弹性部件用线材以及弹性部件的制作方法

本发明涉及一种弹性部件用线材以及弹性部件。
背景技术：
：以往，作为用于实现汽车的油耗改善的一种方法，致力于各种部件的轻量化。例如，现采用如下方法：作为发动机组(engineblock)的材料，代替铸铁而使用铝合金，作为发动机盖和油底壳的材料，代替钢而使用镁合金。近年来，基于汽车的轻量化这一观点，在研究例如将作为悬架用悬架弹簧的螺旋弹簧等轻量化。作为能够将螺旋弹簧等弹性部件轻量化的弹性部件用线材，可举出一种具有纤维增强树脂层的弹性部件用线材，其中，该纤维增强树脂层由缠绕在芯材上的碳纤维等纤维和树脂构成(例如，参照专利文献1、2)。在专利文献1中，公开有一种弹性部件用线材，其中，将铝作为芯材，在该铝芯材的外周设有将纤维缠绕成网眼状而成的碳纤维增强树脂层。然而，若像专利文献1那样将纤维对芯材缠绕成网眼状，那么，由于扭转应力作用时容易发生屈曲破坏，所以为了确保强度则必须加大线材直径，而不能获得足够的轻量化效果和必要的挠曲量，有可能无法作为螺旋弹簧发挥功能。对此，作为提高抵抗扭转应力的强度的技术，在专利文献2中公开有一种弹性部件用线材，其中，相对于芯材的轴心方向以规定的角度将纤维缠绕在芯材上。专利文献1：日本实开昭55-45076号公报专利文献2：日本特开2006-226327号公报技术实现要素：然而，专利文献2所公开的弹性部件用线材，虽然关于小的螺旋弹簧记载有实施例，但是，例如要用于汽车用的悬架弹簧等，则需要能够应对较大的耐荷载的、线材直径和线圈尺寸都较大的螺旋弹簧，对因螺旋弹簧被压缩而作用的扭转载荷引起线材缩径从而导致的损坏未加以考虑，根据芯材的材质，可能产生缩径从而成为强度和刚性模量都较低的线材，因而不能作为具有能够使用的特性的线材。本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种能够轻量化并且提高强度的弹性部件用线材以及弹性部件。为了解决上述问题并达成本发明目的，本发明涉及的弹性部件用线材，其用于制作弹性部件，具备：芯材，其是用金属或合金形成的，能够弹性变形；以及frp层，其由在所述芯材上卷绕的纤维、以及至少设置在该纤维的一部分而将该纤维彼此固定的热固性树脂构成，并覆盖所述芯材的外表面，所述纤维对所述芯材的缠绕方向，是沿着根据从外部作用的载荷而施加于该弹性部件用线材上的拉伸载荷和压缩载荷之中的、所述拉伸载荷的方向的方向。此外，根据上述的发明，本发明涉及的弹性部件用线材，还具备：电蚀防止部，其是用绝缘性材料形成的，且设置于所述芯材与所述纤维之间。此外，根据上述的发明，本发明涉及的弹性部件用线材中，所述frp层中所述纤维的含有率为50体积％以上91体积％以下。此外，根据上述的发明，本发明涉及的弹性部件用线材中，所述纤维沿着对所述芯材的环绕方向而连续。此外，根据上述的发明，本发明涉及的弹性部件用线材中，所述芯材的中心轴与所述纤维的缠绕方向所形成的角度大于40°且在50°以下。此外，根据上述的发明，本发明涉及的弹性部件用线材中，所述纤维的缠绕角度是固定的。此外，根据上述的发明，本发明涉及的弹性部件用线材中，所述芯材的热膨胀系数比所述frp层的热膨胀系数小。此外，根据上述的发明，本发明涉及的弹性部件用线材中，所述芯材的膨胀系数为45×10-6/k以下。此外，根据上述的发明，本发明涉及的弹性部件用线材中，该弹性部件用线材的刚性模量为12gpa以上。此外，根据上述的发明，本发明涉及的弹性部件用线材中，该弹性部件用线材的静态扭转强度为500mpa以上。此外，根据上述的发明，本发明涉及的弹性部件用线材中，所述芯材由含有2％以上的镁的铝合金制成。此外，本发明涉及的弹性部件是用上述的发明涉及的弹性部件用线材来形成的。此外，根据上述的发明，本发明涉及的弹性部件是将所述弹性部件用线材卷绕成螺旋状而成的。此外，根据上述的发明，本发明涉及的弹性部件是汽车用的悬架弹簧。根据本发明，具有能够轻量化并且提高强度的效果。附图说明图1是表示本发明一实施方式涉及的螺旋弹簧的结构的示意图。图2是表示本发明一实施方式涉及的螺旋弹簧的主要部分的结构的示意图。图3是表示本发明一实施方式涉及的螺旋弹簧的主要部分的结构的示意图。图4是表示本发明一实施方式涉及的螺旋弹簧的主要部分的结构的示意图。图5是表示用于制作本发明一实施方式涉及的螺旋弹簧的弹性部件用线材的结构的示意图。图6是表示本发明实施方式的变形例涉及的螺旋弹簧的结构的示意图。图7是本发明实施例涉及的单向脉动扭转强度试验的结果的曲线图。符号说明1、1a螺旋弹簧10、110芯材11、111纤维增强塑料(frp)层12、112增强纤维13电蚀防止层100弹性部件用线材具体实施方式下面，参照附图来对用于实施本发明的方式(以下称为“实施方式”)进行说明。需要说明的是，各图是示意性的，各部分的厚度与宽度的关系、各个部分的厚度的比率等有时会与现实中的不同，各图中有时会包含相互之间的尺寸的关系或比率不同的部分。图1是表示本发明一实施方式涉及的螺旋弹簧的结构的示意图。图2是表示本发明一实施方式涉及的螺旋弹簧的主要部分的结构的示意图。螺旋弹簧1通过将在芯材上缠绕纤维而成的线材卷成螺旋状来制作。螺旋弹簧1在规定的方向(例如，通过卷绕而延伸的方向)上伸缩自如。螺旋弹簧1例如用作汽车的悬架用的悬架弹簧。螺旋弹簧1呈螺旋状，具有：芯材10，其是用金属或合金形成的；以及纤维增强塑料(fiberreinforcedplastics：frp)层11，其包含缠绕在芯材10上的多根纤维，并覆盖该芯材10。螺旋弹簧1中，作为用作悬架弹簧时的强度，优选线材的刚性模量为12gpa以上，静态扭转强度为500mpa以上。芯材10使用与铸铁等铁类材料相比较轻量且为了避免由于因frp层11缩径而被收紧所引起的变形、损坏而与聚丙烯等树脂相比具有高弹性模量、高强度的材料，例如铝、钛或者以铝、镁或钛为主要成分的合金来形成。更具体地，例如作为具有高强度的铝合金，有2000系列、5000系列、6000系列、7000系列的铝合金。在本实施方式中，假设芯材10的截面呈圆形的情况进行说明，不过呈椭圆状或多边形状的亦可。如图2所示，frp层11通过在将多根增强纤维12缠绕在芯材10上之后，浸渗未固化的热固性树脂并加热固化来形成，或者通过在将经未固化的热固性树脂浸渗后的多根增强纤维12缠绕在芯材10上之后，加热固化来形成。作为增强纤维12，可使用在碳纤维、玻璃纤维、芳香族聚酰胺纤维(芳纶纤维)和玄武岩纤维(basaltfiber)中选择出的至少一种纤维。在frp层11中，至少一部分增强纤维12彼此通过热固性树脂而相互固定)。即，frp层11包含有上述的多根增强纤维12、以及将该增强纤维12彼此固定的热固性树脂。作为热固性树脂，可举出具有绝缘性且受热固化的树脂，例如环氧树脂。frp层11中的增强纤维12可以是将一根纤维缠绕在芯材10上的，也可以是将多根纤维作为一束，并将一束纤维或者多束纤维同时缠绕在芯材10上的。任何一种缠绕方式中，各纤维的缠绕方向都是相同的。此外，也可以是，将呈片(sheet)状的纤维束，以使纤维的长度方向相同的方式设置于芯材10的外表面。此外，在线材的径向上缠绕有一根或多根(包括纤维束)的增强纤维12。这里，frp层11中的增强纤维12的体积含有率(增强纤维12的体积占frp层11的体积的比率)，基于增强纤维12对载荷的耐久性这一观点，优选为50体积％以上91体积％以下。若含有率小于50％，则纤维的分布不均一从而强度会有偏差，有50％以上才能够确保呈现稳定的强度所必需的纤维分布均一性。在以最为紧密的方式缠绕增强纤维12的情况下，增强纤维12能够缠绕到含有率91％。此外，基于能使螺旋弹簧1(frp层11)的强度提高这一点，优选地，增强纤维12在从呈螺旋状地延伸的线材的一端到另一端连续。在增强纤维12不连续的情况下，从外部作用的载荷无法由线材整体负担，不连续部分因应力集中而容易成为线材损坏的起点。在增强纤维12从线材的一端到另一端连续的情况下，各增强纤维12从线材的一端到另一端呈螺旋状地延伸，沿着对芯材10的环绕方向连续。这里，优选地，芯材10的热膨胀系数比frp层11的热膨胀系数小。具体而言，优选地，芯材10的热膨胀系数比frp层11的热膨胀系数小，且在45×10-6/k以下。这里所说的frp层11的热膨胀系数是指frp层11的径向的热膨胀系数。在将热膨胀系数比frp层11大的芯材例如聚丙烯作为芯材的情况下，聚丙烯芯在从热固性树脂例如环氧树脂的固化温度回到常温时与frp层11相比较大地收缩，芯材与frp层11之间产生间隙(clearance)，由于该间隙，构成螺旋弹簧1的线材缩径，螺旋弹簧1变得容易损坏。与此相反，在将热膨胀系数比frp层11小的芯材例如铝作为芯材的情况下，即使从固化温度回到常温，与frp层11相比芯材10的收缩较小，芯材10与frp层11之间不会产生间隙(clearance)。由于芯材10与frp层11之间不会产生间隙，所以能够抑制由于缩径而引起的螺旋弹簧1的损坏。需要说明的是，1000系列铝的线膨胀系数为23.6×10-6/k、5000系列铝的线膨胀系数为24.3×10-6/k、聚丙烯的线膨胀系数为81～100(×10-6/k)、环氧树脂的线膨胀系数为45～65(×10-6/k)(参考：化学便览应用化学篇)。此外，增强纤维12缠绕在芯材10上的缠绕方向y1(增强纤维12延伸的方向)沿着在从外部作用有压缩螺旋弹簧1的载荷时作用于线材的载荷、即拉伸载荷和压缩载荷之中的、拉伸载荷的方向。图3是表示本发明一实施方式涉及的螺旋弹簧的主要部分的结构的示意图，是用于说明在螺旋弹簧1上有扭转应力作用时作用于线材的表面的载荷的图。对于螺旋弹簧1(线材)，当由作为绕该线材的中心轴的载荷的、彼此相反绕向的载荷f1、f2带来的扭转应力作用时，以线材表面中的矩形微小区域m来看，该微小区域m中作用有图3中的(a)所示的剪切应力τ11、τ12、τ21、τ22。线材上作用有剪切应力τ11、τ12、τ21、τ22，换言之，即成为如图3中的(b)所示那样的拉伸载荷ft和压缩载荷fc作用于微小区域m。虽然该拉伸载荷ft作用的方向相对于线材的长度轴(轴n1)理论上呈45°，但考虑到线材形状上的偏差等，该角度范围为大于40°且50°以下。本实施方式涉及的增强纤维12的缠绕方向y1，是沿着上述的拉伸载荷ft的方向。增强纤维12全部沿着拉伸载荷ft缠绕。需要说明的是，虽然增强纤维12也可以局部的缠绕角度不同，但优选以固定的缠绕角度缠绕在芯材10上。这里所说的“固定的缠绕角度”是包含制造上的缠绕角度的误差在内。图4是表示本发明一实施方式涉及的螺旋弹簧的主要部分的结构的示意图，是从芯材10的中心轴的方向观察的俯视图。如图4所示，在螺旋弹簧1中，在芯材10和frp层11的、以与长度轴正交的平面为截断面而得到的截面呈圆形的情况下，当设芯材10的直径为r1，frp层11的外周的直径、即螺旋弹簧1的线材的直径为r2，作用于螺旋弹簧用线材的最大应力为τmax(mpa)时，优选使用30万次单向脉动扭转疲劳强度为τmax×r1/r2以上的铝合金制芯材。这里所说的最大应力τmax是指作用于线材的外表面的扭转应力。此外，优选地，芯材10由30万次单向脉动扭转疲劳强度为τmax×r1/r2以上的铝合金制成，增强纤维12至少由碳纤维制成。此外，更优选地，芯材10由含有2％以上的镁的铝合金(例如5000系列)制成。图5是表示作为用于制作螺旋弹簧1的线材的弹性部件用线材的结构的示意图。该图所示弹性部件用线材100(以下简称为“线材100”)呈具备芯材110和frp层111的两层构造的圆柱状，其中，所述芯材110呈圆柱状，由与芯材10相同的材料制成，所述frp层111是将增强纤维112缠绕于芯材110的外周而成的，该增强纤维112由与增强纤维12相同的纤维制成。缠绕于芯材110的增强纤维112可以预先浸渗有液状的热固性树脂，也可以在缠绕于芯材110之后再浸渗树脂。在将浸渗有热固性树脂的增强纤维112缠绕于芯材110上之后，加热到该热固性树脂固化的温度以上，由此能够获得将增强纤维112彼此固定的线材100。这里，将增强纤维112缠绕于芯材110的缠绕方向y10(增强纤维112延伸的方向)，例如在将线材100卷绕成螺旋状而制得的螺旋弹簧1上从外部作用有载荷的情况下，是沿着上述的拉伸载荷的方向的。具体地，将增强纤维112缠绕于芯材110的缠绕方向y10，在从与芯材110的中心轴(例如，图5所示轴n10)正交的方向观察时，该缠绕方向y10与轴n10所形成的角度θ呈40°＜θ≤50°。该角度θ对应于基于上述的拉伸载荷而作用于增强纤维112的扭转载荷的方向与芯材110的中心轴(轴n10)所形成的角度。作为将增强纤维112缠绕于芯材110的方法，例如可举出纤维缠绕成型法(filamentwinding)。需要说明的是，在使用多根增强纤维112形成为片状的强化纤维束的情况下，也可以通过片材缠绕法(sheetwinding)来形成。此外，如上所述，作为将线材100用作悬架弹簧用的线材时的强度，优选地，线材100的刚性模量为12gpa以上，线材100的静态扭转强度为500mpa以上。通过卷绕该线材100，能够制作上述的螺旋弹簧1。该线材100除上述的螺旋弹簧1以外，还可以作为扭转杆(torsionbar)、或将其一部分折弯而成的稳定器(stabilizer)等弹性部件来使用。根据以上说明的本发明一实施方式，由于具备芯材10和frp层11，且在增强纤维12中，使对芯材10的缠绕方向为沿着基于扭转应力而作用于线材上的拉伸载荷的方向的方向，其中，所述芯材10是用金属或合金形成的，能够弹性变形，所述frp层11由卷绕在芯材10上的增强纤维12、以及将增强纤维12彼此固定的热固性树脂构成，并覆盖芯材10的外表面，所以，能够达到具有对扭转应力的耐受性的强度，并实现轻量化。例如，在本发明实施方式中，若对于芯材10采用铝或其合金，则与采用铸铁等铁类材料的、特性或容积相同的螺旋弹簧的情况相比，能够轻量化60％左右。此外，根据本发明实施方式，由于用与聚丙烯等树脂相比刚性较高的金属或合金来形成芯材10，所以能够提高纤维对芯材10的缠绕张力，且与聚丙烯等树脂相比，能够实现具有较高的纤维体积含有率(fibervolumecontent：vf)、低孔隙率，并且在螺旋弹簧1压缩的方向上作用有载荷时，虽然在线材上施加有扭转而使其缩径的力起作用，但能够防止frp层11的缩径。此外，芯材10的刚性越高，则能够将纤维以越大的张力缠绕在其上，其结果，能够使线材高刚性化，进而能够提高螺旋弹簧1的强度。此外，在本发明实施方式中，若采用30万次单向脉动扭转疲劳强度为τmax×r1/r2以上的铝合金来制成芯材10，则能够使弹性部件用线材的疲劳强度提高。实施方式的变形例需要说明的是，在芯材10与frp层11之间可以设置电蚀防止层(电蚀防止部)，其由绝缘性材料例如绝缘性玻璃纤维增强塑料(gfrp)层或者形成于芯材10表面的绝缘性氧化包覆膜构成。图6是表示本实施方式的变形例涉及的螺旋弹簧的结构的示意图。图6所示螺旋弹簧1a中，在芯材10与frp层11之间设置有由绝缘性材料构成的电蚀防止层13。电蚀防止层13例如由绝缘性gfrp层或耐酸铝层等绝缘性氧化包覆膜形成。例如，电蚀防止层13的厚度(芯材10径向上的厚度)只要能确保绝缘性即可，例如就gfrp层而言0.1mm左右即可获得充分的效果。通过形成电蚀防止层13，能够防止芯材10由于电蚀而引起的劣化。实施例以下，对用于制作本发明涉及的螺旋弹簧的弹性部件用线材的实施例进行说明。首先，对本实施例涉及的弹性部件用线材的结构进行说明。实施例1作为芯材而使用φ7mm的棒状的铝合金(5000系列)，作为增强纤维而使用碳纤维束的丝束预浸料(towprepreg)。5000系列铝合金是在冷加工后通过加热实施稳定化处理而成的、以铝为主要成分的铝-镁合金。丝束预浸料是含有33重量％的环氧树脂的12000根碳纤维的束。对于弹性部件用线材，使用纤维缠绕机将丝束预浸料缠绕在上述的芯材上。将碳纤维，以当从与芯材的中心轴正交的方向观察时相对于芯材的中心轴方向呈45°的方式缠绕在芯材上，一直卷到线材的外径达到φ14mm为止。之后，对未固化的线材，以覆盖从其一端到另一端的整个表面的方式缠绕宽15mm的聚丙烯制条带(tape)并固定，用烘干炉(oven)加热，使环氧树脂固化。制得的线材作为实施例1涉及的弹性部件用线材。实施例2作为芯材而使用φ7mm的棒状的铝材料(1000系列)，除此以外，与实施例1同样地进行。1000系列铝是在冷加工后经加工硬化而成的、纯度99.7％以上的纯铝。制得的线材作为实施例2涉及的弹性部件用线材。比较例作为芯材而使用φ7mm的棒状的聚丙烯(pp)树脂材料，除此以外，与实施例1同样地进行。制得的线材作为比较例涉及的弹性部件用线材。接下来，对本实施例涉及的试验内容进行说明。扭转强度试验在如上所述制得的线材的长度方向的中央表面部贴附三轴应变片，用玻璃增强纤维塑料(grfp)制抓持部件抓持住该线材的端部，之后利用高千穗精机株式会社制造的扭转试验机来进行强度试验。在此扭转试验中，将绕线材的中心轴的旋转速度设为0.3°/秒来进行试验。通过此扭转试验，求出线材(碳纤维)的静态扭转强度。刚性模量基于通过上述的扭转强度试验而得到的应力-应变曲线图的斜率，计算出刚性模量。应力降低率此外，对制得的线材进行单向脉动扭转疲劳试验。具体地，采用最大应力为260mpa且应力比为0.1的单向脉动，以一定角度对线材施加扭转载荷来测量扭转应力，并对此反复进行30万次，基于最初测得的扭转应力、以及每次测得的扭转应力来求出应力降低率。应力降低率是将比较例(聚丙烯)中的应力降低率的最大值设为1进行归一化而得到的值。接着，参照表1、2以及图7来对本实施例涉及的弹性部件用线材的扭转试验结果(扭转强度以及刚性模量)进行说明。表1示出了实施例1、2以及比较例涉及的弹性部件用线材的试验结果。表2示出了实施例1、2所使用的芯材的比例极限扭转应力。图7是表示本发明实施例涉及的单向脉动扭转疲劳试验的结果的曲线图。表1表2比例极限扭转应力5000系列al1301000系列al35由表1可看出，将1000系列以及5000系列的铝材料用作芯材的线材，其刚性模量和强度都较高。实施例1中，扭转强度为937mpa以上，超过了此试验系统的测量上限。此外，如图7所示，与比较例相比，实施例1、2中30万次的应力降低率较小。实施例1、2涉及的线材具有较高的刚性模量、强度以及耐久性，其结果，若使用该线材，则能够获得实用的螺旋弹簧。这里，在将上述的螺旋弹簧用于悬架用的悬架弹簧的情况下，用来制作该螺旋弹簧1的弹性部件用线材例如最好是刚性模量为12gpa以上且静态扭转强度为500mpa以上。在这种情况下，由于在芯材上根据τmax×r1/r2而施加有100mpa的扭转应力，所以由表2所示比例极限扭转应力可知，优选使用5000系列的铝材料来作为芯材，而不是1000系列的铝材料。若超过比例极限扭转应力，则芯材断裂而形成间隙，该断裂部位无法获得防止螺旋弹簧压溃的效果。这里，1000系列铝的应力降低率与5000系列铝的应力降低率之差的起因在于比例极限扭转应力。由本实施例的结果可以看出，实施例1涉及的弹性部件用线材能充分满足作为用于悬架用的螺旋弹簧1的线材的要求。这样，本发明可以涵盖这里未记载的各种各样的实施方式等，在不脱离由权利要求书所限定的技术思想的范围内，可以进行各种设计变更。如上所述，本发明涉及的弹性部件用线材以及弹性部件，具有对扭转载荷的耐受性，并且适合实现轻量化。当前第1页12