明 細 書
C A Dシステムを用いた歯車の設計方法及ぴ歯車
技術分野
[0001] 本発明は、例えば自動車の動力伝達部等に使用される歯車の設計方法に係り、特 に、相互に嚙み合う歯面の歯筋が歯車本体の軸線方向に対して湾曲する歯車の設 計方法に関する。
背景技術
[0002] 一般的に、自動車の動力伝達部等において、二軸間で駆動力を伝達するために 歯車が使用されることがある。このような歯車には、歯筋がつる巻き線状であるはすば 歯車や、歯筋が円弧状である円弧歯車などがある。先行技術文献としては、特開昭 5 9— 137661力挙げられる。
[0003] 歯車においては、歯当たりが重要な要素の一つである。所望の歯当たりを実現する ことにより、嚙み合い時における嚙み合い音の発生を抑制することができる。また、所 望の歯当たりを実現することにより、嚙み合い時に歯面に力かる応力を調整できるの で、耐久性が向上する。
[0004] し力しながら、相互に嚙み合う歯面の歯筋が歯車本体の軸線方向に対して湾曲す る歯車の場合には、従来は歯元力 歯先まで一つの円弧である歯筋が連続して形成 されていて、所望の歯当たりを実現することが困難であった。
発明の要旨
[0005] そこで、本発明者は、相互に嚙み合う歯面の歯筋が歯車本体の軸線方向に対して 湾曲する歯車について、所望の歯当たりを実現することができるように、鋭意研究を 重ねた。すなわち、本発明の目的は、相互に嚙み合う歯面の歯筋が歯車本体の軸 線方向に対して湾曲する歯車において、所望の歯当たりを実現して、嚙み合い時の 嚙み合い音発生の抑制や高い耐久性を実現することができる歯車、及び、そのような 歯車の設計方法を提供することを目的とする。
[0006] 上記目的を達成するために、本発明は、 CADシステム上で、一方歯車 (Wla)の 一つの円弧 (R1)より成る歯筋が歯元から歯先まで連続的に推移することで構成され
た一方歯面 (4a)をモデリングする第一モデリング工程と、前記 CADシステム上で、 前記一方歯面 (4a)上に、所望の歯当たり位置として、歯当たり曲線 (R3)を生成する 第一設計工程と、前記 CADシステム上で、前記一方歯面 (4a)に当接すると共に一 つの円弧より成る仮想歯筋が歯元から歯先まで連続的に推移することで構成される 仮想他方歯面(51)をモデリングする第二モデリング工程と、前記 CADシステム上で 、前記仮想他方歯面(51)上に、前記一方歯面 (4a)の歯当たり曲線 (R3)と対応す るように他方歯当たり曲線 (R4)を生成する第二設計工程と、前記 CADシステム上で 、歯元から歯先まで連続的に推移する仮想歯筋から複数本の仮想歯筋 (54)を抽出 すると共に、当該抽出された複数本の仮想歯筋 (54)と前記他方歯当たり曲線 (R4) との複数の接点(55)を求める接点演算工程と、前記 CADシステム上で、前記抽出 された仮想歯筋の各々について、前記他方歯当たり曲線 (R4)との接点が 2つあるか 否かを判別すると共に、 2つある場合には、各接点(55a, 55b)毎に当該接点におい て仮想歯筋(54)である円弧に接すると共に仮想歯筋(54)である円弧の径よりも小 径である円(62、 64)を生成し、当該円(62、 64)によって形成される円弧 (61、 63) によって各接点(55a、 55b)の外側の歯筋曲線を確定する一方、前記両接点(55a、 55b)にお 、て仮想歯筋(54)である円弧に接すると共に仮想歯筋(54)である円弧 に対して所定の隙間 (t)を形成する楕円(66)を生成し、当該楕円(66)によって形成 される円弧 (65)によって各接点(55a、 55b)間の歯筋曲線 (R2)を確定する第三設 計工程と、前記第三設計工程で確定された歯筋曲線を、歯元(52)から歯先(53)ま で連結することによって、前記一方歯車 (Wla)の一方歯面 (4a)に当接する他方歯 車 (Wlb)の他方歯面(3b)を前記 CADシステム上にモデリングする第三モデリング 工程と、を備えたことを特徴とする歯車の設計方法である。
[0007] 本発明によれば、他方歯車 (Wlb)の他方歯面(3b)を、所望の歯当たりを確実に 実現できるように設計することができる。
[0008] あるいは、本発明は、 CADシステム上で、一方歯車 (Wla)の一つの円弧 (R1)より 成る歯筋が歯元から歯先まで連続的に推移することで構成された一方歯面 (4a)をモ デリングする第一モデリング工程と、前記 CADシステム上で、前記一方歯面 (4a)上 に、所望の歯当たり位置として、歯当たり曲線 (R3)を生成する第一設計工程と、前
記 CADシステム上で、前記一方歯面 (4a)に当接すると共に一つの円弧より成る仮 想歯筋が歯元から歯先まで連続的に推移することで構成される仮想他方歯面 (51) をモデリングする第二モデリング工程と、前記 CADシステム上で、前記仮想他方歯 面(51)上に、前記一方歯面 (4a)の歯当たり曲線 (R3)と対応するように他方歯当た り曲線 (R4)を生成する第二設計工程と、前記 CADシステム上で、歯元から歯先まで 連続的に推移する仮想歯筋から複数本の仮想歯筋 (54)を抽出すると共に、当該抽 出された複数本の仮想歯筋(54)と前記他方歯当たり曲線 (R4)との複数の接点(55 )を求める接点演算工程と、前記 CADシステム上で、前記抽出された仮想歯筋の各 々について、前記他方歯当たり曲線 (R4)との接点が 2つある力否かを判別すると共 に、 2つある場合には、各接点(55a, 55b)毎に当該接点において仮想歯筋(54)で ある円弧に接すると共に仮想歯筋(54)である円弧の径よりも小径である円(62、 64) を生成し、当該円(62、 64)によって形成される円弧 (61、 63)によって各接点(55a 、 55b)の外側の歯筋曲線を確定する一方、前記両接点(55a、 55b)において前記 各円弧 (61、 63)に接すると共に仮想歯筋 (54)である円弧に対して所定の隙間 (t) を形成する曲線を生成し、当該曲線によって各接点(55a、 55b)間の歯筋曲線 (R2 )を確定する第三設計工程と、前記第三設計工程で確定された歯筋曲線を、歯元 (5 2)から歯先(53)まで連結することによって、前記一方歯車 (Wla)の一方歯面 (4a) に当接する他方歯車 (Wlb)の他方歯面( 3b)を前記 CADシステム上にモデリング する第三モデリング工程と、を備えたことを特徴とする歯車の設計方法である。
[0009] 本発明によっても、他方歯車 (Wlb)の他方歯面(3b)を、所望の歯当たりを確実に 実現できるように設計することができる。
[0010] 好ましくは、第一モデリング工程では、一方歯車 (Wla)の一つの円弧 (R1)より成 る歯筋が歯元力 歯先までインボリユート曲線 (L)に沿って連続的に推移することで 構成された一方歯面 (4a)がモデリングされるようになっており、第二モデリング工程 では、前記一方歯面 (4a)に当接すると共に一つの円弧より成る仮想歯筋が歯元から 歯先までインボリユート曲線 (L)に沿って連続的に推移することで構成される仮想他 方歯面(51)がモデリングされるようになっており、第三モデリング工程では、前記第 三設計工程で確定された歯筋曲線を、歯元(52)から歯先(53)までインボリユート曲
線 (L)に沿って連結的に推移することによって、前記一方歯車 (Wla)の一方歯面 (4 a)に当接する他方歯車 (Wlb)の他方歯面( 3b)が前記 CADシステム上にモデリン グされるようになっている。
[0011] また、好ましくは、前記接点演算工程では、 15本以上の仮想歯筋(54)が抽出され る。これにより、十分な設計精度が担保され得る。
[0012] また、本発明は、相互に嚙み合う歯を有する一対の歯車 (W1)において、一方歯車
(Wla)の一方歯面 (4a)は、一つの円弧 (R1)より成る歯筋が歯元力 歯先まで連続 的に推移することで形成されており、他方歯車 (Wlb)の前記一方歯面 (4a)に当接 する他方歯面(3b)は、 2つの円弧 (61、 63)と当該 2つの円弧 (61, 63)を繋ぐ連結 曲線 (65)とから構成される歯筋曲線 (R2)が歯元から歯先まで連続的に推移するこ とで形成されて ヽることを特徴とする歯車である。
[0013] このような歯車は、所望の歯当たりを得ることが容易である。これにより、嚙み合い音 が抑制できる。また、嚙み合い時に歯面に力かる応力を調整することができるため、 高 、耐久性を有することができる。
[0014] 好ましくは、前記連結曲線 (65)は、前記 2つの円弧 (61、 63)と互いの接続点にお V、て接する楕円によって形成される。
図面の簡単な説明
[0015] [図 1]図 1は、本発明に係る歯車の一実施の形態を示す正面図である。
[図 2]図 2は、本発明に係る歯車の一実施の形態の嚙み合い状態を表す正面図であ る。
[図 3A]図 3Aは、本発明に係る歯車の設計方法の一実施の形態における第一モデリ ング工程の説明図である。
[図 3B]図 3Bは、本発明に係る歯車の設計方法の一実施の形態における第一設計 工程の説明図である。
[図 4]図 4は、本発明に係る歯車の設計方法の一実施の形態における接点演算工程 の説明図である。
[図 5]図 5A、図 5Bは、本発明に係る歯車の設計方法の一実施の形態における第三 設計工程の説明図である。
[図 6]図 6は、本発明に係る歯車の設計方法の一実施の形態における第三設計工程 の説明図である。
[図 7]図 7は、本発明に係る歯車の設計方法のフロー図である。
発明を実施するための最良の形態
[0016] 以下、本発明を実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図 1は、本発明に係る歯車の一実施の形態を示す正面図である。図 2は、本発明に 係る歯車の一実施の形態の嚙み合い状態を表す正面図である。図 3Aは、本発明に 係る歯車の設計方法の一実施の形態における第一モデリング工程の説明図である。 図 3Bは、本発明に係る歯車の設計方法の一実施の形態における第一設計工程の 説明図である。図 4は、本発明に係る歯車の設計方法の一実施の形態における接点 演算工程の説明図である。図 5A、図 5B及び図 6は、本発明に係る歯車の設計方法 の一実施の形態における第三設計工程の説明図である。図 7は、本発明に係る歯車 の設計方法のフロー図である。
[0017] まず、図 1に基づいて、一対の歯車 W1における一方歯車 Wlaを説明する。
一方歯車 Wlaは、円筒状の本体 9と、本体 9の外周に設けられた複数の歯 2と、を 備えている。歯 2は、歯筋方向に凸円弧状に延びる一方凸歯面 3aと、歯筋方向に凹 円弧状に延びる一方凹歯面 4aと、力もなつている。そして一方凸歯面 3aの始端部( 一端部) 5の位置と終端部 (他端部) 6の位置とが、一方歯車 Wlaの側面視で、周方 向同一となっている。同様に、一方凹歯面 4aの始端部(一端部) 7の位置と終端部( 他端部) 8の位置とが、一方歯車 Wlaの側面視で、周方向同一となっている。
[0018] 一方歯車 Wlaの一方凹歯面 4aは、円筒状の本体 9の軸方向に対して湾曲する一 つの円弧より成る歯筋が、歯元から歯先まで連続的に推移することによって形成され ている。他方、一方歯車 Wlaの一方凸歯面 3aは、複数の円弧及び当該円弧を繋ぐ 曲線から構成される歯筋曲線 (詳細は後述する)が、歯元から歯先まで連続的に推 移することによって形成されて 、る。
[0019] そして、一方歯車 Wlaと嚙み合う他方歯車 Wlbは、一方歯車 Wlaと同一の形状を 有している。
[0020] これら一対の歯車 W1の嚙み合い状態について、図 2に基いて説明する。駆動側の
一方歯車 Wlaが軸心を中心に回転すると、嚙み合う歯 2a、 2bを介して、従動側の他 方歯車 Wlbも軸心を中心に同期して回転する。このとき、駆動側の一方歯車 Wlaの 一方凸歯面 3aは従動側の他方歯車 Wlbの他方凹歯面 4bに当接し、駆動側の一方 歯車 Wlaの一方凹歯面 4aは従動側の他方歯車 Wlbの他方凸歯面 3bに当接して、 駆動力を伝達する。
[0021] 次に、上記のような一対の歯車を設計するための、三次元 CADシステムを使用し た設計方法について説明する。
[0022] まず、第一モデリング工程として、図 3Aに示すように、一方歯車 Wlaの一方凹歯面
4aが三次元 CADシステム上にモデリングされる(P1:図 7参照)。この一方凹歯面 4a では、一つの円弧 R1から成る歯筋が歯元 12から歯先 13まで連続している(連続的 に推移している)。
[0023] 続いて、図 3Bに示すように、一方凹歯面 4a上に、他方凸歯面 3bの歯当たりを所望 する歯当たり点から成る歯当たり曲線 R3が作成される (P2 :第一設計工程)。この歯 当たり曲線 R3は、嚙み合 、率の大き 、歯当たりが得られるような歯当たり点を繋!、だ 曲線であって、具体的には、一方凹歯面 4aにおける歯筋方向両端付近の歯元 12か ら歯筋方向中央に位置する歯先 13まで延びる略半円形状の曲線である。
[0024] 次に、第二モデリング工程として、図 4に示すように、一方凹歯面 4aと同一の一つの 円弧カゝら成る仮想歯筋を有する仮想他方凸歯面 51の三次元モデルが CADシステ ム上に構築される(P3)。この仮想他方凸歯面 51では、一つの円弧から成る仮想歯 筋が歯元から歯先まで連続して!/、る(連続的に推移して ヽる)。
[0025] 続いて、この仮想他方凸歯面 51上に、一方歯車 Wlaの一方凹歯面 4aにおける歯 当たり曲線 R3に対応する他方歯当たり曲線 R4が作成される (P4:第二設計工程)。
[0026] そして、歯元から歯先まで連続的に推移する仮想歯筋から複数本の仮想歯筋 54 が抽出され、当該抽出された複数本の仮想歯筋 54と他方歯当たり曲線 R4との複数 の接点 55が求められる (P5 :接点演算工程)。本実施の形態では、 20本程度の仮想 歯筋 54が抽出されるが(図においては本数は省略されている)、 15本以上であれば 十分な設計精度が担保され得る。また、本実施の形態の接点 55は、仮想歯筋中心 を通り歯元 52から歯先 53まで延びる中央インボリユート曲線 Lを挟んで、仮想歯筋方
向に対称である。
[0027] 次に、抽出された各仮想歯筋 54上において、求められた接点が 2つ存在する力否 かが判別され、 2つ存在する場合には、図 5Aに示すように、まず一方の接点である 第一接点 55aにおいて当該仮想歯筋 54に接する第一円弧 61が作成される(P6 :第 三設計工程)。この第一円弧 61は、仮想歯筋 54を形成する円より小径の第一円 62 から形成される円弧である。
[0028] ついで、第二接点 55bについても、第一接点 55aと同様に、仮想歯筋 54と第二接 点 55bにおいて接すると共に仮想歯筋 54を形成する円より小径の第二円 64から形 成される第二円弧 63が作成される(P6 :第三設計工程)。ここで第二接点 55bは、第 一接点 55aと同じ仮想歯筋 54上であって、仮想歯筋中心を通り歯元 52から歯先 53 まで延びる中央インボリユート曲線 Lを挟んで第一接点 55aと対称な位置にある。
[0029] 続いて、第一接点 55aと第二接点 55bとにおいて第一円弧 61及び第二円弧 63を 繋ぐ連結曲線 65が作成される(P6 :第三設計工程)。この連結曲線 65は、図 5Bに示 すように、仮想他方凸歯面 51の仮想歯筋 54との間に隙間 tを形成する楕円 66によつ て形成される曲線である。ここで、楕円 66は、第一接点 55aと第二接点 55bとにおい て、仮想他方凸歯面 51の仮想歯筋 54と接する楕円である。
[0030] 続いて、第一接点 55a及び第二接点 55bにおいて仮想歯筋 54と接する二つの円 弧 61, 63及び連結曲線 65を繋ぐことによって、図 6に示すように、歯筋曲線 R2が作 成される (P6 :第三設計工程)。
[0031] 他の接点に関しても、各仮想歯筋 54毎に同様に歯筋曲線 R2が形成される。すな わち、二つの円弧及び連結曲線力もなる歯筋曲線が、抽出された仮想歯筋の数だけ 形成される。これらの歯筋曲線を連結することによって (連続的に推移させることによ つて)、他方凸歯面 3bのモデルを構築することができる(P7:第三モデリング工程)。
[0032] 前記一対の歯車 W1においては、一方歯車 Wla及び他方歯車 Wlbが同一形状で ある。すなわち、一方歯車 Wlaの一方凹歯面 4aに当接する他方歯車 Wlbの他方凸 歯面 3bは、一方歯車 Wlaの一方凸歯面 3aと同一である。よって、前述のプロセスを 経て設計された他方凸歯面 3bのモデル力 一方凸歯面 3aとされる。すなわち、一つ の円弧力もなる歯筋 R1を歯元力も歯先まで連続させた一方凹歯面 4aと、二つの円
弧及び連結曲線力 なる歯筋曲線 R2を歯元力 歯先まで連続させた一方凸歯面 3a と、を有する一方歯車 Wlaが CADシステム上にモデリングされる。
[0033] 以上のように、本実施の形態によれば、一方歯車 Wlaの一方凹歯面 4aに対して所 望の歯当たりとなるように、他方歯車 Wlbの他方凸歯面 3bを設計することができる。
[0034] なお、前記実施の形態においては、一方歯車 Wlaの一方凹歯面 4aをもとに他方 凸歯面 3bが設計されたが、逆の設計も可能である。すなわち、一方歯車 Wlaの一方 凸歯面 3aをモデリングした後、当該凸歯面 3aへの所望の歯当たりに基づいて、他方 歯車 Wlbの他方凹歯面 4bを前述のプロセスに従ってモデリングすることも可能であ る。
[0035] また、前記実施の形態においては、所望の歯当たりを歯筋方向両端付近の歯元か ら歯筋方向中央に位置する歯先まで延びる歯当たり曲線として設定したが、これに 限定されない。目的等に応じて、歯当たり位置は変更可能である。
[0036] 更に、前記実施の形態では、モジュール 2. 0を想定して、接点演算工程において 2 0本程度の仮想歯筋 54が抽出されているが、これに限定されない。十分なモデル精 度を得られるように、設計上適当と判断される本数が採用される。一般には、 15本以 上であれば十分な設計精度が担保され得ると思われる。また、抽出される仮想歯筋 5 4は、互いに等間隔であることが好ましい。
[0037] また、前記実施の形態においては、連結曲線 65が、図 5Bに示すように、仮想歯筋 54との間に隙間 tを形成すると共に第一接点 55aと第二接点 55bとにおいて仮想歯 筋 54と接する楕円 66によって形成されている力 他の態様も採用され得る。具体的 には、連結曲線 65は、仮想歯筋 54との間に隙間 tを形成すると共に第一接点 55aに おいて第一円弧 61と接して第二接点 55bにおいて第二円弧 63と接するような任意 の曲線であり得る。