JPS62151649A - 正面歯車伝動装置 - 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） 本発明は互いζこ９０°かそれ以外の角度て交差してい
る軸用の正面歯車伝動装置に関する。同装置は正面］対
車に係合する直歯あるいはねじれ歯構造を何する円筒形
の大歯車を備えている。正面歯車の作用歯元面は（理論
りの）基檗円すい上で測り、係合している円筒形大歯車
の軸と垂直な平面から見た半径上ζこおいて、正面歯車
の内側で約ａ　＝　Ｑ。

外側で約α＝４０°の間で変化する作用圧力角αをもつ
。

（従来の技術） １荷の高さが一定のこの種の正面歯車は、実際には、運
転時間が一般に短く設計しであるおもちゃや、器具、趣
味の道具に内蔵されているような負荷の軽い駆動装置用
によく使用されている。例えは数ＫＷから何千鼎といっ
た出力で、何千時間も全負荷運転を行なうような本来の
動力駆動用には、正面歯車は、めったに実用に供される
ことはない。

この理由の一つとしては、伝動比率１−１から１−約３
−３．５の場合ζこは、正面大歯車の有効歯幅が非常に
限られており、このために比較的少しの動力ｊ−か伝達
す′ることができないからである。一方かさ歯車による
駆動の場合は、歯の幅を伝動比率とは無関係に選択でき
、そのために動力駆動の場合、伝動比率はｉ＝１と、標
鋸かさ歯車創成カッタ一つまりホブ盤に使用可能なｉの
値（１−６〜７が最大値）との間で随意に選ぶことがで
きる。

正面大歯車駆動装置の原価は、伝動比率か約１対４−５
を超えかつ正面ホイール径が約６００ｍｍを超えた時初
めて通常のかさ歯車駆動装置の原価に近づく。特に、ハ
イポイド駆動装置のような特殊なかさ歯車駆動装置は、
高負荷駆動装置の市場のかなりのシェアーを占有するに
至った。その理由は、それが、特に交差した軸に使用さ
れる場合利点を発揮するからである。

上記のことは、例えば１９８３年にＳｐｒ　ｉｎｇｅｒ
ｖｅｒ　ｌａｇ社により発行されたＧ、　Ｎｉｅｍａｎ
及びＨ，Ｗｉｎｔｅｒ著「Ｍａｃｈｉｎｅｎ−ｅｌｅｍ
ｅｎｔｅ　（機械部品）」第３巻のようなよく知られた
ハンドブックの中でも、たった半ページしか正面歯車駆
動装置に記事がさかれていないという事実からも明らか
である。サラに、こノ’Ｋｉい言及箇所は有名な米国の
ハンドブックである１９６２年Ｍｃ　Ｇｒａｗ　−Ｈｉ
　ｌ　Ｉ発行のＤｏｗｅｌ　Ｗ、　Ｄｕｄｌｅｙ著ｒ　
ＧｅａｒＨａｎｄｂｏｏｋ、　Ｊ第１版をまねたものの
ようである。また図面もそこからコピーしたものである
。１９４９年１ｖｌｃＧｒａｗ−Ｈｉｌ１発行のＥａｒ
！　Ｂｕｃｋｉｎｇｈａｍ著「Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ　
Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ｏｆ　Ｇｅａｒｓ　Ｊと題する米
国のハンドブックには、もつと多くのページが正面歯車
駆動装置にさかれてはいるが、この本にしても基礎的な
理論というのはほとんどなく、主として歯の形状及び負
荷能力を測定するための計算近似法を載せているだけで
ある。

ここで検討している正面歯車は円筒形大歯車と係合しな
くてはならないために、原則として大歯車表一致する歯
構造をもち、大歯車と同じ数がそれよりも数本多く歯を
持つホブカッターで創成ホブ歯切を行なうことにより作
ることができる。だからＢｕｃｋ　ｉｎｇｈａｍは、　
＃　　。　ｒ　Ｆｅｌｌｏｗｓ　ｆａｃｅ門家は、運動
学的には、円筒形大歯車を使うことにより、正面歯車が
その歯の幅によりアデンダム修正をする、即ち歯の幅に
より有効圧力角αが変化するようなかさ歯車駆動装置も
含まれると書いている。原則として、大歯車の歯元の面
と正面歯車間で線接触が行なわれ、創成（基糸）円すい
の母線（あるいは包絡線）はすべて回転中心線の交点０
を通る。しかし平面歯車が、上記３文献のすべて及びそ
の図の中に記され名前が挙がっているのも驚きである。

たとえば、Ｎｉｅｍａｎ　：　ｒ一定の高さの歯をもつ
平面歯車」。

（発明が解決しようとする問題点） 正面ギアの有効歯幅は、局所的な圧力角がα＝０となる
範囲以上に、正面歯車の中心線の方向にのばすことは実
際にはできないので、歯の高さも同じ理由で上記地点ま
でに制限されねばならない。

このため円筒形大歯車の歯元で切り下げを行う必要はな
い。なぜなら、たとえばインボリュート歯構造を持つ標
塾的な大歯車はそうでなければ使用できないからである
。しかし上記の結果から、正面歯車上において特に圧力
角が小さい箇所では、歯元の面のほんの：恨られた部分
のみしか動力伝達に効果的にかかわっていないというこ
とかわかる。

このことはもちろん公知のかさ歯車やノ１イボイド駆動
装置と比べた場合重大な欠点となる。しかし、円筒形大
歯車を使った正面歯車は、それ自体優れた性質を持って
いるため、有効歯面が小さいという欠屯を正す試みがな
されてきた。上記の性質に関して、大きなあるいは非常
に大きな軸方向荷重が、かさ歯車あるいはハイポイド駆
動装置に加えられるのとは対照的に、運転中の直歯（平
歯）構造をもつ大歯車にはまったく軸方向荷重がかから
ない点かあげられる。他にもインボリュ、−ト歯構造は
優れた性質を有する。即ち、円筒形の大歯車の歯と正面
歯車との係合の深さは、かさ歯車駆動装置の場合はど重
大ではなく、大歯車が正面歯車と軸方向に位置ずれを起
こしてもそれは全く無害である。

かさ歯車駆動装置及びハイポイド駆動装置用ののギアボ
ックスに関して知られているアセンブリーの心合ぜの問
題が起こる恐れはこれ（こより犬：畠に減り、一方複数
の座標方向の製造精度はそれほど厳格に要求されない。

（問題点を解決するための手段） そこで上記の正面歯車駆動装置の欠点を少なくするため
に本発明は、以下のことを提案する。即ち、正面歯車の
回転軸と垂直な位置にあり、その上方で円筒形大歯車と
同じピッチ半径を持つピッチ円筒がころがる平面から測
った正面歯車の歯の先端の高さが変化するようにし、半
径が小さくなると先端の高さが大幅に直線的に、公称ピ
ッチ半径より小さくなり、半径が増すと高さも増し、さ
らに半径が増すと先端はとがった形となり再び小さくな
り始め、前記のことがすべて公称ピッチ半径よりも半径
が小さいところでは、大歯車の歯元の切り下げは必要な
く、標準的な円筒形大歯車を引き続き使用することがで
き、公称ピッチ半径よりも半径が大きいところでは、大
幅に負荷能力の高まった歯元面を、大きなかみ台率をも
って、歯元もまた圧力角αの増加により強化されている
場所で使うことができるようにすることである。

（作用） これにより、特に半径が大きいところでは、歯元面の有
効なささえ面が大幅１１こ増加し、その結果歯元の面へ
の総平均負荷が減り、その結果犀耗も減り、駆動装置の
負荷容量が同時に増加する。かみ台率が約２．５という
高い値にまで大幅に増加したことにより、直歯構造の場
合にも非常になめらかでノイズをあまり発生しない運転
が可能となる。

正面歯車の歯に関しては、半径が大きい方に移動する負
荷は、圧力角αが増加した歯の上の地点で作用する。歯
は、それゆえ、とても強い歯元と形状を有している。そ
れと係合している大歯車に関しては、正面歯車の歯元の
面につけ加えられた有効な支え部が正面歯車の歯の先端
部にあり、そのために、大歯車の歯元に近い所で働く。

少なくとも曲は荷重に関しては、これが一般の大歯車の
歯か疲労強度に起因する問題に出くわさないで高い荷重
８計を持つことかできる地点である。以上すべてを考慮
すると、正面歯車駆動装置の負荷容量は、本発明；こよ
り細土パーセントか増加したのである。当業者にとって
は、このパーセンテージが、特に正面歯車のピッチ円半
径に関する歯の有効幅に影響されるものであることは明
白だろう。誤解をさけるために、上記の記述はすべて大
歯車の円筒形の歯構造−直ｍ（平歯）およびねじれ歯と
も−に関するものであることを付は加えておく。

（実施例） 上記のこと及び本発明の詳細な説明を添付図面に基づき
以下に行う。

図１及び図２は、上記のＮ　ｉ　ｅｍａｎの本で知られ
てはいるがあえてここに載せる。というのもこれらの図
が、本発明の説明の出発点ζこなるからである。

円筒形の大歯車１は軸４のまわりを回転する。それらの
図において、上記の軸４は９０°で正面歯車の紬３と交
差する。その結果工面歯車−にに作られる特殊な歯構造
を、図２に拡大して示す。上記のもの及び以下に記述す
るものは、すべて基本的；こは、ねじれ歯構造や、互い
に交差する軸や、９０゜以外の角度で交差する軸にも適
用し得ることを指摘しておく。しかし平易化、明確化す
るために、本発明を最も簡単な例、即ち直歯（平歯）構
造及び互いに９０°で交差する軸を有する正面歯車駆動
装置に基つき説明する。保Ｃは基桑円すいの母線（包絡
線）を示す。その頂点は原点０にあり、軸３と軸４はそ
こで交差する。図かられかるように、この創成面は正面
歯車２上の作動ピッチ円５の交差線を通っており、円筒
形大歯車のピッチ円Ｒ２はそこで正面歯車の半径Ｒ２を
もつピッチ円上を、非常な数学的正確さてもってころが
る。作動ピッチ円５及び正面歯車のピッチ円Ｒ２は、正
面歯車の軸３に垂直な平面ＶＲ，２に位置している。純
粋なころがりは、理論上の創成（基準）円すい表面が係
合している歯構造の歯元の面と交差する箇所、即ち図２
のＡ−Ａの線上でも起こる。しかし、大歯車１は円筒形
の歯構造を備えているため、正面歯車の歯の幅とともに
圧力角αが変化する形式の正面歯車の場合には「ころが
り修正」をしなければならない。このことは図２からは
っきりとわかる。

大歯車１のピッチ円Ｒ１と正面歯車２のＲ２が接触する
箇所では、正面歯車の歯は、平歯車の全幅上にある場合
のように、大歯車１の歯と正確に対応する形をしている
。正面歯車のＲ２よりも半径が小さい場合は、「ころが
り修正」の結果圧力角は小さくなり、やがてＯになる。

実際的な理由により、α＝０は、極限値であろう。なぜ
なら、基礎円Ｒ５（図３）はその時ピッチ円Ｒ２と等し
くなり、インボリュート歯元面は存在できなくなるから
である。

Ｒ２よりも半径が大きい場合は、正面歯車の歯構造の圧
力角αは平歯車のそれよりも大きくなる。その結果、正
面歯車の歯はＲ２より半径が大きくなるほど除々にとが
ってゆき、歯の根元はより強度を増し、その結果その地
点て歯の強度が増すことになる。半径の最大値ＲｍａＸ
、はこの場合とがってゆく歯の先端により決められ、ま
たもしＲｍａＸ、かさらに大きくなるときは、小さくな
ってゆく歯の高さとさらに増加していく圧力角ａとによ
って決められる。もし、平歯車の標準的な圧力角をα＝
２０゜と仮定すると、正面歯車の歯の実際的な限界は、
Ｒの最少値α＝０°−１０°からＲの最大値α＝３０゜
−４０°の範囲であろう。

上記の既知の文献からとった図１と図２を仔細に検討し
てみると、驚いたことにＲ＜Ｒ２の場合、正面歯車の歯
の高さは平歯車の基礎円Ｒｂの位置と同じ高さのままで
あることがわかった。このことは、図２からもはっきり
わかるように、Ｒ２よりも半径が小さい場合は、圧力角
αは最初の値（例えば２０°）よりも小さくなるという
事実にも拘らずそうなのである。しかし、図３に関して
以下に論するように、上記のことにより、正面歯車に関
し半径に対応する箇所で、歯の幅によって、平歯車１の
歯元の局所的な切り下げを、公知の大歯車の理論に従っ
て行なわねばならないことになる。

しかし、これはこの種の大歯車駆動装置の意図するとこ
ろではない。なぜなら本発明の出発点は通常の円筒形の
歯車（平歯車）を使用することにあるからである。この
ことは必要な修正及び／あるいは改造を正面歯車の歯構
造にしなければならないことを意味する。図３に関する
記述から、ハンドブックをコピーした図１と図２に描か
れた公知の大歯車では、図示したように作動させるのは
不可能であることがわかるだろう。実用に供される軽負
荷用の正面歯車は、品質が劣悪であるため形が不正確に
なるのであって、ピッチ誤差、振動、あるいは大歯車や
、シャフト、ベアリングの弾性等の結果によるものでは
ないとする仮定は正しい。

上記のことから起こる回転むらは必ずしもやっかいなも
のとはいえない。実際に組み立てる正面ギヤに、図１及
び図２で示した大歯車よりも比較的小さい歯の幅及び／
あるいは高さＴをもたせることも可能である。

図３は、大歯車理論の既知の一章を線図で示している。

同理論によると、正面歯車２の歯の頂部の高さＴは、ラ
ックの輪郭が作動ピッチ線Ｒ２に交差する点において、
ラックの輪郭に対する垂線が炬歯車１の基礎円Ｒｂ　と
交差する点Ｔより突出していてはならないとしている。

このことは、もちろん、有効歯面に関係している。

もし前記のラックの有効歯面が高さＴよりも高くなった
場合は、平歯車１の歯元を切り下げねばならなくなるだ
ろう。もちろん、ラック正面歯車が、事大歯車１の基礎
円Ｒｖ　までの歯元の部分の丸味に影響されずに、動く
場合には、ラック正面歯車の歯の高さＴをこえた部分に
丸味をつけることかできる。この丸味部分は、点線６で
示されている。

図３に基づき説明したこの理論は、様々な圧力角αにお
いて有効である。図３では圧力角が２０゜になっている
が、圧力角を増した場合は高さＴも増加する。またさら
に圧力角が増すと歯の先端がとがった形となる。また圧
力角αが小さくなった場合は、高さＴはα＝０°　にな
るまで減少し、Ｔもまた０になる。インボリュート歯形
の基本的な性質に基づき、ピッチ円Ｒ２よりも正面ギア
の半径が小さい場合また大きい場合、歯の幅に対し一定
の圧力角α（例えば２０°）をもつ平歯車の歯元の面は
、事大歯車の圧力角とは違う圧力角をもつ正面ギアの非
常に正確なインボリュート歯元向と互いに影響し合う。

そこでこの理論によると、平歯車１において必要な山元
の切り下げをさけるために、正面ギア２の歯部分はＴと
等しい作動ピッチ線より上に（ピッチ円Ｒ２より上に）
歯の高さの最大値だけをとるようにすることもできる。

これにより、正面歯車の歯の幅により変わる圧力角αが
変わるにつれ、正面歯車の高さＴも変化する。

前記の如く、すでに論じた先行技術による正面歯車に、
これがあてはまらないことには驚く。３図で、圧力角α
＝２０°のインボリュート歯構造が示されているが、こ
れはこの角度が最も一般的だからであり、特に正面歯車
のピッチ径Ｒ２の場所においてはそうである。図示した
ラックはＲ２における正面歯車２を平たくした円周とみ
なしてもよい（平易化のために、先端と基礎部の丸みは
省略しである）。Ｒｖ、　Ｒｂ１Ｒ１，ＲＴＳＰは、そ
れぞれ歯元円、基礎円、ピッチ円、歯先円、平歯車１の
接触の長さを示している。半径Ｒ２のところで正面歯車
は圧力角α＝２０°となる。有効な作用歯元面に、ハツ
チングを施している。既知の通り、それらは等しい長さ
ではない。むらのないころがりは実際のピッチ線（Ｒ２
）の部分においてのみ可能であり、この場合にも両側で
スリップがおこる。

ピッチ円よりも半径が大きいか小さい場合にも、同様の
ことが起こる。この場合平歯車の圧力角はα−２０°の
ままであるが、正面ギアのそれは２０゜よりも大きくな
るか小さくなっている。むらのないころがりといくらか
のスリップが、依然として実際のピッチ線（Ｒ２）のと
ころで起きている。スリップの程度は、圧力角がα＝２
０°から離れるほど、また歯の先端の高さＴが高くなる
ほど、大きくなることは明白であろう。スリップが大き
くなることによる問題、特に歯への高負荷下及びスリッ
プ速度（回転速度）が高い場合に問題の起きる・可能性
は、適切な潤滑を行うことにより完全に制御できる。

図４及び図５に、本発明による正１■歯車用の歯形を示
す。図４３は歯の幅すの拡大側面図である。

平歯車１の歯先と正面ギア２の歯元との遊びは、Ｃで示
しである。ハツチングは明りさかれた正面歯車の基礎材
料を示す。歯元面のシェーディング８は前記文献公知の
部分であるが、前記理論に沿ったものに修正されている
。こうして基本的には小さい動力に適するものになって
いる。しかし、それはほんの限られた有効ささえ面しか
もたない。

シェーディング９は本発明により加えられたささえ面を
示す。半径が小さくなると（Ｒｍｉ　ｎ　＜　Ｒ２）、
つけ加えた歯の部分の高さは圧力角α＝０°のところで
Ｏになるまで小さくなり続ける。歯のこの部分は、一般
には使用されず、歯は任意の箇所にある線１０のところ
で終わる。そこでの圧力角αは約５°である。歯の先端
が、点１１てとがった形になるまで高くなり、その後は
歯の先端がとがった形のままで、圧力角αおよび歯元幅
が増加するにつれ、高さが再び低くなるような場所、す
なわちＲ２よりも半径が大きい側においても、同様のこ
とが行われる。実際の場合、歯の幅は例えは線１２のと
ころで切れるようにしておく。なぜなら特に歯元の面の
間の相対スリップ速度が、この点て危険な域に入りがち
だからである。これはもちろん、最大平均衝撃負荷、周
速度、材料の選択、加工精度、表ＩＹＪの状聾、小計に
関する必要寿命等、によって変わり得る。

図４ｂは、歯の幅方向に何ケ所かで切った歯の聡断面ヌ
１を関連する圧力角α及び歯の先端の高さＴとともに示
している。破線１３は、有効歯元面が歯元円に向かって
丸味をもつ点を示す。半径Ｒが小さい場合は、線１３は
１４に沿って累進的に１穿する。その結果１５で示され
る歯元面も作用しなくなり、修正された先行技術による
有効面８はさらに減少する。そのため、有効面９の比率
を増すこ吉が、ますます重要となってくる。

同時（こ図４ａ、４ｂで線図で示した歯形は、限られた
効力しかもたない。即ち、平歯車の圧力角を２０°と仮
定すると、伝動比率１は］く約５−７までとなることが
わかる。

伝動比率ｉ〉約５−７の場合は、歯の輪郭はほぼ図５の
ようにみえる。幅Ｘの時は歯の先端の高さの最大値はＴ
のままであり、これもまた正面ギアの歯元面の有効ささ
え面が大きくなったことを意味する。もちろん、上記の
値は単なる指標である。実際には、これらの指標は、直
１・将／ねじれ：首構造、交差軸等、の使用される理論
上のラック輪郭により変わりうる一般的な大歯車に依存
している。

【図面の簡単な説明】

図１は公知の正面歯車駆動装置の、特に直角に交差する
２本の軸を通る平面の横断面図を示す。 図２は図１の公知の正面歯車の歯を示す。 図３は本発明が基礎としている大歯車の理論を示す線図
である。 図４８．４ｂ、及び５は本発明の正面歯車の歯の形を、
側面図及び歯の幅方向にいくつかの箇所からみる横断面
図により示したものである。 １・・・大歯車、２・・・正面歯車、３・・・正面歯車
の軸、４・・・円筒形歯車の軸、５・・・作動ピッチ円
、ＲＸ　　・・・円筒形大歯車のピッチ円、Ｒ２・・・
正面歯車の半径。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）歯元面が（理論上の）基準円すい上で測り、係合
   している円筒形大歯車の軸と垂直な平面から見た半径上
   において、正面歯車の内側で約α＝０°、外側で約α＝
   ４０°の間で変化する有効圧力角αをもつ正面歯車に係
   合する直歯あるいはねじれ歯構造を有する円筒形の大歯
   車を備えた９０°かそれ以外の角度で交差している軸用
   の正面歯車伝動装置において、正面歯車の回転軸と垂直
   な位置にあり、その上方で円筒形大歯車と同じピッチ半
   径を持つピッチ円筒が転動する平面から測った正面歯車
   の歯の先端の高さが変化するようにし、半径が小さくな
   ると先端の高さが大幅に直線的に公称ピッチ半径より小
   さくなり、半径が増すと高さも増し、さらに半径が増す
   と先端はとがった形となり、再び小さくなり始め、前記
   のことがすべて公称ピッチ半径よりも半径が小さいとこ
   ろでは、大歯車の歯元の切り下げは必要ではなく、標準
   的な円筒形大歯車を引き続き使用することができ、公称
   ピッチ半径よりも半径が大きいところでは、大幅に負荷
   能力の高まった歯元面を大きなかみ合率をもって、歯元
   もまた圧力角αの増大により強化されている場所で用い
   ることができるようにしたことを特徴とする正面歯車伝
   動装置。
2. （２）円筒形大歯車の歯が、たとえばα＝２０°の標準
   圧力角を有するとともに、例えばインボリュート形を成
   すものであって伝動比率ｉがｉ＜約５〜７の場合、正面
   歯車２の歯の先端は、最初、半径（Ｒ）が内側から大き
   くなるにつれて、歯の幅方向に高くなり、先端がとがる
   と、その直後から低くなることと、また伝導比率ｉがｉ
   ＞約５−７の場合、正面歯車２の歯の先端は、最初、半
   径（Ｒ）が内側から大きくなるにつれて、歯の幅方向に
   高くなり、係合する大歯車によって決められている高さ
   の最大値Ｔに達すると、その値にとどまって、その後と
   がりそして再び低くなっていくこととを特徴とする特許
   請求の範囲第１項に記載の正面歯車伝動装置。