专利名称：纤维增强树脂制筒部件的制造方法
技术领域：
本发明涉及用于由芯棒和未固化的树脂浸渍纤维来制造纤维增强树脂制的筒部 件的方法，尤其是制造作为车辆的转矩管(torque tube)而被使用的筒部件。
背景技术：
在搭载前置发动机和在车辆的后侧搭载传动装置(transmission)以及差速器 (differential) (transaxle，驱动桥)而成的构造形态的车辆中，作为从前置发动机向传 动装置传递驱动力的构造部件，使用驱动轴(输入轴)贯穿内部、且内置有对该驱动轴进行 支承的轴承的圆筒状的转矩管。 该转矩管的一端由螺栓等与发动机箱体刚性结合，其另一端也由螺栓等与传动装 置刚性结合。由于涉及的较长部件是将其两端刚性结合于驱动系统的结构，因此在车辆启 动时或转弯行驶时等多种情况时，该转矩管会特别地因来自车轮的转矩反作用力等而发生 弯曲。因此，代替例如专利文献1中公开的传动轴(propeller shaft)那样的要求具有扭 转刚性，而对该转矩管要求具有弯曲刚性。 现有的转矩管为金属制的筒体，但在主张车辆的轻量化的今天，逐渐代替金属材 料，而由轻量、高刚性的纤维增强树脂来形成。该情况下的制造方法例如通过所谓的缠绕成 形法(filament winding)来进行制造，该成形法是使多根树脂纤维浸渍基质(matrix)树 脂，并施加张力以预定角度缠绕在旋转的金属模芯棒上，直到成为预定厚度，在使树脂热固 化后，使芯棒脱模来进行成形。该树脂纤维层有时以多层构造来进行成形，所述多层构造包 括在芯棒的周向上缠绕而成的层、和相对于其轴向(长度方向)而以预定的倾斜角螺旋缠 绕形成的层。上述专利文献1所公开的传动轴也是纤维增强塑料制的筒状部件，为在其两 端连接了转矩传递连接器的结构。 但是，在包括上述的金属制的芯棒和形成于其外周的树脂纤维增强层的转矩管 中，在其两端部安装有带法兰盘(带凸缘)的金属制的筒状部件。如上述那样，这用于将转 矩管的两端分别螺栓固定到发动机箱体和传动装置上。 该带凸缘的筒状部件的具体的组装方法为使缠绕在金属模芯棒表面的、树脂未 固化的纤维层的端部折回，接着，在芯棒和该纤维层之间插入筒状部件来确定位置，使折回 的纤维层复元而在芯棒和纤维层之间设置筒状部件，使树脂热固化。 根据上述组装方法，当纤维层折回时，纤维的取向被弄乱，相对于其端部卓越的弯 矩，会产生无法发挥初期的弯曲强度这样的严重问题。另外，也会产生如下问题未固化的 树脂附着在金属模芯棒上，在其热固化时，会同时固化到芯棒上。关于上述专利文献1所公 开的传动轴中的转矩传递连接器和纤维增强塑料制的筒状部件的连接方法，完全没有公开 上述问题，也没有关于解决方法的任何记载。
专利文献1 :日本特开平6-123308号公报
发明内容
本发明是鉴于上述问题而完成的发明，其目的在于提供一种纤维增强树脂制筒部件的制造方法，不需要使浸渍了未固化树脂的纤维层的端部折回，因此，能够将纤维取向维持在初期的取向姿势，并用极其简单的方法使包括树脂纤维的筒部件、和直接刚性结合于发动机箱体的带凸缘的筒材料接合。 为了实现上述目的，本发明的纤维增强树脂制筒部件的制造方法的特征在于包括第一工序，该工序准备包括截面为圆形的较长的芯棒、和安装在该芯棒的一端的端部安装材料的基材，所述端部安装材料具有相比于芯棒而扩径了的扩径部和突起；第二工序，该工序在所述芯棒的外周在其周向上环向缠绕浸渍未固化树脂而成的纤维、或者在所述突起处使纤维折回并对该纤维进行螺旋缠绕，从而形成第一巻层，接着，切断该第一巻层的端部，使该端部和所述端部安装材料从芯棒分离，从而在第一巻层和芯棒之间形成插入空间；第三工序，该工序从所述芯棒的一端插入带凸缘的筒材料，形成该筒材料的一部分插入到所述插入空间的姿势；第四工序，该工序在形成于所述芯棒和所述筒材料的外周的第一巻层的外周，环向缠绕或者螺旋缠绕浸渍未固化树脂而成的纤维来形成第二巻层，由此制造包括筒材料和第一巻层、第二巻层的中间材料；第五工序，该工序对所述中间材料进行加热处理，由此制造第一巻层、第二巻层热固化而成的纤维增强树脂制筒部件，接着使芯棒脱模。
本发明的纤维增强树脂制筒部件的制造方法，涉及由纤维增强树脂形成上述的转矩管的制造方法，特别涉及当在纤维增强树脂制的筒部件的端部接合带凸缘(带环状法兰盘)的金属制筒材料时，能够不弄乱初期的纤维取向，并且通过简单的方法来使双方接合的制造方法。 首先，准备金属芯棒，在其端部安装具有相比于芯棒而扩径了的扩径部和突起的
端部安装材料来形成基材(第一工序)。在此，该端部安装材料被安装成从芯棒装卸自由
地，能够在纤维增强树脂制筒部件的制造过程中取下。该端部安装材料具有扩径部，由此如
后述那样，当在第一巻层形成后从芯棒取下该端部安装材料时，能够在芯棒表面和第一巻
层之间，形成前端縮径、后方与金属制筒材料相同程度的厚度的圆环状空间。通过该形成的
空间，能够撑开巻层、不弄乱其取向而容易地插入设置带凸缘的金属制筒材料。 在该基材外周环向缠绕或螺旋缠绕能够使碳纤维等的纤维通过基质树脂槽的、浸
渍有未固化树脂的纤维，由此形成第一巻层。在此，所谓环向缠绕是表示在芯棒等的周向上
进行巻装。另外，所谓螺旋缠绕是相对于芯棒的轴方向以预定的角度螺旋状地进行巻装，在
该情况下，能够将形成在芯棒两端的端部安装材料的例如前端上的突起作为折回点，执行
预定次数的螺旋缠绕。 第一巻层形成后，切断该两端部分，从芯棒与该切断片一起取下端部安装材料，在芯棒表面和第一巻层之间形成空间(第二工序)。 接着，在所形成的插入空间内插入带凸缘的金属制筒材料(第三工序)。在该凸缘
部穿孔有螺栓孔，最终由发动机箱体的螺栓孔等决定位置，两者被螺栓连接。 将金属制筒材料插入了芯棒两端的插入空间内之后，在第一巻层的外周进一步形
成第二巻层。该第二巻层也是通过环向缠绕或者螺旋缠绕浸渍未固化树脂而成的纤维来形
成(第四工序)。 在该第四工序时刻，制造包括在芯棒的外周确定了位置的金属制筒材料、和被形
5成为包围该金属制筒材料的较长(长形)的第一巻层、第二巻层(基质树脂未固化)的中 间材。 接着，对该中间材料进行加热处理，使第一巻层、第二巻层的基质树脂热固化，最
后使内部的芯棒脱模(拔出)，由此制造纤维增强树脂制筒部件(第五工序)。 根据上述的本发明的纤维增强树脂制筒部件的制造方法，不弄乱树脂纤维的取
向，并且能够简单地安装由构成纤维增强树脂制筒部件的纤维树脂构成的本体部分、和其
两端部的带凸缘的金属制筒部件。 另外，本发明的纤维增强树脂制筒部件的制造方法的其他的实施方式的特征在于 包括第一工序，该工序准备包括截面为圆形的较长的芯棒、和安装在该芯棒的一端的端 部安装材料的基材，所述端部安装材料具有相比于芯棒而扩径了的扩径部和突起；第二工 序，该工序在所述芯棒的外周在其周向上环向缠绕浸渍未固化树脂而成的纤维来形成第一 巻层，接着，在该第一巻层的外周和所述端部安装材料的外周，在所述突起处折回并螺旋缠 绕浸渍未固化树脂而成的纤维来形成第二巻层，接着，切断该第二巻层的端部，使该端部和 所述端部安装材料从芯棒分离，从而在第二巻层和芯棒之间形成插入空间；第三工序，该工 序从所述芯棒的一端插入带凸缘的筒材料，形成该筒材料的一部分插入到所述插入空间的 姿势；第四工序，该工序在形成于所述芯棒和所述筒材料的外周的第二巻层的外周，环向缠 绕或者螺旋缠绕浸渍未固化树脂而成的纤维来形成第三巻层，由此制造包括筒材料和第一 巻层、第二巻层、第三巻层的中间材料；第五工序，该工序对所述中间材料进行加热处理，由 此制造第一巻层、第二巻层、第三巻层热固化而成的纤维增强树脂制筒部件，接着使芯棒脱 模。 本实施方式是形成3层巻装方向不同的树脂层。在此，第一巻层的厚度为与端部 安装材料相同程度，只在芯棒的外周巻装所述第一巻层。接着，本次是将第二巻层螺旋缠绕 在第一巻装和端部安装材料的外周，接着，切断两个端部，并且从芯棒取下端部安装材料， 在芯棒和第二巻层之间形成插入空间。向该插入空间插入带凸缘的筒材料，接着，在第二巻 层的外周例如环向缠绕纤维来形成第三巻层。 通过第一巻层，在该端部和带凸缘的筒材料之间难以形成间隙。 通过第三巻层，能够将第二巻层充分地束紧，并且能够从该第二巻层排出多余的
树脂，能够有效地抑制树脂层内部的空隙(Void)的产生。进一步，通过第三巻层，能够提高
由第二巻层连接的较长本体部分和其两端的带凸缘的筒材料的连接强度，特别能够制造其
端部卓越的能够抗弯矩的部件。作为第三巻层形成的其他的实施方式，还有首先只在芯棒
上的第二巻层外周形成第三巻层，在插入设置了带凸缘的筒材料之后，在该筒材料外周的
第二巻层的外周形成第三巻层的方法(即，将第三巻层分成2个阶段的方法)。 另外，也可以在筒材料的外周形成在周向或者相对于周向倾斜了预定角度的方向
上延伸设置的凹沟。 在该凹沟例如挤入第二巻层，由此能够提高在材料作用了拉张力(或者弯曲拉张 力)的情况下的抗张耐力。 另外，本发明的制造方法的其他的实施方式也有如下实施方式在第五工序之后 还包括第六工序，该第六工序在所述芯棒的内部插入设置轴承和轴，接着，从所述筒材料的 一端压入筒状的加强部件，使该加强部件的一端与该筒材料的一端成为齐平，从而制造纤维增强树脂制筒部件，所述加强部件具有在该筒材料的长度上增加了预定长度的全长。
如已述的那样，在该转矩管特别地是端部产生由于外力引起的弯矩，要求有能够抗拒该弯曲的弯曲耐力。 因此，在本实施方式中，通过特别在部件两端设置弯曲加强材料，目的在于由此进一步提高部件的弯曲耐力。为了提高部件端部的弯曲刚性，可以使用具有筒材料的长度+ a (该a是与第一巻层重叠的长度)的长度的加强部件，由此，能够有效地加强筒材料和第一巻层的连接边界。 该加强部件呈筒状，使得能够在其内部贯通轴，为了实现与纤维增强树脂制筒部件的牢固的连接，对该筒部件的内径和加强部件的外径进行调整，将该加强部件压入接合于筒部件内。 另外，即使在由于带凸缘的金属制筒材料和树脂纤维层的线膨胀的差异，在利用加热处理的一体成型时，在两者之间产生不牢固，接合强度降低的情况，也能够通过上述加强部件来有效地加强部件端部的接合部。 另外，在本发明的纤维增强树脂制筒部件的制造方法的其他的实施方式中，特征在于在第一巻层由螺旋缠绕的巻层构成的情况下，其缠绕角度相对芯棒的轴线方向为10 20度的低角度。 在螺旋缠绕有纤维的巻层中，为了提高部件的弯曲强度，优选尽可能地使纤维在轴线方向取向，与此同时需要确保能够实现螺旋缠绕的角度。 为了实现相关的弯曲强度和制造可能性这双方，相对于芯棒的轴线方向将纤维的螺旋缠绕角度调整为10 20度的低角度。 另外，在本发明的纤维增强树脂制筒部件的制造方法的其他的实施方式中，特征在于在所述第三巻层由螺旋缠绕的巻层构成的情况下，其角度相对芯棒的轴线方向为45度以上的高角度。 在具有第三巻层的纤维增强树脂制筒部件中，在螺旋巻绕该第三巻层的纤维的情况下，以提高第二巻层的束紧效果和进一步的弯曲强度为目的，优选以相对于轴线方向为45度以上(90度以下)的高角度进行螺旋缠绕。 如能够根据以上的说明理解到的那样，根据本发明的纤维增强树脂制筒部件的制造方法，不需要使浸渍了未固化树脂的纤维层的端部折回，因此，能够使纤维取向维持在初期的取向姿势，并且用极其简单的方法，使由树脂纤维构成的筒部件、和直接刚性结合于发动机箱体等的带凸缘的筒材料相接合。
图1是包括芯棒和端部安装材料的基材的正面图。 图2是说明转矩管的端部构造的剖视图。 图3是按(a) (f)的顺序对本发明的制造方法进行说明的流程图。 图4是说明图3 (a)的立体图。 图5是说明图3 (b)的立体图。 图6是说明图3 (b)的立体图。 图7是说明向部件端部插入加强部件的状况的图。
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图8是说明加强后的转矩管的端部构造的剖视图。
符号说明 1...芯棒、2...端部安装材料、21...扩径部、22..一巻层、31...碳纤维、4...第二巻层、41...碳纤维、5...第属筒材料、61... —般圆筒部、62...凸缘部、61a...凹沟、7.10...基材、100...转矩管
具体实施例方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。图1是包括芯棒和端部安装材料的基材的正面图，图2是说明转矩管的端部构造的剖视图，图3的(a) (f)是依次说明本发明的制造方法的流程图。图4是说明图3(a)的立体图，图5、图6是依次说明图3(b)的立体图。图7是说明向部件端部插入加强部件的状况的图，图8是说明加强后的转矩管的端部构造的剖视图。另外，省略转矩管内的轴承和轴的图示。 图1示出用于制造作为碳纤维增强树脂制的筒部件的转矩管的金属模。该金属模基材10由较长的圆筒状的金属制芯棒1、和装卸自由地嵌合在其两端部的端部安装材料2构成。 该端部安装材料2由从其前端扩径的锥形部22、和相比于芯棒1而扩径了的扩径部21构成。在扩径部21的端部设置突起23。该突起23成为在芯棒上螺旋缠绕碳纤维时的折回点。 最终制造的转矩管，由在该基材10的外周面环向缠绕浸渍了未固化的基质树脂的碳纤维而成的巻层、和螺旋缠绕同样地浸渍了未固化树脂的其他的碳纤维而成的巻层的多层结构构成，通过该基质树脂进行热固化，从而制造转矩管。 图2是说明了转矩管的端部构造的剖视图，示出内部的金属模芯棒脱模后的状态。在该实施方式中，包括在芯棒1的外周环向缠绕了碳纤维的巻层3(第一巻层)；以及在其外周和端部的带凸缘的金属筒材料6双方的外周面上以预定角度一系列地螺旋缠绕碳纤维而成的巻层4(第二巻层)；以及进一步在该巻层4的外周面上环向缠绕了碳纤维的巻层5(第三巻层)。 在此，金属筒材料6是形成有巻层4、巻层5的一般圆筒部61、和在其端部在径向上突出的凸缘部62 —体成型的部件，在一般圆筒部61上在环向上形成有多个用于提高与巻层4的粘着性(抗张强度)的凹沟61a。另外，在凸缘部61a穿孔有未作图示的螺栓孔，从而能够与发动机箱体、变速器进行螺栓固定。 本发明的转矩管在第一巻层3的内部插入设置未作图示的轴承和轴。 图3是说明了本发明的转矩管的制造方法的流程图。图4 图6是说明了图3 (a)、
(b)的碳纤维的巻装状况的图。 首先，如图3 (a)，如图1所示那样在芯棒1的两端部安装端部安装材料2，如图4说明的那样只在芯棒1的外周面上环向缠绕浸渍了未固化的基质树脂的碳纤维31，从而形成第一巻层3。在此，该巻层3的层厚被设定成与以后安装的金属筒材料6的壁厚相同程度的厚度，由此能够消除一系列巻装于芯棒外周和金属筒材料外周的第二巻层的台阶的产生。
接着，如图3(b)和图5，在芯棒1上的第一巻层3和端部安装材料2的外周，将突
.锥形部、23...突起、3...第三巻层、51...碳纤维、6...金..插入空间、8...加强部件、起23作为折回点，螺旋缠绕其他的碳纤维41来形成第二巻层4。在此，该螺旋缠绕时的缠 绕角度相对于芯棒1的轴线方向被设定为10 20度的低角度。 进一步，如图6，在第二巻层4的外周环向缠绕用于束紧该巻层4的碳纤维51，从 而形成第三巻层5。需说明的是，在图示的实施方式中，此时未在端部安装材料2的外周的 第二巻层4上形成第三巻层。如后述那样，在芯棒1安装了金属筒材料6之后，在其外周的 第二巻层4的更外周形成第三巻层5。 接着，如图3 (c)，切断第二巻层4的端部片42，将其与端部安装材料2从芯棒1取 下(XI方向)。 在该取下工序中如图3(d)，在芯棒1的外周面和第二巻层4之间形成插入空间7。
在该插入空间插入金属筒材料6 (X2方向)，如图3 (e)，使第二巻层4的端部紧贴 金属筒材料6，在其外周面形成第三巻层5，由此形成转矩管的骨骼。 通过对上述工序中所制造的中间体和芯棒1进行热处理，使各巻层3、巻层4、巻层 5的基质树脂热固化，在呈现预定强度后，使内部的芯棒l脱模，由此如图3(f)中所示那样， 制造在两端部牢固地使具备凸缘部62、62的金属筒材料6、6和碳纤维增强树脂一般部相接 合的转矩管100，所述凸缘部62、62具有螺栓 L。在该转矩管100的筒内部插入设置未图示 的轴承和轴。 根据上述的本发明的转矩管的制造方法，能够容易地在芯棒1和第二巻层之间形 成金属筒材料6插入用的空间，在该空间插入设置该金属筒材料6，只要使第二巻层4压住 金属筒材料6就可以使双方成为一体，因此能够不打乱形成第二巻层的碳纤维的取向，就 能简单地使金属筒材料6与碳纤维巻层进行一体化。 图7、图8是说明了用于进一步提高该转矩管端部的弯曲强度的加强方法的图。
首先，稍大地成型金属筒材料6的端部侧的内径，确保加强部件的容易插入性，将 金属制的加强部件8压入其中(X3方向)，如图8，制造提高了端部的弯曲刚性的转矩管。该 加强部件8是具有金属筒材料6的长度+(plus) a的长度的部件，适当地调整其内径和外 径，从而使双方压入接合。 例如，作为加强部件8的外径(Dl)和其插入的金属筒材料6的内径(D2)、以
及加强部件8的前端的外径和第一巻层3的内径(D3)的一个实施例，能够将D1成型
为-5/10000XD2 +20/10000XD2、i -5/10000XD3 +5/10000XD3。 根据该实施方式，也能够通过该加强部件8来消除由于碳纤维增强树脂部件和端
部的金属筒材料6之间的线膨胀系数的差异而引起的热处理时的不牢固的产生。 以上，虽然利用附图详细叙述了本发明的实施方式，但具体的结构并不限定于该
实施方式，即使有不脱离本发明的主旨的范围内的设计变更等，也包含在本发明中。
权利要求
一种纤维增强树脂制筒部件的制造方法，包括第一工序，该工序准备包括截面为圆形的较长的芯棒、和安装在该芯棒的一端的端部安装材料的基材，所述端部安装材料具有相比于芯棒而扩径了的扩径部和突起；第二工序，该工序在所述芯棒的外周在其周向上环向缠绕浸渍未固化树脂而成的纤维、或者在所述突起处使纤维折回并对该纤维进行螺旋缠绕，从而形成第一卷层，接着，切断该第一卷层的端部，使该端部和所述端部安装材料从芯棒分离，从而在第一卷层和芯棒之间形成插入空间；第三工序，该工序从所述芯棒的一端插入带凸缘的筒材料，形成该筒材料的一部分插入到所述插入空间的姿势；第四工序，该工序在形成于所述芯棒和所述筒材料的外周的第一卷层的外周，环向缠绕或者螺旋缠绕浸渍未固化树脂而成的纤维来形成第二卷层，由此制造包括筒材料和第一卷层、第二卷层的中间材料；第五工序，该工序对所述中间材料进行加热处理，由此制造第一卷层、第二卷层热固化而成的纤维增强树脂制筒部件，接着使芯棒脱模。
2. —种纤维增强树脂制筒部件的制造方法，包括第一工序，该工序准备包括截面为圆形的较长的芯棒、和安装在该芯棒的一端的端部 安装材料的基材，所述端部安装材料具有相比于芯棒而扩径了的扩径部和突起；第二工序，该工序在所述芯棒的外周在其周向上环向缠绕浸渍未固化树脂而成的纤维 来形成第一巻层，接着，在该第一巻层的外周和所述端部安装材料的外周，在所述突起处折 回并螺旋缠绕浸渍未固化树脂而成的纤维来形成第二巻层，接着，切断该第二巻层的端部， 使该端部和所述端部安装材料从芯棒分离，从而在第二巻层和芯棒之间形成插入空间；第三工序，该工序从所述芯棒的一端插入带凸缘的筒材料，形成该筒材料的一部分插 入到所述插入空间的姿势；第四工序，该工序在形成于所述芯棒和所述筒材料的外周的第二巻层的外周，环向缠 绕或者螺旋缠绕浸渍未固化树脂而成的纤维来形成第三巻层，由此制造包括筒材料和第一 巻层、第二巻层、第三巻层的中间材料；第五工序，该工序对所述中间材料进行加热处理，由此制造第一巻层、第二巻层、第三 巻层热固化而成的纤维增强树脂制筒部件，接着使芯棒脱模。
3. 根据权利要求1或2所述的纤维增强树脂制筒部件的制造方法，其中， 所述制造方法在第五工序之后还包括第六工序，该第六工序在所述芯棒的内部插入设置轴承和轴，接着，从所述筒材料的一端压入筒状的加强部件，使该加强部件的一端与该筒 材料的一端齐平，从而制造纤维增强树脂制筒部件，所述加强部件具有在该筒材料的长度 上增加了预定长度的全长。
4. 根据权利要求1或3所述的纤维增强树脂制筒部件的制造方法，其中， 在所述第一巻层由螺旋缠绕的巻层构成的情况下，其缠绕角度相对芯棒的轴线方向为10 20度的低角度。
5. 根据权利要求2或3所述的纤维增强树脂制筒部件的制造方法，其中， 在所述第三巻层由螺旋缠绕的巻层构成的情况下，其角度相对芯棒的轴线方向为45度以上的高角度。
6.根据权利要求1 5的任一项所述的纤维增强树脂制筒部件的制造方法，其中， 在所述筒材料的外周形成有在周向或者相对于周向倾斜了预定角度的方向上延伸设 置的凹沟。
全文摘要
本发明提供一种纤维增强树脂制筒部件的制造方法，所述制造方法不需要折回未固化树脂浸渍纤维层的端部，就可以使纤维取向维持在初期的取向姿势，并用极其简单的方法使由树脂纤维构成的筒部件和直接刚性结合于发动机箱体等的带凸缘的筒材料相接合。所述制造方法，准备包括芯棒(1)、和安装在其一端的具有相比于芯棒而扩径了的扩径部和突起的端部安装材料(2)的基材(10)，在芯棒(1)的外周环向缠绕未固化树脂浸渍纤维来形成第一卷层(3)，进一步在其外周螺旋缠绕纤维来形成第二卷层(4)，切断第二卷层(4)的端部，将该端部和端部安装材料(2)从芯棒(1)切离来形成插入空间(7)，将带凸缘的筒材料(6)插入该插入空间(7)，在第二卷层(4)的外周环向缠绕纤维来形成第三卷层(5)，并进行加热处理。
文档编号B29L23/00GK101778714SQ20088010254
公开日2010年7月14日 申请日期2008年8月8日 优先权日2007年8月10日
发明者小崎高裕, 野々垣保纪, 高岛翼 申请人:丰田自动车株式会社;株式会社丰田自动织机