高性能ドライブライン試験に不可欠な部品
自動車産業の電化がいっそう高まるにつれて、自動車試験工学分野は、高速で高トルクの電気モータを試験する必要性が急速に増加しています。騒音と振動の低減が重要視されるようになったことと相まって、ロータリ試験機の設計者は、試験機から重量、不均衡など駆動系特有の不必要な要因をこれまで以上に減らす必要性が高まっています。一般的な電気モータ用動力計の設計は、駆動モータ、カップリング、トルク計、被試験物、ブレーキモータなどの部品が最低限必要で、精密な弾性軸継手に対する必要性も高まっています。
ミシガン州デトロイトでは、ドイツのカップリングメーカーR+Wが自動車試験技術者からの技術的な課題に挑戦し、過去最高の性能を誇るカップリングを提供しています。ここでは、R+Wが材料、設計、バランスのカスタマイズによる最適化をさらに進める自動車試験技術の一例を紹介します。この案件では、非常に高い加速度でありながら、前例のないほど小さく、軽量で、慣性モーメントが低い20,000r/minの速さで750N･mまで伝達する弾性軸継手が必要になりました。
ぴったりの道具を
R+Wの応用エンジニアは当初から、性能的な目標を達成するには金属ベローズ形カップリングしかないと認識していました。他の精密な弾性軸継手とは異なり、金属ベローズは、回転中も非常に自然なバランスを保ち、全長は短く、同時に柔軟性も発揮する特殊な性能があります。トルクは2～10,000 Nmまで使用することができます。工作機械、試験機、梱包機、印刷機、繊維機械、自動化機器など変化の多い用途に採用されるのはこのためです。どんな用途にも対応できるように、素材、公差、寸法、性能など、さまざまな選択肢があらかじめ用意されています。もう1つのメリットは、ベローズの同心上に接着剤または溶接で組み付けたハブが、どのような設備にも取り付けられるようになっていることです。ミスアライメントや慣性モーメント、アンバランスを助長し大型のアダプタなしで機械に締結することができます。精密なベローズ形カップリングは、一般的にマンドレルで組み立てられます。マンドレルは、取り付け時にベローズに曲げ応力や圧縮応力を加えることなく、それぞれのハブを正確に同心上に組み付けます。これにより、機械のドライブラインに直接カップリングを取り付けることができ、性能を低下させることはありません。金属ベローズのさらなるメリットは、摩耗知らずの一体ものであることです。ベローズ形カップリングは剛性が高いので適切に取り付けられた場合、ミスアライメントがあっても、理論的には寿命は半永久的です。高速回転が求められる用途では、100時間も稼働すれば数億回転に達するため、特にメリットが感じられるでしょう。
最適な性能を発揮するためのカスタマイズ
この事例では、カップリングを駆動モータとフランジ付きトルク計間に設置することになっていました。モータ軸との締結はテーパーロックを使用しました。外側のクランプリングが、内部のテーパーを上に引き上げ、ハブを軸の周りで同心円上に押さえつけます。テーパー付きブッシュを使用する場合は、締め付けにばらつきがあると、カップリングが軸上で傾く可能性がありますが、クランプリングを使用すれば、取り付けミスによって傾くのはリングのみで、カップリングは軸穴の中心に保つことができるのです。最小重量と慣性モーメントの目標を達成できるように、クランプリングの材質はチタンGrade 5(ASTM規格)です。ハブの表面の周りには大きな貫通穴が配置されていますが、この穴には2つの役割があります。1つ目は、ハブの重さをより軽くすることです。そして2つ目はキャップスクリュがベローズ本体とハブを貫通し、反対側にあるトルク計のスクリュ穴に直接挿入することです。これにより、ベローズ形カップリングのフランジは極めて薄くなりました。最適な設計にするために、実際に使用するトルク計のロータをR+Wに送り、フランジの内径を研磨して軽い圧入ができるよう正確にすり合わせを行いました。これによりカップリングの軸穴から反対側のトルク計ロータまで、さらに高い同心性を確保することに成功しました。
弾性軸継手のバランスに関しては、ISOのバランス等級G1.0でこれほどの高速回転が実現可能かという問題が生じます。これに対する意見として、カップリングは柔軟な部品であることから、論理的にはこのレベルの精度でバランス取りを行うことができても、工具から取り外し、梱包し、出荷し、最終的にわずかなミスアライメントがある機械に設置すれば、実際のバランス等級は失われるというものです。バランス等級を可能な限り維持するために、この事例ではそれぞれのカップリングに、バランス調整アーバとサポートシャフトの両方として機能する専用のバランスツールを使用し、搬送中や取り扱い中にほんのわずかでもベローズが曲がるのを防ぎました。これにより、現場で取り付けを行う際、バランスツールからカップリングを慎重に取り外し、完璧な状態で接続することができました。
試験機向けカップリング製造におけるリーダーシップの伝統
R+Wは1990年の創業以来、回転試験機向けにカスタマイズされた精密カップリングや安全クラッチの設計、製造に携わってきました。その間に開発されたカップリングは、小型ベローズ形、エラストマ形、大型の板ばね形、150,000Nmまで対応可能なベローズ形カップリングなど多岐にわたります。2017年、世界最大のボールソケット式安全クラッチを製造し、最大2千万Nmの遮断トルクで洋上風力発電機用ギアボックスの試験を行いました。精密試験機向けのカップリング製造業界において、R+Wはさまざまな点で世界の技術をリードしています。業界が限界を超えていく中で、試験機メーカーと部品メーカーは、究極のカップリングを追求するために、引き続き協力していきます。