プロペラシャフトおよびその製造方法
【課題】小径のシャフトであっても共振周波数特性が高くて（曲げ剛性の高い）かつ、所定の捩り強度、円環剛性を確保し、さらに価格の高騰を抑え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。
【解決手段】内径が５０〜１００ｍｍで、筒軸方向に対して５°〜６０°の螺旋巻の層と筒軸方向に対して７５°〜９０°の周方向巻の層を有し、少なくとも引張弾性率４００〜９００Ｇｐａの強化繊維を含み、中央部の厚みが１．５〜５ｍｍであるＦＲＰ筒体に継手要素が結合されてなることを特徴とするプロペラシャフト。
【解決手段】内径が５０〜１００ｍｍで、筒軸方向に対して５°〜６０°の螺旋巻の層と筒軸方向に対して７５°〜９０°の周方向巻の層を有し、少なくとも引張弾性率４００〜９００Ｇｐａの強化繊維を含み、中央部の厚みが１．５〜５ｍｍであるＦＲＰ筒体に継手要素が結合されてなることを特徴とするプロペラシャフト。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車等の駆動力伝達軸として使用されるＦＲＰ製のプロペラシャフト（推進軸）およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、各種産業分野でＦＲＰ（繊維強化プラスチック）筒体の実用化が進んでいる。
【０００３】
例えば近年、燃費の向上や環境保全といった観点から自動車の軽量化が強く望まれているが、それを達成する一手段としてプロペラシャフトのＦＲＰ化が検討され、一部で既に採用されるに至っている。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、軽量化の面からプロペラシャフトの筒体が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）製筒体が有力とされている。
【０００４】
自動車のプロペラシャフトは、軸方向の弾性率とともに、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、１０００〜４０００Ｎｍ程度の捩り強度を必要とする。また、高速回転時に共振を起こさないよう、危険回転数が５０００〜１８０００ｒｐｍ程度（共振周波数：８３〜３００Ｈｚ）であることも要求される。これまでのＣＦＲＰ製プロペラシャフト、特にその本体筒部は、必要なトルクを伝達し、高い共振周波数を得るための螺旋巻き層の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、繊維の含有率等をパラメータとして設計されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
ＦＲＰ筒体において、高い共振周波数特性、曲げ剛性を得るためには炭素繊維の中でも高弾性率グレード炭素繊維を使用して螺旋巻き層の積層角度を０〜２０°のような筒軸方向に対して低角度にしなければならないが、低角度に積層すると捩り強度が低くなってしまう。共振周波数、曲げ剛性と捩り強度の関係は積層設計上、相反する特性とならざるを得ず、使用する強化繊維の種類や積層構成を決定することは極めて重要である。
【０００６】
端部に金属製継手等を圧入接合して使用されるプロペラシャフト用ＦＲＰ筒体は、通常図１に示すように、例えば、樹脂含浸強化繊維をマンドレル１１上に巻いていくフィラメントワインディング法によって形成され、ＦＲＰ本体筒１２を形成する部分が主として強化繊維の螺旋巻き層（例えば、筒軸方向に対して強化繊維を５°〜６０°の角度で配列した層（なお、角度表示は請求項部分も含め筒軸方向に対する絶対値で表すものとする。）とフープ巻層で構成されるが、このＦＲＰ筒体には次のような問題があった。
【０００７】
近年、エンジンの高出力化に伴い更なる高共振周波数特性が要求され、かつシャフトの小径化のニーズも高まっている。この場合、小径のシャフトで高共振周波数を達成するにはＦＲＰ筒体の曲げ剛性を極力高めることが必要であるが、成形法にフィラメントワインディング成形を選択した時、積層角度に０〜４°のような筒軸方向に対して低角度を選択することはボイド、捩り強度等のＦＲＰ筒体の品質を考慮して避けることが多く、標準・中弾性率グレード（例えば、引張弾性率２３０〜３９０Ｇｐａ）の炭素繊維を選定してＦＲＰ筒体を成形しても小径のシャフトで高共振周波数（高い曲げ剛性）を達成することは困難である。
【０００８】
さらに、小径のシャフトでは、積層角度を曲げ剛性に寄与する低角度（例えば、５〜３０°）、円環剛性に寄与する高角度（例えば、７５〜９０°）、捩り強度に寄与する中角度（例えば、３１〜６０°）を適正に配置しないと設計上、共振周波数、円環剛性、捩り強度の特性を高めることが困難である。
【０００９】
また、炭素繊維はその引張弾性率に比例してその価格も高くなるので、曲げ剛性の高いＦＲＰ筒体を提供するには、人の介在が少ない連続成形を選択しないと全体の価格が高くなってしまう。
【特許文献１】特開平２−２３６０１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の課題は、上記のような従来の問題点に着目し、小径のシャフトであっても共振周波数特性が高くて（曲げ剛性の高い）、かつ、所定の捩り強度、円環剛性を確保し、さらに価格の高騰を抑えたＦＲＰ筒体を用い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。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、上記の課題を解決するため以下の構成を採用する。すなわち、
（１）内径が５０〜１００ｍｍで、筒軸方向に対して５°〜６０°の螺旋巻の層と筒軸方向に対して７５°〜９０°の周方向巻の層とを有し、少なくとも引張弾性率４００〜９００Ｇｐａの強化繊維を含み、中央部の厚みが１．５〜５ｍｍであるＦＲＰ筒体に継手要素が結合されてなることを特徴とするプロペラシャフト。
【００１２】
（２）前記ＦＲＰ筒体の少なくとも一方の筒軸方向端部の表層側および／または内層側に筒軸方向に対しで７５°〜９０°の周方向巻補強層が設けられていることを特徴とする前記（１）に記載のプロペラシャフト。
【００１３】
（３）前記引張弾性率４００〜９００ＧＰａの強化繊維が筒軸方向に対し５〜１５°の螺旋巻きの層を有し、引張弾性率３９９ＧＰａ以下からなる強化繊維層が含まれることを特徴とする前記（１）または（２）記載のプロペラシャフト。
【００１４】
（４）前記ＦＲＰ筒体中央部において、前記引張弾性率４００〜９００ＧＰａの強化繊維からなる層の厚さが全体肉厚の６０〜８０％であることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかに記載のプロペラシャフト。
【００１５】
（５）内径が５０〜１００ｍｍで、筒軸方向に対して５°〜６０°の螺旋巻の層と筒軸方向に対して７５°〜９０°の周方向巻の層とを有し、少なくとも引張弾性率４００〜９００Ｇｐａの強化繊維を含み、中央部の厚みが１．５〜５ｍｍであるＦＲＰ筒体に継手要素を結合させたプロペラシャフトの製造方法であって、前記ＦＲＰ筒体をフィラメントワインディング法で成形することを特徴とするプロペラシャフトの製造方法。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係るプロペラシャフトおよびその製造方法によれば、小径のシャフトであっても所定の捩り強度を確保し、かつ共振周波数特性の高い（曲げ剛性の高い）ＦＲＰ筒体よりなるプロペラシャフトを得ることができる。また、かかるプロペラシャフトを価格の高騰を抑えて生産することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明者らは前記した課題に対し、使用強化繊維と積層角度の最適な組み合わせ、および成形法の選定について検討したところ、本発明にいたったものである。
【００１８】
以下、本発明について、さらに詳細に説明する。
【００１９】
前記したように、本発明のプロペラシャフトは、ＦＲＰ筒体を用いるものである。このＦＲＰ筒体は、内径に関して、捩り強度、車体設置スペースを考慮して、５０〜１００ｍｍに規定される。５０ｍｍより小さくなると捩り強度の確保が困難となり、また１００ｍｍを越えると近年の居室ワイド化に伴うプロペラシャフト設置スペースの縮小傾向の影響でプロペラシャフト用ＦＲＰ筒体が周辺に存在する部品に干渉する可能性がある。
【００２０】
また、筒軸方向に対して５°〜６０°の螺旋巻の層と筒軸方向に対して７５°〜９０°の周方向巻の層を有しており、さらに、少なくとも引張弾性率４００〜９００Ｇｐａの強化繊維を含み、中央部の厚みが１．５〜５ｍｍのものである。さらに、上記のＦＲＰ筒体には継手要素が結合されている。筒軸方向に対して５°〜６０°の螺旋巻の層とするのは高い捩り強度と曲げ剛性を実現するためである。筒軸方向に対して５°より小さい螺旋巻となると捩り強度の確保が難しくなるととに、フィラメントワインディング成形の性格からマンドレル半径方向に対して繊維に張力が負荷されにくい状態になるのでＦＲＰ筒体の品質が悪化する傾向にある。また、筒軸方向に対して６０°を越える螺旋巻となると曲げ剛性の確保が難しくなる。また、７５°〜９０°の周方向巻の層とするのはＦＲＰ筒体の半径方向に対する円環強度を確保するためである。７５°より小さい周方向巻となると外部から荷重が負荷された場合、破壊が起こりやすくなる。周方向巻補強部を除くそれぞれの厚み比は５°〜６０°が８０〜９０％、７５°〜９０°が１０〜２０％であることが好ましい。この範囲内であれば、高い捩り強度、曲げ剛性、円環強度を効率的に実現することができる。中央部の厚みを１．５〜５ｍｍとするのは、中央部の厚みが１．５ｍｍより小さくなると飛び石衝撃のような外からの衝撃に対して厚み方向の層間剥離が発生しやすくなり強度低下の原因となる。また、中央部の厚みが５ｍｍより大きくなると強度仕様に対して過剰な性能を有するだけで材料投入増加に伴う軽量化のメリットが小さくなるとともにコストアップの要因となってしまう。
【００２１】
更に、本発明のプロペラシャフトは、前記ＦＲＰ筒体の積層において、少なくとも引張弾性率４００〜９００ＧＰａの強化繊維を含み、該強化繊維が筒軸方向に対し５〜１５°の螺旋巻き層とすることで共振周波数を効率的に高めることができる。さらに引張弾性率３９９ＧＰａ以下からなる強化繊維層を他の層に配置することによりねじり強度など他の特性とのバランスがとれたプロペラシャフトとすることが可能となる。
【００２２】
また、プロペラシャフトのねじり強度を効果的に確保するために概略±４５°の螺旋巻き層と、７５〜９０°の円周方向巻きをＦＲＰ筒体の仕様に併せて、組み合わせることが好ましい。
【００２３】
前記ＦＲＰ筒体の積層において、中央部の肉厚に対し引張弾性率４００〜９００ＧＰａの強化繊維からなる厚さが６０〜８０％とすることが、共振周波数が高く、かつねじり強度とのバランス良く確保するために好ましい。
【００２４】
また、このＦＲＰ筒体の繊維体積含有率は軽量化、含浸性および物性発現率を考慮して５０〜７０％が好ましい。
【００２５】
このような構成とした本発明のプロペラシャフトは、適正な引張弾性率を有する強化繊維と筒軸方向に対して最適な巻き角度を有する層を配置しているので、ＦＲＰ筒体の共振周波数を高くすると共に、十分な捩り強度、円環剛性を有するＦＲＰ筒体とすることができるのである。
【００２６】
また、本発明のプロペラシャフトは、前記ＦＲＰ筒体の少なくとも一方の筒軸方向端部の表層側および／または内層側に筒軸方向に対しで７５°〜９０°の周方向巻補強層が設けられているものであることが好ましい。
【００２７】
このような構成としたプロペラシャフトは、ＦＲＰ筒体端部に金属製継手要素を圧入接合する場合、ＦＲＰ筒体端部の強度と金属継ぎ手要素の接合強度（スリップトルク）を確保するために上記の角度範囲とすることが好ましいものであり、７５°よりも小さくなるとＦＲＰ筒体端部が金属継ぎ手要素を圧入接合する際、破壊しやすくなるとともに、金属製継ぎ手の接合強度（スリップトルク）の確保が難しくなる。
【００２８】
また、本発明のプロペラシャフトの製造方法は、内径が５０〜１００ｍｍで、筒軸方向に対して５°〜６０°の螺旋巻の層と筒軸方向に対して７５°〜９０°の周方向巻の層で構成され、少なくとも引張弾性率４００〜９００Ｇｐａの強化繊維を含み、中央部の厚みが１．５〜５ｍｍであるＦＲＰ筒体に継手要素を結合させたプロペラシャフト製造方法であって、前記ＦＲＰ円筒体をフィラメントワインディング法で成形することを特徴とするものである。
【００２９】
この構成としたプロペラシャフトの製造方法は、適正な引張弾性率を有する強化繊維と筒軸方向に対して最適な巻き角度を有する層を配置しているとともに、フィラメントワインディング法での成形を選択しているので、ＦＲＰ筒体に要求される共振周波数、捩り強度、剛性等の性能を設計上最大限に発揮させ、さらに人の介在が少ない成形法を選択することによりＦＲＰ円筒体の価格の高騰を抑えることができるのである。
【００３０】
以下さらに、本発明に係るプロペラシャフトおよびその製造方法の望ましい実施形態を、主として車両用のプロペラシャフトに本発明を適用した場合について、図面を参照しながら説明する。
【００３１】
図２は本発明の一実施態様に係るプロペラシャフトを構成するＦＲＰ筒体を示しており、図１に示したようなマンドレル：１１上にＦＲＰ筒体を製造するに際し、本発明を適用したもので、特にＦＲＰ製プロペラシャフトを製造する場合を示したものであり、図２において、図１に示したようなマンドレル：１１上にＦＲＰ製の筒状体を形成していく際に、ＦＲＰ筒体の層構成を示したものである。
【００３２】
ＦＲＰ筒体は引張弾性率４００〜９００Ｇｐａの炭素繊維を使用しており、周方向巻補強層：２１（テーパー部２７を含む）、１２°層：２３、２６、４５°層：２４、８５°層：２２、２５をフィラメントワインディング法により配置している。
【００３３】
さらに、そのＦＲＰ筒体：３３の端部に図３に示すように金属製継手：３１が圧入され、図４に示すようなプロペラシャフトとされる。
【００３４】
本発明において、ＦＲＰ層は、補強繊維とマトリックス樹脂からなる。補強繊維としては、炭素繊維、ボロン繊維などを例示できるが、成形品となした場合に、特に優れた機械的特性を示すポリアクリロニトリル系やピッチ系などの炭素繊維を用いることが好ましい。なお、これらの補強繊維は、異なる種類のものを併用することができる。また、同じ種類のものであっても、特性の異なるものを併用することができる。
【００３５】
また、マトリックス樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、その他の熱硬化性樹脂を使用することができる。なかでも、耐熱性、耐水性、接着性に優れたエポキシ樹脂を用いることが好ましい。エポキシ樹脂としては、例えば、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、グリシジルアミン型エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂、ウレタン変性エポキシ樹脂、ブロム化ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂などを使用することができる。これらのエポキシ樹脂は、単独または２種類以上を併用して使用することができ、さらには液状のものから固体状のものまで使用することができる。通常、エポキシ樹脂には硬化剤を加えて用いられる。
【００３６】
図５は評価用プロペラシャフト１を示す。ＦＲＰ筒体２の両端には金属製継ぎ手３ａ、３ｂが圧入接合される。金属製継ぎ手には、ねじり試験、インパルス加振試験時の取り付け用孔３ｃが設けられている。また、金属製継ぎ手の圧入接合部にはセレーション３ｄが設けられており、圧入時にＦＲＰ筒体の周方向巻補強層２ａの内面に切り込むことにより、必要な接合トルクを得ることができる。そのためセレーションの外径はＦＲＰ製本体筒の内径より大きいことが必要である。ここで図中２ｂはＦＲＰ製本体筒の主層、２ｃは内径、２ｄは接合部外径を示し、２ｅは中央部外径を示す。また２ｆはＦＲＰ製筒体の全長、１ａは両端金属製継ぎ手３ｃ孔中心間のジョイント間距離を示す。
【００３７】
図６は評価用プロペラシャフト１の共振周波数の測定方法を示す。評価方法はインパルス加振試験により測定を実施するため、評価用プロペラシャフト１を図６に示す様に、両端の継ぎ手部材３の孔部３ｃをピン支持する。次いで、ＦＲＰ筒体２の中央部に加速度センサー９ａを取り付ける。この状態で、力センサー９ｃを内蔵したインパルスハンマー９ｂにて加振し、力センサー９ｃと加速度センサー９ａの出力を入力チャンネルモジュール９ｄ（（株）エー・アンド・デイ社製ＡＤ−３６５１）を介しホストコンピューター９ｅに取り込み、ＦＦＴ専用ソフト（（株）エー・アンド・デイ社製 ＷＣＡＭＳＡ）にて伝達関数を求め、表示させることにより、共振周波数を得ることができる。
【００３８】
図７に評価用プロペラシャフト１のねじり評価試験の概要を示す。両端にねじり試験用継ぎ手３ａ、３ｂが圧入されたＦＲＰ本体筒２は金属製継ぎ手３ａ，３ｂの孔部３ｃを介しねじり試験機のフランジ部に固定される。このとき、一方の可動部フランジ５ａは油圧による回転駆動部を有しており試験体へのトルク負荷が可能となる。他方の固定部フランジ５ｂは試験器ベースに固定され、フランジ部に連結されたロードセル５ｃから破壊時のトルクを検出することができる。また、ＦＲＰ筒体の様に試験温度が重要である場合は、図５に示す恒温槽６を用い所定の温度に調節・保持後、ねじり試験を実施した。雰囲気温度は図中６ａの温度計より検出した。ねじり試験時の試験速度、温度設定は図中８に示す制御装置により設定される。
【実施例】
【００３９】
実施例１
次に、上記実施形態の項で説明した本発明の構成要件を満足するＦＲＰ筒体における効果を確認するために共振周波数、捩り強度の評価を実施した。以下にこれらについて詳細に説明する。
【００４０】
なお、本発明において、破断伸度、引張弾性率 は、ＪＩＳ Ｒ ７６０１−１９８６に従って測定されるストランドの破断伸度、引張弾性率であり、メーカーカタログ記載の値を使用する。
【００４１】
試験評価に使用したプロペラシャフト用ＦＲＰ筒体はフィラメントワインディング法により製造した。強化繊維として炭素繊維束（東レ（株）製“トレカ（登録商標）”Ｍ４６Ｊ、１２０００フィラメント、引張弾性率４３０ＧＰａ、破断伸度１．０％）、樹脂としてビスフェノールＡ型エポキシ樹脂を用いた。また、製造に使用したマンドレルは、外径（すなわち、ＦＲＰ筒体の内径）がφ６０ｍｍ、全長が２２００ｍｍのものを用い、ＦＲＰ筒体２本（製品長１０００ｍｍ）を１本のマンドレルから取るようにした。
【００４２】
まず、エポキシ樹脂を含浸させたロービング（炭素繊維を６本引き揃えた束）を、マンドレル：１１上でＦＲＰ筒体の補強部に相当する端部位置に（図１に示したＡ、Ｂ、Ｃの位置）に周方向巻補強層（厚さ２ｍｍ）：２１としてテーパー部２７を含み、２５の内層（厚さ０．２ｍｍ）を連続で成形した後、マンドレル面長部全体に渡ってＦＲＰ本体筒に相当する螺旋巻き層を連続で成形し、最後に最外層を８５°層：２２を成形（厚さ０．２ｍｍ）する。この時、螺旋巻きの巻角度を１２°（各厚さ１ｍｍ）：２３、２６、４５°（厚さ０．６ｍｍ）：２４とし、積層数を５層（中央部全肉厚３ｍｍ）として成形した。
ここで、１２°層の厚さは２ｍｍであり、全肉厚に対する比率は６７％である。
【００４３】
次に、所定の温度条件にて加熱炉でエポキシ樹脂の硬化を行い、その後、マンドレルから成形品を脱芯した。脱芯後、所定のプロペラシャフト用ＦＲＰ筒体２本を得るために、切断部で切断した。
【００４４】
ＦＲＰ製筒体は内径２ｃが６０ｍｍ、中央部の外径２ｅが６６ｍｍ、端部補強層部の外径２ｄが７０ｍｍで構成され、中央部の肉厚は３ｍｍであり、全長２ｆは１０００ｍｍである。また重量は概１ｋｇであった。必要な特性を評価するため、両端には金属製の継ぎ手部材３ａ、３ｂを取り付けた。共振周波数とねじり強度を測定するために、ピン支持が可能となるように、貫通した孔が継ぎ手部材に設けられている。この場合両端のピン孔中心間の距離は自動車でのジョイント間距離１ａを形成する。本実施例ではジョイント間距離１ａを１１００ｍｍと設計し、各継ぎ手部材の孔３ｃ中心からＦＲＰ製筒体の端部まで５０ｍｍとなる。継ぎ手部材の重量は１ヶあたり１．０５ｋｇで合計３．１ｋｇの評価用プロペラシャフトを構成した。金属製継手３ａ、３ｂはセレーション部３ｄを有する。セレーションは、ピッチ約２ｍｍ、歯高さ０．９ｍｍ、先端Ｒ０．０４ｍｍ、歯先角９０度のセレーションを用い、外径は６０．４０ｍｍに加工した。従って直径で０．４ｍｍの圧入代を有している。この金属製継手３をＦＲＰ製円筒体２と圧入接合し、図５に示す評価用プロペラシャフト１とした。
【００４５】
共振周波数の評価方法はインパルス加振試験により測定を実施する。評価用プロペラシャフト１を図６に示す様に、両端の継ぎ手部材３をピン支持する。次いで、ＦＲＰ製本体筒の中央部に加速度センサー９ａを取り付ける。この状態で、力センサー９ｃを内蔵したインパルスハンマー９ｂにて加振し、力センサー９ｃと加速度センサー９ａの出力を入力チャンネルモジュール９ｄ（（株）エー・アンド・デイ社製ＡＤ−３６５１）を介しホストコンピューターに取り込み、ＦＦＴ専用ソフト（（株）エー・アンド・デイ社製 ＷＣＡＭＳＡ）にて伝達関数を求め、表示させることにより、共振周波数を得ることができる。伝達関数から曲げ１次の共振点が２５６Ｈｚと測定された。
【００４６】
次いで、ねじり強度試験を実施した。
図７は、ねじり試験の概要を示す。両端にねじり試験用継ぎ手３ａ、３ｂが圧入されたねじり試験用ＦＲＰ本体筒２はねじり試験機のフランジ部に固定される。このとき、一方の可動部フランジ５ａは油圧による回転駆動部を有しており試験体へのトルク負荷が可能となる。他方の固定部フランジ５ｂは試験器ベースに固定され、フランジ部に連結されたロードセル５ｃからトルクを検出することができる。このとき最大トルクは３５００Ｎｍを示した。
このようにして得られたＦＲＰ筒体２を用いたプロペラシャフトは、共振周波数、捩り強度、剛性等の性能を満足することが出来ことができ、捩り強度３５００Ｎｍで、端部に金属製継手を取り付けた状態で両端ピン支持した場合の共振周波数が２５１Ｈｚというほぼ設計値通りの高い値を発現することができた。
【００４７】
また、人の介在が少ない連続成形法であるフィラメントワインディング法で成形したのでＦＲＰ筒体の価格の高騰を抑えることができた。
【００４８】
実施例２
試験評価に使用したプロペラシャフト用ＦＲＰ筒体はフィラメントワインディング法により製造した。強化繊維として炭素繊維束（三菱化学産資（株）製“ダイアリード”Ｋ１３Ａ１０、１００００フィラメント、引張弾性率８００ＧＰａ、破断伸度０．３％と東レ（株）製“トレカ（登録商標）”Ｔ７００Ｓ、１２０００フィラメント、引張弾性率２３０ＧＰａ、破断伸度２．１％）を組合せ、樹脂としてビスフェノールＡ型エポキシ樹脂を用いた。また、製造に使用したマンドレルは、外径（すなわち、ＦＲＰ筒体の内径）がφ６０ｍｍ、全長が２２００ｍｍのものを用い、ＦＲＰ筒体２本（製品長１０００ｍｍ）を１本のマンドレルから取るようにした。
【００４９】
まず、エポキシ樹脂を含浸させたロービング（炭素繊維を６本引き揃えた束）を、マンドレル：１１上でＦＲＰ筒体の補強部に相当する端部位置（図１に示したＡ、Ｂ、Ｃの位置）にＴ７００Ｓを使用し周方向巻補強層（厚さ２ｍｍ）：２１としてテーパー部２７を含み、２５の内層８５°（厚さ０．２ｍｍ）を連続で成形した後、マンドレル面長部全体に渡ってＦＲＰ本体筒に相当する螺旋巻き層を連続で成形し、最後にＴ７００Ｓを使用して最外層を８５°層：２２を成形（厚さ０．２ｍｍ）する。この時、螺旋巻きの巻角度を１２°（各厚さ１ｍｍ）：２３、２６、４５°（厚さ０．６ｍｍ）：２４とし、１２°はＫ１３Ａ１０を使用して成形し、４５°はＴ７００Ｓを使用して成形した。中央部の肉厚は３ｍｍの構成となる。ここで引張弾性率４００ＧＰａ〜９００ＧＰａの強化繊維から成る１２°層の厚さは２ｍｍであり、中央部肉厚に対する比率は６７％である。
【００５０】
次に、所定の温度条件にて加熱炉でエポキシ樹脂の硬化を行い、その後、マンドレルから成形品を脱芯した。脱芯後、所定のプロペラシャフト用ＦＲＰ筒体２本を得るために、切断部で切断した。
【００５１】
ＦＲＰ製筒体は内径２ｃが６０ｍｍ、中央部の外径２ｅが６６ｍｍ、端部補強層部の外径２ｄが７０ｍｍで構成され、中央部の肉厚は３ｍｍであり、全長２ｆは１０００ｍｍである。また重量は概１．１ｋｇであった。必要な特性を評価するため、両端には金属製の継ぎ手部材３ａ、３ｂを取り付けた。共振周波数とねじり強度を測定するために、ピン支持が可能となるように、貫通した孔が継ぎ手部材に設けられている。この場合両端のピン孔中心間の距離は自動車でのジョイント間距離を形成する。本実施例ではジョイント間距離２ｆを１１００ｍｍと設計し、各継ぎ手部材の孔３ｃ中心からＦＲＰ製筒体の端部まで５０ｍｍとなる。継ぎ手部材の重量は１ヶあたり１．０５ｋｇで合計３．２ｋｇの評価用プロペラシャフトを構成した。金属製継手３ａ、３ｂはセレーション部３ｄを有する。セレーションは、ピッチ約２ｍｍ、歯高さ０．９ｍｍ、先端Ｒ０．０４ｍｍ、歯先角９０度のセレーションを用い、外径は６０．４０ｍｍに加工した。従って直径で０．４ｍｍの圧入代を有している。この金属製継手３をＦＲＰ製円筒体２と圧入接合し、図５にｄ示す評価用プロペラシャフト１とした。
【００５２】
前記実施例と同じく、図６のインパルス加振にて、伝達関数を採取し曲げ１次の共振周波数を測定したところ、３０８Ｈｚの結果を得た。次いで、図７に示すねじり試験機にてねじり強度を測定したところ３５００Ｎｍであった。
【００５３】
このようにして得られたＦＲＰ筒体は、共振周波数、捩り強度、剛性等の性能を満足することが出来ことができ、捩り強度３５００Ｎｍで、端部に金属製継手を取り付けた状態で両端ピン支持した場合の共振周波数が３０８Ｈｚという実施例１よりもさらに高い共振周波数を発現することができた。
【００５４】
また、人の介在が少ない連続成形法であるフィラメントワインディング法で成形し、曲げ剛性に寄与する積層以外は引張弾性率が標準的な炭素繊維を使用しているのでＦＲＰ筒体の価格の高騰を抑えることができた。
【００５５】
比較例１
炭素繊維束（東レ（株）製“トレカ（登録商標）”Ｔ７００Ｓ、１２０００フィラメント、引張弾性率２３０ＧＰａ、破断伸度２．１％）を使用してマンドレル径６０ｍｍを選択し、実施例１と同一の積層構成を配列させてプロペラシャフト用ＦＲＰ筒体をフィラメントワインディング法で成形した。この時の共振周波数は１９０Ｈｚとなり２５０Ｈｚを越える高い共振周波数仕様値を満足することができなかった。このことにより、シャフトの小径化が要求された場合、４００Ｇｐａ以上の炭素繊維を選択しないと２５０Ｈｚ以上の共振周波数の高いＦＲＰ筒体を提供することは極めて困難である。
【００５６】
以上の結果から、共振周波数仕様が高く外径寸法の小さいプロペラシャフト用ＦＲＰ筒体を得る場合、そのＦＲＰ筒体を引張弾性率４００〜９００Ｇｐａの強化繊維を含み、筒軸方向に対して５〜６０°と７５〜９０°の層で構成し、フィラメントワインディング法で成形することで実現することを確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】マンドレル上でのＦＲＰ筒体の成形の様子を示す概略断面図である。
【図２】本発明の一実施態様に係るＦＲＰ筒体の成形時におけるヘリカル巻層およびフープ巻補強層を示す断面図である。
【図３】ＦＲＰ筒体の端部に金属製継手を圧入したプロペラシャフトで本発明を実施した状態での端部断面図である。
【図４】本発明におけるＦＲＰ筒体を使用した時のプロペラシャフトの全体図である。
【図５】本発明における評価用プロペラシャフトの全体図である
【図６】評価用プロペラシャフトの共振周波数測定の概要図である。
【図７】評価用プロペラシャフトのねじり試験の概要図である。
【符号の説明】
【００５８】
１：評価用プロペラシャフト
１ａ：ジョイント間距離
２：ＦＲＰ筒体
２ａ：周方向巻補強層
２ｂ：主層
２ｃ：内径
２ｄ：端部接合部外径
２ｅ：中央部外径
２ｆ：ＦＲＰ筒体全長
３ａ、３ｂ：金属製継手
３ｃ：取り付け用孔
３ｄ：セレーション
４：支持台
５：ねじり試験機
５ａ：可動部フランジ
５ｂ：固定部フランジ
５ｃ：ロードセル
５ｄ：回転部
６ ：恒温槽
６ａ：温度検出部
７ ：油圧ポンプ
８ ：制御装置
９ａ：加速度センサー
９ｂ：インパルスハンマー
９ｃ：力センサー
９ｄ：入力チャンネルモジュール
９ｅ：ホストコンピューター
１１：マンドレル
１２：ＦＲＰ本体筒
１３：所定長に切断するための切断部
２１：周方向巻補強層
２２、２５：８５°層
２３、２６：１２°層
２４：４５°層 ２７：テーパー部
３１、４１：金属製継手
３２、４３：周方向巻補強層
３３、４２：ＦＲＰ筒体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車等の駆動力伝達軸として使用されるＦＲＰ製のプロペラシャフト（推進軸）およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、各種産業分野でＦＲＰ（繊維強化プラスチック）筒体の実用化が進んでいる。
【０００３】
例えば近年、燃費の向上や環境保全といった観点から自動車の軽量化が強く望まれているが、それを達成する一手段としてプロペラシャフトのＦＲＰ化が検討され、一部で既に採用されるに至っている。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、軽量化の面からプロペラシャフトの筒体が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）製筒体が有力とされている。
【０００４】
自動車のプロペラシャフトは、軸方向の弾性率とともに、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、１０００〜４０００Ｎｍ程度の捩り強度を必要とする。また、高速回転時に共振を起こさないよう、危険回転数が５０００〜１８０００ｒｐｍ程度（共振周波数：８３〜３００Ｈｚ）であることも要求される。これまでのＣＦＲＰ製プロペラシャフト、特にその本体筒部は、必要なトルクを伝達し、高い共振周波数を得るための螺旋巻き層の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、繊維の含有率等をパラメータとして設計されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
ＦＲＰ筒体において、高い共振周波数特性、曲げ剛性を得るためには炭素繊維の中でも高弾性率グレード炭素繊維を使用して螺旋巻き層の積層角度を０〜２０°のような筒軸方向に対して低角度にしなければならないが、低角度に積層すると捩り強度が低くなってしまう。共振周波数、曲げ剛性と捩り強度の関係は積層設計上、相反する特性とならざるを得ず、使用する強化繊維の種類や積層構成を決定することは極めて重要である。
【０００６】
端部に金属製継手等を圧入接合して使用されるプロペラシャフト用ＦＲＰ筒体は、通常図１に示すように、例えば、樹脂含浸強化繊維をマンドレル１１上に巻いていくフィラメントワインディング法によって形成され、ＦＲＰ本体筒１２を形成する部分が主として強化繊維の螺旋巻き層（例えば、筒軸方向に対して強化繊維を５°〜６０°の角度で配列した層（なお、角度表示は請求項部分も含め筒軸方向に対する絶対値で表すものとする。）とフープ巻層で構成されるが、このＦＲＰ筒体には次のような問題があった。
【０００７】
近年、エンジンの高出力化に伴い更なる高共振周波数特性が要求され、かつシャフトの小径化のニーズも高まっている。この場合、小径のシャフトで高共振周波数を達成するにはＦＲＰ筒体の曲げ剛性を極力高めることが必要であるが、成形法にフィラメントワインディング成形を選択した時、積層角度に０〜４°のような筒軸方向に対して低角度を選択することはボイド、捩り強度等のＦＲＰ筒体の品質を考慮して避けることが多く、標準・中弾性率グレード（例えば、引張弾性率２３０〜３９０Ｇｐａ）の炭素繊維を選定してＦＲＰ筒体を成形しても小径のシャフトで高共振周波数（高い曲げ剛性）を達成することは困難である。
【０００８】
さらに、小径のシャフトでは、積層角度を曲げ剛性に寄与する低角度（例えば、５〜３０°）、円環剛性に寄与する高角度（例えば、７５〜９０°）、捩り強度に寄与する中角度（例えば、３１〜６０°）を適正に配置しないと設計上、共振周波数、円環剛性、捩り強度の特性を高めることが困難である。
【０００９】
また、炭素繊維はその引張弾性率に比例してその価格も高くなるので、曲げ剛性の高いＦＲＰ筒体を提供するには、人の介在が少ない連続成形を選択しないと全体の価格が高くなってしまう。
【特許文献１】特開平２−２３６０１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の課題は、上記のような従来の問題点に着目し、小径のシャフトであっても共振周波数特性が高くて（曲げ剛性の高い）、かつ、所定の捩り強度、円環剛性を確保し、さらに価格の高騰を抑えたＦＲＰ筒体を用い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。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、上記の課題を解決するため以下の構成を採用する。すなわち、
（１）内径が５０〜１００ｍｍで、筒軸方向に対して５°〜６０°の螺旋巻の層と筒軸方向に対して７５°〜９０°の周方向巻の層とを有し、少なくとも引張弾性率４００〜９００Ｇｐａの強化繊維を含み、中央部の厚みが１．５〜５ｍｍであるＦＲＰ筒体に継手要素が結合されてなることを特徴とするプロペラシャフト。
【００１２】
（２）前記ＦＲＰ筒体の少なくとも一方の筒軸方向端部の表層側および／または内層側に筒軸方向に対しで７５°〜９０°の周方向巻補強層が設けられていることを特徴とする前記（１）に記載のプロペラシャフト。
【００１３】
（３）前記引張弾性率４００〜９００ＧＰａの強化繊維が筒軸方向に対し５〜１５°の螺旋巻きの層を有し、引張弾性率３９９ＧＰａ以下からなる強化繊維層が含まれることを特徴とする前記（１）または（２）記載のプロペラシャフト。
【００１４】
（４）前記ＦＲＰ筒体中央部において、前記引張弾性率４００〜９００ＧＰａの強化繊維からなる層の厚さが全体肉厚の６０〜８０％であることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかに記載のプロペラシャフト。
【００１５】
（５）内径が５０〜１００ｍｍで、筒軸方向に対して５°〜６０°の螺旋巻の層と筒軸方向に対して７５°〜９０°の周方向巻の層とを有し、少なくとも引張弾性率４００〜９００Ｇｐａの強化繊維を含み、中央部の厚みが１．５〜５ｍｍであるＦＲＰ筒体に継手要素を結合させたプロペラシャフトの製造方法であって、前記ＦＲＰ筒体をフィラメントワインディング法で成形することを特徴とするプロペラシャフトの製造方法。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係るプロペラシャフトおよびその製造方法によれば、小径のシャフトであっても所定の捩り強度を確保し、かつ共振周波数特性の高い（曲げ剛性の高い）ＦＲＰ筒体よりなるプロペラシャフトを得ることができる。また、かかるプロペラシャフトを価格の高騰を抑えて生産することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明者らは前記した課題に対し、使用強化繊維と積層角度の最適な組み合わせ、および成形法の選定について検討したところ、本発明にいたったものである。
【００１８】
以下、本発明について、さらに詳細に説明する。
【００１９】
前記したように、本発明のプロペラシャフトは、ＦＲＰ筒体を用いるものである。このＦＲＰ筒体は、内径に関して、捩り強度、車体設置スペースを考慮して、５０〜１００ｍｍに規定される。５０ｍｍより小さくなると捩り強度の確保が困難となり、また１００ｍｍを越えると近年の居室ワイド化に伴うプロペラシャフト設置スペースの縮小傾向の影響でプロペラシャフト用ＦＲＰ筒体が周辺に存在する部品に干渉する可能性がある。
【００２０】
また、筒軸方向に対して５°〜６０°の螺旋巻の層と筒軸方向に対して７５°〜９０°の周方向巻の層を有しており、さらに、少なくとも引張弾性率４００〜９００Ｇｐａの強化繊維を含み、中央部の厚みが１．５〜５ｍｍのものである。さらに、上記のＦＲＰ筒体には継手要素が結合されている。筒軸方向に対して５°〜６０°の螺旋巻の層とするのは高い捩り強度と曲げ剛性を実現するためである。筒軸方向に対して５°より小さい螺旋巻となると捩り強度の確保が難しくなるととに、フィラメントワインディング成形の性格からマンドレル半径方向に対して繊維に張力が負荷されにくい状態になるのでＦＲＰ筒体の品質が悪化する傾向にある。また、筒軸方向に対して６０°を越える螺旋巻となると曲げ剛性の確保が難しくなる。また、７５°〜９０°の周方向巻の層とするのはＦＲＰ筒体の半径方向に対する円環強度を確保するためである。７５°より小さい周方向巻となると外部から荷重が負荷された場合、破壊が起こりやすくなる。周方向巻補強部を除くそれぞれの厚み比は５°〜６０°が８０〜９０％、７５°〜９０°が１０〜２０％であることが好ましい。この範囲内であれば、高い捩り強度、曲げ剛性、円環強度を効率的に実現することができる。中央部の厚みを１．５〜５ｍｍとするのは、中央部の厚みが１．５ｍｍより小さくなると飛び石衝撃のような外からの衝撃に対して厚み方向の層間剥離が発生しやすくなり強度低下の原因となる。また、中央部の厚みが５ｍｍより大きくなると強度仕様に対して過剰な性能を有するだけで材料投入増加に伴う軽量化のメリットが小さくなるとともにコストアップの要因となってしまう。
【００２１】
更に、本発明のプロペラシャフトは、前記ＦＲＰ筒体の積層において、少なくとも引張弾性率４００〜９００ＧＰａの強化繊維を含み、該強化繊維が筒軸方向に対し５〜１５°の螺旋巻き層とすることで共振周波数を効率的に高めることができる。さらに引張弾性率３９９ＧＰａ以下からなる強化繊維層を他の層に配置することによりねじり強度など他の特性とのバランスがとれたプロペラシャフトとすることが可能となる。
【００２２】
また、プロペラシャフトのねじり強度を効果的に確保するために概略±４５°の螺旋巻き層と、７５〜９０°の円周方向巻きをＦＲＰ筒体の仕様に併せて、組み合わせることが好ましい。
【００２３】
前記ＦＲＰ筒体の積層において、中央部の肉厚に対し引張弾性率４００〜９００ＧＰａの強化繊維からなる厚さが６０〜８０％とすることが、共振周波数が高く、かつねじり強度とのバランス良く確保するために好ましい。
【００２４】
また、このＦＲＰ筒体の繊維体積含有率は軽量化、含浸性および物性発現率を考慮して５０〜７０％が好ましい。
【００２５】
このような構成とした本発明のプロペラシャフトは、適正な引張弾性率を有する強化繊維と筒軸方向に対して最適な巻き角度を有する層を配置しているので、ＦＲＰ筒体の共振周波数を高くすると共に、十分な捩り強度、円環剛性を有するＦＲＰ筒体とすることができるのである。
【００２６】
また、本発明のプロペラシャフトは、前記ＦＲＰ筒体の少なくとも一方の筒軸方向端部の表層側および／または内層側に筒軸方向に対しで７５°〜９０°の周方向巻補強層が設けられているものであることが好ましい。
【００２７】
このような構成としたプロペラシャフトは、ＦＲＰ筒体端部に金属製継手要素を圧入接合する場合、ＦＲＰ筒体端部の強度と金属継ぎ手要素の接合強度（スリップトルク）を確保するために上記の角度範囲とすることが好ましいものであり、７５°よりも小さくなるとＦＲＰ筒体端部が金属継ぎ手要素を圧入接合する際、破壊しやすくなるとともに、金属製継ぎ手の接合強度（スリップトルク）の確保が難しくなる。
【００２８】
また、本発明のプロペラシャフトの製造方法は、内径が５０〜１００ｍｍで、筒軸方向に対して５°〜６０°の螺旋巻の層と筒軸方向に対して７５°〜９０°の周方向巻の層で構成され、少なくとも引張弾性率４００〜９００Ｇｐａの強化繊維を含み、中央部の厚みが１．５〜５ｍｍであるＦＲＰ筒体に継手要素を結合させたプロペラシャフト製造方法であって、前記ＦＲＰ円筒体をフィラメントワインディング法で成形することを特徴とするものである。
【００２９】
この構成としたプロペラシャフトの製造方法は、適正な引張弾性率を有する強化繊維と筒軸方向に対して最適な巻き角度を有する層を配置しているとともに、フィラメントワインディング法での成形を選択しているので、ＦＲＰ筒体に要求される共振周波数、捩り強度、剛性等の性能を設計上最大限に発揮させ、さらに人の介在が少ない成形法を選択することによりＦＲＰ円筒体の価格の高騰を抑えることができるのである。
【００３０】
以下さらに、本発明に係るプロペラシャフトおよびその製造方法の望ましい実施形態を、主として車両用のプロペラシャフトに本発明を適用した場合について、図面を参照しながら説明する。
【００３１】
図２は本発明の一実施態様に係るプロペラシャフトを構成するＦＲＰ筒体を示しており、図１に示したようなマンドレル：１１上にＦＲＰ筒体を製造するに際し、本発明を適用したもので、特にＦＲＰ製プロペラシャフトを製造する場合を示したものであり、図２において、図１に示したようなマンドレル：１１上にＦＲＰ製の筒状体を形成していく際に、ＦＲＰ筒体の層構成を示したものである。
【００３２】
ＦＲＰ筒体は引張弾性率４００〜９００Ｇｐａの炭素繊維を使用しており、周方向巻補強層：２１（テーパー部２７を含む）、１２°層：２３、２６、４５°層：２４、８５°層：２２、２５をフィラメントワインディング法により配置している。
【００３３】
さらに、そのＦＲＰ筒体：３３の端部に図３に示すように金属製継手：３１が圧入され、図４に示すようなプロペラシャフトとされる。
【００３４】
本発明において、ＦＲＰ層は、補強繊維とマトリックス樹脂からなる。補強繊維としては、炭素繊維、ボロン繊維などを例示できるが、成形品となした場合に、特に優れた機械的特性を示すポリアクリロニトリル系やピッチ系などの炭素繊維を用いることが好ましい。なお、これらの補強繊維は、異なる種類のものを併用することができる。また、同じ種類のものであっても、特性の異なるものを併用することができる。
【００３５】
また、マトリックス樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、その他の熱硬化性樹脂を使用することができる。なかでも、耐熱性、耐水性、接着性に優れたエポキシ樹脂を用いることが好ましい。エポキシ樹脂としては、例えば、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、グリシジルアミン型エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂、ウレタン変性エポキシ樹脂、ブロム化ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂などを使用することができる。これらのエポキシ樹脂は、単独または２種類以上を併用して使用することができ、さらには液状のものから固体状のものまで使用することができる。通常、エポキシ樹脂には硬化剤を加えて用いられる。
【００３６】
図５は評価用プロペラシャフト１を示す。ＦＲＰ筒体２の両端には金属製継ぎ手３ａ、３ｂが圧入接合される。金属製継ぎ手には、ねじり試験、インパルス加振試験時の取り付け用孔３ｃが設けられている。また、金属製継ぎ手の圧入接合部にはセレーション３ｄが設けられており、圧入時にＦＲＰ筒体の周方向巻補強層２ａの内面に切り込むことにより、必要な接合トルクを得ることができる。そのためセレーションの外径はＦＲＰ製本体筒の内径より大きいことが必要である。ここで図中２ｂはＦＲＰ製本体筒の主層、２ｃは内径、２ｄは接合部外径を示し、２ｅは中央部外径を示す。また２ｆはＦＲＰ製筒体の全長、１ａは両端金属製継ぎ手３ｃ孔中心間のジョイント間距離を示す。
【００３７】
図６は評価用プロペラシャフト１の共振周波数の測定方法を示す。評価方法はインパルス加振試験により測定を実施するため、評価用プロペラシャフト１を図６に示す様に、両端の継ぎ手部材３の孔部３ｃをピン支持する。次いで、ＦＲＰ筒体２の中央部に加速度センサー９ａを取り付ける。この状態で、力センサー９ｃを内蔵したインパルスハンマー９ｂにて加振し、力センサー９ｃと加速度センサー９ａの出力を入力チャンネルモジュール９ｄ（（株）エー・アンド・デイ社製ＡＤ−３６５１）を介しホストコンピューター９ｅに取り込み、ＦＦＴ専用ソフト（（株）エー・アンド・デイ社製 ＷＣＡＭＳＡ）にて伝達関数を求め、表示させることにより、共振周波数を得ることができる。
【００３８】
図７に評価用プロペラシャフト１のねじり評価試験の概要を示す。両端にねじり試験用継ぎ手３ａ、３ｂが圧入されたＦＲＰ本体筒２は金属製継ぎ手３ａ，３ｂの孔部３ｃを介しねじり試験機のフランジ部に固定される。このとき、一方の可動部フランジ５ａは油圧による回転駆動部を有しており試験体へのトルク負荷が可能となる。他方の固定部フランジ５ｂは試験器ベースに固定され、フランジ部に連結されたロードセル５ｃから破壊時のトルクを検出することができる。また、ＦＲＰ筒体の様に試験温度が重要である場合は、図５に示す恒温槽６を用い所定の温度に調節・保持後、ねじり試験を実施した。雰囲気温度は図中６ａの温度計より検出した。ねじり試験時の試験速度、温度設定は図中８に示す制御装置により設定される。
【実施例】
【００３９】
実施例１
次に、上記実施形態の項で説明した本発明の構成要件を満足するＦＲＰ筒体における効果を確認するために共振周波数、捩り強度の評価を実施した。以下にこれらについて詳細に説明する。
【００４０】
なお、本発明において、破断伸度、引張弾性率 は、ＪＩＳ Ｒ ７６０１−１９８６に従って測定されるストランドの破断伸度、引張弾性率であり、メーカーカタログ記載の値を使用する。
【００４１】
試験評価に使用したプロペラシャフト用ＦＲＰ筒体はフィラメントワインディング法により製造した。強化繊維として炭素繊維束（東レ（株）製“トレカ（登録商標）”Ｍ４６Ｊ、１２０００フィラメント、引張弾性率４３０ＧＰａ、破断伸度１．０％）、樹脂としてビスフェノールＡ型エポキシ樹脂を用いた。また、製造に使用したマンドレルは、外径（すなわち、ＦＲＰ筒体の内径）がφ６０ｍｍ、全長が２２００ｍｍのものを用い、ＦＲＰ筒体２本（製品長１０００ｍｍ）を１本のマンドレルから取るようにした。
【００４２】
まず、エポキシ樹脂を含浸させたロービング（炭素繊維を６本引き揃えた束）を、マンドレル：１１上でＦＲＰ筒体の補強部に相当する端部位置に（図１に示したＡ、Ｂ、Ｃの位置）に周方向巻補強層（厚さ２ｍｍ）：２１としてテーパー部２７を含み、２５の内層（厚さ０．２ｍｍ）を連続で成形した後、マンドレル面長部全体に渡ってＦＲＰ本体筒に相当する螺旋巻き層を連続で成形し、最後に最外層を８５°層：２２を成形（厚さ０．２ｍｍ）する。この時、螺旋巻きの巻角度を１２°（各厚さ１ｍｍ）：２３、２６、４５°（厚さ０．６ｍｍ）：２４とし、積層数を５層（中央部全肉厚３ｍｍ）として成形した。
ここで、１２°層の厚さは２ｍｍであり、全肉厚に対する比率は６７％である。
【００４３】
次に、所定の温度条件にて加熱炉でエポキシ樹脂の硬化を行い、その後、マンドレルから成形品を脱芯した。脱芯後、所定のプロペラシャフト用ＦＲＰ筒体２本を得るために、切断部で切断した。
【００４４】
ＦＲＰ製筒体は内径２ｃが６０ｍｍ、中央部の外径２ｅが６６ｍｍ、端部補強層部の外径２ｄが７０ｍｍで構成され、中央部の肉厚は３ｍｍであり、全長２ｆは１０００ｍｍである。また重量は概１ｋｇであった。必要な特性を評価するため、両端には金属製の継ぎ手部材３ａ、３ｂを取り付けた。共振周波数とねじり強度を測定するために、ピン支持が可能となるように、貫通した孔が継ぎ手部材に設けられている。この場合両端のピン孔中心間の距離は自動車でのジョイント間距離１ａを形成する。本実施例ではジョイント間距離１ａを１１００ｍｍと設計し、各継ぎ手部材の孔３ｃ中心からＦＲＰ製筒体の端部まで５０ｍｍとなる。継ぎ手部材の重量は１ヶあたり１．０５ｋｇで合計３．１ｋｇの評価用プロペラシャフトを構成した。金属製継手３ａ、３ｂはセレーション部３ｄを有する。セレーションは、ピッチ約２ｍｍ、歯高さ０．９ｍｍ、先端Ｒ０．０４ｍｍ、歯先角９０度のセレーションを用い、外径は６０．４０ｍｍに加工した。従って直径で０．４ｍｍの圧入代を有している。この金属製継手３をＦＲＰ製円筒体２と圧入接合し、図５に示す評価用プロペラシャフト１とした。
【００４５】
共振周波数の評価方法はインパルス加振試験により測定を実施する。評価用プロペラシャフト１を図６に示す様に、両端の継ぎ手部材３をピン支持する。次いで、ＦＲＰ製本体筒の中央部に加速度センサー９ａを取り付ける。この状態で、力センサー９ｃを内蔵したインパルスハンマー９ｂにて加振し、力センサー９ｃと加速度センサー９ａの出力を入力チャンネルモジュール９ｄ（（株）エー・アンド・デイ社製ＡＤ−３６５１）を介しホストコンピューターに取り込み、ＦＦＴ専用ソフト（（株）エー・アンド・デイ社製 ＷＣＡＭＳＡ）にて伝達関数を求め、表示させることにより、共振周波数を得ることができる。伝達関数から曲げ１次の共振点が２５６Ｈｚと測定された。
【００４６】
次いで、ねじり強度試験を実施した。
図７は、ねじり試験の概要を示す。両端にねじり試験用継ぎ手３ａ、３ｂが圧入されたねじり試験用ＦＲＰ本体筒２はねじり試験機のフランジ部に固定される。このとき、一方の可動部フランジ５ａは油圧による回転駆動部を有しており試験体へのトルク負荷が可能となる。他方の固定部フランジ５ｂは試験器ベースに固定され、フランジ部に連結されたロードセル５ｃからトルクを検出することができる。このとき最大トルクは３５００Ｎｍを示した。
このようにして得られたＦＲＰ筒体２を用いたプロペラシャフトは、共振周波数、捩り強度、剛性等の性能を満足することが出来ことができ、捩り強度３５００Ｎｍで、端部に金属製継手を取り付けた状態で両端ピン支持した場合の共振周波数が２５１Ｈｚというほぼ設計値通りの高い値を発現することができた。
【００４７】
また、人の介在が少ない連続成形法であるフィラメントワインディング法で成形したのでＦＲＰ筒体の価格の高騰を抑えることができた。
【００４８】
実施例２
試験評価に使用したプロペラシャフト用ＦＲＰ筒体はフィラメントワインディング法により製造した。強化繊維として炭素繊維束（三菱化学産資（株）製“ダイアリード”Ｋ１３Ａ１０、１００００フィラメント、引張弾性率８００ＧＰａ、破断伸度０．３％と東レ（株）製“トレカ（登録商標）”Ｔ７００Ｓ、１２０００フィラメント、引張弾性率２３０ＧＰａ、破断伸度２．１％）を組合せ、樹脂としてビスフェノールＡ型エポキシ樹脂を用いた。また、製造に使用したマンドレルは、外径（すなわち、ＦＲＰ筒体の内径）がφ６０ｍｍ、全長が２２００ｍｍのものを用い、ＦＲＰ筒体２本（製品長１０００ｍｍ）を１本のマンドレルから取るようにした。
【００４９】
まず、エポキシ樹脂を含浸させたロービング（炭素繊維を６本引き揃えた束）を、マンドレル：１１上でＦＲＰ筒体の補強部に相当する端部位置（図１に示したＡ、Ｂ、Ｃの位置）にＴ７００Ｓを使用し周方向巻補強層（厚さ２ｍｍ）：２１としてテーパー部２７を含み、２５の内層８５°（厚さ０．２ｍｍ）を連続で成形した後、マンドレル面長部全体に渡ってＦＲＰ本体筒に相当する螺旋巻き層を連続で成形し、最後にＴ７００Ｓを使用して最外層を８５°層：２２を成形（厚さ０．２ｍｍ）する。この時、螺旋巻きの巻角度を１２°（各厚さ１ｍｍ）：２３、２６、４５°（厚さ０．６ｍｍ）：２４とし、１２°はＫ１３Ａ１０を使用して成形し、４５°はＴ７００Ｓを使用して成形した。中央部の肉厚は３ｍｍの構成となる。ここで引張弾性率４００ＧＰａ〜９００ＧＰａの強化繊維から成る１２°層の厚さは２ｍｍであり、中央部肉厚に対する比率は６７％である。
【００５０】
次に、所定の温度条件にて加熱炉でエポキシ樹脂の硬化を行い、その後、マンドレルから成形品を脱芯した。脱芯後、所定のプロペラシャフト用ＦＲＰ筒体２本を得るために、切断部で切断した。
【００５１】
ＦＲＰ製筒体は内径２ｃが６０ｍｍ、中央部の外径２ｅが６６ｍｍ、端部補強層部の外径２ｄが７０ｍｍで構成され、中央部の肉厚は３ｍｍであり、全長２ｆは１０００ｍｍである。また重量は概１．１ｋｇであった。必要な特性を評価するため、両端には金属製の継ぎ手部材３ａ、３ｂを取り付けた。共振周波数とねじり強度を測定するために、ピン支持が可能となるように、貫通した孔が継ぎ手部材に設けられている。この場合両端のピン孔中心間の距離は自動車でのジョイント間距離を形成する。本実施例ではジョイント間距離２ｆを１１００ｍｍと設計し、各継ぎ手部材の孔３ｃ中心からＦＲＰ製筒体の端部まで５０ｍｍとなる。継ぎ手部材の重量は１ヶあたり１．０５ｋｇで合計３．２ｋｇの評価用プロペラシャフトを構成した。金属製継手３ａ、３ｂはセレーション部３ｄを有する。セレーションは、ピッチ約２ｍｍ、歯高さ０．９ｍｍ、先端Ｒ０．０４ｍｍ、歯先角９０度のセレーションを用い、外径は６０．４０ｍｍに加工した。従って直径で０．４ｍｍの圧入代を有している。この金属製継手３をＦＲＰ製円筒体２と圧入接合し、図５にｄ示す評価用プロペラシャフト１とした。
【００５２】
前記実施例と同じく、図６のインパルス加振にて、伝達関数を採取し曲げ１次の共振周波数を測定したところ、３０８Ｈｚの結果を得た。次いで、図７に示すねじり試験機にてねじり強度を測定したところ３５００Ｎｍであった。
【００５３】
このようにして得られたＦＲＰ筒体は、共振周波数、捩り強度、剛性等の性能を満足することが出来ことができ、捩り強度３５００Ｎｍで、端部に金属製継手を取り付けた状態で両端ピン支持した場合の共振周波数が３０８Ｈｚという実施例１よりもさらに高い共振周波数を発現することができた。
【００５４】
また、人の介在が少ない連続成形法であるフィラメントワインディング法で成形し、曲げ剛性に寄与する積層以外は引張弾性率が標準的な炭素繊維を使用しているのでＦＲＰ筒体の価格の高騰を抑えることができた。
【００５５】
比較例１
炭素繊維束（東レ（株）製“トレカ（登録商標）”Ｔ７００Ｓ、１２０００フィラメント、引張弾性率２３０ＧＰａ、破断伸度２．１％）を使用してマンドレル径６０ｍｍを選択し、実施例１と同一の積層構成を配列させてプロペラシャフト用ＦＲＰ筒体をフィラメントワインディング法で成形した。この時の共振周波数は１９０Ｈｚとなり２５０Ｈｚを越える高い共振周波数仕様値を満足することができなかった。このことにより、シャフトの小径化が要求された場合、４００Ｇｐａ以上の炭素繊維を選択しないと２５０Ｈｚ以上の共振周波数の高いＦＲＰ筒体を提供することは極めて困難である。
【００５６】
以上の結果から、共振周波数仕様が高く外径寸法の小さいプロペラシャフト用ＦＲＰ筒体を得る場合、そのＦＲＰ筒体を引張弾性率４００〜９００Ｇｐａの強化繊維を含み、筒軸方向に対して５〜６０°と７５〜９０°の層で構成し、フィラメントワインディング法で成形することで実現することを確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】マンドレル上でのＦＲＰ筒体の成形の様子を示す概略断面図である。
【図２】本発明の一実施態様に係るＦＲＰ筒体の成形時におけるヘリカル巻層およびフープ巻補強層を示す断面図である。
【図３】ＦＲＰ筒体の端部に金属製継手を圧入したプロペラシャフトで本発明を実施した状態での端部断面図である。
【図４】本発明におけるＦＲＰ筒体を使用した時のプロペラシャフトの全体図である。
【図５】本発明における評価用プロペラシャフトの全体図である
【図６】評価用プロペラシャフトの共振周波数測定の概要図である。
【図７】評価用プロペラシャフトのねじり試験の概要図である。
【符号の説明】
【００５８】
１：評価用プロペラシャフト
１ａ：ジョイント間距離
２：ＦＲＰ筒体
２ａ：周方向巻補強層
２ｂ：主層
２ｃ：内径
２ｄ：端部接合部外径
２ｅ：中央部外径
２ｆ：ＦＲＰ筒体全長
３ａ、３ｂ：金属製継手
３ｃ：取り付け用孔
３ｄ：セレーション
４：支持台
５：ねじり試験機
５ａ：可動部フランジ
５ｂ：固定部フランジ
５ｃ：ロードセル
５ｄ：回転部
６ ：恒温槽
６ａ：温度検出部
７ ：油圧ポンプ
８ ：制御装置
９ａ：加速度センサー
９ｂ：インパルスハンマー
９ｃ：力センサー
９ｄ：入力チャンネルモジュール
９ｅ：ホストコンピューター
１１：マンドレル
１２：ＦＲＰ本体筒
１３：所定長に切断するための切断部
２１：周方向巻補強層
２２、２５：８５°層
２３、２６：１２°層
２４：４５°層 ２７：テーパー部
３１、４１：金属製継手
３２、４３：周方向巻補強層
３３、４２：ＦＲＰ筒体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内径が５０〜１００ｍｍで、筒軸方向に対して５°〜６０°の螺旋巻の層と筒軸方向に対して７５°〜９０°の周方向巻の層とを有し、少なくとも引張弾性率４００〜９００Ｇｐａの強化繊維を含み、中央部の厚みが１．５〜５ｍｍであるＦＲＰ筒体に継手要素が結合されてなることを特徴とするプロペラシャフト。
【請求項２】
前記ＦＲＰ筒体の少なくとも一方の筒軸方向端部の表層側および／または内層側に筒軸方向に対しで７５°〜９０°の周方向巻補強層が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のプロペラシャフト。
【請求項３】
前記引張弾性率４００〜９００ＧＰａの強化繊維が筒軸方向に対し５〜１５°の螺旋巻きの層を有し、引張弾性率３９９ＧＰａ以下からなる強化繊維層が含まれることを特徴とする請求項１または２記載のプロペラシャフト。
【請求項４】
前記ＦＲＰ筒体中央部において、前記引張弾性率４００〜９００ＧＰａの強化繊維からなる層の厚さが全体肉厚の６０〜８０％であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のプロペラシャフト。
【請求項５】
内径が５０〜１００ｍｍで、筒軸方向に対して５°〜６０°の螺旋巻の層と筒軸方向に対して７５°〜９０°の周方向巻の層とを有し、少なくとも引張弾性率４００〜９００Ｇｐａの強化繊維を含み、中央部の厚みが１．５〜５ｍｍであるＦＲＰ筒体に継手要素を結合させたプロペラシャフトの製造方法であって、前記ＦＲＰ筒体をフィラメントワインディング法で成形することを特徴とするプロペラシャフトの製造方法。
【請求項１】
内径が５０〜１００ｍｍで、筒軸方向に対して５°〜６０°の螺旋巻の層と筒軸方向に対して７５°〜９０°の周方向巻の層とを有し、少なくとも引張弾性率４００〜９００Ｇｐａの強化繊維を含み、中央部の厚みが１．５〜５ｍｍであるＦＲＰ筒体に継手要素が結合されてなることを特徴とするプロペラシャフト。
【請求項２】
前記ＦＲＰ筒体の少なくとも一方の筒軸方向端部の表層側および／または内層側に筒軸方向に対しで７５°〜９０°の周方向巻補強層が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のプロペラシャフト。
【請求項３】
前記引張弾性率４００〜９００ＧＰａの強化繊維が筒軸方向に対し５〜１５°の螺旋巻きの層を有し、引張弾性率３９９ＧＰａ以下からなる強化繊維層が含まれることを特徴とする請求項１または２記載のプロペラシャフト。
【請求項４】
前記ＦＲＰ筒体中央部において、前記引張弾性率４００〜９００ＧＰａの強化繊維からなる層の厚さが全体肉厚の６０〜８０％であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のプロペラシャフト。
【請求項５】
内径が５０〜１００ｍｍで、筒軸方向に対して５°〜６０°の螺旋巻の層と筒軸方向に対して７５°〜９０°の周方向巻の層とを有し、少なくとも引張弾性率４００〜９００Ｇｐａの強化繊維を含み、中央部の厚みが１．５〜５ｍｍであるＦＲＰ筒体に継手要素を結合させたプロペラシャフトの製造方法であって、前記ＦＲＰ筒体をフィラメントワインディング法で成形することを特徴とするプロペラシャフトの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００７−１９６６８１（Ｐ２００７−１９６６８１Ａ）
【公開日】平成１９年８月９日（２００７．８．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３５１１４０（Ｐ２００６−３５１１４０）
【出願日】平成１８年１２月２７日（２００６．１２．２７）
【出願人】（０００００３１５９）東レ株式会社 (7,677)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年８月９日（２００７．８．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１２月２７日（２００６．１２．２７）
【出願人】（０００００３１５９）東レ株式会社 (7,677)
【Ｆターム（参考）】
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