JP2631512B2 - 複合材料製筒状体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、例えば油圧シリンダ用または空圧シリンダ
用のチューブ等に用いて好適な複合材料製筒状体に関
し、特に、耐圧性能を高めることができ、軽量化を図り
うるようにした複合材料製筒状体に関する。

〔従来の技術〕

第４図ないし第６図に従来技術の油圧シリンダを示
す。

図において、１は鉄等の金属材料によって形成された
円筒状のチューブを示し、該チューブ１の軸端にはそれ
ぞれ軸方向に伸びるねじ穴1A,1A…が第６図に示すよう
に形成されている。2,3はチューブ１の軸端をそれぞれ
施蓋したシリンダカバーおよびロッドカバーを示し、該
シリンダカバー２、ロッドカバー３はボルト4,4…をチ
ューブ１の各ねじ穴1Aに螺着することにより、チューブ
１の各軸端に固着されている。そして、該カバー2,3に
は圧油の給排口2A,3Aが形成され、該給排口2A,3Aはチュ
ーブ１内に外部から圧油を給排するようになっている。

５はチューブ１内に摺動可能に挿嵌されたピストン、
６は一端側が該ピストン５に固着され、他端側がロッド
カバー３を介してチューブ１外に突出したピストンロッ
ドを示し、該ピストンロッド６の突出端側は外部負荷等
に取付けられ、該ピストンロッド６がロッドカバー３側
から伸縮することによりこの外部負荷を駆動するように
なっている。また、チューブ１内はピストン５により２
つの油室A,Bに画成され、該無室A,B内には外部から給排
口2A,3Aを介して圧油が給排される。

このように構成される油圧シリンダでは、まず外部か
ら給排口2A,3Aを介して油室A,B内に圧油を給排すると、
該油室A,B間の圧力差によってピストン５がチューブ１
内を軸方向に摺動し、これによってピストンロッド６が
チューブ１から伸縮し、該ピストンロッド６の突出端側
で外部負荷等を駆動する。

〔発明が解決しようとする課題〕

然るに、上述した従来技術では、チューブ１を鉄等の
金属材料によって円筒状の単体（単一の筒状体）として
形成しているから、チューブ１の重量が重く、油圧シリ
ンダ全体を軽量化できないという欠点がある。また、薄
肉円筒理論等によりチューブ１に内圧（油室A,B内の油
圧）によって生じる軸方向応力σ_ｌと周方向応力σ_ｒと
を検討すると、 σ_ｌ＝σ_r/2 …（１） であるから、周方向応力σ_ｒを基準としてチューブ１の
設計を行うと、軸方向の引張強度等が過剰となり、必要
な方向に必要な強度をもたせるという最適設計を満たす
ことができないという欠点がある。

さらに、チューブ１は鉄等の金属材料製単体として形
成しているから、一箇所に僅かなクラック等が入って
も、このクラックはチューブ１全体に亀裂となって拡が
り易く、破壊強度等を向上できないという欠点がある。

本発明は上述した従来技術の欠点に鑑みなされたもの
で、本発明は内周側を軽金属材料により、その外周を繊
維強化樹脂材料等の複合材料によって形成することによ
り、最適設計を満たして耐圧性能や破壊強度等を高める
ことができ、軽量化を図りうるようにした複合材料製筒
状体を提供するものである。

〔課題を解決するための手段〕

上述した課題を解決するために本発明は、等方性の金
属材料からなる内筒と、繊維強化樹脂材料によって筒状
に形成され、該内筒の外周に冷しばめによって嵌合固着
された中間筒と、該中間筒の軸端に設けられ、外周側に
繊維材料の引掛け部が少なくとも１個以上設けられた取
付部材と、樹脂を含浸させた繊維材料を前記中間筒の外
周から該取付部材の引掛け部に引掛けて巻返しつつ、巻
回形成された外筒とからなる構成を採用している。

ここで、前記繊維材料には、炭素繊維、ガラス繊維、
アラミド繊維、アルミナ繊維、炭化ケイ素繊維等が用い
られ、該繊維材料に含浸させる樹脂には、熱硬化性と接
着性を有するエポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ポリイ
ミド樹脂等が用いられる。そして、前記繊維材料の巻回
方法としては、糸状繊維材料を用いるフィラメントワイ
ンディング法、テープ状繊維材料を用いるテープワイン
ディング法、織物状繊維材料を用いるハンドレイアップ
法等が挙げられる。

〔作 用〕

上記構成により、当該筒状体を油圧シリンダ用のチュ
ーブとして用いる場合には、等方性の金属材料からなる
内筒によってピストンが摺動するライニングを形成で
き、繊維強化樹脂材料からなる中間筒、外筒によって周
方向の負荷、軸方向の負荷等をそれぞれ独立に分担させ
ることができ、最適設計することが可能となる。また、
外筒を巻回形成している途中で繊維材が切断されるのを
防止でき、該繊維材料が本来的に有している強度を十分
に生かして、取付部材を中間筒等の軸端に強固に一体化
することが可能となる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を第１図ないし第３図に基づ
き、油圧シリンダ用のチューブを例に挙げて説明する。
なお、実施例では前述した第４図に示す従来技術と同一
の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するも
のとする。

而して、第１図および第２図は本発明の第１の実施例
を示している。

図中、11は複合材料製筒状体としてのチューブ、12は
該チューブ11のライニング（ライナ）を形成する内筒を
示し、該内筒12は、例えばアルミニウム等の等方性軽金
属材料によって長尺な円筒状に形成され、所定の内径、
表面精度および肉厚等をもって仕上げられている。

13は内筒12の外周側に設けられた中間筒を示し、該中
間筒13は後述の外筒16と同様に樹脂を含浸させた糸状の
繊維材料をフィラメントワインディング法等の手段を用
いて、中心軸Ｏ−Ｏに対し90度に近い一定の巻角、例え
ば70〜85度程度の巻角をもって所定の厚さになるまで交
差巻付けした一層以上の巻回層により長尺な円筒状に形
成されている。また、該中間筒13の軸端（一方のみ図
示）にはそれぞれテーパ状の傾斜面13Aを有した段部13B
と、該段部13Bから所定長さをもって内筒12の端面まで
伸びる小径13Cとが形成されている。そして、該中間筒1
3は内筒12の外周に冷しばめによって嵌合され、該内筒1
2に一体的に固着されている。

14は中間筒13の軸端にそれぞれ設けられた取付部材
（一方のみ図示）を示し、該取付部材14は金属材料、セ
ラミック材料または短繊維で強化した樹脂材料等によっ
て短尺な段付円筒状に形成され、その内径は中間筒13の
小径部13C外径に対応している。また、該取付部材14の
外周側には、段部13Bの外径に対応する外径をもって形
成された環状凸部14Aと、該環状凸部14Aに隣接して該環
状凸部14Aよりも小径に形成された環状凹部14Bと、該環
状凹部14Bからシリンダカバー２の端面に当接する位置
まで伸び、環状凸部14Aよりも大径に形成された拡径部1
4Cとが設けられ、該拡径部14Cにはその端面から軸方向
に伸びるねじ穴14Dが従来技術で述べたねじ穴1Aと同様
に複数個形成されている。

また、該取付部材14の環状凸部14Aには周方向に所定
間隔をもって、例えば50〜100個のピン穴14Eが列設さ
れ、該各ピン穴14Eには後述の各ピン15がそれぞれ植設
されている。そして、該各取付部材14は中間筒13の各小
径部13C外周に嵌合され、各環状凸部14Aが各段部13Bと
衝合した状態で接着剤等により図示の如く固着されてい
る。15,15…は取付部材14の各穴ピン14Eに圧入または接
着等の手段を用いて固着されたピンを示し、該各ピン15
は鉄系の金属材料または繊維強化樹脂の引抜き材等によ
って形成され、その突出部分は後述する繊維材料17の引
掛け部15Aを構成している。

16は樹脂を含浸させた糸状の繊維材料17を中間筒13の
外周面から各取付部材14の外周面に亘り全面に巻回する
ことにより形成された外筒を示し、該外筒16は繊維材料
17をフィラメントワインディング法等の手段を用いて中
心軸Ｏ−Ｏに対して零度に近い巻角、例えば巻角θ＝５
〜30度（第２図参照）となるように、所定の厚さになる
まで張力をかけた状態で交差巻付けした一層以上の巻回
層によって略円筒状に形成されている。そして、該繊維
材料17はこの交差巻付け時に第２図中に例示する如く、
中間筒13の軸方向両端側で各ピン15に引掛けるようにし
て、各取付部材14の環状凹部14Bに巻回しつつ、他のピ
ン15に引掛けて再び中間筒13の外周側へと巻返されてい
る。

これによって、外筒16の軸端には各取付部材14の環状
凹部14B外周側等に位置して巻返し部16Aがそれぞれ形成
され、該各巻返し部16Aは拡径部14Cに対応する外径をも
って形成され、中間筒13の各軸端に各取付部材14を強固
に一体化している。ここで、前記繊維材料17には炭素繊
維、ガラス繊維、アラミド繊維、アルミナ繊維または炭
化ケイ素繊維等が用いられ、該繊維材料17に含浸させる
樹脂には熱硬化性と接着性を有するエポキシ樹脂、ポリ
エステル樹脂またはポリイミド樹脂等が用いられる。な
お、中間筒13の素材としても外筒16と同様のものが用い
られている。

本実施例による油圧シリンダ用のチューブ11は上述の
如き構成を有するもので、次にその製造方法について説
明する。

まず、ライニングを構成する内筒12の外径に対応し、
外周面が所定の表面精度をもって仕上げられたマンドル
等の型材（図示せず）を用意し、この型材の外周面に引
張力をかけながら、樹脂を含浸させた糸状の繊維材料を
フィラメントワインディング法により一定の巻角で所定
厚さになるまで交差巻付けして中間筒13を形成してお
く。この場合、繊維材料の巻角を中心軸Ｏ−Ｏに対して
90度に近い、例えば70〜85度程度の巻角とすることによ
り、周方向の引張強度等を高めて耐圧性能等を向上させ
ることができる。また、該中間筒13の各軸端には前記交
差巻付け時に傾斜面13A、段部13Bおよび小径部13Cを形
成し、該小径部13Cの外周面には適宜に機械加工を施
し、取付部材14の接着性を向上させると共に熱ひずみ等
を除去しておくのが好ましい。

そして、このように成形された中間筒13から型材を引
抜いた後に、該中間筒13の内周側に内筒12を冷しばめに
より圧入嵌合し、該内筒12の外周に中間筒13を強固に固
着する。この場合、内筒12の内周面を予め高精度に表面
仕上げし、ピストン５等が内筒12内を円滑に摺動できる
ようにしておく。次に、中間筒13の各軸端側で小径部13
Cに取付部材14をそれぞれ嵌合し、接着材を用いて両者
を強固に接着する。この場合、取付部材14の各ピストン
穴14Eに予めピン15をそれぞれ圧入または接着等の手段
で固着しておいてもよく、あるいは取付部材14の取付け
後に各ピン15を固着してもよい。

そして、接着剤が完全に硬化した段階で、中間筒13の
外周面から両端の各取付部材14の外周に亘って、樹脂を
含浸させた糸状の繊維材料17をフィラメントワインディ
ング法により所定の巻角θで交差巻付けし、外筒16を巻
回形成する。このとき、繊維材料17は中間筒13の各軸端
側で取付部材14の各ピン15に引掛け、所定の張力を与え
て取付部材14の環状凹部14Bに巻回しつつ、他のピン15
に引掛けて中間筒13の外周側へと巻返すようにし、外筒
16の各巻返し部16Aによって中間筒13等の各軸端に取付
部材14をそれぞれ強固に一体化する。また、繊維材料17
の巻角θを中心軸Ｏ−Ｏに対して零度に近い、例えば５
〜30度程度とすることにより、軸方向の引張強度や曲げ
強度等を大幅に高めることができる。

そして、中間筒13および各取付部材14の外周面に所定
の厚さをもった外筒16を形成した段階で、これらを硬化
炉内に入れ、繊維材料17に含浸させた樹脂を熱硬化さ
せ、当該チューブ11を完成させる。その後、該チューブ
11の一端にシリンダカバー２を衝合させ、各ボルト４を
取付部材14の各ねじ穴14Dに螺着することにより、シリ
ンダカバー２をチューブ11に固着する。また、該チュー
ブ11の他端には第４図に示したロッドカバー３を前記と
同様に固着し、該チューブ11の両端を施蓋する。而し
て、本実施例によれば、中間筒13および各取付部材14の
外周面側に、樹脂を含浸させた糸状の繊維材料17を巻回
して外筒16を形成するときに、該繊維材料17を各ピン15
に引掛け、環状凹部14B等を介して巻返すようにしてい
るから、該繊維材料17を規則的に交差巻付けすることが
できる上に、該繊維材料17が本来的に有している強度を
十分に生かして、中間筒13および外筒16等の各軸端に各
取付部材14を強固に一体化でき、該各取付部材14を確実
に抜止めおよび廻止めすることができる。

また、前記繊維材料17を途中で切断したりすることが
なく、その強度を十分に活かすことができるから、耐疲
労性や耐衝撃性等を大幅に高めることができ、信頼性の
高い軽量な油圧シリンダ用のチューブ11を得ることがで
きる。そして、耐圧性能や曲げ強度等を高めることがで
きる上に、当該チューブ11の強度を事前に計算すること
も可能となる。即ち、当該チューブ11を内筒12、中間筒
13および外筒16等から構成し、中間筒13によって周方向
の引張強度や耐圧性能を、外筒16によって軸方向の引張
強度や曲げ強度をそれぞれ独立して高めることができる
から、当該チューブ11に作用する内圧や外部負荷等の大
きさに応じて内筒12、中間筒13および外筒16のそれぞれ
の肉厚等を適宜に変えることにより最適設計が可能とな
り、設計の自由度を大幅に増加させることができる。

さらに、当該チューブ11の内周側にアルミニウム等の
等方性軽金属材料からなる内筒12を配設し、ピストン５
が摺動するライニングを形成したから、チューブ11内に
封入される圧油等の流体が外部に漏洩したりするのを内
筒12によって効果的に防止できる上に、当該チューブ11
の内面精度を内筒12によって容易に確保でき、ピストン
５を当該チューブ11内で円滑に摺動させることができ
る。また、当該チューブ11の内圧等によって内筒12にク
ラック等が発生したとしても、このクラックが大きく拡
がったりするのを中間筒13や外筒16等によって効果的に
防止することができ、衝撃的に破壊されたりするような
ことはなくなり、圧油等の流体の漏洩等によって、内筒
12にクラックが発生しているか否かを事前に確認できる
等、種々の効果を奏する。

次に、第３図は本発明の第２の実施例を示し、本実施
例の特徴は、内筒の軸端外周に取付部材を嵌合させるこ
とによって、該取付部材を中間筒の軸端に設けたことに
ある。

図中、21は複合材料製筒状体としてのチューブ、22は
該チューブ21のライニングを形成する内筒を示し、該内
筒22は前記第１の実施例で述べた内筒12と同様に形成さ
れている。23は内筒22の外周に冷しばめによって嵌合固
着された中間筒を示し、該中間筒23は第１の実施例で述
べた中間筒13とほぼ同様に形成されているものの、その
形状は円筒形となり、長さ寸法は後述する各取付部材24
の長さ寸法に対応する寸法だけ短縮されている。

24,24は中間筒23の各軸端側に位置して内筒22に嵌合
固着された一対の取付部材を示し、該各取付部材24は第
１の実施例で述べた取付部材14とほぼ同様に、環状凸部
24A、環状凹部24Bおよび拡径部24Cからなり、該拡径部2
4Cには各ねじ穴24Dが、環状凸部24Aには各ピン穴24Eが
それぞれ形成されている。然るに、該各取付部材24は内
筒22の各軸端側外周に嵌合すると共に、接着等の手段を
用いて固着され、各環状凸部24Aが中間筒23の各軸端と
衝合されている。そして、該各環状凸部24Aは中間筒23
に対応する外径を有し、その外周面は中間筒23とほぼ同
一曲面をなしている。

25,25…は取付部材24の各ピン穴24Eに圧入または接着
等の手段で植設されたピンを示し、該各ピン25は環状凸
部24Aの外周から所定寸法突出し、その突出部分は繊維
材料の引掛け部25Aを構成している。26は樹脂を含浸さ
せた糸状の繊維材料を中間筒23の外周から各取付部材24
の各引掛け部25Aに引掛けで巻返しつつ巻回形成された
外筒を示し、該外筒26は第１の実施例で述べた外筒16と
ほぼ同様に形成され、その軸端にはそれぞれ巻返し部26
A,26Aが形成されている。かくして、このように構成さ
れる本実施例でも前記第１の実施例とほぼ同様の作用効
果を得ることができるが、特に本実施例では、中間筒23
を円筒形に形成し、第１の実施例で述べた中間筒13のよ
うに傾斜面13A等を廃止できるから、外筒26を形成する
ときに繊維材料を巻回し易くなり、作業性を向上させる
ことができる。

なお、前記各実施例では、中間筒13（23）および外筒
16（26）をフィラメントワインディング法等の手段を用
いて形成するものとして述べたが、これに替えて、これ
らをテープワインディング法、ハンドレイアップ法等の
手段を用いて形成してもよい。

また、前記各実施例では、油圧シリンダ用のチューブ
11（21）を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定
されず、例えば空圧シリンダ用のチューブまたは建設機
械用のブーム、アーム等、種々の複合材料製筒状体にも
適用できる。

さらに、前記各実施例では、取付部材14（24）に各ピ
ン15（25）を植設することによって各引掛け部15A（25
A）を形成するものとして述べたが、これに替えて、取
付部材14（24）に各引掛け部を一体形成するようにして
もよい。

〔発明の効果〕

以上詳述した通り、本発明によれば、等方性の金属材
料からなる内筒と、繊維強化樹脂材料からなる中間筒お
よび外筒によって筒状体を構成したから、内筒流体等の
漏洩を内筒によって効果的に防止でき、内面精度を確保
し易くなる上に、繊維材料の巻角を適宜に選択すること
により、中間筒と外筒とで周方向と軸方向の負荷をそれ
ぞれ分担させることができ、最適設計が可能となる。ま
た、耐衝撃性や耐疲労性等を高めて耐圧性能を向上でき
る上に、軽量化を図りうる等、種々の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の第１の実施例を示し、第
１図は油圧シリンダ用チューブの半断面図、第２図は外
筒の形成途中を示す部分外観図、第３図は第２の実施例
を示すチューブの半断面図、第４図ないし第６図は従来
技術を示し、第４図は油圧シリンダの半断面図、第５図
は第４図の右側面図、第６図は第４図とは異なる位置で
示すチューブの半断面図である。 ２……シリンダカバー、３……ロッドカバー、４……ボ
ルト、５……ピストン、６……ピストンロッド、11,21
……チューブ、12,22……内筒、13,23……中間筒、14,2
4……取付部材、15,25……ピン、15A,25A……引掛け
部、16,26……外筒、17……繊維材料。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】等方性の金属材料からなる内筒と、繊維強
   化樹脂材料によって筒状に形成され、該内筒の外周に冷
   しばめによって嵌合固着された中間筒と、該中間筒の軸
   端に設けられ、外周側に繊維材料の引掛け部が少なくと
   も１個以上設けられた取付部材と、樹脂を含浸させた繊
   維材料を前記中間筒の外周から該取付部材の引掛け部に
   引掛けて巻返しつつ、巻回形成された外筒とから構成し
   てなる複合材料製筒状体。