JP2019158034A - 等速自在継手 - Google Patents

Abstract

【課題】 高温、高作動角および高速回転の使用条件で、シール性能および耐久性能を確保する。【解決手段】 外側継手部材１３と、その外側継手部材１３との間でボール１５を介して角度変位を許容しながらトルクを伝達する内側継手部材１４とを備え、外側継手部材１３の内部に潤滑剤を封入し、その内側継手部材１４から延びるシャフト１２と外側継手部材１３との間にシール部２８を設けた等速自在継手１１であって、シール部２８は、シャフト１２に固定されたシール内環２９と、外側継手部材１３に固定されたシール外環３０とで構成され、シール内環２９の凸球面３１とシール外環３０の凹円錐面３３とを対向配置し、シール内環２９の凸球面３１とシール外環３０の凹円錐面３３との間に隙間３６を設ける。【選択図】 図１

Description

本発明は、各種産業機械の動力伝達機構に使用され、継手外部からの異物侵入や継手内部からの潤滑剤漏洩を防止するシール部を備えた等速自在継手に関する。

例えば、製紙設備や鉄鋼設備などの各種産業機械の動力伝達機構に使用される等速自在継手には、固定式等速自在継手がある。

この等速自在継手は、外側継手部材と、その外側継手部材との間でボールを介して角度変位を許容しながらトルクを伝達する内側継手部材とを備え、その内側継手部材から延びるシャフトと外側継手部材との間にシール構造を設けている。

この種の等速自在継手では、継手外部からの粉塵等の異物や水の侵入、および継手内部からのグリース等の潤滑剤の漏洩を防止するためのシール構造として、ゴム製あるいは樹脂製のブーツを採用しているのが一般的である。

しかしながら、各種産業機械の中でも、例えば鉄鋼設備などで使用されるロール駆動力伝達装置は、８０℃以上の輻射熱、水蒸気による高温多湿、スケールの飛散、薬品類などによる劣悪な環境下で使用される。

そのため、ゴム製あるいは樹脂製のブーツからなるシール構造の場合、ブーツが劣化し易く、シール性能および耐久性能の低下により、頻繁なブーツ交換が必要となる。

このことから、劣悪な環境下で使用する等速自在継手では、ゴム製あるいは樹脂製のブーツからなるシール構造を採用せず、耐久性に優れた金属製の球面シール構造が採用されている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１で開示された球面シール構造は、内側継手部材から延びるシャフトに取り付けられたシール内環と、外側継手部材に取り付けられたシール外嵌と、内側継手部材とシール内環との間に装着された弾性部材とで構成されている。

シール内環の外周には、凸球面が部分的に形成されている。また、シール外環の内周には、シール内環の凸球面と摺接する凹球面が部分的に形成されている。さらに、弾性部材は、シール内環をシール外嵌に向けて弾性的に付勢している。

この球面シール構造では、シール内環の凸球面がシール外環の凹球面と摺接する方向に弾性部材の弾性力を付勢することにより、シール内環の凸球面とシール外環の凹球面を確実に接触させることで、高いシール性を確保している。

特許第５５３５７００号公報

ところで、前述した等速自在継手では、金属製の球面シール構造を具備することにより、８０℃以上の輻射熱、水蒸気による高温多湿、スケールの飛散、薬品類などによる劣悪な環境下で使用する場合であっても、シール性能および耐久性能を確保している。

このように、高温下の使用条件では、金属製の球面シール構造が有効であるが、高作動角および高速回転の使用条件の場合、低速回転に好適な従来の球面シール構造を採用することが困難である。

つまり、シール内環の凸球面とシール外環の凹球面を接触させた低速回転用の球面シール構造であるため、高作動角および高速回転の使用条件では、シール内環とシール外環との接触部で焼き付けが発生する懸念がある。

そこで、本発明は前述の課題に鑑みて提案されたもので、その目的とするところは、高温、高作動角および高速回転の使用条件で、シール性能および耐久性能を確保し得る等速自在継手を提供することにある。

本発明に係る等速自在継手は、外側継手部材と、その外側継手部材との間でトルク伝達部材を介して角度変位を許容しながらトルクを伝達する内側継手部材とを備え、その内側継手部材から延びる軸部材と外側継手部材との間にシール部を設けた構造を具備する。

前述の目的を達成するための技術的手段として、本発明のシール部は、軸部材に固定された内環部材と、外側継手部材に固定された外環部材とで構成され、内環部材の外周面と外環部材の内周面とを対向配置し、内環部材の外周面と外環部材の内周面との間に隙間を設けたことを特徴とする。

本発明では、内環部材の外周面と外環部材の内周面との間に隙間を設けたことにより、内環部材の外周面と外環部材の内周面との間にラビリンスシール構造を形成する。

このラビリンスシール構造では、内環部材の外周面と外環部材の内周面とが非接触となることから、高作動角および高速回転の使用条件であっても、内環部材と外環部材との焼き付けがなく、シール性能および耐久性能を確保することができる。

本発明において、外側継手部材の内部に潤滑剤を封入し、内環部材の外周面と外環部材の内周面との間の隙間から漏洩した潤滑剤を貯留させるための収容部を外環部材に設けた構造が望ましい。

このような構造を採用すれば、継手回転による撹拌作用で、内環部材と外環部材との間の隙間から漏洩する余剰の潤滑剤を収容部に貯留させることができる。また、この収容部への潤滑剤の貯留により、周辺機器に潤滑剤を飛散させることを防止できる。

本発明における外環部材は、収容部に貯留した潤滑剤を排出するためのドレンボルトを有する構造が望ましい。

このような構造を採用すれば、ドレンボルトを外すことにより、余剰の潤滑剤を抜くことができる。

本発明において、外側継手部材の内部空間へ潤滑剤を充填するためのプラグを外環部材に設けた構造が望ましい。

このような構造を採用すれば、外側継手部材の内部空間に潤滑剤をプラグにより容易に封入することができる。

本発明によれば、内環部材と外環部材との間のラビリンスシール構造により、内環部材の外周面と外環部材の内周面とが非接触となる。このことから、高作動角および高速回転の使用条件であっても、内環部材と外環部材との焼き付けがなく、シール性能および耐久性能を確保することができる。その結果、耐久性に優れた長寿命で信頼性の高い等速自在継手を提供できる。

本発明の実施形態で、等速自在継手の全体構成を示す断面図である。 図１のシール部を示す要部拡大断面図である。 図１のシャフトが最大作動角をとった状態を示す断面図である。 図１の等速自在継手を組み付けたロール駆動力伝達装置を示す断面図である。

本発明に係る等速自在継手の実施形態を図面に基づいて以下に詳述する。

以下の実施形態では、製紙設備や鉄鋼設備などの各種産業機械の動力伝達機構、例えば、鉄鋼設備において、各種ロールに駆動力を伝達するロール駆動力伝達装置に組み込まれる等速自在継手を例示する。

このロール駆動力伝達装置における等速自在継手は、８０℃程度の輻射熱、水蒸気による高温多湿、スケールの飛散、薬品類を含む化学水の飛散などによる高温雰囲気の劣悪な環境下で、高作動角および高速回転の使用に有効な構造を具備する。

なお、本発明は、鉄鋼設備のロール駆動力伝達装置以外に、高温、高作動角および高速回転の条件で使用される各種試験機などの動力伝達機構に適用可能である。

このロール駆動力伝達装置は、図４に示すように、一対の固定式等速自在継手１１を有し、両者の等速自在継手１１を軸部材であるシャフト１２で同軸的に連結した構造を具備する。

この実施形態では、固定式等速自在継手の一つであるツェッパ型等速自在継手１１を例示しているが、アンダーカットフリー型等速自在継手などの他の固定式等速自在継手もあってもよい。

このロール駆動力伝達装置では、一対のツェッパ型等速自在継手１１（以下、単に等速自在継手と称す）を繋ぐシャフト１２が作動角をとっても、その角度変位を許容しながら等速で回転トルクを伝達する構造を備えている。

図１は、作動角０°の状態にある等速自在継手１１を示す。図１に示す等速自在継手１１は、筒状の外側継手部材１３、内側継手部材１４、トルク伝達部材であるボール１５、およびケージ１６で主要部が構成されている。ボール１５は、６個、８個あるいはそれ以外であってもよく、その個数は任意である。

内側継手部材１４の軸孔１７にシャフト１２の先端部を圧入することにより、シャフト１２がスプライン嵌合でトルク伝達可能に内側継手部材１４と結合されている。また、シャフト１２は、内側継手部材１４の軸方向両端部で止め輪１８，１９により抜け止めされている。

このシャフト１２は、その先端部から他の等速自在継手１１に向かって拡径部２０が形成され、その拡径部２０とロール駆動力伝達装置の中間軸２１とが溶接により一体的に連結されている。

外側継手部材１３は、軸方向に延びる円弧状トラック溝２２が球面状内周面２３の円周方向複数箇所に形成されている。内側継手部材１４は、外側継手部材１３のトラック溝２２と対をなして軸方向に延びる円弧状トラック溝２４が球面状外周面２５の円周方向複数箇所に形成されている。

ボール１５は、外側継手部材１３のトラック溝２２と内側継手部材１４のトラック溝２４との間に介在して回転トルクを伝達する。ケージ１６は、外側継手部材１３の内周面２３と内側継手部材１４の外周面２５との間に配されてボール１５を保持する。

外側継手部材１３と内側継手部材１４から延びるシャフト１２との間で角度変位（作動角）が付与されると、ケージ１６で保持されたボール１５は常にどの作動角においても、その作動角の二等分面内に維持され、継手の等速性が確保される。

以上の構成からなる等速自在継手１１では、外側継手部材１３の反シャフト側の軸方向端部にロール駆動力伝達装置への取付フランジ２６がＯリング２７を介して連設されている。この取付フランジ２６により、外側継手部材１３の内部空間を閉塞している。

外側継手部材１３のシャフト側の開口端部がシール部２８で塞がれている。このシール部２８は、内側継手部材１４から延びるシャフト１２と外側継手部材１３との間に設けられている。シール部２８は、内環部材であるシール内環２９と、外環部材であるシール外環３０とで主要部が構成されている。

シール内環２９は、凸球面３１が外周に形成されている。このシール内環２９は、シャフト１２の軸端部の近傍部位に外嵌され、シャフト１２の外周面に形成された段差３２と、内側継手部材１４の端面に配置された止め輪１９との間に挟み込んで位置規制された状態で固定されている。

このようにして、シャフト１２に対してシール内環２９を取り付けたことにより、シール内環２９の凸球面３１（曲率半径Ｒ）の中心と継手中心Ｏとが常に一致するようにシール内環２９の軸方向位置を保持している。

シール外環３０は、シール内環２９の凸球面３１と対向する内周にテーパ状の凹円錐面３３が形成されている。シール外環３０の凹円錐面３３は、加工が容易なように、例えば５０°程度のテーパ角度αとしている。シール外環３０は、ボルト３４により取付フランジ２６と共に外側継手部材１３にＯリング３５を介して固定されている。

図２に示すように、シール内環２９とシール外環３０とで構成されたシール部２８では、シール内環２９の凸球面３１とシール外環３０の凹円錐面３３との間に隙間３６を設けている。隙間３６は、例えば１ｍｍ前後が好ましい。

このような隙間３６を設けたことにより、シール内環２９の凸球面３１とシール外環３０の凹円錐面３３との間にラビリンスシール構造を形成する。このラビリンスシール構造により、継手外部からの粉塵等の異物や水の侵入、および継手内部からのグリース等の潤滑剤の漏洩を防止する。

このシール内環２９の凸球面３１とシール外環３０の凹円錐面３３は、隙間３６により非接触であるから、摩耗防止のための熱処理が不要であり、表面粗さも規制されることなく粗くてもよい。従って、シール内環２９およびシール外環３０の製作が容易である。

また、等速自在継手１１の使用条件である高速回転に対応するため、シール内環２９およびシール外環３０は、アルミ等の金属または樹脂などの軽量材料で構成することが好ましい。

図１に示すように、シール外環３０のフランジ部３７には、等速自在継手１１の内部へ潤滑剤を充填するためのプラグ３８が設けられている。外側継手部材１３の内部空間、つまり、外側継手部材１３、シール内環２９、シール外環３０および取付フランジ２６で囲まれた空間に、グリース等の潤滑剤が封入される。

これにより、外側継手部材１３に対して内側継手部材１４から延びるシャフト１２が作動角をとりながら回転する動作時において、継手内部の摺動部位、つまり、外側継手部材１３、内側継手部材１４、ボール１５およびケージ１６で構成される摺動部位での潤滑性を確保するようにしている。

シール外環３０には、シャフト１２が挿通される孔３９が形成されている。この孔３９は、シャフト１２が作動角をとることができるように、反シャフト側からシャフト側へ向けて拡開するテーパ状をなす（図２参照）。

図３は、図１の等速自在継手１１が最大作動角β（例えば、β＝８°）をとった状態を示す。図３に示すように、シャフト１２が最大作動角βをとった状態でシール外環３０の孔３９と干渉しないように、孔３９のテーパ角度γを、例えば８．５°としている。つまり、孔３９のテーパ角度γは、等速自在継手１１の最大作動角βよりも大きくなるように設定している。

また、図１に示すように、シール外環３０の孔３９の内周には、シール内環２９の凸球面３１とシール外環３０の凹円錐面３３との間の隙間３６から漏洩した潤滑剤を貯留させるための収容部である環状凹部４０が設けられている。この環状凹部４０には、貯留された余剰の潤滑剤を抜くためのドレンボルト４１が設けられている。

ロール駆動力伝達装置の運転を再開する際には、外側継手部材１３の内部空間およびシール外環３０の環状凹部４０に余剰の潤滑剤が存在する可能性がある。このような余剰の潤滑剤は、シール外環３０のドレンボルト４１を外すことにより抜くことが可能である。なお、図１は、シール外環３０の環状凹部４０に余剰の潤滑剤が存在している状態を示している。

シール部２８は、シール内環２９の凸球面３１とシール外環３０の凹円錐面３３とが非接触のラビリンスシール構造である。このことから、高作動角および高速回転の使用条件であっても、シール内環２９の凸球面３１およびシール外環３０の凹円錐面３３の温度上昇（発熱）や摩耗がなく、シール内環２９とシール外環３０との焼き付けがない。

その結果、劣化によるシール内環２９およびシール外環３０の破損を防止でき、シール部２８のシール性能および耐久性能を確保することができる。

また、シール外環３０の孔３９に環状凹部４０を設けていることから、継手回転による撹拌作用で、シール内環２９とシール外環３０との間の隙間３６から漏洩する余剰の潤滑剤を環状凹部４０に貯留させることができる。さらに、この環状凹部４０への潤滑剤の貯留により、周辺機器に潤滑剤が飛散することを防止できる。

このシール部２８は、シール内環２９とシール外環３０との間に隙間３６を有する非接触シール構造であるが、継手の回転数が高いほど遠心力により潤滑剤が外側継手部材１３の内部空間およびシール外環３０の環状凹部４０で外径側に偏る（図１および図３の散点模様部分参照）。

そのため、シール内環２９とシール外環３０との間の隙間３６からの潤滑剤の流出量が僅かであり、長時間の使用により外側継手部材１３とボール１５との接触点近傍まで潤滑剤が残存することで、シール部２８による密閉性を確保することができる。

本発明は前述した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、さらに種々なる形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。

１１ 等速自在継手
１２ 軸部材（シャフト）
１３ 外側継手部材
１４ 内側継手部材
１５ トルク伝達部材（ボール）
２８ シール部
２９ 内環部材
３０ 外環部材
３１ 内環部材の外周面（凸球面）
３３ 外環部材の内周面（凹円錐面）
３６ 隙間
４０ 収容部（環状凹部）

Claims (4)

1. 外側継手部材と、前記外側継手部材との間でトルク伝達部材を介して角度変位を許容しながらトルクを伝達する内側継手部材とを備え、前記外側継手部材の内部に潤滑剤を封入し、前記内側継手部材から延びる軸部材と前記外側継手部材との間にシール部を設けた等速自在継手であって、
   前記シール部は、前記軸部材に固定された内環部材と、前記外側継手部材に固定された外環部材とで構成され、前記内環部材の外周面と前記外環部材の内周面とを対向配置し、前記内環部材の外周面と前記外環部材の内周面との間に隙間を設けたことを特徴とする等速自在継手。
2. 前記内環部材の外周面と前記外環部材の内周面との間の前記隙間から漏洩した前記潤滑剤を貯留させるための収容部を前記外環部材に設けた請求項１に記載の等速自在継手。
3. 前記外環部材は、前記収容部に貯留した潤滑剤を排出するためのドレンボルトを有する請求項２に記載の等速自在継手。
4. 前記外側継手部材の内部空間へ潤滑剤を充填するためのプラグを前記外環部材に設けた請求項１〜３のいずれか一項に記載の等速自在継手。

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