(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ドライプリフォームからなる箱型ヒンジ要素と、箱型ヒンジ要素を２つ割りした端部ヒンジ要素とを連結してヒンジ部材を形成し、
ヒンジ部材とドライプリフォームで形成した桁部材を成型治具にセットし、
樹脂を成型治具内に注入し、注入した樹脂をヒンジ部材と桁部材に含浸し、含浸した樹脂を加熱硬化することを特徴とする複合材ヒンジ一体桁の製造方法。
【請求項２】
ヒンジ部材に貫通孔を設け、貫通孔にブッシュを装着することを特徴とする請求項１に記載の複合材ヒンジ一体桁の製造方法。
【請求項３】
箱型ヒンジ要素は、箱を構成する面を織物材ドライプリフォームの積層によって形成し、  その最外層および最内層には、繊維方向が０°／９０°の織物材ドライプリフォームを配置し、その中間層には、箱の展開形状にプリカットした繊維方向が±４５°の織物材ドライプリフォームと繊維方向が０°／９０°の織物材ドライプリフォームとを箱型に折り曲げて配置することを特徴とする請求項１または２に記載の複合材ヒンジ一体桁の製造方法。
【請求項４】
端部ヒンジ要素は、請求項３に記載の箱型ヒンジ要素を２つ割りして形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の複合材ヒンジ一体桁の製造方法。
【請求項５】
プリカットされる織物材は、繊維脱落防止のための端末処理が施された平織物であることを特徴とする請求項３または４に記載の複合材ヒンジ一体桁の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、航空機の機体構造等に適用される複合材ヒンジ一体桁の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
航空機の舵面等桁構造には、取付け部としてのヒンジが必要であり、複合材製桁を航空機の舵面等に使用するには、図１５および図１６に示すように、複合材製桁１は、複合材で断面コ字状に成形した桁部材２とアルミ合金等の金属材料を機械加工して２枚のラグ３ａと取付フランジ３ｂを有する耳金（ラグ）形状としたヒンジ金具３を別々に作り、桁部材２とヒンジ金具３をファスナ４を用いて結合することで作られる。
【０００３】
特願平７−１５４７５６号公報には、ＲＴＭ（RESIN TRANSFER MOLDING）成形法により一体成形された繊維強化複合材の構造体が記載されているが、この繊維強化複合材の構造体では、一体化されているのはスティフナーのみであり、複合材ヒンジの一体成形についてはなにも記載されていない。この技術を航空機の舵面等に適用するには、従来技術と同様に、複合材桁部材とヒンジ金具を各別に製作し、複合材桁部材とヒンジ金具をファスナを用いて組み立てることが必要である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術においては、複合材ヒンジ付き桁構造を製造するには、複合材桁部材とヒンジ金具を各別に製作し、複合材桁部材とヒンジ金具をファスナを用いて結合する必要があり、部品点数が多くなるとともに、シムを用いたファスナの組立調整と、金属と複合材との電解腐食防止のための接触界面への合わせ面シール等が必要となり、コスト高となるとともに、重量も増大するという問題がある。
【０００５】
ヒンジ金具を複合材化して、複合材ヒンジと複合材桁部材を一体成形することが、桁構造のコスト低減、軽量化のために有効であることは分かっているが、ヒンジ部のような複雑な構造を有する桁構造をプリプレグのレイアップにより形成するには、複雑な手順を必要とし、かえってコスト高の要因となってしまう。
【０００６】
本発明は、上記した点を考慮してなされたもので、複合材ヒンジと複合材桁を一体成形し、コスト低減および軽量化を図ることを可能にする複合材ヒンジ一体桁の製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による複合材ヒンジ一体桁の製造方法は、ドライプリフォームからなる箱型ヒンジ要素と、箱型ヒンジ要素を２つ割りした端部ヒンジ要素とを連結してヒンジ部材を形成し、ドライプリフォームで形成したヒンジ部材とドライプリフォームで形成した桁部材を成型治具にセットし、樹脂を成型治具内に注入し、注入した樹脂をヒンジ部材と桁部材に含浸し、含浸した樹脂を加熱硬化することで構成される。
【０００８】
本発明の複合材ヒンジ一体桁の製造方法では、ヒンジ部材に貫通孔を設け、貫通孔にブッシュを装着することができる。
【０００９】
本発明の複合材ヒンジ一体桁の製造方法では、ヒンジ部材を箱型ヒンジ要素と箱型ドライプリフォームを２つ割りした端部ヒンジ要素で形成することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１において、符号１１は本発明による複合材ヒンジ一体桁の製造方法により成型された複合材ヒンジ一体桁を示す。複合材ヒンジ一体桁１１は、複合材桁部材１２と複合材ヒンジ部材１３をＲＴＭ法により一体成形することで構成される。この複合材ヒンジ一体桁１１は、図２に示すように、たとえば航空機の舵面構造の桁として使用される。
【００１１】
複合材ヒンジ一体桁１１の桁部材１２は、たとえば、平織物からなるドライプリフォームを成形治具上にレイアップすることで成形され、図３に示すように、桁ウェブ１２ａとこの桁ウェブ１２ａの両側に連なるフランジ１２ｂとを有する断面コ字状をなしている。複合材ヒンジ一体桁１１のヒンジ部材１３は、図３に示すように、箱型プリフォーム１４とこの箱型プリフォーム１４の両側にステッチングにより連結された端部プリフォーム１５，１５とから形成され、２枚のラグ部１６を有するヒンジ形状をなしている。
【００１２】
複合材ヒンジ一体桁１１は、図４（ｂ）に示すように、成形された桁部材１２とヒンジ部材１３を密閉治具１７の下型１７ａにセットし（説明の便宜のため一方のヒンジ部材１３のみを示す）、桁部材１２とヒンジ部材１３をセットした下型１７ａの上に図４（ａ）に示す上型１７ｂを結合し、密閉治具１７内に樹脂を注入し、注入した樹脂を桁部材１２とヒンジ部材１３に含浸し、含浸した樹脂を加熱硬化することで成形される。
【００１３】
複合材ヒンジ一体桁１１において、ヒンジ部材１３をアクチュエータヒンジとして用いる場合、図１の左側で示すように、ラグ部１６に２個の貫通孔１８を加工する。また、複合材ヒンジ一体桁１１において、ヒンジ部材１３を一般部ヒンジとして用いる場合、図１の右側で示すように、ラグ部１６に１個の貫通孔１８を加工する。各ラグ部１６の貫通孔１８には、たとえばステンレス鋼ブッシュ１９が装着される。
【００１４】
桁部材１２は、樹脂未含浸の平織物からなるドライプリフォームを成形治具上にレイアップして桁ウェブ１２ａとその両端のフランジ１２ｂを形成する。
【００１５】
ヒンジ部材１３の箱型プリフォーム１４は、図５（ａ）に示すように、繊維が不連続にならないよう繊維方向が０°／９０°の織物材で箱型をなす内層プリフォーム２０と、この内層プリフォーム２０の外側に任意の配列で任意数積層される繊維方向が±４５°の織物材の中間層プリフォーム２１および繊維方向が０°／９０°の織物材の中間層プリフォーム２２と、繊維方向が０°／９０°の織物材で箱型をなす外層プリフォーム２３とで構成される。この場合、中間層の最上層として繊維方向が±４５°の中間層プリフォーム２１とする。
【００１６】
箱型プリフォーム１４の内層プリフォーム２０は、繊維が不連続にならないよう０°／９０°の織物材で予め箱型に形成され、成形すべき２枚のラグ部１６の内側の寸法に合わせて作られた箱型の治具の上に配置される。±４５°の中間層プリフォーム２１および０°／９０°の中間層プリフォーム２２は、図５（ｂ）に示すように、既製の平織物のドライプリフォーム２４を箱型に合う展開形状にプリカットされ、繊維脱落防止の端末処理を施して形成され、積層時に箱型に折曲げられる。外層プリフォーム２３は、繊維が不連続にならないよう０°／９０°の織物材で予め箱型に形成される。
【００１７】
ヒンジ部材１３の箱型プリフォーム１４は、上面構成が、図６に示すように、内側から外側に順に、０°／９０°のプリフォーム２０、±４５°のプリフォーム２１、±４５°のプリフォーム２１、０°／９０°のプリフォーム２２、±４５°のプリフォーム２１、０°／９０°のプリフォーム２２、±４５°のプリフォーム２１、±４５°のプリフォーム２１、０°／９０°のプリフォーム２０の９層構造であり、正面構成が、図７に示すように、内側から外側に順に、０°／９０°のプリフォーム２０、±４５°のプリフォーム２１、±４５°のプリフォーム２１、０°／９０°のプリフォーム２２、±４５°のプリフォーム２１、０°／９０°のプリフォーム２２、±４５°のプリフォーム２１、０°／９０°のプリフォーム２２、±４５°のプリフォーム２１、±４５°のプリフォーム２１、±４５°のプリフォーム２１、０°／９０°のプリフォーム２３の１４層構造である。
【００１８】
ヒンジ部材１３の端部積層プリフォーム１５は、上面構成が、図６に示すように、内側から外側に順に、０°／９０°のプリフォーム２５、±４５°のプリフォーム２６、±４５°のプリフォーム２６、０°／９０°のプリフォーム２７、±４５°のプリフォーム２６、０°／９０°のプリフォーム２７、±４５°のプリフォーム２６、±４５°のプリフォーム２６、０°／９０°のプリフォーム２８の９層構造であり、正面構成が、図７に示すように、内側から外側に順に、０°／９０°のプリフォーム２５、±４５°のプリフォーム２６、±４５°のプリフォーム２６、０°／９０°のプリフォーム２７、±４５°のプリフォーム２６、０°／９０°のプリフォーム２７、±４５°のプリフォーム２６、±４５°のプリフォーム２６、０°／９０°のプリフォーム２８の９層構造である。
【００１９】
内層プリフォーム２５は、成形すべき２枚のラグ部１６の内側の寸法に合わせて作られた箱型の治具に、繊維が不連続になることがないよう０°／９０°の繊物材を箱型の半分に切断したもので形成される。±４５°中間層プリフォーム２６および０°／９０°中間層プリフォーム２７は、図５（ｃ）に示すように、既製の平織物のドライプリフォーム２９を内層プリフォーム２５の形状に合う展開形状でプリカットするとともに、繊維脱落防止の端末処理を施して形成される。０°／９０°外層プリフォーム２８は、繊維が不連続になることがないよう、０°／９０°の織物材で箱型にしたものを２分割して形成される。
【００２０】
なお、±４５°中間層プリフォーム２６は、突合わせ部２６ａが同一位置にならないよう、図８に示すよう、各毎に突合わせ部２６ａをずらして配置し、突合わせ部２６ａが連続する層で同一箇所にならないよう考慮されている。これにより、ヒンジウェブ部に伝わる荷重をスムースに伝達することができる。
【００２１】
次に複合材ヒンジ一体桁の製造方法について説明する。
まず、箱型積層プリフォーム１４と端部積層プリフォーム１５を各別に製作する。
【００２２】
箱型積層プリフォーム１４は、箱型に製織された内層プリフォーム２０の外側に、図６および図７に示す配列および積層数で、±４５°中間層プリフォーム２１および０°／９０°中間層プリフォーム２２を積層し、最上層に位置する±４５°中間層プリフォーム２１の外側に０°／９０°外層プリフォーム２３を積層して製作される。箱型積層プリフォーム１４は、最外層を０°／９０°の層とすることで、±４５°層のばらけを防止することができる。
【００２３】
端部積層プリフォーム１５は、箱型積層プリフォーム１４の内層プリフォーム２０として製織したものを左右に２分割した内層プリフォーム２５の外側に、図６および図７に示す配列および積層数で±４５°中間層プリフォーム２６および０°／９０°中間層プリフォーム２７を積層し、最上層に位置する±４５°中間層プリフォーム２６の外側に０°／９０°外層プリフォーム２８を積層して製作する。端部積層プリフォーム１５は、最外層を０°／９０°の層とすることで、±４５°層のばらけを防止することができる。
【００２４】
箱型積層プリフォーム１４および端部積層プリフォーム１５，１５は、図９ないし図１１に示すように、箱型積層プリフォーム１４の両側に端部積層プリフォーム１５を配置し、炭素繊維を用いて結合面のステッチング３０を行なうとともに、端部のかがり縫い３１を行なうことでヒンジ部材１３を完成させる。
【００２５】
つぎに、複合材ヒンジ一体桁１１の製造方法について図１２に示す図により説明する。
まず、ヒンジ部材１３を密閉治具１７の下型１７ａにセットし、ヒンジ部材１３のフィレットＲ部３２，３２に炭素繊維を充填し、その上に桁部材１２を積層する。
【００２６】
ついで、下型１７ａ上に上型１７ｂをセットして密閉治具１７内を密閉し、密閉治具１７に、真空引きパイプ３３および樹脂含浸ライン３４を接続し、密閉治具１７内を真空引きしながら樹脂の含浸を行なう。密閉治具１７内が樹脂で満たされたら、ステンレスチューブ３５を介してＮ２加圧を行なう。
【００２７】
つぎに、桁部材１２およびヒンジ部材１３に含浸された樹脂を加熱硬化し、桁部材１２およびヒンジ部材１３を成形することで、複合材ヒンジ一体桁１１の一体成形が完了する。
【００２８】
一体成形された複合材ヒンジ一体桁１１は、密閉治具１７から離型３６され、ヒンジ部材１３のラグ形状への加工３７を行なって、完成品となる。
【００２９】
ヒンジ部材１３のラグ部１６は、図１に示すように、アクチュエータ・ヒンジとして用いる場合と、一般部ヒンジとして用いる場合とがあり、アクチュエータ・ヒンジとして用いる場合には、２個の貫通孔１８を有する形状に加工され、一般部ヒンジとして用いる場合には、１個の貫通孔１８を有する形状に加工され、各貫通孔１８には、例えばステンレス鋼製のブッシュ１９が装着される。
【００３０】
各貫通孔１８にブッシュ１９を装着するのは、以下の理由による。
すなわち、複合材は面圧強度が低いため、貫通孔１８に比較的小径のヒンジピンを直接挿通させると、荷重が直接複合材に負荷されて好ましくない。貫通孔１８にブッシュ１９を装着すると、ブッシュ１９の外径に比例した面圧面積が得られるため、荷重をラグ部１６に確実に伝達することができるからである。
【００３１】
しかして、一体成形された複合材ヒンジ一体桁１１は、桁部材１２およびヒンジ部材１３をドライプリフォームで形成し、これらを密閉治具１７内にセットし、樹脂を注入して一体成形するので、複雑な形状のヒンジ部が一体成形され、コストダウンおよび軽量化を図ることができる。
【００３２】
【実施例】
本発明者等は、図１３（ａ），（ｂ）に示すように、本発明の方法によりアクチェエータ・ヒンジ供試体１３Ａと一般部ヒンジ供試体１３Ｂとを製作し、これら各供試体１３Ａ，１３Ｂに荷重面荷冶具３８，３９を介し荷重Ｐを負荷し、ヒンジ部分の構造強度試験を行なった。
【００３３】
表１に試験結果を示す。
【表１】
0004194782.tif 000002
【００３４】
本発明に係る複合材ヒンジ一体桁１１は、想定した設計荷重を充分に満足しており、航空機の機体構造等に充分に適用できることが分かった。
【００３５】
また、本発明者等は、本発明に係る複合材ヒンジ一体桁と、複合材桁材にヒンジ金具を結合した従来の桁とによる重量およびコストの比較実験を行なった。
【００３６】
その実験結果を図１４（ａ），（ｂ）に示す。
【００３７】
図１４（ａ），（ｂ）からも明らかなように、本発明に係る複合材ヒンジ一体桁は、重量については、従来のものに比べて２０％のヒンジ重量軽減、桁全体では部品点数減少に伴ない５％の重量軽減が可能であり、またコストについては、従来のものに比べて４０％程度の加工コストの削減、全コストでも１０％の削減が可能であることが分かった。
【００３８】
なお、前記実施の一形態においては、１個の箱型積層プリフォーム１４とその両側の端部積層プリフォーム１５とでヒンジ部材１３を製作する場合について説明したが、箱型積層プリフォーム１４を複数並設し、それらの両側に端部積層プリフォーム１５を配するようにしてもよい。これにより、３枚以上のラグ部１６を得ることができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、ドライプリフォームで形成したヒンジ部材とドライプリフォームで形成した桁部材を成型治具にセットし、樹脂を成型治具内に注入し、注入した樹脂をヒンジ部材と桁部材に含浸し、含浸した樹脂を加熱硬化することで複合材ヒンジ一体桁を成形するので、ヒンジ部材が複数枚のラグ部を有するような複雑な形状であっても、作業に複雑な手順を必要とせず、コストダウンを図ることができ、かつ部品点数の低減により軽量化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による複合材ヒンジ一体桁の製造方法により作られた複合材ヒンジ一体桁を示す斜視図。
【図２】  図１の複合材ヒンジ一体桁の適用例を示す分解斜視図。
【図３】  図１の複合材ヒンジ一体桁の分解斜視図。
【図４】  複合材ヒンジ一体桁の成形手段を示す図。
【図５】  箱型積層プリフォームおよび端部積層プリフォームの積層構造を示す分解斜視図。
【図６】  箱型積層プリフォームおよび端部積層プリフォームを上方から見た積層構造を示す図。
【図７】  箱型積層プリフォームおよび端部積層プリフォームを正面側から見た積層構造を示す図。
【図８】  端部積層プリフォームにおける各±４５°中間層プリフォームの突合わせ部の位置を示す図。
【図９】  箱型積層プリフォームおよび端部積層プリフォームのステッチングおよびかがり縫い処理を示す図。
【図１０】  図９のＸ−Ｘ線に沿った断面図。
【図１１】  図９のXI−XI線に沿った断面図。
【図１２】  本発明による複合材ヒンジ一体桁の製造方法を示す図。
【図１３】  （ａ）はアクチュエータ・ヒンジ供試体の強度試験方法を示す図、（ｂ）は一般ヒンジ部供試体の強度試験方法を示す図。
【図１４】  （ａ）は本発明に係る桁と従来の桁材との重量を比較して示すグラフ、（ｂ）は本発明に係る桁材と従来の桁材とのコストを比較して示すグラフ。
【図１５】  航空機の舵面に適用されるヒンジ付き桁材を示す図。
【図１６】  従来のヒンジ付き桁材の構成を示す分離斜視図。
【符号の説明】
１１  桁材
１２  桁部材
１２ａ  桁ウエブ
１２ｂ  フランジ
１３  ヒンジ部材
１４  箱型積層プリフォーム
１５  端末積層プリフォーム
１６  ラグ部
１７  密閉治具
１７ａ  下型
１７ｂ  上型
１８  貫通孔
２０  内層プリフォーム
２１，２２  中間層プリフォーム
２３  外層プリフォーム
２５  内層プリフォーム２
２６，２７  中間層プリフォーム
２８  外層プリフォーム
３０  ステッチング
３１  かがり縫い
【図１】
0004194782.tif 000003
【図２】
0004194782.tif 000004
【図３】
0004194782.tif 000005
【図４】
0004194782.tif 000006
【図５】
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【図６】
0004194782.tif 000008
【図７】
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【図８】
0004194782.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
0004194782.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
0004194782.tif 000018