JP2013512392A - 補強ヨークを備える複合材料製のコネクティングロッドの製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、複合材料から製造されると共に機械軸を受け入れるためのヨークを含むコネクティングロッド（６）を製造する方法であって、前記ヨーク（７）は機械軸に直角な２つの平行アーム（７ａ，７ｂ）を含み、方法は、繊維層（８ａ〜８ｅ，９ａ〜９ｄ）を受け入れるために十分に固く単一部品を画定する心棒（１）を製造する段階と、前記心棒上に、追加的な厚さを形成するために、ベース繊維層（８ａ〜８ｅ）と、ヨークにおいてベース層（８ａ〜８ｅ）同士の間に介在（挿入）された追加層（９ａ〜９ｄ）を適用する段階と、中間層（９ａ〜９ｄ）とベース層（８ａ〜８ｅ）とを通して延びるラグを挿入する段階と、樹脂をベース層（８ａ〜８ｅ）及び中間層（９ａ〜９ｄ）に注入して前記樹脂を重合させる段階と、を含む方法に関する。

Description

本発明は、１つの端部のような一部が、機械的応力集中に抗するために補強された本体を含む複合材料製のコネクティングロッド（連接棒）の製造方法に関する。

図１は、二重ヨーク３、４が各端部において延びている略管状の中空本体２を備える、１つのそのようなコネクティングロッド１を示している。

二重ヨーク３、４は、２つのアーム３ａおよび３ｂと、４ａおよび４ｂと、をそれぞれ備え、そのすべてのアームは、コネクティングロッドの他の部分における複合材料の公称の厚さよりも厚い複合材料の厚さで構成されている。各ヨークの２つのアームは、中空本体の全体方向ＡＸに平行に設置され、各アームは、金属の軸受けが搭載される孔を備える。

特許文献１で知られている方法においては、このコネクティングロッドは、図２に示されている形状に切断された一枚の補強繊維組織から製造される。この形状は、中空本体２に対する中心部分と、それぞれが二重ヨークのアームに対応する延長部と、を備える。

使用されている組織は、２.５Ｄタイプの、一定の厚さのカーボン繊維組織であり、つまり、横繊維としても知られている接続繊維により互いに接続されている織繊維の複数の重ねられた層を備える。

このコネクティングロッドの製造は、図２の組織の一枚を、心棒等を適用して折り畳むことと、補強繊維組織内に樹脂を注入することと、そしてその組み合わせを加硫してこの樹脂を重合させることとを含む。

ヨークの厚さは、２.５Ｄ組織のベース層の接続繊維を、ヨークのレベル（ｎｉｖｅａｕ）において切断して、これらのベース層を局所的に互いに分離することにより、組織を整形する前に増大される。

そして、介在層（ｃｏｕｃｈｅｓ ｉｎｔｅｒｃａｌａｉｒｅｓ）が、分離されたベース層同士の間に局所的に挿入され、それにより、厚さの局所的な増大が可能になる。介在層を追加した後、いわゆる横繊維を組立体に貫通させて、すべての層をまとめて締結する。

このため、各ヨークのアームは、コネクティングロッドの残りの部分の厚さよりも相当に厚い厚さを有しており、方向ＡＸにおいてヨークに加わる力にヨークが対向する機械的抗力を増大させる。これらの力は、ヨークが、図示されていないシャフト上に搭載されたときのコネクティングロッド上の通常の負荷に起因している。

実際は、達成可能な増大された厚さは、使用されている２.５Ｄ組織の層と次の層との間に２枚以上の介在層を追加することが困難であるという事実により制限される。達成可能な増大された厚さに対するこの制限は、ヨークの、そしてそのため、コネクティングロッド全体としての機械的強度における制限に反映される。

仏国特許発明第２８９３５３２号明細書

本発明の目的は、コネクティングロッドの部分の機械的強度を更に増大するための解決策を提案することである。

この目的のため、本発明は、機械的シャフトを受け入れるようにされているヨークを備える複合材料のコネクティングロッドの製造方法であって、
このヨークは、機械的シャフトの向きに直角な２つの平行アームを備え、
前記方法は、
− 繊維層を受け入れるために全体を十分に固く形成する心棒を製造する段階と、
− この心棒に、増大された厚さを構成するために、コネクティングロッドを構成する補強繊維のベース層と、ヨークのレベルにおいてベース層同士の間に介在された追加層を適用する段階と、
− ヨークの各アームのレベルにおいて、このヨークが搭載される機械的シャフトの向きに従って、介在層とベース層とを貫通するラグ（突起部）を挿入する段階と、
− 樹脂をベース層内と介在層内に注入して、その樹脂を重合させる段階と、
を含む。

この解決策では、ヨークが搭載される機械的シャフトに平行な方向を向いているラグが、縦方向に向いている力に相対するヨークの機械的強度を増大すると思われる。

本発明はまた、上記に画定した方法であって、ベース層が、心棒の周りで編み組まれた補強繊維の層であり、各介在層が、心棒と心棒が携えている１又は複数のベース層の周りに巻き付けられる補強繊維接合材により形成される、方法も提供する。

本発明はまた、上記に画定した方法であって、介在層に使用される接合材が補強繊維組織テープである、方法も提供する。

本発明はまた、上記に画定した方法であって、挿入されるラグが振動支持体により携えられている、方法も提供する。

本発明はまた、上記に画定した方法であって、振動支持体がベースプレートを備え、ベースプレートの面がスタッド（止め金具）を携え、これらのスタッドの長さを超える厚さを有する圧縮可能材料スペーサが、スタッドを携えている面に対して取り付けられ、これらのスタッドにスペーサを部分的に貫通させ、各ラグは、振動支持体により携えられ、対応するスタッドに対面するように、スペーサに挿入される方法も提供する。

既に説明したが、２つの二重ヨークを有する、既知の複合材料コネクティングロッドの全体図である。 既に説明したが、既知の方法で、図１のコネクティングロッドを製造するために使用される一枚の補強繊維組織を平坦にしたときの図である。 本発明の方法により製造されるコネクティングロッドのヨークを透視的に、その縦軸線を通る断面上に示している。 本発明の方法により製造されるコネクティングロッドのヨークの側面図を、その縦軸線を通る断面上に示している。 本発明の方法を使用して、コネクティングロッドを製造するために使用してもよい心棒の透視図である。 図５の心棒の周りに、補強繊維の編み組み層を取り付ける動作を模式的に示す透視図である。 編み組み補強繊維の層を携えている心棒の周りに、補強繊維を巻き付ける動作を模式的に示す透視図である。 本発明のヨークアーム内へラグを挿入する動作のステップを示す。 本発明のヨークアーム内へラグを挿入する動作のステップを示す。 本発明のヨークアーム内へラグを挿入する動作のステップを示す。 本発明のヨークアーム内へラグを挿入する動作のステップを示す。 本発明のヨークアーム内へラグを挿入する動作のステップを示す。 本発明のヨークアーム内へラグを挿入する動作のステップを示す。 本発明のヨークアーム内へラグを挿入する動作のステップを示す。

本発明は、ヨークが搭載される機械的シャフトがコネクティングロッドの縦軸線に沿う向きの力をヨークに加えるが、その力が、ヨークのアームにおいて、この縦方向に直角な向きの応力を発生し、それにより、組立体に負荷がかかると、剥離によるヨークの劣化が始まるという認識に基づいている。

本発明によれば、各ヨークのアームの強度は、アームを構成している増大された厚さを更に増大することではなく、各アームを構成している平行な層をまとめて締結している接続部を補強することにより増大される。

具体的には、コネクティングロッドは、負荷がかかるときに、主に縦方向に向いている機械的応力により、コネクティングロッド本体において反映される縦方向の負荷に晒される。ヨークのレベルにおいては、各シャフトにより伝達される力は反対に、各アームにおいて不均一に分布されている多方向の応力に反映される。

これらの多方向の応力は、各ヨークアームを構成する層を著しく剥離する傾向があり、従って、横方向のラグを追加することにより、これらの層の間の結合力を増大させることが可能になり、それは、当然に機械的強度を、特に縦方向において増大することになる。

図３及び図４に示されている本発明のコネクティングロッド６は、互いに平行な向きで、軸線ＡＸにより示されているコネクティングロッドの縦方向に延びている２つのアーム７ａと７ｂにより構成されている二重ヨーク７を備える。

このコネクティングロッドは、スリーブの形の心棒１１を取り囲む補強繊維ベース層８ａ〜８ｅの組立体から構成されている。このコネクティングロッドの端部において、つまり、アーム７ａと７ｂに対応する領域７において、追加介在層（層の間に挿入される層）９ａ〜９ｄが、連続するベース層８ａ〜８ｅ同士の間に局所的に挿入されている。

各アーム７ａ、７ｂは、特に中心領域、つまり、管状本体において、コネクティングロッド６を構成している補強繊維の公称の厚さのほぼ２倍に対応する補強繊維の厚さで構成されている。

各アーム７ａ、７ｂは更に、対応する金属リングが係合される孔（参照番号なし）を備える。これらのリング１２ａと１２ｂは、軸線ＡＸに垂直な軸線ＡＺに整列されている軸受けを構成し、ヨークが搭載される機械的シャフトを取り囲み、この機械的シャフトにより加えられる力をアームにおいて分散している。

重ね合わされて各アーム７ａと７ｂを構成し、軸線ＡＺに垂直な面に設置されている補強カーボン繊維層８ａ〜８ｅと９ａ〜９ｄは、これらの層を貫通し、方向ＡＺに平行で、重ね合わされている層をまとめて締結するカーボンラグを有する。

図において分かるように、ラグ１３ａは、アーム７ａの繊維層を貫通し、ラグ１３ｂは、アーム７ｂの繊維層を貫通している。

これらのラグ１３ａと１３ｂは、補強繊維層が乾燥しているとき、つまり、樹脂の注入前に、補強繊維層内に挿入することで搭載される。ラグは、挿入されるラグを携えている振動支持体を使用してヨークアームに挿入すると有利であり、振動支持体は、以下に詳細に記述されるように、ラグが挿入されるヨークアームの外部表面に向けて漸進的に移動される。ラグはまた、他の既知の方法、一般的に「ｚ−ピン止め（ピンニング）」法として知られている方法により挿入してもよい。一平方センチメートル当たり３つから５つ程度のラグ密度が一般的に採用される。

ラグ１３ａと１３ｂが挿入されると、心棒１１が携えている繊維ベース層８ａ〜８ｅを有する心棒１１と、アーム７ａと７ｂのレベルにおいてこれらの層の間に介在された追加層９ａ〜９ｄと、ラグ１３ａと１３ｂとにより構成される組立体は、モールド内に設置される。そして、樹脂がすべての層内に注入され、この樹脂は加熱により重合する。

完成した部分では、ベース層８ａ〜８ｅと介在層９ａ〜９ｄの間の接続は、重合した樹脂及びラグが協働することにより提供される。

ラグ１３ａと１３ｂは、方向ＡＺにおける牽引力に抗するように貢献することにより補強繊維層の剥離に抗し、一方、重合した樹脂は、これらの力を１つの層から他の層へ伝達し、軸線ＡＺに垂直な平面に平行な方向においてせん断強度を提供する。

図３と４に示されているコネクティングロッドは、図１と２を参照して記述した方法、つまり、一枚の２.５Ｄカーボン補強繊維組織を使用して製造してもよい。

上記に示したように、この組織のベース層を接続する横繊維は、ヨークのアームに対応する領域において切断され、追加介在層は、アームのレベルにおいて局所的に分離されたベース層同士の間に配置される。

このように変形された組織の一枚はその後、ヨークのアームのレベルにおけるラグの挿入の目的で心棒上に設置され、その後、全体が、樹脂の注入と重合のためにモールドに設置される。

コネクティングロッドはまた、コネクティングロッドを構成しているベース層、つまり、層８ａ〜８ｅが、心棒の周りに編み組まれることにより製造される方法により製造すると有利であり、各ヨークアームのレベルにおいて介在された追加層は、織られた補強繊維テープに巻き付けることで取り付けられる。

この場合、ラグ１３ａと１３ｂは、ヨークアームのレベルにおいて、方向ＡＺに局所的に取り付けられ、編み組まれた層であるベース層８ａ〜８ｅを、巻き付けられた層である介在層９ａ〜９ｄに接続する。

図５において分かるように、心棒１１は、縦軸線ＡＸに沿って延び、この軸線の周りを自転する全体形状を有する概ね中空のスリーブの形を取る。心棒１１の断面は、中心領域１４においてはほぼ円形であるが、第１および第２端部１６、１７においては、この断面は略矩形である。

２つのロッド１８と１９は、心棒１１の端部１６と１７に強固に締結され、方向ＡＸに延びて、心棒を、その外部表面で保持する必要なく動作が可能になる。

この心棒１１は、補強繊維の層を支持し、完成部分に内部形状を与えるように機能し、予備含浸カーボン繊維組織の層から製造してもよく、その全体は、要求される機械的剛性を与えるために予備重合される。

図６に示されているように、心棒１１が完成すると、その周りを補強カーボン繊維の第１ベース層８ａで編み組むために、編み組み機械２１に係合される。この機械２１は軸線ＡＸ上にセンタリングされると共にカーボン繊維２３の一連のスプールを携えているリング２２を元々備えている。

心棒１１が、リング２２を通して、軸線ＡＸに沿って制御手段により移動されると、カーボン繊維の「靴下部」が、心棒１１の外部表面の周りに織られる。図７から分かるように、第１編み組みカーボン繊維ベース層８ａは、その長さの全体に渡って心棒１１を取り囲み、その端部１６と１７を超えて延びている。

この第１編み組み層８ａが適用されると、第１テープ９ａが、心棒１１の第１端部１６の周りに巻き付けられ、この第１ベース層８ａ上で、二重ヨーク７のアームを補強する局所的に増大された厚さを構成する。

コネクティングロッドの第１端部は、心棒１１の第１端部１６と一致し、コネクティングロッドの中心領域は、心棒１１の中心領域１４と一致し、コネクティングロッドの第２端部は、心棒１１の第２端部１７と一致する。

巻き付けられたテープ９ａは、略矩形の底部を有する螺旋状の全体形状に従って配置され、略矩形の底部は、それが取り囲む心棒１１の端部１６の断面に一致している。図７において、テープ９ａは、互いに間隔を空けて配置されている、３つの螺旋状巻回部上で端部を取り囲んでいる。

一方では、螺旋状巻回部はまた、互いに間隔を空けて配置される代わりに隣接してもよく、他方では、複数のテープの層を、この第１端部の周りで、２つの編み組まれた層の間にこのようにしてもたらされた増大された厚さを追加するように、連続して巻き付けてもよい。

このテープは、手動でも、自動でも、半自動で巻き付けてもよい。例えば、この巻き付けは、心棒１１を取り囲み、心棒１１の周りを回転するように適合され、補強繊維テープのスプールを携えているリングを備える巻き付け機械により行われてもよい。リングの回転と、軸線ＡＸに沿う心棒の前方への移動により、必要に応じて調整可能なピッチでの巻き付けを行うことが可能になる。

この第１テープ９ａが第１端部の周りに巻き付けられると、第１編み組みベース層８ａと第１巻き付けテープ９ａと共に、心棒１１の全体は再びリング内部に戻されて、この組立体の周りに補強繊維の他のベース層が編み組まれる。

この第２ベース層８ｂが編み組まれると、第２テープが第１端部１６の周りに巻き付けられ、編み組まれた層と巻き付けられたテープの取り付け動作が、最後の編み組まれたベース層の取り付けまで連続して行われる。

すべての層が取り付けられると、各ヨークアームのレベルにおいてラグが挿入されて、編み組まれたベース層と、巻き付けられた介在層を接続する接続部の機械的強度を増大させる。

図８〜１４に模式的に示されているように、ラグは、ラグ１３ｂを携え、アーム７ｂの外部表面に向けて降下される振動支持体を使用してヨークアーム７ｂに挿入される。ラグは、類似のやり方で他のアーム７ａ内に挿入される。

振動支持体２４はベースプレート２６を含み、ベースプレート２６には、ベースプレート２６の表面の１つから突起しており、それぞれが、挿入されるラグの位置に位置している一組のスタッド２７等が装備されている。

これらのスタッド２７の長さを超える厚さを有する、ポリプロピレン、ポリスチレン、等の材料のスペーサ２８が、これらのスタッドを携えている表面に設けられ、ベースプレート２６の対応する表面に係止してスタッド２７にスペーサ２８を部分的に貫通させる。

ヨークアーム７ｂに挿入される各ラグ１３ｂは、まず、対応するスタッド２７に面するようにしてスペーサ２８の自由表面に「差し込まれ」、それにより、ラグ１３ｂの端部が、そのスタッド２７の端部に係止する。一般的にいえば、スペーサ２８は、一方ではスタッド２７を、他方では、ラグ１３をスペーサ２８に貫通させるために十分に柔軟な材料で製造されている。

この段階において、図８に模式的に示されているように、まだ挿入されていないラグ１３ｂを携えている振動支持体２４は、ヨークアーム７ｂの外部表面の上方に位置している。そして、全体が、図における矢印Ｆで示される力が加えられてヨークアームに向けて降下されると同時に、この振動支持体を振動させる手段が起動される。

振動支持体が降下されると、振動支持体が携えているラグ１３ｂは、図１０に示されている状態に対応する、スペーサ２８がこのアーム７ｂの外部表面と接触するまで、図９に示されているように、アーム７ｂを構成しているベース層と介在層とを通過して係合される。

スペーサ２８は、柔軟な材料および／または圧縮可能な材料から製造されているので、振動支持体２４の下方に向けての移動は、スペーサ２８を圧縮し、それにより、スペーサ２８の厚さを減少させる力Ｆの効果のため、依然として継続する。

図１１に模式的に示されているこの段階において、剛性スタッド２７は、アーム７ｂの外部表面を介して、繊維の第１層を部分的に貫通している。そして、ラグ１３ｂの端部は、アーム７ｂの外部表面から突出せずに、アーム７ｂ内に埋め込まれている。

言い換えれば、圧縮可能材料のスペーサ２８が設けられた振動支持体２４の使用は、図１２に模式的に示されているように、ヨークアーム７ｂの厚さ内への、ラグ１３ｂの完全な埋め込みを可能にする。

ラグ１３ｂがアームの厚さ内に埋め込まれるという事実により、心棒と、心棒が携えている層により形成される組立体を、組立体を結合するために樹脂を注入して重合させるためにモールド内に設置することが容易となる。

実際は、コネクティングロッドを構成している補強繊維層は、半径方向にある程度の圧縮性を有しており、これらの層はモールドに設置されると圧縮され、それにより、この部分全体の繊維密度を更に増大する。

ラグ１３ｂは、補強繊維層の厚さ内に完全に埋め込まれるので、組立体が注入モールドに設置された後に、これらの繊維層の半径方向の圧縮に対する障害とはならない。

図１２と１３に模式的に示されているように、ヨークアーム７ｂは、モールドへの設置前には厚さｅを有しており、この厚さは、モールドへの設置後は、ｅ’に減少する。

樹脂が注入されて重合すると、二重ヨークは加工され、図１４に模式的に示されているように、対応するリングを搭載するために、各ヨークアームに孔を空けてもよい。

二重ヨーク７は、例えば、金属すりわりのこ（ｕｎｅ ｆｒａｉｓｅ ｓｃｉｅ）を、軸線ＡＸを含み、軸線ＡＺに垂直な方向を向いている面において、未加工部分の第１端部に渡って通過させることにより加工してもよい。

この金属すりわりのこを通過させることにより、二重ヨーク７の２つのアームまたは枝部７ａと７ｂを互いに分離させる溝が形成され、それにより、金属すりわりのこの厚さに対応する距離だけ空けて配置される。

図５〜７の例において、第１端部の周りに巻き付けられた材料は、織られた繊維テープの形を取る補強繊維結合材である。補強繊維、リボン、芯（ｕｎｅ ｍｅｃｈｅ）、または補強繊維から製造されたストランド（ｕｎ ｔｏｒｏｎ）を直接巻き付けることも可能である。より一般的には、ベース層の繊維と同じ種類の繊維であると有利な、補強繊維から製造された結合材を巻き付けることが重要である。

更に、図に示されている例においては、この方法は、１つのコネクティングロッド端を補強するために使用される。しかし、本発明には他の適用もあり得る。コネクティングロッド本体の中心領域において１つまたは２つ以上のテープを巻き付けて、例えば、ラグによりテープを補強することが可能である。

Claims (5)

1. 機械的シャフトを受け入れるようにされているヨーク（７）を備える複合材料コネクティングロッド（６）を製造する方法であって、
   このヨーク（７）は、前記機械的シャフトの向き（ＡＺ）に直角な２つの平行なアーム（７ａ，７ｂ）を備え、
   前記方法は、
   − 繊維の層（８ａ〜８ｅ，９ａ〜９ｄ）を受け入れるために十分に固く全体を形成する心棒（１１）を製造する段階と、
   − この心棒（１１）に、増大された厚さを構成するために、前記コネクティングロッド（６）を構成する補強繊維のベース層（８ａ〜８ｅ）と、前記ヨーク（７，７ａ，７ｂ）のレベルにおいて前記ベース層（８ａ〜８ｅ）同士の間に介在されている追加層（９ａ〜９ｄ）とを適用する段階と、
   − 前記ヨーク（７）の各アーム（７ａ，７ｂ）のレベルにおいて、このヨークが搭載される前記機械的シャフトの前記向き（ＡＺ）に従って、前記介在層（９ａ〜９ｄ）と前記ベース層（８ａ〜８ｅ）とを貫通するラグ（１３ａ，１３ｂ）を挿入する段階と、
   − 樹脂を前記ベース層（８ａ〜８ｅ）及び前記介在層（９ａ〜９ｄ）に注入して、前記樹脂を重合させる段階と、
   を含む
   方法。
2. 前記ベース層（８ａ〜８ｅ）は、前記心棒（１１）の周りで編み組まれた補強繊維の層であり、
   各介在層（９ａ〜９ｄ）は、前記心棒と前記心棒が携える１又は複数のベース層（８ａ〜８ｅ）との周りに巻き付けられる補強繊維結合材により形成されている、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記介在層（９ａ〜９ｄ）に使用されている前記結合材は、補強繊維組織テープである、
   請求項２に記載の方法。
4. 前記挿入されるラグ（１３ａ，１３ｂ）は、振動支持体（２４）により携えられている、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記振動支持体（２４）がベースプレート（２６）を備え、前記ベースプレートの１つの面がスタッド（２７）を携え、
   これらのスタッド（２７）の長さを超える厚さを有する圧縮可能材料スペーサ（２８）が、前記スタッドを携えている前記面に対して取り付けられ、これらのスタッド（２７）に前記スペーサを部分的に貫通させ、
   各ラグは、前記振動支持体により携えられ、対応するスタッド（２７）に対面するように、前記スペーサに挿入される、
   請求項４に記載の方法。

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