JP5382806B2

JP5382806B2 - エンジン試験装置用シャフトおよびその製造方法

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Publication number: JP5382806B2
Application number: JP2010019860A
Authority: JP
Inventors: 貴博鈴木
Original assignee: A&D Co Ltd
Current assignee: A&D Co Ltd
Priority date: 2010-02-01
Filing date: 2010-02-01
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2030-02-01
Also published as: JP2011158344A

Description

本発明はエンジン試験装置用シャフトおよびその製造方法に係り、特にエンジンベンチにおいてエンジンとダイナモメータとを連結し、動力を伝達するシャフト及びその製造方法に関する。

エンジン試験装置として、エンジンベンチが知られている。エンジンベンチは、供試エンジンが所定の性能を備えているかを評価する装置であり、供試エンジンは台上に取り付けられ、その出力軸がシャフトを介してダイナモメータに連結される。このダイナモメータでエンジンの出力軸の回転力を吸収しながら、トルクや回転数を計測することによって、エンジンの性能が測定・評価される。

このようなエンジンベンチでは、いずれかの回転数領域において共振現象が発生することが知られており、共振現象が発生すると、測定精度が低下したり、装置が損傷したりするおそれがある。このため、共振点（共振周波数）を使用範囲から外すように設計するのが一般的であり、たとえばエンジンベンチの場合、共振点を低くすることによってエンジンのアイドル回転以下に共振点を外すように設計を行っている。

ところで、２マス１バネ系の簡易モデルでは、共振周波数ｆ［Ｈｚ］を以下のように考えることができる。すなわち、慣性Ｊ１［ｋｇｍ^２］の物体と、慣性Ｊ２［ｋｇｍ^２］の物体とが、ねじり剛性Ｋ［Ｎｍ／ｒａｄ］のシャフトで連結される場合、共振周波数ｆは下式により求めることができる。

ｆ＝｛Ｋ（Ｊ１＋Ｊ２）／Ｊ１×Ｊ２｝^１／２／２π・・・（式１）
この（式１）から分かるように、共振周波数ｆは、慣性値Ｊ１、Ｊ２とねじり剛性Ｋの関係で成り立っており、ねじり剛性Ｋを変えることで、共振周波数ｆをコントロールすることができる。上述したエンジンベンチの場合、共振周波数ｆを低くするためには、シャフトのねじり剛性Ｋを低くすることが必要であり、特にエンジンほどの大きな力を伝達する機構の場合、ねじり剛性Ｋをかなり小さくする必要がある。また、エンジンほどの大きな力を伝達する機構の場合、シャフト自体に耐久性も求められる。よってエンジンベンチのシャフトには小さなねじり剛性Ｋと耐久性が求められる。

そこで、従来は、シャフトに取り付けた動力計の慣性値を大きくしたり、動力伝達部にラバーを用いたシャフトを使用したりしている。（たとえば特許文献１参照。）

特開2006-162486号公報

しかし、動力計の慣性値を大きくした場合、ダイナモの加速性能が低下するなど、計測器としての性能が低下するという問題がある。

一方、ラバーを用いた場合は、ラバーの特性が温度によって変化するため、制御性能が不安定になるという問題がある。また、ラバーエレメントのねじり剛性にはダイナミック特性とスタティック特性があるので数値を把握しにくいという問題や、ラバーには劣化現象があるので耐久性が低いという問題がある。

さらに、昨今の自動車業界からの要求として、高精度の制御性能が必要とされている。このような背景からシャフトに求められている性能は、ねじり剛性が小さく、且つ、シャフトのもつ特性が運転中の状況（温度や速度）によって変わらない性質が望まれている。

運転中の状況による変化が少ない材料としては、金属が挙げられる。すなわち、ラバーは機械的な動的性質と静的性質の差が大きいのに対して、金属は機械的な動的性質と静的性質の差が極めて小さいという特性がある。よって、シャフトを同一金属で作成することが考えられる。

ここで、金属シャフトのねじり剛性を数式により考察する。金属シャフトが円柱状の場合、直径をｄ、軸方向長さをｌとすると、ねじり剛性Ｋは下式で表される。

Ｋ＝Ｇπｄ^４／３２×ｌ・・・（式２）
一方、シャフトが円筒状の場合、内径をｄ１、外径をｄ２、軸方向の長さをｌとすると、ねじり剛性Ｋは下式で表される。

Ｋ＝Ｇπ（ｄ２^４−ｄｌ^４）／３２×ｌ・・・（式３）
これらの（式２）、（式３）を考察すると、径ｄ、ｄ２が４乗のオーダーでねじり剛性Ｋに作用するため、径ｄ、ｄ２を小さくすることが望まれる。しかし、径ｄ、ｄ２を小さくすると、シャフトの強度が低下するという問題が発生する。たとえば、最大せん断応力をτ、モーメントをＭｔとすると、円柱状シャフトの最大せん断応力τは以下の（式４）により、また、円筒状シャフトの最大せん断応力τは以下の（式５）により求まる。

τ＝１６×Ｍｔ／π×ｄ^３・・・（式４）
τ＝１６×Ｍｔ×ｄ２／π×（ｄ２^４−ｄ１^４）・・・（式５）
これらの（式４）、（式５）から分かるように、径ｄ、ｄ２を小さくすると、最大せん断応力τが小さくなり、強度が低下する。したがって、強度を考慮すると、シャフトの径ｄ、ｄ２をむやみに小さくすることはできない。

シャフトの強度を維持したまま、シャフトのねじり剛性を低下させる方法として、シャフトの全長を長くする方法が考えられる。しかし、設備上、シャフトを著しく長くすることは現実的ではない。

その他、シャフトを特異な形状とすることによって、シャフトの強度を維持したままシャフトのねじり剛性を低下させる方法が考えられる。しかし、その場合には、シャフトを複雑な形状に加工する必要がある。シャフトは一般的に硬質の金属材を選択することが多く、このため、加工が非常に難しく、特異な形状とすることが非現実的であるという問題があった。

本発明はこのような事情に鑑みて成されたものであり、十分な強度を確保しつつ、ねじり剛性の小さいエンジン試験用シャフトを提供することを目的とする。さらに、そのエンジン試験用シャフトを容易に製造することのできる製造方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は前記目的を達成するために、エンジンの出力軸と、該エンジンに負荷を与えるダイナモメータの回転軸とを連結し、前記出力軸と前記回転軸との間で動力を伝達するエンジン試験装置用シャフトにおいて、前記シャフトの両端に配置される一対の軸端部と、前記シャフトの中心軸を中心とする円周状に等間隔で配置されるとともに、前記一対の軸端部を連結する複数の同一形状の柱状部と、から成り、前記一対の軸端部と前記柱状部が一体であるとともに、前記複数の柱状部同士の間にはそれぞれ前記中心軸に連通する開口が形成されることを特徴とするエンジン試験装置用シャフトを提供する。

本発明によれば、複数の柱状部が同一形状であり、等しい角度間隔で配置されるので、各柱状部にかかる応力が均一になり、応力の偏りによる強度低下を防止することができる。また、本発明によれば、シャフト全体よりも径の小さい柱状部で連結されるので、ねじり剛性を低下させることができる。なお、このような形状のシャフトにおける強度とねじり剛性は、たとえば有限要素法を用いた解析方法で確認することができる。

請求項２に記載の発明は請求項１の発明において、前記複数の柱状部は板状に形成され、前記シャフトの径方向に沿ってまたは前記径方向と平行に配置されることを特徴とする。このような形状の柱状部は、円柱状または円筒状の金属材を外周面から内部に向けて切削加工することによって形成することができる。したがって、シャフトを容易に製造することができる。

請求項３に記載の発明は請求項１または２の発明において、前記軸端部と前記複数の柱状部は、円柱状または円筒状の金属材を切削加工することによって製造されることを特徴とする。本発明のように、円柱状または円筒状の金属材を切削加工して軸端部と柱状部を形成した場合、軸端部と柱状部との連結部分において熱による特性の変化が発生しにくい。すなわち、別部材から成る軸端部と柱状部を溶接や接着などで固定した場合には、熱によってひずみが発生したり、強度が低下したりするおそれがあるが、本発明はこれを防止することができる。金属材としては、十分な強度を有すること、柔軟な材質であること、軽量であることを考慮し、チタン合金、特にチタン６Ａｌ―４Ｖ合金（６０種）が好ましい。なお、本発明を換言すると、柱状部同士の間隙は、外周面からの切削加工により形成可能な形状であることを特徴とする、または、柱状部は、側面または側面の延長が全て外周面に交差することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は前記目的を達成するために、円柱状の金属材に対して、該金属材の外周面から該金属材の内部に向けて切削加工を繰り返し行うことによって、両端に配置される一対の軸端部と、前記金属材の中心軸を中心とする円周状に等間隔で配置され、前記一対の軸端部を連結する複数の同一形状の柱状部と、から成り、前記複数の柱状部同士の間にはそれぞれ前記中心軸に連通する開口が形成されるエンジン試験装置用シャフトを製造することを特徴とする。

本発明によれば、円柱状の金属材を切削加工することによって、一対の軸端部と複数の柱状部が一体のシャフトを製造することができる。このように製造したシャフトは、軸端部と柱状部との連結部において熱による特性の変化が発生しにくく、高い形状精度を得ることができる。また、本発明の製造方法によれば、切削加工によってシャフトを製造することができるので、たとえばチタン合金のような難加工材料を用いることができる。

請求項５に記載の発明は請求項４の発明において、前記切削加工は、前記金属材の外周面から前記金属材の中心軸を通って貫通するように行うことを特徴とする。本発明によれば、金属材を貫通するように切削加工を行うので、シャフトの中心軸を挟んで反対側の柱状部を同時に加工することができ、シャフト製造にかかる時間とコストを削減することができる。

請求項６に記載の発明は請求項４または５の発明において、前記切削加工は、前記金属材の径方向に対して傾斜した方向に行うことを特徴とする。本発明によれば、金属材の径方向に対して傾斜した方向に切削加工を行うので、柱状部の形状の自由度が高まり、たとえば柱状部の側面のうち外周面側の側面の面積を小さくすることによって、高い強度を維持することができる。

本発明によれば、一対の軸端部を複数の柱状部で連結した構成のシャフトとしたので、十分な強度を維持したまま、ねじり剛性を低下させることができる。また、本発明によれば、十分な強度でねじり剛性の低いシャフトを切削加工によって容易に製造することができる。

本実施の形態のシャフトが適用されたエンジンベンチの概略構成図本実施の形態のシャフトを示す斜視図図２のシャフトの断面図図２のシャフトの製造方法を示す説明図別形状のシャフトの説明図別形状のシャフトの説明図別形状のシャフトの説明図

以下、添付図面に従って、本発明に係るエンジン試験装置用シャフト及びその製造方法の好ましい実施形態について説明する。図１は、本実施の形態のエンジン試験装置用シャフト（以下、単にシャフトという）１が適用されたエンジンベンチ１０の概略構成図である。

同図に示すエンジンベンチ１０は、試験対象であるエンジン１１の性能を測定・評価する装置であり、主としてダイナモメータ２０、ダイナモメータ制御部３０、エンジン制御部３１、信号処理部４０、システム制御部５０で構成される。

エンジン１１は、保持機構を介して架台１２に固定される。エンジン１１の内部には燃焼室（不図示）が設けられ、この燃焼室に吸気管１３から空気が吸引され、燃焼室で燃焼された後、排気管１４から排気される。吸気管１３にはスロットル１５が設けられ、このスロットル１５によって空気の流入量が調節される。一方、排気管１４には触媒装着部１６が設けられ、この触媒装着部１６に装着された触媒によって排ガスが浄化される。

エンジン１１は、その出力軸がシャフト２１を介してダイナモメータ２０に接続される。シャフト２１は、後述するシャフト１などの複数の軸部材を連結して構成されており、その連結部分にはユニバーサルジョイント２２が介在される。エンジン１１とダイナモメータ２０との間には中間軸受２４が設けられており、この中間軸受２４にシャフト２１が回動自在に支持される。シャフト２１にはトルクメータ２３が取り付けられ、このトルクメータ２３によってトルクが計測される。なお、本実施の形態は、トルクメータ２３でトルクを計測するようにしたが、これに限定するものではなく、たとえばダイナモメータ２０の出力からトルクを検出してもよい。また、トルクメータ２３の他に、クラッチ、変速機、各種の連結手段等を目的に応じて挿入してもよい。さらに、トルク以外のエンジン１１の状態（たとえば排ガスの温度など）を計測する手段を挿入してもよい。

ダイナモメータ２０は、エンジン１１に所定の負荷トルクを与える装置であり、電流・電圧を可変させることで負荷トルクを設定できるようになっている。ダイナモメータ２０としては、低慣性ダイナモメータを用いることが好ましく、低慣性ダイナモを用いることによって、低速回転から高速回転までの急激な回転数の変化に応じた安定した出力が得られる。ダイナモメータ２０はダイナモメータ制御部３０に接続されている。

ダイナモメータ制御部３０は、ダイナモメータ２０に印加する電流・電圧を可変制御する手段であり、このダイナモメータ制御部２０で電流・電圧を可変制御することによって、ダイナモメータ２０に接続されたエンジン１１の負荷トルクが制御される。

一方、エンジン１１は、エンジン制御部３１に接続される。エンジン制御部３１は、スロットル開度や点火進角等の制御パラメータをエンジン１１に与えてエンジン１１を駆動制御する手段であり、通常はＥＣＵ、もしくはＥＣＵにバイパス回路を付加したエンジン制御回路で実現される。ＥＣＵの代わりに仮想ＥＣＵと称されるＤＳＰ（Digital Signal Processor）で実現してもよい。このエンジン制御部３１によってエンジン１１に制御パラメータ（たとえば所定のスロットル開度）が与えられる。これにより、エンジン１１が回転し、その回転がシャフト２１を介してダイナモメータ２０に伝達される。なお、エンジン制御部３１から与えられる制御パラメータとしては、回転数、スロットル開度の他、燃料注入量、空気注入量、燃料と空気の混合比、点火時間（ガソリンエンジンの場合）、燃料噴射制御方法（ディーゼルエンジンの場合）など様々なパラメータがある。

エンジン制御部３１とトルクメータ２３は、信号処理部４０に接続される。信号処理部４０は、測定部４１、メモリ４２、データ演算部４３、モデル演算部４４を備えている。測定部４１は、エンジン１１の動作状態を示す信号を入力し、各種の信号処理を行う手段であり、前述したトルクメータ２３からトルク・回転数などのデータが入力されるとともに、エンジン制御部３１からスロットル開度等の制御データが入力される。なお、スロットル開度等の時系列データは、エンジン制御部３１からではなく、後述のシステム制御部５０から直接入力してもよいし、エンジン１１に設けられたスロットル開度検出器等からエンジン制御部３１を介して入力してもよい。また、測定部４１は、入力データがアナログ信号の場合、Ａ／Ｄ変換を行い、複数の入力データの時間的同期をとることが好ましい。

測定部４１に入力されたデータは、メモリ４２に一時的に格納される。メモリ４２に格納されたデータは必要に応じて後述のモデル演算部４４やトルク演算部４３に出力される。その際、不図示の信号処理回路によってデータの信号処理を行ってもよい。この信号処理回路としては、たとえばデータのノイズを除去するノイズ除去器（フィルター）、加減乗除器、微分積分器、平均値演算器、標準偏差演算器、データ度数等の計数器（カウンタ）、周波数解析器（ＦＦＴ）等、公知の演算器が用いられる。なお、信号処理途中のデータや信号処理結果のデータをメモリ４２に一時的に格納してもよい。

モデル演算部４４は、得られたデータに基づいてエンジン１１のモデルを作成するとともに、作成したモデルに基づいてエンジン制御部３１やダイナモメータ制御部３０を制御してシミュレーションを行う手段である。ここで、モデル演算部４３で作成されるモデルとは、制御パラメータやトルクメータ２４で計測されたデータに基づいて、任意の入力と出力に介在する関係（伝達特性）を式やグラフ等で表現したものであり、作成されたモデルはメモリ４２に格納される。モデル演算部４４は、そのモデルに基づいて仮想シミュレーションまたは実機シミュレーションを行い、さらに、そのシミュレーション結果と実測値とを比較し、モデルの有効性・妥当性を検証してモデルの修正やパラメータ値の調整等を行う。

データ演算部４３は、得られたデータに基づいて各種の演算処理を行う手段である。このデータ演算部４３によって、たとえばエンジン１１の回転数とエンジン１１の慣性値などを用いたエンジントルクの算出が行われる。

上述したダイナモメータ制御部３０、エンジン制御部３１、信号処理部４０は、システム制御部５０に接続される。システム制御部５０は各種の制御を行う手段であり、計測内容の各種条件を設定（定義）する機能を備え、たとえばスロットル開度、燃料噴射時期、点火進角、噴射時間、ＶＶＴ、ＥＧＲなどの制御パラメータや、吸気温度、排気温度、燃料注入量、空気注入量、ＮО_Ｘ密度、ＨＣ密度、ＣО濃度、ＣО_２濃度、燃料消費量、水温などの計測パラメータについて、その入出力の有無や入出力の範囲などを設定することができる。また、使用頻度の高い設定条件が予め標準アクションとして登録されており、たとえば矩形波状に入力条件を変化させたり、ステップ状に徐々に入力条件を変化させたりする設定が予め登録されている。作業者はこれらの標準アクションのなかから選択することによって、計測条件を簡単に設定することができる。また、システム制御部５０は、予め設定された標準アクションの他、自由にシーケンスを作成できる機能を備えている。シーケンスの作成手段は特に限定するものではないが、たとえば、MATLAB（登録商標）のm-fileやSimulink（登録商標）を使用することにより作成される。このようにシーケンスを作成することによって、作業者がシミュレーションの条件を自在に設定することができる。

さらに、システム制御部５０は、計測を実行させる機能を備えており、定義された条件（またはシーケンス）に基づいて計測を実行させるように構成される。システム制御部５０には表示部５２が接続されており、この表示部５２に、メモリ４２に格納されている各種データやエンジンモデル、データ演算部４３やモデル演算部４４での演算結果などが表示される。また、表示部５２には、複数のデータの関係グラフ、軌跡、度数分布表、標準偏差グラフなど、様々な画像が表示され、データ、マップ、グラフなど複数のものが同一画面に同時に表示できるようになっている。

次に本発明の特徴部分であるシャフト１について説明する。図２はシャフト１の斜視図であり、図３は、図２の３-３線に沿う断面図（すなわち中心軸Ｃと直交する断面図）である。

これらの図に示すように、シャフト１は、両端に配置された二つの軸端部２と、その二つの軸端部２を連結する複数の柱状部４とで構成されている。後述するように、シャフト１は、円柱状の金属材を切削加工することによって製造されたものであり、軸端部２と柱状部４は同一の金属材で一体となっている。

シャフト１の材質としては、十分な強度を得るため、降伏強さと引張強さが鋼材（たとえば機械構造用中炭素工：Ｓ４５Ｃやクロモリブデン鋼：ＳＣＭ４４０）と同等またはそれ以上（たとえば降伏強さが約７００ＭＰａ以上、引張強さが約８００ＭＰａ以上）が好ましい。また、シャフト１は、ねじり剛性を低下させるため、柔軟な材質であることが好ましく、応力／歪みであるヤング率やずれ弾性が小さいこと（たとえばヤング率が約１２０ＧＰａ以下、ずれ弾性率が約５０ＧＰａ以下であること）が好ましい。さらに、シャフト１は、エンジン１１にかけられる荷重が決まっているために軽量であること（たとえば密度が約５×１０^３ｋｇ／ｍ^３以下）が好ましい。以上を考慮し、シャフト１の材質はチタン合金、特にチタン６Ａｌ―４Ｖ合金（６０種）が好ましいと考えられる。チタン６Ａｌ―４Ｖ合金（６０種）は、降伏強さが９２０ＭＰａ、引張強さが９８０ＭＰａ、ヤング率が１０６ＧＰａ、ずれ弾性率が４１ＧＰａ、密度が４．４×１０^３ｋｇ／ｍ^３であり、上記の条件を全て満たしている。

図３に示すように、柱状部４は外周に沿って１０個設けられている。具体的には、柱状部１０は、シャフト１の中心軸Ｃを中心として円周状に等しい角度間隔で配置されている。このため、シャフト１は全体としては中空状に形成されている。

また、柱状部４は全て同一形状に形成されており、断面が略矩形の板状に形成されている。具体的に説明すると、柱状部４は、シャフト１の外周面１ａと同一面を成す側面４ａと、シャフト１の径方向と平行に形成された側面４ｂ、４ｃ、４ｄによって囲まれた板状に形成され、その断面は全体として略台形に形成されている。ここで、側面４ｂは、時計回りに４つ隣りの柱状部４の側面４ｄと同一面を成しており、側面４ｄは、時計回りに６つ隣りの柱状部４の側面ｂと同一面を成している。したがって、側面４ｂ、４ｄは他の柱状部４の側面４ｄ、４ｂと同時に切削加工することができる。

なお、柱状部４の個数は１０個に限定されるものではなく、複数（２個以上、好ましくは３個以上）で等配置されていればよい。ただし、柱状部４の個数が偶数であれば、中心軸Ｃを挟んで両側の柱状部４を同時に切削加工することができ、加工時間および加工費用を短縮することができる。

次に上記の如く構成されたシャフト１の製造方法について図４（ａ）〜図４（ｆ）に従って説明する。図４（ａ）〜図４（ｆ）はそれぞれ図３と同じ位置での断面であり、製造過程を順に示している。なお、以下は、鉛直下向きに取り付けられたエンドミル（不図示）によって切削加工を行うフライス盤（不図示）で加工する例で説明するが、切削装置の種類はこれに限定するものではなく、ＮＣフライス盤、マシニングセンタ、ワイヤーカット、ウォータカット、レーザー加工などの他の切削装置を用いてもよい。

まず、図４（ａ）に示すように、一定径の円柱状に形成された金属材１´を用意し、切削装置（不図示）に横向きにセットする。

次に図４（ｂ）に示すように、金属材１´の側面に切削加工を行う。切削加工は、金属材１´の外周面から金属材１´の中心軸Ｃを通り貫通するように行う。これにより、中心軸Ｃを通る直線上の切削開口Ｓが形成される。この切削加工を金属材１´の中心軸Ｃの方向に沿って、柱状部４の軸方向長さに相当する範囲で行う。

次に図４（ｃ）に示すように、金属材１´を所定角度回転させて固定し、再び切削加工を行う。金属材１´を回転する角度は、柱状部４の個数によって決定し、本実施形態のように柱状部４が１０個の場合は３６度回転させる。回転後の切削加工は、回転前の切削加工と同様に、金属材１´の外周面から金属材１´の中心軸Ｃを通って貫通するように行い、さらに金属材１´の軸方向に沿って柱状部４に相当する範囲で行う。

同様の作業（すなわち、金属材１´を所定角度ずつ回転させ、切削加工する作業）を繰り返し行う。その結果、図４（ｄ）に示すように、金属材１´は、複数の切削開口Ｓが金属材１´の中心軸Ｃで連通した状態になり、１０個の扇状の柱状部４´が形成された状態になる。

次に図４（ｅ）に示すように、扇状の柱状部４´の一部を切削加工する。具体的には、一方の側面４ｂと平行に（すなわち、金属材１´の径方向と平行な方向に）切削加工を行う。このとき、図面は省略するが、金属材１´の角度と位置を変えて固定し、切削加工を行う。これにより、柱状部４が形成される。

この作業（すなわち、金属材１´の角度と位置を変えて固定し、切削加工を行う作業）を柱状部４の数だけ行う。これにより、図４（ｆ）に示すように、全ての柱状部４が加工され、シャフト１が製造される。

このように本実施の形態によれば、切削加工のみでシャフト１を製造することができる。したがって、上述したチタン合金のような難加工材料であっても、シャフト１を形状精度良く製造することができる。

次に上記の如く構成されたシャフト１の作用について説明する。

シャフト１は複数の柱状部４が同一形状で形成され、且つ、中心軸Ｃの周りに円周状に等間隔で配置されている。したがって、各柱状部４にかかる応力が均一になり、応力の偏りによる強度低下を防止することができる。

また、シャフト１は、シャフト１全体よりも径の小さい柱状部４によって連結されているので、ねじり剛性が低下する。なお、このような形状のシャフト１の強度とねじり剛性は、たとえば有限要素法を用いた解析方法、たとえばＡＮＳＹＳ（登録商標）を用いることで確認することができる。

また、本実施の形態のシャフト１は軸端部２と柱状部４とが同一の金属材から成るので、強度やねじり剛性の算出が容易であり、シミュレーションの計算に適している。したがって、シミュレーション結果によって強度や低剛性を保障することができる。

なお、柱状部４の形状は上述した実施形態に限定されるものではなく、様々な形状とすることが可能である。たとえば図４（ｄ）に示したように扇状の柱状部４´としてもよい。ただし、図４（ｆ）の柱状部４のような板状の方が、外周面４ａの面積が小さくなり、シャフト部材１０の強度が得られやすい。

また、図５（ｂ）に示す形状の柱状部５としてもよい。図５（ｂ）に示す柱状部５は、図４（ｄ）に示した扇状の柱状部４´に対して、図５（ａ）に示すように、両側面５ｂ、５ｃを金属材１´の径方向と平行に切削加工することによって形成される。このような形状の柱状部５は、径方向に沿って配置されているので、シャフト１をどちらの方向に回転させても同等の特性を得ることができる。

なお、上述した実施形態は、金属材１´を貫通する切削加工を繰り返し行ってシャフト１を製造したが、シャフト１の製造方法はこれに限定するものではなく、たとえば図６（ａ）〜図６（ｆ）に示す第２の製造方法で製造してもよい。図６（ａ）〜図６（ｆ）はそれぞれ、図４（ａ）〜図４（ｆ）に対応しており、同じ操作については詳細な説明を省略する。

図６（ａ）では、先ず、一定径の円柱状に形成された金属材１´を切削装置（不図示）に横向きにセットしている。次に図６（ｂ）において、金属材１´の側面に切削加工を行う。その際、第２の製造方法では、金属材１´の外周面から中心軸Ｃの近傍に向けて、中心軸Ｃと若干ずれた位置を（具体的には、中心軸Ｃを含むように）切削加工を行っている。これにより、金属材１´の外周面から中心軸Ｃ近傍までの直線状の切削開口Ｓが形成される。この切削加工を金属材１´の中心軸Ｃの方向に、柱状部４の軸方向長さに相当する範囲で行う。

次に図６（ｃ）に示すように、金属材１´を所定角度回転させて固定し、再び切削加工を行う。この実施例では、柱状部４の個数が９個なので、４０度回転させる。回転後の切削加工は、回転前の切削加工と同様に、金属材１´の外周面からの中心軸Ｃ近傍まで行い、これを金属材１´の軸方向に柱状部６に相当する範囲で行う。

同様の作業（すなわち、金属材１´を所定角度ずつ回転させ、切削加工する作業）を繰り返し行う。その結果、図６（ｄ）に示すように、金属材１´は、複数の切削開口Ｓが金属材１´の中心軸Ｃで連通した状態になり、９個の扇状の柱状部６´が形成された状態になる。

次に図６（ｅ）に示すように、扇状の柱状部６´の一部を切削加工する。具体的には、一方の側面６ｂと平行に（すなわち、金属材１´の径方向と平行な方向に）切削加工を行う。このとき、図面は省略するが、金属材１´の角度と位置を変えて固定し、切削加工を行う。これにより、柱状部６が形成される。

この作業（すなわち、金属材１´の角度と位置を変えて固定し、切削加工を行う作業）を柱状部６の数だけ行う。これにより、図６（ｆ）に示すように、全ての柱状部６が形成され、シャフト１が製造される。

上述した工程から成る第２の製造方法によれば、切削加工を外周面から中心軸Ｃまで行うので、柱状部６の個数が奇数であっても製造することができる。

なお、上述した実施形態は、円柱状の金属材１´に切削加工を行うことによって、シャフト１を製造したが、これに限定するものではなく、たとえば円筒状の金属材が存在するのであれば、図７（ａ）や図７（ｂ）に示すような形状のシャフト１を製造してもよい。図７（ａ）や図７（ｂ）に示すシャフト１は、柱状部７が外周面７ａ、内周面７ｄ、径方向の側面７ｂ、７ｃによって形成されている。このような形状の柱状部７を有するシャフト１の場合も、十分な強度を維持しつつ、ねじり剛性を低下させることができる。

１シャフト
２軸端部
４柱状部
１０エンジンベンチ
１１エンジン
２０ダイナモメータ
３０ダイナモメータ制御部
３１エンジン制御部
４０信号処理部
５０システム制御部

Claims

エンジンの出力軸と、該エンジンに負荷を与えるダイナモメータの回転軸とを連結し、前記出力軸と前記回転軸との間で動力を伝達するエンジン試験装置用シャフトにおいて、
前記シャフトの両端に配置される一対の軸端部と、
前記シャフトの中心軸を中心とする円周状に等間隔で配置されるとともに、前記一対の軸端部を連結する複数の同一形状の柱状部と、から成り、
前記一対の軸端部と前記柱状部が一体であるとともに、前記複数の柱状部同士の間にはそれぞれ前記中心軸に連通する開口が形成されることを特徴とするエンジン試験装置用シャフト。
前記複数の柱状部は板状に形成され、前記シャフトの径方向に沿ってまたは前記径方向と平行に配置されることを特徴とする請求項１に記載のエンジン試験装置用シャフト。
前記軸端部と前記複数の柱状部は、円柱状または円筒状の金属材を切削加工することによって製造されることを特徴とする請求項１または２に記載のエンジン試験装置用シャフト。
円柱状の金属材に対して、該金属材の外周面から該金属材の内部に向けて切削加工を繰り返し行うことによって、
両端に配置される一対の軸端部と、前記金属材の中心軸を中心とする円周状に等間隔で配置され、前記一対の軸端部を連結する複数の同一形状の柱状部と、から成り、前記複数の柱状部同士の間にはそれぞれ前記中心軸に連通する開口が形成されるエンジン試験装置用シャフトを製造することを特徴とするエンジン試験装置用シャフトの製造方法。
前記切削加工は、前記金属材の外周面から前記金属材の中心軸を通って貫通するように行うことを特徴とする請求項４に記載のエンジン試験装置用シャフトの製造方法。
前記切削加工は、前記金属材の径方向に対して傾斜した方向に行うことを特徴とする請求項４または５に記載のエンジン試験装置用シャフトの製造方法。