JP2001032819A

JP2001032819A - 動力伝達シャフト及びプロペラシャフト

Info

Publication number: JP2001032819A
Application number: JP11178520A
Authority: JP
Inventors: Tatsuo Nakajima; 達雄中島
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 1998-06-26
Filing date: 1999-06-24
Publication date: 2001-02-06

Abstract

(57)【要約】【課題】自動車用プロペラシャフトなどの動力伝達シ
ャフトを繊維強化樹脂（ＦＲＰ）製として軽量化、低コ
スト化を実現するべく、信頼性に優れた接合強度をもっ
て金属製の継手要素等と接合できるようにする。【解決手段】膜、フィルム、箔または薄板を多層に巻
回して構成された筒状の動力伝達シャフトであって、長
手方向の中央部７をＦＲＰ層のみで構成し、中央部７と
端部９の間の移行部８をＦＲＰ層と金属層との複合層で
構成し、端部９を金属層のみで構成する。端部９、また
は、端部９と移行部８で、継手要素等の金属部品との溶
接、ピン止め、圧入、摩擦圧接等による接合を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は動力を伝達するため
の回転軸に関し、より詳しくは、自動車の動力伝達軸と
して使用されるプロペラシャフトやドライブシャフトに
代表されるような動力伝達シャフトに関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車の動力伝達軸として使用されるプ
ロペラシャフトは、変連機から減速歯車装置に動力を伝
達する推進軸であり、両端部にて等速ジョイント（継
手）を介して連結され、変速機と減速歯車装置の相対位
置の変化による長さと角度の変化に対応できる構造を有
する。

【０００３】プロペラシャフトを構成するジョイントお
よびそのジョイント間の中間軸には、従来、鋼製のもの
を使用するのが一般的であった。また、曲げ剛性の観点
から、長軸になると三分割や四分割などの分割構造と
し、その中間部をセンターベアリングサポートで支える
構造となっている。それゆえ、重量およびコスト等の面
から改善が要求されている。

【０００４】そこで、近時、図１０に例示するように、
曲げ剛性の強い繊維強化プラスチック（以下、ＦＲＰと
称する）製の中空シャフトを使用することが提案されて
いる（特開平３−２４９４２９号公報参照）。これによ
り、鋼からＦＲＰに材料を変えることで軽量化が図れる
ばかりでなく、長軸化が図れ、分割が不要になり、中間
部のサポート軸受が不用になるという点でも軽量化と低
コストが図れるようになる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ＦＲＰ製の
中間シャフトを軸端部の金属部品と接合しようとする
と、接合部の強度を確保してトルク伝達を実現するため
に軸端部の断面形状を多角形にしたり、また、中空シャ
フトの軸端部が重合する部分での接合面をローレット加
工等によって粗面化したり、ＦＲＰ製の中空シャフトを
かしめたり、さらに中空シャフトの軸芯部へ金属部品を
圧入したりすることで接合していた。また、ＦＲＰ製中
空シャフト軸端部と金属部品の接触界面に接着剤を介在
させて接合したり、粗面化、かしめ、圧入などの加工と
接着剤を併用したりして接合部の強度保持の様々な工夫
がなされていた。

【０００６】しかしながら、これらの方法では軸端部の
加工方法が困難になったり、接合部の強度を確保するた
めに外径を太くしないといけなかったり、また、軸方向
の抜け止め対策も信頼性確保のために別に施さないとい
けないなどの成形上の問題があった。また、ＦＲＰ製の
中空シャフトをかしめたり、中空シャフトの軸芯部に金
属部品を圧入したりする方法では、ＦＲＰ部のクリープ
や応力緩和によって圧入時緊縛力の低下があるために、
周方向にすべりを生じたり、軸方向に抜け出したりする
ことがあり、製品機能上で長期の信頼性に欠けるなどの
重大な短所があった。

【０００７】接合部をみたとき、ＦＲＰと金属部品の接
触面積だけで、圧入時に生じる緊縛力を抗力にする摩擦
力や、接触界面に介在する接着剤による化学的および物
理的接着によってトルク伝達が行われている。この場
合、衝撃的に生ずる過大トルクに対応しようとすると、
圧入量を深くして接触界面の面積をなるべく大きくした
り、ＦＲＰの圧入による弾性変形量を大きくしたりする
が、製造加工時ＦＲＰ部にクラックを生じたり、使用時
のクリープや応力緩和が避けられないため、接合上の問
題が生じていた。

【０００８】一方、動力伝達軸であるプロペラシャフト
の中間シャフトに、軽量化、低燃費化、および低コスト
化、振動・騒音特性の向上を図るためにＦＲＰ製の中空
シャフトを使用した場合、自動車内でのスペース上の制
約から中空シャフトの外径を細くしなければならないと
いった問題点も解決しなければならない。

【０００９】本発明の目的は、叙上の改善要求にこたえ
るべく、ＦＲＰ中空シャフトの軸端部における金属部品
との溶接、ピン止め、圧入等の接合が可能で、正常な荷
重状態で適正なトルク伝達を実現したうえ衝撃的に生ず
る過大なトルクに対しても十分な接合強度を確保し、ま
た、長期の使用においてもその接合部の信頼性を保持す
る動力伝達シャフトを提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の技術的手段として、本発明は、長手方向の中央部をＦ
ＲＰを巻回させてパイプ状に成形したＦＲＰ積層構造体
で構成し、軸端部を金属膜（フィルム）、箔または薄板
を巻回させた金属積層構造体で構成し、中央部と軸端部
の間の移行部をＦＲＰ積層構造と金属積層構造の混在す
る複合積層構造体で構成したものである。軸端部、また
は、軸端部と移行部とで、ジョイント等との接合に必要
な強度を確保し、かつ、長期に保持し得る接合を行うこ
とができる。

【００１１】つまり、軸端部近傍では、中央部側から軸
端に向けて順次、ＦＲＰのみの積層構造からＦＲＰと金
属フィルムの混在した積層構造、さらに金属フィルムの
みの積層構造となっている。ここで、ＦＲＰと金属フィ
ルムの混在した移行部では、金属フィルムはＦＲＰフィ
ルムの間にサンドイッチされて接着される構造になって
おり、さらにその層構造が多重に積層されることで接合
面積が格段に大きくなっている。したがって、当該動力
伝達シャフトに負荷される力の周方向および軸方向いず
れの成分においても、たとえ大きなせん断応力が生じて
も十分な耐久強度を持って力を伝えることができる。

【００１２】また、軸端部において接合に関わる部位が
ＦＲＰ単体でないため、金属積層部と金属部品との溶接
または摩擦圧接のような信頼性のある完全な接合法を可
能にする。たとえＦＲＰと金属フィルムの混在した移行
部においてもＦＲＰがプラスチック材料をマトリクスに
使用するにもかかわらず金属フィルムとの積層接着によ
り、クリープ特性や応力緩和特性が格段に改善されるた
め、圧入などの接合方法を用いても周方向のすべりや軸
方向の抜け出しの不具合は全く生じず、接合部の信頼性
を長期にわたって確保することができる。

【００１３】さらに、積層を構成するＦＲＰの繊維配向
角を、中空シャフトの軸方向に対して０゜、９０゜およ
び±４５゜のプライの組み合わせとすることにより、曲
げ剛性やねじり剛性の調整および径方向の変形（座屈）
を抑制できる。このとき、各々のプライ数についても、
当該動力伝達シャフト（たとえばプロペラシャフト）に
作用する回転数やトルクに応じ、適宜組み合わせて積層
構造体を構成することもできる。

【００１４】積層を構成する繊維は、当該動力伝達シャ
フト（たとえばプロペラシャフト）の危険回転数を高め
るために、密度が小さく弾性率の高い材料が望ましい。
このような繊維として、ＰＡＮ系およびピッチ系炭素繊
維、炭化けい素繊維、アルミナ繊維、ボロン繊維、ガラ
ス繊維、パラ系アラミド（ケブラー）繊維、金属（スチ
ール、アルミ合金、チタン合金、銅、タングステン）繊
維等が挙げられる。

【００１５】プロペラシャフト（の中間軸）に適用する
場合、繊維の引張り弾性率は、１０００ｋｇｆ／ｍｍ²
（９．８ＧＰａ）以上がよく、さらに望ましくは２００
０ｋｇｆ／ｍｍ²（１９．６ＧＰａ）以上である。１０
００ｋｇｆ／ｍｍ²（９．８ＧＰａ）未満では、ＦＲＰ
の繊維配向角をどのように構成してもプロペラシャフト
の危険回転数を高くすることができない。

【００１６】また、繊維の強度は１００ｋｇｆ／ｍｍ²
（９８０ＭＰａ）以上がよく、さらに望ましくは２００
ｋｇｆ／ｍｍ²（１９６０ＭＰａ）以上である。１００
ｋｇｆ／ｍｍ²（９８０ＭＰａ）未満では、ＦＲＰの繊
維配向角をどのように構成してもプロペラシャフトに作
用するトルクに対して強度的に不充分である。

【００１７】これらの繊維を２種以上組み合せて用いて
もよい。比強度と比弾性率の大きい繊維が軽量化の効果
が大きく、プロペラシャフトへの使用は好ましい。すな
わち、比強度ではＰＡＮ系炭素繊維が、比弾性率ではピ
ッチ系炭素繊維が好適である。コスト低減の観点から、
これらの炭素繊維どうし、若しくはこれらの炭素繊維と
ガラス繊維のハイブリットの組み合わせで用いることも
可能である。

【００１８】これらの繊維は、トウ状であってもプリプ
レグ状であってもよいが、トウ状の場合未硬化のマトリ
クス樹脂に含浸しながらフィラメントワインディング法
により薄肉太径に成形される。プリプレグ状の場合、パ
イプローリング法により薄肉太径に成形される。ＦＲＰ
の繊維配向角を中空シャフトの軸方向に対して０゜、９
０゜および±４５゜のプライの組み合わせで積層しよう
とすると、プリプレグを使用したパイプローリング法が
適しており、フィラメントワインディング法では０゜の
繊維配向角を有することは困難である。パイプローリン
グ法で使用されるプリプレグとは、繊維に熱硬化性樹脂
を含浸させた半硬化状態のシート状のもので、糸の配列
を一方向に一定に保つことができ、さらに安定して積層
加工ができ、また、任意の繊維配向角で巻き付けること
が可能である。ここで用いる繊維シートは、一方向以外
にあらかじめ直交して織り込んだ状態のクロスを用いて
もよい。

【００１９】マトリクスとして含浸する熱硬化性樹脂
は、特に制限されるものではない。一般に、熱硬化性を
示すエポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステ
ル樹脂、ビニルエステル樹脂、ウレタン樹脂、アルキッ
ド樹脂、キシレン樹脂、メラミン樹脂、シリコン樹脂、
ポリイミド樹脂等が使用できるが、強度上からエポキシ
樹脂が好適である。マトリクスにエポキシ樹脂を用いる
場合、エポキシ硬化後の耐熱性が６０℃以上のものがよ
いが、さらに望ましくは８０℃以上がよい。自動車の動
力伝達軸として使用されるプロペラシャフトの雰囲気温
度は６０℃程度になるため、エポキシ硬化後の耐熱性が
６０℃未満では破損などの重大な問題を起こすことがあ
り、マトリクスに使用できない。

【００２０】エポキシ樹脂中にゴム粒子を介在させ海島
構造を形成して耐衝撃性を付与した改質エポキシ樹脂
や、主鎖または側鎖を化学構造的に変成した変成エポキ
シ樹脂を用いることもできる。また、エポキシ樹脂中に
導電性のカーボンブラックのような充填材や金属粉を分
散させて導電性を付与したエポキシ樹脂を用いることも
できる。この樹脂を用いた場合、スポット溶接などの電
気溶接が可能になる。さらに、含浸する繊維表面をオゾ
ン酸化処理や紫外線の照射で表面活性化したり、シラン
カップリング剤またはチタンカップリング剤等で湿式処
理を行って親和性を向上させたり、反応性の高い官能基
サイトを繊維表面に形成し、熱硬化性マトリクス樹脂と
の硬化後化学結合を有する強固な接着を付与すること
で、マトリクスと繊維間の界面強度を向上させることも
できる。

【００２１】パイプローリング法を用いて積層構造を形
成する場合、軸端部に使用する金属膜（フィルム）、箔
または薄板の種類は、パイプなどに巻き付けることがで
き、穴あけ加工等の機械加工または溶接加工または摩擦
圧接加工できる金属であれば特に制限されないが、好ま
しいものとしては、鉄、アルミ、銅、チタン、タングス
テンなどが挙げられる。これらのいずれの金属の合金で
もよい。また、軸端部に使用する金属膜（フィルム）、
箔または薄板の表面を、オゾン酸化処理や紫外線の照射
で表面活性化したり、シランカップリング剤またはチタ
ンカップリング剤等で湿式処理を行って親和性を向上さ
せたり、反応性の高い官能基サイトを金属表面に形成
し、熱硬化性マトリクス樹脂との硬化後化学結合を有す
る強固な接着を付与することで、マトリクスと金属表面
間の界面強度を向上させることもできる。軸端部に使用
する金属膜（フィルム）、箔または薄板の表面に、前述
の表面処理と併用して、または単独に、表面粗化処理を
行ってもよい。ここでの表面粗化処理とは、サンドラス
ト処理、シボ、プレス、圧延加工等の物理的粗化処理
や、硝酸や塩酸などの化学薬品による化学腐食法を用い
た表面粗化処理等が挙げられる。

【００２２】パイプローリング法を用いて金属膜（フィ
ルム）、箔または薄板で軸端部に積層構造を形成する場
合、金属膜（フィルム）、箔または薄板どうしの隙間に
接着剤を用いて接着させてもよい。ここで用いる接着剤
には一般的に工業的に使用されるものはすべて使用する
ことができるが、フィルム状のホットメルトタイプ熱接
着テープが巻き付け加工性や加硬化後の膜厚管理などの
面で好適である。このタイプの熱接着テープには、エポ
キシ系、ニトリル・フェノール系もしくはナイロン系の
ものがあるが、特に制限されるものではない。また、溶
液タイプの接着剤としては、エポキシ系接着剤にアルミ
粉もしくは酸化鉄粉を含有し、スポット溶接に代表され
る抵抗溶接を可能にした構造用接着剤が好適である。こ
のときのエポキシ系接着剤の粘度は、５０〜１００００
ポアズ（５〜１０００Ｐａ・ｓ）が好ましい。５０ポア
ズ（５Ｐａ・ｓ）以下では、金属フィルムをマンドレル
に巻き付ける時に流れてしまう場合があり、１００００
ポアズ（１０００Ｐａ・ｓ）以上では金属フィルム上に
均一に塗りにくい等の加工上の不具合があった。

【００２３】フイルム状の熱接着テープを用いる場合、
テープ表面に穴あけ加工を施し、金属膜（フィルム）、
箔または薄板に重ねて巻き付け、テープ開孔部おいて金
属膜（フィルム）、箔または薄板どうしが、直接接触す
るようにして通電経路を確保し、スポット溶接に代表さ
れる抵抗溶接によるナゲット形成を行いながら、溶接熱
での接着硬化を利用して接合してもよい。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、パイプローリング法を用い
て、両端部に、中央部側から軸端に向けて順次、イ）Ｆ
ＲＰのみの積層構造領域、ロ）ＦＲＰと金属フィルムが
交互に積層された構造を含む領域、ハ）金属フィルムの
みもしくは金属フィルムが接着剤で拘束された積層構造
領域、を備えた積層構造体（ＦＲＰ中空シャフト）を形
成する方法を説明する。

【００２５】図２（Ａ）に示すように、パイプローリン
グ法を用いて得られたＦＲＰ中空シャフトの寸法を内径
ｄ、外径Ｄ、長さＳＬとし、使用するプリプレグの厚み
をｔ ₁およびｔ₃、金属フィルムの厚みをｔ₂およびｔ
₄とする。また、プリプレグの巻き付け方向の長さをＰ
Ｌとし、巻き付け後の肉厚をＴ＝（Ｄ−ｄ）／２とす
る。

【００２６】ここで、ＦＲＰ中空シャフトはプロペラシ
ャフトの中間シャフトとして使用する場合、長さＳＬは
５０ｍｍ以上１１０００ｍｍ以下がよいが、望ましくは
１００ｍｍ以上１００００ｍｍ以下がよい。長さＳＬが
５０ｍｍより短いとマンドレル（図２（Ｂ））上に後述
するＦＲＰプリプレグと金属フィルムの複合プリプレグ
シートが上手く巻き付かないなどの不具合があり、１１
０００ｍｍより長いと、たとえトラック自動車等に使用
する場合でも車への組み付け施工が困難になる。

【００２７】ＦＲＰ中空シャフトの外径Ｄは、１０ｍｍ
以上２５０ｍｍ以下がよいが、望ましくは１５ｍｍ以上
２３０ｍｍ以下、さらに望ましくは２０ｍｍ以上２００
ｍｍ以下がよい。外径Ｄが１０ｍｍ小さいと乗用車に使
用するプロペラシャフトとして伝達トルクが満足でき
ず、２５０ｍｍより大きいと自動車内で他の部品との干
渉などスペース上の問題が生じる。ＦＲＰ中空シャフト
の巻き付け後の肉厚Ｔは、０．３ｍｍ以上３０ｍｍ以下
がよいが、望ましくは０．５ｍｍ以上２５ｍｍ以下がよ
い。この肉厚Ｔが０．３より小さいと乗用車用プロペラ
シャフトとして伝達トルクが満足できず、３０ｍｍより
大きいとＦＲＰプリプレグのマトリクス熱硬化樹脂の硬
化時間が長くなり製造コストが多大になるなどの問題が
生じる。

【００２８】図５に、使用するプリプレグの基本的構造
を示す。なお、このプリプレグを用いて得られるＦＲＰ
中空シャフトは、その軸両端が、中央部側から軸端に向
けて順次、イ）ＦＲＰのみの積層構造領域、ロ）ＦＲＰ
と金属フィルムが交互に積層された構造を含む領域、
ハ）金属フィルムのみ又は金属フィルムが接着剤で拘束
された積層構造領域、を備えた構造である。

【００２９】まず、図３（Ａ）に示すように、台形形状
（ＥＦＧＨ）のＦＲＰプリプレグ（１）を台形形状（Ａ
ＥＨＤ、ＦＢＣＧ）の金属フィルム（２）（２’）で対
峙して狭み込むように配置したプリプレグシート（ＡＢ
ＣＤ）を準備する。ここで、シートの巻き付け方向長さ
（ＡＤまたはＢＣ）をＰＬとし、巾（ＡＢまたはＣＤ）
をＳＬとする。図３（Ｂ）に示すように、ＦＲＰプリプ
レグ（１）の厚みはｔ ₁、金属フィルム（２）の厚みは
ｔ₂である。

【００３０】同様に、図４（Ａ）に示すように、矩形形
状（ＯＰＱＲ）のＦＲＰプリプレグ（３）を矩形形状
（ＪＯＲＭ、ＰＫＬＱ）の金属フィルム（４）（４’）
で対峙して狭み込むように配置したプリプレグシート
（ＪＫＬＭ）を準備する。ここで、シートの巻き付け方
向長さ（ＪＭまたはＫＬ）をＰＬ’、巾（ＪＫまたはＬ
Ｍ）をＳＬとする。図４（Ｂ）に示すように、ＦＲＰプ
リプレグ（３）の厚みはｔ ₃、金属フィルム（４）の厚
みはｔ₄である。

【００３１】そして、図５（Ａ）に示すように、図３の
プリプレグシート（ＡＢＣＤ）の上に図４のプリプレグ
シート（ＪＫＬＭ）を重ねて１枚の複合プリプレグシー
トを形成する。明らかなように、プリプレグ部の厚みは
ｔ₁＋ｔ₃、金属フィルム部の厚みはｔ₂＋ｔ₄とな
る。この複合プリプレグシートを、図５（Ａ）に矢印ａ
またはｂで示す方向にマンドレル（５：図１（Ｂ））上
に巻き付ける。

【００３２】図３（Ａ）の矩形形状（ＡＢＣＤ）におい
ては、ＡＢ＝ＣＤ＝ＳＬ、ＡＤ＝ＢＣ＝ＰＬ、ＡＢ＝Ａ
Ｅ＋ＢＦ＋ＥＦ、ＣＤ＝ＤＨ＋ＣＧ＋ＧＨの関係があ
る。また、ＡＥとＤＨおよびＢＦとＣＧは次のような関
係に設定してある。１０ｍｍ＜ＡＥ≦ＤＨ、かつ、１０ｍｍ＜ＤＨ＜ＳＬ／
２１０ｍｍ＜ＢＦ≦ＣＧ、かつ、１０ｍｍ＜ＣＧ＜ＳＬ／
２また、マンドレル上への複合プリプレグシートの巻数を
ｎ、マンドレル外径（ＦＲＰ中空シャフトの内径に同
じ）をｄとすると、ＰＬ≒ｎｄπの関係にある。

【００３３】図４（Ａ）の矩形形状（ＪＫＬＭ）におい
ては、ＪＭ＝ＪＯ＋ＫＰ＋ＯＰ、ＬＭ＝ＭＲ＋ＬＱ＋Ｑ
Ｒの関係がある。また、ＪＯとＭＲ、およびＫＰとＬＱ
は次のような関係に設定してある。１０ｍｍ＜ＪＯ≒ＭＲ≦ＡＥ≪ＳＬ／２１０ｍｍ＜ＫＰ≒ＬＱ≦ＢＦ≪ＳＬ／２このとき、ＰＬ’とＰＬには、ＰＬ’≦ＰＬまたはＰ
Ｌ’≧ＰＬの関係があり、ＪＯとＯＰには、ＪＯ≦ＯＰ
またはＪＯ≧ＯＰの関係があり、ＭＲとＱＲには、ＭＲ
≦ＱＲまたはＭＲ≧ＯＰの関係がある。

【００３４】図３の矩形形状ＡＢＣＤと図４の矩形形状
ＪＫＬＭを重ねて得られた複合プリプレグ（図５
（Ａ））において、台形形状ＡＥＨＤと矩形形状ＪＯＲ
Ｍの金属フィルムが重ねて巻き付けられることで、ま
た、台形形状ＦＢＣＧと矩形形状ＰＫＬＱの金属フィル
ムが重ねて巻き付けられることで、金属フィルムのみの
巻き付け領域（９：図１）がＦＲＰ中空シャフトの両端
部に形成されるが、この領域の長さは、１０ｍｍ以上、
かつ、ＳＬ／２未満が望ましい。この領域の長さが１０
ｍｍ未満では、圧入による接合や穴あけ加工等の機械加
工または溶接加工若しくは摩擦圧接加工を用いた接合方
法を採用しても長期的に信頼性のある接合法にならない
場合がある。また、ＳＬ／２以上では、ＦＲＰ中空シャ
フトの１／２以上が金属部となり軽量化の効果が損なわ
れる場合がある。

【００３５】使用する台形形状ＡＥＨＤ、ＦＢＣＧの金
属フィルム（２）（２’）の厚みｔ ₂と、矩形形状ＪＯ
ＲＭ、ＰＫＬＱの金属フィルム（４）（４’）の厚みｔ
₄は、同じであっても異なっていてもよいが、これらの
厚みｔ₂またはｔ₄は１μｍ以上３００μｍ以下がよ
く、望ましくは１０μｍ以上２５０μｍ以下、さらには
１５μｍ以上２００μｍ以下に設定するのが望ましい。
金属フイルムの厚みが１μｍ未満ではマンドレルに巻き
付ける際にしわが生じやすく、３００μｍより厚いと巻
けない場合がある。

【００３６】また、使用する台形形状ＥＦＧＨのＦＲＰ
のプリプレグ（１）の厚みｔ₁と矩形形状ＯＰＱＲのＦ
ＲＰプリプレグ（３）の厚みｔ₃は、同じであっても異
なっていてもよいが、これらの厚みｔ₁またはｔ₃は、
５μｍ以上３００μｍ以下がよく、望ましくは１０μｍ
以上２８０μｍ以下、さらに望ましくは１５μｍ以上２
５０μｍ以下がよい。ＦＲＰプリプレグの厚みが５μｍ
未満ではマンドレルに巻き付ける際にしわや破れが生じ
やすく、３００μｍより厚いと複合プリプレグを構成し
たとき厚くなりすぎて巻きにくい。

【００３７】この複合プリプレグシートは、マンドレル
巻き付け時の段差を緩和するため、図５（Ｂ）に示すよ
うに図３のシートと図４のシートをずらせて重ねたり、
図３のシートと図４のシートの巻き付け方向の長さが異
なるように（ＰＬ≠ＰＬ’）形成しておき、巻き取り開
始部でずらして重ねあわせて造ってもよい。

【００３８】図５に矢印ａで示す方向から巻き付けた場
合、図１（Ａ）のような断面を有するＦＲＰプリプレグ
と金属フィルムの積層構造体が得られ、図５に矢印ｂで
示す方向から巻き付けた場合、図１（Ｂ）のような断面
を有するＦＲＰプリプレグと金属フィルムの積層構造体
が得られる。

【００３９】次いで、この積層構造体の外径表面に熱収
縮フィルムでテーピングしたり、または真空バックを用
いて積層構造体を負圧状態にする。これは、プリプレグ
の硬化前の巻戻し防止の仮止めや、硬化過程での積層構
造体中のガス層またはボイド（空孔）形成防止のためで
ある。硬化後の積層構造体中にガス層またはボイドを内
包すると、プロペラシャフトの中間軸に用いた場合、そ
の使用期間においてガス層またはボイドがトルク負荷時
の損傷起点になり、著しく耐久強度を低下させることが
ある。

【００４０】このようにして形成された積層構造体をＦ
ＲＰプリプレグのマトリクス熱硬化樹脂の硬化条件（た
とえば熱処理）で処理し、その後マンドレルを引き抜く
ことで、軸両端部に中央部側から軸端に向けて順次、
イ）ＦＲＰのみの積層構造領域、ロ）ＦＲＰと金属フィ
ルムが交互に積層された構造を含む領域、ハ）金属フィ
ルムのみ又は金属フィルムが接着剤で拘束された積層構
造領域、を備えた所期の積層構造体すなわちＦＲＰシャ
フトが硬化形成される。

【００４１】ここで、金属フィルムが接着剤で拘束され
た積層構造を形成するためには、例えば図４の金属フィ
ルム（４）（４’）の上面に接着剤を塗布するか、ある
いは接着フィルムを重ねて巻回すればよい。

【００４２】図１の移行部（８）の領域における積層構
造中では、ＦＲＰプリプレグのマトリクス熱硬化樹脂が
金属フィルムの上下にサンドイッチした構成で硬化接着
しているため、大きな接着面積を得ることができる。

【００４３】また、イ）ＦＲＰのみの積層構造領域（中
央部（７））、ロ）ＦＲＰと金属フィルムが交互に積層
された構造を含む領域（移行部（８））、ハ）金属フィ
ルムが接着剤で拘束された積層構造領域（端部（９））
では、各々の領域で剛性が異なり、剛性の大きさ順に、
ハ）＞ロ）＞イ）となる。このため、例えば大きなねじ
りトルクが作用したときの応力集中部位は、中空シャフ
ト軸方向断面（図１）中の、ロ）ＦＲＰと金属フィルム
が交互に積層された構造を含む領域（移行部（８））に
なる。つまり、図１中の（ＤＨ−ＡＥ）または（ＣＧ−
ＢＦ）の、金属フィルム先端が形成する包絡面またはそ
の近傍に応力が集中する。この応力集中領域を広げて最
大応力値を緩和しようとするなら、ＡＥとＤＨまたはＢ
ＦとＣＧの寸法差を大きくするか、巻数を増やしてＦＲ
Ｐシャフトの肉厚を厚くすればよい。これらの寸法差や
肉厚寸法は、プロペラシャフトに負荷されるねじりトル
クの大きさにより設計される。

【００４４】クリープ特性や応力緩和特性（これらは望
小特性である。）においてもハ）およびロ）の領域が優
れており、例えばプロペラシャフトの中間シャフトにこ
の積層構造体を用いた場合の軸端部の接合において、
ハ）およびロ）の領域で圧入等の接合方法を用いても長
期の信頼性を得ることができる。この点、イ）の領域に
おいては、ハ）およびロ）の領域に比べ、クリープや応
力緩和の特性で劣っており、この領域で圧入等の接合方
法を行った場合、製品の実用的な長期の信頼性を得るこ
とができず、たとえば接着剤との併用のような対策が必
要になる。特にハ）の領域において、金属フィルムのみ
の積層構造領域の場合、溶接加工や摩擦圧接加工のよう
な金属部品の接合において信頼性の点で十分に実績のあ
る接合方法を採用することができる。

【００４５】さらに、金属フィルムが接着剤で拘束され
た積層構造領域においては、導電性のカーボンブラック
のような充填材や、アルミ粉や酸化鉄粉のような金属粉
を分散させて導電性を付与した構造用エポキシ樹脂を接
着剤に用いて、スポット溶接に代表される抵抗溶接を接
合法に採用できる。また、このとき、フィルム状の熱接
着テープを接着剤に用いる場合、テープ表面に穴あけ加
工を施して金属フィルムに重ねて巻き付け、金属フィル
ムどうしがテープ穴あけ部において直接接触するように
して通電経路を確保し、スポット溶接に代表される抵抗
溶接によるナゲット形成によって、接合してもよい。

【００４６】また、例えばＮプライの積層構造を有する
ＦＲＰシャフトにおいて、中空シャフトの軸方向に対す
るＦＲＰの繊維配向角が０゜のものをｎ１プライ、９０
゜のものをｎ２プライ、±４５゜のものをｎ３プライ巻
き付けようとした場合（Ｎ＝ｎ１＋ｎ２＋ｎ３）、図３
の符号１または図４の符号３の領域で、巻き付け対応部
位におのおのｎ１、ｎ２、ｎ３に相当する長さ（図６の
ＰＬ₁，ＰＬ₂，ＰＬ ₃参照）の、中空シャフトの軸方
向に対し０゜、９０゜、±４５゜の繊維配向角を有する
ＦＲＰプレプリグ（図６の１０，１１，１２参照）をあ
らかじめ配置してマンドレル（５）上に巻き付ければ、
目的とする積層構造を有するＦＲＰシャフトを得ること
ができる。

【００４７】また、コスト低減の観点から、図３の符号
１または図４の符号３の領域に配置するＦＲＰプリプレ
グを、たとえば炭素繊維プリプレグとガラス繊維プリプ
レグというように異種のプリプレグを組み合わせること
で、より安価な異種のＦＲＰが積層されたＦＲＰシャフ
トを得ることができる。

【００４８】図７（Ａ）は、本発明によるＦＲＰシャフ
トを中間シャフト（１３）として使用したプロペラシャ
フトの構成を例示するもので、中間シャフト（１３）の
両端部に継手要素（１４）を備えている。図７（Ｂ）に
示すように、中間シャフト（１３）の端部の金属層（図
１の符号９の部分）と、金属製の継手要素（１４）と
が、符号１５で示す位置で溶接することにより恒久的に
接合されている。

【００４９】別の実施の形態として、図８に、中間シャ
フト（１３）の両端部にクロスグルーブ型等速自在継手
（１６）を取り付けた自動車用プロペラシャフトを示
す。また、図９に、中間シャフト（１３）の両端部に摺
動式のダブルオフセット型等速自在継手（１７）と固定
式のバーフィールド型等速自在継手（１８）を取り付け
た自動車用プロペラシャフトを示す。いずれの場合も、
中間シャフト（１３）の端部の金属層（図１の符号９の
部分）と、金属製の継手要素（１４）すなわちここでは
スタブシャフトとが、符号１５で示す位置で溶接するこ
とにより恒久的に接合されている。

【００５０】

【実施例】以下、自動車の動力伝達軸であるプロペラシ
ャフトに適用して軽量化、低コスト化ならびに低熱費化
および振動・騒音特性の向上を図った実施例について説
明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるも
のではない。

【００５１】実施例１図２（Ａ）に示す形状のＦＲＰ中空シャフトを、図２
（Ｂ）に示す円筒状マンドレル（５）に離型剤を塗布
し、以下に説明するエポキシ樹脂マトリクスのＰＡＮ系
炭素繊維プレプレグと金属フイルムを用いた複合プリプ
レグをパイプローリング法により巻き付けて製作した。
マンドレル（５）は直径７６ｍｍ、長さ１５００ｍｍ
で、両端に長さ１５０ｍｍのチャッキング用軸（６）を
備えている。なお、この実施例のＦＲＰ中空シャフト
は、中空シャフトの軸方向に対するＦＲＰの繊維配向角
が０゜のものを６プライ、９０゜のものを６プライ、±
４５゜のものを８プライ巻き付けて構成されたものであ
る。

【００５２】図２（Ａ）、図３および図４中の各寸法は
以下のようにして設定した。中空シャフトの外径Ｄ：８０ｍｍ中空シャフトの内径ｄ：７６ｍｍ中空シャフトの肉厚Ｔ：２ｍｍ中空シャフトの長さＳＬ：１３００ｍｍプリプレグの長さＰＬ：２４００ｍｍプリプレグの長さＰＬ’：２４００ｍｍプリプレグ台形シートＥＦＧＨ（１）において、ＥＦ＝９６０ｍｍ、ＧＨ＝９００ｍｍ。プリプレグ台形または矩形シートＯＰＱＲ（３）におい
て、ＯＰ＝１０４０ｍｍ、ＱＲ＝１０４０ｍｍ。プリプレグ台形シートＥＦＧＨ（１）およびプリプレグ
台形シートＯＰＱＲ（３）に使用する炭素繊維プリプレ
グの厚みは、いずれも０．１ｍｍである。

【００５３】図３中のプリプレグ台形シートＥＦＧＨ
（１）において、辺ＥＦ側より、中空シャフトの軸方向
に対する繊維配向角が０゜のプリプレグを７２０ｍｍ、
±４５゜のプリプレグを９６０ｍｍ、９０゜のプリプレ
グを７２０ｍｍ、配置した（図６）。同様に、図４のプ
リプレグ矩形シートＯＰＱＲ（３）において、辺ＯＰ側
より、中空シャフトの軸方向に対する繊維配向角が０゜
のプリプレグを７２０ｍｍ、±４５゜のプリプレグを９
６０ｍｍ、９０゜のプリプレグを７２０ｍｍ、配置し
た。

【００５４】使用した金属フィルムの寸法は次のとおり
である。金属フィルムシートＡＥＨＤ（２）において、ＡＥ＝１７０ｍｍ、ＨＤ＝２００ｍｍ、ＡＤ＝２４００ｍｍ。金属フィルムシートＦＢＣＧ（２’）において、ＦＢ＝１７０ｍｍ、ＣＧ＝２００ｍｍ、ＢＣ＝２４００ｍｍ。金属フィルムシートＡＥＨＤ（２）および金属フィルム
シートＦＢＣＧ（２’）の厚みはいずれも０．１ｍｍで
ある。

【００５５】金属フィルムシートＪＯＲＭ（４）におい
て、ＪＯ＝１３０ｍｍ、ＲＭ＝１３０ｍｍ、ＪＭ＝２４００ｍｍ。金属フィルムシートＰＫＬＱ（４’）において、ＰＫ＝１３０ｍｍ、ＬＱ＝１３０ｍｍ、ＫＬ＝２４００ｍｍ。金属フィルムシートＪＯＲＭ（４）および金属フィルム
シートＰＫＬＱ（４’）の厚みはいずれも０．０９ｍｍ
である。なお、金属フィルムには圧延した鉄フィルムを
用いた。これらの鉄フィルムシートＪＯＲＭ（４）、Ｐ
ＫＬＱ（４’）の表面に、エポキシ系の構造接着剤ウエ
ルドボンド（商品名、サンスター技研株式会社製）を塗
布した。

【００５６】これらのプリプレグおよび金属フィルムシ
ートを図３および図４のように配置して重ね合わせ、図
５（Ａ）のような複合シートを構成した。この複合シー
トを図２（Ｂ）のマンドレル（５）に図５（Ａ）の下辺
側から巻き付け、次いで熱収縮フィルムを巻き付け、１
５０℃で２時間加熱硬化した。硬化後両端部の不要部分
を切断除去し、マンドレル（５）から脱型してＦＲＰ中
空シャフト（図２（Ａ））を得た。このＦＲＰ中空シャ
フトは、ＦＲＰの繊維配向角を中空シャフトの軸方向に
対し０°を６プライ、９０°を６プライ、±４５°を８
プライ（６＋６＋８＝２０）巻き付けて構成されたもの
となっている。

【００５７】中空シャフトの断面構成を図１に模式的に
示す。長手方向の中央部（７）はＦＲＰのみの積層構造
領域であり、内径側から外径側に向かって、繊維配向角
９０°、±４５°、０°の順で、それぞれ、厚み０．６
ｍｍ、０．６ｍｍ、０．８ｍｍとなっている。軸端より
１３ｃｍの位置から２０ｃｍの位置にかけての移行部
（８）はＦＲＰと金属フィルムが交互に積層された構造
を含む領域である。軸端より１３ｃｍにわたる端部
（９）は金属フィルムが接着剤で拘束された積層構造領
域である。

【００５８】このようにして得られた中空シャフトの両
端に金属製の継手要素を１００ｍｍの深さまで圧入し、
その後中空シャフトの端を溶接してプロペラシャフトを
製作した。静ねじり試験及びねじり疲労試験によりシャ
フトの強度および耐久性の評価をおこなった。このと
き、静ねじり強度では自動車用プロペラシャフトに負荷
されるトルクレベルから１５０ｋｇ・ｍ以上を合格と判
断し、ねじり疲労試験では１５０ｋｇ・ｍのねじりトル
クを両振りで５０万回かけ、疲労試験後の状態を観察し
た。

【００５９】得られた結果を表１および表２に記す。な
お、表１と表２は一つの表を一点鎖線部分で分割したも
のである。静ねじり強度に関しては、４００ｋｇ・ｍの
トルクでシャフト中央部が破損した。ねじり疲労強度に
関しては、１５０ｋｇ・ｍのねじりトルクを５０万回か
けても接合部およびシャフト部に異常はなかった。

【００６０】

【表１】

【００６１】

【表２】

【００６２】表３および４ならびに表５および６に、繊
維および金属フィルムの種類・厚み、接着剤の種類、金
属フィルムのサイズおよび複合プリプレグの巻数を変え
て製作したＦＲＰ中空シャフトに、金属製の継手要素と
の接合法も様々に変更したプロペラシャフト（実施例２
〜１８）を用いて、静ねじり試験及びねじり疲労試験に
よりプロペラシャフトの強度および耐久性を評価した結
果を示す。いずれも静ねじり試験およびねじり疲労試験
は、合格していた。なお、表３と表４、表５と表６も、
それぞれ、合わせて一つの表を構成する。

【００６３】

【表３】

【００６４】

【表４】

【００６５】

【表５】

【００６６】

【表６】

【００６７】比較のため、表７および表８に、ＦＲＰ積
層構造単体の中空シャフトに金属製の継手要素を圧入法
およおび溶接法による接合を用いて製作したプロペラシ
ャフト（比較例１から４）の、静ねじり試験及びねじり
疲労試験よりプロペラシャフトの強度および耐久性を評
価した結果を示す。いずれも静ねじり試験およびねじり
疲労試験は、不合格であった。特にＦＲＰ積層構造単体
の中空シャフトと金属製の継手要素との溶接法による接
合は成立できなかったために、プロぺラシャフトは製作
できなかった（比較例２および４）。

【００６８】

【表７】

【００６９】

【表８】

【００７０】なお、上記表中の注１）〜注９）は次のと
おりである。注１）ＣＦＲＰ（ＰＡＮ系）：三菱レイヨン株式会社製
パイロフィルプリプレグ注２）ＣＦＲＰ（ピッチ系）：日本石油株式会社製グラ
ノックプリプレグ注３）ＧＦＲＰ：日東紡績株式会社製ガラスファイバー
プリプレグ注４）Ｆｅフィルム：井沢金属株式会社製Ｆｅ圧延箔注５）Ａｌフィルム：井沢金属株式会社製Ａｌ圧延箔注６）エポキシ系（溶液）：サンスター技研株式会社製
ウエルボンド注７）ニトリル・フェノール系：ソニーケミカル株式会
社製熱接着テープ注８）エポキシ系（フィルム）：住友スリーエム株式会
社製スコッチ・ウエルド注９）フィルム上に２５００個／ｍ²の密度でφ１０ｍ
ｍの空孔を開けて使用した。

【００７１】

【発明の効果】本発明による動力伝達シャフトは、ＦＲ
Ｐ製中空シャフトであるため軽量でありながら、ＦＲＰ
層のみからなる中央部と、ＦＲＰ層と金属層との複合層
で構成された移行部と、金属層のみで構成された端部と
を備えているため、軸端部において金属製継手要素との
強固な接合が可能となり、長期の使用においても信頼性
の高いものとなる。したがって、両端部にて等速ジョイ
ントを介して自動車の動力伝達系に連結されるプロペラ
シャフトの軽量化、低コスト化を図るために、プロペラ
シャフト（の中間シャフト）をＦＲＰ製とする上での諸
問題が本発明によって解消する。また、本発明は、自動
車用途のみならず、船舶や各種産業機械および航空機等
の動力伝達シャフトとしても同様の効果を伴って実施を
することができるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の構想を示す動力伝達シャフトの半断面
図。

【図２】（Ａ）は動力伝達シャフトの斜視図、（Ｂ）は
マンドレルの斜視図。

【図３】（Ａ）はプリプレグシートの正面図、（Ｂ）は
底面図。

【図４】（Ａ）はプリプレグシートの正面図、（Ｂ）は
底面図。

【図５】重ね合わせたプリプレグシートの正面図。

【図６】プリプレグシートの正面図。

【図７】（Ａ）はプロペラシャフトの縦断面図、（Ｂ）
はＢ部拡大図。

【図８】（Ａ）はプロペラシャフトの縦断面図、（Ｂ）
は（Ａ）のＢ₁部分およびＢ₂部分の拡大図。

【図９】（Ａ）はプロペラシャフトの縦断面図、（Ｂ）
は（Ａ）のＢ₁部分およびＢ₂部分の拡大図。

【図１０】従来の技術を示すプロペラシャフトの縦断面
図。

【符号の説明】

１，３ＦＲＰプリプレグ２，２' ，４，４' 金属フィルム５マンドレル６チャッキング用軸７中央部（ＦＲＰ層）８移行部（複合層）９端部（金属層） 13 中間シャフト 14 金属製継手要素 15 接合部 16 クロスグルーブ型等速自在継手 17 ダブルオフセット型等速自在継手 18 バーフィールド型等速自在継手

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 3J033 AA01 AB02 BA03 BA07 BA20 4F205 AA39 AD03 AD08 AD16 AD18 AD19 AG08 AG23 AH17 AP12 HA02 HA23 HA33 HA37 HA45 HB01 HC02 HC17 HK02 HK04 HK05 HK16 HK17 HL03 HL14 HT08 HT13 HT22 HT27

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】膜、フィルム、箔または薄板を多層に巻
回して構成された筒状の動力伝達シャフトであって、長
手方向の中央部を繊維強化樹脂層のみで構成し、中央部
と端部の間の移行部を繊維強化樹脂層と金属層との複合
層で構成し、端部を金属層のみで構成したことを特徴と
する動力伝達シャフト。
【請求項２】繊維強化樹脂層がＰＡＮ系炭素繊維から
なるプリプレグよりパイプローリング法によって形成さ
れたことを特徴とする請求項１の動力伝達シャフト。
【請求項３】繊維強化樹脂層がピッチ系炭素繊維から
なるプリプレグよりパイプローリング法によって形成さ
れたことを特徴とする請求項１の動力伝達シャフト。
【請求項４】プリプレグの厚みが５μｍ以上３００μ
ｍ以下の範囲であることを特徴とする請求項２または３
の動力伝達シャフト。
【請求項５】プリプレグを構成する繊維の破断強度が
１００ｋｇｆ／ｍｍ ²（９８０ＭＰａ）以上であること
を特徴とする請求項２または３の動力伝達シャフト。
【請求項６】金属層が鉄または鉄系合金で構成されて
いることを特徴とする請求項１の動力伝達シャフト。
【請求項７】金属層がアルミまたはアルミ系合金で構
成されていることを特徴とする請求項１の動力伝達シャ
フト。
【請求項８】各金属層の厚みが１μｍ以上３００μｍ
以下の範囲であることを特徴とする請求項１の動力伝達
シャフト。
【請求項９】金属層間に接着剤を介在させたことを特
徴とする請求項１の動力伝達シャフト。
【請求項１０】全長が５０ｍｍ以上１１０００ｍｍ以
下で、外径が１０ｍｍ以上２５０ｍｍ以下である先行す
るいずれかの請求項の動力伝達シャフト。
【請求項１１】少なくとも一方の軸端側における端部
および隣接する移行部の長さが１０ｍｍ以上で、かつ、
全長の５０％未満であることを特徴とする、先行するい
ずれかの請求項の動力伝達シャフト。
【請求項１２】請求項１乃至１１のいずれかに記載の
動力伝達シャフトの少なくとも一方の軸端側に金属製継
手要素を接合して構成したことを特徴とする自動車用プ
ロペラシャフト。
【請求項１３】請求項１乃至１１のいずれかに記載の
動力伝達シャフトの両端に等速自在継手を取り付けて構
成したことを特徴とする自動車用プロペラシャフト。