シェアピン（メカニカルヒューズ）の破断トルクの設…

質問

シェアピン（メカニカルヒューズ）の破断トルクの設定について

シェアピン（メカニカルヒューズ）は、主に一般的に、回転体とそれを駆動する駆動部の間に設置され、駆動機から回転体に過大トルクが伝達され回転体が破損するのを防ぐ役割があると認識しています。

例えば、回転体-トルク伝達軸（シェアピン含）-駆動機の構成では、シェアピンの破断トルクはいくつに設定すればよいのでしょうか？簡単に、回転体と駆動機の最大トルクがぞれぞれ１００Nm、２００Nmだとしたら、シェアピンの破断トルクは、その間の数字（例えば１５０Nm）を設定すればよいのでしょうか？

一般的なシェアピン破断トルク設計の目安？経験式みたいなものがあればそれも併せて教えていただきたいです。上記の例でいくと、「１５０Nmで本当によいのか？１０１Nm～１９９Nmのどこに設定するのが適切か？」ということです。

すみませんがよろしくお願いいたします。

回答No.9

noname#230359

回答（５）再出w

シャーピン自体の破断試験を実際に経験し、記録も取りったことがあるのです
加工は※ノッチで細部も明確に規定したものをＮＣ旋盤で精度よく加工した
しかも素材は☆材を使い熱処理し試験片と実際に使うのを数十本作り試験した

当初の想定されたバラツキよりも遥かに小さくしかも計算通りだったのに逆に
驚かされました。一般に、このような場合は疲れ限度は計算しません。恐らく
装置が大きく減速比が大きいので疲労限度に達する前に、過負荷で破断する方
の確率の方が高いのも在るだろう（破断計算は応力集中も疲労も考えてない）
また極端にシャーピンの最小径が小さいと加工硬化の影響か、意外にバラツキ
が生じたが、ここらがノウハウだし、まぁ当然ながら容易では無いんですよね
そうそう、ピンとそのハウジングの嵌め合いも重要です。曲げ応力は×だから

このように神経を使い、しかも実際に破断試験のための冶具も作成しなければ
前述の試験すら出来ないし、この冶具を設計する所から始めなければならない
私がした時は計算上の出力軸換算・負荷トルクの1.5を最大設定トルクにした
勿論、機械側も電動機・減速機側もそれ以上を許容できるのは言うまでも無い
以上を踏まえ実際に運転し、また過負荷も与え実際に作動試験も行い確認した

この他にも、シャーピンの取り付け部の詳細設計などなど色々な困難が待って
いる筈です。簡単にシャーピンと言うが、実際に精度を上げるのは難しいんだ
こんなことなら、TL付GMにすれば良かったと、恐らく痛感するかも知れないな
PS・・駆動側か従動側に付けるかによってもシャーピン径が大きく異なります

回答No.8

noname#230359

回答（１）再出
＞耐力が不明のため、安全率を考慮して、最大トルク+α（安全率）として検討・・・

はないでしょう。。。それは壊れないことを眼点とする一般設計。
壊すことを考えるヒューズで安全率16倍カレーを自慢してたら守るべき御本尊がブッ壊れても何処吹く風。
耐力不明の衣を全部剥がし、実際の荷重振幅も解明し、それに応じた疲れ試験データと実物での評価。そのあとバラツキを考慮した薄衣の率を掛ける。率は１より大きい小さいの両方あり、安全率とはいえない。とても難しいでしょう。

なのでトルクリミッタの方が遥かに安直。それとの２段構えにしろ、荷重振幅が小さい（疲れが少ない）とか実績からの流用ができるなら別だが、手抜き出来るステップはしれていると思う。

↑＞装置が大きく減速比が大きいので疲労限度に達する前に、過負荷で破断する方の確率の方が
　　高いのも在るだろう（破断計算は応力集中も疲労も考えてない）

荷重自体は大きくとも振幅／回数が小さいと、疲れを考慮するまでには至らないと解釈。

回答（１）で例に挙げたパワステモータの伝導は荷重振幅が大きい例でしょう。
モータ保護の為だが、ヒューズがとんでも（ハンドル）機能を損なわない設計なのは、他でもほぼ必須要件。コンパクトなものにする苦労も多いはず。

材料で疲れの考慮を少なくするには、軟らかより硬いのが適すると思われ。
素材、加工の面粗さ、熱処理のバラツキも重要管理項目。

回答No.7

noname#230359

再出です。

>>> 回転体と駆動機の最大トルクがぞれぞれ１００Nm、２００Nmだとしたら、
>> の最大トルクは、何を示しているのでしょうか？
> 性能上出せる最大トルクのことを指しています。
？？ですね。具体的には何でしょうか？
駆動機の最大トルクとは、例えば、
ａ）回転体に何らかのロックがかかり停止した状態で、駆動機の回転用アクチュエータが
　　最大トルクを発生した場合に、１００Nmかかる意味でしょうか？
　　そして、回転体の本体部分は２００Nm掛かっても破損しない仕様という意味でしょうか？
　　それであるなら、定格性能トルクが仮に３５Nmや５０Nm位なら、貴殿が記述している内容
　　に近い、１２０Nm～１５０Nm位にするのが妥当でしょう。
　　但し、回転体の本体部分は２００Nm掛かっても破損しない仕様の真意が疲労まで考慮して
　　いる内容であれば問題ないのですが、考慮してなければ長期間使用した場合には、回転体
　　の本体部分が先に破損する場合も出てきます。
　　このような内容が、他の回答者さんの記述の“疲労強度”を考慮した内容となるのです。
ｂ）駆動機側の慣性力が大きい場合で、尚且つ回転体に急にロックがかかり停止した状態の時、
　　駆動機側回転用アクチュエータが最大トルクを発生させ、且つ駆動機側の慣性モーメント
　　(衝撃力的な)が＋αとなって加わり、瞬間に１００Nmを超えるトルクが駆動機側から回転体
　　側に伝わります。
　　これを防止するのであれば、やはり１２０Nm～１５０Nm位にするのが妥当でしょう。
　　このような内容を、他の回答者さんの記述の“突入”と表現したりします。
　　この内容は、力積や加速又は減速と慣性モーメントのパワー計算で確認できます。
ｃ）前出に記述した駆動機側に何らかのロックがかかり、回転体側から駆動機側に大きな
　　トルクが伝わり、駆動機が破損する場合も想定し、ａ）やｂ）のようなことを考慮する
　　必要がありますが、駆動機側に関しては出力トルク変動を考慮(疲労を考慮)しての駆動
　　最大トルクが一般的なので、長期間１００Nmを掛けても破損の心配はないと考えれば、
　　やはり、１２０Nm～１５０Nm位にするのが妥当でしょう。
以上のような考察になります。

ですが、シェアピン（メカニカルヒューズ）は、１２０Nmだと速やかに破損するとは限りません。
比較的大きな幅があります。
また、種類によっては、フラットなトルクよりは、衝撃的な（突入）トルクに効果がある
シェアピンもありますので、選定にも注意が必要です。

そして、シェアピン（メカニカルヒューズ）自体の疲労強度も重要な選定内容と考えます。
初期使用の場合と、長期使用の場合とでは、シェアピンの破損(回転トルク)強度は異なり、
シェアピン（メカニカルヒューズ）は、１２０Nmだと速やかに破損するとは限りません、
比較的大きな幅がありますの記述要因の一つになります。
一般的には、初期使用の場合の破損を考慮した例えば１２０Nmが一般的で、予備を在庫して
いて、寿命に
よる破損がきた場合に交換するや、定期的に交換するが一般的です。
シェアピン（メカニカルヒューズ）を製作するや、購入するでは検討内容も異なると思います
が、考慮は必要です。

あんまり考えすぎて、駆動機側 → 回転体側に動力が伝わって、本来の性能が維持できない
(シェアピンが作動しての)ようでは駄目なので、駆動機側の“性能上出せる最大トルク”
の意味合いが、やはり気になります。

回答No.6

noname#230359

私もシャーピンだと思います。せん断破壊を前提に利用するピンであり、一般
には平行ピン、テーパピン、スプリングピン、先割ピンなどが用いられている
と思います。規格品では２重せん断荷重が規定されていて、カタログからその
値を参照し、破損する荷重を推定することになると思います。
使い方としてはあくまで本体機械が壊れないレベルであって、その実際の破断
荷重を知ることは容易ではありません。推定計算値に対し、実験的に検証する
のが一般的のようです。つまり、慣性モーメントや加減速レベルの把握が難し
いので、繰り返しの荷重条件が判りづらく、実際の設計計算値は安全率という
ファクターを用いてかなり幅広く捉えられています。とはいえ設計上の強度把
握は必要ですので、この場合は素材のせん断強度をベースにします。なお、摩
擦締結の一種ですから、はめあいの影響も考慮が必要です。以下参考まで。

http://www.pin-otsuka.co.jp/catalogue/pdf/parallel.pdf
http://www.ochiai-if.co.jp/ochiaioif/ochi26.html
http://koza.misumi.jp/mold/2008/02/349.html

回答No.5

noname#230359

まづ最大トルクから入る事自体も重要な問題があるように思えてなりません
一番初めにすることは、計算上の実負荷或いは実測した負荷が基準になるかと
これが判らなければ過負荷保護しようにも、全く、お話にもなりませんよ

私が以前使ったことのある装置は、大きな機械でトルクリミターとシャーピン
の２重の過負荷保護を行うものであった。シャーピンの設定トルクの計算自体
は実負荷よりも当然ながら幾分（1.5倍以上とか）余裕を見なければなりません
何故なら多少の負荷変動で動作しては困るからです。また、過負荷保護からも
装置等の最大トルクでは無く、ここも幾分かの余裕を見なければ破損の恐れが
生じる。以上を踏まえてまづ、最大設定トルクを決めることが大事になります

後は、例えば、最大設定トルクの80％でトルクリミターを動作させて、更に、
それが万日故障した場合に備えシャーピンを90％などにするのが普通だと思う
何故なら、シャーピンを頻繁に切ると復旧には時間,金と相当な労力を要する
からです。また近年ではショックリレーなどの電気的で安価でしかも高性能の
過負荷保護装置があるので今日ではコスト面からもシャーピンは珍しいですね
先日、５万円台のショックリレーをメーカーから紹介されて安さに驚きました
シャーピンだとこれでは全く収まりません。まぁ公共事業以外では使わないかと

おまけ・・・他にも「シャーピン」で検索すると結構出てくる
しかし現代風には「シェアピン」というのか？これでもありますねぇ
http://www.jfe-steel.co.jp/archives/ksc_giho/11-2/j11-302-307.pdf

回答No.4

noname#230359

> シェアピン（メカニカルヒューズ）は、主に一般的に、回転体とそれを駆動する駆動部
> の間に設置され、駆動機から回転体に過大トルクが伝達され回転体が破損するのを防ぐ
> 役割があると認識しています。
？？？、その逆の回転体から駆動機に過大トルクが伝達され駆動機が破損するのを防ぐ役割
もありますよ。
例えば、回転体に何かが挟まって急停止した時やその反動で反転した時に、駆動機の慣性力
と停止時間や反転時間によっては、駆動機が破損する等のケースが考えられます。
ですから、そのケースも含めて、考察する必要があります。

さて、
> 回転体と駆動機の最大トルクがぞれぞれ１００Nm、２００Nmだとしたら、
の最大トルクは、何を示しているのでしょうか？

前述の内容も含めて、非常に曖昧なので、他の回答者さんも、色々なアドバイスや回答に
なっているのだと思います。

補足

確かに回転体、駆動機双方の破損を考慮する必要があります。私の認識不足でした。

>> 回転体と駆動機の最大トルクがぞれぞれ１００Nm、２００Nmだとしたら、
>の最大トルクは、何を示しているのでしょうか？
性能上出せる最大トルクのことを指しています。

シェアピン（トルクリミッタ）の設計に関して素人ですので、今回の構成上、
シェアピンの破断トルクは何を基に決めるか教えてください。

私（素人）の意見としては、基本的には、物が壊れるトルク（耐力？）を比較して、より小さい耐力を超えないようにシェアピンの破断トルク（径、材質等）を設定すればよいと思いました。しかし、耐力が不明のため、安全率を考慮して、最大トルク+α（安全率）として検討を進めてました。

質問が明確でなくすみません。ほかに検討抜けもれなどあれば教えてください。

回答No.3

noname#230359

突入があるので決めにくい
が
逆に考えれば
そこが壊れるトルク-安全率が使用トルクと考えればいい

お礼

回答ありがとうございます。お考え理解できました。安全率をどうするかが重要だということですね。安全率は経験的に決まった数値があるのか？それとも部品毎にそれぞれ決まっているものか・・・、悩ましいです。

回答No.2

noname#230359

私はもっと単純に考えて良いと思う。

過大なトルクで破損するのを防ぐのだから 保護したい側の耐力より低い値で設定

当然、耐力は最大トルクより高い値であるはずで

保護側(弱い側)の最大トルクプラスα が落しどころかな
機器のパフォーマンスを最大に使われた時に壊れてもクレームとなるし
機器の致命的ダメージを防ぐのが主眼となる

あくまで過負荷の保護が目的でしょう。

最近はトルクリミッターを使うケースも多いと思う。

参考URL：

http://www.sankyo-seisakusho.co.jp/products_c5.html

お礼

回答ありがとうございます。基本的な考え方は私と同じのようで少し自信がもてました。＋αの部分は経験的なものではなく、部品自体の耐力以下になるように設定する必要がありそうですね。参考にさせていただきます。

回答No.1

noname#230359

メカに頼る以上は、疲れによる強度低下の検討が必須でしょう。
なので破断トルクは、初期には上限、終期には下限を満たさねばならない。
負荷回数も有限となり、その所要値を満たすこと。
材質をどうするかが主となり、構造は従ではないか。

疲れ試験をフル動員。

特許出まくりの感。調査と回避策の検討。
　　トヨタ・セラミックス（窒化ケイ素）
　　http://tokkyoj.com/data/tk1995-117690.shtml
　　デンソー・鉄系焼結合金
　　http://www.j-tokkyo.com/2005/C22C/JP2005-002439.shtml

お礼

回答＆アドバイスありがとうございます。衝撃荷重はもちろん、疲労荷重（N数）も見るべきだと考えておりますので、この点も考慮して破断トルクを設定したいと思います。