DE102004034823B4

DE102004034823B4 - Wellengetriebevorrichtung

Info

Publication number: DE102004034823B4
Application number: DE102004034823.5A
Authority: DE
Inventors: Yoshihide Kiyosawa
Original assignee: Harmonic Drive Systems Inc
Current assignee: Harmonic Drive Systems Inc
Priority date: 2003-07-18
Filing date: 2004-07-19
Publication date: 2018-09-20
Anticipated expiration: 2024-07-20
Also published as: JP4248334B2; JP2005036937A; DE102004034823A1; US20050066769A1

Abstract

Wellengetriebevorrichtung (1), umfassend:
ein starres kreisförmiges Innenzahnrad (2);
ein flexibles Außenzahnrad (3), das koaxial in dem starren Innenzahnrad (2) angeordnet ist,
einen Wellengenerator (4) zum elastischen Verformen des flexiblen Außenzahnrads (3) in radialer Richtung, um einen partiellen Eingriff mit dem starren Innenzahnrad (2) zu bewirken und die Eingriffsstellen zwischen beiden Zahnrädern (2,3) in Umfangsrichtung zu bewegen,
wobei die Zahnprofilformen des starren Innenzahnrads (2) und des flexiblen Außenzahnrads (3) grundsätzlich definiert sind durch eine Grund-Zahnstangenprofilkurve (C1), und
eine Form eines unteren Teils eines Zahnfußbereichs des Zahnprofils des Innenzahnrads (2) durch eine erste Kurve (C2) definiert ist, die einen Eingriffswinkel (α2) aufweist, der kleiner ist als der Standard-Eingriffswinkel (α1) der Grund-Zahnstangenprofilkurve (C1), wobei der Standard-Eingriffswinkel (α1) ein Eingriffswinkel am Teilkreispunkt (P1) ist, wo die Referenz-Steigungslinie die Grund-Zahnstangenprofilkurve (C1) schneidet,
die Grund-Zahnstangenprofilkurve (C1) und die erste Kurve (C2) an einem ersten Punkt (P2) glatt ineinander übergehen, wobei der erste Punkt (P2) in Bezug auf den Teilkreispunkt (P1) auf dem zahnfußseitigen Bereich des Innenzahnrades (2) angeordnet ist.

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Wellengetriebevorrichtung mit einem hohen Untersetzungsverhältnis, insbesondere betrifft sie eine Wellengetriebevorrichtung mit einem Zahnprofil großer Zahntiefe, was in vorteilhafter Weise das Sperrmoment erhöht.
Beschreibung des Standes der Technik
Seit in der JP S45 - 41 171 B1 vorgeschlagen wurde, dass ein Evolventenverzahlungsprofil für eine Wellengetriebevorrichtung verwendet werden kann, wurde in großem Umfang ein leicht zu schneidendes Grund-Zahnstangen-Zahnprofil (Evolventenverzahlungsprofil) als Grund-Verzahnungsprofil für die die Wellengetriebevorrichtung bildenden Zahnräder eingesetzt. Beispiele für das Grund-Zahnstangen-Zahnprofil, welches für ein kreisförmiges starres Innenzahnrad und ein flexibles Außenzahnrad einer Wellengetriebevorrichtung ausgebildet ist, werden mit „herkömmliches C/S-Zahnprofil“ und „herkömmliches F/S-Zahnprofil“ in 3 bezeichnet, dargestellt sind die Profile durch gestrichelte Linien. Aus diesem Diagramm ist ersichtlich, dass bei dem Grund-Zahnstangen-Zahnprofil der Eingriffswinkel ausgehend von dem Bereich, der den Zähneeingriffsbereich definiert, in Richtung des Zahnfußes und des Zahnkopfes zunimmt.
Ein Zahnprofil mit einem erweiterten Eingriffsbereich ohne Eingriffsstörung wird in EP 0 961 054 B1 offenbart.
Der Zahnmodul ist in einer Wellengetriebevorrichtung mit hohem Untersetzungsverhältnis kleiner, und die Zahntiefe wird entsprechend dem Modul-Wert entsprechend klein, so dass das Sperrmoment ebenfalls kleiner wird. Um eine Wellengetriebevorrichtung mit einem hohem Untersetzungsverhältnis zu realisieren, ohne beim Sperrmoment Einbußen hinzunehmen, ist es möglich, zur Gewährleistung einer ausreichenden Zahntiefe ein längliches Zahnprofil einzusetzen. Allerdings muss ein solches Schneidrad mit einem Zahnprofil mit spitz zulaufendem Zahnkopfbereich für das starre Innenzahnrad verwendet werden, um ein längliches Zahnprofil zu erreichen. Dies bedeutet eine Beeinträchtigung der Lebensdauer und der Festigkeit des Schneidrads.
Als Lösung ist es möglich, die Änderung des Verhältnisses von Zahndicke und Zahnabstand in dem Zahnprofil beider Zahnräder vorzunehmen, um dadurch die Zahndicke zu erhöhen. Bei erhöhter Zahndicke konzentriert sich aber die Biegespannung auf den Zahnfußbereich, so dass die Dauerfestigkeit des flexiblen Außenzahnrads stark beeinträchtigt wird.
Offenbarung der Erfindung
Ein Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Zahnprofilform für eine Wellengetriebevorrichtung, durch die das Sperrmoment einer Wellengetriebevorrichtung mit hohem Untersetzungsverhältnis gesteigert werden kann, ohne dadurch die Lebensdauer oder die Festigkeit eines Schneidrads für ein starres Innenzahnrad zu verschlechtern oder die Dauerfestigkeit eines flexiblen Außenzahnrads zu beeinträchtigen.
Um das oben angegebene Problem sowie weitere Probleme zu lösen, umfasst eine Wellengetriebevorrichtung gemäß der Erfindung:

ein starres kreisförmiges Innenzahnrad,
ein flexibles Außenzahnrad, das koaxial in dem starren Innenzahnrad angeordnet ist,
einen Wellengenerator zum elastischen Verformen des flexiblen Außenzahnrads in radialer Richtung, um einen partiellen Eingriff mit dem starren Innenzahnrad zu bewirken und die Eingriffstellen zwischen beiden Zahnrädern in Umfangsrichtung zu bewegen, wobei die Zahnprofilformen des starren Innenzahnrads und des flexiblen Außenzahnrads zunächst definiert sind durch eine Grund-Zahnstangen-Zahnprofilkurve, und
eine Form eines Zahnfußbereichs des Zahnprofils von zumindest einem der Zahnräder derart modifiziert ist, dass die Form einen Eingriffswinkel aufweist, der kleiner ist als ein Standard-Eingriffswinkel des Grund-Zahnstangen-Zahnprofildes Innenzahnrads durch eine erste Kurve definiert ist, die einen Eingriffswinkel aufweist, der kleiner ist als der Standard-Eingriffswinkel der Grund-Zahnstangenprofilkurve, wobei der Standard-Eingriffswinkel ein Eingriffswinkel am Teilkreispunkt ist, wo die Referenz-Steigungslinie die Grund-Zahnstangenprofilkurve schneidet, die Grund-Zahnstangenprofilkurve und die erste Kurve an einem ersten Punkt glatt ineinander übergehen, wobei der erste Punkt in Bezug auf den Teilkreispunkt auf dem zahnfußseitigen Bereich des Innenzahnrades angeordnet ist.

Die Erfindung betrifft außerdem eine Wellengetriebevorrichtung, wobei die Zahnprofilform des flexiblen Außenzahnrades n Bezug auf den Teilkreispunkt eine im Wesentlichen rotationssymmetrische Form hat, eine Form eines unteren Teils eines Zahnfußbereichs des Zahnprofils des flexiblen Außenzahnrades durch eine zweite Kurve definiert ist, die einen zweiten Eingriffswinkel aufweist, der kleiner als der Standard-Eingriffswinkel ist, und die Grund-Zahnstangenprofilkurve und die zweite Kurve an einem zweiten Punkt glatt ineinander übergehen, wobei der zweite Punkt n Bezug auf den Teilkreispunkt auf dem zahnfußseitigen Bereich des flexiblen Außenzahnrades angeordnet istein starres Innenzahnrad für eine Wellengetriebevorrichtung, wobei eine Zahnprofilform zunächst definiert wird anhand einer Grund-Zahnstangen-Zahnprofilkurve, anschließend eine Form eines Zahnfußbereichs der Kurve derart modifiziert wird, dass die Form einen Eingriffswinkel aufweist, der kleiner ist als ein Standard-Eingriffswinkel.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein flexibles Außenzahnrad für eine Wellengetriebevorrichtung, bei dem zunächst eine Zahnprofilform auf der Grundlage der Grund-Zahnstangen-Zahnprofilkurve definiert wird und anschließend die Form eines Zahnfußbereichs derart modifiziert wird, dass die Form einen Eingriffswinkel hat, der kleiner ist als ein Standard-Eingriffswinkel.
Bei dem starren Innenzahnrad und/oder dem flexiblen Außenzahnrad der Wellengetriebevorrichtung gemäß der Erfindung werden deren Zahnprofile auf der Grundlage des Grund-Zahnstangenprofils definiert, und jede Zahnprofilform von dessen Zahnfußbereich wird derart modifiziert, dass der Eingriffswinkel des Zahnfußbereichs kleiner ist als der Standard-Eingriffswinkel. Indem die Zahnprofilform auf diese Weise eingestellt wird, kann eine Zunahme der Dicke auf dem Bereich der Zahnbodenseite gering gehalten werden, wenn sowohl die Zahntiefe erhöht wird, um das Sperrmoment zu erhöhen, als auch die Zahndicke erhöht wird, um eine Beeinträchtigung der Lebensdauer sowie der Festigkeit des Schneidrads zu verhindern. Im Ergebnis lässt sich die Spannungskonzentration im Zahnbodenbereich verringern, und man kann eine Verschlechterung der Dauerfestigkeit des flexiblen Außenzahnrads verhindern.
Erfindungsgemäß lässt sich demzufolge ein Zahnprofil mit großer Zahntiefe für eine Wellengetriebevorrichtung mit hohem Untersetzungsverhältnis realisieren, ohne dabei die Lebensdauer und die Festigkeit eines Zahnrad-Schneidrads oder die Dauerfestigkeit des flexiblen Außenzahnrads zu beeinträchtigen. Das Sperrmoment einer Wellengetriebevorrichtung mit hohem Untersetzungsverhältnis lässt sich auf diese Weise erhöhen.
Figurenliste

1 ist eine Querschnittansicht einer Wellengetriebevorrichtung gemäß der Erfindung;
2 ist ein schematisches Diagramm des Eingriffszustands beider Zahnräder der in 1 gezeigten Wellengetriebevorrichtung; und
3 ist ein schematisches Diagramm des Zahnprofils gemäß der Erfindung und eines herkömmlichen Grund-Zahnstangenprofils.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Im Folgenden wird eine Ausführungsform der Wellengetriebevorrichtung gemäß der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.
1 ist eine Querschnittansicht einer Wellengetriebevorrichtung, und 2 ist ein schematisches Diagramm, welches Zahnräder der Wellengetriebevorrichtung im Eingriffszustand zeigt. Eine Wellengetriebevorrichtung 1 enthält ein kreisförmiges starres Innenzahnrad 2, ein flexibles Außenzahnrad 3, welches in dem Innenzahnrad koaxial angeordnet ist, und einen Wellengenerator 4, der in diese Anordnung eingepasst ist. Das flexible Außenzahnrad 3 hat Becherform mit einem zylindrischen Hauptteil 31, einer ringförmigen Membran 32, die sich von einem Ende des Hauptteils 31 aus radial nach innen erstreckt, und eine scheibenförmige Verdickung 33, die durchgehend an die innere Umfangskante der ringförmigen Membran 32 angeformt ist. An der Außenumfangsfläche des offenen Endes des Hauptteils 31 sind Außenzähne 34 ausgebildet.
Der Wellengenerator 4 enthält eine elliptisch geformte starre Steuerkurve 41 und ein Wellenlager 42 mit flexiblen inneren und äußeren Laufringen. Der innere Laufring ist auf eine äußere Umfangsfläche der starren Steuerkurve 41 aufgepasst. Der offenseitige Bereich des Hauptteils 31 des flexiblen Außenzahnrads 43 wird von dem Wellengenerator 4 elliptisch verformt, wie in 2 gezeigt ist, und Bereiche an den beiden Enden in Richtung der Hauptachse einer Ellipse bei den Außenzähnen 34 treten in Eingriff mit Innenzähnen 24 des starren Innenzahnrads 2.
Das starre Innenzahnrad 2 ist üblicherweise an einem (nicht dargestellten) Seitenelement fixiert, während der Wellengenerator 4 von einem Motor oder dergleichen drehend angetrieben wird. Wenn sich der Wellengenerator 4 dreht, bewegen sich die Eingriffsbereiche der beiden Zahnräder 2 und 3 in Umfangsrichtung. Die Zähnezahldifferenz der beiden Zahnräder ist auf 2n (mit n als natürlicher Zahl) eingestellt, und es wird eine Relativdrehung, deren Geschwindigkeit gegenüber derjenigen der Drehung des Wellengenerators 4 beträchtlich verringert ist, zwischen den beiden Zahnrädern nach Maßgabe der Zähnezahldifferenz erzeugt. Das starre Innenzahnrad 2 ist fixiert, so dass das flexible Außenzahnrad 3 sich dreht, und diese Drehung wird auf eine damit gekoppelte (nicht dargestellte) lastseitige Anordnung übertragen.
In 3 sind die Zahnprofilformen (angegeben mit „C/S-Zahnprofil“ und "F/S-Zahnprofil) der Außenzähne 34 des flexiblen Außenzahnrads 3 und der Innenzähne 24 des starren Innenzahnrads 2 durch ausgezogene Linien dargestellt. Zunächst werden die Zahnprofilformen anhand einer Grund-Zahnstangenprofilkurve C1 definiert, wobei der Standard-Eingriffswinkel an den Referenz-Steigungslinien α1 beträgt. Die Zahnprofilform des starren Innenzahnrads 2 wird teilweise durch eine Kurve C2 modifiziert, demzufolge eine untere Hälfte der Zahnfußflanke in der Grund-Zahnstangenprofilkurve C1 zu einem Eingriffswinkel α2 wird, der kleiner ist als der Standardeingriffswinkel α1. Die Kurven C1 und C2 gehen an einem Punkt P2 glatt ineinander über.
Die Zahnprofilform des flexiblen Außenzahnrads 3 hat eine im wesentlichen rotationssymmetrische Form bezüglich eines Teilkreispunkts P1. Sie ist grundsätzlich definiert durch die Grund-Zahnstangen-Profilkurve C1 und wird von einer Kurve C3 in der unteren Hälfte der Zahnfußflanke modifiziert, wobei die Kurven C1 und C3 in einem Punkt P3 glatt ineinander übergehen. Ein Eingriffswinkel α3 der Kurve C3 ist kleiner als der Standard-Eingriffswinkel α1.
Die Zahnprofilformen der beiden Zahnräder 2 und 3 sind folglich derart gestaltet, dass die Eingriffswinkel an den unteren Hälften der Zahnfußflanken kleiner ist als der Standard-Eingriffswinkel α1. Hierdurch lässt sich eine Dickenzunahme auf der Zahnbodenseite auch dann verhindern, wenn die Zahntiefe erhöht wird und das Verhältnis von Zahndicke und Zahnlücke zur Steigerung der Zahndicke geändert wird.
Bei dem oben beschriebenen Beispiel wird die Erfindung bei einer Wellengetriebevorrichtung angewendet, die ein becherförmiges flexibles Außenzahnrad besitzt. Die Erfindung ist aber in gleicher Weise auch auf eine Vorrichtung anwendbar, bei der das flexible Außenzahnrad eine Zylinderhut-Form oder eine Ringform besitzt.

Claims

Wellengetriebevorrichtung (1), umfassend: ein starres kreisförmiges Innenzahnrad (2); ein flexibles Außenzahnrad (3), das koaxial in dem starren Innenzahnrad (2) angeordnet ist, einen Wellengenerator (4) zum elastischen Verformen des flexiblen Außenzahnrads (3) in radialer Richtung, um einen partiellen Eingriff mit dem starren Innenzahnrad (2) zu bewirken und die Eingriffsstellen zwischen beiden Zahnrädern (2,3) in Umfangsrichtung zu bewegen, wobei die Zahnprofilformen des starren Innenzahnrads (2) und des flexiblen Außenzahnrads (3) grundsätzlich definiert sind durch eine Grund-Zahnstangenprofilkurve (C1), und eine Form eines unteren Teils eines Zahnfußbereichs des Zahnprofils des Innenzahnrads (2) durch eine erste Kurve (C2) definiert ist, die einen Eingriffswinkel (α2) aufweist, der kleiner ist als der Standard-Eingriffswinkel (α1) der Grund-Zahnstangenprofilkurve (C1), wobei der Standard-Eingriffswinkel (α1) ein Eingriffswinkel am Teilkreispunkt (P1) ist, wo die Referenz-Steigungslinie die Grund-Zahnstangenprofilkurve (C1) schneidet, die Grund-Zahnstangenprofilkurve (C1) und die erste Kurve (C2) an einem ersten Punkt (P2) glatt ineinander übergehen, wobei der erste Punkt (P2) in Bezug auf den Teilkreispunkt (P1) auf dem zahnfußseitigen Bereich des Innenzahnrades (2) angeordnet ist.
Wellengetriebevorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Zahnprofilform des flexiblen Außenzahnrades (3) in Bezug auf den Teilkreispunkt (P1) eine im Wesentlichen rotationssymmetrische Form hat, eine Form eines unteren Teils eines Zahnfußbereichs des Zahnprofils des flexiblen Außenzahnrades (3) durch eine zweite Kurve (C3) definiert ist, die einen zweiten Eingriffswinkel (α3) aufweist, der kleiner als der Standard-Eingriffswinkel (α1) ist, und die Grund-Zahnstangenprofilkurve (C1) und die zweite Kurve (C3) an einem zweiten Punkt (P3) glatt ineinander übergehen, wobei der zweite Punkt (P3) in Bezug auf den Teilkreispunkt (P1) auf dem zahnfußseitigen Bereich des flexiblen Außenzahnrades (3) angeordnet ist.