JP3952737B2 - 炭素繊維強化樹脂を用いた構造物 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車のフレームやロボットアームに用いられる炭素繊維強化樹脂を用いた構造物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来からロボットアーム等で代表される構造物においては軽量化が求められており、軽量化構造物としてはアルミニウム合金が多用されている。アルミニウム合金は、鋼等に比べて弾性率や降伏点が低いので、これを高荷重が負荷される構造物に使用すると、変形を起し易い。また、構造物をさらに軽量化するときや高剛性化するときには、アルミニウム合金からなる構造物では実現困難である。そこで、このような条件下で使用される構造材に、アルミニウム合金よりも弾性率及び降伏点が高く比重が小さい炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）で補強したアルミニウム材が用いられる。その際、構造物の母材表面にＣＦＲＰを固定する、いわゆるハイブリッド構造が採用される。
【０００３】
このハイブリッド構造の例が、特開平１１−２１０１５９号公報に記載されている。この公報では、ＣＦＲＰの接着強度を向上し、せん断応力集中によるＣＦＲＰ平板の接着剥離を防止するために、角パイプの表面にＣＦＲＰ平板を長手方向に沿い接着し、ＣＦＲＰ平板の端部にテーパ面を加工している。そして、テーパ面と逆向きのテーパ面を有する押さえ板を、角パイプの端部からＣＦＲＰ平板のテーパ面にかけて接着し、ＣＦＲＰ平板の端部と押さえ板によりスカーフジョイントを形成している。なお、ＣＦＲＰを母材に接着する方法も用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ＣＦＲＰを母材に接着する方法では、広範囲の異種材料同士の接合に向いているが、大負荷が作用するときには、異種材料間の弾性率の差に起因して接着端部にせん断応力が集中し、剥離を生じる恐れがあった。一方上記公報に記載のものでは、確かに端部接着強度は向上できるが構造物に負荷される荷重が大きくなると、端部から剥離を生じる恐れがなお存する。特に、構造物部材の軽量化や高剛性化が進んでくると、端部を押え板で押え付けるこの方法の改良が求められている。
【０００５】
本発明は上記従来の技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、炭素繊維強化樹脂を用いた構造物において、高荷重下や様々な環境下においても接着剥離を生じにくくすることにある。本発明の他の目的は、軽量化した高剛性なハイブリッド構造物を実現することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の特徴は、炭素繊維強化樹脂を用いた構造物が、金属製の母材と、炭素繊維強化樹脂板製の板状の補強材と、前記補強材の端部を保持する保持板とを有し、前記保持板には前記補強材の端部形状に応じた第１の溝が形成されており、前記母材には保持板を収納する第２の溝が形成されており、前記保持板と前記補強材とを接着剤を用いて接着し、前記補強材の端部を保持板を介して母材にボルトで締結するとともに、前記補強材の中間部に他の保持板を接着剤で接着し、前記母材にこの他の保持板が嵌合する第３の溝を形成したことにある。
【０００７】
上記目的を達成する本発明の他の特徴は、炭素繊維強化樹脂を用いた構造物が、金属製の母材と、炭素繊維強化樹脂板製の板状の補強材と、前記補強材の端部を保持する保持板とを有し、前記保持板には前記補強材の端部形状に応じた第１の溝が形成されており、前記母材には保持板を収納する第２の溝が形成されており、前記保持板と前記補強材とを接着剤を用いて接着し、前記補強材の端部に長手方向に幅が拡大するテーパ部を形成し、このテーパ部を前記保持板に機械的に締結したことにある。
【０００８】
上記目的を達成するための本発明のさらに他の特徴は、炭素繊維強化樹脂を用いた構造物がアルミニウム合金製の母材と、炭素繊維強化樹脂板製の板状の補強材と、前記補強材の端部を保持する保持板とを有し、前記保持板には前記補強材の端部形状に応じた第１の溝が形成されており、前記母材には保持板を収納する第２の溝が形成されており、前記補強材を前記保持板の溝に接着し、前記補強材の中間部が前記母材に密着するように保持板を母材に嵌合し、前記補強材の前記保持板との接着面とは反対面に抑え板を接着したことにある。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図を用いて説明する。図１は、本発明に係る構造物の斜視図である。ＣＦＲＰ製の補強材１０はアルミニウム合金製の矩形状の母材２０上に載置されている。補強材１０の長手方向両端部は後述する保持板４０に接着されており、補強材の上面には押え板３０が接着されている。押え板３０及び補強材１０を貫通する穴がそれぞれの部材に形成されており、その穴にボルト６０が挿通されている。
【００１０】
この補強材の一端部形状の詳細を、図２に示す。図２は構造物の分解斜視図である。補強材１０は細長い形状をしており、その厚み方向には薄く形成されている。補強材の端部には、補強材１０を母材２０に固定するために、ボルト６０貫通用の穴６２が形成されている。この穴６２が形成された部分よりも長手方向内側では、補強材１０の幅が狭まっており、テーパ１１状になっている。テーパ１１状部分よりもさらに長手方向内側は略平行な板材になっている。
【００１１】
補強材１０の端部下面には、補強材１０のＣＦＲＰの接着剥離を防止するために、保持板４０が接着されている。保持板４０には溝４３が形成されており、この溝４３は補強材１０の端部形状に応じて形成されている。つまり、補強材１０の厚み分だけの段差４２が形成されており、補強材１０のテーパ１１形状に対応して角部には突起４１が形成されている。保持板４０には補強材１０の穴６２に対応した位置にボルト６０貫通穴またはねじ穴６３が形成されている。
【００１２】
補強材１０の上面には、押さえ板３０が接着されている。押さえ板３０は矩形状の平板で、補強材１０のボルト穴６２に対応した位置にボルト６０の貫通穴６１が形成されている。補強材１０の中間部には矩形状の保持板５０が接着されている。保持板４０、５０は、ＣＦＲＰと接着性が良いＣＦＲＰか、またはアルマイト処理等の表面処理が施こされたアルミニウム合金製であり、補強材１０にはエポキシ系接着剤を用いて接着する。
【００１３】
母材２０には、保持板４０、５０に応じた位置に矩形の溝２１、２２が彫られている。溝２１、２２の深さは、溝のない部分で補強材１０が母材２０に密着する深さとする。
【００１４】
このように形成した各部材の組み立て方法を、説明する。保持板４０に形成した突起４１をガイドにして、補強材１０を保持板４０に接着する。補強材１０の中間部にも保持板５０を接着する。保持板４０と一体になった補強材１０を母材２０に接着する。次いで、補強材１０に形成した穴６２に穴６１を合わせて押さえ板３０を接着し、最後にボルト穴６１、６２、６３にボルト６０を挿通して接着部分を補強する。
【００１５】
本実施例においては、補強材１０の端部に保持板４０を接着し、構造物の母材２０に保持板４０を嵌合接着している。構造物７０に引張り荷重や曲げ荷重が負荷されても、補強材１０が母材２０と機械的に接合されていので、高荷重条件でも補強材１０のＣＦＲＰは剥離しない。なお、引張り荷重に対する剛性を高めるためには、補強材１０を引張り荷重が作用する面に接着させ、引張り方向と補強材１０の炭素繊維の配向方向を一致させるのがよい。
【００１６】
また、保持板４０、５０にＣＦＲＰと接着性が良い材質または表面処理を選択しているので、母材２０と補強材１０との接着状態があまり良くなくても、安定した接着強さを得ることが出来る。つまり、保持板４０と補強材１０との接合さえ強固であれば、母材２０の材質や母材２０の表面処理被覆がどうあれ、構造物の剛性を高くできる。保持板５０を補強材１０に付設したので、保持板５０と補強材１０との接着界面に発生するせん断応力を分散することができ、ＣＦＲＰの剥離を防止出来る。
【００１７】
上記実施例では高荷重を想定して補強材１０に保持板５０を接着しているが、負荷荷重が小さい場合は保持板４０と補強材１０の接着力だけでＣＦＲＰの剥離を防止できるので、保持板５０は不要となる。保持板４０に突起４１を形成し、補強材１０にテーパ１１部を形成したので、接着界面のせん断応力を低減できる。これらも、構造物７０に負荷される荷重が小さいときには不要である。
【００１８】
本実施例では、保持板４０に段差４２を形成したので、押さえ板３０との接着性が良くなる。押え板３０は、補強材１０の端部との接着面積を大きくする。これにより、補強材１０の端部はアルミニウム合金製の母材２０から剥離しにくくなり、構造物の剛性が向上する。押え板３０上面からボルト６０締めしているので、補強材１０の端部に作用する垂直応力を低減できる。高荷重下以外では垂直応力が小さいから、荷重が小さい場合は接着力だけで剥離を防止でき、ボルト６０は不要となる。
【００１９】
【発明の効果】
本発明によれば、補強材に保持板を接着補強したので、ＣＦＲＰ製の補強材の端部で発生する接着界面の応力集中を低減することができ、母材と補強材間の接着剥離を防止することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る炭素繊維強化樹脂製の構造物の一実施例の斜視図。
【図２】図１に示した構造物の分解斜視図。
【符号の説明】
１０…炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）製の補強材、２０…構造物の母材、２１、２２…溝、３０…押え板、４０…保持板、４１…突起、４３…溝、５０…保持板、６０…ボルト。
【発明の属する技術分野】
本発明は、車のフレームやロボットアームに用いられる炭素繊維強化樹脂を用いた構造物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来からロボットアーム等で代表される構造物においては軽量化が求められており、軽量化構造物としてはアルミニウム合金が多用されている。アルミニウム合金は、鋼等に比べて弾性率や降伏点が低いので、これを高荷重が負荷される構造物に使用すると、変形を起し易い。また、構造物をさらに軽量化するときや高剛性化するときには、アルミニウム合金からなる構造物では実現困難である。そこで、このような条件下で使用される構造材に、アルミニウム合金よりも弾性率及び降伏点が高く比重が小さい炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）で補強したアルミニウム材が用いられる。その際、構造物の母材表面にＣＦＲＰを固定する、いわゆるハイブリッド構造が採用される。
【０００３】
このハイブリッド構造の例が、特開平１１−２１０１５９号公報に記載されている。この公報では、ＣＦＲＰの接着強度を向上し、せん断応力集中によるＣＦＲＰ平板の接着剥離を防止するために、角パイプの表面にＣＦＲＰ平板を長手方向に沿い接着し、ＣＦＲＰ平板の端部にテーパ面を加工している。そして、テーパ面と逆向きのテーパ面を有する押さえ板を、角パイプの端部からＣＦＲＰ平板のテーパ面にかけて接着し、ＣＦＲＰ平板の端部と押さえ板によりスカーフジョイントを形成している。なお、ＣＦＲＰを母材に接着する方法も用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ＣＦＲＰを母材に接着する方法では、広範囲の異種材料同士の接合に向いているが、大負荷が作用するときには、異種材料間の弾性率の差に起因して接着端部にせん断応力が集中し、剥離を生じる恐れがあった。一方上記公報に記載のものでは、確かに端部接着強度は向上できるが構造物に負荷される荷重が大きくなると、端部から剥離を生じる恐れがなお存する。特に、構造物部材の軽量化や高剛性化が進んでくると、端部を押え板で押え付けるこの方法の改良が求められている。
【０００５】
本発明は上記従来の技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、炭素繊維強化樹脂を用いた構造物において、高荷重下や様々な環境下においても接着剥離を生じにくくすることにある。本発明の他の目的は、軽量化した高剛性なハイブリッド構造物を実現することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の特徴は、炭素繊維強化樹脂を用いた構造物が、金属製の母材と、炭素繊維強化樹脂板製の板状の補強材と、前記補強材の端部を保持する保持板とを有し、前記保持板には前記補強材の端部形状に応じた第１の溝が形成されており、前記母材には保持板を収納する第２の溝が形成されており、前記保持板と前記補強材とを接着剤を用いて接着し、前記補強材の端部を保持板を介して母材にボルトで締結するとともに、前記補強材の中間部に他の保持板を接着剤で接着し、前記母材にこの他の保持板が嵌合する第３の溝を形成したことにある。
【０００７】
上記目的を達成する本発明の他の特徴は、炭素繊維強化樹脂を用いた構造物が、金属製の母材と、炭素繊維強化樹脂板製の板状の補強材と、前記補強材の端部を保持する保持板とを有し、前記保持板には前記補強材の端部形状に応じた第１の溝が形成されており、前記母材には保持板を収納する第２の溝が形成されており、前記保持板と前記補強材とを接着剤を用いて接着し、前記補強材の端部に長手方向に幅が拡大するテーパ部を形成し、このテーパ部を前記保持板に機械的に締結したことにある。
【０００８】
上記目的を達成するための本発明のさらに他の特徴は、炭素繊維強化樹脂を用いた構造物がアルミニウム合金製の母材と、炭素繊維強化樹脂板製の板状の補強材と、前記補強材の端部を保持する保持板とを有し、前記保持板には前記補強材の端部形状に応じた第１の溝が形成されており、前記母材には保持板を収納する第２の溝が形成されており、前記補強材を前記保持板の溝に接着し、前記補強材の中間部が前記母材に密着するように保持板を母材に嵌合し、前記補強材の前記保持板との接着面とは反対面に抑え板を接着したことにある。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図を用いて説明する。図１は、本発明に係る構造物の斜視図である。ＣＦＲＰ製の補強材１０はアルミニウム合金製の矩形状の母材２０上に載置されている。補強材１０の長手方向両端部は後述する保持板４０に接着されており、補強材の上面には押え板３０が接着されている。押え板３０及び補強材１０を貫通する穴がそれぞれの部材に形成されており、その穴にボルト６０が挿通されている。
【００１０】
この補強材の一端部形状の詳細を、図２に示す。図２は構造物の分解斜視図である。補強材１０は細長い形状をしており、その厚み方向には薄く形成されている。補強材の端部には、補強材１０を母材２０に固定するために、ボルト６０貫通用の穴６２が形成されている。この穴６２が形成された部分よりも長手方向内側では、補強材１０の幅が狭まっており、テーパ１１状になっている。テーパ１１状部分よりもさらに長手方向内側は略平行な板材になっている。
【００１１】
補強材１０の端部下面には、補強材１０のＣＦＲＰの接着剥離を防止するために、保持板４０が接着されている。保持板４０には溝４３が形成されており、この溝４３は補強材１０の端部形状に応じて形成されている。つまり、補強材１０の厚み分だけの段差４２が形成されており、補強材１０のテーパ１１形状に対応して角部には突起４１が形成されている。保持板４０には補強材１０の穴６２に対応した位置にボルト６０貫通穴またはねじ穴６３が形成されている。
【００１２】
補強材１０の上面には、押さえ板３０が接着されている。押さえ板３０は矩形状の平板で、補強材１０のボルト穴６２に対応した位置にボルト６０の貫通穴６１が形成されている。補強材１０の中間部には矩形状の保持板５０が接着されている。保持板４０、５０は、ＣＦＲＰと接着性が良いＣＦＲＰか、またはアルマイト処理等の表面処理が施こされたアルミニウム合金製であり、補強材１０にはエポキシ系接着剤を用いて接着する。
【００１３】
母材２０には、保持板４０、５０に応じた位置に矩形の溝２１、２２が彫られている。溝２１、２２の深さは、溝のない部分で補強材１０が母材２０に密着する深さとする。
【００１４】
このように形成した各部材の組み立て方法を、説明する。保持板４０に形成した突起４１をガイドにして、補強材１０を保持板４０に接着する。補強材１０の中間部にも保持板５０を接着する。保持板４０と一体になった補強材１０を母材２０に接着する。次いで、補強材１０に形成した穴６２に穴６１を合わせて押さえ板３０を接着し、最後にボルト穴６１、６２、６３にボルト６０を挿通して接着部分を補強する。
【００１５】
本実施例においては、補強材１０の端部に保持板４０を接着し、構造物の母材２０に保持板４０を嵌合接着している。構造物７０に引張り荷重や曲げ荷重が負荷されても、補強材１０が母材２０と機械的に接合されていので、高荷重条件でも補強材１０のＣＦＲＰは剥離しない。なお、引張り荷重に対する剛性を高めるためには、補強材１０を引張り荷重が作用する面に接着させ、引張り方向と補強材１０の炭素繊維の配向方向を一致させるのがよい。
【００１６】
また、保持板４０、５０にＣＦＲＰと接着性が良い材質または表面処理を選択しているので、母材２０と補強材１０との接着状態があまり良くなくても、安定した接着強さを得ることが出来る。つまり、保持板４０と補強材１０との接合さえ強固であれば、母材２０の材質や母材２０の表面処理被覆がどうあれ、構造物の剛性を高くできる。保持板５０を補強材１０に付設したので、保持板５０と補強材１０との接着界面に発生するせん断応力を分散することができ、ＣＦＲＰの剥離を防止出来る。
【００１７】
上記実施例では高荷重を想定して補強材１０に保持板５０を接着しているが、負荷荷重が小さい場合は保持板４０と補強材１０の接着力だけでＣＦＲＰの剥離を防止できるので、保持板５０は不要となる。保持板４０に突起４１を形成し、補強材１０にテーパ１１部を形成したので、接着界面のせん断応力を低減できる。これらも、構造物７０に負荷される荷重が小さいときには不要である。
【００１８】
本実施例では、保持板４０に段差４２を形成したので、押さえ板３０との接着性が良くなる。押え板３０は、補強材１０の端部との接着面積を大きくする。これにより、補強材１０の端部はアルミニウム合金製の母材２０から剥離しにくくなり、構造物の剛性が向上する。押え板３０上面からボルト６０締めしているので、補強材１０の端部に作用する垂直応力を低減できる。高荷重下以外では垂直応力が小さいから、荷重が小さい場合は接着力だけで剥離を防止でき、ボルト６０は不要となる。
【００１９】
【発明の効果】
本発明によれば、補強材に保持板を接着補強したので、ＣＦＲＰ製の補強材の端部で発生する接着界面の応力集中を低減することができ、母材と補強材間の接着剥離を防止することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る炭素繊維強化樹脂製の構造物の一実施例の斜視図。
【図２】図１に示した構造物の分解斜視図。
【符号の説明】
１０…炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）製の補強材、２０…構造物の母材、２１、２２…溝、３０…押え板、４０…保持板、４１…突起、４３…溝、５０…保持板、６０…ボルト。
Claims (3)
- 金属製の母材と、炭素繊維強化樹脂板製の板状の補強材と、前記補強材の端部を保持する保持板とを有し、前記保持板には前記補強材の端部形状に応じた第１の溝が形成されており、前記母材には保持板を収納する第２の溝が形成されており、前記保持板と前記補強材とを接着剤を用いて接着し、前記補強材の端部を保持板を介して母材にボルトで締結するとともに、前記補強材の中間部に他の保持板を接着剤で接着し、前記母材にこの他の保持板が嵌合する第３の溝を形成したことを特徴とする炭素繊維強化樹脂を用いた構造物。
- 金属製の母材と、炭素繊維強化樹脂板製の板状の補強材と、前記補強材の端部を保持する保持板とを有し、前記保持板には前記補強材の端部形状に応じた第１の溝が形成されており、前記母材には保持板を収納する第２の溝が形成されており、前記保持板と前記補強材とを接着剤を用いて接着し、前記補強材の端部に長手方向に幅が拡大するテーパ部を形成し、このテーパ部を前記保持板に機械的に締結したことを特徴とする炭素繊維強化樹脂を用いた構造物。
- アルミニウム合金製の母材と、炭素繊維強化樹脂板製の板状の補強材と、前記補強材の端部を保持する保持板とを有し、前記保持板には前記補強材の端部形状に応じた第１の溝が形成されており、前記母材には保持板を収納する第２の溝が形成されており、前記補強材を前記保持板の溝に接着し、前記補強材の中間部が前記母材に密着するように保持板を母材に嵌合し、前記補強材の前記保持板との接着面とは反対面に押さえ板を接着したことを特徴とする炭素繊維強化樹脂を用いた構造物。
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