JPS597054B2 - 繊維強化プラスチック製コイルバネおよびその製造方法 - Google Patents

繊維強化プラスチック製コイルバネおよびその製造方法

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JPS597054B2
JPS597054B2 JP56124490A JP12449081A JPS597054B2 JP S597054 B2 JPS597054 B2 JP S597054B2 JP 56124490 A JP56124490 A JP 56124490A JP 12449081 A JP12449081 A JP 12449081A JP S597054 B2 JPS597054 B2 JP S597054B2
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JP
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core wire
coil spring
fiber
reinforcing fibers
wire
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JP56124490A
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JPS5828029A (ja
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利男 吉野
顕 遠藤
章三 大橋
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Resonac Corp
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Hitachi Chemical Co Ltd
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16FSPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F1/00Springs
    • F16F1/36Springs made of rubber or other material having high internal friction, e.g. thermoplastic elastomers
    • F16F1/366Springs made of rubber or other material having high internal friction, e.g. thermoplastic elastomers made of fibre-reinforced plastics, i.e. characterised by their special construction from such materials
    • F16F1/3665Wound springs

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Springs (AREA)
  • Moulding By Coating Moulds (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は繊維強化プラスチック(FRP)製コイルバネ
に関する。
近年、省資源、省エネルギーの観点から自動車や車両、
航空機等の輸送用機器を中心に車体の重量軽減の必要性
が高まつており、各種金属部品のFRP化が試みられて
おり、そのひとつにコイルバネがある。
しかしながらFRP製コイルバネは補強繊維の配向角度
を最適角度に均一に配向するのが困難であつたり、補強
繊維含有率を十分に高めることが困難であつたりして未
だ実用化にたえるものがないのが現状である。本発明は
これらの問題点を解決しようとするものである。一般に
コイルバネにおけるバネ定数には、荷重W(に9)、た
わみδ(mm)とした時に=W/δ、64nR3sec
a一α δ= ・ W 、・、に■ (1) 64nR3secα・ cos2α となる。
ここでα:コイル素線径(m77l)、n:コイル巻数
、2R:有効コイル径(Tltm)、α:ピッチ角、G
:せん断弾性係数(に9/一)である。従つてバネ定数
の等しいコイルバネを軽量化するためには、コイル素線
の材料のせん断弾性係数を大きくする必要がある。コイ
ルバネはすでに説明した様にそれを構成する素線の材料
のせん断弾性係数(Gよつてその特性が決定され、せん
断弾性係数。が大きい材料ほどコイルバネの材料として
は望ましい。従つて異方性材料であるFRPをコイルバ
ネとする場合、補強繊維の配向角度は素線の長さ方向に
対し±15度〜±80度、一般的には±45度付近とす
るのが最適である。又FRPは、FRPを構成する補強
繊維と樹脂との構成比率によつて各種特性値が異なり一
般的には補強繊維分が高い程機械的諸特性は向上し、補
強繊維の体積含有率で70%前後が最適とされている。
従つてFRP素線の成形方法として、たとえば引抜成形
法では補強繊維の配向角度、含有率共に十分な性能を発
揮させるには不適当である。特開昭53−127958
号には編組状又は組みひも状に形成されている補強繊維
に樹脂を含浸硬化させて製したFRP製コイルバネが開
示されているがか\る方法では繊維の空隙率が大きく繊
維含有率を高めることは極めて困難である。また特開昭
55一164126号には補強繊維を軸方向に並べた芯
材の上に更に補強繊維を交互に(一層毎に)θおよび1
800−θの巻き角で繰り返し巻きつけてなるFRP製
コイルバネが開示されている。この方法によればある程
度繊維含有率を高くすることは可能であるが補強繊維の
層が別々に存在するため層間せん断力が低下するととも
に繰返し荷重により層間剥離を起し易いという欠点があ
る。本発明は上記のような欠点を解決し軽量で従来の鋼
製コイルバネに匹適する特性を有し耐久性にすぐれたF
RP製コイルバネを提供することを目的とする。
而して本発明は可撓性を有する芯線と、該芯線の軸方向
に±15撓〜土800の巻角度をもつて同時にフイラメ
ントワインデングされた補強繊維層と、前記芯線と補強
繊維を結合する熱硬化性樹脂マトリクスからなることを
特徴とする繊維補強プラスチツク製コイルバネならびに
張力により引き伸された芯線の外周に、熱硬化性樹脂を
含浸した補強繊維を、前記芯線の軸方向に15を〜±8
0補の巻角度をもつて芯線の両側から同時にフイラメン
トワインデングして製した素線を、螺旋溝が設けられた
成形型の螺旋溝に連続的に巻きとり、ついで前記樹脂を
硬化させることを特徴とする繊維強化プラスチツク製コ
イルバネの製造方法を要旨とするものである。
次に本発明を実施例を示した図面にもとずき詳細に説明
する。
本発明になるFRP製コイルバネを示した第2図におい
て、可撓性のある芯線1を軸として補強繊維を±15可
〜±800の巻角度をもつて同時に巻回してなる素線3
をコイル状となし熱硬化性樹脂を含浸硬化せしめたもの
である。第3図は素線3外周面の補強繊維の配向状況を
示したもので杉綾模様を形成している。ここで可撓性の
ある芯線としては軟鋼等の金属線や補強繊維と同質のも
のが用いられるが、コイルバネの両端にフツクを形成し
たり導電性が必要な場合には金属線が適している。次に
補強繊維材としてはガラス繊維や炭素繊維を初めとする
無機質繊維や有機高弾性繊維(たとえば米国デユポン社
のKevlar8)などが単独又は組合せて用いられる
。素線3を構成する芯線と補強繊維を結合させる熱硬化
性樹脂としては不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂
、フエノール樹脂やポリイミド樹脂などが使用条件や要
求特性に応じ選択使用される。本発明に係るFRP製コ
イルバネの製造方法としては第1図に示すように張力F
を加えて真直ぐに引き伸ばされた芯線1の軸方向に所定
の巻角度をもつて芯線1の両側から同時に樹脂液を含浸
させた補強繊維2,7を張力をかけながら巻回し素線3
となし、ひき続き螺旋状に溝を設けた成形型4の螺旋溝
内に連続的に巻きとり、巻きとつた状態で樹脂を硬化さ
せたのち、成形型4をはずすことによりFRP製コイル
バネが得られる。
なお、第1図においては補強繊維2は成形型4を芯線1
の方向を軸として回転することによつて芯線1に巻きつ
けるとともに、補強繊維の巻角度は成形型4の軸方向の
回転速度W1と芯線方向の回転速度WOとの組合せで規
制しているが本発明の主旨を越えないかぎり本実施例に
限定されるものではない0上記説明より明らかなごとく
本発明にあつては張力を加えられた芯線の両側から同時
に補強繊維を巻きつけることにより補強繊維の配向角度
が一定に保たれるとともに繊維含有率もFRPとしての
特性が最大になる70%以上に達する素線が得られる。
又、FRP層にて被覆された素線は芯線に張力を与えて
成形型の螺旋溝に巻きとり、硬化させることにより樹脂
含有率が正確に制御された所望のコイル形状を正確に得
ることが出来ると同時に連続的に製造することが可能と
なる。さらに本発明によれば、芯線に巻き付ける補強繊
維をたとえば±45度で巻き付ける場合、+45度で巻
きつける補強繊維量と−45度で巻きつける補強繊維量
を同量とすることも、又量を変えて巻くことも可能とな
る。したがつてバネの受ける荷重の種類によつてたとえ
ば引張荷重と圧縮荷重が均等にかかる場合は+45度と
−45度を同量に巻けばよい。圧縮荷重しか受けない場
合には一方の補強繊維量を減らすことも可能である。本
発明に用いられる補強繊維の形態としてはストランド又
はローピングあるいはフイラメントをテープ状にしたも
のであつてもよく、樹脂を含浸する時期は芯線に補強繊
維を巻回しながらであつてもよく成形型に巻きつけた後
であつてもよい。
また芯線に対する補強繊維の配向角度は±45。のとき
最も高いせん断弾性係数を有するコイルバネが得られる
が本発明によれば補強繊維の巻角度は自由に変更するこ
とが可能である。しかしながら±15変〜±800の範
囲を越える場合には有用なコイルバネは得られない。ま
た必要に応じ芯線の形状をかえたり、成形型の形状ある
いは螺旋溝の形状を変えて異形のコイルバネを製造する
こともできる。以上説明したように本発明のFRP製コ
イルバネは素線の長手方向に対する補強繊維が常に一定
角度をもつて配列されるとともに補強繊維含有率も高く
することができるので従来の鋼製コイルバネに比較し、
バネ定数を同一とすればコイルバネの形状を小型化する
ことができ重量も著しく低減することが可能となる。
実施例 芯線として外径1mmの軟鋼線の一端を回転自在に取り
つけ他端を外径70m1Lの鉄棒の外周に半径6rnm
の溝底を有し深さが6mm1ピツチが35mmを有する
螺旋溝をピツチ角が11mになるように設けた成形型の
下端に第1図に示したように固定する。
次にエポキシ樹脂(シエル化学製エピコート8828)
100部に硬化剤として無水メチルハイミツク酸(日立
化成製MHAC−P)95部からなる液状樹脂を含浸さ
せた4630Texのガラス繊維ローピング(富士フア
イバーグラス社製FEPlO25)を芯線の両側から片
側各60本づつ芯線に固定し芯線には4kg、ローピン
グには1k9/本の張力をかけながら成形型の芯線方向
の回転速度W。と軸方向の回転速度W1の比をW。/W
,=3.5として、成形型に巻きとつた後、成形型に巻
きついた状態の素線を150℃で4時間加熱硬化させ冷
却後脱型して繊維が芯線に対し±45硬の配向角度を有
する素線径12mm1コイル径85mm1ピツチ角11
るを有するコイルバネを得た。このコイルバネを高さ1
90mmに切断したものは重量1.4k(!!、繊維体
積含有率70%、バネ定数k−6k9/M7!Lを有し
ていた。前記実施例を鋼製コイルバネと比較する。
理論的には鋼のせん断弾性係数を8300k9/M7l
lFRPの比重を2.01鋼の比重を7.8とすると、
同一バネ定数を有する鋼製コイルバネの重量をWs..
FRP製コイルバネの重量をWFl素線径を鋼製D8、
FRP製DFとすると(1)式において変数はd及びG
でありが得られる。
実施例において鋼製コイルバネ(重量2kg)と同一バ
ネ定数としたとき重量1.35kgのバネが得られ、理
論値とほぼ一致する極めて軽量化されたコイルバネを得
ることができた。又、補強BMの配向角度及び繊維含有
率の影響をみるために配向角度±100、土45率、±
60みとし、繊維含有率を変化させたときのせん断弾性
係数Gを第3図に示す。配向角度±45んで繊維含有率
が大きい程Gが大きいことは明らかである。
【図面の簡単な説明】
図面はいずれも本発明の実施例を示すもので第1図はコ
イルバネの製造過程を示す概念図、第2図はコイルバネ
の側面図、第3図は素線の繊維配向状態を示す一部側面
図、第4図は補強繊維の配向角度ならびに含有率とせん
断弾性係数の関係を示す線図である。 符号の説明、1・・・・・・芯線、2・・・・・・補強
繊維、3・・・・・・素線、4・・・・・・成形型。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 可撓性を有する芯線と、該芯線の軸方向に±15°
    〜±80°の巻角度をもつて同時にフイラメントワイン
    デングされた補強繊維層と、前記芯線と補強繊維を結合
    する熱硬化性樹脂マトリクスからなることを特徴とする
    繊維強化プラスチック製コイルバネ。 2 張力により引き伸された芯線の外周に、熱硬化性樹
    脂を含浸した補強繊維を、前記芯線の軸方向に±15°
    〜±80°の巻角度をもつて芯線の両側から同時にフイ
    ラメントワインデングして製した素線を、螺旋溝が設け
    られた成形型の螺旋溝に連続的に巻きとり、ついで前記
    樹脂を硬化させることを特徴とする繊維強化プラスチッ
    ク製コイルバネの製造方法。
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