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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Wellgenerator für ein Wellgetriebe und bezieht sich insbesondere auf eine Technik, um eine Verminderung der Effizienz zu verhindern, die vom Bewegungswiderstand eines Schmiermittels, der während Rotation mit hoher Drehzahl vom Wellgenerator erzeugt wird, verursacht wird.
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Ein Wellgetriebe hat ein festes innenverzahntes Zahnrad, ein flexibles außenverzahntes Zahnrad und einen Wellgenerator. Das flexible außenverzahnte Zahnrad wird von dem Wellgenerator in radialer Richtung gebogen und teilweise in Eingriff mit dem festen innenverzahnten Zahnrad gebracht und der Wellgenerator wird rotiert, um dadurch zu bewirken, dass sich die Eingriffsposition der beiden Zahnräder in Umfangsrichtung bewegt, und um aufgrund der Differenz der Anzahl der Zähne der beiden Zahnräder eine relative Rotation zwischen den beiden Zahnrädern zu erzeugen.
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Ein typischer Wellgenerator hat eine feste Steuerplatte mit einer elliptischen Kontur und ein Welllager, das auf der äußeren Umfangsfläche der festen Steuerplatte angebracht ist. Das Welllager hat einen in radialer Richtung flexiblen äußeren und inneren Ring und mehrere Kugeln oder andere rollende Elemente, die rollbar zwischen den Ringen angebracht sind, und wird durch die feste Steuerplatte elliptisch gebogen. Das Welllager ist in das flexible außenverzahnte Zahnrad eingepasst und das flexible außenverzahnte Zahnrad und die feste Steuerplatte werden relativ zueinander in einem rotierbaren Zustand gehalten.
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Das Wellgetriebe benutzt die feste Steuerplatte des Wellgenerators als eine Rotationseingabekomponente und benutzt das feste innenverzahnte Zahnrad oder das flexible außenverzahnte Zahnrad als Ausgabekomponente für eine Rotation mit reduzierter Drehzahl. Die feste Steuerplatte rotiert, wobei sie alle Teile des Welllagers und des flexiblen außenverzahnten Zahnrades wiederholt in radialer Richtung verschiebt. Der innere Ring des Welllagers rotiert bei hoher Drehzahl zusammen mit der festen Steuerplatte und der äußere Ring rotiert integral mit dem flexiblen außenverzahnten Zahnrad und die Kugeln, die zwischen dem inneren und dem äußeren Ring eingefügt sind, rollen entlang einer Lauffläche des äußeren und des inneren Ringes, wobei die feste Steuerplatte und das flexible außenverzahnte Zahnrad mit kleinem Drehmoment glatt relativ zueinander rotieren können.
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Hierbei wirkt, wenn mehrere Kugeln mit hoher Geschwindigkeit rollen, aufgrund des Schmiermittels ein beträchtlicher Bewegungswiderstand auf jede Kugel. Daher besteht das Problem einer Verminderung in der Effizienz der Drehmomentübertragung eines Wellgetriebes in einem Betriebszustand, bei dem eine Rotation mit hoher Drehzahl eingegeben wird.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Wellgenerator für ein Wellgetriebe bereitzustellen, der diese Art der Verminderung der Effizienz verhindern oder unterdrücken kann.
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Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Wellgetriebe bereitzustellen, das mit solch einem neuen Wellgenerator ausgestattet ist.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, um eine Verminderung der Effizienz eines Wellgetriebes, das mit einem solchen neuen Wellgenerator ausgestattet ist, zu verhindern.
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Um die zuvor genannten Probleme zu lösen, weist ein Wellgenerator für ein Wellgetriebe gemäß der vorliegenden Erfindung auf:
- eine feste Steuerplatte mit einem elliptischen Profil; und
- ein Welllager, das auf einer äußeren Umfangsfläche der festen Steuerplatte angebracht ist, wobei
- das Welllager einen inneren und einen äußeren Ring, die sich in radialer Richtung biegen können, und mehrere Rollelemente hat, die rollbar zwischen den Ringen eingefügt sind, und wobei der äußere Ring und der innere Ring von der festen Steuerplatte elliptisch gebogen werden,
- die feste Steuerplatte zwei nebenachsseitige Bereiche hat, wobei jeder der beiden nebenachsseitigen Bereiche einen nebenachsseitigen äußeren Umfangsendbereich aufweist, wobei die nebenachsseitigen äußeren Umfangsendbereiche der beiden nebenachsseitigen Bereiche an zwei Enden einer Nebenachse des elliptischen Profils der festen Steuerplatte angeordnet ist, und
- die nebenachsseitigen Bereiche aus einem Material gebildet ist, das im Vergleich zum übrigen Bereich der festen Steuerplatte einen großen linearen Expansionskoeffizienten hat.
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Hier kann jeder der nebenachsseitigen Bereiche als ein halbmondförmiger Bereich ausgebildet sein, der sich entlang der äußeren Umfangsfläche der festen Steuerplatte erstreckt, wobei die Nebenachse den Mittelpunkt bildet.
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Jeder der nebenachsseitigen Bereiche kann in einem Bereich von 55° nach links und rechts entlang der Umfangsrichtung ausgebildet sein, wobei die Nebenachse den Mittelpunkt bildet.
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Das Material für die nebenachsseitigen Bereiche kann eine Aluminiumlegierung, 60/40 Messing, Berylliumkupfer oder SUS 305 sein. In diesem Fall kann das Material für den übrigen Bereich der festen Steuerplatte Stahlmaterial sein.
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Weiterhin ist das erfindungsgemäße Wellgetriebe dadurch gekennzeichnet, dass es den Wellgenerator mit dem zuvor beschriebenen Aufbau hat.
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Ein Verfahren, um eine Verminderung der Effizienz des Wellgetriebes gemäß der vorliegenden Erfindung zu verhindern, ist gekennzeichnet, durch Benutzen des zuvor beschriebenen Aufbaus als Wellgenerator, Blockieren der Rollbewegung der rollenden Elemente des Welllagers mit Hilfe thermischer Expansion der nebenachsseitigen Bereiche, wenn die Temperatur der festen Steuerplatte zusammen mit einer Erhöhung der Drehzahl der festen Steuerplatte ansteigt, und Verbringen des Welllagers in einen blockierten Zustand der integralen Rotation mit der festen Steuerplatte; und Reduzieren eines Bewegungswiderstandes eines Schmiermittels, der durch die rollende Bewegung der Rollelemente erzeugt wird, und Verhindern der Verminderung der Effizienz der Drehmomentübertragung, die durch den Bewegungswiderstand hervorgerufen wird.
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Hierbei wird ein Parameter modifiziert, der aus der Form der nebenachsseitigen Bereiche, dem Formausbildungsbereich und dem linearen Expansionskoeffizienten des Materials, das die nebenachsseitigen Bereiche bildet, ausgewählt wird, wobei der Betriebszustand zu dem Zeitpunkt modifiziert werden kann, zu dem das Welllager in einen blockierten Zustand umschaltet.
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Beispiele der Betriebseigenschaften schließen ein die Drehzahl der festen Steuerplatte und den Wert der Temperaturzunahme der festen Steuerplatte.
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Im Wellgenerator gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Welllager mithilfe einer festen Steuerplatte elliptisch gebogen und die rollenden Elemente, die an den beiden Enden einer Hauptachse der Ellipse angeordnet sind, werden eng zwischen einem inneren und einem äußeren Ring zwischengeschichtet und sind in einem Zustand rollenden Punktkontaktes mit der Lauffläche des inneren und des äußeren Ringes. Die verbleibenden rollenden Elemente, die in einem anderen Bereich als den beiden Enden der Hauptachse angeordnet sind, haben eine Lücke zwischen dem inneren dem äußeren Ring und werden in einem rollbaren Zustand gehalten.
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Wenn der Wellgenerator mit hoher Drehzahl rotiert und sich erwärmt, unterliegen alle Teile des Wellgenerators thermischer Expansion. Da die nebenachsseitigen Bereiche der festen Steuerplatte aus einem ersten Material ausgebildet ist, das einen großen linearen Expansionskoeffizienten hat, ist die Expansionsstrecke dieses Bereiches größer als die des hauptachsseitigen Bereiches.
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Daher wird aufgrund der thermischen Expansion der nebenachsseitigen Bereiche der festen Steuerplatte die Lücke zwischen dem Laufflächenbereich des inneren Ringes, den rollenden Elementen und dem Laufflächenbereich des äußeren Ringes des Welllagers in den nebenachsseitigen Bereichen eng und die Anzahl der rollenden Elemente, die fest zwischen dem inneren Ring und dem äu-ßeren Ring eingeklemmt sind, nimmt zusammen mit der Zunahme der Temperatur zu. Wenn die Anzahl der rollenden Elemente, die in einem rollbaren Zustand gehalten werden, eine vorgegebene Anzahl erreicht oder unterschreitet, treten der innere und der äußere Ring des Welllagers in einen blockierten Zustand ein, in dem relative Rotation unmöglich ist.
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Das Welllager rotiert integral mit der festen Steuerplatte, wenn das Welllager in einem blockierten Zustand ist. Das Welllager kann in integraler Art und Weise reibungsfrei mit der festen Steuerplatte rotieren, da zwischen dem flexiblen au-ßenverzahnten Zahnrad und dem äußeren Ring des Welllagers während Rotation mit hoher Drehzahl ein ausreichender Schmierfilm ausgebildet ist.
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Dementsprechend wird im Wellgenerator der vorliegenden Erfindung der Bewegungswiderstand des Schmiermittels, der aufgrund der Rollbewegung der rollenden Elemente mit hoher Drehzahl erzeugt wird, oder der Bewegungswiderstand reduziert, da die rollenden Elemente blockiert werden können, um zu verhindern, dass sie während Hochdrehzahlrotation mit hoher Drehzahl rotieren. Daher kann in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung die Verminderung der Effizienz der Drehmomentübertragung während Rotation mit hoher Drehzahl verhindert oder unterdrückt werden.
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Hierbei ist es möglich zu erwägen, die gesamte feste Steuerplatte aus einem ersten Material zu bilden, das im Vergleich zu dem inneren und dem äußeren Ring des Welllagers einen hohen linearen Expansionskoeffizienten hat, um das Welllager während Rotation mit hoher Drehzahl zu blockieren. Wenn jedoch die gesamte feste Steuerplatte aus einem Material gemacht ist, das einen hohen linearen Expansionskoeffizienten hat, ändert sich die Dimension der Hauptachse der Ellipse der festen Steuerplatte deutlich aufgrund thermischer Expansion, die durch die Erwärmung während Rotation mit hoher Drehzahl erzeugt wird. Als ein Ergebnis besteht die Möglichkeit, dass das flexible außenverzahnte Zahnrad nicht in eine geeignete elliptische Form gebogen wird und nicht in der Lage ist, adäquat in das feste innenverzahnte Zahnrad einzugreifen.
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Im erfindungsgemäßen Wellgenerator ist die Verlängerung aufgrund der thermischen Ausdehnung in Richtung der Hauptachse der festen Steuerplatte klein und ein geeigneter Eingriffszustand des flexiblen außenverzahnten Zahnrades und des festen innenverzahnten Zahnrades an den beiden Endbereichen der Hauptachse wird selbst in einem erwärmten Zustand aufrecht erhalten. Daher kann das Welllager in einem blockierten Zustand gehalten werden, während ein geeigneter Eingriffszustand der beiden Zahnräder aufrechterhalten wird, und eine Verminderung der Drehmomentübertragungseffizienz, die vom Bewegungswiderstand des Schmiermittels verursacht wird, kann verhindert oder unterdrückt werden.
- 1 ist eine Längsschnittansicht eines Wellgetriebes, in dem die vorliegende Erfindung benutzt wird;
- 2 ist ein schematisches Diagramm, das den Eingriffszustand des Wellgetriebes aus 1 zeigt;
- 3 ist eine Frontansicht, die den Wellgenerator aus 1 zeigt;
- 4 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Wert der Temperaturzunahme und der Eingangsdrehzahl des Wellgetriebes zeigt; und
- 5 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen den losen Kugeln und der verbleibenden Lücke im Wellgetriebe zeigt.
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Ausführungsbeispiele eines Wellgetriebes, in dem die vorliegende Erfindung benutzt wird, werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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1 ist eine Längsschnittansicht eines Wellgetriebes in Übereinstimmung mit den vorliegenden Ausführungsbeispielen und 2 ist ein schematisches Diagramm, das den Eingriffszustand des Wellgetriebes zeigt. Ein Wellgetriebe 1 hat ein festes innenverzahntes Zahnrad 2, ein flexibles außenverzahntes Zahnrad 3 vom Bechertyp, das innerhalb des festen innenverzahnten Zahnrades angeordnet ist, und einen Wellgenerator 4, der ein elliptisches Profil hat, das in das flexible außenverzahnte Zahnrad eingepasst ist. Ein Bereich, in dem eine äußere Verzahnung 3a in dem kreisförmigen flexiblen außenverzahnten Zahnrad 3 ausgebildet ist, wird durch den Wellgenerator 4 elliptisch gebogen. Die beiden Endbereiche in Richtung der Hauptachse Lmax der Ellipse der äußeren Verzahnung 3a greifen in eine inneren Verzahnung 2a des kreisförmigen festen innenverzahnten Zahnrades 2 ein.
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Eine Motorwelle oder eine andere mit hoher Drehzahl rotierende Eingangswelle ist mit dem Wellgenerator 4 verbunden. Wenn der Wellgenerator 4 rotiert, bewegt sich die Eingriffsstelle der beiden Zahnräder 2, 3 in Umfangsrichtung und aufgrund der Differenz der Anzahl der Zähne der beiden Zahnräder wird eine relative Rotation zwischen den beiden Zahnrädern 2, 3 erzeugt. Z. B. wird das feste innenverzahnte Zahnrad 2 festgehalten, um eine Rotation zu verhindern, das flexible außenverzahnte Zahnrad 3 ist mit einer Last verbunden und Rotation mit reduzierter Drehzahl wird von dem flexiblen außenverzahnten Zahnrad 3 abgenommen und an die Last übertragen.
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3 ist eine Frontansicht, die den Wellgenerator 4 zeigt. Wenn er unter Bezugnahme auf die 1 und 3 beschrieben wird, hat der Wellgenerator 4 eine feste Steuerplatte 5 mit einem elliptischen Profil und ein Welllager 7, das an einer äußeren Umfangsfläche 6 der festen Steuerplatte angebracht ist. Das Welllager 7 hat einen kreisförmigen inneren Ring 8 und einen äußeren Ring 9, die in radialer Richtung flexibel sind, und mehrere Kugeln 10, die in einem rollbaren Zustand zwischen den Ringen angebracht sind.
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Das Welllager 7 ist mit Hilfe der festen Steuerplatte 5 in einem elliptisch gebogenen Zustand in das flexible außenverzahnte Zahnrad 3 eingepasst und das flexible außenverzahnte Zahnrad 3 und die feste Steuerplatte 5, die mit der mit hoher Drehzahl rotierenden Eingangswelle verbunden ist, werden relativ zueinander in einem rotierbaren Zustand gehalten. D. h., die Kugeln 10, die zwischen dem elliptisch gebogenen inneren Ring 8 und dem äußeren Ring 9 eingefügt sind, bewegen sich rollend entlang der Laufflächen des inneren und des äußeren Ringes 8, 9, wodurch die feste Steuerplatte 5 und das flexible außenverzahnte Zahnrad 3 mit einem kleinen Drehmoment relativ zueinander glatt rotieren können.
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Ausführlich beschrieben wird das Welllager 7 durch die feste Steuerplatte 5 elliptisch gebogen und eine oder mehrere der Kugeln 10, die an den beiden Enden der Hauptachse Lmax der Ellipse angeordnet sind, sind eng zwischen dem inneren Ring 8 und dem äußeren Ring 9 zwischengeschichtet und sind in einem Zustand des rollenden Punktkontaktes mit dem Laufflächenbereich des inneren und des äußeren Ringes. Die verbleibenden Kugeln 10, die in einem anderen Bereich als den beiden Enden der Hauptachse Lmax angeordnet sind, haben eine Lücke zwischen dem inneren Ring 8 und dem äußeren Ring 9 und werden in einem rollbaren Zustand gehalten. Daher rollen die sich Kugeln 10, die zwischen dem inneren Ring 8 und dem äußeren Ring 9 befinden, entlang der Laufflächen des inneren und des äußeren Ringes und die feste Steuerplatte 5 und das flexible außenverzahnte Zahnrad 3 können mit einem kleinen Drehmoment glatt relativ zueinander rotieren.
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Hierbei ist die feste Steuerplatte 5 aus einem Material gemacht, das mit Ausnahme der nebenachsseitigen Bereiche 51, 52, welche die beiden Enden 51a, 52a der Nebenachse Lmin einschließen, im Wesentlichen den gleichen linearen Expansionskoeffizienten wie der innere Ring 8 und der äußere Ring 9 hat. Die nebenachsseitigen Bereiche 51, 52 sind aus einem Material gemacht, das einen größeren linearen Expansionskoeffizienten als die feste Steuerplatte hat. Die nebenachsseitigen Bereiche 51, 52 werden durch die diagonale Linie in 3 gezeigt.
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Die nebenachsseitigen Bereiche 51, 52 des vorliegenden Beispiels haben jeweils eine halbmondförmige Form, die einen Winkel von 55° nach links und rechts entlang einer äußeren Umfangsfläche 6 einnimmt, die an den beiden Enden 51a, 52a der Nebenachse Lmin zentriert ist, wenn sie aus Richtung der Mittelachslinie (Getriebeachslinie) 1a der festen Steuerplatte 5 betrachtet wird. Mit anderen Worten, ein Bereich, der durch die kreisförmigen Bögen 6a, 6b, die an den beiden Endbereichen der Nebenachse, die das elliptische Profil der festen Steuerplatte 5 definieren, einen Winkelbereich von 110° haben, und von den kreisförmigen Bögen 61, 62, die eine geringere Krümmung als die kreisförmigen Bögen 6a, 6b haben, umgeben wird, ist als die nebenachsseitigen Bereiche 51, 52 definiert.
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Im Allgemeinen wird Stahl als Material für die feste Steuerplatte 5 verwendet. Es ist möglich, Aluminiumlegierungen, 60/40 Messing, Berylliumkupfer oder SUS 305 als Material für die nebenachsseitigen Bereiche 51, 52 zu verwenden. Im Folgenden werden die linearen Expansionskoeffizienten der Materialien gezeigt.
| Material | linearer Expansionskoeffizient / Grad Celsius (0 bis 100°C) |
| Stahl | 0,0000112 |
| Aluminiumlegierung | 0,000023 |
| 60/40 Messing | 0,0000208 |
| Berylliumkupfer | 0,0000178 |
| SUS 305 | 0,0000173 |
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Die innere Temperatur des Wellgetriebes 1 nimmt mit zunehmender Eingangsdrehzahl des Wellgenerators 4 des Wellgetriebes 1, das diesen Aufbau hat, allmählich zu. Der Graph in 4 zeigt die Beziehung zwischen der Zunahme der inneren Temperatur und der Drehzahl der Eingangsrotation für drei verschiedene Typen von Wellgetrieben. Wie in dem Graphen gezeigt, haben die Zunahme der Eingangsdrehzahl und der Wert der Zunahme der inneren Temperatur eine im Wesentlichen inverse Beziehung.
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Wenn die innere Temperatur zunimmt, expandieren die nebenachsseitigen Bereiche 51, 52, welche die beiden Enden 51a, 52a der Nebenachse Lmin der festen Steuerplatte 5 einschließen, thermisch in Übereinstimmung mit der Zunahme der Temperatur in einem größeren Ausmaß als andere Bereiche. Die Lücke zwischen den Kugeln 10 und dem inneren Ring 8 und dem äußeren Ring 9 in dem Welllager 7 wird aufgrund der thermischen Expansion der festen Steuerplatte 5, welche die Temperaturzunahme begleitet, allmählich reduziert. Als ein Ergebnis werden nicht nur Kugeln 10a, die an den beiden Enden der Hauptachse Lmax des Welllagers 7 angeordnet sind, sondern auch Kugeln, die den Kugeln 10a benachbart sind, eng zwischen dem inneren Ring 8 und dem äußeren Ring 9 zwischengeschichtet. Wenn die Temperatur zunimmt, nimmt die Anzahl der Kugeln in einem festen Zustand allmählich zu. Wenn die Kugeln 10 mit Ausnahme einiger Kugeln 10b, die an den beiden Enden der Nebenachse Lmin angeordnet sind, in einem festen Zustand sind, tritt das Welllager 7 in einen blockierten Zustand ein, wird integral mit der festen Steuerplatte 5 und beginnt zu rotieren.
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Die Grafik in 5 zeigt das Verhältnis zwischen den rollbaren Kugeln (lose Kugeln) und der verbleibenden Lücke zwischen den Kugeln 10 und dem inneren Ring 8 und dem äußeren Ring 9 im Wellgetriebe 1 des vorliegenden Beispiels. Bei Raumtemperatur (20 °C) gibt es ungefähr vierzehn lose Kugeln und das Welllager 7 rotiert glatt. Wenn dagegen die verbleibende Lücke reduziert ist (die Temperatur ansteigt) und die Anzahl der losen Kugeln auf ungefähr neun reduziert ist, wird es schwierig für das Welllager 7 zu rotieren. Wenn die Anzahl der losen Kugeln auf ungefähr fünf reduziert ist und die verbleibende Lücke reduziert ist, rotiert das Welllager 7 nicht und tritt in einen blockierten Zustand ein.
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Hierbei kann das Welllager 7 durch Anpassen des Formausbildungsbereiches der nebenachsseitigen Bereiche 51, 52 und des Wertes des linearen Koeffizienten dieser Bereiche auf einer Stufe in den blockierten Zustand gebracht werden, auf der die innere Temperatur um eine vorgegeben Menge zugenommen hat. Z. B. kann der lineare Expansionskoeffizient so ausgewählt werden und der Ausbildungsbereich und die Form der nebenachsseitigen Bereiche 51, 52 können so eingrichtet werden, dass das Welllager in einen blockierten Zustand gebracht werden kann, wenn die Temperaturzunahme während der Rotation mit hoher Drehzahl ungefähr 35°C oder mehr erreicht.
