CN105822725A - 可提升传动精度的谐波减速机 - Google Patents

Abstract

一种谐波减速机，包含有一刚性内齿轮、一啮接于刚性内齿轮的挠性外齿轮，以及一抵接于挠性外齿轮的波产生器，通过特殊的参数设定将波产生器的外周缘设计成一变曲率表面，以增加波产生器与挠性外齿轮之间的接触面积，由于接触面积的增加，使得波产生器在安装于挠性外齿轮内之后可以改善微动磨耗现象，以提升传动效率及降低迟滞误差。

Description

可提升传动精度的谐波减速机

技术领域

本发明与谐波减速机有关，特别是指一种可提升传动精度的谐波减速机。

背景技术

谐波减速机是一种具有高减速比的减速装置，在已知的结构配置上主要包含有一刚性内齿轮、一可转动地设于刚性内齿轮内的挠性外齿轮，以及一可转动地设于挠性外齿轮内的波产生器，当波产生器组装于挠性外齿轮之后，挠性外齿轮会被波产生器的外周缘所推顶而变成椭圆形，由此，当波产生器受到动力源的驱动而开始转动时，刚性内齿轮与挠性外齿轮之间在波产生器的长轴处可以完全咬合，而在波产生器的短轴处会完全脱离，由于刚性内齿轮与挠性外齿轮之间有齿数的差异，所以当波产生器持续转动时，此一齿数差异便能达到高减速比的效果，如此即可产生高力矩的输出。

然而，由于挠性外齿轮在塞入波产生器之后会变成椭圆形，以至于挠性外齿轮的内环面在动力传动的过程中会产生微动磨耗的现象，如此在长久使用之下会影响传动精度，为了解决上述问题，日本实公平6-19872号专利案主要是在波产生器的轴承外环端面加工出一凹部，此一凹部与挠性外齿轮的宽度之间具有特定比例，使挠性外齿轮能通过波产生器的端面凹部降低波产生器在组装时所产生的推力而减少微动磨耗的情况，但是在实际使用上所能改善的效果相当有限。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种谐波减速机，其能有效改善微动磨耗现象且提升传动精度。

为了达成上述目的，本发明的谐波减速机包含有一刚性内齿轮、一挠性外齿轮，以及一波产生器。该挠性外齿轮可转动地设于该刚性内齿轮内；该波产生器可转动地设于该挠性外齿轮内且具有一轴承与一设于该轴承内的椭圆轮，该轴承具有一外周缘，该外周缘抵接于该挠性外齿轮的内环面，而且，该外周缘在YZ平面上的曲率半径定义为 y_x与z_x之间满足以下椭圆参数式：

y_x＝{a_x+ca_x×(sin(4θ-(π/2))+1)}×sinθ，0≤θ≤2π

z_x＝{b_x+cb_x×(sin(4θ-(π/2))+1)}×cosθ，0≤θ≤2π

在前述参数式中，a_x为该轴承的外周缘在未塞入该椭圆轮时于YZ平面上的半长轴，ca_x为半长轴修正系数，b_x为该轴承的外周缘在未塞入该椭圆轮时于YZ平面上的半短轴，cb_x为半短轴修正系数，θ为该波产生器的外周缘在YZ平面上的离心角。

更佳地，该波产生器的外周缘在XY平面上的曲率半径定义为

x_z与y_z之间满足以下椭圆参数式：

x_z＝{a_z+ca_z×(sin(4θ-(π/2))+1)}×sinθ，0≤θ≤2π

y_z＝{b_z+cb_z×(sin(4θ-(π/2))+1)}×cosθ，0≤θ≤2π

在前述参数式中，a_z为该波产生器的外周缘在XY平面上的半长轴，ca_z为半长轴修正系数，b_z为该波产生器的外周缘在XY平面上的半短轴，cb_z为半短轴修正系数，θ为该波产生器的外周缘的离心角。

由此，当该谐波减速机的波产生器的外周缘在经过前述参数式的修正之后会形成变曲率的弧面，使得该波产生器与该挠性外齿轮之间可以增加接触面积而达到改善微动磨耗现象及提升传动精度的目的。

附图说明

为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的波产生器在YZ平面的曲率修正示意图。

图3为本发明的波产生器在XY平面的曲率修正示意图。

图4为本发明的传动误差在曲率调整前后的曲线图。

图5为本发明的迟滞误差在曲率调整前后的曲线图。

具体实施方式

请先参阅图1，本发明的谐波减速机10包含有一刚性内齿轮20、一挠性外齿轮30，以及一波产生器40。

刚性内齿轮20具有一内环齿部22，挠性外齿轮30设置于刚性内齿轮20内且具有一外环齿部32，外环齿部32对应于刚性内齿轮20的内环齿部22。在此需要补充说明的是，刚性内齿轮20的内环齿部22的齿数比挠性外齿轮30的外环齿部32的齿数多了两齿，而且，刚性内齿轮20与挠性外齿轮30之间具有相同的模数，在此所指的模数为齿轮的节径除以齿数所得之商。

波产生器40设置于挠性外齿轮30内且具有一轴承42与一椭圆轮44，轴承42的外周缘抵接于挠性外齿轮30的内环面34，椭圆轮44设于轴承42内，当椭圆轮44受到动力源的驱动而开始转动时会同步推动轴承42，接着轴承42的外周缘46会推顶挠性外齿轮30的内环面34，使挠性外齿轮30产生变形，由此，刚性内齿轮20的内环齿部22与挠性外齿轮30的外环齿部32之间在波产生器40的长轴处可以完全咬合，而在波产生器40的短轴处会完全脱离，如此即能达到力矩输出的效果。

为了增加波产生器40的轴承42的外周缘46与挠性外齿轮30的内环面34之间的接触面积，本发明对波产生器40的外周缘46提出曲率修正，首先配合图2所示，波产生器40的外周缘46在YZ平面上的曲率半径定义为y_x与z_x之间满足以下椭圆参数式(1)：

y_x＝{a_x+ca_x×(sin(4θ-(π/2))+1)}×sinθ，0≤θ≤2π

z_x＝{b_x+cb_x×(sin(4θ-(π/2))+1)}×cosθ，0≤θ≤2π

在前述椭圆参数式(1)中，a_x为波产生器40的轴承42的外周缘46在未塞入椭圆轮44时于YZ平面上的半长轴，ca_x为半长轴修正系数，b_x为波产生器40的轴承42的外周缘46在未塞入椭圆轮44时于YZ平面上的半短轴，cb_x为半短轴修正系数，θ为波产生器40的外周缘46在YZ平面上的离心角。

接着再配合图3所示，波产生器40的外周缘46在XY平面上的曲率半径定义为x_z与y_z之间满足以下椭圆参数式(2)：

x_z＝{a_z+ca_z×(sin(4θ-(π/2))+1)}×sinθ，0≤θ≤2π

y_z＝{b_z+cb_z×(sin(4θ-(π/2))+1)}×cosθ，0≤θ≤2π

在前述椭圆参数式(2)中，a_z为波产生器40的外周缘46在XY平面上的半长轴，ca_z为半长轴修正系数，b_z为波产生器40的外周缘46在XY平面上的半短轴，cb_z为半短轴修正系数，θ为波产生器40的外周缘46的离心角。

除了椭圆参数式(2)之外，波产生器40的外周缘46在YZ平面上的曲率半径R_GX还需要满足下列几个条件：当椭圆轮44在装设于轴承42内之后，波产生器40的外周缘46呈椭圆形，所以R_GX要满足椭圆参数式(3)：

$R_{\mathrm{GX}}\sin \mathrm{\θ}=\frac{W}{2}$

$R_{\mathrm{GX}}\cos \mathrm{\θ}=\frac{D_{\mathrm{FX}}}{2}-e$

e＝0.001×D_FX～0.05×D_FX

在前述椭圆参数式(3)中，R_GX为波产生器40的外周缘46在YZ平面上的曲率半径，W为波产生器40的轴承42的宽度，D_FX为挠性外齿轮30在变形前的内径，e为弧形修正系数。

此外，当椭圆轮44在装设于轴承42内之后，波产生器40未塞入椭圆轮前的外周缘46在YZ平面上的半长轴a_x需要满足方程式(2)：

及方程式(3)：a_x＝A+T，其中的D_FX为挠性外齿轮30在变形前的内径，A为椭圆轮44的半长轴，T为轴承42的厚度。

由上述可知，通过椭圆参数式(1)-(3)及方程式(1)-(3)可以得到波产生器40在YZ平面与XY平面的曲率半径R_GX及R_GZ，最后再由R_GX及R_GZ之间的关系而让波产生器40的外周缘42能够调整到优化的椭圆曲线，在调整之后即可增加波产生器40与挠性外齿轮30之间的接触面积，以改善波产生器40在传动过程中所产生的微动磨耗现象，再由图4及表一可以发现，在相同的实验条件之下，传动误差方面相较于调整之前降低了约43.61％，而在迟滞现象方面(如图5及表二所示)，相较于调整之前降低了约62.67％，因此，本发明在经过曲率调整之后可以大幅提升传动精度且降低迟滞误差。

表一

传动误差	Maximum(度)	Minimum(度)	Range(度)	Reduce(％)
					曲率调整前	0.276591	0.271301	0.005289
曲率调整后	0.266773	0.26379	0.002983	43.61

表二

迟滞现象	Maximum(度)	Minimum(度)	Range(度)	Reduce(％)
					曲率调整前	0.0049495	-0.003408	0.008357
曲率调整后	0.0014981	-0.001621	0.003119	62.67％

另一方面，本发明可以根据前述所得到的曲率半径R_GX与R_GZ而进一步计算出挠性外齿轮30与波产生器40之间的接触压力值，首先由方程式(4)：

$\frac{1}{R_x}=\frac{1}{R_{\mathrm{Gx}}}+\frac{1}{R_{\mathrm{Fx}}}=\frac{1}{R_{\mathrm{Gx}}}+\frac{1}{\∞}=\frac{1}{R_{\mathrm{Gx}}}$ 及方程式(5)：

分别得到R_X与R_Z，

其中的R_X为波产生器40的外周缘46在塞入椭圆轮44前于YZ平面上的曲率半径，R_FX为挠性外齿轮30在YZ平面的曲率半径，R_Z为波产生器40的外周缘46在XY平面上的曲率半径，R_FZ为挠性外齿轮30在XY平面的曲率半径，接着由方程式(6)：

得到等效曲率半径接着配合等效杨氏系数E、近似椭圆积分与椭圆参数k_e计算出椭圆形接触面积的长轴 与椭圆形接触面积的短轴其中的等效杨氏系数近似椭圆积分椭圆参数W_Z为刚性内齿轮20与挠性外齿轮30在啮合时的接触应力施加于波产生器40的外周缘46的力量，V_a与E_a为挠性外齿轮30的蒲松比及杨氏系数，V_b与E_b为波产生器40的蒲松比及杨氏系数，最后再由方程式(7)：即可得到接触压力值。

Claims (4)

1.一种可提升传动精度的谐波减速机，包含有：

一刚性内齿轮；

一挠性外齿轮，可转动地设于该刚性内齿轮内；以及

一波产生器，可转动地设于该挠性外齿轮内且具有一轴承与一设于该轴承内的椭圆轮，该轴承具有一外周缘，该外周缘抵接于该挠性外齿轮的内环面，该外周缘在YZ平面上的曲率半径定义为

R_GX，y_x与z_x之间满足以下椭圆参数式：

y_x＝{a_x+ca_x×(sin(4θ-(π/2))+1)}×sinθ，0≤θ≤2π

z_x＝{b_x+cb_x×(sin(4θ-(π/2))+1)}×cosθ，0≤θ≤2π

其中的a_x为该轴承的外周缘在未塞入该椭圆轮时于YZ平面上的半长轴，ca_x为半长轴修正系数，b_x为该轴承的外周缘在未塞入该椭圆轮时于YZ平面上的半短轴，cb_x为半短轴修正系数，θ为该波产生器的外周缘在YZ平面上的离心角。

2.如权利要求1所述的可提升传动精度的谐波减速机，其中该波产生器的外周缘在XY平面上的曲率半径定义为R_GZ，x_z与y_z之间满足以下椭圆参数式：

x_z＝{a_z+ca_z×(sin(4θ-(π/2))+1)}×sinθ，0≤θ≤2π

y_z＝{b_z+cb_z×(sin(4θ-(π/2))+1)}×cosθ，0≤θ≤2π

其中的a_z为该波产生器的外周缘在XY平面上的半长轴，ca_z为半长轴修正系数，b_z为该波产生器的外周缘在XY平面上的半短轴，cb_z为半短轴修正系数，θ为该波产生器的外周缘的离心角。

3.如权利要求1或2所述的可提升传动精度的谐波减速机，其中当该椭圆轮在装设于该轴承内之前，该波产生器的外周缘在YZ平面上的半长轴与该挠性外齿轮的内径之间成立以下关系式：

$a_x=\frac{D_{\mathrm{FX}}}{2},$

其中D_FX为该挠性外齿轮在变形前的内径，且该波产生器的外周缘在YZ平面上的半长轴、该椭圆轮的半长轴及该轴承的厚度之间成立以下关系式：a_x＝A+T，其中的a_x为该轴承的外周缘在未塞入该椭圆轮时于YZ平面上的半长轴，A为该轴承的内半径，T为该轴承的厚度。

4.权利要求3所述的可提升传动精度的谐波减速机，其中该波产生器的外周缘在YZ平面上的曲率半径、该波产生器的轴承的宽度、该挠性外齿轮在变形前的内径及弧形修正系数之间成立以下关系式：

$R_{\mathrm{GX}}\sin \mathrm{\θ}=\frac{W}{2}$

$R_{\mathrm{GX}}\cos \mathrm{\θ}=\frac{W_{\mathrm{FX}}}{2}-e$

e＝0.001×D_FX～0.05×D_FX

其中的R_GX为该波产生器的外周缘在YZ平面上的曲率半径，W为该波产生器的轴承的宽度，D_FX为该挠性外齿轮在变形前的内径，e为弧形修正系数。