ＦＲＰ筒体およびその製造方法
【課題】各ヘリカル巻層の形状を安定化させ、繊維束境界に発生するボイドを消滅させることによって、目標とする強度特性を正確にかつ安定的に発現することができるＦＲＰ筒体、およびその製造方法を提供する。
【解決手段】筒軸方向に往復動されながらヘリカル巻された、連続繊維からなる強化繊維で強化された樹脂からなるＦＲＰ筒体において、筒体径方向に積層された各ヘリカル巻層の強化繊維束の筒体周方向における位相が、各強化繊維束の幅方向端部位置が同位相もしくは同位相周辺になることを避けるように、互いにずらされていることを特徴とするＦＲＰ筒体、およびその製造方法。
【解決手段】筒軸方向に往復動されながらヘリカル巻された、連続繊維からなる強化繊維で強化された樹脂からなるＦＲＰ筒体において、筒体径方向に積層された各ヘリカル巻層の強化繊維束の筒体周方向における位相が、各強化繊維束の幅方向端部位置が同位相もしくは同位相周辺になることを避けるように、互いにずらされていることを特徴とする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、両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）筒体が使われてきつつある。たとえば近年、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、弾性率の面からプロペラシャフトの筒体として、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、このようなＣＦＲＰ筒体は、主にフィラメントワインディング法によって形成される。
【０００３】
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５０００〜１５０００ｒｐｍ程度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、特許文献１等に記載されているように、必要なトルクを伝達し、高い共振周波数を得るための強化繊維ヘリカル巻層（螺旋巻層）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、強化繊維の含有率等をパラメータとして設計されているが、必ずしも要求仕様を満足できるものではなかった。
【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】
【０００４】
とくにプロペラシャフトでは、要求共振周波数が高いケースも多く、強化繊維を可能な限り筒軸方向に配列したヘリカル巻層を筒体径方向に複数層積層し、筒軸方向における曲げ弾性率を高くする必要がある。このようなプロペラシャフトに使用されるＦＲＰ筒体は、マンドレル上に樹脂含浸強化繊維束を往復動させながらヘリカル巻きし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るが、上記ヘリカル巻層形成の際には次のような問題があった。
【０００５】
マンドレル周方向に対するヘリカル巻層の押圧力が比較的低いため、複数層積層する場合、各ヘリカル巻層内にボイドが滞留しやすい傾向にある。特に図１に示すように、マンドレル１上に樹脂を含浸させた強化繊維束２を複数層積層してヘリカル巻層３を形成していく場合、Ｎ層目と（Ｎ＋１）層目のヘリカル巻層３の強化繊維束２が同位相もしくは同位相付近に配置され、従って強化繊維束２の幅方向端部４（繊維束境界）も同位相もしくは同位相付近に配置されてしまうことが多くなり、このような場合には、繊維束境界周辺にヘリカル巻層押圧力がほとんど負荷されていないことになるため、ボイドが多く発生することとなっていた。また、各強化繊維束２の筒体周方向における位相が揃ってしまうため、成形された筒体断面も、上記繊維束境界４を頂点とする多角形状になることがあった。
【０００６】
このように、単にヘリカル巻層を順に複数層積層する構成では、成形されたＦＲＰ筒体は、断面が多角形状で周方向同位相上にボイドが多く含まれ、捩り強度、共振周波数の要求を安定して十分に満たせるとは言い難い。
【０００７】
本発明の課題は、上記のような問題点に着目し、各ヘリカル巻層の形状を安定化させ、繊維束境界に発生するボイドを消滅させることによって、目標とする強度特性を正確にかつ安定的に発現することができる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、筒軸方向に往復動されながらヘリカル巻された、連続繊維からなる強化繊維で強化された樹脂からなるＦＲＰ筒体において、もしくは強化繊維束を同一角度で少なくとも２層以上のヘリカル層複数層により構成されたＦＲＰ筒体であって、筒体径方向に積層された各ヘリカル巻層の強化繊維束の筒体周方向における位相が、各強化繊維束の幅方向端部位置が同位相もしくは同位相周辺になることを避けるように、互いにずら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、マンドレル上に樹脂が含浸された強化繊維束を同一角度で巻き付け少なくとも２層以上のヘリカル巻層を複数層形成することにより構成されたＦＲＰ筒体であって、筒体径方向に積層された各ヘリカル巻層の強化繊維束の筒体周方向における位相が、各強化繊維束の幅方向端部位置が同位相もしくは同位相周辺になることを避けるように、互いにずらされていることを特徴とするものからなる。
【００１０】
上記ＦＲＰ筒体においては、例えば図２に本発明の一例に係るＦＲＰ筒体１１を示すように、マンドレル１上に、樹脂を含浸した強化繊維束１２をマンドレル軸方向に往復動させながらヘリカル巻層１３を形成して成形されたＦＲＰ筒体１１において、上層に位置する強化繊維束が、下層に位置する強化繊維束の幅方向一端部を覆うように配置される。例えば、筒体径方向に積層された各強化繊維束のうち、隣接強化繊維束間で筒体周方向における位相が互いにずらされる。好ましくは、筒体径方向に積層された強化繊維束の全てについて、筒体周方向における位相が互いにずらされる。つまり、図２に示すように、２層目ヘリカル巻強化繊維束は１層目ヘリカル巻強化繊維束境界（一端部）を押さえ込むように、３層目ヘリカル巻強化繊維束は１層目および２層目ヘリカル巻強化繊維束境界を押さえ込むように、４層目ヘリカル巻強化繊維束は１層目、２層目および３層目ヘリカル巻強化繊維束境界を押さえ込むように成形されるので、筒体横断面周方向において、各ヘリカル巻強化繊維束の位相が互いにずらされ、各強化繊維束の幅方向端部位置が同位相もしくは同位相周辺になることが回避される。その結果、図１に示したような、筒体周方向における特定の位置に（各強化繊維束の幅方向端部が重なる位置に）多く発生するボイドが低減あるいは消滅されるとともに、それによってヘリカル巻層の形状が安定化され、目標とする捩り強度、弾性率等の強度特性が正確にかつ安定的に発現される。
【００１１】
上記のように筒体径方向に積層された各強化繊維束の位相を互いにずらす場合、ランダムにずらすことも可能であるが、図２に示すように、３層以上積層される各強化繊維束の筒体周方向における位相を、同一周方向に順次ずらすことが、制御の容易性、成形される筒体の形状安定性の面から、より好ましい。
【００１２】
このようなＦＲＰ筒体は、その両端部に金属製継手を接合してプロペラシャフトに構成することができる。これによって、筒体横断面周方向での特定の位置にボイドが多く発生することが防止され、ヘリカル巻層の形状が安定化され、目標とする捩り強度、共振周波数等の強度特性を正確にかつ安定的に発現できるプロペラシャフトが提供される。
【００１３】
本発明に係るＦＲＰ筒体の製造方法は、マンドレル上に、樹脂を含浸した強化繊維束をマンドレル軸方向に往復動させながらヘリカル巻してＦＲＰ筒体を成形するに際し、筒体径方向に積層されていく各ヘリカル巻層の強化繊維束の筒体周方向における位相を、各強化繊維束の幅方向端部位置が同位相もしくは同位相周辺になることを避けるように、互いにずらすことを特徴とする方法からなる。
【００１４】
また、本発明に係るＦＲＰ筒体の製造方法は、フィラメントワインディング成形において、マンドレル上に、樹脂が含浸された強化繊維束を同一角度で巻き付け少なくとも２層以上のヘリカル巻層を複数層形成することにより構成されたＦＲＰ筒体の製造方法であって、筒体径方向に積層された各ヘリカル巻層の強化繊維束の筒体周方向における位相が、各強化繊維束の幅方向端部位置が同位相もしくは同位相周辺になることを避けるように、互いにずらすとともに、筒体周方向の互いのずらし量を下記の量とすることを特徴とする方法からなる。
ずらし量＝Ｗ２×（０．３〜０．７）＋Ｎ２×Ｗ２ ［Ｎ２：＜Ｎ１の正整数］
ここで、
強化繊維合糸数 ：Ｎ１
合糸状態糸幅 ：Ｗ１
単ストランド糸幅：Ｗ２［＝Ｗ１／Ｎ１］
である。
【００１５】
上記製造方法により、筒体横断面周方向での特定の位置にボイドが多く発生することが回避され、筒体径方向に安定した形状にてヘリカル巻層が積層、成形されていき、全体として、形状が安定し、所望の優れた強度特性を正確にかつ安定的に発現できるＦＲＰ筒体が成形される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係るＦＲＰ筒体およびその製造方法によれば、各ヘリカル巻層間で強化繊維束境界が同じ位置になることを避け、各ヘリカル巻層が下層のヘリカル巻強化繊維束境界を押さえ込むように成形しているので、断面が多角形状にならず、繊維束境界と推定される位置周辺に大きなボイドが存在しない優れた品質のＦＲＰ筒体を提供することが可能となる。さらに、多角形状を防ぎ、繊維束境界と推定される位置周辺に大きなボイドが存在しないことにより、共振周波数や捩り強度等の強度発現率の低下を防ぐこともできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に、本発明に係るプロペラシャフトの望ましい実施の形態を、とくに車両用のプロペラシャフトに適用した場合について説明する。
本発明に係るＦＲＰ筒体は、前述したように、例えば図２に示すような構成を有する。このようなＦＲＰ筒体１１を、プロペラシャフトに適用する場合、前述したように、捩り強度、共振周波数等の強度特性を発現させるためのヘリカル巻層部で筒体本体を構成し、その両端内周面側に金属製継手（図示略）を圧入するための周方向巻層からなる補強層を設けてＦＲＰ本体筒を成形し、その両端に金属製継手としてのヨークを接合して、所定のプロペラシャフトを構成する。ＦＲＰ筒体とヨークとは、ヨークの接合部がＦＲＰ筒体端部に圧入されることで接合することができる。
【００１８】
ＦＲＰ筒体の材料は、例えば、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する。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、炭素繊維と併用することもでき、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。
【００１９】
ＦＲＰ筒体１１のヘリカル層は、図２に示したように、マンドレル１（芯材）上に樹脂強化繊維束１２（複数本の連続強化繊維を合糸した状態に束ねた強化繊維束）を互いに周方向位相がずれるように、フィラメントワインディング法によってヘリカル巻していき、極端な隙間や重なりを発生させないように各層を積層していく。樹脂含浸繊維をマンドレル１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、プロペラシャフトとして要求される所定の長さに切断することによって目標とするＦＲＰ筒体が作成される。
【００２０】
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筒体による効果を確認するために、捩り試験評価、共振周波数測定を実施した。以下に、これらについて詳細に説明する。
【実施例１】
【００２１】
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％）、マトリクス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１０００ｍｍのものを用い、ＦＲＰ筒体１本（製品長９００ｍｍ）を成形した。
【００２２】
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、金属製継手が圧入されるＦＲＰ筒体端部に相当する箇所にフープ巻き補強層を成形後、マンドレル面長部に渡り、ＦＲＰ筒体に相当するヘリカル巻補強層を連続で成形する。この時、ヘリカル巻きの巻角度を±１０°とし、積層数を４層として成形した（図２に示した形態）。また、マンドレルの外径およびヘリカル巻強化繊維束の幅からヘリカル巻強化繊維束がマンドレルの外周面を全て覆うために必要な数、つまり１層に必要なヘリカル巻強化繊維束の往復回数は１３となった。
【００２３】
ヘリカル巻層の巻状態に関してはフィラメントワインディングのためのプログラミングにより、１層目のヘリカル巻層が終了し２層目のヘリカル巻層が開始されるとき、２層目のヘリカル巻強化繊維束は１層目のヘリカル巻強化繊維束の境界（幅方向一端）を押さえ込むように、２層目のヘリカル巻層が終了し３層目のヘリカル巻層が開始されるとき、３層目のヘリカル巻強化繊維束は１層目および２層目のヘリカル巻強化繊維束境界を押さえ込むように、３層目のヘリカル巻層が終了し４層目のヘリカル巻層が開始されるとき、４層目のヘリカル巻強化繊維束は１層目、２層目および３層目のヘリカル巻強化繊維束境界を押さえ込むように配列し、各ヘリカル巻層を形成した。ヘリカル巻き終了後、最外層にフープ巻き（周方向巻き）を１層形成した。
【００２４】
次に、所定の温度条件にて加熱炉内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、プロペラシャフト用ＦＲＰ筒体を得るために、所定の長さでで切断した。
【００２５】
このようにして得られたＦＲＰ筒体を切断して横断面を観察したが、ＦＲＰ筒体は多角形状になっておらず円形状であり、各ヘリカル巻層での規則的な位置においてボイドと呼ばれる空隙は発生していなかった。
【００２６】
上記のように製造されたプロペラシャフト用ＦＲＰ筒体の両端部にヨークと呼ばれる金属製継手を取り付けた。従来の製造方法で得られたプロペラシャフト用ＦＲＰ筒体は多角形状になっており、繊維束境界と推定される位置周辺に大きなボイドも多く存在しており、ＦＲＰ筒体の共振周波数、捩り強度が、設計基準値の１５０Ｈｚ、３０００Ｎｍに対し、測定値が１００Ｈｚ、２０００Ｎｍとかなり低減する傾向があった。ところが上記本実施例で得られたプロペラシャフトＦＲＰ筒体は、多角形状になっておらず、大きなボイドも確認できなかった。このＦＲＰ筒体について共振周波数、捩り強度の測定を実施したところ、１５５Ｈｚ、３２００Ｎｍと、目標とするほぼ計算値通りの結果を得た。
【実施例２】
【００２７】
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％）、マトリクス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１０００ｍｍのものを用い、ＦＲＰ筒体１本（製品長９００ｍｍ）を成形した。この時、強化繊維合糸数Ｎ１＝３本、合糸状態糸幅Ｗ１＝１８ｍｍ、単ストランド糸幅Ｗ２＝６ｍｍ、ずらし量Ｗ２＝６×０．５＋０×６＝３ｍｍ［Ｎ２＝０］とした。
【００２８】
まず、エポキシ樹脂を含浸させた炭素繊維束を３本を引き揃えた状態（３本合糸状態）、で金属製継手が圧入されるＦＲＰ筒体端部に相当する箇所にフープ巻き補強層を成形後、マンドレル面長部に渡り、マンドレル面長部にＦＲＰ筒体に相当するヘリカル巻補強層を連続で成形する。この時、ヘリカル巻きの巻角度を±１０°とし、３本合糸状態での糸幅１８ｍｍ、積層数を４層として成形した（図２に示した形態）。また、マンドレルの外径およびヘリカル巻強化繊維束の幅からヘリカル巻強化繊維束がマンドレルの外周面を全て覆うために必要な数、つまり１層に必要なヘリカル巻強化繊維束の往復回数は１３となった。
【００２９】
ヘリカル巻層の巻状態に関してはフィラメントワインディングのためのプログラミングにより、１層目のヘリカル巻層が終了し２層目のヘリカル巻層が開始されるとき、２層目のヘリカル巻強化繊維束の開始位置が１層目のヘリカル巻強化繊維束の開始位置から３ｍｍづれた位置となって境界（幅方向一端）を押さえ込むように、２層目のヘリカル巻層が終了し３層目のヘリカル巻層が開始されるとき、３層目のヘリカル巻強化繊維束の開始位置が２層目のヘリカル巻強化繊維束の開始位置から３ｍｍづれた位置となって１層目および２層目のヘリカル巻強化繊維束境界を押さえ込むように、３層目のヘリカル巻層が終了し４層目のヘリカル巻層が開始されるとき、４層目のヘリカル巻強化繊維束の開始位置が３層目のヘリカル巻強化繊維束の開始位置から３ｍｍづれた位置となって１層目、２層目および３層目のヘリカル巻強化繊維束境界を押さえ込むように配列し、各ヘリカル巻層を形成した。ヘリカル巻き終了後、最外層にフープ巻き（周方向巻き）を１層形成した。
【００３０】
次に、所定の温度条件にて加熱炉内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、プロペラシャフト用ＦＲＰ筒体を得るために、所定の長さでで切断した。
【００３１】
このようにして得られたＦＲＰ筒体を切断して横断面を観察したが、ＦＲＰ筒体は多角形状になっておらず円形状であり、各ヘリカル巻層での規則的な位置においてボイドと呼ばれる空隙は発生していなかった。
【００３２】
以上により、各ヘリカル巻層間でヘリカル巻強化繊維束境界が同じ位置になることを避けて成形することにより、断面が多角形状にならず、大きなボイドも内部に発生させず、強度発現率の低下も発生させないことを確認できた。
【００３３】
実施例１と同様に、上記のように製造されたプロペラシャフト用ＦＲＰ筒体の両端部にヨークと呼ばれる金属製継手を取り付けた。従来の製造方法で得られたプロペラシャフト用ＦＲＰ筒体は多角形状になっており、繊維束境界と推定される位置周辺に大きなボイドも多く存在しており、ＦＲＰ筒体の共振周波数、捩り強度が、設計基準値の１５０Ｈｚ、３０００Ｎｍに対し、測定値が１００Ｈｚ、２０００Ｎｍとかなり低減する傾向があった。
【００３４】
ところが上記実施例２で得られたプロペラシャフトＦＲＰ筒体は多角形状になっておらず、大きなボイドも確認できなかった。このＦＲＰ筒体について共振周波数、捩り強度の測定を実施したところ、１５５Ｈｚ、３５００Ｎｍと捩り強度に関しては実施例１よりも高い強度を発現し、目標とするほぼ計算値通りの結果を得た。
【００３５】
以上により、各ヘリカル巻層間でヘリカル巻強化繊維束境界が同じ位置になることを避けて成形することにより、断面が多角形状にならず、大きなボイドも内部に発生させず、強度発現率の低下も発生させないことを確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明に係るＦＲＰ筒体およびその製造方法は、あらゆるＦＲＰ筒体に適用でき、とくに車両用プロペラシャフトのＦＲＰ筒体に適用して好適なものである。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】従来のＦＲＰ筒体の横断面図である。
【図２】本発明の一実施態様に係るＦＲＰ筒体の横断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１ マンドレル
１１ ＦＲＰ筒体
１２ 強化繊維束
１３ ヘリカル巻層
【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、両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）筒体が使われてきつつある。たとえば近年、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、弾性率の面からプロペラシャフトの筒体として、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、このようなＣＦＲＰ筒体は、主にフィラメントワインディング法によって形成される。
【０００３】
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５０００〜１５０００ｒｐｍ程度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、特許文献１等に記載されているように、必要なトルクを伝達し、高い共振周波数を得るための強化繊維ヘリカル巻層（螺旋巻層）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、強化繊維の含有率等をパラメータとして設計されているが、必ずしも要求仕様を満足できるものではなかった。
【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】
【０００４】
とくにプロペラシャフトでは、要求共振周波数が高いケースも多く、強化繊維を可能な限り筒軸方向に配列したヘリカル巻層を筒体径方向に複数層積層し、筒軸方向における曲げ弾性率を高くする必要がある。このようなプロペラシャフトに使用されるＦＲＰ筒体は、マンドレル上に樹脂含浸強化繊維束を往復動させながらヘリカル巻きし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るが、上記ヘリカル巻層形成の際には次のような問題があった。
【０００５】
マンドレル周方向に対するヘリカル巻層の押圧力が比較的低いため、複数層積層する場合、各ヘリカル巻層内にボイドが滞留しやすい傾向にある。特に図１に示すように、マンドレル１上に樹脂を含浸させた強化繊維束２を複数層積層してヘリカル巻層３を形成していく場合、Ｎ層目と（Ｎ＋１）層目のヘリカル巻層３の強化繊維束２が同位相もしくは同位相付近に配置され、従って強化繊維束２の幅方向端部４（繊維束境界）も同位相もしくは同位相付近に配置されてしまうことが多くなり、このような場合には、繊維束境界周辺にヘリカル巻層押圧力がほとんど負荷されていないことになるため、ボイドが多く発生することとなっていた。また、各強化繊維束２の筒体周方向における位相が揃ってしまうため、成形された筒体断面も、上記繊維束境界４を頂点とする多角形状になることがあった。
【０００６】
このように、単にヘリカル巻層を順に複数層積層する構成では、成形されたＦＲＰ筒体は、断面が多角形状で周方向同位相上にボイドが多く含まれ、捩り強度、共振周波数の要求を安定して十分に満たせるとは言い難い。
【０００７】
本発明の課題は、上記のような問題点に着目し、各ヘリカル巻層の形状を安定化させ、繊維束境界に発生するボイドを消滅させることによって、目標とする強度特性を正確にかつ安定的に発現することができる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、筒軸方向に往復動されながらヘリカル巻された、連続繊維からなる強化繊維で強化された樹脂からなるＦＲＰ筒体において、もしくは強化繊維束を同一角度で少なくとも２層以上のヘリカル層複数層により構成されたＦＲＰ筒体であって、筒体径方向に積層された各ヘリカル巻層の強化繊維束の筒体周方向における位相が、各強化繊維束の幅方向端部位置が同位相もしくは同位相周辺になることを避けるように、互いにずら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、マンドレル上に樹脂が含浸された強化繊維束を同一角度で巻き付け少なくとも２層以上のヘリカル巻層を複数層形成することにより構成されたＦＲＰ筒体であって、筒体径方向に積層された各ヘリカル巻層の強化繊維束の筒体周方向における位相が、各強化繊維束の幅方向端部位置が同位相もしくは同位相周辺になることを避けるように、互いにずらされていることを特徴とするものからなる。
【００１０】
上記ＦＲＰ筒体においては、例えば図２に本発明の一例に係るＦＲＰ筒体１１を示すように、マンドレル１上に、樹脂を含浸した強化繊維束１２をマンドレル軸方向に往復動させながらヘリカル巻層１３を形成して成形されたＦＲＰ筒体１１において、上層に位置する強化繊維束が、下層に位置する強化繊維束の幅方向一端部を覆うように配置される。例えば、筒体径方向に積層された各強化繊維束のうち、隣接強化繊維束間で筒体周方向における位相が互いにずらされる。好ましくは、筒体径方向に積層された強化繊維束の全てについて、筒体周方向における位相が互いにずらされる。つまり、図２に示すように、２層目ヘリカル巻強化繊維束は１層目ヘリカル巻強化繊維束境界（一端部）を押さえ込むように、３層目ヘリカル巻強化繊維束は１層目および２層目ヘリカル巻強化繊維束境界を押さえ込むように、４層目ヘリカル巻強化繊維束は１層目、２層目および３層目ヘリカル巻強化繊維束境界を押さえ込むように成形されるので、筒体横断面周方向において、各ヘリカル巻強化繊維束の位相が互いにずらされ、各強化繊維束の幅方向端部位置が同位相もしくは同位相周辺になることが回避される。その結果、図１に示したような、筒体周方向における特定の位置に（各強化繊維束の幅方向端部が重なる位置に）多く発生するボイドが低減あるいは消滅されるとともに、それによってヘリカル巻層の形状が安定化され、目標とする捩り強度、弾性率等の強度特性が正確にかつ安定的に発現される。
【００１１】
上記のように筒体径方向に積層された各強化繊維束の位相を互いにずらす場合、ランダムにずらすことも可能であるが、図２に示すように、３層以上積層される各強化繊維束の筒体周方向における位相を、同一周方向に順次ずらすことが、制御の容易性、成形される筒体の形状安定性の面から、より好ましい。
【００１２】
このようなＦＲＰ筒体は、その両端部に金属製継手を接合してプロペラシャフトに構成することができる。これによって、筒体横断面周方向での特定の位置にボイドが多く発生することが防止され、ヘリカル巻層の形状が安定化され、目標とする捩り強度、共振周波数等の強度特性を正確にかつ安定的に発現できるプロペラシャフトが提供される。
【００１３】
本発明に係るＦＲＰ筒体の製造方法は、マンドレル上に、樹脂を含浸した強化繊維束をマンドレル軸方向に往復動させながらヘリカル巻してＦＲＰ筒体を成形するに際し、筒体径方向に積層されていく各ヘリカル巻層の強化繊維束の筒体周方向における位相を、各強化繊維束の幅方向端部位置が同位相もしくは同位相周辺になることを避けるように、互いにずらすことを特徴とする方法からなる。
【００１４】
また、本発明に係るＦＲＰ筒体の製造方法は、フィラメントワインディング成形において、マンドレル上に、樹脂が含浸された強化繊維束を同一角度で巻き付け少なくとも２層以上のヘリカル巻層を複数層形成することにより構成されたＦＲＰ筒体の製造方法であって、筒体径方向に積層された各ヘリカル巻層の強化繊維束の筒体周方向における位相が、各強化繊維束の幅方向端部位置が同位相もしくは同位相周辺になることを避けるように、互いにずらすとともに、筒体周方向の互いのずらし量を下記の量とすることを特徴とする方法からなる。
ずらし量＝Ｗ２×（０．３〜０．７）＋Ｎ２×Ｗ２ ［Ｎ２：＜Ｎ１の正整数］
ここで、
強化繊維合糸数 ：Ｎ１
合糸状態糸幅 ：Ｗ１
単ストランド糸幅：Ｗ２［＝Ｗ１／Ｎ１］
である。
【００１５】
上記製造方法により、筒体横断面周方向での特定の位置にボイドが多く発生することが回避され、筒体径方向に安定した形状にてヘリカル巻層が積層、成形されていき、全体として、形状が安定し、所望の優れた強度特性を正確にかつ安定的に発現できるＦＲＰ筒体が成形される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係るＦＲＰ筒体およびその製造方法によれば、各ヘリカル巻層間で強化繊維束境界が同じ位置になることを避け、各ヘリカル巻層が下層のヘリカル巻強化繊維束境界を押さえ込むように成形しているので、断面が多角形状にならず、繊維束境界と推定される位置周辺に大きなボイドが存在しない優れた品質のＦＲＰ筒体を提供することが可能となる。さらに、多角形状を防ぎ、繊維束境界と推定される位置周辺に大きなボイドが存在しないことにより、共振周波数や捩り強度等の強度発現率の低下を防ぐこともできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に、本発明に係るプロペラシャフトの望ましい実施の形態を、とくに車両用のプロペラシャフトに適用した場合について説明する。
本発明に係るＦＲＰ筒体は、前述したように、例えば図２に示すような構成を有する。このようなＦＲＰ筒体１１を、プロペラシャフトに適用する場合、前述したように、捩り強度、共振周波数等の強度特性を発現させるためのヘリカル巻層部で筒体本体を構成し、その両端内周面側に金属製継手（図示略）を圧入するための周方向巻層からなる補強層を設けてＦＲＰ本体筒を成形し、その両端に金属製継手としてのヨークを接合して、所定のプロペラシャフトを構成する。ＦＲＰ筒体とヨークとは、ヨークの接合部がＦＲＰ筒体端部に圧入されることで接合することができる。
【００１８】
ＦＲＰ筒体の材料は、例えば、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する。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、炭素繊維と併用することもでき、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。
【００１９】
ＦＲＰ筒体１１のヘリカル層は、図２に示したように、マンドレル１（芯材）上に樹脂強化繊維束１２（複数本の連続強化繊維を合糸した状態に束ねた強化繊維束）を互いに周方向位相がずれるように、フィラメントワインディング法によってヘリカル巻していき、極端な隙間や重なりを発生させないように各層を積層していく。樹脂含浸繊維をマンドレル１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、プロペラシャフトとして要求される所定の長さに切断することによって目標とするＦＲＰ筒体が作成される。
【００２０】
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筒体による効果を確認するために、捩り試験評価、共振周波数測定を実施した。以下に、これらについて詳細に説明する。
【実施例１】
【００２１】
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％）、マトリクス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１０００ｍｍのものを用い、ＦＲＰ筒体１本（製品長９００ｍｍ）を成形した。
【００２２】
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、金属製継手が圧入されるＦＲＰ筒体端部に相当する箇所にフープ巻き補強層を成形後、マンドレル面長部に渡り、ＦＲＰ筒体に相当するヘリカル巻補強層を連続で成形する。この時、ヘリカル巻きの巻角度を±１０°とし、積層数を４層として成形した（図２に示した形態）。また、マンドレルの外径およびヘリカル巻強化繊維束の幅からヘリカル巻強化繊維束がマンドレルの外周面を全て覆うために必要な数、つまり１層に必要なヘリカル巻強化繊維束の往復回数は１３となった。
【００２３】
ヘリカル巻層の巻状態に関してはフィラメントワインディングのためのプログラミングにより、１層目のヘリカル巻層が終了し２層目のヘリカル巻層が開始されるとき、２層目のヘリカル巻強化繊維束は１層目のヘリカル巻強化繊維束の境界（幅方向一端）を押さえ込むように、２層目のヘリカル巻層が終了し３層目のヘリカル巻層が開始されるとき、３層目のヘリカル巻強化繊維束は１層目および２層目のヘリカル巻強化繊維束境界を押さえ込むように、３層目のヘリカル巻層が終了し４層目のヘリカル巻層が開始されるとき、４層目のヘリカル巻強化繊維束は１層目、２層目および３層目のヘリカル巻強化繊維束境界を押さえ込むように配列し、各ヘリカル巻層を形成した。ヘリカル巻き終了後、最外層にフープ巻き（周方向巻き）を１層形成した。
【００２４】
次に、所定の温度条件にて加熱炉内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、プロペラシャフト用ＦＲＰ筒体を得るために、所定の長さでで切断した。
【００２５】
このようにして得られたＦＲＰ筒体を切断して横断面を観察したが、ＦＲＰ筒体は多角形状になっておらず円形状であり、各ヘリカル巻層での規則的な位置においてボイドと呼ばれる空隙は発生していなかった。
【００２６】
上記のように製造されたプロペラシャフト用ＦＲＰ筒体の両端部にヨークと呼ばれる金属製継手を取り付けた。従来の製造方法で得られたプロペラシャフト用ＦＲＰ筒体は多角形状になっており、繊維束境界と推定される位置周辺に大きなボイドも多く存在しており、ＦＲＰ筒体の共振周波数、捩り強度が、設計基準値の１５０Ｈｚ、３０００Ｎｍに対し、測定値が１００Ｈｚ、２０００Ｎｍとかなり低減する傾向があった。ところが上記本実施例で得られたプロペラシャフトＦＲＰ筒体は、多角形状になっておらず、大きなボイドも確認できなかった。このＦＲＰ筒体について共振周波数、捩り強度の測定を実施したところ、１５５Ｈｚ、３２００Ｎｍと、目標とするほぼ計算値通りの結果を得た。
【実施例２】
【００２７】
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％）、マトリクス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１０００ｍｍのものを用い、ＦＲＰ筒体１本（製品長９００ｍｍ）を成形した。この時、強化繊維合糸数Ｎ１＝３本、合糸状態糸幅Ｗ１＝１８ｍｍ、単ストランド糸幅Ｗ２＝６ｍｍ、ずらし量Ｗ２＝６×０．５＋０×６＝３ｍｍ［Ｎ２＝０］とした。
【００２８】
まず、エポキシ樹脂を含浸させた炭素繊維束を３本を引き揃えた状態（３本合糸状態）、で金属製継手が圧入されるＦＲＰ筒体端部に相当する箇所にフープ巻き補強層を成形後、マンドレル面長部に渡り、マンドレル面長部にＦＲＰ筒体に相当するヘリカル巻補強層を連続で成形する。この時、ヘリカル巻きの巻角度を±１０°とし、３本合糸状態での糸幅１８ｍｍ、積層数を４層として成形した（図２に示した形態）。また、マンドレルの外径およびヘリカル巻強化繊維束の幅からヘリカル巻強化繊維束がマンドレルの外周面を全て覆うために必要な数、つまり１層に必要なヘリカル巻強化繊維束の往復回数は１３となった。
【００２９】
ヘリカル巻層の巻状態に関してはフィラメントワインディングのためのプログラミングにより、１層目のヘリカル巻層が終了し２層目のヘリカル巻層が開始されるとき、２層目のヘリカル巻強化繊維束の開始位置が１層目のヘリカル巻強化繊維束の開始位置から３ｍｍづれた位置となって境界（幅方向一端）を押さえ込むように、２層目のヘリカル巻層が終了し３層目のヘリカル巻層が開始されるとき、３層目のヘリカル巻強化繊維束の開始位置が２層目のヘリカル巻強化繊維束の開始位置から３ｍｍづれた位置となって１層目および２層目のヘリカル巻強化繊維束境界を押さえ込むように、３層目のヘリカル巻層が終了し４層目のヘリカル巻層が開始されるとき、４層目のヘリカル巻強化繊維束の開始位置が３層目のヘリカル巻強化繊維束の開始位置から３ｍｍづれた位置となって１層目、２層目および３層目のヘリカル巻強化繊維束境界を押さえ込むように配列し、各ヘリカル巻層を形成した。ヘリカル巻き終了後、最外層にフープ巻き（周方向巻き）を１層形成した。
【００３０】
次に、所定の温度条件にて加熱炉内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、プロペラシャフト用ＦＲＰ筒体を得るために、所定の長さでで切断した。
【００３１】
このようにして得られたＦＲＰ筒体を切断して横断面を観察したが、ＦＲＰ筒体は多角形状になっておらず円形状であり、各ヘリカル巻層での規則的な位置においてボイドと呼ばれる空隙は発生していなかった。
【００３２】
以上により、各ヘリカル巻層間でヘリカル巻強化繊維束境界が同じ位置になることを避けて成形することにより、断面が多角形状にならず、大きなボイドも内部に発生させず、強度発現率の低下も発生させないことを確認できた。
【００３３】
実施例１と同様に、上記のように製造されたプロペラシャフト用ＦＲＰ筒体の両端部にヨークと呼ばれる金属製継手を取り付けた。従来の製造方法で得られたプロペラシャフト用ＦＲＰ筒体は多角形状になっており、繊維束境界と推定される位置周辺に大きなボイドも多く存在しており、ＦＲＰ筒体の共振周波数、捩り強度が、設計基準値の１５０Ｈｚ、３０００Ｎｍに対し、測定値が１００Ｈｚ、２０００Ｎｍとかなり低減する傾向があった。
【００３４】
ところが上記実施例２で得られたプロペラシャフトＦＲＰ筒体は多角形状になっておらず、大きなボイドも確認できなかった。このＦＲＰ筒体について共振周波数、捩り強度の測定を実施したところ、１５５Ｈｚ、３５００Ｎｍと捩り強度に関しては実施例１よりも高い強度を発現し、目標とするほぼ計算値通りの結果を得た。
【００３５】
以上により、各ヘリカル巻層間でヘリカル巻強化繊維束境界が同じ位置になることを避けて成形することにより、断面が多角形状にならず、大きなボイドも内部に発生させず、強度発現率の低下も発生させないことを確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明に係るＦＲＰ筒体およびその製造方法は、あらゆるＦＲＰ筒体に適用でき、とくに車両用プロペラシャフトのＦＲＰ筒体に適用して好適なものである。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】従来のＦＲＰ筒体の横断面図である。
【図２】本発明の一実施態様に係るＦＲＰ筒体の横断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１ マンドレル
１１ ＦＲＰ筒体
１２ 強化繊維束
１３ ヘリカル巻層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒軸方向に往復動されながらヘリカル巻された、連続繊維からなる強化繊維で強化された樹脂からなるＦＲＰ筒体において、筒体径方向に積層された各ヘリカル巻層の強化繊維束の筒体周方向における位相が、各強化繊維束の幅方向端部位置が同位相もしくは同位相周辺になることを避けるように、互いにずらされていることを特徴とするＦＲＰ筒体。
【請求項２】
マンドレル上に樹脂が含浸された強化繊維束を同一角度で巻き付け少なくとも２層以上のヘリカル巻層を複数層形成することにより構成されたＦＲＰ筒体であって、筒体径方向に積層された各ヘリカル巻層の強化繊維束の筒体周方向における位相が、各強化繊維束の幅方向端部位置が同位相もしくは同位相周辺になることを避けるように、互いにずらされていることを特徴とするＦＲＰ筒体。
【請求項３】
筒体径方向に積層された各強化繊維束のうち、上層に位置する強化繊維束が、下層に位置する強化繊維束の幅方向一端部を覆うように配置されている、請求項１または２に記載のＦＲＰ筒体。
【請求項４】
筒体径方向に積層された各強化繊維束のうち、隣接強化繊維束間で筒体周方向における位相が互いにずらされている、請求項１〜３のいずれかに記載のＦＲＰ筒体。
【請求項５】
筒体径方向に積層された強化繊維束の全てについて、筒体周方向における位相が互いにずらされている、請求項１〜４のいずれかに記載のＦＲＰ筒体。
【請求項６】
筒体径方向に強化繊維束が３層以上積層されており、各強化繊維束の筒体周方向における位相が、同一周方向に順次ずらされている、請求項１〜５のいずれかに記載のＦＲＰ筒体。
【請求項７】
両端部に金属製継手が接合されプロペラシャフトに構成されている、請求項１〜６のいずれかに記載のＦＲＰ筒体。
【請求項８】
マンドレル上に、樹脂を含浸した強化繊維束をマンドレル軸方向に往復動させながらヘリカル巻してＦＲＰ筒体を成形するに際し、筒体径方向に積層されていく各ヘリカル巻層の強化繊維束の筒体周方向における位相を、各強化繊維束の幅方向端部位置が同位相もしくは同位相周辺になることを避けるように、互いにずらすことを特徴とする、ＦＲＰ筒体の製造方法。
【請求項９】
フィラメントワインディング成形において、マンドレル上に、樹脂が含浸された強化繊維束を同一角度で巻き付け少なくとも２層以上のヘリカル巻層を複数層形成することにより構成されたＦＲＰ筒体の製造方法であって、筒体径方向に積層された各ヘリカル巻層の強化繊維束の筒体周方向における位相が、各強化繊維束の幅方向端部位置が同位相もしくは同位相周辺になることを避けるように、互いにずらすとともに、筒体周方向の互いのずらし量を下記の量とすることを特徴とするＦＲＰ筒体の製造方法。
ずらし量＝Ｗ２×（０．３〜０．７）＋Ｎ２×Ｗ２ ［Ｎ２：＜Ｎ１の正整数］
強化繊維合糸数 ：Ｎ１
合糸状態糸幅 ：Ｗ１
単ストランド糸幅：Ｗ２［＝Ｗ１／Ｎ１］
【請求項１】
筒軸方向に往復動されながらヘリカル巻された、連続繊維からなる強化繊維で強化された樹脂からなるＦＲＰ筒体において、筒体径方向に積層された各ヘリカル巻層の強化繊維束の筒体周方向における位相が、各強化繊維束の幅方向端部位置が同位相もしくは同位相周辺になることを避けるように、互いにずらされていることを特徴とするＦＲＰ筒体。
【請求項２】
マンドレル上に樹脂が含浸された強化繊維束を同一角度で巻き付け少なくとも２層以上のヘリカル巻層を複数層形成することにより構成されたＦＲＰ筒体であって、筒体径方向に積層された各ヘリカル巻層の強化繊維束の筒体周方向における位相が、各強化繊維束の幅方向端部位置が同位相もしくは同位相周辺になることを避けるように、互いにずらされていることを特徴とするＦＲＰ筒体。
【請求項３】
筒体径方向に積層された各強化繊維束のうち、上層に位置する強化繊維束が、下層に位置する強化繊維束の幅方向一端部を覆うように配置されている、請求項１または２に記載のＦＲＰ筒体。
【請求項４】
筒体径方向に積層された各強化繊維束のうち、隣接強化繊維束間で筒体周方向における位相が互いにずらされている、請求項１〜３のいずれかに記載のＦＲＰ筒体。
【請求項５】
筒体径方向に積層された強化繊維束の全てについて、筒体周方向における位相が互いにずらされている、請求項１〜４のいずれかに記載のＦＲＰ筒体。
【請求項６】
筒体径方向に強化繊維束が３層以上積層されており、各強化繊維束の筒体周方向における位相が、同一周方向に順次ずらされている、請求項１〜５のいずれかに記載のＦＲＰ筒体。
【請求項７】
両端部に金属製継手が接合されプロペラシャフトに構成されている、請求項１〜６のいずれかに記載のＦＲＰ筒体。
【請求項８】
マンドレル上に、樹脂を含浸した強化繊維束をマンドレル軸方向に往復動させながらヘリカル巻してＦＲＰ筒体を成形するに際し、筒体径方向に積層されていく各ヘリカル巻層の強化繊維束の筒体周方向における位相を、各強化繊維束の幅方向端部位置が同位相もしくは同位相周辺になることを避けるように、互いにずらすことを特徴とする、ＦＲＰ筒体の製造方法。
【請求項９】
フィラメントワインディング成形において、マンドレル上に、樹脂が含浸された強化繊維束を同一角度で巻き付け少なくとも２層以上のヘリカル巻層を複数層形成することにより構成されたＦＲＰ筒体の製造方法であって、筒体径方向に積層された各ヘリカル巻層の強化繊維束の筒体周方向における位相が、各強化繊維束の幅方向端部位置が同位相もしくは同位相周辺になることを避けるように、互いにずらすとともに、筒体周方向の互いのずらし量を下記の量とすることを特徴とするＦＲＰ筒体の製造方法。
ずらし量＝Ｗ２×（０．３〜０．７）＋Ｎ２×Ｗ２ ［Ｎ２：＜Ｎ１の正整数］
強化繊維合糸数 ：Ｎ１
合糸状態糸幅 ：Ｗ１
単ストランド糸幅：Ｗ２［＝Ｗ１／Ｎ１］
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００６−６２３５５（Ｐ２００６−６２３５５Ａ）
【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２００５−２１７４８７（Ｐ２００５−２１７４８７）
【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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