JP2013185619A - 遊星歯車減速機 - Google Patents

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Abstract

【課題】動作時に滑り接触する部分の摩擦損失を低下させて、遊星歯車減速機の伝達効率を改善する。
【解決手段】遊星歯車減速機200は、入力軸216に形成された偏心体の外周に揺動可能に外嵌される外歯歯車224と、外歯歯車224と内接噛合する内歯歯車228と、内歯歯車と一体化されたハウジング230と、を備える偏心揺動型の遊星歯車減速機である。内歯歯車228の内歯は、ハウジング230の内周に形成された外ピン溝230Aと、外ピン溝によって回転自在に支持された外ピン228Aとで構成されている。外ピン228Aの外周面および外ピン溝230Aの内面のうち少なくとも一方に、軸方向粗さが周方向粗さ以下となるような加工が施され、滑り接触時の摩擦抵抗を低減している。
【選択図】図7

Description

本発明は、一般に減速機に関し、特に遊星歯車減速機に関する。
揺動する外歯歯車の軸方向両側に配置された一対のキャリア体と、外歯歯車に形成されたピン孔を通して両キャリア体の間に配置された複数の内ピンと、外歯歯車に内接噛合する内歯歯車とを有する揺動内接噛合型の遊星減速機が知られている。この減速機では、外歯歯車がいわゆる遊星歯車として機能し、外歯歯車と内歯歯車との相対回転が減速出力として取り出される。特許文献1には、このような遊星減速機が組み込まれた鉄道車両用駆動ユニットが開示されている。
特開2010−169247号公報
上記のような遊星歯車減速機では、内ピンが摺動促進部材としての内ローラに挿入されており、内ローラを介して外歯歯車のピン孔に当接する。減速機の動作時、例えば内ピンの外周面と内ローラの内周面との滑り接触により摩擦損失が発生し、この損失が遊星歯車減速機の伝達効率を低下させる原因の一つとなっている。
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、動作時に滑り接触する部分の摩擦損失を低下させて、遊星歯車減速機の伝達効率を改善する技術を提供することにある。
本発明のある態様は、偏心体の外周に揺動可能に外嵌された外歯歯車と、外歯歯車と内接噛合する内歯歯車と、内歯歯車と一体化されたハウジングと、を備える偏心揺動型の遊星歯車減速機であり、内歯歯車の内歯は、ハウジングの内周に形成された外ピン溝と、外ピン溝によって回転自在に支持された外ピンとで構成されており、外ピンの外周面および外ピン溝の内面のうち少なくとも一方に、軸方向粗さが周方向粗さ以下となるような加工が施されている。
本発明の別の態様は、偏心体の外周に揺動可能に外嵌された外歯歯車と、外歯歯車と内接噛合する内歯歯車と、外歯歯車に貫通形成された内ピン孔に遊嵌された内ローラと、内ローラに内嵌された内ピンと、を備える偏心揺動型の遊星歯車減速機であり、内ピンの外周面および内ローラの内周面のうち少なくとも一方に、軸方向粗さが周方向粗さ以下となるような加工が施されている。
本発明のさらに別の態様は、偏心体の外周に揺動可能に外嵌された外歯歯車と、外歯歯車と内接噛合する内歯歯車と、を備える偏心揺動型の遊星歯車減速機であり、内歯歯車は、円筒状の外ローラと、外ローラに内嵌された外ピンと、外ピンを支持するケーシングと、で内歯が構成されており、外ピンの外周面および外ローラの内周面のうち少なくとも一方に、軸方向粗さが周方向粗さ以下となるような加工が施されている。
本発明のさらに別の態様は、外歯歯車と、外歯歯車と軸方向に隣接して配置されるキャリア体と、外歯歯車と噛合する内歯歯車と、を備える遊星歯車減速機であり、外歯歯車とキャリア体は、互いに滑り接触する当接面を軸方向側面に有しており、外歯歯車の当接面とキャリア体の当接面の少なくとも一方に、径方向粗さが周方向粗さ以下となるような加工が施されている。
上記の態様によると、それぞれ外ピンと外ピン溝、内ピンと内ローラ、外ピンと外ローラ、遊星歯車とキャリア体の間での滑り接触による摩擦損失を低減して遊星歯車減速機の伝達効率を改善することができる。
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本発明によれば、動作時に滑り接触する部分の摩擦損失を低下させて、遊星歯車減速機の伝達効率を改善することができる。
本発明の一実施形態に係る減速機を中心軸を含む鉛直面で切断したときの断面図である。 図1のD−D線に沿った減速機の断面図である。 従来技術における内ピンの外周面と内ローラの内周面の加工目を表す模式図である。 従来技術における内ピン外周面の軸方向と周方向の表面粗さの測定結果を示す図である。 滑り接触の方向と加工目の向きの関係が摩擦係数に及ぼす影響を検証する実験の結果を示す図である。 本実施形態に係る内ピンの外周面と内ローラの内周面の加工目を表す模式図である。 外ローラを使用せず、外歯歯車の外歯が外ピンと直接噛合するように構成された減速機の断面図である。 図7のE−E線に沿った減速機の断面図である。 単純遊星歯車機構を用いた減速機の断面図である。
図1は、本発明の一実施形態に係る減速機10を中心軸を含む鉛直面で切断したときの断面図である。減速機10は、例えばフォークリフトの車輪駆動装置などに組み込まれて使用される。
減速機10は、偏心揺動噛合型と呼ばれる遊星歯車減速機の一種である。
図示しないモータの出力軸が、スプライン14を介して減速機10の入力軸16と連結されている。入力軸16は、後述する外歯歯車24、26の半径方向中央に配置されている。入力軸16には、入力軸16と軸心のずれた二つの偏心体18、20が一体に形成されている。二つの偏心体18、20は、互いに180度の位相差を有して偏心している。なお、偏心体18、20は、入力軸16と別体で構成された上で、キー等によって入力軸に固定されたものであってもよい。
各偏心体18、20の外周には、ころ軸受21、23を介して二枚の外歯歯車24、26が揺動可能に外嵌されている。外歯歯車24、26は、それぞれ内歯歯車28に内接噛合している。
内歯歯車28は、内歯を構成する円筒状の摺動促進部材である外ローラ(内歯ピンとも言う)28A、28Bと、外ローラ28A、28Bを貫通してこれを回転自在に保持する外ピン(保持ピンとも言う)28Cと、外ピン28Cを回転自在に支持するとともに、ケーシング30と一体化された内歯歯車本体28Dとで、主に構成されている。なお、外ピンは回転不能にケーシングに支持されてもよい。
内歯歯車28の内歯の歯数、すなわち外ローラ28A、28Bの数は、外歯歯車24、26の外歯の歯数よりも僅かに(この実施形態では1だけ)多い。
外歯歯車24、26の左側には車体フレーム(図示せず)に固定される第1キャリア体34が配置され、外歯歯車24、26の右側にはキャリアボルト36およびキャリアピン42を介して第1キャリア体34と一体化された第2キャリア体38が配置されている。第2キャリア体38には、内ピン40が一体に形成されている。
図2は、図1のD−D線に沿った減速機の断面図である。図示するように、外歯歯車24(図示しないが、外歯歯車26も同様)には、その軸心からオフセットされた位置に12個の同径の貫通孔が等間隔に形成されている。そのうち、120度の等間隔で配置された3つの孔にはキャリアピン42が挿通され、残りの9つの孔には内ピン40が挿通される。そのため、前者をキャリアピン孔24Bと呼び、後者を内ピン孔24Aと呼ぶが、その形状および半径方向位置に相違はない。外歯歯車24の外周には波形の歯が形成されており、この歯が内歯歯車28の外ローラ28A上を接触しつつ移動することで、中心軸を法線とする面内で外歯歯車24が揺動できるようになっている。図示しないが、外歯歯車24に対して180度の位相差がある点以外は外歯歯車26も同様である。
図1に戻り、内ピン40は、外歯歯車24、26に貫通形成された内ピン孔24A、26Aに隙間を有した状態で挿通され、その先端が第1キャリア体34の凹部34Aに嵌入されている。内ピン40は、外歯歯車24、26に形成された内ピン孔24A、26Aの一部と摺動促進部材としての内ローラ44を介して当接しており、外歯歯車24、26の自転を拘束しその揺動のみを許容している。
内ピン40は、凹部34Aに圧入されているだけであり、ボルト等による固定はなされていない。内ピンは、第1および第2キャリア体34、38と外歯歯車24、26との間の動力の伝達に寄与する連結部材であると言える。
キャリアピン42は、外歯歯車24、26に貫通形成されたキャリアピン孔24B、26Bに隙間を有した状態で挿通され、第1キャリア体34の端面に当接している。キャリアピン42と第1キャリア体34とは、キャリアボルト36によって締結されている。第1キャリア体34にはキャリアボルト36を挿通するための貫通孔34Cが形成されている。
キャリアピン42は、外歯歯車24、26のキャリアピン孔24B、26Bとは接しておらず、外歯歯車24、26の自転の拘束には寄与していない。キャリアピン42は、第1キャリア体34と第2キャリア体38の間の連結のみに寄与している連結部材であると言える。
減速機10のケーシング30は、一対の主軸受46、47を介して、車体フレームに固定された第1キャリア体34および第2キャリア体38に回転自在に支持されている。
第2キャリア体38の外周面に形成されたねじ穴にはベアリングナット56が螺合されており、第2キャリア体38とケーシング30と主軸受46、47とを組み付ける際に、ベアリングナット56の押し込み量を変更することで、主軸受46、47に与える与圧を調整することができる。
減速機10の入力部材たる入力軸16は、正面合わせで配置された一対のアンギュラ玉軸受52、54を介して、第1キャリア体34および第2キャリア体38に回転自在に支持されている。アンギュラ玉軸受52、54は、それぞれ転動体52A、54A、および外輪52B、54Bを有しているが、内輪は有していない。代わりに、入力軸16に転動面52C、54Cが形成されており、これらがアンギュラ玉軸受の内輪として機能している。
図1において外歯歯車24の左側に位置するアンギュラ玉軸受52は、第1キャリア体34の凹部34Dと入力軸16の転動面52Cとで軸方向の動きが拘束されている。外歯歯車26の右側に位置するアンギュラ玉軸受54は、第2キャリア体38の内周に形成された段部38Aと入力軸16の転動面54Cとで軸方向の動きが拘束されている。そのため、入力軸16は、第1キャリア体34および第2キャリア体38によって、軸方向の動きがいずれの方向に対しても拘束され、ガタなく軸方向に位置決めされる。
続いて、図示しないフォークリフトの車輪駆動装置に減速機10が組み込まれたときの作用を説明する。
図示しないモータの出力軸の回転が、スプライン14を介して減速機10の入力軸16に伝達される。入力軸16が回転すると、偏心体18、20の外周が偏心運動を行い、ころ軸受21、23を介して外歯歯車24、26が揺動する。この揺動により、外歯歯車24、26の外歯と内歯歯車28の外ローラ28A、28Bとの噛合位置が順次ずれてゆく現象が生じる。
外歯歯車24、26と内歯歯車28との歯数差は、1に設定されており、また、各外歯歯車24、26の自転は、第1キャリア体34に固定された内ピン40によって拘束されている。このため、入力軸16が一回回転する毎に、自転の拘束されている外歯歯車24、26に対して内歯歯車28が歯数差に相当する分だけ自転(回転)することになる。この結果、入力軸16の回転により、1/(内歯歯車の歯数)に減速された回転速度にて内歯歯車本体28Dと一体化されているケーシング30が回転する。ケーシング30の回転により、ケーシング30に固定される図示しないホイール部材を介してフォークリフトのタイヤが回転する。
続いて、減速機10を構成する内ピン40の外周面と内ローラ44の内周面との接触抵抗について説明する。
図3は、従来技術における内ピンの外周面と内ローラの内周面の加工目を表す模式図である。一般に、内ピンの外周面は円筒研削で加工されるため、円周方向の加工目が残る。また、内ローラの内周面はバニシングにより加工されるため、同じく円周方向の加工目が残る。内ピンは内ローラ内を滑り接触しながら回転運動するので、従来の加工方法では、加工目の向きが滑り方向と平行になる。
図4(a)、(b)は、従来技術における内ピン外周面の軸方向と周方向の表面粗さの測定結果である。軸方向の粗さの方が周方向の粗さよりもかなり大きい(軸方向粗さ>円周方向粗さ)ことが分かる。
この測定結果を受けて、本願発明者は、滑り接触の方向と加工目の向きとの関係が、摩擦係数にどの程度の影響を及ぼすかを検証する実験を行った。その結果を図5に示す。
この実験は、所定速度で回転するディスク上にボール112を載せ、ボール112に対して所定の荷重を与えてディスクとボール間の摩擦係数を測定する、ボールオンディスク試験である。まず、平面研削仕上げにより表面に平行な加工目が残されたディスク110を使用した。この場合、ボール112の滑り方向と加工目の向きとが平行になるとき(図中の(A))と直角になるとき(図中の(B))とで摩擦係数が異なる。(A)の場合の摩擦係数は0.21、(B)の場合の摩擦係数は0.12と測定された。この実験結果から、加工目の向きと滑り方向とが平行になると、接触面の摩擦係数が高くなることが分かった。これは、図3を用いて説明したように、内ピンの外周面と内ローラの内周面に残る加工目の向きと滑り方向の関係と同じである。
したがって、(B)のように、滑り接触の方向と加工目の向きとが直角になるように内ピンの外周面と内ローラの内周面を加工すれば、摩擦係数を低減することができる。しかしながら、内ローラの内径は非常に小さいうえ高い加工精度を要求されるため、その内周面に対して軸方向と平行な加工目を付けることは困難であることが分かった。
そこで、本願発明者は、接触面に方向性のない凹凸を付ければ摩擦係数を同様に低減できるのではないかと考え、検証を行った。図5(C)はその実験結果を示す。この実験では、ショットピーニング仕上げによって表面に方向性の無い凹凸が付いたディスク114を使用して、上記のボールオンディスク試験を行った。この場合の摩擦係数は0.13となり、(B)の場合と遜色のないことが確認された。ここで、「方向性の無い凹凸」とは、内ピンまたは内ローラに適用したとき、軸方向の粗さと周方向の粗さに差がない(軸方向粗さ=円周方向粗さ)状態のことを言う。
この実験結果を受けて、本実施形態では、内ピン40の外周面をショットピーニングで仕上げ方向性の無い凹凸を付けるとともに、内ローラ44の内周面を、ハッチング状の加工目が残るクロスハッチ加工で仕上げるようにした。図6にその模式図を示す。この結果、滑り方向と加工目の向きが平行にはならないため、従来よりも摩擦係数を下げることが可能になる。
なお、加工が可能であれば、滑り接触の方向と加工目の向きとが直角になるように内ピンの外周面と内ローラの内周面を加工してもよい。この場合、内ピンの外周面と内ローラの内周面の周方向の粗さの方が軸方向の粗さよりも大きくなる(軸方向粗さ<円周方向粗さ)ことは、当業者にとって明らかである。
滑り接触の方向と加工目の向きとが直角の場合、および方向性の無い凹凸を付ける場合の両方を包含することができる概念は、内ピンの外周および内ローラの内周の軸方向粗さが円周方向粗さ以下となる(軸方向粗さ≦円周方向粗さ)というものである。
以上説明したように、本実施形態によれば、偏心揺動噛合型の遊星歯車減速機を構成する内ピンの外周面と内ローラの内周面を、それぞれの軸方向粗さが円周方向粗さ以下となるような加工を施すようにした。これによって、内ピンの外周面と内ローラの内周面の間の滑り接触の摩擦抵抗を低下させて、減速機の伝達効率を改善することができる。
なお、上記では、内ピンの外周面と内ローラの内周面の両方に加工を施すことを述べたが、いずれか一方のみに加工を施した場合でも、従来技術よりは滑り接触の摩擦抵抗を低下させることができる。
また、内ピンの外周面と内ローラの内周面の加工方法は上記の組み合わせに限られず、軸方向粗さを周方向粗さ以下にすることができれば、任意の加工方法を採用することができる。
上記と同様の加工は、外ピン28Cの外周面と、外ローラ28A、28Bの内周面にも適用することができる。これによって、外ピンの外周面と外ローラの内周面の間の滑り接触の摩擦抵抗も低下するので、減速機の伝達効率をさらに高めることができる。なお、外ピンの外周面と外ローラの内周面のいずれか一方のみに、軸方向粗さを周方向粗さ以下にする加工を施してもよい。
以上、本発明の実施の形態について説明した。これらの実施の形態は例示であり、それらの各構成要素の組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
実施の形態では、外ピン28Cが外ローラ28A、28Bを貫通した状態で保持され、外歯歯車24、26の外歯が外ローラ28A、28Bに噛合することを述べた。しかしながら、外ローラを使用せず、外歯歯車の外歯が外ピンと直接噛合するように構成された偏心揺動噛合型の遊星歯車減速機も存在する。図7は、そのような構成の減速機200の中心軸を含む断面図であり、図8は、図7のE−E線に沿った減速機200の断面図を示す。
減速機200では、入力軸216が外歯歯車224、225、226の半径方向中央に配置されている。入力軸216には、入力軸216と軸心のずれた二つの偏心体218、219、220が一体に形成されている。3つの偏心体218、219、220は、互いに120度の位相差を有して偏心している。
各偏心体218、219、220の外周には、ころ軸受221、222、223を介して三枚の外歯歯車224、225、226が揺動可能に外嵌されている。外歯歯車224、225、226は、それぞれ内歯歯車228に内接噛合している。
内歯歯車228は、ハウジング230に形成された半円形の外ピン溝230Aと、外ピン溝230Aに回転自在に支持される円柱状の外ピン228Aとで構成される。
キャリア体238と一体に形成された内ピン240は、外歯歯車224、225、226に貫通形成された内ピン孔に隙間を有した状態で挿通されている。
そして、外ピン228Aの外周面をショットピーニングで仕上げ方向性の無い凹凸を付けるとともに、外ピン溝230Aの内面を、ハッチング状の加工目が残るクロスハッチ加工で仕上げるようにした。この結果、滑り方向と加工目の向きが平行にはならないため、外ピンの外周面と外ピン溝の内周面の間の滑り接触の摩擦係数を従来よりも低減することができる。
偏心揺動型の遊星歯車減速機以外に、単純な遊星歯車機構を用いた減速機に対しても本発明を適用することができる。
図9は、単純遊星歯車機構を用いた減速機300の断面図を示す。中心軸302の外周に太陽歯車304が形成されている。外歯歯車(遊星歯車とも言う)306は、シャフト310によって、外歯歯車306と軸方向に隣接して配置されたキャリア体312に対して回転自在に支持されている。内歯歯車308は、左右のハウジング320、322の間に挟まれ、ボルト324によって固定されている。外歯歯車306は、太陽歯車304に外接噛合するとともに、内歯歯車308と内接噛合する。
外歯歯車306のキャリア体側の軸方向側面上の当接面306A(図中に太線で示す)は、キャリア体312の外歯歯車側の軸方向側面上の当接面312A(図中に太線で示す)と滑り接触しながら回転するように構成されている。
そして、外歯歯車306の当接面306Aと、キャリア体312の当接面312Aの少なくとも一方がショットピーニングで仕上げられており、その結果当接面に方向性の無い微細な凹凸が形成されている。したがって、外歯歯車とキャリア体との滑り接触の摩擦係数を、他の手法により当接面が仕上げられた場合よりも小さくすることができる。
なお、外歯歯車の当接面とキャリア体の当接面の加工方法は上記の組み合わせに限られず、径方向粗さを周方向粗さ以下にすることができれば、任意の加工方法を採用することができる。
偏心揺動型の遊星歯車減速機でも、外歯歯車のキャリア体側の軸方向側面上の当接面と、キャリア体の外歯歯車側の軸方向側面上の当接面とが滑り接触しながら回転するように構成される場合がある。この場合も、外歯歯車の当接面とキャリア体の当接面の少なくとも一方を、径方向粗さが周方向粗さ以下になるように仕上げることで、外歯歯車とキャリア体との滑り接触の摩擦係数を従来よりも低減することができる。
実施の形態では、入力軸と出力軸が同軸である減速機を例にして説明したが、多軸または多段の減速機構であって本発明を適用することができる。
実施の形態では、入力軸(偏心体軸)が内歯歯車の中心に配置されるタイプの偏心揺動噛合型の遊星歯車減速機を例に説明した。しかしながら、このタイプの減速機に限らず、例えば、内歯歯車の中心からオフセットした位置に複数本の偏心体軸が配置される振り分け型の遊星歯車減速機にも本発明を適用することができる。
10 減速機、 24 外歯歯車、 24A 内ピン孔、 26 外歯歯車、 28 内歯歯車、 28A 外ローラ、 28C 外ピン、 40 内ピン、 44 内ローラ、 200 減速機、 224 外歯歯車、 228 内歯歯車、 228A 外ピン、 230A 外ピン溝、 240 内ピン、 300 減速機。

Claims (7)

  1. 偏心体の外周に揺動可能に外嵌された外歯歯車と、
    前記外歯歯車と内接噛合する内歯歯車と、
    前記内歯歯車と一体化されたハウジングと、を備える偏心揺動型の遊星歯車減速機であって、
    前記内歯歯車の内歯は、前記ハウジングの内周に形成された外ピン溝と、該外ピン溝によって回転自在に支持された外ピンとで構成されており、
    前記外ピンの外周面および前記外ピン溝の内面のうち少なくとも一方に、軸方向粗さが周方向粗さ以下となるような加工が施されていることを特徴とする遊星歯車減速機。
  2. 偏心体の外周に揺動可能に外嵌された外歯歯車と、
    前記外歯歯車と内接噛合する内歯歯車と、
    前記外歯歯車に貫通形成された内ピン孔に遊嵌された内ローラと、
    前記内ローラに内嵌された内ピンと、を備える偏心揺動型の遊星歯車減速機であって、
    前記内ピンの外周面および前記内ローラの内周面のうち少なくとも一方に、軸方向粗さが周方向粗さ以下となるような加工が施されていることを特徴とする遊星歯車減速機。
  3. 偏心体の外周に揺動可能に外嵌された外歯歯車と、
    前記外歯歯車と内接噛合する内歯歯車と、を備える偏心揺動型の遊星歯車減速機であって、
    前記内歯歯車は、円筒状の外ローラと、該外ローラに内嵌された外ピンと、該外ピンを支持するケーシングと、で内歯が構成されており、
    前記外ピンの外周面および前記外ローラの内周面のうち少なくとも一方に、軸方向粗さが周方向粗さ以下となるような加工が施されていることを特徴とする遊星歯車減速機。
  4. 外歯歯車と、該外歯歯車と軸方向に隣接して配置されるキャリア体と、前記外歯歯車と噛合する内歯歯車と、を備える遊星歯車減速機であって、
    前記外歯歯車と前記キャリア体は、互いに滑り接触する当接面を軸方向側面に有しており、
    前記外歯歯車の当接面と前記キャリア体の当接面の少なくとも一方に、径方向粗さが周方向粗さ以下となるような加工が施されていることを特徴とする遊星歯車減速機。
  5. 前記外ピンの外周面および前記外ピン溝の内面のうち少なくとも一方に、方向性を有しない微細な凹凸が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の遊星歯車減速機。
  6. 前記内ピンの外周面に方向性を有しない微細な凹凸が形成されており、前記内ローラの内周面にクロスハッチング状の筋目が形成されていることを特徴とする請求項2に記載の遊星歯車減速機。
  7. 前記外ピンの外周面に方向性を有しない微細な凹凸が形成されており、前記外ローラの内周面にクロスハッチング状の筋目が形成されていることを特徴とする請求項3に記載の遊星歯車減速機。
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