CN109477552B - 波动发生器以及波动齿轮装置 - Google Patents

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Abstract

波动齿轮装置(1)的波动发生器(5)的波动轴承(7)在内圈侧轨道面(9)与外圈侧轨道面(10)之间具有钢制或者不锈钢制的呈圆筒形状的中空滚子(12)作为滚动体。中空滚子(12)的内径Di与外径Do之比Di/Do设定为0.95以上。挠曲成椭圆状的中空滚子(12)相对于所接触的内圈侧轨道面(9)、外圈侧轨道面(10)的相对曲率半径变大，赫兹最大接触应力降低。能够降低中空滚子(12)以及内圈侧轨道面(9)、外圈侧轨道面(10)的硬度。

Description

波动发生器以及波动齿轮装置
技术领域
本发明涉及波动齿轮装置的波动发生器。更详细而言，涉及具有使用圆筒形状的中空滚子作为滚动体的波发生器的波动发生器。
背景技术
在现有的波动齿轮装置中，已知将滚子轴承作为波动轴承来使用的波动发生器。专利文献1、2中提出了这样的波动发生器。
另一方面，在专利文献3、4中，提出了使用呈中空形状的滚子的滚子轴承。在专利文献3所记载的滚子轴承中，为了降低所施加的离心力、惯性力，将滚子轴承的中空形状的滚子的内径Di和外径Do设定为1/3≤Di/Do≤1/2。在专利文献4所记载的滚子轴承中，为了使得轴承的寿命达到滚动面上的疲劳剥离寿命而不是相对于滚子的内周面的断裂寿命，将中空滚子的滚子平均直径Da和滚子内径dw设定为0.20≤dw/Da≤0.27。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2011-190826号公报
专利文献2：实用新型注册第3196575号公报
专利文献3：日本特开2002-250344号公报
专利文献4：日本特开2006-226357号公报
发明内容
在现有的波动齿轮装置的波动发生器中，其波动轴承的圆筒滚子呈实心形状(圆柱形状)，一般由高硬度钢形成。因此，供圆筒滚子滚动的内外圈的轨道面部分也需要使用屈服应力高的高硬度钢。
在专利文献1中，省略了内圈，并使用波动发生器的波动插塞的椭圆状外周面作为内圈侧轨道面。另外，在专利文献2中，省略了内圈和外圈，使用波动插塞的椭圆状外周面作为内圈侧轨道面，并使用挠性的外齿齿轮的内周面作为外圈侧轨道面。此时，对于现有的由钢制材料形成的刚性插塞和外齿齿轮的屈服应力而言，不能承受因波动齿轮装置的负荷扭矩而作用于波动轴承的径向载荷，因此，需要限制负荷扭矩。或者，需要提高轨道面部分的硬度来承受径向载荷。
本发明的课题着眼于具有中空滚子的滚子轴承而提供一种波动齿轮装置的波动发生器，即使是钢制或者不锈钢制的波动轴承，也不需要提高其轨道面部分的硬度。
为了解决上述课题，本发明的波动齿轮装置的波动发生器的特征在于，具有：刚性的波动插塞；以及波动轴承，其安装于所述波动插塞的椭圆状外周面与作为所述波动齿轮装置的构成部件的挠性的外齿齿轮的内周面之间，所述波动轴承在内圈侧轨道面与外圈侧轨道面之间具有以能够滚动的状态而插入的多个滚动体，所述滚动体是钢制或者不锈钢制的呈圆筒形状的中空滚子，所述中空滚子的直径方向上的刚性设定成：借助所述刚性插塞而形成为使得圆形的所述外齿齿轮挠曲成预定的长径的椭圆状形状的状态，所述中空滚子的内径Di与外径Do之比Di/Do的下限值为0.95。
本发明的波动发生器的波动轴承使用钢制或者不锈钢制的中空滚子。因波动齿轮装置的负荷扭矩而使得径向载荷作用于波动轴承。位于刚性插塞的椭圆状外周面的长径方向上的两端部分的圆筒形状的中空滚子因径向载荷而挠曲并变形为椭圆状。
挠曲成椭圆状的中空滚子相对于所接触的内圈侧轨道面或者外圈侧轨道面的相对曲率半径变大。由此，能够降低赫兹最大接触应力。由于赫兹应力降低，因此，能够相应地降低中空滚子以及内圈侧轨道面部分、外圈侧轨道面部分的硬度。另外，还能够灵活运用使得中空滚子挠曲成椭圆状而产生的环向应力来提高中空滚子的疲劳寿命。
在此，内径Di与外径Do之比Di/Do的上限值受到以下因素的限制。首先，如果增大该比，则中空滚子的壁厚变薄，其直径方向上的刚性降低。在波动齿轮装置中，需要使其挠性的外齿齿轮挠曲成规定的椭圆状而形成与刚性的内齿齿轮适当地啮合的状态。因此，中空滚子的直径方向上的刚性设定成：借助刚性插塞而形成使得圆形的外齿齿轮挠曲成预定的长径的椭圆状形状的状态。为了获得这样的刚性而限制比Di/Do的上限值。
另外，比Di/Do的上限值限制成：使得挠曲成椭圆状的中空滚子的外周面的短径部的曲率半径不会超过挠曲成椭圆状的内圈侧轨道面的长径部的曲率半径。
其次，具有比Di/Do为0.95以上的较大的中空部的中空滚子形成为薄壁的圆筒形状，其端面的面积变小，有时无法发挥实际应用时作为滚子端面的功能。因此，优选地，中空滚子具有将其中空部的至少两侧的开口部封堵的滚子端面部，滚子端面部由与中空滚子的材料相比而弹性模量更低且摩擦系数更低的材料形成。例如，可以由塑料等材料而形成中空滚子的端面部。也可以利用塑料等材料对整个中空部进行填充。
附图说明
图1是表示应用了本发明的波动齿轮装置的概略主视图和概略纵向剖视图。
图2是表示图1的波动发生器的概略主视图和概略纵向剖视图。
图3是表示中空滚子的端面图、纵向剖视图以及表示其挠曲状态的说明图。
图4是表示中空滚子的内径外径比、与中空滚子以及实心滚子的赫兹接触应力比的关系的曲线图。
具体实施方式
以下，参照附图对应用了本发明的波动齿轮装置的实施方式进行说明。
图1(a)是本实施方式涉及的波动齿轮装置的概略主视图，图1(b)是其概略纵向剖视图。
波动齿轮装置1具有：刚性的内齿齿轮2和刚性的内齿齿轮3；配置在内齿齿轮2和内齿齿轮3的内侧的圆筒状的挠性的外齿齿轮4；以及嵌入于外齿齿轮4的内侧的椭圆形轮廓的波动发生器5。圆形的外齿齿轮4因波动发生器5而挠曲成椭圆形。外齿齿轮4的外齿的椭圆形的长径Lmax方向上的两端部分与圆环状的内齿齿轮2、3各自的内齿啮合。例如，内齿齿轮3与外齿齿轮4的齿数相同，内齿齿轮2的齿数比外齿齿轮4的齿数多2n个(n为正整数)。
例如，在波动发生器5连结有马达轴等未图示的高速旋转输入轴，内齿齿轮2被固定而不会旋转，在内齿齿轮3连结有未图示的输出轴。当波动发生器5旋转时，内齿齿轮2与外齿齿轮4的啮合位置沿着周向移动，在外齿齿轮4产生与两个齿轮2、4的齿数差相应的相对旋转(减速旋转)。其他内齿齿轮3与外齿齿轮4一体旋转，并从内齿齿轮3输出减速旋转。
图2(a)是表示波动发生器5的概略主视图，图2(b)是表示利用图2(a)中的2B-2B线剖切后的部分的概略纵向剖视图。波动发生器5具有呈椭圆形轮廓的刚性的波动插塞6和波动轴承7。波动轴承7是滚子轴承，具有：钢制或者不锈钢制的在波动插塞6的椭圆状外周面8形成的椭圆形的内圈侧轨道面9；钢制或者不锈钢制的在外齿齿轮4的内周面形成的外圈侧轨道面10；圆环状的保持架11；以及多个呈圆筒形状的中空滚子12。中空滚子12由钢制成或者由不锈钢制成。保持架11可以设为塑料制或者金属制的结构。
在波动插塞6的椭圆状外周面8，在恒定宽度的内圈侧轨道面9的两端部分(波动发生器5的中心轴线5a方向上的两侧部分)，形成有比内圈侧轨道面9更向外周侧突出的凸缘部8a。在形成于内圈侧轨道面9与外圈侧轨道面10之间的滚子轨道13配置有保持架11。保持架11具有：形成于宽度方向(中心轴线5a的方向)上的两端的圆环状的凸缘11a、11b；以及在这些凸缘11a、11b之间且在圆周方向上以恒定间隔架设的多个间隔壁11c。在相邻的间隔壁11c之间形成有将中空滚子12保持为滚动自如的状态的兜孔(pocket)，中空滚子12插入于各兜孔。
在波动插塞6形成有用于将中空滚子12插入于滚子轨道13的滚子插入孔14。封堵用插塞15插入于滚子插入孔14，由此，滚子插入孔14被封堵。封堵用插塞15通过紧固用螺栓16而紧固固定于波动插塞6。滚子插入孔14在波动插塞6的一个椭圆状端面6b而形成于其短轴Lmin上的位置。
图3(a)是中空滚子12的端面图，图3(b)是其纵向剖视图。另外，图3(c)是表示位于波动轴承7的圆周方向上的各处位置的中空滚子12的挠曲状态的说明图。
中空滚子12具有较大的中空部12a。当中空滚子12的外径设为Do、且其中空部12a的内径设为Di时，内径Di与外径Do之比的下限值设定为0.95。
Di/Do≥0.95
通过将中空滚子12设为薄壁且中空直径较大，如图3(c)所示，借助因波动齿轮装置1的负荷扭矩所引起的径向载荷而使得位于椭圆形状的长径方向上的两端部分的中空滚子12变为挠曲成椭圆状的绷紧(tight)状态。
通过中空滚子12的挠曲变形而能够增大作用有径向载荷的中空滚子12、与内圈侧轨道面9及外圈侧轨道面10之间的相对曲率半径。由此，能够降低赫兹最大接触应力。由于赫兹应力降低，因此，不需要提高中空滚子12、内圈侧轨道面9、外圈侧轨道面10的硬度。另外，灵活运用使中空滚子12挠曲而产生的环向应力，由此还能够提高中空滚子12的疲劳寿命。
本发明的发明人对使得中空滚子12的内径Di/外径Do之比发生变化时的、作用于中空滚子12的赫兹应力与作用于相同形状的实心滚子的赫兹应力之比的变化进行了测定。图4(a)是表示将波动轴承7的中空滚子12、内圈侧轨道面9以及外圈侧轨道面10设为钢制结构时的关系的曲线图。实线所示的曲线是作用有规定负荷扭矩的情况下得到的关系曲线，虚线所示的曲线是作用有规定负荷扭矩的1.5倍的负荷扭矩的情况下得到的关系曲线，点划线所示的曲线是作用有规定负荷扭矩的2倍的负荷扭矩的情况下得到的关系曲线。
根据这些关系曲线可知，当中空滚子12的内径/外径比(Di/Do)达到0.95以上时，赫兹应力比大致变为95％以下。另外，在内径/外径比大于0.95的区域，赫兹应力比的减小比例大幅增大。因此，当将中空滚子12设为内径/外径比为0.95以上的薄壁且中空直径较大的结构时，与将实心滚子用作滚动体的情况相比，能够大幅降低赫兹应力。
图4(b)是表示仅将波动轴承7的中空滚子12设为不锈钢制的结构、且将内圈侧轨道面9和外圈侧轨道面10设为钢制结构不变的情况下的内径/外径比与赫兹应力比的关系的曲线图。此时，与使用钢制的中空滚子的情况相比，赫兹应力比略微减小，但是，根据图4(b)的各关系曲线可知，形成为与图4(a)的情况(钢制的中空滚子和钢制的实心滚子)大致相同的关系。
通过使用钢制或者不锈钢制的中空滚子12，能够大幅降低赫兹应力。因此，在将中空滚子12设为钢制或者不锈钢制的结构的情况下，作为形成有内圈侧轨道面9的波动插塞6和形成有外圈侧轨道面10的外齿齿轮4的材料，可以由与中空滚子12的材料(钢、不锈钢)相比而弹性模量更低的材料、例如塑料形成。
此外，中空滚子12之比Di/Do的上限值受到以下因素的限制。首先，中空滚子的直径方向的刚性设定成：借助波动插塞6而使得圆形的外齿齿轮4挠曲成预定的长径的椭圆状形状并由此形成与内齿齿轮2、3适当地啮合的状态。换言之，将中空滚子12的壁厚设定为能够得到上述刚性。利用该壁厚来限制中空滚子12的比Di/Do的上限值。
另外，比Di/Do的上限值限制成：使得挠曲成椭圆状的中空滚子12的外周面的短径部的曲率半径不会超过挠曲成椭圆状的内圈侧轨道面9的长径部的曲率半径。
在此，如图3(b)所示，中空滚子12呈薄壁的圆筒形状，因此，其两侧的端面12b、12c的面积变小，从而有可能无法发挥实际应用时作为滚子端面的功能。在本例中，在中空滚子12的两侧端部开口的开口部被滚子端面部12d、12e封堵。滚子端面部12d、12e由与中空滚子12的材料相比而弹性模量更低且摩擦系数更低的材料、例如塑料形成。滚子端面部12d、12e各自的外侧端面与保持架11抵接而限制中空滚子12的轴线方向上的位置。
(其他实施方式)
另外，在上述实施方式中，使得内圈与波动插塞一体形成，并使得外圈与外齿齿轮一体形成。不言而喻，也可以作为不同的部件而配置内圈或外圈、或者内圈和外圈的双方。
另外，上述实施方式涉及的是具有圆筒状的外齿齿轮的被称为扁平型的波动齿轮装置。本发明也同样适用于具有杯状的外齿齿轮的被称为杯型的波动齿轮装置、具有礼帽状的外齿齿轮的被称为礼帽型的波动齿轮装置。

Claims (6)

1.一种波动齿轮装置的波动发生器，其特征在于，具有：
刚性的波动插塞；以及
波动轴承，其安装于所述波动插塞的椭圆状外周面与作为所述波动齿轮装置的构成部件的挠性的外齿齿轮的内周面之间，
所述波动轴承在内圈侧轨道面与外圈侧轨道面之间具有以能够滚动的状态而插入的多个滚动体，
所述滚动体是钢制或者不锈钢制的呈圆筒形状的中空滚子，
所述中空滚子的直径方向上的刚性设定成：借助所述波动插塞而形成使得圆形的所述外齿齿轮挠曲成预定的长径的椭圆状形状的状态，
所述中空滚子的内径Di与外径Do之比Di/Do的下限值为0.95。
2.根据权利要求1所述的波动齿轮装置的波动发生器，其特征在于，
在所述波动插塞的所述椭圆状外周面的长径方向上的两端，位于包括该长径在内的规定角度范围内的所述中空滚子因所述内圈侧轨道面和所述外圈侧轨道面而挠曲成椭圆状，
所述比Di/Do的上限值设定成：使得挠曲成椭圆状的所述中空滚子的外周面的短径部的曲率半径不会超过挠曲成椭圆状的所述内圈侧轨道面的长径部的曲率半径。
3.根据权利要求1所述的波动齿轮装置的波动发生器，其特征在于，
具有将所述中空滚子的中空部的至少两侧的开口部封堵的滚子端面部，
所述滚子端面部由与所述中空滚子的材料相比而弹性模量更低且摩擦系数更低的材料形成。
4.一种波动齿轮装置，其特征在于，具有：
刚性的内齿齿轮；
同轴配置于所述内齿齿轮的内侧的挠性的外齿齿轮；以及
权利要求1所述的波动发生器。
5.根据权利要求4所述的波动齿轮装置，其特征在于，
在所述波动插塞的所述椭圆状外周面的长径的两端，位于包括该长径在内的规定角度范围内的所述中空滚子因所述内圈侧轨道面和所述外圈侧轨道面而挠曲成椭圆状，
所述比Di/Do的上限值设定成：使得挠曲成椭圆状的所述中空滚子的外周面的短径部的曲率半径不会超过挠曲成椭圆状的所述内圈侧轨道面的长径部的曲率半径。
6.根据权利要求4所述的波动齿轮装置，其特征在于，
具有将所述中空滚子的中空部的至少两侧的开口部封堵的滚子端面部，
所述滚子端面部由与所述中空滚子的材料相比而弹性模量更低且摩擦系数更低的材料形成。
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