JPH0661878B2 - 繊維強化樹脂マトリツクス複合材料構造体及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、繊維強化樹脂マトリックス複合材料に係り、
更に詳細には複合材料製のダイヤフラム構造体に係る。

従来の技術 被駆動機械を駆動すべくタービンエンジン、通常の内燃
機関、電気モータ、又は他の動力発生装置より被駆動機
械へエネルギを伝達するためには、一般に、何らかのカ
ップリング装置にて動力発生装置を被駆動機械に接続す
ることが必要である。これらの装置は回転軸を介して動
力を伝達し、その動力出力は一般にトルクと呼ばれる。
かかるパワーカップリング装置は、その破壊により被駆
動機械が停止するので、重要な部材である。

発明が解決しようとする問題点 高馬力出力を有する動力発生装置（例えば７４６kW（１
０００馬力）の電気モータ）が高速回転軸を有する被駆
動機械（例えば遠心ポンプ）に連結される場合には、両
装置の軸ができるだけ互いに整合することが重要であ
る。両装置の軸が非整合状態あると、有害な振動レベ
ル、早期の軸受損傷、構造的損壊、過熱、過剰の騒音、
カップリング装置の高い摩耗速度及び破壊速度の如き多
数の問題が生じる。理論的には動力発生装置及び被駆動
機械の軸を完全に整合させることが可能であれが、実際
には測定装置、測定装置、有害な環境因子、使用中に於
ける熱膨張率の相違の如き種々の制限因子が存在する。
更に設計に於ては或る特定量の関節連結が必要とされ
る。高トルク及び高速の用途のための軸の僅かな非整合
を許すカップリング装置が従来より存在するが、非整合
の大きさは約０．５°又はそれ以下であり、これらのカ
ップリング装置は金属構造のものであり、従って非常に
重い。かかる従来のパワーカップリング装置の主要な限
界は、軸が約１０°までの大きい整合状態にある場合に
は、パワーカップリング装置の構造材料が広い温度範囲
に亘り高トルク及び高回転速度を許容しないということ
である。かかるパワーカップリング装置はトルク伝達装
置又は駆動装置として作用しなければならず、また弾性
変形を許して軸の非整合を補償すべく撓み手段としても
作用しなければならない。

パワーカップリング装置は回転翼航空機、即ちヘリコプ
タに於て特に重要である。ヘリコプタに於て動力軸より
ヘリコプタのブレードへトルクを伝達するために使用さ
れるパワーカップリング装置は一般にロータハブと呼ば
れている。従来のロータハブは複雑な金属機構であっ
た。かかる金属製のロータハブの欠点は重量、疲労破
壊、メンテナンスコストが非常に高いこと等を含んでい
る。

当技術分野に於ては、航空機の金属製の部材を軽量且高
強度て耐疲労性に優れた複合材料製の構成要素に置換え
る研究が継続的に行われている。複合材料を利用したヘ
リコプタのジンバル型ロータハブの一例が米国特許第
４，３２３，３３２号に開示されている。

ヘリコプタのロータハブに於ける従来のローラ軸受及び
ボール軸受を排除することは、複合材料製のジンバル型
ロータハブに於て、ブレードのピッチ運動、フラッピン
グ運動、リードラブ運動を受入れるべく湾曲及び回転可
能な複合材料をブレート及びハブに使用することによっ
て達成される。ロータハブは遠心力に抗してブレードを
拘束し、ブレードよりヘリコプタの軸及び機体へ揚力を
伝達する。複合材料製のロータハブに於ては、ロータハ
ブは軸の中心線の周りに傾動しなければならないので、
軸よりロータブレードへトルクを伝達する傾動可能な装
置を設けることが必要である。かかるトルクドライブ構
造体は軸よりヘリコプタのブレードへ直接トルクを伝達
するに十分なほど剛固でなければならないが、トルク荷
重を伝達しつつばねとして作用し、また水平より約１０
°まで上方へ傾動するよう十分に撓んだり湾曲したりし
得るものでなければならない。ロータハブへの典型的な
動力出力は７４６kW（１０００馬力）以上である。従来
の材料は構造的破壊を生じることなくトルクドライブの
機能及びばねの機能を同時に果すに必要な特性を有して
はいない。

発明の概要 従って当技術分野に於て必要とされているものは、従来
技術の上述の如き問題を解決する可能性を有する複合材
料製のトルク伝達装置及びかかるトルク伝達装置を製造
する方法である。

特に回転翼航空機のハブに於てトルクドライブダイヤフ
ラムとして使用されるよう構成された繊維強化樹脂マト
リックス複合材料構造体が開示される。複合材料構造体
は取付用の内方へ湾曲したフランジを備えたリムと、軸
を受入れるための中央孔とを有する円形のダイヤフラム
を含んでいる。複合材料構造体は樹脂マトリックスと、
複合材料構造体のダイヤフラムセクション及び内方へ湾
曲したフランジを有するリムを形成すべく複数サーキッ
トのパターンにて中央孔に対し実質的に接線方向にワイ
ンディングされた強化繊維と、複合材料構造体のリムセ
クションを強化し複合材料構造体の全体として熱特性を
バランスさせるべく実質的に周方向にワインディングさ
れた強化繊維とを含んでいる。繊維は十分な張力が与え
られた状態にてワインディングされ、構造体は十分な熱
及び圧力が与えられた状態には成形されることにより硬
化処理される。構造体のダイヤフラムセクションはそれ
が温度変化により誘発される応力に曝された場合にも実
質的に一平面状態を維持する。

本発明の他の一つの局面には、特に回転翼航空機のハブ
に於てトルクドライブダイヤフラムとして使用されるよ
う構成された繊維強化樹脂マトリックス複合材料構造体
を製造する方法であって、リムと内方へ湾曲したフラン
ジとを有するダイヤフラムを形成すべく複数サーキット
のパターンにて中央孔に対し実質的に接線方向に熱硬化
性樹脂にて含浸された繊維を十分な張力が与えられた状
態にてマンドレル上にワインディングする過程と、リム
を強化すべく実質的に周方向に樹脂にて含浸された強化
繊維を十分な張力が与えられた状態にてワインディング
する過程とを含み、前記強化繊維の間に実質的に接線方
向にワインディングされる前記繊維が随意に介装される
方法である。上述の如く形成された構造体は次いで十分
な熱及び圧力を与えつつ成形することにより硬化処理さ
れる。構造体のダイヤフラムセクションはそれが温度変
化により誘発される応力に曝された場合にも実質的に一
平面状態を維持する。

本発明の他の一つの局面は、特に可撓性を有するトルク
ドライブカップリング装置（パワーカップリング装置）
として使用されるよう構成された繊維強化樹脂マトリッ
クス複合材料構造体である。複合材料構造体は第一の実
質的に平坦なダイヤフラム側壁と第二の実質的に平坦な
ダイヤフラム側壁とを有する中空ディスクを含んでお
り、各ダイヤフラム側壁は軸を受入れるためのダイヤフ
ラムの中心軸線と同心の中央孔を有している。また各ダ
イヤフラム側壁は中央孔の周りにて中央部に配置された
取付手段を有している。ディスクは二つのダイヤフラム
側壁を接続する周縁リムを有している。複合材料構造体
は樹脂マトリックスと、ディスクを形成すべく複サーキ
ットのパターンにて中央孔に対し実質的に接線方向に十
分な張力が与えられた状態にてワインディングされた繊
維と、周縁リムを強化し複合材料構造体の全体としての
熱特性をバランスさせるべく実質的に周方向に十分な張
力が与えられた状態にてワインディングされた繊維とを
含んでいる。複合材料構造体はダイヤフラムセクション
がそれが温度変化により誘発される応力に曝された場合
にも実質的に一平面状態を維持するよう、十分な熱及び
圧力を与えつつ成形することにより硬化処理される。

本発明の更に他の一つの局面は、特に可撓性を有するト
ルクドライブカップリング装置として使用されるよう構
成された繊維強化樹脂マトリックス複合材料構造体を製
造する方法である。この方法は、第一の実質的に平坦な
ダイヤフラム側壁と第二の実質的に平坦なダイヤフラム
側壁とを有するディスクであって、該ディスクは二つの
ダイヤフラム側壁を接続する周縁リムを有し、各ダイヤ
フラム側壁は軸を受入れるためのディスクの中心と同心
の中央孔と、該中央孔の周りにて中央部に配置された取
付手段とを有するディスクを形成すべく、複数サーキッ
トのパターンを用いて中央孔に対し実質的に接線方向に
樹脂にて含浸された繊維を十分な張力が与えられた状態
にてマンドレル上にワインディングする過程と、前記リ
ムを強化すべく実質的に周方向に樹脂にて含浸された強
化繊維を十分な張力が与えられた状態にてワインディン
グする過程とを含み、前記複合材料構造体を形成すべく
前記強化繊維の間には実質的に接線方向にワインディン
グされる繊維が随意に介装され、前記構造体は次いでデ
ィスクのダイヤフラム側壁がそれが温度変化により誘発
される応力に曝された場合にも実質的に一平面状態を維
持するよう十分な熱及び圧力を与えつつ成形することに
より硬化処理される。

周方向のリムの特性及び繊維に予め与えられる張力の組
合せ効果により、実質的に改善された熱特性を有し、こ
れにより湾曲変形の傾向が排除されたダイヤフラム部材
が得られる。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例について
詳細に説明する。

実施例 本発明のトルク伝達構造体を製造するために使用される
繊維は、複合材料構造体を製造するための繊維として当
技術分野に於て知られている繊維を含んでいる。かかる
繊維の例としては、ポリアラミド繊維、黒鉛繊維、ガラ
ス繊維、及びこれらの組合せがある。これらの繊維は一
般に約４８３日３７９２ＭＰａ（約７００００〜５５０
０００psi）、好ましくは約２７５８ＭＰａ（約４００
０００psi）の引張り強さを有している。本発明の実施
に特に好ましい合成繊維は、アメリカ合衆国デラウエア
州、ウィルミルトン所在のデュポン・カンパニー（Du P
ont Company）により製造されているKevlar２９（登録
商標）なる商品名のポリアラミド繊維である。このKevl
ar２９（登録商標）なる商品名のポリアラミド繊維は、
約２７５８ＭＰａ（約４０００００psi）の引張り強さ
を有し、６２０５５ＭＰａ（９００００００psi）の引
張り弾性を有している。この繊維は予め作成されたロー
ビング（粗系）又はテープの形態には販売されている。
テープは一般に約８本のロービングを含んでいる。本発
明の構造体を強化するために使用されるテープは、典型
的には約１．２７〜３０．５cm（０．５〜１２inch）、
より一層典型的には約１．２７〜１５．２４cm（０．５
〜６inch）、好ましくは約１．２７cm（０．５inch）の
幅を有している。構造体をワインディングされた繊維に
て強化するために使用されるテープの好ましい幅はその
構造体の大きさ次第であり、構造体の大きさに応じて異
なる。テープの厚さは典型的には約１．２７〜０．０５
mm（０．０５０〜０．００２inch）、より一層典型的に
は約０．３０〜０．１５mm（０．０１２〜０．００６in
ch）、好ましくは約０．１５mm（０．００６inch）であ
る。

樹脂にて予め含浸されたポリアラミド繊維テープを使用
することが好ましいが、樹脂にて予め含浸されていない
繊維のテープが使用され、処理中に繊維が樹脂にて含浸
されてよい。

Kevlar（登録商標）のポリアラミド繊維及び樹脂マトリ
ックスを含む本発明の構造体は、室温に於て約６８９５
０〜８２７４０ＭＰａ（１０００００００〜１２０００
０００psi）の繊維配向０°方向の引張り弾性を有して
いる。ポリアラミド繊維及び樹脂マトリックスよりなる
本発明の構造体の樹脂に対する繊維の比は約５５〜６５
vol%である。

本発明の実施に於ては黒鉛繊維が使用されてもよい。黒
鉛繊維は一般に約２７８５〜４１３７ＭＰａ（約４００
０００〜６０００００psi）の引張り強さを有してい
る。一般に使用される黒鉛繊維の直径は約０．００６３
〜０．００７６mm（０．０００２５〜０．０００３０in
ch）の範囲である。黒鉛繊維はポリアラミド繊維と同様
一般にロービング又はテープの形態にて使用される。ロ
ービングは一般に約１２０００本の繊維を含んでいる。
熱硬化性樹脂にて予め含浸されたロービング又は黒鉛繊
維を使用することが好ましいが、樹脂にて予め含浸され
ていない繊維を購入し、ワインディング工程前にその繊
維を樹脂マトリックスにて含浸することが行われてよ
い。好ましい黒鉛繊維はアメリカ合衆国ニューヨーク
州、ニューヨーク所在のセラニーズ・ケミカル・カンパ
ニー（Celanese Chemical Company）により製造されて
いるCelion（登録商標）なる商品名の黒鉛繊維である。
本発明の実施に使用されてよい黒鉛繊維の他の幾つかの
例としては、アメリカ合衆国ニューヨーク州、ニューヨ
ーク所在のユニオン・カーバイド・コーポレイション
（Union Carbide Corporation）より販売されているＴ
−３００（登録商標）なる商品名の黒鉛繊維や、アメリ
カ合衆国デラウエア州、ウィルミントン所在のハーキュ
リーズ・インコーポレイテッド（Hercules,Inc.）より
販売されているＡＳ−４（登録商標）なる商品名の黒鉛
繊維がある。黒鉛繊維のロービングやテープは通常約
０．３０mm（０．０１２inch）の厚さを有しているが、
０．１５２mm（０．００６inch）の如き厚さのロービン
グやテープも販売されている。黒鉛繊維と樹脂マトリッ
クスとよりなり硬化処理された複合材料は約５０〜６５
vol%の繊維を含んでいなければならない。黒鉛繊維及び
樹脂マトリックスを含む本発明の構造体は、室温に於て
約１２４１１０〜１７２３７５ＭＰａ（１８０００００
０〜２５００００００psi）の繊維配向０°方向の引張
り弾性を有している。

また本発明の実施に於てはガラス繊維が使用されてもよ
い。好ましいガラス繊維はエポキシ樹脂にて予め含浸さ
れた形態又はエポキシ樹脂にて予め含浸されていない形
態にて市販されているＳタイプ又はＥタイプのガラス繊
維である。樹脂にて予め含浸されたガラス繊維は、幅が
約２．５４〜２５．４mm（０．１〜１．０inch）であ
り、厚さが１．５２〜０．３１mm（０．０６〜０．０１
２５inch）である繊維ロービングやテープの形態にて市
販されている。ロービングやテープの厚さ及び幅は複合
材料構造体の大きさ及び繊維体積率に関連している。ガ
ラス繊維及び樹脂マトリックスにて形成された本発明の
構造体は、約４５〜６０vol%の繊維体積率を有してい
る。ガラス繊維及び樹脂マトリックスを含む本発明の構
造体は、室温に於て約３４４７５〜４８２６５ＭＰａ
（約５００００００〜７００００００psi）の繊維配向
０°方向の引張り弾性を有している。

樹脂マトリックスは合成繊維を接合し得る熱硬化性樹脂
又は熱可塑性樹脂であってよい。また樹脂は有機系及び
無機系の何れであってもよい。本発明の実施に使用され
てよい樹脂の典型的な例はエポキシ樹脂、ポリエステル
樹脂、ポリイミド樹脂、及び他の高温度にて橋架け結合
されたポリマーである。特に好ましい樹脂はアメリカ合
衆国ニュージャージー州、ウエイン所在のアメリカン・
シアナミド・カンパニー（American Cyanamid Co.）よ
り販売されているアメリカン・シアナミド・エポキシ樹
脂No.１８０６である。この樹脂は歪容量の高い樹脂で
ある。市販の樹脂の他の例としては、ハーキュリーズ・
インコーポレイテッドにより製造されているエポキシ樹
脂No.３５１０１−Ｂ、アメリカン・シアナミド・カン
パニーにより製造されているエポキシ樹脂No.５１４３
及びエポキシ樹脂No.１８０６、ユー・エス・ポリイミ
ド・カンパニー（Ｕ．Ｓ．Polyimide Co.）により製造
されているポリイミド樹脂No.Ｅ−７１７８、ユー・エ
ス・プロラム・コーポレイション（Ｕ．Ｓ．Prolam Cor
poration）により製造されている樹脂No.Ｅ−７４６が
ある。前述の如くテープやロービングは樹脂にて予め含
浸された状態にて使用されてよく、またテープやロービ
ングは例えばワインディング前に樹脂溶液のリザーバ中
にテープを通す等の如き当技術分野に於て公知の方法に
よりワインディング工程中に樹脂にて含浸されてもよ
い。繊維を樹脂にて含浸させる他の一つの方法は、樹脂
が鋳型内に射出され、これにより繊維構造体中に充填さ
れる樹脂トランスファー成形法である。本発明の実施に
於ては、樹脂にて予め含浸されたテープやロービングを
使用することが好ましい。

本発明のトルクドライブ構造体はマンドレル及び市販の
自動フィラメントワインディング装置を用いて製造され
る。マンドレルはシリコンゴムのアウタ被覆と、取り外
し可能な複数個の金属セクションよりなるインナ支持リ
ングとを含んでいる。マンドレルはワインディング装置
上の取付具内に配置され、マンドレルを繊維テープやロ
ービングにて巻付けて十分な繊維配向を有する十分な厚
さの繊維層やプライを形成すべく、予めプログラムされ
たワインディングパターンが使用される。実質的に半径
方向の配向を有する繊維の対称的で適合化された層を形
成する多くのワインディングパターンが本発明の実施に
使用されてよいが、１１サーキットのワインディングパ
ターンを使用することが好ましい。第４図はトルクドラ
イブ構造体のための基本的な１１サーキットのワインデ
ィングパターンを示している。各テープ５５の間の角度
は約３３．２３０８°である。１１のサーキットが完成
された後には、パターンが完成され繊維の構造層がマン
ドレル５０上にワインディングされるまで、パターンが
自動的に約５．５３８５°シフトされる。テープやロー
ビング５５は複合材料構造体に設けられた中央孔に対し
実質的に接線方向にマンドレル５０上にワインディング
される。

フィラメントワインディングされた樹脂にて予め含浸さ
れた繊維と樹脂マトリックスとを含む複合材料構造体
は、高動力、高角速度、軸非整合又は軸連結、及び傾動
の用途のためのトルクドライブ装置又はパワーカップリ
ング装置として使用されるに適した強度を有している。
典型的にはロータハブのためのトルクドライブ装置やパ
ワーカップリング装置は少なくとも一つのハブ領域と、
少なくとも一つの実質的に平坦なダイヤフラム領域と、
リム領域と、取付装置とを含んでいる。複合材料構造体
は、繊維の配向がその周縁部に於ては実質的に半径方向
であり、中央孔に対し接線方向をなすよう、マンドレル
上に樹脂にて含浸された繊維を半径方向に巻付けること
により強化されている。平坦なダイヤフラムセクション
を有し繊維がワインディングされた複合材料構造体に於
ける一つの問題は、ダイヤフラムセクションが所望の一
平面状態より湾曲して逸れる傾向があるということであ
る。この問題は合成繊維と樹脂との間の熱膨張係数が相
違していることに起因する。

特に繊維が一方向に配向された複合材料は二つの主要な
熱膨張係数、即ち繊維が延在する方向の長手方向の熱膨
張係数Ｃｌ、及び繊維を横切る横断方向の熱膨張係数Ｃ
ｔを有している。マトリックスが樹脂である複合材料に
於ては、樹脂マトリックスの熱膨張係数よりも小さい熱
膨張係数を有する繊維が樹脂マトリックスに対し機械的
拘束を与えるので、長手方向の熱膨張係数Ｃｌは一般に
横断方向の熱膨張係数Ｃｔよりも遥かに小さい。

フィラメントワインディングにより強化されたダイヤフ
ラムを有するトルクドライブ構造体に於ては、繊維がワ
インディングされた複合材料部分に於ける繊維の交差角
度はダイヤフラムセクションの中心領域より外周領域ま
で大きく変化している。繊維の交差角度は中心領域に於
て高く、リム領域に於ける実質的に半径方向にまで変化
している。従ってダイヤフラムセクションの中心領域に
於ては、熱膨張係数は主として低熱膨張係数を有する繊
維により決定されるのに対し、リム領域に於ては熱膨張
係数、特に接線方向の熱膨張係数は主として高熱膨張係
数を有する樹脂マトリックスにより決定される。従って
構造体が或る種の熱変化を受けると、ダイヤフラムの中
心領域は外周領域、即ちリム領域よりも遥かに小さい割
合にて膨張若しくは収縮する。

かかる繊維がワインディングされた複合材料構造体は、
それが高温度に於ける硬化処理後に周囲温度に冷却され
ると、各部分が不均一に収縮する。更に複合材料構造体
は使用中に環境の温度変化に曝され、これにより上述の
問題が拡大される。外周領域、即ちリム領域は繊維の交
差角度の相違に起因してダイヤフラムの中心領域よりも
遥かに高い割合にて収縮する。従ってダイヤフラムセク
ションの中心領域は圧縮状態にもたらされ、その結果所
望の一平面状態より湾曲せしめられる。かかる現象は繊
維がワインディングされた複合材料製のダイヤフラムに
於ける一つの典型的な現象である。従って複合材料構造
体の熱歪特性がバランスするよう複合材料構造体の繊維
配向を適合化させることが望ましい。

トルクドライブ装置やパワーカップリング装置として使
用される繊維がワインディングされた構造体は、トルク
を伝達することに加えて撓み手段として作用しなければ
ならないので、構造体の湾曲変形を排除し又は最小限に
抑えることが重要である。湾曲変形は以下の如く幾つか
の理由から好ましくない。まず第一に、或る構造体のト
ルク伝達容量は大きくその構造体の剛性に依存してい
る。湾曲変形を呈する構造体は小さい捩り剛性しか有し
ていない。第二に、湾曲変形の激しさは温度の関数であ
る。ヘリコプタのトルクドライブ装置やパワーカップリ
ング装置は一般に−５３．９〜１１０℃以上（−６５〜
１５０゜F以上）の温度変化を受け、かかる温度変化によ
りトルクドライブ装置等の捩り剛性が変動せしめられ
る。更にダイヤフラムセクションの湾曲変形により傾動
モード時に非線形のばね特性が発生される。トクルドラ
イブ装置やパワーカップリング装置が所定の位置に締結
固定されている場合には、かかる湾曲変形はダイヤフラ
ムセクションを非常に非線形的態様にてスナップ式に湾
曲変形させる。このことにより動的不安定性が発生さ
れ、また使用上の潜在的破壊モードが発生される。かか
る挙動はそれが制御特性に悪影響を及ぼすので、ヘリコ
プターのロータに於ては許容され得ないものである。

湾曲変形の現象を排除すべく、本発明のトルクドライブ
構造体に於てはリムが強化されている。リムの強化は繊
維の完全な層又はプライがワインディングされるまで繊
維（テープ又はロービング）を複数サーキットのパター
ンにて周方向にワインディングすることにより行われ
る。複合材料構造体の熱特性をバランスさせるべく、リ
ムの強化に対しては、負の熱膨張係数を有するポリアラ
ミド繊維や黒鉛繊維の如き繊維を使用することが好まし
い。リムの強化は構造体の最初の層がマンドレル上に巻
付けられる前に、又は最初の層が巻付けられた後に行わ
れてよい。リム部を強化すべく周方向に配向された繊維
が第３図、第５図、及び第６図に示されている。第５図
は、周方向の強化層を形成すべく、マンドレル５０のリ
ム部が約１２０°の間隔毎に繰返し繊維テープ５５にて
巻付けられる３サーキットの表裏裏返しパターンを示し
ている。また第６図は、周方向の強化層を形成すべく、
マンドレル５０のリム部が約９０°の間隔毎に繰返し繊
維テープ６０にて巻付けられる４サーキットの表裏繰返
しパターンを示している。随意に巻付けられる強化繊維
が第７図に示されており、強化繊維７０は中央孔とリム
部との間にて半径方向に対し或る角度にて半径に沿って
マンドレル５０の周りに巻付けられており、第７図に於
て繊維テープ５５及び６５が比較の目的で図示されてい
る。

本発明の湾曲変形しない構造体を製造するためには、繊
維をそれに十分な張力を与えてワインディングすること
が重要である。典型的にはワインディングの張力は約
６．９〜６８．９５ＭＰａ（約１０００〜１００００ps
i）、好ましくは約３４．５ＭＰａ（約５０００psi）で
ある。

任意の或る特定のトルクドライブ構造体中に含まれる構
造層の数及びリム強化層の数は、その構造体の大きさ、
負荷、角速度、傾動時の傾動角度次第である。一つ以上
の構造層が設けられ、少なくとも一つのリム強化層が設
けられることが好ましい。リム強化層及び構造層は任意
の順序又は組合せにてワインディングにより形成されて
よい。或る特定の実施例に於ては、約３図に示されてい
る如く、リム強化層１０の間に構造層１２が介装されて
よい。ワインディングが完了した後には、第３図に示さ
れている如く、複合材料構造体をそれを装着し得るよう
強化すべく、複合材料構造体の外表面に対し追加の織物
強化層１１が適用されてもよい。

織物は典型的には織られたガラス繊維Kevlar（登録商
標）又は黒鉛繊維であってよい。好ましい織物は織られ
たKevlar（登録商標）４９よりなり約０．３０mm（０．
０１２inch）の厚さを有する織布である。織物は樹脂に
て予め含浸されていることが好ましいが、織物は繊維に
ついて上述した如く処理中に樹脂にて含浸されてもよ
い。

樹脂マトリックスにて含浸された繊維が巻付けられた複
数個のセグメントに分割されたマンドレルは、樹脂マト
リックスを硬化させ構造体に所望の形状を付与するに十
分な時間に亘り十分な熱及び圧力が与えられた状態にて
成形機内にて硬化処理される。構造体がヘリコプタのハ
ブのトルクドライブ装置として使用される場合には、装
着用のフランジが残存するよう、構造体の背部は冷却時
に随意に切取られる。構造体がパワーカップリング装置
として使用される場合には、フランジを形成すべく構造
体の背部を切取ることは行われず、構造体の両側部は互
いに同一である。複数個のセグメントに分割された金属
マンドレルは分解され、取り外され、ゴムカバーが引抜
かれる。次いで構造体は中央ハブの周り若しくはリムの
フランジの周り又は構造体の任意の部位にて締結要素等
を受入れるための孔が穿孔される。この場合穿孔とはド
リル穿孔、パンチング、焼き抜き等の如く任意の材料除
去法を意味する。更に孔はマンドレルの表面に突起を設
け、該突起を迂回して繊維を配向することにより形成さ
れてもよい。典型的には複合材料構造体に採用される硬
化サイクルは、温度が１７７℃（３５０゜F）まで１分間
当り約１℃（２゜F）にて段階的に昇温される段階型のサ
イクルである。次いで構造体は約２時間に亘り１７７℃
（３５０゜F）に維持され、しかる後１分間当たり１℃
（２゜F）の冷却速度にて室温にまで冷却される。また約
１２１℃（２５０゜F）の温度にて硬化処理を行うことが
行われてもよい。硬化サイクル中に構造体に対し与えら
れる圧力は、典型的には約０．３４〜２．０６８ＭＰａ
（５０〜３００psi）、好ましくは約０．５１７ＭＰａ
（７５psi）である。本発明の複合材料構造体の硬化処
理及び成形を行うために使用されてよい成形機は、当技
術分野に於て公知の加熱及び加圧式の成形機の代表的な
ものであり、構造体の表面形状に対応する形状の加熱さ
れたキャビティと、圧力を与えるための手段とを含んで
いる。

冷却された後に於ける成形された構造体の樹脂に対する
繊維の比は約５５〜６５vol%である。

繊維がワインディングされ成形された構造体の厚さの分
布は、実質的にその構造体全体に亘り許容し得る均一な
応力を与えるに十分なものである。典型的には構造体の
厚さは中央孔の近傍に於て最も大きく、ダイヤフラムに
於ては小さく、リム領域に於ては大きい。

ヘリコプタのハブ組立体に使用される本発明のトルクド
ライブ構造体の一つの実施例が第１図に示されている。
この構造体はリム２と内方へ湾曲したフランジ３とを有
するダイヤフラムセクション８を含んでいる。またこの
構造体は軸を受入れるための中央孔４と、制御ロッドを
受入れるための孔６と、構造体を軸に取付けるための孔
５とを有している。更に構造体はそのフランジ３に取付
用の孔７を有している。

構造層１２はリム強化層１０及び織物強化層１１と共に
図示されている。

ヘリコプタの如き回転翼航空機のロータに於てトルクド
ラブダイヤフラムとして上述の構造体を使用することが
第２Ａ図及び第２Ｂ図に示されている。ロータ軸２４が
トルクドライブダイヤフラム２１に接続され、これを駆
動するようになっている。トルクドライブダイヤフラム
２１はクランプ３０によりロータブレード２２に接続さ
れている。ロータブレード２２はそれと一体に形成され
た撓み梁３１及びトルクチューブ２９を有している。ブ
レードのピッチはピッチアーム３３に作用してトルクチ
ューブ２９を回動させるプッシュロッド３２により制御
される。撓み梁３１はロータの通常の作動中にブレード
が撓むことを許す。またジンバル軸受２３が設けられて
おり、該ジンバル軸受はブレード２２が種々のピッチ角
に設定される際にロータハブ２５がロータ軸２４の周り
に傾動することを許す。カバー２７がロータを保護し空
気力学的輪郭を与えている。第２Ａ図及び第２Ｂ図よ
り、トルクドライブダイヤフラム２１はロータ軸２４を
ブレード２２に接続し、これによりブレードへトルクを
伝達するようになっているのに対し、ロータハブ２５及
びジンバル軸受２３は遠心力よりブレードを拘束し、ま
たハブが傾動することを可能にしていることが理解され
よう。ロータハブ２５が傾動する際には、トルクドライ
ブダイヤフラム２１も傾動しなければならない。傾動ス
トッパ２６が傾動の最大角度を制御するようになってい
る。

パワーカップリング装置（例えば非駆動機械の軸を駆動
させるトランスミッションの出力軸や、遠心ポンプを駆
動する電気モータの出力軸）として使用される本発明の
他の一つの実施例が第８図及び第９図に図示されてい
る。

第８図及び第９図に示された構造体４０は、第一の実質
的に平坦な側壁４１とこれに平行な第二の実施例に平坦
な側壁４２とを有する中空ディスクを含んでいる。一体
的なリム４３が平坦な側壁４１を平坦な側壁４２と接続
している。側壁４１は第一の軸を受入れるための中央孔
４３ａを有している。他方側壁４２は第二の軸を受入れ
るための中央孔４４を有している。側壁４１はハブセク
ション４６よりリム４３まで延在する実質的に平坦なダ
イヤフラムセクション４５を有している。同様に側壁４
２はハブセクション４８よりリム４３まで延在するダイ
ヤフラムセクション４７を有している。ハブセクション
４６及び４８は取付用の孔４９を有していてよい。

構造体４０は円筒形又はテーパ状をなすよう長手方向に
延在するリム４３を有していてもよい。このことはマン
ドレルの形状を変えることにより達成される。

構造体のリムセクションに於て強化繊維の間に接線方向
に巻付けられた繊維を介装させることが第３図に示され
ている。構造層１２の間にはリム強化層１０が介装され
ている。第３図には於ては、随意の繊維強化層１１も図
示されている。

本発明のトルクドライブ構造体は締結要素や制御ロッド
等を受入れるための孔を含んでいる。これらの孔は穿
孔、パンチング、焼き抜きの如き従来の方法により形成
されてよい。またこれらの孔はマンドレルの表面に突起
を設け、該突起の周りに繊維を巻付け、これにより繊維
が充填されていない領域を形成することにより形成され
てもよい。

本発明のトルクドライブ構造体は一般に、高速且高トル
クの回転軸を第二の回転軸、部材、又は組立体に連結
し、第二の回転軸等を回転させる目的で使用される。一
方の軸は他方の軸や組立体の長手方向の中心軸線に対し
約１０°までの角度にて交差する長手方向の中心軸線を
有していてよい。トルクドライブ構造体は、それがヘリ
コプタのロータ組立体に於てトルクドライブ装置として
ではなくパワーカップリング装置として使用される場合
には、正面側および背面側の両側壁に於て軸を受けるよ
う構成される。トルクドライブ構造体の製造方法は、フ
ランジを形成すべく背部が切取られることが行われず、
軸を受けるための中央孔を有するバフセクションを形成
すべく強化繊維がワインディングされ樹脂マトリックス
が硬化処理される点を除き、パワーカップリング構造体
について上述した製造方法と同様である。トルクドライ
ブ構造体はそれが可撓性を有するトルクドライブ装置と
して機能するよう両側壁に於て軸に取付けられ、両側壁
はハブセクション及び貫通孔を有している。

例 ヘリコプタの複合材料製ハブに使用される１／６スケー
ルの繊維強化トルクドライブ構造体が、Kevlar２９（登
録商標）なる商品名のポリアラミド繊維をマンドレルの
周りにワインディングすることにより製造された。マン
ドレルは複数個のセグメントに分割された分解可能なイ
ンナ金属リングと、シリコンゴム製のアウタ被覆とより
なっていた。

まずKevlar２９（登録商標）なる商品名のロービングの
一つの層がリム強化層を形成すべく７サーキットの表裏
裏返しパターンにてマンドレルのリムの周りにワインデ
ィングされた。次いで複合材料構造体を形成すべく単一
層のテープが１１サーキットのパターンにてマンドレル
の周りにワインディングされた。テープはKevlar２９
（登録商標）なる商品名のポリアラミド繊維よりなり約
０．１５mm（０．００６inch）の厚さを有するテープで
あった。テープは約１２．７mm（０．５inch）の幅を有
し、９本の繊維ロービングよりなっていた。テープは高
歪容量を有するアメリカン・シアナミド・エポキシ樹脂
マトリックス（実験用）No.１８０６にて含浸されてお
り、アメリカン・シアナミド・カンパニーより購入され
たものであった。ワインディングの際の繊維の張力は約
３４．４７ＭＰａ（約５０００psi）に設定された。次
いでKevlar２９（登録商標）のポリアラミド繊維よりな
る織布がリムセクションの周りに巻付けられた。織物は
上述の樹脂マトリックスと同一の樹脂マトリックスにて
予め含浸されていた。織物の厚さは０．２２８mm（０．
００９inch）であった。マンドレル及び繊維がワインデ
ィングされた構造体は成形機内に配置され、構造体は温
度が約１７７℃（３５０゜F）まで１分間当り約１℃（２
゜F）にて段階的に昇温され、１７７℃（３５０゜F）に約
２時間維持され、１分間当り約１℃（２゜F）の冷却速度
にて室温にまで低下される段階型の温度サイクルにて約
０．５１ＭＰａ（７５psi）の圧力を与えつつ成形を行
うことにより硬化処理された。次いで構造体は締結要素
を受入れ得るよう中央ハブ及びフランジの周りにて穿孔
された。フランジを形成すべく構造体の背部が切取ら
れ、マンドレル及びカバーが除去された。かくして得ら
れた構造体の半径は１２．９cm（５．０８inch）であ
り、中央孔の内径は２．６６cm（１．０５１inch）であ
った。また構造体のハブに於ける厚さは約３．８１mm
（０．５１inch）であり、リム部に於ける厚さは０．３
０mm（０．０１２inch）であった。構造体の深さは約
２．０３cm（０．８０inch）であった。

次いで上述の如く形成された複合材料構造体を１／６ス
ケールのヘリコプタ用ハブ組立体の試験装置に装着し、
８°までの角度にて約２１００００００回転に亘り約１
５００rpmの回転速度にて回転させたところ、構造的破
壊は生じなかった。また構造体の湾曲変形も観察されな
かった。

本発明の複合材料製のトルクドライブ構造体によれば、
高トルク及び高回転速度にて動力を供給する回転駆動軸
を第二の被駆動軸又は組立体に連結する手段であって、
両方の軸又は軸と組立体の長手方向の中心軸線が互いに
他に対し約１０°までの角度にて交差されてよい手段が
得られる。本発明のトルクドライブ構造体はワインディ
ングされた合成繊維と樹脂マトリックスとよりなってい
る。典型的に採用される複角度のワインディングパター
ンによれば、構造体の周縁部に於ける繊維の配向方向が
主として半径方向になる。典型的な用途に於て複合材料
構造体が曝される変化する温度により、エポキシマトリ
ックスの影響力が接線方向に於て大きいリム部に於て、
種々の熱膨張率が生じる。このことにより正常時には平
坦なダイヤフラムがそれが拘束されていない場合には凹
状又は凸状になる湾曲変形現象が生じる。またダイヤフ
ラムはそれが拘束されている場合には湾曲変形し、非線
形のばね特性を生じ、また早期の破壊を生じる。本発明
によれば、リム部又は複合材料構造体全体に亘り実質的
に接線方向に配向された強化繊維を組込むことにより、
湾曲変形現象が排除され、これにより高トルク且高回転
速度の可撓性を有するトルクドライブ装置として使用さ
れ得る熱的に安定な構造体を製造することができる。

以上に於ては本発明を特定の実施例について詳細に説明
したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものでは
なく、本発明の範囲内にて他の種々の実施例が可能であ
ることは当業者にとって明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は繊維がワインディングされたトルク伝達構造体
の本発明による一つの好ましい実施例を示す斜視図であ
る。 第２Ａ図は本発明のトルクドライブ構造体が組込まれた
ヘリコプタの典型的な複合材料製のロータハブ組立体を
その一部を破断して示す平面図である。 第２Ｂ図は第２Ａ図に示されたロータハブ組立体をその
一部を破断して示す正面図である。 第３図は本発明による繊維がワインディングされたトル
ク伝達構造体を示す拡大部分断面図である。 第４図は本発明による繊維がワインディングされたトル
ク伝達構造体のための一つの典型的なワインディングパ
ターンを示す解図である。 第５図はリムを強化するための随意の３サーキットのワ
インディングパターンを示す解図である。 第６図はリムを強化するための随意の４サーキットのワ
インディングパターンを示す解図である。 第７図は本発明による複合材料構造体のための随意の繊
維強化パターンを示す解図である。 第８図は本発明によるトルクドライブ構造体が採用され
たカップリング装置を示している。 第９図は第８図の線９−９に沿う断面図である。 １……ハブ組立体，２……リム，３……フランジ，４…
…中央孔，５〜７……孔，８……ダイヤフラムセクショ
ン，１０……強化層，１１……織物強化層，１２……構
造層，２１……トルクドライブダイヤフラム，２２……
ロータブレード，２３……ジンバル軸受，２４……ロー
タ軸，２５……ロータハブ，２６……傾動ストッパ，２
７……カバー，２９……トルクチューブ，３０……クラ
ンプ，３１……撓み梁，３２……プッシュロッド，４０
……構造体，４１、４２……側壁，４３……リム，４４
……孔，４５……ダイヤフラムセクション，４６……ハ
ブセクション，４７……ダイヤフラムセクション，４８
……ハブセクション，４９……孔，５０……マンドレ
ル，５５、６０、６５……テープ，７０……強化繊維

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】特に回転翼航空機のハブに於てトルクドラ
   イブダイヤフラムとして使用されるよう構成され、取付
   用の内方へ湾曲したフランジを備えたリムと軸を受入れ
   るための中央孔とを有する円形のダイヤフラムを含む繊
   維強化樹脂マトリックス複合材料構造体にして、樹脂マ
   トリックスと、リム及び内方へ湾曲したフランジを有す
   るダイヤフラムを形成すべく複数サーキットのパターン
   にて前記中央孔に対し実質的に接線方向に十分な張力が
   与えられた状態にてワインディングされた繊維と、前記
   リムを強化すべく実質的に周方向に十分な張力が与えら
   れた状態にワインディングされた強化繊維とを含み、前
   記複合材料構造体は前記ダイヤフラムがそれが温度変化
   により誘発される応力に曝された場合にも実質的に一平
   面状態を維持するよう十分な熱及び圧力が与えられた状
   態にて成形されることにより硬化処理されていることを
   特徴とする繊維強化樹脂マトリックス複合材料構造体。
2. 【請求項２】特に回転翼航空機のハブに於てトルクドラ
   イブダイヤフラムとして使用されるよう構成された繊維
   強化樹脂マトリックス複合材料構造体を製造する方法に
   して、リムと内方へ湾曲したフランジを有するダイヤフ
   ラムを形成すべく複数サーキットのパターンにて中央孔
   に対し実質的に接線方向に樹脂にて含浸された繊維を十
   分な張力が与えられた状態にてマンドレル上にワインデ
   ィングする過程と、前記リムを強化すべく実質的に周方
   向に樹脂にて含浸された強化繊維を十分な張力が与えら
   れた状態にてワインディングする過程とを含み、前記強
   化繊維の間に実質的に接線方向にワインディングされる
   前記繊維が随意に介装され、上述の如く形成された構造
   体がそれを十分な熱及び圧力を与えつつ成形することに
   より硬化処理され、これにより前記ダイヤフラムがそれ
   が温度変化により誘発される応力に曝された場合にも実
   質的に一平面状態を維持するよう構造体が製造されるこ
   とを特徴とする方法。
3. 【請求項３】特に可撓性を有するトルクドライブカップ
   リング装置として使用されるよう構成され、第一の実質
   的に平坦なダイヤフラム側壁と第二の実質的に平坦なダ
   イヤフラム側壁とを有する中空ディスクを含み、各ダイ
   ヤフラム側壁は軸を受入れるための前記ディスクの中心
   軸線と同心の中央孔と該中央孔の周りにて中央部に配置
   された取付手段とを有しており、前記ディスクは前記二
   つのダイヤフラム側壁を接続する周縁リムを有する繊維
   強化樹脂マトリックス複合材料構造体にして、樹脂マト
   リックスと、前記ディスクを形成すべく複数サーキット
   のパターンにて前記中央孔に対し実質的に接線方向に十
   分な張力が与えられた状態にてワインディングされた繊
   維と、前記周縁リムを強化すべく実質的に周方向に十分
   な張力が与えられた状態にてワインディングされた繊維
   とを含み、前記複合材料構造体は前記ダイヤフラム側壁
   がそれが温度変化により誘発される応力に曝された場合
   にも実質的に一平面状態を維持するよう十分な熱及び圧
   力が与えられた状態にて成形されることにより硬化処理
   されていることを特徴とする繊維強化樹脂マトリックス
   複合材料構造体。
4. 【請求項４】特に可撓性を有するトルクドライブカップ
   リング装置として使用されるう構成された繊維強化樹脂
   マトリックス複合材料構造体を製造する方法にして、軸
   を受入れるための中央孔を備えた第一の実質的に平坦な
   ダイヤフラム側壁と軸を受入れるための中央孔を備えた
   第二の実質的に平坦なダイヤフラム側壁とを有するディ
   スクであって、前記二つの中央孔は前記ディスクの中心
   軸線と同心であり、前記ディスクは前記二つのダイヤフ
   ラム側壁を接続する周縁リムと前記中央孔の周りにて中
   央部に配置された取付手段とを有するディスクを形成す
   べく、複数サーキットのパターンにて前記中央孔に対し
   実質的に接線方向に樹脂にて含浸された繊維を十分な張
   力が与えられた状態にてマンドレル上にワインディング
   する過程と、前記周縁リムを強化すべく実質的に周方向
   に樹脂にて含浸された繊維を十分な張力が与えられた状
   態にてワインディングする過程とを含み、前記強化繊維
   の間に実質的に接線方向にワインディングされる前記繊
   維が随意に介装され、上述の如く形成された構造体がそ
   れを十分な熱及び圧力を与えつつ成形することにより硬
   化処理され、これにより前記ダイヤフラム側壁がそれが
   温度変化により誘発される応力に曝された場合にも実質
   的に一平面状態を維持するよう構造体が製造されること
   を特徴とする方法。