歯車の加工、精度及び歯面修整
歯車の歯切り方法
歯車の加工精度
歯車の加工寸法の管理
歯車の組立誤差及び加工誤差
と歯面接触応力分布の関係
歯車の歯面修整
歯車の歯切り方法
• 歯の創成運動
• ホブギリ加工法
• シェーピング法
• 研磨加工法
1.歯車の創成運動(創成法)
ラックによる歯の創成運動(動画)ラックの直線運動
ラック
円板の回転運動
ホブカッタ
歯の創成運動(歯を形成するために) =ラックの直線運動+円板の回転運動𝑽 = 𝝎 × 𝒓
𝝎
𝒓
2.歯のホブギリ加工法(外歯車)
メリット:快速加工、大量生産に適切 デメリット:加工精度が悪い(JIS4~6級)。 ホブギリ加工の特徴: 平歯車のホブ切り過程(動画) はすば歯車のホブ切り過程(動画) (ホブギリ盤という工作機が開発された) スプライン加工(動画)3.歯のシェーピング法(外・内歯車の場合)
特徴:ピニオンカッタによる加工内歯車の歯切りに適切 加工精度は(JIS2~4級) 欠点:加工時間が長い。 ピニオンカッタ 歯のシェーピング法(動画)外歯車の加工
内歯車の加工
(シェーピングマシンという工作機が開発された)4.歯の研磨加工法(高精度歯車の加工)
特徴:高精度・高コスト 精密加工の場合に使用 ウォームギャの研削(動画) 平歯車研磨加工(動画) 歯車の加工(総合) はすば歯車の研磨加工 (動画)① 歯形誤差 ② ピッチ誤差(単一ピッチ、隣接ピッチ、累積ピッチ誤差) ③ 歯筋誤差 ④ 歯溝の振れ誤差 ⑤ かみあい誤差 ① JIS B1702 平歯車及びはすば歯車の精度 ② JIS B1752 平歯車及びはすば歯車の測定方法 ① より大きな動力が伝達できるために ② できる限り小さな歯車を作るために ③ 低振動・低騒音のために ④ 位置を正確に伝達できるために
精度評価項目:
歯車の加工精度
精度管理の必要性:
日本工業規格:
歯車の精度=歯車の命
1.歯形誤差(Profile Deviation)
三次元測定機による歯形測定結果 ホブ切り歯車の歯面形状の測定結果: 歯車精度測定機による歯形測定結果 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 5 10 15 20 Hob-cutting Pinion P rof ile dev iation μ m Too th pro file dimensionTooth longitudinal dimension
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 5 10 15 20 25 30 Too th p rofile d imen sion
Tooth longitudinal dimension
Profil e deviation μ m Hob-cutting gear 歯車1の 歯形誤差 歯車2の 歯形誤差
全歯形誤差𝐹
𝑎(Profile Deviation, Total)
全歯形誤差とは、決められた歯形検査範囲で、実歯形を挟む
設計歯形線図間の距離である。
図4 全歯形誤差𝐹
𝑎 歯先 歯元 設計歯形 実測歯形単一ピッチ誤差 ±𝑓
𝑝𝑡単一ピッチ誤差とは、隣り
合った同じ側の歯面のピッチ
円上における実際のピッチと、
理論ピッチとの差である。
図1 単一ピッチ誤差𝑓
𝑝𝑡2.歯のピッチ誤差(Single Pitch Deviation)
累積ピッチ誤差𝐹
𝑝(Cumulative Pitch Deviation)
累積ピッチ誤差とは、歯車全歯面領域での最大累積ピッチ
誤差であり、累積ピッチ誤差曲線の全振幅で表現される。
図3 ピッチ誤差の例
図2 累積ピッチ誤差 𝐹
𝑝 +𝐹𝑝𝑘全歯すじ誤差 𝐹
𝛽 全歯すじ誤差とは、決められた歯すじ検査範囲で、実歯すじを挟む二つの 設計歯すじ間の距離である。 この全歯すじ誤差は、歯当たりに影響する。 この誤差が大きいと歯幅端部 に歯当たりが集中する悪い歯当たりとなる。 このような歯当たりをさけるためには、クラウニングとかエンドレリーフなど の歯すじ方向の修整を行う必要がある。図5 全歯すじ誤差 ( 𝐹
𝛽)
歯すじ方向3.歯筋誤差(Helix Deviation)
歯溝の振れ許容値𝐹
𝑟(μm)
図8 歯数16の歯みぞの振れ 歯みぞの振れの値は、歯車の全歯みぞに測定子(玉、ピン等)を順次挿入し、 測定子半 径方向位置の最大値と最小値との差である。 この歯みぞの振れは、歯車の騒音などに悪い影響を与えるもので、 歯車加工または研 削するときの取付具の振れがそれに大きく影響する。 最近では機械の精度が向上しているから、歯みぞの振れを小さくするには、 良い取付 具を使って歯車を加工または研削しなければならない。 図8に歯みぞの振れ線図を示す。歯みぞの振れの中には、偏心が含まれる。4.歯溝の振れ誤差(Runout of Tooth Space)
両歯面全かみあい誤差 (𝐹
𝑖′′)
両歯面全かみあい誤差とは、被検査歯車の両歯面を同時に親歯車の両歯面に接 触させた状態で被検査歯車を完全に1回転させたとき、 中心距離の最大値と最小 値の差である。 図6 両歯面全かみあい誤差線図5.かみあい誤差(Transmission Errors)
𝐹𝑖′′ 𝐹𝑖′′ 𝐹𝑖′′伝達誤差とは
任意の回転角を入力軸に与えた時の理論出力回転角度と
実出力回転角度の差
入力軸側
出力軸側
𝜃𝑖𝑛(入力回転角) 𝜃𝑜𝑢𝑡(出力回転角) 𝜃𝑜𝑢𝑡 = 𝜃𝑖𝑛 𝑖 減速装置 𝑖 (減速比) 𝜃𝑒𝑟(角度伝達誤差) = 𝜃𝑖𝑛 𝑖 − 𝜃𝑜𝑢𝑡5.1 伝達誤差の定義
5.2 伝達誤差の測定原理
Output Input Gear Box Rotary Encoder Rotary Encoder Motor 2 1 Gear2 Gear1 Z1 Z2 伝達誤差=𝜃𝑒𝑟 入力軸回転角度=𝜃𝑖𝑛 出力軸回転角度=𝜃𝑜𝑢𝑡 伝達誤差:𝜃𝑒𝑟 = 𝜃𝑖𝑛 𝑖 − 𝜃𝑜𝑢𝑡 (𝑖=減速比)5.3 平歯車の伝達誤差の生じる原因
負荷荷重による歯のたわみ
歯車の組立誤差
軸受の隙間
その他
伝達誤差
変速モーター 角度エンコーダ 入力角度:𝜃𝑖𝑛 歯車減速装置 減速比: 𝑖 角度エンコーダ 出力角度:𝜃𝑜𝑢𝑡 インターフェイス ユニットEIB741 記録・解析ソフト 入 力 側 出 力 側
𝜃
𝑒𝑟=
𝜃
𝑖𝑛𝑖
− 𝜃
𝑜𝑢𝑡角度伝達誤差
=
−
5.4 平歯車の伝達誤差の実験装置
理論出力回転角
実出力回転角
5.5 伝達誤差の測定結果
歯車1回転分
6.歯車加工精度のJIS規格
JIS B 1702-1: 1998 円筒歯車-精度等級 第1部:歯車の歯面に関する誤差の定義及び許容値 精度等級 基準円直径 モジュール 誤差の許容値 N4 N5 N6 N7 …. N12 50<d≦125 0.5<m≦2 単一ピッチ誤差 3.8 5.5 7.5 11 …. 61 累積ピッチ誤差 13 18 26 37 …. 208 全歯形誤差 4.1 6 8.5 12 …. 66 全歯筋誤差 全かみあい誤差 歯溝の触れ 10 15 21 29 …. 167 2<m≦3.5 単一ピッチ誤差 4.1 6.0 8.5 12 …. 66 累積ピッチ誤差 13 19 27 38 …. 214 全歯形誤差 5.5 8 11 16 …. 89 全歯筋誤差 全かみあい誤差 歯溝の触れ 11 15 21 30 …. 1717.歯車精度の測定機
大阪精密機械(株)製
8.ホブ切リ歯車の加工精度誤差の測定値
歯形誤差 ピッチ誤差
歯溝の振れ誤差
歯形誤差 ピッチ誤差
歯車の加工寸法の管理法
一対の歯車に適切なバックラッシューを与えることが必要
歯の厚み管理により、歯車対のバックラッシューをコントロール
歯厚マイクロメータによる歯厚測定 (外歯車に適用)
マタギ歯厚の計算式:
マタギ歯数 マタギ歯厚5
.
0
180
1 1
z
z
m
c5
.
0
180
2 2
z
z
m
c}
)
5
.
0
(
{
cos
1 1 1 c m c mm
z
z
inv
S
}
)
5
.
0
(
{
cos
2 2 2 c m c mm
z
z
inv
S
1.マタギ歯厚寸法測定法
出典:田中 孝著 新版転位歯車 日本機械学会偶数歯 奇数歯 内歯車の場合 外歯車の場合 m dp1 1.47606 m dp2 1.47606 ピン径の計算(圧力角度20°) オーバピン径寸法
オーバピン径寸法の計算式
cos cos 1 1 1 c p m m z d d cos cos 2 2 2 c p m m z d d 偶数歯: ) 90 cos( cos cos 1 1 1 1 z m z d dm p c ) 90 cos( cos cos 2 2 2 2 z m z d dm p c 奇数歯: 標準歯車の場合には、Φ=αc=20°2.オーバピン径寸法測定法
(内歯車と外歯車に適用)歯車の組立誤差及び加工誤差と歯
面接触応力分布の関係
1.歯車の組立誤差と歯面接触応力分布の関係
2.組立誤差のある時の歯当たりパターン 1.誤差のない時の歯当たりパターン 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 -0.02 -0.04 -0.06 -0.08Geometric contact line
Tooth 1 Misalignment=0.004deg.
Tooth longitudinal dimension mm
C ont ac t w idth m m 525.0 -- 600.0 450.0 -- 525.0 375.0 -- 450.0 300.0 -- 375.0 225.0 -- 300.0 150.0 -- 225.0 75.00 -- 150.0 0 -- 75.00
a
歯の片当たり現象X
Y
0 5 10 15 20 25 30 35 40 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 -0.02 -0.04 -0.06 -0.08Geometric contact line
Ideal gears & Tooth 1
Tooth longitudinal dimension mm
Co nt act wid th mm 393.8 -- 450.0 337.5 -- 393.8 281.3 -- 337.5 225.0 -- 281.3 168.8 -- 225.0 112.5 -- 168.8 56.25 -- 112.5 0 -- 56.25 歯筋方向X 歯形方向 Y (接触領域) 誤差のない時の歯面接触応力分布 組立誤差のある時の歯面接触応力分布 歯筋方向X 歯形方向 Y (接触領域) 理想な歯当たり
歯車の歯当たり試験方法及び装置
歯の当たりの試験装置
歯面に赤い 塗料を塗る
2.歯形加工誤差と歯面接触応力分布の関係
0 5 10 15 20 25 30 35 40 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 -0.02 -0.04 -0.06 -0.08Geometric contact line
Tooth 1 Profile deviation (only pinion)
Tooth longitudinal dimension mm
Con tact widt h mm 700.0 -- 800.0 600.0 -- 700.0 500.0 -- 600.0 400.0 -- 500.0 300.0 -- 400.0 200.0 -- 300.0 100.0 -- 200.0 0 -- 100.0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 -0.02 -0.04 -0.06 -0.08
Geometric contact line
Tooth 1 Profile deviation (only gear)
Tooth longitudinal dimension mm
Co nt act wid th m m 787.5 -- 900.0 675.0 -- 787.5 562.5 -- 675.0 450.0 -- 562.5 337.5 -- 450.0 225.0 -- 337.5 112.5 -- 225.0 0 -- 112.5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 -0.02 -0.04 -0.06 -0.08
Geometric contact line
Tooth 1 Profile deviation (pinion & gear)
Tooth longitudinal dimension mm
Co nt act wid th m m 875.0 -- 1000 750.0 -- 875.0 625.0 -- 750.0 500.0 -- 625.0 375.0 -- 500.0 250.0 -- 375.0 125.0 -- 250.0 0 -- 125.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 5 10 15 20 25 30 Tooth p rofile d imen sion
Tooth longitudinal dimension
Profil e deviation μ m Hob-cutting gear 歯車1の歯形誤差 歯車2の歯形誤差 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 5 10 15 20 Hob-cutting Pinion P rof ile dev iation μ m Too th pro file dimension
Tooth longitudinal dimension
歯車1の誤差を考慮した時 歯車2の誤差を考慮した時 歯車1と2の誤差を考慮した時 歯筋方向 歯筋方向 歯筋方向 歯筋方向 歯筋方向 FEM接触解析モデル 歯形誤差
3.ピッチ誤差と歯面接触応力分布の関係
0 5 10 15 20 25 30 35 40 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 -0.02 -0.04 -0.06 -0.08Geometric contact line
Tooth 1
Pitch error=-2μm
Tooth longitudinal dimension mm
Contact w idth mm 481.3 -- 550.0 412.5 -- 481.3 343.8 -- 412.5 275.0 -- 343.8 206.3 -- 275.0 137.5 -- 206.3 68.75 -- 137.5 0 -- 68.75 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 -0.02 -0.04 -0.06 -0.08
Geometric contact line
Tooth 1
Pitch error=+2μm
Tooth longitudinal dimension mm
Contact width mm 245.0 -- 280.0 210.0 -- 245.0 175.0 -- 210.0 140.0 -- 175.0 105.0 -- 140.0 70.00 -- 105.0 35.00 -- 70.00 0 -- 35.00 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 -0.02 -0.04 -0.06 -0.08
Geometric contact line
Ideal gears & Tooth 1
Tooth longitudinal dimension mm
Co nt act wid th mm 393.8 -- 450.0 337.5 -- 393.8 281.3 -- 337.5 225.0 -- 281.3 168.8 -- 225.0 112.5 -- 168.8 56.25 -- 112.5 0 -- 56.25 (2) -2μmピッチ誤差のある場合 (3) +2μmピッチ誤差のある場合 (1) ピッチ誤差のない場合 歯車の歯のピッチ誤差
平歯車の歯面修整
歯形修整
(1)歯先レリービング(Reliving)
(2)歯先・歯元レリービング(Reliving)
歯筋修整
(1)歯筋クラウニング(Crowning)
(2)歯筋レーリビング(Reliving)
目的:
① 歯先のかみあい衝撃軽減により、
振動・騒音の低減
② 歯の片当たりを防ぐ
③ 強度増強
1.平歯車の歯形修整
(1)歯先レリービング (2)歯先と歯元レリービング 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 -0.02 -0.04 -0.06 -0.08Geometric contact line
Tooth 1 Tooth profile modification=6μm
Tooth longitudinal dimension mm
Conta ct width mm 437.5 -- 500.0 375.0 -- 437.5 312.5 -- 375.0 250.0 -- 312.5 187.5 -- 250.0 125.0 -- 187.5 62.50 -- 125.0 0 -- 62.50 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 -0.02 -0.04 -0.06 -0.08
Geometric contact line
Ideal gears & Tooth 1
Tooth longitudinal dimension mm
Co nt act wid th mm 393.8 -- 450.0 337.5 -- 393.8 281.3 -- 337.5 225.0 -- 281.3 168.8 -- 225.0 112.5 -- 168.8 56.25 -- 112.5 0 -- 56.25 歯形修整前後の歯面接触応力の比較 歯形修整のない場合 歯形修整のある場合 理論 歯形 修整 歯形
2.平歯車の歯筋修整:クラウニング
0 5 10 15 20 25 30 35 40 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 -0.02 -0.04 -0.06 -0.08Geometric contact line
Tooth 1 Crowning=5μm
Tooth longitudinal dimension mm
Co ntac t w idth m m 525.0 -- 600.0 450.0 -- 525.0 375.0 -- 450.0 300.0 -- 375.0 225.0 -- 300.0 150.0 -- 225.0 75.00 -- 150.0 0 -- 75.00 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 -0.02 -0.04 -0.06 -0.08
Geometric contact line
Ideal gears & Tooth 1
Tooth longitudinal dimension mm
Co nt act wid th mm 393.8 -- 450.0 337.5 -- 393.8 281.3 -- 337.5 225.0 -- 281.3 168.8 -- 225.0 112.5 -- 168.8 56.25 -- 112.5 0 -- 56.25 クランニングのない場合 クランニングのある場合 歯筋クラウニング修整前後の歯面接触応力の比較
3.歯筋クラウニング加工のカッター運動軌跡
4.平歯車の歯筋レーリビング及びエッジロード現象
0 5 10 15 20 25 30 35 40 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 -0.02 -0.04 -0.06 -0.08 Edge load Edge load Tooth 1 Relieving length=10mmTooth longitudinal dimension mm
Con tact wid th mm 525.0 -- 600.0 450.0 -- 525.0 375.0 -- 450.0 300.0 -- 375.0 225.0 -- 300.0 150.0 -- 225.0 75.00 -- 150.0 0 -- 75.00 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 -0.02 -0.04 -0.06 -0.08
Geometric contact line
Ideal gears & Tooth 1
Tooth longitudinal dimension mm
Co nt act wid th mm 393.8 -- 450.0 337.5 -- 393.8 281.3 -- 337.5 225.0 -- 281.3 168.8 -- 225.0 112.5 -- 168.8 56.25 -- 112.5 0 -- 56.25 レーリビングのない場合 レーリビングのある場合 歯筋レーリビング修整前後の歯面接触応力の比較 エッジ ロード 修整量=15μ
5.歯筋レーリビング曲線の改善
(直線+円弧法)
0 5 10 15 20 25 30 35 40 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 -0.02 -0.04 -0.06 -0.08 Edge load Edge load Tooth 1 Relieving length=10mmTooth longitudinal dimension mm
Con tact wid th mm 525.0 -- 600.0 450.0 -- 525.0 375.0 -- 450.0 300.0 -- 375.0 225.0 -- 300.0 150.0 -- 225.0 75.00 -- 150.0 0 -- 75.00 直線で歯筋レーリビングの場合 (M od ifie d Qu an tit y) Face width Arc Arc Straight line Q End relief (1) End relief (2) Crowning 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 -0.02 -0.04 -0.06 -0.08
Geometric contact line
Tooth 1
Crowning=5μm
Tooth longitudinal dimension mm
Co ntac t w idth m m 525.0 -- 600.0 450.0 -- 525.0 375.0 -- 450.0 300.0 -- 375.0 225.0 -- 300.0 150.0 -- 225.0 75.00 -- 150.0 0 -- 75.00 エッジロードを無くすレーリビング法
6.歯車の歯筋形状の測定結果比較
歯筋修整なし
16μ
参考資料(1):歯車関連JIS規格の一覧
規格番号 名 称 JIS B 0003: 1989 歯車製図 JIS B 0102: 1999 歯車用語-幾何学的定義 JIS B 0121: 1999 歯車記号-幾何学的データの記号 JIS B 0160: 1999 歯車-歯車の摩耗及び損傷-用語 JIS B 0174: 1991 歯切工具用語 JIS B 1453: 1988 歯車形軸継手 JIS B 1701-1: 1999 円筒歯車-インボリュート歯車歯形 第1部 標準基準ラック歯形 JIS B 1701-2: 1999 円筒歯車-インボリュート歯車歯形 第2部 モジュール JIS B 1702-1: 1998 円筒歯車-精度等級 第1部:歯車の歯面に関する誤差の定義及び許容値 JIS B 1702-2: 1998 円筒歯車-精度等級 第2部:両歯面かみ合い誤差及び歯溝の振れの定義並びに精度許容値 JIS B 1704: 2010 かさ歯車の精度 JIS B 1705: 1973 かさ歯車のバックラッシ JIS B 1706-1: 1999 すぐばかさ歯車-第1部:基準ラック JIS B 1706-2: 1999 すぐばかさ歯車-第2部:モジュール及びダイヤメトラルピッチ JIS B 1723: 1977 円筒ウオームギヤの寸法 JIS B 1751:1976 検査用親円筒歯車 JIS B 1753: 1999 歯車装置の受入検査-歯車装置から放射される空気伝ぱ音のパワーレベルの決定 JIS B 1754: 1998 歯車装置の受入検査-第2部:歯車装置の機械振動の測定方法及び振動等級の決定 JIS B 1755: 1999 平歯車及びはすば歯車の負荷容量計算方法 JIS B 1756: 2008 歯車-研削後の表面焼戻しエッチング検査法 JIS B 1757-2: 2010 歯車測定機の評価方法-第2部:球基準器又は円筒基準器を用いた歯形測定 JIS B 4350: 1991 歯切工具-歯形及び寸法 JIS B 4351: 1985 すぐば傘歯車用G形刃物 JIS B 4354: 1998 歯車用ホブ-第1部:むくホブの形状寸法 JIS B 4355: 1998 歯車用ホブ-第2部:歯車用ホブの精度 JIS B 4356: 1996 ピニオンカッタ JIS B 4357: 1988 丸形シェービングカッタ 平及びはすば歯車を測定する場合は図(a)と(b)のように、偶数歯で あれば相対する歯みぞ、奇数歯であれば180/z (度)だけかたよった 歯みぞにピン又は玉を入れてその外側寸法を測定する 内歯車の場合はその内側寸法を測るから、ヴィトイーンピン(玉)法と も言う。はすば歯車の測定には2個の玉を使用する ラックを測定する場合は歯みぞにピン又は玉を入れてマイクロメータ により基準面からの距離を測定する