JPH02112925A - Ｆｒｐ製アーム部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、筒状部材とその両端部に位置する１対の端部
材とがＦＲＰ層で被覆されてなるＦＲＰ製アーム部材の
製造方法に関するものである。

（従来の技術） 車両のサスペンション装置等に用いられるアーム部材は
一般に金属製であるが、このような金属製アーム部材は
軽量化が困難であり、また防錆対策が必要となるためコ
スト高となり、さらに、これを車両に使用した場合には
路面あるいはエンジン等に起因する振動の加振源となり
やすく振動騒音特性を悪化させる要因となる。

これに対し、アーム部材を例えば樹脂等の非金属製とす
ることにより上記不都合を解消することが可能となるが
、アーム部材の両端部には、ねじ溝、ヨーク等が形成さ
れ、この両端部では他部材との機械的締結強度を十分確
保する必要があることから、アーム部材を非金属製の筒
状部材とその両端部の１対の金属製の端部材とで構成す
ることが好ましい。さらに、筒状部材と端部材との結合
を接着やリベット止めで行うことは荷重、特に弓張荷重
に対する信頼性に欠けるため、上記筒状部材および端部
材をＦＲＰ層で被覆し、アーム部材に作用する圧縮荷重
に対しては筒状部材で対抗させ、引張荷重に対してはＦ
ＲＰ層で対抗させるのが好ましい。このＦＲＰ層は、い
わゆるフィラメントワインディング法により形成するこ
とができ、こうして形成されたＦＲＰ層を加熱硬化させ
ることにより筒状部材および端部材の被覆がなされるこ
ととなる。

（発明が解決しようとする課題） このようにフィラメントワインディング法により形成さ
れたＦＲＰ層を有するアーム部材において、その剛性を
さらに向上させるためには、■筒状部材と端部材との連
結部分においてＦＲＰ層に生ずる応力集中現象の除去、
■ＦＲＰ層内に巻き込まれた気泡の除去、■ＦＲＰ層の
構成要素となっているフィラメントに付与されたテンシ
ョンの均一化を図ることが望まれる。

上記課題のについて詳述すると以下のとおりである。す
なわち、上記構成のＦＲＰ製アーム部材においては、筒
状°部材と端部材との連結部分に隙間が生じやすいため
当接面の開口変位が容易に発生し、ＦＲＰ層に極めて小
さい曲率の曲げ変形が起こり（外層に極めて大きい引張
応力が生じる）、使用中この境界部が早期に破壊するた
め疲れ寿命が確保できない。また、仮りにこの連結部分
に隙間がないとしても筒状部材と端部材の材質が相違す
るためヤング率か異なり、多少なりとも上記同様の応力
集中現象が起こり疲れ寿命の低下を引き起しやすい。上
記連結部分の隙間をなくす手段としては、フィラメント
を巻き付ける際に巻付力を高めることが考えられるが、
一般にフィラメントワインディング法での巻付力は、３
０ｋｇ　ｆ程度が限界であり、また、各端部の外端でフ
ィラメントの折返しを行うため、実際には、軸線方向の
拘束力はほとんど期待できない。したがって、フィラメ
ントワインディング成形以前に筒状部材と端部材とを接
着接合等であらかじめ組み立てておくが、フィラメント
ワインディング成形時に両端部に圧縮力を加え得るよう
な拘束治具を準備して成形する等の必要性かある。これ
らの方法を応用することにより成形時の隙間を小さくす
ることは可能となるが、常温硬化性樹脂や熱硬化性樹脂
を用いた場合は、この段階では樹脂が未硬化状態である
ため、後者においては硬化完了段階まで拘束し続けなけ
れば圧縮状態を保つことができず隙間が生じやすく、前
者においては隙間の再発生は起らないが引張部材（ＦＲ
Ｐ層）の予引張効果が期待できない（これについては両
者同様である）ため引張疲れ強さが低下しやすい。また
あらかじめ接着する必要があることから製造工程が煩雑
になり製造時間、価格面からも不利である。

上記課題■について詳述すると以下のとおりである。す
なわち、熱硬化性樹脂を加熱炉中で硬化させると外周か
ら硬化を始め、順次内部に向かって硬化が進む。このた
め、ワインディング時にロービング（フィラメントの束
）に含まれていた気泡や隣接するロービング間の隙間に
存在する空気が閉じ込められ内部欠陥や表面欠陥として
残りやすい。この欠陥は疲れ寿命に悪影響を与える。

上記課題■について詳述すると以下のとおりである。す
なわち、フィラメントワインディング法によりＦＲＰ層
を形成する場合、テンションが一定でないと残留応力が
不均一となりアーム部材の品質が低下することとなる。

しかし、レベル巻きのような巻き方の場合、ロービング
をたるませないで巻くためには、複数の軸を同時に動か
すことが必要となり、また、たるみを多く吸収できるテ
ンションコントローラが必要となり、このため、複雑な
フィラメントワインディングの装置が必要となる。さら
に、このような装置を用いたとしても均一なテンション
で巻くことは困難であり、また巻付後のロービングの処
理時にはテンションをコントロールできない。以上は主
に熱硬化性樹脂を用いてＦＲＰ層を形成した場合だが、
近年熱可塑性樹脂を用いたプリプレグロービングのフィ
ラメントワインディング成形の研究が行われている。

この場合、予備加熱をし、加熱ロールや熱風などで接触
させながらフィラメントワインディング成形する方法が
行われているが、均一に溶融させつつ均一なテンション
をかけながら巻きつけるのは極めて困難である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであっ
て、製造されたアーム部材に、より高い剛性を確保する
ことのできるＦＲＰ製アーム部材の製造方法を提供する
ことを目的とするものである。

（課題を解決するための手段） 本発明によるＦＲＰ製アーム部材の製造方法のうち、第
１の発明は、筒状部材の内側に金属製の補助部材を配し
てその両端部を端部材に溶接することにとより上記課題
■（応力集中現象の除去）を解決し、かつ、この補助部
材を高周波加熱してＦＲＰ層を硬化させることにより上
記課題■（気泡の除去）を解決し、もって上記目的達成
を図るようにしたものであり、第２の発明は、ＦＲＰ層
を加熱硬化させる際所定のねじりモーメント荷重を作用
させることにより上記課題■（テンションの均一化）を
解決し、もって上記目的達成を図るようにしたものであ
る。

すなわち、第１の発明は、非金属製の筒状部材と、この
筒状部材の両端部に位置する１対の金属製の端部材とが
、ＦＲＰ層で被覆されてな°るＦＲＰ製アーム部材の製
造方法であって、前記筒状部材の内側に該筒状部材の軸
線方向に延びる金属製の補助部材を配設するとともに前
記筒状部材の両端部に前記１対の端部材を位置せしめる
一方、前記補助部材の両端部を前記各端部材に溶接し、
次いで、フィラメントワインディング法により前記筒状
部材および前記端部材の外面にＦＲＰ層を形成し、その
後、前記補助部材を高周波加熱して前記ＦＲＰ層を硬化
させることを特徴とするものである。

また、第２の発明は、筒状部材の両端部に１対の端部材
を位置せしめた後、樹脂が付着したフィラメントを前記
各端部材に係止しながら前記筒状部材の外周面に巻き掛
けて前記筒状部材および前記端部材の外面にＦＲＰ層を
形成し、その後、前記１対の端部材間に前記筒状部材の
軸線まわりのねじりモーメント荷重を作用させながら前
記ＦＲＰ層を加熱硬化させることを特徴とするものであ
る。

（作　　用） 上記構成に示すように、第１の発明においては、筒状部
材の内側に金属製の補助部材を配してその両端部を端部
材に溶接するようになっているので、筒状部材と端部材
との連結部分における両部材の密着性を高めることかで
きるとともに該連結部分付近のヤング率の急変をなくす
ことができ、これにより該連結部分においてＦＲＰ層に
生ずる応力集中現象の除去、ひいてはアーム部材の疲れ
寿命低下防止を図ることができる。さらに、上記補助部
材を用いることにより、ＦＲＰ層の延性不足を補うこと
も可能となる。

また、第１の発明においては、ＦＲＰ層の硬化は、上記
補助部材を高周波加熱して行うようになっているので、
ＦＲＰ層は内側から加熱されることとなり、これにより
、ＦＲＰ層の内部に閉じ込められていた空気を順次表面
に向けて追い出して気泡除去を図ることができ、ひいて
は空洞率低減によるアーム部材の疲れ強さの向上を図る
ことができる。

さらに、上記補助部材を発熱源として樹脂の硬化を行う
とＦＲＰ層に圧縮残留応力を付与することができるので
、この構造では得にくい引張疲れ強さの向上に約立つ。

すなわち、補助部材の線膨張係数をα１１円筒部材のそ
れをα２、同じくＦＲＰ層をα３としたとき、α１≧α
２〉α３の関係（具体例では、補助部材がＳ　２５Ｃ−
５３５Ｃ程度の低炭素鋼、円筒部材が０°配向を主体と
したグラスファイバとポリエステルまたはビニルエステ
ルを用いたＦＲＰ、ＦＲＰ層が数十度配向を主体とした
グラスファイバとエポキシ等を用いたＦＲＰ）とすれば
加熱時に補助部材がＦＲＰ層を軸線方向に引張るためロ
ービングの巻付力の再配分がなされ引張疲れ強さの向上
が図れる。また、この状態で硬化した後、冷却するとＦ
ＲＰ層には圧縮残留応力が発生するので、さらに引張疲
れ強さの向上に寄与する。

一方、第２の発明においては、ＦＲＰ層を加熱硬化させ
る際所定のねじりモーメント荷重を作用させるようにな
っているので、ＦＲＰ層の構成要素となっているフィラ
メントにテンションが付加されるとともにフィラメント
に作用するテンションがＦＲＰ層全体にわたって均一化
されることとなり、これによりアーム部材における応力
分布を一定にすることができる。

なお、この場合における「加熱硬化」には、フィラメン
トに付管した樹脂が熱可塑性樹脂である場合において、
該樹脂を加熱溶融した後これを冷却硬化させることも含
まれることはもちろんである。

（発明の効果） したがって、本発明によれば、製造されたＦＲＰ製アー
ム部材に、より高い剛性を確保することができる。

（実　施　例） 以下添付図面を参照しながら本発明の実施例について詳
述する。

第１ａおよびｌｂ図は、本発明によるＦＲＰ製アーム部
材の製造方法のうち、第１の発明の一実施例により製造
されたＦＲＰ製アーム部材を示す正面図および側面図で
ある。

第１ａ図に示すように、ＦＲＰ製アーム部材２は、非金
属（ＦＲＰ）製の筒状部材４と、この筒状部材４の両端
部に位置する１対の金属（スチール）製の端部材６とが
、ＦＲＰ層８で被覆されてなり、上記筒状部材４は円筒
状に形成され、各端部材６はこの筒状部材４の両端面に
当接するとともにその内周面に円環状のフランジ部６ａ
が嵌合している。

（外周面に嵌合させるようにしてもよい）。筒状部材４
の内側には補助部材たる円筒状の薄肉鋼管１０か筒状部
材４と同心で配設され、この薄肉鋼管［０の両端部は端
部材６のフランジ部６ａと当接しこれに溶接されている
。ＦＲＰ層８は、樹脂が被覆されたロービング８ａによ
り構成されており、各端部材６の端面には、第１ｂ図に
示すように、ロービング８ａを係止するための複数の突
起６ｂが形成され、その中央部にはアーム部材２を他部
品に取り付けるためのねじ部８Ｃが形成されている。ま
た、端部材６は６角形の外形形状を有し、各突起６ｂ間
の溝にロービング８ａか通されるようになっていて、こ
れによりアーム部材２を他の部材にねじ締めする際、ス
パナ等の工具を当ててもＦＲＰ層８の傷付きが生じない
ようになっている。なお、６角形以外にも４角形、８角
形等の偶数角形状が採用可能である。

次に、このＦＲＰ製アーム部材２の製造方法について説
明する。

まず、筒状部材４内に薄肉鋼管ｌＯを挿入し、筒状部材
４の両端部に１対の端部材６を嵌合させる。

その際、端部材６のフランジ部６ａが薄肉鋼管１０に当
接したとき、円筒部材４と端部材６との間に後述する溶
接に要するアプセット代相当の隙間が形成されるように
、薄肉鋼管１０の長さを予め設定しておく。

次に、各端部材６にそれぞれ電極を当てかいプロジェク
ション溶接にて薄肉鋼管１０と各端部材６とを接合させ
る。上記隙間は、溶融直後のアプセットにより無くなり
、筒状部材４と各端部材６とが密告する。上記プロジェ
クション溶接の溶接部がその後冷却されるに伴い、両部
材４および６の密着性はさらに向上することとなる。

なお、通電を行う都合上、筒状部材４は、電気絶縁体で
あるグラスファイバを用いたＦＲＰが望ましい。ただし
、カーボンファイバ等の電導体であっても筒状部材４に
適切な絶縁処理を施せば不都合ではない。また、プロジ
ェクション溶接時、ＦＲＰに対する熱害を少なくし、か
つ溶接性を良くするため、溶接面積と溶接部付近の熱容
量を適正化するとよい。このため接合面は３点以上の点
当りとしたり、端部材６の内側に四部を設ける方法が考
えられる。

次いて、フィラメントワインディング法により筒状部材
４および端部材６の外面にＦＲＰ層８を形成する。この
ＦＲＰ層８の形成は、第２図に示すように、複数本のフ
ィラメント（グラスファイバ）１２を束ねてなるロービ
ング８ａを、樹脂１’！１４をくぐらせた後筒状部材４
の軸方向に往復動させる一方、筒状部材４および端部材
６をその軸線まわりに回転させることによって、ロービ
ング８ａを各端部材６に係止しながら筒状部材４の外周
面に巻き掛けて行う。第１ｂ図に示すように、端部材６
には複数の突起６ａが形成されているので、これら突起
６ａの間を通すことにより、樹脂が未硬化の間にロービ
ング８ａがずれて巻付力が低下したり、あるいは硬化後
、外力が作用したときにロービング８ａがずれるのを防
止することができるので、ＦＲＰ層８の、アーム部材２
に作用する引張荷重に対抗する機能を十分に発揮せしめ
ることができる。

このようにして、ＦＲＰ層８が形成されたら、次に、薄
肉鋼管１０を高周波加熱する。すなわち、高周波加熱装
置を用いて薄肉鋼管ｌＯに誘導熱を発生させる。この加
熱によりＦＲＰＩＷ８は内側から順次硬化し、このとき
ＦＲＰ層８の内部に閉じ込められていた空気は表面側に
追い出され、ＦＲＰ層８の空洞率は極めて低くなる。こ
の際、樹脂の偏りをなくすため円筒部材４を略水平に保
ち回転させながら硬化させると良質な成形体を得ること
ができる。なお、高周波加熱する時間は、未硬化樹脂が
ゲル化する迄でよく、その後は大気加熱炉等の別の手段
を用いてもよい。

第３ａ、　３ｂ、　３ｃ、　４ａおよび４ｂ図は第１の
発明において用いられる補助部材の変形例を示す、第１
ａおよび１ｂ図と同様の図である。

第１ａ図においては、円筒状の薄肉鋼管１０により補助
部材を構成したが、筒状部材４はＦＲＰ製でありその内
径寸法は非常にばらつきやすいため、両者間には隙間が
生じやすく、また同心円とならないことがよくある。こ
のため、アーム部材２が振動したとき打者が出たり、プ
ロジェクション溶接部の偏肉が起きやすい。その改善を
図ったのが第３ａおよび３ｂ図であって、補助部材の断
面形状をおむすび状（他の多角形状でも可）の異形薄肉
鋼管１６として筒状部材の内径がばらついても、そのば
ね作用により確実に線接触するようにしたものである。

この形状の他の利点としてプロジェクション溶接部に突
起を設けずとも自動的に点当りとなり、電流密度が高ま
るので上述の熱害防止に役立つ。同様の効果を引き出す
ため、補助部材を第３ｃ図に示すようにフィン状断面の
金属異形材１８としてもよい。

第４ａおよび４ｂ図は、筒状部材４をＦＲＰ製とした場
合の欠点である圧縮時のエネルギ吸収性能の悪さを補う
ことを主目的としており、異形薄肉鋼管２０の内側に芯
材２２を挿入した例である。芯材２２は、ＦＲＰでも金
属でもよい。芯材２２は端部材６と固着されていること
が望ましいが、複数の同心軸端部を相互に固着するのは
事実上不可能に近いため、若干の軸方向隙間を設ける。

このため、芯材２２が使用中に振れ回り異音を発するお
それがある。このような不都合を回避すべく、異形薄肉
鋼管２０は、筒状部材４と芯材２２を相互に束縛する役
割を果すようになっている。このように芯材２２を挿入
することにより、第５図に実線で示すように、芯材２２
を挿入しない場合（図中１点鎖線で示す）に比して、圧
縮時のエネルギ吸収状態を大幅に向上させることができ
る。

第６ａおよび６ｂ図は、本発明によるＦＲＰ製アーム部
材の製造方法のうち、第２の発明の一実施例に使用され
るトルク付与装置の正面図および側面図であって、第７
図は、本実施例により製造されたＦＲＰ製アーム部材３
２を示す正面図である。

このＦＲＰ製アーム部材３２は、筒状部材３４と、その
両端部に接着剤により接合された１対の端部材３６と、
これら筒状部材３４および端部材３６を被覆するＦＲＰ
層３８とからなっている。上記筒状部材３４および端部
材３Ｂの構成は第１８およびｌｂ図に示すものと全く同
様である。また、ＦＲＰ層３８も、第２図に示すような
工程を経て形成される点において第１ａ図に示すＦＲＰ
層８と同様である。ただし、第１ａ図に示すような薄肉
鋼管１０（補助部材）が設けられておらず、筒状部材３
４と端部材３６とが接着されていること、およびＦＲＰ
層８の構成要素であるロービング３８ａに所定のテンシ
ョン付与がなされている点で異なる。なお、第１ａ図に
示すアーム部材２においても高周波加熱の際にテンショ
ン付与がなされるが、アーム部材３２においてはより均
一なテンション付与がなされている点で異なる。

次にＦＲＰ製アーム部材３２の製造方法について説明す
る。

まず、筒状部材４の両端部に１対の端部材３６と嵌合さ
せる。このとき各嵌合部には熱硬化性樹脂からなる接着
剤を介在させる。次に、第１の発明における第２図と同
様の方法により、樹脂が被覆されたロービング３８ａを
各端部材３６に係止しながら筒状部材３４の外周面に巻
き掛けて筒状部材３４および端部材３６の外面にＦＲＰ
層３８を形成する。最後に、これを加熱硬化させればＦ
ＲＰ製アーム部材３２が完成することとなるが、この加
熱硬化の際、第６ａおよび６ｂ図に示すようなトルク付
与装置４０を用いてＦＲＰ層３８の構成要素となってい
るロービング３８ａにテンションを付与する。

トルク付与装置４０は、半製品状態のアーム部材３２を
その両端部において支持する１対の支持体４２．４４と
、これら支持体４２．４４を回転可能に支持する本体４
６と、一方の支持体４２にチェーン４８を介して連結さ
れ、該支持体４２を回転駆動する図示しないモータと、
他方の支持体４４の回転にフリクションを付与するブレ
ーキ装置５０とを備えてなり、ブレーキ装置５０は、一
端におもり５０ａが取り付けられるとともに他端が本体
４６に固定されたバンド５０ｂを支持体４４に巻き掛け
てなっている。また、第７図に示すように、支持体４２
．４４によるアーム部材３２の支持は、アーム部材３２
の各端部材３６を支持体４２．４４にナツト５２により
ねじ線固定することによってなされる。

このトルク付与装置４０に半製品状態（すなわち、ＦＲ
Ｐ層３８および接着剤が未硬化の状態）のアーム部材３
２をセットした後、アーム部材３２を加熱してＦＲＰ層
３８および接着剤を硬化させる。このとき同時にモータ
を駆動させて支持体４２を回転させる。この回転に伴っ
てアーム部材３２も回転しようとするが、アーム部材３
２の他端部を支持する支持体４４はブレーキ装置５０に
よりその回転にフリクションが付与されるので、アーム
部材３２にはその軸線まわり（すなわち筒状部材３４の
軸線まわり）のねじりモーメント荷重が作用することと
なる。加熱開始直後はまだＦＲＰ層３８および接着剤が
未硬化であるため、各端部材３６と筒状部材３４との間
に相対回転か生じ、これによりＦＲＰ層３８の構成要素
となっているロービング３８ａにテンションが付与され
る。このテンションは、ロービング３８ａの巻掛角が例
えば±４５°である場合には、一方（すなわち巻掛角が
＋４５″または一４５″のロービング３８ａ）にのみ作
用することとなるが、ロービング３８ａは端部材３６に
係止されているのみであり固定されているわけではない
ので、他方の巻掛角のロービング３８ａにもテンション
が作用することとなり、これにより、ロービング３８ａ
の全体にわたって均一なテンションを付与することがで
きる。　なお、トルク付与装置４０は、アーム部材３２
ＯＦＲＰ層３Ｂおよび接着剤を加熱硬化させるオーブン
（図示せず）に組み込まれており、モータのみオーブン
外に配設されるようになっている。また、ブレーキ装置
５０は、バンド式のブレーキ構造であるが、加熱硬化時
の温度で適切なフリクション付与が可能なものであれば
、ねじりダンパ、電磁ブレーキ等、他のブレーキ構造を
採用するようにしてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１ａおよび１５図は本発明によるＦＲＰ製アーム部材
の製造方法のうち第１の発明の一実施例により製造され
たＦＲＰ製アーム部材を示す正面図および側面図、 第２図は上記実施例におけるＦＲＰ層形成工程を示す工
程概要図、 第３ａ図は上記ＦＲＰ製アーム部材の変形例を示す正面
図、 第３ｂ図は第３ａ図のｍｂ−ｍｂ断面図、第３ｃ図は上
記ＦＲＰ製アーム部材の補助部材の変形例を示す、第３
ｂ図と同様の図、 第４ａ図は上記ＦＲＰ製アーム部材の他の変形例を示す
正面図、 第４ｂ図は第４ａ図のＩＶｂ−ｒＶｂ断面図、第５図は
第４ａおよび４ｂ図に示すＦＲＰ製アーム部材の特性を
示すグラフ、 第６ａおよび６ｂ図は本発明によるＦＲＰ製アーム部材
の製造方法のうち第２の発明の一実施例に使用されるト
ルク付与装置を示す正面図および側面図、 第７図は上記実施例により製造されたＦＲＰ製アーム部
材を示す正面図である。 ２．３２・・・ＦＲＰ製アーム部材 ４．３４・・・筒状部材　　　６．３６・・・端　部　
材８、３８−、ＦＲＰ層　　　８ａ、　３８ａ　−＝ｃ
ｙ−ピングｌＯ・・・薄肉鋼管（補助部材） １２・・・フィラメント １６、２０・・・異形薄肉鋼管（補助部材）１８・・・
金属異形部材（補助部材） ２２・・・芯　　　　材 ４０・・・トルク付与装置

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）非金属製の筒状部材と、この筒状部材の両端部に位
   置する１対の金属製の端部材とが、ＦＲＰ層で被覆され
   てなるＦＲＰ製アーム部材の製造方法であって、 前記筒状部材の内側に該筒状部材の軸線方向に延びる金
   属製の補助部材を配設するとともに前記筒状部材の両端
   部に前記１対の端部材を位置せしめる一方、前記補助部
   材の両端部を前記各端部材に溶接し、 次いで、フィラメントワインディング法により前記筒状
   部材および前記端部材の外面にＦＲＰ層を形成し、 その後、前記補助部材を高周波加熱して前記ＦＲＰ層を
   硬化させることを特徴とするＦＲＰ製アーム部材の製造
   方法。 ２）筒状部材の両端部に１対の端部材を位置せしめた後
   、樹脂が付着したフィラメントを前記各端部材に係止し
   ながら前記筒状部材の外周面に巻き掛けて前記筒状部材
   および前記端部材の外面にＦＲＰ層を形成し、 その後、前記１対の端部材間に前記筒状部材の軸線まわ
   りのねじりモーメント荷重を作用させながら前記ＦＲＰ
   層を加熱硬化させることを特徴とするＦＲＰ製アーム部
   材の製造方法。