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1 歯車 Ⅰ 歯車の目的と歴史 歯車の特長 歯車の種類 平歯車のかみ合い条件 歯形の必要条件 インボリュート曲線 歯形 インボリュート歯車の構成と動き歯車各部の名称と記号 平歯車のかみ合い原理共通ラック ( 基準ラック ) ラック工具を用いた歯車の創成基礎円 ピッチ円 中心距離 Copy Right by C.KANAMORI

2 歯車の目的と歴史 目的 歯車は2 軸間に回転と運動 ( 動力 ) を伝えるための機械部品である この種の運動を最も簡単に実現するには,2 円筒による摩擦車がある しかし 伝達するトルクが大きくなる あるいは回転が高速になると接触点において滑りが発生し 所望の機能が果たせなくなる そこで これらの両方の円筒に突起 ( 歯 :spur) をつけ 互いにかみ合うようにし その目的を達成するように作り上げたのが歯車 (spur gear) である 歴史 西暦紀元前のエジプト時代や東洋の孔子の時代にすでに歯車かそれに似たものが使われていたようである しかし歴史の進展にともない 機械においては その精度が要求されるようになり 古い時代の単純な回転運動の伝達ではすまされなくなってきた そしてその精度向上に伴い それに応ずる歯車が必要になってきた 現在使われている高精度歯車は このような社会的要求によって生まれてきたものである Copy Right by C.KANAMORI

3 歯車の特長 1. 確実な速度比と回転運動が得られる 1 回転すると必ず元の位置に戻る 低速度から高速度まで使用可能 2. 大きな動力を小さな構造で効率よく伝達できる 小型: 時計, ダイヤルゲージ 大型: セメントミル, タービン用減速機 ( 舶用 ) 3. 振動, 騒音を出しやすい 特に高速時に問題となる 4. 工作が難しい 専門の工作機械が必要 高価になりやすい 歯切り盤 歯車研削盤 (μm オーダー ) 5. 強度計算が確立されていない 歯車強度には不確定要素が多い 歯車強度には未知の部分が多い. 強度はそれだけ複雑である. 6. 装置が複雑で高精度潤滑装置が必要 歯車箱などにも高精度が要求される 7. 歯車は種類が多い 形状が異なる = 性格が異なる Copy Right by C.KANAMORI

4 歯車の種類 互いにかみ合う歯車の 2 軸の位置関係に応じた分類 平行軸歯車 = 円筒歯車 平歯車 (spur gear), 内歯車と外歯車, ラックとピニオン (rack and pinion) はすば歯車 (herical gear) やまば歯車 (double helical gear) など 交さ軸歯車 かさ歯車 (bevel gear) スパイラルベベルギヤ (spiral bevel gear) 食違い軸歯車ハイポイドギヤ (hypoid gear) 低騒音, 平歯車かさ歯車より低効率. 歯すじ方向にすべりが多い 発熱量多. ウォームギヤ (worm gear) 高減速比. 多種類. 低効率. ねじ歯車 (crossed herical gear) 点接触, 歯面間の滑りが高い 低負荷容量 軽荷重用 歯の向き 軸と平行に直線的 : すぐば 軸と斜め : はすば 軸と山形 : やまば,( 矢はず ) Copy Right by C.KANAMORI

5 平歯車のかみ合い条件 ω2 O2 歯車 2 基本原理 : 円運動をそのまま伝えること. 2 円筒の接触で行うのが最適. いわゆる摩擦車 V2 V1 r2 C r1 P ところが, 荷重が高くなるとすべりが発生する すべり防止には歯が必要. 当面の接触条件は, 互いに食い込まず離れず ω1 O1 歯車 1 Copy Right by C.KANAMORI

6 V2 平歯車のかみ合い条件 V1 共通接線 T 点 P: ピッチ点 (pitch point) θ 2 θ 1 VN B1 ω2 θ 1 r2 C r1 O2 θ 2 共通法線 N P O1 ω1 歯車 2 歯車 1 接触点 C において歯車 1と歯車 2が接触を保つためには, 両者の法線方向の速度成分 VN は等しくなくてはならない. よって, 次式が成り立つ. V = V cosθ = V cosθ B2 N よって角速度比 u は, 次式で表される. 2 V2 r2 r1cos 1 OB 1 1 OP 1 u = ω θ ω = V r = r cosθ = OB = OP 角速度比 u は点 P の位置により決まる. 角速度比 u が一定となるためには, 点 P は定点でなければならない. 両歯形の接触点 C における共通法線 N は常に定点 P を通らねばならない. 歯形の機構学的必要条件 Copy Right by C.KANAMORI

7 曲線に対する歯形の必要条件 歯車の機構学的必要条件 任意の瞬間における歯と歯との接触点において歯形に立てた共通法線が常にその瞬間のピッチ点を通過する を満たす曲線の形状は数限りなく存在する. 工業上要求される歯形条件 1. 工作が簡単. 安価. 2. 歯形の形状測定が簡単. 3. 強度が強い 4. 組み立て誤差を許容. 実用になる曲線は数少ない. 実用になる曲線第 1 位インボリュート曲線 (involute curve) インボリュート歯車 (involute gear) 第 2 位サイクロイド曲線 (cycloid curve) サイクロイド歯車 (cycloid gear) その他円弧曲線 ( 凹凸, はすばのみ ) ノビコフ歯車 (Novikov gear) Copy Right by C.KANAMORI

8 インボリュート曲線 直線 = 棒 B3 B2 B1 B0 B 糸 インボリュート曲線の定義基礎円 (basic circle) に糸を巻きつけ, この糸をたえず緊張した状態でほどいていったとき, その糸上に固定された 1 点が描く曲線. O A 基礎円 (basic circle) インボリュート曲線の定義 1 本の直線を 1 つの円 ( 基礎円 ) に押し付けながら, 滑らずに転がり運動を与えていくとき, この直線上に固定された 1 点が描く曲線. Copy Right by C.KANAMORI

9 インボリュート関数 C tanφ 基礎円上の点 Aから伸びたインボリュート曲線 ACがある インボリュート曲線 AC 上の点 Cから基礎円に接線を引きその点をBとする A AOC = θ, COB = φ θ φ B BC = OB tan φ (1) O BC AB = AB (2) = OB( θ + φ) (3) 基礎円 (basic circle) θ = tanφ φ = invφ インボリュート関数 Copy Right by C.KANAMORI

10 インボリュート歯形 インボリュート歯形の特長 1. 規格化されている唯一の歯形小型から大型まで多用. 回転運動および動力伝達に多用. 2. 形状が簡単. 工作が簡単. 低価格. 精度が出しやすい. ひとつの工具で歯数の異なる歯車が工作可能. 3. 中心間距離の誤差が回転精度, かみ合いに影響を及ぼさない. 4. 歯面の接触条件が常に変化. 潤滑条件が時々刻々変化. 潤滑性能が複雑 強度計算式の確立が困難 最も多く用いられている歯形曲線はインボリュート曲線 Involute curve である. Copy Right by C.KANAMORI

11 インボリュート歯車の構成と動き 基礎円同士に糸を巻きつける. 糸は, 接触点 Cにおいて歯面に対する法線である ( 作用線 ). 糸をAからBへ巻いていく Aの歯面がBの歯面を押していく = 糸の方向に力が伝わる 点 C は糸上を移動する. 歯面上の接触位置が変化しても, 歯面の法線方向の速度は同一. ただし, 歯面の接線方向にはすべりが生じる. Copy Right by C.KANAMORI

12 歯車の各部の名称と記号 Copy Right by C.KANAMORI

13 平歯車のかみ合い原理 ピッチ円 2 インボリュート平歯車のかみ合い実際には歯面間の接触による回転 O 2 運動の伝達 = 機構学的には 2 つの ピッチ線 d 2 P p p b α ピッチ円の純ころがり運動伝達ピッチ円の半径を大きくし, 最終的にピッチ円直径 = とすると, a 基準ラック ピッチ円はピッチ線 (pitch line) インボリュート歯形は梯形歯形 d 1 O 1 梯形歯形を基準ラック (rack) という. ラックにおいてピッチ円に相当するも のをピッチ線 (pitch line)) という. ピッチ円 1 Copy Right by C.KANAMORI

14 基準ラック 基準ラックの歯形および寸法 (JIS B 1701) モジュール 歯 数 円ピッチ 基準圧力角 m z p = π m α 基準ラック : 頂隙 (top clearance) を考えない場合の理想的なラック 基準ラック ラック工具かみあい α α 0 α b 基準圧力角 工具圧力角 (operating pressure angle) かみあい圧力角 (cutter pressure angle) α = α 標準歯車場合はである. 0 b Copy Right by C.KANAMORI

15 ろがり運動切られるべき ラック工具を用いた歯車の創成 Cutter ピッチ線ピッチ円こ歯車素材 歯先円直径を持つ円筒 歯車の切削 ( 歯切り ) の方法 ラックカッターによる歯車の創成 (generating method for gear) ラック工具を効率化したホブ (hob) Copy Right by C.KANAMORI

16 基礎円, ピッチ円, 中心距離 心距基礎円直径中p = π m pb = pcosαb = πmcosαb d = mz, d = mz = m( z1+ z2) 2 d = d + 2m 離a= ( d + d ) d a1/2 1/2 = mz ( + 2) d 1/2 b1/2 1/2 = = mz 1/2 cosα cosα b b 円ピッチ法線ピッチピッチ円直径中心距離 ( 軸間距離 ) 歯先円直径 表 3.5 標準平歯車の寸法 Copy Right by C.KANAMORI

17 歯車 Ⅱ ラックの形状とモジュールインボリュート平歯車のかみ合いと圧力角標準歯車の寸法かみあい ( 歯車と歯車, 歯車とラック ) 転位歯車転位させる場合転位歯車の形状転位歯車のかみ合い方程式転位歯車の組み合わせ Copy Right by C.KANAMORI

18 ろがり運動切られるべき ラック工具を用いた歯車の創成 ( 復習 ) Cutter ピッチ線ピッチ円こ歯車素材 歯先円直径を持つ円筒 歯車の切削 ( 歯切り ) の方法 ラックカッターによる歯車の創成 (generating method for gear) ラック工具を効率化したホブ (hob) Copy Right by C.KANAMORI

19 ラックの形状とモジュール ラックの形状は JIS B 1701 で規定 hf 基準ラック : 基準圧力角 α ラック工具 : 工具圧力角 α 0 c 形状を規定する基準モジュール m m= d / z 0 [mm] [mm] ピッチ円直径 : d 0 歯数 :z モジュールは歯の大きさを規定する量 円周ピッチ : 全歯たけ : 歯末のたけ : 歯元のたけ : 頂隙 : 基準圧力角 : p = π m h 2.25m= 2m+ c ha = m h = m f c= 0.25m α = 20 Copy Right by C.KANAMORI

20 インボリュート歯車の構成と動き ( 復習 ) 基礎円同士に糸を巻きつける. 糸は, 接触点 Cにおいて歯面に対する法線である ( 作用線 ). 糸をAからBへ巻いていく Aの歯面がBの歯面を押していく = 糸の方向に力が伝わる 点 C は糸上を移動する. 歯面上の接触位置が変化しても, 歯面の法線方向の速度は同一. ただし, 歯面の接線方向にはすべりが生じる. Copy Right by C.KANAMORI

21 インボリュート平歯車のかみあいと圧力角中心距離1 組のインボリュート歯車のかみ合いを考える 駆動歯車 (drive gear) の歯が従動歯車の歯を押して回転を伝えていく このとき インボリュートを形成する糸 ( 直線 = 作用線という ) が 2 つの基礎円にまたがってかけられている この作用線が水平線に対してなす角 ( 傾斜角 ) をかみ合い圧力角といい α b で表す かみあい圧力角 α b (cutter pressure angle) 基礎円, ピッチ円, 中心距離の関係 Copy Right by C.KANAMORI

22 標準歯車の寸法 心距基礎円直径中円周ピッチ法線ピッチ ピッチ円直径 離d2 = mz2 1 a = ( d + d ) 基礎円, ピッチ円, 中心距離の関係 表 3.5 標準平歯車の寸法 中心距離 ( 軸間距離 ) 歯先円直径 p = π m p = pcosα d b = πmcosα = mz = m( z1+ z2) 2 da 1or2 = d1or2 + 2m = mz ( 1or2 + 2) db 1or2 = d1or2 cosαb = mz cos b 1or 2 b α b Copy Right by C.KANAMORI

23 かみ合い 歯車と歯車のかみ合い ラックと歯車のかみ合い バックラッシ (back lash)s n 2 つの歯車をかみ合わせるとき ピッチ円周上における歯面どうしの隙間 ( 遊び ) をバックラッシ ( 背隙 ) という 歯の干渉歯車どうしをかみ合わせる場合, 歯数が少ないと 一方の歯先がもう一方の歯元に当たる これを歯の干渉という 切り下げ (under cut) ラックの先端が F 点 ( 干渉点 ) より下がると 創成されたインボリュートの歯の根本部がラック工具の先端部で削り取られる 切下げを起こすと歯元が細くなり 歯が弱くなるので特殊な場合を除いて 切下げした歯車を用いるべきではない Copy Right by C.KANAMORI

24 転位歯車 (profile shifted gear) 標準歯車では ラックの基準ピッチ線と歯切りピッチ円とが接するように工作される インボリュート歯車の場合はこの両者は必ずしも接しなくてもよい ラックの基準ピッチ線と歯切りピッチ円が接しないようにして工作された歯車を転位歯車と呼ぶ 転位係数 x, 転位量 x m 切り下げを防ぐ限界転位係数 x ha xm r rbcosα ha = m, r = zm/2, α = 20[deg] z 2 z x 1 sin α 転位歯車の歯先円直径 da d = ( z x) m a Copy Right by C.KANAMORI

25 転位させる場合 転位させる場合 1. 切り下げの防止 2. 中心距離の調整 3. 歯の強さの調整 ( 歯厚を変更 ) 正転位すると歯元が広がり 強い安定した歯になる 負転位するとその逆となる 4. かみ合い率 すべり速度 すべり率等の調整 5. 歯数比を変えずに中心距離を調整 または中心距離を変えずに歯数比を調整 6. 歯先をとがらせたい場合 ( 切換歯車等の製作 ) Copy Right by C.KANAMORI

26 転位歯車の形状 ピッチ円周上の歯厚 PQ 歯厚 PQは 歯切りピッチ線上のラックの歯溝幅に等しい π m PQ = + 2xm tanα 2 ピッチ円周上の歯溝長さ mz π m (2inv α + δ)= 2xm tanα 2 2 基礎円上の歯溝角 δ[rad] π δ = 2invα z 4x tanα z Copy Right by C.KANAMORI

27 転位歯車のかみ合い方程式 かみ合い圧力角 αb x invαb = invα0 + 2 tanα0 z + x + z 中心距離 a, 転位による変化量 ym rb 1+ rb2 ( z1+ z2) mcosα0 a = = 2cosαb 2cosαb ( z1+ z2) m ( z1+ z2) m cosα 0 a = cosα b a= a + ym 0 中心距離増加係数 y z1+ z 2 cosα 0 y = 1 2 cosα b バックラッシSn a= a + ym+ a a = S 2sinα 0 S S n b Copy Right by C.KANAMORI

28 転位歯車の組み合わせ かみ合い圧力角 αb x invαb = invα0 + 2 tanα0 z + x + z 中心距離 a, 転位による変化量 ym a 2 2 cosα b a= a + ym ( z1+ z2) m ( z1+ z2) m cosα0 = + 0 標準歯車 ( 転位なし ) の場合 x = 0, x = 0, x + x = 転位係数の絶対値が等しく符号が反対の場合 x = x, x + x = Copy Right by C.KANAMORI かみ合い圧力角, 中心距離は不変 歯数少ない小歯車を正転位, 歯数多い大歯車を負転位

29 歯車 Ⅲ 歯と歯とのかみ合い状態かみ合い率の定義かみ合い率の意味かみ合い率 εの値はすば歯車一対のはすば歯車はすば歯車の特長はすば歯車のかみ合い標準はすば歯車の寸法はすば歯車のかみ合い率 Copy Right by C.KANAMORI

30 歯と歯とのかみ合い状態 = かみ合い長さ 歯先円 1 かみ合い開始点 駆動歯車 E2 g ae1 かみ合い終了点 駆動歯車のある歯が従動歯車の歯先とかみ合い始めたときには 一つ前の歯はまだ歯元でかみ合いを続けている ある歯がかみ合いを終えるころには 次の歯が既にかみ合いを始めている. 歯先円 2 従動歯車 かみ合い長さ :g a 作用線上において 歯と歯とのかみ合いの開始点から終了点までの長さ Copy Right by C.KANAMORI

31 かみ合い率の定義 a 歯車 1 O1 rb1 αb ra1 L1 E2 E1 αb かみ合い率 :ε かみ合い長さ g a を 法線ピッチ P b で 割った値 ( ) g a = EE = LE + LE LL ra2 αb O2 歯車 2 rb2 L2 g a = ra 1 rb 1 + ra2 rb2 asinαb a ε = g p b ( ) α = r 1 r 1 + r 2 r 2 asin / p a b a b b b Copy Right by C.KANAMORI

32 かみ合い率の意味 ( 歯の動き ) 歯車 1 O1 L1 E2 B1 Pb B2 E1 L2 a rb1 αb L1 E2 ra1 E1 αb Pb L2 ra2 αb rb2 O2 歯車 2 2 組かみ合い範囲 1 組かみ合い範囲 Copy Right by C.KANAMORI

33 かみ合い率の意味 ( 歯の動き ) 歯車 1 O1 L1 E2 B1 Pb B2 E1 L2 a rb1 αb L1 E2 ra1 E1 αb Pb L2 ra2 αb rb2 O2 歯車 2 2 組かみ合い範囲 1 組かみ合い範囲 Copy Right by C.KANAMORI

34 かみ合い率 ε の値 a ε = g a p b 歯車 1 O1 rb1 αb ra1 L1 E2 E1 αb L2 ra2 αb rb2 O2 歯車 2 歯車が連続的にかみ合いを継続するためには ε=1.0 以上でなければならない 実際は ε=1.2 以上でなければならない かみ合い率 1.2 とは 最初の 0.2/1.2 と最後の 0.2/1.2 では 2 組の歯がかみ合っており 途中の 0.8/1.2 では 1 組の歯がかみ合っていることを意味する 普通は ε=1.4~1.8 の範囲にある ε の値が大きいほどかみ合い長さの中で 2 組の歯が同時にかみ合っている割合が大きくなり 歯に対する負荷が下がり トルク変動が小さく騒音が小さくなる Copy Right by C.KANAMORI

35 はすば歯車 (helical gear) 基礎円 基礎円筒 平歯車の場合 βg はすば歯車の場合 βg : ねじれ角 ( 基礎円筒上 ) 平歯車を軸に沿って均一にねじったもの インボリュートを創成する線が軸に対してβg 傾いている Copy Right by C.KANAMORI

36 一対のはすば歯車 (helical gear) つる巻き線 ピッチ線 インボリュートねじ面 インボリュートを創成する線が軸に対して βg 傾いている 一対のはすば歯車は 同じねじれ角を持つ右ねじれはすば歯車と左ねじれはすば歯車の組み合わせである Copy Right by C.KANAMORI

37 はすば歯車 (helical gear) の特長 1. 大きなかみ合い率が得られる 2. かみ合いが円滑である 動荷重 振動 騒音が小さい 3. 平歯車に比べて工作が厄介 4. 軸方向にスラスト荷重が発生する スラスト荷重を受ける軸受が必要 はすば歯車を組み合わせて使う 5. 平歯車に比べて軸に加わる負荷が複雑である 6. ねじれ角が大きくなるほど効率が悪くなる やまば歯車 Copy Right by C.KANAMORI

38 はすば歯車のかみ合い ピッチ円筒 βo ps pn 歯すじ 基準ピッチ円上の図 ラック pn=πmn ps=πms mn ms βo : 歯直角円ピッチ : 正面円ピッチ ( 軸直角円ピッチ ) : 歯直角モジュール : 正面モジュール : ピッチ円筒ねじれ角 ps cos βo = pn = πmn = πmscos βo m = m cos β n s o Copy Right by C.KANAMORI

39 標準はすば歯車の寸法 ピッチ円筒 βo ps pn 歯すじ ラック 基準ピッチ円上の図 αn : 歯直角工具圧力角 βg : 基礎円筒ねじれ角 mn : 歯直角モジュール βo : ピッチ円筒ねじれ角 基準ピッチ円直径 ( 歯切りピッチ円直径 )do π do = zps = zpn cos βo = πzmn cos βo d = m z cos β o n o 歯先円直径 ( 標準はすば歯車 )dk d = d + 2m k o n 基礎円直径 dg d m zcosα cos β g = n on g 中心距離 ( 標準はすば歯車 )a a = ( d + d )/2 = m ( z + z )/2cosβ o1 o2 n 1 2 o Copy Right by C.KANAMORI

40 はすば歯車のかみ合い率 かみ合い長さの増加分 基礎円筒 歯先円ピッチ円 基礎円 はすば歯車は歯がねじれているため 平歯車に比べてかみ合い率が高くなる はすば歯車のかみ合い率 εは 軸直角断面で考えたときの歯形がかみ合うときかみ合い率 εo と 歯がねじれているためのかみ合い率の増加分 εβとの和となる ε : 全かみ合い率 (total contact ratio) εo: 正面かみ合い率 (transverse contact ratio) εβ: 重なりかみ合い率 (helical overlap contact ratio) ε β ε = ε + ε b tan βg b tan β = = πmcosα πm Copy Right by C.KANAMORI o 法線ピッチ o p b β = π mcosα o

41 歯車 Ⅳ 歯車に発生する損傷 摩耗 折損 ピッチング スカッフィング 歯の強度 歯の曲げ強さ 歯面強さ スカッフィング Copy Right by C.KANAMORI

42 歯車に発生する損傷 a) 磨耗低速度 高荷重における異常磨耗 実験式理論式ともになし b) 折損繰り返し曲げ応力による歯の折れ 強度計算式あり c) ピッチング繰り返し圧縮応力による歯面からの小片の剥離 ヘルツ接触圧力に基づく強度計算式 d) スカッフィング ( スコーリング ) 接触条件が過酷 ( 高速 高荷重 ) において 摩擦熱による温度上昇のため油膜切れによる接触面の融着 認知された計算式なし Copy Right by C.KANAMORI

43 歯の強度 歯が折損しないためには 歯の曲げ強さを適切に設計する必要がある ピッチングが発生しないようにするためには 歯面強さを適切に設計する必要がある Copy Right by C.KANAMORI

44 歯の曲げ強さ : 歯面に作用する力 Fn 危険断面 一枚の歯を片持はりと考え 歯先に作用する力によって 歯元に発生する曲げ応力を求めたさまざまな計算式が提案されている JGMA : 1974 ( 日本歯車工業会 ) 平歯車およびはすば歯車の曲げ強さ計算式 F [N] : ピッチ円の接線方向に作用する力 P [W] : 伝達動力 r [m] : ピッチ円半径,ω [rad/s]: 角速度 v [m/s] : 周速度 P P F = = rω v F n [N] : 歯面に垂直に作用する力 α: かみ合い圧力角の方向 F F n = Fn cosα F = cosα Copy Right by C.KANAMORI

45 歯の曲げ強さ : 歯元に作用する曲げ応力 Hofer の 30 接線法 危険断面歯形中心線と 30 なす直線が 歯元の歯形曲線と内接する点を点 B, 点 C とする この BC を危険断面といい 歯厚を s とする 最悪荷重点かみ合いが2 枚から1 枚に変わるときの荷重作用点 β: 危険断面と最悪荷重点に作用する力のなす角 l : 力の作用線と歯形中心線との交点から危険断面までの距離 M : 歯元に働く曲げモーメント z : 歯元の断面係数 σf : 歯元に作用する曲げ応力 M = F cos β l = Flcos β / cosα n 2 z = bs /6 M 6Fl cosβ σ F = = 2 z bs cosα Copy Right by C.KANAMORI

46 歯の曲げ強さ : 歯元に作用する曲げ応力 Hofer の 30 接線法 σ σ F F M 6Fl cosβ = = 2 z bs cosα F 6( l/ m) cos β = 2 bm ( s / m) cosα σ = F F Y bm l と s をモジュール m を用いて表すと つまりモジュールを括りだして モジュールの比として表すと次式のように書き換えられる Y 6( l/ m) cos β = s m α Y : 歯形係数 2 ( / ) cos Copy Right by C.KANAMORI

47 歯の曲げ強さ 曲げ強さを満足するには かみあいピッチ円上の呼び円周力 Ft が許容歯元曲げ応力 σflimによって計算したかみあいピッチ円上の許容円周力 Ft lim 以下でなければならない JGMA : 1974 ( 日本歯車工業会 ) 平歯車およびはすば歯車の曲げ強さ計算式 F σ tlim F mb KK n L FX = σ Flim YYY F ε β KVKO SF YYY K K F ε β V O = Ft mb n KLKFX S YF : 歯形係数 (30 接線法による ) Yε: 荷重分配係数 ( 正面かみ合い率 ε の逆数 ) Yβ : ねじれ角係数 ( はすば歯車の場合 ) KL : 寿命係数 ( 負荷を受けてかみ合う回数 10 4 ~10 7 で決まる係数 ) KFX: 歯元応力に対する寸法係数 (=1.0) KV: 動荷重係数 ( 歯車の精度と周速度によって決まる係数 ) KO: 過負荷係数 (= 実際円周力 / 呼び円周力 ) SF: 歯元曲げ破損に対する安全率 (1.2 以上 ) 1 Copy Right by C.KANAMORI

48 歯面強さ :tooth surface strength 歯面強さが低いと ピッチング(pitting) スポーリング(spalling) マイクロピッチング(micro-pitting) 症状 ( 現象 ) 表面から小片が剥離し, 表面に小穴ができる現象 振動騒音の原因となる 最終的には折損に至る 歯車以外の損傷 転がり軸受:flanking 線路:shelling, dark spot defect 原因 繰り返し圧縮応力に起因した疲労現象 対策 歯面に働く接触応力が疲れ限度を超えないように設計する 歯面強さの計算には ヘルツ圧力 P H を用いる Copy Right by C.KANAMORI

49 ヘルツ圧力 P H ρ2 PN 円筒 2 PH 1890 年頃 ドイツの H.Hertz 氏が導いた シュトリーベック (stribeck) 圧力 k は ヘルツ圧力 P H と一定の関係にある PN P k = = ρb E 2 H ρ1 円筒 1 条件 (1) 材料が均一であること (2) 弾性限度内であること (3) 曲率半径 ρ 1,ρ 2 が接触面積に比べて十分大きいこと (4) 接線方向の力がないこと ( 摩擦力なし ) 2E1E2 1 ρ = 1 ρ1 + 1 ρ E = 2 E + E PN E PH = ρb 1 2 P N : 歯面法線荷重 ρ: 相対曲率半径 b: 接触幅 = 歯幅 E: 縦弾性係数 ( ヤング率 ) Copy Right by C.KANAMORI

50 歯面強さ 歯面強さを満足するには 基準ピッチ円上の呼び円周力 Ft が許容ヘルツ応力 σhlimによって計算した基準ピッチ円上の許容円周力 Ft lim 以下でなければならない i K Z Z Z Z K 1 1 F = σ d b i ± Z Z Z Z K K K S σ 2 HL L R V W HX tlim Hlim 01 H 2 1 H M ε β Hβ V O H F i Z Z Z Z t ± 1 H M ε β H = KHβ KVKOSH d01bh i KHLZLZRZVZWKHX JGMA : 1975 ( 日本歯車工業会 ) 平歯車およびはすば歯車の歯面強さ計算式 2 i の項 :+ 符号は外歯車と外歯車 - 符号は外歯車と内歯車 ラックと外歯車のかみ合いにおいては i の項は1となる bh : 歯面強さに対する有効歯幅 ( 狭い方の歯幅 ) d01 : 小歯車ピッチ円直径 Copy Right by C.KANAMORI

51 歯面強さ ( 係数 ) JGMA : 1975 ( 日本歯車工業会 ) 平歯車およびはすば歯車の歯面強さ計算式 ZH : 領域係数 ( 転位係数, 歯数, ねじれ角をもとに計算する ) ZM : 材料定数係数 ( ポアソン比 ν1,ν2, 縦弾性係数 E1,E2) Zε : かみ合い率係数 ( 平歯車 =1.0, はすば歯車の場合は正面かみ合い率と重なりかみ合い率から求める係数 ) Zβ : 歯面強さに対するねじれ角係数 (=1.0) KHL: 歯面強さに対する寿命係数 ( 繰り返し回数によって決まる係数 ) ZL: 潤滑油係数 ( 使用する潤滑油の 50 における動粘度から求める ) ZR: 粗さ係数 ( 歯面の平均粗さ Rmaxm(μm) に基づいて図から求める ) ZV: 潤滑速度係数 ( 基準ピッチ円上の周速度に基づいて図から求める ) ZW: 硬さ比係数 ( 焼入れ研削した小歯車とかみあう大歯車のみに適用し 式により求める ) KHX: 歯面強さに対する寸法係数 (=1.0) KHβ: 歯面強さに対する歯すじ荷重分布係数 ( 歯車の支持方法, 歯幅 b, 小歯車ピッチ円直径 d01) KV: 動荷重係数 ( 歯車の精度と周速度によって決まる係数 ) KO: 過負荷係数 (= 実際円周力 / 呼び円周力 ) SF: 歯面損傷 ( ピッチング ) に対する安全率 (1.15 以上 ) Copy Right by C.KANAMORI

52 スカッフィング ( スコーリング, 焼付き ) スカッフィングとは 潤滑油膜を介してすべり転がり接触している 2 つの面がある 2 面間の接触圧力 滑り速度等の運転条件がある限界を超えると 油膜または境界層が破断して金属同士の直接接触が生じる この接触により 2 面が融着し 剥離 ( はくり ) を伴った表面破壊が発生する 原因運転条件 歯車幾何 材料 潤滑油等 歯車の運転に関わるすべての因子が関与している その関係は複雑 難解で解析困難である 対策したがって 強度計算式は確立されていない Copy Right by C.KANAMORI

53 スカッフィングのメカニズムと計算式 メカニズム ( 未解決 ) 1. 歯車本体温度説 2. 歯面最高温度説 3. 歯面平均温度説 4. 歯車または歯面温度のバランス説 5. デブリ debris 説など 提案されている計算式 1.PV 値またはPVT 値 :Almen( 米 ) 最大滑り速度, 最大滑り速度発生位置, そこでのヘルツ圧力から算出する 現在否定 パラメータを追加して復活? 提案されている計算式 2. 瞬間温度上昇 flash temperature:blok( オランダ ) 無潤滑条件の接触面の瞬間温度上昇を理論的に導いた 瞬間温度上昇と本体温度の和が潤滑油がもつある一定値を超えるとスカッフィングが発生するとした 3. インテグラル温度 integral temperature: ISO 案歯面温度が関与 Blokの瞬間温度上昇の積分平均値に重み係数を掛け 本体温度を加えたもの 最も多くの要因を考慮した式である Copy Right by C.KANAMORI

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