三菱重工技報 Vol.57 No.1 (2020) 新製品・新技術特集

技 術 論 文1

主成分分析を適用した歯面の最適設計によるトランスミッションの負荷向上と低騒音化
Improvement of Transmission Load and Noise Reduction by Optimal Design of Tooth
Surface Using Principal Component Analysis

正 田 功 彦 *1

西 浦 謙 佑 *2

Katsuhiko Shoda

kensuke Nishiura

省エネルギー化に進む社会動向やモータ技術の進展により，自動車等の車両用駆動装置では電動化が進んでいる。製品で要求されるトルクに対して原動機として用いられるモータの出力トルクは一般的に小さい場合が多く，モータトルクを増幅させる目的でモータに歯車装置を組み合わせた駆動システムが用いられる場合が多い。これらの駆動システムは，小型軽量化，高い静粛性が求められるため，歯車装置には負荷能力向上と振動・騒音低減の両立が求められる。従来の歯面修整設計法は，負荷能力向上と振動・騒音低減の両立は困難であったが，本研究では主成分分析を用いた形状表現法を歯面修整設計に適用することでこれを可能にした。本報では手法の概要と有効性検証結果について述べる。

|1. はじめにトランスミッションの競争力向上のためには低騒音化，信頼性向上及び軽量化の全体最適が必要である。現状は，歯形修整，歯すじ修整といった単純な修整パラメータで歯面修整の検討が行われるが(1)，この手法は複雑な形状の生成が難しく，全体最適設計は困難であった。そこで本研究では主成分分析を用いた形状表現法を歯面修整設計に適用した。これにより従来用いていた設計パラメータでは表現できなかった歯面形状の効率的な生成が可能となり，負荷能力向上と起振力低減を両立させる最適歯面修整の検討が可能になった。本報では手法の概要と解析による有効性検証結果について述べる。

|2. 歯面修整の目的
歯車のかみ合いには，図１に示すような“負荷による変形”，“歯車誤差”，“かみ合いに伴う剛性変動”が影響し，これらは歯面接触（歯当たり）の不均一化や歯車の回転速度変動の原因となる。歯当たり不良は応力増加による信頼性低下，回転速度変動は振動・騒音の原因となる。歯面修整は，“負荷による変形”，“歯車誤差”，“かみ合いに伴う剛性変動”を考慮し，歯当たりの均一化や回転数変動を小さくする目的で，意図的に理論インボリュート歯面からの差分がある歯面形状に加工する手法である。一般的には図２に示すような，歯の高さ方向の修整である歯形修整（バイアス修整）や，歯の幅方向の修整である歯すじ修整（クラウニング）が適用されているが，これ等の修整では，負荷能力向上と起振力（振動）低減の最適設計が困難であった。

*1 総合研究所機械研究部 主席研究員 工博*2 総合研究所機械研究部

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図１ 歯車のかみ合いに影響する因子

図２ 一般的に使用される歯面修整法|3. 主成分分析を用いた歯車歯面の設計手法
本研究では歯面形状を表現する設計パラメータとして，主成分分析によって得られるパラメータを使用する。あらかじめ準備した形状に対して主成分分析を行うことで，歯形修整や歯すじ修整といった従来の修整パラメータと異なる新たな形状定義パラメータを得ることができる。主成分分析を用いた歯面形状の検討フローを図３に示す。以降に各処理の概要を記載する。

図３ 主成分分析を用いた歯面形状の検討フロー(1) 主成分分析を行う歯面形状の準備
歯形修整，歯すじ修整，バイアス修整といった歯面修整パラメータを用いて主成分分析を行う歯面形状を生成する。その際，低応力，低起振力歯面を設計するために使用される歯面設計指針を用いて歯面形状の生成を行う。これは主成分分析により低応力，低起振力となる歯面形状の特徴量を抽出するためである。

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3(2) 主成分分析
準備した歯面形状データをマトリクス化し，そのマトリクスデータに対して主成分分析を行う。
主成分分析には固有値直交分解（Proper Orthogonal Decomposition, POD 法）(2)を用いた。
(3) 主成分形状の抽出
主成分分析結果から主成分形状（𝜑 ）を抽出する。図４に主成分分析によって得られた主成分形状の例を示す。図４は理論インボリュート歯面からの差分量で整理を行っている。

図４ 主成分分析によって得られた歯車歯面の主成分形状例(4) 主成分分析形状を用いた歯車解析
歯面形状（ ∅）をパラメータにした歯車解析を行い，応力（面圧，歯元応力），起振力を評価し，負荷能力向上と起振力低減を両立できる歯面形状を見出す。ここで歯面形状（∅）は，下式に示すように主成分形状（𝜑 ）と重み係数（𝛼 ）の積の線形和で表現する。
∅=𝒗+∑

𝛼 ∙𝝋

ここで，𝒗 ：主成分分析を行った歯面の平均形状
𝝋 ：主成分形状
𝛼 ：重み係数（パラメータ）|4. 解析による有効性検証
4.1 従来の歯面修整設計法との比較
産業用製品に使用される，はすば歯車を対象にして，本研究手法の有効性検証を行った。従
来手法では歯形修整量，歯形修整長さ，歯すじ修整量，歯すじ修整長さをパラメータスタディして，面圧と起振力を計算した。本研究手法では３節で述べた方法で主成分形状を求め，重み係数𝛼 をパラメータスタディして面圧と起振力を計算した。歯面修整はピニオン側のみに施した。
本研究手法と従来手法で面圧と起振力の計算値を比較した結果を図５に示す。図５の面圧は歯面の最大面圧，起振力はかみ合い起振力の１次成分と歯面伝達荷重の比となる。本手法は従来手法よりも低面圧，低起振力となる歯面修整形状を見出せていることが分かる。本結果より面圧と起振力を同時に低減させる重み係数𝛼 の条件を求め，最適歯面形状を見出した。

4.2 考察主成分分析を用いて見出した歯面修整形状と従来手法で見出した歯面修整形状（現仕様）の面圧分布を比較した結果を図６に，起振力を比較した結果を図７に示す。主成分分析を用いて見出した歯面修整形状は，歯当たり領域が増加することにより現仕様よりも低面圧となった。またかみ合い長さが最適化されたことにより起振力も低減する結果になった。

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図５ 面圧とかみ合い起振力の解析結果（本研究手法と従来手法の比較）

図６ 歯丈方向の面圧分布（本研究手法と従来手法の比較）

図７ かみ合い起振力の時系列波形（本研究手法と従来手法の比較）

4.3 歯車重量低減量の試算結果
主成分分析を用いて見出した歯面修整形状を適用することによる歯車重量低減量の試算を行った。その際，現仕様よりも強度，性能が低下しないよう面圧，PV 値，起振力が現仕様と同等以下となるように設計を行った。モジュールを現行より小さくして，歯車径を小さくすることで歯車重量の低減量を試算した結果を図８に示す。歯面修整の設計に主成分分析を用いることにより，歯車重量を現仕様から約 21％低減可能となる目処を得た。

図８ 歯車重量低減効果の試算結果

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5|5. まとめ
本報では歯車の歯面修整の設計に主成分分析を用いる手法の概要説明と，解析による有効性検証結果について報告した。本研究手法は，従来の歯面修整設計手法よりも負荷能力向上と起振力低減の両立が可能になるため，歯車装置の小型化設計に有効な手法になると考える。現在，要素試験により本手法の有効性検証を行っており，検証完後，製品への適用を推進し，当社製品の更なる性能向上・品質向上を図る計画である。

参考文献(1) 久保・梅沢，誤差をもつ円筒歯車の荷重伝達特性に関する研究，日本機械学会論文集 Vol.43
No.371 (1977) p. 2771-2783(2) L Sirovich，Turbulence and the dynamics of coherent structures，Quarterly of applied mathematics,
Vol.45 No.3 (1987) 561-571