JPH04136530A - Ｆｒｐコイルばね及びその製造方法 - 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〕 この発明は、ＦＲＰコイルばね及びその製造方法に関す
る。

〔従来の技術〕

最近の自動車等の車両や航空機では、主として燃料消費
効率の向上を目的として軽量化が図られており、その−
手段としてばね材の軽量化が求められている。また、各
種の産業機械においても。

種々の目的から軽いばね材が求められ、ここにおいて、
強化繊維とマトリックス樹脂との組合せによって優れた
機械的特性を有するＦＲＰに注目され、新しい工業材料
としてばね材への用途の展開が行われている。

従来のＦＲＰばねは、マトリックス樹脂にエポキシ樹脂
やポリエステル樹脂を使用したもので。

炭素繊維やガラス繊維のロービング材又はクロスをばね
素材として、マトリックス樹脂をそれに含浸させたＦＲ
Ｐ板ばねが主で、実用的な強度を保有したＦＲＰコイル
ばねは存在しなかった。

〔発明が解決しようとする課題〕

ＦＲＰにおいて、マトリックス樹脂は、強化繊維を一体
化し、それとの結合により樹脂が持つ物性上の欠点を補
いながら、その特性を成形品の中に保持するという重要
な役割を果たすものである。

また、ＦＲＰコイルばねに要求される物理的諸性質とし
ては、高い靭性や強度の他、成形作業性が良好なこと、
耐熱性を具備していること等が挙げられる。

しかし、従来、マトリックス樹脂の選定やぼね素線の構
成等から、そのような諸特性を十分に具備したコイルば
ねはなかった。

この発明は、上記のような実情に鑑みて、高強度で耐熱
性に優れ、且つ作業性の良好なＦＲＰコイルばね及び製
造方法を提供することを目的とした。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するために、この発明者等は。

種々実験と研究を重ねた結果、マトリックス樹脂には、
バランスのとれた物性、成形の容易さ１強化材との良好
な接着性、さらに耐熱性が良好という研究結果から、常
温液状の付加重合型熱硬化性樹脂を選定し、この発明を
完成するに至った。

即ち、この発明の構成は次の通りである。

１）ＦＲＰコイルばねについては、炭素繊維又はガラス
繊維からなるロービング材を中芯２とし、中芯２の外側
を同繊維からなるチューブ形外芯３で被覆し、チューブ
形外芯３の外周に炭素繊維又はガラス繊維からなるロー
ビング材の線条材４を螺旋状に巻き付けることによりば
ね素線１を形成し、常温液状の付加重合型熱硬化性樹脂
をマトリックス樹脂Ｍとしてはね素線１に含浸させると
ともに、その外側に同樹脂の被覆層５を形成し加熱硬化
させたものである。

２）ＦＲＰコイルばねの製造方法については、炭素繊維
及び／又はガラス繊維によりばね素線１を形成し、ばね
素線１をチューブ型１３に挿入し、そのチューブ型１３
の一端からマトリックス樹脂Ｍを圧入し、他端からチュ
ーブ型１３内空気を排出して、マトリックス樹脂Ｍをば
ね素線１に含浸させるとともに、その外側に同樹脂の被
覆層５を形成させた注型線材２３を作成（以下ＶＡＲＩ
成形法という）した後、その注型線材２３をコイルばね
状に巻き付けた状態で同樹脂を加熱硬化させてから、チ
ューブ型１３を剥離するものである。

〔作　　用〕

ＦＲＰコイルばね及びその製造方法を上記のように構成
したから、ＦＲＰコイルばねの製造の作業能率を高める
ことができ、また、複合材としての特性が発揮された高
強度・高剛性のコイルばねを得ることができた。これは
、前記したようにマトリックス樹脂Ｍがバランスのとれ
た物性を有すること、成形が容易であること、強化材と
の良好な密着性や耐熱性が良好なこと等が第−義的に考
えられる。

加えて、ＦＲＰコイルばねの構造においては、そのばね
素線１の中芯２がロービング材であって、それがガラス
繊維のチューブ形外芯３により被覆されているため、マ
トリックス樹脂Ｍの内部への浸透が非常に良好であって
、しかも、線条材４を中芯２やチューブ形外芯３に対し
て交差するように螺旋状に巻き付けたので、非常に強靭
なコイルばねを得ることができる。

また、製造方法においては、ＶＡＲＩ成形法によるため
、ばね素線ｌへのマトリックス樹脂Ｍの浸透性が極めて
良好であって、且つ、気泡の混入がないため品質が安定
で、強靭なコイルばねを得ることができることは勿論１
作業性を非常に高めることができる。

本発明に用いられるマトリックス樹脂Ｍは、常温で無溶
剤、液状、且つ硬化時に付加重合反応を呈するものであ
れば何でも良い、好ましくは、接着性、耐熱性、耐湿性
、耐候性に優れているものが良いが、たとえ、接着性、
耐熱性、耐湿性、耐候性があまり良くないものを用いた
場合でも、用途によってはコイルばねとして利用できる
ため。

コイルばねの構成要素を阻害するものではない。

なお、硬化時に縮合反応、縮重合反応を呈する熱硬化性
樹脂は、その硬化時にＨ，ＯやＮＨ，等が発生し、コイ
ルばね中に気泡等を発生させるため好ましくない。

〔実施例〕

次に、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。第
１図は製造工程を示す。

マトリックス樹脂については、常温液状の付加重合型熱
硬化性樹脂として、脂環式エポキシ樹脂（■アサヒ化学
研究所製、Ｅ　Ｘ−１９）を使用し、それに酸無水物系
硬化剤（上記ＥＸ−１９用硬化材）を混合してマトリッ
クス樹脂Ｍとする。

ばね素線１については、炭素繊維のロービング材（東し
■製、Ｔ　３００−３０００）又はガラス繊維のロービ
ング材（日東紡績■製、Ｅ　ＣＥ　２２５）、からなる
中芯２に同繊維で織られたクロスのチューブ形外芯３を
被着し、チューブ形外芯３の外周面に炭素繊維又はガラ
ス繊維からなるロービング材の線条材４を巻き付けて構
成される。

ＦＲＰの構成材料の物性値は次の表１の通りである。

表Ｉ　　ＦＲＰの構成材料の主な物性値巻き付は方につ
いては、第２図に示すように、チューブ形外芯３の中に
心材Ａを挿入した状態で一端を電動機】０の回転ホルダ
ーに固定し、他端の心材Ａを軸受１１に軸支し、ボビン
１２．１２、・・・から線条材４．４、・・・を繰り出
しながら４５度の角度で巻き付け、さらにその上に逆の
４５度の角度で巻き付けることにより二重の巻き付けを
なす。

巻き付は後、チューブ形外芯３から心材Ａを抜き取り、
その中へ強化繊維のロービング材を挿入して中芯２とし
、ばね素線１を形成する。

次に、ばね素線１に対してＶＡＲＩ成形をなす。

第３図は、ＶＡＲＩ成形の原理図を示したもので、シリ
コンチューブ型１３の中にばね素線１を挿入し、チュー
ブ型１３の一端に樹脂注入管１５が、他端に真空管１６
が接続され、樹脂注入管１５は、樹脂加圧タンク１７の
中に突入され、コンプレッサー１８からの空気の圧力に
よりマトリックス樹脂Ｍの面が押されることによって、
その樹脂が樹脂注入管１５からチューブ型１３内に圧入
される。

一方、真空管１６は先端に真空装置２０が設けられ真空
状態にあるので、その圧入が促進され、且つ、マトリッ
クス樹脂Ｍの気泡の混入が防止される。

樹脂注入圧については、加圧タンク１７内の空気圧調整
弁によって２〜４ｋｇｆ／ｍに調整した。

真空装置２０については、コンプレッサー１８からの樹
脂加圧タンク１７への圧気管２１から排出管２２を枝分
かれさせ、排出管２２と真空管１６の先端を細く形成し
、排出管２２の先端部に真空管１６の先端を接続しであ
る。

このＶＡ、ＲＩ成形法により、はね素線１にマトリック
ス樹脂Ｍが含浸するとともに、その外側に樹脂被覆層５
が形成される（第４図）。

このように成形された注型線材２３をコイル状型に螺旋
状に巻くことによりコイルとして成形した後、恒温槽内
において１３０℃の温度で３０分間加熱することにより
硬化させ、離型してＦＲＰ製のコイルばねＳを試作した
。

第６図は、その試作ばねＳの縦断面図を示し、その寸法
については、線径ｄ；６＋ａ、コイル自由高さＨｆ　：
　１００ｍｎ、有効巻数２７回とした。

硬化条件については、前記の成形方法による離型工程に
、ＦＲＰばねとシリコンチューブ型１３とを剥離する工
程がある。しかし、硬化条件によっては、脂環式エポキ
シ樹脂とシリコン樹脂とが反応して、剥離しにくくなる
ため、時間がかかる作業となる。このため、作業性の改
善を目的として最適な硬化条件を求める実験を実施した
。

次の表２は、シリコンチューブ型１３内に注入した脂環
式エポキシ樹脂の硬化条件とチューブ型１３の剥離評価
試験結果を示す。

表２　ＦＲＰコイルバネの硬化条件とシリコンとの剥離
評価結果（チューブ剥離評価　Ｏ：良好、Δ：やや良、
Ｘ：不可）この表から、硬化温度が高くなるほど、また
、保持時間が長くなるほど脂環式エポキシ樹脂とチュー
ブ型１３との剥離が悪くなることが解る。

また、第５図は、ＦＲＰばね材の脂環式エポキシ樹脂の
硬化条件と曲げ強さの関係の一例を示す。

この図から、脂環式エポキシ樹脂の曲げ強さには特に大
きな変化が認められない。これらの結果から、ＦＲＰコ
イルばねＳの硬化条件は、硬化温度を１３０℃〜１５０
℃、保持時間を１５分から４５分程度が適当であって、
この範囲において特に作業性を高めることができる。

なお、チューブ形外芯３に対する線条材４の巻き付は角
度については、４５度に限られることはなく、９０度近
くであっても良いし、また、繊維をチューブ形外芯３に
平行に沿わせても良い。

去ｍ返ユリＬ級 次に、上記試作コイルばねＳについての実験結果及びそ
れについて考察する。

コイルばねの強度設計は、基本的には荷重とたわみの関
係、荷重と応力の関係を求めることであり、第６図に示
す圧縮コイルばねＳを念頭において、次の基本式でその
関係が求められる。

Ｋ　　＝Ｐ／δ＝Ｇｄ’／８ＮａＤ” τａ＝８ＤＰ／ｘｄ” ｄ　：材料の直径　Ｄ：コイル平均径 Ｎａ：有効巻数　　Ｇ：横弾性係数 Ｐ：バネにかかる荷重　δ　：たわみ に：バネ定数　　　τａ：ねじり応力 試作ＦＲＰコイルばねＳの強度評価は、インストロン形
材料試験機を使用したばねの圧縮試験から荷重Ｐとたわ
みδ量を測定し、次に、この基本式から横弾性係数Ｇを
算出して、Ｇの値と繊維の強化方向及び繊維含有率等の
関係について検討を加えた。

（１）強化方向と横弾性係数 第７図は、ガラス繊維体積含有率Ｖｆが３５及び４５％
のＦＲＰコイルばねの繊維強化方向（線条材４の巻き付
は角度；θ）とＧの関係を示す。同図から、Ｇの値は、
いずれもθが４５°までは角度に比例して増大し、４５
°を過ぎると逆に減少している。

これは、第６図で示したコイルばねＳに荷重Ｐが作用し
た場合、ばね素線１はねじりモーメント（ＰＲｃｏｓα
）及び曲げモーメント（ＰＲｓｉｎα）等を受けるが、
ピッチ角（α）が１０°以下であるため、曲げモーメン
ト等の影響は小さく、ばね素線１はほとんどねじりモー
メント（ＰＲｃｏｓα弁Ｒ）のみを受けるものと考えら
れる。ねじりを受ける丸棒の表面層における主応力は、
棒の軸に対して４５゜傾斜した直交二方向に生じること
から、この方向と一致するθが４５°のとき、Ｇの値は
最大値を示すものと考えられる。

このことは、繊維の効果的な強化方向を示すもので１円
周上を４５°方向に線条材４を巻き付けたばね素線１を
使用することによって、剛性の高いＦＲＰコイルばねを
得ることができる （２）含有率と横弾性係数 第８図は、θが４５°のＦＲＰコイルばねＳのＶｆとＧ
との関係を示す。同図より、炭素繊維、ガラス繊維のい
ずれの場合も、Ｖｆの増加に正比例してＧの値が増大す
る。また、繊維の引張弾性率の大きい炭素繊維ＦＲＰは
、ガラス繊維ＦＲＰに比べて高いＧ値を示している。こ
れらより、繊維の力学的特性とその含有率は、ＦＲＰコ
イルばねの機械的特性を決定する重要な因子であること
を示している。

従って、これらの因子を組み合わせることにより、柔ら
かいばね、剛性の高いばね等を自由に設計できるものと
考えられる。

一方、本実験では装置の関係でＶｆは５０ｖｏ１％が限
度であった。さらにＶｆを大きくするためには、フレキ
シブルなシリコンチューブ型１３内に余剰樹脂を注入さ
せないため、チューブ型に外圧を与える検討が必要であ
ると考えている。

（３）熱的特性 第９図は、ＦＲＰコイルばねＳの熱的特性試験の結果を
示す。同図より、Ｇ値の５％低下温度は、いずれも１３
０〜１５０℃を呈していることがら、強化材の種類や含
有率の違いとＧ値の温度変化の間には、相違点は認めら
れない。

〔発明の効果〕

以上説明したように、この発明によれば、マトリックス
樹脂に常温液状の付加重合型熱硬化性樹脂の脂環式エポ
キシ樹脂を使用したので、ＦＲＰコイルばねの製造の作
業性が極めて良好であり、また、複合材としての特性が
発揮され、耐熱性を有する高強度のコイルばねを得るこ
とができる。

殊に、ＦＲＰコイルばねにおいては、そのばね素線の構
造から、マトリックス樹脂の内部への浸透が非常に良好
であって、しかも、線条材を中芯やチューブ形外芯に対
して交差するように螺旋状に巻き付けたので、非常に強
靭なコイルばねを得ることができ、さらに、強化繊維の
素材や構造等の構成因子を変えることにより、柔らかい
ばね、剛性の高いばね等を自由に設計できる等の優れた
効果がある。

ＦＲＰコイルばねの製造方法においては、ＶＡＲＩ成形
法によるため、ばね素線へのマトリックス樹脂の浸透性
が良好であって、且つ、気泡の混入がないため、品質が
安定で、強靭なコイルばねを得ることができることは勿
論、作業性を非常に高めることができるという優れた効
果がある。

【図面の簡単な説明】

図面は一実施例を説明する場合であって、第１図は製造
工程の説明図、第２図は強化線材の巻き付は方法の説明
図、第３図はＶＡＲＩ成形の説明図、第４図は離型前に
おけるばね線材の一部切欠した側面図、第５図はばね材
の硬化条件と曲げ強さの関係を示すグラフ、第６図はコ
イルばねの縦断面図、第７図は繊維強化方向と横弾性係
数との関係を示すグラフ、第８図は繊維含有率と横弾性
係数との関係を示すグラフ、第９図はばね材を加熱する
雰囲気温度と横弾性係数との関係を示すグラフである。 Ｍ・・マトリックス樹脂

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）炭素繊維又はガラス繊維からなるロービング材を中
   芯２とし、中芯２の外側を同繊維からなるチューブ形外
   芯３で被覆し、チューブ形外芯３の外周に炭素繊維又は
   ガラス繊維からなるロービング材の線条材４を螺旋状に
   巻き付けることによりばね素線１を形成し、常温液状の
   付加重合型熱硬化性樹脂をマトリックス樹脂Ｍとしてば
   ね素線１に含浸させるとともに、その外側に同樹脂の被
   覆層５を形成し加熱硬化させたことを特徴とするＦＲＰ
   コイルばね。 ２）炭素繊維及び／又はガラス繊維によりばね素線１を
   形成し、ばね素線１をチューブ型１３に挿入し、そのチ
   ューブ型１３の一端からマトリックス樹脂Ｍを圧入し、
   他端からチューブ型１３内空気を排出してマトリックス
   樹脂Ｍをばね素線１に含浸させるとともに、その外側に
   同樹脂の被覆層５を形成させた注型線材２３を作成した
   後、その注型線材２３をコイルばね状に巻き付けた状態
   で同樹脂を加熱硬化させてから、チューブ型１３を剥離
   することを特徴とするＦＲＰコイルばねの製造方法。