JP2007071397A - 内接噛合型遊星歯車装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外歯車に表面硬化熱処理を施さなくても十分な性能と耐久性を持ち得る遊星歯車装置を提供する。
【解決手段】内歯車内での外歯車の自転に伴う公転運動をクランク軸を介してキヤリアに伝達する内接噛合型遊星歯車装置であり、内歯の円弧歯形の曲率を−１／ｒとし、外歯のトロコイド歯形の歯形曲線の曲率を１／ρとするとき、外歯は、内外両歯の接触面の総合曲率１／Ｒが１／Ｒ＝−１／ｒ＋ １／ρ ＝（−ρ＋ｒ）／（ｒ・ρ）で表わされた理論トロコイド歯形曲線であり、この外歯は、内歯車の内歯に接触しトルク伝達に寄与する接触部と、理論歯形曲線よりも内方に歯面を持つよう修正されトルク伝達に寄与しない歯先部とを有し、内歯車に噛合する外歯の数が、内歯車に対し偏心噛み合い側に位置する、全外歯のうち２〜８％の外歯の数になるよう、外歯の各内歯との噛合位置における接触部の総合曲率の絶対値を所定値以下に設定している。
【選択図】図１

Description

本発明は、内接噛合型遊星歯車装置、特に建設機械用の高負荷減速機から産業ロボット用精密減速機までのすべての減速、増速を必要とする分野の内接噛合型遊星歯車装置に関するものである。

内接噛合型遊星歯車装置としては、例えば特許文献１に記載されるようなものが知られていたが、特に高負荷減速機や精密減速機においては、内歯車の内方にこれとは歯数の異なるトロコイド歯形の外歯車を設け、これを内歯車に内接噛合させるよう複数のクランク軸により偏心回転可能に保持したものが多用されている。

この種の装置では、内歯車に噛み合いながら転動する外歯車の自転運動を、内歯車に対するクランク軸の公転運動として、そのキャリア（出力軸）から取り出すようになっている。

また、外歯歯車の歯面やクランク軸穴内壁面の軸受ニードルとの接触面に大きなへルツ応力が発生するので、歯面に十分な強度を持たせるため、歯切り加工後に、浸炭焼入れや高周波焼入れ等の熱処理を行って歯面を硬くしている。さらに、熱処理に起因する変形によって歯車の精度が劣化するため、比較的高精度の歯車を製造する際には、熱処理後に歯面研削等をを行って最終的な歯面仕上げを行っている。
特公昭３１−３８０１号公報

しかしながら、このような従来の内接噛合型遊星歯車装置にあっては、外歯車を製造するためのリードタイムが長く、装置のコスト高を招いていた。

すなわち、大きな動力を伝達する歯車では、上述のように、その歯に十分な強度を持たせるべく表面硬化熱処理を行うことが必要であり、これによってリードタイムが長くなっていた。

これに対し、表面硬化の熱処理が省略できれば、場合によっては歯面研削も不要となり、生産性向上に大きく貢献し得る。したがって、動力伝達用の歯車の熱処理を省略することができれば、内接噛合型遊星歯車装置の製造コストの大幅な低減を図ることができる。

そこで、本発明は、通常のトルクを負荷しても歯面に従来よりはるかに小さいへルツ応力しか発生しないような歯形を実現することにより、外歯車に表面硬化熱処理を施さなくても従来と同等な性能と耐久性を持ち得る遊星歯車装置を提供するものである。

上記課題解決のため、本発明は、内歯車に対し偏心して該内歯車に内接噛合する外歯車を、円周方向等ピッチに配置された複数の軸受を介して複数のクランク軸により偏心回転可能に支持するとともに、前記外歯車の自転に伴うクランク軸の公転運動を該クランク軸を保持するキヤリアから取り出すようにした内接噛合型遊星歯車装置において、前記内歯車の内歯が円弧歯形を有し、前記外歯車の外歯が、前記内歯車の内歯に対し実質的に加圧されるよう接触する接触部と、該接触部の歯形曲線よりも内方に歯面を持つ歯先部とを有し、かつ、前記内歯車に対して偏心噛み合い側に位置する、全歯数のうち２〜８％の外歯のみでトルクを伝達する修正トロコイド歯形であることを特徴とする。

この発明では、理論トロコイド歯形と円弧歯形の噛み合い点における総合曲率が大きくなる歯先側での実質的なトルク伝達をなくし、総合曲率の小さくなる歯中部から歯元部にかけての接触部で噛み合いがなされるから、ヘルツ応力を有効に抑えることができ、外歯車に表面硬化の熱処理をすることなく黒鉛鋳鉄等で製造できるようになり、研削しなくても高精度の歯車を得ることができる。したがって、コストを大幅に削減できる。

また、好ましくは、前記外歯車の歯面を含む全表面部が、該表面部により取り囲まれた内部と同一の硬さを有し、該外歯車と前記複数のクランク軸との間に、前記外歯車より硬質で外歯車に嵌入された筒状体と、該筒状体と前記クランク軸との間に転動可能に介在する複数の転動部材と、を有する軸受、好ましくは外側シェル付のニードル軸受が介装される。

この場合、外歯車の表面部と内部とが同一の硬さを有しているので、従来のような表面硬化のための熱処理やその後の歯面研磨による仕上げ加工を行う必要がなく、しかも、外歯車より硬質の筒状体を外歯車に嵌入し、これと複数の転動部材とを介してクランク軸に外歯車を回転自在に支持させているので、外歯車を安定して偏心回転させることができ、内歯車と外歯車の所要の噛み合い状態を保つことができる。

さらに、前記外歯の歯形上における各内歯との噛み合い位置で、各内歯と該外歯の総合曲率に基づいて前記接触部と前記内歯車との噛み合い歯数を設定することにより、ヘルツ応力をより有効に抑えることができる。

なお、ロボット関節用減速機では高剛性が重要な性能指標であり、シェル型ニードルのシェルでニードルころの軸方向移動を規制し、グリースでニードルころを保持して組み立て性の良い総ころニードル軸受にすることができ、しかも、剛性アップを図ることができる。

本発明によれば、内歯車の内歯が円弧歯形を有し、外歯車の外歯が、前記内歯車の内歯に対し実質的に加圧されるよう接触する接触部と、該接触部の歯形曲線よりも内方に歯面を持つ歯先部とを有し、かつ、前記内歯車に対して偏心噛み合い側に位置する、全歯数のうち２〜８％の外歯のみでトルクを伝達する修正トロコイド歯形であるので、理論トロコイド歯形と円弧歯形の噛み合い点における総合曲率が大きくなる歯先側での実質的なトルク伝達をなくし、総合曲率の小さくなる歯中部から歯元部にかけての接触部で噛み合いをなし、ヘルツ応力を有効に抑えることができる。その結果、外歯車に表面硬化の熱処理をすることなく黒鉛鋳鉄等で製造することができ、歯面研削を施すことなく高精度の歯車を製作することができる。したがって、内接噛合型遊星歯車装置の製造コストを大幅に削減することができる。

また、前記外歯車の歯面を含む全表面部とこれにより取り囲まれた内部とを同一硬さとしながらも、外歯車とクランク軸との間に外側シェルである筒状体を有する軸受を介装するようにすれば、従来のような表面硬化のための熱処理やその後の歯面研磨による仕上げ加工を行っていないにもかかわらず、外歯車を安定して偏心回転させることができ、内歯車と外歯車の所要の噛み合い状態を保つことができる。

さらに、前記外歯の歯形上における各内歯との噛み合い位置で、各内歯と該外歯の総合曲率に基づいて前記接触部と前記内歯車との噛み合い歯数を設定しているので、ヘルツ応力をより有効に抑えることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて具体的に説明する。

図１〜図１０は、本発明に係る内接噛合型遊星歯車装置の一実施形態を示す図である。

まず、その構成を説明すると、図１および図２において、１０は環状の内歯車で、環状体１１の内周に円弧歯形の複数の内歯１２を有している。この内歯１２は、例えば環状体１１の円弧溝にステンレス鋼等からなる丸ピンを回転可能に収納して形成されている。２０は、内歯車１０に対して互いに逆方向に偏心して配置され、それぞれ内歯車１０の内歯１２と噛み合う一対の外歯車である。これら外歯車２０は、内歯車１０とは歯数の異なる、例えば内歯１２よりわずかに（例えば１つ又は２つ）歯数の少ない外歯２１を有している。また、外歯車２０は、所定半径位置に周方向等ピッチに設けられた複数のクランク穴部２２において、それぞれ軸受３０を介してクランク軸２５に支持されている。

クランク軸２５は、図１に示すように、内歯車１０内で、外歯車２０をこの内歯車１０の中心Ｏ10と外歯車の中心Ｏ20との距離である所定偏心量ｅを保って偏心回転させるようになっている。また、入力軸１５から前段減速部を構成する歯車１６，１７を介してクランク軸２５に回転が入力されるとき、外歯車２０は、内歯車１０に噛み合いつつ所定偏心量ｅを保って偏心回転（偏心円運動、公転）しながら、両歯車１０，２０の歯数差（例えば外歯車２０の外歯２１の歯数が内歯車１０の内歯１２の歯数より１つ又は２つ少ない）に応じて内歯車１０に対して相対的に中心Ｏ20回りに回転（自転）する。そして、この外歯車２０の自転運動に伴うクランク軸２５の中心Ｏ10回りの公転運動が出力軸であるキャリア２７から取り出され、固定された内歯車１０に対して可動側のキャリア２７が低速回転するか、若しくは、固定されたキャリア２７（固定側）に対して可動側の内歯車１０が低速回転するようになっている。なお、１８，１９はクランク軸をキャリア２７に回転自在に支持する一対の軸受で、クランク軸２５の軸方向位置決め機能を併せ持つ。

図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、軸受３０は、外歯車２０のクランク穴部２２と複数のクランク軸２５との間に介装されており、それぞれ、外歯車２０より硬質で外歯車２０のクランク穴部２２に嵌入された外側シェルとしての筒状体３１と、この筒状体３１とクランク軸２５の各クランクピン部２５ａ，２５ｂとの間に転動可能に介在する複数の転動部材３２と、を有している。

外歯車２０の外歯２１は、詳細は後述するが、内歯車１０の内歯１２に対し実質的に加圧されるよう接触する接触部２１ａと、その接触部２１ａの歯形曲線よりも内方（歯車中心Ｏ20側）に歯面を持つ歯先部２１ｂとを有しており、その外歯２１の歯形は、内歯車１０に対して偏心噛み合い側に位置する外歯２１（これは全歯数のうち２〜８％の歯数の外歯）のみでトルクを伝達する修正トロコイド歯形となっている。

また、外歯車２０は、その歯面を含む全表面部が、これにより取り囲まれた内部と同一の硬さ（硬度）を有している。すなわち、外歯車２０は、安価な材料、例えば鋼材ＦＣＤ４５０やＳＣＭ４２０焼きならし材、黒鉛鋳物、粉末冶金等によって形成され、表面硬化のための熱処理がされていない素材からなる。したがって、前記硬度はほぼ材料の持つ硬度であり、熱処理変形に対する後処理の仕上げ研磨加工等もなされていない。

次に、外歯車２０の歯形とその製造について説明する。

従来、浸炭焼き入れの合金鋼で製造した外歯車は、歯面の許容ヘルツ応力がおよそ１４００ＭＰａ程度であるが、焼き鈍しのみではおよそ４００〜６００ＭＰａとなり、１／３．５に低下する。このへルツ応力は、歯面に作用する荷重の平方根に比例するので、従来の外歯車の形状のままで表面硬化熱処理を施さないならば、その歯車装置の伝達能力は１／１０以下と大幅に低下してしまう。

そこで、本発明では、従来よりはるかに小さいへルツ応力しか発生しないような歯形を実現して、表面硬化の熱処理を省略するようにしている。

具体的には、従来の技術では、同時噛み合い歯数が多い方が歯面強度上で有利になるとの考えから、外歯車２０の偏心側の歯（図４中の内歯ピンＮｏ．１〜２１に近接する約半数の外歯）は、その歯底から歯先までの範囲において内歯１２と噛み合い時に近い近接状態を保っている。そのため、外歯２１のトロコイド歯形は、歯面の曲率(１／曲率半径)が歯面上に連続的に変化したものとなっている。図２に示すピンＮｏ．１〜２１の内歯１２が外歯車２０の外歯２１と噛み合う歯面位置を、外歯２１の歯形曲線上に表わすと、図４のようになる。

この歯面の曲率の変化を図５に示す。同図に示すように、歯底付近は凹となり(符号はプラスである)、曲率が比較的大きくなる。一方、歯の中央部では曲率が小さくなる。この曲率が０となる変曲点では、歯形が直線状で、曲率半径が無限大である。この変曲点を超えると、歯面が凸面となり、曲率がマイナスとなる。噛み合い相手である内歯１２の円弧歯形(半径ｒ)の曲率を−１／ｒとし、外歯の曲率を１／ρとすると、接触面の総合曲率１／Ｒは、次式で表わされる。

１／Ｒ＝−１／ｒ＋ １／ρ ＝（−ρ＋ｒ）／（ｒ・ρ） ......（１）
歯面における噛み合い点の総合曲率を図６に示す。この図６から分かるように、ピンＮｏ．１〜２に対応する歯底側の位置での総合曲率は ０（ゼロ）に近く、両歯車１０，２０の歯面曲率の差が大きくなる中部および歯先側になると、総合曲率の絶対値が大きくなる。

図７には、トルクがかかったときに歯面にかかる荷重を示し、図８には歯面へルツ応力を示す。歯面へルツ応力σは｜１／Ｒ｜の平方根に比例するので、図７から明らかなように、ピンＮｏ．６の対応位置で最大の歯面荷重が発生するが、図８に示すように、総合曲率の影響で最大ヘルツ応力は総合曲率絶対値の大きいピンＮｏ．位置（Ｎｏ．９，１０)にて発生する。ここで、もし− r +ρ ≒ 0となる歯形を設計することができれば、理論上へルツ応力は極小になる。

そこで、適切な歯形のパラメータを選択すると、トロコイド歯形の歯底に近い僅かな範囲にその曲率(凹面)が噛み合い相手である内歯１２の円弧歯形の曲率に近い歯形を得ることができる。

図７に示すように、噛み合い相手の円弧の曲率との差が大きい部分を逃がすように歯形修正を施して、この部分での実質的な負荷伝達をなくし、総合曲率の絶対値が所定値以下となる部分のみで負荷トルクを伝達するようにすれば、同時噛み合い歯数は少ないにもかかわらず、歯面のヘルツ応力を小さい値に抑えることができる。

その解析結果を図８に示す。

同図に示すように、外歯２１の接触部２１ａに相当するピンＮｏ．１から３の間において、６００ＭＰａ弱の歯面ヘルツ応力が生じる一方、実質的なトルク伝達がなされないピンＮｏ．４から２０の歯先側では、ヘルツ応力が０（ゼロ）になっている。したがって、同時噛み合い歯数が少ないにもかかわらず、歯面に生じるへルツ応力を小さくすることができる。

また、外歯車２０とクランク軸２５の間の軸受を、外側シェル付のニードル軸受としたので、転動部材であるニードルころが直接外歯車２０のクランク孔内壁部に接触することがなく、穴内壁部の強度問題がなくなるから、表面の硬化熱処が不要となり、穴の加工も簡単になる。

このように、本実施形態においては、理論トロコイド歯形と円弧歯形の噛み合い点における総合曲率が大きくなる歯先側での実質的なトルク伝達をなくし、総合曲率１／Ｒが所定値以下となる接触部２１ａでのみ噛み合いがなされるから、ヘルツ応力を有効に抑えることができ、外歯車に表面硬化の熱処理をすることなく黒鉛鋳鉄等で製造できるようになり、歯面仕上げの研削加工等をしなくても高精度の歯車を得ることができる。したがって、外歯車２０を複数備えたこの種の遊星歯車装置の製造コストを大幅に削減することができる。

また、外歯車２０にこれより硬質の筒状体３１を嵌入し、その筒状体３１とクランク軸２５との間に転動可能に介在する複数の転動部材３２を設けているので、外歯車２０が表面硬化処理をしていないものであるにもかかわらず、転動部材の転動面に所要の強度を確保してクランク軸による支持部分の耐久性を確保することができ、外歯車を安定して偏心回転させることができる。特に、ロボット関節用減速機では、高剛性であることが必要であるが、外側シェル付のニードル軸受３０の筒状体３１で転動体（ニードルころ）３２の軸方向移動を規制し、図示しないグリースでこれらニードルころを保持して、組立て性の良い総ころニードル軸受にすることができる。したがって、剛性アップを図ることができる。

さらに、外歯２１の歯形上における各内歯１２との噛み合い位置（図８中の歯面位置）で、各内歯１２と該外歯２１の総合曲率１／Ｒに基づいて、外歯車２０（外歯２１の接触部２１ａ）と内歯車１０との噛み合い歯数を設定しているので、ヘルツ応力をより有効に抑えることができる。

本発明に係る内接噛合型遊星歯車装置の一実施形態を示すその縦断面図である。 図１の実施形態の内歯車と外歯車の位置関係を示す横断面図である。 一実施形態の外歯車とクランク軸の間に設けた軸受の構成を示す縦断面図および横断面図である。 内歯車とトロコイド歯形を有する外歯との多数の噛み合い位置を示す通常の基本の歯形曲線である。 図４の外歯の各噛み合い位置における歯面曲率の変化を示すグラフである。 図５に示した外歯の歯面曲率と内歯の歯面曲率とから求めた総合曲率の変化を外歯の各噛み合い位置について示したグラフである。 図４の外歯の各噛み合い位置における歯面荷重の相違を示すグラフである。 図７に示す歯面荷重に対し各噛み合い位置に実際に生じるヘルツ応力の推移を示すグラフである。 一実施形態の外歯の修正トロコイド歯形の形状を示す歯形曲線図である。 図９に示した歯形を採用した一実施形態の各噛み合い位置における歯面ヘルツ応力を示すグラフである。

符号の説明

１０ 内歯車
１２ 内歯
２０ 外歯車
２１ 外歯
２１ａ 接触部
２１ｂ 歯先部
２１ｃ 歯面
２５ クランク軸
３０ 軸受
３１ 筒状体（外側シェル）
３２ 転動体（ニードルころ）

Claims (4)

1. 内歯車に対し偏心して該内歯車に内接噛合する外歯車を、円周方向等ピッチに配置された複数の軸受を介して複数のクランク軸により偏心回転可能に支持するとともに、前記外歯車の自転に伴うクランク軸の公転運動を該クランク軸を保持するキヤリアから取り出すようにした内接噛合型遊星歯車装置において、
   前記内歯車の内歯が、円弧歯形を有し、
   前記外歯車の外歯が、前記内歯車の内歯に対し実質的に加圧されるよう接触する接触部と、該接触部の歯形曲線よりも内方に歯面を持つ歯先部とを有し、かつ、前記内歯車に対して偏心噛み合い側に位置する、全歯数のうち２〜８％の外歯のみでトルクを伝達する修正トロコイド歯形であることを特徴とする内接噛合型遊星歯車装置。
2. 前記外歯車の歯面を含む全表面部が、該表面部により取り囲まれた内部と同一の硬さを有し、
   前記外歯車と前記複数のクランク軸との間に、前記外歯車より硬質で外歯車に嵌入された筒状体と、該筒状体と前記クランク軸との間に転動可能に介在する複数の転動部材と、を有する軸受を介装したことを特徴とする請求項１に記載の内接噛合型遊星歯車装置。
3. 前記軸受が外側シェル付のニードル軸受である請求項１に記載の内接噛合型遊星歯車装置。
4. 前記外歯の歯形上における各内歯との噛み合い位置で、各内歯と該外歯の総合曲率に基づいて前記接触部と前記内歯車との噛み合い歯数を設定したことを特徴とする請求項１に記載の内接噛合型遊星歯車装置。

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