【機械設計マスターへの道】軸継手(カップリング)の種類と特徴、保守のポイント

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「軸継手」(Shaft Coupling)は回転機械において、モーターやエンジンなどの原動機と被動機とを連結し、回転トルクを伝達するための機械要素です。「カップリング」や「ジョイント」とも呼ばれます。

軸継手には、固定軸継手(Rigid Shaft Coupling)、たわみ軸継手(Flexible Shaft Coupling)その他の軸継手、に大きく分類することができます。

今回は、軸継手の種類と特徴、保守に関する重要ポイントを中心に解説します。

1.固定軸継手

「固定軸継手」は、被動機軸と駆動機軸を一体化する必要がある場合に使用します。

確実に動力を伝達することができますが、被動機と駆動機の間の軸心ズレに対応することはできないので注意が必要です。
多く用いられる構造として、結合する2つの軸の外周に共通の筒形のボスをかぶせた構造のマフカップリングと、両側の軸端にフランジを挿入してリーマボルトで締め付けて連結するフランジ形の2種類があります。

図1はフランジ形固定軸継手の概念図です。
固定軸継手は2つの軸が固定されるので、被動機と駆動機のいずれか片方だけで軸スラストを受けたい場合に適用できます。この場合、一方はスラスト軸受が不要となるという利点があります。

固定軸継手
【図1 固定軸継手(概念図)】

 

2.たわみ軸継手

「たわみ軸継手」とは、被動機の軸と駆動機軸の軸心ズレをカップリングの弾性部で吸収する機能を持つ軸継手です。軸がたわむ長い横軸の機械や、軸心位置が熱膨張で変化する横軸高温回転機などに用いられます。

弾性要素としては、ゴム、積層板ばね、金属ベローズ、歯車、チェーン&スプロケットなどが用いられます。

軸心ずれには、2軸間の平行な芯ずれ(偏心)、角度のずれ(偏角)、軸方向のずれ(エンドプレ)の3種類があり、機器の特性と機能に応じた芯ずれ吸収機能を有する軸継手を適切に選択する必要があります。
 

(1)フランジ形たわみ軸継手

図2はたわみ軸継手の一つである、「フランジ型たわみ軸継手」です。
両側の軸端に挿入するフランジを接続するボルトの一端にゴム製のブッシュをはめて、その圧縮強さでトルクを伝達するとともに、ゴムの可撓性を利用して軸心の角度ずれ(偏角)にある程度対応できるようにした構造です。汎用的に広く使用されています。

フランジ形たわみ軸継手
【図2 フランジ形たわみ軸継手】

 

(2)ゴム軸継手

「ゴム軸継手」は、フランジ形たわみ軸継手よりも全面的にゴムを用いて、軸継手本体の結合をゴム弾性体によって行う構造で、比較的大きな各方向軸芯ずれにも対応することができます。また、振動及び衝撃の吸収機能もあります。
ただし、歯車形軸継手などに比較すると伝達トルクの上限値は低く、高トルクの機器には適用できません。
 

(3)歯車形軸継手

「歯車形軸継手」は、連結フランジのボス部外筒に設けた内歯と、連結する2軸に装着する内筒に設けた外歯とをかみ合わせてトルク伝達を行う軸継手です。比較的大きなトルクを伝達することができます。

外歯には、図3のような「クラウニング」と呼ばれる丸み形状を持たせて、連結する2軸の若干の角度のずれ(偏角)に対応することができます。
外歯と内歯の間にはすき間があるので、連結する2軸間の若干の平行芯ずれ(偏心)にも対応することができます。外歯と内歯が相対摺動することにより、軸方向のずれ(エンドプレ)にも対応することができます。

歯車形軸継手
【図3 歯車形軸継手】

 

(4)チェーン軸継手

「チェーン軸継手」は、連結する2軸に装着するハブの外周に歯数の等しいスプロケットを設けて、2列の1本のチェーンでつないだ構造の軸継手です。許容される可撓性をあまり大きくすることは出来ません。
 

(5)積層板ばね軸継手

ディスク形軸継手」ともいいます。
継手フランジを、積層板ばねを介して連結した構造で、積層板ばねでトルク伝達するとともに、その可撓性により軸芯ずれ(偏心)や角度ずれ(偏角)に対応することができます。
積層構造ではなく一体構造で可撓性を実現したものも商品化されています。

軸方向の芯ずれ(エンドプレ)にも対応できますが、中立点からの変位に応じたばね反力が発生しますので、機器のスラスト軸受に対する影響を確認する必要があります。

 

軸継手は、接続する軸の寸法、伝達トルクの大きさと回転速度、から選定されます。
伝達トルクと回転速度が変動する場合には、トルクと速度の変動範囲と変動頻度、起動停止頻度などの条件に対して、積層板ばねなどの軸継手要素の疲労強度が十分であるか確認する必要があります。
 

3.その他の種類の軸継手

(1)自在軸継手(Universal Joint)

「自在軸継手」は、連結する2軸が交差するか、2軸の芯ずれ量が大きい場合に使用します。

自在軸継手には、「等速形」と「不等速形」の2種類があります。
基本的な構造は、図4のような十字形の軸を用いて2軸間の軸心の交差角度に対応するようにしたもので、自在回転部分に、ニードルベアリングやボールジョイントを用いたものもあります。

十字軸形自在軸継手
【図4 十字軸形自在軸継手】

 

(2)オルダム軸継手

「オルダム軸継手」は、連結する2軸が平行で、2軸の軸心はずれているが、ずれ量はあまり大きくない場合に使用される継手です。
軸継手フランジの間に挟まれる樹脂製または金属製のインサートが、継手フランジに設けられた溝の中をスライドすることにより楕円運動を行い、2軸間の軸芯ずれを吸収する構造となっています。高速用途には適していません。
 

4.固定軸継手・たわみ軸継手に関する保守のポイント

(1)軸心調整について

  • 固定軸継手:摺動摩耗要素がなく簡単な構造ですが、駆動軸と被動軸とを一体連結するため、狂いが生じないように軸心調整することが非常に重要となります。
  • たわみ軸継手:ある程度の芯ずれや傾きに対応できますが、大きな芯ずれや傾きは、過大振動、寿命低下、破損、などにつながりますので、可能な限り小さくすることが重要です。

 
高温で使用する機械は、使用時に原動機と被動機の軸心が一致するように、組立時に温度差による伸びを考慮した芯ずれ(コールドオフセット)を設けます。
図5のように軸継手を接続する前に軸を手回しして、継手外周に当てたダイヤルゲージの読みからオフセット値を確認します。

軸心調整
【図5 軸心調整】

 

また、静止時のたわみが大きくなる長いシャフトの場合、たわみに応じて軸継手に面倒れ(傾き)をつけます。図6のように軸継手を接続する前に軸を手回しして、継手面に当てたダイヤルゲージの読みから面倒れ値を確認します。

面倒れ調整
【図6 面倒れ調整】

 

芯ずれや傾きの許容差を大きく取りたいときは、図7のようなスペーサカップリングを用いることがあります。
許容偏心量は、スペーサの長さに応じて大きくすることが可能です。(ポンプの軸封部品交換など、連結する機器の保守上の目的からスペーサカップリングとすることもあります)

スペーサカップリング
【図7 スペーサカップリング】

 

(2)ゴムの劣化について

フランジ型たわみ軸継手や、軸継手本体の結合をゴム弾性体で行うゴム軸継手は、ゴムの劣化に注意することが必要です。
ゴムが劣化硬化して弾性が失われていないか定期的に確認するようにします。
特に有機溶剤や油などの付着により、寿命が著しく低下することがあります。
 

(3)歯車、チェーン&スプロケットの潤滑について

歯車型軸継手は、歯車のかみ合いでトルクを伝達しますので歯面の潤滑が必要となります。
継手内部にISO VG680もしくはそれより高い粘度のギア油を封入して歯面を潤滑し、Oリングでシールします。
潤滑油の劣化や潤滑不良により歯面のすべりが悪くなると軸心ずれに対応できず、トルクロックによる不釣り合い振動を発生することがあるので注意が必要です。

チェーン軸継手については、スプロケットの付いた継手本体を2列のローラチェーンで結合して回転動力を伝達しますので、グリースを封入して、チェーンを潤滑します。

これらの軸継手には、指定の粘度もしくはちょう度(グリースの硬さ、流動性を示す指標)を有する潤滑油脂を指定量封入するとともに、定期的な補給と交換を行うことが軸継手の健全な運用のために必要です。

なお、軸継手には機器を連結してトルクを伝達するという本来の機能に加えて、機器間の断熱や絶縁の機能を持たせた構造のものもあります。

 

(日本アイアール株式会社 特許調査部 S・Y)
 

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