JP5639247B1 - 螺旋ネジ増速駆動機構 - Google Patents

Abstract

【課題】歯車だけによる減速機構はテコのたぐいによる減速であるから回転数は劣勢となり、反比例して小さくなって伝わる。運輸関係に利用される駆動部材はトルク、回転数ともに求められる。また同じ運輸関係でも自転車、軽車両、また車椅子といった人間が駆動させる場合も軽くゆっくり駆動させて速く走るといった駆動装置や部材が求められている。【解決手段】坂道の原理である螺旋は水平移動するために失われる力は移動した坂道の垂直距離ぶんだけであるのを利用し螺旋ネジと螺旋ネジ連結部に一体として設けられた歯車の基準円直径を同じくすることで、螺旋ネジと連結部の歯車が一体となって同じトルク、同じ回転数となり反比例することなく共に力が伝えられ駆動力の最終的な目的である車両の速度に変換するための回転数とトルクを確保できる増速駆動装置となる。【選択図】図１

Description

本発明は駆動力を伝達する時、テコのたぐいである歯車装置だけを用いるとトルクまたは回転数のどちらかが反比例して小さくなるが、螺旋機構を経由させるとトルクと回転数を大きな差位なく共に伝えられる。その増速駆動機構の分野に関する。

人力駆動機構の増速部に歯車だけを用いている事例がある。
人力駆動機構にボールネジ構造を用いている事例がある。

特許４５８９４４６号 特許５１４２３０５号

自動車、船舶、航空機、また特許文献１のような軽車両また自転車や車いすなどの走行移動する際の省エネ効率のよい駆動装置や部材を考える時、従来の駆動減速機構または増速機構はすべて歯車によるテコの原理の駆動機構であるためトルク又は回転数のいずれかが劣勢となる。

劣勢となった方をカバーするため必要以上の駆動力を設定しなければならない。それには駆動エネルギーの伝達をテコのたぐいである歯車によるもの以外で見つけなければならない。

螺旋構造を経由させると大幅に改善できる。すでにボールネジという既成の部材があるがナット部のサイズ、構造や転動体などの改良をし、ゆっくり駆動させ速く走れるように改良を加えた増速駆動機構を提供することにある。

本発明は上記の目的を達するため以下のような機構とした。それには２つのポイントがある。そのうちの一つはボールネジナット部の形状を１リード半もしくは２リード程度の短い筒状にすることで作動効果を高め回転とトルク伝達の両立を可能にしなければならない。

そのためには筒状ナット部の内側にネジ溝の幅より小さい直径の独立した転がり部材を設ける必要がある。これは独立した転がり部材が駆動方向のネジ山側面には接するが後方になるネジ山側面には接しないようにするためである。

独立した転がり部材とはボールネジのようにネジ溝に直接鋼球が数珠つなぎに一列に並び押されて移動する個別転動体ではなく、転がり軸受け又はすべり軸受け又は外輪内輪などの保護部材によって独立した転がり運動ができる機構を持つものである。

ネジ溝に既成の転がり軸受けを用いると全く競い合いがなくなり、ネジ山側面と独立した転がり部材の外輪とだけが接する構造になる。螺旋ネジのネジ山側面を転がり移動するさいに生じる変位がわずかに生じるこすれ合いである。いかような変位が生じても独立した転がり部材装置内では直線的転がり運動を続けられる。

更に螺旋ネジのネジ山側面と独立した転がり部材外輪との間に変位によって生じる摩擦を極限まで小さくするには螺旋ネジ中心線から扇状に広がる円錐形の接線を外輪形状に、つまり図２のような円錐形にすることで螺旋ネジ中心線を中心に公転転がり運動をするため円錐形の外輪は直線転がりと同じ運動をすることになり、独立した転がり部材は益々転がり摩擦抵抗を小さくできる。

この時螺旋ネジのネジ山の形状は角ネジではなく扇状の接線に合わせた台形ネジとなる。

螺旋ネジに沿って作動する短い筒状ナットを動かすのは人力、風力、水力、動物などによって動かされるテコ、もしくは動力を減速機構により減速しゆっくり駆動させ連接棒などにより連結部５ａにより作動させる。

もう一つのポイントは螺旋ネジの一端に螺旋ネジ径と同じ大きさの歯車を設けるということである。ボールネジの作動トルクは軸の直径にかかわらずリード角により決まるとされる。逆作動トルクを求めるにはＦａ：軸方向荷重、Ｌ：リード、η；逆作動率０．９〜０．９５から次の公式がある。トルクＴｂ＝（Ｆａ × Ｌ × η）÷（２π）である。

このトルク計算式をそのまま生かすためには螺旋ネジを回転させる独立した転がり部材が力を加える位置、すなわち独立した転がり部材幅のセンターを螺旋ネジの基準円直径の位置とする。

歯車４の基準円直径を螺旋ネジの基準円直径と同じにすることで、螺旋ネジと歯車が一体となって同じトルクと回転になり、反比例することなく共にこれより先の減速部材へと駆動伝達される。もし螺旋ネジより何倍も大きい歯車を用いると輪軸の働きで大きなモーメント負荷が加わりトルクが下がってしまう。するとテコのたぐいで増速をしたの同じになりトルクと回転数は反比例して伝わりトルクと回転数を共に伝えることができなくなる。螺旋ネジと一体に設けられる歯車は同じ直径であることが必要であるが、但し利用目的によっては、たとえば回転数よりもトルクを、また逆にトルクよりも回転数を必要とする場合、減速装置簡略のため、螺旋ネジを用いることの意味が問われるまでの範囲で、歯車４と螺旋ネジの基準円直径を若干違えるという多少の大小は影響ない。

人の力や小さい動力でトルクと速度を両立させるためテコの力を借りて最大限の力を出すようにすると作用点での揺動幅はわずかとなる。また同じテコのたぐいの歯車で動力からの力を減速させてトルクを得る場合、力はあるが回転数つまり速度として利用できない余分なトルクになってしまうのを、螺旋ネジ構造を経由させると駆動力の最終的な目的である車両の速度に変換するための回転数とトルクを確保できる。

これでトルク不足の場合は歯車４の先に通常の歯車による減速機構、たとえば歯車１０、歯車１１、歯車１２のように減速装置によってトルクを確保すると実用トルクと速度が得られる。以下に仮の数値を用いて計算により数字で効果のほどを明らかにしてみる。

まず図３の説明と仮の数値の設定を示す。円周２ｍのタイヤ１４は、直径６３．６９４ｃｍ。半径約３１．８ｃｍ。歯車１５と１７は直径５ｃｍ、半径２．５ｃｍ、円周１５．７ｃｍ。歯車１６は直径８ｃｍ、半径４ｃｍ、円周２５．１２ｃｍ。歯形１８は４５ｋｇの力で５ｃｍ揺動するものとする。

以上の条件で図３にあるタイヤ１４のトルクを単純計算してみる。図３の歯車１７と歯車１６とは同軸で輪軸の関係である。歯車１６に現れるトルクを Ｘ とすると
４．０ｃｍ × Ｘｋｇ＝２．５ｃｍ × ４５ｋｇで Ｘ ≒２８．１２５ｋｇｃｍとなり更に歯車１５とタイヤ１４に伝わる力は
３１．８ｃｍ × Ｘｋｇ＝２．５ｃｍ × ２８．１２５ｋｇで Ｘ ≒２．２１１ｋｇｆ・ｃｍのトルクとなる。

次に図３のタイヤ１４が移動する距離を００１９、の数値から歯形１８は５ｃｍ揺動し、歯車１６は歯車１７と輪軸となっているから５ｃｍ÷１５．７ｃｍ＝０．３１８回転で０．３１８回転 × ２５．１２ｃｍ＝７．９８８ｃｍ回る。
同じように歯車１５は７．９８８ｃｍ÷１５．７ｃｍ＝０．５０９回転する。すると図３のタイヤ１４は０．５０９回転 × ２００ｃｍ＝１０１．８ｃｍとなり、よってタイヤ１４は２．２１１ｋｇｆのトルクで１０１．８ｃｍ動くことになる。

続いて図４を同じようにトルクの計算をしてみる。螺旋ネジ１のトルクはＴｂ＝（Ｆａ× Ｌ × η）÷（２ × π）という公式があるので数値を代入する。Ｌ はリード長さ２．２ｃｍ、η は逆効率で０．９５、クラウンギアまたは傘歯車１０の直径は７．５ｃｍ、半径３．７５ｃｍ、円周２３．５５ｃｍ。歯車１１の直径は６ｃｍ、半径３ｃｍ、円周１８．８４ｃｍ。歯車１２の直径は７．６ｃｍ、半径３．８ｃｍ、円周２３．８６４ｃｍ。タイヤ１４は図３のタイヤと同じ円周２ｍ、直径６３．６９４ｃｍ、半径約３１．８ｃｍである。歯車４は螺旋ネジの直径と同じ５ｃｍ、半径２．５ｃｍ、円周１５．７ｃｍである。

まず歯車４に伝えられる力は
Ｔｂ＝（４５ｋｇ × ２．２ｃｍ × ０．９５）÷（２ × ３．１４）でＴｂ≒１４．９７６ｋｇｃｍで歯車１１とクラウンギアもしくは傘歯車１０は輪軸で一体となっているため歯車１１に現れる力 Ｘ は
３．０ｃｍ × Ｘ ＝３．７５ｃｍ × １４．９７６ｋｇで Ｘ ＝１８．７２ｋｇｃｍとなる。
次に歯車１２とタイヤも一体となっている輪軸であるからタイヤ１４のトルクを Ｘ とすると
３１．８ｃｍ × Ｘ ＝３．８ｃｍ × １８．７２ｋｇで Ｘ ≒２．２３７ｋｇｃｍとなる。

次は図４のタイヤ１４の動く距離を計算する。図３と同じくテコ１９は５ｃｍの揺動であるから
螺旋ネジ１は５ｃｍ÷２．２ｃｍ≒２．２７３回転する。歯車４とは同軸で一体であり歯車１０を何回転させるかというと｛２．２７３回転 × （５ｃｍ × ３．１４）｝÷２３．５５ｃｍ≒１．５１５回転させる。あとは次々と歯車１１、歯車１２、を計算すると１．５１５回転 × １８．８４ｃｍ≒２８．５４２ｃｍとなり、歯車１２を２８．５４２÷２３．８６４≒１．１９６回転させる。すると図４のタイヤ１４は１．１９６回転 × ２００ｃｍ＝２３９．２ｃｍの距離を移動する。

以上図３と図４の結果を以下に示す。図３のテコの作用点にある歯形は相手歯車をテコの揺動分の５ｃｍだけ動かす用意があるが、図４のテコが同じ５ｃｍ揺動すると螺旋ネジ先端が相手に及ぼす影響は、２．２７３回転 × ５ｃｍ × ３．１４≒３５．６８６ｃｍとなって約３５ｃｍ動かす用意がある。約７倍の差がある。また図３の歯車だけを組み合わせた駆動装置は
トルクは２．２１１ｋｇｆ・ｃｍで移動距離は１０１．８ｃｍである。
また図４の歯車に螺旋ネジを組み合わせた駆動装置は
トルクは２．２３７ｋｇｆ・ｃｍで移動距離は２３９．２ｃｍである。

このように螺旋ネジを組み合わせると２．３５倍も多く移動できる効果がある。一般的な自転車のトルクはトップギアーで２ｋｇｆ・ｃｍ前後の力が出せるように設定されてある。よって自転車、車椅子、動力を用いない軽車両などの駆動装置に用いると同じトルクで大きい速度を出せる活用効果が大きい。

従来のボールネジに用いられていた多数の鋼球転動体を転がり軸受けまたはすべり軸受けのような独立した転がり部材に変えることで転動体同志の競い合いによる摩擦抵抗がなくなる効果がある。

独立した転がり部材に変えることで転送溝及び循環壁と逆回転による摩擦抵抗がなくなる効果がある。

独立した転がり部材に変えることでボールネジ特有の起動摩擦抵抗がなくなる効果がある。

独立した転がり部材に変えることでナット部内の構造が簡素化できる効果がある。

独立した転がり部材に変えることでナット部を短くできる効果がある。

ナット部が短くなることで作動距離が長くなり特に回転数アップにつながる効果がある。

螺旋ネジの連結部に螺旋ネジ直径と同じ大きさの歯車を設けると螺旋ネジがベクトル変化させた力をそのまますべてこの歯車が受け取り次に伝えることができる。つまり従来のテコのたぐいである歯車による減速装置ではトルクと回転数は反比例して伝わるが、螺旋ネジを経由させた力は坂道を垂直に上った分だけの力が使われていて、坂道の距離は同じで水平距離の分だけが移動した距離となり、回転数に移行するという螺旋ネジの特徴を生かす効果が歯車４にある。

また人力や風力、水力などだけではなくモーターや内燃機関などの動力を駆動源にした組み合わせにすると大きな省エネルギー効果がある。００２５項の具体例でみる限りでは歯車だけの駆動装置に比べ２．３５倍もの距離を移動できるわけであるから燃費を２倍以上に伸ばすことができるわけである。
尚、螺旋ネジ増速駆動機構は車両、船舶、航空機あるいは車椅子等に使用できるものである。

本発明の原理を示し下部のナット部は半分を断面として示している構造原理図。 螺旋ネジ中心点から扇状に広がる接線を持った円錐形の独立した転がり部材外観図。 テコのたぐいの歯車のみを組み合わせた計算用仮想増速図。 螺旋ネジを組み合わせた計算用仮想増減速図。

ボールネジのように多数の鋼球をネジ溝３に直接転動させるのではなく、転がり軸受けまたはすべり軸受けまたは同じような機構を持つ独立した転がり部材７を軸８の一端に取り付け、締め付け部材９及び締め付け部材６で１リード半ないしは２リード程度の短い筒状ナット５の内側にセットする。

セットする数と場所は筒状ナット５が螺旋ネジ１に沿って作動する時バランスよく作動できるように複数個がネジ溝３内で転動できるようにする。たとえば分かりやすく２個をセットするとした時、上下方向に２分の１リードずらした位置で１８０度反対方向の位置にセットする。

独立した転がり部材７は転がり回転しながら進行方向のネジ山２の側面を押し進み、後方となるネジ山２の側面には接しない大きさ、つまりネジ溝より小さい直径にする。

更にもっとも転がり抵抗の少ない直線転がり運動と同じ抵抗まで摩擦抵抗を減らす場合の独立した転がり部材の形状は図２にあるような円錐形の外輪である。円錐形の求め方は螺旋ネジ１の中心線から扇状に広がる円錐形の接線を外輪形状とする。

この時の螺旋ネジ１のネジ山２の形状は角ネジではなく扇状の接線に合わせた台形ネジとなる。

独立した転がり部材７の幅の中央が螺旋ネジ１のネジ山２と接するラインを螺旋ネジ１の基準円直径とすると同じ基準円直径の歯車４を螺旋ネジの連結部に設けると螺旋ネジの動き、トルク、回転数と同一の動きをすることになり格段の回転数を得る。

またこの歯車４の先に減速機構を連結し連結部Ａを固定した状態で螺旋ネジに沿って短い筒状ナットを逆作動させると、従来のボールネジによるものやテコのたぐいの歯車だけによる減速装置に比べ十分なトルクと大きい回転数を得ることができる。

１ 螺旋ネジ
２ ネジ山
３ ネジ溝
４ 歯車
５ 筒状ナット
５ａ連結部
６ 締め付け部材
７ 独立した転がり部材
８ 軸
９ 締め付け部材
１０ 歯車
１１ 歯車
１２ 歯車
１３ 出力軸
１４ タイヤ
１５ 歯車
１６ 歯車
１７ 歯車
１８ 歯形
１９ テコ
２０ テコの支点
Ａ連結部
Ｂ螺旋ネジ他端

Claims (1)

1. 独立した転がり部材の外輪幅センターが螺旋ネジ山側面と接している部位の直径を、螺旋ネジ基準円直径とし、同じ基準円直径を持つ歯車を螺旋ネジの一端に設け、複数個の独立した転がり部材が螺旋ネジ溝内を転動でき、その独立した転がり部材を納めたナット部を、螺旋ネジと歯車との連結部を直線方向に固定した状態で、螺旋ネジに沿ってテコまたは連接棒などによりナット部を直線運動させることを特徴とした回転数とトルクを確保できる螺旋ネジ増速駆動機構。