JP6788025B2 - ウォームギアの測定 - Google Patents

Description

本発明は、ウォームギア、および特にウォームギアの最小半径および取り付け距離（mounting distance）を正確に決定する方法に関する。

ウォームドライブは、その中でウォーム（すなわち、スクリューに似ているらせん状のねじ山の付いたシャフト）がウォームギア（外観において円筒歯車に類似している）と噛み合い（meshes）およびそれを駆動する、歯車配置である。２つの要素は、ウォームスクリューおよびウォームホイール、または単純にウォームおよびホイールとも呼ばれる。ウォームは非交差且つ垂直の軸構成においてホイールと係合する。ウォームドライブにおいて、ホイールのねじれ角（helix angle）は、ウォームのリード角（lead angle）と一致する。ウォームが鋼製であり、およびホイールが真鍮製であることが一般的である。

ウォームドライブは、標準的な歯車組と比べて小さい設置面積（footprint）で高い減速比（reduction ratio）およびトルク増倍（torque multiplication）を提供する。その上、ウォームドライブは、力の方向を反転させることができないことを示す。ウォームとホイールとの間の摩擦に起因して、（回転力が印加された）ホイールがウォームを回転させるようにウォームに運動を伝えることは不可能に近い。

一般的に言うと、３つのタイプのウォームドライブがある。
１．非エンベロープ（Non-enveloping）ウォームドライブ − ウォームの軸方向（縦方向）輪郭およびホイールの歯の長さ方向（幅）輪郭は、両方とも直線状である。ウォームもホイールも、凹面状の機構を有さない。
２．シングルエンベロープ（enveloping）ウォームドライブ − ホイールは凹面状の歯幅（tooth width）を有し、それによってウォームがホイール内に埋もれることを可能にし、これは効率を増大させる。
３．ダブルエンベロープウォームドライブ − ホイールは凹面状の歯幅を有し、およびウォームは凹面状の軸方向輪郭を有し、これは効率をさらに増大させる。

凹面状の歯幅を持つ歯を有するウォームホイールの切削において、ウォームホイールの軸方向における工具（すなわちホブ）の中心線の制御は、これがウォームドライブの性能をもたらすので、最も重要である。ウォームホイールの軸方向におけるホブの中心線の位置を制御するために、「取り付け距離」と呼ばれる寸法が特定される。取り付け距離は、特定される軸方向表面（すなわち、「取り付け基準（mounting datum）」）から「のど（throat）」として知られるウォームホイール上の軸方向位置までの距離であり、そこで、対を成す（mating）ウォームシャフトの中心はウォームドライブ組立品内に位置付けられることとなる。

実際の取り付け距離を決定する伝統的な方法は、以下を含む。
１．ホブ盤（hobbing machine）上で − ウォームホイールの製造の間、ウォームホイールブランクに小さい切り込み（cut）を形成するために、小さい半径方向運動が行われる。この切り込みの中心は、取り付け距離を計算しおよびホブ位置を調節して所望の距離を達成するように、熟練した操作者によって定規／ノギスを用いて測定される。そのような測定の精度は操作者に依存し、およびそれは０．５ｍｍを超えて基準を外れ得る。
２．検査機（inspection machine）上で − 一部は円筒歯車としてプログラムされ、および短リード試験（short lead test）は、ウォームホイールの両面に沿って様々な高さで行われる。高さは、リードの傾きが歯溝（tooth space）の左および右フランクの両方について同一となるまで、変更される。これは多くの試みを必要とし、および従って時間がかかる。また、リード試験の開始時におけるリードの大きな変更は、リードの傾きに非常に小さい変更をもたらし、そのため、そのような測定の精度は、部分特有および操作者特有であり、および結果は１００ミクロンを超えて外れ得る。

軸方向における実際のホブカッタ位置が、取り付け距離公差よりも大きい量だけ、特定された取り付け距離と異なっている場合、ウォームホイールは意図されたようには働かないこととなる。

本発明は、ウォームドライブのウォームギア部材の最小半径および取り付け距離を決定する方法を対象とする。歯スロット（tooth slot）のルート部分は、ルートの長さに沿った複数の点において探測され、および点の位置は、最小半径および取り付け距離を決定するための基準として利用される。

ウォームスクリューおよびウォームホイールを含むシングルエンベロープ（enveloping）ウォームドライブを示す図である。 ウォームスクリューおよびウォームホイールを含むシングルエンベロープウォームドライブを示す図である。 ウォームホイールを含む歯車を生産するためのホブ工具（hobbing tool）の例を示す図である。 エンベロープウォームホイールの概略的な面幅（face width）の図である。 歯スロットのルート部分を探測するための歯車の歯間の測定用探針（measuring probe）の配置を示す図である。 最小半径および取り付け距離を決定するための点を得るためのルート部分に沿った探測の例を示す図である。

本明細書に使用される用語「発明（invention）」、「本発明（the invention）」および「本発明（the present invention）」は、広く、本明細書および以下の任意の特許請求の範囲の発明の対象（subject matters）をいうことが意図される。これらの用語を含む記述は、本明細書中に記載される発明の対象を限定しまたは以下の任意の特許請求の範囲の意味または範囲を限定するように理解されるべきではない。さらに、この明細書は、本出願の任意の特定の部分、段落、記述または図面によってカバーされる発明の対象を記載しまたは限定することを求めるものではない。発明の対象は、明細書全体、全図面および以下の任意の請求項を参照することによって、理解されるべきである。本発明は、他の構成が可能であり、および様々な方法で実施または実行されることができる。また、本明細書において使用される言葉遣い（phraseology）および専門用語（terminology）は、記述の目的のためであり、および限定するものとみなされるべきではないことが理解されよう。

次に、本発明の詳細は、単に例として本発明を示す添付図面を参照して論じられる。図面において、類似の機構または構成要素は、同様の参照番号によって言及される。

本明細書における「含む（including）」、「有する（having）」および「含む（comprising）」ならびにそれらのバリエーション使用は、この後に記載されるアイテムおよびその等価物、および付加的なアイテムを包含することが意図される。

図面の説明において、以下に、上（upper）、下（lower）、上方（upward）、下方（downward）、後方（rearward）、底（bottom）、頂（top）、前（front）、後（rear）、等のような方向への言及がなされている可能性があるが、これらの参照は、便宜上、（普通に見られた際の）図面に対してなされる。これらの方向は、いかなる形においても、文字通りに受け取られまたは本発明を限定することが意図されるものではない。加えて、「第１の」、「第２の」、「第３の」等のような用語は、記載の目的のために本明細書中に使用され、および重要性（importance）または重大さ（significance）を示しまたは暗示することが意図されるものではない。

図１および図２は、ウォームスクリュー４（すなわちウォーム）およびウォームホイール６（すなわちホイール）を含むシングルエンベロープウォームドライブ２を示す。ウォーム２は、回転軸Ａ_ウォームの周りを方向８に回転する単条（single-start）ウォームである。ホイール６は、幅方向において凹面状の形状１２を有する歯１０を含む。ホイール６は、回転軸Ａ_ホイールの周りを方向１４に回転可能である。軸Ａ_ウォームと軸Ａ_ホイールの間の距離は、中心距離Ｄｃと呼ばれる。

ホブ工程（hobbing process）によって切削されるインボリュート歯外形を有する典型的な円筒歯車のために、例えば図３におけるホブ２２のようなホブ工具は、それが歯車の歯を切削するにつれて軸方向に送り出され、それによって歯車の面幅に沿って一貫した外径を創り出す。しかしながら、図４におけるウォームホイール６のようなウォームホイールを切削するとき、例えばホブ２２のようなホブ工具は、軸方向送り出しを伴わずに、切削されるウォームホイール６内に半径方向に送り出される（ウォームホイール面幅Ｗ_Fの方向に沿った移動がない）。この切削運動は、その外径（すなわち、ウォームホイールの周縁）が、形状において、ウォームホイール６の上面１６と下面１８との間の中心に位置することが意図される最小半径Ｒ_Tを有する円弧（すなわち凹面状）であるように、ウォームホイールの歯１０上に凹面状の形状の外形１２を創り出す。

ウォームホイール６に対するホブ２２の中心線Ａ_Hの位置が制御されることが重要である。上記のように、ウォームホイールの軸（Ａ_ホイール）方向（Ｚ方向）におけるホブの中心線Ａ_Hの位置を制御するために、Ｄ_Mとして図４に示されるウォームホイール「取り付け距離」と呼ばれる寸法が特定される。取り付け距離は、これによって「取り付け基準」または「基準面」と呼ばれる特定される軸方向表面２０から、「のど」として知られるウォームホイール６上の軸方向位置までの距離であり、そこで、対を成すウォームシャフトの中心は、好ましくは、ウォームドライブ組立品内に位置付けられる。「のど」の位置は、最小半径Ｒ_Tのところである。

取り付け距離公差量よりも大きい量だけ、特定された取り付け距離とは異なる（ウォームホイールの軸方向における）実際のホブカッタ位置は、意図されたように働かないウォームホイールをもたらすこととなる。従って、実際の取り付け距離を決定するためにウォームホイールを測定することは重要であることが理解され得る。

理論上の取り付け距離を利用しながら、Ｄ_Mは、最小半径Ｒ_T（すなわち、のど）のまあまあ妥当な近似値をもたらし得るが、これは、ウォームホイールの多くのパラメータ（例えば、フランク形状（form）、歯インデックスおよび歯サイズ（厚さ）測定値）はのどの位置に基づいて決定されるので、好ましくない。従って、のどの位置の誤差は、のどの位置に基づく他のウォームホイールの仕様における次の誤差を導くであろうことが分かる。

本発明の方法は、軸方向において測定されるウォームホイールののどの実際の位置を決定する。本発明は、ウォームホイールのルート部分を測定すること、および最良適合（best fit）円を適用することに基づき、最良適合の最も低い点は、取り付け距離を決定するために利用される。

方法は、例えばオハイオ州デイトンのＧｌｅａｓｏｎ Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社から商業的に入手可能であるモデル３００ＧＭＳ（登録商標）歯車検査機のような、任意の解析的な歯車検査機上で実行され得る。

取り付け基準２０は、その位置を設定するために探測される（接触型または非接触型の探測）。設計または理論上の取り付け距離Ｄ_Mを用いて、探針３０は、ルート半径が理論上最小であるＺ方向（図４）における理論上の高さ（のど）に移動させられる。基準歯（reference tooth）は、基準直径（reference diameter）におけるその回転位置を設定するために、そのそれぞれの側で探測される。

探針３０は、図５に示されるように、連続する歯１０間の歯溝またはスロット２４内において中心に置かれ（Ｙ中心）、および歯溝のルート２６と接触するように移動させられる。図６に示されるように、探針３０は、次いで、ウォームギアのルートに沿って、中心（第１の探測点）から面幅の好ましくは４０％下方に（Ｚ方向に）、および次いで中心（第１の探測点）から面幅の好ましくは４０％上方に（Ｚ方向に）、移動させられる。面幅の４０％が好ましいが、本発明はそれに限定されない。

ルート線に沿った複数の点が探測され、これは好ましくはルートにおける面幅の８０％に相当する。各点に関して、半径および高さ（Ｚ）ポジションが記録される。好ましくは少なくとも５つの点が探測され、およびより好ましくは７つの点が探測される。しかしながら、本発明は、何らかの特定の点の数に限定されない。

最良適合された曲線（best fitted curve）は、測定された点（例えば７つ）に関して決定される。曲線あてはめ（curve fitting）は、一連のデータ点に対する最良適合を有する曲線または数学関数を構成するプロセスである。最良適合された曲線の計算それ自体は知られており、およびこのステップのために回帰分析、内挿または平滑化のような様々な数学的手法を用いることができ、および上記点に関する曲線は、例えば、二次の多項式曲線または三次のスプライン（cubical spline）またはより高次の数学的曲線であってもよい。

二次の最良適合された多項式曲線は、好ましくは、
Ｙ＝ａｘ²＋ｂｘ＋ｃ （１）
であり、式中、ａ、ｂおよびｃは最良適合された多項式曲線の係数である。最良適合された曲線は、精度および改善された再現性の目的のために使用される。

方程式（１）由来の最良適合された曲線の係数を使用して、半径が最小であるＺ（高さ）に沿った位置は、反復プロセス、これは好ましい、または接線の傾きに関して方程式を解くこと、のような様々な取り組みのうちの任意のものによって決定される。

Ｚ方向における基準面２０から、のどの距離（上記に見られる、ウォームホイールのルートがその最小半径である高さ）である実際の取り付け距離は、決定される。理論上の取り付け距離は、測定を行うために実際の取り付け距離に置き換えられてもよい。

実際の取り付け距離は、歯車のより良い接触のためにウォームシャフトおよびウォームホイールの最終的な組立品に使用されてもよく、ならびに、次のワークピースに関する取り付け距離を修正するようにホブおよび／またはワークピースのポジションを調節するために、ホブ盤にフィードバックとして提供されてもよい。

本発明は好ましい実施形態を参照して記載されてきたが、本発明はその詳細に限定されないことは理解されよう。本発明は、添付された特許請求の範囲の精神および範囲を逸脱することなしに当業者にとって明らかであろう修正を含むことが意図される。

Claims (15)

1. ウォームドライブのウォームギア部材の最小ルート半径を決定する方法であって、前記ウォームギア部材は、Ｚ方向に延びる回転軸、複数の歯を含む周縁、ならびに、面幅に沿って位置しおよび隣接歯間に位置するルートを有する歯溝を備えて前記ウォームギア部材の上面と下面との間に延びる前記複数の歯を備え、ルート半径は前記軸と前記ルートとの間で定義される、前記面幅、を有し、前記方法は、
   隣接歯間の歯溝のルートを探測する工程であって、前記探測は、前記隣接歯間の前記歯溝内における中心位置を設定する工程、および前記ルートに沿って複数の点で探測する工程を含み、前記点の各々はルート半径ポジションおよびＺ方向ポジションによって定義され、前記複数の点は形状を形成する、工程、
   前記複数の点によって形成された前記形状に、定義された曲線を最良適合させる工程、および前記定義された曲線から最小ルート半径および前記Ｚ方向における対応位置を決定する工程、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記決定された最小ルート半径および前記Ｚ方向における前記対応位置によって定義される、実際の取り付け距離を設定する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記探測は、接触探針によって実行されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記探測は、非接触探針によって実行されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記実際の取り付け距離を歯車製造機械に伝達する工程、および前記実際の取り付け距離に従って前記機械上での歯車製造工程パラメータを調節する工程、をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
6. 前記歯車製造機械はホブ盤を含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 調節された工程パラメータは、前記ホブ盤上で作製される次の歯車のための取り付け距離を修正するように、ホブおよびワークピースの互いに関するポジションの調整を含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記ルートに沿った前記探測は、前記ルートの長さに沿った中心点で始まることを特徴とする請求項１に記載の方法。
9. 前記探測は、前記中心点に関して前記ルートに沿った第１の方向ならびに前記中心点に関して前記ルートに沿った第２のおよび反対の方向に生じることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記第１の方向ならびに前記第２のおよび反対の方向の各々は、前記ウォームギア部材の前記面幅の４０パーセントを含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記複数の点は少なくとも５つの点を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
12. 前記複数の点は７つの点を含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 前記最良適合された定義された曲線は、二次の多項式曲線、三次のスプラインまたはより高次の数学的曲線を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
14. 前記軸に関して理論上の最小ルート半径を認定する工程であって、前記理論上の最小ルート半径は、前記Ｚ方向において測定された理論上の取り付け距離に軸方向に位置付けられる工程をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
15. 前記決定された最小ルート半径および前記Ｚ方向における前記対応位置によって定義される、実際の取り付け距離を設定する工程をさらに含み、
    前記理論上の取り付け距離および前記実際の取り付け距離は、前記ウォームギア部材の前記上面または前記下面に位置する基準表面に関して前記Ｚ方向に設定されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。

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