JP2013242042A - トランスミッション - Google Patents

Abstract

【課題】高出力密度を有し、高いねじり剛性を有し、低摩耗で高い弾力を有するトランスミッション、及びそのようなトランスミッションを製造する製造方法を提供する。
【解決手段】本発明に係るトランスミッションは、同軸トランスミッション又は直線的トランスミッションであって、歯部５と、複数の歯状セグメント７１〜７３を歯部５に噛み合わせるように収容し、歯状セグメント７１〜７３を径方向に移動可能に支持するホルダー１１と、歯状セグメント７１〜７３を径方向に駆動させるプロファイル２２を有する駆動要素２０とを備え、初期内部応力を有することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、請求項１に係るトランスミッションと、従属項に係るトランスミッションの製造方法又は動作方法に関する。

従来より、歯状セグメントを備えるトランスミッションが知られており、歯状セグメントは径方向に移動可能なようにホルダーに取り付けられる。歯状セグメントを駆動するために、プロファイルを有する駆動要素、例えば、カムディスクが用いられる。歯状セグメントの歯は、歯部と噛み合う。このため、歯状セグメントが取り付けられたホルダーと、歯部との間の相対運動が起こる。歯部と歯状セグメントとの間の相対運動は、プロファイルを有する駆動要素の運動より少なくとも１桁小さい。高いトランスミッションレートを得ることができるトランスミッションとして、ドイツ特許出願公開第１０２００７０１１１７５号公報に記載されたトランスミッションを例示できる。

このようなトランスミッションは、非常に高いねじり剛性を有するが、負荷が変化することでねじり遊びが生じる。しかしながら、高精度の装置では、広範囲の負荷に対して高精度に位置調整するために、高いねじり剛性を有し、ねじり遊びがないことが必要とされる。

ドイツ特許出願公開第１０２００７０１１１７５号公報

本発明は、従来より知られたトランスミッションに対して、特に高精度の位置調整の観点から、デメリットを解消又は少なくとも減少させたトランスミッションを提供することを目的とする。望ましくは、高出力密度を有し、高いねじり剛性を有し、全体として低摩耗で高い弾力を有するトランスミッションである。さらに、そのようなトランスミッションを製造する製造方法を提供することを目的とする。

斯かる目的は、請求項１に係るトランスミッションや従属項に係るトランスミッションの製造方法により達成される。有利な実施形態は、従属項や本明細書中に見出される。

本発明の実施形態は、特に、同軸トランスミッションに関する。基本的に、本発明に係るトランスミッションは、駆動要素としてプロファイルを有する内部カムディスクと、内部歯部を有するリングギアとを備える。又は、内部プロファイルを有する外部駆動要素と、内部ギアホイールとを備える。又は、外部駆動要素がある場合には、歯部が設けられたギアラックを備える。実施形態の構成は、回転駆動を直線運動に変換する直線的トランスミッションに関する。本発明に係るトランスミッションは、初期内部応力とも称される内部応力を有する。通常、トランスミッションが停止状態で、トランスミッションの個々の構成に互いに応力がかかっていることを意味する。これにより、トランスミッションの最小化、すなわち、トランスミッション内の遊びを無くすことができる。

典型的な実施形態では、歯部は、円周歯である。また、典型的な実施形態では、歯状セグメントの歯又は先端部は、歯部と噛み合っており、歯状セグメントは、ホルダーに対して径方向に直線的に移動可能なように取り付けられている。「径方向に直線的に」とは、歯状セグメントが径方向にのみ移動可能に案内されることを意味する。典型的な実施形態では、歯状セグメントは、その案内によってまさに一方向に直線的に移動可能である。例えば、歯状セグメントの移動方向でのある断面において、ホルダーが歯状セグメント用の開口部を有していてもよい。基本的に、歯状セグメントは、まさに一方向に移動可能なようにホルダー内に支持される。さらに、典型的な実施形態では、ホルダーに対する歯状セグメントの回転自由度がトランスミッションの長軸回りに阻止されている。例えば、ホルダー内で径方向に直線的に歯状セグメントを案内する手段により実現される。結果として、歯状セグメントは、ホルダーと共にトランスミッションの長軸回りに回転するが、ホルダーに対して回転するものではない。

本発明に係るトランスミッションの典型的な実施形態では、少なくとも歯状セグメントの一部が剛性を有するように設計されている。「剛性」とは、技術的に理解されることであり、すなわち、歯状セグメントの材質の剛性に起因して歯状セグメントの曲げが小さくなることである。

剛性を有する歯状セグメントは、金属合金、特に、合金鋼、すなわち、チタン合金、ニッケル合金、その他合金により形成される歯状セグメントからなる。さらに、剛性を有する歯状セグメントは、プラスチックから形成されていてもよく、特に、トランスミッションの場合には、少なくとも以下の部品（リングギア又はギアホイールの歯、ホルダー、駆動要素）のひとつはプラスチックから形成されていてもよい。

本発明の典型的な実施形態では、ホルダーと歯状セグメントとが金属合金から形成されている。好ましくは、歯部と駆動要素とが金属合金から形成されている。そのようなトランスミッションの利点は、大きなねじり剛性を有し、高い弾性を有することである。プラスチックから形成されるトランスミッションは、軽量になるという利点を有する。「剛性」とは、特に、歯状セグメントの横軸についての曲げ剛性を意味する。つまり、歯状セグメントを歯状セグメントの基部から先端部に延びる線と見た場合に、基部と先端部との間で実質的に曲げ変形を防止するような曲げ剛性が存在することを意味する。曲げ剛性により、トランスミッションの高い弾性やねじり剛性を得ることができる。

典型的な実施形態では、フットジョイント（foot joint）が歯状セグメントとプロファイルとの間に配置される。有利な実施形態では、プロファイルを有する駆動要素と少なくともひとつの歯状セグメントとの間のそれぞれに配置される枢動セグメントを備える。枢動セグメントは、フットジョイントを形成するために用いることができる。フットジョイントにより、歯状セグメントがプロファイルに対して、又は、枢動セグメントに対して傾斜可能である。典型的な実施形態では、歯状セグメントは、枢動セグメントに緩接続されている。ここで、「緩接続」とは、歯状セグメントが枢動セグメント上に配置されるだけであり、直接的に配置されていることを意味する。好ましい枢動セグメントは、歯状セグメントが枢動セグメント上で滑ることを防止するような輪郭を有する。又は、枢動セグメントが少なくともある方向に滑ることを防止するような輪郭を有する。よって、枢動セグメントがホルダーに対して周方向に位置するように保持されて、径方向に直線的に歯状セグメントが案内される。そのようなプロファイルは、例えば、凹部に嵌合するビードとすることができる。これにより、歯状セグメントが枢動セグメント上を滑ることがない。従って、枢動セグメントが歯の位置に固定され、その結果、歯状セグメントと枢動セグメントとの間で周方向に相対運動しなくなる。好ましくは、枢動セグメントの輪郭は、周方向に移動することを阻止するように形成されるため、周方向に滑ることを防止する。しかしながら、他の実施形態では、枢動セグメントが歯状セグメントに対して滑ることを防止するように球状のキャップ形状、ボール状、その他の複数の凸部（elevations）がプロファイルに設けられていてもよい。

典型的な実施形態では、枢動セグメントは、セグメント化されたベアリングとすることができる。典型的な実施形態では、枢動セグメント又は板状の他のベアリングのセグメントは、セグメント化ベアリングを形成する。セグメント化ベアリングによれば、駆動要素のプロファイルに適用可能であり、径方向に信頼性のある力の伝達が可能である利点を有する。枢動セグメントと駆動要素との間の相対運動からの摩擦を低減するために、摩擦軸受やころ軸受のような、特に、典型的な実施形態で用いることができる針状ころ軸受や玉軸受のようなベアリングを設けることができる。好ましくは、枢動セグメントは、凸部と凹部とが互いに対向するエッジを有し、例えば、そのエッジは、波状やジグザグ状の形状とされる。これにより、枢動セグメント間に大きな距離があったとしても、枢動セグメントの下に配置される針状ころが枢動セグメントと駆動要素との間の空間で確実に保持されることが可能であるという利点を有する。

歯状セグメントと枢動セグメントとが緩接続されることにより、容易に組み立てることができるという利点を有する。この場合に、「緩接続」とは、特に、歯状セグメントが、枢動セグメントから離間して持ち上げられることを防止しないことを意味する。汎用のトランスミッションでは、歯状セグメントの歯の先端が歯部によって案内されることで、一般に、歯状セグメントは枢動セグメントから離間して持ち上げられることを防止する。

本発明の典型的な実施形態は、プロファイルを有する駆動要素を備える。好ましくは、プロファイルは、非円形状又は非楕円形状の弧の輪郭又は湾曲を有する。非円形状又は非楕円形状の弧の輪郭により、例えば、異なるトランスミッションレートを実現するために任意のプロファイルを用いることができるという利点を有する。この実施形態によれば、たとえ円形状が存在していたとしても、中心軸でなく回転軸のみが偏心器とともに円形状に相当するので、偏心器も円形状又は楕円形状を含む。典型的な実施形態では、ホルダー又は歯部は、円形状に設計されている。このため、ホルダーや歯部の形状が簡単であるという利点を有する。典型的な実施形態では、歯部とホルダーとの間で力がトランスミッションの遅い側（slow side）に伝達される。このため、力を伝達するための経路が極めて短くなるという利点を有し、その結果、非常に高い剛性をもたらす。これらの条件を満足する実施形態は、包括的な実施形態、つまり、駆動用としての内部カムディスクと歯部を有する外部のリングギアとを具備するトランスミッションであって、ホルダーがリングギアとカムディスクとの間に配置され、リングギアに歯部の中心に向かって径方向に移動する歯状セグメントを駆動する外部プロファイルを備える。本発明に係る初期内部応力に関連して、本実施形態は、上述した駆動力を伝達するための力の経路が極めて短いという効果を奏するが、初期内部応力が少なくとも２つの歯の領域にわたるため、初期内部応力が複数の要素と長い距離に亘って伝達される。その結果、初期内部応力に起因する大幅な損失なしに力を伝達するための高い剛性を得ることができる。

そのような実施形態では、通常、トランスミッションが停止状態にあるとき、少なくとも２つの歯状セグメント、すなわち、歯状セグメントの少なくとも２つのサブグループが歯部の一方のフランク面と噛み合う。典型的な実施形態では、少なくとも２つの歯状セグメント、すなわち、歯状セグメントの少なくとも２つのサブグループが、いずれの場合も異なる歯部のフランク面と噛み合う。ここでは、「異なる」とは、例えば、第１のサブグループが第１の回転方向にあるフランク面と噛み合い、第２のサブグループが第１の回転方向と反対の第２の回転方向にあるフランク面と噛み合うことを意味する。その結果、初期内部応力は、２つのサブグループの間に、すなわち、２つの歯状セグメントの間に蓄積する。

本発明に係る典型的な実施形態では、歯部に駆動される第１の歯状セグメントの前方のフランク面のみが歯部の各フランク面と噛み合い、歯部に駆動される第２の歯状セグメントの後方のフランク面のみが歯部の各フランク面と噛み合う。「前方」及び「後方」とは、通常、これらの２つのフランク面が、伝達負荷の異なる方向、すなわち、周方向での異なる方向に相当するという意味であるとして理解される。よって、「前方」及び「後方」とは、ランダムに選択された周方向に対応する。第１の歯状セグメントは歯状セグメントの第１のサブグループともすることができ、第２の歯状セグメントは、歯状セグメントの第２のサブグループともすることができる。典型的な実施形態では、同様のフランク面を有する２以上の隣り合う歯状セグメントは、対応する歯部のフランク面と噛み合う。典型的な実施形態では、トランスミッションが停止状態であるとき、第１の歯状セグメント、すなわち、歯状セグメントの第１のサブグループは、第２の歯状セグメント、すなわち、歯状セグメントの第２のサブグループから初期内部応力を受ける。第１の歯状セグメントと第２の歯状セグメントとの間に、少なくとももうひとつの歯状セグメントがあり、そのいずれのフランク面も歯部のフランク面と噛み合わないことが好ましい。さらに、このもうひとつの歯状セグメントが、通常、径方向に遊びを有するように、歯状セグメント、歯部、枢動セグメント又はリングギアの形状が選定されることが好ましい。その結果、摩擦損失を低減する。通常、この中間に配置されたもうひとつの歯状セグメントは、カムディスクの輪郭における最大半径、すなわち、最大外径の位置にある。第１の歯状セグメントと第２の歯状セグメントとの間の少なくとも１つの歯状セグメントの歯の先端は、典型的な実施形態では、歯部の基部に相当する湾曲に位置する。ここで、「第１の歯状セグメントと第２の歯状セグメントとの間」とは、第１の歯状セグメントと第２の歯状セグメントとのより短い周方向での間を意味する。カムディスクの最小輪郭に位置する歯状セグメントはフランク面と噛み合わない。このことは、トランスミッションの回転中に当てはまり、停止状態では、もうひとつの歯状セグメントは前述した位置にある。

典型的な実施形態では、オーバーサイズを行うことによって初期内部応力を発生させることができる。オーバーサイズとは、駆動要素、出力要素、枢動セグメント、複数か全ての歯状セグメント、又は、歯部の寸法を大きくすることである。調和をとって複数の構成要素の寸法を大きくすることも可能である。典型的な実施形態では、公差の繋がり（chain）又はオーバーサイズの繋がりは、所望されたオーバーサイズの寸法となる。

典型的な実施形態では、歯部と歯状セグメントの歯とは、湾曲したフランク面を有する。フランク面の湾曲としては、円筒形状の湾曲、又は、対数螺旋形状の湾曲を例示できる。ドイツ特許出願公開第１０２００７０１１１７５号公報に、対数螺旋形状に形成された湾曲の一実施形態が提案されている。この曲面により、噛み合うフランク面が、線や点だけでなく、表面に対して位置するという利点を有する。その結果、歯部と歯状セグメントとの間に力が伝達されるときに、高い剛性が得られる。

オーバーサイズを行う寸法は、歯部の直径、すなわち、歯部の内径より、好ましくは０．０００１％以上、より好ましくは０．０００５％以上、さらに好ましくは０．００１％以上の寸法とされる。また、典型的な実施形態では、オーバーサイズを行う寸法は、歯部の直径、すなわち、歯部の内径より、０．２％以下、好ましくは０．０５％以下、より好ましくは０．０１％以下の寸法とされる。その設計からトランスミッションの高い剛性が得られることで、弾性要素をなくすことが可能であり、オーバーサイズを行うわずかな量だけで、例えば、トランスミッションの定格トルクの少なくとも１０％、少なくとも２０％、少なくとも５０％、又は、最大１００％の初期内部応力を得るのに十分である。典型的な実施形態では、ばね要素がない、すなわち、弾性要素がない。典型的な実施形態では、「ばね要素なし」又は「弾性要素なし」とは、トランスミッション、又は、トランスミッションにより伝達される力の経路、例えば、歯部から歯状セグメント、ホルダーを経由して力を出力する構成、すなわち、スラスト軸受に関連する。これにより、高い剛性を得ることができる。本発明に係る実施形態によれば、ばね要素等を必要とせず、極めてわずかにオーバーサイズを行うことで初期内部応力を得ることができるという特有の効果を奏する。その結果、高い剛性で、遊びがなく、低摩耗であることが達成される。典型的な実施形態では、初期内部応力は、トランスミッションの定格負荷の最大５０％、又は最小５０％である。「定格負荷」とは、典型的な実施形態では、トランスミッションにより連続的に伝達可能なトルク、すなわち、直線的トランスミッションが連続的に伝達可能な駆動トルクを意味する。また、典型的な実施形態では、トランスミッションの定格負荷の少なくとも８０％、又は、少なくとも１００％に相当する初期内部応力を有する。その結果、トランスミッションの負荷範囲全体で遊びがないことが達成される。

トランスミッションを製造するための方法及び実施形態では、オーバーサイズにより大きくする寸法は、剛性と所望する初期内部応力との関数として得られる。典型的な実施形態の特別な特徴は、トランスミッションの全ての要素が、駆動、すなわち、力の伝達を促進するための剛性を有するように設計されおり、歯状セグメントを含むこれらの剛性を有するように設計された要素が、非常に静的で（hyperstatic）、予め応力が存在するシステムをもたらす。これは、制約状態（constrained states）を回避するために、初期内部応力と共に多数の静的冗長性（static redundancies）を回避するトランスミッションに関する既存の教示とは対照的である。

セグメント化されたベアリングと湾曲したフランク面の輪郭との組み合わせは、例えば対数螺旋形状で、予め応力が存在するトランスミッションにおいて特に高いトルクを伝達するのに有用であることが証明されている。典型的な実施形態では、枢動セグメント、又は、歯状セグメントのフットジョイントが、それぞれ周方向に相対的に移動する。これにより、歯状セグメントが枢動セグメントにより強制的に案内されない。その結果、初期内部応力と共に過度の拘束力（excessive constraining forces）が回避される。

本発明によれば、遊びのないトランスミッションを設計することができ、非常に高い剛性を有するという効果を奏する。歯状セグメントが、リングギア、ギアホイール又はギアラックの歯部に対して両フランク面で噛み合わないことで、初期内部応力がトランスミッションの問題とならない。その結果、他の従来のトランスミッションとは対照的に、制約状態が効果的に回避される。本発明に係るトランスミッションの実施形態によれば、特に、中空設計された駆動要素として外部カムディスク又は内部カムディスクを有することができるという特有の効果を奏する。拘束パラメータ（constraining parameters）は、拘束力を減少するために中空シャフトとしてカムディスクを設計することにより補正することができる。対照的に、歯部による力の伝達は、非常に短く、トランスミッションは、高い伝達剛性をもたらすホルダーに歯状セグメントを横切る方向に剛性を有する。また、適度な、又は、大きな外部負荷が初期内部応力を超えるように初期内部応力を選定することができるという効果を奏する。その結果、外部負荷が初期内部応力よりも大きくなるときに、同じ方向に対向する歯状セグメントのフランク面のみが歯部に噛み合い、これにより高負荷での摩耗を低減し、同時に低負荷でのねじり遊びを排除することができる。本発明によれば、エネルギー効率と費用対効果を高めるために、所定の動作点によって任意の適用先に調整することができる。

図１は、本発明の第1の実施形態の概略断面図である。 図２は、本発明の他の実施形態の概略断面図である。 図３は、本発明の方法の実施形態の概略フローチャートである。 図４は、本発明の実施形態の概略側面図である。 図５は、図４に示す実施形態の断面図である。

以下、本発明の典型的な実施形態について、図面を参照しながら説明する。本発明は、以下に述べる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲は特許請求の範囲によって定められる。本実施形態では、異なる図であっても特定の状況においては、同一の要素又は近似した要素に対して、同一の参照符号が使用される。また、異なる実施形態に対しても、説明をより理解し易くするために、同一の参照符号が使用される。しかし、これは本発明の対応する要素がその実施形態に記載された例に限定されることを意味するものではない。

図１は、本発明の一実施形態を概略的に説明する側面図である。図１は、内周に歯部(toothing)５を具備するリングギア３を備えたトランスミッション１の断面図を示す。歯状セグメント（tooth segments）７は、歯部５に噛み合う。図面を明瞭にするため、図１に示された全ての歯状セグメント７に、参照符号７を付しているわけではない。歯状セグメント７は、径方向に移動可能なようにホルダー１１ (tooth holder)内で支持されている。ホルダー１１は、ホルダー１１において歯状セグメント７を径方向に案内するため、径方向に配列され、チャンネル状に丸い（channel-like round）、又は、溝が設けられた開口部１５を有する。開口部１５における径方向の案内により、歯状セグメント７は径方向のみに移動可能であり、長軸周りには回転不可能である。

歯状セグメント７は、中空のカムディスクとして設計されている駆動要素２０によって駆動される。駆動要素２０は、歯状セグメント７を径方向に駆動させるためのプロファイル（profiling）２２を有する。プロファイル２２は、対向する歯状セグメント７が最も延びたときに歯部５の隙間(tooth gap)に到達するように、外周に亘る２つの凸部（elevations）を備えた輪郭を有する。

歯状セグメント７は、ホルダー１１による案内によって、駆動要素２０とリングギア３の歯部５との間でクランプされるように設計されている。これは、歯状セグメント７が歯部５の直径の０．０１％分だけ寸法が大きいことによって生じる。従って、歯状セグメント７は、初期内部応力の条件下では、トランスミッション１内に収容されるのに十分な長さを有するように設計されている。これにより、トランスミッション１内には、初期内部応力が発生する。

図１に記載のトランスミッションにおける歯状セグメント７は、滑り軸受によって、駆動要素２０のプロファイル２２上に配置される。このように、歯状セグメントは、駆動要素のプロファイル上に緩接続すれば十分である。ホルダー内で歯状セグメントは径方向に直線的に案内され、さらに、歯部のフランク面（flanks）に案内されるからである。一般的に、歯状セグメントが固定されることなく、歯状セグメントの基部を移動可能とするこの種のベアリングは、本願において、ルーズベアリング（loose bearing）と称する。このようにして、歯状セグメントの基部は、強制的に径方向にのみ案内される。歯状セグメントが歯部によって駆動要素のプロファイルに押圧されなければ、歯状セグメントが駆動要素のプロファイルから離間できるということが、ルーズベアリングの特徴である。このルーズベアリングによれば、非常に単純な設計が可能である。また、それと同時に、歯状セグメントの基部が周方向に強制的に案内されないので、駆動要素のプロファイルの領域における不必要な初期内部応力の発生を回避することが可能である。

図１に示す実施形態の歯状セグメントは、オーバーサイズされて大きめの寸法で取り付けられている。しかしながら、歯部、駆動要素又はトランスミッションの他の構成要素にオーバーサイズを行って大きめの寸法で取り付けることにより初期内部応力を発生させることも可能である。初期内部応力とは、トランスミッションが停止状態であるとき、すなわち外部駆動又は外部負荷がトランスミッションに作用していない状態のときに存在する初期応力を意味する。

図１の実施形態において、駆動要素は内側に配置されており、歯部は外側に配置されている。このような配置により、歯部を具備するリングギアにおいて又はホルダーにおいて、出力が引き出され（tapped）、いずれの場合も、他の要素は固定されることが特徴である。他の実施形態においては、駆動要素は外側、すなわちホルダーの外側に配置され、歯部は、内側に配置される。内側に配置された歯部から又はホルダーから出力を引き出すことも可能である。開口部を有するホルダーを歯状ケージ（tooth cage）と呼ぶことが可能である。歯状ケージにおいて、歯状セグメントは、移動可能に収容され、径方向に直線的に案内される。

図２は、本発明の他の実施形態に係るトランスミッション１（同軸トランスミッション）の断面図を示す。図２に示す実施形態において、歯状セグメント７１〜７３は、セグメント化されたベアリングで支持されている。図面をより明瞭にするために、図２においては、トランスミッション１における全ての歯に参照符号を付しているのではなく、いくつかの要素に参照符号を付している。セグメント化ベアリングは、複数の枢動セグメント２４を備える。各枢動セグメント２４は、歯状セグメント７１〜７３のビード２６が嵌合する凹部を具備する。枢動セグメント２４は、歯状セグメント７１〜７３のそれぞれに対して設けられている。好ましくは、歯状セグメント７１〜７３は、少なくとも２つの歯を備える。これらの歯は、安定性を増加させるために、軸方向に隣接して配置される。各ビード２６は、歯状セグメント７１〜７３のためのフットジョイント（foot joint）を形成する。これにより、歯状セグメント７１〜７３は、枢動セグメント２４に対して傾斜可能となり、強制的に案内されないことになる。

枢動セグメント２４は、周方向に互いに移動可能である。従って、枢動セグメント２４間の距離は変更可能である。このように、枢動セグメント２４の周方向についての自由度も制限されない。このため、駆動要素２０のプロファイル２２を使用することで、枢動セグメント２４はそれぞれ移動可能になり、それぞれ径方向の駆動が可能になる。針状ころ (needle rollers)２８は、プロファイル２２と枢動セグメント２４との間の摩擦抵抗が最小となるように設けられている。他の実施形態においては、ボール又は他のローラーベアリング(roller bearing)が枢動セグメントを支持するために設けられる。

典型的な実施形態では、枢動セグメント２４は、周方向について、波状又はジグザグ状の形状であるエッジを有する。これにより、各枢動セグメント２４間がかなり離れている場合であっても、針状ころ２８はベアリングの隙間内に保持される。

歯部５は、対数螺旋形状のフランク面(toothing flank)を有する。これは、好ましくは、少なくともフランク面の一部が対数螺旋形状であることを意味する。同様に、典型的な実施形態では、歯状セグメント７１〜７３のフランク面も対応する形状、すなわち対数螺旋形状を有する。また、これにより、歯部５の表面と歯状セグメント７１〜７３の表面とが、噛み合うときに接触可能となる。図２に示す歯状セグメント７１〜７３は、複数のグループに分類できる。第１の歯状セグメント７１の第１のグループは、時計回りの方向に位置するフランク面によって歯部５に常に噛み合う。第２の歯状セグメント７２の第２のグループは、時計回りの方向に位置するフランク面と反対側のフランク面によって歯部５に常に噛み合う。これら２つの歯状セグメント７１、７２のグループの中間に存在するのが、中間の歯状セグメント７３である。歯状セグメント７３は、プロファイル２２が最も外径が大きく変形している位置に存在する。

この歯状セグメント７３のいずれのフランク面も、歯部５と噛み合わず、歯状セグメント７３の先端のみが噛み合う。歯状セグメント７３の先端は、歯部５の対応する隙間の対応する基部に接触する。第１の歯状セグメント７１の第１のグループと第２の歯状セグメント７２の第２のグループとの間に初期内部応力が蓄積している一方、歯状セグメント７１、７２を横切るリングギア３からホルダー１１までの短い経路で力が伝達されるため、トルクの伝達に対する高い剛性が実現されるが、初期内部応力に対する剛性は比較的低い。歯状セグメント７１、７２、７３は、図２に示すトランスミッション１の他の構成要素と同様に、剛性を有し、鋼製である。異なる鋼種や、チタン合金やニッケル合金などの異なる合金を使用することも可能である。さらに、プラスチック製のトランスミッションは、典型的な実施形態である。

図３は、本発明の典型的な方法を示す。この方法では、まず最初に、ステップ１００において、トランスミッションの剛性が決定される。トランスミッションとしては、例えば図１や図２に対応するトランスミッションや、又は本発明に係る上記の典型的な実施形態の一つに記載した他のトランスミッションを例示できる。このようなトランスミッションは、任意の初期内部応力で構成可能であり、剛性は試験台で決定可能である。剛性を決定する他の方法としては、例えば、有限要素法を用いた計算が挙げられる。次のステップ１１０において、トランスミッションに対して所望される初期内部応力が選定される。

所望される初期内部応力は、適用先を分析し、更に適用先が必要とする剛性を分析することにより決定できる。他の可能性として、トランスミッションの使用者や顧客によって指定される要求事項に応じて決定される場合もある。「初期応力」の語句は、力とトルクの両方であると一般的に理解されるであろう。例えば、ステップ１１０において、初期内部応力をトランスミッションの定格負荷の２０％に指定することが可能である。他の例として、５０％や７０％に指定することも可能である。他の初期内部応力も選定可能である。

トランスミッションの相対運動学は、ステップ１２０において決定される。この場合、歯状セグメントの径方向の移動、すなわち、歯状セグメントの拡張と、その結果もたらされるトランスミッションの回転との関係が重要である。この関係は、特に歯部の圧力角によって決定される。典型的な実施形態において、少なくとも歯状セグメントと歯部との間で、圧力角は、実質的に一定のままであり、通常は２０°〜５０°、典型的な実施形態では２５°〜４０°の値を示す。一定の圧力角によって、所望される初期内部応力を得るための寸法（オーバーサイズを行う寸法）を容易に決定可能である。典型的な実施形態では、相対運動学は、解析幾何モデル（analytical geometric model）によって決定されるが、固体シミュレーション（solid body simulation）によっても決定され得る。典型的な実施形態では、歯状セグメントと歯部との間の相対運動学は、特に重要である。これにより、ホルダー内における歯の径方向の移動と、トランスミッションの出力側の回転との関係が、特定の角度によって決定されるからである。直線的トランスミッション(linear transmission)においては、ギアラック等の直線的な移動に対する歯状セグメントの直線的な移動の関係が同様にして決定される。ステップ１３０において、このようにして計算される数値と所望される初期内部応力とによって、歯状セグメントの寸法（オーバーサイズを行う寸法）が決定される。一般的に、トランスミッションの構成要素のいずれか一つの寸法（オーバーサイズを行う寸法）又は構成要素の一つのグループの寸法（オーバーサイズを行う寸法）を決定すれば十分である。オーバーサイズを行うものとしては、例えば、駆動要素、枢動セグメント、針状ころ（利用する場合）、歯状セグメント、歯部又はリングギアを例示できる。さらに、他の構成を有するトランスミッションにおいては、初期内部応力を高めるために、他の構成要素にオーバーサイズを行って大きめの寸法にすることが可能である。歯状セグメント又は枢動セグメントに関しては、上記のステップ１００からステップ１２０において計算された数値を使用することで、歯状セグメントの対応する拡張、すなわち、対応する寸法（オーバーサイズを行う寸法）が設定される。これは、相対運動学に関連する特定の回転角に対応し、剛性図（rigidity diagram）から導かれるこの回転角は、予め選定された初期内部応力にも対応する必要がある。

このように、ステップ１３０において、オーバーサイズを行う寸法が決定される。最後に、ステップ１４０において、歯状セグメントに対応する寸法が選定され、さらにトランスミッションの組立品に対応する歯状セグメントが選定される。他の典型的なオプションとして、特定の寸法（オーバーサイズを行う寸法）に調整するために、カムディスクのプロファイルを研磨することが挙げられる。この場合、特定の寸法に調整することが容易である。製造方法の実施形態において、典型的な実施形態では、個々の構成要素の公差を検討する必要がある。公差は、相互によく調和する歯状セグメントの分類を形成することによって、選定可能である。カムディスクを研磨する際、正確な幾何形状を得るため、測定した構成要素の寸法を考慮するのが通常である。次に、ステップ１５０において、トランスミッションは組み立てられる。オーバーサイズを行う構成要素として歯状セグメントに関する例を挙げたが、他の構成要素、特に上述した典型的な構成要素についても同様にオーバーサイズを行うことができる。

図４は、トランスミッション１の概略的な側面図を示す。図４に示すトランスミッション１は、回転運動を直線運動に変換する、あるいは、直線運動を回転運動に変換する典型的な実施形態である。トランスミッション１は、その中間領域に歯部５を具備する内部ロッド２０３を備える。図４に示すロッド２０３の歯部５は、ねじ付きロッドの歯部と同種のものである。しかしながら、ロッド２０３の歯部５は、ねじとして使用されない。ロッド２０３の回転自由度は阻止されている。すなわち、ロッド２０３は、回転不能に取り付けられている。

図４に示す典型的な実施形態は、ロッド２０３に対して同心状に配置されたホルダー１１を備える。ホルダー１１は、同じくロッド２０３に対して同心状に配置された駆動ブーツ(drive boot)２２０内に入れられている。この駆動ブーツ２２０は、回転可能に取り付けられている。これと対照的に、ホルダー１１の軸方向回りの回転自由度は阻止され、固定されている。すなわち、ホルダー１１はロッド２０３に対して回転しない。

駆動ブーツ２２０は、ホルダー１１に収容された歯を駆動するためのプロファイルを具備する内部カムディスク（図４には図示せず）を囲繞している。前記歯が径方向に直線的に移動可能なようにホルダー内に取り付けられることで、前記歯はロッド２０３に噛み合うように整列する。駆動ブーツ２２０が回転するとき、ロッド２０３は、トランスミッション１の長軸２３０方向に、ホルダー１１に対して直線的に移動する。ホルダー１１を固定した状態で取り付け、駆動ブーツ２２０を回転させることで、ロッド２０３を直線的に移動させる、すなわち、ロッド２０３から推力（thrust）を引き出すことが可能である。リニアスラストについて、比較対象となる他のトランスミッションよりも優れた特有の利点は、ホルダー１１とロッド２０３とが回転するように取り付けられる必要がないということである。これにより、トランスミッション１は、コンパクトであるにも関わらず、強い推力と、高い剛性とを有することが可能になる。図４と図５に示されるトランスミッション１の歯は、初期内部応力を有するように、オーバーサイズを行った大きめの寸法で製造されている。

図５は、図４に示すトランスミッションの長軸に沿った部分的な断面図を示す。図５においても、同一の要素又は近似した要素に対して、同一の参照符号が使用されており、既出の参照符号が使用されている要素については、必ずしも詳細には説明しないこととする。

円周方向に延びる４列の開口部１５がホルダー１１内に配置され、この４列の開口部１５内に、４つの歯付きディスクにおける歯７が収容されている。この歯７は、ロッド２０３の歯部５と噛み合う。ロッド２０３の歯部５と歯７とは、歯７のフランク面と歯部５のフランク面とが同一視できるように、断面に対してわずかな角度を成すように配置されている。図５に示す断面において、歯７の先端が歯部５の先端に接するように配置されるために、図に示すトランスミッション１の位置では、図に示す歯７は完全に引き抜かれている。図に示す歯７は、ちょうど真ん中に位置する。

ホルダー１１の外周の他の位置に配置されている他の歯は、完全に引き抜かれることはなく、異なる位置に位置する。具体的には、他の歯は、歯部５の基部（ちょうど真ん中の底部）に完全に挿入されるか又はフランク面と噛み合わされる。

カムディスクの形態である駆動要素２０を駆動することで、歯７は径方向に移動する。前述したカムディスク状の駆動要素２０は、外周に亘って変化するプロファイルを有する。歯７は、２つの群に分けられ、各群では、長軸２３０方向に互いに隣接する２つの歯７が１つの枢動セグメント２４に収容されている。枢動セグメント２４は、駆動要素２０内で針状ころ２８によって支持される。駆動要素２０により、２列の歯が配置され、周方向に連続的に設けられた枢動セグメント２４が駆動される。１つの枢動セグメント２４で２つの歯７を支持することにより、枢動セグメント２４がねじりに抗して固定され、これにより枢動セグメント２４がトランスミッション１の径方向での回転に対して定まった位置に固定されるという利点が得られる。典型的な実施形態では、枢動セグメント２４は凹部を有する。この凹部は、対応する形状を有する基部が歯７のビードに嵌合する部分である。

ホルダー１１上のボールベアリング２６０によって、カムディスクは駆動ブーツ２２０と共に取り付けられる。ホルダー１１は、ねじを用いて定常的に固定されるためのブラインドホール（blind hole）２６２を備える。ホルダー１１が定常的に固定される一方、ロッド２０３は回転を阻止されるのみであり、２つのベアリングスリーブ２６４によって軸方向に移動可能に取り付けられる。しかしながら、ロッド２０３は、軸方向に連続した複数の歯７付きディスクによって支持されている。

トランスミッション１が駆動ブーツ２０で駆動され、これに応じてプロファイルを有する駆動要素としてのカムディスクが回転すると、カムディスクの位置及び各歯７の位置に応じて、歯７は、駆動要素２０によって径方向内側に向けて駆動されるか、歯部５によって径方向外側に向けて駆動される。これにより、ロッド２０３は、ホルダー１１に対して直線的に移動する。

典型的な実施形態では、ロッドは、平坦なベアリングブッシュ (bearing bush)によって、軸方向に移動可能に支持される。このベアリングブッシュは、ベアリングスリーブとも称される。好ましくは、ベアリングスリーブは、ロッドの歯部の先端でのみ滑動する。これにより、組立が容易となる。他の典型的な実施形態では、ロッドは少なくとも一端で支持される。これは、ベアリング用の十分な領域を確保するためにはロッドをできるだけ長くする必要があるものの、安定性を高めることが可能であることを意味する。

本発明は、上記の実施形態に限定されない。本発明の範囲は、添付する特許請求の範囲によって定められる。

１・・・トランスミッション
３・・・リングギア
５・・・歯部
７・・・歯状セグメント
１１・・・ホルダー
１５・・・開口部
２０・・・駆動要素
２２・・・プロファイル
２４・・・枢動セグメント
２６・・・ビード
２８・・・針状ころ
７１・・・歯状セグメントの第１のグループ
７２・・・歯状セグメントの第２のグループ
７３・・・中間歯状セグメント
１００〜１５０・・・方法のステップ
２０３・・・ロッド
２２０・・・駆動ブーツ
２６０・・・ボールベアリング
２６２・・・ブラインドホール
２６４・・・ベアリングスリーブ

Claims (15)

1. 同軸トランスミッション又は直線的トランスミッションであって、
   歯部（５）と、
   複数の歯状セグメント（７１〜７３）を前記歯部（５）に噛み合わせるように収容し、前記歯状セグメント（７１〜７３）を径方向に移動可能に支持するホルダーと、
   前記歯状セグメント（７１〜７３）を径方向に駆動させるプロファイル（２２）を有する駆動要素（２０）とを備え、
   初期内部応力を有することを特徴とするトランスミッション（１）。
2. 少なくとも前記歯状セグメント（７１〜７３）の一部が剛性を有することを特徴とする請求項１に記載のトランスミッション（１）。
3. フットジョイント及び／又は枢動セグメント（２４）が少なくとも前記歯状セグメント（７１〜７３）と前記プロファイル（２２）との間に配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載のトランスミッション（１）。
4. 前記歯状セグメント（７１〜７３）のうちの少なくとも１つは、前記枢動セグメント（２４）に緩接続されていることを特徴とする請求項１に記載のトランスミッション（１）。
5. 前記歯状セグメント（７１〜７３）は、前記ホルダー内に径方向に及び／又は直線的に案内され、及び／又は、前記歯状セグメント（７１〜７３）の回転自由度が前記ホルダーに対してトランスミッション（１）の長軸回りに阻止されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のトランスミッション（１）。
6. 前記歯状セグメント（７１〜７３）のうちの少なくとも２つが前記歯部（５）の１つのフランク面と噛み合うことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載のトランスミッション（１）。
7. 前記歯部（５）に駆動される第１の歯状セグメント（７１）は、歯状セグメント（７１）の前方のフランク面でのみ前記歯部（５）の各フランク面と噛み合い、
   前記歯部（５）に駆動される第２の歯状セグメント（７２）は、歯状セグメント（７２）の後方のフランク面でのみ前記歯部（５）の各フランク面と噛み合うことを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載のトランスミッション（１）。
8. トランスミッション（１）が停止状態で、前記第１の歯状セグメント（７１）が前記第２の歯状セグメント（７２）から初期内部応力を受けることを特徴とする請求項７に記載のトランスミッション（１）。
9. オーバーサイズを行うことによって初期内部応力を発生させることを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載のトランスミッション（１）。
10. 前記駆動要素の最大外径及び／又は前記歯部（５）の直径の０．０００１％以上及び／又は０．２％以下分だけオーバーサイズを行うことを特徴とする請求項９に記載のトランスミッション（１）。
11. 前記駆動要素（２０）は、カムディスクを有することを特徴とする請求項１〜１０の何れか１項に記載のトランスミッション（１）。
12. 前記プロファイル（２２）は、１つ、２つ、３つ又は少なくとも４つの凸部を有することを特徴とする請求項１〜１１の何れか１項に記載のトランスミッション（１）。
13. 初期内部応力がトランスミッション（１）の定格負荷の少なくとも５％に相当することを特徴とする請求項１〜１２の何れか１項に記載のトランスミッション（１）。
14. 請求項１〜１３の何れか１項に記載のトランスミッション（１）の製造方法であって、
    トランスミッション（１）の剛性を決定する工程と、
    剛性と所望される初期トルクとの関数としてオーバーサイズを行う寸法を決定する工程と、
    オーバーサイズを行ってトランスミッション（１）の構成要素の寸法を選定する工程と、
    トランスミッション（１）を組み立てる工程とを含むことを特徴とするトランスミッション（１）の製造方法。
15. オーバーサイズを行う寸法を前記歯状セグメント（７１〜７３）の少なくとも１つと前記歯部（５）との間の相対運動学の関数として決定し、及び／又は、オーバーサイズを行う寸法を前記駆動要素（２０）の前記プロファイル（２２）を研磨することによって調整することを特徴とする請求項１４に記載の製造方法。

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