JPH05193381A - 複合材料製駆動軸 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】金属製ヨークに複合材料製の軸体を接着剤によ
って接合されている複合材料製プロペラシャフトでは、
軸体が変形することによって接着部の極一部に非常に大
きな応力集中部ができ、その部分での耐久性が低下して
しまう可能性がある。そこで接着部全体に応力が均一に
かかるようにしてプロペラシャフトの耐久性を向上させ
ることを目的としている。 【構成】本発明は、繊維強化された複合材料製の軸体
と、金属製ヨークと、前記駆動軸の端部が接着材によっ
て金属製ヨークに接合されている駆動軸において、前記
軸体の繊維が軸方向となす角は、前記軸体と前記金属製
ヨークとの接合部で、軸体の他の部分に比べて大きいこ
とを特徴とする駆動軸。繊維強化された複合材料製の軸
体と、金属製ヨークと、前記駆動軸の端部が接着材によ
って金属製ヨークに接合されている駆動軸において、前
記軸体と前記金属製ヨークとの接合部に、前記繊維プラ
スチックと比べ剛性の高い円筒状の部材を配したことを
特徴とする駆動軸。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は繊維強化された複合材
料、詳しくは繊維強化プラスチック（以下ＦＲＰと略
す）製の駆動軸に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、省エネルギー対策として自動車の
軽量化が推進され、プラスチックの特徴である軽さ、成
形性及び耐蝕性と、繊維の持つ高弾性率、高強度をあわ
せもつ繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）が広く使われる
ようになりつつある。自動車部品としても駆動軸である
プロペラシャフトを鋼製のものからＦＲＰ製のものに変
えようとする研究が進められている。ＦＲＰ製プロペラ
シャフトにおいては、ＦＲＰ製の駆動軸と金属製ヨーク
との結合部の強度が最も重要な課題となっている。トル
クを伝達するときは結合部が十分な強度を保有すること
が要求されるが、ＦＲＰ製の駆動軸では金属製駆動軸に
適用されている溶接等の接合方法が使えないので、種々
の結合方法が提案されている。例えばＦＲＰ製プロペラ
シャフトのＦＲＰ製の駆動軸と、金属製ヨークとの接合
方法としては、実開昭６２−５０３１６号公報で示され
ているようなものがある。この公報によると、複合材料
製チューブと金属製ヨークとの挿嵌部周面の少なくとも
一方に接着材を保持する凹部を設けることにより、接着
性と組付け後のセンタリング効果を向上させようとして
いる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、接着剤による
結合では、以下に述べるような問題点が発生する。図８
は、ＦＲＰ製チューブと金属製ヨークとを接着剤で結合
させたもので、金属製ヨークにトルクＴを負荷した場合
の接着剤層の応力を示している。この図から明らかなよ
うに、接着剤の接着部端部Ｂに大きな応力のピークが存
在しており、接着剤の中央部には殆ど応力が作用してい
ないことがわかる。一般に金属製ヨークのヤング率とＦ
ＲＰ製チューブのヤング率を比較すると、金属製ヨーク
のヤング率の方が大きいので、トルクＴがかかったとき
にはＦＲＰ製チューブの方が大きく変形するからであ
る。このように接着部の端部に大きな応力のピークが存
在し、接着部全体で応力を受けることがないので、耐久
性が低下してしまう可能性がある。そこで本発明は、接
着剤によってＦＲＰ製軸と金属製ヨークとを接合するも
のにおいて、応力のかかり方にあわせて軸体のヤング率
を部分的に変え、耐久性の高い複合材料製駆動軸を作る
ことを目的としている。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、繊維強化され
た複合材料製の軸体と、金属製ヨークと、前記駆動軸の
端部が接着材によって前記金属製ヨークに接合されてい
る駆動軸において、前記軸体の繊維が軸方向となす角度
が、前記軸体と前記金属製ヨークとの接合部では軸体の
他の部分に比べて大きいことを特徴とする複合材料製駆
動軸。繊維強化された複合材料製の軸体と、金属製ヨー
クと、前記駆動軸の端部が接着材によって前記金属製ヨ
ークに接合されている駆動軸において、前記軸体と前記
金属製ヨークとの接合部に、前記軸体に比べて剛性の高
い円筒状部材を配したことを特徴とする複合材料製駆動
軸。

【０００５】

【作用】上記手段により接合された複合材料製プロペラ
シャフトは、接合部でのヤング率が高くなるように作ら
れているので、接合部での軸体の変形が抑えられ、十分
な接着力が得られる。

【０００６】

【実施例】続いて本発明の第１実施例の複合材料製駆動
軸について図１に基づいて説明する。金属製ヨーク２の
外周部に接着剤３によってＦＲＰ製の円筒状軸体１が固
定されている。本発明のＦＲＰ製の円筒状軸体１は、例
えばフィラメントワイディング法で作ることができる。
これは、樹脂を含浸させた繊維を何本か束にし、マンド
レルに巻き付けて任意の厚さに積層し、樹脂を硬化後マ
ンドレルを抜いて軸体を作る方法であり、本実施例では
樹脂を含浸させたカーボンファイバを使用する。図２に
示すようなＦＲＰ製の円筒状軸体１では、金属製ヨーク
２との接着部以外の部分で、カーボンファイバ６の軸方
向に対する角度（以下繊維角度と表す）を１３度程度で
巻き付けている。接着部７にあたる部分のＦＲＰ製の円
筒状軸体１のカーボンファイバ６の繊維角度は、９０度
で巻き付けられている。このように繊維角度を変えるに
は、マンドレルにカーボンファイバを巻き付けるとき
に、巻き付け角度、巻き付け速度を調節することによっ
て簡単に変えることができる。図３に示すように、一旦
全長に渡って一定の繊維角度でカーボンファイバをマン
ドレルに巻き付けた後、ＦＲＰ製の円筒状軸体の接着部
７にあたる部分に新たに繊維角度を変えたカーボンファ
イバを巻き付けることによって、ＦＲＰ製の円筒状軸体
１を作ることもできる。このとき、新たに巻き付けたカ
ーボンファイバは、ＦＲＰ製の円筒状軸体１の接着部７
の強度を考慮して他の部分のカーボンファイバ６に比べ
てヤング率の高いものを用いたほうが接着部７でのＦＲ
Ｐ製の円筒状軸体１の変形が抑制される。また、新たに
巻き付けたカーボンファイバの巻き付け部分は、接着部
７よりも多少広い範囲にすると、よりＦＲＰ製の円筒状
軸体の接着部７での変形が抑制される。

【０００７】図４では本実施例の複合材料製駆動軸にト
ルクをかけたときのミーゼスの相当応力を示している。
このとき図８で示した、ＦＲＰ製の円筒状軸体の接着部
７のカーボンファイバの繊維角度を変えなかった場合の
応力分布に比べて、応力の分布は均一であることがわか
る。また、接着部端部での応力集中が抑制されている。
これは、ＦＲＰ製の円筒状軸体１の接着部７の繊維角度
が大きく設定されているので、接着部７にトルクがかか
ったときに円周方向のＦＲＰ製の円筒状軸体１の繊維の
方向に力が加わるために変形が抑制され、接着剤３の変
形も抑制され、接着部中央部での応力も大きくなり、接
着部７の端部での応力集中を小さくできるからである。
図３で示したような一端形成した円筒状軸体１に新たに
繊維角度を変えてカーボンファイバ６を巻き付けたもの
は、ＦＲＰ製の円筒状軸体１の接着部７での肉厚が、他
の部分よりも厚くなるので、接着部でのＦＲＰ製の円筒
状の軸体１の変形を更に抑制することができる。このよ
うに構成された複合材料製駆動軸においては、接着部７
以外の部分ではカーボンファイバ６の繊維角度を小さく
しているので引張り応力や振動に対して強く、接着部７
では周方向のヤング率が高くなるように繊維の巻き付け
角度を大きくしているので接着部７でのＦＲＰ製の円筒
状軸体１の変形が抑制され、接着部にかかる応力が均等
になり、接着効果が向上する。従って繊維角度を変える
ことによって接着部の接着力が向上し、耐久性の高いプ
ロペラシャフトを作ることができる。円筒状軸体の強度
は繊維角度により異方性が生じるので、周方向の剛性の
高さと引張り強さを両立させるために円筒状軸体１の繊
維角度は、接着部に向かって徐々に大きくしていくこと
によって複合材料製駆動軸全体の強度を高く保つことが
できる。

【０００８】図８で示されるミーゼスの相当応力は、円
筒状軸体の厚さ方向に均一にかかる応力でなく、接着剤
と円筒状軸体の界面で最も大きく作用する応力であるこ
とが発明者らの実験で明らかになった。そこで第２実施
例では、繊維角度を変えるＦＲＰ製の円筒状軸体１の接
着部分のうちでも、特に接着剤とＦＲＰ製の円筒状軸体
１の界面で繊維角度を大きくするように変えている。第
２実施例について、図５に基づいて説明する。ＦＲＰ製
の円筒状軸体１は、金属製ヨーク２との接着部以外の部
分ではカーボンファイバが繊維角度を１０〜２０度で巻
き付けているとともに、ＦＲＰ製の円筒状軸体１の内周
側で接着剤３との界面に当たる部分のカーボンファイバ
の繊維角度は９０度で巻き付けられており、その部分は
図中９の位置に対応する。また、ＦＲＰ製の円筒状軸体
１の接着部に対応する部分には接着剤３を流し込む為の
孔８が設けられている。さらに、金属製ヨーク２には、
接着剤３を溜める凹部１０を設けている。前記した構成
部品からなるＦＲＰ製プロペラシャフトは、金属製ヨー
ク２にＦＲＰ製の円筒状軸体１をはめ込み、接着剤３を
円筒状軸体の孔８から注入し、接着剤３を硬化させるこ
とによって組み立てられる。このようにしてできた複合
材料製駆動軸は、トルクがかかった場合に一番応力のか
かる部分である接着剤３とＦＲＰ製の円筒状軸体１の界
面において周方向のヤング率が向上するようにつくられ
ているので応力集中が避けられる。また、周方向のトル
クはカーボン繊維の方向と同じなので、カーボン繊維自
体の強さによって支えることになりプロペラシャフトの
剛性が向上することになる。ＦＲＰ製の円筒状軸体１に
おいて、繊維角度が９０度の部分は、数層程度巻き付け
られていれば、周方向のヤング率が向上するので接着部
端部の応力集中を緩和することができる。なお、繊維角
度を変えた部位に関しては繊維の種類を変えて更に接着
部の強度を向上させるように構成してもよい。また、望
ましくは繊維角度が９０度の部分は、接着部分よりも多
少広い範囲にした方がより接着部でのＦＲＰ製の円筒状
軸体１の変形を抑制することができる。

【０００９】次に第３実施例について図６を基づいて説
明する。金属製ヨーク２の外周部に接着剤３によってＦ
ＲＰ製の円筒状軸体１が固定されている。ＦＲＰ製の円
筒状軸体１と金属製ヨーク２との接着部にはＦＲＰ製の
円筒状軸体１のヤング率に比べてヤング率の大きな円筒
状部材５を埋め込んでいる。このＦＲＰ製の円筒状軸体
１も、前記したフィラメントワイディング法で作ること
ができる。このとき、樹脂を含浸させたカーボンファイ
バ６を繊維を何本か束にし、マンドレルに巻き付けて適
当な厚さに積層し、ＦＲＰ製の円筒状軸体１に比べてヤ
ング率の大きな円筒状部材５を取りつけ、その上から更
に樹脂を含浸させたカーボンファイバを巻き付けてい
る。図７ではこのように作られた複合材料製駆動軸にト
ルクをかけたときのミーゼスの相当応力を示している。
このとき図８で示した接着部のカーボンファイバの繊維
角度を変えなかった場合の応力分布に比べて、応力の集
中は防止されて円筒状部材５が配された部分に応力がか
かるようになっている。円筒状部材５とＦＲＰ製の円筒
状軸体１の境界部と接着部端部に応力のピークが認めら
れる。これは接着部に配された円筒状部材５により接着
部付近のＦＲＰ製の円筒状軸体１の円周方向の変形が防
止されて、このことにより接着剤の変形も抑制され、円
筒状部材５が埋め込まれた部分で接着力が得られ、接着
部端部での応力の集中が抑制されからである。円筒状部
材５の長さは、接着部の強度、重量を考慮して変えるこ
とができる。本実施例では、円筒状部材５は繊維に埋め
込んだような形になっているので円筒部材５とＦＲＰ製
の円筒状軸体１の繊維との接触面での結合性が高く変形
を防止する効果が高い。

【００１０】本発明では、接着部７でのＦＲＰ製の円筒
状軸体１の変形を極力抑えれば効果があるので、円筒部
材５を軸体１に埋め込むのではなく、ＦＲＰ製の円筒状
軸体１と金属製ヨーク２との境界面に配置する方法も考
えられるし、ＦＲＰ製の円筒状軸体１の外周側に円筒状
部材５を配してもよい。このような円筒状部材５として
は、一般にヤング率の大きな金属が考えられるが、軽量
化を目的として、セラミックスやプラスチック等でも効
果は得られる。このように円筒状部材５としてはＦＲＰ
製の円筒状軸体１に比べてヤング率の高いものであれば
効果は得られる。また、ＦＲＰ製の円筒状軸体１の変形
を極力抑える方法としては、ＦＲＰ製の円筒状軸体１の
接着部７での肉厚を他の部分より厚くすることも考えら
れる。

【００１１】

【発明の効果】繊維強化された軸体が金属製ヨークに接
着される部分では、繊維の軸方向となす角は、他の部分
に比べて大きくなっているので接着部での軸体の変形が
抑えらて応力の集中が防げるので、接着力が向上し、耐
久性の高い複合材料製駆動軸ができる。繊維強化された
複合材料製の軸体と金属製ヨークの接合部に、剛性の高
い円筒状部を配しているので、接着部での軸体の変形が
抑えらて応力の集中が防げるので、接着力が向上し、耐
久性の高い複合材料製駆動軸ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の複合材料製駆動軸の第１実施例の接着
部断面図

【図２】本発明のＦＲＰ製の円筒状軸体の繊維の巻き方
の例

【図３】繊維の巻き方の他の実施例

【図４】本発明の第１実施例の複合材料製駆動軸にトル
クをかけたときのミーゼスの相当応力の分布図

【図５】本発明の複合材料製駆動軸の第２実施例の接着
部断面図

【図６】本発明の複合材料製駆動軸の第３実施例の接着
部断面図

【図７】本発明の第３実施例の複合材料製駆動軸にトル
クをかけたときのミーゼスの相当応力の分布図

【図８】従来の駆動軸にトルクをかけたときのミーゼス
の相当応力の分布図

【符号の説明】

１ ＦＲＰ製の円筒状軸体 ２ 金属製ヨーク ３ 接着剤 ５ 円筒状部材 ６ カーボンファイバ ７ ＦＲＰ製の円筒状軸体の接着部 ８ 孔 ９ 界面部でのフープ巻き １０ 凹部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 繊維強化された複合材料製の軸体と、金
   属製ヨークと、前記軸体の端部が接着材によって前記金
   属製ヨークに接合されている駆動軸において、前記軸体
   の繊維が軸方向となす角度が、前記軸体と前記金属製ヨ
   ークとの接合部では前記軸体の他の部分に比べて大きい
   ことを特徴とする複合材料製駆動軸。
2. 【請求項２】 繊維強化された複合材料製の軸体と、金
   属製ヨークと、前記軸体の端部が接着材によって前記金
   属製ヨークに接合されている駆動軸において、前記軸体
   と前記金属製ヨークとの接合部に、前記軸体に比べて剛
   性の高い円筒状部材を配したことを特徴とする複合材料
   製駆動軸。