JP2012037023A - 複合材料製回転軸継手 - Google Patents

Abstract

【課題】軽量且つ強靱な複合材料製回転軸継手を提供する。
【解決手段】一端から他端に向けて縮径する繊維強化プラスチック製管部２と、前記管部２の両端にそれぞれ形成された繊維強化プラスチック製フランジ部１０、１４とからなる複合材料製回転軸継手。強化繊維としては、アクリロニトリル系炭素繊維が好ましい。マトリクス樹脂としては、エポキシ樹脂が好ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、繊維強化プラスチックで構成され、回転運動を他の機構に伝達する複合材料製回転軸継手に関する。

一般にカップリングとも呼ばれる軸継手は、エンジンやモーター等の出力軸と車、船舶や発電機などの駆動機構の回転軸とを接続するために用いられる、要素部品である。

回転体の回転運動（トルク）を他の機械要素に伝達する際に用いる回転軸継手としては、図５に示す金属製の糸巻き状の回転軸継手が知られている（特許文献１）。この回転軸継手は、円筒状の管部８０と、管部８０の両端にそれぞれ形成したフランジ部８２，８４とで構成されている。フランジ部８２に回転体を、フランジ８４に他の機械要素を連結することにより、トルクは回転体から他の機械要素に伝達される。

一般的に用いられる回転軸継手は、金属製であるので、重く、腐食しやすい等の問題を有する。とくに、大型の発電機や船舶などでは、要素部品も大型化するため、巨大な伝達トルクに加え自重による変形応力も部品に係るため、変形しやすいという問題があった。一方、軽い回転軸継手として、ポリエステルなどの樹脂製のものも提案されているが、大型の発電機や船舶などで使用しようとした場合、樹脂の剛性では不十分であるため、大きなトルクを伝達できない。

そのため、軽量且つ強靭な回転軸継手が望まれていた。

特開平４−３５４６０２号公報 (図2)

本発明者は、軽量且つ強靱な回転軸継手を開発するため、回転軸継手を繊維強化プラスチックで製造することを試みた。そして、先ず、図５に示す金属製回転軸継手と同一構造の繊維強化プラスチック製回転軸継手を製造して、その性能を検討した。
しかし、この回転軸継手は、管部８０の軸方向（Ｘ方向）に垂直な面方向（Ｙ−Ｚ面方向）の剛性、強度を確保して、回転運動を伝達するには不十分であることが分った。更に、実用の回転軸継手においては、温度変化等に伴うＸ方向への伸縮が起きるが、この伸縮をある程度吸収できることが好ましい。ところが、この回転軸継手は、Ｘ方向の変位に対し、十分対応できず、回転軸継手の破壊を起しやすいことが確認された。
次に、本発明者は、図６に記載の回転軸継手を検討した。この回転軸継手は、管部９０とフランジ部９２、９４との接続部９６、９８をなだらかな曲線形状に形成してなる。しかし、この回転軸継手は、Ｘ方向の変位に対しては十分対応できたが、Ｙ−Ｚ面方向の変位に対しては、剛性不足であることが分った。
本発明者は、これらの問題を解決するため、更に検討した。その結果、後述するように、管部の一端から他端に向うに従って管部の径を徐々に小さく構成することにより、上記問題を解決できることを知得し、本発明を完成するに至った。従って、本発明の目的とするところは、軽量で、且つ管部の軸方向及び、前記軸方向に垂直面方向に生じる変位に対して十分剛性の高い、複合材料製の回転軸継手を提供することにある。

上記課題を達成する本発明は、以下に記載するものである。

〔１〕 一端から他端に向けて縮径する繊維強化プラスチック製管部と、前記管部の両端にそれぞれ形成された繊維強化プラスチック製フランジ部とからなる複合材料製回転軸継手。
〔２〕 管部の一端に対する他端の直径比が０．２〜０．５である〔１〕に記載の複合材料製回転軸継手。
〔３〕 管部の他端から一端に向う縮径角αが４５〜８５度である〔１〕に記載の複合材料製回転軸継手。
〔４〕 管部の他端に形成されるフランジ部厚さに対する、管部の一端に形成されるフランジ部厚さが１／１０〜７／１０である〔１〕に記載の複合材料製回転軸継手。
〔５〕 繊維強化プラスチックが、炭素繊維を強化繊維とする繊維強化プラスチックである〔１〕に記載の複合材料製回転軸継手。
〔６〕 繊維強化プラスチックを構成するマトリクス樹脂がエポキシ樹脂である〔１〕に記載の複合材料製回転軸継手。

本発明の複合材料製回転軸継手は、繊維強化プラスチックで構成されているので、従来の金属製の回転軸継手と比較し、軽量である。更に、管部をその一端から他端に向けて軸方向に沿って縮径しているので、他方のフランジ部の面積は一方のフランジ部の面積よりも十分大きい。その結果、他方のフランジ部は軸方向の変位に対して容易に撓みやすくなる。即ち、軸方向の変位に対して十分対応できる。

本発明の回転軸継手の一例を示す（Ａ）は正面図、（Ｂ）は左側面図、（Ｃ）は右側面図である。 図１の回転軸継手の正面断面図である。 他端側フランジ部の応力緩和を説明する、説明図である。 実施例１で使用した上型と下型とを示す概略側面図である。 従来の金属製回転軸継手の一例を示す概略構成図である。 本発明者が検討した繊維強化プラスチック製回転軸継手の一例を示す概略正面断面図である。

以下、図面を参照して本発明の回転軸継手の一実施形態に付き、詳細に説明する。図１は、本発明の回転軸継手一例を示す（Ａ）は正面図、（Ｂ）は左側面図、（Ｃ）は右側面図である。
図１中、１００は回転軸継手で、２は管部である。この管部２は、一端４から他端６に向うに従って管径が徐々に減縮する、いわゆる漏斗状の縮径管で構成されている。前記管部２の一端４には、中心に開口８を有する円盤状の一端側フランジ部１０が、形成されている。ここで、前記開口８の直径と、一端４における管部２の内径とは、同一になっている。
なお、１２は、一端側フランジ部１０に穿設された所定数（本図に於いては２０個）の螺子挿入孔で、この螺子挿入孔に螺子を挿入して回転軸継手が、回転機構に取付けられる。
前記管部２の他端には、他端側フランジ部１４が形成されている。このフランジ部１４は、中心に開口１６を有する円盤状で、この他端側フランジ部１４の直径は、前記一端側フランジ部１０の直径と同一か、それより大きく形成されている。フランジ部１４の直径が大きいほど変形時の応力を緩和しやすくなる傾向がある。また、開口１６の直径と、他端６における管部２の内径とは同一である。

なお、１８は、他端側フランジ部１４に穿設された所定数（本図に於いては２０個）の螺子挿入孔で、この螺子挿入孔を用いて回転軸継手が、回転機構に取付けられる。
この回転軸継手１００は、図２の断面図に示されるように、一端側フランジ部１０と、管部２とは、同一厚さの繊維強化プラスチックで一体に形成されている。
一方、他端側フランジ部１４は、一端側フランジ部１０よりも薄い（本図に於いては、約１／２の厚さ）繊維強化プラスチックで管部２に接合されている。更に、管部２の他端６と他端側フランジ部１４との間は、肉厚の補強部２０を設ける、もしくは他端６とフランジ部１４との接合部で強化繊維層を互いに交互に積層し一体となるよう成形することなどにより、両者の結合を強固にすることが好ましい。フランジ部１４はあらかじめ湾曲させて成形してもよいが、回転機構に取り付けられる際には、荷重を面で受けるため、軸方向に垂直になるよう設置することが好ましい。
管部２の軸線に沿って切断した端面のなす角度、即ち縮径角（α）は、４５〜８５度が好ましい。
回転軸継手の構成材料である繊維強化プラスチックを構成する強化繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、ポリアミドやポリイミド等の合成繊維等が例示される。これらの中でも軽量化に寄与する効果が大きい点で、炭素繊維が好ましく、特にアクリロニトリル系の炭素繊維が好ましい。複雑な応力が付加されることを考慮すると強化繊維としては、織物形態のものが好ましい。織物としては、平織、綾織、朱子織、一方向織物、多軸織物等が例示される。
なお、部分的に強度を高めるためには一方向繊維を用いることもできる。
繊維強化プラスチックを構成するマトリクス樹脂としては、熱硬化性樹脂、熱可塑樹脂のいずれも適時選択することができるが、得られる繊維強化プラスチックの機械物性、耐熱性の面から、熱硬化性樹脂が好ましく、特にエポキシ樹脂が好ましい。これら材料は、市販のものが利用できる。

本実施形態の回転軸継手は、他端側フランジ部１４を一端側フランジ部１０よりも薄く形成しているので、管部２の軸方向（Ｘ方向）に応力が付加される場合でも、図３に示すように他端側フランジ部１４が撓んで、応力を吸収するので、回転軸継手の破壊を避けられる効果を奏する。
なお、上記実施形態においては、一端側フランジ部１０に対する他端側フランジ部１４の厚さを約１／２にしたが、これに限られず、例えば１／１０〜７／１０に形成しても良く、その他本発明の要旨を変更しない限りにおいて種々変形しても差支えない。

以下、実施例により本発明を更に具体的に説明する。

実施例１
図４に示す、上型３２と、下型３４を用いて、本発明の回転軸継手を製造した。上型３２は、円盤状の上型主体３６と、その中央に形成した円柱状の係合部３８とからなる。下型３４は、円盤状の下型主体４０と、前記下型主体４０の中央に取付けた円錐台状の管部形成部４２とからなる。なお、管部形成部４２の頂部には、軸心方向にそって、係合部挿入孔４４が形成されており、上型３２と下型３４とを組立てる際に、係合部３８が係合部挿入孔４４に挿入され、型同士が固定されるようになっている。

まず、プリプレグを用意した。このプリプレグは、炭素繊維（東邦テナックス社製、テナックス（東邦テナックス社商標）：ＨＴＡ−３Ｋ）を経糸及び緯糸とした平織物（東邦テナックス社製、テナックスの織物：Ｗ−３１０１）に、エポキシ樹脂（東邦テナックス社製、＃１３５）を含浸させたものであった（樹脂含有率：４０質量％）。

ドーナツ状のプリプレグを周方向に関して均等に８等分して、８枚の扇形の切片を製造した。上型の係合部３８を中心として、これら８枚の切片を互いに重なることの無い様に均等に上型３２の表面に敷詰めて、ドーナツ状の第１層を形成した。同様にして、ドーナツ状の第１層の上面に、第２層を敷詰めた。この場合、第１層の切片のつなぎ目と、第２層の切片のつなぎ目とは、周方向に沿って１．５ｃｍ以上ずらす様にした。合計２３層積層した。

上型と同様にして、扇状の切片を製造した。製造したこれら８枚の切片を下型３４の管部形成部４２の上端から下型主体４０の外周に至るまでの型の表面を覆って敷詰めて、第１層を形成した。ただし、扇形切片の内周は、前記管部形成部４２の上端から上方に向けて２ｃｍ突出す様に敷詰めた。合計２３層積層した。この突出した部分は、前述のように肉厚の補強部２０（図２）を構成するために使用する。

その後、切片をそれぞれ敷詰めた上型と下型とを組みあわせた。この際、上型に敷詰めた各切片の内周縁部と、下型に敷詰めた各切片の前記突出した部分とが重なって補強部を形成する様に積層した。積層構成（0/90°／±45°）＝（５０：５０）擬似等方であった。

積層後、上型、下型の全体を覆うように真空バッグを配し、バッグ内を真空状態としてオートクレーブ装置にて圧力０．５ＭＰａで、１８０℃に２時間加熱し、成形した。

上記製造方法により製造された回転軸継手の寸法は、以下のものであった。

一端側フランジ部１０厚み： ８．６ｍｍ
他端側フランジ部１４厚み： ５．８ｍｍ
管部２厚み： ８．６ｍｍ
フランジ部直径： ５３０ｍｍ
一端側管部外径： ３７０ｍｍ
他端側管部外径： １１０ｍｍ
管部の縮径角α： ６９度
本実施例は、内面精度が要求された場合の例である。外面精度が要求された場合は、反転した構造とし、他の工程は同様となる。

１、６１、６２、６３、６４、６５、６６ 電解槽
３ 内槽
３ａ 内槽の上端
３ｂ 内槽の下壁
１００ 回転軸継手
２ 管部
４ 一端４
６ 他端
８ 開口
１０ 一端側フランジ部
１２、１８ 螺子挿入孔
１４ 他端側フランジ部
１６ 開口
２０ 補強部
α 縮径角
３２ 上型
３４ 下型
３６ 上型主体
３８ 係合部
４０ 下型主体
４２ 管部形成部
４４ 係合部挿入孔
８０、９０ 管部
８２，８４、９２、９４ フランジ部
９６、９８ 接続部

Claims (6)

1. 一端から他端に向けて縮径する繊維強化プラスチック製管部と、前記管部の両端にそれぞれ形成された繊維強化プラスチック製フランジ部とからなる複合材料製回転軸継手。
2. 管部の一端に対する他端の直径比が０．２〜０．５である請求項１に記載の複合材料製回転軸継手。
3. 管部の他端から一端に向う縮径角αが４５〜８５度である請求項１に記載の複合材料製回転軸継手。
4. 管部の他端に形成されるフランジ部厚さに対する、管部の一端に形成されるフランジ部厚さが１／１０〜７／１０である請求項１に記載の複合材料製回転軸継手。
5. 繊維強化プラスチックが、炭素繊維を強化繊維とする繊維強化プラスチックである請求項１に記載の複合材料製回転軸継手。
6. 繊維強化プラスチックを構成するマトリクス樹脂がエポキシ樹脂である請求項１に記載の複合材料製回転軸継手。

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