JP2010512268A - 航空機のハイブリッド複合金属ランディングギア及びエンジンサポートビーム - Google Patents

Abstract

ハイブリッド複合金属コンポーネントが提供されている。このコンポーネントは細長い内側の金属部品と、内側の金属部品の少なくとも一部の周囲に配置された外側の金属部品と、内側の金属部品と外側の金属部品の間に配置された複合材料を備えている。このコンポーネントは、内側の金属部品と外側の金属部品を結合する一の密閉具と一以上の締結具の少なくとも一方をさらに備えることができる。内側の金属部品と外側の金属部品の両方が一以上のテーパー型端部を含むことができる。内側の金属部品と外側の金属部品の両方のテーパー型端部のそれぞれがダブルテーパー形状を含むことができる。

Description

本開示の実施形態は、ハイブリッドの複合金属部分の形成、より具体的には航空機のハイブリッド複合金属ランディングギア及びエンジンサポートビームを形成する装置及び方法に関するものである。

多くの応用形態、特に航空、海洋、宇宙及び建築業界においては、部品に例えば強度などの一定の特性を、最低限の質量でまたは少なくとも質量を軽減して付与することが重要である。ランディングギア及びエンジンサポートビームは一般に重量のある金属構造物である。例えば、図１にはランディングギア２００を有する航空機１００が図示されている。ランディングギア２００はおおよそコックピット部分１５０の下部にある。図１の主要なランディングギア２００は航空機の翼１０１に近接して位置している。図２においては、航空機のエンジン１０２が航空機の翼１０１に近接しているエンジンサポートビーム２０１により支持されている。金属製のランディングギアにより滑走路上の堆積物による衝撃から必要な保護が得られる。また、金属を使用する利点は、主要な負荷を支持する又は抑制することができることである。もちろん金属を使うことの大きな不利点は、これらの構造目標を達成するのに要する質量である。一般に、金属製のランディングギア及びエンジンサポートビームは金属製であるがゆえに難しい調整を要し、軽量構造を必要とする設計要件のために他の設計上の問題を有している。

圧縮、曲げ、ねじり荷重、及び滑走路の堆積物に耐えるためのランディングギアの要件により、新しいランディングギアの設計が必要となった。新しいランディングギアの設計は標準要件をより少ない質量で満たさなければならない。全ての金属又は全ての複合構造を用いた従来及び新興技術では、これらの要件を満たすのに能力に限界があった。すなわち、複合構造は重量が金属構造よりも軽いが、製造するのに高価な金型又は工具、硬化処理のためにオートクレーブ又はプレス機が必要となる。その上、複合構造は衝撃によるダメージに弱く、航空機全体の重量を支持できない可能性がある。このため、金属は重量の点で不利であるにも関わらず、ランディングギア用に選択される材料とされてきた。したがって、ランディングギアの自重は航空産業においていまだ問題である。

エンジンサポートビームの要件はランディングギアの設計に関わる要件と同様である。エンジンサポートビームは、ピッチ及び側面荷重を含むエンジン起因の様々な負荷に効率的に耐えるための十分な支持を提供しなければならない。ランディングギアの場合のように、エンジンサポート構造の重量を、この構造の能力を大幅に損なうことなくできる限り低減して荷重要件を満たすことが望ましい。このため、質量を低減するための新しいエンジンサポートビームの設計が必要である。従来及び新興技術では、これらの要件を満たすのに能力に限界があった。一般に、エンジンサポート構造は金属製である。金属製のサポート構造は、複合サポート構造の製造に使用される高価な金型または工具を必要としない。このため、金属はいまだエンジンサポートビームの材料として選択される。したがって、エンジンサポートビームの重量は設計者にとって問題であり続ける。

したがって、従来の金属コンポーネントから得られる少なくともある程度の強度と、複合コンポーネントから得られる少なくともある程度の有利な重量設定を持つハイブリッドコンポーネントを形成する装置及び方法を提供することは有利である。加えて、構造の統合性を落とすことなく、航空機又は他の車両の全体重量を低減するコンポーネントを形成する装置及び方法を提供することは有利である。構造の重量がより小さいと、航空機及び他の車両が運べる最大積載量が上がり、燃料経済性の向上が実現する。

本開示の実施形態は、例えば航空機のハイブリッド複合金属ランディングギア及びエンジンサポートビーム等の複合金属製のハイブリッド部品を形成する装置及び方法を提供することによって上記必要性に対処し、他の利点を達成することができる。通常、本開示の実施形態により、工具又はオートクレーブ処理を必要とせずに、複合及び金属材料両方の特性と特徴の利点を得られるハイブリッド複合金属部品を形成する装置及び方法が提供される。特に、ハイブリッド複合金属部品は、一つ一つの間の空間を硬化複合材料で埋めることにより互いに接合された金属部品でできたものであってよい。

一実施形態においてはハイブリッド複合金属コンポーネントは、細長い内側の金属部品と、内側の金属部品の少なくとも一部の周囲に配置された外側の金属部品と、内側の金属部品と外側の金属部品の間に配置された複合材料を含んでいる。内側の金属部品と外側の金属部品は対向するテーパー型又は非テーパー型の端部を有することができる。内側の金属部品のテーパー型端部から非テーパー型端部までの距離によって規定された長さは、外側の金属部品のテーパー型端部から非テーパー型端部までの距離によって規定された長さとほぼ同じであってよい。内側の金属部品と外側の金属部品は、一の密閉具及び一以上の締結具のうちの少なくとも一方により結合させることができ、この締結具は内側の金属部品と外側の金属部品との間に延びるボルト又は外側の金属部品の一区域周辺に等間隔に配置された複数の締結具とすることができる。内側の金属部品と外側の金属部品は、チタンからできていてよい。複合材料は樹脂が含浸したグラファイトからできていてよい。内側の金属部品と外側の金属部品両方のテーパー型の端部は、ダブルテーパー形状を含むことができる。また、内側の金属部品と外側の金属部品のテーパー型の端部は位置合わせすることができ、非テーパー型の端部もまた位置合わせ可能である。

別の一実施形態ではハイブリッド複合金属コンポーネントを形成する方法が提供されている。この方法は、内側の金属部品を間に隙間ができるように外側の金属部品の中に嵌合し、隙間の少なくとも一部を複合材料で充填して内側の金属部品と外側の金属部品を接合するステップを含む。内側の金属部品と外側の金属部品の接合は、一の密閉具を適用すること、及び一以上の締結具を取り付けることの少なくとも一方を含むことができる。一以上の締結具を取り付けるには、一以上のボルトを内側の金属部品と外側の金属部品に取り付けるほかに、外側の金属部品の周囲に等間隔に配置された複数のボルトを取り付けることを含むことができる。隙間の少なくとも一部を複合材料で充填するには、隙間内部に乾燥複合材料を堆積させ、乾燥複合材料に樹脂を含浸させることを含む。この方法は更に複合材料の硬化を含む。複合材料の硬化には、複合材料に熱又は放射線を加えることを含むことができる。また、この方法には、複合材料の硬化中に複合材料に圧力を加えることを含むことができる。

別の実施形態では、航空機のコンポーネントが提供されている。航空機のコンポーネントは、内側の金属チューブと、内側の金属チューブの少なくとも一部の周囲に配置された外側の金属チューブと、内側の金属チューブと外側の金属チューブの間に配置された複合材料とを含む。前述したように、内側の金属チューブと外側の金属チューブは両方とも、一以上のテーパー型の端部を有することができる。内側の金属チューブと外側の金属チューブ両方のテーパー型の端部はそれぞれダブルテーパー形状を含むことができる。
これまで一般用語で本開示の実施形態を説明してきたが、ここで添付の図（必ずしも原寸に比例していない）を参照する。

図１はコックピットの下部のランディングギアと翼に近接している主要なランディングギアを示す航空機の図である。 図２は航空機のエンジンと翼に近接しているエンジンサポートビームの図である。 図３は細長い内側の金属部品の斜視図である。 図４は内側の金属部品の一部周囲に配置された外側の金属部品を有する、細長い内側の金属部品の断面図である。 図５は内側の金属部品の一部周囲に配置された外側の金属部品を有する細長い内側の金属部品と、実施形態による内側の金属部品と外側の金属部品の間に配置された複合材料の断面図である。 図６は内側の金属部品の一部に配置されたピストンを示す断面図である。

ここで、全てではないが幾つかの実施形態を図示している添付の図を参照し、実施形態を以下に更に詳しく説明する。実際これらの実施形態は多数の異なる形態において具現化することができ、本明細書で説明された実施形態に限定されると解釈するべきではなく、むしろこれらの実施形態は、本開示が適用可能な法的必要条件を満たすように提供されている。すべての図面において同じ番号は同じ要素を表す。

様々な応用形態に用いることができ、例えばランディングギアの主脚とトラック又は航空機用エンジンサポートビーム等として機能できる、ハイブリッド複合金属コンポーネントが提供されている。ハイブリッド複合金属コンポーネントは、図３に示すように、テーパー型の端部１１と対向する非テーパー型の端部１２を有することができる細長い内側の金属部品１０を含んでいる。細長い内側の金属部品１０は、例えばチタン等を含む種々の金属からできていてよい。細長い内側の金属部品１０は固体もしくは空洞のいずれかであってよい。金属部品１０は図６に示すように円筒形であってもよいが、他の形状であってもよい。ハイブリッド複合金属コンポーネントはまた、外側の金属部品２０も含んでいる。この点においては、図４にテーパー型の端部２１と非テーパー型の端部２２を有する外側の金属部品２０を示す。外側の金属部品２０はおおむね空洞であり、内径が内側の金属部品１０の外径よりも大きい円筒であってよい。このため、外側の金属部品２０は内側の金属部品１０の全部ではないが一部の周囲に配置することができる。外側の金属部品２０は円筒形以外の形状であってよい。一般的には、外側の金属部品２０の長さは内側の金属部品１０の長さよりも長いか、又は内側の金属部品１０の長さと同じであるため、内側の金属部品１０が外側の金属部品２０の中に嵌合できる。外側の金属部品２０は例えばチタンを含む種々の金属からできていてよい。この点においては、内側の金属部品１０と外側の金属部品２０は同じ又は異なる金属でできていてよい。外側の金属部品２０の内径は通常内側の金属部品１０の外径よりも大きいため、これらの間には隙間１３が画定されている。

図５に示すように、外側の金属部品２０と内側の金属部品１０との間の隙間１３は複合材料３０で充填されている。複合材料３０は例えば樹脂が含浸されたグラファイト等の種々の複合材料を含むことができる。通常、複合材料３０で隙間１３を充填するには、フィラメント・ワインディング法、ブレーディング法、又は手動配置法等によって隙間１３に複合繊維又は他の乾燥複合材料を挿入し、そして隙間１３に樹脂を移動させることが含まれる。複合材料３０が一旦隙間１３に配置され、そこに樹脂が移動されたら、複合材料３０を放射線照射等の加熱により硬化させることができる。図５はまた、内側の金属部品１０の内部に部分的に配置されたピストン１８も示し、ピストン１８の一部はエア・シリンダー１９の内部に配置されている。ピストン１８は、張力を加える等、樹脂の移動を補助するのに使用することができる。図５は内側の金属部品１０の内部に部分的に配置された１つだけのピストン１８を示しているが、他の実施形態では、例えば内側の金属部品１０の対向端部の内部に部分的に配置された２つのピストン１８等、内側の金属部品１０内部に少なくとも部分的に配置された２つ以上のピストン１８を含むことができる。

通常、複合材料３０によって隙間３０が実質的に又は完全に充填される。隙間１３の幅は応用形態、特に荷重要件によって異なる。例えば、より大きく重い航空機は、最大総重量での落下着陸によって機体にかかる負荷に耐えるのに必要な強度を得るために複合材料の厚みをより厚くする必要がある。複合樹脂材料に接触する金属コンポーネントの表面をエッチングし、接着ボンドを下塗りして強い接着力を得ることができる。外側の金属部品２０と内側の金属部品１０はまた、通常例えばボルト５等の締結具で結合させることもできる。一実施形態においては、例えば外側の金属部品２０と内側の金属部品１０を、外側の金属部品２０の表面の周辺に散在する複数のボルト５によって結合させることもできる。通常、ボルト５は外側の金属部品２０の周辺に等間隔で配置されたボルト５であるが、ボルト５を所望に応じて不規則に配置することができる。特に張力と側面荷重に抵抗するために、直径の大きい締結具を使用することができる。加えて、又はその代わりに、外側の金属部品２０と内側の金属部品１０を密閉具で結合させることができる。この密閉具は通常ポリイミド等の高耐熱性の密閉具である。外側の金属部品２０の内側表面と内側の金属部品１０の外側表面に、テフロン（登録商標）の層を形成して２つの表面を保護することができる。硬化後にテフロン（登録商標）は除去してよい。加えて、又はその代わりに、外側の金属部品２０と内側の金属部品１０はネジ式の金属コンポーネントを含んでいてよい。

図６では、外側の金属部品２０はダブルテーパー形状１５を有している。ダブルテーパー形状１５は図６にテーパー領域２１全体の２つの異なるテーパー角度Ｔ１、Ｔ２として図示されている。図示したように、最端部のテーパー形状、又はテーパー角度Ｔ２を規定するテーパー形状はおおむね、より大きい、つまり内側の金属部品１０又は外側の金属部品２０によって規定される縦軸に対する角度が他のテーパー形状よりも大きい。ダブルテーパー形状１５により、複合材料３０の所望の荷重条件が得られる。

前述の説明及び関連の図面で提示された教示の実施形態から利点を得ることができる当業者により多数の変更及び他の実施形態の着想が可能である。例えば、内側の金属部品１０と外側の金属部品２０のいずれか又は両方がテーパー型端部１１を有する必要がなく、円筒形の又は外側に張り出した端部のいずれかを有することができる。また、円筒形の内側の金属部品１０と円筒形の外側の金属部品２０を図示及び説明したが、内側の金属部品１０と外側の金属部品２０の一つまたは両方が、他の断面形状を有することができ、内側の金属部品１０と外側の金属部品２０が、内側の金属部品１０が少なくとも部分的に外側の金属部品２０の内部に嵌合する限り、異なる断面形状を有することができる。したがって、当然ながら、本開示は開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、変更及び他の実施形態は添付の請求項の範囲内に含まれる。本明細書に特定の用語が用いられているが、これらは一般的及び説明的な意味でのみ使用されており、限定するものではない。

Claims (20)

1. 細長い内側の金属部品と、
   内側の金属部品の少なくとも一部の周囲に配置された外側の金属部品と、
   内側の金属部品と外側の金属部品の間に配置された複合材料と
   を備える、ハイブリッド複合金属コンポーネント。
2. 内側の金属部品と外側の金属部品の両方が対向するテーパー型及び非テーパー型の端部を有する、請求項１に記載のハイブリッド複合金属コンポーネント。
3. 内側の金属部品と外側の金属部品が接合されると、内側の金属部品のテーパー型の端部が外側の金属部品のテーパー型の端部に位置合わせされ、内側の金属部品の非テーパー型の端部が外側の金属部品の非テーパー型の端部に位置合わせされる、請求項２に記載のハイブリッド複合金属コンポーネント。
4. 内側の金属部品と外側の金属部品の両方のテーパー型端部のそれぞれがダブルテーパー形状を有する、請求項２に記載のハイブリッド複合金属コンポーネント。
5. 複合材料が、樹脂を含浸させたグラファイトを含む、請求項１に記載のハイブリッド複合金属コンポーネント。
6. 内側の金属部品と外側の金属部品を接合する一の密閉具及び一以上の締結具の少なくとも一方をさらに備える、請求項１に記載のハイブリッド複合金属コンポーネント。
7. 一以上の締結具が、内側の金属部品と外側の金属部品の間に延びるボルトから構成される、請求項６に記載のハイブリッド複合金属コンポーネント。
8. 一以上の締結具が、外側の金属部品の一区画に亘って等間隔に配置された複数の締結具から構成される、請求項６に記載のハイブリッド複合金属コンポーネント。
9. 内側の金属部品がチタン片を含む、請求項１に記載のハイブリッド複合金属コンポーネント。
10. 外側の金属部品がチタン片を含む、請求項１に記載のハイブリッド複合金属コンポーネント。
11. 内側の金属部品を、間に隙間ができるように外側の金属部品の中に嵌合させるステップ、
    隙間の少なくとも一部を複合材料で充填するステップ、
    内側の金属部品と外側の金属部品を接合するステップ、及び
    複合材料を硬化するステップ
    を含み、隙間の少なくとも一部を複合材料で充填するステップが、隙間内部に乾燥複合材料を堆積させるステップを含み、その後乾燥複合材料に樹脂を含浸させるステップを更に含む、ハイブリッド複合金属コンポーネントの形成方法。
12. 内側の金属部品と外側の金属部品を接合するステップが、一の密閉具を貼付するステップ及び一以上の締結具を取り付けるステップの少なくとも一方を含む、請求項１１に記載のハイブリッド複合金属コンポーネントの形成方法。
13. 一以上の締結具を取り付けるステップが、内側の金属部品と外側の金属部品とに一以上のボルトを固定するステップからなる、請求項１２に記載のハイブリッド複合金属コンポーネントの形成方法。
14. 一以上の締結具を取り付けるステップが、外側の金属部品に等間隔で複数のボルトを固定するステップからなる、請求項１２に記載のハイブリッド複合金属コンポーネントの形成方法。
15. 複合材料を硬化するステップが、複合材料に放射線を照射することを含む、請求項１１に記載のハイブリッド複合金属コンポーネントの形成方法。
16. 複合材料を硬化するステップが、複合材料を加熱することを含む、請求項１１に記載のハイブリッド複合金属コンポーネントの形成方法。
17. 内側の金属部品の内部に構成されたピストンを移動させるステップをさらに含む、請求項１１に記載のハイブリッド複合金属コンポーネントの形成方法。
18. 内側の金属チューブと、
    内側の金属チューブの少なくとも一部の周囲に配置された外側の金属チューブと、
    内側の金属チューブと外側の金属チューブの間に配置された複合材料と
    を備える、航空機のコンポーネント。
19. 内側の金属チューブと外側の金属チューブの両方の少なくとも一端がテーパー型である、請求項１８に記載の航空機のコンポーネント。
20. 内側の金属チューブと外側の金属チューブの両方のテーパー型端部のそれぞれがダブルテーパー形状を有する、請求項１９に記載の航空機のコンポーネント。

Images