JP2021055735A - 嵌合構造 - Google Patents
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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。
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。
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tB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tB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tB、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tB、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tB(mm)、および嵌合壁部7の軸方向の長さLgr(mm)に関し、tB<tA/4、およびLgr>2tBを満たすことが好ましい。tA(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
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(tA、tB)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。
Lgr:tA:tB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、Lgr:tA:tB=16:8:1のとき、すなわち、tA:tB=8:1のとき、およびLgr:tA:tB=16:8:2のとき、すなわち、tA:tB=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、tA:tB=8:4など、tB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、tB<tA/4を満たすことが好ましい。
また、図6からわかるように、Lgr:tA:tB=16:8:1〜16:8:7、すなわち、Lgr:tB=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、Lgr>2tBを満たすことが好ましい。
以上より、tB<tA/4、およびLgr>2tB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
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 (4)
- 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tA(mm)、前記嵌合壁部の先端の厚みをtB(mm)、前記嵌合壁部の前記軸方向の長さをLgr(mm)としたとき、tB<tA/4、およびLgr>2tB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。
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JP2019178621A JP2021055735A (ja) | 2019-09-30 | 2019-09-30 | 嵌合構造 |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
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