JP4842934B2 - 航空機用窓枠 - Google Patents

Description

本出願については、２００４年８月９日に提出された米国特許仮出願第６０／６００，１０４号及び２００４年５月２４日に提出されたドイツ特許出願第１０ ２００４ ０２５ ３７８．１号の出願日の利益を請求し、これらの開示内容を参照することによってここに援用する。

本発明は、航空機の外装シェルに設置される窓枠に関し、この窓枠は、各場合において、１つ以上の外側のフランジと、１つの内側のフランジと、これらのフランジに対して直角をなし、かつこれらのフランジの間に配置された１つの垂直フランジと、を備え、航空機構造体との接続が外側のフランジを介して行われ、内側のフランジには、保持される窓要素が付設されるとともに、この窓要素が垂直フランジを介して保持される。さらに、本発明は、このような窓枠の製造方法に関する。

今日製造されて運航している殆どの旅客航空機では、アルミニウム製の窓枠が使用され、それは鍛造及びトルーイング（形直し）により作成された部分を備える。その構成部は、全部で３つの部分、つまり、外側のフランジと、内側のフランジと、これら２つのフランジに対して直角をなし、かつこれらのフランジの間に配置された垂直フランジから成る。この窓枠は通常、外側のフランジに亘って２列のリベットで、航空機構造体、つまり航空機の外装シェルに接続される。窓要素は、内側のフランジに置かれ、それは通常、２枚の窓ガラスと、これらの間に配置されたシーリングと、を備える。そして、この窓要素は、ダウンホルダを介してその位置に保持され、このダウンホルダは、垂直フランジと接続される。

このような窓枠は、窓要素を固定するだけでなく、歪みの増大を吸収する機能も有し、この歪みの増大は、荷重を伝達する外装シェルに設けられた、窓用の比較的大きい切欠部の端で起こる。そのため、窓枠の外側のフランジは、ある面では、この切欠部を補強する役目をもち、他面では、外側のフランジを介して、枠と外装シェルとがリベットにより互いに接続される。既知のアルミニウム窓枠は通常、鍛造によって製造されるため、リベットの力分布に適した枠形状の断面分布を得ることができず、その理由は、簡易なリベット締めを可能にするために、フランジの傾きが最大で約２度にもなり得るからである。

内側のフランジは、窓要素を受け入れる役割を果たし、ここで、傾かせることにより窓の取り付けが簡単になる。同時に、客室に広がる、内側の圧力に起因する現存の荷重が、この内側のフランジを介して航空機の外装シェルへと伝達される。

垂直フランジは、できるだけ小さい重量で外装シェルにおける張力を最小限に抑えるために、枠に関する補強リブとして専ら機能する。また、この垂直フランジには通常、アイボルトが付設されるとともに、これを用いて窓要素用のダウンホルダ又はリテイナがその位置に保持される。同時に、垂直フランジはまた、窓要素を取り付ける際のガイドとなる。

本発明の目的は、上述した種類の窓枠、つまり、この用途で今日使用されている窓枠と比較して、かなりの重量節減が可能な窓枠を提供することにある。同時に、このような窓枠の製造費用は、できるだけ低くすべきものとされる。また、本発明により、このような窓枠を製造するための、簡易で費用効率の良い方法が提供される。

本発明は、このような窓枠が一定方向に配列された繊維束により強化された樹脂を含むようにすることにおいて、第一の目的を達成する。更なる目的についての解決は、一定方向に配列された繊維束で形成された半完成部材を成形型に入れ、その中に、圧力及び温度下で樹脂を注入し、次に、このようにして生成した構成材を成形型の中で硬化させるという方法によって、達成される。

本発明は、繊維が荷重方向に沿う、荷重に適合した繊維配列を有する、繊維組成の構造で製造される窓枠の使用を意図しているので、現在まで使用されているアルミニウムの窓枠と比較して、約５０パーセントの重量節減が達成される。本発明により最適化されるその層構造により、本発明に係る窓枠は、擬似等方性の層構造を有する半完成部材から作成される繊維窓枠に対して、同時に約２０パーセントの更なる軽量化の利点を有する。この大幅な重量節減の可能性を秘めているにもかかわらず、このような構成材の費用は、アルミニウムを鍛造した部材から作られた窓枠と比較して、高くならない。

同時に、平均壁厚が５ｍｍであって、公差が僅かに約０．２ｍｍとされる、本発明に係る繊維窓枠を製造することができ、これは、約４パーセントの製造公差に相当する。これに対して、アルミニウムを鍛造した枠では、製造方法にも依るが、約１．５ｍｍの公差が許容され、これは、上記と同じ壁厚において約３０パーセントの製造公差に相当する。したがって、本発明によれば、個々の窓枠間の重量のばらつきが実質的に低減されるだけでなく、同時に、航空機への枠の据え付けや枠への窓要素の取り付けがかなり簡単になる。そして、更なる利点は、本発明に係る窓枠についての安全性の向上と断熱性の大幅な向上である。

以下に、本発明について、添付図面に示した実施形態を参照して、さらに詳しく説明する。

図１に示す窓枠１は、繊維構造で作成されており、既知のアルミニウムを鍛造した枠と同様に、外側のフランジ２と、内側のフランジ３と、これら２つのフランジの間に配置された垂直フランジ４と、を有する。但し、従来のアルミニウム窓枠とは対照的に、この場合の外側のフランジ２は、均一な周方向のエッジを有する。また、この外側のフランジ２は、対応するアルミニウムを鍛造した部材と対照的に、半径方向での異なる領域において様々な厚さを有する。これにより、リベット締めやシェルの切欠部の領域において、実質的に向上した材料の利用がもたらされる。図２は、詳細な断面図において、それをより明確に示しており、航空機の外装シェル５におけるこのような窓枠１の据え付け位置を示している。本図で示されているのは、枠を外装シェル５に接続するためのリベット位置６、そして２枚の窓ガラス７及び８であり、これらの窓ガラスは、シーリング９とともに窓要素を形成する。

窓枠１は、いわゆる「レジントランスファ成形」、即ちＲＴＭ技術によって製造される。これに関して、最初に、プリフォーム（予備成形物）と称するモールド部材１０を繊維から作成する。次に、図３及び図４に示すように、これを２部品の成形型１１に位置させる。下部成形型１２と上部成形型１３の内側には、この場合、２つの部分に形成されたインナーコア１４及びアウターコア１５が配置される。２つのコア１４と１５との間にプリフォーム１０を挿入して、成形型１１を閉じ、圧力及び温度下で成形型に樹脂を注入する。次に、完成した構成材１を、成形型１１内で硬化させる。プリフォーム１０は、完成した部材として、あるいは、いわゆるサブプリフォーム技術で製造することができ、この技術では、完成した窓枠１が、個々のサブストラクチャ要素、つまりサブプリフォームを組み合わせて構成される。

各場合において、プリフォーム１０は個々の層、つまり、一方向の、円周に沿った繊維束から構成される層からなる。個々の繊維層又は位置についての方向は、ここに説明する窓枠１にて達成可能な重量節減にとって重要である。枠において周方向に沿っていない繊維方向については、ここで述べる構成で実現される重力節減を達成できない。主要な、０°、４５°及び９０°の層方向を、図５及び図６に示す。つまり、０°の方向は、窓枠１の周方向を示し、９０°の方向は、半径方向に走り、４５°の方向は、垂直フランジ４から外側のフランジ２への移行領域を走る。

繊維の進行方向を、図７乃至図１２に詳細に示す。先ず、図７は、窓枠１の荷重に適合した層構造の方向を原理的に示し、図８は、繊維束層構造についての断面図を示す。この図において、符号２０は、内側のフランジにおける０°の巻いたコアを示し、符号２３は、全ての外側領域における±６０°の配列及び外側のフランジ２から内側のフランジ３へと延びる全ての外側領域における±６０°の配列を有する繊維束を示しており、符号２４は、垂直フランジ４の領域における０°の配列及び９０°の配列を有する繊維束を示し、符号２５は、外側のフランジ２の領域における±４５°の配列を有する繊維束を示す。これらの層方向は、外側のフランジ２と、内側のフランジ３と、垂直フランジ４の境界で測定される。繊維が荷重方向に沿うように繊維の進行方向を達成するために、窓枠には、ある構造が選定され、これを要約すると以下のようになる。
外側のフランジ２：
リベット締めの領域において、擬似等方性の放射状構造
垂直フランジ４：
主荷重を受けるための０°のコア
外側における±６０°の層
内側のフランジ３：
主に０°方向
外側における±６０°の層
補強のための９０°

図９乃至図１２から分かるように、図の左側に示す窓枠１の一部を切り欠いてそれぞれに拡大しており、それぞれ直線に配置された繊維について、以下の詳細が与えられる。
垂直フランジ４：
全ての繊維は、それらが測定された方向のままである。
内側のフランジ３及び外側のフランジ２：
０°の繊維は、それらが測定された方向のままである（図９）。
±４５°の繊維は、その角度を±６０°に変更する（図１０）。
±６０°の繊維は、その角度を±７０°に変更する（図１１）。

最後に、図１２は、半径方向における９０°の繊維を示す。総じて、擬似等方性の半径方向の直線構造が提供され、ここで、繊維は、常に荷重方向に走り、真直ぐである。

このようにして作成された窓枠１は、一般的なアルミニウム窓枠と比較して、略同じ製造費用で、約５０パーセント軽量化される。その公差は、これに対応するアルミニウム構成材の公差よりも本質的に小さい。同時に、この枠は、一般的なアルミニウム窓枠よりも高い安全性及びさらに良好な断熱性を提供する。

窓枠を示す斜視図である。 図１による窓枠の据え付け位置での詳細を示す断面図である。 図１の窓枠を製造するための成形型の一部を、開いた状態で示す図である。 図３の成形型を閉じた状態で示す図である。 図６とともに、図１の窓枠における主要な方向を示す図である。 図５にＶＩで示す領域を詳細に示す図である。 図１の窓枠についての荷重に適合した層構造の方向を原理的に示す図である。 プリフォームの構造を示す断面図である。 図１の窓枠の異なる領域における繊維の進行方向を示す図である。 図１の窓枠の異なる領域における繊維の進行方向を示す図である。 図１の窓枠の異なる領域における繊維の進行方向を示す図である。 図１の窓枠の異なる領域における繊維の進行方向を示す図である。

Claims (2)

1. 航空機の外装シェルに据え付けられる窓枠であって、
   １つ以上の外側フランジと、
   １つ以上の内側フランジと、
   前記１つ以上の外側フランジ及び前記１つ以上の内側フランジに対して垂直をなし、かつ前記１つ以上の外側フランジと前記１つ以上の内側フランジとの間に配置された、１つ以上の垂直フランジと、を備え、
   前記１つ以上の外側フランジを介して前記航空機の構造体と接続され、
   前記１つ以上の内側フランジには、前記１つ以上の垂直フランジを介して保持される窓要素が付設され、
   前記窓枠（１）は、一定方向に配列された繊維束（２０、２３、２４、２５）により強化された樹脂を含み、
   前記繊維束（２０、２３、２４、２５）の進行方向は、荷重方向に沿い、
   前記繊維束（２０、２３、２４、２５）の進行方向は、以下のように選定される、
   外側フランジ（２）：
   リベット締め（６）の領域において、擬似等方性の半径方向の構造、
   内側フランジ（３）：
   主に０°方向、
   外側における±６０°の層、
   補強のための９０°、
   垂直フランジ（４）：
   主荷重を受けるための０°のコア、
   外側における±６０°の層、
   ことを特徴とする窓枠。
2. 請求項１に記載の窓枠を製造する方法であって、
   一定方向に配列された繊維束（２０、２３、２４、２５）から作られた半完成部材（１０）を成形型（１１）に挿入し、その中に圧力及び温度下で樹脂を注入し、このようにして形成された構成材（１）を次に前記成形型（１１）の中で硬化させる、
   ことを特徴とする方法。

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