CN103415722B - 纤维增强塑料制弹簧 - Google Patents

Abstract

提供一种纤维增强塑料制弹簧，其能够防止破坏时的碎片的飞散，而不需要使用另外的部件，能够减小破坏时的载荷变化。FRP弹簧(1)具备层叠构造(20)，层叠构造(20)具有包括正方向定向层(21)和负方向定向层(22)的单位单元(20A)。邻接的正方向定向层(21)以及负方向定向层(22)的定向方向(S1、S2)交叉。通过适当地设定各层(21、22)的定向角度(θ1、θ2)的绝对值，正方向定向层(21)以及负方向定向层(22)的纤维在破坏时能够相缠，弹簧整体的破坏模态成为伪延性。从而能够获得能够作为弹簧使用的弹性模量以及强度，并且能够在各层(21、22)中防止纤维之间的树脂处的断裂。

Description

纤维增强塑料制弹簧

技术领域

本发明涉及纤维增强塑料制弹簧，尤其涉及载荷负载时的破环状态的控制技术。

背景技术

例如在汽车领域中，使用施加弯曲载荷的脉动(片振)弹簧(盘簧、发条、板簧等)，对这些弹簧要求轻量化以及省空间化。例如为了实现轻量化，有提案替代金属制弹簧，使用纤维增强塑料制弹簧(以下，称为FRP弹簧)。

例如如图8所示，当对由支撑部52支撑的板簧51施加脉动的弯曲载荷P时，在载荷负载侧的上表面部产生压缩应力，在与载荷负载侧为相反侧的下表面部产生拉伸应力。此外，符号S是位于板簧51的厚度方向的中心的中立轴。当使用FRP板簧作为板簧51时，在压缩应力侧表面产生裂纹的可能性较大。

在FRP板簧中，即使产生少许裂纹，也容易导致破环，此时，如图7所示，示出脆性的破坏模态。因此，在破坏时不仅因碎片飞散而较危险，并且还有可能损伤周围部件。另外，由于破坏时的载荷变化较大，故有可能对乘车舒适度带来不好的影响。

为了防止破坏时的碎片的飞散，存在以中空的盖件覆盖包括纤维增强树脂的能量吸收部件的端部周围的技术(例如专利文献1)。

专利文献

专利文献1：日本特开平2005-47387号公报。

发明内容

然而，专利文献1的技术难以适用于板簧，而且，作为另外的部件，需要中空的盖件。另外，专利文献1的技术难以减小破坏时的载荷变化。

从而，本发明的目的在于提供一种纤维增强塑料制弹簧，其能够通过弹簧单体防止破坏时的碎片的飞散，而不需要使用另外的部件，并且能够减小破坏时的载荷变化。

本发明的纤维增强塑料制弹簧(以下称为FRP弹簧)的特征在于具备：交替地层叠了具有至少一层正方向定向层的正方向定向单元和具有至少一层负方向定向层的负方向定向单元的层叠构造，在正方向定向层中，纤维相对于长度方向以正方向的定向角度定向，在负方向定向层中，纤维相对于长度方向以负方向的定向角度定向。

在本发明的FRP弹簧中，例如当施加较大的脉动的弯曲载荷时，有时在层叠构造的各正方向定向层以及负方向定向层中产生脆性破坏。在此，在层叠构造中，具有至少一层正方向定向层的正方向定向单元与具有至少一层负方向定向层的负方向定向单元交替地层叠。此时，正方向定向单元的正方向定向层的定向方向相对于长度方向而言为正方向，负方向定向层的负方向定向层的定向方向相对于长度方向而言为负方向，因而正方向定向单元以及负方向定向单元的纤维的定向方向交叉。

从而，通过适当地设定正方向定向层以及负方向定向层的定向角度的绝对值，正方向定向单元与负方向定向单元的纤维在破坏时能够相缠。由此，当对例如作为本发明的一例的FRP板簧施加脉动的弯曲载荷时，弹簧整体的破坏模态如图6所示，不是脆性的，而是伪延性的。因此，弹簧整体能够慢慢地破坏。另外，通过适当地设定正方向定向层以及负方向定向层的定向角度的绝对值，能够获得能够作为弹簧使用的弹性模量以及强度，并且能够在各层中防止纤维之间的树脂处的断裂。根据以上内容，能够防止破坏时的碎片的飞散，而不需要使用另外的部件。另外，能够减小破坏时的载荷变化，因而乘车舒适度不会变差。

本发明的FRP弹簧能够使用各种构成。例如能够使用正方向定向层以及负方向定向层的定向角度的绝对值设定在20～30度的范围内的方式。在该方式中，因为将定向角度的绝对值设定在20度以上，所以正方向定向单元与负方向定向单元的纤维在破坏时能够充分地相缠。另一方面，因为将定向角度的绝对值设定为30度以下，所以能够获得能够作为弹簧使用的弹性模量以及强度，并且能够在各层中有效地防止纤维之间的树脂处的断裂。

另外，能够使用正方向定向单元具有一层正方向定向层、负方向定向单元具有一层负方向定向层、正方向定向层与负方向定向层交替地层叠的方式。在该方式中，全部的正方向定向层与负方向定向层邻接，所以层叠构造的全部的层在破坏时能够充分地相缠。

根据本发明的FRP弹簧，不仅当然能够获得能够作为弹簧使用的弹性模量以及强度，还能够获得能够通过弹簧单体防止破坏时的碎片的飞散，而不需要使用另外的部件，并且能够减小破坏时的载荷变化等效果。

附图说明

图1表示本发明的一个实施方式所涉及的纤维增强塑料制弹簧的构成，(A)为立体图，(B)为侧视图；

图2表示本发明的一个实施方式所涉及的纤维增强塑料制弹簧的一部分的构成，(A)为侧截面图，(B)为正方向定向层的截面图，(C)为负方向定向层的截面图；

图3是表示三点弯曲试验的实验结果的图表；

图4是表示通过三点弯曲试验的实验而获得的定向角度与破坏载荷值的关系的图表；

图5是表示通过三点弯曲试验的模拟而获得的定向角度与破坏载荷值的关系的图表；

图6是表示载荷负载时的作为本发明的一例的FRP板簧的破坏状态的照片；

图7是表示载荷负载时的现有的FRP板簧的破坏状态的照片；

图8是用于说明在脉动的弯曲载荷负载时在纤维增强塑料制弹簧中的应力分布的图。

附图标记说明

1 FRP弹簧(纤维增强塑料制弹簧)、20 层叠构造、20A 单位单元、21 正方向定向层、22 负方向定向层、θ1、θ2 定向角度、S1、S2 定向方向。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施方式。图1表示本发明的一个实施方式所涉及的纤维增强塑料制弹簧(以下称为FRP弹簧)的构成，(A)为立体图，(B)为侧视图。图2表示FRP弹簧1的一部分的构成，(A)为侧截面图，(B)为正方向定向层的截面图，(C)为负方向定向层的截面图。

FRP弹簧1是例如具有叶片(leaf)部11和卷耳(目玉)部12的板簧。FRP弹簧1具备例如交替地层叠了正方向定向层21与负方向定向层22的层叠构造20。正方向定向层21以及负方向定向层22是例如纤维在与层叠面平行的面内定向的UD(单向)纤维层。图2(B)所示的符号S1示出正方向定向层21的纤维的定向方向，该定向角度θ1优选设定在从长度方向L开始20～30度的范围内。图2(C)所示的符号S2示出负方向定向层22的纤维的定向方向，该定向角度θ2优选设定在从长度方向L开始-20～-30度的范围内。此外，定向角度θ1、θ2的绝对值大于0度即可，可以相等，也可以不同。当具有多个正方向定向层21时，这些正方向定向层21的定向角度θ1彼此可以相互不同，负方向定向层22的定向角度θ2也与正方向定向层21的情况相同。

若将包括正方向定向层21和负方向定向层22的部分作为单位单元20A，则在图2的层叠构造20中设置了两个单位单元20A，但不限于此，至少设置一个单位单元20A即可。另外，图2所示的示例是在本发明的正方向定向单元中设置一层正方向定向层21、在负方向定向单元中设置一层负方向定向层22的示例，但不限于此。例如还可以交替地层叠包括定向角度θ1相互不同的多个正方向定向层21的正方向定向单元和包括定向角度θ2相互不同的多个负方向定向层22的负方向定向单元。

而且，在图2所示的示例中仅仅通过包括单位单元20A的层叠构造20构成了FRP弹簧1，但也可以以占据FRP弹簧1的厚度方向的一部分的方式构成层叠构造20。例如还可以将纤维沿既定方向定向的UD纤维层、纤维以既定角度交叉配置的交叉纤维层等配置于层叠构造20的上表面、下表面。以上那样的变形例当然可以根据所要求的特性而适当地组合。

作为层叠构造20的各层21、22，能够使用使树脂浸渍于沿既定角度定向的纤维的预成型料(prepreg)。树脂可以是热固性以及热塑性中的任一种。另外，层叠构造20的各层还可以通过长丝缠绕(filament winding)法形成。此时，通过调整纤维相对于成形模(心轴(mandrel))的缠绕方向，能够获得沿既定角度定向的UD纤维。作为构成层叠构造20的各层21、22的纤维，能够使用例如碳纤维、玻璃纤维、芳香族聚酰胺(aramid)纤维(凯夫拉(Kevlar)纤维)、硼纤维等增强纤维。作为碳纤维，能够使用例如PAN类和沥青类中的任一种。

在本实施方式中，例如当施加较大的脉动的弯曲载荷时，有时在各层叠构造20的正方向定向层21以及负方向定向层22中产生脆性破坏。在此，在层叠构造20中，正方向定向层21的定向方向相对于长度方向L而言为正方向，负方向定向层22的定向方向相对于长度方向L而言为负方向，因而邻接的正方向定向层21以及负方向定向层22的定向方向S1、S2交叉。

从而，通过适当地设定单位单元20A的正方向定向层21以及负方向定向层22的定向角度θ1、θ2的绝对值，正方向定向层21以及负方向定向层22的纤维在破坏时能够相缠。由此，当对FRP板簧1施加脉动的弯曲载荷时，弹簧整体的破坏模态不是脆性的，而是伪延性的。因此，弹簧整体能够慢慢地破坏。另外，通过适当地设定定向角度θ1、θ2的绝对值，能够获得能够作为弹簧使用的弹性模量以及强度，并且能够在各层21、22中防止纤维之间的树脂处的断裂。根据以上内容，能够防止破坏时的碎片的飞散，而不需要使用另外的部件。另外，能够减小破坏时的载荷变化，因而乘车舒适度不会变差。此种效果能够通过弹簧单体而获得，因而能够像FRP弹簧1那样适用于板簧。

尤其是因为将定向角度θ1、θ2的绝对值设定在20度以上，所以正方向定向层21以及负方向定向层22的纤维在破坏时能够充分地相缠。另一方面，随着增大定向角度θ1、θ2的绝对值，各层21、22的强度变低，但因为将定向角度θ1、θ2的绝对值设定为30度以下，所以能够获得能够作为弹簧使用的弹性模量以及强度，并且能够在各层中有效地防止纤维之间的树脂处的断裂。另外，因为正方向定向层21与负方向定向层22交替地层叠，所以层叠构造20的全部的层21、22在破坏时能够充分地相缠。

实施例

以下，参照具体的实施例进一步详细地说明本发明的实施方式。在实施例中，使用变更实施方式的正方向定向层以及负方向定向层的定向角度而制作的多个FRP板簧，进行了三点弯曲试验。

将层叠了多个包括正方向定向层(定向角度0度)以及负方向定向层(定向角度0度)的单位单元的FRP板簧作为比较试料11(定向角度的绝对值0度)，将层叠了多个包括正方向定向层(定向角度5度)以及负方向定向层(定向角度-5度)的单位单元的FRP板簧作为试料11(定向角度的绝对值5度)，将层叠了多个包括正方向定向层(定向角度13度)以及负方向定向层(定向角度-13度)的单位单元的FRP板簧作为试料12(定向角度的绝对值13度)。将层叠了多个包括正方向定向层(定向角度20度)以及负方向定向层(定向角度-20度)的单位单元的FRP板簧作为试料13(定向角度的绝对值20度)，将层叠了多个包括正方向定向层(定向角度30度)以及负方向定向层(定向角度-30度)的单位单元的FRP板簧作为试料14(定向角度的绝对值30度)。

在全部的试料中，将单位单元的层叠数设定为相同数量，将交叉角度为45度的交叉纤维设于层叠构造的上表面以及下表面，关于全部的试料制作了五片板簧。表1示出三点弯曲试验的实验的试料条件以及结果。图3是表示三点弯曲试验的实验结果、表示载荷与位移的关系的图表。图4是表示通过三点弯曲试验的实验而获得的定向角度与破坏载荷值的关系的图表。图5是表示通过三点弯曲试验的模拟而获得的定向角度与破坏载荷值的关系的图表。作为表1以及图3、4所示的数据，关于各试料使用了五片板簧的数据的平均值。图5所示的模拟的结果是将正方向定向层以及负方向定向层的定向角度设定为0度、13度、15度、30度、45度、60度、75度、90度而获得的结果。在表1以及图3至图5中示出定向角度的绝对值。

确认了像从图3知道的那样，随着增大定向角度的绝对值，产生载荷变小，像从图4、图5知道的那样，随着增大定向角度的绝对值，破坏载荷变小。另外，确认了像从表1知道的那样，随着增大定向角度的绝对值，弯曲弹性模量变小。确认了为了获得例如能够作为板簧使用的弹性模量以及强度，优选将定向角度的绝对值设定为30度以下。此外，虽然在图4所示的实验结果和图5所示的模拟结果中，载荷值的大小不同，但这是由于在实验中使用的板簧的尺寸与在模拟中使用的板簧的尺寸不同。确认了在图4所示的实验结果和图5所示的模拟结果中，载荷变化与上述情况那样示出同样的倾向，单位面积的力即应力大致相同。

确认了关于三点弯曲试验中的各试料的五根板簧的破坏状态，像从表1知道的那样，若将定向角度的绝对值设定为超过0度，则能够形成示出伪延性的板簧，随着增大定向角度的绝对值，示出伪延性的概率增大。特别地，若将定向角度的绝对值设定为20度以上，则示出伪延性的概率变为80%以上，显著地变大。

[表1]

根据以上情况，知道了在具有邻接的正方向定向层和负方向定向层的层叠构造中，不仅当然能够获得能够作为弹簧使用的弹性模量以及强度，还能够作为弹簧整体而示出伪延性。特别地，知道了为了作为FRP弹簧而使用板簧并有效地获得上述效果，优选将定向角度的绝对值设定为20～30度的范围内。另外，知道了优选将正方向定向层与负方向定向层交替地层叠。

Claims (2)

1.一种纤维增强塑料制弹簧，其特征在于，具备：

交替地层叠了具有至少一层正方向定向层的正方向定向单元和具有至少一层负方向定向层的负方向定向单元的层叠构造，

在所述正方向定向层中，纤维相对于该正方向定向层的长度方向以正方向的定向角度定向，

在所述负方向定向层中，纤维相对于该负方向定向层的长度方向以负方向的定向角度定向，

所述正方向定向层以及所述负方向定向层的定向角度的绝对值设定在20～30度的范围内。

2.根据权利要求1所述的纤维增强塑料制弹簧，其特征在于，所述正方向定向单元具有一层所述正方向定向层，所述负方向定向单元具有一层所述负方向定向层，所述正方向定向层与所述负方向定向层交替地层叠。