CN1864018A - 具有宽范围啮合齿形的波动齿轮驱动装置 - Google Patents

具有宽范围啮合齿形的波动齿轮驱动装置 Download PDF

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Abstract

一种波动齿轮驱动装置(1)，其中一刚性内啮合齿轮(2)形成为模数为m的一正齿轮，而一柔性外啮合齿轮(3)形成为具有模数为m的开口侧前端的一伞齿轮。外啮合齿轮(3)的齿数比内啮合齿轮(2)的齿数少2n(n为正整数)，且将该齿轮在外啮合齿轮(3)的开口侧前端处的椭圆边缘中线的变形量设为2κmn(κ＞1)。在开口侧前端处，将两个齿轮(2、3)的齿的啮合近似为齿条啮合，以可得到外啮合齿轮(3)的齿根据一波动发生器(4)的运动路径(M)，且在从长轴到脱齿侧的区域中得到范围为从运动路径(M)相对于内啮合齿轮(2)径向线的倾角为90°的两个齿轮的最深啮合点(A)到倾角为α的位置(B)的运动路径(M)的曲线部分(AB)。然后，将扩大曲线部分(AB)λ倍而得到的一第一相似曲线作为外啮合齿轮(3)的齿形，以及将扩大该曲线部分(λ+1)倍而得到的一第二相似曲线作为内啮合齿轮(2)的齿形。

Description

具有宽范围啮合齿形的波动齿轮驱动装置
技术领域
本发明涉及一种具有宽范围啮合齿形的高松脱转矩波动齿轮驱动装置。
背景技术
自从C.W.Musser发明波动齿轮驱动装置(专利参考文件1)至今，许多研究人员发明了各种类型的波动齿轮驱动装置，这其中包括Musser和本申请的发明人。仅仅关于波动齿轮的齿形就提出了各种发明方案。例如，本申请的发明人提出将基本齿形做成渐开线形齿形(专利参考文件2)，以及一种设计齿形的方法，在该齿形中，使用使两个齿轮之间啮合与齿条近似来获得用于刚性内啮合齿轮和柔性外啮合齿轮之间的宽范围接触的齿顶外形(专利参考文件3和4)。还提出了一个用来防止与齿条近似的齿形之间互相干扰的发明方案(专利参考文件5)。
专利参考文件1：美国专利2906143
专利参考文件2：JP 45-41171 B
专利参考文件3：JP 63-115943 A
专利参考文件4：JP 64-79448 A
专利参考文件5：JP 7-167228 A
发明内容
对于波动齿轮驱动装置，在两个齿轮的齿的数量超出例如160的高减速比情况下，在施加高转矩的时候会有被称作松脱的跳齿现象发生。然而，关于可防止松脱并同时保持持续接触的齿形没有具体的设想。
为了防止在高转矩的过程中发生松脱，必须使齿高尽可能地大。另外，还需要拓宽作为一波动齿轮驱动装置的元件的刚性内啮合齿轮和柔性外啮合齿轮之间的啮合区域，以增加转矩容量。
从以上观点来看，本发明要解决的问题是提供一种波动齿轮驱动装置，为了防止在施加高转矩的时候发生松脱，该装置具有可使齿高加大并使啮合区加宽的齿形。
解决问题的方法
本发明用一种波动齿轮驱动装置解决了以上的问题，该装置具有一环形刚性内啮合齿轮，在该内啮合齿轮中置有一柔性外啮合齿轮，在该外啮合齿轮中插有一波动发生器，该柔性外啮合齿轮具有一柔性圆柱主体和一环形隔膜，该环形隔膜沿径向从圆柱主体的后端延伸出来，形成在圆柱主体的一开口端侧区域上的一齿部分由一波动发生器所产生的变形量弯曲成椭圆形，该变形量从隔膜侧的一后端部分到开口侧的一前端部分，大致与离开隔膜的距离成比例，
其特征在于：
刚性内啮合齿轮为模数为m的一正齿轮；
柔性外啮合齿轮为模数为m的一正齿轮或在其前端部分模数为m的一伞齿轮；
柔性外啮合齿轮的齿数比刚性内啮合齿轮的齿数少2n(n为正整数)；
将与沿齿线的方向一任意选取的位置处的轴线垂直的柔性外啮合齿轮的一横截面(以下称作主横截面)处的柔性外啮合齿轮的椭圆边缘中线的长轴的变形量设为2κmn(κ＞1)；
刚性内啮合齿轮和柔性外啮合齿轮的齿在主横截面上的啮合近似为齿条啮合，并可获得伴随着波动发生器的旋转的柔性外啮合齿轮的齿相对于刚性内啮合齿轮的齿的运动路径，从长轴到运动路径中的一脱齿侧采用从一径向线与刚性内啮合齿轮的倾角为90°的两个齿轮的最深啮合位置到倾斜角为α(0°＞α＞30°)的位置的一曲线部分；
将扩大该曲线部分λ倍而得到的一第一相似曲线作为柔性外啮合齿轮的齿形；以及
将扩大该曲线部分(λ+1)倍而得到的一第二相似曲线作为刚性内啮合齿轮的齿形。
对于倾角α，通常可采用从0°到15°范围内的值。
这里，为了取得较高的松脱转矩，必须使齿高尽可能地大。为此，λ要尽可能地大。λ的最大值是在运动路径上刚性内啮合齿轮的齿顶所达到的位置；使λ任意大会使两个齿轮的齿顶互相干扰。因此，在本发明中，需要将λ值设定为使通过将作为初始最深啮合位置的曲线部分乘上(λ+1)而得到的第二近似曲线的顶部位于运动路径上。
同样，相对于λ的最大值的极值，也存在将刚性内啮合齿轮的齿顶选为运动路径的最大振幅的情况。因此，在本发明中，需要将λ和α的值设置成使通过将作为初始最深啮合位置的曲线部分乘上(λ+1)而得到的第二近似曲线的顶部位于运动路径的最大振幅点上。
接下来，为了确保在柔性外啮合齿轮的主横截面以外的区域处也保持两个齿轮的有效啮合，需要使主横截面成为与沿柔性外啮合齿轮的齿线方向的前端部分的轴线垂直的一横截面，将沿柔性外啮合齿轮的齿线方向的后端部分的变形量设置成2κmn(κ＜1)，以及使用等高齿伞齿轮，其较小的直径面向前端部分。
在此情况下，为了避免由于柔性外啮合齿轮运动路径的沿齿线的方向从前端部分到后端部分振幅减小而引起的两个齿轮齿顶的互相干扰，希望在包括柔性外啮合齿轮长轴的轴向部分处弯曲成椭圆形，将柔性外啮合齿轮的齿顶圆柱面形成为锥形表面，从而使柔性外啮合齿轮的齿顶跟随刚性内啮合齿轮的齿底，而刚性内啮合齿轮的齿顶圆柱面的形状形成为锥形表面，该表面具有沿齿线方向从前端部分到后端部分逐渐增大的内径。
当两个齿轮的齿形如此形成后，两个齿轮在沿柔性外啮合齿轮的齿线方向的后端部分处的啮合在直到变形为椭圆的柔性外啮合齿轮的长轴的位置之前为前置级啮合，它与在通过沿柔性外啮合齿轮的齿线方向的前端部分(主横截面)的位置之后的后置级啮合不同。沿齿线方向从前端部分到后端部分的啮合为包括前置级啮合和后置级啮合的中间过渡啮合。这样，根据本发明，就有可能在长轴上实现宽范围的啮合。
其次，本发明适用于如下的波动齿轮驱动装置中，该装置具有高减速比，其中两个齿轮的齿数为160或更多。
发明效果
如前所述，由于在本发明的波动齿轮中刚性内啮合齿轮和柔性外啮合齿轮的齿高与变形量相关，因此将柔性外啮合齿轮的变形量、较佳地为其开口端侧的前端部分的变形量设置为2κmn(κ＞1)，该变形量为大于2mn的标准变形量(κ＝1)。
另外，在κ＞1的情况下，可通过将两个齿轮的齿之间的啮合运动轨迹齿条近似、以及将一曲线用作为两个齿轮的基础齿形来实现两个齿轮的持续接触，该曲线是在后置级啮合的脱离侧上从最深啮合位置开始的曲线，该啮合位置是类似地放大的齿条运动路径的顶点。
因此，根据本发明的具有宽范围的啮合齿形的波动齿轮驱动装置，可使柔性外啮合齿轮的变形量比通常的标准(κ＝1)要大，从而可增加齿高，从而有可能实现较高的松脱转矩啮合。另外，还可实现在用来形成齿形的运动路径上的连续啮合，而不是采用线性齿形时的瞬时啮合。
此外，对于本发明，将柔性外啮合齿轮的隔膜侧的后端部分的变形量设为κmn(κ＜1)，并且通过即使在上方的前置级区域也使两个齿轮啮合直到到达最深啮合位置为止，就可保持两个齿轮的宽范围啮合。在那个时候，对柔性外啮合齿轮的齿形进行任意的齿顶修改，并且调节沿齿线方向的齿高。
结果就有可能在弯曲成椭圆的柔性外啮合齿轮的长轴位置的两侧在较宽范围上实现连续啮合。这样，根据本发明，就有可能进一步提高波动齿轮驱动装置的负荷容量。
最佳实施方式
以下结合附图来描述应用本发明的一波动齿轮驱动装置。
波动齿轮驱动装置的结构：
图1是作为本发明目的的波动齿轮驱动装置正视图，图2是示出了包括柔性外啮合齿轮的开口部分的轴向部分的截面图，其状态为变形成椭圆形，其中(a)示出了在变形前的状态，(b)是变形后包括椭圆的长轴的轴向部分，以及(c)是变形后包括椭圆的短轴的轴向部分。此外，在图2中，实线示出了杯形柔性外啮合齿轮，虚线示出了礼帽形柔性外啮合齿轮。
如在这些图中所示出的，波动齿轮驱动装置1具有圆形刚性内啮合齿轮2，在该内啮合齿轮中置有柔性外啮合齿轮3，在该外啮合齿轮中插有波动发生器4。刚性内啮合齿轮2和柔性外啮合齿轮3之间的齿数差为2n(n为正整数)。波动齿轮驱动装置1的柔性外啮合齿轮3可由具有椭圆外形的波动发生器4弯曲成椭圆形，沿椭圆的长轴L1的方向同刚性内啮合齿轮2啮合于两个端部位置。当波动发生器4旋转时，两个齿轮2、3的啮合位置作圆周运动，产生与两个齿轮的齿数差相对应的齿轮2、3的相对旋转。柔性外啮合齿轮3包括：一柔性圆柱主体31；一隔膜32，该隔膜径向延伸，与其后端31a相连续；一突起33，该突起与隔膜32相连续；以及诸外齿34，这些外齿形成于圆柱主体31的一开口端31b侧的一外周表面部分。
通过将具有椭圆外形的波动发生器4插入圆柱主体部分31的外齿形成部分的内周表面部分，圆柱主体部分31从其隔膜侧的后端31a向开口端31b向内或向外的变形量逐渐增加。如图2(b)所示，在包括椭圆的长轴L1的轴向部分处的向外变形量与从后端31a到开口端31b的距离成比例地逐渐增加，而如图2(c)所示，向内在包括椭圆的短轴L2的轴向部分处的向内变形量与从后端31a到开口端31b的距离成比例地逐渐增加。因此，形成在开口端31b侧的外周表面上的外齿34的变形量也沿其齿线从后端部分34a到前端部分34b逐渐增加，与到后端31a的距离成比例。
在主横截面上形成齿形的方法：
图3是示出了柔性外啮合齿轮3的齿相对于刚性内啮合齿轮2的运动路径的图，该图是在波动齿轮驱动装置1的两个齿轮2、3的相对运动近似齿条的情况下得到的。将垂直于开口侧的前端部分34b的轴线的横截面作为组成两个齿轮齿形的形成基准的主横截面(在沿柔性外啮合齿轮3的外齿34的齿线方向指定的选定位置上垂直于轴线的横截面)，这一运动路径M是在这个主横截面上得到的。齿轮3的齿的运动由下列等式给出。
X＝0.5mn(θ-κsinθ)
Y＝κmn(1-cosθ)
这里，κ是大于“1”的挠曲系数，m是模量。此外，柔性外啮合齿轮3的运动路径M的整个振幅为2κmn。
图4是示出了处在齿的运动路径的环形部分中的利用范围的说明图。曲线部分AB是从最深啮合部分点A到脱离啮合部分点B，从最深位置点A起呈角度α，在点A处，运动路径M的切线相对于y轴(刚性内啮合齿轮的径向线)所呈的倾角(啮合角)为90°。对于所得到的齿形，这一角度α在柔性外啮合齿轮的情况下对应于齿根的最小啮合角，而在刚性内啮合齿轮的情况下对应于齿顶的最小啮合角；通常，角α的范围是0°＜α＜30°，在实践中为0°＜α＜15°。这一曲线部分AB是用于获得齿形的，如下所述。当以正变形(κ＞1)啮合时，柔性外啮合齿轮3进入刚性内啮合齿轮2的齿间隙中的齿的接触并不深及最深位置A，而是在它在脱离侧脱离啮合时首先接触刚性内啮合齿轮2的齿面。
接下来，如图5(a)所示，将运动路径的工作范围、即曲线部分AB乘上λ所得到的第一近似曲线AC作为柔性外啮合齿轮3的齿形。同样，将曲线部分AB乘上(λ+1)所得到的第二近似曲线AD作为刚性内啮合齿轮2的齿形。如在图5(b)中所示的如此设置的这两个齿形的原理所示，由其相似性，就有可能在曲线部分AB之间实现连续啮合。
这里，需要使齿高尽可能地大以增大松脱扭矩。为此，λ要尽可能地大。其最大值是刚性内啮合齿轮2的齿顶走上运动路径M的位置。如果使之更大，那么这两个齿轮的齿顶之间就会互相干扰。图5(a)示出了这一情况。λ的最大值的极值情况是选择刚性内啮合齿轮的齿顶作为运动路径M的最大振幅的位置。
也就是说，与λ的最大值的极值相关的角度α(啮合角)的理论值可由以下等式获得。
tanα＝0.5(1-κcost)/(κsint)
这里，运动路径M的扩大率(λ+1)将是以下值。
λ+1＝2κm/κm/(1-cost)＝2/(1-cost)
同时，t的值可由以下等式得到。
t-κsint+0.5πcost-0.5π＝0
作为一例子，若为挠曲系数，则κ＝1.4、t＝26.1272°、α＝11.7712°、λ＝18.5730°。
除主横截面以外的垂直于轴线的横截面的齿形：
以上的说明是关于柔性外啮合齿轮3的主横截面、即关于在开口侧的前端部分34b中形成齿形的方法。可以如下所述的方法来形成齿形，以在除主横截面以外的垂直于轴线的横截面中保持有效啮合。
首先，在柔性外啮合齿轮3中，将具有变形量2κmn(κ＞1，正变形)的开口侧上的前端部分34b设为主横截面，将沿柔性外啮合齿轮3的齿线方向的前端部分34b中的中线椭圆边缘的长轴的变形量设为2mn(κ＜1，负变形)。同样，为了能在如图6所示沿开口侧上的前端部分34b到后端部分34a的齿线方向的每个横截面上都保持啮合，将柔性外啮合齿轮3形成为等齿高伞齿轮，其较小的直径面对前端部分34b。同样，对于为正齿轮的刚性内啮合齿轮2，为了避免因柔性外啮合齿轮3向着后端部分34a的运动路径M振幅的增大而引起齿顶干扰，将其齿顶圆柱面的形状形成为锥形表面，大直径向着柔性外啮合齿轮3的后端部分。另外，在垂直于包括波动发生器4的长轴的轴线的横截面中，将柔性外啮合齿轮3的顶锥的发生器设定为跟随柔性外啮合齿轮3的齿根。同时，在图6中，虚线示出了在变形前的状态，实线示出了变形后在包括长轴的轴向部分处的变形状态。
图7到图9示出了柔性外啮合齿轮3的诸齿相对于刚性内啮合齿轮2的一个齿的齿条近似相对运动。图7示出了为主横截面的开口侧后端部分34a的啮合状态，图8示出了柔性外啮合齿轮3的齿线中心附近的同样的啮合状态，以及图9示出了在其前端部分34b中的同样的啮合状态。如从图中可以理解的，显示出齿从开口侧上的前端部分行进到后端部分的运动路径从环形经尖端形变为锥形。伴随着这一变化，齿的啮合区域也从在长轴之后的环的后半部分上的啮合中改变，经过在长轴尖端附近的啮合，变到在长轴之前的啮合。
如前所述，柔性外啮合齿轮3的后端部分34a的啮合在直到变形成为椭圆的柔性外啮合齿轮3的长轴位置之前是前置级啮合，它与从通过其前端部分34b处的长轴位置之后的后置级啮合不同。这表示在长轴位置的两侧都能实现宽范围的啮合，这在过去是没有见到过的。在从前端部分34b到后端部分34a的部分中，啮合是包括前置级啮合和后置级啮合的中间过渡啮合。
同时，图10示出了在通过前端部分34b的长轴位置之后的后置级啮合的展开视图，这是在两个齿轮的齿高为最大的情况。图11是在齿线中心附近截面中啮合的展开视图，它示出了在长轴附近的中间啮合，以及图12是在直到后端部分34a中长轴位置之前前置级啮合沿齿线方向的展开的视图。这其中每一个都是在齿数有限的情况下的(柔性外啮合齿轮的齿数为160，刚性内啮合齿轮的齿数为162)，其中对柔性外啮合齿轮3的齿形中作了齿顶修改，从而保证两个齿轮2、3的顺利啮合。
附图说明
图1是作为本发明的一个对象物的一波动齿轮驱动装置的总的正视图。
图2是示出了包括柔性外啮合齿轮的挠曲状态的轴向部分的说明图，其中(a)示出了在变形前的状态，(b)是变形后包括椭圆的长轴的轴向部分，以及(c)是变形后包括椭圆的短轴的轴向部分。
图3在本发明的齿形基准为κ＞1的情况下齿条的运动路径。
图4是示出图3所示运动路径中齿形利用范围的说明图。
图5是示出了为两个齿轮所设定的齿形例子的说明图。
图6是示出了用来在主横截面以外的横截面上实现有效啮合的两个齿轮的齿形的说明图。
图7是示出了垂直于两个齿轮的齿线的开口侧上前端部分轴线的横截面中的啮合情况的说明图。
图8是示出了垂直于两个齿轮的齿线中心的轴线的横截面中的啮合情况的说明图。
图9是示出了垂直于两个齿轮的齿线后端部分中的轴线的横截面中的啮合情况的说明图。
图10是垂直于两个齿轮的齿线的开口侧上前端部分轴线的横截面中的啮合情况的展开的视图。
图11是垂直于两个齿轮的齿线中心的轴线的横截面中的啮合情况的展开视图。
图12是垂直于两个齿轮的齿线后端部分中的轴线的横截面中的啮合的发展了的视图。
标号说明：
1   波动齿轮驱动装置
2   内啮合齿轮
3   外啮合齿轮
31a 后端
31b 开口端
34  外齿
34a 沿齿线方向的后端部分
34b 沿齿线方向的前端部分
4   波动发生器
M   运动路径
AB  用来设置齿形的曲线部分
AC  第一近似曲线
AD  第二近似曲线
A   运动路径的最深位置
B   在运动路径上的切线的倾斜角为α的点

Claims (6)

1.一种具有一环形刚性内啮合齿轮的波动齿轮驱动装置，在该内啮合齿轮中放置有一柔性外啮合齿轮，在该外啮合齿轮中插有一波动发生器，该柔性外啮合齿轮具有一柔性圆柱主体和一环形隔膜，该环形隔膜沿径向从圆柱主体的后端延伸出来，形成在圆柱主体的一开口端侧区域上的一齿部分由该波动发生器所产生的变形量弯曲成椭圆形，该变形量从隔膜侧的一后端部分到开口侧的一前端部分大致与离开隔膜的距离成比例；
其特征在于：
刚性内啮合齿轮为模数为m的一正齿轮；
柔性外啮合齿轮为模数为m的一正齿轮或在其前端部分模数为m的一伞齿轮；
柔性外啮合齿轮的齿数比刚性内啮合齿轮的齿数少2n(n为正整数)；
将与沿齿线的方向一任意选取的位置处的轴线垂直的柔性外啮合齿轮的一横截面(以下称作主横截面)处的柔性外啮合齿轮的椭圆边缘中线的长轴的变形量设为2κmn(κ＞1)；
刚性内啮合齿轮和柔性外啮合齿轮的齿在主横截面上的啮合近似为齿条啮合，并可获得伴随着波动发生器的旋转的柔性外啮合齿轮的齿相对于刚性内啮合齿轮的齿的运动路径；
从长轴到运动路径中的一脱齿侧采用从一径向线与刚性内啮合齿轮的倾角为90°的两个齿轮的最深啮合位置到倾斜角为α(0°＞α＞30°)的位置的一曲线部分；
将扩大该曲线部分λ倍而得到的一第一相似曲线作为柔性外啮合齿轮的齿形；以及
将扩大该曲线部分(λ+1)倍而得到的一第二相似曲线作为刚性内啮合齿轮的齿形。
2.如权利要求1所述的波动齿轮驱动装置，
其特征在于，将λ的值设置成可使通过将作为初始最深啮合位置的曲线部分乘上(λ+1)而得到的第二近似曲线的顶部位于运动路径上。
3.如权利要求1所述的波动齿轮驱动装置，
其特征在于，将λ的值设置成可使通过将作为初始最深啮合位置的曲线部分乘上(λ+1)而得到的第二近似曲线的顶部位于运动路径的最大振幅点上。
4.如权利要求1到3中任意一项所述的波动齿轮驱动装置，
其特征在于，主横截面是与沿柔性外啮合齿轮的齿线方向的前端部分的轴线垂直的一横截面；
将沿柔性外啮合齿轮的齿线方向的后端部分的变形量设置成2κmn(κ＜1)；以及
柔性外啮合齿轮为等高齿伞齿轮，其较小的直径面向前端部分。
5.如权利要求4所述的波动齿轮驱动装置，
其特征在于，柔性外啮合齿轮变形之后，在包括柔性外啮合齿轮长轴的轴向部分处，将柔性外啮合齿轮的齿顶圆柱面形成为锥形表面，从而使柔性外啮合齿轮的齿顶跟随刚性内啮合齿轮的齿底；
刚性内啮合齿轮的齿顶圆柱面的形状形成为锥形表面，该表面具有沿齿线方向从前端部分到后端部分逐渐增大的内径。
6.如权利要求1到5中任意一项所述的波动齿轮驱动装置，
其特征在于，刚性内啮合齿轮和柔性外啮合齿轮各自具有数量为160或更多的齿。
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