JP2017125600A - バネ構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】 建築物・乗物・運搬等に関する衝撃や振動の緩和対策に好適であり、複雑形状でなく成形加工が容易な繊維強化プラスチック製バネ構造体であって、耐久性に優れた軽量・コンパクトで同用途分野に多様な適用性を兼ね備えた繊維強化プラスチック製バネ構造体を提供することを目的とする。【解決手段】繊維強化プラスチック製バネ構造体において、繊維強化プラスチック製楕円環状物から構成され、該楕円環状物単体が連続した平滑曲面形状から成ることを特徴とする繊維強化プラスチック製バネ構造体。【選択図】図１

Description

本発明は、建築物・乗物・運搬物等に関連する衝撃や振動の緩和対策として、軽量・コンパクトで優れた耐久性と多様な適用性を兼ね備えた繊維強化プラスチック製バネ構造体に関する。

従来から、衝撃や振動を緩和するための一般的な機械的要素技術として、金属製或いは繊維強化樹脂製で特定構造のバネ材が用いられている。

例えば、軽量化及び省スペース化が要求される自動車分野向けに、圧縮応力による破壊防止を可能にする片振りの曲げ荷重が加えられる繊維強化プラスチック製バネが提案されている（特許文献１）。

また、鉄道車両台車用板バネとして、繊維強化プラスチック部材とコアー芯材部材の積層から成り、軽量とコスト低減、耐久性も向上する特定構造が提案されている（特許文献２）。

さらに、乗り物や貨物運搬物等の衝撃や振動の緩和策として、鋼鉄やステンレス等の金属製で複数の長尺状弾性片をそれぞれ円弧状に両極部を固定する構造体の、球状サスペンションが提案されている（特許文献３）。

そして、防振・除振バネのニーズが高い産業分野において、他部品との取り付けし易い平坦状接続部を有する特定形状の炭素繊維強化樹脂製環状バネが提案されている（特許文献４）。

特開２０１１−２４１８４５ 国際公開番号ＷＯ２０１３１／０３８６７３ 国際公開番号ＷＯ２０１１／１２５４８８ 実用新案登録第３１８３９３９号

然しながら、前記の従来技術において、特許文献１は、中立軸に対し非対称の片振り板状バネであることから、自動車分野等の特定用途以外で、特に、中立軸に対し対称となる耐衝撃や耐振及び振動減衰機能付与を必要とする用途分野に適用できないものだった。特許文献２の場合も大型で重い鉄道車両台車用の板バネであり、小型や軽い対象物の衝撃や振動の緩和対策に不適切なものであった。
また、特許文献３は、全体が連続した一体系でない金属製長尺片を組合わせた球状体なので、複雑な製作工程で生産効率が低くコスト増になり、負荷応力がバランス良く分散し難く、更に、軽量・コンパクト化が必要な用途に向かないものであった。特許文献４は、他の部品との取り付けを容易にすることが目的であり、環状バネ中に平坦状接続部を有するので、曲面と平坦面の境目に屈曲部分を形成するために、この部分に負荷応力が集中する傾向になり、耐久性に劣る一つの要因になることから、負荷応力がバランス良く分散し易くなる様に改善が必要であった。

本発明は、軽量・コンパクト化が可能な繊維強化プラスチック製であって、複雑形状でなく容易な成形加工を可能にすることで量産・低コスト化を有利にし、且つ、衝撃や振動の緩和対策用途に優れた耐久性と多様な適用性を兼ね備えたバネ構造体を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明では以下の構成を採用する。
（１）バネ構造体は繊維強化プラスチック製楕円環状物から構成され、該楕円環状物単体が連続した平滑曲面形状から成ることを特徴とするバネ構造体。
（２）前記の繊維強化プラスチック製楕円環状物単体は、幅が２ｍｍ〜２００ｍｍ及び厚みが０．１ｍｍ〜１５ｍｍ、かつ、外側面における長軸径が短軸径の１．２倍〜６倍である（１）に記載のバネ構造体。
（３）前記の繊維強化プラスチック製楕円環状物単体が、炭素繊維強化プラスチック製から成る（１）〜（２）に記載のバネ構造体。
（４）前記の繊維強化プラスチック製楕円環状物単体の内側面に減衰機能機器を組み込み固定して成る（１）〜（３）の何れかに記載のバネ構造体。
（５）前記の繊維強化プラスチック製楕円環状物単体を複数個以上で構成し、該楕円環状物単体の側面接点部位を相互に重ね合わせ固定して成る（１）〜（４）の何れかに記載のバネ構造体。
（６）上記（１）〜（３）の何れかに記載のバネ構造体を複数個以上使用し、剛性が高い平面板形状の間に組み込み固定して成る免震ユニット。
（７）上記（４）に記載のバネ構造体を複数個以上使用し、剛性が高い平面板形状の間に組み込み固定して成る免震ユニット。
（８）上記（５）に記載のバネ構造体を複数個以上使用し、剛性が高い平面板形状の間に組み込み固定して成る免震ユニット。
（９）上記（１）〜（３）の何れかに記載のバネ構造体を複数個以上、及び減衰機能機器の複数個以上を併用し、剛性が高い平面板形状の間に組み込み固定して成る免震ユニット。
（１０）上記（１）〜（３）の何れかに記載のバネ構造体を複数個以上、及び上記（４）に記載のバネ構造体を複数個以上併用し、剛性が高い平面板形状の間に組み込み固定して成る免震ユニット。
（１１）上記（１）〜（３）の何れかに記載のバネ構造体を複数個以上、及び上記（５）に記載のバネ構造体を複数個以上併用し、剛性が高い平面板形状の間に組み込み固定して成る免震ユニット。

上述した様に本発明のバネ構造体は、複雑形状でない連続した平滑曲面の繊維強化プラスチック製楕円環状物単体から構成されるので、軽量・コンパクト化を可能にし、量産・低コスト化も有利になる。更に、負荷応力がバランス良く分散し易くなる方向になり耐久性向上に繋がる。また、減衰機能機器や該楕円環状物単体の複数個以上を組合わせることで、衝撃や振動の緩和対策用途に多様な適用性が可能になる。

以下、本発明に係る繊維強化プラスチック製楕円環状物単体は「楕円環状体」と略記する。
「楕円環状体」の（ａ）正面、（ｂ）側面、（ｃ）全容である。 「楕円環状体」と減衰機能機器から成るバネ構造体の全容である。 「楕円環状体」複数個以上のバネ構造体であり、（ａ）２個組合わせ、（ｂ）及び（ｃ）３個組合わせの全容である。 「楕円環状体」５個を組み合わせたバネ構造体の（ａ）平面、（ｂ）正面、（ｃ）側面である。 免震ユニットの（ａ）及び（ｂ）側面、（ｃ）全容である。

以下、本発明に係る繊維強化プラスチック製楕円環状物単体は「楕円環状体」と略記し、本発明の実施形態例に関して図面を参照しながら説明する。

図１（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、本発明のバネ構造体を構成する「楕円環状体」であり、全体的に連続した平滑曲面形状から成っていることが大きな特徴である。この複雑形状でない特定形状の「楕円環状体」を採用することで成形加工が容易になり、量産・低コスト化を有利にできる。また、屈曲部位のない曲面形状であることから、負荷応力がバランス良く分散し易くなる方向になり、本発明が目的とする耐久性向上に繋がる。

次に、バネ構造体を構成する「楕円環状体」の基本要素に関して具体的に述べる。「楕円環状体」の形状サイズは、各用途の負荷応力等に対する要求特性に応じて仕様を決めることになるが、好ましくは、幅が２ｍｍ〜２００ｍｍ、厚みが０．１ｍｍ〜１５ｍｍ、外側面における長軸径が短軸径の１．２倍〜６倍である。
より好ましくは、幅が４ｍｍ〜１５０ｍｍ、厚みが０．２ｍｍ〜１０ｍｍ、外側面における長軸径が短軸径の１．４倍〜４倍である。
ここで、幅が２ｍｍ以下になると細幅過ぎてバネ構造体の強度性能保持が困難になり、２００ｍｍ以上になると広幅過ぎてバネ構造体の撓み難くなりクッション性能保持がし難くなるので好ましくない。
また、厚みが０．１ｍｍ以下になると薄厚過ぎて弱くなりバネ構造体の強度性能保持が困難になり、１５ｍｍ以上になると分厚過ぎてバネ構造体の撓み難くなりクッション性能保持が困難になるので好ましくない。
また、外側面における長軸径が短軸径の１．２倍以下になると円環状に近く広い湾曲になるので、バネ構造体の上下方向が長過ぎて狭い所への設置が難しく、また、撓み難くなるのでクッション性能が不十分になる。そして、６倍以上になると楕円環状が扁平で狭い湾曲になるので、撓み幅が狭く負荷応力に対する反発性が乏しくなりクッション性能保持が困難になるので好ましくない。

「楕円環状体」の原材料に関して、繊維強化プラスチック種は各用途の要求特性に応じて強化繊維種及びプラスチック種の組み合わせを適切に選択する。
強化繊維種としては、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、高強度ポリエチレン繊維、等が挙げられ、これらの単独系又は併用系で使用できる。更に、平織、朱子織、綾織、すだれ織など織物基材のクロス状、マット状、ストランド状等、如何なる形状でも良いが、これらの単独系よりも物性バランスや外観品位を向上させる上で併用系にて使用することが好ましい。
この中で、高い強度・弾性率を有する炭素繊維は本発明におけるバネ構造体の高性能・高機能を確保するために有効であり、より好ましく使用できる。
また、炭素繊維は、ポリアクリロニトリル系、レーヨン系、リグニン系、ピッチ系等、いかなる種類でもよいが、強度・弾性率のバランスに優れたポリアクリロニトリル系炭素繊維がより好ましい。
次に、プラスチック種としては、通常のエポキシ、不飽和ポリエステル、フェノール、ビニルエステル、ポリイミドなどの熱硬化性樹脂や、ポリアミド、ポリエステル、ポリオフィレン、ＡＢＳ、ポリエーテルエーテルケトンなどの熱可塑性樹脂が例示できる。この中で、熱硬化性樹脂が本発明におけるバネ構造体の要求特性を満たし、成形性・コスト面でも有利なエポキシ樹脂がより好ましく使用できる。

また、「楕円環状体」の成形方法に関しては、通常のオートクレーブ法の他に、シートワインディング法、バキュームバック法、内圧成形法、レジントランスファー（ＲＴＭ）法等の単独又は組み合わせにて成形できるが、成形性・外観品位の面で有利なオートクレーブ法が好ましい。
これらのうち、オートクレーブ法における「楕円環状体」成形工程の実施例としては、各用途の仕様設計及び要求特性に応じて製作した楕円環状金型（長軸径；１１０ｍｍ、短軸径；５５ｍｍ、幅；２０ｍｍ）に、使用するプラスチック種を強化繊維に含浸させた織物基材や一方向に揃えたプレプレグシートの中間材料を設計厚み２ｍｍになる様に、同方向或いは異方向を交えて積層した後、オートクレーブ（（株）羽生田鉄工所製、ＤＬ−２０１０）内に全体をセットし、加温１３０℃・加圧０．３ＭＰａ・時間２ｈｒの条件下で処理した後、目的の「楕円環状体」成形品（幅；２０ｍｍ、厚み２ｍｍ、長軸外径；１１２ｍｍ、短軸外径；５７ｍｍ、長軸外径／短軸外径の比；１．９６倍）を得た。
次に、この「楕円環状体」成形品における長軸径の側面部位を上下にして、下方を床面に設置し、上方から荷重１００ｋｇｆを加えた時、短軸径方向が約１０ｍｍ圧縮され変形したが、荷重１００Ｋｇｆを除くと直ぐに元の形状に戻ったことから、バネ用途として基本的に使用できることを確認した。
また、上記のような成形工程で得られた「楕円環状体」成形品は、必要に応じて切削工程も加えて仕上げるなど、通常手段で容易に成形加工することができるが、特に、幅サイズのみ異なる場合、ある程度長い「楕円環状体」のものを成形しておき、その後に所定サイズに輪切りする手段は生産効率アップに繋がり、コスト低減に有効である。
また、耐候性、外観品位と意匠性を向上させるために、「楕円環状体」の表面にフェノール樹脂塗料、エポキシ樹脂塗料、ポリウレタン樹脂塗料、シリコン樹脂塗料、アクリル樹脂塗料、フッ素樹脂塗料などの塗料層或いはエポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリエステル樹脂などゲルコート層が形成されていてもよい。

次に、本発明において「楕円環状体」を基本骨格にし、例えば、減衰機能機器の組み込みや「楕円環状体」の複数個以上を組合わせて固定する手段を採用することで、本発明の目的である衝撃や振動の緩和対策用途に多様な適用性を実現できる。ここで、上記の減衰機能機器は、各用途の仕様設計に適合可能な規格品であれば市販されている通常のダンパー機能を持つ製品を使用できる。また、上記の固定する手段は、ボルトナット、リベット、接着剤、結束等の通常方法を適用できる。

以下、本発明におけるバネ構造体の具体的な実施形態を各々図で説明する。
図２は、「楕円環状体」の内側面に減衰機能機器を組み込み固定して成る一例のバネ構造体の全容であり、全体の能力・サイズは各用途の負荷応力に対する要求特性等に応じた仕様設計に基づき自由に決めることができる。

図３は、「楕円環状体」複数個以上の側面接点部位を相互に重ね合わせ固定して成るバネ構造体の一例である。（ａ）は「楕円環状体」２個の交差状組み合わせた全容、（ｂ）は「楕円環状体」３個の交差状組み合わせた全容、（ｃ）は「楕円環状体」３個の外側面接合組み合わせた全容である。これらの組み合わせ方は全体の能力・サイズも含めて多種多様であり、各用途における要求特性、設置スペース、デザイン等々に対応して決めることができるので強みでもある。

図４（ａ）（ｂ）（ｃ）は、「楕円環状体」５個を環状内面幅からはみ出さない様に組合わせ設計したバネ構造体の一例である。この例も各用途に多種多様に対応できるが、特に、設置スペースが狭いとか、特殊デザインが必要な場合などに適用できる。

図５（ａ）（ｂ）（ｃ）は、「楕円環状体」と減衰機能機器の併用で各々２個を剛性が高い平面板形状間に組み込み固定した免震ユニットの一例である。
ここで使用する剛性が高い平面板形状種としては、金属製、木製、プラスチック製等の通常材料を適用できるが、特に、繊維強化プラスチック製が好ましく、その中でも軽量化・コンパクト化が可能な炭素繊維強化プラスチック製がより好ましい。
この免震ユニットは、本発明におけるバネ構造体の要素技術を基に構成されたものであり、上述の例と同様に各用途の仕様設計に準じて「楕円環状体」及び減衰機能機器を配置できる。更に、対象物のサイズと負荷応力が大きい衝撃や振動の緩和対策に対して広範囲に適用できるところが強みであり、例えば、該免震ユニットの単品を大掛かりなスケールにしなくても、取扱い易い小型や中型レベルの単品を複数個以上並べて使うことも可能であり、有効な手段となる。

本発明の繊維強化プラスチック製バネ構造体及び免震ユニットは、建築物、乗物、運搬物等々における衝撃や振動の緩和対策及び免震システムとして、小型スケールから大型スケールの対象物に対し多様な適用性があり、広範囲の用途に有用である。

１：繊維強化プラスチック製楕円環状物単体
２：繊維強化プラスチック製楕円環状物単体の外側面
３：繊維強化プラスチック製楕円環状物単体の内側面
４：減衰機能機器
５：平面板形状材
６：固定部位
Ａ：繊維強化プラスチック製楕円環状物単体の厚み
Ｂ：繊維強化プラスチック製楕円環状物単体の幅
Ｃ：繊維強化プラスチック製楕円環状物単体外側面の長軸径
Ｄ：繊維強化プラスチック製楕円環状物単体外側面の短軸径

Claims (11)

1. バネ構造体は繊維強化プラスチック製楕円環状物から構成され、該楕円環状物単体が連続した平滑曲面形状から成ることを特徴とするバネ構造体。
2. 前記の繊維強化プラスチック製楕円環状物単体は、幅が２ｍｍ〜２００ｍｍ及び厚みが０．１ｍｍ〜１５ｍｍ、かつ、外側面における長軸径が短軸径の１．２倍〜６倍である請求項１に記載のバネ構造体。
3. 前記の繊維強化プラスチック製楕円環状物単体が、炭素繊維強化プラスチック製から成る請求項１〜２に記載のバネ構造体。
4. 前記の繊維強化プラスチック製楕円環状物単体の内側面に減衰機能機器を組み込み固定して成る請求項１〜３の何れかに記載のバネ構造体。
5. 前記の繊維強化プラスチック製楕円環状物単体を複数個以上で構成し、該楕円環状物単体の側面接点部位を相互に重ね合わせ固定して成る請求項１〜４の何れかに記載のバネ構造体。
6. 請求項１〜３の何れかに記載のバネ構造体を複数個以上使用し、剛性が高い平面板形状の間に組み込み固定して成る免震ユニット。
7. 請求項４に記載のバネ構造体を複数個以上使用し、剛性が高い平面板形状の間に組み込み固定して成る免震ユニット。
8. 請求項５に記載のバネ構造体を複数個以上使用し、剛性が高い平面板形状の間に組み込み固定して成る免震ユニット。
9. 請求項１〜３の何れかに記載のバネ構造体を複数個以上、及び減衰機能機器の複数個以上を併用し、剛性が高い平面板形状の間に組み込み固定して成る免震ユニット。
10. 請求項１〜３の何れかに記載のバネ構造体を複数個以上、及び請求項４に記載のバネ構造体を複数個以上併用し、剛性が高い平面板形状の間に組み込み固定して成る免震ユニット。
11. 請求項１〜３の何れかに記載のバネ構造体を複数個以上、及び請求項５に記載のバネ構造体を複数個以上併用し、剛性が高い平面板形状の間に組み込み固定して成る免震ユニット。