技術 ＦＲＰ製円筒体および動力伝達軸

0001

本発明は、捩り負荷に対する耐性の大きい、繊維強化プラスチック(以下、ＦＲＰという）製円筒体に関し、特に、捩り強度が向上した、ＦＲＰ製円筒体およびその円筒体からなる動力伝達軸に関する。

0002

近年、燃費向上による二酸化炭素排出量の削減要請を受けて、例えばドライブシャフトやプロペラシャフトなどの動力伝達軸等の車両部品をＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics）円筒体で構成して、車両部品ひいては車両全体を軽量化する研究が盛んに行なわれており、一部では実用化もされている。また、ドライブシャフトやプロペラシャフトなどの動力伝達軸等の車両部品をＦＲＰ円筒体で構成することで、車両の低振動化や静寂性の向上といった付加価値も期待できる。
ＦＲＰ円筒体の製造方法として、強化繊維（例えば炭素繊維）を樹脂に含浸させながらマンドレルに巻いてゆくフィラメントワインディング法、および、強化繊維（例えば炭素繊維）を熱硬化性樹脂シート中に含浸させてなる複数のプリプレグを筒状に巻回して熱硬化させ複数のＦＲＰ層とするシートワインディング（プリプレグ）法が知られている。フィラメントワインディング法によるＦＲＰ製円筒体は、所定量以上の樹脂を必要とし、かつ強化繊維の体積含有率に上限があるので、軽量化と高強度化の要望に充分に応えることができない。

0003

これに対し、シートワインディング法によるＦＲＰ製円筒体は、必要最小限の樹脂量でも強化繊維の体積含有率を高くできるという特徴があり、軽量化と高強度化を同時に図る上で有利である。また、形状精度の良い小型品が製造可能であり、積層構成の自由度が高い。しかし、シートワインディング法によるＦＲＰ製円筒体でも、まだ、捩り強度には満足できていない。また、捩り強度を向上することにより、ＦＲＰ製円筒体の肉厚を薄くすることができ、更なる軽量化や、コスト的にも有利となる。
この問題を解決するべく、特許文献１において、ＦＲＰ円筒体の複数のＦＲＰ層中に、円筒軸線方向に斜交する繊維層を有する捩り剛性保持プリプレグと、円筒軸線方向に直交する繊維層を有する座屈防止プリプレグを重ねたセットプリプレグを複数回連続して巻回して熱硬化させた同時多層巻回層を含ませることを提案されている（特許文献１）。

0004

国際公開第２０１０／０８４８０９号公報

0005

特許文献１に記載されているＦＲＰ製円筒体は、これを動力伝達軸であるドライブシャフトやプロペラシャフトなどの車両部品に適用した場合、円筒体の軸線方向に斜交する方向に加わる捩り負荷（捩り力）を受けて破損するおそれがあり、この点において改良の余地があることが判明した。ＦＲＰ製円筒体において、円筒体の捩り強度の向上は重要な問題である。つまり、ＦＲＰ製円筒体に加わる捩り負荷に対する捩り強度（捩り剛性）の長期信頼性の確立が求められている。また、捩り強度を向上することによりシャフトを細くすることができ、車両への取り付け時の自由度が上り、肉厚を薄くすることで、材料費や加工費が抑えられ、低コストなシャフトの製造が可能となる。
本発明はこのような問題に対処するためになされたものであり、ＦＲＰ製円筒体に加わる捩り負荷に対する捩り強度の長期信頼性を確立してその破壊を確実に防止することができるＦＲＰ製円筒体およびその円筒体を使用した動力伝達軸の提供を目的とする。

0006

本発明のＦＲＰ製円筒体は、補強繊維を熱硬化性樹脂シート中に含浸させたプリプレグを円筒状に巻回して熱硬化させてなるＦＲＰ製円筒体である。この円筒体は、上記補強繊維が上記熱硬化性樹脂シート中において円筒軸方向に対して角度θとなるように配向され、巻回された上記プリプレグの継目の位置が円筒体全体の厚さに対してこの円筒体表面から２０％未満の厚さに存在しないことを特徴とする。

0007

プリプレグの継目の位置を２０％未満の厚さに存在しないようにする好ましい方法として、補強繊維が熱硬化性樹脂シートの幅よりも長い長さ方向に平行に配向された原反プリプレグより、平面視斜め方向に切断されたプリプレグが（１）〜（３）に示す、以下の３つの関係のいずれかを満足するように作製する方法が挙げられる。

（１）プリプレグの長さａが以下に示す式１および式２の関係を満足する。

Ｌ≧ａｃｏｓθ＋ｂｓｉｎθ・・・式１
ａ≧（π（Ｄ−ｄ）（９Ｄ＋ｄ））／１００ｍｔ・・・式２

（２）プリプレグの貼り合せ枚数ｍが以下に示す式３の関係を満足する。

ｍ≧（π（Ｄ−ｄ）（９Ｄ＋ｄ）ｃｏｓθ）／１００ｔ（Ｌ−ｂｓｉｎθ）・・・式３

（３）プリプレグの厚さｔが以下に示す式４の関係を満足する。

ｔ≧（π（Ｄ−ｄ）（９Ｄ＋ｄ）ｃｏｓθ）／１００ｍ（Ｌ−ｂｓｉｎθ）・・・式４

上記式１から式４において、Ｌ、ａ、ｂ、θ、Ｄ、ｄ、ｍ、ｔの意味をそれぞれ以下に示す。
Ｌ：原反プリプレグの幅
ａ：巻き付けるプリプレグの長さ
ｂ：成形するＦＲＰ製円筒体の長さ
θ：繊維配向角
Ｄ：ＦＲＰ製円筒体の外径
ｄ：ＦＲＰ製円筒体の内径
ｍ：円筒体表面から２０％以上の肉厚となるように巻き付けるプリプレグの貼り合せ枚数
ｔ：円筒体表面から２０％以上の肉厚となるように巻き付けるプリプレグ１枚の厚さ

0008

ＦＲＰ製円筒体に使用されている補強繊維がＰＡＮ（ポリアクリロニトリル）系炭素繊維であることを特徴とする。

0009

本発明の動力伝達軸は、捩り作用を受けながら回転することで動力を伝達するものであって、この動力伝達軸が本発明のＦＲＰ製円筒体であることを特徴とする。

0010

本発明のＦＲＰ製円筒体は、原反プリプレグより、平面視斜め方向に切断されたプリプレグが上記（１）〜（３）の関係のいずれかを満足するので、巻回されるプリプレグの継目の位置がＦＲＰ製円筒体表面から２０％未満の厚さに存在しないようにすることができる。その結果、捩り強度が大幅に向上したＦＲＰ製円筒体が得られる。また、これにより、自動車用ドライブシャフト等、特定の捩り方向に捩り負荷の掛かりやすい部材に本発明のＦＲＰ製円筒体を適用することにより、部材の破壊を抑制することができる。

0011

本発明の動力伝達軸は、本発明の繊維強化プラスチック製円筒体を使用するので、特定の捩り方向に捩り負荷の掛かりやすい部材の破壊を抑制することができる。

0012

ＦＲＰ製円筒体を説明する図である。
原反プリプレグと裁断されるプリプレグとの関係を示す図である。

0013

本発明者はＦＲＰ製円筒体の捩り強度を向上する目的で鋭意検討を行なった。その結果、ＦＲＰ製円筒体を製作するときに用いるプリプレグの継目の位置によって、捩り強度が大きく変わることを見い出した。さらに、プリプレグの継目の位置が全体の肉厚に対してＦＲＰ製円筒体表面から２０％未満に存在しないように、原反プリプレグを裁断・巻回し、熱硬化させたＦＲＰ円筒体とすることで、捩り強度が大きく向上されることを見い出した。本発明はこのような知見に基づいてなされたものである。

0014

図１を参照して、本発明のＦＲＰ製円筒体を説明する。図１（ａ）はＦＲＰ製円筒体の斜視図であり、図１（ｂ）は径方向拡大断面図であり、図１（ｃ）は製造過程を示す斜視図である。

0015

ＦＲＰ製円筒体１は、外径Ｄ、内径ｄおよび軸方向長さｂを有し、両端１ａおよび１ｂが開口した円筒体である（図１（ａ））。この円筒体１は、原反より裁断されたプリプレグ２をマンドレル４に巻き付けることで製造される（図１（ｃ））。マンドレル４は、矢印Ａの方向に回転し、プリプレグ２は矢印Ｂの方向に進行する。プリプレグが巻き付けられた本発明の円筒体は、長さｂが３００〜５００ｍｍの範囲、外径Ｄが３０〜６０ｍｍの範囲、全体の肉厚さ（ｔ1＋ｔ2）が２〜１０ｍｍの範囲にあることが伝達駆動軸の強度を担保できるため、好ましい。

0016

原反プリプレグ３とこの原反プリプレグ３から裁断されるプリプレグ２との関係を図２に示す。図２（ａ）は原反プリプレグ３の斜視図であり、図２（ｂ）は裁断されたプリプレグ２の斜視図である。
プリプレグ２は配向角θを有するように原反プリプレグ３より裁断され、この裁断されたプリプレグ２の幅面２ｂが円筒軸と平行になるように、複数回巻き付ける必要がある。例えば、幅１メートルの一方向材の原反プリプレグより配向角４５°の正方形プリプレグに裁断する場合、最大で裁断できる一辺の長さは１／√２メートルである。成形するのに１／√２メートル以上の長さのプリプレグが必要な場合、裁断したプリプレグを複数回巻き付ける必要がある。このプリプレグ同士の継目は繊維が断裂されている箇所であり、継目を起点として、ＦＲＰ製円筒体が破損するおそれがあることが判明した。捩りによってＦＲＰ製円筒体に加わるせん断応力は最内径から最外径に向かって大きくなる。プリプレグの継目が最外層付近にある場合、繊維が不連続となっている継目に応力が集中し、早期破損に繋がる。プリプレグの継目が最外層付近にない場合は、繊維が連続であるプリプレグが強度を受け持つため、ＦＲＰ製円筒体の本来の強度を発揮し、バラツキが小さい高品質なＦＲＰ製円筒体とすることができる。本発明は、この継目の位置が円筒体表面から２０％未満の厚さに存在しない場合、ＦＲＰ製円筒体の捩り強度がより向上することを見い出したものである。

0017

プリプレグの継目を２０％未満に存在しないようにする第１の方法は、切断されるプリプレグ２の長さａが以下に示す式１および式２の関係を満足するように、原反プリプレグ３を切断する方法である。

Ｌ≧ａｃｏｓθ＋ｂｓｉｎθ・・・式１
ａ≧（π（Ｄ−ｄ）（９Ｄ＋ｄ））／１００ｍｔ・・・式２

ここで、Ｌ、ａ、ｂ、θ、Ｄ、ｄ、ｍ、ｔの意味はそれぞれ以下の通りである。
Ｌ：原反プリプレグの幅
ａ：巻き付けるプリプレグの長さ
ｂ：成形するＦＲＰ製円筒体の長さ
θ：繊維配向角
Ｄ：ＦＲＰ製円筒体の外径
ｄ：ＦＲＰ製円筒体の内径
ｍ：円筒体表面から２０％以上の肉厚となるように巻き付けるプリプレグの貼り合せ枚数
ｔ：円筒体表面から２０％以上の肉厚となるように巻き付けるプリプレグの１枚の厚さ

0018

図１および図２に示すように、直径ｄのマンドレル４に、繊維の配向等を考慮しない任意のプリプレグ層１ｄを肉厚が最内層から全体肉厚の８０％未満の厚さｔ2となるよう巻き付ける。その後、図２に示すように裁断し、貼り合せ枚数がｍ枚としたプリプレグ２をマンドレル４の回転中心軸に対して辺２ａが垂直になるように、辺２ｂが平行になるように巻き付けて外層１ｃを形成し、外径Ｄ、内径ｄ、長さｂとなるＦＲＰ製円筒体１を成形する。ここで、補強繊維の配向角度θのみ傾けて裁断して巻き付けているため、図１（ａ）に示すようにＦＲＰ円筒の中心軸方向を０°とした場合、ＦＲＰ円筒体に対する補強繊維の配向角がθとなる積層構成にすることができる。
以上のように、式１と式２を満たすようなプリプレグの長さａとなるように原反プリプレグの幅Ｌを設定することで、図１（ｂ）に示すようにプリプレグの継目の位置が全体の肉厚に対して最外層から２０％未満の厚さに存在しないため、捩り強度が従来の巻回法よりも大幅に向上できる。

0019

プリプレグの継目を２０％未満に存在しないようにする第２の方法は、プリプレグの貼り合せ枚数ｍを以下の式３の関係を満足するようにする方法である。

ｍ≧（π（Ｄ−ｄ）（９Ｄ＋ｄ）ｃｏｓθ）／１００ｔ（Ｌ−ｂｓｉｎθ）・・・式３

ここで、Ｌ、ａ、ｂ、θ、Ｄ、ｄ、ｍ、ｔの意味はそれぞれ式１および式２と同じである。
式３を満たすようなプリプレグの貼り合せ枚数ｍに設定することで、図１（ｂ）に示すようにプリプレグの継目の位置が全体の肉厚に対して最外層から２０％未満に存在しないため、捩り強度が従来の巻回法よりも大幅に向上できる。また、プリプレグ２は補強繊維２ｄが交互に斜交する構造となるように貼り付けることが好ましい。

0020

プリプレグの継目を２０％未満に存在しないようにする第３の方法は、プリプレグ２の１枚の厚さｔを以下の式４の関係を満足するようにする方法である。

ｔ≧（π（Ｄ−ｄ）（９Ｄ＋ｄ）ｃｏｓθ）／１００ｍ（Ｌ−ｂｓｉｎθ）・・・式４

ここで、Ｌ、ａ、ｂ、θ、Ｄ、ｄ、ｍ、ｔの意味はそれぞれ式１および式２と同じである。
式４を満たすようなプリプレグの厚さｔに設定することで、図１（ｂ）に示すようにプリプレグの継目の位置が全体の肉厚に対して最外層から２０％未満に存在しないため、捩り強度が従来の巻回法よりも大幅に向上できる。

0021

プリプレグ２は補強繊維２ｄがシート状のマトリクス樹脂２ｃにそれぞれ含浸されている熱硬化性樹脂シートである。プリプレグ２の１枚の厚さｔは０．０６ｍｍ〜０．１６ｍｍである。好ましくは０．０８ｍｍ〜０．１２ｍｍである。厚さが０．０６ｍｍ未満では、ＦＲＰ製円筒体１を製造するためにマンドレルへ巻きつけする時に、テンションをかけながら巻きつけるため、プリプレグに微小なクラックや欠陥が発生し、所定の捩り強度が発生せず、０．１６ｍｍより厚いと本発明の効果が得られず捩り強度が低下する。

0022

円筒体１を構成する外層１ｃに巻回されるプリプレグは、捩り強度を向上させるために、補強繊維２ｄが熱硬化性樹脂シート２ｃ中において円筒軸方向に対して角度θとなるように配向していることが必要である。角度の範囲は３０°≦θ≦６０°、好ましくは４０°≦θ≦５０°である。捩り強度を考慮すると、より好ましい角度θは大略４５゜である。また、内層１ｄに巻回されるプリプレグは、補強繊維が任意の配向方向を有するプリプレグであっても使用できる。

0023

プリプレグに使用される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が好ましい。また、補強繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、ポリアミド繊維、その他の高強度、高弾性率繊維を使用することができる。なかでも、比強度、比弾性率に優れた炭素繊維が好ましく、炭素繊維のなかでもＰＡＮ系炭素繊維が好ましい。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。

0024

プリプレグに含まれる繊維含有率は、各層の特性、特に機械的特性を考慮すれば、好ましくは、プリプレグ全体に対して、３０体積％〜８５体積％、より好ましくは５０体積％〜８０体積％であり、さらに薄肉軽量を指向する場合には、６５体積％〜７５体積％であるのが好ましい。

0025

本発明のＦＲＰ製円筒体は、捩り強度に著しく優れるため、具体的には、たとえば、航空機、自動車、自転車等における各種フレーム、パイプとして、またプロペラシャフト、ドライブシャフトなどの動力伝達軸として、さらに釣竿、ゴルフクラブ用シャフト、スキーポール、テントの支柱等の各種レジャー用品としてのＦＲＰ製円筒体に使用できる。

0026

実施例および比較例に用いた原反プリプレグは、東レ（株）製ＰＡＮ系炭素繊維商品名「トレカ」Ｔ７００Ｓを互いに並行かつシート状に引き揃えたものにＢステージのエポキシ樹脂を含浸した一方向性プリプレグを用意した。プリプレグの厚さ、幅、貼り合わせ枚数を表１〜表３に表す。

0027

実施例１および２、比較例１〜３
外径２２ｍｍ、長さ１，０００ｍｍのマンドレルに、表１に示す幅の原反プリプレグ２枚を繊維の配向方向が直角に交わるように貼り合わせ、その貼り合わせたプリプレグを繊維の配向方向がマンドレル軸方向に対して±４５°になるように裁断し、表１に示す肉厚さ（ｔ2）になるように巻き付ける。その後、表１に示す長さａ、θ＝４５°、ｂ＝５００ｍｍとなるように裁断したプリプレグ２枚を繊維方向が直角に交わるように貼り合わせ、その貼り合わせたプリプレグを繊維方向がマンドレル軸方向に対して±４５°になるように巻き付け、１３０℃で１２０分間加熱して成形し、内径２２ｍｍ、外径３０ｍｍ、長さ５００ｍｍの円筒体を得た。得られた円筒体におけるプリプレグの継目の位置を全体の肉厚に対して表した結果を表１に示す。
この円筒体について、試料長２００ｍｍ、捩り速度０．５゜／ｓの条件で試料数３個で捩り試験した。評価結果等を表１にまとめた。

0028

0029

実施例１および２に示すように、巻回されるプリプレグの継目の位置が円筒体表面から２０％未満の厚さに存在しないようにすることで、捩り強度を１，８００Ｎ・ｍ以上とすることができる。また、原反プリプレグの幅Ｌを長くすることで切断プリプレグの長さａが長くなることで巻回数が増加し、上層プリプレクの厚さｔ1が増加する。そのため、捩り強度を向上させることができる。一方、原反プリプレグの幅が大きすぎると、裁断する際に不要なプリプレグが増加し、歩留まりが悪くなる。さらに、市販品の原反プリプレグの幅以上の寸法は特注となり、大幅なコストアップとなる。そのため、原反プリプレグの幅をある程度に留めつつ、捩り強度が向上したＦＲＰ製円筒体が求められる。そこで、上記の結果から、巻回されるプリプレグの継目の位置が全体の肉厚に対して円筒体表面から２０％未満に存在しないように作製できるプリプレグの幅にすれば、最小の歩留まりで所望のコスト、および捩り強度が得られる。原反プリプレグの好ましい幅Ｌの範囲は４００〜１２００ｍｍである。その理由は、一般的に販売されているプリプレグの幅が上記範囲内のものであり、安価で入手性に優れるためである。

0030

実施例３および４、比較例４および５
外径２２ｍｍ、長さ１，０００ｍｍのマンドレルに、厚さ０．１ｍｍ、幅１，０００ｍｍの原反プリプレグ２枚を繊維の配向方向が直角に交わるように貼り合わせ、その貼り合わせたプリプレグを繊維の配向方向がマンドレル軸方向に対して±４５°になるように裁断し、表２に示す肉厚さ（ｔ2）になるように巻き付ける。その後、図１における、ａ＝９１５ｍｍ、θ＝４５°、ｂ＝５００ｍｍとなるように裁断したプリプレグを繊維方向が直角に交わるように貼り合わせ、その貼り合わせたプリプレグを繊維方向がマンドレル軸方向に対して±４５°になるように巻き付け、１３０℃で１２０分間加熱して成形し、内径２２ｍｍ、外径３０ｍｍ、長さ５００ｍｍの円筒体を得た。裁断したプリプレグの貼り合わせ枚数を表２に示す。また、得られた円筒体におけるプリプレグの継目の位置を全体の肉厚に対して表した結果を表２に示す。
この円筒体について、試料長２００ｍｍ、捩り速度０．５゜／ｓの条件で試料数３個で捩り試験した。評価結果等を表２にまとめた。

0031

0032

実施例３および４に示すように、巻回されるプリプレグの継目の位置が円筒体表面から２０％未満の厚さに存在しないようにすることで、捩り強度を１，８００Ｎ・ｍ以上とすることができる。しかし、巻き付ける際、貼り合せ枚数が多くなるとプリプレグがたわみ、上手く巻きつけることができない場合がある。そのため、プリプレグの継目の位置が円筒体表面から２０％以上となる最小の貼り合せ枚数にすることが望ましい。なお、厚さ０．１ｍｍの原反プリプレグを用いた場合、比較例４において、内層の厚さｔ2を３．８ｍｍ以下にすることは可能だが、後に裁断したプリプレグを巻き付けたとしても望ましい円筒体の肉厚４．０ｍｍにならないため、再度巻き付ける必要がある。プリプレグの継目の位置が全体の肉厚に対して円筒体表面から５％以内に存在してしまう。２枚を貼り合せたプリプレグを用いて、継目の位置が円筒体表面から最も遠くなる位置が５％であったため、肉厚３．８ｍｍとしている。実施例３、４、および比較例５も同様に厚さｔ2を設定している。円筒体の好ましい肉厚さの範囲は２〜１０ｍｍである。その理由は、伝達駆動軸で必要な強度を担保するためである。

0033

実施例５および６、比較例６〜８
外径２２ｍｍ、長さ１，０００ｍｍのマンドレルに、表３に示す厚さの原反プリプレグ２枚を繊維の配向方向が直角に交わるように貼り合わせ、その貼り合わせたプリプレグを繊維の配向方向がマンドレル軸方向に対して±４５°になるように裁断し、表３に示す肉厚さ（ｔ2）になるように巻き付ける。その後、図１における、長さａ＝２０８ｍｍ、θ＝４５°、ｂ＝５００ｍｍとなるように裁断したプリプレグ２枚を繊維方向が直角に交わるように貼り合わせ、その貼り合わせたプリプレグを繊維方向がマンドレル軸方向に対して±４５°になるように巻き付け、１３０℃で１２０分間加熱して成形し、内径２２ｍｍ、外径３０ｍｍ、長さ５００ｍｍの円筒体を得た。得られた円筒体におけるプリプレグの継目の位置を全体の肉厚に対して表した結果を表３に示す。
この円筒体について、試料長２００ｍｍ、捩り速度０．５゜／ｓの条件で試料数３個で捩り試験した。評価結果等を表３にまとめた。

0034

0035

実施例５および６に示すように、巻回されるプリプレグの継目の位置が円筒体表面から２０％未満の厚さに存在しないようにすることで、捩り強度を１，８００Ｎ・ｍ以上とすることができる。なお、比較例６において、内層の厚さｔ2を３．８ｍｍ以下にすることは可能だが、後に裁断したプリプレグを巻き付けたとしても望ましい円筒体の肉厚４．０ｍｍにならないため、再度巻き付ける必要がある。プリプレグの継目の位置が全体の肉厚に対して円筒体表面から５％以内に存在してしまう。２枚を貼り合せたプリプレグを用いて、継目の位置が円筒体表面から最も遠くなる位置が５％であったため、肉厚３．８ｍｍとしている。実施例５および６、比較例７および８も同様に厚さｔ2を設定している。

0036

本発明の繊維強化プラスチック製円筒体および動力伝達軸は、捩り強度が大幅に向上するので、自動車用ドライブシャフト等、特定の捩り方向に捩り負荷の掛かりやすい部材に利用することができる。

0037

１ＦＲＰ製円筒体
２裁断されたプリプレグ
３原反プリプレグ
４ マンドレル