カップリングの破損

質問

許容トルク内と思い選定したカップリングが破損しました。
原因が良く分からず、構想の手違い等有りましたらご指摘下さい。

　スピードコントロールモータで減速機を介してシャッター（5Kg）を上下させる機構です。
　モーターの同軸にはモーター＋ディスク型カップリング＋軸受けユニット＋平ギア＋軸受けユニット＋ブレーキユニット（三木プーリ）の順で組まれており、モーターのトルクは6.0N・M、カップリングは11.0N・Mを許容する物です。カップリングの取り付け精度は多少不安な所ですが・・・

　原因としてシャッターの上下をブレーキで止めるので、モーターが瞬間的にねじれを起こして止まる力がカップリングの破損を招いたのかなと考えています。対策として許容を数倍上げれば良いとは思いますが、それらを数値として証明するにはどうしたら良いか分からずにいます。

　改善策、適当な数式等がありましたら教えて下さい。

回答No.5

noname#230359 · ベストアンサー

幾つかの確認が必要です。
先ず、最初は、トルクの問題です。
モータトルクは6.0N･mですが、ブレーキトルクは6.0N･mより大きいと思い
ます。また、シャッターの運動エネルギーから受ける力はそれより大きい
筈です。言っている事が？？とは思いますが、事実です。ブレーキトルク
で止まったいるのにそれより大きな力が加わる事は理解ができないと思い
ます。これは、『力積』と言います。簡単には衝撃力と略同じです。
ハンマーの重量では釘は打ち付けられないけれど、ハンマー重量×速度の
エネルギーを短時間で受け止めるとその衝撃力で、釘は打ち付けられます。
これは、ハンマーの重量より大きな力が釘に加わった証拠であり、工学の
用語でこれを『力積』と言います。
簡単には ブレーキONで⇒電気的な遅れ(略零として計算する)⇒ブレーキ
制動⇒シャッター停止 の動作になりますが、ブレーキ力より大きな力が
加わっている時はブレーキが滑っています。
ですから、その時間を測定し、1sec（秒）より大きければ、その倍数だけ
◆ 1.6秒なら1.6倍、正確に測定できていない事を考慮し2倍で
◆ 3.4秒なら3.4倍、正確に測定できていない事を考慮し4倍で
の様にモータへ負荷が掛かってきます。
それを減速（制動）の慣性力とも言います。
次に、カップリングの許容範囲を超えてセットしている。
軸芯のズレを平行で何?、角度で何°です。そして、見落としがちなのは
軸芯ズレ角度がタイプによって、－方向のみと＋方向（全方位）があり、
－方向のみは寸法が小さいですが90°方向の軸芯ずれは殆ど吸収ができま
せん。（よく、見落としがちです）
最後に、以下のURLを確認して、アカデミックな内容も理解下さい。

参考URL：

http://www.kdcnet.ac.jp/college/buturi/kougi/buturiko/mechanics/mechan3/mechan3.htm http://www.fnorio.com/0062impulse_&_

お礼

有難う御座います。
紹介頂いたサイト、今後の参考にさせて頂きました。

回答No.6

noname#230359

他の回答者の方々と同じ意見ですが，準静的な動作の場合は，駆動トルク＝
負荷トルクですが，一般には駆動系は慣性エネルギを伴なうため，駆動トル
ク＜負荷トルクとなる場合も多くあります。ブレーキ制動する場合などは
停止する時間によっては大きな制動トルクを発生します。
これらを詳細に見積もっておく必要があります。実際に装置構成ができて
おれば，発生する最大トルクを測定してみるのも有効だと思います。

お礼

有難うございます。
動力に回転体を選定した時は色々と注意が必要ですね。

回答No.4

noname#230359

前回答者ら仰るように、トルクのみしか考えておらず速度による慣性力を考え
ることが必要だと思います。また、ブレーキが動作すると平ギヤの圧力角方向
に接線力が働きこれが軸の曲げを生じカップリング部分での許容偏角を超えた
気もします。つまりは、元々の従動側の軸の剛性にも問題があるかも知れない
（両端ベアリングユニットとあるので、たわみ角が生じると考えた）

お礼

ありがとうございます。
選定には巻き上げトルクのみを考慮しただけでした。
モーター側の速度による慣性力を安易に考えていたからだと思います。
それに加えて軸の剛性、組み立て精度によって大きく許容範囲が狭くなるはずですから、破損するはずですね。

回答No.3

noname#230359

モーターとブレーキユニットが反対側にあるので、ブレーキユニットの制動トルク以上で選定する必要があります。
ブレーキユニットが負荷側にあることで、逆に負荷のイナーシャを考慮しなくてもよいですが。（ブレーキより急激な外部からの停止要因があれば別）
ブレーキ付きモーターの制動トルクもモーター出力の3倍程度ありますので注意してみてください。

お礼

ありがとうございます。
やはり大きなカップリングとなってしまうのでしょうか・・

今回の事も有り、ブレーキ付きモーターの検討もしました。
そうすると、今度はシャッターからの慣性負荷を考慮する事になり、モータギア先の許容慣性と、同じくカップリングがそれに絶えうるかという事になるのかと。

今回の設備では800ｍｍの移動距離を3秒程度で動作させています。
負荷側の慣性を見て、モーターギア先許容慣性が耐えられる物を選定する。
そこから安全率を見てカップリング選定といった事なのでしょうか。

それとこの様な機構の場合、慣性にもよると思いますがブレーキモータ、ブレーキユニットを併用する事例は良くあるのでしょうか。

回答No.2

noname#230359

数値は許容トルクであって、必要トルクでないですね。
ローターイナーシャから、減速時間（：角加速度）を出し必要トルクが算出できます。

モータが6.0N・mでｼｬｯﾀｰが5ｋｇって、本当ならモータでかすぎと思います。

シャッターの位置決め精度が必要なければ、
カップリングはミスミで言う、オルダムとかジョー形とかのタイプが良いかと。
それと、ディスク形は偏角、偏芯に弱いです。

お礼

ありがとうございます。

お恥ずかしい質問ですがローターイナーシャの数値はどの様に算出されるでしょうか。オリエンタルモーターのカタログ上ですと適当な数値を見つける事が出来ませんでした。

おっしゃる様にディスク型でなくオルダム型が良さそうです。

回答No.1

noname#230359

出力側の計算では許容値でもブレーキをかけた時のトルク特性が抜けている。

回転体を一瞬で止める事は困難です。
イナーシャが掛かり逆方向のトルクが発生する。

ブレーキとモーター制御のタイミング
ブレーキユニットの特性
モーターのローター質量

以上を考慮して選定して下さい、当然、取付け精度も重要です。

構造が判り難いがブレーキユニットの制動トルク以上の選定が必要では？

※スパナをハンマーで叩いてねじを締める様な状態だと想像します。

お礼

ありがとうございます。

制御のタイミングですが、起動時は先にブレーキを開放、停止時は先にモータを停止しています。ですがわずかなタイミングですので実際どうなのか分かりません。

急停止が頻繁に行われる場合、モータ側の慣性負荷と従動側の慣性負荷に挟まれる事になりますからそれに見合った選定が必要ということでしょうか。

また、モーター側、従動側の両軸でブレーキがかかれば、片ねじれは起き難くなるのでは？とも思いました。実際そこまで行うものなのでしょうか。