JP3296116B2 - Ｆｒｐ筒体およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＦＲＰ筒体およびその
製造方法に関し、とくに、端部に他部材が接合されたＦ
ＲＰ筒体、たとえばプロペラシャフト等に用いて好適な
ＦＲＰ筒体およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、各種産業分野でＦＲＰ（繊維強化
プラスチック）筒体が使われてきつつある。たとえば近
年、燃費の向上や環境保全といった観点から自動車の軽
量化が強く望まれているが、それを達成する一手段とし
てプロペラシャフトのＦＲＰ化が検討され、一部で既に
採用されるに至っている。そのようなＦＲＰ製プロペラ
シャフトは、ＦＲＰ製本体筒と、この本体筒の各端部に
接合して設けた金属製継手とを有している。

【０００３】このようなＦＲＰ製プロペラシャフトに
は、以下のような各種特性が要求される。まず、継手か
らＦＲＰ製本体筒には、高いトルクが伝達されるから、
この間には高い接合強度とともに優れたトルク伝達特性
が要求される。継手と本体筒とは、ある接合面積を有す
ることになるが、従来の接合構成では、必ずしも、接合
面の略全面にわたって均一なトルク伝達が行われている
とは言い難い。接合部において、伝達されるトルクが局
部的に高くなると、本体筒の肉厚中にトルク伝達時に発
生する剪断応力も局部的に高くなり、それだけ、相対的
に本体筒の接合部の強度や伝達可能最大トルクが低下す
ることになる。つまり、ＦＲＰ製本体筒の構造が同じで
あれば、継手からのトルク伝達が均一である程、本体筒
接合部全体としての強度や伝達可能最大トルクが向上す
る。

【０００４】また、自動車のプロペラシャフトは、エン
ジンで発生するトルクを捩りトルクとして駆動輪に伝達
するものであるから、１００〜４００ｋｇｆ・ｍ程度の
捩り強度を必要とする。また、高速回転時に共振を起こ
さないよう、危険回転数が５，０００〜１５，０００ｒ
ｐｍ程度であることも要求される。そのため、これらの
基本的要求が満たされるよう、ＦＲＰ製プロペラシャフ
トの本体筒は、強化繊維の種類、含有量や、強化繊維の
配列方向、層構成や、外径、内径、肉厚等のパラメータ
を考慮した設計がなされる。

【０００５】たとえば、強化繊維の配列方向の選定に
は、次のようなことが考慮される。すなわち、主として
捩り強度に関しては、強化繊維を本体筒の筒軸方向に対
して±４５°の角度で配列するのが最も効果的である
が、主として捩り座屈強度に関しては、筒軸方向に対し
て±８０〜９０°の角度で配列するのが最も効果的であ
る。また、主として危険回転数に関しては、強化繊維を
可能な限り筒軸方向に配列して筒軸方向における曲げ弾
性率を大きくし、高い曲げ共振周波数が得られるように
する。

【０００６】このように、ＦＲＰ製本体筒においては、
捩り強度と危険回転数といった基本的要求に関して最も
効果的な強化繊維の配列方向が存在するので、通常、こ
れらの要求に好適な配列方向を組み合わせた層構成を採
ることにしている。たとえば、筒軸方向に対して±８０
〜９０°の層と±４５°の層を交互に積層したり、他の
角度の層を加えて適当な積層構成としたり、さらに、端
部の継手との接合部に±８０〜９０°の層を付加したり
している。

【０００７】ところが、このような強化繊維の配列角度
の異なる層を複数層積層した構成においては、各層間
に、強化繊維の配列角度が急激に変わるため機械的特性
が急激に変わる境界部分が生じる。このような境界部位
では、過度の曲げ荷重や捩り荷重が加わった際、応力集
中により層間剥離を生じやすく、他の部位、つまり層中
の部位に比べ強度が低い。したがって、ＦＲＰ筒体の設
計上、このような層間剥離を生じさせる荷重が強度上の
律則となり、所定の強化繊維の配列や積層構成による、
目標とした強度特性を満たすことができないことがあ
る。

【０００８】また、別の問題として、大部分のＦＲＰ筒
体はその端部に他部材が接合され、他部材を介して捩り
荷重や曲げ荷重がＦＲＰ筒体の本体に伝達される方法で
使用されるが、本体筒の筒軸方向にみて、本体筒中央部
と、他部材との接合部とに要求される機械的特性は必ず
しも同じではない。たとえば、本体筒端部内に圧入や接
着により他部材が接合される場合には、本体筒端部に
は、接合強度や端部自身の強度を確保するために、中央
部に比べより高い拡径方向強度や捩り強度が要求され、
本体筒中央部には、端部に比べより高い曲げ強度や高い
曲げ弾性率が要求される。前述のような、単に配列角度
の異なる強化繊維層を順に重ねていく積層構成では、こ
のような要求を十分に満たせるとは言い難い。

【０００９】このような要求に関して、実公平３−７６
０６号公報には、ＦＲＰ製本体筒の強化繊維配列角度
を、筒軸方向に対して、中央部で０〜１５°、継手が接
合される両端部に向けて漸増させ該両端部で４０°〜５
０°に設定した動力伝達軸が開示されているが、筒軸方
向各部位の強度特性、とくに端部における強度特性が十
分に最適化されているとは言い難い。またこの動力伝達
軸は、筒軸方向に全長にわたって均一な肉厚に形成され
ているので、上記強化繊維の配列角度を変化させたこと
による筒軸方向強度特性変更効果以上の効果はなく、得
られる効果には限界がある。

【００１０】さらに、プロペラシャフトにおいては、軽
量化とともに重要なことに、衝突時における乗員の安全
確保の問題がある。この安全確保についての近年におけ
る自動車の設計思想は、ボディをクラッシャブル構造と
し、衝突時の衝撃エネルギー（圧縮荷重）をボディの前
後方向における圧縮破壊によって吸収し、もって乗員に
かかる急激な加速度を緩和することに支配されている。

【００１１】このような圧縮破壊を、円滑に開始させる
ためには、ＦＲＰ製本体筒、とくにその筒軸方向端部
に、適切な圧縮破壊の起点（トリガ部）が形成されてい
ることが好ましい。ところが、このようなトリガ部は、
本体筒成形後あるいは成形中に、特別に設けたり形成し
たりする必要があるので、ＦＲＰ筒体の製造工程が複雑
になるという問題がある。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、従来
のＦＲＰ筒体の上述した問題点を解決し、ＦＲＰ製本体
筒と他部材との間でトルクを均一に伝達できるようにし
て本体筒接合部の強度向上をはかるとともに、本体筒の
圧縮破壊に対するトリガ部を効率よく形成できるように
したＦＲＰ筒体およびその製造方法を提供することにあ
る。

【００１３】また、本発明のもう一つの目的は、上記目
的に加え、基本的に層間剥離を生じさせずに目標とした
強度特性を正確にかつ効果的に発現させることができ、
かつ、筒軸方向にみた各部位にそれぞれ、最も高い効果
が得られる最適な強度特性を効率よく付与可能な、ＦＲ
Ｐ筒体およびその製造方法を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】この目的に沿う本発明の
ＦＲＰ筒体は、ＦＲＰ製本体筒の端部内側に他部材が接
合されたＦＲＰ筒体において、本体筒の筒軸方向外端面
に、筒軸方向外側の他部材側に向かって先細りのテーパ
が付与されており、かつ、他部材の本体筒との接合部
は、本体筒側に向かって先端側程肉厚が小さく形成され
ていることを特徴とするものからなる。

【００１５】この本発明に係るＦＲＰ筒体においては、
筒軸方向にヘリカル巻された、連続繊維からなる強化繊
維で強化された樹脂からなるＦＲＰ製本体筒の端部内側
に、他部材が接合されており、前記本体筒の筒軸方向端
部における強化繊維の巻角度Ａが±８０〜９０°、本体
筒の筒軸方向中央部における強化繊維の巻角度Ｂが±５
〜３０°、端部と中央部との間における巻角度が巻角度
Ａから巻角度Ｂに徐々に変化する巻角度Ｃであり、か
つ、本体筒の筒軸方向外端面に、前記先細りのテーパが
付与されていることが好ましい。

【００１６】さらに、本発明に係るＦＲＰ筒体において
は、本体筒の筒軸方向端部における肉厚ｔ_A が中央部に
おける肉厚ｔ_B よりも大きく、該端部と中央部との間に
おける肉厚が肉厚ｔ_A から肉厚ｔ_B に徐々に変化する肉
厚ｔ_C であり、かつ、本体筒の筒軸方向外端面に、前記
先細りのテーパが付与されていることが好ましい。

【００１７】上記のようなＦＲＰ筒体は、代表的にはプ
ロペラシャフトとして構成され、前記他部材は、ＦＲＰ
製本体筒の端部に圧入や接着により接合される継手とし
て構成される。但し、本発明に係るＦＲＰ筒体は、とく
にＦＲＰ製プロペラシャフトに適用して有効であるが、
プロペラシャフト以外にも、端部に他部材が接合され
る、ＦＲＰ製の配管パイプ、トラス等に適用可能であ
る。接合される他部材（プロペラシャフトの場合には継
手）の接合方法は特に限定されず、圧入や接着による接
合、その他の方法のいずれであってもよい。

【００１８】上記のようなＦＲＰ筒体は、次のように製
造される。すなわち、本発明に係るＦＲＰ筒体の製造方
法は、マンドレル上に、樹脂を含浸した強化繊維束をマ
ンドレル軸方向に往復させながらヘリカル巻するととも
に、前記強化繊維束のマンドレル軸方向における巻幅を
徐々に小さくして折り返し端面に先細りのテーパを形成
し、成形し、マンドレルを抜いて本体筒を得た後、該本
体筒の端部内側に、本体筒との接合部が本体筒側に向か
う先端側程肉厚が小さく形成された他部材を接合するこ
とを特徴とする方法からなる。

【００１９】この本発明に係るＦＲＰ筒体に製造方法に
おいては、前記強化繊維束の巻角度を、マンドレルの軸
方向両端部においては±８０〜９０°、中央部において
は±５〜３０°、両端部と中央部との間においては±８
０〜９０°から±５〜３０°に徐々に変化させ、かつ、
前記強化繊維束のマンドレル軸方向における巻幅を徐々
に小さくして折り返し端面に先細りのテーパを形成する
ことが好ましい。

【００２０】

【作用】上記のようなＦＲＰ筒体においては、他部材と
の間のトルク伝達において次のような作用が得られる。
すなわち、他部材、たとえばプロペラシャフトにおける
継手等においては、鍛造等による製造での抜き勾配をと
るために、他部材の肉厚が本体筒筒軸方向に変化してい
ることが多い。つまり、他部材が本体筒の端部内に挿入
され接合される構造の場合、他部材の接合部の肉厚は、
筒軸方向に、本体筒内奥部にいく程（つまり他部材の先
端側程）小さく形成されることが多い。このような場
合、本体筒側の接合部の肉厚が一定であると、筒軸方向
にみて、継手の肉厚の大きい部分と肉厚の小さい部分と
では、トルク伝達の状態が異なる。すなわち、トルク伝
達の際、肉厚の小さい継手の先端側（本体筒内奥部側）
の部分は捩り方向により大きく変形しようとし、それに
伴って対応する本体筒内部分により大きな剪断応力が発
生しようとする。一方、肉厚の大きい継手の本体筒端面
側（挿入部入口側）の部分は、捩り方向により小さく変
形しようとし、それに伴って対応する本体筒内部分によ
り小さな剪断応力が発生しようとする。このように、伝
達トルクを受けようとする本体筒端部においては、筒軸
方向にみて、必ずしも一様な荷重を受けもつことにはな
らず、本体筒内に生じる剪断応力にも、筒軸方向に大小
が生じる。

【００２１】ところが本発明においては、本体筒の筒軸
方向外端面が、他部材側に向かって先細りのテーパ状縦
断面形状に形成されているので、該テーパ部における肉
厚の小さい部分では、同じ伝達荷重であっても相対的に
より大きな剪断応力となり、肉厚の大きい部分では、相
対的により小さい剪断応力となる。つまり、前述の剪断
応力の大小を是正する方向の剪断応力発生状態となる。
このことは、本体筒側からみれば、一様な内部応力が発
生するように荷重が伝達されていることになり、本体筒
自身のもつ強度特性が、他部材との接合部全体にわたっ
て均一に有効活用されることになる。したがって、強度
的にみて、均一なトルク伝達が可能となり、局部的に過
大な荷重が加わることが防止され、相対的にみて本体筒
接合部の強度が向上される。

【００２２】また、本体筒の外端面に先細りのテーパが
付与されると、そのテーパ部の先端部側は、肉厚が小さ
く局部的に強度が弱い部分を構成するから、筒軸方向の
圧縮破壊に関してはトリガの機能をもつことができる。
つまり、特別にトリガを設けたり形成しなくても、圧縮
破壊に対する所望のトリガが自然に形成される。

【００２３】また、本発明に係るＦＲＰ筒体において
は、上記先細りのテーパによる作用効果を奏しつつ、Ｆ
ＲＰ製本体筒を、連続繊維からなる強化繊維で強化され
た樹脂から構成し、筒軸方向端部（両端部）における強
化繊維の巻角度Ａが±８０〜９０°、筒軸方向中央部に
おける強化繊維の巻角度Ｂが±５〜３０°、端部（両端
部）と中央部との間における巻角度が巻角度Ａから巻角
度Ｂに徐々に変化する巻角度Ｃに設定されたものから構
成できる。筒軸方向端部における上記巻角度Ａは、いわ
ゆるフープ巻と呼ばれるもので、高い捩り強度、拡径方
向に高い強度を発揮するのに最適な巻角度である。また
中央部における巻角度Ｂは、主として高い曲げ強度や曲
げ弾性率を発揮するのに最適な巻角度である。したがっ
て、筒軸方向にみて、端部（両端部）が高い捩り強度や
他部材との高い接合強度および接合部強度を発揮するの
に最も適した強化繊維の配列とされ、中央部が高い危険
回転数等を得るのに最も適した強化繊維の配列とされ、
両者間でこれらの特性が徐々に変化するように設定され
る。

【００２４】その結果、ＦＲＰ筒体は、その筒軸方向に
みて各部位に要求される機能に最も適した強度特性をそ
れぞれ有することになり、ＦＲＰ筒体全体として、使用
上最も都合のよい特性を、バランスよくかつ効率よく発
揮することが可能となる。

【００２５】また、上記各部位に最適な強化繊維の巻角
度は、連続繊維からなる強化繊維によって達成され、か
つ、積層構成とする場合にあっても、個々の部位におい
ては、積層される各層は、上記最適な角度範囲内におい
て同じ巻角度を有するから、このようなＦＲＰ筒体には
巻角度の異なった層間が存在しない。したがって、巻角
度の異なった層の積層構成における層間剥離の発生を防
止でき、それらに起因する強度特性の低下を防止でき
る。つまり、強化繊維の配列等による、目標とした強度
特性を正確にかつ効率よく得ることができ、従来の積層
構成品に比べ、強度を向上できる。

【００２６】さらに、ＦＲＰ筒体の筒軸方向端部におけ
る肉厚ｔ_A が中央部における肉厚ｔ_B よりも大きく、端
部と中央部との間おける肉厚がｔ_A からｔ_B に徐々に変
化する肉厚ｔ_C である場合、中央部に所望の曲げ強度や
曲げ弾性率をもたせつつ、端部においては、より高い捩
り強度や他部材との接合強度および接合部強度を発揮す
ることが可能となる。したがって、筒軸方向にみて、Ｆ
ＲＰ筒体の各部位に、より最適な強度特性をもたせるこ
とができる。

【００２７】上記のようなＦＲＰ筒体は、単一の成形工
程で製造することが可能である。すなわち、マンドレル
軸方向に往復動させながら、樹脂を含浸した強化繊維束
をマンドレル上にヘリカル巻していくことによりＦＲＰ
本体筒が成形されるが、強化繊維束をマンドレル上に案
内するガイド、たとえばキャリッジの移動速度を変化さ
せ、マンドレルの軸方向における両端部では遅く、中央
部では速く、その中間位置では両速度間を徐々に変化す
るように移動速度を制御することにより、前述の如き巻
角度Ａ、巻角度Ｂ、巻角度Ｃを達成できる。そして、マ
ンドレル軸方向移動の折り返し位置が、強化繊維束の積
層が進むにつれ徐々に本体筒の筒軸方向内側に移動する
ように制御することにより、つまり、強化繊維束のマン
ドレル軸方向における巻幅を徐々に小さくしていくこと
により、本体筒端面は自然に先細りのテーパに形成され
る。

【００２８】またこのとき、巻角度Ａの両端部において
は、樹脂を含浸した強化繊維束のマンドレルの軸方向に
おける移動速度が遅いので、巻き付けられる層数が多く
なって厚くなり、巻角度Ｂの中央部においては、移動速
度が速いので、巻き付けられる層数が少なくなって相対
的に薄くなる。したがって、形成される本体筒の厚み
は、両端部においては相対的に厚く、中央部においては
相対的に薄く、その中間部位においては厚みが徐々に変
化することになる。その結果、前述の両端部肉厚ｔ_A が
大きく、中央部肉厚ｔ_B が小さく、中間部肉厚ｔ_C がｔ
_A からｔ_B に徐々に変化するＦＲＰ製本体筒が、強化繊
維束の筒軸方向の移動速度の変更制御により、実質的に
自然に得られることになる。そして前述の如く、強化繊
維束のマンドレル軸方向における巻幅（折り返し位置）
の制御により、本体筒の両端面に付与される先細りのテ
ーパも、本体筒成形過程で自然に得られる。

【００２９】

【実施例】以下に、本発明のＦＲＰ筒体およびその製造
方法の望ましい実施例を、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ＦＲＰ筒体を示してお
り、本発明をＦＲＰ製プロペラシャフトに適用したもの
を示している。図において、１はＦＲＰ製本体筒を示し
ている。本体筒１の両端部には、金属製継手２が圧入接
合されている。本体筒１は、炭素繊維、ガラス繊維、ポ
リアラミド繊維等の高強度、高弾性率強化繊維でエポキ
シ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ビ
ニルエステル樹脂、ポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂
や、ポリアラミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエ
ーテルイミド樹脂等の熱可塑性樹脂を強化してなるもの
である。このプロペラシャフトは、長さ方向中心からみ
て対称形である。

【００３０】上記ＦＲＰ製本体筒１の筒軸方向外端面１
ａに、継手２側に向かって、つまり筒軸方向外側に向か
って、先細りのテーパが付与されている。本実施例で
は、本体筒１は全長にわたって内径が一定であり、上記
外端面のテーパ１ａは本体筒の外径が直線状に徐々に変
化するように形成されているが、内径側、外径側の径を
ともに変化させることも可能である。また、直線状のテ
ーパ形状に限らず、本体筒の外径が縦断面でみて曲線状
に変化するテーパ形状であってもよい。

【００３１】図２は、本発明の別の実施例に係るＦＲＰ
製プロペラシャフトを示している。本実施例では、ＦＲ
Ｐ製本体筒１１は、筒軸方向にヘリカル巻された、連続
繊維からなる強化繊維１３で強化された樹脂からなって
おり、その両端部に金属製継手１２が圧入接合されてい
る。強化繊維３の巻角度は、本体筒１の筒軸方向両端
部、つまり継手２との接合部を主として構成している両
端部領域Ｒ_A では、筒軸方向に対して±８０〜９０°の
巻角度Ａ、筒軸方向中央部領域Ｒ_B では、筒軸方向に対
して±５〜３０°の巻角度Ｂ、それらの中間の領域Ｒ_C
では、巻角度Ａから巻角度Ｂに徐々に変化する巻角度Ｃ
になっている。

【００３２】また、本体筒１の肉厚は、両端部領域Ｒ_A
では最も大きい肉厚ｔ_A 、中央部領域Ｒ_B では最も小さ
い肉厚ｔ_B 、それらの中間領域Ｒ_C では肉厚ｔ_A から肉
厚ｔ_B に徐々に変化する肉厚ｔ_C になっている。中間領
域Ｒ_C における肉厚ｔ_C は、筒軸方向に直線状に変化し
てもよく、曲線状に変化してもよい。

【００３３】そして、端部領域Ｒ_A における本体筒１１
の外端面１１ａが、前述の実施例と同様、筒軸方向外側
に向かって先細りのテーパに形成されている。

【００３４】上記のような巻角度および肉厚の変更は、
次のような方法で制御できる。すなわち、図３に示すよ
うに、マンドレル４上に、樹脂を含浸した強化繊維束５
をガイド手段６による案内によってマンドレル４の軸方
向（筒軸方向）に往復させながらヘリカル巻していく。
このとき、ガイド手段６を停止すると、強化繊維束５は
マンドレル４の軸方向と直交する方向にそのまま巻き付
けられ、ガイド手段６を移動させると、強化繊維束５は
らせん状に巻き付けられていく。そして、移動速度が大
きいと、巻き付けられる強化繊維束５のマンドレル４の
軸方向（つまり筒軸方向）に対する巻角度が小さくな
り、移動速度が小さいと、強化繊維束の巻角度は大きく
なる。したがって、ガイド手段６の往復移動速度を変更
し、強化繊維束５のマンドレル４の軸方向の往復移動速
度を変化させることにより、成形される本体筒の筒軸方
向各位置における強化繊維の巻角度を変化させることが
できる。

【００３５】つまり図２に示したＦＲＰ製本体筒にあっ
ては、本体筒１１の筒軸方向両端部領域Ｒ_A では、ガイ
ド手段６の移動速度を低く制御して、強化繊維束５をマ
ンドレルの周方向あるいはそれに近い方向に巻き付ける
ことにより、筒軸方向に対して±８０〜９０°の巻角度
Ａを得る。中間領域Ｒ_C では、端部領域Ｒ_A から中央部
領域Ｒ_B に向かうにしたがって徐々にガイド手段６の移
動速度を速め、筒軸方向に対する巻角度Ｃを徐々に小さ
くしていく。中央部領域Ｒ_B においては、ガイド手段６
の移動速度を最高速度まで速め、強化繊維束５を筒軸方
向に対して±５〜３０°の最小巻角度Ｂで巻き付けてい
く。強化繊維は連続繊維からなっているので、本体筒１
１の端縁位置まで移動されてきた強化繊維束５は、同じ
速度にて折り返すことにより、自然に同一角度でかつ正
負逆転した巻角度となる。端部領域Ｒ_A では、強化繊維
束５の移動速度は極めて遅いので、方向転換（折り返
し）は円滑に行われる。ガイド手段６を所定回数往復動
させることにより、強化繊維の所定の積層構成を有す
る、所定肉厚の本体筒１を得る。マンドレル４上に形成
された本体筒１１のマトリクス樹脂を硬化させることに
より本体筒１１が成形され、それをマンドレル４から引
き抜くことにより所定の本体筒１１が得られる。

【００３６】上記成形においては、強化繊維束５の移動
速度に応じて強化繊維束５の巻付け層数が変化し、成形
される本体筒１１の厚みが変化する。すなわち、巻角度
Ａの両端部においては、樹脂を含浸した強化繊維束５の
マンドレル４の軸方向における移動速度が遅いので、巻
き付けられる層数が多くなって厚くなり、巻角度Ｂの中
央部においては、移動速度が速いので、巻き付けられる
層数が少なくなって相対的に薄くなる。したがって、形
成される本体筒の厚みは、両端部においては相対的に厚
く、中央部においては相対的に薄く、その中間部位にお
いては厚みが徐々に変化することになる。その結果、マ
ンドレル４の回転数が一定であっても、強化繊維束５が
積層巻き付けされて形成される本体筒１１の肉厚は、マ
ンドレル４の軸方向（つまり筒軸方向）に、強化繊維束
５の移動速度に応じて変化することになる。つまり、移
動速度の遅い両端部領域Ｒ_A においてはより厚く、中央
部領域Ｒ_B においてはより薄く、中間領域Ｒ_C において
は徐々に変化する肉厚となり、前述の肉厚ｔ_A 、ｔ_B 、
ｔ_C を有する本体筒１１が自然に成形される。

【００３７】そして、図１および図２に示したＦＲＰ製
本体筒において、テーパが付与された外端面１ａ、１１
ａを得るには、それを形成しようとする領域Ｒ_T （図
３）において、強化繊維束５の折り返し位置を、筒軸方
向に徐々に内側に移動させるよう制御すればよい。つま
り、強化繊維束５のマンドレル軸方向における巻幅が徐
々に小さくなるように制御すればよい。強化繊維束５の
積層毎に、その折り返し位置が筒軸方向内側に徐々に寄
せられていくことにより、各層の端縁（折り返し点）に
よって形成されていく本体筒の端面１ａ、１１ａは、自
然にテーパ状に形成される。折り返し位置（巻幅）の変
更の仕方によって、形成される端面１ａ、１１ａは、直
線状、曲線状のいずれのテーパ状縦断面にも形成でき
る。

【００３８】上記のように構成されたＦＲＰ製プロペラ
シャフトの作用、効果について説明する。まず、図１、
図２に示した実施例に共通して得られる作用、効果を図
４を参照して説明する。図４に示すように、継手２に
は、鍛造等による製造を円滑に行うために、筒軸方向に
抜き勾配をとってあり、継手２の本体筒１との接合部２
ａにおいては、先端側程肉厚が小さく形成されている。
そのため、継手２から本体筒１に、あるいはその逆方向
に捩りトルクが伝達される際、継手２の、肉厚の小さい
先端側部分は剛性が低いためより大きく捩り変形しよう
とし、肉厚が大きく剛性の高い基部側部分はより小さく
捩り変形しようとする。この捩り変形力によって、本体
筒１の肉厚内には周方向に剪断応力が生じ、上記継手２
の各部の捩り変形の度合に応じて剪断応力も変化する。

【００３９】従来の本体筒の肉厚がその端部全長にわた
って一定の肉厚である場合には、本体筒内に生じる剪断
応力は、たとえば特性Ｐのように変化するが、本発明に
おいては本体筒１の端面部がテーパ状縦断面形状になっ
ており、本体筒１の肉厚が変化しているので、たとえば
特性Ｑのようになる。すなわち、本体筒１の肉厚が薄く
なった部分では、同じ捩り荷重が伝達されたとしても相
対的に大きな剪断応力となる。また、肉厚が厚い部分で
は、肉厚が薄く形成された部分で相対的に大きな剪断応
力が受けもたれるので、この部分に生じる剪断応力は相
対的に低くなる。したがって、本体筒１の継手２との接
合部に生じる剪断応力は、従来構造に比べ長手方向に均
一化される。つまり、均一なトルク伝達が可能になり、
局部的に大きな剪断応力が生じるのが防止されて、本体
筒１の接合部自身の強度が向上される。

【００４０】また、本体筒１のテーパ状端面１ａの先端
部は、ごく薄い肉厚しか有していないので、強度的にみ
て局部的に弱い部分が形成されることになる。この先端
部は、継手２を介して過大な圧縮荷重が加わった際、圧
縮破壊のトリガ、つまり破壊の起点となる。トリガ部分
で破壊が開始されると、その後は順次円滑な所望の破壊
の進行が期待できる。

【００４１】このトリガは、単に本体筒外端面にテーパ
を付与するだけで自然に得られるものであり、特別な部
材付加や、特別な後加工を要しない。したがって、製造
工程の増大を伴うことなく安価に、所望の圧縮破壊構造
が実現される。

【００４２】さらに、図２に示したプロペラシャフトに
おいては、上記作用、効果に加え、次のような作用、効
果が得られる。すなわち、継手１２との高い接合強度や
接合部自身の強度、継手１２からのトルクを良好に伝達
するために高い捩り強度が要求される本体筒１１の端部
領域Ｒ_A においては、±８０〜９０°の巻角度Ａ、つま
り周方向に近い角度で強化繊維が巻かれているので、目
標とする強度特性が容易に得られる。また、この端部領
域Ｒ_A では、本体筒１１の肉厚ｔ_A も大きく設定されて
いるので、一層高い強度が得られる。

【００４３】中央部領域Ｒ_B においては、±５〜３０°
の巻角度Ｂ、つまり比較的筒軸方向に近い角度で強化繊
維が巻かれているので、この部位に要求される、筒軸方
向における高い曲げ強度や曲げ弾性率が効率よく得られ
る。また、この領域Ｒ_B では、肉厚ｔ_B が不必要に厚く
なることが防止され、本体筒１１全体の軽量化がはから
れる。中間部領域Ｒ_C においては、巻角度が徐々に変化
しているので、強度特性は、上記端部領域Ｒ_A における
特性から中央部領域Ｒ_B における特性まで徐々に変化す
る。このように、筒軸方向にみて、各領域Ｒ_A 、Ｒ_B 、
Ｒ_C にそれぞれ最も適した強度特性が現出される。

【００４４】また、図３に示したように強化繊維束５が
複数回マンドレルの軸方向に往復する際、その移動速度
は、各往復毎に、各領域Ｒ_A 、Ｒ_B 、Ｒ_C 内においては
それぞれ同一速度になるように制御される。したがっ
て、個々の領域においては、強化繊維束５は実質的に同
じ巻角度で順に積層されていくことになる。その結果、
強化繊維の巻角度の異なる層が積層されることがなくな
り、巻角度の異なった層間部位が生じなくなる。層間が
存在しないと、基本的に層間剥離は生じないので、それ
による強度低下が防止され、目標とする設計通りの強度
特性が正確に効率よく発揮されることになる。

【００４５】さらに、マンドレル４上の強化繊維束５の
巻き付けにおいては、端部領域Ｒ_Aにおいて、殆ど周方
向巻き付けに近い状態で強化繊維束５の移動方向を反転
させることになるので、強化繊維束５を積層していく際
にも、その折り返し部を精度よく目標とするテーパ形状
に揃えることが可能となる。折り返し端が精度よく揃え
られると、そのままの状態で、あるいは若干加工を加え
ることにより、折り返し端を実質的にそのまま本体筒１
の端縁として使用することが可能になる。従来、折り返
し端を揃えることが難しかったので、本体筒を長目に成
形しており、余分な部分を後で切り取っていたが、本発
明ではこのような切り取り工程の不要化が可能となり、
使用する強化繊維の収率も１００％に近づけることが可
能となる。

【００４６】なお、以上の実施例はＦＲＰ製プロペラシ
ャフトについて説明したが、本発明は、プロペラシャフ
トに限らず、端部に他部材が接合される他のＦＲＰ筒
体、例えばＦＲＰ製トラスやＦＲＰ製配管パイプ等にも
好適に適用できる。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のＦＲＰ筒
体およびその製造方法によるときは、ＦＲＰ製本体筒の
筒軸方向外端面に、接合される他部材側に向かって先細
りのテーパを付与したので、他部材との接合部において
均一なトルク伝達を行うことができ、本体筒の接合部の
強度を向上することができる。

【００４８】また、本体筒の筒軸方向各部位にそれぞれ
強化繊維の最適な巻角度を設定することにより、各部位
にそれぞれ最適な強度特性を効率よく発揮させることが
でき、かつ、層間剥離を生じさせることなく目標とした
強度特性を正確にしかも最も効果的に発現させることが
でき、全体にわたって所望の特性をバランスよく有する
ＦＲＰ筒体を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るＦＲＰ筒体（プロペラ
シャフト）の部分縦断面図である。

【図２】本発明の別の実施例に係るプロペラシャフトの
部分縦断面図である。

【図３】図２の本体筒成形の様子を示す斜視図である。

【図４】図１のプロペラシャフトのトルク伝達時の特性
を示す部分拡大概略縦断面図である。

【符号の説明】

１、１１ ＦＲＰ製本体筒 １ａ、１１ａ 本体筒外端面 ２、１２ 継手 ２ａ 接合部 １３ 強化繊維 ４ マンドレル ５ 樹脂含浸強化繊維束 ６ ガイド手段

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−257330（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−218179（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−223513（ＪＰ，Ａ) 実開 平１−95331（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭52−16301（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B29C 70/00 - 70/88 F16C 3/00 - 3/30

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＦＲＰ製本体筒の端部内側に他部材が接
   合されたＦＲＰ筒体において、本体筒の筒軸方向外端面
   に、筒軸方向外側の他部材側に向かって先細りのテーパ
   が付与されており、かつ、他部材の本体筒との接合部
   は、本体筒側に向かって先端側程肉厚が小さく形成され
   ていることを特徴とするＦＲＰ筒体。
2. 【請求項２】 筒軸方向にヘリカル巻された、連続繊維
   からなる強化繊維で強化された樹脂からなるＦＲＰ製本
   体筒の端部内側に、他部材が接合されており、前記本体
   筒の筒軸方向端部における強化繊維の巻角度Ａが±８０
   〜９０°、本体筒の筒軸方向中央部における強化繊維の
   巻角度Ｂが±５〜３０°、端部と中央部との間における
   巻角度が巻角度Ａから巻角度Ｂに徐々に変化する巻角度
   Ｃであり、かつ、本体筒の筒軸方向外端面に、前記先細
   りのテーパが付与されていることを特徴とする請求項１
   のＦＲＰ筒体。
3. 【請求項３】 本体筒の筒軸方向端部における肉厚ｔ_A
   が中央部における肉厚ｔ_B よりも大きく、該端部と中央
   部との間における肉厚が肉厚ｔ_A から肉厚ｔ_B に徐々に
   変化する肉厚ｔ_C であり、かつ、本体筒の筒軸方向外端
   面に、前記先細りのテーパが付与されていることを特徴
   とする請求項２のＦＲＰ筒体。
4. 【請求項４】 本体筒がプロペラシャフト用シャフトで
   あり、前記他部材が継手である、請求項１ないし３のい
   ずれかに記載のＦＲＰ筒体。
5. 【請求項５】 マンドレル上に、樹脂を含浸した強化繊
   維束をマンドレル軸方向に往復させながらヘリカル巻す
   るとともに、前記強化繊維束のマンドレル軸方向におけ
   る巻幅を徐々に小さくして折り返し端面に先細りのテー
   パを形成し、成形し、マンドレルを抜いて本体筒を得た
   後、該本体筒の端部内側に、本体筒との接合部が本体筒
   側に向かう先端側程肉厚が小さく形成された他部材を接
   合することを特徴とする、ＦＲＰ筒体の製造方法。
6. 【請求項６】 前記強化繊維束の巻角度を、マンドレル
   の軸方向両端部においては±８０〜９０°、中央部にお
   いては±５〜３０°、両端部と中央部との間においては
   ±８０〜９０°から±５〜３０°に徐々に変化させ、か
   つ、前記強化繊維束のマンドレル軸方向における巻幅を
   徐々に小さくして折り返し端面に先細りのテーパを形成
   することを特徴とする、請求項５のＦＲＰ筒体の製造方
   法。