JPH04347006A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車のプロペラシャ
フトやドライブシャフトの様なトルク伝達用駆動軸に係
り、特に繊維強化プラスチック（以下「ＦＲＰ」と略す
）製の駆動軸に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、自動車は環境保護及び省エネルギ
ーの観点から軽量化への要求がますます高まっており、
軽量素材への移行が検討されている。プロペラシャフト
へのＦＲＰの適用もその一つであり、比剛性、比強度の
向上による軽量化効果だけでなく、振動減衰性の増大に
よる乗り心地の向上も期待でき、実用化が図られている
。

【０００３】ところで、ＦＲＰチューブをトルク伝達軸
として用いる場合、両端の金属製部材との接合方法が最
も重要な技術的課題である。これは駆動軸によって伝達
されるトルクに対して、接合部が十分な強度を保有する
ことが要求されるが、金属製駆動軸の場合に用いられる
通常手段（例えば溶接）がＦＲＰ製駆動軸には適用でき
ないためである。そのため、種々な接合方式が提案され
ている。

【０００４】最も単純な方式は接着剤を用いる方法であ
り、その一例として繊維に含浸させた合成樹脂剤でＦＲ
Ｐシャフトを金属製部材に接着するという方法が提案さ
れている（特公昭６１−５４９６５号公報）。

【０００５】また、特開昭５５−１５９３１０号公報に
示されているように、スリーブに多数のとがったピンを
放射状に配設したもの、更に特公昭６２−５３３７３号
公報に示されているようにスリーブの外周に歯を設け、
ＦＲＰチューブの内面に噛み込ませる方式のもの、また
特開昭５５−１５９３１４号公報に示されているように
、スリーブの外周を多角形にしたもの、等に代表される
機械的噛み込みを利用して結合強度を高めたもの、ある
いはボルト（実開昭５８−９０８３０号公報）やアウタ
ーカラー（実開昭６１−１１２１１３号公報）を用いて
接合部を固定するもの、更には両者を複合した構造のも
の（実開昭６１−１６２６１９号公報）が知られている
。

【０００６】またＦＲＰチューブの積層構成については
これまで接合部に対して特別な配慮を払ったという例は
なく、本体中央部と同様な積層構成が採用されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来の各
種結合方式にはそれぞれ次のような問題がある。まず、
接着剤だけによる方法は、接着強度が低いために長いス
リーブを要し、重くなるだけでなく長期間の繰返し使用
に対する信頼性に欠けるという問題がある。また、ピン
を配したものは、ＦＲＰチューブ内面のピン先端に当た
る部分に大きい応力集中を生じるため、繰返しの使用に
耐えられない。また、スリーブの外周に歯を設け、ＦＲ
Ｐチューブの内面に噛み込ませる方式は、歯の当たる部
分で繊維が切断されるという問題と、応力集中によりク
ラックを発生しやすいとういう欠点がある。

【０００８】また、スリーブとＦＲＰチューブの嵌合部
を多角形にする方法は、コーナー部の当りが強くなり、
発生する応力が増加する。また、ボルトを用いる方法は
、ＦＲＰチューブに孔をあけることになり、繊維が切断
されると同時に孔周辺で応力集中が生じるという問題が
ある。最後に、アウターカラーを用いる方法は、圧入時
やボルト使用時の補強としての働きに期待するものであ
るが、それ自身で結合力を産み出すものではない。

【０００９】本発明は、上記した従来の問題点に鑑みて
成されたものであり、ＦＲＰチューブと金属ヨークとの
嵌合固定を、より高い接合強度で行えるＦＲＰ製駆動軸
を提供することを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】ＦＲＰチューブを駆動軸
として実用化してゆくための技術的な問題点は端部の結
合部材といかに高い強度で接合するかという点であるが
、基本的には接着剤だけでは不十分である。従って、材
料のせん断強度も利用した接合方式が有利である。その
方法として金属スリーブとＦＲＰとの間に機械的な噛み
合い部分を持たせる方式が考えられる。但し、形状的に
は極力曲線を選んで応力集中の発生を抑える工夫が求め
られる。また、これまで接合部の強化の手段は金属スリ
ーブの改良に限られ、ＦＲＰチューブそのものにはあま
り目を向けられていなかった。

【００１１】そこで、本発明者らは、ＦＲＰチューブの
形状や積層構成についても変化をもたせることにより、
より高い接合強度が期待できる次のような本発明をさせ
た。

【００１２】すなわち、本発明に係るＦＲＰ製駆動軸は
、ＦＲＰチューブの端部内周面及びヨークの前記嵌合部
外周面をそれぞれスプライン形成し、ヨークの嵌合部を
チューブの端部に圧入固定しているのであり、また、前
記チューブの端部に形成したスプラインの凸部分を、内
面側から順に樹脂による第１層と±８５〜９０°に繊維
が連続的に配向した第２層と０〜±１０°に繊維が連続
的に配向した第３層の三層構成すると共に、凹部分は±
８５〜９０°に繊維が連続的に配向した層で構成してい
るのである。

【００１３】

【作用】本発明において、金属スリーブの外周面及びＦ
ＲＰチューブの内周面をスプライン形状に成形する理由
は、嵌合部における接合強度を圧入による摩擦力や接着
剤による接着力だけに頼るのではなく、材料の持つせん
断強度も利用するためである。

【００１４】ここでいうスプライン形状とは、一般に軸
とボスの結合に用いられる手段で軸方向に平行な凹凸を
円周上に等間隔に設けたもので、溝の形によって平行歯
スプライン、インボリュートスプライン、三角歯スプラ
インの３種類がある。これらの内、平行歯スプラインと
インボリュートスプラインはコーナーで応力集中が発生
することから、三角歯スプラインが望ましい。

【００１５】すなわち、圧入による摩擦力や接着剤によ
る接着力を用いる方式は、それら自体の値が小さいため
高トルクを必要とする用途に使えない。しかし、凹凸を
設けて機械的な噛み合いを持たせる方法は、繊維配向さ
え工夫すればせん断強度を高めることができ、高い接合
強度が得られる。但し、特公昭６２−５３３７３号公報
に示されているようなスリーブの周囲に歯を設け、該切
込み歯でＦＲＰチューブの内面に刻み目をつけながら、
噛み込ませる方式は、噛み込みが浅いだけでなくＦＲＰ
チューブ内面の繊維を切断することになるためせん断強
度も低く、大きな効果は期待できない。また切込み傷を
つけることになるためクラックの起点となりやすい。こ
れらに対して本発明ではＦＲＰチューブの内面を予め凹
凸のある形状に成形するため、このような問題は起こら
ない。

【００１６】ＦＲＰチューブは通常フィラメントワイン
ディング機にて製造されるが、ＦＲＰチューブの端部内
面に軸方向に平行に延びた凹凸を形成するのはフィラメ
ントワインディグ機のマンドレルの構造を工夫すること
によって可能である。即ち、マンドレルを二重構造とし
て円筒状の軸の外側に凹凸を持たせたスリーブを挿入し
た構成にすれば良い。

【００１７】本発明における接合方式は接合部における
ＦＲＰチューブの繊維配向の仕方が大きなポイントとな
る。なぜなら長繊維を利用したＦＲＰ製品は異方性があ
り繊維配向によって異なった特性を示すからである。耐
衝撃性付与のための最外層を除き、ＦＲＰチューブの巻
き角は主に伝達トルクと危険回転数を考慮して決定され
、通常±５〜±４５°の中からそれらの要求性能を満た
す最適値が選択される。駆動軸の伝え得るトルクはチュ
ーブの捩り強さによって決まるが、最大の捩り強度が得
られるのは巻き角が±４５°のときであり、巻き角がこ
れより小さくても大きくても捩り強度は低下する。

【００１８】一方、危険回転数はチューブの軸方向弾性
率によって決まり、軸方向弾性率が高い程固有振動数つ
まり危険回転数は高くなる。即ち、危険回転数の点から
は巻き角が小さい程良い。したがって、例えば±４５°
の捩り強化層と±１０°の弾性率強化層を組合わせて用
いられるか、あるいは±１０°と±４５°の中間の角度
で巻かれるのが通例である。

【００１９】しかし、接合部に注目すると接合強度を支
配するのは捩り強さ（面内せん断強さ）だけでなく、層
間せん断強さが重要なファクターであることがわかる。 つまりＦＲＰチューブの接合部内面は層間せん断強さが
最大限発揮されるような配向角で巻くことが望ましい。

【００２０】そこで、本発明者らが、層間せん断強さに
及ぼす配向角の影響をアングルプライ材で種々調査した
結果、せん断力の働く方向と平行に繊維を配向させた場
合が最も高い値を示すことが分かった。したがって、捩
り強さに対しては、巻き角が±４５°のとき最大になる
が、トルク負荷時に発生するせん断荷重に対しては、軸
方向に対して９０°であること、及び層間せん断強度に
対しては、繊維方向が荷重方向と平行なときに最大にな
ることから、理想的には９０°が望ましい。しかし製造
上の誤差がある程度入ることから本発明では±８５〜９
０°とした。

【００２１】本発明において、内面側（金属スリーブに
近い方）に±８５〜９０°層を持ってくる理由は、内面
側により大きなせん断応力が作用するためである。ＦＲ
Ｐチューブ内面の凸部分において内面側から第１層目を
樹脂層としているが、これは製造上の都合によるもので
あり、樹脂層は極力薄く、即ち±８５〜９０°層をより
内面側に来るように巻きつけるのが望ましい。

【００２２】また、その外側に０〜±１０°層を持って
くる理由は２つあり、１つはこれを巻くことによって±
８５〜９０°層をより内面側に落とし込むためである。 またもう１つの理由は内面に凹凸をつけることによって
生じたＦＲＰチューブ内部の空間を埋めるためである。 これによりトルク負荷時の発生応力を全体に分散させ、
局部的な応力集中の発生を防止することができる。

【００２３】管軸方向に対し±８５〜９０°に配向させ
た繊維は内面の凹凸に沿って巻付ける必要があるが、こ
れは次のような方法により実現できる。例えばフィラメ
ントワインディング機のマンドレル凹凸部に樹脂を塗布
し、その樹脂の上から管軸方向に対して±８５〜９０°
の巻き角度で繊維を巻き付け、更にその上から管軸方向
に対して０〜±１０°の巻き角度で繊維を巻き付けるこ
とにより形成される。

【００２４】ＦＲＰチューブ内面の凹部は樹脂が排除さ
れ管軸方向に対し±８５〜９０°に繊維配向した層のみ
が内面側に形成され、０〜±１５°層は形成されない。 なお、管端部に巻く繊維としては、ガラス繊維、炭素繊
維、アラミド繊維、アルミナ繊維、炭化珪素繊維、ボロ
ン繊維、超高強力ポリエチレン繊維などがあげられるが
、■コスト、■高弾性率不要、■強度、等の点でガラス
繊維を用いるのが望ましい。

【００２５】

【実施例】以下、本発明を図１〜図３に示す実施例に基
づいて説明する。図１は本発明ＦＲＰ製駆動軸の端部を
断面して示す図、図２は図１のＡ−Ａ断面図、図３は図
２の要部拡大図である。

【００２６】本発明に係るＦＲＰ製駆動軸は、ＦＲＰチ
ューブ１と金属製のヨーク２とから成り、ヨーク２は取
付部２ａと金属スリーブ２ｂ及びアウターリング２ｃで
構成され、金属スリーブ２ｂは先端外周縁に、先端に向
けて縮径するように滑らかなスプライン加工が施され、
かつ軽量化のため中空となされている。また、その外径
はＦＲＰチューブ１の嵌合部の内径よりも若干大きく成
されており、金属スリーブ２ｂとＦＲＰチューブ１は圧
入によって固定される。

【００２７】ところで、ＦＲＰチューブ１はフィラメン
トワインディング機にて製造されるが、両端のヨーク２
と嵌合される部分は、図２の断面図に示したように、ス
プライン状に形成されている。スプライン形状への成形
はフィラメントワインディング機のマンドレルの構造を
工夫することによって可能である。即ち、マンドレルを
二重構造として円筒状の軸の外側にスプラインを切った
スリーブを挿入した構成にすれば良い。このとき応力集
中を緩和するためスプラインは鋭利な箇所のないなめら
かな曲面にするのが好ましい。

【００２８】本実施例では、外径φ１１２ｍｍ　、内径
φ１００ｍｍ　のＦＲＰチューブ１を試作して試験した
。スプラインの歯数は１６、歯の高さは３ｍｍ、長さは
１００ｍｍ　とした。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）製）１
００重量部に対して酸無水物硬化剤（商品名「ＨＮ−２
２００」：日立化成工業（株）製）８０重量部添加した
ものを使用した。

【００２９】本実施例では、ＦＲＰチューブ１の成形に
際しては、まず上記樹脂に微粉シリカ粉末（商品名「Ｃ
ａｂｏｓｉｌ　」：Ｃａｂｏｔ　社製）を２重量％添加
して充分に混合したものをマンドレル２ｂのスプライン
部全面に均一に塗布（樹脂層である第１層３）し、次に
一方向ロービング（すだれロービング　５７５　ＴＥＸ
、１６Ｐ／ｉｎ：日東紡績（株）製）に上記樹脂を含浸
させてマンドレルのスプライン部に管軸方向に対して±
８５〜９０°になるよう２回巻き付け（第２層４）、さ
らにその上からガラスロービングをフィラメントワイン
ディング法にて±５°で１ｍｍの層（第３層５）厚に巻
き付けた。その後通常のフィラメントワインディング法
によりパイプ全長にわたる成形を行った。

【００３０】本実施例では、管中央部は通常巻きとした
が、通常巻きとは以下の巻き方のことをいう。即ち、内
面側はねじり強度を分担する±４５°のガラス繊維強化
層、中間層は軸方向弾性率を保持するための±１０°の
炭素繊維強化層、最外層は耐衝撃性を付与するための±
８５°のガラス繊維強化層で、それぞれの肉厚は３ｍｍ
、２ｍｍ、１ｍｍである。

【００３１】その後、１５０　℃で４時間焼付硬化を行
い、マンドレルのスプラインスリーブおよび本体マンド
レル金型を抽芯してＦＲＰチューブ１とした。したがっ
て管端部のＦＲＰチューブの肉厚は中央部より厚肉とな
るが、ヨーク２に圧入する際、管端部の外面を研削し、
中央部と同じ肉厚とした。

【００３２】本発明によるＦＲＰ製駆動軸の性能を評価
するために、捩りトルクを負荷し、破壊トルクを測定し
た。その結果を表１に示す。なお、性能の比較のために
通常巻きのみのＦＲＰチューブを用いた従来の接合法に
よる駆動軸の結果も併せて示した。

【００３３】

【表１】 ┌──┬─────────────┬─────┬─
────┬─────┐│Ｎｏ．　│　　　　接　　　
　　　合　　　　　　法　　　　│ＦＲＰチュ│ＦＲＰ
チュ│破壊トルク││　　　　│　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　│ーブ外径　　│ー
ブ肉厚　　│　　　　　　　　　　│├──┼────
─────────┼─────┼─────┼───
──┤│１　　│本　　　　発　　　　明　　　　　　
　　　　　　│　　　　　　　　ｍｍ│　　　　　　　
　ｍｍ│　　ｋｇｆ　・ｍ││　　　　│　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　│１１２　
　　　│　　　　６　　　　│２６００　　│├──┼
─────────────┼─────┼─────
┼─────┤│２　　│本　　　　発　　　　明　　
　　　　　　　　　　│１００　　　　│　　　　６　
　　　│２４００　　│├──┼──────────
───┼─────┼─────┼─────┤│３　
　│八角形内面スリーブ＋アウタ│　　　　　　　　　
　│　　　　　　　　　　│　　　　　　　　　　││
　　　　│ーカラー（長さ１００ｍｍ）　　　　　　│
１１２　　　　│　　　　６　　　　│２２００　　│
├──┼─────────────┼─────┼─
────┼─────┤│４　　│円形内面スリーブ　
　　　　　　　　　│　　　　　　　　　　│　　　　
　　　　　　│　　　　　　　　　　││　　　　│（
圧入、長さ１００　ｍｍ）　　　　　　│１１２　　　
　│　　　　６　　　　│　　８００　　│└──┴─
────────────┴─────┴─────┴
─────┘

【００３４】表１から本発明による駆動軸
の捩り破壊トルクは従来の駆動軸に比べて高い破壊トル
クを示し、本発明がＦＲＰチューブとヨークの接合方法
とし優れていることがわかる。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係るＦＲ
Ｐ製駆動軸は、ＦＲＰチューブの繊維を切断することな
く、駆動軸としての所要の強度を確保できると共に、応
力集中の発生を低く抑え、繰返しに対する長期耐久性を
有する。また、本発明は接着あるいは圧入といった従来
の接合方式に比べ、高い接合強度が得られるため、トラ
ック、バスといった高いトルク伝達能力を要求される車
種への適用も可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明ＦＲＰ製駆動軸の端部を断面して示す図
である。

【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。

【図３】図２の要部拡大図である。

【符号の説明】

１　　ＦＲＰチューブ ２　　ヨーク ３　　第１層 ４　　第２層 ５　　第３層

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　繊維強化プラスチック製チューブの端
   部にヨークの嵌合部を内嵌固定してなる駆動軸において
   、前記チューブの端部内周面及びヨークの前記嵌合部外
   周面をそれぞれスプライン形成し、ヨークの嵌合部をチ
   ューブの端部に圧入固定したことを特徴とする繊維強化
   プラスチック製駆動軸。
2. 【請求項２】　　前記チューブの端部に形成したスプラ
   インの凸部分を、内面側から順に樹脂による第１層と±
   ８５〜９０°に繊維が連続的に配向した第２層と０〜±
   １０°に繊維が連続的に配向した第３層の三層構成する
   と共に、凹部分は±８５〜９０°に繊維が連続的に配向
   した層で構成したことを特徴とする請求項１記載の繊維
   強化プラスチック製駆動軸。