JP2020112216A - 継手構造 - Google Patents

Abstract

【課題】強度の低下を抑制する。【解決手段】継手構造は、嵌入溝１１６を有する第１部材１１０と、嵌入溝１１６に挿通される挿通部１２４を有し、第１部材１１０と異なる素材からなる第２部材１２０と、嵌入溝１１６と挿通部１２４との間に形成され、硬度を異にする複数の接着層１３０、１３２と、を備える。異種材料からなる部材間の接着において、第１部材１１０、第２部材１２０の剛性の違いによる変形量の差から接着層にき裂が生じることによる強度低下が抑えられる。【選択図】図４

Description

本発明は、継手構造に関する。

航空機などでは、繊維強化プラスチックなどからなる第１部材と、金属材料からなる第２部材とを接続する場合がある（例えば、特許文献１）。この場合、第１部材に形成された嵌入溝に、第２部材に形成された挿通部が挿通される。嵌入溝の内壁面と挿通部の外表面との間に塗布された接着剤によって、第１部材と第２部材が接着される。

特開２０１７−０５２１８３号公報

航空機の部材に限らず、上記の第１部材および第２部材のように異種材料からなる部材間の接着では、両部材の剛性の違いによる変形量の差から接着層にき裂が生じると、強度が低下してしまう。

本発明は、このような課題に鑑み、強度の低下を抑制することが可能な継手構造を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の継手構造は、嵌入溝を有する第１部材と、嵌入溝に挿通される挿通部を有し、第１部材と異なる素材からなる第２部材と、嵌入溝と挿通部との間に形成され、硬度を異にする複数の接着層と、を備える。

複数の接着層のうち、他の１の接着層よりも軟らかい接着層が、嵌入溝の最深部と、挿通部の先端部との間に位置してもよい。

第１部材または第２部材は、繊維の延在方向が異なる複合材料からなる複数の繊維含有層を有し、複数の繊維含有層のうち、繊維の延在方向が挿通部の挿通方向に平行な層に接着された接着層が、繊維の延在方向が挿通方向と異なる層に接着された接着層よりも硬い組み合わせとなる部位が含まれてもよい。

複数の接着層は、第１部材に接着される第１層、第２部材に接着される第２層、第１層と第２層の間に形成され、第１層および第２層よりも軟らかい第３層を含んでもよい。

嵌入溝は、最深部に向かうほど、挿通部の挿通方向に平行に近づく向きに湾曲する内壁面を有してもよい。

嵌入溝のうち、最深部を挟んだ一方側に第１内壁面、最深部を挟んだ他方側に第２内壁面が形成され、第１内壁面は、第２内壁面よりも、挿通部の挿通方向に平行に近い傾きであってもよい。

本発明によれば、強度の低下を抑制することが可能となる。

航空機を構成する一部の部材の継手構造の斜視図である。 図１のＩＩ矢視図である。 嵌入溝および挿通部の抽出図である。 図３の円部分ＩＶの抽出図である。 図３の円部分Ｖの抽出図である。 第１変形例を説明するための図である。 第２変形例を説明するための図である。 第３変形例を説明するための図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、航空機を構成する一部の部材の継手構造１００の斜視図である。ここでは、第１部材１１０として、航空機の主翼を構成し、ストリンガＳＴが取り付けられる外板部材を例に挙げる。また、第２部材１２０として、航空機の胴体のうち、外板部材との連結部材を例に挙げる。第２部材１２０は、第１部材１１０側の一部のみを抽出して示す。第１部材１１０および第２部材１２０は、例えば、大凡板形状である。第１部材１１０および第２部材１２０は、航空機を構成する他の部材であってもよいし、航空機以外の部材であってもよい。

第１部材１１０は、例えば、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：Fiber Reinforced Plastics）で構成される。第２部材１２０は、例えば、チタン合金で構成される。ただし、第１部材１１０と第２部材１２０は、互いに異なる素材であれば、他の素材で構成されてもよい。

図２は、図１のＩＩ矢視図である。図２では、ストリンガＳＴの図示を省略する。図２に示すように、第１部材１１０は、図２中、左右方向の一端１１２に対し、他端１１４の位置が、図２中、下側にずれている（オフセットしている）。第１部材１１０の一端１１２には、嵌入溝１１６が形成される。

第２部材１２０のうち、第１部材１１０の他端１１４側の端部１２２には、挿通部１２４が形成される。挿通部１２４は、嵌入溝１１６に嵌合する形状である。挿通部１２４は、嵌入溝１１６に挿通される。以下では、第１部材１１０に対する第２部材１２０の挿通方向（図２中、左右方向）を、単に挿通方向という。

図２中、一点鎖線の矢印で示すように、第１部材１１０が、第２部材１２０から離隔する側に挿通方向に引っ張られ、第２部材１２０が、第１部材１１０から離隔する側に挿通方向に引っ張られるとする。

この場合、上記のように、第１部材１１０の一端１１２と他端１１４がずれていることから、第１部材１１０に作用する引張荷重と、第２部材１２０に作用する引張荷重も、同一軸上に位置せずにずれる（オフセット荷重）。その結果、嵌入溝１１６および挿通部１２４近傍において、図２中、両矢印で示すように、曲げモーメントが作用することになる。

図３は、嵌入溝１１６および挿通部１２４の抽出図である。以下の図では、要部が視認し易いように、図２に比して、横方向に対する縦方向の比率を大きく拡大した図を示す。

図３に示すように、継手構造１００は、スカーフ継手で構成される。嵌入溝１１６および挿通部１２４は、図３中、奥行方向に延在する。嵌入溝１１６は、最深部１１６ａ、第１内壁面１１６ｂ、第２内壁面１１６ｃを有する。

最深部１１６ａは、嵌入溝１１６のうち、最も深い部位である。第１内壁面１１６ｂ、第２内壁面１１６ｃは、最深部１１６ａを、図３中、上下方向の間に位置するように挟んだ配置である。第１内壁面１１６ｂは、最深部１１６ａに対して一方側（図３中、上側）に位置する。第２内壁面１１６ｃは、最深部１１６ａに対して他方側（図３中、下側）に位置する。

第１内壁面１１６ｂおよび第２内壁面１１６ｃは、第１部材１１０の一端１１２から最深部１１６ａに向かって近づく。すなわち、嵌入溝１１６は、最深部１１６ａに向かって先細りとなっている。

嵌入溝１１６と挿通部１２４との間には、図３では不図示の接着層が形成される。第１部材１１０と第２部材１２０は、接着層によって接着される。接着層は、嵌入溝１１６、挿通部１２４と同様、図中、奥行方向に延在する。

図４は、図３の円部分ＩＶの抽出図である。図４に示すように、嵌入溝１１６と挿通部１２４との間には、接着層１３０、１３２が形成される。接着層１３０は、嵌入溝１１６の最深部１１６ａと、挿通部１２４の先端部１２４ａとの間に形成される。また、接着層１３０は、先端部１２４ａに対し、最深部１１６ａから離隔する側に延在する。

接着層１３２は、接着層１３０よりも、最深部１１６ａから離隔して配される。接着層１３２は、例えば、接着層１３０に連続して形成される。ただし、接着層１３２は、接着層１３０から離隔してもよい。

接着層１３０は、接着層１３２よりも軟らかい。すなわち、接着層１３０は、接着層１３２よりも変形し易い。接着層１３０は、接着層１３２よりも許容される（非破壊での）変形量が大きい。

異種材料からなる部材間の接着では、第１部材１１０、第２部材１２０の剛性の違いによる変形量の差から接着層にき裂が生じると、強度（特に、疲労強度）が低下し易い。このき裂は、嵌入溝１１６の最深部１１６ａと、挿通部１２４の先端部１２４ａとの間で生じ易い傾向がある。そこで、この部位に、軟らかい接着層１３０を配することで、き裂の発生や進展が抑制され、強度の低下が抑制される。

図５は、図３の円部分Ｖの抽出図である。図５に示すように、第１部材１１０は、繊維強化プラスチック（複合材料）からなる複数の繊維含有層１１８ａ、１１８ｂ、１１８ｃを有する。図５以外の図では、繊維含有層１１８ａ、１１８ｂ、１１８ｃの図示を省略する。繊維含有層１１８ａにおける繊維の延在方向は、挿通方向と大凡平行である。繊維含有層１１８ｂにおける繊維の延在方向は、挿通方向に対して大凡４５度傾斜している。繊維含有層１１８ｃにおける繊維の延在方向は、挿通方向に対して大凡垂直である。

また、嵌入溝１１６と挿通部１２４との間には、接着層１３４、１３６が形成される。接着層１３４は、繊維含有層１１８ａに接着される。接着層１３６は、繊維含有層１１８ｂ、１１８ｃに接着される。接着層１３４は、接着層１３６よりも硬い。

継手構造１００には、図５に示すような接着層１３４、１３６と、繊維含有層１１８ａ、１１８ｂ、１１８ｃとの接着の組み合わせとなる部位が、少なくとも一部に含まれる。ここでは、例えば、図４に示す最深部１１６ａ近傍を除く、嵌入溝１１６全体に亘って、図５に示す組み合わせの配置となっている。

繊維含有層１１８ａは、繊維含有層１１８ｂ、１１８ｃに比べて挿通方向の引張荷重に強い。繊維含有層１１８ａに硬い接着層１３４が接着することで、接着の強度が確保される。繊維含有層１１８ｂ、１１８ｃに接着された軟らかい接着層１３６は、振動や衝撃を緩和する。

図６は、第１変形例を説明するための図である。図６では、第１変形例における図５に対応する部位の抽出図を示す。図６に示すように、嵌入溝１１６と挿通部１２４との間には、接着層１３８、１４０、１４２が形成される。接着層１３８（第１層）は、第１部材１１０に接着される。接着層１４０（第２層）は、第２部材１２０に接着される。接着層１４２（第３層）は、接着層１３８、１４０の間に形成され、接着層１３８、１４０に接着される。接着層１４２は、接着層１３８、１４０よりも軟らかい。

接着層１３８は、第２部材１２０と接着されるときよりも、第１部材１１０と接着されるときの方が、剥離強度が高い。接着層１４０は、第１部材１１０と接着されるときよりも、第２部材１２０と接着されるときの方が、剥離強度が高い。

そのため、接着層１３８によって第１部材１１０と強固に接着され、接着層１４０によって第２部材１２０と強固に接着される。さらに、軟らかい接着層１４２によって、許容される変形量を大きく確保できる。

図７は、第２変形例を説明するための図である。図７では、第２変形例における図３に対応する部位の抽出図を示す。ここでは、接着層の図示を省略する。図７に示すように、第２変形例では、嵌入溝２１６の第１内壁面２１６ｂ（内壁面）、第２内壁面２１６ｃ（内壁面）は、最深部２１６ａに向かうほど、挿通方向に平行に近づく向きに湾曲している。すなわち、第１内壁面２１６ｂ、第２内壁面２１６ｃは、挿通方向の中間部分が互いに近づく向きに湾曲している。挿通部２２４は、嵌入溝２１６に嵌合する形状である。

異種材料からなる部材間の接着では、第１部材１１０、第２部材１２０の剛性の違いによる変形量の差から、接着層のうち、最深部２１６ａ近傍で歪みが集中する。これが接着層のき裂発生、進展の要因となる。第１内壁面２１６ｂ、第２内壁面２１６ｃが湾曲することで、最深部２１６ａ近傍での接着層の歪みの集中が抑制される。これにより、接着層のき裂の発生や進展が抑制され、強度の低下が抑制される。

図８は、第３変形例を説明するための図である。図８では、第３変形例における図３に対応する部位の抽出図を示す。ここでは、接着層の図示を省略する。図８に示すように、第３変形例では、嵌入溝３１６の第１内壁面３１６ｂは、第２内壁面３１６ｃよりも、挿通方向に平行に近い傾きである。すなわち、第１内壁面３１６ｂは、第２内壁面３１６ｃよりも、挿通方向に対する傾斜角が小さい。挿通部３２４は、嵌入溝３１６に嵌合する形状である。

上記のように、嵌入溝３１６および挿通部３２４近傍において、図８中、両矢印で示すように、曲げモーメントが作用する。この曲げモーメントにより、第１内壁面３１６ｂ側では引張応力、第２内壁面３１６ｃ側では圧縮応力が主に作用する。

第１内壁面３１６ｂ側では、挿通方向に対して傾斜角が小さいことから、第１内壁面３１６ｂに作用するせん断応力の比率が小さく、引張応力の比率が高まる。第１内壁面３１６ｂと挿通部３２４との間の接着層は、引張応力に対して高い剛性を発揮する。

第２内壁面３１６ｃ側では、挿通方向に対して傾斜角が大きいことから、第２内壁面３１６ｃに作用するせん断応力の比率が（第１内壁面３１６ｂ側に比べて）大きくなる。第２内壁面３１６ｃ側では、せん断による変形量が大きくなる。

このように、第３変形例では、第１内壁面３１６ｂ側で高い剛性を発揮しつつ、第２内壁面３１６ｃ側で変形を許容する。こうして、き裂の発生、進展が抑制され、強度の低下を抑制することが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上述した実施形態および変形例では、第１部材１１０が繊維強化プラスチックで構成され、第２部材１２０がチタン合金で構成される場合について説明した。しかし、第１部材１１０がチタン合金で構成され、第２部材１２０が繊維強化プラスチックで構成されてもよい。第１部材１１０が、航空機の胴体のうち、外板部材との連結部材であって、第２部材１２０が、航空機の主翼を構成し、ストリンガＳＴが取り付けられる外板部材であってもよい。また、繊維強化プラスチック以外の複合材料が用いられてもよい。

また、上述した実施形態および変形例では、複数の接着層のうち、他の１の接着層１３２よりも軟らかい接着層１３０が、嵌入溝１１６、２１６、３１６の最深部１１６ａ、２１６ａと、挿通部１２４、２２４、３２４の先端部１２４ａとの間に位置する場合について説明した。しかし、これは必須の構成ではない。

また、上述した実施形態および変形例では、第１部材１１０は、複数の繊維含有層１１８ａ、１１８ｂ、１１８ｃを有し、繊維の延在方向が挿通方向に平行な繊維含有層１１８ａに接着された接着層１３４が、繊維の延在方向が挿通方向と異なる繊維含有層１１８ｂ、１１８ｂに接着された接着層１３６よりも硬い組み合わせとなる部位が含まれる場合について説明した。しかし、このような組み合わせとなる部位が設けられていなくてもよい。

また、軟らかい接着層１３０と接着層１３６は、同一の接着剤からなるものであってもよいし、互いに硬度が異なってもよい。軟らかい接着層１３０と接着層１４２は、同一の接着剤からなるものであってもよいし、互いに硬度が異なってもよい。硬い接着層１３２と接着層１３４は、同一の接着剤からなるものであってもよいし、互いに硬度が異なってもよい。硬い接着層１３２と接着層１３８、１４０は、同一の接着剤からなるものであってもよいし、互いに硬度が異なってもよい。

また、上述した第２変形例、第３変形例において、嵌入溝２１６、３１６と挿通部２２４、３２４との間には、硬度を異にする複数の接着層が形成されていなくてもよい。この場合であっても、嵌入溝２１６、３１６と挿通部２２４、３２４の形状により、上記の作用が生じて強度の低下を抑制することが可能となる。

本発明は、継手構造に利用することができる。

１００ 継手構造
１１０ 第１部材
１１６、２１６、３１６ 嵌入溝
１１６ａ、２１６ａ 最深部
１１６ｂ、２１６ｂ、３１６ｂ 第１内壁面
１１６ｃ、２１６ｃ、３１６ｃ 第２内壁面
１１８ａ、１１８ｂ、１１８ｃ 繊維含有層
１２０ 第２部材
１２２ 端部
１２４、２２４、３２４ 挿通部
１２４ａ 先端部
１３０、１３２ 接着層
１３４、１３６ 接着層
１３８ 接着層（第１層）
１４０ 接着層（第２層）
１４２ 接着層（第３層）

Claims (6)

1. 嵌入溝を有する第１部材と、
   前記嵌入溝に挿通される挿通部を有し、前記第１部材と異なる素材からなる第２部材と、
   前記嵌入溝と前記挿通部との間に形成され、硬度を異にする複数の接着層と、
   を備える継手構造。
2. 前記複数の接着層のうち、他の１の接着層よりも軟らかい接着層が、前記嵌入溝の最深部と、前記挿通部の先端部との間に位置する請求項１に記載の継手構造。
3. 前記第１部材または前記第２部材は、繊維の延在方向が異なる複合材料からなる複数の繊維含有層を有し、
   前記複数の繊維含有層のうち、前記繊維の延在方向が前記挿通部の挿通方向に平行な層に接着された接着層が、前記繊維の延在方向が前記挿通方向と異なる層に接着された接着層よりも硬い組み合わせとなる部位が含まれる請求項１または２に記載の継手構造。
4. 前記複数の接着層は、前記第１部材に接着される第１層、前記第２部材に接着される第２層、前記第１層と前記第２層の間に形成され、前記第１層および前記第２層よりも軟らかい第３層を含む請求項１または２に記載の継手構造。
5. 前記嵌入溝は、最深部に向かうほど、前記挿通部の挿通方向に平行に近づく向きに湾曲する内壁面を有する請求項１から４のいずれか１項に記載の継手構造。
6. 前記嵌入溝のうち、最深部を挟んだ一方側に第１内壁面、最深部を挟んだ他方側に第２内壁面が形成され、前記第１内壁面は、前記第２内壁面よりも、前記挿通部の挿通方向に平行に近い傾きである請求項１から４のいずれか１項に記載の継手構造。

Images