JP2012225488A

JP2012225488A - トルク伝達機構

Info

Publication number: JP2012225488A
Application number: JP2011096185A
Authority: JP
Inventors: Ryosuke Koshizaka; 亮介越坂; Shinya Yamamoto; 真也山本; Takashi Ban; 孝志伴; Yuya Izawa; 祐弥井沢; Kei Nishii; 圭西井
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2011-04-22
Filing date: 2011-04-22
Publication date: 2012-11-15

Abstract

【課題】規定範囲内のトルクが加わる際に、キー自体が変形して、ギヤの位相ズレが発生しないようにトルク伝達特性を維持しながら過大なトルクが加わった際のシャフトの損傷を防ぐことができ、かつ加工が容易なトルク伝達機構を提供する。
【解決手段】トルク伝達機構は、軸方向に沿って第１のキー溝１０２が形成されたシャフト１００と、シャフト１００が挿入される軸孔１０３の軸方向に沿って第２のキー溝１０４が形成されたギヤ１０１と、シャフト１００の第１のキー溝１０２およびギヤ１０１の第２のキー溝１０４に嵌合してシャフト１００とギヤ１０１とをトルク伝達可能に連結するキー１０５とから構成される。キー１０５は、軸孔１０３の軸方向に沿った貫通孔１０６と、シャフト１００が変形するトルクよりも小さい所定値Ｎ_ＴＨ以上のトルクがシャフト１００とギヤ１０１との間に加わると破断する環状部１０７とを有する。
【選択図】図２

Description

この発明は、トルク伝達機構に係り、特にシャフトとギヤとをキーによって連結するトルク伝達機構に関するものである。

従来、シャフトとギヤとを連結するトルク伝達機構として、シャフトとギヤの軸孔とにそれぞれ溝を形成し、それら２つの溝にキーと呼ばれる部材を嵌合させることによりシャフトとギヤとをトルク伝達可能に連結する構成が知られている。

例えば、真空ポンプにおいても、そのようなトルク伝達機構を採用しているものがある。しかしながら、真空ポンプにおいては、異物を吸引した際にそれが駆動部分に挟まってシャフト或いはギヤの回転が阻害され、シャフトとギヤとの連結部に過大なトルクが加わる場合がある。その際、一般的なキーの剛性はシャフトの剛性よりも高いため、シャフトに形成された溝が捻じれて変形してしまうことがある。尚、キーの剛性を低くすればシャフトの損傷を防ぐことはできるが、キーの剛性が低く変形し易いとシャフトとギヤとの間のトルク伝達時にキー自体が変形してギヤの位相ズレが発生してしまうため、キーの剛性を低くすることには限界がある。

特許文献１には、過大なトルクが加わった際のシャフトの損傷を防ぐために、軸方向に対して垂直な溝をシャフトとギヤの軸孔とにそれぞれ形成し、そこに切欠き溝を形成したキーを嵌合させる構成が記載されている。この構成では、規定範囲内のトルクが加わる間はシャフトとギヤとは連結状態に保たれてシャフトからギヤへとトルクが伝達されるが、シャフトとギヤとの連結部に過大なトルクが加わると、シャフトが変形するのに先だってキーが切欠き溝の部分で破断することによりシャフトとギヤとの連結が解除され、シャフトの損傷が防止される。

特開平７−１２５６４０号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている構成では、軸方向に対して垂直な溝をシャフトおよびギヤの軸孔に形成する加工、およびキーに切欠き溝を形成する加工が難しく、精度良く寸法を出すことが困難であるという問題があった。また、この構成を真空ポンプに採用する場合、キーの剛性が低く変形し易く、真空ポンプの通常運転時にギヤの位相ズレが発生してしまう。

この発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、規定範囲内のトルクが加わる際に、キー自体が変形して、ギヤの位相ズレが発生しないようにトルク伝達特性を維持しながら過大なトルクが加わった際のシャフトの損傷を防ぐことができ、かつ加工が容易なトルク伝達機構を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、この発明に係るトルク伝達機構は、軸方向に沿って第１のキー溝が形成されたシャフトと、シャフトが挿入される軸孔の軸方向に沿って第２のキー溝が形成されたギヤと、シャフトの第１のキー溝およびギヤの第２のキー溝に嵌合してシャフトとギヤとをトルク伝達可能に連結するキーとから構成されるトルク伝達機構であって、キーは、軸方向に沿った貫通孔と、シャフトが変形するトルクよりも小さい所定値以上のトルクがシャフトとギヤとの間に加わると破断する環状部とを有し、環状部は貫通孔を間に挟んで互いに対向した第一破断部と第二破断部とを有する。これにより、規定範囲内のトルクが加わる際に、キー自体が変形して、ギヤの位相ズレが発生しないようにトルク伝達特性を維持しながら過大なトルクが加わった際のシャフトの損傷を防ぐことができ、かつ加工が容易なトルク伝達機構を得ることができる。

好ましくは、キーの外形は四角柱状である。これにより、シャフトおよびギヤとの間でガタが出にくく、優れたトルク伝達特性を得ることができる。

好ましくは、キーの貫通孔の断面形状は円形である。これにより、貫通孔の直径を調整することによってキーが破断する際のトルクを容易に調整することができる。

この発明に係るトルク伝達機構によれば、規定範囲内のトルクが加わる際に、キー自体が変形して、ギヤの位相ズレが発生しないようにトルク伝達特性を維持しながら過大なトルクが加わった際のシャフトの損傷を防ぐことができ、かつ加工が容易なトルク伝達機構を得ることができる。

この発明の実施の形態に係るトルク伝達機構が適用された多段ルーツ型の真空ポンプの縦断面図である。この発明の実施の形態に係るトルク伝達機構における駆動シャフトとギヤとの連結部の構造を示す図である。（ａ）はこの発明の実施の形態に係るトルク伝達機構におけるキーの構造の詳細を示す図であり、（ｂ）はこの発明の実施の形態に係るトルク伝達機構におけるキーの構造の破断後の状態を示す図である。この発明の実施の形態に係るトルク伝達機構における駆動シャフトとギヤとの連結部に加わるトルクとその際のキー溝の変位量との関係を示すグラフである。

以下、この発明の実施の形態について、この発明のトルク伝達機構を多段ルーツ型の真空ポンプに適用した例に基づいて説明する。
図１は、この発明の実施の形態に係るトルク伝達機構が適用された多段ルーツ型の真空ポンプ１の縦断面図である。
多段ルーツ型の真空ポンプ１は、フロントハウジング２、ロータハウジング３、リヤハウジング４、およびギヤハウジング５を備えている。また、ロータハウジング３およびリヤハウジング４を貫通してギヤハウジング５内に突出する駆動シャフト１００および従動シャフト２００を備えている。

ロータハウジング３の内部には、複数のポンプ室６ａ〜６ｅが形成されており、隣接するポンプ室同士は通路７を介して連通されている。駆動シャフト１００には、各ポンプ室６ａ〜６ｅ内にそれぞれ収容される複数のロータ８ａ〜８ｅが一体形成されており、従動シャフト２００には、同様に各ポンプ室６ａ〜６ｅ内にそれぞれ収容される複数のロータ９ａ〜９ｅが一体形成されている。

シャフト１００，２００におけるギヤハウジング５内に突出する部分には、互いに噛合するギヤ１０１，２０１がそれぞれ取り付けられている。ギヤ１０１には電動モータＭが取り付けられており、電動モータＭによってギヤ１０１が回転駆動されると、駆動シャフト１００が回転駆動される。またギヤ１０１の回転駆動に連動して回転するギヤ２０１を介して従動シャフト２００が回転駆動される。シャフト１００，２００の回転よってロータ８ａ〜８ｅ，９ａ〜９ｅが駆動されることによって各ポンプ室６ａ〜６ｅ内でのガスの圧縮動作が行われ、図示しない吸入口からポンプ１内に吸引されたガスは、通路７を経由しながら各ポンプ室６ａ〜６ｅ内で順次圧縮されていき、図示しない吐出口からポンプ１外へ吐出される。

図２は、この発明の実施の形態に係るトルク伝達機構における駆動シャフト１００とギヤ１０１との連結部の構造を示す図である。尚、従動シャフト２００とギヤ２０１については、摩擦継手として知られているシュパンリングを用いて締結されている。図２に示されるように、駆動シャフト１００には、その軸方向（紙面に垂直な方向）に沿って第１のキー溝１０２が対向する２箇所に形成されている。また、ギヤ１０１の軸孔１０３には、その軸方向に沿って第２のキー溝１０４が同様に対向する２箇所に形成されている。そして、駆動シャフト１００の第１のキー溝１０２およびギヤ１０１の第２のキー溝１０４には、四角柱状の外形を有する炭素鋼等の金属材料によって形成されたキー１０５が嵌合されており、これにより駆動シャフト１００とギヤ１０１とがトルク伝達が可能な状態で連結されている。

図３（ａ）に詳細に示されるように、キー１０５は、キー１０５の中心軸Ｏに対する外周面には何ら開口部を有さない環状部１０７と、キー１０５の中心軸Ｏ、つまりシャフト１００の軸孔１０３の軸方向Ｌに沿って断面が円形の貫通孔１０６とから構成される。キー１０５は、貫通孔１０６の直径を調整することによって、駆動シャフト１００の第１のキー溝１０２が変形するトルクよりも小さい所定値Ｎ_ＴＨ以上のトルクが駆動シャフト１００とギヤ１０１との間に加わると、その際の剪断荷重によって貫通孔１０６を間に挟んで互いに対向した環状部１０７の第一破断部１０７Ａと第二破断部１０７Ｂとが破断するように調整されている。図３（ｂ）は第一破断部１０７Ａ及び第二破断部１０７Ｂの破断後の状態を示す。

次に、この実施の形態に係るトルク伝達機構の作用について説明する。
多段ルーツ型の真空ポンプ１が通常動作している状態では、ギヤ１０１から駆動シャフト１００へと伝達されるトルクは上記の所定値Ｎ_ＴＨ未満であり、駆動シャフト１００およびギヤ１０１によって加えられる剪断荷重によってキー１０５が破断することはない。そのため、駆動シャフト１００とギヤ１０１とは連結状態に保たれて一体的に回転し、ギヤ１０１から駆動シャフト１００へとトルクが伝達される。

これに対して、真空ポンプ１が異物を吸引し、異物がロータ８ａ〜８ｅ，９ａ〜９ｅのいずれかの間に挟まって駆動シャフト１００及び従動シャフト２００がロックされると、これに伴ってギヤ２０１，１０１の回転も阻害される。このとき、駆動シャフト１００とギヤ１０１との間に加わるトルクが上記の所定値Ｎ_ＴＨ以上になり、駆動シャフト１００およびギヤ１０１によって加えられる剪断荷重によってキー１０５の第一破断部１０７Ａ及び第二破断部１０７Ｂが破断（剪断）する。その結果、駆動シャフト１００とギヤ１０１との連結状態が解除され、駆動シャフト１００の回転は停止したままで、ギヤ１０１のみが回転する。すなわち、シャフト１００の第１のキー溝１０２が変形するトルクよりも小さい所定値Ｎ_ＴＨ以上のトルクが加わった時点で駆動シャフト１００とギヤ１０１との連結状態が解除されるため、駆動シャフト１００の第１のキー溝１０２が変形することが防止される。
なお、キー１０５の第一破断部１０７Ａ及び第二破断部１０７Ｂの破断後もギヤ１００の回転駆動はギヤ２０１に伝達される。ギヤ２０１の回転駆動により従動シャフト２００にトルクが伝達されようとするが、従動シャフト２００がロックされることにより、従動シャフト２００とギヤ２０１との間のシュパンリングですべりが生じ、ギヤ２０１は従動シャフト２００に対して空転する。

図４は、駆動シャフト１００とギヤ１０１との連結部に加わるトルクとその際の第１のキー溝１０２に対する第２のキー溝１０３の変位量との関係を示すグラフである。この図において、実線は本願による貫通孔１０６を有するキー１０５の変形特性を示しており、破線は従来から使用されている貫通孔及び切欠き溝を有さないキーの変形特性を示しており、一点破線は従来の貫通孔を有さず、切欠き溝のみを有するキーの変形特性を示している。この図から読み取れるように、本願による貫通孔１０６を有するキー１０５は、トルクが規定範囲内（所定値Ｎ_ＴＨ未満）である場合の変位量は従来の貫通孔及び切欠き溝を有さないキーと同様であり、これにより必要なトルク伝達特性が維持されるが、シャフト１００が変形するトルク（図中の斜線右側の領域）よりも小さい所定値Ｎ_ＴＨ以上のトルクが加わると破断することにより大きく変位する。また、真空ポンプの通常運転時にギヤ１０１の位相ズレの発生が生じる変位量Ｅ以下に抑えることができる。従来の貫通孔を有さず、切欠き溝のみを有するキーでは、シャフト１００が変形するトルクよりも小さい所定値Ｎ_ＴＨ以上のトルクが加わると破断するように設定できるが、所定値Ｎ_ＴＨに至る前に、キー自体の変形により真空ポンプの通常運転時にギヤ１０１の位相ズレの発生が生じる変位量Ｅを超えてしまう。

以上説明したように、この発明の実施の形態に係るトルク伝達機構は、軸方向に沿って第１のキー溝１０２が形成されたシャフト１００と、軸孔１０３の軸方向に沿って第２のキー溝１０４が形成されたギヤ１０１と、シャフト１００の第１のキー溝１０２およびギヤ１０１の第２のキー溝１０４に嵌合するキー１０５とから構成され、キー１０５は、軸孔１０３の軸方向に沿った貫通孔１０６と、シャフト１００が変形するトルクよりも小さい所定値Ｎ_ＴＨ以上のトルクがシャフト１００とギヤ１０１との間に加わると破断する環状部１０７とを有し、環状部１０７は貫通孔１０６を間に挟んで互いに対向した第一破断部１０７Ａと第二破断部１０７Ｂとを有する。これにより、規定範囲内（所定値Ｎ_ＴＨ未満）のトルクが加わる際に、キー１０５自体が変形して、ギヤ１０１の位相ズレが発生しないようにトルク伝達特性を維持しながらシャフト１００とギヤ１０１との連結部に所定値Ｎ_ＴＨ以上の過大なトルクが加わった際のシャフト１００の損傷を防ぐことができる。
また、シャフト１００の軸方向に沿って第１のキー溝１０２を形成する加工、ギヤ１０１の軸孔１０３の軸方向に沿って第２のキー溝１０４を形成する加工、およびキー１０５の中心軸Ｏに沿って貫通孔１０６を形成する加工は全て容易であり、精度よく寸法を出すことができる。
また、キー１０５は中心に貫通孔１０６を有し、環状部１０７に第一破断部１０７Ａと第二破断部１０７Ｂとを有する。従来のキーに切り欠き溝を設け、１箇所で破断させる構成と比較し、環状部１０７を有し、貫通孔１０６を間に介して２箇所の破断部１０７Ａ、１０７Ｂを有する構成では、キー１０５の破断時、第一破断部１０７Ａ及び第二破断部１０７Ｂの２箇所が破断される。環状の構造とすることで、従来と比較してキー１０５の支持点を増加させることができ、キー１０５の変形量（たわみ量）を小さくすることができる。従って、真空ポンプの通常運転時にギヤ１０１の位相ズレの発生を抑制できる。

また、キー１０５の外形は四角柱状であるため、シャフト１００およびギヤ１０１との間でガタが出にくく、優れたトルク伝達特性を得ることができる。
また、キー１０５の貫通孔１０６の断面形状は円形であり、貫通孔１０６の直径を調整することによってキーが破断する際のトルクＮ_ＴＨを容易に調整することができる。

さらに、この発明の実施の形態に係るトルク伝達機構は、従来から標準的に用いられているシャフトやギヤの外形およびキー溝の形状を変更することなく、キー１０５の内部に形成される貫通孔１０６の直径を調整するだけでキー１０５が破断する際のトルクを容易に調整することができるため、車両に搭載される真空ポンプのように小型化の要求が厳しい製品のトルク伝達機構として特に適している。

１００駆動シャフト（シャフト）、１０１ギヤ、１０２第１のキー溝、１０３軸孔、１０４第２のキー溝、１０５キー、１０６貫通孔、１０７環状部、１０７Ａ第一破断部、１０７Ｂ第二破断部、Ｏキーの中心軸、Ｎ_ＴＨ所定値。

Claims

軸方向に沿って第１のキー溝が形成されたシャフトと、
前記シャフトが挿入される軸孔の軸方向に沿って第２のキー溝が形成されたギヤと、
前記シャフトの前記第１のキー溝および前記ギヤの前記第２のキー溝に嵌合して前記シャフトと前記ギヤとをトルク伝達可能に連結するキーとから構成されるトルク伝達機構であって、
前記キーは、前記軸方向に沿った貫通孔と、前記シャフトが変形するトルクよりも小さい所定値以上のトルクが前記シャフトと前記ギヤとの間に加わると破断する環状部とを有し、前記環状部は前記貫通孔を間に挟んで互いに対向した第一破断部と第二破断部とを有するトルク伝達機構。
前記キーの外形は四角柱状である、請求項１に記載のトルク伝達機構。
前記キーの前記貫通孔の断面形状は円形である、請求項１または２に記載のトルク伝達機構。