JPH0210293B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕 本発明は車両の懸架機構等に用いられるFRP
板ばねに関する。 〔従来の技術〕 板ばねを軽量化するためには長手方向各部の応
力を均等化させることが有効である。従来このよ
うな見地から、板ばねの中央部では板厚が大で板
端側に向つて板厚が減少するいわゆるテーパリー
フが考えられている。 しかしFRP板ばねにおいて、フイラメントワ
インデイング法やプルフオーミング法などの成形
方法では、強化繊維の含有率が長手方向で一定
で、かつ板ばねの長手方向に沿う一方向連続強化
繊維を使用することになるため、断面積が一定で
ある。このため従来のFRP製テーパ板ばねの一
例として、板端側では板厚を薄くする代りに板幅
を広げることによつて、長手方向各部の応力を均
等化させることが行なわれている。 〔発明が解決しようとする問題点〕 しかしながら、上記の板厚可変・板幅可変の
FRPテーパ板ばねのように板端側の板幅が広が
る場合、車体に対する取付部に大形のブラケツト
を使わなければならないとか、板端の横ずれを防
止するクリツプの取付けが困難になつたり、幅広
な板端部がタイヤ側の部材と干渉する可能性が出
てくるなど種々の問題を生じる。このため、板厚
可変・板幅可変のテーパ板ばねの実用化には困難
を伴なう。 一方、長さの異なる複数枚のプリプレグを厚み
方向に重ねることによつて板幅一定・板厚可変の
FRPテーパ板ばねを製造する方法も考えられて
いる。しかしこの場合、板端側の板厚が漸減する
ため板端部の横剛性（板ばねの幅方向に加わる荷
重に対する剛性）が不足し、カーブ走行時などに
生じる横方向の遠心力に充分に対抗することがで
きない。 〔問題点を解決するための手段〕 本発明は、板ばねの長手方向に沿う強化繊維と
マトリツクス樹脂とからなり、かつ中央部側の板
厚が大で板端側に向つて板厚が減少するFRPテ
ーパ板ばねに適用される。 本発明のFRP板ばねは、その板幅を板ばねの
全長にわたつて一定としかつ上記強化繊維の本数
を板ばねの全長にわたつて同一にするとともに、
板端側の繊維含有率を中央部側の繊維含有率より
も大としたものである。 〔作用〕 上記構成のFRPテーパ板ばねは、強化繊維の
本数が板ばねの全長にわたつて同一であるから、
連続する一方向強化繊維を使用でき、フイラメン
トワインデイング法あるいはプルフオーミング法
を用いて成形可能である。 そして板端側の繊維含有率を中央部側の繊維含
有率よりも大きくするには板端側の樹脂量を中央
部側の樹脂量よりも少なくすればよく、強化繊維
の本数を変えることなく板端側の板厚が減少する
テーパ形状が得られる。こうしたテーパ形状の採
用によつて、従来の等幅・等厚のFRP板ばねに
比べて長さ方向各部の応力を均等化させることが
可能となり、軽量化できる。 また、板端でも板幅が広がらないので、車体に
対する取付け部に既存のブラケツト等の取付け具
を使用できるとともに、従来の板ばねと同様にク
リツプを取付けることができ、また板端部がタイ
ヤ側部材と干渉することもない。 そして、板端部は板厚が薄くなつていても繊維
含有率が中央部側に比べて高くなつているため、
ヤング率が高くなり板端部でも大きな横剛性が得
られる。従つて車体に入力する横方向の遠心力等
に対しても充分対抗することができる。 〔実施例〕 第１図および第２図に例示された一実施例にお
いて、板ばね装置はFRP板ばね１を備えている。
この板ばね１は、その長手方向に沿うガラス等の
一方向連続強化繊維を、例えばエポキシ樹脂等の
マトリツクス樹脂で硬化させたものである。 上記FRP板ばね１は、その全長にわたつて板
幅を一定とし、かつ上記強化繊維の本数を板ばね
１の全長にわたつて同一としてある。板ばね１の
形状は、中央部側の板厚が大で、板端側に向かつ
て板厚が減少するようなテーパ状をなしている。
そして板端側の繊維含有率を中央部側の繊維含有
率よりも大きくしてある。 更に本実施例においては、板ばね１の両端部に
それぞれ座板２を用いて目玉部材３が取付けられ
ている。また板ばね１の長さ方向中間部にセンタ
スペーサ４を介してセンタボルト５とナツト６が
設けられている。 上記FRP板ばね１は、以下述べる理由により、
強化繊維の含有率を板ばね１の中央部側で60重量
％以上で75重量％位まで、また板端側で概ね75重
量％以上で85重量％以下としてある。 まず、繊維の体積含有率V_fと繊維の重量含有
率W_fとの関係は次式で与えられる。 V_f＝W_f・d_n／W_f（d_n−d_f）＋d_f 上式において、d_fは繊維の比重、d_nは硬化時の
樹脂の比重を示す。 ここで、繊維にガラス、樹脂にエポキシを用い
た場合の一般的な値、d_f＝2.55ｇ／cm³、d_n＝1.2
ｇ／cm³としてV_fとW_fの関係をグラフで表わすと
第３図のようになる。 一方、エポキシ樹脂のヤング率E_nは300〜500
Kg／mm²、ガラス繊維のヤング率E_fは7000〜7800
Kg／mm²であるから、代表的な値E_n＝300Kg／mm²、
およびE_f＝7400Kg／mm²としてこれらの組合わせに
よるヤング率Ｅを繊維の体積含有率V_fとの関係
で表わすと第４図のようになる。例えばＥ＝3000
Kgｆ／mm²の時、V_fは40％、Ｅ＝4500Kgｆ／mm²で
はV_fは60％である。 本実施例のFRP板ばね１は、前記したように
板ばね１の全長にわたつて繊維の本数は同一であ
るが、板端側の繊維含有率V_f（またはW_f）を中央
部側の繊維含有率V_f（またはW_f）よりも大きくし
てある。換言すると、板端側の板厚は薄いがその
分だけ板端側の樹脂を少なくして繊維の含有率を
大きくしている。 第４図に示されるように、繊維含有率V_fが大
になるに従つてヤング率Ｅも増大するが、これは
無制限に増大するのではない。正方形断面に入り
うる円形断面の繊維の最大重量含有率W_fは88％
程度であり、繊維の断面形状が円である以上これ
よりもW_fが大きくなることはない。 そして本発明者らの研究によると、W_fが88％
に近付くと繊維相互の接触の度合が大き過ぎ、耐
久試験を行なうと早期に板ばねの長手方向に割れ
を生じることが確認された。早期に長手方向の割
れを生じないことを条件にW_fの最大値を求めた
ところ、W_f＝85％（V_f＝73％）付近まで使用で
きることが判つた。 第５図はフイラメントワインデイング法によつ
て成形されたFRP材のガラス繊維含有率W_fと強
さとの関係を示している。同図から、W_f＝80％
付近の時にFRP材の引張り強度が鋼と同等の155
Kg／mm²となる。よつて、鋼と同じ条件で使用する
ためにはW_f＝80％（V_f＝67％）にとどめること
が望ましい。 以上の理由により、板端側の繊維含有率は最大
でも85重量％、好ましくは80重量％以下に選定す
るものとする。 一方、板ばね１の中央部側はＵボルトあるいは
センタボルト等で締結されるから、引張強度だけ
でなく圧縮強度も重要な要素となる。第５図に示
されるように、圧縮強さは繊維含有率W_fが75％
付近のときに最大となり、これ以上W_fが増加す
ると圧縮強度の低下をもたらす。しかも中央部側
の繊維含有率がW_f＝75％を超えると板端側の繊
維含有率の好ましい値（W_f＝80％）に近付き過
ぎることになり、充分なテーパ形状にすることが
できなくなる。よつて中央部側の繊維含有率W_f
は75％（V_f＝60％）位までにするのがよい。V_f
＝60％のときのヤング率は、第４図よりＥ＝4500
Kg／mm²である。 また、同じく中央部側において繊維含有率V_f
が40％未満になると、樹脂分が多過ぎることにな
り、耐久試験を行なうと樹脂に負担がかかり過ぎ
て早期に破損することが判つた。更に付言するな
らば、第４図に示されるように、V_f＝40％の時
のヤング率Ｅは3000Kg／mm²であるが、ヤング率Ｅ
とばね定数ｋは比例関係にあり、ｋ＝6EI／l³＝6E／l³ ×bt²／12＝Ebt³／2l³で表わされる（Ｉは断面２次モー メント）。ここで、仮にＥ＝3000Kg／mm²の場合と
Ｅ＝4500Kgｆ／mm²の場合とでばね定数ｋを同じに
しようとすれば、上記の式をもとに計算するとＥ
＝3000Kgｆ／mm²の板ばねの板厚ｔはＥ＝45000Kg
ｆ／mm²の板ばねの板厚ｔに比べて14.5％とかなり
厚くしなければならなくなり、取付スペースおよ
び重量の面で許容値ぎりぎりになる。しかもV_f
＝40％未満になると樹脂分が多くなり過ぎて製造
時に様々な問題が生じてくる。以上の理由から、
板ばね中央部の繊維含有率はW_f＝60％以上（V_f
＝40％以上）とし、かつW_f＝75％以下（V_f＝60
％以下）の範囲に選定するものとする。 上述の如く板幅が一定で板厚を可変とした
FRP板ばねは、第６図に示されるように、板厚
減少率αが大きいほどヤング率E_xが大きくなる。
すなわち板端側では板厚がかなり薄くなつても、
その反面E_xが高くなり横剛性が高まるため、例
えばカーブ走行時などに加わる横方向の加速度に
対して充分に対抗でき、タイヤと車体が干渉しな
いようにすることができる。 本実施例に係るFRPテーパ板ばねの製造工程
の概略は次の通りである。まず、マトリツクス樹
脂を含浸した強化繊維束を下型（マンドレル）の
成形溝に巻き付ける。次にこの下型の上から上記
成形溝に嵌合する凸部を有する上型を押し付け
る。この凸部は、板ばねの中央部から板端方向に
向かつて厚みが漸増している。そしてこの上型を
押し付けつつ加熱・硬化させることによつて、板
幅が一定でかつ中央部から板端側に向かつて板厚
が次第に薄くなるテーパ板ばねが得られる。 なお、第７図に示されたFRPテーパ板ばね１
のモデルにおいて、ばね定数ｋは次式で与えられ
る。 k_a＝P_a／δ_a δ_a＝∫^l ₁₀P_ax²／E₁I₁dx＋∫^l _2l1P_ax²／E_xI_x dx＋∫^l _3l2P_ax²／E₂I₂dx 次表は、従来の等板幅・等板厚のFRP板ばね
と、本発明による等板幅・板厚可変のFRPテー
パ板ばねの重量を比較したものである。同表から
も判るように、一方向強化繊維を用い任意断面の
マトリツクス樹脂の含有率を変えることによつ
て、同一レイアウト（板幅・ストレートスパン）
と同一ばね定数の条件下で充分軽量化を達成する
ことができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、軽量でしかも横剛性の高い
FRP板ばねを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すFRP板ばね
の正面図、第２図は同板ばねの底面図、第３図は
繊維の重量含有率と体積含有率との関係を示す
図、第４図は繊維含有率とヤング率との関係を示
す図、第５図は繊維含有率と強さとの関係を示す
図、第６図は板厚減少率とヤング率との関係を示
す図、第７図はFRPテーパ板ばねの概略図であ
る。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 板ばねの長手方向に沿いかつ円形断面をもつ
   ガラス製の強化繊維とマトリツクス樹脂とからな
   り、かつ中央部側の板厚が大で板端側に向つて板
   厚が減少するFRP板ばねにおいて、板幅を板ば
   ねの全長にわたつて一定としかつ上記強化繊維の
   本数を板ばねの全長にわたつて同一にするととも
   に、板端側の繊維含有率を中央部側の繊維含有率
   よりも大としかつ各繊維含有率を板ばねの中央部
   側で60重量％以上、板端側で85重量％以下とした
   ことを特徴とするFRP板ばね。