DE102010008418A1

DE102010008418A1 - Wellgetriebe

Info

Publication number: DE102010008418A1
Application number: DE102010008418A
Authority: DE
Inventors: Xin Yue Azumino-shi Zhang
Original assignee: Harmonic Drive Systems Inc
Current assignee: Harmonic Drive Systems Inc
Priority date: 2009-02-20
Filing date: 2010-02-18
Publication date: 2010-09-16
Also published as: JP2010190373A; US20100212446A1; KR20100095380A; US8215205B2; CN101813167A; CN101813167B

Abstract

In einem Wellgetriebe (1) vom Bechertyp oder "Zylinderhut"-Typ erfüllt die Randdicke t des flexiblen, außen verzahnten Zahnrades (3) die Beziehungen (0,5237 Ln (R) - 1,32)d ≰ t ≰ (0,8728 Ln (R) - 2,2)d, wenn das Untersetzungsverhältnis R des Wellgetriebes kleiner als 80 ist, und (1,5499 Ln (R) - 5,8099)d ≰ t ≰ (2,5832 Ln (R) - 9,6832)d, wenn das Untersetzungsverhältnis R größer oder gleich 80 ist, wobei d die radiale Biegung gemessen an der Stelle der Hauptachse des Neutralkreises des Randes in einem Zustand ist, in dem das flexible, außen verzahnte Zahnrad (3) in eine elliptische Form gebogen ist. Die effektive Zahnbreite L der äußeren Zähne (35) ist ein Wert im Bereich von 21% bis 30% des Wälzkreisdurchmessers. Solche Werte ermöglichen es, die Dauerhaltbarkeit des Grundes des flexiblen, außen verzahnten Zahnrades (3) zu erhöhen und die Belastbarkeit des Wellgetriebes (1) zu verbessern.

Description

Technisches Gebiet:
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein becherförmiges Wellgetriebe mit einem becherförmigen, flexiblen, außen verzahnten Zahnrad und auf ein Wellgetriebe vom ”Zylinderhut”-Typ mit einem ”zylinderhut”-förmigen, flexiblen, außen verzahnten Zahnrad und bezieht sich insbesondere auf ein Optimierungsverfahren, um die Ermüdungsfestigkeit bzw. Dauerhaltbarkeit des Grundes des flexiblen, außen verzahnten Zahnrades zu erhöhen und ein verstärktes Wellgetriebe zur Verfügung zu stellen.
Stand der Technik:
Nachdem das Wellgetriebe (Patentdokument 1: US-Patent Nr. 2906143 ) vom ursprünglichen Erfinder C. W. Musser erfunden worden war, sind mehrere Erfindungen von vielen Forschern gemacht worden. Bspw. sind Wellgetriebe in den Patentdokumenten 2 ( JP-B 45-41171 ) und 3 ( JP-A 7-167228 ) offenbart.
Ein Wellgetriebetyp mit einem becherförmigen oder einem ”zylinderhut”-förmigen, flexiblen, außen verzahnten Zahnrad, ist als typisches Wellgetriebe bekannt. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines becherförmigen Wellgetriebes und eine schematische Schnittaufbauansicht, die einen Schnitt rechtwinklig zur Achse des Wellgetriebes zeigt. 2 ist ein Schnitt durch eine Achse und zeigt einen Zustand, in dem die Öffnung des becherförmigen, flexiblen, außen verzahnten Zahnrades in eine elliptische Form gebogen ist, wobei (a) die Form vor der Verformung zeigt, (b) ein Schnitt ist, der die Hauptachse der Ellipse einschließt, und (c) ein Schnitt ist, der die Nebenachse einschließt. 2 zeigt durch die unterbrochene Linie auch ein ”zylinderhut”-förmiges, flexibles, außen verzahntes Zahnrad.
Das becherförmige Wellgetriebe 1 weist ein ringförmiges, steifes, innen verzahntes Zahnrad 2, ein becherförmiges, flexibles, außen verzahntes Zahnrad 3, das konzentrisch innerhalb des innen verzahnten Zahnrades 2 angeordnet ist, und einen Wellgenerator 4 mit einem elliptischen Umfang auf, der in das außen ver zahnte Zahnrad 3 eingefügt ist, wie in den Zeichnungen gezeigt. Das becherförmige, flexible, außen verzahnte Zahnrad 3 hat einen zylindrischen Körper 31, eine ringförmige Membran 32, die an ein Ende des zylindrischen Körpers 31 angrenzt, eine ringförmige Nabe 33, die integral im mittleren Bereich der Membran 32 ausgebildet ist, und äußere Zähne 35 (Außenverzahnung), die auf der äußeren Umfangsfläche der Öffnung 34 des Körpers 31 ausgebildet sind.
Die Membran 32A des ”zylinderhut”-förmigen, flexiblen, außen verzahnten Zahnrades 3A ist eine ringförmige Scheibe, die sich in radialer Richtung nach außen erstreckt, wie durch die unterbrochene Linie in 2 gezeigt. Die ringförmige Nabe 33A ist integral entlang des Randes am äußeren Umfang der Membran 32A ausgebildet.
Der Wellgenerator 4 hat eine elliptische, steife Kurvenscheibe 41, und ein Welllager 42, welches auf die äußere Umfangsfläche der Kurvenscheibe 41 gepasst ist. Das Welllager 42 ist aus einer inneren Lauffläche 42a, einer äußeren Lauffläche 42b und mehreren Lagerkugeln 42c zusammengesetzt, die rollbar zwischen der inneren und der äußeren Lauffläche angeordnet sind. Die innere und die äußere Lauffläche 42a, 42b sind flexibel.
Das flexible, außen verzahnte Zahnrad 3 wird von dem Wellgenerator 4 in eine elliptische Form gebogen und die äußeren Zähne 35 des außen verzahnten Zahnrades 3, die auf der Hauptachse 3a der Ellipse angeordnet sind, greifen in den entsprechenden Bereich innerer Zähne 21 des innen verzahnten Zahnrades 2 ein. In einem Querschnitt, der rechtwinklig zur seiner Achse ist, biegt sich das becherförmige oder ”zylinderhut”-förmige, flexible, außen verzahnte Zahnrad 3 (3A) mehrfach so, dass eine Biegung bzw. Durchbiegung entsteht, die im Wesentlichen proportional zum Abstand von der Membran ist, der als Abstand von der Membran zu der Öffnung gemessen wird. Die Biegedeformation des flexiblen, außen verzahnten Zahnrades wird als ”Conen” bezeichnet.
Das flexible, außen verzahnte Zahnrad greift in das steife, innen verzahnte Zahnrad ein und überträgt, während es durch den elliptisch geformten Wellgenerator, der innerhalb des außen verzahnten Zahnrades eingeführt ist, die Last. Daher ist es notwendig, die Ermüdungsfestigkeit des Grundes des flexiblen, außen verzahnten Zahnrades zu erhöhen, um die Belastbarkeit zu erhöhen. Die Dicke des Randes (Randdicke) des flexiblen, außen verzahnten Zahnrades ist ein wichtiger Faktor, der die Ermüdungsfestigkeit des Grundes des flexiblen, außen verzahnten Zahnrades beeinflusst. Ein Aufbau zur Optimierung der Randstärke des flexiblen, außen verzahnten Zahnrades, um die Ermüdungsfestigkeit des Grundes des ringförmigen, flexiblen, außen verzahnten Zahnrades in einem Wellgetriebe vom flachen Typ zu erhöhen, wird im Patentdokument 4 vorgeschlagen.
Im Gegensatz dazu werden die äußeren Zähne eines außen verzahnten Zahnrades in einem becherförmigen oder ”zylinderhut”-förmigen Wellgetriebe gebogen und in Eingriff mit den inneren Zähnen des steifen, innen verzahnten Zahnrades gebracht, um so eine Biegung zu erzeugen, die im Wesentlichen proportional zum Abstand von der Membran in Richtung der Flankenlinie der äußeren Zähne ist, wie zuvor beschrieben. Es ist daher notwendig, die effektive Zahnbreite der äußeren Zähne, welche in die inneren Zähne eingreifen, zu optimieren, um die Belastbarkeit von Wellgetrieben zu erhöhen.
Mit anderen Worten, die Ermüdungsstärke bzw. Dauerhaltbarkeit der Zähne in einem typischen Getriebe, in dem steife Zähne ineinander greifen, nimmt zu, wenn die Zahnbreite der äußeren Zähne zunimmt. Im Gegensatz dazu greifen die äußeren Zähne des flexiblen, außen verzahnten Zahnrades, welches mehrfach einer Biegedeformation, die ”Conen” genannt wird, ausgesetzt ist, in einem Wellgetriebe vom Bechertyp oder vom ”Zylinderhut”-Typ dreidimensional in die inneren Zähne des steifen, innen verzahnten Zahnrades ein. Der Effekt der Zahnbreite auf die Ermüdungsfestigkeit des Grundes des flexiblen, außen verzahnten Zahnrades unterscheidet sich daher in Übereinstimmung mit dem Zahnprofil der äußeren Zähne des flexiblen, außen verzahnten Zahnrades in Richtung der Flankenlinie, der axialen Befestigungsposition des Wellgenerators am flexiblen, außen verzahnten Zahnrad und anderen Faktoren. Die Ermüdungsfestigkeit des Grundes nimmt nicht notwendigerweise zu, wenn die Zahnbreite zunimmt. Nicht nur bewirkt eine Vergrößerung der Zahnbreite oberhalb einer vernünftigen Grenze keine befriedigende Verteilung der Zahnflankenlast über die gesamte Zahnbreite, sondern auch die Steifheit des flexiblen, außen verzahnten Zahnrades nimmt zu und eine elliptische Deformation kann schwerer erreicht werden, was zum gegenteiligen Effekt einer Abnahme der Ermüdungsfestigkeit des Grundes des flexiblen, außen verzahnten Zahnrades führt.
Im Patentdokument 5 ( JP-U 04-128558 ) ist vorgeschlagen worden, die Zahnbreite des flexiblen, außen verzahnten Zahnrades in einem Wellgetriebe vom Becher- oder ”Zylinderhut”-Typ so zu konstruieren, dass die in Zahnflankenrichtung gemessene Länge des Bereichs, in dem die äußeren Zähne ausgebildet sind, auf weniger als 24% des Wälzkreisdurchmessers beschränkt ist. Im Patentdokument 6 ( JP-A 10-159917 ) ist vorgeschlagen worden, dass die in Flankenrichtung gemessene Länge des Bereichs, in dem die äußeren Zähne ausgebildet sind, so reduziert wird, dass sie Abmessungen im Bereich von 5% bis 14% des Wälzkreisdurchmessers hat, um das Wellgetriebe abzuflachen, und das in dem Körper neben dem Zahnbereich ein dünner Bereich ausgebildet ist, um ein schlechtes Eingreifen mit den verkürzten äußeren Zähnen zu vermeiden.
Dokumente des Standes der Technik:
Patentdokumente:

Patentdokument 1: US-Patent Nr. 2906143
Patentdokument 2: JP-B 45-41171
Patentdokument 3: JP-A 7-167228
Patentdokument 4: JP-A 2008-180259
Patentdokument 5: JP-U 04-128558
Patentdokument 6: JP-A 10-159917

Zusammenfassung der Erfindung:
Aufgaben, zu deren Lösung die Erfindung vorgesehen ist:
Um ein Wellgetriebe vom Bechertyp oder ”Zylinderhut”-Typ zu verstärken, ist es notwendig, die Randdicke des flexiblen, außen verzahnten Zahnrades zu optimieren und das Eingreifen des flexiblen, außen verzahnten Zahnrades in das steife, innen verzahnte Zahnrad zu optimieren.
In Anbetracht des zuvor Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, durch Optimieren der Randdicke und der effektiven Zahnbreite des flexiblen, außen verzahnten Zahnrades ein bisher nicht erreichbares Wellgetriebe mit hoher Festigkeit vom Becher- oder ”Zylinderhut”-Typ zur Verfügung zu stellen.
Mittel zur Lösung der Aufgaben:
Um die zuvor beschriebenen Aufgaben zu lösen, stellt die vorliegende Erfindung ein Wellgetriebe zur Verfügung mit:
einem ringförmigen, steifen, innen verzahnten Zahnrad, einem ringförmigen, flexiblen, außen verzahnten Zahnrad, welches innerhalb des steifen, innen verzahnten Zahnrades angeordnet ist, und einem Wellgenerator, der bewirkt, dass sich das flexible, außen verzahnte Zahnrad in eine elliptische Form biegt und teilweise in das steife, innen verzahnte Zahnrad eingreift, so dass sich die Eingriffsposition der Zahnräder in Umfangsrichtung bewegt,
wobei das flexible, außen verzahnte Zahnrad als ein Becher oder als ein ”Zylinderhut” mit einem zylindrischen Körper, einer Membran, welche an ein Ende des Körpers angrenzt und sich in einer radialen Richtung nach innen oder außen erstreckt, und äußeren Zähnen (Außenverzahnung) ausgebildet ist, die auf einer äußeren Umfangsfläche einer Öffnung am anderen Ende des Körpers ausgebildet sind, und
wobei das flexible, außen verzahnte Zahnrad durch den Wellgenerator in eine elliptische Form gebogen wird, um eine Biegung zu erzeugen, die proportional zu einem Abstand von der Membran ist, der als Abstand von der Membran zur Öffnung gemessen wird,
wobei das Wellgetriebe dadurch gekennzeichnet ist, dass die Randdicke t des flexiblen, außen verzahnten Zahnrades die folgenden Beziehungen erfüllt: (0,5237 Ln(R) – 1,32)d <= t <= (0,8728 Ln(R) – 2,2)d, wenn R < 80, und (1,5499 Ln(R) – 5,8099)d <= t <= (2,5832 Ln(R) – 9,6832)d, wenn R >= 80,wobei d eine radiale Biegung ist, die an der Position der Hauptachse des Neutralkreises des Randes des flexiblen, außen verzahnten Zahnrades, das in eine elliptische Form gebogen ist, gemessen wird, und R ein Untersetzuhgsverhältnis des Wellgetriebes ist; und
ein Verhältnis L/PCD einen Wert in einem Bereich von 21% bis 30% hat, wobei L eine effektive Zahnbreite der äußeren Zähne und PCD ein Wälzkreisdurchmesser der Außenverzahnung ist. So, wie er hier benutzt wird, bezieht sich der Ausdruck ”effektive Zahnbreite L” auf die in Richtung der Flankenlinie gemessenen Länge zwischen Kreisen, die sich aus dem Schnitt zwischen den abgeschrägten Flächen an jedem Ende der äußeren Zähne und einem Außenzylinder ergeben.
Es ist vorteilhaft, dass die Härte HRC des Materials des flexiblen, außen verzahnten Zahnrades als ein Wert im Bereich von 40 bis 50 gewählt wird.
Es ist auch vorteilhaft, dass die axiale Befestigungsposition des Wellgenerators relativ zum flexiblen, außen verzahnten Zahnrad so gewählt wird, dass der Abstand L1, gemessen zur Zentrumsposition der Lagerkugeln des Wellgenerators von einem Kreis, der sich aus dem Schnitt zwischen der abgeschrägten Fläche auf der Seite des flexiblen, außen verzahnten Zahnrades, die der Öffnung näher ist, und dem Außenzylinder der äußeren Zähne ergibt, in einem Bereich von 50% bis 65% der effektiven Zahnbreite L liegt, wobei die effektive Zahnbreite der äußeren Zähne so wie zuvor beschrieben gewählt ist.
Auswirkung der Erfindung:
Gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht es das Wählen der Randdicke des flexiblen, außen verzahnten Zahnrades wie zuvor beschrieben, die Ermüdungsfestigkeit des Grundes des flexiblen, außen verzahnten Zahnrades in einem Wellgetriebe vom Bechertyp oder vom ”Zylinderhut”-Typ, welches Biegedeformation, Streckdeformation und mehrfacher Flexuraldeformation (Conen) ausgesetzt ist, zu erhöhen. Weiterhin ermöglicht es das Optimieren der effektiven Breite der äußeren Zähne des flexiblen, außen verzahnten Zahnrades, Resultate zu erzielen, bei denen die Ermüdungsfestigkeit des Grundes durch Optimieren der Randdicke des Zahnrades verbessert ist.
Als ein Ergebnis ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, ein Wellgetriebe vom Bechertyp oder vom ”Zylinderhut”-Typ zu erhalten, das eine merklich höhere Belastbarkeit als im Stand der Technik bekannte Wellgetriebe hat.
Kurze Beschreibung der Figuren:
1 ist eine perspektivische Ansicht und eine schematische Strukturansicht, die ein Wellgetriebe zeigt;
2 ist ein Diagramm, das ein becherförmiges oder ”zylinderhut”-förmiges, flexibles, außen verzahntes Zahnrad in einem gebogenen Zustand zeigt;
3 ist ein konzeptionelles Diagramm, das die Randdicke eines flexiblen, außen verzahnten Zahnrades zeigt;
4 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Untersetzungsverhältnis und dem Verhältnis zwischen der Randdicke und der radialen Biegung zeigt;
5 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Randdicke und der Biegespannung und der Zugspannung zeigt;
6 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Randdicke eines becherförmigen, flexiblen, außen verzahnten Zahnrades und dem Ermüdungsgrenzlastdrehmoment zeigt;
7 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Randdicke eines ”zylinderhut”-förmigen, flexiblen, außen verzahnten Zahnrades und dem Ermüdungsgrenzlastdrehmoment zeigt; und
8 ist eine Halbschnittansicht eines becherförmigen Wellgetriebes.
Beste Art, die Erfindung auszuführen:
Ausführungsbeispiele eines Wellgetriebes vom Bechertyp und vom ”Zylinderhut”-Typ gemäß der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Der Gesamtaufbau eines Wellgetriebes vom Bechertyp oder vom ”Zylinderhut”-Typ ist der gleiche, wie der typische in den 1 und 2 gezeigte Aufbau.
(Randdicke des flexiblen, außen verzahnten Zahnrades)
3 ist ein konzeptionelles Diagramm, welches die Randdicke eines becherförmigen oder ”zylinderhut”-förmigen, flexiblen, außen verzahnten Zahnrades in einem Wellgetriebe vom Bechertyp bzw. vom ”Zylinderhut”-Typ zeigt. In dem Diagramm ist die Randdicke die Dicke des mit ”t” bezeichneten Bereichs. Die radiale Biegung d des flexiblen, außen verzahnten Zahnrades 3, welches von dem elliptischen Wellgenerator 4 in eine elliptische Form gebogen wird, ist die radiale Biegung, gemessen an der Position der Hauptachse der elliptischen Form des Neutralkreises des Randes, in einem axialen, rechtwinkligen Schnitt rechtwinklig zur Achse des Zahnrades 3 an einer beliebigen Position in Richtung der Zahnbahn der äußeren Zähne 35. Die radiale Biegung d ist gleich d, d. h., d = mn, wobei 2 n (n ist eine positive ganze Zahl) die Differenz der Anzahl der Zähne zwischen dem flexiblen, außen verzahnten Zahnrad 3 und einem steifen, innen verzahnten Zahnrad und m das Modul des flexiblen, außen verzahnten Zahnrades 3 ist.
4 ist ein Graph, der die Randdicke des flexiblen, außen verzahnten Zahnrades 3 sowie die Randdicke des flexiblen, außen verzahnten Zahnrades eines typischen Wellgetriebes vom Bechertyp oder vom ”Zylinderhut”-Typ nach dem Stand der Technik zeigt. In der Zeichnung repräsentiert F/S ein flexibles, außen verzahntes Zahnrad. Die horizontale Achse des Graphen ist das Untersetzungsverhältnis R des Wellgetriebes und die vertikale Achse ist das Verhältnis t/d zwischen der Randdicke t und der radialen Biegung d.
In dem Graphen zeigt die unterbrochene Linie A0 das Verhältnis zwischen dem Untersetzungsverhältnis und der Randdicke des flexiblen, außen verzahnten Zahnrades in einem konventionellen Wellgetriebe. Dagegen zeigen die Linien A1 bis A4 die Beziehung zwischen dem Untersetzungsverhältnis und der Randdicke des flexiblen, außen verzahnten Zahnrades gemäß der vorliegenden Erfindung. Die unterbrochenen Linien A1 bis A4 zeigen jeweils Fälle, in denen die Randdicke um 20%, 45%, 60% und 100% relativ zum Wert der konventionellen Randdicke, wie sie durch die unterbrochene Linie A0 gezeigt wird, vergrößert worden ist.
Die unterbrochene Linie A1 beschreibt die untere Grenze der Randdicke t. Der Bereich der unterbrochenen Linie A1, für den das Untersetzungsverhältnis R kleiner als 80 ist, wird durch Formel 1 ausgedrückt, und der Teil, für den das Untersetzungsverhältnis R 80 oder größer ist, wird durch Formel 2 ausgedrückt.
Formel 1:

t/d = 0,5237 Ln(R) – 1,32

Formel 2:

t/d = 1,5499 Ln(R) – 5,8099.

Die unterbrochene Linie A4 beschreibt die obere Grenze der Randdicke t. Der Bereich der Linie A4, für den das Untersetzungsverhältnis R kleiner als 80 ist, wird durch Formel 3 ausgedrückt, und der Bereich davon, für den das Untersetzungsverhältnis R 80 oder größer ist, wird durch Formel 4 ausgedrückt.
Formel 3:

t/d = 0,8728 Ln(R) – 2,2

Formel 4:

t/d = 2,5832 Ln(R) – 9,6832.

Daher ist der Bereich in 4, der durch die Diagonalen dargestellt ist, der Bereich der Randdicke t gemäß der vorliegenden Erfindung. Randdicken in einem Bereich von ungefähr 120% bis 200% der Randdicke konventionell konstruierter Modelle liegen innerhalb des Bereiches, der von der vorliegenden Erfindung beschrieben wird.
Als Nächstes wird die entscheidende Bedeutung der oberen und unteren Grenze der Randdicke t gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
5 ist ein Graph, der die Beziehung der Randdicke t zur Biegespannung σb und zur Zugspannung σt, die im flexiblen, außen verzahnten Zahnrad erzeugt wird, sowie zur Gesamtspannung (σb + σt) aus Biegespannung und Zugspannung zeigt. Die horizontale Achse ist das Verhältnis (%) zwischen der Randdicke t des flexiblen, außen verzahnten Zahnrades und der Randdicke in einem konventionell aufgebauten Modell. Die vertikale Achse ist das Verhältnis zwischen der Biegespannung σb, der Zugspannung σt und (σb + σt) und einem Wälzkreisdurchmesser (PCD) des flexiblen, außen verzahnten Zahnrades.
Wie durch die Linie B1 gezeigt, nimmt die Biegespannung σb im Wesentlichen proportional mit der Randdicke zu; jedoch nimmt die Zugspannung σt ab, wenn die Randdicke zunimmt, wie durch die Linie B2 gezeigt. Im Ergebnis nimmt die Gesamtspannung (σb + σt) ab, bis die Randdicke ungefähr 160% der Randdicke eines konventionell aufgebauten Modells ist, danach tritt eine leichte, allmähliche Zunahme auf, wie durch die Linie B3 gezeigt.
Bei der Randdicke eines konventionell aufgebauten Modells (der 100-%-Stelle auf der horizontalen Achse) ist die Gesamtspannung groß und die Randdicke kann nicht optimiert werden. Im Gegensatz dazu wird im Bereich der vorliegenden Erfindung (dem Bereich von 120% bis 200% auf der horizontalen Achse) ein Bereich erreicht, in dem die Gesamtspannung minimiert wird, was deutlich macht, dass die Randdicke optimiert werden kann. Insbesondere nimmt die Gesamt spannung zu, wenn die Dicke nicht mehr als 120% ist, was die untere Grenze ist. Dies verdeutlicht, dass es wünschenswert ist, die Randdicke t auf einen Wert jenseits dieses Wertes zu bringen.
Als Nächstes ist 6 ein Graph, der die Ergebnisse von Berechnungen der Stärke des Grundes eines becherförmigen, flexiblen, außen verzahnten Zahnrades für eine variable Randdicke des außen verzahnten Zahnrades für verschiedene Härteniveaus zeigt. Die horizontale Achse, die gleiche wie in 5, ist das Verhältnis (%) zwischen der Randdicke t des flexiblen, außen verzahnten Zahnrades und der Randdicke eines konventionell aufgebauten Modells. Die vertikale Achse ist das Verhältnis zwischen dem Ermüdungsgrenzlastdrehmoment des Grundes und dem Nennlastdrehmoment des flexiblen, außen verzahnten Zahnrades. In dem Graphen repräsentiert die Kurve C0 einen Fall, in dem die Härte HRC des Materials 36 ist, Kurve C1 repräsentiert einen Fall, in dem die Härte HRC des Materials 43 ist und Kurve C2 repräsentiert einen Fall, in dem die Härte HRC des Materials 50 ist.
Wie diesen gekrümmten Linien entnommen werden kann, nimmt das Ermüdungsgrenzlastdrehmoment mit Zunahme der Randdicke zu, aber wenn die Randdicke einen bestimmten Wert überschreitet, dreht sich das Bild um und das Ermüdungsgrenzlastdrehmoment nimmt stattdessen ab. Es ist offensichtlich, dass der Maximalwert des Ermüdungsgrenzlastdrehmoments im Bereich der vorliegenden Erfindung (dem Bereich von 120% bis 200% auf der horizontalen Achse) auftritt.
Eine Zunahme der Härte HRC des Materials bewirkt, dass sich die Position des Ermüdungsgrenzlastdrehmoments in Richtung größerer Randdicken verschiebt, und wenn die Härte HRC des Materials ungefähr 50 erreicht, tritt der Maximalwert im Wesentlichen an der 200-%-Position auf der horizontalen Achse auf. Es ist derzeit schwierig, ein flexibles, außen verzahntes Zahnrad, das in radialer Richtung flexibel ist, unter Benutzung eines Materials herzustellen, dessen Härte HRC größer als ungefähr 50 ist. Die Randdicke kann so gewählt werden, dass sie das Ermüdungsgrenzlastdrehmoment bei einem Material, dessen Härte für praktische Zwecke benutzt werden kann, in Fällen maximiert, in denen die Randdicke bei oder unterhalb von 200% liegt, was der obere Grenzwert der vorliegenden Erfindung ist.
Aus dem Graphen der 6 ist auch zu entnehmen, dass das Ermüdungsgrenzlastdrehmoment gegenüber konventionell aufgebauten Modellen (Kurve C0 in 6) durch Spezifizieren der Randdicke wie zuvor beschrieben und Herstellen des flexiblen, außen verzahnten Zahnrades aus einem Material, dessen Härte größer als die HRC 36, wie sie typischerweise im Stand der Technik benutzt wird, ist, deutlich verbessert werden kann.
Z. B. wurde bestätigt, dass das Ermüdungsgrenzlastdrehmoment sich gegenüber dem Wert eines konventionell aufgebauten Modells (Härte HRC des Materials: 36) um das Doppelte oder mehr verbessert hat, wenn die durch die unterbrochene Linie A2 in 4 gezeigte Randdicke als 145% der Randdicke eines konventionell aufgebauten Modells gewählt und ein Material mit einer Härte von HRC 43 benutzt worden ist.
Ähnlich wie 6 ist 7 ein Graph, der die Ergebnisse der Berechnungen der Stärke des Grundes eines ”zylinderhut”-förmigen, flexiblen, außen verzahnten Zahnrades für variable Randdicken des außen verzahnten Zahnrades zeigt. In dem Graphen repräsentiert die Kurve D0 einen Fall, in dem die Härte HRC des Materials 36 ist, Kurve D1 repräsentiert einen Fall, in dem die Härte HRC des Materials 43 ist, und die Kurve D2 repräsentiert einen Fall, in dem die Härte HRC des Materials 50 ist.
Wie aus diesen gekrümmten Linien erkennbar ist, nimmt das Ermüdungsgrenzlastdrehmoment mit zunehmender Randdicke zu, aber wenn die Randdicke einen bestimmten Wert überschreitet, dreht sich das Bild um und das Ermüdungsgrenzlastdrehmoment nimmt stattdessen ab. Das Ermüdungsgrenzlastdrehmoment nimmt innerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung (des Bereichs von 120% bis 200% auf der horizontalen Achse) zu, wenn die Randdicke zunimmt. Eine Erhöhung der Härte HRC des Materials bewirkt, dass die Position des Ermüdungsgrenzlastdrehmoments sich in Richtung größerer Randdicken veschiebt. Wenn die Härte HRC des Materials ungefähr 50 erreicht, tritt der Maximalwert ungefähr an der 260-%-Position auf der horizontalen Achse auf. Es ist derzeit problematisch, ein flexibles, außen verzahntes Zahnrad, das in radialer Richtung flexibel ist, unter Benutzung eines Materials herzustellen, dessen Härte HRC ungefähr 50 überschreitet; das flexible, außen verzahnte Zahnrad wird zu steif und ist nicht benutzbar, wenn die Dicke 200% übersteigt. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Randdicke so gewählt werden, dass sie das Ermüdungsgrenzlast drehmoment bei einem Material, dessen Härte für praktische Zwecke benutzt werden kann, in Fällen maximiert, in denen die Randdicke bei oder unterhalb 200% liegt, was der obere Grenzwert der vorliegenden Erfindung ist.
Aus 7 ist auch erkennbar, dass das Ermüdungsgrenzlastdrehmoment gegenüber konventionell aufgebauten Modellen (Kurve D0 in 7) durch Spezifizieren der Randdicke wie zuvor beschrieben und Herstellen des flexiblen, außen verzahnten Zahnrades aus einem Material, das eine Härte hat, die größer als die HRC 36, wie sie typischerweise im Stand der Technik benutzt wird, ist, deutlich verbessert werden kann.
Im Stand der Technik ist erkannt worden, dass die Ermüdungsgrenzstärke des flexiblen, außen verzahnten Zahnrades zunimmt, bis die Härte des Materials des flexiblen, außen verzahnten Zahnrades HRC 40 erreicht, und das sich dieses Bild umkehrt und die Ermüdungsgrenzstärke abnimmt, wenn ein Material benutzt wird, dessen Härte dieses Niveau überschreitet. Es ist jedoch bestätigt worden, dass die Ermüdungsgrenzstärke des flexiblen, außen verzahnten Zahnrades selbst dann erhöht werden kann, wenn die Härte des Materials 40 oder größer ist, wie in den 6 und 7 gezeigt. Tests, die von den Erfindern der vorliegenden Erfindung durchgeführt worden sind, haben bestätigt, dass die Härte des Materials vorzugsweise im Bereich von HRC 40 bis 50 liegen sollte, wenn eine Randdicke gemäß der vorliegenden Erfindung benutzt wird. Insbesondere ist es vorteilhaft, ein Material zu benutzen, dessen Härte im Bereich von HRC 40 bis 43 liegt.
Effektive Zahnbreite der äußeren Zähne:
Als Nächstes wird die effektive Zahnbreite eines flexiblen, außen verzahnten Zahnrades unter Bezugnahme auf 8 beschrieben. Das Verhältnis L/PCD wird im Bereich von 21% bis 30% gewählt, wobei L die effektive Zahnbreite der äußeren Zähne 35 des flexiblen, außen verzahnten Zahnrades 3 und PCD der Wälzkreisdurchmesser der Außenverzahnung 35 ist. Die effektive Zahnbreite L ist die Länge, gemessen in Richtung der Zahnbahn, zwischen Kreisen 36a, 39a, die sich aus dem Schnitt zwischen den abgeschrägten Flächen 36, 39 an jedem Ende der Außenverzahnung 35 und dem Außenzylinder 37 ergeben, wie in 8 gezeigt.
In einem flexiblen, außen verzahnten Zahnrad, dessen Zahnbreite außerhalb der effektiven Zahnbreite liegt, führt ein Optimieren der Randdicke t, wie zuvor beschrieben, manchmal nicht dazu, adäquate Ergebnisse zu zeigen, wobei die Ermüdungsfestigkeit des Zahngrundes als Ergebnis dieser Maßnahmen erhöht wird. Optimieren der effektiven Zahnbreite in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ermöglicht es, verlässliche Resultate zu erhalten, wobei die Ermüdungsfestigkeit des Zahngrundes durch Optimieren der Randdicke am Zahnfuß erhöht wird.
Es ist effektiv, die axiale Befestigungsposition des Wellgenerators und die Form der äußeren Zähne in Richtung der Zahnflankenlinie geeignet zu wählen, um es dem flexiblen, außen verzahnten Zahnrad zu erlauben, richtig in das steife, innen verzahnte Zahnrad einzugreifen.
Z. B. wird die axiale Befestigungsposition des Wellgenerators 4 vorzugsweise wie in 8 gezeigt gewählt. Der Abstand L1, der von einem Kreis 36a, der sich aus dem Schnitt zwischen der abgeschrägten Oberfläche 36 auf der Seite des flexiblen, außen verzahnten Zahnrades 3, die der Öffnung 34 näher ist, und dem Außenzylinder 37 der Außenverzahnung 35 ergibt, zum Kugelzentrum 42d der Lagerkugeln 42c des Wellgenerators 4 gemessen wird, wird vorzugsweise so gewählt, dass er in einem Bereich von 50% bis 65% der effektiven Zahnbreite L liegt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 2906143 [0002, 0011]
- JP 45-41171 B [0002, 0011]
- JP 7-167228 A [0002, 0011]
- JP 04-128558 U [0011, 0011]
- JP 10-159917 A [0011, 0011]
- JP 2008-180259 A [0011]

Claims

Wellgetriebe mit einem ringförmigen, steifen, innen verzahnten Zahnrad, einem ringförmigen, flexiblen, außen verzahnten Zahnrad, das innerhalb des steifen, innen verzahnten Zahnrades angeordnet ist, und einem Wellgenerator, um zu bewirken, dass sich das flexible, außen verzahnte Zahnrad in eine elliptische Form biegt und teilweise in das steife, innen verzahnte Zahnrad eingreift, sodass sich die Eingriffsposition der Zahnräder in Umfangsrichtung bewegt; wobei das flexible, außen verzahnte Zahnrad als ein Becher oder ein ”Zylinderhut” mit einem zylindrischen Körper, einer Membran, die an ein Ende des Körpers angrenzt und sich in radialer Richtung nach innen oder außen erstreckt, und einer auf einer äußeren Umfangsfläche einer Öffnung am anderen Ende des Körpers ausgebildeten Außenverzahnung ausgebildet ist; und wobei das flexible, außen verzahnte Zahnrad durch den Wellgenerator in eine elliptische Form gebogen wird, um so eine Biegung zu erzeugen, die proportional zu einem Abstand von der Membran ist, der als der Abstand zwischen der Membran und der Öffnung gemessen wird; wobei: die Randdicke t des flexiblen, außen verzahnten Zahnrades die folgenden Gleichungen erfüllt: (0.5237 Ln(R) – 1.32)d <= t <= (0.8728 Ln(R) – 2.2)d, wenn R < 80, und (1.5499 Ln(R) – 5.8099)d <= t <= (2.5832 Ln(R) – 9.6832)d, wenn R >= 80,wobei d eine radiale Biegung ist, die an einer Position der Hauptachse (3a) eines Neutralkreises des Randes des flexiblen, außen verzahnten Zahnrades (3), das in eine elliptische Form gebogen ist, gemessen wird, und R ein Untersetzungsverhältnis des Wellgetriebes ist; und wobei das Verhältnis L/PCD ein Wert in einem Bereich von 21% bis 30% ist, wobei L eine effektive Zahnbreite der Außenverzahnung und PCD ein Wälzkreisdurchmesser der Außenverzahnung ist.
Wellgetriebe nach Anspruch 2, wobei die Härte HRC des Materials des flexiblen, außen verzahnten Zahnrades als ein Wert im Bereich von 40 bis 50 gewählt ist.
Wellgetriebe nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Zentrum einer Lagerkugel des Wellgenerators in einem Bereich von 50% bis 65% einer effektiven Zahnbreite L der Außenverzahnung entlang einer Zahnbahnrichtung der Außenverzahnung von einem Schnittkreis angeordnet ist, der eine Position definiert, die sich aus dem Schnitt zwischen einem Außenzylinder der Außenverzahnung und einer abgeschrägten Fläche, die an dem Ende der Außenverzahnung, das in Richtung der Zahnbahnrichtung näher an der Öffnung des Körpers ist, ergibt.