專利名稱：纖維強化塑料制彈簧的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及被施加脈動的彎曲載荷的纖維強化塑料制彈簧，尤其涉及防止壓縮應力引起的破壞的技術(shù)。
背景技術(shù)：
例如，在汽車領(lǐng)域中，使用承受彎曲載荷的脈動的彈簧(盤簧、發(fā)條、板簧等)，對于這些彈簧，要求輕量化和省空間化。例如，為了輕量化，提議使用纖維強化塑料制彈簧(以下，稱為FRP彈簧)來代替金屬制彈簧。例如，專利文獻I的技術(shù)公開了作為FRP彈簧的FRP漸縮式片簧(FRP taper leafspring)，在該技術(shù)中，通過使玻璃纖維或碳纖維浸潰于長度不同的多個片材中并使這些片材重疊，從而制造漸縮式片簧。另外，專利文獻2的技術(shù)公開了作為FRP彈簧的FRP片簧(FRP leaf spring),在該技術(shù)中,提議通過由碳纖維構(gòu)成簧片中央部并由玻璃纖維構(gòu)成簧片表面部，從而制造具有柔軟性的FRP片簧。專利文獻
專利文獻I :日本特公平3-81022號公報；
專利文獻2 :日本特開平7-77231號公報。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的問題
然而，如圖4所示，在將脈動的彎曲載荷P施加于由支撐部52支撐的板簧51的情況下，在載荷承受側(cè)的上表面，產(chǎn)生壓縮應力，在與載荷承受側(cè)相反的一側(cè)的下表面，產(chǎn)生拉伸應力。此外，符號S為位于板簧51的厚度方向的中心的中性軸。在使用金屬制板簧作為彈簧51的情況下，很有可能以拉伸應力側(cè)表面為起點而產(chǎn)生疲勞破壞，在使用FRP板簧作為彈簧51的情況下，很有可能從壓縮應力側(cè)表面產(chǎn)生破壞。例如，如圖5所示，在將脈動的彎曲載荷(圖的箭頭方向的載荷)施加至作為FRP板簧的單層構(gòu)造的碳纖維強化塑料制彈簧(CFRP彈簧)的情況下，很有可能在壓縮應力側(cè)表面產(chǎn)生斷裂。因此，能夠利用的彈簧的能量密度實質(zhì)上變小。然而，在FRP彈簧中，還沒有開發(fā)出有效地防止來自壓縮應力側(cè)表面的破壞的技術(shù)。例如，在專利文獻I的技術(shù)中，重疊的多個片材使用了相同的纖維，沒有公開防止來自壓縮應力側(cè)表面的破壞的技術(shù)。另外，在專利文獻2的技術(shù)中，公開了具有柔軟性的板簧，但是沒有著眼于纖維的壓縮特性。另外，由玻璃纖維構(gòu)成簧片表面部，將拉伸強度比碳纖維更低的玻璃纖維配置于應力高的簧片表面部是低效的。所以，本發(fā)明目的是提供一種能夠防止壓縮應力引起的破壞的纖維強化塑料制彈簧。用于解決問題的方案
本發(fā)明的纖維強化塑料制彈簧(以下，稱為FRP彈簧)為被施加脈動的彎曲載荷的纖維強化塑料制彈簧，其特征在于，具有將拉伸彈性模量不同的多個纖維層疊的層疊構(gòu)造，層疊構(gòu)造的拉伸彈性模量分布相對于中性軸不對稱。本發(fā)明中的拉伸彈性模量為利用通過拉伸試驗而獲得的拉伸應力-形變曲線中的最初的直線部分(通過原點的直線部分，或者曲線的原點處的切線)并根據(jù)其次的關(guān)系式獲得的值(參考文獻=FRP設(shè)計便覽，(社)日本強化塑料協(xié)會，1979年)。Em =Δ O / Δ ε
此外，EmS拉伸彈性模量(單位N/mm2)，Λ σ為基于直線狀的2點間的平均原剖面積的應力差(單位N/mm2), Δ ε為上述2點間的形變的差。在本發(fā)明的FRP彈簧中，層疊構(gòu)造的拉伸彈性模量分布設(shè)定成相對于中性軸不對稱，因而與中性軸平行的兩側(cè)的表層部之中的一側(cè)的表層部的拉伸彈性模量比另一側(cè)的表 層部的拉伸彈性模量更小。在此，如果將拉伸彈性模量小的表層部側(cè)配置于當施加脈動的彎曲載荷時產(chǎn)生壓縮應力的表面?zhèn)?，則由于該表層部側(cè)的纖維的拉伸彈性模量小，該表層部側(cè)的纖維容易彎曲，因而壓曲引起的折損等的破壞難以產(chǎn)生于壓縮應力側(cè)表面。所以，能夠提高彈簧整體的破壞應力，因而與由彈簧鋼等的金屬材料構(gòu)成的彈簧、單層構(gòu)造的FRP彈簧以及具有相對于中性軸對稱的拉伸彈性模量分布的FRP彈簧相比，能夠增大可利用的能量密度。本發(fā)明的FRP彈簧能夠使用各種的構(gòu)成。例如，對于不對稱的拉伸彈性模量分布，能夠設(shè)定成壓縮應力產(chǎn)生區(qū)域的表層部的拉伸彈性模量為最小，且拉伸應力產(chǎn)生區(qū)域的表層部的拉伸彈性模量比中性軸部的拉伸彈性模量更小。在該方式中，與承受脈動的彎曲載荷時的位于FRP彈簧的應力分布相對應而層疊拉伸彈性模量相互不同的纖維，因而能夠進一步提高彈簧整體的破壞應力，結(jié)果，能夠進一步增大可利用的能量密度。另外，例如，在拉伸彈性模量分布中，能夠使用這樣的方式拉伸彈性模量以從中性軸向著表面階段性地變小的方式變化。在該方式中，拉伸彈性模量能夠有效地與承受脈動的彎曲載荷時的位于FRP彈黃的應力分布相對應，因而能夠進一步提聞彈黃整體的破壞應力，結(jié)果，能夠進一步增大可利用的能量密度。發(fā)明效果
依照本發(fā)明的FRP彈簧，彈簧整體的破壞應力變高，因而與由彈簧鋼等的金屬材料構(gòu)成的彈簧、單層的FRP彈簧以及具有相對于中性軸對稱的拉伸彈性模量分布的FRP彈簧相t匕，能夠增大可利用的能量密度。


圖I表示了本發(fā)明的一實施方式所涉及的纖維強化塑料制彈簧的構(gòu)成，圖I (A)為立體圖，圖I(B)為側(cè)面圖。圖2表示了纖維強化塑料制彈簧的層疊構(gòu)造的一部分的構(gòu)成，圖2 (A)為3層構(gòu)造的側(cè)剖面圖，圖2(B)為5層構(gòu)造的側(cè)剖面圖。圖3為表示在本發(fā)明的一實施方式所涉及的纖維強化塑料制彈簧的制造方法中使用的裝置的一部分的概要構(gòu)成的圖。圖4為用于說明當承受脈動的彎曲載荷時位于纖維強化塑料制彈簧的應力分布的圖。
圖5為表示承受脈動的彎曲載荷時的單層構(gòu)造的CFRP彈簧的破壞狀態(tài)的照片。符號說明
I =FRP彈簧(纖維強化塑料制彈簧);
20,30 :層疊構(gòu)造；
21、31 :第I層(拉伸應力產(chǎn)生區(qū)域的表層部)；
22:第2層(中性軸部)；
33 :第3層(中性軸部)； 23:第3層(壓縮應力產(chǎn)生區(qū)域的表層部)；
35 :第5層(壓縮應力產(chǎn)生區(qū)域的表層部)；
S :中性軸。
具體實施例方式(I)實施方式的構(gòu)成
以下，參照附圖，說明本發(fā)明的實施方式。圖I表示了本發(fā)明的一實施方式所涉及的纖維強化塑料制彈簧I (以下，稱為FRP彈簧I)的構(gòu)成，圖I㈧為立體圖，圖I⑶為側(cè)面圖。圖2(A)、(B)表示了 FRP彈簧I的層疊構(gòu)造的一部分的構(gòu)成，圖2(A)為3層構(gòu)造的側(cè)剖面圖，圖2(B)為5層構(gòu)造的側(cè)剖面圖。圖2中的符號S為位于FRP彈簧I的厚度方向的中心的中性軸。在圖I、2中，F(xiàn)RP彈簧I的上表面為被施加脈動的彎曲載荷(圖4的符號P)的表面，層疊構(gòu)造的相對于中性軸S的上側(cè)區(qū)域為產(chǎn)生壓縮應力的壓縮應力區(qū)域，相對于中性軸S的下側(cè)區(qū)域為產(chǎn)生拉伸應力的拉伸應力區(qū)域。FRP彈簧I為例如具有簧片(leaf)部11和簧孔部12的板簧。FRP彈簧I具有將拉伸彈性模量不同的多個纖維層疊的層疊構(gòu)造。層疊構(gòu)造的拉伸彈性模量分布，相對于中性軸S不對稱,例如,優(yōu)選壓縮應力產(chǎn)生區(qū)域的表層部的拉伸彈性模量為最小,拉伸應力產(chǎn)生區(qū)域的表層部的拉伸彈性模量比中性軸部的拉伸彈性模量更小。例如，圖2㈧所示的層疊構(gòu)造20為拉伸彈性模量相互不同的第I層21、第2層22以及第3層23依次層疊的3層構(gòu)造。第I層21為拉伸應力產(chǎn)生區(qū)域的表層部，其拉伸彈性模量比第2層22的拉伸彈性模量更小。第2層22為中性軸S所位于的中性軸部。第3層23為壓縮應力產(chǎn)生區(qū)域的表層部，其拉伸彈性模量在層疊構(gòu)造20的各層之中為最小。作為拉伸彈性模量的具體示例，能夠?qū)⒌贗層21的拉伸彈性模量設(shè)定為250GPa，將第2層22的拉伸彈性模量設(shè)定為395GPa，將第3層23的拉伸彈性模量設(shè)定為234GPa。圖2(B)所示的層疊構(gòu)造30為拉伸彈性模量相互不同的第I層31、第2層32、第3層33、第4層34以及第5層35依次層疊的5層構(gòu)造。層疊構(gòu)造30形成為拉伸彈性模量分布比層疊構(gòu)造20更細分，拉伸彈性模量隨著從中性軸部向著表層部而以更細分地階段性地變小的方式變化。第I層31為拉伸應力產(chǎn)生區(qū)域的表層部，其拉伸彈性模量比第3層33更小。第2層32的拉伸彈性模量為第I層31的拉伸彈性模量和第3層33的拉伸彈性模量的中間值。第3層33為中性軸S所位于的中性軸部。第4層34的拉伸彈性模量為第3層33的拉伸彈性模量和第5層35的拉伸彈性模量的中間值。第5層35為壓縮應力產(chǎn)生區(qū)域的表層部，其拉伸彈性模量在層疊構(gòu)造30的各層之中為最小。拉伸彈性模量如此地設(shè)定成隨著從第3層33向著第I層31而變小并隨著從第3層33向著第5層35而變小，第5層35的拉伸彈性模量設(shè)定成在層疊構(gòu)造30的各層之中為最小，拉伸彈性模量分布更細分地對應于應力分布。以層疊構(gòu)造20、30具有如上所述的拉伸彈性模量分布的方式，適宜地選擇構(gòu)成各層的纖維。作為纖維，能夠使用碳纖維、玻璃纖維、芳香族聚酰胺纖維(凱芙拉纖維)、硼纖維等的強化纖維。作為碳纖維，能夠使用PAN系和浙青系中的任一系。(2)實施方式的制造方法
參照圖3說明FRP彈簧I的制造方法。圖3是表示在FRP彈簧I的 制造方法中使用的裝置100的一部分的概要構(gòu)成的圖。裝置100使用纏繞成型(fi lament winding)法。裝置100具備通過旋轉(zhuǎn)而卷繞從線束輥‘B供給的線束(roving) B的成形模101。線束B為強化纖維的束。在成形模101，形成有與FRP彈簧I的形狀等相對應的成形槽101A。在成形模101，固定模102與其相對而設(shè)置。線束B在通過收容樹脂R的樹脂浸潰槽103之后，卷繞于成形模101。在樹脂浸潰槽103，每個樹脂浸潰槽103將構(gòu)成通過該處的線束B的強化纖維的拉伸彈性模量改變。例如，將通過圖的最上側(cè)的樹脂浸潰槽103的線束B的強化纖維的拉伸彈性模量設(shè)定為最大，將通過最下側(cè)的樹脂浸潰槽103的線束B的強化纖維的拉伸彈性模量設(shè)定為最小，隨著從圖中的上側(cè)的樹脂浸潰槽103向著下側(cè)的樹脂浸潰槽103而以依次變小的方式設(shè)定通過該處的線束B的強化纖維的拉伸彈性模量。此外，符號104為將最適當?shù)膹埩x予線束的張力調(diào)整器，符號105為擠取線束B中所浸潰的多余的樹脂的流量調(diào)整器，符號106為在使成形的板簧的寬度沿長度方向變化的情況下使用的成形寬度調(diào)節(jié)機構(gòu)。在具有上述構(gòu)成的裝置100中，使線束B通過樹脂浸潰槽103而使樹脂R浸潰于線束B。接著，通過將浸潰有樹脂R的線束B卷繞于成形模101并加熱硬化而一體成形，從而獲得FRP彈簧I。在此，在本實施方式中，根據(jù)欲成形的FRP彈簧I的層疊構(gòu)造20、30的各層的拉伸彈性模量而適宜地切換所使用的樹脂浸潰槽103，并選擇卷繞于成形模101的線束B，從而獲得具有期望的拉伸彈性模量分布的層疊構(gòu)造20、30。FRP彈簧I的制造方法不限定于上述方法，能夠有各種的變形。例如，能夠?qū)⑹箻渲⒂趶娀w維(例如碳纖維)的預浸潰體(Pr印reg)配置在FRP彈簧I的層疊構(gòu)造的各層中。具體而言，制作多個用于層疊構(gòu)造的預浸潰體，該情況下，使預浸潰體所使用的碳纖維的拉伸彈性模量在每個預浸潰體中相互不同。這樣的預浸潰體以FRP彈簧I具有期望的拉伸彈性模量分布的方式配置。樹脂可以為熱硬化性和熱可塑性中的任一者。如上地，在本實施方式中，層疊構(gòu)造20、30的拉伸彈性模量分布以相對于中性軸S不對稱的方式設(shè)定，因而與中性軸S平行的兩側(cè)的表層部之中的一側(cè)的表層部(層23、35)的拉伸彈性模量比另一側(cè)的表層部(層21、31)的拉伸彈性模量更小。在此，如果將作為拉伸彈性模量小的表層部的層23、35配置于當施加脈動的彎曲載荷(圖4的符號P)時產(chǎn)生壓縮應力的表面?zhèn)龋瑒t由于該層23、35的纖維的拉伸彈性模量小，該層23、35的纖維容易彎曲，因而壓曲引起的折損等的破壞難以在壓縮應力側(cè)表面產(chǎn)生。所以，能夠提高彈簧I整體的破壞應力，因而與由彈簧鋼等的金屬材料構(gòu)成的彈簧、單層構(gòu)造的FRP彈簧以及具有相對于中性軸對稱的拉伸彈性模量分布的FRP彈簧相比，能夠增大可利用的能量密度。
特別地，關(guān)于不對稱的拉伸彈性模量分布，設(shè)定成作為壓縮應力產(chǎn)生區(qū)域的表層部的 層23、35的拉伸彈性模量為最小，且作為拉伸應力產(chǎn)生區(qū)域的表層部的層21、31的拉伸彈性模量比作為中性軸部的層22、33的拉伸彈性模量更小，從而與承受脈動的彎曲載荷時的位于FRP彈簧I的應力分布相對應而層疊拉伸彈性模量相互不同的纖維。所以，能夠進一步提高彈簧I整體的破壞應力，因而能夠進一步增大能夠利用的能量密度。
權(quán)利要求
1.一種纖維強化塑料制彈簧，為被施加脈動的彎曲載荷的纖維強化塑料制彈簧，其特征在于， 具有將拉伸彈性模量不同的多個纖維層疊的層疊構(gòu)造， 所述層疊構(gòu)造的拉伸彈性模量分布相對于中性軸不對稱。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的纖維強化塑料制彈簧，其特征在于， 壓縮應力產(chǎn)生區(qū)域的表層部的拉伸彈性模量為最小， 拉伸應力產(chǎn)生區(qū)域的表層部的拉伸彈性模量比中性軸部的拉伸彈性模量更小。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的纖維強化塑料制彈簧，其特征在于， 在所述拉伸彈性模量分布中，所述拉伸彈性模量從所述中性軸向著表面而以階段性地變小的方式變化。
全文摘要
本發(fā)明提供一種能夠防止壓縮應力引起的破壞的纖維強化塑料制彈簧。FRP彈簧(1)具有將拉伸彈性模量不同的多個纖維層疊的層疊構(gòu)造(在3層構(gòu)造的情況下為符號(20)，在5層構(gòu)造的情況下為符號(30))。FRP彈簧(1)的上表面為被施加脈動的彎曲載荷的表面，層疊構(gòu)造(20、30)的相對于中性軸(S)的上側(cè)區(qū)域為產(chǎn)生壓縮應力的壓縮應力區(qū)域，相對于中性軸(S)的下側(cè)區(qū)域為產(chǎn)生拉伸應力的拉伸應力區(qū)域。層疊構(gòu)造(20、30)的拉伸彈性模量分布相對于中性軸(S)不對稱。該情況下，優(yōu)選設(shè)定成作為壓縮應力產(chǎn)生區(qū)域的表層部的層(23、35)的拉伸彈性模量為最小，且作為拉伸應力產(chǎn)生區(qū)域的表層部的層(21、31)的拉伸彈性模量比作為中性軸部的層(22、33)的拉伸彈性模量更小。
文檔編號B60G11/02GK102884337SQ20118002399
公開日2013年1月16日 申請日期2011年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月14日
發(fā)明者重松良平, 中園美保 申請人:日本發(fā)條株式會社