JP5430538B2

JP5430538B2 - ギア構造

Info

Publication number: JP5430538B2
Application number: JP2010247308A
Authority: JP
Inventors: 吉孝三浦
Original assignee: JATCO Ltd
Current assignee: JATCO Ltd
Priority date: 2010-03-09
Filing date: 2010-11-04
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2030-11-04
Also published as: KR101780818B1; KR20110102201A; CN102192305A; CN102192305B; US8813599B2; EP2369201A2; EP2369201B1; JP2011208800A; US20110219898A1; EP2369201A3

Description

本発明は、噛み合いによって動力を伝達するギア構造に関する。

従来、特許文献１に開示されているように、ギア側面に補強部材を固定する技術が知られている。

特開平８−３１２７５５号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術では、ギア側面にどのようにして補強部材を固定するかが開示されておらず、本出願人による鋭意検討の結果、ギア側面と補強部材とを固定する箇所によっては、補強部材による補強効果が十分に得られないという課題を見出した。
本発明は、上記課題に着目してなされたもので、補強部材による補強効果が得られるギア構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では、ギアの側面に補強部材が固着されるギア構造において、前記ギアは、該ギアの噛み合い作用線上に、前記補強部材と固着する固着部を有し、前記噛合い作用線は、前記ギアの同時噛合歯数が最大となる領域のうち歯先側で同時噛合歯数が最大となる領域における噛合い作用線であることとした。

噛み合いにより動力を伝達している歯に作用する力を固着部及び補強部材を介して他の歯の固着部に伝達することができ、その分、噛み合って動力を伝達している力を分散させることができる。更に、噛み合って動力を伝達している歯に作用する力は噛み合い作用線の方向に作用することから、ギアの噛み合い作用線上に補強部材と固着する固着部を設けることで、より効果的に力を分散させることができる。これにより、ギアと補強部材との固着面積が増加することを防止しつつ、噛み合って動力を伝達している歯の歯元応力を効果的に低減することができる。また、応力が低減することによりギアの小型軽量化又はギアの強度向上が可能となり、ギアの変形が小さくなることで騒音を低減することができる。

実施例１のギア構造を採用したギアの噛み合いを表す概略図である。実施例１のギア構造におけるギア噛み合い部分における部分拡大概略図である。噛み合い始めから噛合終わりまでの噛み合い位置における応力及び噛み合い歯数の関係を表す図である。実施例１の固着部の設定論理を表す概略説明図である。歯幅方向の応力分布を表す概略図である。

図１は実施例１のギア構造を採用したギアの噛み合いを表す概略図である。図１（ａ）は斜視図を、図１（ｂ）は正面図を示す。動力源と接続された駆動ギア１及びこれと噛み合う被動ギア２は、ハスバ歯車であり、回転軸に対して斜めに交差する歯面を有する標準インボリュート歯車である。図１（ｂ）の噛み合い部拡大図に示すように、駆動ギア１の歯元部分と被動ギア２の歯先部分とが同時接触線において噛み合うと（噛合始め）、この同時接触線が徐々に移動し、最終的に駆動ギア１の歯先部分と被動ギア２の歯元部分とが同時接触線において噛み合い、ある歯の噛み合いが終了する（噛合終わり）。

駆動ギア１及び被動ギア２の側面には、補強部材１０，２０がそれぞれレーザー溶接によって固着されている。この補強部材１０，２０は円盤状の金属板であり、外周がギア最外周と略一致する大きさに形成され、内周はギアの歯底よりも内径側まで延在されている。中心部はシャフト等が貫通する貫通孔が形成されている。固着部１０ａ，２０ａは、各々の歯において径方向に２箇所有しており、全周の歯に亘って放射状に配置されている。固着部１０ａ，２０ａの詳細な位置関係については後述する。図１（ｂ）の部分拡大図に示すように、駆動ギア１には、噛合終わり側の側面に補強部材１０が固着され、被動ギア２には、噛合始め側の側面に補強部材２０が固着されている。実施例１では、固着を溶接により行ったが、凹凸部による係合や接着剤等による固着でも構わない。

図２は実施例１のギア構造におけるギア噛み合い部分における部分拡大概略図である。標準インボリュート歯車は、駆動ギア１及び被動ギア２の基礎円を元に噛み合う。すなわち、駆動側基礎円と被動側基礎円との共通接線Ａ−Ｂ上において噛み合い位置が移動する。この共通接線Ａ−Ｂを、以下、作用線（噛み合い作用線）という。駆動ギア１のある任意の歯が作用線上の噛合始めポイントにおいて被動ギア２の歯と接触する（図２中の点線歯影参照）。その後、駆動ギア１が回転すると、接触位置は作用線上を移動しながらＰ１→Ｐ２→Ｐ３へと移動し、噛合終わりポイントにおいて駆動ギア１と被動ギア２の噛み合いが終了する。つまり、ギア噛み合い部分において、駆動ギア１が被動ギア２を押し付ける方向の力は、常に作用線に沿った方向に作用する。

図３は噛み合い始めから噛合終わりまでの噛み合い位置における応力及び噛み合い歯数の関係を表す図である。図３中の太い一点鎖線は補強部材なしのギア構造（比較例）における最大応力の軌跡を表し、太い実線は実施例１のギア構造における最大応力の軌跡を表す。

ある任意の歯が噛み合い始めるときは、必ず隣接する歯が噛み合い状態であるため、噛合始めは２歯が噛み合う（領域ａ）。このとき、二つの歯で伝達するトルクを分担するため、応力は低いと考えられるが、補強部材なしのギア構造において、実際には極めて大きな応力が発生する。これは、噛合始めは被動ギアの歯先部と駆動ギアの歯元部とが噛み合うこと、及びギア側面部から噛合始めが生じるためであり、被動ギアの歯先部かつ側面部近傍に大きな変形が生じ、大きな応力が発生することによる。つまり、図５に示すとおり、歯の軸方向の端部においては応力分布曲線が歯幅よりも外側に出てしまうが（図５のＡ領域参照）、この外側に出てしまう分の応力は歯の端部が集中して負担することになるため（図５のＢ領域参照）、歯の軸方向の端部に応力集中が発生し応力が大きくなるのである。ちなみに、駆動ギアでは側面部近傍であっても歯元部が噛み合うため、さほど大きな応力は発生しない。

噛み合いが徐々に進むと、噛み合い位置は歯元部かつギアの軸方向中心側に移行することになるため、変形が小さくなり、応力の最大値は一気に低下していく（図２のＰ１点，Ｐ３点参照）。次に、噛み合い歯数が２歯から１歯になると、１歯でトルクを分担するため応力は増大するが、噛み合い位置が歯元部に近く、ギアの軸方向中心近傍であるため、さほど問題は無い（図２のＰ２点参照：領域ｂ））。

更に噛み合いが進み、噛み合い歯数が再度１歯から２歯になると、トルクを分担するため応力は減少する。しかし、駆動ギアにあっては噛み合い位置が歯元部から歯先部に移行し、更にギアの軸方向側面部側に移行していくため、駆動ギアの歯先部分の応力は一気に増大し、大きな応力が発生する（領域ｃ）。尚、この領域ｃにおいて大きな応力が発生するのも、前述の応力集中によるものである。このように、補強部材なしのギア構造では、噛合始め及び噛合終わりの近傍において、非常に大きな応力が発生し、ギアの耐久性の低下を招くという問題があった。

そこで、歯の側面に補強部材１０，２０を固着させることとした。具体的には、駆動ギア１の正回転方向の噛合終わり側側面に補強部材１０を固着した。駆動ギア１の歯において、被動ギア２との接触領域は、ギアの噛み合いが進行するに連れ、ギアの噛合始め側から噛合終わり側に移動すると共に、歯元側から歯先側に移動する。このとき、接触領域が歯先側に移動するにつれて歯元にかかる応力が大きくなる。従って、駆動ギア１の正回転方向の噛合終わり側側面に補強部材１０を固着することにより、歯先側の入力によって歯元にかかる応力が大きくなる噛み終わり側の歯元応力を低減することができ、より効果的にギアの小型軽量化又はギアの強度向上が可能となり、また、応力が低減することによりギアの変形が小さくなることで騒音の低減が可能となる。

同様に、被動ギア２の正回転方向の噛合始め側側面に補強部材２０を固着した。被動ギア２の歯において、駆動ギア１との接触領域は、ギアの噛み合いが進行するに連れ、ギアの噛合始め側から噛合終わり側に移動するとともに、歯先側から歯元側に移動する。このとき、接触領域が歯先側に移動するに連れて歯元にかかる応力が小さくなる。従って、被動ギア２の正回転方向の噛合始め側側面に補強部材２０を固着することにより、歯先側の入力によって歯元にかかる応力が大きくなる噛合始め側の歯元応力を低減することができ、より効果的にギアの小型軽量化又はギアの強度向上が可能となり、また、応力が低減することによりギアの変形が小さくなることで騒音の低減が可能となる。

このように、ギアの側面に補強部材を固着させるにあたり、どのように固着させるか否かが問題となる。補強部材の役割とは、歯に伝達される力を、補強部材を介して他の歯に伝達し、力を分散させて応力を低減することである。そこで、歯の中心であって、任意の歯の固着部と、それ以外の歯の固着部とが作用線上に位置するように設けることとした。

図４は実施例１の固着部の設定論理を表す概略説明図である。被動ギア２の任意の歯をＸ１、その隣接する歯をＸ２とする。歯Ｘ１は、図４中の左側において、噛合始めポイントから噛合終わりポイントにかけて駆動ギア１から力が伝達される。この力は作用線方向に作用する。まず、歯Ｘ１の回転方向において略中心に固着部を配置することが好ましい。これは、例えばレーザー溶接等により固着した際の入熱による歯面強度の低下を回避しつつ、回転方向が変わったとしても安定した力を受けることができるからである。また、２歯噛み合い領域ａに設けることが好ましい。図３で説明したように、噛み合い歯数が２歯であって、かつ、歯先側のときに最も応力が高くなるからである。よって、噛合始めから引いた作用線Ｓ１と２歯噛み合い領域ａの境界を表す作用線Ｓ２との間に含まれ、かつ、歯Ｘ１の中心となる領域Ｚに固着部を一つ設ける。

言い換えると、固着部が設けられる位置を通る作用線は、ギアの同時噛み合い歯数が最大（２歯）の状態における作用線である。ハスバ歯車においては、図４に示すとおり、歯の接触領域はギアの回転に伴って軸方向および径方向に変化する。このとき、噛合い始めおよび噛合い終わり時点においては、歯の軸方向の端部が接触領域となるが、この領域においては、応力集中が発生するため、応力が大きくなる。したがって、ギアの同時噛合歯数が最大（実施例１では２歯）であって、かつ歯先側のときが、歯に生じる応力が最大となるため、第１固着部であるα１と第２固着部であるβ１とを、ギアの同時噛合歯数が最大となる領域のうち歯先側で同時噛合歯数が最大となる領域における作用線上に設けることによって、噛み合って動力を伝達している歯にかかる力が最大となるときの歯にかかる力を分散させるのに有利な構造を得ることができる。尚、β１は歯元部であるため、α１から補強部材２０を介して力が作用しても応力の増大を招くことはない。

ここで、具体的に上記要件を満たすポイントα１に固着部２０ａの一つを形成する。歯面に力が作用すると、その力はポイントα１から補強部材２０を介して伝達されるため、ポイントα１から作用線を引いたときに、隣接する歯Ｘ２の中心と交差するポイントβ１に二つめの固着部２０ａを形成する。任意の歯Ｘ１の歯の中心においても、ポイントα１を通るギア同心円Ｏ１と歯の中心線との交点、ポイントβ１を通るギア同心円Ｏ２と歯の中心線との交点の２箇所に固着部２０ａが形成される。

言い換えると、固着部２０ａの位置関係は、歯Ｘ１の歯底円よりも径方向歯先側の歯先部に設けられる第１固着部となるポイントα１に一つ、第１固着部となるポイントα１にそれぞれ対応して設けられ、この対応する第１固着部であるポイントα１よりも径方向歯底方向側の歯元部に設けられる第２固着部となるポイントβ１にそれぞれ形成される。すなわち、噛み合って動力を伝達している歯に作用する力を第１固着部であるα１から補強部材２０を介して第２固着部であるβ１へと伝達させることができ、その分、噛み合って動力を伝達している歯にかかる力を分散させることができると共に、歯先部であるα１に入力される力を歯元部であるβ１に伝達することができ、ギアと補強部材との固着面積が増大することを抑制しつつ、歯に作用する応力を効果的に抑制することができる。尚、この設定論理は駆動ギア１でも同じであるため説明を省略する。

以上説明したように、実施例１にあっては下記に列挙する作用効果を得ることができる。
（１）ギアの側面に補強部材が固着されるギア構造において、ギアは、該ギアの噛み合い作用線上に、補強部材と固着する固着部を有する。
すなわち、噛み合って動力を伝達している歯に作用する力を固着部、補強部材を介して他の歯の固着部へと伝達することができ、その分、噛み合い歯に作用する力を分散することができる。更に、噛み合い歯に作用する力は作用線方向であるため、ギアの作用線上に補強部材と固着部を設けることで、より効果的に噛み合い歯に作用する力を分散させることができる。従って、ギアと補強部材との固着面積が増加することを防止しながら、噛み合い歯の歯元応力を低減することができ、ギアの小型軽量化もしくはギアの強度向上を図ることができる。また、応力の低減によってギアの変形を小さくすることができ、騒音の低減を図ることができる。

（２）固着部は、ギアの各歯の歯底円よりも径方向歯先側の歯先部に設けられる第１固着部となるポイントα１と、該ポイントα１にそれぞれ対応して設けられポイントα１よりも径方向歯底方向側の歯元部に設けられる第２固着部であるポイントβ１と、からなる。
噛み合い歯に作用する力を第１固着部であるポイントα１から、補強部材を介して噛み合い歯以外に形成された第２固着部であるポイントβ１に伝達することができ、効果的に応力を分散することができる。また、歯先部であるポイントα１から歯元部であるポイントβ１に伝達することで、ギアと補強部材の固着面積の増大を招くことなく応力を低減することができる。

（３）ギアはハスバ歯車であって、作用線（噛合い作用線）は、ギアの同時噛合歯数が２歯（最大）となる領域のうち歯先側で同時噛合歯数が最大となる領域における作用線である。
ハスバ歯車においては、ギアの同時噛合歯数が最大（実施例１では２歯）のときであって、かつ歯先側のときに、歯に生じる応力が最大となるため、第１固着部であるα１と第２固着部であるβ１とをギアの同時噛合歯数が最大となる領域のうち歯先側で同時噛合歯数が最大となる領域における作用線上に設けることによって、噛み合って動力を伝達している歯にかかる力が最大のときの歯にかかる力を分散させるのに有利な構造を得ることができる。尚、β１は歯元部であるため、α１から補強部材２０を介して力が作用しても応力の増大を招くことはない。

（４）ギアはハスバ歯車であって、補強部材２０を、被動ギア２の正回転方向の噛合始め側側面に固着した。よって、歯先側の入力によって歯元にかかる応力が大きくなる噛合始め側の歯元応力を低減することができ、より効果的にギアの小型軽量化又はギアの強度向上が可能となり、また、応力が低減することによりギアの変形が小さくなることで騒音の低減が可能となる。

（５）ギアはハスバ歯車であって、補強部材１０を、駆動ギア１の正回転方向の噛合終わり側側面に固着した。よって、歯先側の入力によって歯元にかかる応力が大きくなる噛合始め側の歯元応力を低減することができ、より効果的にギアの小型軽量化又はギアの強度向上が可能となり、また、応力が低減することによりギアの変形が小さくなることで騒音の低減が可能となる。

以上、実施例１について説明したが、本発明は実施例１の構成に限らない。
実施例１では、固着部が略円形の溶接によって形成されたが、径方向に長さを持った溶接領域を持つように構成してもよい。
実施例１では、外歯歯車に補強部材を固着するものを示したが、これに限らず、例えば、内歯歯車に補強部材を固着するものであってもよい。尚、外歯歯車の同時噛み合い歯数は、内歯歯車の同時噛み合い歯数よりも少ないため、補強部材の固着による応力低減効果は外歯歯車のほうが大きい。また、実施例１ではハスバ歯車を示したが、平歯車や他の歯車であっても構わない。

実施例１では、円盤状の補強部材を示したが、これに限定されるものではなく、第１固着部と第２固着部とを連結できるものであれば、形状・個数などは限定されない。例えば、棒状の部材によりそれぞれを連結してもよい。

実施例１では、任意の歯における第１固着部に対応する第２固着部を、任意の歯に隣接する歯に設けることとしたが、これに限定されず、例えば、任意の歯における第１固着部に対応する第２固着部を、任意の歯から１歯または複数歯を挟んで隣接する歯に設けるものであってもよい。尚、任意の歯における第１固着部に対応する第２固着部を、任意の歯の隣に設けると、第１固着部と第２固着部との距離が短くなり、補強部材のバネ係数によらず効果的に強度を向上することができる。また、第１固着部と第２固着部との間の補強部材のバネ係数を高くすることも効果的である。

１駆動ギア
２被動ギア
１０，２０補強部材
１０ａ，２０ａ固着部

Claims

ギアの側面に補強部材が固着されるギア構造において、
前記ギアは、該ギアの噛み合い作用線上に、前記補強部材と固着する固着部を有し、
前記噛合い作用線は、前記ギアの同時噛合歯数が最大となる領域のうち歯先側で同時噛合歯数が最大となる領域における噛合い作用線であることを特徴とするギア構造。
請求項１に記載のギア構造において、
前記ギアの各歯の歯底円よりも径方向歯先側の歯先部に設けられる第１固着部と、
該第１固着部にそれぞれ対応して設けられ、該対応する第１固着部よりも径方向歯底方向側の歯元部に設けられる第２固着部と、
からなることを特徴とするギア構造。
請求項１または２に記載のギア構造において、
前記補強部材を、被駆動側の前記ギアの正回転方向の噛合始め側側面に固着することを特徴とするギア構造。
請求項１ないし３いずれか一つに記載のギア構造において、
前記補強部材を、駆動側の前記ギアの正回転方向の噛合終わり側側面に固着することを特徴とするギア構造。