JP4228330B2 - プロペラシャフト - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車等のプロペラシャフトに関し、軽量で、かつ、高い危険回転数を得ることができるFRP製プロペラシャフトに関する。
【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製(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、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】
このCFRP製チューブを用いたプロペラシャフトの検討においては、危険回転数を高く設計するために、共振周波数を高くすることが課題となっている。従来は、危険回転数を高くするためには、CFRP製チューブの軸方向の弾性率を高く設計するのが普通であった。
【0004】
しかし、フィラメントワインディングで成形する場合には、0°に近い、小さな角度に強化繊維を巻き付けることは、マンドレル両端での繊維の掛かりにおいて難度が高く、成形速度も上げられないことから、成形性を阻害する大きな問題があった。
【0005】
また、積層板理論を仔細に検討すると、0°層に90°層を加えることで0°方向の弾性率に向上が見られることを推定することはできるが、実際に計算してみても、その増加量は極僅かで実用的でなく、そのためFRP製プロペラシャフトの設計においては、積層板理論が省みられることはなかった。
【0006】
一方、FRP製プロペラシャフトを構成するFRPは異方性材料であるが、異方性材料特性を考慮した軸系の危険回転数は、チューブの剪断変形を含めて考慮することができる。金属などの等方性材料では、この剪断変形分の効果は無視できる程小さいが、従来、FRP製プロペラシャフトの設計においても、等方性材料の危険回転数の計算式を使った設計が主流であった。つまり、FRPが異方性材料であるにもかかわらず、FRP製プロペラシャフトの設計においては、異方性材料における剪断変形に伴う弾性率の変化等を考慮した設計が行われていなかった。したがって、従来のFRP製プロペラシャフトの設計は、危険回転数を向上する上で、必ずしも最適設計が行われているとは言い難く、現実に、望ましい高い危険回転数が実現されていなかった。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、本発明者らの検討の結果、異方性材料特性を考慮した軸系の危険回転数に、先の積層板理論を組み合わせると、積層板理論では極僅かな弾性率の増加であっても、プロペラシャフトのような危険回転数を設計要件とする用途では、実用的な効果を得ることができることがわかった。
【0008】
そこで本発明の課題は、このような新しい知見に基づき従来実現困難であった、FRP製プロペラシャフトの高い共振周波数を実現することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本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、前記本体筒は、強化繊維が軸方向に対し−80°〜−90°または+80°〜+90°の方向に巻かれた単一層からなる内層フープ巻層と、強化繊維が軸方向に対し+80°〜+90°または−80°〜−90°の方向に巻かれた単一層からなる外層フープ巻層と、内層フープ巻層と外層フープ巻層間に位置し、強化繊維が軸方向に対し±θ°の方向に巻かれたヘリカル巻層とを有し、かつ、使用する強化繊維が、前記ヘリカル巻層における強化繊維の巻角が±0°のときのプロペラシャフトの共振周波数をf0 、強化繊維の巻角を上げていったときに再びプロペラシャフトの共振周波数がf0 となる強化繊維の巻角を±θS °(θS >0)としたとき、0°〜θS °の範囲にf0 よりも大きい共振周波数のピークが現われる引張弾性率を有する強化繊維であることを特徴とするものからなる。
【0010】
このプロペラシャフトにおいては、上記共振周波数のピークは上記f0 よりも2%以上高いことが好ましく、より好ましくは3%以上さらに好ましくは4%以上である。従来のFRP製プロペラシャフトでは後述の如く、実質的に共振周波数のピークが現れないが、本発明においてピークをf0 よりも2%以上高くすることにより、従来のものに対し明確に有意差をつけることができる。
【0011】
また、上記ヘリカル巻層における強化繊維の巻角±θ°は、共振周波数のピークが現われる強化繊維の巻角に対し±4°の範囲内にあることが好ましく、より好ましくは±2°の範囲である。つまり、共振周波数のピークが現われる角度において危険回転数は最も高くなるのであるが、このピーク近傍においても高い危険回転数が得られるから、設計上は効果の現われる実用的な範囲内に納めればよいことになる。
【0012】
また、内層フープ巻層および外層フープ巻層の厚みの和が、ヘリカル巻層の厚みの20%以下であることが好ましい。フープ巻層が厚すぎると、シャフトの軸方向の弾性率そのものが低下してしまう。このようにフープ巻層の厚みを小さく抑えておくことにより、プロペラシャフトの小径化の要請にも応えることが可能になる。
【0013】
本発明において使用する強化繊維としては、ガラス繊維やアラミド繊維等も可能であるが、より高い引張弾性率を有し高い危険回転数を実現できる炭素繊維がより好ましい。もちろん、炭素繊維とその他の強化繊維を組み合わせたものも使用可能である。炭素繊維の引張弾性率としては、たとえば290GPa以上のものが好ましく、後述の実施例から明らかなように、このような高引張弾性率の炭素繊維を使用することにより、望ましい高い危険回転数が実現される。
【0014】
このような本発明に係るプロペラシャフトにおいては、危険回転数の設計において、ヘリカル巻層の巻き角度を0℃より大きくして、最大の共振周波数を得られるように、ヘリカル巻層の巻き角度を求める。しかも、内外のフープ巻層は、各々単一層に形成されているから、フープ巻層の層厚を薄く抑えられ、フープ巻層内の剥離などの問題を回避できる。その結果、本体筒の厚みの増加が抑えられ、プロペラシャフトを小径に構成できる。また、この両フープ巻層は軸方向に対し−80°〜−90°あるいは+80°〜+90°で巻かれるものであるから、フィラメントワインディングによる成形性を阻害することもない。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照して説明する。
図1は、本発明の一実施態様に係るプロペラシャフト1を示している。プロペラシャフト1は、FRP製、とくにCFRP製の本体筒2と、その両端に結合された金属製の継手3からなる。本体筒2は、単一層からなる内層フープ巻層4と、単一層からなる外層フープ巻層5と、両フープ巻層4、5巻に位置するヘリカル巻層6を有している。
【0016】
内層フープ巻層4および外層フープ巻層5は、いずれか一方が、強化繊維が軸方向に対し−80°〜−90°または+80°〜+90°の方向に巻かれた単一層からなり、他方が、強化繊維が軸方向に対し+80°〜+90°または−80°〜−90°の方向に巻かれた単一層からなる。
【0017】
ヘリカル巻層6は、強化繊維が軸方向に対し±θ°の方向に巻かれた、単層あるいは、±θ°層を複数層有する積層構成の層からなる。
【0018】
使用される強化繊維は、とくにヘリカル巻層6に使用される強化繊維は、とくに次のような特性を満たすように設定される。すなわち図2に示すように、ヘリカル巻層6における強化繊維の巻角±θ°が±0°のときのプロペラシャフト1の共振周波数fをf0 とし、強化繊維の巻角θを上げていったときに再びプロペラシャフトの共振周波数がf0 となる強化繊維の巻角θを±θS °(θS >0)としたとき、0°〜θS °の範囲にf0 よりも大きい共振周波数のピークfp が現われる引張弾性率を有する強化繊維とされる。
【0019】
従来の単なる強化繊維の巻層の積層構成では、図2に示すように、上記のような共振周波数のピークfp は現われず、図2のグラフでは実質的に単調な右下りの特性となる。しかし本発明では、
(1)上記の如く、特定のヘリカル巻層6および内外の単一層からなるフープ巻層4、5の構成としたこと、および、
(2)特定の引張弾性率を有する強化繊維を使用すること、
により、図2に示したような共振周波数のピークfp が現われるようになる。
【0020】
共振周波数のピーク値fp は、f0 に対し最大増加量Δfmax を有するが、このΔfmax をf0 よりも2%以上高くすることによって、従来のものに対し明確な有意差をもたせることができる。
【0021】
また、ヘリカル巻層6の巻角が0°〜θS °の範囲において共振周波数fの増加が得られ、この範囲内において本発明による効果が得られるが、より共振周波数を高くしたり危険回転数を高く設定するためには、ヘリカル巻層6の巻角θは上記最大増加量Δfmax となる角度θp 、つまり共振周波数のピークfp を達成する角度fp 近傍にあることが好ましい。実用上明確に効果のある範囲として、たとえば、θp に対し±4°の範囲内、好ましくは±2°の範囲内に設定することが好ましい。この範囲は、寸法ばらつきや寸法誤差を考慮しても、実用上十分に設定可能な範囲である。
【0022】
上記のように構成することにより、図2に示したような高い共振周波数が得られ、それに対応する高い危険回転数が実現できる。
【0023】
【実施例】
以下に、本発明を実施例、比較例に基づいて説明する。
実施例1
フィラメントワインディング成形により本発明に係るCFRP製プロペラシャフト(本体筒)を成形した。炭素繊維(東レ(株)製、 "トレカ”M30S、引張弾性率294GPa)を引き揃え、エポキシ樹脂を含浸させながら直径65.5mmのマンドレルに、
▲1▼第1層(内層フープ巻層)は、マンドレルの軸方向に対して+83°の角度の斜行層を、層厚さ0.15mmに調整しながら巻き付け、
▲2▼第2から5層までの4層(ヘリカル巻層)は、±10°の往復層を4層、層厚さが4層で2mmになるように調整しながら巻き付け、
▲3▼第6層(外層フープ巻層)に−83°の角度の斜行層を、層厚さ0.15mmに調整しながら巻き付け、この炭素繊維に巻き付けたマンドレルを加熱し、エポキシ樹脂を硬化させたのち、マンドレルを引き抜いて、内径65.5mm、外径70.1mmのCFRP製チューブを得た。このCFRP製チューブを長さ1100mmに切断し、両端に金属製継手を接合し、プロペラシャフトとした。このプロペラシャフトの危険回転数(共振周波数)を測定すると、200Hzであった。
【0024】
実施例2
フィラメントワインディング成形により本発明に係るCFRP製(本体筒)を成形した。炭素繊維(東レ(株)製 "トレカ”M46J、引張弾性率436GPa)を引き揃え、エポキシ樹脂を含浸させながら直径65.5mmのマンドレルに、
▲1▼第1層は、マンドレルの軸方向に対して+83°の角度に斜行層を、層厚さ0.15mmに調整しながら巻き付け、
▲2▼第2から第5までの4層は、±12°の往復層を4層、層厚さが4層で2mmになるように調整しながら巻き付け、
▲3▼第6層に−83°の角度の斜行層を、層厚さ0.15mmに調整しながら巻き付け、この炭素繊維を巻き付けたマンドレルを加熱し、エポキシ樹脂を硬化させたのち、マンドレルを引き抜いて、内径65.5mm、外径70.1mmのCFRP製チューブを得た。このCFRP製チューブを長さ1100mmに切断し、両端に金属製継手を接合し、プロペラシャフトとした。このプロペラシャフトの危険回転数を測定すると、240Hzであった。
【0025】
比較例1
第2層から第5層までの往復層の角度を±3°にした他は、実施例1と同様にして、CFRP製プロペラシャフトを得た。このプロペラシャフトの危険回転数を測定すると、195Hzであった。
【0026】
比較例2
第2層から第5層までの往復層の角度を±3°にした他は、実施例2と同様にして、CFRP製プロペラシャフトを得た。このプロペラシャフトの危険回転数を測定すると、220Hzであった。
【0027】
比較例3
炭素繊維を東レ(株)製 "トレカ”T700S(引張弾性率230GPa)とする他は、実施例1と同様にして、CFRP製プロペラシャフトを得た。このプロペラシャフトの危険回転数を測定すると、175Hzであった。
【0028】
比較例4
第2層から第5層までの往復層の角度を±3°にした他は、実施例3と同様にして、CFRP製プロペラシャフトを得た。このプロペラシャフトの危険回転数を測定すると、175Hzであった。
【0029】
【表1】
【0030】
表1から分かるように、実施例1では比較例1に比べ危険回転数の大幅な危険回転数の増加が見られ、実施例2では比較例2に比べ大幅な危険回転数の増加が見られた。また、引張弾性率の低い炭素繊維を用いると、比較例3、4から分かるように、図2に示したような共振周波数のピークが現われず、ヘリカル巻層の巻角を変えても実質的に危険回転数の向上は得られなかった。つまり本発明では、特定の巻層構成に加え、強化繊維として最適な引張弾性率を有するものを使用することが肝要である。
【0031】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のプロペラシャフトによれば、内外の単一層からなる特定巻角のフープ巻層と中間のヘリカル巻層との積層構成とし、かつ、共振周波数のピークが現われるように強化繊維を設定してヘリカル巻層の巻角をそのピーク近傍に設定することにより、従来にない高いFRP製プロペラシャフトの危険回転数を実現することができる。
【0032】
また、内外のフープ巻層を単一層とすることにより、フープ巻層の層厚を薄く抑えられ、フープ巻層内の剥離などの問題を回避できる。その結果、本体筒の厚みの増加が抑えられ、プロペラシャフトの小径化も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施態様に係るプロペラシャフトの部分断面図である。
【図2】本発明の技術思想を説明するための特性図である。
【符号の説明】
1 プロペラシャフト
2 本体筒
3 継手
4 内層フープ巻層
5 外層フープ巻層
6 ヘリカル巻層
Claims (6)
- FRP製本体筒を有するプロペラシャフトにおいて、前記本体筒は、強化繊維が軸方向に対し−80°〜−90°または+80°〜+90°の方向に巻かれた単一層からなる内層フープ巻層と、強化繊維が軸方向に対し+80°〜+90°または−80°〜−90°の方向に巻かれた単一層からなる外層フープ巻層と、内層フープ巻層と外層フープ巻層間に位置し、強化繊維が軸方向に対し±θ°の方向に巻かれたヘリカル巻層とを有し、かつ、使用する強化繊維が、前記ヘリカル巻層における強化繊維の巻角が±0°のときのプロペラシャフトの共振周波数をf0 、強化繊維の巻角を上げていったときに再びプロペラシャフトの共振周波数がf0 となる強化繊維の巻角を±θS °(θS >0)としたとき、0°〜θS °の範囲にf0 よりも大きい共振周波数のピークが現われる引張弾性率を有する強化繊維であることを特徴とするプロペラシャフト。
- 前記共振周波数のピークがf0 よりも2%以上高い、請求項1のプロペラシャフト。
- 前記±θ°が、前記共振周波数のピークが現われる強化繊維の巻角に対し±4°の範囲内にある、請求項1または2のプロペラシャフト。
- 前記内層フープ巻層および外層フープ巻層の厚みの和が、前記ヘリカル巻層の厚みの20%以下である、請求項1〜3のいずれかに記載のプロペラシャフト。
- 前記強化繊維が炭素繊維である、請求項1〜4のいずれかに記載のプロペラシャフト。
- 前記炭素繊維の引張弾性率が290GPa以上である、請求項5のプロペラシャフト。
Priority Applications (1)
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JP33609699A Expired - Lifetime JP4228330B2 (ja) | 1999-11-26 | 1999-11-26 | プロペラシャフト |
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JP (1) | JP4228330B2 (ja) |
-
1999
- 1999-11-26 JP JP33609699A patent/JP4228330B2/ja not_active Expired - Lifetime
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