JPS63214430A - 複合材料を用いた棒状体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は１例えば油・空圧シリンダ用ロッド、ロボット
アーム、ＣＦＲＰ製トラストラス構造物車用ドライブシ
ャフト等に用いて好適な複合材料を用いた棒状体に関し
、特に、複合材料としての繊維強化樹脂製の棒状部材と
金属部材との結合構造の改良に関する。

〔従来技術〕

一般に、接着性の樹脂を含浸させた繊維材料を巻回して
棒状に形成した繊維強化樹脂製棒状体が知られている。

この種の棒状体を例えば油圧シリング用ロンドとして使
用するために、相手方部材とねじ結合する場合には、該
ロッドの構造は、従来第１２図又は第１３図に示すよう
になっていた。

即ち、第１２図において、１はロッドで、該ロッドｌは
例えばエポキシ樹脂を含浸させた炭素繊維からなる糸状
繊維材料を巻回して棒状に形成したものからなっており
、該ロッド１の一側軸端には切削加工によって形成した
雄ねじ部ＩＡが一体的に設けられている。

一方、第１３図において、２はロッド本体３と雄ねじ部
材４とからなるロッドで、該ロッド本体３は第１の従来
技術に示したロッド１と同様にエポキシ樹脂等の接着性
樹脂を含浸させた炭素繊維等の糸状繊維材料を巻回して
棒状に形成したものからなっており、該ロッド本体３の
一側軸端には挿入穴３Ａが軸方向に穿設されている。一
方、雄ねじ部材４は金属材料によって挿入軸部４Ａと雄
ねじ部４Ｂとからなっており、挿入軸部４Ａをロッド本
体３の挿入穴３Ａに挿嵌し、接着剤で固着することによ
り、ロッド本体３と雄ねじ部材４を接続している。

〔発明が解決しようとする問題点〕

而して、ロッドｌに雄ねじ部ＩＡを切削加工するｗＳｌ
の従来技術にあっては、次のような欠点がある。まず、
雄ねじ部ＩＡを形成するための切削加工によって、ロッ
ドｌを形成している糸状繊維材料が短く切断されてしま
うため、繊維方向には大きな強度を有する繊維強化樹脂
の強度が部分的に失われてしまうことである。第２に、
ロッド１は糸状繊維材料を巻回して成形したものである
から、ロッド１に切削加工によって雄ねじ部ＩＡを形成
すると、該切削部分から居間剥離が起こり易く、ねじ山
が崩れてしまうことである。更に、第３の欠点としては
、雄ねじ部ＩＡを形成している樹脂及び糸状繊維材料は
金属に比較して軟らかいために、例えば鎖線ねじ部ＩＡ
に金属製ナツトを螺合して強く締付けた場合、雄ねじ部
ＩＡが変形する恐れがあり、強い締付力を与えられない
ことである。

一方、第１３図に示すようにロッド本体３と雄ねじ部材
４を挿嵌して接着する他の従来技術にあっても、該接着
部分の剪断強度が低いために。

ロッド本体３を繊維強化樹脂で成形することによって高
強度化を図ろうとした目的を達成することができないと
いう欠点がある。

本発明は上述した従来技術の欠点に鑑みなされたもので
、本発明は樹脂を含浸させた繊維材料からなる繊維強化
樹脂製の棒状部材と金属部材とを強固に結合することが
でき、繊維強化樹脂の利点を十分に活して、高強度化、
軽量化等を図りうるようにした複合材料を用いた棒状体
を提供するものである。

〔問題点を解決するための手段〕

上述した問題点を解決するために本発明は、樹脂を含浸
させた繊維材料からなる繊維強化樹脂製の棒状部材と、
該棒状部材の軸端外形に対応する中空部が形成された金
属部材とを備え、該金属部材の中空部内に棒状部材の軸
端を嵌挿し、該金属部材の中空部近傍端面を棒状部材の
軸方向に押圧手段で押圧することにより塑性変形させて
、該金属部材の中空部内周壁を棒状部材の軸端外周面側
へと内方に押込み、前記棒状部材と金属部材とを結合し
てなる構成を採用している。

ここで、前記繊維材料には、炭素繊維、ガラス繊維、ア
ラミド繊維、アルミナ繊維、炭化ケイ素繊維等が用いら
れ、該繊維材料に含浸させる樹脂には、熱硬化性と接着
性を有するエポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ポリイミ
ド樹脂等が用いられる。そして、前記棒状部材は繊維材
料をフィラメントワインディング法、テープワインディ
ング法等を用いて所定の巻角で巻回して成形したもの、
あるいは一方向引抜材等によって構成される。また、前
記金属部材は高強度アルミニウム、軟鋼、真鍮等の比較
的変形し易い金属材料によって構成される。

〔実施例〕 以下、本発明の実施例を第１図ないし第１１図に基づき
、複合材料を用いた棒状体として油圧シリンダ用ロッド
を例に挙げて説明する。

第１図ないし第３図は本発明の第１の実施例を示してい
る。

図において、１１は樹脂を含浸させた糸状の繊維材料１
２からなる繊維強化樹脂製の棒状部材を示し、該棒状部
材１１は、例えば繊維強化樹脂からなる一方向引抜材、
金属材またはセラミック材等によって中実な丸棒状に形
成された芯材（図示せず）に、前記繊維材料１２をフィ
ラメントワインディング法等の手段を用いて、中心軸０
−０に対する巻角θが零度に近い巻角１例えばθ＝２０
度程度の所定の巻角で交差巻付けすることによって長尺
の丸棒状に成形されており、これによって引張強度を大
幅に高めるようになっている。なお、該棒状部材１１は
繊維強化樹脂からなる一方向引抜材のみによって形成し
てもよく、この場合でも引張強度を大きくすることがで
きる。

ここで、前記繊維材料１２は炭素繊維、ガラス繊維、ア
ラミド繊維、アルミナ繊維または炭化ケイ素ｔａ、Ｉ１
等が用いられ、該繊維材料１２に含浸させる樹脂には熱
硬化性と接着性を有するエポキシ樹脂、ポリエステル樹
脂またはポリイミド樹脂等が用いられる。かくして、棒
状部材１１は硬い繊維材料１２と軟かい樹脂とからなる
複合材料（繊維強化樹脂）によって形成され、樹脂の割
合は４０〜７０％程度となるから、後述の金属部材１３
によって容易に変形される。

１３は該棒状部材１１の一側軸端１１Ａにｇ；ｉ着され
た金属部材を示し、該金属部材１３は、例えば高強度ア
ルミニウム、軟鋼、真鍮等の比較的変形し易い、冷間加
工の容易な金属材料によって形成され、棒状部材１１よ
りも大径の基部１３Ａと、該基部１３Ａの端面側中央か
ら棒状部材１１の軸端１１Ａに対応する径をもって軸方
向に凹設された中空部としての嵌合穴１３Ｂと、基部１
３Ａの先端側中央から軸方向に突設され、外周面側に雄
ねじが形成された雄ねじ部１３Ｃとから大略構成されて
いる。そして、該金属部材１３の基部１３Ａは嵌合穴１
３Ｂ内に棒状部材１１の軸端１１Ａｔ−嵌挿した状思で
、後述のポンチ１６により嵌合穴１３Ｂ近傍の端面に加
圧凹部１４を釘形することによって覆性変形され、この
ときに該基部１３Ａ内に生じる塑性流動等の作用によっ
て嵌合穴１３Ｂの内周壁を棒状部材１１の軸端１１Ａ外
周面側へと、第２図中の矢示Ａ方向に内方へと押込んで
凸湾曲状の押込み部１５を形成し、該棒状部材１１の軸
端１１Ａに結合固着されるようになっている。

１６は油圧プレス等によって棒状部材１１の軸方向に押
圧され、金属部材１３の基部１３Ａ端面に加圧凹部１４
を形成するようになった押圧手段としてのポンチを示し
、該ポンチ１６は棒状部材１１の外径にほぼ対応する内
径をもって、硬質の金属材料から段付円筒状に形成され
、大径部１６Ａと、該大径部１６Ａの先端側から軸方向
に凹湾曲状に突出する小径突部１６Ｂとから大略構成さ
れている。ここで、該ポンチ１６は１例えば棒状部材１
１の外径が２２．３ｍｍの場合、これよりも僅かに大き
い内径をもって形成され、大径部１６Ａの外径が４９ｍ
ｍ程度、小径突部１６Ｂ先端側の肉厚が１■謄程度とな
るように形成される。

そして、該ポンチ１６は棒状部材１１の外周側に第３図
中に示す如く挿通され１図示しない油圧プレス等により
矢示Ｂ方向に、例えば１１．８　）ン程度の押荷重をも
って押圧され、金属部材１３の嵌合穴１３Ｂ近傍端面に
小径突部１６Ｂの先端側で加圧凹部１４を［■程度の深
さをもって釘形し、これによって、前記押込み部１５を
嵌合穴１３Ｂの内周壁に形成し、棒状部材１１の軸端１
１Ａと金属部材１３の基部１３Ａとを結合させるように
なっている（第２図参照）、この場合、前記加圧凹部１
４と押込み部１５とはほぼ対応す　　　　　−る容積と
なり、棒状部材１１の軸端１１Ａは該押込み部１５によ
り対応部位が、例えば０．５鳳騰程度縮径される。

さらに、１７は加圧凹部１４の釘形時に、金属部材１３
の基部１３Ａが嵌合穴１３Ｂの外方へと変形するのを防
止する枠体としての保護筒を示し、該保護筒１７は金属
部材１３の基部１３Ａ等に対応する内径をもって形成さ
れ、該基？Ｂｌ　３Ａ等の周囲を径方向および軸方向に
拘束するようになっている。なお、棒状部材１１と金属
部材１３の結合力をさらに強くしたい場合には、金属部
材１３の基部１３Ａ外周側や端面側に予圧力を加えるよ
うにしてもよい、また、棒状部材ｉｔの図示しない他側
軸端にも金属部材１３と同様の金属部材を結合するよう
にしてもよい、そして、該金属部材１３の雄ねじ部１３
ｃには取付アイ等の相手方部材（図示せず）が螺着され
るようになっている。

本実施例による油圧シリンダ用ロッドは上述の如き構成
を有するもので、次にその製造方法について説明する。

まず、一方向の引抜き成形またはフィラメントワインデ
ィング法等の手段を用いて繊維強化樹脂からなる棒状部
材１１を長尺の丸棒状に成形し、該棒状部材１１の軸端
１１Ａに対応する径をもって金属部材１３の基部１３Ａ
に嵌合穴１３Ｂを形成し、該嵌合穴１３Ｂ内に棒状部材
１１の軸端１１Ａを嵌挿する。

次に、金属部材１３の基部１３Ａの周囲を保護筒１７等
を用いて拘束すると共に、棒状部材１１の周囲にポンチ
１６を挿通する。そして、該ポンチ１６を油圧プレス等
を用いて基部１３Ａの端面に向けて押圧し、この端面に
小径突部１８Ｂの先端側で加圧凹部１４を打形して金属
部材１３の基部１３Ａ１：塑性変形させ、嵌合穴１３Ｂ
の内周壁を棒状部材１１の軸端１１Ａ外周面側へと第２
図中の矢示Ａ方向に押込み、凸湾曲状の押込み部１５を
形成し、これによって、金属部材１３の基部１３Ａを棒
状部材１１の軸端１１Ａに強固に結合させる。

而して、本実施例によれば、押込み部１５により棒状部
材１１と金属部材１３を結合できるばかりでなく、該押
込み部１５は径方向内向きに凸湾曲状に形成されるから
、棒状部材１１の素材である糸状の繊維材料１２を該押
込み部１５によって切断するようなことはなく、該繊維
材料１２の強度を十分に活して両者を強固に一体化でき
、金属部材１３を棒状部材１１に対して確実に抜止めお
よび層比めするこができる。そして、当該ロッドの引張
強度を、例えば１２００ｋｇ程度に大幅に向上させるこ
とができ、信頼性を高めることができる。また、押込み
部１５等は内部に隠れているから、当該ロッドの外観を
損なうことなく、スマートに形成でき、結合部分となる
金属部材１３の基部１３Ａ等も比較的小径に形成できる
。

さらに、棒状部材１１の軸端１１Ａと金属部材１３の基
部１３Ａとをポンチ１６等を用い冷間加工によって結合
するから、全体の工程を簡単化でき、生産性が高く、加
圧用の油圧プレス等も小規模な設備とすることができる
。また、引張強度等が要求される棒状部材１１には繊維
強化樹脂材を、雄ねじ部１３Ｃ等に硬度が要求される部
分には金属部材１３を適宜に使用して１両者を強固に結
合できるから、設計の自由度が増加して、最適設計が可
能となる。そして、当該ロッド全体に対する金属部材１
３の部分を最小限に少なくできるから、引張強度等を大
きくできる上に、軽量化を図リラる等１種々の効果を奏
する。

次に、第４図および第５図は本発明の第２の実施例を示
し１本実施例では前記第１の実施例と同一の構成要素に
同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。

然るに、本実施例の特徴は、金属部材１３の嵌合穴１３
Ｂ内周壁に周方向に伸長する凹凸部２１を軸方向に列設
し、ポンチ１６等で金属部材１３の基部１３Ａ端面に加
圧凹部１４を打形したときに、該凹凸部２１を前記実施
例で述べた押込み部１５と同様に第５図中の矢示Ａ方向
に押込んで、該凹凸部２１を棒状部材１１の軸端１１Ａ
外周面に喰込ませるようにし、これによって、金属部材
１３の基部１３Ａを棒状部材１１の軸端１１Ａに結合固
着させたことにある。

かくして、このように構成される本実施例でも、前記第
１の実施例とほぼ同様の作用効果を得ることができるが
、特に本実施例では、凹凸部２１を軸端１１Ａ外周面に
喰込ませるから、さらに結合強度を高めることができる
。

次に、第６図および１５７図は本発明の第３の実施例を
示し、本実施例では前記第１の実施例と同一の構成要素
に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。

然るに、本実施例の特徴は、棒状部材３１の軸端３１Ａ
に先端側に向けて所定の傾斜角αをもって漸次拡径する
テーパ部３１Ｂを形成したことにある。ここで、該棒状
部材３１はテーパ部３１Ｂを除いて前記第１の実施例で
述べた棒状部材１１と同様に形成されている。そして、
該棒状部材３１の軸端３１Ａを金属部材１３の嵌合穴１
３Ｂ内に嵌挿し、ポンチ１６等で加圧凹部１４を打形し
たときには、嵌合穴１３Ｂの内周壁が内方に押込まれて
押込み部１５が形成され、該押込み部１５は軸端３１Ａ
を縮径させるばかりでなく、テーパ部３１Ｂに密に係合
するようになり、棒状部材３１の軸端３１Ａを金属部材
１３の基部に強固に結合できる。

かくして、このように構成される本実施例でも、前記実
施例とほぼ同様の作用効果を得ることができるが、特に
本実施例では、テーパ部３１Ｂによりさらに確実な抜止
めを行うことができ、結合強度を高めることができる。

次に、第８図および第９図は本発明の第４の実施例を示
し、本実施例では前記第１の実施例と同一の構ｒ＆要素
に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。

然るに１本実施例の特徴は、棒状部材４１の軸端４１Ａ
先端外周面側に径方向に凸湾曲状に突出する凸部４１Ｂ
を設けたことにある。ここで、該棒状部材４１は凸部４
１Ｂを除いて前記実施例で述べた棒状部材１１と同様に
形成されている。そして、該棒状部材４１の軸端４１Ａ
を金属部材１３の嵌合穴１３Ｂ内に嵌挿し、ポンチ１６
等で加圧凹部１４を打形したときには、嵌合穴１３Ｂの
内周壁側に押込み部１５が形成され、該押込み部１５は
軸端４１Ａを縮径させるばかりでなく。

凸部４１Ｂに密に係合するようになり、棒状部材４１と
金属部材１３を強固に結合できる。

かくして、このように構成される本実施例でも、前記第
３の実施例とほぼ同様の作用効果を得ることができる。

次に、第１Ｏ図は本発明の第５の実施例を示し、本実施
例の特徴は前記第１の実施例で述べた棒状部材１１の軸
端１１Ａに金属部材としての７ランジ５１等を結合固着
したことにある。ここで、該フランジ５１は高強度アル
ミニウム、軟鋼、真鍮等の比較的塑性変形が容易な金属
材料から円板状に形成され、その中央には中空部として
の嵌合穴５１Ａが軸方向に穿設されている。そして、該
嵌合穴５１Ａ内に棒状部材１１の軸端１１Ａを嵌挿した
状態で、フランジ５１の嵌合穴５１Ａ近傍端面には第１
の実施例で述べたポンチ１６等によって加圧凹部１４が
打形され、押込み部１５を形成することにより、該フラ
ンジ５１は棒状部材１１の軸端１１Ａに結合固着されて
いる。

かくして、このように構成される本実施例でも、前記第
１の実施例とほぼ同様の作用効果を得ることができる。

次に、第１１図は本発明の第６の実施例を示し１本実施
例の特徴は、前記第５の実施例で述べたフランジ５１と
同様のフランジ６１に、軸方向両側の嵌合穴６１Ａ近傍
端面においてポンチ１６等で加圧凹部１４，１４を打形
し、押込み部１５により該フランジ６１を棒状部材１１
の軸端１１Ａに結合固着させることにある。

かくして、このように構成される本実施例でも、前記第
５の実施例とほぼ同様の作用効果を得ることができるが
、特にお実施例では、フランジ６１の軸方向両側端面に
加圧凹部１４，１４を打形したから、押込み部１５を径
方向内向きに大きく突出させることができ、軸端１１Ａ
を大きく細形させて結合強度をさらに高めることができ
る。

なお、前記第５、第６の実施例では、棒状部材１１を用
いるものとして述べたが、これに待えて、第３．第４の
実施例で述べた棒状部材３１゜４１と同様のものを用い
てもよく、あるいは第２の実施例で述べた凹凸部２１と
同様のものを嵌合穴５１Ａ（６１Ａ）に設けてもよい。

また、前記各実施例では、棒状部材１１（３１゜４１）
をフィラメントワインディング法等の手段を用いて形成
するものとして述べたが、これに替えて棒状部材１１（
３１，４１）をテープ状の繊維材料を用いるテープワイ
ンディング法あるいは織物状の繊維材料を用いるハンド
レイアップ法等の手段で形成するようにしてもよい。

また、前記各実施例では、棒状部材１１（３１゜４１）
の軸端１１Ａ（３１Ａ、４１Ａ）を金属部材１３または
フランジ５１（６１）の嵌合穴１３Ｂ　（５１Ａ、６１
Ａ）内に嵌合するものとして述べたが、軸端１１Ａ（３
１Ａ、４１Ａ）の外周面や嵌合穴１３Ｂ　（５１Ａ、６
１Ａ）の周面等に接着剤を塗布して、両者を嵌合するこ
とにより、棒状部材１１Ａ（３１Ａ、４ＬＡ）と金属部
材１３またはフランジ５１（６１）との結合強度をさら
に向上させることができる。

さらに、前記各実施例では、油圧シリンダ用ロッドを例
に挙げて説明したが、本発明はこれに限らず空圧シリン
ダ用ロンド、ロボットアーム、ＣＦＲＰ製トラストラス
構造物自動車用ドライブシャフト等に適用してもよく、
棒状部材１１（３１，４１）等は必ずしも丸棒状に限ら
ず、角棒状に形成してもよいものである。

〔発明の効果〕

以上詳述した通り、本発明によれば、繊維強化樹脂製の
棒状部材軸端を金属部材の中空部内に嵌挿し、該金属部
材の中空部近傍端面を棒状部材の軸方向に押圧手段で塑
性変形させることにより、該中空部内周壁を棒状部材の
軸端外周面側へと内方に押込むようにしたから、棒状部
材の素材である繊維材料を切断することなく、該棒状部
材の軸端を金属部材に結合でき、引張強度等を大幅に高
めて信頼性を向上できる。また、設ｆＩＲ等も簡素化で
き１作業性を向上できる等の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は本発明の第１の実施例を示し、第
１図は棒状部材の軸端に金属部材を結合した状態を示す
縦断面図、第２図は第１図の要部を拡大して示す断面図
、第３図は棒状部材と金属部材を結合する工程を示す説
明図、第４図および第５図は第２の実施例を示し、第４
図は棒状部材と金属部材の結合前の状態を示す半断面図
。 第５図は結合後の状態を示す半断面図、第６図および第
７図は第３の実施例を示し、第６図は棒状部材と金属部
材を結合した状態を示す縦断面図。 第７図は第６図中の棒状部材を示す外観図。 第８図およびＭＳ９図は第４の実施例を示し。 第８図は棒状部材の外観図、第９図は棒状部材と金属部
材を結合した状態を示す半断面図、第１０図は第５の実
施例を示す縦−面図、第１１図は第６の実施例を示す縦
断面図、第１２図は従来技術を示すロッドの外観図、第
１３図は他の従来技術を示すロッドの要部破断の外観図
である。 １１．３１．４１・・・棹状部材、ＩＩＡ。 ３１Ａ、４１Ａ・・・軸端、１２・・・繊維材料、１３
・・・金ｍ部材、１３Ｂ・・・嵌合穴、１４・・・加圧
凹部、１５・・・押込み部、１６・・・ポンチ、１７・
・・保護筒、２１・・・凹凸部、３１Ｂ・・・テーバ部
、４１Ｂ・・・凸部、ｓｉ　、ａｔ・・・フランジ、５
１Ａ、８１Ａ・・・嵌合穴。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）樹脂を含浸させた繊維材料からなる繊維強化樹脂
   製の棒状部材と、該棒状部材の軸端外形に対応する中空
   部が形成された金属部材とを備え、該金属部材の中空部
   内に棒状部材の軸端を嵌挿し、該金属部材の中空部近傍
   端面を棒状部材の軸方向に押圧手段で押圧することによ
   り塑性変形させて、該金属部材の中空部内周壁を棒状部
   材の軸端外周面側へと内方に押込み、前記棒状部材と金
   属部材とを結合する構成としてなる複合材料を用いた棒
   状体。
2. （２）前記金属部材が中空部の外方へと変形するのを防
   止すべく、該金属部材の周囲を枠体で拘束してなる特許
   請求の範囲（１）項記載の複合材料を用いた棒状体。
3. （３）前記中空部の内周壁には凹凸部を設け、該凹凸部
   を前記棒状部材の軸端外周面側へと押込んでなる特許請
   求の範囲（１）項記載の複合材料を用いた棒状体。
4. （４）前記棒状部材の軸端は先端側に向けて漸次拡径す
   るテーパ状に形成してなる特許請求の範囲（１）項記載
   の複合材料を用いた棒状体。
5. （５）前記棒状部材の軸端外周面側には凸部を形成して
   なる特許請求の範囲（１）項記載の複合材料を用いた棒
   状体。