JPH086754B2

JPH086754B2 - 高トルク伝達軸

Info

Publication number: JPH086754B2
Application number: JP61288715A
Authority: JP
Inventors: 達生藤田; 文夫清田
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 1986-12-05
Filing date: 1986-12-05
Publication date: 1996-01-29
Anticipated expiration: 2011-01-29
Also published as: JPS63145824A

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
間で焼き付き又はカジリ（スコーリング）を生じやす
く、一度カ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
又はカ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、ベーン型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）、第２の穴部（42）
及び第３の穴部（52）を有し、軸（１）は外形の異なる
第１の軸部（31）、第２の軸部（41）及び第３の軸部
（51）を有する。第２の穴部（42）の内径の中心点
（O₂）は、軸（１）の軸心と一致する第１の穴部（32）
及び第３の穴部（52）の内径の中心点（O₁）から偏心す
る。第１の穴部（32）の内径は第２の穴部（42）の内径
より大きく第２の穴部（42）の内径は第３の穴部（52）
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３の穴部（52）と軸（１）の第３の軸部（5
1）との嵌合部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）の第２の穴部
（42）と軸（１）の第２の軸部（41）との嵌合部はすき
まばめにより嵌合される。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、D₃を円筒部材（２）の第３の穴部（52）
の内径、d₂を軸（１）の第２の軸部（41）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）の線膨張率、ａを軸（１）の線膨張率とす
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 D₁−2C＞D₂＞D₃−2C 円筒部材（２）はアルミニウム合金であり、軸（１）
は鋼である。円筒部材（２）の第１の穴部（32）と第２
の穴部（42）との間には第１の穴部（32）と第２の穴部
（42）の内径より大きな内径を有する環状溝（62）が形
成され、第２の穴部（42）と第３の穴部（52）との間に
は第２の穴部（42）と第３の穴部（52）の内径より大き
な内径を有する環状溝（72）が形成される。

作用本発明では、軸（１）の第１の軸部（31）、第２の軸
部（41）及び第３の軸部（51）をそれぞれ円筒部材
（２）の第１の穴部（32）、第２の穴部（42）及び第３
の穴部（52）に同時に圧入して、容易に一体に嵌合でき
る。３つの軸部を対応する３つの穴部に嵌合することに
より、圧入ストロークを短縮することができ、これによ
り、焼き付き及び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、第２の軸部（4
1）と第２の穴部（42）は、円筒部材（２）と軸（１）
との間の線膨張率の差に起因するクリアランスより充分
に大きく軸心から偏心（Ｃ）すると共に、軸（１）の第
１の軸部（31）及び第３の軸部（51）は締まりばめでそ
れぞれ第１の穴部（32）及び第３の穴部（52）と結合さ
れるため、軸（１）及び円筒部材（２）によって広い温
度範囲で大きな負荷トルクを伝達できると同時に、円筒
部材（２）と軸（１）との周方向のずれを防止すること
ができる。

更に、第２の軸部（41）と第２の穴部（42）との間で
は隙間ばめであり、円筒部材（２）と軸（１）の熱膨張
の差によるクリアランスの増大に対して、偏芯量は充分
大きいため、円筒部材（２）の第２の穴部（42）では円
周方向の大きな残留応力及び応力集中が発生せず、圧入
工程又は使用時に円筒部材に割れ及び破壊が発生せず、
疲労強度の低下が生じない。動力伝達側で軸（１）の直
径が大きいので、ねじり剛性も高く、軸（１）の直径を
減少することができる。

円筒部材（２）の第１の穴部（32）と第２の穴部（4
2）との間及び第２の穴部（42）と第３の穴部（52）と
の間には環状溝（62、72）が形成されるので、円筒部材
（２）に軸（１）を嵌入する際に発生する塑性流動物
は、環状溝（62、72）内に溜まるため、塑性流動物によ
り圧入が妨げられない。

また、第１の軸部（31）及び第３の軸部（51）は、平
滑面で、圧入によるしまりばめとなる。スプライン結合
又はセレーション結合のように、使用時に作動不良の原
因となる研削粉の発生、破壊の原因となる応力集中を発
生したり、疲労強度が低下しないので、軸（１）の直径
を小さくすることができる。

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、前記組成の溶
湯をエア・アトマイズ処理で合金粉末状に成形し、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
圧力で加圧成形した後、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
トンの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（JIS規格H0001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、内径17mmの第２の穴部42及び内径16mmの第
３の穴部52をいずれも13.5mmの長さでかつ第２の穴部42
の中心点O₂を第１の穴部32及び第３の穴部52の中心点O₁
から偏心量Ｃ＝0.4mm（第６図）だけ偏心させて機械加
工して仕上げる。円筒部材２の第１の穴部32と第２の穴
部42との間には第１の穴部32と第２の穴部42の内径より
大きな内径を有する環状溝62が形成され、第２の穴部42
と第３の穴部52との間には第２の穴部42と第３の穴部52
の内径より大きな内径を有する環状溝72が形成される。

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。はめ合い
部１〜３では、第５図に示すように、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３の軸部51はそれぞれ円筒部
材２の第１の穴部32、第３の穴部52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３の軸部51
は、平滑面で圧入による締まりばめとなる。第２の軸部
41と第２の穴部42のはめ合い隙間は0.01mmである。動力
伝達側の第１の軸部31の直径は第２の軸部41より大き
く、第２の軸部41の直径は第３の軸部51より大きいの
で、軸１のねじり剛性も高い。

室温で円筒部材２内に軸１を圧入して、第１の軸部3
1、第２の軸部41及び第３の軸部51をそれぞれ第１の穴
部32、第２の穴部42及び第３の穴部52に挿入し、はめ合
い部３、４及び５を形成する。一体化した後、50個のサ
ンプルについて圧入試験を実施したが、焼き付き又はカ
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、D₃を円筒部材２の第３の穴部
52の内径、d₂を軸１の第２の軸部41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の線膨張率、ａを軸１の線膨張率とすると、偏心量Ｃ
は下式で示す関係をもつ。

ΔＴ（D₂・Ａ−d₂・ａ）＜Ｃ＜（D₁−D₂）/2 D₁−2C＞D₂＞D₃−2C 上式では、D₁＝18mm、D₂＝17mm、D₃＝16mm、締め代1/
1000〜2.5/1000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）、d2＝16.99mm、d₃＝16.032mm（締め代:D3×2/
1000の場合）、ΔＴ＝180℃（結合時の常温20℃と圧縮
機の最高使用温度200℃との温度差）、Ａ＝18×10^-6/℃
（アルミニウム合金の線膨張係数）、ａ＝10×10^-6/℃
（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、0.024＜Ｃ＜１、0.026＜Ｃとなり、後式は18
−2C＞17＞16−2C、18＞17＋2C＞16、−0.5＜Ｃ＜0.5の
関係が得られる。従って、Ｃ＝0.4mmはこの不等式を満
足する。

実測の結果、完成した本発明による高トルク伝達軸は
30Kg−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、第２の軸部41及び第３
の軸部51をそれぞれ円筒部材２の第１の穴部32、第２の
穴部42及び第３の穴部52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、第２の
軸部41及び第３の軸部51の複数の軸部を対応する第１の
穴部32、第２の穴部42及び第３の穴部52の複数の穴部に
嵌合するので、圧入ストロークを短縮し、焼き付き及び
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との間の線膨張
率の差に起因するクリアランスより充分に大きく偏心す
ると共に、第１の軸部31及び第３の軸部51は締まりばめ
でそれぞれ第１の穴部32及び第３の穴部52と結合される
ため、軸１及び円筒部材２によって広い温度範囲で大き
な負荷トルクを伝達できると同時に、円筒部材２と軸１
の周方向のずれを防止することができる。

更に、第２の軸部41と第２の穴部42との間では隙間ば
めであり、円筒部材２と軸１の熱膨張の差によるクリア
ランスの増大に対して、偏芯量は充分大きいため、円筒
部材２の第２の穴部42では円周方向の大きな残留応力及
び応力集中が発生せず、圧入工程又は使用時に円筒部材
に割れ及び破壊が発生せず、疲労強度の低下が生じな
い。動力伝達側で軸１の直径が大きいので、ねじり剛性
も高く、軸１の直径を減少することができる。

円筒部材２の第１の穴部32と第２の穴部42との間及び
第２の穴部42と第３の穴部52との間には環状溝62、72が
形成されるので、円筒部材21に軸１を嵌入する際に発生
する塑性流動物は、環状溝62、72内に溜まるため、塑性
流動物により圧入が妨げられない。

また、第１の軸部31及び第３の軸部51は、平滑面で、
圧入によるしまりばめとなる。スプライン結合又はセレ
ーション結合のように、使用時に作動不良の原因となる
研削粉の発生、破壊の原因となる応力集中を発生した
り、疲労強度が低下しないので、軸１の直径を小さくす
ることができる。

本発明の本実施態様は、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図は軸の側面図、第６図は穴部の
平面図である。１……軸、２……円筒部材、３、４、５……外側のはめ
合い部、31……第１の軸部、41……第２の軸部、51……
第３の軸部、32……第１の穴部、42……第２の穴部、52
……第３の穴部、Ｃ……偏心量、

Claims

【特許請求の範囲】

【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、
第２の穴部及び第３の穴部を有し、軸は外形の異なる第
１の軸部、第２の軸部及び第３の軸部を有し、第２の穴部の内径の中心点は、軸の軸心と一致する第１
の穴部及び第３の穴部の内径の中心点から偏心し、第１の穴部の内径は第２の穴部の内径より大きく、第２
の穴部の内径は第３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３の穴部と軸の第３の軸部との嵌合部は締
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。
【請求項２】円筒部材の第２の穴部と軸の第２の軸部と
の嵌合部はすきまばめにより嵌合される特許請求の範囲
第（１）項に記載の高トルク伝達軸。
【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、D₃を円筒部材の第３の穴部
の内径、d₂を軸の第２の軸部の外径、ΔＴを結合時の温
度と使用時の最高温度との温度差、Ａを円筒部材の線膨
張率、ａを軸の線膨張率とすると、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 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。
【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。
【請求項５】円筒部材の第１の穴部と第２の穴部との間
には第１の穴部と第２の穴部の内径より大きな内径を有
する環状溝が形成され、第２の穴部と第３の穴部との間
には第２の穴部と第３の穴部の内径より大きな内径を有
する環状溝が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。