JP6482990B2 - カップリング - Google Patents

Description

この発明は、回転モータの回転軸と、このモータを駆動源として回転する負荷装置の回転軸との軸中心線の差を吸収しながらそれらを連結するカップリングに関する。

この種のカップリングとして、図８に示すものが従来から知られている。
このカップリングは、一対の回転軸１１，１２における軸中心線のずれを吸収しながら両回転軸１１，１２を連結するもので、このカップリングは、一方の回転軸１１を保持する一方の保持部１３と、他方の回転軸１２を保持する他方の保持部１４とを備えるとともに、これら両保持部１３，１４を弾性部１５で連結している。
したがって、回転軸１１，１２の軸中心線がずれていた場合でも、上記弾性部１５が撓んでそのずれを吸収できる。

特開平８−２２６４５６号公報

上記のように一対の保持部１３，１４を弾性部１５で連結した従来のカップリングは、その弾性部１５で軸中心線のずれの吸収させるために、その剛性を低くせざるをえない。そのために、共振周波数も低くなり、高速回転には耐えられなくなる。特に、数万回転という高速回転のときに、その回転数と弾性部の共振周波数とが一致すると、弾性部が縄跳びの縄のように大きくぶれた状態で回ってしまう。

このように大きくぶれた状態で回ってしまうと、弾性部が破壊され、カップリングとして機能しなくなるという問題があった。
また、高速回転時に弾性部が破壊されてしまうと、その破片が遠心力によって勢いよく飛び散るという危険もあった。

この発明の目的は、高速回転でも破壊されにくいカップリングを提供することである。

第１の発明は、本体の両端側に連結部を備え、これら連結部のそれぞれに回転軸を連結するカップリングであって、上記本体を剛体で形成するとともに、少なくともいずれか一方の上記連結部は、軸線方向に相対移動可能にした一対の止め部を対向させ、これら止め部間に筒状の軸保持部材を組み込み、この軸保持部材には、上記止め部に接触させた一対の力点と、これら一対の力点間において上記軸保持部材の周方向に沿った作用部とを備え、この作用部は、上記一対の力点の間隔を狭くする軸方向の力が作用したとき、この軸保持部材に挿入された回転軸に弾性接触して、締め付け力を発揮する構成にした点を特徴とする。

第２の発明は、上記作用部が周方向に等間隔に複数設けられるとともに、これら作用部と作用部との間に逃げ部が形成され、この逃げ部が、上記軸保持部材に発生した周方向のひずみを吸収する構成にした点に特徴を有する。

第３の発明は、上記連結部に、上記軸保持部材を挿入する筒部が設けられ、この筒部は上記止め部に接触する上記軸保持部材の両側部分が拡径方向に変形することを阻止する構成にした点を特徴とする。

第４の発明は、上記筒部にねじが形成され、このねじに連結するねじ部材を備え、一方の上記止め部が上記筒部内に設けられるとともに、他方の上記止め部が上記ねじ部材に設けられ、上記ねじ部材を締め付けることによって、一対の止め部の対向間隔が小さくされて上記一対の力点の間隔が狭くされる構成にした点に特徴を有する。

第１の発明によれば、連結部において上記作用部が回転軸に対して弾性接触するので、対向する回転軸の軸中心線のずれを吸収しながら対向する回転軸を連結することができる。
このように連結部内で両回転軸の軸中心線のずれを吸収できるので、両連結部間の本体を剛体で構成することができる。このように、本体を剛体で形成できるので、本体の共振周波数を高くでき、高速回転に耐えることができる。
また、従来のように高速回転時に破壊された部品などが外方へ飛んでしまう危険もない。

第２の発明によれば、軸保持部材に、一対の力点の間隔を狭くする軸方向の力を作用させたとき、作用部間に設けた逃げ部が周方向のひずみを吸収するので、上記軸方向に作用する力を分散させずに、その力を作用部が軸中心線に向かう締め付け力として集中させることができる。

第３の発明によれば、軸保持部材の両側部分を筒部が押えて、軸保持部材が拡径方向に変形するのを阻止できる。そのため、軸方向の力が拡径方向へ逃げなくなるので、第２の発明と同様に、力を作用部が軸中心線に向かう締め付け力として集中させることができる。

第４の発明によれば、筒部にねじ部材を締め付けることによって、軸保持部材に軸方向の力を作用させ、作用部に締め付け力を発揮させることができる。

第１実施形態の断面図である。 第１実施形態の軸保持部材の斜視図である。 第１実施形態の軸保持部材の平面図である。 図３のIV-IV線断面図である。 回転軸の位置ずれに対応する第１実施形態の原理を示す説明図である。 第２実施形態の断面図である。 第３実施形態の断面図である。 回転軸の位置ずれに対応する従来のカップリングの説明図である。

図１〜図５は第１実施形態を示すもので、そのカップリングは、図１に示すように、剛体からなる筒状の本体１を備えている。この本体１は、その両側に筒部１ｂ，１ｃを備えている。
また、本体１の外周には、スパナなどの工具を引っ掛けるための一対のＤカット部１ｄ，１ｄを形成し、上記筒部１ｂ，１ｃの外周には、それぞれ雄ねじ１ｅ，１ｆが形成されている。
また、上記本体１と、筒部１ｂ，１ｃとの境に形成される段部を、一方の止め部１ｇ，１ｈとしている。

そして、上記筒部１ｂ，１ｃに形成した雄ねじ１ｅ，１ｆに、この発明のねじ部材である一対の袋ナット２，３の雌ねじ２ａ，３ａをはめている。
このように雄ねじ１ｅ，１ｆにはめた上記袋ナット２，３の内側には、上記一方の止め部１ｇ，１ｈに対向する他方の止め部２ｃ，３ｃを備えている。
なお、図中の符号２ｂ，３ｂは、袋ナット２，３に形成した軸孔で、この軸孔２ｂ，３ｂには、回転軸Ａ１，Ａ２（図５参照）を挿入する。

上記一方の止め部１ｇ，１ｈ及び他方の止め部２ｃ，３ｃ間には、それぞれ筒状の軸保持部材４，５を組み込むが、これら軸保持部材の構成は次のとおりである。
この軸保持部材４，５は、その外形を、図１〜４に示すように、軸方向の端部４ａ，５ａと４ｂ，５ｂとの中間がくびれた鼓状にして全体的には筒状にしている。
そして、軸保持部材４，５を筒部１ｂ，１ｃに組み入れて袋ナット２，３を筒部１ｂ，１ｃにはめたとき、軸保持部材４，５の一方の端部４ａ，５ａが上記一方の止め部１ｇ，１ｈに接触し、他方の端部４ｂ，５ｂが上記他方の止め部２ｃ，３ｃに接触する。

また、上記軸保持部材４，５に軸方向の力を作用させていない図１の状態で、両袋ナット２，３の他方の止め部２ｃ，３ｃと筒部１ｂ，１ｃとの間には、すき間が保持されるようにしている。このすき間の範囲で袋ナット２，３をストロークさせて、軸保持部材４，５に対する軸方向の力を調整可能にしている。
さらに、軸保持部材４，５の両端側外周が、上記筒部１ｂ，１ｃの内壁に接触し、軸保持部材４，５がその直径方向にがたつかないようにしている。このようにしたので、軸保持部材４，５の両端部分が拡径方向に変形するのを阻止できる。

また、軸保持部材４，５それぞれにおいて、上記くびれ部分の内側を内径方向に突出させて、その突出部先端を３つの作用部４ｃ，５ｃとしている。この作用部４ｃ，５ｃを構成する突出部先端は、図１に示すようにその断面を円弧状にしている。さらに、これら作用部４ｃ，５ｃは、くびれ部分の周方向に沿って形成された３つの空間からなる逃げ部４ｄ，５ｄを介して等間隔に形成されている。
なお、図３は、軸保持部材４，５の一方の端部４ａ，５ａ側から見た平面図であり、図４は、図３のIV-IV線断面図である。
なお、図１では軸保持部材４，５の上記逃げ部４ｄ，５ｄを省略している。

上記のように軸保持部材４，５を組み付けた状態で、例えば、一方の袋ナット２を締め付けると、上記一方の止め部１ｇと他方の止め部２ｃとの間隔が狭くなる。両止め部１ｇ，２ｃの間隔を狭くする力は、軸保持部材４の両端部４ａ，４ｂに作用し、この軸保持部材４を軸方向に圧縮する力となる。
このような軸方向の力は、上記くびれ部に対応した作用部４ｃにおいて軸中心線Ｃ３（図５参照）に向かう力に変換される。

このとき、軸保持部材４の外周が、本体１の筒部１ｂに接触しているので、軸保持部材４の拡径方向の変形が阻止され、上記軸方向の力は、作用部４ｃが軸中心線Ｃ３に向かう力に変換される。
したがって、上記端部４ａ，４ｂが、軸保持部材４における止め部１ｇ，２ｃに接触させたこの発明の一対の力点を構成している。

なお、他方の軸保持部材５も、上記一方の軸保持部材４と同様であり、袋ナット３を締め付けることによって発生する軸方向の力は、作用部５ｃが軸中心線Ｃ３に向かう力に変換される。
したがって、上記端部５ａ，５ｂが、軸保持部材５における止め部１ｈ，３ｃに接触させたこの発明の一対の力点を構成している。

このようなカップリングで、一対の回転軸Ａ１，Ａ２を連結する際には、次のようにする。
図５に示す一方の回転軸Ａ１を、上記袋ナット２の軸孔２ｂから軸保持部材４の作用部４ｃ内に挿入する。また、他方の回転軸Ａ２を、上記袋ナット３の軸孔３ｂから軸保持部材５の作用部５ｃ内に挿入する。

その後、袋ナット２を締めれば、上記したように作用部４ｃが軸中心線Ｃ３に向かう力を発揮し、一方の回転軸Ａ１に弾性接触して回転軸Ａ１を締め付ける。
なお、上記軸保持部材４を硬質金属で形成すれば、作用部４ｃが弾性変形したとしても、回転軸Ａ１に対する締め付け力を大きく保つことができる。

したがって、この第１実施形態における上記弾性接触とは、硬質金属であっても接触部分が多少変形し、締付け力が開放されたときに形状が復元する接触状態のことである。
なお、軸保持部材４に、ゴムなどのいわゆる弾性部材を用いてもかまわないが、この場合には、作用部４ｃがわずかな力でも大きく変形してしまうので、大きな締め付け力を発揮させることができない。

また、袋ナット３を締め付けた場合の他方の軸保持部材５の機能や特性は、上記一方の軸保持部材４と同じである。すなわち、作用部５ｃが、袋ナット３に挿入した他方の回転軸Ａ２と弾性接触して回転軸Ａ２を締め付けることになる。
上記のように、一対の回転軸Ａ１，Ａ２それぞれに対して、作用部４ｃ，５ｃが弾性接触して、回転軸を締め付けるが、このとき、上記弾性接触可能な範囲内であれば、両回転軸間Ａ１，Ａ２のずれを吸収することができる。

両回転軸Ａ１，Ａ２の軸中心線Ｃ１，Ｃ２のずれが吸収された図５の状態で、各回転軸Ａ１，Ａ２が回転すれば、回転軸Ａ１，Ａ２は軸中心線Ｃ１，Ｃ２を中心に回転し、本体１は自身の軸中心線Ｃ３を中心に回転する。
このとき、上記本体１は剛体からなるので、共振周波数が高く、高速回転にも耐えられる。言い換えると、この第１実施形態では、両軸保持部材４，５で回転軸Ａ１，Ａ２のずれを吸収できるので、これらの間を剛体で構成することができ、高速回転にも耐えられるようになった。

なお、本体１の剛性は、カップリングの使用目的によって選択すればよく、高い回転数で使用するものには、高速回転でも共振しないように、剛性が高い材質を選択し、低い回転数で使用するものには、それほど剛性が高くない材質を選択することもできる。

また、上記本体１、袋ナット２，３、軸保持部材４，５の材質は特に限定されないが、この第１実施形態では、本体１をアルミニウム、袋ナット２，３を真鍮、軸保持部材４，５をステンレスで形成している。
このように、本体１と袋ナット２，３とを異質の材質にしたのは、ねじ結合部分でのかみつきを防止するためである。

このような第１実施形態のカップリングは、１０００００〔ｒｐｍ〕のときにも、破壊されないことを実験で確認済みである。
なお、上記従来の弾性カップリングは、７００００〔ｒｐｍ〕で共振して破損し、カップリングとして機能しなくなってしまった。

また、上記軸保持部材４，５には、逃げ部４ｄ，５ｄを介して等間隔に配置された３つの作用部４ｃ，５ｃを備えているが、作用部の数は３つに限らない。
ただし、作用部が３つの場合には、いずれの作用部４ｃ，５ｃも回転軸の外周に必ず接触して、回転軸を安定して支持できるメリットがある。
さらに、上記逃げ部４ｄ，５ｄは必須ではない。しかし、逃げ部４ｄ，５ｄを設けずに、作用部４ｃ，５ｃが円周状に連続した構成では、軸保持部材４，５に軸方向の力を作用させたとき、この軸方向の力の全てを、作用部４ｃ，５ｃの全周が軸中心線に向かう力に変換させることができない。そのため、上記逃げ部４ｄ，５ｄを設けない場合には、軸方向の力を締め付け力として集中させる効率が低下してしまう。

しかし、この第１実施形態のように、逃げ部４ｄ，５ｄを設ければ、この逃げ部４ｄ，５ｄが周方向のひずみを吸収するので、軸保持部材４，５に軸方向の力を作用させたとき、この軸方向の力の全てを、作用部４ｃ，５ｃを軸中心線に向かう力に変換しやすくなる。
ただし、上記逃げ部４ｄ，５ｄは、上記のように周方向のひずみを吸収できれば、その形態は問わない。

なお、上記カップリングを構成する全ての部材は、回転時のブレをできるだけ小さくするために、質量の偏りのない、いわゆる回転対称形であることが好ましい。
また、この第１実施形態では、上記筒部１ｂ，１ｃと、袋ナット２，３と、軸保持部材４，５とで、この発明の連結部を構成する。

図６に示す第２実施形態は、直径の異なる回転軸の連結に対応できるカップリングであって、一方の連結部の直径を大きくしている点が、上記第１実施形態と異なる。連結部の直径が異なる以外は、第１実施形態と実質的に同じ構成である。したがって、第２実施形態において、図６には、第１実施形態と同一符号を付し、それらの詳細な説明は省略する。

このようにした第２実施形態では、図６において左側の連結部には、右側の連結部よりも直径の大きな回転軸を連結することができる。その他の作用効果は、第１実施形態と同様である。
すなわち、この第２実施形態のカップリングも、袋ナット２，３を締め付けるだけで、両回転軸Ａ１，Ａ２の軸中心線のずれを吸収して両者を連結することができる。
また、第２実施形態のカップリングも、本体１を剛体で構成し、ばね機構を備えていないため、第１実施形態と同様に、高速回転になっても共振して破壊されることがない。

図７に示す第３実施形態は、第１，２実施形態の袋ナット２，３に替えて、ボルト６，７を用いたものである。
このようにボルト６，７を用いたので、筒部１ｂ，１ｃ内に雌ねじ１ｋ，１ｍを形成し、ボルト６，７を筒部１ｂ，１ｃに差し込むようにしている。
この第３実施形態においても、上記第１実施形態と同様の構成要素には、上記第１実施形態と同じ符号を用い、詳細な説明は省略する。この第３実施形態の軸保持部材４，５は、図２〜４に示す第１実施形態のものと同じである。

以下には、第１実施形態と異なる点を中心に説明する。
上記ボルト６，７は、それぞれ上記雌ねじ１ｋ，１ｍと結合する雄ねじ６ａ，７ａと、回転軸を挿入する軸孔６ｂ，７ｂとを備えるとともに、このボルト６，７の締め付け方向先端には、ボルト６，７を上記雌ねじ１ｋ，１ｍに結合したとき、本体１の止め部１ｇ，１ｈと対向する止め部６ｃ，７ｃを備えている。

そして、筒部１ｂ内には、軸保持部材４を組み込み、軸保持部材４の一対の力点となる端部４ａ，４ｂを上記止め部１ｇと６ｃに接触させている。
また、筒部１ｃ内には、軸保持部材５を組み込み、軸保持部材５の一対の力点となる端部５ａ，５ｂを上記止め部１ｈと止め部７ｃに接触させている。
なお、上記軸保持部材４，５は、各筒部１ｂ，１ｃの雌ねじ１ｋ，１ｍが形成されていない部分に組み込まれ、その外周が上記雌ねじ１ｋ，１ｍに接触しないような寸法関係を保っている。このようにしたのは、軸保持部材４，５の外周が雌ねじ１ｋ，１ｍに接触すると、軸保持部材４，５の軸線が傾いてしまって、回転軸に対する締め付け力に偏りが生じる可能性があるためである。

また、ボルト６は、軸保持部材４に押圧力を作用させていない図７に示す状態で、上記雄ねじ６ａの締め付け方向先端と止め部６ｃとの間にすき間を保ち、このすき間の範囲で、ボルト６が、上記一対の止め部１ｇ，６ｃ間距離、すなわち一対の力点となる端部４ａ，４ｂ間距離を狭くする方向に移動可能にしている。ボルト７においても、同様に、雄ねじ７ａの締め付け方向先端と止め部７ｃとの間にすき間を保ち、ボルト７の軸方向移動を可能にしている。

なお、この第３実施形態では、上記筒部１ｂとボルト６と軸保持部材４とで一方の連結部を構成し、上記筒部１ｃとボルト７と軸保持部材５とで他方の連結部を構成している。
上記のようにした第３実施形態では、上記ボルト６，７の軸孔６ｂ，７ｂから、作用部４ｃ，５ｃ内にそれぞれ回転軸を挿入し、ボルト６，７を締め付けるだけで、各軸作用部４ｃ，５ｃが回転軸と弾性接触し、軸中心線のずれを吸収しながら対向する回転軸同士を連結できる。

また、この第３実施形態のカップリングも、本体１を剛体で構成し、ばね機構を備えていないため、第１実施形態と同様に、高速回転になっても共振して破壊されることがない。
さらに、この第３実施形態においても、一対の連結部を構成する部材の内径を、異なるものにすれば、直径の異なる回転軸同士を連結することができる。

上記のようにした第１〜３実施形態は、いずれも、回転軸の軸方向に移動する部材のみで構成されている。そのため、高速回転時に、例えば袋ナット２，３やボルト６，７が緩んで本体１から外れてしまったとしても、それらに遠心力が作用しないので、外方に飛び散ることがない。高速回転時の遠心力で部材が飛んでしまうと、それが人や物に衝突する危険性があるが、上記第１〜３実施形態ではそのような問題は発生しない。

また、上記第１〜３実施形態は、本体１の両側に設けた一対の連結部に軸保持部材４，５を設けているが、軸中心線のずれを吸収可能な軸保持部材は、いずれか一方の連結部のみに設け、他方の連結部には設けなくてもよい。

特に、超高速回転の回転軸同士を連結するカップリングとして有用である。

１ 本体
１ｂ 筒部
１ｃ 筒部
１ｅ 雄ねじ
１ｆ 雄ねじ
１ｇ 止め部
１ｈ 止め部
１ｋ 雌ねじ
１ｍ 雌ねじ
２ 袋ナット
２ｃ 止め部
３ 袋ナット
３ｃ 止め部
４ 軸保持部材
４ａ （力点）端部
４ｂ （力点）端部
４ｃ 作用部
４ｄ 逃げ部
５ 軸保持部材
５ａ （力点）端部
５ｂ （力点）端部
５ｃ 作用部
５ｄ 逃げ部
６ ボルト
６ｃ 止め部
７ ボルト
７ｃ 止め部
Ａ１，Ａ２ 回転軸

Claims (4)

1. 本体の両端側に連結部を備え、これら連結部のそれぞれに回転軸を連結するカップリングであって、
   上記本体は剛体で形成されるとともに、
   少なくともいずれか一方の上記連結部は、
   軸線方向に相対移動可能にした一対の止め部を対向させ、
   これら止め部間に筒状の軸保持部材が組み込まれ、
   この軸保持部材は、
   上記止め部に接触させた一対の力点と、
   これら一対の力点間において上記軸保持部材の周方向に沿った作用部とを備え、
   この作用部は、上記一対の力点の間隔を狭くする軸方向の力が作用したとき、この軸保持部材に挿入された回転軸に対して弾性接触して、締め付け力を発揮する構成にしたカップリング。
2. 上記作用部は周方向に等間隔に複数設けられるとともに、これら作用部と作用部との間には逃げ部が形成され、この逃げ部は、上記軸保持部材に発生した周方向のひずみを吸収する構成にした請求項１に記載のカップリング。
3. 上記連結部には、上記軸保持部材を挿入する筒部が設けられ、この筒部は上記止め部に接触する上記軸保持部材の両側部分が拡径方向に変形するのを阻止する構成にした請求項１又は２に記載のカップリング。
4. 上記筒部にねじが形成され、このねじに連結するねじ部材を備え、
   一方の上記止め部が上記筒部内に設けられるとともに、
   他方の上記止め部が上記ねじ部材に設けられ、
   上記ねじ部材を締め付けることによって、一対の止め部の対向間隔を小さくして上記一対の力点の間隔を狭くする構成にした請求項３に記載のカップリング。

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