JP6723812B2 - オーガ軸連結構造 - Google Patents
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しかし 連結嵌合部は六角形状が一般的でトルク伝達箇所は6ヶ所しかなく、嵌合隙間も多いので、伝達能力は高くなく、掘削速度も遅くなる。
硬質地盤掘削時オーガ併用の杭圧入工法においては圧入力が高く、オーガ装置の伝達トルクも大きい。
オーガヘッドからのねじり方向キックバック(岩盤や玉石掘削時の解放された力)は静荷重時の数倍にもなる。
したがって、六角形状のトルク伝達面の面圧が非常に高くカエリや陥没等が発生して連結嵌合部が外れなくなることがある。
また、オス軸の折損等も発生する。
さらに、オーガスクリューの羽根は土砂摩耗が激しく羽根補修が必須であるが、補修や羽根の溶接交換をするとメス軸嵌合部が変形し嵌合出来なくなることがある。
メス軸が変形すると、トルク伝達長の長いメス軸の嵌合孔は奥まで補修が出来ず、使用不可能となる。
インボリュート歯やスプライン曲線歯は伝達効率が良いにも関わらず、オーガスクリューの連結嵌合部に使用されない理由の一つにトルク伝達面が曲線なので補修面管理が出来ないことがあげられる。
歯数が多く変形箇所を特定するだけで時間が掛かり、補修が困難なことも使用されない要因である。
セレーション歯も歯数が多く歯自体が小さいので少しの変形で嵌合が出来ず、補修も難があり、精度は望めない。
したがって、オーガのメス軸嵌合部は変形しにくい構造にしたり、補修を考慮し単純な構造でなければならない。
オーガのオス軸嵌合部は小径なのでメス軸嵌合部より強度が劣る。
オス軸は軸芯部にエアーや液体、粘性体等の流動体を通すための軸方向に延びるトンネル状の流路もあり強度が劣る。
地中で折損すると地中から回収する時間と費用が膨大に掛かる。
回収出来ないと工事自体が中止になったり海外などでは損害賠償さえ発生する。
従来はオス軸が折損しないように荷重を余り掛けないので掘削速度は遅く、施工は長期にわたり、費用は膨大となる。
特許文献2には、同様の目的のピンを挿すための貫通孔(同文献中23a)が、オス軸のトルク伝達部(同文献中「スプライン軸22」)より接続方向前方の前端部の中央に形成されたオーガ軸連結構造が記載されている。
トルク伝達部内の側位置決め部が形成される領域は、トルク伝達面が構成できないために、その分トルク伝達部の軸方向長さ(トルク伝達長)を長くすると、変形量を大きくする結果となるとともに、上述したようにメス軸の孔の奥の補修を困難にさせる。
すなわち、オス軸の中央に貫通する孔が形成されているので、上述したエアーや液体、粘性体等の流動体を通すための軸方向に延びるトンネル状の流路を中央に通すことは不可能であり、単純な構造で十分な流路断面積を有する流路を形成することが困難である。
前記オス軸及び前記メス軸は、前記回転力伝達軸と同軸に形成され、
前記オス軸は、
トルク伝達オス部と、当該トルク伝達オス部の接続方向前方に形成された前方軸部と、当該トルク伝達オス部の接続方向後方に形成された後方軸部とを有し、
前記前方軸部の径は前記後方軸部の径より小径であり、
前記メス軸の孔部は、
前記前方軸部を軸受けする前方軸部軸受部と、前記後方軸部を軸受けする後方軸部軸受部と、前記トルク伝達オス部とトルク伝達可能に嵌合するトルク伝達メス部とを有し、
前記前方軸部と前記前方軸部軸受部との嵌め合い、及び前記後方軸部と前記後方軸部軸受部との嵌め合いは、相対回転自由に前記オス軸と前記メス軸とを同軸に保持するように構成され、
前記前方軸部にオス側位置決め部、前記前方軸部軸受部にメス側位置決め部が形成されるか、又は前記後方軸部にオス側位置決め部、前記後方軸部軸受部にメス側位置決め部が形成され、
前記オス軸と前記メス軸との相対的な軸方向位置及び回転方向位置を所定位置に合わせた状態で連通する前記オス側位置決め部と前記メス側位置決め部とに位置決め用ピンが貫入されることで連結し、
前記トルク伝達オス部と前記トルク伝達メス部とのトルク伝達するための嵌め合い形状は、両側の歯面が中心軸に平行な平面で互いに平行でなく傾斜した三角歯又は台形歯によるオーガ軸連結構造である。
請求項2記載の発明は、オーガモータの回転力出力軸からオーガヘッドまでの回転力伝達軸を所定の部位で、オス軸とメス軸の孔部とを互いに嵌合させて連結するオーガ軸連結構造であって、
前記オス軸及び前記メス軸は、前記回転力伝達軸と同軸に形成され、
前記オス軸は、
トルク伝達オス部と、当該トルク伝達オス部の接続方向前方に形成された前方軸部と、当該トルク伝達オス部の接続方向後方に形成された後方軸部とを有し、
前記前方軸部の径は前記後方軸部の径より小径であり、
前記メス軸の孔部は、
前記前方軸部を軸受けする前方軸部軸受部と、前記後方軸部を軸受けする後方軸部軸受部と、前記トルク伝達オス部とトルク伝達可能に嵌合するトルク伝達メス部とを有し、
前記前方軸部と前記前方軸部軸受部との嵌め合い、及び前記後方軸部と前記後方軸部軸受部との嵌め合いは、相対回転自由に前記オス軸と前記メス軸とを同軸に保持するように構成され、
前記前方軸部に位置決め用溝、前記前方軸部軸受部に位置決め用孔が形成されるか、又は前記後方軸部に位置決め用溝、前記後方軸部軸受部に位置決め用孔が形成され、
前記オス側位置決め部が位置決め用溝、前記メス側位置決め部が位置決め用孔とされ、
前記回転力伝達軸に、前記オーガモータの回転力出力軸側から前記オーガヘッド側に流動体を通すための軸方向に延びるトンネル状の流路が形成され、前記前方軸部及び前記後方軸部のうち前記位置決め用溝が設けられる方の内部において中心軸に対して前記位置決め用溝の逆側に偏在し、
前記オス軸と前記メス軸との相対的な軸方向位置及び回転方向位置を所定位置に合わせた状態で連通する前記位置決め用溝と前記位置決め用孔とに位置決め用ピンが貫入されることで連結し、
前記オス軸において中心軸は前記流路内に位置し、
前記位置決め用溝は、前記流路から径方向に離れて位置し、
前記位置決め用ピンを用いた連結状態において中心軸から径方向に前記位置決め用ピンの中心軸が離れて位置するオーガ軸連結構造である。
また、オス軸に形成されるオス側位置決め部を中心軸から偏在させることで、軸方向に延びるトンネル状の流路の形成余地を十分に確保できる。
オス軸2及びメス軸3は、回転力伝達軸102と同軸に形成される。その中心軸をYとする。
オス軸2は、トルク伝達オス部22と、トルク伝達オス部22の接続方向前方に形成された前方軸部21と、トルク伝達オス部22の接続方向後方に形成された後方軸部23とを有する。
前方軸部21の径は後方軸部23の径より小径である。
メス軸3の嵌合孔部は、前方軸部21を軸受けする前方軸部軸受部31と、後方軸部23を軸受けする後方軸部軸受部33と、トルク伝達オス部22とトルク伝達可能に嵌合するトルク伝達メス部32とを有する。
なお、オス側位置決め部24は、図2、図3及び図4に示すように溝とするか、図7に示すように孔とする。メス側位置決め部34は、メス軸3の強度低下を防ぐために図2及び図3に示すように孔とすることが好ましい。
なお、位置決め用ピンとしては、図示するような断面円形のものに限らず、三角形断面や四角形断面などの多角形断面、その他の任意の断面形状のものを適用して実施してもよい。
オス側位置決め部24及びメス側位置決め部34は、中心軸Yから外周方向へ回避した範囲に形成されており、軸方向に延びるトンネル状の流路の形成余地を十分に確保できる。さらに、本実施形態においては、1本の位置決め用ピン4を受け容れる分の一組だけ設けることとしため、同流路の形成余地をさらに確保できる。
回転力伝達軸102に、オーガモータ101の回転力出力軸側からオーガヘッド103側に流動体を通すための軸方向に延びるトンネル状の流路が形成される。その流路を構成する一部の流路27はオス軸2に、他の一部の流路37はメス軸3に形成されている。
特に、前方軸部21及び後方軸部23のうちオス側位置決め部が設けられる方の内部において流路27が中心軸Yに対してオス側位置決め部24の逆側に偏在することで、さらに中心軸Yが流路27内に位置するように構成することで、流路27の流路断面積を大きく形成することができる。また、このようにオス側位置決め部が設けられる軸部内において流路27が中心軸Yに対してオス側位置決め部(24)の逆側に偏在することで、オス側位置決め部(24)を大きくとり、位置決め用ピン4をその強度を確保するために十分に大径にすることができる。この流路27の偏在は、図2に示すように流路27が全体として偏在するものに限らず、図4に示すように部分的に偏在するものであってもよい。図4(a)に示すように位置決め用溝(24)が設けられた軸部を通る流路部27aを偏在させ、他の流路部27bを中心軸Yを中心に形成した構成や、さらに他の流路部27bを流路部27aに対して大径にした構成(図4(b))、図4(c)に示すようにオス側位置決め部(24)の逆側に偏在して通るように流路27を傾斜させた構成を挙げることができ、これらの部分的偏在、径変化、傾斜配置を適宜組み合わせて適用してもよい。
また、位置決め用ピン4を1本だけ適用するので、位置決め用ピン4の径を大きくしてその強度向上を図ること、位置決め用ピン4の挿入、取り外しの作業性を向上することができる。
なお、流路27を中心軸Yに対して偏在させない場合、すなわち、流路27の中心軸を中心軸Yに一致させる場合には、後方軸部23にオス側位置決め部、後方軸部軸受部33にメス側位置決め部を形成して実施することに利点がある。後方軸部23の径は前方軸部21の径より大径であり、流路の形成余地を確保しやすいからである。
いずれにしても、歯の頂部の両側の2平面がトルク伝達面となり、この2平面の交差角α(図2(c)参照)を100度以上125度以下と広角とすることが好ましい。歯数は10以上とし、12歯が最適である。多くの歯に荷重が分散され、歯も交差角αが広角なので高い耐久性が得られ、トルク伝達面のカエリや陥没の発生を抑えられる。トルク伝達面が平面で、オス側位置決め部による断裂部はなく軸方向に短尺であり、交差角αが広角であるため、トルク伝達部への付着物は少なく抑えられ、付着物の除去清掃は容易であり、寸法等の管理や補修もしやすく、野外保管も問題ない。
トルク伝達オス部22の最小径/最大径は、85〜95%とすることが好ましい。トルク伝達オス部22の最小径は、上述した基底円の径に相当し、トルク伝達オス部22の最大径は、外接円の径に相当する。
前方軸部21の径は、トルク伝達オス部22の最小径の85〜100%とすることが好ましい。
後方軸部23の径は、トルク伝達オス部22の最大径の100〜105%とすることが好ましい。
トルク伝達オス部22及びトルク伝達メス部32の軸方向長さは、トルク伝達オス部22の最大径の75〜150%とすることが好ましい。
メス軸3の嵌合孔部(31−33)が形成される大径部39は、フランジ26と同径に形成される。大径部39に対してメス軸3の後端部38は小径に形成され、後端部38にパイプ部材を結合する段差構造が構成されている。大径部39と後端部38との段差寸法をt2(図3(c)参照)とする。
オス軸2の後端部28及びメス軸3の後端部38のそれぞれに所望の長さのパイプ部材が結合されて、回転力伝達軸102の連結分離部が設けられない部分が所望の長さで構成される。パイプ部材は、後端部28、38が内嵌めされる形で接続され、外径はフランジ26と略同径とされる。これによりオーガスクリューの羽根104が結合する軸が均一な径に構成される。
したがって、後端部28に接続するパイプ部材の厚み寸法は、段差寸法t3に相当し、後端部38に接続するパイプ部材の厚み寸法は、段差寸法t2に相当する。トルク伝達メス部32の最小の厚みをt1(図3(d)参照)としたとき、軸方向に沿った断面係数の変化を緩和するために、段差寸法t2,t3は、厚みt1以上を確保することが好ましい。
以下に、本発明例と比較例とを開示する。
図5に比較例1を、図6に比較例2を示す。
図5に示すように、六角形断面で、軸方向の位置が異なる一対のオス側位置決め部(溝)が形成されたトルク伝達部を有し、その前後に軸受部を有する連結構造である比較例1にあっては、L1=212、L3=270、d1=112.6、X1=83.7(単位:mm)とし、トルク伝達部最小寸法位置(X1部)の断面係数Z=55(cm3)、極断面係数ZP=110(cm3)、応力集中係数を1.3と計算できた。
図6に示すように、本発明例と同様の歯数12の三角歯で、軸方向の位置が同じの一対のオス側位置決め部(溝)が形成されたトルク伝達部を有し、その前後に軸受部を有する連結構造である比較例2にあっては、L1=155、L2=40、L3=225、d1=112.6、X1=68(単位:mm)とし、トルク伝達部最小寸法位置(X1部)の断面係数Z=28(cm3)、極断面係数ZP=56(cm3)、応力集中係数を1.35と計算できた。
これに対し本発明例にあっては、図3に示すように歯数12の三角歯で、オス側位置決め部の無いトルク伝達部を有し、その前後に軸受部を有する連結構造であって、L1=130、L2=65、L3=225、d1=112.6(単位:mm)とし、トルク伝達部の断面係数Z=106(cm3)、極断面係数ZP=211(cm3)と計算できた。
比較例1に対する本発明例の応力集中を考慮したねじり強度比は、211/110×1.3=2.5倍、曲げ強度比は、212/130×106/55×1.3=4.1倍と評価できた。
比較例2に対する本発明例の応力集中を考慮したねじり強度比は、211/56×1.35=5.1倍、曲げ強度比は、155/130×106/28×1.35=6.1倍と評価できた。
以上のように顕著な強度向上が確認できた。
2 オス軸
3 メス軸
4 位置決め用ピン
5 パッキン
21 前方軸部
22 トルク伝達オス部
23 後方軸部
24 オス側位置決め部
26 フランジ
27 流路
28 後端部
31 前方軸部軸受部
32 トルク伝達メス部
33 後方軸部軸受部
34 メス側位置決め部
36 端面
37 流路
38 後端部
39 大径部
100 杭回転圧入機
101 オーガモータ
102 回転力伝達軸
103 オーガヘッド
104 羽根
Y 中心軸
α 交差角
Claims (6)
- オーガモータの回転力出力軸からオーガヘッドまでの回転力伝達軸を所定の部位で、オス軸とメス軸の孔部とを互いに嵌合させて連結するオーガ軸連結構造であって、
前記オス軸及び前記メス軸は、前記回転力伝達軸と同軸に形成され、
前記オス軸は、
トルク伝達オス部と、当該トルク伝達オス部の接続方向前方に形成された前方軸部と、当該トルク伝達オス部の接続方向後方に形成された後方軸部とを有し、
前記前方軸部の径は前記後方軸部の径より小径であり、
前記メス軸の孔部は、
前記前方軸部を軸受けする前方軸部軸受部と、前記後方軸部を軸受けする後方軸部軸受部と、前記トルク伝達オス部とトルク伝達可能に嵌合するトルク伝達メス部とを有し、
前記前方軸部と前記前方軸部軸受部との嵌め合い、及び前記後方軸部と前記後方軸部軸受部との嵌め合いは、相対回転自由に前記オス軸と前記メス軸とを同軸に保持するように構成され、
前記前方軸部にオス側位置決め部、前記前方軸部軸受部にメス側位置決め部が形成されるか、又は前記後方軸部にオス側位置決め部、前記後方軸部軸受部にメス側位置決め部が形成され、
前記オス軸と前記メス軸との相対的な軸方向位置及び回転方向位置を所定位置に合わせた状態で連通する前記オス側位置決め部と前記メス側位置決め部とに位置決め用ピンが貫入されることで連結し、
前記トルク伝達オス部と前記トルク伝達メス部とのトルク伝達するための嵌め合い形状は、両側の歯面が中心軸に平行な平面で互いに平行でなく傾斜した三角歯又は台形歯によるオーガ軸連結構造。 - オーガモータの回転力出力軸からオーガヘッドまでの回転力伝達軸を所定の部位で、オス軸とメス軸の孔部とを互いに嵌合させて連結するオーガ軸連結構造であって、
前記オス軸及び前記メス軸は、前記回転力伝達軸と同軸に形成され、
前記オス軸は、
トルク伝達オス部と、当該トルク伝達オス部の接続方向前方に形成された前方軸部と、当該トルク伝達オス部の接続方向後方に形成された後方軸部とを有し、
前記前方軸部の径は前記後方軸部の径より小径であり、
前記メス軸の孔部は、
前記前方軸部を軸受けする前方軸部軸受部と、前記後方軸部を軸受けする後方軸部軸受部と、前記トルク伝達オス部とトルク伝達可能に嵌合するトルク伝達メス部とを有し、
前記前方軸部と前記前方軸部軸受部との嵌め合い、及び前記後方軸部と前記後方軸部軸受部との嵌め合いは、相対回転自由に前記オス軸と前記メス軸とを同軸に保持するように構成され、
前記前方軸部にオス側位置決め部、前記前方軸部軸受部にメス側位置決め部が形成されるか、又は前記後方軸部にオス側位置決め部、前記後方軸部軸受部にメス側位置決め部が形成され、
前記オス側位置決め部が位置決め用溝、前記メス側位置決め部が位置決め用孔とされ、
前記回転力伝達軸に、前記オーガモータの回転力出力軸側から前記オーガヘッド側に流動体を通すための軸方向に延びるトンネル状の流路が形成され、前記前方軸部及び前記後方軸部のうち前記位置決め用溝が設けられる方の内部において中心軸に対して前記位置決め用溝の逆側に偏在し、
前記オス軸と前記メス軸との相対的な軸方向位置及び回転方向位置を所定位置に合わせた状態で連通する前記位置決め用溝と前記位置決め用孔とに位置決め用ピンが貫入されることで連結し、
前記オス軸において中心軸は前記流路内に位置し、
前記位置決め用溝は、前記流路から径方向に離れて位置し、
前記位置決め用ピンを用いた連結状態において中心軸から径方向に前記位置決め用ピンの中心軸が離れて位置するオーガ軸連結構造。 - 前記トルク伝達オス部と前記トルク伝達メス部とのトルク伝達するための嵌め合い形状は、前記前方軸部側から前記後方軸部側まで断裂することなく連続する請求項1又は請求項2に記載のオーガ軸連結構造。
- 前記オス側位置決め部と前記メス側位置決め部とが1本の位置決め用ピンを受け容れる分の一組だけ設けられた請求項1又は請求項2に記載のオーガ軸連結構造。
- 前記トルク伝達オス部と前記トルク伝達メス部とのトルク伝達するための嵌め合い形状は、歯数が10以上である請求項1に記載のオーガ軸連結構造。
- 前記オス側位置決め部は、底面両側角部が丸められ、開口面両側角部が面取りされた構造である請求項1から請求項5のうちいずれか一に記載のオーガ軸連結構造。
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