JP2014095420A

JP2014095420A - 軸部材の接続構造

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Publication number: JP2014095420A
Application number: JP2012246953A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Matsuno; 年宏松野; Masaharu Tachibana; 正晴橘
Original assignee: CFC DESIGN Inc
Current assignee: CFC DESIGN Inc
Priority date: 2012-11-09
Filing date: 2012-11-09
Publication date: 2014-05-22
Anticipated expiration: 2032-11-09
Also published as: JP6017271B2

Abstract

【課題】熱膨張係数の差異に起因して連結部に生じる熱応力や、緩み・ガタ等が発生することのない接続構造を提供する。
【解決手段】第１の軸部材１１と第２の軸部材１２を軸方向に連結するための接続構造１０であって、第１の軸部材１１と第２の軸部材１２の熱膨張係数が異なり、第１の軸部材１１の中空部分と第２の軸部材１２の突起部分とは嵌合し、嵌合した第１の軸部材１１の中空部分と第２の軸部材の突起部分１２を、軸方向とは直交する方向に貫通する貫通孔が備えられ、貫通孔には、せん断ピン１３が嵌合挿入され、第１の軸部材１１の中空部分の端面側には円錐面１１ｂが設けられ、第２の軸部材１２の突起部分の基端側には円錐面１２ｂが設けられ、第１の軸部材１１の円錐面１１ｂと第２の軸部材１２の円錐面１２ｂとが当接している構成の接続構造１０とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、２つの軸部材を軸方向に連結するための接続構造に関する。更に詳細には、熱膨張係数が異なる２つの軸部材を軸方向に連結するための接続構造であって、熱膨張係数の差異に起因して連結部に生じる熱応力や、緩み・ガタ等が発生することのない接続構造に関する。

高温炉内で、回転運動を伝達したり、種々の荷重を伝達するために使用される軸部材のような構造部材であって、２以上の軸部材を軸方向に接続して使用すると共に、接続する軸部材の材料が異なるような場合には、接続された軸部材の間で緩みが生じたり、あるいは接続された軸部材の間で過度の応力が発生したりする場合がある。

このように、接続された軸部材の間で緩み・ガタ等が生じたり、あるいは接続された軸部材の間で過度の応力が発生したりするのは、接続する軸部材の材料が異なり、その結果接続する軸部材の材料の熱膨張係数が異なる場合である。

このような問題を避けるため、軸部材を１種類の材料で構成することが望ましいが、高温炉内の温度が高い場合には、通常耐熱鋼等の材料を使用することはできず、炉内で使用される軸部材には特殊な耐熱材料（例えば、セラミックス材料やカーボン/カーボンコンポジット材など）を使い、これに接続され炉外に伸びる軸部材には鋼などの通常の金属材料を使用することが避けられないケースがある。

そして、上述したような接続された軸部材の間で緩み・ガタ等が生じたり、あるいは接続された軸部材の間で過度の応力が発生したりすると、軸部材の接続部で機械振動が生じたり、あるいは、接続部で軸部材が破壊してしまったりというトラブルが発生する。

本発明は以上述べたような背景技術を鑑みなされたものであり、熱膨張係数が異なる２つの軸部材を軸方向に連結するための接続構造であって、熱膨張係数の差異に起因して連結部に生じる熱応力や、緩み・ガタ等が発生することのない接続構造を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するために、請求項１に記載する発明では、第１の軸部材と第２の軸部材を軸方向に連結するための接続構造であって、第１の軸部材と第２の軸部材の熱膨張係数が異なり、第１の軸部材の端部には中空部分が設けられ、第２の軸部材の端部には突起部分が設けられ、第１の軸部材の中空部分と第２の軸部材の突起部分とは嵌合し、嵌合した第１の軸部材の中空部分と第２の軸部材の突起部分を、軸方向とは直交する方向に貫通する貫通孔が備えられ、貫通穴には、せん断ピンが嵌合挿入され、第１の軸部材の中空部分の端面側には円錐面が設けられ、第２の軸部材の突起部分の基端側には円錐面が設けられ、第１の軸部材の円錐面と第２の軸部材の円錐面とが当接している構成の接続構造とした。

また、請求項２に記載する発明では、請求項１に記載の接続構造において、(1) 第１の軸部材の端面から貫通穴中心までの距離をLとし、(2) 第１の軸部材の端面における中空部分の内半径をr_fとし、(3) 第２の軸部材の基端部の外半径をr_mとし、(4) 第１の軸部材の円錐面の半頂角をα_fとし、(5) 第２の軸部材の円錐面の半頂角をα_mとすると、
の関係を満たす円錐面を有する構成の接続構造とした。

更に、請求項３に記載する発明では、第１の軸部材と第２の軸部材を軸方向に連結するための接続構造であって、第１の軸部材と第２の軸部材の熱膨張係数が異なり、第１の軸部材には中空部分が設けられ、第２の軸部材の端部には突起部分が設けられ、当該突起部分の先端部にはオネジ部分が備えられ、第１の軸部材の中空部分と第２の軸部材の突起部分とは嵌合し、嵌合した第１の軸部材のオネジ部分にはナットが螺合すると共に、ナットの座面は第１の軸部材の端面を押圧し、第１の軸部材の中空部分には円錐面が設けられ、第２の軸部材の突起部分の基端側には円錐面が設けられ、第１の軸部材の円錐面と第２の軸部材の円錐面とが当接している構成の接続構造とした。

また、請求項４に記載する発明では、請求項３に記載の接続構造において、(1) 前記第２の軸部材の円錐面の肩部から円錐面の頂点までの距離をLとし、(2) 前記第１の軸部材の円錐面の内半径をr_fとし、(3) 前記第２の軸部材の円錐面の肩部外半径をr_mとし、(4) 前記第１の軸部材の円錐面の半頂角をα_fとし、(5) 前記第２の軸部材の円錐面の半頂角をα_mとし、(6) 前記第１の軸部材１２円錐面の内半径r_fは、第２の軸部材の円錐面の肩部外半径をr_mであると定義した場合に、
の関係を満たす円錐面を有する構成の接続構造とした。

また、請求項５に記載する発明では、請求項１乃至４に記載の接続構造において、第１の軸部材の中空部分の一部は、円筒形状部分を成し、第２の軸部材の突起部分の一部は、円柱形状部分を成し、円筒形状部分に、円柱形状部分が挿入される構成の接続構造とした。

更に、請求項６に記載する発明では、請求項１乃至５のいずれかに記載の接続構造において、第１の軸部材の円筒形状部分と第２の軸部材の円柱形状部分との嵌合面に、少なくとも１つのトルク伝達要素を設けた構成の接続構造とした。

また、請求項７に記載する発明では、請求項１乃至６のいずれかに記載の接続構造において、第１の軸部材に使用する材料および第２の軸部材に使用する材料の組み合わせは、金属材料とカーボン/カーボンコンポジット材の組み合わせ、あるいは金属材料とセラミック材との組み合わせである構成の接続構造とした。

以上述べたような発明の構成とすることにより、高温炉内で、回転運動を伝達したり、種々の荷重を伝達するために使用される接続構造であって、２以上の軸部材を軸方向に接続して使用すると共に、接続する軸部材の材料が異なるような場合であっても、接続された軸部材の間で緩みが生じたり、あるいは接続された軸部材の間で過度の応力が発生したりすることがない接続構造とすることができる。

本発明の第１の実施例に係る接続構造を示したものであって、接続構造を分解した状態を示したものである。本発明の第１の実施例に係る接続構造を示したものであって、接続構造を組立てた状態を示したものである。本発明の第１の実施例の変形例に係る接続構造を示したものである。本発明の第１の実施例に係る接続構造の寸法諸元を示したものである。本発明の第２の実施例に係る接続構造を示したものであって、接続構造を分解した状態を示したものである。本発明の第２の実施例に係る接続構造を示したものであって、接続構造を組立てた状態を示したものである。本発明の第２の実施例に係る接続構造の寸法諸元を示したものである。

図に基き、本発明を実施するための形態を説明する。図１および図２は、本発明の第１の実施例に係る接続構造１０を示したものであって、図１は接続構造を分解した状態を示したものであり、図２は接続構造を組立てた状態を示したものである。この接続構造１０は、第１の軸部材１１と、第２の軸部材１２と、せん断ピン１３から構成されている。
なお、ここで、軸部材とは、動力や運動（直線運動や回転運動）を伝達するために使用される部材の総称として使用するものであり、形状が「細長い棒状」の部材に限定されるものではない。

第１の軸部材１１の端部には、中空部分１１ａが設けられ、この中空部分１１ａの端面側（図１及び図２では右側）には円錐面１１ｂが設けられている。また、第１の軸部材１１の中空部分１１ａであって、円錐面１１ｂの左側には円筒形状部分１１ｃを設けるようにしても良い。

同様に、第２の軸部材１２の端部には、突起部分１２ａが設けられ、この突起部分１２ａの基端側（図１及び図２では右側）には円錐面１２ｂが設けられている。また、第２の軸部材１２の突起部分１２ａであって、円錐面１２ｂの左側（第２の軸部材１２の先端側）には円柱形状部分１２ｃを設けるようにしても良い。

そして、第１の軸部材１１の中空部分１１ａには、第２の軸部材１２の突起部分１２ａが挿入され互いに嵌合するようになっており、第１の軸部材１１の中空部分１１ａに設けた円錐面１１ｂは、第２の軸部材１２の突起部分１２ａに設けられた円錐面１２ｂに当接するようになっている（図２参照）。

また、第１の軸部材１１の中空部分１１ａに設けた円筒形状部分１１ｃには、第２の軸部材１２の突起部分１２ａに設けられた円柱形状部分１２ｃが挿入される（図２参照)。

そして、第１の軸部材１１の中空部分１１ａと、第２の軸部材１２の突起部分１２ａには、軸方向とは直交する方向であって、軸芯が共通する貫通孔１１ｄ、１２ｄが設けられており、この貫通孔１１ｄ、１２ｄにはせん断ピン１３が挿入されている（図２参照）。

ここで、第１の軸部材１１の中空部分１１ａに設けた円筒形状部分１１ｃと第２の軸部材１２の突起部分１２ａに設けられた円柱形状部分１２ｃとの間の嵌め合い、および貫通孔１１ｄ、１２ｄとせん断ピン１３の嵌め合いについては、部材間の熱膨張係数の相違に起因する熱応力が過大にならない程度の隙間が生じるような公差を設定しても良い。

このような接続構造を高温炉に適用する場合には、例えば第１の軸部材１１を炉外に配置した駆動源に接続し、第２の軸部材１２を炉内に配置し、炉外から炉内へ、運動（直進運動や回転運動等）、あるいは外力（トルク、軸力、モーメント等）を伝達させるようにしても良いし、第１の軸部材１１と第２の軸部材１２を入れ替えて配置するようにしても良い。

なお、接続部材をこのように高温炉に適用する場合には、炉外に配置する軸部材にはステンレス鋼のような比較的耐熱性のある鋼を使用し、炉内に配置する軸部材には、セラミックス材料やカーボン/カーボンコンポジット材などの耐熱性の極めて優れた材料を使用しても良い。

このように、第１の軸部材１１と第２の軸部材１２に異なる材料を使用し、各材料の熱膨張係数が異なるような場合であって、環境温度が大きく変化する環境下で使用する場合でも、上述したように、第１の軸部材１１と第２の軸部材１２をせん断ピン１３を介して連結すると共に、第１の軸部材１１の中空部分１１ａに設けた円錐面１１ｂと第２の軸部材１２の突起部分１２ａに設けられた円錐面１２ｂとを当接させて第１の軸部材１１と第２の軸部材１２を接続させることにより、第１の軸部材１１と第２の軸部材１２の熱膨張差は、円錐面１１ｂと円錐面１２ｂの間の境界面での相対的な動き（ズレ）によって吸収されるようになっている。この点については、後で詳細に説明する。

従って、第１の軸部材１１と第２の軸部材１２の接続部に、例えば数百℃の温度変化が生じたとしても、接続された軸部材の間で緩み・ガタ等が生じたり、あるいは接続された軸部材の間で過度の応力（(熱応力)が発生したりすることはない。

なお、炉外から炉内へ伝達するトルクが大きい場合には、図３に示すように第１の軸部材１１と第２の軸部材１２の間に、少なくとも１つのトルク伝達要素、例えばキー１４を設置するようにしても良い。

図４は、本発明に係る接続構造の寸法諸元を示したものである。本発明に係る接続構造１０では、第１の軸部材１１の中空部分１１ａと、第２の軸部材１２の突起部分１２ａに設けられたせん断ピン１３と、互いに当接した第１の軸部材１１の中空部分１１ａに設けた円錐面１１ｂと第２の軸部材１２の突起部分１２ａに設けられた円錐面１２ｂによって、第１の軸部材１１と第２の軸部材１２の間で、運動（直進運動や回転運動等）および外力（トルク、軸力、モーメント等）が伝達されるようになっている。

従って、円錐面１１ｂ、１２ｂの頂点が、せん断ピン１３と第１の軸部材１１および第２の軸部材１２との接触面上の１つの点“O”で交わるようになっていれば、第１の軸部材１１と第２の軸部材１２の材料が異なり、それぞれの熱膨張係数が異なる場合であって、第１の軸部材１１と第２の軸部材１２の接合構造部分の温度が変化したとしても、点“O”からの円錐面１１ｂ、１２ｂまでの距離は変動するものの、構造全体の変形は点“O”を基点とする相似変形であるから、その変動は、点“O”から円錐面１１ｂ、１２ｂに沿って半径方向に変動するだけであるから、円錐面１１ｂ、１２ｂの接触状態は常に一定である。

第１の軸部材１１と第２の軸部材１２の接合構造部分の温度が変化したとしても、接続された軸部材の間で緩みが生じたり、あるいは接続された軸部材の間で過度の応力が発生したりすることがない。

ここで説明したように、円錐面１１ｂ、１２ｂの頂点が、せん断ピン１３と第１の軸部材１１および第２の軸部材１２との接触面上の１つの点“O”で交わるようになっていれば、第１の軸部材１１と第２の軸部材１２の材料が異なり、それぞれの熱膨張係数が異なる場合であって、第１の軸部材１１と第２の軸部材１２の接合構造部分の温度が変化したとしても、理論的には、接続された第1および第２の軸部材１１、１２の間で緩みが生じたり、あるいは過度の応力が発生したりすることがない。

しかしながら、実際の構造物においては、円錐面１１ｂ、１２ｂの頂点が、せん断ピン１３と第１の軸部材１１および第２の軸部材１２との接触面上の１つの点“O”で交わるようになっていなくとも、所定の条件の範囲内であれば、現実的には接続された第１および第２の軸部材１１、１２の間で緩みが生じたり、あるいは過度の応力が発生したりすることがなく、実用上何ら問題ないことを発明者らは見出した。

これは、第１の軸部材１１と第２の軸部材１２と接続した場合に、第１の軸部材１１と第２の軸部材１２の円錐面１１ｂ、１２ｂや、せん断ピン１３と第１の軸部材１１および第２の軸部材１２との接触面が弾性変形し、この弾性変形によって、接続された第１および第２の軸部材１１、１２の間で緩みが生じたり、あるいは過度の応力が発生したりすることがないものと考えられる。

そこで、第１の軸部材１１と第２の軸部材１２の円錐面１１ｂ、１２ｂの円錐角がどのような範囲であれば、接続された第１および第２の軸部材１１、１２の間で緩みが生じたり、あるいは過度の応力が発生したりすることがないかを試験によって確認した。以下、試験結果について説明する。

まず、図４の接続構造の寸法諸元に示すように、第１の軸部材１１の端面から貫通穴中心までの距離をLとし、第１の軸部材１１の端面における中空部分１１ａの内半径をr_fとし、第２の軸部材１２の基端部の外半径をr_mとし、第１の軸部材１１の円錐面１１ｂの半頂角をα_fとし、第２の軸部材１２の円錐面１２ｂの半頂角をα_mと定義する。
ここで、第２の軸部材１２の基端部の外半径r_mは、嵌合後における第１の軸部材１１の端面位置における第２の軸部材１２の円錐面１２ｂの外半径であると定義する。

第１の軸部材１１と、第２の軸部材１２の材質をそれぞれＳＵＳ３０４材、カーボン/カーボンコンポジット材とし、
第１の軸部材１１の円錐面１１ｂのtanα_fが[r_f /(L*1/2)]、[r_f /(L*1/1)]、 [r_f
/(L*3/2)]となるように加工した第１の軸部材１１と、
第２の軸部材１２の円錐面１２ｂのtanα_mが[r_m /(L*1/2)]、[r_m /(L*1/1)]、 [r_m
/(L*3/2)]となるように加工した第２の軸部材１２と、を準備し、
これらの第１の軸部材１１と第２の軸部材１２とを組み合わせ、貫通孔１１ｄ、１２ｄを加工すると共に、この貫通孔１１ｄ、１２ｄにせん断ピン１３を挿入して第１の軸部材１１と第２の軸部材１２とを組立てた。

組立てた第１の軸部材１１と第２の軸部材１２の接続構造部分を高温炉の中へ入れ、４００℃〜５００℃まで加熱すると共に、運動（直進運動と回転運動）および外力（トルク、軸力、モーメント）を伝達させて、接続された第１および第２の軸部材１１、１２の間で緩みが生じたり、あるいは過度の応力が発生したりすることがないかを確認したところ、上記のtanα_fおよびtanα_mの異なる第１の軸部材１１と第２の軸部材１２のいずれの組み合わせにおいても、接続された第１および第２の軸部材１１、１２の間で緩みが生じたり、あるいは過度の応力が発生したりすることがない（即ち、部材の破損が生じない）ことを確認した。

次に、第１の軸部材１１と、第２の軸部材１２の材質を入れ替え、第１の軸部材１１の材質をカーボン/カーボンコンポジット材、第２軸部材１２の材質をＳＵＳ３０４材として、上記と同様な試験を行った所、tanαfおよびtanαmの異なる第１の軸部材１１と第２の軸部材１２のいずれの組み合わせにおいても、接続された第１および第２の軸部材１１、１２の間で緩みが生じたり、あるいは過度の応力が発生したりすることがない（即ち、部材の破損が生じない）ことを確認した。

以上の試験結果から、少なくとも、tanα_fおよびtanα_mが以下の条件を満たす限りは、接続された第１および第２の軸部材１１、１２の間で緩みが生じたり、あるいは過度の応力が発生したりすることがない（即ち、部材の破損が生じない）ということが言える。
即ち、

ここで使用したＳＵＳ３０４材、カーボン/カーボンコンポジット材の熱膨張係数は、以下の通りである。
ＳＵＳ３０４材：１８ｘ１０^−６１／℃
カーボン/カーボンコンポジット材の繊維配向方向: １ｘ１０^−６１／℃
繊維と直角方向: １０ｘ１０^−６１／℃

次に、本発明の第２の実施例について説明する。図５および図６は、本発明の第２の実施例に係る接続構造２０を示したものであって、図５は接続構造を分解した状態を示したものであり、図６は接続構造を組立てた状態を示したものである。この接続構造２０は、第１の軸部材２１と、第２の軸部材２２と、ナット１５から構成されている。第２の実施例に係る接続構造２０における第１の軸部材は、例えば、ボス部の外周に複数のフィンが配置された炉内ファンの如き構造物を想定したものであるが、このような構造物に限定されるものではなく、軸部材としては、動力や運動（直線運動や回転運動）を伝達するために使用される幅広い部材が該当する。

第１の軸部材２１には、中空部分２１ａが設けられ、この中空部分２１ａの一端側（図５及び図６では右側）には円錐面２１ｂが設けられている。また、第１の軸部材２１の中空部分２１ａであって、円錐面２１ｂの左側には円筒形状部分２１ｃを設けるようにしても良い。

同様に、第２の軸部材２２の端部には、突起部分２２ａが設けられ、この突起部分２２ａの基端側（図５及び図６では右側）には円錐面２ｂが設けられており、円錐面の右側端部（第２の軸部材の右側円筒部との接続部分）は肩部を形成している。また、第２の軸部材２２の突起部分２２ａであって、円錐面２２ｂの左側（第２の軸部材２２の先端側）には円柱形状部分２２ｃを設けるようにしても良い。

そして、第２の軸部材２２の突起部分２２ａ先端側（円柱形状部分２２ｃ）には、オネジ部分２２ｅが設けられている。また、第１の軸部材２１の中空部分２１ａには、第２の軸部材２２の突起部分２２ａが挿入され互いに嵌合するようになっており、第１の軸部材２１の中空部分２１ａに設けた円錐面２１ｂは、第２の軸部材２２の突起部分２２ａに設けられた円錐面２２ｂに当接するようになっている（図６参照）。

また、第１の軸部材２１の中空部分２１ａに設けた円筒形状部分２１ｃには、第２の軸部材２２の突起部分２２ａに設けられた円柱形状部分２２ｃが挿入される（図６参照）。

そして、第１の軸部材２１の中空部分２１ａに、第２の軸部材２２の突起部分２２ａが挿入され互いに嵌合させた後、第１の軸部材２１から突起した第２の軸部材２２の突起部分２２ａ先端側に設けたオネジ部分２２ｅには、ナット１５が螺合される。このナット１５を締めることにより、ナット１５の座面は、第１の軸部材２１の左側端面を押圧し、第１の軸部材２１の円錐面２１ｂと第２の軸部材２２の円錐面２２ｂが互いに当接するようになっている（図６参照）。

ここで、第１の軸部材２１の中空部分２１ａに設けた円筒形状部分２１ｃと第２の軸部材２２の突起部分２２ａに設けられた円柱形状部分２２ｃとの間の嵌め合いについては、部材間の熱膨張係数の相違に起因する熱応力が過大にならない程度の隙間が生じるような公差を設定しても良い。

このような接続構造を高温炉に適用する場合には、例えば第２の軸部材２１を炉外に配置した駆動用モーターに接続し、第１の軸部材２２（例えば炉内ファン）を炉内に配置し、炉外から炉内へ回転運動を伝達させるようにしても良い。

なお、接続部材をこのように高温炉に適用する場合には、炉外に配置する軸部材にはステンレス鋼のような比較的耐熱性のある鋼を使用し、炉内に配置する軸部材（例えば炉内ファン）には、セラミックス材料やカーボン/カーボンコンポジット材などの耐熱性の極めて優れた材料を使用しても良い。

このように、第１の軸部材２１（例えば炉内ファン）と第２の軸部材２２に異なる材料を使用し、各材料の熱膨張係数が異なるような場合であって、環境温度が大きく変化する環境下で使用する場合でも、上述したように、第１の軸部材２１（例えば炉内ファン）と第２の軸部材２２をナット１５を介して締結すると共に、第１の軸部材２１（例えば炉内ファン）の中空部分２１ａに設けた円錐面２１ｂと第２の軸部材２２の突起部分２２ａに設けられた円錐面２２ｂとを当接させて第１の軸部材２１と第２の軸部材２２を締結させることにより、第１の軸部材２１と第２の軸部材２２の熱膨張差は、円錐面２１ｂと円錐面２２ｂの間の境界面での相対的な動き（ズレ）によって吸収されるようになっている。

従って、第１の軸部材２１（例えば炉内ファン）と第２の軸部材２２の接続部に、例えば数百℃の温度変化が生じたとしても、接続された軸部材の間で緩み・ガタ等が生じたり、あるいは接続された軸部材の間で過度の応力（熱応力）が発生したりすることはない。

なお、炉外から炉内へ伝達するトルクが大きい場合には、第１の実施例において説明したように、第１の軸部材２１と第２の軸部材２２の間に、少なくとも１つのトルク伝達要素、例えばキーを設置するようにしても良い。

図７は、本発明に係る第２の実施例の接続構造の寸法諸元を示したものである。本発明に係る接続構造２０では、第２の軸部材２２の突起部分２２ａの先端側に設けられたオネジ部分２２ｅ螺合したナット１５と第１の軸部材２１の左側端面の間、及び、互いに当接した第１の軸部材２１の中空部分２１ａに設けた円錐面２１ｂと第２の軸部材２２の突起部分２２ａに設けられた円錐面２２ｂとの間において、第１の軸部材２１と第２の軸部材２２の間で、回転運動が伝達されるようになっている。

従って、円錐面２１ｂ、２２ｂの頂点が、ナット１５の座面（あるいは第１の軸部材の左側端面）上の１つの点“O”で交わるようになっていれば、第１の軸部材２１と第２の軸部材２２の材料が異なり、それぞれの熱膨張係数が異なる場合であって、第１の軸部材２１と第２の軸部材２２の接合構造部分の温度が変化したとしても、点“O”からの円錐面２１ｂ、２２ｂまでの距離は変動するものの、構造全体の変形は点“O”を基点とする相似変形であるから、その変動は、点“O”から円錐面２１ｂ、２２ｂに沿って半径方向に変動するだけであるから、円錐面２１ｂ、２２ｂの接触状態は常に一定である。

第１の軸部材２１と第２の軸部材２２の接合構造部分の温度が変化したとしても、接続された軸部材の間で緩みが生じたり、あるいは接続された軸部材の間で過度の応力が発生したりすることがない。

ここで説明したように、円錐面２１ｂ、２２ｂの頂点が、ナット１５の座面（あるいは第１の軸部材の左側端面）上の１つの点“O”で交わるようになっていれば、第１の軸部材２１と第２の軸部材２２の材料が異なり、それぞれの熱膨張係数が異なる場合であって、第１の軸部材２１と第２の軸部材２２の接合構造部分の温度が変化したとしても、理論的には、接続された第１および第２の軸部材２１、２２の間で緩みが生じたり、あるいは過度の応力が発生したりすることがない。

しかしながら、第１実施例でも説明したように、実際の構造物においては、円錐面２１ｂ、２２ｂの頂点が、ナット１５の座面（あるいは第１の軸部材の左側端面）上の１つの点“O”で交わるようになっていなくとも、所定の条件の範囲内であれば、現実的には接続された第１および第２の軸部材２１、２２の間で緩みが生じたり、あるいは過度の応力が発生したりすることがなく、実用上何ら問題ない。

これは、第１の軸部材２１と第２の軸部材２２と接続した場合に、第１の軸部材２１と第２の軸部材２２の円錐面２１ｂ、２２ｂや、ナット１５と第１の軸部材２１との接触面が弾性変形し、この弾性変形によって、接続された第１および第２の軸部材２１、２２の間で緩みが生じたり、あるいは過度の応力が発生したりすることがないものと考えられる。

そして、第１の実施例において説明した試験結果から、少なくとも、半頂角α_fおよびα_mが以下の条件を満たす限りは、接続された第１および第２の軸部材２１、２２の間で緩みが生じたり、あるいは過度の応力が発生したりすることがない(即ち、部材の破損が生じない)ということが推認できる。
ただし、ここで第２の軸部材２２の円錐面２２ｂの肩部から円錐面２２ｂの頂点までの距離をLとし、第１の軸部材２１の円錐面２１ｂの内半径をr_fとし、第２の軸部材２２の円錐面２２ｂの肩部外半径をr_mとし、第１の軸部材２１の円錐面２１ｂの半頂角をα_fとし、第２の軸部材２２の円錐面２２ｂの半頂角をα_mとし、第１の軸部材２１の円錐面の内半径r_fは、第２の軸部材２２の円錐面の肩部外半径をr_mであると定義する。

10、20 接続構造
11、21 第１の軸部材
11a、21a 第１の軸部材の中空部分
11b、21b 第１の軸部材の円錐面
11c、21c 第１の軸部材の円筒形状部分
11d 第１の軸部材の貫通孔
12、22 第２の軸部材
12a、22a 第２の軸部材の突起部分
12b、22b 第２の軸部材の円錐面
12c、22c 第２の軸部材の円柱形状部分
12d 第２の軸部材の貫通孔
22e 第２の軸部材のオネジ部分
13 せん断ピン
14 キー
15 ナット

Claims

第１の軸部材と第２の軸部材を軸方向に連結するための接続構造であって、
第１の軸部材と第２の軸部材の熱膨張係数が異なり、
第１の軸部材の端部には中空部分が設けられ、
第２の軸部材の端部には突起部分が設けられ、
第１の軸部材の中空部分と第２の軸部材の突起部分とは嵌合し、
嵌合した第１の軸部材の中空部分と第２の軸部材の突起部分を、軸方向とは直交する方向に貫通する貫通孔が備えられ、
当該貫通穴には、せん断ピンが嵌合挿入され、
第１の軸部材の中空部分の端面側には円錐面が設けられ、
第２の軸部材の突起部分の基端側には円錐面が設けられ、
第１の軸部材の円錐面と第２の軸部材の円錐面とが当接していることを特徴とする接続構造。
請求項１に記載の接続構造であって、
(1) 前記第１の軸部材の端面から貫通穴中心までの距離をLとし、
(2) 前記第１の軸部材の端面における中空部分の内半径をr_fとし、
(3) 前記第２の軸部材の基端部の外半径をr_mとし、
(4) 前記第１の軸部材の円錐面の半頂角をα_fとし、
(5) 前記第２の軸部材の円錐面の半頂角をα_mとすると、
の関係を満たす円錐面を有することを特徴とする接続構造。
第１の軸部材と第２の軸部材を軸方向に連結するための接続構造であって、
第１の軸部材と第２の軸部材の熱膨張係数が異なり、
第１の軸部材には中空部分が設けられ、
第２の軸部材の端部には突起部分が設けられ、当該突起部分の先端部にはオネジ部分が備えられ、
第１の軸部材の中空部分と第２の軸部材の突起部分とは嵌合し、
嵌合した第１の軸部材のオネジ部分にはナットが螺合すると共に、当該ナットの座面は第１の軸部材の端面を押圧し、
第１の軸部材の中空部分には円錐面が設けられ、
第２の軸部材の突起部分の基端側には円錐面が設けられ、
第１の軸部材の円錐面と第２の軸部材の円錐面とが当接していることを特徴とする接続構造。
請求項３に記載の接続構造であって、
(1) 前記第２の軸部材の円錐面の肩部から円錐面の頂点までの距離をLとし、
(2) 前記第１の軸部材の円錐面の内半径をr_fとし、
(3) 前記第２の軸部材の円錐面の肩部外半径をr_mとし、
(4) 前記第１の軸部材の円錐面の半頂角をα_fとし、
(5) 前記第２の軸部材の円錐面の半頂角をα_mとし、
(6) 前記第１の軸部材１２円錐面の内半径r_fは、第２の軸部材の円錐面の肩部外半径をr_mであると定義した場合に、
の関係を満たす円錐面を有することを特徴とする接続構造。
請求項１乃至４に記載の接続構造であって、
前記第１の軸部材の中空部分の一部は、円筒形状部分を成し、
前記第２の軸部材の突起部分の一部は、円柱形状部分を成し、
当該円筒形状部分に、当該円柱形状部分が挿入されている
ことを特徴とする接続構造。
請求項１乃至５のいずれかに記載の接続構造であって、
前記第１の軸部材の円筒形状部分と前記第２の軸部材の円柱形状部分との嵌合面に、少なくとも１つのトルク伝達要素が設けられていることを特徴とする接続構造。
請求項１乃至６のいずれかに記載の接続構造であって、
前記第１の軸部材に使用する材料および前記第２の軸部材に使用する材料の組み合わせは、金属材料とカーボン/カーボンコンポジット材の組み合わせ、あるいは金属材料とセラミック材との組み合わせである
ことを特徴とする接続構造。