JP2008213692A - 中空シャフトの構造 - Google Patents

Abstract

【課題】肉厚の増加によることなく剛性を高めることのできる中空シャフトの構造を提供する。
【解決手段】一端側に配される開口部を有する中空部材１１と他端側に配される開口部を有する中空部材１２とが互いの軸線を一致させた状態で開口端同士を突き合わせて溶接により接合されてなり、下転輪３を支持する中空シャフト１の構造において、一端側の中空部材１１と他端側の中空部材１２との接合位置内周に当接し、それら中空部材１１，１２の中空部１３，１３′を仕切るように円盤状のリブ２０を設ける構造とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、車輪を支持する中空シャフトの構造に関し、特にブルドーザや油圧ショベル等に装備される履帯式走行装置の下転輪や遊動輪を支持する車軸として用いられて好適な中空シャフトの構造に関するものである。

例えばブルドーザや油圧ショベルなどのように不整地での作業に使用される車両には、トラックフレームの前後に配置される遊動輪と駆動輪に無端状の履帯が巻き掛けられて構成される履帯式走行装置が装備されている。この履帯式走行装置においては、車体の重量を分散して履帯に伝えるとともにその履帯を案内するために、トラックフレームの下面側に複数の下転輪が所要の間隔で配置されている。各下転輪は、トラックフレームの下面に取り付けられた軸サポート部材によって両端部が固定・支持される中空シャフトに、ブッシュを介して回転自在に支持されている。

前記中空シャフトは、図８（ａ）に示されるように、当該中空シャフト１０１の図において左半分を構成する中空部材１１１と、当該中空シャフト１０１の図において右半分を構成する中空部材１１２とが互いの軸線を一致させた状態で開口端同士を突き合わせて溶接により接合されて構成されている。左側の中空部材１１１と右側の中空部材１１２との接合位置には、それら中空部材１１１，１１２を溶接する際の溶融金属の溶け落ちを防止して溶接部の健全性を確保するために、同図（ａ）（ｂ）に示されるように、リング状の裏当て金１１３が設けられている。

なお、リング状の裏当て金を溶接部に裏当てして溶接するという技術は、例えば特許文献１にて知られており、この特許文献１では、特に、リング状裏当て金の肉厚と幅を規定することにより、溶接接合の際の落ち込み座屈や角変形を防止することができるという技術が提案されている。

特開２００２−３５９３５号公報

ところで、履帯式走行装置における下転輪は障害物に乗り上げた時などに衝撃的な荷重を受けるため、下転輪を支持する中空シャフト１０１は高剛性である必要がある。中空シャフト１０１の剛性を高める手段として、その肉厚を増加させるという手段が考えられるが、肉厚の増加により重量の増加を免れないという問題点がある。このため、肉厚の増加によることなく、中空シャフト１０１の剛性を高めることのできる中空軸構造が望まれている。

なお、前記特許文献１に係る技術は、中空金属部材の溶接接合時における部材変形を防止するためにリング状裏当て金の肉厚と幅を規定するものであり、かかる技術に基づいて肉厚と幅が規定された裏当て金１１３では、中空シャフト１０１の剛性を高める強度部材としての機能が不十分であると言える。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、肉厚の増加によることなく剛性を高めることのできる中空シャフトの構造を提供することを目的とするものである。

前記目的を達成するために、本発明による中空シャフトの構造は、
一端側に配される開口部を有する中空部材と他端側に配される開口部を有する中空部材とが互いの軸線を一致させた状態で開口端同士を突き合わせて溶接により接合されてなり、車輪を支持する中空シャフトの構造において、
前記一端側の中空部材と他端側の中空部材との接合位置内周に当接し、それら中空部材の中空部を仕切るように円盤状のリブを設けることを特徴とするものである（第１発明）。

本発明において、前記リブには、前記一端側の中空部材の中空部と前記他端側の中空部材の中空部とを連通する連通孔が設けられるのが好ましい（第２発明）。

本発明において、前記車輪は、履帯式走行装置の下転輪であるとすることができる（第３発明）。

本発明によれば、一端側の中空部材と他端側の中空部材との接合位置内周に当接し、それら中空部材の中空部を仕切るように円盤状のリブが設けられるので、従来の中空シャフトと比較して、接合位置における断面係数を格段に大きくすることができ、肉厚の増加によることなく剛性を格段に高めることができるという効果がある。なお、当然のことながら、接合位置に設けられるリブは溶接接合の際に裏当て金として機能するため、溶融金属の溶け落ちを防止して溶接部の健全性を確保することができるとともに、溶接接合時における部材変形を防止することができる。

また、中空シャフトの中空部が潤滑油を溜めるための潤滑油溜り部として使用された場合、この潤滑油溜り部内で潤滑油を流動させて潤滑油の熱放散を促し、ヒートバランスを適正に保つ必要がある。そこで、一端側の中空部材の中空部と他端側の中空部材の中空部とを仕切るリブに、それら中空部材の中空部を連通する連通孔を設けるという第２発明の構成を採用することにより、リブを挟んで両中空部に充填された潤滑油をその連通孔を通して互いに行き来させて流動させることができ、潤滑油のヒートバランスを適正に保つことができる。

また、本発明の中空シャフトの構造をブルドーザや油圧ショベル等に装備される履帯式走行装置の下転輪を支持する中空シャフトに適用した場合、下転輪が障害物に乗り上げた時などに発生する衝撃荷重にも十分に耐え得る中空シャフトを得ることができる。

次に、本発明による中空シャフトの構造の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下に述べる実施の形態は、ブルドーザや油圧ショベル等に装備される履帯式走行装置の下転輪を支持する中空シャフトに本発明が適用された例である。

図１には、本発明の一実施形態に係る下転輪装置の要部構造説明図が示されている。また、図２には、本実施形態の中空シャフトの構造説明図が示されている。

図１に示される下転輪装置は、トラックフレームの下面に取り付けられた軸サポート部材（いずれも図示省略）によって両端部（後述する小径軸部１５，１５′）が固定・支持される中空シャフト１と、この中空シャフト１の外周面に所定間隔を存して嵌められる一対のブッシュ２と、これらブッシュ２を介して中空シャフト１に回転自在に支持される下転輪３と、この下転輪３の中空シャフト１に対するスラスト方向移動をスラスト軸受４を介して規制するために下転輪３の各端面に装着されるキャップアッセンブリ５とを備えて構成されている。なお、後述する中空部１３，１３′には潤滑油が八分目程度充填される。また、各キャップアッセンブリ５には図示されないシール装置が内蔵されており、このシール装置により、下転輪３内部で循環される潤滑油が外部に漏洩しないように、また外部からの土砂等が下転輪３内部に侵入しないようにされている。

中空シャフト１は、図２（ａ）に示されるように、一端側（図において左側）に配されて当該中空シャフト１の図において左半分を構成する中空部材１１と、他端側（図において右側）に配されて当該中空シャフト１の図において右半分を構成する中空部材１２とが、互いの軸線を一致させた状態で開口端同士を突き合わせて溶接により接合されて構成されている。

一端側の中空部材１１は、丸穴状の中空部１３を有する中空部材本体１４と、この中空部材本体１４の閉鎖端側に一体的に設けられその中空部材本体１４よりも小径の小径軸部１５とより構成されている。ここで、中空部材本体１４には、下転輪３と中空シャフト１との間に形成される隙間１６（図１参照）と、中空部１３とを連通する一対の油孔１７，１８が、鉛直方向に対向配置で設けられており、中空部１３内に溜められた潤滑油が鉛直下方側の油孔１７から送り出されてブッシュ２やスラスト軸受４の摺動面を潤滑し、この摺動面の潤滑に供された潤滑油が鉛直上方側の油孔１８から中空部１３内に還流されるようになっている。

一方、他端側の中空部材１２は、その小径軸部１５′の中心に中空部１３′に繋がる潤滑油充填用孔１９が形成されている点以外は基本的に一端側の中空部材１１と同形状である。したがって、この他端側の中空部材１２において、一端側の中空部材１１と同一または同様の構成要素については図に「′」付きの同一符号を付すに留めてその詳細な説明を省略することとする。なお、潤滑油充填用孔１９には、その孔を塞ぐための図示されないプラグが取り付けられており、中空シャフト１内に充填された潤滑油が漏れ出さないようにされている。

一端側の中空部材１１と他端側の中空部材１２との接合位置には、図２（ａ）（ｂ）に示されるように、その接合位置内周に当接し、それら中空部材１１，１２の中空部１３，１３′を仕切るように所定厚み寸法の円盤状のリブ２０が設けられている。このリブ２０には、一端側の中空部材１１の中空部１３と他端側の中空部材１２の中空部１３′とを連通する複数（本例では５つ）の連通孔２１が設けられている。図２（ｂ）に示されるように、これら５つの連通孔２１のうち、一つはリブ２０の中心Ｏに配置され、残り４つは所定直径Ｄのピッチ円上に等間隔で中心Ｏを基準に鉛直方向および水平方向にそれぞれ対称配置されている。

以上に述べたように構成される中空シャフト１によれば、一端側の中空部材１１と他端側の中空部材１２との接合位置内周に当接し、それら中空部材１１，１２の中空部１３，１３′を仕切るように円盤状のリブ２０が設けられるので、従来の中空シャフト１０１と比較して、接合位置における断面係数を格段に大きくすることができ、肉厚の増加によることなく剛性を格段に高めることができるという効果がある。なお、当然のことながら、接合位置に設けられるリブ２０は溶接接合の際に裏当て金として機能するため、溶融金属の溶け落ちを防止して溶接部の健全性を確保することができるとともに、溶接接合時における部材変形を防止することができる。また、中空部１３，１３′に充填された潤滑油を連通孔２１を通して互いに行き来させて流動させることができるので、潤滑油のヒートバランスを適正に保つことができる。

次に、本発明による中空シャフトの構造の具体的な実施例について、図面を参照しつつ説明する。

図３には、製造実施例１の中空シャフトの製造工程説明図が示されている。

〔製造実施例１〕
以下に述べるようにして製造実施例１の中空シャフトを作製した。
（圧入工程１）
まず、図３（ａ）（ｂ）に示されるように、中空部材１１の開口端部に形成された段付き部２２に円盤状のリブ２０Ａ（連通孔２１なし）を圧入する。ここで、段付き部２２は、リブ２０Ａが中空部材１１内へ過度に深く押し込まれることなくリブ２０Ａの厚み寸法の半部程度が中空部材１１内へ押し込まれて位置決めされるようにリブ２０Ａに対する係止部として設けられるものである。
（圧入工程２）
次いで、同図（ｃ）（ｄ）に示されるように、中空部材１２の開口端部に形成された段付き部２２′にリブ２０Ａの残り半分部分を圧入し、中空部材１１と中空部材１２とを突き合わせる。
これら圧入工程１，２により、中空部材１１と中空部材１２とが互いの軸線を一致させた状態で位置決めされる。
（溶接工程）
そして、同図（ｅ）に示されるように、中空部材１１と中空部材１２との突き合わせ部分に対してアーク溶接機２５によるアーク溶接を全周に亘って施して両者を接合する。

〔製造実施例２〕
連通孔２１が設けられていない円盤状のリブ２０Ａに代えて連通孔２１が設けられている円盤状のリブ２０を用いた点以外は製造実施例１と同様にして製造実施例２の中空シャフトを作製した。

〔製造比較例１〕
リブ２０Ａに代えて従来技術に係るリング状の裏当て金１１３（図８参照）を用い、またアーク溶接機２５に代えて電子ビーム溶接機を用いた点以外は製造実施例１と同様にして製造比較例１の中空シャフトを作製した。

〔製造比較例２〕
リブ２０Ａに代えてリング状の裏当て金１１３を用いた点以外は製造実施例１と同様にして製造比較例２の中空シャフトを作製した。

〔製造比較例３〕
リブ２０Ａに代えてリング状の裏当て金１１３を用い、また中空部材１１，１２の各中空部材本体１４，１４′を２０％厚肉化した点以外は製造実施例１と同様にして製造比較例３の中空シャフトを作製した。

図４には、各製造比較例および各製造実施例の中空シャフトにおける溶接部の拡大断面図が示されている。

溶融金属の溶け込みを細く深くできる電子ビーム溶接では、図４（ａ）に示されるように、溶け込み深さがＨに対してルート部の溶け込み幅がＷ_１で比較的幅が狭い。これに対して、アーク溶接で電子ビーム溶接と同等の溶け込み深さＨを得るには、例えばＶ形の開先を設けて多層盛溶接を行わなければならない。このため、同図（ｂ）および同図（ｄ）（ｅ）に示されるように、溶け込み深さがＨに対してルート部の溶け込み幅がＷ_１よりもかなり広いＷ_２となる。

図５には、疲労試験方法の説明図が示されている。また、図６には溶接部におけるルート部応力および表面応力のＦＥＭ解析結果を表わす図が、図７には疲労試験結果を表わす図が、それぞれ示されている。

製造比較例１〜３および製造実施例１，２の各中空シャフトについて、図５に示されるように、両端部を固定し、軸方向中間部に対してラジアル荷重Ｆを鉛直上方から作用させた場合の溶接部におけるルート部応力および表面応力をそれぞれＦＥＭ解析により求めた。その結果が図６に示されている。ここで、表面応力とは軸径方向からの荷重により中空シャフトの外周表面に作用し、軸方向に引張りとなる応力をいう。例えば図５中記号Ｐ矢印で示される部分の応力である。また、製造比較例１〜３および製造実施例２の各中空シャフトについて、図５におけるラジアル荷重Ｆを所定の周期で繰り返し作用させて疲労試験を行った。その結果が図７に示されている。

まず、製造比較例１の中空シャフトと製造比較例２の中空シャフトを比較・検討する。図６に示されるように、製造比較例１の中空シャフトの表面応力と製造比較例２の中空シャフトの表面応力は略同じである。一方、製造比較例２の中空シャフトのルート部応力は、製造比較例１の中空シャフトのルート部応力よりも高い値となっている。これは、ルート部の溶け込み幅が広くなると、ルート部応力が大きくなる関係にあることを示している。図７に示されるように、製造比較例２の中空シャフトは製造比較例１の中空シャフトと比べてその耐久性が著しく劣り、ルート部応力が耐久性に大きな影響を及ぼすことが分かる。製造比較例１の中空シャフトと製造比較例２の中空シャフトはその基本構造が同一であるにも関わらず、製造段階において電子ビーム溶接を施すかアーク溶接を施すかによってその耐久性に優劣が生じてしまい、電子ビーム溶接を施した製造比較例１の中空シャフトの方が耐久性に優れているという結果が得られた。しかしながら、製造上、汎用性の高いアーク溶接を選択したいというニーズがある。

次に、製造比較例２の中空シャフトと製造比較例３の中空シャフトを比較・検討する。図６に示されるように、製造比較例２の中空シャフトの表面応力と製造比較例３の中空シャフトの表面応力は略同じである。一方、製造比較例３の中空シャフトのルート部応力は、製造比較例２の中空シャフトのルート部応力よりも低い値で製造比較例１の中空シャフトのルート部応力相当となっている。これは、中空部材本体１４，１４′の肉厚増により、ルート部応力を低減することができることを示している。図７に示されるように、製造比較例３の中空シャフトは製造比較例１の中空シャフトと同程度の耐久性を有しており、製造比較例１の中空シャフトとその基本構造が同一で、製造段階においてアーク溶接を採用した場合、製造比較例１の中空シャフトと同程度の耐久性を確保するためには、中空部材本体１４，１４′の肉厚を２０％程度増加させる必要があるという結果が得られた。しかしながら、肉厚の増加により重量の増加を免れないという問題がある。

次に、製造実施例１の中空シャフトと製造比較例３の中空シャフトを比較・検討する。図６に示されるように、製造実施例１の中空シャフトのルート部応力は、製造比較例３の中空シャフトのルート部応力よりも格段に低い値となっている。これは、接合位置に円盤状のリブ２０Ａ（連通孔２１なし）を設けることにより、製造段階においてアーク溶接を採用した場合でも肉厚の増加によることなく剛性を格段に高めることができることを示している。

次に、製造実施例１の中空シャフトと製造実施例２の中空シャフトを比較・検討する。図６に示されるように、製造実施例２の中空シャフトのルート部応力は、製造実施例１の中空シャフトのルート部応力よりもほんの僅かだけ高い値となっているが、製造比較例３の中空シャフトのルート部応力よりも格段に低い値であることには変わりがない。一方、製造実施例２の中空シャフトの表面応力は、製造実施例１の中空シャフトの表面応力よりも低い値となっている。これは、連通孔２１によってリブ２０の鉛直方向のクッション性が高められ、これによって表面応力が緩和されたことを示している。図７に示されるように、製造実施例２の中空シャフトは優れた耐久性を有している。

以上のことから、製造実施例１および製造実施例２によれば、汎用性の高いアーク溶接を用いて、肉厚の増加によることなく剛性や耐久性が格段に高められた中空シャフトを得ることができる。また、連通孔２１は、潤滑油の流動性を確保する上で有効に働くのみならず、表面応力の調整にも有効に働くことが分かった。

なお、上記実施の形態および実施例においては、履帯式走行装置における下転輪を支持する中空シャフトに本発明が適用された例を示したが、これに限定されるものではなく、例えば、履帯式走行装置における遊動輪を支持する中空シャフトに本発明を適用することも可能である。また、前記リブ２０においては、５つの連通孔２１が設けられ、これら５つの連通孔２１のうち、一つはリブ２０の中心Ｏに配置され、残り４つは所定直径Ｄのピッチ円上に等間隔で中心Ｏを基準に鉛直方向および水平方向にそれぞれ対称配置されているが、表面応力の調整等のために、連通孔２１の配置や個数、孔径の大きさ、孔形状等をその趣旨を逸脱しない範囲において適宜に変更・調整することができるものである。

本発明の一実施形態に係る下転輪装置の要部構造説明図 本実施形態の中空シャフトの構造説明図で、縦断面図（ａ）および（ａ）のＺ−Ｚ線断面図（ｂ） 製造実施例１の中空シャフトの製造工程説明図 各製造比較例および各製造実施例の中空シャフトにおける溶接部の拡大断面図 疲労試験方法の説明図 溶接部におけるルート部応力および表面応力のＦＥＭ解析結果を表わす図 疲労試験結果を表わす図 従来の中空シャフトの構造説明図

符号の説明

１ 中空シャフト
３ 下転輪（車輪）
１１ 中空部材（一端側）
１２ 中空部材（他端側）
１３ 中空部（中空部材１１側）
１３′ 中空部（中空部材１２側）
２０ リブ（連通孔２１あり）
２０Ａ リブ（連通孔２１なし）
２１ 連通孔

Claims (3)

1. 一端側に配される開口部を有する中空部材と他端側に配される開口部を有する中空部材とが互いの軸線を一致させた状態で開口端同士を突き合わせて溶接により接合されてなり、車輪を支持する中空シャフトの構造において、
   前記一端側の中空部材と他端側の中空部材との接合位置内周に当接し、それら中空部材の中空部を仕切るように円盤状のリブを設けることを特徴とする中空シャフトの構造。
2. 前記リブには、前記一端側の中空部材の中空部と前記他端側の中空部材の中空部とを連通する連通孔が設けられる請求項１に記載の中空シャフトの構造。
3. 前記車輪は、履帯式走行装置の下転輪である請求項１または２に記載の中空シャフトの構造。

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