JPH04301437A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は自動車用または船舶用に
適した繊維強化樹脂製駆動力伝達用シャフトに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、車両や船舶等の駆動力伝達用シャ
フトとして金属製中実棒または金属製中空パイプの両端
に金属製の継手要素を接合したものが使用されている。 近年、自動車の軽量化の要求が高まり、車体等の金属製
外板を繊維強化樹脂（以下ＦＲＰと称することがある）
化するだけでなく、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それが回
転部分でもあり、その軽量化の効果は大きく、ＦＲＰ化
が特に注目されている。ＦＲＰ製駆動力伝達用シャフト
は、それを従来の鋼鉄製からＦＲＰ製にすることでその
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りつつある。

【０００３】ＦＲＰ製駆動力伝達用シャフトの場合、一
般にＦＲＰ製の中空パイプの両端に継手要素を設けなけ
ればならず、そのためにＦＲＰ製パイプと継手要素を別
々に準備して、何らかの方法で接合することにより製造
されている。そのような方法として、例えば特開昭５４
−１５９９３０号公報及び実開昭６１−１６２６１９号
公報には、ＦＲＰ製パイプの両端の接合部を正多角形状
に成形して、これとほぼ同一形状の接合部を有する継手
要素を挿入して、機械的接合やカシメの方法によって接
合することにより、駆動力伝達用シャフトを製造する方
法が提案されている。正多角形状の角数は成形加工上、
六角、八角、十二角が好ましいとされている。また多角
形が不均一であったり、角の端部が丸みをおびているも
のも知らている。正多角形状を機械加工により形成する
際、安全性等の観点から角の頂部を面取りすることが通
常行われている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしこの正多角形状
の接合部の機械的接合方法では、多角形状が不均一であ
ると、各角で伝達するトルクが異なり応力集中による動
力伝達能力の低下をきたし、周方向の質量のバラツキに
よりダイナミック・バランスを損なう原因となる。多角
形状の角の端部の丸みや面取り加工により継手要素が滑
って、ＦＲＰ製パイプの接合部が破壊するという問題が
あった。

【０００５】本発明はこれらの問題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やＦ
ＲＰ製パイプの破壊が生じず、しかも成形上の煩雑さを
解消した駆動力伝達用シャフトを提供することを目的と
したものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、継手要素とＦ
ＲＰ製パイプを接合してなるＦＲＰ製駆動力伝達用シャ
フトであって、継手要素とＦＲＰ製パイプの接合部はそ
の断面が正多角形状を有し、継手要素の接合部の正多角
形状の角の頂部の形状を、面取り幅と正多角形の中心か
ら角の頂部までの距離の比で表して、０．１５以下とす
ることを特徴とするＦＲＰ製駆動力伝達用シャフトに関
する。

【０００７】接合部の正多角形状は正六角形状ないし正
八角形状が好ましい。角数が六角より少ないと応力集中
が増大し過ぎる。また接合部の最大径が大きくなり車両
等に用いる場合には収納スペ−スの問題が生じる。角数
が八角より多くなると円形に近くなり、接合部での継手
要素とＦＲＰ製パイプのズレが生じ易くなり、動力伝達
能力の低下の原因になる。

【０００８】本発明に用いる継手要素は、その接合部の
正多角形の角の頂部の形状を、面取り幅（ａ）と正多角
形の中心から角の頂部までの距離（ｂ）の比（ａ／ｂ：
以下この比を面取り比と称することがある）で表して、
０．１５以下、好ましくは０．１０以下とする。さらに
好ましくはねじり疲労強度の長期の信頼性を高めるため
に実質的に面取りをしないものを用いる。本発明におい
て実質的に面取りをしないとは、金属を多角形状に機械
加工した後必要に応じて生じたバリをヤスリやサンドペ
ーパーで取ることがあるが、この程度の操作だけを行う
ことをいう。このような操作で制作したものについて面
取り比がほぼ０であるとする。面取り比が０．１５を越
えると、接合部において継手要素とＦＲＰ製パイプのズ
レが生じ、トルクによる拡管力が働き、ついには継手要
素が滑ってしまい、駆動力伝達が出来なくなる。この現
象は静ねじりよりねじり疲労における方が顕著である。

【０００９】面取り比について第５図及び第６図により
説明する。第５図は角の頂部を平らに面取りした場合を
、第６図はＲ加工を施した場合を表している。平らに面
取りした場合は、面取り幅（ａ）と正多角形の中心点か
ら角の頂点までの距離（ｂ）の比ａ／ｂを面取り比とす
る。Ｒ加工した場合は、Ｒ加工部の長さ（ａ）と前記（
ｂ）の比ａ／ｂを面取り比とする。継手要素の多角形接
合部の角の面取りは、長さ方向に同一幅に取るのが好ま
しいがテ−パ−をつけてもよい。

【００１０】ＦＲＰ製パイプの接合部内面の多角形の対
辺間距離と継手要素の接合部外面の多角形の対辺間距離
の比は、１．０より小さく０．９８以上であることが好
ましい。継手要素の先端部の外面形状は、滑らかにＦＲ
Ｐパイプの接合部に挿入できるように、挿入されるＦＲ
Ｐパイプの対応する内面形状よりやや小さくとり（例え
ば対辺間距離として約０．５ｍｍ小さくする）、先端部
から内側へ滑らかなテ−パ−形状（例えば好ましくはテ
−パ−角度を３０°にとる）とするのが好ましい。また
、逆にＦＲＰパイプはその接合部の入口部分の内面形状
を継手要素の接合部の端部の外面形状よりやや大きくと
り、先端部から奥向きに細くなるテ−パ−状となってい
てもよい。

【００１１】本発明に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。 例えば、鉄、アルミニウム、チタニウム、マグネシウム
及びこれらの金属を１種以上含む合金を用いることがで
きる。特に、鉄、アルミニウム及びこれらの金属を１種
以上含む合金がより好ましい。

【００１２】本発明に用いるＦＲＰの強化繊維は、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
ら弾性率と強度の高い材料が望ましい。そのような繊維
として主に炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維及びセ
ラミック繊維が挙げられる。これらの繊維を２種以上組
み合わせて用いてもよい。比強度と比剛性が大きい繊維
の方が軽量化の効果が顕著であるので好ましい。そのよ
うな例として炭素繊維が挙げられるが、炭素繊維とガラ
ス繊維のハイブリッド使用もコスト低減の観点から好ま
しい。

【００１３】マトリックス樹脂は特に制限されるもので
はない。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−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、ポリエチレン樹脂、
ポリプロピレン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリメチル
メタクリレ−ト樹脂、ＡＢＳ樹脂、フッ素樹脂、ポリカ
−ボネ−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・１１、６・１２等
）、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−テルスルフォン樹脂、ポリエ−テルエ−
テルケトン樹脂、ポリフェニレンオキシド樹脂等の熱可
塑性樹脂を挙げることができる。また、これらの樹脂は
２種以上を組み合わせて用いることができる。これらの
なかでエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニル
エステル樹脂が取り扱い性及び物性の面から好ましい。

【００１４】ＦＲＰ製パイプと継手要素の接合には接着
剤を用いるのが好ましい。接着剤は粘度が５０〜１００
００ポイズのものが好ましい。接着剤は接合に際して潤
滑剤として働くことができる。接着剤は接合後必要に応
じて硬化処理（例えば熱処理）を行う。

【００１５】

【実施例】以下に本発明を実施例によってさらに詳細に
説明するが本発明はこれらの実施例に何ら限定されるも
のではない。

【００１６】実施例１ 第２図に示す円筒状マンドレル４（直径６４．５ｍｍ、
長さ１３００ｍｍ、両端に直径４０ｍｍ、長さ３００ｍ
ｍのチャッキング用軸６が付いている）に離型剤を塗布
し、その両端にリング５（端部の外周は対辺間距離６５
ｍｍの正八角形であり、他の一端は外径６４．５ｍｍの
円形状をしており、正八角形部分から円形端部分までは
スム−ズなテ−パ−部分を形成していた。正八角形部の
長さは５０ｍｍ、テ−パ−部分の長さは３０ｍｍであっ
た。）を装着した。

【００１７】このマンドレルにエポキシ樹脂を含浸させ
たガラス繊維及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、次に示す積層構成のＦＲＰ製パイ
プを製作した。ここで、ＧＦはガラス繊維を、ＣＦは炭
素繊維を表す。 パイプ部： 内層〔ＧＦ９０°／ＣＦ±２０°／ＣＦ９０°〕外層厚
み　　０．４ｍｍ／２．８ｍｍ　　／１．０ｍｍ接合部
　　： 内層〔ＧＦ９０°／ＣＦ±２０°／ＣＦ９０°〕外層厚
み　　０．４ｍｍ／２．８ｍｍ　　／４．０ｍｍ次いで
延伸離型フィルムを巻き付け、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図に示すような正八角形状の接合
部２を有するＦＲＰ製パイプを得た。接合部の八角形の
対辺間距離は６５．０８ｍｍであった。

【００１８】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より製作した。 対辺間距離は６５．５０ｍｍであった。面取り比はほぼ
０であった。ＦＲＰ製パイプの接合部内面に接着剤パッ
チキッド（ハイソ−ル社製）を塗布し、継手要素を圧入
し、８０℃で４時間接着剤を硬化し、第１図に示すよう
な本発明のＦＲＰ製駆動力伝達用シャフトを得た。静ね
じり試験及びねじり疲労試験によりシャフトの強度の評
価を行った。得られた結果を第１表に記した。静ねじり
強度は４５０ｋｇ・ｍのトルクでシャフト中央部が破壊
した。ねじり疲労強度は１５０ｋｇ・ｍのねじりトルク
を５０万回以上かけても破壊が生じなかった。なお、マ
ンドレルの両端に装着したリングの多角形状の角の面取
り比はほぼ０であった。

【００１９】実施例２〜７、比較例１〜５第１表に記す
形状及び寸法のシャフトを製作し、実施例１と同様に強
度の評価を行った。ＦＲＰ製パイプの積層構成は、内径
６４．５ｍｍの場合は実施例１と同じであり、内径４０
ｍｍ及び９０ｍｍの場合は次に示すとおりである。 内径４０ｍｍの場合 パイプ部： 内層〔ＧＦ９０°／ＣＦ±２０°／ＣＦ９０°〕外層厚
み　　０．４ｍｍ／５．０ｍｍ　　／１．０ｍｍ接合部
： 内層〔ＧＦ９０°／ＣＦ±２０°／ＣＦ９０°〕外層厚
み　　０．４ｍｍ／５．０ｍｍ　　／４．０ｍｍ内径９
０ｍｍの場合： パイプ部： 内層〔ＧＦ９０°／ＣＦ±２０°／ＣＦ９０°〕外層厚
み　　０．４ｍｍ／２．２ｍｍ　　／１．０ｍｍ接合部
： 内層〔ＧＦ９０°／ＣＦ±２０°／ＣＦ９０°〕外層厚
み　　０．４ｍｍ／２．２ｍｍ　　／４．０ｍｍマンド
レルに装着したリングの正多角形状の角の面取り比は、
実施例２〜３及び比較例１〜３についてはほぼ０であり
、実施例４〜７及び比較例４〜５については０．１５で
あった。静ねじり強度及びねじり疲労強度について試験
を行い、その結果を第１表に記した。比較例１の結果に
よれば、静ねじり試験ではシャフトの中央部の破壊であ
るが、ねじり疲労試験ではトルク１５０ｋｇ・ｍを４万
回かけるとシャフトの接合部が破壊した。

【００２０】

【表１】

【００２１】

【発明の効果】本発明のＦＲＰ製駆動力伝達用シャフト
はＦＲＰパイプと継手要素の接合部分が強固であり、本
来のＦＲＰパイプが有する強度を発揮するので、自動車
用、船舶用またはヘリコプタ−用等に好適に用いること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＦＲＰ製駆動力伝達用シャフトの斜視図

【図２
】マンドレルの斜視図

【図３】ＦＲＰ製パイプの斜視図

【図４】継手要素の斜視図

【図５】角を面取りした継手要素の断面図

【図６】角を
Ｒ加工した継手要素の断面図

【符号の説明】

１：ＦＲＰ製駆動力伝達用シャフト ２：同接合部（補強部） ３：継手要素 ４：マンドレル ５：リング ６：チャッキング用軸 ７：継手要素の接合部 ａ：面取り幅 ｂ：シャフト中心点から角の頂点（面取り前の）までの
距離

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】継手要素と繊維強化樹脂製パイプを接合し
   てなる繊維強化樹脂製駆動力伝達用シャフトであって、
   継手要素と繊維強化樹脂製パイプの接合部はその断面が
   正多角形状を有し、継手要素の接合部の正多角形の角の
   頂部の形状を面取り幅と正多角形の中心から角の頂部ま
   での距離の比で表して、０．１５以下とすることを特徴
   とする繊維強化樹脂製駆動力伝達用シャフト。
2. 【請求項２】正多角形状が正六角形状ないし正八角形状
   である請求項１記載の繊維強化樹脂製駆動力伝達用シャ
   フト。