川 崎 一 正,田 村 久 司
When hypoid gears are used in automobile rear axles, the gear axes are relatively displaced. The relative displacement of gear axes causes gear noise. In order to reduce gear noise, it is necessary to modify the tooth surfaces of the gears. In this paper, a method for cutting hypoid gears with modified tooth surfaces is proposed. In this method, the nongenerated ring gear is cut by a cutter in which each cutting edge is modified from the usual straight line to a circular arc with a large radius of curvature and the pinion is generated by a cutter with straight cutting edges as usual. Although a useless tooth surface which does not mesh with the mating surface is apt to appear on the pinion tooth flank during manufacturing, with this method, the surface does not appear. The main procedure of this method is the determination of the machine settings for the Gleason hypoid generator. In order to confirm the validity of the method, a pair of hypoid gears was designed and manufactured using this method. As a result, the tooth bearing was acceptable and the appearance of the useless tooth surface could be avoided.Key Words: Gear, Design, Cutting, Hypoid Gear, Tooth Bearing, Gleason Hypoid Generator, Undercut, Profile Modification, Crowning
Fig. 1 Center point of tooth bearing and design point
1',
2 は外・内切れ刃の傾き角,(y0, z0),(y0', z0') は円弧曲率中心の座標,r,r' は円弧の曲率半径である.
,
'は切れ刃曲線上の位置を,u,u' は切れ刃の旋回角を意味する.擬円すい面は二つのパラメータ u と
あるいは u' と
'によって表される.

Fig. 2 Shape of cutting edges of face-mill type of cutter in ring gear cutting
2/8, -R/8) を通るものとした.そのときには,
・・・・・(1)
また,
0は図2に示すとおりで,
・・・・・(2)
1'/8, -R/8) を通るものとした.そのときの y0',z0',
0' は y0,z0,
0 と同様にして求められる.
Fig. 3 Shape of cutting edges of face-mill type of cutter in pinion cutting
・・・・・(3)
ここに,添字 g,p,c はそれぞれギヤ,ピニオン,カッタに関することを意味し,「'」はギヤ凹歯面とピニオン凸歯面に関することを意味する.式(3)で示されている各カッタ刃面の単位面法線ベクトルをそれぞれ Ngc(ug, ),Ngc'(ug', ),Npc(up),Npc'(up') で表す.また,その向きは曲面の軸側から外側へ向かう方向を正とする.
とする.
が
1,
2,・・・と順次変化したときに現れる歯面創成線 G1,G2,・・・ および点 A0 の軌跡 L1,L2,・・・ をピニオンに固着した座標系でみたものである.軌跡 L1,L2,・・・ において,実線で示した部分が歯面上にあり,破線で示した部分が空間側にある.また,点 PI は創成角の瞬間の創成線 G1 と点 A0 の軌跡 L1 の交点である.よって,創成線 G1 の現れる範囲は PI までである.一方,同じ瞬間,点 A0 はピニオン歯底の点 PU を創成している.したがって点 PI と点 PU が一致しない場合,図4の陰影部で示したような創成線の現れない部分が生じる.陰影部で示した領域は,カッタ刃先角部 A0 が点刃物のように作用し,細い筋状の切削痕を残し,その切削痕が集まって一つの曲面を形成したものであり,一旦創成された歯面が刃先角部により切り取られるいわゆる切り下げとは異なる.陰影部はかみあいには関与しない曲面である.よって,この曲面を無効歯面ということにする.無効歯面の発生を防ぐためには,点PIがピニオン歯底にくるようにする.すなわち,点 PI においてカッタ刃先がピニオン歯底を創成し,かつ円すい面がピニオン歯面を創成するようにすればよい.それには,点 PI においてカッタ刃先稜の接線方向がピニオンとギヤの間の相対速度方向に一致するようにする.具体的には点 PI における歯すじ方向を相対速度方向に定める.
が刻々変化したとき,そのときのLは無効歯面を,Gはピニオン歯面を作るが,各瞬間のLとGはともに刃面上にあることから,無効歯面と歯面とはなめらかにつながった形のものになる.
Fig. 4 Cause of appearance of useless tooth surface
Fig. 5 Hypoid gears and their coordinate system
gi とする)を定める.実際に頂げきを確保するときには,ギヤ歯先円すい角を
gi よりも小さくする要領で行う.
・・・・・(4)
点 P におけるピニオンとギヤの間の相対速度ベクトルを W としたとき,W に接しギヤ軸を軸とする円すいがギヤ歯先円すいになる.そのギヤ歯先円すいの単位面法線ベクトル Ng は W と直交するから
・・・・・(5)
ここに,
・・・・・(6)
V は歯車の速度ベクトルである.式(4),(5)より X0,Y0, Z0 すなわち設計基準点の位置 X0 が決まる.
Fig. 6 Design point P
prが決まる.さらに,点 P におけるねじれ角βg,βpが決まる.次いで,歯たけ hk と頂げき b を与えることにより,ピニオン歯先円すい角
pf,ギヤ歯先円すい角
gfおよびギヤ歯底円すい角
grを決定することができる.

Fig. 7 Method of ring gear cutting
Fig. 8 Transformation of ring gear into Om-xmymzm
だけ回転し,yz平面の近くにくるようにする.このようにするのは,かさ歯車がピッチ母線(Pitch surface generaror)(12)近辺で歯切りされるのと同様に考えて,ym軸近辺でギヤの歯溝を切削するためである.次に,ギヤブランクをz軸方向に平行移動して頂点Ogが原点Oにくるようにし,さらにy軸まわりに半回転したのち,x軸まわりに(
gr-
/2)ラジアン回転する.そうするとギヤブランクは図7に示した状態になる.このとき,点Pは点Pmに移っている.点Pmを位置ベクトルx0で表すと,
=(
gr-
/2)とおいて,
・・・・・(7)
ここに,EgはO-xyzにおけるギヤ歯先円すい頂点Ogの位置ベクトルである.また,A,B,Cはそれぞれx,y,z軸まわりの回転に関する座標変換行列で,以下の内容をもつ.
・・・・・(8)
ハイポイドギヤでは相対速度ベクトルWはギヤの歯すじを決めるので,ギヤ歯面を歯切りするとき必要になる.よって,これもOm-xmymzmに変換し,wとおく.
・・・・・(9)
いま,Om-xmymzmにおいてカッタ中心OcがDg≡(Vg, Hg, 0)Tにあるカッタ刃面Xgc,Xgc'でギヤ歯面を広刃法(Spread-blade 法)で成形歯切りするものとする.このとき,ギヤ凸歯面歯すじ方向を凹歯面歯すじ方向よりも優先させて考え,刃面Xgcが点Pmでwに接するようにする.
・・・・・(10)
式(10)より,Vg,Hgとug,が決まる.すなわち,カッタ・マシンセッティングDgが決まる.
6・2 ピニオンの歯切り ピニオンは片刃法によって直接創成歯切りする.よって,ピニオンの歯切りは凹歯面と凸歯面別々に考える必要がある.ここではまず,凹歯面の歯切りについて考える.
だけ傾けるが,zc軸はym軸まわりにも回転することができるから,角度
傾けたのち微小角度
だけym軸まわりに回転して傾けることを許すものとする.これによって圧力角の調節がある程度できる.
はいまのところ未知である.なお,点Qmの位置ベクトルxm0は
を母線とする円すいの半頂角と,点Qmからギヤ軸におろした垂足Rg0とを指定することで決定できる.刃面Xpcとギヤ歯面との接触条件は,カッタ中心OcがD≡(V, H, Z)Tにあるとして
・・・(11)
式(11)よりV,H,Zとup,vp,
が決まる.結局,Om-xmymzmにおいては,カッタ中心Ocは(V, H, Z)にあり,カッタ軸方向は次に示す単位ベクトルaの方向を向いていることになる.
・・・・・(12)
Fig. 9 Sketch showing the cutter used for pinion generation and the ring gear
・・・・(13)
Table 1 Basic data of hypoid gears
Table 2 Cutters specifications (mm)
Table 3 Calculated results of hypoid gear design (mm)
1,
2,
3,
4はGleason No. 116 hypoid generatorに対するカッタ・マシンセッティング角で,それぞれチルト,スイベル,エキセン,クレードル設定値である.これらはDp,ap,Dp',ap'から決まるものである.
Table 3 Calculated relative total curvature K
(a) Photograph of tooth bearing
(b) Sketch of tooth bearing
Fig. 10 Tooth bearing of mating gears