JPH0742778A - 炭素繊維強化樹脂製コイルスプリング - Google Patents

炭素繊維強化樹脂製コイルスプリング

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JPH0742778A
JPH0742778A JP5212368A JP21236893A JPH0742778A JP H0742778 A JPH0742778 A JP H0742778A JP 5212368 A JP5212368 A JP 5212368A JP 21236893 A JP21236893 A JP 21236893A JP H0742778 A JPH0742778 A JP H0742778A
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Abstract

(57)【要約】 ［目的］ 炭素繊維の特性であるねじり応力作用時の圧
縮方向の破壊を防止し、バランスに優れ、高い剪断強度
を有する炭素繊維強化樹脂製コイルスプリングを提供す
ることを目的とする。 ［構成］ 素線軸心に対して炭素繊維を±３０°〜±６
０°に配向させた炭素繊維強化樹脂製圧縮用または引張
り用コイルスプリングであって、圧縮力が作用する方向
に配向された繊維の量Ａと引張り力が作用する方向に配
向された繊維の量Ｂとの量比Ａ／Ｂを、 １．１＜Ａ／Ｂ＜４．０ とした炭素繊維強化樹脂製コイルスプリングに関するも
のである。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は炭素繊維強化樹脂製コイ
ルスプリングに係り、とくに炭素繊維で補強された樹脂
から成る素線をらせん状に巻回して成る炭素繊維強化樹
脂製コイルスプリングに関する。
【０００２】
【従来の技術】米国特許第２８５２４２４号には、従来
の金属製のコイルスプリングに代えて、軽量化等を目的
として、繊維強化樹脂製のコイルスプリングが提案され
ている。この技術は、ガラスロービングを用い、樹脂を
含浸してマンドレルに巻付けてコイル状に成形したもの
であって、強化繊維の配向方向は素線の軸心とほぼ一致
している形態のコイルスプリングである。
【０００３】特開昭５６−１８１３６号公報には、素線
の軸に対して繊維の配向方向を考慮したコイルスプリン
グが開示されている。ここで提案されているコイルスプ
リングは、荷重が加えられる際に、総ての強化繊維が引
張り力を受ける方向に配向されるようになされ、配向の
角度は素線の軸心に対して３０〜６０°の範囲内となっ
ている。
【０００４】特開昭５７−１１７４２号公報には、コイ
ルスプリングを構成する素線の軸心に対して所定の角度
を有し、しかも繊維の向きが互いに交差するように２方
向に繊維を巻付けるようにし、しかもコイル素線の中央
部と両端部とにおいて互いに交角を異なるようにしたコ
イルスプリングが開示されている。このような強化繊維
の配列によって、コイルスプリングのねじり剛性が調整
されるとともに、非線形のばね定数をコイルスプリング
に付与することが可能になる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】一般に炭素繊維は優れ
た機械的特性を有する素材であって、このために炭素繊
維を強化材とした炭素繊維強化樹脂複合材料は、優れた
機械的特性を有することになる。しかしながら炭素繊維
強化樹脂複合材料は、その特性として、圧縮強度が引張
り強度に比較して劣る特性を有している。
【０００６】強化繊維を素線の軸心に対して所定の交角
で巻付けたコイルスプリングにおいては、負荷を加えた
ときに、素線にはねじり応力が作用し、一方の配向繊維
には圧縮力が加わるとともに、他方の配向繊維には引張
り力が作用する。このために炭素繊維強化樹脂複合材料
の特性から、このようなコイルスプリングの破壊は、圧
縮方向に繊維が配向されている層から開始されるという
問題を含んでいる。先に挙げた特開昭５６−１８１３６
号公報に記載されたコイルスプリングにおいては、素線
の中でほぼ総ての繊維が一方向に配向している。このよ
うなコイルスプリングにおいては、繊維方向に対して９
０°の方向の強度が弱く、破壊が起り難いという問題を
有している。
【０００７】これに対して特開昭５７−１１７４２号公
報に記載されたコイルスプリングにおいては、強化繊維
の配向方向を、素線の中で交叉積層構造となるように配
向する構造を採用している。このために上記特開昭５６
−１８１３６号公報に記載のコイルスプリングにおける
繊維の配向方向に対して９０°の方向の強度が弱いとい
う問題が解消されるものの、上記の圧縮強度が低いとい
う炭素繊維強化樹脂複合材料に固有の問題は依然として
残されたままになる。
【０００８】本願発明は、炭素繊維強化樹脂製複合材料
から成るコイルスプリングの破壊が、圧縮方向に配向さ
れている繊維から開始されるという知見に基いて、圧縮
方向に繊維軸が配向されている層の破壊を制御すること
ができれば、コイルスプリング全体の強度を高めること
ができるという理論を根拠とするものである。
【０００９】本願発明は、炭素繊維強化複合材料に固有
の特性から生ずる上記の問題を解決し、圧縮強度と引張
り強度とのバランスがとれた高強度の炭素繊維強化樹脂
製コイルスプリングを提供することを目的とするもので
ある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】第１の発明は、炭素繊維
で補強された樹脂から成る素線をらせん状に巻回して成
る炭素繊維強化樹脂製コイルスプリングにおいて、素線
軸心に対して炭素繊維を±３０°〜±６０°の角度を有
するように配向させ、圧縮力が作用する方向に配向され
た炭素繊維の量をＡとし、引張力が作用する方向に配向
された炭素繊維の量をＢとすると、両方向の炭素繊維の
量比Ａ／Ｂは １．１＜Ａ／Ｂ＜４．０ の範囲内であることを特徴とする炭素繊維強化樹脂製コ
イルスプリングに関するものである。
【００１１】第２の発明は、上記第１の発明において、
素線の最外周に炭素繊維織物を配して成ることを特徴と
する炭素繊維強化樹脂製コイルスプリングに関するもの
である。
【００１２】第１の発明になる炭素強化樹脂製コイルス
プリングは、圧縮力がその方向に配向された炭素繊維に
よって負担されるために、圧縮力が作用する方向での破
壊が押えられ、結果として高い剪断強度を有する炭素繊
維強化樹脂製コイルスプリングになる。
【００１３】この発明において、繊維の配向方向は、コ
イルスプリングを構成する素線の軸心に対する繊維軸の
角度で定義される。この明細書においては、便宜上素線
内で引張り力が働く方向をプラス（＋）方向とし、圧縮
力が働く方向をマイナス（−）方向としている。
【００１４】強化材として用いられる炭素繊維は、普通
に用いられる意味での炭素繊維であってよく、アクリル
系、ピッチ系、レーヨン系の何れでもよい。アクリル系
の炭素繊維が圧縮強度の点からとくに好ましい。またア
クリル系炭素繊維の中でも、高強度タイプのものが圧縮
強度の観点からとくに重要である。
【００１５】本願発明においては、他の繊維、例えばガ
ラス繊維、アラミド繊維等の高伸度繊維を、コイルスプ
リングの用途に合わせて、フィラメント、不織布、また
は織物の形態で併用することを妨げない。
【００１６】本発明において炭素繊維が強化されるマト
リックス樹脂は、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂であ
る。熱硬化性樹脂としてはエポキシ樹脂、ポリイミド樹
脂、不飽和ポリエステル樹脂等が使用されてよい。熱可
塑性樹脂としては、ポリスルホン、ポリエーテルスルホ
ン、ポリカーボネート、ポリエーテルケトン、ポリエー
テルエーテルケトン、芳香族ポリアミド、ポリエーテル
イミド、熱可塑性ポリイミド等が使用されてよい。
【００１７】強化繊維とマトリックス樹脂との組合わせ
は、上記の材料から適宜選択して適用される。その際に
プラス方向に用いる繊維および樹脂と、マイナス方向に
用いる繊維および樹脂は異なっていてもよい。繊維の配
向の角度は、必要なばね特性に応じて、±３０°〜±６
０°の範囲内で調整されるが、剪断特性の向上のために
は±４５°の近傍の角度がとくに望ましい。
【００１８】材料の形態についてはとくに限定されな
い。例えば強化繊維に予め未硬化の熱可塑性樹脂を含浸
させたシート状、テープ状、ストランド状等の各種のプ
リプレグが使用されてよい。フィラメントに樹脂を含浸
させながらマンドレルに巻付ける、いわゆるフィラメン
トワインディングを用いることもできる。
【００１９】本発明の好ましい態様を図面によって説明
する。図１および図２はそれぞれ圧縮力および引張り力
を受ける炭素繊維強化樹脂製コイルスプリング１０を示
している。図３および図４はこれらのコイルスプリング
１０の素線の部分拡大図を示している。コイルばね１０
に圧縮力が作用する場合には、図１および図３において
Ａで示す方向の繊維に圧縮力が作用するとともに、Ｂで
示す方向の繊維に引張り力が作用する。これに対してコ
イルばね１０に引張り力が加わる場合には、図２および
図４に示すように、Ａで示す方向の繊維に圧縮力が作用
し、Ｂで示す方向の繊維に引張り力が作用する。
【００２０】第１の発明においては、コイルスプリング
の素線の圧縮力が作用する繊維の量Ａと引張り力が作用
する繊維の量Ｂとの量比において、次の関係を満たすよ
うにしたことを特徴としている。
【００２１】１．１＜Ａ／Ｂ＜４．０ 圧縮力が作用する繊維の量Ａと引張り力が作用する繊維
の量Ｂとの量比Ａ／Ｂの好ましい範囲は、 １．２＞Ａ／Ｂ＞３．０ 量比Ａ／Ｂのより好ましい範囲は、 １．３＞／Ｂ＞２．５ である。
【００２２】量比Ａ／Ｂが、１．１≧Ａ／Ｂであると、
圧縮力が作用する方向の強度が低くなり、引張力が作用
する方向とのバランスが崩れるために、高強度のコイル
スプリングを得ることができない。また量比Ａ／Ｂが、
Ａ／Ｂ≧４．０の場合には、引張り力が作用する方向の
強度が低くなり、圧縮力が作用する方向とのバランスが
崩れ、この場合にも高強度のコイルスプリングを得るこ
とができない。
【００２３】このような２種類の方向の繊維の量比Ａ／
Ｂの調整は、繊維のレイアップ時に行なわれる。プリプ
レグを用いる場合には、プラス方向とマイナス方向にお
ける繊維重さの異なるプリプレグを使用する。あるいは
また図５に示すように、同じ繊維重さのプリプレグ１
５、１６を用い、マイナス方向のプリプレグ１５とプラ
ス方向のプリプレグ１６とで積層枚数を変えるようにし
ている。あるいはこれらを組合わせることによって、繊
維の量比を容易に調整することが可能になる。
【００２４】またフィラメントワインド法によって素線
を製造する場合には、プラス方向に繊維を巻付けた後
に、マンドレルを逆回転させてマイナス方向に繊維を巻
付け、その際に両方向の繊維の量を調整することによ
り、２方向の繊維の量比を所定の範囲内とすることがで
きる。
【００２５】本発明の繊維強化樹脂製コイルスプリング
を作製するための好ましい態様は次の通りである。図５
に示すように、強化繊維と熱硬化性樹脂から成り、繊維
の方向が異なる２種類のプリプレグ１５、１６を所定の
枚数比で組合わせ、図６に示すような可撓性マンドレル
１８に巻付ける。これによって円筒状のコイル素線２０
を得た。このようなコイル素線２０を図７に示すように
円柱状の型２２の外周面に形成されているコイル状の溝
２３に巻付けて固定し、熱処理によって樹脂を硬化させ
た。その後脱型し、図８に示すようなコイルスプリング
１０を得た。
【００２６】なお図６に示すマンドレルとしては、可撓
性のものが用いられ、ナイロン、シリコン、テフロン、
ポリメチルペンテン等が使用される。取扱い性および耐
熱性の点から、ポリメチルペンテンが好ましい。このよ
うな材料は金属材料に比べて極めて軽量であるために、
軽量化を目的として中空にする必要がない。従ってマン
ドレル１８をそのまま残存させた素線２０を用いること
ができる。逆に中実であるために、座屈強度に優れる利
点を有する。
【００２７】このようなコイルばね１０の表面の耐衝撃
強度を向上させるとともに、成形性および意匠性を改善
するためには、コイルスプリング１０の素線の最外層と
して、織物プリプレグを使用することが好ましい。
【００２８】
【実施例および比較例】実施例１ 一方向炭素繊維／エポキシ樹脂プリプレグ（東邦レーヨ
ン株式会社製）を用いて、図１に示すマイナス方向の繊
維とプラス方向の繊維との量比Ａ／Ｂが１．３９になる
ように±４５°に２方向の繊維を配向させて積層してプ
リプレグシートを得た。直径が８ｍｍで長さが１０００
ｍｍのポリメチルペンテン樹脂製可撓性マンドレルを用
意して、このマンドレルに平行に、しかもプリプレグの
繊維の方向が±４５°の方向になるようにプリプレグシ
ートを巻付け、これによって直径が１７ｍｍのコイル素
線を得た。
【００２９】この素線にポリエステルテープ（ＰＥＴテ
ープ）を用いてテープラップした後に、コイル状に溝が
切ってある樹脂型を用いてコイル素線を固定し、まず８
０℃で３０分間、次いで１３０℃で２時間の熱処理を行
ない、テープ収縮による加圧によって樹脂を硬化させた
後、脱型した。
【００３０】このようにしてコイル素線の径が１６ｍｍ
であって、コイルの平均径が７５ｍｍで、自由高さが１
２０ｍｍ、有効巻数が２．５、繊維量比Ａ／Ｂ＝１．３
９のコイルスプリングが得られた。このコイルスプリン
グの上端に治具を嵌込み、インストロン型万能試験機を
用いてコイル中心線上に荷重を加え、圧縮試験を行なっ
たところ、修正剪断強度が５７ｋｇｆ／ｍｍ2 という値
を示した。
【００３１】実施例２ マイナス方向とプラス方向の繊維の量比Ａ／Ｂを表１に
示すように１．６７に変え、それ以外の条件は実施例１
と同様にしてコイルスプリングを作製した。得られたコ
イルスプリングについて上記実施例１と同様の圧縮試験
を行なった結果、修正剪断強度として５２ｋｇｆ／ｍｍ
2 の値が得られた。
【００３２】実施例３ マイナス方向とプラス方向の繊維の量比Ａ／Ｂを２．０
に変え、それ以外については実施例１と同様の方法によ
ってコイルスプリングを作製した。そして得られたコイ
ルスプリングについて上記実施例１と同様の方法で圧縮
試験を行なった。この結果修正剪断強度は４５ｋｇｆ／
ｍｍ2 であった。
【００３３】比較例１ マイナス方向とプラス方向の繊維の量比Ａ／Ｂを０．５
に設定し、それ以外については実施例１と同様にしてコ
イルスプリングを作製し、得られたコイルスプリングに
ついて上記実施例１と同様の圧縮試験を行なった。圧縮
試験の結果、修正剪断強度は３８ｋｇｆ／ｍｍ2 であっ
て、実施例１〜３のものよりもかなり低かった。
【００３４】比較例２ マイナス方向とプラス方向の繊維の量比Ａ／Ｂを１．０
にし、それ以外については実施例１と同様の方法によっ
てコイルスプリングを作製した。得られたコイルスプリ
ングについて、上記実施例１と同様の圧縮試験を行なっ
た。結果は表１に示すように３９ｋｇｆ／ｍｍ2 の修正
剪断強度が得られ、比較例１とほぼ同様の成績であっ
た。
【００３５】比較例３ プラス方向にのみ繊維を４５°の角度で配向し、２方向
の繊維の量比Ａ／Ｂ＝０として実施例と同様のコイルス
プリングを作製した。そしてこのコイルスプリングにつ
いて上記実施例１と同様の圧縮試験を行なった結果、修
正剪断強度は１８ｋｇｆ／ｍｍ2 であって、非常に低か
った。
【００３６】実施例４ 高強度炭素繊維束（東邦レーヨン株式会社製ベスファイ
ト）に予め硬化剤を加えたビスフェノールＡ型エポキシ
樹脂を含浸させ、フィラメントワインド法によってマン
ドレルの軸心に対してマイナス方向の繊維とプラス方向
の繊維の量比Ａ／Ｂが１．６７であって、繊維の配向方
向が±４５°となるように巻付け、コイル素線を作製し
た。得られたコイル素線を実施例１と同様に成形し、得
られたコイルスプリングの圧縮試験を行なったところ、
修正剪断強度は５３ｋｇｆ／ｍｍ2 の値が得られた。
【００３７】実施例５ 一方向炭素繊維／エポキシ樹脂プリプレグ（東邦レーヨ
ン株式会社製）を用い、マイナス方向の繊維とプラス方
向の繊維との量比Ａ／Ｂが１．３９になるように±４５
°に配向させて積層した。
【００３８】そして実施例１と同様にしてマンドレルに
平行に、しかもプリプレグの繊維の方向が±４５°とな
るようにプリプレグシートを巻付けた後に、最外周に平
織プリプレグ（東邦レーヨン株式会社製）を繊維角度が
±４５°となるように巻付け、コイル素線とした。この
コイル素線を実施例１と同様にして形成し、繊維量比Ａ
／Ｂが１．３３のコイルスプリングを作製した。
【００３９】得られたコイルスプリングは、最外層に織
物プリプレグを用いているために、表面が平滑で意匠性
に優れており、修正剪断強度も５６ｋｇｆ／ｍｍ2 とい
う高い値を示した。
【００４０】実施例６ 図２に示す繊維量比Ａ／Ｂが、１．３９であって、実施
例１と同サイズの引張り試験専用コイルスプリングを作
製し、圧縮方向とは逆に引張り試験を行なったところ、
修正剪断強度は表１に示すように４３ｋｇｆ／ｍｍ2 と
いう値を示した。
【００４１】比較例４ 繊維量比Ａ／Ｂを１．０とした以外は実施例１と同様に
して作製した引張り専用コイルスプリングを、引張り試
験を行なったところ、修正剪断強度が３１ｋｇｆ／ｍｍ
2 という比較的低い値になった。
【表１】
【発明の効果】第１の発明によれば、圧縮力が作用する
方向に配向された炭素繊維の量Ａと、引張り力が作用す
る方向に配向された炭素繊維の量Ｂとの量比Ａ／Ｂが １．１＜Ａ／Ｂ＜４．０ の範囲内としているために、圧縮力が働く方向と引張り
力が働く方向との繊維量の比Ａ／Ｂが調整され、最適化
される。従って軽量でかつ剪断強度に優れる炭素繊維強
化樹脂複合材料から成るコイルスプリングが得られるこ
とになる。
【００４２】第２の発明によれば、素線の最外周に炭素
繊維織物を配するようにしたものである。このように最
外層に炭素繊維織物を配することによって、表面が滑ら
かで意匠性に優れ、しかも高い剪断強度を有する軽量の
炭素繊維強化複合材料製コイルスプリングが得られるこ
とになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】圧縮コイルばねの要部正面図である。
【図２】引張りコイルばねの要部正面図である。
【図３】圧縮コイルばねの素線の要部拡大斜視図であ
る。
【図４】引張りコイルばねの素線の要部拡大斜視図であ
る。
【図５】素線を形成するためのプリプレグの分解斜視図
である。
【図６】マンドレルに巻装されたプリプレグから成る素
線の拡大断面図である。
【図７】型に素線を巻装する状態を示す斜視図である。
【図８】得られたコイルスプリングの外観斜視図であ
る。
【符号の説明】
１０ コイルスプリング １５、１６ プリプレグ １８ マンドレル ２０ 素線 ２２ 型 ２３ らせん状の溝 ３０ 素線の軸心
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成６年８月８日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００６】強化繊維を素線の軸心に対して所定の交角
で巻付けたコイルスプリングにおいては、負荷を加えた
ときに、素線にはねじり応力が作用し、一方の配向繊維
には圧縮力が加わるとともに、他方の配向繊維には引張
り力が作用する。このために炭素繊維強化樹脂複合材料
の特性から、このようなコイルスプリングの破壊は、圧
縮方向に繊維が配向されている層から開始されるという
問題を含んでいる。先に挙げた特開昭５６−１８１３６
号公報に記載されたコイルスプリングにおいては、素線
の中でほぼ総ての繊維が一方向に配向している。このよ
うなコイルスプリングにおいては、繊維方向に対して９
０°の方向の強度が弱く、破壊が起り易いという問題を
有している。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山内 雅仁 静岡県駿東郡長泉町上土狩字高石234 東 邦レーヨン株式会社三島工場内 (72)発明者 久野 年生 埼玉県行田市藤原町１丁目14番地１ 株式 会社ショーワ内 (72)発明者 竹澤 由行 埼玉県行田市藤原町１丁目14番地１ 株式 会社ショーワ内 (72)発明者 新井 正博 埼玉県行田市藤原町１丁目14番地１ 株式 会社ショーワ内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】炭素繊維で補強された樹脂から成る素線を
    らせん状に巻回して成る炭素繊維強化樹脂製コイルスプ
    リングにおいて、 素線軸心に対して炭素繊維を±３０°〜±６０°の角度
    を有するように配向させ、 圧縮力が作用する方向に配向された炭素繊維の量をＡと
    し、引張力が作用する方向に配向された炭素繊維の量を
    Ｂとすると、 両方向の炭素繊維の量比Ａ／Ｂは １．１＜Ａ／Ｂ＜４．０ の範囲内であることを特徴とする炭素繊維強化樹脂製コ
    イルスプリング。
  2. 【請求項２】素線の最外層に炭素繊維織物を配して成る
    ことを特徴とする請求項１に記載の炭素繊維強化樹脂製
    コイルスプリング。
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