JP5847889B2 - 接合具 - Google Patents

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Description

本発明は、中央翼ボックスのような第1コンポーネントを、側方翼ボックスのような第
2コンポーネントに接合するための接合具に関する。
側方翼ボックスを中央翼ボックスに接合するための、従来の張力式のコーナー型接合具
を、図1に示す。接合具は、底壁、第1コーナーで底壁に合体する端壁、第2コーナーで
底壁に、また第3コーナーで端壁に合体する側壁を有する。底壁および側壁を、一方の翼
ボックスにボルト連結し、端壁を他方の翼ボックスにボルト連結する。
この接合具は、従来、金属材料で形成する。とくに中央翼ボックスおよび/または側方
翼ボックスを複合材料で形成するとき、この種の接合具も複合材料で形成するのが好まし
い。これにより、材料のミスマッチによる部材間の電解腐食、および熱膨張差を排除する
ことができる。しかし、(金属と比べて)異なる複合材料の特性は、接合具の壁厚を容認
できないレベルまで増加させることなく、十分な強度の接合具を形成することは困難であ
る。とくに、端壁の曲げを最小とするために、底壁および側壁に比して端壁を厚くするこ
と、およびコーナーにおける板厚方向の破損を最小とするために、コーナーを厚くするこ
とが好ましい。この厚さに変化を持たせることは、複合材料、とくに積層構造を製造する
上で、困難である。
本発明の第1の態様によれば、第1コンポーネントを第2コンポーネントに接合するた
めの接合具を提供し、この接合具は、
複合材料から形成した複合部材であって、
底壁、
第1コーナーで底壁に合体する端壁、
第2コーナーで底壁に合体し、また第3コーナーで端壁に合体する側壁、
を有する該複合部材と、
この複合部材に適合(フィット)することができる形状の補強素子であって、複合部材
の端壁、複合部材の第1コーナーおよび複合部材の第2コーナーに係合できる該補強素子

を備える。
補強素子は、複合部材の厚みを変化させる必要なしに、接合具の端壁を補強する代替手
段となる。このことにより、非常に簡単に最適構造を作ることができる。補強素子は、さ
らに、少なくとも第1コーナーおよび第2コーナーに係合して、一層の補強を行う。
好適には、複合部材は、さらに第4コーナーで底壁に合体し、また第5コーナーで端壁
に合体する第2側壁を有し、補強素子は、複合部材に適合(フィット)しまた複合部材の
第5コーナーに係合することができる形状に形成する。この第2側壁は、使用するコンポ
ーネントに接合する(例えば接合具がコーナー型接合具である場合)、または補強目的の
みとすることができる(例えば接合具がチャネル型接合具またはクラウン型接合具の一部
である場合)。
好適には、複合部材は、さらにあるコーナーで端壁に合体する上側壁を有し、補強素子
は、複合部材に適合(フィット)し、また複合部材の端壁と上側壁との間におけるコーナ
ーに係合する形状に形成する。複合部材が2つの側壁を有する場合、上側壁面は、一般に
それぞれに対応するコーナーにおいて両側の側壁に隣接する。
好適には、上側壁は、端壁面側とは反対側に、窪みを形成した端縁を有する構成とし、
重量を減らす、および/または補強素子に容易にアクセスできるようにする。
好適には、複合部材の少なくとも1つの側壁は、底壁に対して鋭角の角度で傾斜した端
縁を有する構成とし、重量を減らすおよび/または補強素子に容易にアクセスできるよう
にする。
複合部材の底壁および端壁は、任意の手段、例えば相互連結、相互硬化、接着層、また
はボルトのような固定素子によって、(接合構造に用いる場合には)第1コンポーネント
および第2コンポーネントに接合することができる。固定具を使用する場合、金属製の固
定具とする、または複合材料から形成することができる。好ましくは、複合部材の底壁お
よび端壁(および随意的に側壁)は、それぞれ、固定素子を収容するため、1つ以上の孔
を形成する。随意的に、補強素子にも、固定素子を収容する1つ以上の孔を、形成する。
好適には、補強素子は、複合部材とは異なる材料から形成し、一層好適には、金属のよ
うな非複合材料とする。
好適には、複合部材を、2つ以上の複合材料の層から形成する。この場合補強素子によ
り、複合材料層の複合部材のコーナーで剥がれる傾向に対抗する。
1つ以上のコーナーは、ワッシャが係合する充填材に適合(フィット)することができ
る。この場合充填材は、ワッシャの平坦面が係合する平坦面を有することができる。代案
として、複合部材の少なくとも1つのコーナーを角丸めすることができ、補強素子の角丸
めした端縁が係合できるようにする。
本発明の他の態様は、接合構造を提供し、この接合構造は、
第1コンポーネントと、
第2コンポーネントと、
本発明の第1態様による1つ以上の接合具であって、各接合具の底壁を第1コンポーネ
ントに連結し、各接合具の端壁を第2コンポーネントに接合する該接合具と
を備える。
この接合構造は、多用途、例えば自動車または船舶の用途に使用することができる。し
かし、この接合構造は、特に航空機の用途に適している。例えば、第1コンポーネントを
航空機の中央翼ボックスの一部とし、第2コンポーネントを航空機の側方翼ボックスの一
部とすることができる。
本発明のさらに他の態様は、本発明の第1態様による接合具を製造する方法を提供し、
この方法は、補強素子を複合部材の端壁に適合させる装着ステップであって、補強素子が
、複合部材の端壁、複合部材の第1コーナー、および複合部材の第2コーナーに係合する
ように装着を行う、該装着ステップを有する。
好ましくはその方法は、さらに、補強素子に接触する複合部材を成形するステップを有
する。
以下に、添付の図面を参照につき、本発明の実施形態を説明する。
従来技術のコーナー型接合具の斜視図である。 本発明の第1実施形態によるコーナー型接合具の斜視図である。 図2の接合具の中心を通過する縦断面図である。 図2に示す接合具の横断面図である。 図2に示す接合具のワッシャを取り外した状態を示す横断面図である。 図1に示す接合具の1つのコーナーを詳細に示す、縦断面図である。 接合具のコーナー輪郭に関する第1代替輪郭を示す、縦断面図である。 接合具のコーナー輪郭に関する第2代替輪郭を示す、縦断面図である。 航空機翼におけるルート接合構造の後端部を示す線図的断面図である。 図6に示すルート接合構造の中央部分を示す、線図的断面図である。 本発明の第2実施形態を構成するクラウン型接合具の斜視図である。
図2〜図4bにつき説明すると、コーナー型接合具1は、底壁2、端壁3、左側壁4、
右側壁5、上側壁6を含む複合部材を備え、これら壁部分は8個のコーナー40〜47の
いずれかで相互に合体する。
接合具1の複合部材は、予含浸テープもしくは布、織物もしくは非捲縮布、3次元織成
プリフォーム、短ファイバもしくは長ファイバの成形技術、またはドライファイバ配列の
いずれかを使用した複合材料から製造する。強化繊維は、例えば炭素繊維とし、複合材の
マトリクスは熱硬化性または熱可塑性のいずれかとすることができる。
3次元織成プリフォームの場合、(必要な形に織り込まれた)プリフォームを成形キャ
ビティ内に配置し、一組のマンドレルよりなるマンドレルセットにより圧縮し、この部材
をその最終形状に成形する。成形ステップ後に、プリフォームにはマトリクス材を注入す
る。熱硬化性マトリクスの場合、マトリクスは、成形中その硬化温度以上に加熱すること
により硬化する。
2次元布の場合、平面状布を切断し、必要な形状に折り込み、成形キャビティ内に配置
し、マンドレルセットにより圧縮し、部材をその最終形態に成形する。成形ステップ後、
布にマトリクス材料を注入する。熱硬化性マトリクスの場合、成形中に硬化温度以上に加
熱して硬化する。
短ファイバもしくは長ファイバの成形技術の場合、ランダムに配向させた短ファイバを
含むマトリクス材料を成形キャビティ内に充填し、加熱し、圧縮して、この充填物を所望
形状に成形する。
底壁2および左側壁4には、それぞれの中心線上に沿って押し抜いた4個のボルト孔7
,8を有する。後壁3は、その中心に押し抜いた単独のボルト孔9を有する接合具におけ
るボルト孔の個数はその構造により変化しうることに注意されたい。
右側壁5はボルト孔を持たず、補強目的のみとして設ける。とくに右側壁によれば、底
壁2に交差する方向の荷重に対する接合具の支持能力が増大する。右側壁5は重量軽減の
ため、角度付き端縁10を残して切除する。
上側壁6もまたボルト孔を持たず、補強目的のみとして設ける。とくに上側壁によれば
、側壁4、5に交差する方向の荷重に対する接合具の支持能力が増大する。上側壁6は重
量軽減のため、凹んだ端縁11を残して切除する。
右側壁5および上側壁6は、ボルトおよびナットが十分にアクセス可能となるよう、ま
た応力集中を軽減するように切除する。
中心に貫通するボルト孔13を有するスロートワッシャ12を、底壁2と組み合わせて
複合部材の4個の壁3〜6により形成した窪み内に圧入する。図3に示すように、ワッシ
ャ12は、端壁3に係合する端面、底壁2に係合する底面、および上側壁6に係合する上
面を有する。図4aに示すように、ワッシャ12は、左側壁4に係合する左側面、右側壁
5に係合する右側面を有する。ワッシャは8個の角丸めした端縁を有するが、そのうち2
個は図示せず、残りの6には図3および図4aに参照符号40′〜45′を付けて示す。
図3および図4aに示すように、ワッシャの8個の角丸めした端縁は、複合部材の8個の
角丸めしたコーナー40〜47に係合する。スロートワッシャ12は、予め機械加工した
アルミニウム、チタン、またはスチール製の部材とすることができる。
図5に、複合部材の1つのコーナー45とワッシャ12の端縁45′との間における境
界面を示す。他の7個のコーナーにおける境界面も同様である。複合部材は一連の層から
形成する。図5の場合、6層を示すが、実際には層の数は多くも少なくもなりうる。各層
は、それぞれコーナー45の周りにおいて、共通のポイントを中心とする曲率半径をもつ
。そのコーナーにおける内側層の曲率半径は、一般的に1mmよりも大きく、多くの場合
5mmのオーダーである。各層の曲率半径は円形構造にするために一定とするか、または
例えば楕円形構造を与えるために曲率半径を変化させることもできる。
接合具の破損態様の1つとしては、端壁が曲がり、コーナーに広がりを生ずることがあ
る。これにより、コーナーにおいて層が引きはがされ板厚方向の破壊につながる可能性を
生じる。ワッシャ12は端壁3に係合する端面を有し、これにより端壁3の曲げに抵抗す
る。ワッシャ12の端縁45′は、コーナー45における内側層と同じ曲率半径で湾曲す
る。したがって、端縁45′とコーナー45との間における係合は密であり、結果として
ワッシャ12はコーナーを支持し、板厚方向の破損の可能性を減ずることができる。
ワッシャ12は、成形中に、複合部材に接触させて成形キャビティ内に配置し、複合部
材に緊密にフィットさせまた密接接触を確実にすることができる。代案として、ワッシャ
と複合部材との間におけるいかなる隙間をも埋める充填材により、ワッシャを所定位置に
結合することで、密接接触を実現することもできる。
図5aに第1の代替的境界面を示す。この場合、コーナー45aおよび端縁45a′の
曲率半径は、図5に示すものよりも大きく、ワッシャ12は上側壁6に係合する平坦な上
面を有していない。
図5bに第2の代替的境界面を示す。この場合、ワッシャ12は面取りした端縁45b
′を有する。複合部材の内側層は、コーナーにおいて図5と同様の形状を有する。しかし
、この場合、内側層とワッシャの面取りをした端縁45b′との間の隙間には、マトリッ
クス材料の充填材47を注入する。
図6に、図1に示したコーナー型接合具を6個組み込んだ、航空機翼のルート接合構造
を示す。様々な部品を連結する固定具は示さない。図6に示すルート接合構造は、中央翼
ボックス20と側方翼ボックス21との間の接続を行う。中央翼ボックス20は、1対の
後部桁フランジ22′、上部外板23および下部外板24を備えた後部桁ウェブ22を有
する。側方翼ボックス21は、1対の後部桁フランジ25′、上部翼外板26および下部
翼外板27を備えた後部桁ウェブ25を有する。リブ28は、中央翼ボックス20と側方
翼ボックス21との間の境界面を形成する(または等価的に、リブ28は、中央翼ボック
スもしくは側方翼ボックスの一部とみなすこともできる)。
図6に、翼ボックスをリブ28の両側の対向面に連結する、6個のコーナー型接合具1
を示す。各コーナー型接合具1の底壁を、コーナー型接合具の孔7を経て、外板23,2
4,26,27の各個に、また桁フランジ22′,25′,の各個にボルトで固定する。
各接合具1はまた、側壁4の孔8を経て、桁ウェブ22、25の各個に、また端壁3の孔
9を経てリブ28に、ボルトで固定する。接合プレート29もまた、下部翼外板26,2
7の下側に適合する。
ルート接合構造は、翼ボックスの前部桁との間における境界面(図示せず)においても
、同様の一連のコーナー型接合具1を有する。
図6の断面図は、ルート接合構造の後端部に設けたコーナー型接合具1を示す。クラウ
ン型接合具およびチャネル型接合具もまた、ルート接合構造の前端部と後端部との間に設
け、ルート接合構造の中間部分における断面を図7に示す。図7に、1対のクラウン型接
合具30および4個のチャネル型接合具31を示す。
図7に、さらに、外板23,24,26,27の内側表面に沿ってスパン方向に走る縦
通材も示す。各縦通材は、足部35およびブレード36を有する。各縦通材の足部35は
、チャネル型接合具31の底壁および外板にボルト連結し、また各縦通材のブレード36
はチャネル型接合具の隣接対間に延在する。
図8に、1個のクラウン型接合具30の斜視図を示す。クラウン型接合具30は、一列
のチャネル型接合具を有し、これらチャネル型接合具を隣接する側壁で互いにつなぎ合わ
せ、包囲ラップ33内に内包する。各チャネル型接合具は、底壁34、左側壁35および
右側壁36、端壁面(図8に図示せず)、上側壁37を有する。端壁および底壁は、それ
ぞれ、図1および図2に示すコーナー型接合具に設けたボルト孔7,9と同様のボルト孔
(図8に図示せず)を有する。左側壁35および右側壁36は、それぞれ、傾斜端縁38
,39を生ずるよう切除する。スロートワッシャ50は、各チャネル型接合具内に設け、
図1および図2のコーナー型接合具に設けたボルト孔13と同様のボルト孔(図示せず)
を有する。したがって、各チャネル型接合具は、左側壁36が右側壁35と同様に切除さ
れている点を除いて、図1および図2のコーナー型接合具と同様である。
クラウン型接合具30内の互いに隣接するチャネル型接合具は、相互に接着剤および/
またはボルト連結により結合し、この組立体を包囲ラップ33により確実に保持する。
図7に示すように、クラウン型接合具30内の各チャネル型接合具の底壁34は、上部
外板23,26にボルト連結し、端壁をリブ28にボルト連結する。
図7に示したチャネル型接合具31は、クラウン型接合具30を形成するために共に結
合しているものと同様の構造であるが、チャネル型接合具31を隣接するチャネル型接合
具に結合していない点、およびクラウン型接合具を形成するために包囲ラップ内に共に保
持していない点で異なる。それ以外では、その構造および固定方法は、同一である。
本発明を1つ以上の好ましい実施形態につき説明したが、当然のことながら、特許請求
の範囲で定義した本発明の範囲から逸脱することなく、様々な改変または変更を施すこと
ができる。

Claims (15)

  1. 第1コンポーネントを第2コンポーネントに接合するための接合具において、
    複合材料の2層またはそれ以上の層から形成した複合部材であって、
    底壁、
    第1コーナーで前記底壁に合体する端壁、
    第2コーナーで前記底壁に合体し、また第3コーナーで前記端壁に合体する側壁を有する該複合部材と、
    この複合部材に適合(フィット)することができる形状の補強素子であって、前記複合部材の端壁、前記複合部材の第1コーナーおよび前記複合部材の第2コーナーに係合できる該補強素子と
    を備え、
    少なくとも1つの前記コーナーは、前記補強素子が係合する充填材に適合することを特徴とする接合具。
  2. 請求項1に記載の接合具において、前記複合部材は、さらに、第4コーナーで前記底壁に合体し、また第5コーナーで前記端壁に合体する第2側壁を有し、前記補強素子は、前記複合部材に適合しまた前記複合部材の第5コーナーに係合することができる形状に形成したことを特徴とする接合具。
  3. 請求項1または2に記載の接合具において、前記複合部材は、さらに、あるコーナーで端壁に合体する上側壁を有し、前記補強素子は、前記複合部材に適合し、また複合部材の端壁と上側壁との間におけるコーナーに係合する形状に形成したことを特徴とする接合具。
  4. 請求項3に記載の接合具において、上側壁は、端壁側とは反対側に、窪みを形成した端縁を有することを特徴とする接合具。
  5. 請求項1〜4のうちいずれか一項に記載の接合具において、前記複合部材の少なくとも1つの側壁は、底壁に対して鋭角の角度で傾斜した端縁を有することを特徴とする接合具。
  6. 請求項1〜5のうちいずれか一項に記載の接合具において、前記複合部材の底壁および端壁は、それぞれ固定素子を収容するための1つ以上の孔を有することを特徴とする接合具。
  7. 請求項1〜6のうちいずれか一項に記載の接合具において、前記補強素子は、固定素子を受けるための1つ以上の孔を有することを特徴とする接合具。
  8. 請求項1〜7のうちいずれか一項に記載の接合具において、前記補強素子は、複合部材とは異なる材料から形成したことを特徴とする接合具。
  9. 請求項1〜8のうちいずれか一項に記載の接合具において、前記補強素子は、非複合材料から形成したことを特徴とする接合具。
  10. 請求項1〜9のうちいずれか一項に記載の接合具において、前記補強部材を金属から形成したことを特徴とする接合具。
  11. 請求項1〜10のうちいずれか一項に記載の接合具の製造方法であって、前記補強素子を前記複合部材の端壁に適合させる装着ステップであって、前記補強素子が、前記複合部材の端壁、前記複合部材の第1コーナー、および前記複合部材の第2コーナーに係合するように装着を行う、該装着ステップを有することを特徴とする方法。
  12. 請求項11に記載の方法において、さらに、前記補強素子に接触する複合部材を成形するステップを有することを特徴とする方法。
  13. 接合構造において、
    第1コンポーネントと、
    第2コンポーネントと、
    1つ以上の、請求項1〜12に記載の接合具であって、各接合具の底壁を前記第1コンポーネントに連結し、各接合具の端壁を前記第2コンポーネントに接合該接合具と
    を備えたことを特徴とする接合構造。
  14. 請求項13に記載の接合構造において、前記第1コンポーネントを航空機の中央翼ボックスの一部とし、第2コンポーネントを航空機の側方翼ボックスの一部としたことを特徴とする接合構造。
  15. 請求項13または14に記載の接合構造を有することを特徴とする航空機。
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