JPH076544B2

JPH076544B2 - 軸と部材との結合構造

Info

Publication number: JPH076544B2
Application number: JP60238949A
Authority: JP
Inventors: 義紘土本; 直也清水; 公彦佐藤
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 1985-10-25
Filing date: 1985-10-25
Publication date: 1995-01-30
Anticipated expiration: 2010-01-30
Also published as: JPS62101918A

Description

【発明の詳細な説明】「技術分野」本発明は、例えばセラミックス製ロータを有する高温用
回転機械あるいはディーゼルエンジンのキノコ型排気弁
のような非回転型機械部品において、例えばセラミック
ス製部材と金属軸とを強固に接合する場合などに好適に
採用できる軸と部材との結合構造に関する。

「従来技術およびその問題点」数百℃以上の高温にされされるセラミックス製ロータを
有する回転機械、例えば高温用ブロワー、セラミックス
ターボチャージャなどにおいて、金属軸とセラミックス
製部材とを強固に、かつ損傷することなく結合する手段
が要請されているが、従来より良い方法が知られていな
い。

例えば第13図には、セラミックス製のインペラー１と一
体的に形成されたセラミックス製２の端部を、これに係
合するボス部を有する金属軸３に焼きばめした結合構造
が示されている。この場合、金属軸３としては、ある程
度セラミックスに近い熱膨張係数を有する低膨張合金が
採用される。しかしながら、この結合構造は、セラミッ
クス軸２の径が10mm程度の小型のセラミックススターボ
チャージャなどで、負荷、すなわち伝達すべきトルクが
小さい場合にあるいは採用できるものであるが、セラミ
ックス軸２の径がほぼ30mm以上などの比較的大径のセラ
ミックス軸２に対しては、セラミックス軸２の部分に熱
衝撃が加わって破損する率が高い。また、焼きばめは、
作業性が悪くて組立てが容易でない上に、ひとたび焼き
ばめを試みると、はめ合いが良好であっても不良であっ
てもはめ合いをはずして元に戻すことが困難である。ま
た、低膨張合金は温度がある程度高くなると急激に線膨
張係数が高くなる性質があるため、焼きばめ部分の温度
が例えば600℃以上の高温になると、セラミックス軸２
よりも金属軸３のボス部の熱膨張率が高くなり、焼きば
め部分の結合力が低下してゆるみやガタつきが生じる虞
れがある。さらに、焼きばめ時にセラミックス軸２が金
属軸３のボス部によって締めつけられることにより、セ
ラミックス軸２に軸方向に引張り応力が生じ、回転時な
どの曲げ振動によって破損しやすくなるなどの問題もあ
った。

このような熱膨張によるゆるみの問題の解決を試みた金
属軸とセラミックス製部材との結合構造が実開昭57-483
28号として提案されている。この結合構造は、金属軸に
スリットを形成すると共に、金属軸に装着されたセラミ
ックス製部材を弾条体を介して押圧する如く保持してい
る。しかしながら、この結合構造では、金属軸にスリッ
トを形成するため、金属軸の強度、剛性が損なわれ、強
固に一体化された結合構造を得ることが困難となる。ま
た、弾条体を高温下においても充分な弾性を保持し得る
ようにすることは、実際には非常に難しいという問題点
もある。同様にして、金属軸とセラミックス製部材に形
成されたボス部との間に何らかの緩衝材を介在させ、熱
膨張差を吸収させる方法も考えられるが、上記と全く同
様な問題点を避けることができない。

「発明の目的」本発明の目的は、金属軸とセラミックス製部材あるいは
セラミックス軸と金属部材との結合などの如く、熱膨張
係数のそれぞれ異なる材質からなる軸と部材との結合に
際し、両者の熱膨張の差を吸収し得るようにし、軸心の
狂いも生じず、両者を強固に結合して充分に回転力およ
び／または軸方向の力を伝達しうるようにした軸と部材
との結合構造を提供することにある。

「発明の構成」本発明による軸と部材との結合構造は、拡径しかつ軸方
向に対向して形成された二つの段部を有する軸と、この
軸が挿通された前記二つの段部の間に嵌合する取付け孔
を有する部材とを備え、前記軸および前記部材の一方は
他方と熱膨張係数の異なる材質からなり、前記二つの段
部の対向縁部のそれぞれと前記取付け孔の二つの回航縁
部のそれぞれとが接してなる結合構造であって、一方の
対向縁部および該一方の対向縁部と接する開口縁部から
選ばれる少なくとも一つ、および、他方の対向縁部およ
び該他方の対向縁部と接する開口縁部から選ばれる少な
くとも一つが、二つの異なる仮想錐体の錐面となるよう
に形成されており、前記軸の軸心と前記仮想錐体の錐面
とがなす角度θが下記式で示される範囲とされている
ことを特徴とする。

tan^-1μ＜θ＜90゜−tan^-1μ…… （上記式中、μは前記軸と前記部材との接する部分の最
大静止摩擦係数を意味する。）本発明の作用を第１図、第２図、第３図、第４図および
第５図に示す具体例に基づいて説明する。

第１図に示すように、本発明は軸11と部材12との結合構
造に関するものであって、軸11および部材12のいずれか
一方は金属からなり、他方はセラミックスからなってい
る。この例では、軸11が金属からなり、部材12が軸11を
構成する金属よりも熱膨張係数の小さいセラミックスか
らなるとして説明する。軸11は、拡径しかつ軸方向に対
向して形成された二つの段部13、14を有し、各段部13、
14の内側面（対向縁部）は二つの異なる仮想円錐Ｓ、Ｍ
の錐面をなすように形成されている。そして、部材12
は、これらの段部13、14の間に嵌合する取付け孔15を有
し、この取付け15の開口縁部16、17が段部13、14の内側
面に接して、軸11および部材12が強固に結合されてい
る。そして、本発明では、軸11の軸心18と仮想円錐Ｓ、
Ｍの錐面とのなす角度（この場合、仮想円錐Ｓ、Ｍの母
線19、20と軸心18とのなす角度を意味する）θ₁,θ_２の
どちらも上記式で示されるθの値を満足するようにさ
れている。

この状態で、例えば300℃以上、さらには500℃以上の温
度差を有する温度上昇があったとき、金属の軸11は、セ
ラミックスの部材12に対して相対的により大きく熱膨張
する。このとき、軸11と部材12との接点において軸11が
部材12に対して滑ってくれる必要があるが、滑り出す直
前の力のバランスを第２図に示す。第２図では上記接点
を座標軸の原点にとり、この原点から図面右向きにｘ
軸、図面上向きにｙ軸をとってある。ここでＦ′は室温
などにおいて軸11と部材12とを強固に結合させるべく加
えた締結力であり、多くの場合Ｆ′はｘ軸にほぼ平行に
働く。Ｐ′は軸11が熱膨張する際に部材12に加わる力
で、ここでは膨張力と呼ぶ。ｆは軸11が部材12に対して
相対的に滑ろうとする際に働く最大摩擦力である。Ｎは
Ｐ′とＦ′とに対する反力である。

さらにここで締結力Ｆ′と膨張力Ｐ′のｘ方向の分力を
それぞれＦ′x,P′ｘ、ｙ方向の分力をそれぞれＦ′y,
P′ｙとし、Ｆ′ｘとＰ′ｘとの合力をＦ、Ｆ′ｙと
Ｐ′ｙとの合力をＰとすると、第２図の状態は第３図に
示す如く、ｘ方向にＦなる力が働き、ｙ方向にＰなる力
が働いた場合と同様の力のバランスを得る。よって軸11
と部材12に働く各種の力の関係を第３図において考え
る。

第３図における反力Ｎの斜面に垂直な方向の分力を垂直
抗力Nv、軸と部材との接する部分の最大静止摩擦係数を
μ、tanλ＝μの関係で定められるλを摩擦角とする
と、ｆ＝μ×Nv＝μ×（Fsinθ_１＋Pcosθ_１）ここで軸11が部材12に対して相対的に滑り、熱膨張差に
よる破損を防止するためには、斜面方向に力のバランス
を考慮すると、次式を満たす必要がある。

Psinθ_１＞Fcosθ_１＋ｆすなわち Psinθ_１＞Fcosθ_１＋（tanλ）×（Fsinθ_１＋Pcosθ
_１） Psin（θ_１−λ）＞Fcos（θ_１−λ） tan（θ_１−λ）＞F/P θ_１＞λ＋tan^-1（F/P） …… 式から、θ_１がλより大きければ、Fcot（θ_１−λ）
より大きな膨張力Ｐを与えることにより、軸11は部材12
に対して滑ることがわかる。すなわち、軸11が部材12に
対して滑るための必要条件は θ_１＞λ＝tan^-1μ …… である。

次に、第１図に示した結合構造において、例えば300℃
以上、さらには500℃以上の温度差を有する温度下降が
あった場合について考察する。軸11が部材12に対して相
対的に収縮し、軸11と部材12との接点において軸11が部
材12に対して滑り出す直前の力のバランスを第４図に示
す。第４図においてＦ′は締結力、Ｐ′は収縮力、Ｎは
Ｆ′とＰ′とに対する反力、ｆは軸11が部材12に対して
滑ろうとする際に働く最大摩擦力であり、図面下向きに
ｙ軸をとってある。

されに第４図における締結力Ｆ′と収縮力Ｐ′のｘ方向
の分力の合力をＦ、ｙ方向の分力の合力をＰとすると、
第４図の状態は第５図に示す如く、ｘ方向にＦなる力が
働き、ｙ方向にＰなる力が働いた場合と同様の力のバラ
ンスを得る。よって軸11と部材12に働く各種の力の関係
を第５図において考えると、さきの場合とほぼ同様にし
てｆ＝μ×Nv＝μ×（Fsinθ_１−Pcosθ_１）ここで軸11が部材12に対して相対的に滑り、熱膨張差に
よる破損を防止するためには、斜面方向の力のバランス
を考慮すると、次式を満たす必要がある。

Psinθ_１＋Fcosθ_１＞ｆすなわち Psinθ_１＋Fcosθ_１＞（tanλ）×（Fsinθ_１−Pcosθ
_１） Psin（θ_１＋λ）＞−Fcos（θ_１＋λ） tan（90゜−θ_１−λ）＞−P/F 90゜−θ_１−λ＞tan^-1（‐P/F） θ_１＞90゜−λ＋tan^-1（P/F）したがって、さきの場合と同様に考えて θ_１＞90゜−λ＝90゜−tan^-1μ …… を満足すれば軸11は部材12に対して滑ることになる。

、式より tan^-1μ＜θ_１＞90゜−tan^-1μ ……′ このように、′式を満足するようにθ_１の値を設定す
ることにより、熱膨張差を吸収することができる。

このことは、部材12の他方の開口縁部17と軸11の他方の
段部14の内側面との接触状態において、軸11の段部14の
角度θ_２の値を設定する場合にもそのまま適用すること
ができる。したがって、熱膨張差を吸収させるために
は、前記′式を導出したのと同様にしてθ_２の値を下
記の範囲とすればよい。

∴tan^-1μ＜θ_２＜90゜−tan^-1μ ……″ このように、θ₁,θ_２の値をそれぞれ前記式で示され
るθの範囲とすることにより、熱膨張差を吸収すること
ができる。

なお、金属とセラミックスとの最大静止摩擦係数μは、
例えばセラミックスが炭化珪素や窒化珪素、金属が鋼で
ある場合、両者の接触面を充分平滑に加工すると約0.5
である。但し、それぞれの部材の表面の加工状態や、金
属の表面の状態によりμは変化するので、最も滑りにく
く危険な状態を考えるとμ＝0.7程度である。これを前
記式に代入して、θ₁,θ_２の条件を求めると、35゜＜
（θ₁,θ_２）＜55゜となる。なお、θ₁,θ_２それぞれの
値を45゜とするのが最ま有利であり、この場合にはμ＝
1.0の場合にも対応できる。ちなみに炭化珪素と窒素珪
素との組合せではμは約0.4であり、異種の鋼同士の場
合は約0.3である。μはこの程度の値であることが多い
のでθ₁,θ_２を35゜〜55゜の範囲としておけば、多くの
場合に対応できる。

ところで、第１図において、軸11がセラミックスからな
り、部材12が金属からなる場合は、温度が下降するとき
部材12が半径方向に収縮することにより第２図に示した
状態となり、温度が上昇するとき部材12が軸方向に膨張
することにより第４図に示した状態となる。したがっ
て、前記と同様な原理により、その場合にもθ₁,θ_２の
値を前記式で示したθと範囲となるようにすることに
より、熱膨張差を吸収させることができる。さらに軸11
と部材12のいずれか一方が金属、他方がセラミックスか
らなる場合のみならず、いずれか一方が他方と熱膨張係
数の異なる材質からなる場合にも本発明は適用可能であ
る。

なお、第１図に示した例は、軸11の段部13、14の対向縁
部に部材12の開口縁部16、17が線接触している状態であ
るが、部材12の開口縁部16、17が円錐面をなし、これに
軸11の段部13、14の対向縁部が線接触している場合にも
同様な原理が適用できる。また、軸11の段部13、14の対
向縁部と部材12の開口縁部16、17とが共に円錐面をな
し、両者が面接触している場合にも同様な原理が適用で
きる。さらに、軸11の段部13、14の対向縁部や部材12の
開口縁部16、17が円錐面の場合だけでなく、角錐面の場
合にも同様な原理が適用できる。角錐面の場合、θ_１、
θ_２は、角錐の各面の中心線と軸11の軸心18とのなす角
度で規定される。

本発明の好ましい態様によれば、二つの異なる仮想錐体
の錐面は、軸11の軸心18上の一点を共有の頂点とするも
のとされる。このことを第６図、第７図および第８図に
基づいて説明する。なお、これらの図に示された結合構
造は、第１図に示した結合構造と基本的には同様である
ので、同一部分に同符号を付してその説明は省略するこ
とにする。

第６図に示すように、本発明の好ましい態様において
は、軸11の軸心18上に設定された一点Ｐを共有の頂点と
する仮想錐体Ｓ、Ｍの錐体をなすように段部13の内側面
および段部14の内側面が形成されている。この結合構造
では、熱膨張差により軸11が部材12に対して相対的に膨
張すると、軸11は図中想像線で示す如くとなる。しか
し、段部13、14の内側面は仮想錐体Ｓ、Ｍの錐面に沿っ
て移動するだけなので、段部13、14の内側面と取付け孔
15の開口縁部16、17との接触状態は変らず、軸11と部材
12との間にゆるみも過大な接触力も発生しない。

これに対して、第７図に示すように、段部13、14の内側
面が軸心18の異なる二点Ｐ、Ｑを頂点とする仮想円錐
Ｓ′、Ｍ′（両者の頂点Ｐ、Ｑはそれぞれの外側にあ
る）の錐面となるように形成されている場合、熱膨張差
により軸11が膨張すると図中想像線で示す如くなる。こ
れによると、段部13、14の内側面が開口縁部16、17より
離れてしまい、軸11と部材12との間にゆるみが生じてし
まうことがわかる。

さらに、第８図に示すように、段部13、14の内側面が軸
心18の異なる二点Ｐ、Ｑを頂点とする仮想円錐Ｓ″、
Ｍ″（両者の頂点Ｐ、Ｑはそれぞれの内側にある）の錐
面となるように形成されている場合、熱膨張差により軸
11が膨張すると図中想像線で示す如くなる。これによる
と、段部13、14の内側面が開口縁部16、17に食込んでし
まい、過大な接触応力が生じることがわかる。

このように、軸心18上の一点Ｐを共有の頂点とする二つ
の異なる仮想錐体Ｓ、Ｍの錐面となるように形成するこ
とにより、接触圧力を一定に保つことができる。なお、
共有の頂点Ｐは、軸心18上のどこにあってもよい。

「発明の実施例」第９図に示すように、金属軸21には先端部からやや中ほ
どにフランジ22が固着されている。このフランジ22が本
発明における一方の段部をなしている。そして、セラミ
ックス製のインペラー24には取付け孔25が形成され、金
属軸21はこの取付け孔25に挿通されている。また、金属
軸21の先端部には他方の段部を形成するフランジ状のナ
ット23が螺着されている。フランジ22およびナット23の
対向する内側面は螺着して係止されたときに金属軸21の
軸心18上の一点Ｐを共有の頂点とし、同軸かつ合同な二
つの向いあう仮想円錐Ｓ、Ｍの錐面となるように形成さ
れている。そして、本発明の特徴部分として、これらの
仮想円錐Ｓ、Ｍの錐面と軸心18との角度θ_１、θ_２は35
〜55゜とされている。一方、インペラー24の取付け孔25
の一方の開口縁部26は、断面凸形曲面状の角部を有し、
フランジ22の内側面に線接触している。また、取付け孔
25の他方の開口縁部27は、ナット23の内側面と同じ錐面
をなし、ナット23の内側面に面接触している。そして、
ナット23を金属軸21の先端部に螺着していくことによ
り、フランジ22およびナット23の内側面を取付け孔25の
開口縁部26、27に押圧してインペラー24を固定するよう
になっている。そして、ナット23を締め上げて金属軸21
とインペラー24とを固定した後、ナット23を金属軸21に
溶接することが好ましい。なお、金属軸21、フランジ22
およびナット23は同じ材質であるか、もしくは熱膨張係
数が同程度の材質であることが必要である。

この結合構造によれば、例えば高温条件下において金属
軸21がインペラー24に対して相対的に膨張したとして
も、フランジ22およびナット23の内側面は金属軸21の軸
心上の一点Ｐを共通な頂点とする仮想円錐Ｓ、Ｍの錐面
に沿って移動するだけなので、フランジ22およびナット
23の内側面と、インペラー24の取付け孔25の開口縁部2
6、27との接触状態は変らない。また、角度θ_１、θ_２
の値を35〜55゜にしたので、摩擦力に妨げられることな
く、フランジ22およびナット23の内側面に沿ってインペ
ラー24の取付け孔25の開口縁部26、27が移動するので、
熱膨張差を確実に吸収することができる。したがって、
あらゆる温度条件下で、結合構造にゆるみが生じたり無
理な応力がかかったりすることを防止できる。

第10図および第11図には、本発明の他の実施例が示され
ている。セラミックス製のインペラー24の取付け孔25
は、開口縁部26、27が金属軸21の軸心18上の一点Ｐを共
通の頂点とする二つの仮想正四角錐Ｓ、Ｍの錐面となる
ように形成されている。そして、金属軸21は、溶融金属
をインペラー24の取付け孔25内に充填して鋳込み成形さ
れる。この場合、溶融金属を鋳込んだ後の冷却過程で金
属軸21の成形がスムーズになされるようにするため、あ
らかじめインペラー24の取付け孔25内面に離型剤を塗布
しておくことが好ましい。鋳造により、金属軸21には取
付け孔25の開口縁部26、27に適合した形状のフランジ2
2、33が形成される。したがって、フランジ22、33の内
側面も金属軸21の軸心18上の一点Ｐを共通の頂点とする
二つの仮想正四角錐Ｓ、Ｍの錐面となるように形成され
ている。そして、本発明の特徴部分は、二つの仮想正四
角錐Ｓ、Ｍの錐面と軸心18とがなす角度θ_１、θ_２が35
〜55゜とされていることである。

この実施例では、鋳造により金属軸21を形成するので、
フランジ22、33の内側面が取付け孔25の開口縁部26、27
に接触していても圧接されることはないが、フランジ2
2、33の内側面および取付け孔25の開口縁部26、27が仮
想正四角錐の錐面となるように形成されることにより、
回り止めがなされ、回転力が伝達される。

なお、上記実施例において、第11図に示す断面形状を第
12図に示すように構成してもよい。すなわち、この変形
実施例では、取付け孔25の開口縁部26、27が金属軸21の
軸心上の一点を共通な頂点とする仮想円錐の錐面となる
ように形成されると共に、少なくとも一方の開口縁部26
にはその錐面の母線に沿って複数の溝28が形成され、鋳
造された金属軸21のフランジ22がこの溝28内にキー状に
食い込んで回り止めがなされている。なお、溝28を構成
する各面も、さきの共通の頂点を頂点として共有する仮
想錐体の錐面となるように形成されている。さらに、上
記各仮想錐体の錐面と軸心とのなす角度は、いずれも35
〜55゜とされている。

「発明の効果」以上説明したように、本発明によれば、軸の段部と段部
との間に、部材の取付け孔を嵌合させた構成において、
互いに接触する各段部の対向縁部と各取付け孔の開口縁
部との少なくとも一方を仮想錐体の錐面とし、その錐面
と軸心とのなす角度を所定の範囲に設定したので、軸と
部材との熱膨張差によりいずれか一方が相対的に膨張し
あるいは収縮したとき、接触面において摩擦力に妨げら
れることなく前記錐面に沿った滑りが生じるので、熱膨
張差を吸収して軸および部材の破損を防止することがで
きる。また、接触面の少なくとも一方の錐面となってい
るので、軸心が正確に出され、接触面で滑りが生じても
狂うことはない。さらに、軸に螺着されたナットで取付
け孔を有する部材を締め付けたり、仮想錐体の錐面を角
錐の錐面などとすることにより、回転力に対する回り止
め、あるいは軸方向の力に対する抜け止めも充分になさ
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による結合構造の原理を概略的に示す説
明図、第２図および第３図は同結合構造において温度が
上昇した状態を示す説明図、第４図および第５図は同結
合構造において温度が下降した状態を示す説明図、第６
図は本発明による結合構造のさらに好ましい態様を示す
断面図、第７図は第６図に示した結合構造に対する対比
例を示す断面図、第８図は第６図に示した結合構造に対
する他の対比例を示す断面図、第９図は本発明による結
合構造の一実施例を示す断面図、第10図は本発明による
結合構造の他の実施例を示す断面図、第11図は第10図の
XI−XI線に沿った断面図、第12図は本発明による結合構
造のさらに他の実施例を示す第11図と同様な断面図、第
13図は従来の結合構造の一例を示す断面図である。図中、11は軸、12は部材、13、14は段部、15は取付け
孔、16、17は開口縁部、18は軸心、19、20は母線、
θ_１、θ_２は仮想錐体の錐面と軸心とのなす角度、Ｓ、
Ｍは仮想錐体、21は金属軸、22はフランジ、23はナッ
ト、24はインペラー、25は取付け孔、26、27は開口縁
部、33はフランジである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】拡径しかつ軸方向に対向して形成された二
つの段部を有する軸と、この軸が挿通された前記二つの
段部の間に嵌合する取付け孔を有する部材とを備え、前
記軸および前記部材の一方は他方と熱膨張係数の異なる
材質からなり、前記二つの段部の対向縁部のそれぞれと
前記取付け孔の二つの開口縁部のそれぞれとが接してな
る結合構造であって、一方の対向縁部および該一方の対
向縁部と接する開口縁部から選ばれる少なくとも一つ、
および、他方の対向縁部および該他方の対向縁部と接す
る開口縁部から選ばれる少なくとも一つが、二つの異な
る仮想錐体の錐面となるように形成されており、前記軸
の軸心と前記仮想錐体の錐面とがなす角度θが下記式
で示される範囲とされていることを特徴とする軸と部材
との結合構造。 tan^-1μ＜θ＜90゜−tan^-1μ…… （上記式中、μは前記軸と前記部材との接する部分の最
大静止摩擦係数を意味する。）
【請求項２】特許請求の範囲第１項において、前記二つ
の異なる仮想錐体の錐面は、前記軸心上の一点を共有の
頂点とするものである軸と部材との結合構造。