JPH09229040A - 繊維強化ボルト - Google Patents
繊維強化ボルトInfo
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- JPH09229040A JPH09229040A JP3694196A JP3694196A JPH09229040A JP H09229040 A JPH09229040 A JP H09229040A JP 3694196 A JP3694196 A JP 3694196A JP 3694196 A JP3694196 A JP 3694196A JP H09229040 A JPH09229040 A JP H09229040A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ねじ部における成形性を向上させ、ねじ部の
強度を高めるとともに、ボルトの全体強度を向上させ
る。 【解決手段】 マトリックス材及び強化繊維の複合材料
からなる棒状体を半径内方向にプレスして、強化繊維に
波形状の変位を付与したねじ部を形成する技術に、強化
繊維の配列方向が、外表面近傍でボルトの軸方向に対し
て角度を有する技術を付加する。
強度を高めるとともに、ボルトの全体強度を向上させ
る。 【解決手段】 マトリックス材及び強化繊維の複合材料
からなる棒状体を半径内方向にプレスして、強化繊維に
波形状の変位を付与したねじ部を形成する技術に、強化
繊維の配列方向が、外表面近傍でボルトの軸方向に対し
て角度を有する技術を付加する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、繊維強化ボルトに
係り、特に、強化繊維の配列方向の設定によりボルト強
度を高める技術に関するものである。
係り、特に、強化繊維の配列方向の設定によりボルト強
度を高める技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】樹脂等のマトリックス材を、ガラス繊
維，アラミド繊維，炭素繊維等で強化したボルトは、軽
量，高強度，高耐熱性等の優れた特性を有しているた
め、宇宙航空産業等に好適であると考えられている。
維，アラミド繊維，炭素繊維等で強化したボルトは、軽
量，高強度，高耐熱性等の優れた特性を有しているた
め、宇宙航空産業等に好適であると考えられている。
【０００３】かかる強化繊維ボルトの技術例として、特
開平０７−０１９２２０号公報「繊維強化複合材料から
なるボルト用基材」が紹介されている。該技術例では、
強化繊維の配列方向に角度をつけたシートの積層物に、
マトリックスを含浸させて強化させ、得られた板状物を
切り出して角棒材を製作し、この角棒材を旋盤等で切削
加工して丸棒状のボルトを得ようとしている。
開平０７−０１９２２０号公報「繊維強化複合材料から
なるボルト用基材」が紹介されている。該技術例では、
強化繊維の配列方向に角度をつけたシートの積層物に、
マトリックスを含浸させて強化させ、得られた板状物を
切り出して角棒材を製作し、この角棒材を旋盤等で切削
加工して丸棒状のボルトを得ようとしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】前述のように、ボルト
を切削によって製造する技術であると、 １）ボルトが積層方向に剥がれ易く強度むらが大きくな
る。 ２）強化繊維が分断されることにより、ねじ山の切り出
し部分の強度が低下する。 等の解決すべき課題が残される。
を切削によって製造する技術であると、 １）ボルトが積層方向に剥がれ易く強度むらが大きくな
る。 ２）強化繊維が分断されることにより、ねじ山の切り出
し部分の強度が低下する。 等の解決すべき課題が残される。
【０００５】一方、発明者等は、強化繊維入り複合材か
らなる丸棒を、半径内方向にプレス加工してねじ部を形
成する研究を進め、ねじ部の強度を飛躍的に向上させ得
るようにした。しかし、さらに研究を進めてコンピュー
タ解析により強度計算したところ、ねじ部における成形
性，形状の安定性及び強度は、強化繊維の配向（方向）
と密接な関係があるという知見を得た。
らなる丸棒を、半径内方向にプレス加工してねじ部を形
成する研究を進め、ねじ部の強度を飛躍的に向上させ得
るようにした。しかし、さらに研究を進めてコンピュー
タ解析により強度計算したところ、ねじ部における成形
性，形状の安定性及び強度は、強化繊維の配向（方向）
と密接な関係があるという知見を得た。
【０００６】本発明は、これらの課題に鑑みてなされた
もので、以下の目的を達成しようとしている。 ねじ部における成形性を向上させること。 ねじ部の強度を高めること。 ボルトの全体強度を向上させること。
もので、以下の目的を達成しようとしている。 ねじ部における成形性を向上させること。 ねじ部の強度を高めること。 ボルトの全体強度を向上させること。
【０００７】
【課題を解決するための手段】マトリックス材及び強化
繊維の複合材料からなる棒状体を形成するとともに、棒
状体を半径内方向にプレスして外表面近傍の強化繊維に
波形状の変位を付与したねじ部を形成するものであり、
強化繊維の配列方向が、外表面近傍でボルトの軸方向に
対して角度を有する。該強化繊維の配列角度は、例えば
３０度ないし７５度の範囲で、４５度ないし６０度の範
囲とすることが好適であり、かつ、両螺旋方向に等しく
設定することが望ましい。強化繊維の配列角度は、内部
になるにしたがって小さくなる傾斜配分をすることが有
効であり、この場合にあって、連続的あるいは段階的に
角度が変化するように設定される。そして、中心部にあ
っては、軸方向に沿って形成した中空穴とするか、ある
いは、中空穴に強化繊維を含まない樹脂を充填したもの
とする技術が適用される。
繊維の複合材料からなる棒状体を形成するとともに、棒
状体を半径内方向にプレスして外表面近傍の強化繊維に
波形状の変位を付与したねじ部を形成するものであり、
強化繊維の配列方向が、外表面近傍でボルトの軸方向に
対して角度を有する。該強化繊維の配列角度は、例えば
３０度ないし７５度の範囲で、４５度ないし６０度の範
囲とすることが好適であり、かつ、両螺旋方向に等しく
設定することが望ましい。強化繊維の配列角度は、内部
になるにしたがって小さくなる傾斜配分をすることが有
効であり、この場合にあって、連続的あるいは段階的に
角度が変化するように設定される。そして、中心部にあ
っては、軸方向に沿って形成した中空穴とするか、ある
いは、中空穴に強化繊維を含まない樹脂を充填したもの
とする技術が適用される。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る繊維強化ボル
トの第１実施形態について、図１ないし図３に基づいて
説明する。
トの第１実施形態について、図１ないし図３に基づいて
説明する。
【０００９】図１ないし図３において、符号１は母材、
１ａはマトリックス材、１ｂは強化繊維、２はねじ部、
３は中空穴、４は樹脂体、Ｘは棒状体を示している。
１ａはマトリックス材、１ｂは強化繊維、２はねじ部、
３は中空穴、４は樹脂体、Ｘは棒状体を示している。
【００１０】前記母材１は、マトリックス材１ａである
熱可塑性樹脂（ポリカーボネート，ポリエーテルイミド
等）の中に、強化繊維１ｂであるガラス繊維，アラミド
繊維，炭素繊維等を介在させたものが適用され、かかる
母材１により繊維強化ボルトを製作する中間で棒状体Ｘ
が形成される。そして、該棒状体Ｘを加熱状態で半径内
方向にプレスする方法で、棒状体Ｘにおける外表面近傍
の強化繊維１ｂの部分に、波形状の変位を付与してねじ
部２を形成し、棒状体Ｘの中心部に円筒状の中空穴３
を、同心状に形成した構造の繊維強化ボルトとしたもの
である。
熱可塑性樹脂（ポリカーボネート，ポリエーテルイミド
等）の中に、強化繊維１ｂであるガラス繊維，アラミド
繊維，炭素繊維等を介在させたものが適用され、かかる
母材１により繊維強化ボルトを製作する中間で棒状体Ｘ
が形成される。そして、該棒状体Ｘを加熱状態で半径内
方向にプレスする方法で、棒状体Ｘにおける外表面近傍
の強化繊維１ｂの部分に、波形状の変位を付与してねじ
部２を形成し、棒状体Ｘの中心部に円筒状の中空穴３
を、同心状に形成した構造の繊維強化ボルトとしたもの
である。
【００１１】前記強化繊維１ｂは、図１及び図３に示す
ように、内外位置で配列方向が変化する設定がなされて
おり、配列方向が、ボルトの軸方向に対して両方向に角
度を有するように、かつ、外表面の近傍で角度が大きく
なり、その内側層で軸方向に対して０度の角度を持つよ
うに、内外方向の位置の差に基づいて傾斜配分される。
この際の傾斜配分は、例えば３０度ないし７５度の範囲
で行なわれ、望ましくは、４５度ないし６０度の範囲
で、両螺旋方向に等しく設定される。
ように、内外位置で配列方向が変化する設定がなされて
おり、配列方向が、ボルトの軸方向に対して両方向に角
度を有するように、かつ、外表面の近傍で角度が大きく
なり、その内側層で軸方向に対して０度の角度を持つよ
うに、内外方向の位置の差に基づいて傾斜配分される。
この際の傾斜配分は、例えば３０度ないし７５度の範囲
で行なわれ、望ましくは、４５度ないし６０度の範囲
で、両螺旋方向に等しく設定される。
【００１２】図３に示す実施態様では、外層が角度±θ
の強化繊維１ｂを介在させた±θ層とされ、中間部が角
度０°の強化繊維１ｂを介在させた０°層とされるとと
もに、棒状体Ｘの中心部に空けた中空穴３に、マトリッ
クス材１ａと同質の樹脂を充填してなる樹脂体４が配さ
れる。
の強化繊維１ｂを介在させた±θ層とされ、中間部が角
度０°の強化繊維１ｂを介在させた０°層とされるとと
もに、棒状体Ｘの中心部に空けた中空穴３に、マトリッ
クス材１ａと同質の樹脂を充填してなる樹脂体４が配さ
れる。
【００１３】図４は、本発明に係る繊維強化ボルトの第
２実施形態を示している。該第２実施形態では、母材１
の外層が角度±６０°の強化繊維１ｂを介在させた±６
０°層とされ、中間部が例えば±４５°の±θ層とさ
れ、該±θ層の内側（中心部）にマトリックス材１ａと
同質の樹脂を充填してなる樹脂体４を配するようにして
いる。
２実施形態を示している。該第２実施形態では、母材１
の外層が角度±６０°の強化繊維１ｂを介在させた±６
０°層とされ、中間部が例えば±４５°の±θ層とさ
れ、該±θ層の内側（中心部）にマトリックス材１ａと
同質の樹脂を充填してなる樹脂体４を配するようにして
いる。
【００１４】〔軸方向分布及び剪断応力分布の検討〕図
５及び図６は、図１ないし図３に示す構造のメートルね
じ（Ｍ１０）について、ボルト直径を１０ｍｍ，ねじ山
のピッチ：１．５ｍｍ，ボルトの有効横断面積（ねじ径
基準：ねじ山の中央基準の横断面積）当たりの軸方向の
引っ張り荷重を、１５ｋｇｆ／ｍｍ2 印加した場合の軸
方向応力及び剪断応力について、コンピュータ解析を行
なった結果を示すものである。
５及び図６は、図１ないし図３に示す構造のメートルね
じ（Ｍ１０）について、ボルト直径を１０ｍｍ，ねじ山
のピッチ：１．５ｍｍ，ボルトの有効横断面積（ねじ径
基準：ねじ山の中央基準の横断面積）当たりの軸方向の
引っ張り荷重を、１５ｋｇｆ／ｍｍ2 印加した場合の軸
方向応力及び剪断応力について、コンピュータ解析を行
なった結果を示すものである。
【００１５】図５及び図６にあっては、メートルねじ
（Ｍ１０）において、樹脂体の直径：２ｍｍを共通条件
とし，下記の条件を付加したものの比較を行なった。 実施例１（図５（ａ）及び図６（ａ）） 強化繊維の角度：外層部分±６０°，内層部分０° 実施例２（図５（ｂ）及び図６（ｂ）） 強化繊維の角度：外層部分±４５°，内層部分０° 比較例（図５（ｃ）及び図６（ｃ）） 強化繊維の角度：外層部分０°，内層部分０° ただし、図中に記した数値，例えば３２．５＜は応力値
が３２．５ｋｇｆ／ｍｍ2 超過，２５は応力値が２５〜
３２．５ｋｇｆ／ｍｍ2 ，２５＞は応力値が２５ｋｇｆ
／ｍｍ2 未満，１０＜は応力値が１０ｋｇｆ／ｍｍ2 超
過，５は応力値が５〜１０ｋｇｆ／ｍｍ2 ，５＞は応力
値が５ｋｇｆ／ｍｍ2 未満であることを意味している。
（Ｍ１０）において、樹脂体の直径：２ｍｍを共通条件
とし，下記の条件を付加したものの比較を行なった。 実施例１（図５（ａ）及び図６（ａ）） 強化繊維の角度：外層部分±６０°，内層部分０° 実施例２（図５（ｂ）及び図６（ｂ）） 強化繊維の角度：外層部分±４５°，内層部分０° 比較例（図５（ｃ）及び図６（ｃ）） 強化繊維の角度：外層部分０°，内層部分０° ただし、図中に記した数値，例えば３２．５＜は応力値
が３２．５ｋｇｆ／ｍｍ2 超過，２５は応力値が２５〜
３２．５ｋｇｆ／ｍｍ2 ，２５＞は応力値が２５ｋｇｆ
／ｍｍ2 未満，１０＜は応力値が１０ｋｇｆ／ｍｍ2 超
過，５は応力値が５〜１０ｋｇｆ／ｍｍ2 ，５＞は応力
値が５ｋｇｆ／ｍｍ2 未満であることを意味している。
【００１６】〔軸方向強度の比較検討結果〕軸方向強度
（引っ張り強度）について検討すると、図５（ａ）〜
（ｃ）に示すように、中心部の応力は、概略類似した傾
向であり、図５（ａ）の実施例１における最大応力値の
範囲が若干広くなっている点と、図５（ｃ）の比較例に
おけるボルト首部近傍の応力値が高くなっている点とが
見受けられる。
（引っ張り強度）について検討すると、図５（ａ）〜
（ｃ）に示すように、中心部の応力は、概略類似した傾
向であり、図５（ａ）の実施例１における最大応力値の
範囲が若干広くなっている点と、図５（ｃ）の比較例に
おけるボルト首部近傍の応力値が高くなっている点とが
見受けられる。
【００１７】〔剪断強度の比較検討結果〕剪断強度につ
いて検討すると、図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、図
６（ａ）の実施例１にあっては、応力値が全体的に他の
（ｂ）（ｃ）よりも低いものの、ボルト首部に応力値の
高くなった箇所が発生し、図６（ｂ）の実施例２にあっ
ては、全体的に他の（ａ）（ｃ）の中間的な値となり、
図６（ｃ）の比較例にあっては、ねじ部の基部に応力値
の高くなった箇所が発生している。
いて検討すると、図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、図
６（ａ）の実施例１にあっては、応力値が全体的に他の
（ｂ）（ｃ）よりも低いものの、ボルト首部に応力値の
高くなった箇所が発生し、図６（ｂ）の実施例２にあっ
ては、全体的に他の（ａ）（ｃ）の中間的な値となり、
図６（ｃ）の比較例にあっては、ねじ部の基部に応力値
の高くなった箇所が発生している。
【００１８】〔比較検討結果のまとめ〕前述の比較検討
結果から、ねじ部の近傍において、強化繊維の方向に角
度を適宜量つける（±θ層を配する）ようにすると、角
度が０°である場合よりも、ねじ部の基部やボルトの首
部に発生する応力を低減し得ることが明らかである。な
お、中心部に中心穴がなく、樹脂が充填されていないボ
ルト、つまり中実ボルトについてのコンピュータ解析結
果では、中心部及びボルト首部に、図５及び図６の例よ
りも大きな応力が付与される現象が生じた。
結果から、ねじ部の近傍において、強化繊維の方向に角
度を適宜量つける（±θ層を配する）ようにすると、角
度が０°である場合よりも、ねじ部の基部やボルトの首
部に発生する応力を低減し得ることが明らかである。な
お、中心部に中心穴がなく、樹脂が充填されていないボ
ルト、つまり中実ボルトについてのコンピュータ解析結
果では、中心部及びボルト首部に、図５及び図６の例よ
りも大きな応力が付与される現象が生じた。
【００１９】したがって、ねじ部近傍等の外表面近傍
で、強化繊維に適宜角度を持たせ、その内側に配する強
化繊維の角度を小さくすること、中心部に強化繊維より
も弾性係数の小さな樹脂体を配すること、さらに、強化
繊維の角度を段階的に、あるいは連続的に変化させるこ
と等によって、応力分布のむらを少なくして、ボルト強
度の向上をはかることができると結論づけられる。
で、強化繊維に適宜角度を持たせ、その内側に配する強
化繊維の角度を小さくすること、中心部に強化繊維より
も弾性係数の小さな樹脂体を配すること、さらに、強化
繊維の角度を段階的に、あるいは連続的に変化させるこ
と等によって、応力分布のむらを少なくして、ボルト強
度の向上をはかることができると結論づけられる。
【００２０】
【発明の効果】本発明に係る繊維強化ボルトによれば、
以下のような効果を奏する。 （１） 棒状体を半径内方向にプレスして外表面近傍の
強化繊維に波形状の変位を付与したねじ部を形成すると
ともに、強化繊維の配列方向が、外表面近傍でボルトの
軸方向に対して角度を有するように設定することによ
り、成形時におけるねじ部近傍での強化繊維の変位を容
易にし、ボルトの成形性を向上させることができる。 （２） 強化繊維をねじ部に介在させることにより、ね
じ部の強度を高めることができる。 （３） 強化繊維の配列角度の設定と、両螺旋方向に等
しく設定することとにより、品質の高いボルトとするこ
とができる。 （４） 強化繊維の配列角度について、内部になるにし
たがって小さくなる傾斜配分をすることにより、ボルト
の全体強度を向上させることができる。
以下のような効果を奏する。 （１） 棒状体を半径内方向にプレスして外表面近傍の
強化繊維に波形状の変位を付与したねじ部を形成すると
ともに、強化繊維の配列方向が、外表面近傍でボルトの
軸方向に対して角度を有するように設定することによ
り、成形時におけるねじ部近傍での強化繊維の変位を容
易にし、ボルトの成形性を向上させることができる。 （２） 強化繊維をねじ部に介在させることにより、ね
じ部の強度を高めることができる。 （３） 強化繊維の配列角度の設定と、両螺旋方向に等
しく設定することとにより、品質の高いボルトとするこ
とができる。 （４） 強化繊維の配列角度について、内部になるにし
たがって小さくなる傾斜配分をすることにより、ボルト
の全体強度を向上させることができる。
【図１】本発明に係る繊維強化ボルトの第１実施形態を
示す正面図である。
示す正面図である。
【図２】本発明に係る繊維強化ボルトの第１実施形態を
示す記載を半分省略した状態の正断面図である。
示す記載を半分省略した状態の正断面図である。
【図３】図２に示すねじ部の拡大図である。
【図４】本発明に係る繊維強化ボルトの第２実施形態を
示す要部の正断面図である。
示す要部の正断面図である。
【図５】（ａ）は実施例１の繊維強化ボルトに発生する
軸方向の応力分布図、（ｂ）は実施例２の繊維強化ボル
トに発生する軸方向の応力分布図、（ｃ）比較例の繊維
強化ボルトに発生する軸方向の応力分布図である。
軸方向の応力分布図、（ｂ）は実施例２の繊維強化ボル
トに発生する軸方向の応力分布図、（ｃ）比較例の繊維
強化ボルトに発生する軸方向の応力分布図である。
【図６】（ａ）は実施例１の繊維強化ボルトに発生する
剪断応力分布図、（ｂ）は実施例２の繊維強化ボルトに
発生する剪断応力分布図、（ｃ）比較例の繊維強化ボル
トに発生する剪断応力分布図である。
剪断応力分布図、（ｂ）は実施例２の繊維強化ボルトに
発生する剪断応力分布図、（ｃ）比較例の繊維強化ボル
トに発生する剪断応力分布図である。
１ 母材 １ａ マトリックス材 １ｂ 強化繊維 ２ ねじ部 ３ 中空穴 ４ 樹脂体（熱可塑性樹脂） Ｘ 棒状体
フロントページの続き (72)発明者 表 大志 東京都西多摩郡瑞穂町殿ケ谷229番地 石 川島播磨重工業株式会社瑞穂工場内株式会 社先進材料利用ガスジェネレータ研究所瑞 穂分室内 (72)発明者 鈴木 敏之 神奈川県藤沢市片瀬１−１−１ ミネベア 株式会社藤沢製作所内株式会社先進材料利 用ガスジェネレータ研究所片瀬分室内 (72)発明者 長谷川 拓夫 神奈川県藤沢市片瀬１−１−１ ミネベア 株式会社藤沢製作所内株式会社先進材料利 用ガスジェネレータ研究所片瀬分室内 (72)発明者 田村 誠 山口県宇部市大字小串1978−５ 宇部興産 株式会社宇部研究所内株式会社先進材料利 用ガスジェネレータ研究所宇部分室内 (72)発明者 佐藤 光彦 山口県宇部市大字小串1978−５ 宇部興産 株式会社宇部研究所内株式会社先進材料利 用ガスジェネレータ研究所宇部分室内
Claims (3)
- 【請求項１】 マトリックス材（１ａ）及び強化繊維
（１ｂ）の複合材料からなる棒状体（Ｘ）を形成すると
ともに、棒状体を半径内方向にプレスして外表面近傍の
強化繊維に波形状の変位を付与したねじ部（２）を形成
するものであって、強化繊維の配列方向が、外表面近傍
でボルトの軸方向に対して角度を有することを特徴とす
る繊維強化ボルト。 - 【請求項２】 強化繊維（１ｂ）が、両螺旋方向に等し
い角度で配されることを特徴とする請求項１記載の繊維
強化ボルト。 - 【請求項３】 強化繊維（１ｂ）の配列角度が、内部に
なるにしたがって小さくなる傾斜配分されていることを
特徴とする請求項１または２記載の繊維強化ボルト。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3694196A JPH09229040A (ja) | 1996-02-23 | 1996-02-23 | 繊維強化ボルト |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3694196A JPH09229040A (ja) | 1996-02-23 | 1996-02-23 | 繊維強化ボルト |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09229040A true JPH09229040A (ja) | 1997-09-02 |
Family
ID=12483786
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3694196A Pending JPH09229040A (ja) | 1996-02-23 | 1996-02-23 | 繊維強化ボルト |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09229040A (ja) |
-
1996
- 1996-02-23 JP JP3694196A patent/JPH09229040A/ja active Pending
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20021119 |