JP5693195B2

JP5693195B2 - ボルト継手構造

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Publication number: JP5693195B2
Application number: JP2010277755A
Authority: JP
Inventors: 野中　吉紀; 吉紀野中; 聖紘柏木; 阿部　俊夫; 俊夫阿部
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2010-12-14
Filing date: 2010-12-14
Publication date: 2015-04-01
Anticipated expiration: 2030-12-14
Also published as: CN103154534A; JP2012127387A; EP2653734B1; CA2813166A1; EP2653734A1; WO2012081298A1; EP2653734A4; US20130287490A1; BR112013010753B1; BR112013010753A2; CA2813166C; US9157462B2; CN103154534B

Description

本発明は、航空機の翼パネル部分の胴体部分への結合など、軽量を要求されかつ結合強度を厳格に要求される結合部に用いられて好適なボルト継手構造に関する。

引張荷重や圧縮荷重に対して、被結合部材の接合部の結合強度が厳格に要求される場合、結合手段として、荷重付加方向に複数のボルトを配列したボルト継手が用いられている。複数のボルトで接合部に付加される荷重を分担するようにしている。
特許文献１には、こうしたボルト継手を航空機の翼パネル等の結合に用いることが開示されている。

複数のボルトを用いた従来のボルト継手構造を図７に示す。図７において、ボルト継手構造１００は、２枚の被結合板材１０２ａ及び１０２ｂのが、複数（図７では４個）の結合ボルト１０４ａ〜ｄが、引張荷重Ｆの作用する方向に沿って配置されている。
ボルト継手構造１００では、中央側に配置された結合ボルト１０４ｂ及び１０４ｃと、端側に配置された結合ボルト１０４ａ及び１０４ｄとでは、結合部に付加される荷重を結合部に伝達する被結合板材の微小なたわみ量の違いにより、一般的に、端側ボルトのほうが分担荷重が大きくなる。この状態を図３の荷重線Ａで示す。

被結合部材の結合部が複合材料で構成されている場合、複合材料は金属に比べ、延性が小さいため、端側ボルトの分担荷重が大きくなる傾向がある。そのため、結合部を結合するボルトの数を増やしても、結合部に付加する荷重を増大させることができない。

特表２００９−５３９７０２号公報

そこで、本発明者等は、各結合ボルトに付加される分担荷重の平均化を可能にするボルト継手構造を種々検討した。本発明者等によって案出されたボルト継手構造を図８に示す。図８において、このボルト継手構造１１０は、結合部における被結合板材１０２ａ、１０２ｂの板厚を端側にいくほど薄くしたものである。これによって、各結合ボルト周辺の被結合板材１０２ａ、１０２ｂの弾性率を、端側へいくほど小さくできる。弾性率を小さくすることで、被結合部材の剛性を小さくできるので、各結合ボルトの分担荷重を従来より平均化できることがわかった。

しかし、ボルト継手構造１１０は、被結合板材１０２ａ、１０２ｂの端側部の板厚を薄くすることで、被結合板材の強度面等、他の設計基準を満たさなくなるおそれがあると共に、結合部の形状が複雑になり、結合部の加工工数が増加するという問題がある。特に、被結合板材が複合材料であるとき、複合材料は多数の薄膜シートで構成されているため、複合材料を板厚変化させるためには、複合材料を構成する積体の数を減少させる必要がある。このことで、加工がさらに面倒になると共に、結合部の板厚変更によって、強度の対称性等を保持することができなくなるおそれがある。

そこで、本発明者等は、代替案として、被結合板材１０２ａ、１０２ｂの幅寸法を、端側にいくほど小さくすることにした。これによって、被結合部材の弾性率を端側へいくほど小さくでき、各結合ボルトの分担荷重を同様に平均化できることがわかった。しかしながら、このボルト継手構造も、強度等の設計基準を満たす上で障害になるおそれがある。

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、被結合部材の結合部で、各結合ボルトの分担荷重を平均化する共に、結合部の設計条件を満たし、かつ加工が面倒にならないボルト継手構造を実現することを目的とする。

かかる目的を達成するため、本発明のボルト継手構造は、被結合部材の結合部に、荷重付加方向に沿って複数の結合ボルトを列状に配置して該結合部を結合してなるボルト継手構造において、結合部の材質又は該結合部に付加される荷重を結合ボルトに伝達する伝達部材の材質を、端側に配置された結合ボルトほど弾性率が小さい材質で構成し、各結合ボルトに付加される分担荷重を平均化させるように構成したものである。

本発明では、被結合部材の接合部の材質又は該接合部に付加される荷重を結合ボルトにする伝達部材の材質の弾性率を各結合ボルトで変更するようにしたものである。即ち、端側に配置された結合ボルトの周囲領域を弾性率が小さい材質で構成し、該周囲領域の剛性を低下させる。これによって、端側ボルトの分担荷重を低減させるようにしている。このように、各結合ボルトの分担荷重を平均化できるため、結合ボルトの数に比例して結合部の伝達可能な荷重を増大できる。また、結合部の形状とは無関係に、結合ボルトの分担荷重を平均化できるため、結合部に余分な加工を要しない。

本発明において、被結合部材が複合材料であるとき、結合部の母材中に含まれる強化繊維の種類又は含有量を荷重付加方向に沿って変え、該結合部の弾性率を荷重付加方向に沿って変化させるように構成するとよい。これによって、荷重付加方向に沿って連続的に弾性率が変わる性質を、複合材料の製造時に容易に付与できる。そのため、本発明のボルト継手構造に適用可能な結合部の形成が容易になる。

本発明において、前記伝達部材が、結合部の被結合部材と前記結合ボルトとの間に介在された補強板であるとよい。荷重付加方向に沿って弾性率が変わる補強板を用いることによって、被結合部材に特別な加工を必要としなくなり、弾性率を考慮しない被結合部材を用いることができる。そのため、ボルト継手構造を簡素化かつ低コストにできる。

本発明において、前記伝達部材が結合部の被結合部材と前記結合ボルトとの間に介在されたスリーブであり、被結合部材の端側に配置された結合ボルトに、被結合部材より弾性率が小さいスリーブを装着してなるものであるとよい。このように、端側ボルトにのみ弾性率が小さなスリーブを装着することで、端側ボルトの分担荷重を低減できる。そのため、弾性率を考慮しない被結合部材を用いることができると共に、前記補強板も不要となり、ボルト継手構造をさらに簡素化し、かつ低コストにできる。

また、被結合部材の端側に配置された結合ボルトほど弾性率が小さいスリーブを装着するようにしてもよい。これによって、複数の結合ボルトの分担荷重をより精度良く平均化できる。

本発明によれば、被結合部材の結合部に、荷重付加方向に沿って複数の結合ボルトを列状に配置して該結合部を結合してなるボルト継手構造において、結合部の材質又は該結合部に付加される荷重を結合ボルトに伝達する伝達部材の材質を、端側に配置された結合ボルトほど弾性率が小さい材質で構成し、各結合ボルトに付加される分担荷重を平均化させるように構成したので、被結合部材の結合部の形状とは無関係に結合ボルトの分担荷重を平均化できる。そのため、該結合部に特別な加工を必要としないので、設計基準と抵触しないボルト継手構造を実現できる。

本発明の第１実施形態に係るボルト継手構造を模式的に示す説明図である。前記第１実施形態の接合部の構成を示す説明図である。本発明のボルト継手構造によるボルト付加荷重の平均化を示す線図である。本発明の第２実施形態に係るボルト継手構造を模式的に示す説明図である。前記第２実施形態の補強板の構成を示す説明図である。本発明の第３実施形態に係るボルト継手構造を模式的に示す説明図である。従来のボルト継手構造の説明図である。本発明者が案出した中間技術となるボルト継手構造の説明図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。

（実施形態１）
本発明の第１実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。図１は、本実施形態に係るボルト継手構造１０を模式的に示す図である。図１のボルト継手構造１０において、互いに結合される被結合板材１２ａ及び１２ｂは複合材料で構成されている。被結合板材１２ａ、１２ｂの結合部１４は、夫々被結合部材の内側から端側に向かって、弾性率が異なる４つの領域Ｔ_１〜Ｔ_４で構成されている。これら領域の弾性率は、弾性率Ｅ_１（領域Ｔ_１）＞弾性率Ｅ_２（領域Ｔ_２）＞弾性率Ｅ_３（領域Ｔ_３）＞弾性率Ｅ_４（領域Ｔ_４）の関係にある。

次に、図２により、被結合板材１２ａ、１２ｂの結合部１４の構成を、被結合板材１２ａを例にして説明する。図２において、被結合板材１２ａを構成する複合材料の強化材は、２種の繊維Ｃ及びＧで構成されている。繊維Ｃは極太線で示され、繊維Ｇは繊維Ｃより細い太線で示されている。繊維Ｃと繊維Ｇとの弾性率の関係は、繊維Ｃ＞繊維Ｇの関係にある。例えば、繊維Ｃが炭素繊維であり、繊維Ｇがガラス繊維である。

荷重付加方向に沿って繊維Ｃと繊維Ｇの配分を変えていくことにより、弾性率が異なる４つの領域Ｔ_１〜Ｔ_４を形成できる。繊維Ｃ及びＤは、母材となる樹脂又は金属等に含浸される。被結合部材１２ｂも被結合部材１２ａと同様の方法で製造する。
被結合板材１２ａ又は１２ｂは、夫々、繊維と母材からなる複数の薄膜シートを別々に形成した後、これら薄膜シートを互いに貼り合わせて製造してもよく、あるいは貼り合わせ工程をなくし、始めから被結合板材の厚さをもつ板状体で製造してもよい。

このように製造した被結合板材１２ａ、１２ｂの結合部１４に、各領域Ｔ_１〜Ｔ_４毎に夫々１本の結合ボルト１６ａ〜ｄを配置し、該結合ボルトで結合部１４を結合する。結合部１４には引張荷重Ｆが付加される。かかる構成のボルト継手構造１０においては、被結合板材１２ａ、１２ｂの端側にいくほど弾性率が小さい領域が形成されているため、端側にいくほど被結合板材１２ａ、１２ｂの剛性が低下している。そのため、端側に配置された結合ボルトの分担荷重を低減できる。即ち、各結合ボルトに付加される荷重は、図３中の荷重線Ｂのようになる。

このように、各結合ボルトの分担荷重を平均化できるため、結合ボルトの数に比例して伝達可能な荷重を増大できる。そのため、航空機の翼や胴体の結合部分のように、厳格な結合強度が要求される結合部に適用できる。複合材料は、強化部材と母材とからなる多数の薄膜シートを積層し接着して成形する場合、板厚変更が困難であり、また板厚を変更した場合、強度の対称性を保持するのが困難となる。

本実施形態では、被結合板材１２ａ、１２ｂの板厚を変更する必要がないので、複合材料を用いても余分な加工を要しない。また、被結合板材１２ａ、１２ｂが複合材料である場合、強化部材である繊維の種類及び配合割合を変えることにより、荷重付加方向に沿って弾性率が異なる領域を形成するのが容易になるという利点がある。

（実施形態２）
次に、本発明の第２実施形態を図４及び図５により説明する。本実施形態のボルト継手構造２０は、結合部２４に補強板２８を用いている。被結合板材２２ａ及び２２ｂは複合材料であるが、この複合材料は、前記第１実施形態のように荷重付加方向に沿って弾性率を変えたものではない。２枚の補強板２８が、夫々被結合板材２２ａと各結合ボルト２６ａ〜ｄとの間、及び被結合板材２２ａ、２２ｂと各結合ボルト間に介在されている。

次に、補強板２８の構成を図５により説明する。図５において、補強板２８は複合材料で構成され、図２に示す第１実施形態の被結合板材１２ａ、１２ｂと同様の方法で製造されている。即ち、引張荷重Ｆの付加方向に補強材となる繊維の種類及び含有割合を変えることにより、弾性率が異なる４つの領域Ｔ_１〜Ｔ_４で構成されている。これら領域の弾性率は、弾性率Ｅ_１（領域Ｔ_１）＞弾性率Ｅ_２（領域Ｔ_２）＞弾性率Ｅ_３（領域Ｔ_３）＞弾性率Ｅ_４（領域Ｔ_４）の関係にある。

かかる構成の２枚の補強板２８を、弾性率が小さい領域Ｔ_４が被結合板材２２ａ、２２ｂの端側に配置され、弾性率が大きい領域Ｔ_１が内側に配置されている。各結合ボルト２６ａ〜ｄには、被結合板材２２ａ、２２ｂから補強板２８を介して引張荷重Ｆが伝達される。しかし、分担荷重が大きい端側結合ボルトは、弾性率が小さくかつ剛性が小さい補強板２８から荷重が伝達されるので、分担荷重を低減できる。即ち、本実施形態の各結合ボルト２６ａ〜ｄに付加される荷重は、図３中の荷重線Ｂのようになる。

本実施形態のボルト継手構造２０によれば、前記第１実施形態で得られる作用効果に加えて、被結合板材２２ａ、２２ｂを構成する複合材料自体に加工を施す必要がないので、製作が容易になるという利点がある。

（実施形態３）
本発明の第３実施形態を図６により説明する。本実施形態のボルト継手構造３０は、結合部３４に設けられる４個の結合ボルト３６ａ〜ｄのうち、端側ボルト３６ａ及び３６ｄのネジ部３７と、被結合板材３２ａ、３２ｂとの間に、スリーブ３８を介装したものである。本実施形態の被結合板材３２ａ、３２ｂは、前記第２実施形態と同様に、弾性率を変えない複合材料を用いている。

スリーブ３８は、被結合板材３２ａ、３２ｂの弾性率より小さい弾性率を持つ材質で構成されている。端側ボルト３６ａ、３６ｄでは、引張荷重Ｆはスリーブ３８を介して端側ボルト３６ａ、３６ｄに伝達される。そのため、端側ボルト３６ａ、３６ｄの分担荷重は、図３中の荷重線Ｂのように低減され、各結合ボルト３６ａ〜ｄに付加される分担荷重は平均化される。

本実施形態のボルト継手構造３０によれば、被結合板材３２ａ、３２ｂは、弾性率を変化させる必要がなく、通常の複合材料でよい。また第２実施形態のように弾性率が変化した補強板２８を用いる必要もない。単に被結合板材３２ａ、３２ｂより弾性率が小さいスリーブ３８を端側ボルト３６ａ、３６ｄに介設するだけでよいので、前記第１実施形態及び第２実施形態と比べて、最も加工が容易である。

なお、第３実施形態では、端側ボルト３６ａ、３６ｄにスリーブ３８を装着した構成としたが、代わりに、端側ボルト３６ａ、３６ｄだけでなく、内側ボルト３６ｂ及び３６ｃにもスリーブを装着させると共に、内側ボルト３６ｂ、３６ｃのスリーブの弾性率を端側ボルト３６ａ、３６ｄのスリーブ２８の弾性率より大きな材質で構成するようにしてもよい。これによっても、各結合ボルトの分担荷重を平均化できる。

本発明によれば、複数の結合ボルトを荷重付加方向に配置したボルト継手構造において、各結合ボルトの分担荷重を簡単かつ低コストな手段で平均化できるので、ボルト数に比例して、結合強度を高めることができ、軽量を要求され、厳格な結合強度を要求される航空機の翼部材と胴体部分の結合等に好適である。

１０，２０，３０、１００，１１０ボルト継手構造
１２ａ、１２ｂ、２２ａ、２２ｂ、３２ａ、３２ｂ、１０２ａ、１０２ｂ、１１２ａ、１１２ｂ被結合板材
１４，２４，３４，１０４，１１４結合部
１６ａ〜ｄ、２６ａ〜ｄ、３６ａ〜ｄ、１０６ａ〜ｄ、１１６ａ〜ｄ結合ボルト
２８補強板
３７ネジ部
３８スリーブ
Ａ、Ｂ荷重線
Ｃ炭素繊維
Ｇガラス繊維
Ｔ_１、Ｔ_２、Ｔ_３、Ｔ_４領域
Ｅ_１、Ｅ_２，Ｅ_３，Ｅ_４弾性率

Claims

第１の端を有する第１の被結合部材、及び、荷重方向に沿って前記第１の端から離れた第２の端を有し、前記第１の端と前記第２の端の間にて前記第１の被結合部材と重ね合わされた第２の被結合部材を少なくとも含む複数の部材と、
前記第１の端と前記第２の端との間にて前記荷重方向に沿って配列された複数の結合ボルトであって、前記第１の被結合部材と前記第２の被結合部材とを結合する複数の結合ボルトとを備え、
前記複数の結合ボルトは、前記第１の端側に配置される第１の結合ボルトと、前記第２の端側に配置される第２の結合ボルトと、前記第１の結合ボルトと前記第２の結合ボルトの間に配置される第３の結合ボルトとを少なくとも含み、
前記複数の部材は、前記複数の結合ボルトの各々に付加される分担荷重が平均化されるように、前記第１の結合ボルト及び前記第２の結合ボルトの周りに、前記第３の結合ボルトの周りの部位を構成する材料よりも小さい弾性率を有する材料によって構成される部位を有することを特徴とするボルト継手構造。
前記第１の結合ボルトの周りの部位を構成する材料が、前記第３の結合ボルトの周りの部位を構成する材料よりも小さい弾性率を有するように、前記第１の被結合部材を構成する材料の弾性率は、前記第１の端に近づくほど、より小さくなり、
前記第２の結合ボルトの周りの部位を構成する材料が、前記第３の結合ボルトの周りの部位を構成する材料よりも小さい弾性率を有するように、前記第２の被結合部材を構成する材料の弾性率は、前記第２の端に近づくほど、より小さくなることを特徴とする請求項１に記載のボルト継手構造。
前記第１の被結合部材及び前記第２の被結合部材は、強化繊維を含む複合材料からそれぞれなり、
前記第１の被結合部材を構成する複合材料の弾性率が、前記第１の端に近づくほど、より小さくなるように、前記第１の被結合部材は、前記強化繊維の種類又は含有量の分布を有し、
前記第２の被結合部材を構成する複合材料の弾性率が、前記第２の端に近づくほど、より小さくなるように、前記第２の被結合部材は、前記強化繊維の種類又は含有量の分布を有することを特徴とする請求項２に記載のボルト継手構造。
前記複数の部材は、
前記第１の端と前記第２の端の間にて前記第１の被結合部材に重ね合わされる第１の補強部材と、
前記第１の端と前記第２の端の間にて前記第２の被結合部材に重ね合わされる第２の補強部材とを備え、
前記第１の結合ボルトの周りの部位を構成する材料が、前記第３の結合ボルトの周りの部位を構成する材料よりも小さい弾性率を有するように、前記第１の補強部材を構成する材料の弾性率は、前記第１の端に近づくほど、より小さくなり、
前記第２の結合ボルトの周りの部位を構成する材料が、前記第３の結合ボルトの周りの部位を構成する材料よりも小さい弾性率を有するように、前記第２の被結合部材を構成する材料の弾性率は、前記第２の端に近づくほど、より小さくなることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載のボルト継手構造。
前記第１の補強部材及び前記第２の補強部材は、強化繊維を含む複合材料からそれぞれなり、
前記第１の補強部材を構成する複合材料の弾性率が、前記第１の端に近づくほど、より小さくなるように、前記第１の補強部材は前記強化繊維の種類又は含有量の分布を有し、
前記第２の補強部材を構成する複合材料の弾性率が、前記第２の端に近づくほど、より小さくなるように、前記第２の補強部材は、前記強化繊維の種類又は含有量の分布を有することを特徴とする請求項４に記載のボルト継手構造。
前記複数の部材は、前記第１の結合ボルト及び前記第２の結合ボルトにそれぞれ装着されるスリーブを含み、
前記複数の部材が、前記第１の結合ボルト及び前記第２の結合ボルトの周りに、前記第３の結合ボルトの周りの部位を構成する材料よりも低い弾性率を有する材料によって構成される部位を有するように、前記スリーブの材料が、前記第１の被結合部材及び前記第２の被結合部材の材料よりも小さい弾性率を有することを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載のボルト継手構造。
前記複数の部材は、前記第１の結合ボルト、前記第２の結合ボルト及び前記第３の結合ボルトにそれぞれ装着されるスリーブを含み、
前記複数の部材が、前記第１の結合ボルト及び前記第２の結合ボルトの周りに、前記第３の結合ボルトの周りの部位を構成する材料よりも小さい弾性率を有する材料によって構成される部位を有するように、前記第１の結合ボルト及び前記第２の結合ボルトに装着されるスリーブの材料が、前記第３の結合ボルトに装着されるスリーブの材料よりも小さい弾性率を有することを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載のボルト継手構造。