(57)【要約】【課題】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を提供する。【解決手段】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２を円筒状に複数枚積層して熱硬化させてなる繊維強化プラスチック製円筒体であり、この円筒体に使用されているプリプレグの一層の厚みが０．０６ｍｍ〜０．１６ｍｍであり、＋３０°≦θ1≦＋６０°の角度で配向したプリプレグＡ層と、−３０°≧θ2≧−６０°の角度で配向したプリプレグＢ層とを有し、θ1の絶対値はθ2の絶対値と同じであり、プリプレグＡ層およびプリプレグＢ層が交互に積層している。【選択図】図１
2020131528.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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複数枚積層して熱硬化させてなる繊維強化プラスチック製円筒体であって、
前記プリプレグの一層の厚みが０．０６ｍｍ〜０．１６ｍｍであり、
前記補強繊維は前記熱硬化性樹脂シート中において一定方向に配向され、この配向された前記補強繊維が円筒軸方向に対して角度θ1で配向したプリプレグＡ層と、前記補強繊維が円筒軸方向に対して角度θ2で配向したプリプレグＢ層とを有し、かつθ1およびθ2が次式［イ］および［ロ］を満足し、θ1の絶対値はθ2の絶対値と同じであり、プリプレグＡ層およびプリプレグＢ層が交互に積層していることを特徴とする繊維強化プラスチック製円筒体。
＋３０°≦θ1≦＋６０°    ［イ］
−３０°≧θ2≧−６０°    ［ロ］
【請求項２】
前記プリプレグＡ層および前記プリプレグＢ層は円筒軸に巻回されていることを特徴とする請求項１に記載の繊維強化プラスチック製円筒体。
【請求項３】
前記補強繊維がＰＡＮ系炭素繊維であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の繊維強化プラスチック製円筒体。
【請求項４】
捩り作用を受けながら回転することで動力を伝達する動力伝達軸であって、この動力伝達軸が請求項１、請求項２または請求項３に記載の繊維強化プラスチック製円筒体であることを特徴とする動力伝達軸。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【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。
【背景技術】
【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）製円筒体で構成して、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製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製円筒体の製造にかかる工程として、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製円筒体の複数の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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１０／０８４８０９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【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。
【課題を解決するための手段】
【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複数枚積層して熱硬化させてなる繊維強化プラスチック製円筒体である。
この円筒体に使用されている上記プリプレグの一層の厚みが０．０６ｍｍ〜０．１６ｍｍであり、上記補強繊維は上記熱硬化性樹脂シート中において一定方向に配向され、この配向された上記補強繊維が円筒軸方向に対して角度θ1で配向したプリプレグＡ層と、上記補強繊維が円筒軸方向に対して角度θ2で配向したプリプレグＢ層とを有し、かつθ1およびθ2が下記数式１における［イ］および［ロ］を満足し、θ1の絶対値はθ2の絶対値と同じであり、プリプレグＡ層およびプリプレグＢ層が交互に積層していることを特徴とする。ここで、θ1およびθ2は、円筒体を平面に展開したとした場合の、円筒体外側から見たときの円筒軸と補強繊維の配向方向のなす角度であり、その正負記号は角度の計測方向が反対であることを意味する。
【０００７】
（数式１）
＋３０°≦θ1≦＋６０°    ［イ］
−３０°≧θ2≧−６０°    ［ロ］
【０００８】
円筒状に複数枚積層されている上記プリプレグＡ層および上記プリプレグＢ層は円筒軸に巻回されていることを特徴とする。
また、繊維強化プラスチック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。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のＦＲＰ製円筒体は、プリプレグの一層の厚みが０．０６ｍｍ〜０．１６ｍｍとして、円筒軸線方向に角度３０°から角度６０°に斜交する繊維層を有するプリプレグと、円筒軸線方向に角度−３０°から−６０°に斜交するプリプレグを交互に巻回し、熱硬化させたＦＲＰ製円筒体とすることで、捩り強度が大きく向上した。その結果、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。
【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。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】ＦＲＰ製円筒体を説明する図である。
【図２】ＦＲＰ製円筒体の製造にかかる工程を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明者達は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厚み、含まれている補強繊維の配向方向、およびプリプレグの積層順によって、円筒体の捩り強度が大きく変動す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Ａ−Ａ拡大断面図であり、図１（ｃ）および（ｄ）は補強繊維の配向方向を示すためのプリプレグの拡大展開図である。
【００１５】
ＦＲＰ製円筒体１は、両端１ａおよび１ｂが開口した円筒体である。この円筒体１は、プリプレグ２を円筒状に複数枚積層した積層体が熱硬化されている。図１（ｂ）において、プリプレグ２は一層一層がＡ1、Ｂ1・・・Ａn、Ｂnで表されている。また、プリプレグ２は補強繊維３がシート状のマトリクス樹脂４にそれぞれ含浸されている熱硬化性樹脂シートである。プリプレグの一層の厚み（ｔ1、ｔ2・・・ｔn）は０．０６ｍｍ〜０．１６ｍｍである。好ましくは０．０８ｍｍ〜０．１２ｍｍである。厚みが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。
【００１６】
マトリクス樹脂４中に含浸されている補強繊維３は、図１（ｃ）および（ｄ）に示すように、平面視一定方向に配向されている。プリプレグＡn層に含浸されている補強繊維３ａは角度θ1を有し、その範囲は＋３０°≦θ1≦＋６０°、好ましくは＋４０°≦θ1≦＋５０°である。同様に、プリプレグＢn層に含浸されている補強繊維３ｂは角度θ2を有し、その範囲は−３０°≧θ2≧−６０°、好ましくは−４０°≧θ2≧−５０°である。静捩り強度を考慮すると、より好ましい角度θ1は大略４５゜であり、角度θ2は大略−４５゜である。これらの角度の範囲内において、θ1の絶対値はθ2の絶対値と同じである。図１（ｂ）において、Ａ1、Ｂ1・・・Ａn、Ｂnで表されているように、プリプレグＡ層とプリプレグＢ層とは交互に積層されている。その結果、補強繊維３ａと３ｂは交互に斜交する構造となり、積層構成の対称性を高め、捩り強度をより高めることができる。なお、ＦＲＰ製円筒体１には、補強繊維が円筒軸方向に対して実質的に９０°の配向角度で配向した層を含んでいてもよい。
【００１７】
ＦＲＰ製円筒体１の捩り応力は、補強繊維３が円筒軸方向に対して傾斜して配向した層、いわゆるバイアス層が主に負担していることがわかっている。つまり、バイアス層が、捩り負荷を受けた際に、引張られる方向と圧縮される方向の力を受け、バイアス層の耐力が限界に達すると全体破壊する。一般的にＦＲＰは、引張強さに比べ、圧縮強さが劣る。特に炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）では引張強さに比べ、圧縮強さがかなり低いことが多い。また、一般に補強繊維の熱膨脹率は、マトリックス樹脂のそれよりも小さいので、加熱成形品の各層には、繊維方向に圧縮応力が残留している。つまり、捩り負荷によって、圧縮を受ける層で先に破壊が開始し全体破壊に至ることになる。したがって、圧縮を受ける層の力を軽減することが重要となる。このようなバイアス層に働く力を軽減するためには、バイアス層の中で、圧縮される層の円筒軸方向に対する角度を直角方向により近付けることが有効である。そのため、本発明においては、補強繊維３の配向方向を上述の範囲に設定した。
【００１８】
プリプレグに使用されるマトリクス樹脂としては、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。
【００１９】
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。
【００２０】
ＦＲＰ製円筒体１の製造にかかる工程について図２により説明する。図２（ａ）はマンドレルにプリプレグを巻回して製造する場合であり、図２（ｂ）はマンドレルにプリプレグを巻き付けて製造する場合である。
図２（ａ）に示すように、ＦＲＰ製円筒体１の内径と略同じ外径のマンドレル６にプリプレグＡ1を巻回す。プリプレグＡ1にはその長手方向に平行に強化繊維が配向しており、巻回する角度によって、角度θ1が定まる。プリプレグＡ1を巻回した上に、長手方向に平行に強化繊維が配向したプリプレグＢ1を巻回す角度が角度−θ1となるように巻回す（図示を省略）。最内層から順に、最外層までプリプレグを、プリプレグＡ、プリプレグＢの順に交互に巻回し、ラッピングテープを巻き付け成形することでＦＲＰ製円筒体１が得られる。
【００２１】
図２（ｂ）に示すように、ＦＲＰ製円筒体１の他の製造にかかる工程は、円筒体内径と略同じ外径のマンドレル６に幅広のプリプレグＡ’1を対向する辺５同士が突き合わさるように巻き付ける。プリプレグＡ’1には円筒軸に対して角度θ1となるように強化繊維が配向してある。プリプレグＡ’1を巻き付けた上に、幅広のプリプレグＢ’1を対向する辺５同士が突き合わさるように巻き付ける（図示を省略）。プリプレグＡ’の突き合わせ部と、プリプレグＢ’の突き合わせ部とは相互に１８０°離れていることが好ましい。最内層から順に、最外層までプリプレグを、プリプレグＡ’、プリプレグＢ’の順に交互に巻き付け、ラッピングテープを巻き付け成形することでＦＲＰ製円筒体１が得られる。
本発明では、捩り剛性が向上するため、図２（ｂ）に示すマンドレルに幅広のプリプレグを巻いて製造する方法が好ましい。また、シートワインディング（テープワインド）法などを用いることができる。
【００２２】
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使用できる。また、ＦＲＰ製円筒体は、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使用できる。
【実施例】
【００２３】
以下、実施例および比較例に用いたプリプレグを以下に示す。なお、Ｂステージのエポキシ樹脂は同じ樹脂を使用した。
プリプレグ［１］：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、厚さ０．０６ｍｍとした一方向性プリプレグを用意した。
プリプレグ［２］：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、厚さ０．０８ｍｍとした一方向性プリプレグを用意した。
プリプレグ［３］：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、厚さ０．１６ｍｍとした一方向性プリプレグを用意した。
【００２４】
プリプレグ［４］：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、厚さ０．２０ｍｍとした一方向性プリプレグを用意した。
プリプレグ［５］：東レ（株）製ＰＡＮ系炭素繊維商品名「トレカ」Ｔ８００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、厚さ０．０８ｍｍとした一方向性プリプレグを用意した。
プリプレグ［６］：東レ（株）製ＰＡＮ系炭素繊維商品名「トレカ」Ｔ８００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、厚さ０．２０ｍｍとした一方向性プリプレグを用意した。
また、本実施例中では、捩り強度を高めるべく、補強繊維の配向角度は、円筒体外側から見て時計回転方向を正にとった。
【００２５】
実施例１
外径２２ｍｍ、長さ１０００ｍｍのマンドレルに、厚み０．０６ｍｍのプリプレグ［１］を、その繊維方向がマンドレル軸方向に対して角度９０°になるように１層巻き付け、次に同プリプレグ［１］を４５°になるように１層巻き付け、次に同プリプレグ［１］を角度−４５°になるように１層巻き付け、交互に所定の厚み（肉厚約４ｍｍ）になるまで巻き付け、さらにラッピングテープを巻き付け、１３０℃で１２０分間加熱して成形し、内径２２ｍｍ、外径３０ｍｍ、長さ１０００ｍｍのＦＲＰ製円筒体を得た。
この円筒体について、試料長２００ｍｍ、捩り速度０．５°／ｓで順捩り試験したところ、順捩り強度は１９００Ｎ・ｍであった。評価結果などを表１にまとめた。
【００２６】
実施例２〜実施例６
実施例１と同様の外径２２ｍｍ、長さ１０００ｍｍのマンドレルを用いて、表１に示すプリプレグを実施例１と同様にして巻き付け成形して、内径２２ｍｍ、外径３０ｍｍ、長さ１０００ｍｍのＦＲＰ製円筒体を得た。実施例１と同様にして順捩り試験をした結果を、プリプレグの厚さ、強化繊維の配向角と共にまとめた。
【００２７】
比較例１〜比較例４
実施例１と同様の外径２２ｍｍ、長さ１０００ｍｍのマンドレルを用いて、表１に示すプリプレグを実施例１と同様にして巻き付け成形して、内径２２ｍｍ、外径３０ｍｍ、長さ１０００ｍｍのＦＲＰ製円筒体を得た。実施例１と同様にして順捩り試験をした結果を、プリプレグの厚さ、強化繊維の配向角と共にまとめた。
【００２８】
【表１】
2020131528.tif 000003
【産業上の利用可能性】
【００２９】
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。
【符号の説明】
【００３０】
１  ＦＲＰ製円筒体
２  プリプレグ
３  補強繊維
４  マトリクス樹脂
５  対向する辺
６  マンドレル
【図１】
2020131528.tif 000004
【図２】
2020131528.tif 000005