JPH0783240A - Ｆｒｐ製シャフトと継手との接合構造および接合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ［目的］ 高い同軸度と真直度とを有するとともに、大
きな接着強度を保持したＦＲＰ製シャフトと継手との接
合構造および接合方法を提供することを目的とする。 ［構成］ フランジ継手１２の嵌合部１７の外周面上に
軸線方向に延びる複数の突条１８から成る嵌合のきつい
接合部を形成し、嵌合部１７の外周面およびＣＦＲＰ製
シャフト１１の端部内周面に接着剤を塗布して継手１２
をシャフト１１の端部に挿入して接着固定するようにし
た接合構造および接合方法に関するものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ ｒ
ｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｌａｓｔｉｃ 繊維強化プラス
チック）製シャフトと継手との接合構造に係り、とくに
中空のＦＲＰ製シャフトの端部に継手を嵌合させて取付
け、接着剤で固着するようにしたＦＲＰ製シャフトと継
手との接合構造および接合方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＦＲＰは比強度および比剛性に優れた材
料である。しかしＦＲＰ単独で構造材として使用される
ことは少なく、ＦＲＰ同士あるいは異種材料と接合し、
構造部材として使用されることが多い。例えば駆動軸に
ＦＲＰを適用する場合には、ＦＲＰ製のシャフトとこの
シャフトにトルクを伝えるための金属製のフランジ継手
とを接合して使用することになる。

【０００３】ＦＲＰ製の中空シャフトに金属製のフラン
ジ継手を接合すると、ＦＲＰ製シャフトの軽量化効果に
よって、危険回転数が高くなるとともに、回転に伴う振
動やブレが減少する等の利点が得られることになる。

【０００４】従来の鋼製シャフトと金属製継手とを結合
する場合には、溶接によって接合されていた。溶接法に
よる接合を用いると、高い寸法精度でシャフトと継手と
を接合するとともに、その接合強度も大きくなる。しか
しＦＲＰ製シャフトと異種材料の継手との接合において
は、溶接の手法を用いることができない。そしてＦＲＰ
製シャフトと異種材料の継手との接合においては、寸法
精度が高く、しかも接合強度が高い接合方法が確立され
ていないのが現状である。

【０００５】ＦＲＰ製シャフトと異種材料の継手との接
合に関しては、例えば特公平４−２４２３号公報に開示
されているように、金属継手の円筒挿入部の端面にリン
グ状の嵌合のきつい部分を設けたものや、特開昭６４−
４９７１９号公報に開示されているように、ＦＲＰ製パ
イプの内径よりも大きな外径を有する継手要素を圧入
し、摩擦力によって接合するようにしたものが提案され
ている。さらには特開平４−９４９２１号公報に開示さ
れているように、圧入嵌合前の継手要素の接合部外周面
の表面粗さおよび圧入嵌合前のシャフトの接合部内径と
継手要素の接合部外径の比をそれぞれ所定の値にしたも
のが提案されている。

【０００６】接着剤によってＦＲＰ製シャフト１と継手
２とを接合して固着する場合には、図７および図８に示
すように、継手２のフランジ３から突出して設けられて
いる嵌合部４をＦＲＰ製シャフト１内に挿入し、嵌合部
４とＦＲＰ製シャフト１との間に接着剤５を介在させて
固着するようにしている。この場合に必要とする強度を
得るために、所要の接着剤５が両者の間隙に充填される
ように、ＦＲＰ製シャフト１と継手２との間の接合部の
隙間を大きくとるようにし、嵌合いの緩いものが使用さ
れている。

【０００７】あるいはまた図９および図１０に示すよう
に、継手２の嵌合部４の外周面上に円周方向に延びる周
溝６を形成するようにし、これによって嵌合部４の周溝
６が形成されていない部分の嵌合をきつくし、周溝６内
に充填されている接着剤５によって継手２をＦＲＰ製シ
ャフト１に接合するようにしている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】図７および図８に示す
接合構造は、フランジ継手２の嵌合部４がストレートな
円柱状をなした継手２を用いた場合を示しており、接着
剤５を嵌合部４とシャフト１の内周面との間に充填する
ために、嵌合部４の隙間を大きくとるようにしている。
しかしこのような構造によれば、接着剤５の硬化を行な
うために加熱すると、接着剤５の粘度が低下して流動し
易くなり、この結果シャフト１と継手２との芯が互いに
ずれた状態で接着されることになる。また接着剤５が流
出すると、シャフト１と継手２との芯ずれとともに、接
合部の強度も低下することになる。

【０００９】図９および図１０に示すように、周溝６以
外の部分において嵌合部４のシャフト１に対する隙間を
小さくした場合には、ＦＲＰ製シャフト１と継手２との
間の同軸度および真直度が向上することになる。しかる
に継手２をＦＲＰ製シャフト１の中に挿入して嵌合させ
る際に、ＦＲＰ製シャフト１の内周面および継手２の嵌
合部４の外周面に塗布されている接着剤が掻き取られ、
このために接合部の隙間に残存する接着剤の量が少なく
なる。これによって隙間全体に接着剤が均一かつ十分に
行き届かなくなって、嵌合部４とシャフト１の内周面と
の間の接合強度が不足するという欠点を生ずる。

【００１０】すなわち図９および図１０に示すように、
継手２の嵌合部４の先端と付根側に嵌合のきつい部分を
設けることによって、精度の高い芯出しが可能になる
が、この場合にも継手２をＦＲＰ製シャフト１の内周面
に嵌合する際に、とくに先端側の嵌合のきつい部分でシ
ャフト１の内周面と嵌合部４の外周面に塗布した接着剤
を掻き取ってしまう問題がある。

【００１１】従って接着剤を用いてＦＲＰ製シャフトと
継手とを接合する構造において、シャフトと継手との高
い同軸度および真直度を維持し、なおかつ接合部の強度
を高めることが大きな問題になる。

【００１２】本発明はこのような問題点に鑑みてなされ
たものであって、大きなトルクを伝達することが可能な
接合強度を有し、かつシャフトの同軸度および真直度に
優れたＦＲＰ製シャフトと継手との接合構造および接合
方法を提供することを目的とするものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、ＦＲＰ製シャ
フトと継手との接合構造において、ＦＲＰ製シャフトの
内周面に嵌合される継手嵌合部の外周面上に複数の軸線
方向に延びる突条から成る嵌合のきつい接合部を設ける
ようにしたものであって、ＦＲＰ製シャフトの内周面と
継手の嵌合部との間に介在される接着剤によって、両者
を接合して固着するようにしたＦＲＰ製シャフトと継手
との接合構造に関するものである。また本発明は、上述
のように複数の軸線方向に延びる突条から成る嵌合のき
つい接合部を嵌合部に設けた継手を回転させずにシャフ
トの端部内周面に挿入するようにしたＦＲＰ製シャフト
と継手との接合方法に関するものである。

【００１４】本発明においてＦＲＰ製シャフトとは、強
化繊維とマトリックス樹脂とから構成されるものであ
る。そしてシャフトの使用目的によっては、その曲げ剛
性およびねじり剛性が高く、さらに所要のねじり強度を
有する必要がある。従って強化繊維は、引張り強度およ
び引張り弾性率の高い繊維が望ましく、炭素繊維、ガラ
ス繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、セラミック繊維等
の繊維から選ばれる１種あるいは２種以上の組合わせで
使用される。とくに比強度および比剛性に優れ、しかも
軽量化の効果の大きい炭素繊維が好ましい。

【００１５】またこのような強化繊維によって強化され
るマトリックス樹脂としては、エポキシ樹脂、ビスマレ
イミド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹
脂、ビニールエステル樹脂等の熱硬化性樹脂、ＡＢＳ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、ナイロン６・６、ナイロン６・
１０、ナイロン６・１１、ナイロン６・１２）等の熱可
塑性樹脂が挙げられる。好ましくは取扱い性に優れたエ
ポキシ樹脂や不飽和ポリエステル樹脂が使用される。

【００１６】ＦＲＰ製シャフトの製造方法は従来公知の
方法で行なわれる。生産性および製作コストを考慮し、
フィラメントワインド法やシートワインド法が用いられ
てよい。

【００１７】これに対して継手は、金属、合成樹脂、Ｆ
ＲＰ等で作製されたものであってよく、ＦＲＰ製シャフ
トの使用目的や伝達トルク、寸法等に応じて適宜選択さ
れる。

【００１８】継手の嵌合部に設けられる突条から成る嵌
合のきつい接合部は、複数個設けられる。好ましくは３
〜１６個である。突条の数が３個未満の場合には、シャ
フトと継手との固定を十分に行なうことができず、また
シャフトと継手との同軸度を高い精度で得ることができ
ない。突条の数が１６個を超えると、接着面積が低下し
て接合強度が不足すると同時に重量増加を招く欠点があ
る。

【００１９】突条から成る嵌合のきつい接合部の幅は、
接合部の個数によって適宜調整されるが、接合部全体で
円周長の２〜２０％の範囲内であることが好ましい。２
％未満であると、シャフトと継手との固定を十分に行な
うことができず、シャフトと継手との同軸度を高い精度
で得ることができない。上記の割合が２０％を超える
と、接着面積が減少するために、接着強度の低下を招く
欠点がある。

【００２０】突条から成る接合部は継手嵌合部の外周面
上において、その軸線方向の全長に亘って設けられるこ
とが好ましいが、重量の低減等を目的として、シャフト
と継手との固定を損なわない範囲で長さを短くすること
もできる。しかしこの場合にも、シャフトと継手との固
定および同軸度の精度を考慮すると、嵌合部の軸線方向
の全長の７０％以上の長さの突条を設けることが好まし
い。

【００２１】また継手の接合部の突条は必ずしも一直線
状に設けられる必要はなく、例えば図６に示すように、
嵌合部の先端側と根元側とを分離して互い違いに設ける
ようにしてもよい。このように突条を互い違いに設けた
場合には、嵌合のきつい接合部から破壊が始まり、軸線
方向に破壊が進むが、互い違いに分離されている突条に
よってそれらのずれた部分で破壊が停止するために、破
壊が一挙に進まない利点がある。

【００２２】ＦＲＰ製シャフトの端部内周面に継手を嵌
合させるには、円周方向に両者を互いに回転させずに、
シャフトに対して真直ぐにした状態で継手をゆっくりと
挿入するのが好ましい。継手の嵌合部には軸線方向に延
びる突条が形成されているために、挿入時に継手を回転
させると、接合部によって接着剤の流入を妨げ、塗布さ
れた接着剤を掻き取ってしまうために、良好な接着がで
きなくなるからである。

【００２３】本発明の実施例におけるフランジ継手の嵌
合部は図１〜図６に示すように中実ではあるが、中空の
継手を目的に応じて使用するようにしてもよい。

【００２４】本発明に用いられる接着剤は液状タイプの
ものが好ましい。粘度はシャフトの中に継手を挿入する
際の潤滑性、作業性、および硬化時の粘度等を考慮し、
室温で１００〜１０００ポイズの範囲内のものを使用す
ることが好ましい。接着剤としては、例えばアラルダイ
ト（チバ・ガイギー社製）、ソニーボンド（ソニーケミ
カル株式会社製）、スリーロイ（スリーボンド社製）等
が挙げられる。

【００２５】本発明の接合構造によれば、継手の嵌合部
に複数の軸線方向に延びる突条から成る嵌合いのきつい
接合部を円周方向に沿って間欠的に設けることにより、
これらの突条から成る接合部の箇所でシャフトを継手に
位置決めして固定し、シャフトと継手との間の相互の同
軸度と高い真直度とを得ることが可能になる。

【００２６】また嵌合のきつい接合部は、円周上の複数
箇所であるために、従来問題となっていた接着剤の掻き
取りが解消されることになる。すなわち、継手の接合部
を構成する突条間の条溝から、継手の嵌合部外周側とシ
ャフト内周面との間に接着剤が均一に流入されるように
なり、これによってシャフトと継手とが強固に接着さ
れ、高い接着強度を有することが可能になる。

【００２７】本発明におけるＦＲＰ製シャフトとは、例
えば駆動軸、車軸、巻取りシャフト等である。

【００２８】

【実施例】実施例１ 高強度炭素繊維束（７μｍ×１２０００本 東邦レーヨ
ン（株）製ベスファイト（登録商標））にビスフェノー
ル型エポキシ樹脂を３５重量％含浸させたものをフィラ
メントワインド法により、マンドレル上に９０°／＋４
５°／−４５°／２０°の構成で積層する。この後に加
熱硬化させて内径が６０ｍｍであって、外径が７０ｍｍ
であり、しかも長さが１０００ｍｍのＣＦＲＰ（Ｃａｒ
ｂｏｎｆｉｂｅｒ ｆｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｌａｓｔ
ｉｃ 炭素繊維強化プラスチック）製の中空のシャフト
を得た。このシャフトは図１および図３において参照符
号１１で示されている。

【００２９】このようなＣＦＲＰ製シャフト１１の両端
の内周面に挿入する構成の継手１２を用意した。継手１
２はフランジ１６の中心部から突出するように嵌合部１
７を備えている。しかもこの嵌合部１７はその外周面上
に円周方向に沿って嵌合のきつい接合部を構成する突条
１８が軸線方向に延びて４本設けられている。接着剤は
上記突条１８間の条溝２１から流入できるようになって
いる。

【００３０】ここでそれぞれの突条１８の円周方向の幅
は円周の全長の２％であり、円周上に占める４本の突条
から成る接合部の割合は８％になっている。また本実施
例において、接合部を構成する突条１８の長さは、嵌合
部１７の軸線方向の長さの全長である１００ｍｍとなっ
ている。このようにして外径が６０ｍｍであって、接着
剤の厚みが０．１ｍｍになるようにフランジ継手１２を
作製した。

【００３１】上記シャフト１１とは別に内径が６０ｍｍ
の透明なプラスチックパイプを用意し、このパイプの内
周面と上記フランジ継手１２の嵌合部１７の外周面にそ
れぞれ接着剤を塗布した後に、透明パイプの内周面に嵌
合部１７を挿入し、接着剤の充填状態の観察を行なっ
た。その結果接合部１８を除く周溝２１の全体に接着剤
がまんべんなく充填されていることが確認された。

【００３２】そこで上記ＣＦＲＰ製シャフト１１の接合
部内周面およびフランジ継手１２の嵌合部１７の外周面
にそれぞれアラルダイトＡＷ１３６Ｎ、ハードナーＨＹ
９４４（チバ・ガイギー社製）を１０：４の割合で配合
した接着剤を直接塗布した後に、ＣＦＲＰ製シャフト１
１の内周面にフランジ継手１２の嵌合部１７を挿入し、
８０℃で３０分間硬化を行なった。

【００３３】このようにしてＣＦＲＰ製シャフト１１の
両端に鋼製フランジ継手１２を接合したＣＦＲＰ製シャ
フト１１をねじり試験に供した結果、両者の接合部は８
６０ｋｇｆ・ｍのトルクで破壊した。

【００３４】実施例２ 図４に示すように、フランジ継手１２の嵌合部１７の外
周面上に１２０°間隔で３本の突条１８から成る接合部
をそれぞれ形成した。これらの突条１８の円周方向の幅
は円周の５％であり、円周方向に占める３本の突条から
成る接合部の割合は１５％とした。またこの接合部１８
の長さは、図５から明らかなように、嵌合部１７の全長
と等しい長さである１００ｍｍとした。このようにして
外径が６０ｍｍであって、接着剤の厚みが０．１ｍｍに
なるようにフランジ継手１２を作製した。

【００３５】このようなフランジ継手１２の外周面上で
あって嵌合部１７の外周面に実施例１と同様の組成の接
着剤を塗布し、実施例１と同一のＣＦＲＰ製シャフト１
１の両端の内周面に同様に接着剤を塗布して挿入し、上
記実施例１と同様に８０℃で３０分間硬化を行なった。
これによってＣＦＲＰ製シャフト１１の両端に図５に示
すように鋼製フランジ１２を接合したＣＦＲＰ製シャフ
トをねじり試験に供した結果、両者の接合部は８４０ｋ
ｇｆ・ｍのトルクで破壊した。

【００３６】実施例３ 実施例１に記載した方法と同様の方法で作製したＣＦＲ
Ｐ製シャフト１１と鋼製フランジ継手１２との接合を行
なった。ここで用いられているフランジ継手１２は図６
に示すように、接合部を構成する突条１８が嵌合部１７
の先端側と根元側とで互い違いに設けられたものであ
る。

【００３７】ここでは接合部１８を構成する突条を先端
側に４箇所設けるとともに、これら４本の突条１８の円
周方向の中間位置において根元側に突条１８を４箇所設
け、互い違いになるようにした。接合部１８の円周方向
の幅は円周の２％とし、接合部１８の円周上に占める割
合が８％となるようにした。また接合部１８の長さは、
先端側、根元側ともに５０ｍｍとし、両者を合計する
と、嵌合部１７の全長の１００ｍｍと等しくなるように
した。

【００３８】このようなＣＦＲＰ製シャフト１１を上記
実施例１と同様のねじり試験に供した結果、８９０ｋｇ
ｆ・ｍのトルクで両者の接合部が破壊した。

【００３９】比較例１ 図７および図８に示す従来の接合構造により、実施例１
と同様にして得られたＣＦＲＰ製シャフト１を用い、嵌
合のきつい部分および樹脂が流入する凹部を設けていな
い平滑な嵌合部４を有する継手２をシャフト１内に挿入
して接合した。

【００４０】なおＣＦＲＰ製シャフト１とフランジ継手
２との嵌合い寸法および接着剤の種類、硬化条件等は上
記実施例１と同様にして実施した。得られたＣＦＲＰ製
シャフト１をねじり試験に供したが、シャフト１と継手
２との同軸度が不十分で、かつ真直度が十分に得られて
いないために、強度試験に供することができなかった。

【００４１】比較例２ 図９および図１０に示すように、フランジ継手２の嵌合
部４の長さ方向の中間部に周溝６を形成し、嵌合部４の
外周面および周溝６内に接着剤を塗布するとともに、シ
ャフト１の内周面に接着剤を塗布し、両者を嵌合して接
合した。なおＣＦＲＰ製シャフト１とフランジ継手２と
の嵌合い寸法および接着剤の種類、硬化条件等は実施例
１と同様にした。

【００４２】このような方法によると、嵌合部４の先端
側の円周方向の全周に形成されている嵌合がきつい部分
に接着剤が流入する凹部が設けられていないために、接
着剤の一部が掻き取られた。得られたＣＦＲＰ製シャフ
ト１を実施例１と同様のねじり試験に供した結果、５６
０ｋｇｆ・ｍのトルクで接合部が破壊した。

【００４３】

【発明の効果】以上のように本発明は、ＦＲＰ製シャフ
トの端部内周面に嵌合される継手の嵌合部に複数の軸線
方向に延びる突条から成る嵌合のきつい接合部を設ける
ようにし、このような嵌合部とＦＲＰ製シャフトの内周
面とを接着剤によって接合固定するようにしたものであ
る。

【００４４】従ってとくに継手の嵌合部に設けられてい
る突条から成る嵌合のきつい接合部によって、ＦＲＰ製
シャフトと継手との間の相対的な同軸度と真直度とを高
い精度で実現することが可能になる。しかも突条間の条
溝から接着剤が均一に流入されるようになり、これによ
ってとくにＦＲＰ製シャフトの内周面に継手を均一にか
つ強固に接着して固着できるようになる。とくに突条が
嵌合部の外周面上において軸線方向に形成されているた
めに、継手をシャフトに対して回転させずにシャフト端
部内周面に挿入することによって、接着剤のより均一な
流入が可能になり、強固な接着固定を実現できるように
なる。

【００４５】従って本発明によれば、寸法精度に優れ、
しかも高い接着強度を保持した接合が可能になり、高速
回転での使用、若しくは高トルクの伝達を行なう箇所で
の接着接合に非常に有利なＦＲＰ製シャフトと継手との
接合構造が得られるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例の接合構造を示す分解斜視図であ
る。

【図２】継手の正面図である。

【図３】接合構造を示す縦断面図である。

【図４】第２の実施例の継手の正面図である。

【図５】接合構造を示す縦断面図である。

【図６】第３の実施例の接合構造を示す分解斜視図であ
る。

【図７】従来の接合構造を示す分解斜視図である。

【図８】接合構造を示す縦断面図である。

【図９】別の従来の接合構造を示す分解斜視図である。

【図１０】接合構造を示す縦断面図である。

【符号の説明】

１ ＦＲＰ製シャフト ２ 継手 ３ フランジ ４ 嵌合部 ５ 接着剤 ６ 周溝 １１ ＦＲＰ製シャフト １２ 継手 １３ 貫通穴 １６ フランジ １７ 嵌合部 １８ 接合部（突条） ２１ 条溝 ２５ 接着剤

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 中空のＦＲＰ製シャフトの端部内周面に
   継手を嵌合させて取付け、接着剤で固着するようにした
   ＦＲＰ製シャフトと継手との接合構造において、 継手嵌合部に複数の軸線方向に延びる突条から成る嵌合
   のきつい接合部を設けたことを特徴とするＦＲＰ製シャ
   フトと継手との接合構造。
2. 【請求項２】 嵌合のきつい接合部を構成する突条が３
   〜１６個設けられていることを特徴とする請求項１に記
   載のＦＲＰ製シャフトと継手との接合構造。
3. 【請求項３】 嵌合のきつい接合部を構成する突条の円
   周方向の幅の合計が円周の全長の２〜２０％の範囲内で
   あることを特徴とする請求項１または２に記載のＦＲＰ
   製シャフトと継手との接合構造。
4. 【請求項４】 嵌合のきつい接合部を構成する突条が、
   嵌合部の先端側と根元側とに互い違いに設けられている
   ことを特徴とする請求項１〜３に記載のＦＲＰ製シャフ
   トと継手との接合構造。
5. 【請求項５】 継手が金属、合成樹脂、ＦＲＰの何れか
   から作られていることを特徴とする請求項１〜４に記載
   のＦＲＰ製シャフトと継手との接合構造。
6. 【請求項６】 中空のＦＲＰ製シャフトの端部内周面に
   継手を嵌合させて取付け、接着剤で固着するようにした
   ＦＲＰ製シャフトと継手との接合方法において、 継手嵌合部に複数の軸線方向に延びる突条から成る嵌合
   のきつい接合部を設け、継手を回転させずにシャフト端
   部内周面に該継手の嵌合部を挿入することを特徴とする
   ＦＲＰ製シャフトと継手との接合構造。