複合材料により構成された自動車用ハイブリッドドライブシャフト
【課題】鋼鉄製のドライブシャフトに比べて振動特性が優れ、出力が向上する優れた性能の複合材料により構成されたドライブシャフトの製作方法を提示する
【解決手段】本発明は、一方向繊維強化複合材料を使用して内部シャフトを製作する段階、織物型繊維強化複合材料を前記内部シャフトの外部に積層してシャフト中間部を形成する段階、織物型炭素繊維複合材料を前記シャフト中間部の外部に積層してシャフト外部を形成する段階、及び、前記各層別複合材料を相互接合する段階、を含み、前記内部シャフトは、平板の周囲に一方向繊維強化複合材料をフィラメントワインディング法を利用して巻いた後、これを硬化させ、次に、サイズに合わせて切断して複合材料ブロック体を製作した後、旋盤作業を通して円形シャフト形態に加工して製作することを特徴とする。
【解決手段】本発明は、一方向繊維強化複合材料を使用して内部シャフトを製作する段階、織物型繊維強化複合材料を前記内部シャフトの外部に積層してシャフト中間部を形成する段階、織物型炭素繊維複合材料を前記シャフト中間部の外部に積層してシャフト外部を形成する段階、及び、前記各層別複合材料を相互接合する段階、を含み、前記内部シャフトは、平板の周囲に一方向繊維強化複合材料をフィラメントワインディング法を利用して巻いた後、これを硬化させ、次に、サイズに合わせて切断して複合材料ブロック体を製作した後、旋盤作業を通して円形シャフト形態に加工して製作することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は複合材料により構成されたハイブリッド構造の自動車用ドライブシャフトを製造する方法に係り、更に詳しくは、シャフトの内部は長さ方向の剛性を補強するために一方向繊維強化複合材料を使用し、中間部はねじれ強度を高めるために３次元の機械的物性が優れた織物型繊維強化複合材料を使用し、外部は現場生産者が作業の際、不便にならないように織物型炭素繊維複合材料を使用して製造するドライブシャフトの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、航空分野では機械的特性が優れた一方向繊維強化複合材料（ｕｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｇｌａｓｓ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ）を多く使用しており、最近自動車分野でも採用が増加している。
しかし、織物型繊維強化複合材料（ｆａｂｒｉｃ ｇｌａｓｓ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ）に関しては、自動車外装材に応用するために基本的な物性研究と成形可能性に関する研究を行っている段階にある。
これまでに報告された研究成果を整理すると、織物型繊維強化複合材料の３次元物性特性は一方向繊維強化複合材料に比べて非常に優れており、今後、自動車部品において外装部品のみでなく荷重を支持及び伝達する部品にまで使用が拡大することが予想される。
【０００３】
自動車のエンジンから発生する駆動力がトランスミッション（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）を経てホイールに伝達される過程において、ねじれ作用を通して駆動力が伝達されるため、部品を構成している材料の３次元剪断物性の特性は非常に重要であることが知られている。
振動及び騒音特性が優れているだけでなく製造過程においても配向角度の調節を通して部品の機械的特性を調節することができる余地が多い複合材料が多く使用されるが、一方向複合材料は３次元物性が良くないのに対して、織物型複合材料は３次元物性が優れているため自動車の駆動力伝達部品に使用すると有利である。
【０００４】
そこで、本発明では比剛性、比強度を初めとする機械的特性が優れているだけでなく、騒音及び振動特性が優れ３次元物性が優れた織物型繊維強化複合材料を、トランスミッションからホイールに駆動力を伝達する機能を果たすドライブシャフトに応用する方法を提示する。
既存の複合材料を利用した駆動力伝達に関する研究及び生産履歴は、複合材料を利用したプロペラシャフトに関する研究及び応用はあったが、ドライブシャフトの複合材料化の研究は皆無である。
【特許文献１】特開２００４−３０８７００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は前記の点を考慮してなされたものであり、一方向繊維強化複合材料、織物型繊維強化複合材料、織物型炭素繊維複合材料を使用してハイブリッドドライブシャフトを製造する方法に関し、鋼鉄製のドライブシャフトに比べて振動特性が優れ、出力が向上する優れた性能のドライブシャフトを製作する方法を提示することにその目的がある。
【０００６】
本発明は比剛性、比強度をはじめとする機械的特性が優れているだけでなく、騒音、振動特性、３次元機械的物性が優れた織物型繊維強化複合材料を、駆動力伝達を行うドライブシャフトの製造に応用し、シャフトの内部は長さ方向の剛性と強度を補強するために一方向繊維強化複合材料を使用し、中間部はドライブシャフトに必要なねじれ剛性及び強度を確保するために３次元物性が優れた織物型繊維強化複合材料を使用し、外部は生産現場で作業するのに便利なように織物型炭素繊維複合材料を使用し、自動車の駆動部品に、軽くて剛性及び強度が優れた材料を使用することで、燃費向上だけでなく出力を高めることのできるドライブシャフトの製造方法を提供することに別の目的がある。
【０００７】
即ち、本発明は自動車のエンジンから発生する駆動力をトランスミッションを通してホイールに伝達する役割を果たすドライブシャフト部品の軽量化方法として、繊維方向の剛性及び強度が優れた一方向及び織物型複合材料を使用してドライブシャフトを製造することで、自動車の燃費及び出力、騒音、振動特性を向上させることのできる製造方法を提供することにまた別の目的がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、一方向繊維強化複合材料を使用して内部シャフトを製作する段階、
織物型繊維強化複合材料を前記内部シャフトの外部に積層してシャフト中間部を形成する段階、織物型炭素繊維複合材料を前記シャフト中間部の外部に積層してシャフト外部を形成する段階、及び、前記各層別複合材料を相互接合する段階、
を含むことを特徴とする。
【０００９】
前記内部シャフトは、平板の周囲に一方向繊維強化複合材料をフィラメントワインディング法を利用して巻いた後、これを硬化させ、次に、サイズに合わせて切断して複合材料ブロック体を製作した後、旋盤作業を通して円形シャフト形態に加工して製作することを特徴とする。
【００１０】
前記内部シャフトを製作した後、その表面を機械的及び化学的に表面処理して、表面粗度が１．２〜１．７μｍになるまで研磨することを特徴とする。
【００１１】
前記機械的表面処理として、前記内部シャフトをサンドペーパーで研磨し、その後、前記化学的表面処理としてアセトンを使用して表面を払拭することを特徴とする。
【００１２】
前記シャフト内部を形成する一方向繊維強化複合材料の繊維配向角度は、長さ方向の剛性及び強度を確保しながら熱応力の減少、３次元物性を向上させることのできる０°〜１５°とすることを特徴とする。
【００１３】
前記シャフト中間部と前記シャフト外部を各々形成する織物型繊維強化複合材料の繊維配向角度は、ねじれ強度を確保するために４５°〜７５°とすることを特徴とする。
【００１４】
前記各層別複合材料の相互接合段階で、複合材料の層間接合は、シャフト中間部を形成するために非硬化された織物型繊維強化複合材料を積層し、次に、シャフト外部を形成するために非硬化された織物型炭素繊維複合材料を積層した後、前記織物型繊維強化複合材料と前記織物型炭素繊維複合材料を同時に硬化させることで、前記内部シャフト、シャフト中間部及びシャフト外部を層間接合させる同時硬化接合方法により実施することを特徴とする。
【００１５】
前記同時硬化接合をした後には、硬化中に流れ出てシャフトの外面に鋭い角を形成させるレジンをサンドペーパー及び仕上げ工具を利用して手入れし、応力集中を減らすことを特徴とする。
【００１６】
前記一方向、織物型繊維強化複合材料及び織物型炭素繊維複合材料は、レジンとして使用される材料が同一であるものを使用して層間接合力を向上させ、層間に発生する熱応力を減少させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明による複合材料を利用したハイブリッドドライブシャフトの製造方法によると、長さ方向の物性が優れた一方向繊維強化複合材料と３次元物性が優れた織物型繊維強化複合材料を使用し、ハイブリッド構造に製造することで、比剛性及び比強度が優れているだけでなく、騒音、振動、疲労特性が優れ、出力が向上するドライブシャフトを製造することができる。
また、複合材料内の繊維の配向角度を変えることで振動及び出力特性を調節することができるため既存材料のドライブシャフトに比べて重量が軽くなり燃費が良くなる。
さらに、本発明の技術は、ドライブシャフトなどの駆動力伝達構造部品以外にもねじれ剛性及び強度を必要とする部品に適用することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照にして、本発明を詳細に説明する。
【実施例】
【００１９】
まず、以下に使用される用語について説明する。
「ハイブリッド」はドライブシャフトを構成している材料が１種類ではない、数種類であることを意味する。
「同時硬化」は２つ以上の材料が接合される時、接合工程と硬化工程が同時に行われることを意味する。
「配向角度」は複合材料内に含有された繊維の配向方向を指し、基準座標に対して傾斜角度を表す。
【００２０】
図１は、本発明によって製作されたハイブリッド構造のドライブシャフトを装着したＣＶジョイントを表した図面であり、図２は本発明によって製作されたハイブリッドドライブシャフトの材料構成を表す断面図である。
本発明によるハイブリッドドライブシャフト（１０）の製造過程において、第１段階では、一方向繊維強化複合材料で内部シャフト（１３）を製作する。
この時、内部シャフト（１３）は、平板周囲に一方向繊維強化複合材料をフィラメントワインディング法を利用して巻いた後、これを硬化させ、次にサイズに合わせて切断した複合材料のブロック体を旋盤作業で円形シャフトに加工する。
ここで、一方向繊維強化複合材料の繊維内配向角度は、長さ方向の剛性及び強度を確保しながら熱応力の減少、３次元物性を向上させることのできる０°〜１５°となるようにする。
【００２１】
第２段階として、前記のように製造した内部シャフト（１３）の表面を機械的及び化学的に表面処理し、表面粗度１．２〜１．７μｍとなるようにする。その後、シャフト中間部（１２）を織物型繊維強化複合材料で成形し、同時硬化で優れた層間物性を確保する。
この時、内部シャフト（１３）の表面処理はサンドペーパーを利用した機械的表面処理方法及び各種化学薬品を利用した化学的表面処理などを利用することができる。
即ち、機械的表面処理後、アセトンを使用して接合面を払拭する化学的表面処理を行い、接合強度を向上させる。
【００２２】
第３段階では、一方向繊維強化複合材料により製作された内部シャフト（１３）の外部に非硬化の織物型繊維強化複合材料をサイズと厚さに合わせて積層し、シャフト中間部（１２）を形成する。この時、織物型繊維強化複合材料内の繊維の配向方向を決定して積層する。
シャフト中間部（１２）を形成する織物型繊維強化複合材料内に含有される繊維の好ましい配向角度はねじれ強度を確保するために４５°〜７５°とする。
【００２３】
第４段階では、シャフト中間部（１２）を表面処理した後、その外部に非硬化の織物型炭素繊維複合材料をねじれ強度の確保のために４５°〜７５°の配向角度で積層し、シャフト外部（１１）を形成する。
前記のように織物型繊維強化複合材料と織物型炭素繊維複合材料を順に積層した後、第５段階として、シャフト中間部（１２）の織物型繊維強化複合材料とシャフト外部（１１）の織物型炭素繊維複合材料を同時に硬化させて接合する。
このように同時硬化接合工程を実施すると、内部シャフト（１３）の一方向繊維強化複合材料を含み、各層別の複合材料が層間で相互接合される。
【００２４】
このような同時硬化接合工程中には、接合面が汚染されないように気を付けなければならず、可能な限り早く仮接合して、空気中の水分が接合面に影響を与えないように注意する必要がある。
ハイブリッドドライブシャフトを最終硬化及び接合した後、硬化中に流れ出てシャフトの外面に鋭い角を形成するレジンをサンドペーパー及び仕上げ工具を利用して手入れして、応力集中を減らす。
本発明で一方向及び織物型繊維強化複合材料、織物型炭素繊維複合材料はレジンとして使用される材料が同一なものを使用することが好ましく、これを通して層間接合力を向上させ、層間に発生する熱応力を減少させることができる。
【００２５】
以下、本発明の実施例について詳細に説明する。
実施例及び実験例
本発明の実施例で使用した一方向及び織物型繊維強化複合材料を構成している繊維と樹脂の成分、製造方法は下記の通りである。
１）一方向炭素繊維複合材料
−製造社：ＳＫ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ（韓国）
−製品名：ＵＳＮ１５０ＢＫ Ｐｒｅｐｒｅｇ（厚さ−０．１４４ｍｍ、質量２２４ｇ／ｍ２）
−構成比：１５０ｇ／ｍ２（繊維）、３６ｇ／ｍ２（樹脂）
−繊維の種類：炭素繊維
−樹脂の種類：エポキシ樹脂（Ｂｉｓｐｈｅｎｏｌ Ａ）
【００２６】
２）一方向ガラス繊維複合材料
−製造社：ＳＫ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ（韓国）
−製品名：ＵＧＮ１５０ Ｐｒｅｐｒｅｇ（厚さ−０．１２２ｍｍ、質量２２４ｇ／ｍ２）
−構成比：１５０ｇ／ｍ２（繊維）、３３ｇ／ｍ２（樹脂）
−繊維の種類：ガラス繊維
−樹脂の種類：エポキシ樹脂（Ｂｉｓｐｈｅｎｏｌ Ａ）
【００２７】
３）織物型ガラス繊維複合材料
−製造社：韓国ファイバー（韓国）
−製品名：ＨＧ１８１／ＲＳ１２２２（厚さ−０．２５ｍｍ、質量２９９ｇ／ｍ２）
−繊維の種類：ガラス繊維
−樹脂の種類：エポキシ樹脂
【００２８】
４）織物型炭素繊維複合材料
−製品の種類：ＣＦＲＰ ｆａｂｒｉｃ ｗｉｔｈ ｒｏｖｉｎｇ ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ １２，０００ ｆｉｌａｍｅｎｔｓ（１６０ｇ／ｍ２）
−成分別特性：１８１ｇ／ｍ２（繊維）、１３０ｇ／ｍ２（樹脂）
−繊維の種類：Ｔ８００Ｈ 炭素繊維（Ｔｏｒａｙ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ｉｎｃ．）
−樹脂の種類：Ｂｉｏｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ ｅｐｏｘｙ ｒｅｓｉｎ（ＭＡＮ Ｃｅｒａｍｉｃｓ Ｃｏｍｐａｎｙ）
【００２９】
複合材料シャフトのねじれ強度を測定するためにＩｎｓｔｒｏｎ Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｔｅｓｔｉｎｇ ＭａｃｈｉｎｅとＭＴＳ（Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍｓ）を使用した。（接合強度［Ｐａ］＝最大ロード［Ｎ］／ジョイント接合面の断面積［ｍ２］）
【００３０】
本発明の実施例として、ハイブリッドドライブシャフトの製造のために一方向炭素繊維複合材料と織物型炭素繊維複合材料のねじれ接合強度を向上させる方法を調べた。
ハイブリッドドライブシャフトの剪断強度を向上させるための方法として、（Ａ）内部シャフト（１３）に使用される一方向繊維強化複合材料の配向角度、（Ｂ）シャフト中間部（１２）とシャフト外部（１１）に各々使用される織物型繊維強化複合材料と織物型炭素繊維複合材料の繊維配向角度を考慮する。
【００３１】
内部シャフト（１３）に使用される一方向繊維強化複合材料の配向角度は下記のように決めることができる。
図３は一方向炭素繊維強化複合材料の繊維配向角度による剛性の変化を表す図であり、図４はシャフトのねじれ剪断強度を予測することができる層間剪断強度を表示した図であり、二つの図より、長さ方向の剛性を補強することができるだけでなく、ねじれ強度を確保することができる配向角度の範囲は０°〜１５°であることが分る。
【００３２】
また、シャフト中間部（１２）とシャフト外部（１３）に使用される織物型繊維強化複合材料と織物型炭素繊維複合材料の配向角度は下記のように決める。
図５は織物型繊維強化複合材料の配向角度による剛性変化を表す図面であり、配向角度が増加するほど剛性が低下するが、ドライブシャフトの製造においてねじれ剛性及び 強度は長さ方向の剛性の設計と関係がないため、図５に示した結果を考慮する必要はない。
しかし、図６に表した織物型繊維強化複合材料のねじれ強度変化をみると、繊維の配向角度が増加するほどねじれ強度が増加することが分り、特に４５°〜７５°の範囲が好ましいことが分かる。
【００３３】
本発明による製造方法では、一方向及び織物型繊維強化複合材料の材料を変更して製造することが可能であり、例えば、一方向及び織物型ガラス繊維複合材料と炭素繊維複合材料を混合してハイブリッドドライブシャフトを製造する場合にも前記の方法に従って製造すると優れた性能を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明により製作されたハイブリッド構造のドライブシャフトを装着したＣＶジョイントを表した図面である。
【図２】本発明によるハイブリッドドライブシャフトの断面図である。
【図３】本発明による一方向繊維強化複合材料の配向角度による剛性の変化例を示すグラフである。
【図４】本発明による一方向繊維強化複合材料の配向角度による剪断強度の変化例を示すグラフである。
【図５】本発明による織物型繊維強化複合材料の配向角度による剛性の変化例を示すグラフである。
【図６】本発明による織物型繊維強化複合材料を使用した場合の配向角度によるねじれ剪断強度の変化例を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３５】
１０ ドライブシャフト
１１ シャフト外部
１２ シャフト中間部
１３ 内部シャフト
【技術分野】
【０００１】
本発明は複合材料により構成されたハイブリッド構造の自動車用ドライブシャフトを製造する方法に係り、更に詳しくは、シャフトの内部は長さ方向の剛性を補強するために一方向繊維強化複合材料を使用し、中間部はねじれ強度を高めるために３次元の機械的物性が優れた織物型繊維強化複合材料を使用し、外部は現場生産者が作業の際、不便にならないように織物型炭素繊維複合材料を使用して製造するドライブシャフトの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、航空分野では機械的特性が優れた一方向繊維強化複合材料（ｕｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｇｌａｓｓ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ）を多く使用しており、最近自動車分野でも採用が増加している。
しかし、織物型繊維強化複合材料（ｆａｂｒｉｃ ｇｌａｓｓ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ）に関しては、自動車外装材に応用するために基本的な物性研究と成形可能性に関する研究を行っている段階にある。
これまでに報告された研究成果を整理すると、織物型繊維強化複合材料の３次元物性特性は一方向繊維強化複合材料に比べて非常に優れており、今後、自動車部品において外装部品のみでなく荷重を支持及び伝達する部品にまで使用が拡大することが予想される。
【０００３】
自動車のエンジンから発生する駆動力がトランスミッション（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）を経てホイールに伝達される過程において、ねじれ作用を通して駆動力が伝達されるため、部品を構成している材料の３次元剪断物性の特性は非常に重要であることが知られている。
振動及び騒音特性が優れているだけでなく製造過程においても配向角度の調節を通して部品の機械的特性を調節することができる余地が多い複合材料が多く使用されるが、一方向複合材料は３次元物性が良くないのに対して、織物型複合材料は３次元物性が優れているため自動車の駆動力伝達部品に使用すると有利である。
【０００４】
そこで、本発明では比剛性、比強度を初めとする機械的特性が優れているだけでなく、騒音及び振動特性が優れ３次元物性が優れた織物型繊維強化複合材料を、トランスミッションからホイールに駆動力を伝達する機能を果たすドライブシャフトに応用する方法を提示する。
既存の複合材料を利用した駆動力伝達に関する研究及び生産履歴は、複合材料を利用したプロペラシャフトに関する研究及び応用はあったが、ドライブシャフトの複合材料化の研究は皆無である。
【特許文献１】特開２００４−３０８７００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は前記の点を考慮してなされたものであり、一方向繊維強化複合材料、織物型繊維強化複合材料、織物型炭素繊維複合材料を使用してハイブリッドドライブシャフトを製造する方法に関し、鋼鉄製のドライブシャフトに比べて振動特性が優れ、出力が向上する優れた性能のドライブシャフトを製作する方法を提示することにその目的がある。
【０００６】
本発明は比剛性、比強度をはじめとする機械的特性が優れているだけでなく、騒音、振動特性、３次元機械的物性が優れた織物型繊維強化複合材料を、駆動力伝達を行うドライブシャフトの製造に応用し、シャフトの内部は長さ方向の剛性と強度を補強するために一方向繊維強化複合材料を使用し、中間部はドライブシャフトに必要なねじれ剛性及び強度を確保するために３次元物性が優れた織物型繊維強化複合材料を使用し、外部は生産現場で作業するのに便利なように織物型炭素繊維複合材料を使用し、自動車の駆動部品に、軽くて剛性及び強度が優れた材料を使用することで、燃費向上だけでなく出力を高めることのできるドライブシャフトの製造方法を提供することに別の目的がある。
【０００７】
即ち、本発明は自動車のエンジンから発生する駆動力をトランスミッションを通してホイールに伝達する役割を果たすドライブシャフト部品の軽量化方法として、繊維方向の剛性及び強度が優れた一方向及び織物型複合材料を使用してドライブシャフトを製造することで、自動車の燃費及び出力、騒音、振動特性を向上させることのできる製造方法を提供することにまた別の目的がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、一方向繊維強化複合材料を使用して内部シャフトを製作する段階、
織物型繊維強化複合材料を前記内部シャフトの外部に積層してシャフト中間部を形成する段階、織物型炭素繊維複合材料を前記シャフト中間部の外部に積層してシャフト外部を形成する段階、及び、前記各層別複合材料を相互接合する段階、
を含むことを特徴とする。
【０００９】
前記内部シャフトは、平板の周囲に一方向繊維強化複合材料をフィラメントワインディング法を利用して巻いた後、これを硬化させ、次に、サイズに合わせて切断して複合材料ブロック体を製作した後、旋盤作業を通して円形シャフト形態に加工して製作することを特徴とする。
【００１０】
前記内部シャフトを製作した後、その表面を機械的及び化学的に表面処理して、表面粗度が１．２〜１．７μｍになるまで研磨することを特徴とする。
【００１１】
前記機械的表面処理として、前記内部シャフトをサンドペーパーで研磨し、その後、前記化学的表面処理としてアセトンを使用して表面を払拭することを特徴とする。
【００１２】
前記シャフト内部を形成する一方向繊維強化複合材料の繊維配向角度は、長さ方向の剛性及び強度を確保しながら熱応力の減少、３次元物性を向上させることのできる０°〜１５°とすることを特徴とする。
【００１３】
前記シャフト中間部と前記シャフト外部を各々形成する織物型繊維強化複合材料の繊維配向角度は、ねじれ強度を確保するために４５°〜７５°とすることを特徴とする。
【００１４】
前記各層別複合材料の相互接合段階で、複合材料の層間接合は、シャフト中間部を形成するために非硬化された織物型繊維強化複合材料を積層し、次に、シャフト外部を形成するために非硬化された織物型炭素繊維複合材料を積層した後、前記織物型繊維強化複合材料と前記織物型炭素繊維複合材料を同時に硬化させることで、前記内部シャフト、シャフト中間部及びシャフト外部を層間接合させる同時硬化接合方法により実施することを特徴とする。
【００１５】
前記同時硬化接合をした後には、硬化中に流れ出てシャフトの外面に鋭い角を形成させるレジンをサンドペーパー及び仕上げ工具を利用して手入れし、応力集中を減らすことを特徴とする。
【００１６】
前記一方向、織物型繊維強化複合材料及び織物型炭素繊維複合材料は、レジンとして使用される材料が同一であるものを使用して層間接合力を向上させ、層間に発生する熱応力を減少させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明による複合材料を利用したハイブリッドドライブシャフトの製造方法によると、長さ方向の物性が優れた一方向繊維強化複合材料と３次元物性が優れた織物型繊維強化複合材料を使用し、ハイブリッド構造に製造することで、比剛性及び比強度が優れているだけでなく、騒音、振動、疲労特性が優れ、出力が向上するドライブシャフトを製造することができる。
また、複合材料内の繊維の配向角度を変えることで振動及び出力特性を調節することができるため既存材料のドライブシャフトに比べて重量が軽くなり燃費が良くなる。
さらに、本発明の技術は、ドライブシャフトなどの駆動力伝達構造部品以外にもねじれ剛性及び強度を必要とする部品に適用することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照にして、本発明を詳細に説明する。
【実施例】
【００１９】
まず、以下に使用される用語について説明する。
「ハイブリッド」はドライブシャフトを構成している材料が１種類ではない、数種類であることを意味する。
「同時硬化」は２つ以上の材料が接合される時、接合工程と硬化工程が同時に行われることを意味する。
「配向角度」は複合材料内に含有された繊維の配向方向を指し、基準座標に対して傾斜角度を表す。
【００２０】
図１は、本発明によって製作されたハイブリッド構造のドライブシャフトを装着したＣＶジョイントを表した図面であり、図２は本発明によって製作されたハイブリッドドライブシャフトの材料構成を表す断面図である。
本発明によるハイブリッドドライブシャフト（１０）の製造過程において、第１段階では、一方向繊維強化複合材料で内部シャフト（１３）を製作する。
この時、内部シャフト（１３）は、平板周囲に一方向繊維強化複合材料をフィラメントワインディング法を利用して巻いた後、これを硬化させ、次にサイズに合わせて切断した複合材料のブロック体を旋盤作業で円形シャフトに加工する。
ここで、一方向繊維強化複合材料の繊維内配向角度は、長さ方向の剛性及び強度を確保しながら熱応力の減少、３次元物性を向上させることのできる０°〜１５°となるようにする。
【００２１】
第２段階として、前記のように製造した内部シャフト（１３）の表面を機械的及び化学的に表面処理し、表面粗度１．２〜１．７μｍとなるようにする。その後、シャフト中間部（１２）を織物型繊維強化複合材料で成形し、同時硬化で優れた層間物性を確保する。
この時、内部シャフト（１３）の表面処理はサンドペーパーを利用した機械的表面処理方法及び各種化学薬品を利用した化学的表面処理などを利用することができる。
即ち、機械的表面処理後、アセトンを使用して接合面を払拭する化学的表面処理を行い、接合強度を向上させる。
【００２２】
第３段階では、一方向繊維強化複合材料により製作された内部シャフト（１３）の外部に非硬化の織物型繊維強化複合材料をサイズと厚さに合わせて積層し、シャフト中間部（１２）を形成する。この時、織物型繊維強化複合材料内の繊維の配向方向を決定して積層する。
シャフト中間部（１２）を形成する織物型繊維強化複合材料内に含有される繊維の好ましい配向角度はねじれ強度を確保するために４５°〜７５°とする。
【００２３】
第４段階では、シャフト中間部（１２）を表面処理した後、その外部に非硬化の織物型炭素繊維複合材料をねじれ強度の確保のために４５°〜７５°の配向角度で積層し、シャフト外部（１１）を形成する。
前記のように織物型繊維強化複合材料と織物型炭素繊維複合材料を順に積層した後、第５段階として、シャフト中間部（１２）の織物型繊維強化複合材料とシャフト外部（１１）の織物型炭素繊維複合材料を同時に硬化させて接合する。
このように同時硬化接合工程を実施すると、内部シャフト（１３）の一方向繊維強化複合材料を含み、各層別の複合材料が層間で相互接合される。
【００２４】
このような同時硬化接合工程中には、接合面が汚染されないように気を付けなければならず、可能な限り早く仮接合して、空気中の水分が接合面に影響を与えないように注意する必要がある。
ハイブリッドドライブシャフトを最終硬化及び接合した後、硬化中に流れ出てシャフトの外面に鋭い角を形成するレジンをサンドペーパー及び仕上げ工具を利用して手入れして、応力集中を減らす。
本発明で一方向及び織物型繊維強化複合材料、織物型炭素繊維複合材料はレジンとして使用される材料が同一なものを使用することが好ましく、これを通して層間接合力を向上させ、層間に発生する熱応力を減少させることができる。
【００２５】
以下、本発明の実施例について詳細に説明する。
実施例及び実験例
本発明の実施例で使用した一方向及び織物型繊維強化複合材料を構成している繊維と樹脂の成分、製造方法は下記の通りである。
１）一方向炭素繊維複合材料
−製造社：ＳＫ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ（韓国）
−製品名：ＵＳＮ１５０ＢＫ Ｐｒｅｐｒｅｇ（厚さ−０．１４４ｍｍ、質量２２４ｇ／ｍ２）
−構成比：１５０ｇ／ｍ２（繊維）、３６ｇ／ｍ２（樹脂）
−繊維の種類：炭素繊維
−樹脂の種類：エポキシ樹脂（Ｂｉｓｐｈｅｎｏｌ Ａ）
【００２６】
２）一方向ガラス繊維複合材料
−製造社：ＳＫ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ（韓国）
−製品名：ＵＧＮ１５０ Ｐｒｅｐｒｅｇ（厚さ−０．１２２ｍｍ、質量２２４ｇ／ｍ２）
−構成比：１５０ｇ／ｍ２（繊維）、３３ｇ／ｍ２（樹脂）
−繊維の種類：ガラス繊維
−樹脂の種類：エポキシ樹脂（Ｂｉｓｐｈｅｎｏｌ Ａ）
【００２７】
３）織物型ガラス繊維複合材料
−製造社：韓国ファイバー（韓国）
−製品名：ＨＧ１８１／ＲＳ１２２２（厚さ−０．２５ｍｍ、質量２９９ｇ／ｍ２）
−繊維の種類：ガラス繊維
−樹脂の種類：エポキシ樹脂
【００２８】
４）織物型炭素繊維複合材料
−製品の種類：ＣＦＲＰ ｆａｂｒｉｃ ｗｉｔｈ ｒｏｖｉｎｇ ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ １２，０００ ｆｉｌａｍｅｎｔｓ（１６０ｇ／ｍ２）
−成分別特性：１８１ｇ／ｍ２（繊維）、１３０ｇ／ｍ２（樹脂）
−繊維の種類：Ｔ８００Ｈ 炭素繊維（Ｔｏｒａｙ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ｉｎｃ．）
−樹脂の種類：Ｂｉｏｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ ｅｐｏｘｙ ｒｅｓｉｎ（ＭＡＮ Ｃｅｒａｍｉｃｓ Ｃｏｍｐａｎｙ）
【００２９】
複合材料シャフトのねじれ強度を測定するためにＩｎｓｔｒｏｎ Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｔｅｓｔｉｎｇ ＭａｃｈｉｎｅとＭＴＳ（Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍｓ）を使用した。（接合強度［Ｐａ］＝最大ロード［Ｎ］／ジョイント接合面の断面積［ｍ２］）
【００３０】
本発明の実施例として、ハイブリッドドライブシャフトの製造のために一方向炭素繊維複合材料と織物型炭素繊維複合材料のねじれ接合強度を向上させる方法を調べた。
ハイブリッドドライブシャフトの剪断強度を向上させるための方法として、（Ａ）内部シャフト（１３）に使用される一方向繊維強化複合材料の配向角度、（Ｂ）シャフト中間部（１２）とシャフト外部（１１）に各々使用される織物型繊維強化複合材料と織物型炭素繊維複合材料の繊維配向角度を考慮する。
【００３１】
内部シャフト（１３）に使用される一方向繊維強化複合材料の配向角度は下記のように決めることができる。
図３は一方向炭素繊維強化複合材料の繊維配向角度による剛性の変化を表す図であり、図４はシャフトのねじれ剪断強度を予測することができる層間剪断強度を表示した図であり、二つの図より、長さ方向の剛性を補強することができるだけでなく、ねじれ強度を確保することができる配向角度の範囲は０°〜１５°であることが分る。
【００３２】
また、シャフト中間部（１２）とシャフト外部（１３）に使用される織物型繊維強化複合材料と織物型炭素繊維複合材料の配向角度は下記のように決める。
図５は織物型繊維強化複合材料の配向角度による剛性変化を表す図面であり、配向角度が増加するほど剛性が低下するが、ドライブシャフトの製造においてねじれ剛性及び 強度は長さ方向の剛性の設計と関係がないため、図５に示した結果を考慮する必要はない。
しかし、図６に表した織物型繊維強化複合材料のねじれ強度変化をみると、繊維の配向角度が増加するほどねじれ強度が増加することが分り、特に４５°〜７５°の範囲が好ましいことが分かる。
【００３３】
本発明による製造方法では、一方向及び織物型繊維強化複合材料の材料を変更して製造することが可能であり、例えば、一方向及び織物型ガラス繊維複合材料と炭素繊維複合材料を混合してハイブリッドドライブシャフトを製造する場合にも前記の方法に従って製造すると優れた性能を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明により製作されたハイブリッド構造のドライブシャフトを装着したＣＶジョイントを表した図面である。
【図２】本発明によるハイブリッドドライブシャフトの断面図である。
【図３】本発明による一方向繊維強化複合材料の配向角度による剛性の変化例を示すグラフである。
【図４】本発明による一方向繊維強化複合材料の配向角度による剪断強度の変化例を示すグラフである。
【図５】本発明による織物型繊維強化複合材料の配向角度による剛性の変化例を示すグラフである。
【図６】本発明による織物型繊維強化複合材料を使用した場合の配向角度によるねじれ剪断強度の変化例を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３５】
１０ ドライブシャフト
１１ シャフト外部
１２ シャフト中間部
１３ 内部シャフト
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方向繊維強化複合材料を使用して内部シャフトを製作する段階、
織物型繊維強化複合材料を前記内部シャフトの外部に積層してシャフト中間部を形成する段階、
織物型炭素繊維複合材料を前記シャフト中間部の外部に積層してシャフト外部を形成する段階、及び
前記各層別複合材料を相互接合する段階
を含むことを特徴とする複合材料により構成された自動車用ハイブリッドドライブシャフトの製造方法。
【請求項２】
前記内部シャフトは、平板の周囲に一方向繊維強化複合材料をフィラメントワインディング法を利用して巻いた後、これを硬化させ、次に、サイズに合わせて切断して複合材料ブロック体を製作した後、旋盤作業を通して円形シャフト形態に加工して製作することを特徴とする請求項１記載の複合材料により構成された自動車用ハイブリッドドライブシャフトの製造方法。
【請求項３】
前記内部シャフトを製作した後、その表面を機械的及び化学的に表面処理して、表面粗度が１．２〜１．７μｍになるまで研磨することを特徴とする請求項１または２記載の複合材料により構成された自動車用ハイブリッドドライブシャフトの製造方法。
【請求項４】
前記機械的表面処理として、前記内部シャフトをサンドペーパーで研磨し、その後、前記化学的表面処理としてアセトンを使用して表面を払拭することを特徴とする請求項３記載の複合材料により構成された自動車用ハイブリッドドライブシャフトの製造方法。
【請求項５】
前記シャフト内部を形成する一方向繊維強化複合材料の繊維配向角度は、長さ方向の剛性及び強度を確保しながら熱応力の減少、３次元物性を向上させることのできる０°〜１５°とすることを特徴とする請求項１記載の複合材料により構成された自動車用ハイブリッドドライブシャフトの製造方法。
【請求項６】
前記シャフト中間部と前記シャフト外部を各々形成する織物型繊維強化複合材料の繊維配向角度は、ねじれ強度を確保するために４５°〜７５°とすることを特徴とする請求項１記載の複合材料により構成された自動車用ハイブリッドドライブシャフトの製造方法。
【請求項７】
前記各層別複合材料の相互接合段階で、複合材料の層間接合は、シャフト中間部を形成するために非硬化された織物型繊維強化複合材料を積層し、次に、シャフト外部を形成するために非硬化された織物型炭素繊維複合材料を積層した後、前記織物型繊維強化複合材料と前記織物型炭素繊維複合材料を同時に硬化させることで、前記内部シャフト、シャフト中間部及びシャフト外部を層間接合させる同時硬化接合方法により実施することを特徴とする請求項１記載の複合材料により構成された自動車用ハイブリッドドライブシャフトの製造方法。
【請求項８】
前記同時硬化接合をした後には、硬化中に流れ出てシャフトの外面に鋭い角を形成させるレジンをサンドペーパー及び仕上げ工具を利用して手入れし、応力集中を減らすことを特徴とする請求項７記載の複合材料により構成された自動車用ハイブリッドドライブシャフトの製造方法。
【請求項９】
前記一方向、織物型繊維強化複合材料及び織物型炭素繊維複合材料は、レジンとして使用される材料が同一であるものを使用して層間接合力を向上させ、層間に発生する熱応力を減少させることを特徴とする請求項１または７記載の複合材料により構成された自動車用ハイブリッドドライブシャフトの製造方法。
【請求項１】
一方向繊維強化複合材料を使用して内部シャフトを製作する段階、
織物型繊維強化複合材料を前記内部シャフトの外部に積層してシャフト中間部を形成する段階、
織物型炭素繊維複合材料を前記シャフト中間部の外部に積層してシャフト外部を形成する段階、及び
前記各層別複合材料を相互接合する段階
を含むことを特徴とする複合材料により構成された自動車用ハイブリッドドライブシャフトの製造方法。
【請求項２】
前記内部シャフトは、平板の周囲に一方向繊維強化複合材料をフィラメントワインディング法を利用して巻いた後、これを硬化させ、次に、サイズに合わせて切断して複合材料ブロック体を製作した後、旋盤作業を通して円形シャフト形態に加工して製作することを特徴とする請求項１記載の複合材料により構成された自動車用ハイブリッドドライブシャフトの製造方法。
【請求項３】
前記内部シャフトを製作した後、その表面を機械的及び化学的に表面処理して、表面粗度が１．２〜１．７μｍになるまで研磨することを特徴とする請求項１または２記載の複合材料により構成された自動車用ハイブリッドドライブシャフトの製造方法。
【請求項４】
前記機械的表面処理として、前記内部シャフトをサンドペーパーで研磨し、その後、前記化学的表面処理としてアセトンを使用して表面を払拭することを特徴とする請求項３記載の複合材料により構成された自動車用ハイブリッドドライブシャフトの製造方法。
【請求項５】
前記シャフト内部を形成する一方向繊維強化複合材料の繊維配向角度は、長さ方向の剛性及び強度を確保しながら熱応力の減少、３次元物性を向上させることのできる０°〜１５°とすることを特徴とする請求項１記載の複合材料により構成された自動車用ハイブリッドドライブシャフトの製造方法。
【請求項６】
前記シャフト中間部と前記シャフト外部を各々形成する織物型繊維強化複合材料の繊維配向角度は、ねじれ強度を確保するために４５°〜７５°とすることを特徴とする請求項１記載の複合材料により構成された自動車用ハイブリッドドライブシャフトの製造方法。
【請求項７】
前記各層別複合材料の相互接合段階で、複合材料の層間接合は、シャフト中間部を形成するために非硬化された織物型繊維強化複合材料を積層し、次に、シャフト外部を形成するために非硬化された織物型炭素繊維複合材料を積層した後、前記織物型繊維強化複合材料と前記織物型炭素繊維複合材料を同時に硬化させることで、前記内部シャフト、シャフト中間部及びシャフト外部を層間接合させる同時硬化接合方法により実施することを特徴とする請求項１記載の複合材料により構成された自動車用ハイブリッドドライブシャフトの製造方法。
【請求項８】
前記同時硬化接合をした後には、硬化中に流れ出てシャフトの外面に鋭い角を形成させるレジンをサンドペーパー及び仕上げ工具を利用して手入れし、応力集中を減らすことを特徴とする請求項７記載の複合材料により構成された自動車用ハイブリッドドライブシャフトの製造方法。
【請求項９】
前記一方向、織物型繊維強化複合材料及び織物型炭素繊維複合材料は、レジンとして使用される材料が同一であるものを使用して層間接合力を向上させ、層間に発生する熱応力を減少させることを特徴とする請求項１または７記載の複合材料により構成された自動車用ハイブリッドドライブシャフトの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−４５７３１（Ｐ２００８−４５７３１Ａ）
【公開日】平成２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３３０８８２（Ｐ２００６−３３０８８２）
【出願日】平成１８年１２月７日（２００６．１２．７）
【出願人】（５９１２５１６３６）現代自動車株式会社 (1,064)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１２月７日（２００６．１２．７）
【出願人】（５９１２５１６３６）現代自動車株式会社 (1,064)
【Ｆターム（参考）】
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