サイクロンギアボックスとインボリュートギアボックスの比較

用途に応じてサイクロイド歯車減速機またはインボリュート歯車減速機を使用する場合、いくつか知っておくべきことがあります。この記事では、サイクロイド歯車減速機とインボリュート歯車減速機の違い、重量、圧縮力、精度、トルク密度など、それらの重要な点について解説します。

圧縮力

歯車の静的特性を解析するために、これまで数多くの研究が行われてきた。本稿では、サイクロイド歯車機構の構造原理と運動学的原理について考察する。サイクロイド歯車機構は、回転フレーム内部に偏心軸受を用いた歯車機構である。共通のピニオンと歯車のペアを持たないため、高い減速比を実現するのに理想的である。
本論文の目的は、サイクロイド円盤上の応力分布を調査することである。荷重分布と動的効果を研究するために、様々な歯車形状について検討する。
サイクロイド減速機は圧縮とバックラッシュの影響を受けやすく、そのためベアリングレートとTSA（トルクシフト角）に適切な比率を用いる必要がある。本論文では、減速機の運動学的原理にも焦点を当てている。さらに、著者らはシャフト／ギアおよびサイクロイドディスクに対して標準的な解析手法を用いている。
著者らは以前、サイクロイド減速機の剛体動力学シミュレーションに取り組んだ。この解析では、サイクロイドディスクの外周にトロコイド形状を用いた。トロコイド形状は製造図面から取得され、公差も考慮されている。
サイクロイド円盤のメッシュ密度は、部品の正確な形状を捉えます。これにより、正確な接触応力が得られます。
サイクロイド円盤は9つのローブで構成されており、駆動軸が1回転するごとにローブが1つずつ移動します。ただし、円盤がピンを中心に回転しても、サイクロイド円盤は重心を中心に回転しません。そのため、サイクロイド円盤は5つの外側ローラーとトルク負荷を分担します。
サイクロイド歯車減速機において減速比が低いと、サイクロイドディスクに誘起される応力が大きくなる。これは、ディスク内部の材料を圧縮するために設計された穴が大きいためである。

トルク密度

様々なタイプの磁気ギアボックスが研究されてきた。磁気ギアボックスの中には、他のものよりもトルク密度が高いものもあるが、それでも機械式ギアボックスには及ばない。
ハルバッハローターを用いた高トルク密度サイクロイド磁気減速機が新たに開発され、現在試験が行われている。設計はCPCyMGプロトタイプの製作によって検証された。その結果、シミュレーションによる滑りトルクは実験による滑りトルクとほぼ同等であることが示された。測定されたピークトルクはp3 = 14の空間高調波であり、これは261.4 N*m/Lの有効領域トルク密度に相当する。
このサイクロイド歯車減速機は、高い減速比も備えています。試験の結果、最大トルクは147.8Nmに達し、これは従来のサイクロイド歯車減速機のトルク密度の2倍以上です。設計には、機械加工時の支持力を高めるための強磁性体製の背面支持部が組み込まれています。
このサイクロイド歯車減速機は、小径でも高いトルク密度を実現できることを示しています。軸方向の長さは50mmで設計されています。この長さでは、半径方向のたわみ力はそれほど大きくありません。この設計では、半径方向のたわみ力を低減するために小さなエアギャップを使用していますが、これは唯一の設計オプションではありません。
このトレードオフ設計は、体積トルク密度も高い。エアギャップが小さく、質量トルク密度が高い。製造が容易で、機械的強度も高い。また、同クラスの中でも最も効率的な設計の一つである。
ヘリカルギア設計は、サイクロイドギアボックスに高い精度をもたらす比較的新しい技術です。これにより、サーボモーターは高サイクルレートで重負荷を扱うことが可能になります。また、より小さな設計スペースが求められる用途にも有効です。

重さ

遊星歯車装置と比較すると、サイクロイド歯車装置の重量はそれほど大きくありません。しかし、いくつかの利点があります。最も重要な特徴の1つは、バックラッシュのない動作であり、これにより滑らかで正確な動きを実現できます。
さらに、高効率を実現できるため、サーボモーターをより高速で動作させることができます。しかも、高効率を実現するために積み重ねる必要がないのが大きな利点です。
サイクロイド歯車減速機のもう一つの利点は、遊星歯車減速機よりも一般的に安価であることです。そのため、製造業やロボット工学に適しています。また、堅牢な減速機を必要とする高負荷ロボットにも適しています。
また、より優れた減速比も実現できます。サイクロイド歯車は30:1から300:1までの減速比を達成でき、これは遊星歯車に比べて大幅な改善です。ただし、30:1未満の減速比を実現できるモデルはほとんどありません。
サイクロイド歯車は耐摩耗性に優れているため、遊星歯車よりも長持ちします。また、サイズもコンパクトなので、狭いスペースで高い減速比を実現できます。さらに、サイクロイド歯車の設計はバックラッシュが発生しにくいという利点もあり、これは遊星歯車機構の大きな欠点の1つを克服する上で重要です。
さらに、サイクロイド歯車は位置決め精度も優れています。実際、これが遊星歯車よりもサイクロイド歯車を選ぶ主な理由の一つです。これは、サイクロイドディスクが入力軸とは独立してベアリングを中心に回転するためです。
遊星歯車機構と比較して、サイクロイド歯車ははるかに短い。そのため、最高の位置決め精度が得られる。また、軽量であるため、直径も小さくなる。

精度

精密減速機におけるサイクロイド歯車機構については、複数の専門家が研究を行ってきた。彼らの研究は主に、サイクロイド歯車の精度評価のための数学モデルと手法に焦点を当てている。
サイクロイド歯車の従来型の修正設計は、主に各種加工パラメータと研削砥石の中心位置を設定することによって実現されます。しかし、噛み合い精度が不安定であったり、歯形曲線の形状を制御できなかったりといった欠点があります。
本研究では、サイクロイド歯車の修正設計に関する新しい手法を提案する。この手法は、噛み合いバックラッシュと圧力角分布の計算に基づいており、サイクロイドピン歯車の伝達精度を効果的に事前制御できるだけでなく、良好な噛み合い特性も確保できる。
提案された方法は、回転ベクトル減速機の製造に適用できる。また、ロボット用精密減速機にも適用可能である。
サイクロイド歯車の数理モデルは、圧力角αを従属変数として構築できます。圧力角分布と歯形圧力角を計算することが可能です。また、DL=f(α)と表すこともできます。このモデルは、精密減速機の設計に応用できます。
本研究では、歯底クリアランス、歯のバックラッシュ、歯形角度も考慮に入れています。これらの要素は、サイクロイド歯車の伝達性能に直接影響を与えます。また、より高い運動精度とより小さなバックラッシュも示しています。修正された歯形は、伝達誤差の低減にも貢献します。
さらに、提案手法は、ロストモーションの計算にも基づいています。この手法は、最初の歯面接触角度を決定します。この角度は、修正品質に影響を与える重要な要素です。第2サイクロイド法後の伝達誤差は最小となります。
最後に、提案手法の有効性を実証するために、CZPT RV-35Nギアペアに関する事例研究を示す。

インボリュート歯車とサイクロイド歯車の比較

インボリュート歯車と比較して、サイクロイド歯車は騒音が少なく、摩擦も少なく、寿命も長い。しかし、価格は高い。サイクロイド歯車は製造がより困難な場合があり、宇宙マニピュレーターやロボット関節など、特定の用途には適さない可能性がある。
最も一般的な歯車形状は、円のインボリュート曲線です。この曲線は、円からほどけていく仮想の張られた紐の終点によって形成されます。
もう一つの曲線はエピサイクロイド曲線です。この曲線は、円に固定された点が別の円の上を転がることで形成されます。この曲線は作成が難しく、インボリュート曲線よりもはるかに高価です。
円のサイクロイド曲線も、マルチカーソルの例です。この曲線は、円周上の点の軌跡によって生成されます。
サイクロイド曲線はインボリュート曲線と同じ直径を持ちますが、円の直径に沿って接線方向に湾曲しています。この曲線は、通常の曲線とも分類されます。また、他にもいくつかの機能があります。有限要素法を用いて、サイクロイド減速機のひずみ状態を解析しました。
他にも多くの曲線が存在するが、インボリュート曲線は最も広く用いられている歯車形状である。円のインボリュート曲線は、仮想の張られた弦の端点が描く螺旋状の曲線である。
インボリュート歯車は、レゴブロックによく似ています。遊んでいてとても楽しいですし、多くの利点もあります。例えば、サイクロイド歯車よりもセンターシフトに優れています。また、製造もはるかに容易なため、インボリュート歯のコストは低く抑えられます。しかし、現在では時代遅れとなっています。
サイクロイド歯車は、インボリュート歯車よりも製造が難しい。凸面形状のため摩耗しやすい。また、インボリュート歯車よりも形状が単純で、歯数も少ない。スクリューコンプレッサーのローターなど、回転運動を行う部品に使用される。

editor by CX 2023-05-31