JP2009515122A - 繊維複合材料から成る板ばね - Google Patents

Abstract

本発明は繊維複合材料から成り、中央の長さ区分（２）と、該長さ区分（２）に接続した、車両の車輪懸架装置のための軸方向の２つの端部区分とを有する板ばね（１）であって、端部区分が板ばね幅に関して先細に構成されており、板ばね（１）が樹脂を含浸させた複数の繊維層から構成されており、前記繊維複合材料の軸方向に配向された第１の繊維（６）が短縮されることなく板ばね（１）の両方の軸方向の端部（５）まで延びており、まだ完成していない素板ばね（１′）の軸方向の端部（５）が、平面図で見てほぼＶ字形の幾何学的形状もしくはほぼＶ字形の切込みを有し、軸方向で素板ばね（１′）の長さ方向に対して横方向に構成された２つの脚部（８，９）を形成しており、これらの脚部（８，９）が完成した板ばね（１）にて互いに狭く位置している形式のものに関し、少なくとも素板ばね（１′）の軸方向の端部（５）の領域（１１）にて素板ばね（１′）の繊維の割合が前記端部（５）に対し軸方向で近隣した領域（２，３，４）におけるよりも小さいことを特徴としている。

Description

本発明は請求項１の上位概念である繊維複合材料から成る板ばねに関する。

板ばねは車両の車輪懸架装置にて、車両を平坦ではない地面もしくは走行路の状態に対しばね弾性的に支えるために使用される。このような車両は特に乗用車、貨物自動車及び他の実用車であることができるがレール車両及びそれに類似したものであってもよい。

かなり以前から鋼製の板ばねは公知である。この板ばねにおいては負荷の増大に際して変化するばね定数を達成するために、短くなる長さを有する幅の狭い個別の鋼板が重ねられている。板ばねの鋼板はクランプ及び／又はねじ結合により１つのパッケージに結合されている。板ばねを自動車に組込む場合には、組込みは例えば走行方向に対し横方向に行なわれる。この場合には板ばねの中央の領域は車体に固定されるのに対し、板ばねの両方の軸方向の端部は右もしくは左の車輪の懸架領域に配置される。金属製の板ばねは比較的に低コストで製作可能でかつ稼動性が良好であるとしても、この種の板ばねは重いという欠点を有し、車両重量を高め、結果として燃料消費量の増大の原因となっている。

又、繊維複合材料から成る板ばねも公知である。この板ばねは例えば合成樹脂を含浸させたガラス又は炭素繊維から形成されており、同じ大きさでかつ比較し得るばね特性で、鋼製板ばねよりも著しく小さな重量を有している。このような複合繊維製板ばねは例えば樹脂を含浸させた個別の繊維層から製作される。これはプリプレグという概念で知られている。このプリプレグは所望の形態に製作されかつ／又は切断されかつ板ばねの寸法に相応するプレス型に重ねられて入れられる。次いで素板ばねはプレス型内で圧力と熱とが作用させられて硬化される。

ＤＥ１０２２１５８９Ａ１号明細書からは、繊維複合材料から成る板ばねであって、一体に、中央の弯曲区分と端部側の末端区分とから成るものが公知である。末端区分はそれぞれ軸方向の端部に、板ばねを車体に固定する目的でボルトを受容する開口を備えたアイを有している。この場合の欠点は構成的に費用のかかるプレス型によってしか又は繊維を分断する打抜き過程によってしか実現できない板ばねにおける固定アイの形成である。

繊維複合材料から成る別の板ばね構造では端部区分が斜めに面取りされている。この場合には各端部区分は、板ばねを硬化したあとで、斜め面取りした形状に相応して正しく切断される。この結果、材料の繊維も切断される。切断個所には、板ばねの長期交番負荷に際してしばしば亀裂が生じる。この亀裂は切断個所から発してかつ繊維の長さ方向にほぼ平行に延びる。この亀裂も板ばねの損傷につながる。

ＥＰ００９３７０７Ｂ１号明細書もしくはこれに対応するＵＳ４５５７５００Ｂ１号明細書には、繊維複合材料から成る板ばねであって、軸方向の端部にて方形の中央区分よりも細くかつ厚く構成された板ばねが公知である。この板ばねの軸方向の端部領域は、平面図で見てほぼ台形に構成されていることができる。板ばねの垂直な横断面は一方のばね端から他方のばね端までは別の実施形態に従ってコンスタントであることができる。この板ばねの別の構成形式では、複合材料繊維は一方の軸方向端部から他方の軸方向端部まで切断されていない。板ばねの幾何学的な形状は該板ばねを製造する間、プレス型によって与えられる。

さらに当該出願の出願人によるＤＥ１０２００４０１０７６８Ａ１号明細書からは中央の長さ区分と車両における車輪懸架装置のための軸方向の端部とを有する繊維複合材料から成る板ばねであって、軸方向の端部が板ばね幅に関して先細に構成されており、繊維複合材料の軸方向に向けられた繊維が短縮されることなく板ばねの終端縁まで導かれている板ばねが公知である。しかも、この板ばねにおいては、板ばねは樹脂の含浸させられた繊維層から構成され、該繊維層が板ばねの製作に際して、その軸方向の端部にて、平面図で見てＶ字形の幾何学的な形状もしくはＶ字形の切込みを有し、それぞれ板ばねの長さ方向に対して横方向に構成されたそれぞれ２つの脚部を形成している。この２つの脚部は製作プロセスでは互いに狭く寄せられかつ硬化させられる。したがって製作の終った板ばねはその端部の領域にてほぼ台形に構成されかつこの領域に材料厚さの増大を持たない。

さらにこの文献からは板ばねをその中央の領域にて、幾何学的に簡単な、方形の繊維層によってその構成部分厚さに関して増大させられることができるのに対し、板ばねの軸方向の端部のＶ字形の構成のために相応して構成された、全構成部分長さに亙って案内された繊維層を使用できることが公知である。

ＤＥ１０２００４０１０７６８Ａ１号明細書による板ばねは、該板ばねがその全長に亙ってほぼコンスタントな横断面並びにほぼコンスタントな厚さを、板ばねの軸方向の端部を切断する必要なしに、軸方向の端部にて幅が減じられて有しているので若干の利点をもたらす。

しかし、このような板ばねにおける構成部材の顧客的な実験によれば、板ばねの製造中にＶ字形の端部における脚部の変形及びこれに次ぐ板ばねのプレスに際し、板ばねの端部領域から繊維複合材料の樹脂の流出が不十分であることが証明された。さらにこの領域における繊維が十分な長さで伸びて配向されず、板ばねの負荷特性が低減することが証明された。

したがって本発明の課題はＤＥ１０２００４０１０７６８Ａ１号明細書の板ばねを改良して板ばねの製作の間並びに完成した板ばねにおいてすべての領域にて繊維と樹脂との間にあらかじめ規定された比が与えられ、繊維がどこでも波状を呈さないかもしくは真直ぐ延びて配向されるようにすることである。

前記課題は請求項１の特徴によって解決された。本発明の有利な構成と変化実施例は従属請求項に示されている。

本発明は板ばねの軸方向の端部の領域における一方向性の繊維を、近隣する領域に比較して、減少させることによって、その製造に際して改善された樹脂流出とその結果としてこの板ばね領域において繊維に望まれる伸びとが達成可能であるという驚くべき認識に基づいている。

したがって本発明は、繊維複合材料から成る板ばねであって、中央の長さ区分とこの中央の長さ区分に接続した、車両における車輪懸架装置のための２つの軸方向の端区分とを有し、端区分が板ばね幅に関して先細に構成されており、この場合、繊維複合材料の軸方向に配向された第１の繊維が短縮されずに板ばねの両方の軸方向の端部の間を延び、まだ完成していない素板ばねの軸方向の端部が平面図で見てほぼＶ字形の幾何学的形状もしくはほぼＶ字形の切込みを有し、ひいては軸方向でそれぞれ２つの、素板ばねの長手方向に対して横方向に構成された脚部を形成しており、この脚部が完成した板ばねにて互いに狭く接触している板ばねに関する。

本発明の課題を解決するためには付加的に、少なくとも素板ばねの軸方向の端部の領域にて、該領域における繊維の割合が、これに対し軸方向で近隣した領域よりも小さく選ばれている。

この本発明の認識によって、素板ばねの脚部を互いにプレスする場合に合成樹脂が脚部から流出する場合の堰止めの回避が達成された。

本発明による板ばねを特に有利に製作できるためには、根本思想による別の構成によれば、軸方向の端部に軸方向に近隣した領域に第２の長手方向に向けられた繊維が板ばねに配置され、この繊維が軸方向の端部に対しコンスタントな間隔又は板ばねの中心長手方向軸線に向かった方向で減少する間隔を有している。これに対する詳細な構成形態はさらに以下に記述する。

本発明による板ばねは、第１の繊維と第２の繊維とが層状に重ねられて板ばねに配置されていることを特徴としている。この場合には有利には第１の繊維と第２の繊維は前もって製作された長く延びたプリプレグによって形成されている。この場合、板ばねには第１の繊維を有する複数のプリプレグが重ねて配置され、次いでその上に、第２の繊維を有するプリプレグが続き、次いでこの最後のプリプレグの上に、再び第１の繊維を有するプリプレグの単数又は複数の層が再び置かれ、次いで第２の繊維を有するプリプレグがあらためて載せられ、これが繰返されている。それぞれ重ねて載置されるプリプレグの数は板ばねの寸法と板ばねに課される技術的な要求に関連する。

本発明の別の構成によれば、第２の繊維を有するプリプレグは、第１の繊維のプリプレグ同様、同じエンドレスな帯状材料から切断されるようになっている。この場合、各プリプレグは切断縁の幾何学的な形状とその長さとに関して異なることができる。

本発明による板ばねは、素板ばねの軸方向の端部からの第２の繊維の間隔が、圧力下で脚部を合わせた場合に板ばねに所定の樹脂の割合しか残らないようにかつ板ばねの一端から他端に延びる第１の繊維が流出する余分な合成樹脂によって長手方向に伸ばされて配向されるか又は長く伸ばされたままに保たれるように選択されるように構成されている。

まだ合わされていない素板ばねの脚部がこれに対し軸方向で近隣する領域よりもわずかな繊維の割合を達成するためには第２の繊維もしくは第２の繊維を有するプリプレグが互いに同じ長さであるか又は異なった長さであることができる。第２の繊維の長さが異なる場合には第２の繊維は素板ばねの右側と左側の端部に対しほぼコンスタントな規定された軸方向の間隔を維持する。したがって素板ばねの軸方向の端部領域はほぼ燕尾形に構成されているので、第２の繊維の層もしくは第２の繊維を有するプリプレグは同様に前記V字形の端部幾何学的な形状を有する。第２の繊維が同じ長さである場合には両方の軸方向の端部に対する前記繊維の軸方向の間隔は異なる。何故ならば素板ばねは、先きに記したように、両側にV字形の切込みを有しているからである。これについては以後、詳細な実施例と関連して説明する。

さらに本発明の別の構成によれば、第２の繊維が板ばねの端部領域の間の２つの補強区分に配置されていることが提案されている。この補強区分は有利には車体及び／又は走行機構に板ばねを固定するための固定点も有している。１実施例では板ばねを車体に固定するための２つの対称的に中心の外にある固定点と板ばねを車輪懸架装置と統合するための端部側の２つの固定点とが設けられている。

この板ばねの別の特徴によれば補強区分の間に、第２の繊維もしくは第２の繊維を有するプリプレグが存在する中央区分が構成されている。

最後になるが少なくとも素板ばねの軸方向の端部は、板ばねの長手方向軸線に対し直角な切断縁を有するか又はかなり丸味づけされた軸方向の端部を有することができる。

以下、添付図面に基づき本発明を説明する。

図４と５とに概略的な平面図で示された板ばね１は図示されていない車両の同様に図示されていない車輪懸架装置のために設けられている。板ばね１は樹脂が含浸されかつ重ねられた複数の一方向性繊維層から成るかもしくはプレス型にて公知の形式で互いに結合されたあらかじめ製作されたプリプレグから成っている。両方の板ばね１は一方向性の第１の繊維６を有し、この第１の繊維６は切断されることなく一方の軸方向端部から反対側の軸方向端部５まで延びている。さらにこの板ばね１は一方向の第２の繊維７を備え、該第２の繊維７は板ばね長さの一部だけに亙って、有利には固定領域だけに亙って延び、軸方向の端部５に対し種々の間隔を有している。

第１の繊維６と第２の繊維７もしくは第１の繊維６もしくは第２の繊維７を含むプリプレグは有利には同じ連続的に製造された材料ウエブから切断されかつプレス型にて異なる数の載置プランに従って交互に重ねられる。繊維自体は例えばガラス、炭素又はアラミドから成っている。

さらに図４の板ばね１はほぼ尖った端部５を有しているのに対し、図５の板ばねでは前記端部５はかなり丸味づけされ、該端部の長さに対し横方向に向けられた縁部を有している。

本発明の板ばねの製造と種々の変化構成形式は図１から図３までに示され、以後、これについて説明する。これら図が示すようにまず、合成樹脂、例えばエポキシド樹脂が含浸された一方向性の第１の繊維の層を重ねることによっていわゆる素板ばね１′が構成される。有利にはこの第１の繊維６はプリプレグとして公知である樹脂含浸された繊維層に纏められる。この繊維層は完成した板ばね１の厚さよりも明らかに小さいあらかじめ規定された厚さを有している。

既に述べたように第１の繊維もしくは第１の繊維６を有するプリプレグは切断されずに素板ばね１′の両方の端部５の間を延びている。両方の脚部８と９とを有する燕尾状の軸方向の端部５を構成するためには第１の繊維６はその端部にて、素板ばね１′にこれに関連した最終幾何学的形状が生じるように切断される。このような素板ばね１′を構成するためには第１の繊維６もしくは第１の繊維６を有するプリプレグは所定数、図示されていないプレス型に載置される。次いでこのパイルの上に所定の層厚さで一方向性の第２の繊維７もしくは第２の繊維７を有するプリプレグが載置される。

第２の繊維７は素板ばね１′の軸方向の端部５までは延びず、この端部５に対して所定の軸方向間隔を保っている。図１による素板ばね１′と図５による完成した板ばね１では第２の繊維７はすべて等しい長さを有している。図１の素板ばね１′ではそれぞれ対応する軸方向の端部からの軸方向の間隔は長さ区分２の外側から素板ばね１′の長手方向軸線１２に向かって明らかに減少している。

図２に示された第２の変化実施例では第２の繊維７もしくは第２の繊維７を有するプリプレグはほぼコンスタントな軸方向の間隔を素板ばね１′の対応する軸方向の端部に対して有している。この場合、繊維７もしくはプリプレグは多かれ少なかれ遠くまで軸方向で、両方の端部側の脚部８，９内まで達している。この場合、図２には簡略化して右側と左側とに２つの実施例が示されている。この場合には第２の繊維７の層の端部は実際的に幾何学的に等しく構成され、したがって同じ切断工具で切断される。

最後に図３には第１の繊維６を有する層の間に、第２の繊維７を有する比較的に短い層が間挿されている素板ばね１′が示されている。第２の繊維７もしくは第２の繊維７を有するプリプレグは同じ長さもしくは直線的な切断縁を有しているので、第２の繊維７の軸方向の端部は長手方向区分の外側から素板ばね１′の長手方向軸線１２に向かって種々異なる、つまり次第に短くなる間隔を対応配置された軸方向の端部５に対して有している。第２の繊維７もしくは第２の繊維７を含むプリプレグはこの場合には図４による完成した板ばね１の固定領域３，４に配置されている。この固定領域３，４の間には第２の繊維７のない中央区分１０が構成されている。

第１の繊維６と第２の繊維７は既に記載したように、素板ばね１′の軸方向の端部５における脚部８，９が図１から３までの弯曲した矢印で示したように長手方向軸線１２に向かって旋回させられかつ互いに接近させられるように既に述べたプレス型内に載置される。素板ばね１′の端部領域１１で第１の繊維６だけしか存在しないかもしくは第２の繊維７が減少させられた割合でしか存在しないことによって前記脚部８，９の接合がプレス過程の間の合成樹脂の流れを堰止めることはなくなる。さらに合成樹脂の軸方向の流出によって素板ばねの端区分において第１の繊維６が軸方向に伸ばされるか又は留まることが達成される。これは完成した板ばね１のきわめて良好な機械的な特性の前提条件である。素板ばね１′のまだ湿った構造はプレス型にてプレス圧と熱との影響で硬化される。

提起したどの構成を第２の繊維７の長さと配置とに関してかつ繊維層の数と順序とに関して用いるかは各使用分野に関連しかつ利用者の意図による。

長さが等しくない第１の繊維と長さが等しい第２の繊維とを有する本発明による素板ばねにおける繊維層の概略的な平面図。 図１の素板ばねに似た素板ばねを、長さの異なる第２の繊維と共に示した図。 図１の素板ばねに似た素板ばねを、各軸方向の端部における尖った脚部と２つの側方の補強区分における同じ長さの第２の繊維と共に示した図。 ２つの側方の補強区分と比較的に尖った軸方向端部とを有する完成した板ばねの概略的な平面図。 等しい長さの第２の繊維と丸味の付けられた軸方向端部とを有する完成した板ばねを示した図。

符号の説明

１ 板ばね、 ２ 長さ区分、 ３ 補強区分、 ４ 補強区分、 ５ 軸方向端部、 ６ 第１の繊維、 ７ 第２の繊維、 ８ 脚部、 ９ 脚部、 １０ 中央区分、 １１ 端部領域、 １２ 板ばねの長手方向軸線

Claims (10)

1. 繊維複合材料から成り、中央の長さ区分（２）と、該長さ区分（２）に接続した、車両の車輪懸架装置のための軸方向の２つの端部区分とを有する板ばね（１）であって、端部区分が板ばね幅に関して先細に構成されており、板ばね（１）が樹脂を含浸させた複数の繊維層から構成されており、前記繊維複合材料の軸方向に配向された第１の繊維（６）が短縮されることなく板ばね（１）の両方の軸方向の端部（５）まで延びており、まだ完成していない素板ばね（１′）の軸方向の端部（５）が、平面図で見てほぼＶ字形の幾何学的形状もしくはほぼＶ字形の切込みを有し、軸方向で素板ばね（１′）の長さ方向に対して横方向に構成された２つの脚部（８，９）を形成しており、これらの脚部（８，９）が完成した板ばね（１）にて互いに狭く位置している形式のものにおいて、少なくとも素板ばね（１′）の軸方向の端部（５）の領域（１１）にて素板ばね（１′）の繊維の割合が前記端部（５）に対し軸方向で近隣した領域（２，３，４）におけるよりも小さいことを特徴とする、板ばね。
2. 軸方向の端部（５）に近隣した領域（２，３，４）に、長さ方向に向けられた第２の繊維（７）が板ばね（１，１′）に配置されており、第２の該繊維（７）が軸方向の端部（５）に対しコンスタントな間隔又は板ばね（１，１′）の長手方向軸線（１２）の方向で減少した間隔を維持することを特徴とする、請求項１記載の板ばね。
3. 第１の繊維（６）と第２の繊維（７）とが層状に重ねられて板ばね（１，１′）内に配置されていることを特徴とする、請求項１又は２記載の板ばね。
4. 第１の繊維（６）と第２の繊維（７）との層があらかじめ製作された、長く延びたプリプレグによって形成されており、この場合、板ばね（１，１′）にて第１の繊維を有する複数のプリプレグが重ねて置かれ、その上に第２の繊維を有する１つのプリプレグが続き、それに続いて第１の繊維（６）を有する単数又は複数のプリプレグの層が置かれ、次いでこれに第２の繊維（７）を有するプリプレグが続いていることを特徴とする、請求項３記載の板ばね。
5. 第２の繊維（７）を有するプリプレグが第１の繊維（６）のプリプレグ同様、同じエンドレスな材料ウエブから切断されていることを特徴とする、請求項４記載の板ばね。
6. 素板ばね（１′）の軸方向の端部（５）からの第２の繊維（７）の間隔が、圧力下で脚部（８，９）が寄せられた場合に、所定の樹脂割合しか素板ばね（１′）に残らないように選択されかつ板ばね（１）の一方の端部（５）から他方の端部（５）まで延びる第１の繊維（６）が長手方向に延びるように配向されるか又は留められることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載の板ばね。
7. 第２の繊維（７）が互いに同じ長さであるか互いに異なる長さであることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項記載の板ばね。
8. 第２の繊維（７）が自動車の車体及び／又は走行機構懸架装置における板ばね（１）の固定のための固定点を有する板ばね（１，１′）の長さ区分（２）に配置されていることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項記載の板ばね。
9. 前記長さ区分（２）が１つの中央区分（１０）とその右側もしくは左側に配置された２つの補強区分（３，４）を有し、第２の繊維（７）が板ばね（１，１′）の補強区分（３，４）だけに配置されていることを特徴とする、請求項８記載の板ばね。
10. 少なくとも素板ばね（１，１′）の軸方向の端部（５）が板ばね（１）の長手方向軸線（１２）に対しほぼ直角である切断縁によって形成されているか又はかなりの丸味がつけられて形成されていることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項記載の板ばね。

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