(57)【要約】      （修正有）【課題】耐久性を改善したギヤ付きシャフト並びにこのようなギヤ付きシャフトを用いる減速機及びミキサータンクを提供する。【解決手段】回転自在に支持される軸部４２と、当該軸部の外周の一部に配置され前記軸部との間に接合面なく一体化されたギヤ部４６とを有するギヤ付きシャフト。フレッティング疲労によって引き起こされる予測の難しい損傷を防止し、良好な耐久性能を有するギヤ付きシャフトを実現できる。また、このようなギヤ付きシャフトを用いた減速機及びミキサータンクは、安全かつ安定的な運転を実現することができる。【選択図】図３
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【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
軸受け部によって回転自在に支持される軸部と、当該軸部の外周の一部に配置され前記軸部との間に接合面なく一体化された第１ギヤ部と、を有するギヤ付きシャフト。
【請求項２】
前記軸部の外周の他の一部に配置されベベルギヤからなる第２ギヤ部をさらに有し、前記第１ギヤ部はスプールギヤ又はヘリカルギヤであることを特徴とする請求項１に記載のギヤ付きシャフト。
【請求項３】
前記第１ギヤ部はベベルギヤであることを特徴とする請求項１に記載のギヤ付きシャフト。
【請求項４】
第１軸部と、当該第１軸部の外周の一部に配置されるＡギヤ部とを有し、第１の回転速度で回転する第１シャフトと、
第２軸部と、当該第２軸部の外周の一部に配置され前記Ａギヤ部と噛み合うＢギヤ部と、前記第２軸部の外周の他の一部に配置されるＣギヤ部とを有する第２シャフトと、
第３軸部と、当該第３軸部の外周の一部に配置され前記Ｃギヤ部と噛み合うＤギヤ部と、前記第３軸部の外周の他の一部に配置されるＥギヤ部とを有する第３シャフトと、
第４軸部と、当該第４軸部の外周の一部に配置され前記Ｅギヤ部と噛み合うＦギヤ部とを有し、前記第１の回転速度より低速である第２の回転速度で回転する第４シャフトと、を有し、
前記Ｃギヤ部は前記第２軸部との間に接合面なく一体化されていることを特徴とする減速機。
【請求項５】
前記第２軸部は、前記第３軸部と比較して、より内径の小さい軸受け部によって支持されていることを特徴とする請求項４に記載の減速機。
【請求項６】
前記Ａギヤ部は前記第１軸部との間に接合面なく一体化されていることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の減速機。
【請求項７】
請求項４から請求項６までのいずれか１項に記載の減速機と、
前記減速機の前記第１シャフトに動力を伝達するモータと、
前記減速機の前記第４シャフトから動力を伝達されて回転するインペラーを内部に収納するタンクと、を有するミキサータンク。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、ギヤ付きシャフト並びにギヤ付きシャフトを有する減速機及びミキサータンクに関する。
【背景技術】
【０００２】
溶液を攪拌するためのミキサータンクは、各種産業分野において用いられている。ミキサータンクは、攪拌のための動力を発生させるモータと、モータから適切な回転数を得るための減速機と、減速機を介して伝えられるモータの動力によって回転するインペラーを内蔵するタンク等によって構成される。例えば高分子材料の製造において、ミキサータンクは、原材料を攪拌するために、重合工程や、重合後のアグロメレーション（乳化重合後のラテックス粒子の凝集）工程等で使用される（特許文献１等参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−２３７１８１号公報
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来技術に係るミキサータンクでは、減速機内部のシャフト又はギヤが、設計時に想定した耐久時間より大幅に短い時間で破損するという問題が発生している。減速機の内部では、焼き嵌め等によってギヤを軸部に固定したシャフトを用いているが、このようなギヤ付きシャフトが、想定外の短時間で損傷することがあり、ミキサータンクの安全かつ安定的な運転を阻害している。
【０００５】
本考案は、このような問題に鑑みてなされ、本考案の目的は、耐久性を改善したギヤ付きシャフト並びにこのようなギヤ付きシャフトを用いる減速機及びミキサータンクを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するために、本考案に係るギヤ付きシャフトは、軸受け部によって回転自在に支持される軸部と、当該軸部の外周の一部に配置され前記軸部との間に接合面なく一体化された第１ギヤ部と、を有する。
【０００７】
本考案の考案者らは、従来技術に係るミキサータンクに使用されるギヤ付きシャフトに対して鋭意分析を重ねた結果、ギヤ付きシャフトの破損が、軸部とギヤ部との接合部分で発生するフレッティング疲労によって引き起こされることを突き止めた。本考案に係るギヤ付きシャフトは、分離したギヤ部と軸部とを組合せたものではなく、元々一体である原材料を加工、例えば、鍛造や一体鋳造等することによって、ギヤ部が軸部との間に接合面なく一体化されている。一体化する加工の中でも、より高強度のものができることから、一体である原材料を鍛造するのが好ましい。このように、ギヤ部と軸部とを接合面なく一体化することにより、フレッティング疲労が発生する部分を無くしたため、本考案に係るギヤ付きシャフトは、良好な耐久性能を有する。そのため、本考案に係るギヤ付きシャフトは、そのシャフトの少なくとも一部分において、ギヤ部と軸部との間に接合面がない一体化部分を有する。
【０００８】
また、例えば、本考案に係るギヤ付きシャフトは、前記軸部の外周の他の一部に配置されベベルギヤからなる第２ギヤ部をさらに有し、前記第１ギヤ部はスプールギヤ又はヘリカルギヤであってもよい。また、例えば、本考案に係るギヤ付きシャフトにおいて、前記第１ギヤ部はベベルギヤであっても良い。
【０００９】
ベベルギヤの歯面は軸方向に対して傾いているため、ベベルギヤを有するシャフトは、軸方向成分を含む力を受けて、フレッティング疲労の原因となる軸方向の振動を起こしやすいという問題を有する。しかし、ベベルギヤを有するシャフトであっても、ギヤ部と軸部とを接合面なく一体化することにより、良好な耐久性能を奏する。また、スプールギヤ又はヘリカルギヤ、好ましくはヘリカルギヤである第１ギヤ部と、ベベルギヤである第２ギヤ部とを有するシャフトは、シンプルな構造を有する減速機を作製するために有用である。
【００１０】
本考案に係る減速機は、第１軸部と、当該第１軸部の外周の一部に配置されるＡギヤ部とを有し、第１の回転速度で回転する第１シャフトと、
第２軸部と、当該第２軸部の外周の一部に配置され前記Ａギヤ部と噛み合うＢギヤ部と、前記第２軸部の外周の他の一部に配置されるＣギヤ部とを有する第２シャフトと、
第３軸部と、当該第３軸部の外周の一部に配置され前記Ｃギヤ部と噛み合うＤギヤ部と、前記第３軸部の外周の他の一部に配置されるＥギヤ部とを有する第３シャフトと、
第４軸部と、当該第４軸部の外周の一部に配置され前記Ｅギヤ部と噛み合うＦギヤ部とを有し、前記第１の回転速度より低速である第２の回転速度で回転する第４シャフトと、を有し、
前記Ｃギヤ部は前記第２軸部との間に接合面なく一体化されている。
【００１１】
高速回転側に配置されて減速を担う第２シャフトにおいて、第３シャフトに力を伝達するＣギヤ部は、減速機の中でも特に負荷が集中し易い部分である。しかし、本考案に係る減速機において、Ｃギヤ部は第２軸部との間に接合面なく一体化されており、当該部分は良好な耐久性を有する。これにより、本考案に係る減速機は、安全かつ安定的に動力を伝達することが可能である。
【００１２】
また、例えば、前記第２軸部は、前記第３軸部と比較して、より内径の小さい軸受け部によって支持されていても良い。
【００１３】
第２軸部が内径の小さい軸受け部に支持されている場合、第２シャフトが破損する危険性が高くなるが、第２軸部との間に接合面なく一体化されたＣギヤ部を有する第２シャフトは、良好な耐久性を有する。
【００１４】
また、例えば、前記Ａギヤ部は前記第１軸部との間に接合面なく一体化されていてもよい。
【００１５】
第１シャフトは、第２シャフトと同様に、減速機において高速側（動力側）に配置されるシャフトであり、Ａギヤ部も、Ｃギヤ部と同様に負荷が集中し易い部分である。したがって、Ａギヤ部と第１軸部とを接合面なく一体化することによって、減速機全体としての耐久性を高めることができる。
【００１６】
本考案に係るミキサータンクは、上述のいずれかに記載の減速機と、
前記減速機の前記第１シャフトに動力を伝達するモータと、
前記減速機の前記第４シャフトから動力を伝達されて回転するインペラーを内部に収納するタンクと、を有する。
【００１７】
上述のように、軸部との間に接合面なく一体化されたギヤ部を有するギヤ付きシャフトを使用し、耐久性を向上させた減速機を使用するミキサータンクは、安全かつ安定的な運転を実現することができる。
【考案の効果】
【００１８】
本考案によれば、フレッティング疲労によって引き起こされる予測の難しい損傷を防止し、良好な耐久性能を有するギヤ付きシャフトを提供することができる。また、このようなギヤ付きシャフトを用いた減速機及びミキサータンクは、安全かつ安定的な運転を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本考案の一実施形態に係るミキサータンクの概略図である。
【図２】図２は、図１に示すミキサータンクにおける減速機の要部を表す図である。
【図３】図３は、減速機に含まれる第２シャフトを表す図である。
【図４】図４は、従来技術において本考案に係る第２シャフトの代わりに用いられていた減速機用シャフトを表す図である。
【図５】図５は、図４に示す減速機用シャフトにおける軸部とギヤ部との接合部分の拡大写真である。
【考案を実施するための形態】
【００２０】
以下、本考案を、図面に示す実施形態に基づき説明するが、本考案はそれに限定されるものではない。図１は、本考案の一実施形態に係るミキサータンク１０の概略図である。ミキサータンク１０は、動力源であるモータ１２と、カップリング１４と、減速機１６と、タンク２２等を有する。
【００２１】
カップリング１４は、モータ１２の出力軸と減速機１６の入力軸（第１シャフト３０（図２参照））とを接合しており、モータ１２で発生した動力は、カップリング１４を介して減速機１６に伝達される。減速機１６は、モータ１２による回転を、所定の回転数まで減速して出力する。減速機１６は、後述のように、ギヤ部及び軸部を有する複数のシャフトを有しており、各ギヤ部の歯数は、シャフトを伝わりながら回転数が低減するように調整されている。また、減速機１６は、軸の回転方向を、水平方向から鉛直方向に変更する。
【００２２】
タンク２２の内部には、タンク２２の内部に投入される流体を攪拌するためのインペラー２０が収納されている。減速機１６によって所定の回転数まで減速された動力は、減速機１６の出力軸（第４シャフト６０（図２参照））に接合されるアウトプットシャフト１８等を介してインペラー２０に伝達される。インペラー２０は、タンク２２の内部において回転し、タンク２２の内部に存在する流体を攪拌する。
【００２３】
ミキサータンク１０の用途は特に限定されないが、図１に示すミキサータンク１０は、高濃度ラテックスを製造するために行われるアグロメレーション工程において、特に好適に使用される。高濃度ラテックスの製造工程では、まず乳化重合を行う乳化重合工程を実施し、その後にラテックスの高濃度化を目的とするソルベントアグロメレーションを行うアグロメレーション工程を実施する。アグロメレーション工程は、特に限定されないが、例えば、アクリロニトリル−ブタジエンゴム（ニトリルゴム）ラテックスの場合には、重合工程で製造されたラテックスをブタジエン存在下で、乳化重合時の撹拌に比べ高速攪拌することによって実施される。アグロメレーション工程では、タンク内の流体を、乳化重合時の撹拌に比べ高速攪拌する必要があるため、減速機１６に含まれるシャフトに対する負荷が大きくなる傾向がある。そのため、ミキサータンク１０の減速機１６は、重合工程で用いられるミキサータンクの減速機よりも大きい負荷に耐える必要がある。
【００２４】
図２は、減速機１６の要部を表す図であり、減速機１６に含まれるシャフトの構成を表したものである。減速機１６は、入力軸である第１シャフト３０と、第１シャフト３０に対してギヤを介して接続される第２シャフト４０と、第２シャフト４０に対してギヤを介して接続される第３シャフト５０と、第３シャフト５０に対してギヤを介して接続される第４シャフト６０とを有する。
【００２５】
第１シャフト３０は、ベアリング３８，３９によって回転自在に支持される第１軸部３２と、第１軸部３２の外周における、カップリング１４側と反対側の端部に配置されるＡギヤ部３４とを有する。Ａギヤ部３４はベベルギヤである。第１軸部３２は、水平方向に沿って配置されており、第１シャフト３０の回転軸は水平方向である。Ａギヤ部３４は、第１軸部３２との間に接合面なく一体化されている。
【００２６】
第２シャフト４０は、ベアリング４８，４９によって回転自在に支持される第２軸部４２と、第２軸部４２の外周における上側の一部に配置されるＢギヤ部４４と、第２軸部４２の外周における下側の一部に配置されるＣギヤ部４６とを有する。第２シャフト４０のＢギヤ部４４は、第１シャフトのＡギヤ部３４と噛み合っており、第１シャフト３０の回転は、Ａギヤ部３４及びＢギヤ部４４を介して第２シャフト４０に伝達される。
【００２７】
Ｂギヤ部４４はベベルギヤであり、第２シャフト４０の回転軸は、第１シャフト３０の回転軸に対して９０度回転した鉛直方向である。すなわち、第２シャフト４０の第２軸部４２は、鉛直方向に沿って配置されている。Ｂギヤ部４４は、第２軸部４２とは別部材で構成されており、焼き嵌めによって第２軸部４２に固定されている。Ｂギヤ部４４と第２軸部４２との間には、回転止めのためのキー等が挿入されている。
【００２８】
Ｃギヤ部４６は、ヘリカルギヤである。Ｃギヤ部４６は、第２軸部４２との間に接合面なく一体化されている。
【００２９】
第３シャフト５０は、ベアリング５８，５９によって回転自在に支持される第３軸部５２と、第３軸部５２の外周における上側の一部に配置されるＤギヤ部５４と、第３軸部の外周における下側の一部に配置されるＥギヤ部５６とを有する。第３シャフト５０のＤギヤ部５４は、第２シャフト４０のＣギヤ部４６と噛み合っており、第２シャフト４０の回転は、Ｃギヤ部４６及びＤギヤ部５４を介して第３シャフト５０に伝達される。Ｄギヤ部５４の歯数は、Ｃギヤ部４６の歯数より多く、第３シャフト５０の回転数は、第２シャフト４０の回転数より減少する。
【００３０】
Ｄギヤ部５４はヘリカルギヤであり、第３シャフト５０の回転軸は、第２シャフト４０と同様に鉛直方向である。すなわち、第３シャフト５０の第３軸部５２は、鉛直方向に沿って配置されている。なお、Ｃギヤ部４６及びＤギヤ部５４は、スプールギヤであっても良い。Ｄギヤ部５４は、第３軸部５２とは別部材で構成されており、焼き嵌めによって第３軸部５２に固定されている。Ｄギヤ部５４と第３軸部５２との間には、回転止めのためのキーや、固定を補助するためのスナップリング等が設置されている。
【００３１】
Ｅギヤ部５６は、Ｄギヤ部５４と同様に、ヘリカルギヤである。Ｅギヤ部５６は、第３軸部５２との間に接合面なく一体化されている。
【００３２】
第４シャフト６０は、ベアリング６８，６９によって回転自在に支持される第４軸部６２と、第４軸部６２の外周における上側の一部に配置されるＦギヤ部６４とを有する。第４シャフト６０のＦギヤ部６４は、第３シャフト５０のＥギヤ部５６と噛み合っており、第３シャフト５０の回転は、Ｅギヤ部５６及びＦギヤ部６４を介して第４シャフト６０に伝達される。Ｆギヤ部６４の歯数は、Ｅギヤ部５６の歯数より多く、第４シャフト６０の回転数は、第３シャフト５０の回転数より減少する。
【００３３】
Ｆギヤ部６４はヘリカルギヤであり、第４シャフト６０の回転軸は、第２シャフト４０及び第３シャフト５０と同様に、鉛直方向である。すなわち、第４シャフト６０の第４軸部６２は、鉛直方向に沿って配置されている。なお、Ｅギヤ部５６及びＦギヤ部６４は、スプールギヤであっても良い。Ｆギヤ部６４は、第４軸部６２とは別部材で構成されており、焼き嵌めによって第４軸部６２に固定されている。
【００３４】
第４軸部６２は中空円筒状であり、第４軸部６２の内部には、アウトプットシャフト１８（図１参照）が挿入される。アウトプットシャフト１８は、第４軸部６２に連結され、第４シャフト６０の回転は、タンク２２内のインペラー２０（図１参照）に伝達される。
【００３５】
図３は、減速機１６に含まれる第２シャフト４０を表す図であり、以下に第２シャフト４０を例に、シャフト３０，４０，５０，６０の製造方法を説明する。第２シャフト４０のＣギヤ部４６と第２軸部４２は、元々一体である原材料を加工、例えば、鍛造や一体鋳造等することによって、接合面なく一体化される。これらの中でも、一体である原材料を鍛造するのが、より高強度となるため好適である。Ｃギヤ部４６及びこれと一体である第２軸部４２は、例えばクロムモリブデン鋼等のような、硬質の金属材料等によって作製されることが好ましいが、特に限定されない。また、第２軸部４２に対して焼き嵌めによって固定されるＢギヤ部４４も、クロムモリブデン鋼等のような、硬質の金属材料等によって作製されることが好ましいが、特に限定されない。
【００３６】
ただし、後述するフレッティング疲労を回避する観点から、Ｂギヤ部４４は、第２軸部４２と硬度が略等しい材料によって作製されることが特に好ましい。例えば、Ｂギヤ部４４は、第２軸部４２と合金組成及び焼き入れ条件等が同様の材料によって作製されることが好ましい。なお、図２に示す第１シャフト３０、第３シャフト５０、第４シャフト６０についても、第２シャフト４０と同様に、クロムモリブデン鋼等のような、硬質の金属材料等によって作製されることが好ましいが、特に限定されない。
【００３７】
図２に示す減速機１６は、第１シャフト３０を介して入力されるモータ１２の動力を、モータ１２及び第１シャフト３０の回転数より小さい所定の回転数まで減少させ、第４シャフト６０を介して出力する。回転数の減少は、主として第２シャフト４０から第３シャフト５０への伝達、第３シャフト５０から第４シャフト６０への伝達の２段階で行われる。また、減速機１６は、水平方向から鉛直方向へ、回転軸の方向を変化させる。回転軸の方向の変化は、第１シャフト３０から第２シャフト４０への伝達において、ベベルギヤを使用することによって行われる。
【００３８】
減速機１６は、シンプルな構造であり、ミキサータンク１０等に好適に用いることができるが、図４に示すように、軸部とギヤ部との間に接合面を有する減速機用シャフト８０を使用した場合、当該減速機用シャフト８０が、設計時に想定した耐久時間より大幅に短い時間で破損するという問題が発生している。図４は、従来技術において本考案に係る第２シャフト４０の代わりに用いられていた減速機用シャフト８０を表す図である。
【００３９】
減速機用シャフト８０は、Ｃギヤ部８６が第２軸部８２との間に接合面を有しており、Ｃギヤ部８６と第２軸部８２が別々に製造された後に、焼き嵌めによって組み合わせられている点で、第２シャフト４０と異なる（図３参照）。減速機用シャフト８０は、使用時のねじり応力及び曲げ応力から算出される安全率（余裕率）が１．０を超えているにもかかわらず、第２軸部８２とＣギヤ部８６との接合面８２ａにおいて、疲労破壊と考えられる損傷を起こしていた。
【００４０】
本考案の考案者らは、減速機用シャフト８０に対して鋭意分析を重ねた結果、減速機用シャフト８０において発生する破損が、フレッティング疲労によって引き起こされることを突き止めた。フレッティング疲労とは、フレッティングによる繰り返し応力により、接触面に摩耗損傷（フレッティング摩耗）が発生し、部材の疲労破壊や大幅な寿命低下を引き起こす現象である。また、フレッティングとは、ある接触面圧で接触している２つの部材の接触面において、外部荷重により１μｍ程度の小さな振幅を有する相対すべりが生じる現象である。
【００４１】
図５は、図４に示す減速機用シャフト８０を減速機に組み込んで所定時間使用した後、第２軸部８２とＣギヤ部８６との接合面８２ａを観察した写真である。ここで、フレッティング疲労による損傷は、接合面の接触面圧が大きいほど増大することが知られているが、図５に示す接合面８２ａの損傷状況は、接合面８２ａにおける接触面圧の分布に対応していることが解る。すなわち、接合面８２ａでは、接合面８２ａにおける軸方向両端部において最も接触面圧が高く、中央部分において接触面圧が最小となるが、接合面８２ａに見られる損傷痕は、接合面８２ａにおける軸方向両端部において最も顕著であり、中央部分では軽微である。このことから、減速機用シャフト８０において発生する破損が、フレッティング疲労によるものであることが理解できる。
【００４２】
これに対して、図３に示す第２シャフト４０は、Ｃギヤ部４６と第２軸部４２とが接合面なく一体化されており、Ｃギヤ部４６と第２軸部４２との間にフレッティングが起きる部分が存在しない。従って、第２シャフト４０は、フレッティング疲労により想定外の短時間で破損するという現象を防止し、良好な耐久性能を有する。また、図２に示す減速機１６において、高速回転側に配置されて減速を担う第２シャフト４０に含まれ、第３シャフト５０に力を伝達するＣギヤ部４６は、特に負荷が集中し易い部分である。しかし、Ｃギヤ部４６は第２軸部４２との間に接合面なく一体化されており、当該部分は良好な耐久性を有し、減速機１６は、安全かつ安定的に動力を伝達することが可能である。
【００４３】
また、第２シャフト４０の第２軸部４２は、第３シャフト５０の第３軸部５２と比較して、より内径の小さいベアリング４８，４９によって支持されており、第２軸部４２には、第３軸部５２より大きな負荷が加わり易い。従って、減速機１６においては、軸部との間に接合面なく一体化されたギヤ部を有するギヤ付きシャフトを、第２シャフト４０として用いることが、耐久性を確保する観点から特に効果的である。
【００４４】
さらに、図２及び図３に示す第２シャフト４０は、ベベルギヤであるＢギヤ部４４を有している。ベベルギヤの歯面は軸方向に対して傾いているため、ベベルギヤを有するシャフトは、軸方向成分を含む力を受けて、フレッティング疲労の原因となる軸方向の振動を発生し易いという問題がある。また、第２シャフト４０の回転軸は鉛直方向であり、重力により軸方向の振動が発生しやすいという問題もある。さらに、Ｂギヤ部４４の歯面の法線方向が水平方向より鉛直方向側に傾いており、下方から力を受けることも、振動発生の原因となり得る。従って、第２シャフト４０として、軸部との間に接合面なく一体化されたギヤ部を有するギヤ付きシャフトを採用することは、特に効果的である。
【００４５】
また、図２に示す減速機１６において、第１シャフト３０はモータ１２側に位置するため、Ａギヤ部３４も、Ｃギヤ部４６と同様に、起動時の急負荷等の負荷が集中し易い部分である。また、第１シャフト３０も、第２シャフト４０と同様にベベルギヤを有するため、軸方向の振動が発生し易い傾向にある。したがって、Ａギヤ部３４と第１軸部３２とを接合面なく一体化することも、耐久性を確保する観点から効果的である。
【符号の説明】
【００４６】
１０…ミキサータンク
１２…モータ
１４…カップリング
１６…減速機
１８…アウトプットシャフト
２０…インペラー
２２…タンク
３０…第１シャフト
３２…第１軸部
３４…Ａギヤ部
３８，３９，４８，４９，５８，５９，６８，６９…ベアリング（軸受け部）
４０…第２シャフト
４２…第２軸部
４４…Ｂギヤ部
４６…Ｃギヤ部
５０…第３シャフト
５２…第３軸部
５４…Ｄギヤ部
５６…Ｅギヤ部
６０…第４シャフト
６２…第４軸部
６４…Ｆギヤ部
【図１】
0003166107.tif 000003
【図２】
0003166107.tif 000004
【図３】
0003166107.tif 000005
【図４】
0003166107.tif 000006
【図５】
0003166107.tif 000007