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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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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 piattieren. 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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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.
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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.
