[38] UTS(常時伝達変速システム設計)


38.1 概要
  UTS[Uninterrupted Transmission System] は,非円形歯車を用いた常時伝達変速システムです.
  自動車などで広く使用されている歯車式変速機は,減速比を変える変速作業の際に駆動力を伝達できないという現象が発生するが,小森雅晴(京都大学大学院 工学研究科 機械理工学専攻)は,変速前後の歯車の両方の形状を兼ね備えた非円形歯車を用いることにより,変速の際に生じる“駆動力抜け”をゼロにできる常時伝達変速システムUTS を開発した.
  UTS設計支援ソフトウェアは,このシステムを簡単に設計することができるソフトウェアです.

38.2 UTSの概要
  図38.2に示すUTSの構造図において各クラッチを締結するとそれに相当する歯車が入出力軸間に駆動力を伝える.


変速用歯車の非円形歯車は,図38.3に示す形状を持ち,区間[a]では1速歯車と区間[b]では2速歯車と一致する.この非円形歯車が,図38.3上に示す区間[a]でかみ合う場合は,1速歯車と同じかみ合い状態となり,同じ減速比となる.一方,図38.3下でかみ合う場合は,2速歯車と同じ状態となる.図38.3の矢印方向に非円形歯車が回転する場合,1速状態から2速状態に変化し,その後,1速状態に戻る.
  1速から2速に変速する場合は,変速用歯車が区間[a]でかみ合い,1速状態となるときに変速用クラッチを締結する.次に1速クラッチを解放し,変速用歯車だけが駆動力を伝達する状態とする.その後,回転が進むと,変速用歯車のかみ合いは,区間[a]から区間[b]に移り,1速状態から2速状態に変化する.ここで2速クラッチを締結し,変速用クラッチを解放する.これにより2速状態となり1速から2速への変速プロセスが完了する.また,2速から1速への変速も同様である.UTSは変速中でも変速用歯車が駆動力を伝達しているため,駆動力が抜けることがない.

◆UTSの効果
(1)加速性能を良くしつつ燃費も良くする
    現在の歯車式変速機では変速時にタイヤに駆動力が伝わらな いため無駄に
    エネルギーが消費されるとともに速度低下を引き起こすが,本システムでは変
    速時にも非円形歯車が駆動力を伝達しながら減速比を滑らかに変化させるた
    めエネルギーを有効に利用でき,高い加速性能も実現できる.
(2)正確な回転伝達が可能
    現在の変速機では,変速時に入力軸と出力軸が遮断された空転状態となる
    ため回転を正確に伝達することができない.し かし,本システムでは回転角度
    を正確に制御することが可能となるため,精密位置決め装置やロボットなど機
    械に正確な動作が要求される分野で本システムの応用が可能である.
(3) 変速システムの適用範囲の拡大
    本変速システムであればこれまで変速機を使用できなかった分野でも利用可
    能であり,これにより駆動源の小型化や共通化,高い速度と大きな駆動力を
    実現できる.

図38.4にUTSの実験装置を示します.

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38.3 初期設定
  図38.5に示す初期設定では,基準ラック(並歯,低歯,特殊)を設定することができます.高歯の場合は,歯末のたけ係数,歯元のたけ係数そして適宜に歯元R 係数を設定してください.


38.4 インボリュート歯車の諸元設定
  インボリュート歯車諸元(1速,2速)の設定画面を図38.6に示します.1速,2速歯車の中心距離は共通です.
  図38.6のインボリュート歯車諸元確定後,図38.7および 図38.8に示すインボリュート歯車寸法の計算画面を表示しますので,かみ合い数値やバックラッシなどを確認することができます.また,インボリュート歯車の歯形かみ合いを図38.9に示します.


38.5 非円形歯車の諸元設定
  図38.10に非円形歯車の諸元設定画面を,また,図38.11に非円形歯車の寸法結果を示します.図38.10で設定する不等速回転角(θq)は,図38.12に示すように,2 つの速比を滑らかに接続するための回転角度幅です.この範囲が大きいほど緩やかに回転比が変化します.これを基に決定した非円形歯車のピッチ曲線を図38.13に示します.

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38.6 速比グラフ
  非円形歯車の速比グラフ(a)角度,(b) 角速度比,(c)角加速度比,(d)半径を図38.14に示します.なお,変速切り換え可能範囲は,図38.15に緑色で示す円筒歯車の範囲でありθs~θe が,角速度比が変化している部分です. この( b ) 角速度比から図38.13 のピッチ曲線が決まりますので角速度比グラフが正しく描かれていることが重要です.また,ここで表示したグラフ数値はcsvファイルに出力することができます.

38.7 非円形歯車の歯形図(2D)
  非円形歯車の歯形を図38.16のように表示することができます.また,歯形の拡大や距離測定の機能もあり,画面下のスクロールバーで歯車の回転角度を変更することができます.


38.8 歯形レンダリング
  図38.17に非円形歯車の歯形レンダリングおよびコントロールフォームを示します.また,図38.18は,非円形歯車にピッチ円を描いています.

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38.9 オーバーピン寸法
  非円形歯車はそれぞれの歯形が異なりますので1歯ごとのオーバーピン寸法を図38.19に示します.また,図38.20に歯形とピンの位置を,また,図38.21にピン配置のCAD作図例を示します.


38.10 歯形出力
  非円形歯車の歯形を図38.22で出力することができます. CAD歯形作図例を図38.23および図38.24 に示します.

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