JP6094397B2 - ウォームの設計支援システム及びウォームの設計方法 - Google Patents
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Description
このような歯車の加工シミュレーション方法としては、例えば特許文献1に記載の技術がある。この技術は、歯車の持つ基本諸元と、当該歯車の相手ギヤの基本諸元と、歯車の加工工程で使用される数値制御工作機械(M/C)に装着される工具情報と、数値制御工作機械固有のM/C特性情報とから、加工後の歯車と相手ギヤとの噛合状態をシミュレーションし、噛合状態における干渉チェックを行うものである。
特に、電動パワーステアリングのウォーム減速機は、車両のレイアウト性の向上のために、小型化・軽量化が求められており、ウォーム全長の短縮化、ひいては完全ネジ部の長さの最適化が求められている。
そこで、本発明は、実加工に近い状態でのシミュレーションにより、最適なウォームを設計することができるウォームの設計支援システム及びウォームの設計方法を提供することを課題としている。
また、上記において、前記組付位置ずれ情報は、前記ウォームと前記ウォームホイールとの軸間距離ずれ、前記ウォームの軸ずれ、前記ウォームの傾きの少なくとも1つであることが好ましい。
さらに、上記において、前記シミュレーション部は、前記ウォームと前記ウォームホイールとの噛合状態の三次元モデルをモニタ表示するシミュレーション結果表示部を備えるようにしてもよい。これにより、設計者は、パラメータの変化に応じたウォームとウォームホイールとの噛合状態の変化を視覚的に理解することができる。
これにより、完全ネジ部の軸方向長さの必要最小値を求めることができる。そのため、完全ネジ部の長さに必要以上の余裕代を設けることがなくなり、ウォーム全長の短縮化、ひいては、ウォームギヤの小型化・軽量化を実現することができる。
このように、ウォームギヤ回転時の不完全ネジ部とウォームホイールとの動的な干渉距離を求めることで、ウォームの不完全ネジ部のエッジとウォームホイールの表面とが干渉しない完全ネジ部長さを求めることができる。したがって、実際にウォームギヤを組み立てた際にウォームとウォームホイールとの位置関係がずれた場合であっても、設計意図しない干渉により異音が発生するといった現象を抑制することができる。
これにより、設計者は、完全ネジ部長さと干渉距離との関係を視覚的に理解することができる。したがって、完全ネジ部長さを、ウォームの不完全ネジ部とウォームホイールとの干渉距離を考慮した最適な値に設定することができる。
これにより、実際に組み立てたウォームギヤにおいて、ウォームの不完全ネジ部とウォームホイールとの干渉距離が、予め設定した判定基準値以下とならないようにすることができる。このように、ウォームの不完全ネジ部とウォームホイールとの干渉を適切に防止することができるようなウォームを設計することができる。
図1は、本実施形態におけるウォームの設計支援システムの構成を示すブロック図である。
この図1に示すように、ウォームの設計支援システムは、コントロール部10を中心に、入力部20及び表示部(モニタ)30を接続して構成されている。
そして、本実施形態では、設計者が入力部20を操作して入力した情報をもとに、CPU11でウォーム設計処理を実行し、その結果をモニタ30に表示する。
図中、符号1はギヤハウジングであり、ギヤハウジング1には、一対の軸受2a,2bを介して、ウォーム3が回転自在に支持されている。ウォーム3の基端部には、凹部4が形成されており、この凹部4には、雌スプラインが形成されている。そして、この雌スプラインに、雄スプラインが形成された電動モータ(図示略)の駆動軸5がスプライン嵌合している。これにより、ウォーム3は、電動モータの駆動軸5と一体的に回転する。
ウォーム3には、図3にも示すように、その中央部に、完全ネジ部3aが形成されており、図4(a)に示すように、この完全ネジ部3aにウォームホイール8のギヤ歯が噛合するようになっている。
この不完全ネジ部3bが、図4(a)に示すように、ウォーム3の外径とウォームホイール8の外径とが交差する交差範囲より内側(即ち、交差範囲から略中央寄り)でウォームホイール8と噛合状態となると、図4(b)に、図4(a)のA部の拡大図を示すように、不完全ネジ部3bがウォームホイール8と干渉し、異音が発生してしまう。不完全ネジ部3bとウォームホイール8とが干渉しないようにするためには、完全ネジ部3aの軸方向長さを適切に設計する必要がある。
そこで、本実施形態では、ウォーム設計処理として、ウォームギヤの組付位置ずれと回転とをシミュレーションし、不完全ネジ部3bとウォームホイール8との干渉距離を連続的に測定することで、完全ネジ部3aの長さの必要最小値を求める処理を行う。
先ず、ウォーム設計処理の基本的な流れについて図5を参照しながら説明する。
図5に示すように、ウォーム設計処理では、ウォーム諸元と、ウォームホイール諸元と、噛合設定用のギヤ諸元と、組付位置ずれ情報及び回転情報とを入力情報とする。始めに、入力されたウォーム諸元に基づいてウォームの三次元モデルを生成すると共に(ウォーム三次元モデル生成41)、入力されたウォームホイール諸元に基づいてウォームホイールの三次元モデルを生成する(ウォームホイール三次元モデル生成42)。次に、生成したウォームの三次元モデルとウォームホイールの三次元モデルとギヤ諸元とを用い、組付位置ずれ情報を加味してウォームとウォームホイールとの噛合状態を計算する(噛合状態の計算43)。
ウォーム諸元、ウォームホイール諸元、及びギヤ諸元は、入力フォーム51〜53にそれぞれ入力する。これらは、予め用意されたシリーズの中から選択し、例えばモジュール番号を入力するようにする。入力フォーム51〜53に入力した情報は、三次元モデルの生成条件として用いる。
また、この入力画面には、開始ボタン58が設けられており、設計者が入力部(キーボード21又はマウス22)を操作して開始ボタン58を押すことで、コントロール部10のCPU11によってウォーム設計処理が実行開始される。
先ずステップS1で、CPU11は、入力画面から入力されたウォーム諸元に基づいて、当該ウォームの加工に使用する数値制御工作機械(M/C)を決定し、ウォーム加工工具情報を設定する。
ここで、ウォーム加工工具情報とは、ウォーム諸元に対応した加工ツールの断面形状と、加工ツールが回転する際の三次元動作軌跡とを指す。これらウォーム加工工具情報は、例えば、予め用意した複数の加工ツールの断面形状から、入力されたウォーム諸元に対応する断面形状を選択することなどにより設定する。
次にステップS2で、CPU11は、入力したウォーム諸元と前記ステップS1で設定したウォーム加工工具情報とに基づいて、予め格納した雛型三次元モデルを用いてウォームの三次元モデルを生成する。具体的には、先ず、前記ステップS1で設定した加工ツールの断面形状から、三次元動作軌跡に基づいて加工部分の三次元モデルを生成し、次に、円筒形の三次元モデルと加工部分の三次元モデルとの差分を取ることで、ウォームの三次元モデルを生成する。
ステップS4では、CPU11は、前記ステップS3で設定したウォームホイール諸元に基づいて、予め格納した雛型三次元モデルを用いてウォームホイールの三次元モデルを生成し、ステップS5に移行する。
ステップS6では、CPU11は、初期の噛合状態の計算を行う。ここでは、前記ステップS2で生成したウォームの三次元モデルと、前記ステップS4で生成したウォームホイールの三次元モデルと、前記ステップS5で設定したギヤ諸元と、入力画面から入力された各シミュレーション条件の初期値(開始値)とに基づいて、ウォームとウォームホイールとの噛合状態を計算する。
ステップS9では、CPU11は、アライメント(軸間距離のずれ、軸ずれ、ウォームの向き)を、入力画面から入力された開始値から終了値までの範囲内で指定し、ステップS10に移行する。
ステップS11では、CPU11は、ウォームホイール8の回転角を、入力された開始値から終了値までの範囲内で指定し、ステップS12に移行する。
ステップS12では、CPU11は、前記ステップS9〜S11で指定したシミュレーション条件に基づいて、ウォーム三次元モデル61とウォームホイール三次元モデル64との噛合状態を再計算し、ステップS13に移行する。
ステップS14では、CPU11は、前記ステップS12で再計算した噛合状態での干渉距離65を測定し、ステップS15に移行する。
ステップS15では、入力画面から入力された全シミュレーション条件について、干渉距離65の測定を行ったか否かを判定する。そして、干渉距離65を測定していない条件が存在する場合には前記ステップS9に移行し、シミュレーション条件を変更して干渉距離65を測定する。一方、全条件で干渉距離65の測定が完了している場合にはステップS16に移行する。
次にステップS17では、前記ステップS16で作成した干渉距離最小値グラフをもとに、干渉距離が、入力画面から入力された基準判定値57と一致する完全ネジ部長さを算出する。そして、これを完全ネジ部長さの最適値70としてモニタ30に表示し、ウォーム設計処理を終了する。
また、ウォームとウォームホイールとの三次元モデルを噛合状態で三次元CAD上に配置し、これをモニタに表示するので、設計者は視覚的に干渉チェックを行うことができる。
なお、図7において、ステップS1及びS2がウォーム三次元モデル生成部に対応し、ステップS3及びS4がウォームホイール三次元モデル生成部に対応し、ステップSS5〜S15がシミュレーション部に対応し、ステップS16及びS17が解析部に対応している。また、このうち、ステップS7及びS13がシミュレーション結果表示部に対応し、ステップS14が干渉距離測定部に対応し、ステップS16が散布図作成部に対応し、ステップS17が解析結果表示部及び設計値出力部に対応している。
上記実施形態においては、干渉距離の測定に際し、計算時間を短縮する工夫を施すようにしてもよい。例えば、初期の完全ネジ部長さのステップ値を大きくとり、干渉距離が一定値以下となったらステップ値を小さくするようにしたり、前条件の干渉結果から完全ネジ部長さの開始値を調整し、干渉距離がゼロに近い部分で完全ネジ部長さの変更を繰り返すようにしたりしてもよい。
また、上記実施形態においては、ウォーム諸元から加工工具情報を設定する場合について説明したが、加工工具情報は入力画面から設計者が入力するようにしてもよい。
Claims (7)
- ウォームギヤを構成するウォームの設計値を決定するウォームの設計支援システムであって、
前記ウォームの基本諸元と前記ウォームの加工工具情報とに基づいて、当該ウォームの三次元モデルを生成するウォーム三次元モデル生成部と、
前記ウォームと噛合するウォームホイールの基本諸元に基づいて、当該ウォームホイールの三次元モデルを生成するウォームホイール三次元モデル生成部と、
前記ウォームの設計値と、前記ウォームギヤの組付位置ずれ情報と、前記ウォームホイールの回転角とをパラメータとし、前記ウォーム三次元モデル生成部で生成したウォームの三次元モデルと、前記ウォームホイール三次元モデル生成部で生成したウォームホイールの三次元モデルとを用いて、前記ウォームと前記ウォームホイールとの噛合状態をシミュレーションするシミュレーション部と、
前記シミュレーション部によるシミュレーション結果に基づいて、前記ウォームの設計値を決定する解析部と、を備え、
前記ウォームは、軸方向中央部に形成された完全ネジ部と、該完全ネジ部の両端部に形成された不完全ネジ部とを備え、
前記解析部は、前記ウォームの設計値として、前記完全ネジ部の軸方向長さを決定することを特徴とするウォームの設計支援システム。 - 前記組付位置ずれ情報は、前記ウォームと前記ウォームホイールとの軸間距離ずれ、前記ウォームの軸ずれ、前記ウォームの傾きの少なくとも1つであることを特徴とする請求項1に記載のウォームの設計支援システム。
- 前記シミュレーション部は、前記ウォームと前記ウォームホイールとの噛合状態の三次元モデルをモニタ表示するシミュレーション結果表示部を備えることを特徴とする請求項1又は2に記載のウォームの設計支援システム。
- 前記シミュレーション部は、前記ウォームと前記ウォームホイールとの噛合状態から、前記ウォームの不完全ネジ部のエッジと前記ウォームホイールの表面との三次元上の干渉距離を測定する干渉距離測定部を備えることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載のウォームの設計支援システム。
- 前記解析部は、
前記干渉距離測定部で測定した干渉距離に基づいて、前記ウォームの完全ネジ部の軸方向長さと、各完全ネジ部の軸方向長さにそれぞれ対応する前記干渉距離の最小値との関係を示す散布図を作成する散布図作成部と、
前記散布図作成部で作成した散布図を表示する解析結果表示部と、を備えることを特徴とする請求項4に記載のウォームの設計支援システム。 - 前記解析部は、前記散布図作成部で作成した散布図をもとに、前記干渉距離の最小値が予め設定した前記干渉距離の判定基準値と一致する前記完全ネジ部の軸方向長さを算出し、これを前記ウォームの設計値として出力する設計値出力部を備えることを特徴とする請求項5に記載のウォームの設計支援システム。
- ウォームギヤを構成するウォームの設計値を決定するウォームの設計方法であって、
前記ウォームは、軸方向中央部に形成された完全ネジ部と、該完全ネジ部の両端部に形成された不完全ネジ部とを備えており、
前記ウォームの基本諸元と前記ウォームの加工工具情報とに基づいて、当該ウォームの三次元モデルを生成すると共に、前記ウォームと噛合するウォームホイールの基本諸元に基づいて、当該ウォームホイールの三次元モデルを生成し、
前記ウォームの設計値と、前記ウォームギヤの組付位置ずれ情報と、前記ウォームホイールの回転角とをパラメータとし、前記ウォームの三次元モデルと、前記ウォームホイールの三次元モデルとを用いて、前記ウォームと前記ウォームホイールとの噛合状態をシミュレーションし、その結果に基づいて前記ウォームの設計値として、前記完全ネジ部の軸方向長さを決定することを特徴とするウォームの設計方法。
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