JPH07101047B2 - 高トルク伝達軸 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は動力伝達軸、特に広温度範囲で大トルクにより
駆動されるベーン型圧縮機に使用されるロータ付き駆動
軸等の高トルク伝達軸に関連する。

従来の技術 例えばベーン型圧縮機に使用されるロータ付き軸等の円
筒部材と軸との結合部品では、全体重量が小さくかつ剛
性及び強度が必要な軸を鋼で製造し、重量の大きいロー
タ等の円筒部材を軽量アルミニウム合金で製造すると、
十分な機械的強度で軽量化を達成することができる。鋼
製の軸をアルミニウム合金製のロータに強固に結合する
とき、焼きばめ、冷しばめ、圧入、スプライン結合又は
セレーション締結が一般的に使用されるが、これらの方
法には下記の問題点がある。

発明が解決しようとする課題 焼きばめの締め代は一般に1/1000〜3/1000である。アル
ミニウム合金の線膨張係数は約1.8×10^-5/℃であるか
ら、焼きばめ温度は60〜170℃であるが、実際にはこれ
より100〜150℃高い温度とするのが普通である。160〜3
20℃の温度では、アルミニウム合金の硬度及び強度が低
下するほか、軸との間で焼付きを生じやすい問題点があ
る。

軸を冷却して熱収縮させる冷しばめは、−200℃以下の
温度に軸を保持して前記締め代を確保する必要がある。
質量が小さい軸は容易に温度が上昇し、締め代を確保し
にくいほか経済的でない難点がある。

はめ合いの軸方向寸法が大きい軸部をアルミニウム合金
製の円筒部材の穴部に圧入するとき、軸と円筒部材の間
で焼き付き又はガジリを生じやすく、一度ガジリを生じ
た円筒部材は損傷がひどく再生不能となる。

円筒部材の穴部の内周面及び軸の外周面にスプライン加
工又はセレーション加工を行い、軸を穴部に嵌入して結
合させるスプライン結合又はセレーション結合は、加工
に高コストを必要とし、経済的でないほか、はめ合いの
軸方向寸法が大きいと、軸と円筒部材の間で焼き付き又
はガジリを起こしやすい問題がある。

−40〜200℃の広温度範囲ではベーン型圧縮機の焼きば
め加工又は圧入加工されたロータ付き軸が大きな熱変形
を生じて嵌合部が弛緩するため、大負荷トルクの下で
は、ベーン圧縮機を使用できない。また、焼きばめ加工
又は圧入加工の締め代を増加すると、はめ合いにより円
筒部材に増大する応力が発生し、円筒部材が変形する場
合がある。特に切欠が形成された円筒部材では、はめ合
い後又は使用時に応力集中が発生して破壊するおそれが
ある。

大きなトルクを伝達できるスプライン結合又はセレーシ
ョン結合では、軸に形成した溝の底部に曲げ応力とねじ
り応力が集中し、疲労強度が低下する。また、摺動面の
摩耗傷又は焼き付きを発生する原因となる研削粉が各歯
の歯元部に形成されたクリアランスから発生し、シール
性が阻害される問題がある。

本発明は、異なる金属材料により形成された軸と円筒部
材を備えかつ広温度範囲で使用でき、機械的強度の高い
高トルク伝達軸を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段 金属製の円筒部材（２）に形成された穴部に異なる金属
により一体形成された軸（１）を嵌合した本発明による
高トルク伝達軸では、円筒部材（２）は互いに連絡しか
つ内径の異なる第１の穴部（32）及び第２の穴部（42）
を有し、軸（１）は外形の異なる第１の軸部（31）及び
第２の軸部（41）を有する。第１の穴部（32）の内径の
中心点は、軸（１）の軸心と一致する第２の穴部（42）
の内径の中心点から偏心する。第１の穴部（32）は第２
の穴部（42）の内径より大きい。円筒部材（２）の第１
の穴部（32）と軸（１）の第１の軸部（31）との嵌合部
及び円筒部材（２）の第２の穴部（42）と軸（１）の第
２の軸部（41）との嵌合部の少なくとも一方は締まりば
めにより嵌合される。

本発明の実施例では、円筒部材（２）はアルミニウム合
金であり、軸（１）は鋼である。第１の穴部（32）と第
２の穴部（42）との間に第１の穴部（32）及び第２の穴
部（42）のいずれの内径よりも大きな内径を備えた逃げ
部（62）が円筒部材（２）に形成される。D₁を円筒部材
（２）の第１の穴部（32）の内径、D₂を円筒部材（２）
の第２の穴部（42）の内径、d₁を軸（１）の第１の軸部
（31）の外径、d₂を軸（１）の第２の軸部（41）の外
径、d₃を軸（１）の先端部（51）の外径、ΔＴを結合時
の温度と使用時の最高温度との温度差、Ａを円筒部材
（２）の熱膨張率、ａを軸（１）の熱膨張率とすると、
第２の穴部（42）に対して第１の穴部（32）が偏心する
偏心量Ｃは、下式の関係がある。

ΔＴ（D₂・Ａ−d₂・ａ）＜Ｃ＜（D₁−D₂）/2 ΔＴ（D₁・Ａ−d₁・ａ）＜Ｃ D₁−2C＞D₂＞d₃−2C 作用 本発明では、軸（１）の第１の軸部（31）と第２の軸部
（41）をそれぞれ円筒部材（２）の第１の穴部（32）と
第２の穴部（42）に同時に圧入して、容易に一体に嵌合
できる。複数の軸部を対応する複数の穴部に嵌合するこ
とにより、圧入ストロークを短縮し、焼き付き・カジリ
の発生を抑制すると共に、圧入工程を容易に行うことが
できる。また、円筒部材（２）と軸（１）との間の熱膨
張率の差に起因するクリアランスより充分に大きく偏心
して、軸（１）を円筒部材（２）に嵌合でき、軸（１）
は少なくとも一方の軸部で締まりばめで穴部と結合され
るため、広い温度範囲で大きな負荷トルクを伝達でき
る。

円筒部材（２）に軸（１）を圧入する際に発生する塑性
流動物は、第１の穴部（32）と第２の穴部（42）との間
に形成された逃げ部（62）に溜まり、塑性流動物により
圧入が妨げられない。

更に、応力集中が発生しないので、破壊の発生及び疲労
強度の低下が生じないので、軸（１）の直径を減少する
ことができる。

実 施 例 以下、本発明による高トルク伝達軸の実施例を第１図〜
第６図について説明する。

第１図は、ベーン型圧縮機のロータとシャフトとを一体
に結合した高トルク伝達軸を示す。この高トルク伝達軸
はアルミニウム合金製の円筒部材２の内周面に鋼製の軸
１を嵌合して形成される。円筒部材２を構成するアルミ
ニウム合金は、12％珪素（Si）、４％銅（Cu）、１％マ
グネシウム（Mg）、５％鉄（Fe）、残部が実質的にアル
ミニウム（Al）からなる。製造の際に、前記組成の浴湯
をエア・アトマイズ処理で合金粉末にし、得られた合金
粉末を冷間静水圧プレスを用いて４トン/cm²の圧力で加
圧成形して、直径210mm、長さ450mmのピレットに形成す
る。生成したピレットを高純度アルゴンガス中で450℃
に余熱して、ほぼ同じ温度に加熱された2,300トン間接
式熱間押出し機のコンテナに挿入し、５箇所にスリット
が形成された外径62mm、幅3.6mmの円筒部材２を押し出
した。次に、円筒部材２を長さ54mmに切断して、T7（JI
S規格 H 0001 アルミニウム及びアルミニウム合金の
質別記号）の熱処理後、第４図に示す内径18mmの第１の
穴部32及び内径16mmの第２の穴部42をいずれも15mmの長
さでかつ第１の穴部32の中心O₂を第２の穴部42の中心O₁
から偏心量Ｃ＝0.5mm（第６図）だけ偏心させて機械加
工して仕上げる。

軸１はSCM420材を機械加工し、焼入れ、焼き戻しの熱処
理を行った後、外周に研磨仕上げを施した。第５図に示
すように、はめ合い部は、動力伝達側（スプライン側）
の第１の軸部31の寸法を第２の軸部41より大きくし、第
１の軸部31、第２の軸部41はそれぞれ円筒部材２の第１
の穴部32、第２の穴部42に対して1/1000〜2.5/1000の締
め代とする。第１の軸部31及び第２の軸部41は、平滑面
で圧入による締まりばめとなる。軸１の直径は、動力伝
達側の第１の軸部31を第２の軸部41より太いので、ねじ
り剛性も高い。

軸１を円筒部材２内に室温で圧入して、一体化する。50
個のサンプルについて圧入試験を実施したが、焼き付き
又はガジリ等の圧入時の欠陥は皆無であった。

次に一体化した円筒部材２の端面、外周面及びスリット
部に仕上げ加工を施し完成品とした。

D₁を円筒部材２の第１の穴部32の内径、D₂を円筒部材２
の第２の穴部42の内径、d₁を軸１の第１の軸部31の外
径、d₂を軸１の第２の軸部41の外径、d₃を軸１の先端部
51の外径、ΔＴを結合時の温度と使用時の最高温度との
温度差、Ａを円筒部材２の熱膨張率、ａを軸１の熱膨張
率とすると、偏心量Ｃは下式で示される関係をもつ。

ΔＴ（D₂・Ａ−d₂・ａ）＜Ｃ＜（D₁−D₂）/2 ΔＴ（D₁・Ａ−d₁・ａ）＜Ｃ D₁−2C＞D₂＞d₃−2C 上式では、D₁＝18mm、D₂＝16mm、締め代1/1000〜2.5/10
00の範囲内で、d₁＝18.063mm（締め代:D₁×2/1000の場
合）、d₂＝16.032mm（締め代:D₂×2/1000の場合）、d₃
＝15mm（結合時の部品の組合せを考慮して設定）、ΔＴ
＝180℃（結合時の常温と圧縮機の最高使用温度200℃と
の温度差）、Ａ＝18×10^-6/℃（使用するアルミニウム
合金の線膨張係数）、ａ＝10×10^-6/℃（一般的な鋼の
線膨張係数）である。これらの数値例を上式に代入する
と、0.023＜Ｃ＜１、0.026＜Ｃとなり、後式は18−2C＞
16＞15−2C、18＞16＋2C＞15、−0.5＜Ｃ＜１の関係が
得られる。

実測の結果、完成した本発明による高トルク伝達軸は30
Kg−ｍ以上の駆動トルクに耐えられることが判明した。
また、完成品を150℃の温度に200時間保持した後、圧縮
機に組み込み、液体圧縮状態の負荷試験を60回反復した
後、分解し、円筒部材２と軸１の結合状態を検査した
が、円筒部材２と軸１の結合状態に異常はなく、円筒部
材２で応力が集中するスリットの底部にも割れは発生し
なかった。

本実施例では、第１の軸部31と第２の軸部41をそれぞれ
円筒部材２の第１の穴部32と第２の穴部42に同時に室温
で圧入するので、容易に一体に嵌合できる。また、第１
の軸部31と第２の軸部41の複数の軸部を対応する第１の
穴部32と第２の穴部42の複数の穴部に嵌合するので、圧
入ストロークを短縮し、焼き付き・カジリの発生を抑制
すると共に、圧入工程を容易に行うことができる。ま
た、円筒部材２と軸１との間の熱膨張率の差に起因する
クリアランスより充分に大きく偏心して、軸１を円筒部
材２に嵌合でき、軸１は少なくとも一方の軸部で締まり
ばめで穴部と結合されるため、広い温度範囲で大きな負
荷トルクを伝達できる。

円筒部材２に軸１を圧入する際に発生する塑性流動物
は、第１の穴部32と第２の穴部42との間に形成された逃
げ部62に溜まり、塑性流動物により圧入が妨げられな
い。スプライン結合又はセレーション結合のように溝底
にクリアランスを形成していない。したがって、使用時
に研削粉による問題がなく、 更に、応力集中が発生しないので、破壊の発生及び疲労
強度の低下が生じないので、軸１の直径を減少すること
ができる。

本発明の実施態様は、前記実施例に限定されず、多くの
アルミニウム合金材質について適応できる。また、単純
な円筒形状から複雑な形状のトルク伝達軸にも適応でき
る。更に、はめ合い部の各軸方向寸法も要求トルクによ
って任意に設定することができる。

発明の効果 本発明による高トルク伝達軸は、前記のように、広温度
範囲で使用できかつ機械的強度も高いので、長期の使用
寿命を有する。また、軽量化も達成することが可能とな
り、スプライン加工又はセレーション加工を行う必要が
ないため、安価に製造できる効果がある。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明による高トルク伝達軸を示す断面図、第
２図は斜視図、第３図は円筒部材の平面図、第４図は円
筒部材の断面図、第５図は軸の断面図、第６図は軸の平
面図である。 １……軸、２……円筒部材、31……第１の軸部、41……
第２の軸部、32……第１の穴部、42……第２の穴部、62
……逃げ部、Ｃ……偏心量、

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】金属製の円筒部材に形成された穴部に異な
   る金属により一体形成された軸を嵌合した高トルク伝達
   軸において、 円筒部材は互いに連絡しかつ内径の異なる第１の穴部及
   び第２の穴部を有し、軸は外形の異なる第１の軸部及び
   第２の軸部を有し、 第１の穴部の内径の中心点は、軸の軸心と一致する第２
   の穴部の内径の中心点から偏心し、 第１の穴部は第２の穴部の内径より大きく、 円筒部材の第１の穴部と軸の第１の軸部との嵌合部及び
   円筒部材の第２の穴部と軸の第２の軸部との嵌合部の少
   なくとも一方は締まりばめにより嵌合されることを特徴
   とする高トルク伝達軸。
2. 【請求項２】第１の穴部と第２の穴部との間に第１の穴
   部及び第２の穴部のいずれの内径よりも大きな内径を備
   えた逃げ部が円筒部材に形成された特許請求の範囲第
   （１）項に記載の高トルク伝達軸。
3. 【請求項３】D₁を円筒部材の第１の穴部の内径、D₂を円
   筒部材の第２の穴部の内径、d₁を軸の第１の軸部の外
   径、d₂を軸の第２の軸部の外径、d₃を軸の先端部の外
   径、ΔＴを結合時の温度と使用時の最高温度との温度
   差、Ａを円筒部材の熱膨張率、ａを軸の熱膨張率とする
   と、第２の穴部に対して第１の穴部が偏心する偏心量Ｃ
   は、 ΔＴ（D₂・Ａ−d₂・ａ）＜Ｃ＜（D₁−D₂）/2 ΔＴ（D₁・Ａ−d₁・ａ）＜Ｃ D₁−2C＞D₂＞d₃−2C の範囲である特許請求の範囲第（１）項に記載の高トル
   ク伝達軸。
4. 【請求項４】円筒部材はアルミニウム合金であり、軸は
   鋼である特許請求の範囲第（１）項に記載の高トルク伝
   達軸。