JP5244784B2 - ギア - Google Patents

Description

本発明は、捩り弾性ギアの分野に関する。

図１を参照して、公知の真空ポンプは、ベアリング２によって支持された一対の平行なシャフト１を通す排気チャンバを含む。ロータ３が、排気チャンバ内での回転のために、各シャフト１に配置されている。ロータ３は、相補的な排気輪郭を有し、ルーツ、ノーシー（若しくは「クロー」）、又はスクリューであってもよい。使用中、モータ４が一方のシャフト１を駆動しているとき、他方のシャフトは、各々、それぞれのシャフト１に配置された噛み合いタイミングギア５によって、一方のシャフトと同期して回転させられる。ロータ３は、排気されるべき流体が排気チャンバの入口に吸い込まれ、出口を介して排気チャンバから出るように輪郭形成されている。

図１は、３つの異なる排気形態を示す。図１（ａ）では、ロータ３は、ベアリング２とタイミングギア５の間に取り付けられており、タイミングギア５は、ポンプのモータ駆動端に設けられている。図１（ｂ）では、タイミングギア５は、ポンプの他端に設けられており、さらに図１（ｃ）は、片持ちのロータ３を用いた形態を示す。

噛み合ったギア５によるトルクの伝達は、ギアの偏心によって影響される。駆動ギアのより小さい半径の領域が、被動ギアのより大きい半径の領域と噛み合うので、その結果、被動ギアが加速される傾向がある。しかしながら、被動ギアが、高慣性ロータに連結されているため、高慣性、軽負荷回転機械装置の場合には、速さのどんな変化も効果的に防止される。ギアの歯の間のミスマッチの結果、軽負荷回転機械で頻繁に遭遇する高周波の歯と歯のスラッピング、即ち、特徴的な騒音を引き起こすことがある。

ポンプの設計は、摩擦及び電力消費を減らすために改善されてきた。その結果、要求される安定状態の駆動トルク、又は「限界」状態でポンプを駆動するのに要求されるトルクは減少し、したがって回転機械装置は、偏心で引き起こされる、捩り振動、及び関連する騒音問題にますます敏感になっていた。

これらの捩り振動及び騒音の発生を回避しようとするタイミングギアの設計が現れてきた。従って、高精密な構成部品は、一対の正確に軸心の噛み合っているギアがミスマッチ又はその結果の騒音発生を経験しないので、しばしば上述の偏心を回避するために使用される。変形例として、より多数の構成部品を有する複雑なギア構成が、関連した振動の発生又は伝達を抑えるために使用される。これらの複雑なデバイスを使用するポンプは、デバイスが典型的に、歯が対向するギアの協働するスロットに押し込まれる度に圧縮させる必要があるスプリングを実装しているので、しばしば高エネルギーを要求する。同じレベルの偏心を表すギアの対を大変入念に選択することによって寸法形状の変更に順応することができる。ギアは、引き続いて、各々のギアの噛み合い部分が一貫して同じ半径のものとなるように、組み立てられる。この選択的な組み立て技術により、ピッチ線速度のどんなミスマッチをも回避させ、又は少なくとも最小にさせる。

典型的に、このような高精密で複雑な構成部品を提供すること、又は選択的な組み立て技術を使用することと関連したコスト及び時間の影響がある。従って、捩り振動の発生及び伝達を抑制する、簡単で低コストなギアを提供することが要求される。

本発明は、外縁面に複数の歯と、中心ハブ、歯が配置されるリム、リムをハブに連結する複数のスポーク、及びハブに対するリムの角変位を制限するための、ハブから半径方向に延びスポーク間で円周方向に配置された複数のフィンを規定する、本体に形成された複数のスロットを有するギア本体と、を含む捩り弾性ギアを提供する。

典型的に１０ｍｓ^-1を超えるピッチ線速度を経験するギアを有する高速機械では、高精度、及び／又は非常に複雑な構成部品、及び／又は精巧で選択的な組み立て技術が、噛み合う歯の間の界面での振動の発生を回避するために典型的に要求される。しかしながら、ギアにスポークによってハブに連結されたリムを設けることによって、ギアの或る幾何学的に軽負荷下で順応させる円周方向の自由が達成され、スポークの間にフィンを設けることは、高負荷下でのこの円周方向の自由を制限するのでトルクの効率的な伝達が行われ、且つロータのタイミングが維持される。

半径方向に延びるスポークは、ギアの半径方向の同心性を制御させる半径方向の剛性を高め、かくして、高負荷の急速回転機構を駆動するに当たって、ギア間のトルクの効率的な伝達を更に改善する。

材料の単一片、すなわちギア本体からのギアの形成により、ギアを迅速、且つ比較的簡単な方法で、及び比較的低コストで製造するのを可能にする。例えば、スロットをワイヤ浸食又は他の適当な技術を用いて本体に形成してもよい。

エラストマー材料、又は他の同様な弾性材料が、スポークとフィンの間に、及び／又はフィンとリムの間に配置されているのがよい。

各フィンは、０．０２ｍｍ乃至２ｍｍの範囲、好ましくは０．０５ｍｍ乃至１ｍｍの範囲、さらに好ましくは０．０９ｍｍ乃至０．２ｍｍの範囲の距離だけ隣接するスポークから間隔を隔てられるのがよい。スロットを要求される寸法に経済的に形成することができない場合には、スロットをより大きい寸法で形成し、さらに余分な「空間」をその後、金属製又は他の材料をギア本体に接着し、さもなければ取り付けることによって満たす。

ギアは、タイミングギアである。ギアは、高速回転機械に使用するのに適しており、このギアは、１０ｍｓ^-1を超えるピッチ線速度に順応するように構成されているのがよい。ギアは、ギア組立体の一部として提供されてもよく、これは、第２ギアを追加で含み、さらにギアは、一つのギアの回転によって他のギアによって駆動されるように、噛み合うように構成されている。

本発明は、また、駆動シャフトと、駆動シャフトによって駆動させられる被動シャフトと、各々のシャフトに配置されたロータと、上述のギア組立体とを含み、ギア組立体の各ギアが、それぞれのシャフトに取り付けられている真空ポンプも提供する。トルクが駆動シャフトから中心ハブを介して、駆動シャフトに取り付けられたギアに伝達され、噛み合い歯を介してそのギアから他のギアに伝達される。

本発明を、添付図面を参照して例示として以下により詳細に説明する。

図２は、例えば、図１に示すどんな真空ポンプのためのタイミングギア５の一つ又は各々として使用され、捩り弾性ギアを示す。ギアは、材料の単一片から形成された、一体の構成部品である。ギアは、シャフト１を受け入れるためのボア１２と、ギアが隣接したギアを駆動し、又は隣接したギアによって駆動されるために、同様の隣接したギアの歯と噛み合うための、外周面に形成された複数の歯１４を有するギア本体１０を含む。

ギア本体１０に形成されたスロット１６，１８が、ギア本体１０内に中央環状ハブ２０、複数のスポーク２２、環状リム２４、及び複数のフィン２６を規定する。ハブ２０は、ボア１２を包囲する。スポーク２２は、ハブ２０から半径方向外方に延び、ハブ２０を、歯１４が配置されたリム２４に連結する働きをする。フィン２６は、ハブ２２からスポーク２２の間で外方に延びる。半径方向に延びるスロット１６は、スポーク２２をフィン２６から分離し、これに対して、円周方向に延びるスロット１８は、二つのそれぞれ半径方向に延びるスロット１８の間で延び、リム２４をフィン２６から分離する。これらのスロット１６，１８は、好ましくは０．０２ｍｍ乃至２ｍｍの範囲、好ましくは０．０５ｍｍ乃至１ｍｍ、さらに好ましくは０．０９ｍｍ乃至０．２ｍｍの範囲の狭い幅を有する。

図１に示すギアは、６つのフィン２６と６つのスポーク２２を有するが、フィンとスポークの数は、ギアに要求される特徴及び許容されるギアの複雑さに応じて、１つ又は２つから４０又は二以上の間で変えてもよい。

動作中、シャフトに取り付けられ、さもなければ回転可能に取り付けられるときには、ギアのハブ２０は、典型的にはギアが１０ｍｓ^-1を超えるピッチ線速度を経験するようにギアは高速回転される。ギアのハブ２０とシャフトの間の連結部を通してギア本体１０にトルクが伝達される。リム２４は、リム２０に関して最小の角変位又は周方向の自由を経験する。この円周方向の自由の範囲は、ハブ２０に対するリム２４の角変位の範囲がスポーク２２とフィン２６の間の相互作用によって両方の角度方向に規制されるので、半径方向に延びるスロット２４の幅によって決定される。

例えば真空ポンプが極限で稼動している軽負荷下では、典型的には在来のギアは、上述のようにギア間の幾何学的異常から生じるギアの歯間の不完全な噛み合いにより騒音を発生させる。対象的に、図１に示すギアは、ハブ２０に対するリム２４の円周方向の自由によって、最小の幾何学的な変化に順応するので、騒音を完全に除去るまではいかなくとも、少なくとも減少させる。

高負荷下では、ギアの噛み合い歯を通して、一方のギアから隣接したギアへのトルクの効率的な伝達が行わなければならない。ハブ２０に対するリム２４の円周方向の自由は最小に過ぎないので、高負荷下では、各フィン２６の前縁は直ちに各スポーク２２の後縁と直接接触し、二つのギア間のトルクの直接、且つ効率的な伝達を可能にする。換言すれば、高負荷下では、ハブ２０に対するリム２４の円周方向の角位置は、効果的に固定される。

スロット１６，１８は、放電加工（ＥＤＭ）又はワイヤ浸食技術を用いてギアに形成されるのがよい。製造では、外側に歯付きのギア本体１０が、中央ボア１２を備え、その後、スロット１６，１８がギア本体１０の厚さにわたって形成されて、ハブ２０、スポーク２２、リム２４、及びフィン２６を規定する。このように製造されたギア１０は、明らかに、一つの材料から一体の構成部品として形成される。

所望ならば、フィン２６とスポーク２２の間の相対移動を減衰させるために、エラストマー又は他の同様な弾性材料をスロット１６の一つ又は二以上に設けてもよい。同様に、フィン２６とリム２４の間の相対移動を減衰させるために、エラストマー材料をスロット１８の一つ又は二以上に設けてもよい。スロット１６の一つ又は二以上は拡大した幅のもので、ギアの減衰容量を高めるために弾性材料で満たされていてもよいが、これらのスロット１６は、リム２４とハブ２０の間の角変位を制限するために、それぞれより小さい大きさに保持されるのが好ましい。

捩り弾性ギアは、高慣性回転機構の軽負荷状態で、一対の協働するギアの歯の間の噛み合いのミスマッチによって引き起こされる振動の発生及び伝達を抑制するための、簡単でしかも効果的な手段を提供する。この抑制は、一方のギアの歯と他方のギアの歯の間の僅かな幾何学的な変化に順応するために、ギアの少なくとも一つのリムを、中心ハブに関して部分的にシフトさせることによって達成される。この方法で、過度の振動及びその結果としての騒音の発生なしに、連続的な同期の噛み合いを達成することができる。高負荷下状態では、各フィンがそれぞれのスポークと接触するので捩り弾性の限度に急速に到達し、その結果、ギアが協働するギアにトルクを容易に伝達する。スポークは、リムと中心ハブの間の同心性を維持するようにギアに半径方向の剛性を与える。

要約すれば、ギアは、外縁面に複数の歯、及び複数のスロットを形成したギア本体を含む。スロットは、ギア本体に中心ハブと、歯が配置されるリムと、リムをハブに連結する複数のスポークと、ハブに対するリムの角変位を制限するためのハブから半径方向に延びる複数のフィンとを規定する。

３つの公知のポンプ構成の略図を示す。 図１のポンプのいずれかに使用するのに適したギアの平面図を示す。

Claims (10)

1. 外縁面に設けられた複数の歯と、
   中心ハブ、歯が配置されるリム、リムをハブに連結する複数のスポーク、及びハブに対するリムの角変位を制限するためのハブから半径方向に延びる複数のフィンを規定するために本体に形成された複数のスロットを有するギア本体と、を含む、
   捩り弾性ギア。
2. スポークとフィンの間にエラストマー材料が配置される、
   請求項１に記載のギア。
3. フィンとリムの間にエラストマー材料が配置される、
   請求項１又は請求項２に記載のギア。
4. 各フィンは、隣接するスポークから０．０２ｍｍ乃至２ｍｍの範囲の距離だけ間隔を隔てている、
   請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のギア。
5. 各フィンは、隣接するスポークから０．０５ｍｍ乃至１ｍｍの範囲の距離だけ間隔を隔てている、
   請求項４に記載のギア。
6. 各フィンは、隣接するスポークから０．０９ｍｍ乃至０．２ｍｍの範囲の距離だけ間隔を隔てている、
   請求項４又は請求項５に記載のギア。
7. ギアはタイミングギアである、
   請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載のギア。
8. 請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載のギアと第２ギアを含み、
   これらのギアは、一方のギアが他方のギアの回転時、他方のギアによって駆動されるように噛み合うように構成されている、
   ギア組立体。
9. 第２ギアは、請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載のギアである、
   請求項８に記載のギア組立体。
10. 駆動シャフトと、
    駆動シャフトによって駆動される被動シャフトと、
    各々のシャフトに配置されたロータと、
    請求項８又は請求項９に記載のギア組立体とを含み、
    ギア組立体の各々のギアは、それぞれのシャフトに取り付けられており、トルクが駆動シャフトからハブを介して、駆動シャフトに配置されたギアに伝達される、
    真空ポンプ。

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