JPH0791433A

JPH0791433A - プロペラシャフトおよびその製造方法

Info

Publication number: JPH0791433A
Application number: JP25520993A
Authority: JP
Inventors: Yasuyuki Toyoda; 靖之豊田; Yukitane Kimoto; 幸胤木本; Tatsuya Senba; 竜也仙波
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1993-09-20
Filing date: 1993-09-20
Publication date: 1995-04-04

Abstract

(57)【要約】【目的】ＦＲＰ製本体筒と金属製継手とを容易に接合
でき、しかも、接合部のねじり強度に優れたプロペラシ
ャフトおよびその製造方法を提供する。【構成】繊維強化プラスチック製本体筒１の端部内側
に、その本体筒１の内径と実質的に等しい外径を有する
金属製薄肉リング４が装着され、その薄肉リング４の内
側に、薄肉リング４の内径よりも大きな外径を有する金
属製継手３が圧入されてい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】自動車のプロペラシャフトは、現在ほと
んどが金属製であるが、近年車両重量を軽減して燃費を
向上させるために、繊維強化プラスチック（以下ＦＲＰ
と略すこともある）製のものが検討されるようになって
きた。そのようなＦＲＰ製プロペラシャフトは、ＦＲＰ
製本体筒の端部に、駆動軸や従動軸と連結してトルクを
伝達するための金属製継手を接合した構造になってい
る。

【０００３】ところで、自動車用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、１５０〜４００ｋｇｆ・ｍ程度の静的
なねじり強度と、使用時の負荷に対する十分な疲労強度
とを必要とし、かつ、プロペラシャフトの長さ、形状、
質量、支持条件などによって決まる危険回転数が、使用
条件を満足することが必要である。

【０００４】このねじり強度は、とくに、プロペラシャ
フト本体筒と継手との接合部に必要とされる。従来の金
属製プロペラシャフトにおいては、本体筒については、
スチール材が用いられているため、本体筒の肉厚を１．
５〜２．０ｍｍとすることで、上記ねじり強度を容易に
満足させることができる。また、本体筒端部と継手との
接続部についても、両者がスチール材であるため、溶接
により接合でき、容易に上記仕様を満足させることがで
きる。

【０００５】本体筒にＦＲＰを用いる場合、本体筒自身
については、炭素繊維などの補強繊維によって補強され
ているため、積層構成、肉厚を適当に設計すれば、上記
ねじり強度は容易に達成できる。

【０００６】しかしながら、本体筒端部と金属製継手と
の接合部では、本体筒がＦＲＰ製であるため、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等により
接合することは不可能である。

【０００７】従来から、このようなＦＲＰ製本体筒と継
手との接続方法として、特公昭６２−５３３７３号公報
に提案された方法が知られている。この方法は、ＦＲＰ
製本体筒と金属製継手との接合において、金属製継手の
係合部に多数の軸線方向切り込み歯を予め形成し、ＦＲ
Ｐ製本体筒と金属製継手との間に締め代を設けて、継手
を本体筒に圧入、接合する方法である。この方法では、
ＦＲＰ製パイプの接合部分に支持環を配置することによ
り締結力を得ることを特徴としている。しかしながら、
この提案方法においても、以下のような問題点がある。

【０００８】すなわち、自動車用のプロペラシャフト
は、車両の床下に装着されるが、自然条件や、排気管、
触媒装置等の放熱によって−４０℃〜１５０℃程度の環
境に晒される。したがって、このような条件下において
も、前述のねじり強度を有することが必要になる。

【０００９】ところが、特公昭６２−５３３７３号公報
に示された方法では、予め形成された軸線方向の切り込
み歯を有する金属製継手が、ＦＲＰ製の本体筒を削りな
がら圧入されるため、補強繊維を軸線方向に切断しなが
ら接合されることになり、本体筒に大きな損傷を与えて
しまって、自動車用プロペラシャフトとしてのねじり強
度を確保できなくなる場合がある。

【００１０】また、同方法では、ＦＲＰ製本体筒の端部
接合部外周に、金属などの材料からなる支持環を別途、
配置する必要があり、このためにはＦＲＰ製本体筒の外
周面をかなりの精度で機械加工しておき、焼ばめ、巻き
付け、プレス加工等により支持環を取り付ける必要があ
り、工程数が増加するとともに、生産コストが高くなる
という欠点を持っている。

【００１１】

【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製本体筒と金属製継手とを容易に接合でき、
しかも、接合部のねじり強度に優れたプロペラシャフト
およびその製造方法を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、発明者らは、接合時のＦＲＰ製本体筒の損傷がな
く、かつ接合工程の簡略化が可能な接続機構について検
討した結果、本発明のプロペラシャフトおよびその製造
方法を見出した。

【００１３】すなわち、この発明は、ＦＲＰ製本体筒の
端部内側に、その本体筒の内径と実質的に等しい外径を
有する金属製薄肉リングが装着され、その薄肉リングの
内側に、薄肉リングの内径よりも大きな外径を有する金
属製継手が圧入されていることを特徴とするプロペラシ
ャフトを提供する。また、この発明は、ＦＲＰ製本体筒
の端部内側に、その本体筒の内径と実質的に等しい外径
を有する金属製薄肉リングを装着した後、その薄肉リン
グの内側に、薄肉リングの内径よりも大きな外径を有す
る金属製継手を圧入することを特徴とするプロペラシャ
フトの製造方法を提供する。

【００１４】さて、ＦＲＰ製本体筒は、特に自動車用プ
ロペラシャフトが高速で回転することから曲げ共振にお
ける危険回転数を高くすることが必要である。そのた
め、ＦＲＰ製本体筒の補強繊維としては、炭素繊維を用
いることが好ましく、さらに軸方向弾性率が発現される
よう、積層構成としては±５〜２０°のヘリカル巻によ
る単一構成とするか、±５〜２０°のヘリカル巻と±７
５〜９０°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±２０°を超えて
も、軸方向弾性率は低くなる。もっとも、これ以外の角
度で配列された炭素繊維を含んでいてもよく、また、他
の補強繊維、たとえばガラス繊維やポリアラミド繊維が
併用されていても構わない。

【００１５】ＦＲＰ製本体筒の肉厚は、特に自動車用プ
ロペラシャフトにおいては、静的なねじり強度が１５０
〜４００ｋｇ・ｍ程度、ねじり剛性が５〜２０ｋｇｆ・
ｍ／ｄｅｇ・ｍ程度であることが要求されることから、
１．５〜５．０ｍｍ程度とするのが好ましい。１．５ｍ
ｍ未満ではねじり強度、ねじり剛性ともに低くなるし、
５．０ｍｍを超えるとねじり強度やねじり剛性がオーバ
ースペックとなり材料の無駄が多くなる。もちろん、肉
厚は補強繊維の配列角度や積層構成にもよる。例えば、
ハイブリッド構成を採るときには、±５〜２０°のヘリ
カル巻層を１．５〜４．０ｍｍとし、±７５〜９０°の
ヘリカル巻層を０．２〜１．０ｍｍとする。

【００１６】さて、ＦＲＰ製本体筒の継手が挿入される
端部には、外部補強層が積層されていることが好まし
い。この補強層は、金属製継手を圧入する際に本体筒の
破損をより確実に防止するとともに、十分に大きな締め
付け力を発生させる。そのため、この補強層において
も、炭素繊維を用いるのが好ましく、本体筒の継手圧入
部分に、その本体筒の軸方向に対して、±７５〜９０°
の角度で炭素繊維を配列するのが好ましい。なお、この
補強層は、上述したＦＲＰ製本体筒の成形と同時に成形
することができる。

【００１７】本発明による圧入接合では、圧入の際、予
めＦＲＰ製本体筒の端部内側に、本体筒の内径と実質的
に等しい外径を有する、薄肉の金属製リングが挿入さ
れ、さらに金属製継手がその薄肉リングに圧入される。
金属製継手と薄肉リングとは、金属同士の接触となるか
ら、この間では基本的に削れは生じない。したがって、
ＦＲＰ製本体筒の内側を削ること無しに、金属製継手の
圧入、接合が可能となる。その結果、接合面には圧入接
合時の摩耗、切削による粉末が存在せず、強固な接合面
が得られる。

【００１８】この薄肉リングの材質としては、鉄、鋼、
合金鋼、アルミ合金、銅合金などが好ましく、特に軟質
の材料は接合部分の境界面での微細な凹凸による噛み合
いが生じるので接合強度が高められる。薄肉リングの肉
厚としては０．１〜５．０ｍｍが好ましく、この範囲か
ら接合強度、圧入力を考慮して決定することができる。

【００１９】また、この時さらにＦＲＰ製本体筒の内面
との摩擦係数を高め、ひいては接合強度を高められるよ
うに、薄肉リングの表面粗さを２〜５００μｍ程度に処
理しておくことも好ましい。

【００２０】この金属製薄肉リングの装着においては、
薄肉リングの外周面に硬質の粒子を配置することによ
り、該粒子を、圧入時にＦＲＰ製本体筒の内面と薄肉リ
ングの境界面に食い込ませ、単に圧入したよりも一層強
固な結合形態を得ることができる。

【００２１】硬質の粒子の材質としては、鋼、合金鋼、
セラミック、チタン合金などが好ましいが、圧入接合の
際、変形や破壊が生じること無しにＦＲＰ製本体筒、薄
肉リングに食い込むことができる強度・硬度があれば特
に限定しない。十分に高い接合強度を発現するために
は、粒子の粒径は０．０１〜０．２ｍｍ程度が好まし
い。これらの粒子の薄肉リング外周面への配置は、樹
脂、糊材、接着剤等との混合物とし、ＦＲＰ製本体筒の
接合部内面または金属製継手接合部表面に塗布しておけ
ばよい。この時、薄肉リングの外径は、この硬質粒子の
存在を考慮し、装着時、ＦＲＰ製本体筒の接合部内周面
に摩耗を生じることなしに取り付けられるようにするこ
とはいうまでもない。

【００２２】さらに、薄肉リングの形状として、薄肉リ
ング外周面を凹凸面とすることで、圧入時に薄肉リング
の凹凸部がＦＲＰ製本体筒の内周面に食い込み、単に圧
入したよりも一層強固な接合形態を得ることができる。

【００２３】凹凸形状を付与する方法としては、リング
材表面のモジュール０．２〜０．５のあや目状か、もし
くはひら目のローレット加工が、好ましい。他の方法と
してはショットピーニングによる方法、機械的切削加工
によってもよい。

【００２４】また、凹凸は、金属製継手側に設けてもよ
い。たとえば、薄肉リングの外周面を鏡面に形成し、金
属製継手の圧入部外周面を、凹部および凸部が本体筒の
筒軸方向に延びる凹凸面に形成するようにしてもよい。

【００２５】薄肉リングの片方の端部側には、装着時に
ＦＲＰ製本体筒に対して所定位置に係止されるようにす
るためと、金属製継手圧入時にその摩擦力によって薄肉
リングが移動しないようにＦＲＰ製本体筒に係止させて
おくために、鍔部を設けておくことが好ましい。金属製
継手圧入前の薄肉リングの装着方法は特に限定しない
が、ＦＲＰ製本体筒に対して、装着時に摩耗が生じない
程度の嵌め合いや接着剤による装着が適当である。

【００２６】金属製継手圧入接合のための締め代は、接
合部の構成各部で発生する応力が弾性限度内であり、か
つ接合部に発生する締め付け力が、仕様値のトルクに十
分耐えられるように設計することが重要である。

【００２７】ＦＲＰ製本体筒の端部内側に薄肉リングが
装着された状態で、金属製の継手が圧入される。したが
って、この時の締め代はＦＲＰ製本体筒の内径をｄ₁、
薄肉リング肉厚をｔ_r、金属製継手の外径をｄ₂とする
と、締め代δは次式 δ＝ｄ₂−（ｄ₁−２ｔ_r）で表され、この締め代によって接合部のＦＲＰ製本体筒
および金属製継手に歪みが発生して締め付け力が発生
し、強固な接合が可能となる。この圧入接合部には、前
記したように、１５０〜４００ｋｇｆ・ｍ程度の静的ね
じり強度が要求され、また、使用時の負荷に対する十分
な疲労強度が要求されるため、ＦＲＰ製パイプの周方向
に発生する引っ張り歪みが０．１〜１．５％程度になる
ように圧入するのが好ましい。引っ張り歪みが０．１％
以下では十分な締め付け力が発生しないし、かといっ
て、１．５％を超えるとＦＰＲ製本体筒が破壊してしま
うおそれがある。

【００２８】同じ理由から、金属製継手部に発生する圧
縮歪みが、０．０５〜０．３％を越えないようにするこ
とが必要である。０．３％を越える条件で圧入すると、
発生する圧縮応力が弾性限界を越えてしまうため、接合
部分の材料が塑性変形してしまうからである。

【００２９】本発明で使用するＦＰＲ製本体筒の樹脂に
は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、
不飽和ポリエステルなどの熱硬化性樹脂が使用できる。

【００３０】ＦＲＰ製本体筒の成形方法としては、フィ
ラメント・ワィンディング、シートワィンディング、プ
ルトルージョン法などの周知の方法で成形できる。

【００３１】また、以上の説明においては、補強繊維と
して、主として炭素繊維だけを用いる場合について述べ
たが、本発明においては、プロペラシャフトの強度、危
険回転数等の仕様に合わせて、適宜他の補強繊維を用い
てもよく、また、炭素繊維に他の補強繊維を混入しても
構わない。

【００３２】また、本発明のプロペラシャフトにおいて
は、ＦＲＰ製本体筒と薄肉リング、あるいは、薄肉リン
グ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。

【００３３】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。

【００３４】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製本体筒端部と薄肉リング
側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。

【００３５】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。

【００３６】

【実施例】図１は、本発明の一実施例に係るプロペラシ
ャフトの一方の継手側を示している。図示は省略した
が、反対側の継手接合部も同様に構成されている。ＦＲ
Ｐ製本体筒１の両端部には外部補強層２が設けられ、Ｆ
ＲＰ製本体筒１の端部内側には、一端に鍔部５を有し、
外周面がローレット加工された金属製薄肉リング４が装
着された後、その薄肉リング４に、金属製継手５が圧入
接合されている。本発明におけるプロペラシャフトの強
度仕様値として、静的ねじり強度が２５０ｋｇｆ・ｍを
有することを条件として、図に示したプロペラシャフト
を作製した。

【００３７】実施例東レ（株）製炭素繊維“トレカ”Ｔ３００−１２Ｋを６
本引き揃え、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂１００重
量％の主剤に対し９０重量％の酸無水物系硬化剤を添加
し、さらに１．０重量％の硬化促進剤を添加した樹脂混
合物を含浸しながら、フィラメントワインディング法に
よりマンドレル上にその軸方向に対して±１４°構成で
６層積層した後、本体筒の接合部に当たる部分の外周
に、±８５°構成で７層からなり、長さ８０ｍｍ、肉厚
３．０ｍｍの外部補強層２を付与した後、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、
硬化後マンドレルを引き抜いて、外径７７ｍｍ、内径７
０ｍｍ、長さ１２００ｍｍのＣＦＲＰ製本体筒１を得
た。

【００３８】ＣＦＲＰ製本体筒１の接合部内周面に装着
する薄肉リング４としては、軟鋼材を用い、内径６８ｍ
ｍ、外径６９．８ｍｍとし、接合部表面にはモジュール
ｍ＝０．３のあや目のローレット加工を施した。このリ
ング４を装着後、外径６８．６ｍｍの接合部外径を持つ
金属製継手３をプレスにより圧入し、図１に示したよう
なプロペラシャフトを得た。このプロペラシャフトのね
じり強度を測定したところ、３００ｋｇ・ｍのねじり強
度を有しており、自動車用プロペラシャフトとしての仕
様値を十分に満足した。

【００３９】比較例図２は、比較例としての、従来構造にかかるプロペラシ
ャフトを示している。ＣＦＲＰ製本体筒１の両端部には
外部補強層２が設けられ、金属製継手３が本体筒１の端
部に圧入されている。

【００４０】東レ（株）製炭素繊維“トレカ”Ｔ３００
−１２Ｋを６本引き揃え、ビスフェノールＡ型エポキシ
樹脂１００重量％の主剤に対し９０重量％の酸無水物系
硬化剤を添加し、さらに１．０重量％の硬化促進剤を添
加した樹脂混合物を含浸しながら、フィラメントワイン
ディング法によりマンドレル上にその軸方向に対して±
１４°構成で６層積層した後、接合部に当たる本体筒上
に±８５°構成で５層からなり、長さ８０ｍｍ、肉厚
３．０ｍｍの補強層２を付与した後、回転させながら１
８０°で６時間加熱してエポキシ樹脂を硬化させ、硬化
後マンドレルを引き抜き、外径７７ｍｍ、内径７０ｍ
ｍ、長さ１２００ｍｍのＣＦＲＰ製本体筒１を得た。

【００４１】次いで本体筒１の両端部に、接合部外径７
０．６ｍｍ、長さ５０ｍｍでモジュールｍ＝０．３のあ
や目のローレット加工を施したスチール製継手３を圧入
接合してプロペラシャフトを作製したが、この時の圧入
接合部分にはかなりの摩耗が生じており、締め代による
有効な締め付け力が発生させることができなかった。続
いて、実施例と同様の条件でねじり強度を測定したとこ
ろ、１５０ｋｇ・ｍの強度しか発現せず、自動車用プロ
ペラシャフトとしての仕様値を満足することができなか
った。

【００４２】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、ＦＲ
Ｐ製本体筒の端部内側に、金属製薄肉リングを装着した
後、該薄肉リングの内径よりも大きな外径を有する金属
製継手を圧入して、圧入部を金属同士の接触としたの
で、ＦＲＰ製本体筒に圧入による損傷を与えることな
く、ＦＲＰ製本体筒側と金属製継手側とを容易に接合で
き、しかも、接合部のねじり強度に優れた、自動車用プ
ロペラシャフトとして最適なプロペラシャフトを得るこ
とができる。

【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】従来のＦＲＰ製プロペラシャフトの部分断面図
である。

【符号の説明】

１ＦＲＰ製本体筒２外部補強層３金属製継手４金属製薄肉リング５鍔部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】繊維強化プラスチック製本体筒の端部内
側に、その本体筒の内径と実質的に等しい外径を有する
金属製薄肉リングが装着され、その薄肉リングの内側
に、薄肉リングの内径よりも大きな外径を有する金属製
継手が圧入されていることを特徴とするプロペラシャフ
ト。
【請求項２】前記本体筒の端部に、繊維強化プラスチ
ックからなる外部補強層が設けられている、請求項１の
プロペラシャフト。
【請求項３】前記薄肉リングの外周面と本体筒の内周
面との間に、硬質の粒子が配置されている、請求項１又
は２のプロペラシャフト。
【請求項４】前記薄肉リングの外周面が凹凸面に形成
されている、請求項１又は２のプロペラシャフト。
【請求項５】前記薄肉リングの外周面が鏡面に形成さ
れ、前記金属製継手の圧入部外周面は、凹部および凸部
が本体筒の筒軸方向に延びる凹凸面に形成されている、
請求項１又は２のプロペラシャフト。
【請求項６】繊維強化プラスチック製本体筒の端部内
側に、その本体筒の内径と実質的に等しい外径を有する
金属製薄肉リングを装着した後、その薄肉リングの内側
に、薄肉リングの内径よりも大きな外径を有する金属製
継手を圧入することを特徴とするプロペラシャフトの製
造方法。