JP2012189133A

JP2012189133A - 繊維強化プラスチック製ばね

Info

Publication number: JP2012189133A
Application number: JP2011052816A
Authority: JP
Inventors: Ryohei Shigematsu; 良平重松; Miho Nakazono; 美保中園
Original assignee: NHK Spring Co Ltd
Current assignee: NHK Spring Co Ltd
Priority date: 2011-03-10
Filing date: 2011-03-10
Publication date: 2012-10-04
Anticipated expiration: 2031-03-10
Also published as: ES2680368T3; US20140001688A1; EP2685125B1; US9212714B2; CN103415722A; EP2685125A4; HUE039599T2; CN103415722B; JP5735826B2; EP2685125A1; WO2012121181A1

Abstract

【課題】別部材を用いることなく破壊時の破片の飛散を防止することができ、破壊時の荷重変化を小さくすることができる繊維強化プラスチック製ばねを提供する。
【解決手段】ＦＲＰばね１は、プラス方向配向層２１とマイナス方向配向層２２からなる単位ユニット２０Ａを有する積層構造２０を備えている。隣接するプラス方向配向層２１およびマイナス方向配向層２２の配向方向Ｓ１，Ｓ２は交差している。各層２１，２２の配向角度θ１，θ２の絶対値を適宜設定することにより、プラス方向配向層２１およびマイナス方向配向層２２の繊維は破壊時に絡み合うことができ、ばね全体の破壊様相は疑似延性となる。ばねとして使用できる弾性率および強度を得ることができるとともに、各層２１，２２では繊維間の樹脂での断裂を防止することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、繊維強化プラスチック製ばねに係り、特に、荷重負荷時の破壊状態の制御技術に関する

たとえば自動車分野では、曲げ荷重がかかる片振のばね（渦巻ばねや、ぜんまい、板ばね等）が用いられ、それらばねには軽量化および省スペース化が要求されている。たとえば軽量化のために、金属製ばねに代わり、繊維強化プラスチック製ばね（以下、ＦＲＰばね）を用いることが提案されている。

たとえば図８に示すように、支持部５２で支持される板ばね５１に片振りの曲げ荷重Ｐを加えた場合、荷重負荷側の上面部には圧縮応力が発生し、荷重負荷側とは反対側の下面部には引張応力が発生する。なお、符号Ｓは、板ばね５１の厚さ方向の中心に位置する中立軸である。板ばね５１としてＦＲＰ板ばねを用いた場合、圧縮応力側表面にクラックが生じる虞が大きい。

ＦＲＰ板ばねでは、少しでもクラックが生じると、破壊に至り易く、この場合、図７に示すように、脆性的な破壊様相を示す。このため、破壊時に破片が飛散して危険であるとともに周囲部品を傷つける虞がある。また、破壊時の荷重変化が大きいため、乗心地に悪影響を与える虞がある。

破壊時の破片の飛散を防止するために、繊維強化樹脂からなるエネルギー吸収部材の端部の周囲を中空のカバーで覆う技術がある（たとえば特許文献１）。

特開平２００５−４７３８７号公報

しかしながら、特許文献１の技術は、板ばねに適用するのは困難であり、しかも、別部材として中空のカバーが必要となる。また、特許文献１の技術は、破壊時の荷重変化を小さくすることが困難である。

したがって、本発明は、別部材を用いることなくばね単体で破壊時の破片の飛散を防止することができるとともに、破壊時の荷重変化を小さくすることができる繊維強化プラスチック製ばねを提供することを目的としている。

本発明の繊維強化プラスチック製ばね（以下、ＦＲＰばね）は、プラス方向配向層を少なくとも１層有するプラス方向配向ユニットと、マイナス方向配向層を少なくとも１層有するマイナス方向配向ユニットとが交互に積層された積層構造を備え、プラス方向配向層では、長手方向に対してプラス方向の配向角度で繊維が配向し、マイナス方向配向層では、長手方向に対してマイナス方向の配向角度で繊維が配向していることを特徴とする。

本発明のＦＲＰばねでは、たとえば大きな曲げ荷重を加えたときに、積層構造のプラス方向配向層およびマイナス方向配向層のそれぞれに脆性破壊が生じる場合がある。ここで積層構造では、プラス方向配向層を少なくとも１層有するプラス方向配向ユニットと、マイナス方向配向層を少なくとも１層有するマイナス方向配向ユニットとが交互に積層されている。この場合、プラス方向配向ユニットのプラス方向配向層の配向方向は長手方向に対してプラス方向であり、マイナス方向配向層のマイナス方向配向層の配向方向は長手方向に対してマイナス方向であるから、プラス方向配向ユニットおよびマイナス方向配向ユニットの繊維の配向方向は交差している。

したがって、プラス方向配向層およびマイナス方向配向層の配向角度の絶対値を適宜設定することにより、プラス方向配向ユニットとマイナス方向配向ユニットの繊維は破壊時に絡み合うことができる。これにより、たとえば本発明の一例であるＦＲＰ板ばねに片振りの曲げ荷重を加えた場合、ばね全体の破壊様相は、たとえば図６に示すように、脆性的ではなく、疑似延性となる。よって、ばね全体は、徐々に破壊することができる。また、プラス方向配向層およびマイナス方向配向層の配向角度の絶対値を適宜設定することにより、ばねとして使用できる弾性率および強度を得ることができるとともに、各層では繊維間の樹脂での断裂を防止することができる。以上のことから、別部材を用いることなく破壊時の破片の飛散を防止することができる。また、破壊時の荷重変化を小さくすることができるから、乗心地が悪くなる虞がない。

本発明のＦＲＰばねは種々の構成を用いることができる。たとえばプラス方向配向層およびマイナス方向配向層の配向角度の絶対値は、２０〜３０度の範囲内に設定されている態様を用いることができる。この態様では、配向角度の絶対値を２０度以上に設定しているから、プラス方向配向ユニットとマイナス方向配向ユニットの繊維は、破壊時に十分に絡み合うことができる。一方、配向角度の絶対値を３０度以下に設定しているから、ばねとして使用できる弾性率および強度を十分に得ることができるとともに、各層では繊維間の樹脂での断裂を効果的に防止することができる。

また、プラス方向配向ユニットはプラス方向配向層を１層有し、マイナス方向配向ユニットはマイナス方向配向層を１層有し、プラス方向配向層とマイナス方向配向層とが交互に積層されている態様を用いることができる。この態様では、全てのプラス方向配向層がマイナス方向配向層に隣接しているから、積層構造の全ての層が破壊時に十分に絡み合うことができる。

本発明のＦＲＰばねによれば、ばねとして使用可能な弾性率および強度を得ることができるのはもちろんのこと、別部材を用いることなくばね単体で破壊時の破片の飛散を防止することができるとともに、破壊時の荷重変化を小さくすることができる等の効果を得ることができる。

本発明の一実施形態に係る繊維強化プラスチック製ばねの構成を表し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は側面図である。本発明の一実施形態に係る繊維強化プラスチック製ばねの一部の構成を表し、（Ａ）は側断面図、（Ｂ）はプラス方向配向層の断面図、（Ｃ）はマイナス方向配向層の断面図である。３点曲げ試験の実験結果を表すグラフである。３点曲げ試験の実験で得られた配向角度と破壊荷重値との関係を表すグラフである。３点曲げ試験のシミュレーションで得られた配向角度と破壊荷重値との関係を表すグラフである。荷重負荷時の本発明の一例であるＦＲＰ板ばねの破壊状態を表す写真である。荷重負荷時の従来のＦＲＰ板ばねの破壊状態を表す写真である。片振りの曲げ荷重負荷時に繊維強化プラスチック製ばねでの応力分布を説明するための図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る繊維強化プラスチック製ばね（以下、ＦＲＰばね）の構成を表し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は側面図である。図２は、ＦＲＰばね１の一部の構成を表し、（Ａ）は側断面図、（Ｂ）はプラス方向配向層の断面図、（Ｃ）はマイナス方向配向層の断面図である。

ＦＲＰばね１は、たとえばリーフ部１１と目玉部１２を有する板ばねである。ＦＲＰばね１は、たとえばプラス方向配向層２１とマイナス方向配向層２２とが交互に積層された積層構造２０を備えている。プラス方向配向層２１およびマイナス方向配向層２２は、たとえば積層面に平行な面内において繊維が配向しているＵＤ（一方向）繊維層である。図２（Ｂ）に示す符号Ｓ１は、プラス方向配向層２１の繊維の配向方向を示し、その配向角度θ１は、長手方向Ｌから２０〜３０度の範囲内に設定されていることが好適である。図２（Ｃ）に示す符号Ｓ２は、マイナス方向配向層２２の繊維の配向方向を示し、その配向角度θ２は、長手方向Ｌから−２０〜−３０度の範囲内に設定されていることが好適である。なお、配向角度θ１，θ２の絶対値は、０度超であればよく、等しくてもよいし、異なっていてもよい。プラス方向配向層２１を複数有する場合、それらプラス方向配向層２１の配向角度θ１同士は互いに異なっていてもよく、マイナス方向配向層２２の配向角度θ２もプラス方向配向層２１の場合と同様である。

プラス方向配向層２１とマイナス方向配向層２２からなる部分を単位ユニット２０Ａとすると、図２の積層構造２０では２個の単位ユニット２０Ａを設けたが、これに限定されるものではなく、単位ユニット２０Ａを少なくとも１個設ければよい。また、図２に示す例は、本発明のプラス方向配向ユニットにプラス方向配向層２１を１層設け、マイナス方向配向ユニットにマイナス方向配向層２２を１層設けた例であるが、これに限定されるものではない。たとえば配向角度θ１が互いに異なる複数のプラス方向配向層２１からなるプラス方向配向ユニットと、配向角度θ２が互いに異なる複数のマイナス方向配向層２２からなるマイナス方向配向ユニットとを交互に積層してもよい。

さらに、図２に示す例では単位ユニット２０Ａからなる積層構造２０のみでＦＲＰばね１を構成したが、積層構造２０をＦＲＰばね１の厚さ方向の一部を占めるように構成してもよい。たとえば繊維が所定方向に配向しているＵＤ繊維層や、繊維が所定角度で交差して配置されているクロス繊維層等を積層構造２０の上面や下面に配置してもよい。以上のような変形例は、要求される特性に応じて適宜組み合わせてもよいのは言うまでもない。

積層構造２０の各層２１，２２としては、所定角度に配向した繊維に樹脂を含浸させたプリプレグを用いることができる。樹脂は、熱硬化性および熱可塑性のいずれでもよい。また、積層構造２０の各層は、フィラメントワインディング法により形成してもよい。この場合、成形型（マンドレル）に対する繊維の巻き方向を調整することにより、所定角度に配向したＵＤ繊維が得られる。積層構造２０の各層２１，２２を構成する繊維としては、たとえば炭素繊維や、ガラス繊維、アラミド繊維（ケブラー繊維）、ボロン繊維等の強化繊維を用いることができる。炭素繊維としては、たとえばＰＡＮ系とピッチ系のいずれも用いることができる。

本実施形態では、たとえば大きな片振りの曲げ荷重を加えたときに、積層構造２０のプラス方向配向層２１およびマイナス方向配向層２２のそれぞれに脆性破壊が生じる場合がある。ここで積層構造２０では、プラス方向配向層２１の配向方向は長手方向Ｌに対してプラス方向であり、マイナス方向配向層２２の配向方向は長手方向Ｌに対してマイナス方向であるから、隣接するプラス方向配向層２１およびマイナス方向配向層２２の配向方向Ｓ１，Ｓ２は交差している。

したがって、単位ユニット２０Ａのプラス方向配向層２１およびマイナス方向配向層２２の配向角度θ１，θ２の絶対値を適宜設定することにより、プラス方向配向層２１およびマイナス方向配向層２２の繊維は破壊時に絡み合うことができる。これにより、ＦＲＰ板ばね１に片振りの曲げ荷重を加えた場合、ばね全体の破壊様相は、脆性的ではなく、疑似延性となる。よって、ばね全体は、徐々に破壊することができる。また、配向角度θ１，θ２の絶対値を適宜設定することにより、ばねとして使用できる弾性率および強度を得ることができるとともに、各層２１，２２では繊維間の樹脂での断裂を防止することができる。以上のことから、別部材を用いることなく破壊時の破片の飛散を防止することができる。また、破壊時の荷重変化を小さくすることができるから、乗心地が悪くなる虞がない。このような効果は、ばね単体で得ることができるから、ＦＲＰばね１のように板ばねに適用することが可能となる。

特に、配向角度θ１，θ２の絶対値を２０度以上に設定しているから、プラス方向配向層２１およびマイナス方向配向層２２の繊維は、破壊時に十分に絡み合うことができる。一方、配向角度θ１，θ２の絶対値を大きくするに従い、各層２１，２２の強度が低くなるが、配向角度θ１，θ２の絶対値を３０度以下に設定しているから、ばねとして使用できる弾性率および強度を十分に得ることができるとともに、各層では繊維間の樹脂での断裂を効果的に防止することができる。また、プラス方向配向層２１とマイナス方向配向層２２が交互に積層されているから、積層構造２０の全ての層２１，２２が破壊時に十分に絡み合うことができる。

以下、具体的な実施例を参照して本発明の実施形態をさらに詳細に説明する。実施例では、実施形態のプラス方向配向層およびマイナス方向配向層の配向角度を変更して作製した複数のＦＲＰ板ばねを用い、３点曲げ試験を行った。

プラス方向配向層（配向角度０度）およびマイナス方向配向層（配向角度０度）からなる単位ユニットが複数積層されたＦＲＰ板ばねを比較試料１１（配向角度の絶対値０度）とし、プラス方向配向層（配向角度５度）およびマイナス方向配向層（配向角度−５度）からなる単位ユニットが複数積層されたＦＲＰ板ばねを試料１１（配向角度の絶対値５度）とし、プラス方向配向層（配向角度１３度）およびマイナス方向配向層（配向角度−１３度）からなる単位ユニットが複数積層されたＦＲＰ板ばねを試料１２（配向角度の絶対値１３度）とした。プラス方向配向層（配向角度２０度）およびマイナス方向配向層（配向角度−２０度）からなる単位ユニットが複数積層されたＦＲＰ板ばねを試料１３（配向角度の絶対値２０度）とし、プラス方向配向層（配向角度３０度）およびマイナス方向配向層（配向角度−３０度）からなる単位ユニットが複数積層されたＦＲＰ板ばねを試料１４（配向角度の絶対値３０度）とした。

全ての試料では、単位ユニットの積層数を同数に設定し、交差角度が４５度であるクロス繊維を積層構造の上面および下面に設け、全ての試料について５枚の板ばねを作製した。表１は、３点曲げ試験の実験の試料条件および結果を示している。図３は、３点曲げ試験の実験結果を表し、荷重と変位との関係を表すグラフである。図４は、３点曲げ試験の実験で得られた配向角度と破壊荷重値との関係を表すグラフである。図５は、３点曲げ試験のシミュレーションで得られた配向角度と破壊荷重値との関係を表すグラフである。表１および図３，４に示すデータとしては、各試料について５枚の板ばねのデータの平均値を用いた。図５に示すシミュレーション結果は、プラス方向配向層およびマイナス方向配向層の配向角度の絶対値を０度、１３度、１５度、３０度、４５度、６０度、７５度、９０度に設定して得られたものである。表１および図３〜５では、配向角度の絶対値を示している。

図３から判るように、配向角度の絶対値を大きくするに従い、発生荷重が小さくなり、図４，５から判るように、配向角度の絶対値を大きくするに従い、破壊荷重が小さくなることを確認した。また、表１から判るように、配向角度の絶対値を大きくするに従い、曲げ弾性率が小さくなることを確認した。たとえば板ばねとして使用可能な弾性率および強度を得るには、配向角度の絶対値を３０度以下に設定することが好適であることを確認した。なお、図４に示す実験結果と図５に示すシミュレーション結果では、荷重値の大きさが異なるが、これは、実験で用いた板ばねの寸法とシミュレーションで用いた板ばねの寸法が異なるためである。図４に示す実験結果と図５に示すシミュレーション結果では、荷重変化が上記のように同様な傾向を示し、単位面積当たりの力である応力は略同等であることを確認した。

３点曲げ試験における各試料の５本の板ばねの破壊状態について表１から判るように、配向角度の絶対値を０度超に設定すると、疑似延性を示す板ばねを形成することができ、配向角度の絶対値を大きくするに従い、疑似延性を示す確率が大きくなることを確認した。特に、配向角度の絶対値を２０度以上に設定すると、疑似延性を示す確率が８０％以上となって顕著に大きくなった。

以上のことから、隣接するプラス方向配向層とマイナス方向配向層を有する積層構造では、ばねとして使用可能な弾性率および強度を得ることができるのはもちろんのこと、ばね全体として疑似延性を示すことができることが判った。特に、ＦＲＰばねとして板ばねを用いて上記効果を効果的に得るためには、配向角度の絶対値を２０〜３０度の範囲内に設定することが好適であることが判った。また、プラス方向配向層とマイナス方向配向層とを交互に積層することが好適であることが判った。

１…ＦＲＰばね（繊維強化プラスチック製ばね）、２０…積層構造、２０Ａ…単位ユニット、２１…プラス方向配向層、２２…マイナス方向配向層、θ１，θ２…配向角度、Ｓ１，Ｓ２…配向方向

Claims

プラス方向配向層を少なくとも１層有するプラス方向配向ユニットと、マイナス方向配向層を少なくとも１層有するマイナス方向配向ユニットとが交互に積層された積層構造を備え、
前記プラス方向配向層では、長手方向に対してプラス方向の配向角度で繊維が配向し、
前記マイナス方向配向層では、前記長手方向に対してマイナス方向の配向角度で繊維が配向していることを特徴とする繊維強化プラスチック製ばね。
前記プラス方向配向層および前記マイナス方向配向層の配向角度の絶対値は、２０〜３０度の範囲内に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の繊維強化プラスチック製ばね。
前記プラス方向配向ユニットは前記プラス方向配向層を１層有し、前記マイナス方向配向ユニットは前記マイナス方向配向層を１層有し、前記プラス方向配向層と前記マイナス方向配向層とが交互に積層されていることを特徴とする請求項１または２に記載の繊維強化プラスチック製ばね。