JP5735801B2 - 負荷を拡散させる湾曲したハイブリッドワッシャ - Google Patents

Description

本発明は、ボルトジョイントに関するものである。更に具体的には、本発明は負荷を拡散させる湾曲したハイブリッドワッシャに関し、この負荷を拡散させる湾曲したハイブリッドワッシャは例えばシートレールアセンブリ等のボルトジョイントにおいて負荷を最適に拡散させるのに適している。

多数の構造的な応用形態、特に航空宇宙への応用形態において、取付箇所の局所的な負荷経路では、しばしば効率的な局所強化及び硬化が必要となる。この目的を達成するための広範囲に許容可能なある方法には、構造部材を互いに連結するのに「半径充填」形状のワッシャを使用する方法が挙げられる。これらのワッシャの一般的な機能は、余分な重量又は費用を加算せずに、遠回りをする負荷経路における偏った負荷を分散させ減らすことである。構造部材に所望される重要な物質特性には、高いせん断剛性、高いせん断強度、及び低濃度が挙げられるため、構造部材は負荷担持能力を高めるためにできるだけ厚みを持たせることができる。例えば、航空機の床構造へのシートレールの取付けは、様々な種類の負荷に耐えるように設計されなければならない。このような負荷の事例は、９Ｇ前方墜落の事例である。この特定の負荷の事例では、乗客が乗っているときにシート構造が転倒する影響で、シートレールに重度の垂直方向の負荷がかかる。高い垂直方向の負荷は、シートレールと床梁との接続により反発されなければならない。

シートレールと床梁との接続部に、９Ｇ前方墜落事例に対する十分な強度を与える通常の方法には、シートレールフランジ、床梁ウェブ、又は両方の厚さを局所的に増加させることが挙げられ、ここで部品はボルトで互いに固定されている。加工パーツ又は組立てたアセンブリを使用することも可能であるが、補助的に接着された複合キャップを有する自動化されたレーザー溶接の構造体を使用して実行することはさらに困難である又は費用がかかる。

シートレールと床梁との接続部の形状特性により、取付けには独特のやり方が必要となる。平坦な又は平面のウェブを有する複合床梁は従来、「半径充填」形状のワッシャを使用してボルト接続部からウェブに負荷を拡散しやすくする。ワッシャは通常金属製であり、キャップとウェブが交差する箇所の近くに位置する。しかしながら、「正弦波」型床梁ウェブの場合には、従来の「半径充填」形状のワッシャはウェブとキャップの交差箇所に収容することができない。

従来の「半径充填」型ワッシャは、密度比に対して良好な固有のせん断強度を有するアルミニウム製である。しかしながら、腐食の問題があるために、アルミニウム製のパーツは多くの進歩した複合構造には適用できない。従来の半径充填型ワッシャ特有の一つの不利点は、ワッシャを「正弦波」型床梁ウェブ構成とともに収容することができないことである。さらに、ワッシャはモノリシック構造の金属片であるため、シートレール取付アセンブリにおけるボルト負荷の床梁ウェブへの伝達を最適なレベルで行うには構造的に有効ではない。

本発明は概して、負荷を拡散させる湾曲したハイブリッドワッシャに関するものである。ワッシャの実例となる実施形態は、複合層と、複合層に接着された金属層と、ワッシャ本体を通って延びる留め具開口部を有するワッシャ本体を備えている。本発明は概して更に、シートレール取付アセンブリ及びシートレール取付アセンブリにおいてシートレールから床梁ウェブに負荷を伝達する方法にも関するものである。
本発明をここで添付の図面を参照しながら実施例を挙げて説明する。

図１は負荷を拡散させる湾曲したハイブリッドワッシャの実例となる実施形態の通常の実施形態におけるシートレール取付アセンブリの斜視図である。 図２はシートレール取付アセンブリと、負荷を拡散させる湾曲したハイブリッドワッシャの断面図である。 図３はシートレール取付アセンブリの床梁ウェブに固定された、負荷を拡散させる湾曲したハイブリッドワッシャの断面図であり、さらに具体的には、アセンブリに負荷がかかったときの、ワッシャ内の高バイアス構成要素の負荷と、ウェブの歪み負荷の方向を図示している。 図４は負荷を拡散させる湾曲したハイブリッドワッシャの断面図であり、さらに具体的には、ワッシャに負荷がかかったときの、主要ボルト負荷、分散反発負荷、及び誘発された負荷の移動を図示している。 図５は負荷を拡散させる湾曲したハイブリッドワッシャの負荷担持機能を示すグラフである。 図６は航空機のブロック図である。

図１に示すように、シートレール取付アセンブリ１は床梁ウェブ２を備え、この床梁ウェブ２は通常チタン製であり、強度と剛性を得るために、複数のウェブ隆起部３を含む波状の「正弦波」構成を有する。通常チタン製の平面的な金属製床梁キャップ６は、床梁ウェブ２に配置される。例えばグラファイト製であってよい複合床梁キャップ７は、金属製床梁キャップ６上に通常配置される。シートレール１０は、複合床梁キャップ７上に配置される最下部レールフランジ１１を含む。間隔を置いた一対の接続フランジ１３は、最下部レールフランジ１１から延びている。最上部レールフランジ１２は、接続フランジ１３上に配置される。乗客のシート（図示せず）は、当業者に周知の技術を用いて最上部レールフランジ１２に固定される。

通常の応用形態では、一対のワッシャ１８が、シートレール１０を床梁ウェブ２に固定する一対の締め具２３上にそれぞれ配置されている。図２に示すように、間隔をおいた一対の締め具開口部１４がシートレール１０の最下部レールフランジ１１を通って延びている。締め具開口部８はまた、金属製の床梁キャップ６と複合床梁キャップ７を通って、最下部レールフランジ１１の締め具開口部１４と整合した状態で延びている。図２に更に示すように、各締め具２３は最下部レールフランジ１１と通常係合する締め具先端部２４を有する。各締め具２３は、各締め具開口部１４と対応する一対の締め具開口部８を通ってそれぞれ延びており、通常シートレール取付アセンブリ１の組立において、対応するワッシャ１８に係合する固定ナット２７を受ける。

図１に示すように、各ワッシャ１８はおおむね三角形状を有するワッシャ本体１９を含む。ワッシャ本体１９は、相互に角度をなした状態で配置される、一対のワッシャ側部２６を含む。くぼんだワッシャ溝２２は、ワッシャ本体１９の第３側部を形成し、ワッシャ側部２６の間に延びている。したがって、以下に説明するように、各ワッシャ本体１９のワッシャ溝２２は床梁ウェブ２のウェブ隆起部３の輪郭にほぼ一致する。

図２に示すように、各ワッシャ１８のワッシャ本体１９は、高バイアス複合層２０及び複合層２０に接着された金属層２１を備えている。ある実施形態では、複合層２０はグラファイト／エポキシ樹脂である。ある実施形態では、金属層２１は６Ａ１−４Ｖチタンである。複合層２０は、ワッシャ本体１９の平面に対しておおむね平行である高バイアス複合材３０（図３）の軸線に沿って高バイアス下にある。

ワッシャ本体１９の通常の製造方法では、複合層２０を金属層２１の先駆物質である金属（通常６Ａ１−４Ｖチタン）板（図示せず）に積層し、その次にワッシャ側部２６とワッシャ溝２２を切断しておおむね三角形状のワッシャ本体１９を形成する。締め具開口部２５は複合層２０と金属層２１を通って、ワッシャ本体１９のほぼ中央を延びている。ワッシャ本体１９と締め具開口部２５は、当業者に周知のウォータージェット切断技術又は代替切断技術を用いて形成することができる。

締め具開口部２５は、締め具２３が、シートレール１０の最下部レールフランジ１１に設けられた対応する締め具開口部１４と、複合床梁キャップ７と金属製床梁キャップ６に設けられた、整合した締め具開口部８をそれぞれを通って延びたときに、対応する締め具２３を受けるように構成されている。ナット２７が締め具２３上にねじ切られ、通常ワッシャ本体１９の金属層２１に当接させて締め、ワッシャ１８を金属製床梁キャップ６に固定する。図１に示すように、各ワッシャ１８のワッシャ本体１９に設けられたワッシャノッチ２２が床梁ウェブ２の補完的な形状を持つウェブ隆起部３を受けてウェブ隆起部３に係合する。

通常の応用形態では、シートレールアセンブリ１は複数の航空機の客室座席（図示せず）を支持するように設計されており、複数の航空機の客室座席は、当業者に周知の固定技術を用いてシートレール１０の最上部レールフランジ１２に取り付けられている。衝突状況下では、シートレール１０から各締め具２３に歪み負荷、特に衝突負荷が印加される。各ワッシャ１８により、床梁ウェブ２に対して対応する締め具２３から衝突負荷が伝達される。図３に示すように、衝突負荷は通常、各締め具２３とナット２７によって対応するワッシャ１８に印加される主要な締め具負荷２８を含む。各ワッシャ１８の複合層２０により、複合層２０の高バイアス複合材３０の軸線に沿って、この主要な締め具負荷２８の実質的な部分が分散又は分配される。この結果発生した歪み負荷３２が床梁ウェブ２に印加される。高バイアス複合材３０の軸線に沿った複合層２０の高バイアス特性により、主要な締め具負荷２８の実質的な部分が床梁ウェブ２の近傍に「送達」又は分配されやすくなる。その結果、従来のモノリシック構造の半径充填ワッシャの場合に比べて、主要な締め具負荷２８が、床梁ウェブ２のより大きい部分に広がる又は分配される。これにより床梁ウェブ２のゲージ又は厚みを増加させる必要なしに、衝突負荷をシートレール１０から床梁ウェブ２へ効率的に伝達しやすくなる。各ワッシャ１８のワッシャ本体１９上の、通常チタンである金属層２１は、それぞれの対応するナット２７からベアリング負荷を吸収することによって圧縮コールプレートとして作用する。

図４は、衝突負荷がかかったときに、各ワッシャ１８のワッシャ本体１９にかかる主要な締め具負荷２８に関連する分配された反応負荷３４と誘発された曲げ運動３６を示している。図５のグラフは、負荷を拡散させる湾曲したハイブリッドワッシャ１の負荷を担持する性能を示し、各締め具の先端部のたわみ（インチの単位）を各締め具にかかる負荷（ポンドの単位）の関数として表している。

本発明は特定の実例となる実施形態に関連させて説明してきたが、当然ながら特定の実施形態は説明するためのものであり、限定するものではなく、当業者が他の変形例を発想することも可能である。

ステップ５７においてオートクレーブ処理が完了した後に通常、外板１２、ティアストラップ１８及びフランジ２６ａ、２６ｂ（図２参照）を通る皿頭穴（図示せず）を開ける作業が伴う可能性がある普通の方法で、フレーム２２を位置づけ及び設置し、その後例えばリベット２０等の締め具を取り付け、据え込み加工する。

本発明の実施形態は可能である様々な応用形態、特に例えば航空宇宙、海洋及び自動車への応用を含む運送業において使用することができる。したがって、ここで図６を参照すると、本発明の実施形態は図６に示す航空機６４において使用することができる。

図６に示すように、航空機６４は、複数の系統８２及び内装８４を有する機体８０を含むことができる。高レベル系統８２の例は、一以上の推進系統８６、電気系統８８、油圧系統９０、及び環境系統９２が挙げられる。任意の数の他の系統も含むことができる。航空宇宙における実施例を示したが、本発明の原理を、例えば海洋及び自動車産業等のほかの産業分野に応用することができる。

上述の実施形態に変更を加えることが可能であることは明らかである。
また、本発明は以下に記載する態様を含む。
(態様１)
複合層及び前記複合層に接着された金属層を有するワッシャ本体と、
前記ワッシャ本体を通って延びる締め具開口部
を含むワッシャ。
(態様２)
前記複合層がグラファイト／エポキシ樹脂を含む、態様１に記載のワッシャ。
(態様３)
前記金属層がチタン合金を含む、態様１に記載のワッシャ。
(態様４)
前記複合層が、前記ワッシャ本体の平面に対しておおむね平行に配置された軸線に沿ってバイアスされている、態様１に記載のワッシャ。
(態様５)
前記ワッシャ本体に設けられたワッシャ間隙をさらに含む、態様１に記載のワッシャ。
(態様６)
前記ワッシャ本体がおおむね三角形状を有する、態様１に記載のワッシャ。
(態様７)
互いに角度をなして配置されている一対のワッシャ側部をさらに含む、態様６に記載のワッシャ。
(態様８)
前記ワッシャ本体に設けられ、前記一対のワッシャ側部の間に延びているワッシャ間隙をさらに含む、態様７に記載のワッシャ。
(態様９)
床梁ウェブと、
前記床梁ウェブ上に設けられた少なくとも一つの締め具開口部を有する金属製の床梁キャップと、
前記金属製床梁キャップ上に設けられた少なくとも一つの締め具開口部を有するシートレールと、
前記シートレールの前記少なくとも一つの締め具開口部と、前記金属製床梁キャップの前記少なくとも一つの締め具開口部を通って延びる少なくとも一つの締め具と、
複合層と前記複合層に接着された金属層を有するワッシャ本体と、前記複合層及び前記金属層を通って延びる締め具開口部を含む少なくとも一つのワッシャ
を備え、
前記少なくとも一つの締め具が、前記ワッシャ本体の前記締め具開口部を通って延びており、前記ワッシャ本体の前記複合層が前記金属製床梁キャップに係合する、
床梁取付けアセンブリ。
(態様１０)
前記金属製床梁キャップ及び前記シートレールの間に複合床梁キャップをさらに含む、態様９に記載のシートレール取付けアセンブリ。
(態様１１)
前記少なくとも一つのワッシャが一対のワッシャを含み、前記少なくとも一つの締め具が一対の締め具を含む、態様９に記載のシートレール取付けアセンブリ。
(態様１２)
前記ワッシャ本体の前記複合層が、グラファイト／エポキシ樹脂を含む、態様９に記載の床梁及びシートレール取付けアセンブリ。
(態様１３)
前記ワッシャ本体の前記金属層がチタン合金を含む、態様９に記載のワッシャ。
(態様１４)
前記ワッシャ本体の前記複合層が、前記ワッシャ本体の平面に対しておおむね平行に配置された軸線に沿ってバイアスされている、態様９に記載のワッシャ。
(態様１５)
前記床梁ウェブに設けられた複数のウェブ隆起部と、前記ワッシャ本体に設けられ、前記複数のウェブ隆起部の一つを受けるワッシャノッチをさらに備える、態様９に記載のワッシャ。
(態様１６)
前記ワッシャ本体がおおむね三角形状を有する、態様１５に記載のワッシャ。
(態様１７)
前記シートレールと前記床梁ウェブの間に床梁キャップを有する、シートレール取付けアセンブリにおいて、シートレールから床梁ウェブに負荷を伝達する方法であって、
前記シートレールに少なくとも一つの締め具開口部を設け、
前記床梁キャップに少なくとも一つの締め具開口部を設け、
前記床梁ウェブに係合する複合層を有するワッシャ本体を含む少なくとも一つのワッシャを設け、金属層が前記複合層に接着され、締め具開口部が前記ワッシャ本体を通って延び、
前記シートレールの前記少なくとも一つの締め具開口部、前記床梁キャップの前記少なくとも一つの締め具開口部、及び前記ワッシャ本体の前記締め具開口部に締め具を通して延在させ、
主要な締め具負荷を前記締め具及び前記ワッシャ本体のそれぞれを通して、前記シートレールから前記床梁ウェブまで伝達する
ステップを含む方法。
(態様１８)
前記ワッシャ本体の前記複合層がグラファイト／エポキシ樹脂を含み、前記ワッシャ本体の前記金属層がチタン合金を含む、態様１７に記載の方法。
(態様１９)
前記ワッシャ本体の前記複合層が、前記ワッシャ本体の平面に対しておおむね平行に配置される軸線に沿ってバイアスされている、態様１７に記載の方法。
(態様２０)
前記床梁ウェブに設けられた複数のウェブ隆起部と、前記ワッシャ本体に設けられたワッシャノッチをさらに備え、前記複数のウェブ隆起部の一つを受ける、態様１７に記載の方法。

Claims (8)

1. 構造部材に係合しグラファイト及びエポキシ樹脂からなる高バイアス複合層及び前記高バイアス複合層に接着された金属層を有するワッシャ本体と、
   前記ワッシャ本体を通って延びる締め具開口部と、を含み、
   前記ワッシャ本体には、くぼんだワッシャ溝が設けられていて、前記くぼんだワッシャ溝が、前記構造部材の輪郭を受け、
   前記締め具開口部は、前記ワッシャ本体を通る締め具を受け、
   前記締め具に印加される歪み負荷の一部が、前記高バイアス複合層の軸線に沿ったバイアス方向に分配される、
   ワッシャ。
2. 前記金属層がチタン合金を含む、請求項１に記載のワッシャ。
3. 前記高バイアス複合層の軸線に沿ったバイアス方向が、前記ワッシャ本体の平面に対しておおむね平行に配置されている、請求項１に記載のワッシャ。
4. 前記ワッシャ本体がおおむね三角形状を有する、請求項１に記載のワッシャ。
5. 前記三角形状の２つの他の側部が互いに角度をなして配置され、一対のワッシャ側部を形成している、請求項４に記載のワッシャ。
6. 前記くぼんだワッシャ溝は、前記一対のワッシャ側部の間に延びている、請求項５に記載のワッシャ。
7. シートレールと床梁ウェブの間に床梁キャップを有する、シートレール取付けアセンブリにおいて、シートレールから床梁ウェブに負荷を伝達する方法であって、
   前記シートレールに少なくとも一つの締め具開口部を設け、
   前記床梁キャップに少なくとも一つの締め具開口部を設け、
   前記床梁ウェブに係合しグラファイト及びエポキシ樹脂からなる高バイアス複合層を有するワッシャ本体を含む少なくとも一つのワッシャを設け、金属層が前記高バイアス複合層に接着され、締め具開口部が前記ワッシャ本体を通って延び、前記ワッシャ本体には、くぼんだワッシャ溝が設けられていて、前記くぼんだワッシャ溝が、前記床梁ウェブに設けられた複数のウェブ隆起部の一つを受け、
   前記シートレールの前記少なくとも一つの締め具開口部、前記床梁キャップの前記少なくとも一つの締め具開口部、及び前記ワッシャ本体の前記締め具開口部に締め具を通して延在させ、
   主要な締め具負荷を前記締め具及び前記ワッシャ本体のそれぞれを通して、前記シートレールから前記床梁ウェブまで伝達する
   ステップを含む方法。
8. 前記高バイアス複合層の軸線に沿ったバイアス方向が、前記ワッシャ本体の平面に対しておおむね平行に配置されている、請求項７に記載の方法。

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