(57)【要約】  ウォームシャフト１２に脱着可能に差込み可能であり、または差し込まれている複数のウォームエレメント１６ａ，１６ｂ，１６ｃから成り、ウォームシャフトが外歯１６を有し、ウォームエレメントが外歯に噛み込む内歯２２ａ，２２ｂ，２２ｃを有する形態を有する押出機ウォーム１１であるが、外歯および内歯１６、２５a、２５b、２２a、２２b、２２c、２６a、２６bの噛み合い歯の歯形２８、３３を非対称とし、押出機ウォーム１２，２３a、２３bの優先回転方向Ｒに対して、外歯および内歯の噛み合い歯の回転トルク伝達歯面２９、３４の回転軸Ａを通過する法線Ｎに対する角度が、外歯および内歯の噛み合い歯２８、３３のそれぞれ向かい側の歯面３０、３５の同じく回転軸を通過する法線に対する角度よりも小さい構造である押出機ウォーム。
2008511469.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウォームシャフトに脱着可能に差込み可能であり、または差し込まれている複数のウォームエレメントから成り、ウォームシャフトが外歯を有し、ウォームエレメントが外歯に噛み込む内歯を有する形態を有する押出機ウォームにおいて、
外歯および内歯（１６、２５a、２５b、２２a、２２b、２２c、２６a、２６b）の噛み合い歯（２８、３３）の歯形を非対称とし、押出機ウォーム（１２、２３a、２３b）の優先回転方向（Ｒ）に対して、外歯および内歯（１６、２５a、２５b、２２a、２２b、２２c、２６a、２６b）の噛み合い歯（２８、３３）の回転トルク伝達歯面（２９、３４）の回転軸（Ａ）を通過する法線（Ｎ）に対する角度が、外歯および内歯（１６、２５a、２５b、２２a、２２b、２２c、２６a、２６b）の噛み合い歯（２８、３３）のそれぞれ向かい側の歯面（３０、３５）の同じく回転軸を通過する法線に対する角度よりも小さい構造とすることを特徴とする、押出機ウォーム。
【請求項２】
請求項１に掲げる押出機ウォームにおいて、小さい方の角度は０°と５°との間であり、大きい方の角度は４５°と１５°との間であることを特徴とする、押出機ウォーム。
【請求項３】
請求項３に掲げる押出機ウォームにおいて、小さい方の角度は０°と２°との間であり、大きい方の角度は２５°と３５°との間であることを特徴とする、押出機ウォーム。
【請求項４】
請求項２に掲げる押出機ウォームにおいて、小さい方の角度は０°であり、大きい方の角度は３０°であることを特徴とする、押出機ウォーム。
【請求項５】
前掲のいずれか１つの請求項に掲げる押出機ウォームにおいて、外歯および内歯（１６、２５a、２５b、２２a、２２b、２２c、２６a、２６b）の互いに向かい合っている歯面区間が平坦に形成されることを特徴とする、押出機ウォーム。
【請求項６】
前掲のいずれか１つの請求項に掲げる押出機ウォームにおいて、外歯および内歯（１６、２５a、２５b、２２a、２２b、２２c、２６a、２６b）の歯先（３２、３７）がおおむね平坦であることを特徴とする、押出機ウォーム。
【請求項７】
前掲のいずれか１つの請求項に掲げる押出機ウォームにおいて、内歯（２２a、２２b、２２c、２６a、２６b）または外歯（１６、２５a、２５b）あるいはそれら双方の歯先（３２、３７）には、場合によってはそれぞれの荷重を運ぶ歯面（２９、３４）に１つのステージ（３９）が残るように形成ないしは配置されるリセス（３８）が設けられることを特徴とする、押出機ウォーム。
【請求項８】
請求項７に掲げる押出機ウォームにおいて、リセス（３８）は大きい方の角度で形成されている歯面（３０、３５）から発して基本的に平らに他の歯面（２９、３４）の方向に移行することを特徴とする、押出機ウォーム。
【請求項９】
前掲のいずれか１つの請求項に掲げる押出機ウォームにおいて、外歯または内歯（１６、２５a、２５b、２２a、２２b、２２c、２６a、２６b）の歯底（３１、３６）は丸みづけされることを特徴とする、押出機ウォーム。
【請求項１０】
請求項９に掲げる押出機ウォームにおいて、外歯（１６、２５a、２５b）の歯底（３１）の曲率半径（ｒ）は０.３５ｍと０．４５ｍとの間、特に０.４ｍとし、内歯（２２a、２２b、２２c、２６a、２６b）の歯底（３６）の曲率半径（ｒ）は０.３ｍと０．４ｍとの間、特に０.３５ｍであることを特徴とする、押出機ウォーム。
【請求項１１】
前掲のいずれか１つの請求項に掲げる押出機ウォームにおいて、外歯および内歯（１６、２５a、２５b、２２a、２２b、２２c、２６a、２６b）のモジュールは、少なくとも外歯（１６、２５a、２５b）の噛み合い歯（２８）が少なくとも歯先領域（３２）において曲げ弾性を有するように選ばれることを特徴とする、押出機ウォーム。
【請求項１２】
前掲のいずれか１つの請求項に掲げる押出機ウォームにおいて、ウォームシャフト（１２、２４a、２４b）は少なくとも外歯（１６、２５a、２５b）領域を可塑性の材料で構成し、他方、ウォームエレメントは少なくとも内歯（２２a、２２b、２２c、２６a、２６b）の領域をそれよりも硬くすることを特徴とする、押出機ウォーム。
【請求項１３】
前掲のいずれか１つの請求項に掲げる、単軸または多軸の押出機ウォーム（１１、２３a、２３b）から成る押出機。
【請求項１４】
請求項１３に掲げる押出機において、２本または複数の押出機ウォーム（１１、２３a、、２３b）を採用する場合、押出機ウォームは同方向または逆方向に回転することを特徴とする、押出機ウォーム。
【請求項１５】
ウォームシャフトに脱着可能に差込み可能であり、または差し込まれている複数のウォームエレメントから成り、ウォームシャフトが外歯を有し、ウォームエレメントが外歯に噛み込む内歯を有する形態を有するシャフト・ハブ・連結機構において、
外歯および内歯（１６、２５a、２５b、２２a、２２b、２２c、２６a、２６b）の噛み合い歯（２８、３３）の歯形を非対称とし、シャフト（１２、２４a、２４b）の優先回転方向（Ｒ）に対して、外歯および内歯（１６、２５a、２５b、２２a、２２b、２２c、２６a、２６b）の噛み合い歯（２８、３３）の回転トルク伝達歯面（２９、３４）の回転軸（Ａ）を通過する法線（Ｎ）に対する角度が、外歯および内歯（１６、２５a、２５b、２２a、２２b、２２c、２６a、２６b）の噛み合い歯（２８、３３）のそれぞれ向かい側の歯面（３０、３５）の同じく回転軸を通過する法線に対する角度よりも小さい構造とすることを特徴とする、シャフト・ハブ・連結機構。
【請求項１６】
請求項１５に掲げるシャフト・ハブ・連結機構において、小さい方の角度は０°と５°との間であり、大きい方の角度は４５°と１５°との間であることを特徴とする、シャフト・ハブ・連結機構。
【請求項１７】
請求項１６に掲げるシャフト・ハブ・連結機構において、小さい方の角度は０°と２°との間であり、大きい方の角度は２５°と３５°との間であることを特徴とする、シャフト・ハブ・連結機構。
【請求項１８】
請求項１７に掲げるシャフト・ハブ・連結機構において、小さい方の角度は０°であり、大きい方の角度は３０°であることを特徴とする、シャフト・ハブ・連結機構。
【請求項１９】
請求項１５から１８のいずれかに掲げるシャフト・ハブ・連結機構において、外歯および内歯（１６、２５a、２５b、２２a、２２b、２２c、２６a、２６b）の互いに向かい合っている歯面区間が平坦に形成されることを特徴とする、シャフト・ハブ・連結機構。
【請求項２０】
請求項１５から１９のいずれかに掲げるシャフト・ハブ・連結機構において、外歯および内歯（１６、２５a、２５b、２２a、２２b、２２c、２６a、２６b）の歯先（３２、３７）がおおむね平坦であることを特徴とする、押出機ウォーム。
【請求項２１】
請求項１５から２０のいずれかに掲げるシャフト・ハブ・連結機構において、内歯（２２a、２２b、２２c、２６a、２６b）または外歯（１６、２５a、２５b）あるいはそれら双方の歯先（３２、３７）には、場合によってはそれぞれの荷重を運ぶ歯面（２９、３４）に１つのステージ（３９）が残るように形成ないしは配置されるリセス（３８）が設けられることを特徴とする、シャフト・ハブ・連結機構。
【請求項２２】
請求項２１に掲げるシャフト・ハブ・連結機構において、リセス（３８）は大きい方の角度で形成されている歯面（３０、３５）から発して基本的に平らに他の歯面（２９、３４）の方向に移行することを特徴とする、シャフト・ハブ・連結機構。
【請求項２３】
請求項１５から２１のいずれかに掲げるシャフト・ハブ・連結機構において、外歯および内歯（１６、２５a、２５b、２２a、２２b、２２c、２６a、２６b）の歯底（３１、３６）は丸みづけされることを特徴とする、シャフト・ハブ・連結機構。
【請求項２４】
請求項２３に掲げるシャフト・ハブ・連結機構において、外歯（１６、２５a、２５b）の歯底（３１）の曲率半径（ｒ）は０.３５ｍと０．４５ｍとの間、特に０.４ｍとし、内歯（２２a、２２b、２２c、２６a、２６b）の歯底（３６）の曲率半径（ｒ）は０.３ｍと０．４ｍとの間、特に０.３５ｍであることを特徴とする、シャフト・ハブ・連結機構。
【請求項２５】
請求項１５から２４のいずれかに掲げるシャフト・ハブ・連結機構において、外歯および内歯（１６、２５a、２５b、２２a、２２b、２２c、２６a、２６b）のモジュールは、少なくとも外歯（１６、２５a、２５b）の噛み合い歯（２８）が少なくとも歯先領域（３２）において曲げ弾性を有するように選ばれることを特徴とする、シャフト・ハブ・連結機構。
【請求項２６】
請求項１５から２５のいずれかに掲げるシャフト・ハブ・連結機構において、ウォームシャフト（１２、２４a、２４b）は少なくとも外歯（１６、２５a、２５b）領域を可塑性の材料で構成し、他方、ウォームエレメントは少なくとも内歯（２２a、２２b、２２c、２６a、２６b）の領域をそれよりも硬くすることを特徴とする、シャフト・ハブ・連結機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ウォームシャフトに脱着可能に差込み可能であり、または差し込まれている複数のウォームエレメントから成り、ウォームシャフトが外歯を有し、ウォームエレメントが外歯に噛み込む内歯を有する形態を有する押出機ウォームに関する。
【背景技術】
【０００２】
この形態の、差込み式ウォームとも呼ばれる押出機ウォームは一般に知られており、用途に応じて、送りエレメント、混練りエレメント、または混合エレメントのような種々のウォームエレメントがさまざまな配列でウォームシャフトに配設可能であることにより、さまざまな押出機ウォームの構造が存在する。
【０００３】
まずウォームエレメントの差込みを可能にし、他方、押出機モータを経由して回転トルクが導入されるウォームシャフトからウォームエレメントへ運転に必要な回転トルク伝達を可能にするために、ウォームシャフトとウォームエレメント群との間にシャフト・ハブ・噛み合い歯機構が設けられる。すなわち、ウォームシャフトは外歯を有し、ハブとしての役割を果たすウォームエレメントはエレメントの孔の内側に内歯を形成し、それらの両方の噛み合い歯が互いに噛み合う機構である。
【０００４】
通常、押出機ウォームでは、規格ＤＩＮ５４８０、ＤＩＮ５４６４またはＩＳＯ４１５６に規定される、インボリュートギヤ形態のシャフト・ハブ・連結機構が用いられる。この、剛強な機械的連結によって構成される対称の噛み合い歯機構は、かなり強力な回転トルク伝達を実現するとともに、ウォームエレメントの簡単な分解組立をも可能にする。
【０００５】
押出機においては常に、まず処理能力の向上に直接的な効果を及ぼす大きい出力性能へのニーズがある。それ故、押出機の構成にあたっては、使える回転トルク、すなはち、ウォームシャフトからウォームエレメントへ効率的に伝達されうる回転トルク、ウォームの回転数、従って、出力性能、ならびに提供されるウォーム容量の余力が決定的な設計基準となる。利用可能の高回転トルクは、まず比較的大きい充填効率が実現でき、他方、低い平均せん断速度および比較的低い製品温度が実現されうるので、基本的に常に求められる。押出機内の製品の滞留時間は短くなり、製品への荷重はより低い回転トルクをもつ比較可能な製法工程におけるよりも総じて低い。全体的には高い回転トルクは高いウォーム回転数をもたらし、従って、より大きい処理能力を実現する。
【０００６】
しかし、本来、回転トルクの増大はウォームシャフトおよびウォームエレメントの材質および歯車機構の形態により決定されるエレメント剛性により制約を受ける。すなわち、最大限の荷重を伝達できる回転トルクがそれらの要素から決定される。たしかに、一定の材料に関わる後処理によってはなお弱化の回転トルク増大を見込むこともできるが、大きくは望めないし、通常、多大なコストを伴う。
【０００７】
処理能力を増大させるためのもうひとつの方法としては、通常、ウォーム外径Ｄaとウォーム内径Diとの容量比として表示される使用可能な容量の増大である。たとえば、同方向回転方式の２軸ウォーム押出機における通常の容量比は1.4から最大1.6の範囲にある。軸間距離を変えないでウォームスパイラル溝を深くすることにより容量を増やせば、給送能力を向上させ、相対的な所要エネルギ低減により材料温度の低下が生じ、最終的に容量比を増大させながら相対的に高いウォーム回転数が実現する。しかし、その場合、軸間距離を代えないで容量比が増えるということはウォームシャフトがより薄くなるか、またはウォームエレメントの肉厚が非常に薄くなるという欠点が生じる。1.6を超える値を示す大きい容量比の場合、この幾何形状での状態は、高い回転トルクでの伝達を不能にする結果を招く。というのは、ウォームシャフトからウォームエレメントへの回転トルク伝達によって移行する力は局部的に許容限度を超える高い応力をもたらし、その結果としてシャフト・ハブ・連結機構の破損を招くからである。
【非特許文献１】規格ＤＩＮ５４８０
【非特許文献１】規格ＤＩＮ５４６４
【非特許文献１】規格ＩＳＯ４１５６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
よって、本発明の課題は、従来の押出機ウォームよりも優れ、一般的に非常に高い回転トルクの伝達を、しかも、特に大きい容量のウォームにおいても可能にする押出機ウォームを提案することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この課題を解決するために、冒頭に述べた様態の押出機ウォームにおいて、本発明により外歯および内歯の噛み合い歯の歯形を非対称とし、押出機ウォームの優先回転方向に対して、外歯および内歯の噛み合い歯の回転トルク伝達歯面の回転軸を通過する法線に対する角度が、外歯および内歯の噛み合い歯のそれぞれ向かい側の歯面の同じく回転軸を通過する法線に対する角度よりも小さい構造とする
ことが提案される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の押出機ウォームを使用すれば、容量比が１.６を超える、すなわち、１.６５−１.７の非常に高い容量比をもつ高出力押出機を実現できるが、そのような押出機は、シャフト・ハブ・連結機構が回転トルク伝達ならびに発生する圧力応力および切り欠き脆性の面で最も適切な構造となるので、非常に大きい回転トルクの伝達ないしは高い回転トルク密度比率Ｍd/a3（Ｍd＝回転トルク、a＝軸間距離）ならびに高速回転を許容する。そして、さまざまな形態の押出機において一様に実現可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
従来技術と異なり、本発明は特殊な歯面幾何形状を有する非対称歯形を提案する。この非対称歯形により、押出機はいかなる用途であっても強力な回転トルク上昇が実現することができる。本発明は、押出機ウォームというものは１つの優れた優先回転方向を有するという考え方に基づいている。すなわち、押出機の操業では、材料が給送、処理されるとき、押出機ウォームは１方向にのみ回転する。この回転方向を基準とし、本発明の歯形では、互いに噛み合い、シャフト外歯からハブ内歯へ回転トルクを伝達する外歯および内歯の歯面は回転軸を通る法線に対して比較的小さい角度を有する。これに反して、回転トルク伝達に関与しない向かい側の歯面は軸法線に対して一段と大きい角度をとることになる。この非対称性に基づき、本発明の歯形は完全に対称なスプラインシャフト噛み合い歯よりも一段と幅が広い歯元を有する。これにより、この幅広の歯元は一段と大きいトルク伝達を可能にするとともに、歯元に生じる応力の影響、特に切り欠き脆性は大幅に小さくなる。
【００１２】
回転トルクを伝達する噛み合い歯の歯面、すなわち、先行の外歯面および後行の内歯面の歯面は急斜面が選ばれているが、このことによりハブに導かれる半径方向分力も大幅に低減する。むしろ、基本的にまたは全面的に切線応力が存在するが、この場合、この応力割合は歯面傾斜度が増すにつれて増大する。これにより、ハブに取り込まれる拡張力は荷重歯面を経由して大幅に減る。このことは、たとえば、無心焼入れで処理された耐摩耗性に富むウォームエレメントのような直接応力に弱い材質の採用に有利にはたらき、そして回転対称輪郭をもたない（特に、局部的に非常に薄い肉厚をもつ）ハブにおける応力特性にも非常に好ましい影響を及ぼす。
【００１３】
非対称歯形のさらに別の利点は、歯数を通常のインボリュートスプラインに比べ大幅に増やすことができることである。それにより、比較的大きい荷重負担能力が実現され、その結果、比較的大きい回転トルクが伝達されうる。従来のインボリュートスプラインでは、選ばれたモジュールにおいて、たとえば、２４枚の歯が設けられたが、これからは適切なモジュール選択により、トルク伝達力を大幅に増やしたうえに、たとえば、３６枚の歯を設けることができる。
【００１４】
従って、本発明により非対称方式で構成されるシャフト・ハブ・連結機構は、通常、インボリュートスプライン形態の従来技術においてほとんど採用されている対称方式の歯機構に比べ、ウォームシャフトから個々のウォームエレメントへ伝達される回転トルクの大幅な増大を可能にする。この回転トルク増大は、いかなる容量比のウォームであっても実現できる。というのは、荷重および応力が最適化される歯形設計に基づき、連結領域における応力は現実の与件に合わせて最適化できるからである。伝達可能な回転トルクを制限する幾何形状が、大きいスパイラル溝深さの結果として、削減されたコア肉厚または壁肉厚によって生まれるような、容量比Ｄi/Daが１.６を超えるウォームにおいても、顕著な回転トルク増大が実現でき、たとえば、1.65または1.7の容量比のウォームであればこれまで伝達できなかった回転トルクの伝達も実現できるのである。
【００１５】
回転トルクを伝達する歯面の小さい方の角度は０°と５°との間になければならない。すなわち、この角度は０°-荷重面の場合は回転軸に対して半径方向に推移する。この角度は最大でも５°という非常に小さい角度をとる。大きい方の角度は４５°と１５°との間である。さらに最適化を目指すには、小さい方の角度は０°と２°との間であり、大きい方の角度は２５°と３５°との間になければならない。１つの具体的な特に好ましい歯面幾何形状として、小さい方の角度が０°、大きい方の角度が３０°であることを提案する。これはすなわち、それぞれの荷重歯面は回転軸に直角であり、向かい側の歯面は回転軸に対して３０°の角度をとる。前記の基本間隔後行の裏歯面４５°―１５°および特に約３０°の後行の裏歯面の圧力角はウォームの逆転をも可能にすることで特別の利点がある。これは、あまり起こらない特殊ケースであるが、詰まって動けなくなってしまったウォームを動くようにするために時おり必要となる。この場合、３０°歯面は、通常のＤＩＮ５４８０インボリュートスプラインの場合とほぼ同じ回転トルク伝達を実現する。このインボリュートスプラインはその対称性により一般的に両回転方向へのむらの無い伝達能力を実現しており、そしてこれらの両回転方向では通常３０°歯面も両側に設けられている。ここで、それぞれの角度値は明確には述べていないが、もちろん前記の最大間隔に含まれるあらゆる中間角度は本発明の重要部分として開示されるにふさわしいということを示唆しておきたい。
【００１６】
０°-荷重歯面ではほぼゼロである拡張力ないしは半径方向力を低減するための最適のトルク伝達については、本発明の効果的な構造としては、荷重歯面または後行の裏歯面を問わず、互いに向かい合っている歯面区間を平坦に形成することが提案される。ここで、「平坦」という概念は、１つまたは他のケースにおいて効果的である、平らで、凹凸の無い面のことを意味する。このことは同様におおむね平坦にすることができる、外歯および内歯の歯先の形状にも該当する。
【００１７】
本発明の特に優れた１つの展開として、外歯または内歯あるいはそれら双方の歯先には、場合によってはそれぞれの荷重を運ぶ歯面に１つのステージが残るように形成ないしは配置されるリセスが設けられる。すなわち、内歯または外歯あるいはそれら両方の歯先は、その少なくとも１つのリセスの上方においてそれぞれの回転トルク伝達歯面に隆起または歯先ステージが残るように加工されるわけである。この歯先ステージはそれに続くリセスに落ち込むが、その途中には発生しうる切り欠き脆性を防ぐために効果を発揮する丸みづけが施されるという優れた構成となる。これにより、互いに噛み合う荷重伝達歯面の領域におけるエッジ圧迫隆起の形態での作用が抑制される。形成される歯先ステージまたは隆起は塑性変形流れが可能であるので、そこに発生する力または圧迫応力の解消を実現できる。すなわち、適切な歯形加工により従来の歯断面に比べやや軟らかい、塑性変形が可能となる領域が創造され、この領域が応力解消に寄与するのである。回転トルク伝達では、歯先に向かう開放側のエッジにおけるトルク伝達歯面の領域において最大の圧迫応力が発生するので、この歯先の歯形は、特に好ましくは、ウォームエレメントの内歯に設けるのがよい。応力条件を最適にするために、このピーク応力を本発明により形成される歯形により効果的に解消することができる。この場合、リセスは大きい角度で形成されている歯面から発しておおむね内側に湾曲して他の歯面の方向に移行していなければならない。これで、歯先には一種の高原ないし平面が形成される。この高原は次により高い歯先ステージに移行する。このように形成される高原も、そしてまた基本的に平坦な歯先も当然ながらそれぞれのエレメントの箇所における内外の曲率半径をトレースするので、曲率半径に対応してやや湾曲することができる。
【００１８】
従来技術の対称歯形の場合、回転トルク伝達が制限されるという重大な問題は、それだけの問題でなく通常、非常に鋭い歯元丸みづけによって歯底に生じる高い切り欠き脆性ないしは切り欠き応力を発生させ、その結果として極度の負荷の増大をもたらす。
【００１９】
歯元に完全に円形で丸みづけを形成するという要求条件はＩＳＯ４１５６に規定されてはいるが、シャフト断面ないしはエレメント壁断面の大幅な減少をもたらす点で好ましくない。それ故、ＩＳＯ４１５６およびそれと類似の規格はコンスタントに推移する丸み半径を規定している。いずれにしても、従来技術では、これによってもまた伝達可能の回転トルクの増大は制限される。
【００２０】
これに対して、本発明は、外歯および内歯の歯底を最適化された１つの曲率半径バリエーションで完全に丸みづけをおこなうことを提案する。これは本発明による非対称歯形では歯面形成により問題なく可能となる。というのは、歯元は非対称方式により比較的幅広く、変化する丸み曲率半径は残り断面積の減少をまったくまたはほとんどもたらさないので、完全な丸みづけにもかかわらずシャフトコア断面積もエレメントコア断面積もまたその減少は僅かであるからである。この場合も、歯数を大幅に増やすことができ、その結果、歯間間隔も減らすことができるという構造がおおいに貢献している。外歯の歯底の曲率半径は０.３５ｍと０．４５ｍとの間、特に０.４ｍとし、内歯の歯底の曲率半径は０.３ｍと０．４ｍとの間、特に０.３５ｍとすることができる。もちろん、それぞれ選ばれる曲率半径はシャフト直径ないしはハブ直径ならびに選ばれたモジュールにより調製される。
【００２１】
さらに、外歯および内歯のモジュールは、少なくとも外歯の噛み合い歯が少なくとも歯先領域において曲げ弾性を有するように選ばれなければならない。噛み合い歯が相手方によりよく適合することができるという点で、少なくとも上の歯領域における若干の曲げ弾性は有益である。非対称性によって歯幅は歯先に向かって減少する。これにより、適切な大きさのモジュールを選び、場合によっては歯元領域においても部分的塑性変形を利用し、歯先領域における許容公差特性を促進するための、当然ながら低度の曲げ弾性を実現することができる。非対称性によって当然ながら大きく選ぶことができるモジュールは、曲げ弾性とあいまって、伝達できる回転トルクをさらに増大させ、噛み合い歯同士の機械的連結方法の最適化をおこなうために必要なさらに大きい荷重負担能力を提供する。
【００２２】
本発明の押出機ウォームの噛み合い歯がステージヘッドによる直径センタリングを有するならば、さらなる改善を実現することができる。同心度公差に特別の要求条件が課せられるとき、直径センタリングを採用することができる。
【００２３】
最後になったが、ウォームシャフトは少なくとも外歯領域を可塑性の材料から構成し、他方、ウォームエレメントは少なくとも内歯の領域をそれよりも硬くすることができる。これは、外歯が相手側の歯に対して一定の塑性的適合をおこなうこと可能にし、それによりシャフト・ハブ・連結機構の機械的連結および伝達性能の向上がもたらされる。
【００２４】
本発明は、押出機ウォーム自体の他に、前記の形態の１本のまたは複数の押出機ウォームから成る押出機を対象としている。それらはシングルウォーム押出機または同方向または逆方向に回転する２本ウォーム押出機または多軸押出機である。
【００２５】
本発明による押出機ウォームによって達成できる利点は、さまざまな形態の押出機において一様に実現可能である。特に、本発明の押出機ウォームを使用すれば、容量比が１.６を超える、すなわち、１.６５−１.７の非常に高い容量比をもつ高出力押出機を実現できるが、そのような押出機は、シャフト・ハブ・連結機構が回転トルク伝達ならびに発生する圧力応力および切り欠き脆性の面で最も適切な構造となるので、非常に大きい回転トルクの伝達ないしは高い回転トルク密度比率Ｍd/a3（Ｍd＝回転トルク、a＝軸間距離）ならびに高速回転を許容する。
【００２６】
本発明は、本発明による非対称シャフト・ハブ・連結機構を備える押出機ウォームの他に、一般的に、シャフトが外歯を有し、ハブがこの外歯に噛み込む内歯を有するようなシャフト・ハブ・連結機構をも対象とする。
【００２７】
この、本発明によるシャフト・ハブ・連結機構は、外歯および内歯の歯形を非対称とし、その場合、押出機ウォームの優先回転方向に対して、外歯および内歯の噛み合い歯の回転トルク伝達歯面の回転軸を通過する法線に対する角度が、外歯および内歯の向かい側のそれぞれの歯面の回転軸を通過する法線に対する角度よりも小さい構造とする。この、噛み合い歯の非対称性は、前述のように、優先回転方向における高い回転トルクの伝達を許容する。本発明のシャフト・ハブ・連結機構ないしはシャフト・ハブ・構造のその他の利点は独立している従属請求項に明らかである。
【実施例】
【００２８】
本発明のその他の利点、特徴および詳細は以下に記述する実施例ならびに図面により明らかとなる。
図１  押出機の原理図。
図２  差込み式押出機ウォームの展開図である原理説明図。
図３  運転時には同方向に回転し、互いに噛み合う２つの本発明の押出機ウォームの組込み位置で示される相互関係の断面図。
図４  押出機ウォームの外歯の拡大図。
図５  押出機ウォームの内歯の拡大図。
図６  互いに噛み合う２つの噛み合い歯の断面図。
【００２９】
図１は減速機３が連結されているモータ２と複数のシリンダセクション５から成る押出シリンダ４とを備える押出機１を示す。押出シリンダ４の内部には、ここに示す実施例によれば、２本の押出機ウォームが適切な孔に収められ、減速機３を介して駆動される。それらの押出機ウォームは、ここには詳しく示していないが、一般に知られているカップリングを介して減速機３に連結されている。主として、たとえば、同方向に回転する押出機である。押出シリンダ４は、適切なビルトインボックス６の内部に配置される全ての冷却液配管および電線ならびに制御ケーブルと共に台座７の上に構成されている。この台座は機台９の支柱８に支えられている。媒質供給制御ボックス１０には冷却液供給装置ならびに制御装置が設けられている。冷却液供給装置により個々のコンポーネントへの冷却液の供給がおこなわれる。このような形態の押出機の構造は一般に知られている。
【００３０】
上述したように、互いに脱着可能に連結されている複数のシリンダセクション５から成る押出シリンダの内部には、２本の押出機ウォームが設けられる。ここに論じられる押出機ウォームはいわゆる差込み式ウォームで、処理材料または加工製品に応じて設計ないしは構成することができる。これら差込み式ウォームは押出シリンダ４から必要に応じて取り外すことができる。
【００３１】
図２は原理図のかたちで、一本のシャフト１２から成る押出機ウォーム１１を示す。このシャフトはまずその幅が広くなっている後端に第一外歯１３を有する。シャフトはこの第一外歯を介して減速機３と連結でき、駆動力を受けることができる。当り金１４には外歯１６をもつシャフトセクション１５が続いている。このシャフトセクション１５に、処理材料ないしは加工製品に応じてさまざまな別々のウォームエレメントを当り金１４に当たるまで取り付け、または、数珠つなぎにできる。図２は例として３種類のウォームエレメント１６ａ、１６ｂ、１６ｃを示す。ウォームエレメント１６ａは、たとえば、ウォーム１７をもつ給送エレメントであり、そのウォーム条溝で材料が給送される。ウォームエレメント１６ｂは、たとえば、やはりウォーム１８を有する混合エレメントである。しかし、このウォームは通り孔１９を備えている。
【００３２】
最後のウォームエレメント１６ｃは練りセクション２０を有する練りエレメントとすることができる。この様態の練りエレメントを介して処理材料は強力なエネルギのもとで処理される。利用の形態に応じて、たとえば、塑性加工あるいは完全溶解がおこなわれる。
【００３３】
シャフトセクション１５への取り付けのために、各ウォームエレメント１６a、１６ｂ、１６ｃは中央孔２１a、２１ｂ、２１ｃを有し、それらの中央孔の内側、すなわち、ハブには、それぞれ１つの内歯２２a、２２ｂ、２２ｃが設けられる。これらの内歯によりハブはシャフトセクション１５の外歯１６に取り付けられ、内歯と外歯とは噛み合う。すなわち、以下に詳しく述べるような剛強な機械的連結によるシャフト・ハブ連結機構が形成される。
【００３４】
図３は本発明の２本の押出機ウォーム２３a、２３ｂを示す。これらは、図では互いに平行で示されるが、押出シリンダ４においても相互に組み合わせて設けられる。ウォームシャフト２４a、２４ｂは軸間距離aを互いに離れて設けられる。さらにこの図には、ウォーム外径Ｄaならびにウォーム底のウォーム内径Ｄiが示されている。Ｄa/Ｄi比からはウォームないしは押出機の容量比が決まる。ちなみに、その容量比が押出機の特性値である。
【００３５】
さらに、それぞれのシャフト２４a、２４ｂの外歯２５a、２５ｂならびにそれぞれのウォームエレメント２７a、２７ｂのハブにおける内歯２６a、２６ｂが図示されている。図３から、ウォームエレメントの歯形はそれぞれ非対称方式であることが分かる。これらの非対称歯形は、２つの矢印Ｒによって図示される押出機ウォーム２３a、２３ｂの一定の優先回転方向を基準として設計される。本発明の歯形の幾何形状の詳細は図４および５に示す。
【００３６】
図４は拡大された詳細図でウォームシャフト２４aの外歯２５aの一部の断面図を示す。シャフト２４ｂの歯の形態については、もちろん同じ表示記号が適用される。
【００３７】
詳細図に歯２８が示される。各歯２８は優先回転方向をＲとして先行の歯面２９を有する。先行の歯面２９はウォームエレメント側の内歯の歯面と協働または噛み合いをおこなう。先行の歯面２９の向かい側には、噛み合い歯２８の後行の裏歯面３０が存在する。後行の裏歯面３０は、通常は優先回転方向Ｒへの運動において、内歯の向かい側の歯面から、１００分の１ミリ以下の範囲の最小間隔（バックラッシュ）を有する。
【００３８】
本発明の非対称歯形の特徴は、回転トルクまたは荷重を伝達する先行の歯面２９は少なくとも歯先を形成する上面が平坦に形成されていること、そしてウォームシャフトの回転軸Ａを通る法線Ｎを基準として０°の角度に形成されることである。すなわち、先行の歯面２９は回転軸Ａから半径方向への法線上の、荷重を伝達し、向かい側の歯面に噛み合う領域に形成される。
【００３９】
これに対して、後行の歯面３０は回転軸Ａへの法線Ｎへの３０°の角度をとる。図に見るようにこの構造により、歯底３１に向かって先行の歯面と後行の歯面とは互いに離れてゆくので、非常に幅広い歯元Ｚが形成される。さらにまた、歯底３１は完全に丸めづけされている。このことは歯元Ｚの幅およびシャフトコアに向かって狭くなってゆく歯中間空間により可能となる。丸み半径ｒは、たとえば、０.３５ｍである。歯先３２自体は示される実施例では基本的に平坦であり、歯先３２は外歯の外半径に対応してややアーチ状を形成するだけである。
【００４０】
図５に示すウォームエレメント２７aの内歯２６aの歯形も類似の様態で構成されるが、それぞれの実施様態はもちろん内歯２６ｂに対しても適用される。この図も歯群３３を示すが、各歯３３は優先回転方向Ｒを基準として回転トルクまたは荷重を伝達する後行の歯面３４を有する。
【００４１】
これらの後行の歯面もウォームシャフトの回転軸Ａへの法線に対して角度０°を有する。優先回転方向Ｒにおける先行の歯面３５はここでも回転軸Ａへの法線に対して角度３０°を成す。すなわち、個々の歯面の角度形成は外歯の角度形成と同一である。これは優れた剛強な機械的連結を可能にする。この場合も接しあう領域の対応の歯面はもちろん平坦に形成される。
【００４２】
この場合も、従来の対称型スプラインシャフト歯に比べ非常に広い歯元Ｚが形成される。これは、前述したように歯底３６に向かって互いに離れてゆく歯面により形成される。歯底３６は同様に完全に丸みがつけられ、曲率半径ｒはここでは約０.４ｍとなる。ここでも歯底の完全な丸みづけが実現されているが、これも非常に幅広い歯元Ｚとその結果としての次第に狭くなってゆく歯底３６とにより可能となる。この歯底の完全な丸みづけは、ウォームシャフトにおいても、ウォームエレメントにおいてもそれぞれのコア断面積の減少を防ぐことができるという利点をもっている。すなわち、本発明の歯車機構では、丸みづけがもたらす特長を切り欠き脆性の抑制のためにフルに活用することができる。
【００４３】
この内歯では、図４の外歯の歯先３２と異なり、歯先は３７のような歯形を有する。法線に対して３０°の角度をもつ先行の歯面３５から角度０の荷重歯面３４に推移し、途中から１つの曲率半径で抜け出る結果、荷重歯面３４につながる歯先ステージ３９が残るリセス３８が形成される。この、１つの材料リセスによって形成される歯先ステージ３９は、歯先ステージの塑性流れにより回転トルク伝達時に特にこの領域に発生する圧迫応力の大幅な解消を可能にする。これにより、応力解消の結果、この領域におけるエッジ圧迫上昇作用を効果的に減殺することができる。
【００４４】
図６は互いに噛み合う２つの噛み合い歯を原理図の形態で示す。ウォームシャフト２４aが基準方向Ｒに回ると、０°の歯面２９から０°歯面３４への回転トルク伝達が起こる。
【００４５】
図示のようにこれらの歯面はそれぞれ平坦であり、すべての箇所において同一の角度を有するので大きい面で重なり合い、接触面圧が減退する。さらに、非対称歯形であるためそれぞれの噛み合い歯の歯数を大幅に増やすことができるので、接触面圧の減退は有益である。ということは、歯形の非対称性の結果として比較可能である対称規格品の噛み合い歯の場合よりもモジュールを大きく選ぶことができる。
【００４６】
なお、この０°歯面は、特に好ましくは半径方向に向かって荷重歯面に平行に作用する熱膨張を許す。その場合、回転トルク伝達はそのまま間隙なしに可能である。それ故にこそ本発明の非対称歯形は温度変化荷重に耐えることにも適している。さらに、互いの歯面位置により、内歯のそれぞれの噛み合い歯にほとんど接線力のみが導入されるが、半径方向の力は導入されないので、この０°歯面はハブ、すなわち、ウォームエレメントの内歯における拡張力の減殺をもたらす。これは、一般のスプラインシャフト歯形の場合と同じである。このことは内歯の領域に、直接応力に弱い材料、たとえば、完全焼入れによる耐磨耗性の材料の使用またはセラミックエレメントの使用をも可能にする。特に、区画によっては非常に薄い肉厚のハブの応力特性も拡張力の減殺により好ましい影響を受けることになる。
【００４７】
特に優れた効果を発揮するのは、それぞれの歯底31ないしは３６におけるそれぞれの丸みづけである。それぞれ荷重を運ぶ歯面２９および３４から歯底への移行箇所には最大の応力、従って最大の切り欠き効果が発生する。しかし、完全な歯元丸みづけに基づく歯底における最適化された幾何形状により、切り欠き効果は大幅に低減することができる。しかし、歯間空間の狭隘化による比較的少ない丸め半径のためにシャフトコア断面積ないしはウォームエレメントのコア断面積はなお十分に大きい。非常に幅が広い噛み合い歯同士の間の空間および歯先から歯底へ至る非常に鋭い角度の移行部をもつ対称型のスプラインシャフト歯形の場合と異なり、増大した応力の領域は、完全な丸みづけによって比較的小さい。この領域を代表例として図６に鎖線Ｌ１で示唆しておく。
【００４８】
すでに述べたように、歯先ステージ３９により、歯先ステージの角の領域に発生する圧力応力の解消が起こりうる。この歯先ステージの塑性変形特性に基づいて圧力応力が転移せしめられ、歯先ステージ３９からリセス３８へ移行する領域に、Ｌ２線により示されるように、応力中心点が形成される。
【００４９】
本発明の非対称歯形の別の利点は、噛み合い歯は図示のように歯元から歯先に大きく狭まっているので、噛み合い歯は、少なくともその上側で、若干のたわみ弾性を有することである。このたわみ弾性は、場合によっては歯元領域における僅かの部分塑性変形を十分に利用して、許容誤差特性を促進するという効果を発揮する。すなわち、このたわみ弾性に基づき、回転トルク伝達の際にスラスト軸受に、すなわち、内歯の噛み合い歯に適合する可能性ないしは若干の公差を相殺する可能性がある。これは特に、一般に内歯の方が硬く、場合によっては特殊な方法で表面処理が施されているためである。好ましくは、このために大きい見掛けの弾性限界比率をもつウォームシャフト材料が選ばれる。このことにより、動態荷重においてもより高い耐久力がもたらされる。なお、外歯領域でも、内歯領域でも回転トルクの向上は通常、たとえば、歯車材料のボールブラスチング、ナッハローレン（Ｎａｃｈｒｏｌｌｅｎ）、冷間圧延などにより実現することができる。
【００５０】
結論として、本発明の押出機ウォームないしは本発明の非対称歯形は、比較できる対称歯形よりも大幅に高い回転トルクを伝達する可能性を提供する。これは本発明の歯形の結果である。というのは、切り欠き効果ならびに圧力応力の点で最適化される幾何形状が提案されるからである。さらにもう一つの利点は、歯数を大幅に増やす可能性があることである。これも伝達可能の回転トルクの向上のための可能性にとって有益である。
【００５１】
最後になったが、本発明の歯形を使用することにより、容量比Ｄi/Da＞１.６を上回る比率、すなわち、たとえば、1.66、1.68または1.70またはそれ以上の比率の領域における極度に大きい容量比のウォームないしは押出機の構成においても大きい回転トルクを提供できる可能性がはじめて生まれた。これは本発明の範疇の押出機の出力効率を画期的に向上させ、これまで実現できなかった処理能力を実現する。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】押出機の原理図。
【図２】差込み式押出機ウォームの展開図である原理説明図。
【図３】運転時には同方向に回転し、互いに噛み合う２つの本発明の押出機ウォームの組込み位置で示される相互関係の断面図。
【図４】押出機ウォームの外歯の拡大図。
【図５】押出機ウォームの内歯の拡大図。
【図６】互いに噛み合う２つの噛み合い歯の断面図。
【符号の説明】
【００５３】
１    押出機              ２    モーター                ３  減速機
４    押出シリンダ        ５    シリンダセクション      ６  ビルトインボックス
７    台座                ８    支柱                    ９  機械フレーム
１０  媒質供給制御ボックス      １１  押出ウォーム      １２  シャフト
１３  外歯            １４    当り金              １５  外セクション
１６  外歯            １６ａ、１６ｂ、１６ｃ  ウォームエレメント
１７、１８  ウォーム        １９  通り孔            ２０  練りセクション
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ    中央孔          ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ  内歯
２３ａ、２３ｂ  押出機ウォーム            ２４ａ、２４ｂ  ウォームシャフト
２５ａ、２５ｂ  外歯                      ２６ａ、２６ｂ    内歯
２７ａ、２７ｂ  ウォームエレメント        ２８  歯        ２９  先行の歯面
３０  後面          ３１  歯底                ３２  歯元
３３  歯            ３４  後行の歯面          ３５  先行の歯面
３６  歯底          ３７  歯先                ３８  リセス
３９  歯先ステージ
Ａ  回転軸      Ｌ１、Ｌ２  線      Ｎ  法線      Ｒ  歯先回転方向
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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2008511469.tif 000011
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