JPH0143165B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は制御機構に係り、一層詳細には、シリ
ンダ内部のピストン又は他の可動部材を位置決め
しシリンダ壁を貫いて延びるピストン棒の自由端
に制御運動を行なわせる流体圧アクチユエータに
係る。このような制御機構は航空機及び他の輸送
機に広く用いられているが、シリンダ内部でピス
トンに引掛かりが生ずると、制御を正常に行なえ
なくなる。シリンダ内部に於けるピストンの引掛
かりの１つの原因は被弾であり、弾丸がシリンダ
に当りまたはそれを貫くと、シリンダが内向きに
変形してピストンの運動を阻害する。

飛行制御の分野で、通常の装甲板の技術でシリ
ンダを製作することにより飛行制御装置の被弾に
よる傷つきやすさを減少又は除去する試みがこれ
までになされてきた。このような装甲構造は米国
特許第3566741号に示されており、この特許には
耐衝撃性の外側装甲殻と少し軟い内側装甲殻とか
ら形成される筒形装甲板が開示されている。この
ような構造は重くかつ大きいために航空機用とし
ては受入れられない。さらに、このような構造で
は所望の被弾耐力を得られないことが判明してい
る。

飛行制御の分野に限らないが、装甲すなわち弾
丸の貫通の防止のための構造については多数の特
許があり、その例をあげれば米国特許第3977294
号、第3962976号、第4061815号、第4048365号、
第3924083号、第3324768号、第3813281号、第
3826172号、第3930452号、及び第2391535号があ
る。

米国特許第3577306号はペタル化を防止するた
めポリマー積層物を用いており、本発明がピスト
ンの引掛かりを生ぜずにペタルを受入れるための
スペースを形成しているのと対照的である。

米国特許第357706号には、ピストンとピストン
棒を通すシリンダグランドとの双方がピストン又
はピストン棒の引掛かりを防止するようにせん断
可能なものとして製作されている制御装置が開示
されている。しかし、シリンダ内でピストンを往
復させるための標準作動圧力の2.5倍の圧力に耐
えなければならないという試験条件を満足するた
め、上記特許による制御装置はピストンの面積を
シリンダグランドの面積の少なくとも2.5倍にし
なければならないという欠点がある。その結果、
制御装置が大きくかつ重いものとなる。さらに、
大きなピストンが動く作動流体室は大形で多量の
作動流体を必要とするものとなり、その結果、作
動流体供給システムも大形にしなければならな
い。加えて、このような大きなピストンは標準以
上の作動力を生じ、この力に耐えるように制御装
置の他の部分も強化しなければならず、このこと
は制御装置をさらに重いものとする。米国特許第
4122759号も上記特許に類似している。

米国特許第4211151号には、砕けやすい材料も
しくは変形可能な材料からなるスリーブで流体圧
アクチユエータのピストン棒を包囲し、またはそ
のシリンダ孔を内張りするという構想が示されて
いる。この場合、被弾によりスリーブの破砕又は
変形が生じ、他の変形した材料は破砕したスリー
ブにより残される空間に入ることができ、または
他の運動部分が被弾により移動した材料をさらに
移動させ得るので、ピストンは被弾による損傷後
にもスリーブのなかで運動を継続することができ
る。本発明は、外壁、内壁及びそれらの中間に位
置する中間スリーブからなる複合ハウジングをシ
リンダとして用い、それらの材料及び寸法の選定
により引掛かりなしに作動可能であり、しかも小
形軽量な流体圧アクチユエータを得ようという上
記特許の改良に関するものである。

本発明の主な目的は、シリンダの内部で流体圧
により駆動されるピストン又は他の可動部材を用
いた流体圧アクチユエータとして、シリンダ−ピ
ストンが所要の試験負荷に耐え、かつシリンダが
作動流体により加えられる負荷に耐え得る外壁
と、選定された特性及び寸法を有し外壁内にはめ
られる中間スリーブと、中間スリーブ内にはめら
れる内壁とを互いに接着してなる複合ハウジング
を有し、被弾後も作動を継続し得る流体圧アクチ
ユエータを提供することである。

本発明の非常に重要な開示は、外壁の厚みｔと
弾丸の直径Ｄとの比がｔ／Ｄ＝１／３のときに最
大となる外壁ペタル深さと少なくとも等しい厚み
を中間スリーブに持たせることである。

本発明の他の目的は、複合ハウジングの外壁の
厚みがアクチユエータの疲れ強度上の必要条件か
ら定められており、外壁の材料は必要とされる高
い疲れ強度を有すると同時に被弾の際に適度のペ
タルを生じ得るように低い破壊靭性を有するもの
が選定されており、この破壊靭性は半径方向にも
円周方向にもできるかぎり均等なペタルを生ずる
ように等方性を有しており、外壁材料の極限引張
り強さと中間スリーブに対する音響インピーダン
ス比とは被弾の際に中間スリーブを局部的に破壊
して外壁のペタルに対する適度な空所を生ぜしめ
る応力波が外壁から中間スリーブに伝搬するよう
に選定されており、被弾により可動部材の運動が
阻害されない流体圧アクチユエータを提供するこ
とである。

本発明の他の目的は、この種の複合ハウジング
として、外壁が主たる構造部材をなしているもの
を提供することである。

本発明の他の目的は、この種の複合ハウジング
として、中間スリーブが外壁から半径方向に内向
きに進行する応力波に対しては低い引張り強さを
有しかつ作動流体により半径方向に外向きに及ぼ
される荷重に対しては高い圧縮荷重耐力を有する
ように選択された材料からなるものを提供するこ
とである。

本発明の他の目的は、この種の複合ハウジング
として、被弾により外壁から発せられた圧縮応力
波が半径方向に内向きに中間スリーブを通過し、
その一部分は中間スリーブと内壁との間の境界面
で反射し半径方向に外向きの圧縮応力波として中
間スリーブを通過し、残りの部分は前記境界面を
透過して内壁を通過した後に内壁の自由面で反射
し半径方向に外向きの引張り応力波として内壁及
び中間スリーブを通過し、こうして前記圧縮応力
波及び前記引張り応力波が弾丸飛来線上の中間ス
リーブ材料及び内壁材料を破壊するのに共同作用
するものを提供することである。

本発明の他の目的は、この種の複合ハウジング
として、外壁の被弾の際に弾丸飛来線上の中間ス
リーブ及び内壁部分の破壊が４つの力すなわち外
壁で発せられた半径方向に内向きの圧縮応力波、
中間スリーブと内壁との間の境界面で反射された
半径方向に外向きの圧縮応力波、内壁の自由面で
反射された半径方向に外向きの引張り応力波及び
流体圧により生ずる圧縮ひずみの共同作用により
行なわれるものを提供することである。

本発明の他の目的は、この種の複合ハウジング
として、内壁がピストン部材による摩耗に耐える
硬い表面を有しかつ中間スリーブの化学的保護の
役割をするものを提供することである。

本発明の他の目的は、この種の複合ハウジング
として、内壁が被弾の際の衝撃により中間スリー
ブと共に容易に除去され得るように低い破壊靭性
を有するものを提供することである。

本発明の他の目的は、この種の複合ハウジング
として、内壁が中間スリーブの破壊範囲から拡が
る直線エツジの小さいペタルを均等に生ずるよう
に十分な脆性及び十分な等方性を有するものを提
供することである。

本発明の他の目的は、この種の複合ハウジング
として、内壁が低い残留応力を有し、それにより
被弾の際に生ずるペタルが直線スター・バースト
ひび割れとなり、ピストンにより１回に１つずつ
除去され、従つてペタル除去に要するピストンの
力をほぼ一定の小さな力ですませ得るものを提供
することである。

本発明の他の目的は、この種の複合ハウジング
として、外壁がVIM／VAR4340鋼からなり、中
間スリーブが接着されたグラフアイト・ラミネー
ト、炭化ホウ素・パーテイキユレート又はフレー
ム・スプレー掛けされたモリブデン・ラメラーか
らなり、また内壁が電鋳法により製作された
0.010〜0.030インチ（0.25〜0.75mm）厚のニツケ
ルの壁からなるものを提供することである。

本発明の他の目的は、この種の複合ハウジング
として、電鋳法により製作されたニツケル内壁が
クロムめつきされかつ最終寸法に研摩されてお
り、また中間スリーブがラミネート構造でありか
つ内壁の粗い面に接着剤により接着されており、
内側のラミネートに入り込んだ接着剤の硬化によ
り内壁と中間スリーブの内側ラミネートとが一体
化されており、それにより内壁の一部分が被弾衝
撃により中間スリーブの内側ラミネートと共に除
去され、または容易にペタルを形成するものを提
供することである。

本発明の他の目的は、この種の複合ハウジング
として、容易に製作可能であり、しかも被弾損傷
による引掛かりのおそれの少ないものを提供する
ことである。

本発明の他の目的は、この種の複合ハウジング
として、作動流体で満たされており、被弾衝撃の
際に作動流体中のラム作用によりハウジングのス
テイフニングが生ずるものを提供することであ
る。

本発明の他の目的は、この種の複合ハウジング
として、引掛かりを生ずることなく直径14.5mmの
弾丸の貫通を許し、公知の網壁のハウジングより
も15％軽く、また装甲構造で弾丸の貫通を防ぐの
に必要な公知の網壁のハウジングにくらべて１／
4.4の重量で足りるものを提供することである。

本発明の他の目的及び利点は、以下の図面によ
る説明のなかで明らかとなろう。

以下には航空機制御システムの油圧アクチユエ
ータを対象として説明するが、作動流体が油以外
であつてよいこと、また制御対象が航空機操縦翼
面以外であつてよいことはもちろんである。ま
た、デユアル配置のアクチユエータの一方をバツ
クアツプに用いるものとして説明するが、バツク
アツプが種々の原動機構たとえば電動機又は手動
操作レバーにより行なわれ得ることは理解されよ
う。さらに、アクチユエータが典型的な油圧シリ
ンダ・ピストン機構であるものとして説明する
が、可動部材はシリンダ内を回転するもの又は直
線運動及び回転運動を組み合わせたものであつて
もよい。

第１図を参照すると、デユアル・アクチユエー
タ１０及び１２は流体圧制御装置１８を含む飛行
制御装置１４の一部分をなしており、その指令に
従つて操縦翼面１６を位置決めする。好ましい実
施例ではアクチユエータ１０及び１２は同一であ
るから、アクチユエータ１２についてのみ説明す
る。アクチユエータ１２（第２図参照）は、シリ
ンダ・ハウジング２０を含んでおり、これは後で
詳細に説明する複合ハウジングである。複合ハウ
ジング２０はピストン２２を包囲し、その両側に
形成される室２４及び２６に流体圧制御装置１８
から加圧された作動流体を選択的に受入れて、ピ
ストン２２に往復運動を行なわせる。ピストン２
２から延びるピストン棒２８はシリンダ端壁３０
を貫いており、その自由端はシリンダ２０の外部
に突出して、アクチユエータ１０からのピストン
棒の自由端と共に板３２に結合されている。この
板３２は操縦翼面１６と連結されている。端壁３
０はシール３４，３６，３８及び４０並びにワイ
パ環４２を含んでおり、保持ナツト４４により所
定の位置に保持されている。第２図に示されてい
る端壁又はグランド３０が米国特許第3884123号
に開示されている砕けやすいグランドにより置換
され得ることは当業者に明らかであろう。

第１図に示されている制御機構１４においてア
クチユエータ１０及び１２が共に流体圧により制
御されて操縦翼面１６を位置決めし得ること、操
縦翼面１６がアクチユエータ１０及び１２のいず
れか一方により制御され得ること、またアクチユ
エータ１０及び１２のいずれか一方が被弾により
損傷した場合にもそのアクチユエータでピストン
の引掛かりが生じない限りは他方の損傷していな
いアクチユエータより操縦翼面１６が制御され得
ることは明らかである。被弾損傷によるピストン
の引掛かりを避けるため、以下に説明するような
複合ハウジング・シリンダ２０が用いられる。

複合ハウジング２０は、その壁の一部分を第３
図に拡大図で示されているように、外壁４６のな
かに中間スリーブ４８をはめ、さらにこの中間ス
リーブのなかに内壁５０をはめ、それらを接着し
て複合したものであり、それぞれの寸法及び材料
は被弾損傷によるピストンの引掛かりの防止のた
めの共同作用するように選定されている。この複
合ハウジングにより達成すべきことは、被弾によ
り中間スリーブ４８及び内壁５０が砕けて空所を
生じ、この空所に外壁４８に生ずるペタル（半径
方向に内方への花弁状のまくれ）５２及び５４が
受け入れられ、最大ペタル深さ（MPD）が中間
スリーブ４８及び内壁５０の合計厚みを越えず、
従つて被弾損傷後もピストン２２が第２のアクチ
ユエータの力により複合ハウジング内で引掛かり
なしに往復運動を継続し得るようにすることであ
る。ピストン２２の運動によつて、内壁５０に被
弾により生じたペタル５０ａは除去される。

第５図には、被弾時に複合ハウジングの壁に生
ずる応力波の状況が示されている。外壁４６への
被弾により外壁中に生ずる一連の応力波は、外壁
４６と中間スリーブ４８との間の音響インピーダ
ンス比（AIR）が適当に選定されていることによ
り、両者の境界面を通過して、十分な強さをもつ
て中間スリーブ４８に入り、半径方向の圧縮力及
び引張り力を中間スリーブ４８に及ぼしそれを砕
いて空所を生ぜしめ、さらにそれに隣接する内壁
５０にも空所を生ぜしめる。それにより第４図に
示したような結果が得られ、被弾損傷によるピス
トンの引掛かりが防止される。

一層詳細には、被弾の際、最初に外壁４６の中
に生ずる応力波は圧縮性であり半径方向に内向き
に進行する。外壁４６及び中間スリーブ４８の材
料は、この最初の圧縮性応力波が弾丸の飛来方向
線上では十分な大きさをもつて境界面を透過して
中間スリーブ４８のなかを進行し、後記のように
ラミネート構造の中間スリーブ４８のグラフアイ
ト層とエポキシ樹脂接着剤との双方を粉砕するよ
うに選定されている。弾丸の飛来方向線上から離
れた場所では、この波の通過によりグラフアイト
層は粉砕されず、接着剤のみが粉砕される。各波
は内壁５０との境界面に到達すると、その一部は
境界面を透過して内壁５０に入り、残りは境界面
で反射して半径方向に外向きに進行する圧縮性応
力波となる。内壁５０に入つた圧縮性応力波はそ
の内側の自由面に達すると引張り性応力波として
反射される。従つて、２つの被反射応力波すなわ
ち中間スリーブ・内壁間の境界面で反射された圧
縮性応力波と内壁の自由面で反射された引張り性
応力波とが中間スリーブ材料に作用する。これら
の波は非常に近接し合つているので、ダブレツト
として扱われ得る。反射された引張り性応力波の
振幅は最初の圧縮性応力波の振幅とほぼ同じ（約
５％小さいだけ）であり、既に破壊された中間ス
リーブのラミネート構造を一層破壊するとともに
弾丸の飛来方向線上から外側に破壊範囲を拡大す
る。その後の応力波の作用も上記と同様である。
これについては図書“Stress Waves in solids
（固体中の応力波）”H.Kolsky著、Dover
Publications、Inc.（ニユーヨーク）出版、1963
年、に一層完全に説明されている。内壁５０の材
料は、最初に被弾により生じた応力波が反射後に
内壁材料の極限引張り強さよりも少し高い引張り
応力を内壁に伝えて、飛来方向線と内壁との交点
から拡がるスター・バーストひび割れを最初に内
壁に生じさせるように選定されている。これらの
ひび割れは比較的直線状であり、被弾により生ず
る内壁のペタルはサーボピストンにより１回に１
つずつ除去される。従つて、ペタルを除去するの
に要するピストンの力はほぼ一定の小さい力です
む。

被弾によりデラミネートされた中間スリーブの
ラミネートを圧縮応力波及び引張り応力波が相次
いで通過することにより、ラミネートはその端部
で屈曲して破壊する。内壁５０の材料は、前記の
スター・バースト初期ひび割れ（第９図参照）に
より形成されるペタルが通常中間スリーブ・ラミ
ネートと共に屈曲破壊により完全には除去され
ず、その後にペタル形成個所を通過するピストン
の運動により除去されるように十分な破壊靭性を
有する。このような内壁ペタルは第４図の右側に
は既に除去されたものとして示されており、他方
左側にはまだ除去されていない内壁ペタル５０ａ
とそれに接着されている中間スリーブ内側ラミネ
ート４８ａとが示されている。内側ペタルは、ピ
ストン２０の行程に関係して、除去される場合も
されない場合もある。

本発明の重要な開示は、被弾による損傷が第４
図に示されているような形態となり、それにより
ピストンの引掛かりが避けられるように複合ハウ
ジングの外壁４６、中間スリーブ４８及び内壁５
０の寸法及び材料を選定することである。この選
定について以下に順次説明する。

外壁４６の厚みｔはアクチユエータ１２が使用
されるシステムの疲れ強度又は他の強度上の必要
条件により定められる。なぜならば、外壁４６は
複合ハウジング２０の主たる構造部材であり、中
間スリーブ４８及び内壁５０は基本的に非構造部
材であつて荷重を支える役割をしないからであ
る。外壁４６は、被弾の際に中間スリーブ４８及
び内壁５０を局部的に破壊して外壁のペタルに対
する空所を生ぜしめるのに十分な強さの応力波が
生ずるように、材料を選定されることが重要であ
る。外壁４６から中間スリーブ４８に伝わる応力
波の強さを定める因子は第１に外壁４６の極限引
張り強さ（UTS）、第２に外壁４６と中間スリー
ブ４８との間の音響インピーダンス比（AIR）で
ある。このAIRは AIR＝ρ₂C₂／ρ₁C₁ ここにρ₂は中間スリーブ４８の密度、C₂は中間
スリーブの内部における音速、ρ₁は外壁４６の密
度、C₁は外壁の内部における音速 で表わされる。

外壁と中間スリーブとの間の境界面に対して垂
直に外壁から中間スリーブに伝わる応力波の強さ
に関しては次式が成立する。

P₂＝〔2P₂C₂／P₂C₂＋P₁C₁〕P₁ ここにP₁は外壁の内部における応力波の振幅、
P₂は中間スリーブの内部における応力波の振幅
である。

本願発明者の経験によれば、P₂の値が中間ス
リーブ接着剤（エポキシ樹脂）の極限引張り強さ
よりも４〜５倍大きい場合、外壁のペタルを受け
入れるのに適度な大きさの空所を生ずるように中
間スリーブが破壊される。またP₂の値が粉末接
着剤の極限引張り強さの15〜20倍となるような材
料の組合せでは、中間スリーブの破壊により生ず
る空所が多き過ぎて、ピストンを良好に案内し得
なくなることが経験された。中間スリーブ４８の
材料として音響インピーダンスの低いものを選定
し、その内部における応力波の振幅P₂を小さく
することにより（たとえば高張力鋼の外壁とエポ
キシ樹脂で接着された炭化ホウ素のグリツトから
なる中間スリーブとの組合せにより）、中間スリ
ーブが適度に破壊されるようになし得ることは当
業者により理解されよう。

さらに本願発明者の経験によれば、中間スリー
ブ材料内部の半径方向圧縮状態により、外壁から
伝えられる応力波による中間スリーブ材料の破壊
が減ぜられる。中間スリーブ材料内部の圧縮応力
状態は応力波の振幅を目立つほどには変化させな
いが、中間スリーブ材料の応答の仕方を変化させ
る。空のハウジングと圧油で満たされたハウジン
グとについての本願発明者の経験により、高張力
鋼外壁、グラフアイト／エポキシ中間スリーブ及
び電形法により製作されたニツケル内壁からなる
複合ハウジングにおいて、圧油で満たされたハウ
ジングでは上記の破壊度の減少が認められた。中
間スリーブ材料内部の半径方向圧縮状態は外壁の
被弾衝撃に起因する油圧ラムにより生ずる。

さらに、外壁４６は、システムの疲れ強度上の
必要条件を満足しなければならないことはもちろ
んであるが、他方において、被弾の際に適度の最
大ペタル深さ（MPD）を生ずるような低い破壊
靭性（FT）を有することが重要である。

材料の破壊靭性（FT）は応力によるひび割れ
に対する材料の抵抗である。ひび割れが長いほ
ど、それにより生ずるペタルは深くなる。従つ
て、破壊靭性が高い材料ほど、深いペタルを生ず
る。

さらに、外壁の疲れ特性は長手方向及び周辺方
向でできるかぎり等しいことが、軽量な外壁を得
るために重要である。接線方向の疲れ特性はこの
必要条件にとつて重要である。さらに、破壊靭性
は長手方向及び周辺方向でできるかぎり等しいこ
とが、被弾により生ずるペタルの深さをできるか
ぎり均等にするために重要である。前記のよう
に、破壊靭性はペタル深さに影響し、破壊靭性が
高いほどペタルは深くなる。同様に、長手方向と
周辺方向との破壊靭性の大きな相違は期待どおり
でないペタルが生ずる原因となり、中間スリーブ
に必要な厚みを増す。最大ペタル深さを予期し得
ることが本発明の重要な特徴である。

中間スリーブ４８について考察すると、スリー
ブが半径方向に内向きに弱い引張り強さを有する
ことが重要である。通常のアクチユエータ作動圧
力は半径方向に外向きの圧縮応力を生ずるので、
中間スリーブを損傷しない。被弾により最初に半
径方向に内向きに通過する強い圧縮応力波はラミ
ネートからなるスリーブまたはパーテイキユレー
ト（エポキシ接着された炭化ホウ素グリツト）か
らなるスリーブ中のエポキシ接着剤を破砕する
が、ラメラー（フレーム・スプレー掛けされたモ
リブデン）からなるスリーブ中のエポキシ接着剤
は破砕しない。３種類の中間スリーブすなわちラ
ミネート、パーテイキユレート及びラメラーのす
べてに共通して、反射された半径方向外向きの引
張り応力波の破壊作用が重要である。接着剤とし
てエポキシを用いたこれらの中間スリーブにおい
て、圧縮応力波及び引張り応力波の双方が破砕−
剥離−破砕の破壊モードで中間スリーブを破壊す
ることは理解されよう。フレーム・スプレー掛け
されたモリブデンでは、剥離が主たる配壊モード
であり、破砕モードの寄与ははるかに少ない（ま
たは実際上寄与しない）。さらに、中間スリーブ
４８は、通常の作動条件下の外壁４６の偏れによ
り望ましくないひずみを生じないように、半径方
向と直交する方向に良好な機械的特性を有してい
なければならない。

内壁５０は作動流体からの望ましくない影響に
対して中間スリーブ４８の材料を保護し得るもの
でなければならない。この内壁はピストン２２に
対する耐摩耗面として作用する硬度の高い内面た
とえばクロムめつきされた内面を有していなけれ
ばならない。この内壁は高い極限引張り強さと高
い硬度（たとえばRc51.5）とを有していなけれ
ばならない。内壁の材料は脆くなければならず、
また低い残留応力特性（約−10ksi圧縮性）を有
していなければならない。このように残留応力が
低ければ、被弾損傷により内壁に生ずるひび割れ
は直線スター・バーストひび割れとなり、それに
より形成される内壁のペタルはピストン・ヘツド
２２により１回に１つずつ除去される。その結
果、内壁ペタルの除去に要する力がほぼ均等にな
る。

内壁５０としては、電鋳法により製作されたニ
ツケルの筒が適している。これはマンドレル上で
製作され、このマンドレルは次いで中間スリーブ
４８のラミネートを巻く際の工具として用いられ
る。このニツケル筒は所望の長さの何倍もの長さ
で製作され、自動機により内壁及び中間スリーブ
を製作した後に所望の長さに切断されて、マンド
レルから取り外され得る。ニツケルは高い硬度、
高い強度及び比較的低い伸び率を有する。内壁５
０は比較的薄いので、その破壊靭性は高い。ニツ
ケルは耐摩耗性向上の目的で容易にクロムめつき
され得る。このめつき工程は複合ハウジングの各
部分の組立により生ずる寸法誤差を補償するため
にも重要である。すなわち、外壁、中間スリーブ
及び内壁の組立に続いて、内壁５０の内面をクロ
ムめつきし、次いで最終研摩工程で所望の寸法が
得られるように研摩が行なわれる。さらに、ニツ
ケル内壁はたとえばグラフアイト／エポキシ・ラ
ミネートとして製作された中間スリーブの２つの
内側ラミネートと、被弾によりそこを通過する応
力波の作用にかかわらず固く接着することが見出
された。このことは、中間スリーブの破壊に伴い
除去されないニツケル・ペタルをピストンにより
除去する上で有利である。ニツケル内壁は応力波
がグラフアイト端部をデラミネートした個所でひ
び割れもしくは過ひずみを生ずるので、脆性破壊
の形で破壊する。このことは、ピストン・ヘツド
が被弾損傷後にニツケル・ペタルの位置を通過す
る際のニツケル・ペタルの除去を非常に容易にす
る。ニツケル内の残留応力が低いことは、一様な
スター・バーストひび割れの発生に通ずる。内壁
５０のペタルを除去するのに必要な力はその屈曲
破壊を生ずる破壊応力により定まる。破壊応力は
次式で表わされる。

破壊応力＝MC／Ｉ ここで、Ｍは力Ｆとペタル長さａとの積、Ｃは
壁５０及び５０ａの厚みｄの半分（Ｃ＝ｄ／２）、
Ｉはペタル５０ａの根元幅をｂとしてbd³／４で
ある。

従つてまた 破壊応力＝2a／ｂ（Ｆ／d₂） となる。すなわち、ニツケル内壁５０内の破壊応
力はその厚みｄの２乗に反比例する。

外壁及び中間スリーブ内の応力波の状態のマイ
クロ秒・バイ・マイクロ秒のアナリシスが外壁の
弾丸貫通の0.031インチ（0.75mm）を通じて行な
われた。その貫通の段階で、最小７つの応力波が
外壁及び中間スリーブ内に存在し、また中間スリ
ーブ内の破壊度はそれ以上のアナリシスが不必要
であるほど甚だしかつた。このことは中間スリー
ブが甚だしく破壊され、その貫通段階で移転し始
めることを示している。本願発明者の研究によ
り、中間スリーブ及び内壁は外壁のペタル形成に
影響しないことが明らかになつた。なぜならば、
中間スリーブ及び内壁が破壊された後に弾丸が外
壁を貫通する最終段階で最大ペタルが生起するか
らである。また、最初の応力波が外壁と中間スリ
ーブの間の境界面及び内壁５０の自由面から反射
するときに相次ぐ応力波が外壁内に生ずることが
明らかになつた。これらの反射波は破壊を助長す
る。外壁内のフープ引張り応力は、応力波が半径
方向のせんだん破損を生じさせる以前に縦方向に
引張りひび割れを生じさせるのに十分に高く、そ
れにより弾丸貫通の際に見られる典型的なプラ
グ・アウト破損が生ずる。本願発明者の試験によ
り、外壁を弾丸が貫通する最終段階が複合ハウジ
ング構造におけるペタル寸法を支配することが確
認された。油圧ラムによる応力波は、弾丸が外壁
に浅くしか入つていない間は認められるほど現わ
れないが、弾丸が外壁に深く入るにつれて、油圧
ラムにより外壁内に生ずる応力がハウジングの
（円形からの）変形を少なくし、また実効ペタル
深さを小さくする。さらに、この油圧ラム作用は
中間スリーブ及び内壁が破壊される全面積を減ず
ることが示された。その理由は、引張り応力波が
中間スリーブ及び内壁を局部的に破壊する際に油
圧ラムが中間スリーブ及び内壁に大きな定常的な
半径方向圧縮応力を作用させることである。

複合ハウジング２０に用いるのに適した外壁材
料の一例に二重真空溶解されたVIM／VAR4340
鋼である。この材料は200〜220ksiの極限引張り
強さ（UTS）、120ksiの縦方向破壊靭性、80ksi
の横方向破壊靭性を有するものであり、米国海軍
レポート（NAEC・AML−1947−21 May
1964）に一層完全に説明されている。外壁材料と
して、260〜280ksiの極限引張り強さを有する
300M合金も使用可能である。VIM／VAR4340
鋼及び300M合金のデータはMIL−HDBK−56又
は構造合金ハンドブツク類に記載されており、原
材料としていくつかの業者から購入可能である。

中間スリーブ４８は応力波に応答して局部的に
破けやすい材料から製作される。中間スリーブ４
８はラミネート、パーテイキユレート又はラメラ
ーとして製作され得る。中間スリーブ４８がラミ
ネートとして製作される場合、グラフアイト／エ
ポキシ・ラミネートが適当な角度で手巻き又は機
械巻きされかつ接着されてよく、また高温作動油
によるエポキシ接着剤の劣化を防ぐため適当な材
料でグラフアイトの端面をシールすることが好ま
しい。このシール材料としては電着されたニツケ
ルの層が適している。

中間スリーブ４８がパーテイキユレートとして
製作される場合、酸化アルミニウム（Al₂O₃）又
は炭化ホウ素（B₄C）のグリツトをエポキシ接着
し硬化したものが適している。中間スリーブ４８
がラメラーとして製作される場合、モリブデン粉
末が溶融状態に加熱され次いでフレーム・スプレ
ー掛けされて個々のラメラーが形成され、これら
のモリブデン・ラメラーが必要な中間スリーブの
厚みまで積み上げられてよい。

中間スリーブ４８がラミネートとして製作され
る場合、内側ラミネートに入り込むように内壁５
０の粗い外壁とラミネートとの間にメルトボンド
6726のような接着剤を用い、その硬化処理後に内
側ラミネートと内壁との間に強力な相互結合を形
成することが重要である。この相互結合は被弾に
より発せられる応力波によつて内壁が内側ラミネ
ートと共に除去され、もしくは内壁のペタルが容
易に形成されるようにするために有効である。

内壁５０としては、電鋳法により製作されたニ
ツケルの筒が適している。その厚みは除去に要す
る力を最適にする観点で0.010〜0.030インチ
（0.25〜0.75mm）に選定されたが、用途によつて
はそれより厚くても薄くてもよい。

電鋳法で製作されたニツケル内壁は十分に低い
残留応力を有しかつ十分な延性を有するので、被
弾損傷により内壁に生じ得るペタルはピストン２
２の力により容易に除去され得る。

実際に、200〜220ksiの極限引張り強さ及び
0.126インチ（3.2mm）の厚みを有するVIM／
VAR4340鋼を用いた外壁と、厚み0.354インチ
（8.99mm）のグラフアイト／エポキシ・ラミネー
トとして製作された中間スリーブと、電鋳法で製
作された厚み0.030インチ（0.75mm）のニツケル
内壁とからなる複合ハウジングにより非常に満足
な結果が得られることが本願発明者によつて見出
された。

本願発明者の研究により、被弾損傷により外壁
４６に生ずるペタルの深さと、外壁の厚みｔと弾
丸の直径Ｄとの比ｔ／Ｄとの間に重要な関係があ
ることが見出された。それによれば、最大ペタル
深さ（MPD）はｔ／Ｄが約１／３に等しいとき
に生ずる（ペタル深さ自体は弾丸の速度に関係す
るが、最大ペタル深さが生ずるのは弾丸の速度に
関係なくｔ／Ｄが約１／３のときである）。ｔ／
Ｄ＝１／３となる直径Ｄよりも直径が小さい弾丸
または直径が大きい弾丸はMPD以下の深さのペ
タルを生ずる。このMPDから、外壁のペタルが
内壁の内面を越えてピストンの動きを阻害するこ
とがないようにするために必要な中間スリーブ４
８の厚みが定められる。

この関係は複合ハウジングを用いたアクチユエ
ータを設計する上で重要である。現在使用されて
いる弾丸の直径は5.56、7.62、12.7、14.5、20.0、
23.0、30.0及び37.0mmである。第６図はペタル深
さ百分率（％PD）と外壁厚み対弾丸直径比
（ｔ／Ｄ）との関係を示すグラフであり、ｔ／Ｄ
が約１／３のときに％PDが100％となることが示
されている。100％PDは0.454インチ（11.5mm）で
あつた。これが最大ペタル深さ（MPD）であり、
ｔ／Ｄが１／３よりも小さいとき又は大きいとき
のペタル深さはこれよりも小さい。

この関係はすべての材料、すべての弾丸、すべ
ての速度、すべての傾斜角に対して成り立つ。

従つて、アクチユエータの設計者は第６図のグ
ラフから最大ペタル深さ（MPD）がいくらにな
るかを知ることができる。中間スリーブ８の厚み
がMPD以上であればピストンの引掛かりは生じ
ないが、MPD未満であれば引掛かりを生ずるこ
とになる。実際的な観点から、中間スリーブの厚
みは重量の観点からも考察されなければならな
い。従つて、ピストンの引掛かりを避けるため中
間スリーブを必要以上に厚くすることは、アクチ
ユエータを重くするので不適切である。アクチユ
エータの作動条件からアクチユエータの内径が決
まり、従つて内壁５０の内径が決まるので、第６
図のグラフは非常に重要な設計資料となる。本願
発明者の研究では、電鋳法により製作されるニツ
ケル内壁５０の厚みは0.010〜0.030インチ（0.25
〜0.75mm）に定められた。また外壁４６の厚みｔ
は構造部材として疲れ強度上の必要条件を満足す
るように定められた。従つて、外壁の厚みｔと弾
丸の直径Ｄとからｔ／Ｄを計算し、第６図を用い
て最大ペタル深さMPDを知ることができる。こ
のMPDから、ピストンの引掛かりなしに第４図
のように外壁のペタルを中間スリーブの空所にと
どめるために必要な中間スリーブ４８の厚みが求
められる。

弾丸の速度は被弾により生ずる横方向損傷及び
ペタル深さに非常に影響する。この関係は、外壁
４６としてVIM／VAR4340鋼を用いた場合につ
いて第７図に示されている。第７図からわかるよ
うに、ハウジングに最大の横方向損傷、従つてま
た最大のペタル深さ、を与える弾丸速度はほぼ
V₅₀プラス200〜300フイート毎秒（60〜90ｍ／
ｓ）の弾丸速度である。ここで、V₅₀は弾丸の50
％がターゲツトによりデフイートされる弾丸速度
である。

本発明による複合ハウジングは現在アクチユエ
ータに用いられている鋼製ハウジングよりも15％
軽く、また現在のアクチユエータのハウジングを
装甲構造にした場合の重量にくらべて１／4.4の
重量で足りる。

複合ハウジングに関して以上に説明したこと
が、中間スリーブに対する外壁と内壁の位置を逆
にしてピストン棒２８にもあてはまることは当業
者に明らかであろう。弾丸が中空ピストン棒２８
に入る時に生ずるペタルは端壁３０に対して反対
向きであるから引掛かりの問題は生じない。弾丸
が中空ピストン棒２８から出る時に生ずるペタル
は中間スリーブ（４８に相当）及び電鋳法で製作
されたニツケル内壁（５０に相当）の破壊により
生ずる空所に受け入れられるので端壁３０とピス
トン棒２８との間に引掛かりの問題を生じない。
複合ハウジングの好ましい製造方法として、内壁
５０は選定された寸法のマンドレル上で電鋳法に
より製作されたニツケルの筒であり、その内面に
複合ハウジングの最終製造工程としてクロムめつ
きと最終寸法への研摩とが行なわれる。外壁４６
は構造部材として必要な厚みｔを有する壁として
通常の方法で製作される。予想される弾丸の直径
Ｄに対するｔ／Ｄ比から第６図を用いて最大ペタ
ル深さが求められる。この最大ペタル深さから中
間スリーブ４８の厚みが定められ、この中間スリ
ーブは前記のように通常の方法で製作される。最
後に、外壁４６のなかに中間スリーブ４８がはめ
られ、中間スリーブ４８のなかに内壁５０がはめ
られ、通常のような接着剤硬化処理の後に複合ハ
ウジングとして一体化される。

本発明の範囲は以上に説明し図示した実施例に
限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々
の変形が当業者により行なわれ得ることは理解さ
れよう。

【図面の簡単な説明】

第１図は複合ハウジングを用いており操縦翼面
を制御するべく作動するデユアル・アクチユエー
タを一部切欠いて示す図である。第２図は複合ハ
ウジングを用いたアクチユエータの拡大断面図で
ある。第３図は複合ハウジングの壁の一部の拡大
断面図である。第４図は第３図の壁の弾丸貫通後
の状態を示す図である。第５図は被弾時に複合ハ
ウジングの壁に生ずる応力波の状況を示す拡大断
面図である。第６図はペタル深さ百分率（％PD）
と外壁厚み対弾丸直径比（ｔ／Ｄ）との関係を示
すグラフである。第７図は外壁ペタル深さへの弾
丸速度の影響を示すグラフである。第８ａ図は被
弾により内壁に生ずるペタルを示す図である。第
８ｂ図は第８ａ図のペタルを横から見た図であ
る。第９図は複合ハウジングの内壁に生ずるスタ
ー・バーストひび割れ模様を示す図である。 １０，１２……アクチユエータ、１４……飛行
制御ステム、１６……操縦翼面、１８……流体圧
制御装置、２０……複合ハウジング、２２……ピ
ストン、２４，２６……作動流体室、２８……ピ
ストン棒、３０……シリンダ端壁、３２……板、
３４〜４０……シール、４２……ワイパ環、４４
……保持ナツト、４６……外壁、４８……中間ス
リーブ、５０……内壁、５２，５４……外壁ペタ
ル、４８ａ……中間スリーブの内側層、５０ａ…
…内壁ペタル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 流体アクチユエータにして、 ハウジング内に配置されており前記ハウジング
   と共働して作動流体を受入れるための少なくとも
   一つの圧力室を郭定する前記作動流体によつて作
   動される可動部材と、 前記ハウジングが、前記アクチユエータの疲労
   強度上の必要条件を満足する厚さｔを有する外側
   壁と前記外側壁内に係合して嵌込まれており且破
   壊容易な又は変形可能な材料からなる中間スリー
   ブとを含んでおり、弾丸の衝撃及び貫通によつて
   前記外側壁に発生する衝撃波が前記中間スリーブ
   を局所的に破壊し且空所を生ぜしめるのに十分な
   強度で前記中間スリーブに付与されることができ
   前記中間スリーブの厚さが直径Ｄの弾丸の衝撃及
   び貫通によつて前記外側壁に形成されるペタルの
   深さに少なくとも等しく且比ｔ／Ｄが実質的に
   １／３に等しく構成されていることと、 被弾による損傷が起きた後引き続き前記ハウジ
   ング内の前記可動部材を作動させる手段と、 前記中間スリーブの内面上に備えられた耐摩耗
   性の保護層であつて、被弾による損傷が発生した
   後に前記ハウジング内の前記可動部材の作動を妨
   害することなく前記中間スリーブの前記局部的に
   破壊され且空所が生ぜしめられた部分と共に取除
   かれることができるべく構成された保護層と、 を含むことを特徴とする流体アクチユエータ。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載された流体アク
   チユエータにして、前記ハウジングが複合的な円
   筒形状をしており且前記可動部材が前記ハウジン
   グ内で往復運動可能な円筒形ピストンであること
   を特徴とする流体アクチユエータ。 ３ 特許請求の範囲第２項に記載された流体アク
   チユエータにして、前記外側壁、中間スリーブ及
   び内側壁が互いに結合されていることを特徴とす
   る流体アクチユエータ。 ４ 特許請求の範囲第３項に記載された流体アク
   チユエータにして、前記外側壁材料と中間スリー
   ブ材料の間の音響インピーダンス比の値によつて
   弾丸の衝撃及び貫通によつて前記外側壁に発生し
   た応力波が前記中間スリーブに付与され被弾によ
   り衝撃を受ける部分に隣接する部分は破壊させる
   が被弾損傷後に前記ハウジング内の可動部材の運
   動を阻止する如き前記部分を越えた損傷を前記中
   間スリーブに付与することがないために十分な応
   力波強さを有することが許されるように、前記外
   側壁及び中間スリーブの材料が選択されているこ
   とを特徴とする流体アクチユエータ。 ５ 特許請求の範囲第４項に記載された流体アク
   チユエータにして、前記外側壁の極限引張り強さ
   （UTS）が200ksi又はそれ以上であり、前記外側
   壁材料と中間スリーブ材料間の音響インピーダン
   ス比が、被弾による衝撃及び貫通が前記外側壁に
   生じたとき応力波が前記外側壁に発生し且前記中
   間スリーブの材料の極限引張り強さの４〜５倍の
   強さの半径方向内方に向かう応力波として前記中
   間スリーブに伝達されることができるために必要
   な大きさを有していることを特徴とする流体アク
   チユエータ。 ６ 特許請求の範囲第５項に記載された流体アク
   チユエータにして、前記外側壁の極限引張り強さ
   と前記外側壁と中間スリーブ材料の音響インピー
   ダンス比を組合せることによつて前記外側壁に対
   する弾丸の衝撃及び貫通によつて発生する応力波
   が前記中間スリーブの材料の極限引張り強さの15
   〜20倍以下の強さで半径方向内方に伝達されるよ
   うに構成されていることを特徴とする流体アクチ
   ユエータ。 ７ 特許請求の範囲第６項に記載された流体アク
   チユエータにして、前記外側壁の破壊靭性が流体
   アクチユエータ装置の強度上必要な条件を満すた
   めに十分高く、しかし弾丸の衝撃及び貫通によつ
   て前記外側壁に形成されるペタルが前記中間スリ
   ーブの厚さ寸法に受入れられることができる範囲
   内の大きさになるために十分低いことを特徴とす
   る流体アクチユエータ。 ８ 特許請求の範囲第７項に記載された流体アク
   チユエータにして、前記外側壁の材料が半径方向
   と円周方向に実質的に同一の破壊靭性を有してお
   り前記外側壁に形成されるペタルが均一的となる
   ような材料から構成されていることを特徴とする
   流体アクチユエータ。 ９ 特許請求の範囲第８項に記載された流体アク
   チユエータにして、前記外側壁はVIM／
   VAR4340鋼からなり、弾丸の衝撃及び貫通によ
   つて前記外側壁に生ずるペタルの深さが最大とな
   るのは、弾丸のうち50％が前記外側壁によつて打
   負かされるときの弾丸速度をV₅₀とするとV₅₀＋
   300fps（V₅₀＋90ｍ／ｓ）のときであり、前記中間
   スリーブの厚さが前記外側壁に生じた最大ペタル
   長さと少なくとも等しいことを特徴とする流体ア
   クチユエータ。 １０ 特許請求の範囲第１項又は第８項記載の流
   体アクチユエータにして、前記中間スリーブを構
   成する材料は、半径方向外方へ向かう反射された
   引張り応力波に対しては低い引張り強度を有し、
   内部を流れる加圧作動流体の圧力に対して破壊す
   ることがないような半径方向外方に高い圧縮荷重
   耐力を有し、流体圧力によつて外側壁の寸法が変
   化することによつて歪みが生じても損傷すること
   がない直交性の強度特性を有し、前記外側壁に弾
   丸が衝突することによつて発生する応力波の反射
   によつて前記中間スリーブ内に引起こされる引張
   り応力が流体によつて引起こされる圧縮応力とは
   反対の引張り応力として導かれるように構成され
   ていることを特徴とする流体アクチユエータ。 １１ 特許請求の範囲第１項に記載された流体ア
   クチユエータにして、前記中間スリーブがラミネ
   ート、粒状物又はラメラーによつて製造されてい
   ることを特徴とする流体アクチユエータ。 １２ 特許請求の範囲第１項に記載された流体ア
   クチユエータにして、前記中間スリーブは互いに
   結合された同心状のグラフアイト製ラミネート、
   エポキシ樹脂で接合され且硬化されたセラミツク
   又は金属間グリツトからなる粒状物、又は溶融モ
   リブデンを噴霧し所定の厚さになるまで分離した
   又は互いに結合したモリブデン小板を形成せしめ
   ることによつて形成されたラメラーからなること
   を特徴とする流体アクチユエータ。 １３ 特許請求の範囲第１項、第８項又は第１２
   項に記載された流体アクチユエータにして、前記
   内側壁の材料が前記中間スリーブが破壊されるこ
   とによつて破壊されることができるほど低い破壊
   靭性を有しており且被弾によつて形成されるペタ
   ルの大きさと方向が常に一定であるような低い残
   留応力を有することを特徴とする流体アクチユエ
   ータ。 １４ 特許請求の範囲第１項又は第８項に記載さ
   れた流体アクチユエータにして、 前記内側壁が、壁の厚さが薄く且残留応力が−
   ６〜−10ksiの範囲にあるために高い破壊靭性を
   有する材料からなることを特徴とする流体アクチ
   ユエータ。 １５ 特許請求の範囲第１項又は第８項に記載さ
   れた流体アクチユエータにして、前記内側壁の材
   料が所定の脆性を有しており被弾によつて破壊さ
   れた領域の周りに均一的な且小さなペタルが形成
   されるように所定の等方性を有することを特徴と
   する流体アクチユエータ。 １６ 特許請求の範囲第１項、第８項又は第１２
   項に記載された流体アクチユエータにして、前記
   中間スリーブはラミネートである結合された層に
   よつて製造されており、前記内側壁は内側の前記
   ラミネートに浸透しているプライマによつて前記
   ラミネートに結合されており、被弾の際の衝撃即
   ち、前記外側ハウジングに発生した半径方向内方
   に伝播する圧縮応力波と、前記中間スリーブと内
   側壁間の境界面に反射して半径方向外方に伝播す
   る圧縮応力波と、前記内側壁の自由面に反射して
   半径方向外方に伝播する圧縮応力波と、作動流体
   によつて引起こされる圧縮応力とによる衝撃を受
   ける領域で前記浸透した内側ラミネートと前記内
   側壁が共に破壊され、又は残余のペタルが前記ラ
   ミネートのうち非ラミネート化部分の端部にてひ
   び割れを起こすか又は過応力となり、それによつ
   て前記内側壁のペタル上に加わるペタル除去荷重
   がより小さな値になるように構成されていること
   を特徴とする流体アクチユエータ。 １７ 特許請求の範囲第１項、第８項又は第１２
   項に記載された流体アクチユエータにして、前記
   内側壁が電鋳法によるニツケルからなることを特
   徴とする流体アクチユエータ。 １８ 特許請求の範囲第１７項に記載された流体
   アクチユエータにして、前記電鋳法によつて形成
   されたニツケルの内側壁の厚さｔと前記可動部材
   を作動する装置による前記内側壁のペタルを除去
   する力Ｆが、Ｋが一定であるときに 式： Ｆ＞Ｋ／t² を満すように選択されることを特徴とする流体ア
   クチユエータ。 １９ 特許請求の範囲第１７項に記載された流体
   アクチユエータにして、前記電鋳法で形成された
   ニツケルの内側壁の厚さが0.010インチと0.030イ
   ンチ（0.254mmと0.762mm）の間であるように構成
   されていることを特徴とする流体アクチユエー
   タ。 ２０ 特許請求の範囲第１７項に記載された流体
   アクチユエータにして、前記電鋳法により形成さ
   れたニツケルの内側壁がクロムめつきされたもの
   であることを特徴とする流体アクチユエータ。 ２１ 特許請求の範囲第１７項に記載された流体
   アクチユエータにして、前記外側壁が極限引張り
   強さ（UTS）が200〜220ksiであり軸線方向の破
   壊靭性が120ksiであり軸線と直角方向の破壊靭性
   が80ksiであるVIM／VAR4340鋼からなることを
   特徴とする流体アクチユエータ。 ２２ 特許請求の範囲第４項に記載された流体ア
   クチユエータにして、比音響インピーダンスと前
   記外側壁及び中間スリーブ間の極限引張り強さ
   （UTS）との間に、式： P₂／UTS₂＝〔2ρ₂C₂／ρ₂C₂＋ρ₁C₁〕UTS₁／UTS₂＝４又
   は５ P₂＝中間スリーブに伝達される応力波振幅（圧
   力） UTS₂＝中間スリーブの半径方向の極限引張り強
   さ ρ₂C₂＝中間スリーブの比音響インピーダンス ρ₁＝外側壁の密度 ρ₂＝中間スリーブの密度 C₁＝外側壁内の音速 C₂＝中間スリーブ内の音速 UTS₁＝外側壁の極限引張り強さ が成り立つように構成されていることを特徴とす
   る流体アクチユエータ。