韓国エバーパワー・アプリケーションエンジニアリングガイド
包装機械のインデックス駆動用ウォームとウォームホイール
12台の機械が同時に稼働する包装工場では、8時間の作業員の騒音曝露時間において、騒音レベルを85 dB(A)以下に抑える必要がある。各機械の騒音許容値は78 dB(A)である。各機械には6～10個の騒音源がある。インデックス駆動部のギアペアには65～68 dB(A)の騒音許容値が割り当てられているが、その許容値を満たすかどうかは、ウォームの表面仕上げという1つの仕様によって決まる。
包装機械（カートナー、ケースパッカー、フォームフィルシール、フローラッパー、シュリンクトンネルなど）は、製品を機械内で正確なスタート・ストップ・スタートサイクルで送り出すインデックス駆動にウォームギアペアを使用します。ノイズバジェット割り当て方法は、包装ホールの作業騒音制限（OSHA では 85 dB(A)、EU 指令では 80 dB(A)）を個々のウォームギアペアのノイズ寄与に結び付ける仕様ツールです。機械 1 台あたり 6 ～ 10 個のノイズ源があり、各ソースには 65 ～ 68 dB(A) が割り当てられます。これは、Ra 0.4 µm の研磨ウォームでは達成可能ですが、Ra 1.6 µm のホブドウォームでは達成できません（70 ～ 76 dB(A) が発生します）。包装インデックス駆動は、スタート・ストップ動作という点で連続動作アプリケーションとは異なります。毎分 60 ～ 200 回のインデックスサイクルにより、各サイクルで加速および減速トルクのスパイクが発生するため、サービス係数 1.5 ～ 2.0 が必要です。シングルスタートのウォームギアペアは、インデックス間の位置保持機能を提供します（充填、密封、またはラベル貼付中にカートンが所定の位置に保持されます）。2スタートのペアは、位置保持が不要な連続動作ステーションでの効率を向上させます。
包装機械がインデックス駆動にウォームギアペアを使用する理由
包装機は、製品を一連の工程を経て搬送します。具体的には、カートンを組み立て、製品を内部に挿入し、フラップを閉じ、接着または密封し、日付コードを印刷し、ケースにまとめて梱包します。各工程では、製品が短時間（50～200ミリ秒）停止し、次の工程に進みます。この開始・停止・前進を繰り返す動作をインデックス動作と呼びます。
ウォームギアペアは、動作中に製品を静止させ（セルフロック）、搬送中にスムーズに前進し（低振動）、機械フレーム内にコンパクトに収まる（モーターの向きが90度）という3つの特性を備えているため、インデックス駆動装置として最適です。これらの特性により、ウォームとウォームホイールは、毎分最大200回のインデックス速度での包装インデックスにおいて、標準的な駆動方式となっています。
セルフロック機構により、コンベアまたはタレットはインデックス間で静止状態を維持します。製品は、別途ブレーキや機械式ロックを使用することなく、充填ヘッド、シールバー、またはラベル貼付装置の下に正確に位置決めされます。
ウォームギアペアの固有の滑り接触により、平歯車やヘリカルギアが歯のかみ合いごとに発生させる噛み合い衝撃振動がなく、滑らかな加速曲線が得られます。これは、インデックス開始時の振動がカートン内やコンベア上の製品の位置をずらす可能性があるため重要です。
8台から20台の機械が設置されている包装工場では、8時間労働における作業者の騒音レベルを作業環境騒音基準値以下に抑える必要があります。ウォームギアペアの摺動噛み合い騒音は、同等の平歯車の噛み合い騒音よりも8～15dB(A)低く、工場全体の騒音レベルに大きく貢献します。
騒音予算配分 ― ホール限界からウォームギアペアの目標値まで
騒音予算方式は、規制値から個々の構成要素の騒音配分へと逆算して算出されます。そのロジックはデシベル加算則に基づいています。レベルLの同一の音源N個は、それぞれL + 10 × log₁₀(N)の合成レベルを生成します。逆算すると、個々の音源レベルはL_total − 10 × log₁₀(N)でなければなりません。
下の表は、ウォームギア対の騒音バジェットが、ホール内の機械の数と適用される規制基準によってどのように変化するかを示しています。
この表から重要な洞察が得られます。4台の機械が設置されたOSHA規格のホールでは完全に許容されるウォームギアペア（Ra 0.8 µmのホブドウォーム、71 dBの騒音予算）が、20台の機械が設置されたEU規格のホールでは不適合になります（Ra 0.2 µmのラップドウォームとPOMホイール、57 dBの騒音予算が必要）。同じウォームギアペアの仕様をすべての包装ホールに適用することはできません。騒音予算は、スペースを共有する機械の数によって異なります。グローバルに販売する包装機械メーカーは、少なくとも2つの騒音グレードのウォームギアペアを必要とします。中小規模のホールには標準（Ra 0.4～0.8 µm）、EU規制の大規模ホールにはプレミアム（Ra 0.2 µm + POM）です。
スタート・ストップ・インデックス機能 — 加速トルクとサービス係数
包装用インデックス駆動装置は、連続動作駆動装置とは根本的に異なる点があります。モーターがコンベアをゼロから最高速度まで加速させ、インデックスピッチ（50～300mm）分移動させた後、再びゼロまで減速するという動作を、毎分60～200回繰り返します。各加速フェーズでは、製品の質量、インデックスピッチ、加速時間に応じて、定常運転トルクの1.5～2.5倍のトルクスパイクが発生します。
税率算出のためのサービス係数。 標準的な連続運転用ウォームギアペアのカタログは、定常運転を前提としています。インデックス運転では、ピーク加速トルク（平均トルクではなく）に1.5～2.0のサービス係数を適用する必要があります。1分間に150サイクルでインデックス運転するカートナーで、ステーションあたり0.5kgの製品質量、コンベア上に20ステーションがある場合、総移動質量は約10kgにコンベアチェーンの質量（通常5～15kg）が加算されます。0.1秒で0.5m/sのインデックス速度に達すると、加速トルクは摩擦のみによる運転トルクの約1.8倍になります。インデックス運転にSF 1.5を適用すると、ウォームギアペアは摩擦のみによるトルクの2.7倍の定格値を持つ必要があります。これは、ベルト張力のみから単純に計算した場合の約3倍の値です。
インデックス付けにおけるシングルスタートとツースタートの比較。 保持フェーズ中に位置保持が必要なインデックスステーション（充填ヘッド、シールバー、ラベル貼付装置など）には、シングルスタートのセルフロック式ウォームギアペアが必要です。連続動作を行うステーション（供給コンベア、搬送ベルトなど）では、2スタートペアを使用することで、効率を15～25パーセントポイント向上させることができます。一般的な包装機には、2～3個のインデックス用ウォームギア駆動装置（シングルスタート）と1～2個の連続動作駆動装置（2スタート）が搭載されています。正しい仕様は、機械単位ではなく、ステーション単位で規定されています。
韓国の化粧品受託包装業者が、1,200 m² の包装工場で 8 台のカートニングマシンを稼働させ、KOSHA (韓国労働安全衛生公団) から騒音違反の指摘を受けました。オペレーター ステーションでの時加重平均騒音が 87.2 dB(A) で、85 dB(A) の制限を超えていました。同社は当初、各マシンの周囲に防音エンクロージャーを設置することを検討し、見積もり費用は 1 台あたり 4,500 米ドル (8 台で合計 36,000 米ドル) でした。作業を進める前に、保守エンジニアが個々のコンポーネントの騒音を測定したところ、8 台のうち 6 台のウォーム ギア ペアがホブ仕上げ (Ra 1.2 ～ 1.6 µm) で、それぞれ 72 ～ 76 dB(A) の騒音を発していることがわかりました。インデックス用ウォームギアペア（6台の機械で合計18ペア）を研削仕上げ（Ra 0.4 µm）のペアに交換したところ、機械あたりの騒音が6～8 dB(A)低減し、ホール全体のTWAは87.2 dB(A)から約81 dB(A)に低下し、85 dBの制限値を大幅に下回りました。ウォームギアペアの交換費用は、18ペア × 95 USD = 1,710 USDでした。防音エンクロージャーは不要となりました。騒音規制への適合は、36,000 USDではなく1,710 USDで達成され、95%のコスト削減となりました。教訓：騒音の多い包装工場に機械レベルの防音エンクロージャーを指定する前に、ウォームギアペアがホブ加工か研削加工かを確認してください。ウォームギアペアの表面仕上げをアップグレードするだけで、エンクロージャー費用の5%で騒音問題を解決できる可能性があります。
包装機用ウォームギアペア3組の仕様事例
事例1 — 韓国製化粧品カートナー：120 cpm、8台収容ホール、騒音駆動仕様
韓国の化粧品受託包装業者は、8 台のカートニング マシン (メイン コンベア インデックス、カートン エレクタ、フラップ クローザー) ごとに 3 つのインデックス ドライブ用のウォーム ギア ペアを指定しました。インデックス レート: 1 分あたり 120 カートン。カートン重量: 85 g (製品を含む)。コンベア質量: 12 kg。インデックス ピッチ: 120 mm。加速時間: 0.08 秒。最大加速トルク: 28 N·m。インデックス デューティの SF: 1.5。必要 T_required: ドライブあたり 42 N·m。ホール内の 8 台のマシンでの騒音予算: 音源あたり 66 dB(A) (OSHA 85 dB 制限)。ウォーム ギア ペア: シングル スタート、モジュール 2、中心距離 50 mm、比率 20:1、研磨 Ra 0.4 µm。測定された騒音: ペアあたり 62 dB(A) — 66 dB(A) 予算内で 4 dB のマージンがあります。材質: 亜鉛メッキ ウォーム、リン青銅ホイール。 1ペアあたりのコスト：68米ドル。3台のドライブ×8台のマシン＝24ペアのコスト：1,632米ドル。ホブドペアをグランドに交換した後のホールノイズ：81 dB(A) TWA - 準拠。
事例2 — 日本の医薬品ブリスター包装機：180 cpm、クリーンルーム隣接、低振動
日本の製薬包装会社は、毎分180ブリスターの速度で稼働するブリスター包装機の熱成形インデックス駆動部用にウォームギアペアを指定しました。この機械はISOクラス8のクリーンルーム隣接室に設置されています。標準的な包装に加え、2つの要件がありました。1つは低振動（熱成形ステーションは熱に敏感で、振動によってPVCの加熱が不均一になるため）、もう1つは医薬品関連の文書化（EN 10204タイプ2.2証明書、NSF H1グリース）です。ウォームギアペア：シングルスタート、モジュール2、中心距離50mm、ギア比15:1、表面粗さRa 0.4µm、AISI 304ウォーム、リン青銅ホイール。NSF H1合成グリース。熱成形ステーションでの測定振動：0.03mm/s RMS ― 成形プロセスで許容される0.08mm/sの範囲内。騒音：1mで60dB(A)。1ペアあたりのコスト：125米ドル（医薬品関連の文書化プレミアムを含む）。 包装用ウォームギア減速機 騒音対策が必要な環境やクリーンルームに隣接する包装用途向けに設計されたオプション。
事例3 — ベトナムの飲料用シュリンク包装業者：80 cpm、コスト競争力あり、4台の機械を備えた工場
ベトナムの飲料会社が、4台のシュリンク包装機で、1台あたり2つのインデックス駆動装置（インフィードインデックスとフィルム送りインデックス）用のウォームギアペアを指定しました。インデックス速度：毎分80パック。パック重量：6 kg（500 ml PETボトル12本）。インデックスピッチ：250 mm。加速時間：0.15秒。最大加速トルク：85 N·m（重いパック）。インデックス用SF：2.0（重負荷、高加速）。必要トルク：170 N·m。4台の機械での騒音予算、OSHA 85 dB：ソースあたり71 dB(A) — Ra 0.8 µmのホブド仕上げウォームギアペアで達成可能（実測値68 dB(A)）。騒音予算が大きいため、研削仕上げが不要になり、1ペアあたり約22米ドル節約できました。ウォームギアペア：シングルスタート、モジュール3、中心距離63mm、減速比25:1、ホブド加工Ra 0.8µm。材質：亜鉛メッキウォーム、リン青銅ホイール。1ペアあたりのコスト：58米ドル。2ドライブ×4台の機械＝8ペアのコスト：464米ドル。この事例は、ノイズバジェット法が、低コストのホブド加工ウォーム仕上げを正当化する場合があることを示している。すべての包装用途で研削仕上げが必要なわけではない。
よくある質問
質問：既存の機械に搭載されているウォームギアペアの騒音寄与度を測定するにはどうすればよいですか？
すべての音源が稼働している状態で全体の機械騒音を測定します (L_total)。次に、ウォームギア駆動部を停止または切断し (機械的に可能な場合)、他のすべての音源が稼働している状態で騒音を測定します (L_remaining)。ウォームギアペアの寄与は、L_worm = 10 × log₁₀(10^(L_total/10) − 10^(L_remaining/10)) で計算されます。ウォームギアペアを分離できない場合は、ウォームギアハウジングから 50 ～ 100 mm 離れた位置に音響強度プローブを配置して近距離測定を行います。これにより、他の音源からの干渉が少ない音源固有のレベルが得られます。測定されたウォームギアペアの騒音を、特定のホール構成の騒音予算配分と比較します。
Q：ウォームギアの騒音は、インデックス速度が上がると大きくなりますか？
はい、ギアのかみ合い音は回転速度が2倍になるごとに約3 dB(A)増加します。毎分60インデックスで62 dB(A)のウォームギアペアは、毎分120インデックスで約65 dB(A)、毎分240インデックスで約68 dB(A)の騒音を発生します。この速度と騒音の関係は、同じ機械でも低速では騒音許容値を満たしていても、高速では超過する可能性があることを意味します。可変速機能を備えた包装機は、通常の運転速度ではなく、最大定格速度で騒音テストを行う必要があります。つまり、最悪のケースでも騒音許容値を満たさなければなりません。
Q：サーボモーターとウォームギアの組み合わせをパッケージのインデックス付けに使用できますか？
はい、エンコーダフィードバック付きサーボモーターは、高精度パッケージングのインデックス付けにますます一般的になっています。ウォームギアペアは機械的な減速比とセルフロックを提供し、サーボはプログラム可能な加速度プロファイルで正確な位置制御を提供します。この組み合わせにより、固定インデックスピッチに制限される機械式カム駆動インデクサ（ジェネバ機構、バレルカム）が不要になります。サーボとウォームの組み合わせでは、ソフトウェアのレシピ変更によってインデックスピッチ、加速度プロファイル、および滞留時間を変更できるため、製品フォーマット間の迅速な切り替えが可能になります。サーボドライブで使用する場合、ウォームギアペアのバックラッシュは範囲の狭い端（8分角未満）に指定する必要があります。バックラッシュがコントローラのデッドバンド設定を超えると、サーボコントローラの位置ループが振動する可能性があるためです。
Q：包装機械のウォームギアペアは通常どのくらい持ちますか？
包装機械は通常、1シフトまたは2シフト（年間2,000～4,500時間）で、毎分60～200サイクルのインデックス速度で稼働します。毎分120サイクル、年間3,000時間の場合、年間サイクル数は約2,160万サイクルとなり、ウォームギアペアの用途としては最もサイクル数の多い部類に入ります。このサイクル数が多いにもかかわらず、1サイクルあたりのトルクは低く（通常10～100 N·m）、1サイクルあたりの累積疲労損傷はそれほど大きくありません。これらの条件下でのブロンズホイールの寿命は3～6年で、歯の破損よりもインデックス精度に影響を与えるバックラッシュの増加によって制限されます。スチールウォームの寿命は8～15年です。年間バックラッシュ測定が主な監視ツールです。バックラッシュが機械のインデックス位置許容値（製品コンベアで通常0.1～0.3 mm）を超えた場合は、ホイールの交換を計画してください。
Q：包装材にブロンズ製ウォームホイールの代わりにPOM製ウォームホイールを使用することで、騒音面でのメリットはありますか？
POMウォームホイールは、同じ速度と負荷でブロンズ製ウォームホイールよりも8～12 dB(A)低い騒音を発生させます。これは、材料の減衰が噛み合い振動エネルギーを吸収するためです。EU規制の大規模ホールで稼働する包装機械で、ウォームギアペアのバジェットが60 dB(A)未満の場合、研削またはラップ加工されたウォーム（Ra 0.2～0.4 µm）と組み合わせたPOMホイールは、48～55 dB(A)を達成でき、最も厳しいバジェット内にも十分収まります。トレードオフはホイールの寿命です。包装インデックス作業では、POMは1.5～3年、ブロンズは3～6年持ちます。包装に典型的な低トルク（10～80 N·m）では、POMは機械的に十分であり、負荷はPOMの接触応力限界内に収まります。ホイール1個あたりのコスト差（POMは4～8米ドル、ブロンズは15～25米ドル）は、交換サイクルが短いにもかかわらず、費用対効果の高い騒音対策としてPOMをさらに有利にしています。
包装機のウォームギアペアは、騒音規制とインデックス精度の交点で動作します。騒音予算配分方法（ホールの占有制限から機械と発生源の数を経て個々のウォームギアペアの寄与目標まで逆算する）によって、ホブ加工、研削、またはラップ加工の表面仕上げが必要かどうかが決まります。OSHA 制限内の 4 台の機械があるホールでは Ra 0.8 µm のホブ加工ペアが許容されますが、EU 制限内の 20 台の機械があるホールでは Ra 0.2 µm の POM ホイールを使用したラップ加工ペアが要求される場合があります。毎分 60 ～ 200 サイクルのインデックス動作では、年間数百万回の起動・停止サイクルが蓄積され、平均動作トルクではなく、ピーク加速トルクに 1.5 ～ 2.0 のサービス係数を適用する必要があります。仕様はステーションごとです。インデックスステーションにはシングルスタートのセルフロック式ウォームギアペアが必要ですが、連続動作ステーションでは 2 スタートの効率がメリットになります。
包装機械メーカー様向けに、弊社のエンジニアリング部門がお客様の工場構成に基づいた騒音予算計算を行い、最適な表面仕上げグレードをご提案いたします。標準カタログ コンパクトウォームギアセット ホブ盤、研削盤、ラップ盤仕上げで出荷可能。ブロンズとPOM製のホイールオプションがあり、中心距離は40～80mm。 パッケージング駆動仕様 指標率、製品重量、ホールサイズ、および騒音制限を考慮します。
包装機械のインデックス機構にウォームギアのペアを指定する？
インデックスレート（cpm）、製品重量、ホール内の機械台数、規制騒音基準（OSHA、EU、韓国）、および駆動方式がインデックス式か連続式かをお知らせください。騒音予算を計算し、適切な表面仕上げとホイール材質をご提案いたします。
編集者: Cxm
