JP4712047B2 - クラウン歯車とピニオンからなるギア組合せ体 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

この発明は、９０°の軸交錯角度をもったクラウン歯車と直線状に歯切りされた平歯車として形成されたピニオンとからなるギア組合せ体、ならびに少なくとも２つの本発明に係るギア組合せ体を有しそれらのクラウン歯車が互いに対向している差動（補償）歯車に関する。

この種のギア組合せ体ならびにそれを使用して構成された差動歯車が独国特許出願公開第１０１４７６８１号明細書に記載されている。そこに記載されているクラウン歯車はいくつかの観点、特にその小さな軸方向深度およびその歯車の歯元部の高い負荷耐久性の観点において通常差動歯車に使用される傘形歯車より優れたものであるものの、差動補償用のクラウン歯車は長期的な強度の理由から従来は車両分野には使用されていなかった。

差動歯車においては、極めて大きな（特に衝突状の）負荷がギアの歯に作用する可能性がある。前述した種類のクラウン歯車と直線歯切りされた平歯車として形成されたピニオンとからなるギア組合せ体は、この大きな負荷には従来は不適格であった。この種のクラウン歯車の歯の限界条件は実質的にそのクラウン歯車の形状によって決定される。幾何学状の条件による半径方向の短い接触ラインのため、特にクラウン歯車の歯の歯面強度がこの種のギア組合せ体の動作安定性に関して脆弱なものとなり、他方歯元部の荷重耐久性はクラウン歯車上の歯の平面状の構成のためそれほど脆弱ではないと認識されている。加えて、ピニオンならびにその歯の強度も充分になるように留意する必要がある。

従って前述した従来の技術に対し、本発明の目的は前述した種類のクラウン歯車とピニオンとからなるギア組合せ体の強度、特にクラウン歯車の歯の歯面強度を改善することである。

前記の課題は、本発明に従って、冒頭に述べた種類のクラウン歯車とピニオンからなるギア組合せ体においてピニオンの歯がクラウン歯の切下げを縮減するために（請求項１の記載のように）クラウン歯車の半径方向において外側から内側に向かって漸増する圧力角を有するか、あるいは（請求項５の記載のように）圧力角が一定である場合に外側から内側に向かって縮小する転位量を有する、ことによって解決される。本発明に係るクラウン歯車とピニオンからなるギア組合せ体の歯は、一般的なように、負荷がかかる歯面領域で互いに接合するよう形成されている。本発明に係るピニオンの歯の幾何形状に基づいて、例えばピニオンの歯の転がり動作の数値計算によって、本発明に従って形成されたピニオンの歯に接合するクラウン歯車の歯の幾何形状を計算することができる。

請求項１および５に従った構成は、本発明に係る共通の特徴によって互いに相関しており、（クラウン歯車に関して）半径方向に変化するピニオンの歯の幾何形状によって半径方向内側に必要とされるクラウン歯車の歯の切下げの縮減が達成され、それによって負荷がかかるクラウン歯車の歯の歯面の半径方向内側への延長が可能となる。

圧力角と転位量という概念は、例えばＤＩＮ３９６０に記載されているような、ギア組合せ体において一般的な方式で定義される。ここで圧力角は、接触点におけるピッチ円の法線と歯形曲線の接線との間の角度である。転位量は、ピッチ円から基準ラック歯形の歯形基準線（中心線）への距離、無次元の転位係数と歯車のモジュールの積の絶対値として計算される。従って転位量の低減は、歯厚特に歯頭の厚みの低減によって生じる。

ピニオンの歯の圧力角の増加あるいは転位量の減少は、請求項１あるいは請求項５の定義に従ってクラウン歯車の半径方向の延長に対していずれも半径方向外側から内側に従ったものとなる。これはピニオンに関して軸方向に相当するものである。しかしながらこれは、クラウン歯車に対するピニオンの相対位置によって決定される基準方向が不在であるため、これらの定義のための基準体系としては機能しない。

本発明に係るクラウン歯車とピニオンからなるギア組合せ体の歯の極めて好適な歯の形状によって、従来の技術のものに比べてクラウン歯車の歯の歯面をより大きな半径方向の幅にわたって使用することができる。このことは、一方で半径方向外側から内側に向かって漸増するピニオンの歯の圧力角によって可能になり、それによってそうでない場合は発生するクラウン歯車の歯の歯面の切下げが縮小される。従ってクラウン歯車の歯の歯面のより大きな部分を能動的に動力伝達に使用することができる。他方で、圧力角が一定である場合に、半径方向外側から内側に向かって縮小する転位量によって極めて効果的な方式によるクラウン歯車の歯のより大きな半径方向の幅にわたった能動的な利用が可能になる。クラウン歯車の歯の接触線延長および総重なり面積が有効に拡大される。

本発明に係るクラウン歯車とピニオンからなるギア組合せ体の好適な構成形態によれば、ピニオンの歯の圧力角が半径方向内側に向かって縮小する場合にさらにピニオンの歯が可変の転位量を有するように形成することができる。この転位量は一方で、既に圧力角が一定である場合について前述したように、半径方向外側から内側に向かって有効に縮小する。他方で、圧力角が内側に向かって漸増する際に同様に内側に向かって漸増する転位量を有することもでき、それによって、ピニオンの歯の歯頭突出が生じても一定の範囲でそれを補償することができる。この構成によっても、同種のギア組合せ体に比べてより長い接触線延長ならびにより大きな総重なり面積を有効に達成することができる。

前記のいずれの場合についても、好適な追加構成によればさらに、ピニオンの歯が半径方向外側から内側に向かって歯頭の低下を有し、これは歯先円直径の縮小すなわち歯高の低下を意味するものである。それによって極めて効果的な方式でクラウン歯車の歯の切下げをさらに縮小するか、あるいはそれを完全に防止することができる。

本発明に係るギア組合せ体の構成は、特にクラウン歯車の歯数が切下げ限界条件を超えた側にあり、一定の転位量と一定の圧力角と一定の歯高を有する一般的な歯の形状ではクラウン歯車の歯の有害な切下げが生じる可能性がある場合に適用される。切下げ限界条件にも本発明に係るギア組合せ体によって好適な影響がもたらされ、すなわちいずれにしても負荷がかかるクラウン歯車の歯の歯面の半径方向内側への拡大が達成される。すなわち好適な方式によって一方で負荷がかからない歯面領域が回避されるとともに、他方で従来は利用不可能であった歯面領域が能動化され；クラウン歯車とピニオンの歯面の総重なり面積が拡大される。一般的な歯の限界条件、特にその位置から歯の突出が生じるいわゆる先端限界、ならびに緩衝限界を、本発明に係るギア組合せ体の構成に際して有効に留意すべきである。

従って好適な形式および方式によれば、圧力角および／または転位量の内側および外側限界値は、半径方向外側でクラウン歯車の歯に対する先端限界が保持され、半径方向内側でピニオンの歯に対する先端限界が保持されるよう、選択する。

本発明の好適な構成形態によれば、圧力角が外側から内側に向かって漸増する場合にクラウン歯車の歯に対する先端限界と同等あるいはそれに近い圧力角の半径方向外側限界値が選択され、またピニオンの歯に対する先端限界と同等あるいはそれに近い圧力角の半径方向内側限界値が選択される。従って初期データに応じて、本発明に係るギア組合せ体の好適な構成を達成するために、絶対値において約５°まで、特に約２°までの歯幅にわたった圧力角の変動が生じる。

本発明に係るギア組合せ体のさらに別の好適な構成形態は、可変の転位量の半径方向外側および半径方向内側限界値に対して同一の限界条件（外側：クラウン歯車の歯の先端限界と同等あるいはそれに近似；内側：ピニオンの歯の先端限界と同等あるいはそれに近似）が設けられる。従って初期データに応じて、本発明に係るギア組合せ体の適宜な構成のために、絶対値において約０．４までの値、特に僅か約０．２までの値の歯幅にわたった無次元の転位係数の変動が生じる。

内側に向かって圧力角が漸増し転位量が可変である場合に、前述した圧力角および転位量の内側および外側限界条件によって、通常は発生する切下げを低減するために適したものである互いに独立したいくつかの数値ペアの一定の選択肢が得られる。このことによって、内側に向かって圧力角が漸増する場合に、内側に向かって漸減するピニオンの歯の転位量ならびに内側に向かって漸増するピニオンの歯の転位量のいずれもが実用的かつ好適な本発明の構成を達成することが説明される。

ピニオンの軸方向に向かって生じる非対称な歯の形状によって、軸偏位を有するギア組合せ体においてクラウン歯車に対してピニオンが左右に進行する際の非対称性の負荷耐性がもたらされる。従ってさらに別の好適な構成形態によれば、特に本発明に係るギア組合せ体の差動歯車への好適な適用の観点から、本発明に係るギア組合せ体は軸偏位を備えないものとなる。

そのため本発明に係るギア組合せ体の別の好適な構成形態によれば、クラウン歯車上へのピニオンの軸方向誘導を可能にする補助手段を設ける。そのため本発明に係るギア組合せ体の好適な構成形態によれば、クラウン歯車に対して半径方向内側および／または外側面上にリングあるいは蓋形状の係止め部材を備え、それがピニオンの歯と一体的に構成されることが極めて好適である。この実施形態は、結果として得られる半径方向に内側に向かって漸増する歯頭低下を有するクラウン歯車とピニオンの組合せの動作安定性において極めて好適な相互作用をもたらす。特に半径方向内側にピニオンが被包することによって、ピニオンの歯のクラウン歯車に対して半径方向内側に接合する歯面において歯元の耐破損強度が著しく向上する。前述した本発明の構成形態においてクラウン歯車の歯の切下げが半径方向内側に向かって延在するピニオンの歯の波頭低下によって有効に防止されるため、歯頭低下によって生じるピニオンの歯の脆弱化が、ピニオンの歯の強度を向上させる半径方向内側への被包によって補償されるか、あるいはむしろさらに強化される。同時に、係止め部材によって達成されるクラウン歯車へのピニオンの軸方向誘導が、（クラウン歯車に対しての）ピニオンの半径方向のずれを防止するよう作用する。

ピニオンの両側に取り付けられたあるいは形成された係止め部材による軸方向誘導の場合、クラウン歯車へのピニオンの軸方向誘導ならびに本発明に係るギア組合せ体全体の動作安定性がさらに改善される。

さらに本発明に係るギア組合せ体の好適な追加構成は、クラウン歯車の歯が半径方向内側に向かって球状に平準化され、ピニオンの内側係止め部材のピニオンの歯に向いた面が面的な接合に適応するように形成される。この構成において内側の係止め部材によって特に（クラウン歯車に対して）軸方向に作用する衝撃力のギア組合せ体への有害な影響を緩和することができ、これはその種の衝撃力の少なくとも一部がピニオンの係止め部材によって半径方向内側に接合するクラウン歯車の歯の球状の平準化部分に誘導されるためである。従ってこの種の応力がクラウン歯車とピニオンの歯の歯面によって伝達されることがなくなる。

本発明に係るギア組合せ体を製造するために、当業者において従来から知られている全ての歯車およびクラウン歯車用の材料および製造方式を使用することができ、例えば成形方式および／または切削方式、ならびに既知の材料を硬化するための方法を使用することができる。

さらに、本発明は作動歯車に適応するものであり、これは互いに対向する２つのクラウン歯車とそれらと噛合した１つあるいは複数のピニオンからなっていて少なくとも２つの前述の請求項に従ったギア組合せ体を有するものとなる。この歯車の詳細な構成は既知の技術に従ったものとすることができる。本発明に係るギア組合せ体の特殊な歯の構成によってこの種の作動歯車の動作安定性が大幅に向上し、それによって本発明に係る作動歯車の可能な適用分野が著しく拡大される。互いに対向する両方のクラウン歯車間に複数のピニオンを使用することによって、さらに大きな負荷に適応することができる。

次に、本発明に係るギア組合せ体について、複数の実施例および添付図面を参照しながらより詳細に説明する。

図１には、クラウン歯車１と端面側に直線状の歯を備えたピニオン２とからなる本発明に係るギア組合せ体の第１の実施例が示されている。クラウン歯車の軸Ａは軸偏位なくピニオン２の軸Ｂと９０度の角度で交差している。ピニオン２の歯３は、このピニオン２の軸方向に延在するとともにクラウン歯車１の半径方向外側から内側に向かって漸増する歯頭低下部４と、（この図面では確認できないが）半径方向外側から内側に向かって漸増する圧力角を有している。ピニオン２の歯はクラウン歯車１の歯と接合するように形成されており；クラウン歯車１の歯５の切下げは存在しない。さらに、ピニオン２は両側に歯と一体的に形成されたリング形状の係止め部材６および７を備えており、そのうち内側の係止め部材７がこの図面上では確認できないピニオン２の歯の側の内面上で、半径方向内側に向かって形成されたクラウン歯車１の歯５の球面状の平準化部８に整合するように形成されている。

図２ａないし図２ｄには、それぞれ異なった本発明に係るギア組合せ体の構成例を示すいずれも３つの部分図が示されている。上段の部分図には、本発明に係るギア組合せ体のピニオンの歯の半径方向外側および半径方向内側の断面形状がそれぞれ示されている。中段の部分図にはいずれも該当する歯の概略的な平面図が示され、それらは下段の部分図に立体的に示されている。

図２ａには、（ピニオンに対して）軸方向の幅ｂにわたって圧力角の変化を有しているピニオンの歯１８が示されている。（この図面には示されていない）クラウン歯車に対して半径方向外側に接合する歯１８の断面部形状９は歯１８の半径方向内側の断面形状１０に比べてより厚い歯頭部とより薄い歯元部を有している。図２ｂに示されたピニオンの歯１９はその軸方向の幅にわたって転位量の変化を有しており、これは歯の厚みの変化によって形成されるものである。ここで転位量は（クラウン歯車に対して）半径方向外側から半径方向内側に向かって漸減しており、これは断面部１１（外側）および断面部１２（内側）に明確に示されている。図２ｃには、圧力角の半径方向の漸増ならびに転位量の変化の両方が重ねられているピニオンの歯２０が示されている。この場合転位量は半径方向外側から半径方向内側に向かって漸増している。半径方向外側の断面部１４は半径方向内側の歯の断面部１３に比べてより厚い歯元部を有している。歯頭部１５の厚みは歯の軸方向の幅にわたって実質的に一定である。さらに、図２ｄには、図２ｃに示されているような圧力角と転位量の変化に加えて、半径方向外側から半径方向内側に向かって漸増する歯頭低下４を有しているピニオンの歯２１が示されている。ここで歯２１の高さは、外側断面１６の部分の歯高から半径方向内側に向かってまず一定なっており、その後歯２１の内側断面１６の部分のより低い歯高まで連続的に低下している。

図３ａおよび図３ｂはいずれも、同種のギア組合せ体（図３ａ）と本発明に係るギア組合せ体（図３ｂ）の互いに対向する歯面２２，２３ならびに歯面２４，２５をそれぞれ示した２つの数値計算図形であり、図３ｂのギア組合せ体においてはピニオンの歯が本発明に係る圧力角および転位量の変化を有している。図示されている立体図は半径方向外側から半径方向内側への視線になっており、ここで切下げ限界２７あるいは３０が極めて良好に示されており、これが歯面２２ないし２５を負荷がかかる歯面部分２６または２９と負荷がかからずまた切下げられた歯面部分２８または３１に分離している。図３ｂに示された本発明に係るギア組合せ体によれば、半径方向内側に延在しているクラウン歯車の歯の切下げ３１が、図３ａに示された同種のギア組合せ体のクラウン歯車の歯の切下げ２８に比べて顕著に小さいものとなる。本発明に係るギア組合せ体の負荷がかかる歯面２９は同種のギア組合せ体のクラウン歯車の負荷がかかる歯面２６と比べて半径方向内側にずれている。

図４ないし図７には、本発明に係るクラウン歯車１とピニオン２からなるギア組合せ体の別の実施例が示されており、それらはいずれも平面図（右側部分図）とＡ−Ａに沿った断面図（左側部分図）とからなっている。図４および図６の実施例において、ピニオン２はそれぞれ半径方向内側の面上にリング形状の係止め部材７を備えている。ピニオンの歯に向いた内側係止め部材７の面３２は、クラウン歯車の歯の球面状の平準化部８に対応して形成され、従って面的に接合している。図４の実施例のピニオン２は、（図６の実施例のピニオン２と異なって）さらに半径方向外側の２番目の係止め部材６を備え、従ってピニオン２が両側においてクラウン歯車１に対して軸方向に誘導され、その上において軸方向にずれることが排除される。図５のギア組合せ体のピニオン２は、このピニオン２をクラウン歯車１に対して軸方向に誘導するためにその半径方向外側の面上のみにリング形状の係止め部材６を備えており、他方図７のギア組合せ体のピニオン２は内側の係止め部材および外側の係止め部材のいずれも備えていない。この図７の実施例のクラウン歯車１に対するピニオン２の軸方向の誘導は、（図示されていない）別の（ギア組合せ体内に組み込まれたあるいはギア組合せ体の周囲に配置された）ガイド要素によって有効に保持される。

本発明に係るギア組合せ体の一実施例を示した立体図である。 ａ〜ｄは、本発明に係るギア組合せ体のピニオンの歯の多様な構成を示した説明図である。 ａ、ｂは、本発明に係るギア組合せ体および同種のギア組合せ体の互いに対向するクラウン歯車の歯の２つの歯面を数値計算に求めた図形表示である。 本発明に係るギア組合せ体の実施例を示した断面図である。 本発明に係るギア組合せ体の実施例を示した断面図である。 本発明に係るギア組合せ体の実施例を示した断面図である。 本発明に係るギア組合せ体の実施例を示した断面図である。

Claims (15)

1. ９０°の軸交錯角度をもったクラウン歯車（１）と直線状に歯切りされた平歯車として形成されたピニオン（２）とからなるギア組合せ体であり、
   ピニオン（２）の歯（３）がクラウン歯車（１）の歯（５）切下げを縮減するためにクラウン歯車（１）の半径方向において外側から内側に向かって漸増する圧力角を有することを特徴とするギア組合せ体。
2. ピニオン（２）の歯（３）がクラウン歯車（１）の半径方向において外側から内側に向かって変化する転位量をさらに有することを特徴とする請求項１記載のギア組合せ体。
3. ピニオン（２）の歯（３）の転位量が外側から内側に向かって漸増することを特徴とする請求項２記載のギア組合せ体。
4. ピニオン（２）の歯（３）の転位量が外側から内側に向かって漸減することを特徴とする請求項２記載のギア組合せ体。
5. ９０°の軸交錯角度をもったクラウン歯車（１）と直線状に歯切りされた平歯車として形成されたピニオン（２）とからなるギア組合せ体であり、
   ピニオン（２）の歯（３）は圧力角が一定である場合にクラウン歯車（１）の歯（５）切下げを縮減するためにクラウン歯車（１）の半径方向において外側から内側に向かって漸減する転位量を有することを特徴とするギア組合せ体。
6. ピニオン（２）の歯（３）がさらに半径方向外側から内側に向かって漸増する歯頭の低下（４）を有することを特徴とする請求項１または５記載のギア組合せ体。
7. クラウン歯車（１）の歯（５）の切下げが完全に回避されることを特徴とする請求項６記載のギア組合せ体。
8. 半径方向外側から半径方向内側に向かって漸増するピニオン（２）の歯（３）の圧力角の外側限界値がクラウン歯車（１）の歯（５）の先端限界と同等あるいはそれに近いものとなり、圧力角の半径方向内側の限界値はピニオン（２）の歯（３）の先端限界と同等あるいはそれに近いものとなることを特徴とする請求項１記載のギア組合せ体。
9. ピニオン（２）の歯（３）の可変の転位量の半径方向外側限界値がクラウン歯車（１）の歯（５）の先端限界と同等あるいはそれに近いものとなり、転位量の半径方向内側限界値はピニオン（２）の歯（３）の先端限界と同等あるいはそれに近いものとなることを特徴とする請求項２または５記載のギア組合せ体。
10. ピニオン（２）の歯（３）の歯面とクラウン歯車（１）の歯（５）の歯面がいずれの点においても互いに接合するよう形成されることを特徴とする請求項１または５記載のギア組合せ体。
11. クラウン歯車（１）とピニオン（２）の間に軸ずれが存在しないことを特徴とする請求項１または５記載のギア組合せ体。
12. クラウン歯車（１）上で回転するピニオン（２）が軸方向に誘導されることを特徴とする請求項１または５記載のギア組合せ体。
13. ピニオン（２）がクラウン歯車（１）の半径方向において内側面および／または外側面上に軸方向に誘導するためのリングあるいは蓋形状の係止め部材（７，６）を備えることを特徴とする請求項１２記載のギア組合せ体。
14. クラウン歯車（１）の歯（５）が半径方向内側に向かって球状に平準化され、ピニオンの内側係止め部材（７）のこのピニオン（２）の歯（３）に向いた面（３２）が面的な接合に適応するように形成されることを特徴とする請求項１３記載のギア組合せ体。
15. 互いに対向する２つのクラウン歯車（１）とその間に配置された１つあるいは複数のピニオン（２）とから形成された請求項１ないし１４のいずれかに記載のギア組合せ体を少なくとも２つ備えてなる作動歯車。

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