JP6603463B2 - 軸状複合部材及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、軸状複合部材及びその製造方法に関する。
近年、自動車には、燃費性能の向上のために各種部材を軽量化・高強度化することが希求されており、例えば、カーボン材等の繊維強化樹脂が利用されている。繊維強化樹脂を利用したものとして、例えば、特許文献１には、ローリングテーブルを用い、カーボン繊維強化アルミパイプ（金属軸状部材）の外面にカーボン繊維強化層（繊維強化層）を巻き付ける技術的思想が開示されている。
また、特許文献２には、内側から外側に向かって、異なる配向角度を有する複数の炭素繊維を積層して形成された繊維強化複合材料製ゴルフクラブ用シャフトが開示されている。
特開平３−１６６９３７号公報 特開２００７−５２８号公報
ところで、例えば、自動車のフレーム構造体に用いられる軸状複合部材のように、曲率の高い形状（曲げ部）を有する軸状複合部材に対して繊維強化樹脂材を利用しようとした場合、曲げ部に繊維強化樹脂材を巻き付けてフレーム構造体の剛性を確保することが困難である。例えば、特許文献１に開示されたカーボン繊維強化層を直線状の芯金に巻き付けた後に芯金を曲げ変形させた場合、芯金の曲げ部の曲率が高くなると曲げ部の外側に巻き付けられたカーボン繊維強化層が伸長して破断するおそれがある。
本発明は、前記の点に鑑みてなされたものであり、曲げ部の所望の強度を確保して耐久性を向上させることが可能な軸状複合部材及びその製造方法を提供することを目的とする。
前記の目的を達成するために、本発明は、直線部と曲げ部を有する軸状複合部材であって、前記曲げ部は、炭素繊維の配向方向が前記軸状複合部材の軸方向に対して平行な０°層と、炭素繊維の配向方向が前記軸状複合部材の軸方向に対して斜交する±４５°層とが積層して形成されており、且つ、前記０°層と前記±４５°層との間には、応力緩和層が介装され、前記応力緩和層は、前記０°層の曲げ剛性よりも低く、且つ、前記±４５°層の捩り剛性よりも低く形成され、前記軸状複合部材は、直角又は直角に近い鋭角に湾曲して曲率が高い前記曲げ部を有することを特徴とする。
本発明によれば、軸状複合部材の曲げ部に付与される曲げ荷重に対して、０°層が剛性を有すると共に、捩り荷重に対して±４５°層が剛性を有する。その際、各層間で剛性が異なるために層間の界面に特異な応力が発生するおそれがある。このため、本発明では、０°層の曲げ剛性よりも低く、且つ、±４５°層の捩り剛性よりも低く形成された応力緩和層が層間に介装されている。この応力緩和層を設けることで、層間の界面に発生する応力が緩和され、界面の強度（特に、繰り返し付与される疲労強度）を向上させることができる。この結果、本発明では、曲げ部の所望の強度を確保して耐久性を向上させることができる。
なお、強度を向上させるアプローチとしては、例えば、各層の肉厚寸法を大きくして肉厚に形成し、重量増加（剛性増加）に代替して強度を向上させる方法が考えられる。しかしながら、本発明では、従来の軸状複合部材と比較して単位寸法当たりの重量を増加させることがなく、且つ、剛性を損なうことがなく、強度（特に、疲労強度）を向上させることができる。
さらに、本発明は、直線部と曲げ部を有する軸状複合部材の製造方法であって、配向方向が前記軸状複合部材の軸方向に対して平行な複数の炭素繊維強化樹脂材を一対の金型の各キャビティの軸方向と平行に並列して配設する工程と、前記並列に配置された複数の炭素繊維強化樹脂材を前記キャビティ側に押圧して半割部材（０°材）を形成する工程と、チューブ材の外表面に対して、炭素繊維の配向方向が前記軸状複合部材の軸方向に対して斜交する±４５°材を内径側に巻き付けると共に、さらに、前記半割部材の曲げ剛性よりも低く、且つ、前記±４５°材の捩り剛性よりも低く形成される応力緩和材を外径側に巻き付ける工程と、外表面に前記±４５°材及び前記応力緩和材が積層された前記チューブ材を前記半割部材の内側に嵌挿した後、一対の金型を型閉じして管状部材を形成する工程と、前記管状部材に内圧を付与しつつ加熱して前記管状部材を硬化させる工程と、を有することを特徴とする。
本発明によれば、０°材及び±４５°材の間に応力緩和材を介装することで、０°材及び±４５°材間の界面に発生する応力を緩和し、強度（特に、繰り返し付与される疲労強度）を向上させる軸状複合部材を容易に製造することができる。
本発明では、曲げ部の所望の強度を確保して耐久性を向上させることが可能な軸状複合部材及びその製造方法を得ることができる。
本発明の実施形態に係る軸状複合部材の製造方法を用いて製造された軸状複合部材の斜視図である。 図１の部分拡大透過斜視図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。 （ａ）〜（ｇ）は、軸状複合部材を製造する製造工程を示す模式図である。 （ａ）は、０°層における繊維配向角とヤング率との関係を示す特性図、（ｂ）は、±４５°層における繊維配向角とせん断弾性係数との関係を示す特性図である。 応力緩和層が無い比較例と応力緩和層を有する本実施形態との耐久性を比較した説明図である。
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る軸状複合部材の製造方法を用いて製造された軸状複合部材の斜視図、図２は、図１の部分拡大透過斜視図、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。
本実施形態に係る製造方法を用いて製造される軸状複合部材１０は、車両の部品、例えば、ステアリングハンドル、サスペンションタワーバー、サスペンションアーム及びスタビライザとして使用可能である。また、スポーツレジャー用品や自転車のハンドル、その他ベビーカーの部品としても使用可能である。
図１に示されるように、軸状複合部材１０は、その一部に略Ｌ字形状を有し、直線又は略直線状に延在する直線部１２と、非直線状の曲げ部１４とが組み合わされた複合形状に形成されている。
軸状複合部材１０（直線部１２及び曲げ部１４）は、径方向に沿って３つの層が積層され、この３つの層は、それぞれ周方向に沿って連続して形成されている。すなわち、軸状複合部材１０は、外径側に配置され、炭素繊維（長繊維）の配向方向が軸状複合部材１０の軸方向に対して平行な０°層１６と、内径側に配置され、炭素繊維（長繊維）の配向方向が軸状複合部材１０の軸方向に対して斜交する±４５°層１８と、外径側の０°層１６と内径側のとの間に介装される応力緩和層２０がそれぞれ積層して構成されている。この応力緩和層２０は、０°層１６の曲げ剛性よりも低く、且つ、±４５°層１８の捩り剛性よりも低くなるように設定されている。
０°層１６は、配向方向が軸状複合部材１０の軸方向に対して平行な一方向に繊維が引き揃えられたＵＤ（Uni-Directional）材２２（後記する図４（ａ）参照）からなり、炭素繊維強化樹脂材によって形成されている。±４５°層１８は、炭素繊維の配向方向が軸状複合部材１０の軸方向に対して斜交するプリプレグ（好ましくは、トゥプリプレグ）２４（後記する図４（ｂ）参照）によって形成されている。トゥプリプレグは、強化材となる炭素繊維にマトリックス材となる樹脂を含浸させた多数のフィラメントから構成される。樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、ジアリルフタレート樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂が用いられるとよい。
応力緩和層２０は、例えば、引っ張り強度が高いガラス繊維強化樹脂材（ＧＦＲＰ）からなるプリプレグ４０（後記する図４（ｃ）参照）によって形成されている。このガラス繊維強化樹脂材（ＧＦＲＰ）を用いて、０°層１６と±４５°層１８との間に、相対的に剛性が低いチョップドガラスファイバ層（短繊維）を形成することができる。
図３に示されるように、３層における径方向に沿った厚さ寸法は、０°層１６と±４５°層１８とは、同じ又は略同じ寸法に設定され、応力緩和層２０は、０°層１６及び±４５°層１８よりも小さい寸法に設定されている。
なお、本実施形態では、０°層１６、応力緩和層２０、及び、±４５°層１８からなる３層構造によって直線部１２及び曲げ部１４をそれぞれ形成しているが、これに限定されるものではない。少なくとも、曲げ部１４が前記の３層構造で形成されていればよく、直線部１２は、応力緩和層２０を除去した０°層１６及び±４５°層１８の２層で構成してもよい。
本実施形態では、例えば、軸状複合部材１０の曲げ部１４に付与される曲げ荷重に対して、外径側に位置する０°層１６が剛性を有すると共に、捩り荷重に対して内径側に位置する±４５°層１８が剛性を有する。その際、各層間で剛性が異なるために層間の界面に特異な応力が発生するおそれがある。このため、本実施形態では、０°層１６の曲げ剛性よりも低く、且つ、±４５°層１８の捩り剛性よりも低く形成された応力緩和層２０が層間に介装されている。この応力緩和層２０を設けることで、層間の界面に発生する応力が緩和され、界面の強度（特に、繰り返し付与される疲労強度）を向上させることができる。この結果、本実施形態では、曲げ部１４の所望の強度を確保して耐久性を向上させることができる。
なお、強度を向上させるアプローチとしては、例えば、各層の肉厚寸法を大きくして厚肉に形成し、重量増加（剛性増加）に代替して強度を向上させる方法が考えられる。しかしながら、本実施形態では、従来の軸状複合部材と比較して単位寸法当たりの重量を増加させることがなく、且つ、剛性を損なうことがなく、強度（特に、疲労強度）を向上させることができる。
次に、図示しない配設装置を用いて２つの半割部材を形成した後に軸状複合部材を製造する製造方法について説明する。図４（ａ）〜（ｇ）は、軸状複合部材を製造する製造工程を示す模式図である。
先ず、半割部材３０ａ、３０ｂを形成するために一対の金型３２ａ、３２ｂを準備する。金型３２ａ、３２ｂには、上面視（平面視）して軸状複合部材１０の形状に対応する略Ｌ字形状で断面半円状の溝部からなるキャビティが形成されている。なお、一方の金型３２ａと他方の金型３２ｂでは、溝部の形状が対称となるように形成されている。図示しない配向装置に設けられた複数のボビンからそれぞれ引き出された各炭素繊維強化樹脂材をキャビティの軸方向と平行に並列して配設し、金型３２ａ、３２ｂの溝部に沿って押し付けて半割部材３０、３０ｂを形成する。なお、図４（ａ）は、金型３２ａ、３２ｂの溝部内に半割部材３０ａ、３０ｂが形成された状態を図示している。
この半割部材３０ａ、３０ｂは、ＵＤ材２２（０°材）からなり、炭素繊維の配向方向が軸状複合部材１０の軸方向に対して平行な０°層１６を形成するものである。なお、各炭素繊維強化樹脂材は、図示しない配向装置の押圧部によって各炭素繊維強化樹脂材間の隙間がなくなるまで金型３２ａ、３２ｂの溝部に対して押し付けられる。配向装置の具体的構成については、本出願人が出願した特願２０１４−１８５３２８号の明細書を参照するとよい。
このようにして、一対の金型３２ａ、３２ｂに複数の炭素繊維強化樹脂材を配設し、図示しない配設装置を用いて一対の半割部材３０ａ、３０ｂをそれぞれ形成する。なお、図示しない配設装置によって形成された一対の半割部材３０ａ、３０ｂの曲げ部の内周側には、皺が発生しない。
一対の半割部材３０ａ、３０ｂを形成した後、樹脂マンドレル（芯金）３４に、例えば、ゴム製のチューブ状バッグ（チューブ材）３６を被せ、チューブ状バッグ３６の外面に、シート状のプリプレグ２４（好ましくはトゥプリプレグ）（±４５°材）をシートワインディング（ＳＷ）法によって巻き付ける（図４（ｂ）参照）。その際、チューブ状バッグ３６で被覆された樹脂マンドレル３４を略平行に配設された３つのロール３８で挟み、３つのロール３８をそれぞれ回転させることによって樹脂マンドレル３４を回転させ、チューブ状バッグ３６の外表面にプリプレグ２４（±４５°材）を巻き付けることができる。
チューブ状バッグ３６の外表面にプリプレグ２４（±４５°材）を巻き付けた後、同様にして、３つのロール３８をそれぞれ回転させることにより、プリプレグ２４（±４５°材）の外面に対して、さらに、ガラス繊維強化樹脂材（ＧＦＲＰ）によって形成されたシート状のプリプレグ４０（応力緩和材）を巻き付ける（図４（ｃ）参照）。
本実施形態では、チューブ状バッグ３６の外表面に対し、プリプレグ２４（±４５°材）を巻き付けた後、ＧＦＲＰのプリプレグ４０（応力緩和材）を巻き付けて２枚のプリプレグ２４、４０を積層している。例えば、巻き付けられた一方のプリプレグ２４（±４５°材）の終端に他方のプリプレグ４０（応力緩和材）の始端を連続させて、チューブ状バッグ３６の外表面に巻き付けて積層する。なお、例えば、予め、一方のプリプレグ２４（±４５°材）と他方のプリプレグ４０（応力緩和材）とを積層しておき、３つのロール３８をそれぞれ回転させることにより、両方のプリプレグ２４、４０を同時にチューブ状バッグ３６の外表面に巻き付けるようにしてもよい。
なお、本実施形態では、シートワインディング法によりプリプレグ２４（±４５°材）及びプリプレグ４０（ＧＦＲＰ、応力緩和材）をそれぞれ巻き付けているが、例えば、フィラメントワインディング法によってフィラメントを巻き付けてもよい。
続いて、金型３２ａに形成された半割部材３０ａの内周側に、プリプレグ２４（±４５°材）及びプリプレグ４０（ＧＦＲＰ、応力緩和材）が巻回された樹脂マンドレル３４を嵌め（図４（ｄ）参照）、一対の金型３２ａ、３２ｂを型閉じする（図４（ｅ）参照）。一対の金型３２ａ、３２ｂを型閉じした後、チューブ状バッグ３６から樹脂マンドレル３４を引き抜き、チューブ状バッグ３６の両端部に栓部材４２を装着する（図４（ｆ）参照）。エア供給源４４からチューブ状バッグ３６の中空部内に対して、例えば、約０．６ＭＰａのエアを供給する。
さらに、加熱手段４６を用いて所定温度の熱処理（図４（ｇ）参照）を遂行して樹脂を熱硬化させた後、型割りして成形品である軸状複合部材１０（図１参照）を取り出す。
このような製造方法を実施することにより、内径側に位置する±４５°材の層（±４５°層１８）と、外径側に位置するＵＤ材２２（０°層１６）と、±４５°層１８と０°層１６との間に介装される応力緩和層２０（ＧＦＲＰ）とから構成される軸状複合部材１０を簡便に得ることができる。また、この製造方法では、一対の金型３２ａ、３２ｂを用いることで、曲げ部１４における内外周差を吸収して曲げ部１４の強度を向上させることができる。
図５（ａ）は、０°層における繊維配向角とヤング率との関係を示す特性図、図５（ｂ）は、±４５°層における繊維配向角とせん断弾性係数との関係を示す特性図、図６は、応力緩和層が無い比較例と応力緩和層を有する本実施形態との耐久性を比較した説明図である。
上記の製造方法によって製造された軸状複合部材１０において、図５（ａ）に示されるように、外径側に位置する０°層１６の繊維配向角は、０°〜１０°の範囲内で設定されることが好ましい。また、図５（ｂ）に示されるように、内径側に位置する±４５°層１８の繊維配向角は、３５°〜６０°の範囲内で設定されることが好ましい。
さらに、図６に示されるように、応力緩和層２０が無く０°層１６と±４５°層１８の２層を積層した比較例の耐久試験回数と、応力緩和層２０を有する本実施形態の耐久試験回数を比較すると、その耐久性能が約４、５倍に向上していることが確認された。
１０ 軸状複合部材
１４ 曲げ部
１６ ０°層（０°材）
１８ ±４５°層（±４５°材）
２０ 応力緩和層（応力緩和材）
３０ａ、３０ｂ 半割部材
３２ａ、３２ｂ 金型
３６ チューブ状バッグ（チューブ材）

Claims (3)

  1. 直線部と曲げ部を有する軸状複合部材であって、
    前記曲げ部は、炭素繊維の配向方向が前記軸状複合部材の軸方向に対して平行な０°層と、炭素繊維の配向方向が前記軸状複合部材の軸方向に対して斜交する±４５°層とが積層して形成されており、且つ、前記０°層と前記±４５°層との間には、応力緩和層が介装され、
    前記応力緩和層は、前記０°層の曲げ剛性よりも低く、且つ、前記±４５°層の捩り剛性よりも低く形成され、
    前記軸状複合部材は、直角又は直角に近い鋭角に湾曲して曲率が高い前記曲げ部を有することを特徴とする軸状複合部材。
  2. 請求項１記載の軸状複合部材において、
    外径側に位置する前記０°層の繊維配向角は、０°〜１０°の範囲内で設定され、
    内径側に位置する前記±４５°層の繊維配向角は、３５°〜６０°の範囲内で設定されることを特徴とする軸状複合部材。
  3. 直線部と曲げ部を有する軸状複合部材の製造方法であって、
    配向方向が前記軸状複合部材の軸方向に対して平行な複数の炭素繊維強化樹脂材を一対の金型の各キャビティの軸方向と平行に並列して配設する工程と、
    前記並列に配置された複数の炭素繊維強化樹脂材を前記キャビティ側に押圧して半割部材（０°材）を形成する工程と、
    チューブ材の外表面に対して、炭素繊維の配向方向が前記軸状複合部材の軸方向に対して斜交する±４５°材を内径側に巻き付けると共に、さらに、前記半割部材の曲げ剛性よりも低く、且つ、前記±４５°材の捩り剛性よりも低く形成される応力緩和材を外径側に巻き付ける工程と、
    外表面に前記±４５°材及び前記応力緩和材が積層された前記チューブ材を前記半割部材の内側に嵌挿した後、一対の金型を型閉じして管状部材を形成する工程と、
    前記管状部材に内圧を付与しつつ加熱して前記管状部材を硬化させる工程と、
    を有することを特徴とする軸状複合部材の製造方法。
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