リジッドカップリング
リジッドカップリングは、2本の回転軸を弾性体などのたわみ要素を使わずに直結する軸継手である。日本語では「固定軸継手」と呼ばれ、JIS B 1451「フランジ形固定軸継手」が代表的な規格として知られている。ゴムや板ばねを挟まない構造のため、駆動側の回転角はほとんど遅れずに従動側へ伝わる。その反面、軸の偏心や角度のずれを吸収する余地はほぼない。取付け時には精度の高い芯合わせが欠かせない。
たわみ軸継手との違い
カップリングは大きく分けて、剛結合するタイプと、ずれを逃がすたわみタイプの2系統がある。JISでもフランジ形固定軸継手（JIS B 1451）とフランジ形たわみ軸継手（JIS B 1452）が別々の規格として並んでおり、両者の性格はかなり異なる。違いを項目ごとに整理すると、次の表のようになる。
| 項目 | リジッドカップリング | たわみ軸継手 |
|---|---|---|
| 構造 | 金属部品のみで剛結合 | ゴム・樹脂・板ばね・ディスクなどを介在 |
| ねじり剛性 | きわめて高い | 低い〜中程度 |
| 許容ミスアライメント | 実質的にゼロ | 偏心・偏角・軸方向変位をある程度吸収 |
| 振動・衝撃の緩和 | ほぼ期待できない | 期待できる |
| 部品点数 | 少ない | 多い |
| 価格（同等軸径） | 安価 | やや高価 |
規格の成り立ち
固定軸継手の歴史は古く、蒸気機関の時代から長い伝動軸をつなぐ手段として、2枚のフランジをボルトで締め合わせる形式が使われてきた。現在のJIS B 1451では、外径112mmから355mmまでの範囲でサイズが段階的に定められている。軸とフランジの固定にはキー溝と平行キーを用いるのが基本である。フランジ同士は一方の凸部をもう一方の凹部にはめ込む「はめ込み形」で位置を決め、そのうえでリーマボルトを締め付ける。こうした構成により、比較的大きなトルクでも確実に伝えられる。
主な種類
産業機械の現場では、JIS規格品のフランジ形だけでなく、メーカー独自の小型品も広く流通している。代表的な形式は以下の通りである。
- フランジ形：2枚のフランジをボルトで結合する。中・大型の伝動軸向け
- 筒形（スリーブ形）：1本の円筒に両軸を差し込み、止めねじやキーで固定する
- クランプ形（割り形）：筒の側面に切れ込みを入れ、ボルトで締め付けて軸を把持する
- 半割り形：筒を軸方向に2分割した構造で、軸を移動させずに着脱できる
- テーパーリング形：くさび作用を利用し、キーを使わずに摩擦で締結する
クランプ形が主流になった理由
FA機器で目にするリジッドカップリングの多くはクランプ形である。止めねじ式は軸に圧痕が残り、繰り返し着脱すると締結力が落ちやすい。クランプ形は軸を全周で均等に締めるため、傷が付きにくく、位置決めのやり直しも容易になる。
伝達トルクの見積もり
選定の出発点は伝達トルクである。モーター出力をP（kW）、回転速度をn（min-1）とすると、定格トルクT（N・m）は次の式で求められる。
T = 9550 × P ÷ n
たとえば定格出力0.4kW、定格回転速度3000 min-1のサーボモーターなら、T = 9550 × 0.4 ÷ 3000 ≒ 1.27 N・mとなる。ただしサーボモーターの瞬時最大トルクは定格の約3倍に達する機種が多く、加減速の激しい用途では3.8 N・m前後を基準に、さらに使用係数を掛けて許容トルクを確認する。カタログ値だけを見て定格トルクぎりぎりで選ぶと、急停止のたびにクランプ部が滑り、位置ずれの原因になりかねない。
材質ごとの使い分け
材質はS45Cなどの機械構造用炭素鋼、SUS304を中心とするステンレス鋼、A2017やA7075といったアルミニウム合金の3系統が中心である。鋼製は許容トルクが大きく、コンベヤやポンプ軸など負荷の重い場所に向く。アルミ製は慣性モーメントが小さいため、高速で正逆転を繰り返すボールねじ駆動と相性がよい。食品機械や洗浄工程にはステンレス製が選ばれることが多い。
芯出しの実務
現場で最も手間がかかるのは芯出しである。たわみ継手であれば偏心0.1mm程度を吸収できる製品も珍しくない。しかしリジッドカップリングでは、そのずれがそのまま軸とベアリングへの曲げ荷重になる。そのためダイヤルゲージを用い、外周振れと面振れをそれぞれ0.01〜0.02mm以内に追い込むのが一般的な目安とされる。軸側の寸法公差もh7程度が推奨されることが多く、軸径がマイナス側に大きく外れていると、クランプしても十分な把持力が得られない。
コストと工数の釣り合い
B2Bの調達実務では、部品単価だけで判断しないほうがよい。ミスミや三木プーリなどが扱う外径20mm前後のアルミ製クランプ形は、1個数千円程度で入手できる。同サイズのディスク形たわみ継手と比べると、おおむね半額程度に収まることが多い。ところが組立工程で芯出しに1台あたり30分以上かかるなら、人件費を含めた総コストは逆転する場合がある。量産ラインでは、加工精度でアライメントを保証できる構造かどうかを設計段階で見極め、そのうえで剛結合を採用するのが賢明である。
起こりやすいトラブル
芯ずれを抱えたまま運転を続けると、軸受の早期損傷が最初に表れやすい。回転のたびに軸へ繰返し曲げ応力が加わり、数か月で異音や発熱が出るケースもある。キー結合のフランジ形では、キー溝まわりのフレッティング摩耗がガタの原因になる。クランプ形の場合は、締付けトルク不足による滑りが典型的で、M4ボルトなら3〜4 N・m程度といったメーカー指定値をトルクレンチで管理することが求められる。振動測定で回転周波数の2倍成分が目立つときは、まず芯ずれを疑うとよい。
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