JP7799537B2 - Method for manufacturing fiber-reinforced resin pipe body - Google Patents
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Description
本発明は、例えば車両における動力伝達軸等として用いられる繊維強化樹脂管体の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a fiber-reinforced resin pipe body used, for example, as a power transmission shaft in a vehicle.
車両に搭載される動力伝達軸(プロペラシャフト)は、車両の前後方向に延在する管体を備え、この管体により原動機で発生し変速機で減速された動力を終減速装置に伝達している。このような動力伝達軸に用いられる管体として、マンドレルを利用して製造された繊維強化プラスチック製のものがある(下記特許文献1参照)。 A power transmission shaft (propeller shaft) mounted on a vehicle has a tubular body extending in the longitudinal direction of the vehicle, and this tubular body transmits power generated by the prime mover and reduced in speed by the transmission to the final drive unit. Tubes used in such power transmission shafts include those made of fiber-reinforced plastic manufactured using a mandrel (see Patent Document 1 below).
ここで、マンドレルに材料を巻き付ける方法として、樹脂を含浸した連続繊維を巻き付けるフィラメントワインディング法と、プリプレグ(繊維に樹脂を含浸させてなるシート)を巻き付けるシートワインディング法が挙げられる。特許文献2には、マンドレルに炭素繊維を巻回する方法としての多給糸ワインディング法と、金型内で樹脂を含浸させる方法としての樹脂注入成形法とが開示されている。かかる手法によれば、管体は、樹脂等によって成形されたマンドレルの内部を加圧して膨張させることによって、マンドレル及び金型の間において金型の内周面に倣って成形される。この方法によれば、管体の端部を小径にして継手の大型化を回避しながら、管体の中央部にかけて拡径させて大径化を図ることによって、管体の曲げ共振点を高めることが可能となる。 Methods of winding material around a mandrel include the filament winding method, in which resin-impregnated continuous fibers are wound, and the sheet winding method, in which prepreg (a sheet made of fibers impregnated with resin) is wound. Patent Document 2 discloses the multi-fiber winding method, in which carbon fibers are wound around a mandrel, and the resin injection molding method, in which resin is impregnated inside a mold. According to these methods, the tube is molded between the mandrel and the mold by pressurizing and expanding the inside of a mandrel formed from resin or the like, conforming to the inner surface of the mold. This method reduces the diameter of the tube at the ends to avoid enlarging the joint, while expanding the diameter toward the center, thereby increasing the tube's bending resonance point.
ここで、管体は、端部から中央部に向かうに従って拡径した形状に形成されるが、製造段階において、金型外でマンドレルに巻回された炭素繊維の配向角度は、金型内で内面から膨張させられることに伴って変化してしまう。そのため、管体において、所望の性能が得られなくなるおそれがある。 The tube is formed with a diameter that expands from the end toward the center, but during the manufacturing process, the orientation angle of the carbon fiber wound around the mandrel outside the mold changes as it expands from the inside inside the mold. This can result in the tube not achieving the desired performance.
本発明は、このような問題を解決するために創作されたものであり、繊維の配向角度を好適に設定することが可能な繊維強化樹脂管体の製造方法を提供することを課題とする。 The present invention was created to solve these problems, and its objective is to provide a method for manufacturing a fiber-reinforced resin pipe that allows the fiber orientation angle to be suitably set.
本開示によれば、筒形状を呈するマンドレルの外周面に繊維を巻回させて配置する配置工程と、前記繊維が配置された前記マンドレルを膨張させる膨張工程と、前記マンドレルの外周面に配置された繊維に熱硬化性樹脂を含浸させて硬化させる硬化工程と、を含み、前記膨張工程後の前記繊維の配向角度が所定の配向角度となるように、前記配置工程において前記繊維を前記所定の配向角度からずらして配置し、前記膨張工程において、前記繊維が巻回された前記マンドレルを成形装置の内周面に倣うように膨張させ、前記配置工程における前記繊維の配向角度は、膨張前の前記マンドレルの外径、前記繊維の径方向寸法及び前記成形装置の内周面の内径に基づいて設定される、繊維強化樹脂管体の製造方法が提供される。 According to the present disclosure, there is provided a method for manufacturing a fiber-reinforced resin pipe body, the method including: an arrangement step of winding fibers around the outer peripheral surface of a cylindrical mandrel; an expansion step of expanding the mandrel on which the fibers are arranged; and a curing step of impregnating the fibers arranged on the outer peripheral surface of the mandrel with a thermosetting resin and curing it, wherein in the arrangement step, the fibers are arranged at a position shifted from a predetermined orientation angle so that the orientation angle of the fibers after the expansion step becomes a predetermined orientation angle; in the expansion step, the mandrel on which the fibers are wound is expanded so as to conform to the inner peripheral surface of a molding device; and the orientation angle of the fibers in the arrangement step is set based on the outer diameter of the mandrel before expansion, the radial dimension of the fibers, and the inner diameter of the inner peripheral surface of the molding device .
本発明によると、好適な配向角度で巻回された繊維を有する繊維強化樹脂管体を製造することができる。 This invention makes it possible to manufacture fiber-reinforced resin pipes with fibers wound at a suitable orientation angle.
本発明の実施形態について、炭素繊維強化プラスチックによって、繊維強化樹脂管体の一例である車両の動力伝達軸(プロペラシャフト)を製造する場合を例にとり、図面を参照して詳細に説明する。以下の説明において、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また、参照する図面は、分かりやすさのためにデフォルメされている。 An embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings, taking as an example the case of manufacturing a vehicle power transmission shaft (propeller shaft), which is an example of a fiber-reinforced resin tube, using carbon fiber-reinforced plastic. In the following description, identical elements will be assigned the same reference numerals, and duplicate explanations will be omitted. The drawings referred to have been exaggerated for clarity.
<第一の実施形態>
図1に示すように、第一の実施形態に係るマンドレル1は、繊維強化樹脂管体40(図2参照)を製造するために用いられるものであって、マンドレル本体10と、内嵌部材20と、を備える。
First Embodiment
As shown in FIG. 1, the mandrel 1 according to the first embodiment is used to manufacture a fiber-reinforced resin pipe 40 (see FIG. 2), and includes a mandrel body 10 and an inner fitting member 20.
≪マンドレル本体≫
マンドレル本体10は、筒形状を呈する樹脂製部材である。本実施形態において、マンドレル本体10は、繊維強化樹脂管体40の内部から除去されるが、繊維強化樹脂管体40の内部に残留して繊維強化樹脂管体40の芯材として機能することも可能である。マンドレル本体40には、繊維強化樹脂管体40における樹脂硬化の際の加熱に耐えられる材料を用いることができる。そのような材料の例としては、PP(ポリプロピレン樹脂)、PET(ポリエチレンテレフタレート樹脂)、SMP(形状記憶ポリマー)等が挙げられる。マンドレル本体10は、軸方向中間部の大径部11と、軸方向一端部に形成されるテーパ部12及び中径部13と、軸方向他端部に形成される段部14及び小径部15と、を一体に備える。本実施形態において、中径部13の軸方向一端部には、中径部13よりも小径な突出部16が形成されている。突出部16は、第一の金属部材30が外嵌される部位である。
<Mandrel body>
The mandrel body 10 is a cylindrical resin member. In this embodiment, the mandrel body 10 is removed from the interior of the fiber-reinforced resin pipe 40, but it can also remain inside the fiber-reinforced resin pipe 40 and function as a core material for the fiber-reinforced resin pipe 40. The mandrel body 40 can be made of a material that can withstand the heat generated during resin curing in the fiber-reinforced resin pipe 40. Examples of such materials include PP (polypropylene resin), PET (polyethylene terephthalate resin), and SMP (shape memory polymer). The mandrel body 10 integrally includes a large-diameter section 11 in an axially intermediate portion, a tapered section 12 and a medium-diameter section 13 formed at one axial end, and a step section 14 and a small-diameter section 15 formed at the other axial end. In this embodiment, a protrusion 16 having a diameter smaller than that of the medium-diameter section 13 is formed at one axial end of the medium-diameter section 13. The protrusion 16 is a portion onto which the first metal member 30 is fitted.
≪内嵌部材≫
内嵌部材20は、マンドレル本体10の軸方向他端部である小径部15に内嵌される筒状の金属製部材である。内嵌部材20は、小径部15の径方向内側への変形を防止するものであって、マンドレル本体10内に加圧用流体F(図8参照)(例えば、加圧された空気)を充填させるための流路20aが形成されている。本実施形態において、加圧用流体Fは、成形装置100内においてマンドレル本体10内を加圧して膨張させるためのものである。また、加圧用流体Fは、後記する成形装置100内においてマンドレル本体10の外周面に配置された熱硬化性樹脂(後記する樹脂44)を硬化させるために加熱するための加熱用流体でもある。
<Inner fittings>
The inner fitting member 20 is a cylindrical metal member that is fitted into the small-diameter portion 15, which is the other axial end of the mandrel body 10. The inner fitting member 20 prevents the small-diameter portion 15 from deforming radially inward, and has a flow path 20a formed therein for filling the mandrel body 10 with a pressurizing fluid F (see FIG. 8 ) (e.g., pressurized air). In this embodiment, the pressurizing fluid F is used to pressurize and expand the mandrel body 10 within the molding apparatus 100. The pressurizing fluid F also serves as a heating fluid for heating and curing a thermosetting resin (resin 44, described below) arranged on the outer circumferential surface of the mandrel body 10 within the molding apparatus 100, described below.
<動力伝達軸>
図2及び図3に示すように、マンドレル1(図1参照)を用いて製造される動力伝達軸2は、車両において前後方向に延設され、動力源で発生した動力を軸線周りの回転として伝達する軸である。動力伝達軸2は、繊維強化樹脂管体40と、第一の金属部材50と、第二の金属部材60と、を備える。
<Power transmission shaft>
2 and 3, the power transmission shaft 2 manufactured using the mandrel 1 (see FIG. 1) is a shaft that extends in the fore-and-aft direction of a vehicle and transmits power generated by a power source as rotation about an axis. The power transmission shaft 2 includes a fiber-reinforced resin pipe body 40, a first metal member 50, and a second metal member 60.
<繊維強化樹脂管体>
繊維強化樹脂管体40は、マンドレル本体10の外周面に沿うように管状に形成された樹脂含有繊維層である。繊維強化樹脂管体40は、マンドレル本体10の大径部11、テーパ部12及び中径部13、第一の金属部材50の軸方向一端部、並びに、第二の金属部材60の軸方向他端部位の外周面上に沿うように形成される。図4~図6に示すように、繊維強化樹脂管体40は、炭素繊維層として、径方向内側(マンドレル本体10側)から順に、第一の炭素繊維層41と、第二の炭素繊維層42と、第三の炭素繊維層43と、を備える。なお、図4~図6において、炭素繊維層41,42,43は、一部のみが図示されている。また、第一の金属部材50の軸方向一端部(マンドレル本体10とは反対側に位置する端部)の外周面、及び、第二の金属部材60の軸方向他端部(マンドレル本体10とは反対側に位置する端部)の外周面は、繊維強化樹脂管体40によって被覆されておらず、当該繊維強化樹脂管体40から突出している。
<Fiber reinforced resin tube body>
The fiber-reinforced resin pipe 40 is a resin-containing fiber layer formed in a tubular shape to fit along the outer peripheral surface of the mandrel body 10. The fiber-reinforced resin pipe 40 is formed to fit along the outer peripheral surfaces of the large-diameter section 11, the tapered section 12, and the medium-diameter section 13 of the mandrel body 10, one axial end of the first metal member 50, and the other axial end of the second metal member 60. As shown in FIGS. 4 to 6 , the fiber-reinforced resin pipe 40 includes, as carbon fiber layers, a first carbon fiber layer 41, a second carbon fiber layer 42, and a third carbon fiber layer 43, in this order from the radially inner side (the mandrel body 10 side). Note that only a portion of the carbon fiber layers 41, 42, and 43 are shown in FIGS. 4 to 6 . In addition, the outer peripheral surface of one axial end of the first metal member 50 (the end located opposite the mandrel body 10) and the outer peripheral surface of the other axial end of the second metal member 60 (the end located opposite the mandrel body 10) are not covered by the fiber-reinforced resin pipe body 40 and protrude from the fiber-reinforced resin pipe body 40.
≪第一の炭素繊維層≫
図4に示すように、第一の炭素繊維層41は、マンドレル本体10等の外周面に対して、当該マンドレル本体10を被覆するように設けられる複数の炭素繊維によって構成されている。より詳細には、複数の炭素繊維を帯状又は束状に纏めることによって、炭素繊維集合体が形成されているとともに、複数の炭素繊維集合体が位相を変えて設けられることによって、第一の炭素繊維層41が形成されている。第一の炭素繊維層41における炭素繊維は、マンドレル本体10の軸線方向に対して平行に延設されている。すなわち、第一の炭素繊維層41に関して、マンドレル本体10の軸線Xに対する炭素繊維の配向角度は、0°である。
<First carbon fiber layer>
4, the first carbon fiber layer 41 is composed of a plurality of carbon fibers that are arranged on the outer peripheral surface of the mandrel body 10 or the like so as to cover the mandrel body 10. More specifically, a carbon fiber aggregate is formed by bundling a plurality of carbon fibers into a strip or bundle, and the first carbon fiber layer 41 is formed by arranging the plurality of carbon fiber aggregates in different phases. The carbon fibers in the first carbon fiber layer 41 extend parallel to the axial direction of the mandrel body 10. That is, the orientation angle of the carbon fibers in the first carbon fiber layer 41 with respect to the axis X of the mandrel body 10 is 0°.
≪第二の炭素繊維層≫
図5に示すように、第二の炭素繊維層42は、第一の炭素繊維層41の径方向外側に設けられており、第一の炭素繊維層41を被覆するように設けられる複数の炭素繊維によって構成されている。より詳細には、複数の炭素繊維を帯状又は束状に纏めることによって、炭素繊維集合体が形成されているとともに、複数の炭素繊維集合体が位相を変えて設けられることによって、第二の炭素繊維層42が形成されている。第二の炭素繊維層42における炭素繊維は、マンドレル本体10の軸線方向に対して45°傾斜するように1周以上巻回され、マンドレル本体10の軸線方向に対して螺旋状に延設されている。すなわち、第二の炭素繊維層42に関して、マンドレル本体10の軸線Xに対する炭素繊維の配向角度は、45°である。
<Second carbon fiber layer>
As shown in Figure 5, the second carbon fiber layer 42 is provided radially outward of the first carbon fiber layer 41 and is composed of a plurality of carbon fibers that are provided to cover the first carbon fiber layer 41. More specifically, a carbon fiber aggregate is formed by bundling a plurality of carbon fibers into a strip or bundle, and the second carbon fiber layer 42 is formed by arranging a plurality of carbon fiber aggregates with different phases. The carbon fibers in the second carbon fiber layer 42 are wound around one or more turns at an angle of 45° with respect to the axial direction of the mandrel body 10 and extend in a spiral with respect to the axial direction of the mandrel body 10. That is, the orientation angle of the carbon fibers in the second carbon fiber layer 42 with respect to the axis X of the mandrel body 10 is 45°.
≪第三の炭素繊維層≫
図6に示すように、第三の炭素繊維層43は、第二の炭素繊維層42の径方向外側に設けられており、第二の炭素繊維層42を被覆するように設けられる複数の炭素繊維によって構成されている。より詳細には、複数の炭素繊維を帯状又は束状に纏めることによって、炭素繊維集合体が形成されているとともに、複数の炭素繊維集合体が位相を変えて設けられることによって、第三の炭素繊維層43が形成されている。第三の炭素繊維層43における炭素繊維は、マンドレル本体10の軸線方向に対して-45°傾斜するように1周以上巻回され、マンドレル本体10の軸線方向に対して螺旋状に延設されている。すなわち、第三の炭素繊維層43に関して、マンドレル本体10の軸線Xに対する炭素繊維の配向角度は、-45°である。
<Third carbon fiber layer>
As shown in Figure 6, the third carbon fiber layer 43 is provided radially outward of the second carbon fiber layer 42 and is composed of a plurality of carbon fibers that are provided to cover the second carbon fiber layer 42. More specifically, a carbon fiber aggregate is formed by bundling a plurality of carbon fibers into a strip or bundle, and the third carbon fiber layer 43 is formed by arranging the plurality of carbon fiber aggregates in different phases. The carbon fibers in the third carbon fiber layer 43 are wound one or more times at an inclination of -45° with respect to the axial direction of the mandrel body 10 and extend in a spiral with respect to the axial direction of the mandrel body 10. That is, the orientation angle of the carbon fibers in the third carbon fiber layer 43 with respect to the axis X of the mandrel body 10 is -45°.
図2及び図3に示すように、繊維強化樹脂管体40は、軸方向一端部側に、軸方向中央側の大径部40aから軸方向一端部の小径部40cに向かうにつれて縮径するテーパ部40bが形成されている。大径部40aは、マンドレル本体10の大径部11の外周面に倣う形状を呈する本体部である。テーパ部40bは、マンドレル本体10のテーパ部12の外周面に倣う形状を呈する。小径部40cは、マンドレル本体10の中径部13及び第一の金属部材50の一部の外周面に倣う形状を呈する端部である。 As shown in Figures 2 and 3, the fiber-reinforced resin tube 40 has a tapered section 40b formed at one axial end, which tapers from the large-diameter section 40a at the axial center toward the small-diameter section 40c at one axial end. The large-diameter section 40a is a main section whose shape follows the outer peripheral surface of the large-diameter section 11 of the mandrel body 10. The tapered section 40b follows the outer peripheral surface of the tapered section 12 of the mandrel body 10. The small-diameter section 40c is an end whose shape follows the outer peripheral surfaces of the medium-diameter section 13 of the mandrel body 10 and part of the first metal member 50.
<第一の金属部材>
第一の金属部材50は、略円柱形状を呈する部材(シャフト)である。図6等に示すように、製造途中段階において、マンドレル本体10から離れた側に位置する第一の金属部材50の軸線方向一端部は、マンドレル本体10から突出しており、マンドレル本体10側に位置する第一の金属部材50の軸方向他端部は、マンドレル本体10に嵌合(外嵌)されている。
<First Metal Member>
The first metal member 50 is a member (shaft) having a substantially cylindrical shape. As shown in Figure 6 and other figures, during the manufacturing process, one axial end of the first metal member 50 located away from the mandrel body 10 protrudes from the mandrel body 10, and the other axial end of the first metal member 50 located on the mandrel body 10 side is fitted (externally fitted) to the mandrel body 10.
図1及び図2に示すように、第一の金属部材50の軸方向他端部には、マンドレル本体10の突出部16が挿入可能な有底の孔部50aが形成されている。 As shown in Figures 1 and 2, the other axial end of the first metal member 50 is formed with a bottomed hole 50a into which the protrusion 16 of the mandrel body 10 can be inserted.
第一の金属部材50は、動力伝達軸2におけるプランジジョイント組立体の一部材である。プランジジョイント組立体は、かかる第一の金属部材50に対して、いずれも不図示のブーツ、プランジジョイントを組み付けることによって形成される。 The first metal member 50 is one component of the plunge joint assembly on the power transmission shaft 2. The plunge joint assembly is formed by assembling a boot and plunge joint (both not shown) to the first metal member 50.
<第二の金属部材>
第二の金属部材60は、略円筒形状を呈する部材である。図6等に示すように、製造途中段階において、マンドレル本体10から離れた側に位置する第二の金属部材60の軸線方向他端部は、マンドレル本体10から突出しており、マンドレル本体10側に位置する第二の金属部材60の軸方向一端部は、マンドレル本体10に嵌合(外嵌)されている。
<Second Metal Member>
The second metal member 60 is a member having a substantially cylindrical shape. As shown in Figure 6 and other figures, during the manufacturing process, the other axial end of the second metal member 60 located away from the mandrel body 10 protrudes from the mandrel body 10, and one axial end of the second metal member 60 located on the mandrel body 10 side is fitted (externally fitted) to the mandrel body 10.
第二の金属部材60は、動力伝達軸2におけるヨーク組立体の一部材である。ヨーク組立体は、かかる第二の金属部材60に対して、いずれも不図示のスパイダー、ニードルベアリング、ヨークを組み付けることによって形成される。 The second metal member 60 is one component of the yoke assembly on the power transmission shaft 2. The yoke assembly is formed by assembling a spider, needle bearing, and yoke (all not shown) to the second metal member 60.
<製造方法>
続いて、本発明の第一の実施形態に係るマンドレル1を用いた動力伝達軸2の製造方法について、図7のフローチャートを用いて説明する。動力伝達軸1の製造方法は、マンドレル本体形成工程(ステップS1)と、マンドレル本体形成工程の後に実行される内嵌部材設置工程(ステップS2)と、内嵌部材設置工程の後に実行される第一連結工程(ステップS3)と、第一連結工程の後に実行される第二連結工程(ステップS4)と、を含む。また、動力伝達軸2の製造方法は、第二連結工程の後に実行される繊維設置工程(ステップS5A~S5C)と、繊維設置工程の後に実行される金型内設置工程(ステップS6)と、を含む。また、動力伝達軸2の製造方法は、金型内設置工程の後に実行される膨張工程(ステップS7)と、膨張工程の後に実行される成型工程(ステップS8)と、を含む。また、動力伝達軸2の製造方法は、成型工程の後に実行される取出工程(ステップS9)と、取出工程の後に実行されるジョイント組付工程(ステップS10)と、を含む。
<Manufacturing method>
Next, a method for manufacturing a power transmission shaft 2 using a mandrel 1 according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the flowchart of FIG. 7 . The method for manufacturing the power transmission shaft 1 includes a mandrel body forming step (step S1), an inner fitting member installation step (step S2) performed after the mandrel body forming step, a first connecting step (step S3) performed after the inner fitting member installation step, and a second connecting step (step S4) performed after the first connecting step. The method for manufacturing the power transmission shaft 2 also includes a fiber installation step (steps S5A to S5C) performed after the second connecting step, and a mold installation step (step S6) performed after the fiber installation step. The method for manufacturing the power transmission shaft 2 also includes an expansion step (step S7) performed after the mold installation step, and a molding step (step S8) performed after the expansion step. The method for manufacturing the power transmission shaft 2 also includes an extraction step (step S9) performed after the molding step, and a joint assembly step (step S10) performed after the extraction step.
ステップS1は、図1に示される樹脂製のマンドレル本体10を図示しない成形装置を用いて形成する工程である。 Step S1 is a process of forming the resin mandrel body 10 shown in Figure 1 using a molding device (not shown).
ステップS1に続いて、ステップS2で、内嵌部材20をマンドレル本体10の小径部15に圧入して内嵌させる。圧入の際には、内嵌部材20の外周面と小径部15の外周面との間に潤滑剤を塗布してもよい。なお、ステップS2は、ステップS8の前までに実行されればよい。 Following step S1, in step S2, the inner fitting member 20 is press-fitted into the small diameter portion 15 of the mandrel body 10. During press-fitting, a lubricant may be applied between the outer surface of the inner fitting member 20 and the outer surface of the small diameter portion 15. Note that step S2 may be performed before step S8.
ステップS2に続いて、ステップS3で、マンドレル本体10の軸線方向一端部に第一の金属部材50を設ける。ステップS3では、まず、第一の金属部材50の軸方向他端部を、マンドレル本体10の突出部16に嵌合(外嵌)させる。続いて、第一の金属部材50の軸方向他端部の外周面上に接着層(図示せず)を設ける。ステップS3において、第一の金属部材50は、マンドレル本体10の突出部16に外嵌される。 Following step S2, in step S3, a first metal member 50 is provided on one axial end of the mandrel body 10. In step S3, the other axial end of the first metal member 50 is first fitted (externally attached) to the protruding portion 16 of the mandrel body 10. Next, an adhesive layer (not shown) is provided on the outer peripheral surface of the other axial end of the first metal member 50. In step S3, the first metal member 50 is fitted onto the protruding portion 16 of the mandrel body 10.
ステップS3に続いて、ステップS4で、マンドレル本体10の軸線方向他端部に第二の金属部材(カラー)60を設ける。ステップS4において、第二の金属部材60は、マンドレル本体10の段部14に外嵌される。ここで、ステップS3,S4の順番は、適宜変更可能であり、ステップS4が先でもよく、同時であってもよい。 Following step S3, in step S4, a second metal member (collar) 60 is provided at the other axial end of the mandrel body 10. In step S4, the second metal member 60 is fitted onto the stepped portion 14 of the mandrel body 10. The order of steps S3 and S4 can be changed as appropriate; step S4 may be performed first, or steps S3 and S4 may be performed simultaneously.
ステップS4に続いて、ステップS5Aで、図4に示すように、第一の炭素繊維層41がマンドレル本体10、第一の金属部材50及び第二の金属部材60の外周面上に形成される。ステップS5Aに続いて、ステップS5Bで、図5に示すように、第二の炭素繊維層42がマンドレル本体10、第一の金属部材50及び第二の金属部材60における第一の炭素繊維層41の外周面上に形成される。ステップS5Bに続いて、ステップS5Cで、図6に示すように、第三の炭素繊維層43がマンドレル本体10、第一の金属部材50及び第二の金属部材60における第二の炭素繊維層42の外周面上に形成される。ステップS5~S7において、第一の金属部材50及び第二の金属部材60のそれぞれの軸方向におけるマンドレル10とは反対側に位置する端部には、それぞれの繊維が配置されないように炭素繊維層41~43が形成される。 Following step S4, in step S5A, a first carbon fiber layer 41 is formed on the outer peripheral surfaces of the mandrel body 10, the first metal member 50, and the second metal member 60, as shown in FIG. 4. Following step S5A, in step S5B, a second carbon fiber layer 42 is formed on the outer peripheral surfaces of the first carbon fiber layer 41 of the mandrel body 10, the first metal member 50, and the second metal member 60, as shown in FIG. 5. Following step S5B, in step S5C, a third carbon fiber layer 43 is formed on the outer peripheral surfaces of the second carbon fiber layer 42 of the mandrel body 10, the first metal member 50, and the second metal member 60, as shown in FIG. 6. In steps S5 to S7, carbon fiber layers 41 to 43 are formed on the axial ends of the first metal member 50 and the second metal member 60 opposite the mandrel 10, so that no fibers are present.
ステップS5A~S5Cにおいて、炭素繊維層41~43は、樹脂が含浸された繊維ではなく、いわゆる生糸である。また、炭素繊維層41~43は、それぞれ多給糸フィラメントワインド法によってマンドレル本体10、第一の金属部材50及び第二の金属部材60の軸線方向他端部の外周面上に配置される。多給糸フィラメントワインド法によって給糸された炭素繊維層41~43は、互いに織り込まれることなく層として独立した、いわゆるノンクリンプ構造を呈する。 In steps S5A to S5C, the carbon fiber layers 41 to 43 are not resin-impregnated fibers but are raw silk. The carbon fiber layers 41 to 43 are arranged on the outer peripheral surfaces of the other axial ends of the mandrel body 10, first metal member 50, and second metal member 60 using a multi-fiber filament winding method. The carbon fiber layers 41 to 43, which are fed using the multi-fiber filament winding method, are independent layers that are not woven together, creating a so-called non-crimp structure.
ステップS5A~S5Cにおいて、炭素繊維層41~43は、図示しない装置によってマンドレル本体10等の外周面上に配置される。かかる装置は、炭素繊維層41~43の配向角度を適宜設定変更可能である。ステップS5B,S5Cにおける炭素繊維層42,43の配向角度は、膨張前のマンドレル本体10の外径、炭素繊維の径方向寸法及び成形装置100の内周面の内径に基づいて算出されて設定される。ステップS5Bにおける第二の炭素繊維層42の配向角度の算出は、少なくともステップS5Bよりも前に実行される。ステップS5Cにおける第三の炭素繊維層43の配向角度の算出は、少なくともステップS5Cよりも前に実行される。かかる配向角度の算出手法については、後記する。 In steps S5A to S5C, the carbon fiber layers 41 to 43 are arranged on the outer peripheral surface of the mandrel body 10 or the like by a device (not shown). This device is capable of appropriately setting and adjusting the orientation angles of the carbon fiber layers 41 to 43. The orientation angles of the carbon fiber layers 42 and 43 in steps S5B and S5C are calculated and set based on the outer diameter of the mandrel body 10 before expansion, the radial dimensions of the carbon fiber, and the inner diameter of the inner peripheral surface of the molding device 100. The calculation of the orientation angle of the second carbon fiber layer 42 in step S5B is performed at least before step S5B. The calculation of the orientation angle of the third carbon fiber layer 43 in step S5C is performed at least before step S5C. The method for calculating these orientation angles will be described below.
ステップS5Cに続いて、ステップS6で、図8に示すように、マンドレル1、第一の金属部材50、第二の金属部材60及び各炭素繊維層41~43の組立体を、成形装置(金型)100内に設置する。 Following step S5C, in step S6, the assembly of the mandrel 1, first metal member 50, second metal member 60, and each carbon fiber layer 41-43 is placed in the molding device (mold) 100, as shown in FIG. 8.
ステップS6に続いて、ステップS7で、マンドレル本体10を膨張させる。図8に示すように、第一実施形態での成形装置100においては、流路20aを介してマンドレル本体10の内側に連通するように、連通路104が設けられている。ステップS7では、不図示の供給装置に連結された連通路104を介して、マンドレル本体10の中空部に加圧用流体F(例えば、加圧された140℃以上の空気)を充填させる。高温の加圧用流体Fによって加熱されたマンドレル本体10は、樹脂44が硬化する温度よりも低い温度(変態温度である80℃)になると軟化し、加圧用流体Fによって内部から加圧され、成形装置100の内周面に倣うように膨張変形する。かかる加圧により、充填された樹脂44によってマンドレル本体10が縮径方向に変形することを防止することができる。また、かかる加圧により、樹脂44の充填量を抑制し、完成品である繊維強化樹脂管体40の重量増加を防止することができる。 Following step S6, in step S7, the mandrel body 10 is expanded. As shown in FIG. 8 , the molding apparatus 100 of the first embodiment has a communication passage 104 that connects to the inside of the mandrel body 10 via the flow path 20a. In step S7, the hollow portion of the mandrel body 10 is filled with pressurizing fluid F (e.g., pressurized air at 140°C or higher) via the communication passage 104, which is connected to a supply device (not shown). The mandrel body 10, heated by the high-temperature pressurizing fluid F, softens when it reaches a temperature lower than the temperature at which the resin 44 hardens (its transformation temperature of 80°C). Pressurized from the inside by the pressurizing fluid F, the mandrel body 10 expands and deforms to conform to the inner circumferential surface of the molding apparatus 100. This pressurization prevents the mandrel body 10 from being deformed in a radial direction by the filled resin 44. Furthermore, this pressurization reduces the amount of resin 44 filled, preventing an increase in the weight of the finished fiber-reinforced resin pipe 40.
ステップS7に続いて、当該成形装置100内に樹脂44が供給される。これにより、マンドレル本体10の外周面に配置された炭素繊維層41~43に樹脂44が含浸される。さらに、成形装置100に熱を加えることによって樹脂44を硬化させ、繊維強化樹脂管体40が形成されるとともに、繊維強化樹脂管体40、第一の金属部材50及び第二の金属部材60が一体成型される(ステップS8、成型工程)。樹脂44は、例えば熱硬化性樹脂である。本実施形態において、成形装置100の金型は、複数に分割されている。ステップS9では、前記組立体に熱が加えられるとともに、成形装置100の金型を閉じる型閉じ操作を行い、続いて、閉じた金型に圧力を印加する型締め操作を行うことにより、金型内の圧力を上昇させることで、樹脂44の硬化が促進される。なお、本実施形態では金型が複数に分割されている構成で説明しているため、型閉じ操作及び型締め操作が行われているが、型締め操作は、必須ではない。また、金型が複数に分割されていない場合には、かかる型閉じ操作及び型締め操作は、必須ではない。成形装置100内において、溶融状態の樹脂44が導入されるゲート101の出口側には空間(樹脂だまり102)が形成されている。成形装置100内に導入された樹脂44は、炭素繊維層41~43の軸方向一端部の側方に位置する当該樹脂だまり102に貯留される。樹脂だまり102に貯留された樹脂44は、炭素繊維層41~43の配列方向においてゲート101とは反対側(炭素繊維層41~43の軸方向他端部の外周面側)に形成された吸引口103からの真空吸引によって、マンドレル本体10の軸線方向に移動し、炭素繊維層41~43に含浸する。樹脂44が炭素繊維層21~23に含浸した状態で、成形装置100に熱が加えられ、さらに、成形装置100内に圧力が加えられることによって、繊維強化樹脂管体40が形成される。 Following step S7, resin 44 is supplied into the molding device 100. This allows the carbon fiber layers 41-43 arranged on the outer circumferential surface of the mandrel body 10 to be impregnated with the resin 44. Heat is then applied to the molding device 100 to harden the resin 44, forming the fiber-reinforced resin pipe 40, and the fiber-reinforced resin pipe 40, first metal member 50, and second metal member 60 are integrally molded (step S8, molding process). The resin 44 is, for example, a thermosetting resin. In this embodiment, the mold of the molding device 100 is divided into multiple sections. In step S9, heat is applied to the assembly, and a mold closing operation is performed to close the mold of the molding device 100. Subsequently, a mold clamping operation is performed to apply pressure to the closed mold, thereby increasing the pressure within the mold and promoting the hardening of the resin 44. Note that in this embodiment, the mold is divided into multiple sections, and therefore the mold closing operation and mold clamping operation are performed, but the mold clamping operation is not required. Furthermore, if the mold is not divided into multiple sections, such mold closing and clamping operations are not required. Within the molding device 100, a space (resin pool 102) is formed on the outlet side of the gate 101, through which the molten resin 44 is introduced. The resin 44 introduced into the molding device 100 is stored in the resin pool 102, located to the side of one axial end of the carbon fiber layers 41-43. The resin 44 stored in the resin pool 102 moves in the axial direction of the mandrel body 10 by vacuum suction from a suction port 103 formed on the opposite side of the gate 101 in the arrangement direction of the carbon fiber layers 41-43 (on the outer peripheral surface side of the other axial end of the carbon fiber layers 41-43), and impregnates the carbon fiber layers 41-43. With the resin 44 impregnated into the carbon fiber layers 41-23, heat is applied to the molding device 100, and pressure is further applied within the molding device 100, thereby forming the fiber-reinforced resin pipe 40.
ステップS8に続いて、ステップS9で、成形された組立体すなわち中間体が成形装置100から取り出される。ステップS9に続いて、ステップS10で、中間体の第一の金属部材50にプランジジョイント組立体を取り付けるとともに、第二の金属部材60にヨーク組立体を取り付ける。 Following step S8, in step S9, the molded assembly, i.e., the intermediate body, is removed from the molding apparatus 100. Following step S9, in step S10, a plunge joint assembly is attached to the first metal member 50 of the intermediate body, and a yoke assembly is attached to the second metal member 60.
なお、ステップS9とステップS10との間に、マンドレル抜き取り工程を実行することが考えられる。このマンドレル抜き取り工程は、第二の金属部材60の端部開口側から繊維強化樹脂管体20の外側にマンドレル1を取り出す工程である。この際、マンドレル1は、使用される材料に応じた方法にしたがって、例えば変形され、溶融され、分解され、破壊され、又は溶出されることによって繊維強化樹脂管体40の内側から取り出される。これにより、動力伝達軸2の軽量化が達成されることとなる。 It is also possible to carry out a mandrel removal process between steps S9 and S10. This mandrel removal process involves removing the mandrel 1 from the end opening side of the second metal member 60 to the outside of the fiber-reinforced resin pipe body 20. During this process, the mandrel 1 is removed from the inside of the fiber-reinforced resin pipe body 40 by, for example, deforming, melting, decomposing, destroying, or eluting it, depending on the material used. This achieves a reduction in the weight of the power transmission shaft 2.
また、マンドレル1を変形させて第二の金属部材60の端部開口側から取り出す場合には、例えばマンドレル本体10の中空部を減圧することで前記の端部開口よりもマンドレル1を小さくなるように収縮させて繊維強化樹脂管体40から抜き取る方法を採用することができる。 Furthermore, when deforming the mandrel 1 and removing it from the end opening side of the second metal member 60, a method can be used in which, for example, the hollow portion of the mandrel body 10 is depressurized to shrink the mandrel 1 so that it is smaller than the end opening, and then the mandrel 1 can be removed from the fiber-reinforced resin pipe body 40.
マンドレル抜き取り工程を行う際には、不図示の真空ポンプに連結された連通路104を介して、マンドレル本体10の中空部を減圧することができる。 When performing the mandrel removal process, the hollow portion of the mandrel body 10 can be depressurized via the communication passage 104 connected to a vacuum pump (not shown).
このようなマンドレル抜き取り工程は、例えば熱可塑性樹脂からなるマンドレル本体10を加熱等により可塑化することでより好適に実施することができる。また、例えばダイヤカットを施したアルミニウム薄板からなるマンドレル本体10についても好適に実施することができる。 This mandrel removal process can be more effectively carried out by plasticizing the mandrel body 10, which is made of, for example, a thermoplastic resin, by heating or other means. It can also be effectively carried out on a mandrel body 10 made of, for example, a diamond-cut aluminum thin plate.
ステップS7の膨張工程において、巻回された繊維層の膨張前後の数値を以下の変数で表す。
dA:膨張前の繊維層の内径(図9(a)及び図11参照)
dB:膨張後の繊維層の内径(図9(b)及び図11参照)
θA:膨張前の繊維の配向角度(図10(a)参照)
θB:膨張後の繊維の配向角度(図10(b)参照)
L:膨張前の繊維が巻き付けられた領域の軸方向寸法(図6参照)
n:繊維の巻回数(マンドレル1等に対して繊維が何周巻き付けられているか)
l:膨張による繊維層の1巻き当たりの軸方向寸法の減少量
α:膨張による繊維層の軸方向寸法の減少量のトータル(図10(b)参照)
In the expansion step of step S7, the values of the wound fiber layer before and after expansion are represented by the following variables.
d A : inner diameter of the fiber layer before expansion (see FIG. 9( a) and FIG. 11)
d B : inner diameter of the fiber layer after expansion (see FIG. 9( b) and FIG. 11)
θ A : Orientation angle of the fibers before expansion (see FIG. 10( a))
θ B : Orientation angle of the fibers after expansion (see FIG. 10( b ))
L: Axial dimension of the fiber-wrapped region before expansion (see Figure 6)
n: Number of turns of fiber (how many times the fiber is wound around the mandrel 1, etc.)
l: Amount of reduction in the axial dimension per turn of the fiber layer due to expansion; α: Total amount of reduction in the axial dimension of the fiber layer due to expansion (see FIG. 10(b)).
ここで、θBは、下記式(1)(2)によって算出される。また、αは、下記式(3)(4)(5)によって算出される。 Here, θ B is calculated by the following formulas (1) and (2): and α is calculated by the following formulas (3), (4), and (5).
ここで、膨張前のマンドレル本体1等の外径をDA、膨張後のマンドレル本体1等の外径をDB、成形装置100の内周面の径(内径)をDCとする。また、第一の炭素繊維層41の径方向寸法をb41、第二の炭素繊維層42の径方向寸法をb42、第三の炭素繊維層43の径方向寸法をb43とする。DB及びDCには、下記式(6)の関係が成立する。 Here, the outer diameter of the mandrel body 1 etc. before expansion is D A , the outer diameter of the mandrel body 1 etc. after expansion is D B , and the diameter (inner diameter) of the inner circumferential surface of the molding apparatus 100 is D C. Also, the radial dimension of the first carbon fiber layer 41 is b 41 , the radial dimension of the second carbon fiber layer 42 is b 42 , and the radial dimension of the third carbon fiber layer 43 is b 43. The relationship between D B and D C is expressed by the following formula (6).
第二の炭素繊維層42に関しては、θBが45°となるθAを算出し、ステップS5Bにおいて、かかる配向角度θAで第一の炭素繊維層41の外周面に巻回される。これにより、ステップS7実行後の第二の炭素繊維層42の配向角度θBは、45°となる。ここで、第二の炭素繊維層42のdA,dBは、下記式(7)(8)によって算出される。 For the second carbon fiber layer 42, θ A is calculated so that θ B becomes 45°, and in step S5B, the second carbon fiber layer 42 is wound around the outer peripheral surface of the first carbon fiber layer 41 at this orientation angle θ A. As a result, the orientation angle θ B of the second carbon fiber layer 42 after step S7 is performed becomes 45°. Here, d A and d B of the second carbon fiber layer 42 are calculated by the following formulas (7) and (8).
第三の炭素繊維層43に関しては、θBが-45°となるθAを算出し、ステップS5Cにおいて、かかる配向角度θAで第二の炭素繊維層42の外周面に巻回される。これにより、ステップS7実行後の第三の炭素繊維層43の配向角度θBは、-45°となる。すなわち、配置ステップにおいてマンドレル本体10等の外周面に配置された炭素繊維層42,43の配向角度が、膨張ステップによって変化して所定の配向角度となる。ここで、第三の炭素繊維層43のdA,dBは、下記式(9)(10)によって算出される。 For the third carbon fiber layer 43, θ A is calculated so that θ B is −45°, and in step S5C, the third carbon fiber layer 43 is wound around the outer peripheral surface of the second carbon fiber layer 42 at this orientation angle θ A. As a result, the orientation angle θ B of the third carbon fiber layer 43 after step S7 is performed is −45°. That is, the orientation angles of the carbon fiber layers 42, 43 arranged on the outer peripheral surface of the mandrel body 10, etc. in the arrangement step are changed by the expansion step to become predetermined orientation angles. Here, d A and d B of the third carbon fiber layer 43 are calculated using the following equations (9) and (10).
式(1)~(10)は、炭素繊維層41~43が配置されるマンドレル本体10等が軸方向にわたって同一外径であるとともに、成形装置100の内周面も軸方向にわたって同一内径であることを想定したものであり、マンドレル本体10が成形装置100の内周面に倣うように膨張する範囲に適用される。成形装置100の内周面が軸方向中間部で最大径となる樽形状を呈する場合等には、補正用の係数等が式(1)~(10)に適宜組み込まれる。 Equations (1) to (10) assume that the mandrel body 10, on which the carbon fiber layers 41 to 43 are arranged, has a constant outer diameter along the axial direction, and that the inner circumferential surface of the molding device 100 also has a constant inner diameter along the axial direction, and apply to the range in which the mandrel body 10 expands to fit the inner circumferential surface of the molding device 100. In cases such as when the inner circumferential surface of the molding device 100 has a barrel shape with a maximum diameter at the middle of the axial direction, correction coefficients, etc. are incorporated into equations (1) to (10) as appropriate.
本発明の第一の実施形態に係る繊維強化樹脂管体40(動力伝達軸2)の製造方法は、筒形状を呈するマンドレル1(マンドレル本体10)の外周面に繊維を巻回させて配置する配置工程と、前記繊維が配置された前記マンドレルを膨張させる膨張工程と、前記マンドレルの外周面に配置された繊維に熱硬化性樹脂を含浸させて硬化させる硬化工程と、を含み、前記膨張工程後の前記繊維の配向角度が所定の配向角度となるように、前記配置工程において前記繊維を前記所定の配向角度からずらして配置する。
かかる繊維強化樹脂管体40の製造方法によると、マンドレル1(マンドレル本体10)の膨張に伴う繊維の配向角度の変化を考慮して繊維(炭素繊維層42,43)を配置するので、マンドレル1膨張後の繊維の配向角度を好適に設定することができ、所望の性能(捩じり強度等)を有する繊維強化樹脂管体40(動力伝達軸2)を製造することができる。
A manufacturing method for a fiber-reinforced resin pipe body 40 (power transmission shaft 2) according to a first embodiment of the present invention includes an arrangement step of winding and arranging fibers on the outer peripheral surface of a cylindrical mandrel 1 (mandrel body 10), an expansion step of expanding the mandrel on which the fibers are arranged, and a curing step of impregnating the fibers arranged on the outer peripheral surface of the mandrel with a thermosetting resin and curing it, in which the fibers are arranged at a position shifted from a predetermined orientation angle in the arrangement step so that the orientation angle of the fibers after the expansion step becomes a predetermined orientation angle.
According to this manufacturing method for the fiber-reinforced resin pipe body 40, the fibers (carbon fiber layers 42, 43) are arranged taking into consideration the change in the fiber orientation angle that occurs with the expansion of the mandrel 1 (mandrel body 10). This makes it possible to suitably set the fiber orientation angle after the mandrel 1 expands, and to manufacture a fiber-reinforced resin pipe body 40 (power transmission shaft 2) with the desired performance (torsional strength, etc.).
また、繊維強化樹脂管体40(動力伝達軸2)の製造方法は、前記膨張工程において、前記繊維が巻回された前記マンドレル1(マンドレル本体10)を成形装置100の内周面に倣うように膨張させ、前記配置工程における前記繊維(炭素繊維層42,43)の配向角度は、膨張前の前記マンドレル1(マンドレル本体10)の外径、前記繊維(炭素繊維層41~43)の径方向寸法及び前記成形装置100の内周面の内径に基づいて設定される・
かかる繊維強化樹脂管体40の製造方法によると、膨張前のマンドレル1の外径、繊維(炭素繊維層41~43)の径方向寸法及び成形装置100の内周面の内径を考慮して繊維(炭素繊維層42,43)を配置するので、マンドレル1膨張後の繊維の配向角度を好適に設定することができる。
In addition, in the manufacturing method of the fiber-reinforced resin pipe body 40 (power transmission shaft 2), in the expansion step, the mandrel 1 (mandrel body 10) around which the fibers are wound is expanded so as to conform to the inner peripheral surface of the molding device 100, and the orientation angle of the fibers (carbon fiber layers 42, 43) in the arrangement step is set based on the outer diameter of the mandrel 1 (mandrel body 10) before expansion, the radial dimension of the fibers (carbon fiber layers 41 to 43), and the inner diameter of the inner peripheral surface of the molding device 100.
According to this manufacturing method for the fiber-reinforced resin pipe body 40, the fibers (carbon fiber layers 42, 43) are arranged taking into consideration the outer diameter of the mandrel 1 before expansion, the radial dimensions of the fibers (carbon fiber layers 41 to 43), and the inner diameter of the inner surface of the molding device 100, so that the orientation angle of the fibers after expansion of the mandrel 1 can be suitably set.
<第二の実施形態>
続いて、本発明の第二の実施形態に係る動力伝達軸2の製造方法について、第一の実施形態に係る動力伝達軸2の製造方法との相違点を中心に説明する。
Second Embodiment
Next, a method for manufacturing a power transmission shaft 2 according to a second embodiment of the present invention will be described, focusing on differences from the method for manufacturing a power transmission shaft 2 according to the first embodiment.
図12に示すように、本発明の第二の実施形態に係る動力伝達軸2の製造方法は、繊維設置工程と金型内設置工程との間に実行される繊維固定工程(ステップS5D)を含む。図13に示すように、繊維固定工程において、各炭素繊維層41~43の一端部は、固定部材71によってマンドレル1(本実施形態では、第一の金属部材50)に固定される。また、繊維固定工程において、各炭素繊維層41~43の他端部は、固定部材72によってマンドレル1(本実施形態では、第二の金属部材60)に固定される。 As shown in FIG. 12, the method for manufacturing a power transmission shaft 2 according to the second embodiment of the present invention includes a fiber fixing step (step S5D) that is performed between the fiber setting step and the mold placement step. As shown in FIG. 13, in the fiber fixing step, one end of each carbon fiber layer 41-43 is fixed to the mandrel 1 (in this embodiment, the first metal member 50) by a fixing member 71. Also, in the fiber fixing step, the other end of each carbon fiber layer 41-43 is fixed to the mandrel 1 (in this embodiment, the second metal member 60) by a fixing member 72.
第一の固定部材71及び第二の固定部材72は、樹脂製又は金属製の環状部材(リング、テープ等)であり、第三の炭素繊維層43に外嵌されることによって各炭素繊維層41~43をマンドレル1(第一の金属部材50及び第二の金属部材60)に固定する。 The first fixing member 71 and the second fixing member 72 are annular members (rings, tapes, etc.) made of resin or metal, and are fitted onto the third carbon fiber layer 43 to fix each of the carbon fiber layers 41-43 to the mandrel 1 (first metal member 50 and second metal member 60).
第一の固定部材71による各炭素繊維層41~43の一端部の固定強度は、第二の固定部材72による各炭素繊維層41~43の他端部の固定強度よりも大きい。これにより、膨張工程において、各炭素繊維層41~43は、一端部側が固定されて、他端部側がマンドレル本体10の膨張に伴って一端部側に近付くように移動する。ここで、第一の固定部材71側にはテーパ部40bが形成されているため、第一の固定部材71側の炭素繊維層41~43は、軸方向に移動しにくい。本実施形態では、第一の固定部材71による固定強度が第二の固定部材72による固定強度よりも大きく設定されているため、炭素繊維層42,43の第二の固定部材72側が、マンドレル本体10の膨張に伴って第一の固定部材71側へ好適に移動する。 The strength with which one end of each of the carbon fiber layers 41-43 is fixed by the first fixing member 71 is greater than the strength with which the other end of each of the carbon fiber layers 41-43 is fixed by the second fixing member 72. As a result, during the expansion process, one end of each of the carbon fiber layers 41-43 is fixed, and the other end moves closer to the one end as the mandrel body 10 expands. Here, because the tapered portion 40b is formed on the first fixing member 71 side, the carbon fiber layers 41-43 on the first fixing member 71 side are less likely to move in the axial direction. In this embodiment, the fixing strength of the first fixing member 71 is set greater than the fixing strength of the second fixing member 72, so the second fixing member 72 side of the carbon fiber layers 42, 43 moves favorably toward the first fixing member 71 as the mandrel body 10 expands.
第一の固定部材71及び第二の固定部材72は、成型工程における加熱によって溶融する構成であってもよい。 The first fixing member 71 and the second fixing member 72 may be configured to melt when heated during the molding process.
本発明の第二の実施形態に係る繊維強化樹脂管体40(動力伝達軸2)の製造方法は、前記配置工程と前記膨張工程との間に、前記マンドレル1(マンドレル本体10)の外周面に配置された前記繊維(炭素繊維層42,43)の両端部を固定する固定工程を含み、前記繊維の一端部側の固定強度は、前記繊維の他端部側の固定強度よりも大きい。
かかる繊維強化樹脂管体40の製造方法によると、マンドレル1の膨張に伴う繊維の位置ずれの方向を決めることができるので、マンドレル1膨張後の繊維の位置を好適に設定することができ、所望の性能(捩じり強度等)を有する繊維強化樹脂管体を製造することができる。
The manufacturing method of the fiber-reinforced resin pipe body 40 (power transmission shaft 2) according to the second embodiment of the present invention includes, between the arrangement step and the expansion step, a fixing step of fixing both ends of the fibers (carbon fiber layers 42, 43) arranged on the outer peripheral surface of the mandrel 1 (mandrel body 10), and the fixing strength of one end side of the fibers is greater than the fixing strength of the other end side of the fibers.
According to this manufacturing method for the fiber-reinforced resin pipe body 40, the direction of the fiber displacement due to the expansion of the mandrel 1 can be determined, so that the position of the fiber after the expansion of the mandrel 1 can be suitably set, and a fiber-reinforced resin pipe body having the desired performance (torsional strength, etc.) can be manufactured.
<第三の実施形態>
続いて、本発明の第三の実施形態に係る動力伝達軸2の製造方法について、第二の実施形態に係る動力伝達軸2の製造方法との相違点を中心に説明する。
Third Embodiment
Next, a method for manufacturing a power transmission shaft 2 according to a third embodiment of the present invention will be described, focusing on differences from the method for manufacturing a power transmission shaft 2 according to the second embodiment.
本実施形態において、配置ステップにおける炭素繊維42,43の他端部の位置は、膨張前のマンドレル本体10の外径、炭素繊維41,42,43の径方向寸法及び成形装置100の内周面の内径に基づいて算出されて設定される。より詳細には、図14に示すように、繊維設置工程において、各炭素繊維層42,43は、その他端部が膨張工程後の位置(所定の位置)よりも前記したαだけ軸方向外側となるように配置される。これにより、膨張工程において、各炭素繊維層42,43は、一端部側が固定されて、他端部側がマンドレル本体10の膨張に伴って一端部側に近付き、前記した所定の位置まで移動する。すなわち、配置ステップにおいてマンドレル本体10等の外周面の配置された炭素繊維層42,43の他端部の位置が、膨張ステップによって変化して所定の位置となる。なお、第一の炭素繊維層41の他端部の位置は、膨張前後で変わらないため、膨張後の炭素繊維層42,42の他端部の位置に合わせられている。 In this embodiment, the positions of the other ends of the carbon fibers 42, 43 in the placement step are calculated and set based on the outer diameter of the mandrel body 10 before expansion, the radial dimensions of the carbon fibers 41, 42, 43, and the inner diameter of the inner circumferential surface of the molding apparatus 100. More specifically, as shown in FIG. 14 , in the fiber placement step, each carbon fiber layer 42, 43 is positioned so that its other end is axially outward by the aforementioned α from its position (predetermined position) after the expansion step. As a result, in the expansion step, one end of each carbon fiber layer 42, 43 is fixed, and the other end moves closer to the one end as the mandrel body 10 expands, moving to the predetermined position. In other words, the positions of the other ends of the carbon fiber layers 42, 43 placed on the outer circumferential surface of the mandrel body 10, etc., in the placement step are changed to predetermined positions by the expansion step. The position of the other end of the first carbon fiber layer 41 remains unchanged before and after expansion, and is therefore aligned with the position of the other end of the expanded carbon fiber layers 42, 42.
本発明の第三の実施形態に係る繊維強化樹脂管体40(動力伝達軸2)の製造方法では、前記膨張工程後の前記繊維(炭素繊維層42,43)の前記他端部側の位置が所定の位置となるように、前記配置工程において前記繊維の他端部を前記所定の位置からずらして配置する。
かかる繊維強化樹脂管体40の製造方法によると、マンドレル1の膨張に伴う繊維の位置ずれを考慮して炭素繊維を配置するので、マンドレル1膨張後の繊維の位置を好適に設定することができ、所望の性能(衝突に対する強度、捻転に対する強度等)を有する繊維強化樹脂管体を製造することができる。
In the manufacturing method of the fiber-reinforced resin pipe body 40 (power transmission shaft 2) according to the third embodiment of the present invention, the other end of the fiber (carbon fiber layers 42, 43) is positioned in the positioning step so that the position of the other end side of the fiber after the expansion step is a predetermined position.
According to this manufacturing method for the fiber-reinforced resin pipe body 40, the carbon fibers are positioned taking into consideration the displacement of the fibers that occurs as the mandrel 1 expands, so that the position of the fibers after the mandrel 1 expands can be suitably set, and a fiber-reinforced resin pipe body having the desired performance (strength against collisions, strength against torsion, etc.) can be manufactured.
また、繊維強化樹脂管体40(動力伝達軸2)の製造方法では、前記膨張工程において、前記繊維が巻回された前記マンドレル1(マンドレル本体10)を成形装置100の内周面に倣うように膨張させ、前記配置工程における前記繊維の前記他端部の位置は、膨張前の前記マンドレル1(マンドレル本体10)の外径、前記繊維(炭素繊維層41~43)の径方向寸法及び前記成形装置100の内周面の内径に基づいて設定される。
かかる繊維強化樹脂管体40の製造方法によると、膨張前のマンドレル1の外径、繊維の径方向寸法及び成形装置100の内周面の内径を考慮して繊維を配置するので、マンドレル1膨張後の繊維の他端部の位置を好適に設定することができる。
Furthermore, in the manufacturing method of the fiber-reinforced resin pipe body 40 (power transmission shaft 2), in the expansion process, the mandrel 1 (mandrel body 10) around which the fiber is wound is expanded so as to conform to the inner surface of the molding device 100, and the position of the other end of the fiber in the placement process is set based on the outer diameter of the mandrel 1 (mandrel body 10) before expansion, the radial dimension of the fiber (carbon fiber layers 41 to 43), and the inner diameter of the inner surface of the molding device 100.
According to this manufacturing method for the fiber-reinforced resin pipe body 40, the fibers are positioned taking into consideration the outer diameter of the mandrel 1 before expansion, the radial dimensions of the fibers, and the inner diameter of the inner surface of the molding device 100, so that the position of the other end of the fiber after expansion of the mandrel 1 can be suitably set.
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変形可能である。例えば、マンドレル本体10の大径部(本体部)11は、当該大径部11の中央部から両端部に向かうにつれて径が小さくなる樽形状に膨張してもよく、軸方向にわたって同一径の円筒形状に膨張してもよい。かかる膨張形状は、成型装置(金型)100において大径部11が設置される部位の内周面の形状によって適宜設定可能である。また、マンドレル本体10内に流入されて充填される流体は、マンドレル本体10内を加圧するのに加えて、マンドレル本体10の外周面に配置された熱硬化性樹脂を硬化させるために加熱するためのものであってもよい。なお、かかる流体が加熱を行わない加圧用流体である場合には、熱硬化性樹脂は、別の熱源によって加熱される。 While the above describes an embodiment of the present invention, the present invention is not limited to the above embodiment and can be modified as appropriate without departing from the spirit and scope of the present invention. For example, the large-diameter portion (main body portion) 11 of the mandrel body 10 may expand into a barrel shape with a diameter that decreases from the center of the large-diameter portion 11 to both ends, or into a cylindrical shape with a constant diameter along the axial direction. Such an expanded shape can be appropriately set depending on the shape of the inner circumferential surface of the molding device (mold) 100 where the large-diameter portion 11 is installed. Furthermore, the fluid flowing into and filling the mandrel body 10 may not only pressurize the inside of the mandrel body 10, but also heat the thermosetting resin disposed on the outer circumferential surface of the mandrel body 10 to harden it. Note that if such a fluid is a pressurizing fluid that does not perform heating, the thermosetting resin is heated by a separate heat source.
また、ステップS9,S10の間にマンドレル1を成形された繊維強化樹脂管体40から抜き出す構成であってもよい。また、マンドレル本体10は、ステップS8における樹脂44や成形装置(金型)100の熱によって溶融して除去される構成であってもよい。その他の熱、電気、振動等のエネルギーによってマンドレル本体10を溶融して除去することも可能である。また、各炭素繊維層41~43は、互いに織り込まれた、いわゆるクリンプ構造を呈してもよい。また、繊維体は、炭素繊維に限定されず、樹脂層を強化可能な繊維部材(例えば、ガラス繊維、セルロース繊維等)であればよい。 Alternatively, the mandrel 1 may be removed from the molded fiber-reinforced resin pipe 40 between steps S9 and S10. The mandrel body 10 may be melted and removed by the heat of the resin 44 or the molding device (mold) 100 in step S8. It is also possible to melt and remove the mandrel body 10 using other forms of energy, such as heat, electricity, or vibration. The carbon fiber layers 41-43 may be interwoven with one another, forming a so-called crimped structure. The fiber material is not limited to carbon fiber, and may be any fiber material capable of reinforcing the resin layer (e.g., glass fiber, cellulose fiber, etc.).
1 マンドレル
2 動力伝達軸
10 マンドレル本体
20 内嵌部材
40 繊維強化樹脂管体
50 第一の金属部材
60 第二の金属部材
REFERENCE SIGNS LIST 1 Mandrel 2 Power transmission shaft 10 Mandrel body 20 Inner fitting member 40 Fiber reinforced resin pipe body 50 First metal member 60 Second metal member
Claims (5)
前記繊維が配置された前記マンドレルを膨張させる膨張工程と、
前記マンドレルの外周面に配置された繊維に熱硬化性樹脂を含浸させて硬化させる硬化工程と、
を含み、
前記膨張工程後の前記繊維の配向角度が所定の配向角度となるように、前記配置工程において前記繊維を前記所定の配向角度からずらして配置し、
前記膨張工程において、前記繊維が巻回された前記マンドレルを成形装置の内周面に倣うように膨張させ、
前記配置工程における前記繊維の配向角度は、膨張前の前記マンドレルの外径、前記繊維の径方向寸法及び前記成形装置の内周面の内径に基づいて設定される、
繊維強化樹脂管体の製造方法。 an arrangement step of winding and arranging fibers on an outer peripheral surface of a cylindrical mandrel;
an expansion step of expanding the mandrel on which the fibers are disposed;
a curing step of impregnating the fibers arranged on the outer peripheral surface of the mandrel with a thermosetting resin and curing the resin;
Including,
In the arranging step, the fibers are arranged so as to be shifted from the predetermined orientation angle so that the orientation angle of the fibers after the expanding step becomes the predetermined orientation angle;
In the expanding step, the mandrel around which the fiber is wound is expanded so as to conform to the inner circumferential surface of a molding device,
an orientation angle of the fibers in the arranging step is set based on the outer diameter of the mandrel before expansion, the radial dimension of the fibers, and the inner diameter of the inner circumferential surface of the molding device;
A method for manufacturing a fiber-reinforced resin pipe body.
前記繊維の一端部側の固定強度は、前記繊維の他端部側の固定強度よりも大きい、
請求項1に記載の繊維強化樹脂管体の製造方法。 a fixing step of fixing both ends of the fibers arranged on the outer circumferential surface of the mandrel between the arranging step and the expanding step,
The fixing strength of one end side of the fiber is greater than the fixing strength of the other end side of the fiber.
The method for manufacturing the fiber-reinforced resin pipe according to claim 1 .
前記繊維が配置された前記マンドレルを膨張させる膨張工程と、
前記マンドレルの外周面に配置された繊維に熱硬化性樹脂を含浸させて硬化させる硬化工程と、
を含み、
前記膨張工程後の前記繊維の配向角度が所定の配向角度となるように、前記配置工程において前記繊維を前記所定の配向角度からずらして配置し、
前記配置工程と前記膨張工程との間に、前記マンドレルの外周面に配置された前記繊維の両端部を固定する固定工程を含み、
前記繊維の一端部側の固定強度は、前記繊維の他端部側の固定強度よりも大きい、
繊維強化樹脂管体の製造方法。 an arrangement step of winding and arranging fibers on an outer peripheral surface of a cylindrical mandrel;
an expansion step of expanding the mandrel on which the fibers are disposed;
a curing step of impregnating the fibers arranged on the outer peripheral surface of the mandrel with a thermosetting resin and curing the resin;
Including,
In the arranging step, the fibers are arranged so as to be shifted from the predetermined orientation angle so that the orientation angle of the fibers after the expanding step becomes the predetermined orientation angle;
a fixing step of fixing both ends of the fibers arranged on the outer circumferential surface of the mandrel between the arranging step and the expanding step,
The fixing strength of one end side of the fiber is greater than the fixing strength of the other end side of the fiber.
A method for manufacturing a fiber-reinforced resin pipe body.
請求項2又は請求項3に記載の繊維強化樹脂管体の製造方法。 In the arranging step, the other end of the fiber is arranged so as to be shifted from the predetermined position so that the position of the other end side of the fiber after the expanding step will be the predetermined position.
The method for manufacturing a fiber-reinforced resin pipe according to claim 2 or 3 .
前記配置工程における前記繊維の前記他端部の位置は、膨張前の前記マンドレルの外径、前記繊維の径方向寸法及び前記成形装置の内周面の内径に基づいて設定される、
請求項4に記載の繊維強化樹脂管体の製造方法。 In the expanding step, the mandrel around which the fiber is wound is expanded so as to conform to the inner circumferential surface of a molding device,
a position of the other end of the fiber in the arranging step is set based on an outer diameter of the mandrel before expansion, a radial dimension of the fiber, and an inner diameter of an inner circumferential surface of the molding device;
The method for manufacturing the fiber-reinforced resin pipe according to claim 4.
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