JPS63231011A - コネクテイングロツド - 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〉 本発明は繊維強化複合体からなる軽量かつ強度に優れた
コネクティングロッドに関するものである。

〈従来の技術〉 内燃機関用のコネクティングロッドは２５０〜８６０”
Ｃ下での耐熱性及び高強度を必要とし、一般には鍛造鋼
が使用されている。またコネクティングロッドは軽量で
あればある程回転時の負荷が少なくなり、燃費の向上、
騒音の低減など多大の効果を示すことが知られており、
それ故アルミニウム合金製のコネクティングロッドが開
発されているが、高温下での信頼性に不安があり、自動
車などの安全性の要求される用途には必ずしも使用でき
ないのが現状である。

〈発明が解決しようとする問題点〉 一方、繊維強化金属（以下ＦＲＭと呼称する。）繊維強
化樹脂（以下ＦＲＰと呼称する。）は軽量かつ高強度、
高弾性率を有しており、特に強度、弾性率を密度で除し
た比強度、比弾性が高く、また耐熱性も有している。こ
れらの点から近年ＦＲＭ、ＦＲＰでコネクティングロッ
ドを作製する試みもなされているが、ＦＲＰ、ＦＲＭの
もつ異方性のため、強度的に必ずしも満足すべきもので
なく、実用には到っていないのが現状である。

特開昭５９−１２６１１１号公報には長ｗ４維が大端部
中心と小端部中心を結ぶ線上に沿って配列され、かつ大
端部、小端部および棹部の少なくとも外周に沿って配列
される繊維強化複合体からなるコネクティングロッドが
記載されている。

このコネクティングロッドでは強化繊維は上記大端部中
心と小端部中心を結ぶ線上に沿って配列される繊維と大
端部、小端部および棹部の外周に沿って配列されるｗ４
紬との２つの群からなっており、温度差により、２つの
繊維の群の界面及び群の内部で亀裂を発生することが多
く、この際強度は大きく低下し、強度性能的に不安定な
ものであった。

更に作業的にも外周に沿って繊維を配列することは時間
と人手を要し生産性が劣る結果となっている。

く問題点を解決するための手段〉 本発明者らは上記の亀裂発生の問題について有限要素法
による解析も併用して検討を行った結果、複合材料にお
いて熱応力は積層材の末端部で最大となる、詳しくは末
端部から積層材内部へ向かって＠層材の板厚程度の距離
の位置付近から応力の集中が始まり末端部が最大となる
ことが判った。

また、強化ｔＩｊ４ｍにアルミナ１ａｍを使用し、マト
リックスとして銅５％のアルミニウム合金を用いて一方
向ＩＩＩＡ維シートを０°および９０°に交互にｌａｍ
ｂて面対称とし、全体の厚さ２０ｍの繊維強化金属複合
材料を成形した場合の同一配向の繊維層一層の厚さと温
度差５００℃において積層間に生じる厚さ方向の応力と
の関係を有限要素法を用いたコンピューターシミュレー
シ習ンの結果から同一配向の繊維層一層の・厚さにより
得られる複合材料の積層間に生じる応力が異なり、一層
の厚さを薄くすることにより応力を小さくすることがで
きることが判った。

これらのことから、生じる熱応力を分散させて、得られ
る複合材料に割れを生じさせないためには同一方向に続
けて積層する厚さを特定の厚さ具体的には１曽以下にな
るように積層させればよいことを見出した。

すなわち、本発明は１ｍ維強化複合体からなり、大端部
、小端部およびこれらを連結する棹部よりなるコネクテ
ィングロッドにおいて ■　該複合体が金属または樹脂マトリックス中に長繊維
を配列せしめたものであり、 ■　該長、１１ｍｍが一方向に引き揃えたシートを構成
し、該シートが長ａｍの配列方向に関し面対称に積層さ
れた積層材からなるコネクティングロッドを提供するも
のである。

以下本発明について詳細に説明する。

本発明に使用される強化材としてのＩＩＡＭｉは高強度
、高弾性率を有するものが望ましく、例えばアルミナ繊
維、炭素繊維、シリカ繊維、シリコンカーバイト繊維、
ボロンａ維等が好ましい。

特にＦＲＰにおいては上記繊維、ＦＲＭにおいてはアル
ミナ繊維、シリコンカーバイト繊維、ボロンｍｌ／ａが
好ましい。

またマトリックス材料としては少な（とも２００℃での
耐熱性を有するもので樹脂としてはエポキシ樹脂、ポリ
アミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、
ポリエーテルスルホン等が好適である。

金属としてはアルミニウム、アルミニウム合金、マグネ
シウム、マグネシウム合金などの軽量材料として一般Ｇ
ζ使用されている金属、合金か好適である。

長繊維は一方面に引ｔｋ　ｆｉｎえられ、常法によ・り
樹脂を含浸させたシートの形で用いる。このシートの厚
さは５００μｍ以下、好ましくは８００μｍ以下である
。

マトリックスとして金属が用いられる場合は、含浸する
樹脂としては金属との複合化の前の熱処理または予熱の
際の熱により分解気化して炭素等の残渣を残さない樹脂
が使用され、具体的にはポリメチルメタクリレート、ポ
リブチルメタクリレート等のメタアクリル系樹脂等が使
用されるがこれに限定されるものではない。

マトリックスとして樹脂が用いられる場合は含浸する樹
脂としてはマトリックスと同じものが使用される。

該シートは長ａ紬の配列方向に関して面対称に積層され
るが、同一繊維方向のシートを続けて積層する厚さは１
ｍ以下、好ましくは０．５Ｗ以下とすることが必要であ
る。１ｍを超えて積層し、コネクティングロッドを製造
するとロッド内に割れが生じ、機械的強度が低下し易く
なる。

シートが長繊維の配列方向に関し面対称に積層されると
は基準のシートから前後、同間隔のシートの繊維の配列
方向が同一方向となるようにシートを積７食することで
ある。

次に本発明のコネクティングロッドの製造法の一例を第
１図を用いて説明する。

第１図は本発明のコネクティングロッドの一実施例を示
す平面図並びに側面図である。

１はコネクティングロッドの大端部、２は小端部であり
、８は大端部１および小端部２を連結する棹部であり、
４，５．６はシートをｍ維の配列方向に関し面対称に積
層した各部位を示す。

まず長繊維を一方向に引き揃えたものを常法により樹脂
を含浸させたシートを製造する。製造されたシートを第
１図のようなコネクティングロッドの形に裁断する。裁
断方法としてはナイフ、セラミックス製はさみ等を用い
て行なうかまたは打ち抜き型で打ち抜く等の方法が採用
できる。この時各種繊維方向を持つコネクティングロッ
ドの形を裁断しておく。引き続き前述のとおりシートは
繊維の配列方向に関し面対称に積層されるが、同一方向
に続けて積層する厚さは１■以下とする必要がある。

具体的には第１図のように４．５．６の各部位ごとにシ
ートを裁断し、該シートを繊維の配列方向に関し面対称
に積層し、予備成形体を製造する。

次いで成形する方法としてはマトリックスが樹脂の場合
は上記シートを面対称に積層した予備成形体を金型内に
入れホットプレスによる方法またはオートクレーブによ
る方法で複合化させる方法が採用できる。

一方、マトリックスが金属の場合は、鋳型の中に上記シ
ートを積層した予備成形体を配置し、金属溶湯を圧入ま
た真空吸入するガス加圧含浸法、高圧凝固鋳造法、低圧
鋳造法、真空含浸法などが好適に採用できる。その他拡
散接合法、プラズマスプレー法等も採用できる。なお、
成形後熱処理により強度、硬度を高めることも可能であ
る。

〈実施例〉 以下本発明について実施例により説明するが、本発明は
これらにより限定されるものではない。

実施例１ 強化繊維として平均繊維径１７μｍ１引張強度１８０　
ｋｇ／ｊ、引張弾性率２８，５００に９／−のアルミナ
ａ維（Ａ、５ｇ０ａ含有率８５重量％、５１０ｇ１５重
量％）を用いた。−束１０００フィラメントの繊維束を
マンドレルに平行に巻き取り、ポリメチルメタクリレー
ト溶液を滴下してａ雑に含浸させ、ついで溶剤を蒸発除
去して繊維と直角方向に裁断し、マンドレルから引き離
して一方向に引き揃えたアルミナ繊維のシートを得た（
厚さ２５０μｍ１繊維体積含有率５０＠量％）。

このシートを第１図に示すコネクティングロッドと同じ
形状で全長１８０ｍ、大端部穴部内径４５ｍｍ、小端部
穴部内径２０諺、大端部、小端部各六部中心間１２０１
の大きさにナイフで裁断した。

この際、大端部穴部の中心および小端部穴部の中心を結
ぶ線に対して繊維の方向がθ°、±４５°、９０°をな
すものをそれぞれ準備した。第１図における４の部位は
繊維方向がθ°、±４５°、９０°のシートをそれぞれ
５１枚、１８枚、８枚裁断し、０°のシートを基準に面
対称になるごとく積層すると共に同一繊維方向のシート
は連続して４枚以内の積層とした。

次に第１図における５、６の部位は繊維方向が００、±
４５°、９０°のシートをそれぞれ７枚、６枚、８枚ず
つ裁断し、上記と同様番ζ面対象になるごと＜ｍａｔ、
、た。これらの積層材をコネクティングロッド製造用の
固定枠に装填し、６５０℃で１時間加熱焼成して完全に
樹脂分を除去した。次いで該積層材を溶湯鍛運用金型内
に装填し、８００　’Ｃの溶融アルｊＬｉニウム合金（
ＪＩｂＡＵ璽Ａ）を注湯し、６００１り給−の加圧下で
複合化を行ないコネクティングロッドを得た。

このロッドの大端部をロッドの長手方向に対して直角に
切断し、ボルト締め部分にボルト大をあけボルトを通し
てロッドを完成させた。これの大端部穴部および小端部
穴部にそれぞれピンを装入し万能試験機（高滓製オート
グラフＤＣ８−２５Ｔ）を用いて引張強度と圧縮強度を
測定した。また、同様に製造したコネクティングロッド
に熱処理（Ｔ６処理）を施した後、上記と同様の測定を
した。

測定結果を第１表に示す。

熱処理によっでもコネクティングロッド中には亀裂は発
生していなかった。

比較例１ 強化繊維として実施例１と同じアルミナ繊維を用い、こ
の繊維をポリメチルメタクリレート／ジブチルフタレー
トの７０／８０（重量比）のジクロルメタン溶液（濃度
１０重ｊｌ／容量％）に浸漬しつつ、巻取り、幅２５■
のリボン状物を作製した。また実施例１と同じアルミナ
繊維を用い実施例１と同様の方法でアルミナ繊維のシー
トを作製した。

次に実施例１と同じ大きさ、形状のコネクティングロッ
ド製造用の固定枠の空隙にシート、リボン状物を装填し
た。まず大端部、小端部の形状に合せて繊維方向が０°
、±４５°、９　Ｇ’のシートをそれぞれ７枚、６枚、
８枚ずつ裁断し、実施例１と同様に面対称になるごとく
積層した。次に大端部、小端部および棹部の外周にリボ
ン状物を巻き込み、棹部に繊維方向が０・のシー￥＋７
２枚積層した。引き続き実施例１と同じ方法、マトリッ
クスで複合化してコネクティングロッドを得た。

このようにして得たロッドを２個用意し実施例１と同様
に熱処理（７６処理）を施したものおよび施さないもの
に区別し、実施例１、峻 と同じ万能試験機を用いて試験した。

測定結果を第１表に示す。

熱処理した結果、大端部穴部および小端部穴部の棹部装
填シート積層体内並びに同棹部装填シート積層体と外周
に巻いたリボン状物との界面に亀裂が発生し強度も第１
表に記載のとおり低かった。

実施例２ 強化繊維として平均繊維径７．６μｍ１引張強度８５０
に９／、ｊ、引張弾性率２８，０００＃シーの炭素繊維
を用い、マトリックスとしてエポキシ樹脂を用い、該樹
脂を含浸させたシートを得た（厚さ１５０μｍ、繊維体
積含有率６０容愈％）。

このシートを実施例１と同様の大きさに裁断した。

この際、第１図における４の部位は、繊維方向が０９、
±４５°、９００のシートをそれぞれ８４枚、８０枚、
６枚裁断し、０°のシートを基準に面対称になるごと＜
ａｍすると共に同一繊維方向のシートは連続して６枚以
内の積Ｈ’ｒ’ｂだ。次に第１図における５、６の部位
は繊維方向がθ°、±４５°、９０°のシートをそれぞ
れ１０枚、１０枚、５枚ずつ裁断し、上記と同様に面対
称になるごとく積層した。

これらのａｍ体を金型に装填し、上、下型より７に９／
−で加圧し、１８０℃、８時間で熱硬化させ、エポキシ
樹脂のコネクティングロッドを得た。

このコネクティングロッドを実施例１と同様の装置、方
法で試験した結果を第１表に示す。

第　　１　　表 〈発明の効果〉 本発明のコネクティングロッドを内燃機関に用いた場合
、爆発時の圧縮力、慣性による引張力、曲げ方向の力が
加わるが、本発明のコネクティングロッドはマトリック
ス内にこれらの力に耐久られるよう最適の繊維”配列が
なされているので、樹脂、アルミニウム、アルミニウム
合金等の軽合金がマトリックスであっても高強度を有し
、かつ軽量であり、燃費の向上、騒音の低減に多大の効
果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のコネクティングロッドの一実施例を示
す平面図並びに側面図である。 ｌ・・・・・・大端部 ２・・・・・・小端部 ８・・・・・・棹部

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 繊維強化複合体からなり、大端部、小端部およびこれら
   を連結する棹部よりなるコネクティングロッドにおいて １　該複合体が金属または樹脂マトリックス中に長繊維
   を配列せしめたものであり、 ２　該長繊維が一方向に引き揃えたシートを構成し、該
   シートが長繊維の配列方向に関し面対称に積層された積
   層材からなるコネクティングロッド