JPH03254926A - 繊維強化樹脂製駆動力伝達用シャフト - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は繊維強化樹脂（以下ＦＲＰと略記することがあ
る）製部動力伝達用シャフト、特に自動車用、船舶用や
ヘリコプタ−用に好適なものに関する。

〔従来の技術〕

従来、車輛、船舶等の駆動力伝達用シャフトは一般に金
属製中実棒または金属製中空パイプの両端に金属製継手
要素を接合したものが使用されてきた。

近年自動車の軽量化が注目されるようになり、車体の金
属をＦＲＰ化するのみでなく、構造部材の軽量化も注目
を集めている。その中で駆動力伝達用シャフトの軽量化
は回転部分でもあり、その軽量化効果は大きく、ＦＲＰ
化が特に注目されている。この駆動力伝達用シャフトは
従来の鉄鋼製からＦＲＰ製にすることで重量が１／４〜
１／２に軽量化できるだけでなく、危険回転数を向上さ
せることができるため、振動・騒音の低減のために各種
の自動車に搭載されるようになってきた。

また船舶においても、快適な乗り心地を追求してねじり
共振周波数を常用使用回転域から外すために、ＦＲＰ製
の駆動力伝達用シャフトが注目を集めるようになってき
た。

それは、ＦＲＰが比強度（強度／密度）と比弾性（弾性
率／密度）が鋼やアルミニウムなどの金属に比べて優れ
ていることと、繊維の配向角度を変更することにより、
曲げ剛性と捩り剛性を自由に変えることができるので、
捩りの強度を維持したまま共振周波数を高くしたり、逆
に低くしたりすることが可能であることによる。

ＦＲＰ製駆動駆動力伝達用シャフト合、ＦＲＰの中空パ
イプの両端に金属製の継手要素を接合してつくられる。

そのためＦＲＰ製パイプと継手要素とを別々に準備し、
後で何等かの方法で接合することが一般的に行われる。

しかし、従来このＦＲＰ製パイプと両端に取り付けられ
る継手要素、例えば自動車では金属ヨークとの接合に問
題があった。従来は駆動力伝達用シャフトと継手要素の
接合は単に相互に円筒状のものを嵌め合ったり（特開平
１−２１６１０８号公報）、円錐型テーパー状の接合部
を嵌め合ったりして（特開昭５９−８３６２０号公報）
、接着剤で接着固定していたので、継手要素に大きな衝
撃トルクが作用した時に、接着剤が剥離してスベリが生
じたりして高トルクの伝達や、高温での耐久性に問題が
あった。

また内外両面から接着し高いトルクを伝達しようとする
試みもなされたが（特公昭５８−３６２１０号公報）、
コスト／パフォーマンスが悪く実用に至っていない。

そこでこの問題点を解決するために金属継手側に突起や
ローレット目、ねじ等を付けたり（特開昭５３−７４６
５０号公報）、接合部の断面形状を正多角形状にしたり
して、機械的に接合する方法が取られるようになった（
特開昭５５−１．５９３１０号公報、同− ５５−１５９３１１号公報、同５５−１５９３１２号公
報、同５５−１５９３１４号公報）。正多角形状の接続
部は円形に比べ応力集中が大きく、金属コネクター・ス
リーブ等を用いて補強する必要があり、しかもその補強
方法が難しく、高トルク作用時にワレやスベリが生じ易
かった。従って多角形接合等の機械的接合は、その構造
や製造方法が複雑でコスト高であるという問題点があり
実用に至っていなかった。

〔発明が解決しようとする課題〕

この正多角形状の接合部による接合方法によると、シャ
フトに負荷されたトルクは各角部の機械的な反力と摩擦
力によって保持されているため、繰り返しトルクが負荷
されたときに継手要素とシャフト接合部の間に微少なズ
レが生じ始め、そのためまず摩擦力による保持力が低下
し、継手要素の角がシャフト接合部を半径方向に拡げる
働きをし、継手要素が滑ってしまったり、シャ、フト接
合部が破壊してしまうという今までの円筒状接合部では
起こり得なかった問題が出てきた。この様に正多角形状
の接合部は円形に比べ応力集中が太き＝４　＝ く、金属コネクター・スリーブを用いて補強する必要が
あり、しかもその補強方法が難しく、高トルク作用時に
ワレやスベリが生じ易かった。以上のように多角形接合
部はその構造や製造方法が複雑でコスト高であるという
問題点がある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は上記欠点を解決するためになされたものであり
、大きなトルクに対しても滑りが生じなく、嵌合部の強
度が大きい、しかも生産性が高くコストの低いＦＲＰ製
駆動駆動力伝達用シャフト供することを目的としたもの
である。

即ち、本発明のＦＲＰ製駆動駆動力伝達用シャフトＲＰ
バイブの外筒と、それに嵌合される内筒の金属ヨーク嵌
合部は、正多角形状であり、外筒ＦＲＰパイプ嵌合部の
正多角形の内面の対辺間の距離と、内筒の金属ヨーク嵌
合部の正多角形の外面の対辺間の距離の比が１．０より
小さく、０．９８以上であり、液状接着剤をあらかじめ
嵌合部に塗布した後に、圧入嵌合することにより一体化
されている。この対辺間の距離の比はさらに好ましくは
、０、９９９５〜０．９８００である。この比が１．０
以上の場合はシャフトの嵌合部に十分な残留引張応力が
働かないため、負荷されるトルクによる拡管力が働き継
手要素が滑ってしまい、応力伝達の効果がなくなる。ま
たこの比が０．９８より小さい場合には継手要素をシャ
フトの嵌合部に圧入することが困難になったり、シャフ
ト嵌合部が破壊にいたる恐れがある。嵌合部の形状はト
ルクを確実に伝達するため、正６角形から正１２角形の
正多角形状で、好ましくは正６角形、または正８角形で
ある。正６角形より角数が少ないと応力集中が大きくな
り過ぎたり、シャフトの外形が大きくなることにより不
適である。正１２角形より大きいと円筒に近くなり、嵌
合部が滑ってｌ・ルクの伝達を行うことが出来なくなり
、不適である。本発明に用いられる継手要素と嵌合する
シャフト嵌合部では、継手要素がシャフト内周面の正多
角形状部分で嵌合されているので、滑ることなく、トル
クをシャフトに伝達できる。

本発明のＦＲＰ製駆動駆動力伝達用シャフト嵌合面に接
着剤を使用することにより嵌合時に潤滑効果をもたらす
と同時に接合強度を増すという二重の効果が達成されて
いる。本発明のＦＲＰ製駆動駆動力伝達用シャフト筒Ｆ
ＲＰパイプ両端嵌合部の正多角形部分の厚みは、ＦＲＰ
パイプのその他の部分の厚み（以下単にパイプ厚みと称
することがある。）より大きく、しかもパイプ厚みの３
倍以下であり、その補強部の強化繊維の巻回し角度は±
７５°〜９０°である。強化繊維の積層角が±７５度よ
り小さいと周方向の剛性が低（なり強化効果が顕著でな
くなる。

嵌合部分の補強に用いられる主たる強化繊維としては、
周方向の剛性を効率よく向上させるために、弾性率の高
い事が必要である。弾性率が５トン／　ｍｍ　２より低
い場合は周方向の剛性が小さくなるため、継手要素から
伝達される高いトルクにより、嵌合部が拡管されてしま
い、最終的に破壊に至ってしまう。

この強化繊維による補強積層厚みは、強化材層の周方向
ヤング率や嵌合部長さによって異なるが、７− ＦＲＰパイプ部より薄い場合は作用するトルクによって
嵌合部が回転、または破壊してしまう。またパイプ厚み
の３倍より厚くなると外径が大きくなり過ぎたり、パイ
プ部との厚みの差による形状変化が大きく応力集中が大
きくなり、不適当である。

本発明に用いられるＦＲＰ製パイプとその補強部の強化
繊維材料は、駆動推進軸の回転時の共振周波数とねじり
強度を高める必要から、弾性率、強度の高い繊維が望ま
しい。主として炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、
およびセラミック繊維から選ばれる１種以上から構成さ
れる。好ましくは比強度、比剛性が大きいほうが軽量化
の効果が顕著であり、炭素繊維が好ましい。また、炭素
繊維とガラス繊維のハイブリッド使用もコストの面から
好ましい。

繊維の形態は特に限定されるものではなく、ロービング
状、織布状、プリプレグ状で使用することができる。最
外層としてポリエステル、ポリアミド、ビニロン等の合
成繊維からなる織布テープ　８ を用いることができる。

この強化繊維のＦＲＰ中における体積含有率は５０％以
上７０％以下が望ましい。

５０％より少ない場合は強化効果が顕著でなく径方向の
剛性が上がらない。７０％より大きい場合は繊維同志の
接触確率が大きくなって逆に強度が低下してしまう。さ
らに好ましくは５５％以上、６５％以下である。

またマトリックス樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和
ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、ウレタン樹脂
、フェノール樹脂、アルキッド樹脂、キシレン樹脂、フ
ラン樹脂、フラン樹脂、シリコン樹脂等の熱硬化性樹脂
、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリ塩化ビ
ニール樹脂、ポリメタクリレート樹脂、ＡＢＳ樹脂、フ
ッソ樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエステル樹脂、
ポリアミド樹脂（ナイロン６、６．６．６．１０．６．
ＩＬ６．１２など）、ポリフェニレンサルファイド樹脂
、ポリスルフォン樹脂、ポリエーテルスルフォン樹脂、
ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリフェニレンオキ
シド樹脂等の熱可塑性樹脂をあげることができる。好ま
しくはエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニル
エステル樹脂が取り扱い性の面からあげられる。

本発明の繊維強化樹脂製駆動力伝達用シャフトは公知の
手法で製造できるが、繊維の強度を効率的に発揮できる
フィラメントワインディング法や、ローリングテーブル
法が好適である。

挿入する継手要素の先端部の外面形状は、滑らかにシャ
フトの嵌合部に挿入できるように、挿入されるシャフト
の嵌合部の対応する内面形状より小さく、継手要素の先
端部から根元向きへ滑らかなテーパー状をなしているこ
とが好ましい。たとえば、継手要素の先端部の対辺間の
距離はシャフトの嵌合部の対辺間の距離より０．５ｍｍ
以上小さく、先端部のテーパー角度は３０°以下である
ことが好ましい。また逆に、シャフト嵌合部の先端部の
内面形状が、挿入する継手要素の先端部の外面形状より
大きく、シャフト嵌合部の先端部から奥向きへ滑らかな
テーパー状をなしていてもよい。

本発明で用いられる継手要素の材質は機械的物性が優れ
、加工が容易なことから金属が好ましい。

特に、鉄、アルミニウム、チタニウム、マグネシウムお
よび該金属を１種以上含む合金が好ましく、特に鉄、ア
ルミニウム、および該金属を１種以上含む合金がコスト
の点からも好ましい。

本発明に用いられる接着剤は液状、かつその粘度が室温
で５０〜１０００ポイズであることが好ましい。

接着剤が液状であるため継手要素をシャフト嵌合部に圧
入するときの潤滑油として働くことができる。接着剤を
塗布しないで、継手要素を圧入すると継手要素とシャフ
ト接合部内面との摩擦力により、内面の強化繊維が損傷
を受けて強度低下を招く。接着剤の粘度が５０ポイズよ
り低い時は、接合時に接着剤が流れてしまい、接着効果
を発揮しない。また１０００ポイズより高いときは粘性
抵抗により継手要素を圧入することが難しい。圧入後、
必要に応じて接着剤の硬化処理（たとえば熱処理）を行
う。この接着剤として好適なものとしてはバッチキッド
■（ハイソール社製）　、ＨＴ１８−（２０）＝１１ Ｘ（日間化学（株制）、ソニーボンド■（ソニーケミカ
ル掬製）などが挙げられる。

Ｃ実施例Ｉ〕 第２図に示すように円筒状マンドレル４に離型剤を塗布
し、それに端面の内外周が正八角形で他端が円形のリン
グ５を挿入する。円筒マンドレル４の直径は７０ｍｍ、
長さ１３００ｍｍでその両端に直径４０ｍｍ、長さ３０
０　ｍｍのチャッキング用軸６が付いている。リング５
は一端の内寸法が対辺距離７０ｍｍの正８角形である。

他端は内形７０ｎ＋ｍの円形形状をしている。正８角形
部分の長さは５０ｍｍ、全長は８０ｍｍで正８角形から
円形端部分までスムーズなテーパー部分を形成している
。このマンドレル４にエポキシ樹脂を含浸させたガラス
繊維（ＧＦ）　、炭素繊維（ＣＦ）、および合成繊維テ
ープをフィラメントワインディング法により、第１表に
示した積層順序、積層角度、積層厚みで巻きつけて、摂
氏１５０度にて２時間加熱硬化した。

なお、用いたガラス繊維は、旭ファイバーグラス（構製
ＦＷ用ダイレクトロービングＲ１１５０−Ｔ　Ｋ　２− Ｆ　０８　（２０００フイラメント、引張弾性率７．４
　Ｔ　ｏ　ｎ　／　ｍｍ　２、引張強度３５０ｋｇ　／
　ｍｍ　２）であった。

炭素繊維はバーキュレス社製ＡＳ−４（引張弾性率２４
”’／ｍｍ”、引張強度３９０ｋｇ　／　ｍｍ　”　）
を用いた。

また合成繊維テープはジャルト■製テトロンＦＷテープ
（巾５０ｍｍ）を用いた。硬化後両端部の不要部分を切
断除去し、ＦＲＰパイプ本体をマンドレルから成形し、
第３図に示すような正八角形状の接合部２を有するＦＲ
Ｐ製駆動駆動力伝達用シャフト１た。このシャフトの接
合部の内側の各対辺間の距離を測定したところ、約７０
．１ｍｍであった。

一方、第４図に示すような正八角形の接合部７を有する
鋼製継手要素を機械加工にて各種成形した。その各対辺
間の距離を測定した結果を第１表に示す。駆動力伝達用
シャフトの接合部の内面全面に接着剤バッチキッド■（
ハイソール社製）を塗布し、継手要素を圧太し、第１図
に示すような継手要素３を一体化した駆動力伝達用シャ
フト１を得た。ねじり試験の結果、接合部の滑り・も破
壊もなしに、６６０ｋｇｆ−ｍでシャフト部が破壊した
。結果を第１表に示した（以下同様）。

〔実施例２〕 補強部の積層構成を、炭素繊維からガラス繊維に置き換
えた以外は、上記実施例１とは積層厚み、積層配向角と
も同一なプロペラシャフトを成形した。ねじり試験の結
果、接合部の滑りなしに、５８０ｋｇｆ−ｍで接合部が
破壊した。

〔比較例１〕 上記実施例１のシャフトの積層構成で補強なしのプロペ
ラシャフトを成形した。ねじり試験の結果、接合部の滑
りなしに、３３０ｋｇｆ−ｍで接合部が破壊した。

〔比較例２〕 上記実施例２のシャフトの積層構成で、補強部をＧＦ±
７０°に変えてプロペラシャフトを成形した。ねじり試
験の結果、接合部の滑りなしに、４８０ｋｇｆ−ｍで接
合部が破壊した。

〔比較例３〕 上記実施例２のシャフトの積層構成で、接着剤なしに接
合した。ねじり試験の結果、接合部の滑りが２００ｋｇ
ｆ−ｍからはじまり、　４００ｋｇｆ−ｍでも接合部は
破壊しなかった。

〔比較例４〕 上記実施例２のシャフトの積層構成で、圧入接合ではな
く隙間バメ接合した。ねじり試験の結果、接合部の滑り
が２００ｋｇｆ−ｍからはじまり、これ以上トルク伝達
できなかった。

以上の結果から本願発明がすぐれていた。

〔実施例３、比較例５〜７〕 マンドレルとして直径が６４ｍｍのものを用いた他は実
施例１と同様に第２図に示したマンドレルにエポキシ樹
脂を含浸させたガラス繊維、および炭素繊維をフィラメ
ントワインディング法により巻き付け、下記内容のパイ
プを成形した。ここでＧＦはガラス繊維、ＣＦは炭素繊
維を表す。

パイプ部： 内層〔ＧＦ９０°／ＣＦ±２０°／ＣＦ±９０°〕外層
厚み　０．４ｍｍ　　／　　２．８　＋ｎｍ　　／　１
．０ｍｍ接合部： 内層（ＧＦ９０°／ＣＦ±２０°／ＣＦ±９０°〕外層
厚み　０．４ｍｍ　　／　　２．８　ｍｍ　　／　４、
Ｏｍｍその上に離型フィルムを巻きつけ、１５０℃で２
時間加熱硬化した。硬化後両端部の不要部分を切断除去
し、マンドレルから脱型し、第３図に示すＦＲＰ製シャ
フトを得た。継手要素７を接合し、第１図に示す本発明
のＦＲＰ製駆動駆動力伝達用シャフト１作した。その結
果を第２表に記した。

１８−

【図面の簡単な説明】

第１図は継手要素を一体化した駆動力伝達用シャフトの
斜視図、第２図はマンドレルの斜視図、第３図は駆動力
伝達用シャフトの斜視図、第４図は継手要素の斜視図で
ある。 ｌ・・・・・・・・・駆動力伝達用シャフト、２・・・
・・・・・駆動力伝達用シャフトの接合部、３・−・−
・継手要素、４・・・・・−・・・・・円筒状マンドレ
ル、５　°゛曲　　リング・６・・・−チャッキング用
軸、７・−・・・−継手要素の接合部。 ０（完） 手 続 補 正 書 （自発） 平成３年　１月３０日 事件の表示 平成２年　特許願第３３４２７０号 発明の名称 繊維強化樹脂製駆動力伝達用シャフト 補正をする者 事件との関係　　特許出願人 住　所　　大阪市中央区北浜四丁目５番３３号名　称　
　（２０９）住友化学工業株式会社代表者　　森　　英
雄

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）繊維強化樹脂管の外筒と、それに嵌合されている
   継手要素から成る繊維強化樹脂製駆動力伝達用シャフト
   であって、該繊維強化樹脂管は、嵌合部の内面が正多角
   形状を有し、また、継手要素の嵌合部外面は、該繊維強
   化樹脂管の嵌合部の内面の正多角形状と相似形状を有し
   、嵌合する前の該繊維強化樹脂管の嵌合部の正多角形の
   内面の対辺間の距離と該継手要素の嵌合部の正多角形の
   外面の対辺間の距離の比が１．０より小さく０．９８以
   上であり、嵌合に際しては、液状接着剤を予め嵌合部に
   塗布した後に、圧入嵌合することにより繊維強化樹脂管
   と継手要素が一体化されていることを特徴とする繊維強
   化樹脂製駆動力伝達用シャフト。
2. （２）前記繊維強化樹脂管の嵌合部の外面および／また
   は内面に、積層構成が管主軸に対して±７５゜〜９０゜
   である繊維強化樹脂層により、嵌合部の厚みが非嵌合部
   の厚みの１倍以上３倍以下となるように補強されている
   請求項１記載の繊維強化樹脂製駆動力伝達用シャフト。