ＦＲＰ筒体およびその製造方法
【課題】周方向巻補強層の形状を安定化させることによって周方向巻補強層と螺旋巻層の境界に発生するボイドを消滅させ、また、不必要な厚肉化を避けて重量および材料費を削減できる、ＦＲＰ筒体およびその製造方法を提供する。
【解決手段】強化繊維の螺旋巻層を含み筒軸方向に延在する本体筒部と、該本体筒部の筒軸方向端部内周面側に設けられ、筒軸方向に対して±８０〜９０度の範囲内の巻角度の強化繊維の周方向巻層を含む補強部とを有するＦＲＰ筒体において、補強部が、径方向内側に位置する強化繊維の第１周方向巻層を含む第１補強部とその外側に位置し強化繊維の第２周方向巻層を含む第２補強部とからＦＲＰ筒体、およびその製造方法。
【解決手段】強化繊維の螺旋巻層を含み筒軸方向に延在する本体筒部と、該本体筒部の筒軸方向端部内周面側に設けられ、筒軸方向に対して±８０〜９０度の範囲内の巻角度の強化繊維の周方向巻層を含む補強部とを有するＦＲＰ筒体において、補強部が、径方向内側に位置する強化繊維の第１周方向巻層を含む第１補強部とその外側に位置し強化繊維の第２周方向巻層を含む第２補強部とからＦＲＰ筒体、およびその製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＦＲＰ筒体およびその製造方法に関し、特に、端部に他部材が結合されるＦＲＰ筒体、例えばプロペラシャフト等に用いて好適なＦＲＰ筒体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）製の筒体が使われてきつつある。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。そのようなＦＲＰ製プロペラシャフトは、ＦＲＰ製本体筒と、この本体筒の各端部に接合して設けた金属製継手とを有している。
【０００３】
ＦＲＰ製本体筒と金属製継手との接合は、金属製継手接合部の外径をＦＲＰ製本体筒の内径よりもやや大きく形成し、金属製継手をＦＲＰ製本体筒に圧入することによって、接合の強度が向上されるが、このＦＲＰ製本体筒の端部接合部内側には、上記圧入に対してＦＲＰ筒体の強度を確保するために、強化繊維の周方向巻層（筒軸方向に対して強化繊維を±８０〜９０度の角度で配列）を含む補強部（以下、周方向巻補強層と言うこともある。）を設けている（例えば、特許文献１）。この周方向巻補強層によって圧入による接合強度等を確保している。
【特許文献１】特開平８-１０８４９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
プロペラシャフトに使用される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１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製本体筒２を形成する部分が主として強化繊維の螺旋巻層（例えば、筒軸方向に対して強化繊維を±１０〜７５度の角度で配列した層）を含むＦＲＰ層に、長尺のフィラメントワインディングにおいて所定長さへの切断部３（所定長さのプロペラシャフト用ＦＲＰ筒体とするための切断部）におけるＦＲＰ製本体筒２の端部内周面側に、上記のような周方向巻補強層が形成されるが（図１における補強層部Ａ、Ｂ、Ｃ）、このＦＲＰ筒体の製造方法には次のような問題があった。
【０００５】
まず、上記のようなフィラメントワインディング法では、周方向巻を、筒軸方向に、所 定長で複数回往復させて補強層を形成するので、例えば図４に示すように、補強層端４の折り返し部分が、フィラメントワインディングマシンの制御上、巻き太りしやすくなり、周方向巻補強層５の外周面が凹形状になってしまう。補強層５形成完了後、補強層５の上には螺旋巻層６が順次形成されていくが、補強層端４の折り返し部分の巻き太りの影響を受けて、図４に示すように、層間７と層間８に空気を巻き込みやすくなり、硬化後、切断部３で切断した所定長のＦＲＰ製本体筒２の端部には、ボイドと呼ばれる空隙９、１０が発生しやすくなる。その結果、図５に示すように、金属製継手１１をＦＲＰ製本体筒２の端部に圧入する際、あるいは圧入完了後、所定以下の負荷トルクで層間７、層間８を起点に層間接着の破断が発生するという問題を生じるおそれがあった。
【０００６】
さらに上記の方法では、フィラメントワインディングマシンでの設定上、補強層５の厚みを一定にしており、つまり、高強度が要求される開放側端部１２の厚みに合わせて補強層終了側端部１３まで一定の厚みとされているので、金属製継手１１をＦＲＰ製本体筒２の端部に圧入する際、最もＦＲＰ製本体筒２が拡がる（負荷応力大）開放側端部１２と、負荷応力の低い圧入終了側端部１３で補強層厚が同じであり、ＦＲＰ筒体全体の重量増、コストアップを招くという問題も生じていた。
【０００７】
そこで本発明の課題は、上記のような問題点に着目し、周方向巻補強層の形状を安定化させることによって周方向巻補強層と螺旋巻層の境界に発生するボイドを消滅させ、また、不必要な厚肉化を避けて重量および材料費を削減できる、ＦＲＰ筒体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】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明に係るＦＲＰ筒体は、強化繊維の螺旋巻層を含み筒軸方向に延在する本体筒部と、該本体筒部の筒軸方向端部内周面側に設けられ、筒軸方向に対して±８０〜９０度の範囲内の巻角度の強化繊維の周方向巻層を含む補強部とを有するＦＲＰ筒体において、前記補強部が、径方向内側から外側に向かって積層された、筒軸方向に互いに長さの異なる２層の周方向巻層を有し、全体の形状がストレート部とテーパー部で形成されていることを特徴とするものからなる。
【０００９】
また、本発明に係るＦＲＰ筒体は、強化繊維の螺旋巻層を含み筒軸方向に延在する本体筒部と、該本体筒部の筒軸方向端部内周面側に設けられ、筒軸方向に対して±８０〜９０度の範囲内の巻角度の強化繊維の周方向巻層を含む補強部とを有するＦＲＰ筒体において、前記補強部が、径方向内側から外側に向かって積層された、筒軸方向に互いに長さの異なる３層以上の周方向巻層を有し、全体の形状がストレート部とテーパー部で形成されていることを特徴とするものからなる。
【００１０】
上記構成においては、周方向巻層を含む補強部を径方向内側の第１補強部とその外側の第２補強部あるいは第２補強部以降とから構成するようにしたので、周方向巻補強層の形状を安定化させることができ、該形状安定化によって、周方向巻補強層と螺旋巻層との境界に発生するボイドを消滅させることができ、金属製継手をＦＲＰ製本体筒の端部に圧入する際、あるいは圧入完了後、負荷トルクに対する、図４に示したような層間７、層間８を起点とした層間接着の破断を防止することができる。また、補強部における圧入終了側端部付近の強化繊維投入量を削減することにより、不必要な厚肉化を避けてＦＲＰ筒体の重量および材料費を削減することもできる。
【００１１】
上記ＦＲＰ筒体においては、前記筒軸方向に互いに長さの異なる２層の、あるいは３層以上の周方向巻層の厚みが同程度であり、第１の周方向巻層の筒軸方向長さが継ぎ手部材の接合長をカバーしている構成とすることができる。このようにすれば、周方向巻補強層端部の巻き太りによる形状の不安定化を緩和することができ、周方向巻補強層と螺旋巻層の境界に発生するボイドの原因となる空気を巻き込まずに成形することが可能となる。
【００１２】
また、前記補強部のストレート部の長さが継ぎ手部材の接合長に対し１．１〜２．０倍、テーパー部の長さがストレート部の長さに対し０．０５〜２．０倍の範囲にあることが好ましく、従って上記の如く前記筒軸方向に互いに長さの異なる２層の周方向巻層の積層構成とする場合、外側の第２の周方向巻層の筒軸方向長さは、第１の周方向巻層の筒軸方向長さの１．０５〜３倍の範囲とすることが好ましい。このようにすれば、周方向巻補強層端部の巻き太りによる形状の不安定化を緩和することができるとともに、筒軸方向に対する周方向巻補強層への強化繊維投入量を最適にすることができ、不必要な厚肉化を避けてＦＲＰ筒体の重量および材料費を削減できる。
【００１３】
また、上記のような本発明に係るＦＲＰ筒体は、プロペラシャフトに好適なものであり、ＦＲＰ筒体の両端部に金属製継手が接合されることにより、所望のプロペラシャフトが、接合部におけるボイドを生じることなく、不必要な厚肉化を避けＦＲＰ筒体の重量および材料費を削減した状態で構成されることになる。とくに、トルク伝達性能向上等のために接合強度を高く保つためには、ＦＲＰ筒体の両端部にセレーション加工が施された金属製継手が圧入により接合されていることが好ましい。
【００１４】
本発明に係るＦＲＰ筒体の製造方法は、ＦＲＰ筒体の筒軸方向端部に相当する位置に、筒軸方向に対して±８０〜９０度の範囲内の巻角度の強化繊維の周方向巻層を含む補強部を形成し、該補強部の外周面側に、ＦＲＰ筒体の筒軸方向全長にわたって強化繊維の螺旋巻層を含む本体筒部を形成するＦＲＰ筒体の製造方法において、前記補強部形成工程が、筒軸方向に互いに長さの異なる２層の周方向巻層を径方向内側から外側に向かって順次積層することにより補強部を形成するとともに、該補強部の形成を、ＦＲＰ筒体の製品端部となるべき位置を筒軸方向の中央部として、樹脂を含浸させた強化繊維束を筒軸方向に前記中央部の左右にトラバースさせることにより行う工程とを含んでいることを特徴とする方法からなる。
【００１５】
また、本発明に係るＦＲＰ筒体の製造方法は、ＦＲＰ筒体の筒軸方向端部に相当する位置に、筒軸方向に対して±８０〜９０度の範囲内の巻角度の強化繊維の周方向巻層を含む補強部を形成し、該補強部の外周面側に、ＦＲＰ筒体の筒軸方向全長にわたって強化繊維の螺旋巻層を含む本体筒部を形成するＦＲＰ筒体の製造方法において、前記補強部形成工程が、筒軸方向に互いに長さの異なる３層以上の周方向巻層を径方向内側から外側に向かって順次積層することにより補強部を形成するとともに、該補強部の形成を、ＦＲＰ筒体の製品端部となるべき位置を筒軸方向の中央部として、樹脂を含浸させた強化繊維束を筒軸方向に前記中央部の左右にトラバースさせることにより行う工程とを含んでいることを特徴とする方法からなる。
【００１６】
上記構成においては、周方向巻補強層の形状を安定化させることによって周方向巻補強層と螺旋巻層の境界に発生するボイドを消滅させることができるとともに、金属製継手等の圧入終了側付近の強化繊維投入量削減により、不必要な厚肉化を避けることが可能となり、ＦＲＰ筒体成形において品質および生産性をともに向上させることができる。
【００１７】
この製造方法においては、前記筒軸方向に互いに長さの異なる２層の、あるいは３層以上の周方向巻層の各厚みが同程度となるよう、各層形成時のトラバース数を略等しくし、かつ、第１の周方向巻層を、その筒軸方向長さが継ぎ手部材の接合長をカバーするように形成することが好ましい。また、前記同様、補強部のストレート部の長さが継ぎ手部材の接合長に対し１．１〜２．０倍、テーパー部の長さがストレート部の長さに対し０．０５〜２．０倍の範囲にあることが好ましく、従って上記の如く前記筒軸方向に互いに長さの異なる２層の周方向巻層の積層構成とする場合、外側の第２の周方向巻層の筒軸方向長さは、第１の周方向巻層の筒軸方向長さの１．０５〜３倍の範囲とすることが好ましい。
【００１８】
また、この製造方法は、ＦＲＰ筒体がプロペラシャフトである場合に好適なものであり、上記ＦＲＰ筒体の両端部に金属製継手を接合して、生産性を向上した状態で望ましい品質のプロペラシャフトを製造することが可能になる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係るＦＲＰ筒体およびその製造方法によれば、金属製継手等が圧入される周方向巻補強層を内側の第１補強層部とその外側の第２補強層部以降とから構成する構造としたので、周方向巻補強層端部の巻き太りによる形状の不安定化を緩和することができ、周方向巻補強層と螺旋巻層の境界に発生するボイドの原因となる空気を巻き込まない、品質を向上したＦＲＰ製筒体を提供することが可能となる。
【００２０】
また、周方向巻補強層境界部でのボイドを消滅できたことにより、金属製継手等の圧入工程で周方向巻補強層が接着不良等により破断することを防止することができる。さらに、周方向巻補強層の強化繊維投入量を最適化できるとともに従来よりも低減することが可能になり、ＦＲＰ筒体全体の重量および材料費を削減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に、本発明に係るＦＲＰ筒体およびその製造方法の望ましい実施の形態を、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。
【００２２】
図２、図３および図６、図７は、本発明の実施態様に係るＦＲＰ筒体を示しており、図１に示したようなフィラメントワインディング法により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る。図２および図６において、図１に示したようなフィラメントワインディング法によりマンドレル１（図１）上にＦＲＰ製の筒状体を形成していくに際し、プロペラシャフトとして製造すべき所定長を有するＦＲＰ筒体２１、３１を切断部２２、３２で切断するようにしたものである。ＦＲＰ筒体２１、３１は、強化繊維の螺旋巻層を含み筒軸方向に延在する本体筒部２３、３３と、該本体筒部２３、３３の筒軸方向端部内周面側に設けられ、筒軸方向に対して±８０〜９０度の範囲内の巻角度の強化繊維の周方向巻層を含む補強部２４、３４とを有するＦＲＰ筒体に成形される。この補強部２４、３４が、径方向内側に位置する強化繊維の第１周方向巻層を含む第１補強部２５、３５とその外側に位置し強化繊維の第２周方向巻層を含む第２補強部２６、３６とからなる。３分割の場合はさらに外側に強化繊維の第３周方向巻層を含む第３補強部３７とからなる。この第１補強部２５、３５と第２補強部２６、３６、更に３分割の場合は第３補強部３７とを積み重ねた補強部２４、３４を備えたＦＲＰ筒体２１、３１の端部に（本実施態様では両端部に）、図３に示すように、金属製継手２７が圧入され、プロペラシャフトとされる。
【００２３】
ＦＲＰ筒体２１、３１の材料として、本実施態様では、強化繊維として炭素繊維を、マトリクス樹脂としてエポキシ樹脂を使用している。なお、強化繊維としてアラミド繊維、ガラス繊維等の高強度、高弾性と言われる他の繊維を採用したり、マトリクス樹脂として不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ビニルエステル樹脂等のその他の熱硬化性樹脂を採用することもできる。ＦＲＰ筒体２１は通常、図１に示したように１本のマンドレル（芯材）に２〜１０本の複数本をフィラメントワインディング法によって巻き付けていき、同時に成形する。樹脂含浸繊維をマンドレル（芯材）に巻き付けて筒体に成形した後に、繊維に含浸された樹脂を熱硬化させ、その後マンドレルを抜き取り、所定の長さに切断部２２、３２で切断することによって所定長さのＦＲＰ筒体２１、３１に作製される。
【００２４】
前記補強部を２つに分割する場合、上記第１補強部２５と第２補強部２６は、前述したように厚みが同程度になるように、２つ以上に分割する場合は、補強部周方向の各厚みが同程度になるように形成され、第１補強部長が継ぎ手部材の接合長をカバーしていることが好ましい。また、前記補強部のストレート長、テーパ長、分割数の関係は、前記補強部のストレート部の長さが継ぎ手部材の接合長に対し１．１〜２．０倍、テーパー部の長さがストレート部の長さに対し０．０５〜２．０倍の範囲にあることが好ましい。更に分割数はテーパ長÷糸幅で算出される値を小数点１桁を切り上げた整数で決定することが好ましい。このようにストレート長、テーパー長、分割数を決めることにより外側に巻き付けられる螺旋巻層の巻き乱れを防止することができ、ねじり強度など性能上優れたＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）筒体を得ることができる。
【実施例１】
【００２５】
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金属製継手の圧入、捩り試験評価を実施した。以下に、これらについて詳細に説明する。
【００２６】
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。繊維として炭素繊維束（東レ（株）製“トレカ”Ｔ７００Ｓ、２４０００フィラメント、破断伸度２．１％）、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φ７４ｍｍ、全長が２０００ｍｍのものを用い、ＦＲＰ筒体２本（製品長９００ｍｍ）を１本のマンドレルから取るようにした。
【００２７】
まず、エポキシ樹脂を含浸させたロービング（炭素繊維を複数本を引き揃えた束）を、マンドレル上で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）に周方向巻補強層として連続で成形した。このとき、筒軸方向に対する長さ１００ｍｍ幅で、巻き付け往復回数（トラバース回数）４．５回にすることにより、補強層長１００ｍｍ、厚み１．５ｍｍの第１周方向巻層を含む第１補強部２５を成形した。補強部成形時、糸幅３０ｍｍに対し、送りピッチを２９ｍｍで設定するが、マンドレルに直接接触する１周目巻き付け時は糸幅が不安定なため、送りピッチを糸幅の半分の１５ｍｍとすることが好ましい。
【００２８】
さらに、第１補強部２５の上に、筒軸方向に対する長さ１４０ｍｍ幅で、巻き付け往復回数５回にすることにより、補強層長１８０ｍｍ、厚み１．５ｍｍの第２周方向巻層を含む第２補強部２６を成形した。このとき、第１補強部２５の筒軸方向の長さ１００ｍｍの中心位置と第２補強部２６の筒軸方向の長さ１８０ｍｍの中心位置が同じになるようにした。このときも、第２周方向巻層のマンドレルに直接接触する１周目巻き付け時は糸幅が不安定なため、送りピッチを糸幅の半分の１５ｍｍとすることが好ましい。
【００２９】
第１補強部２５から連続して第２補強部２６を成形するために、第１補強部２５と第２補強部２６の中間につなぎ用の周方向巻層を１層介在させた。図１におけるＡ部の周方向巻補強層の成形が終了した後、Ｂ部、Ｃ部も連続で成形するが、ＡとＢ、ＢとＣの中間を所定ピッチの周方向巻きでつないでいった。Ａ部、Ｂ部、Ｃ部の周方向巻補強層完了後、マンドレル全長にわたって、破壊強度、剛性、周波数特性を付与するための所定角度の螺旋巻層を約２．５ｍｍ厚成形した。螺旋巻き終了後、周方向巻きによる最外層を形成した。
【００３０】
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２２で切断した。
【００３１】
このように得られたＦＲＰ筒体の端部補強層部を軸方向に切断して断面観察を実施したが、第１周方向巻層も第２周方向巻層もフィラメントワインディング時の往復回数が少ないため、図２に示すとおり、フィラメントワインディング時の折り返し部分に相当する端部での巻き太りは確認されず、図４に示したような層間７、８にボイドと呼ばれる空隙は発生していなかった。
【００３２】
図３に示したように、上記製造で得られたプロペラシャフト用ＦＲＰ筒体の端部にヨークと呼ばれるプロペラシャフト用の金属製継手を圧入した。ヨーク接合部の外周面にはセレーション加工が施されており、所望の回転伝達トルクを確保するための歯形状、長さ、歯数が設定されている。本実施例でのセレーション歯長は４０ｍｍ、セレーション外径７４．３ｍｍであった。
【００３３】
従来の製造方法で得られたプロペラシャフト用ＦＲＰ筒体の端部には図４に示したように層間７、８にボイドが確認され、ヨークを圧入しても圧入完了する以前に、圧入荷重が約２５ｋＮで層間破壊するサンプルがあり、品質が不安定であった。また、圧入完了できたサンプルでもトルク負荷試験を実施したところ、約１０００Ｎｍというかなり低い値で層間７から破壊するサンプルもあった。
【００３４】
ところが上記本発明に係る製造方法で得られたプロペラシャフト用ＦＲＰ筒体の端部にヨークを圧入しても、補強部と螺旋巻層部の境界および補強部内で破壊するサンプルはなく、セレーション外径を７４．３ｍｍと大きくして圧入荷重を約６５ｋＮまで負荷させても、破壊するサンプルは発生しなかった。
【００３５】
また、圧入完了後、トルク負荷試験を実施したが、設計値通り約５０００Ｎｍでヨークセレーションがスリップ破壊するが、層間で破壊するサンプルは発生しなかった。
【実施例２】
【００３６】
補強部が３分割で構成されている実施例を以下に示す。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。繊維として炭素繊維束（東レ（株）製“トレカ”Ｔ７００Ｓ、２４０００フィラメント、破断伸度２．１％）、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φ７４ｍｍ、全長が２０００ｍｍのものを用い、ＦＲＰ筒体２本（製品長９００ｍｍ）を１本のマンドレルから取るようにした。
【００３７】
まず、エポキシ樹脂を含浸させたロービング（炭素繊維を複数本を引き揃えた束）を、マンドレル上で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）に周方向巻補強層として連続で成形した。このとき、筒軸方向に対する長さ１００ｍｍ幅で、巻き付け往復回数３回にすることにより、補強層長１００ｍｍ、厚み１．０ｍｍの第１周方向巻層を含む第１補強部３５を成形した。補強部成形時、糸幅３０ｍｍに対し、送りピッチを２９ｍｍで設定するが、マンドレルに直接接触する１周目巻き付け時は糸幅が不安定なため、送りピッチを糸幅の半分の１５ｍｍとすることが好ましい。
【００３８】
さらに、第１補強部３５の上に、筒軸方向に対する長さ１８０ｍｍ幅で、巻き付け往復回数３．５回にすることにより、補強層長１８０ｍｍ、厚み１．０ｍｍの第２周方向巻層を含む第２補強部３６を成形した。このとき、第１補強部３５の筒軸方向の長さ１００ｍｍの中心位置と第２補強部３６の筒軸方向の長さ１４０ｍｍの中心位置が同じになるようにした。このときも、第２周方向巻層のマンドレルに直接接触する１周目巻き付け時は糸幅が不安定なため、送りピッチを糸幅の半分の１５ｍｍとすることが好ましい。
【００３９】
さらに、第２補強部３６の上に、筒軸方向に対する長さ２６０ｍｍ幅で、巻き付け往復回数３回にすることにより、補強層長２６０ｍｍ、厚み１．０ｍｍの第３周方向巻層を含む第３補強部３７を成形した。このとき、第１補強部３５の筒軸方向の長さ１００ｍｍの中心位置と第２補強部３６の筒軸方向の長さ１４０ｍｍの中心位置と第３補強部３７の筒軸方向の長さ２６０ｍｍの中心位置とが同じになるようにした。このときも、第３周方向巻層のマンドレルに直接接触する１周目巻き付け時は糸幅が不安定なため、送りピッチを糸幅の半分の１５ｍｍとすることが好ましい。
【００４０】
第１補強部３５から連続して第２補強部３６を成形するために、第１補強部３５と第２補強部３６の中間につなぎ用の周方向巻層を１層介在させ、第２補強部３６から連続して第７補強部３７を成形するために、第２補強部３６と第２補強部３７の中間につなぎ用の周方向巻層を１層介在させた。図１におけるＡ部の周方向巻補強層の成形が終了した後、Ｂ部、Ｃ部も連続で成形するが、ＡとＢ、ＢとＣの中間を所定ピッチの周方向巻きでつないでいった。Ａ部、Ｂ部、Ｃ部の周方向巻補強層完了後、マンドレル全長にわたって、破壊強度、剛性、周波数特性を付与するための所定角度の螺旋巻層を約２．５ｍｍ厚成形した。螺旋巻き終了後、周方向巻きによる最外層を形成した。
【００４１】
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３２で切断した。
【００４２】
このように得られたＦＲＰ筒体の端部補強層部を軸方向に切断して断面観察を実施したが、第１周方向巻層も第２周方向巻層も第３周方向巻層フィラメントワインディング時の往復回数が少ないため、図６に示すとおり、フィラメントワインディング時の折り返し部分に相当する端部での巻き太りは確認されず、前述の２分割構成よりも更に滑らかにな形状となっており、図４に示したような層間７、８にボイドと呼ばれる空隙率は更に低くなった。
【００４３】
図７に示したように、上記製造で得られたプロペラシャフト用ＦＲＰ筒体の端部にヨークと呼ばれるプロペラシャフト用の金属製継手を圧入した。ヨーク接合部の外周面にはセレーション加工が施されており、所望の回転伝達トルクを確保するための歯形状、長さ、歯数が設定されている。本実施例でのセレーション歯長は４０ｍｍ、セレーション外径７４．３ｍｍであった。
【００４４】
従来の製造方法で得られたプロペラシャフト用ＦＲＰ筒体と比較しても、また、２分割構成のものと比較しても、補強層端部層間に発生するボイド率は更に向上され、上記本発明に係る製造方法で得られたプロペラシャフト用ＦＲＰ筒体の端部にヨークを圧入しても、補強部と螺旋巻層部の境界および補強部内で破壊するサンプルはなく、セレーション外径を７４．３ｍｍと大きくして圧入荷重を約６５ｋＮまで負荷させても、破壊するサンプルは発生しなかった。
【００４５】
また、圧入完了後、トルク負荷試験を実施したが、設計値通り約５０００Ｎｍでヨークセレーションがスリップ破壊するが、層間で破壊するサンプルは発生しなかった。
【００４６】
以上の結果から、端部補強層を本発明のように第１、第２補強部、更に好ましくは第３補強部の層に分割して成形したほうが、層間に発生するボイドもなく、ヨーク圧入時および捩りトルク負荷時に層間が破壊するという品質不良が発生しないことが確認できた。また、前述したように、第１、第２補強部、更に好ましくは第３補強部の層に分割することにより、十分な端部補強を効率よく達成できることから、強化繊維投入量も削減でき、コスト、材料費ともに低減することが可能になった。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明に係るＦＲＰ筒体およびその製造方法は、とくにＦＲＰ製プロペラシャフトに好適なものであるが、プロペラシャフトに限らず、あらゆるＦＲＰ筒体に適用可能なものである。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【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ＦＲＰ筒体端部形成部の断面図である。
【図３】図２の方法により成形した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の端部断面図である。
【図４】従来の成形方法におけるＦＲＰ筒体端部形成部の断面図である。
【図５】図４の方法により成形した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の端部断面図である。
【図６】本発明の別の実施態様に係るＦＲＰ筒体の成形時におけるＦＲＰ筒体端部形成部の断面図である。
【図７】図６の方法により成形した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の端部断面図である。
【符号の説明】
【００４９】
１ マンドレル
２１、３１ ＦＲＰ筒体
２２、３２ 切断部
２３、３３ 本体筒部
２４、３４ 補強部
２５、３５ 第１補強部
２６、３６ 第２補強部
２７ 金属製継手
３７ 第３補強部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＦＲＰ筒体およびその製造方法に関し、特に、端部に他部材が結合されるＦＲＰ筒体、例えばプロペラシャフト等に用いて好適なＦＲＰ筒体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）製の筒体が使われてきつつある。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。そのようなＦＲＰ製プロペラシャフトは、ＦＲＰ製本体筒と、この本体筒の各端部に接合して設けた金属製継手とを有している。
【０００３】
ＦＲＰ製本体筒と金属製継手との接合は、金属製継手接合部の外径をＦＲＰ製本体筒の内径よりもやや大きく形成し、金属製継手をＦＲＰ製本体筒に圧入することによって、接合の強度が向上されるが、このＦＲＰ製本体筒の端部接合部内側には、上記圧入に対してＦＲＰ筒体の強度を確保するために、強化繊維の周方向巻層（筒軸方向に対して強化繊維を±８０〜９０度の角度で配列）を含む補強部（以下、周方向巻補強層と言うこともある。）を設けている（例えば、特許文献１）。この周方向巻補強層によって圧入による接合強度等を確保している。
【特許文献１】特開平８-１０８４９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
プロペラシャフトに使用される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１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製本体筒２を形成する部分が主として強化繊維の螺旋巻層（例えば、筒軸方向に対して強化繊維を±１０〜７５度の角度で配列した層）を含むＦＲＰ層に、長尺のフィラメントワインディングにおいて所定長さへの切断部３（所定長さのプロペラシャフト用ＦＲＰ筒体とするための切断部）におけるＦＲＰ製本体筒２の端部内周面側に、上記のような周方向巻補強層が形成されるが（図１における補強層部Ａ、Ｂ、Ｃ）、このＦＲＰ筒体の製造方法には次のような問題があった。
【０００５】
まず、上記のようなフィラメントワインディング法では、周方向巻を、筒軸方向に、所 定長で複数回往復させて補強層を形成するので、例えば図４に示すように、補強層端４の折り返し部分が、フィラメントワインディングマシンの制御上、巻き太りしやすくなり、周方向巻補強層５の外周面が凹形状になってしまう。補強層５形成完了後、補強層５の上には螺旋巻層６が順次形成されていくが、補強層端４の折り返し部分の巻き太りの影響を受けて、図４に示すように、層間７と層間８に空気を巻き込みやすくなり、硬化後、切断部３で切断した所定長のＦＲＰ製本体筒２の端部には、ボイドと呼ばれる空隙９、１０が発生しやすくなる。その結果、図５に示すように、金属製継手１１をＦＲＰ製本体筒２の端部に圧入する際、あるいは圧入完了後、所定以下の負荷トルクで層間７、層間８を起点に層間接着の破断が発生するという問題を生じるおそれがあった。
【０００６】
さらに上記の方法では、フィラメントワインディングマシンでの設定上、補強層５の厚みを一定にしており、つまり、高強度が要求される開放側端部１２の厚みに合わせて補強層終了側端部１３まで一定の厚みとされているので、金属製継手１１をＦＲＰ製本体筒２の端部に圧入する際、最もＦＲＰ製本体筒２が拡がる（負荷応力大）開放側端部１２と、負荷応力の低い圧入終了側端部１３で補強層厚が同じであり、ＦＲＰ筒体全体の重量増、コストアップを招くという問題も生じていた。
【０００７】
そこで本発明の課題は、上記のような問題点に着目し、周方向巻補強層の形状を安定化させることによって周方向巻補強層と螺旋巻層の境界に発生するボイドを消滅させ、また、不必要な厚肉化を避けて重量および材料費を削減できる、ＦＲＰ筒体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】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明に係るＦＲＰ筒体は、強化繊維の螺旋巻層を含み筒軸方向に延在する本体筒部と、該本体筒部の筒軸方向端部内周面側に設けられ、筒軸方向に対して±８０〜９０度の範囲内の巻角度の強化繊維の周方向巻層を含む補強部とを有するＦＲＰ筒体において、前記補強部が、径方向内側から外側に向かって積層された、筒軸方向に互いに長さの異なる２層の周方向巻層を有し、全体の形状がストレート部とテーパー部で形成されていることを特徴とするものからなる。
【０００９】
また、本発明に係るＦＲＰ筒体は、強化繊維の螺旋巻層を含み筒軸方向に延在する本体筒部と、該本体筒部の筒軸方向端部内周面側に設けられ、筒軸方向に対して±８０〜９０度の範囲内の巻角度の強化繊維の周方向巻層を含む補強部とを有するＦＲＰ筒体において、前記補強部が、径方向内側から外側に向かって積層された、筒軸方向に互いに長さの異なる３層以上の周方向巻層を有し、全体の形状がストレート部とテーパー部で形成されていることを特徴とするものからなる。
【００１０】
上記構成においては、周方向巻層を含む補強部を径方向内側の第１補強部とその外側の第２補強部あるいは第２補強部以降とから構成するようにしたので、周方向巻補強層の形状を安定化させることができ、該形状安定化によって、周方向巻補強層と螺旋巻層との境界に発生するボイドを消滅させることができ、金属製継手をＦＲＰ製本体筒の端部に圧入する際、あるいは圧入完了後、負荷トルクに対する、図４に示したような層間７、層間８を起点とした層間接着の破断を防止することができる。また、補強部における圧入終了側端部付近の強化繊維投入量を削減することにより、不必要な厚肉化を避けてＦＲＰ筒体の重量および材料費を削減することもできる。
【００１１】
上記ＦＲＰ筒体においては、前記筒軸方向に互いに長さの異なる２層の、あるいは３層以上の周方向巻層の厚みが同程度であり、第１の周方向巻層の筒軸方向長さが継ぎ手部材の接合長をカバーしている構成とすることができる。このようにすれば、周方向巻補強層端部の巻き太りによる形状の不安定化を緩和することができ、周方向巻補強層と螺旋巻層の境界に発生するボイドの原因となる空気を巻き込まずに成形することが可能となる。
【００１２】
また、前記補強部のストレート部の長さが継ぎ手部材の接合長に対し１．１〜２．０倍、テーパー部の長さがストレート部の長さに対し０．０５〜２．０倍の範囲にあることが好ましく、従って上記の如く前記筒軸方向に互いに長さの異なる２層の周方向巻層の積層構成とする場合、外側の第２の周方向巻層の筒軸方向長さは、第１の周方向巻層の筒軸方向長さの１．０５〜３倍の範囲とすることが好ましい。このようにすれば、周方向巻補強層端部の巻き太りによる形状の不安定化を緩和することができるとともに、筒軸方向に対する周方向巻補強層への強化繊維投入量を最適にすることができ、不必要な厚肉化を避けてＦＲＰ筒体の重量および材料費を削減できる。
【００１３】
また、上記のような本発明に係るＦＲＰ筒体は、プロペラシャフトに好適なものであり、ＦＲＰ筒体の両端部に金属製継手が接合されることにより、所望のプロペラシャフトが、接合部におけるボイドを生じることなく、不必要な厚肉化を避けＦＲＰ筒体の重量および材料費を削減した状態で構成されることになる。とくに、トルク伝達性能向上等のために接合強度を高く保つためには、ＦＲＰ筒体の両端部にセレーション加工が施された金属製継手が圧入により接合されていることが好ましい。
【００１４】
本発明に係るＦＲＰ筒体の製造方法は、ＦＲＰ筒体の筒軸方向端部に相当する位置に、筒軸方向に対して±８０〜９０度の範囲内の巻角度の強化繊維の周方向巻層を含む補強部を形成し、該補強部の外周面側に、ＦＲＰ筒体の筒軸方向全長にわたって強化繊維の螺旋巻層を含む本体筒部を形成するＦＲＰ筒体の製造方法において、前記補強部形成工程が、筒軸方向に互いに長さの異なる２層の周方向巻層を径方向内側から外側に向かって順次積層することにより補強部を形成するとともに、該補強部の形成を、ＦＲＰ筒体の製品端部となるべき位置を筒軸方向の中央部として、樹脂を含浸させた強化繊維束を筒軸方向に前記中央部の左右にトラバースさせることにより行う工程とを含んでいることを特徴とする方法からなる。
【００１５】
また、本発明に係るＦＲＰ筒体の製造方法は、ＦＲＰ筒体の筒軸方向端部に相当する位置に、筒軸方向に対して±８０〜９０度の範囲内の巻角度の強化繊維の周方向巻層を含む補強部を形成し、該補強部の外周面側に、ＦＲＰ筒体の筒軸方向全長にわたって強化繊維の螺旋巻層を含む本体筒部を形成するＦＲＰ筒体の製造方法において、前記補強部形成工程が、筒軸方向に互いに長さの異なる３層以上の周方向巻層を径方向内側から外側に向かって順次積層することにより補強部を形成するとともに、該補強部の形成を、ＦＲＰ筒体の製品端部となるべき位置を筒軸方向の中央部として、樹脂を含浸させた強化繊維束を筒軸方向に前記中央部の左右にトラバースさせることにより行う工程とを含んでいることを特徴とする方法からなる。
【００１６】
上記構成においては、周方向巻補強層の形状を安定化させることによって周方向巻補強層と螺旋巻層の境界に発生するボイドを消滅させることができるとともに、金属製継手等の圧入終了側付近の強化繊維投入量削減により、不必要な厚肉化を避けることが可能となり、ＦＲＰ筒体成形において品質および生産性をともに向上させることができる。
【００１７】
この製造方法においては、前記筒軸方向に互いに長さの異なる２層の、あるいは３層以上の周方向巻層の各厚みが同程度となるよう、各層形成時のトラバース数を略等しくし、かつ、第１の周方向巻層を、その筒軸方向長さが継ぎ手部材の接合長をカバーするように形成することが好ましい。また、前記同様、補強部のストレート部の長さが継ぎ手部材の接合長に対し１．１〜２．０倍、テーパー部の長さがストレート部の長さに対し０．０５〜２．０倍の範囲にあることが好ましく、従って上記の如く前記筒軸方向に互いに長さの異なる２層の周方向巻層の積層構成とする場合、外側の第２の周方向巻層の筒軸方向長さは、第１の周方向巻層の筒軸方向長さの１．０５〜３倍の範囲とすることが好ましい。
【００１８】
また、この製造方法は、ＦＲＰ筒体がプロペラシャフトである場合に好適なものであり、上記ＦＲＰ筒体の両端部に金属製継手を接合して、生産性を向上した状態で望ましい品質のプロペラシャフトを製造することが可能になる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係るＦＲＰ筒体およびその製造方法によれば、金属製継手等が圧入される周方向巻補強層を内側の第１補強層部とその外側の第２補強層部以降とから構成する構造としたので、周方向巻補強層端部の巻き太りによる形状の不安定化を緩和することができ、周方向巻補強層と螺旋巻層の境界に発生するボイドの原因となる空気を巻き込まない、品質を向上したＦＲＰ製筒体を提供することが可能となる。
【００２０】
また、周方向巻補強層境界部でのボイドを消滅できたことにより、金属製継手等の圧入工程で周方向巻補強層が接着不良等により破断することを防止することができる。さらに、周方向巻補強層の強化繊維投入量を最適化できるとともに従来よりも低減することが可能になり、ＦＲＰ筒体全体の重量および材料費を削減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に、本発明に係るＦＲＰ筒体およびその製造方法の望ましい実施の形態を、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。
【００２２】
図２、図３および図６、図７は、本発明の実施態様に係るＦＲＰ筒体を示しており、図１に示したようなフィラメントワインディング法により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る。図２および図６において、図１に示したようなフィラメントワインディング法によりマンドレル１（図１）上にＦＲＰ製の筒状体を形成していくに際し、プロペラシャフトとして製造すべき所定長を有するＦＲＰ筒体２１、３１を切断部２２、３２で切断するようにしたものである。ＦＲＰ筒体２１、３１は、強化繊維の螺旋巻層を含み筒軸方向に延在する本体筒部２３、３３と、該本体筒部２３、３３の筒軸方向端部内周面側に設けられ、筒軸方向に対して±８０〜９０度の範囲内の巻角度の強化繊維の周方向巻層を含む補強部２４、３４とを有するＦＲＰ筒体に成形される。この補強部２４、３４が、径方向内側に位置する強化繊維の第１周方向巻層を含む第１補強部２５、３５とその外側に位置し強化繊維の第２周方向巻層を含む第２補強部２６、３６とからなる。３分割の場合はさらに外側に強化繊維の第３周方向巻層を含む第３補強部３７とからなる。この第１補強部２５、３５と第２補強部２６、３６、更に３分割の場合は第３補強部３７とを積み重ねた補強部２４、３４を備えたＦＲＰ筒体２１、３１の端部に（本実施態様では両端部に）、図３に示すように、金属製継手２７が圧入され、プロペラシャフトとされる。
【００２３】
ＦＲＰ筒体２１、３１の材料として、本実施態様では、強化繊維として炭素繊維を、マトリクス樹脂としてエポキシ樹脂を使用している。なお、強化繊維としてアラミド繊維、ガラス繊維等の高強度、高弾性と言われる他の繊維を採用したり、マトリクス樹脂として不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ビニルエステル樹脂等のその他の熱硬化性樹脂を採用することもできる。ＦＲＰ筒体２１は通常、図１に示したように１本のマンドレル（芯材）に２〜１０本の複数本をフィラメントワインディング法によって巻き付けていき、同時に成形する。樹脂含浸繊維をマンドレル（芯材）に巻き付けて筒体に成形した後に、繊維に含浸された樹脂を熱硬化させ、その後マンドレルを抜き取り、所定の長さに切断部２２、３２で切断することによって所定長さのＦＲＰ筒体２１、３１に作製される。
【００２４】
前記補強部を２つに分割する場合、上記第１補強部２５と第２補強部２６は、前述したように厚みが同程度になるように、２つ以上に分割する場合は、補強部周方向の各厚みが同程度になるように形成され、第１補強部長が継ぎ手部材の接合長をカバーしていることが好ましい。また、前記補強部のストレート長、テーパ長、分割数の関係は、前記補強部のストレート部の長さが継ぎ手部材の接合長に対し１．１〜２．０倍、テーパー部の長さがストレート部の長さに対し０．０５〜２．０倍の範囲にあることが好ましい。更に分割数はテーパ長÷糸幅で算出される値を小数点１桁を切り上げた整数で決定することが好ましい。このようにストレート長、テーパー長、分割数を決めることにより外側に巻き付けられる螺旋巻層の巻き乱れを防止することができ、ねじり強度など性能上優れたＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）筒体を得ることができる。
【実施例１】
【００２５】
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金属製継手の圧入、捩り試験評価を実施した。以下に、これらについて詳細に説明する。
【００２６】
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。繊維として炭素繊維束（東レ（株）製“トレカ”Ｔ７００Ｓ、２４０００フィラメント、破断伸度２．１％）、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φ７４ｍｍ、全長が２０００ｍｍのものを用い、ＦＲＰ筒体２本（製品長９００ｍｍ）を１本のマンドレルから取るようにした。
【００２７】
まず、エポキシ樹脂を含浸させたロービング（炭素繊維を複数本を引き揃えた束）を、マンドレル上で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）に周方向巻補強層として連続で成形した。このとき、筒軸方向に対する長さ１００ｍｍ幅で、巻き付け往復回数（トラバース回数）４．５回にすることにより、補強層長１００ｍｍ、厚み１．５ｍｍの第１周方向巻層を含む第１補強部２５を成形した。補強部成形時、糸幅３０ｍｍに対し、送りピッチを２９ｍｍで設定するが、マンドレルに直接接触する１周目巻き付け時は糸幅が不安定なため、送りピッチを糸幅の半分の１５ｍｍとすることが好ましい。
【００２８】
さらに、第１補強部２５の上に、筒軸方向に対する長さ１４０ｍｍ幅で、巻き付け往復回数５回にすることにより、補強層長１８０ｍｍ、厚み１．５ｍｍの第２周方向巻層を含む第２補強部２６を成形した。このとき、第１補強部２５の筒軸方向の長さ１００ｍｍの中心位置と第２補強部２６の筒軸方向の長さ１８０ｍｍの中心位置が同じになるようにした。このときも、第２周方向巻層のマンドレルに直接接触する１周目巻き付け時は糸幅が不安定なため、送りピッチを糸幅の半分の１５ｍｍとすることが好ましい。
【００２９】
第１補強部２５から連続して第２補強部２６を成形するために、第１補強部２５と第２補強部２６の中間につなぎ用の周方向巻層を１層介在させた。図１におけるＡ部の周方向巻補強層の成形が終了した後、Ｂ部、Ｃ部も連続で成形するが、ＡとＢ、ＢとＣの中間を所定ピッチの周方向巻きでつないでいった。Ａ部、Ｂ部、Ｃ部の周方向巻補強層完了後、マンドレル全長にわたって、破壊強度、剛性、周波数特性を付与するための所定角度の螺旋巻層を約２．５ｍｍ厚成形した。螺旋巻き終了後、周方向巻きによる最外層を形成した。
【００３０】
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２２で切断した。
【００３１】
このように得られたＦＲＰ筒体の端部補強層部を軸方向に切断して断面観察を実施したが、第１周方向巻層も第２周方向巻層もフィラメントワインディング時の往復回数が少ないため、図２に示すとおり、フィラメントワインディング時の折り返し部分に相当する端部での巻き太りは確認されず、図４に示したような層間７、８にボイドと呼ばれる空隙は発生していなかった。
【００３２】
図３に示したように、上記製造で得られたプロペラシャフト用ＦＲＰ筒体の端部にヨークと呼ばれるプロペラシャフト用の金属製継手を圧入した。ヨーク接合部の外周面にはセレーション加工が施されており、所望の回転伝達トルクを確保するための歯形状、長さ、歯数が設定されている。本実施例でのセレーション歯長は４０ｍｍ、セレーション外径７４．３ｍｍであった。
【００３３】
従来の製造方法で得られたプロペラシャフト用ＦＲＰ筒体の端部には図４に示したように層間７、８にボイドが確認され、ヨークを圧入しても圧入完了する以前に、圧入荷重が約２５ｋＮで層間破壊するサンプルがあり、品質が不安定であった。また、圧入完了できたサンプルでもトルク負荷試験を実施したところ、約１０００Ｎｍというかなり低い値で層間７から破壊するサンプルもあった。
【００３４】
ところが上記本発明に係る製造方法で得られたプロペラシャフト用ＦＲＰ筒体の端部にヨークを圧入しても、補強部と螺旋巻層部の境界および補強部内で破壊するサンプルはなく、セレーション外径を７４．３ｍｍと大きくして圧入荷重を約６５ｋＮまで負荷させても、破壊するサンプルは発生しなかった。
【００３５】
また、圧入完了後、トルク負荷試験を実施したが、設計値通り約５０００Ｎｍでヨークセレーションがスリップ破壊するが、層間で破壊するサンプルは発生しなかった。
【実施例２】
【００３６】
補強部が３分割で構成されている実施例を以下に示す。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。繊維として炭素繊維束（東レ（株）製“トレカ”Ｔ７００Ｓ、２４０００フィラメント、破断伸度２．１％）、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φ７４ｍｍ、全長が２０００ｍｍのものを用い、ＦＲＰ筒体２本（製品長９００ｍｍ）を１本のマンドレルから取るようにした。
【００３７】
まず、エポキシ樹脂を含浸させたロービング（炭素繊維を複数本を引き揃えた束）を、マンドレル上で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）に周方向巻補強層として連続で成形した。このとき、筒軸方向に対する長さ１００ｍｍ幅で、巻き付け往復回数３回にすることにより、補強層長１００ｍｍ、厚み１．０ｍｍの第１周方向巻層を含む第１補強部３５を成形した。補強部成形時、糸幅３０ｍｍに対し、送りピッチを２９ｍｍで設定するが、マンドレルに直接接触する１周目巻き付け時は糸幅が不安定なため、送りピッチを糸幅の半分の１５ｍｍとすることが好ましい。
【００３８】
さらに、第１補強部３５の上に、筒軸方向に対する長さ１８０ｍｍ幅で、巻き付け往復回数３．５回にすることにより、補強層長１８０ｍｍ、厚み１．０ｍｍの第２周方向巻層を含む第２補強部３６を成形した。このとき、第１補強部３５の筒軸方向の長さ１００ｍｍの中心位置と第２補強部３６の筒軸方向の長さ１４０ｍｍの中心位置が同じになるようにした。このときも、第２周方向巻層のマンドレルに直接接触する１周目巻き付け時は糸幅が不安定なため、送りピッチを糸幅の半分の１５ｍｍとすることが好ましい。
【００３９】
さらに、第２補強部３６の上に、筒軸方向に対する長さ２６０ｍｍ幅で、巻き付け往復回数３回にすることにより、補強層長２６０ｍｍ、厚み１．０ｍｍの第３周方向巻層を含む第３補強部３７を成形した。このとき、第１補強部３５の筒軸方向の長さ１００ｍｍの中心位置と第２補強部３６の筒軸方向の長さ１４０ｍｍの中心位置と第３補強部３７の筒軸方向の長さ２６０ｍｍの中心位置とが同じになるようにした。このときも、第３周方向巻層のマンドレルに直接接触する１周目巻き付け時は糸幅が不安定なため、送りピッチを糸幅の半分の１５ｍｍとすることが好ましい。
【００４０】
第１補強部３５から連続して第２補強部３６を成形するために、第１補強部３５と第２補強部３６の中間につなぎ用の周方向巻層を１層介在させ、第２補強部３６から連続して第７補強部３７を成形するために、第２補強部３６と第２補強部３７の中間につなぎ用の周方向巻層を１層介在させた。図１におけるＡ部の周方向巻補強層の成形が終了した後、Ｂ部、Ｃ部も連続で成形するが、ＡとＢ、ＢとＣの中間を所定ピッチの周方向巻きでつないでいった。Ａ部、Ｂ部、Ｃ部の周方向巻補強層完了後、マンドレル全長にわたって、破壊強度、剛性、周波数特性を付与するための所定角度の螺旋巻層を約２．５ｍｍ厚成形した。螺旋巻き終了後、周方向巻きによる最外層を形成した。
【００４１】
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３２で切断した。
【００４２】
このように得られたＦＲＰ筒体の端部補強層部を軸方向に切断して断面観察を実施したが、第１周方向巻層も第２周方向巻層も第３周方向巻層フィラメントワインディング時の往復回数が少ないため、図６に示すとおり、フィラメントワインディング時の折り返し部分に相当する端部での巻き太りは確認されず、前述の２分割構成よりも更に滑らかにな形状となっており、図４に示したような層間７、８にボイドと呼ばれる空隙率は更に低くなった。
【００４３】
図７に示したように、上記製造で得られたプロペラシャフト用ＦＲＰ筒体の端部にヨークと呼ばれるプロペラシャフト用の金属製継手を圧入した。ヨーク接合部の外周面にはセレーション加工が施されており、所望の回転伝達トルクを確保するための歯形状、長さ、歯数が設定されている。本実施例でのセレーション歯長は４０ｍｍ、セレーション外径７４．３ｍｍであった。
【００４４】
従来の製造方法で得られたプロペラシャフト用ＦＲＰ筒体と比較しても、また、２分割構成のものと比較しても、補強層端部層間に発生するボイド率は更に向上され、上記本発明に係る製造方法で得られたプロペラシャフト用ＦＲＰ筒体の端部にヨークを圧入しても、補強部と螺旋巻層部の境界および補強部内で破壊するサンプルはなく、セレーション外径を７４．３ｍｍと大きくして圧入荷重を約６５ｋＮまで負荷させても、破壊するサンプルは発生しなかった。
【００４５】
また、圧入完了後、トルク負荷試験を実施したが、設計値通り約５０００Ｎｍでヨークセレーションがスリップ破壊するが、層間で破壊するサンプルは発生しなかった。
【００４６】
以上の結果から、端部補強層を本発明のように第１、第２補強部、更に好ましくは第３補強部の層に分割して成形したほうが、層間に発生するボイドもなく、ヨーク圧入時および捩りトルク負荷時に層間が破壊するという品質不良が発生しないことが確認できた。また、前述したように、第１、第２補強部、更に好ましくは第３補強部の層に分割することにより、十分な端部補強を効率よく達成できることから、強化繊維投入量も削減でき、コスト、材料費ともに低減することが可能になった。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明に係るＦＲＰ筒体およびその製造方法は、とくにＦＲＰ製プロペラシャフトに好適なものであるが、プロペラシャフトに限らず、あらゆるＦＲＰ筒体に適用可能なものである。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【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ＦＲＰ筒体端部形成部の断面図である。
【図３】図２の方法により成形した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の端部断面図である。
【図４】従来の成形方法におけるＦＲＰ筒体端部形成部の断面図である。
【図５】図４の方法により成形した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の端部断面図である。
【図６】本発明の別の実施態様に係るＦＲＰ筒体の成形時におけるＦＲＰ筒体端部形成部の断面図である。
【図７】図６の方法により成形した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の端部断面図である。
【符号の説明】
【００４９】
１ マンドレル
２１、３１ ＦＲＰ筒体
２２、３２ 切断部
２３、３３ 本体筒部
２４、３４ 補強部
２５、３５ 第１補強部
２６、３６ 第２補強部
２７ 金属製継手
３７ 第３補強部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強化繊維の螺旋巻層を含み筒軸方向に延在する本体筒部と、該本体筒部の筒軸方向端部内周面側に設けられ、筒軸方向に対して±８０〜９０度の範囲内の巻角度の強化繊維の周方向巻層を含む補強部とを有するＦＲＰ筒体において、前記補強部が、径方向内側から外側に向かって積層された、筒軸方向に互いに長さの異なる２層の周方向巻層を有し、全体の形状がストレート部とテーパー部で形成されていることを特徴とするＦＲＰ筒体。
【請求項２】
強化繊維の螺旋巻層を含み筒軸方向に延在する本体筒部と、該本体筒部の筒軸方向端部内周面側に設けられ、筒軸方向に対して±８０〜９０度の範囲内の巻角度の強化繊維の周方向巻層を含む補強部とを有するＦＲＰ筒体において、前記補強部が、径方向内側から外側に向かって積層された、筒軸方向に互いに長さの異なる３層以上の周方向巻層を有し、全体の形状がストレート部とテーパー部で形成されていることを特徴とするＦＲＰ筒体。
【請求項３】
前記筒軸方向に互いに長さの異なる２層の周方向巻層の厚みが同程度であり、第１の周方向巻層の筒軸方向長さが継ぎ手部材の接合長をカバーしている、請求項１に記載のＦＲＰ筒体。
【請求項４】
前記筒軸方向に互いに長さの異なる３層以上の周方向巻層の各厚みが同程度であり、第１の周方向巻層の筒軸方向長さが継ぎ手部材の接合長をカバーしている、請求項２に記載のＦＲＰ筒体。
【請求項５】
前記補強部のストレート部の長さが継ぎ手部材の接合長に対し１．１〜２．０倍、テーパー部の長さがストレート部の長さに対し０．０５〜２．０倍の範囲にあることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のＦＲＰ筒体。
【請求項６】
ＦＲＰ筒体がプロペラシャフトであり、ＦＲＰ筒体の両端部に金属製継手が接合されている、請求項１〜５のいずれかに記載のＦＲＰ筒体。
【請求項７】
ＦＲＰ筒体がプロペラシャフトであり、ＦＲＰ筒体の両端部にセレーション加工が施された金属製継手が圧入により接合されている、請求項６に記載のＦＲＰ筒体。
【請求項８】
ＦＲＰ筒体の筒軸方向端部に相当する位置に、筒軸方向に対して±８０〜９０度の範囲内の巻角度の強化繊維の周方向巻層を含む補強部を形成し、該補強部の外周面側に、ＦＲＰ筒体の筒軸方向全長にわたって強化繊維の螺旋巻層を含む本体筒部を形成するＦＲＰ筒体の製造方法において、前記補強部形成工程が、筒軸方向に互いに長さの異なる２層の周方向巻層を径方向内側から外側に向かって順次積層することにより補強部を形成するとともに、該補強部の形成を、ＦＲＰ筒体の製品端部となるべき位置を筒軸方向の中央部として、樹脂を含浸させた強化繊維束を筒軸方向に前記中央部の左右にトラバースさせることにより行う工程とを含んでいることを特徴とする、ＦＲＰ筒体の製造方法。
【請求項９】
ＦＲＰ筒体の筒軸方向端部に相当する位置に、筒軸方向に対して±８０〜９０度の範囲内の巻角度の強化繊維の周方向巻層を含む補強部を形成し、該補強部の外周面側に、ＦＲＰ筒体の筒軸方向全長にわたって強化繊維の螺旋巻層を含む本体筒部を形成するＦＲＰ筒体の製造方法において、前記補強部形成工程が、筒軸方向に互いに長さの異なる３層以上の周方向巻層を径方向内側から外側に向かって順次積層することにより補強部を形成するとともに、該補強部の形成を、ＦＲＰ筒体の製品端部となるべき位置を筒軸方向の中央部として、樹脂を含浸させた強化繊維束を筒軸方向に前記中央部の左右にトラバースさせることにより行う工程とを含んでいることを特徴とする、ＦＲＰ筒体の製造方法。
【請求項１０】
前記筒軸方向に互いに長さの異なる２層の周方向巻層の厚みが同程度となるよう、各層形成時のトラバース数を略等しくし、かつ、第１の周方向巻層を、その筒軸方向長さが継ぎ手部材の接合長をカバーするように形成する、請求項８に記載のＦＲＰ筒体の製造方法。
【請求項１１】
前記筒軸方向に互いに長さの異なる３層以上の周方向巻層の各厚みが同程度となるよう、各層形成時のトラバース数を略等しくし、かつ、第１の周方向巻層を、その筒軸方向長さが継ぎ手部材の接合長をカバーするように形成する、請求項９に記載のＦＲＰ筒体の製造方法。
【請求項１２】
前記トラバースによる前記補強部の形成後、前記中央部で該補強部および前記本体筒部を切断して、ＦＲＰ筒体の筒軸方向端部を形成する、請求項９〜１１のいずれかに記載のＦＲＰ筒体の製造方法。
【請求項１３】
ＦＲＰ筒体がプロペラシャフトであり、ＦＲＰ筒体の両端部にセレーション加工が施された金属製継手を圧入により接合する、請求項９〜１２のいずれかに記載のＦＲＰ筒体の製造方法。
【請求項１】
強化繊維の螺旋巻層を含み筒軸方向に延在する本体筒部と、該本体筒部の筒軸方向端部内周面側に設けられ、筒軸方向に対して±８０〜９０度の範囲内の巻角度の強化繊維の周方向巻層を含む補強部とを有するＦＲＰ筒体において、前記補強部が、径方向内側から外側に向かって積層された、筒軸方向に互いに長さの異なる２層の周方向巻層を有し、全体の形状がストレート部とテーパー部で形成されていることを特徴とするＦＲＰ筒体。
【請求項２】
強化繊維の螺旋巻層を含み筒軸方向に延在する本体筒部と、該本体筒部の筒軸方向端部内周面側に設けられ、筒軸方向に対して±８０〜９０度の範囲内の巻角度の強化繊維の周方向巻層を含む補強部とを有するＦＲＰ筒体において、前記補強部が、径方向内側から外側に向かって積層された、筒軸方向に互いに長さの異なる３層以上の周方向巻層を有し、全体の形状がストレート部とテーパー部で形成されていることを特徴とするＦＲＰ筒体。
【請求項３】
前記筒軸方向に互いに長さの異なる２層の周方向巻層の厚みが同程度であり、第１の周方向巻層の筒軸方向長さが継ぎ手部材の接合長をカバーしている、請求項１に記載のＦＲＰ筒体。
【請求項４】
前記筒軸方向に互いに長さの異なる３層以上の周方向巻層の各厚みが同程度であり、第１の周方向巻層の筒軸方向長さが継ぎ手部材の接合長をカバーしている、請求項２に記載のＦＲＰ筒体。
【請求項５】
前記補強部のストレート部の長さが継ぎ手部材の接合長に対し１．１〜２．０倍、テーパー部の長さがストレート部の長さに対し０．０５〜２．０倍の範囲にあることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のＦＲＰ筒体。
【請求項６】
ＦＲＰ筒体がプロペラシャフトであり、ＦＲＰ筒体の両端部に金属製継手が接合されている、請求項１〜５のいずれかに記載のＦＲＰ筒体。
【請求項７】
ＦＲＰ筒体がプロペラシャフトであり、ＦＲＰ筒体の両端部にセレーション加工が施された金属製継手が圧入により接合されている、請求項６に記載のＦＲＰ筒体。
【請求項８】
ＦＲＰ筒体の筒軸方向端部に相当する位置に、筒軸方向に対して±８０〜９０度の範囲内の巻角度の強化繊維の周方向巻層を含む補強部を形成し、該補強部の外周面側に、ＦＲＰ筒体の筒軸方向全長にわたって強化繊維の螺旋巻層を含む本体筒部を形成するＦＲＰ筒体の製造方法において、前記補強部形成工程が、筒軸方向に互いに長さの異なる２層の周方向巻層を径方向内側から外側に向かって順次積層することにより補強部を形成するとともに、該補強部の形成を、ＦＲＰ筒体の製品端部となるべき位置を筒軸方向の中央部として、樹脂を含浸させた強化繊維束を筒軸方向に前記中央部の左右にトラバースさせることにより行う工程とを含んでいることを特徴とする、ＦＲＰ筒体の製造方法。
【請求項９】
ＦＲＰ筒体の筒軸方向端部に相当する位置に、筒軸方向に対して±８０〜９０度の範囲内の巻角度の強化繊維の周方向巻層を含む補強部を形成し、該補強部の外周面側に、ＦＲＰ筒体の筒軸方向全長にわたって強化繊維の螺旋巻層を含む本体筒部を形成するＦＲＰ筒体の製造方法において、前記補強部形成工程が、筒軸方向に互いに長さの異なる３層以上の周方向巻層を径方向内側から外側に向かって順次積層することにより補強部を形成するとともに、該補強部の形成を、ＦＲＰ筒体の製品端部となるべき位置を筒軸方向の中央部として、樹脂を含浸させた強化繊維束を筒軸方向に前記中央部の左右にトラバースさせることにより行う工程とを含んでいることを特徴とする、ＦＲＰ筒体の製造方法。
【請求項１０】
前記筒軸方向に互いに長さの異なる２層の周方向巻層の厚みが同程度となるよう、各層形成時のトラバース数を略等しくし、かつ、第１の周方向巻層を、その筒軸方向長さが継ぎ手部材の接合長をカバーするように形成する、請求項８に記載のＦＲＰ筒体の製造方法。
【請求項１１】
前記筒軸方向に互いに長さの異なる３層以上の周方向巻層の各厚みが同程度となるよう、各層形成時のトラバース数を略等しくし、かつ、第１の周方向巻層を、その筒軸方向長さが継ぎ手部材の接合長をカバーするように形成する、請求項９に記載のＦＲＰ筒体の製造方法。
【請求項１２】
前記トラバースによる前記補強部の形成後、前記中央部で該補強部および前記本体筒部を切断して、ＦＲＰ筒体の筒軸方向端部を形成する、請求項９〜１１のいずれかに記載のＦＲＰ筒体の製造方法。
【請求項１３】
ＦＲＰ筒体がプロペラシャフトであり、ＦＲＰ筒体の両端部にセレーション加工が施された金属製継手を圧入により接合する、請求項９〜１２のいずれかに記載のＦＲＰ筒体の製造方法。
【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２００６−６２３５４（Ｐ２００６−６２３５４Ａ）
【公開日】平成１８年３月９日（２００６．３．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２１７４８６（Ｐ２００５−２１７４８６）
【出願日】平成１７年７月２７日（２００５．７．２７）
【出願人】（０００００３１５９）東レ株式会社 (7,677)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年３月９日（２００６．３．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年７月２７日（２００５．７．２７）
【出願人】（０００００３１５９）東レ株式会社 (7,677)
【Ｆターム（参考）】
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