JP2021055735A

JP2021055735A - 嵌合構造

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Publication number: JP2021055735A
Application number: JP2019178621A
Authority: JP
Inventors: 康平貝ヶ石; Kohei Kaigaishi; 恭平河本; Kyohei Kawamoto; 保人片岡; Yasuto Kataoka
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2019-09-30
Filing date: 2019-09-30
Publication date: 2021-04-08

Abstract

【課題】段付部曲面の応力集中部の影響と、軸部材と筒状部材との接触端部（応力集中部）の影響とが重畳することを防止できるとともに、軸部材と筒状部材との接触面圧を低減することができる軸部材と筒状部材との嵌合構造を提供すること。【解決手段】筒状部材２の軸方向の端面２ｂであって、筒状部材２の内側に、当該軸方向に凹んだ溝６が全周にわたって形成される。筒状部材２は、軸部材１の軸本体部３が挿通される挿通孔２ａの一部を内周面７ａが構成し、外周面７ｂが溝６の内壁面の一部を構成する筒状の嵌合壁部７を有する。軸本体部３の直径をｄ（ｍｍ）、嵌合壁部７の先端と曲面部５の軸本体部側の末端Ｐ２との間の軸方向の距離をＬａ（ｍｍ）としたとき、Ｌａ＞０．４１４ｄを満たす。【選択図】図１

Description

本発明は、軸部材と筒状部材との嵌合構造に関する。

特許文献１の第１図、第２図に示されているように、一般に、軸部材の段付部にはＲ加工が施される。また、軸部材に嵌合されるリング部材の孔の角部は面取りされる。Ｒ加工部の末端は応力が集中する応力集中部であり、軸部材とリング部材との接触端部（嵌合端部）は、フレッティング疲労が発生し易い応力集中部である。

特許文献１に記載の発明では、推力軸受カラーにおける４５度の角度の面取り部分の軸方向高さが、段付部曲部（Ｒ加工部）の曲率半径よりも大きくされることで、Ｒ加工部の応力集中部と、上記接触端部（応力集中部）とが離されている。この構成により、車軸折損の危険性を軽減することができるとのことである。

特公昭５３−１２０１０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の発明には次のような問題がある。特許文献１に記載の発明では、Ｒ加工部の応力集中部、および軸部材とリング部材との接触端部（応力集中部）という双方の応力集中部の影響が互いに干渉しなくなるまで、双方の応力集中部を離すことができているとは言えない。さらには、上記接触端部の位置におけるリング部材の厚みが大きいため、軸部材とリング部材との接触面圧が変わらず、フレッティング疲労が起きやすいままである。

本発明の目的は、段付部曲面の応力集中部の影響と、軸部材と筒状部材との接触端部（応力集中部）の影響とが重畳することを防止できるとともに、軸部材と筒状部材との接触面圧を低減することができる軸部材と筒状部材との嵌合構造を提供することである。

本発明に係る嵌合構造は、軸本体部よりも大径の大径部を有する軸部材と、前記軸本体部が挿通される挿通孔を有する筒状部材との嵌合構造であって、前記軸本体部と前記大径部との段付部の外周面は全周にわたって曲面部とされており、前記筒状部材の軸方向の端面であって、当該筒状部材の内側に、当該軸方向に凹んだ溝が全周にわたって形成されている。前記筒状部材は、内周面が前記挿通孔の一部を構成し、外周面が前記溝の内壁面の一部を構成する筒状の嵌合壁部を有する。前記軸本体部の直径をｄ（ｍｍ）、前記嵌合壁部の先端と前記曲面部の前記軸本体部側の末端との間の前記軸方向の距離をＬａ（ｍｍ）としたとき、Ｌａ＞０．４１４ｄを満たす。

本発明によれば、段付部曲面の応力集中部の影響と、軸部材と筒状部材との接触端部（応力集中部）の影響とが重畳することを防止できるとともに、軸部材と筒状部材との接触面圧を低減することができる。

本発明の一実施形態に係る軸部材と筒状部材との嵌合構造を示す断面図である。軸部材および筒状部材の各部寸法を変化させて、両部材の嵌め合い計算（数値解析）を行った結果を示すグラフである。上記嵌め合い計算の結果を整理した一グラフである。軸部材に対してその軸方向に引張力を負荷した場合の軸部材の表面の応力分布の一例を示すグラフである。軸部材の各部寸法を変化させて、軸部材に対してその軸方向に引張力を負荷した場合の計算結果（数値解析結果）を整理した一グラフである。軸部材と２種類の厚みを有する筒状部材との接触面圧を数値解析によって求めた結果と、理論式による接触面圧の計算結果とを対比させて示すグラフである。

以下、本発明を実施するための形態について図を参照しつつ説明する。

図１に実施形態の一例を示すように、本発明は、軸本体部３よりも大径の大径部４を有する軸部材１と、軸本体部３が挿通される挿通孔２ａを有する筒状部材２との嵌合構造である。軸部材１は、例えば曲げ駆動や回転駆動されるものであり、筒状部材２は、例えばリング形状のカラーである。なお、筒状部材２は、例えば車体の車輪や車軸などにつける軸受カラーであってもよい。さらには、本発明の軸部材と筒状部材との勘合構造は、車体の車輪や車軸への適用に限定されるものではなく、その他の様々な軸体、例えば産業機械のロータ軸などにも適用することが可能である。

軸部材１のうち、軸本体部３と、軸本体部３よりも大径の大径部４との間であって、径が変化する部位には、段付部がある。図１に示すように、軸部材１を構成する軸本体部３と大径部４との段付部の外周面は全周にわたって曲面部５とされている。曲面部５は、例えば曲率：１／ＲのＲ加工が施されたＲ加工部である。なお、曲面部５は、滑らかな凹の曲面部であればよい。また、筒状部材２の軸方向の端面２ｂと、軸部材１の大径部４の軸方向の端面４ａとは、図１に示すように、各々の一部の面において、互いに当接する。また、筒状部材２の軸方向の端面２ｂであって、筒状部材２の内側（筒状部材２の軸方向の端面２ｂと、軸部材１の大径部４の軸方向の端面４ａとが当接する部位よりも、軸部材１および筒状部材２の軸の中心に近い、内側）には、当該軸方向に凹んだ溝６が筒状部材２の全周にわたって形成されている。なお、この溝６は、筒状部材２の軸方向の端面２ｂであって、軸部材１の曲面部５に対向する部分の端面２ｂに形成されているとも言える。筒状部材２は、内周面７ａが上記挿通孔２ａの一部を構成し、外周面７ｂが溝６の内壁面の一部を構成する筒状の嵌合壁部７を有する。

本実施形態では、軸部材１と筒状部材２とは、軸部材１の軸本体部３において焼嵌めにより嵌合される。但し、嵌合方法は特に限定されず、冷やし嵌め、圧入などの嵌合方法で軸部材１と筒状部材２とが嵌合されてもよい。

ここで、本実施形態の嵌合構造では、軸部材１と筒状部材２との曲面部５側における接触端部Ｐ１（嵌合端部）の位置での筒状部材２の厚みｔ_Bは、上記溝６の存在により薄くなっている。そのため、フレッティング疲労の原因となる嵌合端部における接触面圧を低減することができ、その結果、フレッティング疲労の発生が抑制される。なお、上記厚みｔ_Bは、嵌合壁部７の先端の厚みでもある。

本件発明者らは、軸部材１と筒状部材２との上記接触端部Ｐ１（応力集中部）の影響と、段付部曲面である上記曲面部５の末端Ｐ２（応力集中部）の影響とが重畳することを防止するには、軸部材１の軸本体部３の直径をｄ（ｍｍ）、嵌合壁部７の先端（接触端部Ｐ１）と曲面部５の軸本体部３側の末端Ｐ２との間の軸方向の距離をＬａ（ｍｍ）としたときに、Ｌａ＞０．４１４ｄを満たせばよいことを究明した。以下、説明する。

まず、軸部材１と筒状部材２との接触端部Ｐ１（応力集中部）の影響を無視できる程度に緩和することができる距離Ｌｂ（ｍｍ）は、次の通りである。なお、距離Ｌｂは、図２中に示すように、嵌合壁部７の先端（接触端部Ｐ１）から曲面部５の上記末端Ｐ２側への軸方向の距離のことである。

図２は、軸部材１および筒状部材２の各部寸法を変化させて、両部材の嵌め合い計算（数値解析）を行った結果を示すグラフである。変化させた上記各部寸法は、嵌合壁部７の先端の厚みｔ_B、軸本体部３の直径ｄ、および軸本体部３と筒状部材２との焼き嵌め代δである。

図２に示すグラフの横軸は、軸本体部３（筒状部材２）の長手方向（軸方向）の位置であり、縦軸は、径方向の応力である。グラフの横軸の原点０は、軸部材１と筒状部材２との接触端部Ｐ１である。

図２からわかるように、接触端部Ｐ１に応力特異場があり、接触端部Ｐ１からその図２の右方へ離れるほど応力は低減する。各条件（Ａ１〜Ｃ３）における応力の最大値σｍａｘが１／１０に低減する距離を、上記距離Ｌｂとし算出した。算出した距離Ｌｂは、上記厚みｔ_B、焼き嵌め代δに関係なく、図３に示すように、軸本体部３の直径ｄと一対一の関係にあり、且つこの直径ｄにのみ比例することがわかった。縦軸に距離Ｌｂ（ｍｍ）、横軸に直径ｄ（ｍｍ）をとったとき、直線の傾きは、０．４１４であり、この直線は、ほぼ原点を通る直線であった。

したがって、Ｌａ＞０．４１４ｄを満たせば、曲面部５の末端Ｐ２（応力集中部）への、接触端部Ｐ１（応力集中部）の影響を無視できる程度に緩和することができる。

次に、曲面部５の末端Ｐ２（応力集中部）の影響を無視できる程度に緩和することができる距離Ｌｃ（ｍｍ）は、次の通りである。なお、距離Ｌｃは、図４中に示すように、曲面部５の末端Ｐ２から嵌合壁部７の先端（接触端部Ｐ１）側への軸方向の距離のことである。

図４は、軸部材１に対してその軸方向に引張力を負荷した場合の軸部材１の表面の応力分布の一例を示すグラフである。

図４に示すグラフの横軸は、軸部材１の長手方向（軸方向）の位置であり、縦軸は、軸部材１の表面の応力である。グラフの横軸の原点０は、曲面部５の末端Ｐ２である。図４中に示すσｒは、径方向の応力であり、σｘは、長手方向の応力であり、τｒｘは、せん断応力であり、σθは、周方向の応力である。

軸部材１の各部寸法を変化させて、軸部材１に対してその軸方向に引張力を負荷した場合の軸部材１の表面の応力（σｒ、σｘ、τｒｘ、σθ）の分布を計算（数値解析）した。変化させた上記各部寸法は、軸本体部３の直径ｄ、曲面部５の曲率（１／Ｒ）、および大径部４の直径Ｄである。

曲面部５の表面の応力の最大値をσｍａｘ、平滑部（軸本体部３の表面）の応力をσ０としたとき、Δσ＝σｍａｘ−σ０が、σｍａｘの１／１０となる距離を、上記距離Ｌｃとし算出した。算出した距離Ｌｃは、上記曲率（１／Ｒ）、直径Ｄに関係なく、図５に示すように、軸本体部３の直径ｄと一対一の関係にあり、且つこの直径ｄにのみ比例することがわかった。縦軸に距離Ｌｃ（ｍｍ）、横軸に直径ｄ（ｍｍ）をとったとき、直線の傾きは、０．１１６であり、この直線は、原点を通る直線であった。

したがって、Ｌａ＞０．１１６ｄを満たせば、接触端部Ｐ１（応力集中部）への曲面部５の末端Ｐ２（応力集中部）の影響を無視できる程度に緩和することができる。

以上より、軸部材１と筒状部材２との接触端部Ｐ１（応力集中部）の影響と、段付部曲面である曲面部５の末端Ｐ２（応力集中部）の影響とが重畳することを防止するには、条件が厳しい方であるＬａ＞０．４１４ｄを満たせばよい。

ここで、筒状部材２の溝６を形成する嵌合壁部７の先端の厚みｔ_B（ｍｍ）、および嵌合壁部７の軸方向の長さＬ_gr（ｍｍ）に関し、ｔ_B＜ｔ_A／４、およびＬ_gr＞２ｔ_Bを満たすことが好ましい。ｔ_A（ｍｍ）は、筒状部材２の最大外径と挿通孔２ａの孔径との差の１／２のことである。なお、本実施形態の筒状部材２は、前記のとおりリング形状のカラーである。このカラーは外径が一定なので、最大外径＝外径である。一方、筒状部材２が、その外周の形状が長手方向（軸方向）に沿って変化するものである場合には外径が一定ではない。その場合でも、筒状部材２が回転したときの円の軌跡の直径が、筒状部材２の最大外径ということになる。

軸部材１と筒状部材２との焼嵌面圧Ｐ（接触面圧）は、軸部材１および筒状部材２を２次元の焼嵌め体として扱うと、次式の理論式から求めることが可能である。

Ｐ＝Ｅδ／２ａ（１−（ａ／ｂ）²）・・・・・・・・・・・・・・（式１）
Ｅ：ヤング率
δ：焼き嵌め代
ａ：軸径（軸本体部３の直径）
ｂ：筒状部材２の外径

本実施形態の筒状部材２のように、筒状部材２の全周にわたって溝６を設けた場合、外径ｂを軸径ａに近づけることになり、焼嵌面圧Ｐ（接触面圧）が低減する。しかしながら、溝６の各部寸法次第では、軸部材１および筒状部材２を２次元の焼嵌め体として扱うことができず、上記（式１）の理論式が成立しないため、焼嵌面圧（接触面圧）のより確実な低減効果を期待できない。そこで、軸部材と２種類の厚み（ｔ_A、ｔ_B）を有する筒状部材との接触面圧を数値解析で求めて、（式１）の理論式が成立する範囲を求めた。

図６は、軸部材と２種類の厚みを有する筒状部材との接触面圧を数値解析によって求めた結果と、理論式による接触面圧の計算結果とを対比させて示すグラフである。

図６に示すグラフの横軸は、軸部材の長手方向（軸方向）の距離（位置）であり、縦軸は、径方向の応力である。グラフの横軸の目盛は、グラフの上方に示す軸部材・筒状部材の長手方向（軸方向）の距離（位置）に対応する。

Ｌ_gr：ｔ_A：ｔ_Bを、１６：８：１、１６：８：２、１６：８：４、１６：８：６、１６：８：７というように変化させて、数値解析、および（式１）による理論計算をそれぞれ行った。グラフ中の点線の直線は、嵌合壁部７部における（式１）の理論式による接触面圧の計算結果である。また、点線以外の線種で示す各曲線は、数値解析（有限要素解析）による接触面圧の計算結果である。

図６からわかるように、Ｌ_gr：ｔ_A：ｔ_B＝１６：８：１のとき、すなわち、ｔ_A：ｔ_B＝８：１のとき、およびＬ_gr：ｔ_A：ｔ_B＝１６：８：２のとき、すなわち、ｔ_A：ｔ_B＝８：２のときが、嵌合壁部７部において、（式１）の理論式から求めた接触面圧と、数値解析（有限要素解析）による接触面圧の計算結果とが、よりよく一致している。そして、ｔ_A：ｔ_B＝８：４など、ｔ_Bが大きくなっていくと、（式１）の理論式から求めた接触面圧と、数値解析（有限要素解析）による接触面圧の計算結果とがずれていく。

したがって、ｔ_B＜ｔ_A／４を満たすことが好ましい。

また、図６からわかるように、Ｌ_gr：ｔ_A：ｔ_B＝１６：８：１〜１６：８：７、すなわち、Ｌ_gr：ｔ_B＝１６：１〜１６：７の全ての条件において、数値解析結果は、嵌合壁部７部において（式１）の理論式から求めた接触面圧の値に収束している。

したがって、Ｌ_gr＞２ｔ_Bを満たすことが好ましい。

以上より、ｔ_B＜ｔ_A／４、およびＬ_gr＞２ｔ_Bを満たすことで、（式１）の理論式を用いることができ、（式１）の理論式を用いることができることで、焼嵌面圧（接触面圧）のより確実な低減効果を期待できる。その結果、接触端部Ｐ１の応力特異場をより低減することができる。

本実施形態では、図１に示すように、筒状部材２の軸方向の端面２ｂにおける溝６の直径Ｄｇが、軸部材１の大径部４の直径Ｄよりも小さくされている。

この構成によると、軸部材１と筒状部材２とを嵌合させるときに、筒状部材２の上記端面２ｂを、大径部４の軸方向の端面４ａに当接させることで、軸部材１の軸本体部３における筒状部材２の軸方向位置の位置決めを容易に行うことができる。

また、本実施形態では、嵌合壁部７の外周面７ｂが、嵌合壁部７の先端から軸方向に沿って遠ざかるほど径が大きくなるテーパ形状とされている。筒状部材２は、例えば鋳造品であり、溝６は鋳抜きで形成される。上記構成によると、外周面７ｂがテーパ形状とされることで鋳抜きを行い易く、溝６を有する筒状部材２を容易に製作することができる。

上記の実施形態は次のように変更可能である。

嵌合壁部７の外周面７ｂは、テーパ形状ではなく、筒状部材２の軸方向に平行な円筒形状の面とされてもよい。

筒状部材２は、鋳造により製作されてもよいし、切削加工により製作されてもよい。軸部材１についても同様である。

以上、本発明の実施形態について説明した。その他に、当業者が想定できる範囲で種々の変更を行うことは可能である。

１：軸部材
２：筒状部材
２ａ：挿通孔
２ｂ：端面
３：軸本体部
４：大径部
５：曲面部
６：溝
７：嵌合壁部
７ａ：内周面
７ｂ：外周面

Claims

軸本体部よりも大径の大径部を有する軸部材と、前記軸本体部が挿通される挿通孔を有する筒状部材との嵌合構造であって、
前記軸本体部と前記大径部との段付部の外周面は全周にわたって曲面部とされており、
前記筒状部材の軸方向の端面であって、当該筒状部材の内側に、当該軸方向に凹んだ溝が全周にわたって形成されており、
前記筒状部材は、内周面が前記挿通孔の一部を構成し、外周面が前記溝の内壁面の一部を構成する筒状の嵌合壁部を有し、
前記軸本体部の直径をｄ（ｍｍ）、前記嵌合壁部の先端と前記曲面部の前記軸本体部側の末端との間の前記軸方向の距離をＬａ（ｍｍ）としたとき、Ｌａ＞０．４１４ｄを満たす、嵌合構造。
請求項１に記載の嵌合構造において、
前記筒状部材の最大外径と前記挿通孔の孔径との差の１／２をｔ_A（ｍｍ）、前記嵌合壁部の先端の厚みをｔ_B（ｍｍ）、前記嵌合壁部の前記軸方向の長さをＬ_gr（ｍｍ）としたとき、ｔ_B＜ｔ_A／４、およびＬ_gr＞２ｔ_Bを満たす、嵌合構造。
請求項１または２に記載の嵌合構造において、
前記筒状部材の軸方向の前記端面における前記溝の直径が、前記大径部の直径よりも小さくされている、嵌合構造。
請求項１〜３のいずれかに記載の嵌合構造において、
前記嵌合壁部の前記外周面が、前記嵌合壁部の前記先端から前記軸方向に沿って遠ざかるほど径が大きくなるテーパ形状とされている、嵌合構造。