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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Wellengetriebevorrichtung
mit geringem Gewicht, die mit einem leichten Wellengenerator ausgestattet
ist.
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Beschreibung des Standes der
Technik
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In
Mechanismen zum Antreiben von Robotern und dergleichen verwendete
Untersetzungsgetriebe beinhalten eine Wellengetriebevorrichtung,
die von den vorliegenden Erfindern unter dem Eigennamen „harmonic
drive” hergestellt
und vertrieben wird. Eine typische Wellengetriebevorrichtung besitzt
ein starres, kreisförmiges
innenverzahntes Zahnrad bzw. Innenzahnrad, ein flexibles, kreisförmiges außenverzahntes
Zahnrad bzw. Außenzahnrad,
das in dem Innenzahnrad angeordnet ist, sowie einen Wellengenerator.
Der Wellengenerator weist einen starren, elliptischen Wellengetriebe-Einsatz
sowie ein Wellengenerator-Lager an dem Außenumfang des Wellengetriebe-Einsatzes
auf. Dadurch wird das flexible Außenzahnrad in eine elliptische
Gestalt gebogen, wodurch die Verzahnungsbereiche des flexiblen Außenzahnrads
an jedem Ende der elliptischen Hauptachse dazu gebracht werden,
mit den entsprechenden Zähnen
des starren Innenzahnrads zu kämmen. Wenn
der Wellengenerator durch einen Motor gedreht wird, bewegen sich
die Positionen, in denen die beiden Zahnräder miteinander kämmen, um
den Umfang herum, wodurch eine relative Rotation erzeugt wird, die
sich auf Grund der Differenz in der Anzahl von Zähnen ergibt. Im Allgemeinen
beträgt
die Differenz in der Anzahl von Zähnen bei den beiden Zahnrädern zwei;
bei Anbringung des Innenzahnrads an einem Antriebsgehäuse wird
die rotationsmäßige Ausgangsleistung
des Motors von dem externen Zahnrad abgenommen, wobei die Drehzahl
auf Grund der Differenz in der Anzahl von Zähnen stark vermindert wird.
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Die
vorliegenden Erfinder haben eine Reduzierung des Gewichts der derart
konfigurierten Wellengetriebevorrichtung durch Herstellen des starren
Innenzahnrads und des Wellengenerators aus einem leichten Metall,
wie z. B. Aluminiumlegierung, vorgeschlagen. Dies ist beispielsweise
offenbart in
JP-A Hei-10-318338 .
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Wenn
Aluminiumlegierung zum Herstellen der Wellengetriebevorrichtung
zum Reduzieren des Gewichts der Vorrichtung verwendet wird, weist
Aluminiumlegierung gute Wärmeabführeigenschaften
auf, so dass in dieser Hinsicht kein Problem besteht. Obwohl jedoch
Titanlegierung härter
und fester als Aluminiumlegierung ist, ist es nicht praktikabel,
eine Wellengetriebevorrichtung unter Verwendung von Titanlegierung
herzustellen, und zwar auf Grund der schlechten Wärmeabführeigenschaften
von Titanlegierung. Da insbesondere der Wellengenerator von dem
Motor mit einer hohen Drehzahl rotationsmäßig bewegt wird, bilden die
Reibungskontaktbereiche des Wellengetriebe-Lagers sowie die Reibungskontaktbereiche
zwischen dem Wellengenerator und dem Außenzahnrad die größte Wärmequelle
in der Wellengetriebevorrichtung. Wenn die Nabe und die starre Steuerflächenplatte,
die den Wellengetriebeeinsatz des Wellengenerators bilden, aus Titanlegierung
hergestellt sind, kommt es somit zu einem Überhitzen und Festfressen derselben.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer Wellengetriebevorrichtung
mit guten Wärmeabführeigenschaften,
die mit einem aus Titanlegierung gebildeten Wellengenerator versehen
ist.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Zur
Erzielung des vorstehenden sowie weiterer Ziele schafft die vorliegende
Erfindung eine Wellengetriebevorrichtung mit geringem Gewicht, mit
einem starren, kreisförmigen
Innenzahnrad, einem flexiblen, kreisförmigen Außenzahnrad und einem Wellengenerator,
der das Außenzahnrad
in partiellen Eingriff mit dem Innenzahnrad radial biegt und die
Position des Eingriffs zwischen den beiden Zahnrädern in Umfangsrichtung bewegt,
wobei der Wellengenerator eine kreisförmige Nabe, eine um einen Außenumfang
der Nabe herum ausgebildete starre Steuerflächenplatte sowie ein zwischen
einer Außenumfangsfläche der
starren Steuerflächenplatte
und einer Innenumfangsfläche
des Außenzahnrads
vorgesehenes Wellengetriebe-Lager aufweist, wobei von der Nabe und
der starren Steuerflächenplatte
wenigstens die starre Steuerflächenplatte
aus Titanlegierung gebildet ist, und wobei wenigstens ein Teil der
beiden Seiten der starren Steuerflächenplatte als mit Vorsprüngen versehene
Wärmeabführfläche ausgebildet
ist.
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Der
Wellengenerator, d. h. seine starre Steuerflächenplatte, ist das Eingangselement,
das mit hoher Drehzahl gedreht wird, so dass durch Ausbildung dieses
Bereichs als mit Vorsprüngen
versehene Wärmeabführfläche die
Wärmeabfuhr
verbessert werden kann.
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Die
Wärmeabführfläche kann
durch Ausbildung radial verlaufender Wärmeabführrippen gebildet sein. Auch
können
die Nabe und die starre Steuerflächenplatte
in Form einer Einzelkomponente aus Titanlegierung gebildet sein.
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Es
ist wünschenswert,
die Oberfläche
der starren Steuerflächenplatte
mit einer Wärme
abführenden Beschichtung
aus einem Material, wie z. B. Kupfer mit einem höheren Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten als Titanlegierung,
zu plattieren. Eine Plattierung der Oberfläche der Titanlegierung, die
keine gute Wärmeleitfähigkeit
besitzt, mit einem Metall, das gute Wärmeleitfähigkeit aufweist, trägt zum Erhöhen der
Wärmediffusion
bei und verbessert somit die Rate, mit der Wärme durch Kontaktteile abgeführt wird.
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Die
Oberflächenplattierung
kann eine Dicke im Bereich von 5 bis 50 μm aufweisen.
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Es
ist wünschenswert,
die zu plattierende Oberfläche
der starren Steuerflächenplatte
einer Oberflächenhärtung durch
Kugelstrahlen zu unterziehen. Dies ermöglicht eine Vergrößerung der
Oberfläche
der starren Steuerflächenplatte,
wodurch die Wärmeabfuhr
unterstützt
wird.
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Bei
der Wellengetriebevorrichtung mit leichtem Gewicht gemäß der vorliegenden
Erfindung ist eine Wärmeabführfläche an der
starren Steuerflächenplatte
des Wellengenerators ausgebildet, bei dem es sich um die größte Wärmequelle
handelt. Der Wellengenerator dreht sich mit hoher Drehzahl, so dass
durch eine Steigerung der Effizienz, mit der Wärme von diesem Teil abgestrahlt
wird, eine Überhitzung
verhindert werden kann. Es ist bevorzugt, die Wärmeabführeigenschaften weiter zu verbessern,
indem das Teil mit einem Material, wie z. B. Kupfer, mit guten Wärmeabführeigenschaften
plattiert wird.
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Weitere
Merkmale der Erfindung, ihre Ausführungsart sowie verschiedene
Vorteile werden aus den Begleitzeichnungen und der nachfolgenden
ausführlichen
Beschreibung der Erfindung noch deutlicher.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
eine Längsschnittansicht
einer becherförmigen
Wellengetriebevorrichtung, bei der die vorliegende Erfindung Anwendung
findet.
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2 zeigt
eine Frontansicht der Wellengetriebevorrichtung der 1.
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3A und 3B zeigen
eine fragmentarische Schnittansicht bzw. eine fragmentarische Frontansicht
von Teilen der starren Steuerflächenplatte
und der Nabe des Wellengenerators bei der Wellengetriebevorrichtung
der 1.
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BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNSBEISPIELS
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Die 1 und 2 zeigen
eine Längsschnittansicht
bzw. eine Frontansicht eines Beispiels einer becherförmigen Wellengetriebevorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung. Die becherförmige
Wellengetriebevorrichtung 1 weist ein starres, kreisförmiges innenverzahntes
Zahnrad bzw. Innenzahnrad 2, ein becherförmiges,
flexibles außenverzahntes
Zahnrad 3 bzw. Außenzahnrad 3,
das im Inneren des Innenzahnrads 2 angeordnet ist, sowie
einen starren elliptischen Wellengenerator 4 auf, der in
dem Außenzahnrad 3 angeordnet ist.
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Das
becherförmige
Außenzahnrad 3 besitzt
einen zylindrischen Körper 31,
eine kreisförmige
Membran 32, die sich von der Öffnung an dem einen Ende des
Körpers 31 radial
nach innen erstreckt, eine ringförmige
Erhebung 33, die in integraler Weise mit dem inneren Rand
der Membran 32 ausgebildet ist, sowie eine Außenverzahnung 34,
die auf dem Außenumfang
um die Öffnung
an dem anderen Ende des Körpers 31 ausgebildet
ist. Die Außenverzahnung 34 ist
dazu ausgebildet, mit einer Innenverzahnung 21 des Innenzahnrads 2 in
Eingriff zu treten. Der Wellengenerator 4 besitzt eine
kreisförmige
Nabe 41, eine starre, elliptische Steuerflächenplatte 42,
die in integraler Weise auf der Außenumfangsfläche der
Nabe 41 ausgebildet ist, sowie ein Wellengetriebe-Lager 43 auf
der Außenumfangsfläche der
starren Steuerflächenplatte 42.
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Der
Wellengenerator 4 biegt den Verzahnungsbereich des Außenzahnrads 3 in
eine elliptische Gestalt, wobei er einen an jedem Ende der elliptischen
Hauptachse befindlichen Bereich der Außenverzahnung in Eingriff mit
der entsprechenden Verzahnung 21 des Innenzahnrads 2 drückt. Wenn
der Wellengenerator durch einen Motor rotationsmäßig bewegt wird, bewegen sich
die Positionen, an denen die beiden Zahnräder 2 und 3 miteinander
kämmen,
um den Umfang herum, wodurch auf Grund der Differenz in der Anzahl
der Zähe eine
relative Rotation erzeugt wird. Im Allgemeinen beträgt die Differenz
in der Anzahl der Zähe
bei den beiden Zahnrädern 2 und 3 zwei
Zähne.
Das Innenzahnrad 2 ist an einem Antriebsgehäuse angebracht,
und die rotationsmäßige Ausgangsleistung
des Motors wird von dem Außenzahnrad 3 abgenommen,
wobei die Drehzahl auf Grund der Differenz in der Anzahl von Zähnen stark
reduziert wird.
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Bei
der becherförmigen
Wellengetriebevorrichtung 1 sind die Wellengeneratornabe 41 und
die starre Steuerflächenplatte 42 aus
einer Titanlegierung in Form einer einzigen Komponente ausgebildet.
Der Wellengenerator 4 macht mehr als die Hälfte des
Gewichts der Wellengetriebevorrichtung 1 aus, so dass die
Verwendung von Titanlegierung für
diese Teile eine starke Verminderung des Gewichts der Wellengetriebevorrichtung 1 ermöglicht.
Im Vergleich zu Aluminiumlegierung ist ein unter Verwendung von
Titanlegierung gebildeter Wellengenerator außerdem viel fester und dauerhafter.
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Wie
in den 3A und 3B gezeigt
ist, sind die Seitenflächen 45 und 46 der
starren Steuerflächenplatte 42 als
Wärmeabstrahlflächen ausgebildet,
und zwar durch Wärme
abführende
Rippen 45a und 46a, die in gleichen winkelmäßigen Intervallen
in sich radial erstreckender Weise angeordnet sind. Die Oberfläche der die
Nabe 41 und die starre Steuerflächenplatte 42 aufweisenden
Einzelkomponente besitzt eine Kupferplattierung 47 mit
einer Dicke im Bereich von 5 bis 50 μm. Bei der Plattierung 47 kann
es sich um ein beliebiges Material handeln, das einen höheren Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten
als die Titanlegierung aufweist. Die Oberfläche der Nabe 41 und
der starren Steuerflächenplatte 42 wird
zur Vergrößerung der
Oberfläche
kugelgestrahlt und erhält
dann die Kupferplattierung 47.
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Da
bei der Wellengetriebevorrichtung 1 die Nabe 41 und
die starre Steuerflächenplatte 42 des
Wellengenerators 4 aus Titanlegierung gebildet sind, wird
das Gewicht der Wellengetriebevorrichtung reduziert. Die Wärmeabführrippen 45a und 46a sind
an den Seiten 45 und 46 der starren Steuerflächenplatte 42 ausgebildet, und
die Oberflächen
derselben erhalten ebenfalls eine Kupferplattierung 47,
so dass die Wärmeabführeigenschaften
der starren Steuerflächenplatte 42 aus
Titanlegierung verbessert werden und eine Überhitzung dieses Teils verhindert
werden kann.
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Die
Tabelle 1 zeigt die Wärmeleitfähigkeit
sowie weitere Eigenschaften der verwendeten Titanlegierung und Kupfer
im Vergleich zu denen einer Aluminiumlegierung. Tabelle 1
| | Titanlegierung (Ti-6Al-4V) | Aluminiumlegierung (75S-T6) | Cu |
| Elastizitätsmodul
(kgf/mm2) | 11550 | 7280 | 11900 |
| Poissonscher
Beiwert | 0,3–0,33 | 0,33 | 0,34 |
| linearer
Ausdehnungskoeffizient (x10–6/C) | 8,9 | 23,1 | 16,8 |
| Wärmeleitfähigkeit (cal/cm2/s/C/cm) | 0,0177 | 0,294 | 0,923 |
| spezifische
Wärme (cal/g/C) | 0,135 | 0,23 | 0,09 |
| Härte (Hv) | 290–360 | 160 | 150–220 |
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Bei
dem vorstehenden Ausführungsbeispiel
handelt es sich um ein Beispiel der Erfindung, das bei einer becherförmigen Wellengetriebevorrichtung
angewendet wird. Das Außenzahnrad
der Erfindung kann auch bei einer hutförmigen Wellengetriebevorrichtung
angewendet werden. Das hutförmige
Außenzahnrad
beinhaltet einen zylindrischen Körper,
eine ringförmige
Membran, die radial als integraler Teil an einem Ende des Körpers ausgebildet
ist, sowie eine dicke Erhebung, die als integrale Fortsetzung des äußeren Rands
der Membran ausgebildet ist.
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Die
Wärmeabführfläche des
Wellengenerators ist nicht auf die unter Bezugnahme auf das bevorstehende
Ausführungsbeispiel
beschriebene Fläche
beschränkt
und kann auch eine andere Ausbildung aufweisen.
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Gemäß der Erfindung,
wie sie vorstehend beschrieben worden ist, sind Teile des Wellengenerators, die
mehr als die Hälfte
des Gewichts der Wellengetriebevorrichtung ausmachen und auch die
heißesten
Teile sind, aus einer leichten Titanlegierung gebildet und ferner
mit Oberflächenrippen
zum Abführen
der Wärme versehen.
Als Ergebnis hiervon lässt
sich eine leichte Wellengetriebevorrichtung mit einem Wellengenerator erzielen,
der Titanlegierung verwendet und auch gute Wärmeabführeigenschaften aufweist.