テーパーブッシュとロックアセンブリ：キーレスジョイントの選定

ほとんどのギアボックスは今もキー溝を中心に組み立てられており、それには十分な理由がある。キー溝は仕様指定が簡単で、加工も簡単、検査も簡単だ。しかし同時に、両方の部材に切り込まれる応力集中源であり、シャフトがすでに大きな負荷に耐えているまさにその箇所から断面を削り取り、荷重が反転するたびに越えなければならない隙間を残す。キーを完全に排除する代替手段が二つあり、現場ではしばしば互いに混同されている。

二つの部品、二つの異なる嵌合

テーパーブッシュは、外周にテーパーを持つ割りスリーブである。ハブには対応するテーパーボアを加工する必要がある。ブッシュを片側から押し込み、二本または三本のねじで軸方向に引き寄せると、テーパーが閉じてボアが収縮し、アセンブリがシャフトを把持する。取り外しは同じねじをジャッキ穴に移して行い、ブッシュを押し戻す。

ロックアセンブリ（キーレスブッシングやパワーロックとしても販売されている）はハブの一部ではない。ストレートボアとストレートシャフトの間に収まるリングのセットで、内側要素と外側要素の間に嵌合テーパーを持つ。ねじを締め付けるとリングがテーパーに沿って進み、両方が半径方向に膨張してシャフトとボアを同時に押圧する。ハブ側にテーパーは一切不要である。

この一つの違いが、図面がどちらを受け入れられるかを決める。ハブがすでにストレートボアで存在するなら、再加工なしではロックアセンブリが唯一の選択肢となる。ハブを用途向けに製作するなら、テーパーブッシュの方が購入費が安く、交換も速い。

トルクは実際どこから来るのか

両設計とも、半径方向の接触圧力によって生じる摩擦を通じてトルクを伝達する。したがってデータシートの数値は、キーのせん断強度ではなく、表面粗さ、嵌合、潤滑、ねじトルクに依存する。RINGFEDERはRfN 7012ロックアセンブリを、シャフトk9～h9、ハブN9～H9、緩い側ではk11～h11およびN11～H11も許容し、両接触面の表面粗さRa 3.2 µm以上と規定している。ねじは強度区分12.9で、カタログでは締付トルクを規定値の半分まで低減できるとされ、その場合トルク容量、軸力、面圧はすべてほぼ比例して低下する。

この最後の関係は逆に読む価値がある。ねじトルクを増やすことは余裕を増やすことと同じではない。締め過ぎは薄肉鋳鉄ハブを割る原因となり、締め不足はジョイントがクリープし、テーパーを光るリング状に磨耗させ、荷重下で動き出す原因となる。ここでは大型サイズよりも、トルクレンチと明記された数値の方が信頼性に寄与する。

両ファミリーは締付中の挙動も異なる。対称ダブルテーパー設計はねじを締め上げる間、シャフトとハブを相対位置に保持するため、ギアを規定の軸方向位置に配置する必要がある場合に重要となる。シングルテーパー設計は締付に伴ってハブをシャフトに沿って引き寄せるため、軸方向位置はクランプ後に設定するか、レイアウトで考慮する必要がある。

テーパーブッシュの表を読む

公開されている範囲から2517ブッシュを見てみよう。長さ44.5 mm、大端径85.5 mm、1/2インチBSWねじ二本を50 N·mで使用する。キーなしで38 mmボアでは380 N·m、48 mmボアでは510 N·mを伝達する。最小ハブ径は鋳鉄180 N/mm²で130 mm、鋼600 N/mm²で108 mmである。同じ範囲で、1008ブッシュは12 mmボアで29 N·m、5050は125 mmボアで7370 N·mを伝達する。

この両端の差が要点である。選定は両面からの計算となる。ボアがサイズを決め、トルクがそのサイズで足りるかを決め、ハブ径がそのサイズが生み出す面圧にハブが耐えられるかを決める。キーも併用すると、滑り面はシャフト-ブッシュ界面からブッシュ-ハブ界面へ移り、容量は大端径とボアの比にほぼ比例して増加する。

キーを外すこと、そして戻すこと

頻繁な分解と位相調整が、キーレスを選ぶ最も明確な理由である。サーボシャフト上のギアはエンコーダ零点に対して規定の角度関係を持つ。キーがあると再組み立てのたびにその関係を見つけ直す必要があるが、クランプ式ジョイントはそれを動かすことなく解放・再クランプできる。

小径シャフトが第二の理由である。キー溝は断面を削り取り、余肉の少ない部品に二つの鋭い角を追加する。バックラッシ要求を伴う反転運転が第三の理由である。キーは反転のたびにその隙間を移動するが、摩擦ジョイントには越えるべき隙間がない。スペースが第四の理由である。ロックアセンブリは積み重ね可能で、4·Lの距離内の複数ユニットはトルク定格を加算するため、大きなモーメントを担う狭いハブに適する。

キーの方が適する条件もある。大きな衝撃荷重、急速な反転、トルクレンチを誰も持っていない現場では、クランプ式ジョイントはその組立手順の質にしか依存しないため、キー付きジョイントが有利となる。薄肉鋳鉄ハブは面圧で制限され、次のサイズアップが収まらなくなると、摩擦方式は余地を失う。低生産量でハブが他の理由ですでにキー加工されている場合もコストが重要となる。

図面が語るべきこと

キーレスジョイントは組立段階が誤差を吸収する能力を奪う。キー付きジョイントはキー隙間に多少の偏心を隠すが、クランプ式ジョイントは強く芯出しするため、部品に存在する振れはそのまま噛み合い誤差となる。キーレス設計では、ギアボアと歯先間の同心度は図面要求であり、後で解決する組立上の問題ではない。

ハブについては、四つの特徴がジョイントを担う。テーパー角度と接触パターン（マーキングコンパウンドで確認し、全面にわたって読み取る）、クランプ圧力の分布を決めるボア公差と真円度、アセンブリがショルダーに着座する箇所で基準となる端面振れ、そして両接続方式を混在させる部品でのキー溝とボアの対称性である。ギアについては、歯を研削する前にボアを研削すること（完成ボアで位置決めすること）が、取付後の振れを低く保つ。この順序を逆にすると、部品は戻ってくる。

PinyiGearはギア、スプロケット、タイミングプーリ、および対応するハブを図面通りに加工する。モジュールM0.5～M20、生産精度DIN 4～5、研削ギアはDIN 3。材料は20CrMnTi、20CrMo、20CrNiMo、42CrMo、40Cr、38CrMoAl、45#など。ホブ切り、シェーピング、フライス加工、研削に、浸炭、窒化、高周波焼入れ、焼入れ焼戻しを組み合わせ、さらにCNC旋削・フライス加工、内外径研削を実施。検査は歯車測定機、CMM、真円度測定機、硬度計、粗さ計、噛み合い検査による。この基準で加工された平歯車については平歯車シリーズを参照。図面と使用条件はwww.dgpinyi.comまで。