JPH0791435A - プロペラシャフトおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 捩り強度の高いＦＲＰ製プロペラシャフトお
よびその製造方法を提供する。 【構成】 ＦＲＰ製本体筒１を有するプロペラシャフト
において、本体筒１の、回転軸と直交する断面をみたと
き、互いに隣接する強化繊維束４間に境界５が形成さ
れ、その境界５が、本体筒１の径方向において凹凸を形
成していることを特徴とするプロペラシャフト、および
その製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、自動車等のプロペラ
シャフトおよびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、省エネルギーの観点から燃費の向
上を目的とした自動車の軽量化が強く望まれている。そ
の一つの手段としてプロペラシャフトを金属製のものか
らＦＲＰ（繊維強化プラスチック）製のものに代替させ
ることが検討されている。その際、使用する強化繊維に
も種々あり、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド
繊維等が検討されているが、この中で特に、強度、弾性
率の面から炭素繊維を強化繊維とするＣＦＲＰ（炭素繊
維強化プラスチック）が有力とされている。

【０００３】自動車のプロペラシャフトは、エンジンか
ら発生する大きなトルクを伝達する必要があることか
ら、１００〜４００ｋｇｆ・ｍ程度の捩り強度を必要と
する。これまでのＣＦＲＰ製プロペラシャフト、特にそ
の本体筒部は、特開平２−２３６０１４号公報等に記載
されているように、必要なトルクを伝達させるために積
層角度とその積層構成、シャフトのサイズ（内径、外
径、肉厚）、使用する強化繊維の種類、繊維の含有率な
どをパラメータとして設計されている。これらの設計パ
ラメータを使うと、プロペラシャフトの特性をある程度
まで予測することは可能であるが、往々にして、設計上
期待されるプロペラシャフトの捩り強度と、実際に成形
したプロペラシャフトの特性とが大きく異なることがあ
り、問題となる場合があった。このような時には、設計
上の安全率を必要以上に高くすることで対処する以外に
方法がなかった。

【０００４】また、ＦＲＰ製あるいはＣＦＲＰ製プロペ
ラシャフトにおいては、本体筒はＦＲＰあるいはＣＦＲ
Ｐで構成されるものの、継手は金属製であるから、全体
がスチール製であるプロペラシャフトのように溶接によ
り接合することは不可能である。この本体筒と金属製継
手との接合強度についても、上述のねじり強度を達成す
る必要があるが、そのための圧入等の条件、仕様につい
て、必ずしも確立されているとは言い難い。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この発明の目的は、従
来のＦＲＰ製プロペラシャフトの上述した問題点を解決
し、ＦＲＰ製本体筒に期待通りの高い捩り強度を発揮さ
せることが可能なプロペラシャフト、およびその製造方
法を提供することにある。

【０００６】もう一つの目的は、ＦＲＰ製本体筒と金属
製継手との接合部について、高い捩り強度を発揮できる
仕様を確立するとともに、そのための望ましい構造を提
供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明のプロペラシャフトは、ＦＲＰ製本体筒を
有するプロペラシャフトにおいて、本体筒の、回転軸と
直交する断面をみたとき、互いに隣接する強化繊維束間
に境界が形成され、その境界が、本体筒の径方向におい
て凹凸を形成していることを特徴とするものからなる。

【０００８】上記境界は、本体筒の周方向にも凹凸を形
成しながら連続的に延びていることが好ましい。たとえ
ば、個々の強化繊維束の断面形状が多角形であり、互い
に隣接する強化繊維束が、多角形断面の少なくとも２頂
点および少なくとも１辺を共有している構造である。

【０００９】このような断面構造は、とくに、個々の強
化繊維束に撚りをかけることで達成可能となる。そこで
本発明に係るプロペラシャフトの製造方法は、ＦＲＰ製
本体筒を有するプロペラシャフトの製造方法において、
本体筒の製造工程が、個々の強化繊維束に撚りをかける
工程と、撚りがかけられた強化繊維束をマンドレルに巻
き付ける工程と、を含んでいることを特徴とする方法か
らなる。

【００１０】さらに好ましくは、本発明に係るプロペラ
シャフトの製造方法は、ＦＲＰ製本体筒を有するプロペ
ラシャフトの製造方法において、本体筒の製造工程が、
（イ）個々の強化繊維束に撚りをかける工程と、（ロ）
撚りがかけられた強化繊維束を複数本引き揃える工程
と、（ハ）引き揃えられた複数本の強化繊維束をマンド
レルに巻き付ける工程と、（ニ）マンドレルに巻き付け
る際の、複数本の強化繊維束の巾Ｗと、円周方向の巻き
付け数Ｎと、巻き付け角θと、巻き付け径ｄと、円周率
πとの関係を、 Ｗ×Ｎ＞πｄｃｏｓθ となるように調整する工程と、を有することを特徴とす
る方法からなる。

【００１１】ＦＲＰの様な積層構造材料の場合、通常ひ
とつの層の中では強化繊維のモノフィラメントを均一に
分散させる。すなわち、ＦＲＰの特性に関する繊維量が
どこをとっても均質となる様にすることで材料特性の安
定化を図ることが常道となっている。従来のプロペラシ
ャフトは、この考え方に基づいて設計されているので、
プロペラシャフトの回転軸と直交する断面においては、
強化繊維のモノフィラメントが均一に分散した層が、同
心円状に重なる積層構造を成している。この場合、重な
り合う層と層は強化繊維の強化方向（積層角度）が異な
るので、層間の境界は明確であり、この層間は、強化層
と同心円状の薄い樹脂層（強化繊維はない）となってい
る。この様なプロペラシャフトにトルクを負荷した場
合、捩りトルクに応じた剪断応力が、各層にシャフトの
半径方向に分布して生じるが、その時、上述の同心円状
に存在する樹脂層は剪断強度が低いために、この層が破
壊の起点となる。その結果、強化繊維で強化したことに
より期待される捩り強度よりも低い強度レベルで、プロ
ペラシャフトは破壊してしまうのである。

【００１２】この破壊機構に鑑み、本発明者らは、ＦＲ
Ｐは積層角度の異なる層の積層構造である以上、ごく薄
い、層間の樹脂層の存在は回避し得ないが、樹脂層が同
心円状に存在し、トルク負荷によって生ずる半径方向に
分布する剪断応力を、この薄い樹脂層のみで受ける従来
の状態を打解する構造を鋭意研究した結果、上記本発明
に至ったものである。

【００１３】すなわち、強化繊維束間に境界を形成し、
その境界を周方向にみた場合、径方向に凹凸を有する構
造とすることで、ＦＲＰ製筒状体（本体筒）の半径方向
に分布する剪断応力を、剪断強度の低い、薄い樹脂層の
みで受けることを避けるようにしたものである。しか
も、強化繊維束同士が物理的に（幾何学的に）かみ合っ
た断面構造とすることが可能であり、負荷されたトルク
を効率良く伝達し、設計上予測される捩り強度の発現率
を高めることが可能となる。

【００１４】この強化繊維束同士の境界を存在させうる
構造は、撚りのかかった強化繊維束とすることで得られ
る。撚りは、繊維の種類、強化繊維束を構成するモノフ
ィラメントの集束本数によって適切な値があるが、２〜
２０ターン／ｍが良い。２０ターン／ｍを超える撚りの
付与は、樹脂含浸が不可能になるおそれがあるため好ま
しくない。２ターン／ｍ未満では、強化繊維束の形態が
安定せず、成形されたプロペラシャフトの捩り強度発現
率の向上の効果を得ることができない。また、強化繊維
束に撚りを付与することは、成形時の糸の通過性を向上
させ、生産能率を上げられるという利点もある。

【００１５】本発明のＦＲＰ製プロペラシャフトの製造
方法には、フィラメントワインディング成形法が用いら
れる。使用される個々の強化繊維束に、仕様に応じた撚
数を付与し、それを複数本、交差しないように引き揃え
る。そのまま強化繊維束に樹脂を含浸させ、引き揃えた
状態を乱すことのないようにマンドレルに巻き付ける。
このとき、マンドレルに巻き付ける際の幅Ｗと、円周方
向の巻き付け数Ｎ（整数）を、巻き付け角度θ、巻き付
け径ｄ、円周率πから、 Ｗ×Ｎ＞πｄｃｏｓθ となるように調整して成形する。

【００１６】Ｗ×Ｎ≦ｄｃｏｓθでは、強化繊維束間の
隙間を埋めるように糸が広がろうとするため、強化繊維
束の断面形状は偏平、すなわち長方形になり、強化繊維
束の境界が同心円状に連続し、自動車等のプロペラシャ
フトに必要な捩り強度が得られない恐れがあるため好ま
しくない。

【００１７】本体筒の捩り強度は、特に自動車用プロペ
ラシャフトにおいては、１００〜４００ｋｇｆ・ｍ程度
であることが要求されている。プロペラシャフトにおい
て必要な１００〜４００ｋｇｆ・ｍ以上の捩り強度を達
成するために、強化繊維の±５〜±３０°のヘリカル巻
による単一構成とするか、±５〜±３０のヘリカル巻と
±７５〜９０°のヘリカル巻とを併用したハイブリッド
構成にするのが好ましい。±５°未満でも±３０°を超
えても捩り強度は低くなる。また、±３０°を超える
と、本体筒の外径が大きくなって自動車の限られた床下
空間への配置が難しくなる。もっとも、これ以外の角度
で配列された強化繊維を含んでいてもよく、種類の異な
る強化繊維を含んでいてもよい。上記強化繊維の巻き構
成は、後述の、ＦＲＰ製本体筒と金属製継手との接合部
において、目標とする撚り強度を得ようとする場合の巻
き構成と共通している。

【００１８】本発明のＦＲＰ製プロペラシャフトを構成
するマトリクス樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノー
ル樹脂、ポリイミド樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和
ポリエステル等の熱硬化性樹脂を使用するが、他の樹
脂、たとえば、ポリアミド、ポリカーボネード、ポリエ
ーテルイミド等の熱可塑性樹脂でもよい。

【００１９】また、強化繊維についても、炭素繊維に限
らず、たとえばガラス繊維、アラミド繊維等を使用する
ことが可能であり、これらを併用することも可能であ
る。

【００２０】自動車用ＦＲＰ製プロペラシャフトにおい
ては、上述の如きＦＲＰ製本体筒の捩り強度確保ととも
に、ＦＲＰ製本体筒と金属製継手との接合部について
も、１００〜４００ｋｇｆ・ｍ以上の捩り強度が要求さ
れる。

【００２１】この要求を満たすために、本発明に係るプ
ロペラシャフトは、ＦＲＰ製本体筒の端部に、金属製継
手が圧入により接合されたプロペラシャフトにおいて、
（イ）継手接合面の表面粗さが０．５〜１００μｍ、
（ロ）継手接合部の肉厚が２〜１０ｍｍ、（ハ）半径方
向圧入代が０．２〜０．５ｍｍ、（ニ）本体筒の強化繊
維層が回転軸方向に対して±５〜±３０°のヘリカル巻
層単一構成、（ホ）本体筒の肉厚が１．５〜５．０ｍ
ｍ、であることを特徴とするものから成る。

【００２２】また、ハイブリッド構成とする場合の、本
発明に係るプロペラシャフトは、ＦＲＰ製本体筒の端部
に、金属製継手が圧入により接合されたプロペラシャフ
トにおいて、（イ）継手接合面の表面粗さが０．５〜１
００μｍ、（ロ）継手接合部の肉厚が２〜１０ｍｍ、
（ハ）半径方向圧入代が０．２〜０．５ｍｍ、（ニ）本
体筒の強化繊維層が、回転軸方向に対して±５〜±３０
°のヘリカル巻層およびと±７５〜９０°の円周巻層の
ハイブリッド構成、（ホ）本体筒の肉厚が１．５〜５．
０ｍｍ、前記ヘリカル巻層の厚さが１．３〜４．３ｍ
ｍ、円周巻層の厚さが０．２〜０．７ｍｍ、であること
を特徴とするものから成る。

【００２３】ＦＲＰ製本体筒と金属製継手との接合部を
上述のように最適化することにより、接合部においても
十分な捩り強度が達成される。さらには、接合部におけ
る疲労強度も向上され、１５０℃程度の高温に晒された
後にも、接合強度の低下の少ない接合が可能となる。

【００２４】上記本体筒の端部には、本体筒の外部又は
／および内部にＦＲＰの補強層が設けられることが好ま
しい。この外部補強層又は／および内部補強層の好まし
い仕様は、強化繊維の巻角度が±７５°〜９０°、肉厚
が２〜５ｍｍ、軸方向長さが前記継手の接合長の１．１
〜１．５倍のものである。

【００２５】そして、この補強層に用いられる強化繊維
束は、高強度糸からなることが好ましい。ここで高強度
糸とは、強化繊維の破断伸度が１．６％以上、好ましく
は２．０％以上のものを言う。

【００２６】このような高強度糸を用いた上記補強層を
設けることにより、継手圧入接合時のＦＲＰ製本体筒の
許容歪量を高く設計できるので、圧入時の圧入代を多く
とることが可能となり、より信頼性、接合強度の高い接
合部を得ることができる。

【００２７】なお、本発明のプロペラシャフトにおいて
は、ＦＲＰ製本体筒と金属製継手との間の適当な位置
（たとえば、各部材端部位置）に、シール材を配設して
もよい。シール材としては、樹脂、リング状弾性体、フ
イルム等が適当である。このようなシール材配設によ
り、水分等の進入をより確実に防止し、接合部の腐食を
防止することができる。

【００２８】また、金属製継手を圧入する際、圧入用治
具で継手を把持する必要があるが、確実に把持できるよ
う、かつ、圧入力によって継手が破損しないよう、継手
に、圧入用治具の係止または係合部を設けておくことが
好ましい。このような係止または係合部は、継手の外面
の適当な位置に、段付部または溝部を形成することによ
り構成できる。

【００２９】また、金属製継手の圧入力を極力低減し
て、効率よく圧入するためには、以下のような方法が有
効である。 継手の温度を下げ、ＦＲＰ製本体筒端部の温度を上げ
て圧入する。 接着剤を潤滑剤として用いる。 圧入後には残らない、揮発性の液状潤滑剤を用いる。

【００３０】さらに、金属製継手にバランスウエイト取
付部を設けて、該取付部に適当なバランスウエイトを溶
接等によって付加することにより、プロペラシャフト完
成後のバランスを調整することが可能である。このバラ
ンスウエイト取付部の周囲、とくに、バランスウエイト
取付部と、接合されるＦＲＰ製本体筒との間の部分の継
手外面に、冷却フィンを形成しておくと、バランスウエ
イトを接合する際の溶接熱がＦＲＰ製本体筒側に伝わる
のを抑制することができる。

【００３１】

【実施例】図１は、本発明の一実施例に係るプロペラシ
ャフトを示している。ＦＲＰ製本体筒１の両端部には外
部補強層２が設けられ、ＦＲＰ製本体筒１の端部に金属
製継手２が圧入接合されている。この本体筒１端部外周
には、軸方向長さが圧入部よりも若干長い、外部補強層
３が設けられている。

【００３２】図２は、図１のＡ−Ａ断面、つまりプロペ
ラシャフトの回転軸と直交する断面において、ＦＲＰ部
を拡大して示したものであり、次に説明する実施例１で
得られたものである。図３は、後述の比較例１で得られ
たプロペラシャフトの、ＦＲＰ部の断面を同様に示した
ものである。

【００３３】実施例１ フィラメントワインディング法によって本発明に係るＣ
ＦＲＰ製本体筒を成形した。１０ターン／ｍの撚りのか
けられている炭素繊維束（東レ（株）製“トレカ”Ｍ４
０、１２０００フィラメント）を６本引き揃え、硬化剤
および硬化促進剤を含むビスフェノールＡ型エポキシ樹
脂を含浸しながら、外径７０ｍｍ、長さ１３００ｍｍの
マンドレルにその軸方向に対して±１４°の角度で３層
巻き付けた。ことのきの樹脂含浸後の糸幅Ｗは、９．５
ｍｍで、これに対し分割数を２３とした。

【００３４】炭素繊維束を巻き付けたマンドレルを回転
させながら、１８０℃で６時間加熱してエポキシ樹脂を
硬化させ、マンドレルを引き抜いて外径７５ｍｍ、内径
７０ｍｍのＣＦＲＰ製の本体筒１を得た。この本体筒１
の両端部５０ｍｍの部分を切断、除去して、金属製継手
２を取り付け、捩りトルクを負荷したところ、捩り強度
は２４０ｋｇｆ・ｍであった。本体筒を回転軸と直角な
面で切断し、その断面を研磨後光学顕微鏡で観察したと
ころ、図２に示すように、各強化繊維束４は明確な境界
５をもって互いに隣接し、最も内側及び最も外側の強化
繊維束４は五角形、それ以外は六角形の形状を成して、
互いにハニカム状に積み重なっていた。

【００３５】比較例１ 撚りのかけられていない炭素繊維を用いる他は、実施例
１と全く同一の方法でＣＦＲＰ製本体筒を成形した。実
施例１と同様に捩りトルクを負荷したところ、捩り強度
は２００ｋｇｆ・ｍであった。回転軸と直角な面でチュ
ーブを切断し、断面を研磨後光学顕微鏡で観察したとこ
ろ、各強化繊維束の境界はなく、同心円状に強化層６が
配されており、各強化層６間には薄い樹脂層７を形成し
ていた。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、ＦＲＰ製プロペラシャ
フトの回転軸と直交する断面において、個々の強化繊維
束が隣り合う強化繊維束と境界を有し、その境界がプロ
ペラシャフト径方向に凹凸を有するようにしたので、上
述の実施例と比較例の対比からも明らかなように、設計
上期待された通りの、高い捩り強度を得ることができ
る。

【００３７】また、ＦＲＰ製本体筒端部と金属製継手と
の圧入、接合部についても、本発明で示した最適条件を
適用することにより、十分に高い接合強度を得ることが
でき、自動車用プロペラシャフトとして必要な捩り強度
を十分に満足させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るＦＲＰ製プロペラシャ
フトの部分断面図である。

【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う拡大部分断面図である。

【図３】従来の（比較例に係る）ＦＲＰ製プロペラシャ
フトの部分断面図である。

【符号の説明】

１ ＦＲＰ製本体筒 ２ 金属製継手 ３ 外部補強層 ４ 強化繊維束 ５ 境界 ６ 強化層 ７ 樹脂層

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＦＲＰ製本体筒を有するプロペラシャフ
   トにおいて、本体筒の、回転軸と直交する断面をみたと
   き、互いに隣接する強化繊維束間に境界が形成され、そ
   の境界が、本体筒の径方向において凹凸を形成している
   ことを特徴とするプロペラシャフト。
2. 【請求項２】 前記境界が、本体筒の周方向にも凹凸を
   形成しながら連続的に延びている、請求項１のプロペラ
   シャフト。
3. 【請求項３】 断面における個々の強化繊維束の形状が
   多角形であり、互いに隣接する強化繊維束が、多角形の
   少なくとも２頂点および少なくとも１辺を共有してい
   る、請求項１又は２のプロペラシャフト。
4. 【請求項４】 前記個々の強化繊維束の形状が六角形で
   ある、請求項３のプロペラシャフト。
5. 【請求項５】 前記個々の強化繊維束に撚りがかかって
   いる、請求項１ないし４のいずれかに記載のプロペラシ
   ャフト。
6. 【請求項６】 個々の強化繊維束に１ｍあたり２〜２０
   ターンの撚りがかかっている、請求項５のプロペラシャ
   フト。
7. 【請求項７】 ＦＲＰ製本体筒を有するプロペラシャフ
   トの製造方法において、本体筒の製造工程が、個々の強
   化繊維束に撚りをかける工程と、撚りがかけられた強化
   繊維束をマンドレルに巻き付ける工程と、を含んでいる
   ことを特徴とする、プロペラシャフトの製造方法。
8. 【請求項８】 ＦＲＰ製本体筒を有するプロペラシャフ
   トの製造方法において、本体筒の製造工程が、 （イ）個々の強化繊維束に撚りをかける工程と、 （ロ）撚りがかけられた強化繊維束を複数本引き揃える
   工程と、 （ハ）引き揃えられた複数本の強化繊維束をマンドレル
   に巻き付ける工程と、 （ニ）マンドレルに巻き付ける際の、複数本の強化繊維
   束の巾Ｗと、円周方向の巻き付け数Ｎと、巻き付け角θ
   と、巻き付け径ｄと、円周率πとの関係を、 Ｗ×Ｎ＞πｄｃｏｓθ となるように調整する工程と、を有することを特徴とす
   る、プロペラシャフトの製造方法。
9. 【請求項９】 ＦＲＰ製本体筒の端部に、金属製継手が
   圧入により接合されたプロペラシャフトにおいて、 （イ）継手接合面の表面粗さが０．５〜１００μｍ、 （ロ）継手接合部の肉厚が２〜１０ｍｍ、 （ハ）半径方向圧入代が０．２〜０．５ｍｍ、 （ニ）本体筒の強化繊維層が回転軸方向に対して±５〜
   ±３０°のヘリカル巻層単一構成、 （ホ）本体筒の肉厚が１．５〜５．０ｍｍ、であること
   を特徴とするプロペラシャフト。
10. 【請求項１０】 ＦＲＰ製本体筒の端部に、金属製継手
    が圧入により接合されたプロペラシャフトにおいて、 （イ）継手接合面の表面粗さが０．５〜１００μｍ、 （ロ）継手接合部の肉厚が２〜１０ｍｍ、 （ハ）半径方向圧入代が０．２〜０．５ｍｍ、 （ニ）本体筒の強化繊維層が、回転軸方向に対して±５
    〜±３０°のヘリカル巻層およびと±７５〜９０°の円
    周巻層のハイブリッド構成、 （ホ）本体筒の肉厚が１．５〜５．０ｍｍ、前記ヘリカ
    ル巻層の厚さが１．３〜４．３ｍｍ、円周巻層の厚さが
    ０．２〜０．７ｍｍ、であることを特徴とするプロペラ
    シャフト。
11. 【請求項１１】 前記本体筒の端部の外周および／また
    は内周に、回転軸に対する強化繊維束の巻角度が±７５
    〜９０°、肉厚が２〜５ｍｍ、回転軸方向長さが前記継
    手の接合長の１．１〜１．５倍の、ＦＲＰからなる補強
    層が設けられている、請求項９又は１０のプロペラシャ
    フト。
12. 【請求項１２】 前記補強層の強化繊維束が高強度糸か
    らなる、請求項１１のプロペラシャフト。