カップリング

ビームカップリング（ヘリカルカップリングとも呼ばれる）は、2つのシャフト間でトルクを伝達する柔軟なカップリングであり、一方のシャフトが他方のシャフトに対して角度ずれ、平行オフセット、さらには軸方向の動きを許容します。この設計では、単一の材料を使用し、らせん状の経路に沿って材料を除去することで、らせん状の湾曲した柔軟なビームを形成し、柔軟性を実現します。単一の材料から作られているため、ビーム型カップリングは、一部の多部品カップリングに見られるバックラッシュが発生しません。また、完全に機械加工されたカップリングであることのもう1つの利点は、単一部品の完全性を維持しながら、最終製品に様々な機能を組み込むことができる点です。

らせん状ビームのリード位置を変更することで、ミスアライメント耐性だけでなく、トルク容量やねじり剛性といった他の性能特性も変化させることができます。さらに、同一のらせん内に複数のスタート位置を設けることも可能です。

ビームカップリングの製造に使用される材料は、その性能や、食品、医療、航空宇宙などの特定の用途への適合性にも影響します。材料としては一般的にアルミニウム合金やステンレス鋼が用いられますが、アセタール、マルエージング鋼、チタンで製造することも可能です。最も一般的な用途は、回転エンコーダをシャフトに取り付けることや、ロボットのモーションコントロールです。

ビームカップリングは、業界によって様々な名称で呼ばれることがあります。これらの名称には、フレキシブルカップリング、フレキシブルビームカップリング、フレキシブルシャフトカップリング、フレクシャー、ヘリカルカップリング、シャフトカップリングなどがあります。

2つの回転軸を連結するためにフレキシブルビームカップリングを使用する主な利点は、振動と反力荷重を低減できることであり、それによって機械全体の摩耗が軽減され、機器の寿命が延びる。

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  オプション機能が加工されたビームカップリング
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  コイルの数を増やすと、より大きな角度ずれを許容できるようになる。

ブッシュピンフランジカップリングは、2つのシャフトのわずかな位置ずれを解消するために使用されます。

これは、保護型フランジカップリングの改良型です。このタイプのカップリングはピンを備え、カップリングボルトで固定します。ピンの上にはゴムまたは革製のブッシュが使用されます。カップリングは構造の異なる2つの半体から構成されています。ピンは一方のフランジにナットでしっかりと固定され、もう一方のフランジには緩く固定されています。このカップリングは、わずかな平行ずれ、角度ずれ、または軸方向ずれのあるシャフトを接続するために使用されます。このカップリングでは、ゴム製ブッシュが動作中の衝撃や振動を吸収します。このタイプのカップリングは、主に電動モーターや機械の接続に使用されます。

等速（CV）カップリングには、ルゼッパジョイント、ダブルカルダンジョイント、トンプソンカップリングなど、さまざまな種類があります。

このカップリングでは、マフまたはスリーブは鋳鉄製の2つの半球状部品で構成され、軟鋼製のスタッドまたはボルトで接合されます。このカップリングの利点は、シャフトの位置を変えることなく、カップリングの組み立てまたは分解が可能であることです。このカップリングは、中速での重動力伝達に使用されます。

ダイヤフラムカップリングは、フレキシブルプレートの外径から内径へ、スプールまたはスペーサーを介して、そして再び内径から外径へとトルクを伝達します。プレートまたは複数のプレートを内径から外径へと変形させることで、ミスアライメントが実現されます。

ディスクカップリングは、共通のボルト円周上で、駆動ボルトから被駆動ボルトへ接線方向にトルクを伝達します。トルクは、パック状に組み立てられた一連の薄いステンレス鋼製ディスクを介してボルト間で伝達されます。ミスアライメントは、ボルト間の材料の変形によって実現されます。

弾性カップリングは、弾性部品によってトルクやその他の負荷を伝達します。一例として、ウィンドサーフィンのリグ（セイル、マスト、その他の部品）をセイルボードに接続するために使用されるカップリングがあります。^{[ 2 ]}ウィンドサーフィンの用語では通常「ユニバーサルジョイント」と呼ばれますが、現代の設計は通常、丈夫で柔軟な材料に基づいており、技術的には弾性カップリングと表現する方が適切です。これらは腱状または砂時計型で、丈夫で耐久性のある弾性材料で構成されています。この用途では、カップリングはトルクを伝達するのではなく、セイルの力をボードに伝達して推力を発生させます（セイルの力の一部はライダーの体を通して伝達されます）。

フレキシブルカップリングは、 2つのシャフトがわずかにずれている場合に、一方のシャフトからもう一方のシャフトへトルクを伝達するために一般的に使用されます。1.5°までの様々な角度のずれや、ある程度の平行ずれに対応できます。また、振動減衰や騒音低減にも使用できます。回転シャフト用途では、フレキシブルカップリングを使用することで、シャフトのずれ、振動、衝撃荷重、シャフトやその他の部品の熱膨張といった状況による悪影響から、駆動軸および被駆動軸の部品（ベアリングなど）を保護できます。

フレキシブルカップリングは、大きく分けて金属製とエラストマー製の2種類に分類されます。金属製は、互いに転がったり滑ったりする可動部品、あるいは位置ずれを吸収するために曲がる固定部品を利用します。一方、エラストマー製は、金属製ハブ間でトルクを伝達する、弾性のある固定部品、あるいはプラスチック部品によって柔軟性を得ています。

ギアカップリングは、一直線上にない2つのシャフト間でトルクを伝達するための機械装置です。各シャフトに固定されたフレキシブルジョイントと、スピンドルと呼ばれる3つ目のシャフトで構成されています。

各ジョイントは、1:1のギア比を持つ内歯車と外歯車のペアで構成されています。外歯車の歯面と外径は、 2つの歯車間の角度変位を可能にするためにクラウニング加工されています。機械的には、これらの歯車は形状が修正された回転スプラインに相当します。歯のサイズが比較的大きいため、歯車と呼ばれています。

ギアカップリングとユニバーサルジョイントは、同様の用途で使用されます。ギアカップリングは、特定のスペースに適合するように設計されたユニバーサルジョイントよりもトルク密度が高く、一方、ユニバーサルジョイントは振動が少なくなります。ユニバーサルジョイントのトルク密度の制限は、クロスとヨークの断面積が限られていることに起因します。ギアカップリングの歯車には、角度のずれを許容するために大きなバックラッシュが設けられています。この過剰なバックラッシュが振動の原因となることがあります。

ギアカップリングは一般的に、接続されたシャフトの軸に対するスピンドルの角度、すなわち角度ずれが4°～5°に制限されます。 ユニバーサルジョイントは、より大きな角度ずれに対応できます。

単関節式ギアカップリングは、ほぼ同軸の2本のシャフトを接続するためにも使用されます。この用途では、この装置はギア式フレキシブルカップリング、またはフレキシブルカップリングと呼ばれます。単関節構造により、設置ミスや運転条件によるシャフトアライメントの変化など、わずかなミスアライメントに対応できます。これらのタイプのギアカップリングは、一般的に1 / 4 °～1 / 2 °の角度ミスアライメントに制限されます。

グリッドカップリングは、2つのシャフトハブ、金属製グリッドスプリング、および分割カバーキットで構成されています。トルクは、金属製グリッドスプリングを介して2つのカップリングシャフトハブ間で伝達されます。

金属製のギアカップリングやディスクカップリングと同様に、グリッドカップリングは高いトルク密度を持っています。ギアカップリングやディスクカップリングと比較したグリッドカップリングの利点は、グリッドカップリングのスプリング要素がピーク荷重の衝撃エネルギーを時間とともに吸収して分散できることです。これにより、ピーク荷重の大きさが軽減され、ある程度の振動減衰能力が得られます。グリッドカップリング設計の欠点は、一般的にミスアライメントに対応する能力が非常に限られていることです。^{[ 3 ]}

共振やねじり振動が問題となる可能性がある場合、高柔軟性カップリングが設置されます。これは、ねじり振動の問題を解消し、衝撃を相殺するように設計されているためです。

これらは、高いレベルのねじり柔軟性とミスアライメント容量が要求されるシステムで使用される。このタイプのカップリングは、ねじり振動の効果的な減衰と、ドライブを保護する高い変位容量を提供する。非常に柔軟な弾性カップリングの設計により、組み立てが容易になる。これらのカップリングは、シャフトの変位（半径方向、軸方向、角度方向）も補償し、トルクはせん断で伝達される。^{[ 4 ]}カップリングのサイズと剛性に応じて、フレキシブル部分は単列または多列になる場合がある。^{[ 5 ]}

ハース継手は、2本のシャフトの端にテーパー状の歯を取り付け、それらを噛み合わせることでトルクを伝達する。

ジョーカップリングは、スパイダーカップリングまたはラブジョイカップリングとも呼ばれます。

磁気カップリングは、磁力を用いて接触することなく一方のシャフトからもう一方のシャフトへ動力を伝達します。これにより、媒体を完全に分離することが可能です。2つの領域を気密に分離しながら、一方から他方へ機械的な動力を伝達できるため、相互汚染の防止が不可欠な用途に最適です。

オールドハムカップリングは3枚のディスクから構成され、1枚は入力軸に、1枚は出力軸に、そして中央のディスクは舌と溝によって最初の2枚のディスクに接合されています。片側の舌と溝は、もう一方の舌と溝に対して垂直です。中央のディスクは、入力軸と出力軸と同じ速度で中心軸を中心に回転します。その中心は、回転ごとに2回、入力軸と出力軸の中間点を中心として円軌道を描きます。機構のバックラッシュを低減するために、バネがよく使用されます。このタイプのカップリングは、2つのユニバーサルジョイントと比較して、コンパクトなサイズが利点です。このカップリングは、 1821年にアイルランドで外輪船の設計上の問題を解決するために発明したジョン・オールドハムにちなんで名付けられました。

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  オールドハム連結器、組み立て済み
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  オールドハム連結器（分解済み）

ラグジョイントは、自動車のステアリングリンケージや駆動系によく使用されます。駆動系に使用される場合は、ジューボと呼ばれることもあります。

剛性カップリングは、精密な軸合わせが求められる場合に使用されます。軸のずれは、剛性カップリングの性能と寿命に影響を与えます。なぜなら、剛性カップリングはずれを補正する能力を持たないからです。そのため、その用途は限られており、一般的には垂直駆動装置を使用する用途で用いられます。

クランプ式または圧縮式の剛性カップリングは 2 つの部品で構成され、シャフトの周りに嵌め込んでスリーブを形成します。スリーブ式よりも柔軟性が高く、固定されたシャフトにも使用できます。通常、ネジがカップリングを貫通してもう一方の半分まで届くほど十分な大きさがあり、しっかりと固定できます。フランジ式剛性カップリングは、重荷重または産業機器向けに設計されています。短いスリーブが垂直なフランジで囲まれています。各シャフトに 1 つのカップリングが配置され、2 つのフランジが面と面を合わせて並びます。フランジに一連のネジまたはボルトを取り付けて、それらを固定します。フランジ式ユニットは、そのサイズと耐久性から、シャフトを接合する前に位置合わせするために使用できます。

スリーブカップリングは、シャフトのサイズに基づいて必要な公差で内径が仕上げられたパイプで構成されています。カップリングの使用目的に応じて、キーを介してトルクを伝達するために、内径にキー溝が設けられています。カップリングを所定の位置に固定するために、2つのねじ穴が設けられています。

スリーブカップリングはボックスカップリングとも呼ばれます。この場合、シャフトの端部同士が連結され、互いに突き合わせられ、マフまたはスリーブで覆われます。

ギブヘッド沈み込みキーは、 2 つのシャフトとスリーブを一緒に保持します (これは最も単純なタイプのカップリングです)。鋳鉄製で、設計と製造が非常に簡単です。内径がシャフトの直径と同じ中空パイプで構成されています。中空パイプは、テーパー沈み込みキーを使用して、シャフトの 2 つ以上の端に取り付けられます。キーとスリーブは、一方のシャフトからもう一方のシャフトに動力を伝達するのに役立ちます。

テーパーロックは、シャフトから材料を取り除く必要のないキーレスシャフトロック装置の一種です^{[ 6 ] 。基本的な考え方はクランプカップリングに似ていますが、回転モーメントがシャフトの中心に近くなっています[ 7 ]} 。従来の平行キーに代わるカップリング装置であるテーパーロックは、摩耗したキー溝によるガタつきの可能性を排除します^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]。}メンテナンスに必要な工具が1つだけで、自己センタリングバランス回転によりキー付きジョイントよりも長持ちするため、キーを使用するよりも堅牢ですが、欠点はコストが高いことです^{[ 11 ] 。}

中央にボールベアリングを備えた2つの逆巻きバネで構成されたフレキシブルカップリングで、入力軸から出力軸へのトルク伝達を可能にする。内部部品がないため、潤滑油は不要で安定して動作する。^{[ 12 ]}