JPH06270893A - 回転翼航空機の無関節ハブ構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 回転軸に固定された取付金具とロータブレー
ドを支持する複合材料製ハブプレートとを結合するボル
トに回転力、ブレードからの荷重が掛らずボルトにフレ
ッティングコロージョンが発生することのない耐久性と
信頼性の高い無関節ハブ構造を提供することを目的とす
る。 【構成】 ハブプレートと取付金具の夫々に取付状態で
互いに密接し、これら平面を介して回転力及び荷重を伝
達することのできる平面を設け、ボルトとそれが貫通す
る穴の縁とが接触しないようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、回転翼航空機の回転翼
ブレードを取付けた複合材料製ハブプレートを回転軸に
固定された取付金具を介して回転軸より回転力を伝達
し、回転翼より回転軸に荷重を伝達するように取付ける
回転翼航空機の無関節ハブ構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】回転翼航空機の回転翼を回転軸に支持
し、回転軸の回転力を回転翼に伝達するハブ構造として
最近では、疲労強度の高い繊維強化樹脂から成る複合材
を用いた無関節ハブ構造が漸次採用されている。

【０００３】無関節ハブ構造は、回転軸に固定されるハ
ブプレートに複数のたわみ桁を放射状に配置し、これら
たわみ桁の先端に回転翼ブレードを固定した構造となっ
ている。回転軸にハブプレートを固定し、回転軸より回
転力をハブプレートに伝達するとともにブレードからの
揚力、トルク、曲げモーメント荷重を支持する構造とし
ては、例えば、特開昭６１−２１８９４号公報や特公平
３−５６２４０号公報に開示されているように、複合材
製ハブプレートに１つの円周上に配列された６〜１０箇
の精密公差の穴を穿設し、この穴と合致するように回転
軸上端部に固定された金属製取付金具にあけられた穴に
精密公差ボルトを挿入して互いに締付けることにより結
合する構成が一般的である。

【０００４】その構成の一例を、図７に示す。このロー
ターハブ構造では、ハブプレート３は上下から取付金具
４及び５で挾まれ、これらを複数のボルト７で締付ける
ことにより、ハブプレート３は回転軸６と結合される。
ハブプレート３にはロータブレード１がボルト２により
結合され、ブレード１に作用する揚力、遠心力、フラッ
プ方向曲げモーメント、コード方向曲げモーメント、ト
ルクを支持する。これらの力のうち、遠心力はハブプレ
ート内部で釣り合い（図８参照）取付金具５には伝達さ
れない。

【０００５】トルクは図８に示す如く、ボルト７により
取付金具に伝達されるが、複合材料は難削材であり、正
確な穴を開けることは困難であり、ハブプレート３の穴
８と、取付金具の穴９とは完全には合致しないので、実
際には荷重は少数のボルトで負担することになる。さら
に複合材料は塑性現象がなく局部的に強く当っても「な
じむ」と言うことがない。したがって、荷重を負担する
少数のボルトには設計許容荷重をはるかに上回る荷重が
集中的にかかる。

【０００６】そこで、図７に示す構造について、繰返し
荷重を付与して、所要の耐久時間迄耐えることができる
かどうかを確認する疲労強度試験を実施したところ、ボ
ルトが切損するという不具合が生じた。その原因はボル
トに大きな曲げ荷重が掛かったことと、複合材料との接
触による後述するフレッテイングと呼ばれる摩耗現象が
発生したためである。また、ハブプレートの穴の周囲に
も局部的な割れや、剥離が生じており、長期にわたる使
用は困難と判断された。

【０００７】特に、ハブプレートと回転軸の結合部は、
機体の安全性の点で最も重要な部分であり、また、分解
点検が容易でないことから、高度の信頼性を要する部分
である。

【０００８】上記の疲労破壊は以下の原因によるものと
考えられる。

【０００９】（１）ボルトの片当り 前述の如く、複数本の結合ボルトの中、実際に有効なの
は２〜３本であり、これに設計許容荷重をはるかに上回
る荷重が集中的に掛る。又、ハブプレートは厚さが数cm
と厚く、ボルトは細長いものとなるので曲り現象が生
じ、長手方向についても局部的な「片当り」現象が避け
られない（図９）。

【００１０】（２）ハブプレートの変形による内部荷重
発生 ハブプレートは、図８にも示す如く、遠心力はハブプレ
ート内部で釣り合うため、原理的にはボルトや取付金具
（回転軸）には伝達されない。

【００１１】しかし、ボルトとハブプレートの穴は精密
であるため、ハブプレートが遠心力で変形すれば、その
変形に応じて、ボルトに力が伝達される。

【００１２】ここでも又、穴公差のばらつきにより、各
々のボルトの荷重負担割合は大きく変化する。このよう
な設計者の意図とは異なる内部荷重の発生は、ボルト強
度の信頼性を著しく低下させるものである。

【００１３】（３）フレッティング 複合材とボルトが接触する面にはフレッティングコロー
ジョンが生じ、ボルトの疲労強度が約１／３に低下す
る。摩耗防止のふっ素樹脂コーティングは、加工穴の内
面には施工不可能である。

【００１４】（４）プリロードの低下 複合材料を積層方向に圧縮し続けると、徐々に永久変形
が増加する。この現象はクリープと呼ばれ、樹脂系複合
材料の欠点の１つである。

【００１５】今、太いボルトで締付けると、ハブプレー
トの圧縮剛性に比べて、ボルトの引張剛性が大きいた
め、ハブプレートにクリープが発生すると、ボルトの張
力は急激に低下する。

【００１６】これは、ハブプレートと取付金具間のゆる
みやガタの原因となり、ボルトにフレッティングを生じ
させる。

【００１７】なお、ボルトは曲げを支えるように設計す
ると、太くせざるを得ない。

【００１８】従来のハブプレート取付法では、どうして
も、ボルトに曲げ力がかかってしまうので細く出来なか
った。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来の回転
翼航空機の無関節ハブ構造の上述の問題点にかんがみ、
複合材料製ハブプレートと回転軸に固定される取付金具
との結合ボルトの一部のものに負荷が集中したり、個々
のボルトに片当りを生ずることがなく、複合材とボルト
との接触面にフレッティングコロージョンが発生するこ
とがない無関節ハブ構造を提供することを課題とする。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明の無関節ハブ構造
は、上記の課題を解決するため、ハブプレートと取付金
具の夫々に、回転軸の軸心に直交する平面及び軸心を中
心とする円筒面の接平面の夫々と角度をなし、取付状態
で互いに密着する平面を有し、これらの平面を介して回
転力を伝達し、ロータブレードからの荷重を支持するよ
うにしたことを特徴とする。

【００２１】

【作用】上記の如く、構成したことにより、回転軸の回
転力は、互いに密着し、軸に直角の平面及び軸を中心と
する円筒面の接平面に対して角度をなす平面を介して伝
達され、かつロータブレードからの荷重はこれらの平面
を介して回転軸で支持されるので、回転軸に固定された
取付金具と複合材料製ハブプレートとを結合する複数の
ボルトとハブプレートに穿設された穴とが強く圧接した
り、片当りすることは防止され、ハブプレートの変形に
よる内部荷重の発生が防止される。又、力を伝達する平
面には容易に耐摩耗性コーティングを施すことができる
ので、フレッティングコロージョンの発生を防止するこ
とができる。

【００２２】回転力及び荷重を伝達する平面が軸に直交
する平面や軸を中心とする円筒面の接平面である場合
は、力の伝わる方向と平面の方向が一致するので滑って
力を伝達することができない。

【００２３】この構成の場合、ハブプレートと取付金具
との対応する平面どうしが密着するより前にボルトがボ
ルト穴の縁に圧接することのないように、ボルトとボル
ト穴の縁との間には必要な間隔を設けておくことが必要
である。

【００２４】上記の回転力及び荷重を伝達する平面は取
付金物の四隅に設けられた突起の各１つの側面と、ハブ
プレートの対応する位置にある平面とするか、取付金具
に放射状に設けられた突状の一方の側面とハブプレート
に放射状に設けられた凹入溝の一方の側面とで構成する
ことができる。

【００２５】又、上下の取付金具と結合するボルトはハ
ブプレートに発生する最大荷重状態においても取付金具
とハブプレートとの間に隙間を生じない程度に締付けら
れていることが望ましい。

【００２６】

【実施例】以下に、本発明の実施例を図面に基づいて詳
細に説明する。

【００２７】図１は、本発明の第１実施例のハブ構造の
全体構成を示す図であり、図２はその要部を拡大して示
すとともにトルクの伝達方法を示す図である。

【００２８】本実施例は、図１に示す如く、ハブプレー
ト３とロータブレード１の形状、構造は図７で説明した
従来の構造とほぼ同様であるが、上側取付け金具１０
と、下側取付金具１１により、ハブプレート３を上下か
らボルト７により締付けるだけでなく、取付金具１１の
四隅に設けられた突起１５によりハブプレート３を突起
１５の側面の平面で包むようにして結合するものであ
る。

【００２９】すなわち、図２に示す如く、上下の取付金
具１０，１１の突起１５は、各々軸に平行な平面部１６
を有し、この平面部１６に対応するハブプレート３の平
面部１７に密着するように配置されている。

【００３０】トルクは回転軸６から取付金具１１に伝え
られ、さらに平面部１６から、ハブプレート３の平面部
１７に対し、面圧荷重Ｆ₁として伝達される（図２参
照）。

【００３１】図３に示すように、トルクは対をなす面圧
荷重Ｆ₁とそれらの作用線間の距離ｄの積で与えられ
る。この構成によれば、図８の如く、ボルトの剪断力と
してトルクを伝達するのに比べて、平面による圧力は、
応力集中を生じず、片当りもなく確実に力を伝達でき
る。

【００３２】四隅の突起１５が均一に力を伝達できるよ
う、ハブプレート３と取付金具１１の組立時に、樹脂に
より、スキマを埋めるか、シムにより調整することも可
能である。

【００３３】又、これらの接触部は摩耗が生ずるので、
取付金具１１及び１０のハブプレート３との接触面にふ
っ素樹脂コーティング等の耐摩耗処理を施すことが可能
であり、かつ望ましい。

【００３４】さて、突起部１５には、面圧力Ｆ₁により
曲げモーメントが生ずるので、これに充分耐えられる強
度が必要である。そこで上下の突起部をボルト１２によ
り結合することが望ましい（図１）。

【００３５】ハブプレートの上下方向に作用する力に対
しては、図４に示す如く、上下の取付金具１０，１１に
対する面圧により伝達する。

【００３６】すなわち、ハブプレートには、上方に揚力
が働き、また、フラップ方向曲げモーメントは、ハブプ
レートを傾けるように作用する。

【００３７】上下の取付金具１０，１１は、ボルト７に
より、強く締付けられており、図５に示すように、上下
からハブプレートを均一に押しつける。揚力による面圧
はハブプレート上面にのみ作用する。フラップ方向曲げ
モーメントについては、ハブプレート上下面の両端部に
作用する。

【００３８】ボルトの締付力による面圧は、上記の外力
によって、ハブプレート３と取付金具１０，１１の間に
スキマが生じないように、外力による面圧より大きく設
定する。

【００３９】ボルト７とハブプレート３のボルト穴８の
縁との間には図４に示す如く、大きなクリアランス８ａ
が与えられており、寸法公差や変形を考慮しても互いに
接触することはなく、フレッティングは生じない。

【００４０】しかし、ボルトとボルト穴のクリアランス
を大きくした場合は、ボルトによる芯決め、すなわち回
転中心を定めることはできないので、本実施例では、ハ
ブプレート中央部に、図５に示すような精密加工穴２０
をあけ、図１に示すように上側取付け金具１０の円筒状
部分１８と下側取付け金具１１のいんろう部１９をはめ
合わせることにより、中心を定める。

【００４１】以上の構成から、本実施例では、ボルト７
は上下の取付金具を締付けるのみで、すべての外力は、
金具の平面部１６を介して伝達されるため、複合材料の
層間剥離などの局部破損や、ボルトの疲労破壊も生じな
い。又、ボルトはフレッティングが生じないことから、
高い許容応力で設計できることにより、細くても良いた
め、複合材のクリープ変形に対しても、十分締付力を維
持できる。

【００４２】次に第２の実施例を図６に示す。この実施
例では、上下の取付金具２１，２２に突条２３を放射状
に設け、ハブプレート３にこれに対応する凹入溝２４を
設けて、互いに噛み合うように構成されている。

【００４３】この例では、突条２３及び凹入溝２４は、
斜面を有するようにされており、ボルト７を締付けるこ
とにより、横方向にも十分な面圧を付与することができ
る。この実施例においても、トルクはボルト７の剪断力
ではなく、突条２３、及び凹入溝２４の面圧力により伝
達される。

【００４４】上下方向に関しては、第１の実施例と同じ
方法で伝達できる。

【００４５】なお、本実施例の別の方法として、上下の
取付金具２１，２２には凹入溝を設け、ハブプレート３
に突条を設けることも当然本発明に含まれる。

【００４６】又、突条の配置、形状は本実施例に限定さ
れるものではない。

【００４７】本発明は、上記のように構成されているの
で、複合材料製ハブの取付け部において十分な耐久性と
信頼性を得ることができる。

【００４８】

【発明の効果】以上の如く、本発明の構成によればボル
トは上下の取付金具を締付ける用をするのみで、回転力
及び荷重の伝達は互いに密接する平面を介して伝達され
るため、複合材料の層間剥離などの局部破損や、ボルト
の疲労破壊、ボルトのフレッティングが生じない。その
ため、高い許容応力で設計できることにより、細くして
も良く、複合材のクリープ変形に対しても、十分締付力
を維持することができ、十分な耐久性と信頼性を得るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例のハブ取付構造を示す分解
斜視図である。

【図２】その要部を拡大して示すと共にトルク伝達方法
を示す分解斜視図である。

【図３】その上取付金具を示すとともにトルク伝達方法
を示す平面図である。

【図４】その揚力、フラップ方向曲げモーメントを伝達
する方法を示す側断面図である。

【図５】そのハブプレートに作用する面圧分布を示す説
明図である。

【図６】本発明の第２実施例のハブ取付構造を示す分解
斜視図である。

【図７】従来の回転翼航空機の無関節ハブ取付構造を示
す分解斜視図である。

【図８】その平面図である。

【図９】図８中のＡ−Ａ線による断面図である。

【符号の説明】

１ ロータブレード ３ ハブプレート ６ 回転軸 ７ ボルト １０，２１ 上部取付金具 １１，２２ 下部取付金具 １２ ボルト １５ 突起 １６ 平面部 １７ 平面部 １８ 円筒状部 １９ いんろう部 ２０ 精密加工穴 ２３ 突条 ２４ 凹入溝

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 能登 一雄 千葉県市川市八幡６丁目25番３号 (72)発明者 竹田 龍一 東京都西多摩郡瑞穂町箱根ケ崎西松原47番 28号 (72)発明者 板東 舜一 各務原市川崎町１番地 川崎重工業株式会 社岐阜工場内 (72)発明者 柿沼 朝雄 各務原市川崎町１番地 川崎重工業株式会 社岐阜工場内 (72)発明者 若月 正 各務原市川崎町１番地 川崎重工業株式会 社岐阜工場内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転翼ブレードを放射状に取付けた複合
   材料製ハブプレートを、回転軸に固定された取付金具を
   介して回転軸より回転力を伝達し回転翼ブレードをより
   回転軸に荷重を伝達するように取付ける回転翼航空機の
   無関節ハブ構造において、 上記のハブプレートと取付金具の夫々に、回転軸の軸心
   に直交する平面及び該軸心を中心とする円筒面の接平面
   の夫々と角度をなし、取付状態で互いに密着する平面を
   有し、これらの平面を介して回転力及び荷重を伝達する
   ことを特徴とする構造。
2. 【請求項２】 上記の取付金具は、上記のハブプレート
   を挾みハブプレートに穿設された孔を貫通する複数のボ
   ルトにより互いに結合された上下の取付金具より成り、
   上記複数のボルトとそれに対応するハブプレートの孔の
   縁とは互いに接触しないよう、間隙を有することを特徴
   とする請求項１に記載の構造。
3. 【請求項３】 上記の取付金具には回転中心を中心とす
   る円筒状部が設けられ、上記ハブプレートには回転中心
   を中心とし、上記円筒状部が嵌合する円形孔が設けら
   れ、これらを嵌合させることにより回転中心の位置決め
   が行われることを特徴とする請求項１に記載の構造。
4. 【請求項４】 上記の回転力及び荷重を伝達する平面は
   取付金具の四隅に設けられた突起の各１つの側面とハブ
   プレートの対応する位置にある平面であることを特徴と
   する請求項１に記載の構造。
5. 【請求項５】 上記の回転力及び荷重を伝達する平面は
   取付金具に放射状に設けられた突条の一方の側面と、ハ
   ブプレートに放射状に設けられた凹入溝の一方の側面で
   あることを特徴とする請求項１に記載の構造。
6. 【請求項６】 上記上下の取付金具を結合するボルトは
   ハブプレートに発生する最大荷重状態においても取付金
   具とハブプレートとの間に隙間を生じない程度に締付け
   られていることを特徴とする請求項２に記載の構造。
7. 【請求項７】 ハブプレートと取付金具の上記の互いに
   密着する平面に耐摩耗性コーティングを施したことを特
   徴とする請求項１に記載の構造。