JP5256964B2 - トルク伝達軸およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、炭素繊維強化プラスチック製のシャフトを用いたトルク伝達軸（推進軸）およびその製造方法に関するものであり、特に自動車、船舶に適した、炭素繊維強化プラスチック製のシャフトを用いたトルク伝達軸およびその製造方法に関するものである。

従来、自動車や船舶等のトルク伝達軸はほとんど金属製であったが、近年、車両重量を軽減して燃費を向上させるなどの目的で、熱硬化性樹脂を強化繊維で強化してなる繊維強化プラスチック製のものが検討されている。

ところで、自動車のトルク伝達軸は、車体の床下に配置されるが、使用時は付近の排気管や触媒装置からの放熱により１５０℃程度の温度下にさらされている。特に、排気浄化装置内の触媒作用による発熱はすさまじく、一時的に２００℃近くまで温度が上昇することがある。

また、近年、居住スペースや車載スペースの拡大やそれらを実現するためのレイアウト変更などにより、車体床下のスペースが削減され、熱源である排気管や触媒装置とプロペラシャフトとの距離が近づく傾向にあり、高温下でも使用可能なトルク伝達軸にすることが必要となる。

しかしながら、炭素繊維強化プラスチック製トルク伝達軸は一般的に熱に弱く、耐熱性の向上が求められてきた。かかる状況のもと、これまで、高温下で使用可能な炭素繊維強化プラスチック製トルク伝達軸を実現する方法として様々な方法が提案されてきている。

例えば、炭素繊維強化プラスチック製トルク伝達軸に高耐熱性樹脂を使用して、耐熱性を向上させた方法が特許文献１に開示されている。しかしながら、この方法では、耐熱性樹脂を使用することによるコストアップと樹脂の粘度が増加することによる成形性の悪化が問題となる。

また、繊維強化プラスチック製シャフトに高耐熱性プリプレグを使用して、耐熱性を向上させた方法が特許文献２に開示されている。しかしながら、この方法では、熱可塑性ポリイミド系樹脂のプリプレグを使用することによるコストアップと任意の角度で積層するための煩雑な基材カット作業を必要とする。

特許文献３には、トルク伝達軸ではないが、樹脂製燃料タンク表面に金属箔を接着、または金属を蒸着することにより膜を形成し、熱反射機能を付与する方法が記載されている。しかしながら、この方法を炭素繊維強化プラスチック製トルク伝達軸に適用すると、該軸と金属膜間の電食により金属が劣化し、金属の熱線反射率や該軸と金属膜間の接着力、該軸の表面品位が低下する。

この他にも、触媒装置と炭素繊維強化プラスチック製トルク伝達軸の間に金属製の遮熱板を固定することにより、触媒装置からの熱を前記トルク伝達軸に伝えない方法がある。しかしながら、この方法だと、遮熱板を固定するために煩雑な作業が必要とあり、また、遮熱板装着による重量増加によって、炭素繊維強化プラスチック製トルク伝達軸を使用する利点が減少する。
特開平６−２６４９１７号公報 特開平７−２２３２５５号公報 特公昭６２−８３３０号公報

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、シャフトの表面に熱線反射機能を有する層（熱線反射層）を付与することにより、付近の排気管や触媒装置からの放熱により熱せられた場合でも、トルク伝達軸として十分なねじり強度を伝えることができ、かつ、炭素繊維強化プラスチック製のシャフト本体と前記シャフト表面の熱線反射層の間に絶縁層を設けることにより、該被覆層が、前記シャフト本体間との電食により劣化しないトルク伝達軸を提供するものである。

かかる課題を解決するための本発明は、以下の構成からなる。すなわち、
（１）炭素繊維強化プラスチック製のシャフト本体を有するシャフトと、該シャフトの両端部に装着された金属製継ぎ手要素とを有するトルク伝達軸であって、前記シャフト表面には熱線に対する反射効果を示す被覆層が設けられており、かつ、該被覆層と前記シャフト本体との間に、ポリプロピレンやポリエステル、ナイロンのいずれかからなる繊維、フィルム、またはアラミド繊維、ガラス繊維、ボロン繊維、セラミック繊維やそれらのマットからなる絶縁層が設けられていることを特徴とするトルク伝達軸。

（２）前記被覆層の厚さが１０〜５００μｍである、（１）に記載のトルク伝達軸。

（３）前記シャフト本体が、軸方向に対して、±５〜２０°の方向に配列された強化繊維の層、および±７５〜９０°の方向に配列された強化繊維の層を含んでいる、（１）または（２）に記載のトルク伝達軸。

（４）炭素繊維強化プラスチック製のシャフト本体を有するシャフトと、該シャフトの両端部に装着された金属製継ぎ手要素とを有するトルク伝達軸の製造方法であって、未硬化の樹脂と炭素繊維からなるシャフト本体の前駆体の表面に、ポリプロピレンやポリエステル、ナイロンのいずれかからなる繊維、またはアラミド繊維、ガラス繊維、ボロン繊維、セラミック繊維やそれらのマットからなる絶縁層を設け、該絶縁層の表面に金属箔、テープ状の金属箔、金属蒸着フィルム、金属蒸着テープ、金属箔内包樹脂フィルム、金属箔内包樹脂テープ、熱線反射フィルム、および熱線反射テープからなる群から選ばれる少なくとも一つの材料を巻き付けた後に、前記シャフト本体の前駆体を硬化する工程を有する、トルク伝達軸の製造方法。

（５）炭素繊維強化プラスチック製のシャフト本体を有するシャフトと、該シャフトの両端部に装着された金属製継ぎ手要素とを有するトルク伝達軸の製造方法であって、未硬化の樹脂と炭素繊維からなるシャフト本体の前駆体の表面に、ポリプロピレンやポリエステル、ナイロンのいずれかからなるフィルムを絶縁層として設けられた金属蒸着フィルム、金属箔内包樹脂フィルム、および熱線反射フィルムからなる群から選ばれる少なくとも一つの材料を巻き付けた後に、前記シャフト本体の前駆体を硬化する工程を有する、トルク伝達軸の製造方法。

（６）炭素繊維強化プラスチック製のシャフト本体を有するシャフトと、該シャフトの両端部に装着された金属製継ぎ手要素とを有するトルク伝達軸の製造方法であって、前記シャフト本体の表面にポリプロピレンやポリエステル、ナイロンのいずれかからなる繊維、またはアラミド繊維、ガラス繊維、ボロン繊維、セラミック繊維やそれらのマットからなる絶縁層を設けた後に、該絶縁層の表面に金属箔、テープ状の金属箔、金属蒸着フィルム、金属蒸着テープ、金属箔内包樹脂フィルム、金属箔内包樹脂テープ、熱線反射フィルム、および熱線反射テープからなる群から選ばれる少なくとも一つの材料を巻き付ける工程を有する、トルク伝達軸の製造方法。

（７）炭素繊維強化プラスチック製のシャフト本体を有するシャフトと、該シャフトの両端部に装着された金属製継ぎ手要素とを有するトルク伝達軸の製造方法であって、前記シャフト本体の表面に、ポリプロピレンやポリエステル、ナイロンのいずれかからなるフィルムを絶縁層として設けられた金属蒸着フィルム、金属箔内包樹脂フィルム、および熱線反射フィルムからなる群から選ばれる少なくとも一つの材料を巻き付ける工程を有する、トルク伝達軸の製造方法。

（８）炭素繊維強化プラスチック製のシャフト本体を有するシャフトと、該シャフトの両端部に装着された金属製継ぎ手要素とを有するトルク伝達軸の製造方法であって、前記シャフト本体の表面に、ポリプロピレンやポリエステル、ナイロンのいずれかからなる繊維、フィルム、またはアラミド繊維、ガラス繊維、ボロン繊維、セラミック繊維やそれらのマットからなる絶縁層を設けた後に、該絶縁層の表面に熱線に対する反射効果を示す塗料を塗布、または、金属を塗布もしくは蒸着する工程を有する、トルク伝達軸の製造方法。
である。

本発明に係るトルク伝達軸は、シャフト表面に熱線に対する反射効果を示す被覆層を有しているので、付近の排気管や触媒装置からの放熱により熱せられた場合でもトルク伝達軸として十分なねじり強度を伝えることができる。また、該被覆層と炭素繊維強化プラスチック製のシャフト本体との間に絶縁層を設けることにより、前記被覆層が、前記シャフト本体間との電食により劣化しないトルク伝達軸を得ることができる。特に、高価な耐熱性樹脂を使用しないので、コストの低いトルク伝達軸が得られるのである。

本発明は、炭素繊維強化プラスチック製のシャフト本体を有するシャフトと、該シャフトの両端部に装着された金属製継ぎ手要素とを有するトルク伝達軸であって、前記シャフト表面には熱線に対する反射効果を示す被覆層が設けられており、かつ、該被覆層と前記シャフト本体との間に、ポリプロピレンやポリエステル、ナイロンのいずれかからなる繊維、フィルム、またはアラミド繊維、ガラス繊維、ボロン繊維、セラミック繊維やそれらのマットからなる絶縁層が設けられていることを特徴とするトルク伝達軸に関するものである。

なお、ここで言う、炭素繊維強化プラスチック製のシャフト本体は、フィラメントワインディング法やテープワインディング法等により、熱硬化性樹脂に代表される樹脂を含浸させた炭素繊維からなる強化繊維をマンドレルに巻き付けて成形する方法などにより得られるが、本発明の目的を損なわない限り、強化繊維として、アラミド繊維、ガラス繊維、ボロン繊維、セラミック繊維などを４０質量％含んでいても問題ない。但し、炭素繊維以外の強化繊維は、トルク伝達軸の必要なねじり強度や危険回転数を考慮すると４０質量％以下であることが好ましい。

また、炭素繊維に含浸させる樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ビニルエステル樹脂などの熱硬化性樹脂、ポリ酢酸ビニル、ポリカーボネイト、ポリアセタール、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリアリレート、ポリエステル、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアラミド、ポリベンゾイミダゾール、ポリエチレン、ポリプロピレン、酢酸セルロースなどなどの熱可塑性樹脂が好適に用いられるが、これらの中でも、良好な作業性と成形後の優れた機械特性という点を考慮すると熱硬化性樹脂が好ましく用いられ、中でも、エポキシ樹脂が特に好ましく用いられる。なお、本発明で、炭素繊維に含浸させる樹脂として熱可塑性樹脂が用いられる場合、「未硬化」とは溶融もしくはゴム状態（融点もしくはガラス転移温度を超える状態）になっていることを意味し、「硬化」とは結晶もしくはガラス状態（融点もしくはガラス転移温度を超えない状態）になっていることを意味する。

本発明における熱線に対する反射効果を示す被覆層とは、以下の条件を満たすことである。

すなわち、表面が被覆層で覆われたトルク伝達軸の両端の金属製継ぎ手要素を切断した後、長軸方向に２等分し、シャフトの内面にＫ型熱電対を貼り付けた後、シャフト表面の被覆層から２０ｃｍのところに、熱源の表面温度が６００℃となるように遠赤外線ヒーターの該熱源の先端を設置して、該シャフトを１０分間加熱後、シャフト内面の温度をデータロガーで検出することにより判断される。そして、本発明では、加熱後の温度が「示差走査型熱量計で測定した炭素繊維強化プラスチック製シャフトの樹脂のガラス転移温度−５０度」以下である場合、表面の被覆層に熱線に対する反射効果があるとする。「前記ガラス転移温度−５０度」以下としたのは、炭素繊維強化プラスチック製のシャフト本体の内面温度が「前記ガラス転移温度−５０度」を超えると、トルク伝達軸として、十分なトルクを伝達できないからである。ここで、前記遠赤外線ヒーターとしては、例えば、ダイキン社製 遠赤外線暖房機“ＥＲＫ１０ＬＮＶ”などを用いることができる。なお、ガラス転移温度の測定は、ＪＩＳ Ｋ ７１２１（２００１）に従い、示差走査型熱量計で測定する。

本発明における被覆層と、前記シャフト本体との間に設けられた絶縁層は、ポリプロピレンやポリエステル、ナイロン等の絶縁性プラスチックテープ、繊維、フィルム、またはゴム、もしくはシャフト成形に用いられるアラミド繊維、ガラス繊維、ボロン繊維、セラミック繊維やそれらのマット等が好適に用いられるが、トルク伝達軸としての使用を考慮すると、「示差走査型熱量計で測定した炭素繊維強化プラスチック製シャフトの樹脂のガラス転移温度−５０度」以上の融点を有する材料が望ましく、中でも、ガラス繊維のマットが、耐熱性を有し、かつコストが安価であるという点で特に望ましい。なお、ガラス転移温度の測定方法は、上述のとおりである。

かかる被覆層を形成する方法として、金属箔、テープ状の金属箔、金属蒸着フィルム、金属蒸着テープ、金属箔内包樹脂フィルム、金属箔内包樹脂テープ、熱線反射フィルム、または熱線反射テープの少なくともいずれか１種の材料を、シャフト本体の表面に設けられた絶縁層を介して巻きつけることが好適である。

これらの中でも、金属蒸着フィルム、金属箔内包樹脂フィルム、熱線反射フィルムは、そのフィルム面と、前記シャフト本体を接着させることにより、フィルム面が絶縁層の役割を果たし、別に絶縁層を設ける必要がなく、シャフト本体の表面に直接巻き付けることができるので材料費と手間が削減でき、好ましい。

また、上記金属箔、テープ状の金属箔、金属蒸着フィルム、金属蒸着テープ、金属箔内包樹脂フィルム、金属箔内包樹脂テープ、熱線反射フィルム、または熱線反射テープの少なくともいずれか１種の材料は、未硬化の樹脂と炭素繊維からなるシャフト本体の前駆体の表面に設けられた絶縁層に巻き付けることにより、接着剤等を使用することなく絶縁層の表面に接着させることができる。ただし、金属蒸着フィルム、金属箔内包樹脂フィルム、熱線反射フィルムは、フィルム面が絶縁層の役割を果たすので、これらを巻きつける場合には、別に絶縁層を設ける必要がなく、シャフト本体の前駆体に直接巻き付けることができ、好ましい。

本発明における被覆層が、熱線に対する反射効果を示す塗料を塗布、または、金属を塗布もしくは蒸着する工程によって設けられる場合、接着剤を用いる必要はない。この場合、作業性を考慮すると、樹脂を硬化した後のシャフト本体に設けられた絶縁層の表面に、前記熱線に対する反射効果を示す塗料を塗布、または、金属を塗布もしくは蒸着することが好ましい。

なお、シャフト本体の前駆体の表面に絶縁層を設け、該絶縁層の表面に前記材料を巻き付ける場合、また、シャフト本体の前駆体の表面に直接前記材料を巻き付ける場合には、当該材料を巻き付けた後にシャフト本体の前駆体を硬化する工程を設ける必要がある。

また、被覆層は材料の形状、種類に関係なく、また、シャフト全周にわたって覆う必要もなく、熱線の照射部分だけに設けられていてよい。

本発明における被覆層の厚さは、１０〜５００μｍであることが好ましい。被覆層の厚みが１０μｍ以下だと、被覆層が破れやすくなる可能性があり、他方、被覆層の厚みが５００μｍ以上だと重量が増加し、かつ、巻き付け時の成形性が低下する可能性があるからである。

本発明に用いられる繊維強化プラスチック製のシャフト本体は、高速回転時の危険回転数を高くすることと、必要な強度を保持することの両立、という点を考慮すると、当該シャフト本体の軸方向に対する強化繊維の配向角度を±５〜２０°とすることが好ましい。また、金属製継ぎ手要素が装着される当該シャフト本体の端部の強度を向上させる目的で、その端部にシャフト本体の軸方向に対する強化繊維の配向角度が±７５〜９０°の補強層を設けることが好ましく、さらに、優れた成形速度と高い円周方向の強度を両立させるためには７５〜８５°の配向角度がより好ましい。

以下、本発明の一実施の形態を、図に従ってさらに詳細に説明する。なお、本発明が図面に記載された態様に限定される訳ではない。

図１に示すように、円筒状のマンドレル１に離型剤を塗布し、その両端に繊維折り返し治具２を固定する。次にフィラメントワインディング装置により、未硬化の熱硬化性樹脂を含浸した強化繊維を、任意の巻き角度でマンドレル１の軸方向に巻き付けていく。

まず、マンドレル１の端部にきた前記強化繊維は、繊維折り返し治具２上の係止部に引っかけられた後、反対方向への折り返しのため、繊維折り返し治具２の軸部に巻きつけられる。この繰り返しによりマンドレルに対して所定の角度で巻き付けられている。

未硬化の熱硬化性樹脂を含浸した強化繊維の、マンドレル１への巻き付けが完了した後、絶縁層としてガラス繊維のマット３、被覆層としてアルミ箔４を順番に積層する。

繊維折り返し治具２とマンドレル１上に巻き付けられ、絶縁層、被覆層が積層された、未硬化の樹脂と炭素繊維からなる成形体を、繊維折り返し治具２とマンドレル１の接続位置でそれぞれをカッターにより切断する。そして、繊維折り返し治具２をマンドレル１から取り外す。その後、成形体が巻き付けられたマンドレル１を硬化炉に入れ、所定の温度と時間で樹脂を硬化させる。硬化後、マンドレル１を引き抜いた成形体を所定の長さに切断し、シャフト５が得られる（図２）。

最後に、トルク伝達軸７はシャフト５の端部内面に金属製継ぎ手要素６を圧入することにより製造される（図３、図４）。

本発明における金属製継ぎ手要素６は機械的強度に優れて、加工が容易な金属が好ましい。例えば、鉄、アルミニウム、チタン、マグネシウムなどが挙げられる。また、これらの合金でであっても良い。

図５は、プロペラシャフトのねじり評価試験の概要を示す。両端に継ぎ手６が接合された試験用トルク伝達軸７は、ねじり評価試験機のフランジ部に固定される。このとき、一方の可動部フランジ１２は油圧による回転駆動部を有しており試験体へのトルク負荷が可能となる。併せて回転部に角度計１３を設けておけば変位量の計測も可能である。他方の固定部フランジ１２は試験器ベースに固定され、フランジ部に連結されたロードセル１４から破壊時のトルクを検出することができる。この時、遠赤外線ヒーター１１で一定時間加熱した後のトルクｖｓ角度線図を表示させればプロペラシャフトの加熱時での破壊トルクを読み取ることが可能となる。

（実施例１、比較例１）
試験に使用したシャフトは、次のように製造した。

フィラメントワインディング装置に、繊維折り返し治具を両端に固定した全長１４００ｍｍ、直径８０ｍｍのマンドレルをセットし、当該マンドレルに、強化繊維として用いられる東レ株式会社製炭素繊維“トレカ” Ｔ７００ＳＣ−２４Ｋの糸束３本を引き揃え、ビスフェノールＡ型エポキシと酸無水物、硬化促進剤を混合した溶液を含浸させた状態で給糸した。

まず、最内層に、強化繊維をマンドレルの軸方向に対して＋８３度の巻き角度でマンドレルの全長にわたり、厚さ０．２ｍｍで１層積層した。この時、繊維強化プラスチック製のシャフト本体の両端の接合強度を高めるために、マンドレルの両端部においては、マンドレルの軸方向に対して±８３度の巻き角度でなく、マンドレルの軸方向に対して±８５度の巻き角度で基準位置から１３５．７ｍｍの長さにわたって７層積層して、続いて、同じ基準位置から±８５度の巻き角度で１８１．７ｍｍの長さにわたって８層積層して円周方向補強層を得た。

次に、強化繊維をマンドレルの軸方向に対して±１２度の角度で５層積層し、２．３ｍｍの肉厚とした。ここで、強化繊維がマンドレルの外周面をすべて覆うために、１層当たりの強化繊維の往復回数は１３回とした。マンドレルの全長にわたりマンドレルの軸方向に対して−８３度の巻き角度で０．２ｍｍ積層した。

次に、絶縁層として、全周にわたりガラス繊維のマットを積層し、最後に、被覆層として、厚さ２ｍｍ、直径３ｃｍの円形のアルミ板を積層した（実施例１）。また、比較のために、ガラス繊維のマットを積層せずに、厚さ２ｍｍ、直径３ｃｍの円形のアルミ板を積層したものを用意した（比較例１）。

続いて、所定の温度条件にて加熱炉でエポキシ樹脂の硬化を行い、硬化完了後、マンドレルから成形品を脱芯した。脱芯後、成型品の両端１００ｍｍを切り落とし長さ１２００ｍｍ、中央部外径８５．６ｍｍのシャフトを得た。

続いて、得られたシャフトの、炭素繊維強化プラスチック製のシャフト本体と被覆層との密着性を確認するために、次のような試験を行った。

５％の濃度に調整した塩化ナトリウム水溶液中に、ガラスマットとアルミ板を積層したチューブとアルミ板のみを積層したチューブを浸漬させた。５日後、アルミ板のみを積層したチューブ表面からアルミ板が剥離し、アルミ板の接着部分は腐食していた（比較例１）。これに対して、ガラスマットとアルミ板を積層したチューブではアルミ板の剥離も見られず、アルミ板の接着部分は腐食された形跡は確認できなかった（実施例１）。

（実施例２、比較例２）
試験に使用したシャフトは、次のように製造した。

フィラメントワインディング装置に、繊維折り返し治具を両端に固定した全長１４００ｍｍ、直径８０ｍｍのマンドレルをセットし、当該マンドレルに、強化繊維として用いられる東レ株式会社製炭素繊維“トレカ” Ｔ７００ＳＣ−２４Ｋの糸束３本を引き揃え、ビスフェノールＡ型エポキシと酸無水物、硬化促進剤を混合した溶液を含浸させた状態で給糸した。

まず、最内層に、強化繊維をマンドレルの軸方向に対して＋８３度の巻き角度でマンドレルの全長にわたり、厚さ０．２ｍｍで１層積層した。この時、繊維強化プラスチック製のシャフト本体の両端の接合強度を高めるために、マンドレルの両端部においては、マンドレルの軸方向に対して±８３度の巻き角度でなく、マンドレルの軸方向に対して±８５度の巻き角度で基準位置から１３５．７ｍｍの長さにわたって７層積層して、続いて、同じ基準位置から±８５度の巻き角度で１８１．７ｍｍの長さにわたって８層積層して円周方向補強層を得た。

次に、強化繊維をマンドレルの軸方向に対して±１２度の角度で５層積層し、２．３ｍｍの肉厚とした。ここで、強化繊維がマンドレルの外周面をすべて覆うために、１層当たりの強化繊維の往復回数は１３回とした。マンドレルの全長にわたりマンドレルの軸方向に対して−８３度の巻き角度で０．２ｍｍ積層した。

次に、絶縁層として、全周にわたりガラス繊維のマットを積層し、最後に、被覆層として、厚さ２５μｍのアルミニウム箔を積層した（実施例２）。また、比較のために、厚さ２５μｍのアルミニウム箔を積層せずに、ガラス繊維のマットを積層したものを用意した（比較例２）。

続いて、１００℃で４時間加熱し、その後１５０℃で６時間加熱する温度条件にて加熱炉でエポキシ樹脂の硬化を行い、硬化完了後、マンドレルから成形品を脱芯した。脱芯後、成型品の両端１００ｍｍを切り落とし長さ１２００ｍｍ、中央部外径８５．６ｍｍのシャフトを得た。

続いて、得られたシャフトの、アルミニウムによる輻射熱反射効果を確認するために、熱線照射時のシャフトの温度変化を測定した。

まず、温度変化を測定するために、試験体の中央部にパソコン８接続したＫ型熱伝対９を貼り付けた。続いて、試験体を架台１０に固定した後、試験体表面の被覆層から、ダイキン社製遠赤外線暖房機“ＥＲＫ１０ＬＮＶ”１１の熱源の先端との最短距離が２０ｃｍになるように、かつ熱伝対を貼り付けた位置が遠赤外線暖房機の熱源の中央部に位置するように設置し、強７の出力（熱源の表面温度は６００℃）で試験体を加熱した時のシャフトの温度変化データを採取した（図５）。図６に示すように、表面に熱線に対する反射効果を示す材料であるアルミニウム箔を被覆したシャフトは、８分間加熱しても温度変化が確認できなかった（実施例２）。これに対して、表面に熱線に対する反射効果を示す材料であるアルミニウム箔を被覆していないトルク伝達軸で同様の試験を行ったところ、加熱時間時間とともに表面温度が上昇し、８分後には１４０℃に達した（比較例２）。

（実施例３、比較例３）
試験に使用したトルク伝達軸は、次のように製造した。

フィラメントワインディング装置に、繊維折り返し治具を両端に固定した全長１４００ｍｍ、直径８０ｍｍのマンドレルをセットし、当該マンドレルに、強化繊維として用いられる東レ株式会社製炭素繊維“トレカ” Ｔ７００ＳＣ−２４Ｋの糸束３本を引き揃え、ビスフェノールＡ型エポキシと酸無水物、硬化促進剤を混合した溶液を含浸させた状態で給糸した。

まず、最内層に、強化繊維をマンドレルの軸方向に対して＋８３度の巻き角度でマンドレルの全長にわたり、厚さ０．２ｍｍで１層積層した。この時、繊維強化プラスチック製のシャフト本体の両端の接合強度を高めるために、マンドレルの両端部においては、マンドレルの軸方向に対して±８３度の巻き角度でなく、マンドレルの軸方向に対して±８５度の巻き角度で基準位置から１３５．７ｍｍの長さにわたって７層積層して、続いて、同じ基準位置から±８５度の巻き角度で１８１．７ｍｍの長さにわたって８層積層して円周方向補強層を得た。

次に、強化繊維をマンドレルの軸方向に対して±１２度の角度で５層積層し、２．３ｍｍの肉厚とした。ここで、強化繊維がマンドレルの外周面をすべて覆うために、１層当たりの強化繊維の往復回数は１３回とした。マンドレルの全長にわたりマンドレルの軸方向に対して−８３度の巻き角度で０．２ｍｍ積層した。

次に、絶縁層として、全周にわたりガラス繊維のマットを積層し、最後に、被覆層として、厚さ２５μｍのアルミニウム箔を積層した（実施例３）。また、比較のために、厚さ２５μｍのアルミニウム箔を積層せずに、ガラス繊維のマットを積層したものを用意した（比較例３）。

続いて、１００℃で４時間加熱し、その後１５０℃で６時間加熱する温度条件にて加熱炉でエポキシ樹脂の硬化を行い、硬化完了後、マンドレルから成形品を脱芯した。脱芯後、成型品の両端１００ｍｍを切り落とし長さ１２００ｍｍ、中央部外径８５．６ｍｍのシャフトを得た。続いて、あらかじめ接合部にセレーションを設けた金属製継ぎ手要素をシャフトの両端に圧入しトルク伝達軸を得た。

得られたトルク伝達軸を、図７に示す、ねじり評価試験により評価した。ねじり評価試験はトルク検出器とトルク負荷装置を具備するねじり評価試験機によって測定することが可能である。

両端に継ぎ手６が接合された試験用トルク伝達軸７は、ねじり評価試験機のフランジ部に固定される。このとき、一方の可動部フランジ１２は油圧による回転駆動部を有しており試験体へのトルク負荷が可能となる。併せて、回転部に角度計１４を設けておけば変位量の計測も可能である。他方の固定部フランジ１３は試験器ベースに固定され、フランジ部に連結されたロードセル１５から破壊時のトルクを検出し、トルクｖｓ角度線図を表示させ破壊時のトルクを読み取ることができる。

ねじり評価試験は、試験体表面の被覆層から、ダイキン社製遠赤外線暖房機“ＥＲＫ１０ＬＮＶ”の熱源の先端との最短距離が２０ｃｍになるように設置し、強７の出力（熱源の表面温度は６００℃）で試験体を１０分間加熱してから行った。表面に熱線に対する反射効果を示す材料であるアルミニウム箔を被覆したトルク伝達軸は、シャフトの中央で破壊し、この時の破壊トルクは４．９ｋＮｍであり、トルク伝達軸として十分な性能を発現した（実施例３）。これに対して、表面に熱線に対する反射効果を示す材料であるアルミニウム箔を被覆していないトルク伝達軸で同様の試験を行ったところ、シャフトは加熱部分で破壊し、この時の破壊トルクは１．５ｋＮｍとねじり強度が大幅に低下し、トルク伝達軸として十分なトルクを維持することができなかった（比較例３）。

本発明に係るトルク伝達軸は、車両、船舶、ペリコプターなどのあらゆるプロペラシャフトとして利用可能である。

本発明に用いられる炭素繊維強化プラスチック製のシャフト本体を成形する、フィラメントワインディング成形を示す説明図である。 本発明に用いられるシャフトの斜視図の一例である。 本発明に用いられるシャフトと金属製継ぎ手要素の接合方法を示す説明図である。 本発明に係るトルク伝達軸の概略図である。 本発明に係る熱線反射効果確認試験を示す説明図である。 熱線の反射効果を示すグラフである。 本発明に係るトルク伝達軸のねじり評価試験を示す説明図である。

符号の説明

１ マンドレル
２ 繊維折り返し治具
３ ガラス繊維のマット
４ アルミ箔
５ シャフト
６ 金属製継ぎ手要素
７ トルク伝達軸
８ パソコン
９ Ｋ型熱伝対
１０ 架台
１１ 遠赤外線ヒーター
１２ 可動フランジ
１３ 固定部フランジ
１４ 角度計
１５ ロードセル

Claims (8)

1. 炭素繊維強化プラスチック製のシャフト本体を有するシャフトと、該シャフトの両端部に装着された金属製継ぎ手要素とを有するトルク伝達軸であって、前記シャフト表面には熱線に対する反射効果を示す被覆層が設けられており、かつ、該被覆層と前記シャフト本体との間に、ポリプロピレンやポリエステル、ナイロンのいずれかからなる繊維、フィルム、またはアラミド繊維、ガラス繊維、ボロン繊維、セラミック繊維やそれらのマットからなる絶縁層が設けられていることを特徴とするトルク伝達軸。
2. 前記被覆層の厚さが１０〜５００μｍである、請求項１に記載のトルク伝達軸。
3. 前記シャフト本体が、軸方向に対して、±５〜２０°の方向に配列された強化繊維の層、および±７５〜９０°の方向に配列された強化繊維の層を含んでいる、請求項１または２に記載のトルク伝達軸。
4. 炭素繊維強化プラスチック製のシャフト本体を有するシャフトと、該シャフトの両端部に装着された金属製継ぎ手要素とを有するトルク伝達軸の製造方法であって、未硬化の樹脂と炭素繊維からなるシャフト本体の前駆体の表面に、ポリプロピレンやポリエステル、ナイロンのいずれかからなる繊維、またはアラミド繊維、ガラス繊維、ボロン繊維、セラミック繊維やそれらのマットからなる絶縁層を設け、該絶縁層の表面に金属箔、テープ状の金属箔、金属蒸着フィルム、金属蒸着テープ、金属箔内包樹脂フィルム、金属箔内包樹脂テープ、熱線反射フィルム、および熱線反射テープからなる群から選ばれる少なくとも一つの材料を巻き付けた後に、前記シャフト本体の前駆体を硬化する工程を有する、トルク伝達軸の製造方法。
5. 炭素繊維強化プラスチック製のシャフト本体を有するシャフトと、該シャフトの両端部に装着された金属製継ぎ手要素とを有するトルク伝達軸の製造方法であって、未硬化の樹脂と炭素繊維からなるシャフト本体の前駆体の表面に、ポリプロピレンやポリエステル、ナイロンのいずれかからなるフィルムを絶縁層として設けられた金属蒸着フィルム、金属箔内包樹脂フィルム、および熱線反射フィルムからなる群から選ばれる少なくとも一つの材料を巻き付けた後に、前記シャフト本体の前駆体を硬化する工程を有する、トルク伝達軸の製造方法。
6. 炭素繊維強化プラスチック製のシャフト本体を有するシャフトと、該シャフトの両端部に装着された金属製継ぎ手要素とを有するトルク伝達軸の製造方法であって、前記シャフト本体の表面に、ポリプロピレンやポリエステル、ナイロンのいずれかからなる繊維、またはアラミド繊維、ガラス繊維、ボロン繊維、セラミック繊維やそれらのマットからなる絶縁層を設けた後に、該絶縁層の表面に金属箔、テープ状の金属箔、金属蒸着フィルム、金属蒸着テープ、金属箔内包樹脂フィルム、金属箔内包樹脂テープ、熱線反射フィルム、および熱線反射テープからなる群から選ばれる少なくとも一つの材料を巻き付ける工程を有する、トルク伝達軸の製造方法。
7. 炭素繊維強化プラスチック製のシャフト本体を有するシャフトと、該シャフトの両端部に装着された金属製継ぎ手要素とを有するトルク伝達軸の製造方法であって、前記シャフト本体の表面に、ポリプロピレンやポリエステル、ナイロンのいずれかからなるフィルムを絶縁層として設けられた金属蒸着フィルム、金属箔内包樹脂フィルム、および熱線反射フィルムからなる群から選ばれる少なくとも一つの材料を巻き付ける工程を有する、トルク伝達軸の製造方法。
8. 炭素繊維強化プラスチック製のシャフト本体を有するシャフトと、該シャフトの両端部に装着された金属製継ぎ手要素とを有するトルク伝達軸の製造方法であって、前記シャフト本体の表面に、ポリプロピレンやポリエステル、ナイロンのいずれかからなる繊維、フィルム、またはアラミド繊維、ガラス繊維、ボロン繊維、セラミック繊維やそれらのマットからなる絶縁層を設けた後に、該絶縁層の表面に熱線に対する反射効果を示す塗料を塗布、または、金属を塗布もしくは蒸着する工程を有する、トルク伝達軸の製造方法。

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