JP7120955B2 - Ｆｒｐ複合成形品 - Google Patents

Description

本発明は、ＦＲＰ複合成形品に関する。

特許文献１には、繊維強化プラスチック製の筒部材の両端に端部部材が結合された動力伝達シャフトが開示されている。端部部材の少なくとも一方は、筒部材との結合部分における外周面に係止部（セレーション）が形成されている。筒部材の強化繊維は複数の層を構成するように外周面において端部部材に巻き付けられ、かつ最内層を構成する繊維束は互いに交差せずに配列され、係止部により端部部材に対する周方向への相対移動が規制されている。筒部材の最内層は繊維束が互いに平行に配列され、かつ全長にわたって連続しているヘリカル巻にて構成されている。ヘリカル巻で配列された繊維束は、同一層において互いに平行に配列されており、端部部材の軸方向に対して所定の角度（配列角度）を持つ角度層として形成されている。

特開２００４－２９３７１４号公報

しかしながら、特許文献１を含んだ従来のＦＲＰ製駆動シャフト（ＦＲＰ複合成形品）は、積層構造であるＦＲＰ円筒にセレーションを圧入する接合方式であり、トルク伝達をした際にセレーションが噛み込んだ層が内側に剥がれて、接合部の早期破損を誘発するおそれがある。一方で、接合強度を高めるためにＦＲＰ円筒に対するセレーションの噛み込み量を増やすと、圧入荷重が大きくなりすぎてＦＲＰ円筒に損傷を与えてしまう。

本発明は、以上の問題意識に基づいてなされたものであり、ＦＲＰ円筒の損傷を防止するとともにＦＲＰ円筒とジョイント部材の結合強度を向上させることができるＦＲＰ複合成形品を提供することを目的とする。

本実施形態のＦＲＰ複合成形品は、複数のＦＲＰ層を有するＦＲＰ円筒と、前記ＦＲＰ円筒の内周面に圧入されるセレーション部を有するジョイント部材と、を有し、前記セレーション部は、前記セレーション部の谷底部を含む内側領域と、前記セレーション部の山頂部を含む外側領域と、を有し、前記ＦＲＰ円筒は、前記セレーション部の前記内側領域が圧入されると共に前記ＦＲＰ円筒の軸線方向と平行な繊維方向を持つ０°層と、前記セレーション部の前記外側領域が圧入されると共に前記ＦＲＰ円筒の軸線方向と斜交又は直交する繊維方向を持つ角度層と、を有する、ことを特徴としている。

前記セレーション部の前記内側領域の隙間は、前記０°層により埋められていてもよい。

前記セレーション部の前記内側領域の隙間は、前記０°層と接着剤により埋められていてもよい。

前記接着剤は、前記内側領域の前記隙間のうち前記谷底部を埋めており、前記０°層は、前記内側領域の前記隙間のうち前記谷底部を除いた部分を埋めていてもよい。

前記セレーション部の高さをＨと定義し、前記内側領域に対する前記０°層の噛み込み高さをｈ１と定義したとき、０．２５＜ｈ１／Ｈ＜０．５０を満足してもよい。

前記セレーション部の高さをＨと定義し、前記外側領域に対する前記角度層の噛み込み高さをｈ２と定義したとき、０．０５＜ｈ２／Ｈ＜０．２５を満足してもよい。

前記角度層は、前記ＦＲＰ円筒の軸線方向と直交する繊維方向を持つ３０～１５０°層からなってもよい。

本実施形態によれば、ＦＲＰ円筒の損傷を防止するとともにＦＲＰ円筒とジョイント部材の結合強度を向上させることができるＦＲＰ複合成形品を提供することができる。

第１実施形態によるＦＲＰ製駆動シャフトの構成を示す斜視図である。 ＦＲＰ円筒と端部ジョイントの接合部を軸方向から見た図である。 図２の要部拡大図である。 セレーション部の高さと、内側領域に対する０°層の噛み込み高さと、外側領域に対する９０°層の噛み込み高さとの関係の一例を示す概念図である。 第２実施形態によるＦＲＰ製駆動シャフトにおいて、ＦＲＰ円筒と端部ジョイントの接合部を軸方向から見た図である。

≪第１実施形態≫
図１は、第１実施形態によるＦＲＰ製駆動シャフト（ＦＲＰ複合成形品）１０の構成を示す斜視図である。

ＦＲＰ製駆動シャフト１０は、ＦＲＰ円筒２０の両端部に端部ジョイント（ジョイント部材）３０を結合して構成されている。２つの端部ジョイント３０はそれぞれ同一の構成を有しているため、これらに同一の符号を付して説明する。なお、ＦＲＰ円筒２０の一端部のみに端部ジョイント３０を結合する構成も可能である。

ＦＲＰ円筒２０は、強化繊維（例えば炭素繊維）を熱硬化性樹脂シート中に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た複数のＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics：繊維強化プラスチックス）層を有している。ＦＲＰ円筒２０の製造方法には自由度があり、種々の設計変更が可能である。例えば、短繊維の炭素繊維が樹脂に分散されたものを射出成形してＦＲＰ円筒２０としてもよい。ＦＲＰ円筒２０は、その軸方向の全長に亘って、内周面２１の径（内径）と外周面２２の径（外径）がそれぞれ略一定である。外周面２２の径（外径）は、端部ジョイント３０の圧入によりＦＲＰ円筒２０が損傷することを防ぐために接合部（例えば端部ジョイント３０が圧入される両端部）付近のみ大きくすることも可能である。

端部ジョイント３０は、例えば鋼鉄等の金属製材料からなり、中実もしくは中空のロッド状に形成されたロッド部３１を有している。端部ジョイント３０は、ロッド部３１と同一の軸線上に、ＦＲＰ円筒２０の内周面２１に圧入されるセレーション部３２を有している。セレーション部３２は、例えば、三角歯セレーションやインボリュートセレーションからなる。セレーション部３２は、図示例のように端部ジョイント３０の軸方向に一連に形成する態様の他、端部ジョイント３０の軸方向に沿って複数に分割して形成する態様が可能である。

図示は省略しているが、ＦＲＰ製駆動シャフト１０の用途等によっては、ＦＲＰ円筒２０の外周面２２に、接着剤を介在させて、アウター部材（アウターカラー）を接合してもよい。

図２は、ＦＲＰ円筒２０と端部ジョイント３０の接合部を軸方向から見た図である。図３は、図２の要部拡大図である。

図２に示すように、ＦＲＰ円筒２０の内周面２１には、端部ジョイント３０のセレーション部３２が圧入されている。

図３に示すように、端部ジョイント３０のセレーション部３２は、セレーション部３２の谷底部を含む内側領域（内径領域）３２Ｉと、セレーション部３２の山頂部を含む外側領域（外径領域）３２Ｏとを有している。

図３に示すように、ＦＲＰ円筒２０（の内周面２１）は、端部ジョイント３０のセレーション部３２の内側領域３２Ｉが圧入されると共にＦＲＰ円筒２０の軸線方向と平行な繊維方向を持つ０°層２１Ｉと、端部ジョイント３０のセレーション部３２の外側領域３２Ｏが圧入されると共にＦＲＰ円筒２０の軸線方向と直交する繊維方向を持つ９０°層（角度層）２１Ｏとを有している。なお、ＦＲＰ円筒２０のうち、９０°層２１Ｏより内層側（下層側）を構成するＦＲＰ層の構成には自由度があり、種々の設計変更が可能である。

０°層２１Ｉは、例えば、繊維方向をＦＲＰ円筒２０の軸線方向に引き揃えた０°プリプレグを筒状に巻回して熱硬化させて構成される。図３の例では、０°層２１Ｉが二層に亘って形成されるように描いているが、これは作図の便宜上の理由によるものである。すなわち、０°層２１Ｉの層数（０°層２１Ｉを構成するために使用する０°プリプレグの枚数やプライ数）には自由度があり、種々の設計変更が可能である。しかも、詳しくは後述するが、図３の二層の０°層２１Ｉは、端部ジョイント３０のセレーション部３２の内側領域３２Ｉが圧入された部分と、当該圧入によって押し出された部分との双方を含む概念で描いている。

９０°層２１Ｏは、例えば、繊維方向をＦＲＰ円筒２０の軸線方向と直交する方向に引き揃えた９０°プリプレグを筒状に巻回して熱硬化させて構成される。図３の例では、９０°層２１Ｏが一層で形成されるように描いているが、これは作図の便宜上の理由によるものである。すなわち、９０°層２１Ｏの層数（９０°層２１Ｏを構成するために使用する９０°プリプレグの枚数やプライ数）には自由度があり、種々の設計変更が可能である。

端部ジョイント３０のセレーション部３２の内側領域３２Ｉの隙間は、０°層２１Ｉにより埋められている。例えば、図３において、二層に亘る０°層２１Ｉの外層側が、自由状態における０°層２１Ｉを示している。０°層２１Ｉにセレーション部３２が圧入されると、０°層２１Ｉの一部（セレーション部３２に一点鎖線で描いた仮想線よりも上側）が押し出されて、セレーション部３２の内側領域３２Ｉの谷底部とその近傍を埋める。すなわち、セレーション部３２の内側領域３２Ｉは、径方向の全部が０°層２１Ｉに圧入されていなくてもよく、径方向の一部が０°層２１Ｉに圧入されていればよい。そして、セレーション部３２の内側領域３２Ｉの非圧入部分（谷底部を含む）は、セレーション部３２の内側領域３２Ｉの圧入部分によって押し出された０°層２１Ｉによって埋められればよい。

このように、第１実施形態では、セレーション部３２が、セレーション部３２の谷底部を含む内側領域３２Ｉと、セレーション部３２の山頂部を含む外側領域３２Ｏとを有している。また、ＦＲＰ円筒２０が、セレーション部３２の内側領域３２Ｉが圧入されると共にＦＲＰ円筒２０の軸線方向と平行な繊維方向を持つ０°層２１Ｉと、セレーション部３２の外側領域３２Ｏが圧入されると共にＦＲＰ円筒２０の軸線方向と直交する繊維方向を持つ９０°層２１Ｏとを有している。また、端部ジョイント３０のセレーション部３２の内側領域３２Ｉの隙間が、０°層２１Ｉにより埋められている。

これにより、ＦＲＰ円筒２０の損傷を防止するとともに、ＦＲＰ円筒２０と端部ジョイント（ジョイント部材）３０の結合強度を向上させることができる。すなわち、ＦＲＰ円筒２０と端部ジョイント３０の圧入荷重を低減し、且つＦＲＰ円筒２０の内層側の剥離を防止するために、従来品でセレーションが噛み込んでいた層よりも内側（内層側）に０°層を設けている。

０°層２１Ｉは、セレーション部３２の延在方向と平行な繊維層を有するので、セレーション部３２の圧入時に切り込み易い。また、切り込みにより押し出された０°層２１Ｉが、セレーション部３２の内側領域３２Ｉの谷底部とその近傍を埋めるので、ＦＲＰ円筒２０に損傷を与えることなく接合でき、トルク伝達時におけるＦＲＰ円筒２０の最内層の剥離を防止することができる。また、９０°層２１Ｏが、セレーション部３２の外側領域３２Ｏのみにより圧入されている（噛み込まれている）ので、ＦＲＰ円筒２０の損傷を防止しつつ、端部ジョイント３０との結合強度を向上させることができる。

図４は、セレーション部３２の高さＨと、内側領域３２Ｉに対する０°層２１Ｉの噛み込み高さｈ１と、外側領域３２Ｏに対する９０°層２１Ｏの噛み込み高さｈ２との関係の一例を示す概念図である。

図４において、セレーション部３２の高さＨ、及び、内側領域３２Ｉに対する０°層２１Ｉの噛み込み高さｈ１は、０．２５＜ｈ１／Ｈ＜０．５０を満足することが好ましい。この条件を満足することにより、ＦＲＰ円筒２０の損傷を防止するとともに、ＦＲＰ円筒２０と端部ジョイント３０の結合強度を向上させることができる。前記条件の下限を下回ると、端部ジョイント３０のセレーション部３２の内側領域３２Ｉの隙間を０°層２１Ｉにより十分に埋めることが困難になってしまう。前記条件の上限を上回ると、ＦＲＰ円筒２０に対する端部ジョイント３０の圧入が困難になるとともに、ＦＲＰ円筒２０の０°層２１Ｉが剥離してしまう。

図４において、セレーション部３２の高さＨ、及び、外側領域３２Ｏに対する９０°層２１Ｏの噛み込み高さｈ２は、０．０５＜ｈ２／Ｈ＜０．２５を満足することが好ましい。この条件を満足することにより、ＦＲＰ円筒２０の損傷を防止するとともに、ＦＲＰ円筒２０と端部ジョイント３０の結合強度を向上させることができる。前記条件の下限を下回ると、外側領域３２Ｏに対する９０°層２１Ｏの噛み込み量が不十分となり、ＦＲＰ円筒２０から端部ジョイント３０が外れ易くなってしまう（両者の圧入が解除され易くなってしまう。前記条件の上限を上回ると、ＦＲＰ円筒２０に対する端部ジョイント３０の圧入が困難になってしまう。

ここでは、上述したセレーション部３２の高さＨ、内側領域３２Ｉに対する０°層２１Ｉの噛み込み高さｈ１、及び、外側領域３２Ｏに対する９０°層２１Ｏの噛み込み高さｈ２の具体的な数値の開示は差し控えるが、これらのパラメータは、前記条件を満足する範囲で互いに関連性を持つように設定される。例えば、ＦＲＰ製駆動シャフト１０の用途に応じて、高さＨが大きくなればそれに伴って高さｈ１、ｈ２も大きくなり、高さＨが小さくなればそれに伴って高さｈ１、ｈ２も小さくなる。

≪第２実施形態≫
図５は、第２実施形態によるＦＲＰ製駆動シャフト１０において、ＦＲＰ円筒２０と端部ジョイント３０の接合部を軸方向から見た図である。

図５に示すように、端部ジョイント３０のセレーション部３２の内側領域３２Ｉの隙間は、０°層２１Ｉと接着剤４０により埋められている。より具体的に、接着剤４０は、端部ジョイント３０のセレーション部３２の内側領域３２Ｉの隙間のうち谷底部を埋めており、０°層２１Ｉは、端部ジョイント３０のセレーション部３２の内側領域３２Ｉの隙間のうち谷底部を除いた部分を埋めている。

第１実施形態によるＦＲＰ製駆動シャフト１０では、端部ジョイント３０のセレーション部３２の内側領域３２Ｉの隙間が０°層２１Ｉにより埋められている。しかしながら、例えば、上述した０．２５＜ｈ１／Ｈ＜０．５０の下限を下回るような場合には、端部ジョイント３０のセレーション部３２の内側領域３２Ｉの隙間を０°層２１Ｉにより十分に埋めることが困難になってしまう（空隙部が大きくなってしまう）。

第２実施形態によるＦＲＰ製駆動シャフト１０は、上記のような場合であっても、端部ジョイント３０のセレーション部３２の内側領域３２Ｉの隙間の谷底部が接着剤４０により埋められているので、０°層２１Ｉと接着剤４０が協働して、端部ジョイント３０のセレーション部３２の内側領域３２Ｉの隙間を十分に埋めることが可能になる（空隙部を極限まで小さくすることができる）。

第２実施形態によるＦＲＰ製駆動シャフト１０を製造する場合、端部ジョイント３０をＦＲＰ円筒２０に圧入する前に、予め、端部ジョイント３０のセレーション部３２の内側領域３２Ｉの隙間の谷底部に接着剤４０を塗布する。その後、端部ジョイント３０をＦＲＰ円筒２０に圧入すると、端部ジョイント３０のセレーション部３２の内側領域３２Ｉの隙間が、０°層２１Ｉと接着剤４０によって埋められる。

以上の実施形態では、角度層として、ＦＲＰ円筒２０の軸線方向と直交する繊維方向を持つ９０°層２１Ｏを用いる場合を例示して説明した。しかし、角度層は、ＦＲＰ円筒２０の軸線方向と斜交する繊維方向を持っていればよい。その中でも、角度層を、ＦＲＰ円筒２０の軸線方向と直交する繊維方向を持つ３０～１５０°層から構成することで、セレーション部３２の山頂部を含む外側領域３２Ｏとの接合強度（噛み込み強度）を一定程度まで確保することができる。例えば、角度層として、ＦＲＰ円筒２０の軸線方向と±４５°で斜交するバイアス層を用いてもよい。

本発明のＦＲＰ製駆動シャフト（ＦＲＰ複合成形品）１０は、例えば、自動車のプロペラシャフト及びドライブシャフト、ロボットアーム、並びにその他の各種産業に利用されるトルク伝達軸に適用可能である。

１０ ＦＲＰ製駆動シャフト（ＦＲＰ複合成形品）
２０ ＦＲＰ円筒
２１ 内周面
２１Ｉ ０°層
２１Ｏ ９０°層（角度層）
２２ 外周面
３０ 端部ジョイント（ジョイント部材）
３１ ロッド部
３２ セレーション部
３２Ｉ 内側領域（内径領域）
３２Ｏ 外側領域（外径領域）
４０ 接着剤

Claims (7)

1. 複数のＦＲＰ層を有するＦＲＰ円筒と、
   前記ＦＲＰ円筒の内周面に圧入されるセレーション部を有するジョイント部材と、
   を有し、
   前記セレーション部は、前記セレーション部の谷底部を含む内側領域と、前記セレーション部の山頂部を含む外側領域と、を有し、
   前記ＦＲＰ円筒は、前記セレーション部の前記内側領域が圧入されると共に前記ＦＲＰ円筒の軸線方向と平行な繊維方向を持つ０°層と、前記セレーション部の前記外側領域が圧入されると共に前記ＦＲＰ円筒の軸線方向と斜交又は直交する繊維方向を持つ角度層と、を有する、
   ことを特徴とするＦＲＰ複合成形品。
2. 前記セレーション部の前記内側領域の隙間は、前記０°層により埋められている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のＦＲＰ複合成形品。
3. 前記セレーション部の前記内側領域の隙間は、前記０°層と接着剤により埋められている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のＦＲＰ複合成形品。
4. 前記接着剤は、前記内側領域の前記隙間のうち前記谷底部を埋めており、
   前記０°層は、前記内側領域の前記隙間のうち前記谷底部を除いた部分を埋めている、
   ことを特徴とする請求項３に記載のＦＲＰ複合成形品。
5. 前記セレーション部の高さをＨと定義し、前記内側領域に対する前記０°層の噛み込み高さをｈ１と定義したとき、０．２５＜ｈ１／Ｈ＜０．５０を満足する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のＦＲＰ複合成形品。
6. 前記セレーション部の高さをＨと定義し、前記外側領域に対する前記角度層の噛み込み高さをｈ２と定義したとき、０．０５＜ｈ２／Ｈ＜０．２５を満足する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載のＦＲＰ複合成形品。
7. 前記角度層は、前記ＦＲＰ円筒の軸線方向と直交する繊維方向を持つ３０～１５０°層からなる、
   ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載のＦＲＰ複合成形品。

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