JPS6041246B2 - 繊維強化プラスチツク製プロペラシヤフト - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は繊維強化プラスチック製プロペラシャフトに関
し、さらに詳しくは、自動車用プロペラシャフトに関す
る。

樹脂を炭素繊維やガラス繊維で強化してなる繊維強化プ
ラスチック製（以下、ＦＲＰという）は、金属材料など
の一般構造用材料にくらべて比強度（密度あたりの強度
）や比弾性率（密度あたりの弾性率）が高く、しかも振
動減衰性が綾れていることから、近年、車体重量の軽減
による燃費の向上や走行時に駆動系から発生する振動騒
音の低減が強く望まれている自動車、それも特に乗用自
動車のプロペラシャフト用材料として注目されるように
なってきた。

ＦＲＰ製プロペラシャフトとしては、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。

このプロペラシャフトは、炭素繊維の最外巻層と、少な
くとも４個の中間巻層と、長内巻層とからなり、炭素繊
維は、最外巻層と最内巻層においてプロペラシャフトの
軸方向に対して８５〜９０ｏの角度で配置し、中間巻層
においては１５〜５０ｏの角度で配置するとともに任意
の互に隣接する巻層の炭素繊維が３０〜９０ｏの角度で
交差するようにしている。この従来のＦＲＰ製プロペラ
シャフトは、走行時に駆動系から発生する振動騒音の低
減を目的としていて、振動騒音をそれほど増大させるこ
となく１分間に６０００回転以上もの高速回転が可能で
あるといわれている。。しかしながら、かかる従来のＦ
ＲＰ製プ。べラシャフトは、最外巻層に炭素繊維を使用
しているので耐衝撃性が低く、耐久性に劣るという欠点
があった。すなわち、炭素繊維は、引張強度は大変高い
が、耐衝撃強度は大変低いので、これを最外巻届に使用
している上記従釆のＦＲＰ製プロペラシャフトは、路面
から跳上がった石などの衝突や、悪路における路面との
衝突などの衝撃的な負荷に対して弱く、亀裂などの損傷
を発生しやすい。上記のような損傷は、検査中や整備中
の工具類の衝突によっても生ずることがある。このよう
な問題は、プロペラシャフトの外表面を厚い弾性物質、
たとえばゴムで覆うことによって解決することができる
。

しかしながら、そえすると外径が大きく増大し、自動車
の床下の限られた空間への配置が難しくなる。また、重
量を増大させることにもなるので、許容回転数が低下す
る。本発明の目的は、従釆のプロペラシャフトの上記欠
点を解決し、耐衝撃性が高く、耐久性に優れたＦＲＰ製
プロペラシャフトを提供するにある。

上記目的を達成するための本発明は、自動車用プロペラ
シャフトであって、そのプロペラシャフトは、樹脂を繊
維で強化してなる繊維強化プラスチック製の円筒状本体
を有し、前記繊維は全体として前記本体の円周方向に延
びる巻層を形成ており、その巻層は、前記本体の鞠方向
に対して士６０〜９０ｏの角度で巻かれたガラス繊維お
よび／または高弾性有機繊維からなる第１の巻層および
±６００未満の角度で巻かれた炭素繊維を含む第２の巻
層を有し、かつ前記第１の巻層は、最外層を形成してい
るとともに前記本体の軸方向全長にわたって延びている
繊維強化プラスチック製プロペラシャフトを特徴とする
ものである。本発明のＦＲＰ製のプロペラシャフトの一
実施例を説明するに、第１図において、１は円筒状の本
体である。

この本体１は、ェポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂
、フェノール樹脂、ポリィミド樹脂などの熱硬化性樹脂
またはポリスルホン樹脂などの熱可塑性樹脂（図示せず
）を、炭素繊維、ガラス繊維または高弾性有機繊維で強
化してなるＦＲＰからなっている。上記記本体１の軸方
向両端部には、周知の金属製ヨーク２，３が接合されて
いる。本体１の繊維は、第２図に断面図を加味した概略
正面図で示すように、全体として本体１の円周方向に延
びる巻層を形成している。

この実施例においては、繊維が合計１の固の巻層を形成
しているが、外側の２個の巻層Ａと内側の２個の巻層Ｃ
には、本体１の髄×の方向に対して６０〜９００の角度
で交差された、つまり土６０〜９０ｏ の角度で巻かれ
たガラス繊維および／または高弾性有機繊維が使用され
、これら外側の巻層Ａと内側の巻層Ｃとの間の６個の中
間の巻層Ｂには、上記軸×の方向に対して６０ｏ未満の
角度で交差巻された、つまり±６０ｏ未満の角度で巻か
れた炭素繊維が使用されている。この実施例においては
、外側の巻層Ａが第１の巻層を形成し、中間の巻層Ｂが
第２の巻届を形成している。つまり本体１に第１、第２
の巻層以外の巻層が含まれていても差し支えない。そし
て、上記巻層Ａ，Ｂ，Ｃは、いずれも本体１の軸×の方
向全長にわたって延びている。上記実施例において、炭
素繊維は、ポリアクリルニトリル、セルロース、ピッチ
などを原料とし、これらの原料を高温で焼成して得られ
る、弾性率１５トン／秘、強度１５０ｋ９／桝以上の、
いわゆる高弾弾性炭素繊維と称されるものであるのが好
ましい。

また、高弾性有機繊維は、芳香族ポリァミドなどを成分
とする弾性率７トン／桝以上のものであるのが好ましい
。そのような高弾性有機繊維の具体例としては、たとえ
ば米国デュポン社製の“Ｋｅｖｌａｒ”がある。そして
、炭素繊維、ガラス繊維、高弾性有機繊維は、いずれも
長繊維の形態、たとえば連続繊維やその連続繊維の織物
の形態で用いられる。そして、炭素繊維の使用割合は、
繊維の使用総量の１／３以上であるのが好ましい。さら
に好ましくは、１／２〜３／４である。なお、本体１中
に占める繊維の割合は、低すぎても高すぎてもＦＲＰの
物性値が低下するので、４０〜７５体積％であるのが好
ましい。さらに好ましくは５０〜７の本積％である。次
に繊維が本体の鞠方向に対してなす角度、つまり繊維総
の巻角度を、繊維の種類との関係において説明する。

プロペラシャフトは、基本的にはねじり力を伝達するも
のであり、しかも高速で回転するものであるから、ねじ
り強度が高いこと、危険速度を高くし得るように鞠方向
の弾性率が高いこと、ねじり座屈強度が高いことが必要
である。第３図は、繊維の巻角度ａ（ｏ）と軸方向弾性
率Ｅ（トン／桝）およびねじり強度７（ｋ９／柵）との
関係を示すグラフであるが、軸万向弾性率Ｅとねじり強
度ヶとは相反する関係にあり、これらの点のみからは、
最も高強度、高弾性繊維である炭素繊維を、本体の軸万
向に対してｏｏと、±４５ｏの３方向に巻くのがよいと
いうことになる。

一方、第４図は、繊維の巻角度ひ（ｏ）とボアソン比ン
との関係を示すグラフであるが本体に引張りや圧縮など
の軸方向の力あるいは曲げモーメントが負荷された場合
に円周方向の変形が最も小さくなるのは、巻角度が９０
ｏの場合である。したがって、この点からは、最も高強
度、高弾性繊維である炭素繊維を、本体の軸方向に対し
て９００の角度で巻くのがよく、これにより円周方向の
弾性率が向上し、ねじり座屈強度が増大するとともに円
周方向の変形を防止でき、軸万向の弾性率の低下も防止
できる。上述したように、本体の軸万向弾性率、ねじり
強度およびねじり座屈強度の面からは、最も高強度、高
弾性繊維である炭素繊維を本体の軸方向に対して００、
士４５ｏ，９０ｏの４方向に巻くのがよいといえる。

しかしながら、本体の耐衝撃性の向上は、上述したよう
に、最外巻層に耐衝撃性の低い炭素繊維を使用したので
は達成することができず、一方ねじり座屈強度の問題は
、炭素繊維ほど局強妥、高弾性の繊維を使用しなくても
解決が可能であることから、本発明においては、最外巻
層、つまり第１の巻層に耐衝撃性の高いガラス繊維およ
び／または高弾性有機繊維を使用し、かつその巻角度を
、ねじり座屈強度を考慮して±６０〜９００とし、その
内側の巻層、つまり第２の巻層には、軸万向弾性率とね
じり強度に関して効果の高い十６０ｏ未満という巻角度
の炭素繊維を使用するようにしている。もっとも、本発
明は、高い藤方向弾性率とねじり強度を得るために、本
体の軸万向に対して±６０ｏ未満の角度で巻かれた炭素
繊維を含むことを必須としているが、その他の角度、た
とえば９０ｏの角度で巻かれた炭素繊維が第２の巻層に
含まれていても差し支えない。また、第２の巻層に炭素
繊維以外の繊維、すなわちガラス繊維や高弾性有機繊維
が含まれていても差し支えない。以上説明したように、
本発明のＦＲＰ製プロペラシャフトは、最外巻層、つま
り第１の巻層に本体の鞠方向に対して±６０〜９びの角
度で巻かれたガラス繊維および／または高弾性有機繊維
を使用し、しかもその第１の巻層が本体の軸万向全長に
わたって延びているからして、ねじり座屈強度が高いば
かりか耐衝撃性が大幅に向上し、路面から眺上がった石
などの衝突や、悪路における路面との衝突などの衝撃負
荷による亀裂の発生などの損傷を防止することができる
。

また、本発明のＦＲＰ製プロペラシャフトは、本体の鞠
方向に対して土６００禾満の角度で巻かれる炭素繊維か
らなる第２の巻層を有するからして、軸万向弾性率やね
じり強度が高く、薄肉で重量を小さくできて許容回数を
高くとることができるばかりか、外径を小さくできるか
ら、自動車の床下の限られた空間への配置も容易になる
。

実施例東レ株式会社製炭素繊維“トレカ”と、日東紡績
株式会社ガラス繊維と、米国デュポン社製高弾性有機繊
維“Ｋｅｖｌａｒ”とをそれぞれ一方向に互に並行かつ
シート状に引き揃えたものにシェル化学株式会社製ェポ
キシ樹脂“ェピコート”を含浸、、予備硬化せしめてな
る３種類のプリプレグの繊維体積含有率は約５５％であ
り、厚みは約０．２５肋であった。

次に、上記３種類のプリプレグを、外径６５肌の鋼製マ
ンドレルに、特定の順序で、かつ繊維の方向がマンドレ
ルの鞠方向に対して特定の角度になるように巻き付け、
さらにその上に熱収縮性テープを巻き付け、約１７００
０で３時間加熱してェポキシ樹脂を硬化させ、冷却後マ
ンドレルを引き抜き、表面を研磨仕上げして次表に示す
３種類の円筒状の本体を得た。

これら３種類の本体の長さは１１０仇舷であり、繊維体
積含有率は約５８％であった。次に、上記３種類の本体
の軸方向両端にヨーク状の金属製補強部を取り付け、ね
じり試験機を用いてねじり破壊トルクを測定した。

また、０．２％以下の強力を負荷して藤方向弾性率を測
定した。さらに、鞠方向の中央部に、直径５仇、重量５
００夕の鋼球を２肌の高さから自然落下させて当て、路
面から跳上がった石などを想定した耐衝撃性の測定を行
った。それぞれの測定結果を次表に示す。表 注）ＣＦ：炭素織孫唯，ＧＦ：ガラス繊維，ＫＦ：高弾
性有機繊維上表から、最外巻層にガラス繊維または高弾
性有機繊維を使用している試料Ｍ．１、Ｍ．２のもの、
つまり本発明のものは、耐衝撃性においても何らの異常
も認められないが、最外巻層に炭素繊維を使用している
試料Ｎｏ．３のもの、すなわち従釆のものは、鋼球の直
径の半分ないし同程度の大きさの損傷が炭素繊維に沿っ
て発生しており、本発明のプロペラシャフトが耐衝撃性
において優れていることがわかる。

しかも、本発明のプロペラシャフトは、ねじり破壊トル
クや鞠方向弾性率の点でも従来のものにくらべて遜色が
ない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のＦＲＰ製プロペラシャフトの一実施
例を示す、一部断面図を加味した概略正面図、第２図は
、上記第１図に示した本体の要部を示す、一部断面図を
加味した概略正面図、第３図は本体の鞠方向に対する繊
維の巻角度８と鞄方向弾性率Ｂおよびねじり強度７との
関係を示すグラフ、第４図は本体の軸方向に対する繊維
の巻角度ひとポアソン比ンとの関係を示すグラフである
。 １：ＦＲＰ製の本体、２，３：ヨーク。 第′図 第２図 第３図 第〆図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 自動車用プロペラシヤフトであつて、そのプロペラ
   シヤフトは、樹脂を繊維で強化してなる繊維強化プラス
   チツク製の円筒状本体を有し、前記繊維は全体として前
   記本体の円周方向に延びる巻層を形成しており、その巻
   層は、前記本体の軸方向に対して±６０〜９０°の角度
   で巻かれたガラス繊維および／または高弾性有機繊維か
   らなる第１の巻層および±６０°未満の角度で巻かれた
   炭素繊維を含む第２の巻層を有し、かつ前記第１の巻層
   は最外巻層を形成しているとともに前記本体の軸方向全
   長にわたつて延びていることを特徴とする繊維強化プラ
   スチツク製プロペラシヤフト。