自動車用自動変速機向け遊星歯車列の合成

この記事では、自動車用自動変速機向け遊星歯車列の合成、その用途、およびコストについて説明します。読み終えた後、ご自身でこの技術について調べてみるのも良いでしょう。このトピックに関する参考資料へのリンクをいくつかご紹介します。ハイブリッド車の変速機への応用例も含まれています。それでは、遊星歯車列の基本概念を見ていきましょう。遊星歯車列は非常に効率が高く、従来の歯車システムに代わる有望な選択肢です。

自動車用自動変速機向け遊星歯車列の合成

自動車用自動変速機の主な目的は、エンジン駆動輪のバランスを維持することです。遊星歯車列（EGT）の運動学的構造は、これらの歯車列のグラフ表現から導き出されます。合成プロセスは、最大10リンクの許容可能な遊星歯車列を生成するアルゴリズムに基づいています。このアルゴリズムにより、設計者はより高い性能と優れたエンジン駆動輪バランスを備えた自動車用変速機を設計できます。
本論文では、遊星歯車機構のギア比を決定するためのMATLAB最適化手法を提案する。また、すべての歯車の歯数を列挙する。次に、得られた遊星歯車列の全体速度比を推定する。最後に、提案する遊星歯車列の構造特性を比較することで、自動車用自動変速機への適用可能性を分析する。
以下の機能図は、6リンクの遊星歯車列を示しています。各リンクは2色グラフで表され、グラフ上の数字は対応するリンクを表しています。各リンクには複数のジョイントがあり、これによりユーザーは各遊星歯車列に対して異なる構成を生成できます。各グラフ上の数字はそれぞれ異なる意味を持ち、2色グラフについても同様です。
この記事の次の章では、自動車用自動変速機の遊星歯車列の合成について説明します。SAE Internationalは、航空宇宙および自動車分野を中核とする能力を持つエンジニアと技術専門家からなる国際組織です。その慈善事業部門であるSAE Foundationは、多くのプログラムやイニシアチブを支援しています。これには、Collegiate Design SeriesやA World In Motion®、そしてSAE FoundationのA World in Motion®賞などが含まれます。

アプリケーション

遊星歯車機構は、遊星歯車列の一種です。狭いスペースで大きな減速比を実現できます。自動車では、自動変速機によく用いられます。また、ホイストや滑車ブロックにも利用されています。機械工学と電気工学の両分野で幅広く応用されており、高速伝達が可能で、他のタイプの歯車列よりも省スペースです。
遊星歯車機構の利点としては、コンパクトな構造、軽量性、高出力密度などが挙げられます。しかし、欠点がないわけではありません。遊星歯車機構における歯車損失は、歯車の歯面間の摩擦、潤滑油の攪拌、および軸支持ベアリングとスプロケット間の摩擦によって発生します。この動力損失は潜在動力と呼ばれ、これまでの研究でその損失が非常に大きいことが示されています。
遊星歯車機構は高速伝動装置によく用いられますが、設置面積が小さく、様々な用途に適しています。例えば、速度フレームの差動歯車、ボビンの駆動、織機のローパー式ポジティブレトオフなどに使用されています。さらに、製造が容易なため、様々な産業環境において優れた選択肢となります。
遊星歯車列のもう一つの例は、遊星歯車列です。これは、中央にリングがあり、外側のリングに太陽歯車がある2つの歯車で構成されています。それぞれの歯車は、その中心がもう一方の歯車のリングの周りを回転するように取り付けられています。遊星歯車と太陽歯車は、ピッチ円が滑らず同期するように設計されています。遊星歯車のピッチ円には、エピサイクロイド曲線を描く点があります。
このギアシステムは、他のタイプの遊星歯車よりもMTTR（平均修復時間）が短いという利点もあります。これらのギアセットの主な欠点は、動作に必要なベアリングの数が多いことです。さらに、遊星歯車は平行軸歯車よりもメンテナンスの手間がかかります。そのため、監視や修理がより困難になります。MTTRも平行軸歯車に比べて短くなります。また、軸がわずかにずれると、位置ずれや効率の低下を引き起こす可能性があります。
遊星歯車列のもう1つの例は、自動車の差動ギアボックスです。これらのギアは、腕時計、旋盤、自動車などで動力を伝達するために使用されています。さらに、航空機を含む他の多くの用途でも使用されています。静かで耐久性があるため、多くの用途で優れた選択肢となります。トランスミッション、繊維機械、さらには航空宇宙でも使用されています。ピッチポイントとは、ギアセットの2つの歯の間の経路のことです。1つのギアの軸方向ピッチは、そのベース円を大きくすることで大きくすることができます。
遊星歯車はインボリュート歯車とも呼ばれます。各歯車の歯数によって回転速度が決まります。24歯の太陽歯車は、3/2の比率を持つN歯の遊星歯車を生成します。24歯の太陽歯車は、-3/2の遊星歯車比に相当します。したがって、遊星歯車システムは駆動輪に高いトルクを提供します。しかし、この歯車列は自動車では広く使用されていません。

料金

遊星歯車機構は、通常のNCフライス盤で製造するよりも、専用工具で加工する方がコストが低くなります。遊星歯車キャリアは鋳造で製造し、複数のカッターを備えた専用工具を使用して材料を同時に切削する必要があります。この方法は産業用途で広く使用されており、特に自動車分野で有効です。高品質の遊星歯車機構には数多くの利点があります。
その一例として、惑星が太陽の軸上で回転しながら太陽の周りを公転する遊星歯車機構が挙げられます。各歯車の回転速度は、歯数とキャリアの回転速度によって決まります。遊星歯車は、太陽と惑星の相対速度を計算する必要があるため、相対速度の計算が複雑になる場合があります。固定された太陽は噛み合い時に回転数がゼロではないため、相対速度を計算する必要があります。
歯車の噛み合い動力伝達を決定するためには、遊星歯車は「フローティング」できるように設計する必要があります。接線方向の負荷が低すぎると、負荷分担が少なくなります。遊星歯車は「フローティング」を許容できる必要があります。また、ある程度の接線方向の負荷とピッチ線速度も許容する必要があります。これらの要素が高いほど、歯車セットの効率は高くなります。
遊星歯車列は、円周方向に配置された2つ以上の平歯車から構成されます。これらの歯車は、遊星歯車が固定された外側の歯車リングのピッチ円の内側を転がるように配置されています。この曲線はハイポサイクロイドと呼ばれます。遊星歯車が太陽歯車と噛み合う遊星歯車列は、遊星歯車列と呼ばれます。太陽歯車は固定されており、遊星歯車は駆動されます。
遊星歯車列は複数の噛み合いで構成されています。各歯車は異なる数の噛み合いを持ち、それが回転数（RPM）に反映されます。遊星歯車は、入力トルクを噛み合いに変換することで、負荷印加周波数を高めることができます。遊星歯車列は、太陽歯車、遊星歯車、リング歯車の3つの歯車で構成されています。太陽歯車は中央の歯車で、遊星歯車は太陽歯車の周りを公転します。リング歯車には複数の歯があり、歯車の回転速度を高めます。
遊星歯車機構のもう一つのタイプは、遊星歯車減速機です。この減速機は、中心軸の周りを複数の歯車が回転する構造になっています。薄型設計のため、設置スペースが限られた用途で広く利用されています。このタイプの減速機は、自動変速機に使用されています。さらに、電動ギアモーターを使用する多くの産業用途にも用いられています。使用する減速機の種類は、入力軸と出力軸の回転速度とトルクによって決まります。

編集者：CX 2023-05-06