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May 13, 2023

ハイポイドギア

Gli ingranaggi ipoidi sono una categoria unica di ingranaggi conici a spirale,

ハイポイド ギヤは、直角の 2 つのシャフト間で回転力を伝達するために使用される、まがりばかさ歯車の独特なカテゴリです。 1920 年代初頭にアーネスト ワイルドハーバーによって発明されたハイポイド ギアは、主に大型トラックのドライブ トレインに使用されました。

当時の発明の天才は、ギアシャフト間のオフセットであり、これによりトラックのフレームを低くすることができました。 この開発は車両設計に大きな影響を与え、車両内の利用可能なスペース、ロール安定性、車両ハンドリング、安全性、空気力学、燃費の大幅な改善につながりました。 ハイポイド ギアは依然としてこの分野で使用されていますが、産業用動力伝達およびモーション コントロール業界でも存在感を増しています。

ハイポイド ギヤは、直角な 2 つのシャフト間で回転力またはトルクを伝達するために使用されるかさ歯車の一種として分類できます。 かさ歯車には、直歯とスパイラル歯の 2 つの主なカテゴリがあります。 スパイラル歯のかさ歯車は、直線歯のかさ歯車よりも滑らかで静かに回転することが証明されており、ハイポイドが最もよく似ているのはこれらのスパイラル歯のかさ歯車です。

標準のかさ歯車とは対照的に、ハイポイド ギア セットの相手ギア シャフトは交差しません。これは、小さい方のギア シャフト (ピニオンと呼ばれます) が大きい方のギア シャフト (クラウンと呼ばれます) からオフセットされているためです。 ワイルドハーバー氏がリアアクスルを念頭に置いて設計したのは、これらの交差しない軸であり、上記の車両性能の向上につながりました。

軸のオフセットにより、ピニオンの直径が大きくなり、他の方法で可能な場合よりも大きなねじれ角を持つことができるため、接触面積と歯の強度が増加します。 ピニオンとクラウンの間の螺旋角により、ギアは非常にスムーズに噛み合います。 接触面積と歯の強度が増加することで、より幅広いギア比が可能になり、より大きなトルクを伝達できるようになります。

ハイポイド ギア セット間の螺旋角と接触面積の増加によるさらなる利点には、磨耗の減少、摩擦の低減、エネルギー損失の低減、効率の向上などが含まれ、これらすべてがハイポイド ギアとギアボックスの寿命を延ばすのに役立ちます。

ハイポイドギアは、らせん角度と歯の強度が増加しているため、複数の歯に同時に負荷を加えることができます。 一度に接触するハイポイドギヤの平均歯数は2.2：1～2.9：1です。 一方、かさ歯車には、一度に 1 歯ずつ負荷がかかります。 ハイポイドギヤは、同じサイズのベベルギヤと比較して、歯と歯の接触が増えることで、より大きなトルクを伝達できます。 ハイポイド ギアとギアボックスは、より多くのトルクを伝達することに加えて、同等のトルク定格を持つベベル ギアボックスよりも小型でコンパクトな傾向があるため、狭いスペースを含む用途に適しています。

ベベル ギアとベベル ギアボックスは 1:1 と 2:1 の比率が最も一般的ですが、一部のメーカーは最大 5:1 の比率を提供しています。 対照的に、ハイポイド ギアは 1:1 および 2:1 用途に対するソリューションを提供しません。 ただし、3:1 から 10:1 までの比率を効率的に実現し、単一のギア段でより多くの比率オプションを提供します。 減速比は速度に関係しており、ハイポイド ギアボックスはベベル ギアボックスに比べてもう 1 つの大きな利点があります。 ほとんどのベベル ギアボックスは過熱せずに 1,500 rpm を超える速度に対応できませんが、ハイポイド ギアボックスは最大 3,000 rpm の連続入力速度に到達できます。

ハイポイドギヤセット間の噛み合いは滑り動作を伴うため、非常にスムーズで静かなトランスミッションが得られます。 したがって、高速になると騒音が大きくなるかさ歯車と比較して、より高い負荷をより低い騒音レベルで伝達することができます。

ハイポイド ギアは、ベベル ギアに比べて、より大きな比、より高いトルク容量、より高い回転速度、およびより低い騒音を実現します。 ただし、ハイポイド ギヤは通常、最大 99% の効率評価を持つ同様のスパイラル ベベル ギヤよりも効率が低くなります (90 ～ 95%)。 ハイポイドギヤの効率は軸オフセットが大きくなると低下するため、ハイポイドギヤの歯の滑り動作によるギヤの摩耗を防ぐために潤滑に特別な注意を払う必要があります。 ハイポイドには極圧添加剤による潤滑が必要ですが、ベベルギアは標準のギア グリースまたはオイルで動作します。

パッケージ化されたベベルギアボックスには、ハイポイドに比べて別の利点があります。 ベベルボックスには複数のシャフトオプションがあります。 多くのベベル ギアボックスは、2、3、および 4 シャフト構成で利用できます。 アプリケーションで 1:1 または 2:1 トランスミッション、3 または 4 出力のトランスミッション、または 95% を超える効率定格が必要な場合は、かさ歯車が最良の選択肢となる可能性があります。 これらの基準の外では、ハイポイド ギヤが多くの用途でベベル ギヤに取って代わりています。

ハイポイドが侵食しているもう 1 つの一般的なタイプの直角歯車は、ウォーム ギア技術です。 ウォーム ギアは堅牢で比較的安価であるため、何十年もの間、直角減速には一般的な選択肢でした。 ウォームギア装置は、コスト対トルク比が良好で、単一ステージで幅広い比率 (通常は 3:1 から 100:1 まで) を提供できるため、多くの製造業界で広く使用されています。 しかし現在では、多くの理由からハイポイド ギアの方が優れた代替品である可能性があります。

ハイポイドはウォームギアに比べて速度面で大きな利点がありますが、これら 2 つのタイプのギアの最も大きな違いは効率です。 ウォームギアと比較して、ハイポイドは、特に高減速比および低速での動力伝達においてはるかに効率的です。 ほとんどのハイポイドの効率は 90% ～ 95% ですが、同様のサイズのウォーム ギアの効率は 40% ～ 85% です。 さらに、ハイポイド効率は幅広い比率と速度にわたって一定のままですが、ウォームギアの効率は比率と速度の両方によって変化します。

効率の向上には、エネルギーの節約をはじめとして多くのメリットがあります。 効率が向上するということは、より小型のモーターを機械の駆動に使用できることを意味し、初期の購入コストが削減されるだけでなく、長期的なエネルギーとメンテナンスのコストも削減されます。 効率は発熱にも影響します。 ハイポイド ギアはウォーム ギアよりもはるかに低温で動作するため、ギアの予想寿命が長くなる可能性があります。

今日の傾向は、あらゆるものをより小さく、より効率的にすることであり、ハイポイドはこれらの目標の達成に役立ちます。 ハイポイドがウォーム ギアと比較して持つ効率上の利点は大きく、ハイポイドは同様のトルク容量を持つウォーム ギア構成よりもはるかにコンパクトで、狭い物理的スペースに適合できます。 前述したように、機械は効率が向上した結果、より小型で安価なモーターを使用できるようになり、機械の設置面積がさらに削減されます。 時間にはコストがかかり、スペースにもコストがかかるため、ハイポイドにはウォームギアに比べて別の利点があります。

ウォームおよびウォームホイールギアには、ハイポイドギアと比較していくつかの利点があります。 ウォーム ギアは、単段ギアでは最大 100:1 以上の比を提供できますが、単段では、ほとんどのメーカーが最大 10:1 のハイポイド ギアボックスを提供しています。 また、ウォーム ギアの非効率性と高い比率により、多くのウォーム ギア駆動アプリケーションはセルフロック式であり、保持トルクや外部ブレーキの必要がありません。 最大 95% の効率を誇るハイポイド ギアはセルフロックではありません。 保持トルクやブレーキがないと、トランスミッションがバックドライブする可能性があります。

ハイポイド ギアの事前購入価格も、同等のウォーム ギアやギアボックスよりも高価になる場合があります。 しかし、高効率、高精度、高速、高トルク容量、小型設置面積など、ハイポイド ギヤの多くの性能上の利点により、時間の経過とともにハイポイド テクノロジーのコスト効率が向上することが証明される可能性があります。 優れた性能と長期的なコスト削減を実現するために、ハイポイド ギアはウォーム ギアに代わる魅力的な代替品となっており、動力伝達業界におけるハイポイド ギアの成長はこの事実の証拠です。

ハイポイド ギアがベベル ギアとウォーム ギアの両方に勝るもう 1 つの大きな利点は、ギアの歯のバックラッシュの測定精度です。 かさ歯車、特にスパイラルかさ歯車は、約 6 分角のバックラッシュまで非常に正確にセットで製造できます。 しかし、ほとんどのウォームおよびウォームホイール歯車装置は、歯車の噛み合いのバックラッシュがはるかに大きいため、動力伝達以外の多くの用途には適していません。

ハイポイド ギアは 3 分角という低いバックラッシュ仕様を達成できるため、ベベル ギアやウォーム ギアの配置よりもはるかに正確になります。 このレベルの精度は、他の多くの確立された利点と組み合わされて、ハイポイド ギアが動力伝達を超えてモーション コントロール市場に浸透することを可能にしました。

ハイポイド ギアは現在、幅広いオートメーションおよびモーション コントロールのアプリケーションで一般的に使用されています。 その性能特性により、低速および高速のアプリケーションだけでなく、極度の精度を必要とする高サイクルレートのアプリケーションにも最適です。 ハイポイド ギアボックスは、遊星歯車段とパッケージ化された 1 段構成と 2 段構成があり、3:1 から 100:1 までの幅広い比を提供します。

高精度遊星ギアボックスは長年にわたってモーション コントロール業界に存在してきました。 インライン遊星配置を直角減速機に変換するために、ギアボックス メーカーは、90 度回転させるためのスパイラル ベベル ギアのセットを組み込みました。 過去数年で、多段直角遊星ギアボックス内のベベルギアセットがハイポイドギアに置き換えられ、よりコンパクトで効率的かつ高精度のギアボックスが実現しました。

ほとんどのメーカーは、メートル法サーボ モーターや NEMA サーボ モーターを含むさまざまなモーターをギアボックス ハウジングに直接取り付けることができるように、これらのハイポイド ギアボックスの入力にモーター フランジを設計しています。 単段直角ギアボックスで使用する場合でも、遊星ステージと組み合わせて使用​​する場合でも、ハイポイド ギアはモーション コントロール業界で存在感を増しています。

アーネスト・ワイルドハーバー氏が、自分の発明が自動車のドライブトレインをはるかに超えて、産業用動力伝達装置やモーションコントロールの世界に広がるとは予想できなかったとは考えにくいです。 ハイポイドギヤの設計特性を検討すると、この技術がなぜこれほど大きな成長を遂げたのかが簡単にわかります。

コンパクト、高速、高トルク、高効率、極めて高い精度、低騒音、低発熱、長寿命 - これらの性能特性は、ハイポイド ギアおよびギアボックスの代名詞です。 これらの特性の組み合わせにより、ハイポイド ギアは、今日の動力伝達およびモーション コントロール業界の需要の高まりに対応する減速ソリューションとしてますます人気が高まっています。

この記事は、イリノイ州ナイルズの Candy Controls から寄稿されました。 詳細については、ここを参照してください。

この記事は、Motion Design Magazine 2021 年 12 月号に初めて掲載されました。

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