JP5894173B2 - かさ歯車伝動装置のかさ歯車における最適化されたクラウニング - Google Patents

Description

本発明は、特に舵プロペラ（Ruderpropeller）のためのかさ歯車を製造する方法であって、前記かさ歯車の歯が、歯車固有のマクロジオメトリを有しており、前記かさ歯車の歯が、歯すじ及び歯形線によって描かれることができ、前記歯の歯面は歯面ミクロトポグラフィを有し、そして前記歯の支持領域は噛み合う歯の接触領域を示し、歯面のクラウニングは歯面縁部に対する歯面中央の隆起に相当し、そして前記歯面の前記高さクラウニング及び幅クラウニングの輪郭線が略円弧状である。

かさ歯車は、転動伝動装置においてトルク及び回転運動を伝達するのに役立つ。一段式のかさ歯車伝動装置の構造は冠歯車とピニオンとから成っている。冠歯車及びピニオンはそれぞれの軸に、摩擦力結合、形状結合、又は素材結合によって結合されている。軸の延長線上に軸線の交点又は交差点が見いだされる。互いに噛み合う２つのかさ歯車の運動は転動と呼ばれる。この場合、歯及び相手歯のそれぞれの歯面が噛み合う。

歯及び相手歯の歯面が運動学的に正確に転動する際に使用される歯は共役歯と呼ばれる。歯面はそれぞれの転動位置において一直線上に互いに接触する。しかしながら、より良好な移行特性を得るために、クラウニングを導入することによってこの形態とは異なる形態が採用される。

このように、かさ歯車の歯ジオメトリは一般的には歯面にクラウニングを有している。それというのも、歯面は大きい負荷伝達時にはその全幅及び全高で噛み合うわけにはいかないからである。さもなければ縁部に発生した応力の過度の高まりが歯の損傷を引き起こしてしまう。歯面のクラウニングとは、歯面縁部に対する歯面中央の隆起を意味する。この場合、互いに噛み合う両歯車は全面的には当接しない。２つの歯面の間には、特に無負荷状態では、種々異なる大きさの空隙が存在する。２つの歯車間の間隔は空隙又は開放度とも呼ばれる。

高さクラウニングと幅クラウニングとは区別される。幅クラウニングの場合、この輪郭線は研磨工具の切削円半径または直径を相応に小さくすることによって実現される。高さクラウニングの輪郭線は、工具の倣い削りによって決定され、この場合、基準輪郭に円形クラウニングが重畳される。他の形状は経済的な理由から実際には用いられない。

かさ歯車におけるクラウニングの輪郭線は通常、製造法によって決定される。特に周知のサイクロパロイドかさ歯車、及びこれらの歯車のために用いられる製造加工法（ＨＰＧ法／研削）の場合、クラウニングの輪郭線は略円弧状である。

負荷時、すなわちトルク伝達時に噛み合う歯車の面は支持領域と呼ばれる。基本的には、歯と相手歯とは全面的には噛み合わないので、支持領域の面積の大きさは歯面全体よりも常に小さい。実際に形成される支持領域の形状は、楕円形状によって近似的に描写することができる。

実際に噛み合う領域と、歯面上の対応する逃げによって歯と関係する相手歯との間に形成される間隔とをいわゆる「イーズオフ（Ease-Off）」によって視覚化することができる（図１）。クラウニングによって生じたピニオン歯面と冠歯車歯面との間隔は平らな基準面に関してプロットされる。この基準面は歯面の全幅及び全高にわたって延びる。イーズオフ表示において、歯面は、基準面に対して接触点（細かい格子内の両方の太線の交点）で接触する。

歯面のクラウニング輪郭線を描写するために、これに所属する曲線がグラフに示される。このグラフでは、空隙又はクラウニングＣが歯幅もしくは歯高に関してプロットされる。このようなグラフでは、接触点から歯面のエッジ（大端部、小端部、歯底又は歯先）まで、長さＬがプロットされる。正規化によって、Ｌ及びＣの定義は絶対値とは無関係なので、曲線は全ての一般的なクラウニング及び歯幅に当てはまる。点Ｌ^*（対応する歯面エッジからの長さ）において、曲線は正規化クラウニングＣ^*の値に達する（図２）。

しかしながら、長さＬ^*は、通常はｂの歯幅の半分、すなわちｂ／２でなくてよく、もしくは、通常はｈ＝２ｍの歯高の半分、すなわちｈ／２でなくてよい。それというのも、接触点は歯の中央に正確に位置しなくてもよいからである。接触点は歯面上に偏心的に位置していてもよい（図３）。このことからいわゆる変位された支持領域が生じる。変位された支持領域では、円弧が一方のエッジに向かってずらされるので、半径が同じである場合に、縁部における歯面の間隔はもはやクラウニングに対応しない（図４及び５）。従って、正規化クラウニングＣ^*は、それぞれの歯面縁部における修正済み歯面と未修正歯面との実際の間隔に関連付けられるのであって、公称クラウニングには関連付けられない。

円弧状の「標準的」クラウニングについて説明するために、２つの特徴を定義する。
１．曲線下面積の量（図６ａ）
標準的クラウニング輪郭線の場合、通常の標準クラウニング（ｂ／５００．．．ｂ／１５００もしくは０．００３ｍ₀．．．０．００６ｍ₀）に対する曲線下面積Ａ_Bは通常、面積全体Ａ_Ges＝Ｌ^*×Ｃ^*の約３３．４％であり、少なくとも３１％である。
２．長さＬ^*の中央の曲線の量（図６ｂ）
Ｌ^*／２において、標準的クラウニングの関数値はＣ^*の約２５％である。

トルク伝達時の制限要因として最大許容面圧がある。軟質歯の場合、面圧は低いので、共役歯の製造は標準的な製造法によって低廉に行われる。硬質歯の場合には、高い面圧が発生する。許容限界値を上回る面圧が発生すると、歯の損傷が引き起こされる。トルク伝達をさらに高め、より高い限界値を達成するためには、種々のアプローチ、すなわち：
・高い支持能力のある材料、特に高調質鋼の使用；
・表面硬化の実施；及び
・高い表面仕上品質を有する歯面の製造；が求められる。
高調質鋼の使用は、高価な原料及び高い処理コストに起因して高いコストがかかる。高調質鋼製品の加工、もしくは後続の製造ステップにおける精緻な表面仕上は、材料硬さに基づいて多大な手間がかかり高価である。

同時に、仕上げ法は、歯車装置の特定の構造空間に関して必要な伝達トルクに起因して、材料固有の許容面圧の限界に達する。

特に、実際の歯面形状は、力伝達のために歯面の最大限可能な面積を利用してはいない。それというのも、従来際立って用いられている楕円形支持領域が、歯面のあり得る利用可能な部分領域をカバーしていないからである。歯面の最大限許容可能な支持領域を作り出すことは、従来用いられている標準製造法に基づいては不可能である。

最後に、今日まで、歯面輪郭への適用は、従来は騒音低減の観点でのみ分析され最適化されていた。これらの最適化は、個別の製造機械を用いて、又は個別の部品製造で行われた。

本発明の課題は、冒頭で述べた形式のかさ歯車伝動装置のかさ歯車を改良して、これらのかさ歯車がより大きい最適化された支持領域を有することにより、より大きいトルクを伝達できるようにすることである。

このような課題は、本発明によれば、
精密な材料除去によって前記歯面のミクロトポグラフィ及び従って前記支持領域が最適化され、前記最適化が、
・歯面の表面の歯大端部側及び歯小端部側に向いたエンドレリーフが縮減されて、前記歯面上のより大きい長さ及び幅を有する面が噛み合うように及び従って拡大された支持領域が形成されるように前記材料除去が行われることにより、並びに
・歯面切断平面の長手方向断面及び／又は歯形切断平面の歯形断面で無負荷の空隙（イーズオフ）を観察したとき、歯面のクラウニングの輪郭線が、接触点を通って延びる略対数、楕円、又は指数曲線形状に従うことにより、為されることによって解決される。

このことは、好適には材料除去用多軸製造法、特に５軸フライス法を用いた新しい製造法によって行うことができる。この場合、歯面のクラウニングの形状を任意に修正し及び従って最適化することができる。この場合の目的は、歯面の支持面積全体を拡大し、同時に移行特性を最適化することである。特に硬質歯の場合、多軸フライス機械による最適化された精密なクラウニング輪郭線の製造は、新しい製造法である。

対数、楕円、又は指数曲線、もしくは 前記形状の組み合わせに沿って最適なクラウニング輪郭線を形成することは、同じジオメトリ基礎データ及び同じ材料特性値において、より大きい出力を伝達できる歯車の歯面を可能にする。

「新しい」最適化されたクラウニングと、円弧状の「標準的」クラウニングとは、以下の２つの曲線特徴の定義によって区別される。
１．曲線下面積の量（図８ａ）
歯面中央におけるより偏平な曲線の輪郭線によって、最適化クラウニングでは、比Ａ_B／Ａ_Ges＝１０〜３０％に達する。
２．長さＬ^*の中央の曲線の量（図８ｂ）
新しいクラウニングの第２の特徴としては、長さＬ^*の中央、つまり長さＬ^*の５０％における曲線の関数値、上限及び下限に対応するＣ^*の基準データが存在する。上限に関して、基準値は、Ｌ^*及びＣ^*によって広げられた矩形全体の面積の２０％によって定義される。下限に関して、基準値は、５％のＣ^*に対応して定義される。

両限界線は下記のように定義される：

上限曲線の式（図８ａ）

下限曲線の式（図８ａ）

上限線及び下限線によって、最適化された歯面輪郭のための領域が包囲される（図８ａ，８ｂ及び９）。このような領域内で、歯の好ましい最適化された歯面輪郭の形状は基準に従って延びており、前記基準は負荷を加えられたときの歯内の及び歯表面上の応力の推移を左右する。これらの基準は、とりわけ構造上の仕様に向けられるものであって、その考察もしくは選択は使用事例に固有のものなので、さほど重要ではない。

かさ歯車のこのような歯面の利点は、トルク伝達の可能性が最大化されることである。

特に好都合なのは、粗加工後の個々の歯において除去しなければならない材料（材料除去）の量が低減されることである。

歯面に沿って発生する歯への負荷が一様であることは有利である。このことは、歯のクリティカルな個所における点状のピーク負荷を低減し及び従って寿命を長くする。

また、拡大された支持領域がより大きい転動面を有することも有利である。これにより、負荷作用中に、負荷が一定であるなら面圧が減少する。このことは接触面の消耗を減少させる。このことは摩耗を低減し及び従って伝動装置の寿命を長くする。同時に、保守間隔をより長くとるように計画することもできる。このことは舵プロペラ駆動装置の使用分野にだけ重要なのではない。

またここで特に有利なのは、生産中の、歯のトルク伝達能力を最大化するための従来周知の方法、並びに有利に利用される材料対と、ここに示した新しい発想とを組み合わせ得ることである。

以下に本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

図１は、噛み合う２つの歯車の「イーズオフ」表示である。 図２は、歯車歯面に関する標準的支持領域を示す図である。 図３は、歯幅ｂに沿って変位された支持領域を示す図である。 図４は、歯幅に沿った幅クラウニングを示す図である。 図５は、歯高に沿った高さクラウニングを示す図である。 図６ａは、円弧状の標準的クラウニング、つまりクラウニングＣ^*の輪郭線を示す図である。 図６ｂは、「標準的」円弧状クラウニングにおいて、対応する基準点を示す図である。 図７ａは、クラウニングの「標準的」円弧状輪郭線と、最適化歯面のクラウニングの輪郭線とを、イーズオフ表示で対比する図である。 図７ｂは、クラウニングの「標準的」円弧状輪郭線と、最適化歯面のクラウニングの輪郭線とを、イーズオフ表示で対比する図である。 図８ａは、最適化クラウニングのための限界と、好ましい輪郭線のための領域とを示す図である。 図８ｂは、最適化クラウニングのための上限曲線及び下限曲線に関する基準点を示す図である。 図９は、種々のクラウニング輪郭線を対比する図である。 図１０ａは、「標準的」円弧状クラウニングとともに広がる、高い面圧を伴う支持面の負荷支持領域が書き込まれたかさ歯車を示す図である。 図１０ｂは、歯車歯面の歯面トポグラフィが最適化されて、歯車歯面がより大きい支持領域を有するかさ歯車を示す図である。

クラウニングの下記考察は発明者のみるところでは、高さクラウニングに関しても幅クラウニングに関しても同じなので、全体としてクラウニングという概念を使用する。必要な場合には、当てはまる個所で特別に幅クラウニングと高さクラウニングとを区別する。

図１はイーズオフ（Ease-Off）表示を示している。イーズオフ表示では、互いに噛み合う歯面が無負荷状態で示される。第１歯面１はここでは変形させられて平面になっている。第２歯面２は、したがって隆起して湾曲した歯面で表現されている。２つの歯面の互いに対向して位置する２つの点の間の空隙もしくは開放度の値が、これにより識別可能である。このような３Ｄ表示によって、両歯面間の間隔を再測定することができる。図１は、幅クラウニング及び高さクラウニングの対応する輪郭を３Ｄラスターに沿って示している。図１は既に変位された支持領域を示している。すなわち、両方の歯面の間の接触点は歯幅及び歯高に沿う中点に中央配置されているのではなく、ここでは歯幅に沿ってずらされている。このことは歯幅に沿った長さｂ１及びｂ２が異なることから明らかである。

図２は、歯幅ｂに沿ったクラウニング３の輪郭線、並びに例示的支持領域と例示的な基準面との接触点４を普通に示している。このような輪郭線は３Ｄ「イーズオフ」表示からの例示的部分図である。接触点は、歯面幅の中央ｂ／２であるＬ^*にある。Ｃは開放度又は空隙を示す。

図３は、図２と同様にクラウニング５の輪郭線を示しているが、しかしここでは、歯幅ｂに沿ってずらされて変位された支持領域を示している。平らな歯面と対向する歯面との接触点６の位置は大きさＬ^* ₁及びＬ^* ₂によって示される。歯車の左側の端面には、変位された支持領域に基づいて、より大きい空隙Ｃ^* ₁が存在している。歯車の右側には、より小さなＣ^* ₂を見い出すことができる。

図４は、図１の３Ｄイーズオフ表示からの２Ｄ部分図に基づいて、歯面の変位支持領域を有する、歯幅ｂに沿った幅クラウニングを詳細に示している。空隙Ｃ^* ₁は空隙Ｃ^* ₂の２倍大きい。

図５は、それぞれ空隙Ｃ^* ₃及びＣ^* ₄を有する歯面の高さクラウニングを示している。高さクラウニングはここでは対称である（長さｈ１とｈ２とが同一であることが判る）。しかしながら非対称の高さクラウニングを形成してもよい。

図６ａは、「標準的」円弧状クラウニングのための歯面クラウニング輪郭線を記載している。このようなクラウニングは標準クラウニングとも呼ばれる。ここでは、横軸と縦軸とが、面積Ａ_Ges７を有する矩形を広げている。標準クラウニングでは、一般に、面積Ａ_B８ａがＡ_Ges７に対して３１％よりも大きいとみなされている。円弧状の標準クラウニングの曲線の上方の残りの面積８ｂは、イーズオフ表示の隆起して示された歯を示している。円弧状の標準クラウニングのための下限曲線９の下方のハッチング面８ａは、歯車製造時に例えば切削によって除去される面を示している。この場合、このような「標準的」円弧状クラウニング輪郭線に関して、幅クラウニングはｂ／５００〜ｂ／１５００の値の範囲内にあり、高さクラウニングは０．００３ｍ₀〜０．００６ｍ₀の値の範囲内にある。Ａ_BをＡ_Gesで除算した値が３３．４％に等しい面積で記述される曲線は、従来しばしば使用される考えられ得る円形の標準曲線のうちの１つを示す。

図６ｂは、「標準的」円弧状クラウニング輪郭線の場合の、長さ延長Ｌ^*＝５０％における、Ｃ^*＝２５％に合致する百分率基準点を示している。

図７ａは、円弧状クラウニングに対する３Ｄ「イーズオフ」観察を示す図である。

図７ｂは、図７ａと対比されるものであり、新しい最適化支持領域の３Ｄ「イーズオフ」観察図を示している。変形させられて平面になった歯面１と、隆起されて湾曲した歯面２との間の空隙の大きさが異なることが判る。この対比からやはり明らかなように、最適化された歯面形状の場合には、除去しなければならない材料がより少量で済む。

図８ａは、最適化された拡大支持領域の輪郭線のための上限１１及び下限１２の輪郭線を示している。これらの限界は、最適化支持領域の好ましい輪郭線が形成される領域を包囲している。明白に見ることができるのは、最適化支持領域の上限が、限界曲線１３の著しく下方で延びていることである。この限界曲線１３は、「標準的」円弧状標準クラウニングの下限を仕切っている。

図８ｂは、歯面幅に沿ったクラウニング輪郭線の基準点を百分率で示し、ここでは「標準的」円弧状クラウニングの下限曲線１３を、最適化クラウニングの領域１４と対比させている。これらの基準点は、歯幅Ｌ^*に沿った輪郭の５０％のところにあって、上限曲線に関しては２０％であり、下限曲線に関しては５％である。

図９は、従来観察された種々の曲線を対比している。これらの曲線は：
・一般にＡ_B／Ａ_Ges＞３１％である「標準的」円弧状標準クラウニング１３；
・最適化クラウニングの上限１２；
・最適化クラウニングの下限１１；及び
・最適化クラウニングの上限と下限との間に位置する、特定の歯車の歯面輪郭線に対応する好ましい修正曲線１５；である。

好ましい修正曲線の下側では、ハッチングによって領域１６が強調されている。この領域は、適用される製造法によって、例えばフライス加工によって除去されなければならない領域を示している。標準クラウニングと比較して明らかに判るのは、最適化された歯面形状の場合、かさ歯車の素材から出発して除去されなければならない材料が、円形標準クラウニングの場合よりも著しく少なくて済むことである。

図１０ａはかさ歯車１７を全体的に示している。このかさ歯車の歯面は典型的な円弧状のクラウニングを有している。ここで明らかなのは、支持面１８が図面ではさらに、高調質歯車の使用時に見いだされるような、高い圧力を伴う小さな支持面を有した状態で構成されていることである。この表面の楕円形の形状は明らかである。

図１０ｂは、変更された歯面トポグラフィを有する歯車１９を示している。この歯車は、最適化された拡大支持領域に基づいて、変更された接触面２０を有している。このような接触面は、丸く面取りされた隅を有する矩形によって描くことができる。

Claims (19)

1. かさ歯車を製造する方法であって、前記かさ歯車の歯が、前記かさ歯車の歯が、歯すじ及び歯形線によって描かれ、前記歯の歯面は、歯面のミクロトポグラフィを有するとともに、噛み合う歯の接触領域を表す支持領域を有し、歯面のクラウニングは歯面縁部に対する歯面中央の隆起に相当する、かさ歯車を製造する方法において、
   材料除去によって前記歯面のミクロトポグラフィ及び従って前記支持領域が最適化されることを特徴とし、
   ・歯面の表面の歯大端部側及び歯小端部側のエンドリリーフが減少されて、前記歯面上のより大きい長さ及び幅を有する面が噛み合うように及び従って拡大された支持領域が形成されるように前記材料除去が行われることにより、
   ・歯面切断平面の長手方向断面及び／又は歯形切断平面の歯形断面で無負荷の空隙を観察したとき、歯面のクラウニングの輪郭線が、接触点を通って延びる略対数、楕円、又は指数曲線形状に従うことにより、並びに
   ・フライスが、最適化された負荷支持領域を生成するための修正曲線により重畳された加工曲線であって、上限曲線と下限曲線との間にある対数、楕円、又は指数形式の前記修正曲線の歯幅全体及び歯高全体に沿って、前記歯形線及び／又は歯すじを形成する加工曲線を走行することにより、
   前記最適化が為され、さらに
   ・かみ合いが、はすばかみ合い又はまがりばかみ合いとして構成されることを特徴とする、かさ歯車を製造する方法。
2. 前記歯面切断平面内に存在する歯面輪郭は、前記歯面切断平面を切断された面積と残余の面積とに分割し、前記残余の面積の大きさが、面積全体の１０％〜３０％であり、「歯面切断平面」とは、歯の長手方向から無負荷の空隙を観察したとき、歯と相手歯との接触点を通って延びる面であって、ここでは真直ぐにされて１平面になった相手歯面によって形成される基準面に対して直角に位置している面を意味することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記歯面切断平面内に存在する歯面輪郭は、前記歯面切断平面を切断された面積と残余の面積とに分割し、前記残余の面積の大きさが、前記接触点と歯面端部との間の積分として定義されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記歯面切断平面の面積全体が、変位された支持領域では、前記空隙量と、前記接触点から前記歯面端部までの距離量とによって広げられていることを特徴とする、請求項２又は３に記載の方法。
5. 前記材料を除去する工具の制御、特に工作機械のフライスヘッドの制御が、前記接触点の長手方向断面及び／又は歯形断面における、対数、楕円、又は指数状の歯すじ輪郭及び／又は歯形線輪郭をもたらすプログラムによって行われることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか一項に記載の方法。
6. 残余の面積が１０％である下限曲線は、前記最適化された負荷支持領域を生成するための修正に対して次のように、すなわち：
   

   

   と定義されることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか一項に記載の方法。
7. 残余の面積が３０％である上限曲線は、前記最適化された負荷支持領域を生成するための修正に対して次のように、すなわち：
   

   

   と定義されることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか一項に記載の方法。
8. 互いに接触する両歯面を加工するフライスが、最適化されていない歯形状に相当するマクロジオメトリ曲線を走行し、前記マクロジオメトリ曲線には修正曲線が重畳されており、前記修正曲線は、噛み合う歯面の最適化された空隙を有するミクロトポグラフィを形成することを特徴とする、請求項１から７までのいずれか一項に記載の方法。
9. 製造工程では先ず、加工機械によって歯車の共役歯が作り出され、そして後続のステップで、マクロトポグラフィ領域内で前記歯車の歯面の基礎形状が作り出されるのと同時に、ミクロトポグラフィ領域内で、前記最適化された空隙のための特定のクラウニング形状が作り出されることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか一項に記載の方法。
10. 転動面の中点が前記歯面の中点以外にあるように、前記支持領域が変位されることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか一項に記載の方法。
11. 前記負荷支持領域が、丸く面取りされた角隅を有する略四角形、特に矩形の形状を有していることを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか一項に記載の方法。
12. 前記丸く面取りされた角隅を有する前記四角形又は矩形の負荷支持領域が、噛み合いの大きさに関して、略楕円形の負荷支持領域の大きさに少なくとも相当することを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか一項に記載の方法。
13. 硬化後のかさ歯車の歯の硬質仕上加工のために、接触面のラップ加工の代わりに、４軸以上の多軸方法を用いたフライス加工又は研削によって歯面に材料除去を施すことによって、負荷支持領域の平滑な接触面が作り出されることを特徴とする、請求項１から１２までのいずれか一項に記載の方法。
14. 船舶駆動伝動装置をゴンドラ駆動装置の水中伝動装置として製造するために用いられることを特徴とする、請求項１から１３までのいずれか一項に記載の方法。
15. 出力範囲１００ｋＷ〜１００００ｋＷの船舶駆動伝動装置を製造するために用いられることを特徴とする、請求項１から１４までのいずれか一項に記載の方法。
16. 歯面に沿って、略円弧状、エピサイクロイド状、又はインボリュート状の曲線に相当する輪郭線を有する、かさ歯車伝動装置のかさ歯車を製造するための、請求項１から１５までのいずれか一項に記載の方法。
17. 前記歯面平面の前記高さクラウニング及び幅クラウニングの輪郭線が略円弧状であることを特徴とする、請求項１から１６までのいずれか一項に記載の方法。
18. 前記かさ歯車が、舵プロペラのためのものであることを特徴とする、請求項１から１７までのいずれか一項に記載の方法。
19. 前記残余の面積の大きさが、面積全体の２０％〜２８％であることを特徴とする、請求項２に記載の方法。

Images