JPH0133687B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、高度のこわさ、即ち剛性
（Stiffness）を持つ繊維により補強され、硬化で
きるプラスチツク材を含浸したこれ等の補強化繊
維を心棒に所定の巻付け角度で当てがい、次でこ
の全体を硬化して成るプラスチツク管の製法に関
する。又本発明は、この製法により作つたプラス
チツク管と、このようなプラスチツク管を備えた
伝動軸とに関する。

繊維補強プラスチツク管においては、高い値の
強さ及びこわさを得るのに高い含量の繊維を必要
とすることが多い。ガラス繊維強化プラスチツク
技術において、普通の方法は、ガラス繊維を所定
の張力のもとに仕上がりの繊維構造体に最終の周
辺巻付け（巻付け角約90゜）を行うことである。
この周辺巻付けにより、その下側で繊維構造体を
圧縮し、余分の積層樹脂を押出す。しかしこの方
法は、高度のこわさを持つ繊維とくに炭素繊維に
より補強するプラスチツク管を作るのには有効で
ない。なぜなら、これ等の繊維が極めて高い異方
性を持つているからである。この種の炭素繊維周
辺巻付けを、たとえば縦方向巻付け（巻付け角が
0゜に近い）又は45゜の巻付けに対して行なうなら
ば、繊維の異方性によつて、管材の製造中又はそ
の引続く作業中に、積層樹脂の硬化時又は温度の
変動時に、高度の層間応力が発生する。これ等の
応力は、管材の強度特性に非常に著しい影響を持
つている。

したがつて本発明の目的は、高度のこわさ又は
著しい異方性を持つ補強繊維の場合にさえも高い
繊維含量の得られる繊維補強プラスチツク管の製
法を提供しようとするにある。

本発明の他の目的は、とくに伝動軸又は駆動軸
として使用するための新規な炭素繊維補強プラス
チツク管を提供しようとするにある。

本発明の繊維補強プラスチツク管の製法は、補
強繊維を熱硬化性樹脂マトリツクス系に含浸し、
これを心棒にフイラメントワインデイング法に従
つて管軸線に対し最高±30゜の角度の所定の巻付
け角で交差して巻付け、そして巻き付け後樹脂マ
トリツクス系を熱により硬化させ、これによつて
作られる補強繊維―樹脂マトリツクス コンパウ
ンドが相当の異方性をもつ、繊維補強プラスチツ
クねじり管、特に伝動軸の製法において、前記樹
脂マトリツクス系を硬化させるのに先だつて、前
記補強繊維の上に、硬化された補強繊維―樹脂マ
トリツクス コンパウンドの管円周方向の弾性率
より低い繊維縦方向の弾性率をもちかつ補強繊維
―樹脂マトリツクス コンパウンドの管円周方向
の熱膨張係数より高い繊維縦方向の熱膨張係数を
もつ軽量繊維材料の周辺加圧巻付け材を巻き付
け、この際前記周辺加圧巻付け材が管軸線に対し
80゜ないし90゜の範囲の巻付け角に配向するように
しかつ下側の繊維構造体中の補強繊維が圧縮され
余分の樹脂が該構造体より押し出されるようにテ
ンシヨンを繊維に加えることを特徴とするもので
ある。

この製法において、周辺加圧巻付け材を、形成
した管状体内の補強繊維含量が50ないし70体積％
の範囲になるような張力のもとに当てがうように
するのが好ましい。また、該巻付け材は弾性率が
約3000N／mm²であると好ましい。

また、本発明の伝動軸は、炭素繊維補強プラス
チツク材から成る管と、この管の２端部に固定し
た取付物と、前記管の各端部に設けられ、前記管
と少くともほぼ同じ異方性を持つように、この管
に類似な補強繊維構造を持つ炭素繊維補強プラス
チツク材から成り、前記管の中間部に向い実質的
にゆるやかなテーパを付けた壁補強材と、これら
の壁補強材の領域に位置し、前記取付物を前記管
に固定する半径方向のボルトとを包含するもので
ある。

さらに、本発明は、繊維補強プラスチツク管が
炭素繊維を管軸線に対し所定の巻付け角で配向し
てなるとともに、前記補強炭素繊維に比べて比較
的弾性があり、高い熱膨張係数を持つ材料から成
り、前記炭素繊維のまわりに、前記管軸線に対し
±80゜ないし±90゜の範囲の角度をなして巻付けら
れた周辺巻付け体をさらに含む伝動軸に関する。

本発明によれば、硬化作業に先だつて、繊維に
比べて比較的弾性を持ち又高い熱膨張係数を持つ
材料による周辺巻付け（巻付け角約±80゜ないし
±90゜）を補強繊維に対して行う。たとえばポリ
エステル又はポリアミドから成る繊維、細片又は
布でよい巻付け材料は、管壁の繊維含量が約50な
いし70体積％になるように或る張力のもとに施す
のがよい。この巻付け材料の弾性係数は、たとえ
ば約3000N／mm²である。

補強繊維は炭素でよく、管軸線に対し最高±
30゜、なるべくは±10゜ないし±20゜の巻付け角で向
きを定めるのがよい。繊維含量は50ないし70体積
％にするのがよい。

管に又はその各端部にトルク取付物を固定して
推進軸を形成することができる。

米国特許第4041599号又は同第4089190号の各明
細書に記載されているような炭素繊維補強プラス
チツク材から成る従来の伝動軸においては、管の
製造中に取付物をプラスチツク管の各端部に接合
し又は各管端部に長い管状部分により一体化する
（巻付ける）。どちらの場合にも、トルク伝達は接
合した継手を介して行われるが、このことはとく
に高いトルクでは不適当であることが分つてい
る。さらに継手を管に、前記の注意に従つて必要
な極めて小さな巻付け角（管軸線に対し約±10゜
ないし±20゜）で巻付けることは実際上むずかし
い。これ等のすべての問題と高い繊維価格とは繊
維補強プラスチツク製推進軸が従来有利でない原
因になつている。

従つて本発明の他の目的は、トルク導入の向上
した伝動軸を提供しようとするにある。

以下本発明によるプラスチツク管伝動軸及びそ
の製法の実施例を添付図面について詳細に説明す
る。

第１図及び第２図に例示した伝動軸は、炭素繊
維により強化され、内側接合の壁補強材すなわち
スリーブ２と外側接合の壁補強材すなわちスリー
ブ３とにより各端部（第１図には一端部だけ示し
てある）を補強したプラスチツク管１により構成
してある。金属製取付物４は、内側補強スリーブ
２内に押込まれている。トルクは、金属製取付物
４から伝動軸に半径方向のボルト５により伝えら
れる。各ボルト５は、外側補強スリーブ３に接合
したスリーブ６により固定される。

本発明による繊維強化プラスチツク管は、たと
えば米国特許第2723705号、同第3068134号、同第
3202560号、同第3216876号、同第3700519号及び
同第4089190号の各明細書に記載されている巻付
け法によつて作られる。第５図、、第６図及び第
７図に示すように、硬化性プラスチツクを含浸し
た強化炭素繊維Ｆは、２個のリールから心棒Ｄに
所定の巻付け角αで巻付けられ、一方のリールか
らの繊維が他方のリールからの繊維に交さし、第
３図及び第７図に示すような巻付け模様を形成す
るようにする。一方のリールからの繊維Ｆを心棒
Ｄに角度αで巻付け、他方のリールからの繊維Ｆ
を心棒Ｄに角度―αで巻付ける場合には、一方の
組の繊維が他方の組の繊維に2αの角度で交さす
る。次いでこの全体を熱により硬化させる。

使用する強化炭素繊維は、米国ニユーヨーク州
ニユーヨーク市のパーク・アベニユー270、10017
のユニオン・カーバイド・コーポレイシヨン
（Union Carbide Corporation）によりソーネル
Ｐ形（Thornel Type Ｐ）として市販されてい
る炭素繊維すなわちピツチ繊維が好適である。

管軸線に対する繊維の傾斜すなわち巻付け角
は、所期の用途に従つて変化する。管軸線Ａに対
する巻付け角α（第３図）は、約±25゜ないし最高
±30゜であるが、最高±20゜又はそれ以下がよい。
10゜より小さい巻付け角は、縦方向における管の
弾性係数を増すけれども、又ねじりこわさが、推
進軸として使うには許容できないほど低い値まで
低下する。±11゜ないし±17゜の巻付け角は実際上
有利であり、とくに±12゜ないし±14゜の範囲の角
度が有利であることが判明した。これ等の巻付け
角により、十分に高いねじりこわさと、十分に高
い縦方向曲げこわさとが得られる。又与えられた
限度内の互に異る巻付け角度で、それぞれ向きを
定めた強化繊維から成る複数の層を設けることが
できるのは明らかである。

プラスチツク管の繊維含量は、約50ないし70体
積％なるべくは約60ないし70体積％である。この
比較的高い繊維含量を得るには、本発明によれば
管の外側に、弾性率の低い軽量材料の周辺巻付け
７（第３図）を設ける。この軽量材料は、炭素繊
維に比べて比較的弾性を持ち、又高い熱膨張係数
を持つ。この作業は、製造中にすなわち積層樹脂
がなお流動性を持つ間に実施される。たとえばポ
リエステル〔たとえばダイオレン（R.T.M.）弾
性係数約3000N／mm²）〕、又はポリアミド〔＋Ｂナ
イロン（R.T.M.）テイヤーストリツプ
（tearstrip）（インターグラス品質7849）〕は、適
当な材料（繊維、細片又は布）である。この種量
材料の熱膨張係数は、周辺方向で強化繊維―樹脂
―配合物の対応係数より高くなければならなく
て、たとえば約25〜30・10^-6／oK及びそれ以上
である。周辺巻付けは最高の張力（けん引力約
200ないし500N）で行う。しかしけん引力が、材
料を損傷するような値になつてはならないのはも
ちろんである。この周辺巻付けにより、余分な積
層樹脂を繊維体から押出すが、その熱膨張係数及
び弾性が高いので、硬化後の冷却及び管の冷却の
ときに層間応力はほとんど生じない。

低粘度の硬化性エポキシ樹脂、たとえばスイス
国バーゼル市のチバ・ガイギー・アクチエンゲゼ
ルシヤフトにより商品名アラルデイツト
（Araldit）CY209として市販されている樹脂と、
硬化剤HT972との組合わせ、又はその他の樹脂
及び硬化剤の組合わせであつて、所要の耐熱強さ
及び機械的強さを持つものを本発明管の生産用の
プラスチツク材として使う。

著しい異方性であり、さらに管軸線に対し小さ
な角度を挾むように向きを定めた強化繊維を持つ
管１は、特に縦方向及び周辺方向に非常に異なる
強さ、弾性係数値及び熱膨張係数によつて、明ら
かである著しい異方性を持つ。

多重層管構造の著しい異方性によつて、管１の
端部を間に挾み高い伝動トルクを受ける補強スリ
ーブ２，３は、管１と同じ材料又は類似の材料か
ら成り、又管１と同じ又は少くとも実質的に同じ
異方性を持つことが極めて重要である。さもなけ
れば温度の変動時に、各補強スリーブ２，３及び
管端部の間に著しい応力が生じ、極端な場合に破
壊するようになる。

又管１の補強区域は急激には終らなくて、各管
端部における管壁の厚みが、管１の壁厚まで徐徐
に薄くなることが大切である。このために補強ス
リーブ２，３は、これ等に管中心に向い円すい形
のテーパを付けるように機械加工する。補強した
管端部から管１の補強してない壁区域までのこの
ようななめらかな連続的転移により応力のピーク
を防ぐことができる。

第１図、第２図及び第４図においては、各管端
部の壁補材は、管１の外側又は内側に接着した前
もつて形成した補強スリーブにより形成される。
しかしこれ等の補強材は、若干の他の方法で作つ
てもよい。ただしこの場合巻付け法によると極め
て小さな巻付け角を使う必要があるのであまり簡
単ではない。

たとえば第５図に示すように、管を作るのに使
う心棒Ｄ上に所期の管長さに対応する間隔を隔て
て配置した前もつて形成した適当な形状の各補強
スリーブ１２を、これ等を炭素繊維Ｆで覆うこと
により、管構造に合体させることができる。

第６図に示すように、前もつて形成した補強ス
リーブ１２の代りに、心棒Ｄへの局部的巻付け２
２を使う。巻付け２２は、単方向繊維布Ｇから成
つている。布Ｇの繊維は巻付け２２内で管の繊維
と同じ位置を占めるように整合させ同じ異方性が
得られるようにしてある。

管繊維組織に壁補強材を直接合体させる（第５
図及び第６図）代りに、単方向布Ｇの巻付け２２
を第７図に示すように引続いて仕上がり管１に当
てがつてもよい。

ガラス繊維強化プラスチツク管の場合に従来普
通に行われていたような連続式管生産に対して
は、最も有利な方法は、第５図に示すように前も
つて形成したスリーブ上に巻付けることであると
考えられる。

第５図、第６図及び第７図により作つた管の場
合には各管端部は外部に向い単純に厚くしてあ
る。しかしこのことは、このようにして得られる
壁厚が使用時に加わるトルクにより生ずる応力を
吸収するのに十分であれば問題ではない。

軸線に対する巻付け角を±12゜としピツチ繊維
含量を全材料体積の70％として構成したプラスチ
ツク材製カルダン式伝動軸は、8100Npm以上の
臨界速度と、12゜の所要の最高軸ねじれ角を最高
トルク（1500Nm）で越えないようなねじりこわ
さとを持つていた。

以上本発明をその実施例について詳細に説明し
たが本発明はなおその精神を逸脱しないで種種の
変化変型を行うことができるのはもちろんであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明製法により作つた伝動軸の１実
施例の一端部の軸断面図、第２図は第１図の―
線に沿う断面図、第３図は第１図の軸を構成す
る管の巻付け構造を示す縮小斜視図、第４図は第
１図の軸の壁補強体の軸断面図、第５図、第６図
及び第７図は本製法により作るそれぞれ異る壁補
強材の製造工程図である。 １……管、２，３……スリーブ（壁補強材）、
４……断手、５……ボルト、Ｆ……繊維、Ｄ……
心棒。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ (イ) 炭素繊維補強プラスチツク材から成る管
   と、(ロ)この管の２端部に固定した取付物と、(ハ)前
   記管の各端部に設けられ、前記管と少くともほぼ
   同じ異方性を持つように、この管に類似な補強繊
   維構造を持つ炭素繊維補強プラスチツク材から成
   り、前記管の中間部に向い実質的にゆるやかなテ
   ーパを付けた壁補強材と、(ニ)これ等の壁補強材の
   領域に位置し、前記取付物を前記管に固定する半
   径方向のボルトとを包含する伝動軸。 ２ 管の各端部に固定され、半径方向ボルトを固
   定するスリーブを備えた特許請求の範囲第１項記
   載の伝動軸。 ３ 管の各端部を、この管の外側においてだけ補
   強した特許請求の範囲第２項記載の伝動軸。 ４ 管の各端部を、この管の外側とこの管の内側
   との両方において補強した特許請求の範囲第１項
   記載の伝動軸。 ５ 壁補強材を管と一体にした特許請求の範囲第
   １項記載の伝動軸。 ６ 壁補強材を、管構造に、その製造中に巻けた
   各々別に作つた管状部分により形成した特許請求
   の範囲第４項記載の伝動軸。 ７ 壁補強材を、管の製造中に当てがつた単方向
   繊維布の局部的な付加的の巻付け体により形成し
   た特許請求の範囲第１項記載の伝動軸。 ８ 付加的な巻付け体を管繊維の上側に配置した
   特許請求の範囲第７項記載の伝動軸。 ９ 管繊維の少くとも若干を、付加的巻付け体の
   上側に配置した特許請求の範囲第７項記載の伝動
   軸。 １０ 壁補強材を、管に接合した各々別に作つた
   管状部分により形成した特許請求の範囲第１項記
   載の伝動軸。 １１ (イ)管軸線に対し所定の巻付け角をなして向
   きを定めた炭素繊維により形成した管と、 (ロ)前記補強炭素繊維に比べて比較的弾性があ
   り、高い熱膨張係数を持つ材料から成り、前記炭
   素繊維のまわりに、前記管軸線に対し±80゜ない
   し±90゜の範囲の角度をなして巻付けられた周辺
   巻付け体と、(ハ)前記管の各端部に設けられ、前記
   管と少くともほぼ同じ異方性を持つように、この
   管に類似の補強繊維構造を持つ炭素繊維補強プラ
   スチツク材で形成され、前記管の中間部に向い実
   質的にゆるやかなテーパを付けた壁補強材と、(ニ)
   前記管の各端部に設けた取付物と、(ホ)前記各壁補
   強材の領域に位置し前記取付物を前記管に固定す
   る半径方向ボルトとを包含する伝動軸。 １２ 補強繊維の含量を50ないし70体積％の範囲
   にした特許請求の範囲第１１項記載の伝動軸。 １３ ほぼ全部の補強繊維を、管軸線に対し最高
   ±30゜の角度をなして向きを定めた特許請求の範
   囲第１１項記載の伝動軸。 １４ 補強繊維を、管軸線に対し±10゜ないし±
   20゜の角度をなして向きを定めた特許請求の範囲
   第１３項記載の伝動軸。 １５ 補強繊維を熱硬化性樹脂マトリツクス系に
   含浸し、これを心棒にフイラメントワインデイン
   グ法に従つて管軸線に対し最高±30゜の角度の所
   定の巻付け角で交差して巻付け、そして巻き付け
   後樹脂マトリツクス系を熱により硬化させ、これ
   によつて作られる補強繊維―樹脂マトリツクス
   コンパウンドが相当の異方性をもつ、繊維補強プ
   ラスチツクねじり管、特に伝動軸の製法におい
   て、前記樹脂マトリツクス系を硬化させるのに先
   だつて、前記補強繊維の上に、硬化された補強繊
   維―樹脂マトリツクス コンパウンドの管円周方
   向の弾性率より低い繊維縦方向の弾性率をもちか
   つ補強繊維―樹脂マトリツクス コンパウンドの
   管円周方向の熱膨張係数より高い繊維縦方向の熱
   膨張係数をもつ軽量繊維材料の周辺加圧巻付け材
   を巻付け、この際前記周辺加圧巻付け材が管軸線
   に対し80゜ないし90゜の範囲の巻付け角に配向する
   ようにしかつ下側の繊維構造体中の補強繊維が圧
   縮され余分の樹脂が該構造体より押し出されるよ
   うにテンシヨンを繊維に加えることを特徴とする
   繊維補強プラスチツク管の製法。 １６ 周辺加圧巻付け材を、形成した管状体内の
   補強繊維含量が50ないし70体積％の範囲になるよ
   うな張力のもとに当てがうようにする特許請求の
   範囲第１５項記載の繊維補強プラスチツク管の製
   法。 １７ 周辺加圧巻付け材として有機質繊維を使用
   する特許請求の範囲第１６項記載の繊維補強プラ
   スチツク管の製法。 １８ 有機質繊維としてポリエステル繊維を使用
   する特許請求の範囲第１７項記載の繊維補強プラ
   スチツク管の製法。 １９ 有機質繊維としてポリアミド繊維を使用す
   る特許請求の範囲第１７項記載の繊維補強プラス
   チツク管の製法。 ２０ 補強繊維として炭素繊維を使用する特許請
   求の範囲第１５項記載の繊維補強プラスチツク管
   の製法。 ２１ 周辺加圧巻付け材を、この材料の損傷を伴
   わないで最高張力のもとに当てがうようにする特
   許請求の範囲第１５項記載の繊維補強プラスチツ
   ク管の製法。 ２２ 周辺加圧巻付け材の熱膨張係数を、円周方
   向において補強繊維―樹脂配合物の対応係数より
   大きくする特許請求の範囲第１５項記載の繊維補
   強プラスチツク管の製法。 ２３ 熱膨張係数を、約25ないし30・10^-6／ok
   より高くする特許請求の範囲第２２項記載の繊維
   補強プラスチツク管の製法。 ２４ 周辺加圧巻付け材の弾性率を約3000／mm²に
   する特許請求の範囲第１５項記載の繊維補強プラ
   スチツク管の製法。