シャフトシャフトは機械システムにおいて重要な部品であり、トルクと軸受け曲げモーメントを伝達しながら、すべての伝達要素を支えるバックボーンとして機能します。シャフトの設計は、個々の特性だけでなく、シャフトシステム全体の構造との統合も考慮する必要があります。動作および動力伝達中に受ける荷重の種類に応じて、シャフトはスピンドル、ドライブシャフト、回転シャフトに分類されます。また、軸の形状に基づいて、ストレートシャフト、偏心シャフト、クランクシャフト、フレキシブルシャフトに分類されます。
スピンドル
1.固定スピンドル
このタイプのスピンドルは、静止状態にある間は曲げモーメントのみを負担します。シンプルな構造と優れた剛性により、自転車の車軸などの用途に最適です。
2.回転スピンドル
固定スピンドルとは異なり、回転スピンドルは運動中に曲げモーメントも受けます。回転スピンドルは鉄道車両の車軸によく見られます。
ドライブシャフト
ドライブシャフトはトルクを伝達するために設計されており、回転速度が高いため、通常は長くなります。遠心力による激しい振動を防ぐため、ドライブシャフトの質量は円周に沿って均等に分散されています。現代のドライブシャフトは中空設計を採用することが多く、中実シャフトに比べて臨界速度が高く、安全性と材料効率に優れています。例えば、自動車のドライブシャフトは通常、均一な厚さの鋼板で作られていますが、大型車両ではシームレス鋼管が使用されることが多いです。
回転シャフト
回転シャフトは曲げモーメントとねじりモーメントの両方に耐えるという点で独特であり、機械装置で最も一般的なコンポーネントの 1 つとなっています。
ストレートシャフト
ストレートシャフトは直線軸を持ち、光学シャフトと段付きシャフトに分類されます。ストレートシャフトは通常は中実ですが、剛性とねじり安定性を維持しながら軽量化するために中空に設計することもできます。
1.光学シャフト
形状がシンプルで製造が容易なこれらのシャフトは、主にトランスミッションに使用されます。
2.段付きシャフト
縦断面が段状のシャフトは、ステップシャフトと呼ばれます。この設計により、部品の取り付けと位置決めが容易になり、荷重分散効率が向上します。形状は均一な強度を持つ梁に似ていますが、複数の応力集中点があります。これらの特性から、ステップシャフトは様々なトランスミッション用途で広く利用されています。
3.カムシャフト
カムシャフトはピストンエンジンにとって重要な部品です。4ストロークエンジンでは、カムシャフトは通常クランクシャフトの半分の速度で動作しますが、それでも高い回転速度を維持し、大きなトルクに耐える必要があります。そのため、カムシャフトの設計には、強度と支持能力に対する厳しい要件が課せられます。
カムシャフトは通常、特殊な鋳鉄で作られていますが、耐久性を高めるために鍛造材で作られるものもあります。カムシャフトの設計は、エンジン全体の構造において重要な役割を果たします。
4.スプラインシャフト
スプラインシャフトは、表面に縦方向のキー溝を備えた独特の外観からその名が付けられています。これらのキー溝により、シャフトに取り付けられた回転部品は同期回転を維持できます。この回転機能に加えて、スプラインシャフトは軸方向の移動も可能で、ブレーキシステムやステアリングシステムなどの用途向けに信頼性の高いロック機構を組み込んだ設計もあります。
もう一つのバリエーションは、内管と外管で構成される伸縮シャフトです。外管には内歯があり、内管には外歯があるため、両者はシームレスに嵌合します。この設計は、回転トルクを伝達するだけでなく、長さを伸縮させる機能も備えているため、トランスミッションのギアシフト機構に最適です。
5.ギアシャフト
歯車の歯底円からキー溝の底までの距離が最小の場合、歯車と軸は一体化され、歯車軸と呼ばれるユニットを形成します。この機械部品は回転部品を支え、それらと連動して運動、トルク、または曲げモーメントを伝達します。
6.ウォームシャフト
ウォーム シャフトは通常、ウォームとシャフトの両方を統合した単一のユニットとして構築されます。
7.中空シャフト
中空シャフトは、中空中心部に設計されたシャフトです。トルク伝達時に中空シャフトの外層に最も高いせん断応力がかかるため、材料をより効率的に使用できます。中空シャフトと中実シャフトの曲げモーメントが同等の条件下では、中空シャフトは性能を損なうことなく大幅な軽量化を実現します。
クランクシャフト
クランクシャフトはエンジンの重要な部品であり、通常は炭素構造鋼またはダクタイル鋳鉄で作られています。クランクシャフトは、メインジャーナルとコネクティングロッドジャーナルという2つの主要部分から構成されています。メインジャーナルはエンジンブロックに取り付けられ、コネクティングロッドジャーナルはコネクティングロッドの大端部に接続されます。コネクティングロッドの小端部はシリンダー内のピストンに連結され、典型的なクランクスライダー機構を形成しています。
偏心シャフト
偏心シャフトとは、軸が中心からずれたシャフトのことです。部品の回転を主に補助する通常のシャフトとは異なり、偏心シャフトは自転と公転の両方の伝達が可能です。シャフト間の中心距離を調整するために、偏心シャフトはVベルト駆動システムなどの平面リンク機構でよく使用されます。
フレキシブルシャフト
フレキシブルシャフトは、主にトルクと運動を伝達するように設計されています。ねじり剛性に比べて曲げ剛性が大幅に低いため、フレキシブルシャフトは様々な障害物を容易に回避し、主動力源と作業機械間の長距離伝達を可能にします。
これらのシャフトは、追加の中間伝達装置を必要とせずに、相対的に移動する2軸間の運動伝達を容易にするため、長距離用途に最適です。シンプルな設計と低コストが、様々な機械システムで広く採用されている理由です。さらに、フレキシブルシャフトは衝撃や振動を吸収し、全体的な性能を向上させます。
一般的な用途としては、手持ち式電動工具、工作機械の特定の伝送システム、走行距離計、リモート コントロール デバイスなどがあります。
1.パワー型フレキシブルシャフト
パワータイプフレキシブルシャフトは、ソフトシャフトジョイント端に固定接続され、ホースジョイント内にスライドスリーブが備えられています。これらのシャフトは主にトルク伝達用に設計されています。パワータイプフレキシブルシャフトの基本要件は、十分なねじり剛性です。通常、これらのシャフトには、一方向の伝達を確保するための逆転防止機構が組み込まれています。外層は太い鋼線で構成されており、コアロッドを備えない設計もあり、耐摩耗性と柔軟性の両方が向上しています。
2.制御型フレキシブルシャフト
コントロール型フレキシブルシャフトは、主に動作伝達を目的として設計されています。伝達されるトルクは、主にワイヤーフレキシブルシャフトとホースとの間に発生する摩擦トルクを克服するために用いられます。これらのシャフトは、低い曲げ剛性に加えて、十分なねじり剛性も備えていなければなりません。パワー型フレキシブルシャフトと比較して、コントロール型フレキシブルシャフトは、芯棒の存在、巻き層数の増加、ワイヤー径の細さといった構造上の特徴を備えています。
フレキシブルシャフトの構造
フレキシブル シャフトは通常、ワイヤ フレキシブル シャフト、フレキシブル シャフト ジョイント、ホース、ホース ジョイントなどの複数のコンポーネントで構成されます。
1.ワイヤーフレキシブルシャフト
ワイヤーフレキシブルシャフト（フレキシブルシャフトとも呼ばれる）は、複数の鋼線を巻き合わせて円形の断面を形成する構造です。各層は複数の撚線（ストランド）が同時に巻き付けられており、マルチストランドスプリングに似た構造になっています。最内層のワイヤーは芯棒の周りに巻き付けられ、隣接する層は反対方向に巻き付けられています。この構造は農業機械でよく使用されます。
2.フレキシブルシャフトジョイント
フレキシブルシャフトジョイントは、出力軸と作動部品を接続するために設計されています。接続タイプには、固定式とスライド式の2種類があります。固定式は、通常、短いフレキシブルシャフトや、曲げ半径が比較的一定に保たれる用途に使用されます。一方、スライド式は、運転中に曲げ半径が大きく変化する場合に使用され、ホースの曲げに伴う長さの変化に対応できるよう、ホース内でのより大きな動きを可能にします。
3.ホースとホースジョイント
ホース（保護シースとも呼ばれる）は、ワイヤーフレキシブルシャフトを外部部品との接触から保護し、作業者の安全を確保します。さらに、潤滑剤を貯蔵し、異物の侵入を防ぐ役割も果たします。運転中はホースがシャフトを支えるため、フレキシブルシャフトの取り扱いが容易になります。特に、伝達時にホースがフレキシブルシャフトと共に回転しないため、スムーズで効率的な操作が可能になります。
エンジニアや設計者にとって、機械システムの最適な性能と信頼性を確保するには、シャフトの様々な種類と機能を理解することが不可欠です。特定の用途に適したシャフトの種類を選択することで、機械の効率と寿命を向上させることができます。機械部品とその用途に関するより詳しい情報については、最新情報をお待ちください。
投稿日時: 2024年10月15日
