CN104565219A - 谐波式减速机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种谐波式减速机构，包含：一设有为2（ｎ＋1）齿数的刚性内齿轮；一穿设于该刚性内齿轮并设有为2ｎ齿数的挠性外齿轮，且该挠性外齿轮具有与该刚性内齿轮模数m相同的模数ｍ；一穿设于该挠性外齿轮的挠性轴承；一穿设于该挠性轴承的波产生轮；本发明通过使啮合的齿数增加，使每一齿的节距误差被平均而减少，而提高传动精度、增加可传动的扭力，另可使挠性轴承可平滑转动。

Description

谐波式减速机构

技术领域

本发明涉及减速机构，特别是指一种谐波式减速机构。

背景技术

参阅图1所示，显示US7178427B号谐波式减速机构的一图式，包含一刚性内齿轮11、一穿设于该刚性内齿轮11的挠性外齿轮12、一穿设于该挠性外齿轮12的挠性轴承13、及一穿设于该挠性轴承13的波产生轮14，该波产生轮14转动时是顶推挠性轴承13及挠性外齿轮12变形，以驱动该挠性外齿轮12依序在不同位置的啮合齿和该刚性内齿轮11所相对应的啮合齿啮合，并藉由该刚性内齿轮11与挠性外齿轮12所设计的齿数差，来产生一减速传动效用。

然而，由于该波产生轮14是呈椭圆形，被该波产生轮14带动的挠性外齿轮12也呈椭圆状，反观该刚性内齿轮11为圆形状，因此使得该挠性外齿轮12与刚性内齿轮11间真正有相互啮合的地方只有两个点，相互啮合的齿数少，而具有每齿受力高、接触压力大、承受力矩大等缺陷。

而为使啮合齿数增加，现有技术研究了非常多的齿型，以使啮合的齿数增加，但是由于特殊的齿型的公齿15型和母齿16型间有很大的轮廓上的差异，反而使每一齿的接触区域都不大，此导致齿面的接触压力变大而磨耗增加。例如：图2所示的US3996816B图式、图3所示的US5456139B图式、图4所示的US4974470B图式、图5所示的US4823638B图式、图6所示的US8028603B图式。

此外，图7所示的US8011273B图式、及图8所示的JPU-1978165179图式，其波产生轮14皆呈椭圆形，而同样具有上述缺陷。

再者，图9所示的JPA-1994174018图式、图10所示的JPA-1999094030图式、及图11所示的JPU-19741405830图式，其波产生轮14对应长轴141处的轮廓142仍是呈圆弧状，且该圆弧半径143小于长轴半径144，所以被该波产生轮14带动的挠性外齿轮12和刚性内齿轮11完全啮合的区域只有两个点(虽然有一圆弧状的区域有相啮合)，而同样具有该挠性外齿轮12与刚性内齿轮11间相互啮合的齿数少，具有每齿受力高、接触压力大、承受力矩大等缺陷。

紧接着，参阅图12、13所示的JPA-2012251603图式，其波产生轮14的外轮廓是使用三个圆弧来模拟一椭圆，但因为其使用三圆孤的方式，其圆孤半径为R1部份的α角只有5度，故该波产生轮的强度有限。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种谐波式减速机构，主要使啮合的齿数增加，使每一齿的节距误差被平均而减少，而提高传动精度。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种谐波式减速机构，主要使啮合的齿数增加，以增加可传动的扭力。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种谐波式减速机构，主要使波产生轮的轮廓为一次微分连续，使挠性轴承可平滑转动。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种谐波式减速机构，主要使刚性内齿轮各齿与挠性外齿轮各齿的齿形一致，使齿与齿的啮合区域大，减少啮合面上的接触压力。

本发明所要解决的还一技术问题在于提供一种谐波式减速机构，主要避免刚性内齿轮与挠性外齿轮的各齿的尾端局部受力而产力的大力矩，造成齿的断裂。

为解决上述问题，本发明提供一种谐波式减速机构，包含：一刚性内齿轮，中空状，其上设有为2（ｎ＋1）的齿数、及模数为ｍ；一挠性外齿轮，中空状，穿设于该刚性内齿轮中，并设有为2ｎ的齿数、及与该刚性内齿轮模数m相同的模数ｍ；一挠性轴承，中空状，穿设于该挠性外齿轮中；一波产生轮，穿设于该挠性轴承中；其中，定义该挠性轴承内径至该挠性外齿轮节径间的厚度为ｔ，该波产生轮的剖面的轮廓线由第一段曲线、第二段曲线、第三段曲线、及第四段曲线依序相接所围成，且令该第一、三段曲线的曲率半径为Ｒ，并满足下列关系式：Ｒ＝ｍ（ｎ＋1）－ｔ；该第一、三段曲线的圆心角为ｋ度(角度量)，并满足下列关系式：10＜ｋ≦60；另外，该第二、四段曲线能够一次微分，且在该第二、四段曲线与该第一、三段曲线相接的端点能够一次微分。第一段曲线及第三段曲线相对波产生轮的中心为对称；而第二段曲线及第四段曲线相对波产生轮的中心为对称。

较佳地，所述刚性内齿轮与该挠性外齿轮的齿形在有效区域内齿形相同。

较佳地，所述刚性内齿轮与该挠性外齿轮的各齿形为渐开线齿形。

较佳地，所述第二、四段曲线为半椭圆形的等角比例压缩。

较佳地，所述第一、三段曲线的圆心角为ｋ度(角度量)，并满足下列关系式：20≦ｋ≦40。较佳地，该波产生轮的第二、四段曲线为半椭圆形的等角比例压缩，并以Ｘ2／Ｒ2＋Ｙ2／ｂ2＝1椭圆方程式的等角比例压缩，Ｒ为该第一段曲线、或第三段曲线的曲率半径，b为该波产生轮的短轴半径。

附图说明

图1是US7178427B号专利前案的一图式。

图2是US3996816B号专利前案的一图式。

图3是US5456139B号专利前案的一图式。

图4是US4974470B号专利前案的一图式。

图5是US4823638B号专利前案的一图式。

图6是US8028603B号专利前案的一图式。

图7是US8011273B号专利前案的一图式。

图8是JPU-1978165179号专利前案的一图式。

图9是JPA-1994174018号专利前案的一图式。

图10是JPA-1999094030号专利前案的一图式。

图11是JPU-19741405830号专利前案的一图式。

图12是JPA-2012251603号专利前案的一图式。

图13是JPA-2012251603号专利前案的另一图式。

图14A是本发明的示意图。

图14B是本发明的示意图，显示波产生轮的第二、四段曲线为半椭圆形的等角比例压缩的状态。

图15是本发明的示意图，显示第一、三段曲线的圆心角ｋ等于60度的状态。

图16是本发明的示意图，显示第一、三段曲线的圆心角ｋ等于20度的状态。

附图标记说明

11是刚性内齿轮

12是挠性外齿轮

13是挠性轴承

14是波产生轮

141是长轴

142是轮廓

143、R1是圆弧半径

144是长轴半径

15是公齿

16是母齿

20是刚性内齿轮

21是齿

30是挠性外齿轮

31是齿

32是节径

T是厚度

A是长轴半径

B是短轴半径

M是模数

40是挠性轴承

50是波产生轮

51是第一段曲线

52是第二段曲线

53是第三段曲线

54是第四段曲线

R是曲率半径

511、531、55是中心

K是圆心角

521、541、512、532是端点

Α是第一段曲线或第三段曲线的圆心角ｋ的二分之一

具体实施方式

参阅图14A所示，本发明第一实施例所提供的一种谐波式减速机构，其主要是由一刚性内齿轮20、一挠性外齿轮30、一挠性轴承40、及一波产生轮50所组成，其中：

所述刚性内齿轮20，中空状，其上设有为2（ｎ＋1）的齿数、及模数为ｍ；本实施例中，该刚性内齿轮20的各齿形为渐开线齿形。

所述挠性外齿轮30，中空状，穿设于该刚性内齿轮20中，并设有为2ｎ的齿数、及与该刚性内齿轮20模数m相同的模数ｍ；本实施例中，该挠性外齿轮30的各齿形为渐开线齿形，且该挠性外齿轮30与该刚性内齿轮20的齿形在有效区域内齿形相同，该有效区域是指该挠性外齿轮30与该刚性内齿轮20相互啮和带动的部分，而排除该挠性外齿轮30与该刚性内齿轮20的各齿21、31的齿顶与齿根。

所述挠性轴承40，中空状，穿设于该挠性外齿轮30中。

所述波产生轮50，穿设于该挠性轴承40中，并令该波产生轮50的长轴半径为ａ、短轴半径为ｂ。

其中，定义所述挠性轴承40内径至该挠性外齿轮30节径32间的厚度为ｔ，该波产生轮50的剖面的轮廓线由第一段曲线51、第二段曲线52、第三段曲线53、及第四段曲线54依序相接所围成，且令该第一、三段曲线51、53的曲率半径相同而皆为Ｒ，藉以使该第一、三段曲线51、53为一等曲率半径的圆弧，同时让该第一、三段曲线51、53的中心511、531位于该波产生轮50的中心55，即该第一、三段曲线51、53的曲率半径Ｒ等于该波产生轮的长轴半径a，并满足下列关系式：Ｒ＝ｍ（ｎ＋1）－ｔ，而b为该波产生轮的短轴半径，b＜Ｒ。而为使该挠性外齿轮30的承受负荷平衡，第一段曲线51及第三段曲线53相对波产生轮50的中心55为对称；而第二段曲线52及第四段曲线54相对波产生轮50的中心55为对称。该第一、三段曲线51、53的圆心角为ｋ度(角度量)，并满足下列关系式：10＜ｋ≦60，较佳为20≦ｋ≦40；本实施例中，是举该k＝40为例，当然也可为如图15所示的k＝60、或如图16所示的k＝20。

另外，所述第二、四段曲线52、54为一个曲率连续曲线，使得该第二、四段曲线52、54能够一次微分，且在该第二、四段曲线52、54与该第一、三段曲线51、53相接的端点521、541、512、532能够一次微分，使得该第二、四段曲线52、54的两端点521、541的斜率和该第一、三段曲线51、53相接的两端点512、532的斜率相同，即曲率连续。

以上所述即为本发明实施例各主要构件的结构及其组态说明。至于本发明的作动方式及功效作以下说明。

由于本发明特别将该波产生轮50的剖面的轮廓线由第一段曲线51、第二段曲线52、第三段曲线53、及第四段曲线54依序相接所围成，且具有上述的结构限定，即将该第一、三段曲线51、53设计为一等曲率半径R的圆弧而使其中心511、531位于该波产生轮50的中心55，并令该第一、三段曲线51、53的圆心角ｋ＝40等等结构限定，因此，该波产生轮50最终带动该挠性外齿轮30转动时，得以增加该挠性外齿轮30与该刚性内齿轮20两者啮合时的齿数，由于啮合的齿数不只一齿，而且远多于传统的设计，故挠性外齿轮30与该刚性内齿轮20间的相对角度会由所有啮合的齿来共同决定，而不会只依某一啮合的齿的节距或齿形即予决定，使挠性外齿轮30与该刚性内齿轮20间的相对角度是由所有相互啮合的齿21、31的节距相互平均之后的平均节距所决定。每一齿各会有其节距误差，而此误差也会导致传动上的角度精度误差，而经由所有相互啮合的齿的误差相互平均之后，误差被平均而减少，而提高传动精度。

再者，由于本发明得以增加该挠性外齿轮30与该刚性内齿轮20两者啮合时的齿数，在该挠性外齿轮30受负荷下，每一齿的受力相对于传统的设计减少，因此有效提升该谐波式减速机构可传动的扭力。

值得一提的是，由于本发明特别将该波产生轮50的剖面的轮廓线由第一段曲线51、第二段曲线52、第三段曲线53、及第四段曲线54依序相接所围成，且该第二、四段曲线52、54能够一次微分，以及在该第二、四段曲线52、54与该第一、三段曲线51、53相接的端点521、541、512、532能够一次微分，因此，该挠性轴承40得以平滑转动。

除此之外，由于本发明特别将该刚性内齿轮20与该挠性外齿轮30的齿形为渐开线齿形设计，并使该刚性内齿轮20各齿21与挠性外齿轮30各齿31的齿形除了齿根及齿顶部分之外，其余一致，因此得以该刚性内齿轮20与该挠性外齿轮30相互啮合时齿21与齿31的啮合区域大，以减少啮合面上的接触压力，同时避免刚性内齿轮20与挠性外齿轮30的各齿21、31的尾端局部受力而产力的大力矩，造成齿的断裂。

值得说明的是，所述波产生轮50的第二、四段曲线52、54为半椭圆形的等角比例压缩，如图14B所示，该第二、四段曲线52、54是以（Ｘ2／Ｒ2＋Ｙ2／ｂ2＝1）椭圆方程式的等角比例压缩，因此，在该第二、四段曲线52、54中的任一点的坐标为﹛Ｘ（θ），Ｙ（θ）﹜，其中Ｘ（θ）＝Ｒcos［（θ－α）π／（π－2α）］；Ｙ（θ）＝ｂsin［（θ－α）π／（π－2α）］；α为该第一段曲线51、或第三段曲线53的圆心角ｋ的二分之一；Ｒ等于该波产生轮的长轴半径，并满足下列关系式：Ｒ＝ｍ（ｎ＋1）－ｔ，而b为该波产生轮的短轴半径，b＜Ｒ。

综上所述，此实施例及图示仅为本发明较佳实施例而已，当不能以之限定本发明实施的范围，即大凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (8)

1.一种谐波式减速机构，其特征在于：包含：

一刚性内齿轮，中空状，其上设有为2（ｎ＋1）的齿数、及模数为ｍ；

一挠性外齿轮，中空状，穿设于所述刚性内齿轮中，并设有为2ｎ的齿数、及与所述刚性内齿轮模数相同的模数ｍ；

一挠性轴承，中空状，穿设于所述挠性外齿轮中；

一波产生轮，穿设于所述挠性轴承中；

其中，定义所述挠性轴承内径至该挠性外齿轮节径间的厚度为t，所述波产生轮的剖面的轮廓线由第一段曲线、第二段曲线、第三段曲线、及第四段曲线依序相接所围成，且令该第一、三段曲线的曲率半径为Ｒ，并满足下列关系式：Ｒ＝ｍ（ｎ＋1）－ｔ；该第一、三段曲线的圆心角为角度量ｋ度，并满足下列关系式：10＜ｋ≦60；另外，所述第二、四段曲线能够一次微分，且在该第二、四段曲线与该第一、三段曲线相接的端点能够一次微分。

2.如权利要求1所述的谐波式减速机构，其特征在于：所述刚性内齿轮与该挠性外齿轮的齿形在有效区域内齿形相同。

3.如权利要求2所述的谐波式减速机构，其特征在于：所述刚性内齿轮与该挠性外齿轮的各齿形为渐开线齿形。

4.如权利要求1所述的谐波式减速机构，其特征在于：所述第二、四段曲线为半椭圆形的等角比例压缩。

5.如权利要求1所述的谐波式减速机构，其特征在于：所述第一、三段曲线的圆心角为角度量ｋ度，并满足下列关系式：20≦ｋ≦40。

6.如权利要求1所述的谐波式减速机构，其特征在于：所述波产生轮的第二、四段曲线为半椭圆形的等角比例压缩，并以Ｘ2／Ｒ2＋Ｙ2／ｂ2＝1椭圆方程式的等角比例压缩，Ｒ为该第一段曲线、或第三段曲线的曲率半径，b为该波产生轮的短轴半径。

7.如权利要求6所述的谐波式减速机构，其特征在于：所述波产生轮的第二、四段曲线为中的任一点的坐标为﹛Ｘ（θ），Ｙ（θ）﹜；Ｘ（θ）＝Ｒcos［（θ－α）π／（π－2α）］；Ｙ（θ）＝ｂsin［（θ－α）π／（π－2α）］；α为该圆心角ｋ的二分之一。

8.如权利要求1所述的谐波式减速机构，其特征在于：所述第一段曲线及第三段曲线相对波产生轮的中心为对称；而该第二段曲线及第四段曲线相对波产生轮的中心为对称。