カップリング潤滑油のニーズを理解する

理想的な世界では、複数のコンポーネントを1つの部品として製造することも、完全に位置合わせして結合して設置することもできます。ただし、現実の世界では、個別のコンポーネントをまとめてオンサイトで接続する必要があります。

シャフトの2つの長さの間で回転力（トルク）を伝達するにはカップリングが必要であり、最も厳密な試みにもかかわらず、位置合わせは決して完全ではありません。ベアリングやシャフトなどのコンポーネントの寿命を最大限に延ばすには、すべての可能な調整が行われた後に残る残留ミスアライメントを吸収するための柔軟性を組み込む必要があります。カップリングの適切な潤滑は、カップリングの性能にとって非常に重要です。

図1.ミスアライメントの種類

ミスアライメント
ミスアライメントは、3つの可能な軸のうちの2つでオフセットまたは角変位として発生する可能性があります（図1）。縦軸の3番目の軸は一般的に測定されませんが、この方向の誤差はシステムに過度のスラスト荷重をもたらす可能性があります。大型コンプレッサーなどの主要な設備では、ワイヤーアライメント方式が使用されます。小規模なアプリケーションでは、従来、リムとフェースのダイヤルインジケーターの読み取り値を使用して、ずれを定量化および修正していましたが、光学レーザーインジケーターは、使いやすさと精度のために人気が高まっています。

ペースを設定する保守組織では、運用中に機器で発生する熱膨張を補償するための取り組みも行われています。すべての材料（水を除く）は、加熱するとわずかに膨張します。それらがそうする量は、材料の熱膨張係数とそれが加熱される程度によって支配されます。周囲温度で位置合わせされた機械は、機械材料が動作温度まで上昇または下降すると、位置ずれの位置にクリープします。

アライメントチェックを実行する前に、機器を通常の動作条件に予熱または冷却する試みが行われます。あるいは、予想される熱膨張の計算を使用して、ドライブトレインを周囲温度で意図的にミスアライメントさせて、ドライブトレインをアライメントに成長させることができます。アラインメントを可能な限り正確にするためにどのような予防策を講じても、ある程度の位置ずれが必然的に残ります。ミスアラインメントは、シャフトなどの剛性のある機械部品を効果的にアラインメントさせるためにたわませます。このたわみにより、コンポーネントに応力がかかり、振動が発生し、ベアリングなどのこれらの要素をサポートする構造に、より高く不均一な荷重が分散されます。これらはエネルギーの浪費にストレスを与え、機器の寿命と信頼性を劇的に低下させる可能性があります。

適切に設計されたカップリングは、ミスアライメント力を吸収できるため、より高価で重要で敏感なコンポーネントを節約できます。回転シャフトは頑丈に見えますが、それらをサポートするベアリングは、駆動列の中で最も感度の高い精密部品の一部です。

図2.ギアカップリング

カップリングの種類
カップリングデザインは4つの主要なカテゴリに分けられ、それぞれにいくつかの特定のデザインがあります。ソリッドカップリングと磁気カップリングは潤滑を必要としませんが、完全を期すためにここに含まれています。ソリッドカップリングは基本的に剛性のある構造であり、ミスアライメントを補正しませんが、トルクを伝達する目的で2つのシャフトを結合することができます。シャフトに固定されたボルトで固定されたハブは、磁気カップリングを備えた機械の例です。磁気カップリングにより、直接接触していないシャフトを強力な永久磁石または電気磁石を使用して一緒に駆動できます。シールレス磁気駆動ポンプが一般的な例です。

他のカップリングタイプは、フレキシブルカップリングと流体カップリングです。多くのフレキシブルカップリングは、固定位置のフレキシブルな金属、ゴム、またはディスクやブッシングなどのプラスチック要素を使用しており、シャフトと一緒に回転してミスアライメントを吸収します。このタイプの設計では、潤滑は必要ありません。ギア付き、チェーン、グリッド、ユニバーサルジョイントなどの他のジョイントは、性能と寿命のために潤滑が必要です。流体継手には、トルクコンバータとトルクマルチプライヤが含まれます。これらのカップリングは、トルクを伝達するために流体に依存する潤滑流体で満たされています。

図3.チェーンカップリング

柔軟なカップリング
ギアカップリング（図2）は、ギアの歯の間のクリアランスを介してミスアライメントを補正します。両方のシャフトのシャフトに取り付けられた外部ギアの歯は、潤滑剤を含むハウジングの内部ギアの歯と噛み合っています。他の設計では、一方のシャフトにのみ外歯を取り付け、もう一方のシャフトに内歯を取り付けます。加速または減速は、歯車の歯の反対側にあるクリアランスからのバックラッシュにより、歯車の歯の間に衝撃を与える可能性があります。ミスアライメントは、各回転を通過するときに、噛み合う歯を横切る相対運動をスライドさせる結果になります。

チェーンカップリング（図3）は、ギアカップリングと同様に動作します。各シャフト端のスプロケットはローラーチェーンで接続されています。コンポーネント間のクリアランスとチェーンをスプロケットに嵌合する際のクリアランスにより、ミスアライメントが補正されます。荷重は、ギア付きカップリングの荷重と同様です。

外部グリッドカップリング（図4）は、ミスアライメントによって引き起こされる荷重を補正するために曲がる波形のスチールグリッドを使用しています。各シャフトの端に取り付けられた溝付きディスクは、それらの間でトルクを伝達するグリッドを収容します。グリッドが負荷の下で変形するにつれて、低振幅のスライド運動がグリッドと溝の間に発生し、各回転で一部の場所で広がり、他の場所で狭くなります。

ユニバーサルジョイントは、設計に応じて、最大許容ミスアライメントが20〜30度になるように使用されます。それらは、車輪がサスペンションシステムと一緒に動くことを可能にするために車両のドライブシャフトに広く使用されています。ユニバーサルジョイントは、スパイダーと呼ばれる4つのスピンドルコンポーネントを使用して、ヨークまたはナックルで終端する2つのシャフトを直角に接続します（図5）。 4つのスパイダージャーナルのそれぞれは、関節運動を可能にするナックルの1つに含まれるベアリングまたはブッシングによってサポートされています。

図4.グリッド結合

柔軟なカップリング潤滑剤
フレキシブルカップリングを潤滑するために、潤滑油とグリースの両方を選択できます。カップリングの設計者が特に明記しない限り、ほとんどの工業用コンポーネントのカップリングはグリース潤滑されています。カップリング部品は、主に油膜によって保護されています。油膜は、グリース増ちょう剤からブリードし、ローディングゾーンに浸透します。

潤滑されたフレキシブルカップリングには、コンポーネント間で発生する低振幅の相対運動からの保護が必要です。その他の懸念事項には、潤滑剤（特にグリース）への遠心応力が含まれます。これにより、オイルが増粘剤から時期尚早に分離し、ハウジング内のオイル分布が悪くなり、ハウジングからオイルが漏れます。

モーションの低振幅、アーティキュレーション速度、およびローリングアクションではなくスライドする傾向により、流体力学的（フルフィルム）潤滑の開発が妨げられます。フレキシブルカップリングによく見られる境界（混合フィルム）条件を克服するために、高粘度の基油、耐擦傷性（EP）、および金属湿潤剤で作られたグリースをお勧めします。オイルの粘度が高いと、漏れ率も遅くなります。

フレキシブルカップリングの遠心力は極端な場合があり、回転軸からの距離が長くなると大きくなります。適度なサイズのカップリングでさえ、重力の数千倍の力（Gsと呼ばれる）を生成する可能性があります。グリースメーカーは、G力が高いためにオイルと増ちょう剤が時期尚早に分離するのを防ぐ配合を優先しています。

図5.ユニバーサルジョイント

流体継手
流体継手は、トルクを伝達するときに、運動量を入力シャフトから流体に伝達し、次に出力シャフトに伝達します。ミスアライメントは、可動部品間のクリアランスによってのみ対応されます。クリアランスが小さいため、位置合わせのエラーの余地はあまりありません。ただし、入力シャフトと出力シャフトの間にしっかりとした接続がないため、衝撃荷重と高トルクの始動荷重を効果的に補償することができます。

流体継手では、入力シャフトに取り付けられたインペラが、遠心ポンプの場合と同様に、カップリングが回転するときにカップリング内の流体を加速します。次に、この流体は出力シャフトのランナーのベーンに当たり、ランナーが加速するにつれてその運動量を伝達します。入力軸の速度に近づくまで加速しますが、実際には到達しません。入力シャフトと出力シャフトの速度の違いは、滑りとして知られています。もちろん、出力シャフトが回転する前に、摩擦抵抗と粘性抵抗を克服する必要があります。この状態に必要な最小入力速度は、ストール速度と呼ばれます。蒸気タービンやガスタービンなどの大きな静的負荷のある機器は、流体継手を使用して、駆動シャフトへの初期応力を最小限に抑えます。

始動トルクなどの入力側の衝撃荷重は発生しません。入力軸の速度が制限されることはありません。失速速度を超えると、出力シャフトは加速し始めますが、慣性モーメント（角加速度に対する抵抗）のために制限された速度で加速します。スリッページは、ランナーが入力の速度まで加速し、流体内での粘性熱の発生によって過剰なエネルギーを放散するときに発生します。出力軸が完全に失速した場合でも、出力側の衝撃荷重は同様に放散されます。

トルクコンバータとマルチプライヤは、流体継手の特殊なアプリケーションであり、伝達前に入力トルクを変更できます。これらの設計は基本的に同じ原理で動作しますが、機械的にははるかに複雑です。

流体継手の潤滑油
流体継手を衝撃荷重に対して非常に耐性のあるものにするエネルギーの散逸は、流体温度の急速かつ極端な上昇の可能性を生み出します。ストールとスリップの間に放散されるエネルギーは、流体の粘性せん断（流体の内部摩擦）によって熱に変換されます。極端なアプリケーションでは、流体の温度が通常の華氏200度の動作温度を1分以内に超える可能性があります。

急激な温度上昇の可能性があるため、流体継手に使用されるオイルの耐酸化性と耐熱性は重要な品質です。同様に、高粘度指数（VI）は、温度スパイクでの動作粘度の大幅な低下や、低温条件での過度に高い動作粘度を防ぐのにも役立ちます。

低粘度の流体は通常、流体の摩擦によって熱によって失われる電力を減らすために、これらのアプリケーションで使用されます。流体継手の粘度は、摂氏40度で2.5〜72センチストークス（cSt）の間になる可能性があります。高温で動作するように設計された流体継手の場合、粘度制限は100℃で指定できます。

これらの流体は、インペラの動きとランナーベーンへの衝撃によって引き起こされる激しい攪拌による発泡にも耐える必要があります。防錆特性は、カップリングの金属部品を保護するのに役立ちます。炭化水素ベースの液体は、他の液体よりも優れていますが、防錆剤を使用することで性能を向上させることができます。シールの適合性は、長寿命の有用性にとっても重要です。

推奨事項
適切なメンテナンスが行われた場合にのみ、これらのデバイスのいずれからも許容可能な寿命が期待できます。潤滑油のレベルと品質は、定期的なチェックを通じて検証する必要があります。漏れを補うために、追加の潤滑剤が必要になる場合があります。定期的に潤滑油を洗い流して交換し、潤滑油の分解による有害な副産物を除去したり、オイルが枯渇したグリースを交換したり、添加剤の量を更新したりします。ギアカップリングはおそらく最もメンテナンスが必要です。通常の再給油間隔は、アプリケーションの重大度と経験に応じて、6か月から1年です。

すべてのメンテナンス作業は、汚染管理に注意を払って実行する必要があります。多くのカップリングが受ける滑り接触は、粒子汚染によって引き起こされる研磨性の3体摩耗が特に損傷を与える可能性があることを示しています。検査およびフラッシング操作中にカップリングを洗浄するために使用される溶剤の不適切な除去は、操作中の潤滑剤の大幅な粘性薄化またはグリース増粘剤との有害な反応につながる可能性があります。

カップリングは、それらに課せられた要求が減少したときに耐えます。最初の防衛線は、ハードスタートや突然の負荷の逆転など、衝撃負荷を最小限に抑えることであると考えてください。運用上の要求により、これが不可能になる場合があります。ただし、カップリングシステムの主な負荷源は大幅に制御できます。適切な位置合わせは、優先度の高い、正確なメンテナンス機能と見なされます。最も頑丈な基礎でさえ時間とともに変化するため、動作中に振動解析またはサーモグラフィを使用して、位置合わせされていないカップリングを特定します。確かに、結合されたコンポーネントに対して煩わしいメンテナンスや修理を行う場合は、適切な位置合わせを確認してください。