JP2023179762A - 歯車 - Google Patents

Abstract

【課題】高速伝達システムに関連する大きな負荷により良好に耐えることができる歯車に関する。【解決手段】伝達システムにおいて使用するための歯車。歯車は、半径方向外側の表面に歯車歯を有している外側環状要素と、外側環状要素と同軸に配置された内側支持要素とを備える。歯車は、第１および第２の対向する側壁をさらに備え、各々の側壁が外側環状要素から内側支持要素まで延び、環状空間を形成する。第１および第２の側壁のうちの少なくとも一方は、歯車の回転軸に垂直な方向に対して０度よりも大きい角度で外側環状要素から延びている。【選択図】図２

Description

本発明は、伝達システムにおいて使用するための歯車に関する。特には、これに限られるわけではないが、本発明の実施形態は、高速伝達システムに関連する大きな負荷により良好に耐えることができる歯車に関する。

伝達システムにおける歯車は、伝統的に、剛性の最大化および強度の向上のために、中実歯車である。しかしながら、中実歯車は、歯車システムの重量を著しく増加させ、結果として経済性を低下させる可能性があり、製造が高価につく可能性もあるため、望ましくない場合がある。

歯車は、典型的には、使用時に荷重が加わるときに、軸方向の並進および回転作用（すなわち、外リムの曲げ）の両方を被る。これは、隣接する噛合相手の歯車からはすば歯車へと作用する力が、軸方向の成分を含むからである。力の軸方向の成分は、外リムにおいて歯車の曲げを生じさせる可能性がある。この曲げにより、噛合相手の歯車との接触点において、歯車の主回転軸に垂直およびリムの円周に接する軸を中心にして、歯車の外リムの回転が生じる。典型的には、伝達の用途において、微小な回転（歯車の曲がり）でさえも、歯車の歯が隣接する歯車の歯に意図されたとおりに噛み合うことを、不可能にする可能性がある（非共役な噛合）。これにより、歯車の局所的な接触応力、伝達エラー、およびノイズが増加し、歯車の早期故障につながる可能性がある。

歯車のリムの純粋な軸方向の並進たわみは、通常は隣接する歯車の噛み合いに有害な影響をもたらすことがないため、歯車のノイズ、局所的な接触応力、または摩耗への影響は最小限である。

伝達システムの重量を軽減するために、中空歯車がすでに設計されている。このような中空歯車は、重量を削減し、したがってコストを削減するために、海洋または風力タービンの歯車など、比較的大型の歯車システムにおいて使用されてきた。しかしながら、中空歯車は、中実歯車と比べて歯車の剛性および強度において不利になる可能性があり、したがって上述のホイールリムの回転作用および軸方向の並進の恐れが大きくなる。

国際公開第２０１５／１０６９６２号パンフレットが、中空の駆動歯車を有する自動車用の差動歯車装置に関する。

国際公開第２０１５／１０６９６２号パンフレット

本発明の第１の態様によれば、伝達システムにおいて使用するための歯車が提供され、
この歯車は、
半径方向外側の表面に歯車歯を有している外側環状要素と、
外側環状要素と同軸に配置された内側支持要素と、
環状空間を形成するように各々が外側環状要素から内側支持要素まで延びている第１および第２の対向する側壁と
を備え、
第１および第２の側壁のうちの少なくとも１つが、歯車の回転軸に垂直な方向に対して０度よりも大きい角度で外側環状要素から延びている。

本発明の特定の実施形態は、歯車が、より高速の伝達システムに関連することが多いより大きな歯車負荷により良好に耐えるという利点を提供する。

本発明の特定の実施形態は、既知の歯車と比較して歯車の重量を減らすことができるという利点を提供する。

本発明の特定の実施形態は、軸方向の力によって引き起こされる歯車のリムの回転たわみを既知の歯車と比較して低減できるという利点を提供する。

本発明の特定の実施形態は、既知の歯車と比較して歯車歯の摩耗が低減され、結果として歯車の寿命が延びるという利点を提供する。

本発明の特定の実施形態は、伝達システムにおける歯車ノイズを既知のシステムと比べて低減できるという利点を提供する。

本発明の実施形態を、添付の図面を参照して、以下でさらに説明する。

中空歯車の一例の正面図である。 図１の中空歯車の断面図である。 図１の中空歯車を切断した斜視図である。 差動歯車アセンブリに取り付けられた中空歯車の一例を切断した斜視図である。 図１の中空歯車の軸方向の並進を示す。 側面が平行な中実歯車の軸方向の並進を示す。 図１の中空歯車の半径方向の回転を示す。 側面が平行な中実歯車の半径方向の回転を示す。

図面において、同様の参照番号は、同様の部分を指している。

図１～図３は、歯車１００の一例を示している。歯車１００は、さまざまな伝達システムにおける使用に適している。歯車１００は、高速伝達システム、大荷重の伝達システム、または重量を最小限に抑えることが望ましい伝達システムにおいて、特に有用である。例えば、歯車１００を、輸送手段（例えば、車、船、ヘリコプタ）の伝達システムにおいて使用することができ、あるいはさまざまな回転速度およびトルクを必要とする固定機械（例えば、風力タービン）において使用することができる。歯車１００は、重量および性能がきわめて重要である電気自動車産業において、伝達システムの軽量化に特に有用であり得る。伝達システムは、当業者にとって周知であるため、簡潔にするために詳しくは説明しない。

歯車１００は、外側環状要素１０２を含む。外側環状要素１０２は、歯車１００の外周を巡って延び、環状リングを形成している。さらに、外側環状要素１０２は軸方向にも延び、実質的に円筒形の外面を形成している。

外側環状要素１０２の半径方向外側の表面（すなわち、歯車１００の外周面）に、複数の歯車歯１０４が存在する。歯車歯１０４は、使用時に歯車歯１０４が隣接する歯車またはピニオンの歯車歯と噛み合うことができるように、外側環状要素１０２の半径方向外側の表面から半径方向外側に突出している。この例において、歯車歯１０４は、はすば歯車の歯であり、各々が歯車１００の周囲を延びるらせんの一部を形成している。換言すると、歯車歯１０４は、外側環状要素１０２の半径方向外側の表面にらせん状に配置されている。歯車歯１０４は、互いに平行に配置され、歯車１００の周囲を巡って等間隔に位置している。

この例において、歯車は、直径が約２００ｍｍであり、外周における軸方向の厚さが約２２ｍｍである。歯車歯１０４は、環状要素１０２の半径方向外側の表面から約５ｍｍほど半径方向外側に突出している。歯車歯１０４は、歯車の軸方向から約１５°の角度に配置され、各々の歯は、歯車１００の周囲を延びるらせんの一部を形成する。歯車歯１０４は、等しいピッチで互いに平行に配置され、各々の歯の間のピッチは約７ｍｍである。歯車歯１０４は、外側環状要素１０２と一体に形成されている。

さらに、歯車１００は、内側支持要素１０６を含む。内側支持要素１０６は、歯車１００の半径方向内側の部分を形成し、歯車の半径方向外側の構成要素（外側環状要素１０２を含む）を支持するように構成される。内側支持要素１０６は、内側支持要素１０６および外側環状要素１０２の両方が同じ回転軸を共有するように、外側環状要素１０２と同軸に配置される。

内側支持要素１０６は、この例においては、軸方向に延びるシャフトである。シャフトは、実質的に円筒形であり、この例においては中空穴を有している。他の例においては、中実シャフトを使用してもよい。歯車１００の回転軸は、シャフトの中心を通って長手方向に延びる。

第１および第２の対向する側壁１０８、１１０が、内側環状要素１０６を外側環状要素１０２に接続する。各々の側壁１０８、１１０は、外側環状要素１０２から内側支持要素１０６まで延びている。内側支持要素１０６、外側環状要素１０２、ならびに第１および第２の側壁１０８、１１０は、歯車１００の内側に環状空間１１２を形成する。

断面において、図２に示されるように、第１および第２の側壁１０８、１１０の各々は、角度θで外側環状要素１０２から延びている。角度θは、９０度よりも大きい。角度θは、それぞれの側壁と外側環状要素１０２の半径方向内側の表面との間の角度である。

この例において、外側環状要素１０２は、実質的に円筒形であり、軸方向に（すなわち、歯車の回転軸に平行な長手方向に）延びている。したがって、角度θを、側壁と軸方向との間の角度と定義することも可能である。

第１および第２の側壁１０８、１１０は、この例においては、各々が約１１０°の角度θで外側環状要素１０２から延びている。この例において、両方の側壁１０８、１１０は、外側環状要素１０２と内側支持要素との間で一定の傾斜を有している。この例において、第１および第２の側壁１０８、１１０は、どちらも実質的に円錐台形状である。

あるいは、第１および第２の側壁１０８、１１０の角度を、歯車１００の回転軸（Ａ－Ｂ）に垂直な方向に対して測定することもできる。したがって、第１および第２の側壁１０８、１１０は、歯車１００の回転軸（Ａ－Ｂ）に垂直な方向に対して０度よりも大きい角度で外側環状要素１０２から延びている。図１～図３に示した例において、第１および第２の側壁は、歯車１００の回転軸（Ａ－Ｂ）に垂直な方向に対して約２０°の角度で外側環状要素１０２から延びている。

図１および図２において最もよく見られるように、第１および第２の側壁１０８、１１０はそれぞれ、外側環状要素１０２から内側支持要素１０６へと向かうにつれて外側へと広がり、したがって歯車１００は、外周よりも中央においてより厚い（すなわち、軸方向の長さがより大きい）。すなわち、内側支持要素１０６の軸方向長さは、外側環状要素１０２の軸方向長さより大きい。

他の例において、外側環状要素１１２から延びる各々の側壁１０８、１１０の角度θは、適切には、９０°～１４０°の間、１００°～１３０°の間、１００°～１２０°の間、または１０５°～１１５°の間であってよい。すなわち、第１および第２の側壁１０８、１１０は、適切には０°～５０°の間、１０°～４０°の間、１０°～３０°の間、または１５°～２５°の間である歯車１００の回転軸（Ａ－Ｂ）に垂直な方向に対する角度で、外側環状要素１０２から延びてよい。

適切には、第１および第２の側壁１０８、１１０の両方が、同じ角度で外側環状要素１０２から延びる（すなわち、第１および第２の側壁１０８、１１０はそれぞれ、同一および反対向きの傾斜の角度を有する）。

適切には、側壁１０８、１１０のうちの少なくとも一方は、外側環状要素１０２と内側支持要素１０６との間で一定の傾斜を有し、したがって側壁１０８、１１０は、１８０°から角度θを引いた角度に等しい角度αで内側支持要素に出会う。例えば、角度θが１１０°である場合、角度αは７０°である。

第１および第２の側壁１０８、１１０のそれぞれの傾斜の角度は、適切には、外側環状要素１０２と内側支持要素１０６との間のそれぞれの長さに沿って一定である。

第１および第２の側壁１０８、１１０のそれぞれの厚さは、中実歯車と比べて軽い重量を維持しながら、歯車１００の剛性を最適化するように構成される。例えば、自動車の用途に使用することができる直径２００ｍｍの歯車は、壁の厚さが２ｍｍ～６ｍｍの間である第１および第２の側壁１０８、１１０を有することができる。適切には、壁の厚さは、約４ｍｍである。

第１および第２の側壁１０８、１１０は、（例えば、溶接部を介して）内側支持要素１０６および外側環状要素１０２に堅固に接続される。他の例においては、内側支持要素１０６、外側環状要素１０２、ならびに第１および第２の側壁１０８、１１０を、一体的に形成（例えば、金型内で形成、または製造物から機械加工）してもよい。他の例においては、側壁を、取り付け具によって所定の場所に嵌まり込み、および／または保持されるように、熱膨張または熱収縮させることができる。

この例における歯車１００の構成要素（内側支持要素１０６、第１および第２の側壁１０８、１１０、外側環状要素１０２、ならびに歯車歯１０４を含む）は、いずれも鋼から形成されている。他の例においては、外側環状要素１０２を歯車鋼から製作し、他の構成要素１０６、１０８、および１１０を、より安価な鋼または他の材料から製作することができる。別の例においては、歯車の各々の構成要素を、非金属または他の任意の適切な材料から製作することができる。

歯車１００を、内側支持要素１０６、外側環状要素１０２（歯車歯１０４を含む）、ならびに第１および第２の側壁１０８、１１０の各々を最初に形成することによって製造することができる。これらの構成要素の各々を、適切な道具を使用して適切な鋼から鋳造、鍛造、または機械加工することができる。次に、第１および第２の側壁１０８、１１０が、内側支持要素１０６および外側環状要素１０２の各々へと溶接部を介して堅固に取り付けられ、環状空間１１２を有する歯車１００が形成される。あるいは、外側環状要素１０２、１つの側壁１０８、および内側支持要素１０６を、１つの構成要素として１つの塊から機械加工することができる。最後に、残りの壁１１０を所定の場所に溶接することができる。いくつかの例においては、側壁１０８および１１０にアクセス穴、切り欠き、または何らかの他の局所的な造作を設けることもできる。

使用時に、歯車１００は、１つ以上の隣接する歯車と噛み合うように伝達システム内に配置される。したがって、歯車には、隣接する歯車からの歯車負荷力が作用する。上述のように、これらの力は、一般に、歯車の環状要素１０２の軸方向のたわみおよび半径方向の回転を引き起こす可能性がある。

以下の表１が、さまざまな歯車の種類について、軸方向の半径方向の回転の相違を示している。第１の歯車は、平行な側壁を備えた典型的な中実歯車であり、歯車のリムの幅（すなわち、外周における厚さ）は２２ｍｍである。第２の歯車は、円錐台形の側面を有するように形作られた中実歯車であり、やはり歯車のリムの幅は２２ｍｍである。表に示されているように、側面が円錐形の中実歯車は、側面が平行な中実歯車よりも大幅に重い。第３の歯車は、図１～図３に関連して上述した本発明の実施形態のように円錐台形の側壁によって形作られた中空歯車である。この側面が円錐形の中空歯車は、やはりリムの幅が２２ｍｍであり、側面が平行な中実歯車よりも質量が約４３％小さい。

表１の歯車の各々には、典型的および同一の歯車負荷が加わっている。表１に示されるように、円錐形の側面を有する中空歯車においては、平行な側面を有する中実歯車と比較して半径方向の回転が７５％減少し、円錐形の側面を有する中実歯車と比較して半径方向の回転が５０％減少する。図５ａおよび図５ｂは、円錐形の側面を有する中空歯車および平行な側面を有する中実歯車のそれぞれの軸方向のたわみ作用を示している。図６ａおよび図６ｂは、円錐形の側面を有する中空歯車および平行な側面を有する中実歯車のそれぞれの半径方向の回転作用を示している。図６ａおよび図６ｂに、円錐形の側面を有する中空歯車は、平行な側面を有する中実歯車よりも半径方向の回転が著しく少ないことが、明瞭に示されている。

歯車の回転たわみにより、各々の歯車歯が隣接する歯車歯を通過するときにずれてしまい、歯の通過の頻度において、望ましくない早すぎる歯の衝突が発生する。これは、多くの場合、より高い周波数のノイズを引き起こし、歯車の寿命にも有害な影響を及ぼす。

円錐形の側面を有する中空歯車の半径方向の回転のこの軽減は、隣接する歯車歯のずれを小さくすることで、非共役の局所的な接触応力、伝達エラー、およびノイズを減少させ、したがって歯車の摩耗が減少し、結果として歯車の寿命が長くなる。

円錐形の側面を有する中空歯車においては軸方向のたわみがわずかに増加するが、これは、一般に、直線的な平行移動は隣接する歯車歯のずれを引き起こすことがなく、したがって歯車のノイズまたは摩耗に大きくは影響しないため、重要でない。

したがって、表１からわかるように、円錐形の側面を有する中空歯車は、伝統的な平行な側面を有する中実歯車に対して大幅な重量軽減の利点を示すとともに、半径方向の回転（たわみ）が大幅に少ない。同様の効果は、第１および第２の側壁の少なくとも一方が外側環状要素から９０度よりも大きい角度で延びている本明細書に記載の他の例の歯車（すなわち、第１および第２の側壁が歯車の回転軸に垂直な方向に対して０度より大きい角度で外側環状要素から延びている歯車）においても見られる。

いくつかの例において、歯車１００は、差動歯車アセンブリの一部を形成することができる。図４は、内側支持要素として差動歯車シャフト構成要素４０６を有する差動歯車ハウジングアセンブリを含む歯車４００を示している。この例において、第１および第２の側壁は、差動歯車を収容する差動シャフト構成要素４０６につながっている。歯車４００の他の構成要素は、図１から図３に関連して説明した歯車１００と同様に構成することができるため、再度の詳細な説明は省略する。

上述の例において、歯車は、はすば歯車歯を含んでいるが、歯車について意図される用途に応じて、他の適切な歯車歯を設けることができる。例えば、歯車歯は、半径方向に突出し、平歯車を形成するように軸方向に延びてもよい。

上述の例においては、第１および第２の両方の側壁の各々が、同一および反対向きの傾斜の角度を有しているが、他の例においては、第１および第２の側壁の各々が異なる傾斜の角度を有してもよい。例えば、第１の側壁が、歯車１００の回転軸に垂直な角度で外側環状要素１０２と内側支持要素１０６との間に延在できる一方で、第２の側壁は、９０°よりも大きい（すなわち、歯車の回転軸に垂直な方向に対して０度よりも大きい）角度で外側環状要素１０２から延びることができる。別の例においては、第１および第２の両方の側壁が、９０°より大きい異なる角度で外側環状要素から延びてもよい。例えば、第１の側壁を、外側環状要素から約１００°（すなわち、歯車の回転軸に垂直な方向に対して約１０度）の角度で延ばすことができる一方で、第２の側壁を、外側環状要素から約１１０°（すなわち、歯車の回転軸に垂直な方向に対して約２０度）の角度で延ばすことができる。

いくつかの例において、第１および第２の側壁は、完全な円錐台形でなくてもよい。例えば、側壁の一方または両方が、円錐台形状を中断させる追加の造作を含んでもよい。追加の造作は、例えば、異なる傾斜の角度を有する側壁の一領域、あるいは側壁の表面の溝または突起を含むことができる。他の例においては、第１および第２の側壁の少なくとも一方が、傾斜の角度における連続的な勾配（例えば、外側環状要素における１００°の角度から始まり、内側支持要素における１１０°の傾斜の角度まで徐々に増加する）を有してもよい。

上述の例において、内側支持要素はシャフトであるが、代わりに、内側支持要素は、別の支持構造であってもよい。例えば、内側支持要素は、図４に一例が示される差動歯車アセンブリのハウジングであってもよい。図４に示される例において、第１および第２の側壁は、それぞれ異なる傾斜の角度を有する。しかしながら、（同一および反対向きの傾斜の角度を含む）図１の例に関して上述したとおりの任意の傾斜の角度を使用することも可能である。

上述の例は特定のサイズの歯車に関するが、歯車は、用途に応じてさまざまなサイズであってよい。例えば、歯車の直径は、５０ｍｍ～４０００ｍｍの範囲であってよい。第１および第２の側壁の適切な傾斜の角度は、異なるサイズの歯車間で異なってよく、すべてのサイズについて上述した範囲内である。しかしながら、歯車の直径が大きくなるにつれて、側壁の厚さを大きくすることができ、歯車歯の形状も変わる。

例えば、風力タービンでの使用に適した歯車は、０．５～４ｍの間の直径を有することができる。このサイズの歯車の第１および第２の側壁は、５～１００ｍｍの間であってよく、適切には約４０ｍｍであってよい。歯車歯は、歯車の外周面から歯車のリムを巡って突出し、歯車のモジュールの必要な増加に比例した間隔で位置することができる。

上述の例において、歯車は中実歯車と比べて軽量であるため、製造に必要な材料のコスト、燃費に関連するコスト（例えば、車両に使用される場合）、ならびに輸送および設置コストを削減することができる。軽量な歯車は、特には軽量化によって性能を大幅に改善することができる電気自動車または航空宇宙産業における高速伝達システムにおける使用にもさらに好適である。

歯車の大幅な軽量化にもかかわらず、歯車の特には側壁の構成により、重要な軸を中心とする歯車の剛性は、中実歯車と同じに保たれ、あるいはさらに大きい。歯車の剛性の向上は、使用中の負荷力に抵抗し、歯車の半径方向の回転を低減または最小化する。歯車のリムの半径方向の回転の減少は、隣接する歯車の歯に対する歯車歯のずれが減少するという重要な利点を有する。これにより、隣接する歯車の歯が互いに噛み合うときの非共役な歯の衝突が防止され、あるいは大幅に減少する。結果として、局所的な接触応力、伝達エラー、ならびに歯車のノイズおよび摩耗が、すべて軽減される。

歯車の第１および第２の側壁の配置は、特には軸方向の歯車負荷力への抵抗に役立ち、歯車のリムの半径方向の回転への抵抗に役立つ。これは、歯車の歯を隣接する歯車に対してずれないようにすることに役立ち、それにより歯車の歯の接触を減らし、歯車の局所的な接触応力、伝達エラー、およびノイズを減らし、したがって歯車の早期摩耗を軽減する。

本明細書の説明および特許請求の範囲の全体を通して、用語「・・・を備える」および「・・・を含む」ならびにこれらの変形は、「・・・を含むが、・・・に限定されない」を意味し、他の部分、添加物、構成要素、完全体、またはステップを除外しようとする（さらには、除外する）ものではない。本明細書の説明および特許請求の範囲の全体を通して、単数形は、そうでないことを文脈が必要としていない限り、複数形を包含する。特に、不定冠詞が使用される場合、本明細書は、そうでないことを文脈が必要としていない限り、複数性および単数性を想定していると理解されるべきである。

本発明の特定の態様、実施形態、または例に関連して説明された特徴、完全体、特性、化合物、化学部分または基は、本明細書に記載の任意の他の態様、実施形態、または例に、それらと矛盾しない限りにおいて適用可能であると理解されるべきである。本明細書（添付の特許請求の範囲、要約、および図面を含む）に開示されたすべての特徴、および／またはそのように開示された任意の方法またはプロセスのすべてのステップは、そのような特徴および／またはステップの少なくともいくつかが相互に排他的である組み合わせを除き、任意の組み合わせにて組み合わせることが可能である。本発明は、上述のいかなる実施形態の詳細にも限定されない。本発明は、本明細書（添付の特許請求の範囲、要約、および図面を含む）に開示された特徴からの任意の新規な特徴または任意の新規な組み合わせ、あるいはそのように開示された任意の方法またはプロセスのステップからの任意の新規なステップまたは任意の新規な組み合わせに及ぶ。

読者の注意は、本出願に関連して本明細書と同時または本明細書よりも先に提出され、本明細書と共に公衆の閲覧に開放されたすべての論文および文書に向けられており、そのような論文および文書のすべての内容は、参照により本明細書に組み込まれる。

Claims (6)

1. 伝達システムにおいて使用するための歯車であって、
   半径方向外側の表面に歯車歯を有している外側環状要素と、
   前記外側環状要素と同軸に配置された内側支持要素と、
   環状空間を形成するように各々が前記外側環状要素から前記内側支持要素まで延びている第１および第２の対向する側壁と
   を備えており、
   前記第１および第２の側壁の両方が、当該歯車の回転軸に垂直な方向に対して０度よりも大きい角度で前記外側環状要素から延びており、
   前記第１および第２の側壁の各々の傾斜の角度が、前記外側環状要素と前記内側支持要素との間のそれぞれの長さにわたって一定であり、前記第１及び第２の側壁の各々が、前記外側環状要素及び前記内側支持要素の各々に堅固に接続され、あるいは、前記外側環状要素及び前記内側支持要素の各々と一体であり、前記第１および第２の側壁は、使用中に、軸方向における歯車負荷力による前記外側環状要素の半径方向の回転に抵抗するように剛性があり、
   前記内側支持要素が、前記第１の側壁から前記第２の側壁に軸方向に延びるシャフトであり、
   前記内側指示要素の軸方向の長さが、前記外側管状要素の軸方向の長さより大きい、歯車。
2. 前記第１および第２の側壁のうちの少なくとも１つが、当該歯車の回転軸に垂直な方向に対して１０～５０度の間の角度で前記外側環状要素から延びている、請求項１に記載の歯車。
3. 前記第１および第２の側壁は、同一および反対向きの傾斜の角度を有する、請求項１又は２に記載の歯車。
4. 前記第１および第２の側壁のうちの少なくとも１つが、円錐台の形状である、請求項１～３のいずれか一項に記載の歯車。
5. 前記第１および第２の側壁は、２ｍｍ～６ｍｍの間の壁の厚さを有する、請求項１～４のいずれか一項に記載の歯車。
6. 請求項１～５のいずれか一項に記載の歯車を備える伝達システム。