DE102008005696A1

DE102008005696A1 - Flachtyp-Wellgetriebevorrichtung

Info

Publication number: DE102008005696A1
Application number: DE102008005696A
Authority: DE
Inventors: Xin Yue Azumino Zhang; Keiji Azumino Ueura
Original assignee: Harmonic Drive Systems Inc
Current assignee: Harmonic Drive Systems Inc
Priority date: 2007-01-24
Filing date: 2008-01-23
Publication date: 2008-07-31
Also published as: JP4999475B2; CN101230889B; US20080173130A1; CN101230889A; US7836786B2; JP2008180259A

Abstract

Es wird eine Flachtyp-Wellgetriebevorrichtung verwirklicht, die eine stark verbesserte Belastbarkeit hat. Wenn d ein Betrag radialen Verformens an einer Stelle der Hauptachse eines Neutral-Kreises des Randes des flexiblen Außenzahnrades (4) ist, das in eine elliptische Form verformt wird, und t die Dicke des Randes des flexiblen Außenzahnrades (4) ist, dann ist
(0,5237 Ln(R) - 1,32)d ≦ t ≦ (0,8728 Ln(R) - 2,2)d,
wenn das Reduktionsverhältnis R der Wellgetriebevorrichtung kleiner als 80 ist, und
(1,5499 Ln(R) - 5,8099)d ≦ t ≦ (2,5832 Ln(R) - 9,6832)d,
wenn das Reduktionsverhältnis R der Wellgetriebevorrichtung 80 oder größer ist. Das Benutzen dieser Festlegung ermöglicht es, die Ermüdungsgrenze-Festigkeit des Zahnfußes des flexiblen Außenzahnrades (4) zu erhöhen, und macht es dadurch möglich, die Belastbarkeit des flexiblen Außenzahnrades (4) zu verbessern.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Flachtyp-Wellgetriebevorrichtung, die mit einem ringförmigen flexiblen Zahnrad mit äußeren Zähnen ausgestattet ist, und insbesondere auf eine verbesserte Technologie, um die Zahnfuß-Festigkeit zu erhöhen mit dem Ziel, die Belastbarkeit der Flachtyp-Wellgetriebevorrichtung zu erhöhen.
Eine Wellgetriebevorrichtung ist mit einem festen bzw. starren Innenzahnrad bzw. innen verzahnten Zahnrad, einem flexiblen Außenzahnrad bzw. außen verzahnten Zahnrad, das sich in dem Innenzahnrad befindet, und einem Wellgenerator ausgestattet, der das flexible Außenzahnrad in eine elliptische Form biegt und so bewirkt, dass es teilweise in das feste Innenzahnrad eingreift. Wenn der Wellgenerator von einem Motor oder Ähnlichem rotiert wird, bewegt sich die Position, bei der beide Zahnräder ineinander eingreifen, in Umfangsrichtung und es wird eine relative Rotation mit reduzierter Geschwindigkeit zwischen diesen beiden Zahnrädern, die der Differenz der Anzahl der Zähne der beiden Zahnräder entspricht, erzeugt. Durch Fixieren eines Zahnrades, so dass es nicht rotiert, ist es möglich, eine Rotation mit reduzierter Geschwindigkeit von dem anderen Zahnrad auszugeben und an die Last zu übertragen.
In Abhängigkeit von der Form des flexiblen Außenzahnrades können Wellgetriebevorrichtungen in flache Typen, tassenförmige Typen und zylinderhutförmige Typen eingeteilt werden. Wie in 6 gezeigt, hat eine Flachtyp-Wellgetriebevorrichtung 1 zwei ringförmige feste Innenzahnräder 2 und 3, die koaxial parallel angeordnet sind, ein ringförmiges flexibles Außenzahnrad 4, das sich innerhalb der festen Innenzahnräder 2 und 3 befindet, und einen Wellgenerator 5, um das flexible Außenzahnrad 4 in eine elliptische Form zu biegen, so dass es teilweise in die festen Innenzahnräder 2 und 3 eingreift, und um die Eingriffsposition in Umfangsrichtung zu bewegen.
Hier hat das fixierte feste Innenzahnrad 2 die gleiche Anzahl an Zähnen wie das flexible Außenzahnrad 4 und das andere feste Innenzahnrad 3 hat 2n (wobei n eine positive ganze Zahl ist) mehr Zähne als das flexible Außenzahnrad 4. Oder das fixierte feste Innenzahnrad 2 hat 2n mehr Zähne als das flexible Außen zahnrad 4 und das andere feste Innenzahnrad 3 hat die gleiche Anzahl von Zähnen wie das flexible Außenzahnrad 4.
Rotieren des Wellgenerators 5 erzeugt eine relative Rotation zwischen dem festen Innenzahnrad 3 und dem flexiblen Außenzahnrad 4, die viel langsamer als die Rotation des Wellgenerators 5 ist und diese reduzierte Rotation wird von dem festen Innenzahnrad 3 abtriebsseitig ausgegeben.
Der Aufbau einer so aufgebauten Flachtyp-Wellgetriebevorrichtung ist somit kompakter und einfacher als der eines Tassentyps oder Zylinderhut-Typs. Wellgetriebevorrichtungen vom flachen, tassenförmigen und zylinderhutförmigen Typ sind z. B. jeweils in den Patentdokumenten 1, 2 und 3 offenbart.

Patentdokument 1: JP 05-172195 A
Patentdokument 2: JP 08-166052 A
Patentdokument 3: JP 02-912382 A

Verglichen mit anderen Typen, wie dem tassenförmigen und dem zylinderhutförmigen Typ, ist die Brauchbarkeit einer Flachtyp-Wellgetriebevorrichtung durch ihre geringe Belastbarkeit beschränkt.
Das flexible Außenzahnrad überträgt die Last im Eingriff mit den festen Innenzahnrädern, wenn es durch die elliptische Form des darin eingefügten Wellgenerators elliptisch verformt wird. Daher ist es notwendig, die Zahnfuß-Festigkeit zu erhöhen, um die Belastbarkeit zu erhöhen. Ein wichtiges Element beim Bestimmen der Zahnfuß-Festigkeit ist die Dicke des Randes (Randdicke) des flexiblen Außenzahnrades. Jedoch hat es zuvor keine Studien gegeben, die sich auf eine Optimierung des Aufbaus der Dicke des Randes des flexiblen Außenzahnrades einer Flachtyp-Wellgetriebevorrichtung beziehen.
Angesichts des zuvor Beschriebenen ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, sich zu bemühen, die Dicke des Randes des flexiblen Außenzahnrades zu optimieren, um die Belastbarkeit der Flachtyp-Wellgetriebevorrichtung stark zu verbessern.
Die vorliegende Erfindung macht es möglich, die bisherige Ermüdungsfestigkeit des Zahnfußes des flexiblen Außenzahnrades durch Erreichen der optimalen Dicke des Randes des flexiblen Außenzahnrades, wie sie durch die Biegedeformation durch den elliptisch geformten Wellgenerator und die Zugdeformation aufgrund des Lastdrehmomentes erzeugt wird, und durch Festlegen einer geeigneten Härte des Materials des flexiblen Außenzahnrades mehr als zu verdoppeln.
D. h., gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Flachtyp-Wellgetriebevorrichtung zur Verfügung gestellt, die ein ringförmiges festes Innenzahnrad, ein ringförmiges flexibles Außenzahnrad, das sich innerhalb des Innenzahnrades befindet, und einen Wellgenerator zum Biegen des flexiblen Außenzahnrades in eine elliptische Form, um zu bewirken, dass es teilweise in das feste Innenzahnrad eingreift, und um die Position, an der die Zahnräder ineinander eingreifen, in Umfangsrichtung zu bewegen, hat, die dadurch gekennzeichnet ist, dass wenn d ein Betrag radialen Biegens an einer Stelle einer Hauptachse eines Neutral-Kreises des Randes des flexiblen Außenzahnrades, das in eine elliptische Form gebogen wird, und t die Dicke des Randes des flexiblen Außenzahnrades ist, dann (0,5237 Ln(R) – 1,32)d ≤ t ≤ (0,8728 Ln(R) – 2,2)d,wenn das Reduktionsverhältnis R der Wellgetriebevorrichtung kleiner als 80 ist, und (1,5499 Ln(R) – 5,8099)d ≤ t ≤ (2,5832 Ln(R) – 9,6832)d,wenn das Reduktionsverhältnis R der Wellgetriebevorrichtung 80 oder größer ist.
Die vorliegende Erfindung ist auch dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Außenzahnrad einen Materialhärte(HRC)-Wert in einem Bereich von 40 bis 50 hat.
In Übereinstimmung mit dieser Erfindung ist es möglich, die Zahnfuß-Festigkeit durch Optimieren der Dicke des Randes des flexiblen Außenzahnrades der Flachtyp-Wellgetriebevorrichtung, das Biegedeformation und Zugdeformation ausgesetzt ist, zu optimieren. Es ist auch möglich, die Zahnfuß-Festigkeit durch Optimieren der Dicke des Randes des flexiblen Außenzahnrades und Optimieren seines Materials stark zu erhöhen. Als ein Ergebnis ist es in Übereinstimmung mit dieser Erfindung möglich, eine Flachtyp-Wellgetriebevorrichtung zu verwirklichen, die eine viel größere Belastbarkeit hat als zuvor.
1 ist ein schematisches Diagramm, das die Dicke des Randes einer Flachtyp-Wellgetriebevorrichtung zeigt.
2 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Quotienten der Dicke des Randes und des Betrags radialer Biegung relativ zu der Reduktionsrate bzw. dem Reduktionsverhältnis zeigt.
3 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen Biegespannung und Zugspannung in Bezug auf die Dicke des Randes zeigt.
4 ist ein Graph, der das Verhältnis des Ermüdungsgrenze-Lastdrehmoments und der Dicke des Randes zeigt.
5 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Anzahl von Biegungen und dem Ermüdungsgrenze-Lastdrehmoment des Zahnfußes zeigt.
6 ist eine allgemeine Schnittansicht einer Flachtyp-Wellgetriebevorrichtung.
Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
6 zeigt den Aufbau einer Flachtyp-Wellgetriebevorrichtung, in der die vorliegende Erfindung benutzt werden kann. 1 ist ein Begriffsdiagramm, das die Dicke des Randes eines ringförmigen flexiblen Außenzahnrades (F/S) 4 der Flachtyp-Wellgetriebevorrichtung 1 zeigt. In dem Diagramm ist die Randdicke t die Dicke des mit "Randdicke" bezeichneten Bereichs. Auch ist der Betrag d radialer Biegung des flexiblen Außenzahnrades 4, das von dem Wellgenerator 5 in eine elliptische Form gebogen ist, der Betrag radialen Biegens an einer Stelle der Hauptachse auf dem Neutralkreis des Randes davon. Wenn n die Differenz zwischen der Anzahl der Zähne des flexiblen Außenzahnrades 4 und des festen Innenzahnrads 3 und m das Modul des flexiblen Außenzahnrades 4 ist, ist der Betrag radialer Biegung d = mn.
2 ist ein Graph, der die Dicke des Randes, wie sie durch die vorliegende Erfindung vorgeschrieben wird, und die Dicke des Randes des flexiblen Außenzahnrades (F/S) einer gewöhnlichen konventionellen Flachtyp-Wellgetriebevorrichtung zeigt. In diesem Graphen ist die horizontale Achse das Reduktionsverhältnis R der Flachtyp-Wellgetriebevorrichtung und die vertikale Achse ist das Verhältnis t/d der Dicke des Randes t und des Betrages radialer Biegung d.
In diesem Graphen zeigt die unterbrochenen Linie A0 das Verhältnis zwischen dem Reduktionsverhältnis und der Dicke des Randes des flexiblen Außenzahnrades in einer konventionellen Flachtyp-Wellgetriebevorrichtung. Im Gegensatz dazu zeigen die unterbrochenen Linien A1 bis A4 das Verhältnis zwischen dem Reduktionsverhältnis und der Dicke des Randes des flexiblen Außenzahnrades, wie es in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung vorgeschrieben wird. In Bezug auf den Wert der Dicke des Randes gemäß der konventionellen Ausführung, der durch die unterbrochene Linie A0 bezeichnet wird, repräsentieren die unterbrochenen Linien A1 bis A4 Zunahmen der Dicke des Randes von 20%, 45%, 60% bzw. 100%.
Hier drückt Gleichung 1 den Teil des Reduktionsverhältnisses aus, das kleiner als 80 ist, und Gleichung 2 drückt den Teil des Reduktionsverhältnisses aus, das 80 oder größer ist, wobei die unterbrochene Linie A1 die untere Grenze der Dicke t des Randes beschreibt.
Gleichung 1:

t/d = 0,5237 Ln(R) – 1,32

Gleichung 2:

t/d = 1,5499 Ln(R) – 5,8099

Auch drückt Gleichung 3 den Teil des Reduktionsverhältnisses aus, das kleiner als 80 ist, und Gleichung 4 drückt den Teil des Reduktionsverhältnisses aus, das 80 oder größer ist, wobei die unterbrochenen Linie A4 die obere Grenze der Dicke t des Randes beschreibt.
Gleichung 3:

t/d = 0,8728 Ln(R) – 2,2

Gleichung 4:

t/d = 2,5832 Ln(R) – 9,6832

Daher ist in dem Graphen der Bereich, der durch die schrägen Linien angegeben wird, der Bereich der Dicke t des Randes gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei der Bereich der Dicke des Randes gemäß der vorliegenden Erfindung innerhalb des Bereiches von ungefähr 120% bis 200% der Dicke des Randes der Bauform mit konventionellem Aufbau liegt.
Als Nächstes wird die kritische Bedeutung der oberen und unteren Grenzen der Dicke des Randes t gemäß der Erfindung beschrieben.
3 ist ein Graph, der das Verhältnis zwischen der Dicke t des Randes und Biegespannung σb, Zugspannung σt und Gesamtspannung (σb + σt) zeigt, wie sie in der Flachtyp-Wellgetriebevorrichtung erzeugt werden. Die horizontale Achse ist das Verhältnis (%) zwischen der Dicke t des Randes des flexiblen Außenzahnrades und der Dicke t des Randes der Bauform mit konventionellem Aufbau, das in 1 gezeigt ist, und die vertikale Achse ist das Verhältnis zwischen der Biegespannung σb, Zugspannung σt, gesamter Spannung (σb + σt) und dem Teilungskreisdurchmesser (PCD) des flexiblen Außenzahnrades.
Wie durch das Liniensegment B1 gezeigt, nimmt die Biegespannung σb mehr oder weniger proportional zur Dicke des Randes zu, aber wie durch das Liniensegment B2 gezeigt, nimmt die Zugspannung σt ab, wenn die Dicke des Randes zunimmt. Aufgrund dessen nimmt die Gesamtspannung (σb + σt), wie von dem Liniensegment B3 gezeigt, bis zu einer Dicke des Randes, die im Bereich von 160% der Dicke des Randes der Bauform mit konventionellem Aufbau liegt, ab und nimmt danach allmählich zu, obwohl die Zunahme gering ist.
Was die Dicke des Randes der Bauform mit konventionellem Aufbau (am 100-%-Punkt der horizontalen Achse) angeht, ist die Gesamtspannung hoch, dort liegt keine Optimierung der Dicke des Randes vor. Im Gegensatz dazu wird im Bereich der vorliegenden Erfindung (der Bereich von 120% bis 200% auf der horizontalen Achse) die Gesamtspannung auf einem Minimum gehalten, was die Optimierung der Dicke des Randes zeigt. Insbesondere im Falle des unteren Grenzwertes von 120% oder darunter nimmt die Gesamtspannung zu, was zeigt, dass es wünschenswert ist, dass die Dicke des Randes t nicht kleiner als dieser Wert ist.
Als Nächstes ist 4 ein Graph, der das Ergebnis der Berechnung der Zahnfuß-Festigkeit des flexiblen Außenzahnrades zeigt, wenn die Dicke des Randes des Zahnrades variiert wird. Wie in 3 ist die horizontale Achse das Verhältnis (%) zwischen der Dicke t des Randes des flexiblen Außenzahnrades und der Dicke des Randes der n 1 gezeigten Bauform mit konventionellem Aufbau und die vertikale Achse ist das Verhältnis zwischen dem Ermüdungsgrenze-Lastdrehmoment des Zahnfußes des flexiblen Außenzahnrades und einem Nenndrehmoment. In dem Graphen gilt die Kurve C0, wenn die Härte des Materials HRC 36 ist, die Kurve C1 gilt, wenn die Materialhärte HRC 43 ist, und die Kurve C2 gilt, wenn die Materialhärte HRC 50 ist.
Wie aus den Kurven erkannt werden kann, nimmt das Ermüdungsgrenze-Lastdrehmoment mit der Zunahme der Dicke des Randes zu, aber wenn die Dicke des Randes einen bestimmten Wert überschreitet, tritt eine Umkehrung auf und das Ermüdungsgrenze-Lastdrehmoment nimmt ab. Der maximale Wert des Ermüdungsgrenze-Lastdrehmoments erscheint im Bereich der vorliegenden Erfindung (dem Bereich von 120% bis 200% auf der horizontalen Achse). Auch bewegt sich der Punkt, an dem der maximale Wert des Ermüdungsgrenze-Lastdrehmoments auftritt, bei einer höheren Materialhärte HRC in Richtung eines dickeren Randes, wobei der Punkt, bei dem der maximale Wert auftritt, mehr oder weniger beim 200-%-Punkt auf der horizontalen Achse liegt, wenn die Materialhärte HRC in der Größenordnung von 50 ist. Derzeit ist es schwierig, ein flexibles Außenzahnrad, das eine radiale Flexibilität hat, zu bearbeiten, wenn Material benutzt wird, das eine Materialhärte HRC hat, die 50 überschreitet. Daher kann eine Dicke des Randes von bis zu 200%, was die obere Grenze in der vorliegenden Erfindung ist, vorgegeben werden, um das maximale Ermüdungsgrenze-Lastdrehmoment unter Verwendung des härtesten Materials, das in der Praxis benutzt werden kann, zu erzielen.
Aus dem Graphen in 4 kann auch erkannt werden, dass das Ermüdungsgrenze-Lastdrehmoment verglichen mit dem der konventionell aufgebauten Bauform (Kurve C0 in 4) durch Festlegen der Dicke des Randes nach dem Vorangehenden und durch Herstellen des flexiblen Außenzahnrades unter Benutzung eines Materials, das härter als der HRC von 36 ist, wie er zuvor benutzt worden ist, erheblich verbessert werden kann.
Zum Beispiel wurde bestätigt, dass Benutzen einer Bauform mit erfindungsgemäßem Aufbau mit einer Dicke des Randes, die durch die 145%- unterbrochene Linie A2 in 2 bezeichnet wird und einer Materialhärte HRC von 43 das Ermüdungsgrenze-Lastdrehmoment verglichen mit der Bauform mit konventionellem Aufbau (die eine Materialhärte HRC von 36 hat) mehr als zweifach verbessert. 5 ist ein Graph, der ein Beispiel der Ergebnisse dieses experimentellen Tests zeigt. In diesem Diagramm ist die horizontale Achse die Anzahl, wie häufig das flexible Außenzahnrad gebogen worden ist, und die vertikale Achse ist das Verhältnis zwischen dem Lastdrehmoment und dem Nenndrehmoment. Die quadratischen Punkte sind die graphische Darstellung von Testwerten der Bauform mit konventionellem Aufbau, und die runden Punkte sind die graphische Darstellung von Testwerten, die unter Benutzung der vorliegenden Erfindung erhalten worden sind.
Im konventionellen Fall nimmt die Ermüdungsgrenze-Festigkeit des flexiblen Außenzahnrades bis zu einer Materialhärte des flexiblen Außenzahnrades von HRC 40 zu, aber wenn das benutzte Material diese Härte überschreitet, wurde beobachtet, dass die Ermüdungsgrenze-Festigkeit abnimmt. Jedoch wurde, wie in den 4 und 5 gezeigt, bestätigt, dass die Ermüdungsgrenze-Festigkeit des flexiblen Außenzahnrades erhöht werden kann, selbst wenn die Materialhärte HRC 40 oder mehr war. Basierend auf dem Test der Erfinder wurde bestätigt, dass es, wenn eine Dicke des Randes gemäß der vorliegenden Erfindung benutzt wird, vorteilhaft ist, eine Materialhärte HRC im Bereich von 40 bis 50 zu benutzen, und dass es besonders vorteilhaft ist, eine Materialhärte HRC im Bereich von 40 bis 43 zu benutzen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 05-172195 A [0006]
- JP 08-166052 A [0006]
- JP 02-912382 A [0006]

Claims

Flachtyp-Wellgetriebevorrichtung, die ein ringförmiges festes Innenzahnrad (2, 3), ein ringförmiges flexibles Außenzahnrad (4), das sich innerhalb des festen Innenzahnrades (2, 3) befindet, und einen Wellgenerator (5) hat, um das flexible Außenzahnrad (4) in eine elliptische Form zu biegen, damit es teilweise in das feste Innenzahnrad (2, 3) eingreift, und um die Positionen, an denen die Zahnräder (2, 3, 4) eingreifen, in Umfangsrichtung zu bewegen, wobei die Flachtyp-Wellgetriebevorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass wenn d ein Betrag radialen Verformens an einer Stelle der Hauptachse eines Neutral-Kreises des Randes des flexiblen Außenzahnrades (4) ist, das in eine elliptische Form verformt wird, und t die Dicke des Randes des flexiblen Außenzahnrades (4) ist, dann (0,5237 Ln(R) – 1,32)d≤ t ≤ (0,8728 Ln(R) – 2,2)d,wenn das Reduktionsverhältnis R der Wellgetriebevorrichtung kleiner als 80 ist, und (1,5499 Ln(R) – 5,8099)d≤ t ≤ (2,5832 Ln(R) – 9,6832)d,wenn das Reduktionsverhältnis R der Wellgetriebevorrichtung 80 oder größer ist.
Flachtyp-Wellgetriebevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Außenzahnrad (4) einen Materialhärte(HRC)-Wert in einem Bereich von 40 bis 50 hat.