サイクロンギアボックスを使用する利点

サイクロイド歯車減速機を用いて入力軸を駆動することは、機械の速度を減速する非常に効果的な方法です。これは、入力軸の速度をあらかじめ定められた比率で減速することによって実現されます。比較的小型でありながら、非常に高い減速比を実現できます。

伝達比

船舶推進システムや石油・ガス産業向けポンプなど、どのような機器を製造する場合でも、サイクロイド式ギアボックスを使用することにはいくつかの利点があります。他のタイプのギアボックスと比較して、全長が短く、トルク密度が優れています。また、重量と位置決め精度においても最高レベルを実現しています。
サイクロイド歯車機構の基本的な設計は、遊星歯車機構のそれと似ています。主な違いは、歯車の歯の形状にあります。
サイクロイド歯車は、歯面摩耗が少なく、ヘルツ接触応力も低いという特長があります。また、摩擦係数とねじり剛性も低くなっています。これらの利点から、重荷重や高速駆動を伴う用途に最適です。さらに、高減速比にも適しています。
サイクロイド歯車機構では、入力軸が偏心ベアリングを駆動し、出力軸がサイクロイドディスクを駆動します。サイクロイドディスクは固定リングの周りを回転し、リングギアのピンがディスクの穴に噛み合います。ディスクが回転すると、ピンが出力軸を駆動します。
サイクロイド歯車は、高い減速比と低い摩擦が求められる用途に最適です。また、高いねじり剛性と衝撃荷重耐性が求められる用途にも適しています。さらに、コンパクトな設計と低いバックラッシュが求められる用途にも適しています。
サイクロイド歯車減速機の変速比は、サイクロイドディスクのローブ数によって決まります。n=n設計のサイクロイドディスクでは、入力軸が1回転するごとにローブが1つ移動します。
サイクロイド歯車は、減速比を30:1から300:1まで低減するように製造できます。これらの歯車は、特に自動化産業におけるハイエンド用途に適しています。また、最高の位置決め精度とバックラッシュを実現します。ただし、特殊な製造プロセスと非標準的な特性が必要となります。

圧縮力

従来のギアボックスと比較して、サイクロイドギアボックスは独自の運動学的特性を備えています。回転フレーム内の偏心ベアリングがサイクロイドディスクを駆動します。バックラッシュとねじり剛性が低いことが特徴で、これによりギア駆動が可能になります。
本研究では、サイクロイド減速機の最適設計を開発するために、設計パラメータの影響を調査した。主な転動ノードとして、サイクロイドディスク、外輪、入力軸の3つを研究対象とした。これらを用いて、運動に関連する動的力を解析し、応力とひずみを算出した。歯車のかみ合い周波数は、外輪の回転座標系に対する補正係数を組み込んだ式を用いて計算した。
サイクロイドディスクを評価するために、3次元有限要素解析（FEA）を実施した。ディスクに発生する応力に対する穴のサイズの影響を調査した。また、サイクロイド駆動のトルクリップルについても検討した。
本研究の著者らは、出力機構におけるバックラッシュ分布についても検討した。これは、加工誤差、出力機構の構造および形状を考慮に入れたものである。また、本研究では、1歯差の単板サイクロイド減速機をベースとしたサイクロイド減速機の相対効率についても検討した。
本研究の著者らは、材料ベースの接触剛性を用いて計算されるサイクロイドディスクの接触応力を導出することに成功した。これは、サイクロイドギアボックスにおける正確な接触応力を決定するために利用できる。
支持率の計算に必要な比率を知ることが重要です。これは、f = k (S x R) という式で計算できます。ここで、S は要素の体積、R は質量、k は接触剛性、f は力ベクトルです。

回転方向

従来のリングギアは回転軸が1つであるのに対し、サイクロイドギアボックスは3つの回転軸が平行で、同一平面上に位置しています。サイクロイドギアボックスは優れたねじり剛性と衝撃荷重耐性を持ち、一定の角速度を維持できるため、高速ギアボックス用途に用いられます。
サイクロイド歯車減速機は、入力軸、駆動部材、およびサイクロイドディスクから構成される。ディスクは一方向に回転し、入力軸は反対方向に回転する。入力軸は駆動部材に偏心して取り付けられる。サイクロイドディスクはリングギアハウジングと噛み合い、サイクロイドディスクの回転運動が出力軸に伝達される。
サイクロイド歯車の回転方向を計算するには、サイクロイドが正しい角度方向を向いている必要があり、サイクロイドの中心線は出力穴の中心と一致する必要があります。サイクロイドの最短長さはピン円の半径と等しくなければなりません。サイクロイドの最大半径はベアリングの外径と同じサイズでなければなりません。
単段歯車では作業スペースが限られるため、スペースを最大限に活用するには多段歯車が必要になります。サイクロイド歯車が通常、サイクロイド曲線を短縮して設計されているのも、このためです。
サイクロイド歯車の最も効率的な歯形を計算するために、新しい方法が考案されました。この方法は、サイクロイドの回転方向といくつかの幾何学的パラメータを用いた数理モデルを使用します。圧力角の分布に関連する区分的関数を用いることで、サイクロイドの最も効率的な歯形が決定されます。そして、その歯形が理論的な歯形に重ね合わされます。この新しい方法は、従来の方法よりもはるかに柔軟性が高く、サイクロイド歯形の変化する傾向にも対応できます。

デザイン

サイクロイド減速機には、いくつかの設計が開発されてきました。これらの減速機は、1段で大きな減速比を実現しています。主に大型機械に使用され、優れたねじり剛性と衝撃荷重耐性を備えています。しかし、高回転時には振動が発生するという欠点があります。この問題の解決策を見つけるために、多くの研究が行われてきました。
サイクロイド歯車減速機は、機構の減速比を計算することによって設計されます。この減速比は、入力速度の大きさから求められます。そして、この減速比に歯車プロファイルの減速比を乗じることで算出されます。
サイクロイド歯車機構の設計において最も重要な要素は、歯車の幅方向の荷重分布です。これを設計基準とすることで、振動振幅を低減できます。これにより、歯車機構が適切に動作することが保証されます。適切な噛み合い条件を生成するためには、サイクロイド円盤の外周におけるトロコイド形状を正確に定義する必要があります。
サイクロイド歯車の最も一般的な形態の一つは、円弧状の歯形です。これは現在最も一般的に使用されている歯形です。
歯車のもう一つの形態はハイポサイクロイドです。この形態では、転動円の直径が基準円の直径の半分に等しくなければなりません。もう一つの特殊な形態はポイント歯形です。この形態は時計歯形とも呼ばれます。
この歯車形状を機能させるためには、初期接触点を転動ディスクの端に固定する必要があります。これにより、ハイポサイクロイド曲線が生成されます。この曲線は、初期接触点からトレースされます。
この歯車形状を調査するために、著者らは3次元有限要素解析を用いた。彼らは、運動学的パラメータ、出力モーメント計算、および加工工程を含む歯車製造の数理モデルを使用した。その結果、バックラッシュを解消した設計が実現した。

サイズと選択

ギアボックスの選定は複雑な作業となる場合があります。考慮すべき要素は数多くあります。用途の種類、必要な回転速度、負荷、そしてギアボックスのギア比を決定する必要があります。これらの情報を把握することで、最適なソリューションを見つけることができます。
まず最初に、適切なサイズを見つける必要があります。用途に最適なギアボックスを決定するのに役立つサイズ選定プログラムがいくつかあります。部品を作成する際には、サイクロイド歯車を描いてみることから始めると良いでしょう。
寸法選定の際には、環境を考慮することが重要です。衝撃荷重、環境条件、周囲温度は、歯車の歯の摩耗を増加させる可能性があります。また、温度は潤滑油の粘度やシール材にも大きな影響を与えます。
入力速度と出力速度も考慮する必要があります。入力速度によってギア比の計算結果が変わるためです。入力速度が規定値を超えると、シールが損傷したり、シャフトベアリングの摩耗が早まったりする可能性があります。
寸法選定におけるもう一つの重要な要素は、サービス係数です。この係数は、ギアボックスが処理できるトルク量を決定します。サービス係数は1.4程度まで低く設定できますが、これはほとんどの産業用途には十分です。しかし、高い衝撃荷重や衝突荷重がかかる場合は、より高いサービス係数が必要になります。これらの要素を考慮しないと、シャフトの破損やベアリングの損傷につながる可能性があります。
出力方式も重要です。キーレス式かキー付き式か、また出力フランジが必要かどうかを決定する必要があります。キーレス式を選択する場合は、高温に耐えられるシール材を選定する必要があります。

編集者：CX 2023-04-12