JP4199952B2 - 中空の組立構造物及び航空機の動翼 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、中空の組立構造物に係り、航空機の動翼やドア類等にも適用され得る中空の組立構造物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数の部材を組み立ててなる中空の組立構造物では、それら部材を結合する結合手段が必要である。例えば、そのような結合手段として、接着剤やねじなどが挙げられる。
【０００３】
しかし、接着剤による結合やねじ止めで軽量かつ十分な結合強度を確保することは、中空構造の場合、製造的に困難である。そのため、ある程度の結合強度が必要とされる用途では、接着剤やねじによる結合は満足のいくものとは言い難かった。
【０００４】
また、ねじ止めによる結合では、予め部材に対してねじ孔を設けておく必要がある。ここで、部材が薄肉部材である場合には、ねじ孔の深さが浅くなるため、ねじ孔の内部に十分な長さのねじ溝を設けることが困難となる。そのため、特に、薄肉部材を組み立てる場合に、十分な結合強度を確保することが困難であった。
【０００５】
そこで従来より、薄肉部材同士を高強度に結合する手段として、リベットが用いられている。ここで、図９及び図１０を参照しながら、リベット結合について説明する。リベット結合では、結合しようとする薄肉部材１０１，１０２に予めリベット孔１０３，１０４を設けておき（図９（ａ）又は図１０（ａ）参照）、これらリベット孔１０３，１０４にリベット１０５を挿入する。そして、リベット１０５の一端側に当て盤１０６を配置した後、リベット１０５の他端をリベッタ１０７で軸方向にたたきつける（図９（ｂ）又は図１０（ｂ）参照）。これにより、図９（ｃ）又は図１０（ｃ）に示すように、リベット１０５の中間部及び端部がそれぞれ広がり、薄肉部材１０１と薄肉部材１０２とがリベット１０５を介して互いに結合されることになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述のリベット結合では、リベット１０５における裏側、すなわち、リベッタ１０７で打撃を行う側と反対の側を、当て盤１０６で押さえておく必要があった。そのため、作業効率が十分に高いとは言い難かった。
【０００７】
また、特に組立構造物が密閉型の中空構造物である場合には、リベット１０５を外側から挿入する必要があるが、密閉されている中空部側には手を挿入することができないため、当て盤１０６を配置することは困難である。そのため、密閉型中空構造物に対して、リベット結合をそのまま用いることは難しかった。また、機械的挙動をするブラインドリベットを用いることしかできなかった。したがって、薄肉部材の組み合わせによって密閉型の中空構造物を構成しようとする場合、十分な結合強度を確保することは非常に困難であった。
【０００８】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、リベット結合が不要な結合強度の高い中空組立構造物を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る組立構造物は、少なくとも第１及び第２の部材が組み立てられてなる中空の組立構造物であって、前記第１部材には、貫通孔が設けられ、前記第２部材には、前記第１部材の貫通孔に対応した大きさの凹部又は貫通孔が設けられ、前記第１部材と前記第２部材とは、柱状部材が前記第１部材の貫通孔と前記第２部材の凹部又は貫通孔とに挿入され且つ前記柱状部材の外周面が前記第１部材の貫通孔の壁面及び前記第２部材の凹部又は貫通孔の壁面各々と擦れ合って摩擦攪拌接合されることによって組み立てられているものである。
【００１０】
上記組立構造物では、第１部材は貫通孔内において、柱状部材と摩擦攪拌接合される。また、第２部材も、その貫通孔又は凹部において、上記柱状部材と摩擦攪拌接合される。その結果、第１部材と第２部材とは、上記柱状部材を介して、十分な結合強度で互いに結合されることになる。
【００１１】
柱状部材の摩擦攪拌接合に際しては、柱状部材を第１部材の貫通孔と第２部材の貫通孔又は凹部とに対して擦り合わせるように挿入するだけで足りるので、リベット結合のように第２部材の裏側に当て盤を設けること等は不要である。したがって、簡易な作業により第１部材と第２部材とを結合することができ、作業性が向上する。
【００１２】
前記組立構造物は、内側に中空部を有するように筒状、箱状、又は密閉型の箱状に構成され、第１部材と第２部材とは、前記第１部材の貫通孔が前記第２部材の凹部又は貫通孔よりも外側に位置するように組み立てられていてもよい。
【００１３】
なお、上記及び下記でいうところの「密閉型」は、完全に密閉されているものに限らず、一部が開放されているものも含む。
【００１４】
筒状、箱状、又は密閉型の箱状の組立構造物では、内側に当て盤を設けることが難しいため、リベット結合の作業性が悪く、あるいはリベット結合自体が困難であった。しかし、上記の組立構造物では、内側に当て盤を設ける必要はないので、筒状、箱状又は密閉型の箱状であるにも拘わらず、容易に製造することができる。また、ねじ止めや接着剤による結合に比べて、十分な結合強度を有する。
【００１５】
第１部材及び第２部材は、それぞれ薄板部材からなっていてもよい。
【００１６】
柱状部材は、第１部材と第２部材とに摩擦攪拌接合されるので、両部材が薄肉の部材であっても、両部材は十分な結合強度で結合されることになる。第１部材及び第２部材が薄肉部材からなっていることにより、組立構造物は軽量化される。また、必要な部材量が少なくなるので、構造物の低コスト化が図られる。
【００１７】
第１部材及び第２部材のうちのいずれか一方又は両方は、削り出し部材からなっていることが好ましい。
【００１８】
近年の高速切削技術の発展に伴い、ある程度複雑な構成を有する部材であっても、削り出し部材によって形成することが可能となった。本発明では、薄肉部材であっても、十分な結合強度で結合することができるので、そのような削り出し部材を積極的に活用することができる。そして、削り出し部材を用いることにより、組立構造物の部品点数の低減、作業性の向上、組立工数の低減などが図られる。
【００１９】
第１部材と第２部材と柱状部材とは、同種材料からなっていることが好ましい。
【００２０】
このことにより、電食が抑制され、耐腐食性が向上する。
【００２１】
第１部材と第２部材との接触面同士は、接着剤によって接着されていてもよい。
【００２２】
このことにより、第１部材と第２部材との間の隙間が接着剤によって塞がれるので、組立構造物の内部に水等の異物が侵入することが防止される。また、第１部材と第２部材との結合強度が更に向上する。
【００２３】
前記組立構造物は、翼の一部又は全部を構成していてもよい。
【００２４】
なお、ここでいう翼は、航空機の翼、例えば、航空機の固定翼（主翼、尾翼等）、動翼（フラップ、エルロン、エレベータ等）、回転翼（ヘリコプターのブレード等）の他、潜水艦の翼、送風機の羽根車の羽根、水車の羽根、風車の羽根等、様々な翼を含むものである。
【００２５】
このことにより、高強度且つ軽量の翼を形成することができる。
【００２６】
本発明に係る航空機の動翼は、表面が一方の翼面をなすとともに裏面にリブが一体的に設けられた削り出し部材からなり、裏面側に開口部を有する箱状に形成される一方、前記開口の周辺に、複数の貫通孔が設けられた板状の結合部を有する本体部と、前記本体部の貫通孔に対応する貫通孔が設けられ、表面が他方の翼面をなす外板とを備え、前記本体部と前記外板とは、前記本体部の結合部と前記外板の裏面とが接着剤で接着されるとともに、柱状部材が前記外板の貫通孔と前記本体部の貫通孔とに挿入され且つ前記柱状部材の外周面が前記外板の貫通孔の壁面及び前記本体部の貫通孔の壁面各々と擦れ合って摩擦攪拌接合されることによって結合されているものである。
【００２７】
このことにより、高強度且つ軽量の動翼が得られることになる。また、部品点数が少なく、組立工数の少ない動翼が得られることになる。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、第１部材と第２部材とに柱状部材を挿入し且つ柱状部材の外周面と前記第１部材の貫通孔の壁面及び前記第２部材の凹部又は貫通孔の壁面各々とを摩擦攪拌接合することとしたので、組立構造物の一方の側からの作業のみにより、両部材を十分な結合強度で結合することができる。したがって、結合強度の高い組立構造物を実現することができる。
【００２９】
部材間の結合強度の高い筒状、箱状、又は密閉型の箱状の組立構造物を得ることができる。
【００３０】
第１部材及び第２部材を薄肉部材で形成することとすれば、組立構造物の低コスト化及び軽量化を促進することができる。
【００３１】
第１部材及び第２部材のうちの一方又は両方を削り出し部材によって形成することにより、組立構造物の部品点数の削減及び組立工数の低減を図ることができる。
【００３２】
第１部材と第２部材と柱状部材とを同種材料で形成することにより、耐腐食性能を向上させることができる。
【００３３】
第１部材と第２部材との接触面同士を接着剤で接着することにより、組立構造物の内部への異物の侵入を防止することができるとともに、両部材の結合強度を更に向上させることができる。
【００３４】
前記組立構造物を翼として構成することにより、高強度且つ軽量の翼を得ることができる。
【００３５】
また、本発明によれば、高強度且つ軽量であり、部品点数及び組立工数の少ない航空機の動翼を得ることができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００３７】
＜実施形態１＞
図１に示すように、本実施形態に係る組立構造物は、航空機の動翼１である。動翼１は、本体部２と外板３とが組み立てられて構成されている。
【００３８】
本体部２は、薄板状の金属材料を削り出して形成された削り出し部材からなっている。本体部２の各部の肉厚は薄く、本体部２はいわゆる薄肉部材によって形成されている。本体部２には、一方の翼面を形成する底板部４と、底板部４のスパン方向（図示のＹ方向）の両端においてそれぞれ上方に延びる翼端部５，５と、両翼端部５，５の間において底板部４から上方に延びるリブ６，６と、底板部４の前端から上方に延びる前端部７とが一体的に形成されている。なお、ここでは説明の便宜上、図１の左側を前側、右側を後側、上側を上側、下側を下側と称することとするが、これらの向きは必ずしも動翼１の使用状態における向きを意味するものではない（後述の各実施形態においても同様である）。
【００３９】
翼端部５とリブ６とは、それぞれ前後方向（図示のＸ方向）に延びる細長い薄板形状に形成されており、それらの側面は三角形状に形成されている。また、翼端部５とリブ６とは、互いに平行に形成されている。翼端部５及びリブ６の傾斜面は、前側から後側に向かうにしたがって下方に傾斜するように形成されている。
【００４０】
このように翼端部５とリブ６と前端部７とは、本体部２の裏面側に突出しており、それらの内側には開口部１５が形成されている。本実施形態では、本体部２は３つの開口部１５を有する箱形状に形成されている。なお、本体部２の表面（図１の下方の面）は、一方の翼面を形成する。
【００４１】
本体部２の上側部分（詳しくは、開口部１５の周辺部分）には、薄板状の結合部８，９，１０が設けられている。具体的には、翼端部５及びリブ６の上側には、当該翼端部５及びリブ６から横方向にＬ字型に屈曲した結合部８が設けられている。前端部７の上側には、当該前端部７から後方にＬ字型に屈曲した結合部９が設けられている。本体部２の後端部には、スパン方向に延びる結合部１０が設けられている。この結合部１０は、底板部４の後端部から前方に向かうように屈曲している。前端部７の結合部９と翼端部５及びリブ６の結合部８とは、滑らかに連続している。また、後端部の結合部１０と翼端部５及びリブ６の結合部８も、滑らかに連続している。
【００４２】
結合部８〜１０はそれぞれ一定幅の細長い結合面を有しており、結合部８〜１０には、これら結合面を貫く複数の貫通孔１１が形成されている。貫通孔１１の個数、間隔、及び配列パターンは特に限定されるものではないが、本実施形態では、貫通孔１１は結合面８〜１０の全体にわたって満遍なく形成され、一定の間隔で配列されている。
【００４３】
一方、外板３は、他方の翼面を形成する部材であり、薄板の金属材料からなっている。したがって、外板３も薄肉部材によって形成されている。外板３は本体部２の外形に合った形状に形成され、外板３には、本体部２の貫通孔１１に対応した複数の貫通孔１２が設けられている。貫通孔１２の数、大きさ、及び配置パターンは、貫通孔１１と同様である。
【００４４】
本体部２と外板３とは、円柱形状のスタッド１３を貫通孔１１，１２内に摩擦攪拌接合（Friction Stir Welding；ＦＳＷ）することによって結合されている。次に、本体部２と外板３との結合方法について説明する。
【００４５】
図２（ａ）に示すように、結合に際しては、まず、貫通孔１１と貫通孔１２とが連続するように外板３を本体部２の各結合部８〜１０上に重ね合わせる。言い換えると、貫通孔１１と貫通孔１２とを重ねるように、外板３の裏面と本体部２の裏面とを接触させる。なお、この状態で、外板３と本体部２とは、内側に中空部を有するような密閉型の箱状構造体を形成することになる。次に、スタッド１３を軸回りに回転させながら、貫通孔１２，１１に対して外側から挿入する。これにより、スタッド１３は貫通孔１２，１１の壁面と擦れ合い、摩擦熱によって外周面が溶融し、最終的にそれら壁面と接合される。その結果、外板３と本体部２とは、スタッド１３を介して結合されることになる。
【００４６】
外板３と本体部２とが結合された後、図２（ｂ）に示すように、スタッド１３の一部１３ａが外板３の表面上に突出している場合には、外板３の表面とスタッド１３とが面一になるように、スタッド１３の突出部分１３ａを除去する。
【００４７】
以上のように、本実施形態の外板３と本体部２とは、スタッド１３を用いた摩擦攪拌接合によって、互いに強固に結合されている。
【００４８】
なお、外板３と本体部２との接合強度を確保できる限り、スタッド１３と外板３と本体部２との材料は特に限定されるものではない。ただし、それらの材料が同一種類（例えば、それらの材料がすべてアルミニウムの場合）であれば、スタッド１３の外周面と外板３及び本体部２の貫通孔１２，１１の壁面との電位差が低くなるので、本実施形態では、耐腐食性能を向上させる観点から、スタッド１３と外板３と本体部２との材料を同種材料としている。
【００４９】
以上のように、本実施形態によれば、外板３及び本体部２の貫通孔１２，１１に対してスタッド１３を回転させながら挿入することにより、スタッド１３を外板３及び本体部２に摩擦攪拌接合させることができ、外板３と本体部２とを強固に結合することができる。外板３及び本体部２はそれぞれ薄肉の部材であるが、それら薄肉部材同士を堅固に固定することが可能となる。また、リベット結合と異なり、裏側に当て盤を設ける必要はないので、密閉型の中空構造物であるにも拘わらず、容易且つ迅速に組み立てることができる。
【００５０】
本体部２を削り出し部材によって一体的に形成したので、本体部を複数の部材で形成する場合に比べて、結合手段が不要になる分、本体部２の軽量化及び低コスト化を図ることができる。
【００５１】
−変形例１−
なお、航空機の動翼１は、翼表面において結露が生じたり、雨にさらされることがある。そのため、動翼１の内部に水分が侵入するおそれがある。しかし、動翼１の内部に水分が侵入すると、腐食等の原因となり好ましくない。そこで、動翼１の内側空間部に水分が侵入しないように、本体部２と外板３との間にシール材を介在させることが好ましい。
【００５２】
例えば、図３（ａ）又は（ｂ）に示すように、シール材として接着剤１４を介在させてもよい。このように、外板３と本体部２の結合面８〜１０とを接着剤で接着することとすれば、動翼１の内部への水分の混入を防止することができるだけでなく、外板３と本体部２との結合強度を更に向上させることができる。
【００５３】
−変形例２−
航空機の動翼の形状は、上記実施形態の形状に限定されるものではなく、他の様々な形状が可能である。例えば、図４に示すように、動翼は、断面形状が上下対称のいわゆる対称翼であってもよい。また、非対称翼であってもよい。外板３は平板形状に限らず、湾曲していてもよいことは勿論である。また、部品点数は２つに限らず、３つ以上であってもよい。
【００５４】
＜実施形態２＞
図５に示すように、実施形態２に係る組立構造物は、２以上の部材を組み合わせてなる支柱２０である。この支柱２０は、第１支柱２１と第２支柱２２とが継手２３によって結合されて構成されている。
【００５５】
第１支柱２１及び第２支柱２２は、内部に中空部が設けられた矩形型の筒状部材である。第１支柱２１及び第２支柱２２の軸方向の一端部（詳しくは、第１支柱２１の下端部及び第２支柱２２の上端部）には、内外を貫く貫通孔（図示せず）が形成されている。これらの貫通孔は、支柱２１，２２の外周に沿って一定間隔で並んでいる。
【００５６】
継手２３は、第１支柱２１及び第２支柱２２よりも一回り大きな矩形型の筒状部材からなっている。継手２３の上端部には、第１支柱２１の貫通孔に対応した貫通孔２４が設けられており、継手２３の下端部には、第２支柱２２の貫通孔に対応した貫通孔２５が設けられている。
【００５７】
継手２３の上側の貫通孔２４と第１支柱２１の貫通孔との内部には、スタッド１３が摩擦攪拌接合されている。同様に、継手２３の下側の貫通孔２５と第２支柱２２の貫通孔との内部にも、スタッド１３が摩擦攪拌接合されている。スタッド１３の摩擦攪拌接合については、実施形態１と同様であるので、ここではその説明は省略する。
【００５８】
本実施形態においても、実施形態１と同様、薄肉部材同士を強固に結合することができる。また、中空構造物であるにも拘わらず、容易且つ迅速に組み立てることができる。
【００５９】
＜実施形態３＞
図６に示すように、実施形態３に係る組立構造物は、列車の車両３０である。車両３０は、骨組部材（図示せず）に対して複数の外板３１が結合されて構成されている。上記骨組部材及び外板３１には、それぞれ複数の貫通孔３２が設けられている。外板３１の貫通孔３２と上記骨組部材の貫通孔との内部には、前記実施形態と同様にして、スタッド１３が摩擦攪拌接合されている。したがって、本実施形態によれば、結合強度の高い車両３０を容易且つ迅速に組み立てることができる。
【００６０】
＜実施形態４＞
図７に示すように、実施形態４に係る組立構造物は、航空機の主翼の骨格部材４０である。この骨格部材４０は、前けた４１と後けた４２と複数のリブ４３とが組み立てられて構成されている。各リブ４３は、その前後の両端部において、断面Ｌ字型のアングル継手４４を介して、前けた４１及び後けた４２と結合されている。
【００６１】
前けた４１及び後けた４２には、スパン方向（図７の左右方向）に所定間隔毎に、図７の上下方向に並んだ複数の貫通孔４５が設けられている。また、リブ４３の両端部にも、上下方向に並んだ複数の貫通孔４６が設けられている。アングル継手４４には、これらの貫通孔４５，４６に対応した貫通孔４７が設けられている。
【００６２】
アングル継手４４の貫通孔４７と上記貫通孔４５，４６との内部には、実施形態１，２と同様に、スタッド１３が摩擦攪拌接合されている。これにより、前けた４１、後けた４２及びリブ４３は、アングル継手４４と強固に結合されている。したがって、前けた４１とリブ４３と後けた４２とは、アングル継手４４を介して互いに堅固に組み立てられている。
【００６３】
以上のように、本実施形態においても、前記実施形態と同様、薄肉部材同士を容易、迅速且つ強固に結合することができる。
【００６４】
なお、上記の骨格部材４０を形成した後、翼面を形成する外板等を当該骨格部材４０に対して組み立てることになるが、そのような外板等と上記骨格部材４０とを上記と同様にして結合してもよいことは勿論である。つまり、外板等と骨格部材４０とを、スタッドを用いた摩擦攪拌接合を利用して結合してもよい。
【００６５】
＜実施形態５＞
図８に示すように、実施形態５に係る組立構造物は、複数の部材を組み合わせてなる筐体５０である。この筐体５０は、天板５１と側板５２，５３と底板５４とを組み合わせて構成されている。
【００６６】
天板５１及び底板５４の各々の四隅部には、貫通孔５５が形成されている。一方、側板５２，５３の上面及び下面には、天板５１及び底板５４の貫通孔５５に対応する凹部５６が形成されている。つまり、側板５２，５３には、天板５１及び底板５４の貫通孔５５に対応する位置に、それら貫通孔５５に対応する大きさの凹部５６が設けられている。
【００６７】
天板５１の貫通孔５５と両側板５２，５３の上面の凹部５６との内部には、前記実施形態と同様にして、スタッド１３が摩擦攪拌接合されている。また、底板５４の貫通孔５５と両側板５２，５３の下面の凹部５６との内部にも、スタッド１３が摩擦攪拌接合されている。なお、スタッド１３は、外側から挿入されている。すなわち、天板５１と両側板５２，５３との結合に際しては、スタッド１３は上方から挿入され、底板５４と両側板５２，５３との結合に際しては、スタッド１３は下方から挿入される。
【００６８】
したがって、本実施形態においても、複数の部材を強固に結合することができ、筐体５０を容易且つ迅速に組み立てることができる。
【００６９】
なお、上記筐体５０に対して前板及び後板（図示せず）を側板５２，５３と同様にして結合し、上記筐体５０を完全密閉型の中空構造物としてもよい。
【００７０】
本実施形態のように、一方の部材に貫通孔を設け、他方の部材に上記貫通孔に対応する凹部を設けることとすれば、他方の部材は薄肉部材に限定されない。したがって、薄肉部材と厚肉部材とを結合することも可能となる。
【００７１】
＜他の実施形態＞
本発明の適用対象は、前記各実施形態に限定されるものではなく、他の様々な実施形態が可能である。例えば、航空機のドア類、ヘリコプターのブレード、風車の羽根、船舶のスクリュー、送風機の羽根車、水車の羽根等のように、流体にさらされるような用途に用いられる他の組立構造物に対して本発明を適用することも可能である。また、ラックや金属製家具等の組立構造物に対して、本発明を適用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施形態１に係る動翼の分解斜視図である。
【図２】 （ａ）及び（ｂ）は、スタッドを用いた摩擦攪拌接合についての説明図である。
【図３】 （ａ）及び（ｂ）は、実施形態１の変形例１に係る動翼の部分断面図である。
【図４】 実施形態１の変形例２に係る動翼の分解斜視図である。
【図５】 実施形態２に係る支柱の斜視図である。
【図６】 実施形態３に係る車両の斜視図である。
【図７】 実施形態４に係る主翼の骨格部材の斜視図である。
【図８】 実施形態５に係る筐体の分解斜視図である。
【図９】 （ａ）〜（ｃ）は、リベット結合の説明図である。
【図１０】 （ａ）〜（ｃ）は、リベット結合の説明図である。
【符号の説明】
１ 動翼（組立構造物）
２ 本体部（第２部材）
３ 外板（第１部材）
４ 底板部
５ 翼端部
６ リブ
７ 前端部
８〜１０ 結合部
１１ 貫通孔
１２ 貫通孔
１３ スタッド（柱状部材）
１４ 接着剤
２０ 支柱
３０ 車両
４０ 主翼の骨格部材
５０ 筐体
【発明の属する技術分野】
本発明は、中空の組立構造物に係り、航空機の動翼やドア類等にも適用され得る中空の組立構造物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数の部材を組み立ててなる中空の組立構造物では、それら部材を結合する結合手段が必要である。例えば、そのような結合手段として、接着剤やねじなどが挙げられる。
【０００３】
しかし、接着剤による結合やねじ止めで軽量かつ十分な結合強度を確保することは、中空構造の場合、製造的に困難である。そのため、ある程度の結合強度が必要とされる用途では、接着剤やねじによる結合は満足のいくものとは言い難かった。
【０００４】
また、ねじ止めによる結合では、予め部材に対してねじ孔を設けておく必要がある。ここで、部材が薄肉部材である場合には、ねじ孔の深さが浅くなるため、ねじ孔の内部に十分な長さのねじ溝を設けることが困難となる。そのため、特に、薄肉部材を組み立てる場合に、十分な結合強度を確保することが困難であった。
【０００５】
そこで従来より、薄肉部材同士を高強度に結合する手段として、リベットが用いられている。ここで、図９及び図１０を参照しながら、リベット結合について説明する。リベット結合では、結合しようとする薄肉部材１０１，１０２に予めリベット孔１０３，１０４を設けておき（図９（ａ）又は図１０（ａ）参照）、これらリベット孔１０３，１０４にリベット１０５を挿入する。そして、リベット１０５の一端側に当て盤１０６を配置した後、リベット１０５の他端をリベッタ１０７で軸方向にたたきつける（図９（ｂ）又は図１０（ｂ）参照）。これにより、図９（ｃ）又は図１０（ｃ）に示すように、リベット１０５の中間部及び端部がそれぞれ広がり、薄肉部材１０１と薄肉部材１０２とがリベット１０５を介して互いに結合されることになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述のリベット結合では、リベット１０５における裏側、すなわち、リベッタ１０７で打撃を行う側と反対の側を、当て盤１０６で押さえておく必要があった。そのため、作業効率が十分に高いとは言い難かった。
【０００７】
また、特に組立構造物が密閉型の中空構造物である場合には、リベット１０５を外側から挿入する必要があるが、密閉されている中空部側には手を挿入することができないため、当て盤１０６を配置することは困難である。そのため、密閉型中空構造物に対して、リベット結合をそのまま用いることは難しかった。また、機械的挙動をするブラインドリベットを用いることしかできなかった。したがって、薄肉部材の組み合わせによって密閉型の中空構造物を構成しようとする場合、十分な結合強度を確保することは非常に困難であった。
【０００８】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、リベット結合が不要な結合強度の高い中空組立構造物を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る組立構造物は、少なくとも第１及び第２の部材が組み立てられてなる中空の組立構造物であって、前記第１部材には、貫通孔が設けられ、前記第２部材には、前記第１部材の貫通孔に対応した大きさの凹部又は貫通孔が設けられ、前記第１部材と前記第２部材とは、柱状部材が前記第１部材の貫通孔と前記第２部材の凹部又は貫通孔とに挿入され且つ前記柱状部材の外周面が前記第１部材の貫通孔の壁面及び前記第２部材の凹部又は貫通孔の壁面各々と擦れ合って摩擦攪拌接合されることによって組み立てられているものである。
【００１０】
上記組立構造物では、第１部材は貫通孔内において、柱状部材と摩擦攪拌接合される。また、第２部材も、その貫通孔又は凹部において、上記柱状部材と摩擦攪拌接合される。その結果、第１部材と第２部材とは、上記柱状部材を介して、十分な結合強度で互いに結合されることになる。
【００１１】
柱状部材の摩擦攪拌接合に際しては、柱状部材を第１部材の貫通孔と第２部材の貫通孔又は凹部とに対して擦り合わせるように挿入するだけで足りるので、リベット結合のように第２部材の裏側に当て盤を設けること等は不要である。したがって、簡易な作業により第１部材と第２部材とを結合することができ、作業性が向上する。
【００１２】
前記組立構造物は、内側に中空部を有するように筒状、箱状、又は密閉型の箱状に構成され、第１部材と第２部材とは、前記第１部材の貫通孔が前記第２部材の凹部又は貫通孔よりも外側に位置するように組み立てられていてもよい。
【００１３】
なお、上記及び下記でいうところの「密閉型」は、完全に密閉されているものに限らず、一部が開放されているものも含む。
【００１４】
筒状、箱状、又は密閉型の箱状の組立構造物では、内側に当て盤を設けることが難しいため、リベット結合の作業性が悪く、あるいはリベット結合自体が困難であった。しかし、上記の組立構造物では、内側に当て盤を設ける必要はないので、筒状、箱状又は密閉型の箱状であるにも拘わらず、容易に製造することができる。また、ねじ止めや接着剤による結合に比べて、十分な結合強度を有する。
【００１５】
第１部材及び第２部材は、それぞれ薄板部材からなっていてもよい。
【００１６】
柱状部材は、第１部材と第２部材とに摩擦攪拌接合されるので、両部材が薄肉の部材であっても、両部材は十分な結合強度で結合されることになる。第１部材及び第２部材が薄肉部材からなっていることにより、組立構造物は軽量化される。また、必要な部材量が少なくなるので、構造物の低コスト化が図られる。
【００１７】
第１部材及び第２部材のうちのいずれか一方又は両方は、削り出し部材からなっていることが好ましい。
【００１８】
近年の高速切削技術の発展に伴い、ある程度複雑な構成を有する部材であっても、削り出し部材によって形成することが可能となった。本発明では、薄肉部材であっても、十分な結合強度で結合することができるので、そのような削り出し部材を積極的に活用することができる。そして、削り出し部材を用いることにより、組立構造物の部品点数の低減、作業性の向上、組立工数の低減などが図られる。
【００１９】
第１部材と第２部材と柱状部材とは、同種材料からなっていることが好ましい。
【００２０】
このことにより、電食が抑制され、耐腐食性が向上する。
【００２１】
第１部材と第２部材との接触面同士は、接着剤によって接着されていてもよい。
【００２２】
このことにより、第１部材と第２部材との間の隙間が接着剤によって塞がれるので、組立構造物の内部に水等の異物が侵入することが防止される。また、第１部材と第２部材との結合強度が更に向上する。
【００２３】
前記組立構造物は、翼の一部又は全部を構成していてもよい。
【００２４】
なお、ここでいう翼は、航空機の翼、例えば、航空機の固定翼（主翼、尾翼等）、動翼（フラップ、エルロン、エレベータ等）、回転翼（ヘリコプターのブレード等）の他、潜水艦の翼、送風機の羽根車の羽根、水車の羽根、風車の羽根等、様々な翼を含むものである。
【００２５】
このことにより、高強度且つ軽量の翼を形成することができる。
【００２６】
本発明に係る航空機の動翼は、表面が一方の翼面をなすとともに裏面にリブが一体的に設けられた削り出し部材からなり、裏面側に開口部を有する箱状に形成される一方、前記開口の周辺に、複数の貫通孔が設けられた板状の結合部を有する本体部と、前記本体部の貫通孔に対応する貫通孔が設けられ、表面が他方の翼面をなす外板とを備え、前記本体部と前記外板とは、前記本体部の結合部と前記外板の裏面とが接着剤で接着されるとともに、柱状部材が前記外板の貫通孔と前記本体部の貫通孔とに挿入され且つ前記柱状部材の外周面が前記外板の貫通孔の壁面及び前記本体部の貫通孔の壁面各々と擦れ合って摩擦攪拌接合されることによって結合されているものである。
【００２７】
このことにより、高強度且つ軽量の動翼が得られることになる。また、部品点数が少なく、組立工数の少ない動翼が得られることになる。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、第１部材と第２部材とに柱状部材を挿入し且つ柱状部材の外周面と前記第１部材の貫通孔の壁面及び前記第２部材の凹部又は貫通孔の壁面各々とを摩擦攪拌接合することとしたので、組立構造物の一方の側からの作業のみにより、両部材を十分な結合強度で結合することができる。したがって、結合強度の高い組立構造物を実現することができる。
【００２９】
部材間の結合強度の高い筒状、箱状、又は密閉型の箱状の組立構造物を得ることができる。
【００３０】
第１部材及び第２部材を薄肉部材で形成することとすれば、組立構造物の低コスト化及び軽量化を促進することができる。
【００３１】
第１部材及び第２部材のうちの一方又は両方を削り出し部材によって形成することにより、組立構造物の部品点数の削減及び組立工数の低減を図ることができる。
【００３２】
第１部材と第２部材と柱状部材とを同種材料で形成することにより、耐腐食性能を向上させることができる。
【００３３】
第１部材と第２部材との接触面同士を接着剤で接着することにより、組立構造物の内部への異物の侵入を防止することができるとともに、両部材の結合強度を更に向上させることができる。
【００３４】
前記組立構造物を翼として構成することにより、高強度且つ軽量の翼を得ることができる。
【００３５】
また、本発明によれば、高強度且つ軽量であり、部品点数及び組立工数の少ない航空機の動翼を得ることができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００３７】
＜実施形態１＞
図１に示すように、本実施形態に係る組立構造物は、航空機の動翼１である。動翼１は、本体部２と外板３とが組み立てられて構成されている。
【００３８】
本体部２は、薄板状の金属材料を削り出して形成された削り出し部材からなっている。本体部２の各部の肉厚は薄く、本体部２はいわゆる薄肉部材によって形成されている。本体部２には、一方の翼面を形成する底板部４と、底板部４のスパン方向（図示のＹ方向）の両端においてそれぞれ上方に延びる翼端部５，５と、両翼端部５，５の間において底板部４から上方に延びるリブ６，６と、底板部４の前端から上方に延びる前端部７とが一体的に形成されている。なお、ここでは説明の便宜上、図１の左側を前側、右側を後側、上側を上側、下側を下側と称することとするが、これらの向きは必ずしも動翼１の使用状態における向きを意味するものではない（後述の各実施形態においても同様である）。
【００３９】
翼端部５とリブ６とは、それぞれ前後方向（図示のＸ方向）に延びる細長い薄板形状に形成されており、それらの側面は三角形状に形成されている。また、翼端部５とリブ６とは、互いに平行に形成されている。翼端部５及びリブ６の傾斜面は、前側から後側に向かうにしたがって下方に傾斜するように形成されている。
【００４０】
このように翼端部５とリブ６と前端部７とは、本体部２の裏面側に突出しており、それらの内側には開口部１５が形成されている。本実施形態では、本体部２は３つの開口部１５を有する箱形状に形成されている。なお、本体部２の表面（図１の下方の面）は、一方の翼面を形成する。
【００４１】
本体部２の上側部分（詳しくは、開口部１５の周辺部分）には、薄板状の結合部８，９，１０が設けられている。具体的には、翼端部５及びリブ６の上側には、当該翼端部５及びリブ６から横方向にＬ字型に屈曲した結合部８が設けられている。前端部７の上側には、当該前端部７から後方にＬ字型に屈曲した結合部９が設けられている。本体部２の後端部には、スパン方向に延びる結合部１０が設けられている。この結合部１０は、底板部４の後端部から前方に向かうように屈曲している。前端部７の結合部９と翼端部５及びリブ６の結合部８とは、滑らかに連続している。また、後端部の結合部１０と翼端部５及びリブ６の結合部８も、滑らかに連続している。
【００４２】
結合部８〜１０はそれぞれ一定幅の細長い結合面を有しており、結合部８〜１０には、これら結合面を貫く複数の貫通孔１１が形成されている。貫通孔１１の個数、間隔、及び配列パターンは特に限定されるものではないが、本実施形態では、貫通孔１１は結合面８〜１０の全体にわたって満遍なく形成され、一定の間隔で配列されている。
【００４３】
一方、外板３は、他方の翼面を形成する部材であり、薄板の金属材料からなっている。したがって、外板３も薄肉部材によって形成されている。外板３は本体部２の外形に合った形状に形成され、外板３には、本体部２の貫通孔１１に対応した複数の貫通孔１２が設けられている。貫通孔１２の数、大きさ、及び配置パターンは、貫通孔１１と同様である。
【００４４】
本体部２と外板３とは、円柱形状のスタッド１３を貫通孔１１，１２内に摩擦攪拌接合（Friction Stir Welding；ＦＳＷ）することによって結合されている。次に、本体部２と外板３との結合方法について説明する。
【００４５】
図２（ａ）に示すように、結合に際しては、まず、貫通孔１１と貫通孔１２とが連続するように外板３を本体部２の各結合部８〜１０上に重ね合わせる。言い換えると、貫通孔１１と貫通孔１２とを重ねるように、外板３の裏面と本体部２の裏面とを接触させる。なお、この状態で、外板３と本体部２とは、内側に中空部を有するような密閉型の箱状構造体を形成することになる。次に、スタッド１３を軸回りに回転させながら、貫通孔１２，１１に対して外側から挿入する。これにより、スタッド１３は貫通孔１２，１１の壁面と擦れ合い、摩擦熱によって外周面が溶融し、最終的にそれら壁面と接合される。その結果、外板３と本体部２とは、スタッド１３を介して結合されることになる。
【００４６】
外板３と本体部２とが結合された後、図２（ｂ）に示すように、スタッド１３の一部１３ａが外板３の表面上に突出している場合には、外板３の表面とスタッド１３とが面一になるように、スタッド１３の突出部分１３ａを除去する。
【００４７】
以上のように、本実施形態の外板３と本体部２とは、スタッド１３を用いた摩擦攪拌接合によって、互いに強固に結合されている。
【００４８】
なお、外板３と本体部２との接合強度を確保できる限り、スタッド１３と外板３と本体部２との材料は特に限定されるものではない。ただし、それらの材料が同一種類（例えば、それらの材料がすべてアルミニウムの場合）であれば、スタッド１３の外周面と外板３及び本体部２の貫通孔１２，１１の壁面との電位差が低くなるので、本実施形態では、耐腐食性能を向上させる観点から、スタッド１３と外板３と本体部２との材料を同種材料としている。
【００４９】
以上のように、本実施形態によれば、外板３及び本体部２の貫通孔１２，１１に対してスタッド１３を回転させながら挿入することにより、スタッド１３を外板３及び本体部２に摩擦攪拌接合させることができ、外板３と本体部２とを強固に結合することができる。外板３及び本体部２はそれぞれ薄肉の部材であるが、それら薄肉部材同士を堅固に固定することが可能となる。また、リベット結合と異なり、裏側に当て盤を設ける必要はないので、密閉型の中空構造物であるにも拘わらず、容易且つ迅速に組み立てることができる。
【００５０】
本体部２を削り出し部材によって一体的に形成したので、本体部を複数の部材で形成する場合に比べて、結合手段が不要になる分、本体部２の軽量化及び低コスト化を図ることができる。
【００５１】
−変形例１−
なお、航空機の動翼１は、翼表面において結露が生じたり、雨にさらされることがある。そのため、動翼１の内部に水分が侵入するおそれがある。しかし、動翼１の内部に水分が侵入すると、腐食等の原因となり好ましくない。そこで、動翼１の内側空間部に水分が侵入しないように、本体部２と外板３との間にシール材を介在させることが好ましい。
【００５２】
例えば、図３（ａ）又は（ｂ）に示すように、シール材として接着剤１４を介在させてもよい。このように、外板３と本体部２の結合面８〜１０とを接着剤で接着することとすれば、動翼１の内部への水分の混入を防止することができるだけでなく、外板３と本体部２との結合強度を更に向上させることができる。
【００５３】
−変形例２−
航空機の動翼の形状は、上記実施形態の形状に限定されるものではなく、他の様々な形状が可能である。例えば、図４に示すように、動翼は、断面形状が上下対称のいわゆる対称翼であってもよい。また、非対称翼であってもよい。外板３は平板形状に限らず、湾曲していてもよいことは勿論である。また、部品点数は２つに限らず、３つ以上であってもよい。
【００５４】
＜実施形態２＞
図５に示すように、実施形態２に係る組立構造物は、２以上の部材を組み合わせてなる支柱２０である。この支柱２０は、第１支柱２１と第２支柱２２とが継手２３によって結合されて構成されている。
【００５５】
第１支柱２１及び第２支柱２２は、内部に中空部が設けられた矩形型の筒状部材である。第１支柱２１及び第２支柱２２の軸方向の一端部（詳しくは、第１支柱２１の下端部及び第２支柱２２の上端部）には、内外を貫く貫通孔（図示せず）が形成されている。これらの貫通孔は、支柱２１，２２の外周に沿って一定間隔で並んでいる。
【００５６】
継手２３は、第１支柱２１及び第２支柱２２よりも一回り大きな矩形型の筒状部材からなっている。継手２３の上端部には、第１支柱２１の貫通孔に対応した貫通孔２４が設けられており、継手２３の下端部には、第２支柱２２の貫通孔に対応した貫通孔２５が設けられている。
【００５７】
継手２３の上側の貫通孔２４と第１支柱２１の貫通孔との内部には、スタッド１３が摩擦攪拌接合されている。同様に、継手２３の下側の貫通孔２５と第２支柱２２の貫通孔との内部にも、スタッド１３が摩擦攪拌接合されている。スタッド１３の摩擦攪拌接合については、実施形態１と同様であるので、ここではその説明は省略する。
【００５８】
本実施形態においても、実施形態１と同様、薄肉部材同士を強固に結合することができる。また、中空構造物であるにも拘わらず、容易且つ迅速に組み立てることができる。
【００５９】
＜実施形態３＞
図６に示すように、実施形態３に係る組立構造物は、列車の車両３０である。車両３０は、骨組部材（図示せず）に対して複数の外板３１が結合されて構成されている。上記骨組部材及び外板３１には、それぞれ複数の貫通孔３２が設けられている。外板３１の貫通孔３２と上記骨組部材の貫通孔との内部には、前記実施形態と同様にして、スタッド１３が摩擦攪拌接合されている。したがって、本実施形態によれば、結合強度の高い車両３０を容易且つ迅速に組み立てることができる。
【００６０】
＜実施形態４＞
図７に示すように、実施形態４に係る組立構造物は、航空機の主翼の骨格部材４０である。この骨格部材４０は、前けた４１と後けた４２と複数のリブ４３とが組み立てられて構成されている。各リブ４３は、その前後の両端部において、断面Ｌ字型のアングル継手４４を介して、前けた４１及び後けた４２と結合されている。
【００６１】
前けた４１及び後けた４２には、スパン方向（図７の左右方向）に所定間隔毎に、図７の上下方向に並んだ複数の貫通孔４５が設けられている。また、リブ４３の両端部にも、上下方向に並んだ複数の貫通孔４６が設けられている。アングル継手４４には、これらの貫通孔４５，４６に対応した貫通孔４７が設けられている。
【００６２】
アングル継手４４の貫通孔４７と上記貫通孔４５，４６との内部には、実施形態１，２と同様に、スタッド１３が摩擦攪拌接合されている。これにより、前けた４１、後けた４２及びリブ４３は、アングル継手４４と強固に結合されている。したがって、前けた４１とリブ４３と後けた４２とは、アングル継手４４を介して互いに堅固に組み立てられている。
【００６３】
以上のように、本実施形態においても、前記実施形態と同様、薄肉部材同士を容易、迅速且つ強固に結合することができる。
【００６４】
なお、上記の骨格部材４０を形成した後、翼面を形成する外板等を当該骨格部材４０に対して組み立てることになるが、そのような外板等と上記骨格部材４０とを上記と同様にして結合してもよいことは勿論である。つまり、外板等と骨格部材４０とを、スタッドを用いた摩擦攪拌接合を利用して結合してもよい。
【００６５】
＜実施形態５＞
図８に示すように、実施形態５に係る組立構造物は、複数の部材を組み合わせてなる筐体５０である。この筐体５０は、天板５１と側板５２，５３と底板５４とを組み合わせて構成されている。
【００６６】
天板５１及び底板５４の各々の四隅部には、貫通孔５５が形成されている。一方、側板５２，５３の上面及び下面には、天板５１及び底板５４の貫通孔５５に対応する凹部５６が形成されている。つまり、側板５２，５３には、天板５１及び底板５４の貫通孔５５に対応する位置に、それら貫通孔５５に対応する大きさの凹部５６が設けられている。
【００６７】
天板５１の貫通孔５５と両側板５２，５３の上面の凹部５６との内部には、前記実施形態と同様にして、スタッド１３が摩擦攪拌接合されている。また、底板５４の貫通孔５５と両側板５２，５３の下面の凹部５６との内部にも、スタッド１３が摩擦攪拌接合されている。なお、スタッド１３は、外側から挿入されている。すなわち、天板５１と両側板５２，５３との結合に際しては、スタッド１３は上方から挿入され、底板５４と両側板５２，５３との結合に際しては、スタッド１３は下方から挿入される。
【００６８】
したがって、本実施形態においても、複数の部材を強固に結合することができ、筐体５０を容易且つ迅速に組み立てることができる。
【００６９】
なお、上記筐体５０に対して前板及び後板（図示せず）を側板５２，５３と同様にして結合し、上記筐体５０を完全密閉型の中空構造物としてもよい。
【００７０】
本実施形態のように、一方の部材に貫通孔を設け、他方の部材に上記貫通孔に対応する凹部を設けることとすれば、他方の部材は薄肉部材に限定されない。したがって、薄肉部材と厚肉部材とを結合することも可能となる。
【００７１】
＜他の実施形態＞
本発明の適用対象は、前記各実施形態に限定されるものではなく、他の様々な実施形態が可能である。例えば、航空機のドア類、ヘリコプターのブレード、風車の羽根、船舶のスクリュー、送風機の羽根車、水車の羽根等のように、流体にさらされるような用途に用いられる他の組立構造物に対して本発明を適用することも可能である。また、ラックや金属製家具等の組立構造物に対して、本発明を適用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施形態１に係る動翼の分解斜視図である。
【図２】 （ａ）及び（ｂ）は、スタッドを用いた摩擦攪拌接合についての説明図である。
【図３】 （ａ）及び（ｂ）は、実施形態１の変形例１に係る動翼の部分断面図である。
【図４】 実施形態１の変形例２に係る動翼の分解斜視図である。
【図５】 実施形態２に係る支柱の斜視図である。
【図６】 実施形態３に係る車両の斜視図である。
【図７】 実施形態４に係る主翼の骨格部材の斜視図である。
【図８】 実施形態５に係る筐体の分解斜視図である。
【図９】 （ａ）〜（ｃ）は、リベット結合の説明図である。
【図１０】 （ａ）〜（ｃ）は、リベット結合の説明図である。
【符号の説明】
１ 動翼（組立構造物）
２ 本体部（第２部材）
３ 外板（第１部材）
４ 底板部
５ 翼端部
６ リブ
７ 前端部
８〜１０ 結合部
１１ 貫通孔
１２ 貫通孔
１３ スタッド（柱状部材）
１４ 接着剤
２０ 支柱
３０ 車両
４０ 主翼の骨格部材
５０ 筐体
Claims (8)
- 少なくとも第１及び第２の部材が組み立てられてなる中空の組立構造物であって、
前記第１部材には、貫通孔が設けられ、
前記第２部材には、前記第１部材の貫通孔に対応した大きさの凹部又は貫通孔が設けられ、
前記第１部材と前記第２部材とは、柱状部材が前記第１部材の貫通孔と前記第２部材の凹部又は貫通孔とに挿入され且つ前記柱状部材の外周面が前記第１部材の貫通孔の壁面及び前記第２部材の凹部又は貫通孔の壁面各々と擦れ合って摩擦攪拌接合されることによって組み立てられている中空の組立構造物。 - 内側に中空部を有するように筒状、箱状、又は密閉型の箱状に構成され、
第１部材と第２部材とは、前記第１部材の貫通孔が前記第２部材の凹部又は貫通孔よりも外側に位置するように組み立てられている請求項１に記載の中空の組立構造物。 - 第１部材及び第２部材は、それぞれ薄肉部材からなっている請求項１又は２に記載の中空の組立構造物。
- 第１部材及び第２部材のうちのいずれか一方又は両方は、削り出し部材からなっている請求項１〜３のいずれか一つに記載の中空の組立構造物。
- 第１部材と第２部材と柱状部材とは、同種材料からなっている請求項１〜４のいずれか一つに記載の中空の組立構造物。
- 第１部材と第２部材との接触面同士は、接着剤によって接着されている請求項１〜５のいずれか一つに記載の中空の組立構造物。
- 翼の一部又は全部を構成している請求項１〜６のいずれか一つに記載の中空の組立構造物。
- 表面が一方の翼面をなすとともに裏面にリブが一体的に設けられた削り出し部材からなり、裏面側に開口部を有する箱状に形成される一方、前記開口の周辺に、複数の貫通孔が設けられた板状の結合部を有する本体部と、
前記本体部の貫通孔に対応する貫通孔が設けられ、表面が他方の翼面をなす外板とを備え、
前記本体部と前記外板とは、前記本体部の結合部と前記外板の裏面とが接着剤で接着されるとともに、柱状部材が前記外板の貫通孔と前記本体部の貫通孔とに挿入され且つ前記柱状部材の外周面が前記外板の貫通孔の壁面及び前記本体部の貫通孔の壁面各々と擦れ合って摩擦攪拌接合されることによって結合されている航空機の動翼。
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