JPS59159409A - 機械要素 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、機械安素に係り、特に脆性材製の第１部月と
延性材製の第２部材とを焼ばめ結合してなる機械要素の
改良に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

周知のように、セラミックスは勝れた耐熱性、耐摩耗性
および耐食性等を備えている。そこで、最近では、高温
雰囲下で用いられる機械要素をセラミックスで形成する
試みがなされている。

しかし、セラミックスは、一般的に脆い、いわゆる脆性
材料である。したがって、機械要素全体をセラミックス
で形成することは危険で、むしろ機械要素のうちの高温
雰囲気にさらされる部分だけをセラミックスで形成し、
残りの部分を延性材料である金属で形成する形態が実用
的である。このような形態を実現するには、脆性材料で
あるセラミックスと延性材料である金属とを何らかの手
段で結合させて目的とする機械要素を構成する必要があ
るが、この結合手段として焼ばめによる結合が考えられ
る。

ところで、セラミックスの線膨張係数は一般に小さく、
また金属のそれは大きく、一般に脆性材は引張力により
破損するので、セラミック材と金属材とを焼ばめによっ
て結合させるときには、第１図に示すようにセラミック
材が内側に位置するようにして焼ばめする方式が採用さ
れる。すなわち、この例は、セラミック材製の第１部材
１と金属材製の第２部材２とを焼ばめによって結合し、
機械要素の１つであるシャフトＳを構成した場合の例を
示すもので、第１部材１の一端側に小径の挿入部３を形
成するとともに第２部材２の一端側に孔４を有した被挿
入部５を形成し、上記孔４内に挿入部３を焼ばめ嵌合さ
せるようにしている。

しかしながら、上記のように単純に焼ばめ結合させた場
合には、次のような間頂がある。すなわち、シャフトＳ
を高温雰囲気で使用する場合には、遠心力に基づく焼ば
め代減少分や回転トルク伝達に必要な焼ばめ代の外にセ
ラミックスと金属との熱膨張差分に見合う焼ばめ代を設
定する必要がある。前述の如く、セラミックスの線膨張
係数は小さく、金属のそれは大きい。

このため熱膨張差分に見合う焼ばめ代が非常に大きくな
り、焼はめ終了後に挿入部３が強力な力で締め付けられ
ることになる。つ′＝１：す、挿入部３及びその近傍に
常に大きな応力が発生している状態となり、たとえば低
温時のシャフト回転始動時に、回転トルクや振動等の外
力が加わったとき挿入部３近傍等が破損し易い等の問題
がある。

〔発明の目的〕

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、そ
の目的とするところは、セラミックス等の脆性材で形成
された第１部材と金属等の延性材で形成された第２部材
とを焼ばめ結合してなるものにおいて、低温から高温に
至るまで機械要素としての機能を安定かつ安全に発揮し
得、たとえばエンジンのターボチャージャ等の部品に適
した機械要素を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明に係る機械要素は、脆性材側に設けられた挿入部
の外周もしくは延性材側に設けられた被挿入部の外周に
、上記挿入部と被挿入部との嵌合方向と直交する方向の
熱膨張差を緩和させる補助筒体を嵌合させたことを特徴
としている。上記補助筒体としては、たとえば補助筒体
を前記挿入部の外周に配する場合、前記挿入部材の線膨
張係数より大きく、かつ前記被挿入部材のそれより小さ
い材質のものが用いられ、１だ、前記被挿入部の外周に
配する場合は、前記被挿入部材の線膨張係数より小さい
材質のものが用いられる。

〔発明の効果〕

上記構成であると、たとえば補助筒体を延性材製の被挿
入部外周に嵌合させた場合を例にとると、補助筒体とし
て、その線膨張係数が前記範囲にある材質のものを用い
れば上記被挿入部の熱膨張量が補助筒体によって自動的
に規制され、本来の熱膨張量よυ小さな値に抑えられる
。

したがって、焼はめ時における焼ばめ代のうち、脆性材
製の挿入部と延性材製の被挿入部との間の熱１彰張差を
補償するだめの焼ばめ部分を小さな値に設定することが
可能となる。この結果、焼ばめ後の脆性材製の挿入部に
加わる力を小さくでき、上記挿入部及びその近傍に大き
な応力が作用している状態を解消できるので、たとえ低
温時に外力を加えた場合であっても上記挿入部近傍が破
損する確率を大幅に低下させることができる。同様に、
脆性材製の挿入部に補助筒体を焼ばめ嵌合させた場合、
つまり、挿入部と延性材製の被挿入部との間に補助筒体
を介在させた例においても上記補助筒体の材質が前述し
た範囲の線膨張係数のものでありさえすれば上記補助油
体の熱膨張量によって被挿入部と挿入部との間の熱膨張
差を実質的に減少させることができる。したがって、こ
の場合においても焼はめ代のうち挿入部と被挿入部との
間の熱膨張差を補償するための焼はめ部分を小さな値に
設定することが可能となり、補助筒体を被挿入部の外周
に嵌合させた場合と同様な効果が得られる。

〔発明の実施例〕

以Ｆ１本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。

第２図は、本発明をイ棟械要素の１つであるシャフトに
適用した例を示すもので第１図と同一部分は同一符号で
示Ｉ７である。

すなわち、この実施例に係るシャフトＳ１は、線膨張係
数が小さくかつ脆性材料であるセラミック材製の第１部
材１の一端側に、たとえば小径で円柱状の挿入部３を同
軸的に設けるとともに線膨張係数が大きく、かつ延性材
料である金属材製の第２部材２の一端側に同心的な孔４
を有した被挿入部５を設け、上記被挿入部５の孔４内に
挿入部３を焼ばめ嵌合させ、さらに被挿入部５の外周に
金属材製の補助筒体１ノを嵌合嵌合させたものとなって
いる。そして、上記補助筒体１１ば、第２部材２の線膨
張係数より小さい線膨張係数の材料で形成されており、
被挿入部５の外周に嵌合されている。

このような構成であると、高温雰囲気下において使用し
たとき、挿入部３および被挿入部５は共に膨張するが、
補助筒体１１か゛被挿入部５を構成している材料より線
膨張係数の小さい材料で形成されているので、被挿入部
５の熱膨張量は必然的に補助筒体１１によって規制され
、本来の熱膨張量よシ小さい値に抑えられる。したがっ
て、被挿入部５と挿入部３との焼ばめに際しての焼ばめ
代のうち、被挿入部５と挿入部３との熱膨張差を補償す
るに必要な焼ばめ代を補助筒体１１がない智今に較べて
小さくすることが可能になる。このため、焼ばめ後に挿
入部３及びその近傍に作用する力を減少させることが可
能となり、結局、前述した効果が１８られることになる
。

第３図は本発明の別の実施例を示すものである。すなわ
ち、この実施例では、挿入部３の外周に補助筒体１１ａ
を焼ばめ嵌合し、この補助１冑体１１＆の外側に被挿入
部５を焼ばめ嵌合して１つのシャツ）８２を構成したも
のとなっている。そして、上記補助筒体１１ａは、へλ
１部材１の線膨張係数より大きく、かつ第２　？’ｉ１
Ｓ月２の線膨張係数より小さい線膨張係数を１した材料
で形成されており、遠心力に基づく焼ばめ代減少分や回
転トルクを伝達するに必要な焼ばめ代の外に、挿入部３
と補助筒体１１ａとの間の熱膨張差を補償する焼はめ部
分を加算した焼ばめ代で挿入部３の外周に装着されてい
る。

このような構成であると、補助筒体１１ａの熱膨張分が
挿入部３と被挿入部５との間の熱膨張差を実質的に減少
させるように作用する。したがって、この部会も被挿入
部５の焼ばめに際し、その焼ばめ代のうちの被ｌｌ′ｍ
人８５と挿入部３との間の熱膨張差を補償するための焼
はめ代を少なく設定でき、結局、ｍｌ記実施例と同様な
効果が得られる。

なお、本発明は、上述した実施例に限定さ！′Ｉ２るも
のではなく、種々の変形も含む。たとえば第３図に示し
た実施例に卦いて、補助筒体１１ａを多重筒体に形成し
、挿入部３に近い筒体程、挿入部３を構成している材料
の線膨張係数に近い材料で形成し、また被挿入部５の内
周面に近い筒体程、被挿入部５を形成している材料の線
膨張係数に近い材料で形成するようにしてもよい。丑だ
、第４図に示すように被挿入部５の先端部を先端２１か
ら遠ざかるにしたがって外径が大きくなるチーツク面２
２に形成してもよい。

このようにチーツク面２２を設けると、先端２１の近傍
の剛性が低下するので、この部分の挿入部３を圧縮する
力が減少する。挿入部３の上記先端２１を境にして図中
右側に圧縮力が加わると先端２１より図中左側でかつ先
端２１に近い部分に引張応力が発生する。この引張応力
の大きさは先端２１の近傍の上述した圧縮力が大きい程
大きい。したがって、上記のようにテーノＲ面を形成し
ておけば先端２１の近傍の圧縮力を小さくできるので、
これに伴なわせて引張応力も小さくでき、これによって
、特に低温時に挿入部３に大きな引張応力が作用のを回
避させることができる。゛また、上記のように挿入部３
の特に被挿入部先端近傍に位置する部分に大きな引張応
力が発生するのを回避させる手段としては、第５図に示
すように先端２１で囲−まれた部分にくびれ傾斜角αが
４５°にノ丁のくびれ状の小径部３１を設け、先端２１
の内周面に挿入部３の外周面が接触しないようにするこ
とによっても実現できる。勿論、第４図に示したチー・
ぞ面２２と小径部３１との組合せで回避させるようにし
でもよい。第６図は挿入部３に発生する応力分布をＦ、
Ｅ、Ｍにより解析した結果を示すもので、図中５曲線が
第１図に示した場合を、Ｋ曲線が第４図に示ずようにチ
ー・ゼ面２２を設けた場合を、またＬ曲線が第５図に示
すように小径部３１を設けた場合をそれぞれ示している
。

この図から判るように小径部３１を設けた場合（Ｌ曲線
）には小径部３１の外周面がいわゆる“たるみ″をもっ
た形状であることが有効に作用し、先端２１の近傍の応
力を十分低減させることができる。１だ、上述し／こ各
説明は本発明をシャフトに適用した例についてであるが
、本発明は他のイ幾械要素にも適用できることは勿論で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は脆性材と延性材とを焼はめによって結合したシ
ャフトを一部切欠して示す側面図、第２図から第５図は
本発明のそれぞれ異なる実施例に係るシャフトを一部切
欠してそれぞれ示す側面図、第６図は各側の応力分布解
析結果を示す図である。 １・・・脆性材製の第１部材、２・・・延性材製の第２
部材、３・・・挿入部、５・・・被挿入部、１１゜１１
ａ・・・補助筒体、２１・・・先端、２２・・・テーパ
面、３１−・・小径部、Ｓｌ　、Ｓ２　、Ｓ３　、ｓ４
・・・シャフト、α・・・くびれ傾斜角。 出願人代理人　　弁理士　鈴　江　武　彦第　１　図 第　２　図 第　３　図 第　４　図 第５図 第６図 ４３

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）線膨張係数の小さい脆性材製の第１部材に挿入部
   を設けるとともに上記脆性材よυ線膨張係数の大きい延
   性材製の第２部材に被挿入部を設け、上記被挿入部と上
   記挿入部との焼ばめ嵌合によって上記第１部材と上記第
   ２部材とを結合させてなる機械要素において、前記被挿
   入部の外周もしくは前記挿入部の外周に、上記挿入部と
   被挿入部との嵌合方向と直交する方向の熱膨張差を実質
   的に緩和させる補助筒体を嵌合させてなることを特徴と
   する機械要素。
2. （２）前記補助筒体のうち、前記挿入部の外周に配する
   ものは、前記第１部材より線膨張係数が大きく、かつ前
   記第２部材より線膨張係数が小さい材料であり、また、
   前記被挿入部の外周に配する前記補助筒体は、前記第２
   部材よシ線膨張係数が小さい材料で形成されたものであ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の機械要
   素。
3. （３）前記補助筒体は、前記挿入部の外周に焼ばめ嵌合
   されたものであって、上記挿入部の外周に近いものほど
   前記第１部材の線膨張係数に近く、かつ前記被挿入部の
   内周に近いものほど前記第２部材の線膨張係数に近い材
   料で形成された多重筒体であることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の機械要素。
4. （４）前記被挿入部の先端部あるいは、前記補助筒体の
   端部は、先端から遠ざかるにしたがって外径が増加する
   テーノや状に形成されてなることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項または第３項記載の機械要素。
5. （５）前記挿入部の前記被挿入部先端に囲まれた部分は
   、上記被挿入部の内周面もしくは前記補助筒体の内周面
   に接触しないくびれ状の小径に形成されてなることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項、第３項および第４項の
   いずれか１項記載の機械要素。