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カップリングの選択方法について PART1

●回転軸を結合するカップリングの使用先は、まさに千差万別です。私達メーカーもその使われ方に思いを巡らせながら、あれこれ対応するカップリングを製作しています。昔は歯車やベルトが回転伝達の主役でしたが、現在ではカップリングの利用が益々高まり、方式も種類も増加しています。 一方でカップリングの破損は装置の故障となり、大きな損害を発生させる場合が少なくありません。装置の回転系には想定外の異常負荷が附加され易いものです。慎重にしかも安全率を高めて選択する必要があります。

●伝えるべきエネルギー(トルク・回転速さ・回転体慣性等)の大きさ・逆転頻度とその瞬間の回転角加速度、軸間のミスアライメント(右図ご参照)の種類と大きさ、スペース、環境(水・油・光線・電磁波・塵埃・周囲温度・真空中等)の状況、必要とする回転寿命…それらの中から必要な項目を満たしたうえで適正なコストの商品を選択していただかなければなりません。
■偏心
■偏角
(中心の一致)
■偏心・偏角の
複合
■エンドプレイ
■振れ

カップリングの選択方法について PART2

●実際に使用して、短時間で破損した場合は、トルクかあるいはミスアライメントの過大が原因です。最近は特にサーボモータ関係で時々トラブルが発生しています。その第一の問題点は、サーボモータの瞬間最大(3倍)トルク以上のトルクがカップリングに加わるはずがないと錯覚されている場合です。
(図2)はA点←→B点間のプログラム制御の例でサーボモーターの瞬間最大電流が流れますが、A←→Bと低速で動いている間でもローターが回転振動をしています。
サーボモータのローターと軸はかなりの慣性質量を持っているので、A点・B点で大きな回転ハンマーとなってカップリングに衝撃トルクを与えます。更に低速移動中でもインパクトドライバーとしてカップリングを痛め続けます。(図3ご参照)

●サーボモータが大きくサーボゲインが高くて常にローターが激しく回転振動している状況では、この振動による衝撃トルクがサーボモータの瞬間最大トルクを大きく超え、しかも数サイクルから数十サイクルの振動衝撃となります。この衝撃トルクを知る為には超高速カメラで瞬間最大加速度を測定し慣性モーメントを乗ずればよい訳です。

●経験的に考察した場合ですが、高速で激しい動きのサーボ系で24時間働き続ける例では、サーボモータの瞬間最大トルクの5〜8倍がカップリング仕様の許容トルク以下であれば数年の寿命が期待できます。但し、このような機械では当然ミスアライメントは0に近い位に高精度で組み立てられていなければなりません。

<補足説明>
カップリングが破損に達する原因について
●理解を助ける例として、エアシリンダーの場合について説明します。エアシリンダーの推力はシリンダーの面積×空気圧で示され、それ以上の力は出しません。しかし、破損しない為にストッパー部にゴムクッションを付けたり、エアー絞り端末構造にして衝撃力にある程度耐えるように作られています。更に使用に際しては減圧弁、スピコン、ショックアブソーバーなどを付けて結合部の破損やゆるみを防がなければなりません。この破損する力は空圧的力ではなく、質量を持った運動体が急激に停止させられる時の力(F=Mα)であり対策の有無で非常に大きくなり得ます。 カップリングの場合も同じように、起動・停止・回転振動などの加速度をどれだけ小さく抑えられるかによってカップリングの強度を考えます。ショックアブソーバ的要素がなければそれだけ許容トルクに対し安全率を高める必要があります。

ねじりばね定数について

主としてサーボ系に使用するカップリングで大切な特性です。カップリングの片方の軸を固定し、反対側の軸にトルクを加えながら左右ハブ間のねじれ角(度)を測定すると(図a)のようなグラフを描くことができます。許容トルクToの決め方はメーカーによっても形式によっても多少異なります。
ねじりばね定数はで表します。
                        
カタログ記載のねじりばね定数が例えば2000N・m/radで、常用トルクが7N・mとあれば 「7×57.3/2000=0.2(度)」すなわち7N・mの常用トルクに対するねじれ角が0.2(度)だと実感できます。但しこの数値が即サーボの位置誤差となる訳ではありません。

偏心について

<たわみ板式カップリングと偏心の関係>

●設計と製作の上から偏心を0に近く保てると考えている装置の場合は、一般的にシングルプレート(ショートタイプ)カップリングが採用されていますが、現実にはこの点がかなりトラブルの原因となっているようです。組立精度に自信があってもサーボ機械においてはダブルプレート(ロングタイプ)を推奨します。 シングルプレートの偏心ばね定数は、ダブルプレートタイプに比べて10〜20倍大きいので、僅か0.05(mm)位の偏心でも大きな偏心ばね荷重が加わり、たとえカップリングが短期間で破損しない場合でも、ベアリングの寿命をかなり短くします。ひどい場合には、軸の破損例もあります。また、トラブルが発生しても、スペースの関係でダブルプレートタイプに交換が不可となります。対応策としては、偏心ばね定数の小さいポリイミドプレートかサーボ対応のオルダムカップリングを選択する必要があります。

●偏心が小さく抑えられない場合は、ダブルプレート(ロングタイプ)カップリングの選定が必要です。この場合でもカタログ許容値より小さく抑える努力が必要です。許容値一杯の場合には常用トルクを1/2〜1/5と下げる必要がでてきます。偏心は寿命に関係すると考えるべきです。この場合の破損状況は金属プレートの曲げ応力による疲労破断がほとんどです。

●寿命の心配を失くす為には、疲労現象の無いポリイミドあるいはカーボンFRPのプレートを選択する方法もあります。

<オルダムカップリングと偏心の関係>

●オルダムカップリングは、小形で高トルクが特長ですが、偏心のある場合には破損するのではなく「負荷トルク×偏心量×回転速度」の積の大きさに比例して、ハブとスライダーとの摺動面で摩耗の進行が生じます。長寿命の為には、偏心を出来る限り小さくする必要があります。また、摺動面に二硫化モリブデン系グリースの塗布も有効です。

●現在では、サーボ系のカップリングとして使用される割合が非常に多くなっています。その理由として、小形・高トルクなので装置の小型化が出来ることがあげられるでしょう。偏心0.1以下であればバックラッシュゼロでサーボ特性としても良好です。

偏角について

●大きな偏角(5°以上)に対しては、市販のユニバーサルジョイントあるいは当社新開発のボールカップリングを使用していただくことをお奨め致します。

偏角5°以下のカップリングとしてはポリイミドプレートダブルタイプ(M・CU・C1)、
偏角3°以下のカップリングとしてはカーボンプレートダブルタイプ(M・CU・C1)、
偏角2°以下のカップリングとしては金属プレートタイプも選択対象となります。

●たわみ板式カップリング(M・CU・C1シリーズ)の場合
  • ポリイミドプレートが偏角に強いカップリングで実負荷トルクが定格トルクの1/2であれば、最大許容偏角でも10億回転テストでも破損しません。
  • カーボンプレートも金属疲労のような破損にはならず、定格トルクの1/3で10億回転テストに合格します。
  • ステンレスプレートの場合は、偏角の大きさに比例してたわむプレートの曲げ応力の繰り返しで金属疲労による破損に至ります。従って、偏心・偏角を小さくする努力が求められます。

●オルダムカップリングの場合
オルダムカップリングは形状的には偏角に不向きなものとなっています。
オルダムカップリングにおいて、許容偏角が大きいカップリングとは、中間スライダーが弱い(ねじりばね定数が小さい)事を示します。これは、スライダーのガタか変形によって偏角を吸収しているからです。

回転数について

通常のカップリング(低速回転用は除く)では、3000rpm位の回転数を想定して常用トルク(許容トルク)を決めています。従って、実動の最高回転数が2倍の6000rpmでご使用になられる場合は常用トルクは50%以下にしていただくことが無難です(この値は厳密な数値ではありませんが、回転上昇に伴う振動や抵抗エネルギーの増加は一様ではありませんので個別問題となります。なお、定速・連続回転の場合は100%の判断で大丈夫です)

性能表の許容値について

カップリングの性能表に記載されている項目即ち、許容トルク・許容偏心・許容偏角・最高回転数などは各項目ごとに検討し決めています。従って、ミスアライメントが複合される場合は各許容値の値を複合するアライメントの数で割るなどの配慮が必要です。(それは考え方としておかしいのではないかとの苦情もいただきますが、例えば全てのアライメントが許容値一杯の状態で許容トルクを決めるとするならば、実用性の乏しい小さな値になってしまいます。カップリングはエネルギーを伝える要素部品なので、内部応力の性質と大きさが寿命に関係するものです)

偏心と寿命の関係について

一例としてプラスチックモールドカップリングのUJ・GJシリーズの場合について報告します。外部から偏心させる力を加え、力と偏心量が直線的に変位する値(弾性偏心量)の1/2.5〜1/3を許容偏心量と決めました。3年がかりで各ミスアライメント別に寿命試験を行った結果が こちらです。10億回転まで実施致しましたが、それがお客様先で何年分かということはわかりません。また、たわみ板カップリングのMシリーズでプレートの材料別に(ポリイミド・カーボンFRP・ステンレス)アライメントと寿命の関係について試験を実施した結果はこちらです。