JP3183433B2 - プロペラシャフトおよびその製造方法 - Google Patents

プロペラシャフトおよびその製造方法

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幸胤 木本
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、自動車等のプロペラ
シャフトおよびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、省エネルギーの観点から燃費の向
上を目的とした自動車の軽量化が強く望まれている。そ
の一つの手段としてプロペラシャフトを金属製のものか
らFRP(繊維強化プラスチック)製のものに代替させ
ることが検討されている。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、強度、弾性
率の面から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)が有力とされている。
【0003】自動車のプロペラシャフトは、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、大きな捩り強度を必要とするとともに、高速で回転
され、かつ、車体側から、あらゆる方向の振動が伝達さ
れてくることから、極力、振動抑止効果の大きいもの、
および、振動減衰効果の大きなものが望まれる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】この発明の目的は、上
述のような要求を満たすために、振動抑止効果の高いF
RP製プロペラシャフト、およびその製造方法を提供す
ることにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明のプロペラシャフトは、FRP製本体筒を
有するプロペラシャフトにおいて、本体筒が、強化繊維
とマトリクス樹脂とからなるFRP層と、そのマトリク
ス樹脂と、前記強化繊維中に侵入しない粒径を有する
動抑止材とからなる少なくとも一層の振動抑止材混入樹
脂層との層状構成を有し、かつ、最外層は前記FRP層
から構成されていることを特徴とするものからなる。
【0006】上記振動抑止材としては、常温における、
エネルギーに関する損失係数が0.02以上の材料から
なることが好ましく、また、この振動抑止材が、粒径が
0.2〜10μmの粒子の形態で混入されていることが
好ましい。混入粒子は、たとえば、フェライト粒子、カ
ーボン粒子、熱可塑性樹脂粒子、発泡硬質粒子から選ば
れる。
【0007】上記損失係数とは、自身の変形によって蓄
えられた弾性エネルギーに対する、粘性によって消失
(熱エネルギーに変換)されるエネルギーの比を言う。
したがって、この損失係数が大きい程、振動による変形
が時間に伴って減少する度合が大きく、振動抑止あるい
は減衰効果が大きい。
【0008】また、この発明に係るFRP製プロペラシ
ャフトの製造方法は、FRP製本体筒を有するプロペラ
シャフトの製造方法において、マトリクス樹脂を含浸さ
せた強化繊維束を、マンドレルに巻き付けて本体筒を形
成するに際し、マトリクス樹脂に前記強化繊維中に侵入
しない粒径を有する振動抑止材を混入しておくことを特
徴とする方法からなる。
【0009】樹脂浴中のマトリクス樹脂に混入される振
動抑止材を、上述の如く粒径が0.2〜10μm程度の
粒子としておけば、この粒子は、マトリクス樹脂が強化
繊維束中に含浸される際にも、強化繊維束中には侵入し
ない。したがって、樹脂浴中を通過した強化繊維束をマ
ンドレルに巻き付けてFRP製筒状体を成形すると、結
果的に、強化繊維とマトリクス樹脂とからなるFRP層
と、そのマトリクス樹脂と振動抑止材粒子とからなる振
動抑止材混入樹脂層(強化繊維束のない層)との、層状
構成となり、目標とするFRP製プロペラシャフトが得
られる。
【0010】このようなFRP製プロペラシャフトにお
いては、振動抑止材混入樹脂層において、マトリクス樹
脂中に損失係数の大きな振動抑止材粒子が混入されてい
るので、マトリクス樹脂から振動抑止材粒子に伝えられ
た振動による弾性エネルギーが、振動抑止材の粘性特性
によって一部熱エネルギーとして失われるため、この樹
脂層全体として振動抑止効果が現われる。
【0011】したがって、FRP製筒状体、ひいてはプ
ロペラシャフト全体として、振動が抑止される。
【0012】また、上記のような損失係数の大きな素材
は、一般に、引張破断歪が大きい。したがって、これら
を混入したマトリクス樹脂の引張破断歪も、それ単独よ
りも向上する。引張破断歪、すなわち、引張強度と剪断
強度との間には正の相関関係が成り立つので、引張破断
歪の大きな振動抑止材入り樹脂を使ったFRP(積層
体)の層間剪断強度は、高くなる。その結果、FRP製
筒状体の捩り強度がさらに高められるという、付随的な
作用、効果も得られる。
【0013】以下に、本発明のプロペラシャフトの実施
例を、図面を参照して説明する。図1は、本発明の一実
施例に係るプロペラシャフトの、片方の端部を示してい
る。他方の端部の図示は省略してあるが、本実施例で
は、図示端部と同様の構成とされている。図1におい
て、1はFRP製筒状体からなる本体筒を示しており、
本体筒1の端部外周側には、圧入接合部補強のための外
部補強層1aが設けられている。本体筒1の両端部には
(図1では片方の端部のみ示してある)、金属製継手2
が、圧入により接合されている。
【0014】FRP製本体筒1の断面構造を図2に示
す。本体筒1は、強化繊維とマトリクス樹脂とからなる
FRP層3と、そのマトリクス樹脂とマトリクス樹脂中
に混入された振動抑止材4とからなる、少なくとも一層
の振動抑止材混入樹脂層5と、の積層構造を有し、か
つ、積層構造の最外層3aは、FRP層から構成されて
いる。
【0015】振動抑止材4は、前述の如く、常温におけ
る、エネルギーに関する損失係数が0.02以上の材料
からなり、粒径が0.2〜10μmの粒子の形態で混入
されていることが好ましい。例えば、フェライト粒子、
カーボン粒子、熱可塑性樹脂粒子、発泡状硬質材粒子か
ら選ばれるものである。
【0016】上記のような積層構造は、たとえば、次の
ような製造方法によって構成できる。図3は、FRP製
筒状体の成形の様子を示しており、強化繊維束6には、
未硬化マトリクス樹脂7を収容した樹脂浴8中を通され
ることにより樹脂が含浸され、しかる後に、マンドレル
9に所定の巻き付け角で巻き付けられ、樹脂を硬化させ
ることにより所定のFRP本体筒が得られる。
【0017】この時、樹脂浴8のマトリクス樹脂7中に
は、振動抑止材粒子10が混入されている。振動抑止材
粒子と、強化繊維の単繊維6aが収束された強化繊維束
6との関係は、たとえば、図4に示すような状態とな
る。振動抑止材粒子10の粒径は適当に大きく設定され
ているので、マトリクス樹脂7は強化繊維束6中に侵入
するが、振動抑止材粒子10は侵入しない。つまり、樹
脂含浸強化繊維束に付着した状態でマンドレル9へと送
られる。
【0018】この樹脂含浸強化繊維束がマンドレル9に
巻き付けられてFRP製本体筒1が成形されると、結果
的に、強化繊維束6中には侵入しない振動抑止材粒子1
0と、その周りのマトリクス樹脂7とが、図2に示した
ような振動抑止材混入樹脂層5を形成する。この振動抑
止材混入樹脂層5は、強化繊維束6とマトリクス樹脂7
とからなるFRP層3の層間に形成され、必然的に最外
層3aはFRP層となる。
【0019】図2に示したような積層構成を有するFR
P製本体筒1においては、振動抑止材混入樹脂層5が、
混入振動抑止材粒子10によって効果的に振動を抑止あ
るいは減衰するので、プロペラシャフト全体としても大
きな振動抑止効果が得られる。
【0020】また、前述の如く、引張破断歪の大きな振
動抑止材を使用するから、積層構造を有するFRPの層
間剪断強度が高くなり、FRP製本体筒1全体としての
捩り強度が向上されるという、付随的効果も得られる。
【0021】本発明のFRP製プロペラシャフトを構成
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でもよい。ただし、使用
するマトリクス樹脂の種類に応じて、振動抑止材を適切
に選定する必要があり、例えば、マトリクス樹脂よりも
破断伸度の高いものが好ましい。
【0022】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。
【0023】なお、本発明のプロペラシャフトにおいて
は、FRP製本体筒と金属製継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。
【0024】また、金属製継手を圧入する際、圧入用治
具で継手を把持する必要があるが、確実に把持できるよ
う、かつ、圧入力によって継手が破損しないよう、継手
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。
【0025】また、金属製継手の圧入力を極力低減し
て、効率よく圧入するためには、以下のような方法が有
効である。 継手の温度を下げ、FRP製本体筒端部の温度を上げ
て圧入する。 接着剤を潤滑剤として用いる。 圧入後には残らない、揮発性の液状潤滑剤を用いる。
【0026】さらに、金属製継手にバランスウエイト取
付部を設けて、該取付部に適当なバランスウエイトを溶
接等によって付加することにより、プロペラシャフト完
成後のバランスを調整することが可能である。このバラ
ンスウエイト取付部の周囲、とくに、バランスウエイト
取付部と、接合されるFRP製本体筒との間の部分の継
手外面に、冷却フィンを形成しておくと、バランスウエ
イトを接合する際の溶接熱がFRP製本体筒側に伝わる
のを抑制することができる。
【0027】
【発明の効果】本発明によれば、本体筒のFRP層間
、そのFRPのマトリクス樹脂自身と振動抑止材とか
らなる振動抑止材混入樹脂層を形成するようにしたの
で、マトリクス樹脂から振動抑止材粒子に伝えられた振
動による弾性エネルギーが、振動抑止材の粘性特性によ
って一部熱エネルギーとして失われ、この振動抑止材混
入樹脂層全体として、ひいてはプロペラシャフト全体と
して、高い振動抑止効果を得ることができる。また、こ
のプロペラシャフトのFRP製本体筒の製造において
は、マトリクス樹脂を含浸させた強化繊維束を、マンド
レルに巻き付けて本体筒を形成するに際し、樹脂浴中の
マトリクス樹脂に強化繊維束中に侵入しない粒径を有す
る振動抑止材を混入しておくので、マトリクス樹脂を強
化繊維束中に含浸させる際にも振動抑止材は強化繊維束
中には侵入せず、単に、樹脂浴中を通過した強化繊維束
をマンドレルに巻き付けてFRP製筒状体を成形するだ
けで、強化繊維とマトリクス樹脂とからなるFRP層
と、そのマトリクス樹脂と振動抑止材粒子とからなる振
動抑止材混入樹脂層(強化繊維束のない層)との、層状
構成を達成でき、目標とするFRP製プロペラシャフト
を得ることができる。つまり、別々の層を形成して接着
接合するような場合に比べ、極めて効率よく優れた生産
性をもって目標とするFRP製プロペラシャフトを得る
ことができる。
【0028】また、振動抑止材混入樹脂層により、FR
Pの層間剪断強度を高めることが可能であるので、捩り
強度の向上という付随的効果も得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係るFRP製プロペラシャ
フトの部分断面図である。
【図2】図1のA−A線に沿う拡大部分断面図である。
【図3】図1のプロペラシャフトのFRP製本体筒形成
の様子を示す、概略構成図である。
【図4】図3のB−B線に沿う拡大部分断面図である。
【符号の説明】
1 FRP製本体筒 2 金属製継手 3 FRP層 4 振動抑止材 5 振動抑止材混入樹脂層 6 強化繊維束 7 マトリクス樹脂 8 樹脂浴 9 マンドレル 10 振動抑止材粒子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平1−108408(JP,A) 特開 平2−176209(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F16C 3/02 B29C 70/16 B60K 17/22

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 FRP製本体筒を有するプロペラシャフ
    トにおいて、本体筒が、強化繊維とマトリクス樹脂とか
    らなるFRP層と、そのマトリクス樹脂と、前記強化繊
    維中に侵入しない粒径を有する振動抑止材とからなる少
    なくとも一層の振動抑止材混入樹脂層との層状構成を有
    し、かつ、最外層は前記FRP層から構成されているこ
    とを特徴とするプロペラシャフト。
  2. 【請求項2】 振動抑止材が、粒径が0.2〜10μm
    の粒子である、請求項1のプロペラシャフト。
  3. 【請求項3】 粒子が、フェライト粒子、カーボン粒
    子、熱可塑性樹脂粒子、発泡硬質粒子から選ばれた粒子
    である、請求項のプロペラシャフト。
  4. 【請求項4】 FRP製本体筒を有するプロペラシャフ
    トの製造方法において、マトリクス樹脂を含浸させた強
    化繊維束を、マンドレルに巻き付けて本体筒を形成する
    に際し、マトリクス樹脂に前記強化繊維束中に侵入しな
    い粒径を有する振動抑止材を混入しておくことを特徴と
    する、FRP製プロペラシャフトの製造方法。
  5. 【請求項5】 振動抑止材が、粒径が0.2〜10μm
    の粒子である、請求項4のFRP製プロペラシャフトの
    製造方法。
  6. 【請求項6】 粒子が、フェライト粒子、カーボン粒
    子、熱可塑性樹脂粒子、発泡硬質粒子から選ばれた粒子
    である、請求項5のFRP製プロペラシャフトの製造方
    法。
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