(57)【要約】【課題】曲げ部における所望の強度を確保することが可能な軸状複合部材を提供することにある。【解決手段】軸状複合部材１０は、炭素繊維（長繊維）の配向方向が軸状複合部材１０の軸方向に対して平行な０°層１６と、この０°層１６の内径側に配置され、炭素繊維（長繊維）の配向方向が軸状複合部材１０の軸方向に対して斜交する±４５°層１８と、外径側の０°層１６と内径側の±４５°層１８との間に介装される内側ガラス繊維強化プラスチック層１９と、ベース層である０°層１６の外径側に最外層として配置され、０°層及び±４５°層１８よりも剛性の低い外側ガラス繊維強化プラスチック層２０とがそれぞれ積層して構成されている。外側ガラス繊維強化プラスチック層２０は、補強層及び保護層として機能する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
曲げ部を有する軸状複合部材であって、
前記曲げ部は、
炭素繊維強化プラスチックからなり、炭素繊維の配向方向が前記軸状複合部材の軸方向に対して平行な０°層と、
前記０°層の外面に配置され、前記炭素繊維強化プラスチックよりも剛性の低いガラス繊維強化プラスチック層と、
を備えることを特徴とする軸状複合部材。
【請求項２】
請求項１記載の軸状複合部材において、
前記曲げ部は、スタビライザの曲げ部であることを特徴とする軸状複合部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸状複合部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車には、燃費性能の向上のために各種部材を軽量化・高強度化することが希求され、例えば、カーボン材等の繊維強化樹脂が利用されている。繊維強化樹脂を利用したものとして、例えば、特許文献１には、ローリングテーブルを用い、カーボン繊維強化アルミパイプ（金属軸状部材）の外面にカーボン繊維強化層（繊維強化層）を巻き付ける技術的思想が開示されている。
【０００３】
また、特許文献２には、内側から外側に向かって、異なる配向角度を有する複数の炭素繊維を積層して形成された繊維強化複合材料製のゴルフクラブ用シャフトが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平３−１６６９３７号公報
【特許文献２】特開２００７−５２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、例えば、自動車のフレーム構造体に用いられる軸状複合部材のように、曲げ部等の曲率の高い形状を有する軸状複合部材に対して繊維強化樹脂材を利用した場合、この曲げ部に繊維強化樹脂材を巻き付けてフレーム構造体の剛性を確保することが困難である。例えば、特許文献１に開示されたカーボン繊維強化層を直線状の芯金に巻き付けた後、この芯金に対して曲げ成形を行って所定の曲率に曲げ変形させた場合、芯金の曲げ部の曲率が高くなると曲げ部の内側と外側の周長差の違いにより、曲げ部の内側に巻き付けられたカーボン繊維強化層がしわとなってしまうおそれがあるからである。
【０００６】
そこで、前記した曲げ部の内側のしわの発生を回避するために、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）からなるＵＤ材（一方向強化材）を、軸状複合部材の軸方向に沿って並べて並設する（いわゆる、０°層）ことにより、曲げ部の内側と外側の周長差をキャンセルして曲率が高い曲げ部に対して、しわが無いように対応する技術を採用することが考えられる。しかしながら、ＵＤ材が並設された曲げ部に対して捩り変形力（捩り荷重）が付与されると、曲げ部に対して外径方向への面外力が働くことにより表面層の０°層が外径方向に変形する。この結果、曲げ部における強度上の弱点となるおそれがある。
【０００７】
本発明は、前記の点に鑑みてなされたものであり、曲げ部における所望の強度を確保することが可能な軸状複合部材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記の目的を達成するために、本発明は、曲げ部を有する軸状複合部材であって、前記曲げ部は、炭素繊維強化プラスチックからなり、炭素繊維の配向方向が前記軸状複合部材の軸方向に対して平行な０°層と、前記０°層の外面に配置され、前記炭素繊維強化プラスチックよりも剛性の低いガラス繊維強化プラスチック層と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明では、曲げ部における所望の強度を確保することが可能な軸状複合部材を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る軸状複合部材の斜視図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｇ）は、本実施形態に係る軸状複合部材を製造する製造工程を示す模式図である。
【図４】補強層が無い比較例に係る軸状複合部材と、補強層を有する本実施形態に係る軸状複合部材との耐久性を比較した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る軸状複合部材の斜視図、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。
【００１２】
本実施形態に係る軸状複合部材１０は、車両の部品、例えば、ステアリングハンドル、サスペンションタワーバー、サスペンションアーム及びスタビライザとして使用可能である。また、スポーツレジャー用品や自転車のハンドル、その他ベビーカーの部品としても使用可能である。
【００１３】
図１に示されるように、軸状複合部材１０は、その一部に略Ｌ字形状を有する中空の管体からなり、直線又は略直線状に延在する直線部１２と、非直線状の曲げ部１４とが組み合わされた複合形状に形成されている。
【００１４】
軸状複合部材１０（直線部１２及び曲げ部１４）は、径方向に沿って４つの層が積層され、この４つの層は、それぞれ周方向に沿って連続して形成されている。図２に示されるように、軸状複合部材１０は、内径側から外径側に向かって、順に、±４５°層１８と、内側ガラス繊維強化プラスチック層１９と、０°層１６と、外側ガラス繊維強化プラスチック層２０とをそれぞれ積層して構成されている。
【００１５】
詳細には、軸状複合部材１０は、ベース層であり、炭素繊維（長繊維）の配向方向が軸状複合部材１０の軸方向に対して平行な０°層１６と、この０°層１６の内径側に配置され、炭素繊維（長繊維）の配向方向が軸状複合部材１０の軸方向に対して斜交する±４５°層１８と、外径側の０°層１６と内径側の±４５°層１８との間に介装され応力緩和層として機能する内側ガラス繊維強化プラスチック層１９と、ベース層である０°層１６の外径側に最外層として配置される外側ガラス繊維強化プラスチック層２０とがそれぞれ積層して構成されている。なお、外側ガラス繊維強化プラスチック層２０は、後記するように、補強層及び保護層として機能するものである。
【００１６】
０°層１６は、配向方向が軸状複合部材１０の軸方向に対して平行な一方向に繊維が引き揃えられたＵＤ（Uni-Directional）材からなり、炭素繊維強化樹脂プラスチック（ＣＦＲＰ）によって形成されている。
【００１７】
±４５°層１８は、炭素繊維の配向方向が軸状複合部材１０の軸方向に対して斜交するプリプレグ（好ましくは、トゥプリプレグ）によって形成されている。トゥプリプレグは、強化材となる炭素繊維にマトリックス材となる樹脂を含浸させた多数のフィラメントから構成される。樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、ジアリルフタレート樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂が用いられるとよい。
【００１８】
内側ガラス繊維強化プラスチック層１９、及び、外側ガラス繊維強化プラスチック層２０は、０°層１６である炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）よりも剛性の低いガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）からなるプリプレグによってそれぞれ形成されている。このガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）を用いて、０°層１６と±４５°層１８との間、及び、０°層１６の外面に、０°層１６及び±４５°層１８よりも剛性が低いチョップドガラスファイバ層（短繊維）を形成することが好ましい。なお、内側ガラス繊維強化プラスチック層１９、及び、外側ガラス繊維強化プラスチック層２０は、短繊維（チョップドガラスファイバ層）に限定されるものではなく、０°層１６及び±４５°層１８よりも剛性が低い長繊維を用いてもよい。
【００１９】
図２に示されるように、４層における径方向に沿った厚さ寸法は、０°層１６と±４５°層１８とは、同じ又は略同じ寸法に設定され、内側ガラス繊維強化プラスチック層１９と外側ガラス繊維強化プラスチック層２０とは、０°層１６及び±４５°層１８よりも小さい寸法に設定されている。また、内側ガラス繊維強化プラスチック層１９、及び、外側ガラス繊維強化プラスチック層２０は、互いに同じ又は略同じ厚さ寸法に設定されている。
【００２０】
なお、本実施形態では、軸状複合部材１０の内径側から外径側に向かって、順に、±４５°層１８、内側ガラス繊維強化プラスチック層１９、０°層１６、及び、外側ガラス繊維強化プラスチック層２０からなる４層構造によって直線部１２及び曲げ部１４をそれぞれ形成しているが、これに限定されるものではない。
【００２１】
すなわち、軸状複合部材１０において、少なくとも、曲げ部１４が外側ガラス繊維強化プラスチック層２０を含む４層構造で形成されていればよい。また、直線部１２は、外側ガラス繊維強化プラスチック層２０を除去した０°層１６、内側ガラス繊維強化プラスチック層１９、及び、±４５°層１８からなる３層で構成してもよい。さらに、直線部１２は、０°層１６及び±４５°層１８のみからなる２層で構成してもよい。
【００２２】
本実施形態では、例えば、軸状複合部材１０の曲げ部１４に付与される曲げ荷重に対して、外径側に位置する０°層１６が剛性を有する（曲げ剛性が高い）と共に、捩り荷重に対して内径側に位置する±４５°層１８が剛性を有する（捻じり剛性が高い）。その際、曲げ部１４における各層間で剛性がそれぞれ異なるために各層における変形の仕方が異なっている。その際、曲げ部１４の表層側の０°層１６には、外径方向への面外力が作用することにより、この部分が強度上の弱点となるおそれがある。
【００２３】
このため、本実施形態では、０°層１６の曲げ剛性よりも低く、且つ、±４５°層１８の捩り剛性よりも低く形成された外側ガラス繊維強化プラスチック層２０を、最も外径側である０°層の外面に設けている。この点については、後記で詳細に説明する。
【００２４】
次に、軸状複合部材１０を製造する製造方法について説明する。
図３（ａ）〜図３（ｇ）は、本実施形態に係る軸状複合部材を製造する製造工程を示す模式図である。
【００２５】
一対の金型３２ａ、３２ｂ（図３（ｆ）参照）を準備しておく。金型３２ａ、３２ｂには、上面視（平面視）して軸状複合部材１０の形状に対応する略Ｌ字形状で断面半円状の溝部からなるキャビティ３４（図３（ａ）参照）が形成されている。なお、一方の金型３２ａと他方の金型３２ｂでは、溝部の形状が対称となるように形成されている。
【００２６】
先ず、各金型３２ａ（３２ｂ）のキャビティ３４内に、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）によって形成されたシート状のプリプレグ３６ａ（外側ガラス繊維強化プラスチック材）を敷設する（図３（ａ）参照）。
【００２７】
続いて、キャビティ３４内に敷設されたプリプレグ３６ａの上にさらに、０°層である複数のＵＤ材３８をキャビティ３４の軸方向に沿って並行に敷設する（図３（ｂ）参照）。さらに、敷設されたＵＤ材３８の上面に対してガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）によって形成されたシート体であるプリプレグ３６ｂ（内側ガラス繊維強化プラスチック材）を敷設して（図３（ｃ）参照）、キャビティ３４内に積層体を構成しておく。
【００２８】
なお、プリプレグ３６ｂ（内側ガラス繊維強化プラスチック材）は、後記するプリプレグ４０（±４５°材）と一緒にシートワインディング（ＳＷ）法によって巻き付けて成形するようにしてもよい。
【００２９】
また、樹脂マンドレル（芯金）４２の外面に、図示しない治具を用いてシート状のプリプレグ４０（好ましくはトゥプリプレグ）（±４５°材）をシートワインディング（ＳＷ）法によって巻き付けて成形する（図３（ｄ）参照）。このシート状のプリプレグ４０は、カーボン繊維に樹脂を含浸させた薄いシート体からなり、＋４５°の炭素繊維と−４５°の炭素繊維とが予め編まれて構成されたシート体で構成されている。巻回されたプリプレグ４０から樹脂マンドレル（芯金）４２を引き抜いた後、樹脂マンドレル４２を引き抜いて形成された巻回体の貫通孔に対して、例えば、ゴム製のチューブ状バッグ（内圧バッグ）４４を内挿する。
【００３０】
なお、本実施形態では、シートワインディング法によりプリプレグ（±４５°材）を巻き付けているが、例えば、フィラメントワインディング法によってフィラメントを巻き付けてもよい。
【００３１】
続いて、金型３２ａに形成された積層体（外側ガラス繊維強化プラスチック材、ＵＤ材、及び、内側ガラス繊維強化プラスチック材）の内周側に、巻回されたプリプレグ４０（±４５°材）を嵌め（図３（ｅ）参照）、一対の金型３２ａ、３２ｂを型閉じする。一対の金型３２ａ、３２ｂを型閉じした後、チューブ状バッグ４４の両端部に図示しない栓部材を装着する。図示しないエア供給源からチューブ状バッグ４４の中空部内に対して、例えば、約０．６ＭＰａのエアを供給する（図３（ｆ）参照）。
【００３２】
さらに、図示しない加熱手段を用いて所定温度の熱処理を遂行して樹脂を熱硬化させた後、型割りして成形品である軸状複合部材１０（図３（ｇ）参照）を取り出す。
【００３３】
このような製造方法を実施することにより、内径側に位置する±４５°層１８と、外径側に位置するＵＤ材３８（０°層１６）と、±４５°層１８と０°層１６との間に介装される内側ガラス繊維強化プラスチック層１９（ＧＦＲＰ）と、０°層１６の外面で最外層となる外側ガラス繊維強化プラスチック層２０（ＧＦＲＰ）とから構成される軸状複合部材１０を簡便に得ることができる。また、この製造方法では、一対の金型３２ａ、３２ｂを用いることで、曲げ部１４における内外周差（内側と外側の周長差）を吸収してしわの発生を回避することができると共に、曲げ部１４の強度を向上させることができる。
【００３４】
次に、本実施形態に係る軸状複合部材１０の作用効果について説明する。
本実施形態では、０°層１６の外面で最外層に、０°層１６の曲げ剛性よりも低く、且つ、±４５°層１８の捩り剛性よりも低く形成された外側ガラス繊維強化プラスチック層２０を設けている。これにより、本実施形態では、曲げ部１４に対して曲げ荷重及び捩り荷重が付与された際、０°層１６の外面に発生する外径方向への面外力を抑制し、外面の強度（特に、繰り返し付与される疲労強度）を向上させることができる。この結果、本実施形態では、曲げ部１４の所望の強度を確保して耐久性を向上させることができる。
【００３５】
図４は、補強層が無い比較例に係る軸状複合部材と、補強層を有する本実施形態に係る軸状複合部材との耐久性を比較した説明図である。
図４に示されるように、外側ガラス繊維強化プラスチック層２０（補強層）が無い比較例に係る軸状複合部材の耐久試験回数と、外側ガラス繊維強化プラスチック層２０（補強層）を有する本実施形態に係る軸状複合部材１０の耐久試験回数とを比較すると、その耐久性が約２．５倍に向上していることが確認された。
【００３６】
また、本実施形態では、補強層として機能する外側ガラス繊維強化プラスチック層２０自体に剛性を高める作用がないため、剛性を維持して疲労強度を高めることができる。
【００３７】
さらに、本実施形態では、主たる層（０°層１６及び±４５°層１８）の肉厚化を回避しながら面外力を抑制することができるため、軸状複合部材１０の重量増加を極力少なくして強度向上を達成することができる。
【００３８】
さらにまた、本実施形態では、０°層１６のクラック発生にともなって、表層側である外側ガラス繊維強化プラスチック層２０が白色に変色する作用がある。これにより、曲げ部１４に付与されるダメージ状態を容易に視認することができる。この結果、メンテナンス性を向上させて新たな軸状複合部材１０の交換時期を容易に予想することができる。
【００３９】
一般的に、複合荷重（例えば、曲げ荷重や捩り荷重等）が付与される繊維強化プラスチックパイプ（軸状複合部材１０）において、各荷重が受け持つ、繊維配向角が異なる複数の層があることが性能上好ましいが、製法上の要請から、表層側を曲げ荷重に対して強い配向角０°層１６とすることになる。
【００４０】
このような構成を採用すると、各層のそれぞれの剛性（例えば、曲げ剛性や捩り剛性等）が異なるため、各々の層の変形の仕方が異なる。その際、表層側の０°層１６は、外径方向への面外力が作用することで、この部分が強度上の弱点となるおそれがある。
【００４１】
本実施形態では、上記の課題に対して、強度上の弱点となるおそれがある０°層１６のさらに外側に、０°層１６及び±４５°層１８よりも剛性の低い補強層（外側ガラス繊維強化プラスチック層２０）を設けることで、面外変形を抑制し強度（特に、疲労強度）をより一層向上させることができる。
【００４２】
さらにまた、表層側に位置する外側ガラス繊維強化プラスチック層２０は、軸状複合部材１０の中心からの離間距離が最も大きいため、負担する応力が高くなりがちであるが、面外変形を適切に抑制するだけの、低い剛性の層で形成することで、補強層（外側ガラス繊維強化プラスチック層２０）自体の応力負担を小さくして、補強層自身が内側の他の層（０°層１６や±４５°層１８）よりも先に破壊されることがなく、その機能を発揮することができる。
【００４３】
さらにまた、強度向上に対する一般的なアプローチとして、肉厚にして且つ重量増加（＝剛性増加）の代わりに強度を高める方法がある。しかしながら、本実施形態では、より少ない重量増加により、また、剛性を上げることなく強度を向上させることができる。これにより、例えば、軽量化、及び、剛性目標が設定された部品に対して効率的に製造することができる。
【００４４】
さらにまた、この補強層（外側ガラス繊維強化プラスチック層２０）は、チッピング等に対する保護層としての機能を併有する。また、０°層１６で発生したクラックにより、当該部位に隣接する補強層（外側ガラス繊維強化プラスチック層２０）が白色化することで、ダメージ状態を容易に可視化（視認）することができる利点がある。
【符号の説明】
【００４５】
１０    軸状複合部材
１４    曲げ部
１６    ０°層
１８    ±４５°層
２０    外側ガラス繊維強化プラスチック層（ガラス繊維強化プラスチック層；ＧＦＲＰ）
【図１】
2018126932.tif 000003
【図２】
2018126932.tif 000004
【図３】
2018126932.tif 000005
【図４】
2018126932.tif 000006