JP2011516801A - 複合構成部品を結合するためのソリッド・リベット - Google Patents

Abstract

本発明は、ダイ・ヘッド（５）と、ダイ・ヘッド（５）と軸方向に整合しているシャフト（６）とを有するソリッド・リベットに関し、ダイ・ヘッドの最大直径は、シャフト（６）の外径より大きい。この製造経費の増大を示すことなくＦＲＰ構成部品でも互いを堅固に確実に結合することを可能にするために、本発明により、シャフト（６）が、少なくとも１つの末端部分（１１）と、中間部分（１０）と、ヘッド部分（９）とを有し、中間部分（１０）の外径が、末端部分（１１）の外径より小さいことが提案される。

Description

本発明はソリッド・リベットに関し、さらに詳細には、請求項１の前提部による、複合構成部品を結合するためのソリッド・リベットに関するが、それに限定されない。

ソリッド・リベットは、空の旅が始まって以来、航空機構造において多数使用されてきた。Ａ３８０などの最新の航空機もこれらの要素を用いて組み立てられており、特に外郭構造の組立て時に、低コストおよび自動化の容易さにより、ソリッド・リベットが広く使用されている。

現在使用されているソリッド・リベットの大部分が、アルミニウム合金（２０１７−Ｔ４２、２１１７−Ｔ４２、および７０５０−Ｔ７３）からなるが、特別な場合には、チタンまたはチタン合金のソリッド・リベットが使用される。鋼鉄のソリッド・リベットは、もはや航空機構造に使用されていない。さらに、例えばＣｈｅｒｒｙ ｃｏｍｐａｎｙのバイメタル・リベットがある。このリベットは、高張力チタン合金（Ｔｉ６Ａ１４Ｖ）のシャフトと柔らかいチタン合金（Ｔｉ４５Ｎｂ）のシャフト末端部とからなる。両構成要素は、リベットの製造中に摩擦溶接により結合される。

リベットの取付けは、柔らかいシャフト末端部を変形することにより実施される。ある限界条件では、これらの結合要素はまた、ＦＲＰ／ＦＲＰ構造を形成するために、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：ｆｉｂｒｅ−ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｌａｓｔｉｃ）の構成部品を結合するのに適している。腐食のために、アルミニウム製のソリッド・リベットを使用することができず、代わりに、チタン合金（ＴｉＮｂ４５）が、リベット材料として使用される。

従来型リベットの問題は、リベットを変形させる時に大きな力が発生し、それにより、リベットの材料が穴内で径方向外側に押しやられることである。外側に押しやられる材料は、特にリベット用の穴の縁部において、結合される構成要素の材料を損傷する可能性がある。結合される構成要素が金属製の場合は、これにより金属の変形が起こり、たとえ少しだけでも、それにより構成部品の安定性および適合性が損なわれるのに対して、ＦＲＰ構成要素の場合は、リベット取付け時に生じる非常に高い圧力の結果、閉鎖ヘッドの領域において、個々のＦＲＰ層の剥離が起こる。薄板層の剥離に加えて、ＦＲＰ構成要素にひび割れが出現する可能性もある。

したがって、剥離およびひび割れの形成を回避するために、閉鎖ヘッドの部分に金属材料が必要である。この要件は、金属ワッシャを使用してＦＲＰ／ＦＲＰ構造を結合することにより満たすことができるが、このことは、製造経費が確実に高くなることを意味する。

したがって、本先行技術では、ソリッド・リベットによりＦＲＰ／ＦＲＰ構造を結合することは不可能である。

米国特許第２３５８７２８号からアンカー・リベットが既知であり、該リベットでは、シャフトが、階段状ヘッドと、シャフトに隣接するより小さい直径のピンと、ピンに直接隣接したシャフトに対して横方向に走る溝部と、材料を吸収するための追加のスロットとを含む。

米国特許第３６３４９２８号からリベット結合を作る方法が既知であり、該方法では、リベットのシャフトに１つまたは複数の環状溝部を有するリベットが使用されている。この溝部は、リベットがきのこ形状に移行するのを遅らせる働きをし、それによりリベットの中間部分が短くなり、その結果、材料が略均一に外側に押しやられる。

米国特許第２３５８７２８号 米国特許第３６３４９２８号

本発明の目的は、前記欠点を克服することができかつ製造経費の増大を伴うことなくＦＲＰ構成部品でも堅固に確実に結合することを可能にするリベットを提供することである。

これは、請求項１によるソリッド・リベットにより達成される。本発明の好適な実施形態が、従属請求項の主題である。

本発明の１つの重要な態様は、先行技術によるソリッド・リベットには、ソリッド・リベットのシャフトに凹部、溝部、または小溝部があり、それが閉鎖ヘッド側の材料の背部と同じ高さに配置されていることである。そのような凹部または小溝部のない旧来型ソリッド・リベットを取り付ける間に、ＦＲＰ構成部品は穴の縁部から剥離し始めるのに対して、本発明によるソリッド・リベットの場合、小溝部は、結合される構成部品との穴の縁部におけるリベットの接触を防止し、その結果、この領域におけるＦＲＰ構成部品の剥離が防止される。

本発明によるソリッド・リベットは、ダイ・ヘッドと、ダイ・ヘッドと軸方向に整合しているシャフトとを有し、ダイ・ヘッドの最大直径は、シャフトの外径より大きく、該ソリッド・リベットは、シャフトが少なくとも１つの末端部分と、１つの中間部分と、１つのヘッド部分とを有し、中間部分の外径は、末端部分の外径より小さいことを特徴とする。

本発明によるソリッド・リベットは、１つ、または技術的に可能であり適切であればいくつかの、以下の特徴を有することが好ましい。
−３つの部分はそれぞれ円筒形である。
−末端部分は円錐形状で先細になっており、その外径は自由端でより小さくなっている。
−末端部分は柔らかい材料で作製されており、中間部分および／またはヘッド部分は高張力材料で作製されている。
−末端部分は円錐形状で先細になっており、その外径は自由端でより小さくなっている。
−ヘッド部分と中間部分との間および／または中間部分と末端部分との間の移行部は、階段状になっている。
−ヘッド部分と中間部分との間および／または中間部分と末端部分との間の移行部には、１つの縁部のみがある。
−ヘッド部分の直径と中間部分の直径の間の差は、中間部分の長さによって決まる。
−第１の末端部分には、第２の中間部分と第２の末端部分とが隣接している。

本発明によるリベットは、とりわけ次の利点をもたらす。該リベットは、「旧来型」リベットと全く同様に取り付けられる。すなわち、既知の機器を使用することができ、本発明によるソリッド・リベットを用いた構成部品の結合は、先行技術を用いた場合と全く同一に起こり得る。さらに、相応の深さの小溝部または溝部により、軽量化が可能になる。

添付図面を参照する、本発明の好適な実施形態の以下の記載から、さらなる特徴および利点が明らかである。

変形前の、先行技術によるソリッド・リベットの図である。 変形後の、図１によるソリッド・リベットの図である。 変形前の、本発明によるソリッド・リベットの実施形態の図である。 変形後の、図３によるソリッド・リベットの図である。 本発明によるソリッド・リベットのさらに好適な実施形態の図である。 本発明によるソリッド・リベットのさらに好適な実施形態の図である。 本発明によるソリッド・リベットのさらに好適な実施形態の図である。 本発明によるソリッド・リベットのさらに好適な実施形態の図である。

図面は縮尺通りでない。特に明記しない限り、同一または同様に作用する要素には、同じ参照番号が付与されている。

図１は、上部構成部品１と下部構成部品２とを結合するのに用いられる、先行技術によるソリッド・リベットを示し、構成部品の各々は一部分のみが示されている。構成部品１と構成部品２とを結合するために、両部品を貫通して延びる穴３が設けられている。ソリッド・リベット４が、この穴３を通して押し込まれ、それにより、一方の側でダイ・ヘッド５によって、穴３を通り抜けないようになっている。ソリッド・リベット４のダイ・ヘッド５には、ダイ・ヘッド５と軸方向に整合しておりかつ長く、ダイ・ヘッド５と反対の穴３の側を越えて突出するシャフト６が隣接している。ダイ・ヘッドは、構成部品１と水平に近い状態であるように、上部構成部品１の表面の皿穴に埋めることができることが好ましい。その最大直径は、穴３の内径より大きく、シャフト６の外径より大きい。

図２は、結合後すなわちその変形後のリベット４を示す。図示の通り、ダイ・ヘッド５の形状に変わりはないが、適切な機器の作用によりシャフト６の自由端が外側に広がったので、この時点の変形したシャフト６の外径は、穴３の内径より大きくなっている。したがって、シャフト６の変形部分は、ダイ・ヘッド５の方向のソリッド・リベット４の移動を防止する閉鎖ヘッド７を形成し、それにより、２つの構成部品１および２を互いに対して保持する。

同様に図２から分かる通り、その自由端におけるシャフト６の閉鎖ヘッド７への変形は、構成部品２の損傷を招く。その変形中に変位し凝縮するリベット４の材料の圧迫作用により、構成部品２の材料もまた変位し、その結果、穴３の出口縁部の領域では、構成部品２の個々の薄板層８が、互いに分離し剥離する。構成部品２の薄板構造の強度は、それにより損なわれる。さらに、そのことはまた、構成部品の本来の厚さおよび結合後のその理想的な位置を示す図２の点線により示されている通り、穴３の周囲において構成部品２の下降を引き起こす可能性がある。

ソリッド・リベット４の逃げる材料による穴３の近傍における構成部品２のこの望ましくない変形を回避するために、本発明によるソリッド・リベット４には、穴３の出口縁部と同じ高さに小溝部または溝部が設けられている。本発明によるこの種のソリッド・リベットの第１の実施形態が、図３に示されている。

図３によるソリッド・リベット４では、一様なシャフト６が３つの異なる部分に置き換えられている。第１の部分として、ダイ・ヘッド５にはヘッド部分９が隣接している。該ヘッド部分に、ソリッド・リベットの自由端の方向に中間部分１０が続いており、該中間部分に今度は、ソリッド・リベット４の自由端を形成する末端部分１１が続いている。個々の部分は全て、各隣接する部分とは異なる直径を有することを特徴とし、またはその点で互いに異なっている。特に、中間部分１０の外径は、末端部分１１の外径より小さい。さらに、中間部分１０の外径は、ヘッド部分９の外径よりより小さい。ヘッド部分９の直径と末端部分１１の直径の間の関係は、自由に選択可能である。したがって、図３に示されている通り、ヘッド部分９は、末端部分１１より大きい直径を有し得るが、しかしその一方で、末端部分１１の直径をヘッド部分９の直径と同じ大きさにまたはそれより若干大きくすることが可能である（図示せず）。中間部分１０の直径は、図３に「ａ」で示されている。

図３に示されている通りソリッド・リベット４が穴３内に配置された後、該リベットは、先行技術の場合と同様に変形され、その結果、該リベットは、２つの構成部品１および２を固定して結合する。変形後のソリッド・リベット４の構成は、図４に示されている。

ソリッド・リベットの変形後に末端部分１１が軸方向に圧縮され、その結果、その長さが短縮し、同時に、その外径がまたそれだけより大きくなったので、変形された末端部分１１が穴３を通って滑動することはもはや不可能であることが、図４から明らかである。変形工程により、中間部分１０もまた変形し、末端部分１１に直接隣接している。図４の実例では、ソリッド・リベット４の変形は、中間部分１０について言えば、直径を「ａ」から「ｂ」に拡大させている。この挙動は、このように、先行技術の場合のソリッド・リベットの挙動とまさに対応しているが、中間部分１０の外径「ａ」を穴３の内径まで拡張させる程材料が十分でないという違いがある。したがって、構成部品２の材料の望ましくない変位も回避され、そうでなければ図２による個々の薄板層８の剥離を引き起こす可能性がある。

変形中に用いられる作業により、末端部分１１およびソリッド・リベット４の弱い部分を形成する中間部分１０の変形が起こるので、ヘッド部分９の変形が回避される。すなわち、穴３は、下部にある領域でも損なわれない。

３つの部分９、１０および１１は、図３および図４において、それぞれ円筒形に示されている。しかし、これは、本発明によるソリッド・リベットの条件ではない。したがって、中間部分１０は、さらなる実施形態（図示せず）では、いくつかの領域でのみ、その隣接する部分９および１１より小さい直径を有し得る。したがってこの場合、その横断面形状は、図１から４に点線で示されている対称軸の方向に円形でないと考えられるが、例として、楕円形状または角の丸い長方形であると考えられるか、または２つの対向する偏平な側面を備えた円形であると考えられる。

本発明によるソリッド・リベットのさらなる変形は、図５から８に示されている。図５では、図３による実施形態が再度示されている。図５および６で変化するソリッド・リベットの特徴は、個々の部分間の移行部である。図５では、その部分間の移行部は階段状になっている。すなわち、中間部分１０とヘッド部分９との間および中間部分１０と末端部分１１との間それぞれに、２つの縁部がある。図６による実施形態は、ヘッド部分９と中間部分１０との間および中間部分１０と末端部分１１との間の移行部が丸いので、各移行部が１つずつの縁部のみを有するという点で、図５による実施形態とは異なっている。本実施形態は、簡単な機器だけを用いて溝部が作られる必要があるので、工業的生産の観点からより作り易いが、図５による実施形態では、中間部分１０の直径はフライス加工により縮小させなければならない。小溝部を形成することは、このように、原料除去作業（ｓｔｏｃｋ−ｒｅｍｏｖｉｎｇ ｗｏｒｋ）により（例えば、施削によって）実施することができるか、または変形により実施することができる。どちらの製法も、リベット・メーカにおいてまたは一方リベット・ユーザにおいても実施することができる。

本発明によるソリッド・リベットのさらなる実施形態が、図７に示されている。本実施形態では、末端部分１１は、円錐形状で先細になっており、その外径は自由端でより小さくなっている。したがって、穴３内に設置されている時により扱い易い。さらに、図７によるソリッド・リベット４の実施形態は、その中間部分１０が延長されている点で、先行する実施形態とは異なる。軸方向の中間部分１０（およびまたその他の部分）の寸法の選択は、基本的に、中間部分１０の直径「ａ」と関連性のある部分の強度要求に左右される。

最後に図８には、いくつかの中間部分と末端部分とを有する実施形態が示されている。第１の中間部分１０に加えて、第１の末端部分１１に隣接する第２の中間部分１２がある。本実施形態は、第２の末端部分１３により完成する。本実施形態は、厚さの異なる構成部品１および２が１つのリベットにより結合される場合に特に適しており、しかし他方では、種々のリベットが備えられることにならない。

個々の部分９、１０、１１の幾何学的寸法から離れて、関連材料もまた、それらがソリッド・リベット４の関連用途に最適であるように選択することができる。このように、ソリッド・リベットは、１つの材料から一体として作製される必要はなく、例として、末端部分１１は柔らかい材料から作製することができ、中間部分１０とヘッド部分９とはそれぞれ、高張力材料から作製することができる。このようにして、末端部分１１に変形作業の大部分が施され、その幅が増大すると同時に長さが短縮することになる。材料の例は、高張力Ｔｉ６Ａ１４Ｖおよびより柔らかいＴｉ４５Ｎｂである。

１ 構成部品最上部
２ 構成部品底部
３ 両構成部品を貫通する穴
４ ソリッド・リベット
５ ダイ・ヘッド
６ シャフト
７ 閉鎖ヘッド
８ 薄板層
９ ヘッド部分
１０ （第１の）中間部分
１１ （第１の）末端部分
１２ 第２の中間部分
１３ 第２の末端部分
ａ 変形前の中間部分の直径
ｂ 変形後の中間部分の直径

Claims (9)

1. ダイ・ヘッド（５）と、前記ダイ・ヘッド（５）と軸方向に整合しているシャフト（６）とを備えたソリッド・リベットであって、前記ダイ・ヘッドの最大直径は、前記シャフト（６）の外径より大きく、前記シャフト（６）は、少なくとも１つの末端部分（１１）と、中間部分（１０）と、ヘッド部分（９）とを有し、
   前記中間部分（１０）の外径（ａ）が、前記末端部分（１１）の外径より小さい、ソリッド・リベットにおいて、
   前記中間部分（１０）の前記外径（ａ）は、前記ソリッド・リベットの変形時に、前記中間部分（１０）の材料が前記中間部分（１０）と穴（３）との間の空間を満たさないように選択されることを特徴とする、ソリッド・リベット。
2. 前記３つの部分（９、１０、１１）はそれぞれ円筒形であることを特徴とする、請求項１に記載のソリッド・リベット。
3. 前記末端部分（１１）は円錐形状で先細になっており、その外径が自由端でより小さくなっていることを特徴とする、請求項１に記載のソリッド・リベット。
4. 前記末端部分（１１）は柔らかい材料から作製され、前記中間部分（１０）および／または前記ヘッド部分（９）は高張力材料から作製されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のソリッド・リベット。
5. 前記末端部分（１１）は円錐形状で先細になっており、その外径が自由端でより小さくなっていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のソリッド・リベット。
6. 前記ヘッド部分（９）と前記中間部分（１０）との間および／または前記中間部分（１０）と前記末端部分（１１）との間の移行部が階段状になっていることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のソリッド・リベット。
7. 前記ヘッド部分（９）と前記中間部分（１０）との間および／または前記中間部分（１０）と前記末端部分（１１）との間の移行部が１つの縁部のみを有することを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のソリッド・リベット。
8. 前記ヘッド部分（９）の直径と前記中間部分（１０）の直径の間の差が、前記中間部分（１０）の長さによって決まることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のソリッド・リベット。
9. 第１の末端部分（１１）には、第２の中間部分（１２）と第２の末端部分（１３）とが隣接していることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載のソリッド・リベット。

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