サイクロンギアボックスの使い方

モーターやポンプからのトルク伝達を実現するために、サイクロイド歯車減速機がよく用いられます。このタイプの減速機は、通常の減速機に比べて多くの利点があるため、広く採用されています。主な利点は製造が容易なことであり、そのため様々な用途に組み込むことができます。しかし、サイクロイド歯車減速機を使用する際には、いくつかの点について理解しておく必要があります。これには、動作原理、構造、そしてそれに伴う動的効果や慣性効果などが含まれます。

動的効果と慣性効果

サイクロイド歯車の静的および動的特性に関する研究が数多く行われてきた。これらの効果を研究することは、サイクロイド減速機の最適な設計に役立つ。
本論文では、CZPTプログラムパッケージを用いて、2段式サイクロイド減速機の動的効果と慣性効果を調査した。さらに、非線形接触力学に基づいたサイクロイド減速機の新しいモデルを開発した。この新しいモデルは、いくつかの運転条件を予測することを目的としている。
第１段と第２段のサイクロイドディスクにかかる通常の励振接触力は非常に似ています。しかし、接触点における全体の変形量は異なります。この影響は主にシステムの振動によるものです。第２段のサイクロイドディスクは、リングギアローラーの周りを１８０度の角度で回転します。この角度はトルク負荷に大きく影響します。第１段と第２段のサイクロイドディスクにかかる総励振力は、それぞれ１８４８ Nと２０６８.７ Nです。
接触応力を解析するために、様々な歯車形状が検討された。噛み合い密度は重要な設計基準として考慮された。その結果、穴が大きいほどサイクロイド円盤の材料含有量が減少し、応力が増大することが分かった。
さらに、幾何学的パラメータを変更することで、接触力をより効率的に低減することが可能です。これは、ディスク幅方向のメッシュを細分化することで実現できます。サイクロイド円盤は、出力結果に最も大きな影響を与えます。
サイクロイド減速機の効率は、負荷の増加に伴って向上します。また、入力軸とサイクロイド板の偏心量にも依存します。小負荷時の効率曲線は直線的ですが、負荷が大きくなるにつれて非線形性が増します。これは、負荷の増加に伴ってサイクロイド減速機の剛性が増加するためです。

構造

一見複雑な工学パズルのように見えるが、サイクロイド歯車機構の構造は実は非常にシンプルだ。主要な構成要素は、ベース、荷重板、そしてスラストベアリングである。これらの要素が連携して、安定したコンパクトな歯車機構が実現する。
ベースは円形断面で、外周に複数の円筒形のピンが配置されている。これらのピンは固定リングに固定されており、リングはピンを円形の軌道上に保持する。このリングは基準円として機能する。円の直径は約5mmである。
荷重板は、ねじ穴が複数並んだ構造になっています。これらのねじ穴は中心から15mm間隔で配置されており、外部構造物を固定するために使用されます。荷重板はX軸とY軸を中心に回転させる必要があります。
スラストベアリングは荷重板の上に設置されます。ベアリングの内径は35mm、外径は52mmです。Z軸周りの回転を可能にするために使用されます。
サイクロイドディスクは、サイクロイドギアボックスの中核を成す部品です。ディスクには、出力軸を駆動するピンを通すための穴が開いています。これらの穴は、出力ローラーピンに使用される穴よりも大きくなっています。また、ディスクの偏心量も小さくなっています。
ピンは転造ピンによってサイクロイドディスクに取り付けられています。ピンは高トルク時に駆動部を機械的に支える素材でできています。ピンの外径は9mmです。ディスクには複数の突起があり、シャフト1回転につき突起が1つずつ回転します。
サイクロイド歯車ボックスには、部品をまとめておくための上部カバーが付いています。このカバーには工具を収納できるポケットがあり、ケースにねじ込むためのネジ山も設けられています。

動作原理

数ある歯車伝動装置の中でも、サイクロイド歯車減速機は重機や多軸ロボットに広く用いられています。効率が高く、コンパクトで、高減速比を実現できるのが特長です。さらに、過負荷耐性にも優れています。
サイクロイドディスクは、固定されたリングピンの周りを回転する偏心軸によって駆動されます。ピンディスクのローラーピンは、サイクロイドディスクの穴に噛み合います。これらのローラーピンがピンディスクを駆動し、ピンディスクはその動きを出力軸に伝達します。
従来の歯車駆動とは異なり、サイクロイド駆動はバックラッシュが少なく、ねじり剛性が高いという特長があります。そのため、重負荷やあらゆる駆動方式に最適です。サイクロイドディスクの軽量性とコンパクトな設計も、高い効率と位置決め精度に貢献しています。
サイクロイドディスクは、ギアボックスの運動学において中心的な役割を果たします。ディスクは固定されたリングの周りを円を描くように回転します。ディスクがリングギアに押し付けられると、ピンがディスクに噛み合い、ローラーピンがピンの周りを回転します。この回転運動によって振動が発生し、それが駆動軸を通して伝わります。
サイクロイドディスクは通常、偏心量を最小限に抑えるため、短いサイクロイド形状で設計されます。これにより、高速回転時のアンバランス力が低減されます。理想的には、サイクロイドのローブ数は周囲のピン数よりも少なく、ヘルツ接触応力が低減されます。
遊星歯車とは異なり、サイクロイド歯車は高い精度を持ち、衝撃荷重にも耐えることができます。また、摩擦が少なく、歯面の摩耗も少ないという特長があります。さらに、効率と耐荷重能力にも優れています。
サイクロイド歯車は一般的にインボリュート歯車よりも製造が難しい。サイクロイド歯車は歯車段の積み重ねには適さない。製造には極めて高い精度が求められる。しかし、小型でバックラッシュが少なく、ねじり剛性が高く、振動が少ないため、重機での使用には最適である。

インボリュート歯形

ほぼすべての歯車はインボリュート歯形を採用して製造されています。サイクロイド歯車もこの歯形を用いて製造されます。インボリュート歯車と比較すると、サイクロイド歯車は強度が高く、より大きな動力を伝達できます。しかし、製造がより困難な場合もあり、そのためコストが高くなります。
インボリュート歯車の歯形は滑らかな曲線です。これは円のインボリュート曲線から導き出されます。基円への接線は、インボリュート曲線上の任意の点における法線です。
この曲線は、インボリュート歯車が垂直方向に運動を伝達できるような特性を持っています。また、円筒から巻き戻された紐の端が描く軌跡でもあります。
インボリュート歯形は製造が容易であるという利点があります。また、中心距離のずれがあってもスムーズな噛み合いが可能です。この歯形はサイクロイド歯形よりも好ましいとされていますが、あらゆる点で優れているわけではありません。
サイクロイド歯車の歯も2つの曲線で構成されています。インボリュート歯車とは異なり、サイクロイド歯車の歯は一定の半径を持っています。サイクロイド歯車は騒音が発生しにくいという利点がありますが、製造コストも高くなります。
インボリュート歯は曲線が1つしかないため、製造が容易です。サイクロイド歯車はラック式カッターでも製造できます。これにより製造コストが安くなりますが、専門的な設計が必要です。また、ピニオンカッターを備えた歯車成形機でも製造できます。
歯車作用の法則を満たす歯形は、共役歯形と呼ばれることがある。インボリュート歯形は、これらの歯形の中で最も一般的なものであり、一定のトルク伝達を可能にする。

反発

一般的に、サイクロイド駆動装置はバックラッシュがなく、高い伝達比を実現します。これは、サイクロイドディスクが偏心軸によって駆動されるためです。回転中、サイクロイドディスクは固定リングの周りを回転します。このリングは重心とは独立して回転します。
サイクロイドディスクは通常、偏心量を減らすために短く設計されています。これにより、高速回転時に発生するアンバランス力を最小限に抑えることができます。また、サイクロイドは従来の歯車よりも大きなギア比を実現できるため、位置精度が向上します。
サイクロイド駆動装置は、高いねじり剛性も備えています。これにより、優れたねじり耐性と衝撃荷重耐性が得られます。これは、例えば重荷重用途など、様々な理由から重要です。
サイクロイド駆動装置は質量も小さい。これらの利点により、あらゆる駆動技術に最適である。また、設計上、ねじり剛性と耐用年数も向上する。さらに、これらの駆動装置はサイズも非常に小さい。
サイクロイド駆動装置は、減速にも使用されます。サイクロイドはねじり剛性が高いため、位置決め精度も高いという特長があります。
サイクロイド駆動装置は、電動機、発電機、ポンプモーターなど、さまざまな用途に適しています。また、衝撃荷重に対する耐性も高く、これは多くの用途において重要な利点となります。この設計は、コンパクトな設計で大きな伝達比を必要とする用途に最適です。
サイクロイド駆動方式には、嵌合部品間のクリアランスを最小限に抑えられるという利点もあります。これにより、干渉を排除し、確実な嵌合を確保できます。これは特にギアボックスにおいて重要です。また、ロードセルとポテンショメータを使用してギアボックスのバックラッシュを測定することも可能になります。

editor by CX 2023-04-13