JPH076544B2 - Coupling structure of shaft and member - Google Patents
Coupling structure of shaft and memberInfo
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- JPH076544B2 JPH076544B2 JP60238949A JP23894985A JPH076544B2 JP H076544 B2 JPH076544 B2 JP H076544B2 JP 60238949 A JP60238949 A JP 60238949A JP 23894985 A JP23894985 A JP 23894985A JP H076544 B2 JPH076544 B2 JP H076544B2
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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。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a non-rotating machine part such as a high temperature rotary machine having a ceramic rotor or a mushroom type exhaust valve of a diesel engine, for example, a ceramic member and a metal shaft. The present invention relates to a coupling structure of a shaft and a member that can be suitably adopted when, for example, strongly joining.
「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。“Prior art and its problems” In a rotating machine having a ceramic rotor heated to a high temperature of several hundreds of degrees Celsius or more, such as a high temperature blower or a ceramic turbocharger, the metal shaft and the ceramic member are firmly and damaged. Although there is a demand for a means for coupling without doing so, a better method than before has not been known.
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。For example, FIG. 13 shows a joint structure in which an end portion of a ceramic 2 integrally formed with a ceramic impeller 1 is shrink-fitted to a metal shaft 3 having a boss portion engaged with the impeller 1. There is. In this case, as the metal shaft 3, a low expansion alloy having a thermal expansion coefficient close to that of ceramics is used. However, this coupling structure can be adopted when a load, that is, a torque to be transmitted is small, such as a small ceramic starvocharger having a diameter of the ceramic shaft 2 of about 10 mm. With respect to the ceramic shaft 2 having a relatively large diameter of 30 mm or more, the ceramic shaft 2 has a high rate of being damaged by thermal shock. Also, the shrink fit is
The workability is poor and the assembling is not easy, and once the shrink fitting is tried, it is difficult to remove the fitting and restore the fitting even if the fitting is good or bad. Further, the low expansion alloy has a property that the linear expansion coefficient rapidly increases when the temperature rises to a certain degree. Therefore, when the temperature of the shrink fit portion reaches a high temperature of, for example, 600 ° C. or higher, the ceramic shaft 2
The thermal expansion coefficient of the boss portion of the metal shaft 3 is higher than that of the metal shaft 3, and the binding force of the shrink-fitting portion is reduced, which may cause loosening or rattling. Further, when the shrink fit is applied to the ceramic shaft 2 by the boss portion of the metal shaft 3, a tensile stress is generated in the ceramic shaft 2 in the axial direction, and the ceramic shaft 2 is easily damaged by bending vibration during rotation. It was
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。A joint structure between a metal shaft and a ceramic member that has attempted to solve the problem of loosening due to thermal expansion has been developed in Japanese Utility Model Laid-Open No. 57-483.
Proposed as No. 28. In this coupling structure, a slit is formed in the metal shaft, and the ceramic member mounted on the metal shaft is held so as to be pressed through the elastic member. However, in this joint structure, since the slit is formed in the metal shaft, the strength and rigidity of the metal shaft are impaired, and it becomes difficult to obtain a strongly integrated joint structure. In addition, it is actually very difficult to make the elastic member retain sufficient elasticity even at high temperatures. Similarly, a method of interposing a buffer between the metal shaft and the boss formed on the ceramic member to absorb the difference in thermal expansion is conceivable, but it is possible to avoid the same problems as above. Can not.
「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。"Object of the invention" The object of the present invention is to combine the heat of both the shaft and the member made of materials having different coefficients of thermal expansion, such as the connection between the metal shaft and the ceramic member or the ceramic shaft and the metal member. A joint structure of a shaft and a member that can absorb a difference in expansion and does not cause a deviation of an axis center to firmly connect the two and transmit a rotational force and / or an axial force sufficiently. To provide.
「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。[Structure of the Invention] A coupling structure of a shaft and a member according to the present invention is a shaft having two stepped portions formed to be expanded in diameter and opposed to each other in the axial direction, and the two stepped portions through which the shaft is inserted. A member having a mounting hole to be fitted between the shaft and the member, the one of the shaft and the member being made of a material having a coefficient of thermal expansion different from that of the other, and each of the facing edges of the two step portions and the mounting hole. At least one selected from an opposing edge portion and an opening edge portion in contact with the one opposing edge portion, and the other opposing edge portion, which is a coupling structure in which the two traveling edge portions are in contact with each other. At least one selected from the opening edge portions in contact with the other opposing edge portion is formed so as to be the conical surface of two different virtual cones, and the axis center of the shaft and the conical surface of the virtual cone are formed. The angle θ formed by is within the range shown by the following formula. And it features.
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。tan -1 μ <θ <90 ° -tan -1 μ (where, μ means the maximum static friction coefficient of the portion where the shaft and the member are in contact with each other.) FIG. , FIG. 3, FIG. 4, FIG. 4 and FIG.
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,θ２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。As shown in FIG. 1, the present invention relates to a joint structure of a shaft 11 and a member 12, in which one of the shaft 11 and the member 12 is made of metal and the other is made of ceramics. In this example, it is assumed that the shaft 11 is made of metal and the member 12 is made of ceramics having a smaller thermal expansion coefficient than the metal forming the shaft 11. The shaft 11 has two step portions 13 and 14 which are formed so as to have an enlarged diameter and are opposed to each other in the axial direction.
The inner surface (opposite edge) of 14 has two different virtual cones S and M.
It is formed so as to form a conical surface. And the member 12
Has a mounting hole 15 that fits between these step portions 13 and 14, and the opening edges 16 and 17 of this mounting 15 contact the inner side surfaces of the step portions 13 and 14 so that the shaft 11 and the member 12 are Are tightly coupled. In the present invention, the axis 18 of the shaft 11 and the virtual cone S,
The angle between M and the conical surface (in this case, the angle between the generatrixes 19 and 20 of the virtual cones S and M and the axis 18) θ 1 and θ 2 To be satisfied.
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。In this state, when there is a temperature rise having a temperature difference of, for example, 300 ° C. or more, further 500 ° C. or more, the metal shaft 11 relatively thermally expands relative to the ceramic member 12. At this time, it is necessary for the shaft 11 to slide with respect to the member 12 at the contact point between the shaft 11 and the member 12, and FIG. 2 shows the balance of the forces immediately before sliding out. In Fig. 2, the above contact point is taken as the origin of the coordinate axis, and x is drawn from this origin to the right in the drawing
Axis, the y-axis is taken upward in the drawing. Here, F'is a fastening force applied to firmly bond the shaft 11 and the member 12 at room temperature or the like, and in many cases F'works substantially parallel to the x axis. P'is a force applied to the member 12 when the shaft 11 thermally expands, and is called an expansion force here. f is the maximum frictional force that acts when the shaft 11 tries to slide relative to the member 12. N is a reaction force against P'and F '.
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。Further, here, the component forces in the x direction of the fastening force F'and the expansion force P'are F'x, P'x, and the component forces in the y direction are F'y, respectively.
Assuming that P'y, the resultant force of F'x and P'x is F, and the resultant force of F'y and P'y is P, the state of FIG. 2 is F in the x direction as shown in FIG. The force balance is the same as that when the force P acts in the y direction. Therefore axis 11
The relationship between various forces acting on the member 12 and the member 12 will be considered in FIG.
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×（Fsinθ１＋Pcosθ１） 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。Let the component force of the reaction force N in the direction perpendicular to the slope in FIG. 3 be the normal force Nv, the maximum static friction coefficient of the portion where the shaft and the member are in contact with μ, and λ defined by the relationship of tan λ = μ be the friction angle. , F = μ × Nv = μ × (Fsinθ 1 + Pcosθ 1 ) Here, in order to prevent the shaft 11 from sliding relative to the member 12 and causing damage due to the difference in thermal expansion, consider the force balance in the slope direction. Then, it is necessary to satisfy the following equation.
Psinθ１＞Fcosθ１＋ｆ すなわち Psinθ１＞Fcosθ１＋（tanλ）×（Fsinθ１＋Pcosθ
１） Psin（θ１−λ）＞Fcos（θ１−λ） tan（θ１−λ）＞F/P θ１＞λ＋tan-1（F/P） …… 式から、θ１がλより大きければ、Fcot（θ１−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 θ１＞λ＝tan-1μ …… である。Psinθ 1 > Fcosθ 1 + f That is, 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) …… From the formula, θ 1 is larger than λ For example, Fcot (θ 1 −λ)
By giving a larger expansive force P, the shaft 11 causes the member 12 to
You can see it slips against. That is, the necessary condition for the shaft 11 to slide with respect to the member 12 is θ 1 > λ = tan −1 μ.
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。Next, in the bonding structure shown in FIG.
Above, further consider the case where there is a temperature drop having a temperature difference of 500 ° C. or more. FIG. 4 shows the balance of the forces immediately before the shaft 11 slides with respect to the member 12 at the contact point between the shaft 11 and the member 12 as the shaft 11 contracts relative to the member 12. In FIG. 4, F'is a fastening force, P'is a contracting force, N is a reaction force against F'and P ', and f is a maximum frictional force acting when the shaft 11 tries to slide on the member 12, The y axis is taken downward in the drawing.
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×（Fsinθ１−Pcosθ１） 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。If the resultant force of the fastening force F ′ and the contracting force P ′ in FIG. 4 in the x direction is F, and the resultant force of the component force in the y direction is P, then
In the state of FIG. 4, as shown in FIG. 5, a force balance similar to that when a force F acts in the x direction and a force P acts in the y direction is obtained. Therefore, considering the relationship between the various forces acting on the shaft 11 and the member 12 in FIG. 5, in the same manner as in the previous case, f = μ × Nv = μ × (Fsinθ 1 −Pcosθ 1 ), where the shaft 11 is the member In order to prevent slippage relative to 12 and damage due to the difference in thermal expansion, it is necessary to satisfy the following equation in consideration of the balance of forces in the slope direction.
Psinθ１＋Fcosθ１＞ｆ すなわち Psinθ１＋Fcosθ１＞（tanλ）×（Fsinθ１−Pcosθ
１） Psin（θ１＋λ）＞−Fcos（θ１＋λ） tan（90゜−θ１−λ）＞−P/F 90゜−θ１−λ＞tan-1（‐P/F） θ１＞90゜−λ＋tan-1（P/F） したがって、さきの場合と同様に考えて θ１＞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。Psinθ 1 + Fcosθ 1 > f That is, Psinθ 1 + Fcosθ 1 > (tanλ) × (Fsinθ 1 −Pcosθ
1 ) Psin (θ 1 + λ)> − F cos (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) Therefore, considering the same way as in the previous case, if θ 1 > 90 ° -λ = 90 ° -tan -1 μ ......, the shaft 11 is Will slip.
、式より tan-1μ＜θ１＞90゜−tan-1μ ……′ このように、′式を満足するようにθ１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。, Tan −1 μ <θ 1 > 90 ° −tan −1 μ …… 'In this way, by setting the value of θ 1 so as to satisfy the formula, it is possible to absorb the difference in thermal expansion. it can.
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θ２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θ２の値を下
記の範囲とすればよい。This is true even when setting the value of the angle θ 2 of the step portion 14 of the shaft 11 in the contact state between the other opening edge portion 17 of the member 12 and the inner side surface of the other step portion 14 of the shaft 11. Can be applied. Therefore, in order to absorb the difference in thermal expansion, the value of θ 2 may be set within the following range in the same manner as in the case of deriving the above equation '.
∴tan-1μ＜θ２＜90゜−tan-1μ ……″ このように、θ1,θ２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。∴tan -1 μ <θ 2 <90 ° -tan -1 μ …… ″ Thus, by setting the values of θ 1 and θ 2 within the range of θ shown in the above equation, the difference in thermal expansion is absorbed. can do.
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,θ２の条件を求めると、35゜＜
（θ1,θ２）＜55゜となる。なお、θ1,θ２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,θ２を35゜〜55゜の範囲としておけば、多くの
場合に対応できる。The maximum coefficient of static friction μ between metal and ceramics is
For example, if the ceramic is silicon carbide or silicon nitride, and the metal is steel, it will be about 0.5
Is. However, since μ changes depending on the processing condition of the surface of each member and the condition of the metal surface, μ is about 0.7 considering the most slippery and dangerous condition. By substituting this into the above equation and finding the conditions for θ 1 and θ 2 , 35 ° <
(Θ 1 , θ 2 ) <55 °. It is most advantageous to set the values of θ 1 and θ 2 to 45 °, and in this case μ =
It can also handle 1.0. By the way, in the case of the combination of silicon carbide and silicon nitrogen, μ is approximately 0.4, and in the case of different steels, it is approximately 0.3. Since μ is often a value in this range, if θ 1 and θ 2 are set in the range of 35 ° to 55 °, it is possible to cope with many cases.
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,θ２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。By the way, in FIG. 1, when the shaft 11 is made of ceramics and the member 12 is made of metal, the member 12 contracts in the radial direction when the temperature decreases, and the temperature rises as shown in FIG. When this is done, the member 12 expands in the axial direction to the state shown in FIG. Therefore, according to the same principle as described above, the difference in thermal expansion can be absorbed by setting the values of θ 1 and θ 2 within the range of θ shown in the above equation. Further axis 11
The present invention is applicable not only when one of the members 12 and the member 12 is made of metal and the other member 12 is made of ceramics, but also when one of the members 12 is made of a material having a different thermal expansion coefficient from the other.
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、θ１、
θ２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。In the example shown in FIG. 1, the opening edge portions 16 and 17 of the member 12 are in line contact with the facing edge portions of the step portions 13 and 14 of the shaft 11, but the opening edge portion of the member 12 is The same principle can be applied when 16 and 17 form a conical surface, and the opposite edges of the stepped portions 13 and 14 of the shaft 11 are in line contact therewith. The same principle can be applied to the case where the facing edges of the stepped portions 13 and 14 of the shaft 11 and the opening edges 16 and 17 of the member 12 both form a conical surface and both are in surface contact. Further, the same principle can be applied not only when the facing edges of the step portions 13 and 14 of the shaft 11 and the opening edges 16 and 17 of the member 12 are conical surfaces, but also when they are pyramidal surfaces. In the case of a pyramidal surface, θ 1 ,
θ 2 is defined by the angle between the center line of each surface of the pyramid and the axis 18 of the shaft 11.
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。According to a preferred aspect of the present invention, the conical surfaces of the two different virtual cones have one point on the axis 18 of the axis 11 as a common vertex. This will be described with reference to FIGS. 6, 7, and 8. Since the coupling structure shown in these figures is basically the same as the coupling structure shown in FIG. 1, the same parts are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.
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。As shown in FIG. 6, in a preferred embodiment of the present invention, a stepped portion is formed so as to form a cone of virtual cones S, M having a point P set on the axis 18 of the axis 11 as a common vertex. The inner surface of 13 and the inner surface of the stepped portion 14 are formed. In this coupling structure, when the shaft 11 expands relative to the member 12 due to the difference in thermal expansion, the shaft 11 becomes as shown by an imaginary line in the figure. However, since the inner surfaces of the step portions 13 and 14 only move along the conical surfaces of the virtual cones S and M, the inner surface of the step portions 13 and 14 and the mounting holes
The contact state with the opening edge portions 16 and 17 of 15 does not change, and the shaft 11 and the member
No looseness or excessive contact force is generated between 12 and.
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。On the other hand, as shown in FIG. 7, imaginary cones S ', M'having two points P, Q having different axial centers 18 on the inner side surfaces of the stepped portions 13, 14 (the vertices P, Q of both sides). Are formed on the outer side of each of them), and when the shaft 11 expands due to the difference in thermal expansion, it becomes as shown by an imaginary line in the figure. According to this, it can be seen that the inner side surfaces of the step portions 13 and 14 are separated from the opening edge portions 16 and 17, and looseness occurs between the shaft 11 and the member 12.
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。Further, as shown in FIG. 8, the inner side surfaces of the stepped portions 13 and 14 are virtual cones S ″ having two points P and Q with different axes 18 as vertices,
When it is formed so as to have a conical surface of M ″ (both vertices P and Q are on the inside of each), the axial difference is caused by the difference in thermal expansion.
When 11 expands, it becomes as shown by the imaginary line in the figure. According to this, it can be seen that the inner side surfaces of the stepped portions 13 and 14 bite into the opening edge portions 16 and 17, resulting in excessive contact stress.
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。In this way, the contact pressure can be kept constant by forming the conical surfaces of the two different virtual cones S and M with one point P on the axis 18 as a common apex. In addition,
The shared apex P may be anywhere on the axis 18.
「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θ１、θ２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。[Embodiment of the Invention] As shown in FIG. 9, a flange 22 is fixed to a metal shaft 21 slightly in the middle from the tip. This flange 22 constitutes one step in the present invention. A mounting hole 25 is formed in the ceramic impeller 24, and the metal shaft 21 is inserted into the mounting hole 25. Further, a flange-shaped nut 23 forming the other step is screwed onto the tip of the metal shaft 21. When the inner surfaces of the flange 22 and the nut 23 facing each other are screwed and locked, one point P on the axis 18 of the metal shaft 21 serves as a common apex, and two coaxial and congruent virtual cones S facing each other are provided. It is formed so as to have a conical surface of M. Further, as a characteristic part of the present invention, the angles θ 1 and θ 2 between the conical surfaces of these virtual cones S and M and the axis 18 are 35.
It is said to be ~ 55 °. On the other hand, the mounting hole 25 of the impeller 24
One opening edge 26 has a corner with a convex curved surface in cross section,
It makes line contact with the inner surface of the flange 22. Also, the mounting hole
The other opening edge portion 27 of 25 has the same conical surface as the inner surface of the nut 23 and is in surface contact with the inner surface of the nut 23. And
By screwing the nut 23 onto the tip of the metal shaft 21, the inner surface of the flange 22 and the nut 23 is pressed against the opening edges 26 and 27 of the mounting hole 25 to fix the impeller 24. There is. Then tighten the nut 23 and tighten the metal shaft 21.
It is preferable that the nut 23 is welded to the metal shaft 21 after the and the impeller 24 are fixed. The metal shaft 21 and the flange 22
It is necessary that the nut 23 and the nut 23 are made of the same material or have the same coefficient of thermal expansion.
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θ１、θ２
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。According to this coupling structure, even if the metal shaft 21 expands relatively to the impeller 24 under high temperature conditions, the inner surfaces of the flange 22 and the nut 23 share a point P on the axis of the metal shaft 21. Since it only moves along the conical surface of the virtual cones S and M with different vertices, the flange 22 and the nut
23, and the opening edge 2 of the mounting hole 25 of the impeller 24
The contact state with 6, 27 does not change. Also, the angles θ 1 , θ 2
Since the value of is set to 35 to 55 °, the opening edges 26 and 27 of the mounting holes 25 of the impeller 24 move along the inner surfaces of the flange 22 and the nut 23 without being hindered by frictional force.
The difference in thermal expansion can be reliably absorbed. Therefore,
It is possible to prevent loosening and unreasonable stress on the joint structure under all temperature conditions.
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θ１、θ２が35
〜55゜とされていることである。10 and 11 show another embodiment of the present invention. Mounting hole 25 for ceramic impeller 24
Are formed so that the opening edge portions 26, 27 are the conical surfaces of two virtual regular quadrangular pyramids S, M having a point P on the axis 18 of the metal shaft 21 as a common vertex. Then, the metal shaft 21 is formed by casting molten metal into the mounting hole 25 of the impeller 24. In this case, it is preferable to apply a release agent to the inner surface of the mounting hole 25 of the impeller 24 in advance so that the metal shaft 21 can be smoothly molded in the cooling process after the molten metal is cast. By casting, the metal shaft 21 has a flange 2 shaped to fit the opening edges 26, 27 of the mounting hole 25.
2, 33 are formed. Therefore, the inner side surfaces of the flanges 22 and 33 are also formed to be the conical surfaces of two virtual regular quadrangular pyramids S and M having a common point at a point P on the axis 18 of the metal shaft 21. The feature of the present invention is that the angles θ 1 and θ 2 formed by the conical surfaces of the two virtual regular square pyramids S and M and the axis 18 are 35.
It is said to be ~ 55 °.
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。In this embodiment, since the metal shaft 21 is formed by casting,
The inner surfaces of the flanges 22 and 33 are the opening edges 26 and 27 of the mounting hole 25.
Even if it is in contact with, it will not be pressed, but flange 2
By forming the inner side surfaces of 2, 33 and the opening edge portions 26, 27 of the mounting holes 25 to be the conical surface of the virtual regular quadrangular pyramid,
The rotation is stopped and the rotational force is transmitted.
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。In the above embodiment, the cross sectional shape shown in FIG.
It may be configured as shown in FIG. That is, in this modified example, the opening edge portions 26 and 27 of the mounting hole 25 are formed to be a conical surface of a virtual cone having a common vertex at one point on the axis of the metal shaft 21, and at least one of them. Opening edge 26
A plurality of grooves 28 are formed along the generatrix of the conical surface, and the flange 22 of the cast metal shaft 21 bites into the groove 28 in a key shape to prevent rotation. It should be noted that each of the surfaces forming the groove 28 is also formed to be a conical surface of an imaginary cone that shares the common apex of the above as the apex. Furthermore, the angle between the conical surface of each virtual cone and the axis is 35
It is said to be ~ 55 °.
「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。[Advantages of the Invention] As described above, according to the present invention, in the configuration in which the mounting hole of the member is fitted between the step portion of the shaft,
Since at least one of the facing edge portion of each step portion and the opening edge portion of each mounting hole which are in contact with each other is a conical surface of the virtual cone, the angle formed by the conical surface and the axis is set within a predetermined range. When one of the shaft and the member relatively expands or contracts due to the difference in thermal expansion, sliding along the conical surface occurs without being obstructed by the frictional force at the contact surface, so the difference in thermal expansion is absorbed. The shaft and the member can be prevented from being damaged. Further, since it is a conical surface on at least one of the contact surfaces, the axial center is accurately set, and even if slippage occurs on the contact surface, it does not get out of order. Furthermore, by tightening the member that has the mounting hole with the nut screwed to the shaft, or by making the conical surface of the virtual cone a pyramid surface of a pyramid, etc., rotation prevention against rotation force or retention against axial force is prevented. Is done enough.
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、
θ１、θ２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。FIG. 1 is an explanatory view schematically showing the principle of the coupling structure according to the present invention, FIGS. 2 and 3 are explanatory diagrams showing a state in which the temperature has risen in the coupling structure, and FIGS. 4 and 5 are the same. Explanatory drawing which shows the state where temperature fell in the joint structure, 6th
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a further preferred embodiment of the coupling structure according to the present invention, FIG. 7 is a sectional view showing a relative proportion to the coupling structure shown in FIG. 6, and FIG. FIG. 9 is a sectional view showing a comparative example of a coupling structure according to the present invention, FIG. 10 is a sectional view showing another example of a coupling structure according to the present invention, and FIG. Of 10 figures
A cross-sectional view taken along line XI-XI, FIG. 12 is a cross-sectional view similar to FIG. 11 showing still another embodiment of the coupling structure according to the present invention,
FIG. 13 is a sectional view showing an example of a conventional coupling structure. In the figure, 11 is a shaft, 12 is a member, 13 and 14 are stepped portions, 15 is a mounting hole, 16 and 17 are opening edge portions, 18 is a shaft center, 19 and 20 are bus bars,
θ 1 and θ 2 are angles formed by the conical surface of the virtual cone and the axis, S,
M is a virtual cone, 21 is a metal shaft, 22 is a flange, 23 is a nut, 24 is an impeller, 25 is a mounting hole, 26 and 27 are opening edges, and 33 is a flange.
Claims (2)
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。）1. A shaft having two stepped portions which are formed so as to have an enlarged diameter and are axially opposed to each other, and a member having a mounting hole which is fitted between the two stepped portions through which the shaft is inserted. One of the shaft and the member is made of a material having a coefficient of thermal expansion different from that of the other, and each of the facing edge portions of the two step portions and each of the two opening edge portions of the mounting hole are in contact with each other. At least one selected from an opposing edge portion and an opening edge portion in contact with the one opposing edge portion, which is a combined structure,
And, at least one selected from the other opposing edge portion and the opening edge portion in contact with the other opposing edge portion is formed to be the conical surface of two different virtual cones, and the axis center of the axis The joint structure between a shaft and a member, wherein an angle θ formed by the conical surface of the virtual cone is in a range represented by the following formula. tan -1 μ <θ <90 ° -tan -1 μ (where, μ means the maximum static friction coefficient of the contact portion between the shaft and the member)
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。2. The connecting structure of a shaft and a member according to claim 1, wherein the conical surfaces of the two different virtual conical bodies have one point on the axial center as a shared apex.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60238949A JPH076544B2 (en) | 1985-10-25 | 1985-10-25 | Coupling structure of shaft and member |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| JP60238949A JPH076544B2 (en) | 1985-10-25 | 1985-10-25 | Coupling structure of shaft and member |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62101918A JPS62101918A (en) | 1987-05-12 |
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|---|---|---|---|---|
| JP6017271B2 (en) * | 2012-11-09 | 2016-10-26 | 株式会社Ｃｆｃデザイン | Shaft member connection structure |
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