DE19750923A1

DE19750923A1 - Zahnradeinrichtung vom flexiblen Eingriffstyp

Info

Publication number: DE19750923A1
Application number: DE19750923A
Authority: DE
Inventors: Masaru Kobayashi; Yoshihide Kiyosawa
Original assignee: Harmonic Drive Systems Inc
Current assignee: Harmonic Drive Systems Inc
Priority date: 1996-05-17
Filing date: 1997-11-17
Publication date: 1999-05-20
Anticipated expiration: 2017-11-18
Also published as: JPH09303501A; JP3788527B2; US5934157A; DE19750923B4

Description

Die Erfindung betrifft eine Zahnradeinrichtung vom flexiblen Eingriffstyp, wobei die Zahnradeinrichtung ein hochverschleißfestes starres Zahnrad mit Innenverzahnung aufweist.

Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Zahnradeinrichtung vom flexiblen Eingriffstyp mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Eine typische Zahnradeinrichtung vom flexiblen Eingriffstyp weist ein ringförmiges starres Zahnrad mit Innenverzahnung, ein verformbares Zahnrad mit Außenverzahnung, das innerhalb des ringförmigen starren Zahnrads mit Innenverzahnung angeordnet ist, und einen Wellengenerator zum Verformen des verformbaren Zahnrads mit Außenverzahnung, beispielsweise Verformen in ein Ellipsoid, auf, um dieses mit dem starren Zahnrad mit Innenverzahnung teilweise in Eingriff zu bringen. Der Wellengenerator wird durch einen Motor angetrieben, um die zwischen den Zahnrädern in Eingriff befindlichen Bereiche in Umfangsrichtung zu bewegen, so daß eine relative Drehung zwischen diesen Zahnrädern gemäß der Differenz in der Zähnezahl zwischen den Zahnrädern erfolgt.

Das ringförmige starre Zahnrad mit Innenverzahnung ist normalerweise an einem Gehäuse der Einrichtung befestigt, wobei eine relative Ausgangsdrehung von dem verformbaren Zahnrad mit Außenverzahnung erzeugt wird. Typischerweise beträgt die Differenz in der Zähnezahl zwischen den Zahnrädern 2n (n = positive ganze Zahl) und beispielsweise ist die Zähnezahl des verformbaren Zahnrads mit Außenverzahnung um zwei geringer als diejenige des ringförmigen starren Zahnrads mit Innenverzahnung. In diesem Fall ist das Untersetzungsverhältnis der Zahnradeinrichtung vom flexiblen Eingriffstyp durch die folgende Gleichung ausgedrückt:

i = 1/R
= (Zf-Zc)/Zf
= -2/Zf,

worin Zc = Zähnezahl des ringförmigen starren Zahnrads mit Innenverzahnung und
Zf = Zähnezahl des verformbaren Zahnrads mit Außenverzahnung.

Unter der Voraussetzung, daß Zc = 202 und Zf = 200, wird das Untersetzungsverhältnis i = -1/100, worin das Symbol bedeutet, daß die Richtung der Ausgangsdrehung zu derjenigen der Eingangsdrehung entgegengesetzt ist, während das Symbol "+" bedeutet, daß die Richtung der Ausgangsdrehung dieselbe wie diejenige der Eingangsdrehung ist.

Bei einer Zahnradeinrichtung vom flexiblen Eingriffstyp werden die entsprechenden äußeren Zähne des verformbaren Zahnrads mit Außenverzahnung wiederholt in der radialen Richtung verformt, um mit den inneren Zähnen des starren Zahnrads mit Innenverzahnung intermittierend in Eingriff zu kommen. Infolgedessen erleiden die Zähne beider Zahnräder eine wesentlich stärkere Abnutzung als diejenige von gewöhnlichen Zahnradgetriebemechanismen. Um die Verschleißfestigkeit einer Zahnradeinrichtung vom flexiblen Eingriffstyp zu erhöhen, ist es erforderlich, das Zahnrad mit Innenverzahnung und das Zahnrad mit Außenverzahnung mit einer hohen Verschleißfestigkeit zu versehen. Jedoch ist eine zufriedenstellende Oberflächenbehandlung, welche bei dem Zahnrad mit Innenverzahnung sowie dem Zahnrad mit Außenverzahnung angewendet werden kann, um die Verschleißfestigkeit des Zahnrads mit Innenverzahnung sowie des Zahnrads mit Außenverzahnung zu verbessern, bisher nicht vorgeschlagen worden, ohne hierdurch Mängel zu verursachen, z. B. Verschlechterung der dimensionsmäßigen Genauigkeit der Zahnräder, Herabsetzung der Ermüdungsfestigkeit des verformbaren Zahnrads mit Außenverzahnung und dergleichen mehr.

Mit Rücksicht auf den wie oben geschilderten Stand der Technik besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Zahnradeinrichtung vom flexiblen Eingriffstyp zu schaffen, welche sich durch eine hohe Verschleißfestigkeit auszeichnet. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Zahnradeinrichtung vom flexiblen Eingriffstyp zu schaffen, welche ein hochverschleißfestes Zahnrad mit Innenverzahnung sowie ein hochverschleißfestes Zahnrad mit Außenverzahnung aufweist, ohne daß die dimensionsmäßige Genauigkeit der Zähne beider Zahnräder verschlechtert würde. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Zahnradeinrichtung vom flexiblen Eingriffstyp zu schaffen, welche sowohl ein Zahnrad mit Innenverzahnung mit hoher Verschleißfestigkeit als auch ein Zahnrad mit Außenverzahnung min hoher Verschleißfestigkeit aufweist, ohne daß die Ermüdungsfestigkeit des Zahnrads mit Außenverzahnung vermindert würde.

Zur Lösung der oben definierten Erfindungsaufgaben wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Zahnradeinrichtung vom flexiblen Eingriffstyp vorgeschlagen, welche aufweist: Ein ringförmiges starres Zahnrad mit Innenverzahnung, das an einer Innenumfangsseite innere Zähne aufweist, ein verformbares Zahnrad mit Außenverzahnung, das an einer Außenumfangsseite äußere Zähne aufweist, wobei die äußeren Zähne mit den inneren Zähnen in Eingriff kommen können, sowie einen Wellengenerator zum Verformen des verformbaren Zahnrads mit Außenverzahnung in radialer Richtung, damit dessen äußeren Zähne mit den inneren Zähnen des starren Zahnrads mit Innenverzahnung teilweise in Eingriff kommen, und zum Bewegen der in Eingriff befindlichen Bereiche der Zähne in Umfangsrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß lediglich die inneren Zähne des starren Zahnrads mit Innenverzahnung mit einer Metallplattierbeschichtung versehen sind.

Als Metallplattierung kann eine elektrolytische oder stromlose Plattierung von Ni, Cr und dergleichen zur Anwendung kommen. Statt dessen kann eine Dispersions-PTFE-Metallplattierbeschichung verwendet werden.

Die Dicke der Metallplattierbeschichtung liegt vorzugsweise in dem Bereich von 2 Mikrometer bis 20 Mikrometer. Die Beschichtungshärte der Metallplattierbeschichtung ist insbesondere im Bereich von -100 Hv bis +100 Hv (Vickershärte) in bezug auf die Oberflächenhärte der äußeren Zähne des verformbaren Zahnrads mit Außenverzahnung. Die Beschichtungshärte liegt vorzugsweise im Bereich -50 Hv bis +50 Hv.

Gemäß einem anderen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist das Zahnprofil der inneren Zähne des starren Zahnrads mit Innenverzahnung vor dem Metallplattieren gegenüber einem erwünschten Zahnprofil der inneren Zähne so modifiziert, daß ein durch eine Oberfläche der inneren Zähne definiertes Zahnprofil nach dem Metallplattieren dem erwünschten Zahnprofil der inneren Zähne entspricht.

Aufgrund der vorliegenden Erfindung kann, weil die inneren Zähne des Zahnrads mit Innenverzahnung ein modifiziertes Zahnprofil unter Berücksichtigung der Dicke der Metallplattierbeschichtung an den inneren Zähnen aufweisen, ein präziser Eingriff zwischen dem Zahnrad mit Innenverzahnung und dem Zahnrad mit Außenverzahnung aufrechterhalten werden, nachdem die inneren Zähne des Zahnrads mit Innenverzahnung der Metallplattierung unterworfen worden sind.

Die vorliegende Erfindung wird nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Längsschnittansicht einer Zahnradeinrichtung vom flexiblen Eingriffstyp sowie vom Zylinderhuttyp;

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht der Zahnradeinrichtung nach Fig. 1; und

Fig. 3 einen Bereich der inneren Zähne des Zahnrads mit Innenverzahnung in vergrößerter Darstellung.

Wie aus Fig. 1 und 2 zu ersehen ist, ist eine Zahnradeinrichtung 1 vom flexiblen Eingriffstyp im Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine Zahnradeinrichtung von einem Zylinderhuttyp, welche ein ringförmiges starres Zahnrad mit Innenverzahnung 2 mit inneren Zähnen 21, die an der Innenumfangsseite des Zahnrads 2 gebildet sind, ein verformbares Zahnrad mit Außenverzahnung 3 mit äußeren Zähnen 31, die mit den inneren Zähnen 21 kämmen können und an der Außenumfangsseite des Zahnrads 3 gebildet sind, sowie einen Wellengenerator 4 mit elliptischem Profil aufweist.

Das verformbare Zahnrad mit Außenverzahnung 3 ist von einer zylinderhutförmigen Gestalt und weist einen ringförmigen Körper 32, eine kreisförmige Membrane 33, die sich nach auswärts und radial von einem offenen Ende des Körpers 32 aus erstreckt, sowie eine kreisförmige Nabe 34 auf, die an dem äußeren Umfangsende der Membrane 33 einstückig ausgebildet ist. Die äußeren Zähne 31 sind an der Außenumfangsseite des Körpers 32 an seiner anderen offenen Endseite ausgebildet.

Das verformbare Zahnrad mit Außenverzahnung 3 wird in ein Ellipsoid verformt, damit seine äußeren Zähne 31, die an einer Hauptachse des Ellipsoids angeordnet sind, mit den inneren Zähnen 21 in Eingriff kommen. Bei einer typischen Anwendung, bei welcher das Zahnrad mit Innenverzahnung 2 fest ist und der Wellengenerator 4 mit einem Motor verbunden ist, wird von dem Zahnrad mit Außenverzahnung 3 in Übereinstimmung mit der Differenz in der Zähnezahl zwischen dem Zahnrad mit Innenverzahnung und dem Zahnrad mit Außenverzahnung ein Rotationsausgang mit einer erheblich reduzierten Drehzahl abgeleitet. Untersetzungsmechanismen dieses Typs von Zahnradgetrieben sind wohl bekannt, so daß in dieser Beschreibung auf deren nähere Erläuterung verzichtet wird.

Bei Betrieb werden die entsprechenden äußeren Zähne 31 des verformbaren Zahnrads mit Außenverzahnung 3 wiederholt in der radialen Richtung während der Drehung des Wellengenerators 4 verformt. Infolgedessen sind die inneren Zähne 21 sowie die äußeren Zähne 31 starken Verschleißbedingungen unterworfen.

In Übereinstimmung mit der Zahnradeinrichtung 1 vom flexiblen Eingriffstyp gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind lediglich die inneren Zähne 21 des starren Zahnrads mit Innenverzahnung 2 an diesem mit einer Metallplattierbeschichtung 21a versehen. Als Metallplattierung kann ein elektrolytisches oder stromloses Plattieren von Nickel (Ni), Chrom (Cr) und dergleichen angewendet werden. Alternativ hierzu kann eine Dispersions-PTFE-Metallplattierbeschichtung angewendet werden. Die Dicke der Beschichtung 21a liegt vorzugsweise in dem Bereich von 2 bis 20 Mikrometer. Ferner ist die Beschichtungshärte der Metallplattierbeschichtung 21a vorzugsweise in dem Bereich von -100 Hv bis +100 Hv als Vickershärte in bezug auf die Oberflächenhärte der äußeren Zähne 31 des verformbaren Zahnrads mit Außenverzahnung 3 und noch mehr bevorzugt in dem Bereich von -50 bis +50 Hv.

Die Erfinder zur vorliegenden Anmeldung haben eine Vielzahl von Versuchen durchgeführt, um die Verschleißfestigkeitseigenschaften der inneren Zähne bzw. der äußeren Zähne des Zahnrads 2 bzw. 3 zu ermitteln, wobei in Übereinstimmung mit diesen Versuchen festgestellt worden ist, daß dann, wenn lediglich das starre Zahnrad mit Innenverzahnung 2 metallplattiert ist, die Verschleißfestigkeit sowohl der inneren Zähne 21 als auch der äußeren Zähne 31 erheblich verbessert wird, während die Ermüdungsfestigkeit beider Zahnräder 2, 3 aufrechterhalten wird. Insbesondere hat man ermittelt, daß der Zahnbereich des Zahnrads mit Außenverzahnung 3 in einem bevorzugten Zustand hinsichtlich seiner Ermüdungsfestigkeit aufrechterhalten wird.

In der Tabelle 1 sind die Ergebnisse eines Beispiels von durch die Erfinder durchgeführten Versuchen angegeben, wobei eine Zahnradeinrichtung vom flexiblen Eingriffstyp untersucht worden ist und wobei es sich hierbei um eine Zahnradeinrichtung handelt, welche durch das Produkt Nr. CSF-40-100-2A-GR identifiziert wird, das durch denselben Rechtsnachfolger bezüglich der vorliegenden Erfindung hergestellt wird. Wie sich aus Tabelle 1 ersehen läßt, ist die Verschleißfestigkeit der Zahnradeinrichtung vom flexiblen Eingriffstyp gemäß der vorliegenden Erfindung außerordentlich verbessert.

Tabelle 1

Dauerhaftigkeitstest bei schwankender Last (getestetes Produkt: CSF-40-100-2A-GR/Schmiermittel: Fett)

Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist, wie in Fig. 3 gezeigt, das Zahnprofil 211 der inneren Zähne 21 vor dem Metallplattieren unter Berücksichtigung der Dicke t der Metallplattierbeschichtung 21a in der Weise modifiziert, daß ein Zahnprofil 212, das durch die Oberfläche der Beschichtung 21a an den inneren Zähnen 21 definiert ist, nach dem Metallplattieren einem erwünschten Zahnprofil entspricht, um ein genaues Kämmen zwischen den inneren Zähnen 21 und den äußeren Zähnen 31 zu erzeugen.

Fig. 3 veranschaulicht beispielsweise einen Fall, in welchem die Metallplattierbeschichtung 21a im wesentlichen die selbe Dicke an ihren entsprechenden Bereichen aufweist. In diesem Fall sind die inneren Zähne 21 so hergestellt, daß sie das Zahnprofil 211 aufweisen, wie durch eine Kurve definiert, die zu derjenigen ähnlich ist, welche das erwünschte Zahnprofil 212 definiert.

Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel entspricht das Zahnprofil 212 der inneren Zähne 21 nach dem Metallplattieren dem erwünschten Zahnprofil, um ein genaues Kämmen der Zähne zwischen dem Zahnrad mit Innenverzahnung und dem Zahnrad mit Außenverzahnung zu gewährleisten. Infolgedessen kann ein genauer Eingriff zwischen den beiden Zahnrädern aufrechterhalten werden, nachdem das Zahnrad mit Innenverzahnung dem Metallplattieren unterworfen worden ist. Im Gegensatz hierzu wird einem genauen Eingriff der Zahnräder keine Aufmerksamkeit geschenkt, nachdem die Zahnräder oberflächenbehandelt sind, um die Verschleißfestigkeit bei einer herkömmlichen Zahnradeinrichtung vom flexiblen Eingriffstyp zu verbessern, und infolgedessen kann hier ein genauer Eingriff der Zahnräder nach deren Oberflächenbehandlung nicht gewährleistet werden, insbesondere dann, nachdem die Zahnräder hieran mit einer verschleißfesten Beschichtung dicker als 2 Mikrometer ausgebildet worden sind.

Wie oben erläutert, kann gemäß der vorliegenden Erfindung eine Zahnradeinrichtung vom flexiblen Eingriffstyp mit einer hohen Verschleißfestigkeit realisiert werden, während eine hohe Ermüdungsfestigkeit des verformbaren Zahnrads mit Außenverzahnung und ein genauer Eingriff der Zahnräder aufrechterhalten wird.

Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf eine Zahnradeinrichtung vom flexiblen Eingrifftyp sowie vom Zylinderhuttyp erläutert worden ist, so kann sie ebenfalls bei anderen Arten von Zahnradgetrieben vom flexiblen Eingriffstyp mit einem unterschiedlich gestalteten, verformbaren Zahnrad mit Außenverzahnung zur Anwendung gelangen. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung auch bei einer verformbaren Zahnradeinrichtung mit Außenverzahnung von einem Topftyp zur Anwendung kommen, wobei diese Einrichtung ein topfförmiges, verformbares Zahnrad mit Außenverzahnung aufweist.

Claims

1. Zahnradeinrichtung vom flexiblen Eingriffstyp, aufweisend: ein ringförmiges starres Zahnrad mit Innenverzahnung, das an einer Innenumfangsseite innere Zähne aufweist, ein verformbares Zahnrad mit Außenverzahnung, das an einer Außenumfangsseite äußere Zähne aufweist, wobei die äußeren Zähne mit den inneren Zähnen in Eingriff kommen können, und einen Wellengenerator zum Verformen des verformbaren Zahnrads mit Außenverzahnung in einer radialen Richtung, um dessen äußeren Zähne teilweise mit den inneren Zähnen des starren Zahnrads mit Innenverzahnung in Eingriff zu bringen, und zum Bewegen der in Eingriff befindlichen Bereiche der Zähne in Umfangsrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß lediglich die inneren Zähne (21) des starren Zahnrads mit Innenverzahnung (2) mit einer Metallplattierbeschichtung (21a) versehen sind.

2. Zahnradeinrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Metallplattierbeschichtung (21a) durch ein elektrolytisches oder stromloses Plattieren von Nickel, Chrom und dergleichen gebildet ist.

3. Zahnradeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, welcher die Metallplattierbeschichtung (21a) durch eine Dispersions-PTFE- Metallplattierbeschichtung gebildet ist.

4. Zahnradeinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei welcher die Dicke der Metallplattierbeschichtung (21a) im Bereich von 2 bis 20 Mikrometer liegt.

5. Zahnradeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Beschichtungshärte der Metallplattierbeschichtung (21a) in dem Bereich von -100 bis +100 Hv als Vickershärte in bezug auf eine Oberflächenhärte der äußeren Zähne (31) des verformbaren Zahnrads mit Außenverzahnung (3) liegt.

6. Zahnradeinrichtung nach Anspruch 5, bei welcher die Beschichtungshärte der Metallplattierbeschichtung (21a) in dem Bereich von -50 bis +50 Hv liegt.

7. Zahnradeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher ein Zahnprofil der inneren Zähne (21) des starren Zahnrads mit Innenverzahnung (2) vor dem Metallplattieren gegenüber einem erwünschten Zahnprofil der inneren Zähne 50 modifiziert ist, daß ein durch eine Oberfläche der inneren Zähne definiertes Zahnprofil nach dem Metallplattieren im wesentlichen dem erwünschten Zahnprofil der inneren Zähne entspricht, um einen genauen Eingriff zwischen dem Zahnrad mit Innenverzahnung (2) und dem Zahnrad mit Außenverzahnung (3) zu gewährleisten.