CN101813167A

CN101813167A - 波动齿轮装置

Info

Publication number: CN101813167A
Application number: CN201010120012.XA
Authority: CN
Inventors: 张新月
Original assignee: Harmonic Drive Systems Inc
Current assignee: Harmonic Drive Systems Inc
Priority date: 2009-02-20
Filing date: 2010-02-04
Publication date: 2010-08-25
Anticipated expiration: 2030-02-04
Also published as: JP2010190373A; DE102010008418A1; KR20100095380A; US8215205B2; US20100212446A1; CN101813167B

Abstract

本发明提供一种能大幅提升负载容量的杯型或礼帽型的波动齿轮装置。在杯型或礼帽型的波动齿轮装置(1)的挠性外齿轮(3)中，若将在被挠曲成椭圆状的状态下的轮缘中性圆的长轴位置的半径挠曲量设为d，轮缘壁厚t在波动齿轮装置的减速比R不足80时，(0.5237Ln(R)-1.32)d≤t≤(0.8728Ln(R)-2.2)d，当减速比R在80以上时，(1.5499Ln(R)-5.8099)d≤t≤(2.5832Ln(R)-9.6832)d。此外，外齿(35)的有效齿宽L是在节圆直径的21％～30％的范围内的值。若如上所述设定，则能提高挠性外齿轮的齿底疲劳极限强度，并可提升波动齿轮装置(1)的负载容量。

Description

波动齿轮装置

技术领域

本发明涉及一种包括杯状的挠性外齿轮的杯型波动齿轮装置或礼帽状的挠性外齿轮的礼帽型波动齿轮装置，更详细地说，涉及一种用于提高挠性外齿轮的齿底疲劳强度来实现波动齿轮装置的高强度的改良技术。

背景技术

波动齿轮装置在创始人C.W.Musser的发明(专利文献1：美国专利特许第2906143号)以来，已经由许多研究者进行了诸多的发明设计。例如，在专利文献2(日本专利特公昭45-41171号公报)、专利文献3(日本专利特开平7-167228号公报)中公开了波动齿轮装置。

作为典型的波动齿轮装置，已知有包括杯状或礼帽状的挠性外齿轮的形式的波动齿轮装置。图1是杯型的波动齿轮装置的立体图和表示其轴直角截面的概略截面结构图。图2是用含轴截面表示使上述杯状的挠性外齿轮的开口部挠曲成椭圆状的状况的图，图2(a)是变形前的样子，图2(b)是包括椭圆长轴的截面，图2(c)是包括椭圆短轴的截面。另外，在图2中，礼帽状的挠性外齿轮也用虚线表示。

如这些图所示，杯型的波动齿轮装置1包括环状的刚性内齿轮2；在该内齿轮内侧配置成同心状的杯状的挠性外齿轮3；以及嵌于该外齿轮内侧的椭圆形轮廓的波动发生器4。杯状的挠性外齿轮3包括圆筒状的主体部31；与该主体部一端连续的环状的隔膜32；在上述隔膜32的中心部分一体形成的圆环状的轴套33；以及形成于主体部31的开口部34的外周面的外齿35。

如图2的虚线所示，礼帽状的挠性外齿轮3A为隔膜32A朝径向外侧扩展的环状板，制成在其外周缘一体形成有环状轴套33A的形状。

波动发生器4包括椭圆形的刚性凸轮板41和嵌于该刚性凸轮板41的外周面的波形轴承42。波形轴承42由内圈42a、外圈42b以及在内外圈42a、42b之间被可自由转动地安装的多个轴承滚珠42c构成，内外圈42a、42b具有挠性。

挠性外齿轮3通过波动发生器4挠曲成椭圆形，位于上述椭圆形的长轴3a上的上述外齿轮3的外齿35的部分与刚性内齿轮2的内齿21的相应部分啮合。杯状或礼帽状的挠性外齿轮3(3A)反复被挠曲，以使得上述轴直角截面从隔膜侧到开口部产生与从隔膜开始的距离大致成比例的挠曲量。上述挠性外齿轮的挠曲变形被称之为“锥旋”。

在此，挠性外齿轮一边在其内侧插入椭圆形状的波动发生器进行椭圆变形一边与刚性内齿轮啮合来传递负载载重。因此，为了提高负载容量，需要提高挠性外齿轮的齿底疲劳强度，挠性外齿轮的轮缘壁厚是用来左右上述齿底疲劳强度的重要因素。在专利文献4中，提出了如下设计：在平型波动齿轮装置中，为了提高上述圆环状的挠性外齿轮的齿底疲劳强度，而实现挠性外齿轮的轮缘壁厚的最适化。

另一方面，如上所述，在杯型或礼帽型的波动齿轮装置中，挠性外齿轮的外齿在其齿线方向(日文：歯筋方向)上被挠曲产生与从隔膜侧的距离近似成比例的挠曲量后与刚性内齿轮的内齿啮合。因此，为了提高波动齿轮装置的负载容量，需要实现与内齿啮合的外齿的有效齿宽的最适化。

即，在刚体的齿轮相互啮合的一般齿轮装置中，外齿齿宽越宽，齿轮的疲劳强度越高。相反，在杯型或礼帽型的波动齿轮装置中，反复进行被称之为“锥旋”的挠曲变形的挠性外齿轮的外齿与刚性内齿轮的内齿三维啮合。因而，齿宽对挠性外齿轮的齿底疲劳强度的影响因挠性外齿轮的外齿的齿线方向的齿形形状、波动发生器相对于挠性外齿轮的轴向安装位置等而不同，加宽齿宽未必会使齿底疲劳强度提高。即使过分加宽齿宽，不仅无法得到遍及全齿宽的良好的齿面载重分布，还使挠性外齿轮的刚性变高而不易于变形为椭圆形，因此反过来会引起挠性外齿轮的齿底疲劳强度的降低。

在杯型或礼帽型的波动齿轮装置中，对于其挠性外齿轮的齿宽，在专利文献5(日本专利实开平04-128558号公报)中，提出了如下设计：将外齿形成部分的齿线方向的长度控制成不足其节圆直径的24％。此外，在专利文献6(日本专利特开平10-159917号公报)中，提出了如下设计：为了实现波动齿轮装置的扁平化，将外齿形成部分的齿线方向的长度缩短为其节圆直径的5％～14％的范围内的尺寸，并在与齿部相邻的主体部形成薄壁部分来避免缩短后的外齿产生啮合不良的情况。

专利文献1：美国专利特许第2906143号说明书

专利文献2：日本专利特公昭45-41171号公报

发明文献3：日本专利特开平7-167228号公报

专利文献4：日本专利特开2008-180259号公报

专利文献5：日本专利实开平04-128558号公报

发明文献6：日本专利特开平10-159917号公报

在杯型或礼帽型的波动齿轮装置中，为了实现其高强度，需要进行挠性外齿轮的轮缘壁厚的最适化，并且需要实现挠性外齿轮与刚性内齿轮的啮合状态的最适化。

发明内容

本发明的技术方案基于该点，通过实现挠性外齿轮的轮缘壁厚和有效齿宽的最适化，藉此可实现以往无法得到的高强度的杯型或礼帽型的波动齿轮装置。

为解决上述课题，本发明的波动齿轮装置具有：

圆环状的刚性内齿轮；配置于该刚性内齿轮的内侧的圆环状的挠性外齿轮；以及用于将该挠性外齿轮挠曲成椭圆状后与上述刚性内齿轮局部啮合，且使外齿轮与内齿轮的啮合位置沿圆周方向移动的波动发生器，

上述挠性外齿轮呈杯状或礼帽状，包括圆筒状的主体部；与该主体部的一端连续并向径向的内侧或外侧延伸的隔膜；以及形成于上述主体部的另一端侧的开口部的外周面的外齿，

通过上述波动发生器，上述挠性外齿轮的轴直角截面从上述隔膜侧到上述开口部产生与从上述隔膜开始的距离成比例的挠曲量而被挠曲成椭圆状，其特征在于，

若被挠曲成椭圆状的上述挠性外齿轮的轮缘中性圆(neutral circle ofthe rim)的长轴位置的半径挠曲量为d，上述波动齿轮装置的减速比为R，

则上述挠性外齿轮的轮缘壁厚t表示为如下关系式：

当R＜80时，

(0.5237Ln(R)-1.32)d≤t≤(0.8728Ln(R)-2.2)d

当R≥80时，

(1.5499Ln(R)-5.8099)d≤t≤(2.5832Ln(R)-9.6832)d

若上述外齿的有效齿宽为L、该外齿的节圆直径为PCD，则两者之比L/PCD是在21％～30％范围内的值。在此，本发明的“有效齿宽L”是指位于外齿的两端的倒角面与齿尖圆筒(日文：歯先円筒)相交的圆之间的齿线方向的长度。

在此，较为理想的是，将上述挠性外齿轮的材料硬度HRC设成在40～50范围内的值。

此外，当如上所述地设定外齿的有效齿宽时，相对于挠性外齿轮的波动发生器的轴向安装位置设定为：从挠性外齿轮的开口部侧的倒角面与外齿的齿尖圆筒的相交圆到波动发生器的轴承滚珠的中心位置的距离L1在有效齿宽L的50％～65％的区域内。

在本发明中，受到弯曲变形和拉伸变形且反复挠曲变形(锥旋)的杯型或礼帽型的波动齿轮装置中，将其挠性外齿轮的轮缘壁厚如上所述设定，藉此可提高其齿底疲劳强度。此外，通过实现挠性外齿轮的外齿的有效宽度的最适化，藉此能可靠地得到因其轮缘壁厚的最适化而使齿底疲劳强度提高的效果。

其结果是，根据本发明，可实现与以往相比负载容量大幅增高的杯型或礼帽型的波动齿轮装置。

附图说明

图1是表示波动齿轮装置的立体图以及概略结构图。

图2是表示杯状或礼帽状的挠性外齿轮的挠曲状态的说明图。

图3是表示挠性外齿轮的轮缘壁厚的概念图。

图4是表示轮缘壁厚和半径挠曲量之比与减速比之间的关系的图表。

图5是表示轮缘壁厚与弯曲应力及拉伸应力之间的关系的图表。

图6是表示杯状的挠性外齿轮中的轮缘壁厚与疲劳极限负载扭矩之间的关系的图表。

图7是表示礼帽状的挠性外齿轮中的轮缘壁厚与疲劳极限负载扭矩之间的关系的图表。

图8是杯型的波动齿轮装置的半剖图。

(符号说明)

1 波动齿轮装置

2 刚性内齿轮

3 挠性外齿轮

31 主体部

32 隔膜

33 轴套

34 开口部

35 外齿

36、39 倒角面

36a、39a 相交圆

37 齿尖圆筒

4 波动发生器

42 波形轴承

42c 轴承滚珠

42d 滚珠中心

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的杯型或礼帽型的波动齿轮装置的实施方式进行说明。另外，杯型或礼帽型的波动齿轮装置的整体结构与图1、图2所示的一般结构相同。

(挠性外齿轮的轮缘壁厚)

图3是表示杯型或礼帽型的波动齿轮装置中的杯状或礼帽状的挠性外齿轮的轮缘壁厚的概念图。在该图中，轮缘壁厚是t所示部分的厚度。此外，通过椭圆形的波动发生器4挠曲成椭圆状的挠性外齿轮3的半径挠曲量d是在设定于外齿35的齿线方向的任意位置的轴直角截面中，其轮缘中性圆的椭圆形状的长轴位置处的半径挠曲量。若挠性外齿轮3与刚性内齿轮2的齿数差为2n(n为正整数)，挠性外齿轮3的模数为m，则上述半径挠曲量d为d＝mn。

图4是表示挠性外齿轮3的轮缘壁厚和现有一般的杯型或礼帽型的波动齿轮装置的挠性外齿轮(F/S)的轮缘壁厚的图表。在该图表中，横轴是波动齿轮装置的减速比R，纵轴是轮缘壁厚t与半径挠曲量d的比t/d。

在上述图表中，折线A0表示现有的波动齿轮装置中减速比与挠性外齿轮的轮缘壁厚的关系。而折线A1～A4则表示减速比与本发明所规定的挠性外齿轮的轮缘壁厚的关系。折线A1～A4是相对于现有的折线A0所示的轮缘壁厚的设计值t₀，分别使轮缘壁厚增加20％、45％、60％以及100％时的设计值。

在此，折线A1规定轮缘壁厚t的下限，减速比R不足80的部分用(式1)表示，减速比R在80以上的部分用(式2)表示。

(式1)

t/d＝0.5237Ln(R)-1.32

(式2)

t/d＝1.5499Ln(R)-5.8099

此外，折线A4规定轮缘壁厚t的上限，减速比R不足80的部分用(式3)表示，减速比R在80以上的部分用(式4)表示。

(式3)

t/d＝0.8728Ln(R)-2.2

(式4)

t/d＝2.5832Ln(R)-9.6832

因此，图4中斜线所示的部分为本发明的轮缘壁厚t的范围，现有设计样式的轮缘壁厚的大约120％～200％范围内的轮缘壁厚作为本发明的范围。

接着，对本发明的轮缘壁厚t的上限、下限的临界意义进行说明。

图5是表示挠性外齿轮所产生的弯曲应力σb、拉伸应力σt、弯曲应力和拉伸应力的合计应力(σb+σt)分别与轮缘壁厚t的关系。横轴是挠性外齿轮的轮缘壁厚t与现有设计样式的轮缘壁厚t₀的比(％)，纵轴是弯曲应力σb、拉伸应力σt、(σb+σt)与挠性外齿轮的PCD(节圆直径)的比。

如线段B1所示，弯曲应力σb与轮缘壁厚近似成比例增加，但如线段B2所示，拉伸应力σt随着轮缘壁厚的增加而减少。因此，如线段B3所示，合计应力(σb+σt)虽然到现有设计样式的轮缘壁厚的160％左右的轮缘壁厚为止是减少的，但此后一点点逐渐增加。

在现有设计样式的轮缘壁厚(横轴中100％的位置)处，合计应力较大，未进行轮缘壁厚的最适化。相对而言，在本发明的范围(横轴中的120％～200％的范围)是合计应力被抑制为最小的范围，因此可知实现了轮缘壁厚的最适化。特别地，由于当在下限值120％以下时合计应力增加，因而可知，较为理想的是将轮缘壁厚t设为上述下限值以上的值。

接着，图6是表示在硬度不同时，使杯状的挠性外齿轮的轮缘壁厚增减时的上述挠性外齿轮的齿底强度的计算结果的图表。横轴与图5相同，是挠性外齿轮的轮缘壁厚t与现有设计样式的轮缘壁厚t₀的比(％)，纵轴是挠性外齿轮的齿底疲劳极限负载扭矩与额定负载扭矩的比。在图表中，曲线C0是原料硬度HRC为36的情况，曲线C1是原料硬度HRC为43的情况，曲线C2是原料硬度HRC为50的情况。

从这些曲线中可知，若加厚轮缘壁厚则疲劳极限负载扭矩也增加，但若轮缘壁厚超过某个值，则疲劳极限负载扭矩相反改变为减少。可知在本发明的范围(横轴中的120％～200％的范围)内出现疲劳极限负载扭矩的最大值。

此外，若提高原料硬度HRC，则表现出疲劳极限负载扭矩的最大值的位置朝轮缘壁厚厚的一侧移动，当原料硬度HRC为50左右时，其最大值表现在横轴的大约200％的位置。对采用原料硬度HRC超过50左右的原料且径向具有挠曲性的挠性外齿轮进行加工在现阶段很困难。因此，在本发明的上限值200％以下的情况下，当采用实用性上可使用的硬度的原料时，可将轮缘壁厚设定成其疲劳极限负载扭矩最大。

此外，从图6的图表中可知，如上所述地规定轮缘壁厚且使用硬度比现有一般所用的HRC36的硬度高的原料来制造挠性外齿轮，藉此比起现有设计样式(图6的曲线C0)，能大幅改善疲劳极限负载扭矩。

例如，将图4的折线A2所示的轮缘壁厚设为现有设计样式的145％，当使用原料硬度HRC43的原料时，可确认与现有设计样式(原料硬度HRC＝36)相比，疲劳极限负载扭矩提高2倍以上。

图7与图6相同，是表示使杯状的挠性外齿轮的轮缘壁厚增减时的上述挠性外齿轮的齿底强度的计算结果的图表。在图表中，曲线D0是原料硬度HRC为36的情况，曲线D1是原料硬度HRC为43的情况，曲线D2是原料硬度HRC为50的情况。

从这些曲线中可知，若加厚轮缘壁厚则疲劳极限负载扭矩也增加，但若轮缘壁厚超过某个值，则反过来疲劳极限负载扭矩改变为减少。在本发明的范围(横轴中的120％～200％的范围)内，疲劳极限负载扭矩随着轮缘壁厚的增加而增加。此外，若提高原料硬度HRC，则表现出疲劳极限负载扭矩的最大值的位置朝轮缘壁厚厚的一侧移动。当原料硬度HRC在50左右时，其最大值表现在横轴的大约260％的位置。对采用原料硬度HRC超过50左右的原料且在径向具有挠曲性的挠性外齿轮进行加工在现阶段很困难，当厚度超过200％时，挠性外齿轮的刚性过高，因而不实用。在本发明的上限值200％以下的情况下，当采用实用性上可使用的硬度的原料时，可将轮缘壁厚设定成其疲劳极限负载扭矩最大。

此外，从图7的图表中亦可知，如上所述地规定轮缘壁厚且使用硬度比现有一般所用的HRC36的硬度高的原料来制造挠性外齿轮，藉此比起现有设计样式(图7的曲线D0)，能大幅改善疲劳极限负载扭矩。

在此，在以往，我们知道挠性外齿轮的疲劳极限强度在挠性外齿轮的原料硬度到HRC40为止是增加的，若采用超过HRC40的原料硬度的原料，则反过来会使疲劳极限强度降低。然而，如图6、图7所示，我们确认了即使将原料硬度设为HRC40以上，也能提高挠性外齿轮的疲劳极限强度。根据本发明人的实验，确认了采用本发明的轮缘壁厚的情况下，较为理想的是，原料硬度为HRC40～50范围内的值。特别地，较为理想的是，采用HRC40～43范围内的原料硬度的原料。

(外齿的有效齿宽)

接着，参照图8对挠性外齿轮的有效齿宽进行说明。若挠性外齿轮3的外齿35的有效齿宽为L、该外齿35的节圆直径为PCD，则两者之比L/PCD设定为在21％～30％范围内的值。如图8所示，有效齿宽L是位于外齿35两端的倒角面36、39与齿尖圆筒37的相交圆36a、39a之间的齿线方向的长度。

在包括超出上述有效齿宽范围的齿宽的挠性外齿轮中，即使如上所述地实现厚度t的最适化，也会存在无法充分发挥由此提高齿底疲劳强度的效果。根据本发明，通过实现有效齿宽的最适化，藉此能可靠地得到因对齿底的轮缘壁厚最适化而提高齿底疲劳强度的效果。

在此，为了将挠性外齿轮与刚性内齿轮充分啮合，适当地设定波动发生器的轴向安装位置和外齿在齿线方向的形状是有效的。

例如，如图8所示，较为理想的是设定波动发生器4的轴向安装位置。即，较为理想的是，从挠性外齿轮3的开口部34侧的倒角面36与外齿35的齿尖圆筒37的相交圆36a到波动发生器4的轴承滚珠42c的滚珠中心42d的距离L1设定为在有效齿宽L的50～65％的范围内。

Claims

1.一种波动齿轮装置，其具有：圆环状的刚性内齿轮；配置于该刚性内齿轮内侧的圆环状的挠性外齿轮；以及用于使该挠性外齿轮挠曲成椭圆状后与所述刚性内齿轮局部啮合，且使该挠性外齿轮与所述刚性内齿轮的啮合位置沿圆周方向移动的波动发生器，

所述挠性外齿轮呈杯状或礼帽状，包括：圆筒状的主体部；与该主体部的一端连续并朝径向内侧或外侧延伸的隔膜；以及形成于所述主体部的另一端侧的开口部的外周面上的外齿，

通过所述波动发生器，所述挠性外齿轮的轴直角截面从所述隔膜侧到所述开口部被挠曲成椭圆状，产生与到所述隔膜的距离成比例的挠曲量，其特征在于，

若被挠曲成椭圆状的所述挠性外齿轮的轮缘中性圆的长轴位置的半径挠曲量为d，所述波动齿轮装置的减速比为R，

则所述挠性外齿轮的轮缘壁厚t表示为如下关系式：

当R＜80时，

(0.5237Ln(R)-1.32)d≤t≤(0.8728Ln(R)-2.2)d

当R≥80时，

(1.5499Ln(R)-5.8099)d≤t≤(2.5832Ln(R)-9.6832)d

若所述外齿的有效齿宽为L、该外齿的节圆直径为PCD，则两者之比L/PCD是在21％～30％范围内的值。

2.如权利要求1所述的波动齿轮装置，其特征在于，所述挠性外齿轮的材料硬度HRC为在40～50范围内的值。

3.如权利要求1或2所述的波动齿轮装置，其特征在于，所述波动发生器的轴承滚珠的中心位于沿所述外齿的齿线方向距离相交圆为所述外齿的有效齿宽L的50％～65％范围内的位置，所述相交圆规定附加于所述外齿的所述主体部的开口部侧的齿线方向的一端上的倒角面与所述外齿的齿尖圆筒间的交叉位置。