JPS5872739A - Ｆｒｐ製リ−フスプリング - 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】 本発明はＦＲＰ製リーフスプリングに関する。

車輌用リーフスプリング（以下単に板ばねと称す）はス
チール製のものが使用されてきたが、近年の省質源、省
エネルギーに対応して車輌の軽量化が益々重要な課題と
なって来ており、特にここ数年来アルミや高張力鋼、強
化プラスチック（以下ＦＲＰと称す）等の＠量材を用い
た軽量化が急速に行なわれている。従来開発されてきた
スチール製の板ばねは比較的長い歴史があるために、必
要条件であるばね定数や荷重条件に対するスパンや板厚
、板幅等の設計について主に重ね板ばねとして実績を持
っている。この材質をＦＲＰに変換すれば大きな軽量化
が期待出来るが、このＦＢＩ）製板ばねはスチール製板
ばねに較べて一般的に物性的には弾性率が低いこと、層
間せん断強度が低いこと、曲げ強度が比較的大きい等、
また価格的には強化繊維として炭素繊維な′用いた場合
高価であるという特徴がある。またＦＲＰ用の強化繊維
とし−（炭素繊維やガラス繊維或いは芳香族ポリアミド
繊維等が考えられているが、各々物性面、価格面で特徴
がある。このような特徴を有する材質を用いて板ばねと
して要求される条件を満たすリーフスプリングの最適設
計を行なうためには、板ばねのスパン、板厚、板幅等の
みでなく、Ｆｌ’ｆ（Ｐの積層構成についても十分に検
討が加えられる必要があるが、現在知られ°〔いるもの
としてはガラス繊維と炭素繊維とを錐台せたハイブリッ
ド構造のものについてであり、強化セン・１の配向を含
めた積層構成にまで言及したものは皆無であり、未だｌ
’？ＲＰ製リーフスプリングに要求される条件を十分に
満足したものではない。このような状況の中でＦＲＰ製
板ばねの開発について鋭意検討した結果本発明に到達（
７たものである。

すなわち本発明の要旨とするところは、（１）層間せん
断強度を向上せしめるため、板厚方向の２０〜８０チを
占める内層部の強化繊維方向を板ばね長手方向として積
層構成したこと、（２）この内層部に炭素繊維やガラス
繊維１よどの補強用繊維を用いる場合には板ばねの両表
面層に含まれる炭素繊維補強層との熱膨張係数の差等に
よる残留応力に基づく破壊を防ぐためその補強用繊維体
積含有率Ｃ以下Ｖ、Ｆと称す）を５〜４０チと下げたこ
と、（３）両表面層には弾性等の高い炭素繊維な主に配
したこと、（４）一様強さのはりに近似させるのに通常
スチールで用いられる重ね板ばね形状ではなく、一枚の
板ばねで板〜をなめらかに変動させることにより達成し
たこと、（５）車輌用リーフスプリングには車体重−壜
並びに人、荷物重量が負荷された状態でほぼその形状が
水平にｔ「ろのが望ましく、第１図に示した一般式（［
）を満足するわん曲し、た板ばねとすることによりこれ
を達成したことである。

（式中　ｈ＝板厚、ｈｏ：最大板厚、ｔニスパン長、Ｘ
ニスプリングの最大板厚点からのスプリング長さ方向へ
の距離、η：板厚中心線のＸ軸との距離、ｐ　：　ｊ’
Ｊｒ定荷重、Ｅ：曲げ弾性率、ＩＯ＝最大板厚部の断面
２次モーメント）本発明の要旨をさらにくわしく説明す
れば、従来開発されてきた）Ｔ′ＲＰ製板はねｔｄ、　
ＩＣ−間せん断強度が低く、特に板厚が５〜１０謔以上
になるとこの傾向が着るしく増大し板ばねの強化繊維が
破断する前に層閲せん断・破壊し°Ｃしまい、強化繊維
本来の強度が充分生かされ”〔いない。

ＦＲＰ製板ばねには長手方向（（３ｏ方向）と横方向（
９０°方向）に強化繊維を配向させる場合が多いが、そ
の積層構成を変えた板ばねについて層間せん断疲労の８
−Ｎ１１ｌａを求めたところ第２図に示す如くなり、補
強用繊維な０°方向（板ばねの長手方向）のみに配した
場合が、最も強いことが判明した。しかし、板ばねは取
付は部等のためにすべて補強用繊維の配向方向な０°方
向とすることは出来ないため大ぎな層間せん断応力の発
生する板厚方向の２０〜８０％を占める内層部のセンイ
方向を００方向とすることによって、補強用繊維の強度
利用率の着るしい向上を図り得たことに本発明の大きな
りｊ徴がある。

また、板ばねのはね定数（ｋ）はスパン一定の場＝　１ ント　Ｉ−〒丁×（板＠）×（板厚）３　〕の関係があ
り板厚方向の内層部のＥ値のに値への寄与は小さいこと
を利用し、内層部のＶＦを５〜４０チと下げることによ
り、補強用繊維とマトリックス樹脂との熱膨張係数の差
等に基づく界面で層間ハクリの発生を防止し得たのであ
る。

しかも本発明では内層部のＶＦを５〜４０％と下げてい
るため残留応力が緩和され、層間せん断疲労強度が向上
している。

また板ばねの表面層のＥ値はばね定数への寄与が大きい
ため、板ばねを構成する表面層の補強用繊維として主に
炭素繊維を配することによって板ばね特性の向上を図っ
たものとなっている。更に本発明のＦＲＰ製板ばねは金
型成形することかでき、板厚変動のあるものも１枚で作
ることが可能であり、一様強さのはりにきわめて近い板
ばねとすることができた。それ数本発明の板ばねはこれ
まで開発されてきた如き重ね板ばねに見られるような板
ばね間の摩耗や板ばね間に異物をかみ込むことによる損
傷の問題もたくな′）ている。

本発明の板ばねは、例えば第５図中の（１）〜（９）に
示したようにパターンカットし７たものを順に積層しプ
レス成形することにより得られる。本発明では板厚方向
内層部のＶ　ｌｉ’が低いため、最初樹脂を条目にチャ
ージしておき、プレス成形で樹脂をフローさせることに
より、板厚がなめらかに変化した板ばねが、比較的容易
に得られる。

本発明のＦＲＰ製リーフスプリングは上述した如く優れ
た強度と耐荷重特性を有すると共に内部破壊することの
ないリーフスプリングとすることができたのであり、そ
の当業界に於ける寄与は極めて高いものである。

以下実施例により本発明を更に詳細に説明する。

実施例１ 幅６０叫、長さ４５０鰭、板厚１１〜５日と一様強さの
はりに近似させた片持ち方式の板ばねを、板厚中心線が
１００句の荷重に対してほぼ真直になるように第１図に
示した式より設計し、金型成形した″。材料としてはマ
トリックス樹脂としてポリカーボネートを用い補強用繊
維として炭素繊維を用いたプリプレグを用い第６図のよ
うに板厚に対応したパターンカットをし、かつ両表層部
各１５期を除く内層部の繊維方向が板ばね長手方向でＶ
Ｆ３０％として積層し、２５０℃まで昇温しで約１０分
間保持した后冷却して成形した。圧力は５０　Ｋｆ／ｃ
ｍ２とした。得られた板ばねは厚手側を端部より６０１
１１１１を剛に固定し、薄手側の端部より３０■のとこ
ろに集中荷重をかけたところ、ばね定数は１．６Ｋｇ／
■でｉｏｏＫｇ負荷に対してほぼ水平となり、また１５
０〜の負荷までこわれない板ばねが得られた。またこの
板ばねに１ｏｏＫｆ±４０Ｋｆのくり返し応力を０．５
　Ｈｚ　　で負荷して疲労試験したところ１０　まで問
題を生じなかった。

実施例２ 実施例１と同じ金型を用い熱硬化性樹脂であるエポキシ
樹脂をマトリックスとした炭素繊維プリプレグな用い、
中心層にはプリプレグの間にマトリックスレジンフィル
ムをはさみながらパターンカットしたものを積層し、約
１００℃真空で６０分間脱泡した後１３０℃、１０に９
／訓２で加熱、加圧成形した。得られた板ばねは、ボイ
ドレスであり実施例１と同様の物性を持った板ばねが得
られた。

【図面の簡単な説明】

第１図　板幅（ｂ）が一定で板厚（ｈ）の変動する一様
強さのはり（先端部集中荷重）で所定の集中荷重（Ｐ）
が作用したとき水平となるリーフスプリング形状を示す
。（イ）は片持ちはり型式のリーフスプリングの側面図
及び平面図であり、（ロ）は両端に荷重がかかる型式の
リーフスプリングの側面図及び平面図を示す。 ｈ：板厚、ｈｏ＝最大板厚、ｔニスパン長η：板厚中心
線のＸ軸との距離 Ｐ：所定荷重、Ｅ：曲げ弾性率 ＩＯ＝最大板厚部の断面２次モーメント第２図　０°対
９０°の積層構成を変えた場合の層閲せん断疲労強度の
Ｓ−Ｎカーブ、測定条件片振り３０Ｈｚ、スパン／板厚
＝５、（１）はｏ０示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 下記一般式（Ｉ）をほぼ満足する長手方向に板厚が、変
   化した構造で、同じく一般式（６）をはぼ満足するほぼ
   同一幅のわん曲形状を有する板はね体であって、板厚方
   向の２０〜８０％を占める内層部が、強化繊維体積含有
   率５〜４０チで、しかも繊維配列方向がスプリングの長
   手方向に積層構成されてなり、更に板厚の８０〜２０％
   を占める外層部の強化繊維が主に炭素繊維で構成されて
   なることを特徴とするＦＲＰ製リーフスプリング。 （式中　ｈ：板厚、ｈｏ＝最大板厚、ｔニスパン長、Ｘ
   ニスプリングの最大板厚点からのスプリング長さ方向へ
   の距離、η：板厚中心線のＩ軸との距離、Ｐ：所定荷重
   、Ｅ：曲げ弾性率、■。＝最大板厚部の断面２次モーメ
   ント）