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締切り済みの質問

摩擦材の選定(静摩擦係数は大きく、動摩擦は小さく)

機械設計で悩んでいることがあります。摩擦材の選定で、静摩擦は大きく、動摩擦は小さくなるような組み合わせです。

装置は動力伝達の一種なのですが、同軸上に3つの要素がありまして、そのうち2つの間に摩擦が必要です。具体的には、固定された軸と、入力部分と、第3の軸があります。中心の固定された軸に軸受けを介して入力軸(筒状)がかぶさっており、第3の軸はさらにその外側の筒という感じです。
課題は、入力部(プーリー等が付きます)を回した時に、第3の軸がそれに追従するようにしたいのです。しかし一体というわけではなく、入力部(回転方向、回転スピードは変動します)の動きに多少(半回転とか)遅れてついてくる方が良く、また入力部の回転を上回っても困るので、二者の間に回転方向には遊びを設け、さらに中心軸と第3の軸の間に摩擦を発生させれば良いかと思いました。

ただ、入力部が一定の回転を続ける間は動力損失を減らしたいので、上記要件を満たすべく、静摩擦が大きく、動摩擦の小さい材料の組み合わせを求めて考え込んでいます。材質の候補としては、中心軸と第3の軸にはALやSC等の金属、その間にかます摩擦材としてニトリル材のOリングまたは金属バネなどを考えましたが、自信がありません。もちろん、適しているならPOMなどのプラスチック系素材にも興味があります。雰囲気としてはシールされた機械内部で、周辺メカニズムの関係で常時グリースまたは油で潤滑される状況です。入力軸の回転速度は、最大で500rpm程度です。

条件に合う材質、または設計を見直すべき箇所などご存知でしたら、お知恵を貸して頂けるとありがたいです。

分かりにくいアプリケーションでご迷惑をおかけします。

出力は、入力部からワンウェイラチェット等を通じて取り出す予定です。
通常の機械でしたら、それなら入力→ラチェット→出力でOKだと思うのですが、出力先が外力で逆回転することがあります。そして、その場合には、動力伝達を切り離して逆回転するままにしておきたいのです。そのために、入力部にワンクッション設けて、第3の軸と入力部の位相差でラチェットの通常動作と完全オフを切り替えようと思いました。つまり、出力側が逆回転する前に入力側を一度逆回転させて切り替えておけば、切り離されてキックバックが来ないということです。入力は人力なので、そうした操作は苦にならないものとします。

先述のように、位相差というのは半回転程度で、その遊びを過ぎたらなんらかのストッパで両者が噛み合い、一緒に回るという構想です。入力側を正回転させ続ける時には摩擦が発生したままになるので、動摩擦係数が低い方が良いと思いました。静摩擦係数は高くないと件のスイッチ機能が実現できなさそうなので、その差が大きいものを探していたということです。

まだまだ言葉足らずな部分もあるかもしれませんがよろしくお願いします。

投稿日時 - 2008-12-26 23:15:00

QNo.9456388

暇なときに回答ください

  •   
  • 回答(8)

    ANo.8

    通常、ワンウェイクラッチは、
    ? 内輪が静止で、
      外輪を右回転がロックなら、外輪右回転で内輪も右回転
      外輪を左回転がフリーなら、外輪左回転で内輪は静止のまま
    ? 外輪が静止で、
      内輪を左回転がロックなら、内輪左回転で外輪も左回転
      内輪を右回転がフリーなら、内輪左回転で外輪は静止のまま
    は、同じワンウェイクラッチで起こる内容です。
    じっくり、考えて下さい。また、
    ? 内輪が右回転していて、
      外輪が内輪の右回転数より速く回転しない条件で
      外輪は左右に回転可能
    ? 内輪が左回転していては、
      ?と同じ内容です
    の様な仕様での使用方法があります。

    遠心クラッチは、回転数(遠心力)に応じた、トルク(グリップ力)
    が得られて、ワンウェイクラッチとミックスすれば面白い使用方法
    ができます。

    加速力や減速力、カーブの遠心力とワンウェイクラッチの動作原理を
    ミックスさせたのが、自動車等の通常では負荷が掛からないシートベルト
    です。

    実際の使用物のアドバイスではありません。
    原理や仕様(スペック)上からの構想段階のアドバイスです。

    投稿日時 - 2009-01-08 21:42:00

    お礼

    理解できました。ありがとうございます。

    投稿日時 - 2009-01-09 15:37:00

    ANo.7

    遠心力を利用すれば?
    自動遠心クラッチ
    http://homepage3.nifty.com/nomatetsu/CUB_zidouenshin.html
    わかりにくいかもしれない

    投稿日時 - 2009-01-07 11:45:00

    お礼

    原動機のような回転数に至らないので遠心クラッチは難しいと思いますが、リンクのページが大変面白く、勉強になりました。ありがとうございました。

    投稿日時 - 2009-01-09 15:37:00

    ANo.6

    ワンウェイクラッチの構造図です。
    参考になれば。

    参考URL:http://www.ntn.co.jp/japan/products/catalog/pdf/clutch/pdf/clutch_01.pdf

    投稿日時 - 2009-01-07 10:05:00

    お礼

    詳細な資料、ありがとうございます。参考になりました。

    投稿日時 - 2009-01-09 15:36:00

    ANo.5

    詳細が不明なので、想像します。

    文面では、ワンウェイクラッチや自転車の用語が出てきたので、

    ワンウェイクラッチは、通常の使い方の他に、
    内輪を外輪の回転より速く回転させますと、外輪は回転しない
    方向にも回転します。
    これが、自転車で使用されている原理です。

    お役に立てるアドバイスになったでしょうか?

    投稿日時 - 2009-01-07 00:41:00

    お礼

    ありがとうございます。

    ご指摘頂いた原理が、実はいまひとつ分かりません。(自転車などでも、「通常の使い方」しかされていないと思っていました。)
    お手数をおかけして申し訳ありませんが、詳しく教えていただけませんか?

    投稿日時 - 2009-01-07 02:48:00

    ANo.4

    「静摩擦は大きく、動摩擦は小さく」と言うのは一般的な特性なので、問題ではないですが、それではあなたのしたいことは出来ないと思います。

    スタート時には静摩擦が働きます。一旦最大駆動力(静摩擦係数で制約される)がかかって、それより負荷が大きければすべるということになります。
    結局は負荷しだいですべるか止まるかが決まるのです。

    経験から言えば、摩擦係数を信じて設計するのは危険です。摩擦係数は条件で大きく変化します。変化してもよい使い方ならかまわないですが。

    負荷に付いて記述がありませんので、的確かどうかわかりませんが
    確実な方法であれば
    (1)自動車のように低速時はトルコンで滑らせ、高速時はロックアップクラッチで滑らせない
    (2)パウダークラッチを介して伝達トルクをコントロールする
    と言うような外部制御が必要かなと思います。

    外部制御なしで切り替える方法を考えたら、特許になるかも。

    投稿日時 - 2008-12-27 09:57:00

    お礼

    なるほど、摩擦係数をあてにしすぎるのも問題があるんですね。

    質問に追記したとおり、ローテクなものなので外部制御まで頭が回りませんでしたが、やはり自動車業界の知識と経験の積み重ねはすごいなと思いました。ためになるご意見、ありがとうございました。

    投稿日時 - 2008-12-27 16:56:00

    ANo.3

    ご説明の構成は良く理解できていませんが、感じた程度の事で書かせて頂きます。
    このような構成の場合は、少し構造は複雑にはなりますが、ばねと摩擦材、或は、マグネットを必要に応じ組込んだ、ミニチュアの遠心機構(ガバナー)を考えられたらいかがかと思います。
    お望みの動きを最も確実に実現できるように思います。

    投稿日時 - 2008-12-27 09:45:00

    お礼

    アドバイスありがとうございます。

    遠心ガバナについて、もう少し勉強してみます。回転数が低い(500rpmはあくまでも上限で、常用は0-200rpm程度)のために向いていないかと思っていましたが、マグネットなどをうまく使えばなんとかなるものでしょうか。大きなヒントを頂きました。

    投稿日時 - 2008-12-27 16:44:00

    ANo.2

    説明文だけでは中々構造が理解し難いので、的確な回答が出来ませんが、
    ただ単にイメージだけでアドバイスさせて頂きます。この質問を読んでいる
    最中にふと、下記urlの「MagnaDrive」というのが脳裏に浮かび上がってきた

    マグネットを用いたカップリングでギャップ調整で伝達トルクが可変可能に
    なるようです。以前、何かのサイトで見たものが頭の端っこに残ってました
    ある人は、これを閃きというかもしれないが、ヒントになればよいと思います

    参考URL:http://www.magnadrive.com/md_asd/

    投稿日時 - 2008-12-27 07:23:00

    お礼

    さっそく見てみました。これは、磁力による動力伝達機構に伝達効率の可変機構と出力側の回転センサを組み合わせて出力スピードを制御し、モータ側での制御を取り払うことで総体的に効率とメンテナンスコストを改善するという理解でよろしいのでしょうか?

    このようなアイディア、とても勉強になります。どうもありがとうございました。

    投稿日時 - 2008-12-27 16:32:00

    ANo.1

    摩擦を利用して滑りが生じた場合は,摩擦面でエネルギー損失に対応した
    熱が発生します。発熱量がすべり面設計の最大の制約要素となると思います。

    原動機の回転数一定という考え方を捨てて,最終的に必要な回転数で原動機を
    回転させる考え方(すべり要素を排除する)はできないでしょうか。

    トルクセンサ,回転数センサなどの検出信号に基づいて,サーボモータを制御
    するようなシステムが構築できれば,エネルギー損失が本質的に少なく,
    小形で同等の機能を実現できそうな気がします。

    投稿日時 - 2008-12-26 23:34:00

    お礼

    ご提案ありがとうございます。

    確かに、摩擦熱の問題は重要でしたね。入力部が継続的に回転し続ける訳ではないのでうっかり軽視していました。

    私の質問が分かりにくくてすみませんでした。基本的には人力ベースでローテクな機械なのですが、考え方の筋道として、とてもためになりました。

    投稿日時 - 2008-12-27 16:24:00

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