JP3760994B2 - Frpスプリング - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、ブレイダー装置を用いてブレイディング処理することによって得られる繊維強化プラスチック(fiber reinforced plastics :以下、 FRPという)製のFRPスプリングに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
周知のように、FRP材料は、ガラス繊維、炭素繊維などの繊維素材を種々のプラスチックのマトリックスでかためて成形した複合材料であり、軽量で、強度が高く、且つ弾性率が高いという特性を有している。さらに、このFRP材料は、疲労強度が高く、振動減衰性にすぐれており、電気絶縁性が高いという特性を有している。さらにまた、このFRP材料は、耐薬品性,耐食性がよいなどのさまざまな特性を有するものである。この特性を生かして,航空宇宙、車輌、化学薬品、その他一般産業分野などに利用される可能性は多大であり、それらのためのFRP組成物構造材として極めて有効な素材であるものといえる。
【0003】
この発明は、上記する諸特性を有するFRP材料によって、機械構造部材であるコイル状のスプリング(coiled helical springs)を成形しようとするものである。この発明において、前記コイル状のスプリングは、圧縮コイルバネ(compression coiled springs)、引張りコイルバネ(extension coiled springs)、 ねじりコイルバネ(torsion coiled springs)を含むものであり、さらに、形態的には、円筒型、円錐型、あるいは、渦巻き型などの異なる形態でなるものを含むものである。
【0004】
従来、樹脂製のコイルスプリングは、シリコンチューブなどの方法により成形されている。これは、成形硬化時に樹脂のフローなどの問題で、Vf(樹脂含有率)があがらないという問題点が指摘されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、この発明では、ブレイダー装置を用いてブレイディング処理してなるFRPスプリングの製造にあたって、ブレイディング過程における組糸の組角度を変化させることによって、異なるバネ定数のコイルスプリングを設計可能になしたFRPスプリングを提供しようとするものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記する目的を達成するにあたって、具体的には、ブレイダー装置を用いてブレイディング処理してなるFRPブレイディング組織体であって、前記FRPブレイディング組織体は、軸線に対する組角度が±θ°で互いに交絡する組糸と、軸線に対する角度が0°の中央糸とを組み合わせ、前記ブレイディング期間中、前記組糸の組角度±θ°の値を変化させながら組織したものからなり、前記FRPブレイディング組織体を螺旋状に巻き成形して、前記組糸の組角度±θ°の値の変化に応じて、その巻き長さ方向に異なるバネ定数の部分を一体連続的に有するものからなることを特徴とするFRPスプリングを構成するものである。
【0007】
さらにまた、この発明において請求項2に記載の発明は、請求項1に記載のFRPスプリングであって、当該FRPスプリングの巻き径が、当該スプリングの巻き長さ方向一端から他端にわたって同一径のものであることを特徴とするものである。
【0008】
さらにまた、この発明において請求項3に記載の発明は、請求項1に記載のFRPスプリングであって、当該FRPスプリングの巻き径が、当該スプリングの巻き長さ方向一端から他端にわたって異なる径部分を有するものからなることを特徴とするものである。
【0009】
さらにまた、この発明において請求項4に記載の発明は、請求項1〜請求項3のいずれかに記載のFRPスプリングであって、当該FRPスプリングを構成するFRP線材の線径が、当該スプリングの巻き長さ方向一端から他端にわたって異なる径部分を有するものからなることを特徴とするものである。
【0010】
さらにまた、この発明において請求項5に記載の発明は、請求項1〜請求項4のいずれかに記載のFRPスプリングであって、前記FRPスプリングのためのFRPブレイディング組織体が、中実状組織体でなることを特徴とするものである。
【0011】
さらにまた、この発明において請求項6に記載の発明は、請求項1〜請求項4のいずれかに記載のFRPスプリングであって、前記FRPスプリングのためのFRPブレイディング組織体が、中空状組織体でなることを特徴とするものである。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、この発明になるFRPスプリングについて、図面に示す具体的な実施例にもとづいて詳細に説明する。図1は、この発明になるFRPスプリングを製造するための具体的な装置例を示す概略的な側面図であり、図2は、この発明になるFRPスプリングの具体的な実施態様例を示すものであって、図2Aは、当該FRPスプリングの基本構成を示す概略的な側面図、図2Bおよび図2Cは、図2AにおけるX−X線に沿って断面にして示すものであり、中実組紐組織体10Aの例と、中空組紐組織体10Bの例とを示す断面図である。一方、図2D、図2Eおよび図2Fは、当該コイルスプリングの巻径の異なる態様を示す概略図である。
【0013】
一方また、図3は、ブレイダー装置によって製織される組紐組織体の基本的構成を示す概略的な斜視図である。また、図4は、この発明になるFRPスプリングのための組紐組織体を製織するための多連式ブレイダー装置の基本構成の一例を示す概略的な側断面図である。
【0014】
まず、図4に基づいて、多連式ブレイダー装置の一構成例について説明する。図4において、多連式ブレイダー装置は、マンドレル自動供給装置(図示せず)と、縦型の複数のブレイダーユニットBRと、ラッピング装置RAと、振れ防止具Osと、プリフォーム自動取出し装置Puとを、図中右側から順番に直列に配置してある。
【0015】
前記ブレイダーユニットBRは、図4に示すように、マンドレルMのまわりに組紐組織層2を形成するための組糸Y(4、4)および中央糸y(5)を繰り出すものである。この発明において、FRPスプリングのための線材が、中空組紐組織体10Bでなる場合には、前記マンドレルMが用いられ、FRPスプリングのための線材が、中実組紐組織体10Aでなる場合には、前記マンドレルMは不要である。
【0016】
前記ブレイダーユニットBRは、マンドレルMが通過する中心孔21aを有し且つ中心孔21aの外側に形成した波形の環状軌道(図示せず)の2条を有する垂直な軌道面21と、これら環状軌道に案内されて相互に逆方向へ走行する2群の多数のボビンキャリアー22と、軌道面21から立設したボビンスタンドと、軌道面21の環状軌道に囲まれた中心から立設した複数本の中央糸供給用の筒体23とを備えている。
【0017】
前記ボビンキャリアー22は、マンドレルMの表面で組角度±θ°で斜めに交差する組糸Y、Y(4、4)を繰り出すためのものであり、組糸Yを巻いた組糸用ボビンBがセットされる。前記ボビンスタンドは、マンドレルMの表面にマンドレルの長手方向に沿わせて中央糸y(5)を繰り出すためのものであり、中央糸yを巻いた中央糸用ボビンbがセットされる。前記組糸Y並びに中央糸yは、熱硬化性の樹脂を予め含浸した強化繊維が用いられる。
【0018】
マンドレルMは、図4中、右側のチャック(図示せず)で一定速度でおくられながら、表面に複数本の組糸Y、Yが交差するように巻き付けられ、これに中央糸yが組み合わされ組紐組織層2が形成される。
【0019】
一方、前記ラッピング装置RAは、後端(図4中、左端)のブレイダーユニットBRの次に縦向きに配置されるものであり、マンドレルMが通過する中心孔24aを有する大ギヤー24と、この大ギヤー24を回転自在に支持する複数個の支持ギヤー25と、前記大ギヤー24を強制回転させるためのギヤー付きモーター26と、前記大ギヤー24に取付けたテープ巻出具18とを備えている。前記テープ巻出具18は、テープ13を巻いたテープリール17が交換可能に装着される。前記テープ13は、熱収縮性のテープが用いられ、テープリール17から繰り出され、ガイドローラおよびテンションローラで案内されマンドレルMの組紐組織体10の表面に巻き付けられ、硬化前の組紐組織体10を締めつけ、且つ、保護する。
【0020】
前記ラッピング装置RAは、組紐組織体10の表面に巻き付けるテープ13の張力を調節するために、テンション調節手段(図示せず)を備えている。テンション調節手段は、マンドレルMの外径や送り速度あるいはテープ13の厚みや巻き付け速度などの条件が異なる場合でも、適切なテープ張力を維持して、過張力によるテープ切れを極力少なくすることができる。
【0021】
前記振れ防止具Osは、ラッピング装置RAの次に配置されるものであり、相互に接近する方向へ押圧された振れ防止ローラ27、27の二組を備えている。この振れ防止具Osは、各組のローラ27、27でマンドレルMの蛇行を防止するものである。前記プリフォーム自動取出し装置Puは、振れ防止具Osを出たマンドレルMの先端を把持しつつ、マンドレルMを前方へ引き出すためのチャック28を備えている。
【0022】
次いで、この発明になる組紐組織体の基本的構造について、図3に示す基本的な構成例にもとづいて詳細に説明する。図3に示す基本組織体1は、この発明の基本構成を特徴付けるべく、円筒状(パイプ状)組成体を、1層の組物層2に組成した概略図であって、本来は、当該組物層を複数層積層状に組織して組紐組織体10を組成するものである。
【0023】
図3に示す例において、前記組物層2は、軸線に対する組角度が±θ°の組糸4、4と、軸線に対する角度が0°の中央糸5によって組織されるものである。これらの組糸4、4と中央糸5とは、マンドレルm(中実体の場合はマンドレルを用いない)のまわりに選択的に組み合わされ、マンドレルmに沿って組紐組織体10として製織される。
【0024】
この発明になるFRPスプリングを製造するには、予め樹脂が含浸された強化繊維をブレイダー装置BRにセットし、ブレイディングによって組紐組織体10を製織するブレイディング工程11と、前記組紐組織体10を製織しながら前記組紐組織体10のまわりに連続的に熱収縮テープ13を巻き付けるラッピング工程12と、ラッピングされた組紐組織体14を螺旋状に巻き付け、硬化してコイル状スプリング組織体CSに成形するコイル成形工程15とを含むものからなっている。
【0025】
この発明によれば、前記ブレイディング工程11においては、ガラス、カーボン、有機繊維を利用して、予め樹脂(熱硬化性樹脂)が含浸された強化繊維をブレイダー装置BRにセットし、ブレイディングによって組紐組織体10を製織する。さらに、本発明では、組糸4 、4の組角度±θ°を変えることによって、例えば、組角度10°の組紐組織体10によって成形されるコイルバネと、組角度45°の組紐組織体10によって成形されるコイルバネとを比較した場合、コイル素線自体のせん断弾性係数Gが変化することにより、同じ線径r、同じ捲き径R、同じ捲き数、同じ捲きピッチにしても、仕上がりにおけるコイルスプリングCSのバネ定数(バネ特性)を変えることができる。換言すれば、組糸4 、4の組角度±θ°だけを変化させることによって、異なるバネ定数のコイルスプリングCSを設計することができる。
【0026】
さらに、この発明では、上記する原理を利用してブレイディング工程中、前記組糸4、4の組角度±θ°を変更しながら組紐組織体10を製織し、当該組紐組織体10によって当該スプリングの巻き長さ方向に異なるバネ定数の部分を一体連続的に有する非線形バネを製造することができる。このような非線形バネを金属製バネとして形成する場合には、不等ピッチコイルバネとするか、あるいは、当該スプリングの巻き長さ方向に異なる捲き径Rにするかの手段によって形成される。しかしながら、この作製は極めて困難であり、且つ、不等ピッチコイルバネの場合は、ピッチを変化させて作製するため、バネ自体の自由長が長くなるという難点を有している。
【0027】
一方、前記ラッピング工程12は、前記組紐組織体10を製織しながら前記組紐組織体10のまわりに連続的に熱収縮テープ13を巻き付ける工程である。このラッピング工程12では、熱収縮テープ13を収容するリール17を前記組紐組織体10のまわりに回転させ、該熱収縮テープ13の捲きテンション, 捲きピッチを変化させて、製織された組紐組織体10をラッピングする。このラッピングによって、樹脂が適度にフローして適度のVf(樹脂含有率)を得ることができ、これにより, 材料自体の機械的特性があがる。また、該熱収縮テープ13の捲きテンション, 捲きピッチを変化させることによって、種々のスプリング形状、機械的特性を作りだすことができる。
【0028】
上記ラッピング工程12の後、ラッピングされた組紐組織体14は、螺旋状溝16aを備えたコイル成形ドラム16に巻き付けていく。すなわち、コイル形状作製までの全てが、連続的に自動化でき、量産性が良くなる。その後、コイル成形ドラム16ごと乾燥炉にて硬化させる。硬化後、ドラムを脱走芯し、熱収縮テープを取り除いて、FRP製のコイルスプリングCSを得る。
【0029】
この発明において、前記FRP製のコイルスプリングCSに関して、前記FRPスプリングのバネ定数を規定する要因は、前記組糸の組角度±θ°の値に応じたものであり、前記組糸の組角度±θ°の値に応じて、当該スプリングの巻き長さ方向に異なるバネ定数の部分を一体連続的に有するコイルスプリングCSをも製作することができる。さらに、この発明は、当該FRPスプリングの巻き径が、当該スプリングの巻き長さ方向一端から他端にわたって同一径Rのものであてもよいし (図2D参照)、当該スプリングの巻き長さ方向一端から他端にわたって段階的に異なる径部分R1 、R2 を有するものであってもよいし(図2E参照)あるいは、一端の径R3から他端の径R4間において連続的に径変化するものであってもよい(図2F参照)。さらにまた、この発明になるコイルスプリングCSのための組紐組織体10は、図2Bに示すような中実組紐組織体10Aによって構成することもでき、あるいは、図2Cに示すような中空組紐組織体10Bによって構成することもできる。
【0030】
【発明の効果】
以上の構成になるこの発明のFRPスプリングによれば、ブレイダー装置によるブレイディング工程において、軸線に対する組角度が±θ°の組糸と、軸線に対する角度が0°の中央糸とによって、組紐組織体10を製織しながら、ラッピング工程において、熱収縮テープ13をラッピング処理し、このラッピングされた組紐組織体14を螺旋状に巻き上げ、これを硬化してFRP製コイルスプリングCSとする一連の製造過程において、組糸の組角度±θ°を変えることによって、他の要素(素線の径r、捲き径R, 捲き数、捲きピッチ等)を変えることなく、異なったバネ定数のコイルスプリングを供すること、さらには、ブレイディング工程中、組糸の組角度±θ°を変更しながら組紐組織体10を製織することによって、スプリングの巻き長さ方向に異なるバネ定数の部分を一体連続的にもった、所謂、非線形バネとして供することができる点において極めて有効に作用するものといえる。
【0031】
さらに、この発明では、ブレイディングにより得られるFRP組織体を素線とするコイルスプリングを供するものであり、これは、軽量であり、強度並びに弾性率、さらには、電気絶縁性が高く、耐薬品性並びに耐蝕性に富むコイルスプリングを供し得るものであり、各種産業分野における機械構造部材として、その利用性は多大であり、その点において極めて有効に作用するものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は、この発明になるFRPスプリングを製造するための具体的装置例を示す概略的な側面図である。
【図2】 図2は、この発明になるFRPスプリングの具体的な態様を示すものであり、図2Aは、当該FRPスプリングの基本構成を示す概略的な側面図、図2Bおよび図2Cは、図2AにおけるX−X線に沿った断面図であって、中実組紐組織体の例と、中空組紐組織体の例とを示す断面図であり、図2D、図2Eおよび図2Fは、当該コイルスプリングの巻径の異なる態様を示す概略図である。
【図3】 図3は、ブレイダー装置によって製織される組紐組織体の基本的構成を示す概略的な斜視図である。
【図4】 図4は、この発明になるFRPスプリングのための組紐組織体を製織するための多連式ブレイダー装置の基本構成の一例を示す概略的な側断面図である。
【符号の説明】
1 基本組織体
2 組物層
4、4 軸線に対する組角度が±θ°の組糸
5 軸線に対する角度が0°の中央糸
10 組紐組織体
10A 中実組紐組織体
10B 中空組紐組織体
11 ブレイディング工程
12 ラッピング工程
13 熱収縮テープ
14 ラッピングした組紐組織体
15 コイル成形工程
16 コイル成形ドラム
BR ブレイダーユニット
RA ラッピング装置
Y 組糸
y 中央糸
B 組糸用ボビン
b 中央糸用ボビン
CS コイルスプリング
Claims (6)
- ブレイダー装置を用いてブレイディング処理してなるFRPブレイディング組織体であって、前記FRPブレイディング組織体は、軸線に対する組角度が±θ°で互いに交絡する組糸と、軸線に対する角度が0°の中央糸とを組み合わせ、前記ブレイディング期間中、前記組糸の組角度±θ°の値を変化させながら組織したものからなり、前記FRPブレイディング組織体を螺旋状に巻き成形して、前記組糸の組角度±θ°の値の変化に応じて、その巻き長さ方向に異なるバネ定数の部分を一体連続的に有するものからなることを特徴とするFRPスプリング。
- 前記FRPスプリングの巻き径が、当該スプリングの巻き長さ方向一端から他端にわたって同一径のものであることを特徴とする請求項1に記載のFRPスプリング。
- 前記FRPスプリングの巻き径が、当該スプリングの巻き長さ方向一端から他端にわたって異なる径部分を有するものからなることを特徴とする請求項1に記載のFRPスプリング。
- 前記FRPスプリングを構成するFRP線材の線径が、当該スプリングの巻き長さ方向一端から他端にわたって異なる径部分を有するものからなることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれかに記載のFRPスプリング。
- 前記FRPスプリングのためのFRPブレイディング組織体が、中実状組織体でなることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれかに記載のFRPスプリング。
- 前記FRPスプリングのためのFRPブレイディング組織体が、中空状組織体でなることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれかに記載のFRPスプリング。
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