JPH10310650A

JPH10310650A - 繊維強化複合材料製駆動シャフト及びその製造方法

Info

Publication number: JPH10310650A
Application number: JP9119370A
Authority: JP
Inventors: Yasumi Miyashita; 康己宮下; Yasuchika Mita; 泰哉三田; Minoru Toeda; 稔戸枝; Yoshiharu Yasui; 義治安居
Original assignee: Toyoda Automatic Loom Works Ltd
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 1997-05-09
Filing date: 1997-05-09
Publication date: 1998-11-24

Abstract

(57)【要約】【課題】使用回転数域で確実に共振しない固有振動数
を有し、共振周波数を上げた状態で振動騒音の減少した
ＦＲＰ製プロペラシャフトを提供する。【解決手段】プロペラシャフト１は、円筒状のシャフ
ト本体２及びその両端部に突設されたヨーク部３が繊維
強化複合材料で一体に形成されている。強化繊維とし
て、その引張り弾性率がほぼ２９５ＧＰａ以上の炭素繊
維が使用されている。マトリックス樹脂としてはエポキ
シ樹脂が使用されている。マトリックス樹脂中には中空
部が分散されている。中空部はマトリックス樹脂の比重
より見かけ比重の小さい中空の微小ビーズを樹脂ととも
に繊維に付着、含浸させたのち、樹脂を加熱硬化させる
ことにより形成される。強化繊維の体積含有率は６０〜
７２％が好ましく、６５〜７０％がより好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はプロペラシャフトに
好適な繊維強化複合材料製駆動シャフト及びその製造方
法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】自動車ではトランスミッションの動力を
プロペラシャフト（ドライブシャフト）を介してディフ
ァレンシャル装置に伝達している。プロペラシャフトは
その両端部にヨークが設けられ、ユニバーサルジョイン
ト（主に十字軸式ジョイント）を介してトランスミッシ
ョン及びディファレンシャル装置に連結されている。プ
ロペラシャフトはねじれや曲げに強くしかも軽量とする
ため、一般に金属パイプ製のシャフト本体の両端にヨー
クが溶接された構造となっている。また、軽量化を図っ
た金属パイプ製であっても長尺のプロペラシャフトの場
合は、プロペラシャフトの固有振動数の一つである曲げ
一次共振周波数（いわゆる危険回転数）との関係で２分
割（３ジョイント方式）又は３分割（４ジョイント方
式）にする必要がある。従って、ジョイント数が多く、
部品点数、組付け工数が多くなりコスト高の原因とな
る。

【０００３】また、燃費向上を目的として、シャフト本
体を繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）で形成してより軽
量化を図ったプロペラシャフトが提案され、また、一部
の車両に実施されている。これらのプロペラシャフトは
ＦＲＰ製のシャフト本体と、その両端に固定された金属
製のヨークとから構成されている。ＦＲＰ製のプロペラ
シャフトでは、繊維配向を任意に変更でき、また比重が
小さいため、曲げ一次共振周波数を大きくできるので、
長尺のプロペラシャフトでも１本の円筒で作ることがで
きる。

【０００４】一方、燃費向上の他に、車の振動、騒音を
低減することも望まれている。プロペラシャフトによる
騒音は、車体の固有振動数とプロペラシャフトの固有振
動数が近いことによる、騒音（こもり音）が代表的な例
である。金属製プロペラシャフトでは、前記のような接
近が起こった場合、２本の円筒長の比を増減させたり、
円筒径を大きくしてプロペラシャフトの共振周波数をず
らして調整している。

【０００５】ＦＲＰ製プロペラシャフトでは１本の円筒
で構成されているため、長さを変更することはできな
い。一方、円筒径を変えて共振周波数をずらす場合、共
振周波数を上げるには円筒径を大きくする必要がある。
現状のＦＲＰ製プロペラシャフトは、金属製のプロペラ
シャフトより２割程度太く形成されており、これをさら
に太くすると車体床面との距離が小さくなるため、専用
の床面の設計が必要となり現実的でない。また、車両に
は車体の固有振動数より低い固有振動数を有する他の部
品が多く装備されているため、プロペラシャフトの共振
周波数を下げて車体の固有振動数からずらしても、他部
品との共振による騒音が発生する。

【０００６】ＦＲＰ製プロペラシャフトの振動騒音を低
減する手法として、特開平７−１６７２１１号公報に
は、ＦＲＰ製プロペラシャフトの本体筒内にその内周面
に摺接する円筒状の制振部材を設けたプロペラシャフト
が提案されている。このプロペラシャフトは、回転時に
その回転に伴う遠心力により円筒状の制振部材の外周面
がプロペラシャフト本体筒の内周面に摺接し、本体筒と
制振部材との摩擦力により、プロペラシャフトの振動が
摩擦減衰されてプロペラシャフトの振動及び騒音の発生
を抑制する。

【０００７】特開平８−１０５４８９号公報に開示され
たプロペラシャフトでは、プロペラシャフトの本体筒の
内側に、本体筒の内周面に対して摺動自在に配置された
複数の摩擦係合部と、本体筒の内周面とは離間して本体
筒の周方向に延びている筒状保持部と、前記摩擦係合部
と前記筒状保持部とを連結するとともに前記摩擦係合部
を本体筒の内周面に密着するように弾性支持している弾
性支持部とからなる制振部材を備えている。このプロペ
ラシャフトでは摩擦係合部による摩擦力と、弾性支持部
の減衰抵抗力とによりプロペラシャフトの振動が減衰さ
れ、騒音の発生が抑制される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ＦＲＰ製プロペラシャ
フトの本体筒の内側に制振部材を設けて、振動及び騒音
を防止する特開平７−１６７２１１号公報の技術では、
プロペラシャフトの固有振動数をすべての加振源の周波
数と一致しないようにするのが困難あるいは不可能と考
えて、減衰性のある制振部材をプロペラシャフトの内側
に配置し、振動時にプロペラシャフトの内周面と制振部
材との摩擦によるエネルギー吸収で振動を減衰させるよ
うになっている。また、特開平８−１０５４８９号公報
に開示された技術では、摩擦によるエネルギー吸収に加
えて弾性支持部の減衰抵抗力によるエネルギー吸収によ
り振動を減衰させるようになっている。

【０００９】ところが、プロペラシャフトが（例えば、
エンジンの）振動の伝達媒体として働くときは、プロペ
ラシャフトの振動減衰性が有効な場合もあるが、プロペ
ラシャフトが加振源であるプロペラシャフト自体の曲げ
共振には有効ではない。また、一定質量のある制振部材
をプロペラシャフトの内部に入れるため、曲げ共振周波
数が、内部に制振部材がないプロペラシャフトに比較し
て低くなり、前記こもり音に関しては好ましくない場合
が多い。また、車体等他部品の共振周波数と近接しなけ
れば問題はないが、一般に従来のプロペラシャフトの共
振周波数より下がると、好ましくないことが多い。

【００１０】また、プロペラシャフトが使用される車両
の固有振動数は車種によって異なり、プロペラシャフト
も全車種共通のものが使用されるのではなく、車種によ
って最適なプロペラシャフトが存在する。そして、プロ
ペラシャフトの固有振動数を車体の固有振動数からずら
す場合、プロペラシャフトの周波数が単に段階的に上下
するのではなく、任意の周波数に調整可能即ち周波数を
連続的に変更可能なことが望ましい。

【００１１】本発明は前記の問題点に鑑みてなされたも
のであって、その目的はＦＲＰ製プロペラシャフトの共
振周波数を従来品より上げた状態で、使用回転数域で確
実に共振しない固有振動数を有し、しかも振動騒音を減
少させることができるＦＲＰ製プロペラシャフト及びそ
の製造方法を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め請求項１に記載の発明では、少なくとも円筒状のシャ
フト本体を繊維強化複合材料で形成した繊維強化複合材
料製駆動シャフトであって、マトリックス樹脂中に微小
な中空部が分散されている。

【００１３】請求項２に記載の発明では、請求項１に記
載の発明において、強化繊維として引張り弾性率がほぼ
２９５ＧＰａ以上の炭素繊維を使用し、その体積含有率
を６０〜７２％とした。

【００１４】請求項３に記載の発明では、請求項１に記
載の発明において、強化繊維として炭素繊維を使用し、
その体積含有率を６４〜７２％とした。請求項４に記載
の発明では、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載
の発明において、前記中空部はマトリックス樹脂に分散
されたマトリックス樹脂の比重より見かけ比重の小さい
中空の微小ビーズにより構成されている。

【００１５】請求項５に記載の発明では、少なくとも円
筒状のシャフト本体を、フィラメントワインディング法
により製造するとともに、樹脂の比重より見かけ比重の
小さい中空の微小ビーズを所定量分散させた樹脂を含浸
させた状態で強化繊維をマンドレルに巻き付けた後、加
熱硬化するようにした。

【００１６】請求項６に記載の発明では、請求項５に記
載の発明において、強化繊維として引張り弾性率がほぼ
２９５ＧＰａ以上の炭素繊維を使用する際、樹脂が良好
に含浸された状態で繊維をマンドレルに巻き付けるた
め、樹脂槽での樹脂含浸時からマンドレルに巻き付けら
れるまでの間に、樹脂の温度を３５°以上で前記微小ビ
ーズの変形温度より低い温度に高めた後、繊維をマンド
レルに巻き付けるようにした。

【００１７】請求項１に記載の発明では、円筒状のシャ
フト本体を構成する繊維強化複合材料のマトリックス樹
脂中に微小な中空部が分散されているため、繊維含有率
等他の条件が同じ繊維強化複合材料製のプロペラシャフ
トに比べて、固有振動数が大きくなる。また、中空部の
割合を変更することにより、プロペラシャフトの固有振
動数を他の部品と共振しない周波数に調整可能となる。

【００１８】請求項２に記載の発明では、請求項１に記
載の発明において、円筒状のシャフト本体を構成する繊
維強化複合材料の強化繊維として引張り弾性率がほぼ２
９５ＧＰａ以上の炭素繊維が使用され、その体積含有率
が６０〜７２％のため、従来品より固有振動数が大きく
なる。強化繊維として炭素繊維を使用した場合、体積含
有率６５％程度までは複合材料の捩り強度は体積含有率
の増加に伴って増大するが、体積含有率がそれを超える
と捩り強度は体積含有率の増加に伴って減少する。しか
し、引張り弾性率がほぼ２９５ＧＰａ以上の炭素繊維を
使用することにより、捩り強度の低下が防止される。

【００１９】請求項３に記載の発明では、請求項１に記
載の発明において、円筒状のシャフト本体を構成する繊
維強化複合材料の強化繊維として炭素繊維が使用され、
その体積含有率が６４〜７２％のため、中空部を分散さ
せただけのものより固有振動数が大きくなる。

【００２０】請求項４に記載の発明では、請求項１〜請
求項３のいずれか一項に記載の発明において、前記中空
部はマトリックス樹脂に分散されたマトリックス樹脂の
比重より見かけ比重の小さい中空の微小ビーズにより構
成されている。従って、中空部をマトリックス樹脂中に
均一に分散するのが容易となる。

【００２１】請求項５に記載の発明では、少なくとも円
筒状のシャフト本体が、フィラメントワインディング法
により製造される。樹脂の比重より見かけ比重の小さい
中空の微小ビーズを所定量分散させた状態で、樹脂が強
化繊維に含浸される。そして、強化繊維がマンドレルに
所定量巻き付けられた後、加熱硬化されて繊維強化複合
材料製の円筒状のシャフト本体が形成される。

【００２２】請求項６に記載の発明では、請求項５に記
載の発明において、強化繊維として引張り弾性率がほぼ
２９５ＧＰａ以上の炭素繊維を使用される。繊維は樹脂
槽での樹脂含浸時からマンドレルに巻き付けられるまで
の間に、樹脂の温度が３５°以上で前記微小ビーズの変
形温度より低い温度に高められる。従って、樹脂が良好
に含浸された状態で繊維がマンドレルに巻き付けられ、
引張り弾性率の大きな炭素繊維であっても、毛羽立ちや
糸切れが多発せずに、所定量の炭素繊維がマンドレル上
に巻き付けられる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明を駆動シャフトとし
てのプロペラシャフトに具体化した一実施の形態を図１
〜図５に従って説明する。図１はプロペラシャフトの一
端側の部分模式断面図である。図１及び図２に示すよう
に、プロペラシャフト１は円筒状のシャフト本体２と、
その両端部（片側のみ図示）に設けられたヨーク３とか
ら構成されている。シャフト本体２は繊維強化複合材料
（ＦＲＰ）で形成されている。ヨーク３は金属製で、そ
の基端がシャフト本体２の端部に挿入されるとともに、
接着剤（図示せず）を介して固着されている。シャフト
本体２はヨーク３の基端が挿入されるヨーク挿入部２ａ
が肉厚に形成されている。ヨーク３にはユニバーサルジ
ョイント（例えば十字軸式ジョイント）を取り付けるた
めの孔３ａが形成されている。

【００２４】強化繊維は、所定の等ピッチでシャフト本
体２の軸方向となす角度（配向角）が所定の角度となる
ように斜めに巻き付けられている。配向角は±２５°以
下に設定されている。なお、ヨーク３の挿入部分は強化
繊維が周方向に巻き付けられている。また、シャフト本
体２の最外層には図示しない熱収縮フィルム（例えばポ
リエステルフィルム）が巻き付けられている。

【００２５】強化繊維としては炭素繊維が使用されてい
る。マトリックス樹脂としてはエポキシ樹脂が使用され
ている。図３に示すように、マトリックス樹脂中には中
空部４が分散されている。中空部４は、例えば、マトリ
ックス樹脂の比重より見かけ比重の小さい中空の微小ビ
ーズを樹脂とともに繊維に付着、含浸させたのち、樹脂
を加熱硬化させることにより形成される。中空部４の分
散状態は微小ビーズの繊維への付着方法により異なり、
図３（ａ）〜（ｃ）に示すようにほぼ３種類がある。第
１は図３（ａ）に示すように、ＦＲＰを構成する繊維束
５の周囲に中空部分散層６が存在するものであり、第２
は図３（ｂ）に示すように、中空部４がほぼ全体に均一
に分散された状態のものである。また、第３は図３
（ｃ）に示すように、ＦＲＰを構成する積層繊維層７の
層間に中空部分散層６が存在するものである。

【００２６】中空の微小ビーズはマトリックス樹脂の比
重より見かけ比重が小さければ材質に特に限定はない
が、市販の樹脂製のものを使用するのが便利である。樹
脂は熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂のいずれであってもよ
い。中空の微小ビーズが熱可塑性樹脂製の場合は、フィ
ラメントワインディング法により形成された樹脂含浸繊
維層の加熱硬化時に、微小ビーズが軟化又は溶融して変
形するが、中空部全体の占める体積はほとんど変化しな
い。また、微小ビーズが熱硬化性樹脂製の場合は、前記
樹脂含浸繊維層の加熱硬化時に特に変化はない。

【００２７】強化繊維として使用される炭素繊維はその
引張り弾性率がほぼ２９５ＧＰａ（ギガパスカル）以上
の比較的弾性率の高い炭素繊維が好ましい。強化繊維の
体積含有率（Ｖｆ）は６０〜７２％が好ましく、６５〜
７０％がより好ましい。

【００２８】強化繊維として炭素繊維を使用したＦＲＰ
製のシャフトの場合、図４に示すように、炭素繊維のＶ
ｆが６５％程度まではその捩り強度はＶｆの増加に伴っ
て増大するが、Ｖｆがそれを超えると捩り強度はＶｆの
増加に伴って減少する。また、プロペラシャフトに使用
するＦＲＰの炭素繊維のＶｆが大きくなると、炭素繊維
に樹脂が良好に含浸し難くなる。従って、従来プロペラ
シャフトに使用するＦＲＰの炭素繊維のＶｆは最大でも
６０％程度であった。

【００２９】図４に鎖線で示すように、炭素繊維として
弾性率が高いものを使用すると、捩り強度は大きくな
る。従って、ＦＲＰの炭素繊維の体積含有率を高めるこ
とによる捩り強度の低下を補うことが考えられる。しか
し、比較的弾性率の高い炭素繊維は毛羽立ち易く、糸切
れし易い。そして、比較的弾性率の高い炭素繊維を使用
してフィラメントワインディング法によりシャフトを製
造すると、炭素繊維に樹脂が良好に含浸し難く繊維の良
好な配列ができ難くなり、製品の品質（強度）が悪くな
る。炭素繊維の体積含有率を高める場合は、炭素繊維へ
の樹脂の含浸がより難しくなる。従って、比較的弾性率
の高い炭素繊維のＶｆを６０％以上に高めることは考え
られなかった。

【００３０】しかし、本願発明者等は弾性率の高い炭素
繊維を使用して、弾性率の低い炭素繊維と同じように毛
羽立ちや糸切れを防止した状態でフィラメントワインデ
ィング法によりシャフトを製造可能とすることを見出し
た。即ち、フィラメントワインディング法によりシャフ
ト本体を製造する際に、炭素繊維に対する樹脂の含浸を
良好にすることにより、毛羽立ちの少ない状態で炭素繊
維の巻き付けを行うことができた。

【００３１】円筒シャフトの曲げ振動数（固有振動数に
相当）Ｈは次式で表される。Ｈ＝Ｋ（１／Ｌ²）√｛Ｅ（ｄ₁ ²＋ｄ₂ ²）／ρ｝…（１）但し、Ｋは定数、Ｌはシャフトの長さ、Ｅはシャフトヤ
ング率、ｄ₁はシャフトの外径、ｄ₂はシャフトの内
径、ρはシャフトの材質の密度である。

【００３２】（１）式から明らかなように、他の条件が
同じであれば、ＦＲＰの密度ρが小さくなることは、シ
ャフト本体２の曲げ一次共振周波数（固有振動数）を大
きくするのに寄与する。一方、マトリックス樹脂中に微
小な中空部が分散されて存在すると、ヤング率Ｅは小さ
くなり固有振動数を大きくするのにはマイナスとなる。
しかし、密度ρが小さくなることの固有振動数の増加へ
の寄与の程度が、ヤング率Ｅが小さくなることの固有振
動数の減少への寄与の程度より大きいため、結果的に固
有振動数が増加する。その結果、中空部が存在しない場
合に比較して、固有振動数が大きくなる。中空部の割合
を変更することにより、固有振動数を車体以外の他の部
品と共振しない周波数領域で所望の周波数に調整でき
る。

【００３３】ＦＲＰの炭素繊維のＶｆを高めると、Ｅ及
びρが増加する。Ｅが増加することはＨを大きくするの
に寄与し、ρが増加することはＨを小さくすることに寄
与する。即ち、Ｖｆを増加しても単純にＨが増加すると
は限らない。また、Ｖｆを６５％より大きくすると、捩
り強度が低下するという問題がある。しかし、Ｖｆを６
５％より大きくすることにより、Ｖｆの増加にともなう
捩り強度の低下が生じても、捩り強度を実用上差し支え
ない値に確保できた。

【００３４】また、引張り弾性率がほぼ２９５ＧＰａ以
上の炭素繊維を使用すると、一般の炭素繊維（引張り弾
性率がほぼ２３５ＧＰａ）を使用した場合に比較して、
同じＶｆであってもＥが大きくなる。また、Ｖｆを高め
た場合、Ｅの増加に伴うＨの増大の割合が、ρの増加に
伴うＨを減少の割合に比較して大きくなる。引張り弾性
率がほぼ２９５ＧＰａ以上の炭素繊維を使用するととも
に、Ｖｆを６０〜７２％とすることにより、捩り強度を
低下させずに、従来品より共振周波数を大幅に上げるこ
とができた。

【００３５】炭素繊維の種類、Ｖｆ、中空の微小ビーズ
量及び繊維の配向角を変えてシャフト本体２を形成する
とともに、金属製のヨーク３を固着して形成したプロペ
ラシャフト１の曲げ一次共振周波数の測定結果を表１に
示す。曲げ一次共振周波数の値は、比較例１の値を１と
した比率で表されている。但し、シャフト本体２の外径
φ７６ｍｍ、内径φ７０ｍｍ、長さ１０００ｍｍとし、
樹脂にエポキシ樹脂を使用し、炭素繊維として東邦レー
ヨン株式会社製、商品名ベスファイトＨＴＡ（引張り弾
性率２３５ＧＰａ）及びベスファイトＩＭ４００（引張
り弾性率２９５ＧＰａ）を使用した。中空の微小ビーズ
としてポリアクリロニトリル製の中空パウダ（平均粒径
２０μｍ）を使用した。なお、表１に掲げたプロペラシ
ャフトは何れも実用上差し支えない捩り強度の値を示し
た。

【００３６】

【表１】但し、炭素繊維Ａの引張り弾性率は２３５ＧＰａ、炭素
繊維Ｂの引張り弾性率は２９５ＧＰａである。

【００３７】表１から明らかなように、炭素繊維のＶｆ
を６０％より大きくすることにより、曲げ一次共振周波
数が大きくなることが分かる（実施例１〜実施例３）。
また、配向角を小さくすると曲げ一次共振周波数が大き
くなることが分かる（実施例６）。炭素繊維として引張
り弾性率が高いものを使用すると、曲げ一次共振周波数
が大きくなり、しかもその増加の程度がＶｆを大きくし
た場合、あるいは配向角度を小さくした場合に比較して
寄与の度合いが大きいことが分かる（実施例４、実施例
５）。

【００３８】従って、Ｖｆを６０％より大きくするとと
もに、引張り弾性率の高い炭素繊維を使用することによ
り、共振周波数を従来品より上げた状態で、使用回転数
域で確実に共振しない固有振動数を有し、しかも振動騒
音を減少させることができるＦＲＰ製プロペラシャフト
が得られる。また、引張り弾性率の比較的低い一般の炭
素繊維（例えば、ＨＴＡ）でも、Ｖｆを６４％より大き
くするとともに、繊維配向角を小さく（例えば１０°）
することにより、曲げ一次共振周波数をかなり大きくで
きることが分かる。なお、Ｖｆを７０％より大きくした
場合は、プロペラシャフトの製造が難しくなり、Ｖｆが
７５％のものを得ることは現状では非常に難しい。従っ
て、Ｖｆは７２％が上限となる。

【００３９】また、表１から明らかなように、中空パウ
ダを加えることにより、曲げ一次共振周波数が大きくな
ることが分かる（実施例７）。また、中空パウダを加え
るとともに炭素繊維として引張り弾性率が高いものを使
用すると、両者の効果が加算された状態で曲げ一次共振
周波数が大きくなることが分かる（実施例８）。また、
炭素繊維として引張り弾性率が高いものを使用するとと
もにＶｆを大きくした場合も、それぞれの効果が加算さ
れた状態で曲げ一次共振周波数が大きくなることが分か
る（実施例９）。従って、マトリックス樹脂中に分散さ
せる中空部の割合、強化繊維の種類及びＶｆを変更する
ことにより、使用条件に合わせて曲げ一次共振周波数を
従来品より上げた状態で、使用回転数域で確実に共振し
ない固有振動数を有し、しかも振動騒音を減少させるこ
とができるＦＲＰ製プロペラシャフトを製造することが
容易となる。

【００４０】車両に装備された部品と共振して振動騒音
が発生するか否かは、プロペラシャフトを車両に装備し
て試験する必要がある。そして、試験の結果、共振によ
る振動騒音が発生する場合は、プロペラシャフトの曲げ
一次共振周波数を変更する必要がある。その場合、繊維
配向角の変更、Ｖｆの変更、中空部の割合の変更あるい
は引張り弾性率の異なる炭素繊維を使用することにより
容易に対処できる。

【００４１】プロペラシャフト１はフィラメントワイン
ディング法により形成される。図５に示すように、マン
ドレル１０は金属円筒で本体が形成され、その両端には
強化繊維Ｆを巻折り返し状に配列する多数の支持ピン１
１が周方向に配列された状態で着脱可能に支持されてい
る。

【００４２】フィラメントワインディング機はマンドレ
ル１０を支持した状態で駆動される回転軸（図示せず）
と、マンドレル１０に沿って往復駆動される糸ガイド
（ノズル）１２とを備えている。そして、回転軸の回転
速度と、糸ガイド１２の移動速度を調整することによ
り、糸ガイド１２から繰り出される繊維Ｆをマンドレル
１０の軸方向となす角度を任意の角度に設定して、マン
ドレル１０上に巻き付けることができる。

【００４３】糸ガイド１２とボビン１３との間には樹脂
槽１４が設けられている。樹脂槽１４にはローラ１５が
設けられている。ローラ１５はその一部が樹脂槽１４内
の樹脂の液面より上方に出た状態で水平に配置され、図
示しない駆動装置により回転されるようになっている。
樹脂槽１４の近傍にはボビン１３から繰り出された繊維
Ｆを樹脂層１４の上方の所定位置に案内する第１のガイ
ド１６と、樹脂槽１４で樹脂が含浸された後の繊維Ｆを
案内する第２のガイド１７とが設けられている。両ガイ
ド１６，１７は、繊維Ｆがローラ１５の上側周面に接触
しつつ樹脂槽１４を通過するように案内する位置に配置
されている。樹脂槽１４内には樹脂を攪拌する攪拌装置
（図示せず）と、ヒータ１８とが装備されている。

【００４４】次にプロペラシャフト１の製造方法を説明
する。マンドレル１０をフィラメントワインディング機
にセットし、ボビン１３から繰り出した繊維Ｆを両ガイ
ド１６，１７及び糸ガイド１２に通した後、その端部を
マンドレル１０に固定する。その状態でフィラメントワ
インディング機を作動させて、マンドレル１０の回転と
糸ガイド１２の動きを制御し、繊維Ｆに熱硬化性樹脂
（エポキシ樹脂）を付着させながらマンドレル１０上に
巻き付ける。なお、中空（樹脂）パウダがマトリックス
樹脂に分散されたシャフト本体２を製造するには、例え
ば、樹脂槽１４に予め所定量の中空パウダを分散させた
樹脂を入れるとともに、樹脂槽１４に装備した攪拌装置
で樹脂浴を攪拌しながらフィラメントワインディングを
行う。

【００４５】ボビン１３から繰り出される繊維Ｆは、両
ガイド１６，１７の作用により、ローラ１５の周面に接
触しつつ移動するため、ローラ１５の周面に付着してい
る樹脂が繊維に付着、含浸する。ローラ１５は積極回転
されるため、繊維Ｆは常に樹脂が適量付着したローラ１
５の周面と接触する状態となる。

【００４６】繊維Ｆを巻き付ける場合、繊維Ｆが支持ピ
ン１１と係合して折り返しながら、支持ピン１１間にマ
ンドレル１０の軸方向となす角度が所定の角度となるよ
うに巻付けられて、マンドレル１０上に所定の厚さの繊
維層が形成される。なお、第１の層の配列が終了する
と、第２の層は第１の層と繊維の巻き付け角が逆になる
ように巻き付けられる。以下、隣接する繊維層は繊維Ｆ
の巻き付け角が互いに逆となるように巻き付けられる。
マンドレル１０上に巻き付けられた繊維層の数が所定数
となるまで繊維Ｆを巻き付けた後、ヨーク挿入部２ａと
対応する部分に、その巻き付け角度が９０°となる状態
で、所定の厚さの繊維層が形成されるまで巻き付ける。

【００４７】繊維Ｆの巻き付け終了後、マンドレル１０
をフィラメントワインディング機から取り外し、繊維層
の外周面にプラスチック製のテープをスパイラル状に巻
き付ける。テープの幅は５０ｍｍ程度のものを使用し
た。プラスチック製のテープとしてはポリエステルフィ
ルム等の熱収縮性フィルムを使用するのが好ましい。次
に支持ピン１１をマンドレル１０から取り外し、繊維層
が形成されたマンドレル１０を加熱炉に入れ、所定温度
で樹脂を硬化させる。硬化温度は樹脂により異なるが、
例えばエポキシ樹脂の場合は１８０°Ｃ程度である。加
熱硬化により繊維強化複合材料製の円筒（ＦＲＰ円筒）
が、マンドレル１０上に形成される。冷却後、ＦＲＰ円
筒からマンドレル１０を引き抜く。そして、ＦＲＰ円筒
の両端を切断すると、所定寸法の長さのシャフト本体２
が形成される。

【００４８】その後、シャフト本体２のヨーク挿入部２
ａの内周面と、金属製のヨーク３の基端外周面に接着剤
を塗布し、ヨーク３をヨーク挿入部２ａに挿入する。そ
して、接着剤を加熱硬化させることにより、ヨーク３が
シャフト本体２に強固に固着されて、プロペラシャフト
１が完成する。

【００４９】フィラメントワインディング法によりシャ
フト本体２を製造する際、前記のように１個のボビン１
３から繊維Ｆを引き出して、微小ビーズが分散された樹
脂に含浸させた後、マンドレル１０に巻き付けた場合
は、中空部４の分散状態は図３（ｂ）に示すように、Ｆ
ＲＰを構成する繊維束７の周囲に中空部分散層６が存在
するものとなる。また、微小ビーズを分散させない樹脂
を繊維Ｆに含浸させてマンドレル１０に巻き付けて繊維
層を一層あるいは所定の複数層形成する毎に、微小ビー
ズを繊維層の上に直接又は微小ビーズの分散された樹脂
液を振りかける処理を行うと、図３（ａ）に示すよう
に、ＦＲＰを構成する積層繊維層５の層間にに中空部分
散層６が存在するものとなる。

【００５０】また、ボビン１３を複数設け、各ボビン１
３から細い繊維Ｆを引き出して、微小ビーズが分散され
た樹脂に含浸させた後、各繊維Ｆを収束してマンドレル
１０に巻き付けた場合は、中空部４の分散状態は図３
（ｃ）に示すように、中空部４がほぼ全体に均一に分散
された状態となる。

【００５１】引張り弾性率の大きな（２９５ＧＰａ）炭
素繊維を使用して、一般の引張り弾性率（２３５ＧＰ
ａ）の炭素繊維と同じ条件でフィラメントワインディン
グ法によりシャフト本体２を製造した場合、得られるシ
ャフト本体２は捩り強度が低く、プロペラシャフトとし
ての性能が不十分となる。その大きな原因として、引張
り弾性率の大きな炭素繊維は、毛羽立ち易いことが挙げ
られる。表２及び表３に、前記の炭素繊維Ａ及びＢを使
用してフィラメントワインディング法によりシャフト本
体２を製造した場合の違いを示す。表２はフィラメント
ワインディングの条件と製造時の発生現象を示し、表３
はシャフト本体２の仕様と捩り強度の比較を示す。な
お、樹脂にはエポキシを使用し、巻き付け張力は１００
ｇ、巻き付け速度（繊維供給速度）は毎分４０ｍで行っ
た。

【００５２】

【表２】但し、炭素繊維Ａの引張り弾性率は２３５ＧＰａ、炭素
繊維Ｂの引張り弾性率は２９５ＧＰａである。

【００５３】

【表３】表２から明らかなように、引張り弾性率の低い炭素繊維
Ａの場合は、繊維に通常の含浸温度（室温２５°Ｃ）で
樹脂を含浸させて、マンドレル１０に巻き付けても毛羽
立ちや糸切れの発生はなく、問題なく成形できた（比較
例２）。しかし、引張り弾性率の高い炭素繊維Ｂの場合
は、Ｖｆが６０％になる条件でも、炭素繊維Ａと同じ条
件では毛羽立ち及び糸切れが多発した（比較例３）。ま
た、表３に示すように、得られたプロペラシャフトの捩
り強度は３０％近く低下した（比較例３）。

【００５４】炭素繊維への樹脂の含浸を良好にさせるた
め、ヒータ１８で樹脂槽内の樹脂を加熱して樹脂温度を
高めた状態で繊維に含浸させて、マンドレルへの巻き付
けを行なったところ、Ｖｆが７０％になる条件でも毛羽
立ちや糸切れの発生が防止されて問題なく成形できた
（実施例１０、実施例１１）。また、表３に示すよう
に、得られたプロペラシャフトの捩り強度は、Ｖｆが６
０％になる条件では１５％向上し（実施例１０）、Ｖｆ
が７０％になる条件でも５％向上した（実施例１１）。
樹脂温度を高めると樹脂の粘性が低下して樹脂が炭素繊
維間に侵入し易くなるため、含浸が良好に行われ、毛羽
立ちが防止されて糸切れも防止されると考えられる。樹
脂の温度は４０°Ｃに限らず、樹脂が炭素繊維間に侵入
し易い粘度に低下すればよく、３５°Ｃ以上で微小ビー
ズの変形温度より低い温度であればよい。

【００５５】弾性率の高い炭素繊維に樹脂を良好に含浸
させる手段として、樹脂浴の温度を上げる代わりに、常
温において樹脂槽１４で樹脂を含浸させた後、マンドレ
ル１０に巻き付けるまでに加熱してもよい。また、毛羽
立ち、糸切れ発生を防止する方法として、繊維Ｆの巻き
付け速度を遅くしたり、ボビン１３からマンドレル１０
までの糸道の屈曲部の曲率を小さくしてもよい。糸道の
屈曲部の曲率を小さくするには、例えば糸ガイド１２の
先端部をラッパ状にして、繊維Ｆに負担をかけないよう
にする。

【００５６】この実施の形態では以下の効果を有する。（イ）円筒状のシャフト本体２を構成するＦＲＰのマ
トリックス樹脂中に微小な中空部４を分散させることに
より、強度を実用上差し支えない値に確保した状態で、
従来品より一次共振周波数（固有振動数）を上げること
ができる。また、中空部４の割合を変更することによ
り、一次共振周波数を車体以外の他の部品とも共振しな
い周波数に調整できる。

【００５７】（ロ）マトリックス樹脂中に微小な中空
部を分散させるとともに、引張り弾性率がほぼ２９５Ｇ
Ｐａ以上の炭素繊維を使用し、その体積含有率を６０〜
７２％とすることにより、シャフト本体２の一次共振周
波数を車体以外の他の部品とも共振しない所望の周波数
への調整が容易になる。

【００５８】（ハ）マトリックス樹脂中に微小な中空
部を分散させるとともに、一般の炭素繊維を使用し、そ
の体積含有率を６４〜７２％とすることにより、シャフ
ト本体２の一次共振周波数を車体以外の他の部品とも共
振しない周波数への調整が容易になる。

【００５９】（ニ）（イ）〜（ハ）のいずれかの構成
と、繊維配向角を変更することとの組合せにより、シャ
フト本体の一次共振周波数を車体以外の他の部品とも共
振しない値への調整が容易になる。

【００６０】（ホ）マトリックス樹脂の比重より見か
け比重の小さい中空の微小ビーズをマトリックス樹脂に
分散することにより中空部が構成されているため、中空
部をマトリックス樹脂中に均一に分散するのが容易とな
る。

【００６１】（ヘ）シャフト本体２をフィラメントワ
インディング法で製造する際、樹脂の比重より見かけ比
重の小さい中空の微小ビーズを樹脂槽１４の樹脂中に所
定量分散させた状態で強化繊維に樹脂を含浸することに
より、マトリックス樹脂中に中空部が均一に分散された
ＦＲＰ製のシャフト本体２を簡単に製造できる。

【００６２】（ト）樹脂が良好に含浸された状態で繊
維Ｆがマンドレル１０に巻き付けられるため、弾性率の
大きな炭素繊維であっても、毛羽立ちや糸切れが多発せ
ずに、所定量の炭素繊維がマンドレル１０上に巻き付け
られ、得られたプロペラシャフト１の捩じり強度の低下
を防止できる。

【００６３】（チ）樹脂を繊維Ｆに良好に含浸させる
手段として、樹脂槽１４の樹脂を加熱して３５°Ｃ以上
で微小ビーズの変形温度より低い状態（実施の形態では
４０°Ｃ）で、繊維Ｆに付着させることにより、樹脂の
繊維Ｆへの良好な含浸状態を簡単に達成できる。

【００６４】（リ）樹脂槽１４に装備され樹脂の液面
から露出したローラ１５の表面に接触しながら繊維Ｆが
移動することにより、樹脂が繊維Ｆに付着して含浸する
ため、繊維Ｆの表面に適量の樹脂を確実に付着させるこ
とができる。

【００６５】なお、実施の形態は前記に限定されるもの
ではなく、例えば、次のように具体化してもよい。 ○ 炭素繊維として引張り弾性率が２９５ＧＰａより大
きなものを使用してもよい。また、引張り弾性率が異な
る炭素繊維を混合して使用してもよい。その際、引張り
弾性率が２９５ＧＰａのものとそれより大きな引張り弾
性率のものを混合しても、引張り弾性率が２９５ＧＰａ
のものとそれより小さな引張り弾性率のものを混合して
よい。また、引張り弾性率が２９５ＧＰａより大きなも
のと、引張り弾性率が２９５ＧＰａより小さなものとを
混合してもよい。

【００６６】○ マトリックス樹脂として、エポキシ樹
脂に限らず他の熱硬化性樹脂（例えば、ポリイミド樹
脂）や、曲げ弾性率の高い熱可塑性樹脂（例えばポリエ
ーテルエーテルケトン）等を使用してもよい。しかし、
コストやプロペラシャフト１の要求性能の点からエポキ
シ樹脂が好ましい。

【００６７】○ シャフト本体２をフィラメントワイン
ディング法で製造する際、繊維Ｆを樹脂槽１４内に完全
に浸漬した状態で樹脂の含浸を行う、即ちローラ１５の
下側を通過させるようにしてもよい。

【００６８】○ 車両のプロペラシャフト以外の駆動シ
ャフトに適用してもよい。使用回転速度が遅い場合や、
ねじり強度、耐熱性、耐湿性等の要求性能が車両のプロ
ペラシャフトに比較して低い場合には、強化繊維として
炭素繊維にガラス繊維又はアラミド繊維混合したり、ガ
ラス繊維又はアラミド繊維を単独で使用してもよい。ま
た、ＦＲＰを構成する繊維及びマトリックス樹脂の組合
せとして、炭素繊維とビニルエステル樹脂、炭素繊維と
フェノール樹脂等の組合せ等を採用してもよい。この場
合樹脂の価格がエポキシ樹脂より安いのでコスト低減を
図れる。

【００６９】○ 車両のプロペラシャフト以外の駆動シ
ャフトに適用する場合、シャフト本体２を円筒状ではな
く、角筒状に形成してもよい。 ○ マンドレル１０として支持ピン１１のないものを使
用してもよい。支持ピン１１のないマンドレル１０を使
用する場合、シャフト本体２の端部のヨーク挿入部２ａ
に形成する配向角９０°の繊維層を最後に形成する代わ
りに、巻き付け途中で適宜形成するのが好ましい。

【００７０】○ シャフト本体２だけをＦＲＰで構成す
る代わりに、特開平７−２２９５１１号公報や特開平９
−４２２６６号公報に開示されたもののように、プロペ
ラシャフト全体をＦＲＰで構成した繊維強化複合材料製
駆動シャフトに具体化してもよい。

【００７１】前記実施の形態から把握できる請求項に記
載以外の技術思想（発明）について、以下にその効果と
ともに記載する。（１）少なくとも円筒状のシャフト本体を繊維強化複
合材料で形成した繊維強化複合材料製駆動シャフトであ
って、強化繊維として引張り弾性率がほぼ２９５ＧＰａ
以上の炭素繊維を使用し、その体積含有率を６０〜７２
％とした繊維強化複合材料製駆動シャフト。この場合、
強度を実用上差し支えない値に確保した状態で、従来品
より共振周波数を上げることができる。

【００７２】（２）少なくとも円筒状のシャフト本体
を繊維強化複合材料で形成した繊維強化複合材料製駆動
シャフトをその使用回転数領域から外れた固有振動数と
なるように形成するとともに、マトリックス樹脂の見か
けの比重を変更することにより固有振動数を変更する繊
維強化複合材料製駆動シャフトの固有振動数調製方法。
この場合、駆動シャフトの固有振動数を、駆動シャフト
が使用される車両に装備された部品及び車体との共振周
波数から容易にかつ確実にずらすことができ、振動騒音
を低減できる。

【００７３】（３）少なくとも円筒状のシャフト本体
を繊維強化複合材料で形成した繊維強化複合材料製駆動
シャフトをその使用回転数領域から外れた固有振動数と
なるように形成するとともに、強化繊維の弾性率、繊維
含有率、配向角及びマトリックス樹脂中の中空部の割合
の少なくとも一つを変更することにより固有振動数を変
更する繊維強化複合材料製駆動シャフトの固有振動数調
製方法。この場合、駆動シャフトの固有振動数を、駆動
シャフトが使用される車両に装備された部品及び車体と
の共振周波数から容易にかつ確実にずらすことができ、
振動騒音を低減できる。

【００７４】

【発明の効果】以上詳述したように請求項１〜請求項４
に記載の発明によれば、共振周波数を従来品より上げた
状態で、使用回転数域で確実に共振しない固有振動数を
有し、しかも振動騒音を減少させることができるＦＲＰ
製プロペラシャフトが得られる。

【００７５】請求項２に記載の発明では、プロペラシャ
フトの一次共振周波数を車体以外の他の部品とも共振し
ない値への調整が容易になる。請求項４に記載の発明で
は、中空部をマトリックス樹脂中に均一に分散するのが
容易となる。

【００７６】請求項５に記載の発明では、請求項１に記
載の繊維強化複合材料製駆動シャフトを容易に製造でき
る。請求項６に記載の発明では、請求項２に記載の繊維
強化複合材料製駆動シャフトを容易に製造できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施の形態のプロペラシャフトの部分模式
断面図。

【図２】図１のＡ−Ａ線模式断面図。

【図３】中空部の分散状態を示す部分模式図。

【図４】シャフトの捩り強度と繊維の体積含有率の関
係を示すグラフ。

【図５】フィラメントワインディング法によるシャフ
ト成形の模式図。

【符号の説明】

１…プロペラシャフト、２…シャフト本体、３…ヨーク
部、４…中空部、１０…マンドレル、１４…樹脂槽、Ｆ
…繊維。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者安居義治愛知県刈谷市豊田町２丁目１番地株式会社豊田自動織機製作所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも円筒状のシャフト本体を繊維
強化複合材料で形成した繊維強化複合材料製駆動シャフ
トであって、マトリックス樹脂中に微小な中空部が分散
されている繊維強化複合材料製駆動シャフト。
【請求項２】強化繊維として引張り弾性率がほぼ２９
５ＧＰａ以上の炭素繊維を使用し、その体積含有率を６
０〜７２％とした請求項１に記載の繊維強化複合材料製
駆動シャフト。
【請求項３】強化繊維として炭素繊維を使用し、その
体積含有率を６４〜７２％とした請求項１に記載の繊維
強化複合材料製駆動シャフト。
【請求項４】前記中空部はマトリックス樹脂に分散さ
れたマトリックス樹脂の比重より見かけ比重の小さい中
空の微小ビーズにより構成されている請求項１〜請求項
３のいずれか一項に記載の繊維強化複合材料製駆動シャ
フト。
【請求項５】少なくとも円筒状のシャフト本体を、フ
ィラメントワインディング法により製造するとともに、
樹脂の比重より見かけ比重の小さい中空の微小ビーズを
所定量分散させた樹脂を含浸させた状態で強化繊維をマ
ンドレルに巻き付けた後、加熱硬化するようにした繊維
強化複合材料製駆動シャフトの製造方法。
【請求項６】強化繊維として引張り弾性率がほぼ２９
５ＧＰａ以上の炭素繊維を使用する際、樹脂が良好に含
浸された状態で繊維をマンドレルに巻き付けるため、樹
脂槽での樹脂含浸時からマンドレルに巻き付けられるま
での間に、樹脂の温度を３５°以上で前記微小ビーズの
変形温度より低い温度に高めた後、繊維をマンドレルに
巻き付けるようにした請求項５に記載の繊維強化複合材
料製駆動シャフトの製造方法。