JP7231787B2

JP7231787B2 - 管体製造方法

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Publication number: JP7231787B2
Application number: JP2022508019A
Authority: JP
Inventors: 貴博中山; 健一森; 一希大田
Original assignee: Hitachi Astemo Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2020-03-19
Filing date: 2020-03-19
Publication date: 2023-03-01
Anticipated expiration: 2040-03-19
Also published as: WO2021186736A1; CN115003494A; DE112020006110T5; JPWO2021186736A1; US20220379570A1

Description

本発明は、例えば車両の動力伝達軸として用いられる管体の製造方法に関する。

車両に搭載される動力伝達軸（プロペラシャフト）は、車両の前後方向に延在する管体を備え、この管体により原動機で発生し変速機で減速された動力を終減速装置に伝達している。このような動力伝達軸に用いられる管体として、マンドレルを利用して製造された繊維強化プラスチック製のものがある（下記特許文献１参照）。

特開平３－２６５７３８号公報

ところで、マンドレルに材料を巻き付ける方法として、樹脂を含浸した連続繊維を巻き付けるフィラメントワインディング法と、プリプレグ（繊維に樹脂を含浸させてなるシート）を巻き付けるシートワインディング法が挙げられる。ここで、フィラメントワインディング法は、安価で製造できるもののマンドレルの軸方向に沿って繊維を配向すること、言い換えると管体の軸方向に繊維を配向することが難しい。一方で、シートワインディング法は、マンドレルの軸方向に繊維を配向させることができるが、製造コストがかかってしまう。

ここで、マンドレルにおいて繊維が設けられる軸線方向寸法をＬ、マンドレルの外周面の半径をｒ、マンドレルに対する繊維の配光角度をθとする（図１参照）。配向角度θが小さい（ｔａｎθ＜｜２πｒ／Ｌ｜）場合には、繊維をマンドレルに対して１周以上巻回することができないため、重力によって繊維がマンドレルから離間するおそれがある。

本発明は、このような問題を解決するために創作されたものであり、製造コストを抑えつつ、繊維体の配向角度が小さい場合でも繊維体のずれを抑えることが可能な管体製造方法を提供することを課題とする。

前記した課題を解決するために、本発明の管体製造方法は、繊維体を、マンドレルの外周面に対して当該マンドレルの軸線方向に伸びるように配置する配置ステップと、前記マンドレルの外周面上において、樹脂を前記繊維体に含浸させ、含浸した前記樹脂を加熱することによって成形する成形ステップと、を含み、前記配置ステップ及び前記成形ステップが、前記マンドレルの軸線方向が上下方向となる状態で行われることを特徴とする。

本発明によると、製造コストを抑えつつ、繊維体の配向角度が小さい場合でも繊維体のずれを抑えることができる。

本発明の第一の実施形態に係る管体中間体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マンドレル及び管体中間体における第一の炭素繊維層を模式的に示す図である。本発明の第一の実施形態に係る管体中間体における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管体を製造するための成形装置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管体中間体を用いて製造された管体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管体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管体の一例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管体中間体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管体製造方法を説明するためのフローチャートである。（ａ）は、本発明の第三の実施形態に係る管体中間体を模式的に示す図、（ｂ）は、管体中間体における固定部材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管体中間体を用いて製造された管体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管体製造方法を説明するためのフローチャートである。（ａ）は、本発明の第四の実施形態に係る管体中間体を模式的に示す図、（ｂ）は、管体中間体における固定部材を模式的に示す図である。本発明の第五の実施形態に係る管体中間体を模式的に示す図である。

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車両の動力伝達軸（プロペラシャフト）を管体として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たものであり、各部材の寸法等（例えば、図４及び図７における継手２２，２３の形状等）を正確に表したものではない。

＜第一の実施形態＞
図１に示す管体中間体１０Ａは、マンドレル１（図２参照）の外周面に炭素繊維層を設けることによって形成される。図２に示すように、マンドレル１は、円筒形状を呈する金属製部材である。本発明において、マンドレル１は、管体中間体１０Ａを経由して管体２０Ａ（図６参照）が製造されるまで、当該マンドレル１の軸線方向が上下方向となる姿勢（いわゆる縦置き）で用いられる。

＜管体中間体＞
図１に示すように、本発明の第一の実施形態に係る管体中間体１０Ａは、後記する管体２０（図５参照）を製造する途中段階で形成される、複数の炭素繊維層が積層された円筒状の部材である。管体中間体１０Ａは、径方向内側（マンドレル１側）から順に、第一の炭素繊維層１１（図２参照）と、第二の炭素繊維層１２（図３参照）と、第三の炭素繊維層１３と、を備える。なお、図１～図３において、各炭素繊維層１１，１２，１３は、一部のみが図示されている。

≪第一の炭素繊維層≫
図２に示すように、第一の炭素繊維層１１は、マンドレル１の外周面に対して、当該マンドレル１を被覆するように設けられる複数の炭素繊維１１ａによって構成されている。第一の炭素繊維層１１における炭素繊維１１ａは、マンドレル１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１の軸線方向に対して螺旋状に延設されている。すなわち、マンドレル１の軸線Ｘに対する炭素繊維１１ａの配向角度θは、４５°である。

≪第二の炭素繊維層≫
図３に示すように、第二の炭素繊維層１２は、第一の炭素繊維層１１の径方向外側に設けられており、第一の炭素繊維層１１を被覆するように設けられる複数の炭素繊維１２ａによって構成されている。第二の炭素繊維層１２における炭素繊維１２ａは、マンドレル１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１の軸線方向に対して螺旋状に延設されている。すなわち、マンドレル１の軸線Ｘに対する炭素繊維１２ａの配向角度θは、－４５°である。

≪第三の炭素繊維層≫
図１に示すように、第三の炭素繊維層１３は、第二の炭素繊維層１２の径方向外側に設けられており、第二の炭素繊維層１２を被覆するように設けられる複数の炭素繊維１３ａによって構成されている。第三の炭素繊維層１３における炭素繊維１３ａは、マンドレル１の軸線方向に対して平行に延設されている。すなわち、マンドレル１の軸線Ｘに対する炭素繊維１３ａの配向角度θは、０°である。また、炭素繊維１３ａの長さは、マンドレル１のうち、各装置で把持される部位である両端部を除いた部位の軸線方向寸法Ｌと等しい。

＜管体製造方法＞
続いて、第一の実施形態に係る管体中間体１０Ａを経由する管体の製造方法について、図６のフローチャートを用いて説明する。

まず、マンドレル１の軸線方向一端部に継手（スタブヨーク又はスタブシャフト）２２（図４参照）を設ける（ステップＳ１、継手設置ステップ）。続いて、図２に示すように、図示しない装置によって、第一の炭素繊維層１１が縦置きのマンドレル１の外周面上に形成される（ステップＳ２、第一の炭素繊維層形成ステップ）。続いて、図３に示すように、図示しない装置によって、第二の炭素繊維層１２が縦置きのマンドレル１における第一の炭素繊維層１１の外周面上に形成される（ステップＳ３、第二の炭素繊維層形成ステップ）。続いて、図１に示すように、図示しない装置によって、第三の炭素繊維層１３が縦置きのマンドレル１における第二の炭素繊維層１２の外周面上に形成される（ステップＳ４、第三の炭素繊維層形成ステップ、配置ステップ）。

前記した第一の炭素繊維層形成ステップ～第三の炭素繊維層形成ステップは、管体中間体１０Ａを製造する管体中間体製造方法であるともいえる。

続いて、図４に示すように、成形装置（金型）２によって、縦置きのマンドレル１における第一の炭素繊維層１１、第二の炭素繊維層１２及び第三の炭素繊維層１３に樹脂２１が含浸され、成形装置２に熱を加えることによって、管体２０が成形される（ステップＳ５、成形ステップ）。樹脂２１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２の金型は、複数に分割されており、成形ステップでは、管体中間体１０Ａに熱が加えられるとともに、成形装置２の金型を閉じる型閉じ操作後に、さらに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２１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、必ずしも必要ではない。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、必ずしも必要ではない。図４に示す例では、マンドレル１の軸線方向一端部には、継手（スタブヨーク又はスタブシャフト）２２が設けられており、管体中間体１０Ａは、当該継手２２の外周面まで延設されている。また、成形装置２内において、溶融状態の樹脂２１が導入されるゲート２ａの出口側には空間（樹脂だまり２ｂ）が形成されている。成形装置２内に導入された樹脂２１は、当該樹脂だまり２ｂを介して、マンドレル１の軸線方向に移動する。かかる樹脂２１は、第一の炭素繊維層１１、第二の炭素繊維層１２及び第三の炭素繊維層１３に含浸する。樹脂２１が各炭素繊維層１１～１３に含浸した状態で、成形装置２に熱が加えられ、かつ、成形装置２内に圧力が加えられることによって、管体２０Ａが形成される。本実施形態において、少なくともステップＳ４～ステップＳ５が実行される間、マンドレル１は、その軸線方向が上下方向となる状態を維持する。

続いて、成形された管体２０Ａ及びマンドレル１が成形装置２から取り出され、マンドレル１が管体２０Ａから抜き出される（ステップＳ６、脱芯ステップ）。続いて、マンドレル１の軸線方向他端部（下端部）に、継手（スタブヨーク及びスタブシャフトの他方）２３（図７参照）が取り付けられる（ステップＳ７、継手取付ステップ）。

本発明の第一の実施形態に係る管体製造方法は、繊維体（炭素繊維１３ａ）を、マンドレル１の外周面に対して当該マンドレル１の軸線方向に伸びるように配置する配置ステップと、前記マンドレル１の外周面上において、樹脂２１を前記繊維体に含浸させ、含浸した前記樹脂２１を加熱することによって成形する成形ステップと、を含み、前記配置ステップ及び前記成形ステップは、前記マンドレル１の軸線方向が上下方向となる状態で行われる。
かかる構成によると、繊維体が重力によってマンドレル１から離間しにくいように設けられるため、製造コストを抑えつつ、繊維体の配向角度θが小さい場合でも繊維体のずれを抑えることができる。

また、管体製造方法では、前記配置ステップにおいて、前記繊維体は、前記マンドレル１の軸線方向に沿って配置される。
かかる構成によると、繊維体が重力に沿う方向に設けられるため、製造コストを抑えつつ、繊維体の配向角度θが小さい場合でも繊維体のずれを抑えることができる。

＜第二の実施形態＞
続いて、本発明の第二の実施形態に係る管体中間体及び管体製造方法について、第一の実施形態との相違点を中心に説明する。

図８に示すように、本発明の第二の実施形態に係る管体中間体１０Ｂは、第三の炭素繊維層１３を固定するための部材として、上端部固定部材１５を備える。

≪上端部固定部材≫
上端部固定部材１５は、第三の炭素繊維層１３の端部（上端部）をマンドレル１における軸線方向端部（上端部）の外周面に固定するための部材である。
上端部固定部材１５は、帯状の可撓性を有する樹脂製部材であり、一面（径方向内面）側に粘着部を有する。
上端部固定部材１５は、環状に巻回されている。
上端部固定部材１５は、樹脂２１と同一材料によって形成されていてもよく、成形装置（金型）２及び／又は樹脂２１の熱によって溶融して樹脂２１内に混ざる材料によって形成されていてもよい。

＜管体製造方法＞
続いて、第二の実施形態に係る管体中間体１０Ｂを経由する管体２０の製造方法について、図９のフローチャートを用いて説明する。

第二の炭素繊維層形成ステップ及び成形ステップの間において、図示しない装置によって、上端部固定部材１５が第三の炭素繊維層１３における上端部の外周面上に設けられ、第三の炭素繊維層１３の上端部が縦置きのマンドレル１に対して固定される（ステップＳ４Ｂ、固定ステップ）。

本発明の第二の実施形態に係る管体製造方法は、前記配置ステップ及び前記成形ステップの間に、上端部固定部材１５によって、前記繊維体の上端部を前記マンドレル１の外周面に対して固定する固定ステップを含む。
かかる構成によると、製造コストを抑えつつ、繊維体の配向角度θが小さい場合でも繊維体のずれを好適に抑えることができる。

＜第三の実施形態＞
続いて、本発明の第三の実施形態に係る管体中間体及び管体製造方法について、第一の実施形態との相違点を中心に説明する。

＜管体中間体＞
図１０（ａ）に示すように、本発明の第三の実施形態に係る管体中間体１０Ｃは、第三の炭素繊維層１３を固定するための部材として、固定部材１４Ｃを備える。

≪固定部材≫
図１０（ａ）（ｂ）に示すように、固定部材１４Ｃは、第三の炭素繊維層１３をマンドレル１の外周面に固定するための部材である。固定部材１４Ｃは、チューブ（円筒形状）状の可撓性を有する樹脂製部材である。固定部材１４Ｃは、熱を加えることによって収縮する熱収縮部材によって形成されている。固定部材１４Ｃの軸線方向寸法Ｌ_Ｃは、マンドレル１の軸線方向寸法Ｌと略等しい。固定部材１４Ｃの内径ｒ_Ｃは、マンドレル１の外径ｒと略等しい。かかる固定部材１４Ｃは、各炭素繊維層１１，１２，１３が設けられたマンドレル１に外嵌されている。また、固定部材１４Ｃは、径方向に伸縮性を有しており、径方向に伸長された状態で各炭素繊維層１１，１２，１３が設けられたマンドレル１に外嵌されてもよい。

かかる固定部材１４Ｃは、軸線方向に水平方向となるように設けられた（すなわち、横置きの）マンドレル１の外周面に配置された炭素繊維１３ａを、マンドレル１から離間しにくくするように設けられる。詳細には、固定部材１４Ｃは、管体の製造構造において、マンドレル１の外周面の下部に配置された炭素繊維１３ａの軸線方向中間部に振動等が生じた場合でも、繊維体のずれを抑えることができる。

＜管体製造方法＞
続いて、第一の実施形態に係る管体中間体１０Ｃを経由する管体２０Ｃ（図１１参照）の製造方法について、図１２のフローチャートを用いて説明する。

第二の炭素繊維層形成ステップ及び成形ステップの間において、図示しない装置によって、固定部材１４Ａが第三の炭素繊維層１３の外周面上に設けられ、第三の炭素繊維層１３が縦置きのマンドレル１に対して固定される（ステップＳ４Ｃ、固定ステップ）。図１１に示すように、かかるステップを含んで製造された管体２０Ｃは、第三の炭素繊維層１３を保護する保護層としての固定部材１４Ｃを備える。

本発明の第三の実施形態に係る管体製造方法は、前記配置ステップ及び前記成形ステップの間に、筒状の固定部材１４Ｃを、前記マンドレル１の外周面に対して、前記繊維体を被覆するように設ける固定ステップＳ４Ｃを含む。
かかる構成によると、製造コストを抑えつつ、繊維体の配向角度θが小さい場合でも繊維体のずれを抑えることができる。

また、本発明の第三の実施形態に係る管体製造方法は、前記成形ステップにおいて生じた前記樹脂及び成形装置の熱を用いて前記固定部材を加熱することによって、前記固定部材を収縮させる収縮ステップを含む。
かかる構成によると、繊維体のずれを抑える固定部材１４Ａによって、繊維体を保護する保護層を形成することができる。また、成形ステップを行うと同時に固定部材１４Ｃを収縮させることができるため、成形ステップと収縮ステップをそれぞれ別々で行うよりも工数削減に繋がる。

＜第四の実施形態＞
続いて、本発明の第四の実施形態に係る管体中間体及び管体製造方法について、第三の実施形態との相違点を中心に説明する。

図１３（ａ）（ｂ）に示すように、本発明の第四の実施形態に係る管体中間体１０Ｄは、第三の炭素繊維層１３を固定するための部材として、固定部材１４Ｃに代えて固定部材１４Ｄを備える。

≪固定部材≫
固定部材１４Ｄは、フィルム状の可撓性を有する樹脂製部材である。固定部材１４Ｄは、熱を加えることによって収縮する熱収縮部材によって形成されている。固定部材１４Ｄの軸線方向寸法Ｌ_Ｄ１は、マンドレル１の軸線方向寸法Ｌと略等しい。固定部材１４Ｄの軸線と直交する方向の寸法Ｌ_Ｄ２は、マンドレル１の外周面の円周長２πｒよりも大きい。かかる固定部材１４Ｄは、各炭素繊維層１１，１２，１３が設けられたマンドレル１に１周以上巻回されている。

＜管体製造方法＞
続いて、第二の実施形態に係る管体中間体１０Ｄを経由する管体２０の製造方法について説明する。

固定ステップ（ステップＳ４Ｃ）において、図示しない装置によって、第一の固定部材１４が第三の炭素繊維層１３の外周面上に設けられ、第三の炭素繊維層１３がマンドレル１に対して固定される。

本発明の第四の実施形態に係る管体製造方法において、筒状の前記固定部材１４Ｄは、フィルム状の部材を周方向に１周以上巻回したものである。
かかる構成によると、固定部材１４Ｄを容易に設けることができる。

＜第五の実施形態＞
続いて、本発明の第五の実施形態に係る管体中間体及び管体製造方法について、第三の実施形態との相違点を中心に説明する。

図１４に示すように、本発明の第五の実施形態に係る管体中間体１０Ｅは、第三の炭素繊維層１３を固定するための部材として、固定部材１４Ｃに代えて複数の固定部材１４Ｅを備える。

≪固定部材≫
固定部材１４Ｅは、チューブ（円筒形状）状の可撓性を有する樹脂製部材である。固定部材１４Ｅは、熱を加えることによって収縮する熱収縮部材によって形成されている。固定部材１４Ｅの軸線方向寸法は、マンドレル１の軸線方向寸法Ｌよりも小さい。固定部材１４Ｅの内径は、マンドレル１の外径ｒと略等しい。かかる複数の固定部材１４Ｅは、各炭素繊維層１１，１２，１３が設けられたマンドレル１に等間隔に離間して外嵌されている。また、複数の固定部材１４Ｅは、径方向に伸縮性を有しており、径方向に伸長された状態で各炭素繊維層１１，１２，１３が設けられたマンドレル１に外嵌されてもよい。

＜管体製造方法＞
続いて、第五の実施形態に係る管体中間体１０Ｅを経由する管体２０の製造方法について説明する。

固定ステップ（ステップＳ４Ｃ）において、図示しない装置によって、複数の固定部材１４Ｅが第三の炭素繊維層１３の外周面上に設けられ、第三の炭素繊維層１３の両端部及び軸線方向中間部がマンドレル１に対して固定される。

本発明の第五の実施形態に係る管体製造方法において、複数の前記固定部材１４Ｅが、前記マンドレル１の軸線方向に離間して設けられている。
かかる構成によると、固定部材１４Ｅの材料の量を抑え、低コスト化を実現することができる。

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、第一の炭素繊維層１１及び第二の炭素繊維層１２が省略され、第三の炭素繊維層１３がマンドレル１の外表面上に直接設けられる構成であってもよい。また、第三の炭素繊維層１３における炭素繊維１３ａの配向角度θは、０°（マンドレル１の軸線方向に平行）に限定されず、炭素繊維１３ａがマンドレル１に対して１周未満となる角度であればよい。すなわち、本発明は、炭素繊維１３ａの配向角度θが、ｔａｎθ＜｜２πｒ／Ｌ｜を満たす場合に好適に用いられる。また、管体中間体１０Ａ～１０Ｅに用いられる繊維体は、炭素繊維１１ａ～１３ａに限定されず、管体２０を強化することができるものであればよい。

１マンドレル
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ管体中間体
１３ａ炭素繊維（繊維体）
１４Ｃ，１４Ｄ，１４Ｅ固定部材
１５上端部固定部材
２０Ａ，２０Ｃ管体
２１樹脂

Claims

繊維体を、マンドレルの外周面に対して当該マンドレルの軸線方向に伸びるように配置する配置ステップと、
前記マンドレルの外周面上において、樹脂を前記繊維体に含浸させ、含浸した前記樹脂を加熱することによって成形する成形ステップと、
を含み、
前記配置ステップ及び前記成形ステップが、前記マンドレルの軸線方向が上下方向となる状態で行われる
ことを特徴とする管体製造方法。
前記配置ステップ及び前記成形ステップの間に、上端部固定部材によって、前記繊維体の上端部を前記マンドレルの外周面に対して固定する上端部固定ステップを含む
ことを特徴とする請求項１に記載の管体製造方法。
前記配置ステップ及び前記成形ステップの間に、筒状の固定部材を、前記マンドレルの外周面に対して、前記繊維体を被覆するように設ける固定ステップを含む
ことを特徴とする請求項１に記載の管体製造方法。
前記成形ステップにおいて生じた前記樹脂及び成形装置の熱を用いて前記固定部材を加熱することによって、前記固定部材を収縮させる収縮ステップを含む
ことを特徴とする請求項３に記載の管体製造方法。
前記配置ステップにおいて、筒状の前記固定部材は、フィルム状の部材を周方向に１周以上巻回したものである
ことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の管体製造方法。
前記配置ステップにおいて、複数の前記固定部材が、前記マンドレルの軸線方向に離間して設けられる
ことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の管体製造方法。
前記配置ステップにおいて、前記繊維体は、前記マンドレルの軸線方向に沿って配置される
ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の管体製造方法。