JP2009250356A - スプライン連結構造 - Google Patents

Abstract

【課題】それぞれインボリュートスプラインから成る軸スプラインと穴スプラインを有するものにあって、応力集中を緩和させることができるスプライン連結構造の提供。
【解決手段】それぞれインボリュートスプラインから成る軸１の軸スプライン２と、ハブ４の穴スプライン５とを係合させ、ハブ４に形成した円筒穴６，７内に挿入したクランピングねじ９，１０によってハブ４の円筒穴６，７の下端部に対向する薄肉部分４ａを押圧し、この薄肉部分４ａの近傍に位置する穴スプライン５の歯を拘束させ、これによって軸１に対するハブ４の移動を規制するとともに、ハブ４の円筒穴６，７の下端部に対向する薄肉部分４ａの近傍に位置する穴スプライン５の２つの歯に、これらの歯の一部を切除して形成され、軸１の端部１ａ側に位置するハブ４の端面４ｂとは反対側のハブ４の端面４ｃ付近に位置させた切欠き部１１を設けた構成にしてある。
【選択図】図１

Description

本発明は、軸とハブ間の回転力の伝達に際し、スプラインを形成する歯の歯元に生じる応力集中を緩和させることができるスプライン連結構造に関する。

軸の外周に形成した複数の歯から成る軸スプラインと、ハブの内周に形成された複数の歯から成る穴スプラインとを係合させて、回転力を伝達するようにしたスプライン連結構造が種々の装置に設けられている。このようなスプライン連結構造における疲労強度を向上させるために、従来から様々な発明がなされている。

例えば、特許文献１に記載された発明では、トルク伝達側のスプライン切り上り部を不揃いに設定し、これによりトルク伝達に際しての応力集中を緩和させるようにしている。また、特許文献２に記載された発明では、インボリュートスプラインに代えて歯を円弧状に形成し、これによって歯底隅部、すなわち歯の歯元に生じる応力集中を低減し、疲労強度を向上させている。

しかし、特許文献１に示される発明では、スプライン切り上り部を不揃いに形成するため、例えば切削工具であるホブカッタの形状を特殊なものにするなど、特殊な切削工具が必要となる。このために、加工費が高価となる問題がある。また、特許文献２に示される発明も、円弧状スプラインに加工するための特別な切削工具が必要になり、汎用性がないという問題がある。

これらの諸問題があるため、一般には、軸スプライン及び穴スプラインが汎用性のあるインボリュートスプラインに形成されている。また、軸に対するハブの移動を規制するために、ハブに形成した円筒穴内に挿入した押圧具、例えばクランピングねじによってハブの円筒穴の下端部に対向する薄肉部分を押圧するようにしている。このようなクランピングねじによる押圧力を受けたハブの薄肉部分の近傍に位置する穴スプラインの歯は、拡開されて軸スプラインの歯に押し付けられる。これにより、スプラインの歯が拘束され、軸に対するハブの移動が規制されるようになっている。
特開昭５８−７７９１３号公報 特開平１０−２３２２号公報

上述のように、軸スプライン及び穴スプラインを汎用性のあるインボリュートスプラインに形成するとともに、クランピングねじ等の押圧具によって、ハブに形成される薄肉部分を押圧して穴スプラインの歯を拘束させて軸に対するハブの移動を規制した従来のスプライン連結構造にあっても、応力集中による疲労の問題がある。

すなわち、軸とハブ間の回転力の伝達に際し、トルクによるねじり応力の他に、取付誤差による軸とハブの芯ずれや、軸とハブとの相対的な傾きによる曲げモーメントが生じ、穴スプラインの端面付近に応力が集中する。この場合の穴スプラインの端面付近とは、軸の端部側に位置するハブの端面とは反対側に位置するハブの端面の付近である。また、上述したクランピングねじ等の押圧具によって、ハブの薄肉部分を押圧して穴スプラインの歯を変形させるように拡開させ、軸スプラインの歯を押し拡げることにより、軸スプラインの歯が変形し、この軸スプラインの歯の歯元に応力集中が発生する。すなわち、回転力の伝達時に、押圧具の押圧力によっても、上述した軸の端部側に位置するハブの端面とは反対側に位置するハブの端面付近に位置する軸スプラインの歯の部分の歯元に応力が集中する。

軸とハブ間の回転力の伝達に際して、上述のようなトルク、曲げ、及びクランピングねじ等の押圧具の押圧力による複合応力集中が発生するので、従来のインボリュートスプラインから成る軸スプライン及び穴スプラインを備え、しかもハブの薄肉部分を押圧してこのハブの歯を拡開させて拘束させ、軸に対するハブの移動を規制したスプライン連結構造にあっては、疲労強度を考慮し、軸スプラインの大きな強度を確保する必要がある。このために、このスプライン連結構造を構成する軸は、径寸法を大きく設定せざるを得ず、このスプライン連結構造が備えられる装置の大型化を招く問題があった。

本発明は、上述した従来技術における実状からなされたもので、その目的は、それぞれインボリュートスプラインから成る軸スプラインと穴スプラインを有するものにあって、応力集中を緩和させることができるスプライン連結構造を提供することにある。

この目的を達成するために、軸の外周に形成された複数の歯を有しインボリュートスプラインから成る軸スプラインと、ハブの内周に形成された複数の歯を有しインボリュートスプラインから成る穴スプラインとを係合させ、上記ハブに形成した円筒穴内に挿入した押圧具によって上記ハブの上記円筒穴の下端部に対向する薄肉部分を押圧し、この薄肉部分の近傍に位置する上記穴スプラインの歯を拡開させ上記軸スプラインの歯に押し付けることによって上記穴スプラインの歯を拘束させ、これにより上記軸に対する上記ハブの移動を規制するようにしたスプライン連結構造において、上記ハブの上記円筒穴の下端部に対向する上記薄肉部分の近傍に位置する上記軸スプライン及び上記穴スプラインの少なくとも一方の１つまたは複数の歯に、該当する歯の一部を切除して形成され、上記軸の端部側に位置する上記ハブの端面とは反対側の上記ハブの端面付近に位置させた切欠き部を設けたことを特徴としている。

このように構成した本発明に係るスプライン連結構造は、切欠き部の存在するスプライン部分では、すなわち、ハブの円筒穴の下端部に対向する薄肉部分の近傍であって、軸の端部側に位置するハブの端面とは反対側のハブの端面付近に位置するそれぞれインボリュートスプラインから成る軸スプラインと穴スプラインの対向部分では、切欠き部によって軸スプラインの歯の部分と穴スプラインの歯の部分との係合を生じることがなく、この切欠き部に位置する軸スプラインの歯の部分において、穴スプラインの歯の押し付けによって軸スプラインの歯の部分が変形する事態を生じることがない。これにより、軸とハブ間の回転力の伝達に際して、この切欠き部の存在するスプライン部分における応力集中を緩和させることができ、軸スプラインの強度は小さくて済む。

また、本発明のスプライン連結構造は、上記発明において、上記軸は、ピニオンカッタで加工された加工用逃げ溝を有することを特徴としている。

また、本発明のスプライン連結構造は、上記発明において、上記軸の上記軸スプラインは、ホブカッタによって加工された切り上り形状部を有することを特徴としている。

また、本発明のスプライン連結構造は、上記発明において、上記ハブの上記円筒穴を、上記軸の軸芯に向う方向に穿設したことを特徴としている。

また、本発明のスプライン連結構造は、上記発明において、上記ハブの上記円筒穴を、上記軸の伸長方向に沿って並設されるように２つ形成し、上記ハブに上記２つの円筒穴のそれぞれの下端に連通し、上記軸の伸長方向と平行に延設される平行溝を設けたことを特徴としている。

また、本発明のスプライン連結構造は、上記発明において、上記押圧具が、上記ハブの上記円筒穴に形成したねじに螺合するクランピングねじから成ることを特徴としている。

本発明は、ハブの円筒穴の下端部に対向する薄肉部分の近傍に位置する軸スプライン及び穴スプラインの少なくとも一方の１つまたは複数の歯に、該当する歯の一部を切除して形成され、軸の端部側に位置するハブの端面とは反対側のハブの端面付近に位置させた切欠き部を設けたことから、それぞれインボリュートスプラインから成る軸スプライン及び穴スプラインを有するものにあって、切欠き部の存在するスプライン部分における応力集中を緩和させることができる。したがって、軸スプラインの強度は小さくて済み、従来に比べて軸の径寸法を小さく設定することができ、これによってこのスプライン連結構造が備えられる装置の小型化を実現させることができる。

以下，本発明に係るスプライン連結構造を実施するための最良の形態を図に基づいて説明する。

図１に示すように、この第１実施形態に係るスプライン連結構造は、軸１の外周に形成された複数の歯を有しインボリュートスプラインから成る軸スプライン２と、ハブ４の内周に形成された複数の歯を有しインボリュートスプラインから成る穴スプライン５とを係合させて構成されたものである。図２に示すように、軸１は、端部１ａ側と反対側に位置する軸スプライン２の端部付近にピニオンカッタで加工された加工用逃げ溝３を有している。

図３の（ｂ）図等に示すように、ハブ４には、軸１の軸芯に向う方向に穿設された２つの円筒穴、すなわち第１円筒穴６と第２円筒穴７とを有している。これらの２つの円筒穴６，７内のそれぞれには、第１押圧具、第２押圧具、例えば円筒穴６，７のそれぞれの周面に形成したねじに螺合する第１クランピングねじ９、第２クランピングねじ１０を挿入させてある。図１に示すように、第１円筒穴６と第２円筒穴７は、軸１の伸長方向に沿って並設されており、図３の（ｂ）（ｃ）図等にも示すように、ハブ４には、２つの円筒穴６，７のそれぞれの下端部に連通し、軸１の伸長方向と平行に延設される平行溝８を設けてある。

第１クランピングねじ９及び第２クランピングねじ１０を締付けて、第１円筒穴６及び第２円筒穴７のそれぞれの下端部に対向するハブ４の薄肉部分４ａを押圧することにより、これらの薄肉部分４ａの近傍に位置する穴スプライン５の歯が拡開し、軸スプライン２の歯に当接して押し付けられる。これによって、穴スプライン５の歯が拘束され、軸１に対するハブ４の移動が規制されるようになっている。

この第１実施形態は、ハブ４の２つの円筒穴６，７の下端部に対向する上述したそれぞれの薄肉部分４ａの近傍に位置する軸スプライン２及び穴スプライン５の少なくとも一方の１つまたは複数の歯に、例えば図３の（ｄ）図に示すように、穴スプライン５の２つの歯に、これらの歯の一部を切除して形成され、図１に示す軸１の端部１ａ側に位置するハブ４の端面４ｂとは反対側のハブ４の端面４ｃ付近に位置させた切欠き部１１を設けた構成にしてある。

このように構成した第１実施形態は、切欠き部１１の存在するスプライン部分では、すなわち、ハブ４の２つの円筒穴６，７の下端部に対向する薄肉部分４ａの近傍であって、軸１の端部１ａ側に位置するハブ４の端面４ｂとは反対側のハブ４の端面４ｃ付近のそれぞれインボリュートスプラインから成る軸スプライン２と穴スプライン５の対向部分では、図１に示すように切欠き部１１によって軸スプライン２の歯の部分と穴スプライン５の歯の部分との係合を生じることがない。すなわち、これらの切欠き部１１に位置する軸スプライン２の歯の部分において、穴スプライン５の歯の押し付けによって軸スプライン２の歯の部分が変形する事態を生じることがない。これにより、軸１とハブ４間の回転力の伝達に際して、これらの切欠き部１１の存在するスプライン部分における応力集中を緩和させることができる。本発明者らは、性能試験によって、切欠き部１１を設けない場合に比べて、切欠き部１１を設けたこの第１実施形態では、この切欠き部１１が含まれるスプライン部分の応力集中を１／５以下に低減できたことを確認している。

この第１実施形態によれば、上述したように、それぞれインボリュートスプラインから成る軸スプライン２及び穴スプライン５を有するものにあって、切欠き部１１の存在するスプライン部分における応力集中を緩和させることができる。したがって、軸スプライン２の強度は小さくて済み、これに伴って軸１の径寸法を小さく設定することができる。これによって、この第１実施形態が備えられる装置の小型化を実現させることができる。

図４は本発明に係るスプライン連結構造の第２実施形態を示す図で、（ａ）図は縦断面図、（ｂ）図は（ａ）図のＢ−Ｂ矢視に相応する拡大断面図、図５は第２実施形態に備えられる軸を示す図で、（ａ）図は側面図、（ｂ）図は斜視図、（ｃ）図は軸スプライン部分を拡大して示した斜視図、図６は第２実施形態に備えられるハブを示す図で、（ａ）図は正面図、（ｂ）図は（ａ）図のＣ−Ｃ断面図、（ｃ）図は立てた状態を示す斜視図、（ｄ）図は寝かせた状態を示す斜視図である。

図４に示す第２実施形態に係るスプライン連結構造は、ハブ４の穴スプライン５には切欠き部を設けてなく、図４の（ａ）図、及び図５等に示すようにりハブ４の２つの円筒穴６，７の下端部に対向する薄肉部分４ａの近傍に位置する軸スプライン２の２つの歯に、これらの歯の一部を切除して形成され、図４に示す軸１の端部１ａ側に位置するハブ４の端面４ｂとは反対側に位置するハブ４の端面４ｃ付近に位置させた切欠き部１２を設けた構成にしてある。この切欠き部１２は、例えばボールエンドミルによって加工されたものである。その他の構成は前述した第１実施形態と同等である。

このように構成した第２実施形態も、第１実施形態と同様に、ハブ４の２つの円筒穴６，７の下端部に対向する薄肉部分４ａの近傍であって、軸１の端部１ａ側に位置するハブ４の端面４ｂとは反対側のハブ４の端面４ｃ付近のそれぞれインボリュートスプラインから成る軸スプライン２と穴スプライン５の対向部分では、図４に示すように、切欠き部１２によって軸スプライン２の歯と穴スプライン５の歯の係合を生じることがなく、これらの切欠き部１２の存在するスプライン部分における応力集中を緩和させることができ、第１実施形態と同様の作用効果が得られる。

図７は本発明に係るスプライン連結構造の第３実施形態を示す縦断面図、図８は第３実施形態に備えられるハブを示す図で、（ａ）図は縦断面図、（ｂ）図は立てた状態を示す斜視図、（ｃ）図は寝かせた状態を示す斜視図である。

図７に示す第３実施形態に係るスプライン連結構造は、ハブ１４に特徴を有している。このハブ１４と係合する軸１は前述した第１実施形態と同じである。

この第３実施形態におけるハブ１４も、軸１の軸芯に向う方向に穿設された２つの円筒穴、すなわち第１円筒穴１６と第２円筒穴１７を有している。これらの２つの円筒穴１６，１７内のそれぞれには、第１押圧具、第２押圧具、例えば円筒穴１６，１７のそれぞれの周面に形成したねじに螺合する第１クランピングねじ１９、第２クランピングねじ２０を挿入させてある。図７に示すように、第１円筒穴１６と第２円筒穴１７は、軸１の伸長方向に沿って並設されている。この第３実施形態では、第１実施形態で設けられていた平行溝は備えていない。

この第３実施形態も第１実施形態と同様に、第１クランピングねじ１９及び第２クランピングねじ２０を締付けて、第１円筒穴１６及び第２円筒穴１７のそれぞれ下端部に対向するハブ１４の薄肉部分１４ａを押圧することにより、これらの薄肉部分１４ａの近傍に位置する穴スプライン１５の歯が拡開し、軸スプライン２の歯に当接して押し付けられる。これによって、穴スプライン１５の歯が拘束され、ハブ１４の軸１に対する移動が規制される。

この第３実施形態は、ハブ１４の２つの円筒穴１６，１７の下端部に対向するそれぞれの薄肉部分１４ａの近傍に位置する穴スプライン１５の１つの歯に、この歯の一部を切除して形成され、図７に示す軸１の端部１ａ側に位置するハブ１４の端面１４ｂとは反対側のハブ１４の端面１４ｃ付近に位置させた切欠き部２１、すなわち図７及び図８の（ｃ）図等に示す切欠き部２１を設けた構成にしてある。

このように構成した第３実施形態も、第１実施形態と同様に、切欠き部２１によってこの切欠き部２１における軸スプライン２の歯の部分と、穴スプライン１５の歯の部分との係合を生じることがない。したがって、軸１とハブ１４間の回転力の伝達に際して、切欠き部の数が少ないだけ第１実施形態におけるものよりは若干大きくなるものの、切欠き部２１の存在するスプライン部分における応力集中を緩和させることができる。これによって第１実施形態と同じような作用効果が得られる。

図９は本発明に係るスプライン連結構造の第４実施形態に備えられる軸を示す図で、（ａ）図は側面図、（ｂ）図は斜視図、（ｃ）図は軸スプライン部分を拡大して示した斜視図である。

この図９に示す第４実施形態に備えられる軸３１は、軸スプライン３２がホブカッタで加工された切り上り形状部３５を有し、例えばボールエンドミルによって加工された切欠き部３４を形成させてある。この軸３１に係合するハブは、例えば上述した第２実施形態に備えられる図６に示すハブ４である。この図６に示すハブ４の穴スプライン５が、図９に示す軸３１の軸スプライン３２に係合し、ハブ４の端面４ｃが軸３１の連結ライン３３に一致する位置で、上述したように第１クランピングねじ９、第２クランピングねじ１０による締結で、ハブ４は軸３１に対する移動が規制されるようになっている。

このように構成した第４実施形態も、図４〜６に示した第２実施形態と同様に、軸３１の軸スプライン３２に形成した切欠き部３４によって、この切欠き部３４に位置する軸スプライン３２の歯の部分と、穴スプライン５の歯の部分との係合を生じることがない。したがって、軸３１とハブ４間の回転力の伝達に際して、切欠き部３４の存在するスプライン部分における応力集中を緩和させることができる。これにより、第２実施形態と同等の作用効果が得られる。

なお、上記各実施形態では、軸またはハブの一方にのみ切欠き部１１，１２，２１を形成したが、軸とハブの両方に上述と同様の切欠き部を設けた構成にしてもよい。

また、上記各実施形態では、ハブ４，１４の薄肉部分４ａ，１４ａを押圧する押圧具として、第１クランピングねじ９，１９、第２クランピングねじ１０，２０を設けたが、本発明は、このように構成することには限られない。押圧具として、例えばテーパピン等のピンを設けるようにしてもよい。なお、クランピングねじ等の押圧具と、この押圧具が挿入される円筒穴との組合せは、上記各実施形態におけるように２つ設けることには限られず、１つまたは３つ以上設けるようにしてもよい。

また、上記各実施形態では、切欠き部１１，１２，２１を１つまたは２つ設けた構成にしてあるが、この切欠き部１１，１２，２１を３つ以上設ける構成とすることもできる。また、切欠き部１１，１２，２１を形成する場合、これらの切欠き部１１，１２，２１の最も低い位置、すなわち軸スプラインに形成される場合であれば軸芯に最も近い位置、また穴スプラインに形成される場合であればハブの内周面に最も近い位置が、隣接するスプラインの切欠き部が形成されていない歯の歯元の高さ位置と一致するように切欠き部を形成してもよく、また、隣接するスプラインの切欠き部が形成されていない歯の歯元の高さ位置よりもわずかながら高くなるように切欠き部を形成してもよく、また、隣接するスプラインの切欠き部が形成されていない歯の歯元の高さ位置よりもわずかながら低くなるように切欠き部を形成してもよい。

本発明に係るスプライン連結構造の第１実施形態を示す縦断面図である。 第１実施形態に備えられる軸を示す図で、（ａ）図は側面図、（ｂ）図は斜視図、（ｃ）図は軸スプライン部分を拡大して示した斜視図である。 第１実施形態に備えられるハブを示す図で、（ａ）図は正面図、（ｂ）図は（ａ）図のＡ−Ａ断面図、（ｃ）図は立てた状態を示す斜視図、（ｄ）図は寝かせた状態を示す斜視図である。 本発明に係るスプライン連結構造の第２実施形態を示す図で、（ａ）図は縦断面図、（ｂ）図は（ａ）図のＢ−Ｂ矢視に相応する拡大断面図である。 第２実施形態に備えられる軸を示す図で、（ａ）図は側面図、（ｂ）図は斜視図、（ｃ）図は軸スプライン部分を拡大して示した斜視図である。 第２実施形態に備えられるハブを示す図で、（ａ）図は正面図、（ｂ）図は（ａ）図のＣ−Ｃ断面図、（ｃ）図は立てた状態を示す斜視図、（ｄ）図は寝かせた状態を示す斜視図である。 本発明に係るスプライン連結構造の第３実施形態を示す縦断面図である。 第３実施形態に備えられるハブを示す図で、（ａ）図は縦断面図、（ｂ）図は立てた状態を示す斜視図、（ｃ）図は寝かせた状態を示す斜視図である。 本発明に係るスプライン連結構造の第４実施形態に備えられる軸を示す図で、（ａ）図は側面図、（ｂ）図は斜視図、（ｃ）図は軸スプライン部分を拡大して示した斜視図である。

符号の説明

１ 軸
１ａ 端部
２ 軸スプライン
３ 加工用逃げ溝
４ ハブ
４ａ 薄肉部分
４ｂ 端面
４ｃ 端面
５ 穴スプライン
６ 第１円筒穴
７ 第２円筒穴
８ 平行溝
９ 第１クランピングねじ（第１押圧具）
１０ 第２クランピングねじ（第２押圧具）
１１ 切欠き部
１２ 切欠き部
１４ ハブ
１４ａ 薄肉部分
１４ｂ 端面
１４ｃ 端面
１５ 穴スプライン
１６ 第１円筒穴
１７ 第２円筒穴
１９ 第１クランピングねじ（第１押圧具）
２０ 第２クランピングねじ（第２押圧具）
２１ 切欠き部
３１ 軸
３１ａ 端部
３２ 軸スプライン
３３ 連結ライン
３４ 切欠き部
３５ 切り上り形状部

Claims (6)

1. 軸の外周に形成された複数の歯を有しインボリュートスプラインから成る軸スプラインと、ハブの内周に形成された複数の歯を有しインボリュートスプラインから成る穴スプラインとを係合させ、
   上記ハブに形成した円筒穴内に挿入した押圧具によって上記ハブの上記円筒穴の下端部に対向する薄肉部分を押圧し、この薄肉部分の近傍に位置する上記穴スプラインの歯を拡開させ上記軸スプラインの歯に押し付けることによって上記穴スプラインの歯を拘束させ、これにより上記軸に対する上記ハブの移動を規制するようにしたスプライン連結構造において、
   上記ハブの上記円筒穴の下端部に対向する上記薄肉部分の近傍に位置する上記軸スプライン及び上記穴スプラインの少なくとも一方の１つまたは複数の歯に、該当する歯の一部を切除して形成され、上記軸の端部側に位置する上記ハブの端面とは反対側の上記ハブの端面付近に位置させた切欠き部を設けたことを特徴とするスプライン連結構造。
2. 上記請求項１記載のスプライン連結構造において、
   上記軸は、ピニオンカッタで加工された加工用逃げ溝を有することを特徴とするスプライン連結構造。
3. 上記請求項１記載のスプライン連結構造において、
   上記軸の上記軸スプラインは、ホブカッタによって加工された切り上り形状部を有することを特徴とするスプライン連結構造。
4. 上記請求項１記載のスプライン連結構造において、
   上記ハブの上記円筒穴を、上記軸の軸芯に向う方向に穿設したことを特徴とするスプライン連結構造。
5. 上記請求項４項記載のスプライン連結構造において、
   上記ハブの上記円筒穴を、上記軸の伸長方向に沿って並設されるように２つ形成し、上記ハブに上記２つの円筒穴のそれぞれの下端に連通し、上記軸の伸長方向と平行に延設される平行溝を設けたことを特徴とするスプライン連結構造。
6. 上記請求項１〜５のいずれか１項記載のスプライン連結構造において、
   上記押圧具が、上記ハブの上記円筒穴に形成したねじに螺合するクランピングねじから成ることを特徴とするスプライン連結構造。

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