中国で大人気のFシリーズヘリカルベベルギアボックス減速機（エンジニアリング機械用）ヘリカルギアボックス設計

ヘリカルギアボックスの選び方

最適なヘリカルギアボックスを選ぶには、ギアを使用する用途の種類を考慮する必要があります。接触比と必要なプロファイルシフトの総数を考慮する必要があります。

平歯車はヘリカルギアよりも効率が良い

ヘリカルギアと比較して、平歯車はギアの軸に平行な直線状の歯を持っています。平歯車は効率が良いため、低速用途でよく使用されます。一方、ヘリカルギアは低騒音かつ高速な用途に適しています。平歯車には多くの利点がありますが、一部の機器では平歯車も使用されています。
平歯車は他の歯車ほど耐久性が高くありません。長距離の動力伝達効率が悪く、高速回転時には大きな騒音が発生します。また、ベアリングにラジアル荷重がかかります。さらに、大きな振動が発生するため、最高動作速度が制限される場合があります。
ヘリカルギアは、負荷伝達において優れた性能を発揮します。自動車のトランスミッション、エレベーター、コンベアなど、様々な用途で使用されています。また、ヘリカルギアは大きな推力を発生させることができ、平歯車よりも静音性に​​優れています。
平歯車とは異なり、はすば歯車はベアリングを用いて推力荷重を支えます。また、歯数が多いため、平歯車よりも大きな荷重に対応できます。さらに、平行でない軸にも使用可能です。
ヘリカルギアは一般的に高速機械システムで使用されます。また、平歯車に比べて歯の摩耗が少なく、動作音も静かです。
ヘリカルギアは平歯車の改良型です。印刷業界、エレベーター、自動車のギアボックスなどにも使用されています。負荷分散のためにウォームギアと組み合わせて使用​​されることもよくあります。高速回転に対応できますが、平歯車ほど効率的ではありません。騒音や振動が少ないため、一部の高速機械システムで使用されています。
平歯車は、ラックアンドピニオン機構のような低速用途で一般的に使用されます。その構造上、動力伝達効率は高いものの、ヘリカルギアに比べて耐久性は劣ります。
設計範囲は、必要な中心距離、目標ギア比、およびプロファイルシフトの合計に基づいて制限されます。
著者らは、統計的に導出されたパラメータを用いて、2つの外歯車の歯形シフトに関する多目的最適化を行った。本研究の主な目的は、最適化された空間における効率を最大化し、動力損失を最小化することであった。
この目的を達成するために、著者らは最適なプロファイルシフトのあらゆる側面を網羅した多目的最適化アルゴリズムを用いた。このアルゴリズムは、一連の世代にわたって目的関数を評価し、最適な解を決定する。
多目的最適化アルゴリズムは、検証済みの最適化アルゴリズムに基づいて構築された。このアルゴリズムは、解析的な圧力荷重推定と、ギアケースの変形を計算する効果的な手法を組み合わせたものである。前述の式を用いることで、著者らは実現可能な解を特定することができた。数値計算の結果、対応する特定の滑り係数が完全にバランスが取れていることも明らかになった。
プロファイルシフトを決定する最も効率的な方法を特定するため、著者らは効率と質量という2つの目標に基づいて最も効率的な方法を選択した。結果として得られる最適化空間のサイズが小さいことを考慮すると、効率という目標が最も重要であると考えられた。この目標は摩耗による故障を減らすのに役立つ。

円筒歯車の最大の熱処理は表面硬化です。ISO/TR 4467:1982規格は、歯車に関する実用的な指針を提供します。ピニオンとホイールの最大半径はそれぞれrb1とrb2です。ピニオンの歯幅とベース円直径の比は、通常1未満に設定されます。
滑走速度は、投球点から作用線上の距離が増加するにつれて増加する。
ヘリカルギアのインボリュート歯形は、歯にかかる荷重によって変形する。しかし、ギアの最適な圧力角は不明である。
ヘリカルギアの適切な圧力角は、表面モデルなしでは計算できません。プロファイル全体に圧力が均一であると仮定すると、圧力角は20度が妥当な値となるでしょう。ただし、そのためには、アーチャード摩耗方程式から導出できる数学モデルが必要となります。
一般的に、圧力角は直径と歯車のかみ合い形状によって影響を受けます。ヘリカルギアの実際の角度を知ることは重要です。なぜなら、角度によって歯形曲率、法線力、および半径方向力に影響するからです。
圧力角を測定する最良の方法は、理論上のピッチ径を考慮することです。ピッチ径が小さい場合、実際の角度は小さくなります。これにより、歯面間に隙間が生じます。しかし、同時に歯車が変形し、予期せぬ動作挙動を引き起こす可能性もあります。
興味深い接線の一つに、ピッチ面に接する仮想平面であるピッチ面があります。ピッチ面は、歯車の断面の軸方向平面に垂直な平面です。通常、横方向圧力角を計算する際の基準点として使用されます。
作動圧力角とは、歯車のかみ合い部の圧力線の角度のことです。この角度は基準圧力角と同じですが、接触線の長さが短くなります。
作動圧力角を計算する最良の方法は、歯車のかみ合い部の圧力線を用いることです。これにより、より正確な値が得られます。圧力線の実際の角度は、伝達比にも関係します。この比率は通常、角速度の公称比として表されます。実際の速度はこの比率を中心に変動します。

ヘリカルギアの歯根のアンダーカット

ピニオンの歯根部にアンダーカットがあると、ヘリカルギアの接触線に沿った荷重分布に影響を与える可能性があります。これにより、一部の歯に定格以上の荷重がかかり、振幅変調ノイズが発生する可能性があります。
歯根の形状は、歯を切削する工具の形状など、多くの要因によって影響を受けます。切削工具は、歯の数を減らすことなくアンダーカットを避けるように設計する必要があります。これは、プロファイルシフトと呼ばれるプロセスによって実現されます。
プロファイルシフトとは、切削工具の深さが変化することでアンダーカットを防ぐ現象です。これは、加工工程においてオーバーラップ率を高めるためによく用いられます。オーバーラップ率が高いほど、接触線間のばらつきが小さくなり、歯にかかる動的負荷が軽減され、騒音も低減されます。
プロファイルシフトは、多くの場合、切削工具の先端部に関連しています。これは、インボリュートプロファイルが歯車から抜け出し、先端部がテーパー状になる前の点です。インボリュートプロファイルは、歯車面幅の各横断面に対して定義できます。境界点は、インボリュートプロファイルと歯底プロファイルの接点です。
円のインボリュート曲線は、歯車の歯形を定義する一般的な方法です。インボリュート曲線とは、円周上を転がる際に、その線上の点が描く軌跡のことです。円筒インボリュート歯車にとって有用な特徴です。
ヘリックス角もヘリカルギアにとって重要な要素です。ヘリックス角が大きいほど接触容量が大きくなり、ギアの曲げ容量も増加します。ヘリカル歯の仕様には必ずヘリックス角を記載する必要があります。角度は測定可能で、（＋－）の符号を付ける必要があります。
歯の曲げ強度は、歯根の形状によって決まる。アンダーカットが大きいと、歯の強度が低下する。

接触率

ヘリカルギアボックスが動的か定常的かにかかわらず、接触比は重要な要素です。総接触比は、作用面内で接触している歯の平均数を表します。これは、横方向接触比と重なり比を乗じることで算出されます。重なり比は常にゼロではありません。
駆動側で一定速度回転を実現するには、総接触比が1.0以上である必要があります。総接触比が低いギアは、駆動ギアの回転速度を低下させることが知られています。総接触比は接触線の長さに影響されます。高い接触比は、動的負荷に対して適しています。
接触比が低いと、プロファイルシフト量とノイズ量が大きくなります。接触比が高すぎると、EAPの滑り速度が過剰になり、擦り傷が発生する可能性があります。さらに、荷重分担が不均一になると、振幅変調振動が発生します。
ヘリカルギアは、一対の細長い平歯車で構成されています。これらの歯車は、歯面の幅に平行な平面上に重ねて配置されています。各歯は、隣接する歯の側面と接触します。ヘリカルギアの歯面は、歯車の基円に接する3次元の表面です。
ヘリカルギアの歯形も接触率に大きく影響する要素です。歯形は、被削材、工具、歯底係数、歯にかかる力、歯の曲げ剛性などを考慮して設計されます。また、歯形は歯面運動学や微細形状の変化にも関連づける必要があります。
有効歯形とは、インボリュート歯形の始点と終点の間の領域のことである。歯車の歯面作用の基本法則を満たす歯形は、しばしば共役歯形と呼ばれる。

編集者：CX 2023-06-08