JP2015526661A5 - - Google Patents

Description

複合コイルばね

（関連出願）
本願は、２０１２年７月１８日出願の米国出願第１３／５５１，９７７号の優先権を主張する。

本開示は、車両サスペンションシステムにおいて使用される複合コイルばねに関する。

コイルばねは、車両サスペンションシステムのような様々な異なるアプリケーションにおいて知られかつ使用される。典型的なコイルばねは、かかるアプリケーションにとって必要とされる所望の機械的特性及び耐久性を与えるべく鋼材から作られる。代替として、複合コイルばねは、軽量化を理由に鋼コイルばねの代わりに所望される。しかしながら、複合コイルばねは、いくつかのアプリケーションにおいて知られかつ使用されるにもかかわらず、所与のアプリケーションに所望される機械的特性を備えた複合コイルばねを設計した上で当該複合コイルばねを経済的に作ることは難しい場合が多い。

複合コイルばねは、コイル状の軸線に沿って延びるコイル本体を含む。コイル本体は、コアと、ポリマー材料が含浸された複数の繊維層とを含む。複数の繊維層は、コアまわりに、コイル状の軸線から異なる径方向距離で配列される。複数の繊維層はそれぞれ、コイル状の軸線まわりに、当該コイル状の軸線に対して斜めの繊維角度で延びる。複数の繊維層はそれぞれ、共通基本数の繊維を一組の正の非ゼロ整数からの正の非ゼロ整数によって乗じた積となる一定数の繊維を含む。複数の繊維層の少なくとも一つに係る正の非ゼロ整数は、当該複数の繊維層の他の少なくとも一つに係る正の非ゼロ整数とは異なる。

他の側面において、複合コイルばねは、コイル状の軸線に沿って延びるコイル本体を含む。コイル本体は、繊維状コアと、ポリマー材料が含浸された複数の繊維層とを含む。複数の繊維層は、繊維状コアまわりに、コイル状の軸線から異なる径方向距離で配列される。複数の繊維層はそれぞれ、コイル状の軸線まわりに、当該コイル状の軸線に対して斜めの角度で延びる。複数の繊維層のそれぞれと繊維状コアとは、共通基本数の繊維を、一組の正の非ゼロ整数からの正の非ゼロ整数によって乗じた積となる一定数の繊維を含む。複数の繊維層の少なくとも一つに係る正の非ゼロ整数は、繊維状コアに係る正の非ゼロ整数とは異なる。

さらなる側面において、複合コイルばねを作る方法は、上述のコイル本体を形成することを含む。

本開示の様々な特徴及び利点が、以下の詳細な説明から当業者にとって明らかとなる。詳細な説明に付随する図面は、以下のように簡単に説明できる。

複合コイルばねを示す。 図１のコイルばねの、コイル状の軸線に対して垂直に切り取られたコイルばねの断面を示す。 図１の複合コイルばねの繊維層の一部を示す。 図１の複合コイルばねの繊維層の交互する繊維配向を示す。 複合ばねコイルのため繊維状コアの一例を示す。 複合ばねコイルのための中実コアの一例を示す。 複合ばねコイルのための中空管コアの一例を示す。 複合ばねコイルのための充填管コアの一例を示す。

図１は、例えば車両のサスペンションシステムにおいて使用される複合コイルばね２０の一例を示す。しかしながら、複合コイルばね２０が、かかる使用に限定されないことを理解すべきである。複合コイルばね２０は、らせん状であり、又は代替的に異なるコイル形状を有する。本開示において、「コイル」又はその変化形は、図１の軸Ａのように固定された直線軸まわりに連続的に曲がる本体を意味する。わかることだが、複合コイルばね２０は、強靱かつ軽量なので、車両又は他のアプリケーションにおいて、金属製コイルばねの代わりとして軽量化をもたらす。これは燃費を改善し得る。

複合コイルばね２０は、終端２６／２８同士の間でコイル状の軸線２４に沿って延びるコイル本体２２を含む。図２に示されるコイル本体２２の断面図及び図３に示される複合コイルばね２０の一部も参照すると、コイル本体２２は、ポリマー材料３０と、ポリマー材料３０が含浸された複数の繊維層３２とを含む。例えば、ポリマー材料３０はエポキシ又はポリエステルとすることができる。代替的に、ポリマー材料は、エポキシ又はポリエステルとは異なる有機ポリマーの組成物とすることもできる。「層」は、層周囲全体にわたり均一な径方向厚さを有する。

各繊維層３２は、コイル状の軸線２４に対して斜めの繊維角度α（アルファ）で配列された複数の繊維３４を含む。例えば、繊維３４は、金属繊維、セラミック繊維、有機繊維又はこれらの組み合わせであり、又はこれらを含む。さらなる例では、繊維３４は、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維又はこれらの組み合わせである。説明を目的として、複数の繊維層３２の繊維３４は図２に示されない。

各繊維層３２の繊維３４は、コイル状の軸線２４まわりに、選択された斜めの繊維角度αで延びる。一例では、コイル本体２２に高強度を与えるべく、斜めの繊維角度αは±２０〜５４°とされる。複数の繊維層３２は、繊維層３２のいずれか一つの斜めの繊維角度αが、コイル状の軸線２４に沿った各位置において、繊維層３２の直接隣接する一つ又は２つのものに対しても斜めとなるように繊維配向が交互し得る（図４）。

複数の繊維層３２は、３６で示されるように、コイル状の軸線２４から異なる径方向距離で配列される。本開示において、径方向距離３６は、コイル状の軸線２４と、複数の繊維層３２の径方向内面との距離である。

図２に示されるように、複数の繊維層３２は繊維層３２ａ〜ｆを含む。繊維層３２ａは、コイル状の軸線２４からの径方向距離の点で最内層であり、繊維層３２ｆは、コイル状の軸線２４からの径方向距離の点で最外層である。本開示で使用されるように、用語「最内」及び「最外」はそれぞれ、最内繊維層３２ａ及び最外繊維層３２ｆの、径方向内側又は径方向外側に他の繊維層が存在しないことを意味する。

本例では、複数の繊維層３２はコア３８まわりに巻き付けられる。コア３８は、ポリマー３０が含浸された繊維状コア１３８とすることができる（図５）。繊維状コア１３８の繊維３４は、コイル状の軸線２４に対し、±２０°以内で実質的に平行に延びることができる。他の代替例では、コア３８は、ポリマー又は金属製の中実の非繊維状コア２３８とすることができる（図６）。他の代替例では、コア３８は、中空管３３８（図７）、又はフィラー材料４５２を含む内部キャビティ４５０を有する管４３８（図８）とすることができる。２つの異なるポリマー組成、金属組成又は組み合わせのように、フィラー材料４５２を、管４４８の材料とは異なる組成とすることができる。コア３８の材料及び直径は、コア３８が、所望のコイル形状の形成を許容するべく可撓性となるように選択することができる。上記例のいずれにおいても、コア３８は、温度しきい値に対する温度変化に応答して形状を変えてコイル形状の形成を補助する形状記憶材料であり、又はこれを含む。

各繊維層３２と、随意的に繊維状コア１３８とは、共通基本数の繊維を一組の正の非ゼロ整数から選択された正の非ゼロ整数によって乗じた積となる一定数の繊維３４を含む。共通基本数とは、各繊維層３２と繊維状コア１３８とに対して等しい予め定められた数である。複数の繊維層３２の少なくとも一つに係る正の非ゼロ整数は、繊維状コア３８に係る正の非ゼロ整数とは異なり、複数の繊維層３２の他の少なくとも一つとも異なり得る。共通基本数の繊維を一組の正の非ゼロ整数から選択された正の非ゼロ整数によって乗じた積となる数の繊維３４を使用することにより、製造が容易となり、所望の強度分布特性を与えることにもなる。

さらなる例では、繊維状コア１３８と最外繊維層３２ｆ（多重第２繊維層）とは等しい正の非ゼロ整数を有する。複数の繊維層３２ａ〜ｅは、繊維状コア１３８と最外繊維層３２ｆとの間に径方向に配列された中間層（多重第１繊維層）である。本例では、中間繊維層３２ａ〜ｅは、等しい正の非ゼロ整数を有し、これらの整数は、繊維状コア１３８及び最外繊維層３２ｆの整数とは等しくない。すなわち、複数の繊維層３２の少なくとも２つは異なる正の非ゼロ整数を有し、複数の繊維層３２の少なくとも一つは、繊維状コア１３８とは異なる正の非ゼロ整数を有する。本例では、中間繊維層３２ａ〜ｅの正の非ゼロ整数は、等しくなり得る繊維状コア１３８及び最外繊維層３２ｆの正の非ゼロ整数よりも小さい。

さらなる例では、中間繊維層３２ａ〜ｅはそれぞれ、一定数Ｎ１の繊維を有し、繊維状コア及び最外繊維層３２ｆはそれぞれ、当該一定数Ｎ１の繊維とは乗算因子を乗じただけ異なる一定数Ｎ２の繊維を有する。さらなる例では、正の乗算因子は２〜２０である。

さらなる例として、複数の繊維層３２のいずれか一つ及び繊維状コア１３８における繊維３４の数は、コイル本体２２の複数の繊維層３２及び繊維状コア１３８を作るべく使用される一以上の繊維粗糸における繊維３４の数に対応する。例えば、一つの繊維粗糸は２，０００の個別繊維を有し、共通基本数の繊維を有する１１の粗糸は、本例では２２，０００の繊維となる。すなわち、複数の繊維層３２のいずれか一つ及び繊維状コア１３８における繊維３４の実際数は、当該個別繊維層３２に対して選択された正の非ゼロ整数によって乗じた２２，０００繊維となる。例えば、当該一組の正の非ゼロ整数は１〜２０である。しかしながら、一粗糸当たりの繊維３４の数と、繊維の共通基本数を決定するべく使用される粗糸の数とは変動し得る。さらなる例では、一粗糸当たり２，０００又は４，０００いずれかの繊維とともに、４〜６０の粗糸を使用することができる。

さらに理解すべきことだが、複数の繊維層３２のいずれか一つ又は繊維状コア１３８における繊維３４は実際には、ある程度ばらつく。これは、少数の繊維３４が作製中に損傷し得るからであり、及び／又は粗糸が公称繊維数からばらつき得るからである。すなわち、複数の繊維層３２における繊維３４の数が同等の例において、又は複数の繊維層３２のいずれかにおける及び繊維状コア１３８における繊維３４の数が同等の例において、当該同等性は、繊維の公称数に基づき得る。同様に、複数の繊維層３２における繊維３４の数が異なり、又は複数の繊維層３２のいずれかにおける及び繊維状コア１３８における繊維３４の数が異なる場合、当該差異は、繊維の公称数に基づき得る。

繊維の共通基本数を確立する一粗糸当たり２，０００の繊維と１１の粗糸とが存在する上記例において、中間層３２ａ〜ｅの正の非ゼロ整数は１であり、繊維状コア１３８及び最外繊維層３２ｆそれぞれの正の非ゼロ整数は３である。すなわち、複数の繊維層３２の少なくとも２つに係る正の非ゼロ整数は、少なくとも２だけ異なり、正の非ゼロ整数の乗算因子は３となる。

複合コイルばね２０を作る方法は、上述のようなコイル本体２２を形成することを含む。例えば、所与の繊維層３２又は随意的な繊維状コア１３８に対し、当該繊維層３２又は繊維状コア１３８のために選択された正の非ゼロ整数に対応する糸巻き又は繊維粗糸の適切な数により、繊維３４に含浸させる案内デバイスとポリマー樹脂材料の貯槽とを通過する複数の繊維３４が得られる。含浸された繊維はその後、巻き付け機器を使用してコア３８まわりに巻き付けられる。このプロセスは、各繊維層３２に対し、所望数の繊維層３２が巻き付けられるまで繰り返される。

得られた樹脂含浸繊維構造物はその後、巻き付け機器から取り外される。当該構造物は、マンドレルのコイル溝の中に配列される。コイル溝は、複合コイルばね２０の所望の最終形状に対応する。マンドレル及び構造物がその後、炉内で加熱される。樹脂が硬化して、複合コイルばね２０の永久的な形状が形成される。加熱の温度及び時間は、選択されたポリマー材料のタイプによる。本記載が与えられた当業者であれば、特定の要件を満たす適切な加熱の温度及び時間を決定することができる。マンドレルはその後、機械的又は他の手段によって取り外され、完成した又はほぼ完成した複合コイルばね２０が残る。

複数の特徴の組み合わせが説明の例において示されるにもかかわらず、それらすべてを、本開示の様々な実施形態の利益を実現するべく組み合わせる必要があるわけではない。換言すれば、本開示の一実施形態によって設計されたシステムは必ずしも、図面のいずれか一つに示された特徴のすべて、又は図面に模式的に示された部分のすべてを含むわけではない。さらに、一例の実施形態の選択された特徴は、他例の実施形態の選択された特徴と組み合わせることができる。

上記説明は、本質的に限定的というよりはむしろ、例示的である。必ずしも本開示の要旨から逸脱するわけではない開示された例の変形及び修正が、当業者にとって明らかとなる。本開示に対して与えられる法的保護の範囲は、以下の特許請求の範囲を精査することによってのみ定めることができる。

Claims (25)

1. 複合コイルばねであって、
   コイル状の軸線に沿って延びるコイル本体を含み、
   前記コイル本体は、コアと、ポリマー材料が含浸された複数の繊維層とを含み、
   前記複数の繊維層は、前記コアまわりに、前記コイル状の軸線から異なる径方向距離で配列され、
   前記複数の繊維層はそれぞれ、前記コイル状の軸線まわりに、前記コイル状の軸線に対して斜めの繊維角度で延び、
   前記複数の繊維層はそれぞれ、共通基本数の繊維を一組の正の非ゼロ整数からの正の非ゼロ整数によって乗じた積となる一定数の繊維を含み、
   前記複数の繊維層の少なくとも一つに係る正の非ゼロ整数は、前記複数の繊維層の他の少なくとも一つに係る正の非ゼロ整数とは異なる複合コイルばね。
2. 前記一組の正の非ゼロ整数は１から２０である請求項１に記載の複合コイルばね。
3. 前記斜めの繊維角度は±２０〜５４°である請求項１に記載の複合コイルばね。
4. 前記コイル状の軸線に対する前記複数の繊維層の最内層及び前記複数の繊維層の最外層は、等しい正の非ゼロ整数を有する請求項１に記載の複合コイルばね。
5. 前記コアは繊維状コアであり、
   前記複数の繊維層の中間繊維層は等しい正の非ゼロ整数を有し、
   前記中間繊維層は、前記コイル状の軸線に対し、前記繊維状コアと、前記複数の繊維層の最外繊維層との間に配列される請求項１に記載の複合コイルばね。
6. 前記複数の繊維層の、異なる少なくとも２つに係る正の非ゼロ整数は、少なくとも１だけ異なる請求項１に記載の複合コイルばね。
7. 前記複数の繊維層それぞれの斜めの繊維角度はまた、前記複数の繊維層の直接隣接する少なくとも一つに対して斜めである請求項１に記載の複合コイルばね。
8. 前記ポリマー材料はエポキシを含む請求項１に記載の複合コイルばね。
9. 前記ポリマー材料はポリエステルを含む請求項１に記載の複合コイルばね。
10. 前記複数の繊維層は、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される請求項１に記載の複合コイルばね。
11. 前記複数の繊維層は、金属繊維、セラミック繊維、有機繊維、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される請求項１に記載の複合コイルばね。
12. 前記コアは繊維状コアであり、前記共通基本数の繊維を前記一組の正の非ゼロ整数からの前記正の非ゼロ整数によって乗じた積となる一定数の繊維を含み、
    前記複数の繊維層の少なくとも一つに係る正の非ゼロ整数は、前記繊維状コアに係る正の非ゼロ整数とは異なる請求項１に記載の複合コイルばね。
13. 前記コアは中実コアである請求項１に記載の複合コイルばね。
14. 前記中実コアはポリマー製である請求項１３に記載の複合コイルばね。
15. 前記中実コアは金属製である請求項１３に記載の複合コイルばね。
16. 前記コアは形状記憶材料を含む請求項１に記載の複合コイルばね。
17. 前記コアは中空管である請求項１に記載の複合コイルばね。
18. 前記コアは、内部キャビティを画定する管であり、
    前記内部キャビティはフィラー材料を中に含む請求項１に記載の複合コイルばね。
19. 複合コイルばねであって、
    コイル状の軸線に沿って延びるコイル本体を含み、
    前記コイル本体は、繊維状コアと、ポリマー材料が含浸された複数の繊維層とを含み、
    前記複数の繊維層は、前記繊維状コアまわりに、前記コイル状の軸線から異なる径方向距離で配列され、
    前記複数の繊維層はそれぞれ、前記コイル状の軸線まわりに、前記コイル状の軸線に対して斜めの繊維角度で延び、
    前記複数の繊維層のそれぞれ及び前記繊維状コアは、共通基本数の繊維を一組の正の非ゼロ整数からの正の非ゼロ整数によって乗じた積となる一定数の繊維を含み、
    前記複数の繊維層の少なくとも一つに係る正の非ゼロ整数は、前記繊維状コアに係る正の非ゼロ整数とは異なる複合コイルばね。
20. 前記複数の繊維層は、少なくとも一つの第１繊維層及び少なくとも一つの第２繊維層を含み、
    前記第１繊維層は一定数Ｎ１の繊維を有し、
    前記第２繊維層は、前記一定数Ｎ１の繊維とは異なる一定数Ｎ２の繊維を有する請求項１９に記載の複合コイルばね。
21. 前記一定数Ｎ２の繊維は、前記一定数Ｎ１の繊維とは、２から２０の正の乗算因子を乗じただけ異なる請求項２０に記載の複合コイルばね。
22. 前記コイル状の軸線に対し、前記第２繊維層は最外層であり、前記第１繊維層は、前記最外層と前記繊維状コアとの間に配列された中間繊維層である請求項２０に記載の複合コイルばね。
23. 前記複数の繊維層それぞれの斜めの繊維角度はまた、前記複数の繊維層の直接隣接する少なくとも一つに対して斜めである請求項１９に記載の複合コイルばね。
24. 前記斜めの繊維角度は±２０〜５４°である請求項１９に記載の複合コイルばね。
25. 複合コイルばねを作る方法であって、
    コアと、ポリマー材料が含浸された複数の繊維層とから、コイル状の軸線に沿ったコイル本体を形成することを含み、
    前記複数の繊維層は、前記コアまわりに、前記コイル状の軸線から異なる径方向距離で配列され、
    前記複数の繊維層はそれぞれ、前記コイル状の軸線まわりに、前記コイル状の軸線に対して斜めの繊維角度で延び、
    前記複数の繊維層はそれぞれ、共通基本数の繊維を一組の正の非ゼロ整数からの正の非ゼロ整数によって乗じた積となる一定数の繊維を含み、
    前記複数の繊維層の少なくとも一つに係る正の非ゼロ整数は、前記複数の繊維層の他の少なくとも一つに係る正の非ゼロ整数とは異なる方法。