JP2001099130A - 繊維強化プラスチック製荷重伝達軸 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 繊維強化プラスチック製パイプを各層の亀裂
を防ぎ外部からの衝撃により層間の剥離もしにくい構造
のプラスチック製荷重伝達軸を提供する。 【解決手段】 内層２１と中間層２２と外層２３の３層
で形成した繊維強化プラスチック製パイプ２０とこのパ
イプの端部に固定された継手部材を有し、パイプ２０の
内層２１はカーボンまたはガラスまたはアラミド繊維を
配向角±４５度に積層した第１層とカーボン繊維を配向
角±７５度ないし±９０度に積層した第２層とで形成さ
れ、パイプの中間層２２はカーボン繊維を配向角±１５
度ないし±４５度に積層した第３層とカーボン繊維の一
方向シート材を配向角０度に積層した第４層とを交互に
積層して形成され、パイプの外層２３はガラス繊維また
はアラミド繊維の布地をたて糸が配向角０度または配向
角９０度になるように積層した第５層とガラス繊維を配
向角±４５度に積層した第６層とで形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車、船舶、航空
機、鉄道車両等の輸送機器や産業機器等に使用される繊
維強化プラスチック製荷重伝達軸に関する。

【０００２】

【従来の技術】樹脂を炭素繊維やガラス繊維で強化した
繊維強化プラスチック材料（ＦＲＰ）は、金属材料など
の一般構造用材料に比べて比強度や比弾性率が高いこと
から、繊維強化プラスチック材料で中空パイプを成形す
る技術が実用化されている。

【０００３】この種の繊維強化プラスチック製パイプの
成形手段は、一方向に繊維を揃えたテープ材をワインデ
ィング装置により回転するマンドレルの外面に巻き付け
て積層し、疑似的織物状積層体を形成するテープワイン
ディング法（ＴＷ）、または一方向に繊維を揃えたロー
ビング材をワインディング装置により回転するマンドレ
ルの外面に巻き付けて積層し、疑似的織物状積層体を形
成するフィラメントワインディング法（ＦＷ）、あるい
は一方向に繊維を揃えたシート材または繊維を直交する
方向に織り上げた織物シート材をローリング成形機を用
いて回転するマンドレルの外面に巻き付けて積層体を形
成するシートローリング法（ＳＲ）や同等の効果をもた
せてワインディング装置により回転するマンドレルの外
面に巻き付けて積層し積層体を形成するするシートワイ
ンディング法（ＳＷ）により成形される。

【０００４】上記繊維強化プラスチック製パイプは、金
属パイプに比較すると、比強度や比弾性率が高い特性を
有するので、あらゆる産業分野において実用化されてい
るが、繊維強化プラスチック製パイプは、製造コストが
高いため、主構造部品については、依然として金属パイ
プが使用されている。

【０００５】しかし、ヘリコプターのテールロータ駆動
軸や自動車のプロペラシャフトあるいは大規模トラス構
造物用トラスや産業機器用駆動軸については、構造重量
の軽量化、一体構造化による部品点数の削減、高速回転
における軸振れの減少、耐引張／圧縮荷重の向上、環境
特性の向上等の見地から、金属パイプを繊維強化プラス
チック製パイプに置換する要望が強くなされている。

【０００６】また、既に設置されている金属パイプの長
さ以上のパイプ、たとえば２本または３本の金属パイプ
を継手部を介して連結した金属パイプについて、繊維強
化プラスチック製パイプを適用して１本のパイプとして
成形するのに、現有の一般的な材料を用いて単純に成形
したのでは、成形された繊維強化プラスチック製パイプ
が所望の特性を具備しない。

【０００７】すなわち、高速回転する軸、曲げを受ける
軸、または軸方向に大きい荷重を受ける軸は、パイプの
長さが長くなるにつれ繊維方向が軸線方向に対して０度
となる層を必要とし、繊維強化プラスチック製パイプの
強度を受け持つ層として繊維方向が軸線方向に対して０
度となる層を積層することが要求される。

【０００８】繊維強化プラスチック製パイプを、パイプ
軸線と平行に強化繊維を配向した層とパイプ軸線に対し
てバイアス方向で互いに交差する方向に強化繊維を配向
した層を積層して形成したものは、特開昭６３−２５４
２１４号公報により知られている。

【０００９】また、自動車のプロペラシャフトの繊維強
化プラスチック製円筒体を、円筒体の軸方向に対して±
６０〜９０度の角度で巻かれたガラス繊維または高弾性
有機繊維からなる第１巻層と円筒体の軸方向に対して±
６０度未満の角度で巻かれた炭素繊維を含む第２巻層と
で形成し、第１巻層を最外側層とした形成したものは、
特公昭６０−４１２４６号公報により知られている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記繊維強化プラスチ
ック製パイプにおいて、繊維強化プラスチック製パイプ
を形成する層のうち繊維方向が軸線方向に対して０度の
層が多層（およそ５層以上）有するものであると、加熱
硬化時にマンドレルの熱膨張により亀裂が生じることが
あり、また、積層平板での圧縮衝撃試験によれば、一方
向シート材を４５度／−４５度あるいは９０度／−９０
度のように対称配置した場合、４５度と−４５度の層間
あるいは０度と９０度の層間において剥離が生じやす
く、一方向に多層積層した層で剥離や亀裂が生じやす
い。すなわち、重なり合う層の繊維同士がなす角度が０
度あるいは９０度となる部位では、外部からの衝撃に対
して層間剥離や亀裂の伝播が生じやすい。また、織物状
の層が外部からの衝撃を吸収しやすいという試験結果も
あり、加えて、長いマンドレルにバイアス巻きすること
は困難であるため、厳しい性能要求を満足できない。

【００１１】また、繊維強化プラスチック製パイプを成
形したものでは、繊維方向が軸線方向に対して±１５度
以上でないと、繊維の円筒方向巻き付け力が保持され
ず、繊維がマンドレルから外れてたるんでしまう。

【００１２】本発明は上記した点に鑑みてなされたもの
で、各層に亀裂が生ぜす、外部からの衝撃により層間の
剥離もしにくい繊維強化プラスチック製パイプを備え、
軽くて堅固な構造とした繊維強化プラスチック製荷重伝
達軸を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の繊維強化プラス
チック製荷重伝達軸は、内層と中間層と外層の３層で形
成した繊維強化プラスチック製パイプとこのパイプの端
部に固定された継手部材を有し、パイプの内層はカーボ
ンまたはガラスまたはアラミド繊維を配向角±４５度に
積層した第１層とカーボン繊維を配向角±７５度ないし
±９０度に積層した第２層とで形成され、パイプの中間
層はカーボン繊維を配向角±１５度ないし±４５度に積
層した第３層とカーボン繊維の一方向シート材を配向角
０度に積層した第４層とを交互に積層して形成され、パ
イプの外層はガラス繊維またはアラミド繊維の布地をた
て糸が配向角０度または配向角９０度になるように積層
した第５層とガラス繊維を配向角±４５度に積層した第
６層とで形成されることを特徴とする。

【００１４】

【作用】本発明の繊維強化プラスチック製荷重伝達軸で
は、繊維強化プラスチック製空パイプの内層を外部から
の衝撃、ねじり、膨張や収縮に強い積層とし、中間層を
強度および剛性を高めかつ外部からの衝撃に対して層間
剥離のしにくい積層とし、外層を外部からの衝撃に強い
積層としたことで、軸曲げ剛性、ねじり剛性、ねじり強
度が向上し、圧縮座屈およびねじり座屈に強く、膨張や
収縮による変形ならびに層間剥離や亀裂を防ぎ、外部か
らの衝撃に強く、かつ非常に軽くかつ堅固な構造とな
る。

【００１５】

【実施の形態】以下本発明の実施の形態を図面につき説
明する。

【００１６】図１は本発明による繊維強化プラスチック
製荷重伝達軸の継手構造を示す断面図であり、この継手
構造１は、切頭円錐形をなす筒部２を有する継手部材３
とこの切頭円錐形筒部２に外装されるフランジ付きイン
サートリング４とを有して構成されている。インサート
リング４は、分割タイプまたはスリットタイプのものが
あり、分割タイプまたはスリットタイプのインサートリ
ングは必要に応じて選択される。インサートリング４の
外面４ａは、嵌合すべき繊維強化プラスチック製パイプ
５の内面５ａに対応した寸法に設定されている。継手部
材３の切頭円錐形筒部２の外面２ａは、４５度以下の角
度のテーパ面となっており、この切頭円錐形筒部２に嵌
合されるインサートリング４の内面４ｂは上記切頭円錐
形筒部２のテーパ面２ａに対応したテーパ面となってい
る。そして、継手部材３の基部６に設けたねじ孔７には
ボルトが螺着される。

【００１７】一方、上記インサートリング４の内面４ｂ
および外面４ａには、図２に示すようにガラス繊維フィ
ラメント８が周方向に間隔を置くように巻き付けられて
いる。このガラス繊維フィラメント８の太さは、インサ
ートリング４の内面および外面に塗布される接着剤層の
所定の厚さを確保するように選定される。すなわち、こ
のように形成された接着剤層は接着硬化後の所定の厚さ
を確保する。

【００１８】しかして、繊維強化プラスチック製荷重伝
達軸を製造するには、まず、繊維強化プラスチック製パ
イプ５の内面５ａ、インサートリング４の内面４ｂおよ
び外面４ａ、継手部材３の切頭円錐形筒部２の外面２ａ
に接着剤をできるだけ均一な層を形成するように塗布す
る。

【００１９】つぎに、ガラス繊維フィラメント８を周方
向に間隔を置いて巻き付けたインサートリング４を、繊
維強化プラスチック製パイプ５の両端部に、フランジが
繊維強化プラスチック製パイプ５の端面に当接するまで
挿着する。繊維強化プラスチック製パイプ５の内面５ａ
と押圧リング４の外面４ａとの接合面に位置する接着剤
層は、インサートリング４の外面４ａに設けたガラス繊
維フィラメント８の太さにより所定の厚さを確保する。

【００２０】このインサートリング４の繊維強化プラス
チック製パイプ５への嵌着が終了したら、ねじ孔７から
ボルトを外した継手部材３の切頭円錐形筒部２をインサ
ートリング４の内面４ｂに挿着する。継手部材３の切頭
円錐形筒部２の外面とインサートリング４の内面４ｂと
は対応したテーパ面となっているので、継手部材３のイ
ンサートリング４への挿着は圧入状態となり、継手部材
３の切頭円錐形筒部２によりインサートリング４は拡径
し、繊維強化プラスチック製パイプ５を半径方向外側に
押圧することにより十分な接着圧が保持される。継手部
材３の外面２ａとインサートリング４の内面４ｂとの接
合面に位置する接着剤層は、インサートリング４の内面
４ａに設けたガラス繊維フィラメント８の太さにより所
定の厚さを確保する。また、継手部材３の基部６にエア
抜きねじ孔７が設けられているので、継手構造１を繊維
強化プラスチック製パイプ５の両端へ嵌着した場合に、
繊維強化プラスチック製パイプ５の内部空間が加圧状態
となり、ヨークが後戻りして所定位置からずれるという
ことはない。

【００２１】この継手構造１の繊維強化プラスチック製
パイプ５への嵌着が終了したら、図３に示すように、一
方の継手部材３のねじ孔７にボルトを螺着し、他方の継
手部材３のねじ孔７を通して発泡剤９を貯えたタンク１
０から延びるパイプ１１を、繊維強化プラスチック製パ
イプ５の内部空間の長さ方向中間位置まで延ばし、繊維
強化プラスチック製パイプ５の内部に発泡剤９を注入す
る。このようにして繊維強化プラスチック製パイプ５の
内部に発泡剤９を充填した繊維強化プラスチック製荷重
伝達軸を図４に示す。この繊維強化プラスチック製荷重
伝達軸によれば、繊維強化プラスチック製パイプ５の共
振現象を抑えることができる。

【００２２】図５は本発明の変形例を示し、この変形例
では、繊維強化プラスチック製パイプ５に嵌着される継
手構造はフランジを備えた継手部材３ａとインサートリ
ング４とを有して構成されている。

【００２３】図６は、本発明による繊維強化プラスチッ
ク製荷重伝達軸の繊維強化プラスチック製パイプ２０の
積層構成を示す図であり、繊維強化プラスチック製パイ
プ２０は、内層２１と中間層２２と外層２３の３層から
形成されている。

【００２４】繊維強化プラスチック製パイプ２０の内層
２１は、炭素繊維、ガラス繊維または高弾性有機繊維の
ような高剛性高強度を有する繊維、またはすぐれた衝撃
吸収性を有する繊維を、テープワインディング法（Ｔ
Ｗ）あるいはフィラメントワインディング法（ＦＷ）に
より、マンドレル２４の外面に、パイプの軸線方向と繊
維方向とのなす角度（配向角）±４５度に積層した層Ｌ
１と、炭素繊維を、テープワインディング法（ＴＷ）あ
るいはフィラメントワインディング法（ＦＷ）により、
マンドレル２４の外面に軸線方向に対して配向角±７５
度ないし±９０度に積層した層Ｌ２とにより形成され、
膨張および収縮、ねじり、外部からの衝撃に強い保護層
を構成している。上記保護層を構成する内層２１の層Ｌ
１と層Ｌ２の順序は反対になってもよい。

【００２５】繊維強化プラスチック製パイプ２０の中間
層２２は、炭素繊維のように高い弾性率および高い強度
を有する繊維をテープワインディング法（ＴＷ）あるい
はフィラメントワインディング法（ＦＷ）により配向角
±１５度ないし±４５度に積層した層Ｌ３と、一方向に
繊維を揃えたシート材をシートワインディング法（Ｓ
Ｗ）により配向角０度に積層した層（Ｌ４，Ｌ５）を必
要な板厚になるまで交互に複数回積層して形成され、所
望の強度と剛性を確保する層を構成している。本実施例
では、中間層２２は、配向角±１５度に積層した層Ｌ
３、配向角０度に積層した層（Ｌ４，Ｌ５）、配向角±
１５度に積層した層Ｌ６、配向角０度に積層した層（Ｌ
７，Ｌ８）、配向角±１５度に積層した層Ｌ９により形
成されている。

【００２６】繊維強化プラスチック製パイプ２０の外層
２３は、ガラス繊維または高弾性有機繊維のようにすぐ
れた衝撃吸収性を有する繊維の糸で織成した布地をたて
糸を配向角０度または配向角９０度に積層した層Ｌ１０
と、このような繊維を配向角±４５度に積層、もしくは
一方向に繊維を揃えたシート材をシートワインディング
法（ＳＷ）により配向角±４５度に積層した層Ｌ１１と
で形成され、外部からの衝撃に対する保護層を構成して
いる。

【００２７】なお、上記外層２３において層Ｌ１０と層
Ｌ１１の配置を逆にしてもよく、また内層２１、中間層
２２において繊維の配向角が４５度である層について
は、この層を布地に置換してもよい。

【００２８】繊維強化プラスチック製荷重伝達軸を自動
車のプロペラシャフトに適用した場合における繊維強化
プラスチック製パイプ２０の製造手順の一例を表１およ
び図６ないし図１０により説明する。

【００２９】まず、マンドレル２４を準備し、このマン
ドレル２４の上に炭素繊維テープ材２５を、図７に示す
テープワインディング法（ＴＷ）により炭素繊維テープ
材２５の繊維方向がパイプ軸線方向に対して±４５度の
角度を置くように巻き付けて層Ｌ１を形成し、その層Ｌ
１の上に続けて炭素繊維テープ材２５を同じ様にテープ
ワインディング法（ＴＷ）により炭素繊維テープ材２５
の繊維方向がパイプ軸線方向に対して±８５度の角度を
置くように巻き付けて層Ｌ２を形成し、積層した内層２
１を形成する。

【００３０】ついで、この内層２１の上に、炭素繊維テ
ープ材２５をテープワインディング法（ＴＷ）によりパ
イプ軸線方向に対して±１５度の角度を置いて巻き付け
て層Ｌ３を形成した後、炭素繊維一方向シート材２６
を、図８に示すシートワインディング法（ＳＷ）により
配向角０度で巻き付けて層Ｌ４、層Ｌ５を形成し、これ
を交互に数回行う（Ｌ６，Ｌ７，Ｌ８，Ｌ９）ことで中
間層２２を形成する。

【００３１】つぎに、この中間層２２の上に、アラミド
繊維クロス材２７を、図９に示すシートワインディング
法（ＳＷ）によりたて糸の配向角が０度で巻き付け層Ｌ
１０を形成し、この層Ｌ１０の上にガラス繊維テープ２
８を、図１０に示すテープワインディング法（ＴＷ）に
より配向角±４５度で巻き付け層Ｌ１１を形成すること
で外層２３を形成する。

【００３２】

【表１】 成形された繊維強化プラスチック製パイプ２０の外観を
平滑な面とするには、外層２３の上に、さらに、ガラス
繊維テープをテープワインディング法により配向角７５
度ないし８５度で一方向に積層した層を形成し、その層
を旋盤等により切削加工することにより行なう。

【００３３】図１１は本発明の変形例を示し、この変形
例においては、継手構造１００を構成するインサートヨ
ーク１０１およびインサートリング１０２にキー溝１０
１ａ，１０２ａを設けるとともに、インサートリング１
０２を複数の部材から形成した分割式とし、繊維強化プ
ラスチック製中空パイプ１０３にこのキー溝に対応した
切り込み１０４を形成し、継手構造１００と繊維強化プ
ラスチック製パイプ１０３とをキイ１０５により機械的
に連結している。

【００３４】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、繊維
強化プラスチック製パイプを内層と中間層と外層の３層
で形成し、内層はねじれ、膨張や収縮、外部からの衝撃
に強い構成とし、中間層はテープとシートのハイブリッ
ト積層として高強度高剛性の構成とし、外層は衝撃に対
して強い繊維配向でかつ衝撃吸収性にすぐれた繊維で積
層したので、各層に亀裂が生ぜす、層間の剥離もない軽
くて堅固な構造となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による繊維強化プラスチック製荷重伝達
軸の継手構造を示す図。

【図２】継手構造のインサートリングを示す図。

【図３】本発明による繊維強化プラスチック製荷重伝達
軸への発泡剤の充填方法を示す図。

【図４】発泡剤を充填した繊維強化プラスチック製荷重
伝達軸を示す図。

【図５】本発明による繊維強化プラスチック製荷重伝達
軸の変形例を示す図。

【図６】本発明による繊維強化プラスチック製荷重伝達
軸の繊維強化プラスチック製パイプの構成を示す図。

【図７】テープ材のテープワインディング法による巻き
付け方法を示す図。

【図８】一方向シート材のシートワインディング法によ
る巻き付け方法を示す図。

【図９】繊維クロス材のシートワインディング法による
巻き付け方法を示す図。

【図１０】繊維テープのテープワインディング法による
巻き付け方法を示す図。

【図１１】本発明による繊維強化プラスチック製荷重伝
達軸の継手構造の変形例を示す図。

【符号の説明】

１ 継手構造 ３ 継手部材 ４ インサートリング ５ パイプ ８ 繊維 ９ 発泡剤 ２０ パイプ ２１ 内層 ２２ 中間層 ２３ 外層 ２４ マンドレル ２５ 一方向テープ材 ２６ 一方向シート ２７ 繊維クロス材 ２８ 繊維テープ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内層と中間層と外層の３層で形成した繊維
   強化プラスチック製パイプとこのパイプの端部に固定さ
   れた継手部材を有し、パイプの内層はカーボンまたはガ
   ラスまたはアラミド繊維を配向角±４５度に積層した第
   １層とカーボン繊維を配向角±７５度ないし±９０度に
   積層した第２層とで形成され、パイプの中間層はカーボ
   ン繊維を配向角±１５度ないし±４５度に積層した第３
   層とカーボン繊維の一方向シート材を配向角０度に積層
   した第４層とを交互に積層して形成され、パイプの外層
   はガラス繊維またはアラミド繊維の布地をたて糸が配向
   角０度または配向角９０度になるように積層した第５層
   とガラス繊維を配向角±４５度に積層した第６層とで形
   成されることを特徴とする繊維強化プラスチック製荷重
   伝達軸。