JP2006226327A - Ｆｒｐ製コイルばね及びその生産方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、芯材にＦＲＰ製のばね素材を複数層巻きつけて、コイルばねに成型したＦＲＰ製のコイルばねの強度及びばね定数を大きくしたものである。
【解決手段】 ばね素材は、直線状の芯材に、炭素繊維等からなる繊維束にエポキシ樹脂等の樹脂を含浸させたＦＲＰを、上記芯材の軸心方向に対して同じ方向の所定角度で複数層巻きつけることにより、ばね素材を構成する全ての層が引張り方向の応力となるので，ＦＲＰの強度を充分に利用することができ、かつばね定数を大きくすることができる。また、その生産方法として、ばね素材製作工程、成型工程及び熱硬化工程により製作する。ばね素材製作工程の次にねじり変形工程を付加することによりさらに強度及びばね定数を大きくすることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、ばね定数及び強度を高めたＦＲＰ製コイルばね及びその生産方法に関するものである。

従来ＦＲＰ製コイルばね及びその生産方法は、図９及び図１０に示すものがある（例えば、特許文献１参照）。

図９において、２１は芯材、２２はプリプレグシート、２３はＦＲＰ素線、２４は熱収縮チューブであり、その製作工程は、第一工程で芯材２１を作製し、第二工程で芯材２１を図１０に示す両駆動自動巻線機３０のチャック３１，３１に取付け、第三工程で芯材２１にプリプレグシート２２を芯材２１の軸心方向に対して±４５度で交互に捲回積層してＦＲＰ素線２３を形成し、第四工程でＦＲＰ素線２３に熱収縮チューブ２４を被覆するとともに予備加熱して熱収縮チューブ２４を収縮させＦＲＰ素線２３を加圧し、第五工程で被覆付ＦＲＰを分割金型の螺旋溝に巻き付けるとともに両端を固定し、第六工程でＦＲＰ素線２３を捲回した分割金型を加熱硬化させ、第七工程でＦＲＰ製コイルばねを分割金型から離型し、第八工程で熱収縮チューブを除去し、第九工程でＦＲＰ製コイルばねの両端を軽研磨して、ＦＲＰ製コイルばねを製作している。

また、従来複数の細長繊維から構成される強化材と、この強化材の繊維を相互に接合するマトリックス材からなる複合材料のコイルばねにおいて、強化材に施す「より」に対して、コイルばねの巻き方向を圧縮ばねと引張ばねとで逆に設定して引張方向に強化される異方性ＦＲＰ製コイルばねがある（例えば、特許文献２参照）。
特開平７−３２３４９２号 公報 特開２００３−２８２２０号 公報

特許文献１に記載された従来のＦＲＰ製コイルばねは、芯材２１にプリプレグシート２２を芯材２１の軸心方向に対して±４５度で交互に捲回積層してＦＲＰ素線２３を形成しているため、コイルばねが変形するときの使用応力の方向は、それぞれの層を構成する繊維に着目すると、使用応力の繊維方向分力が繊維を圧縮する層と引張る層ができる。そこで、ＦＲＰ素線に反時計回り方向のねじり応力が作用したときの各層の状態を図１１〜図１４に模式的に示す図面で説明する。

Ｚ方向巻きの層４１Ｚではねじり４２の作用する様子は図１１のようになり、この層４１Ｚの表面をさらに詳しく見ると、層４１Ｚの表面に作用する応力４３，４４は図１２に示すように斜め方向に繊維（プリプレグシート２２）が配向されたＦＲＰ材料に対するせん断応力となる。このとき、せん断応力の繊維方向分力は繊維に引張り応力として作用する。ＦＲＰ材料は繊維の配向方向への引張強度が大きいことから、この層４１Ｚは十分に強度を発揮できている。

ところが、逆方向のＳ方向巻きの層４１Ｓでねじり４２が作用する様子は図１３に示される。この層４１Ｓの表面は図１４のようになり、応力４３，４４の方向は同じであるが繊維（プリプレグシート２２）の配向が異なるため、層４１Ｓの表面に作用するせん断応力の繊維方向分力は、繊維に圧縮として作用することになる。ＦＲＰ材料は繊維方向の圧縮強度が小さいから、この層４１Ｓは十分な強度を発揮できないという問題がある。

さらに、このＳ方向巻きの層４１Ｓが受ける力は繊維の巻きつけを緩める方向でもあるため，Ｚ方向巻きの層４１Ｚとの間で層間はく離などの損傷が生ずる問題もある。

また、熱収縮チューブ２４が熱によって均一に収縮することを利用し、ＦＲＰ素線２３の繊維密度を高め、ばね定数の高いばねを製作できるが、熱収縮チューブ２４を被覆し、加熱収縮する工程が必要となる問題がある。

なお、特許文献２に記載された従来のＦＲＰ製コイルばねは、強化材に「より」をかけるものであるため、特許文献１に記載されているようなフィラメントワインディング法に特許文献２に記載された技術を適用することはできない。すなわち、特許文献１では、芯材２１にプリプレグシート２２を芯材２１の軸心方向に対して±４５度で交互に捲回積層してＦＲＰ素線２３を形成し、このＦＲＰ素線２３に、特許文献２に記載の「より」をかけてコイルばねに成型したとしても、このようにして製作したコイルばねにねじり応力が作用した場合、せん断応力の繊維方向分力として圧縮の層と引張りの層とが交互にできる問題点が依然残り、特許文献１に記載されたＦＲＰ製コイルばねに、特許文献２に記載された「より」をかける技術を組み合わせる技術的な利点はない。

本発明は、このような従来の構成が有していた問題を解決しようとするものであり、ばね定数及び強度を高めたＦＲＰ製コイルばね及びその生産方法を実現することを目的とするものである。

請求項１に係る本発明は、ばね素材を螺旋状に巻いて形成した円筒コイルばねであって、ばね素材は、直線状の芯材に、炭素繊維、アラミド繊維、ガラス繊維等からなる繊維束にエポキシ樹脂、ポリエステル樹脂等の樹脂を含浸させたＦＲＰを、上記芯材の軸心方向に対して同じ方向の所定角度で複数層巻きつけているＦＲＰ製コイルばねである。

請求項２に係る本発明は、請求項１に係る本発明の構成に加え、さらに、ＦＲＰは炭素繊維にエポキシ樹脂を含浸したプリプレグであるＦＲＰ製コイルばねである。

請求項３に係る本発明は、直線状の芯材に、炭素繊維、アラミド繊維、ガラス繊維等からなる繊維束にエポキシ樹脂、ポリエステル樹脂等の樹脂を含浸させたＦＲＰを、上記芯材の軸心方向に対して同じ方向の所定角度で複数層巻きつけてばね素材を製作するばね素材製作工程と、ばね素材製作工程で製作したばね素材の巻きつけ状態を保持しながら、ばね素材を金型により螺旋状に巻いて円筒コイルばねに成型する成型工程と、成型工程で成型した円筒コイルばねを加熱して熱硬化する熱硬化工程によりＦＲＰ製コイルばねを製作するＦＲＰ製コイルばねの生産方法である。

請求項４に係る本発明は、直線状の芯材に、炭素繊維、アラミド繊維、ガラス繊維等からなる繊維束にエポキシ樹脂、ポリエステル樹脂等の樹脂を含浸させたＦＲＰを、上記芯材の軸心方向に対して同じ方向の所定角度で複数層巻きつけてばね素材を製作するばね素材製作工程と、ばね素材製作工程で製作したばね素材の巻きつけ状態を保持しながら、さらにばね素材に巻きつけ方向のねじり変形を加えるねじり変形工程と、ねじり変形工程によるばね素材のねじり変形状態を保持しながら、ばね素材を金型により螺旋状に巻いて円筒コイルばねに成型する成型工程と、成型工程で成型した円筒コイルばねを加熱して熱硬化する熱硬化工程によりＦＲＰ製コイルばねを製作するＦＲＰ製コイルばねの生産方法である。

請求項５に係る本発明は、請求項３又は請求項４に係る本発明の構成に加え、さらに、ばね素材製作工程における芯材へのＦＲＰの複数層巻きつけは、芯材の一端から他端へのＦＲＰの巻きつけと芯材の他端から一端へのＦＲＰの巻きつけとを芯材の回転を正逆切替えて交互に行うＦＲＰ製コイルばねの生産方法である。

請求項６に係る本発明は、請求項３から請求項５のいずれかに係る本発明の構成に加え、さらに、ＦＲＰが炭素繊維にエポキシ樹脂を含浸したプリプレグであるＦＲＰ製コイルばねの生産方法である。

請求項１に係る本発明による作用は、ばね素材が、直線状の芯材に、繊維束に樹脂を含浸させたＦＲＰを、上記芯材の軸心方向に対して同じ方向の所定角度で複数層巻きつけているＦＲＰ製コイルばねであるから、圧縮ばねとして使用するときには、上記ＦＲＰの巻きつけ方向とばね素材を螺旋状に巻きつける方向を逆に、すなわち一方をＳ方向で、他方をＺ方向とし、引張ばねとして使用するときには、ＦＲＰの巻きつけ方向とばね素材を螺旋状に巻きつける方向とを同じ、すなわち両方共Ｓ方向又はＺ方向とするので、ばね素材を構成する全ての層が引張り方向の応力となるので、ＦＲＰの強度を充分に利用でき、かつばね定数を大きくすることができる。

請求項２に係る本発明による作用は、ＦＲＰを炭素繊維にエポキシ樹脂を含浸したプリプレグとしたから、請求項１に係る本発明による作用に加え、好適な材料で構成したから強度及びばね定数をより大きくすることができる。

請求項３に係る本発明による作用は、ばね素材製作工程と、成型工程と、熱硬化工程によりＦＲＰコイルばねを生産できるから、簡単な生産工程で、請求項１に係る本発明のＦＲＰ製コイルばねを生産することができる。

請求項４に係る本発明による作用は、ばね素材製作工程と、ねじり変形工程と、成型工程と、熱硬化工程によりＦＲＰコイルばねを生産できるから、請求項３に係る本発明の工程に簡単なねじり変形工程を付加するだけで、層を形成するＦＲＰに最外層から芯材に向かって順次締め付け力がかかり、ＦＲＰはより密になり、ばね定数の向上及びＦＲＰの横弾性係数の向上を図ることができる。
また、ねじり変形工程により、残留応力をコイルばね全体に均一に分布でき、使用応力を緩和できる。

請求項５に係る本発明による作用は、請求項３又は請求項４に係る本発明の作用に加え、ばね素材製作工程における芯材へのＦＲＰの複数層巻きつけを、芯材の回転を正逆切替えて交互に行うから、生産設備を単純化することができる。

請求項６に係る本発明による作用は、請求項３から請求項５のいずれかに係る本発明の作用に加え、ＦＲＰを炭素繊維にエポキシ樹脂を含浸したプリプレグとしたから、請求項２に係る本発明のＦＲＰ製コイルばねを生産することができる。

請求項１に係る本発明は、ＦＲＰを芯材の軸心方向に対して同じ方向の所定角度で複数層巻きつけているＦＲＰ製コイルばねであって、ばね素材を構成する全ての層を引張り方向の応力とすることができるから、強度及びばね定数の大きなＦＲＰ製コイルばねとすることができる。

請求項２に係る本発明は、請求項１に係る本発明の効果に加え、好適な材料で構成したから強度及びばね定数の一層大きなＦＲＰ製コイルばねとすることができる。

請求項３に係る本発明は、芯材の軸心方向に対して同じ方向の所定角度で複数層巻きつけてばね素材を製作するばね素材製作工程と、ばね素材を金型により螺旋状に巻いて円筒コイルばねに成型する成型工程と、円筒コイルばねを加熱して熱硬化する熱硬化工程によりＦＲＰコイルばねを生産できるから、簡単な生産工程で、強度及びばね定数の大きな請求項１に係る本発明のＦＲＰ製コイルばねを生産することができる。

請求項４に係る本発明は、請求項３に係る本発明の工程に簡単なねじり変形工程を付加するだけで、ＦＲＰの密度を大きくすることができ、ばね定数の向上及びＦＲＰの横弾性係数の向上を図ることができる。また、残留応力をコイルばね全体に均一に分布させることができるので、使用応力を緩和することができる。

請求項５に係る本発明は、請求項３又は請求項４に係る本発明の効果に加え、ばね素材製作工程における芯材へのＦＲＰの複数層巻きつけを、芯材の回転を正逆切替えて交互に行うことでできるから、生産設備を単純化することができる。

請求項６に係る本発明は、請求項３から請求項５のいずれかに係る本発明の効果に加え、ＦＲＰを炭素繊維にエポキシ樹脂を含浸したプリプレグとしたから、強度及びばね定数の一層大きな請求項２に係る本発明のＦＲＰ製コイルばねを生産することができる。

以下、本発明の実施の形態を添付した図面により詳細に説明する。
図１及び図２は、本発明の第１の実施の形態を示す図面である。

図１は、ばね素材２を螺旋状に巻いて形成した円筒ＦＲＰ製コイルばね１を示す斜視図である。このコイルばね１は圧縮力Ｐを受ける圧縮型としており、図１から明らかなように、ばね素材２を螺旋状に巻きつける方向をＳ方向とするのである。

図２は、図１に示すばね素材２を螺旋状に巻きつける前のＦＲＰの複数層を説明するために模式的に示した図面である。
ばね素材２は、炭素繊維からなる繊維束にエポキシ樹脂を含浸させたＦＲＰを、直線状の芯材３に、上記芯材３の軸心方向に対して、４層４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄとも同じＺ方向の所定角度約４５度で巻きつけている。

芯材３は、巻きつけ素材であるＦＲＰと同じで、炭素繊維にエポキシ樹脂を含浸させたＦＲＰをよりをかけて用いている。そして、巻きつけ素材及び芯材ともプリプレグである。これら材料は、ＦＲＰ製コイルばねに好適な材料であり、強度及びばね定数を他の材料に比し大きくすることができる。

巻きつけ素材であるＦＲＰは、炭素繊維に替えて、アラミド繊維、ガラス繊維、炭化珪素繊維等の繊維束に、エポキシ樹脂に替えて、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、ビニルエステル樹脂等の熱硬化樹脂を含浸させたものとすることができる。また、芯材も巻きつけ素材と同様に変更できる。そして、巻きつけ素材と芯材とは同じＦＲＰを用いても、異なるＦＲＰを用いてもよく、芯材はＦＲＰ以外の材料としてもよい。

この実施の形態に示したＦＲＰ製コイルばね１は、圧縮ばねとして使用するもので、ＦＲＰの巻きつけ方向をＺ方向とし、ばね素材２を螺旋状に巻きつける方向をＳ方向としたが、圧縮ばねとして使用するものであれば、ＦＲＰの巻きつけ方向をＳ方向とし、ばね素材２を螺旋状に巻きつける方向をＺ方向としてもよく、要は、圧縮ばねとして使用するときには、上記ＦＲＰの巻きつけ方向とばね素材を螺旋状に巻きつける方向を逆に、すなわち一方をＳ方向で、他方をＺ方向とするのである。

また、引張ばねとして使用するときには、ＦＲＰの巻きつけ方向とばね素材２を螺旋状に巻きつける方向とを同じ、すなわち両方ともＳ方向又はＺ方向とするのである。
このようにすれば、ばね素材２を構成する全ての層４ａ〜４ｄが引張り方向の応力となるので、ＦＲＰの強度を充分に利用でき、かつばね定数を大きくすることができる。

つぎに、本発明の第２の実施の形態を図３から図７に示す図面に基づいて説明する。
図３は、ばね素材２を製作するためのばね素材製作装置５の概略を示す図面であり、図３において、５ａは架台、６ａ，６ｂは芯材３の両端を固定するクランプである。７ａは軸受８ａ，８ａに軸支され、一方のクランプ６ａを駆動する駆動軸で、端部にプーリ９ａが設けられ、７ｂは軸受８ｂ，８ｂに軸支され、他方のクランプ６ｂを駆動する駆動軸で、端部にプーリ９ｂが設けられている。

両クランプ６ａ，６ｂは正逆回転可能な電動機１０によりベルト駆動される回転軸１１によりプーリ１２ａ，１２ｂ、タイミングベルト１３ａ，１３ｂ、プーリ９ａ，９ｂ及び駆動軸７ａ，７ｂを介して同期回転するようになっている。一方のクランプ６ａには芯材３と、図４に示すボビン１５から引き出される巻きつけ素材４の端部を同時に掴ませている。

また、１４は、芯材３の軸心方向に移動する素材制御機であり、素材制御機１４は、芯材３が正回転するときには芯材３の一端から他端まで連続して所定の速度で移動し、また、芯材３が逆回転するときには芯材３の他端から一端まで連続して所定の速度で移動する。

芯材３に巻きつけ素材４が巻きつけられ、クランプ６ａ，６ｂにおいて、巻きつけ素材４の巻きつけ状態を保持する機構がクランプ６ａ，６ｂにフック６ｃ，６ｃを取り付けることによりなされている。図４に示すようにクランプ６ｂは駆動軸７ｂの端部に２枚の四角板の間にボルトナットで、芯材３の一端を挟み込むことにより掴むようにしており、フック６ｃは中央部から末広がりでそれぞれの途中及び端部に円環部６ｅ〜６ｈを形成しており、フック６ｃの一方の端部の円環部６ｅにボルトナットで固定し、フック６ｃの他方の端部の円環部６ｆを長いボルトとナットで固定したそのボルトに取り外し自由に支持させている。
そして、巻きつけ素材４が芯材３の端部まで巻きつけられると、芯材３の回転を止めて，フック６ｃの他方の端部の円環部６ｆをボルトから外して巻きつけ素材４をフック６ｃにからませて再度ボルトに円環部６ｆを支持させることにより芯材３を逆に回転して次の層の巻き付けを行うのである。

素材制御機１４の駆動は、クランプ６ａ，６ｂにより回転駆動される芯材３の回転に同調して駆動される電動機１４ｃ、素材制御機１４の移動範囲に張られたタイミングベルト１４ｄ、プーリ１４ｅ，１４ｆによりなされる。
素材制御機１４の移動速度は、芯材３に巻きつけ素材４を巻きつけるときの径によって調整するのであり、芯材３に一層目を巻きつけるときは速く、４層目を巻きつけるときは遅くするのである。

この素材制御機１４は巻きつけ素材４を芯材３に、４層４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄとも同じＺ方向の所定角度約４５度で巻きつけるのであり、巻きつけ素材４を案内する回転式ガイド１４ａ，１４ｂを備えている。
そして、巻きつけ素材４を各層４ａ〜４ｄとも同じＺ方向の所定角度に約４５度にすると、一層目の巻きつけ時には巻きつけ素材が重なった状態で巻きつけられ、４層目では重なりも隙間もない状態で巻きつけるようにしている。この巻きつけ状態は隙間があるようにしてもよく、その場合、次の上層でその隙間を塞ぐように巻きつけるのであり、積層数が多くなる。

ばね素材製作装置５を駆動することにより、芯材３の軸心方向に対して同じ方向の所定角度で複数層巻きつけてばね素材２を製作するばね素材製作工程としている。

また、一方のクランプ６ａは駆動軸７ａとの結合を解除して回転を固定できる機構を備え、他方のクランプ６ｂのみを回転することができるようにしている。
そして、上記ばね素材製作工程が終了すると、一方のクランプ６ａを駆動軸７ａとの結合を解除して回転できないように固定し、他方のクランプ６ｂのみを数回転することにより、素材製作工程で製作したばね素材２の巻きつけ状態を保持しながら、さらにばね素材２に巻きつけ方向のねじり変形を加えるねじり変形工程を付加できるようにしている。

上記クランプ６ａの駆動軸７ａに対する結合と解除の機構を利用して、芯材３を取り付けたのち、芯材３に巻きつけ方向と同じ方向のよりを掛けて、芯材３も引張り方向の応力とするようにできる。

ばね素材製作工程で製作したばね素材２又はさらに変形工程を付加して製作したばね素材２はばね素材２の巻きつけ状態を保持しながら、金型により螺旋状に巻いて円筒コイルばねに成型するのである。この成型工程を次に説明する。

図５〜図７に金型１６を示す。図５は金型１６の組立図、図６は金型１６を部分的に分解した図面、図７は金型１６を完全に分解した図面である。
図５〜図７において、金型１６は、螺旋状のピッチを持つようにＵ字状の切欠き１６ａを形成した細長い金属製のピッチ板１６ｂ，１６ｃと、上記２枚のピッチ板１６ｂ，１６ｃを組み立てる４枚の金属板１６ｄと、その組み立てのための４組の六角孔付ボルト１６ｅ及びナット１６ｆと、ピッチ板１６ｂ，１６ｃの組立品１６ｇを挟み込む厚さを見込んで外径がコイルばね１の内側巻き径となるように２分割された金属棒１６ｈ，１６ｉと、ピッチ板１６ｂ，１６ｃの組立品１６ｇを金属棒１６ｈ，１６ｉに固定する２本の六角孔付ボルト１６ｊとからなり、Ｕ字状の切欠き１６ａの底部が金属棒１６ｈ，１６ｉの外径に合致するように組みつけている。

金型１６のボルト１６ｅ，１６ｅの頭を図４のフック６ｃの途中の円環部６ｇ，６ｈに入れることにより、ばね素材２の巻きつけ状態を保持できるのである。そして、一方のクランプ６ａからフック６ｃ及びばね素材２を取り外し、金型１６に巻きつけていき、他方のクランプ６ｂに対してもフック６ｃで同様にばね素材２の巻きつけ状態を保持した後、フック６ｃ及びばね素材２を取り外すのである。このようにして、成型工程を行うのである。

次に金型１６に螺旋状に巻きつけられたばね素材２は、そのまま図示しない加熱炉に入れて加熱して熱硬化する熱硬化工程を施すのである。熱硬化工程は、摂氏１５０度で１時間で行うのである。温度、時間は樹脂の種類により変更することは勿論である。

そして、金型１６の４本のボルト１６ｅ及び２本のボルト１６ｊを外して、４枚の金属板１６ｄを取り外し、次に、金属棒１６ｈ，１６ｉを軸心方向に取り外し、さらに、ピッチ板１６ｂ，１６ｃを中心の方に押し込んで一枚ずつ取り外すのであり、このようにして、ＦＲＰ製コイルばね１を金型１６から取り外して生産完了である。

上記の第２の実施の形態では、巻きつけ素材４及び芯材３は、共に炭素繊維にエポキシ樹脂を含浸させたＦＲＰのプレプレグを用いており、これら材料は、第１の実施の形態で説明したと同様に、ＦＲＰ製コイルばねに好適な材料であり、強度及びばね定数を他の材料に比し大きくすることができる。
しかしながら、これも第１の実施の形態で説明したと同様に、巻きつけ素材４は、炭素繊維に替えて、アラミド繊維、ガラス繊維、炭化珪素繊維等の繊維束に、エポキシ樹脂に替えて、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、ビニルエステル樹脂等の熱硬化樹脂を含浸させたものとすることができる。また、芯材も巻きつけ素材と同様に変更できる。そして、巻きつけ素材と芯材とは同じＦＲＰを用いても、異なるＦＲＰを用いてもよく、芯材はＦＲＰ以外の材料としてもよい。

この第２の実施の形態に示したＦＲＰ製コイルばね１は、第１の実施の形態で説明したと同様に、圧縮ばねとして使用するもので、ＦＲＰの巻きつけ方向をＺ方向とし、ばね素材２を螺旋状に巻きつける方向をＳ方向としたが、圧縮ばねとして使用するものであれば、ＦＲＰの巻きつけ方向をＳ方向とし、ばね素材２を螺旋状に巻きつける方向をＺ方向としてもよく、要は、圧縮ばねとして使用するときには、上記ＦＲＰの巻きつけ方向とばね素材を螺旋状に巻きつける方向を逆に、すなわち一方をＳ方向で、他方をＺ方向とするのである。
また、引張ばねとして使用するときには、ＦＲＰの巻きつけ方向とばね素材２を螺旋状に巻きつける方向とを同じ、すなわち両方ともＳ方向又はＺ方向とするのである。
このようにすれば、ばね素材２を構成する全ての層４ａ〜４ｄが引張り方向の応力となるので、ＦＲＰの強度を充分に利用でき、かつばね定数を大きくすることができる。

また、ばね素材製作工程における芯材３へのＦＲＰの複数層巻きつけを、芯材２の回転を正逆切替えて交互に行うようにしたが、芯材２の回転方向を一方向とすることもできる。その場合、図示しないが、ボビンを巻きつけ層の数だけ用意し、順次巻きつけていけばよい。

上記の実施の形態では、プリプレグを用いたが、プリプレグに替えて、強化繊維を熱硬化性樹脂の槽を浸漬して通過させてプリプレグ同様のＦＲＰを製作し、次に第２の実施の形態で説明したばね素材製作工程に入ればよい。

次に、本発明の実施例を説明する。
ばね素材２及び芯材３は、新日本石油株式会社製のＴｏｗＰＲＥＰＲＥＧ Ｔ７００−２４−ＲＣ：３８％ＳＸ３を使用した。これはフィラメント数２４ｋのトレカ糸Ｔ７００を使用した樹脂含有量３８％ｔｗのプリプレグ状の繊維束で、エポキシ樹脂２５ＳＸ−３が含浸されている。

コイルばねは、圧縮型とし、ばね素材２の外径を４ｍｍ、金型１６をコイル内径１６ｍｍ、自然高さ５５ｍｍ、有効巻き数５となるように設計し、上記第２の実施の形態により製作した。
そして、本発明の実施品は、ばね素材製作工程と、成型工程と、熱硬化工程により実施例１を製作した。
また、ばね素材製作工程と、ねじり変形工程と、成型工程と、熱硬化工程により実施例２を製作した。実施例２のねじり変形工程におけるねじりは２回転である。
さらに、まきつけ素材を芯材の軸心方向に対して±４５度で交互に捲回積層した点を除き、実施例１と同じにしたものを比較例とした。

試験機はＪＴトーシ株式会社製の卓上試験機リトルセンスターＬＳＣ−１／３０を使用し、試験機の作動条件は、荷重出力５００Ｎ／５Ｖ、変位出力２５ｍｍ／５Ｖ、ヘッドスピード３０ｍｍ／ｍｉｎ、最大変位２５ｍｍとし、 ばねの座巻き部分を切削により平らに整え、コイルの軸方向と垂直になるようにした。

試験結果は、図６に示す。
図６において、実線で示す実施例２は、最大たわみ量２２ｍｍで荷重１８４．３Ｎであり、３０％地点がたわみ量７ｍｍのとき荷重４４．３Ｎであり、７０％地点がたわみ量１７ｍｍで荷重１３５．０Ｎであった。円筒コイルばねの設計基準ＪＩＳＢ２７０４によればばね定数は試験荷重時のたわみの３０〜７０％の間の２つの荷重点によって定めるとしているから、これによれば、実施例２のばね定数は９．０Ｎ／ｍｍである。

一点鎖線で示す実施例１は、最大たわみ量２３ｍｍのとき荷重１８０．２Ｎであり、３０％地点がたわみ量７ｍｍのとき荷重３５．３Ｎであり、７０％地点がたわみ量１７ｍｍで荷重１０４．５Ｎであり、ばね定数は６．９Ｎ／ｍｍである。

点線で示す比較例は、最大たわみ量２２ｍｍのとき荷重１１３．０Ｎであり、３０％地点がたわみ量７ｍｍのとき荷重３１．３Ｎであり、７０％地点がたわみ量１７ｍｍで荷重７８．３Ｎであり、ばね定数は４．７Ｎ／ｍｍである。

以上の説明から明らかなように、本発明の実施品は、従来のものに比し、ばねの強度及びばね定数を大きくすることができる。

本発明の第１の実施の形態を示す図。 図１に示すばね素材を螺旋状に巻きつける前のＦＲＰの複数層を説明するために模式的に示した図。 本発明の第２の実施の形態に係るばね素材製作装置の概略図。 図３の部分拡大図。 本発明の第２の実施の形態に係る金型の組立図。 図５の金型１６を部分的に分解した図。 図５の金型１６を完全に分解した図 本発明の実施例の試験結果を示す図。 従来のＦＲＰ素線を示す図。 従来の製造方法に使用する自動巻線機を示す図。 従来のＦＲＰ素線にＺ方向巻きの層にねじりの作用する様子を示す図。 図１１の表面に作用する応力を示す図。 従来のＦＲＰ素線にＳ方向巻きの層にねじりの作用する様子を示す図。 図１３の表面に作用する応力を示す図。

符号の説明

１ ＦＲＰ製コイルばね
２ ばね素材
３ 芯材
４ 巻きつけ素材
４ａ〜４ｄ 層
５ ばね素材製作装置
１６ 金型

Claims (6)

1. ばね素材を螺旋状に巻いて形成した円筒コイルばねであって、ばね素材は、直線状の芯材に、炭素繊維、アラミド繊維、ガラス繊維等からなる繊維束にエポキシ樹脂、ポリエステル樹脂等の樹脂を含浸させたＦＲＰを、上記芯材の軸心方向に対して同じ方向の所定角度で複数層巻きつけていることを特徴とするＦＲＰ製コイルばね。
2. ＦＲＰは炭素繊維にエポキシ樹脂を含浸したプリプレグであることを特徴とする請求項１に記載のＦＲＰ製コイルばね。
3. 直線状の芯材に、炭素繊維、アラミド繊維、ガラス繊維等からなる繊維束にエポキシ樹脂、ポリエステル樹脂等の樹脂を含浸させたＦＲＰを、上記芯材の軸心方向に対して同じ方向の所定角度で複数層巻きつけてばね素材を製作するばね素材製作工程と、ばね素材製作工程で製作したばね素材の巻きつけ状態を保持しながら、ばね素材を金型により螺旋状に巻いて円筒コイルばねに成型する成型工程と、成型工程で成型した円筒コイルばねを加熱して熱硬化する熱硬化工程によりＦＲＰ製コイルばねを製作することを特徴とするＦＲＰ製コイルばねの生産方法。
4. 直線状の芯材に、炭素繊維、アラミド繊維、ガラス繊維等からなる繊維束にエポキシ樹脂、ポリエステル樹脂等の樹脂を含浸させたＦＲＰを、上記芯材の軸心方向に対して同じ方向の所定角度で複数層巻きつけてばね素材を製作するばね素材製作工程と、ばね素材製作工程で製作したばね素材の巻きつけ状態を保持しながら、さらにばね素材に巻きつけ方向のねじり変形を加えるねじり変形工程と、ねじり変形工程によるばね素材のねじり変形状態を保持しながら、ばね素材を金型により螺旋状に巻いて円筒コイルばねに成型する成型工程と、成型工程で成型した円筒コイルばねを加熱して熱硬化する熱硬化工程によりＦＲＰ製コイルばねを製作することを特徴とするＦＲＰ製コイルばねの生産方法。
5. ばね素材製作工程における芯材へのＦＲＰの複数層巻きつけは、芯材の一端から他端へのＦＲＰの巻きつけと芯材の他端から一端へのＦＲＰの巻きつけとを芯材の回転を正逆切替えて交互に行うことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載のＦＲＰ製コイルばねの生産方法。
6. ＦＲＰは炭素繊維にエポキシ樹脂を含浸したプリプレグであることを特徴とする請求項３から請求項５のいずれかに記載のＦＲＰ製コイルばねの生産方法。

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