JPH0730805B2 - 繊維強化複合材料製の波形リングバネ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 本発明は繊維強化複合材料（以下FRPという）製の波形
リングバネに関するものである。更に詳しくは、繰返し
負荷を受けて使用されるFRP製の波形リングバネに関す
るものである。このものは、FRP製のコイルバネでは達
成できなかった性能を発揮する。

〔従来技術及び問題点〕

FRPの高い比弾性率が着目される中でバネへの応用もそ
の軽量化効果等の利点から徐々に普及しつつある。

板バネのFRP化が促進されるのに対して、コイルバネのF
RP化が遅々として進まないのは、以下の様な理由によ
る。即ち、コイルバネに要求される機械的特性は横弾性
係数が高いことであり、このため強化繊維はコイリング
された素線の軸芯に対して±45゜に構成することが必要
とされる。従って、これを製作するには、任意に選択さ
れた芯材に対して強化繊維を±45゜に巻回した素線をコ
イリングのために更に巻回しなければならなかった。こ
の煩わしさに加えて、通常芯材に強化繊維を巻回するの
は、芯材が真直な状態で行なわれるのでコイリング時に
曲げられ、しわが発生し、これが欠陥となる場合も多
い。

また、バネ自体の重量軽減に対しては素線が中空体でな
ければその効果を十分に得られないことから、強化繊維
がコイル素線の軸芯に対して±45゜に配向した中空のコ
イルバネを製作することが、重量軽減のために必要とさ
れている。しかし、このようなコイルバネを成形するの
は非常に難しく、量産に適する成形方法は見出されてい
ないのが現状である。

〔発明の目的、構成及び効果〕

繊維強化材を用いたコイルバネが成形し難く製作上問題
があるので、本発明者等は、この問題を解決すべく鋭意
検討を重ねてきた。その結果、コイルバネの形態を踏襲
する以上、問題を解決することができず、円周方向に稜
部と谷部を有する波形リングバネが目的に適合し、成形
が容易で且つコイルバネに比べて軽量化効果の大きいこ
とを見出したのである。

即ち、本発明は下記の通りである。

周方向に強化繊維が配向した繊維強化複合材料からなる
リング状物であって、リング面が複数の放射状の陵部と
谷部とからなる波形を形成し、当該リングの仮想平面に
垂直な荷重に対し周方向傾斜部が曲げ変形することによ
ってバネ機能を有する波形リングをバネ要素とすること
を特徴とする繰返し負荷を受けて使用される繊維強化複
合材料製の波形リングバネ。

周知のとおりコイルバネは、荷重を受けると、この素線
が主にねじり負荷を受ける。これに対して、波形リング
バネの場合は、曲げ負荷がかかり、このため強化繊維は
リグの周方向に配向すればよいことになる。従って、当
該波形リングバネは、フィラメントワィンド法や圧縮成
形法などによって極めて簡単に成形することができる。

本発明において、FRPの強化繊維は炭素繊維、ガラス繊
維、芳香族ポリアミド繊維等の高弾性繊維であり、特に
炭素繊維のフィラメントは、振動減衰性、高比弾性、高
比強度の点から好ましい。また、これらの繊維は単独で
あるいは組合せて用いることが可能である。組合せて用
いる場合においては、異る強化材繊維を層状に配した、
いわゆるハイブリッド構造に配設することもできる。

繊維強化材のマトリックス樹脂は、エポキシ樹脂、ビニ
ルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フラン樹
脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂等である。

本発明における強化繊維の配向は、実質上、リングの周
方向に配向していることが必要である。これは前にも述
べた通り、コイルバネがねじり負荷を受けるのに対し、
本発明の波形バネは、リング状でありながら曲げ負荷を
受けるものであることによる。

しかし、強化繊維のバネ作用部は周方向に配向している
が、周方向強化繊維部のクラック発生を防止する等のた
め、一部の繊維は周方向に対し、若干角度をもって配向
することもできる。

本発明において仮想平面とは、本発明波形リングバネを
水平面上に静置したときに、当該波形リングバネの各稜
部を共有する、前記水平面と平行な仮想される面をい
う。

本発明において稜部と谷部とは、放射状にリングの中心
に向って形成されていることが必要である。

本発明の例を図面によって説明する。

第１図は、本発明波形リングバネのバネ要素を例示した
ものである。第２図はバネ要素の平面図、第３図はバネ
要素の側面図を示す。第１〜３図において、１はバネ本
体、２は稜部、３は谷部、４はリングの内周端、５は外
周端を示す。第１図のバネ本体の断面は矩形の例を示し
たものであるが、必ずしも矩形に限定されず、円形、楕
円形、正方形又はこれ等の変形であってもよい。また全
体が同一断面積をもつ必要もない。リングの枚数、寸法
並びにリング一枚当りの稜部及び谷部の数等は図面によ
って限定されるものではない。そして、稜部から谷部に
至る形状は直線的でも曲線的でも差支えないが、負荷時
に応力集中を来たさぬように配慮する必要がある。

一般的に曲げ負荷がかかる場合に、その支点間距離と部
材の厚さとの比が小さくなるにつれ、剪断の影響を受け
て見掛けの縦弾性係数は低下してくることが知られてい
る。従って、波形リングバネにおいてもこの点を考慮す
る必要があり、波形のピッチ長さがその厚さに対して５
以上となることが望ましい。そして、バネ定数を大きく
とろうとするとき、リングの幅を広くするよりもリング
厚さを大きくするほうが、理論上より効果的である。

但し、この場合強度との関係もあるので実際にかかる負
荷に応じてバランスよくその厚さと幅を設定することが
必要である。

第４図は、第１図に示した本発明バネ要素を８枚重ねた
バネ構造の側面図を示したものである。第５図は第１図
に示したバネ要素の成形に用いられるフィラメントワイ
ンディング用金型の側面図を示したものである。

第１図に示した様な波形リングバネ要素をフィラメント
ワインド法にて製作した。即ち第５図に示すような金型
の隙間に予めエポキシ樹脂を含浸した炭素繊維（東邦レ
ーヨン社製ベスファイト HTA−７−6000）を巻回し加
熱硬化後脱型したものである。本成形が非常に簡単であ
ることが確認された。リングの外径をφ130mm、内径を
φ100mmとしその厚さを2.8mmとして得られた物のバネ定
数を測定したところ、8kgf/mmであった。

これと同じバネ定数を従来のコイルスプリングでそのコ
イル中心径が波形リングバネと同じφ115mmとしたもの
で得ようとした場合とのバネの重量比較を行った。波形
リングバネ全体の重さはリング一個の重さとリング数の
積であり、コイルバネ全体の重さはコイル一巻の重さと
巻数の積であることより、重量比較は波形リングバネ一
個に対しコイルバネ一巻を比較した。使用材料が鉄、ガ
ラス繊維強化プラスチックス、炭素繊維強化プラスチッ
クスの３種類について、またコイルスプリングで中実の
場合と中空の場合も合わせて比較し、その結果を第１表
に示した。

繊維強化材の強化繊維はコイル素線に対して±45゜に配
向するものとし、中空のコイルはその肉厚が外径の1/10
の場合を示した。

表中の重量は、コイルバネ一巻の場合の重さを示すもの
であるが、そのどれもが波形リングバネ１個の重さ25g
に対して重くなっている。波形リングバネが成形しやす
く且つ軽量化効果が大きいことが確認された。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のバネ要素を例示したものである。 第２図は第１図のバネ要素の平面図を示したものであ
る。 第３図は第１図のバネ要素の側面図を示したものであ
る。 第４図は第１図のバネ要素を８枚重ねたバネ構造の側面
図を示したものである。 第５図は第１図のバネ要素の成形に用いられるフィラメ
ントワインディング用金型の側面図を示したものであ
る。 第１〜３図において、１はバネ本体、２は稜部、３は谷
部、４はリングの内周端、５は外周端を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】周方向に強化繊維が配向した繊維強化複合
   材料からなるリング状物であって、リング面が複数の放
   射状の陵部と谷部とからなる波形を形成し、当該リング
   の仮想平面に垂直な荷重に対し周方向傾斜部が曲げ変形
   することによってバネ機能を有する波形リングをバネ要
   素とすることを特徴とする繰返し負荷を受けて使用され
   る繊維強化複合材料製の波形リングバネ。
2. 【請求項２】強化繊維が炭素繊維である特許請求の範囲
   （１）記載の波形リングバネ。