JPH03260413A - 繊維強化プラスチック製駆動軸 - 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、例えば自動車用のプロペラシャフトとして使
用される繊維強化プラスチック（以下「ＦＲＰＪと略す
）製駆動軸に関するものである。

（従来の技術） 近年、自動車業界では軽量化だけでなく低振動、低騒音
といった観点からプロペラシャフトの材料としてＦＲＰ
が使われ始めている。

ＦＲＰの特徴は一般の金属材料に比べて比強度及び比弾
性率が高いことであり、そのため従来の鋼製プロペラシ
ャフトに比べ種々の利点がある。

例えば危険回転数を支配する一次曲げ固有振動数ｆは一
般に次式で表される。

ここで、Ｅ：軸方向弾性率 ■：断面二次モーメント ｇ：重力加速度 Ａ：断面積 γ：比重量 ２：軸の長さ 従って、比弾性率の高いＣＦＲＰ等を用いることによっ
て軽量化されると同時に、より高速回転が可能となり、
鋼製プロペラシャフトより長さを大きくすることができ
る。

またＦＲＰは優れた振動減衰性を有していることから騒
音低減および振動の減少に対しても効果がある。

この様な観点から既にＦＲＰ性プロペラシャフトに関す
る提案が数多く威されている。これ等の提案の多くは特
公昭６１−４８７号公報に代表される様に軸の巻付成形
条件として、繊維を軸方向に対して±３０°〜±６０°
、通常は±４５°に配向させてねじりに対して強化した
第１層】と、軸方向にＯ°〜±２０°に配向させて曲げ
に対して強化した第２層２、および耐衝撃性を付与する
ために最外層に設けられた第３層３から形成されるのが
通常であった（第６図参照）。

また±３０°〜６０″のねじりに対して強化した第１層
１についてはコストの点からガラス繊維が使用され、Ｏ
″〜±２０″の曲げに対して強化した第２層２について
は高い弾性率を必要とするところから炭素繊維が使用さ
れるのが通常であった。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、従来の方法では異なった角度で異なった
繊維が積層されると、加熱硬化から冷却時に熱膨張係数
の違いによって境界層で剥離を生し易いという問題点が
あった。

これは軸の径及び各層の厚みによっても変化するが径が
小さい程、又層厚が大きい程その問題を生じやすいもの
であった。また、ねしりに対して強化した第１層（±３
０°〜６０°の層）が内側に配置される場合は、外側に
配置される場合に比べてねしり強度が低下し、特に高い
ねしり強度が要求される用途に対しては不適当であった
。

またＦＲＰ製のシャフトは通常フィラメントワインディ
ング法によって底形されるが、第１層と第２層を異なる
強化繊維で巻付けるため、途中でロービングの交換とい
った段取替えを必要とし、製造能率の面からも問題があ
った。

本発明は、上記した従来技術の問題点を解消し、各境界
層での剥離の発生を防止し、生産能率を高め、かつ高い
ねじり強度を有するＦＲＰ製駆動軸を提供することを目
的としている。

（課題を解決するための手段） 上記問題点を解決するために本発明者らが種々検討した
結果、次の方法によって良好な特性を有するＦＲＰ製駆
動軸を得られることが明らかとなった。

従来のＦＲＰ製駆動軸は第１層にＣＦＲＰ層、第２層に
ＣＦＲＰ層、第３Ｎ（最外層）にＣＦＲＰ層というよう
に構成材料を層毎に分けて使用しており、各層内では強
化繊維は一種類であった。

しかし層毎に分けずに２種類以上の強化繊維を同時に混
ぜて底形するという方法がある。この場合、配向角が問
題になるが、配向角を適宜角度に選ぶことによって従来
の構成と同等あるいは同等以上の強度を有する駆動軸が
製作可能であることが判明した。

本発明はかかる知見に基づいて威されたものであり、中
空円筒状の軸であって、２種以上の繊維を、管軸方向に
対して±１０°〜±４５°の角度で同時に巻付成形した
層を有することを要旨とする繊維強化プラスチック製駆
動軸である。

（作　　用） 本発明において配向角を±１０°〜±４５°の範囲内と
したのは、この範囲内にすれば十分なねしり強さを持ち
、かつ高い軸方向弾性率が得られるためである。

すなわち、配向角が±１０°未溝の場合には軸方向弾性
率は十分高いが、第４図に示すようにねしり強さが小さ
いために駆動軸の肉厚を大きくする必要が生し、軽量化
効果が損なわれることになるからである。

一方、配向角を増してゆくと±４５°まではねしり強さ
も増大してゆくが、第５図に示すように逆に軸方向弾性
率及び曲げ強さは低下してゆく。軸方向弾性率は前記し
た■式に示されるように軸の固有振動数を左右するもの
であり、危険回転数を決定する重要なファクターである
。従って危険回転数を高めるには配向角が小さい程良い
。ねしれ強さは、第４図に示すように、配向角が±４５
°のときピークに達し、これ以上配向角を大きくしても
ねしり強さは弱くなる。つまり配向角を±４５゜以上に
することはねしり強さの点からもまた危険回転数の面か
らも、曲げ強さの面からもマイナスである。

従って、駆動軸の構成の中でねしり強さ、曲げ強さを負
担する層に関しては配向角とし±４５°以下が望ましい
からである。

本発明においては２種以上の繊維を同時に巻付けるので
あるが、この２種以上の繊維を同時に巻付けるいわゆる
層内ハイブリッド構成をすることのメリットは次の通り
である。

まず層毎に分けて積層する従来の方法では例えばＣＦ層
とＣＦ層の界面に応力段差ができ、複雑な二次応力が発
生することになり、強度低下あるいは眉間剥離を引き起
こすことがある。

これに対し、層内ハイブリッドにすればこれを防止でき
る。

もう一つのメリットは成形作業特段取替えの回数を減ら
せることである。従来の積層構成を成形するには繊維の
変更の際ロービングの交換を必要としたが、層内ハイブ
リッドにすればこの作業を無くすことができる。

ここで使用される材料としては、マトリックス樹脂とし
てエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエス
テル樹脂、フェノール樹脂などが適用出来、また補強繊
維としては、ガラス繊維（Ｅガラス、Ｓガラス）、炭素
繊維、アラミド繊維などの連続繊維が使用できる。

製造方法としては、通常のフィラメントワインデング（
ＦＷ）法のほか、プリプレグシートを積層する方法、プ
リプレグテープにてワインデングするテープワインデン
グ法などが適用される。

成形される軸の径は用途・特性にもよるが、径がφ５０
ｒｍ〜φ１２０　ｍｍ程度、肉厚で５１１Ｏ１〜１５ｍ
１ｌ程度のものである。

なお、最外層には耐衝撃性向上のためにガラス繊維層を
設けることが望ましく、その角度は±８０゜〜±９０°
が適当である。また、最内層にもガラス繊維層を設ける
ことにより、電食により駆動軸の劣化を防止することも
できる。更に、曲げ強さや軸方向弾性率の改善のために
炭素繊維層をＦＲＰ層の中に設けてもよい。

（実　施　例） 以下本発明を第１図〜第３図に示す実施例に基づいて説
明する。なおこれら第１図〜第３図中、第６図と同一番
号は同一部分あるいは相当部分を示し、詳細な説明を省
略する。

第１図〜第３図において、４は２種以上の繊維を同時に
巻付成形したハイブリッド層を示し、その巻付角度は管
軸方向に対して±１０°〜±４５°の範囲と成されてい
る。そして、これら実施例は全て、このハイブリッド層
４の外側に耐衝撃性向上のための第３層３が巻付成形さ
れている。

ところで、第１図に示す実施例では、このハイブリッド
層４と第３層３との二層構造であるが、第２図に示す実
施例ではハイブリッド層４の内側に更にガラス繊維層５
が、また第３図に示す実施例ではハイプリント層４と第
３層３との間に炭素繊維層６が設けられている。

次に本発明の効果を確認するために行った実施結果につ
いて説明する。

その１） 外径がφ８０ｍ＋＋＋の鋼製マンドレルにフィラメント
ワインディング法にて軸を成形した。マトリックス樹脂
はエポキシ樹脂（商品名「エピコート８２８」：油化シ
ェルエポキシ株式会社製）と酸無水物硬化剤（商品名ｒ
ＨＮ−２２００Ｊ　：日立化成株式会社製）とを重量比
１００：８０で混合したものを用いた。

繊維は層内ハイプリント層の一種としてガラス繊維（商
品名「グラスロンＲ−１１５０Ｊ　：旭ファイバーグラ
ス株式会社製）を使用、またもう一種の繊維として炭素
繊維（商品名「トレカＴ−３００Ｊ：東し株式会社製）
を使用した。

ハイブリッド構成としてはガラス繊維７０体積％、炭素
繊維３０体積％とし、巻付特使用できる１０本のロービ
ングの内７本をガラス繊維、３本を炭素繊維とし、同し
樹脂槽内に含浸させ、フィラメントワインディングを行
った。このときの配向角は±２０６とした。また層厚は
３Ｂであった。

また耐衝撃性向上のため最外層の第３層にはガラス繊維
を配向角±８５°にて０．２　ｙｍｒの厚さに巻付けた
。

以上で得たシャフトについて超音波測定により眉間剥離
の有無について検査を行い。さらにねしり破壊トルク並
びに軸方向の弾性率を求めた。その結果を第１表に示す
。

第１表中の比較例は従来方式の層構成を持った軸の例で
あり、この場合第１層として±４５°のＧＦＲＰ層を２
．１　ｍ、第２層として±１０°のＣＦＲＰ層を０．９
Ｍ、最外層として±８５°のＧＦＲＰ層を０．２　ｍの
厚さに巻付けたものである。

上記第１表より明らかなように、本発明軸は各境界層で
の剥離の発生がなく、かつ良好なねじり破壊トルクと軸
方向弾性率を有していることが判る。

その２） その１）と同じ径のマンドレルで同一の材料を用いて、
まず±４５゛のガラス繊維層を０．２ｍｍ巻付けた後、
ガラス繊維と炭素繊維のハイブリッド層を２．８　ｒｔ
ｍ巻付けた。この層の配向角も±２０″であり、ハイプ
リンＦ゛比はガラス繊維６５体積％、炭素繊維３５体積
％である。また、その１）と同様最外層に耐衝撃性付与
のため±８５°の配向角を持ったガラス繊維層を０．２
　ａｍの厚さで巻付けた。第２図にその構成を示す。

このような構成にすることにより湿潤地帯を主ムこ走行
する自動車に適用する場合、電食による駆動軸の劣化を
防止し、耐久性を向上させることができる。

その３） その１）と同し径のマンドレルで同一の材料を用いて、
まず配向角±２ｏ°、ハイブリッド比はガラス繊維８０
体積％、炭素繊維２０体積％のハイブリット１を２−巻
付け、その上に炭素繊維層を配向角±１０’でＪｕｎの
厚さに巻付けた。さらに最外層に±８５°のガラス繊維
層を０．２　ｍ巻付けた。この構成を第３図に示す。

このような構成にすることにより従来の方式の場合問題
となっていた炭素繊維層とガラス繊維層との層間剥離の
発生を防止しながら、同時に高い曲げ強さと高い軸方向
弾性率を持った駆動軸を作ることができる。

（発明の効果） 以上説明したように本発明によって層間剥離がなく、生
産能率の高い、高ねじり強度を有するＦＲＰ性駆動駆動
軸ることが可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は本発明の一実施例を示す部分断面図、
第４図はＦＲＰ円筒のねじり強さと配向角の関係図、第
５図は弾性係数と配向角の関係図、第６図は従来のシャ
フトの構造を示す部分断面図である。 ４はハイブリッド層。 第１図 も′ｆ杓皮（０）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）中空円筒状の軸であって、２種以上の繊維を、管
   軸方向に対して±１０°〜±４５°の角度で同時に巻付
   成形した層を有することを特徴とする繊維強化プラスチ
   ック製駆動軸。