JPH04166327A - 繊維強化樹脂製駆動力伝達用シャフトおよびその製造法 - 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という）製部動力伝
達用シャフトであって、自動車、船舶用、特に自動車用
に好適なものに関する。

〔従来の技術〕

車両、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いるが、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
中で駆動力を伝達する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。ＦＲＰ製駆動駆動力伝達用シャフト来の鉄鋼
製からＦＲＰ製にすることで重量が１／４〜１／２にな
ることもあり、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、共振周
波数を実用域から外すために駆動力伝達用シャフトのＦ
ＲＰ化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）と比剛性（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って曲げ剛性と捩り
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（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ては、従来炭素繊維
強化プラスチック製のものが提案されている。

例えば、炭素繊維の最外層、多層構成よりなる中間層お
よび最内層とからなり、炭素繊維は最外層と最内層にあ
ってはシャフトの軸方向に対して８５〜９０°の角度に
て巻かれ、中間層においては１５〜５０°Ｃの角度で巻
かれ、かつ、互いに隣接する巻層の炭素繊維が３０〜９
０°の角度にて交差するようにしているものかある。こ
れは振動騒音をさほど増大させることな（高速回転を可
能にしたといわれている。しかしながら、最外層に炭素
繊維を使用しているかかる駆動力伝達用シャフトは耐衝
撃性が低いため、走行中の石などの衝突による衝撃的な
負荷に対して弱（、損傷を生し易いという欠点を有して
いた。

このような問題を解決するために、最外層にシャフト軸
方向に±６０〜９０°の角度でガラス繊維ロービングを
巻付けることが提案されている。（特公昭６Ｏ−４１２
４６） しかし７この方法は繊維の巻付けに多大の時間を要する
こと、最外層が平滑に仕上りにくいため、自動車等に取
り付けて高速回転をさせるときに風切り音が発生し易い
こと、ロービング状ガラス繊維で最外層を巻付けたとき
に、内層の炭素繊維層に食い込み、炭素繊維のヨタリが
発生し、シャフトの強度を低下させることがある等の問
題点を有していた。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は前記の従来技術の問題点を解決しようとするも
のである。すなわち、耐衝撃性および捩り強度が高く、
表面平滑性に優れ、かつ生産性の高いＦＲＰ製駆動駆動
力伝達用シャフトびその製造法を開発しようとするもの
である。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は次に記すＦＲＰ製駆動駆動力伝達用シャフトび
その製造法に関する。

（１）繊維強化樹脂管と金属製継手要素からなる繊維強
化樹脂製駆動力伝達用シャフトであって、繊維強化樹脂
管は少なくとも３つの異なる層から成り、内層側は弾性
率が１５Ｔ°°／１Ｉｆｌ＋２以上の繊維がシャフトの
主軸と成す角度が０〜±４５°となるように積層されて
おり、中間層は弾性率が５〜１５１°”／閣２、破断伸
びが２％以上を有する強化繊維によって構成される織布
状テープをシャフト表面に巻き回して形成されており、
最外層はマトリックスとして用いられる樹脂のみで形成
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）繊維強化樹脂管と金属製継手要素からなる繊維強
化樹脂製駆動力伝達用シャフトの製造法であって、繊維
強化樹脂管は少なくとも３つの異なる層から成り、内層
側に弾性率が１５　’°°／即２以上２以上をシャフト
の主軸と成す角度が０〜±４５゜になるようにマトリッ
クスとして用いられる樹脂とともに積層し、その外側か
ら中間層に用いる織布状テープを、その巻絞め力により
余剰のマトリックス樹脂を絞り出しつつ積層し、最外層
として樹脂のみの層を形成す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の製造法。

本発明のＦＲＰ製駆動駆動力伝達用シャフト層に用いら
れる強化繊維材料は駆動力伝達用シャフトの回転時の共
振周波数を高める必要から弾性率が１５Ｔ′’／ａｍ２
以上、強度は好ましくは１５０ｋｇ　／　ｍｍ　２以上
の繊維を用いる。

そのような繊維としては炭素繊維および各種セラミック
繊維が挙げられる。またこれらの繊維を２種以上組合わ
せて用いることもできる。比強度、比剛性が大きい繊維
の方か軽量化効果が顕著であるので好ましく、炭素繊維
や炭素繊維と他繊維のハイブリッド使用か可能である。

繊維の形態はとくに限定されるものではなく、ローピン
ク状、織布状、プリプレグ状等で使用できる。繊維の巻
付は角度はシャフト軸に対して０゜〜±４５°、好まし
くは±ｌＯ°〜±３０°であり、０°の場合を除いてシ
ャフト軸に対して対称に交差巻されていることが望まし
く、また交差巻は２層以上に積層されていることが望ま
しい。

これは、危険回転速度を高くするためにシャフト軸方向
の弾性率を高くするとともに、シャフト捩り強度を高く
保つために必要である。積層の構成は、各層ごとが上記
巻付角度の範囲内で異なっていても良いし、同一巻付角
度であってもよいが、成形の容易性、成形コストの低減
の面から同一巻付角度で巻付ける方が好ましい。

マトリックス樹脂はとくに制限されるものではなく、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、メラミン樹脂、フラン樹脂、シリコン
樹脂等の熱硬化性樹脂を挙げることができる。これらの
中でエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエ
ステル樹脂が取扱い性の面から好ましい。

さらに樹脂および繊維は必要に応じてそれぞれ２種以上
を組み合わせることができる。

中間層である織布状テープに用いられる強化繊維材料は
、補強効果を有すると共に、外部からの石等の物体の衝
突のエネルギーを吸収する機能が必要とされ、弾性率が
５〜１５　””／ａｍ”　、破断伸びが２％以上を有す
る繊維材料を用いる。

そのような強化繊維として、ガラス繊維、有機高弾性繊
維が挙げられる。有機高弾性繊維としては、アラミツド
繊維、超高分子量ポリエチレン繊維、高配向ポリビニル
アルコール繊維等が例示できる。繊維の形態としては、
張力を均一に付加させ、樹脂の均一な絞り出しを可能に
するため、織布状テープを用いる。織布状テープの織り
方はとくに限定されず、手織、朱子織、綾織等が挙げら
れる。

織布状テープの厚みは、シャフト表面の均一性の確保の
面から１０μｍ以上、５００μｍ以下が好ましい。更に
好ましくは、５０μｍ以上２５０μｍ以下である。

織布状テープの巾は、狭すぎると施工か面倒であり広す
ぎると、張力が均一にかけられなかったり、表面シワ発
生の危険性がある。これらの観点から巾は１０ｍ以上、
２０〇−以下が好ましく、更に好ましくは１０ｍｍ以上
５０馴以下である。

織布状テープは前記強化繊維を経糸方向に用い、緯糸方
向は強化繊維および／または有機繊維よりなり、緯糸強
化繊維量と経糸強化繊維量の比が０〜２／３の範囲であ
るものを用いるのが好ましい。

緯糸は、単に経糸をテープ状に保持するために用いるこ
ともできる。このような場合緯糸繊維量と経糸繊維量の
比は実質的に０に近い。

中間層の織布状テープは経糸方向とシャフトの主軸との
成す角度が±６０°〜９０°、好ましくは±７０°〜９
０°になるように巻き付ける。

巻き付ける時にはテープとテープが重なり合うように、
かつ、巻締め力により、マトリックス樹脂を均質に絞り
出すように巻き締める。織布状テープの重なりは三重以
上になってもとくに構わないが、テープとテープの間が
空くことは耐衝撃性能上好ましくない。

中間層である織布状テープの外側にはマトリックス樹脂
のみの平滑な平面を有する樹脂層が形成される。樹脂層
の厚みは０．１〜２．’Ｏｍｍが好ましい。

０．１ｍｍ以下のときは、シャフトの外表面を平滑にす
る効果が少なく、また２、　０Ｍ以上あると重量軽減効
果が減殺される。本発明の方法により平滑な表面が形成
することができ、使用時の風切音等をなくすことができ
る。

本発明の３層積層構成を基本構成として他の巻層を付加
し様々な応用を工夫することができる。

例えば、本発明の３層積層構成の内側に±６０°〜９０
°の強化繊維巻層を形成することができる。

本ＦＲＰ製駆動力伝達用シャフトは、種々の手法により
成形することが出来る。例えばフィラメントワインディ
ング法、プルトルージョン法、ローリングテーブル法な
どが挙げられる。前２方法を用いる時は、ロービング等
の繊維が用いられる。

第３の方法を用いる時はプリプレグを用いる方が成形上
好ましい。

シャフトの繊維体積含有率は４０％以上７５％以下、好
ましくは５０％以上７０％以下である。

含有率が４０％以下の時は、強化効果が低く、厚内のシ
ャフトにしなくてはならず、重量軽減の効果が少ない。

７５％以上になると、繊維同士の接触確立が高（なり逆
にねじり強度が低くなる。

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。

継手要素とＦＲＰ製駆動駆動力伝達用シャフト合には、
種々の方法が取り得る。

接着剤による接合、正多角形状接合部による機械的接合
、摩擦力を利用した接合等が挙げられる。

〔実施例〕

実施例１ 外径６４．０ｍｍｍ鋼鉄円筒状マンドレルにフィラメン
トワインディング法により第１表に示される積層構成お
よび厚みで炭素繊維（以下ＣＦと称することがある：ハ
ーキュレ刈株社製　ＡＳ−４１２ｋｆ　　Ｗサイズ、強
度３９０ｋｇ　／　Ｍ　２、弾性率２４１°“７Ｍ２）
をマトリックスとなる液状エポキシ樹脂中に含浸しつつ
、巻付けた。樹脂に対する繊維の体積比率は５５％であ
った。次にその外表面にガラス繊維（以下ＧＦと称する
ことがある）の織布状テープ（日本ガラス繊維■社製Ｙ
　Ｅ　Ｔ　Ａ　２００５０゜ガラス繊維テープ：厚み０
．２ｍｍ、幅５０ｍｍ、緯糸量／経糸量＝３１／７０）
を用いて端部が１５ｍｍはど重なるようにしながら一層
巻付けた。巻付は角度は８０’であった。

次にこれを硬化炉中で回転させなから１５０　’Ｃで２
時間加熱し、エポキシ樹脂を硬化し冷却後、実施例２マ
ンドレルを引き抜きＦＲＰ製円筒を得た。

実施例１と同様の手法により、ＧＦ織布テープの代わり
にアラミツド繊維（ＡＦと称する）織布状テープを巻付
は成形した。

比較例１〜４ 実施例１と同様の手・法により、外層に樹脂層を形成し
ない場合（比較例１）、織布状テープを用いない場合（
比較例２）　、ＧＦ織布状テープの代わりにＧＦロービ
ングを用いて巻付けた場合（比較例３）およびＧＦ織布
状テープの代わりにＣＦ織布状テープを巻付けた場合に
ついてシャフトを成形し評価に供した。

評価方法は次のとおりである。

（１１捩り破壊トルク ＦＲＰ管の両端に金属製ヨークをとりつけ、捩り試験機
を用いて捩り破壊トルクを測定した。

（２）耐衝撃性 軸方向の中央部に直径５ｃｍ、重量５００ｇの鋼球を２
ｍの高さから自然落下させて当て、外観の変化を目視で
観察した。

（３）外表面性状 外観の目視観察による。

評価結果を第１表に記した。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）繊維強化樹脂管と金属製継手要素からなる繊維強
   化樹脂製駆動力伝達用シャフトであって、繊維強化樹脂
   管は少なくとも３つの異なる層から成り、内層側は弾性
   率が１５＾Ｔ＾ｏ＾ｎ／ｍｍ＾２以上の繊維がシャフト
   の主軸と成す角度が０〜±４５°になるように積層され
   ており、中間層は弾性率が５〜１５＾Ｔ＾ｏ＾ｎ／ｍｍ
   ＾２、破断伸びが２％以上を有する強化繊維によって構
   成される織布状テープをシャフト表面に巻き回して形成
   されており、最外層はマトリックスとして用いられる樹
   脂のみで形成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）繊維強化樹脂管と金属製継手要素からなる繊維強
   化樹脂製駆動力伝達用シャフトの製造法であって、繊維
   強化樹脂管は少なくとも３つの異なる層から成り、内層
   側に弾性率が１５＾Ｔ＾ｏ＾ｎ／ｍｍ＾２以上の繊維を
   シャフトの主軸と成す角度が０〜±４５°になるように
   マトリックスとして用いられる樹脂とともに積層し、そ
   の外側から中間層に用いる織布状テープを、その巻絞め
   力により余剰のマトリックス樹脂を絞り出しつつ積層し
   、最外層として樹脂のみの層を形成することを特徴とす
   る繊維強化樹脂製駆動力伝達用シャフトの製造法。