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くいこんだテーパーリングを外すのに必要なトルクは?
2023/10/18 06:22
- くいこんだテーパーリングを外すのに必要なトルクはどのくらいなのかを調べたいです。
- テーパーリングを外すためにはどのような計算が必要なのかわからず困っています。
- 実験では外すときのトルクの方が大きくなっているので、設計時に見込んだトルクよりも大きなトルクが必要となる可能性があります。
くいこんだテーパーリングを外すのに必要なトルクは?
2010/05/09 10:32
http://photos.yahoo.co.jp/ph/hirokotobuki2001/vwp?.dir=/ca4a&.dnm=48c2.jpg&.src=ph&.view=t&.hires=t
に説明図をアップしました。
30°台形おねじを切ってある軸の先端に円錐状のテーパー(おす)があります。
30°台形ねじを切ってあるリングの先端に円錐状のテーパー(めす)があります。
リングのイナーシャをJ [kg・m] = J [N・m/s2]とし、リングの回転速度をω[rpm]とするとします。台形ねじが切ってありますから、リングは上昇しながらおすのテーパーに接触します。このときリングの回転トルクはT(N・m)に達したときに停止したとします。停止までの時間はt(sec)とします。
リングにはイナーシャがありますから、テーパー部にくいこんでしまっているはずです。
このリングを下降させる方向に回すときに必要な初動トルクはいくらになるのでしょう?摩擦係数はμ、台形ねじはTr80x10とします。
はずすときのトルクを見込まずに設計してしまい、困っています。
しかも計算の仕方がよくわかりません。
半泣きです。どうかよろしくお願いします。
実験でははずすときのトルクの方が大きくなっています。
回答 (4件中 1~4件目)
回答(2)の者です。PCが不調で投稿に支障があり、只今調整中です。
訂正が遅くなり、申し訳ないですが、以下を確認下さい。
題目が“くいこんだテーパーリングを外すのに必要なトルクは?”ですが、
基本的に、テーパー部もねじ部分の同じ考えで、
◆ テーパー部分は、軸方向の力と円周方向の力が動く量(動作量)と反比例して、
テーパー量が1/10ならその傾斜勾配は1/20となり、摩擦損失を無視すれば1/(1/20)の
20倍の力が円周方向に働きます(作用します)。
◇ ねじ部分は、有効径部に作用する{T(トルク)÷(有効径/2)}の力と軸力が動く量
と反比例して、TR80×16なら{16(ピッチ)/72(有効径)×π}となり、摩擦損失を
無視すれば1/(0.0707355)の14の力が軸力として働きます(作用します)。
以上は、鉄&鉄の摩擦係数の基本である0.15(1/0.15=6.667)のより小さく、
* テーパーは原則的に食い込んだまま自然には元に戻らない(緩まない)
* ねじは原則的に締め付けると自然に緩まない
となります。
これが、機械工学的な内容です。
さて、リングのイナーシャを無視すると、若しくは回転トルクはT(N・m)に達した時に停止
する所要時間t(sec)が1秒以内の条件なら、摩擦係数分の損失だけ多くトルクを掛ければ
緩める(外す)事ができる筈です。(テーパー部の焼き付きが無い条件下で、力積処理…で)
具体的には、リング停止回転トルクT(N・m)を基本に、その軸力は、
{T(N・m)×1000mm/m÷台形ねじ有効径72mm/2}÷tan(θ1+φ)となり、
tanθ1はarctan{ピッチ16mm/(台形有効ねじ72mm×π)}= arctan0.0707355
でθ1=4.046°
tanφはarctan摩擦係数0.15でφ=8.531°
摩擦係数分だけ軸力は少なくなりますが、大きな軸力となります。
更に、テーパー部では、同様の考えでリングが締め付ける力は、
軸力÷tan(θ2+φ)となり、
tanθ2はarctan{テーパー量÷2}でテーパー量が1/10なら arctan1/10÷2でθ2=2.862°
tanφはarctan摩擦係数0.15でφ=8.531°
摩擦係数分だけリングが締め付ける力は少なくなりますが、大きな力となります。
ですから、非常に大きなリングが締め付ける力となっています。
では、その逆である大きなリングが締め付ける力を直接取り除くのは大変な作業です。
しかし、前述の逆で緩めると問題は簡単で、
☆ テーパー部分は、大きな力が掛かっているリング部と軸力方向の力の動作量は、
(テーパー量/2)に等しく、摩擦係数分だけ沢山の軸力方向の力が必要で、
その計算は、軸力=リングが締め付ける力×tan(θ2+φ)となり、締め付けとは
逆の計算になります。
★ ねじ部分は 有効径部に作用する力と軸力の動作量は{ピッチ16mm÷(有効径72mm×π)}
に等しく、摩擦係数分だけ沢山の有効径部に作用する力が必要で、その計算は有効径部
に作用する力=軸力×tan(θ1+φ)となり、締め付けとは逆の計算になります。
そして、有効径部に作用する力×(有効径÷2)÷1000mm/mでトルクT(N・m)となります。
≪この計算からも判るようにトルクの腕長さと(有効径/2)には大きな差があり、
力学的には此処にも大きな力を生む要因があります。スパナを廻す円周長さと
有効径の円周長さの対比から≫
以上から、リングのイナーシャを無視すると、若しくは回転トルクはT(N・m)に達した時に
停止する所要時間t(sec)が1秒以内の条件なら、同じトルクで緩む事になります。
厳密に言えば、摩擦係数分の損失だけ多くトルクを掛ければ緩める(外す)事ができる
事になり、これが動摩擦係数と静摩擦係数の差です。
動摩擦係数でも、条件によって、鉄&鉄でも0.4~0.1までバラツキますから厄介です。
締め側の動摩擦係数を0.15とし、緩め側の静摩擦係数を0.4とみて、
≪締め側計算≫ arctan 0.15=8.531°
tan(θ1+φ)=tan(4.046°+8.531°)=tan12.577°=0.2231 と
tan(θ2+φ)=tan(2.862°+8.531°)=tan11.393°=0.2215 です
から、1 ⇒ 1/(0.2231×0.2215)=1/0.04942=20.236倍
≪緩め側計算≫ arctan 0.4=21.801°
tan(θ2+φ)=tan(2.862°+21.801°)=tan24.663°=0.4592 と
tan(θ1+φ)=tan(4.046°+21.801°)=tan25.847°=0.4844 です
から、20.236倍 ⇒ 20.236×(0.4592×0.4844)=20.236×0.2224=4.5倍
で、4.5倍程度みれば略安心して緩むと考えます。
また、緩み側に衝撃力が働く軸構造にするか、
締め付け側で電流抑制し、トルク制限をして使用するか、
万が一のケースなら安全を確認し、軸を(延長棒+ハンマー)で叩く(焼き入れ部を)
の検討が必要と考えます。
静摩擦係数と動摩擦係数に関しては、以下のURLを確認してみて下さい。
http://www.crane-club.com/study/dynamics/friction.html
“力学の知識;摩擦力と摩擦の法則”
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絵を一目見て「これは一筋縄ではいくまい・・」と思ってしまった。
ナット?側を軸中心に沿わせるのが狙いかな
ねじにある程度のガタがあればテーパーに沿って中心に行くのは良いが
テーパーの勘合具合・ナットの弾性変形 などが絡んでくる。
ドリルチャックで使われるJT(ジャコブステーパー)やMT(モールステーパー)を例にとっても
テーパーの勘合のみで固定されています。
緩める際にある程度の衝撃が必要となるは容易に想像できる
実物で測定した値を採用するのが本筋と考えます。
数値が仮定なので、テーパー部に食い込んでいる個所の焼き付きがない、リングの回転トルク
と回転数(又は角速度)とします。
そして、リングのイナーシャーや駆動源のモータや減速機等のイナーシャーは、左程大きく
なく、無視して良い程とします。
すると、摩擦係数はテーパー部に食い込む時にも、外す時にも発生しますから、同じトルク
で外せると思います。(ねじ部の摩擦も同様です)
一般的には、ねじ部は締め付ける時に摩擦係数分負荷が掛かり、緩める時に摩擦係数分負荷が
軽減しますが、食い込み時の負荷が掛かっているので前述の内容と考えます。
因って、結論は前述の条件下では回転トルクで緩むと考えます。
静加重なら簡単なんですが 単純に普通ボルトとして考え座面の面積比かける安全率
どうよんでも動加重なので
こじれ・かじり・下手すると焼き付まで起こってる可能性があるので
計算では求められないと思う
お礼
2010/05/23 16:56
ありがとうございます。
お陰さまで計算的な裏付けがとれそうです。
ほんとうにありがとうございました。