JP2022554340A - 繊維強化プラスチック複合材料製の曲げばね要素 - Google Patents

Abstract

繊維強化プラスチック複合材料（４、２３）からなる曲げばね要素（１）であって、曲げばね要素（１）は、中央平面の、互いに反対の２つの側面（９、１０）に、繊維強化プラスチック複合材料（４）からなる機能層（２、３）をそれぞれ備え、曲げばね要素（１）は、少なくとも１つの長手部分（１４）で、両機能層（２、３）に対して平行に、長手方向（７）に延在する少なくとも１つのマトリックス材料導出層（１７）を有し、マトリックス材料導出層（１７）は、曲げばね要素（１）の長手方向（７）から逸れるように向けられた、少なくとも所定の割合の導出層繊維（１８）を有する。曲げばね要素（１）の少なくとも１つの湾曲部分（１３）内で、機能層（２、３）における曲げばね繊維（５）の第１の体積分率は、少なくとも１つの長手部分（１４）内の機能層（２、３）における曲げばね繊維（５）の第２の体積分率よりも低い、好適には数パーセント低い。

Description

本発明は、繊維強化プラスチック複合材料からなる曲げばね要素であって、曲げばね要素は、中央平面の、互いに反対の２つの側面に、繊維強化プラスチック複合材料からなる機能層をそれぞれ備え、曲げばね繊維が、それぞれの機能層内で、少なくとも束状に互いに対して平行に向けられていて、曲げばね要素の長手方向に沿って延び、曲げばね要素は、少なくとも１つの湾曲部分を有し、湾曲部分では、無負荷の曲げばね要素の、２つの機能層の間に延在する中央平面が、曲げばね要素の長手方向に９０°以上湾曲して延在し、曲げばね要素は、少なくとも１つの長手部分を有し、長手部分では、無負荷の曲げばね要素の中央平面が、さしたる湾曲を有しない又は所定の湾曲の反転を有し、曲げばね要素が設定通りに振れるとき、湾曲部分内で外方へ向けて配置された機能層部分に引張荷重が掛けられ、湾曲部分内で反対側の内方へ向けられた機能層部分に押圧荷重が掛けられる、曲げばね要素に関する。

曲げばね要素は、一体に構成されてよく、曲げばね又は曲げばね装置を形成できる。また、複数の曲げばね要素を組み合わせて曲げばね装置を形成し、互いに作用結合させることも可能である。単一の曲げばね要素は、例えばビーム状に構成されてよく、直線状の又は僅かに湾曲した経過を有してよい。複雑に湾曲した経過を有し、例えばＣ字形又はＳ字形の造形、又は蛇行状に構成された交互の複数の湾曲を有することも知られている。

曲げばね要素は、様々な材料から製造できる。従来の曲げばね要素は、例えば適切なばね鋼から製造されることが多い。この種の曲げばね要素は、安価に製造でき、この場合、曲げばね要素の造形は、その都度の設定された目的に適合できる。ばね鋼又は別の適切な金属からなる曲げばね要素は、耐久性があり、有利なばね特性を有する。

適切な繊維強化プラスチック複合材料から曲げばね要素を製造することもまた知られていて、様々な用途に対して既に実証されている。この場合、通常、ほぼ無端の繊維がプラスチックからなる適切なマトリックス材料に埋め込まれている繊維強化プラスチック複合材料が使用される。曲げばね要素に沿った引張力及び圧縮力の伝達にとって重要である、個々の繊維の配置及び配向によって、有利なばね特性を促進できる。この場合、主に、機能層における曲げばね繊維を介して、変形に応じて、引張力及び圧縮力が伝達される。中立繊維又はゼロラインとも称される中央平面では、これに対して、設定通りの変形では、引張力又は圧縮力が生じない。中央平面の両側に配置された機能層は、均一に製造でき、相互に移行できるので、均質の繊維複合材料から一体の曲げばね要素が得られる。繊維強化プラスチック複合材料からなる曲げばね要素は、金属からなる曲げばね要素と比べて軽量であり、周囲環境条件に対して、特に湿気に対して良好な耐性を有し得る。適切な繊維強化プラスチック複合材料からなる曲げばね要素は、有利には、自動車に使用できる。

曲げばね要素が、均一の厚さを有して又は２つの機能層の間の均一の距離を有して構成されている場合、曲げばね要素の厚さは、想定された設定通りの力作用が最大のときに曲げばね要素の湾曲部分に生じ得る引張負荷及び圧縮負荷に適合させなければならない。この場合、隣接する長手部分に生じる負荷が極めて小さいので、曲げばね要素は、均一の厚さでは、長手部分では過剰寸法である。この場合、曲げばね要素の重量及び材料消費量が過剰となり、これは、特に一般的に目標とされる繊維強化プラスチック複合材料による軽量構造の観点から不利であると見なされる。

繊維強化プラスチック複合材料からの曲げばね要素の製造は、高い製造上の労力と、これに伴う高い製造コストとにつながる。この場合、特に、厚さが変化する曲げばね要素では、労力が、極めて大きく、製造コストに関して多くの場合極めて重要である。労力は、繊維強化プラスチック複合材料又はプリプレグからなる、事前に加工された様々な長さの多数のストリップを用意するために生じる。繊維強化プラスチック複合材料又はプリプレグは、成形型内に配置され、続いてプレスされる。

本質的に平らな板ばねとして構成された曲げばね要素は、例えば米国特許第３９６８９５８号明細書に記載されている。様々な長さで事前に加工されたプリプレグの加工、特に成形型内でのプリプレグの配置、及び成形型内での加圧下で行われるプリプレグの硬化プロセス中のプリプレグの固定は、多くの場合手作業でしか実行できない多大な労力を伴う。外側の機能層の間に配置された、比較的短く形成された付加的な中間層によって、板ばねの中央部分が付加的に補強される。

米国特許第３９６８９５８号明細書

したがって、本発明の課題は、曲げばね要素を安価に製造でき、容易に様々な部分において通常の場合に生じる荷重に適合でき、そして可能な限り有利なばね特性を有し得るように、プラスチック複合材料からなるばね要素を構成することと認められる。

この課題は、本発明によれば、曲げばね要素は、少なくとも１つの長手部分で、両機能層に対して平行に、長手方向に延在する少なくとも１つのマトリックス材料導出層を有し、マトリックス材料導出層は、曲げばね要素の長手方向から逸れるように向けられた、少なくとも所定の割合の導出層繊維を有し、少なくとも１つの湾曲部分内で、機能層における曲げばね繊維の第１の体積分率は、少なくとも１つの長手部分内の機能層における曲げばね繊維の第２の体積分率よりも低い、好適には数パーセント低いことによって解決される。

曲げばね要素の長手方向に沿った、機能層における曲げばね繊維の体積分率が、部分ごとに、それぞれ一般的に生じる負荷に適合されていることによって、そして特に長手部分での曲げばね繊維の体積分率が、少なくとも１つの湾曲部分よりも高い、場合によっては著しく高いことによって、僅かな材料コスト及び製造コストで、容易に、特に有利なばね特性を実現できることが判明した。有利には、全ての長手部分での曲げばね繊維の体積分率が、全ての湾曲部分よりも高いことが想定されている。湾曲部分と比較して、長手部分での曲げばね繊維の体積分率が異なることによって、曲げ剛性又はねじり剛性等の曲げばねにとって重要な特性を様々に設定でき、長手部分及び湾曲部分のそれぞれの機能に適合できる。

本発明に係る曲げばね要素は、例えば、一方向の、無端の、そして曲げばね要素の長手方向に向けられた曲げばね繊維を有する、事前に加工されたプリプレグが、成形型に挿入されることによって製造できる。プリプレグには、場合によっては、付加的に添加されるマトリックス材料が含浸され、これが、マトリックス材料が硬化するまで加温され、プレスされる。機能層内で依然として流動性のマトリックス材料は、本質的に、その中に埋め込まれた曲げばね繊維に沿って流動し、そしてこれに対して横向きに、マトリックス材料は、極めて低い流速で流動可能であることが判明した。というのも、曲げばね繊維が、マトリックス材料を妨害し、留め置くからである。

曲げばね要素の様々な部分での曲げばね繊維の体積分率を様々に設定できるように、本発明によれば、より高い体積分率を有する部分に、マトリックス材料導出層が配置されていて、マトリックス材料導出層は、マトリックス材料の硬化プロセスの間に曲げばね要素をプレスするとき、隣接する機能層と比べて、長手方向に対して横向きに有する流動抵抗が著しく小さいことが想定されている。これによって、プレス中、長手部分での依然として流動性のマトリックス材料が、まずはマトリックス材料導出層に流入し、これに続いて、迅速に曲げばね要素から側方に流出できる一方、湾曲部分では、機能層における、長手方向に向けられた曲げばね繊維によって、本質的に曲げばね要素の長手方向に沿って流動可能であるが、しかし側方には流出し得ない又は少なくとも僅かな部分しか流出し得ない。長手部分内でのマトリックス材料の導出の向上によって、そこでは、マトリックス材料と比較して、曲げばね繊維の割合は増加する一方、湾曲部分でのマトリックス材料に対して相対的な曲げばね繊維の割合は、プレス中、ほとんど変化せず、主に、事前に加工されたプリプレグによって、そして場合によってはマトリックス材料の追加供給によって設定される。

マトリックス材料導出層の使用は、例えば曲げばね要素の長手方向に沿った様々な大きさのプレス圧等の別の方法よりも著しく効率的で、より良好に制御可能であることが判明した。加えて、曲げばね要素の機能層は、均一のプリプレグ材料からなる、曲げばね要素の全長にわたって延在する連続的なストリップから構成でき、その際、部分的に異なるプリプレグ又は異なる数のプリプレグ層を設定し、挿入しなくてよい。無端で、長手方向に曲げばね要素の全体にわたって延びる曲げばね繊維を有するプリプレグだけの使用も可能であり、これにより、僅かな材料コストで、高品質の曲げばね要素を製造できる。

本発明の思想の一形態によれば、少なくとも１つの湾曲部内での曲げばね繊維の第１の体積分率は、５５％より低く、好適には５２％より低く、少なくとも１つの長手部分内での曲げばね繊維の第２の体積分率は、５５％より高い、好適には５８％より高い。約５０％の、湾曲部分内での曲げばね繊維の体積分率と、約６０％の、長手部分内での曲げばね繊維の体積分率とが、曲げばね要素の、わりと極めて僅かな自重で、多くの用途にとって有利な曲げばね要素の特性を実現可能であることが判明した。

マトリックス材料導出層は、様々な材料からなってよい、又は様々な材料成分から構成されてよい。特に適切なマトリックス材料導出層への主な要求は、比較的高い気孔率及び高い変形抵抗であるので、マトリックス材料導出層は、プレス中に過剰に締固められず、圧縮されないので、流動性のマトリックス材料は、側方に流出し得るまで、マトリックス材料導出層内の空洞を通して迅速に流動できる。

有利には、マトリックス材料導出層は、互いに対して角度をなして延びる２つ以上の方向に向けられた導出層繊維を有し、導出層繊維の平均的な配向は、曲げばね要素の長手方向に向けられている、ということが想定され得る。個々の導出層繊維の全ての個々の向きの重畳によって生じる方向が、導出層繊維の平均的な向きと称される。同数の導出層繊維が、長手方向に、同様に、曲げばね要素の第１の長手縁部へ、そして反対側の第２の長手縁部へ向けられていて、延びていると、平均的な向きは、例えば曲げばね要素の長手方向に相応する。例えば、導出層繊維は、例えば、互いに対して９０°の角度に向けられてよい。マトリックス材料について、プレス中、長手方向に対して横向きに、その割合の曲げばね繊維の、長手方向に対して横向きに形成された不均一性を招き得る優先方向が設定されることを回避するために、導出層繊維は、両方の長手縁部に対して対称に向けられるべきであり、つまり、例えば、それぞれ長手縁部に対して４５度の角度を有する、又は曲げばね要素の長手方向に又は長手方向に対して横向きに向けられるべきである。曲げばね要素の長手方向に対して横向きに向けられたその割合の導出層繊維によって、長手方向に対して横向きの流れ抵抗が低減されるので、長手方向に対して横向きにより多くのマトリックス材料が流動し、側方で流出し得る。同様に、導出層繊維が、マトリックス材料導出層内で、長手方向に対して０度から９０度の角度で均一に分布して両方の長手側面へ向けられていて、例えば長手方向に対して＋２０度又は－２０度の角度を有することも考えられる。

本発明の思想の有利な一形態によれば、マトリックス材料導出層における導出層繊維は、等方性を有する。導出層繊維は、マトリックス材料導出層内に向きを定めずに配置されていてよい。比較的短い導出層繊維もマトリックス材料導出層内に使用してよい。任意選択的に、マトリックス材料導出層における導出層繊維の平均長さが、曲げばね要素の、長手方向に対して横向きに測定された幅よりも小さい、ということが想定されてよい。導出層の平均長さは、曲げばね要素の長手方向に対して横向きに測定された、曲げばね要素の幅よりも著しく短く、例えば、単に数ミリメートルであってもよい。

マトリックス材料導出層は、例えばノンクリンプファブリック又はニットであってよい。加工繊維であってもよい。特に有利には、マトリックス材料導出層は、不織布材料を有する、ということが想定されている。個々の導出層繊維は、マトリックス材料の有無にかかわらず、様々な方法で不織布材料に固化されてよい。不織布材料には、機能層と同じマトリックス材料が含浸されても、異なるマトリックス材料が含浸されてもよい。

２００ｇ／ｍ^２未満、好適には１２０ｇ／ｍｍ^２未満、特に好適には８０ｇ／ｍｍ^２未満の目付を有する不織布材料の使用が等に有利であることが判明した。

本発明の一形態によれば、曲げばね要素の少なくとも１つの湾曲部分に、２つの機能層の間に配置された、両機能層とは異なる材料からなる距離拡大要素が設けられている、とうことが想定されている。曲げばね要素の長手方向に対して横方向に測定される曲げばね要素の厚さは、距離拡大要素によって増大できる。設定通りの負荷のときに曲げばね要素の曲げ応力によって生じる変形力は、距離拡大要素により厚くされた湾曲部分の距離拡大要素によって、特に有利に吸収し、ばねエネルギーへと変換できる。長手方向に対して横向きに測定される、機能層同士の距離、ひいては機能層と中央平面及び中央平面内に延びる中立繊維との距離が増大されることによって、曲げばね要素は、湾曲部分で、隣接する長手部分よりも大きな変形抵抗を有し、その際、そのために、専ら湾曲部にわたって延在する付加的な中央層を機能層の間に配置しなくてよい。

湾曲部分で２つの機能層の間に配置された距離拡大要素は、この場合、本発明によれば、長手方向に連続的に変化する厚さを有するので、距離拡大要素は、尖端に終端する第１の端部を起点として連続的により厚くなり、中央領域で最大の厚さを有し、その結果、反対の第２の端部へ向けて次第に先細りになり、同様に再び尖端に終端する。このようにして、曲げばね要素における急激な厚さ変化を回避できる。厚さ変化は、経験によれば、曲げばね要素の設定通りの使用中に負荷ピークをもたらし、そして多くの場合に極めて高く、場合によっては過剰の荷重をもたらし得る。

距離拡大要素が可能な限りせん断強さ及びせん断抵抗のある材料から製造されていると有利である。原則的に、距離拡大要素は、例えば木材又は適切なプラスチック材料から製造されていることが考えられる。距離拡大要素は、事前に加工されてよく、又は事前に製造されてよく、この場合、距離拡大要素は、有利には、既に、湾曲部分内での造形又は無負荷の曲げばね要素の経過に適合された造形を有する。

本発明の思想の有利な一形態によれば、距離拡大要素の材料は、繊維を有する第２の繊維強化プラスチック複合材料であり、繊維の長さは、それぞれ３０ｍｍ未満、好適には１０ｍｍ未満、特に好適には１ｍｍ未満である、ということが想定されている。このような短繊維を有する第２の繊維強化プラスチック複合材料は、特に有利にそして経済的に加工でき、距離拡大要素にとって所望されるように造形できる。この場合、個々の繊維は、大きな領域にわたって引張力又は圧縮力を伝達できないが、しかし、これは、不要であることが分かっている。外側に位置する２つの機能層の間に距離拡大要素を配置することによって、湾曲部分において、曲げばね要素の長手方向に対して横向きに測定された、曲げばね要素の厚さは、曲げばね要素の設定通りの曲げ応力に適合でき、２つの機能層の総厚よりもはるかに厚く構成されてよい。第２の繊維強化プラスチック複合材料から製造された距離拡大要素は、僅かな自重を有することができる。距離拡大要素の付加的な第２の繊維強化プラスチック複合材料によって、湾曲部分における、曲げばね要素の著しくコストの嵩む２つの機能層を、比較的薄く構成し、湾曲部内で、曲げばね要素の機能層の設定通りの又は予想される最大の引張荷重及び圧縮荷重への適合が可能である。

第２の繊維強化プラスチック複合材料における繊維が向きを定めずに配置されていると、曲げばね要素が、特に有利なばね特性を有する、ということが判明した。第２の繊維強化プラスチック複合材料のマトリックス材料に埋め込まれた繊維のこのような向きが定められていない配置は、ランダム配向繊維とも称される。多くの用途において、より均一に繊維が第２の繊維強化プラスチック材料内で分布しているほど、繊維特性がより有利に整えられる、ということがいえる。第２の繊維強化プラスチック複合材料における個々の繊維の長さが短いほど、本発明によれば、均一の距離拡大要素における繊維の分布及び個々の繊維同士の均一に分布した配向をより簡単にもたらすことができる。

本発明の思想の特に有利な一形態によれば、第２の繊維強化プラスチック材料は、２つの機能層と一致するマトリックス材料を有する、ということが想定されている。機能層と、機能層間に配置された距離拡大要素とに対して同一のプラスチックマトリックス材料を使用することによって、距離拡大要素と両側で隣接する機能層との材料接続式で移行部のない結合をもたらすことができる。これにより、距離拡大要素からの機能層の不意の剥離が、曲げばね要素に高い負荷が掛けられた場合であっても回避され、少なくとも困難になる。

距離拡大要素は、事前に加工され、場合によっては事前に成形された機能層の間にペースト状の原材料を導入することによって製造できる。この場合、距離拡大要素は、使用される材料に応じて、既知の射出成形法によって製造できる。次いで、機能層は、機能層の間に配置された距離拡大要素と一緒になるように結合でき、これにより、所望の曲げばね要素を製造できる。距離拡大要素は、既知の射出成形法によって、湾曲部分で、既に成形型内に配置された機能層の間に導入できる。距離拡大要素が、別個の作業ステップで、機能層とは別に製造されることも考えられる。これに続いて、機能層は、機能層の間に配置された距離拡大要素と一緒になるように結合して、成形して、固化して、所望の曲げばねを形成できる。

任意選択的に、曲げばね要素の少なくとも１つの湾曲部分における中央平面が、９０°を超える、好適には１５０°を超える、特に好適には約１８０°の転向を有する、ということが想定されている。長手方向の経過が１５０°以上、好適には約１８０°反転する湾曲部分では、曲げばね要素の設定通りの変形による、湾曲部分の２つの端領域に対して横向きに向けられた力作用によって、湾曲部分内で特に効果的な吸収が得られ、僅かな所要空間で、高いばね復元力、ひいては大きなばね作用を生成できる。

有利には、本発明の一変化形態によれば、曲げばね要素は、長手部分によって互いに分離されて、異なる方向に湾曲する少なくとも２つの湾曲部分を有し、これにより、中央平面は、２つの湾曲部にわたってＳ字形の経過を有する。Ｓ字形に形成された少なくとも１つのばね部分を有する曲げばね要素と、特に、相互に隣接して形成された２つ以上のＳ字形のばね部分を有する曲げばね要素とは、多くの用途にとって特に有利な、高いばね力と可能な限り僅かな所要空間との組合せを可能にする。類似の又は同一の構造の複数の曲げばね要素を組み合わせて、有利なばね特性を周囲環境の影響に対する高い耐性及び僅かな自重と組み合わせる曲げばね装置を形成できる。したがって、本発明による曲げばね要素又は複数の曲げばね要素から組み合わされた曲げばね装置は、自動車のばね要素としての使用にも特に適している。

２つの機能層の第１の繊維強化プラスチック複合材料が、一方向に曲げばね要素の長手方向に向けられた曲げばね繊維を有すると、機能層は、特に有利な特性を有する。一方向に長手方向に向けられた繊維によって、機能層は、特に高い引張力及び圧縮力を吸収できる。この場合、機能層は、長手方向に対して平行に延びる又は好適には長手方向に対して鋭角に延びる繊維又は繊維束を有してよい。適切な繊維は、例えばガラス繊維、炭素繊維、セラミック繊維、バザルト繊維、金属繊維であってよい、又は天然繊維であってもよい。適切なマトリックス材料は、例えば適切なデュロマー、エラストマー又は熱可塑性樹脂等のそれぞれの繊維に適合したプラスチック材料であってよい。距離拡大要素は、機能層と同一の又は機能層とは異なる材料から製造された繊維を有してよい。

任意選択的に、第１の繊維強化プラスチック材料が、長手方向に曲げばね要素の全体にわたって延びる長さを有する繊維を有する、ということが想定されている。機能層に作用する引張負荷又は圧縮負荷は、これにより、ほぼ無端の繊維によって、曲げばね要素の全体にわたって分散され、これにより、過剰の負荷が掛かるときの破損リスクが低減される。

以下、図面に略示された例示的な実施例を詳説する。

複数の湾曲部分と長手部分とを具備する蛇行状の経過を有する曲げばね要素の概略断面図を示す。 図１のＩＩ－ＩＩ線に沿った、図１に示された曲げばね要素の概略断面図を示す。 図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った、図１に示された曲げばね要素の概略断面図を示す。 成形型内でのプレス中の本発明に係る曲げばね要素の所定の長手部分の概略断面図を示す。 複数の湾曲部分と長手部分とを有する、別の形態に構成された曲げばね要素の概略断面図を示し、湾曲部分にそれぞれ距離拡大要素が配置されていて、距離拡大要素は、該当する湾曲部分内で曲げばね要素の、長手方向に対して横向きに測定された厚さを拡大する。 図５のＶＩ－ＶＩ線に沿った、図５に示された曲げばね要素の概略断面図を示す。

図１から図３において異なる方向から見て示された曲げばね要素１は、２つの機能層２、３を有し、機能層２、３は、それぞれ第１の繊維強化プラスチック複合材料４から製作されている。両機能層２、３において、プラスチックからなるマトリックス材料６に、それぞれ無端の曲げばね繊維５が、曲げばね繊維５が長手方向７に曲げばね要素１の全体にわたって延在するように配置されている。図１には、分かりやすくするために、幾つかの曲げばね繊維５だけが、長手方向７の短い部分のみにわたって示されている。長手方向７は、２つの機能層２、３の、外方へ向けられた２つの外側面９、１０の間を、それぞれ両外側面９、１０に対して同一の距離を置いて延在する中央平面８の経過に相応する。例示された実施例では、中央平面８の経過は、中立繊維の経過にも相応する。中立繊維には、それぞれ長手方向７に対して横向きに曲げばね要素１の両端部領域１１、１２に設定通りの力作用Ｆが生じるときに負荷が掛からない。

中央平面８は、蛇行状の経過を有する。曲げばね要素１は、それぞれ２つの長手部分１４の間に配置された、約１８０°反転する湾曲した経過を有する３つの湾曲部分１３を具備する。両端部領域１１、１２は、それぞれ１つの長手部分１４によって形成され、端部領域１１、１２で、曲げばね要素１は、略直線状の又は極めてフラットでごく僅かにＳ字形の、中央平面８の経過を有する。３つの湾曲部分１３の間にも同様に長手部分１４が形成されていて、長手部分１４において、中央平面８は、略直線状に又は僅かにＳ字形に延在し、第１の湾曲部分１３から隣り合う第２の湾曲部分１３への湾曲転向部を有する。

機能層２、３のマトリックス材料６に埋め込まれた曲げばね繊維５は、該当する機能層２、３のそれぞれの外側面９、１０に対して略平行に延在し、曲げばね要素１の全体にわたって長手方向７に延在する。したがって、個々の繊維５の向きは、図２及び図３に示された断面図では、図平面に対して垂直であり、図１に示された断面図では、図平面内に延びる。曲げばね要素５には、曲げばね要素に設定通りに力Ｆが作用するとき、本質的に、それぞれの湾曲部分１３内で外方へ向けられた外側部分１５に沿って引張荷重が掛けられ、湾曲部分１３において内方へ向けられた外側部分１６に沿って圧縮荷重が掛けられる。曲げばね繊維５がそれぞれの外側面９、１０のより近くに配置されるほど、設定通りの変形時に発生する、曲げばね繊維５に作用する引張力又は圧縮力がより高くなる。

長手部分１４には、中央平面８の領域において２つの機能層２、３の間にそれぞれマトリックス材料導出層１７が配置されている。マトリックス材料導出層１７は、約１００ｇ／ｍｍ^２の目付を有する１ｍｍ未満の薄い不織布層からなる。不織布層は、導出層繊維１８の固化したノンクリンプファブリックからなり、導出層繊維１８は、均一に不織布層内に分布していて、向きを定めずに、等方的に、又はランダムに、そして非直線状に延びるように向けられている。図面には、マトリックス材料導出層１７は、分かりやすくするために、縮尺通りではなく、極めて厚く示されている。

図２には、曲げばね要素１の湾曲部分１３の断面図が示されている。両機能層２、３は、互いに分離されずに、一体的に、相互に境界面なく形成されているので、曲げばね要素１は、湾曲部分１３において、均一に形成された繊維複合材料からなり、この場合、曲げばね繊維５は、図平面に対して垂直に向けられている。

図２には、曲げばね要素１の長手部分１４を通る断面図が示されている。両機能層２、３の間で、材料マトリックス導出層１７又は不織布層が配置されている。個々の導出層繊維１８は、マトリックス材料導出層１７内でランダムにそして向きを定めずに延びる。

本発明に係る曲げばね要素１を製造するために、各機能層２、３について、一方向に長手方向７に向けられた無端の曲げばね繊維５を有する複数のプリプレグが、成形型２０の、Ｕ字形に形成された下部１９に挿入される。両機能層２、３の間に、マトリックス材料導出層１７が挿入及び配置される。曲げばね要素１をプレスするために、成形型２０の加圧プランジャ２１が、下部１９内にガイドされ、曲げばね要素１が、加圧プランジャ２１と成形型２０の下部１９との間で圧縮される。硬化プロセスの間、当初は液状のマトリックス材料６、通常は適切な樹脂が、固化及び硬化され、これにより、所望の特性を有する曲げばね要素１が形成される。

依然として流動性のマトリックス材料６は、まずマトリックス材料導出層１７によって吸収される。プレスによって、付加的なマトリックス材料６が、マトリックス材料導出層１７に流入する。マトリックス材料６は、マトリックス材料導出層内で、長手方向７に対して横向きに、ひいては図４において図平面の方向に特に迅速に、比較的低い流動抵抗で流動できるので、マトリックス材料６は、プレス圧力が増加するにつて、マトリックス材料導出層１７から側方に流出し、図４の矢印によって示唆されているように、加圧プランジャ２１と周囲の成形型２０の下部１９との間の隙間を通って成形型２０から押し出される。その際、長手部分１４内では、そこにしかマトリックス材料導出層１７が配置されていないので、湾曲部分１３内よりも極めて多くのマトリックス材料６が、側方に押し出されて導出される。これにより、マトリックス材料６の残りの体積分率は、長手部分１４では、湾曲部分１３よりも極めて低い。これにより、曲げばね繊維５の体積分率は、湾曲部分１３では、長手部分１４よりも低い。

図５に概示されたに過ぎない、複数の湾曲部分１３と複数の長手部分１４とを有する、変化した構成の曲げばね要素１の実施例では、湾曲部分１３に、それぞれ距離拡大要素２２が配置されていて、距離拡大要素２２は、該当する湾曲部分１３内で、長手方向７に対して横向きに測定された、曲げばね要素１の厚さを増大する。距離拡大要素２２は、湾曲部分１３内での両機能層２、３の、外方へ向けられた外側部分１５と内方へ向けられた外側部分１６との間の距離の増大をもたらし、これにより、該当する湾曲部分１３の領域で曲げばね要素１の有利なばね特性をもたらす。

距離拡大要素２２は、三日月形に近似する造形を有する。この場合、本発明によれば、それぞれの湾曲部分１３において、両機能層２、３の間に配置された距離拡大要素２２は、長手方向７に連続的に変化する厚さを有するので、距離拡大要素２２は、尖端に終端する第１の端部を起点として連続的により厚くなり、中央の領域で最大の厚さを有し、その結果、反対側の第２の端部へ向けて次第に先細りになり、同様に再び尖端に終端する。このようにして、曲げばね要素１の急激な厚さ変化を回避できる。急激な厚さ変化は、経験によれば、曲げばね要素１の設定通りの使用中に、負荷ピークと、多くの場合には極めて高く、場合によっては過剰の荷重とをもたらしてしまうおそれがある。２つの距離拡大要素２２は、必ずしも中央平面８に対して対称に構成されなくてよい。

距離拡大要素２２の各々は、第２の繊維強化プラスチック複合材料２３から作製されている。第２の繊維強化プラスチック複合材料２３は、第１の繊維強化プラスチック複合材料４と同一のマトリックス材料６を有するので、距離拡大要素２２は、これに隣接する両機能層２、３に、材料接続式にかつ均一に結合し、その際、距離拡大要素２２とこれに隣接する機能層２、３との間に、曲げばね要素１の機械強度を場合によっては損なう境界面が形成されることはない。

図５に記入された断面ＩＩ－ＩＩ及びＩＩＩ－ＩＩＩは、図２及び図３に示された断面に対応する。図６には、図５の断面線ＶＩ－ＶＩに沿った湾曲部分１３の断面ＶＩ－ＶＩが、湾曲部分１３内に埋め込まれた距離拡大要素２２と共に示されている。第２の繊維強化プラスチック複合材料２３のマトリックス材料６に、好ましくは均一の１ｍｍから５ｍｍの間の長さを有する短繊維２４が配置されている。短繊維２４は、距離拡大要素２２内で向きを定めて配向されていないので、第２の繊維強化プラスチック複合材料２３のマトリックス材料６内で短繊維２３のほぼ均一の分布及び全方向に向けられた分布が提供される。

距離拡大要素２２の寸法は、特に中央平面８の経過に対して横向きのそれぞれの厚さに関して、曲げばね要素１が、通常生じる力作用の所定の範囲内で有利なばね特性を有するとともに、曲げばね要素１の損傷が十分に排除されるように、設定されている。同時に、機能層２、３は、所定の使用期間にわたって曲げばね要素１の設定通りの使用が可能であり、それにもかかわらず機能層２、３及び距離拡大要素２２において消費される材料が可能な限り僅かであるように寸法付けられているので、本発明に係る曲げばね要素１は、特に僅かな自重で有利なばね特性を有する。

Claims (16)

1. 繊維強化プラスチック複合材料（４、２３）からなる曲げばね要素（１）であって、
   曲げばね要素（１）は、中央平面の、互いに反対の２つの側面（９、１０）に、繊維強化プラスチック複合材料（４）からなる機能層（２、３）をそれぞれ備え、
   曲げばね繊維（５）が、それぞれの機能層（２、３）内で、少なくとも束状に互いに対して平行に向けられていて、曲げばね要素の長手方向（７）に沿って延び、
   曲げばね要素（１）は、少なくとも１つの湾曲部分（１３）を有し、湾曲部分（１３）では、無負荷の曲げばね要素（１）の、２つの機能層（２、３）の間に延在する中央平面（８）が、曲げばね要素（１）の長手方向（７）に９０°以上湾曲して延在し、
   曲げばね要素（１）は、少なくとも１つの長手部分（１４）を有し、長手部分（１４）では、無負荷の曲げばね要素（１）の中央平面（８）が、さしたる湾曲を有しない又は所定の湾曲の反転を有し、
   曲げばね要素（１）が設定通りに振れるとき、湾曲部分（１３）内で外方へ向けて配置された機能層部分（１５）に引張荷重が掛けられ、湾曲部分（１３）内で反対側の内方へ向けられた機能層部分（１６）に押圧荷重が掛けられる、曲げばね要素（１）において、
   曲げばね要素（１）は、少なくとも１つの長手部分（１４）で、両機能層（２、３）に対して平行に、長手方向（７）に延在する少なくとも１つのマトリックス材料導出層（１７）を有し、マトリックス材料導出層（１７）は、曲げばね要素（１）の長手方向（７）から逸れるように向けられた、少なくとも所定の割合の導出層繊維（１８）を有し、
   少なくとも１つの湾曲部分（１３）内で、機能層（２、３）における曲げばね繊維（５）の第１の体積分率は、少なくとも１つの長手部分（１４）内の機能層（２、３）における曲げばね繊維（５）の第２の体積分率よりも低い、好適には数パーセント低いことを特徴とする、曲げばね要素（１）。
2. 少なくとも１つの湾曲部（１３）内での曲げばね繊維（５）の第１の体積分率は、５５％より低く、好適には５２％より低く、少なくとも１つの長手部分（１４）内での曲げばね繊維（５）の第２の体積分率は、５５％より高い、好適には５８％より高いことを特徴とする、請求項１に記載の曲げばね要素（１）。
3. マトリックス材料導出層（１７）は、互いに対して角度をなして延びる２つ以上の方向に向けられた導出層繊維（１８）を有し、導出層繊維（１８）の平均的な配向は、曲げばね要素（５）の長手方向（７）に向けられていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の曲げばね要素（１）。
4. マトリックス材料導出層（１７）は、互いに対して９０°の角度に向けられた２つの導出層繊維方向に向けられた導出層繊維（１８）を有することを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の曲げばね要素（１）。
5. マトリックス材料導出層（１７）における導出層繊維（１８）は、等方性を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の曲げばね要素（１）。
6. マトリックス材料導出層（１７）は、不織布材料を有することを特徴とする、請求項３に記載の曲げばね要素（１）。
7. 不織布材料は、２００ｇ／ｍ^２未満、好適には１２０ｇ／ｍｍ^２未満、特に好適には８０ｇ／ｍｍ^２未満の目付を有することを特徴とする、請求項６に記載の曲げばね要素（１）。
8. マトリックス材料導出層（１７）における導出層繊維（１８）の平均長さが、曲げばね要素（１）の、長手方向（７）に対して横向きに測定した幅よりも小さいことを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の曲げばね要素（１）。
9. 曲げばね要素（１）は、少なくとも１つの湾曲部分（１３）で、２つの機能層（２、３）の間に配置された、両機能層（２、３）とは異なる材料からなる距離拡大要素（２２）を有することを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の曲げばね要素（１）。
10. 距離拡大要素（２２）の材料は、繊維（２４）を有する第２の繊維強化プラスチック複合材料（２３）であり、繊維（２４）の長さは、それぞれ３０ｍｍ未満、好適には１０ｍｍ未満、特に好適には１ｍｍ未満であることを特徴とする、請求項１に記載の曲げばね要素（１）。
11. 第２の繊維強化プラスチック複合材料（２３）における繊維（２４）は、向きを定めずに配置されていることを特徴とする、請求項１０に記載の曲げばね要素（１）。
12. 第２の繊維強化プラスチック材料（２３）は、２つの機能層（２、３）と一致するマトリックス材料（６）を有することを特徴とする、請求項１０又は１１に記載の曲げばね要素（１）。
13. 曲げばね要素（１）の少なくとも１つの湾曲部分（１３）における中央平面（８）が、９０°を超える、好適には１５０°を超える、特に好適には約１８０°の転向を有することを特徴とする、請求項１から１２のいずれか一項に記載の曲げばね要素（１）。
14. 曲げばね要素（１）は、長手部分（１４）によって互いに分離されて、異なる方向に湾曲する少なくとも２つの湾曲部分（１３）を有し、これにより、中央平面（８）は、２つの湾曲部（１３）にわたってＳ字形の経過を有することを特徴とする、請求項１から１３のいずれか一項に記載の曲げばね要素（１）。
15. ２つの機能層（２、３）の第１の繊維強化プラスチック複合材料（４）が、一方向に曲げばね要素（１）の長手方向（７）に向けられた曲げばね繊維（５）を有することを特徴とする、請求項１から１４のいずれか一項に記載の曲げばね要素（１）。
16. 第１の繊維強化プラスチック材料（４）が、長手方向（７）に曲げばね要素（１）の全体にわたって延びる長さを有する曲げばね繊維（５）を有することを特徴とする、請求項１から１５のいずれか一項に記載の曲げばね要素（１）。

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