JP2016519745A - ハイブリッド型ばね装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来から知られているばね装置と比較して、軽く、高性能のハイブリッド型ばね装置を提供すること。【解決手段】本発明は、外側管状シェルと、この外側管状シェルで囲まれ繊維強化プラスチック材料からなる内側部分とを備えるハイブリッド型ばね装置に関する。本発明によれば、外側管状シェルは、自己支持部品として設計され、金属材料から作られる。本発明はさらに、この種のハイブリッド型ばね装置を製造する方法を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、外側管状シェル（外殻）と、この外側管状シェルで囲まれ、特に自動車用途で有用である繊維強化プラスチック材料からなる内側部分とを備えるハイブリッド型ばね装置に関する。また、本発明は、この種のハイブリッド型ばね装置を製造する方法に関する。

軸ばね（ａｘｌｅ ｓｐｒｉｎｇ）やトーションバーのような自動車用途のばね装置は、未知の化学的、物理的な影響にさらされる環境であっても、規定の変形特性を示さなければならない。

現在用いられているばね装置は主に金属材料から作られている。特に腐食に対する特性を向上させるために、ばね装置は、熱処理を含む様々な処理が施される。エポキシ樹脂を用いた表面コーティングも同様に一般的である。このような処理は腐食に対して金属製ばね装置を保護する場合には効果的であるが、その変形特性は金属材料の特性によって専ら支配され、そのためばね特性の最適化を制限する。

一方、従来技術には、繊維強化プラスチック材料から作られた自動車用途のばね装置を教示するものがある。

例えば、国際公開第２０１２/０３５２３９号は、繊維と樹脂とを含む複合材料から作られた自動車用の懸架ばねを開示しており、その複合材料はばねの外層を形成している。また、炭素繊維の使用が記載されている。

仏国特許発明第２８３７２５０号明細書は、軸ばねとして用いられ得るコイルばねを開示している。この螺旋状にまかれたばねは、コア部分と、外層とを有し、その両者とも繊維強化複合材料から作られている。コア部分は、その軸線に沿って一方向に延びる細長い繊維を含む第１のワイヤである。外層も、その軸線に沿って一方向に延びる細長い繊維を含む第２のワイヤないしは帯状体から作られている。外層を形成するために、第２のワイヤないしは帯状体は、第１のワイヤの軸線に対してある角度で第１のワイヤに巻き付けられる。

国際公開第２００２/０９９３０７号は、長手方向軸線を有する繊維強化コアを備えたコイルばねワイヤからなる繊維強化複合ばねを開示しており、前記コアは、その長手方向軸線を中心にして撚り合わされる芯強化用のトウ（ｆｉｂｒｅ ｔｏｗｓ）から構成されている。繊維強化コアを囲む外層は、トウを有していない樹脂を含んでいる。

本発明の目的の一つは、特に自動車用途に適したハイブリッド型ばね装置を提供することにある。この目的は、請求項１にて規定されたハイブリッド型ばね装置によって達成される。本発明によるハイブリッド型ばね装置は、外側管状シェルが自己支持型（ｓｅｌｆ−ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ）でありかつ金属材料または他の適切な材料から作られるという特徴がある。

本発明によるハイブリッド型ばね装置（ばね装置）は、概して述べるならば、外側管状シェルと、繊維強化プラスチック材料から作られたコアとを備える。管状シェルは、金属、又は繊維強化プラスチック材料（母材材料に埋設されこの母材材料により支持された繊維からなるもの）から作られるコアを保護するために適した任意の他の材料から作られるのが好適である。繊維強化プラスチック材料から作られるコアは、少なくとも一層の繊維強化プラスチック材料から構成されてもよい。少なくとも一層の繊維強化プラスチック材料は、複数の強化用繊維の１つ又は複数の束（ロービング）を備えてもよい。代替的に又は追加的に、繊維強化プラスチック材料から作られたコアは、織られた繊維又は編まれた繊維の少なくとも一層から構成されてもよい。少なくとも一層は編上げホースとして配置された強化用繊維を備えるものとしてもよい。適切な場合には、それ自体が中空、すなわち管状であってもよい。通常、繊維強化プラスチック材料から作られたコア及び外側管状シェルは相互に結合される。外側管状シェルと繊維強化プラスチック材料とが互いに接合された場合には、良好な結果が得られる。接合を向上させるために、外側管状シェルの内面はコーティング材料により被覆されてもよい。

通常、外側管状シェルは自己支持型である。外側管状シェルが自己支持型であることは、かかるシェルが規定の形状を有し、内側部分と結合される前に独立の部品としてこの形状で取り扱うことができることを意味している。

必要とされる場合には、外側管状シェルは、１つの部分から構成されてもよく、又は例えばばねの長手軸線に対して長手方向及び／又は横方向において組み合わされた複数の部分から構成されてもよい。この組合せは、繊維強化プラスチック材料が挿入される前でも後でも行われ得る。

適用分野に応じて、内側部分と金属製の外側管状シェルの直径及び／又は肉厚は、所定の制限内で選ばれ得る。２つの部分の特定材料と協働して、本発明の装置のばね定数のような弾性特性や機械的強度は所要の用途における特定の条件の観点で細かく調整できる。外側管状シェルは環境の影響から繊維強化プラスチック材料を保護することができる。従来から知られている製品と比較して、重量の低減を図ることができる。総じていうならば、本発明によって作られた装置は性能を向上させることができる。

本発明によるハイブリッド型ばね装置は、さらに、以下によって特徴付けられる。本発明の装置は、圧縮ばね及び／又はトーションばね及び／又は引張りばね及び／又は板ばねとして設計されてもよく、圧縮ばね及び／又はトーションばね及び／又は引張りばね及び／又は板ばねに形成されるようにしてもよい。特に自動車のシャシー用のトーションロッドとして使用するために、その長手方向に延びる部分の主要部は直線状としてもよい。また、特に自動車のシャシー用の軸ばねとして使用するために、その長手方向に延びる部分の主要部はコイルばねの形状に形成されてもよい。他の用途も可能である。外側管状シェルの金属材料は例えばばね鋼、アルミニウム又はチタニウムとすることができる。

繊維強化プラスチック材料の繊維は、ガラス繊維、炭素繊維、玄武岩繊維及び／又はアラミド繊維からなる群より選択されてもよい。また、繊維強化プラスチック材料の繊維は、一方向の少なくとも一層で及び／又は織布の形態で配置された連続的な繊維を備えてもよい。

織布の様々な繊維は、互いに対してある角度で配向されることができる。ねじり負荷に対しては、繊維の大部分は＋／−４５°の角度で配置されることが好ましい。適用分野に応じて、その角度は変えることができる。繊維強化プラスチック材料の角度、層の構成、組合せ及び厚さは装置の長さに沿って変えることができる。繊維強化プラスチック材料の母材は、特にエポキシ樹脂及び／又はポリウレタン樹脂からなる群より選択された熱硬化性材料であってもよい。代替的に又は追加的に、母材材料は、ＵＶ硬化性材料及び／又は熱可塑性材料であってもよい。必要とされる場合には、外側管状シェルの外面は耐食性材料によって被覆されてもよい。

本発明の他の目的は、本発明によるハイブリッド型ばね装置を効果的に製造するための方法を提供することにある。本発明による方法の一つは、概して述べると、次のステップを含む。自己支持型であり第１の形状を有する管状金属シェルを用意するステップ。管状金属シェル内に嵌合される形状を有する繊維の集合体を用意するステップ。管状金属シェル内に繊維の集合体を挿入するステップ。管状金属シェルを第２の形状に形成するステップ。管状金属シェルの内側にある繊維の集合体における繊維をプラスチック母材材料に固定するステップ。

繊維強化内側部分が外側管状シェルの内側に固定されるという点において、外側管状シェルし内側部分を形成するためのツールとして機能する。特別な形成用ツールは必要とされない。

本発明によるハイブリッド型ばね装置を効果的に製造する方法は、さらに、繊維集合体のステップが、硬化されていない熱硬化性母材材料が前もって含浸された繊維を含むことを特徴としている。熱硬化性母材材料は、熱及び／又は光及び／又は圧力の適用によって硬化されてもよい。例えば、電流又は誘導場を適用することにより外側シェルの制御された加熱を生じさせ、母材材料の硬化を支持するよう、ある電気抵抗及び／又は誘導抵抗を含む外側シェル用の金属材料を用いることによって、熱を適用することができる。

適切な場合には、繊維集合体は乾燥繊維からなるものとしてもよい。その場合、硬化されていない熱硬化性又は光硬化性（例えばＵＶ硬化性）の母材材料が液状で、管状金属シェル内に強化用繊維の周りに注入される。

繊維集合体は、管状金属シェル内に予備成形体（ｐｒｅ−ｆｏｒｍ）を挿入するため引入れ補助を用いることによって、管状外側シェル内に挿入されてもよい。管状金属シェルは、コイルばねの形状へと内側に金属ロッドを有する最終形態に形成され、その管状金属シェルから金属ロッドがねじられて取り出されるとよい。

本発明によれば、繊維は、第１のステップで、可撓性ホース状又はバルーン状の構造体に、例えば一時的又は永久的に固定されることによって配置されてもよい。これらの繊維は、ホース状又はバルーン状の構造体の長さ全体にわたり、様々な層の量及び／又は向き及び／又は厚さ及び／又は密度を有してもよい。次いで、繊維は、管状シェル内に、ある位置に達するまで挿入される。次いで、ホース状又はバルーン状の構造体と外側シェルとの間の空間は、例えば圧力の適用及び／又は押圧によって、母材材料で充填されてもよい。必要とされる場合には、プラスチック材料が導入されている間及び／又はその後に繊維の内側に対してある圧力を及ぼすために、流体がホース状又はバルーン状の構造体内に導入されてもよい。本発明によれば、圧力及び押圧は、前記行程中において変化させてもよい。

なお、本明細書で説明する発明は、以下の詳細な説明及び添付の図面からより完全に理解されるであろうが、それらは特許請求の範囲に開示される本発明を制限するものと解すべきではない。

コイル状軸ばねの形態の本発明によるハイブリッド型ばね装置を示す斜視図である。 図１のＡ部詳細図である。 トーションロッドの形態の本発明による他のハイブリッド型ばね装置を示す図である。 図３のＢ部詳細図である。 第１の実施形態による図１又は図２のハイブリッド型ばね装置の断面を概略的に示す図である。 第２の実施形態による図１又は図２のハイブリッド型ばね装置の断面を概略的に示す図である。

ハイブリッド型ばね装置が図１に示されている。図１において、ハイブリッド型ばね装置１は螺旋状の圧縮コイルばねの形状で形成されているが、これは自動車用の軸ばねとして一般的である。図２は図１のＡ部を拡大した態様で示す詳細図である。

図３において、ハイブリッド型ばね装置１は、自動車のトーションばね車軸のトーションロッド（スタビライザ）の形状となっている。図示の例において分かるように、その長手方向に延びる部分の主要部は直線状であるとよい。図４は図３のＢ部を拡大した態様で示す詳細図である。

２つの図示形状は例示に過ぎず、すなわち色々な他の形状とすることも可能である。例えば、図１の軸ばねは、様々な直径の複数の巻回部（ｗｉｎｄｉｎｇ）を有する非円筒形状とされてもよい。同様に、巻回部のピッチが色々なものであってもよい。

図３によるトーションロッド１に関しては、その形状は、それが用いられる自動車のシャシーの特定の構成に通常依存する。外側管状シェルの断面は円形である必要はなく、例えば特にその両端の近傍では楕円形であってもよい。

図２は図１のＡ部を拡大した態様で示す詳細図である。図から分かるように、ここでは螺旋状のハイブリッド型ばね装置１の端部は外側管状シェル２を有している。同様な状況は図３のＢ部詳細を示す図４において見られる。また、ここでは、ハイブリッド型ばね装置１は、外側管状シェル２と、その内側における繊維強化プラスチックから少なくとも部分的に作られた内側部分３とを備えている。必要とされる場合には、内側には適当な封止材料が充填されてもよい。

図５には、図１又は図３に示されるようなハイブリッド型ばね装置１の例示的断面が示されている。ハイブリッド型ばね装置１の断面は、外側管状シェル２を有する複数の層からなり、図示実施形態では外側管状シェル２は金属材料から作られている。管状シェル２は好ましくは自己支持型であり、これは、個別の部品として扱われる際にも規定の形状を有しかつその形状で取り扱われ得ることを意味する。内側部分３は、繊維強化プラスチック材料から作られ、外側管状シェル２で囲まれている。繊維の１つは符号３．１により示され、プラスチック材料は符号３．２により示されている。プラスチック材料３．２は、繊維３．１が埋設される母材を形成する。図５の実施形態においては、内側部分３も管状であり、その中心部に空洞部４を残している。この部分の形成時に、外側管状シェル２に繊維を押し付けるために空洞部４を用いることができる。例えば、繊維からなる１つ又は複数の層が可撓性ホース（詳細には図示せず）上に配置され、必要ならば一時的に固定される。次いで、繊維３．１が前記ホースを用いて外側管状シェル２内に、外側管状シェル２の内側のある位置に達するまで導入される。繊維は、それぞれ、外側管状シェルの長さ全体にわたる取付位置において、ホースの長さ全体にわたって色々な層の量及び／又は向き及び／又は厚さ及び／又は密度を有することができる。

繊維が乾燥状態で、すなわち母材材料がない状態で適用される場合には、プラスチック材料３．２は、圧力の適用及び／又は押圧によってホースと外側管状シェル２との間に導入される。必要ならば、プラスチック材料が導入されている間及び／又はその後、繊維の内側にある圧力を及ぼすために流体がホース内に導入されることもできる。適切な場合には、圧力及び／又は押圧が前記工程中に変えられる。

図６は、第２の実施形態による図１又は図３のハイブリッド型ばね装置の断面を示しており、内側部分５は中実である。強化用繊維５．１は管状部分を形成する外側区域に存在するだけであり、一方、プラスチック材料５．２は外側管状シェル２の内側の空間を完全に満たしている。しかしながら、いくつかの実施形態においては、管状部分を形成する代わりに、強化用繊維５．１は中心内側部分にあるようにしてもよい。

図６の実施形態においては、外側管状シェル２の外面に、例えば耐食性コーティングの形態で、付加的な第１の層６が設けられている。また、外側管状シェル２の内面に第２の層７が設けられており、これも例えばコーティングとすることができる。このような層７によって、プラスチック母材５．２と外側管状シェル２の内面との間の接合又はより強い接合は、外側管状シェル２に対して内側部分５を回転方向において固定することができる。

図５の実施形態においても同様に、第１及び／又は第２の層６，７又は同様な層が設けられてもよい。また、図５において、空洞部４は母材形成用の材料３．２と同じ又は別の材料で充填されてもよい。

図５又は図６に示される断面、又は他の適当な断面は必ずしも、本明細書で説明する装置の長手方向に延びている部分全体にわたり広がっている必要はない。特に、その両端の近傍では、どのような場合でも繊維が特別な補強のためには必要はない。また、プラスチックの母材材料の代わりに、外側管状シェルは低融点合金のような他の材料でその領域を満たしてもよい。

本発明によるハイブリッド型ばね装置は、適用分野に応じて、５ｍｍ〜１００ｍｍの範囲内の外径を有することができるのが一般的である。

本明細書で使用した語は、限定という意味ではなく、説明のための語であり、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく種々の変形がなされ得ることを理解されたい。

１…ハイブリッド型ばね装置、２…外側管状シェル、３…内側部分、３．１…強化用繊維、３．２…母材形成用のプラスチック材料、４…空洞部、５…内側部分、５．１…強化用繊維、５．２…母材形成用のプラスチック材料、６…第１の層（コーティング層）、７…第２の層（接合層）。

Claims (17)

1. ａ．外側管状シェルと、
   ｂ．前記外側管状シェル内に収容され、繊維強化プラスチック材料を含む内側部分と、
   を備え、
   ｃ．前記外側管状シェルが自己支持型であり、金属材料から作られている、ハイブリッド型ばね装置。
2. 当該ハイブリッド型ばね装置が、トーションばね及び／又は圧縮ばね及び／又は引張りばねであることを特徴とする、請求項１に記載のハイブリッド型ばね装置。
3. 長手方向に延びる部分の主要部が直線状であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のハイブリッド型ばね装置。
4. 長手方向に延びる部分の主要部がコイルばねの形状をとっていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のハイブリッド型ばね装置。
5. 前記外側管状シェルの前記金属材料がばね鋼、アルミニウム又はチタニウムであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のハイブリッド型ばね装置。
6. 前記繊維強化プラスチック材料の繊維が、ガラス繊維及び／又は炭素繊維及び／又は玄武岩繊維及び／又はアラミド繊維からなる群より選択されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のハイブリッド型ばね装置。
7. 前記繊維強化プラスチック材料の繊維が、ロービング及び／又は織布及び／又は網布の形態で配置された連続的な繊維を含むことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載のハイブリッド型ばね装置。
8. 前記織布の種々の繊維が互いに対してある角度で配向され、前記角度が＋４５％〜−４５％の範囲内にあることを特徴とする、請求項７に記載のハイブリッド型ばね装置。
9. 前記繊維強化プラスチック材料のプラスチック材料が熱硬化性材料、特にエポキシ樹脂及び／又はポリウレタン樹脂及び／又はＵＶ硬化性材料からなる群より選択された熱硬化性材料、又は熱可塑性材料であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載のハイブリッド型ばね装置。
10. 前記外側管状シェルの外面が耐食性材料によって被覆されていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載のハイブリッド型ばね装置。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載のハイブリッド型ばね装置を製造する方法において、
    ａ．自己支持型であり第１の形状を有する管状金属シェルを用意するステップと、
    ｂ．前記管状金属シェル内に嵌合される形状を有する繊維の予備成形体を用意するステップと、
    ｃ．前記管状金属シェル内に前記予備成形体を挿入するステップと、
    ｄ．前記管状金属シェルを第２の形状に形成するステップと、
    ｅ．前記管状金属シェルの内側にある前記予備成形体の繊維をプラスチック母材材料に固定するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
12. ａ．請求項１１における前記ステップｂは、硬化していない熱硬化性母材材料又はＵＶ硬化性母材材料が含浸された繊維を有する予備成形体を用意することを含み、
    ｂ．前記ステップｅは、熱と、圧力及び／又は光との適用によって熱硬化性母材材料を硬化させることを含むことを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
13. 請求項１１における前記ステップｃは、
    ａ．前記ステップｄの前に、又は
    ｂ．前記ステップｄの後に
    実行されることを特徴とする、請求項１１又は１２に記載の方法。
14. ａ．請求項１１における前記ステップｂは、乾燥繊維を有する予備成形体を用意することを含み、
    ｂ．請求項１１における前記ステップｅは、
    ｉ．液状の又はペースト状の硬化していない熱硬化性母材材料を前記管状金属シェル内に注入するステップと、
    ii．熱と、圧力及び／又は光との適用によって熱硬化性母材材料を硬化させるステップと、
    を含むことを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
15. 請求項１１における前記ステップｃは、
    ａ．請求項１１における前記ステップｄの前に、
    ｂ．請求項１１における前記ステップｄの後であって、請求項１４における前記ステップｂのうちの前記ステップｉの前に、又は
    ｃ．請求項１４における前記ステップｂのうちの前記ステップiiの後に
    実行されることを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
16. 前記ステップｃは、前記予備成形体を前記管状金属シェル内に挿入するための引入れ補助を用いることを特徴とする、請求項１１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 前記ステップｄは、
    ａ．金属ロッドを前記管状金属シェル内に挿入するステップと、
    ｂ．次に、内側に前記金属ロッドを有する前記管状金属シェルをコイルばねの形状に形成するステップと、
    ｃ．次に、前記管状金属シェルから前記金属ロッドをねじりながら取り出すステップと、
    を含むことを特徴とする、請求項１１に記載の方法。

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