JP3460429B2 - 繊維強化ボルト - Google Patents

繊維強化ボルト

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JP3460429B2 JP03694096A JP3694096A JP3460429B2 JP 3460429 B2 JP3460429 B2 JP 3460429B2 JP 03694096 A JP03694096 A JP 03694096A JP 3694096 A JP3694096 A JP 3694096A JP 3460429 B2 JP3460429 B2 JP 3460429B2
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大志 表
敏之 鈴木
拓夫 長谷川
誠 田村
光彦 佐藤
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石川島播磨重工業株式会社
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、繊維強化ボルトに
係り、特に、ボルト強度を高める技術に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】樹脂等のマトリックス材を、ガラス繊
維,アラミド繊維,炭素繊維等で強化したボルトは、軽
量,高強度,高耐熱性等の優れた特性を有しているた
め、宇宙航空産業等に好適であると考えられている。
【0003】かかる強化繊維ボルトの技術例として、特
開平07−019220号公報「繊維強化複合材料から
なるボルト用基材」が紹介されている。該技術例では、
強化繊維の配列方向に角度をつけたシートの積層物に、
マトリックスを含浸させて強化させ、得られた板状物を
切り出して角棒材を製作し、この角棒材を旋盤等で切削
加工して丸棒状のボルトを得ようとしている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】前述のように、ボルト
を切削によって製造する技術であると、 1)ボルトが積層方向に剥がれ易く強度むらが大きくな
る。 2)強化繊維が分断されることにより、ねじ山の切り出
し部分の強度が低下する。等の解決すべき課題が残され
る。
【0005】一方、発明者等は、強化繊維入り複合材か
らなる丸棒を、半径内方向にプレス加工してねじ部を形
成する研究を進め、ねじ部の強度を飛躍的に向上させ得
るようにした。しかし、さらに研究を進めてコンピュー
タ解析により強度計算したところ、強化繊維入り複合材
で均質構造のボルトを製造した場合には、ねじ部をプレ
ス加工しただけでは、ボルトの中心部等に高い応力が発
生してしまうという知見を得た。
【0006】本発明は、これらの課題に鑑みてなされた
もので、以下の目的を達成しようとしている。 中心部に対する応力集中を緩和すること。 ボルトの全体強度を向上させること。 特に引っ張り強度を向上させるとともに、剪断強度に
あっても向上を図ること。
【0007】
【課題を解決するための手段】マトリックス材及び強化
繊維の複合材料からなる棒状体を半径内方向にプレス成
形して、外表面近傍の強化繊維に波形状の変位を付与し
たねじ部が形成され、かつ、中心部にあっては、その他
の部分よりも弾性係数の小さな材料により形成される技
術が採用される。中心部は、軸方向に沿って形成した中
空穴とするか、あるいは、中空穴に強化繊維を含まない
樹脂を充填した樹脂体を配するかが選択される。中空穴
への充填樹脂としては、マトリックス材と同等または弾
性係数が小さい熱可塑性樹脂が適用される。中心部にお
ける中空穴または樹脂体の部分の直径は、ボルト直径の
20%ないし40%程度とすることが望ましい。
【0008】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る繊維強化ボル
トの第1実施形態について、図1及び図2に基づいて説
明する。
【0009】図1において、符号1は母材、1aはマト
リックス材、1bは強化繊維、2はねじ部、3は中空
穴、Xは棒状体を示している。
【0010】前記母材1は、マトリックス材1aである
熱可塑性樹脂(ポリカーボネート,ポリエーテルイミド
等)の中に、強化繊維1bであるガラス繊維,アラミド
繊維,炭素繊維等を介在させて、中間的に棒状体Xとし
たものが適用される。そして、該棒状体Xを加熱状態で
半径内方向にプレスする方法で、棒状体Xにおける外表
面近傍の強化繊維1bの部分に、図2に示すように、波
形状の変位を付与してねじ部2を形成し、棒状体Xの中
心部に円筒状の中空穴3を、同心状に形成した構造の繊
維強化ボルトとしたものである。
【0011】前記中空穴3にあっては、ボルト直径(外
径)の20%ないし40%程度の中空穴3が形成され、
図1例では、ボルト直径を10mm、中空穴3の内径を
2mmに設定した場合を想定している。
【0012】ねじ部2におけるねじ山のねじ山形状は、
ボルト直径が10mmのメートルねじ(M10)に準拠
して設定した。この場合のねじ山のピッチは、1.5m
mである。
【0013】図3は、本発明に係る繊維強化ボルトの第
2実施形態を示している。該図3の実施形態にあって
は、図1で示した中空穴3の部分に、母材1と同等また
は縦弾性係数(弾性率)が小さい樹脂体(熱可塑性樹
脂)4が充填状態に配される。なお、ボルト頭部近傍の
中空穴3には、樹脂体4の充填が省略される。
【0014】〔実施例1〕図4は、図1及び図2に示す
構造の前述のメートルねじ(M10)について、ボルト
直径を10mm,中空穴3の内径を2mmに設定し、ボ
ルトの有効横断面積(ねじ径基準:ねじ山の中央基準の
横断面積)当たりの軸方向の引っ張り荷重を、15kg
f/mm2 印加した場合の軸方向応力及び剪断応力につ
いて、コンピュータ解析を行なった結果を示すものであ
る。図4(a)は、軸方向応力の分布を示し、図中に記
した数値、例えば55<は応力値が55kgf/mm2
以上,45は応力値が45〜55kgf/mm2 ,35
>は応力値が35kgf/mm2 未満であることを意味
している。図4(b)は、剪断方向応力の分布を示し、
図中に記した数値、例えば10<は応力値が10kgf
/mm2 以上,5は応力値が5〜10kgf/mm2
−5>は応力値が−5kgf/mm2 未満であることを
意味している。
【0015】〔実施例2〕図5は、図1に示す構造の前
述のメートルねじ(M10)の中空穴3に、弾性率が2
000kgf/mm2 である樹脂を充填したものを作成
し、ボルトの有効横断面積(ねじ径基準:ねじ山の中央
基準の横断面積)当たりの軸方向の引っ張り荷重を、1
5kgf/mm2 印加した場合の軸方向応力及び剪断応
力について、コンピュータ解析を行なった結果を示すも
のである。図5(a)は、軸方向応力の分布を示し、図
中に記した数値、例えば35<は応力値が35kgf/
mm2 以上,25は応力値が25〜35kgf/m
2 ,15>は応力値が15kgf/mm2 未満である
ことを意味している。図5(b)は、剪断方向応力の分
布を示し、図中に記した数値、例えば10<は応力値が
10kgf/mm2 以上,5は応力値が5〜10kgf
/mm2 ,0>は応力値が0kgf/mm2 未満である
ことを意味している。
【0016】〔実施例3〕図6は、図1に示す構造の前
述のメートルねじ(M10)の中空穴3に、弾性率が2
00kgf/mm2 である樹脂を充填したものを作成
し、ボルトの有効横断面積(ねじ径基準:ねじ山の中央
基準の横断面積)当たりの軸方向の引っ張り荷重を、1
5kgf/mm2 印加した場合の軸方向応力及び剪断応
力について、コンピュータ解析を行なった結果を示すも
のである。図6(a)は、軸方向応力の分布を示し、図
中に記した数値、例えば32.5<は応力値が32.5
kgf/mm2 以上,25は応力値が25〜32.5k
gf/mm2 ,−10>は応力値が−10kgf/mm
2 未満であることを意味している。図6(b)は、剪断
方向応力の分布を示し、図中に記した数値、例えば10
<は応力値が10kgf/mm2 以上,5は応力値が5
〜10kgf/mm2 ,−5>は応力値が−5kgf/
mm2 未満であることを意味している。
【0017】〔比較例〕図7は、中実状(中空穴や樹脂
充填がなく全部母材の状態)のメートルねじ(M10)
を作成し、ボルトの有効横断面積(ねじ径基準:ねじ山
の中央基準の横断面積)当たりの軸方向の引っ張り荷重
を、15kgf/mm2 印加した場合の軸方向応力及び
剪断応力について、コンピュータ解析を行なった結果を
示すものである。図7(a)は、軸方向応力の分布を示
し、図中に記した数値、例えば150<は応力値が15
0kgf/mm2 以上,100は応力値が100〜15
0kgf/mm2 ,25>は応力値が25kgf/mm
2 未満であることを意味している。図7(b)は、剪断
方向応力の分布を示し、図中に記した数値、例えば1
2.5<は応力値が112.5kgf/mm2 以上,5
は応力値が5〜12.5kgf/mm2 ,−2.5>は
応力値が−2.5kgf/mm2 未満であることを意味
している。
【0018】〔比較検討結果〕以下、軸方向強度及び剪
断強度の検討結果について説明する。
【0019】軸方向強度(引っ張り強度)について検討
すると、図6,図5,図4,図7の順に、発生応力が大
きくなっており、図7に示す比較例の中実ボルトは、中
心部分に大きな応力が発生している。これに対して、実
施例1〜3は、いずれも比較例の半分以下の応力値とな
っている。特に、中実構造として、その中空穴の中に適
宜の弾性係数の樹脂を充填した構造とすると、図6(ま
たは図5)に示すように、発生応力値を小さくして、ボ
ルトの横断面全域の発生応力を平均化させることができ
る。
【0020】したがって、繊維強化ボルトの中心部を中
空化すること、中空穴の内部にマトリックス材よりも弾
性係数の小さな樹脂を充填すること、樹脂の特性を吟味
すること等の技術を採用することにより、いずれも発生
応力を低くして、引っ張り応力を向上させることができ
る。
【0021】剪断強度について検討すると、図4〜図6
と比較して、図7の発生応力値が大きくなっているが、
図4〜図6の相互間では大差がない。剪断強度にあって
も、実施例1〜3の方が中実構造の比較例よりも発生応
力を低くして、剪断強度を向上させることができる。
【0022】
【発明の効果】本発明に係る繊維強化ボルトによれば、
母材のマトリックス材中に強化繊維を配するとともに、
外表面近傍の強化繊維に波形状の変位を付与したねじ部
を形成し、かつ、中心部に中空穴を形成した構造、ある
いは中心部に母材組織よりも弾性係数の小さな材料を配
した構造を採用することにより、以下のような効果を奏
する。 (1) 中心部に対する応力集中を緩和することができ
る。 (2) 中空穴が形成されている場合にあっても、最大
応力値を低下させることにより、ボルトの全体強度を向
上させることができる。 (3) 特に引っ張り強度の改善を図ることができる。 (4) 製造が容易であり、応用範囲が大きく実用性が
高い。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る繊維強化ボルトの第1実施例を示
す正断面図である。
【図2】図1に示すねじ部の拡大図である。
【図3】本発明に係る繊維強化ボルトの第2実施形態を
示す一部の記載を省略した正断面図である。
【図4】(a)は実施例1の繊維強化ボルトに発生する
軸方向の応力分布図、(b)は実施例1の繊維強化ボル
トに発生する剪断方向の応力分布図である。
【図5】(a)は実施例2の繊維強化ボルトに発生する
軸方向の応力分布図、(b)は実施例2の繊維強化ボル
トに発生する剪断方向の応力分布図である。
【図6】(a)は実施例3の繊維強化ボルトに発生する
軸方向の応力分布図、(b)は実施例3の繊維強化ボル
トに発生する剪断方向の応力分布図である。
【図7】(a)は比較例の繊維強化ボルトに発生する軸
方向の応力分布図、(b)は比較例の繊維強化ボルトに
発生する剪断方向の応力分布図である。
【符号の説明】
1 母材 1a マトリックス材 1b 強化繊維 2 ねじ部 3 中空穴 4 樹脂体(熱可塑性樹脂) X 棒状体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 敏之 神奈川県藤沢市片瀬1−1−1 ミネベ ア株式会社 藤沢製作所内 株式会社先 進材料利用ガスジェネレータ研究所 片 瀬分室内 (72)発明者 長谷川 拓夫 神奈川県藤沢市片瀬1−1−1 ミネベ ア株式会社 藤沢製作所内 株式会社先 進材料利用ガスジェネレータ研究所 片 瀬分室内 (72)発明者 田村 誠 山口県宇部市大字小串1978−5 宇部興 産株式会社宇部研究所内 株式会社先進 材料利用ガスジェネレータ研究所 宇部 分室内 (72)発明者 佐藤 光彦 山口県宇部市大字小串1978−5 宇部興 産株式会社宇部研究所内 株式会社先進 材料利用ガスジェネレータ研究所 宇部 分室内 (56)参考文献 特開 平5−10318(JP,A) 特開 平4−331811(JP,A) 特開 昭48−78361(JP,A) 特開 平7−80857(JP,A) 実開 平4−128518(JP,U) 実開 平4−88512(JP,U) 実開 平6−47720(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F16B 23/00 - 43/02

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 マトリックス材(1a)及び強化繊維
    (1b)の複合材料からなる棒状体(X)を半径内方向
    にプレス成形して、外表面近傍の強化繊維に波形状の変
    位を付与したねじ部(2)が形成され、中心部がその他
    の部分よりも弾性係数の小さな材料により形成されるこ
    とを特徴とする繊維強化ボルト。
  2. 【請求項2】 マトリックス材(1a)及び強化繊維
    (1b)の複合材料からなる棒状体(X)を半径内方向
    にプレス成形して、外表面近傍の強化繊維に波形状の変
    位を付与したねじ部(2)が形成され、中心部に、ボル
    ト直径の20%ないし40%程度の中空穴(3)が形成
    され、中心部の中空穴(3)に、マトリックス材(1
    a)と同等または小さい弾性係数を有する熱可塑性樹脂
    からなる樹脂体(4)が配されることを特徴とする繊維
    強化ボルト。
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