JP4495009B2 - 伝動歯車及びその製作方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンの起動用モータとトルクコンバータとの間の増速歯車等に適用され、駆動歯車と被動歯車とのかみ合い部の歯形を、かみ合い干渉を回避した歯形に修整してなる伝動歯車及び該伝動歯車の製作方法に関する。

ガスタービン設備においては、たとえば特許文献１（特開昭５７−２０５２２号公報）に開示されているように、ガスタービンの回転軸にトルクコンバータ及び増速歯車を介してモータを連結し、ガスタービンの起動時にモータの回転力を増速歯車にてガスタービンの規定回転数に増速して該ガスタービンに伝達することにより、ガスタービンを起動するようになっている。前記ガスタービン起動用の増速歯車は、該ガスタービンの定格回転数が、６０Ｈｚ発電用ガスタービンの場合１８００ＲＰＭあるいは３６００ＰＭと、高回転であるため、モータ側とガスタービン側との間の増速比を２以上の大きい増速比に採っている。

特開昭５７−２０５２２号公報

前記ガスタービン設備におけるガスタービン起動用の増速歯車は、前記のように、モータ側とガスタービン側との間の増速比が大きいため、歯のかみ合い音が大きくなる傾向にあるとともに、駆動歯車の歯先部と被動歯車の歯元部との間（あるいはその逆）において歯のかみ合い干渉いわゆるトロコイド干渉が起こり易い。
前記のような歯のかみ合い騒音やトロコイド干渉を回避するため、歯形の加工後、歯元部や歯先部に逃げ加工による修整を施す手段が提供されているが、単に歯元部や歯先部に逃げ加工による修整を施すのみでは、修整量が過小なため前記かみ合い騒音やトロコイド干渉を確実に回避できなっかたり、あるいは修整量が過大となって歯の曲げ強度が低下する等の問題が発生する。

また、歯形の加工時に歯元部や歯先部に逃げを形成する等の歯形修整を施こす手段が提供されており、かかる手段によれば前記のような問題は解消可能であるが、前記かみ合い騒音やトロコイド干渉を回避するための歯形修整を、歯形の加工形成時に加工方法を変えて行なっているため、歯車の加工が複雑となって加工工数が増加する。
尚、前記特許文献１（特開昭５７−２０５２２号公報）には、前記のようなかみ合い騒音やトロコイド干渉を回避するための歯形修整については、触れられていない。

本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、きわめて簡単で加工工数の少ない手段でもって、歯車強度を保持しつつ、かみ合い騒音やトロコイド干渉を確実に回避可能な高精度の歯形修整をなし得る伝動歯車及びその製作方法を提供することを目的とする。

本発明はかかる目的を達成するもので、駆動歯車と被動歯車とのかみ合い部の歯形を、かみ合い干渉を回避した歯形に修整して歯車を製作する歯車の製作方法において、
少なくとも駆動歯車のモジュールｍ、圧力角α、歯幅Ｂ及び歯数Ｚとを入力する第１のステップと、
前記駆動歯車の歯先のインボリュート歯形からの歯形方向切込み量Ｃと該歯先ａからの歯方向切込み長さＬの初期値を入力する第２ステップと、
前記駆動歯車と被動歯車とのかみ合い作用線Ｈに沿うかみ合い時における歯当たりの解析を行ない、かみ合い長さにおけるかみ合い時の荷重分布を算出する第３ステップと、
前記初期値による修整後の歯のかみ合い剛性ｋの最大値ｋ（θ）及びかみ合い剛性の上下幅ｋ _０ （θ）、前記インボリュート歯形からの前記初期値による修整後の偏位量ｅ、前記初期値による修整後におけるかみ合い期間中の歯の撓み量Δを算出する第４ステップと、
前記第４ステップの算出結果を用いて、次の式によってかみ合い起振力ｆ _ｅ を算出する第５ステップと、
ｆ _ｅ ＝−ｋ _０ （θ）・Δ＋ｋ（θ）・ｅ（θ）
前記歯形方向切込み量Ｃ及び歯丈方向切込み長さＬを代えて、前記第１ステップないし第５ステップの動作を繰り返し、前記かみ合い起振力ｆ _ｅ が最小となる修整パラメータ（歯形方向切込み量Ｃ及び歯丈方向切込み長さＬ）を選出する第６ステップよりなり、
前記第６ステップにより選出した修整パラメータに基づいて歯形修整を行なうことを特徴とする。

本発明によれば、駆動歯車あるいは被動歯車の歯形修整を、インボリュート歯形の加工形成後に、歯先部及び歯元部のうち少なくとも歯先部の歯形修整を行なうための修整パラメータを、インボリュート歯形からの歯形方向切込み量（Ｃ，Ｃ１）と歯先部あるいは歯元部からの歯丈方向切込み長さ（Ｌ，Ｌ１）とを関連させて設定し、前記修整パラメータの仮設定値に基づき算出したかみ合い時における歯の荷重分布を用いてかみ合い起振力を算出することを繰り返して、該かみ合い起振力が最小となる修整パラメータを目標修整パラメータとして選出するので、かみ合い時における歯のかみ合い剛性及び歯の撓み及び歯形のインボリュート歯形からの偏位の関数としてのかみ合い起振力を最小とすることにより、該かみ合い起振力に歯形のインボリュート歯形からの偏位及び歯の撓みを盛り込むことによって、駆動歯車あるいは被動歯車のかみ合い時における歯形同士の干渉を回避でき、該かみ合い起振力に歯のかみ合い剛性及び歯の撓みを盛り込むことによって、前記かみ合い時における歯の応力を許容応力以下の応力に保持するような歯形に歯形修整を行なうことができる。
これにより、歯車強度を所要強度に保持しつつ、かみ合い騒音やトロコイド干渉を確実に回避可能な高精度の歯形修整がなされた伝動歯車が得られる。

また、インボリュート歯形からの歯形方向切込み量（Ｃ，Ｃ１）と歯先部あるいは歯元部からの歯丈方向切込み長さ（Ｌ，Ｌ１）とを関連させて修整パラメータとして設定し、インボリュート歯形の加工形成後に該修整パラメータを用いて前記かみ合い起振力を最小とするように歯形修整を行なうので、前記かみ合い騒音やトロコイド干渉を回避するための歯形修整を、従来技術のように、インボリュート歯形の加工形成時に加工方法を変えて行なう必要がなく、歯形修整のための歯車の加工が簡単となって、加工工数を増加することなく、前記かみ合い騒音やトロコイド干渉を確実に回避可能な高精度の歯形修整を施すことができる。

また、本発明によれば、前記のように歯形修整を施すことによって、かみ合い騒音やトロコイド干渉を確実に回避可能で、歯車強度を所要強度に保持可能な伝動歯車を得ることができる。

以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図７は本発明が適用されるガスタービンの起動用増速歯車装置の構造を示す概略側面図である。
図７において、５はガスタービン、１は該ガスタービン５起動用のモータであり、該ガスタービン５の回転軸６にトルクコンバータ４及び駆動歯車２と被動歯車３とを備えた増速歯車機構２０を介してモータ１を連結し、ガスタービン５の起動時にモータ１の回転力を増速歯車機構２０にてガスタービン５の規定回転数に増速し、トルクコンバータ４を介してガスタービン５に伝達するようになっている。２ａは前記駆動歯車２の中心（モータ１の回転中心）、３ａは前記被動歯車３の中心（回転軸６の回転中心）である。

図６は前記実施例における駆動歯車２と被動歯車３とのかみ合い状態の説明図であり、図において、２１は駆動歯車２の歯で、２１ａは歯先、２１ｂは歯元（歯底）である。３１は被動歯車３の歯で、３１ａは歯先、３１ｂは歯元（歯底）である。またＲｐ２は駆動歯車２のピッチ円径、Ｒｐ３は被動歯車３のピッチ円径、Ｒ０２は駆動歯車２の基礎円径、Ｒ０３は被動歯車３の基礎円径、Ｈは作用線、２ａは駆動歯車２の中心、３ａは被動歯車３の中心である。θ２は駆動歯車２の回転方向、θ３は被動歯車３の回転方向を示す。

次に、図１ないし図５に基づき、かかる実施例における駆動歯車２及び被動歯車３の歯形修整方法について説明する。
図１は本発明の実施例に係る伝動歯車の歯形修整手順を示すフローチャート、図２は 前記実施例における歯車の歯形修整部の第１例を示す歯の部分断面図、図３は前記実施例における歯車の歯形修整部の第２例を示す歯の部分断面図、図４は前記実施例における歯車のかみ合い剛性の例を示す線図である。
ここで、以下においては駆動歯車２の歯形修整方法について説明するが、被動歯車３についても駆動歯車２と全く同様な方法で歯形修整が可能である。

図１において、先ず、図示しない歯車加工制御装置に駆動歯車２の歯車諸元として、駆動歯車２（及び被動歯車３）のモジュールｍ及び圧力角α、駆動歯車２の歯幅Ｂ及び歯数Ｚと、歯車軸系の諸元を入力する（ステップ（１））。
次いで、歯２１の修整パラメータ、即ち図２に示す歯先２１ａのインボリュート歯形からの歯形方向切込み量Ｃと該歯先２１ａからの歯丈（図２及び図３のＳ）方向切込み長さＬの初期値を入力する（ステップ（２））。
次いで、駆動歯車２と被動歯車３との歯当たり、即ち図６においてかみ合い作用線Ｈに沿うかみ合い時における歯当たりの解析を行ない、かみ合い長さにおけるかみ合い時の荷重分布を算出する（ステップ（３））。

次いで、図４に示すような前記初期値による修整後の歯のかみ合い剛性ｋの最大値ｋ（θ）及びかみ合い剛性の上下幅ｋ_０（θ）、前記インボリュート歯形からの前記初期値による修整後の偏位量ｅ、前記初期値による修整後におけるかみ合い期間中の歯の撓みΔを算出する（ステップ（４））。
次いで、前記算出結果を用いて、次の式によってかみ合い起振力ｆ_ｅを算出する（ステップ（５））。
ｆ_ｅ＝−ｋ_０（θ）・Δ＋ｋ（θ）・ｅ（θ）

そして、前記歯形方向切込み量Ｃ及び歯丈方向切込み長さＬを代えて、前記（ステップ（１））ないし（ステップ（５））の動作を繰り返し、前記かみ合い起振力ｆ_ｅが最小となる修整パラメータ（歯形方向切込み量Ｃ及び歯丈方向切込み長さＬ）を選出する（ステップ（６））。
図５は作用線Ｈの長さを種々変えた場合のかみ合い起振力ｆ_ｅのシミュレーション計算結果を示し、（Ａ）は図２のように歯先部を修整した場合、（Ｂ）は前記歯先部に加えて後述するように歯元部修整した場合をそれぞれ示す。
図５（Ａ）、（Ｂ）において、Ｆは本発明の前記実施例の場合、Ｆ０は従来技術の場合をそれぞれ示す。
以上の手順によって算出した歯先部の修整パラメータである歯形方向切込み量Ｃ及び歯丈Ｓ方向の切込み長さＬを用いて、図２のような歯型修整を該駆動歯車２及び被動歯車３のそれぞれについて施す。

図３は、前記のようなかみ合い起振力ｆ_ｅによる歯型修整を、駆動歯車２及び被動歯車３それぞれの前記歯先部及び歯元部について行なう場合を示しており、Ｃ１は歯元部における歯形方向切込み量、Ｌ１は歯元部における歯丈方向切込み長さである。

ここで、発明者らの実験及びシミュレーション計算結果によれば、図２のように歯先部に、インボリュート歯形からの歯形方向切込み量Ｃを該歯先部における歯の撓み量Δに相当する量とし、歯丈方向切込み長さ（Ｌ）を０．５ｍ（ｍは歯車のモジュール）に設定して歯形修整を施せば、かかる歯形修整によって、かみ合い騒音やトロコイド干渉を確実に回避可能で、歯車強度を所要強度に保持可能となる。

かかる実施例によれば、駆動歯車２あるいは被動歯車３の歯形修整を、インボリュート歯形の加工形成後に、歯先部の歯形修整を行なうための修整パラメータを、インボリュート歯形からの歯形方向切込み量Ｃ（あるいはＣ１）と歯先部（あるいは歯元部）からの歯丈方向切込み長さＬ（あるいはＬ１）とを関連させて設定し、前記修整パラメータの初期値からの仮設定値に基づき算出した、かみ合い時における歯２１（あるいは３１）の荷重分布を用いてかみ合い起振力ｆ_ｅを算出することを繰り返して、該かみ合い起振力ｆ_ｅが最小となる修整パラメータを目標修整パラメータとして選出するので、かみ合い時における歯２１（あるいは３１）のかみ合い剛性ｋ及び歯の撓みΔ及び歯形のインボリュート歯形からの偏位ｅの関数としてのかみ合い起振力ｆ_ｅを最小とすることにより、該かみ合い起振力ｆ_ｅに歯形のインボリュート歯形からの偏位ｅ及び歯の撓みΔを盛り込むことによって、駆動歯車２あるいは被動歯車３のかみ合い時における歯形同士の干渉を回避でき、該かみ合い起振力ｆ_ｅに歯２１（あるいは３１）のかみ合い剛性ｋ及び歯の撓みΔを盛り込むことによって、前記かみ合い時における歯の応力を許容応力以下の応力に保持するような歯形に歯形修整を行なうことが可能となる。
これにより、歯車強度を所要強度に保持しつつ、かみ合い騒音やトロコイド干渉を確実に回避可能な高精度の歯形修整がなされた伝動歯車を得ることができる。

また、前記インボリュート歯形からの歯形方向切込み量Ｃ（あるいはＣ１）と歯先部からの歯丈方向切込み長さＬ（あるいはＬ１）とを関連させて修整パラメータとして設定し、インボリュート歯形の加工形成後に該修整パラメータを用いて前記かみ合い起振力ｆ_ｅを最小とするように歯形修整を行なうので、かみ合い騒音やトロコイド干渉を回避するための歯形修整を、従来技術のように、インボリュート歯形の加工形成時に加工方法を変えて行なう必要がなく、歯形修整のための歯車の加工が簡単となって、加工工数を増加することなく、前記かみ合い騒音やトロコイド干渉を確実に回避可能な高精度の歯形修整を施すことができる。

本発明によれば、きわめて簡単で加工工数の少ない手段でもって、歯車強度を保持しつつ、かみ合い騒音やトロコイド干渉を確実に回避可能な高精度の歯形修整をなし得る伝動歯車及びその製作方法を提供できる。

本発明の実施例に係る伝動歯車の歯形修整手順を示すフローチャートである。 前記実施例における歯車の歯形修整部の第１例を示す歯の部分断面図である。 前記実施例における歯車の歯形修整部の第２例を示す歯の部分断面図である。 前記実施例における歯車のかみ合い剛性の例を示す線図である。 前記実施例における歯車の歯形修整部の第１例におけるかみ合い起振力と歯形修整量との関係線図で、（Ａ）は歯形修整の第１例、（Ｂ）は歯形修整の第２例を示す。 前記実施例における歯車のかみ合い状態の説明図である。 本発明が適用されるガスタービンの起動用増速歯車装置の構造を示す概略側面図である。

符号の説明

１ モータ
２ 駆動歯車
３ 被動歯車
４ トルクコンバータ
５ ガスタービン
２０ 増速歯車機構
２１ 駆動歯車の歯
２１ａ 駆動歯車の歯先
２１ｂ 駆動歯車の歯元（歯底）
３１ 被動歯車の歯
３１ａ 被動歯車の歯先
３１ｂ 被動歯車の歯元（歯底）
Ｈ 作用線
Ｃ、Ｃ１ 歯形方向切込み量
Ｌ、Ｌ１ 歯丈方向切込み長さ
Ｓ 歯丈

Claims (1)

1. 駆動歯車と被動歯車とのかみ合い部の歯形を、かみ合い干渉を回避した歯形に修整して歯車を製作する歯車の製作方法において、
   少なくとも駆動歯車のモジュールｍ、圧力角α、歯幅Ｂ及び歯数Ｚとを入力する第１のステップと、
   前記駆動歯車の歯先のインボリュート歯形からの歯形方向切込み量Ｃと該歯先ａからの歯方向切込み長さＬの初期値を入力する第２ステップと、
   前記駆動歯車と被動歯車とのかみ合い作用線Ｈに沿うかみ合い時における歯当たりの解析を行ない、かみ合い長さにおけるかみ合い時の荷重分布を算出する第３ステップと、
   前記初期値による修整後の歯のかみ合い剛性ｋの最大値ｋ（θ）及びかみ合い剛性の上下幅ｋ０（θ）、前記インボリュート歯形からの前記初期値による修整後の偏位量ｅ、前記初期値による修整後におけるかみ合い期間中の歯の撓み量Δを算出する第４ステップと、
   前記第４ステップの算出結果を用いて、次の式によってかみ合い起振力ｆｅを算出する第５ステップと、
   ｆｅ＝−ｋ０（θ）・Δ＋ｋ（θ）・ｅ（θ）
   前記歯形方向切込み量Ｃ及び歯丈方向切込み長さＬを代えて、前記第１ステップないし第５ステップの動作を繰り返し、前記かみ合い起振力ｆｅが最小となる修整パラメータ（歯形方向切込み量Ｃ及び歯丈方向切込み長さＬ）を選出する第６ステップよりなり、
   前記第６ステップにより選出した修整パラメータに基づいて歯形修整を行なうことを特徴とする伝動歯車の製作方法。

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