(57)【要約】      （修正有）【課題】自動車などで用いられるＦＲＰ製プロペラシャフトにおいて、曲げ１次共振周波数を向上すると共に伝達関数ゲイン（振動応答）を低下し、曲げ振動に伴う共振振動、騒音を特殊な材料などを用いなくとも安価に向上することを目的とする。【解決手段】強化繊維の層を含み筒軸方向に延在する螺旋巻き層の本体筒部１１と本体筒部の筒軸方向端部の内周面に強化繊維の周方向巻き層１５を有するＦＲＰ筒体であって、その筒体における両端部から２００ｍｍを除いた部位に、ＦＲＰ筒体が両端部２００ｍｍの螺旋巻き層と同一厚みで径方向に膨らむ形状を有し、かつＦＲＰ筒体内面またはＦＲＰ筒体内部に制振部材１３が配置されていることを特徴とするプロペラシャフト。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
強化繊維の層を含み筒軸方向に延在する螺旋巻き層の本体筒部と本体筒部の筒軸方向端部の内周面に強化繊維の周方向巻き層を有するＦＲＰ筒体であって、その筒体における両端部から２００ｍｍを除いた拡径範囲に、ＦＲＰ筒体が両端部２００ｍｍの螺旋巻き層と同一厚みで径方向に膨らむ拡径部を有するとともに、ＦＲＰ筒体内面またはＦＲＰ筒体内部に制振部材が配置されていることを特徴とするプロペラシャフト。
【請求項２】
前記拡径部の厚みが１〜５ｍｍである請求項１に記載のプロペラシャフト。
【請求項３】
前記制振部材が厚み０．５〜１ｍｍの紙材質で１重以上巻かれている請求項１または２に記載のプロペラシャフト。
【請求項４】
周方向に巻回する強化繊維が、筒軸方向に対して±８０〜９０度の範囲内に巻かれる請求項１〜３のいずれかに記載のプロペラシャフト。
【請求項５】
前記両端部にトルク伝達継手が接合されてなる請求項１〜４のいずれかに記載のプロペラシャフト。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車等の駆動力伝達軸として使用される繊維強化プラスチック（以下、ＦＲＰという）製のプロペラシャフトに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車工業の分野では、車両重量を軽減して燃費節減を図るために、各種の部品をＦＲＰ材料で代替することが試みられている。各種部品のうち、ＦＲＰ製のプロペラシャフト（推進軸とも呼ばれる）の場合には、ＦＲＰ筒体の両端部に、駆動軸や従動軸と連結してエンジンのトルクを車輪へ伝達するためのトルク伝達継手を接合した構造になっている。
【０００３】
プロペラシャフトにおいては、トルク伝達時に、エンジン等の振動発生源やプロペラシャフト自身の回転により加振される各振動モードに対して、プロペラシャフトを共振に伴う大きな振動や不快な騒音現象から防止する必要がある。プロペラシャフトの振動のモードとしては、曲げ振動および膜振動が考えられる。曲げ１次共振周波数は、筒体の断面２次モーメント、縦弾性率、比重、長さにより決定されるため、スチール製のプロペラシャフトでは、その長さを分割することにより、曲げ１次共振周波数が使用域での振動範囲に入らないようにしているが、ＦＲＰ筒体を用いたプロペラシャフトでは、ＦＲＰ筒体の軸方向の弾性率を効果的に高めることにより、曲げ１次共振周波数が使用域での振動範囲に入ることを回避できる。また、ＦＲＰ筒体内に制振構造体を設け、外部からの振動応答を低くするとともに、プロペラシャフト自体に振動減衰機能を付与する技術がある。
【０００４】
そこで、特許文献１では、効果的にＦＲＰ筒体の軸方向の弾性率を高め、曲げ１次共振周波数を向上させるために高弾性率グレードの炭素繊維を使用する技術が提案されている。
【０００５】
しかしながら、高弾性率グレードの炭素繊維は価格面において標準弾性率グレードの炭素繊維の数倍にものぼりＦＲＰ筒体自体の価格が大きく嵩むことになる。
【０００６】
また、特許文献２ではＦＲＰ筒体の断面２次モーメントを高めるためフィラメントワインディング法で使用する金属円筒のマンドレルにＦＲＰ筒体内空間の膨らむ部位を形成する中子を取り付け、フィラメントワインディング法で強化繊維を巻き付けた後中子を除去することで必要最適な厚みを有しＦＲＰ筒体内空間が径方向に膨らむ形状を得る技術が提供されている。
【０００７】
しかしながら、本方法ではＦＲＰ筒体内部から中子を水で溶融除去する工程が必要となり、煩雑さと工程追加による製造コスト上昇の問題がある。
【０００８】
さらに、振動応答を低くする部材としてＦＲＰ筒体内部に厚紙を挿入することが良く知られているが、特許文献３には厚紙を複数回巻き付けて紙管を構成することにより厚紙が１層だけの紙管より復元力が大きくなるので、紙管とＦＲＰ筒体内面に密着力がより大きくなり、より高い制振機能が得られることが開示されている。
【０００９】
しかしながら、本方法では厚紙は大きな復元力が期待できる硬い紙が要求されるため複数回の巻き付け作業に時間がかかると共に、その巻き付け作業とＦＲＰ筒体内への挿入作業が追加され製造コスト上昇の問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００８−８２５２５号公報
【特許文献２】特開２０００−１０８２１０号公報
【特許文献３】特開２００６−２２０１８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、自動車などで用いられるＦＲＰ製プロペラシャフトにおいて、曲げ１次共振周波数を向上すると共に伝達関数ゲイン（振動応答）を低下し、曲げ振動に伴う共振振動、騒音を特殊な材料などを用いなくとも安価に向上することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
かかる課題を解決するために、本発明は、次の構成からなる。すなわち、
（１）強化繊維の層を含み筒軸方向に延在する螺旋巻き層の本体筒部と本体筒部の筒軸方向端部の内周面に強化繊維の周方向巻き層を有するＦＲＰ筒体であって、その筒体における両端部から２００ｍｍを除いた拡径範囲に、ＦＲＰ筒体が両端部２００ｍｍの螺旋巻き層と同一厚みで径方向に膨らむ拡径部を有するとともに、ＦＲＰ筒体内面または
ＦＲＰ筒体内部に制振部材が配置されていることを特徴とするプロペラシャフト。
（２）前記拡径部の厚みが１〜５ｍｍである（１）に記載のプロペラシャフト。
（３）前記制振部材が厚み０．５〜１ｍｍの紙材質で１重以上巻かれている（１）または（２）に記載のプロペラシャフト。
（４）周方向に巻回する強化繊維が、筒軸方向に対して±８０〜９０度の範囲内に巻かれる（１）〜（３）のいずれかに記載のプロペラシャフト。
（５）前記両端部にトルク伝達継手が接合されてなる（１）〜（４）のいずれかに記載のプロペラシャフト。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ＦＲＰ筒体内空間を径方向に膨らませることで断面２次モーメントを高め曲げ剛性を向上させ、且つ径方向膨らみ部位内面またはＦＲＰ筒体内部に制振部材をフィラメントワインディング法にて一体付与しているため、曲げ１次共振周波数を高めることできるばかりか、同時に、伝達関数ゲイン（振動応答）を低下し、曲げ振動に伴う共振振動、騒音を特殊な材料などを用いなくとも安価に向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態である、ＦＲＰ筒体の端部を除いた部位が端部と同一厚みで径方向に膨らみ、且つ内面に制振部材が一体成形されたプロペラシャフトを示す軸方向断面図である。
【図２】本発明の一実施形態である、ＦＲＰ筒体の端部を除いた部位が端部と同一厚みで径方向に膨らみ、且つＦＲＰ筒体内部に制振部材が一体成形されたプロペラシャフトを示す軸方向断面図である。
【図３】従来のＦＲＰ製プロペラシャフトを示す軸方向断面図である。
【図４】フィランメントワインディング成形前のマンドレル上に制振部材（紙）を巻付けた状態を示す斜視図である。
【図５】本発明の一実施形態で用いられる制振部材（紙）を示す斜視図である。
【図６】プロペラシャフトの曲げモード共振周波数を測定する様子を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図面を用いて、本発明をより詳細に説明する。図１、図２は本発明に係るプロペラシャフトの軸方向断面図であり、図３は従来のＦＲＰ製プロペラシャフトの軸方向断面図である。
【００１６】
図１〜３において、本体筒部１１，２１,３１は強化繊維の層を含み筒軸方向に延在してＦＲＰ筒体を構成しており、その両端部には、トルク伝達継手１６、２６、３３が接合されている。本体筒部を構成する強化繊維の層は、捩り強度や曲げ１次共振周波数などを、プロペラシャフトに適したものとするためには、強化繊維の螺旋巻層とするのがよい。螺旋巻の巻角度は、通常、筒軸方向に対して±１０〜±４５度の範囲内である。また、ＦＲＰ筒体は、本体筒部１１，２１、３１の筒軸方向端部の内周面に、強化繊維の周方向巻層１５，２５，３２を含んで構成されるのが良い。前記強化繊維の周方向巻層にトルク伝達軸を圧入接合すると、筒体該当部が周方向に強化されているため変形や螺旋巻層の損傷を防止することができ、好適なトルク伝達を得ることができる。なお、本発明において、周方向とは、通常、筒軸方向に対して±８０〜９０度の範囲内の方向であることを意味する。
【００１７】
ここで図１、２では、その筒体における両端部２００ｍｍを除いた部位にあたる拡径範囲１２、２２に、両端部２００ｍｍの螺旋巻き層と同一厚みで径方向に膨らむ形状からなる拡径部１４、２４を有し、かつＦＲＰ筒体内面またはＦＲＰ筒体内部に制振部材１３、２３が配置されている。ここで両端部２００ｍｍを除く理由は、トルク伝達継手１６、２６、３３の圧入接合に必要な補強長さを確保するためのものである。
【００１８】
ＦＲＰ筒体における曲げ１次共振周波数はその断面２次モーメント（断面積起因）と長さによって影響を受けるが、その算出にはコンピュータでのＦＥＭ計算を使用することができる。すなわち、顧客の曲げ１次共振周波数仕様に対して径方向膨らみをいくらに設定するか、径方向膨らみを軸方向に対していくらの長さに設定するかはＦＥＭ計算を用いれば正確に算出することができる。ＦＥＭ計算で算出された膨らみと長さによって使用する制振部材１３、２３の寸法、巻き数も決定される。
【００１９】
ＦＲＰ筒体に拡径部１４、２４が拡径範囲１２、２２にわたり配置されているので、図３の従来のＦＲＰ製プロペラシャフトに比べて強化繊維投入量を増やすこと無く曲げ１次共振周波数を向上することができる。さらにＦＲＰ筒体内面またはＦＲＰ筒体内部には制振部材１３、２３が配置されているので、同時に、伝達関数ゲイン（振動応答）、特に曲げ１次共振周波数ピーク時の伝達関数を低下させることができる。
【００２０】
拡径部１４、２４の膨らみは１〜５ｍｍの範囲内にあることが好ましい。かかる膨らみが１ｍｍより小さいと断面２次モーメントの効果が少なく曲げ１次共振周波数への寄与が低い。一方、５ｍｍより大きくなると外径が大きくなり、プロペラシャフトを車両に搭載する時、周辺部品と干渉する可能性が発生する。
【００２１】
また、制振部材１３、２３のシート厚みは０．５〜１ｍｍの範囲内にあることが好ましい。かかるシート厚みが０．５ｍｍより小さいと必要な径方向膨らみ代を確保するために巻き数をかなり増やすことになり煩雑な作業となる。一方１ｍｍより大きくなると巻く作業に力を要し折れ曲がりが発生する可能性がある。
【００２２】
制振部材１３、２３の材質としては、紙、フイルム、不織布（フェルト）状が好ましく、目付は０．５〜１．５ｇ／ｃｍ３程度が好ましい。ただし、紙のうち、いわゆるダンボールは巻き付け作業が困難となるため好ましい態様ではない。また、制振部材１３はマンドレル４２に１重以上巻かれており、好ましくは２重以上、５重以下が良い。５重巻きより多く巻くと全体重量が重くなり、曲げ１次共振周波数に影響を及ぼす可能性がある。制振部材２３はＦＲＰ筒体内部の層間に１重以上巻かれており、上記と同様、好ましくは２重以上、５重以下が良い。
【００２３】
本発明において、強化繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、セラミック繊維等が使用され、この中でも危険回転数を考慮すると炭素繊維の使用が好ましい。また、強化繊維として炭素繊維を用いる場合には、炭素繊維以外の強化繊維は、プロペラシャフトに必要なねじり強度や危険回転数を考慮すると、強化繊維の全質量あたり４０質量％以下とすることが好ましい。
【００２４】
また、ＦＲＰとするために強化繊維に含浸させる樹脂、いわゆ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、フェノール樹脂、ビニルエステル樹脂などの熱硬化性樹脂、ポリ酢酸ビニル樹脂、ポリカーボネイト樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリフェニレンオキシド樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリアラミド樹脂、ポリベンゾイミダゾール樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、酢酸セルロース樹脂などの熱可塑性樹脂が好適に用いられるが、これらの中でも、良好な作業性と成形後の優れた機械特性という点を考慮すると熱硬化性樹脂が好ましく、中でも、エポキシ樹脂が特に好ましく用いられる。
【００２５】
また、制振部材としては厚紙や熱可塑性樹脂シートが好ましい。熱可塑性樹脂シートとしてはポリ酢酸ビニル樹脂、ポリカーボネイト樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリフェニレンオキシド樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリアラミド樹脂、ポリベンゾイミダゾール樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、酢酸セルロース樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂など熱可塑樹脂が好適に用いられるが、入手しやすさ、耐熱性等を考慮するとポリエチレンテレフタレート樹脂が特に好ましい。
【００２６】
次に、本発明のプロペラシャフトを製造するに好適な方法について説明する。
【００２７】
先ず、ＦＲＰ筒体を、フィラメントワインディング（以下、ＦＷ）法やテープワインディング（以下、ＴＷ）法等により、マトリックス樹脂を含浸させた強化繊維を引きそろえ、所定の張力を付加しマンドレル４２に巻き付けて賦形する。
【００２８】
本発明においては、まずマンドレル４２の上に制振部材５１を必要な径方向膨らみ代を確保するために、複数回巻き重ねて配置する（４１）。その後、本体筒部の筒軸方向端部となるべき位置に周方向巻きを実施し、両端部間も周方向巻きを形成することで制振部材４１をマンドレル４２の上にしっかり固定させる。本体筒部は、所望の捩り強度と曲げ１次共振周波数が得られるよう算出された巻角度で螺旋巻することにより、連続で一体に賦形することができる。ＦＲＰ筒体内部に制振部材５１を配置する場合は、制振部材５１をマンドレル４２の上に直接配置せず、（ａ）周方向巻き層の直上（螺旋巻きする直前）、（ｂ）螺旋巻き層をある程度形成したところで一旦中断し、制振部材５１を複数回巻き重ねた後、螺旋巻き層の形成を再開する、のいずれでもよい（２３）。
【００２９】
マトリックス樹脂として熱硬化性樹脂を用いる場合には、賦形終了後、硬化炉に投入し、所定の硬化条件にて硬化することにより成形体を得る。その後、成形体から脱芯機などを用いてマンドレルを引き抜き、切断機などを用いて所定の長さに切断し、ＦＲＰ筒体を得る。
【実施例】
【００３０】
次に本発明のプロペラシャフトについて、実施例を用いて、より具体的に説明する。なお、本実施例において、曲げ１次共振周波数とそのピーク時の伝達関数ゲイン（音圧レベル）評価は次のようにして行った。
【００３１】
［曲げ１次共振周波数とそのピーク時の伝達関数ゲイン（音圧レベル）］
曲げ１次共振周波数とそのピーク時の伝達関数ゲインはインパルス加振試験により測定する。図６はプロペラシャフトの曲げ１次共振周波数とそのピーク時の伝達関数ゲイン（音圧レベル）を測定する様子を示す概略図である。測定すべきＦＲＰ筒体６０の中央部に加速度センサー６１を取り付ける。この状態で、入力センサー６２を内蔵したインパルスハンマー６３にて加振し、入力センサー６２と加速度センサー６１の出力を入力チャンネルモジュール６４（たとえば、（株）エー・アンド・デイ社製ＡＤ−３６５１）を介しホストコンピューター６５に取り込み、ＦＦＴ専用ソフト（たとえば、（株）エー・アンド・デイ社製  ＷＣＡＭＳＡ）にて伝達関数を求め、表示させることにより、曲げ１次共振周波数とそのピーク時の伝達関数ゲイン（音圧レベル）を得ることができる。
【００３２】
（実施例）
ＦＷ法によってＦＲＰ製筒体を成形した。すなわち、外径８０ｍｍ、長さ１，３００ｍｍのマンドレルを準備し、厚み１ｍｍ、長さ７００ｍｍの厚紙をマンドレル端から３００ｍｍの位置に３重巻きで配置し耐熱テープで固定した。その後、炭素繊維束（平均単糸径：７μｍ、単糸数：２４，０００本、引張強度４９００ＭＰａ、引張弾性率：２３０ＧＰａ）を３本引き揃え、これを、硬化剤および硬化促進剤を含むビスフェノールＡ型エポキシ樹脂をマトリックス樹脂として含浸しながら、まず、その一端部１００ｍｍの部分に軸方向に対して±８２°の角度で８層巻き付けて厚み２．５ｍｍの部分層を形成した後、他端部に軸方向に対して±８２°で巻きながら移動して同様に部分層を形成し、引き続きマンドレルの全長にわたって軸方向に対して±１２°の角度で５層巻き付けて厚み２．５ｍｍの主層を形成し、次いで、マンドレルの全長にわたって軸方向に対して−８３゜で巻き付けた。
【００３３】
次に、マンドレルを回転させながら１８０℃で６時間加熱してエポキシ樹脂を硬化させ、マンドレルを引き抜いた後、各端部５０ｍｍの部分を切断、除去して、内径が８０ｍｍ、両端部外径が９０ｍｍ、両端部から２５０ｍｍを除いた部位の外径が９１ｍｍ、両端部から２５０ｍｍを除いた部位の内面に厚み３ｍｍの厚紙が配置されている長さが１，２００ｍｍのＦＲＰ筒体を得た。
【００３４】
その後、上記ＦＲＰ筒体の各端部に、トルク伝達継手１６を圧入接合し、図１に示すようなＦＲＰ製プロペラシャフトを得た。
【００３５】
得られたプロペラシャフトについて、曲げ１次共振周波数を測定したところ２３０Ｈｚと後述する比較例よりも約１０Ｈｚ向上（約５％向上）した。また、曲げ１次次共振周波数ピーク値における伝達関数ゲイン（音圧レベル）は２０ｄＢとなり比較例よりも約１５ｄＢ低下（約４０％低下）した。
【００３６】
このプロペラシャフトについて、高速回転仕様のスポーツカーに搭載したところ、危険回転数を高めることができ、また、高速回転領域での振動が軽減できた。
【００３７】
（比較例）
厚紙をマンドレル上に巻き付けてＦＲＰ筒体内空間を径方向に膨らませること以外は実施例と同様にして、外径が８５ｍｍ、内径が８０ｍｍ、長さが１，２００ｍｍのＦＲＰ筒体を得た。得られたＦＲＰ筒体の各端部に、トルク伝達継手３３を圧入接合し、図３に示すようなＦＲＰ製プロペラシャフトを得た。
【００３８】
得られたプロペラシャフトについて、曲げ１次共振周波数を測定したところ２２０Ｈｚであった。また、曲げ１次次共振周波数ピーク値における伝達関数ゲイン（音圧レベル）は３５ｄＢであった。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明に係るプロペラシャフトは、あらゆるプロペラシャフトに適用でき、特に車両用プロペラシャフトに適用して好適なものである。
【符号の説明】
【００４０】
１１、２１、３１：本体筒部
１２、２２      ：拡径範囲
１４、２４      ：拡径部
１５、２５、３２：周方向巻層
１６、２６、３３：トルク伝達継手
１３、２３、４１、５１：制振部材
４２      ：マンドレル
６０      ：ＦＲＰ筒体
６１      ：加速度センサー
６２      ：入力センサー
６３      ：インパルスハンマー
６４      ：入力チャンネルモジュール
６５      ：ホストコンピューター  
【図１】
2013228094.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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