DE102015104424B4

DE102015104424B4 - Gleitkeilgetriebe mit verbesserter Übertragungsgenauigkeit

Info

Publication number: DE102015104424B4
Application number: DE102015104424.2A
Authority: DE
Inventors: Yi-Hung Tsai; Fung-Ling Nian
Original assignee: Hiwin Technologies Corp
Current assignee: Hiwin Technologies Corp
Priority date: 2015-03-24
Filing date: 2015-03-24
Publication date: 2016-11-03
Anticipated expiration: 2035-03-25
Also published as: DE102015104424A1

Abstract

Ein Gleitkeilgetriebe (10) beinhaltet ein festes Zahnrad mit Innenverzahnung (20), ein flexibles Zahnrad mit Außenverzahnung (30), das in das feste Zahnrad mit Innenverzahnung (20) eingreift, und einen Wave Generator (40), der gegen das flexible Zahnrad mit Außenverzahnung (30) stößt. Durch eine besondere Parameterwahl bei der Gestaltung der äußeren Umfangskante (46) des Wave Generators (40) in einer Oberfläche variabler Krümmungen wird die Kontaktfläche zwischen Wave Generator (40) und dem flexiblen Zahnrad mit Außenverzahnung (30) erhöht, um die Beständigkeit gegen Reibverschleiß zu erhöhen, wodurch auch die Übertragungsgenauigkeit verbessert und der Hysteresefehler verringert wird.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Untersetzungsgetriebe und insbesondere ein Gleitkeilgetriebe beziehungsweise ein Harmonic-Drive-Getriebe, das die Übertragungsgenauigkeit verbessert.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Ein Harmonic-Drive-Getriebe oder Gleitkeilgetriebe ist ein Untersetzungsgetriebe mit großer Untersetzung. Ein herkömmliches Harmonic-Drive-Getriebe umfasst allgemein ein festes Zahnrad mit Innenverzahnung, ein flexibles Zahnrad mit Außenverzahnung, das drehbar innerhalb des festen Zahnrads mit Innenverzahnung angeordnet ist, und den sogenannten Wave Generator, der innerhalb des flexiblen Zahnrads mit Außenverzahnung angeordnet ist. Nach dem Einfügen des Wave Generators in das flexible Zahnrad mit Außenverzahnung wird das flexible Zahnrad mit Außenverzahnung durch den äußeren Umfang des Wave Generators gedrückt und elastisch verformt, um eine elliptische Form anzunehmen. Wird der Wave-Generator zum Drehen durch eine Kraftquelle angetrieben, werden das feste Zahnrad mit Innenverzahnung und das flexible Zahnrad mit Außenverzahnung dazu gezwungen, in der großen Achse des Wave Generators ineinander zu greifen und sich in der kleinen Achse des Wave Generators voneinander zu lösen. Aufgrund unterschiedlicher Anzahlen von Zähnen in dem festen Zahnrad mit Innenverzahnung und dem flexiblen Zahnrad mit Außenverzahnung wird ein schnelles Untersetzungsverhältnis erreicht, um ein hohes Drehmoment zu erreichen, wenn der Wave Generator weiter dreht.
Da das flexible Zahnrad mit Außenverzahnung jedoch eine ovale Form annimmt, nachdem der Wave Generator eingesetzt wurde, besteht das Problem eines Reibverschleißes während der Kraftübertragung durch den Innenumfang des flexiblen Zahnrads mit Außenverzahnung, was bei längerer Nutzung zu einer Beeinträchtigung der Übertragungsgenauigkeit führt. Um dieses Problem zu lösen, lehrt das japanische Gebrauchsmuster Nr. 6-19872 das Aussparen eines Bereichs aus der äußeren Umfangskante der Achse, die den Wave Generator trägt, wobei der ausgesparte Bereich und die Breite des flexiblen Zahnrads mit Außenverzahnung ein vorgegebenes Verhältnis aufweisen, so dass die während des Einsetzens des flexiblen Zahnrads mit Außenverzahnung aufkommende Stoßkraft verringert wird, wodurch auch der Reibverschleiß verringert wird. Bei der praktischen Anwendung erreicht diese Verbesserungsmaßnahme jedoch oft ihre Grenzen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wurde unter den gegebenen Umständen verwirklicht. Es ist die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ein Gleitkeilgetriebe bereitzustellen, das wirksam den Widerstand gegen Reibverschleiß sowie die Übertragungsgenauigkeit erhöht.
Um diese und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung zu lösen, umfasst ein Gleitkeilgetriebe ein festes Zahnrad mit Innenverzahnung, ein flexibles Zahnrad mit Außenverzahnung, das drehbar innerhalb des festen Zahnrads mit Innenverzahnung angeordnet ist, und den sogenannten Wave Generator, der innerhalb des flexiblen Zahnrads mit Außenverzahnung angeordnet ist. Der Wave Generator umfasst ein Achslager und ein elliptisches Rad, das an dem Achslager angeordnet ist. Das Achslager umfasst eine äußere Umfangskante, die gegen einen inneren Umfang des flexiblen Zahnrads mit Außenverzahnung stößt. Der Krümmungsradius der äußeren Umfangskante in der YZ-Ebene ist als R_GX,
definiert. Die Beziehung zwischen y_x und z_x erfüllt die elliptische Parametergleichung: y_x = {a_x + ca_x × (sin(4θ – (π/2)) + 1)} × sinθ, 0 ≤ θ ≤ 2π z_x = {b_x + cb_x × (sin(4θ – (π/2)) + 1)} × cosθ, 0 ≤ θ ≤ 2π worin a_x die große Halbachse der äußeren Umfangskante des Achslagers des Wave Generators in der YZ-Ebene vor dem Einfügen des elliptischen Rads ist; ca_x der Korrekturfaktor der großen Halbachse ist; b_x die kleine Halbachse der äußeren Umfangskante des Achslagers des Wave Generators in der YZ-Ebene vor dem Einfügen des elliptischen Rads ist; cb_x der Korrekturfaktor der kleinen Halbachse ist; θ der Zentrifugalwinkel der äußeren Umfangskante des Wave Generators in der YZ-Ebene ist.
Vorzugsweise ist der Krümmungsradius der äußeren Umfangskante des Wave Generators in der XY-Ebene definiert als R_GZ,
worin die Beziehung zwischen x_Z und y_Z die folgende elliptische Parametergleichung erfüllt: x_z = {a_z + ca_z × (sin(4θ – (π/2)) + 1)} × sinθ, 0 ≤ θ ≤ 2π y_z = {b_z + cb_z × (sin(4θ – (π/2)) + 1 )} × cosθ, 0 ≤ θ ≤ 2π
In der a_z die große Halbachse der äußeren Umfangskante des Achslagers des Wave Generators in der XY-Ebene ist; ca_z der Korrekturfaktor der großen Halbachse ist; b_z die kleine Halbachse der äußeren Umfangskante des Achslagers des Wave Generators in der XY-Ebene ist; cb_z der Korrekturfaktor der kleinen Halbachse ist; θ der Zentrifugalwinkel der äußeren Umfangskante des Wave Generators ist.
Daher wird sich nach der Korrektur durch die vorstehende Parametergleichung der Krümmungsradius der äußeren Umfangskante des Wave Generators des Gleitkeilgetriebes in eine Bogenform verändern, so dass der Kontaktbereich zwischen dem Wave Generator und dem flexiblen Zahnrad mit Außenverzahnung vergrößert wird, um eine Beständigkeit gegen Reibverschleiß und eine Übertragungsgenauigkeit zu erhöhen.
Andere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden durch Bezug auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den anhängigen Zeichnungen besser verstanden, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Bestandteile des Aufbaus bezeichnen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Strukturansicht eines Gleitkeilgetriebes gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine schematische Zeichnung, die die Korrektur des Krümmungsradius des Wave Generators in der YZ-Ebene zeigt.
3 ist eine schematische Zeichnung der vorliegenden Erfindung, die die Korrektur des Krümmungsradius des Wave Generators in der XY-Ebene zeigt.
4 ist eine Übertragungsfehlerkurve erhalten vor und nach der Anpassung der Krümmung gemäß der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine Hysteresefehlerkurve erhalten vor und nach der Anpassung der Krümmung gemäß der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bezogen auf 1 umfasst ein Gleitkeilgetriebe 10 gemäß der vorliegenden Erfindung ein festes Zahnrad mit Innenverzahnung 20, ein flexibles Zahnrad mit Außenverzahnung 30, und einen Wave Generator 40.
Das feste Zahnrad mit Innenverzahnung 20 umfasst einen inneren gezahnten Bereich 22. Das flexible Zahnrad mit Außenverzahnung 30 liegt innerhalb des festen Zahnrads mit Innenverzahnung 20 angeordnet vor und umfasst einen äußeren runden gezahnten Bereich 32, der in Richtung des inneren ringförmigen gezahnten Bereichs 22 des festen Zahnrads mit Innenverzahnung 20 weist. Es wird darauf hingewiesen, dass die Anzahl der Zähne in dem inneren ringförmigen gezahnten Bereich 22 des festen Zahnrads mit Innenverzahnung 20 zwei mehr beträgt, als die Anzahl der Zähne in dem äußeren runden gezahnten Bereich 32 des flexiblen Zahnrads mit Außenverzahnung 30. Ferner haben das feste Zahnrad mit Innenverzahnung 20 und das flexible Zahnrad mit Außenverzahnung 30 zwischen sich dasselbe Modul. Das hier beschriebene Modul ist der Quotient der erhalten wird, wenn man den Teilkreisdurchmesser durch die Anzahl der Zähne teilt.
Der Wave Generator 40 ist innerhalb des flexiblen Zahnrads mit Außenverzahnung 30 angeordnet und umfasst ein Achslager 42 und ein elliptisches Rad 44. Die äußere Umfangskande 46 des Achslagers 42 stößt gegen den inneren Umfang 34 des flexiblen Zahnrads mit Außenverzahnung 30. Das elliptische Rad 44 ist an dem Achslager 42 angeordnet. Wird das elliptische Rad 44 durch eine Kraftquelle (nicht gezeigt) zum Drehen angetrieben, wird das Achslager 42 synchron gedreht, was dazu führt, dass die äußere Umfangskante 46 des Achslagers 42 den inneren Umfang 34 des flexiblen Zahnrads mit Außenverzahnung 30 drückt und weiter das flexible Zahnrad mit Außenverzahnung 30 elastisch verformt, was dazu führt, dass der innere ringförmige gezahnte Bereich 22 des festen Zahnrads mit Innenverzahnung 20 vollständig in den äußeren ringförmigen gezahnten Bereich 32 des flexiblen Zahnrads mit Außenverzahnung 30 in der Richtung der großen Achse des Wave Generators 40 greift und sich von dem äußeren ringförmigen gezahnten Bereich 32 des flexiblen Zahnrads mit Außenverzahnung 30 in Richtung der kleinen Achse des Wave Generators 40 vollständig löst. Daher kann das feste Zahnrad mit Innenverzahnung 20 durch das flexible Zahnrad mit Außenverzahnung 30 gedreht werden, um ein Drehmoment auszugeben.
Um den Kontaktbereich zwischen der äußeren Umfangskante 46 des Achslagers 42 des Wave Generators 40 und dem inneren Umfang 34 des flexiblen Zahnrads mit Außenverzahnung 30 zu vergrößern, erfolgt erfindungsgemäß eine Korrektur der Krümmung der äußeren Umfangskante 46 des Wave Generators 40. Bezogen auf 2 wird der Radius der Krümmung der äußeren Umfangskante 46 des Wave Generators 40 in der YZ-Ebene durch R_GX,
definiert, wobei die Beziehung zwischen y_x und z_x die folgende elliptische Parametergleichung (I) erfüllt: y_x = {a_x + ca_x × (sin(4θ – (π/2)) + 1)} × sinθ, 0 ≤ θ ≤ 2π z_x = {b_x + cb_x × (sin(4θ – (π/2)) + 1)} × cosθ, 0 ≤ θ ≤ 2π
In der vorstehenden elliptischen Parametergleichung (I) ist a_x die große Halbachse der äußeren Umfangskante 46 des Achslagers 42 des Wave Generators 40 in der YZ-Ebene vor dem Einfügen des elliptischen Rads 44; ca_x der Korrekturfaktor der großen Halbachse; b_x die kleine Halbachse der äußeren Umfangskante 46 des Achslagers 42 des Wave Generators 40 in der YZ-Ebene vor dem Einfügen des elliptischen Rads 44; cb_x der Korrekturfaktor der kleinen Halbachse; θ der Zentrifugalwinkel der äußeren Umfangskante 46 des Wave Generators 40 in der YZ-Ebene ist.
Danach wird, bezogen auf 3, der Radius der Krümmung der äußeren Umfangskante 46 des Wave Generators 40 in der XY-Ebene als R_GZ,
definiert, wobei die Beziehung zwischen x_Z und y_Z die folgende elliptische Parametergleichung (II) erfüllt: x_z = {a_z + ca_z × (sin(4θ – (π/2)) + 1)} × sinθ, 0 ≤ θ ≤ 2π y_z = {b_z + cb_z × (sin(4θ – (π/2)) + 1)} × cosθ, 0 ≤ θ ≤ 2π
In der vorstehenden elliptischen Parametergleichung (II) ist a_z die große Halbachse der äußeren Umfangskante 46 des Achslagers 42 des Wave Generators 40 in der XY-Ebene; ca_z der Korrekturfaktor der großen Halbachse; b_z die kleine Halbachse der äußeren Umfangskante 46 des Achslagers 42 des Wave Generators 40 in der XY-Ebene; cb_z der Korrekturfaktor der kleinen Halbachse; θ der Zentrifugalwinkel der äußeren Umfangskante 46 des Wave Generators 40. Zusätzlich zur elliptischen Parametergleichung (II) muss der Radius der Krümmung R_GX der äußeren Umfangskante 46 des Wave Generators 40 in der YZ-Ebene auch die folgenden Voraussetzungen erfüllen: Nach dem Anordnen des elliptischen Rads 44 in dem Achslager 42 weist die äußere Umfangskante 46 des Wave Generators 40 eine elliptische Form auf, und daher muss R_GX die elliptische Parametergleichung (III) erfüllen: R_GXsinθ = W / 2
e = 0.001 × D_FX ~ 0.05 × D_FX
In der vorstehenden elliptischen Parametergleichung (III) ist R_GX der Krümmungsradius der äußeren Umfangskante 46 des Wave Generators 40 in der YZ-Ebene; W ist die Weite des Achslagers 42 des Wave Generators 40; D_FX ist der Innendurchmesser des flexiblen Zahnrads mit Außenverzahnung 30 vor der Verformung; e ist der Bogenkorrekturfaktor.
Ferner muss, nach dem Anordnen des elliptischen Rads 44 in dem Achslager 42 und vor dem Einfügen des Wave Generators 40 in das elliptische Rad 44 die große Halbachse a_x der äußeren Umfangskante 46 in der YZ-Ebene die Gleichung (II) erfüllen
und die Gleichung (III) a_x = A + T, in der: D_FX der Innendurchmesser des flexiblen Zahnrads mit Außenverzahnung 30 vor der Verformung ist; A die große Halbachse des elliptischen Rads 44 ist; T die Dicke des Achslagers 42 ist.

Daher kann durch die elliptischen Parametergleichungen (I) bis (III) und die Gleichungen (I) bis (III) der Krümmungsradius des Wave Generators 40 in der YZ-Ebene und der XY-Ebene R_GX und R_GZ sein. Durch die Beziehung zwischen R_GX und R_GZ kann die äußere Umfangskante 42 des Wave Generators 40 eingestellt werden, um die elliptische Krümmung zu optimieren. Nach der Anpassung ist die Kontaktfläche zwischen dem Wave Generator 40 und dem flexiblen Zahnrad mit Außenverzahnung 30 deutlich vergrößert, was das Problem des Reibverschleißes löst, der während der Kraftübertragung durch den Wave Generator 40 auftritt. Ferner wird, wie in 4 gezeigt, unter den gleichen experimentellen Bedingungen der Übetragungsfehler nach der Anpassung um 43.61% verringert, verglichen mit dem Fehler vor der Anpassung; bei der Hysterese wird eine Verringerung von 62.67% verglichen mit der Hysterese vor der Anpassung erzielt (siehe 5 und Tabelle II). Daher verbessert die Erfindung nach der Anpassung der Krümmung die Übetragungsgenauigkeit deutlich und verringert Hysteresefehler. Tabelle I

Übertragungsfehler	Maximum (Grad)	Minimum (Grad)	Bereich (Grad)	Verringerung (%)
Krümmung vor der Anpassung	0.276591	0.271301	0.005289
Krümmung nach der Anpassung	0.266773	0.26379	0.002983	43.61

Tabelle II

Hysterese	Maximum (Grad)	Minimum (Grad)	Bereich (Grad)	Verringerung (%)
Krümmung vor der Anpassung	0.0049495	–0.003408	0.008357
Krümmung nach der Anpassung	0.0014981	–0.001621	0.003119	62.67%

Andererseits kann der Kontaktdruck zwischen dem flexiblen Zahnrad mit Außenverzahnung 30 und dem Wave Generator 40 basierend auf dem Krümmungsradius R_GX und R_GZ ermittelt werden. Zunächst werden R_X und R_Z entsprechend aus Gleichung (IV):
und Gleichung (V) erhalten:
in denen R_X der Krümmungsradius der äußeren Umfangskante 46 des Wave Generators 40 in der YZ-Ebene vor dem Einfügen des elliptische Rads 44 ist; R_FX der Krümmungsradius des flexiblen Zahnrads mit Außenverzahnung 30 in der YZ-Ebene ist; R_Z der Krümmungsradius der äußeren Umfangskante 46 des Wave Generators 40 in der XY-Ebene ist; R_FZ der Krümmungsradius des flexiblen Zahnrads mit Außenverzahnung 30 in der XY-Ebene ist. Danach wird der äquivalente Krümmungsradius
mittels der Gleichung (VI) ermittelt:
Danach wird das äquivalente Elastizitätsmodul E, das angenäherte vollständige elliptische Integral
und der elliptische Parameter k_e erhalten, damit die große Achse des elliptischen Kontaktbereichs
und die große Achse der elliptischen Kontaktfläche
erfüllen, wobei das äquivalente Elastizitätsmodul
ist; das angenäherte vollständige elliptische Integral
der elliptische Parameter
W_Z die auf die äußere Umfangskante 46 des Wave Generators 40 wirkende Kontaktbelastung bei einem Eingreifen zwischen dem festen Zahnrad mit Innenverzahnung 20 und dem flexiblen Zahnrad mit Außenverzahnung 30 ist; V_a und E_a die Poissonzahl und das Elastizitätsmodul des flexiblen Zahnrads mit Außenverzahnung 30 sind; V_b und E_b die Poissonzahl und das Elastizitätsmodul des Wave Generators 40 sind. Zuletzt wird der Kontaktdruck durch die Gleichung (VII) erhalten:

Claims

Gleitkeilgetriebe (10), umfassend: Ein festes Zahnrad mit Innenverzahnung (20); ein flexibles Zahnrad mit Außenverzahnung (30), das drehbar innerhalb des festen Zahnrads mit Innenverzahnung (20) angeordnet ist; und einen Wave Generator (40), der drehbar innerhalb des flexiblen Zahnrads mit Außenverzahnung (30) angeordnet ist, wobei der Wave Generator (40) ein Achslager (42) und ein elliptisches Rad (44) umfasst, das in dem Achslager (42) angeordnet ist, wobei das Achslager (42) eine äußere Umfangskante (46) umfasst, die gegen einen inneren Umfang (34) des flexiblen Zahnrads mit Außenverzahnung (30) stößt, wobei der Krümmungsradius der äußeren Umfangskante (46) in der YZ-Ebene als R_GX,
definiert ist, wobei die Beziehung zwischen y_x und z_x die elliptische Parametergleichung erfüllt: y_x = {a_x + ca_x × (sin(4θ – (π/2)) + 1)} × sinθ, 0 ≤ θ ≤ 2π z_x = {b_x + cb_x × (sin(4θ – (π/2)) + 1)} × cosθ, 0 ≤ θ ≤ 2π worin a_x die große Halbachse der äußeren Umfangskante (46) des Achslagers (42) des Wave Generators (40) in der YZ-Ebene vor dem Einfügen des elliptischen Rads (44) ist; ca_x der Korrekturfaktor der großen Halbachse ist; b_x die kleine Halbachse der äußeren Umfangskante (46) des Achslagers (42) des Wave Generators (40) in der YZ-Ebene vor dem Einfügen des elliptischen Rads (44) ist; cb_x der Korrekturfaktor der kleinen Halbachse ist; und θ der Zentrifugalwinkel der äußeren Umfangskante (46) des Wave Generators (40) in der YZ-Ebene ist.
Gleitkeilgetriebe (10) nach Anspruch 1, worin der Krümmungsradius der äußeren Umfangskante (46) des Wave Generators (40) in der XY-Ebene als R_GZ,
definiert ist, wobei die Beziehung zwischen x_Z und y_Z die elliptische Parametergleichung erfüllt: x_z = {a_z + ca_z × (sin(4θ – (π/2)) + 1)} × sinθ, 0 ≤ θ ≤ 2π y_z = {b_z + cb_z × (sin(4θ – (π/2)) + 1)} × cosθ, 0 ≤ θ ≤ 2π in der a_z die große Halbachse der äußeren Umfangskante (46) des Achslagers (42) des Wave Generators (40) in der XY-Ebene ist; ca_z der Korrekturfaktor der großen Halbachse ist; b_z die kleine Halbachse der äußeren Umfangskante (46) des Achslagers (42) des Wave Generators (40) in der XY-Ebene ist; cb_z der Korrekturfaktor der kleinen Halbachse ist; und θ der Zentrifugalwinkel der äußeren Umfangskante (46) des Wave Generators (40) ist.
Gleitkeilgetriebe (10) nach Anspruch 1 oder 2, worin vor dem Anordnen des elliptischen Rads (44) in dem Achslager (42) die große Halbachse der äußeren Umfangskante (46) des Wave Generators (40) in der YZ-Ebene und der Innendurchmesser des flexiblen Zahnrads mit Außenverzahnung (30) die Beziehung
bilden, in der: D_FX der Innendurchmesser des flexiblen Zahnrads mit Außenverzahnung (30) vor der Verformung ist; wobei die große Halbachse der äußeren Umfangskante (46) des Wave Generators (40) in der YZ-Ebene, die große Halbachse des elliptischen Rads (44) und die Weite des Achslagers (42) die Beziehung a_x = A + T bilden, in der: a_x die große Halbachse der äußeren Umfangskante (46) des Achslagers (42) in der YZ-Ebene vor dem Einfügen des elliptischen Rads (44) ist; A der Innenradius des Achslagers (42) ist; T die Dicke des Achslagers (42) ist.
Gleitkeilgetriebe (10) nach Anspruch 3, worin der Krümmungsradius der äußeren Umfangskanten (46) des Wave Generators (40) in der YZ-Ebene, die Breite des Achslagers (42) des Wave Generators (40), der Innendurchmesser des flexiblen Zahnrads mit Außenverzahnung (30) vor der Verformung und der Bogenkorrekturfaktor die folgende Beziehung eingehen: R_GXsinθ = W / 2
e = 0.001 × D_FX ~ 0.05 × D_FX worin R_GX der Krümmungsradius der äußeren Umfangskante (46) des Wave Generators (40) in der YZ-Ebene ist; W die Breite des Achslagers (42) des Wave Generators (40) ist; D_FX der Innendurchmesser des flexiblen Zahnrads mit Außenverzahnung (30) vor der Verformung ist; und e der Bogenkorrekturfaktor ist.