DE102019121276A1

DE102019121276A1 - Faserverstärktes Kunststoffelement

Info

Publication number: DE102019121276A1
Application number: DE102019121276.6A
Authority: DE
Inventors: Kohya NAKAGAWA; Kiyoshi Fujiwara; Kazuhisa To; Chikara Tanaka; Takahiro Atsumi; Hiroki Ashida
Original assignee: Mazda Motor Corp; Mizuno Technics Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp; Mizuno Technics Corp
Priority date: 2018-08-30
Filing date: 2019-08-07
Publication date: 2020-03-05
Also published as: US20200071863A1; JP2020032629A; CN110871854B; CN110871854A

Abstract

Es wird ein faserverstärkte Kunststoffelement vorgesehen, das mit einer Flechttechnik hergestellt ist, um hohe Steifigkeit und hervorragende Schwingungsdämpfungsleistung unter Biegebeanspruchung zu erreichen. Ein Verstärkungselement aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffharz erstreckt sich entlang einer Achse des Verstärkungselements in eine bestimmte Richtung und umfasst eine Kohlenstofffasergeflechtstruktur. Die Kohlenstofffasergeflechtstruktur weist eine Struktur auf, bei der mehrere axiale Garne, mehrere erste Flechtgarne und mehrere zweite Flechtgarne geflochten sind. Mehrere erste Flechtgarne sind so gewickelt, dass sie die Achse unter einem ersten Flechtwinkel schneiden. Mehrere zweite Flechtgarne sind so gewickelt, dass sie die Achse unter einem zweiten Flechtwinkel schneiden. Die ersten Flechtgarne und die zweiten Flechtgarne schneiden einander. Das Verstärkungselement weist in etwa der Längsmitte einen Bereich auf, in dem der erste Flechtwinkel und der zweite Flechtwinkel der ersten Flechtgarne und der zweiten Flechtgarne Werte annehmen, die bezüglich der Längsrichtung größer sind als in einem anderen Bereich.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein faserverstärktes Kunststoffelement, insbesondere ein durch eine Flechttechnik hergestelltes faserverstärktes Kunststoffelement.
Technischer Hintergrund
Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffelemente werden für Bauteile von Kraftfahrzeugen, Luftfahrzeugen und Industriemaschinen verwendet ( JP 2017 - 61170 A , JP 2015-160551 A ).
JP 2017-61170 A offenbart eine Struktur unter Verwendung eines kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffleistenelements, um die Steifigkeit eines Bodens einer Fahrzeugkarosserie eines Kraftfahrzeugs zu erhöhen. Wenn sich die Fahrzeugkarosserie verformt, übt die in JP 2017-61170 A offenbarte Struktur ein Verdrehmoment auf das Leistenelement aus.
JP 2015-160551 A offenbart eine kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffwelle, die als Lenkwelle eines Kraftfahrzeugs verwendet wird. Die in JP 2015-160551 A offenbarte Welle umfasst einen kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff, der durch eine Flechttechnik zum Flechten von Kohlenstofffasern, die unter vorbestimmten Flechtwinkeln ausgerichtet sind, hergestellt wird.
Wie in den Druckschriften offenbart können unter Verwenden eines kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffmaterials geringes Gewicht und hohe Steifigkeit erreicht werden.
Herkömmliche Techniken, wie sie in JP 2015-160551 A offenbart sind, können jedoch nicht gleichzeitig hohe Steifigkeit und überlegene Dämpfungsleistung erreichen. Mit der in JP 2015-160551 A offenbarten Technik kann hohe Steifigkeit durch ein mit der Flechttechnik hergestelltes kohlenstofffaserverstärktes Kunststoffelement erreicht werden. Ein durch die Technik hergestelltes Bauteil kann jedoch keine hohe Dämpfungsleistung erzielen.
Zum Beispiel bei der Verwendung eines durch die Flechttechnik hergestellten kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffelements als Verstärkungselement für eine Fahrzeugkarosserie eines Kraftfahrzeugs erreicht das faserverstärkte Kunststoffelement, das Kohlenstofffasern enthält, die so ausgerichtet sind, dass sie sich im gesamten Längsbereich des faserverstärkten Kunststoffelements parallel zur Fahrzeugbreitenrichtung erstrecken, unter einer Biegebeanspruchung eine schlechte Dämpfungsleistung.
Unterdessen ist schwierig, dass das faserverstärkte Kunststoffelement mit Kohlenstofffasern, die so ausgerichtet sind, dass sie sich im gesamten Längsbereich diagonal zur Fahrzeugbreitenrichtung erstrecken, unter Biegebeanspruchung hohe Steifigkeit erreicht.
Ein solches Problem tritt auch bei anderen Strukturen als Fahrzeugkarosserien von Kraftfahrzeugen auf.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein faserverstärktes Kunststoffelement bereitzustellen, das durch eine Flechttechnik hergestellt wird und hohe Steifigkeit und hervorragende Schwingungsdämpfungsleistung unter Biegebeanspruchung erreicht.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein faserverstärktes Kunststoffelement gemäß einer Ausführungsform besteht aus faserverstärktem Kunststoffharz und erstreckt sich in eine bestimmte Richtung. Das faserverstärkte Kunststoffelement umfasst eine Fasergeflechtstruktur. Die Fasergeflechtstruktur umfasst erste Flechtgarne, die gewickelt sind, um eine bestimmte Richtung unter einem ersten Flechtwinkel zu schneiden, und zweite Flechtgarne, die gewickelt sind, um die bestimmte Richtung unter einem zweiten Flechtwinkel zu schneiden, wobei die ersten Flechtgarne und die zweiten Flechtgarne miteinander verflochten sind. Die Fasergeflechtstruktur umfasst einen vorbestimmten Bereich zwischen beiden Enden hinsichtlich einer Längsrichtung des faserverstärkten Kunststoffelements. Mindestens einer von erstem Flechtwinkel und zweitem Flechtwinkel in dem vorbestimmten Bereich ist größer als der Flechtwinkel in einem anderen Bereich als dem vorbestimmten Bereich.
Figurenliste

1 ist eine schematische Unteransicht, die eine Konfiguration eines Bodens einer Fahrzeugkarosserie unter Verwendung eines faserverstärkten Kunststoffelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
2 ist eine schematische Unteransicht, die eine Konfiguration eines Teils des Bodens der Fahrzeugkarosserie veranschaulicht;
3 ist eine schematische Perspektivansicht, die eine Konfiguration eines Fahrzeuginnenraums der Fahrzeugkarosserie veranschaulicht;
4 ist eine schematische Perspektivansicht, die eine Konfiguration eines Verstärkungselements veranschaulicht;
5 ist eine schematische Ansicht, die eine Konfiguration einer Kohlenstofffasergeflechtstruktur eines Abschnitts A in 4 des Verstärkungselements veranschaulicht;
6 ist eine schematische Ansicht einer Kohlenstofffasergeflechtstruktur eines Abschnitts B in 4 des Verstärkungselements;
7 ist eine schematische Perspektivansicht, die ein Verfahren zur Herstellung einer Kohlenstofffasergeflechtstruktur veranschaulicht;
8A ist eine Querschnittsansicht, die einen Querschnitt des Abschnitts A in 4 des Verstärkungselements darstellt;
8B ist eine Querschnittsansicht, die einen Querschnitt des Abschnitts B in 4 des Verstärkungselements darstellt;
9 ist ein Leistungsdiagramm, das eine Schwellenwertlinie zur Bewertung einer Wirkung darstellt, die durch einen hoch dämpfenden Abschnitt des Verstärkungselements erzielt wird;
10A ist ein Leistungsdiagramm, bei dem ein Flechtwinkel θ₁ 15 Grad beträgt und L₃ /L₁ 0,01 beträgt;
10B ist ein Leistungsdiagramm, bei dem der Flechtwinkel θ₁ 15 Grad beträgt und L₃ /L₁ 0,004 beträgt;
10C ist ein Leistungsdiagramm, bei dem der Flechtwinkel θ₁ 15 Grad beträgt und L₃ /L₁ 0,002 beträgt;
10D ist ein Leistungsdiagramm, bei dem der Flechtwinkel θ₁ 15 Grad beträgt und L₃ /L₁ 0,001 beträgt;
11A ist ein Leistungsdiagramm, bei dem der Flechtwinkel θ₁ 30 Grad beträgt und L₃ /L₁ 0,01 beträgt;
11B ist ein Leistungsdiagramm, bei dem der Flechtwinkel θ₁ 30 Grad beträgt und L₃ /L₁ 0,004 beträgt;
11C ist ein Leistungsdiagramm, bei dem der Flechtwinkel θ₁ 30 Grad beträgt und L₃ /L₁ 0,002 beträgt;
11D ist ein Leistungsdiagramm, bei dem der Flechtwinkel θ₁ 30 Grad beträgt und L₃ /L₁ 0,001 beträgt;
12 ist ein Leistungsdiagramm, bei dem der Flechtwinkel θ₁ 45 Grad beträgt und L₃ /L₁ 0,001 beträgt; und
13 ist eine schematische Ansicht, die eine Konfiguration einer Kohlenstofffasergeflechtstruktur einer Mitte, in Längsrichtung, eines Verstärkungselements gemäß einer beispielhaften Abwandlung der vorliegenden Erfindung darstellt.

Beschreibung von Ausführungsformen
Unter Bezug auf die Zeichnungen wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Es ist zu beachten, dass die nachfolgend beschriebene Ausführungsform ein Beispiel für die vorliegende Erfindung ist. Die Ausführungsform wird durch Veranschaulichung und, mit Ausnahme einer wesentlichen Konfiguration der vorliegenden Erfindung, nicht durch Einschränkung offenbart.
In den für die nachstehende Beschreibung verwendeten 1 bis 3 bezeichnen „F“, „H“, „Li“ und „Re“ jeweils die Frontseite, die Heckseite, die linke Seite und die rechte Seite der Fahrzeugkarosserie. Dies sind Richtungen, die in Bezug auf die Bewegungsrichtung eines Fahrzeugs als Produkt festgelegt sind.
Ausführungsform
Boden und Fahrzeuginnenraum von Fahrzeugkarosserie 1
Ein Boden und ein Fahrzeuginnenraum 1b einer Fahrzeugkarosserie 1 gemäß einer Ausführungsform werden anhand von 1 bis 3 beschrieben. 1 ist eine schematische Unteransicht, die den Boden der Fahrzeugkarosserie 1 veranschaulicht. 2 ist eine schematische Unteransicht, die eine Konfiguration eines Teils des Bodens der Fahrzeugkarosserie 1 veranschaulicht. 3 ist eine schematische Perspektivansicht, die eine Konfiguration des Fahrzeuginnenraums 1b der Fahrzeugkarosserie 1 veranschaulicht.
Die Fahrzeugkarosserie 1 des Fahrzeugs gemäß der Ausführungsform ist eine Monocoque-Fahrzeugkarosserie. Wie in den 1 bis 3 dargestellt umfasst die Fahrzeugkarosserie 1 ein Bodenblech 2, das einen Boden (Unterseite) des Fahrzeuginnenraums 1b bildet, ein Querblech 3, das einen Motorraum 1a vom Fahrzeuginnenraum 1b trennt, ein Paar rechte und linke vordere Seitenrahmen 4, die sich von dem Querblech 3 nach vorne erstrecken, und ein Paar rechte und linke hintere Seitenrahmen 5, die sich vom hinteren Endabschnitt des Bodenblechs 2 nach hinten erstrecken.
Das Querblech 3 erstreckt sich vom vorderen Endabschnitt des Bodenblechs 2 nach oben.
Die Fahrzeugkarosserie 1 umfasst auch ein Paar rechte und linke Seitenschweller 6, die am rechten und linken Endabschnitt des Bodenblechs 2 vorgesehen sind, ein Paar rechte und linke Scharniersäulen 7, die sich von den vorderen Endabschnitten eines Paares der Seitenschweller 6 nach oben erstrecken, ein Paar rechte und linke Mittelsäulen 8, die sich von den mittleren Abschnitten eines Paares der Seitenschweller 6 nach oben erstrecken, ein Paar rechte und linke Vordersäulen 9, die sich von den oberen Endabschnitten eines Paares der Scharniersäulen 7 diagonal nach hinten erstrecken, und ein Paar rechte und linke Dachseitenholme 10, die sich von den hinteren Endabschnitten eines Paares der Vordersäulen 9 nach hinten erstrecken.
Ein Paar der Dachseitenholme 10 ist mit den hinteren Endabschnitten der oberen Endabschnitte der Mittelsäulen 8 verbunden.
Wie in 1 bis 3 dargestellt umfasst das Bodenblech 2 der Fahrzeugkarosserie 1 einen Tunnel 11, der in einer Draufsicht von unten eine etwa quadratische Form aufweist. Der Tunnel 11 ist bezüglich der Fahrzeugbreitenrichtung (Links-Rechts-Richtung) in dem mittleren Abschnitt vorgesehen, erstreckt sich entlang der Front-Heck-Richtung (F-H-Richtung) und ragt in den Fahrzeuginnenraum 1b.
An den rechten und linken Endabschnitten des Tunnels 11 ist ein Paar aus rechtem und linkem Tunnelrahmen 12 vorgesehen, die sich jeweils in Front-Heck-Richtung (F-H-Richtung) erstrecken. Ein Paar der Tunnelrahmen 12 weist jeweils einen etwa hutförmigen Querschnitt auf. Die Tunnelrahmen 12 erstrecken sich jeweils etwa parallel zur Front-Heck-Richtung (F-H-Richtung) und bilden zusammen mit der Unterseite des Bodenblechs 2 einen etwa quadratischen geschlossenen Querschnitt.
In einem Raum zwischen einem der Seitenschweller 6 und einem der Tunnelrahmen 12 und in einem Raum zwischen dem anderen Seitenschweller 6 und dem anderen Tunnelrahmen 12 ist ein Bodenrahmen 13 vorgesehen, der sich in Front-Heck-Richtung (F-H-Richtung) erstreckt und einen in etwa hutförmigen Querschnitt aufweist. Jeder der Bodenrahmen 13 ist so geformt, dass ein Abschnitt des Bodenrahmens 13 weiter in der Heckseite (H-Seite) der Fahrzeugkarosserie 1 näher an der Außenseite der Fahrzeugkarosserie 1 liegt. Der Bodenrahmen 13 erstreckt sich jeweils etwa parallel zur Front-Heck-Richtung (F-H-Richtung) und bildet zusammen mit dem Bodenblech 2 einen etwa quadratischen geschlossenen Querschnitt.
Der vordere Endabschnitt jedes der Bodenrahmen 13 ist mit dem hinteren Endabschnitt des vorderen Seitenrahmens 4 verbunden.
Das Bodenblech 2 umfasst Querträger 14 und 15, die auf beiden Seiten des Tunnels 11 im Fahrzeuginnenraum 1b vorgesehen sind und sich in Rechts-Linksrichtung (Li-Re-Richtung) erstrecken. Jeder der Querträger 14 und 15 weist einen etwa hutförmigen Querschnitt auf. Jeder der Querträger 14 und 15 erstreckt sich in Rechts-Linksrichtung (Li-Re-Richtung) von der Seitenwand des Tunnels 11 bis zur Seitenwand des Seitenschwellers 6 und bildet zusammen mit der Oberseite des Bodenblechs 2 einen etwa quadratischen Querschnitt.
Der Querträger 14 ist bezüglich der Richtung von der Scharniersäule 7 zur Mittelsäule 8 in der Mitte angeordnet. Der hintere Endabschnitt eines oberen Rahmens 16 ist mit der Vorderwand des Querträgers 14 verbunden. Der hintere Endabschnitt des oberen Rahmens 16 ist mit dem Bodenblech 2 verbunden. Auf der gegenüberliegenden Seite der Verbindung ist der vordere Endabschnitt des Bodenrahmens 13 mit dem Bodenblech 2 verbunden.
Der Querträger 15 ist an einer Stelle, die der Mittelsäule 8 entspricht, in etwa parallel zum Querträger 14 angeordnet.
Im Fahrzeuginnenraum 1b ist ein Paar aus rechtem und linkem Vordersitz (nicht dargestellt) vorgesehen. Jeder Sitz umfasst einen Sitzrahmen, der dem Sitz Stabilität und Steifigkeit verleiht. Jeder Sitz ist entlang eines Paares von rechten und linken Sitzschienen 17 beweglich.
Wie in 3 dargestellt ist eine der Sitzschienen 17 in Bezug auf die Fahrzeugbreitenrichtung auf der Außenseite vorgesehen. Diese Sitzschiene 17 weist einen vorderen Endabschnitt (eine vordere Sitzhalterung), der an dem äußeren Abschnitt in Bezug auf die Fahrzeugbreitenrichtung des Querträgers 14 befestigt ist, und einen hinteren Endabschnitt (eine hintere Sitzhalterung), der an dem äußeren Abschnitt in Bezug auf die Fahrzeugbreitenrichtung des Querträgers 15 befestigt ist, auf.
Die andere der Sitzschienen 17 ist an der Innenseite in Bezug auf die Fahrzeugbreitenrichtung vorgesehen. Diese Sitzschiene 17 weist einen vorderen Endabschnitt (eine vordere Sitzhalterung), der an dem inneren Abschnitt in Bezug auf die Fahrzeugbreitenrichtung des Querträgers 14 befestigt ist, und einen hinteren Endabschnitt (eine hintere Sitzhalterung), der an dem inneren Abschnitt in Bezug auf die Fahrzeugbreitenrichtung des Querträgers 15 befestigt ist, auf.
Unter dem Bodenblech 2 sind mehrere Verstärkungselemente 21 bis 27 angeordnet.
Konfiguration der Verstärkungselemente 21 bis 27 und Struktur zur Montage der Verstärkungselemente 21 bis 27 an der Karosserie 1
Eine Konfiguration von Verstärkungselementen 21 bis 27 und einer Struktur zur Befestigung der Verstärkungselemente 21 bis 27 an der Fahrzeugkarosserie 1 ist anhand von 2 und 4 beschrieben. 4 ist eine schematische Perspektivansicht, die die Konfiguration des Verstärkungselements 21 (als Beispiel für die Verstärkungselemente 21 bis 27) darstellt.
Wie in 2 dargestellt umfasst die Fahrzeugkarosserie 1 gemäß einer Ausführungsform mehrere Verstärkungselemente 21 bis 27, die in einer zweiseitig symmetrischen Anordnung angeordnet sind. Das Verstärkungselement 21 erstreckt sich zwischen dem rechten Seitenschweller 6 und dem rechten Tunnelrahmen 12 der Fahrzeugkarosserie 1 und ist an Befestigungspunkten P an dem rechten Seitenschweller 6 und dem rechten Tunnelrahmen 12 befestigt.
Das Verstärkungselement 22 erstreckt sich zwischen dem rechten und linken Tunnelrahmen 12 über den Tunnel 11 und ist an Befestigungspunkten P am rechten und linken Tunnelrahmen 12 befestigt. Das Verstärkungselement 23 erstreckt sich zwischen dem linken Seitenschweller 6 und dem linken Tunnelrahmen 12 der Fahrzeugkarosserie 1 und ist an den Befestigungspunkten P an dem linken Seitenschweller 6 und dem Tunnelrahmen 12 befestigt.
Das Verstärkungselement 24 ist weiter in der Frontseite der Fahrzeugkarosserie 1 als das Verstärkungselement 23 angeordnet, erstreckt sich zwischen dem linken Seitenschweller 6 und dem linken Tunnelrahmen 12 der Fahrzeugkarosserie 1 und ist an Befestigungspunkten P an dem linken Seitenschweller 6 und dem Tunnelrahmen 12 befestigt. Das Verstärkungselement 25 erstreckt sich zwischen dem rechten und linken Tunnelrahmen 12 über den Tunnel 11 und ist an Befestigungspunkten P am rechten und linken Tunnelrahmen 12 befestigt.
Das Verstärkungselement 26 ist weiter in der Heckseite der Fahrzeugkarosserie 1 als das Verstärkungselement 25 angeordnet, erstreckt sich zwischen dem rechten und linken Tunnelrahmen 12 über den Tunnel 11 und ist an Befestigungspunkten P am rechten und linken Tunnelrahmen 12 befestigt. Das Verstärkungselement 27 verbindet das hintere Ende des Verstärkungselements 26 und ein Ende des Verstärkungselements 22 sowie ein Ende des Verstärkungselements 21 und ist an Befestigungspunkten P am Tunnelrahmen 12 befestigt.
Wie in 4 dargestellt ist das Verstärkungselement 21 ein langes zylinder- oder stabförmiges Element, das sich in eine vorbestimmte spezifische Richtung erstreckt. Im Einzelnen umfasst das Verstärkungselement 21 einen langen zylindrischen Abschnitt 21a, der sich in eine vorbestimmte spezifische Richtung erstreckt, und Befestigungsabschnitte 21b und 21c, die an den Enden des langen zylindrischen Abschnitts 21a vorgesehen sind. Löcher 21d und 21e, in die ein Bolzen eingesetzt werden kann (siehe Pfeile C und D), sind jeweils in den Befestigungsabschnitten 21b und 21c vorgesehen. Die Befestigungsabschnitte 21b und 21c des Verstärkungselements 21 sind mit Bolzen an Abschnitten der Fahrzeugkarosserie 1 befestigt.
Obwohl in dies in 4 nicht dargestellt ist, weisen die Verstärkungselemente 22 bis 27 die gleiche Konfiguration wie das Verstärkungselement 21 auf. Die Länge des langen zylindrischen Abschnitts 21a wird jedoch entsprechend der Stelle bestimmt, an der der lange zylindrische Abschnitt 21a für die Fahrzeugkarosserie 1 verwendet wird.
Die langen zylindrischen Abschnitte 21a der Verstärkungselemente 21 bis 27 gemäß der Ausführungsform umfassen kohlenstofffaserverstärktes Kunststoffharz (CFK). Im Einzelnen umfasst der lange zylindrische Abschnitt 21a ein kohlenstofffaserverstärktes Kunststoffharz mit einer Kohlenstofffasergeflechtstruktur und einem Kunststoffharzteil, das durch eine Flechttechnik hergestellt ist. Das Detail wird später beschrieben.
Das Verstärkungselement 21 gemäß der Ausführungsform umfasst den langen zylindrischen Abschnitt 21a mit einer Länge von L₁ . Ein Abschnitt des langen zylindrischen Abschnitts 21a, der sich bei einem Abstand L₂ vom Ende des langen zylindrischen Abschnitts 21a befindet, nämlich die Längsmitte und deren Umfangsbereich des langen zylindrischen Abschnitts 21a (der durch einen Pfeil B gekennzeichnete Bereich), weist einen niedrigen Modul auf und erzielt eine hohe Schwingungsdämpfungsleistung.
Indessen weist das Verstärkungselement 21 einen Bereich hohen Moduls auf, der nicht den durch den Pfeil B angegebenen Bereich enthält (z.B. den durch einen Pfeil A angegebenen Bereich). Der Bereich hohen Moduls erzielt eine hohe Steifigkeit, wenn das Verstärkungselement 21 einer Biegebeanspruchung unterzogen wird.
Kohlenstofffasergeflechtstruktur 210
Eine Kohlenstofffasergeflechtstruktur 210 der Verstärkungselemente 21 bis 27 wird anhand von 5 und 6 beschrieben. 5 ist eine schematische Ansicht eines Abschnitts A, in 4, der Kohlenstofffasergeflechtstruktur 210 des langen zylindrischen Abschnitts 21a der Verstärkungselemente 21 bis 27. 6 ist eine schematische Ansicht eines Abschnitts B, in 4, der Kohlenstofffasergeflechtstruktur 210 des langen zylindrischen Abschnitts 21a der Verstärkungselemente 21 bis 27.
Wie in 5 dargestellt umfasst die Kohlenstofffasergeflechtstruktur 210 mehrere axiale Garne 211, mehrere Flechtgarne 212 und mehrere Flechtgarne 213, wobei die Garne 211, 212 und 213 miteinander verflochten sind. Die Gruppe der Flechtgarne 212 oder die Gruppe der Flechtgarne 213 gemäß der Ausführungsform ist die Gruppe der ersten Flechtgarne und die andere Gruppe ist die Gruppe der zweiten Flechtgarne.
Wie in 5 dargestellt ist jedes der axialen Garne 211 etwa parallel zu einer Achse Ax₂₁₀ der Kohlenstofffasergeflechtstruktur 210 angeordnet. D.h. jedes der axialen Garne 211 ist etwa parallel zur Verlaufsrichtung des langen zylindrischen Abschnitts 21a angeordnet. Die benachbarten axialen Garne 211 sind in der Umfangsrichtung voneinander beabstandet.
Indessen ist jedes der Flechtgarne 212 um die Achse Ax₂₁₀ unter einem Flechtwinkel von θ₁ gewickelt. Die benachbarten Flechtgarne 212 sind ebenfalls in der Umfangsrichtung voneinander beabstandet.
Jedes der Flechtgarne 213 ist um die Achse Ax₂₁₀ unter einem Flechtwinkel von θ₁ gewickelt und schneidet die Flechtgarne 212. Die benachbarten Flechtgarne 213 sind ebenfalls in der Umfangsrichtung voneinander beabstandet.
So beträgt beispielsweise der Flechtwinkel θ₁ 15 Grad oder mehr bis zu 45 Grad.
Wie in 6 dargestellt beträgt in einem Bereich Ar₁ , der sich in einem etwa mittleren Abschnitt des langen zylindrischen Abschnitts 21a befindet, der Flechtwinkel der Flechtgarne 212 θ₂ und der Flechtwinkel der Flechtgarne 213 beträgt ebenfalls θ₂ . D.h. sowohl der erste Flechtwinkel als auch der zweite Flechtwinkel betragen in der Ausführungsform θ₂ .
So beträgt beispielsweise der Flechtwinkel θ₂ 60 Grad oder mehr, aber weniger als 90 Grad.
Wie in 6 dargestellt ist der Bereich Ar₁ der Kohlenstofffasergeflechtstruktur 210 gemäß der Ausführungsform auf einer Längsmitte C_L des langen zylindrischen Abschnitts 21a zentriert und weist eine Breite L₃ auf. So wird beispielsweise die Länge L₃ durch ein Verhältnis von L₃ zur Länge L₁ des langen zylindrischen Abschnitts 21a bestimmt, wobei das Verhältnis einen Wert von 0,001 oder mehr bis zu 0,01 annimmt.
Verfahren zum Herstellen der Kohlenstofffasergeflechtstruktur 210
Wie vorstehend beschrieben weist die Kohlenstofffasergeflechtstruktur 210 gemäß der Ausführungsform den Flechtwinkel in dem mittleren Bereich Ar₁ auf, der größer als der Flechtwinkel in dem anderen Bereich ist (z.B. der durch den Pfeil A in 4 angegebenen Bereich). Ein Verfahren zur Herstellung der Kohlenstofffasergeflechtstruktur 210 mit einer solchen Konfiguration wird anhand von 7 beschrieben. 7 ist eine schematische Perspektivansicht, die eine Konfiguration eines Abschnitts einer Fertigungsvorrichtung veranschaulicht, die zur Herstellung der Kohlenstofffasergeflechtstruktur 210 verwendet wird.
Wie in 7 dargestellt wird eine Flechtvorrichtung 500 zur Herstellung der Kohlenstofffasergeflechtstruktur 210 verwendet. Die Flechtvorrichtung 500 umfasst mehrere Spulen 501, eine Spur 502 und Träger 503. Mehrere Spulen 501 führen Kohlenstofffasern (axiale Garne 211 und Flechtgarne 212 und 213) zu, während sie sich drehen, wobei sie die relative Positionsbeziehung zueinander beibehalten. Die Kohlenstofffasern werden um die Umfangsfläche eines säulenförmigen Dorns M gewickelt, der in der Zeichnung einfach dargestellt ist.
Der Dorn M und die um den Dorn M herum angeordneten Elemente, wie beispielsweise die Spulen 501, bewegen sich relativ zueinander entlang der Längsrichtung des Dorns M (d.h. eine lineare Relativbewegung) mit einer Relativgeschwindigkeit von V1. In der Ausführungsform wird die relative Bewegungsgeschwindigkeit V1 nur in einem Zeitraum reduziert, in dem die Flechtgarne 212 und 213 um einen Abschnitt gewickelt sind, der dem Bereich Ar₁ der Kohlenstofffasergeflechtstruktur 210 entspricht. Alternativ werden die Drehgeschwindigkeit und die Drehzahl der Spulen 501 nur in einem Zeitraum erhöht, in dem die Flechtgarne 212 und 213 um einen Abschnitt gewickelt sind, der dem Bereich Ar₁ der Kohlenstofffasergeflechtstruktur 210 entspricht.
Innendurchmesser D₁ und D₂ und Außendurchmesser D₃ und D₄ des langen zylindrischen Elements 21a
Die Innendurchmesser D₁ und D₂ und die Außendurchmesser D₃ und D₄ des langen zylindrischen Abschnitts 21a werden anhand von 8 beschrieben. 8A veranschaulicht eine Querschnittsansicht des in 4 dargestellten Abschnitts A des Verstärkungselements 21. 8B veranschaulicht eine Querschnittsansicht des in 4 dargestellten Abschnitts B des Verstärkungselements 21.
Wie in 8A dargestellt weist der lange zylindrische Abschnitt 21a den Innendurchmesser D₁ und den Außendurchmesser D₃ in dem Abschnitt A in 4 auf.
Wie in 8B dargestellt weist der lange zylindrische Abschnitt 21a den Innendurchmesser D₂ und den Außendurchmesser D₄ in dem Abschnitt B (Bereich Ar₁ ) in 4 auf. Die Beziehung zwischen den Innendurchmessern D₁ und D₂ und den Außendurchmessern D₃ und D₄ des langen zylindrischen Abschnitts 21a gemäß der Ausführungsform wird nachfolgend ausgedrückt. $D_{1} > D_{2}$
$D_{3} = D_{4}$
Die durch Formel 1 ausgedrückte Beziehung ist auf die Beziehung zwischen dem Flechtwinkel θ₁ und dem Flechtwinkel θ₂ der Flechtgarne 212 und 213 zurückzuführen. Wie vorstehend beschrieben bedeutet die Beziehung θ₂ > θ₁, dass sich das Flechtgarn 212 und das Flechtgarn 213 in dem Bereich, in dem der Flechtwinkel θ₂ beträgt, um eine längere Umfangslänge überlappen. Durch das vorstehend beschriebene Herstellungsverfahren wird der Dorn aus dem geflochtenen Material entfernt und das geflochtene Material wärmebehandelt, was zu einer Schrumpfung der Innenumfangsfläche im Bereich Ar₁ entlang der Radialrichtung führt. Damit ist Formel 1 erfüllt.
Bestimmung der Länge L₃ und des Flechtwinkels θ₂ in Bereich Ar₁
Die Bestimmung der Länge L₃ und des Flechtwinkels θ₂ für den Bereich Ar₁ wird anhand von 9 bis 12 beschrieben. 9 ist ein Leistungsdiagramm, das eine Schwellenwertlinie einer Fläche veranschaulicht, in der der Bereich Ar₁ der Verstärkungselemente 21 bis 27 effektiv als hoch dämpfender Abschnitt dient. 10A bis 10D sind Leistungsdiagramme, bei denen der Flechtwinkel θ₁ 15 Grad beträgt. 10A zeigt den Fall, bei dem L₃/L₁ = 0,01. 10B zeigt den Fall, bei dem L₃/L₁ = 0,004. 10C zeigt den Fall, bei dem L₃/L₁ = 0,002. 10D zeigt den Fall, bei dem L₃/L₁ = 0,001. 11A bis 11D sind Leistungsdiagramme, bei denen der Flechtwinkel θ1 30 Grad beträgt. 11A zeigt den Fall, bei dem L₃/L₁ = 0,01. 11B zeigt den Fall, bei dem L₃/L₁ = 0,004. 11C zeigt den Fall, bei dem L₃/L₁ = 0,002. 11D zeigt den Fall, bei dem L₃/L₁ = 0,001. 12 ist ein Leistungsdiagramm, bei dem der Flechtwinkel θ₁ 45 Grad beträgt und L₃ /L₁ 0,001 beträgt.
Bestimmung der Schwellenwertlinie
Wie in 9 dargestellt weist das Leistungsdiagramm die horizontale Achse auf, die die Steifigkeit des langen zylindrischen Abschnitts 21a angibt, und die vertikale Achse, die die Dämpfungsleistung angibt. Die Absolutwerte, die durch die horizontale Achse und die vertikale Achse angegeben werden, hängen von der Form und dem Material der Prüfkörper ab.
Die durchgehende Linie in 9 ist eine Leistungslinie eines Falles, in dem ein langer zylindrischer Abschnitt durch Wickeln von Flechtgarnen bei einem gleichmäßigen Flechtwinkel gebildet wird.
Eine Schwellenwertlinie für die Ausführungsform wird in 9 durch eine gestrichelte Linie angezeigt. Diese Linie stellt eine Konfiguration dar, von der man annimmt, dass sie eine um 50% erhöhte Dämpfungsleistung und das gleiche Maß an Steifigkeit im Vergleich zu einer Konfiguration, bei der Flechtgarne bei einem gleichmäßigen Flechtwinkel gewickelt sind, erreicht. In der Ausführungsform werden die Länge L₃ und der Flechtwinkel θ₂ für den Bereich Ar₁ so bestimmt, dass sich ein Punkt, der die Dämpfungsleistung und Steifigkeit bestimmt, in dem oberen rechten Bereich der Schwellenwertlinie in dem in 9 dargestellten Diagramm befindet.
In 9 ist eine gestrichelte Linie, die sich entlang der horizontalen Achse erstreckt, um eine Dämpfungsleistung von 0,00125 anzuzeigen, der untere Grenzwert des Dämpfungsverhältnisses.
Bei θ₁ = 15 Grad
10A bis 10D sind Diagramme, die den Beziehung zwischen Steifigkeit und Dämpfungsverhältnis veranschaulichen, wobei der Flechtwinkel θ₁ der Flechtgarne 212 und 213 in dem Abschnitt A in 4 15 Grad beträgt.
Unter der Bedingung von L₃/L₁ = 0,01, wie in 10A dargestellt, nimmt das Dämpfungsverhältnis den unteren Grenzwert an, wenn θ₂ 60 Grad beträgt. Es ist ersichtlich, dass die Bedingung von θ₁ = 15 Grad bei θ₂ = 60 Grad die Dämpfungsleistung um 50% verbessert.
Unter der Bedingung von L₃/L₁ = 0,004, wie in 10B dargestellt, nimmt das Dämpfungsverhältnis den unteren Grenzwert an, wenn θ₂ 83,5 Grad beträgt.
Es ist ersichtlich, dass die Bedingung von θ₁ = 15 Grad bei θ₂ = 83,5 Grad die Dämpfungsleistung um 50% verbessert.
Unter der Bedingung von L₃/L₁ = 0,002, wie in 10C dargestellt, nimmt das Dämpfungsverhältnis den unteren Grenzwert an, wenn θ₂ 85 Grad beträgt. Es ist ersichtlich, dass die Bedingung von θ₁ = 15 Grad bei θ₂ = 85 Grad die Dämpfungsleistung um 50% verbessert.
Unter der Bedingung von L₃/L₁ = 0,001, wie in 10D dargestellt, nimmt das Dämpfungsverhältnis den unteren Grenzwert an, wenn θ₂ 87 Grad beträgt. Es ist ersichtlich, dass die Bedingung von θ₁ = 15 Grad bei θ₂ = 87 Grad die Dämpfungsleistung um 50% verbessert.
Bei θ₁ = 30 Grad
11A bis 11D sind Diagramme, die die Beziehung zwischen Steifigkeit und Dämpfungsverhältnis veranschaulichen, wobei der Flechtwinkel θ₁ der Flechtgarne 212 und 213 in dem Abschnitt A in 4 30 Grad beträgt.
Unter der Bedingung von L₃/L₁ = 0,01, wie in 11A dargestellt, liegt die Messwertlinie außerhalb des oberen rechten Bereichs der Schwellenwertlinie, was bedeutet, dass die Dämpfungsleistung nicht um 50% verbessert werden kann.
Unter der Bedingung von L₃/L₁ = 0,004, wie in 11B dargestellt, nimmt das Dämpfungsverhältnis den unteren Grenzwert an, wenn θ₂ 89 Grad beträgt. Es ist ersichtlich, dass die Bedingung von θ₁ = 15 Grad bei θ₂ = 89 Grad die Dämpfungsleistung um 50% verbessert.
Unter der Bedingung von L₃/L₁ = 0,002, wie in 11C dargestellt, nimmt das Dämpfungsverhältnis den unteren Grenzwert an, wenn θ₂ 89 Grad beträgt. Es ist ersichtlich, dass die Bedingung von θ₁ = 15 Grad bei θ₂ = 89 Grad die Dämpfungsleistung um 50% verbessert.
Unter der Bedingung von L₃/L₁ = 0,001, wie in 11D dargestellt, nimmt das Dämpfungsverhältnis den unteren Grenzwert an, wenn θ₂ 89 Grad beträgt. Es ist ersichtlich, dass die Bedingung von θ₁ = 15 Grad bei θ₂ = 89 Grad die Dämpfungsleistung um 50% verbessert.
Bei θ₁ = 45 Grad
12 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen Steifigkeit und Dämpfungsverhältnis veranschaulicht, wobei der Flechtwinkel θ₁ der Flechtgarne 212 und 213 in dem Abschnitt A in 4 45 Grad beträgt und L₃ /L₁ 0,001 beträgt. Obwohl in 12 kein Leistungsdiagramm für die Fälle L₃/L₁ = 0,01, L₃/L₁ = 0,004 und L₃/L₁ = 0,002 dargestellt ist, wobei der Flechtwinkel θ₁ der Flechtgarne 212 und 213 in dem Abschnitt A in 4 45 Grad beträgt, liegen die Linien der Messwerte außerhalb jedes oberen rechten Bereichs der Schwellenwertlinie, was bedeutet, dass die Dämpfungsleistung nicht um 50% verbessert werden kann.
Unter der Bedingung von L₃/L₁ = 0,001, wie in 12 dargestellt, nimmt das Dämpfungsverhältnis den unteren Grenzwert an, wenn θ₂ 89,9 Grad beträgt. Es ist ersichtlich, dass die Bedingung von θ₁ = 15 Grad bei θ₂ = 89,9 Grad die Dämpfungsleistung um 50% verbessert.
Zusammenfassung
Die vorstehenden Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle zusammengefasst.
„NG“ in Tabelle 1 zeigt an, dass die Messwertlinie außerhalb des oberen rechten Bereichs der Schwellenlinie liegt, was bedeutet, dass die Dämpfungsleistung nicht um 50% verbessert werden kann.
Wie in Tabelle 1 dargestellt ist, hängt es von der Beziehung zwischen dem Verhältnis L₃ /L₁ , θ₁ und θ₂ ab, ob der lange zylindrische Abschnitt 21a ein um 50% verbessertes Schwingungsdämpfungsverhältnis bei gleichzeitigem Beibehalten hoher Steifigkeit aufweisen kann. Im Einzelnen kann θ₂ für ein kleineres Verhältnis L₃ /L₁ einen bestimmten Wert annehmen, um das Dämpfungsverhältnis um 50% zu verbessern, auch wenn θ₁ einen relativ großen Wert annimmt (45 Grad in Tabelle 1).
Für ein kleineres θ₁ kann θ₂ einen relativ kleinen Wert (60 Grad in Tabelle 1) annehmen, um den Dämpfungsgrad um 50% zu verbessern.
Wirkung
Die langen zylindrischen Abschnitte 21a der Verstärkungselemente 21 bis 27 gemäß der Ausführungsform umfassen jeweils die Kohlenstofffasergeflechtstruktur 210, in der die axialen Garne 211 und die Flechtgarne 212 und 213, die jeweils mit Kohlenstofffasern enthalten, geflochten sind, und somit erzielt der lange zylindrische Abschnitt 21a hohe Steifigkeit. D.h. der lange zylindrische Abschnitt 21a gemäß der Ausführungsform erzielt eine hohe Steifigkeit, da der lange zylindrische Abschnitt 21a die geflochtenen Flechtgarne 212 und 213 umfasst und mit Kunststoffharz verstärkt ist.
Der lange zylindrische Abschnitt 21a gemäß der Ausführungsform weist den Flechtwinkel θ₂ der Flechtgarne 212 und 213 in einem Bereich Ar₁ in der Längsmitte auf, der größer als der Flechtwinkel θ₁ in dem anderen Bereich ist (ein Bereich im Endabschnitt des langen zylindrischen Abschnitts 21a, z.B. der Abschnitt A in 4). Der Bereich Ar₁ weist daher einen niedrigen Modul auf und erreicht damit eine hohe Schwingungsdämpfungsleistung. Der lange zylindrische Abschnitt 21a mit dem Bereich Ar₁ , der sich in der Längsmitte befindet und den Flechtwinkel θ₂ , der größer als der Flechtwinkel θ₁ ist, aufweist, erreicht hohe Steifigkeit und ausgezeichnete Schwingungsdämpfungsleistung unter Biegebeanspruchung-
Wie anhand von 9 bis 12 und Tabelle 1 beschrieben ist, weist der lange zylindrische Abschnitt 21a gemäß der Ausführungsform den Flechtwinkel θ₂ von 60 Grad oder mehr, aber weniger als 90 Grad auf, was zuverlässig eine hervorragende Schwingungsdämpfungsleistung im Bereich Ar₁ ergibt.
Wie anhand von 9 bis 12 und Tabelle 1 beschrieben ist, kann der Modul im anderen Bereich als dem mittleren Abschnitt des langen zylindrischen Abschnitts 21a gemäß der Ausführungsform durch Einstellen des Flechtwinkels θ₁ auf 15 Grad oder mehr bis zu 45 Grad erhöht werden. Dementsprechend erreicht der lange zylindrische Abschnitt 21a gemäß der Ausführungsform unter einer Biegebeanspruchung hohe Steifigkeit in dem anderen Bereich als dem mittleren Abschnitt.
Der lange zylindrische Abschnitt 21a gemäß der Ausführungsform kann sowohl hohe Steifigkeit als auch ausgezeichnete Schwingungsdämpfungsleistung unter Biegebeanspruchung erreichen, indem ein Verhältnis der Länge L₃ zur Länge L₁ des Bereichs Ar₁ auf 0,001 oder mehr bis zu 0,01 eingestellt wird.
Der lange zylindrische Abschnitt 21a gemäß der Ausführungsform kann eine höhere Steifigkeit erreichen, indem die Kohlenstofffasergeflechtstruktur 210 mit dem axialen Garn 211, das so geflochten ist, dass es sich in der Achse Ax₂₁₀ erstreckt, verwendet wird.
Wie anhand von 8 beschrieben ist, kann der lange zylindrische Abschnitt 21a gemäß der Ausführungsform vorteilhafterweise hohe Steifigkeit mit einer geringen Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer Spannungskonzentration auf einem Abschnitt der Außenumfangsfläche unter Biegebeanspruchung erreichen, indem der Außendurchmesser D₃ gleich dem Außendurchmesser D₄ eingestellt wird.
Der lange zylindrische Abschnitt 21a gemäß der Ausführungsform weist den Flechtwinkel θ₂ im Bereich Ar₁ auf, der größer als der Flechtwinkel θ₁ ist, so dass die Flechtgarne 212 und 213 im Bereich Ar₁ dichter sind (die Flechtgarne 212 und 213 überlappen sich dicht) als im anderen Bereich (z.B. ein Ende), was zu dem Innendurchmesser D₂ , der kleiner als der Innendurchmesser D₁ ist, führt. Sind der Außendurchmesser D₃ und der Außendurchmesser D₄ gleich, bietet dies dementsprechend eine hohe Erscheinungsqualität und vermeidet lokale Spannungskonzentrationen, und gleichzeitig bietet der Bereich Ar₁ einen niedrigen Modul zur Verbesserung der Schwingungsdämpfungsleistung.
Der lange zylindrische Abschnitt 21a gemäß der Ausführungsform erreicht vorteilhaft hohe Steifigkeit, da die axialen Garne 211 und die Flechtgarne 212 und 213 jeweils Kohlenstofffasern umfassen.
Wie vorstehend beschrieben umfassen die Verstärkungselemente 21 bis 27 gemäß der Ausführungsform jeweils den langen zylindrischen Abschnitt 21a, der ein kohlenstofffaserverstärktes Kunststoffelement ist, das durch die Flechttechnik hergestellt wird, und erreichen somit hohe Steifigkeit und ausgezeichnete Schwingungsdämpfungsleistung unter Biegebeanspruchung.
Beispielhafte Abwandlung
Eine Kohlenstofffasergeflechtstruktur 310 gemäß einer beispielhaften Abwandlung wird anhand von 13 beschrieben. 13 ist eine schematische Ansicht, die eine Konfiguration der Kohlenstofffasergeflechtstruktur 310 eines Bereichs Ar₁ in einer Längsmitte und des Umfangsbereichs des Bereichs Ar₁ eines Verstärkungselements gemäß einer beispielhaften Abwandlung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Das kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffelement gemäß der beispielhaften Abwandlung ist mit Ausnahme der Kohlenstofffasergeflechtstruktur 310 identisch mit der vorstehend beschriebenen Ausführungsform konfiguriert. Die Beschreibung der gleichen Konfiguration wird nicht wiederholt.
Wie in 13 dargestellt ist, wird die Kohlenstofffasergeflechtstruktur 310 gemäß der beispielhaften Abwandlung ebenfalls durch Flechten von mehreren axialen Garnen 311 und mehreren Flechtgarnen 312 und 313 gebildet. Wie die axialen Garne 211 gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform erstrecken sich die axialen Garne 311 linear entlang einer Achse Ax₃₁₀ der Kohlenstofffasergeflechtstruktur 310.
Die Flechtgarne 312 und 313 sind um die Achse Ax₃₁₀ unter einem Flechtwinkel θ₂ im Bereich Ar₁ in der Längsmitte und unter einem Flechtwinkel θ₁ in einem Bereich im Längsende gewickelt. Dies ist gleich wie bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform, wenngleich dies nicht in 13 dargestellt ist.
Die beispielhafte Abwandlung unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen Ausführungsform dadurch, dass die Bereiche Ar₂ und Ar₃ angrenzend an beide Enden des Bereichs Ar₁ bezüglich der Längsrichtung der Kohlenstofffasergeflechtstruktur 310 vorgesehen sind, wobei die Flechtgarne 312 und 313 im Bereich Ar₂ und Ar₃ unter einem Flechtwinkel θ₃ gewickelt sind. Der Flechtwinkel θ₃ erfüllt die nachstehend ausgedrückte Beziehung. $θ_{2} > θ_{3} > θ_{1}$
Mit den Bereichen Ar₂ und Ar3, die an der Kohlenstofffasergeflechtstruktur 310 gemäß der beispielhaften Abwandlung vorgesehen werden, wird eine steile Änderung der Flechtwinkel der Flechtgarne 312 und 313 zwischen dem Bereich Ar₁ in der Mitte und dem Bereich am Ende, bezogen auf die Längsrichtung der Kohlenstofffasergeflechtstruktur 310, abgeschwächt und damit die durch die Änderung des Flechtwinkels verursachte Spannungskonzentration reduziert.
Ein Verstärkungselement, das die Kohlenstofffasergeflechtstruktur 310 gemäß der beispielhaften Abwandlung umfasst, ist mit Ausnahme der Kohlenstofffasergeflechtstruktur 310 ebenfalls gleich konfiguriert wie die Verstärkungselemente 21 bis 27 gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform und bietet die gleiche Wirkung wie vorstehend beschrieben.
Andere beispielhafte Abwandlungen
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform und beispielhaften Abwandlung sind die Verstärkungselemente 21 bis 27, die zur Verstärkung des Bodens der Fahrzeugkarosserie 1 verwendet werden, Beispiele für ein faserverstärktes Kunststoffmaterial. Die vorliegende Erfindung ist aber nicht auf diese Elemente beschränkt. So kann beispielsweise das faserverstärkte Kunststoffmaterial als Domstrebe verwendet werden.
Das Element gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann nicht nur als Element zur Verstärkung eines bestimmten Abschnitts, sondern auch als Konstruktionselement selbst verwendet werden, das die vorstehend beschriebene Wirkung erzielt. Bei einer Fahrzeugkarosserie beispielsweise kann das Element als Dachseitenträger, Mittelsäule oder Vordersäule verwendet werden.
Das wie vorstehend beschrieben konfigurierte Element kann nicht nur für eine Fahrzeugkarosserie eines Kraftfahrzeugs, sondern auch für verschiedene strukturelle Körper (z.B. Industriemaschinen) verwendet werden.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform und beispielhaften Abwandlung ist der lange zylindrische Abschnitt 21a mit einer hohlzylindrischen Form ein Beispiel für ein faserverstärktes Kunststoffelement. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf ein solches Element beschränkt. So kann das Element beispielsweise als massives Element verwendet werden, und der Querschnitt eines Elements muss nicht immer eine kreisförmige Form aufweisen, sondern kann eine ovale Form, eine elliptische Form oder eine polygonale Form aufweisen.
Die vorstehend beschriebene Ausführungsform und beispielhafte Abwandlung weisen beispielhafte Konfigurationen auf, bei denen mehrere axiale Garne 211 oder 311 über die Längsrichtung des langen zylindrischen Abschnitts 21a hinweg vorgesehen sind. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf eine solche Konfiguration beschränkt. So kann beispielsweise auf mehrere axiale Garne 211 oder 311 im Bereich Ar₁ in der Längsmitte teilweise oder vollständig verzichtet werden. Eine solche Konfiguration ermöglicht es, problemlos ein Gleichgewicht zwischen Steifigkeit und Schwingungsdämpfungsleistung im mittleren Bereich herzustellen.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform und beispielhaften Abwandlung weisen sowohl die Gruppe der Flechtgarne 212 oder 312 als auch die Gruppe der Flechtgarne 213 oder 313 den Flechtwinkel θ₂ im Bereich Ar₁ in der Längsmitte auf, der größer als der Flechtwinkel θ₁ im anderen Bereich ist. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf eine solche Konfiguration beschränkt. So kann beispielsweise nur eines aus der Gruppe der Flechtgarne 212 oder 312 und der Gruppe der Flechtgarne 213 oder 313 den Flechtwinkel in dem Bereich in der Längsmitte aufweisen, der größer als der Flechtwinkel in dem anderen Bereich ist.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform und beispielhaften Abwandlung weisen die Flechtgarne 212 oder 312 und die Flechtgarne 213 oder 313 den Flechtwinkel θ₂ im Bereich Ar₁ in der Längsmitte auf, der größer als der Flechtwinkel θ₁ im anderen Bereich ist. Der Bereich, in dem der Flechtwinkel größer ist als der Flechtwinkel im anderen Bereich, ist nicht auf die Längsmitte des faserverstärkten Kunststoffelements beschränkt. So kann beispielsweise ein Bereich, der näher am Ende als an der Längsmitte des faserverstärkten Kunststoffelements liegt, den Flechtwinkel der Flechtgarne aufweisen, der größer als im anderen Bereich ist. Der Bereich des faserverstärkten Kunststoffelements mit dem großen Flechtwinkel der Flechtgarne ist nicht auf einen Bereich in einem bestimmten Abschnitt in Längsrichtung beschränkt. Es können mehrere solcher Bereiche vorgesehen werden.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform und beispielhaften Abwandlung ist das kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffharz ein Beispiel für ein faserverstärktes Kunststoffharz. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf ein solches Kunststoffharz beschränkt. So können beispielsweise glasfaserverstärktes Kunststoffharz (GFK), aramidfaserverstärktes Kunststoffharz (ArFRP), siliziumkarbidfaserverstärktes Kunststoffharz (SiCFRP) oder faserverstärktes Kunststoffharz, das Metallfasern enthält, wie beispielsweise nichteisenhaltiges Metall, verwendet werden.
Eine Beleuchtungsvorrichtung für ein in Bezug auf die Ausführungsform beschriebenes Fahrzeug umfasst im Wesentlichen die nachfolgend beschriebenen Merkmale.
Ein faserverstärktes Kunststoffelement gemäß der Ausführungsform besteht aus einem faserverstärkten Kunststoffharz und erstreckt sich in eine bestimmte Richtung. Das faserverstärkte Kunststoffelement umfasst eine Fasergeflechtstruktur. Die Fasergeflechtstruktur umfasst erste Flechtgarne, die gewickelt sind, um die bestimmte Richtung unter einem ersten Flechtwinkel zu schneiden, und zweite Flechtgarne, die gewickelt sind, um die bestimmte Richtung unter einem zweiten Flechtwinkel zu schneiden, wobei die ersten Flechtgarne und die zweiten Flechtgarne miteinander verflochten sind. Die Fasergeflechtstruktur umfasst einen vorbestimmten Bereich zwischen beiden Enden hinsichtlich einer Längsrichtung des faserverstärkten Kunststoffelements. Mindestens einer von erstem Flechtwinkel und zweitem Flechtwinkel in dem vorbestimmten Bereich ist größer als der Flechtwinkel in einem anderen Bereich als dem vorbestimmten Bereich.
Das faserverstärktes Kunststoffelement mit einer vorstehend beschriebenen Konfiguration umfasst eine Fasergeflechtstruktur, in der Fasern geflochten sind, und erreicht somit hohe Steifigkeit. D.h. das faserverstärkte Kunststoffelement umfasst die ersten Flechtgarne und die zweiten Flechtgarne, die miteinander verflochten sind, ist mit Kunststoffharz verstärkt und weist somit hohe Steifigkeit auf.
Das wie vorstehend beschrieben konfigurierte faserverstärkte Kunststoffelement weist den ersten Flechtwinkel und den zweiten Flechtwinkel in dem vorbestimmten Bereich auf, die größer als der Flechtwinkel im anderen Bereich sind, und weist somit einen niedrigen Modul im vorbestimmten Bereich auf, wodurch eine hohe Schwingungsdämpfungsleistung erreicht wird. Wenn der vorbestimmte Bereich, in dem mindestens einer von erstem Flechtwinkel und zweitem Flechtwinkel größer ist als der Winkel in dem anderen Bereich, in der Längsmitte vorgesehen ist, erzielt das Element gemäß der Ausführungsform hohe Steifigkeit und ausgezeichnete Schwingungsdämpfungsleistung unter einer Biegebeanspruchung.
Das faserverstärkte Kunststoffelement gemäß der Ausführungsform kann den ersten Flechtwinkel und den zweiten Flechtwinkel auf 60 Grad oder mehr, aber weniger als 90 Grad eingestellt aufweisen.
Durch Einstellen des ersten Flechtwinkels und des zweiten Flechtwinkels auf Werte von 60 Grad oder mehr, aber weniger als 90 Grad, erhält der vorbestimmte Bereich zuverlässig eine hervorragende Schwingungsdämpfungsleistung .
Das faserverstärkte Kunststoffelement gemäß der Ausführungsform kann die Flechtwinkel der ersten Flechtgarne und der zweiten Flechtgarne im anderen Bereich auf 15 Grad oder mehr bis zu 45 Grad eingestellt aufweisen.
Durch Einstellen der Flechtwinkel der ersten Flechtgarne und der zweiten Flechtgarne im anderen Bereich auf 15 Grad oder mehr bis zu 45 Grad kann der Modul im anderen Bereich erhöht werden. Mit der oben beschriebenen Konfiguration erhält der andere Bereich eine hohe Steifigkeit, wenn das faserverstärkte Kunststoffelement einer Biegebeanspruchung unterzogen wird.
Das faserverstärkte Kunststoffelement gemäß der Ausführungsform kann das Verhältnis der Längslänge des vorbestimmten Bereichs zur Gesamtlängslänge des Elements auf 0,001 oder mehr bis zu 0,01 eingestellt aufweisen.
Durch Einstellen des Verhältnisses der Längslänge des vorbestimmten Bereichs zur Gesamtlängslänge des faserverstärkten Kunststoffelements auf 0,001 oder mehr bis zu 0,01 können sowohl eine hohe Steifigkeit als auch eine hervorragende Schwingungsdämpfungsleistung unter Biegebeanspruchung erreicht werden.
Die Fasergeflechtstruktur des faserverstärkten Kunststoffelements gemäß der Ausführungsform kann neben den ersten Flechtgarnen und den zweiten Flechtgarnen axiale Garne umfassen, die so geflochten sind, dass sie sich in die bestimmte Richtung erstrecken.
Wie vorstehend beschrieben erfährt das faserverstärkte Kunststoffelement durch die axialen Garne, die in der Fasergeflechtstruktur so geflochten sind, dass sie sich in die bestimmte Richtung erstrecken, weitere hohe Steifigkeit.
Das faserverstärkte Kunststoffelement gemäß der Ausführungsform kann einen konstanten Außendurchmesser über die gesamte Längsrichtung aufweisen.
Wenn der Außendurchmesser des faserverstärkten Kunststoffelements wie vorstehend beschrieben eine konstante Größe über die gesamte Längsrichtung aufweist, erhält das faserverstärkte Kunststoffelement vorteilhaft eine hohe Steifigkeit mit einer geringen Wahrscheinlichkeit einer lokalen Spannungskonzentration in der Außenumfangsfläche, wenn es Biegebeanspruchung unterzogen wird.
Das faserverstärkte Kunststoffelement gemäß der Ausführungsform kann ein hohles zylindrisches Element sein, dessen Innendurchmesser des vorbestimmten Bereichs kleiner als der Innendurchmesser des anderen Bereichs ist.
Da mindestens einer von erstem Flechtwinkel und zweitem Flechtwinkel im vorbestimmten Bereich einen größeren Wert annimmt als im anderen Bereich, wird die Dichte der Flechtgarne im vorbestimmten Bereich hoch (die Flechtgarne überlappen sich dicht), was zu dem kleinen Innendurchmesser im vorbestimmten Bereich des faserverstärkten Kunststoffelements führt. Dementsprechend weist der vorbestimmte Bereich mit dem Innendurchmesser, der kleiner als im anderen Bereich ist, einen niedrigen Modul auf und erreicht eine hohe Schwingungsdämpfungsleistung.
Das faserverstärkte Kunststoffelement gemäß der Ausführungsform kann die ersten Flechtgarne und die zweiten Flechtgarne aus Kohlenstofffasern aufweisen.
Die Verwendung der ersten Flechtgarne und der zweiten Flechtgarne aus Kohlenstofffasern ist vorteilhaft, um eine hohe Biegesteifigkeit zu erreichen.
Das faserverstärkte Kunststoffelement, das mit der Flechttechnik hergestellt ist, erreicht eine hohe Steifigkeit und eine hervorragende Schwingungsdämpfungsleistung unter Biegebeanspruchung.
Diese Anmeldung beruht auf der japanischen Patentanmeldung Nr. 2018-161400 , die am 30. August 2018 beim japanischen Patentamt eingereicht wurde und deren Inhalt hiermit durch Bezugnahme mitaufgenommen ist.
Auch wenn die vorliegende Erfindung beispielhaft unter Bezug auf die Begleitzeichnungen umfassend beschrieben wurde, versteht sich, dass für den Fachmann verschiedene Änderungen und Abwandlungen nahe liegen können. Sofern solche Änderungen und Abwandlungen nicht anderweitig vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung, die nachstehend dargelegt ist, abweichen, sollen sie daher als darin enthalten ausgelegt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2017 [0002]
JP 61170 A [0002]
JP 2015160551 A [0002, 0004, 0006]
JP 2017061170 A [0003]
JP 2018 [0122]

Claims

Faserverstärktes Kunststoffelement (21 bis 27), welches aus faserverstärktem Kunststoffharz besteht und sich in eine bestimmte Richtung erstreckt, wobei das faserverstärkte Kunststoffelement (21 bis 27) eine Fasergeflechtstruktur (210, 310) umfasst, wobei die Fasergeflechtstruktur (210, 310) umfasst: erste Flechtgarne (212, 312), die so gewickelt sind, dass sie die bestimmte Richtung unter einem ersten Flechtwinkel schneiden, und zweite Flechtgarne (213, 313), die so gewickelt sind, dass sie die bestimmte Richtung unter einem zweiten Flechtwinkel schneiden, wobei die ersten Flechtgarne und die zweiten Flechtgarne miteinander verflochten sind, wobei die Fasergeflechtstruktur (210, 310) einen vorbestimmten Bereich zwischen beiden Enden bezüglich einer Längsrichtung des faserverstärkten Kunststoffelements (21 bis 27) umfasst, wobei mindestens einer von erstem Flechtwinkel und zweitem Flechtwinkel in dem vorbestimmten Bereich größer als der Flechtwinkel in einem anderen Bereich als dem vorbestimmten Bereich ist.
Faserverstärktes Kunststoffelement (21 bis 27) nach Anspruch 1, wobei der erste Flechtwinkel und der zweite Flechtwinkel 60 Grad oder mehr, aber weniger als 90 Grad betragen.
Faserverstärktes Kunststoffelement (21 bis 27) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Flechtwinkel der ersten Flechtgarne (212, 312) und der zweite Flechtwinkel der zweiten Flechtgarne (213, 313) in dem anderen Bereich 15 Grad oder mehr bis zu 45 Grad betragen.
Faserverstärktes Kunststoffelement (21 bis 27) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Verhältnis einer Längslänge des vorbestimmten Bereichs zu einer Gesamtlängslänge des faserverstärkten Kunststoffelements (21 bis 27) 0,001 oder mehr bis zu 0,01 beträgt.
Faserverstärktes Kunststoffelement (21 bis 27) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Fasergeflechtstruktur (210, 310) neben den ersten Flechtgarnen (212, 312) und den zweiten Flechtgarnen (213, 313) axiale Garne (211, 311) umfasst, die so geflochten sind, dass sie sich in die bestimmte Richtung erstrecken.
Faserverstärktes Kunststoffelement (21 bis 27) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Außendurchmesser des faserverstärkten Kunststoffelements (21 bis 27) über die gesamte Längsrichtung konstant ist.
Faserverstärktes Kunststoffelement (21 bis 27) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das faserverstärkte Kunststoffelement (21 bis 27) eine Form eines hohlzylindrischen Elements aufweist und das faserverstärkte Kunststoffelement (21 bis 27) einen Innendurchmesser aufweist, der in dem vorbestimmten Bereich kleiner als in dem anderen Bereich ist.
Faserverstärktes Kunststoffelement (21 bis 27) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die ersten Flechtgarne (212, 312) und die zweiten Flechtgarne (213, 313) Kohlenstofffasern umfassen.