サイクロノイドギアボックス

基本的に、サイクロイド歯車減速機は、回転運動にサイクロイド運動を利用する減速機です。非常にシンプルで効率的な設計であり、様々な用途に使用できます。サイクロイド歯車減速機は、重い負荷の移動が必要な用途でよく使用されます。遊星歯車減速機に比べて、より高い負荷や高速回転に対応できるなど、いくつかの利点があります。

サイクロイド歯車機構の動的効果と慣性効果

サイクロイド歯車機構の動的効果と慣性効果については、これまで数多くの研究が行われてきました。それらの研究の中には、動作原理に焦点を当てたものもあれば、歯車機構の数理モデルに焦点を当てたものもあります。本論文では、サイクロイド歯車機構の数理モデルを検討し、その性能を実測値と比較します。サイクロイド歯車機構を設計・制御するには、適切な数理モデルを持つことが重要です。サイクロイド歯車機構は、サイクロイドディスクと、その軸を中心に回転するリングギアを備えた2段歯車機構です。
この数理モデルは160万個以上の要素で構成されています。各歯車対は、500個の固有モードを持つ簡略化モデルで表されます。平歯車の固有振動数は70kHzです。このモード簡略化モデルは、サイクロイド歯車機構によく適合します。
数学モデルはABAQUSソフトウェアを使用して検証されています。サイクロイドディスクを離散化して非常に細かいモデルを作成しました。歯あたり400個の要素点が必要です。静的FEAを使用して検証も行いました。このモデルは、すべての象限のギアのスティクションをモデル化するために使用されました。これは、サイクロイドギアボックスのスティクションをモデル化する新しいアプローチです。EMBSモデルの結果に匹敵する結果が得られることが示されています。結果は、弾性マルチボディシミュレーションモデルによっても一致しています。これは、サイクロイドギアディスクの接触力と大きさによく適合しています。また、サイクロイドギアディスクとリングギア間の伝達精度は約98.5%であることがわかりました。ただし、この値はリングギアペアの伝達精度よりも低くなっています。修正モデルの伝達​​誤差は約0.3%です。伝達精度が低いのは、歯面の弾性変形量が少ないためです。
サイクロイド歯車機構の各歯における最も正確な接触力は滑らかではないことに注意することが重要です。単一の歯にかかる接触力は、最初は直線的に上昇し、その後急激に低下します。これは点接触における接触力ほど滑らかではないため、楕円接触における接触力と比較されます。しかし、楕円接触における接触力は依然として比較的小さく、EMBSモデルではこれを捉えることができません。
サイクロイドディスクの有限要素モデルは約160万要素から構成されています。この有限要素モデルにおいて最も重要な部分は、サイクロイドディスクの離散化です。サイクロイドディスクは大きな振動を受けるため、その離散化は非常に慎重に行う必要があります。静的有限要素解析の結果と同等の精度を得るためには、サイクロイドディスクを細かく離散化しなければなりません。サイクロイドディスクとリングギア間の接触力を正確にシミュレートするためには、可能な限り高精度なモデルを作成する必要があります。

サイクロイド駆動の運動学

任意の座標系を用いることで、サイクロイド歯車機構内の各部品の動きを観察できます。サイクロイドディスクは固定ピンを中心に円を描いて回転し、フォロワーシャフトは偏心カムを中心に回転します。さらに、入力シャフトは転がり軸受に対して偏心して取り付けられていることもわかります。
また、サイクロイドディスクは偏心ベアリングを中心に独立して回転し、フォロワーシャフトは対称軸を中心に回転することも観察されます。このことから、サイクロイドディスクはサイクロイドギアボックスの運動学において極めて重要な役割を果たしていると結論づけることができます。
サイクロイド減速機の効率を計算するために、接触部の非線形剛性に基づいたモデルを使用します。このモデルでは、接触部の非線形性は、接触部にかかる力と変形の非線形性によって決まります。サイクロイド減速機の効率は、荷重が増加するにつれて向上することが示されています。さらに、効率は滑り速度と法線荷重の変形にも依存します。これらの要素は、サイクロイド駆動の効率を決定する重要な変数と考えられます。
入力トルクと入力速度を用いて、サイクロイド減速機の効率も検討します。効率は、リングギアの正味トルクを出力トルクで割ることによって算出できます。効率は、さまざまな運転条件に合わせて調整可能です。サイクロイド駆動の効率は、負荷が増加するにつれて向上します。
サイクロイド歯車機構は、小径軸と大径軸を備えた多段式歯車機構です。19枚の歯と真鍮製のワッシャーを備えています。外側のディスクは中央のディスクと反対方向に動き、180度オフセットされています。中央のディスクは外側のディスクの2倍の質量を持っています。サイクロイドディスクには9つのローブがあり、駆動軸が1回転するごとに1ローブずつ移動します。ディスク内のピンの数は、周囲のピンの数よりも少なくする必要があります。
入力軸は偏心ベアリングを駆動し、そのベアリングから出力軸に動力が伝達されます。さらに、入力軸は中間ベアリングを介してサイクロイドディスクに力を加えます。サイクロイドディスクは360度回転（回転軸とローラー）します。出力軸のピンは穴の中を移動し、出力軸を連続的に回転させます。入力軸は正弦波運動を行い、ベース軸の速度を一定に保ちます。この正弦波によって、フォロワー軸に微調整が加えられます。内部スリーブに加わる力は、平衡機構の一部です。
さらに、サイクロイド歯車機構は遊星歯車機構よりも大きなトルクを伝達できることが分かります。これは、サイクロイド歯車の軸方向の長さが大きく、リング歯車の穴径が小さいためです。また、固定リングとディスクの間に歯を刻むことで、両者の間に確実な嵌合を実現できます。サイクロイドディスクは通常、高速回転時のアンバランス力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ています。

遊星歯車装置との比較

遊星歯車機構と比較して、サイクロイド歯車機構にはいくつかの利点があります。これらの利点には、バックラッシュが少ないこと、過負荷耐性が高いこと、コンパクトな設計であること、そして幅広い用途に対応できることなどが挙げられます。サイクロイド歯車機構は、多軸ロボット市場で人気が高まっています。また、第1関節やポジショナーにもますます多く使用されています。
サイクロイドギアボックスは、サイクロイドディスク、出力フランジ、リングギア、固定リングという4つの基本部品で構成されるギアボックスです。サイクロイドディスクは偏心軸によって駆動され、360度回転（ピボット/ローラーステップ）します。出力フランジは固定ピンディスクで、出力軸に動力を伝達します。リングギアは固定リングで、入力軸はサーボモーターに接続されています。
サイクロイド歯車減速機は、非常に動的な状況下で慣性を制御するように設計されています。これらの減速機は、一般的にロボットやポジショナーで使用され、重い荷物の位置決めに用いられます。また、幅広い産業用途でも広く使用されています。トルク密度が高く、バックラッシュが小さいため、重荷重に最適です。
出力フランジは最大 500 Nm のトルクに対応するように設計されています。回転速度は遊星歯車装置よりも低いですが、出力トルクははるかに高くなっています。高性能な歯車装置として設計されており、高い減速比と高いトルク密度が必要な用途に使用できます。サイクロイド歯車装置は、コストも安く、バックラッシュも少なくなっています。ただし、サイクロイド歯車装置には、歯車装置を設計する際に考慮すべき欠点があります。主な問題は振動です。
遊星歯車装置と比較して、サイクロイド歯車装置は全体サイズが小さく、価格も安価です。さらに、サイクロイド歯車装置は1段で大きな減速比を実現できます。一般的に、サイクロイド歯車装置は1段または2段で、3段式はあまり一般的ではありません。ただし、このような構成を持つ歯車装置はサイクロイド歯車装置だけではありません。遊星歯車装置でも1段式のものはよく見られます。
サイクロイド減速機にはいくつかの種類があり、一般的にサイクロイド減速機と呼ばれています。これらの減速機は、サーボモーターを使用するあらゆる産業向けに設計されています。遊星歯車減速機よりも短く、同じトルクであれば直径が大きくなっています。また、30:1よりも低い減速比のものも用意されています。
サイクロイド歯車減速機は、高速回転と高トルクが求められる用途に適しています。また、遊星歯車減速機よりもコンパクトで、高トルク用途にも適しています。さらに、堅牢性に優れ、衝撃荷重にも耐えることができます。バックラッシュが少なく、精度と位置決め精度も高いという特長があります。産業用ロボットをはじめとする幅広い用途で使用されています。

editor by CX 2023-06-12