JP4228844B2 - 歯車継手 - Google Patents

Description

この発明は、回転駆動力を伝達するために使用する歯車継手に関するものである。

外歯歯車を設けたピニオンと内歯歯車を設けたスリーブとによる従来の歯車継手では、両側の端面に開口があるスリーブを使用していた。一方の端面の開口は、回転軸を通す回転軸穴を有する端カバーにより塞ぎ、もう一方の端面の開口も部材により塞いでいた。少なくとも一方の開口は、ピニオンをスリーブ内部に入れることができる大きさである。開口を塞ぐ部材とスリーブとの接合部には潤滑剤が漏れるのを防止する機構を備えていた。（例えば、特許文献１を参照）
なお、ピニオンを回転軸に取付ける方法は、焼嵌めによるのが一般的である。焼嵌め時にはピニオンをスリーブに入れておくことはできないので、以下のような手順で歯車継手を組立てる。まず、端カバーの回転軸穴に回転軸を通した状態でピニオンを焼嵌めで回転軸に取付ける。次に、スリーブの中にピニオンを入れて歯車を噛み合わせる。そして、端カバーをスリーブに取付ける。最後に、スリーブのもう一方の端面の開口を塞ぐ。

特開平７−２８６６２２号公報

外歯歯車を設けたピニオンと内歯歯車を設けたスリーブとによる従来の歯車継手では、スリーブの両側の端面に開口があり、スリーブと開口を塞ぐ部材との接合部には潤滑剤が漏れるのを防止する機構を備えていたので、以下の問題点があった。
（１）スリーブと開口を塞ぐ部材の接合部に有る潤滑剤が漏れるのを防止する機構の調整が難しく、潤滑剤が漏れる場合があった。
また、端カバーに回転軸を通す回転軸穴が有るため、以下の問題点があった。
（２）端カバーに有る回転軸を通す回転軸穴からほこりや水などの潤滑剤を劣化させる物質（劣化物質と呼ぶ）が歯車継手の内部に入りやすく、潤滑剤を早く劣化させる。なお、劣化物質は、固体、液体、気体の何れでもありうる。

この発明は上記の課題を解決するためになされたもので、潤滑剤が漏れることを防止したり、劣化物質がスリーブ内部に入ることを防止して潤滑剤の劣化を抑えたりなど、歯車継手の潤滑剤の保守を容易にすることを目的とする。
潤滑剤が漏れて量が不足したり劣化したりして潤滑性能が低下すると、歯車継手の歯車が損傷してしまう可能性が高くなる。歯車が損傷すると、修理や交換のために歯車継手を備えた動力機器が長期間使用できなくなる。歯車継手は、電車などの交通機関、クレーンなどの建築機器、工場などで使用される重機械などで広く使用されており、これらの機器が使用できなくなると社会的に影響が大きい。そのため、歯車継手を正常な状態に保つための歯車継手の潤滑剤の保守を容易にすることは、産業上で重要な課題である。

この発明に係る歯車継手は、第１の回転軸に結合される外歯歯車を設けたピニオンと、該ピニオンの外歯歯車と噛み合う内歯歯車を設け、両側の端面に開口を持ち少なくとも一方の開口から前記ピニオンを内部に入れ、第２の回転軸に結合されるスリーブと、該スリーブの第１の回転軸が通る側の端面に有る前記開口を塞ぎ、前記第１の回転軸を通す回転軸穴を有する第１の端材と、前記スリーブのもう一方の端面に有る前記開口を塞ぐ第２の端材とを備え、前記スリーブと前記第１の端材と前記第２の端材とが潤滑剤を保持できる空間を構成する歯車継手において、前記回転軸穴の内周面と対向する面に軸線外方に向かって径が大きくなる勾配をつけ、前記回転軸穴の内周面と対向する面に円周方向の溝が設けられ、前記溝において底面の外方方向の端部が開口の内方方向の端部よりも軸線内方側に位置するように、前記溝の両方の側面を軸線内方に向かって傾斜させることを特徴とするものである。

この発明に係る歯車継手は、第１の回転軸に結合される外歯歯車を設けたピニオンと、該ピニオンの外歯歯車と噛み合う内歯歯車を設け、両側の端面に開口を持ち少なくとも一方の開口から前記ピニオンを内部に入れ、第２の回転軸に結合されるスリーブと、該スリーブの第１の回転軸が通る側の端面に有る前記開口を塞ぎ、前記第１の回転軸を通す回転軸穴を有する第１の端材と、前記スリーブのもう一方の端面に有る前記開口を塞ぐ第２の端材とを備え、前記スリーブと前記第１の端材と前記第２の端材とが潤滑剤を保持できる空間を構成する歯車継手において、前記回転軸穴の内周面と対向する面に軸線外方に向かって径が大きくなる勾配をつけ、前記回転軸穴の内周面と対向する面に円周方向の溝が設けられ、前記溝において底面の外方方向の端部が開口の内方方向の端部よりも軸線内方側に位置するように、前記溝の両方の側面を軸線内方に向かって傾斜させることを特徴とするものなので、回転軸穴の内周面に対向する面の表面を伝って劣化物質が歯車継手の内部に入るのを防止するという効果が有る。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１の歯車継手の全体構成を一部破断して示す断面図である。この歯車継手は、鉄道車両の駆動用電動機１と減速用歯車装置２との間を連結するものである。より具体的にいうと、駆動用電動機１により駆動される駆動回転軸３と、減速用歯車装置２の被駆動回転軸４との間を連結する歯車継手である。この歯車継手は、左右がほぼ対称である。図２に、図１における左側の駆動用電動機１側の拡大図を示す。なお、駆動回転軸３または被駆動回転軸４のことを、以下では略して単に回転軸と呼ぶことがある。
駆動用電動機１側で説明するので、駆動回転軸３が第１の回転軸であり、被駆動回転軸４が第２の回転軸であるとする。なお、減速用歯車装置２側から見れば、被駆動回転軸４が第１の回転軸であり、駆動回転軸３が第２の回転軸である。

駆動回転軸３と被駆動回転軸４には、ピニオン５が軸端ナット６により固着される。ピニオン５の外周には、クラウニングが施された歯の外歯歯車５ａが形成されている。２個のピニオン５は同じ大きさで同じ形状であり、外歯歯車５ａの形状も同じである。駆動回転軸３と被駆動回転軸４は、継手本体部７に挿入されている。
ここで、クラウニングとは、歯車の歯を歯すじ方向の中央部が凸になるように加工することである。外歯歯車５ａの歯にクラウニングを施すことの目的は、駆動回転軸３と被駆動回転軸４の位置や軸線方向がずれても歯車継手として機能させるためである。このような回転軸の位置や軸線方向がずれても動力を伝達できる歯車継手は通常、可撓歯車継手と呼ばれる。

この実施の形態１は、鉄道車両の車軸で使用する歯車継手にこの発明を適用した場合なので、可撓歯車継手としている。その理由は、以下である。鉄道車両では、駆動用電動機１は台車枠に配置され、減速用歯車装置２は車軸に配置される。線路にはカーブや勾配が有るため、台車枠と車軸との位置関係がずれて駆動回転軸３と被駆動回転軸４の軸線の位置や方向がずれる場合が多く有る。回転軸の位置や軸線方向がずれても動力を伝達できるように、可撓継手とする必要が有る。

継手本体部７は円筒状の形状で、円筒の両側の開口を塞ぐ端カバー８が継手本体部７の両側の端面に有る。端カバー８にはそれぞれ１個の回転軸穴８ａが有り、この回転軸穴８ａにはピニオン５が固着された駆動回転軸３または被駆動回転軸４が挿入されている。
継手本体部７は、スリーブ９と端カバー８とを一体加工してなる２個のスリーブ部材７ａを端カバー８のない側の端面を互いに重ね合わせて、この端面にある帽子のつばのように径が大きくなった部分を所定の数のボルト７ｂとナット７ｃで固着して組立てたものである。なお、２個のスリーブ部材７ａの形状は同一である。スリーブ部材７ａの外形は円筒状で、この円筒状の部分が両側の端面に開口を持つスリーブ９であり、一方の端面を塞ぐ端カバー８がこの発明でいう第１の端材である。

スリーブ部材７ａは、端カバー８とスリーブ９とを一体加工したものである。ここで、本明細書における一体加工とは、分離できないように一体に加工することと定義する。一体加工の方法は、１個の素材から加工してもよいし、端カバー８とスリーブ９を別々に加工して溶接やロー付けなどにより接合してもよい。分離できないように一体に加工できる方法であれば、どのような方法でもよい。ただし、遠心力で継手内部の潤滑剤が漏れないように密着していなければならない。

スリーブ９の内側には、内歯歯車９ａを形成している。この内歯歯車９ａは、前記したピニオン５の外歯歯車５ａと噛み合う。スリーブ９の端カバー８のない側の端面はスリーブ９の内径と同じ大きさの径の開口があり、この開口がピニオン収容穴９ｂとなる。
外歯歯車５ａと内歯歯車９ａの噛み合わせ部には、潤滑剤であるグリース１０が充填されている。なお、潤滑剤としてグリース１０以外を使用してもよい。潤滑剤の種類は、歯車継手の素材や動作温度などの動作環境を考慮して、適切なものを選択すればよい。

駆動用電動機１側でのピニオン５の外歯歯車５ａとスリーブ９の内歯歯車９ａの噛み合わせ部から見ると、ピニオン５は第１の回転軸である駆動回転軸３と結合され、スリーブ９はもう１組のスリーブ９とピニオン５とを介して第２の回転軸である被駆動回転軸４と結合される。
端カバー８には、内歯歯車９ａの軸線と中心が一致した円形の回転軸穴８ａがある。端カバー８の回転軸穴８ａの外側の周囲は、短い円筒状に所定の長さ出ている。この出ている部分の周面には回転軸の軸線外方（駆動用電動機１の側）に向って径が大きくなる勾配をつけた溝８ｂが有る。回転軸と平行なＸ軸に対するこの溝８ｂの角度は、図２に示すように角度θＡである。

ピニオン収容穴９ｂには第２の端材である中心板１１がはめ込まれており、継手本体部７の内部は中心板１１で左右に仕切られる。この左右に仕切られた空間には、回転軸に取付けたそれぞれ１個のピニオン５が入る。前述のように回転軸の位置や軸線方向がずれる場合があり、回転軸の位置がずれても軸端ナット６が中心板１１に接触して中心板１１が損傷することがないように、軸端ナット６には円形の弾性体製のクッション１２を取付けておく。

スリーブ９のピニオン収容穴９ｂは中心板１１により塞がれ、スリーブ９のもう一方の端面には端カバー８があるので、スリーブ９と中心板１１と端カバー８とによりスリーブ部材７ａの内部にはグリース１０を保持できる空間が構成される。スリーブ９と端カバー８は一体加工されているので、グリース１０が漏れ出る可能性が有る継ぎ目は、中心板１１とスリーブ９との接合部だけである。図２に示すように、中心板１１とスリーブ９との接合部には、接合部からグリース１０が漏れ出ることを防止するために、シール材としてＯリング１３を挿入しておく。なお図１では、図の煩雑さを避けるためシール材であるＯリング１３の表示を省略している。
グリース１０をスリーブ部材７ａの内部に保持できれば、中心板１１に貫通穴が有ってもよい。軸端ナット６が接触することがない程度にこの貫通穴が大きい場合は、クッション１２は不要になる。

回転軸穴８ａの内周面８ｃは、軸線方向に内歯歯車９ａの内側に入り込むぐらいの長さが有る。回転軸穴８ａの内周面８ｃの長さをこのように長くするために、回転軸穴８ａの周囲の軸線内方（駆動用電動機１でない側）には筒状の筒状部８ｄがあり、ピニオン５の側面には軸線外方に開いた窪み５ｂがあり、この窪み５ｂの中に軸線外方側から筒状部８ｄが入るようにしている。
回転軸穴８ａの内周面８ｃの軸線外方に近い約半分は、図２に示すように回転軸と平行なＸ軸に対して角度θＢで軸線外方に向って径が大きくなる勾配をつけてある。軸線内方に近い半分も、軸線内方に向って径が大きくなる勾配をつけてある。なお、軸線内方に近い半分の方が、勾配は小さい。

回転軸穴８ａの内周面８ｃと、これに対向するピニオン５の外周面５ｃとの間は間隔を狭くしており、狭隘部を構成している。この狭隘部の長さは、回転軸穴８ａの内周面８ｃの長さとほぼ等しい。
回転軸穴８ａの内周面８ｃの角度θＢの勾配がついた部分に相対するピニオン５の外周面５ｃには、１個以上の所定の数（この実施の形態１では３個）の溝５ｄが有る。溝５ｄの両側の側面はＸ軸に対して同じ角度θＣで傾斜し、底部が丸くなっている。そのため、溝５ｄの両側の側面は軸線外方に向って径が大きくなる。

この歯車継手は、以下のようにして組立てる。ピニオン収容穴９ｂからピニオン５をスリーブ部材７ａの内部に入れ、回転軸穴８ａにピニオン５を通す。スリーブ部材７ａの内部に有るピニオン５に、油圧などにより回転軸を圧入して軸端ナット６で固着する。ピニオン収容穴９ｂに中心板１１をはめ込み、２個のスリーブ部材７ａを重ね合わせてボルト７ｂとナット７ｃを締め付けて組立てる。

以上で構造の説明を終了し、動作を説明する。まず、潤滑剤が漏れるのを防止する動作について説明する。歯車継手が回転していない状態では、グリース１０はスリーブ部材７ａ内部の底面に溜まっている。グリース１０の流動性は低いため、外歯歯車５ａと内歯歯車９ａの噛み合わせ部にも一部のグリース１０がついている。歯車継手が回転する状態では遠心力が働いて、グリース１０がスリーブ部材７ａの内面にほぼ均等の厚さで充填され、外歯歯車５ａと内歯歯車９ａの噛み合わせ部にも均等にグリース１０が行き渡る。図１と図２は、回転している時の状態を表現している。

グリース１０には遠心力が働くので、スリーブ９の継ぎ目などから外に漏れ出ようとするが、スリーブ９の継ぎ目が中心板１１との間の接合部だけであるから、その漏れを低減できる。つまり、第１の端材である端カバー８がスリーブ９と一体加工されているので、端カバー８とスリーブ９との間に継ぎ目がないからこの部分からグリース１０が漏れ出ることがないうえ、スリーブ９に端カバー８を取付ける組立作業が不要になるという効果が有り、加えて端カバー８とスリーブ９の間に継ぎ目がないから、両者間に装着していた潤滑剤の漏れを防止するＯリングやガスケットなどの部品も不要になる。
端カバー８とスリーブ９を一体加工することにより、歯車継手の端部の形状が簡単化し、歯車継手がコンパクトになり重量を減らすことができる。そのため、歯車継手の回転バランスが良くなり、騒音や振動も減るという効果が有る。

次に、歯車継手の内部に劣化物質が侵入することを防止する動作について説明する。そのためにまず、歯車継手の内部に劣化物質が侵入する経路について考察する。図３は劣化物質が侵入する経路を説明するための図であるが、劣化物質の侵入経路は空間的には、歯車継手の外部（外部空間Ａと呼ぶ）、端カバー８の回転軸穴８ａとピニオン５の間の空間（連結空間Ｂと呼ぶ）、スリーブ９の内部（内部空間Ｃと呼ぶ）、に大きく分けることができる。連結空間Ｂは、回転軸穴８ａの内周面８ｃの端から端までとする。内部空間Ｃは、連結空間Ｂ以外のスリーブ９の内部の空間である。
劣化物質が侵入する経路は、空間中を移動する（空間移動と呼ぶ）か、歯車継手を構成する部材の表面を伝って移動するか（表面移動と呼ぶ）でも、分類できる。気体の劣化物質は空間移動でしか移動できないが、液体または固体の劣化物質は空間移動と表面移動の両方で移動できる。

このような歯車継手の内部に劣化物質が侵入する経路の考察に基づき、歯車継手の内部に劣化物質が侵入することを防止する対策を、以下のように分類する。ただし、この発明に係る対策の中には、対策１Ｂに分類されるものはない。また、この発明に係る対策は、おもに回転中の歯車継手での対策である。
対策１Ａ：外部空間Ａから連結空間Ｂへの表面移動を防止する。
対策１Ｂ：外部空間Ａから連結空間Ｂへの空間移動を防止する。
対策２Ａ：連結空間Ｂから内部空間Ｃへの表面移動を防止する。
対策２Ｂ：連結空間Ｂから内部空間Ｃへの空間移動を防止する。
この対策の分類の概念を説明する図を、図４に示す。図４において、(1a)は対策１Ａを、(1b)は対策１Ｂを、(2a)は対策２Ａを、(2b)は対策２Ｂをそれぞれ示すものである。

端カバー８の外側の回転軸穴８ａの周囲が所定の長さ出ている短い円筒状の部分の側面に有る溝８ｂは、対策１Ａに該当する。溝８ｂを設けることにより、後述するように溝８ｂの表面に有る劣化物質に軸線外方方向の力が働き、この力を受けて外側にはね飛ばされる。つまり、端カバー８の外面を伝って溝８ｂに来る劣化物質が回転軸穴８ａの内部である連結空間Ｂに劣化物質が侵入するのを防止するという効果が、溝８ｂには有る。

溝８ｂの表面に有る劣化物質に働く軸線外方方向（Ｘ軸方向）の力を定量的に評価するために、以下の変数を定義する。また、既に定義済の角度を表す変数も以下に示す。
Ｋ ：劣化物質に働く表面への吸着力のベクトル。表面に垂直に働く。
Ｓ ：劣化物質に働く遠心力のベクトル。回転軸に垂直に働く。
Ｈ ：劣化物質に働く表面からの反作用力のベクトル。表面に垂直に働く。
Ｇ ：劣化物質に働く合成力のベクトル。
θＡ：溝８ｂの勾配のＸ軸に対する角度。
θＢ：回転軸穴８ａの内周面８ｃの勾配のＸ軸に対する角度。
θＣ：溝５ｄの傾斜のＸ軸に対する角度。

図５に、端カバー８の回転軸穴８ａの外側の外周面の溝８ｂの表面に有る劣化物質に働く力の説明図を示す。ここで、力の成分として以下を定義する。なお、ここでは奥行き方向すなわち回転方向であるＺ軸の成分は考慮しない。その理由は、劣化物質のＸ軸方向への移動には関係しないからである。
ｐ成分：表面に平行な成分。軸線外方に向う場合が正。添え字はｐ。
ｑ成分：表面に垂直な成分。表面から離れる場合が正。添え字はｑ。
ｘ成分：Ｘ軸に平行な成分。軸線外方に向う場合が正。添え字はｘ。
ｙ成分：高さ方向であるＹ軸の成分。上に向う場合が正。添え字はｙ。

まず、力の性質を簡単に説明する。吸着力Ｋは、劣化物質が溝８ｂの表面に付着している場合に、表面に向う方向に垂直に劣化物質に作用する。遠心力Ｓは、劣化物質が回転している場合に、回転軸に垂直な方向（図２の断面の位置ではＸ軸に直交する方向）に劣化物質に作用する。反作用力Ｈは、劣化物質が溝８ｂの表面に付着しており、かつ他の力を合成した力のｑ成分が負になる場合すなわち表面に向う方向である場合に、その力を打ち消して合成力Ｇのｑ成分がゼロすなわちＧｑ＝０となるように表面から離れる方向に垂直に劣化物質に働く。
重力は他の力と比較して小さいので、回転中の歯車継手では考慮しない。

これらから、劣化物質に作用する合成力Ｇは、以下となる。
（１）Ｓｑ＞|Ｋ|の場合。反作用力Ｈが作用しない場合。
Ｇ＝Ｓ＋Ｋ （式１）
Ｇｐ＝Ｓｐ＝|Ｓ|×ｓｉｎθＡ （式２）
Ｇｑ＝Ｓｑ＋Ｋｑ＝|Ｓ|×ｃｏｓθＡ−|Ｋ| （式３）
Ｇｘ＝Ｋｘ＝|Ｋ|×ｓｉｎθＡ （式４）
Ｇｙ＝Ｓｙ＋Ｋｙ＝|Ｓ|−|Ｋ|×ｃｏｓθＡ （式５）
（２）Ｓｑ≦|Ｋ|の場合。反作用力Ｈが作用する場合。
Ｇ＝Ｓ＋Ｋ＋Ｈ （式６）
Ｇｐ＝Ｓｐ＝|Ｓ|×ｓｉｎθＡ （式７）
Ｇｑ＝Ｓｑ＋Ｋｑ＋Ｈｑ
＝|Ｓ|×ｃｏｓθＡ−|Ｋ|＋Ｈｑ＝０ （式８）

図５(a)は劣化物質が溝８ｂの表面を離れて移動する前記（１）の場合であり、図５(b) は劣化物質が溝８ｂの表面を移動する前記（２）の場合である。どちらの場合も、合成力Ｇは軸線外方方向の力の成分を有する。劣化物質は、合成力Ｇの方向に加速されて移動する。劣化物質が移動するようになると、空気抵抗や表面への吸着力による抵抗も劣化物質に作用するようになるが、ここでは考慮しない。抵抗があったとしても移動の速度が遅くなるだけで、合成力Ｇの方向に劣化物質は移動する。

図５(a)の場合は劣化物質が溝８ｂの表面から離れて移動することになる。劣化物質が溝８ｂの表面から離れるまでに働く（式４）による力を受けて、溝８ｂの表面から離れる時点では軸線外方方向の速度成分を有する。溝８ｂの表面から離れた後はＹ軸方向の力である遠心力Ｓだけが劣化物質に働き、Ｙ軸方向に加速されながら軸線外方方向にも移動することになる。（式４）はＧｘが吸着力の大きさ|Ｋ|と比例することを意味しており、吸着力Ｋが大きいほど劣化物質の軸線外方方向への移動速度が大きくなる。

図５(b)の場合は、劣化物質が溝８ｂの表面を移動することになる。Ｇｑ＝０となるので、合成力Ｇのｘ成分ＧｘをＧｐから求めると以下となる。
Ｇｘ＝Ｇｐ×ｃｏｓθＡ＝|Ｓ|×ｓｉｎθＡ×ｃｏｓθＡ （式９）
ただし、Ｓｑ≦|Ｋ|を変換した下に示す（式１０）も成立する必要が有る。
|Ｓ|×ｃｏｓθＡ≦|Ｋ| （式１０）
（式９）からＧｘは遠心力の大きさ|Ｓ|に比例し、遠心力の大きさ|Ｓ|が一定の場合は、θＡが４５度の場合にＧｘが最大になる。吸着力の大きさ|Ｋ|が一定ならば、（式１０）からθＡが９０度に近いほどより大きい遠心力Ｓに対して図５(b)の場合が成立することになる。遠心力の大きさ|Ｓ|は回転数に比例するので、図５(b)の場合は回転数が小さい場合である。
なお、この実施の形態１では回転軸穴８ａの外側の周囲を短い円筒状に所定の長さだけ出ているが、出ていなくてもよいし、出ている長さを任意に選んでもよい。軸線外方に向かって径が大きくなる溝８ｂを設けることができれば、回転軸穴８ａの外側の周囲はどのような形状でもよい。

回転軸穴８ａの内周面８ｃと、これに相対するピニオン５の外周面５ｃとの間の間隔を狭くして狭隘部を構成しているのは、対策２Ｂに該当する。間隔が広い場合よりも、劣化物質が連結空間Ｂから内部空間Ｃに入りにくくなるという効果が有る。
回転軸穴８ａの内周面８ｃに対向するピニオン５の外周面５ｃに溝５ｄを設けることも、対策２Ｂに該当する。ピニオン５の外周面５ｃに有る溝５ｄと回転軸穴８ａの内周面８ｃとの間が直通型のラビリンスシールを構成し、連結空間Ｂから内部空間Ｃへ空間移動で劣化物質が侵入するのを防止するという効果が有る。このラビリンスシールを構成することによる効果は、歯車継手が回転中かどうかによらない。なお、直通型のラビリンスシールとは、流体が通る直線状の通路に断面積が大きい部分と小さい部分とが交互にできるようにしたラビリンスシールである。

溝５ｄが有ることにより狭隘部の断面積がＸ軸方向で変化し、Ｘ軸方向に直通型のラビリンスシールを構成する。直通型のラビリンスシールでは、断面積が大きい部分では圧力が低く流体の移動速度が小さくなり、断面積が小さい部分では圧力が高く流体の移動速度が速くなるというように、圧力と移動速度が変化する。この圧力と移動速度の変化が、流体を移動させようとする力に対して抵抗として働き、流体が移動しにくくなる。
溝５ｄの数や幅や深さや、溝５ｄの間の間隔や、内周面８ｃと外周面５ｃの間の間隔などは、所定の効果のラビリンスシールが構成できるように調整する。

歯車継手が回転中に連結空間Ｂに侵入してきた劣化物質は、連結空間Ｂの溝５ｄがない部分ではとくに、空気の粘性によりピニオン５及び端カバー８に引きずられて回転する空気とともに回転し、劣化物質が遠心力を受けることになる。遠心力を受けた劣化物質は、回転軸穴８ａの内周面８ｃに接触するまで半径方向に移動する。このように内周面８ｃに移動して来る劣化物質を表面移動で外部空間Ａに出す作用が、回転軸穴８ａの内周面８ｃの軸線外方に向かって径が大きくなる勾配には有る。そのため、内周面８ｃに軸線外方に向かって径が大きくなる勾配をつけることは、対策２Ａに該当する。

回転軸穴８ａの内周面８ｃに有る劣化物質には、図６に示すように、吸着力Ｋと、遠心力Ｓと、内周面８ｃからの反作用力Ｈとが働く。内周面８ｃは軸線外方に向かって径が大きくなる角度θＢの勾配をつけることにより、これらの合成力Ｇは内周面８ｃを伝って軸線外方に向かって働くことになる。このため、回転軸穴８ａの内周面８ｃに有る劣化物質が内周面８ｃを伝って軸線外方に移動することになり、劣化物質が内部空間Ｃに入るのを防止するという効果が有る。

合成力Ｇは、図５(b)の場合と同様に、以下のようになる。ただし、遠心力Ｓのｑ成分Ｓｑは内周面８ｃに向う方向なので、負の値になる。
Ｇｐ＝Ｓｐ＝|Ｓ|×ｓｉｎθＢ （式１１）
Ｇｑ＝Ｓｑ＋Ｋｑ＋Ｈｑ
＝−|Ｓ|×ｃｏｓθＢ−|Ｋ|＋Ｈｑ＝０ （式１２）
Ｇｑ＝０となるので、合成力Ｇのｘ成分であるＧｘをＧｐから求めると以下となる。
Ｇｘ＝Ｇｐ×ｃｏｓθＢ＝|Ｓ|×ｓｉｎθＢ×ｃｏｓθＢ （式１３）
（式１３）からＧｘは遠心力の大きさ|Ｓ|に比例し、遠心力の大きさ|Ｓ|が一定の場合は、θＢが４５度の場合にＧｘが最大になることが分かる。ただし、θＢを大きくするとラビリンスシールを構成しにくくなる。

回転軸穴８ａの内周面８ｃに軸線外方に向かって径が大きくなる勾配をつけているので、下側の内周面８ｃは軸線外方の方が低くなる。そのため、回転中でない場合も、回転軸穴８ａの内周面８ｃに有る劣化物質に重力が働いて、下側の内周面８ｃを伝って劣化物資が連結空間Ｂから外部に出やすくなり、劣化物質が内部空間Ｃに入るのを防止するという効果が有る。

ピニオン５の外周面５ｃに有る溝５ｄの側面を軸線外方に向って径が大きくなるように傾斜させていることは、対策２Ａに該当する。ピニオン５の外周面５ｃを伝ってくる劣化物質は、溝５ｄに入る。溝５ｄの表面に有る劣化物質に働く力を、図７に示す。劣化物質が溝５ｄの軸線外方に近い方の側面（Ａ側面と呼ぶ）から離れて移動する場合が図７(a)であり、Ａ側面の表面を移動する場合が図７(b)であり、軸線外方に遠い方の側面（Ｂ側面と呼ぶ）に有る場合が図７(c)であり、底面に有る場合が図７(d)である。図７(a)と図７(b)の違いは、図５と同様に遠心力の大きさ|Ｓ|の違いである。Ｓｑ＞|Ｋ|の場合の場合が図７(a)で、Ｓｑ≦|Ｋ|の場合が図７(b)である。遠心力の大きさ|Ｓ|は回転数に比例するので、回転数が大きい場合が図７(a)で、回転数が小さい場合が図７(b)になる。

回転する歯車継手では、前述のように吸着力Ｋと、遠心力Ｓと、溝５ｄの表面からの反作用力Ｈとが劣化物質に作用し、これらの合成力Ｇの方向に加速されて劣化物質は移動する。
溝５ｄの側面を軸線外方に向って径が大きくなるように傾斜させているので、図７(a)〜図７(c)までで劣化物質は軸線外方方向に移動する。劣化物質を軸線外方に移動させる力は、以下のような式で表現できる。図７(a)の場合は、θＡをθＣに置き換えるように（式１）〜（式５）を変形した式。図７(b)の場合は、θＡをθＣに置き換えるように（式６）〜（式１０）を変形した式。図７(c)の場合は、θＢをθＣに置き換えるように（式１１）〜（式１３）を変形した式。

図７(a)では、劣化物質が溝５ｄの側面の表面を離れて空間を移動することになる。劣化物質が溝５ｄのＢ側面または回転軸穴８ａの内周面８ｃまで到達すると、以後は表面を伝って軸線外方に移動する。
図７(b)と図７(c)では、溝５ｄの側面の表面を伝って劣化物質が軸線外方に移動する。
溝５ｄの底面に有る場合の図７(d)では、劣化物質は溝５ｄのＢ側面の方に移動して、Ｂ側面に到達した後は図７(c)の場合と同様に軸線外方の方向に移動することになる。なお、溝５ｄの底面でもＡ側面に近い位置では、Ａ側面の方に移動して、以後は図７(a)または図７(b)の場合と同様に軸線外方の方向に移動することになる。

このように、溝５ｄの側面を軸線外方に向って径が大きくなるように傾斜させているので、ピニオン５の表面を伝って溝５ｄに入った劣化物質は、軸線外方方向の力を受けて連結空間Ｂから外部空間Ａの方向に移動する。つまり、連結空間Ｂに表面を伝って入ってきた劣化物質が内部空間Ｃに入ることを防止できるという効果が有る。なお、この実施の形態１では溝５ｄの両側の側面を傾斜させたが、どちらか一方の側面だけを傾斜させても効果が有る。
遠心力Ｓが大きく図７(a)となる場合は、連結空間Ｂ中の劣化物質が回転軸穴８ａの内周面８ｃに到達することになるので、内周面８ｃに軸線外方に向かって径が大きくなる勾配をつけておく必要が有る。そうしておかないと、内周面８ｃの表面を伝って内部空間Ｃへ劣化物質が侵入することを防止できない。

この実施の形態１は回転軸に取付けられた２個のピニオン５と２個のスリーブ部材７ａを有する可撓歯車継手に適用した場合であるが、それぞれが回転軸に取付けられた１個のピニオン５と１個のスリーブ９を有する歯車継手でも同様の効果が有る。また、可撓歯車継手でない歯車継手に適用しても同様な効果が有る。
１個のピニオン５と１個のスリーブ９を有する歯車継手では、ピニオン収容穴９ｂに回転軸穴８ａを有する端カバー８を取付けるようにしてもよい。

この実施の形態１では中心板１１を備えたが、中心板１１がなくてもスリーブ部材７ａ内部に潤滑剤を保持できるので、中心板１１はなくてもよい。中心板１１がない場合は、接合する相手のスリーブ部材７ａがピニオン収容穴９ｂを塞ぐ第２の端材として機能することになる。
中心板１１が塞ぐ開口の大きさは、ピニオン５を挿入できればスリーブ９の内側の空間の断面よりも小さくてもよい。端カバー８がある端面の開口の大きさもスリーブ９の内側の空間の断面と同じか小さくてもよい、小さい場合は断面に対する開口の面積の割合はいくらでもよい。
スリーブ９の開口の大きさが小さく、スリーブ９と第１の端材である端カバー８とだけまたはスリーブ９だけでも潤滑剤をスリーブ部材７ａの内部に保持できる場合なども、スリーブ９と第１の端材と第２の端材とで潤滑剤を保持できる空間を構成する場合に含むとする。

この実施の形態１では、溝５ｄは回転軸穴８ａの内周面８ｃに対向する位置にピニオン５が有るので、溝５ｄをピニオン５に設けた。内周面８ｃに対向する位置に回転軸などのピニオン５でない部材が有る場合は、その部材に溝を設ける。
この実施の形態１では、ピニオン５に軸線方向の窪み５ｂを設けて、この窪み５ｂに軸線外方側から筒状部８ｄが入るようにしたので、筒状部８ｄなどで構成される狭隘部の長さを回転軸穴が有る端面から内歯歯車の端までの間隔よりも長くしても、歯車継手全体の軸線方向の長さをピニオン５に軸線方向の窪み５ｂがない場合よりも短くできる。回転軸穴が有る端面から内歯歯車の端までの間隔よりも狭隘部の所定の長さが短くできる場合は、ピニオン５に窪み５ｂを設けなくてもよい。また、所定の長さの狭隘部が構成できるならば、筒状部８ｄはなくてもよい。

回転軸穴８ａの内周面８ｃの軸線外方に近い約半分に、軸線外方に向かって径が大きくなる勾配をつけたが、勾配をつける部分をより長くしてもよい。また、所定の効果が得られるならば、より短くしてもよい。内側に近い部分が、内側に向かって径が大きくなる僅かな勾配が有るのは、勾配をなくしたり軸線外方に向って径が大きくなる勾配としたりしてもよい。

この実施の形態１では、端カバー８とスリーブ９を一体加工した歯車継手で、歯車継手の内部に劣化物質が侵入することを防止する対策を実施した。端カバー８をボルトなどによりスリーブ９に取付ける場合でもこれらの対策を適用でき、同様な効果が有る。
この実施の形態１では、歯車継手の内部に劣化物質が侵入することを防止する複数の対策を同時に実施したが、複数の対策をすべて同時に実施する必要はなく、何れか少なくとも１個の対策を実施すればよい。実施した対策に関しては、その対策の効果が得られる。
以上のことは、他の実施の形態でもあてはまる。

実施の形態２．
実施の形態２は、回転軸穴８ａの内周面８ｃに対向するピニオン５の外周面５ｃに軸線外方に向って径が大きくなる勾配をつけるように、実施の形態１を変更したものである。図８に、実施の形態２の歯車継手の駆動用電動機１側の拡大図を示す。回転軸穴８ａの内周面８ｃに対向するピニオン５の外周面５ｃも、内周面８ｃと同様に回転軸であるＸ軸に対して角度θＤで軸線外方に向って径が大きくなる勾配をつけている。なお、θＢ＞θＤ＞０である。
内周面８ｃの角度θＢとなる部分は、内周面８ｃのＸ軸の長さのほぼ中央から外側の部分である。Ｘ軸に平行な同じ範囲の部分に、外周面５ｃでも角度θＤの勾配をつけている。
その他の構造は、実施の形態１の場合の図２と同様である。

回転軸穴８ａとピニオン５の形状に関する制約を説明する。そのために、以下の変数を定義する。角度θＤの定義も以下に示す。
Ｒ１：ピニオン５の径が最大の部分での半径。
Ｒ２：回転軸穴８ａの径が最小の部分での半径。
Ｗ ：ピニオン５の径が最大の部分と回転軸穴８ａの径が最小の部分との
Ｘ軸方向の間隔。
Ｄ１：ピニオン５の径が最大の部分での狭隘部のＹ軸方向の間隔。
Ｄ２：回転軸穴８ａの径が最小の部分での狭隘部のＹ軸方向の間隔。
θＤ：外周面５ｃの勾配のＸ軸に対する角度。

回転軸穴８ａの中にピニオン５を挿入できるようにするために、以下でなければならない。
Ｒ２ ＞ Ｒ１ （式１４）
Ｄ１とＤ２は、以下の式から計算できる。
Ｄ１＝Ｒ２−Ｒ１＋Ｗ×ｓｉｎθＢ （式１５）
Ｄ２＝Ｒ２−Ｒ１＋Ｗ×ｓｉｎθＤ （式１６）
これらの式から、以下が分かる。狭隘部の間隔を小さくするためには、Ｒ２−Ｒ１をゼロに小さくし、角度θＢと角度θＤをゼロに近くする必要が有る。ただし、Ｒ２−Ｒ１をゼロに小さくすると回転軸穴８ａにピニオン５を挿入しにくくなる。

次に動作を説明する。実施の形態１と比較して動作に差が有るのは、ピニオン５の表面を伝って来る劣化物質の場合である。その他の場合は、実施の形態１と同様に動作する。
外周面５ｃに軸線外方に向って径が大きくなる勾配をつけているので、外周面５ｃの表面に有る劣化物質に作用する合成力Ｇは、溝８ｂの場合と同様に、外周面５ｃの表面に有る劣化物質に作用する合成力は、（式１）〜（式１０）でθＡをθＤに置き換えるように変形した式で表現できる。よって、溝８ｂの場合と同様に、合成力Ｇの軸線外方方向の成分Ｇｘにより、劣化物質が軸線外方方向へ移動し連結空間Ｂから外部空間Ａに出ることになり、連結空間Ｂから内部空間Ｃへは劣化物質が移動しにくくなる。

外周面５ｃに軸線外方に向って径が大きくなる勾配をつけると、下側の外周面５ｃは軸線外方の方が低くなる。そのため、歯車継手が回転しない場合でも、外周面５ｃの表面に有る劣化物質には重力により軸線外方へ移動しやすくなるので、連結空間Ｂから内部空間Ｃへ外周面５ｃの表面を伝って劣化物質が侵入するのを防止する効果が有る。

外周面５ｃに軸線外方に向って径が大きくなる勾配をつけることによる、連結空間Ｂから内部空間Ｃへ劣化物質が移動するのを防止する効果が大きいのは、回転数がそれほど大きくなくＳｑ≦|Ｋ|となる場合である。その理由は、Ｓｑ≦|Ｋ|となる場合には、ピニオン５の表面に有る劣化物質がピニオン５の表面を伝って移動するからである。回転数が大きくＳｑ＞|Ｋ|となる場合は、外周面５ｃの表面に有る劣化物質は遠心力Ｓにより表面を離れて、回転軸穴８ａの内周面８ｃの方に移動する。そのため、Ｓｑ＞|Ｋ|となる場合は、外周面５ｃの勾配よりも回転軸穴８ａの内周面８ｃの勾配の方が連結空間Ｂから内部空間Ｃに劣化物質が入らないようにする上で重要である。

この実施の形態２ではθＢ＞θＤとしたが、θＢ≦θＤとしてもよい。内周面８ｃのＸ軸の長さのほぼ中央から外側の部分に勾配をつけたが、勾配をつける部分をより長くしたり、所定の効果が得られるならばあればより短くしたりしてもよい。勾配をつける部分が回転軸穴８ａの内周面８ｃと外周面５ｃとで対向するようにしたが、内周面８ｃと外周面５ｃの何れかまたは両方で対向しない範囲にも勾配をつけるようにしてもよい。

実施の形態３．
実施の形態３は、スリーブ９と第２の端材を一体加工した場合である。図９に、実施の形態３の歯車継手の全体構成を一部破断して示す断面図を示す。駆動回転軸３にピニオン５が軸端ナット６で固着して結合される。被駆動回転軸４には、スリーブ９と第２の端材を一体加工した１個のスリーブ部材７ａがボルト９ｃとナット９ｄにより結合される。

スリーブ部材７ａの円筒状のスリーブ９の部分には、ピニオン５の外歯歯車５ａと噛み合う内歯歯車９ａが設けられている。内歯歯車９ａの軸線、駆動回転軸３、被駆動回転軸４の軸線は、すべて一致している。スリーブ９の内部には潤滑剤としてグリース１０が有る。スリーブ９の第２の端材がある方の端面は、平面である。ボルト９ｃとナット９ｄにより、この平面に被駆動回転軸４と一体加工された結合板４ａが結合される。なお、被駆動回転軸４は結合板４ａに対して垂直である。

スリーブ９のもう一方の端面は、スリーブ９の内径と同じ径のピニオン収容穴９ｂがある。ピニオン収容穴９ｂは、第１の端材である端カバー８により塞がれる。端カバー８には回転軸穴８ａが有る。ボルト８ｅとナット８ｆにより、端カバー８はスリーブ部材７ｃに取付けられる。端カバー８とスリーブ部材７ｃとの接合部には、シール材としてＯリング１４が有る。

次に動作を説明する。歯車継手が回転すると、実施の形態１の場合と同様にグリース１０に遠心力が働き、スリーブ９の継ぎ目から外に漏れ出ようとする。この実施の形態３では、スリーブ９と第２の端材を一体加工しているので、スリーブ９と第２の端材の継ぎ目がなく、継ぎ目からグリース１０が漏れ出ることを軽減できるという効果が有る。

この発明の実施の形態１の歯車継手の全体構成を一部破断して示す断面図である。 この発明の実施の形態１の歯車継手の駆動用電動機側の拡大図である。 歯車継手の内部および外部の空間の区分を説明する図である。 歯車継手の内部に劣化物質が侵入することを防止する対策の分類の概念を説明する図である。 この発明の実施の形態１の歯車継手のスリーブの回転軸穴の外側の外周面の溝の表面に有る劣化物質に働く力を説明する図である。 この発明の実施の形態１の歯車継手のスリーブの回転軸穴の内周面に有る劣化物質に働く力を説明する図である。 この発明の実施の形態１の歯車継手のピニオンに設けた溝の表面に有る劣化物質に働く力を説明する図である。 この発明の実施の形態２の歯車継手の駆動用電動機側の拡大図である。 この発明の実施の形態３の歯車継手の全体構成を一部破断して示す断面図である。

符号の説明

１ ：駆動用電動機
２ ：減速歯車装置
３ ：駆動回転軸（第１の回転軸）
４ ：被駆動回転軸（第２の回転軸）
４ａ：結合板
５ ：ピニオン
５ａ：外歯歯車
５ｂ：窪み
５ｃ：外周面
５ｄ：溝
６ ：軸端ナット
７ ：継手本体部
７ａ：スリーブ部材
７ｂ：ボルト
７ｃ：ナット
８ ：端カバー（第１の端材）
８ａ：回転軸穴
８ｂ：溝
８ｃ：内周面
８ｄ：筒状部
８ｅ：ボルト
８ｆ：ナット
９ ：スリーブ
９ａ：内歯歯車
９ｂ：ピニオン収容穴（開口）
９ｃ：ボルト
９ｄ：ナット
１０ ：グリース（潤滑剤）
１１ ：中心板（第２の端材）
１２ ：クッション
１３ ：Ｏリング
１４ ：Ｏリング
Ａ ：外部空間
Ｂ ：連結空間
Ｃ ：内部空間

Claims (3)

1. 第１の回転軸に結合される外歯歯車を設けたピニオンと、該ピニオンの外歯歯車と噛み合う内歯歯車を設け、両側の端面に開口を持ち少なくとも一方の開口から前記ピニオンを内部に入れ、第２の回転軸に結合されるスリーブと、該スリーブの第１の回転軸が通る側の端面に有る前記開口を塞ぎ、前記第１の回転軸を通す回転軸穴を有する第１の端材と、前記スリーブのもう一方の端面に有る前記開口を塞ぐ第２の端材とを備え、前記スリーブと前記第１の端材と前記第２の端材とが潤滑剤を保持できる空間を構成する歯車継手において、前記回転軸穴の内周面と対向する面に軸線外方に向かって径が大きくなる勾配をつけ、前記回転軸穴の内周面と対向する面に円周方向の溝が設けられ、前記溝において底面の外方方向の端部が開口の内方方向の端部よりも軸線内方側に位置するように、前記溝の両方の側面を軸線内方に向かって傾斜させることを特徴とする歯車継手。
2. 前記回転軸穴の内周面と対向する面との距離が軸方向に一定であり、前記内周面に軸線外方に向かって径が大きくなる勾配をつけたことを特徴とする請求項１に記載の歯車継手。
3. 前記回転軸穴の外側の周囲に軸線外方に向かって径が大きくなる勾配をつけた溝を設けたことを特徴とする請求項２に記載の歯車継手。

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