JP2002235726A - 繊維強化樹脂パイプ及びこれを用いた動力伝達シャフト - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 引抜き法により薄肉太径に成形された繊維強
化樹脂パイプを周方向に縮径させて金属パイプに内挿す
るに際して、繊維強化樹脂パイプの破損がなく実用上の
性能を十分発揮させることにある。 【解決手段】 引抜き法により薄肉太径に成形された繊
維強化樹脂パイプにおいて、その長手方向に繊維束が引
き揃えられると共に、外面表層または内面表層の少なく
とも一方に周方向強化繊維布１５を設ける。この繊維強
化樹脂パイプ１５は、金属パイプ１１に内挿されてプロ
ペラシャフトやドライブシャフトの中間軸などの動力伝
達シャフトを構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は繊維強化樹脂パイプ
及びこれを用いた動力伝達シャフトに関し、例えば、自
動車の動力伝達系の一部を構成するプロペラシャフト
（推進軸）やドライブシャフト（駆動軸）に使用される
繊維強化樹脂パイプ及びこれを用いた動力伝達シャフト
に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車の動力伝達系を構成するシャフト
には、変速機から減速歯車装置に動力を伝達するプロペ
ラシャフトや、エンジンとハブジョイントを繋ぐドライ
ブシャフトがあり、いずれも軸端部にユニバーサルジョ
イント（自在継手）を設けて変速機と減速歯車装置また
はエンジンとハブジョイントの相対位置の変化による長
さと角度の変動に対応できる構造を有する。

【０００３】図８に動力伝達シャフトの一例としてプロ
ペラシャフト１の全体概観を示す。このプロペラシャフ
ト１は、中間軸２の両端に金属製の継手要素の一種であ
るスタブシャフト３，４を接合した構造を有する。スタ
ブシャフト３，４は等速ジョイント５，６の継手内輪と
スプライン又はセレーションにより嵌合されている。図
９は動力伝達シャフトの他例としてドライブシャフトの
中間軸を示す。同図（ａ）はダイナミックダンパーなし
の中間軸７、同図（ｂ）は振動対策用にダイナミックダ
ンパー９を取り付けた中間軸８を例示している。これら
プロペラシャフト１の中間軸２やドライブシャフトの中
間軸７、８には中空または中実の鋼製シャフトを使用す
るのが一般的であった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】これらの動力伝達シャ
フトを構成する等速ジョイント間の中間軸は、曲げ剛性
の観点から長軸になると、その中間部分にサポート用軸
受や振動対策用ダイナミックダンパーなどを取り付ける
必要があり、重量、コスト面からの改善が要求され、長
軸化を困難なものにしていた。

【０００５】この改善点に鑑みて、曲げ剛性の強い繊維
強化樹脂製の中空パイプ（以下、ＦＲＰパイプと称す）
を金属パイプと併用することで中間軸の曲げ剛性を向上
させ、中間部分のサポート用軸受や振動対策用ダイナミ
ックダンパーを省略して軽量化、コスト低減を図り、長
軸化を実現することが発案されている。

【０００６】前述したＦＲＰパイプは、例えば引抜き法
により薄肉太径に成形することが可能である。引抜き法
は、複数の繊維束を長手方向に引き揃えながら連続的に
硬化させて断面一様なパイプ状成形体を効率よく製造す
ることができる成形方法である。この引抜き法により得
られたＦＲＰパイプを金属パイプと併用する形態とし
て、ＦＲＰパイプを機械的な圧入により金属パイプに内
挿する手法が一般的である。

【０００７】つまり、ＦＲＰパイプを金属パイプに内挿
した後、金属パイプの外周部を塑性加工により縮径させ
てＦＲＰパイプと金属パイプを固定することや、金属パ
イプとＦＲＰパイプとの間隙に接着剤を注入して固定す
る手段が考えられる。しかしながら、ＦＲＰパイプの外
径と金属パイプの内径のそれぞれに寸法公差があるた
め、単純な円筒状のパイプとした場合、微小な嵌合合わ
せや圧入力を工程上管理するためにそれぞれの寸法を合
わせること（マッチング）が必要となり、組み込み作業
が著しく煩雑となる。

【０００８】これに対して、軸方向にスリットを有する
ＦＲＰパイプを用いれば、前述したような微小な嵌合合
わせが不要となり、かつ、圧入力も小さくて済む。すな
わち、金属パイプの内側にＦＲＰパイプを組み込む際
に、前記ＦＲＰパイプを周方向に縮径させれば、スリッ
ト幅分の弾性変形が可能であり、スリットなしの円筒状
パイプを圧入する場合と比較して圧倒的に組み込み作業
が容易となる。

【０００９】さらに、スリット入りＦＲＰパイプの外径
を金属パイプの内径よりも大きく成形し、スリット幅分
だけ周方向に弾性変形させたときの見かけ上の外径が金
属パイプの内径よりも小さくしておけば、組み込み後に
金属パイプ内でＦＲＰパイプが成形時の外径まで戻ろう
して拡径することになり、この弾性復元力がＦＲＰパイ
プの金属パイプへの押し付け力となってＦＲＰパイプを
金属パイプに強固に固定することができる。

【００１０】ところが、ＦＲＰパイプを金属パイプに内
挿するに際して、ＦＲＰパイプに亀裂やクラックが発生
して実用上の性能を発揮できない程度に破損が生じるよ
うでは、前述した各種の手法の有効性自体が損なわれて
しまい、動力伝達シャフトとして用いることが困難とな
る。

【００１１】引抜き法によりＦＲＰパイプを成形する場
合、そのＦＲＰパイプに使用する繊維の機械的特性を最
も効率よく発揮させるためには、全ての繊維束の配列を
パイプ長手方向に合わせるように引き揃えるのが一般的
である。しかしながら、引抜き法により薄肉太径に成形
されたＦＲＰパイプは、周方向からの押し潰し力に弱
く、縦割れやクラックが生じ易いという問題が顕著にな
ってくる。

【００１２】さらに、スリット入りＦＲＰパイプをスリ
ット幅分の弾性変形により縮径させたとき、パイプ中心
点に対してスリット反対側のパイプ外表面に最大の引張
応力が周方向に発生する。この引張応力はＦＲＰパイプ
のスリット幅が大きいほど、それに比例して大きくなる
ため、亀裂が発生する可能性が増大することになる。特
に、パイプ長手方向に引き揃えられた補強繊維を使用し
た場合には、外力による応力以外にも、熱膨張または熱
圧縮により発生する応力でもって縦割れやクラックが生
じ易いという問題が起こり易くなる。

【００１３】そこで、本発明は前記問題点に鑑みて提案
されたもので、引抜き法により薄肉太径に成形されたＦ
ＲＰパイプを周方向に縮径させて金属パイプに内挿する
に際して、ＦＲＰパイプの破損がなく実用上の性能を十
分に発揮させることを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
の技術的手段として、請求項１の発明は、引抜き法によ
り薄肉太径に成形されたＦＲＰパイプにおいて、その長
手方向に繊維束が引き揃えられると共に、外面表層また
は内面表層の少なくとも一方に周方向強化繊維布を設け
たことを特徴とする。この発明では、パイプ長手方向に
繊維束が引き揃えられていることにより、ＦＲＰパイプ
に使用する繊維の機械的特性を最も効率よく発揮させる
ことができると共に、ＦＲＰパイプの外面表層または内
面表層の少なくとも一方に周方向強化繊維布を設けたこ
とにより、パイプ周方向の引張歪みを抑制することがで
きる。

【００１５】請求項２の発明は、請求項１に記載された
ＦＲＰパイプが周方向に縮径可能な長手方向のスリット
を有し、金属パイプに内挿可能としたことを特徴とす
る。この発明では、請求項１のＦＲＰパイプを金属パイ
プの内側に組み込む際に、前記ＦＲＰパイプを周方向に
縮径させれば、スリット幅分の弾性変形が可能であり、
スリットなしの円筒状パイプを圧入する場合と比較して
圧倒的に組み込み作業が容易となる。

【００１６】請求項３の発明は、請求項１又は２に記載
されたＦＲＰパイプの繊維束を構成する繊維の引張弾性
率が１９６ＧＰａ以上であることを特徴とする。この発
明では、前記繊維の引張弾性率が１９６ＧＰａ以上とし
たことにより、ＦＲＰパイプの曲げの一次共振周波数を
高めることができる。このような引張弾性率を有する繊
維としては、請求項４に記載されたＰＡＮ系炭素繊維が
好適である。

【００１７】請求項５の発明は、請求項１乃至４のいず
れかに記載されたＦＲＰパイプの周方向強化繊維布を構
成する繊維の引張弾性率が５８．８ＧＰａ以上であるこ
とを特徴とする。この発明では、前記繊維の引張弾性率
が５８．８ＧＰａ以上としたことにより、パイプ周方向
に発生する引張歪みを抑制することが容易となる。

【００１８】請求項６の発明は、請求項１乃至５のいず
れかに記載されたＦＲＰパイプの周方向強化繊維布の目
付けが１００ｇ／ｍ²以上で６００ｇ／ｍ²以下であるこ
とを特徴とする。この発明では、前記強化繊維布の目付
けを１００ｇ／ｍ²以上で６００ｇ／ｍ²以下としたこと
により、引抜き法によりＦＲＰパイプを連続的に成形す
ることが容易となる。ここで、目付けとは、単位面積当
たりの重量を意味する。

【００１９】請求項７の発明は、請求項１乃至６のいず
れかに記載されたＦＲＰパイプの周方向強化繊維布の肉
厚が０．０５ｍｍ以上で１．０ｍｍ以下であることを特
徴とする。前記強化繊維布を構成する繊維の肉厚を０．
０５ｍｍ以上で１．０ｍｍ以下としたことにより、引抜
き法によりＦＲＰパイプを連続的に成形することが容易
となる。

【００２０】請求項１乃至７のいずれかに記載されたＦ
ＲＰパイプの周方向強化繊維布を構成する繊維として
は、請求項８に記載されたガラス繊維、あるいは、請求
項９に記載されたＰＡＮ系炭素繊維が好適である。

【００２１】請求項１０の発明は、金属製継手要素と金
属パイプを接合した動力伝達シャフトにおいて、請求項
１乃至９のいずれかに記載したＦＲＰパイプが内挿され
たことを特徴とする。この発明では、曲げ剛性の強いＦ
ＲＰパイプを金属パイプの内側に介在させることによ
り、動力伝達シャフトの曲げ剛性を向上させ、中間部分
のサポート用軸受や振動対策用ダイナミックダンパーを
省略できることで軽量化、コスト低減を図り、長軸化を
実現する。

【００２２】請求項１１の発明は、請求項１０に記載さ
れたＦＲＰパイプが２０層以下の積層構造を有すること
を特徴とする。この発明で用いたＦＲＰパイプは２０層
以下の積層構造であることから、その成形時の段取り作
業が煩雑となることがなく、ＦＲＰパイプの量産性向上
が図れる。

【００２３】請求項１２の発明は、請求項１０又は１１
に記載されたＦＲＰパイプが自然状態で外周の０．０１
％以上で４０％以下の幅のスリットを有することを特徴
とする。この発明におけるＦＲＰパイプが自然状態で外
周の０．０１％以上で４０％以下の幅のスリットを有す
ることから、ＦＲＰパイプ外径と金属パイプ内径の微小
な嵌合合わせや圧入力を工程上管理するためのマッチン
グが不要で、動力伝達シャフトの高速回転時においても
良好なバランス状態を確保することができる。

【００２４】請求項１３の発明は、請求項１２に記載さ
れたスリットがＦＲＰパイプの軸方向を基準にして±３
０°以内のバイアス角を有することを特徴とする。この
発明では、スリットのバイアス角を±３０°以内とする
ことにより、動力伝達シャフトの曲げ剛性向上を確保す
ることができる。

【００２５】請求項１４の発明は、請求項１２又は１３
に記載されたＦＲＰパイプの外径をＤ₁、金属パイプの
内径をＤ₂としたとき、Ｄ₁／Ｄ₂の値が１より大きく、
かつ、１．３以下であることを特徴とする。この発明で
は、Ｄ₁／Ｄ₂の値を１より大きく、かつ、１．３以下と
したことにより、ＦＲＰパイプの外径を金属パイプの内
径よりも大きく成形し、スリット幅分だけ周方向に弾性
変形させたときの見かけ上の外径が金属パイプの内径よ
りも小さくして、組み込み後に金属パイプ内でＦＲＰパ
イプが成形時の外径まで戻ろうして拡径することによっ
て、ＦＲＰパイプを金属パイプに強固に固定することが
できる。

【００２６】ＦＲＰパイプと金属パイプとの固定は、請
求項１５に記載したようにＦＲＰパイプが内挿された金
属パイプの外周部を塑性加工により縮径させたり、ある
いは、請求項１６に記載したように接着剤を用いること
が可能である。後者の接着剤を用いる場合、接着剤だま
りを形成する部位を、請求項１７に記載したようにＦＲ
Ｐパイプの外周部に設けるか、あるいは、請求項１８に
記載したように金属パイプの内周部のみまたはＦＲＰパ
イプの外周部と金属パイプ内周部の両方に設けてもよ
い。これにより、組み込み後にＦＲＰパイプの外径と金
属パイプの内径間に接着層を確実に形成することが可能
となる。

【００２７】請求項１９の発明は、請求項１０乃至１８
のいずれかに記載された金属パイプの長さをＰＬ、繊維
強化樹脂パイプの長さをＦＬとしたとき、ＦＬ／ＰＬの
値が０．１以上で１．０以下であることを特徴とする。
この発明では、ＦＬ／ＰＬの値を０．１以上で１．０以
下としたことにより、動力伝達シャフトの曲げ剛性を確
保することができる。

【００２８】請求項２０の発明は、請求項１０乃至１９
のいずれかに記載された金属パイプの肉厚をｔ₁、繊維
強化樹脂パイプの肉厚をｔ₂としたとき、ｔ₂／ｔ₁の値
が０．０１以上で１０以下であることを特徴とする。こ
の発明では、ｔ₂／ｔ₁の値を０．０１以上で１０以下と
したことにより、動力伝達シャフトの曲げの固有振動数
を満足する曲げ剛性を確保することができる。

【００２９】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態を以下に詳述す
る。この実施形態では、図１（ａ）に示す金属パイプ１
１と図１（ｂ）に示すＦＲＰパイプ１２とを併用し、図
２（ａ）〜（ｃ）に示すように引抜き法により薄肉太径
に成形されたＦＲＰパイプ１２を金属パイプ１１に内挿
することにより動力伝達シャフトの中間軸２，７，８
（図８及び図９参照）として使用される。このように曲
げ剛性の強いＦＲＰパイプ１２を金属パイプ１１の内側
に介在させることにより、動力伝達シャフトの曲げ剛性
を向上させ、中間部分のサポート用軸受や振動対策用ダ
イナミックダンパーを省略できることで軽量化、コスト
低減を図り、長軸化を実現する。

【００３０】また、金属パイプ１１の内側にＦＲＰパイ
プ１２を内挿させた動力伝達シャフトを形成すること
で、シャフト端部の継手要素との接合部位が金属である
ため、大きなせん断が生じても十分な耐久強度をもって
動力伝達が可能である。つまり、金属パイプ１１と金属
製継手要素との溶接または摩擦圧接のような信頼性のあ
る完全な接合法を採用することができるため、周方向の
すべりや軸方向の抜け出しの不具合は全く生じず、接合
部の長期の信頼性を得ることができる。

【００３１】さらに、金属パイプ１１に内挿するＦＲＰ
パイプ１２の繊維配向角を金属パイプ１１の軸方向に対
し０°および±４５°のＦＲＰ層を組み合わせて積層す
ることもでき、これにより曲げ剛性やねじり剛性の制御
ができる点で望ましい。金属パイプ１１に内挿するＦＲ
Ｐパイプ１２の長さ、金属パイプ１１とＦＲＰパイプ１
２の肉厚比、使用する繊維の弾性率などで、曲げ、ねじ
り剛性ならびに耐座屈性を制御するようにしてもよい。

【００３２】ＦＲＰパイプ１２と金属パイプ１１との固
定は、図２（ｃ）に示すようにＦＲＰパイプ１２を金属
パイプ１１の内側に組み込んだ後、例えば絞り加工によ
り、金属パイプ１１に塑性変形を与えて縮径させること
によってＦＲＰパイプ１２を固定する（図中、縮径部分
を符号１３で示す）。

【００３３】また、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように軸
方向にスリット１４を形成したＦＲＰパイプ１２ａを使
用することも可能である。このように軸方向にスリツト
１４を形成しておけば、ＦＲＰパイプ１２ａを縮径させ
て金属パイプ１１の内側に組み込む場合、周方向でスリ
ット幅Ｗ分の弾性変形が容易であるため〔図３（ｄ）
（ｅ）参照〕、スリットなしの単純なＦＲＰパイプを圧
入する場合に比べ、圧倒的に組み込み工程が容易にな
る。つまり、ＦＲＰパイプ外径および金属パイプ内径そ
れぞれに寸法公差があるため、単純な円筒パイプ形状で
は圧入力を工程上管理するためにそれぞれの寸法をマッ
チングさせる必要があるのに対して、スリット１４を有
するＦＲＰパイプ１２ａを組み込む場合はこのようなマ
ッチングが不要になり、かつ、圧入力も小さくてすむ。

【００３４】スリット幅Ｗは自然状態でＦＲＰパイプ外
周の０．０１％以上４０％以下に設定するのが好まし
い。スリット幅ＷがＦＲＰパイプ外周の０．０１％より
小さいと、周方向に弾性変形させてもマツチングが必要
になる場合がある。逆に、スリット幅ＷがＦＲＰパイプ
外周の４０％よりも大きいと、回転時のアンバランス量
が大きくなり、高速回転時に振れ回りなどの問題が発生
する場合がある。スリット１４の断面形状については制
限されないが、引抜き法による成形時に連続的に形成で
きるものであればより好都合であることは言うまでもな
い。また、スリット１４は、円筒状のＦＲＰパイプ１２
を成形しておいて後加工で削つて形成してもよい。

【００３５】引抜き法による成形時にスリットを連続的
に形成する場合、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように軸方
向に対してバイアス角θをつけたスリット１４ａをＦＲ
Ｐパイプ１２ｂに形成することができる。この場合、バ
イアス角θは±３０°以内とするのが好ましい。スリッ
ト１４ａのバイアス角θが３０°を超えると、トウの配
向はその方向に倣うために、弾性率の大きな繊維を用い
てもＦＲＰパイプ組込み後の動力伝達シャフトの曲げ剛
性向上を図ることが困難となる。

【００３６】スリット１４を有するＦＲＰパイプ１２の
外径を金属パイプ１１の内径より大きく成形し、スリッ
ト幅Ｗ分だけ周方向に弾性変形（縮径）させたときの見
かけ外径が金属パイプ１１の内径より小さくなるように
してもよい。この場合、スリット１４を有するＦＲＰパ
イプ１２の外径をＤ₁〔図３（ｄ）参照〕、金属パイプ
１１の内径をＤ₂〔図１（ａ）参照〕としたとき、Ｄ₁／
Ｄ₂の値が１より大きく１．３以下にあることが望まし
い。Ｄ₁／Ｄ₂の値が１以下ではスリット１４を有するＦ
ＲＰパイプ１２の外径は金属パイプ１１の内径より大き
くならず、すきまを生じてしまう。逆に、Ｄ₁／Ｄ₂の値
が１．３より大きいと縮径時の変形は弾性変形域を超え
る場合があり、割れなどの不具合を生ずる場合がある。
組込み後は金属パイプ１１内でＦＲＰパイプ１２が成形
時の外径まで戻ろうとして張っていることになり、この
力が金属パイプ１１の内径とＦＲＰパイプ１２の外径間
での押し付け力となって金属パイプ１１内でＦＲＰパイ
プ１２を固定させようとする。金属パイプ１１の絞り加
工や接着剤を用いる方法において、この固定力はより都
合のよいものとなる。

【００３７】ＦＲＰパイプ１２は、引抜き法により薄肉
太径に成形されるときに、パイプ長手方向に繊維束が引
き揃えられると共に、ＦＲＰパイプ１２の外面表層およ
び内面表層に周方向強化繊維布１５を設ける〔図１
（ｂ）等参照〕。パイプ長手方向に繊維束が引き揃えら
れていることにより、ＦＲＰパイプ１２に使用する繊維
の機械的特性を最も効率よく発揮させることができると
共に、ＦＲＰパイプ１２の外面表層および内面表層に周
方向強化繊維布１５を設けたことにより、パイプ周方向
の引張歪みを抑制することができる。

【００３８】これらの繊維を引抜き法により薄肉太径に
成形するに際しては、これらの繊維を未硬化のマトリク
ス樹脂に含浸し、それら複数のトウをオーバーワインデ
ィングしながら連続的に硬化させてパイプのような一様
断面の成形体を効率良く製造することができる。ＦＲＰ
パイプ１２はあらかじめシートラップ法によっても成形
することができるが、引抜き成形を用いる場合、製造時
の材料損失が大幅に削減できるためにコスト的により有
利となる場合がある。積層構造を有するＦＲＰパイプ１
２を引抜き成形で得る場合、オーバーワインディングに
よつて成形できるが、その積層数は２０層以内にとどめ
るのが好ましい。積層数が２０を超える成形体を得よう
とすると、その段取り作業が非常に煩雑になり量産性が
損なわれるからである。

【００３９】このＦＲＰパイプ１２を構成する繊維とし
ては、動力伝達シャフトの曲げの一次共振周波数を高め
るために、密度が小さく弾性率が高い繊維が望ましい。
このような繊維としては、ＰＡＮ系炭素繊維やピッチ系
炭素繊維、炭化けい素繊維、アルミナ繊維、ボロン繊
維、ガラス繊維、パラ系アラミド（たとえばデュポン社
製ケブラー）繊維、金属（鋼、アルミ合金、チタン合
金、銅、タングステン）繊維等が挙げられる。

【００４０】ＦＲＰパイプ１２の低コスト化を図るため
には、二種以上の繊維を組み合わせることも可能であ
る。比弾性率が大きい繊維が軽量化の効果が大きく、動
力伝達シャフトへの使用としては、例えば比強度の点で
ＰＡＮ系炭素繊維が、比弾性率の点でピッチ系炭素繊維
が好適である。しかし、コスト低減化の観点からこれら
の炭素繊維同士、あるいは、これらの炭素繊維とガラス
繊維のハイブリッドタイプでも可能である。

【００４１】ＰＡＮ系炭素繊維を使用する場合、その線
径は１μｍ以上２０μｍ以下、さらに望ましくは５μｍ
以上８μｍ以下がよい。繊維の線径が１μｍ未満の場
合、原料となるアクリル繊維のコストが高く、かつ、焼
成して炭素繊維に加工する時の制御が難しくなり、繊維
の価格が高くなって低コストなシャフトを製作すること
が困難となる。繊維の線径が２０μｍ以上では高弾性率
の繊維を製造することが困難となる。また、ピッチ系炭
素繊維を使用する場合、長繊維でかつ高弾性率のメソフ
ェースピッチ系炭素繊維がよい。

【００４２】ＦＲＰパイプ１２の長手方向に引き揃えら
れた繊維束を構成する繊維の引張弾性率は１９６ＧＰａ
以上であることがよく、好ましくは２４５ＧＰａ以上で
ある。この繊維の引張弾性率が１９６ＧＰａ未満では、
ＦＲＰパイプ１２を厚肉にしても外径が一定のため、断
面二次モーメントの向上効果が低く、動力伝達シャフト
の曲げの一次共振周波数を高くすることが困難となる。

【００４３】一方、ＦＲＰパイプ１２の外面表層および
内面表層に設けた周方向強化繊維布１５を構成する繊維
の引張弾性率としては、スリット１４を有するＦＲＰパ
イプ１２ａを縮径させたとき、パイプ中心点に対してス
リット反対側のパイプ表面側に発生する周方向の引張歪
みを抑制できることが要求される。そのため、周方向強
化繊維布１５を構成する繊維としては、引張弾性率の大
きい繊維が望ましく、引張弾性率が５８．８ＧＰａ以上
を必要とする。このような繊維としては、ＰＡＮ系炭素
繊維やピッチ系炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維な
どが挙げられる。

【００４４】この周方向強化繊維布１５の形態として
は、ランダムチョップドマット、コンティニュアススト
ランドマット等を使用することが可能である。また、周
方向強化繊維布１５の目付けとしては、１００ｇ／ｍ²
以上で６００ｇ／ｍ²以下、好ましくは、２００ｇ／ｍ²
以上で４００ｇ／ｍ²以下が必要である。また、周方向
強化繊維布１５の肉厚は、０．０５ｍｍ以上で１．０ｍ
ｍ以下、好ましくは、０．１ｍｍ以上で０．８ｍｍ以下
が必要である。この繊維布１５の目付けが１００ｇ／ｍ
²未満、もしくは繊維布１５の肉厚が０．０５ｍｍ未満
では引抜き成形するときに張力により破断して連続的な
成形が困難となる場合がある。また、繊維布１５の目付
けが６００ｇ／ｍ²よりも大きいと引抜き成形時にしわ
が発生しやすく、繊維布１５の肉厚が１．０ｍｍより大
きいと、引抜き成形時に連続的に成形金型の外型側また
は内型側に入れることが困難となる。

【００４５】ＦＲＰパイプ１２の周方向強化繊維布１５
の配置については特に規制されるものはなく任意であ
る。つまり、必ずしも内外面表層の両面である必要はな
く、実質的に亀裂やクラックの発生を回避できるのであ
れば、外面表層または内面表層のいずれか一方であって
もよく、パイプ中心点に対してスリット反対側近傍のみ
に配置してもよい。

【００４６】なお、ＦＲＰパイプ１２の内外面表層の周
方向強化繊維布１５に代えて、ガラス繊維などの補強繊
維を、引抜き成形と同時または引抜き成形後に長手方向
に対してある角度でもってフィラメントワインディング
することも可能である。しかし、引抜き成形と同時にフ
ィラメントワインディングを併用することは、特別の装
置が必要であり、生産性が悪いことから、前記周方向強
化繊維布１５を用いる方が優れていることは言うまでも
ない。

【００４７】金属パイプ１１とＦＲＰパイプ１２の固定
には接着剤を使用することも可能である。単純な円筒パ
イプ同士の圧入の場合、ＦＲＰパイプ圧入時に接着剤が
取り除かれて金属パイプ１１の内径とＦＲＰパイプ１２
の外径間で接着層が形成されないことがある。この問題
を改善するため、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように組込
み後に金属パイプ１１とＦＲＰパイプ１５の間で接着剤
だまりを形成する軸方向溝１６をＦＲＰパイプ１２の外
周に設けておく。そのような接着剤だまり形成部位の他
の形態としては、周方向溝１６ａ〔図６（ａ）参照〕、
凹部１６ｂ〔図６（ｂ）参照〕等が挙げられる。また、
図７（ａ）〜（ｄ）に示すように組込み後に接着剤だま
りを形成するような周方向溝１６ｃを金属パイプ１１ａ
の内径面に塑性加工により予め形成しておいてもよい。

【００４８】使用する接着剤は一般的に金属とＦＲＰを
接着できるものであれば何ら制限されない。たとえば、
株式会社高分子刊行発行、「接着の科学と実際」や、株
式会社技術評論社発行、「高性能を生む接着剤選び」に
記載される金属―ＦＲＰ用接着剤はすべて使用できる
が、より望ましい接着剤としては、溶液タイプのエポキ
シ系接着剤にアルミ粉もしくは酸化鉄粉を含有し、スポ
ット溶接に代表される抵抗溶接を可能にした構造用接着
剤がある。後工程でシャフトのバランス修正を行う時、
この溶接可能な接着剤を使用していれば問題なくパラン
スピースを溶接できるからである。接着剤の硬化過程に
は、金属パイプ外周部に施す焼付け塗装時の熱を利用す
ることができる。

【００４９】ＦＲＰパイプ１２のマトリクスとして使用
する熱硬化性樹脂は、特に制限されるものではない。一
般に熱硬化性を示すエポキシ樹脂、フェノール樹脂、不
飽和ポリエステル樹脂、ビスフェノールＡタイプ又はノ
ボラックタイプのビニルエステル樹脂、ウレタン樹脂、
アルキッド樹脂、キシレン樹脂、メラミン樹脂、フラン
樹脂、シリコン樹脂、ポリイミド樹脂等が使用できる
が、強度上からエポキシ樹脂やビニルエステル樹脂が好
適である。

【００５０】マトリクスにエポキシ樹脂を用いる場合、
エポキシ硬化後の耐熱性はガラス転位点で６０℃以上、
好ましくは８０℃以上がよい。自動車の動力伝達軸とし
て使用される場合、雰囲気温度は６０℃程度になるた
め、エポキシ硬化後の耐熱性が６０℃未満では破損など
の重大な問題を起こすことがあり、マトリクスに使用で
きない。

【００５１】また、エポキシ樹脂中にゴム粒子を介在さ
せ海島構造を形成して耐衝撃性を付与した改質エポキシ
樹脂や、主鎖または側鎖を化学構造的に変成した変成エ
ポキシ樹脂を用いることもできる。この場合、得られた
動力伝達シャフト構造体に減衰性を付与することができ
る。また、エポキシ樹脂中に導電性のカーボンブラック
のような充填材や金属粉を分散させて導電性を付与した
エポキシ樹脂を用いることもできる。

【００５２】マトリクスにビニルエステル樹脂を用いる
場合、硬化後ガラス転位点は６０℃以上、好ましくは７
０℃以上がよい。自動車の動力伝達軸として使用される
場合、雰囲気温度は６０℃程度になるため、硬化後ガラ
ス転位点は６０℃未満では弾性率の低下などによりＦＲ
Ｐパイプ１２の曲げ剛性が低下する場合がある。また、
マトリクスにビニルエステル樹脂を用いて引抜き成形に
より内挿するＦＲＰパイプ１２を製造しようとする場
合、内部離型剤などを含有させることで成形性の向上を
図ることも可能である。

【００５３】使用する強化繊維表面をオゾン酸化処理や
紫外線の照射で表面活性化したり、シランカップリング
剤またはチタンカップリング剤などで湿式処理を行って
親和性を向上させたり、反応性の高い官能基サイトを繊
維表面に形成し、熱硬化性マトリクス樹脂との硬化後化
学結合を有する強固な接着を付与することで、マトリク
スと繊維間の界面強度を向上させることもできる。

【００５４】金属パイプ１１の金属種は、穴あけ加工な
どの機械加工、溶接加工、摩擦圧接加工または圧入加工
ができる金属であれば特に制限されないが、好ましいも
のは、鉄・アルミ・銅・チタン・タングステン・ニッケ
ルなどが挙げられる。また、これらのいずれの金属の合
金でもよい。

【００５５】金属パイプ１１とＦＲＰパイプ１２で構成
される動力伝達シャフトの寸法諸元は、動力伝達シャフ
トに要求される曲げの固有振動数で決められる。つま
り、金属パイプ１１のみで要求される曲げの固有振動数
を満足しようとすると大径になり、かつ、重量は重くな
る場合、たとえば金属パイプ１１の肉厚を要求される静
ねじり強度のみを満足するように設計しておき、この金
属パイプ１１の外周部に要求される曲げの固有振動数を
満足するように弾性率の大きいＦＲＰパイプ１２を内挿
させることで、最外径寸法は小さくなり、かつ、軽量化
できる。

【００５６】このような金属パイプ１１を構成する寸法
諸元は、長さは１００ｍｍ以上６０００ｍｍ、望ましく
は２００ｍｍ以上６０００ｍｍ以下がよい。金属パイプ
１１の長さが１００ｍｍより短いときは、要求される静
ねじり強度を満足するような金属パイプ径ですでに剛性
が高くＦＲＰパイプ１２を内挿させる必要はない。金属
パイプ１１の長さが６０００ｍｍより長いと、たとえト
ラック等に使用する場合でも車両への組付け施工が困難
になる。

【００５７】また、金属パイプ１１に内挿するＦＲＰパ
イプ１２の軸方向の長さは、金属パイプ１１の長さをＰ
Ｌ〔図１（ａ）参照〕、ＦＲＰパイプ１２の長さをＦＬ
〔図１（ｂ）参照〕としたとき、ＦＬ／ＰＬの値が０．
１以上１．０以下がよい。ＦＬ／ＰＬの値が０．１より
小さい場合、たとえ比弾性率の大きいＦＲＰパイプ１２
を組み付けても要求される曲げ剛性にすることは困難で
ある。ＦＬ／ＰＬの値が１．０より大きい場合、ＦＲＰ
パイプ１２が金属パイプ１１より長くなる。つまり、得
られた動力伝達シャフトの少なくとも一方で金属同士の
接合法が採用できないことになり不適である。

【００５８】金属パイプ１１の肉厚は１ｍｍ以上１０ｍ
ｍ以下がよい。金属パイプ１１の肉厚が１ｍｍより薄い
と金属パイプ１１の運搬時やＦＲＰパイプ１２の内挿時
に金属パイプ１１を破損する場合がある。また、金属パ
イプ１１の内径、肉厚を車両用動力伝達シャフトに要求
される静ねじり強度のみを満足するように設計すること
が困難になり、たとえ設計できてもパイプ径が太くな
る。金属パイプ１１の肉厚が１０ｍｍより大きい場合、
乗用車に使用するシャフトとして重過ぎて軽量化の目的
を達成することはできない。金属パイプ１１の外径は１
０ｍｍ以上２５０ｍｍ以下、望ましくは１５ｍｍ以上２
３０ｍｍ以下、さらに望ましくは２０ｍｍ以上２００ｍ
ｍ以下がよい。金属パイプ１１の外径が１０ｍｍより小
さいと、たとえＦＲＰパイプ１２を内挿しても乗用車に
使用する場合のトルク伝達が満足できず、２５０ｍｍよ
り大きいと車両内で他の部品と干渉するなどスペース上
の問題が生じる。

【００５９】また、金属パイプ１１の肉厚をt₁〔図１
（ａ）参照〕、ＦＲＰパイプ１２の肉厚をt₂〔図１
（ｂ）参照〕としたとき、t₂／t₁の値が、０．０１以上
１０以下が好適である。ｔ₂／t₁の値が０．０１より小
さい場合、たとえ比弾性率の大きいＦＲＰパイプ１２を
組み付けても要求される曲げの固有振動数を満足する曲
げ剛性にすることは困難である。ｔ₂／t₁の値が１０よ
り大きい場合、ＦＲＰパイプ１２の組付けにより曲げ剛
性の向上を期待できるものの、使用するＦＲＰ量が相対
的に多くなるため製造コストが多大になるなどの問題が
生じる。

【００６０】このようにして得られた動力伝達シャフト
は車両用としてねじり強度および接合強度の信頼性を有
し、軽くコンパクトであることは言うまでもない。ま
た、外周部が金属表面となるためバランス修正や塗装作
業が現行のライン、工程で行うことができる。さらに、
実車走行時の耐飛び石性（耐チッピング性）や耐塩水腐
食性についても、現行のプロペラシャフトと同等性能に
なる。特にＦＲＰパイプの製作法において引抜き成形法
を採用する場合、シートラップ法に比較してプリプレグ
シートの巻回工程、シュリンクテープおよびシュリンク
テープ巻回工程、プリプレグ硬化工程（熱処理）が省け
るため、製造時の材料損失が大幅に削減できるために動
力伝達シャフトの製造コスト低減が実現する。

【００６１】

【実施例】以下、動力伝達シャフトの代表例として自動
車のプロペラシャフトに適用した本発明の実施例を説明
するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるもの
ではない。ここで、曲げ剛性の評価方法としてハンマリ
ング法を用い、両端支持で曲げの一次の固有振動数の計
測値が１３０Ｈｚ以上であることを合格基準として判定
した。

【００６２】［実施例１］ＦＲＰパイプ（外径７０ｍ
ｍ、肉厚３ｍｍ）を弾性率２５５ＧＰa のＰＡＮ系炭素
繊維トウ「パイロフィルＴＲＨ５０、三菱レイヨン製」
と弾性率７２．３ＧＰa のガラス繊維を使用した連続繊
維布（コンティニュアスストランドマット）「ＣＳＭ＃
３００、旭ファイバーグラス（株）製」にビニルエステ
ル樹脂「８２５０Ｈ、日本ユピカ（株）製」を含浸させ
ながら引抜き成形で製作した。ＦＲＰパイプ１２の内外
面表層にガラス繊維布１５を配置し、その間に炭素繊維
を軸方向に引き揃えた構成とした。長さ０．８ｍ、幅９
ｍｍのスリット加工を行い、ＦＲＰパイプを周方向に弾
性変形させて鋼製の金属パイプ（ＳＴＫＭ１３Ｂ材、外
径７０ｍｍ、肉厚１．４ｍｍ、長さ０．９ｍ）の中央部
まで内挿し、金属パイプ内でスリット加工入りＦＲＰパ
イプを周方向にスプリングバックで張らせて固定した。
その後、両端にスタブシャフトを溶接し、プロペラシャ
フトの中間軸を製作した。得られた中間軸について、両
端支持してハンマリング法を用いて曲げの一次の固有振
動数を測定した結果、１４０Ｈｚであった。これは、プ
ロペラシャフトとして十分に実用レベルであった。

【００６３】［実施例２］ＦＲＰパイプ（外径７０ｍ
ｍ、肉厚３ｍｍ）を弾性率２５５ＧＰa のＰＡＮ系炭素
繊維トウ「パイロフィルＴＲＨ５０、三菱レイヨン
（株）製」と弾性率７２．３ＧＰa のガラス繊維を使用
した連続繊維布（コンティニュアスストランドマット）
「ＣＳＭ＃３００、旭ファイバーグラス（株）製」にビ
ニルエステル樹脂「８２５０Ｈ、日本ユピカ（株）製」
を含浸させながら引抜き成形で製作した。ＦＲＰパイプ
の内外面表層にガラス繊維布を配置し、その間に炭素繊
維を軸方向に引き揃えた構成とした。長さ０．８ｍ、幅
９ｍｍのスリット加工を行い、ＦＲＰパイプを周方向に
弾性変形させて鋼製の金属パイプ（ＳＴＫＭ１３Ｂ材、
外径７０ｍｍ、肉厚１．４ｍｍ、長さ０．９ｍ）の中央
部まで内挿し、接着剤「ペンギンセメント＃１０８１
Ｌ、サンスター技研（株）製」にて接着した。その後、
両端にスタブシャフトを溶接し、プロペラシャフトの中
間軸を製作した。得られた中間軸について、両端支持し
てハンマリング法を用いて曲げの一次の固有振動数を測
定した結果、１４３Ｈｚであった。これは、プロペラシ
ャフトとして十分に実用レベルであった。

【００６４】［比較例］ガラス繊維布を使用しない以
外、前記実施例と同様にしてＦＲＰパイプを引抜き成形
し、幅９ｍｍのスリット加工を行い、ＦＲＰパイプを周
方向に弾性変形させて鋼製の金属パイプに内挿する際、
ＦＲＰパイプの表面にクラックが発生し、金属パイプ内
で復元せず、金属パイプとの接着ができない状態となっ
た。

【００６５】

【発明の効果】本発明によれば、引抜き法により薄肉太
径に成形された繊維強化樹脂パイプにおいて、その長手
方向に繊維束が引き揃えられると共に、外面表層または
内面表層の少なくとも一方に周方向強化繊維布を設けた
ことにより、周方向からの押し潰し力に対して強固にな
り、縦割れやクラックが生じ難くなるため、引抜き法に
より薄肉太径に成形された繊維強化樹脂パイプを周方向
に縮径させて金属パイプに内挿するに際して、繊維強化
樹脂パイプの破損がなく実用上の性能を十分発揮し得る
最適な繊維強化樹脂パイプを提供することができる。

【００６６】その結果、本発明の動力伝達シャフトは、
繊維強化樹脂シャフトと金属製継手要素との接合に、強
固かつ長期の使用においても信頼性の高い溶接加工を利
用できるため、等速ジョイントを具備した自動車用とし
ても使用でき、かつ、自動車用途のみならず船舶用途、
各種産業機械用途および航空機用途などの動力伝達シャ
フトとして好適に用いることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は金属パイプを示す斜視図である。
（ｂ）は繊維強化樹脂パイプを示す斜視図である。

【図２】（ａ）は繊維強化樹脂パイプを金属パイプに圧
入する過程を示す斜視図である。（ｂ）は繊維強化樹脂
パイプを圧入した金属パイプを示す斜視図である。
（ｃ）は両端部を絞り加工した金属パイプを示す斜視図
である。

【図３】（ａ）はスリット入り繊維強化樹脂パイプを示
す斜視図である。（ｂ）はスリット入り繊維強化樹脂パ
イプを金属パイプに圧入する過程を示す斜視図である。
（ｃ）はスリット入り繊維強化樹脂パイプを圧入した金
属パイプを示す斜視図である。（ｄ）はスリット入り繊
維強化樹脂パイプの自然状態を示す端面図である。
（ｅ）はスリット入り繊維強化樹脂パイプの縮径状態を
示す端面図である。

【図４】（ａ）はバイアス角付きのスリット入り繊維強
化樹脂パイプを示す斜視図である。（ｂ）はバイアス角
付きのスリット入り繊維強化樹脂パイプを金属パイプに
圧入する過程を示す斜視図である。（ｃ）はバイアス角
付きのスリット入り繊維強化樹脂パイプを圧入した金属
パイプを示す斜視図である。

【図５】（ａ）は軸方向溝付きのスリット入り繊維強化
樹脂パイプを示す斜視図である。（ｂ）は軸方向溝付き
のスリット入り繊維強化樹脂パイプを金属パイプに圧入
する過程を示す斜視図である。（ｃ）は軸方向溝付きの
スリット入り繊維強化樹脂パイプを圧入した金属パイプ
を示す斜視図である。

【図６】（ａ）は周方向溝付きのスリット入り繊維強化
樹脂パイプを示す斜視図である。（ｂ）は凹部付きのス
リット入り繊維強化樹脂パイプを示す斜視図である。

【図７】（ａ）は内径面に周方向溝を形成した金属パイ
プを示す斜視図である。（ｂ）は（ａ）の金属パイプを
示す縦断面図である。（ｃ）は繊維強化樹脂パイプを内
挿した金属パイプを示す斜視図である。（ｄ）は（ｃ）
の縦断面図である。

【図８】プロペラシャフトの一例を示す外観図である。

【図９】（ａ）はドライブシャフトの中間軸の一例を示
す正面図である。（ｂ）はドライブシャフトの中間軸の
他例を示す正面図である。

【符号の説明】

１１（１１ａ） 金属パイプ １２（１２ａ〜１２ｅ） 繊維強化樹脂パイプ（ＦＲＰ
パイプ） １４（１４ａ） スリット １５ 周方向強化繊維布 １６（１６ａ〜１６ｃ） 接着剤だまりを形成する部位 θ バイアス角

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中島 達雄 静岡県磐田市東貝塚1578番地 エヌティエ ヌ株式会社内 (72)発明者 松井 有人 静岡県磐田市東貝塚1578番地 エヌティエ ヌ株式会社内 (72)発明者 西本 敬 神奈川県相模原市宮下１丁目２番27号 旭 硝子マテックス株式会社内 (72)発明者 糸日谷 剛 神奈川県相模原市宮下１丁目２番27号 旭 硝子マテックス株式会社内 (72)発明者 浅井 肇 東京都港区港南１丁目６番41号 三菱レイ ヨン株式会社内 (72)発明者 高野 恒男 愛知県豊橋市牛川通４丁目１番２号 三菱 レイヨン株式会社内 Ｆターム(参考） 3D042 AA07 AB01 DA05 DA09 3J033 AA01 AB01 AB02 AC01 BA01 BA07 4F205 AD16 AG08 AH17 HA05 HA33 HB02 HC16 HC17 HL12 HL13 HT02 HT22

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 引抜き法により薄肉太径に成形された繊
   維強化樹脂パイプにおいて、その長手方向に繊維束が引
   き揃えられると共に、外面表層または内面表層の少なく
   とも一方に周方向強化繊維布を設けたことを特徴とする
   繊維強化樹脂パイプ。
2. 【請求項２】 周方向に縮径可能な長手方向のスリット
   を有し、金属パイプに内挿可能としたことを特徴とする
   請求項１に記載の繊維強化樹脂パイプ。
3. 【請求項３】 前記繊維束を構成する繊維の引張弾性率
   が１９６GPａ以上であることを特徴とする請求項１又は
   ２に記載の繊維強化樹脂パイプ。
4. 【請求項４】 前記繊維束を構成する繊維がＰＡＮ系炭
   素繊維であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれ
   かに記載の繊維強化樹脂パイプ。
5. 【請求項５】 前記周方向強化繊維布を構成する繊維の
   引張弾性率が５８．８ＧＰａ以上であることを特徴とす
   る請求項１乃至４のいずれかに記載の繊維強化樹脂パイ
   プ。
6. 【請求項６】 前記周方向強化繊維布の目付けが１００
   ｇ／ｍ²以上で６００ｇ／ｍ²以下であることを特徴とす
   る請求項１乃至５のいずれかに記載の繊維強化樹脂パイ
   プ。
7. 【請求項７】 前記周方向強化繊維布の肉厚が０．０５
   ｍｍ以上で１．０ｍｍ以下であることを特徴とする請求
   項１乃至６のいずれかに記載の繊維強化樹脂パイプ。
8. 【請求項８】 前記周方向強化繊維布を構成する繊維が
   ガラス繊維であることを特徴とする請求項１乃至７のい
   ずれかに記載の繊維強化樹脂パイプ。
9. 【請求項９】 前記周方向強化繊維布を構成する繊維が
   ＰＡＮ系炭素繊維であることを特徴とする請求項１乃至
   ７のいずれかに記載の繊維強化樹脂パイプ。
10. 【請求項１０】 金属製継手要素と金属パイプを接合し
    た動力伝達シャフトにおいて、請求項１乃至９のいずれ
    かに記載した繊維強化樹脂パイプが内挿されたことを特
    徴とする動力伝達シャフト。
11. 【請求項１１】 前記繊維強化樹脂パイプが２０層以下
    の積層構造を有することを特徴とする請求項１０に記載
    の動力伝達シャフト。
12. 【請求項１２】 前記繊維強化樹脂パイプが自然状態で
    外周の０．０１％以上で４０％以下の幅のスリットを有
    することを特徴とする請求項１０又は１１に記載の動力
    伝達シャフト。
13. 【請求項１３】 前記スリットが繊維強化樹脂パイプの
    軸方向を基準にして±３０°以内のバイアス角を有する
    ことを特徴とする請求項１２に記載の動力伝達シャフ
    ト。
14. 【請求項１４】 前記繊維強化樹脂パイプの外径を
    Ｄ₁、前記金属パイプの内径をＤ₂としたとき、Ｄ₁／Ｄ₂
    の値が１より大きく、かつ、１．３以下であることを特
    徴とする請求項１２又は１３に記載の動力伝達シャフ
    ト。
15. 【請求項１５】 前記繊維強化樹脂パイプが内挿された
    金属パイプの外周部を塑性加工により縮径させて繊維強
    化樹脂パイプと金属パイプを固定したことを特徴とする
    請求項１０乃至１４のいずれかに記載の動力伝達シャフ
    ト。
16. 【請求項１６】 前記繊維強化樹脂パイプと金属パイプ
    を接着剤により固定したことを特徴とする請求項１０乃
    至１５のいずれかに記載の動力伝達シャフト。
17. 【請求項１７】 前記繊維強化樹脂パイプの外周部に接
    着剤だまりを形成する部位を設けたことを特徴とする請
    求項１６に記載の動力伝達シャフト。
18. 【請求項１８】 前記金属パイプの内周部に接着剤だま
    りを形成する部位を設けたことを特徴とする請求項１６
    又は１７に記載の動力伝達シャフト。
19. 【請求項１９】 前記金属パイプの長さをＰＬ、前記繊
    維強化樹脂パイプの長さをＦＬとしたとき、ＦＬ／ＰＬ
    の値が０．１以上で１．０以下であることを特徴とする
    請求項１０乃至１８のいずれかに記載の動力伝達シャフ
    ト。
20. 【請求項２０】 前記金属パイプの肉厚をｔ₁、前記繊
    維強化樹脂パイプの肉厚をｔ₂としたとき、ｔ₂／ｔ₁の
    値が０．０１以上で１０以下であることを特徴とする請
    求項１０乃至１９のいずれかに記載の動力伝達シャフ
    ト。