JP7256972B2

JP7256972B2 - 歯車機構

Info

Publication number: JP7256972B2
Application number: JP2021528575A
Authority: JP
Inventors: 学蓮見
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2019-06-20
Filing date: 2019-06-20
Publication date: 2023-04-13
Anticipated expiration: 2039-06-20
Also published as: JPWO2020255349A1; WO2020255349A1; US20220065342A1

Description

本発明は、歯車機構に関するものである。

従来、下記特許文献１を始めとしてインボリュート歯車が知られている。図１０、図１１に示すインボリュート歯車１００の歯１０２はインボリュート曲線になった歯面１０４を備える。歯面１０４におけるピッチ円１０６とその付近（歯面の中央付近）では歯１０２同士の滑り率が低くなっており、歯先および歯底に行くに従って滑り率が高くなる。歯１０２の歯たけを低くすることで、歯面１０４の中央付近の滑り率の低い領域を効率よく使用し、高効率で動力伝達することができる。

特開２０１２－０００６２８号公報

しかし、ピッチ円１０６を一定にして歯たけを低くすると、歯１０２が小さくなり、歯１０２の強度が低下する。そのため、歯たけを低くできず、動力伝達効率を上げられない。

本発明の目的は、動力伝達効率が良く、かつ歯車の強度が低下しない歯車機構を提供することにある。

以上の課題を解決すべく、本発明に係る歯車機構は、以下に述べるような構成を有する。

本発明の歯車機構は、円盤部および該円盤部の外周に等間隔で配置された複数の歯を備えた歯車が回転軸方向に複数重ねられて固定された歯車体を備えており、前記歯の歯面において、複数重ねられた歯車が回転方向にかみ合い率が１以上になるようにずらされている。

本発明によれば、歯たけを低くして、歯面の滑り率の低いピッチ円付近の領域のみを利用するため、歯面の摩擦損失が低減される。

本願の歯車機構を示す斜視図である。図１の円Ａの拡大図である。本願の歯車機構に使用される歯車を示す図である。歯車のピッチを示す拡大図である。歯車の歯たけを示す拡大図である。円盤部に軽量穴が設けられた歯車を示す図である。円盤部に軽量穴が設けられた歯車を示す図である。歯同士の間に隙間を設けた歯車部を示す断面図である。４枚の歯車を用いた歯車部を有する歯車機構を示す斜視図である。従来のインボリュート歯車を示す図である。図１０のインボリュート歯車の歯の拡大図である。

本発明の実施形態に係る歯車機構について図面を参照して説明する。複数の実施形態を説明するが、異なる実施形態であっても同じ部材には同一の符号を付して説明を省略する場合がある。

[実施形態１]
図１に示す本願の歯車機構１０は歯車体１２を備え、その歯車体１２は複数の歯車１４を備える。各歯車１４は円盤部１６およびその円盤部１６の外周に設けられた複数の歯１８を備える。２つの歯車体１２の歯１８がかみ合って回転することで、一方の歯車体１２から他方の歯車体１２に動力が伝わる。

[歯車体]
１つの歯車体１２を構成するすべての歯車１４は同じ回転軸２０に固定されている。歯車１４の数は複数であり、すべての歯車１４は同形状である。本実施形態は歯車１４の数を３にして説明する。

歯車体１２の厚みを従来の歯車の厚みと同じにしてもよい。１枚１枚の歯車１４を薄くして、歯車体１２の厚みを従来の歯車と同じ厚みにすれば、従来と同じ歯車機構に本願の歯車機構１０を適用することができる。

円盤部１６の中央に軸穴２２を設け、軸穴２２に回転軸２０を通し、回転軸２０と円盤部１６を固定する。図１、図２示すように、各歯車１４は重ねられて固定され、かつ、各歯車１４は回転方向に等角度でずれている。すべての歯車１４が同時回転し、順番に歯車１４がかみあう。

複数の歯車１４を一体にして固定する締結方法は任意である。たとえば、円盤部１６に穴２４を開け（図３）、ボルト２６の軸をその穴２４に通し、ボルト２６にナットを固定し、すべての歯車１４を固定する。また、ボルト２６の代わりにリベットを使用してもよい。

[歯車]
図３に示すように、歯車１４において、複数の歯１８は同一ピッチで配置されている。歯１８の歯面２８の形状はインボリュート曲線になっており、すべての歯車１４はインボリュート歯車である。

図４に示すように、歯１８Ａを備えた従来のインボリュート歯車１４ＡのモジュールをｍＡ（ｍｍ）、ピッチ円（基準円）３０の直径をｄ（ｍｍ）、歯数をｚＡとすると、インボリュート歯車１４ＡのモジュールはｍＡ＝ｄ／ｚＡである。歯１８'のモジュールｍ'はモジュールｍＡと比較して歯車１４の数ａだけ小さくなり、ｍ'＝ｍＡ／ａ＝ｄ／（ｚＡ×ａ）となっている。たとえば３枚の歯車１４を使用した場合、モジュールｍ'は従来のインボリュート歯車１４Ａのモジュールの１／３になり、ｍ'＝ｄ／（ｚＡ×３）であり、歯１８'を備えた歯車の歯数ｚ'は従来のインボリュート歯車１４Ａの３倍でｚ'＝ｚＡ×３である。本願の歯車１４の歯１８はこの小さな歯１８'を基準とする。

図４に示すように、歯車１４の数ａだけ歯たけが低くなった基準の歯１８'のピッチ円３０におけるピッチをｐ'（ｍｍ）、円周率をπとすると、ｐ'＝π×ｍ'＝π×ｍＡ／ａである。また、歯厚ｓ'はｐ'／２である。歯車１４をずらしてａ枚配置することにより、歯車１４はピッチを基準となった歯１８'のａ倍にしても歯車のかみあいが確保できるため、歯車１４のピッチｐは、ｐ＝ｐ'×ａにすることができる。ピッチｐは歯１８Ａのピッチと同じである。これにより、歯車１４の歯厚ｓも基準となった歯１８'に対して歯車１４の数ａだけ長くすることができるため、ｓ＝ｓ'×ａ＝ｐ／２＝π×ｍ'×ａ／２である。歯車１４の歯数は、ｚ＝z'／ａ＝ｚＡである。

上記歯車１４を備える２つの歯車体１２は噛み合うことができる。噛み合う２つの歯車体１２に備えられる歯車１４のピッチ円３０の直径ｄと歯数ｚは異なってもよい。

図５に示すように、従来のインボリュート歯車１４Ａの歯１８Ａの歯先のたけはｈａＡ＝ｍＡである。歯元のたけはｈｆＡ＝ｍＡである。一方、本願の歯車１８の歯先のたけの歯先のたけはｈａ＝ｍ'＝ｍＡ／ａである。歯元のたけはｈｆ＝ｍ'＝ｍＡ／ａである。上記のように本願の歯先のたけおよび歯元のたけが歯車１４の数ａだけ小さくなっている。従来のインボリュート歯車１４Ａの歯１８Ａと比較して、本願の歯１８は滑り率が小さいピッチ円３０付近の歯面２８のみを使用している。さらに、従来歯車１８Ａと比較して歯車１８は、歯厚が同じで歯車の歯丈が１／ａであることから、歯幅を１／ａにしても同等の強度が確保できる。

本願は歯１８Ａの歯先および歯元を削除した構造になっている。言い換えると、本願は歯先のたけ及び歯元のたけが歯車１４の数ａだけ低く、さらに使用する歯面２８はピッチ円３０を含むようにしてピッチ円２０の付近にある。歯面２８は歯１８Ａの滑り率の低い部分で構成されている。

図４、図５に示すように、本願の歯車１４の歯１８は従来のインボリュート歯車１４Ａの歯１８Ａの歯先および歯元付近が削除されている。従来のインボリュート歯車１４Ａにあった歯先および歯元によるかみ合いが本願に無い。そこで、回転軸２０を回転中心として歯車１４が等角度でずらされている。たとえば、図１のように３枚の歯車を使用し、各歯車１４の歯数が１６になった場合、隣り合う歯車１４は７．５°ずれている。２つの歯車体１２がかみ合って回転するときに、一の歯車１４の引っ掛かりが終了するタイミングで他の歯車１４が引っ掛かる。複数の歯車１４が順番に引っ掛かる。たとえば、図２に示すように、歯面２８Ａ～Ｆが順番で引っかかる。そのため、従来あった歯先の引っ掛かりを、本願は複数の歯車１４によって補っている。

以上のように、本願は基準となる小さな歯１８'のモジュールｍ'をモジュールｍＡよりも歯車１４の数だけ小さくすることができる。そのため、歯車１４の歯たけを低くすることができ、歯車１４を小型化できる。歯厚ｓは歯厚ｓ'よりも歯車１４の数だけ大きくなるため、歯１８の歯厚ｓを大きくすることができる。また、歯たけが低くなるため、歯車１４の厚みが薄くなっても歯１８の強度は歯１８Ａと同等である。よって、複数の歯車１４を薄くして重ねることで、従来の歯車１４と同じ厚みにすることができる。従来の歯車機構に対して、歯車１４を変えるだけで本願の歯車機構１０にでき、歯車機構１０の周辺の構造を変更しなくてもよい。

[実施形態２]
図６、図７に示すように、歯車３６、３８の円盤部１６に軽量穴４０、４２が設けられていてもよい。軽量穴４０、４２によって歯車３６、３８を軽量化できる。軽量穴４０、４２の数と形状は任意である。航空機などの歯車機構は軽量化を求められており、本願の歯車機構１０を航空機などに適用することができる。なお、図７の歯車３８において、歯底３２から軽量穴４２までの長さは、歯たけに応じて設定されることから、歯たけが低くなる本願の構造では、この個所を薄くして軽量化することができる。

[実施形態３]
図８の歯車体４４のように、隣り合う歯車４６の間に隙間４８ができるようにしてもよい。隙間４８は少なくとも歯の側面に形成されるようにする。２つの歯車体４４が噛み合ったときに、歯同士が干渉しにくくなる。また、歯幅が薄くなることで、ギヤのかみ合い部の潤滑油や空気が排出されやすくなるため、効率を改善することができる。

[実施形態４]
図９の歯車機構５０のように、歯車部５２が４枚の歯車５４を備えてもよい。４枚の歯車５４が回転方向に等ピッチでずれている。その他、歯車部５２に備えられる歯車５４の数は複数であれば限定されない。

[実施形態５]
上記の実施形態は図１、図９の歯車機構１０、５０のように、歯車５４が回転方向に等ピッチでずれている形態を説明したが。ずらす角度は当ピッチでなくても構わない。たとえば、図２の歯２８Ａのかみ合いが終わる際に２８Ｂの歯がかみ合い始めている状態、つまり、２つの歯車体１２、４４、５２のかみ合い率が１以上であれば角度は限定されない。

[実施形態６]
上記の実施形態は歯車１４、３４、３６としてインボリュート平歯車を用いて説明したが、他の歯車であってもよい。たとえば歯車は、はす歯歯車（ヘリカルギヤ）または傘歯車であってもよい。

[実施形態７]
上記の実施形態は歯車１４を同一形状として説明したが、同一形状でなくてもよい。たとえば、一定の強度低下を許容するならば、歯底３２が違う歯車であってもよい。また、たとえば一定の効率低下を許容するならば、かみ合い率が１以上になる範囲で１枚だけ歯たけの違う歯車であってもよい。

（第１項）本願の歯車機構は、円盤部および該円盤部の外周に等間隔で配置された複数の歯を備えた歯車が回転軸方向に複数重ねられて固定された歯車体を備えており、複数重ねられた歯車が回転方向に等角度でずらされている。

第１項に記載の歯車機構によると、ピッチ円付近の滑り率が低い。

（第２項）前記歯面が歯車のピッチ円を含んだ該ピッチ円の付近である。

第２項に記載の歯車機構によると、歯面が歯車のピッチ円を含むその付近であることで、滑り率の低い部分を使用できる。

（第３項）前記歯車の基準となるモジュールをｍ'、ピッチ円の直径をｄ、歯車の歯数をｚＡ、歯車の数をａとすると、ｍ'＝ｄ／（ｚＡ×ａ）である。

第３項に記載の歯車機構によると、歯車の歯たけが歯車体に備えられた歯車の数だけ小さくなるため、歯車が小型になるように設計することができる。歯車の歯たけは歯車と比べて１／ａである。

（第４項）前記歯車の歯のピッチをｐ、円周率をπとすると、ｐ＝π×ｍ'×ａであり、歯厚ｓ＝ｐ／２＝π×ｍ'×ａ／２である。

第４項に記載の歯車機構によると、歯のピッチｐは歯車体に備えられた歯車の数だけ大きくでき、歯厚ｓを大きくできる。歯車の回転方向に歯を大きくでき、歯の強度を高めることができる。

（第５項）前記歯の歯末のたけをｈａ、歯元のたけをｈｆとすると、ｈａ＝ｈｆ＝ｍ'である。

第５項に記載の歯車機構によると、歯の全歯たけｈａ＋ｈｆを小さくすることができる。

その他、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々の改良、修正、変更を加えた態様で実施できるものである。

１０、５０：歯車機構
１２、４４、５２：歯車体
１４、１４Ａ、３６、３８、４６、５４：歯車
１６：円盤部
１８、１８Ａ、１８'：歯
２０：回転軸
２２：軸穴
２４：穴
２６：ボルト
２８、２８Ａ、２８Ｂ、２８Ｃ、２８Ｄ、２８Ｅ、２８Ｆ：歯面
３０：ピッチ円
３２：歯底
３４：歯先
４０、４２：軽量穴
４８：隙間

Claims

円盤部および該円盤部の外周に等間隔で配置された複数の歯を備えた歯車が回転軸方向に複数重ねられて固定された歯車体を備えており、
複数重ねられた歯車が回転方向にかみ合い率が１以上になるようにずらされており、
前記各歯車が備える複数の歯の歯たけが、当該各歯車とピッチ円の直径及び歯数が同じである歯車の標準歯形の歯たけよりも低いことを特徴とする歯車機構。
前記各歯車の歯面が、前記標準歯形のピッチ円と交差するように形成されている請求項１の歯車機構。
前記歯車の基準となるモジュールをｍ’、ピッチ円の直径をｄ、歯車の歯数をｚＡ、歯車の数をａとすると、
ｍ’＝ｄ／（ｚＡ×ａ）
である請求項２の歯車機構。
前記歯車の歯のピッチをｐ、円周率をπとすると、
ｐ＝π×ｍ’×ａ
であり、
歯厚ｓ＝ｐ／２＝π×ｍ’×ａ／２
である請求項３の歯車機構。
前記歯の歯末のたけをｈａ、歯元のたけをｈｆとすると、
ｈａ＝ｈｆ＝ｍ’
である請求項４の歯車機構。