JPS63134134A - アルミニウム合金製円筒部材と鋼製軸との結合構造 - 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、アルミニウム合金製円筒部材と鋼製軸との結
合構造に関するものであり、特に、ベーン型圧縮機のロ
ーターとシャフトの結合体のように使用温度範囲が広く
、シかも大きなトルクが負荷されるような用途に最適な
結合構造である。

（従来技術と問題点） 円筒部材と軸からなるような部品、例えばベーン型圧縮
機におけるローターと軸のような部品では、軽量化を目
的とするような場合、軸のように全体重量が小さく剛性
や強度が必要な部材は鋼製とし、ローターのように重量
の大きい円筒部材は軽量なアルミニウム合金製として結
合させると効果がある。

このように、材質の異なる部材を結合し一体化する方法
としては、焼きばめ、冷しばめ、圧入、スプラインやセ
レーション締結が一般的に実施されている。しかし、こ
れらの方法には以下に述べるような問題点がある。

焼きばめでは、締め代は一般に１／１０００〜３／１０
００である。アルミニウム合金の熱膨張係数は約１．８
　Ｘ　１０″″５／℃であるから、やきばめ温度は６０
〜１７０’Ｃとなる。しかし実際にはこれより１００〜
１５０℃高い温度とするのが普通である。このような温
度では、アルミ合金は硬度や強度の低下をきたすほか、
軸との間で焼付きを生じやすいと云う問題点がある。

冷しぼめは、軸を冷却して熱収縮させる方法であるが、
上記締め代を確保するためには一２００℃以下に保持す
る必要がある。軸は質量が小さいため容易に温度が上昇
し、締め代を確保しにくいほか経済的でないと云う問題
点がある。

圧入では、円筒部材がアルミニウム合金であるため、軸
方向のはめ合い部の寸法が大きい場合、嵌入に際して軸
との間で焼き付きやガジリを起こしやすく、一度ガシリ
を生じた部材は損傷がひどく再生不能となる。

スプラインやセレーションでは、円筒部材の内周面およ
び軸の外周面に、加工によりスプラインやセレーション
を設け、軸を嵌入して結合させる方法である。この方法
は加工コストがかかり経済的でないほか、軸方向のはめ
あい部の寸法が大きい場合、嵌入に際して軸との間で焼
き付きやガジリを起こしやすいなどの問題点がある。

次に、使用時の問題点について述べる。

ベーン型圧縮機のローターと軸のような場合では、圧縮
機の使用温度範囲は一４０〜２００℃程度と広く、した
がって前述のやきばめや、圧入の締め代では、大きな負
荷トルクのかかる条件下では使用できない。締め代を増
加することは、はめ合いにより発生する円筒部材の応力
が増大し、円筒部材が変形するだけでなく、特に円筒部
材に切欠きがあるような形状では、はめ合い後や使用時
に応力集中により破壊する恐れがある。

スプラインやセレーション締結では、大きなトルクを伝
達できるが、軸に設けた溝底に曲げとねじりの応力が集
中し、疲労強度が低下する。また、それぞれの歯の溝底
にクリアランスがあるため、そこから研削粉が摺動面に
出てきて摩耗傷をつけ、焼き付きを発生させたり、シー
ル性を阻害するなどの問題がある。

本発明は、上記のようにそれぞれの必要特性に応じた材
質からなり、別個に形成されたアルミニウム合金製の円
筒状部材と、鋼製軸との結合を経済的に且つ容易にでき
る構造とし、また広い温度範囲での使用条件下で負荷に
耐える締結強度を有する構造とすることを目的としてな
されたものである。

（発明の構成） 本発明は、円筒部材１の内周面に４段の順次内径の異な
るはめ合い部１１，１２．１３．１４が設けられていて
、鋼製軸２には該円筒部材ｌと同様に順次外形の異なる
４段のはめ合い部２１．２２．２３．２４を持ち、且つ
鋼製軸２の内側の２段のはめ合い部２２．２３にはそれ
ぞれセレーションが設けられていて、外側のはめ合い部
２１．２４は平滑面となっており、内側の２段のはめ合
い部２２．２３では軸２のセレーションの凹部に該円筒
部材１が食い込みしまりばめの状態で結合されていて、
外側のはめ合い部２１．２４は圧入によるしまりばめの
状態で結合されていることを特徴とするアルミニウム合
金製円筒部材とｗｉ製軸との結合構造を提供するもので
ある。

上述したように、本発明ではアルミニウム合金製円筒部
材ｌと軸２とは、それぞれ別個に４段のはめ合い部１１
．１２．１３．１４および２１、２２．２３．２４を形
成した後、圧入により結合一体化される。軸２に設けた
セレーションのはめ合い部２２．２３は、圧入時に円筒
部材ｌのはめ合い部１２．１３を歯の間に食い込んで行
く。

結合部を４段とすることで圧入のストロークを短くでき
るため、焼き付きなどのトラブルが起りにくくなるほか
、圧入工程の生産性も高くなる。

段数が増えると結合時圧入のストロークは短くなるが、
シャフト径が端部で細くなりすぎる欠点がおよび１３．
２３の結合の始まる前に、外側のはめ合い部１１．２１
および１４．２４が圧入されるように寸法を決めること
により、シャフト２とローター１の軸芯が一致するため
、セレーション部は偏心することなく均等に結合される
。

セレーションはインボリュートセレーションよりも三角
刃セレーションが、圧入によって円筒部材ｌのはめ合い
部１２．１３へ食い込ませることが容易で、しかも軸２
への加工が容易である。セレーションのモジュールは、
０．１より小さいとセレーションの歯への面圧が高くな
り、大きなトルク負荷に耐えられない。また、０．２５
を越えると、圧入するとき大きな荷重を必要とし、円筒
部材ｌの変形や、場合によっては割れを生ずる恐れがあ
る。

円筒部材ｌのはめ合い部１２．１３をセレーションの歯
の間に食い込ませた箇所は、しまりばめの応力も加わる
ため、大きな負荷トルクに耐え。

広い温度範囲での結合強度が維持できる。しかし、この
結合部分は、大きな周方向応力が発生し、残留応力が大
きいが、円筒部材１の側面両端部から離れているので、
圧入工程や使用時に割れが発生する危険性は少なくなる
。

円筒部材１の内径の寸法変更部には、凹溝１５．１６．
１７が設けである。円筒部材ｌに軸２を嵌入する際、セ
レーションの歯２２．２３により発生した塑性流動物は
、との凹部に溜まるため、圧入による結合を妨げること
が無い。

結合部の外側のはめ合い部２１．２４は、平滑面で、圧
入によるしまりばめとなる。スプラインやセレーション
締結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、使用時にそこから研削粉が出てきてトラブル
を引き起こすことがなく、応力集中して破壊を起こすこ
とも無く、さらに、疲労強度が低下することがないので
、軸２の径を細くすることができる。

シャフト径は、動力伝達側を太くしであるので、ねじり
剛性も高いものとなる。

（実施例） 以下に、本発明を実施例に基づき説明する。

第１図は、本発明に係るアルミニウム合金製円筒部材１
と、鋼製軸２との結合構造として、ベーン型圧縮機のロ
ーターとシャフトに適用した例を示す。

アルミニウム合金製のローター１は、１２％Ｓｉ、４％
Ｃｕ、１％Ｍｇ、５％Ｆｅ、残部が実質的にＡｌからな
る組成の溶湯を、エア・アトマイズ処理で合金粉末にし
、この合金粉末を冷間静水圧プレスを用いて４Ｔｏｎ／
ａｍ２の圧力で加圧成形して、φ２１０閣、長さ４５０
ｍ＋＋のビレットとし、これを高純度アルゴンガス中で
４５０’Ｃに予熱し・、はぼ同じ温度の２．３００Ｔｏ
ｎ間接式熱間押出し機のコンテナに挿入し、第３図、第
４図に示すような外径がφ６２ｍｍで、幅３．６Ｉのス
リットが５箇所設けられたローター１を押し出した。次
に、このローター１を長さ５４ｎｎに切断してＴ７の熱
処理後、第４図に示すような内周に４段の順次内径の異
なるはめ合い部１１，１２．１３．１４を機械加工で仕
上げた。はめ合い部１１．１２．１３．１４は、内径が
それぞれ１８Ｉ、１７．５＋ｍ＋、１６．８ｍｍ、１６
．３ｍｍで、長さはそれぞれ１３．５ｍｍ、７．５ｍｍ
、７．５ｍｍ、１３゜５Ｉｎとした。

シャフト２はＳ　０Ｍ４２０材を機械加工し、スプライ
ン部２０とセレーション部２２．２３は塑性加工により
成形した。その後熱処理（焼入れ。

焼き戻し）を行い、セレーション部２２．２３以外の外
周には研磨仕上げを施した。なお第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）の寸法を大
きくし、外側のはめ合い部２１．２４はローターｌの該
当はめ合い部１１゜１４４、一対シテ、１／１０００〜
２．５／１０００の締め代とした。また塑性加工で形成
されたセレーション２２は、歯数９０（モジュール０．
１９５）とし、セレーション２３では歯数８６（モジュ
ール０．１９５）とした。それぞれのセレーションの形
状は、三角歯であり、焼入れ後の外径部研磨はしていな
い状態である。

シャフト２とアルミニウム合金製ローター１の結合は室
温での圧入により行なった。圧入試験は５０個について
実施したが、焼き付きゃガジリなとの圧入時のトラブル
は皆無であった。

次に結合により一体化した状態でローターｌの両端面、
外径、スリット部の仕上げ加工を実施し完成品とした。

セレーション部分の結合状況は、シャフト２に設けられ
たセレーションの歯の間にローター１材が食い込んだ状
態となっている。この部分にも、しまりばめの状態で周
方向の応力がかかっているので、高いトルクを許容でき
る。

（効果） 完成品のトルクを実測した結果、３０Ｋｇ−ｍ以上ある
ことが確認できた。次に完成品を１５０℃で２００時間
保持後、コンプレッサーに組み込み液圧縮状態での試験
を６０回繰り返した部分解し、ローター１とシャフト２
の結合状態を調査したが、ローター１とシャフト２間で
の結合状態に異常はなく、ローターｌの応力集中するス
リットの底の部分にも割れは発生していなかった。

本発明は、上記実施例に限定されるものでなく、多くの
アルミニウム合金材質について適応できる。

また形状も単純な円筒形状から、より複雑な形状のもの
についても適応が可能である。さらに両端の圧入部と内
側のセレーション部のそれぞれの軸方向寸法も要求トル
クによって比較的任意に設定して良い。

この結合構造によって、ベーン型圧縮機のローター１と
シャフト２の結合体のように使用温度範囲が広く、しか
も大きなトルクが負荷されるような用との部材を軽量化
するため、質量が小さく剛性や強度が必要な軸は鋼製と
し、質量の大きい円筒部材を熱間押出しで断面形状を最
終加工仕上げ形状に近づけたアルミニウム合金製とし、
軸と結合させて使用することが可能となった。スプライ
ンやセレーションを円筒部材ｌの内側に切る必要がない
ため経済的にも有利である。

【図面の簡単な説明】

第１＠は、実施例のアルミ合金製ローターとシャフトの
結合をしめす一部断面図 第２図は、実施例の斜視図 第３図、第４図は、ローターの上面図と断面図第５図は
、シャフトを示す。 図中　１１−１４円筒部材のはめ合い部２１．２４外側
のはめ合い部 ２２．２３内側のはめ合い部

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）アルミニウム合金製円筒部材の内周面に鋼製軸が結
   合されている構造において、該円筒部材の内周面には４
   段の順次内径の異なるはめ合い部が設けられていて、鋼
   製軸には該円筒部材と同様に順次外形の異なる４段のは
   め合い部を持ち、且つ鋼製軸の内側の２段のはめ合い部
   にはそれぞれセレーションが設けられていて、外側のは
   め合い部は平滑面となっており、内側の２段のはめ合い
   部では軸のセレーションの凹部に該円筒部材が食い込み
   しまりばめの状態で結合されていて、外側のはめ合い部
   は圧入によるしまりばめの状態で結合されていることを
   特徴とするアルミニウム合金製円筒部材と鋼製軸との結
   合構造 ２）セレーションが、モジュール０．１〜０．２５の範
   囲内であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   のアルミニウム合金製円筒部材と鋼製軸との結合構造 ３）鋼製軸との結合により発生する円筒部材の周方向の
   応力が、内側のセレーション部が外側のしまりばめ部よ
   りも高く設定されていることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載のアルミニウム合金製円筒部材と鋼製軸と
   の結合構造