JP2010505689A - 接合具 - Google Patents

Abstract

第１コンポーネントを第２コンポーネント材に接合するための接合具であって、複合部分および補強素子を有する接合具（１）。複合部材は、複合材で形成し、底壁（２）と、この底壁（２）に第１コーナーで合体する端壁（３）と、および第２コーナーで端壁（３）に、また第３コーナーで底壁（２）に合体する側壁（４）とを有する。補強素子は、複合部分に適合し、また複合部分の端壁（３）、複合部分の第１コーナーおよび複合部材の第２コーナーに係合することができる形状にする。

Description

本発明は、中央翼ボックスのような第１コンポーネントを、側方翼ボックスのような第２コンポーネントに接合するための接合具に関する。

側方翼ボックスを中央翼ボックスに接合するための、従来の張力式のコーナー型接合具を、図１に示す。接合具は、底壁、第１コーナーで底壁に合体する端壁、第２コーナーで底壁に、また第３コーナーで端壁に合体する側壁を有する。底壁および側壁を、一方の翼ボックスにボルト連結し、端壁を他方の翼ボックスにボルト連結する。

この接合具は、従来、金属材料で形成する。とくに中央翼ボックスおよび／または側方翼ボックスを複合材料で形成するとき、この種の接合具も複合材料で形成するのが好ましい。これにより、材料のミスマッチによる部材間の電解腐食、および熱膨張差を排除することができる。しかし、（金属と比べて）異なる複合材料の特性は、接合具の壁厚を容認できないレベルまで増加させることなく、十分な強度の接合具を形成することは困難である。とくに、端壁の曲げを最小とするために、底壁および側壁に比して端壁を厚くすること、およびコーナーにおける板厚方向の破損を最小とするために、コーナーを厚くすることが好ましい。この厚さに変化を持たせることは、複合材料、とくに積層構造を製造する上で、困難である。

本発明の第１の態様によれば、第１コンポーネントを第２コンポーネントに接合するための接合具を提供し、この接合具は、
複合材料から形成した複合部材であって、
底壁、
第１コーナーで底壁に合体する端壁、
第２コーナーで底壁に合体し、また第３コーナーで端壁に合体する側壁、
を有する該複合部材と、
この複合部材に適合（フィット）することができる形状の補強素子であって、複合部材の端壁、複合部材の第１コーナーおよび複合部材の第２コーナーに係合できる該補強素子と
を備える。

補強素子は、複合部材の厚みを変化させる必要なしに、接合具の端壁を補強する代替手段となる。このことにより、非常に簡単に最適構造を作ることができる。補強素子は、さらに、少なくとも第１コーナーおよび第２コーナーに係合して、一層の補強を行う。

好適には、複合部材は、さらに第４コーナーで底壁に合体し、また第５コーナーで端壁に合体する第２側壁を有し、補強素子は、複合部材に適合（フィット）しまた複合部材の第５コーナーに係合することができる形状に形成する。この第２側壁は、使用するコンポーネントに接合する（例えば接合具がコーナー型接合具である場合）、または補強目的のみとすることができる（例えば接合具がチャネル型接合具またはクラウン型接合具の一部である場合）。

好適には、複合部材は、さらにあるコーナーで端壁に合体する上側壁を有し、補強素子は、複合部材に適合（フィット）し、また複合部材の端壁と上側壁との間におけるコーナーに係合する形状に形成する。複合部材が２つの側壁を有する場合、上側壁面は、一般にそれぞれに対応するコーナーにおいて両側の側壁に隣接する。

好適には、上側壁は、端壁面側とは反対側に、窪みを形成した端縁を有する構成とし、重量を減らす、および／または補強素子に容易にアクセスできるようにする。

好適には、複合部材の少なくとも１つの側壁は、底壁に対して鋭角の角度で傾斜した端縁を有する構成とし、重量を減らすおよび／または補強素子に容易にアクセスできるようにする。

複合部材の底壁および端壁は、任意の手段、例えば相互連結、相互硬化、接着層、またはボルトのような固定素子によって、（接合構造に用いる場合には）第１コンポーネントおよび第２コンポーネントに接合することができる。固定具を使用する場合、金属製の固定具とする、または複合材料から形成することができる。好ましくは、複合部材の底壁および端壁（および随意的に側壁）は、それぞれ、固定素子を収容するため、１つ以上の孔を形成する。随意的に、補強素子にも、固定素子を収容する１つ以上の孔を、形成する。

好適には、補強素子は、複合部材とは異なる材料から形成し、一層好適には、金属のような非複合材料とする。

好適には、複合部材を、２つ以上の複合材料の層から形成する。この場合補強素子により、複合材料層の複合部材のコーナーで剥がれる傾向に対抗する。

１つ以上のコーナーは、ワッシャが係合する充填材に適合（フィット）することができる。この場合充填材は、ワッシャの平坦面が係合する平坦面を有することができる。代案として、複合部材の少なくとも１つのコーナーを角丸めすることができ、補強素子の角丸めした端縁が係合できるようにする。

本発明の他の態様は、接合構造を提供し、この接合構造は、
第１コンポーネントと、
第２コンポーネントと、
本発明の第１態様による１つ以上の接合具であって、各接合具の底壁を第１コンポーネントに連結し、各接合具の端壁を第２コンポーネントに接合する該接合具と
を備える。

この接合構造は、多用途、例えば自動車または船舶の用途に使用することができる。しかし、この接合構造は、特に航空機の用途に適している。例えば、第１コンポーネントを航空機の中央翼ボックスの一部とし、第２コンポーネントを航空機の側方翼ボックスの一部とすることができる。

本発明のさらに他の態様は、本発明の第１態様による接合具を製造する方法を提供し、この方法は、補強素子を複合部材の端壁に適合させる装着ステップであって、補強素子が、複合部材の端壁、複合部材の第１コーナー、および複合部材の第２コーナーに係合するように装着を行う、該装着ステップを有する。

好ましくはその方法は、さらに、補強素子に接触する複合部材を成形するステップを有する。
以下に、添付の図面を参照につき、本発明の実施形態を説明する。

従来技術のコーナー型接合具の斜視図である。 本発明の第１実施形態によるコーナー型接合具の斜視図である。 図２の接合具の中心を通過する縦断面図である。 図２に示す接合具の横断面図である。 、図２に示す接合具のワッシャを取り外した状態を示す横断面図である。 図１に示す接合具の１つのコーナーを詳細に示す、縦断面図である。 接合具のコーナー輪郭に関する第１代替輪郭を示す、縦断面図である。 接合具のコーナー輪郭に関する第２代替輪郭を示す、縦断面図である。 航空機翼におけるルート接合構造の後端部を示す線図的断面図である。 図６に示すルート接合構造の中央部分を示す、線図的断面図である。 本発明の第２実施形態を構成するクラウン型接合具の斜視図である。

図２〜図４ｂにつき説明すると、コーナー型接合具１は、底壁２、端壁３、左側壁４、右側壁５、上側壁６を含む複合部材を備え、これら壁部分は８個のコーナー４０〜４７のいずれかで相互に合体する。

接合具１の複合部材は、予含浸テープもしくは布、織物もしくは非捲縮布、３次元織成プリフォーム、短ファイバもしくは長ファイバの成形技術、またはドライファイバ配列のいずれかを使用した複合材料から製造する。強化繊維は、例えば炭素繊維とし、複合材のマトリクスは熱硬化性または熱可塑性のいずれかとすることができる。

３次元織成プリフォームの場合、（必要な形に織り込まれた）プリフォームを成形キャビティ内に配置し、一組のマンドレルよりなるマンドレルセットにより圧縮し、この部材をその最終形状に成形する。成形ステップ後に、プリフォームにはマトリクス材を注入する。熱硬化性マトリクスの場合、マトリクスは、成形中その硬化温度以上に加熱することにより硬化する。

２次元布の場合、平面状布を切断し、必要な形状に折り込み、成形キャビティ内に配置し、マンドレルセットにより圧縮し、部材をその最終形態に成形する。成形ステップ後、布にマトリクス材料を注入する。熱硬化性マトリクスの場合、成形中に硬化温度以上に加熱して硬化する。

短ファイバもしくは長ファイバの成形技術の場合、ランダムに配向させた短ファイバを含むマトリクス材料を成形キャビティ内に充填し、加熱し、圧縮して、この充填物を所望形状に成形する。

底壁２および左側壁４には、それぞれの中心線上に沿って押し抜いた４個のボルト孔７，８を有する。後壁３は、その中心に押し抜いた単独のボルト孔９を有する接合具におけるボルト孔の個数はその構造により変化しうることに注意されたい。

右側壁５はボルト孔を持たず、補強目的のみとして設ける。とくに右側壁によれば、底壁２に交差する方向の荷重に対する接合具の支持能力が増大する。右側壁５は重量軽減のため、角度付き端縁１０を残して切除する。

上側壁６もまたボルト孔を持たず、補強目的のみとして設ける。とくに上側壁によれば、側壁４、５に交差する方向の荷重に対する接合具の支持能力が増大する。上側壁６は重量軽減のため、凹んだ端縁１１を残して切除する。

右側壁５および上側壁６は、ボルトおよびナットが十分にアクセス可能となるよう、また応力集中を軽減するように切除する。

中心に貫通するボルト孔１３を有するスロートワッシャ１２を、底壁２と組み合わせて複合部材の４個の壁３〜６により形成した窪み内に圧入する。図３に示すように、ワッシャ１２は、端壁３に係合する端面、底壁２に係合する底面、および上側壁６に係合する上面を有する。図４ａに示すように、ワッシャ１２は、左側壁４に係合する左側面、右側壁５に係合する右側面を有する。ワッシャは８個の角丸めした端縁を有するが、そのうち２個は図示せず、残りの６には図３および図４ａに参照符号４０′〜４５′を付けて示す。図３および図４ａに示すように、ワッシャの８個の角丸めした端縁は、複合部材の８個の角丸めしたコーナー４０〜４７に係合する。スロートワッシャ１２は、予め機械加工したアルミニウム、チタン、またはスチール製の部材とすることができる。

図５に、複合部材の１つのコーナー４５とワッシャ１２の端縁４５′との間における境界面を示す。他の７個のコーナーにおける境界面も同様である。複合部材は一連の層から形成する。図５の場合、６層を示すが、実際には層の数は多くも少なくもなりうる。各層は、それぞれコーナー４５の周りにおいて、共通のポイントを中心とする曲率半径をもつ。そのコーナーにおける内側層の曲率半径は、一般的に１ｍｍよりも大きく、多くの場合５ｍｍのオーダーである。各層の曲率半径は円形構造にするために一定とするか、または例えば楕円形構造を与えるために曲率半径を変化させることもできる。

接合具の破損態様の１つとしては、端壁が曲がり、コーナーに広がりを生ずることがある。これにより、コーナーにおいて層が引きはがされ板厚方向の破壊につながる可能性を生じる。ワッシャ１２は端壁３に係合する端面を有し、これにより端壁３の曲げに抵抗する。ワッシャ１２の端縁４５′は、コーナー４５における内側層と同じ曲率半径で湾曲する。したがって、端縁４５′とコーナー４５との間における係合は密であり、結果としてワッシャ１２はコーナーを支持し、板厚方向の破損の可能性を減ずることができる。

ワッシャ１２は、成形中に、複合部材に接触させて成形キャビティ内に配置し、複合部材に緊密にフィットさせまた密接接触を確実にすることができる。代案として、ワッシャと複合部材との間におけるいかなる隙間をも埋める充填材により、ワッシャを所定位置に結合することで、密接接触を実現することもできる。

図５ａに第１の代替的境界面を示す。この場合、コーナー４５ａおよび端縁４５ａ′の曲率半径は、図５に示すものよりも大きく、ワッシャ１２は上側壁６に係合する平坦な上面を有していない。

図５ｂに第２の代替的境界面を示す。この場合、ワッシャ１２は面取りした端縁４５ｂ′を有する。複合部材の内側層は、コーナーにおいて図５と同様の形状を有する。しかし、この場合、内側層とワッシャの面取りをした端縁４５ｂ′との間の隙間には、マトリックス材料の充填材４７を注入する。

図６に、図１に示したコーナー型接合具を６個組み込んだ、航空機翼のルート接合構造を示す。様々な部品を連結する固定具は示さない。図６に示すルート接合構造は、中央翼ボックス２０と側方翼ボックス２１との間の接続を行う。中央翼ボックス２０は、１対の後部桁フランジ２２′、上部外板２３および下部外板２４を備えた後部桁ウェブ２２を有する。側方翼ボックス２１は、１対の後部桁フランジ２５′、上部翼外板２６および下部翼外板２７を備えた後部桁ウェブ２５を有する。リブ２８は、中央翼ボックス２０と側方翼ボックス２１との間の境界面を形成する（または等価的に、リブ２８は、中央翼ボックスもしくは側方翼ボックスの一部とみなすこともできる）。

図６に、翼ボックスをリブ２８の両側の対向面に連結する、６個のコーナー型接合具１を示す。各コーナー型接合具１の底壁を、コーナー型接合具の孔７を経て、外板２３，２４，２６，２７の各個に、また桁フランジ２２′，２５′，の各個にボルトで固定する。各接合具１はまた、側壁４の孔８を経て、桁ウェブ２２、２５の各個に、また端壁３の孔９を経てリブ２８に、ボルトで固定する。接合プレート２９もまた、下部翼外板２６，２７の下側に適合する。

ルート接合構造は、翼ボックスの前部桁との間における境界面（図示せず）においても、同様の一連のコーナー型接合具１を有する。

図６の断面図は、ルート接合構造の後端部に設けたコーナー型接合具１を示す。クラウン型接合具およびチャネル型接合具もまた、ルート接合構造の前端部と後端部との間に設け、ルート接合構造の中間部分における断面を図７に示す。図７に、１対のクラウン型接合具３０および４個のチャネル型接合具３１を示す。

図７に、さらに、外板２３，２４，２６，２７の内側表面に沿ってスパン方向に走る縦通材も示す。各縦通材は、足部３５およびブレード３６を有する。各縦通材の足部３５は、チャネル型接合具３１の底壁および外板にボルト連結し、また各縦通材のブレード３６はチャネル型接合具の隣接対間に延在する。

図８に、１個のクラウン型接合具３０の斜視図を示す。クラウン型接合具３０は、一列のチャネル型接合具を有し、これらチャネル型接合具を隣接する側壁で互いにつなぎ合わせ、包囲ラップ３３内に内包する。各チャネル型接合具は、底壁３４、左側壁３５および右側壁３６、端壁面（図８に図示せず）、上側壁３７を有する。端壁および底壁は、それぞれ、図１および図２に示すコーナー型接合具に設けたボルト孔７，９と同様のボルト孔（図８に図示せず）を有する。左側壁３５および右側壁３６は、それぞれ、傾斜端縁３８，３９を生ずるよう切除する。スロートワッシャ５０は、各チャネル型接合具内に設け、図１および図２のコーナー型接合具に設けたボルト孔１３と同様のボルト孔（図示せず）を有する。したがって、各チャネル型接合具は、左側壁３６が右側壁３５と同様に切除されている点を除いて、図１および図２のコーナー型接合具と同様である。

クラウン型接合具３０内の互いに隣接するチャネル型接合具は、相互に接着剤および／またはボルト連結により結合し、この組立体を包囲ラップ３３により確実に保持する。

図７に示すように、クラウン型接合具３０内の各チャネル型接合具の底壁３４は、上部外板２３，２６にボルト連結し、端壁をリブ２８にボルト連結する。

図７に示したチャネル型接合具３１は、クラウン型接合具３０を形成するために共に結合しているものと同様の構造であるが、チャネル型接合具３１を隣接するチャネル型接合具に結合していない点、およびクラウン型接合具を形成するために包囲ラップ内に共に保持していない点で異なる。それ以外では、その構造および固定方法は、同一である。

本発明を１つ以上の好ましい実施形態につき説明したが、当然のことながら、特許請求の範囲で定義した本発明の範囲から逸脱することなく、様々な改変または変更を施すことができる。

Claims (17)

1. 第１コンポーネントを第２コンポーネントに接合するための接合具において、
   複合材料から形成した複合部材であって、
   底壁、
   第１コーナーで前記底壁に合体する端壁、
   第２コーナーで前記底壁に合体し、また第３コーナーで前記端壁に合体する側壁
   を有する該複合部材と、
   この複合部材に適合（フィット）することができる形状の補強素子であって、前記複合部材の端壁、前記複合部材の第１コーナーおよび前記複合部材の第２コーナーに係合できる該補強素子と
   を備えたことを特徴とする接合具。
2. 請求項１に記載の接合具において、前記複合部材は、さらに、第４コーナーで前記底壁に合体し、また第５コーナーで前記端壁に合体する第２側壁を有し、前記補強素子は、前記複合部材に適合しまた前記複合部材の第５コーナーに係合することができる形状に形成したことを特徴とする接合具。
3. 請求項１または２に記載の接続金具において、前記複合部材は、さらに、あるコーナーで端壁に合体する上側壁を有し、前記補強素子は、前記複合部材に適合し、また複合部材の端壁と上側壁との間におけるコーナーに係合する形状に形成したことを特徴とする接合具。
4. 請求項３に記載の接合具において、上側壁は、端壁側とは反対側に、窪みを形成した端縁を有することを特徴とする接合具。
5. 請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の接合具において、前記複合部材の少なくとも１つの側壁は、底壁に対して鋭角の角度で傾斜した端縁を有することを特徴とする接合具。
6. 請求項１〜５のうちいずれか一項に記載の接合具において、前記複合部材の底壁および端壁は、それぞれ固定素子を収容するための１つ以上の孔を有することを特徴とする接合具。
7. 請求項１〜６のうちいずれか一項に記載の接続金具において、前記補強素子は、固定素子を受けるための１つ以上の孔を有することを特徴とする接合具。
8. 請求項１〜７のうちいずれか一項に記載の接続金具において、前記補強素子は、複合部材とは異なる材料から形成したことを特徴とする接合具。
9. 請求項１〜８のうちいずれか一項に記載の接続金具において、前記補強素子は、非複合材料から形成したことを特徴とする接合具。
10. 請求項１〜９のうちいずれか一項に記載の接続金具において、前記補強部材を金属から形成したことを特徴とする接合具。
11. 請求項１〜１０のうちいずれか一項に記載の接合具において、前記複合部材を、２つ以上の複合材料の層から形成したことを特徴とする接続金具。
12. 請求項１〜１１に記載の接合具において、前記複合部材の少なくとも１つのコーナーを角丸めし、前記補強素子の角丸めした端縁が係合するようにしたことを特徴とする接合具。
13. 請求項１〜１２のうちいずれか一項に記載の接合具の製造方法において、前記補強素子を前記複合部材の端壁に適合させる装着ステップであって、前記補強素子が、前記複合部材の端壁、前記複合部材の第１コーナー、および前記複合部材の第２コーナーに係合するように装着を行う、該装着ステップを有することを特徴とする方法。
14. 請求項１３に記載の方法において、さらに、前記補強素子に接触する複合部材を成形するステップを有することを特徴とする方法。
15. 接合構造において、
    第１コンポーネントと、
    第２コンポーネントと、
    １つ以上の、請求項１〜１２に記載の接合具であって、各接合具の底壁を前記第１コンポーネントに連結し、各接合具の端壁を前記第２コンポーネントに接合該接合具と
    を備えたことを特徴とする接合構造。
16. 請求項１５に記載の接合構造において、前記第１コンポーネントを航空機の中央翼ボックスの一部とし、第２コンポーネントを航空機の側方翼ボックスの一部としたことを特徴とする接合構造。
17. 請求項１５または１６に記載の接合構造を有することを特徴とする航空機。
    

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