JP2001500950A - 複合材料からなる一体型フライホイールのリムおよびハブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 繊維強化複合材料ハブ（６）は駆動シャフト穴（３）を形成する第一の部分（９）と繊維強化フライホイールリム（１０）の最も内側の層に取り付けられる第二の部分とを有する複数の繊維強化スポーク（７）を有する。リム（１０）およびハブ（６）の両方は好ましくは一体または別体で形成され、それから組み立てられ、そして一体構造に成形するための型に配置される安定化されたプリフォームとして製造される。

Description

【発明の詳細な説明】 複合材料からなる一体型フライホイールのリムおよびハブ 本発明は繊維強化複合材料からなるフライホイールに関し、特に繊維強化複合 材料からなるスポークを備えたフライホイールハブおよび／または繊維強化から なる一体型のフライホイールリム・ハブに関する。 乗り物用のエネルギ貯蔵システムとして、そして付属物用の補助動力源として 用いる繊維強化複合材料からなるフライホイールが提案されてきた。しかしなが ら繊維強化複合材料からなるフライホイールを実用的で且つリーズナブルな価格 とするのは困難であった。 フライホイール内に貯蔵されるエネルギ量はリムの質量とホイールの角速度と により決まる。貯蔵されるエネルギは回転速度の二乗で変化する。所定のフライ ホイール内に貯蔵できるエネルギ量はその回転速度により制限され、この回転速 度はフライホイールを構成する材料の強度とフライホイールで発生する種々の応 力の分布の仕方とに依存する。 従来から高強度スチールのような金属を用いてフライホイールを製造してきた 。しかしながらスチールの密度は大きいのでスチールは所定のフライホイール重 量に対して多量のエネルギを貯蔵できるフライホイールを製造するのには適して いない。そこで繊維強化複合材料からなるリムを有するフライホイールを製造す ると、スチールより密度がかなり小さく、少なくとも同程度、場合によってはス チールより強度がかなり高いという重要な利点が得られることが分かった。 米国特許第４，１０２，２２１号および同第４，２６６，４４２ 号に記載されているように、例えばフィラメントを巻いたり、多数の予備含浸層 (ply)を手で積み上げたりして上記繊維強化複合材料からなるフライホイールリ ムが製造されてきた。 ハブには様々な力が作用し、このハブを介してリムを金属製の駆動シャフトに 取り付ける必要があるため、繊維強化複合材料からなるリムを金属製のハブと組 み合わせるのが一般的である。しかしながら複合材料からなるリムと金属からな るハブとの間では伸び特性および疲労特性が異なるため、金属製のハブに複合材 料からなる別体のリムを取り付けるとリムがハブから離れるように拡張し、結果 的に分離してしまう。またこれら異なる特性に起因してリムよりも先にハブが壊 れてしまうのが一般的である。従って金属製のハブがフライホイールの作動寿命 を決定することが多い。 ハブは駆動シャフトからエネルギを貯蔵するためのフライホイールリムへ力を 伝達し、逆にフライホイールの機械的な回転エネルギを効果的に利用できるよう に回転力をフライホイールから駆動シャフトに戻さなければならないのでハブは フライホイールの重要な構成要素である。さらに回転構成要素の最も柔軟なもの としてハブの力学的な応答が回転構造全体の振動と寿命とを制御する。 米国特許第４，３４１，００１号には受け皿(saucer pan)のような形状の二つ の円形の金属製部分からなる単一のハブ・シャフトが開示されている。各部分の 内面には円筒形で金属製のバーが溶接により固定されている。このような形の構 造がリムの伸びに対応してハブの伸びが増大するように高速回転に対応して潰れ るように受け皿形状の部分を合わせ、溶接により永久に連結する。高速回転時に 受け皿形状の部分が潰れるように各部分は隙間により分離せしめられ且つ同じ軸 線上に整列せしめられた軸方向への延びるシャフト部分を有する。 しかしながら上記構造においても複合材料からなるリムに取り付けられる金属 で形成された別体の構成要素を用いる必要があり、伸びが異なり、疲労特性が異 なり、潜在的に連結部が損傷する可能性があるという問題がある。勿論、組立を 要する金属製の別体の構成要素を製造することは費用がかかる。 米国特許第４，２６６，４４２号および同第４，１０２，２２１号には方形直 交型の複合材料からなる円盤状のコアと複合材料からなる比較的厚いリムとを有 するフライホイールが開示されている。ここでは複数の繊維含有層から製造され た方形直交型の複合材料から中央コアまたはハブが製造される。このハブは周方 向へ延びる複数の繊維で構成される繊維強化フライホイールリムとは別に製造さ れる。フライホイール、ハブおよびリム間で高速回転時に伸びが異なることによ る分離を防止するためにこれらハブおよびリムは締まりばめにより一体に配置さ れる。 上記フライホイールのように、両方が複合材料であっても構成要素を別々に製 造するとコストがかかり、複合材料フライホイールの製造工程が複雑となり、締 まりばめにより一体に保持しても伸びが異なるために結局のところ分離してしま う可能性がある。即ち一体型のフライホイールリムおよびハブは製造されていな い。 本発明の目的は一つの成形工程で一体に製造される一体型繊維強化フライホイ ールリムおよびハブを有するフライホイールを提供することにある。 本発明の別の目的はフライホイールリムに一体化できる別体の繊維強化複合材 料ハブを提供することにある。 また本発明の別の目的は分離することなく高速回転時におけるリムの径方向の 伸びを受容するスポーク手段を有する繊維強化複合材料ハブを提供することにあ る。 本発明のこれら目的および他の目的は中央穴を包囲する繊維強化チューブから 延びる複数の繊維強化複合材料スポークから形成されるハブを有し、前記スポー クの端部が繊維強化複合材料リムの最も内側の層に取り付けられる繊維強化複合 材料フライホイールにより達成される。このフライホイールは好ましくは一体で 安定した成形用のプリフォームとして製造される。 さらに本発明は、（ａ）繊維強化材料から形成された複数のスポークから構成 されるハブプリフォームを具備し、該繊維強化材料が粘着付与剤を含むと共に複 合材料フライホイールリムの少なくとも最初の周方向の内側層に取り付けられる 端部を有し、（ｂ）粘着付与剤により一体に保持される複数の輪状繊維および／ またはラジアル状繊維でリムを形成し、ハブおよびリムの一体型プリフォームを 提供し、（ｃ）前記ハブおよびリムのプリフォームを型内に配置し、（ｄ）フラ イホイールが一体成形されたハブおよびリムを有するように樹脂を前記型内に注 入することにより一体型フライホイールのハブおよびリムを製造する製造方法を 具備する。 本発明の別の実施例では前記スポークはリムの径方向の伸びを受容するように 高速回転時に長くなる湾曲した部分を備えた正弦波状に折り曲がっている。尚、 曲がることによりリムが径方向に伸びることが可能なように斜めになったスポー クを用いることもできる。 一体成形されたフライホイールは複数の構成要素の組立を排除し、一つの成形 工程により高い精度で且つ比較的低いコストで一体構造を形成する。さらにリベ ット、溶接または接着により別に取付けるものがないのでリムとハブとの間の境 界で分離する可能性が実質的に排除される。 図１は本発明の繊維強化複合材料フライホイールプリフォームの頂面図であり 、図１ａは一体型のハブ・リムを示す拡大図である。 図２は線２−２に沿った図１のプリフォームの断面図であり、ここでのプリフ ォームは樹脂注入のための型内に配置されている。 図３は編まれたセルの組立体を有する繊維強化複合材料フライホイールプリフ ォームの頂面図である。 図４ａはスポークを形成するための編まれたセルの斜視図であり、図４ｂはチ ューブを形成する編まれたセルの斜視図であり、図４ｃは編まれたセルのハブサ ブユニット組立体の斜視図である。 図５ａは正弦波状に折り曲がったスポークを有する繊維強化複合材料フライホ イールの頂面図であり、図５ｂは斜めになったスポークを有する繊維強化複合材 料フライホイールの頂面図である。 図１を参照すると一体型のフライホイールリムおよびハブを形成するための一 体型複合材料フライホイールのプリフォーム１が示されている。 『プリフォーム』とは所望の物品の形状および大きさに近づくように成形され 且つ嵩を小さくされた乾燥繊維または繊維層の組立体である。このようなプリフ ォームは一般的には成形後に繊維がこれらの形状を保持できるよう安定剤または 粘着付与剤を含む。 フライホイール１はフライホイールを回転するためのシャフト４（図２参照） を配置する領域３を通って延びる中央長手軸線２を有する。図１に示したように プリフォームの組立中において領域３はシャフト４または排除可能な心棒４ａで 満たされている。領域３は好ましくはチューブ６を形成するように周方向へ延び る又は輪状になった繊維５により包囲され、上記チューブ６から複数のスポーク ７が延び、各スポークはフィラメントを巻いた層、編まれた繊維層または織られ た繊維層の形をした複数の繊維８から形成される。スポークを形成する繊維８は それ自体でチューブ６を形成するか又はチューブ６に取り付けられる第一の部分 ９を有する。スポークの数 は特定の設計事項に応じて変わるが、三本から八本のスポークが用いられ、チュ ーブおよびスポークがフライホイールのハブを形成することが最も多い。 フライホイールリム１０は安定剤または粘着付与剤を用いて所定位置に保持さ れた輪状の複数の繊維１１から構成される。尚、リムを輪状の繊維で織られたラ ジアル状繊維で構成してもよく、これらは本発明を示しやすくする目的のみによ りここでは図示していない。スポークとリムとを一体化するために各スポークは リムの最初の内層１３に取り付けられる第二の部分１２を有する。 図１ａは一体型フライホイールを形成する方法を詳細に示した図である。心棒 ４ａは四つの繊維８の第一の部分９により包囲され、これら繊維８は重なり合っ てチューブ６を形成している。第二の部分１２は重なり合ってリムを形成するか 又はリムの最初の内層に取り付けられる（図示せず）。 再び図１を参照するとリムに取り付けられる前にスポーク繊維を適切な位置に 維持するために複数の心棒１４がスポーク７間の領域に配置される。従ってハブ のプリフォームが初めに製造され、このハブのプリフォームを直接覆うようにフ ィラメント巻き又は極織りすることによりリムが形成される。勿論、リムを別に 形成し、それからハブのプリフォームに加えてもよい。 心棒は成形後に機械的に、または共融材料からなる心棒を用い、加熱により、 または水中あるいは他の溶媒中で溶解することにより除去される。このような材 料は排除可能な心棒を製造する従来の技術において公知である。 スポークを少なくともフライホイールリムの最初の層に取り付ければ取り付け られたリム・ハブ構造の一体成形が可能となるので一体に取り付けなければなら ない別体の構成要素を製造することを回 避できる。この一体化を通して複合材料フライホイールが一体型で高強度となる 。 図２を参照すると一対の型部分１５ａおよび１５ｂ間に形成された型空洞内に プリフォームが入れられている。硬化性プラスチック１６がポート１７を介して 型内に注入され、プラスチックがハブ、スポークおよびリム内の繊維にしみ込み 、一体型複合材料フライホイールが製造される。後に排除され、そして後にフラ イホイールの駆動シャフトを受容するのに適した開口を有するシャフト形状の心 棒を用いることもできるが、図示したようにここではシャフト４がフライホイー ルと一体成形される。 図３を参照すると本発明の別の実施例が示されている。本発明のこの実施例で はフライホイール１８はチューブ１９と、スポーク２０と、リム２１とを有し、 これらは上記プリフォームと同様に組み立てられる。しかしながら図４ａから図 ４ｃに明示したようにサブユニット２６に組み立てられる複数の予め形成された スポークセル２４とチューブセル２５とを製造するために心棒２３を覆って繊維 ２２をフィラメント巻き又は編むことによりスポークが準備される。図３の繊維 リム２１は好ましくはサブユニットを覆って巻かれ、編まれ、織られる。上記セ ルを編むことは米国特許第５，３９９，３９５号に記載されている。 図４ａ〜図４ｃを参照すると各スポークセル２４は心棒２３を有し、この心棒 ２３周りに繊維２２が織られ、巻かれ、または編まれる。各スポークセルは二つ のスポーク２７ａおよび２７ｂと、図４ｂで示したチューブセル２５に取り付け られる部分２８と、リム２１に取り付けられる部分２９とを有する。これらセル を一体成形して別体のハブを形成することもできるが、これら予め形成された構 成要素を組み立て、リムプリフォームと共に型内に配置し、樹脂を 注入し、一体型複合材料フライホイールを提供するのが好ましい。 図５ａを参照すると本発明の別の実施例が示されている。フライホイール３０ は四つの径方向へ延びるスポーク３１を有し、これらスポーク３１は正弦波状に 折り曲がった形状または湾曲した形状を有する。リムに伝達せしめられる負荷お よび歪みを最小とするために高速回転時におけるラジアル状リムの直径の増大を 受容するようにスポークが延びるので、この形状は有益である。本実施例では後 に駆動シャフトに係合するキー溝３２が提供される。勿論、焼きばめ、接着剤に よる接着、または一体成形を用いてシャフトをフライホイールハブに取り付ける こともできるが、取付け形態の選択の余地は設計者に残されている。図５ｂに示 した別の実施例はチューブから径方向ではなく接線方向に延びるようにずれて斜 めになったスポーク３４を有するフライホイール３３である。これら斜めのスポ ークは高速回転時に曲がって同様にリムの伸びを受容するように延在する。 繊維強化複合材料フライホイールハブ、スポークおよびリムをグラファイト、 カーボン、ポリアラミド、ガラス、ホウ素、セラミック繊維およびこれらの組合 せといった利用可能な繊維材料で製造することができる。本発明と共に使用可能 な硬化性プラスチックまたは樹脂は公知の熱可塑性または熱硬化性プラスチック であり、エポキシ樹脂およびビスマレイミド樹脂が好ましいが、好ましくはビニ ル、エポキシ、ポリエステル、ポリアミド、およびビスマレイミドのような市販 のものである。 本発明で用いられる安定剤または粘着付与剤は例えば米国特許第５，４２７， ７２６号、同第５，４２７，７２５号、同第５，２１７，７６６号、同第５，０ ８０，８５１号、同第５，０７１，７１１号、または同第４，９９２，２２８号 に記載されているように公 知のものである。これらは主に熱硬化性樹脂ベースの粘着付与剤である。 『粘着付与剤』や『安定剤』という用語は成形前に繊維間に供給され、所望の 形状に繊維を保持できる樹脂を示すものとして相互に交換可能に用いられる。 他の適切な粘着付与剤はエポキシ、ポリアミド、特にビスマレイミドのような 樹脂、ポリシアネートエステル樹脂、ビニルエステル樹脂またはベンゾシクロブ タン樹脂を含む。 樹脂と硬化剤との混合物から構成された適切な粘着付与剤の例はダウケミカル 社により製造されているTACTIX（商標）123エポキシまたは３Ｍ社により製造さ れているPR500のようなエポキシ樹脂の混合体を含む。他の適切な樹脂はサイテ ックケミカル社により製造されている5250-4 RIM BMI樹脂として知られている1, 1P-MDA Bismaleimide(BMI)樹脂である。 これらは多くの構成要素がエポキシまたはＢＭＩを用いて製造されるので有益 な例としての樹脂であり、これら粘着付与剤はこれらの系に適合する。しかしな がら特定の樹脂系と共に使用される他の樹脂を当業者が特定することもでき、本 発明は本願の記載に限定されるものではない。 本発明を用いれば繊維強化複合材料フライホイールハブが別体のプリフォーム または繊維強化複合材料リムと一体のプリフォームとして製造される。いったん 組み立てられるとこれら構成要素はリムとハブとの間の分離に対する抵抗が増し た高強度の一体構造に成形される。またハブプリフォームがリムの伸びを受容す るように延びるラジアル状、正弦波状に折り曲がった形状、または斜めのスポー クを有することができる。 尚、本発明の好適な実施例を示して説明したが、本発明の範囲か ら外れることなく多くの変更および変形が可能である。

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Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．駆動シャフトを受容する大きさの中央穴を包囲する第一の部分を有し、且 つ繊維強化フライホイールリムの最も内側の最初の層に取り付けられる第二の部 分を有する複数の繊維強化複合材料スポークを具備する繊維強化複合材料フライ ホイールハブ。 ２．前記複合材料スポークはこれらが組み立てられた形状にスポークを保持す るための安定剤を含み、この組立体が成形に適したプリフォームである請求項１ に記載のフライホイールハブ。 ３．さらに前記中央穴内に配置されるシャフトを具備する請求項１に記載のフ ライホイールハブ。 ４．前記スポークがグラファイト、ガラス、ポリアラミドおよびこれらの組合 せから選択される繊維から形成される請求項１に記載のフライホイールハブ。 ５．さらに前記中央穴と前記第一の部分との間に配置されたチューブの形の輪 状の繊維を具備する請求項１に記載のフライホイールハブ。 ６．複数のスポークを有する繊維強化複合材料フライホイールハブを具備し、 各スポークが駆動シャフトを受容する大きさの中央穴を包囲する第一の部分を有 し、前記ハブを包囲するための複数の輪状の繊維を有する繊維強化複合材料リム を具備し、各スポークが前記繊維強化複合材料リムの最も内側の最初の層に取り 付けられる第二の部分を有する繊維強化複合材料フライホイール。 ７．前記複合材料スポークおよび複合材料リムがこれらスポークおよびリムを これらが組み立てられた形状に保持するための安定剤を含み、この組立体が一体 構造に成形されるのに適したプリフォームである請求項６に記載のフライホイー ル。 ８．前記スポークおよびリムはグラファイト、ガラス、ポリアラミドおよびこ れらの組合せから選択された繊維から形成される請求項６に記載のフライホイー ル。 ９．さらに前記中央穴内に配置されたシャフトを具備する請求項６に記載のフ ライホイール。 １０．さらに前記中央穴と前記第一の部分との間に配置されたチューブの形の 繊維を具備する請求項６に記載のフライホイール。 １１．駆動シャフトを受容する大きさの中央穴を包囲する第一の部分を有する と共に繊維強化フライホイールリムの最も内側の最初の層に取り付けられる第二 の部分を有する複数の繊維強化スポークを有するハブプリフォームを提供する工 程と、前記繊維強化ハブおよびスポーク周りに繊維強化フライホイールリムを配 置する工程と、前記フライホイールリムに前記スポークの第二の部分を取り付け る工程と、前記組み立てられたフライホイールハブ、スポークおよびリムを型内 に配置する工程と、硬化性プラスチックを前記型内に注入し、該プラスチックを 繊維間にしみ込ませる工程と、プラスチックを硬化させ、一体型繊維強化フライ ホイールを形成する工程とを具備する繊維強化複合材料フライホイールを製造す る方法。 １２．前記組立体を型内に配置する前に剛性を有するプリフォームを製造する ために前記繊維スポークと前記繊維強化フライホイールリムに安定剤を入れる工 程をさらに具備する請求項１１に記載の方法。 １３．駆動シャフトを受容するための中央穴を形成する大きさのコア心棒を提 供する工程と、フライホイールスポークを形成するための複数の繊維層を提供す る工程と、該コア心棒周りに前記繊維層の第一の部分を配置する工程と、複数の スポークを形成するために前記コアから実質的に径方向へ離れた前記繊維層の中 間の部分を延 ばす工程と、前記スポーク周りに繊維強化リムを配置する工程と、ハブ・リム組 立体を形成するために前記繊維層の第二の部分を前記リムの最も内側の層に取り 付ける工程と、前記組立体を型内に配置する工程と、一体成形された繊維強化複 合材料フライホイールを製造するために硬化性プラスチックを前記型内に注入す る工程とを具備する繊維強化複合材料フライホイールを製造するための方法。 １４．前記組立体を前記型内に配置する前に剛性を有するプリフォームを製造 するために前記繊維層に安定剤を入れる工程をさらに具備する請求項１３に記載 の方法。 １５．前記スポーク間に空間を形成するために前記中間の部分に隣接して複数 のスポーク心棒を配置する工程をさらに具備する請求項１３に記載の方法。 １６．前記繊維層が複数の織られた繊維層である請求項１３に記載の方法。