JPS6352251B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は高いこわさを持つ繊維とくに炭素繊維
により強化したプラスチツク材管から成りその両
端部にトルクの導入のために継手を固定した伝動
軸に関する。

自動車生産に現在まで通常使われている鋼製伝
動軸（カルダン軸）の代りに炭素繊維強化プラス
チツク材から作つた軸を使おうとする多くの提案
が最近行われている。しかし、従来これ等の提案
の妨げになつた主な障害の若干、すなわちこれ等
の繊維が現在の所価格上の見地から唯一の適当な
繊維ではあるが、いわゆるピツチ繊維の引張強さ
及びせん断強さの比較的低いことによるこれ等の
繊維の高速回転時の望ましくない振動の抑制と適
合性の制限とは、1979年９月３日付欧州特許願第
798100848号明細書に記載してある繊維組織の特
定の選択により解決している。しかし選択した繊
維組織によつて高度に異方性の材料へのトルクの
導入は、少くとも諸要求を確実に満たすには極め
て問題がある。

米国特許第4091599号又は同第4089190号の明細
書にも若干記載してある炭素繊維強化プラスチツ
ク材から作つた従来知られている伝動軸は、その
プラスチツク材管の両端部に継手を接着し又はこ
の管の各端部にその製造中にはめた長いソケツト
により継手を一体にしてある。これ等の両方の場
合にトルク伝達は接着継手を介して行われる。こ
の継手構造はとくに高トルクの場合には不適当で
あることが分つている。さらに、前記した欧州特
許願第798100848号明細書で必要としているよう
な極めて小さい巻付け角度（管軸線に対し約±10
ないし20゜）で継手を管に巻付けることは実際上
むずかしい。これ等の問題と高い繊維費用とが相
俟つて繊維強化プラスチツク材から成るプロペラ
軸が今日まで成功しなかつた原因となつている。

従つて本発明の目的は、とくにトルク導入に関
して前記したような伝動軸を改良しようとするに
ある。この目的は本発明により達成できる。

以下本発明伝動軸の実施例を添付図面について
詳細に説明する。

第１図及び第２図に例示した本発明伝動軸は、
炭素繊維により強化され、各端部（第１図に一方
の端部だけ示してある）を内側に接着したスリー
ブ２と外側に接着した管状スリーブ３により補強
したプラスチツク材製管状体１から成つている。
内側補強スリーブ２には金属製継手４を押込んで
ある。トルクは金属製継手４から本軸に半径方向
ボルト５により伝える。各ボルト５は外側補強ス
リーブ３に接着したスリーブ６により固定してあ
る。

繊維強化プラスチツク材製管状体１は、たとえ
ば米国特許第2723705号、同第3068134号、同第
3202560号、同第3216876号、同第3700519号及び
同第4089190号の各明細書に記載してある巻付け
法によつて作る。第５図、第６図及び第７図に示
すように硬化性プラスチツク材を含浸させた炭素
強化繊維Ｆを２個のリールから心材Ｄに所定の巻
付け角度αで巻付け一方のリールからの繊維が他
方のリールからの繊維に交さし第３図及び第７図
に示すような巻付け模様を形成するようにする。
一方のリールからの繊維を心材Ｄに＋αの角度で
巻付け他方のリールからの繊維を心材Ｄに−αの
角度で巻付けると、一方の組の繊維が他方の組の
繊維に2αの角度で交さする。次でこの全体を熱
により硬化する。

使用する炭素強化繊維は10017ニユーヨーク州
ニユーヨーク市パーク・アベニユー270のユニオ
ン・カーバイド・コーポレイシヨン（Union
Carbide Corporation）から〓ソーネルｐ型
（Thornel TypeP）という商品名で市販されてい
る繊維すなわちピツチ繊維が好適である。同等の
性質を持つ他の繊維たとえば米国デラウエア州ウ
イルミントン市のデユポン・ド・ヌムール社から
商品名PRD―49として市販されている繊維も使
うこともできる。

管状体軸線に対する繊維の傾斜角度又は巻付け
角度は所期の用途に従つて変る。管状体軸線Ａに
対する巻付け角α（第３図）は約±25゜ないし最高
±30゜であるが最高±20゜又はそれ以下がよい。10゜
より小さい巻付け角は縦方向における管状体の弾
性係数を増すが、この場合又ねじりこわさがプロ
ペラ軸として使うには許容できないほど低い値に
減る。±11゜ないし±17゜の巻付け角度実際上とく
に±12゜ないし±14゜の範囲の角度が有利であるこ
とが分つた。これ等の巻付け角により十分に高い
ねじりこわさと共に十分に高い縦方向曲げこわさ
が得られる。又それぞれ与えられた限度内の異る
巻付け角に向きを定めた強化繊維から成る複数の
層が得られるのは明らかである。

このプラスチツク管状体の繊維の量は約50ない
し70容積％なるべくは約60ないし70容積％であ
る。この比較的高い繊維の量を得るように本発明
によれば管状体の外側に低い弾性係数を持つ軽量
材料から成る外周巻線７（第３図）を設ける。こ
の軽量材料は、炭素繊維と比べて比較的弾性を持
ち高い熱膨張係数を持つ。これを設ける操作は生
産工程中にすなわち積層樹脂がなお可塑性を持つ
間に実施する。たとえばポリエステル〔たとえば
ジオレン（R.T.M）弾性係数約3000N／mm²〕又は
ポリアミド〔＋Ｂナイロン（R.T.M）〕の剥取り
ストリツプ〔インタグラス（Interglas）品質
7849〕は適当な材料（繊維、ストリツプ又は布）
である。この軽量材料の熱膨張係数は円周方向に
おける強化繊維―樹脂複合体の対応する係数より
高くなければならなくてたとえば約25ないし30×
10^-6／〓及びそれ以上である。外周巻付けは極め
て高い張力（けん引力約200ないし500N）で施
す。しかしこのけん引力はもちろん材料を損傷す
るような値であつてはならない。外周巻付けによ
り余分の積層樹脂を繊維組織から押出すが、その
熱膨張係数が高く又弾性が高いので管状体の硬化
及び冷却後の冷却時にあまり層間応力を生じな
い。

低粘性の硬化性エポキシ樹脂たとえばスイス国
バーゼル市のチバーガイギー社（CIBA―
GEIGY AG）から商品名アラルデイツト
（Araldit）CY209として市販され硬化剤HT972
を含む樹脂または所要の熱的及び機械的強さを持
つその他の樹脂及び硬化剤の組合わせは、この管
状体生産用のプラスチツク材として使うことがで
きる。

高度の異方性を（anisotropy：方向によつて機
械的特性が異なる性質）を持つ強化繊維をさらに
管状体軸線に対する角度が小さくなるように向き
決めした管状体１は、とくに縦方向及び円周方向
における強さ、弾性係数値及び熱膨張係数値が極
めて異る著しい異方性挙動（anisotropic
behaviour）を持つ。

多重層管状体組織のこの著しい異方性によつ
て、管状体１の端部を挾み高い伝達トルクを受け
る補強スリーブ２，３は管状体１と同じ材料又は
類似の材料から成り又管状体１と同じか又は少く
とも実質的に同じ異方性挙動を持つことが極めて
大切である。さもなければ温度の変動時に補強ス
リーブ２，３及び管状体端部間に著しい応力が生
じ極端な場合には破壊を招く。

又管状体の補強した区域は急速に終らないで管
状体端部における管状体壁の補強材の厚みが管状
体１の壁厚まで徐徐に薄くなることが大切であ
る。このために補強スリーブ２，３は、それ等が
管状体中心に向い円すい形にテーパが付くように
機械加工する。補強した管状体端部から管状体の
補強してない壁区域までのこのなめらかに連続し
た不連続な段部の無い推移部により応力のピーク
を防ぐことができる。

第１図、第２図及び第４図に示すように管状体
端部の壁補強体は、管状体１の外側又は内側に接
着した前もつて形成した補強スリーブにより形成
する。しかしこれ等の補強体は若干の他の方法で
作つてもよいが、極めて小さい巻付け角を使う必
要があるので巻付け法によるほど簡単ではない。

たとえば第５図に示すように管状体の製造に使
う心材Ｄに所期の管状体長さに対応する間隔で配
置した前もつて適当な形状に形成した補強スリー
ブ１２は、これ等を炭素繊維Ｆで覆うことにより
管状体構造に取り付けてもよい。

第６図に示すように前もつて形成した補強スリ
ーブ１２の代りに心材Ｄへの局部的巻付け体２２
を使つてもよい。巻付け体２２は単方向繊維布Ｇ
から成つている。布Ｇの繊維は巻付け体２２内で
管状体の繊維と同じ位置を占めるように整合させ
て、同じ異方性が得られるようにしてある。

管状体繊維組織に壁補強体を直接取り付ける
（第５図及び第６図）代りに、単方向繊維Ｇの巻
付け体２２は第７図に示すように仕上がりの管状
体１に引続いて施してもよい。

ガラス繊維強化プラスチツク製管状体の場合に
従来から普通に行われているような連続式管状体
生産に対して、最も有利な方法は、第５図に示し
たような前もつて形成したスリーブのまわりに巻
付けることと考えられる。

第５図、第６図及び第７図に従つて作つた管状
体の場合には、各管状体端部は外方に向つてだけ
厚くしてある。しかしこのようにして得られる壁
厚が使用時に加わるトルクにより生ずる応力を受
けるのに十分であれば、このことは重要でない。

軸線に対し±12゜の巻付け角で構成され全材料
容積の70％のピツチ繊維含量を持つプラスチツク
製カルダン軸は8100rpm以上の臨界速度と12゜の
所要最高軸ねじれ角を最高トルク（1500Nm）で
越えないようなねじれこわさとを持つていた。

本発明の効果は、管状体の中央部に向い実質的
にゆるやかなテーパを持ちかつ管状体と実質的に
同じ異方性挙動を示す壁補強体を、継手が固定さ
れる管状体の両端部に設けたことにより、応力の
ピークを防ぎかつ補強体と管状体間の応力差から
くる破壊を防いだプラスチツク製伝動軸が得られ
るようになつたことである。

即ち、従来に比べ相対的に、過剰応力を避けな
がらトクル導入が改良された、安価で軽量な伝動
軸を実現化させたことである。

以上本発明をその実施例について詳細に説明し
たが本発明はなおその精神を逸脱しないで種種の
変化変型を行うことができるのはもちろんであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明伝動軸の１実施例の一端部の軸
断面図、第２図は第１図の―線に沿う断面図
である。第３図は第１図の軸の管状体の巻付け構
造を示す縮小斜視図、第４図は第１図の軸の管状
体壁補強体を示す軸断面図、第５図、第６図及び
第７図は本発明軸の管状体壁補強体のそれぞれ異
る製法を示す平面図である。 １……管状体、２，３……補強スリーブ、４…
…継手、５……ボルト。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 高いこわさを持つ繊維により強化したプラス
   チツク製管状体と、この管状体の２つの端部に固
   定した継手と、補強される管状体端部から管状体
   の補強されない壁区域まで壁がなめらかに連続推
   移している前記管状体の端部に設けられた壁補強
   体であつて管状体の中央部に向い実質的にゆるや
   かなテーパを持ち同一又は類似のプラスチツク材
   料からなりその繊維組織が前記管状体の繊維組織
   と同一又は類似であることによつて少なくとも前
   記管状体と実質的に同じ異方性挙動を示す壁補強
   体と、これ等の各壁補強体の領域に位置し前記各
   継手を前記管状体に固定する半径方向ボルトとか
   らなる伝動軸。 ２ 管状体の各端部に固定された各半径方向ボル
   トを固着するスリーブを備えた特許請求の範囲１
   に記載の軸。 ３ 各管状体端部をその外側だけで補強した特許
   請求の範囲１に記載の軸。 ４ 各管状体端部をその外側と内側とで補強した
   特許請求の範囲１に記載の軸。 ５ 各壁補強体を管状体と一体にした特許請求の
   範囲１に記載の軸。 ６ 各壁補強体を、管状体構造にその製造中に巻
   付けた別個に作つた各管状部分により形成した特
   許請求の範囲１に記載の軸。 ７ 各壁補強体を、単方向繊維布から成り管状体
   の製造中に当てがつた局部的な付加的巻付け体に
   より形成した特許請求の範囲１に記載の軸。 ８ 付加的巻付け体を管状体繊維の上側に配置し
   た特許請求の範囲７に記載の軸。 ９ 管状体繊維の少くとも若干を付加的巻付け体
   の上側に配置した特許請求の範囲７に記載の軸。 １０ 各壁補強体を、管状体に接着した別個に作
   つた各管状部分により形成した特許請求の範囲１
   に記載の軸。 １１ ほぼ全部の強化繊維を管状体軸線に対し±
   10゜ないし±25゜の角度を挾む向きにした特許請求
   の範囲１に記載の軸。 １２ 各強化繊維を管状体軸線に対し±10゜ない
   し±20゜の角度を挾む向きにした特許請求の範囲
   １１に記載の軸。 １３ 強化繊維の量を50ないし70容積％の範囲に
   した特許請求の範囲１１に記載の軸。 １４ 強化繊維に対して比較的弾性を持ち高い熱
   膨張係数を持つ材料から成り前記強化繊維のまわ
   りに管状体軸線に対し±80゜ないし±90゜の範囲の
   角度を挾む向きに巻付けた円周方向巻付け体を備
   えた特許請求の範囲１に記載の軸。 １５ 円周方向巻付け体材料の熱膨張係数を円周
   方向の強化繊維―樹脂複合体の対応する係数より
   大きくした特徴請求の範囲１４に記載の軸。