DE69212703T2

DE69212703T2 - Spannungswellengetriebe mit einem kurzen, flexiblen Becher-Element

Info

Publication number: DE69212703T2
Application number: DE69212703T
Authority: DE
Inventors: Yoshihide Kiyosawa; Takahiro Oukura; Noboru Takizawa; Yoshito Yamamoto
Original assignee: Harmonic Drive Systems Inc
Current assignee: Harmonic Drive Systems Inc
Priority date: 1991-05-20
Filing date: 1992-05-19
Publication date: 1997-03-13
Anticipated expiration: 2012-05-20
Also published as: DE69212703T3; ES2091361T3; JPH04128558U; JP2535503Y2; DE69212703D1; KR100226159B1; EP0514829B1; CA2069072A1; KR920021897A; EP0514829A2; EP0514829B2; US5269202A; ES2091361T5; CA2069072C; EP0514829A3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen harmonischen Antrieb vom Topftyp gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein harmonischer Antrieb dieses Typs ist aus der DD-A-2 1 75 91 bekannt. Er weist ein starres ringförmiges Verzahnungsteil, ein topfförmiges, verformbares Verzahnungsteil, das 2n (wobei n eine positive ganze Zahl ist) weniger Zähne als das ringförmige Verzahnungsteil aufweist und innerhalb des ringförmigen Verzahnungsteils angeordnet und zu einer elliptischen Gestalt verformt ist, um an zwei Stellen an dem ringförmigen Verzahnungsteil anzugreifen, sowie einen Wellengenerator auf, der innerhalb des verformbaren Verzahnungstelis angeordnet ist, um dieses zu verformen. Die Nabe des verformbaren Elements des bekannten harmonischen Antriebs ist nicht eindeutig definiert.
Ein Drehen der Eingangswelle des Wellengenerators dreht die elliptische Gestalt des verformbaren Verzahnungsteils und verursacht, daß sich das verformbare Verzahnungsteil und das ringförmige Verzahnungsteil relativ zueinander proportional zu der Differenz in der Anzahl ihrer Zähne drehen. Wenn das eine der Verzahnungsteile, d.h. entweder das ringförmige Verzahnungsteil oder das verformbare Verzahnungsteil, feststehend ist und das andere der Verzahnungsteile mit einer Ausgangswelle ververbunden ist, wird die Ausgangswelle mit einer erheblich reduzierten Drehzahl relativ zu der Eingangswelle rotieren. Aufgrund dieser Fähigkeit, ein großes Untersetzungsverhältnis bei lediglich einer geringen Anzahl von Maschinenelementen zu erzeugen, finden harmonische Zahnradantriebe weitgehend Anwendung bei Präzisionsmaschinen und dergleichen.
Darüber hinaus sind harmonische Zahnradantriebe beispielsweise in der US-A-2 906 143, der US-A-4 823 638 und der US-A-4 974 470 offenbart.
Wie in Fig. 1 veranschaulicht, in der eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt ist, weist das topfförmige, verformbare Verzahnungsteil 3 des harmonischen Zahnradantriebs 1 vom Topftyp einen Büchsenbereich 31, einen scheibenförmigen Membranbereich 32, der einstückig mit dem einen Ende des Büchsenbereichs 31 verbunden ist, um den Topfboden zu definieren, sowie einen dicken Nabenbereich 33 auf, der an dem mittleren Bereich der Membrane 32 einstückig ausgebildet ist. Die Zähne 34 des verformbaren Verzahnungsteils sind an der Außenfläche in Nachbarschaft zu dem offenen Ende des Büchsenbereichs 31 ausgebildet. Bei Betrieb wird das verformbare Verzalmungsteil 3 wiederholt in der radialen Richtung an der Seite seines offenen Endes mit Hilfe des Wellengenerators 4 verformt. Der Büchsenbereich 31 und der Membranbereich 32 dienen als eine Art von flexibler Kupplung, um die Verformung des Zähnebereichs der Büchse zu absorbieren, welche durch den Wellengenerator 4 zu einem Ellipsoid verformt wird. Das Ausmaß der elliptischen Verformung des Zahnbereichs wird im allgemeinen im Hinblick auf den Mechanismus auf der Grundlage des Untersetzungsverhältnisses bestimmt. Somit ist bei den herkömmlichen harmonischen Zahnradantrieben das Verhältnis des Teilkreisdurchmessers des Zahnbereichs zu der axialen Länge des verformbaren Verzahnungsteils etwa 1:1. Eine Verminderung der axialen Länge des verformbaren Verzahnungsteils verursacht eine Zunahme des Abbiegewinkels des verformbaren Verzahnungsteils 3, wie in Fig. 10 gezeigt. Die Zunahme in dem Abbiegewinkel verursacht, daß die Biegebeanspruchung, die wiederholt bei der Membrane 32 auftritt, erhöht wird, und sie verursacht ebenfalls, daß der Eingriffsbereich zwischen den Zähnen der Verzahnungsteile vermindert wird. Diese verschlechtern die Festigkeit des harmonischen Zahnradantriebes. Hinzu kommt, wie in Fig. 19 ver anschaulicht, daß die Fehlausrichtung der Anordnung des verformbaren Verzahnungsteils die Leistungsfähigkeit des harmonischen Zahnradantriebes erheblich verschlechtern wird.
Ferner verursacht eine Vergrößerung des Abbiegewinkels des verformbaren Verzahnungsteils, daß der Eingriffsbereich der Zähne zwischen dem verformbaren Verzahnungsteil und dem ringförmigen Verzaßnungsteil verschoben wird. Wie in Fig. 11 veranschaulicht, wo der Abbiegewinkel 0 ausreichend klein ist, gelangen die Zähne des verfonnbaren Verzahnungsteils mit denjenigen des ringförmigen Verzahnungsteils in dem Bereich A in Eingriff, welcher durch diagonal gezeichnete Linien gekennzeichnet ist. Das Wellenlager 43 ist im wesentlichen in Übereinstrmrnung mit diesem Eingriffsbereich A positioniert. Im Gegensatz hierzu kommen, wenn der Abbiegewinkel größer ist, die Zähne des verformbaren Verzahnungstelis lediglich an ihrem Endseitenbereich mit denjenigen des ringförmigen Verzahnungsteils in dem geringen Ausmaß des Eingriffsbereichs A in Eingriff, wie in Fig. 12 gezeigt. Daher wird der Eingriffsbereich A von der Position, wo das Wellenlager 43 angeordnet ist, verschoben. Unter dieser Bedingung kann, weil das Eingreifen der Zähne zwischen dem verformbaren Verzahnungsteil und dem ringförmigen Verzahnungsteil nicht länger durch das Wellenlager genau gestützt oder aufrechterhalten wird, eine korrekte Drehmomentübertragung durch den Eingriffsbereich nicht erwartet werden. Beim Stand der Technik ist ein Problem dieser Art nicht vollständig erkannt worden und so ist auch kein Vorschlag gemacht worden, um dieses Problem zu lösen.
Dementsprechend besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen harmonischen Antrieb vom Topftyp in der in dem Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Art zu schaffen, wobei dieser harmonische Antrieb ein topfförmiges, verformbares Element mit einer verbesserten Ausgestaltung aufweist, so daß ein kompakter, harmonischer Antrieb mit einem kürzeren, verformbaren Verzahnungsteil leicht realisiert werden kann.
Dies wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 erreicht.
Die vorliegende Erfindung sieht einen harmonischen Antrieb vor, bei welchem ein ringförmiges, starres Element und ein verformbares Element des Antriebs korrekt ineinander eingreifen, selbst wenn ein kürzeres verformbares Element genommen wird.
Der Membranbereich wird vorzugsweise wie folgt ausgebildet: Das Außenprofil des Membranbereichs wird, wenn in einer Ebene betrachtet, welche die Achse des verformbaren Elements enthält, durch eine Mehrzahl von Kurven mit einer unterschiedlichen Krümmung definiert. Diese Kurven sind, von einer Kurve mit einer stärkeren Krümmung an, von dem Wurzelbereich zu dem Büchsenbereich des Membranbereichs angeordnet, so daß die Stärke der Membrane sich von der Innenseite zur Außenseite in radialer Richtung allmählich vermindert.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Büchsenbereich des verformbaren Elements einen dünnen Bereich in Nachbarschaft zu dem Membranbereich auf, wobei die Stärke dieses dünnen Bereichs verglichen mit derjenigen des benachbarten Büchsenbereichs leicht vermindert ist, wenn in einer Ebene betrachtet wird, welche die Achse des verformbaren Elements enthält.
Die vorliegende Erfindung wird vorzugsweise bei einem harmonischen Zahnradantrieb vom Topftyp verwendet, wobei dieser Antrieb vorzugsweise ein starres, ringförmiges Verzahnungsteil, ein topfförmiges, verformbares Verzahnungsteil, das innerhalb des ringförmigen Verzahnungsteils angeordnet ist, sowie eine Wellengeneratoreinrichtung aufweist, die innerhalb des verformbaren Verzahnungsteils angeordnet ist, um das verformbare Verzahnungsteil radial zu verformen, damit es mit dem ringförmigen Verzahnungsteil teilweise in Eingriff kommt, und um die in Eingriff befindlichen Bereiche zu drehen, um eine relative Drehung zwischen dem ringförmigen Verzahnungsteil und dem verformbaren Verzahnungsteil zu erzeugen. Das verformbare Verzahnungsteil weist einen Büchsenbereich, einen scheibenförmigen Membranbereich, der mit einem Ende des Büchsenbereichs einstückig verbunden ist, und einen dicken Nabenbereich auf, der an dem Zentrum des Membranbereichs ausgebildet ist. Der Membranbereich ist gemäß der vorliegenden Erfindung gestaltet, wie oben erwähnt. In bevorzugter Weise ist der Büchsenbereich mit einem dünnen Bereich in Nachbarschaft zu dem Membranbereich versehen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform eines harmonischen Zahnradantriebes vom Topftyp gemäß der vorliegenden Erfindung ist die tragende äußere Fläche der Wellengeneratoreinrichtung zum Tragen des verformbaren Verzahnungstells im wesentlichen in übereinstimmung mit dem Bereich des Eingreifens der Zähne zwischen dein verformbaren Verzahnungsteil und dem ringförmigen Verzahnungsteil positioniert. Insbesondere ist das Zentrum der tragenden Fläche des Wellengenerators in der Weise positioniert, daß es sich im wesentlichen in Übereinstimmung mit dem Zentrum des Bereichs des Eingreifens der Zähne zwischen dem verformbaren Verzahnungsteil und dem ringförmigen Verzahnungsteil befindet.
Im allgemeinen ist das Zentrum der tragenden Fläche der Wellengeneratoreinrichtung innerhalb des Bereichs einer Hälfte der Zahnbreite des verformbaren Verzahnungstells positioniert, welcher von dem offenen Ende des verformbaren Verzahnungsteils entlang der Richtung der Zahnbreite gemessen wird.
Vorzugsweise ist, wenn der Abbiegewinkel des verformbaren Verzahnungsteils θ ist und der Teilkreisdurchmesser der Zähne des verformbaren Verzahnungsteils D ist, das Zentrum der tragenden Fläche des Wellengenerators so positioniert, daß der Abstand L1 des Zentrums von dem offenen Ende des verformbaren Verzahnungsteils in dem Bereich von etwa 3D * tan θ bis etwa 10D * tan θ liegt. In noch bevorzugterer Weise ist der Abstand L1 gleich oder geringer als D/10.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform eines harmonischen Zahnradantriebs vom Topftyp gemäß der vorliegenden Effindung ist die Zahnform eines jeden der Verzallnungsteile in Übereinstimmung mit einer Abbildungskurve ausgebildet, welche eine Mmiichkeitstransformation mit einem verkleinerten Maßstab von 1/2 ist, welche auf eine Bewegungsortskurve des verformbaren Verzahnungsteils zu dem ringförmigen Verzahnungsteil in Übereinstimmung mit der Konfiguration des Wellengenerators angewendet wird, wobei die Transformation an einem Bezugspunkt bewirkt wird, an dem die Verzahnungsteile von dem Zustand der Berührung zu einem Zustand der Lösung voneinander überführt werden. Somit kommen die Zähne des verformbaren Verzahnungstejis mit denjenigen des ringförmigen Verzahnungsteils in dem breiten Ausmaß des Eingriffsbereichs in Eingriff. Dieses Zahnformprofil ist in dem oben erwähnten US-Patent Nr.4 823 638 für Ishikawa offenbart, wobei der Inhalt dieses Patents durch Hinweis auf dieses hierin mit einbezogen wird.
Um einen gleichförmigen Eingriff zwischen den Zähnen des verformbaren Verzahnungsteils und des ringförmigen Verzahnungsteils zu erzielen, wird es zusätzlich bevorzugt, daß jeder der Zähne des verformbaren Verzahnungsteils bis zu einem gewissen Maße auf beiden Seiten des Zahnes freigearbeitet ist.
Die vorangehenden und weiteren Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nunmehr im einzelnen in Verbindung mit veranschaulichten Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Längsschnittansicht eines harmonischen Zahnradantriebs der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist eine Vorderansicht des harmonischen Zahnradantriebs gemaß Fig. 1;
Fig. 3 ist eine teilweise Längsschnittttnsicht eines verformbaren Verzahnungsteils des harmonischen Zahnradantriebs gemäß Fig. 1;
Fig. 4 ist eine teilweise Schnittansicht des verformbaren Verzahnungsteils der Fig. 3 in einem vergrößerten Maßstab;
Fig. 5 bis 8 zeigen grafische Darstellungen von Spannungsverteilungs Kurven von verformbaren Verzahnungsteilen;
Fig. 9 ist eine teilweise Schnittansicht eines verformbaren Verzahnungsteils;
Fig. 10 zeigt den Abbiegewinkel eines verformbaren Verzahnungsteils;
Fig. 11 zeigt den Eingriffsbereich des verformbaren Verzahnungsteils und des ringförmigen Verzahnungsteils eines harmonischen Zahnradantriebes, bei welchem der Abbiegewinkel des verformbaren Verzahnungsteils klein ist;
Fig. 12 zeigt den Eingriffsbereich des verformbaren Verzahnungsteils und des ringförmigen Verzahnungsteils eines harmonischen Zahnradantriebes, bei welchem der Abbiegewinkel des verforinbaren Verzahnungsteils groß ist;
Fig. 13 ist eine teilweise Schnittansicht eines verformbaren Verzahnungsteils;
Fig. 14 zeigt einen Eingriff zwischen einem verformbaren Verzahnungsteil und einem ringförmigen Verzahnungsteil;
Fig. 15 bis 17 sind grafische Darstellungen zur Veranschaulichung der Zahneingriffsbedingungen eines verformbaren Verzahnungstelis und eines ringförmigen Verzahnungsteils;
Fig. 18 zeigt ein Beispiel eines freigearbeiteten Zahnprofils;
Fig. 19(A) und 19(B) zeigen jeweils eine Fehlausrichtung der Anordnung eines verformbaren Verzahnungsteils; und
Fig. 20(A) und 20(B) zeigen herkömmliche Membrangestalten eines verformbaren Verzahnungstelis.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFUHRUNGSFORMEN

Während die vorliegende Erfindung in Verbindung mit bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wird, so versteht es sich, daß die Erfindung hierdurch nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt wird. Im Gegenteil ist beabsichtigt, sämtliche Alternativen, Änderungen und Äquivalente mit einzubeziehen, wie diese innerhalb des Gedankens und des Umfanges der durch die beigefügten Ansprüche definierten Erfindung liegen können.
Fig. 1 bzw. Fig. 2 stellt eine Schnittansicht bzw. eine Seitenansicht einer Ausführungsform eines harmonischen Untersetzungs-Zahnradantriebes gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Der Untersetzungs-Zahnradantrieb 1 der vorliegenden Ausführungsform weist grundsätzlich ein starres, ringförmiges Verzahnungsteil 2, ein topfförmiges, verformbares Verzahnungsteil 3, das innerhalb des ringförmigen Verzahnungsteils 2 angeordnet ist, und einen elliptischen Wellengenerator 4 auf, der innerhalb des verformbaren Verzahnungsteils 3 angeordnet ist.
Die Zahnform eines jeden der Verzahnungsteile 2 und 3 ist in Übereinstimmung mit einer Abbildungskurve ausgebildet, die eine Ähnlichkeitstransformation mit einem verkleinerten Maßstab von 1/2 ist, welche auf eine Bewegungsortskurve des verformbaren Verzahnungsteils 3 zu dem ringförmigen Verzahnungsteil 2 in Übereinstimmung mit der Konfiguration des Wellengenerators 4 angewendet wird, wobei die Transformation an einem Bezugspunkt bewirkt wird, an dem die Verzahnungsteile 2 und 3 von dem Zustand der Berührung zu einer Lösung voneinander überführt werden. Daher kommen die Zähne des verformbaren Verzahnungs teils 3 mit denjenigen des ringförmigen Verzahnungsteils 2 in dem großen Ausmaß des Eingriffsbereichs in Eingriff. Dieses Zahnformprofil ist in dem oben erwähnten US-Patent Nr.4 823 638 offenbart.
Das verformbare Verzahnungsteil 3 weist eine Büchse 31, eine scheibenförmige Membrane 32, die mit einem Ende der Büchse 31 einstückig verbunden ist, und eine dicke Nabe auf, die einstückig an der Mitte des Membranbereichs 32 ausgebildet ist. Der Büchsenbereich 31 ist an der Außenseite an dem offenen Ende mit Zähnen 34 ausgebildet. Die Zähne 34 des verformbaren Verzahnungsteils 3 können mit Zähnen 21 in Eingriff kommen, die an der Innenseite des ringförmigen Verzahnungsteils 2 ausgebildet sind. Der Wellengenerator 4 weist eine elliptische Steuerscheibe 42 mit einer in diese eingesetzten Nabe 41 und ein Wellenlager 43 auf, das an der Außenseite der Steuerscheibe 42 befestigt ist. Das verformbare Verzahnungsteil 3 wird an der offenen Endseite durch den Wellengenerator 4 elliptisch verformt, um hierdurch seine Zähne an zwei Stellen, die an der Hauptachse eines Ellipsoids angeordnet sind, mit den Zähnen des ringförmigen Verzahnungsteils 2 in Eingriff zu bringen. Diese zwei Eingriffsbereiche werden sich in Übereinstimmung mit der Drehung des Wellengenerators 4 drehen. Da die Funktionsweise dieses Typs von harmonischen Untersetzungs-Zahnradantrieben wohlbekannt und beispielsweise in dem oben genannten US-Patent Nr.4 823 638 offenbart ist, wird hierin auf eine Erläuterung dieser Funktionsweise verzichtet.
Fig. 3 veranschaulicht einen Längsschnitt des topfförmigen verformbaren Verzahnungsteils 3. Fig. 4 veranschaulicht hauptsächlich einen in Fig. 3 eingekreisten Bereich in einem vergrößerten Maßstab. Die Membrane 32 des verformbaren Verzahnungsteils 3 weist eine Innenseite 321 auf, die durch eine Ebene definiert ist, die im wesentlichen rechtwinklig zu der Achse 11 des Zahnradantriebs 1 verläuft. Hingegen ist die Außenseite 322 der Membrane 32 durch eine Mehrzahl von Kurven mit einer unterschiedlichen Krümmung definiert, so daß die Membrane eine Stärke aufweist, die sich in radialer Richtung und nach auswärts allmählich vermindert. Der Membranbereich 32 und der Büchsenbereich 31 sind durch einen Bereich einstückig verbunden, dessen Außenseite durch einen Bogen C (e,f) mit einem Zentrum 05 und einem Radius R (7,25) definiert ist, um eine konstante Stärke t (e, f) aufzuweisen. Der Ausgangspunkt e des Bogens C (e, f) ist ein Schnitt einer durch das Zen trum 05 und parallel zu der Achse 11 verlaufenden Linie mit der Außenseite 322 der Membrane 32, während der Endpunkt f des Bogens später erläutert wird.
Die sich von dem Bogen C (e, f) fortsetzende Büchse 31 weist eine Innenseite 311 auf, die durch eine gerade Linie parallel zu der Achse 11 definiert ist. Die Außenseite des Büchsenbereichs 31 in Nachbarschaft zu dem Bogen C (e, f) ist durch einen Bogen C (f, g) definiert, der sich von dem Bogen C (e, f) fortsetzt. Der Bogen C (f, g) weist ein Zentrum 06, das außerhalb des verformbaren Verzahnungsteils angeordnet ist, und einen großen Radius R (250) auf. Der Grenzpunkt f zwischen den Bögen C (e, f) und C (f, g) ist so gesetzt, daß er dort positioniert ist, wo diese zwei Bögen eine gleichförmige Kurve bilden. Die anderen Bereiche der Außenseite des Büchsenbereichs 31 sind durch eine gerade Linie L (g, h) parallel zu der Achse 11 und sich von dem Bogen C (f, g) fortsetzend definiert, wodurch sie eine konstante Stärke t (g, h) aufweisen. Bei dieser Ausführungsform weist der Bereich der Büchse 31, der durch den Bogen C (f, g) definiert ist, eine Stärke t (f, g) auf, die geringer ist als diejenige der anderen Bereiche. Das Verhältnis der minimalen Stärke t (f, g) und der Stärke t (g, h) des anderen Bereichs der Büchse 31 ist etwa 0,8:1.
Als nächstes wird das Profil der Außenseite der Membrane 32 im einzelnen erläutert. Wie in Fig. 4 veranschaulicht ist, ist der Umriß 331 der Nabe 33 parallel zu der Achse 11, wobei eine Verlängerung der Nabe 33 die Wurzel 323 der Membrane 32 von der Nabe 33 definiert. Von dem Umriß 331 fortgesetzt beginnt ein Bogen C (a, b) mit einem Zentrum Ol und einem Einheitsradius R(l) von einem Punkt a aus, um eine Außenseite 322 der Membrane 32 zu bilden. Der Bogen C (a, b) ist mit einem Bogen C (b, c) mit einem Zentrum 02 und einem größeren Radius R (4) verbunden, wobei dieser Bogen C (b, c) seinerseits mit einem Bogen C (c, d) mit einem Zentrum 03 und einem größeren Radius R (16) verbunden ist. Ferner setzt sich von dem Bogen C (c, d) ein Bogen C (d, e) mit einem Zentrum 04 und einem noch größeren Radius R (600) fort (vgl. Fig. 3). Dieser Bogen C (d, e) ist mit dem Bogen C (e, f) an dem Punkt e verbunden.
Wie oben erläutert, werden die vier Bögen mit einem unterschiedlichen Radius dazu verwendet, um das Proffi der Außenseite 322 der Membrane 32 zu definieren, so daß die Membrane 32 eine Stärke aufweist, die sich allmählich von dem Wurzelbereich 323 zu der nach auswärts gerichteten Seite in der radialen Richtung vermindert. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das Verhältnis der Stärke t(a) des Wurzelbe reichs 323 und der minimalen Stärke t(e) an dem Punkt e etwa 4:1. Gemäß der obigen Beschreibung repräsentiert jede Zahl in Klammern, die dem Radius R beigefügt ist, ein Verhältnis in Bezug auf den Einheitsradius R(1) des Bogens C(a, b).
Bei Betrieb des harmonischen Untersetzungs-Zahnradantriebs 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird das topfförmige verformbare Verzahnungsteil 3 wiederholt in der radialen Richtung durch den Wellengenerator 4 verformt und die Biegebeanspruchung tritt in jedem Bereich des Verzahnungstelis 3 gemäß dem Ausmaß der Verformung auf. Da der von der Nabe 33 ausgehende Wurzelbereich 323 der Membrane 32 eine Stärke t(a) aufweist, die etwa das Vierfache der minimalen Stärke t(e) der Membrane 32 ist, kann eine übermäßige Spannungsanhäufung in dem Wurzelbereich vermieden werden. Gemäß Versuchen, die durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung ausgeführt wurden, ist festgestellt worden, daß, solange als die Stärke des Wurzelbereichs auf wenigstens etwa dem Dreifachen der Minimalstärke der Membrane gehalten wird, die Spannungsanhäufung in dem Wurzelbe reich für die praktische Anwendung modifiziert werden kann, selbst dann, wenn die axiale länge des verformbaren Verzahnungsteils 3 auf ein gewisses Ausmaß reduziert ist.
Zusätzlich ist die Außenseite der Membrane 32 durch eine Mehrzahl von Kurven mit einer unterschiedlichen Krümmung definiert, die so angeordnet sind, daß die Krümmungen der Kurven allmählich von den Innenseiten zu den Außenseiten in der radialen Richtung vermindert werden. Damit kann die Spannungsverteilung über die Gesamtheit der Membrane 32 ohne Spannungsanhäufung als ein synergistischer Effekt der Stärke des Wurzelbereichs gleichförmig gemacht werden, welche etwa das Vierfache der Minimalstärke beträgt.
Darüber hinaus ist die Membrane 32 durch den Bogen C (f, g) mit dem dünnen Bereich in Nachbarschaft zu der Büchse 31 ausgebildet. Weil die in diesem Bereich auftretende Spannung verhältnismäßig klein ist, kann eine gleichförmige Spannungsverteilung in diesem Bereich und um diesen Bereich herum erhalten werden.
Fig. 5 zeigt eine grafische Darstellung der Spannungsverteilungskurven des topfförmigen verformbaren Verzahnungsteils 3 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, wobei eine Kurve II die Spannungsverteilung darstellt, die durch Drehmomentübertragung auftritt, eine Kurve III die Spannungsverteilung durch Neigung der Anordnung des verformbaren Verzahnungsteils repräsentiert (vgl. Fig. 19(A)), eine Kurve IV die Spannungsverteilung durch Abbiegen des verformbaren Verzallnungsteils repräsentiert und wobei eine Kurve V die Spannungsverteilung repräsentiert, die durch Abweichung der Anordnung des verformbaren Verzahnungsteils auftritt (vgl. Fig. 19(13)). Eine Kurve 1 repräsentiert die resultierende Spannungsverteilung, die durch Zusammensetzen der Spannungen gemäß den Kurven II bis V erhalten wird. Die Kurven I bis V repräsentieren dieselben Spannungsverteilungen der Fig. 6 bis 8 wie diejenigen in Fig. 5. Bei der Kurve 1 gemäß Fig. 5 erscheint die Spitzenspannung von 27,9 Punkten als ein Bereich in Nachbarschaft zu dem Wurzelbereich 323 der Membrane 32.
Fig. 6 zeigt eine gräfische Darstellung der Spannungsverteilungskurven 1 bis V, die von einem verformbaren Verzahnungsteil gemäß Fig. 20(B) erhalten wurden, welches in der Weise ausgebildet ist, daß es eine Stärke aufweist, die sich allmählich von der Nabe zu der Membrane entlang einer Stromlinie vermindert, und daß seine Membrane in radialer Richtung und nach auswärts veijüngt ist, um so eine Stärke aHmahlich in radialer Richtung und nach auswärts zu vermindern. In diesem Falle wurde die zusammengesetzte Spitzenspannung von 35,2 Punkten gemessen, wie aus der Kurve 1 ersichtlich.
Andererseits zeigt die Fig. 7 eine grafische Darstellung von Spannungsverteilungskurven 1 bis V eines verformbaren Verzahnungsteils gemäß Fig. 20(A). Das verformbare Verzahnungsteil ist so ausgebildet, daß es die Membrane von der gleichen Stärke aufweist. In diesem Falle wurde die zusammengesetzte Spitzenspannung von 49,7 Punkten gemessen.
Fig. 8 veranschaulicht diese drei Kurven 1 zum Vergleich miteinander. Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, war die Spitzenspannung, die an dem Wurzelbereich der Membrane des verformbaren Verzahnungsteils gemäß der vorliegenden Ausführungsform auftritt, im Vergleich mit denjenigen der anderen herkömmlichen verformbaren Verzahnungsteile erheblich vermindert. Ferner ist festgestellt worden, daß die gleichförmige Spannungsverteilung von dem verformbaren Verzahnungsteil gemaß der vorliegenden Erfindung erhalten wurde. Insbesondere wird die Spannungsverteilung von der Büchse zu der Membrane des verformbaren Verzahnungsteils gemäß der vorliegenden Ausführungsform im Vergleich zu denjenigen der anderen zwei verformbaren Verzahnungsteile gleichförmig. Dies wird als die Wirkung angesehen, die durch den dünnen Bereich erhalten wird, der an der Büchse ausgebildet ist.
Wie oben erwähnt, kann die gleichförmige Spannungsverteilung von dem verformbaren Verzahnungsteil gemäß der vorliegenden Ausführungsform ohne unerwünschte Spannungsanhäufung erhalten werden. Es kann daher vermieden werden, daß das verformbare Verzahnungsteil eine mechanische Ermüdung teilweise aufgrund einer Spannungsanhäufung erleidet, so daß dessen Lebensdauer verlängert werden kann. Darüber hinaus kann, selbst wenn die axiale Länge des verformbaren Verzahnungsteils reduziert ist, eine übermäßige Spannungsanhäufung an dem verformbaren Verzahnungsteil unterdrückt werden. Somit kann gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein kürzeres verformbares Verzahnungsteil für den praktischen Gebrauch leicht angewendet werden.
Obwohl eine Mehrzahl von Bögen mit einer unterschiedlichen Krümmung verwendet wird, um den Umriß der Membrane bei der vorliegenden Ausführungsform zu definieren, können die anderen Kurven für den Umriß der Membrane so lange verwendet werden, als die Kurven von einer unterschiedlichen Krümmung, von einer mit einer größeren Krümmung an, von dem Wurzelbereich der Membrane so angeordnet sind, daß die Membrane eine Stärke aufweist, die in radialer Richtung und nach auswärts allmählich vermindert ist. Zusätzlich können Kurven mit Krümmungen, die von denjenigen der vorliegenden Ausführungsform unterschiedlich sind, verwendet werden. Die Stärke des dünnen Bereichs, der an der Büchse ausgebildet ist, kann ebenfalls variiert werden.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung et al. haben herausgefunden, daß Krümmungen der Kurven, welche den Umriß der Membrane 32 definieren, und eine Stärke dieser Membrane vorzugsweise so gewählt werden, daß sie in Bezug auf den Teilkreisdurchmesser D des verformbaren Verzahnungsteil 3 wie folgt sind.
Unter Bezugnahme auf Fig. 9 werden die Krümmungen der Kurven, welche den Umriß der Membrane 32 definieren, erläutert. In der Zeichnung repräsentiert L1 die Länge von der Wurzel a der Membrane 32 zu derem radialen äußeren Ende. Der Krümmungsradius einer jeden der verwendeten Kurven liegt vorzugsweise in dem folgenden Bereich:
(1) Bereich L2 von der Wurzel a zu dem Punkt A:
Kurvenradius ≥ 0,0015D
worin 0 ≤ L2 ≤ 0,15 D.
(2) Bereich L3 von Punkt A zu Punkt e:
Kurvenradius ≥ 0,05D.
Als nächstes wird eine Stärke eines jeden der Punkte a, A und e wie folgt definiert:
0,01D ≤ t(a) ≤ 0,025D
0,4 ≤ t(A)/t(a) ≤ 0,7
t(e)/t(a) ≤ 1/3.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist festgestellt worden, daß ein verformbares Verzahnungsteil, das so ausgebildet ist, daß es ein Verhältnis seines Teilkreisdurchmessers und seiner Länge hat, die in dem Bereich von 1: 0,7 bis 1:0,2 liegt, für den praktischen Gebrauch verwendet werden kann.
Wenn nunmehr auf Fig. 13 Bezug genommen wird, so wird eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben, bei welcher die Position eines Wellenlagers eingestellt ist, um einen genauen Eingriff zwischen dem ringförmigen Verzahnungsteil und dem verformbaren Verzahnungsteil in dem Falle zu realisieren, in welchem ein kürzeres verformbares Verzahnungsteil verwendet wird. Der harmonische Untersetzungs-Zahnradantrieb gemäß Fig. 13 weist dieselbe Ausbildung wie diejenige der vorhergehenden Ausführungsform, mit Ausnahme der Anordnung seines Wellenlagers, auf.
In Fig. 13 ist L11 ein Abstand von dem Boden des topfförmigen verformbaren Verzahnungsteils 3 zu dem Zentrum 011 des Wellenlagers, d ist eine Verformung in der radialen Richtung des verformbaren Ver zahnungsteils 3 an dem Zentrum 011 des Wellenlagers, D ist ein Teilkreisdurchmesser des verformbaren Verzahnungsteils 3, θ ist ein Abbiegewinkel des verformbaren Verzahnungsteils 3 und L12 ist eine Zahnbreite des verformbaren Verzahnungsteils 3. L13 repräsentiert einen Abstand von dem Lagerzentrum 011 zu dem offenen Ende 3a des ver formbaren Verzahnungsteils 3. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist L13 in dem Bereich, der durch die folgenden Ausdrücke (a) und (b) definiert ist:
3D*tanθ ≤ L13 ≤ 10D * tanθ ..... (a)
L13 ≤ D/10 ..... (b)
Der Wert von tang kann durch den Ausdruck (c) approximiert werden:
tanθ d/21 .... (c)
Somit kann, wenn (d/21) * D durch x ersetzt wird, der Ausdruck (a) durch den Ausdruck (d) approximiert werden:
3x ≤ L13 ≤ 10x .... (d).
Der Abbiegewinkel θ hängt im allgemeinen von einem Drehzahlverhältnis des Untersetzungs-Zahnradantriebs ab. Wenn das Drehzahlverhältnis klein wie etwa 1/50 ist, ist der Wert von L13 annähernd 3x. Wenn das Drehzahlverhältnis groß wie etwa 1/160 ist, ist der Wert von L13 annähernd 10x.
Es wird bevorzugt, daß, um eine Störung zwischen dem ringförmigen Verzahnungsteil und dem verformbaren Verzahnungsteil zu vermeiden, die obere Grenze der Zahnbreite L12 des verformbaren Verzahnungsteils durch den Ausdruck (e) definiert ist:
L 12 ≤ 0,24D.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann das Lagerzentrum 011 an dem Zentrum oder nahe bei dem Zentrum des Eingriffsbereichs des ringförmigen Verzahnungsteils und des verformbaren Verzahnungsteils ungeachtet des Grades des Abbiegewinkels des verformbaren Verzahnungsteils angeordnet werden. Daher kann ein genauer Eingriff zwischen dem ringförmigen Verzahnungsteil und dem verformbaren Verzahnungsteil durch das Wellenlager aufrechterhalten werden.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 14 bis 17 wird die Bedingung des Eingriffes zwischen dem ringförmigen Verzahnungsteil und dem verformbaren Verzahnungsteil näher berücksichtigt. Wenn die Länge des verformbaren Verzahnungsteils 3 reduziert wird, nimmt dessen Abbiegewinkel zu. Die Zunahme des Abbiegewinkels verursacht eine Zunahme in der Änderung der Bewegungsortskurve des Zahns des verformbaren Verzahnungsteils entlang der Zahnbreite. Dies bedeutet, daß, obwohl ein genauer Eingriff an dem mittleren Bereich erhalten wird, an dem das verformbare Verzahnungsteil 3 durch das Wellenlager 43 getragen ist, wie in Fig. 16 gezeigt, ein ungenügender Eingriff zwischen den Verzahnungsteilen an der Büchsenseite auftritt, wie in Fig. 15 gezeigt, während ein übermäßiger Eingriff an der offenen Endseite auftritt, wie in Fig. 17 gezeigt. Bei jedem der Eingriffe gemäß Fig. 15, 17 ist eine Störung zwischen den Verzahnungsteilen in den eingekreisten Bereichen der Fig. 15, 17 beobachtet worden.
Um eine derartige Störung zu vermeiden, wird bevorzugt, daß die Zahnbreite des verformbaren Verzahnungsteils 3 in Bezug auf die axiale Länge des verformbaren Verzahnungsteils 3 reduziert ist. Zusätzlich wird es bevorzugt, den Zahn des verformbaren Verzahnungsteils freizuarbeiten, wie in Fig. 18 gezeigt. Durch Einstellen des Freiarbeitens des Zahns des verformbaren Verzahnungstells kann ein korrekter Eingriff zwischen den Verzahnungsteilen über die gesamte Zahnbreite verwirklicht werden.

Claims

1. Ein harmonischer Antrieb vom Topftyp, wobei der Antrieb aufweist: ein ringförmiges starres Element (2), ein topfförmiges verformbares Element (3), welches innerhalb des ringförmigen starren Elements angeordnet ist, und eine Wellengeneratoreinrichtung (4), welche innerhalb des verformbaren Elements angeordnet ist, um das verformbare Element radial zu verformen, damit es mit dem ringförmigen starren Element teilweise in Eingriff oder in Berührung kommt, und um die Bereiche des Eingriffes oder der Berührung um eine Achse (11) zu drehen, um hierdurch eine relative Drehung zwischen dem ringförmigen starren Element und dem verformbaren Element zu erzeugen, wobei das topfförmige verformbare Element eine Büchse (31), eine scheibenförmige Membrane (32), die einstückig mit dem Ende der Büchse verbunden ist, um den Topfboden zu definieren, und eine dicke Nabe (33) aufweist, die an dem mittleren Bereich der Membrane ausgebildet ist, wobei die Membrane und die Nabe durch einen Wurzelbereich (323) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Wurzelbereich (323) durch eine Verlängerung der Nabe (33) definiert ist, die einen parallel zur Achse (11) verlaufenden Umriß (331) aufweist,

und daß die Stärke des Wurzelbereichs (323) wenigstens etwa das Dreifache der Minimalstärke der Membrane (32) ist.

2. Ein harmonischer Antrieb vom Topftyp gemäß Anspruch 1, bei welchem das Außenprofil der Membrane (32), wenn in einer Ebene betrachtet, welche die Achse des verformbaren Elements (3) enthält, durch eine Mehrzahl von eine unterschiedliche Krümmung aufweisenden Kurven definiert ist, wobei diese Kurven, von einer Kurve mit einer stärkeren Krümmung an, von dem Wurzelbereich (323) zu der Büchse (31) angeordnet sind, so daß die Stärke der Membrane (32) sich von der Innenseite zur Außenseite in radialer Richtung allmählich vermindert.

3. Ein harmonischer Antrieb vom Topftyp gemäß Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Büchse (31) des verforrnbaren Elements (3) einen dünnen Bereich (t(f,g)) in Nachbarschaft zu der Membrane (32) aufweist, wobei die Stärke dieses dünnen Bereichs verglichen mit derjenigen der benachbarten Büchse (31) leicht vermindert ist.

4. Ein harmonischer Antrieb vom Topftyp gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem das ringförmige starre Element ein ringförmiges Verzahnungsteil (2) ist, während das verformbare Element ein topfförmiges verformbares Verzahnungsteil (2) ist.

5. Ein harmonischer Antrieb vom Topftyp gemäß Anspruch 4, bei welchem das verformbare Verzahnungsteil (3) so ausgebildet ist, daß das Verhältnis seines Teilkreisdurchmessers zu seiner axialen Länge in dem Bereich von etwa 1:0,7 bis etwa 1:0,2 liegt.

6. Ein harmonischer Antrieb vom Topftyp gemäß Anspruch 4 oder 5, bei welchem die Zahnform eines jeden der Verzahnungsteile eine Gestalt aufweist, welche durch eine Abbildungskurve definiert ist, die eine Ähnlichkeitstransformation mit einem verkleinerten Maßstab von 1/2 ist, welche auf eine Bewegungsortskurve des verformbaren Verzahnungsteils zu dem ringförmigen Verzahnungsteil in Übereinstimmung mit der Konfiguration des Wellengenerators (4) angewendet wird, wobei diese Transformation an einem Bezugspunkt bewirkt wird, an dem die Verzahnungsteile von einem Zustand der Berührung miteinander zu einem Zustand der Lösung voneinander überführt werden.

7. Ein harmonischer Antrieb vom Topftyp gemäß Anspruch 6, bei welchem die Wellengeneratoreinrichtung (4) in Bezug auf das verformbare Verzahnungsteil (3) so positioniert ist, daß das Zentrum der tragenden Fläche der Wellengeneratoreinrichtung (4) für das verformbare Verzahnungsteil (3) sich im wesentlichen in Übereinstimmung mit dem Zentrum des Eingriffsbereichs zwischen dem verformbaren Verzahnungsteil und dem ringförmigen Verzahnungsteil befindet, wenn man auf die Zahnbreite blickt.

8. Ein harmonischer Antrieb vom Topftyp gemäß Anspruch 7, bei welchem das Zentrum der tragenden Fläche der Wellengeneratoreinrichtung (4) innerhalb eines Bereichs L12/2 positioniert ist, welcher von dem offenen Ende des verformbaren Verzahnungsteils entlang der Zaltnbreite gemessen wird, wobei L12 eine Zahnbreite des verformbaren Verzahnungsteils (3) ist.

9. Ein harmonischer Antrieb vom Topftyp gemäß Anspruch 7 oder 8, bei welchem das Zentrum der tragenden Fläche der Wellengeneratoreinrichtung (4) so positioniert ist, daß ein Abstand L13 von dem offenen Ende des verformbaren Verzahnungsteils (3) zu dem Zentrum der tragenden Fläche in dem Bereich etwa von 3D tanθ bis 10 D tanθ liegt, wobei θ der Abbiegewinkel des verformbaren Verzahhungsteils ist, welcher durch Verformung des verformbaren Verzahnungsteils durch die Wellengeneratoreinrichtung auftritt, und D der Teilkreisdurchmesser des verformbaren Verzahnungsteils ist.

10. Ein harmonischer Antrieb vom Topftyp gemäß Anspruch 9, bei welchem der Abstand L13 gleich oder geringer als etwa D/10 ist.

11. Ein harmonischer Antrieb vom Topftyp gemäß einem der Ansprüche 4 bis 10, bei welchem die Zahnbreite des verformbaren Verzahnungsteils (3) gleich oder geringer als 0,24 D ist.

12. Ein harmonischer Antrieb vom Topftyp gemäß einem der Ansprüche 4 bis 11, bei welchem das verformbare Verzahnungsteil (3) Zähne aufweist, die in einem gewissen Maß freigearbeitet sind, um eine Störung zwischen den Zähnen des verforrnbaren Verzahnungsteils (3) und des ringförmigen Verzalmungsteils (2) zu vermeiden.

13. Ein harmonischer Antrieb vom Topftyp gemäß einem der Ansprüche 4 bis 12, bei welchem das verformbare Verzahnungsteil (3) zu einer elliptischen Gestalt verformt wird, um die Zähne des verformbaren Verzahnungstelis mit denjenigen des ringförmigen Verzahnungsteils an zwei Stellen auf der Hauptachse eines Ellipsoids in Eingriff zu bringen.