シャフトを理解する: 機械の重要なコンポーネント

シャフトは機械システムの重要なコンポーネントであり、トルクを伝達し、曲げモーメントに耐えながら、すべての伝達要素をサポートするバックボーンとして機能します。シャフトの設計は、その個々の特性に焦点を当てるだけでなく、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。運動や動力伝達時に受ける負荷の種類に応じて、シャフトは主軸、駆動軸、回転軸に分類されます。また、軸の形状により直進軸、偏心軸、クランク軸、フレキシブルシャフトなどに分類されます。

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、静止している間は曲げモーメントのみに耐えます。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.回転主軸
固定スピンドルとは異なり、回転スピンドルは動作中に曲げモーメントにも耐えます。それらは電車の車輪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ように設計されており、回転速度が高いため通常は長くなります。遠心力によって引き起こされる激しい振動を防ぐために、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ます。最新のドライブ シャフトは中空設計を採用していることが多く、中実シャフトに比べて高い臨界速度が得られるため、より安全で材料効率が高くなります。たとえば、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よくあります。

回転軸
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できます。ストレート シャットは通常中空ですが、剛性とねじり安定性を維持しながら重量を軽減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ため、主に伝動用に使用されます。

2.段付きシャフト
縦断面が段状になっているシャフトを段付きシャフトといいます。この設計により、コンポーネントの取り付けと位置決めが容易になり、より効率的な負荷分散が可能になります。形状は強度が均一な梁に似ていますが、応力集中点が複数あります。これらの特性により、段付きシャフトはさまざまな伝動用途に広く使用されています。

3.カムシャフト
カムシャフトはピストンエンジンの重要な部品です。 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、依然として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。その結果、カムシャフトの設計では、強度とサポート能力に厳しい要件が課されます。
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素材で作られているものもあります。カムシャフトの設計は、エンジンのアーキテクチャ全体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
スプライン軸は、表面に縦方向のキー溝を備えた特徴的な外観にちなんで名付けられました。これらのキー溝により、シャフトに取り付けられた回転コンポーネントが同期回転を維持できるようになります。この回転機能に加えて、スプライン シャフトは軸方向の動きも可能にし、一部の設計にはブレーキおよびステアリング システムでの用途向けに信頼性の高いロック機構が組み込まれています。

もう 1 つのバリエーションは、内管と外管で構成される伸縮式シャフトです。アウターチューブには内歯があり、インナーチューブには外歯があり、シームレスに嵌合できます。この構造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変速機構に最適です。

5.ギアシャフト
歯車の歯元円からキー溝の底までの距離が最小の場合、歯車とシャフトはギア シャフトと呼ばれる単一のユニットに統合されます。この機械コンポーネントは回転部品をサポートし、回転部品と連動して動き、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
シャフトの中心が中空に設計されたものを中空シャフトといいます。トルクを伝達する際、中空シャフトの外層は最も高いせん断応力を受けるため、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等しい条件下では、中空シャフトは性能を損なうことなく重量を大幅に軽減します。

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。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 つの重要なセクションを備えています。メインジャーナルはエンジンブロックに取り付けられ、コンロッドジャーナルはコンロッドの大端部に接続されます。コネクティング ロッドの小さい端はシリンダー内のピストンに接続されており、古典的なクランク スライダー機構を形成しています。

偏心軸
偏心シャフトは、軸が中心と一致していないシャフトとして定義されます。主にコンポーネントの回転を促進する通常のシャフトとは異なり、偏心シャフトは回転速度と回転速度の両方を伝達することができます。 Ｖベルト駆動システムなどの平面リンク機構では、軸間の中心距離を調整するために偏心軸がよく利用されている。

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動きを伝達するように設計されています。フレキシブルシャフトは、ねじり剛性に比べて曲げ剛性が大幅に低いため、さまざまな障害物を容易に回避でき、主動力と作業機械の間の長距離伝達が可能になります。

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、相対運動を行う 2 つの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により、さまざまな機械システムでの人気が高まっています。さらに、柔軟なシャフトが衝撃や振動を吸収し、全体的なパフォーマンスを向上させます。

一般的な用途には、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、遠隔制御装置などがあります。

1.パワータイプフレキシブルシャフト
パワータイプのフレキシブルシャフトは、ソフトシャフトジョイント端の固定接続を特徴とし、ホースジョイント内にスライドスリーブを備えています。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的な要件は、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保証する逆転防止機構が含まれています。外層はより大きな直径の鋼線で構成されており、一部の設計にはコアロッドが含まれていないため、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
制御タイプのフレキシブルシャフトは主に運動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、主にワイヤフレキシブルシャフトとホースの間に発生する摩擦トルクに打ち勝つために使用されます。これらのシャフトは、曲げ剛性が低いことに加えて、十分なねじり剛性も備えていなければなりません。制御型フレキシブルシャフトは、パワー型フレキシブルシャフトに比べて、芯棒の有無、巻線層数が多く、線径が細いなどの構造上の特徴があります。

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 ジョイントなどのいくつか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
フレキシブル シャフトとも呼ばれるワイヤ フレキシブル シャフトは、複数の層のスチール ワイヤを一緒に巻いて構成され、円形の断面を形成しています。各層は同時に巻かれた複数のワイヤのストランドで構成され、複数のストランドのスプリングに似た構造になっています。ワイヤの最内層はコアロッド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ます。このデザインは農業機械で一般的に使用されています。

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、動力出力シャフトを作動コンポーネントに接続するように設計されています。接続方法は固定式とスライド式の2種類があります。固定タイプは通常、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。これに対し、スライド式は使用中に曲げ半径が大きく変化する場合に採用され、ホースの曲がりに伴う長さの変化に合わせてホース内の動きが大きくなります。

3.ホースとホースジョイント
ホースは保護シースとも呼ばれ、ワイヤのフレキシブル シャフトを外部コンポーネントとの接触から保護し、オペレータの安全を確保します。さらに、潤滑剤を蓄え、汚れの侵入を防ぎます。動作中、ホースがサポートを提供するため、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、トランスミッション中にホースがフレキシブルシャフトと一緒に回転しないため、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が機械システムの最適なパフォーマンスと信頼性を確保するには、シャフトのさまざまなタイプと機能を理解することが重要です。特定の用途に適したシャフトのタイプを選択することにより、機械の効率と寿命を向上させることができます。機械コンポーネントとそのアプリケーションについてさらに詳しく知りたい場合は、最新の更新情報をお待ちください。