(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータ・アッセンブリ・ヨーク（２４）の放射状アーム（２４ａ、２４ｂ）へ接合し、ロータブレード・アッセンブリ（１４）の基端部（１４ｅ）を装着するための複合カフ構造体（４０）において、
概略チューブラ形状を有し、かつ縦軸４０Lを画定し、さらに前記一体構造体は、前記縦軸４０Lに対し、通常の横断面を形成する一体構造体であって、
ロータブレード・アッセンブリ（１４）の基端部（１４ｅ）と共に設けられるブレード受容スリーブ部（４２）を有し、前記ブレード受容スリーブ部（４２）は、ロータブレード装着面ＰBを画定する第１および第２ブレード・マウント・セグメント（４２ａ、４２ｂ）とを備え、前記第１および第２ブレード・マウント・セグメント（４２ａ、４２ｂ）は、共に、縦軸４０Lに沿った中間体ロータブレード装着面ＰBを画定し、
ロータ・アッセンブリ・ヨーク（２４）の放射状アーム（２４ａ、２４ｂ）と共に設けられるヨーク・マウント部（４４）を有し、前記ヨーク・マウント部（４４）は、第１
および第２の前記ヨーク・マウント・セグメント（４４ａ、４４ｂ）の前後のペア（４４−１、４４−２）を備えかつ、前記ペア（４４−１、４４−２）は、前記ブレード・マウント・セグメント（４２ａ、４２ｂ）の横面に設けられ、更に、前記第１および第２ヨーク・マウント・セグメント（４４ａ、４４ｂ）は、共に、縦軸４０Lに沿った中間体ヨーク装着面ＰYを画定し、
前記ブレードおよびヨーク・マウント・セグメント（４２ａ、４２ｂ、４４ａ、４４ｂ）を構造的に相互接続するための前後の相補的曲面セグメント（４６ａ、４６ｂ）を有した翼幅方向の褶曲部（４６）を有し、前記ロータブレード装着面ＰBは前記ヨーク装着面ＰYに対して角度θを形成し、
前記第１および第２ヨーク・マウント・セグメント（４４ａ、４４ｂ）を構造的に相互接続するための前後の曲面セグメント（４８ａ、４８ｂ）を備えた側面ラグ部（４８）を有し、さらに、前記一体構造体は、結合基材に設けられた増強繊維（７０）を有した複合材料から製造されることを特徴とする前記複合カフ構造体（４０）。
【請求項２】
前記角度θが、約４度から約３０度の間であることを特徴とする請求項１記載の複合カフ構造体（４０）。
【請求項３】
前記一体構造体は、縦軸（４０L）を画定し、前記翼幅方向の褶曲部（４６）は、縦型線（５８）を画定し、さらに該縦型線（５８）は、実質的に前記縦軸（４０L）に対して平行であることを特徴とする請求項１記載の複合カフ構造体（４０）。
【請求項４】
前記第１および第２ブレード・マウント・セグメント（４２ａ、４２ｂ）および第１および第２相補的曲面セグメント（４６ａ、４６ｂ）が各々特性的な剛性値を有し、前記相補的曲面セグメント（４６ａ又は４６ｂ）の少なくとも一つの前記特性的な剛性値が、隣接する前記ブレード・マウント・セグメント（４２ａ又は４２ｂ）の前記特性的な剛性値より小さいことを特徴とする請求項１記載の複合カフ構造体（４０）。
【請求項５】
少なくとも一つの前記相補的曲面セグメント（４６ａ又は４６ｂ）の前記特性的な剛性値が、隣接する前記第１および第２ブレード・マウント・セグメント（４２ａ、４２ｂ）の剛性値の約３５％から約７５％であることを特徴とする請求項４記載の複合カフ構造体（４０）。
【請求項６】
前記第１相補的曲面セグメント（４６ａ）の各々が有している前記特性的な剛性値が、隣接する前記ブレード・マウント・セグメント（４２ａ又は４２ｂ）の前記特性的な剛性値より小さいことを特徴とする請求項４記載の複合カフ構造体（４０）。
【請求項７】
少なくとも一つの前記相補的曲面セグメント（４６ａ又は４６ｂ）の舷外端部（４６ｅ0）の前記特性的な剛性値が、隣接する前記第１および第２ブレード・マウント・セグメント（４２ａ、４２ｂ）の剛性値の約３５％から約７５％であることを特徴とする請求項４記載の複合カフ構造体（４０）。
【請求項８】
前記複合材料が、単一方向性および軸がずれた繊維（７０）を含み、前記単一方向性が前記縦軸（４０L）と実質的に平行であることを特徴とする請求項３記載の複合カフ構造体（４０）。
【請求項９】
前記軸がずれた繊維（７０）が準等方的レイアップ（lay-up）を形成するために前記縦軸（４０L）に対して±４５／９０度に方向付けられいることを特徴とする請求項８記載の複合カフ構造体（４０）。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、ヘリコプターのロータブレード・アッセンブリをロータハブ・アッセンブリへ装着するための複合カフ構造体に関し、より詳細には、ロータブレード・アッセンブリの基端部（ルートエンド）とロータ・アッセンブリ・ヨークとの捻れのバラツキを調整する複合カフ構造体に関する。
発明の背景
ヘリコプターのロータのハブは、航空機胴体に対し、トルクを発生し、各々のロータブレードの遠心荷重に反作用し、揚力荷重を伝達するための基本構造のアッセンブリである。ロータ・ハブの一般的な種類は、ロータブレードの多方向変位の調節手段の特性によって、関節型、無関節型、ベアリングレスタイプからなる。例えば、関節型ロータハブは、ロータブレードの可動域を調節するためのベアリング部を１又はそれ以上備えており、一方、ベアリングレスタイプのロータ・ハブは、一般的に「フレックスビーンズ」と呼ばれて、関節型ロータ・ハブのベアリング部を機能的に置換する、柔軟性のある構造体を用いる。
関節型ロータに分類されるロータとしては、球状の多積層弾性ベアリングを介する複数のロータブレード・アッセンブリを駆動するための中央ハブ部材から構成されるものが挙げられる。さらに詳細には、ハブ部材は、複数の放射状スポークと、一対の放射状スポークを構造的に相互接続する剪断セグメントとから構成される。各々の剪断セグメントは、その対応するスポークと共に、ハブ部材の配置に応じて、垂直方向や水平方向に構造体の環状物を形成する。各々の構造体の環状物は一般的なＣ字形のロータ・アッセンブリ・ヨークを装着し、ハブ部材の剪断セグメントを環状に取り囲んでいる。ロータ・アッセンブリ・ヨークは、中間体と、一対の放射状アームと、を含んでいる。該中間体は、それぞれの環状構造体を通じて拡がり、当該放射状アームは、剪断セグメントの一方の面に設けられている。ヨークアームの中央寄りの端部は、それぞれのロータの基端部（ルートエンド）へ装着されるか、又はその代わりに、中間部のカフ構造体に装着されており、球状の弾性ベアリングは、弾性の有るシムと、弾性の無いシムとが交互に形成されており、このベアリングは、各ヨークの中間体と、連動ロータブレードの荷重と運動を調整する剪断セグメントとの間に挿入されている。
遠心力は、弾性ベアリングにおける圧縮荷重として、すなわち、弾性ベアリングの最内のベアリング・エンドプレートに対向するヨークの支持力として、ハブ部材へ伝達される。弾性ベアリングの球面構造体はロータブレードへのトルクの伝達を調整し、ロータハブへの揚力荷重の伝達のために供給され、ロータブレードの面内（エッジ方向）、面外（フラップ方向）及びピッチ変更（フェザリング）の各運動を調整する。米国特許第３，７６１，１９９号、第４，２３５，５７０号、第４，５６８，２４５号、第４，７９７，０６４号および第４，９３０，９８３号には、前述の型である関節型ロータが図示されており、これらの米国特許は、最新の技術を一般に開示する。ロータブレード・アッセンブリをロータハブ・アッセンブリに装着する、すなわち、ロータブレードの基端部（ルートエンド）のロータ・アッセンブリ・ヨークへの装着する場合においては、捻れのバラツキが合致されることが頻繁に必要となる。装着用ラグ／クレビスアーム、すなわち、ロータヨークの突起または、Ｕ型カギのアームの装着が、水平面に一般的に方向づけられている。一方で、ロータブレードの基端部（ルートエンド）が、水平面に対して一般的に傾斜を生じるている限り、このような捻れのバラツキが生じる。後者に関しては、ロータブレードが機体部での迎え角を大きくして、揚力の最大化と一様の吹き下ろしを発生させる上で、一般的に有利である。ロータブレード・アッセンブリに関する所望の空気力学の特性に従い、機体部での迎え角度は、ロータ・アッセンブリ・ヨークに対して２０度を超えるであろう。
従来技術における装着の改良は、機体部のラグ／クレビス、すなわち、突起又はＵ型カギのアームに対して傾斜した中間体金属繊維カフ構造体によって、一般的に、捻れのバラツキを調和させるものであり、そのフランジは、機体部のラグ／クレビス、すなわち、突起又はＵ型カギのアームに対して傾斜している。前述のカフ構造体は、等方向性の強度特性を実質的に有している金属繊維材料からすぐに製造されるが、カフ構造体は、形状寸法が複雑なので、複合材料、すなわち、高度に方向性がある、強度の繊維増強樹脂材料を用いると製造が容易ではない。特有な方向性に繊維を配列して、カフ構造体を通した種々の荷重経路を調整することの工業的な困難が生じることが、認識されるであろう。
捻れのバラツキを調整するための他の取り付け配置としては、ラグ／クレビス、すなわち、突起又はＵ型カギのアームがロータ・アッセンブリ・ヨークと同一平面上となるように、ロータブレードの基端部（ルートエンド）において反転捻れを形成させることが挙げられる。前述の装着に関する改良は、中間体カフ構造体の要求を消去し、ヘリコプターの重量増加を抑えることができるが、反転捻れはブレード・アッセンブリの製造において使用される装備を複雑化させ、最適な構造効率のために最適に繊維増強の方向性を決めることが困難となる。
前者、すなわち、製造時の装備の複雑化については、ロータブレードのようなチューブラ構造体の製造における捻れの導入は、しばしば、ロータブレードの幾何学的捻れに原因する内部ツール・ロックを未然に防ぐ多要素装備、すなわち、主軸部材の使用を要する。後者、すなわち、最適に繊維増強の方向性を決めることについては、複合層は、幾何学的な反転捻れによって要求される複雑な曲面の型や主軸に積層させる場合には、これを達成するのが困難である。この課題は、低コストの複合材製造方法、例えば、複合層のレイアップ法の取り扱いなど、を使用する時に更に明らかとなる。これらの方法では、複雑な曲面形状によって、繊維の方向が最適方向からずれてしまう。通常、翼幅方向に方向が揃った単方向性繊維を用いることは、軸方向負荷や曲げ荷重、すなわち、遠心方向と翼幅方向又は端方向への曲げ荷重に対する耐性の点から望ましい。しかし、曲面が複雑になると、負荷ベクトルの方向に対して、上記の単方向性繊維の方向軸がずれる原因となる。
上述の製造上の困難性に付け加えて、反転捻れは、ロータブレード・アッセンブリの空気力学的性能もまた低下させる。前述の反転捻れが３％から５％の長さの範囲に典型的に発生する限りにおいては、前記長さに沿った低減された迎え角が、ロータブレードの空気力学的性能の役割を低下させることが示される。
それ故に、ロータブレード・アッセンブリの空気力学的性能を低下させずに、ロータブレード・アッセンブリの基端部（ルートエンド）とロータ・アッセンブリ・ヨークとの間の捻れのバラツキを調整するためのカフ構造体を設けることが必要であり、また、そのカフ構造体は、複雑な装備を避け、低コスト生産方法を用いた製造が容易であることが必要となる。
発明の概要
本発明の目的は、特有の幾何学的形状を備えた、ロータブレード・アッセンブリの基端部（ルートエンド）と、幾何学的形状のアッセンブリ・ヨーク、さらに詳しく述べるならば、ロータ・アッセンブリ・ヨークとロータブレードとの間における捻れのバラツキを調整する、ロータへと組み込み、装着する、複合カフ構造体を設けることである。
本発明の他の目的は、内部に使用している構造的繊維の方向性の逆効果の無い低コスト生産方法による簡便な製造の幾何学的形状をした複合カフ構造体を設けることである。
さらに、本発明の目的は、ロータ・アッセンブリの空気力学的性能への悪影響無しに捻れのバラツキを調整する幾何学的形状をした複合カフ構造体を設けることである。
またさらに、本発明の目的は、積層内の剪断およびピールストレス（peal stress）をより均一的に配分するために構造的に軟化した領域を有する複合カフ構造体を設けることである。
前述の発明の目的は、一般的なチューブラ形状と基材をバインドした増強繊維を備えた複合金属による製造を有する複合カフ構造体によって成し遂げられるものである。複合カフ構造体は、ブレード受けのスリーブ部と、ヨーク・マウント部と、翼幅の褶曲部と、サイドローブ部（このサイドローブ部は構造的にその形状が一体構造体に集約される）とからなる。ブレード受けのスリーブ部は、ロータ・アッセンブリの基端部（ルートエンド）と共に設け、ロータブレード装着面ＰBを画定する第１、第２ブレードセグメントを有している。ヨーク・マウント部は、ロータ・アッセンブリであるヨークの放射状アームと共に設けられ、ヨーク装着面ＰYに画定している前後のペアの第１、第２ヨーク・マウント・セグメントを有している。さらに、ヨーク・マウント・セグメントのペアは、ブレード・マウント・セグメントの側面に設けられている。翼幅の褶曲部は、ロータブレード装着面ＰBがヨーク装着面ＰYに対して角度θを形成するようなブレードとヨーク・マウント・セグメントとを構造的に相互接続するための第１、第２の相補的な曲面セグメントからなる。サイドローブ部は、第１、第２ヨーク・マウント・セグメント構造的に相互接続するための前後の曲面セグメントからなる。
【図面の簡単な説明】
本発明及び発明の付属機構および効果のより確実な理解は、図面を総合的に考慮して、本発明の詳細な記述を参照することによって、もたらされるであろう。
図１は、本発明の複合カフ構造体がロータ・アッセンブリ・ヨークと各々のロータブレード・アッセンブリの基端部（ルートエンド）とを嵌合して設けられた関節型のロータハブの斜視図の記述である。
図２ａは、本発明の複合カフ構造体の細部を識別するための個別の斜視図である。
図２ｂは、図２ａの２ｂ線に沿った断面図である。
図２ｃは、図２ａの２ｃ線に沿った断面図である。
図３は、複合カフ構造体を製造するための主軸部材と、主軸部材に覆われた複合層との斜視図である。
図４ａは、種々のセグメントが一定の壁厚を有する第１世代の複合カフ構造体の上側後部セグメントの概念図である。
図４ｂは、図２ａの４ｂ線に沿った断面図である。
発明の最良実施の形態
以下、図面を参照して本発明の説明を行う。尚、同一部、同一相当部には、同じ符号を付して説明を行う。図１には、回転軸１６に関する複数のロータブレード・アッセンブリ１４の駆動用に操作可能なハブ保持部材１２を有するロータハブ・アッセンブリ１０が記載されいる。ハブ保持部材１２は、複数の放射状スポーク２０と、放射状スポークのペア、すなわち、上部及び下部の放射状スポーク２０ａ、２０ｂを各々構造的に相互接続する剪断セグメント２２とを有する。各剪断セグメント２２は、各々の放射状スポーク２０と共にロータ・アッセンブリ・ヨーク２４を組み付けるために環状構造体を形成する。
ロータ・アッセンブリ・ヨーク２４は、一般的に、Ｃ字形であり、また、各々の剪断ゼグメント２２を環状に囲む。さらに詳細には、ロータ・アッセンブリ・ヨーク２４は、各々の環状構造体に延長する中間体２４ｍと、剪断セグメント２２の片側に中間体２４ｍの外側へと突き出している一対の放射状アーム２４ａ、２４ｂとからなる。ヨーク２４の中間体と各々の剪断セグメント２２との間に、各々のロータブレード・アッセンブリの多方向変位を調整する、軸対称の弾性ベアリング・アッセンブリ３０が、挿入される。前記の弾性ベアリング・アッセンブリ３０については、米国特許（特許番号第５，６０１，４０８号、発明の名称「ヘリコプター用の軸対称弾性ベアリング・アッセンブリ（Axisymmetric Elastomeric Bearing Assembly for Helicopter Rotors）」）において、より詳細に開示してある。本発明の複合カフ構造体４０は、各ロータ・アッセンブリ・ヨーク２４の放射状アーム２４ａ、２４ｂに、共に、設けられ、各ロータブレード・アッセンブリ１４の基端部（ルートエンド）１４ｅへと設けられ、両者の捻れのバラツキの調整をするための構造をなしている。従来の技術において述べたように、この捻れのバラツキは、ロータブレード・アッセンブリ１４が基端部（ルートエンド）１４ｅに対する所望の迎え角度を有し、かつ、ロータ・アッセンブリ・ヨーク４０が実質的に水平面方向に方向付けられていることにより生じている。本発明に用いられている捻れのバラツキは、ロータ・アッセンブリ２４の各放射状アーム２４ａ、２４ｂ、より詳細には、各マウントのラグに対しての、ロータブレード・アッセンブリ１４の基端部（ルートエンド）１４ｅの方向角の方向性の相違として定義される。
説明を簡素化するために、複合カフ構造体４０は、特徴的な構造や機能を有した種々のアッセンブリやセグメントによって画定される。しかしながら、複合カフ構造４０の隣接のアッセンブリやセグメントは、構造的に相互接続されて一体構造体になっていることが、理解されるであろう。ＣSのデカルト座標の図２ａによって、カフ構造体４０の縦軸４０Lは、Ｚ軸が通常に垂直に設けられるている座標Ｘ−Ｙ水平面に位置しているカフ構造体４０の幾何学的形状が明確に図示される。
図２ａ及び図２ｂにおいて、複合カフ構造体４０は、一般的に、チューブラ形状をなし、ブレード受けスリーブ部４２と、ヨーク受け部４４、翼幅の褶曲部４６と、横突出部４８とからなる。より詳細には、ブレード受けスリーブ部４２は、第１、第２ブレード・マウント・セグメント４２ａ、４２ｂ各々により画定され、さらに、ロータブレードの基端部（ルートエンド）１４ｅ（破線にて図示）の上部、下部マウント表面１４ｓを受け入れる内面４２ｓにより画定される。マウント開孔部５０は、ロータハブ基端部（ルートエンド）１４ｅを複合カフ構造体４０へ固定する連結ボルト（図示せず）を受け入れるブレード・マウント・セグメント４２ａ、４２ｂを貫通して形成される。
図２ａ及び図２ｃにおいて、ヨーク受け部４４は、第１、第２ヨーク・マウント・セグメント４４ａ、４４ｂの前部ペアと後部ペア４４−１、４４−２により形成される。これらのペア４４−１、４４−２は、ブレード・マウント・セグメント４２ａ、４２ｂの横側に配置される。第１、第２ヨーク・マウント・セグメント４４ａ、４４ｂの４４−１、４４−２の各々のペアは、ロータ・アッセンブリ・ヨークのマウント・ラグ２４Lａ、２４Lｂ（破線にて図示）を受け入れる。マウント開孔部５４は、連結ボルト（図示せず）を受け入れるためのヨーク・マウント・セグメント４４ａ、４４ｂの機体部側端部４４ｅiに形成され、該連結ボルトは、複合カフ構造体４０をロータ・アッセンブリ・ヨークへ固定する。好ましくは、第１、第２ヨーク・マウント・セグメント４４ａ、４４ｂは、翼幅方向Ｗcに、機体部側端部４４ｅiから機体外側端部４４ｅoへと先細り形状をなしている。
ブレード・マウント・セグメント４２ａ、４２ｂの内面４２ｓは、共に、ブレード装着面ＰBをそれらの間に画定し、該ブレード装着面ＰB複合カフ構造体の縦軸４０L上に沿って位置する。さらに、ブレード装着面ＰBは、Ｘ−Ｙ平面に対して角度αを形成する。
角度αは、ロータブレード・アッセンブリ１４の所望の基端の迎え角に相関している。
より好ましい実施態様において、内面４２ｓの両面は、実質的に平行であるのだが、該内面４２ｓの両面は、ロータブレード・アッセンブリ１４の上部および下部表面１４ｓの輪郭に一致させるように（形状に関し）適合されるであろう。内面４２ｓの形状は、ロータブレード基端部（ルートエンド）１４ｅの輪郭に依存するものの、各内面４２ｓどうしが結果として形成する合成角度が、前述のブレード装着面ＰBを画定する、すなわち、空間に固定する、ことが重要である。
ヨーク・マウント・セグメント４４ａ、４４ｂの内面４４ｓ1a〜４４ｓ2bは、共に、ヨーク装着面ＰYをそれらの間に画定しする。
さらに詳細には、該装着面ＰYは、カフ構造体の縦軸４０Lに沿って位置し、Ｘ−Ｙ平面と実質的に同一平面である。
これらの記述における、実質的に同一平面上とは、Ｘ−Ｙ平面と±４度以内であることを意味し、ロータ・アッセンブリ・ヨークのマウント・ラグ２４Lａ、２４Lｂの所望の方向性に相関している。
より好ましい実施態様において、ヨーク・マウント・セグメント４４ａ、４４ｂの内面４４ｓ1a〜４４ｓ2bは実質的に平行であり、第１、第２ヨーク・マウント・セグメント４４ａ、４４ｂに対応する内面４４ｓ1a、４４ｓ2bと内面４４ｓ1b、４４ｓ2aは、実質的に同一平面上である。しかしながら、内面４４ｓ1a〜４４ｓ2bの平行及び／又は同一平面の関係は、マウント・ラグ構造によって、変化しうる。内面４４ｓ1ａ、４４ｓ2ｂの詳細な幾何学形状は、構成に依存するが、内面４４ｓ1a〜４４ｓ2bのそれぞれによって、前述のヨーク装着面ＰYが画定される、すなわち、空間に固定する、ことが重要である。
翼幅褶曲部４６は、第１、第２の相補的な曲面セグメント４６ａ、４６ｂによって、それぞれ、画定され、該それぞれの曲面セグメントは、構造的にブレード受容スリーブとヨーク・マウント部４２、４４とに相互接続している。
さらに、相補的な曲面セグメント４６ａ、４６ｂは、幾何学的遷移に影響を与え、すなわち、該幾何学的遷移とは角度の変更であり、ブレード・マウント・セグメント４２ａ、４２ｂからヨーク・マウント・セグメント４４ａ、４４ｂに、そのような角度θは、ロータブレード装着面ＰBとヨーク装着面ＰYとの間に形成される。
角度θは、ＰB面とＰY面とによって形成され、角度のバラツキに連関しており、すなわち、該角度は、放射状アーム２４ａ、２４ｂとロータブレード・アッセンブリの基端部（ルートエンド）１４ｅとの間に存在する、ロータ・アッセンブリ・ヨークの捻れのバラツキに連関する。実施態様の記載において、角度θは、約４度から約３０度の間の範囲であり、この範囲は、本出願における実用的な限界を表している。すなわち、捻れのバラツキは一般的に約３０度以下であり、また、約４度以下の捻れのバラツキに関しては、本出願は、従来技術において述べたような、他のマウントの配置によって、十分に解決が図られるのである。
側面のラグ部４８は、前部と後部の曲面セグメント４８ａ、４８ｂによって、それぞれ画定され、（図２ｂ参照）該曲面セグメントは、その横断面形状は半円形又は、半楕円形又は、放物線形であればよい。さらに、曲面セグメント４８ａ、４８ｂは、構造的に第１、第２ヨーク・マウント・セグメント４４ａ、４４ｂを相互接続し、該ヨーク・マウント・セグメントに亘る荷重を伝達するための剪断ウェブを形成する。
前述の幾何学的形状の記述に加えて、ブレード・マウント・セグメント、ヨーク・マウント・セグメント４２ａ、４２ｂ、４４ａ、４４ｂと相補的な曲面セグメント４６ａ、４６ｂは、各部に亘る内部の型の輪郭を実質的に一定に画定し、その範囲は、複合カフ構造体４０の縦軸４０Ｌに沿ったものである。すなわち、面５６（図２ａ）は、縦型線５８を画定する。該面５６は、縦軸４０Lに共直線状に配置され、内面４２ａ、４２ｂ、４４ａ、４４ｂ、４６ａ、４６ｂと交差しており、該縦型線５８は、実質的に縦軸４０Lと平行である。本明細書中において用いている「実質的に一定」とか「実質的に平行」とは、一般的な産業上の許容量の範囲内のことを意味する。実質的に一定な内部の型の輪郭の導入に関しては、前述の幾何学的形状がもたらす構造上及び産業上の利点を検討している、後の議論で明白になる。
複合カフ構造４０は、金属基材の増強樹脂繊維から製造される。該金属基材の増強樹脂繊維とは、基材に熱硬化剤や熱可塑剤を配したグラファイト、グラスファイバー、アラミド繊維、すなわち、複合材料であり、例えば、フェノール系や合成樹脂の基材である。
複合繊維の方向性と複合金属の型式、例えば、単一方向性や網状などは、荷重状態と選択されたレイアップ（lay-up）処理によって変化する。より好ましい実施態様において、複数の複合層は積層され、準等方的レイアップ（lay-up）を形成するように配置されおり、該複合層の繊維は、複合カフ構造４０の縦軸４０Lに対して０／±４５／９０度に方向付られている。この方向性は、ブレード受容スリーブの平面セグメント４２ａ、４２ｂ、４４ａ、４４ｂとヨーク・マウント部４２、４４とに関する遠心力荷重と曲げ荷重への最適な応力にとって、好ましいものであり、また、翼幅褶曲部４６における捩れ剪断力や、横突出部４８を横切る垂直剪断荷重や、マウント開孔部５０、５４についての平面剪断荷重にとって、好ましいものである。
さらに、所望の繊維方向性が成されている一方で、複合カフ構造体４０の幾何学的構造は、ロータブレード・アッセンブリとロータ・アッセンブリ・ヨークとの捻れのバラツキを調整する。図３において、単一方向性複合層６２と軸から外れた合層６４、６６は、それぞれ、主軸部材６８上に配置されている。主軸部材６８は、型表面６８ｓを画定し、該型表面は、複合カフ構造体４０の内部型表面に連関している。複合カフ構造体４０についての前述に用いた符号は、６８の型の表面の種々のセグメントを画定するために使用されている。単一方向性および軸から外れた層６２、６４、６６は共に、準等方的レイアップ（lay-up）を形成し、該層内の単一方向性層６２の繊維は、縦軸４０L（０度）と実質的に平行であり、該層内の軸から外れた層６４、６６の繊維は、縦軸４０Lに対し±４５／９０度へ一定方向付けられる。ブレード・マウント・セグメントとヨーク・マウント・セグメント４２ａ、４２ｂ、４４ａ、４４ｂの縦軸の型線と、とりわけ、相補的曲面セグメント４６ａ、４６ｂが、縦軸４０Lと実質的平行である限りでは、６２、６４、６６層は、型表面６８ｓに、繊維７０を破壊したり歪ませることのなく覆われる。すなわち、繊維７０の方向性は、頂点から見た場合、実質的に不変のままであり、結果的に得られる繊維の方向性が強制荷重応力に最適に適合している。さらに、セグメント４２ａ、４２ｂ、４４ａ、４４ｂ、４６ａ、４６ｂの内部の型線の寸法が実質的に一定であり、かつ、第１、第２ヨーク・マウント・セグメント４４ａ、４４ｂの幅Ｗcの寸法が先細りとなっていることによって、共に、ツールのロックが防がれ、多要素ツールは必要でなくなっている。
実施態様の記述において、複合層６２、６４、６６は主軸部材６８の上、すなわち、主軸部材６８の両側面に順次に配置されており、主軸部材６８の末端部は複合カフ構造の側面部４８に連関した部位に重なっている。従来のいかなる型装置（図示せず）も、複合レイアップを圧縮し、硬化するために用いられるであろう。例えば、不透水性膜、すなわち、バキュームバッグ（Vacuum bag）は主軸部材に設けられ、その端部を密封し、レイアップへの圧縮圧に適応するために排気する。そして、部材全体は、複合レイアップの硬化に適応させるために熱及び／又は加圧が施される圧力釜に置かれる。
複合積層の厚みが荷重状況、例えば、遠心力荷重、翼方向や縁方向の曲げ荷重、ねじり力荷重など、によって変化する一方で、本発明者らは、特定の構造の利点が、厚みの変更によって導き出され、結果的には、複合カフ構造体４０の種々の部位における剛性によって導き出されることを見出した。さらに、このような剛性の変化は、複合カフ構造体４０の重量を低減することによって、その構造的な効率を改善する。
図４ａには、第１世代の複合カフ構造体の後部上面セグメントが図示してあり、該複合カフ構造体のセグメント４２ａ’、４４ａ’、４６ａ’はブレード・マウント、ヨーク・マウント、相補的曲面セグメントに連関しており、一定の壁厚を有している。
該複合カフ構造体の構造解析の結果、部位Ａは複合積層内に許容範囲外の大きな積層内剪断力Ｖとピールストレス（peal stress）Ｐを生み出すことが明らかにされ、該部位Ａは相補的曲面セグメント４６ａ’に連関している。さらに詳細には、最大の剪断力とピールストレス（peal stress）、Ｖ、Ｐは相補的曲面セグメント４６ａ’の最外部の端部４６ａ’eにおいて生み出され、該相補的曲面セグメント４６ａ’は曲面の小半径Ｒを有している。このような大きな応力Ｖ、Ｐは原理的には、横方向の曲げモーメント荷重Ｍと縁方向の曲げモーメント荷重Ｍｅとの結果として生み出され、該荷重Ｍは縦軸４０L’に沿った捩れ荷重Ｔによって発生し、荷重ＭEは垂直Ｚ軸に沿っている。これら圧力を低減するための従来の解決手段は、一般的に、変形部Ａの構造的な増加を必然的に伴い、すなわち、積層の厚みを増すことによる変形部Ａの剛性化を必然的に伴うが、本発明者らは、相補的曲面セグメントの柔軟化すれば、応力は、複合カフ構造体において、より均一に配分されることを見出した。
図４ｂにおいて、第１相補的曲面４６ａは、隣接するブレード・マウント・セグメント４２ａ、４２ｂより相対的に柔軟化させられ、該第１相補的曲面は、微小又は鋭い曲面半径を有する。すなわち、それぞれの第１相補的曲面セグメント４６ａの剛性ＣＳCCの特性値は、隣接するブレード・マウント・セグメント４２ａ、４２ｂの剛性ＣＳBMの特性値より小さい値である。この関係は、以下のように明確に示される。
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式中のＥは、各セグメントの材料のヤング係数であり、式中のｂは、縦軸４０Lに沿った単位長さであり、ｔmCCは、相補的曲面セグメント４６ａの平均厚みであり、ｔmBMは、ブレード・マウント・セグメント４２ａの平均厚みである。好ましくは、各々の第１相補的曲面セグメント４６ａの剛性の特性値は、隣接するブレード・マウント・セグメント４２ａ、４２ｂの剛性値の約３５％から約７５％の間である。好ましくは、各々の第１相補的曲面セグメント４６ａの剛性の特性値は、４６ｅoの機体外端部において、低減され（図２ａ参照）、該機体外端部において、カフ構造体４０の積層が終了し、ブレード・マウント・セグメント４２ａ、４２ｂからの荷重が最初に相補的曲面セグメント４６ａに誘導される。
このような剛性の減少は平均厚み、すなわち、複合積層のｔmBMからｔmCCまでの厚みの低減によって好ましくは達成されるが、これに代えて、積層のヤング係数の変更によって剛性を減少させてもよい。
このような係数の変化は、低係数の積層材料を部分的に導入することで達成されるであろう。該低係数材料とは、変形セグメント４６ａ、４６ｂにおけるグラスファイバーのような材料である。あるいは、このような係数の変化は、繊維内の積層の誘導によって達成されるであろう。該繊維は、縦軸方向に偏よらせてあり、例えば、縦軸４０Lに対して±３５度に偏よらせてある。相補的曲面セグメント４６ａにおける剛性の低減は荷重をもたらし、該荷重はカフ構造体４０の周辺部と、すなわち該構造体の正反対の両端、複合カフ構造体４０の軸の長さに沿って、より均一的に分配される。
本実施の形態には、剛性の低減が対角位置の第１相補的曲面セグメント４６ａに好ましく発生することが記述されている一方、どの相補的曲面セグメント４６ａ、４６ｂでも、所望の荷重の再分配を有効にするために、構造的に柔軟化させうる。
この原理は、複合カフ構造４０の周辺部の配置によるものよりも、特有なセグメント内における曲面率の関係に関与する。
本発明の目的によれば、複合カフ構造体は、ロータブレード・アッセンブリの基端部（ルートエンド）１４ｅとロータブレード・アッセンブリ・ヨークの放射状アーム２４ａ、２４ｂとの間の捻れのバラツキを調整し、該複合カフ構造体は、単層レイアップ法によって簡易に製造される。すなわち、複合カフ構造４０の幾何学的形状は、複合繊維の所望の方向性の変更無しに、レイアップ層技術による複合材製造を容易にする。さらに付け加えて、特有な形状は、複雑な多要素ツーリング装置を必要としない。
さらに、本発明の複合カフ構造は、ロータブレード・アッセンブリ１４の基端部（ルートエンド）１４ｅが所望の機体の迎え角度を維持できることを許容し、これは、悪影響の衝撃であるロータブレード・アッセンブリ１４の空気力学的挙動なしに許容するものである。すなわち、ロータブレード・アッセンブリ１４の揚力特性は、複合カフ構造体４０と共に設けられた場合ですら、依然として「有効」である。さらに、複合カフ構造体４０は、複合カフ構造体４０が、自由流線気流に関して低度な空気力学的翼形を表している限りにおいては、空気力学的に形状化されている。
最後に、複合カフ構造体４０は、複合積層における積層内剪断力とピールストレス（peal stress）を低減するために、最適に剛性が調整されている。このような剛性の調整は、カフ構造体の重量効果をも改善する。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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