JPH0694024A - 繊維強化樹脂製ドライブシャフトおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ［目的］ 両端に金属製のエンドヨークを取付けた従来
のドライブシャフトよりも軽量であってしかも危険回転
数が高く、回転中の騒音が少なくて高性能なドライブシ
ャフトおよびその製造方法を提供することを目的とす
る。 ［構成］ 棒状のマンドレル芯１０に軽量芯材１１とヨ
ーク用芯材１２とを串刺し状に取付けるとともに、軽量
芯材１１とヨーク用芯材１２との間にネック部を形成す
る。そして樹脂を含浸した強化繊維を軽量芯材、ヨーク
用芯材のピン１３の周囲、およびネック部１５に巻回
し、この後にマトリックス樹脂を成形硬化することによ
って、両端にエンドヨーク部２５が一体に設けられてい
るドライブシャフト２４を成形するようにしたものであ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は繊維強化樹脂製ドライブ
シャフトおよびその製造方法に係り、とくに端部にエン
ドヨーク部を一体に成形するようにしたドライブシャフ
トおよびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車のトランスミッションの出力側か
ら駆動輪あるいは差動歯車装置へトルクを伝達するため
に、従来よりドライブシャフトが用いられている。高比
強度および高比弾性の特性を有するドライブシャフトと
して、繊維強化樹脂製のドライブシャフトが用いられる
傾向にある。すなわち図１４に示すように、繊維強化樹
脂によって円筒状に形成されたドライブシャフト１が用
いられるようになっている。このようなドライブシャフ
ト１によれば、鋼管から成るドライブシャフトに比べて
軽量になり、しかも危険回転数の増大を図ることが可能
になる。

【０００３】このようなドライブシャフト１は、強化材
繊維として、炭素繊維等を使用したものが多く提案され
ている。しかしながら従来の繊維強化樹脂から成るドラ
イブシャフト１は、図１４に示すように、シャフト本体
部を繊維強化樹脂で構成し、その端部には金属製のエン
ドヨーク２を用いるようにしており、このようなエンド
ヨーク２をスパイダと組合わせてユニバーサルジョイン
トを構成するようにしている。そして従来の繊維強化樹
脂製ドライブシャフト１の端部とエンドヨーク２との接
合は、シャフト本体１に接着接合を行なったり、リベッ
ト接合を行なうようにしている。

【０００４】また別の方法としては、ドライブシャフト
１を成形するためのマンドレル上に取付けられたエンド
部材の外側にドライブシャフト１を成形し、エンドヨー
ク２とシャフト本体１との接着を成形と同時に行なうよ
うにしている。またエンドヨークとシャフト本体との接
合を成形と同時に行なう方法に関しては、例えば特公平
１−６０６８６号公報に開示されているように、接合部
の横断面を多角形にした提案もある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来のこのような繊維
強化樹脂製ドライブシャフトにおいては、エンドヨーク
２の重量が大きいために、ドライブシャフト１の全体の
軽量化に限界があるばかりでなく、ドライブシャフト１
を繊維強化樹脂製のものにしても、危険回転数を十分に
高めることができず、これによって期待された性能を十
分に発揮することができないという問題があった。

【０００６】本発明はこのような問題点に鑑みてなされ
たものであって、十分な軽量化を達成するとともに、危
険回転数を高くし、これによってその性能を高めるよう
にしたドライブシャフトおよびその製造方法を提供する
ことを目的とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、フィラメ
ントによって補強されて成形された繊維強化樹脂製ドラ
イブシャフトにおいて、エンドヨーク部を一体に成形す
るとともに、該エンドヨーク部に設けられたピン穴の周
囲とシャフト本体部とが連続した繊維で補強され、しか
も前記エンドヨーク部と前記シャフト本体部との間のネ
ック部において交差している強化繊維と交差していない
強化繊維とが配されていることを特徴とする繊維強化樹
脂製ドライブシャフトに関するものである。

【０００８】また第２の発明は、シャフト本体部を形成
するための軽量芯材と端部のエンドヨーク部を形成する
ためのヨーク用芯材とを金属から成る棒状または管状の
マンドレル芯に串刺し状に取付け、しかも前記ヨーク用
芯材と前記軽量芯材との間にネック部を設け、前記軽量
芯材の外周部および前記ヨーク用芯材のピン穴の周囲に
樹脂を含浸した強化繊維を連続して巻回して繊維強化樹
脂層を形成し、前記繊維強化樹脂層を成形硬化した後に
前記マンドレル芯と前記ヨーク用芯材とを除去するよう
にしたことを特徴とする繊維強化樹脂製ドライブシャフ
トの製造方法に関するものである。

【０００９】

【作用】第１の発明によれば、ドライブシャフトの端部
にはエンドヨークが一体に成形されるとともに、エンド
ヨーク部とシャフト本体部との間のネック部において交
差している強化繊維と交差していない強化繊維とによっ
て、エンドヨーク部が強固にドライブシャフトの端部に
一体に結合された状態で成形されることになる。

【００１０】第２の発明によれば、マンドレル芯に軽量
芯材とヨーク用芯材とを串刺し状に取付けるとともに、
軽量芯材の外周部およびヨーク用芯材のピン穴の周囲に
樹脂を含浸した強化繊維を連続して巻回することによ
り、繊維強化樹脂層が形成されるようになり、このよう
な繊維強化樹脂層を成形硬化した後にマンドレル芯とヨ
ーク用芯材とを除去することによって、繊維強化樹脂製
ドライブシャフトが製造されることになる。

【００１１】

【実施例】以下本発明を図示の一実施例によって説明す
る。この実施例のドライブシャフトは、その端部にエン
ドヨークを一体に備え、このエンドヨークにスパイダを
組合わせることによって、ユニバーサルジョイントを構
成するようにしたドライブシャフトに関するものてあ
る。このようなドライブシャフトを得るために、図１に
示すようなマンドレルを用いる。

【００１２】すなわち鋼棒または鋼管から成るマンドレ
ル芯１０の外周に軽量芯材１１を串刺し状に取付けると
ともに、その両端にはヨーク用芯材１２を取付ける。な
おこのヨーク用芯材１２には上記マンドレル芯１０と直
角に交差するように一体または別体のピン１３を設けて
おく。さらに好ましくは、図３に示すように繊維強化樹
脂リング１４をピン１３に嵌合させて取付ける。また軽
量芯材１１とヨーク用芯材１２との間にはネック部１５
を設け、鋼製マンドレル芯１０を露出させるようにす
る。なお軽量芯材１１およびヨーク用芯材１２としては
マトリックス樹脂の硬化温度に耐える材料であればとく
に制限はないが、一般には硬質発泡ウレタン、発泡スチ
レン、硬質アクリルフォーム等が使用される。

【００１３】つぎに強化繊維樹脂層を形成する方法につ
いて述べる。まずドライブシャフト本体２４を形成する
ために、予め樹脂含浸した強化繊維束１８を図２に示す
ように軸方向に配向させて巻回する。なお強化繊維とし
ては例えば炭素繊維が用いられる。このように強化繊維
１８を軸方向に配向させて巻回するのは、ドライブシャ
フト２４自体の曲げ剛性を向上させ、その危険回転数を
高めるためである。なおマトリックス樹脂としては、通
常繊維強化樹脂のマトリックスとして使用される熱硬化
性樹脂、熱可塑性樹脂が使用できる。

【００１４】使用される強化繊維としては、とくに制限
はないが、通常炭素繊維が好適に使用される。とくにド
ライブシャフト２４の曲げ剛性を上げるために、強化繊
維１８としては例えば弾性率が３００００ｋｇｆ／ｍ²
以上の繊維が用いられる。具体的には、炭素繊維の中で
も、とくに中弾性以上の炭素繊維が好適である。これら
の炭素繊維は、アクリロニトリル系炭素繊維、ピッチ系
炭素繊維等とくに制限はされない。強化繊維の巻き角度
の方向は軸芯に対して０〜２０度の範囲が好ましい。

【００１５】続いて図３および図４に示すように、ヨー
ク用芯材１２のピン１３の周囲にピン穴２６を形成する
とともに、ドライブシャフト２４のトルク伝動層等を形
成するために、上記強化繊維１８をピン１３の周囲に巻
回する。

【００１６】図３においては、ピン１３のピン穴２６に
相当する部分の附近の強化繊維１８が交差している様子
を示しているが、このような巻回によってねじり剛性を
向上させ、トルクを伝動させる上で有利な構造とするこ
とができる。これに対して図４においては、強化繊維１
８が交差しない巻き方を示しているが、これは曲げ剛性
を増大させ、危険回転数を高めるのに有利な巻き方であ
る。また図３に示す強化繊維１８の交差する角度αおよ
び図４における強化繊維１８の交差角βを変化させるこ
とによって、シャフト１１の全面に強化繊維１８を巻回
できるようになる。

【００１７】このときにとくに伝動トルク量に応じてシ
ャフト本体部１１の強化繊維樹脂層を増減することが可
能である。また必要に応じてピン１３の周囲に予め繊維
強化樹脂リング１４を配置しておくことが可能である。
このような繊維強化樹脂リング１４は、ピン穴２６の周
囲を補強する機能を有する。このような樹脂リング１４
が脱落するのを防止するために、リング１４の上に強化
繊維１８を巻回し、リング１４を埋込んでしまうことが
好ましい。

【００１８】ヨーク用芯材１２のピン１３を巻回した強
化繊維１８は連続して軽量芯材１１の外周に巻回される
とともに、反対側のヨーク用芯材１２のピン１３の回り
にも巻回されるために、ドライブシャフト２４とエンド
ヨーク２５との接合が非常に強固な構造になる。

【００１９】また図３に示すような巻回方式と図４に示
すような巻回方式とを交互に実施するとともに、さらに
図５に示すような巻回方式や図６に示すような巻回方式
を適宜挟んで組合わせることによって、エンドヨーク２
５を両端に一体に備えるドライブシャフト２４の基本構
造が出来上がることになる。

【００２０】また必要に応じて、ドライブシャフト２４
の最外周に相当する部分に、図７に示すように、例えば
ガラス繊維のような耐衝撃性の良好な強化繊維１８を巻
回するようにしてもよい。このような強化繊維の巻き角
度は、シャフト２４の座屈防止のためにシャフト２４の
軸芯に対して６０〜９０度をなすように巻くことが好ま
しい。

【００２１】このようにして図１に示すマンドレル上に
フィラメントワインド法によって、未硬化の樹脂を含浸
した強化繊維を巻装することにより、図８および図９に
示すようになって整形を完了する。

【００２２】次いで樹脂含浸強化繊維１８を巻回した成
形体のマトリックス樹脂を加熱硬化し、その後に鋼製マ
ンドレル芯１０を抜く。さらにエンド部材内部のヨーク
用芯材１２を取出す。鋼製マンドレル芯１０は真直ぐな
棒材であるから、脱芯は極めて容易である。鋼製マンド
レル芯１０の外周に配された軽量芯材１１は軽量である
ためにとくに除去する必要がないが、溶剤によって溶解
除去することも可能である。また端部に取付けられたヨ
ーク用芯材１２は機械加工等を必要とせずに容易に取出
すことが可能である。またヨーク用芯材１２の型は必要
に応じて金属型を用いるようにしてもよい。

【００２３】図１０〜図１２は、鋼製マンドレル芯１０
およびヨーク用芯材１２を抜去って完成したドライブシ
ャフト２４を示している。このドライブシャフト２４に
は、その端部にとくに図１３に拡大して示すように、エ
ンドヨーク２５が一体に成形されている。このエンドヨ
ーク２５にはスパイダを受入れる一対のピン穴２６が形
成されている。

【００２４】つぎに具体的な仕様の一例について説明す
ると、直径が２０ｍｍで長さが１８００ｍｍの鋼製マン
ドレル芯１０を用意し、硬質発泡ウレタンによって軽量
芯材１１およびヨーク用芯材１２を製作した。このとき
にシャフト本体の内径が７０ｍｍとなるように軽量芯材
１１の外径をほぼ７０ｍｍとするとともに、シャフト両
端のエンドヨーク２５のピン穴の中心間距離が１３００
ｍｍとなるようにした。またヨーク用芯材１２のピン穴
に相当する部分にはピン１３を挿入するとともに、この
ピン１３に繊維強化樹脂製リング１４を取付けるように
した。

【００２５】このようなマンドレルを用いて、東邦レー
ヨン株式株式会社製高弾性アクリロニトリル系炭素繊維
ベスファイト（引張り強度５００ｋｇｆ／ｍｍ² 、引張
り弾性率３９０００ｋｇｆ／ｍｍ² ）に予め硬化剤を加
えたビスフェノールＡ系エポキシ樹脂を含浸したものを
マンドレル軸芯に対して±１０度となるように図２に示
すように巻回するとともに、図３および図４に示すよう
にピン１３の周囲に巻回した。そしてその後にさらにピ
ン穴部を補強すべく図５および図６に示すように炭素繊
維を巻回した。そしてその後に、樹脂含浸したガラス繊
維１９を図７に示すようにマンドレル軸芯に対して９０
度とすべく巻回した。

【００２６】このようにして巻回したものを１２０℃で
２時間保持して含浸樹脂を成形硬化した後に、鋼製マン
ドレル芯１０を抜去り、ヨーク用芯材１２を取出した。
このようにして得られたシャフト２４の重量は２．２ｋ
ｇであって、危険回転数は１０５００ｒｐｍであった。

【００２７】比較のために外径が７０ｍｍのマンドレル
によって、上記の仕様と同様のドライブシャフト２４と
同様に構成した長さが１５００ｍｍの繊維強化樹脂製パ
イプを製作した。そしてこのパイプの両端を切断し、金
属製のエンドヨークをそのピン穴の中心間距離が１３０
０ｍｍとなるように接着した。また接着部の補強のため
に、ブラインドリベットを打込んで強化した。このよう
なシャフトの重量は５ｋｇであって、危険回転数は７０
００ｒｐｍであった。従ってこの比較例と比較すること
により、具体的仕様のドライブシャフトが軽量であっ
て、しかも高い危険回転数を有することが明らかであ
る。

【００２８】また比較のために、鋼製マンドレル芯１０
の外周側にネック部１５を設けることなく軽量芯材１１
とヨーク用芯材１２とを近接して串刺し状に取付け、上
記実施例と同様に樹脂含浸した強化繊維を巻回しようと
したが、このようなマンドレルには強化繊維を巻回する
ことができなかった。

【００２９】

【発明の効果】第１の発明は、エンドヨーク部を一体に
成形するとともに、このエンドヨーク部に設けられたピ
ン穴の周囲とシャフト本体部とが連続した繊維で補強さ
れ、しかもエンドヨーク部とシャフト本体部との間のネ
ック部において交差している強化繊維と交差していない
強化繊維とが配されるようにしたものである。

【００３０】従って第１の発明によれば、両端にエンド
ヨーク部を一体に備え、しかもこのエンドヨーク部が強
固に本体部と結合された軽量であってしかも危険回転数
の高いドライブシャフトを提供することが可能になる。

【００３１】第２の発明は、マンドレル芯に軽量芯材と
ヨーク用芯材とを串刺し状に取付けるとともに、軽量芯
材の外周部およびヨーク用芯材のピン穴の周囲に樹脂を
含浸した強化繊維を連続して巻回して繊維強化樹脂層を
形成し、この繊維強化樹脂層を成形硬化した後にマンド
レル芯とヨーク用芯材とを除去するようにしたものであ
る。従ってエンドヨーク部を一体に備え、軽量であって
しかも危険回転数の高いドライブシャフトを効率的に製
造することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】マンドレルの正面図である。

【図２】強化繊維の巻き方を示す要部斜視図である。

【図３】強化繊維の巻き方を示す要部斜視図である。

【図４】強化繊維の巻き方を示す要部斜視図である。

【図５】強化繊維の巻き方を示す要部斜視図である。

【図６】強化繊維の巻き方を示す要部斜視図である。

【図７】ガラス繊維を巻回する方法を示す要部斜視図で
ある。

【図８】成形されたドライブシャフトの平面図である。

【図９】成形されたドライブシャフトの断面図である。

【図１０】マンドレルを抜去ったドライブシャフトの平
面図である。

【図１１】マンドレルを抜去ったドライブシャフトの断
面図である。

【図１２】完成したドライブシャフトの外観斜視図であ
る。

【図１３】ドライブシャフトのヨーク部の拡大斜視図で
ある。

【図１４】従来のドライブシャフトの外観斜視図であ
る。

【符号の説明】 １ ドライブシャフト ２ エンドヨーク ３ ピン穴 １０ 鋼製マンドレル芯 １１ 軽量芯材 １２ ヨーク用芯材 １３ ピン １４ 繊維強化樹脂リング １５ ネック部 １８ 強化繊維（炭素繊維） １９ 強化繊維（ガラス繊維） ２０ 繊維強化樹脂層 ２４ ドライブシャフト ２５ エンドヨーク ２６ ピン穴

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 フィラメントによって補強されて成形さ
   れた繊維強化樹脂製ドライブシャフトにおいて、 エンドヨーク部を一体に成形するとともに、該エンドヨ
   ーク部に設けられたピン穴の周囲とシャフト本体部とが
   連続した繊維で補強され、 しかも前記エンドヨーク部と前記シャフト本体部との間
   のネック部において交差している強化繊維と交差してい
   ない強化繊維とが配されていることを特徴とする繊維強
   化樹脂製ドライブシャフト。
2. 【請求項２】 シャフト本体部を形成するための軽量芯
   材と端部のエンドヨーク部を形成するためのヨーク用芯
   材とを金属から成る棒状または管状のマンドレル芯に串
   刺し状に取付け、しかも前記ヨーク用芯材と前記軽量芯
   材との間にネック部を設け、 前記軽量芯材の外周部および前記ヨーク用芯材のピン穴
   の周囲に樹脂を含浸した強化繊維を連続して巻回して繊
   維強化樹脂層を形成し、 前記繊維強化樹脂層を成形硬化した後に前記マンドレル
   芯と前記ヨーク用芯材とを除去するようにしたことを特
   徴とする繊維強化樹脂製ドライブシャフトの製造方法。