JP7190614B1 - 推進軸用炭素繊維強化樹脂製筒体 - Google Patents

Abstract

高い曲げ剛性及び高い捩じり強度を備えることが可能な推進軸用炭素繊維強化樹脂製筒体を提供する。推進軸用炭素繊維強化樹脂製筒体としての繊維強化樹脂管体（３０Ａ）は、第一炭素繊維を有する第一炭素繊維強化樹脂層と、第二炭素繊維を有しており、第一炭素繊維強化樹脂層よりも強度が大きく、弾性率が小さい第二炭素繊維強化樹脂層と、を備え、第一炭素繊維は、筒体の長手方向に沿って延びるように配置されている。

Description

本発明は、例えば車両における動力伝達軸等として用いられる推進軸用炭素繊維強化樹脂製筒体に関する。

自動車用の推進軸として、前後に二分割されて、前後方向の中央付近に中間軸受を備えているものが一般的に用いられている。かかる推進軸においては、省エネルギーを目的として二分割構造から一本構造に変更し、中間軸受を廃止することにより軽量化を図る構成が知られている。この場合、推進軸の曲げ一次共振点を高めるために、筒体（鋼管）を大径化することが求められる。

推進軸は高い動力を伝達するとともに高速で回転するため、捩じり強度及び曲げ剛性を高めることが求められるが、特に曲げ剛性に関しては、推進軸の径を大径化することにより曲げ剛性を高めることが可能となる。しかし、鉄製のままで大径化すると推進軸の質量が増大してしまうため、推進軸を炭素繊維強化樹脂製とすることにより重量の増加を抑制する技術が公知である(例えば、特許文献1参照)。

炭素繊維強化樹脂製軸部材は、フィラメントワインディング（ＦＷ）工法を用いた成形によって形成される。この工法では、樹脂を含浸させた炭素繊維を一本ずつ芯部材に巻回して加熱することによって、軸部材が成形される。炭素繊維強化樹脂製軸部材の場合には、捩じり強度を高めるためには、炭素繊維を回転軸に対して傾斜して巻回することが効果的である。また、曲げ剛性を高めるためには、高弾性の炭素繊維を用いることが公知である(例えば、特許文献２参照)。

特開２００１－１５３１２６号公報 特公昭６１－４８７号公報

高弾性の炭素繊維としては、ＰＡＮ系と呼ばれるポリアクリロニトリル材料を原料としたものがあるが、コストが高くなると言う問題がある。また、曲げ剛性を高めるためには、回転軸と平行に炭素繊維を配置することが効果的であるが、このためには円周方向に沿って緻密に炭素繊維を配置することが必要となり、フィラメントワインディング工法では達成することができない。

一方、炭素繊維にマトリクス樹脂を含浸させたシート状の中間材料としたプリプレグを芯金上に配置したシートワインディング工法が公知である。この工法を用いて、プリプレグを芯金上に炭素繊維が回転軸方向に指向するように配置して成形すれば曲げ剛性を高めることは可能となるが、同材料はコストが高く、シートを一枚ずつ重ねて成形するため生産性が高くなく、推進軸のような製品ではレース用のみに限定されている。

本発明は、このような事情に鑑みて創作されたものであり、コストの上昇を招くことなく高い曲げ剛性及び高い捩じり強度を備えることが可能な推進軸用炭素繊維強化樹脂製筒体を提供することを課題とする。

本開示によれば、第一炭素繊維を有する第一炭素繊維強化樹脂層と、第二炭素繊維を有しており、前記第一炭素繊維強化樹脂層よりも強度が大きく、弾性率が小さい第二炭素繊維強化樹脂層と、を備え、前記第一炭素繊維は、筒体の長手方向に沿って延びるように配置されており、前記第二炭素繊維強化樹脂層は、前記第一炭素繊維強化樹脂層の径方向外側に設けられている、推進軸用炭素繊維強化樹脂製筒体が提供される。

本発明によると、コストの上昇を招くことなく高い曲げ剛性及び高い捩じり強度を備えることが可能な推進軸用炭素繊維強化樹脂製筒体を提供することができる。

本発明の第一の実施形態に係るマンドレルを模式的に示す断面図である。 本発明の第一の実施形態に係るマンドレルを用いて製造された動力伝達軸を模式的に示す図である。 本発明の第一の実施形態に係る動力伝達軸を模式的に示す断面図である。 本発明の第一の実施形態に係る動力伝達軸の製造方法を説明するための模式図であり、第一の炭素繊維層を模式的に示す図である。 本発明の第一の実施形態に係る動力伝達軸の製造方法を説明するための模式図であり、第二の炭素繊維層を模式的に示す図である。 本発明の第一の実施形態に係る動力伝達軸の製造方法を説明するための模式図であり、第三の炭素繊維層を模式的に示す図である。 本発明の第一の実施形態に係る動力伝達軸の製造方法を説明するためのフローチャートである。 本発明の第一の実施形態に係る動力伝達軸の製造方法を説明するための模式図である。 本発明の第二の実施形態に係る繊維強化樹脂管体における第一の炭素繊維層を模式的に示す図である。 本発明の第二の実施形態に係る繊維強化樹脂管体における第一の炭素繊維層を模式的に示す図である。 本発明の第三の実施形態に係る動力伝達軸の製造方法を説明するための模式図であり、第一の炭素繊維層を模式的に示す図である。 本発明の第三の実施形態に係る動力伝達軸の製造方法を説明するための模式図であり、第二の炭素繊維層を模式的に示す図である。 本発明の第三の実施形態に係る動力伝達軸の製造方法を説明するための模式図であり、第四の炭素繊維層を模式的に示す図である。 本発明の第三の実施形態に係る動力伝達軸の製造方法を説明するための模式図であり、第三の炭素繊維層を模式的に示す図である。 本発明の第三の実施形態に係る動力伝達軸の製造方法を説明するためのフローチャートである。

本発明の実施形態について、炭素繊維強化プラスチックによって、繊維強化樹脂管体の一例である車両の動力伝達軸（プロペラシャフト）を製造する場合を例にとり、図面を参照して詳細に説明する。以下の説明において、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また、参照する図面は、分かりやすさのためにデフォルメされている。

＜第一の実施形態＞
図１に示すように、第一の実施形態に係るマンドレル１は、繊維強化樹脂管体３０Ａ（図２参照）を製造するために用いられるものであって、マンドレル本体１０と、内嵌部材２０と、を備える。

≪マンドレル本体≫
マンドレル本体１０は、筒形状を呈する樹脂製部材である。本実施形態において、マンドレル本体１０は、繊維強化樹脂管体３０Ａの内部から除去されるが、繊維強化樹脂管体３０Ａの内部に残留して繊維強化樹脂管体３０Ａの芯材として機能することも可能である。マンドレル本体１０には、繊維強化樹脂管体３０Ａにおける樹脂硬化の際の加熱に耐えられる材料を用いることができる。そのような材料の例としては、ＰＰ（ポリプロピレン樹脂）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート樹脂）、ＳＭＰ（形状記憶ポリマー）等が挙げられる。マンドレル本体１０は、軸方向中間部の大径部１１と、軸方向一端部に形成される段部１２及び小径部１３と、軸方向他端部に形成されるテーパ部１４及び小径部１５と、を一体に備える。本実施形態において、小径部１５の軸方向他端部には、小径部１５よりも小径な突出部１６が形成されている。突出部１６は、第二の金属部材５０が外嵌される部位である。なお、マンドレル本体１０は、金属製部材であってもよい。また、金属製部材であるマンドレル本体１０は、繊維強化樹脂管体３０Ａの成形後に当該繊維強化樹脂管体３０Ａから抜き取られる構成であってもよい。

≪内嵌部材≫
内嵌部材２０は、マンドレル本体１０の軸方向他端部である小径部１３に内嵌される筒状の金属製部材である。内嵌部材２０は、小径部１３の径方向内側への変形を防止するものであって、マンドレル本体１０内に加圧用流体Ｆ（図８参照）（例えば、加圧された空気）を充填させるための流路２０ａが形成されている。本実施形態において、加圧用流体Ｆは、成形装置１００内においてマンドレル本体１０内を加圧して膨張させるためのものである。また、加圧用流体Ｆは、後記する成形装置１００内においてマンドレル本体１０の外周面に配置された熱硬化性樹脂（後記する樹脂３４）を硬化させるために加熱するための加熱用流体でもある。なお、マンドレル本体１０が金属製部材である場合には、内嵌部材２０は、マンドレル本体１０と一体化されることによって省略可能である。

＜動力伝達軸＞
図２及び図３に示すように、マンドレル１（図１参照）を用いて製造される動力伝達軸２は、車両において前後方向に延設され、動力源で発生した動力を軸線周りの回転として伝達する軸である。動力伝達軸２は、繊維強化樹脂管体３０Ａと、第一の金属部材４０と、第二の金属部材５０と、自在継手３，４と、を備える。繊維強化樹脂管体３０Ａは、当該繊維強化樹脂管体３０Ａの軸周りに回転することによって推進力を伝達する推進軸用炭素繊維強化樹脂製筒体である。

＜繊維強化樹脂管体＞
繊維強化樹脂管体３０Ａは、マンドレル本体１０の外周面に沿うように管状に形成された樹脂含有繊維層である。繊維強化樹脂管体３０Ａは、マンドレル本体１０の大径部１１、テーパ部１４及び小径部１５、第一の金属部材４０の軸方向他端部、並びに、第二の金属部材５０の軸方向一端部の外周面上に沿うように形成される。図４～図６に示すように、繊維強化樹脂管体３０Ａは、炭素繊維層として、径方向内側（マンドレル本体１０側）から順に、第一の炭素繊維層３１と、第二の炭素繊維層３２と、第三の炭素繊維層３３と、を備える。第二の炭素繊維層３２及び第三の炭素繊維層３３を構成する炭素繊維（第二炭素繊維）は、第一の炭素繊維層３１を構成する炭素繊維（第一炭素繊維）よりも強度が大きく、弾性率が小さい。なお、図４～図６において、炭素繊維層３１，３２，３３は、一部のみが図示されている。また、第一の金属部材４０の軸方向一端部（マンドレル本体１０とは反対側に位置する端部）の外周面、及び、第二の金属部材５０の軸方向他端部（マンドレル本体１０とは反対側に位置する端部）の外周面は、繊維強化樹脂管体３０Ａによって被覆されておらず、当該繊維強化樹脂管体３０Ａから突出している。

≪第一の炭素繊維層≫
図４に示すように、第一の炭素繊維層３１は、マンドレル本体１０等の外周面に対して、当該マンドレル本体１０を被覆するように設けられる複数の炭素繊維によって構成されている。より詳細には、複数の炭素繊維を帯状又は束状に纏めることによって、炭素繊維集合体が形成されているとともに、複数の炭素繊維集合体が位相を変えて設けられることによって、第一の炭素繊維層３１が形成されている。第一の炭素繊維層３１における炭素繊維は、マンドレル本体１０の軸線方向に対して平行に延設されている。すなわち、第一の炭素繊維層３１に関して、マンドレル本体１０の軸線Ｘに対する炭素繊維の配向角度は、０°である。

第一の炭素繊維層３１における炭素繊維（第一炭素繊維）は、ピッチ系炭素繊維である。第一の炭素繊維層３１は、樹脂３４が含浸されて硬化することによって、１層の第一炭素繊維強化樹脂層を構成する。第一の炭素繊維層３１及び樹脂３４によって構成される第一炭素繊維強化樹脂層は、第一炭素繊維が筒体（繊維強化樹脂管体３０Ａ）の長手方向に対して平行に配置されるストレート補強層である。第一の炭素繊維層３１（及び後記する第四の炭素繊維層３５）は、繊維強化樹脂管体３０Ａの固有値（固有振動数）及び曲げ剛性に寄与する。

第一の炭素繊維層３１（及び後記する第四の炭素繊維層３５）において、複数の第一炭素繊維は、周方向に等間隔に配置されている。隣り合う第一炭素繊維の間隔は、適宜設定可能である。繊維強化樹脂管体３０Ａは、周方向に隣り合う第一炭素繊維の間隔を小さく設定することによって、第一炭素繊維の数を増やし、繊維強化樹脂管体３０Ａの曲げ剛性を向上することができる。また、繊維強化樹脂管体３０Ａは、周方向に隣り合う第一炭素繊維の間隔を大きく設定することによって、第一炭素繊維の数を減らし、繊維強化樹脂管体３０Ａのコストを低減することができる。

≪第二の炭素繊維層≫
図５に示すように、第二の炭素繊維層３２は、第一の炭素繊維層３１の径方向外側に設けられており、第一の炭素繊維層３１を被覆するように設けられる複数の炭素繊維によって構成されている。より詳細には、複数の炭素繊維を帯状又は束状に纏めることによって、炭素繊維集合体が形成されているとともに、複数の炭素繊維集合体が位相を変えて設けられることによって、第二の炭素繊維層３２が形成されている。第二の炭素繊維層３２における炭素繊維は、マンドレル本体１０の軸線方向に対して４５°傾斜するように１周以上巻回され、マンドレル本体１０の軸線方向に対して螺旋状に延設されている。すなわち、第二の炭素繊維層３２に関して、マンドレル本体１０の軸線Ｘに対する炭素繊維の配向角度は、４５°である。

第二の炭素繊維層３２における炭素繊維（第二炭素繊維）は、ポリアクリロニトリル系炭素繊維である。第二の炭素繊維層３２は、樹脂３４が含浸されて硬化することによって、１層の第二炭素繊維強化樹脂層を構成する。第二の炭素繊維層３２及び樹脂３４によって構成される第二炭素繊維強化樹脂層は、第二炭素繊維が筒体（繊維強化樹脂管体３０Ａ）の長手方向に対して配向角度を有する第一のバイアス補強層である。第二の炭素繊維層３２は、繊維強化樹脂管体３０Ａの捩じり強度に寄与する。

≪第三の炭素繊維層≫
図６に示すように、第三の炭素繊維層３３は、第二の炭素繊維層３２の径方向外側に設けられており、第二の炭素繊維層３２を被覆するように設けられる複数の炭素繊維によって構成されている。より詳細には、複数の炭素繊維を帯状又は束状に纏めることによって、炭素繊維集合体が形成されているとともに、複数の炭素繊維集合体が位相を変えて設けられることによって、第三の炭素繊維層３３が形成されている。第三の炭素繊維層３３における炭素繊維は、マンドレル本体１０の軸線方向に対して－４５°傾斜するように１周以上巻回され、マンドレル本体１０の軸線方向に対して螺旋状に延設されている。すなわち、第三の炭素繊維層３３に関して、マンドレル本体１０の軸線Ｘに対する炭素繊維の配向角度は、－４５°である。

第三の炭素繊維層３３における炭素繊維（第二炭素繊維）は、ポリアクリロニトリル系炭素繊維である。第三の炭素繊維層３３は、樹脂３４が含浸されて硬化することによって、１層の第二炭素繊維強化樹脂層を構成する。第三の炭素繊維層３３及び樹脂３４によって構成される第二炭素繊維強化樹脂層は、第二炭素繊維が筒体（繊維強化樹脂管体３０Ａ）の長手方向に対して第一のバイアス補強層とは反対側の配向角度を有する第二のバイアス補強層である。第三の炭素繊維層３３は、繊維強化樹脂管体３０Ａの捩じり強度に寄与する。

第一の炭素繊維層３１（及び、後記する第四の炭素繊維層３５）における第一炭素繊維は、第二炭素繊維と比較して低強度かつ高弾性率であり、例えば、引張弾性率が４２０ＧＰａ以上、引張強度が２６００ＭＰａ以上に設定されることが望ましい。また、第二の炭素繊維層３２及び第三の炭素繊維層３３における第二炭素繊維は、第一炭素繊維と比較して高強度かつ低弾性率であり、例えば、引張強度が３５００～７０００ＭＰａ、引張弾性率が２３０～３２４ＧＰａに設定されることが望ましい。

図２及び図３に示すように、繊維強化樹脂管体３０Ａは、軸方向一端部側に、軸方向中央側の大径部３０ａから軸方向一端部の小径部３０ｃに向かうにつれて縮径するテーパ部３０ｂが形成されている。大径部３０ａは、マンドレル本体１０の大径部１１の外周面に倣う形状を呈する本体部である。テーパ部３０ｂは、マンドレル本体１０のテーパ部１４の外周面に倣う形状を呈する。小径部３０ｃは、マンドレル本体１０の小径部１５及び第二の金属部材５０の一部の外周面に倣う形状を呈する端部である。

＜第一の金属部材＞
第一の金属部材４０は、略円筒形状を呈する部材である。図５等に示すように、製造途中段階において、第一の金属部材４０は、マンドレル本体１０に嵌合（外嵌）されている。

第一の金属部材４０は、動力伝達軸２における自在継手（ヨーク組立体）３の一部材である。自在継手３は、かかる第一の金属部材４０に対して、スパイダー、ニードルベアリング及びヨーク本体を組み付けることによって形成される。

＜第二の金属部材＞
第二の金属部材５０は、略円柱形状を呈する部材（シャフト）である。図５等に示すように、製造途中段階において、第二の金属部材５０は、マンドレル本体１０に嵌合（外嵌）されている。

図１に示すように、第二の金属部材５０の軸方向一端部には、マンドレル本体１０の突出部１６が挿入可能な有底の孔部５０ａが形成されている。

第二の金属部材５０は、動力伝達軸２における自在継手４（プランジジョイント組立体）の一部材である。自在継手４は、かかる第二の金属部材５０に対して、ブーツ及びプランジジョイント本体を組み付けることによって形成される。

＜製造方法＞
続いて、本発明の第一の実施形態に係るマンドレル１を用いた動力伝達軸２の製造方法について、図７のフローチャートを用いて説明する。動力伝達軸２の製造方法は、マンドレル本体形成工程（ステップＳ１）と、マンドレル本体形成工程の後に実行される内嵌部材設置工程（ステップＳ２）と、内嵌部材設置工程の後に実行される第一連結工程（ステップＳ３）と、第一連結工程の後に実行される第二連結工程（ステップＳ４）と、を含む。また、動力伝達軸２の製造方法は、第二連結工程の後に実行される繊維設置工程（ステップＳ５Ａ～Ｓ５Ｃ）と、繊維設置工程の後に実行される金型内設置工程（ステップＳ６）と、を含む。また、動力伝達軸２の製造方法は、金型内設置工程の後に実行される膨張工程（ステップＳ７）と、膨張工程の後に実行される成型工程（ステップＳ８）と、を含む。また、動力伝達軸２の製造方法は、成型工程の後に実行される取出工程（ステップＳ９）と、取出工程の後に実行されるジョイント組付工程（ステップＳ１０）と、を含む。

ステップＳ１は、図１に示される樹脂製のマンドレル本体１０を図示しない成形装置を用いて形成する工程である。

ステップＳ１に続いて、ステップＳ２で、内嵌部材２０をマンドレル本体１０の小径部１３に圧入して内嵌させる。圧入の際には、内嵌部材２０の外周面と小径部１３の外周面との間に潤滑剤を塗布してもよい。なお、ステップＳ２は、ステップＳ８の前までに実行されればよい。

ステップＳ２に続いて、ステップＳ３で、マンドレル本体１０の軸線方向一端部に第一の金属部材４０を設ける。ステップＳ３では、第一の金属部材４０は、マンドレル本体１０の段部１２に嵌合（外嵌）される。

ステップＳ３に続いて、ステップＳ４で、マンドレル本体１０の軸線方向他端部に第二の金属部材５０を設ける。ステップＳ４において、第二の金属部材５０は、マンドレル本体１０の突出部１６に嵌合（内嵌）される。ここで、ステップＳ３，Ｓ４の順番は、適宜変更可能であり、ステップＳ４が先でもよく、同時であってもよい。

ステップＳ４に続いて、ステップＳ５Ａで、図４に示すように、第一の炭素繊維層３１がマンドレル本体１０、第一の金属部材４０及び第二の金属部材５０の外周面上に形成される。ステップＳ５Ａに続いて、ステップＳ５Ｂで、図５に示すように、第二の炭素繊維層３２がマンドレル本体１０、第一の金属部材４０及び第二の金属部材５０における第一の炭素繊維層３１の外周面上に形成される。ステップＳ５Ｂに続いて、ステップＳ５Ｃで、図６に示すように、第三の炭素繊維層３３がマンドレル本体１０、第一の金属部材４０及び第二の金属部材５０における第二の炭素繊維層３２の外周面上に形成される。ステップＳ５Ａ～Ｓ５Ｃにおいて、第一の金属部材４０及び第二の金属部材５０のそれぞれの軸方向におけるマンドレル１０とは反対側に位置する端部には、それぞれの繊維が配置されないように炭素繊維層３１～３３が形成される。

ステップＳ５Ａ～Ｓ５Ｃにおいて、炭素繊維層３１～３３は、樹脂が含浸された繊維ではなく、いわゆる生糸である。また、炭素繊維層３１～３３は、多給糸フィラメントワインディング法によってマンドレル本体１０、第一の金属部材４０及び第二の金属部材５０の軸線方向他端部の外周面上に同時進行的に配置される。多給糸フィラメントワインディング法によって給糸された炭素繊維層３１～３３は、互いに織り込まれることなく層として独立した、いわゆるノンクリンプ構造を呈する。

ステップＳ５Ａ～Ｓ５Ｃにおいて、炭素繊維層３１～３３は、図示しない装置によってマンドレル本体１０等の外周面上に配置される。かかる装置は、炭素繊維層３１～３３の配向角度を適宜設定変更可能である。なお、炭素繊維層３１～３３は、前記装置によって一体的な筒状を構成するように配置されてから、マンドレル本体１０等の外周面上に配置される構成であってもよい。

（単給糸）フィラメントワインディング法では、放射状に延びる複数のピンを有する治具をマンドレルの両端部に配置し、1本の炭素繊維をピンに係止した状態でマンドレルの外周面上に巻回することを繰り返すことによって、繊維層を形成する。そのため、（単給糸）フィラメントワインディング法では、マンドレル本体１０等に巻回されずに１周未満で配置する必要がある炭素繊維層３１を、マンドレル本体１０等の外周面上に好適に保持することができないおそれがある。

これに対し、多給糸フィラメントワインディング法では、炭素繊維層３１～３３のそれぞれに関して、複数の炭素繊維によって筒状の層を構成するように配置した状態で、当該筒状の層にマンドレル本体１０等を挿通させる（又は、マンドレル本体１０等に当該筒状の層を外嵌させる）。また、多給糸フィラメントワインディング法では、炭素繊維層３１～３３を同時進行的に形成することができる。したがって、多給糸フィラメントワインディング法では、マンドレル本体１０等に巻回されずに１周未満で配置する必要がある炭素繊維層３１を径方向外側の炭素繊維層３２，３３によってマンドレル本体１０等の外周面上に好適に保持することができる。

ステップＳ５Ｃに続いて、ステップＳ６で、図８に示すように、マンドレル１、第一の金属部材４０、第二の金属部材５０及び各炭素繊維層３１～３３の組立体を、成形装置（金型）１００内に設置する。

ステップＳ６に続いて、ステップＳ７で、マンドレル本体１０を膨張させる。図８に示すように、第一実施形態での成形装置１００においては、流路２０ａを介してマンドレル本体１０の内側に連通するように、連通路１０４が設けられている。ステップＳ７では、不図示の供給装置に連結された連通路１０４を介して、マンドレル本体１０の中空部に加圧用流体Ｆ（例えば、加圧された１４０℃以上の空気）を充填させる。高温の加圧用流体Ｆによって加熱されたマンドレル本体１０は、樹脂３４が硬化する温度よりも低い温度（変態温度である８０℃）になると軟化し、加圧用流体Ｆによって内部から加圧され、成形装置１００の内周面に倣うように膨張変形する。かかる加圧により、充填された樹脂３４によってマンドレル本体１０が縮径方向に変形することを防止することができる。また、かかる加圧により、樹脂３４の充填量を抑制し、完成品である繊維強化樹脂管体３０Ａの重量増加を防止することができる。

ステップＳ７に続いて、当該成形装置１００内に樹脂３４が供給される。これにより、マンドレル本体１０の外周面に配置された炭素繊維層３１～３３に樹脂３４が含浸される。さらに、成形装置１００に熱を加えることによって樹脂３４を硬化させ、繊維強化樹脂管体３０Ａが形成されるとともに、繊維強化樹脂管体３０Ａ、第一の金属部材４０及び第二の金属部材５０が一体成型される（ステップＳ８、成型工程）。樹脂４４は、例えば熱硬化性樹脂である。本実施形態において、成形装置１００の金型は、複数に分割されている。ステップＳ９では、前記組立体に熱が加えられるとともに、成形装置１００の金型を閉じる型閉じ操作を行い、続いて、閉じた金型に圧力を印加する型締め操作を行うことにより、金型内の圧力を上昇させることで、樹脂３４の硬化が促進される。なお、本実施形態では金型が複数に分割されている構成で説明しているため、型閉じ操作及び型締め操作が行われているが、型締め操作は、必須ではない。また、金型が複数に分割されていない場合には、かかる型閉じ操作及び型締め操作は、必須ではない。成形装置１００内において、溶融状態の樹脂３４が導入されるゲート１０１の出口側には空間（樹脂だまり１０２）が形成されている。成形装置１００内に導入された樹脂３４は、炭素繊維層３１～３３の軸方向他端部の側方に位置する当該樹脂だまり１０２に貯留される。樹脂だまり１０２に貯留された樹脂３４は、炭素繊維層３１～３３の配列方向においてゲート１０１とは反対側（炭素繊維層３１～３３の軸方向一端部の外周面側）に形成された吸引口１０３からの真空吸引によって、マンドレル本体１０の軸線方向に移動し、炭素繊維層３１～３３に含浸する。樹脂３４が炭素繊維層３１～３３に含浸した状態で、成形装置１００に熱が加えられ、さらに、成形装置１００内に圧力が加えられることによって、繊維強化樹脂管体４０Ａが形成される。

ステップＳ８に続いて、ステップＳ９で、成形された組立体すなわち中間体が成形装置１００から取り出される。ステップＳ９に続いて、ステップＳ１０で、中間体の第一の金属部材４０に自在継手３を取り付けるとともに、第二の金属部材５０に自在継手４を取り付ける。

なお、ステップＳ９とステップＳ１０との間に、マンドレル抜き取り工程を実行することが考えられる。このマンドレル抜き取り工程は、第一の金属部材４０の端部開口側から繊維強化樹脂管体３０Ａの外側にマンドレル１を取り出す工程である。この際、マンドレル１は、使用される材料に応じた方法にしたがって、例えば変形され、溶融され、分解され、破壊され、又は溶出されることによって繊維強化樹脂管体３０Ａの内側から取り出される。これにより、動力伝達軸２の軽量化が達成されることとなる。

また、マンドレル１を変形させて第一の金属部材４０の端部開口側から取り出す場合には、例えばマンドレル本体１０の中空部を減圧することで前記の端部開口よりもマンドレル１を小さくなるように収縮させて繊維強化樹脂管体３０Ａから抜き取る方法を採用することができる。

マンドレル抜き取り工程を行う際には、不図示の真空ポンプに連結された連通路１０４を介して、マンドレル本体１０の中空部を減圧することができる。

このようなマンドレル抜き取り工程は、例えば熱可塑性樹脂からなるマンドレル本体１０を加熱等により可塑化することでより好適に実施することができる。また、例えばダイヤカットを施したアルミニウム薄板からなるマンドレル本体１０についても好適に実施することができる。

本発明の第一の実施形態に係る繊維強化樹脂管体３０Ａは、第一炭素繊維を有する第一炭素繊維強化樹脂層と、第二炭素繊維を有しており、前記第一炭素繊維強化樹脂層よりも強度が大きく、弾性率が小さい第二炭素繊維強化樹脂層と、を備え、前記第一炭素繊維は、筒体の長手方向に沿って延びるように配置されている。
したがって、繊維強化樹脂管体３０Ａは、比較的高弾性の第一炭素繊維が筒体の長手方向に沿って延びるように設けられていることによって、他の層の炭素繊維を比較的低弾性の第二炭素繊維とすることが可能となり、コストの上昇を招くことなく高い曲げ剛性及び高い捩じり剛性を確保することができる。

繊維強化樹脂管体３０Ａは、前記第一炭素繊維強化樹脂層として、少なくとも１層のピッチ系炭素繊維を有する炭素繊維強化樹脂層と、前記第二炭素繊維強化樹脂層として、少なくとも２層のポリアクリロニトリル径炭素繊維を有する炭素繊維強化樹脂層と、を備える。
したがって、繊維強化樹脂管体３０Ａは、第二炭素繊維としてのＰＡＮ系繊維を高弾性とする必要がなくなるため、高い曲げ剛性及び高い捩じり剛性の確保及び低コスト化を好適に実現することができる。

繊維強化樹脂管体３０Ａにおいて、前記第二炭素繊維強化樹脂層は、前記第一炭素繊維強化樹脂層の径方向外側に設けられている。
したがって、繊維強化樹脂管体３０Ａは、製造段階において第二炭素繊維が第一炭素繊維を外周側から強固に保持することによって、製造性を向上することができる。また、繊維強化樹脂管体３０Ａは、第一炭素繊維強化樹脂層が第二炭素繊維強化樹脂層よりも径方向内側に設けられているので、小さい断面積（少ない繊維）、すなわち、低コストで高い曲げ剛性を確保することができる。

繊維強化樹脂管体３０Ａにおいて、前記第一炭素繊維強化樹脂層は、多給糸フィラメントワインディング法によって積層されている、
したがって、繊維強化樹脂管体３０Ａは、製造段階において第一炭素繊維及び第二炭素繊維のそれぞれに関して、円周方向に並べて配置される複数の炭素繊維を一度の工程で配置することが可能であるとともに、第一炭素繊維を第二炭素繊維と同時進行的に配置することができるので、製造性を向上することができる。

また、前記第二炭素繊維強化樹脂層は、前記第二炭素繊維が筒体の長手方向に対して配向角度を有する第一のバイアス補強層と、前記第一のバイアス補強層の径方向外側に設けられており、前記第二炭素繊維が筒体の長手方向に対して前記第一のバイアス補強層とは反対側の配向角度を有する第二のバイアス補強層と、を備え、前記第一炭素繊維強化樹脂層は、前記第一炭素繊維が筒体の長手方向に対して平行に配置されるストレート補強層である。
したがって、ストレート補強層によって高い曲げ剛性を確保するとともに、２つのバイアス補強層によって両方向の捩じり強度を確保することができる。

繊維強化樹脂管体３０Ａにおいて、前記第一炭素繊維は、周方向に等間隔に配置されている。
したがって、繊維強化樹脂管体４０Ａは、周方向に対して均等な曲げ剛性を実現することができる。

＜第二の実施形態＞
続いて、本発明の第二の実施形態に係る繊維強化樹脂管体について、第一の実施形態に係る繊維強化樹脂管体３０Ａとの相違点を中心に説明する。

図９に示すように、本発明の第二の実施形態に係る繊維強化樹脂管体３０Ｂにおいて、第一の炭素繊維層３１における第一炭素繊維は、マンドレル本体１０の軸線方向に対して傾斜している（角度θ）。第一の炭素繊維層３１における第一炭素繊維の傾斜角度は、筒体（繊維強化樹脂管体３０Ｂ）に供される最大回転速度（例えば、動力伝達軸２が適用された車両の前進時における最大回転速度）によって当該筒体に作用する捩じりトルクによって減少し、筒体の長手方向に対する平行に近づくように設定されている。すなわち、第一の炭素繊維層３１に関して、マンドレル本体１０の軸線Ｘに対する炭素繊維の配向角度は、好ましくは、筒体に最大回転速度が供された状態で、０°である（図１０参照）。

本発明の第二の実施形態に係る繊維強化樹脂管体３０Ｂにおいて、前記第二炭素繊維強化樹脂層は、前記第二炭素繊維が筒体の長手方向に対して配向角度を有する第一のバイアス補強層と、前記第一のバイアス補強層の径方向外側に設けられており、前記第二炭素繊維が筒体の長手方向に対して前記第一のバイアス補強層とは反対側の配向角度を有する第二のバイアス補強層と、を備え、前記第一炭素繊維強化樹脂層は、前記第一炭素繊維が筒体の長手方向に対して傾斜して配置されており、前記第一炭素繊維強化樹脂層の傾斜角度は、筒体に供される最大回転速度によって当該筒体に作用する捩じりトルクによって減少し、筒体の長手方向に対する平行に近づくように設定されている。
したがって、繊維強化樹脂管体３０Ｂは、最大回転速度において所望の曲げ剛性を実現することができるので、耐久信頼性を向上することができる。

＜第三の実施形態＞
続いて、本発明の第三の実施形態に係る動力伝達軸について、第一及び第二の実施形態に係る繊維強化樹脂管体３０Ａ，３０Ｂとの相違点を中心に説明する。

図１１～図１４に示すように、本発明の第三の実施形態に係る繊維強化樹脂管体３０Ｃは、第一の炭素繊維層３１、第二の炭素繊維層３２及び第三の炭素繊維層３３に加えて、第四の炭素繊維層３５をさらに備える。

≪第四の炭素繊維層≫
図１１～図１４（特に、図１３）に示すように、第四の炭素繊維層３５は、第二の炭素繊維層３２の径方向外側かつ第三の炭素繊維層３３の径方向内側に設けられており、第二の炭素繊維層３２を被覆するように設けられる複数の炭素繊維によって構成されている。より詳細には、複数の炭素繊維を帯状又は束状に纏めることによって、炭素繊維集合体が形成されているとともに、複数の炭素繊維集合体が位相を変えて設けられることによって、第四の炭素繊維層３５が形成されている。第四の炭素繊維層３５における炭素繊維は、マンドレル本体１０の軸線方向に対して平行に延設されている。すなわち、第四の炭素繊維層３５に関して、マンドレル本体１０の軸線Ｘに対する炭素繊維の配向角度は、０°である。

第四の炭素繊維層３５における炭素繊維（第一炭素繊維）は、ピッチ系炭素繊維である。第四の炭素繊維層３５は、樹脂３４（図８参照）が含浸されて硬化することによって、１層の第一炭素繊維強化樹脂層を構成する。第四の炭素繊維層３５及び樹脂３４によって構成される第一炭素繊維強化樹脂層は、第一炭素繊維が筒体（繊維強化樹脂管体３０Ｃ）の長手方向に対して平行に配置されるストレート補強層である。第四の炭素繊維層３５において、複数の第一炭素繊維は、周方向に等間隔に配置されている。

繊維強化樹脂管体３０Ｃにおいて、第一の炭素繊維層３１及び／又は第四の炭素繊維層３５における第一炭素繊維は、第二の実施形態に係る繊維強化樹脂管体３０Ｂの第一の炭素繊維層３１における第一炭素繊維と同様に、マンドレル本体１０の軸線方向に対して傾斜している構成であってもよい。

＜製造方法＞
続いて、本発明の第一の実施形態に係るマンドレル１を用いた動力伝達軸２（繊維強化樹脂管体３０Ｃ）の製造方法について、図１５のフローチャートを用いて説明する。

本製造方法では、ステップＳ５Ａで、図１１に示すように、第一の炭素繊維層３１がマンドレル本体１０、第一の金属部材４０及び第二の金属部材５０の外周面上に形成される。ステップＳ５Ａに続いて、ステップＳ５Ｂで、図１２に示すように、第二の炭素繊維層３２がマンドレル本体１０、第一の金属部材４０及び第二の金属部材５０における第一の炭素繊維層３１の外周面上に形成される。ステップＳ５Ｂに続いて、ステップＳ５Ｄで、図１３に示すように、第四の炭素繊維層３５がマンドレル本体１０、第一の金属部材４０及び第二の金属部材５０における第二の炭素繊維層３２の外周面上に形成される。ステップＳ５Ｄに続いて、ステップＳ５Ｃで、図１４に示すように、第三の炭素繊維層３３がマンドレル本体１０、第一の金属部材４０及び第二の金属部材５０における第四の炭素繊維層３５の外周面上に形成される。第四の炭素繊維層３５は、多給糸フィラメントワインディング法によって、他の炭素繊維層３１，３２，３３と同時進行的に、ノンクリンプ構造で配置される。

本製造方法では、ステップＳ８で、第一の炭素繊維層３１、第二の炭素繊維層３２、第四の炭素繊維層３５及び第三の炭素繊維層３３に樹脂３４（図８参照）を含浸させて硬化させる。

本発明の第三の実施形態に係る繊維強化樹脂管体３０Ｃは、単に第一の炭素繊維層３１を厚くする場合と比較して、例えば繊維強化樹脂管体３０Ｃの厚みを変えることなく、固有振動数（曲げ一次共振点）を異なる値に好適に設定することができる。また、繊維強化樹脂管体３０Ｃは、第一の炭素繊維層３１及び第四の炭素繊維層３５の厚みを適宜変更することによって、所望の固有振動数を実現することができる。また、繊維強化樹脂管体３０Ｃは、第一の炭素繊維層３１に加えて第四の炭素繊維層３５を設けることによって、いわゆるストレート層の厚みの合計を大きくし、高い曲げ剛性をより好適に確保することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変形可能である。例えば、マンドレル本体１０の大径部（本体部）１１は、当該大径部１１の中央部から両端部に向かうにつれて径が小さくなる樽形状に膨張してもよく、軸方向にわたって同一径の円筒形状に膨張してもよい。かかる膨張形状は、成型装置（金型）１００において大径部１１が設置される部位の内周面の形状によって適宜設定可能である。また、マンドレル本体１０内に流入されて充填される流体は、マンドレル本体１０内を加圧するのに加えて、マンドレル本体１０の外周面に配置された熱硬化性樹脂を硬化させるために加熱するためのものであってもよい。なお、かかる流体が加熱を行わない加圧用流体である場合には、熱硬化性樹脂は、別の熱源によって加熱される。

また、ステップＳ９，Ｓ１０の間にマンドレル１を成形された繊維強化樹脂管体３０Ａから抜き出す構成であってもよい。また、マンドレル本体１０は、ステップＳ８における樹脂４４や成形装置（金型）１００の熱によって溶融して除去される構成であってもよい。その他の熱、電気、振動等のエネルギーによってマンドレル本体１０を溶融して除去することも可能である。また、各炭素繊維層３１～３３は、互いに織り込まれた、いわゆるクリンプ構造を呈してもよい。また、変形例として、繊維体は、炭素繊維に限定されず、樹脂層を強化可能な繊維部材（例えば、ガラス繊維、セルロース繊維等）であればよい。

１ マンドレル
１０ マンドレル本体
３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ 繊維強化樹脂管体（推進軸用炭素繊維強化樹脂製筒体）
３１ 第一の炭素繊維層（第一炭素繊維、第一炭素繊維強化樹脂層、ストレート補強層）
３２ 第二の炭素繊維層（第二炭素繊維、第二炭素繊維強化樹脂層、第一のバイアス補強層）
３３ 第三の炭素繊維層（第二炭素繊維、第二炭素繊維強化樹脂層、第二のバイアス補強層）
３４ 樹脂
３５ 第四の炭素繊維層（第一炭素繊維、第一炭素繊維強化樹脂層、ストレート補強層）

Claims (6)

1. 第一炭素繊維を有する第一炭素繊維強化樹脂層と、
   第二炭素繊維を有しており、前記第一炭素繊維強化樹脂層よりも強度が大きく、弾性率が小さい第二炭素繊維強化樹脂層と、
   を備え、
   前記第一炭素繊維は、筒体の長手方向に沿って延びるように配置されており、
   前記第二炭素繊維強化樹脂層は、前記第一炭素繊維強化樹脂層の径方向外側に設けられている、
   推進軸用炭素繊維強化樹脂製筒体。
2. 前記第一炭素繊維強化樹脂層として、少なくとも１層のピッチ系炭素繊維を有する炭素繊維強化樹脂層と、
   前記第二炭素繊維強化樹脂層として、少なくとも２層のポリアクリロニトリル系炭素繊維を有する炭素繊維強化樹脂層と、
   を備える請求項１に記載の推進軸用炭素繊維強化樹脂製筒体。
3. 前記第一炭素繊維強化樹脂層は、多給糸フィラメントワインディング法によって積層されている、
   請求項１に記載の推進軸用炭素繊維強化樹脂製筒体。
4. 前記第二炭素繊維強化樹脂層は、
   前記第二炭素繊維が筒体の長手方向に対して配向角度を有する第一のバイアス補強層と、
   前記第一のバイアス補強層の径方向外側に設けられており、前記第二炭素繊維が筒体の長手方向に対して前記第一のバイアス補強層とは反対側の配向角度を有する第二のバイアス補強層と、
   を備え、
   前記第一炭素繊維強化樹脂層は、前記第一炭素繊維が筒体の長手方向に対して平行に配置されるストレート補強層である、
   請求項２に記載の推進軸用炭素繊維強化樹脂製筒体。
5. 前記第二炭素繊維強化樹脂層は、
   前記第二炭素繊維が筒体の長手方向に対して配向角度を有する第一のバイアス補強層と、
   前記第一のバイアス補強層の径方向外側に設けられており、前記第二炭素繊維が筒体の長手方向に対して前記第一のバイアス補強層とは反対側の配向角度を有する第二のバイアス補強層と、
   を備え、
   前記第一炭素繊維強化樹脂層は、前記第一炭素繊維が筒体の長手方向に対して傾斜して配置されており、
   前記第一炭素繊維強化樹脂層の傾斜角度は、筒体に供される最大回転速度によって当該筒体に作用する捩じりトルクによって減少し、筒体の長手方向に対する平行に近づくように設定されている、
   請求項２に記載の推進軸用炭素繊維強化樹脂製筒体。
6. 前記第一炭素繊維は、周方向に等間隔に配置されている、
   請求項１に記載の推進軸用炭素繊維強化樹脂製筒体。

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