JP2021511472A - シャフトカップリング - Google Patents

Abstract

本発明は、第１の端部１−１で軸受によって支持された第１のシャフト１と、第２の端部２−２で軸受によって支持された第２のシャフト２とを備えるシャフトカップリングに関する。第１のシャフト１および第２のシャフト２は、第１のシャフト１の第２の端部１−２が第２のシャフト２の第１の端部２−１に当たるように同軸に配置される。第１のシャフト１の第２の端部１−２の端面には、凹部６があり、第１のシャフト２の第１の端部２−１の端面から突起部７が突出している。凹部６は、突起部７を受け入れる。シャフトカップリングは、１つの第３の軸受８と、第１のシャフト１の第２の端部１−２および第２のシャフトの第１の端部２−１を受け入れるカプラ９のみで構成されている。そのような解決策では、結合点の構造に過負荷をかけることなく、シャフト間のより大きな半径方向の誤差が許容される。

Description

本発明は、シャフトカップリングにおける動力伝達に関する。

シャフトを動力伝達として互いに同軸に接続し、軸受が第１および第２のシャフトの第１および第２の端部に配置されること、すなわち、カップリングが合計４つの軸受を備えることは以前から知られている。

前述の解決策の問題は、シャフトの取り付けによるシャフト間の半径方向の誤差が、シャフトの結合点の構造に大きな負荷をかける可能性があることである。

本発明の目的は、前述の問題を解決することを可能にする装置を開発することである。本発明の目的は、独立請求項に開示されていることを特徴とする装置によって達成される。本発明の好ましい実施形態は、従属請求項に開示されている。

上記の目的は、第１の端部と第２の端部を有する第１のシャフトと、第１の端部の近くに配置された第１の軸受とを備えるシャフトカップリングによって達成され、本発明は、第１の端部および第２の端部を有する第２のシャフトと、第２の端部の近くに配置された第２の軸受とをさらに備える。前記第１のシャフトおよび第２のシャフトは、第１のシャフトの第２の端部が第２のシャフトの第１の端部に当たるように同軸に配置される。

前記第１シャフトの第２の端部の端面には、凹部があり、第２シャフトの第１の端部の端面から突出する突起部があり、前記凹部は、前記突起部を受けて、突起部の側面と凹部の側面とが対向する。突起部の側面または凹部の側面、または前記合わせ面の両方は、第１のシャフトおよび第２のシャフトの軸方向に湾曲した形状である。

第１および第２のシャフトを支持するために、シャフトカップリングは、前記第１の軸受および第２の軸受に加えて、第１のシャフトおよび第２のシャフトの結合点の近くに配置された１つの第３の軸受のみを備える。

シャフトカップリングはさらに、第１のシャフトの第２の端部および第２のシャフトの第１の端部を受け入れ、これらを互いに回転不能に接続して、前記第１および第２のシャフト間で動力を伝達するカプラを備える。

このようなシャフトカップリングでは、シャフト間の半径方向の誤差を大きくすることができる。すなわち、シャフトの結合点の構造に大きな余分な負荷がかかることなく、シャフトを既知の解決策のように正確に直線にする必要がない。

次に、添付の図面を参照しながら、好ましい実施形態に関連して本発明をより詳細に説明する。

本発明の第１の実施形態の断面図である。 図１の実施形態の拡大断面図である。 第１の軸、第２の軸、カプラの歯車の概念図である。

図１は、例として、シャフトカップリングの第１の実施形態の全体図を示す。図１を参照すると、問題の実施形態は、第１の端部１−１および第２の端部１−２を有する第１のシャフト１と、第１の端部１−１の近くに配置された第１の軸受３とを備える。シャフトカップリングはさらに、第１の端部２−１および第２の端部２−２を有する第２のシャフト２と、第２の端部２−２の近くに配置された第２の軸受４とを備える。前記第１のシャフト１および第２のシャフト２は、同軸に配置され、言い換えれば、両方のシャフトの中心線は、同じ軸５上にある。シャフトはさらに、第１のシャフト１の第２の端部１−２が第２のシャフト２の第１の端部２−１に当たるように配置される。例として図１に示されるように、第１のシャフト１は、モータシャフトであり得、第２のシャフト２は、歯車シャフトであり得る。

前記第１の軸受３および第２の軸受４に加えて、シャフトカップリングは、第１のシャフト１および第２のシャフト２を支持するために、第１のシャフト１および第２のシャフト２の結合点の近くに配置された１つの第３の軸受８のみを備える。図１の実施形態では、前記第３の軸受８は、歯車側で第２のシャフト２の第１の端部２−１の近くに配置される。したがって、シャフトカップリング全体には、シャフトを支持するための軸受が３つしかない。

図２は、図１の実施形態の拡大断面図である。図２は、第１のシャフト１の第２の端部１−２の端面に凹部６があり、第２のシャフトの第１の端部２−１の端面から突出する突起部７があることを示す。前記凹部６は、前記突起部７を受容し、その結果、突起部の側面と凹部の側面とが互いに対向する。前記突起部７の側面または凹部６の側面、または前記合わせ面の両方は、第１のシャフト１および第２のシャフト２の軸方向に湾曲した形状である。この問題の例では、前記突起７は、樽形状であり、前記凹部６の側面は、組み立て時に第１のシャフト１と第２のシャフト２が軸方向に一致することを考慮して、突起部７の側面の形状と一致する形状である。ここでいう「樽形状」とは、突起部の径が中心部で最も大きく、軸部を中心部から遠ざかると突起部７の径が小さくなることを意味する。

一例によれば、突出部７は樽形状に作られ、凹部６は真っ直ぐな円柱に作られる。重要なことは、突起部７と凹部６の相互の形状を選択することである。これは、第１シャフト１と第２シャフト２が半径方向に相互に支持されることである。しかしながら、シャフトの長手方向の軸間にわずかな角度誤差があったとしても、これらのシャフトは、支持されている場合、相互の設定を維持する。

図２はさらに、シャフトカップリングがカプラ９を備えることを示している。前記カプラ９は、第１のシャフト１の第２の端部１−２および第２のシャフト２の第１の端部２−１を受け取り、これらを互いに回転不能に接続して、前記第１のシャフト１と第２のシャフト２との間で動力を伝達する。

図２の実施形態では、前記カプラ９は、第１のシャフト１の第２の端部１−２および第２のシャフト２の第１の端部２−１を取り囲んでいる。第１のシャフト１の第２の端部１−２の外面は、それらの相互回転を防止するためにカプラ９の内面の対応物として形作られ、同様に、第２のシャフトの第１の端部２−１の外面は、それらの相互回転を防止するために、カプラ９の内面の対応物として形成されている。カプラ９は、第１のシャフト１と第２のシャフト２との間に溝／シャフトカップリングを形成する。

図２に示される第１のシャフトカップリングの特徴は、カプラ９が第１シャフト１と第２シャフト２との間でトルクを伝達することである。すなわち、シャフトの相互回転が防止される。第１のシャフトの第２の端部１−２と第２のシャフトの第１の端部２−１との間のギャップの特徴は、それらの嵌合により、突起部７および凹部６に関する限り、半径方向の変位が防止されることである。

通常、このようなシャフトカップリングは４つの軸受で構成される。しかしながら、図１および２に示される実施形態では、第４の軸受は、必要とされない。第１シャフト１の第２の端部１−２と第２シャフト２の第１の端部２−１の形状とともに３つの軸受の支持構成は、前記カプラおよび／または軸受が各回転で過度の負荷を受けることなく、シャフト間のわずかに大きな半径方向誤差を可能にする。これは、次に、装置の耐用年数を延ばし、ダウンタイムを削減し、シャフトの調整作業の量を削減する。図２の実施形態では、第１のシャフトと第２のシャフト２との間のカップリングは、シャフトカップリングの気密性を確保するために、第１のＯリング１０および第２のＯリング１１をさらに備える。第１のＯリング１０は、第１のシャフト１の第２の端部１−２の近くに配置され、第２のＯリング１１は、第２のシャフト２の第１の端部２−１の近くに配置される。さらに、カップリングは、第１のシャフト１と第２のシャフト２との間に保持リング１２を備える。

第１のシャフト１および第２のシャフト２の軸受において、そのような軸受の１つは、軸方向荷重を受ける両方のために予約されている。したがって、シャフトカップリングは、大きな軸力を受けない。シャフトカップリングは、軸方向の隙間が小さいため、第１のシャフトの第２の端部１−２と第２シャフトの第１の端部との間の小さな軸方向移動が可能である。この小さな隙間は、シャフトの製造公差、取り付け精度、熱運動などに対応する。組み立て後、シャフトの面の間には、軸方向の隙間が残る。これは、止めリングの厚さよりわずかに大きくなる。このようにして、シャフトは、面のせん断リングによっても互いに接触しない。目標は、シャフトが、円筒形または樽形状、突起部および凹部の側面などのほぼ円筒形でのみ互いに接触することである。

前記Ｏリングにより、閉鎖されたグリースチャンバが結合領域に密封される。組み立て中、グリースの潤滑を調整するために、グリースチャンバにワセリンが提供される。第１のシャフト１の第２の端部１−２と第２のシャフト２の第１の端部２−１との間には、保持リング１２が配置され、その役割は、カプラ９の軸方向の位置を確保して、カプラ９が軸方向にＯリングまでずっと移動せず、剪断の可能性がＯリングにさらされないようにすることである。保持リング１２は、カプラ９の組み立て中に、環状溝１３がカプラ９の内面に内部的に回転切削された内リングである。溝１３の深さはわずかに内部歯車に達しているが、溝１３のプロファイルは、内側から外側に向かって、アキシャル歯車の溝の底部まで延びるほど深くは延びていない。

図３は、一例としての第１のシャフト１、第２のシャフト２、およびカプラ９の歯車の概念図である。図３は縮尺通りではなく、示される部品は、図示されるものとは異なる場合がある。図３の例では、第１のシャフト１の第２の端部１−２は、第１の歯車１４を備え、第２のシャフトの第１の端部２−１は、第２の歯車を備え、カプラ９の内面は、第３の歯車１６を備える。さらに、図３には、第３の歯車１６を示すために、カプラ９の断面が示されている。シャフト間の潜在的な角度誤差に関しては、直結歯車の代わりに、歯車１４、１５の少なくとも１つで、わずかに樽形状の歯車が製造されるように、カップリングにいくらか許容差を設けることが可能である。

カプラに接続されたカップリングの利点は、回転に関してバランスがとれていない平行キーで配置されたカップリングとは異なり、回転に関してバランスが取れていることである。カプラに接続されたカップリングの特定の利点は、カップリングのシャフトがより高い回転範囲で回転できることである。例えば、シャフトがクロークラッチによって連結されており、その回転が４５００ＲＰＭで８０〜１００ｍｍの範囲のシャフト直径で損傷を引き起こした解決策が以前から知られている。独立請求項に係る解決策とシャフトカップリングは、９０００ＲＰＭの速度範囲で正常に機能する。

カプラは、ブローチ加工により有利に製造され、それにより、内部軸方向歯車が達成され得る。ブローチ加工では、長い工具がカプラを介して引っ張られ、これは、必要な歯車を、有利には、ワンプルで削る。ツールは、歯車の形状であるが、ツールの歯車は、カプラ歯車のネガである。台形歯車が３０度のフランク角を有することは、歯車に共通である。

モータシャフトと歯車シャフトのシャフトカップリングでは、モータ側と歯車側の両方で、結合点に関連してフランジを配置することが以前から知られており、その内側にモータシャフトの第２の端部と歯車シャフトの第１の端部の近くにある軸受が配置されている。しかしながら、図１の実施形態は、第３の軸受８を備える１つのフランジ１７のみを備える。前記フランジ１７は、第２のシャフト２の第１の端部２−１の近くの歯車側にのみ配置され、したがって、モータ側には全くフランジがない。あるいは、前記フランジをモータ側にも配置することができ、それにより、第３の軸受が第１のシャフトの第２の端部の近くに配置され、それに応じて、歯車は、全くフランジを備えない。第２のフランジを取り除くと、シャフトカップリングの全体の寸法が短くなり、スペースが節約されるため、有利である。

開示された第１の実施形態では、第１のシャフトはモータシャフトであり、第２のシャフトは、歯車シャフトであると仮定される。あるいは、第１のシャフトは、歯車シャフトであり得、第２のシャフトはモータシャフトであり得る。図はまた、シャフトの結合点がモータ側にあることを示している。しかしながら、結合点は、歯車側にも配置できる。さらに、前記実施形態では、カプラは、第１のシャフトおよび第２のシャフトの結合点を取り囲むように配置される。あるいは、カプラは、前記シャフトを部分的にのみ囲んでもよいし、またはシャフトの間にあってもよい。

軸受の最も有利な位置決め方法は、２つの軸受を歯車側に配置し、１つを電気モータに配置する方法である。このような場合、シャフトを相互接続してシャフトカップリングを配置することによって生じる潜在的な誤差は、カップリングに対してモータシャフトの外端側、すなわち、エアギャップ端側に形成される。このようにして、誤差の影響があまり問題にならないポイントにシフトする場合がある。

別の方法は、２つの軸受を電気モータに配置し、１つをシャフトカップリングの近くの歯車に配置することである。シャフト位置の潜在的な誤差は、シャフトカップリングからさらに離れた歯車に移動する。ここで、歯車シャフトで、シャフトカップリングとの関係で、歯車が噛み合っている可能性があるが、噛み合った歯車には非常に大きな偏差は形成されない。これは、歯車の問題のシャフトの小さな変位（すなわち、誤差）が比較的遠く、すなわち、シャフトカップリング端側にあるためである。

モータと歯車を組み立てるとき、異なる直径の相互配置は、部品が軸方向に互いに近づけられたときに段階的に組み立てられるように設計されている。軸方向では、カプラは、シャフトのいずれかの端部に適合され、シャフトが結合され、最後に電気モータと歯車のフランジ接続が相互に接続される。

シャフトの典型的な材料は、最も硬い材料が歯車のシャフトにあるように選択され、これは、例えば、浸炭鋼であってもよい。第２の硬い材料は、電気モータのシャフト内にあり、これは、例えば、４２ＣｒＭｏ４などの焼戻し鋼とすることができる。カプラは、構造用鋼などの軟鋼から作られている。

第１のシャフトの第２の端部と第２のシャフトの第１の端部との間に相互支持が配置され、その支持は、既知のように合計４つの軸受を使用する従来の技術的解決策における１つの軸受の代わりになり得る。そこで、独立請求項１に係るシャフトカップリングでは、軸受の個数を４個から３個に減らし、構造は、１つの相互支持によって補足される３個の軸受を使用する。独立請求項に係る解決策は、シャフトの中心間結合をさらに目的としており、この結合は、シャフトの結合における３つの自由度を次のように考慮している。
−軸方向の移動（対応して、軸方向の力）は、小規模では許可されるが、大規模では構造に形成された障害物またはカラーによって防止される。
−半径方向の動き（対応して、半径方向の力）は、突起部の側面と凹部の側面によって制限されるように制限される。
−回転運動（対応して、トルク）は、第１シャフトと第２シャフトを互いに回転不能に接続するカプラによって制限される。

独立請求項１に係るシャフトカップリングは、少なくとも１０〜３０ｍｍのサイズ範囲の軸に適用される。問題のシャフトカップリングを使用して、動力伝達の２つのシャフトは、それらの間の角度誤差または半径方向誤差の影響が実質的に排除されるように、互いに結合されてもよい。軸径が２０ｍｍ未満のサイズ範囲などの従来技術の解決策では、０．０５ｍｍ未満の半径方向誤差を実現できる。半径方向誤差が０．１ｍｍの範囲では、カップリングジョイントに大きなひずみが発生するため、動力伝達が比較的短時間で失敗する。当業者は、技術が進歩するにつれて、本発明の基本的なアイデアが多くの異なる方法で実施され得ることを明らかにするであろう。したがって、シャフトカップリングおよびその実施形態は、上記の例に限定されず、請求の範囲内で変化し得る。

Claims (11)

1. シャフトカップリングであって、
   第１の端部（１−１）および第２の端部（１−２）を有する第１のシャフト（１）、および第１の端部（１−１）の近くに配置された第１の軸受（３）と、
   第１の端部（２−１）および第２の端部（２−２）を有する第２のシャフト（２）、および第２の端部（２−２）の近くに配置された第２の軸受（４）と、前記第１のシャフト（１）および第２のシャフト（２）は、第１のシャフト（１）の第２の端部（１−２）が第２のシャフト（２）の第１の端部（２−１）に当たるように同軸に配置され、
   前記第１シャフト（１）の第２の端部（１−２）の端面に凹部（６）があり、前記第２のシャフト（２）の第１の端部（２−１）の端面から突出した突起部（７）があり、前記凹部（６）は、前記突起部（７）の側面と前記凹部（６）の側面とが互いに向かい合うように前記突起部（７）を受け入れ、
   前記突起部（７）の側面または前記凹部（６）の側面、または前記合わせ面の両方は、第１のシャフト（１）および第２のシャフト（２）の軸方向に湾曲した形状であり、
   前記第１の軸受（３）および第２の軸受（４）に加えて、第１のシャフト（１）および第２のシャフト（２）を支持するために、シャフトカップリングは、第１のシャフト（１）と第２のシャフト（２）の結合点の近くに配置された１つの第３の軸受（８）のみを備え、
   シャフトカップリングは、第１のシャフト（１）の第２の端部（１−２）および第２のシャフト（２）の第１の端部（２−１）を受け取り、これらを互いに回転不能に接続するカプラ（９）をさらに備え、前記第１のシャフト（１）と第２のシャフト（２）との間で動力を伝達することを特徴とする、シャフトカップリング。
2. 前記第３の軸受（８）は、第１のシャフト（１）の第２の端部（１−２）の近くに配置されることを特徴とする、請求項１に記載のシャフトカップリング。
3. 前記第３の軸受（８）は、第２のシャフト（２）の第１の端部（２−１）の近くに配置されることを特徴とする、請求項１に記載のシャフトカップリング。
4. 第１のシャフト（１）の第２の端部（１−２）の外面は、カプラ（９）の内面の対応物として形作られ、それらの相互回転を防止し、
   第２のシャフト（２）の第１の端部（２−１）の外面は、カプラ（９）の内面の対応物として形成され、それらの相互回転を防止することを特徴とする、請求項１ないし３のうちいずれか１項に記載のシャフトカップリング。
5. 前記カプラ（９）は、第１のシャフト（１）および第２のシャフト（２）を少なくとも部分的に取り囲んでいることを特徴とする、請求項１ないし４のうちいずれか１項に記載のシャフトカップリング。
6. 第１のシャフト（１）と第２のシャフト（２）との間のカップリングは、シャフトカップリングの気密性を確保するために、第１のＯリング（１０）および第２のＯリング（１１）をさらに備えることを特徴とする、請求項１ないし５のうちいずれか１項に記載のシャフトカップリング。
7. 第１のＯリング（１０）は、第１のシャフト（１）の第２の端部（１−２）の近くに配置され、第２のＯリング（１１）は、第２のシャフト（１）の第１の端部（２−１）の近くに配置されることを特徴とする請求項６に記載のシャフトカップリング。
8. シャフトカップリングは、第１のシャフト（１）と第２のシャフト（２）との間に保持リング（１２）を備えることを特徴とする、請求項１ないし７のうちいずれか１項に記載のシャフトカップリング。
9. 第１のシャフト（１）は、モータシャフトであり、第２のシャフト（２）は、歯車シャフトであることを特徴とする、請求項１ないし８のうちいずれか１項に記載のシャフトカップリング。
10. 第１のシャフト（１）は、歯車シャフトであり、第２のシャフト（２）は、モータシャフトであることを特徴とする、請求項１ないし９のうちいずれか１項に記載のシャフトカップリング。
11. 第１のシャフト（１）の第２の端部（１−２）、第２のシャフト（２）の第１の端部（２−１）、およびカプラ（９）の内面は、歯車を備えていることを特徴とする、請求項１ないし１０のうちいずれか１項に記載のシャフトカップリング。

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