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機械工学において、バックラッシュはラッシュ、遊び、またはスロップとも呼ばれ、部品間の隙間によって生じる機構内のクリアランスまたはロストモーションです。これは、「機械システムの任意の部品を、機械的な順序で次の部品に感知できるほどの力や動きを加えることなく、一方向に動かすことができる最大距離または角度」と定義できます。[1] p. 1-8ギアとギアトレインにおける例としては、噛み合ったギアの歯間のクリアランスがあります。これは、動きの方向が逆転し、動きの逆転が完了する前にたるみまたはロストモーションが吸収されたときに確認できます。列車が方向転換するときに、鉄道の連結器から音が聞こえます。別の例としては、機械式タペットを備えたバルブトレインがあり、バルブが適切に機能するためには、一定範囲のラッシュが必要です。
アプリケーションによっては、バックラッシュが望ましい場合とそうでない場合があります。ほぼすべての逆転機械式カップリングでは、ある程度のバックラッシュは避けられませんが、その影響を打ち消したり補正したりすることができます。多くのアプリケーションでは、理論上はバックラッシュがゼロであることが理想ですが、実際には、詰まりを防ぐためにある程度のバックラッシュを許容する必要があります。[引用が必要]バックラッシュの要件を指定する理由には、潤滑、製造エラー、負荷時のたわみ、熱膨張を考慮することなどがあります。[引用が必要]望ましくないバックラッシュの主な原因は摩耗です。
ギア
ギアトレインに必要なバックラッシュの量に影響を与える要因には、プロファイル、ピッチ、歯の厚さ、ねじれ角、中心距離、および振れの誤差が含まれます。精度が高いほど、必要なバックラッシュは小さくなります。バックラッシュは、ギアの歯を理想的な深さよりも深く切ることによって最も一般的に発生します。バックラッシュを導入するもう1つの方法は、ギア間の中心距離を増やすことです。[2]
歯厚の変化によるバックラッシュは、通常、ピッチ円に沿って測定され、次のように定義されます。
どこ：
ピッチ円上で測定されるバックラッシュは、動作中心の変更により、機械の速度、機械内の材料によって定義されます。
どこ：
標準的な方法は、各ギアの歯厚にバックラッシュの半分を考慮に入れることです。[要出典]ただし、ピニオン（2 つのギアのうち小さい方）が噛み合うギアよりも大幅に小さい場合は、大きい方のギアのバックラッシュをすべて考慮に入れるのが一般的です。これにより、ピニオンの歯の強度が最大限に維持されます。[2]ギアを作るときに削除される追加材料の量は、歯の圧力角によって異なります。圧力角が 14.5° の場合、切削工具が移動する追加距離は、必要なバックラッシュの量に等しくなります。圧力角が 20° の場合、距離は必要なバックラッシュの量の 0.73 倍に等しくなります。[3]
経験則として、平均バックラッシュは直径ピッチで割った0.04として定義されます。最小値は直径ピッチで割った0.03 、最大値は直径ピッチで割った0.05です。[3]メートル法では、値にモジュールを掛けるだけです。
ギアトレインでは、バックラッシュは累積します。ギアトレインが逆転すると、駆動ギアは、最終的な従動ギアが回転し始める前に、すべてのバックラッシュの合計に等しい短い距離だけ回転します。低出力では、バックラッシュにより、方向が変わるたびに小さな誤差が生じ、計算が不正確になります。高出力では、バックラッシュによりシステム全体に衝撃が伝わり、歯やその他の部品が損傷する可能性があります。[要出典]
バックラッシュ防止設計
特定のアプリケーションでは、バックラッシュは望ましくない特性であり、最小限に抑える必要があります。
位置決めが重要だが動力伝達が軽いギアトレイン
最も良い例は、アナログラジオチューナーのダイヤルです。ダイヤルを前後に動かすと、正確なチューニングが行えます。特殊なギア設計により、これが可能になります。最も一般的な設計の 1 つは、ギアを 2 つのギアに分割し、それぞれの厚さを元の半分にします。
ギアの半分はシャフトに固定され、もう半分はシャフト上で回転できますが、固定ギアに対してフリーギアを回転させる小さなコイルスプリングによって回転力があらかじめ与えられています。このように、スプリングの圧縮によってフリーギアが回転し、システム内のすべてのバックラッシュが取り除かれます。固定ギアの歯がピニオンの歯の片側を押し、フリーギアの歯がピニオンの歯のもう片側を押します。スプリングの力よりも小さい負荷ではスプリングは圧縮されず、歯の間に隙間がないため、バックラッシュは除去されます。
位置決めとパワーの両方が重要なリードスクリュー
バックラッシュが問題となるもう 1 つの領域は、リードスクリューです。ここでも、ギア トレインの例と同様に、正確に動きを伝達するはずの機構を逆転させるときに発生するロスト モーションが原因です。ギアの歯ではなく、ねじ山が問題となります。工作機械の直線スライド軸 (マシン スライド) が、その応用例です。
数十年にわたって、そして今日でも多くの機械スライドは、アキュムリードスクリュードライブを備えたダブテールスライドやボックススライドなどの、単純な（しかし正確な）鋳鉄製リニアベアリング面でした。単純なナットだけでは、ある程度のバックラッシュは避けられません。手動（非CNC）工作機械では、バックラッシュを補正する機械工の手段は、すべての正確な位置に同じ移動方向を使用してアプローチすることです。つまり、ダイヤルを左に回していて、次に右のポイントに移動したい場合は、右に移動してそのポイントを通過し、左にダイヤルを回してそのポイントに戻ります。その場合、セットアップ、ツールアプローチ、およびツールパスは、この制約内で設計する必要があります。[要出典]
単純なナットの次に複雑な方法は、分割ナットです。分割ナットの半分を調整してネジで固定し、両側がそれぞれ左ねじに乗り、もう一方の側が右面に乗るようにします。分割ギアを使用したラジオのダイヤルの例との類似性に注目してください。分割された半分が反対方向に押されます。ラジオのダイヤルの例とは異なり、切削を行う工作機械がネジに対して過度の力をかけるため、スプリング張力のアイデアはここでは役に立ちません。スライドの動きを少しでも可能にするほど軽いスプリングは、よくてもカッターのチャタリングを許容し、最悪の場合、スライドの動きを許容します。これらのネジ調整式の分割ナットと Acme リードスクリューの設計では、移動が拘束され始めるほどきつく調整しない限り、機械スライドのすべてのバックラッシュを排除することはできません。したがって、このアイデアは、常に同じ方向からアプローチするというコンセプトを完全に排除することはできません。それでも、バックラッシュは少量（1000分の1インチまたは2000分の1インチ）に抑えることができるので、より便利であり、精密でない作業ではバックラッシュを「無視」する、つまりバックラッシュがないものとして設計するのに十分です。CNCは、常に同じ方向からアプローチするコンセプトを使用するようにプログラムできますが、これは今日では通常使用されていません[いつ？ ]。油圧アンチバックラッシュスプリットナット、およびAcme/台形よりも新しい形式のリードスクリュー（再循環ボールねじなど）により、バックラッシュが効果的に排除されるためです。[要出典]軸は、行き過ぎて戻る動作をせずにどちらの方向にも移動できます。
マイクロ旋盤や手動から CNC への変換など、ナットとアクメねじのドライブを使用する最も単純な CNC は、各軸の合計バックラッシュを補正するようにプログラムできます。これにより、機械の制御システムは、方向を変えるときにたるみを解消するために必要な余分な距離を自動的に移動します。このプログラムによる「バックラッシュ補正」は安価なソリューションですが、プロ仕様の CNC では、上記のより高価なバックラッシュ除去ドライブを使用します。これにより、たとえば、エンドミルが一定の剛性で遅延なくさまざまな方向に移動するボール エンドミルで 3D 輪郭加工を行うことができます。[引用が必要]
機械式コンピュータでは、より複雑なソリューション、つまりフロントラッシュギアボックスが必要です。[4]これは、方向が逆転したときにバックラッシュのたるみを「使い切る」ためにわずかに速く回転することによって機能します。
一部のモーション コントローラにはバックラッシュ補正機能があります。補正は、(前述のように) 追加の補正モーションを追加するか、または閉ループ制御方式で負荷の位置を感知することによって実現できます。バックラッシュ自体の動的応答は本質的に遅延であり、位置ループの安定性を低下させ、振動が発生しやすくなります。
最小バックラッシュ
最小バックラッシュは、最大許容機能歯厚を持つギアの歯が、最小許容中心距離で、静的条件下で、最大許容機能歯厚を持つピニオンの歯とかみ合ったときに許容される動作ピッチ円での最小横方向バックラッシュとして計算されます。
バックラッシュ変動は、一対の噛み合う歯車のうち大きい方の歯車が1回転する際に発生する最大バックラッシュと最小バックラッシュの差として定義されます。[5]
アプリケーション
ギア カップリングのバックラッシュにより、わずかな角度のずれが生じます。非同期トランスミッションでは、ドッグ クラッチのドッグ間に意図的に隙間があるため、大きなバックラッシュが生じることがあります。入力軸 (エンジン) の速度と出力軸 (ドライブシャフト) の速度が完全に同期していない場合に、ドッグを噛み合わせるために隙間が必要です。隙間が小さいと、ほとんどの構成でドッグが互いに干渉するため、ギアを噛み合わせることはほぼ不可能になります。同期トランスミッションでは、シンクロメッシュがこの問題を解決します。
しかし、工作機械のテーブルなどの精密位置決めアプリケーションでは、バックラッシュは望ましくありません。ボールねじまたはリードスクリューをプレロードナット付きで選択し、プレロードベアリングに取り付けることで、バックラッシュを最小限に抑えることができます。プレロードベアリングは、スプリングや 2 番目のベアリングを使用して圧縮軸方向力を提供し、荷重方向が反転してもベアリング表面が接触した状態を維持します。
参照
参考文献
- ^ Bagad, VS (2009). メカトロニクス（第4版）. プネ: Technical Publications. ISBN 9788184314908. 2014年6月28日閲覧。
- ^ ab Backlash (PDF)、オリジナル(PDF)から2009年2月19日にアーカイブ、 2010年2月9日閲覧。
- ^ ab ジョーンズ、フランクリン・デイ; リフェル、ヘンリー・H. (1984)、ギア設計の簡略化 (第3版)、インダストリアル・プレス社、p. 20、ISBN 978-0-8311-1159-5。
- ^ Adler, Michael, Meccano Frontlash Mechanism、2011年7月14日時点のオリジナルよりアーカイブ、 2010年2月9日閲覧。
- ^ ギア命名法、記号による用語の定義。アメリカギア製造者協会。p. 72。ISBN 1-55589-846-7。OCLC 65562739。ANSI/AGMA 1012-G05。