JP2007278438A - 複合衝撃吸収材料、製造方法およびその製品 - Google Patents

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Abstract

【課題】複合材料からなり衝撃吸収効果を備える複合衝撃吸収材料およびその製造方法を提供する。
【解決手段】複合衝撃吸収材料100は、心材110および巻付材120を備える。心材110上に巻付材120を巻き付け、心材110および巻付材120の表面に樹脂層130を付着させてカバーし、複合衝撃吸収材料100を形成する。また、複合衝撃吸収材料100の形成方法は、心材110を準備する工程と、心材110上に巻付材120を巻き付ける工程と、心材110および巻付材120の表面に樹脂層130を付着させてカバーして形成する工程とを含む。
【選択図】図2A

Description

本発明は、衝撃吸収材料に関し、特に複合材料を使用して衝撃吸収効果(例えばスプリング)を備える複合衝撃吸収材料およびその製造方法に関する。
工業の進歩に伴い、機械装置は、工事に使用する大型の機械装置から一般の小型の輸送用機器まで広く使用されている。一般に、機械装置を操作するときには振動が発生するため、振動が機械装置またはユーザに好ましくない影響を与えないよう、通常は衝撃吸収材料(例えばスプリング振動防止装置)を装着して振動エネルギーを吸収し、機械装置の振動により発生する使用上またはメンテナンス上の問題をできる限り減らしていた。
現在、一般の衝撃吸収材料には、金属材料または弾性材料が多く使用され、金属材料からなる衝撃吸収材料の剛性は高く(軸方向応力および剪断応力に対する負荷が高い)、荷重効果が良いため応用の操作範囲は広かったがその減衰性において劣っていた。また、一般の金属材料は低温の操作環境(低温脆弱性が出現しやすい)に適用することが容易でなく、衝撃吸収材料の安定性に悪い影響を与えて荷重効果に影響を与えることがあった。また、従来の金属材料からなる衝撃吸収材料は、酸アルカリに対する抵抗性が悪く、腐食されて使用寿命に影響を与えやすいため、一般に、金属材料の表面に耐腐食層を形成して衝撃吸収構造の耐腐食性を高めて使用寿命を延ばしていた。しかしこの場合、衝撃吸収材料の全体コストは高くなっていた。
弾性材料の衝撃吸収材料の減衰効果は良好であるが、その剛性は悪く(軸方向応力および横方向剪断力に対する負荷能力が低い)、操作環境(特に温度変化)に対して敏感であり(安定性が悪い)、その材料剛性は環境の影響を容易に受けて、荷重および使用効果に影響を与えた。
複合衝撃吸収材料の種類は非常に多いが、剛性が高い金属材料により形成される複合衝撃吸収材料は荷重が高く重いものが多かった。そして、剛性が低い弾性材料により形成される複合衝撃吸収材料の質量は軽かったが、その荷重は使用ニーズに合致しないことが多かった。
従来、衝撃吸収構造の材料には複合材料(例えば、金属材料の合金材料または弾性材料の樹脂材料または繊維材料など)が提供されている。そして、これら材料が提供される目的は、衝撃吸収構造に「強度」および「質量」において最良の組合せを提供することにあった。
合金材料の材料強度は高く、それにより形成される合金衝撃吸収構造の重量は、従来の金属材料からなる金属衝撃吸収構造と、複合材料からなる複合衝撃吸収材料との間である。また、合金衝撃吸収構造は、従来の金属衝撃吸収構造と大差なく剛性が高いため、衝撃吸収効果において優れているが、そのコストは金属衝撃吸収構造よりも遥かに高かった。
また、樹脂材料または繊維材料からなる複合衝撃吸収材料は、重量が軽くて合金衝撃吸収材料よりも使用コストが低いという長所を有するが、繊維材料は金属材料に相当する軸方向応力の強度(特に軸方向の抗応力における強度)を有し、横方向の剪断応力に対する強度が明らかに不足していた。そのため、複合衝撃吸収材料を形成した後、抗剪断応力の強度が低いため、繊維材料により複合衝撃吸収材料が形成されるため、全体強度は合金衝撃吸収材料よりも低くなっていた。これにより、適用できる荷重は限定され、複合衝撃吸収材料の適用範囲も限定されていた。
本発明の第1の目的は、材料および構造を組み合わせて高い抗剪断力を有する複合衝撃吸収材料を形成し、複合衝撃吸収材料の全体強度を効果的に高めて複合衝撃吸収材料の荷重および応用範囲を向上させることにより、従来の複合材料からなる荷重効果が好ましくない衝撃吸収構造を改善する高強度の複合衝撃吸収材料を提供することにある。
本発明の第2の目的は、従来の、金属衝撃吸収材料からなる、高強度で質量が重い金属衝撃吸収材料を改善し、複合材料からなる軽量の複合衝撃吸収材料により、複合材料の抗剪断強度を高め、複合衝撃吸収材料が軽量であるという長所を備えるとともに、高強度という長所を備える高強度の複合衝撃吸収材料を提供することにある。
本発明の第3の目的は、従来の、複合衝撃吸収材料の製品を製造する際に、成型設備(例えば加熱炉設備など)により成型する方式を改善し、製品を直接成型することにより製造工程を減らすと同時に製造設備のコストを減らす複合衝撃吸収材料の製品を提供することにある。
上述の目的を達成するため、本発明の複合衝撃吸収材料は、心材、巻付材および樹脂層を備えている。心材の表面には巻付材が巻かれ、この樹脂層を心材および巻付材の表面に付着させてカバーし、最終的に本発明の複合衝撃吸収材料を形成する。
また本発明の複合衝撃吸収材料は、心材および巻付材を備え、この心材の材料は中実繊維材料または中空金属管線である。軽量かつ軸方向応力強度が高い巻付材を心材上に巻き付けて心材の剛性を高める。そして、この巻付材を心材へ巻き付ける方式により、心材の軸方向抗応力強度(抗応力強度および抗圧縮強度)を高めて、心材の全体強度(例えば可撓性および剛性)を高める。その後、心材および巻付材の表面へ樹脂層を付着させ、この心材および巻付材を安定的に結合することができる他に、衝撃吸収材料の全体強度の実用的な効果(例えば振動吸収や騒音低下)を向上させることもできる。そのため、本発明の複合衝撃吸収材料は、強度が高いという特性以外に、同じ材料強度のものと比べて軽量であるという特性を備えている。
さらに本発明の複合衝撃吸収材料は、カバー層をさらに備える。樹脂層を心材および巻付材へ付着してから、これら心材、巻付材および樹脂層をカバーし、最終的に複合衝撃吸収材料を形成する。この心材を先ず巻付材で螺旋状に巻き付けてから、付着された樹脂層により形成して塑性状態にする。その後、このカバー層により心材、巻付材および樹脂層を完全にカバーして可塑状態の安定性を高めることにより複合衝撃吸収材料を良好で安定した可塑状態にする。
また、さらに本発明の複合衝撃吸収材料は、カバー層のカバーおよび安定性を強化する作用により良好で安定した可塑状態にする。そのため、スプリング成型設備により直接巻き付けてスプリング形状に形成した後、再加熱して本発明の製品を形成する。この製品の製造工程では、その他の成型モールドを利用して複合衝撃吸収材料をカバー成型する必要はない。上述したことから分かるように、本発明は製造上の設備コスト(例えば成型モールド)を節減することができるだけでなく、成型設備を使用するステップを減らすことにより、複合衝撃吸収材料の製品の生産率を高めて経済的な利益を高める。
また、さらに本発明の複合衝撃吸収材料の形成方法は、心材を準備する工程と、特定の巻付方式により心材上へ巻付材を巻き付ける工程とを含む。また、本発明の方法は、特定の巻付方式により巻付材を衝撃吸収材料に形成する方法と、心材および巻付材表面へ樹脂層を付着させる方法とを含む。本発明は、カバー層により心材、巻付材および樹脂層を同時にカバーする方法をさらに含む。
上述したことから分かるように、本発明の複合衝撃吸収材料は、材料および構造を組み合わせることにより、高い抗剪断力を有する複合衝撃吸収材料を形成し、複合衝撃吸収材料の全体強度を効果的に高めて複合衝撃吸収材料の荷重および応用範囲を向上させる。そして、これにより従来の複合材料からなる荷重効果が良好でない衝撃吸収材料を改善することができる。
図1は、本発明の好適な一実施形態による複合衝撃吸収材料を示す断面図である。複合衝撃吸収材料100は、心材110、巻付材120および樹脂層130を含む。
心材110は、複合衝撃吸収材料の芯体で、中空管または中実管である。心材110の材料は、例えば、カーボン繊維、ガラス繊維、ナイロン(登録商標)繊維または金属繊維などの金属材料や繊維材料でもよい。そして、心材110上には巻付材120が巻き付けられている。
そして、心材110上に巻付材120を巻き付けて心材110の剛性(例えば軸方向抗応力の強度および横方向抗応力の強度)を高めることにより、複合衝撃吸収材料100の衝撃吸収能力を高める。そして、心材110上へ緊密に巻き付けられている少なくとも一つの巻付材120の材料は、カーボン繊維、ガラス繊維またはナイロン(登録商標)繊維でもよい。また、心材110および巻付材120の表面には樹脂層130が付着されている。
樹脂層130を心材110および巻付材120の表面に付着してカバーし、心材110および巻付材120を強固に結合して成形する。また樹脂層130は、心材110および巻付材120の結合強度を高め、心材110の剛性強度を高めることができる。樹脂層130の材料は熱硬化性樹脂でもよく、この熱硬化性樹脂は常温で流動性を有し、過熱されると凝固する。また、樹脂層130の特性は、複合衝撃吸収材料100の作業環境の必要に応じ、使用樹脂の種類を調整してもよい。これは、例えば高い耐蝕環境下で耐酸アルカリ性の樹脂を使用してもよいし、低温作業環境下で耐低温性の樹脂を使用してもよい。樹脂層130の材料には、エポキシ樹脂、ポリエステルまたはフェノール樹脂が含まれてもよい。
図2Aおよび図2Bに示すように、本発明の他の実施形態による複合衝撃吸収材料100は、心材110、複数の巻付材120、樹脂層130およびカバー層140を含む。心材110は中空管で、複数の巻付材120が巻かれていてもよい。そして、樹脂層130により心材110および複数の巻付材120をカバーした後、カバー層140により樹脂層130をカバーして複合衝撃吸収材料100を形成する。
本発明の他の実施形態による複合衝撃吸収材料の形成方法は、二つの形成ステップを含む。まずステップ1において、心材110上に巻付材120を巻き付け、心材110を提供するとともに、心材110上へ巻付材120を螺旋状に巻き付ける。次にステップ2において、心材110および巻付材120の表面に樹脂層130を付着させ、心材110および巻付材120の表面に樹脂を塗布してカバーし、樹脂層130を形成する。そして、最終的に本実施形態の複合衝撃吸収材料100を形成する。なお、上述の心材110および巻付材120は複数でもよい。
本発明の好適な一実施形態による複合衝撃吸収材料の形成方法には、カバー層140がさらに含まれる。この薄層のカバー層140は、樹脂層130を完全にカバーし、樹脂層130が液体状態の時でも(加熱成型されていない時)心材110および巻付材120の表面へ均一かつ強固に付着され、心材110および巻付材120に対する樹脂層130の結合強度を高め、樹脂層130のカバー作用を強化する。このカバー層140は、樹脂層130の心材110および巻付材120に対するカバー作用(結合強度の向上)により、複合衝撃吸収材料100全体の強度および安定性を向上させる。カバー層140の材料は、軟質材料または弾性材料でもよく、この弾性材料は、例えば熱硬化性プラスチックフィルム(例えば熱収縮性フィルム)などのプラスチック材料でもよい。
図3A〜図3Dは、本発明の他の実施形態による複合衝撃吸収材料の製品の製造工程を示す模式図である。この製品の形状はスプリング状であり、この製品には少なくとも一つの複合衝撃吸収材料100が含まれる。この複合衝撃吸収材料100には、心材110、巻付材120、樹脂層130およびカバー層140が含まれる。図3Aに示すように、先ず巻付装置200により心材110上へ巻付材120を巻き付ける。続いて、心材110および巻付材120に樹脂を塗布し、心材110および巻付材120の表面に樹脂層130を形成する。続いて、カバー装置300により、樹脂層130の表面をカバー層140で緊密にカバーして複合衝撃吸収材料100を形成する。その後、図3Bに示すように、複合衝撃吸収材料100は、スプリング成型装置400によりスプリングのように製品に形成されてから、加熱炉で加熱されて直接に成形され(図3Cを参照)、複合衝撃吸収材料100は最終的にスプリング状の製品に形成される(図3Dを参照)。
また、本発明の他の実施形態による複合衝撃吸収材料100の形成方法では、先ず心材110および巻付材120を樹脂液中に浸し、樹脂層130を心材110および巻付材120の表面へ十分に付着させる。その後、巻付材120を心材110上に巻き付け、カバー層140により心材110、巻付材120および樹脂層130を完全にカバーし、最終的に本実施形態の複合衝撃吸収材料100を形成する。
上述の実施形態では、樹脂層130およびカバー層140が、心材110および巻付材120に対して強固なカバー作用効果を発生させるため、複合衝撃吸収材料100を成型した後でも強固な形態を有し、他に成型モールドを使用して成型する必要がない。そのため、加熱炉へ直接に送って加熱成型を行うことができる。上述したことから分かるように、本実施形態の複合衝撃吸収材料100は、製造工程を省略することができるだけでなく、設備(成型モールド設備)にかかるコストを減らすこともできる。
図4は、本発明の他の実施形態による複合材料の側面を示す模式図である。心材110上に巻付材120を巻き付ける。この巻付材120を螺旋角度121により心材110上へ巻き付けることにより心材110の剛性(軸方向応力強度および横方向の抗剪断応力強度)を高めて強化する。この螺旋角度121の角度は、一般に30〜60度の範囲である。そして、この螺旋角度121が45度のときに合力が均等に分散され、心材110の軸方向応力強度および横方向の抗剪断応力強度は最も好ましい応力分散効果を得ることができる。さらには、この複合衝撃吸収材料100全体の可撓性および剛性強度を向上させることもできる。
図5は、前述の方法により形成される本発明の他の実施形態による複合衝撃吸収材料100を示す。複合衝撃吸収材料100は、心材110、巻付材120、樹脂層130およびカバー層140を含む。巻付材120には様々な直径を有する複数の巻付材120が含まれ、この複数の巻付材120には、少なくとも一つの第1の巻付材122および少なくとも一つの第2の巻付材123が含まれる。この第1の巻付材122は、直径が第2の巻付材123の直径よりも大きい。そして、複数の巻付材120は、異なる直径を組み合わせることにより、心材110の表面へさらに緊密に巻き付けられて心材110の剛性(軸方向応力強度および横方向の剪断応力強度)および荷重強度を効果的に向上させ、複合衝撃吸収材料100の衝撃吸収効果および荷重能力を大幅に向上させることができる。
図6は、図5の実施形態による複合衝撃吸収材料100を示す。この複数の巻付材120には、少なくとも一つの第3の巻付材124が含まれる。この第3の巻付材124の直径は、第2の巻付材123よりも小さい。そのため、この第3の巻付材124は、第1の巻付材122および第2の巻付材123の間に分布させることができる。そして、この構造により、複合衝撃吸収材料100の剛性(軸方向応力強度および横方向の抗剪断応力強度)を高めることができる他、樹脂層130の材料含量を減らすことができる。そのため、本実施形態の複合衝撃吸収材料100へ適用するとき、自由に選択して組み合わせることができる。また、心材110または巻付材120の断面形状は、中空または中実の円形以外に、中空または中実の多辺形(例えば六角形)にしてもよい(図7および図8を参照)。
図9は、本発明の他の実施形態による複合衝撃吸収材料を示す断面図である。この複合衝撃吸収材料は、心材110、巻付材120、樹脂層130およびカバー層140を含む。この心材110は巻付材120であるため、この二つの巻付材120(心材110および巻付材120)は互いに緊密に巻かれて成形される。そして、この方法により同様に巻付材120が剛性を強化する効果を発揮し、抗剪断応力の強度を高めて複合衝撃吸収材料100の体積および重量を低減させるため、この複合衝撃吸収材料100の適用範囲を広げることができる。
また、図10に示すように、巻付材120は、複合衝撃吸収材料100の剛性(軸方向の抗応力強度および横方向の抗剪断応力強度)を向上させて強化する異なった直径を有する複数の巻付材120でもよい。この巻付材120の材料は、例えばカーボン繊維、ガラス繊維、セラミック繊維または金属繊維などでもよい。
図11は、本発明の他の実施形態による複合衝撃吸収材料の衝撃吸収構造を示す模式図である。この衝撃吸収構造は、複合衝撃吸収材料100、固定ベース500および第1の重荷重物600を含む。そして、上述の方法により複合衝撃吸収材料100を形成し、この複合衝撃吸収材料100の一方の端部を固定ベース500へ固着してから、この複合衝撃吸収材料100の他方の端部に第1の重荷重物600へ配置する。複合衝撃吸収材料100は、良好な剛性(軸方向の高い抗応力強度および横方向の高い抗剪断応力強度)を有するため、使用するときに従来使用していた金属材料を代替することができる(例えば、従来の輸送用機器に使用されるサスペンションシステムの金属材料に代替して使用することができる)。
図12は、本発明の他の実施形態による複合衝撃吸収材料の衝撃吸収構造を示す模式図である。複数の複合衝撃吸収材料100を組み合わせてから固定ベース500上へ固定し、第1の重荷重物600よりも重量が大きい第2の重荷重物700をのせる(図12を参照)。
本発明では好適な実施形態を前述の通り開示したが、これらは決して本発明を限定するものではなく、当該技術を熟知するものなら誰でも、本発明の主旨と領域を脱しない範囲内で各種の変更や修正を加えることができる。従って本発明の保護の範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。
本発明の一実施形態による複合衝撃吸収材料を示す断面図である。 本発明の他の実施形態による複合衝撃吸収材料を示す断面図である。 本発明の他の実施形態による複合衝撃吸収材料を示す斜視図である。 本発明の他の実施形態による複合衝撃吸収材料の製造工程を示す模式図である。 本発明の他の実施形態による複合衝撃吸収材料の製造工程を示す模式図である。 本発明の他の実施形態による複合衝撃吸収材料の製造工程を示す模式図である。 本発明の他の実施形態による複合衝撃吸収材料の製造工程を示す模式図である。 本発明の他の実施形態による複合衝撃吸収材料を示す側面図である。 本発明の他の実施形態による複合衝撃吸収材料の構造を示す断面図である。 本発明の他の実施形態による複合衝撃吸収材料の構造を示す断面図である。 本発明の他の実施形態による複合衝撃吸収材料の構造を示す断面図である。 本発明の他の実施形態による複合衝撃吸収材料の構造を示す断面図である。 本発明の他の実施形態による複合衝撃吸収材料の構造を示す断面図である。 本発明の他の実施形態による複合衝撃吸収材料の構造を示す断面図である。 本発明の他の実施形態による複合衝撃吸収材料の衝撃吸収構造を示す模式図である。 本発明の他の実施形態による複合衝撃吸収材料の衝撃吸収構造を示す模式図である。
符号の説明
100 複合衝撃吸収材料
110 心材
120 巻付材
121 螺旋角度
122 第1の巻付材
123 第2の巻付材
124 第3の巻付材
130 樹脂層
140 カバー層
200 巻付装置
300 カバー装置
400 スプリング成型装置
500 固定ベース
600 第1の重荷重物
700 第2の重荷重物

Claims (26)

  1. 巻付材および樹脂層を備える複合衝撃吸収材料であって、
    前記巻付材は、直接巻かれて形成され、
    前記樹脂層は、心材および前記巻付材の表面に付着されてカバーに形成されていることを特徴とする複合衝撃吸収材料。
  2. 心材、巻付材および樹脂層を備える複合衝撃吸収材料であって、
    前記巻付材は、前記心材上に巻かれて形成され、
    前記樹脂層は、前記心材および前記巻付材の表面に付着されてカバーに形成されていることを特徴とする複合衝撃吸収材料。
  3. 前記心材は、中空管または中実管であることを特徴とする請求項2に記載の複合衝撃吸収材料。
  4. 前記心材の断面形状は、円形または多辺形であることを特徴とする請求項2に記載の複合衝撃吸収材料。
  5. 前記心材の材料は複合材料であることを特徴とする請求項2に記載の複合衝撃吸収材料。
  6. 前記複合材料は繊維材料であることを特徴とする請求項5に記載の複合衝撃吸収材料。
  7. 前記巻付材の材料は繊維材料であることを特徴とする請求項1または2に記載の複合衝撃吸収材料。
  8. 前記樹脂層をカバーするカバー層をさらに含むことを特徴とする請求項1または2に記載の複合衝撃吸収材料。
  9. プラスチックまたは熱収縮性フィルムからなり、前記樹脂層をカバーするカバー層をさらに含むことを特徴とする請求項1または2に記載の複合衝撃吸収材料。
  10. 心材を準備する工程と、
    前記心材上に巻付材を巻き付ける工程と、
    前記心材および前記巻付材の表面に樹脂層を形成する工程と、
    を含むことを特徴とする複合衝撃吸収材料の形成方法。
  11. 前記心材は、中空管または中実管であることを特徴とする請求項10に記載の複合衝撃吸収材料の形成方法。
  12. 前記心材の断面形状は、円形または多辺形であることを特徴とする請求項10に記載の複合衝撃吸収材料の形成方法。
  13. 前記心材および前記巻付材の材料は複合材料であることを特徴とする請求項10に記載の複合衝撃吸収材料の形成方法。
  14. 前記複合材料は繊維材料であることを特徴とする請求項13に記載の複合衝撃吸収材料の形成方法。
  15. 前記樹脂層の材料は、エポキシ樹脂、ポリエステルおよびフェノール樹脂からなる群から選択される樹脂材料であることを特徴とする請求項10に記載の複合衝撃吸収材料の形成方法。
  16. 前記樹脂層をカバーするカバー層をさらに含むことを特徴とする請求項10に記載の複合衝撃吸収材料の形成方法。
  17. プラスチックまたは熱収縮性フィルムからなり、前記樹脂層をカバーするカバー層をさらに含むことを特徴とする請求項10に記載の複合衝撃吸収材料の形成方法。
  18. 巻付材および樹脂層を備える複合衝撃吸収材料の製品であって、
    前記巻付材は、螺旋状に巻き付けられて形成され、
    前記樹脂層は、前記巻付材の表面に付着され、
    前記巻付材および前記樹脂層により複合衝撃吸収材料が形成され、
    該複合衝撃吸収材料が巻き付けられてスプリング状の製品に形成されることを特徴とする複合衝撃吸収材料の製品。
  19. 心材、巻付材および樹脂層を備える複合衝撃吸収材料の製品であって、
    前記巻付材は、前記心材上へ螺旋状に巻き付けられて形成され、
    前記樹脂層は、前記心材および前記巻付材の表面に付着され、
    前記巻付材および前記樹脂層により複合衝撃吸収材料が形成され、
    該複合衝撃吸収材料が巻き付けられてスプリング状の製品に形成されることを特徴とする複合衝撃吸収材料の製品。
  20. 前記心材は、中空管または中実管であることを特徴とする請求項19に記載の複合衝撃吸収材料の製品。
  21. 前記心材の断面形状は、円形または多辺形であることを特徴とする請求項19に記載の複合衝撃吸収材料の製品。
  22. 前記心材および前記巻付材の材料は複合材料であることを特徴とする請求項19に記載の複合衝撃吸収材料の製品。
  23. 前記複合材料は繊維材料であることを特徴とする請求項22に記載の複合衝撃吸収材料の製品。
  24. 前記樹脂層の材料は、エポキシ樹脂、ポリエステルおよびフェノール樹脂からなる群から選択される樹脂材料であることを特徴とする請求項18または19に記載の複合衝撃吸収材料の製品。
  25. 前記樹脂層をカバーするカバー層をさらに含むことを特徴とする請求項18または19に記載の複合衝撃吸収材料の製品。
  26. プラスチックまたは熱収縮性フィルムからなり、前記樹脂層をカバーするカバー層をさらに含むことを特徴とする請求項18または19に記載の複合衝撃吸収材料の製品。
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