JPS6143579B2

JPS6143579B2 -

Info

Publication number: JPS6143579B2
Application number: JP9026977A
Authority: JP
Inventors: Toshiki Norita; Kazuo Ooyori
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1977-07-29
Filing date: 1977-07-29
Publication date: 1986-09-29
Also published as: JPS5425986A

Description

【発明の詳細な説明】

(イ) 産業上の利用分野この発明は繊維強化プラスチツク製板ばねに関
し、さらに詳しくは、自動車や鉄道車両などの懸
架装置に使用する板ばねに関する。 (ロ) 従来技術板ばねは、従来からいろいろな分野で広く用い
られているが、そのほとんどがばね鋼などの金属
で作られている。しかしながら、近年、たとえば
自動車や鉄道車両において、燃費や加速性能を向
上せんとして車体重量の軽減が大きな問題として
取り上げられるようになり、繊維強化プラスチツ
ク（FRP）を構成材料とする板ばねが検討され
るようになつてきた。すなわち、炭素繊維やガラ
ス繊維などの高強度、高弾性繊維で樹脂を強化し
てなるFRPは、ばね鋼にくらべて比強度や比弾
性率が高いので、板ばねの軽量化を図るうえで大
変都合がよい。ところで、そのようなFRPで板ばねを構成し
ようとした場合、主として成形が容易であるとい
う理由で、最も一般的に使用されている重ね板ば
ねとしてではなく、１枚の、いわゆる単葉板ばね
として設計されるのが普通である。しかしなが
ら、そのような単葉板ばねで重ね板ばねと同等の
ばね定数を得ようとすれば、その肉厚を相当厚く
しなければならない。しかるに、力学上明らかな
ように、板状体に曲げモーメントが加わつたとき
にその最外層に発生する歪は、与えられる曲げの
程度が同じならば厚みが厚いほど大きくなるか
ら、単葉板ばねに生成する歪は、同一荷重条件下
であつても重ね板ばねのそれにくらべてはるかに
大きい。そして、この大きな歪がたびたび板ばね
の破壊をもたらす。さて、従来のFRP製単葉板ばねは、ガラス繊
維で樹脂を強化してなる、いわゆるガラス繊維強
化プラスチツク（GFRP）の板状芯材の両面に、
その芯材と一体であるように、炭素繊維で樹脂を
強化してなる。いわゆる炭素繊維強化プラスチツ
ク（CFRP）の外層材を設けた３層構成を採つて
いる。しかしながら、CFRPは弾性率において
GFRPより優れるものの破壊歪においては劣るの
で、そのようなCFRPを外層材とする上記従来の
板ばねでは高い破壊強度が得られない。 (ハ) 発明が解決しようとする問題点この発明は、従来のFRP製板ばねの上記欠点
を解決し、軽量にして破壊強度の高い板ばねを提
供することを目的としている。 (ニ) 問題点を解決するための手段上記目的を達成するためにこの発明は、弧状に
わん曲した板ばねであつて、その板ばねは、板状
の芯材と、この芯材の両板面にその芯材と一体で
あるように設けた板状の外層材とを有し、前記芯
材はその少なくとも芯層を除く部分が炭素繊維ま
たは炭素繊維を主体とする繊維で樹脂を強化して
なる繊維強化プラスチツクで構成され、前記外層
材はガラス繊維またはガラス繊維を主体とする繊
維で樹脂を強化してなる繊維強化プラスチツクで
構成されている繊維強化プラスチツク製板ばねを
特徴とするものである。この発明の板ばねの一実施態様を図面に基いて
説明するに、第１図（概略側面図）および第２図
（第１図のＡ−Ａ断面図）において、板ばねは全
体として上方に弧状にわん曲している。しかし
て、この板ばねには、その長手方向中心において
凸側から荷重Ｆが加わる。したがつて、凹側は引
張側であり、凸側は圧縮側である。図示していな
いが、長手方向両端部には、一般に目玉部と呼ば
れる取付部が形成されている。上記板ばねは、板状の芯材１と、この芯材１の
凹側板面（上面）および凸側板面（下面）にその
芯材１と一体であるように設けた板状の外層材
２，３とを有している。上記芯材は、その全部が、ポリアクリルニトリ
ル繊維、セルロース繊維、ピツチ繊維などを焼成
して得られる、好ましくは直径が３〜15μｍでヤ
ング率が15トン／mm²であるような炭素繊維で樹脂
を強化してなる炭素繊維強化プラスチツク、つま
りCFRPで構成されている。いわゆるマトリクス
を形成している上記樹脂は、エポキシ樹脂、不飽
和ポリエステル樹脂、フエノール樹脂、ポリイミ
ド樹脂などの熱硬化性樹脂である。なかでも、エ
ポキシ樹脂や不飽和ポリエステル樹脂が好適であ
る。もつとも、ポリアミド樹脂、ポリスルホン樹
脂などの熱可塑性樹脂であつてもよい。これに対
して、凹側および凸側外層材は、ともに、ガラス
繊維で上記樹脂を強化してなるガラス繊維強化プ
ラスチツク、つまりGFRPで構成されている。芯
材および外層材には、通常、同一種類の樹脂が使
用される。一方、上記炭素繊維およびガラス繊維
は、通常、30〜70体積％の範囲で含まれている
が、その形態は、フイラメントの形態であつて
も、あるいは織物の形態であつてもよいものであ
る。上述したように、芯材には炭素繊維を、また外
層材にはガラス繊維をそれぞれ使用する。しかし
ながら、それらの特性を著しく損わない範囲で他
の繊維を併用することも可能である。たとえば、
炭素繊維やガラス繊維がいずれもフイラメントで
ある場合、それと有機高弾性繊維や金属繊維のフ
イラメントとを適当な割合で一方向に引き揃えて
使用することができる。芯材および外層材において、繊維は、その繊維
軸方向が板ばねの長手方向になるように引き揃え
て配置してもよいし、長手方向に対して角度をも
つように配置してもよい。上記２つの組み合せ配
置を採つてもよい。たとえば、繊維が織物の形態
である場合、その、たとえば経糸が板ばねの長手
方向になるように配置すると、その緯糸は必然的
に幅方向を向くことになり、板ばねの長手方向に
対して０゜、90゜の２方向配置を採ることができ
る。第３図は、異なる実施態様のこの発明の板ばね
を、上記第２図と同様の横断面図として示すもの
である。この態様の板ばねは、上記第１図および
第２図に示した態様におけるCFRPの芯材１の厚
み方向中心部分、つまり芯層４をGFRPで構成し
ている。すなわち、この発明の板ばねにおける芯
材は、その少なくとも芯層を除く部分が炭素繊維
または炭素繊維を主体とする繊維で樹脂を強化し
てなるFRPで構成されていればよい。その理由
は、厚み方向の中心部分は曲げ弾性および曲げ強
度にほとんど関与しないから、その部分にまで高
価な炭素繊維を使用する必要はあえてないからで
ある。だから、芯層をGFRPで構成すれば炭素繊
維の使用量が減り、コストが低くなる。ガラス繊
維に代えてポリエステル繊維やポリアミド繊維、
金属繊維などの他の繊維を使用したり、場合によ
つては樹脂のみで芯層を構成することも可能であ
る。以上説明した実施態様において、板ばねのわん
曲の程度、長さ、全体の厚みなどは、用途などに
応じて任意に決定し得るものである。また、幅
は、一様であつてもよいし、長手方向中心から両
端に向かうにしたがつて徐々に狭くなるように構
成してもよい。さらに、重ね板ばねを構成するこ
ともできる。この発明の板ばねは、従来周知の金型成形法な
どを使用して製造することができる。たとえば、
第１図に示した板ばねは、炭素繊維のマルチフイ
ラメントを一方向に互いに並行かつシート状に引
き揃え、これにＢ−ステージ（半硬化状態）の熱
硬化性樹脂を含浸した、いわゆる一方向性炭素繊
維プリプレグと、同様に一方向性ガラス繊維プリ
プレグを準備し、金型内にそれらプリプレグを一
方向性炭素繊維プリプレグ、一方向性ガラス繊維
プリプレグ、一方向性炭素繊維プリプレグの順に
それぞれ所望の枚数づつ、かつ繊維軸の方向が所
望の方向になるように積層し、加圧、加熱して樹
脂を硬化させることによつて製造する。もちろ
ん、織物プリプレグを使用してもよい。別の方法としては、上述した一方向性炭素繊維
プリプレグを使用して適当な厚みのCFRP薄板を
多数成形しておき、さらにその薄板の複数枚を接
着剤を使用して接着し、所望の厚みの芯材を得
る。一方、全く同様にして、しかしこんどは一方
向性ガラス繊維プリプレグを使用して所望の厚み
の外層材を得る。次に、これら芯材と外層材とを
接着剤で接着し、板ばねとする。この方法は、薄
板を順次接着して所望の厚みの板ばねとするか
ら、上述した方法にくらべて成形歪による残留応
力を生じにくい。すなわち、厚い板ばねを一気に
成形すると、成形歪を生じて残留応力を発生しや
すく、その残留応力による強度低下をきたす場合
があるが、この方法はその影響を受けにくい。 (ホ) 作用この発明の板ばねは、第１図に示すように、そ
の長手方向中心で、かつ凸側から荷重Ｆが加わる
状態で使用する。このとき、弾性率の高いCFRP
からなる芯材１は、板ばねに所望の剛性を与え、
全体の厚みを薄くして最外層に生成する歪を低く
するよう作用する。また、凹側外層材２は引張荷
重を、凸側外層材３は圧縮荷重をそれぞれ支える
ように作用する。 (ヘ) 実施例長さ1500mm、幅60mm、キヤンバー300mm、曲率
半径約750mmに対応するキヤビテイを有する金型
を用意し、その金型のキヤビテイに、ガラス繊維
を一方向に互に平行かつテープ状に引き揃えたも
のにＢ−ステージのエポキシ樹脂を含浸してなる
一方向向性ガラス繊維プリプレグをその繊維軸方
向がキヤビテイの長手方向になるように８枚積層
し、その上に、炭素繊維を一方向に互に並行かつ
テープ状に引き揃えたものにＢ−ステージのエポ
キシ樹脂を含浸してなる一方向性炭素繊維プリプ
レグを同様に24枚積層し、さらにその上に上記一
方向性ガラス繊維プリプレグを同様に８枚積層し
た。なお、上記ガラス繊維および炭素繊維の一方
向性プリプレグは、いずれも、エポキシ樹脂が硬
化した状態で約0.25mmの厚みをもつものである。次に、上記積層体を圧力約10Kg/cm²、温度約150
℃で約２時間加熱してエポキシ樹脂を硬化させ、
芯材がCFRPからなり、外層材がGFRPからな
る、長さ1500mm、幅60mm、厚み約9.9mmのこの発
明の板ばねを得た。以下、この板ばねを発明品と
いう。一方、比較のため、上記発明品と全く同様にし
て、しかしまず一方向性炭素繊維プリプレグを４
枚積層し、その上に一方向性ガラス繊維プリプレ
グを28枚積層し、さらにその上に一方向性炭素繊
維プリプレグを４枚積層して、芯材がGFRPから
なり、外層材がCFRPからなる、長さ1500mm、幅
60mm、厚み約8.9mmの板ばねを得た。プリプレグ
の積層枚数を変えたのは、発明品とばね定数をほ
ぼ同一にするためである。以下、この板ばねを比
較品１という。次に、一方向性ガラス繊維プリプレグのみを使
用し、これをキヤビテイ内に48枚積層し、以下上
記発明品と全く同様にして、長さが1500mm、幅が
60mm、厚みが約11.5mmであるGFRP製板ばねを得
た。以下、この板ばねを比較品２という。次に、上記比較品２と同様に、しかしこんどは
一方向性炭素繊維プリプレグのみを使用し、これ
を32枚積層して、長さが1500mm、幅が60mm、厚み
が約7.7mmであるCFRP製板ばねを得た。以下、
この板ばねを比較品３という。次に、上記４種類の各板ばねについて、スパン
長を1200mmとし、長手方向中央部で、かつその凸
側から荷重を付加し、ばね定数と破壊荷重を測定
した。また、有効長1400mmについて重量を測定し
た。測定結果を次表に示す。

【表】上表から明らかなように、４種類の板ばねとも
ばね定数はほとんど同じであるが、発明品の破壊
荷重は、最も高い比較品２のそれにくらべても約
1.14倍ある。芯材がGFRPであり、外層材が
CFRPである比較品１、つまり発明品と層構成が
逆である上記従来の板ばねにくらべれば、実に約
1.65倍もある。しかも、発明品は重量において比
較品２より0.4Kgも軽い。比較品１にくらべれば
0.1Kg重いが、同じ破壊荷重であればそれよりも
相当軽い。比較品３は、重量において発明品より
0.5Kg軽いが、その破壊荷重は発明品の約67％に
すぎない。結局、発明品は軽量で、しかも破壊強
度が高い。 (ト) 発明の効果この発明の板ばねは、芯材の少なくとも芯層を
除く部分を弾性率の高い炭素繊維または炭素繊維
を主体とする繊維のFRPで構成し、外層材を弾
性率は低いが破壊歪の大きいガラス繊維またはガ
ラス繊維を主体とする繊維のFRPで構成してい
るからして、軽量で、しかも破壊強度が高く、自
動車や鉄道車両の懸架装置に使用すると、燃費や
加速性能が向上するばかりか振動も減る。また、
破壊歪を大きくとることができるから全体の厚み
を薄くでき、生成する歪が減少するばかりか重量
も減る。さらに、耐衝撃強度の高いガラス繊維ま
たはガラス繊維を主体とする繊維のFRPで外層
材を構成しているから衝撃強度も高く、石などの
衝突による損壊を防止することもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の板ばねの一実施態様を示
す概略側面図、第２図は、上記第１図のＡ−Ａ断
面図、第３図は、異なる実施態様のこの発明の板
ばねを示す概略横断面図である。１：芯材、２：凹側外層材、３：凸側外層材、
４：芯材の芯層。

Claims

【特許請求の範囲】

１弧状にわん曲した板ばねであつて、その板ば
ねは、板状の芯材と、この芯材の両板面にその芯
材と一体であるように設けた板状の外層材とを有
し、前記芯材はその少なくとも芯層を除く部分が
炭素繊維または炭素繊維を主体とする繊維で樹脂
を強化してなる繊維強化プラスチツクで構成さ
れ、前記外層材はガラス繊維またはガラス繊維を
主体とする繊維で樹脂を強化してなる繊維強化プ
ラスチツクで構成されていることを特徴とする繊
維強化プラスチツク製板ばね。