JP2010174926A - 差動歯車装置 - Google Patents

Abstract

【課題】遊星運動を行う入力外歯車と出力外歯車とで個別に歯面の滑り速度を調整して差動歯車装置の動力損失を低減し、加工工数を低減すること
【解決手段】固定支持された入力内歯車５と、入力内歯車５と同軸かつ回転自在に支持された出力内歯車８と、入力内歯車５及び出力内歯車８とかみ合って遊星運動を行なう入力外歯車１０及び出力外歯車１１からなる外歯車３と、から構成される差動歯車装置において、入力内歯車５と出力内歯車８は、それぞれモジュールが等しく、かつ歯数が異なり、入力外歯車１０と出力外歯車１１は、それぞれモジュール、歯数、転位係数が等しく、かつ歯たけが異なる構成とする。換言すると、入力外歯車１０と出力外歯車１１は、それぞれ歯底円直径が等しく、歯先円直径が異なる構成である。
【選択図】図１

Description

本発明は、遊星歯車機構の一種である差動歯車装置を構成する外歯車の形状設計方法に係わり、特に、建設機械や荷役機械等に適用される大減速比の歯車装置の製造コスト及び動力損失低減技術に関する。

建設機械や荷役機械等においては、作業や走行の目的で大きなトルクを要求されることがあるが、内燃機関や油圧モータ、電動機等の一般的な原動機が発生するトルクはそれほど大きくないため、歯車装置を使用して減速し、大きなトルクを得ることが多い。このような場合、遊星歯車機構の一種である差動歯車装置を使用すると、大きな減速比を比較的少ない減速段数で得ることができる。

大きな減速比を得るための従来技術として、例えば特許文献１に示すような、いわゆるヴォルフロム型歯車装置によると、１００以上の減速比を得ることが可能となる。このような差動歯車装置においては、外歯車である遊星歯車の歯幅の概略半分は回転しないように支持された内歯車とかみ合い、残りの半分が回転自在に支持された内歯車とかみ合う構造を有している。

この構造において、軸直角断面を基準とすると、多くの場合、前者の内歯車側から動力が入力され、後者の内歯車側より出力されるため、これらをそれぞれ入力内歯車、出力内歯車と称するが、通常、入力内歯車と出力内歯車とは歯数が異なるため、それぞれの内歯車とかみ合う外歯車の歯は、おのおのの内歯車に合わせて仕様決定される。

このようにすると、歯面の滑り速度を入力側と出力側とで個別に調整できるため、歯車装置の動力損失を小さくできるというメリットがある。この結果として、外歯車の歯先円直径は、入力側と出力側（以後、入力外歯車、出力外歯車と呼ぶことにする）とで異なり、歯車の外周部には軸方向に段が付く構造になる。

特表２０００−５０４０８６号公報

しかしながら、上記の特許文献１を含めた従来技術の構造によると、入力外歯車と出力外歯車とは歯車仕様が異なるため、それぞれ個別に作成して組み合わせる必要がある。この場合、歯車を２個作成するとともに、嵌合部の仕上げ加工やキー溝の加工等が必要となり、製造コストが増大するという課題がある。

１個の材料から歯車を削り出す場合でも、２種の歯部を加工するためには少なくとも２工程を経る必要があり、歯切工具を逃がすためのスペースを設けることにより歯車の寸法が増大するという副次的な課題も生じる。

本発明は、遊星運動を行う入力外歯車と出力外歯車とで個別に歯面の滑り速度を調整して歯車装置の動力損失を低減し、加工工数を低減することで歯車の製造コストを抑制して、高効率かつ低コストの差動歯車装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は主として次のような構成を採用する。
固定支持された入力内歯車と、前記入力内歯車と同軸かつ回転自在に支持された出力内歯車と、前記入力内歯車及び前記出力内歯車とかみ合って遊星運動を行なう入力外歯車及び出力外歯車からなる外歯車と、から構成される差動歯車装置において、前記入力内歯車と前記出力内歯車は、それぞれモジュールが等しく、かつ歯数が異なり、前記入力外歯車と前記出力外歯車は、それぞれモジュール、歯数、転位係数が等しく、かつ歯たけが異なる構成とする。

また、固定支持された入力内歯車と、前記入力内歯車と同軸かつ回転自在に支持された出力内歯車と、前記入力内歯車及び出力内歯車とかみ合って遊星運動を行なう入力外歯車及び出力外歯車からなる外歯車と、から構成される差動歯車装置において、前記入力内歯車と前記出力内歯車は、それぞれモジュールが等しく、かつ歯数が異なり、前記入力外歯車と前記出力外歯車は、それぞれ歯底円直径が等しく、歯先円直径が異なる構成とする。

また、前記差動歯車装置を旋回減速機として使用するパワーショベルに適用した場合に、前記外歯車に連結された入力軸に原動機として電動機が接続された場合、前記電動機に制動機能と発電機能を具備させ、前記パワーショベルの減速動作時に前記発電機能で得た電力を蓄電手段に蓄える構成とする。

本発明によれば、遊星運動を行う入力外歯車と出力外歯車の歯車は、基本的に同一仕様となるため、少ない工程で歯部を加工することが可能となる。加工に際して入力外歯車と出力外歯車を分離する必要はない（一体的構造である）ため、製造コスト及び歯車の寸法を最小限に抑制することができる。

また、入力外歯車と出力外歯車とで歯先円直径が異なるため、歯面の滑り速度を個別に調節して動力損失を低減することが可能となる。これらの効果によって、高効率かつ低コストの差動歯車装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る差動歯車装置の歯車群の配置と構造を示す斜視図である。 本実施形態に係る差動歯車装置の内歯車と外歯車の歯のかみ合い状態を示す構成図である。 一般的な差動歯車装置の動作原理を示す説明図である。 本実施形態に係る差動歯車装置を建設機械のパワーショベルの旋回減速機に適用した構成例を示す図である。 本実施形態に係る差動歯車装置の適用されたパワーショベルの構造を示す断面図である。

本発明の実施形態に係る差動歯車装置について、図１〜図５を参照しながら以下詳細に説明する。図１は本発明の実施形態に係る差動歯車装置の歯車群の配置と構造を示す斜視図である。図２は本実施形態に係る差動歯車装置の内歯車と外歯車の歯のかみ合い状態を示す構成図である。図３は一般的な差動歯車装置の動作原理を示す説明図である。

また、図４は本実施形態に係る差動歯車装置を建設機械のパワーショベルの旋回減速機に適用した構成例を示す図である。図５は本実施形態に係る差動歯車装置の適用されたパワーショベルの構造を示す断面図である。

まず、本実施形態に係る差動歯車装置の動作原理について図３を用いて（図１をも参照して）説明すると、一般に差動歯車装置は原動機２０にその入力軸１が接続され、入力軸１の偏芯位置に偏芯軸２が設けられ、偏芯軸２と同軸かつ回転自在に外歯車３が設けられ、外歯車３の外周かつ入力側に設けられた入力外歯車１０は、回転しないように支持された入力内歯車５とかみ合い、外歯車３（遊星歯車とも云う）の外周かつ出力側に設けられた出力外歯車１１は、入力軸１と同軸かつ回転自在に支持された出力内歯車８とかみ合い、出力内歯車８と同軸に固定された出力軸７が負荷２１に接続されて差動歯車装置３２を形成している。換言すると、遊星運動を行う外歯車３（図１を参照すると、入力外歯車１０と出力外歯車１１とからなる）は、固定の入力内歯車５と、出力として取り出す回転する出力内歯車８（入力内歯車５と同軸）と、にかみ合って偏芯して回転するものであり、この外歯車３の自転量を出力内歯車８の回転量として取り出し，入力軸１の回転を大減速させる。

通常、入力内歯車５と出力内歯車８とは、数枚の歯数差があり、両歯車の直径は異なる。これらの内歯車５，８に対して、歯車伝達の動力損失の低減を目的として歯面の滑り速度を個別に調整する場合、対応する入力外歯車１０と出力外歯車１１の仕様（モジュール、歯数、歯たけなど）はそれぞれ異なるものになるため、入力外歯車１０と出力外歯車１１は個別に製作され、組み合わされて外歯車３を形成することになり、多くの場合歯車の製造コストは増大することとなる。

これに対して、図１及び図２に示す本発明の実施形態に係る差動歯車装置によれば、外歯車３の外周に形成された歯部４は、入力外歯車１０及び出力外歯車１１から構成されていて、両歯車１０，１１がモジュール、歯数、転位係数を等しくするため、少ない工程で加工可能であり、製造コストは小さい。ここで、歯車のモジュール、歯数、転位係数は歯車仕様を表すものであって、歯の大きさを表すモジュールは、ピッチ円直径（歯先円直径と歯底円直径間の直径）を歯数で除した値であり、転位係数は基準ラックの基準ピッチ線をモジュールのＸ倍だけずらして得られる歯車においてこのＸを転位係数といい、歯の切り込みを変えることによる歯の形状変更を表している。

また、本実施形態に係る差動歯車装置では、入力外歯車１０の歯底円直径１６と、出力外歯車１１の歯底円直径１９とは同一となる（図２を参照）。一方、歯切加工の前段階で素材の直径を変えておくことにより（段付き円柱体を準備することにより）、入力外歯車１０の歯先円直径１４と出力外歯車１１の歯先円直径１７は容易に変えることができる。これによって、入力外歯車１０と出力外歯車１１は入力内歯車５と出力内歯車８に対して個別に歯面の滑り速度を調節可能となり、歯車伝達の動力損失を低減することができる。図２に示すように、出力外歯車１１のかみ合い箇所は、入力外歯車１０のそれに比べて歯底側になる。この場合、入力外歯車１０の歯たけ１５と出力外歯車の歯たけ１８はそれぞれ異なる大きさとなる。このように、入力外歯車１０と出力外歯車１１のモジュール、歯数、転位係数が等しく、歯たけが異なる構造であることが、本実施形態に係る差動歯車装置の特徴の１つである。また、この特徴を歯車の外観上から表現すると、入力外歯車１０と出力外歯車１１とは歯底円直径１６，１９が等しく歯先円直径１４，１７が異なると云える。

上述した動力損失の低減とは異なる観点でみると、入力外歯車１０と出力外歯車１１は、製造上の利便性を考慮して基本的に歯車仕様（モジュール、歯数、転位係数）を同一として歯たけを異にしている。換言すると、図２に示す、出力外歯車１１の歯先円直径１７は入力外歯車１０の歯先円直径１４より短くなっていて、その歯先が削り取られたような形状（点線Ｄを参照）となっている（上述した段付き円柱体を歯切りするとこのような形状となる）。そして、点線Ｄで示す削り取る意味は、出力外歯車１１と出力内歯車８の噛み合い歯たけを２モジュールとするためである。そして、噛み合い歯たけを２モジュールとすると標準工具で加工可能となる。逆に云えば、図２の点線Ｄのように削り取らないと、回転する出力内歯車８の歯たけが２モジュールを可成り超える（例えば、２．５モジュール）ことになって、特殊な工具による加工を強いられることになる。勿論、歯たけを異ならせることの本質的な意味は上述したように歯車伝達の動力損失を低減するため、換言すると、後述する電力回生における逆駆動の効率を高くするためである。

図２において、図示例のとおり通常では、入力内歯車５の歯数は出力内歯車８の歯数より多く、入力外歯車１０の歯たけ１５が出力外歯車１１の歯たけ１８より大であるが、この大小関係が逆であってもよい。すなわち、入力外歯車１０の歯たけ１５と出力外歯車１１の歯たけ１８のいずれかの外歯車の歯たけの大きい方が２．２５モジュール以下とすることで、入力軸１に電動機の軸を連結した場合における電力回生の回収効率、具体的には差動歯車装置の逆駆動による伝達効率を高くし、さらに、特殊な加工用の工具を使用することなく標準工具による加工を可能とする。ここで、歯たけに具体的数値として２．２５を挙げているのは、ＪＩＳ規格において標準工具でカットできる歯モジュールの数値が２．２５として規定されており、２．２５モジュール以下であれば、特殊工具を用いることなく標準工具で歯をカットできるからである。

以上のように、本実施形態に係る差動歯車装置を構成して入力軸１を回転させると、入力外歯車１０の一方の歯面１２が入力内歯車５の歯面と接触し、出力外歯車１１の反対歯面１３は出力内歯車８の歯面と接触して、外歯車３は遊星運動を行なうことになる。外歯車３の自転を取り出すことにより大減速が得られ、出力軸７は入力軸１に対して非常に低速で回転することになる。このとき、入力外歯車１０の歯たけ１５は２．２５モジュール程度の並歯とし、出力外歯車１１の歯たけ１８を２モジュールあるいはそれ以下の低歯とすることで、標準的な工具を用いての加工が可能となり、製造コストは一層削減される。

次に、本発明の実施形態に係る差動歯車装置を建設機械の一種であるパワーショベルの旋回減速機に適用した場合における構成例について、図４及び図５を参照しながら、その構造及び動作を説明する。

差動歯車装置３２の入力軸１は、軸受２６及び２７により歯車箱２４に対して回転自在に支持され、入力軸１に対して偏芯位置に偏芯軸２が設けられ、外歯車３が軸受２８及び２９により、偏芯軸２に対して回転自在に支持されている。軸上には、偏芯により生じるアンバランス荷重を打ち消すためのカウンターウェイト２３が設けられている。入力内歯車５は入力軸１と同軸かつ歯車箱２４に対して回転しないように支持され、出力内歯車８及びこれと同軸に設けた出力軸７は、軸受３０及び３１により、入力軸１と同軸かつ歯車箱２４に対して回転自在に支持され、出力軸７の先端には旋回ピニオン２５が同軸に設けられている。

電動機２０の軸２２は、スプライン嵌合により入力軸１と連結されており、外歯車３は入力内歯車５及び出力内歯車８とかみ合わされているため、電動機２０が回転すると、外歯車３は遊星運動を行ない、出力軸７は電動機軸２２に対して低速で回転する。外歯車３の歯部は図１に示す構成と同様の構成となっており、低コストで製造可能であり、かつ動力損失も低い。

一方、パワーショベル３７のシャシー３５上には、旋回内歯車３３が固定されており、軸受３６を用いてシャシー３５に対して回転自在に支持された旋回部３４上には差動歯車装置３２が固定されており、旋回ピニオン２５と旋回内歯車３３はかみ合わされている。このような構成のため、電動機２０を回転させると、旋回ピニオン２５が回転し、差動歯車装置３２を固定した旋回部３４が回転して、旋回部３４の方向を変えるための旋回動作を行なうことができる。

電動機２０は動力回生機能を有しているため、旋回動作の減速時には発電を行なって燃料の消費量を低減する。ここで、回生機能で発電した電力は、旋回部３４に設けられた二次電池（電動機２０の駆動用バッテリであるとともにパワーショベルの各種制御に使用されるバッテリ）又はキャパシタ等の蓄電手段４０に充電することができる。動力再生機能についてさらに述べると、電動機２０に入力を印加してパワーショベルを旋回させた後に停止させる際に、入力を遮断し発電モード（例えば、電動機励磁回路を励磁動作させるとともに慣性でロータが回転していることに伴い発電機として機能させる状態）に移行させて、すなわち入力遮断後で停止に至るまでの間、電動機２を制動機能と発電機能として奏させて、動力回生を図っている。本実施形態に係る差動歯車装置は動力損失が小さいため、動力回生の効率も高く、電動機を原動機とするパワーショベルに好適である。なお、実機では、回動可能なアーム３８が旋回部３４に設置され、アーム先端のバケット３９を用いて掘削作業を実施するが、本発明と直接の関係はないのでその説明を省略する。

このように本実施形態に係る差動歯車装置を構成することで、外歯車の歯を少ない工程で加工することにより製造コストが削減され、入力外歯車と出力外歯車の歯たけを変えることにより歯面の滑り速度を個別に調整して動力損失を低減することができ、加えて、燃料費が少なく連続稼動時間の長い電動機駆動のパワーショベルを提供することができる。なお、本実施形態では差動歯車装置をパワーショベルの旋回減速機に適用したが、類似構造の走行用終減速機に適用してもよいし、他の建設機械や荷役機械、あるいは他の産業機械に適用してもよいことは言うまでもない。

以上説明したように、本実施形態に係る作動歯車装置においては、回転しないように支持された入力内歯車と、これと同軸かつ回転自在に支持された出力内歯車と、これらの歯車とかみ合って遊星運動を行なう入力外歯車及び出力外歯車を備えている。そして、入力内歯車と出力内歯車とはモジュールが等しく歯数が異なり、入力外歯車と出力外歯車とはモジュール、歯数、転位係数が等しく歯たけが異なっている。歯たけを変えることにより、少ない工程で歯の加工を可能とし、歯面の滑り速度を個別に調整することにより動力損失を低減して、高効率かつ低コストの差動歯車装置とすることができる。この結果、入力外歯車と出力外歯車とは歯底円直径が等しく歯先円直径が異なるという外観上の特徴を有している。

１…入力軸、２…偏芯軸、３…外歯車、４…外歯車の歯部、５…入力内歯車、７…出力軸、８…出力内歯車、１０…入力外歯車、１１…出力外歯車、１２…入力外歯車の歯面、１３…出力外歯車の歯面、１４…入力外歯車の歯先円直径、１５…入力外歯車の歯たけ、１６…入力外歯車の歯底円直径、１７…出力外歯車の歯先円直径、１８…出力外歯車の歯たけ、１９…出力外歯車の歯底円直径、２０…電動機、２１…負荷、２２…電動機軸、２３…カウンターウェイト、２４…歯車箱、２５…旋回ピニオン、２６，２７…入力軸軸受、２８，２９…外歯車軸受、３０，３１…出力軸軸受、３２…差動歯車装置、３３…旋回内歯車、３４…旋回部、３５…シャシー、３６…旋回軸受、３７…パワーショベル、

Claims (8)

1. 固定支持された入力内歯車と、前記入力内歯車と同軸かつ回転自在に支持された出力内歯車と、前記入力内歯車及び前記出力内歯車とかみ合って遊星運動を行なう入力外歯車及び出力外歯車からなる外歯車と、から構成される差動歯車装置において、
   前記入力内歯車と前記出力内歯車は、それぞれモジュールが等しく、かつ歯数が異なり、
   前記入力外歯車と前記出力外歯車は、それぞれモジュール、歯数、転位係数が等しく、かつ歯たけが異なる
   ことを特徴とする差動歯車装置。
2. 固定支持された入力内歯車と、前記入力内歯車と同軸かつ回転自在に支持された出力内歯車と、前記入力内歯車及び出力内歯車とかみ合って遊星運動を行なう入力外歯車及び出力外歯車からなる外歯車と、から構成される差動歯車装置において、
   前記入力内歯車と前記出力内歯車は、それぞれモジュールが等しく、かつ歯数が異なり、
   前記入力外歯車と前記出力外歯車は、それぞれ歯底円直径が等しく、歯先円直径が異なる
   ことを特徴とする差動歯車装置。
3. 請求項１または２において、
   前記入力外歯車と前記出力外歯車のいずれかの歯たけで大きい方の歯たけを、標準工具の使用可能な２．２５モジュール以下とすることを特徴とする差動歯車装置。
4. 請求項１、２または３において、
   前記外歯車には偏芯軸を介して結合された入力軸が設けられ、
   前記入力軸は、原動機として動力回生機能を有する電動機を接続可能とする
   ことを特徴とする差動歯車装置。
5. 外部からの原動機に接続されて回転する入力軸と、前記入力軸の偏芯位置に設けられた偏芯軸と、前記偏芯軸と同軸かつ回転自在に設けられた外歯車と、前記外歯車の外周かつ入力側に設けられた入力外歯車と、前記外歯車の外周かつ出力側に設けられた出力外歯車と、前記入力外歯車とかみ合い回転しないように固定支持された入力内歯車と、前記出力外歯車とかみ合い回転自在に支持された出力内歯車と、前記出力内歯車と同軸で外部の負荷に接続される出力軸と、を備えた差動歯車装置であって、
   前記入力内歯車は、その歯数が前記出力内歯車の歯数より多く、
   前記入力外歯車は、そのモジュールと歯数が前記出力外歯車のモジュールと歯数に等しく、前記入力外歯車の歯たけが略２．２５モジュールであって前記出力外歯車の歯たけが２モジュール以下である
   ことを特徴とする差動歯車装置。
6. 請求項１ないし４のいずれか１つの請求項に記載の差動歯車装置を旋回減速機として使用するパワーショベル。
7. 請求項１ないし４のいずれか１つの請求項に記載の差動歯車装置を走行用終減速機として使用するパワーショベル。
8. 請求項６または７において、
   前記外歯車に連結された入力軸に原動機として電動機が接続された場合、前記電動機に制動機能と発電機能を具備させ、
   前記パワーショベルの減速動作時に前記発電機能で得た電力を蓄電手段に蓄えることを特徴とするパワーショベル。

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