実施した。

表１に示すように、圧縮力が−４５°に働くような捩り方向でＦＲＰ製円筒体を捩った場合、ＦＲＰ層全体の積層枚数に対して−４５°の層の積層枚数が６０％〜８０％である実施例１〜３は、従来構成の比較例４と同等以上の捩り強度を示した。特に、実施例１〜２は、捩り強度２０００Ｎ・ｍ以上を示し、従来構成に比べて優れた捩り強度を示した。この結果は、捩りによって生じる圧縮の方向に対して補強繊維を平行に配置したＦＲＰ層（−４５°の層）の割合を、従来構成の割合（５０％）よりも多くすることで、圧縮による座屈が抑制できたためである。

また、実施例１〜２は、実施例３に比べて、プリプレグの貼り合わせ枚数が少なくなっている。貼り合わせ枚数が多くなるに従って、マンドレルに一度に巻き付けられるプリプレグ体の厚みが厚くなる。そのため、巻き付ける際にプリプレグが撓むなどした結果、実施例３は実施例１〜２に比べると、捩り強度が小さくなったと考えられる。この結果より、ＦＲＰ製円筒体の品質保持などの観点から、貼り合わせ枚数は４枚以下が適当であるといえる。

一方、比較例５のようにすべてのＦＲＰ層を−４５°の層にすると、捩りによる引張りを樹脂のみで受け持つことになるため、早期に樹脂の破断が発生した。その結果、捩り強度は、試験例の中で最も低い値となった。

以上のように、本発明のＦＲＰ製円筒体は、上記構成を採用することにより、捩り強度を大幅に向上させることができる。また、これにより、自動車用ドライブシャフトなど、特定の捩り方向に負荷の掛かりやすい部材に本発明のＦＲＰ製円筒体を適用することにより、部材の破壊を抑制することができる。

本発明のＦＲＰ製円筒体および動力伝達軸は、捩り強度が大幅に向上するので、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好適に利用することができる。

１ ＦＲＰ製円筒体
２ａ ＦＲＰ層（第１のＦＲＰ層）
２ｂ ＦＲＰ層（第２のＦＲＰ層）
３ 補強繊維
４ 熱硬化性樹脂
５ プリプレグ体
５ａ プリプレグ
５ｂ プリプレグ
６ マンドレル

Claims (5)

1. 熱硬化性樹脂と一方向に配向した補強繊維とを含む複数の一方向プリプレグを円筒状に巻回してなり、複数のＦＲＰ層が積層された繊維強化プラスチック製円筒体であって、
   前記円筒体を径方向から見て、円筒中心軸に対して反時計回りの角度を正の角度、該円筒中心軸に対して時計回りの角度を負の角度とした場合、前記複数のＦＲＰ層は、前記補強繊維が前記円筒中心軸に対して＋４５°の角度をなす第１のＦＲＰ層と、前記補強繊維が前記円筒中心軸に対して−４５°の角度をなす第２のＦＲＰ層のみからなり、
   前記円筒体の主回転方向への回転時の捩り作用によって生じる圧縮力の方向が、前記第１のＦＲＰ層または前記第２のＦＲＰ層のいずれか一方の前記補強繊維と略平行であり、かつ、該補強繊維を有するＦＲＰ層の積層枚数が、前記第１のＦＲＰ層および前記第２のＦＲＰ層の合計の積層枚数に対して６０％〜８０％の割合であることを特徴とする繊維強化プラスチック製円筒体。
2. 前記補強繊維がＰＡＮ系炭素繊維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円筒体。
3. 試験長２００ｍｍ、捩り速度０．５°／秒の捩り試験において、捩り強度が２０００Ｎ・ｍ以上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円筒体。
4. 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、
   前記動力伝達軸が請求項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円筒体であることを特徴とする動力伝達軸。
5. 前記動力伝達軸が、車両に用いられるドライブシャフトまたはプロペラシャフトであり、前記主回転方向は、前記車両が前進の際に前記ドライブシャフトまたは前記プロペラシャフトが回転する方向であることを特徴とする請求項４記載の動力伝達軸。

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