JPH03275180A - 不等速ギヤを用いた遠心力発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、偏心不等速ギヤを用いた遠心力発生装置に関
する。

（従来の技術） 従来、遠心力発生装置としては、例えば第１８図に示す
ように、互いに逆回転方向で回転する対の遠心重錘１．
１を、１台の駆動用電動機２で回転駆動させ、所要方向
（上下方向）の振動力を発生ずるようにした振動杭打機
が提案されている（実公昭６０−３２２０２号公報参照
）。

上記杭打機は、遠心重錘１，１を一定速度で回転させる
と、振動力が上下方向に交互に発生し、杭打力そのもの
は杭打機の自重のみによって得られるにすぎないので、
地固め等の作業が効果的に行なえないという問題を解決
するためになされたものである。その手段として、電動
機２をインバータ制御することにより、杭打力を発生ず
る位置に遠心重錘１，１が移行したときに角速度を早め
て、杭打力を大きくするようにしたちのである。

（発明か解決しようとする課題） 一方、楕円ギヤ、偏心ギヤで代表される偏心軸型不等速
ギヤは、第１９図及び第２０図に示すように、噛み合わ
された作動ギヤＩＯと受動ギヤ１１の中心を結ぶ直線上
で、作動ギヤ１０の入力軸１０Ａと受動ギヤ１１の出力
軸１０Ｂを、所定寸法偏心させてなるものである。

かかる不等速ギヤは、入力軸＋ＯＡを一定回転速度（回
転速度；角速度と同義）で回転させると、出力軸１１Ｂ
の回転速度が一回転中に変化することは、 日本機械学会論文集（第３部） 日本機械学会編　機械工学便覧 等により知られている。

出力軸の角速度の変化量は、次のようにして求められる
（第１９図、第２０図参照）。

δ二偏心量　ａ、軸間距離　ε：偏心率　とし、ε−２
δ／ａ　と定義し、以下、 入力軸１０Ａの角速度：ωＡ　入力軸１０Δの角変位・
Ａ　出力軸１１Ｂの角速度ωＢ　出力軸ｌＩＢの角変位
；Ｂ　とすると、 楕円ギヤではωＢとωＡの関係は、 ωＢ／ωＡ＝　Ｉ　／Ｍ　−ＮＣ０３Ａ　　　・・・（
１）ここに　Ｍ＝１＋ε２／１−Ｃ２ Ｎ＝２・ε／ニーε２ が成立する。

偏心ギヤも（１）式でほぼ近似できる。

具体的には、例えば、偏心率ε−０，２２の不等速ギヤ
の入力軸＋ＯＡをωＡ＝４４０　ｒａｄ／ｓｅｃの一定
角速度で回転させると、第２１図（ａ）、第２１図（ｂ
）に示すような出力軸１１Ｂの角速度ωＢの変化を得る
ことができる。

ここで、第２１図（ａ）は１回転中の角速度ωＢの変化
状態、第２１図（ｂ）は角速度ωＢの経時変化状態をそ
れぞれ示す。そして、第１９図または第２０図の構成状
態では、第２１図（ａ）にＰて示す位置が、出力軸１１
Ｂの角速度ωＢが最大となる。

そこで本発明者は、第２２図（ａ）に示すように、かか
る不等速ギヤの出力軸１１Ｂに偏心重量体１２を、出力
軸１１Ｂの角速度が最大になる時、下向きになるように
取付けて、入力軸＋ＯＡを一定角速度ωＡ＝ｃｏｎｓｔ
で回転させると、遠心力Ｆは、Ｆ＝Ｍｏ／ｇ・ωＢ２ ＭＯ９偏心重量体１２のモーメン１ ８９重力の加速度 となり、遠心力Ｆは出力軸１１Ｂの角速度ωＢの２乗に
比例して変化するため、上下方向の大きく異なる力を得
ることができるということを見い出した。

ここに上下方向の力ＦＹは、第２２図（ｂ）に示すよう
に、 Ｆｙ＝−Ｍｏ／ｇ・ωＢ２・Ｃ０５Ｂ　　　−（２）と
なる。

例えば、ε−０，２２ωＡ＝４４０ｒａｄ／ｓｅｃＭｏ
＝２Ｋｇ−ｃｍ とすると、第２３図（ａ）、第２３図（ｂ）に示すよう
に、出力軸１１Ｂに」二下不等の遠心力が生じる。

ここで、第２３図（ａ）は１回転中の遠心力Ｆの変化状
態、第２３図（ｂ）は遠心力Ｆの経時変化状態をそれぞ
れ示す。

そして、第２２図（ａ）の構成状態では、第２３図（ａ
）にＰで示す位置が出力軸１１Ｂの遠心力Ｆが最大とな
る。

したがって、第２２図（ａ）の構成を杭打機等に採用す
れば、電動機をインバータ制御しなくても、上記従来技
術の杭打機のように大きな杭打力を得られるはずであっ
た。

ところが、本発明者が研究、実験を繰返した結果、出力
軸１１Ｂに偏心重量体１２を取付けると、その偏心重量
体１２を含む出力軸１１Ｂの慣性モーメントによる慣性
力で、出力軸１１Ｂはその時々の回転速度のままで回転
し続けようとし、第２１図（ａ）、第２１図（ｂ）に示
したような角速度ωＢの変化が得られず、また、かかる
出力軸１１Ｂの慣性モーメントによる慣性力の影響によ
り、一定であるとした入力軸１０Ａの角速度ωＡも変化
してしまい、期待した第２３図（ａ）、第２３図（ｂ）
のような遠心力は得られないということが判明した。

そこで、入力軸１０Ａの回転を一定に保って、出力軸１
１Ｂの加速、減速による慣性力の増減に打ち勝つために
、入力軸１０Ａの入力トルクを犬きくすることも考えら
れたが、第２４図に示ずように、出力軸１１Ｂの出力ト
ルクＴＢの増減に見合った極めて大きな入力トルクが必
要となり、実現の可能性に乏しいものであった。

本発明は上記知見を踏襲してなされたもので、入力軸の
入力トルクを大きくすることなく、出力軸の所要方向に
大きな遠心力を得ることを可能にした、不等速ギヤを用
いた遠心力発生装置を新規に提供することを目的とする
ものである。

（課題を解決するための手段） このため本発明は、噛み合わされた作動ギヤと受動ギヤ
の中心を結ぶ直線上で、作動ギヤの入力軸と受動ギヤの
出力軸を、所定寸法偏心させてなる偏心軸型不等速ギヤ
において、上記受動ギヤの出力軸に偏心重量体が設けら
れ、上記作動ギヤの入力軸には、受動ギヤの出力軸にお
ける偏心重量体を含む全慣性モーメントより大きい慣性
モーメントが設定され、上記出力軸の偏心重量体の１回
転中の最高速回転変動域で所定方向の大きな遠心力が発
生ずるようにしたことを特徴とするものである。

また、上記作動ギヤの入力軸の主たる慣性モーメントと
して、フライホイールまたは偏心重量体を設けることが
できる。

（発明の作用・効果） 本発明は、偏心軸型不等速ギヤにおいて、偏心重量体を
設けた受動ギヤの出力軸に対して、作動ギヤの入力軸に
、受動ギヤの出力軸における偏心重量体を含む全慣性モ
ーメントより大きい慣性モーメントを設定したものであ
る。

したがって、入力軸の角速度変動よりも大きな出力軸の
角速度変動が得られるようになり、入力軸の入力トルク
を大きくすることなく、出力軸の所要方向に大きな遠心
力を得ることができる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を添付図面について詳細に説明す
る。

なお、上述した出力軸に偏心重量体を取付けた状態を、
ギヤ効率によるロス、軸受の摩擦抵抗等を省略して、原
理的に簡略化して述べながら、作動ギヤの入力軸に、受
動ギヤの出力軸における偏心重量体を含む全慣性モーメ
ントより大きい慣性モーメントを設定した構成を説明す
る。

■入力軸＋ＯＡに関して、時計回り回転方向を正方向と
する。

第２図（ａ）に示すように、入力軸１０Ａを正方向に角
速度ωＡ、トルクＴＤで駆動するとし、入力軸＋ＯＡの
慣性モーメントをＩＡとすると、第２図（ｂ）に示すよ
うに、入力軸１０Ａには、負方向に、慣性力により回転
を妨げようとするトルクＩＡ・ωＡが生じる（ωＡ＝ｄ
ωＡ／ｄｔ）。

従って、入力軸１０Ａには　ＴＡ＝ＴＤ−ＩＡ・ωＡの
トルクが生じる。

このトルクＴＡはギヤ１０，１１１．：、Ｊ：り出力軸
１１Ｂに伝わる。

第２図（ｃ）に示すように、作動ギヤ１０のピッチ円半
径をｒＡ（刻々変化する）とすると、トルクＴＡにより
ピッチ円の接線方向に力ＦＰが生じる。

ＦＰ＝ＴＡ／ｒＡてあり、上式のＴＡを代入すると、Ｆ
Ｐ＝ＴＤ−ＩＡ・ωＡ／ｒＡ　　　　　　−（３）とな
る。

■出力軸Ｂ軸に関して入力軸１０Ａを時計回りに回転す
ると、出力軸１１Ｂは反時計回りに回転するため、出力
軸１１Ｂは反時計回り回転方向を正方向とする。

第３図（ａ）に示すように、ピッチ円接線方向力ＦＰは
受動ギヤ１１のピッチ円の接線力として作用し、受動ギ
ヤ１１のピッチ円半径をｒＢ（刻々変化する）とすると
、正方向にトルク　ＴＢ１＝ＦＰ・ｒＢ　　を生じさせ
る。（３）式を代入し、ＴＢ１＝（ＴＤ−ＩＡ・ωＡ）
・ｒＢ／ｒＡ　　　＝（４）となる。

また、第３図（ｂ）に示すように、出力軸１１Ｂの持つ
慣性モーメントをＩＢとすると、これにより、出力軸１
１Ｂには回転を妨げようとするトルクが生じ、そのトル
クをＴＢ２とすると、負方向にＴＢ２＝−ＩＢ・ωＢ　
　　　　　　　・・・（５）のトルクが生じる。

さらに、出力軸１１Ｂには偏心重量体１２により回転を
妨げようとするトルクＴＢ３が働き、第３図（ｃ）に示
すように、偏心重量体１２の重量をＷＭＯ１軸心から偏
心重量体１２の重心までの距離をｒＭｏ、上述のように
、偏心重量体１２のモーメントをＭＯ（−ＷＭｏ−ｒＭ
ｏ）とすると、負方向にＩＢ３−−ｒＭｏ−３ＩＮＢ−
ＷＭｏ＝−Ｍｏ−８ＩＮＢ・・（６） が生じる。

出力軸１１ＢはこれらＴＢｌ、ＩＢ２、ＩＢ３が釣合を
保ちながら回転するため ＴＢ］＋ＴＢ２＋ＴＢ３＝０ となり、式（４）（５）（６）を代入して整理すると ＴＤ−ＩＡ・ωＡ＋（ＩＢ・ωＢ＋ＭＯ・５ＩＮＢ）・
ｒＡ／ｒＢ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　・　（７）の関係を保ちながら回転することになる。

■また、ピッチ円半径ｒＡとｒＢは第４図に示すように
、入力軸１０Ａと出力軸１１Ｂのピッチ円の接線速度が
等しいため、その速度をＶとするとＶ−ωＡ−ｒＡ−ω
Ｂ−ｒＢ となり、 ｒＡ／　ｒＢ＝　ωＢ／　ωＡ これを（７）式に代入すると ＴＤ＝ＩＡ・ωＡ＋（ＩＢ・ωＢ＋Ｍｏ−３ＩＮＢ）・
ωＢ／ωＡ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
・・（８）となる。

この（８）式と（＋）式の両式に従ってωＡ１ωＢは変
化する。

■例えばε−０，２２ωＡ＝４４０ｒａｄ／ｓｅｅＭｏ
＝　２　Ｋｇ　−ａｍ　　Ｔ　Ｄ＝　３　Ｋｇ　−ｃｍ
とする。

（イ）ＩＡ＝０．０　］］］］Ｋｇ−ｃｍ−ｓｅｃ２ｒ
Ｂ＝　、０２　Ｋｇ−ａｍ−ｓｅｃ２として入力軸１０
Ａの慣性モーメントＩＡを出力軸の慣性モーメントＩＢ
の１／２にした場合式（１）と（８）の連立方程式の解
を第５図（ａ）に、これで求めたωＢの変化を式（２）
に代入し求めた上下方向力ＦＹを第５図（ｂ）に示す。

このように、変化させたい出力軸１１Ｂの角速度ωＢは
期待はど変化せず、従って大きな」二下方向力Ｆｙの差
も得られない。また、入力軸＋ＯＡの角速度ωＡの変動
も大きい。

１ ２ （ｏ）ＩＡ＝ＩＢ＝０．０２Ｋｇ−ｃｍ−５ｅｃ”とし
て、入力軸１０Ａの慣性モーメントＩＡと出力軸１１Ｂ
の慣性モーメントＩＢを同じにした場合 式（１）と（８）の連立方程式の解を第６図（ａ）に、
これで求めたωＢの変化を式（２）に代入し求めた」二
下方向力Ｆｙを第６図（ｂ）に示す。

このように、ＩＡ＝ＩＢにした場合、ωＡとωＢはとも
に同じ量の角速度変化を生じてしまい、従って大きな」
二下方向力ＦＹの差も得られない。

（ハ）　Ｉ　Ａ＝　０、２　Ｋｇ−ｃｍ　◆ｓｅｃ”ｒ
Ｂ＝ｏ、０２Ｋｇ−ｃｍ−５ｅｃ２ として、入力軸１０Ａの慣性モーメントＩＡを出力軸１
１Ｂの慣性モーメントＩＢの１０倍にした場合 式（＋）と（８）の連立方程式の解を第７図（ａ）に、
これで求めたωＢの変化を式（２）に代入し求めた上下
方向力ｐｙを第７図（ｂ）に示す。

このように、入力軸１０Ａの慣性モーメントＩＡを出力
軸１１Ｂの慣性モーメン１−ＩＢより大きくすることに
より、出力軸１１Ｂの角速度ωＢの変化を入力軸１０Ａ
の角速度ωＡの変化より大きくすることができ、この結
果、出力軸１１Ｂに取付けた偏心重量体１２による遠心
力の上下方向力の差を大きくすることができる。逆に入
力軸１０Ａの角速度ωＡの変化を小さくすることができ
る。

入力軸１０Ａの慣性モーメントＩＡを大きくする手段と
しては、例えば第１図に示すように、入力軸１０Ａにフ
ライホイール１３を取付け、または、後述するように偏
心重量体１４（第１３図参照）を取付けることで解決で
きる。

なお、フライホイール１３等に代えて、入力軸！ＯＡを
太く、かつ長くすることでも解決できる。

上記では、説明を簡単にするために、入力軸１０Ａの慣
性モーメントＩＡはフライホイールＩ３で発生し、出力
軸ＪＩＢの慣性モーメントＩＢは偏心重量体１２で発生
するというようにしたが、実際には、入力軸１０Ａの全
慣性モーメントを出力軸１１Ｂの全慣性モーメントより
大きく設定する。

ここに言う全慣性モーメントとは、出力軸１１Ｂに関し
ては；偏心重量体、ギヤ、ベアリング等、出力軸に拘わ
る総ての回転部品の慣性モーメントを出力軸１１Ｂに換
算した値の総和をいい、入力軸＋ＯＡに関しては ベルトドライブでは；フライホイール等を含む入力軸に
拘わる総ての回転部品の慣性モーメントを入力軸ＩＯＡ
に換算した値の総和をいい、チェーン、タイミングベル
ト、ギヤ伝達、原動機直結では；原動機、フライホイー
ル等を含む入力軸に拘わる総ての回転部品の慣性モーメ
ントを入力軸＋ＯＡに換算した値の総和をいう。

第８図〜第１１図は、遠心力発生装置１９の入力軸１０
Ａへの回転力の伝達方法の例を示すものである。

第８図は、原動機２０からプーリ２１，２２とベルト２
３を介して入力軸１０Ａを回転させる装置である。

第９図は、原動機２０からプーリ２４，２５とチェーン
、またはタイミングベルト２６を介して入力軸１０Ａを
回転させるものである。

第１０図は、原動機２０から伝達ギヤ２７，２８を介し
て入力軸１０Ａを回転させるものである。

第１１図は、原動機２０で直接に入力軸１０Ａを回転さ
せるものである。

上述したように、入力軸１０Ａの角速度ωＡの変化を小
さくできる結果、ベルト伝達の場合（第８図）には、ベ
ルトのスリップを小さくできる。

また、チェーン、またはタイミングベルト伝達の場合（
第９図）、ギヤ伝達の場合（第１０図）、原動機と直結
の場合（第１１図）には、動力源の角速度変化が減少し
、原動機の寿命が向上する。

第１２図〜第１６図は、実用装置への応用例を示すもの
である。

第１２図はバイブロプレートコンパクタ（振動地固め機
）であって、プレート３０の前部上面にフライホイール
１３によって入力軸１０Ａの慣性モーメントＩＡを大き
くした遠心力発生装置１９を固定し、プレート３０の後
部上面に防振ゴム３１を介して原動機２０を固定して、
原動機２０の５ ６ 取付１プベース３２に操作ハンドル３３を取付けたもの
である。

これにより、下向きに大きな力、上向きに小さな力が得
られ、大きな地固め力を得ながら、機体重量の軽量化が
同胞になる。

第１３図もバイブロプレートコンパクタ（振動地固め機
）であるが、入力軸１０Ａに、フライホイール１３に代
えて偏心重量体１４を、出力軸ｌＩＢの偏心重量体１２
に対して１８０度位相を異ならせて取付けたものである
。

これにより、出力軸ＪＩＢと入力軸＋ＯＡに、交互に下
向き力Ｐ、Ｆ”が発生する。

第１４図は作動ギヤ１０にアイドルギヤ３５を介して受
動ギヤ１１を噛み合わせ、受動ギヤ１１の出力軸１１Ｂ
に固定した大径ギヤ３６をその側方の大径ギヤ３７と噛
み合わせ、各大径ギヤ３６゜３７に偏心重量体３８．３
９を取付けたものである。

このように、不等速ギヤを２段以上使用することにより
、所要方向の遠心力と反対方向の遠心力の差がさらに大
きくなり、上向きに大きな力Ｆが発生する。この遠心力
発生装置１９は、振動杭抜き機に採用できる。

第１５図は、第１４図の遠心力発生装置１９の偏心重量
体３８．３９の取付は位置を１８０度ずらせて、振動杭
打ち機に採用したものである（但し、アイドルギヤ３５
は省略している）。

この場合には、吊り金具４０に防振ゴム４１゜４１を介
して遠心力発生装置１９を固定し、該遠心力発生装置１
９の下面にチャック爪４２を固定する。

これにより、下向きに大きな力Ｆが発生し、速い打込み
速度を得ながら、軽量でかつ振動を小さくできる。

第１６図は、第１２図のバイブロプレートコンパクタ（
振動地固め機）において、出力軸１１Ｂの偏心重量体１
２を所定角度θ１例えば３０度だけ回転方向の逆方向に
少しずらして取付けたものである。

これにより、第１７図に示すように、機体が上向き力を
受けて上昇している間の前方へ向かう力を大きくするこ
とができ、前進速度を早くすることが可能となる。

上記応用例は一例であって、遠心力発生装置１９は、上
下方向のみならず、左右方向のように、所要方向のみに
大きな力を得たい種々の装置に採用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る不等速ギヤを用いた遠心力発生装
置の正面図、第２図（ａ）、第２図（ｂ）、第２図（ｃ
）は入力軸の回転状態をそれぞれ示す正面図、第３図（
ａ）、第３図（ｂ）、第３図（Ｃ）は出力軸の回転状態
をそれぞれ示す正面図、第４図は入力軸と出力軸の回転
状態を示す正面図、第５図（ａ）は入力軸の慣性モーメ
ントを出力軸の慣性モーメントの１／２にした場合の角
速度を示すグラフ、第５図（ｂ）は第５図（ａ）の場合
の上下方向力を示すグラフ、第６図（ａ）は入力軸と出
力軸の慣性モーメントを同じにした場合の角速度を示す
グラフ、第６図（ｂ）は第６図（ａ）の場合の上下方向
力を示すグラフ、第７図（ａ）は入力軸の慣性モーメン
トを出力軸の慣性モーメントの１０倍にした場合の角速
度を示すグラフ、第７図（ｂ）は第７図（ａ）の場合の
上下方向力を示すグラフ、第８図、第９図、第１０図、
第１１図は入力軸への回転力の伝達方法の例をそれぞれ
示す正面図、第１２図、第１３図、第１４図第１５図、
第１６図は遠心力発生装置の実用装置への応用例をそれ
ぞれ示す正面図、第１７図は第１６図の装置の一回転中
の上下方向力を示すクラブ、第１８図は従来の振動杭打
機の正面図、第１９図、第２０図は偏心軸型不等速ギヤ
をそれぞれ示す正面図、第２１図（ａ）は第１９図また
は第２０図のギヤの一回転中の角速度を示すグラフ、第
２１図（ｂ）は第１９図または第２０図のギヤの角速度
を経時的に示すグラフ、第２２図（ａ）、第２２図（ｂ
）は出力軸に偏心重量体を取付けた偏心軸型不等速ギヤ
の回転状態をそれぞれ示す正面図、第２３図（ａ）は第
２２図（ａ）のギヤの１回中の遠心力を示すグラフ、第
２３図（ｂ）は第２２図（ａ）のギヤの遠心力を経時的
に示ずグラフ、第２４図は入力軸の入力トルクを大きく
した場合の出力軸の出力トルクを示すグラフである。 ＩＯ・・作動ギヤ、ＩＯＡ・・入力軸、１１・受動ギヤ
、ＩＩＢ・出力軸、］　２．　ｌ　４．．３８．３９偏
心重量体、１３・・・フライホイール、１９・・・遠心
力発生装置。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）噛み合わされた作動ギヤと受動ギヤの中心を結ぶ
   直線上で、作動ギヤの入力軸と受動ギヤの出力軸を、所
   定寸法偏心させてなる偏心軸型不等速ギヤにおいて、 上記受動ギヤの出力軸に偏心重量体が設けられ、上記作
   動ギヤの入力軸には、受動ギヤの出力軸における偏心重
   量体を含む全慣性モーメントより大きい慣性モーメント
   が設定され、上記出力軸の偏心重量体の１回転中の最高
   速回転変動域で所定方向の大きな遠心力が発生するよう
   にしたことを特徴とする不等速ギヤを用いた遠心力発生
   装置。
2. （２）上記請求項（１）において、上記作動ギヤの入力
   軸の主たる慣性モーメントとして、フライホィールまた
   は偏心重量体が設けられていることを特徴とする不等速
   ギヤを用いた遠心力発生装置。