JP2021196038A - 歯車装置 - Google Patents
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Abstract
Description
歯車を樹脂材料で構成する場合、より高強度化が図れる繊維強化樹脂、なかでも炭素繊維を補強繊維とした炭素繊維強化樹脂の採用が望ましい。
前記外歯歯車は、金属により構成され、
前記内歯歯車は、炭素繊維強化樹脂により構成される。
前記内歯歯車は、金属により構成され、
前記外歯歯車は、炭素繊維強化樹脂により構成される。
図1は、本実施形態に係る歯車装置1を示す断面図である。
この図に示すように、歯車装置1は、筒型の撓み噛合い式歯車装置であり、起振体軸10、外歯歯車12、第1内歯歯車22、第2内歯歯車23、起振体軸受15を備える。さらに、歯車装置1は、ケーシング24、第1カバー26、第2カバー27、入力軸受31、32及び主軸受33を備える。
なお、以下の説明では、回転軸O1に沿った方向を「軸方向」、回転軸O1に垂直な方向を「径方向」、回転軸O1を中心とする回転方向を「周方向」という。また、軸方向のうち、減速された回転運動が出力される側(図中の左側)を「出力側」といい、出力側とは反対側(図中の右側)を「反出力側」という。
入力軸受32は、起振体軸10の軸部10Cと第2カバー27との間に配置される。第2カバー27は、入力軸受32を介して起振体軸10を回転自在に支持する。
歯車以外の各部材の素材は、特に限定されるものではないが、本実施形態では以下のように構成されている。
ケーシング24、第1カバー26及び第2カバー27は、樹脂材料から構成されている。樹脂材料には、樹脂単体、あるいは、補強繊維を含有した樹脂を適用でき、例えばPEEK(Poly Ether Ether Ketone)材やPOM(Polyacetal又はPolyoxymethylene等)など種々の樹脂材料を採用できる。補強繊維を含有した樹脂としては、CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics)などの複合材料、樹脂とその他の別素材との複合材料、ベーク材(紙ベーク材や布ベーク材等)などを適用することができる。これらの部材を樹脂製とすることにより、歯車装置1の低コスト化と軽量化を図ることができる。
外歯歯車12は、ニッケルクロムモリブデン鋼などの鉄鋼素材(金属材料)から構成される。
一方、第1内歯歯車22と第2内歯歯車23は、ベース樹脂に補強繊維として炭素繊維を含有させた炭素繊維強化樹脂材料により構成される。ベース樹脂には、例えばPEEK(Poly Ether Ether Ketone)材やPOM(Polyacetal又はPolyoxymethylene等)など、種々の樹脂材料を採用できる。樹脂材料は、含有される補強繊維が布状に結び付いてない繊維である場合、樹脂材料を用いて射出成形又は圧縮成形が可能である。樹脂材料に含有される素材が布状又は片状に結びついた繊維であれば、樹脂材料を用いて圧縮成形が可能である。なお、第1内歯歯車22及び第2内歯歯車23の少なくとも一方が炭素繊維強化樹脂材料により構成されていればよい。
従来においては、本実施形態のように歯車素材に炭素繊維強化樹脂を採用するのは困難というのが当業者の常識であった。これは、歯面に露出した炭素繊維が相手方歯車を攻撃するなどして、樹脂歯車自身と相手方歯車とが早期に損傷してしまうためである。
これは、内接噛合の場合には外接噛合よりも歯面圧と滑り速度(外歯歯車と内歯歯車の相対滑り速度)が小さくなるためと考えられる。
また、内接噛合では、噛合う歯車同士が同方向に回転するため、外接噛合に比べて滑り速度も小さくなる。発明者らが種々の歯車装置タイプを検証したところ、内接噛合では滑り速度が概ね1000mm/s以下(入力回転数:約2000rpmのとき)のときに良好な結果が得られた。なお、上述の入力回転数の数値「2000rpm」は、製品として使用されるときの入力回転数を限定するものではない。
切削加工部は、高い加工精度が得られる一方、追加の工程分だけコストが増加するため、歯23gのみを切削加工部とするのが好ましい。
流体固化部は、例えば射出成形により形成されるが、繊維強化型樹脂の圧縮成形により形成されてもよい。流体固化部の外形は、型に沿った形状となる。
第1内歯歯車22の切削加工部には、歯22gが含まれる。切削加工により歯22gの歯面に炭素繊維が露出してもよい。なお、切削加工を行うことなく、歯面に炭素繊維が露出してもよい。
第1内歯歯車22の流体固化部には、切削加工部以外の部分が含まれる。
モータ等の駆動源により起振体軸10の回転駆動が行われると、起振体10Aの運動が外歯歯車12に伝わる。このとき、外歯歯車12は、起振体10Aの外周面に沿った形状に規制され、軸方向から見て、長軸部分と短軸部分とを有する楕円形状に撓んでいる。さらに、外歯歯車12は、固定された第1内歯歯車22と長軸部分で噛合っている。このため、外歯歯車12は起振体10Aと同じ回転速度で回転することはなく、外歯歯車12の内側で起振体10Aが相対的に回転する。そして、この相対的な回転に伴って、外歯歯車12は長軸位置と短軸位置とが周方向に移動するように撓み変形する。この変形の周期は、起振体軸10の回転周期に比例する。
そのため、炭素繊維強化樹脂製の歯車が外接噛合であれば、当該歯車の歯面に露出した炭素繊維が相手方歯車を攻撃して損傷を招来し得るところ、本実施形態では炭素繊維強化樹脂製の内歯歯車が内接噛合しているため、歯面圧及び滑り速度を低下させることができ、歯車の損傷を抑制できる。
以上のように、本実施形態によれば、外歯歯車12が金属により構成され、内歯歯車(第1内歯歯車22、第2内歯歯車23)が炭素繊維強化樹脂により構成される。つまり、炭素繊維強化樹脂製の内歯歯車が金属製の外歯歯車12と内接噛合している。
これにより、炭素繊維強化樹脂製の歯車を外接噛合させていた従来に比べ、歯面圧及び滑り速度を低下させることができ、歯車の損傷を抑制できる。
したがって、歯車素材に炭素繊維強化樹脂を好適に適用することができる。ひいては、歯車の軽量化、高強度化及び長寿命化を好適に図ることができる。
また、本実施形態においては、第1内歯歯車22および第2内歯歯車23(の中間体)を射出成型により形成した後、歯部を切削加工により形成しているので、製造コストを低減しつつ、(射出成型のみで歯部を形成した場合に比べて)歯車精度を向上させることができる。また、歯部の切削加工により炭素繊維が歯面に露出しても、歯面圧及び滑り速度が小さいため、歯車の損傷を抑制できる。
また、本実施形態においては、歯車装置として撓み噛合い式歯車装置を採用することにより、入力回転数が2000rpmのときに、外歯歯車と内歯歯車の相対滑り速度が1000mm/s以下である構成を実現している。
続いて、本発明を偏心揺動型歯車装置に適用した例について説明する。
図2は、本変形例に係る歯車装置2を示す断面図であり、図3は、図2のA−A線での断面図である。
入力軸61は、複数(本変形例では2個)の偏心部61aを有する。入力軸61は、その反出力側が入力軸軸受67を介して第2カバー78に支持され、その反対の出力側が入力軸軸受67を介して第1キャリヤ64に支持されている。
また、外歯歯車62は、上記実施形態の外歯歯車12と同様に、金属により構成される。
また、内歯歯車63は、上記実施形態の内歯歯車と同様に、炭素繊維強化樹脂により構成される。内歯歯車63は、上記実施形態と同様に、射出成型後に、切削加工により歯部が形成されてもよく、歯面に炭素繊維が露出してもよい。
主軸受71は、第1キャリヤ64とケーシング66の間に配置され、主軸受72は、第2キャリヤ65とケーシング66の間に配置される。
キャリヤピン76は、キャリヤピン孔62aに隙間を有した状態で挿通され、その一端が第1キャリヤ64に、他端が第2キャリヤ65にそれぞれ嵌入されている。キャリヤピン76は、管状のスペーサ79に環囲されている。キャリヤピン76は、第1キャリヤ64と第2キャリヤ65の連結のみに寄与する連結部材として機能する。
なお、キャリヤピン76及び内ピン74は、これらの一部がキャリヤ64、65と一体に形成されてもよい。
すなわち、炭素繊維強化樹脂製の内歯歯車が金属製の外歯歯車12と内接噛合しているので、従来に比べて歯面圧及び滑り速度を低下させることができ、歯車の損傷を抑制できる。したがって、歯車素材に炭素繊維強化樹脂を好適に適用することができる。ひいては、歯車の軽量化、高強度化及び長寿命化を好適に図ることができる。
本変形例の歯車装置2においても、滑り速度(外歯歯車62と内歯歯車63の相対滑り速度)が概ね1000mm/s以下(入力軸61の入力回転数:約2000rpm)のときに良好な結果が得られた。なお、上述の入力回転数の数値「2000rpm」は、製品として使用されるときの入力回転数を限定するものではない。つまり、本変形例においては、歯車装置として偏心揺動型歯車装置を採用することにより、入力回転数が2000rpmのときに、外歯歯車と内歯歯車の相対滑り速度が1000mm/s以下である構成を実現している。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態及びその変形例に限られない。
例えば、上記実施形態及びその変形例では、外歯歯車が金属により構成され、内歯歯車が炭素繊維強化樹脂により構成されることとした。しかし、内歯歯車(の少なくとも1つ)が金属により構成され、外歯歯車が炭素繊維強化樹脂により構成されることとしてもよい。
10 起振体軸
10A 起振体
12 外歯歯車
22 第1内歯歯車
22g 歯
23 第2内歯歯車
23g 歯
61 入力軸
62 外歯歯車
63 内歯歯車
63a 内歯
64 第1キャリヤ
65 第2キャリヤ
74 内ピン
76 キャリヤピン
O1 回転軸
Claims (6)
- 外歯歯車と、前記外歯歯車と噛合う内歯歯車と、を備えた歯車装置であって、
前記外歯歯車は、金属により構成され、
前記内歯歯車は、炭素繊維強化樹脂により構成される、
歯車装置。 - 前記内歯歯車は、炭素繊維が歯面に露出している、
請求項1に記載の歯車装置。 - 前記内歯歯車は、炭素繊維強化樹脂を固めて形成された流体固化部と、切削加工された切削加工部と、を有し、
前記切削加工部には歯が含まれる、
請求項2に記載の歯車装置。 - 入力軸を備え、
前記入力軸に入力される入力回転数が2000rpmのときに、前記外歯歯車と前記内歯歯車の相対滑り速度が1000mm/s以下である、
請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の歯車装置。 - 当該歯車装置は、撓み噛合い式歯車装置または偏心揺動型歯車装置である、
請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の歯車装置。 - 外歯歯車と、前記外歯歯車と噛合う内歯歯車と、を備えた歯車装置であって、
前記内歯歯車は、金属により構成され、
前記外歯歯車は、炭素繊維強化樹脂により構成される、
歯車装置。
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