(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＦＲＰ製本体筒を有するプロペラシャフトにおいて、前記本体筒は、強化繊維が軸方向に対し−８０°〜−９０°または＋８０°〜＋９０°の方向に巻かれた単一層からなる内層フープ巻層と、強化繊維が軸方向に対し＋８０°〜＋９０°または−８０°〜−９０°の方向に巻かれた単一層からなる外層フープ巻層と、内層フープ巻層と外層フープ巻層間に位置し、強化繊維が軸方向に対し±θ°の方向に巻かれたヘリカル巻層とを有し、かつ、使用する強化繊維が、前記ヘリカル巻層における強化繊維の巻角が±０°のときのプロペラシャフトの共振周波数をｆ0 、強化繊維の巻角を上げていったときに再びプロペラシャフトの共振周波数がｆ0 となる強化繊維の巻角を±θS °（θS ＞０）としたとき、０°〜θS °の範囲にｆ0 よりも大きい共振周波数のピークが現われる引張弾性率を有する強化繊維であることを特徴とするプロペラシャフト。
【請求項２】
前記共振周波数のピークがｆ0 よりも２％以上高い、請求項１のプロペラシャフト。
【請求項３】
前記±θ°が、前記共振周波数のピークが現われる強化繊維の巻角に対し±４°の範囲内にある、請求項１または２のプロペラシャフト。
【請求項４】
前記内層フープ巻層および外層フープ巻層の厚みの和が、前記ヘリカル巻層の厚みの２０％以下である、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】
前記強化繊維が炭素繊維である、請求項１〜４のいずれかに記載のプロペラシャフト。
【請求項６】
前記炭素繊維の引張弾性率が２９０ＧＰａ以上である、請求項５のプロペラシャフト。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車等のプロペラシャフトに関し、軽量で、かつ、高い危険回転数を得ることができるＦＲＰ製プロペラシャフトに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、省エネルギーの観点から燃費の向上を目的とした自動車の軽量化が強く望まれている。その一つの手段としてプロペラシャフトを金属製のものからＦＲＰ製（繊維強化プラスチック）製のものに代替させることが検討されている。その際、使用する強化繊維にも種々あり、例えば、炭素繊維、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）が有力とされている。
【０００３】
このＣＦＲＰ製チューブを用いたプロペラシャフトの検討においては、危険回転数を高く設計するために、共振周波数を高くすることが課題となっている。従来は、危険回転数を高くするためには、ＣＦＲＰ製チューブの軸方向の弾性率を高く設計するのが普通であった。
【０００４】
しかし、フィラメントワインディングで成形する場合には、０°に近い、小さな角度に強化繊維を巻き付けることは、マンドレル両端での繊維の掛かりにおいて難度が高く、成形速度も上げられないことから、成形性を阻害する大きな問題があった。
【０００５】
また、積層板理論を仔細に検討すると、０°層に９０°層を加えることで０°方向の弾性率に向上が見られることを推定することはできるが、実際に計算してみても、その増加量は極僅かで実用的でなく、そのためＦＲＰ製プロペラシャフトの設計においては、積層板理論が省みられることはなかった。
【０００６】
一方、ＦＲＰ製プロペラシャフトを構成するＦＲＰは異方性材料であるが、異方性材料特性を考慮した軸系の危険回転数は、チューブの剪断変形を含めて考慮することができる。金属などの等方性材料では、この剪断変形分の効果は無視できる程小さいが、従来、ＦＲＰ製プロペラシャフトの設計においても、等方性材料の危険回転数の計算式を使った設計が主流であった。つまり、ＦＲＰが異方性材料であるにもかかわらず、ＦＲＰ製プロペラシャフトの設計においては、異方性材料における剪断変形に伴う弾性率の変化等を考慮した設計が行われていなかった。したがって、従来のＦＲＰ製プロペラシャフトの設計は、危険回転数を向上する上で、必ずしも最適設計が行われているとは言い難く、現実に、望ましい高い危険回転数が実現されていなかった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、本発明者らの検討の結果、異方性材料特性を考慮した軸系の危険回転数に、先の積層板理論を組み合わせると、積層板理論では極僅かな弾性率の増加であっても、プロペラシャフトのような危険回転数を設計要件とする用途では、実用的な効果を得ることができることがわかった。
【０００８】
そこで本発明の課題は、このような新しい知見に基づき従来実現困難であった、ＦＲＰ製プロペラシャフトの高い共振周波数を実現することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のプロペラシャフトは、ＦＲＰ製本体筒を有するプロペラシャフトにおいて、前記本体筒は、強化繊維が軸方向に対し−８０°〜−９０°または＋８０°〜＋９０°の方向に巻かれた単一層からなる内層フープ巻層と、強化繊維が軸方向に対し＋８０°〜＋９０°または−８０°〜−９０°の方向に巻かれた単一層からなる外層フープ巻層と、内層フープ巻層と外層フープ巻層間に位置し、強化繊維が軸方向に対し±θ°の方向に巻かれたヘリカル巻層とを有し、かつ、使用する強化繊維が、前記ヘリカル巻層における強化繊維の巻角が±０°のときのプロペラシャフトの共振周波数をｆ0 、強化繊維の巻角を上げていったときに再びプロペラシャフトの共振周波数がｆ0 となる強化繊維の巻角を±θS °（θS ＞０）としたとき、０°〜θS °の範囲にｆ0 よりも大きい共振周波数のピークが現われる引張弾性率を有する強化繊維であることを特徴とするものからなる。
【００１０】
このプロペラシャフトにおいては、上記共振周波数のピークは上記ｆ0 よりも２％以上高いことが好ましく、より好ましくは３％以上さらに好ましくは４％以上である。従来のＦＲＰ製プロペラシャフトでは後述の如く、実質的に共振周波数のピークが現れないが、本発明においてピークをｆ0 よりも２％以上高くすることにより、従来のものに対し明確に有意差をつけることができる。
【００１１】
また、上記ヘリカル巻層における強化繊維の巻角±θ°は、共振周波数のピークが現われる強化繊維の巻角に対し±４°の範囲内にあることが好ましく、より好ましくは±２°の範囲である。つまり、共振周波数のピークが現われる角度において危険回転数は最も高くなるのであるが、このピーク近傍においても高い危険回転数が得られるから、設計上は効果の現われる実用的な範囲内に納めればよいことになる。
【００１２】
また、内層フープ巻層および外層フープ巻層の厚みの和が、ヘリカル巻層の厚みの２０％以下であることが好ましい。フープ巻層が厚すぎると、シャフトの軸方向の弾性率そのものが低下してしまう。このようにフープ巻層の厚みを小さく抑えておくことにより、プロペラシャフトの小径化の要請にも応えることが可能になる。
【００１３】
本発明において使用する強化繊維としては、ガラス繊維やアラミド繊維等も可能であるが、より高い引張弾性率を有し高い危険回転数を実現できる炭素繊維がより好ましい。もちろん、炭素繊維とその他の強化繊維を組み合わせたものも使用可能である。炭素繊維の引張弾性率としては、たとえば２９０ＧＰａ以上のものが好ましく、後述の実施例から明らかなように、このような高引張弾性率の炭素繊維を使用することにより、望ましい高い危険回転数が実現される。
【００１４】
このような本発明に係るプロペラシャフトにおいては、危険回転数の設計において、ヘリカル巻層の巻き角度を０℃より大きくして、最大の共振周波数を得られるように、ヘリカル巻層の巻き角度を求める。しかも、内外のフープ巻層は、各々単一層に形成されているから、フープ巻層の層厚を薄く抑えられ、フープ巻層内の剥離などの問題を回避できる。その結果、本体筒の厚みの増加が抑えられ、プロペラシャフトを小径に構成できる。また、この両フープ巻層は軸方向に対し−８０°〜−９０°あるいは＋８０°〜＋９０°で巻かれるものであるから、フィラメントワインディングによる成形性を阻害することもない。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施態様に係るプロペラシャフト１を示している。プロペラシャフト１は、ＦＲＰ製、とくにＣＦＲＰ製の本体筒２と、その両端に結合された金属製の継手３からなる。本体筒２は、単一層からなる内層フープ巻層４と、単一層からなる外層フープ巻層５と、両フープ巻層４、５巻に位置するヘリカル巻層６を有している。
【００１６】
内層フープ巻層４および外層フープ巻層５は、いずれか一方が、強化繊維が軸方向に対し−８０°〜−９０°または＋８０°〜＋９０°の方向に巻かれた単一層からなり、他方が、強化繊維が軸方向に対し＋８０°〜＋９０°または−８０°〜−９０°の方向に巻かれた単一層からなる。
【００１７】
ヘリカル巻層６は、強化繊維が軸方向に対し±θ°の方向に巻かれた、単層あるいは、±θ°層を複数層有する積層構成の層からなる。
【００１８】
使用される強化繊維は、とくにヘリカル巻層６に使用される強化繊維は、とくに次のような特性を満たすように設定される。すなわち図２に示すように、ヘリカル巻層６における強化繊維の巻角±θ°が±０°のときのプロペラシャフト１の共振周波数ｆをｆ0 とし、強化繊維の巻角θを上げていったときに再びプロペラシャフトの共振周波数がｆ0 となる強化繊維の巻角θを±θS °（θS ＞０）としたとき、０°〜θS °の範囲にｆ0 よりも大きい共振周波数のピークｆp が現われる引張弾性率を有する強化繊維とされる。
【００１９】
従来の単なる強化繊維の巻層の積層構成では、図２に示すように、上記のような共振周波数のピークｆp は現われず、図２のグラフでは実質的に単調な右下りの特性となる。しかし本発明では、
（１）上記の如く、特定のヘリカル巻層６および内外の単一層からなるフープ巻層４、５の構成としたこと、および、
（２）特定の引張弾性率を有する強化繊維を使用すること、
により、図２に示したような共振周波数のピークｆp が現われるようになる。
【００２０】
共振周波数のピーク値ｆp は、ｆ0 に対し最大増加量Δｆmax を有するが、このΔｆmax をｆ0 よりも２％以上高くすることによって、従来のものに対し明確な有意差をもたせることができる。
【００２１】
また、ヘリカル巻層６の巻角が０°〜θS °の範囲において共振周波数ｆの増加が得られ、この範囲内において本発明による効果が得られるが、より共振周波数を高くしたり危険回転数を高く設定するためには、ヘリカル巻層６の巻角θは上記最大増加量Δｆmax となる角度θp 、つまり共振周波数のピークｆp を達成する角度ｆp 近傍にあることが好ましい。実用上明確に効果のある範囲として、たとえば、θp に対し±４°の範囲内、好ましくは±２°の範囲内に設定することが好ましい。この範囲は、寸法ばらつきや寸法誤差を考慮しても、実用上十分に設定可能な範囲である。
【００２２】
上記のように構成することにより、図２に示したような高い共振周波数が得られ、それに対応する高い危険回転数が実現できる。
【００２３】
【実施例】
以下に、本発明を実施例、比較例に基づいて説明する。
実施例１
フィラメントワインディング成形により本発明に係るＣＦＲＰ製プロペラシャフト（本体筒）を成形した。炭素繊維（東レ（株）製、 "トレカ”Ｍ３０Ｓ、引張弾性率２９４ＧＰａ）を引き揃え、エポキシ樹脂を含浸させながら直径６５．５ｍｍのマンドレルに、
▲１▼第１層（内層フープ巻層）は、マンドレルの軸方向に対して＋８３°の角度の斜行層を、層厚さ０．１５ｍｍに調整しながら巻き付け、
▲２▼第２から５層までの４層（ヘリカル巻層）は、±１０°の往復層を４層、層厚さが４層で２ｍｍになるように調整しながら巻き付け、
▲３▼第６層（外層フープ巻層）に−８３°の角度の斜行層を、層厚さ０．１５ｍｍに調整しながら巻き付け、この炭素繊維に巻き付けたマンドレルを加熱し、エポキシ樹脂を硬化させたのち、マンドレルを引き抜いて、内径６５．５ｍｍ、外径７０．１ｍｍのＣＦＲＰ製チューブを得た。このＣＦＲＰ製チューブを長さ１１００ｍｍに切断し、両端に金属製継手を接合し、プロペラシャフトとした。このプロペラシャフトの危険回転数（共振周波数）を測定すると、２００Ｈｚであった。
【００２４】
実施例２
フィラメントワインディング成形により本発明に係るＣＦＲＰ製（本体筒）を成形した。炭素繊維（東レ（株）製 "トレカ”Ｍ４６Ｊ、引張弾性率４３６ＧＰａ）を引き揃え、エポキシ樹脂を含浸させながら直径６５．５ｍｍのマンドレルに、
▲１▼第１層は、マンドレルの軸方向に対して＋８３°の角度に斜行層を、層厚さ０．１５ｍｍに調整しながら巻き付け、
▲２▼第２から第５までの４層は、±１２°の往復層を４層、層厚さが４層で２ｍｍになるように調整しながら巻き付け、
▲３▼第６層に−８３°の角度の斜行層を、層厚さ０．１５ｍｍに調整しながら巻き付け、この炭素繊維を巻き付けたマンドレルを加熱し、エポキシ樹脂を硬化させたのち、マンドレルを引き抜いて、内径６５．５ｍｍ、外径７０．１ｍｍのＣＦＲＰ製チューブを得た。このＣＦＲＰ製チューブを長さ１１００ｍｍに切断し、両端に金属製継手を接合し、プロペラシャフトとした。このプロペラシャフトの危険回転数を測定すると、２４０Ｈｚであった。
【００２５】
比較例１
第２層から第５層までの往復層の角度を±３°にした他は、実施例１と同様にして、ＣＦＲＰ製プロペラシャフトを得た。このプロペラシャフトの危険回転数を測定すると、１９５Ｈｚであった。
【００２６】
比較例２
第２層から第５層までの往復層の角度を±３°にした他は、実施例２と同様にして、ＣＦＲＰ製プロペラシャフトを得た。このプロペラシャフトの危険回転数を測定すると、２２０Ｈｚであった。
【００２７】
比較例３
炭素繊維を東レ（株）製 "トレカ”Ｔ７００Ｓ（引張弾性率２３０ＧＰａ）とする他は、実施例１と同様にして、ＣＦＲＰ製プロペラシャフトを得た。このプロペラシャフトの危険回転数を測定すると、１７５Ｈｚであった。
【００２８】
比較例４
第２層から第５層までの往復層の角度を±３°にした他は、実施例３と同様にして、ＣＦＲＰ製プロペラシャフトを得た。このプロペラシャフトの危険回転数を測定すると、１７５Ｈｚであった。
【００２９】
【表１】
0004228330.tif 000002
【００３０】
表１から分かるように、実施例１では比較例１に比べ危険回転数の大幅な危険回転数の増加が見られ、実施例２では比較例２に比べ大幅な危険回転数の増加が見られた。また、引張弾性率の低い炭素繊維を用いると、比較例３、４から分かるように、図２に示したような共振周波数のピークが現われず、ヘリカル巻層の巻角を変えても実質的に危険回転数の向上は得られなかった。つまり本発明では、特定の巻層構成に加え、強化繊維として最適な引張弾性率を有するものを使用することが肝要である。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のプロペラシャフトによれば、内外の単一層からなる特定巻角のフープ巻層と中間のヘリカル巻層との積層構成とし、かつ、共振周波数のピークが現われるように強化繊維を設定してヘリカル巻層の巻角をそのピーク近傍に設定することにより、従来にない高いＦＲＰ製プロペラシャフトの危険回転数を実現することができる。
【００３２】
また、内外のフープ巻層を単一層とすることにより、フープ巻層の層厚を薄く抑えられ、フープ巻層内の剥離などの問題を回避できる。その結果、本体筒の厚みの増加が抑えられ、プロペラシャフトの小径化も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施態様に係るプロペラシャフトの部分断面図である。
【図２】本発明の技術思想を説明するための特性図である。
【符号の説明】
１  プロペラシャフト
２  本体筒
３  継手
４  内層フープ巻層
５  外層フープ巻層
６  ヘリカル巻層
【図１】
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【図２】
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