JPH0494921A - 繊維強化樹脂製駆動力伝達用シャフトおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は繊維強化樹脂（以下、ＦＲＰという）製部動力
伝達用シャフトおよびその製造方法に関する。該シャフ
トは自動車用、船舶用、特に好ましくは自動車用に好適
なものである。

〔従来の技術〕

車両、船舶等の駆動力伝達用シャフトは一般に金属製中
実棒または金属製中空パイプの両端に金属製継手要素を
接合したものが使用されているが、近年自動車の軽量化
が注目されるようになり、車体の金属をＦＲＰ化するの
みでなく、構造部材の軽量化も注目を集めている。その
中で駆動力を伝達するシャフトの軽量化は回転部分でも
あり、その軽量化効果は大きく、ＦＲＰ化が特に注目さ
れている。ＦＲＰ製駆動駆動力伝達用シャフト来の鉄鋼
型からＦＲＰ製にすることで重量か１／４〜ｌ／２にな
ることもあり、各種の自動車に搭載されるようになって
きた。

また船舶においても快適な乗り心地を追求して、共振周
波数を実用域から外すために駆動力伝達用シャフトのＦ
ＲＰ化が注目を集めるようになってきた。それはＦＲＰ
の比強度（強度／密度）と比剛性（弾性率／密度）が鋼
やアルミニウムなどの金属に比べて優れていることと、
繊維の配向角度を変更することによって曲げ剛性と捩り
剛性を自由に変えることができるので、捩りの強度を維
持したまま、共振周波数を高くしたり、逆に低くしたり
することが可能であることによる。

ＦＲＰ製駆動駆動力伝達用シャフト合、一般にＦＲＰの
パイプの両端の中空部に継手要素を嵌合しなければなら
ず、そのためにＦＲＰ製パイプと継手要素を別々に準備
し、後で何等かの方法で接合することにより製造されて
いる。そのような方法としてたとえば特開昭５９−１５
９４１４号公報や特開昭５９−８３６２０号公報におい
てＦＲＰ製パイプの両端接合部を接着剤で接合する手法
や、接合部にテーパーをもたせて接着剤で接合する方法
が提案されている。また特開昭６４−４９７１９号公報
において、ＦＲＰ製パイプの内径より大きい外径を有す
る継手要素を圧入し、摩擦力にて接合する方法が提案さ
れている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、接着剤による接合方法では、接着力の信頼性、
接着強度の経時的低下の問題があり、高いトルクを要す
る分野での使用に問題があった。

また摩擦力による接合方法では均一な性能を有する成形
物を得ることが難しいという問題や、微少な隙間から水
分等の侵入がおこり、鉄鋼製継手要素の酸化などが起こ
り使用中に強度低下を起こしてしまう問題がある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は上記欠点を解決するためになされたものであり
、大きなトルクに対しても滑りが生じなく、しかも成形
上の繁雑さを解消した駆動力伝達用シャフトを提供する
ことを目的としたものである。

すなわち、本発明は円筒状接合部を有する継手要素と接
合される、両端円筒状接合部を有する、繊維強化樹脂製
駆動力伝達用シャフトにおいて、圧入嵌合前の継手要素
の接合部外面の表面平均粗さが２．０μｍ以上１０００
μｍ以下であり、かつ圧入嵌合前のシャフトの接合部内
径と、継手要素の接合部外径の比が１．０より小さく、
０．９８以上であり、かつ液状接着剤をあらかじめ嵌合
部に塗布した後に、継手要素を圧入嵌合することにより
一体化された繊維強化樹脂製駆動力伝達用シャフトおよ
びその製造方法に関するものである。

本発明に用いられる駆動力伝達用シャフトの強化繊維材
料は駆動力伝達用シャフトの回転時の共振周波数を高め
る必要から弾性率、強度の高い繊維が望ましい。

そのような繊維として主に炭素繊維、ガラス繊維、アラ
ミド繊維、シリカアルミナ繊維、およびアルミナ繊維か
挙げられる。またこれらを２種以上組合せてもよい。比
強度、比剛性か大きい繊維の方が軽量化の効果が顕著で
あるので好ましい。

そのような例として炭素繊維が挙げられるが、炭素繊維
とガラス繊維のハイブリット使用もコストの面で好まし
い。

繊維の形態は特に限定されるものではなく、ロービング
状、織布状、プリプレグ状等で使用できる。

またマトリックス樹脂は特に制限されるものではなく、
エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステ
ル樹脂、ウレタン樹脂、フェノール樹脂、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
ン樹脂等の熱硬化性樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロ
ピレン樹脂、ポリ塩化ビニール樹脂、ポリメタクリレー
ト樹脂、ＡＢＳ樹脂、フッ素樹脂、ポリカーボネート樹
脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂（ナイロン６゜
６．６，６．１０，６．１１．６．１２など）、ポリフ
ェニレンサルファイド樹脂、ポリスルフォン樹脂、ポリ
エーテルスルフォン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン
樹脂、ポリフェニレンオキシド樹脂等の熱可塑性樹脂を
挙げることができる。

これらの中でエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、
ビニルエステル樹脂が取扱い性の面から好ましい。

さらに樹脂および繊維は必要に応じてそれぞれ２種以上
を組み合わせることができる。

本発明における強化繊維のＦＲＰ中における体積含有率
は４０〜８０％が好ましく、さらに好ましくは５５〜７
０％である。強化繊維の体積含有率が４０％未満の場合
には、ＦＲＰの強度、剛性が上がらず、８０％を超える
と繊維同士の接触確率が大きくなって逆に強度が低下し
てしまうので好ましくない。

シャフトは、軽量化のために中空の円筒状である。その
肉厚は要求される特性に応じて適宜選択されるが、自動
車用プロペラシャフトの場合は厚みは５ｍｍ以下、好ま
しくは３順以下がよい。

圧入嵌合前の継手要素のシャフトとの接合面の表面平均
粗さは２．０μｍ以上１０００μｍ以下が好ましい。こ
の範囲のときには、継手要素の粗面突起部がシャフト内
面に食い込むという効果と、継手要素の粗面凹部に溜ま
った接着剤の接着効果との相乗作用で接合力が著しく向
上する。さらに好ましくは表面平均粗さは５μｍ以上１
００μｍ以下がよい。

継手要素の接合面の表面平均粗さが２．０μｍ未満では
、食い込み効果や接着剤の接着効果が現れにくい。１０
００μｍを越えると、軽量化のため継手要素は肉厚の薄
い円筒状となっているので継手要素の接合部強度が弱く
なり接合が難しい。

継手要素の接合部外面に前記のような範囲の粗度を付け
る方法としては、エメリーペーパーで研磨する方法、砥
粒のショツトブラスト法、砥粒を使用したパフ研磨、旋
盤、フライス盤等を用いた機械加工等が挙げられる。こ
れらの中では前王者の方法が特に好ましい。

次に圧入嵌合前のシャフトの継手要素との接合部内面の
直径（内径）と継手要素の接合部外面の直径（外径）の
比は１．０より小さく０．９８以上であることが好まし
い。さらに好ましくはこの比が０゜９９９５〜０．９８
００かよい。この比が１．０以上の場合はシャフトの接
合部に十分な締めつけ力か働かないため、接着剤層に全
ての捩り力か作用してしまい、接着剤層の破壊に至る危
険性がある。またこの比か０．９８より小さい場合は継
手要素をシャフトの接合部に圧入することが困難になっ
たり、シャフト接合部が破壊にいたる恐れがある。

ここで接合部外面が粗面のときの接合部外径とは、接合
部粗面の凸部を接合部外面として測定した直径である。

なお、継手要素接合部をシャフト接合部に圧力嵌合する
ときに、滑らかにシャフトの接合部に挿入できるように
継手要素接合部の先端部を面取りすることが好ましい。

面取りした後の継手要素接合部の先端部の直径は、シャ
フト接合部内径より０．５ｍｍ以上、好ましくは１．０
ｍ以上小さいのがよい。また、面取り角度は継手要素の
軸方向に対して鋭角側で６０°以下、好ましくは４５°
以下がよい。

本発明で用いられる継手要素の材質は金属、樹脂、繊維
強化樹脂がよいが、機械的物性が優れ、加工が容易なこ
とから金属が好ましい。

金属としては、鉄、アルミニウム、チタニウム、マグネ
シウムおよび該金属を１種以上含む合金か好ましく、特
に鉄、アルミニウムおよび該金属を１種以上含む合金が
コストの点からも好ましい。

本発明に用いられる接着剤は液状、かつその粘度が室温
で５０〜１０００ポイズであることが好ましい。

接着剤が液状であるため接着剤が継手要素をシャフト接
合部に圧入するときの潤滑油として働くことかできる。

接着剤を塗布しないで、継手要素を圧入すると継手要素
とシャフト接合部内面との摩擦力により、内面の強化繊
維が損傷を受けて強度低下を招く。接着剤の粘度が５０
ポイズより低いときは、接合時に接着剤が流れてしまい
、接着効果を発揮しない。また１０００ポイズより高い
ときは粘性抵抗により継手要素を圧入することが難しい
。

圧入後、必要に応じて接着剤の硬化処理（たとえば熱処
理）を行う。

この接着剤として好ましいものは、エポキシ系、ウレタ
ン系およびアクリル系接着剤が挙げられる。

これらの中ではエポキシ系接着剤が特に好ましい。

たとえば、バッチキッド■（ハイソール社製）、ＨＴ　
１８−　（２０）Ｘ　（田岡化学■製）、ソニーボンド
■（ソニーケミカル■製）などが挙げられる。

〔実施例〕

以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、
本発明はこれらに限定されるものではない。

第２図に示す離型剤を塗布された円筒マンドレル３の直
径は６４ｍｍ、長さ１３００＋ｎｍでその両端に直径４
０閤、長さ３００ｍｍのチャッキング用軸４が付いてい
る。このマンドレルにエポキシ樹脂を含浸させたガラス
繊維、および炭素繊維をフィラメントワインディング法
により巻き付け、下記内容のパイプを成形した。繊維の
体積含有率は６５％であった。

ここでＧＦはガラス繊維、ＣＦは炭素繊維を表す。

パイプ部： 内層（ＧＦ９０°／ＣＦ±２０°／ＧＦ９０°ｊ外層厚
み　０．４ｍ　　／　　２．８ｍｍ　　／　０．５ｍｍ
用いたガラス繊維は旭ファイバーグラス（株製ＦＷ用ダ
イレクトロービングＲ１１５０−Ｔ　Ｋ　０８　（２０
００フイラメント、引張り弾性率７．４７／■２、引張
り強度３５０ｋｇ／ｍｆｆ１２）、また用いた炭素繊維
はパーキュレス社製ＡＳ−４０−ビング（１２０００本
フィラメント、引張り弾性率２４Ｔ／ｍｍ’、引張り強
度３９０ｋｇ／鮒２）であった。

その上に離型フィルムを巻きつけ、１５０℃で２時間加
熱硬化した。硬化後両端部の不要部分を切断除去し、マ
ンドレルから脱型し、第３図に示すようなＦＲＰ製駆動
力伝達用シャフトｌを得た。

このシャフトの゛接合部の内側直径を測定したところ、
６５．０８−であった。

一方、第４図に示すような鋼製継手要素を機械加工にて
各種成形した。なお、継手要素接合部の先端部の面取り
を行った。いずれも面取りした後の継手要素接合部の先
端部の直径は、シャフト接合部内径より　２．４ｍ小さ
くした。また面取り角度は継手要素の軸方向に対して鋭
角側で３０°とした。

継手要素外面の表面粗さの付は方としては、表面粗さ０
．６μｍは＃　１２００砥粒による最終研磨、表面粗さ
１０μｍは＃２４０エメリーペーパーによる研磨で、表
面粗さ４５μｍは＃２０砥粒のグラインダーによる研磨
で、表面粗さ２０００μｍは旋盤加工で行った。

なお、表面粗さは東京精密（ｔ＠製の表面粗さ測定装置
Ｓｕｒｆｃｏｍ　３００Ｂ　、　Ｅ−ＤＴ−５ＯＩＡを
用いて測定した。継手要素の表面粗さおよび外径を測定
した結果を第１表に示す。

次に駆動力伝達用シャフトの接合部の内面全面に接着剤
バッチキッド■（ハイソール社製）を塗布し、継手要素
を圧入し、第１図に示すような継手要素２を一体化した
駆動力伝達用シャフトを得た。その結果を第１表に示し
た。

次に圧入時にシャフト接合部が破壊しなかったものにつ
いて８０℃で４時間接着剤を硬化した後、■技研裂損り
試験機（容量５００ｋｇ　ｆ　−ｍ）を用いて捩り試験
を行い、その破壊トルクを求めた。その結果を第１表に
示したが本発明によるものが優れた性能を示した。

〔発明の効果〕

本発明の繊維強化樹脂製駆動力伝達用シャフトは、大き
なトルクに対しても滑りが生じなく、しかも成形上の繁
雑さも解消したものであって、工業上の意義は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は継手要素を一体化した駆動力伝達用シャフトの
斜視図、第２図はマンドレルの斜視図、第３図は駆動力
伝達用シャフトの斜視図、第４図は継手要素の斜視図で
ある。 １−−−−−−−−一駆動力伝達用シャフト、２“゛　
継手要素、３−・　円筒状マンドレル、４−　　チャッ
キング用軸、５−一継手要素の接合部。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）円筒状接合部を有する継手要素と接合される、両
   端円筒状接合部を有する、繊維強化樹脂製駆動力伝達用
   シャフトにおいて、圧入嵌合前の継手要素の接合部外面
   の表面平均粗さが２．０μｍ以上１０００μｍ以下であ
   り、かつ圧入嵌合前のシャフトの接合部内径と継手要素
   の接合部外径の比が１．０より小さく、０．９８以上で
   あり、かつ液状接着剤をあらかじめ嵌合部に塗布した後
   に、継手要素を圧入嵌合することにより一体化された繊
   維強化樹脂製駆動力伝達用シャフト。
2. （２）円筒状接合部を有する継手要素と接合される、両
   端円筒状接合部を有する、繊維強化樹脂製駆動力伝達用
   シャフトの製造方法において、圧入嵌合前の継手要素の
   接合部外面の表面平均粗さが２．０μｍ以上１０００μ
   ｍ以下の継手要素を、圧入嵌合前のシャフト接合部内径
   と、継手要素の接合部外径の比が１．０より小さく、０
   ．９８以上のシャフトに、液状接着剤をあらかじめ嵌合
   部に塗布した後に、圧入嵌合することを特徴とする請求
   項１記載の一体化された繊維強化樹脂製駆動力シャフト
   の製造方法。