負荷が最適化されたかさ歯車の歯

本考案は、歯が、それぞれ、かみ合い側歯面と反かみ合い側歯面とを有するかさ歯車ユニットの、歯車及びその製造方法に関する。

かさ歯車の歯の形状の設計は、ギヤ中心を通り、歯を通って径方向に延在する対称軸線に対して、概して対称となる。これは、概して両方の方向(前方及び後方)に等しく動作するように歯車が設計されて製造されるという基本において正当化されている。

動作の方向に依存して、個々の歯は、トルク伝達の間、対向する歯のかみ合い側歯面と係合してトルクを伝達するかみ合い側歯面と、反かみ合い側歯面とを有する。回転方向において逆回転がない限り、歯車が回転したとき、歯の反かみ合い側歯面は、かみ合い歯車の次の対向する歯と部分的に接触するか、又は、全く接触しない。

実際には、かさ歯車ユニットは、逆回転を必要とすることがほとんどない。それにもかかわらず、歯車の個々の歯の側面は、両方の回転方向のために等しく製造され、機械加工されている。

ギヤの最大可能伝達力を上げるため、様々な方法が存在する。一つの方法は、歯面への損傷を避けるために表面に熱処理を施すことである。歯面への損傷は、例えば、過度に高い接触圧力によって生じる。すなわち、これを避けるための他の方法として、歯の形状の製造は、表面粗さ仕上げに次いで、表面処理又は表面硬化を施す。他の方法においては、歯形が最適化されおり、その基準ラック形は、DIN867で標準化されている。

本考案の目的は、定格荷重を向上させ、かさ歯車によって伝達されるトルクを向上させるために、上述したタイプのかさ歯車を最適化することにある。

これらの目的は、歯が、まず第一に、ヘリカル状の又はスパイラル状の歯すじ、特にカーブした歯の長手方向線を有し、第二に、歯が、特に係合する歯の上部において、オクトイド歯形又は球面インボリュート歯形を有し、第三に、歯が、かみ合い側歯面を補強するためにかみ合い側歯面に追加部分を有し、特にそのために、歯先横断線の歯先二等分点を通って歯車の中心を通る軸線が、歯の非対称性を呈するという手段による本考案によって実現される。

歯先横断線は、径方向の最も外側にあって、歯車の回転軸線及び歯面(歯先面)に垂直な切削平面の区分によって、形成される。

本考案によれば、歯は、かみ合い側歯面を補強するためにかみ合い側歯面に追加部分を有する。ここで追加部分とは、歯が対称性を有するように見られる場合において、対称軸線の軸線の片方にのみ存在する歯の材料の存在を意味する。径方向歯軸線は、まず第一に、歯先横断線上に位置する歯先横断線を2つの等しい部分に分ける点を通り、且つ、第二に、歯車の中心を通って延在する。

追加部分は、かみ合い側歯面の下部領域又は内部領域、特にかみ合い側歯面の下部の3分の2又は下部の4分の3の内側に配置される。

かみ合い側歯面の任意の点、特にピッチ円上及び転がり円上の接線が、反かみ合い側歯面の対応する接線より水平的だと特に有利である。こうして、かみ合い側の接線は、径方向歯軸線との間に、反かみ合い側歯面の接線と径方向歯軸線との間の角よりも大きな角(β)を呈する。

この非対称歯形のタイプの利点は、かみ合い側歯面の曲率半径を大きくすることによって歯面接触圧を低減させ、トルク伝達を向上させることである。結果、特に歯面領域における歯の損傷の危険性は低減される。

更に本考案は、歯先長手方向線に沿ってかみ合い側において圧力角の変化の画設を可能とする。歯の小端部に対して歯の大胆部において大きな圧力角にするという選択は、角範囲を大きくすることを可能とする。結果、歯がより鋭利になる危険性は、特に小端部において回避される。歯面に沿った圧力角は、歯の大端部から歯の小端部へと圧力角が0°から8°の範囲内、特に0°から5°の範囲内の値だけ減少して変化するように画設され得る。

かみ合い側歯面の圧力角(α)が25°から45°となるように、好適には30°から40°となるように、圧力角ができるだけ大きく画設されることが好ましくは推奨される。

独国特許出願公開第102005016746号明細書及び特開平9ー32908号公報も、非対称歯形について示している。これらは、反かみ合い側歯面において追加部分を含み、本考案とは類似しない。これは、軸線方向のオフセットからなる、異なる歯形のハイポイドギヤの歯に、主に適用することができる。反かみ合い側歯面の追加部分は、歯面定格荷重の増加を生じず、ある場合においては、減少させてさえしまいかねない。実用的な理由として、これは、かみ合い側歯面と反かみ合い側歯面との間の異なる滑り及び係合関係を補償するため、ハイポイドギヤにおいて画設されている。

従来の製造方法が、製造の自由度を制限し、歯車の複数の歯を一度に製造する目的で最適化されているのに対し、テーブルが4軸又はそれ以上の軸によって案内されるフライス盤又は研削盤を使用する歯車の高精度製造は、更に特徴的な歯形を画設することを可能とする。

これは、歯形製造における自由度も有する。駆動ラインが略直線に対応するオクトイド形に加え、移動に対する不感性を向上させるのに貢献する球面インボリュート歯形を製造することができる。

特に好適には、これらのかさ歯車は、例えば舵又はプロペラ推進ユニットとして大型ギヤユニットにおいて採用され得る。

本考案の実施形態は図に示され、以下に更に詳細に説明する。

対称軸線及び追加部分を有する歯を示す。

異なる圧力角を有する、歯面に沿った歯を示す。

歯の大端部及び歯の小端部において、基準ラック形に対して圧力角を少し変形させた歯形の断面である。

歯の大端部及び歯の小端部において、基準ラック形に対して圧力角を大きく変形させた歯形の断面である。

図1は、外周に亘り離散した複数の歯2を有するかさ歯車1を示し、それぞれの複数の歯2は、かみ合い側歯面3及び反かみ合い側歯面4を有する。2つの隣接する歯2のかみ合い側歯面3及び反かみ合い側歯面4は、歯底面とも呼ばれる歯の谷底領域5によって連結している。

トルク伝達のために好適な回転方向を実現するため、かみ合い側歯面3及び反かみ合い側歯面4は、異なる形状によって決定される、異なる機能を有する。

通常作動中、かみ合い側歯面3は、トルク伝達のために駆動し、大きな圧力角α6を備えるように設計される。ここで、かみ合い側歯面3の圧力角αの寸法は、25°から45°、好適には、30°から40°である。反かみ合い側歯面4は、小さな圧力角で設計される。反かみ合い側歯面4の対応する接線8に対して、かみ合い側歯面3に沿った任意の点(ここではピッチ円又は転がり円上に示されている)におけるより水平的な接線7のため、歯は非対称形状を有する。

非対称形状であるため、この新しい歯形には、従来の非対称歯にある、典型的な歯の中心線がない。これは、ギヤ中心M1及び歯先二等分点A1を通る「径方向歯軸線」9によって置き換えられる。歯先二等分線A1は、歯先横断線23を二つの等しい部分に分ける。かみ合い側歯面及び反かみ合い側歯面における個々の接線は、それぞれ、この径方向歯軸線との間に、異なる大きさの角β10を作る。反かみ合い側歯面4の接線8は、かみ合い側歯面3の接線7よりも勾配が急である。結果、かみ合い側歯面3の接線7は、反かみ合い側歯面4の接線8が、径方向歯軸線9との間に作る角よりも大きな角β10を径方向歯軸線9との間に作る。

この径方向歯軸線9を用いてかみ合い側歯面3と反かみ合い側歯面4とを比較すると、かみ合い側歯面3側において、付加的に追加部分11が示される。ここで追加部分11は、歯の下部領域又は内部領域において歯の谷底領域5に向かって大きく増加する。かみ合い側歯面3の追加部分11は、歯形状及び圧力角α6に応じて変化し且つ数値範囲が1.0から1.5よりも大きな、関数fによって示される。

図2は、例示による、歯の大端部13から歯の小端部14に向かう歯幅12に沿った歯2の一つの形状を示す。設計された歯の形状のため、歯長さ15は、ここで歯幅12よりも大きい。図示されているように、歯の大端部13(圧力角α_heal16)の一つの歯面の圧力角α6は、歯の小径部14(圧力角α_toe17)と異なるものとなり得る。こうして、歯の大端部13と歯の小端部14との間の歯面領域は、歯の大端部13から歯の小端部14へと歯面に沿ってより小さくなる歯長さ15に亘り、様々な圧力角α6を有する。歯の大端部16から歯の小端部17までの圧力角6のばらつきの大きさは、0°から8°までの範囲、好適には0°から約5°までの範囲である。このように、歯の大端部13における接線は、歯の小端部14における接線に対してより水平的であり、こうして、歯の小端部においてβ_toe19よりも大きな角β_heelを形成する。

図3は、追加部分11を備える最適化歯形20を示す。追加部分11は、かみ合い側歯面3の下部領域又は内部領域にある。かみ合い側3の追加部分11の大きさは、歯全体部の大きさと比較して比較的小さい。これは、標準基準ラック形21の圧力角と最適化歯形20との違いによるものである。かみ合い側歯面3における標準基準ラック形21のα_z=20°の圧力角α6は、α_s=20°の反かみ合い側歯面4と等しい。かみ合い側歯面3における最適化歯形20のα_s=25°の圧力角α6は、α_s=20°の反かみ合い側歯面4と異なる。

図3は、本質的に、球面インボリュート形状を備える実施形態の歯2の最適化歯形20を示す。提案された歯の形状を備えるこの実施形態は、歯切りや切削のような従来の製造工程では製作不可能である。しかしながら、最適化歯形は、4軸式によって、特に多軸方式によって、とりわけ5軸方式で製作可能である。この方法によってのみ、工作機械は、歯2の最適化歯形20のために必要な、材料の高精度三次元加工を可能とする。特に製造方法は、研削及び/又はフライス加工である。

図4は、図3で示すよりも著しく追加部分11が大きな、別の変形例を示す。これは、標準基準ラック形21の圧力角と最適化歯形20の圧力角との間の大きな違いによるものである。かみ合い側歯面3における標準基準ラック形21のα_z=20°の圧力角α6は、α_s=20°の反かみ合い側歯面4と等しい。かみ合い側歯面3における最適化歯形20のα_s=35°の圧力角α6は、α_s=18.5°の反かみ合い側歯面4と異なる。ここで図4は、歯先22の歯厚を、圧力角α6が大きくなるにつれて小さくできることを示す。図4は、ここで最適化歯形20を、標準基準ラック形21の歯先と比較している。図4は、歯2のかみ合い側3に、球面インボリュート形状を備える歯2の最適化歯形20も示す。

図示されていない変形例は、歯先領域の境界修整の必要がないほどに十分に大きな圧力角を有する。これは、概して、歯厚が3.0×m未満で生じる完全硬化を避けることを目的としている。これは、歯先への損傷を避けるために重要である。このタイプの境界修整は、歯先長手方向線に沿って、様々なラウンド加工として、又は、歯の小端部における円錐形チップの短小化として行うことができる。

別の図示されていない実施形態は、追加部分11の、かみ合い側歯面3の下部3分の2又は下部4分の3への配置を具備する。

1 かさ歯車 2 歯 3 かみ合い側歯面 4 反かみ合い側歯面