CN101479500A - 转动施力装置 - Google Patents

Abstract

一种转动施力装置，其中内圈轨道面(21)和外圈轨道面(31)具有异形轨道面(2k)(3k)，伴随着内外圈(2)(3)的相对旋转，所述异形轨道面(2k)(3k)使圆柱滚子(4)滚动并逐渐缩小对该圆柱滚子(4)的夹持间隔，对内外圈(2)(3)之间赋予消除由所述相对旋转产生的相位差的方向的转动作用力。

Description

转动施力装置

技术领域

本发明涉及在旋转方向上具有弹簧弹性的转动施力装置。

背景技术

作为在旋转方向上具有弹簧弹性的转动施力装置，采用使用琴钢线等的螺旋弹簧、或者橡胶或树脂等弹性材料，并用于各种用途。

例如在对用于借助汽车发动机驱动辅助设备的V型带等赋予预定的张力的自动张紧装置(autotensioner)中所使用的转动施力装置，如日本特开平7-4481号公报中所公开的那样，采用扭转螺旋弹簧作为转动施力部件。使用扭转螺旋弹簧，能够使阻尼力根据V型带等的张力的变动自动地变化。

但是，在采用扭转螺旋弹簧等的以往的转动施力装置中存在各种问题。

第一，在上述以往的转动施力装置中，存在设计自由度低的问题。例如为了使扭转弹性系数变化，在使用扭转螺旋弹簧的情况下需要使卷数或卷绕直径变化，在使用橡胶等弹性部件的情况下需要使弹性部件的材质或厚度变化。但是，通过这些变化所得到的扭转弹性系数的设计范围受到限制。因此，在以往的转动施力部件中，以相同的尺寸(体型)所得到的扭转弹性系数的范围极其有限。进一步，在以往的转动施力部件中，扭转角与扭转弹性系数的关系呈线性，无法使扭转弹性系数对应扭转角自由地变化、如使扭转弹性系数相对于扭转角呈非线性地变化等。

第二，以往的转动施力部件存在容易通过连续使用或经时变化而劣化、寿命短的问题。

第三，以往的转动施力部件需要接合相互相对旋转的外侧部件和内侧部件与扭转螺旋弹簧等转动施力部件的接合部，外围结构复杂。因此，存在部件数量和装配成本增加并且可靠性降低的问题。

第四，在以往的转动施力装置中，如上所述设计自由度低且外围结构容易变得复杂，因此转动施力装置的尺寸(体型)容易变大，在小型化方面存在界限。

如上所述，使用扭转螺旋弹簧等的转动施力装置存在各种问题。相对于此，本发明是基于与以往完全不同的技术思想完成的新结构的部件，是能够解决上述各问题的转动施力装置。

发明内容

即本发明的目的在于得到解决了扭转螺旋弹簧等以往的部件所具有的各问题的前所未有的划时代的转动施力装置。

本发明是一种转动施力装置，其特征在于，所述转动施力装置具有：内侧部件，其外周具有内侧轨道面；外侧部件，其内周具有外侧轨道面，且与所述内侧部件之间能够相对旋转；以及滚动体，其以能够滚动的方式夹装在所述内侧轨道面和所述外侧轨道面之间，所述内侧轨道面和所述外侧轨道面中的至少一方在其至少一部分上具有异形轨道面，伴随着所述内侧部件和外侧部件的相对旋转，所述异形轨道面使滚动体滚动并逐渐缩小该滚动体的夹持间隔，而对所述内外部件之间赋予消除由所述相对旋转产生的内外部件之间的相位差的方向的转动作用力。

根据所述结构，能够利用简单的不使用扭转螺旋弹簧等的结构赋予转动施力功能(以下也称为扭转弹性)，并且能够形成可支承径向载荷的部件。还能够通过异形轨道面的设计来自由地设计扭转刚性等，设计自由度极大地提高。

在上述转动施力装置中，设置在所述内侧轨道面上的所述异形轨道面优选为凸曲面。并且，设置在所述外侧轨道面上的所述异形轨道面优选为凹曲面。这样一来，容易缩小伴随着内外圈的相对旋转而逐渐缩小的滚动体夹持间隔的变化率，容易在更宽的周方向范围内确保扭转弹性。

优选形成为所述异形轨道面所形成的曲面具有位置与所述内外部件的旋转轴不同的曲率中心。

这样一来，与自由曲面等异形轨道面相比能够实现设计的容易化和加工(制造)的容易化。

进一步，优选形成为具有以下特征的转动施力装置，所述转动施力装置具有：由在周方向上等分配置的多个所述异形轨道面的连续而构成的所述内侧轨道面和/或所述外侧轨道面；以及与所述异形轨道面的等分数量相同个数的所述滚动体，所述滚动体的夹持间隔伴随着所述内外部件的相对旋转在所有的滚动体处均等地变化。

通过在周方向上等分配置异形轨道面并且利用异形轨道面的连续构成轨道面，能够最大限度地确保各异形轨道面的周方向范围，能够进一步扩大具有扭转弹性的周方向范围。并且，能够使外圈从滚动体受到的力的方向和大小在所有的滚动体处都均等，能够在周方向上均匀地赋予扭转弹性。因此能够形成旋转精度高的转动施力装置。

并且，也可以以如下方式形成所述异形轨道面：当对所述内外部件之间赋予规定以上的转矩时，所述内外部件能够在至少一个方向上无限制地相对旋转。在该情况下，能够避免在内外部件之间作用有过大的转矩，能够形成也起到转矩限制器作用的转动施力装置。

附图说明

图1是本发明的第一实施方式的转动施力装置的剖视图。

图2是示出图1的转动施力装置的外圈轨道面的轮廓线的图。

图3是示出图1的转动施力装置的内圈轨道面的轮廓线的图。

图4是用于说明在图1的转动施力装置中产生扭转弹性的原理的图。

图5是本发明的第二实施方式的转动施力装置的剖视图。

图6是变形例的剖视图。

图7是本发明的第三实施方式的转动施力装置的剖视图。

图8是用于说明在图7的转动施力装置中产生扭转弹性的原理的图。

图9是示出本发明的应用例的剖视图。

图10是示出对滚子半径的影响进行试验的结果的曲线图。

图11是示出对滚子有效长度的影响进行试验的结果的曲线图。

图12是示出对轨道平均直径的影响进行试验的结果的曲线图。

图13是示出对径向间隙的影响进行试验的结果的曲线图。

图14是示出外圈旋转角度和外圈转矩之间的关系的曲线图。

图15是示出外圈旋转角度和扭转刚性之间的关系的曲线图。

图16是示出外圈转矩和扭转刚性之间的关系的曲线图。

图17是示出外圈旋转角度和外圈转矩之间的关系的曲线图。

图18是示出外圈旋转角度和扭转刚性之间的关系的曲线图。

图19是示出外圈转矩和扭转刚性之间的关系的曲线图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明的实施方式进行说明。

另外，在以下的实施方式中，以作为内侧部件采用内圈、作为外侧部件采用外圈的例子进行说明，但是，本发明的内侧部件或外侧部件并不限于内圈或外圈这样的环状部件。例如内侧部件也可以是实心的部件，内侧部件或者外侧部件也可以是与其他的部件一体化了的部件。

图1是本发明的第一实施方式的转动施力装置1的剖视图。该转动施力装置1具有：作为内侧部件的内圈2；作为外侧部件的外圈3；以及夹装在内圈2和外圈3之间的作为滚动体的圆柱滚子4。圆柱滚子4以能够滚动的方式夹装在作为内侧轨道面的内圈轨道面21和作为外侧轨道面的外圈轨道面31之间。转动施力装置1的轨道面并不像以往的圆柱滚子轴承那样形成以内外圈的旋转轴(轴中心)为中心的圆周面。即，内圈轨道面21由与以内外圈的旋转轴X为中心的圆周面不同的异形轨道面、即内圈异形轨道面2k的连续构成。外圈轨道面31由作为异形轨道面的外圈异形轨道面3k的连续构成。构成内圈轨道面21的三个内圈异形轨道面2k都是相同的形状，构成轨道面31的三个外圈异形轨道面3k也都是相同的形状。内圈轨道面21在周方向上被均等地(每120度)分成三份，各分割部分分别形成内圈异形轨道面2k。同样，外圈轨道面31也在周方向上被均等地(每120度)分成三份，各分割部分分别形成外圈异形轨道面3k。因此，转动施力装置1形成内圈异形轨道面2k和外圈异形轨道面3k在周方向上被三等分的三等分型转动施力装置。此外，在各异形轨道面2k、3k之间各配置有一个圆柱滚子4。通过内圈异形轨道面2k和外圈异形轨道面3k在内外圈2、3之间形成轨道面间隔在周方向上逐渐缩小的渐缩空间部(楔状空间部)，圆柱滚子4通过伴随着内外圈2、3的相对旋转的所谓的楔形效果被压缩弹性变形。如上所述，分别通过异形轨道面2k、3k的连续来形成内圈轨道面21和外圈轨道面31，由此，内圈轨道面21和外圈轨道面31分别仅由异形轨道面2k、3k占据。并且，各异形轨道面2k、3k在周方向上被等分配置。由此，各异形轨道面2k、3k的周方向范围分别被扩大至最大限度，有助于扩大能够得到转动作用力的周方向范围。

图2是示出转动施力装置1的外圈轨道面31的截面形状的轮廓线图。构成外圈轨道面31的三个外圈异形轨道面3k分别形成凹曲面。具体而言，外圈异形轨道面3k形成以位于比内外圈的旋转轴(以下称为轴中心)X靠近轨道面(该外圈异形轨道面3k)的一侧的外圈轨道曲率中心Co为中心的圆周面。该外圈异形轨道面3k的曲率半径gro比外圈轨道面31与轴中心X之间的距离的最大值、即与外圈轨道面31的截面轮廓线外接的圆的半径亦即外圈轨道基准半径Ro小。并且，在剖视图中，对于三个各外圈异形轨道面3k，其外圈轨道曲率中心Co分别位于包含距离轴中心X的距离为最大值的外圈最大径位置3m和轴中心X的直线p3上。

另一方面，图3是示出转动施力装置1的内圈轨道面21的截面形状的轮廓线图。构成内圈轨道面21的三个内圈异形轨道面2k分别形成凸曲面。具体而言，内圈异形轨道面2k形成以位于比轴中心X远离轨道面(该内圈异形轨道面2k)的一侧的内圈轨道曲率中心Ci为中心的圆周面。该内圈异形轨道面2k的曲率半径gri比内圈轨道面21与轴中心X之间的距离的最小值、即与内圈轨道面21的截面轮廓线内接的圆的半径亦即内圈轨道基准半径Ri大。并且，在剖视图中，对于三个各内圈异形轨道面2k，其内圈轨道曲率中心Ci分别位于包含距离轴中心X的距离为最小值的内圈最小径位置2m和轴中心X的直线p2上。

具有以上形状的内圈轨道面21和外圈轨道面31的转动施力装置1具有转动施力功能(扭转弹簧功能)。对该点进行说明。

在转动施力装置1中，内圈轨道面21和外圈轨道面31都不是以轴中心X为中心的圆周面，因此内圈轨道面21和外圈轨道面31之间的空间(滚动空间)的形状根据内圈2和外圈3的相对相位关系而变化，图1的状态是使外圈轨道面31的外圈最大径位置3m和内圈轨道面21的内圈最小径位置2m相位相同的状态。以下，设该状态为基准状态。在基准状态中，各圆柱滚子4配置在与内圈最小径位置2m和外圈最大径位置3m相切的周方向位置(参照图1)。该基准状态是圆柱滚子4的夹持间隔(圆柱滚子4的接触位置的轨道面间隔)最宽的状态。因此，在该基准状态下，从两轨道面2k、3k作用在圆柱滚子4上的压缩力为最小值(例如为0)。

另外，基准状态中的内圈最小径位置2m和外圈最大径位置3m之间的径向距离与圆柱滚子4的直径大致一致，但是也可以赋予若干径向间隙(正间隙或者负间隙)。

接下来，当从该基准状态使内圈2和外圈3相对旋转时，圆柱滚子4滚动，同时，该圆柱滚子4的夹持间隔逐渐变窄。因此，伴随着该相对旋转，圆柱滚子4被内圈轨道面21和外圈轨道面31压缩而弹性压缩变形，对内外圈之间赋予消除由该相对旋转产生的相位差的方向的转动作用力(弹性力；扭转弹力)。

对利用转动施力装置1产生转动作用力(扭转弹力)这点进行进一步的详细说明。图4是用于对由转动施力装置1产生的转动作用力进行说明的剖视图，为了便于理解仅示出内圈异形轨道面2k、外圈异形轨道面3k、以及圆柱滚子4的截面线。在图4中，示出固定内圈2、并使外圈3绕逆时针方向旋转角度θ而静止后的平衡状态。在基准状态中，外圈最大径位置3m位于图4的x轴上的位置3mi，且内圈最小径位置2m也位于x轴上。并且在该基准状态下圆柱滚子4的中心Pr也位于x轴上。当从所述基准状态使外圈3绕逆时针方向旋转角度θ时，圆柱滚子4绕逆时针方向滚动至图4所示的位置。由该滚动产生的圆柱滚子4的公转角度相对于内圈轨道曲率中心Ci为角度φi。此时，设内圈异形轨道面2k与圆柱滚子4之间的接触位置的中心为Pi、外圈异形轨道面3k与圆柱滚子4之间的接触位置的中心为Po，则Pi与Po之间的间隔比基准状态中的内圈最小径位置2m和外圈最大径位置3m之间的间隔窄，并且也比圆柱滚子4的直径2Rr(圆柱滚子4的半径Rr的二倍)窄。因此，圆柱滚子4从内圈轨道面21受到垂直力Qi，同时从外圈轨道面31受到垂直力Qo而压缩弹性变形。在平衡并静止的状态下，在圆柱滚子4上几乎不作用有切向力，如图4所示点Ci、Co、Pi、Pr、Po排列在直线L1上。而且，上述垂直力Qi和垂直力Qo的矢量的方向也是与直线L1相同的方向，内圈2从圆柱滚子4受到的垂直力Qi’以及外圈3从圆柱滚子4受到的垂直力Qo’也与直线L1方向相同。而外圈3从圆柱滚子4受到的垂直力Qo’与转动施力装置1的径向(连接外圈3与圆柱滚子4的接触位置的中心Po和轴中心X的方向)不同，该垂直力Qo’具有该径向的分量和绕顺时针方向的分量。这样，外圈3受到产生转动施力部件(扭转弹性)的顺时针方向的力矩(以下也称为转动施力力矩)。转动施力力矩的大小为[(矢量Qo’的大小)×(从轴中心X到直线L1的距离U1)]。在图4的平衡状态下转动施力力矩与想要使外圈3朝逆时针方向旋转的外力的力矩平衡。

如上所述，内圈异形轨道面2k为凸曲面，并且，外圈异形轨道面3k为凹曲面。并且，内圈异形轨道面2k和外圈异形轨道面3k构成平滑地连续的曲面。在内圈轨道面21中未形成平滑地连续的曲面的部分仅是相邻的内圈异形轨道面2k彼此之间的边界位置21b(参照图3)，在外圈轨道面31中未形成平滑地连续的曲面的部分仅是相邻的外圈异形轨道面3k彼此之间的边界位置31b(参照图2)。因此，只要圆柱滚子4与轨道面之间的接触位置不到达这些边界位置21b、31b，则伴随着内圈2和外圈3的相对旋转的圆柱滚子4接触位置处的轨道面间隔就会逐渐(渐渐)变化。于是，通过使用图4说明了的上述机构对内外圈2、3之间赋予消除由内圈2和外圈3的相对旋转产生的相位差的方向的转动作用力。

根据转动施力装置1，能够利用不采用扭转螺旋弹簧等的简单的结构赋予转动施力功能(扭转弹性)。因此，与以往的转动施力部件相比能够抑制由连续使用或经时变化引起的劣化，能够延长寿命。并且，转动施力装置1成为具有能够支承径向载荷的轴承功能的部件。进一步，与以往的转动施力部件不同，不需要接合相互相对旋转的外侧部件和内侧部件与转动施力部件的接合部等外围部件。因此，能够使外围结构简单化、能够抑制部件数量和装配成本、能够提高可靠性、同时容易实现部件的小型化。

进一步，在转动施力装置1中，与以往的转动施力部件相比，扭转刚性等的设计自由度极大地提高。即，由于能够通过异形轨道面的设计(曲率、曲率中心的位置等)或者圆柱滚子4或内外圈2、3的刚性等自由地设计弹性系数，因此设计自由度极大地提高，尤其是即使不改变部件的尺寸(体型)也能够在很大范围内设定扭转刚性等特性。并且，在以往的扭转螺旋弹簧中，相位差(扭转角)和扭转刚性之间的关系为线性(恒定)，但是，在转动施力装置1中，能够使扭转刚性根据相位差自由地变化，如使扭转刚性相对于相位差(扭转角)非线性地变化等。

并且，各异形轨道面2k、3k形成为曲率中心位于与内外圈的旋转轴X不同的位置的曲面。这样，由于2k、3k是圆周面，因此与自由曲面等相比轨道面的设计或加工(制造)容易。

并且，转动施力装置1具有：内圈轨道面21，其由在周方向上等分配置的三个内圈异形轨道面2k的连续而构成；外圈轨道面31，其由在周方向上等分配置的三个外圈异形轨道面3k的连续而构成；以及三个圆柱滚子4，且滚动体的夹持间隔伴随着内外圈2、3的相对旋转在所有的圆柱滚子4处均等地变化。这样，通过在周方向上等分配置异形轨道面2k、3k并且利用异形轨道面2k、3k的连续构成轨道面21、31，能够将各异形轨道面21、31的周方向范围确保为最大限度，能够进一步扩大具有扭转弹性(转动施力功能)的周方向范围。并且，外圈从各滚动体受到的力的方向和大小对于所有滚动体而言在周方向上被均等化，即在周方向上被赋予均一的扭转弹性。因此形成为旋转精度高的转动施力装置1。

图5是作为本发明的第二实施方式的转动施力装置50的剖视图。图1所示的转动施力装置1是三等分型，而该转动施力装置50是四等分型。并且，图5与图1同样是基准状态的剖视图。除了将等分数量从3变为4以外，基本的结构与转动施力装置1相同，因此，以下适当省略对与转动施力装置1相同的点的说明。

在转动施力装置50中，与转动施力装置1相同，内圈轨道面21也由与以内外圈的旋转轴X为中心的圆周面不同的异形轨道面、即内圈异形轨道面2k的连续而构成，外圈轨道面31也由作为异形轨道面的外圈异形轨道面3k的连续而构成。因此，内圈轨道面21和外圈轨道面31分别仅由异形轨道面2k、3k占据。构成内圈轨道面21的四个内圈异形轨道面2k都是相同的形状，构成轨道面31的四个外圈异形轨道面3k也都是相同的形状。内圈轨道面21在周方向上被均等地(每90度)分成四份，各分割部分分别形成内圈异形轨道面2k。同样，外圈轨道面31也在周方向上被均等地(每90度)分成四份，各分割部分分别形成外圈异形轨道面3k。因此，转动施力装置50形成内圈异形轨道面2k和外圈异形轨道面3k在周方向上被四等分的四等分型的转动施力装置。

并且，如图5所示，构成外圈轨道面31的四个外圈异形轨道面3k分别形成凹曲面。具体而言，外圈异形轨道面3k形成以位于比内外圈的旋转轴(以下也称为轴中心)X靠近轨道面(该外圈异形轨道面3k)的一侧的外圈轨道曲率中心Co为中心的圆周面。该外圈异形轨道面3k的曲率半径gro比外圈轨道面31与轴中心X之间的距离的最大值、即与外圈轨道面31的轮廓截面线外接的圆的半径亦即外圈轨道基准半径Ro小。并且，在剖视图中，对于四个各外圈异形轨道面3k，其外圈轨道曲率中心Co分别位于包含距离轴中心X的距离为最大值的外圈最大径位置3m和轴中心X的直线p3上。

另一方面，构成内圈轨道面21的四个内圈异形轨道面2k分别形成凸曲面。具体而言，内圈异形轨道面2k形成以位于比轴中心X远离轨道面(该内圈异形轨道面2k)的一侧的内圈轨道曲率中心Ci为中心的圆周面。该内圈异形轨道面2k的曲率半径gri比内圈轨道面21与轴中心X之间的距离的最小值、即与内圈轨道面21的截面轮廓线内接的圆的半径亦即内圈轨道基准半径Ri大。并且，在三个各内圈异形轨道面2k中，内圈轨道曲率中心Ci分别位于包含距离轴中心X的距离为最小值的内圈最小径位置2m和轴中心X的平面p2上。该转动施力装置50具有转动施力功能的原理与在上述转动施力装置1中的说明完全相同。另外，在周方向上等分配置异形轨道面和转动体时的等分数量并不限于上述各实施例的三或四，能够根据转动施力装置所要求的特性适当设定。

图6是示出将外圈轨道面31或者内圈轨道面21中的任一个形成为以轴中心X为中心的圆周面的变形例的转动施力装置70、80的图。

对于图6(a)所示的转动施力装置70，外圈轨道面31与图5的转动施力装置50同样由四个连续的外圈异形轨道面3k构成，而内圈轨道面21是以轴中心X为中心的圆周面。另一方面，在图6(b)所示的转动施力装置80中，内圈轨道面21与图5的转动施力装置50同样由四个连续的内圈异形轨道面2k构成，而外圈轨道面31是以轴中心X为中心的圆周面。本发明也可以这样将内圈轨道面或者外圈轨道面中的任一个形成以轴中心X为中心的圆周面。在该情况下，由于仅将内圈轨道面或者外圈轨道面中的任一方加工成异形轨道面即可，因此能够使制造工序简化，并且由于仅将一方的轨道面加工成异形轨道面，因此容易提高作为转动施力装置的加工精度。

在图1所示的转动施力装置1、图5所示的转动施力装置50、以及图6所示的各变形例70、80中，不仅针对单方向的相对旋转，在双方向的相对旋转的情况下也能够得到消除由该相对旋转产生的相位差的方向的转动作用力。因此，这些转动施力装置在相对于两方向(双方向)而不是单方向需要扭转弹性的用途中尤其适用。

上述各实施方式中的能够相对旋转的范围由异形轨道面2k、3k的设计以及滚动体4或内外圈2、3的弹性变形范围等决定。如果施加在内外圈之间的转矩的大小没有制约，则内外圈能够相对旋转至滚动体或内外圈的弹性变性范围的界限。因此，在异形轨道面2k、3k等的设计过程中，也能够使滚动体4通过内外圈的相对旋转越过相邻的异形轨道面彼此之间的边界位置21b或者31b(参照图1、图5)进行滚动。在该情况下，转动施力装置页起到能够避免过大转矩的转矩限制器的作用。即，滚动体能够通过内外圈的相对旋转移动至相邻的异形轨道面，由此能够使内外圈之间的相对旋转范围没有界限，同时能够对作用于内外圈之间的转矩设定一定的界限值。该界限值(转矩极限值)能够通过异形轨道面的形状或滚动体的诸元等自由地设定。另一方面，通过设计成为无论在内外圈之间施加多大的转矩滚动体也不会移动至旁边的异形轨道面，能够将内外圈之间的相对移动范围限定为规定范围。在该情况下，例如也能够作为双方向的离合器发挥功能。

图7是本发明的第三实施方式的转动施力装置60的剖视图。该转动施力装置60是内圈异形轨道面2k、外圈异形轨道面3k、以及滚动体4在周方向上被四等分的四等分型的转动施力装置，与上述各实施方式不同，能够得到扭转弹性的相对旋转方向被限定为一个方向。

在转动施力装置60中，与上述的各实施方式不同，各异形轨道面2k、3k分别由具有两种曲率半径的曲面而不是具有单一的曲率半径的曲面形成。即，内圈异形轨道面2k分别由曲率半径Gri的内圈滚动面2k1和具有与圆柱滚子4的半径Rr相同的曲率半径的内圈滚动体保持面2k2构成。内圈滚动面2k1的一方侧(小径侧)端部为内圈最小径位置2m，该内圈最小径位置2m形成内圈滚动面2k1和内圈滚动体保持面2k2之间的边界。并且，在该内圈最小径位置2m处，内圈滚动面2k1和内圈滚动体保持面2k2平滑地连续。

另外，外圈异形轨道面3k分别由曲率半径Gro的外圈滚动面3k1和具有与圆柱滚子4的半径Rr相同的曲率半径的外圈滚动体保持面3k2构成。外圈滚动面3k1的一方侧(大径侧)端部为外圈最大径位置3m，该外圈最大径位置3m形成外圈滚动面3k1和外圈滚动体保持面3k2之间的边界。并且，在该外圈最大径位置3m处，外圈滚动面3k1和外圈滚动体保持面3k2平滑地连续。

图7所示的状态是圆柱滚子4与外圈最大径位置3m和内圈最小径位置2m相切且与内圈滚动体保持面2k2和外圈滚动体保持面3k2面接触的状态。以下将该状态称为第二基准状态。在该第二基准状态中，从轨道面21、31作用在圆柱滚子4上的压缩力为最小值(例如0)。转动施力装置60仅能够从该第二基准状态向一个方向相对旋转。即，例如假设固定内圈2而使外圈3旋转的情况下，外圈3仅能够从图7的第二基准状态向逆时针方向旋转，无法向顺时针方向旋转。因此，转动施力装置60在将内圈2和外圈3的相对旋转仅限制在一个方向的用途中尤其有用。

此外，在转动施力装置60中，消除由内圈2和外圈3的相对旋转产生的位相差的方向的转动作用力仅在图7中的顺时针方向产生、在逆时针方向不产生，而与内圈2和外圈3的相位关系无关。因此转动施力装置60在转动作用力的方向仅为一个方向即可的用途中是优选的。

转动施力装置60的异形轨道面2k、3k中的圆柱滚子4能够滚动的轨道面即内圈滚动面2k1和外圈滚动面3k1的曲率中心位于与上述的转动施力装置1或50等中的内圈异形轨道面2k和外圈轨道面3k的曲率中心位置不同的点。现在，在图7的第二基准状态的截面中，设与连接外圈最大径位置3m和内圈最小径位置2m的直线t1平行且通过轴中心X的直线为第一直线x1和第二直线y1。如图7所示，第一直线x1和第二直线y1相互正交，图7的剖视图通过这些第一直线x1和第二直线y1被划分为与等分数量相同数量(即四个)的区域(从图7的右上的区域开始按照顺时针的顺序为区域A1、右下的区域A2、左下的区域A3、左上的区域A4)。此时，例如主要属于区域A1的内圈滚动面2k1的曲率中心Ci1属于区域A4。并且，例如主要属于区域A2的外圈滚动面3k1的曲率中心Co1属于区域A1。即，主要属于由上述直线x1和y1划分的四个区域中的任一个区域的内圈滚动面2k1的曲率中心，配置于在能够得到扭转弹性的外圈旋转方向(在转动施力装置60中为逆时针方向)上邻接的其他区域。同样，主要属于上述四个区域中的任一个的外圈滚动面3k1的曲率中心，配置于在能够得到扭转弹性的外圈旋转方向(在转动施力装置60中为逆时针方向)上邻接的其他区域。

转动施力装置60的特征在于容易形成比上述的转动施力装置1或转动施力装置50等大的容许转矩。图8是示出固定处于第二基准状态的转动施力装置60的内圈2、且使外圈3向逆时针方向旋转角度θ而静止后的平衡状态的图。通过该外圈3的旋转，圆柱滚子4滚动且相对于内圈滚动面2k1的曲率中心Ci1公转角度φi。此时，与在图4中所说明过的相同，外圈3从滚动体4受到的垂直力Qo’的方向与连接滚动体4和外圈轨道面31的接触位置的中心Po与内圈滚动面2k1的曲率中心Ci1的直线L1相同。因此，垂直力Qo’具有图8的顺时针方向的分量，产生转动施力力矩，该转动施力力矩产生扭转弹性。此处，与图4的情况下的内圈轨道曲率中心Ci不同，图8中的内圈滚动面2k1(主要属于上述的区域A1的内圈滚动面2k1)的曲率中心Ci1从轴中心X在第二直线y1方向上偏移距离h。通过偏移该距离h，垂直力Qo’的矢量的方向与图4的情况相比更加接近水平。换言之，从轴中心X下垂至直线L1的垂线的长度为与上述垂直力Qo’的方向正交的力矩的力臂的长度，与图4的情况下的力矩的力臂的长度U1相比，图8的情况下的力矩的力臂的长度U2更长。因此，在垂直力Qo’的大小相同的情况下，图8的情况下的转动施力力矩[(垂直力Qo’的大小)×(长度U2)]比图4的情况下的转动施力力矩[(垂直力Qo’的大小)×(长度U1)]大。因此，与图4的情况相比，图8的情况更容易利用更少的外力(转矩)得到更多的转动作用力，因此容易增大容许转矩。换言之，与图4的情况相比，图8的情况更容易相对于相同的容许转矩减小扭转刚性。

与以往的扭转螺旋弹簧等不同，本发明的转动施力装置还具有轴承功能。即，能够支承径向载荷(径方向载荷)，如果应用在轴承所采用的结构则能够支承轴向载荷(轴方向载荷)和力矩载荷。这样的能够支承内外部件之间的载荷的功能是在以往的扭转螺旋弹簧或橡胶等中完全无法得到的效果。因此，如果在以往的组合转动施力部件和支承轴承进行适用的用途中使用本发明的转动施力装置，则能够得到以下的优点：能够减轻支承轴承的负担、或者能够不需要支承轴承。

在本发明中，滚动体的形状等并无特殊限制，只要是能够伴随着内圈和外圈的相对旋转而滚动的部件即可。因此，并不限于上述实施方式那样的圆柱滚子，例如也可以是滚珠或圆锥滚子等，能够适当地应用以往在轴承中使用的部件。并且，由于提高了扭转刚性的设定自由度，因此也能够使用容易弹性压缩变形的空心滚动体(例如空心的圆柱滚子或空心的滚珠)等。并且，滚动体的材质能够根据转动施力装置所要求的性能适当选择。

在上述各实施方式中，主要考虑了相对旋转时内侧部件(内圈2)和外侧部件(外圈3)与滚动体的接触区域中的局部的弹性变形。但是，通过减薄内侧部件或外侧部件的壁厚等，也可以增大内侧部件和/或外侧部件的宏观的弹性变形。进一步，也可以形成滚动体几乎不弹性变形、主要使内侧部件或者外侧部件弹性变形来得到转动作用力的结构。通过增加内侧部件或外侧部件的刚性作为设计要素，本发明的设计自由度进一步提高。

通过改变内侧部件(内圈2)或外侧部件(外圈3)的壁厚(平均壁厚)、壁厚分布、或者材质，能够使内外部件的刚性(相对于滚动体的按压力的刚性)变化。作为使壁厚分布变化的方式，还可以使内侧部件或外侧部件的壁厚在周方向均等地变化。例如，在上述的转动施力装置1或转动施力装置50中，外圈3的外周面是以轴中心X为中心的圆周面，但是也能够对外圈3的外周面赋予凹凸。作为一例，可以在外圈3的外周面上与边界位置31b的相位对应地设置由平滑的曲面构成的凹部。并且，与外圈3相同，也可以在内圈2的内周面上也设置凹凸等。

(基于实施例的验证)

作成本发明的实施例并确认了扭转刚性等特性。在以下的实验中，在内外圈以及滚动体中使用杨氏模量为207900MPa且泊松比为0.3的钢材。

(试验1；滚子半径的影响)

除了图1所示的三等分型(等分数量Z＝3)的转动施力装置1和图5所示的四等分型(等分数量Z＝4)的转动施力装置50以外，还使用未图示的五等分型(等分数量Z＝5)的转动施力装置，通过将各转动施力装置的规格形成为表1所示的规格1～5制作并评价总计15种实施例，调查滚子半径Rr的影响。另外，在以下的各试验结果的曲线图中，三等分型(等分数量Z＝3)的转动施力装置1的评价结果标为Z＝3，图5所示的四等分型(等分数量Z＝4)的转动施力装置50的评价结果标为Z＝4，五等分型(等分数量Z＝5)的转动施力装置的评价结果标为Z＝5。

【表1】

 

	标号	单位	规格1	规格2	规格3	规格4	规格5
								内圈轨道基准半径	Ri	mm	13.5	12.5	11.5	10.5	9.5
外圈轨道基准半径	Ro	mm	17.5	18.5	19.5	20.5	21.5
								滚子半径	Rr	mm	2.0	3.0	4.0	5.0	6.0
滚子有效长度	——	mm	26.0	26.0	26.0	26.0	26.0
								轨道平均直径	——	mm	31.0	31.0	31.0	31.0	31.0
径向间隙	——	mm	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00

表示试验1的评价结果的曲线图是图10。如该图所示，可见当滚子半径变大时，最大扭转刚性Kmax(Nm/rad)存在变小的倾向。另外，作为最大扭转刚性Kmax是在相对旋转范围内能够得到的最大的扭转刚性。另外，在以下的实验中，考虑滚子所能够承受的接触面压力，对施加在内外圈之间的转矩设定规定的上限值(以下也称为转矩上限值)。在以下的记载中，将即使施加转矩上限值的转矩圆柱滚子4也不会移动至相邻的异形轨道面的情况称为面压力界限，将圆柱滚子4利用转矩上限值以下的转矩移动至相邻的异形轨道面的情况称为角度界限。因此，形成角度界限的实施例是如上述那样的具有转矩限制器功能的转动施力装置。在上述试验1中，在Z＝3的情况下所有的规格都形成面压力界限，在Z＝4的情况下规格1、2为面压力界限，规格3～5为角度界限。对于Z＝5的情况，规格1为面压力界限，规格2～5为角度界限。在图10的曲线图中，在Z＝4和Z＝5的情况下最大扭转刚性取极小值，这是由于从面压力界限移动至角度界限所致。

(试验2；滚子有效长度的影响)

使用Z＝3～5的上述转动施力装置，通过将各转动施力装置的规格形成表2所示的规格6～10制作并评价总计15种实施例，调查滚子有效长度的影响。

【表2】

 

	标号	单位	规格6	规格7	规格8	规格9	规格10
								内圈轨道基准半径	Ri	mm	11.5	11.5	11.5	11.5	11.5
外圈轨道基准半径	Ro	mm	19.5	19.5	19.5	19.5	19.5
								滚子半径	Rr	mm	4.0	4.0	4.0	4.0	4.00
滚子有效长度	——	mm	15.0	20.0	26.0	30.0	35.0
								轨道平均直径	——	mm	31.0	31.0	31.0	31.0	31.0
径向间隙	——	mm	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00

表示试验2的评价结果的曲线图是图11。如该图所示，可见当滚子有效长度变长时，最大扭转刚性Kmax存在变小的倾向。并且，在试验2中，在Z＝3的情况下所有规格都是面压力界限，在Z＝4的情况下，规格6、7为面压力界限，规格8～10为角度界限。在Z＝5的情况下，所有规格都为角度界限。

(试验3；轨道平均直径的影响)

使用Z＝3～5的上述转动施力装置，通过将各转动施力装置的规格形成表3所示的规格11～15制作并评价总计15种实施例，调查轨道平均直径的影响。

【表3】

 

	标号	单位	规格11	规格12	规格13	规格14	规格15
								内圈轨道基准半径	Ri	mm	6.0	8.5	11.5	13.5	16.0
外圈轨道基准半径	Ro	mm	14.0	16.5	19.5	21.5	24.0
								滚子半径	Rr	mm	4.0	4.0	4.0	4.0	4.0
滚子有效长度	——	mm	26.0	26.0	26.0	26.0	26.0
								轨道平均直径	——	mm	20.0	25.0	31.0	35.0	40.0
径向间隙	——	mm	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00

表示试验3的评价结果的曲线图是图12。如该图所示，可见当轨道平均直径变大时，最大扭转刚性Kmax(Nm/rad)存在变小的倾向。并且，在试验3中，在Z＝3的情况下所有规格都是面压力界限，在Z＝4的情况下，规格11为面压力界限，规格12～15为角度界限。在Z＝5的情况下，所有规格都为角度界限。

(试验4；径向间隙的影响)

使用Z＝3～5的上述转动施力装置，通过将各转动施力装置的规格形成表4所示的规格16～20制作并评价总计15种实施例，调查径向间隙的影响。另外，所谓径向间隙指的是上述基准状态中的径向间隙。

【表4】

 

	标号	单位	规格16	规格17	规格18	规格19	规格20
								内圈轨道基准半径	Ri	mm	11.490	11.495	11.500	11.505	11.510
外圈轨道基准半径	Ro	mm	19.510	19.505	19.500	19.495	19.490
								滚子半径	Rr	mm	4.0	4.0	4.0	4.0	4.00
滚子有效长度	——	mm	26.0	26.0	26.0	26.0	26.0
								轨道平均直径	——	mm	31.0	31.0	31.0	31.0	31.0
径向间隙	——	mm	-0.02	-0.01	0.00	0.01	0.02

表示试验4的评价结果的曲线图是图13。如该图所示，在Z＝4时最大扭转刚性取极小值，可见当想要缩小最大扭转刚性时，径向间隙存在最佳值。并且，在试验4中，在Z＝3的情况下所有规格都是面压力界限，在Z＝4的情况下，规格16为面压力界限，规格17～20为角度界限。在Z＝5的情况下，所有规格都为角度界限。Z＝3的曲线图单调减少是因为所有规格都是面压力界限，Z＝5的曲线图单调增加是因为所有规格都是角度界限。

(试验5；内外圈间转矩和扭转刚性与相对旋转角度之间的关系)

使用图5中所示的Z＝4(四等分型)的转动施力装置50制作以下规格的实施例，调查内外圈间转矩与相对旋转角度之间的关系、以及扭转刚性与相对旋转角度之间的关系。

(试验5的实施例的规格)

内圈轨道基准半径Ri：              11.505mm

外圈轨道基准半径Ro：              19.495mm

滚子半径Rr：                      4.0mm

滚子有效长度：                    26.0mm

轨道平均直径：                    31.0mm

径向间隙：                        -0.01mm

内圈异形轨道面2k的曲率半径gri：   11.635mm

外圈异形轨道面3k的曲率半径gro：   19.293mm

另外，在试验5中，固定内圈仅使外圈旋转，因此，在以下的记载中，将内外圈间转矩、即作用于内外圈之间的转矩称为“外圈转矩”，将内外圈之间的相对旋转角度称为“外圈旋转角度”，将内外圈之间的最大相对旋转角度称为“外圈最大旋转角度”。

设转矩上限值为12.046(Nm)对该实施例进行评价，最大扭转刚性Kmax为26.311(Nm/rad)，外圈最大旋转角度为69.849(deg)。另外，在该实施例中利用角度界限来观测最大扭转刚性Kmax。

进一步，在该试验5的实施例中，对外圈旋转角度θ和外圈转矩To之间的关系进行调查的结果是图14的曲线图，对外圈旋转角度θ和扭转刚性K(Nm/rad)之间的关系进行调查的结果是图15的曲线图。如图14和图15的曲线图所示，在该实施例中，在附加转矩上限值(大约12Nm)的状态下的扭转刚性K(即最大扭转刚性Kmax)大约为26Nm/rad。并且，外圈转矩和扭转刚性K中的任一个相对于外圈旋转角度θ都为非线性，显示出利用以往的扭转螺旋弹簧等无法得到的特性。

图16是示出试验5的实施例中的外圈转矩To和扭转刚性K之间的关系的曲线图。由该图可见，随着外圈转矩To变小，扭转刚性K也变小。这意味着在将转动施力装置用于皮带轮(damper pulley)等中的情况下，附加转矩越小旋转变动吸收性能越好。

(试验6；基于一方向型的实施例的评价)

接下来，使用与能够得到扭转弹性的相对旋转方向被限定为一个方向的转动施力装置60(图7所示)类型相同的转动施力装置进行试验。但是，此处并不使用图7所示的四等分型，而是使用六等分型的转动施力装置。该实施例的规格如下。

(试验6的实施例的规格)

内圈轨道基准半径Ri：                    11.500mm

外圈轨道基准半径Ro：                    19.500mm

滚子半径Rr：                            4.0mm

滚子有效长度：                          26.0mm

轨道平均直径：                          31.0mm

径向间隙：                              0.00mm

内圈滚动面2k1的曲率半径Gri：            11.537mm

外圈滚动面3k1的曲率半径Gro：            19.460mm

距离轴中心X的偏移量h(参照图7)：         0.05mm

设转矩上限值为12.600(Nm)对该实施例进行评价，外圈最大旋转角度为66.514(deg)，此时的扭转刚性K为10.357(Nm/rad)。另外，该实施例为面压力界限。

进一步，在该试验6的实施例中，对外圈旋转角度θ和外圈转矩To之间的关系进行分析的结果为图17的曲线图，对外圈旋转角度θ和扭转刚性K(Nm/rad)之间的关系进行分析的结果为图18的曲线图。进一步，对外圈转矩To和扭转刚性K之间的关系进行分析的结果为图19的曲线图。如图17和图18的曲线图所示，在该实施例中，例如施加大约12Nm的转矩的状态下的扭转刚性K大约为12Nm/rad。因此，在转矩为大约12Nm的情况下，扭转刚性K比试验5的实施例大幅减小。并且，如图18所示，扭转刚性K并不是相对于外圈旋转角度θ单调增加。并且，如图19所示，扭转刚性K并不是相对于外圈转矩To单调增加。这些特性在以往的扭转螺旋弹簧等情况下完全无法被获得。在本实施例中，由于扭转刚性K在高负载转矩处减少，因此例如在上述的应用于皮带轮等的情况下能够更加有效地降低皮带初期张力。

本发明的转动施力装置能够应用于需要转动施力功能(扭转弹性)的所有用途。例如，能够全盘应用于以往使用扭转螺旋弹簧或橡胶等弹性部件来赋予转动施力功能的用途中。并且，在除了扭转弹性之外，本发明更加适用还需要支承径向载荷功能等轴承功能的用途中。例如，适用于以往组合扭转螺旋弹簧等的支承轴承而进行使用的用途中。

作为用途的示例，本发明能够用于自动张紧装置、各种皮带轮、离合器等中。皮带轮作为有效地吸收发动机的旋转变动进而有效地降低皮带的初期张力的部件，能够适用于曲轴带轮、交流发电机用皮带轮、车辆空调用带轮等中。另外，还可以应用于离合器的离合圆盘中。并且，在本发明的转动施力装置中，由于内外圈间的相对旋转角度与内外圈间转矩值之间密切相关，因此通过安装能够测定内外圈间的旋转角度的角度传感器，也能够作为转矩传感器进行利用。例如作为转矩传感器，能够用作动力转向装置用的转矩传感器，并且也能够与普通的轴承组合同轴地内置在该轴承中，从而对轴承内外圈间产生的转矩进行测量。还有，由于能够如上述那样作为转矩限制器发挥功能，因此能够用于防止过大的转矩载荷抑制破损或变形有效的用途、例如钻床主轴箱或机床的主轴箱等中。

进一步，也能够用于产业用的机器人或假肢、假足等关节机构部中。图9是内置有图5所示的四等分型的转动施力装置的关节机构部100的剖视图。该关节机构部100将与外侧部件35一体的第一臂90和与内侧部件25一体的第二臂91可进行角度调整地连接起来。这样，构成为在第一臂90和第二臂91之间赋予扭转弹性、同时能够支承作用于两臂90、91之间的载荷的关节结构部100。

进一步，在图7所示的仅在一方向具有扭转弹性的转动施力装置中，由于在一方向具有扭转弹性、在另一方向(反方向)形成离合器，因此能够用于所述功能有效的用途。

如上所述，根据本发明，基于利用异形轨道面在内外部件间赋予扭转弹性这一与以往完全不同的技术思想，能够形成作为转动施力部件具有优异的特性的转动施力装置。

Claims (6)

1.一种转动施力装置，具有：

内侧部件，其外周具有内侧轨道面；

外侧部件，其内周具有外侧轨道面，且与所述内侧部件之间能够相对旋转；以及

滚动体，其以能够滚动的方式夹装在所述内侧轨道面和外侧轨道面之间，

所述内侧轨道面和外侧轨道面中的至少一方在其至少一部分上具有异形轨道面，伴随着所述内侧部件和外侧部件的相对旋转，所述异形轨道面使滚动体滚动并逐渐缩小对该滚动体的夹持间隔，对内外部件之间赋予消除由所述相对旋转产生的所述内外部件之间的相位差的方向的转动作用力。

2.根据权利要求1所述的转动施力装置，其中，

设置在所述内侧轨道面上的所述异形轨道面为凸曲面。

3.根据权利要求1所述的转动施力装置，其中，

设置在所述外侧轨道面上的所述异形轨道面为凹曲面。

4.根据权利要求2或3中的任意一项所述的转动施力装置，其中，

所述异形轨道面所形成的曲面具有位置与所述内外部件的旋转轴不同的曲率中心。

5.根据权利要求1所述的转动施力装置，其中，

所述转动施力装置具有：由在周方向上等分配置的多个所述异形轨道面的连续而构成的所述内侧轨道面和/或所述外侧轨道面；以及与所述异形轨道面的等分数量相同个数的所述滚动体，所述滚动体的夹持间隔伴随着所述内外部件的相对旋转在所有的滚动体处均等地变化。

6.根据权利要求1所述的转动施力装置，其中，

所述异形轨道面形成为：当对所述内外部件之间赋予规定以上的转矩时，所述内外部件能够在至少一个方向上无限制地相对旋转。

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