CN102884337A - 纤维强化塑料制弹簧 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够防止压缩应力引起的破坏的纤维强化塑料制弹簧。FRP弹簧(1)具有将拉伸弹性模量不同的多个纤维层叠的层叠构造(在3层构造的情况下为符号(20)，在5层构造的情况下为符号(30))。FRP弹簧(1)的上表面为被施加脉动的弯曲载荷的表面，层叠构造(20、30)的相对于中性轴(S)的上侧区域为产生压缩应力的压缩应力区域，相对于中性轴(S)的下侧区域为产生拉伸应力的拉伸应力区域。层叠构造(20、30)的拉伸弹性模量分布相对于中性轴(S)不对称。该情况下，优选设定成作为压缩应力产生区域的表层部的层(23、35)的拉伸弹性模量为最小，且作为拉伸应力产生区域的表层部的层(21、31)的拉伸弹性模量比作为中性轴部的层(22、33)的拉伸弹性模量更小。

Description

纤维强化塑料制弹簧
技术领域
本发明涉及被施加脉动的弯曲载荷的纤维强化塑料制弹簧，尤其涉及防止压缩应力引起的破坏的技术。
背景技术
例如，在汽车领域中，使用承受弯曲载荷的脉动的弹簧(盘簧、发条、板簧等)，对于这些弹簧，要求轻量化和省空间化。例如，为了轻量化，提议使用纤维强化塑料制弹簧(以下，称为FRP弹簧)来代替金属制弹簧。
例如，专利文献1的技术公开了作为FRP弹簧的FRP渐缩式片簧(FRP taper leaf spring)，在该技术中，通过使玻璃纤维或碳纤维浸渍于长度不同的多个片材中并使这些片材重叠，从而制造渐缩式片簧。另外，专利文献2的技术公开了作为FRP弹簧的FRP片簧(FRP leaf spring)，在该技术中，提议通过由碳纤维构成簧片中央部并由玻璃纤维构成簧片表面部，从而制造具有柔软性的FRP片簧。
专利文献
专利文献1：日本特公平3-81022号公报；
专利文献2：日本特开平7-77231号公报。
发明内容
发明要解决的问题
然而，如图4所示，在将脉动的弯曲载荷P施加于由支撑部52支撑的板簧51的情况下，在载荷承受侧的上表面，产生压缩应力，在与载荷承受侧相反的一侧的下表面，产生拉伸应力。此外，符号S为位于板簧51的厚度方向的中心的中性轴。在使用金属制板簧作为弹簧51的情况下，很有可能以拉伸应力侧表面为起点而产生疲劳破坏，在使用FRP板簧作为弹簧51的情况下，很有可能从压缩应力侧表面产生破坏。例如，如图5所示，在将脉动的弯曲载荷(图的箭头方向的载荷)施加至作为FRP板簧的单层构造的碳纤维强化塑料制弹簧(CFRP弹簧)的情况下，很有可能在压缩应力侧表面产生断裂。因此，能够利用的弹簧的能量密度实质上变小。
然而，在FRP弹簧中，还没有开发出有效地防止来自压缩应力侧表面的破坏的技术。例如，在专利文献1的技术中，重叠的多个片材使用了相同的纤维，没有公开防止来自压缩应力侧表面的破坏的技术。另外，在专利文献2的技术中，公开了具有柔软性的板簧，但是没有着眼于纤维的压缩特性。另外，由玻璃纤维构成簧片表面部，将拉伸强度比碳纤维更低的玻璃纤维配置于应力高的簧片表面部是低效的。
所以，本发明目的是提供一种能够防止压缩应力引起的破坏的纤维强化塑料制弹簧。
用于解决问题的方案
本发明的纤维强化塑料制弹簧(以下，称为FRP弹簧)为被施加脉动的弯曲载荷的纤维强化塑料制弹簧，其特征在于，具有将拉伸弹性模量不同的多个纤维层叠的层叠构造，层叠构造的拉伸弹性模量分布相对于中性轴不对称。
本发明中的拉伸弹性模量为利用通过拉伸试验而获得的拉伸应力-形变曲线中的最初的直线部分(通过原点的直线部分，或者曲线的原点处的切线)并根据其次的关系式获得的值(参考文献：FRP设计便览，(社)日本强化塑料协会，1979年)。
Em＝△σ／△ε
此外，Em为拉伸弹性模量(单位：N/mm2)，△σ为基于直线状的2点间的平均原剖面积的应力差(单位：N/mm2)，△ε为上述2点间的形变的差。
在本发明的FRP弹簧中，层叠构造的拉伸弹性模量分布设定成相对于中性轴不对称，因而与中性轴平行的两侧的表层部之中的一侧的表层部的拉伸弹性模量比另一侧的表层部的拉伸弹性模量更小。
在此，如果将拉伸弹性模量小的表层部侧配置于当施加脉动的弯曲载荷时产生压缩应力的表面侧，则由于该表层部侧的纤维的拉伸弹性模量小，该表层部侧的纤维容易弯曲，因而压曲引起的折损等的破坏难以产生于压缩应力侧表面。所以，能够提高弹簧整体的破坏应力，因而与由弹簧钢等的金属材料构成的弹簧、单层构造的FRP弹簧以及具有相对于中性轴对称的拉伸弹性模量分布的FRP弹簧相比，能够增大可利用的能量密度。
本发明的FRP弹簧能够使用各种的构成。例如，对于不对称的拉伸弹性模量分布，能够设定成压缩应力产生区域的表层部的拉伸弹性模量为最小，且拉伸应力产生区域的表层部的拉伸弹性模量比中性轴部的拉伸弹性模量更小。在该方式中，与承受脉动的弯曲载荷时的位于FRP弹簧的应力分布相对应而层叠拉伸弹性模量相互不同的纤维，因而能够进一步提高弹簧整体的破坏应力，结果，能够进一步增大可利用的能量密度。
另外，例如，在拉伸弹性模量分布中，能够使用这样的方式：拉伸弹性模量以从中性轴向着表面阶段性地变小的方式变化。在该方式中，拉伸弹性模量能够有效地与承受脉动的弯曲载荷时的位于FRP弹簧的应力分布相对应，因而能够进一步提高弹簧整体的破坏应力，结果，能够进一步增大可利用的能量密度。
发明效果
依照本发明的FRP弹簧，弹簧整体的破坏应力变高，因而与由弹簧钢等的金属材料构成的弹簧、单层的FRP弹簧以及具有相对于中性轴对称的拉伸弹性模量分布的FRP弹簧相比，能够增大可利用的能量密度。
附图说明
图1表示了本发明的一实施方式所涉及的纤维强化塑料制弹簧的构成，图1(A)为立体图，图1(B)为侧面图。
图2表示了纤维强化塑料制弹簧的层叠构造的一部分的构成，图2(A)为3层构造的侧剖面图，图2(B)为5层构造的侧剖面图。
图3为表示在本发明的一实施方式所涉及的纤维强化塑料制弹簧的制造方法中使用的装置的一部分的概要构成的图。
图4为用于说明当承受脉动的弯曲载荷时位于纤维强化塑料制弹簧的应力分布的图。
图5为表示承受脉动的弯曲载荷时的单层构造的CFRP弹簧的破坏状态的照片。
符号说明
1：FRP弹簧(纤维强化塑料制弹簧)；
20、30：层叠构造；
21、31：第1层(拉伸应力产生区域的表层部)；
22：第2层(中性轴部)；
33：第3层(中性轴部)；
23：第3层(压缩应力产生区域的表层部)；
35：第5层(压缩应力产生区域的表层部)；
S：中性轴。
具体实施方式
(1)实施方式的构成
以下，参照附图，说明本发明的实施方式。图1表示了本发明的一实施方式所涉及的纤维强化塑料制弹簧1(以下，称为FRP弹簧1)的构成，图1(A)为立体图，图1(B)为侧面图。图2(A)、(B)表示了FRP弹簧1的层叠构造的一部分的构成，图2(A)为3层构造的侧剖面图，图2(B)为5层构造的侧剖面图。图2中的符号S为位于FRP弹簧1的厚度方向的中心的中性轴。在图1、2中，FRP弹簧1的上表面为被施加脉动的弯曲载荷(图4的符号P)的表面，层叠构造的相对于中性轴S的上侧区域为产生压缩应力的压缩应力区域，相对于中性轴S的下侧区域为产生拉伸应力的拉伸应力区域。
FRP弹簧1为例如具有簧片(leaf)部11和簧孔部12的板簧。FRP弹簧1具有将拉伸弹性模量不同的多个纤维层叠的层叠构造。层叠构造的拉伸弹性模量分布，相对于中性轴S不对称，例如，优选压缩应力产生区域的表层部的拉伸弹性模量为最小，拉伸应力产生区域的表层部的拉伸弹性模量比中性轴部的拉伸弹性模量更小。
例如，图2(A)所示的层叠构造20为拉伸弹性模量相互不同的第1层21、第2层22以及第3层23依次层叠的3层构造。第1层21为拉伸应力产生区域的表层部，其拉伸弹性模量比第2层22的拉伸弹性模量更小。第2层22为中性轴S所位于的中性轴部。第3层23为压缩应力产生区域的表层部，其拉伸弹性模量在层叠构造20的各层之中为最小。作为拉伸弹性模量的具体示例，能够将第1层21的拉伸弹性模量设定为250GPa，将第2层22的拉伸弹性模量设定为395GPa，将第3层23的拉伸弹性模量设定为234GPa。
图2(B)所示的层叠构造30为拉伸弹性模量相互不同的第1层31、第2层32、第3层33、第4层34以及第5层35依次层叠的5层构造。层叠构造30形成为拉伸弹性模量分布比层叠构造20更细分，拉伸弹性模量随着从中性轴部向着表层部而以更细分地阶段性地变小的方式变化。
第1层31为拉伸应力产生区域的表层部，其拉伸弹性模量比第3层33更小。第2层32的拉伸弹性模量为第1层31的拉伸弹性模量和第3层33的拉伸弹性模量的中间值。第3层33为中性轴S所位于的中性轴部。第4层34的拉伸弹性模量为第3层33的拉伸弹性模量和第5层35的拉伸弹性模量的中间值。第5层35为压缩应力产生区域的表层部，其拉伸弹性模量在层叠构造30的各层之中为最小。拉伸弹性模量如此地设定成随着从第3层33向着第1层31而变小并随着从第3层33向着第5层35而变小，第5层35的拉伸弹性模量设定成在层叠构造30的各层之中为最小，拉伸弹性模量分布更细分地对应于应力分布。
以层叠构造20、30具有如上所述的拉伸弹性模量分布的方式，适宜地选择构成各层的纤维。作为纤维，能够使用碳纤维、玻璃纤维、芳香族聚酰胺纤维(凯芙拉纤维)、硼纤维等的强化纤维。作为碳纤维，能够使用PAN系和沥青系中的任一系。
(2)实施方式的制造方法
参照图3说明FRP弹簧1的制造方法。图3是表示在FRP弹簧1的制造方法中使用的装置100的一部分的概要构成的图。装置100使用缠绕成型(filament winding)法。装置100具备通过旋转而卷绕从线束辊‘B供给的线束(roving)B的成形模101。线束B为强化纤维的束。在成形模101，形成有与FRP弹簧1的形状等相对应的成形槽101A。在成形模101，固定模102与其相对而设置。线束B在通过收容树脂R的树脂浸渍槽103之后，卷绕于成形模101。
在树脂浸渍槽103，每个树脂浸渍槽103将构成通过该处的线束B的强化纤维的拉伸弹性模量改变。例如，将通过图的最上侧的树脂浸渍槽103的线束B的强化纤维的拉伸弹性模量设定为最大，将通过最下侧的树脂浸渍槽103的线束B的强化纤维的拉伸弹性模量设定为最小，随着从图中的上侧的树脂浸渍槽103向着下侧的树脂浸渍槽103而以依次变小的方式设定通过该处的线束B的强化纤维的拉伸弹性模量。
此外，符号104为将最适当的张力赋予线束的张力调整器，符号105为挤取线束B中所浸渍的多余的树脂的流量调整器，符号106为在使成形的板簧的宽度沿长度方向变化的情况下使用的成形宽度调节机构。
在具有上述构成的装置100中，使线束B通过树脂浸渍槽103而使树脂R浸渍于线束B。接着，通过将浸渍有树脂R的线束B卷绕于成形模101并加热硬化而一体成形，从而获得FRP弹簧1。在此，在本实施方式中，根据欲成形的FRP弹簧1的层叠构造20、30的各层的拉伸弹性模量而适宜地切换所使用的树脂浸渍槽103，并选择卷绕于成形模101的线束B，从而获得具有期望的拉伸弹性模量分布的层叠构造20、30。
FRP弹簧1的制造方法不限定于上述方法，能够有各种的变形。例如，能够将使树脂浸渍于强化纤维(例如碳纤维)的预浸渍体(prepreg)配置在FRP弹簧1的层叠构造的各层中。具体而言，制作多个用于层叠构造的预浸渍体，该情况下，使预浸渍体所使用的碳纤维的拉伸弹性模量在每个预浸渍体中相互不同。这样的预浸渍体以FRP弹簧1具有期望的拉伸弹性模量分布的方式配置。树脂可以为热硬化性和热可塑性中的任一者。
如上地，在本实施方式中，层叠构造20、30的拉伸弹性模量分布以相对于中性轴S不对称的方式设定，因而与中性轴S平行的两侧的表层部之中的一侧的表层部(层23、35)的拉伸弹性模量比另一侧的表层部(层21、31)的拉伸弹性模量更小。在此，如果将作为拉伸弹性模量小的表层部的层23、35配置于当施加脉动的弯曲载荷(图4的符号P)时产生压缩应力的表面侧，则由于该层23、35的纤维的拉伸弹性模量小，该层23、35的纤维容易弯曲，因而压曲引起的折损等的破坏难以在压缩应力侧表面产生。所以，能够提高弹簧1整体的破坏应力，因而与由弹簧钢等的金属材料构成的弹簧、单层构造的FRP弹簧以及具有相对于中性轴对称的拉伸弹性模量分布的FRP弹簧相比，能够增大可利用的能量密度。
特别地，关于不对称的拉伸弹性模量分布，设定成作为压缩应力产生区域的表层部的层23、35的拉伸弹性模量为最小，且作为拉伸应力产生区域的表层部的层21、31的拉伸弹性模量比作为中性轴部的层22、33的拉伸弹性模量更小，从而与承受脉动的弯曲载荷时的位于FRP弹簧1的应力分布相对应而层叠拉伸弹性模量相互不同的纤维。所以，能够进一步提高弹簧1整体的破坏应力，因而能够进一步增大能够利用的能量密度。

Claims (3)

1. 一种纤维强化塑料制弹簧，为被施加脉动的弯曲载荷的纤维强化塑料制弹簧，其特征在于，
具有将拉伸弹性模量不同的多个纤维层叠的层叠构造，
所述层叠构造的拉伸弹性模量分布相对于中性轴不对称。
2. 根据权利要求1所述的纤维强化塑料制弹簧，其特征在于，
压缩应力产生区域的表层部的拉伸弹性模量为最小，
拉伸应力产生区域的表层部的拉伸弹性模量比中性轴部的拉伸弹性模量更小。
3. 根据权利要求1或2所述的纤维强化塑料制弹簧，其特征在于，
在所述拉伸弹性模量分布中，所述拉伸弹性模量从所述中性轴向着表面而以阶段性地变小的方式变化。
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