JP2014031886A - 遊星歯車装置及びこのような遊星歯車を備えて構成された操作装置 - Google Patents

遊星歯車装置及びこのような遊星歯車を備えて構成された操作装置 Download PDF

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Abstract

【課題】
円すい状の歯車対を備えた改良された遊星歯車装置を提供すること。
【解決手段】
遊星歯車として構成された第1の歯車12と、リングギヤとして構成された第2の歯車18と、サンギヤとして構成された歯車と、調整装置24とを備え、第1の歯車12及び第2の歯車18が相対的に軸方向へ配置されており、前記生成が、第1の歯車12の円すい状の歯部17が第2の歯車18の円すい状の歯部19に対して軸方向に調整可能なようになされ、この結果、第1の歯車12の円すい状の歯部17及び第2の歯車18の円すい状の歯部19が遊びなしに互いに噛合する遊星歯車装置において、遊星歯車として構成された第1の歯車12が、2段に構成され、第1の段として形成されつつリングギヤと噛合する円すい状の歯部17と、第2の段として形成されつつサンギヤとして構成された歯車の歯部と噛合する円筒状の歯部とを備える。
【選択図】図4

Description

本発明は、第1の回転軸を有しつつそれぞれ遊星歯車として構成された複数の第1の歯車と、前記第1の回転軸に対して平行に延在する第2の回転軸を有しつつリングギヤとして構成された第2の歯車と、歯部を有しつつサンギヤとして構成された歯車と、軸方向の作用力及び/又は軸方向の調整ストロークの生成のための調整装置とを備え、前記第1の歯車及び前記第2の歯車が前記第1の回転軸の方向へ互いに相対的に軸方向へ配置されており、前記生成が、前記第1の歯車の円すい状の歯部が前記第2の歯車の円すい状の歯部に対して軸方向に調整可能及び/又は付勢可能なようになされ、この結果、動作中に前記第1の歯車の円すい状の歯部及び前記第2の歯車の円すい状の歯部が本質的に遊びなしに互いに噛合する、歯車対を備えた遊星歯車装置に関するものである。さらに、本発明は、このような遊星歯車を備えて構成された操作装置に関するものでもある。
特許文献1には相反して円すい状に形成された歯部を備えつつ互いに噛合する複数の歯車を備えたこのような遊星歯車装置がすでに記載されており、両歯車のうち少なくともいずれかが他の歯車に対して他の歯車の方向へ軸方向に摺動可能となっている。遊星歯車は相対回転不能に配置された軸上に支承され、この軸は、軸方向に調整可能なボルトで形成されている。遊星歯車の位置は動作中には不変であるため、遊星歯車の調整には遊星歯車装置の分解が必要となってしまう。
特許文献2には、ギヤ装置において、円すい状の歯車を支持する軸を例えばコイルばねであるばねによって場合によっては同様に円すい状の歯車に対する押圧球を介して付勢することが開示されている。
幅にわたって変動する輪郭の変化を有する円すい状の歯車は、平行な軸を備えた歯車対として知られている。これら歯車は、いずれかあるいは両方の歯車を介して遊びのない係合を調整するのに適している。
歯車の歯部は、操作自動装置(例えば多関節ロボット、調節ユニット、回転テーブルなど)のための遊星歯車装置においても高い精度をもって使用されている。このような領域における遊星歯車装置は、コンパクトな構造サイズにおいて非常に良好な効率を伴った高い伝達トルクによって際立っている。その他、この歯車装置は、後から、コンパクトなユニットとして機械に統合されることが可能である。
高い出力密度は、多重の歯の噛合(サンギヤ、遊星歯車及びリングギヤ)によって得られる。遊星歯車装置における軸間距離の変更及び歯部の加工の影響(例えば製造時における誤差変動)は、かみ合いに対して直接的な影響を有するものである。
これにより、製造において、わずかな歯の遊びの保障に対する高い品質が必要とされる。この歯の遊びは、操作自動装置の位置決め精度に大きな影響を及ぼすものである。これらギヤ装置は、歯の噛合部間(軸間距離、歯部の測定サイズなど)の固定された関係を有している。大きな初期遊びは、ギヤ装置の寿命期間にわたる(摩耗による)歯の遊びの追加的な拡大を引き起こす。
不可避の誤差ゆえに、この遊星歯車装置が負荷分散因子によって計算される。この計算は、遊星歯車の噛合部への異なる負荷分散を補償するべきものである。負荷分散因子にポジティブに影響を与えるために、加工誤差を最小化するとともに、ギヤ装置の歯の遊びを削減することが必要である。このことにより、歯の遊びに影響を与える全ての構成要素についての加工コスト及び処理コストが高まってしまう。
特に互いに噛合する多数の構成要素で構成されつつ個々の構成部材の誤差に相互に強く影響を与える遊星歯車装置あるいは周回歯車装置においては、加工コストが比較的大きくなってしまう。また、歯車対の調整が他の歯車対の調整に影響を与える可能性があるため(例えばサンギヤあるいはリングギヤに作用する複数の遊星歯車の調整)、円すい状の歯部の使用のみでは通常は十分でない。
独国特許出願公開第3734462号明細書 独国実用新案第9405495号明細書
したがって、本発明の課題は、円すい状の歯車対を備えた改良された遊星歯車装置を提供することにある。特に、遊びのない互いの内側への噛合が追加的なメンテナンスの手間又は調整の手間なしに実現されるか、あるいは歯の遊びが動作時間にわたって排除されるか、又は少なくとも削減されるべきである。さらに、このような遊星歯車装置を備えて構成された操作装置も得られるべきである。
上記課題は、請求項1に基づく遊星歯車装置によって解消される。本発明に基づく遊星歯車の好ましい実施形態は、各従属請求項の対象であるとともに、以下の本発明の説明に記載されている。
上記課題は、遊星歯車として構成された複数の第1の歯車が、それぞれ2段に構成されており、リングギヤと噛合する円すい状の歯部と、サンギヤの歯部と噛合する円すい状でない歯部とを備えることによって解消される。本発明によれば、これにより、遊星歯車をリングギヤに対してのみ付勢することで簡易でメンテナンスフリーの自動的な再調整を得るという可能性が達成される。
サンギヤに対する調整(反動)は、遊星歯車が円すい状でない範囲によってサンギヤに結合されているため、この遊星歯車の2段の構成に基づき省略されることができる。この結合によれば、機能の妨害又は伝達損失に結び付くことなく、例えば加工に起因する誤差の影響又は動作中に生じる作用又は熱膨張に基づき問題のない軸方向の変位が可能である。
各遊星歯車の円すい状の歯部の対応するサンギヤあるいはリングギヤの歯部との関係における本発明による組合せにより、所望の高い負荷能力において、同時に、効果的な誤差補償が自動的に実現される。
本発明による遊星歯車装置は更に調整装置を備えており、この調整装置は、これが軸方向の作用力を発生させること、及び/又は軸方向の調整ストロークによって調整可能であることにより、第1の歯車に軸方向に作用するものである。このとき、軸方向の作用力は第1の歯車の円すい状の歯部を軸方向へ同様に第2の歯車の円すい状の(対応する)歯部へ押圧するか、又は引張るものであり、この結果、第1及び第2の歯車の両歯部が動作中に十分に遊びなく互いに内側へ噛合することになる。
円すい状の歯部又は円筒状の歯部を、直線状の歯部(軸平行)として、傾斜したもの(傾斜状の歯部)として、又は二重傾斜状の歯部として構成することが可能である。同様に、歯部は、ベベロイド歯であってもよい。
一実施形態においては、このために、作用力を作用させる弾性的な調整体を調整装置が備えている。このような弾性的な調整体は他のいくつかの弾性的な構成要素と共にばねシステムを形成しており、このばねシステムは、歯部を軸方向に歯接触部へ押圧するか、又は歯部を軸方向へ歯接触部へ引張るものである。
好ましくは、遊星歯車として構成された各第1の歯車には、それぞれ1つの調整装置又は弾性的な調整体が割り当てて配置されている。
他の実施形態においては、弾性的な調整体に作用するか、あるいは調整ストロークの制限のためのストッパを形成する調整要素が設けられている。これにより、ばねシステム及びストローク制限部を有する円すい状の歯部が提供され、このストローク制限部においては、歯車の製造品質及び軸間距離の誤差が構造的に補償されるとともに、歯の遊びがギヤ装置の寿命にわたって排除される。このような遊星歯車装置の動作中に円すい状の歯部において生じる力は作用力とは反対方向の調整力を生じさせ、この調整力は、弾性的な調整体に作用するとともに、作用力の超過時に第1の歯車を軸方向に摺動させるものである。このとき、ストッパは調整可能なストローク制限部を形成しており、このストローク制限部は、高いに負荷ピーク時に歯部が調整された軸方向の調整ストロークを超えて調整されるとともに許容される歯の接触を超えて押圧され得るのを防ぐものである。
弾性的な調整体と歯車の間で作用力を伝達し、及び/又は調整要素と第1の歯車の間でショックアブソーバとして作用する中間要素を備えた実施形態が存在する。このとき、中間要素は、ストッパに対して押圧するものとなっている。
また、この中間要素が様々な材料品質あるいは誤差品質を提供する玉として形成された実施形態も存在する。
また、調整体が特にコイルばねとして形成された圧縮ばねである実施形態も存在する。このようなコイルばねも、同様に、様々なサイズ、特性値及び品質の非常に広い多彩さにおいて提供される。また、調整体は、弾性的な、エラストマ状の合成樹脂体であってもよい。
軸方向の力あるいは軸方向の調整ストロークが無段階に調整可能な実施形態も存在する。これにより、歯車対が個々に及び非常に正確に互いに調整され得る。このことは、例えば、第1の歯車として機能する複数の(わずかに異なる)遊星歯車が第2の歯車として機能するサンギヤあるいはリングギヤに対して調整される必要がある場合に好ましい。
このとき、この無段階に調整可能であることがねじ部にわたって実現されている実施形態が存在する。
特にコイルばねへ又はエラストマ状の合成樹脂体を通ってガイドするよう弾性的な調整体へ突出する軸部又はジャーナルによって、動作安全性が更に向上する。
また、第1の歯車におけるより良好なガイドのために(例えばばね又はエラストマ状の合成樹脂体である)調整体及び/又は(例えば玉である)中間要素の収容のための凹部が形成されている実施形態も存在する。
好ましい一実施形態においては、1つの第1の歯車あるいは複数の第1の歯車は、遊星歯車装置の遊星歯車によって形成されているとともに、第2の歯車がリングギヤとして形成されている。本発明の範囲においては、「遊星歯車装置」は、サンギヤが存在せず、本発明の明細書の範囲においては「遊星歯車」として記載される外歯を有する内輪が内歯を備えたリングギヤの内歯において周回する歯車装置とも理解される。特に本明細書の範囲においては、「遊星歯車装置」は、周回歯車装置あるいはより短い周回歯車装置とも理解される。このような周回歯車装置においては、例えば、歯車装置ケーシングが基礎に固定されておらず、駆動軸及び被駆動軸に対して同心状に回転可能に支持されている構造形態も存在する。周回歯車装置は補助シャフトを備えており、この補助シャフト上には外歯を備えた歯車が設けられている。このとき、補助シャフトの軸は、ケーシングの中心軸とは一致していない。この補助シャフトは、惑星が太陽の周りを回るように、ケーシングの中心軸周りに回転するとともに自体の周りにも回転する。したがって、このような歯車装置は、多くの場合、遊星歯車ギヤ装置又は短く遊星歯車装置として、遊星歯車又は短く遊星としての周回する歯車及び中心歯車及び太陽歯車としての周回しない歯車として記載される。
調整装置がプラネタリキャリアと遊星歯車の間に作用する実施形態においては、調整装置を除き、本発明による遊星歯車装置により、追加的な個別部材を設けることなく、特にメンテナンスフリー及び製造しやすく遊星歯車装置への統合がなされる。
適当に設けられた遊星歯車装置を備えた操作装置の異なる位置は、負荷ピークの範囲でない負荷領域(定格モーメント)に生じる。ここで、ばねシステムはアクティブであり、出力部の全ての遊星歯車は、遊びなしにその噛合部において調整されている。
このような遊星歯車装置を備えて構成された操作装置を達成するという他の課題は、多関節ロボット、調整ユニット、工具交換装置、回転テーブル、位置決めユニット又は太陽追跡装置においての遊星歯車装置の使用によって解消される。
本発明によれば、円すい状の歯車対を備えた改良された遊星歯車装置を提供することが可能である。
本発明による遊星歯車装置の二方向から見た図である。 図1に示された遊星歯車装置の他の視点から見た図である。 図2における視点に対応した、部分的に取り付けられた遊星歯車装置を示す図である。 図1及び図2に示された遊星歯車装置の断面図(図2におけるC−C断面)である。 本発明による遊星歯車装置の調整装置の断面図(図4におけるD−D断面)である。
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図1〜図5には本発明による遊星歯車装置100が示されており、この遊星歯車装置においては、本発明による歯車装置が実現されている。
図1及び図2において異なる視点で示された遊星歯車装置100はケーシング2を含んでおり、このケーシングは、この実施形態においてここでは、中央においてシャフトによって中空軸5に統合されている。中空軸5は、駆動ピニオン3に噛合する駆動歯車4を支持するものである。駆動ピニオン3は、遊星歯車装置100の外部に位置する、ここでは不図示の駆動部に結合されている。
中空軸5は2つのプラネタリキャリア6,9を支持しており、これらプラネタリキャリアは、軸受面がケーシング2あるいはプラネタリキャリア6,9の統合された構成部材でもあり得るころ軸受7,8あるいはころ軸受10,11を介して、中空軸5及びケーシング2に関して回転可能に支持されている。このとき、中空軸5とプラネタリキャリア6,9の間に設けられたころ軸受7,10が、外輪及び内輪を備えた完全な軸受として形成されている。一方、プラネタリキャリア6,9とケーシング2の間のころ軸受8,11においては、内輪がそれぞれプラネタリキャリア6,9自体で形成されているとともに、外輪はケーシング2の対応する収容部に配置されている。
プラネタリキャリア6とプラネタリキャリア9の間には、2段の遊星歯車12として形成された第1の歯車が、周囲で遊星歯車12を第1の回転軸20周りに回転可能に支承する軸受ジャーナル13,14を介して、軸受15,16において保持されている(正確な構造は、図4から把握可能である)。
図示された遊星歯車装置100は、3つのこのような遊星歯車9を備えている。
各遊星歯車12は第1段として円すい状の歯部17を備えており、この歯部は、同様に円すい状の歯部19を備えつつケーシング2に相対回転不能に配置されたリングギヤ18に噛合している。第2段を形成する遊星歯車12の直線状の歯部22は、サンギヤとして機能しつつここでは中空軸5に直接形成された歯部23に噛合している。
固定されたケーシング2を起点とすれば、動作は以下のように行われる:駆動ピニオン3が駆動歯車4を駆動し、この駆動歯車を介して中空軸5が、軸受7,10においてケーシングに対して相対的に回転される。このとき、サンギヤの歯部23が遊星歯車12の第2の歯部22に噛合し、遊星歯車の円すい状の歯部17がリングギヤの円すい状の対向する歯部19に噛合するとともに所定のギヤ比に合わせて第1の回転軸20のリングギヤ18、すなわち遊星歯車装置のケーシング2に対する(ここでは減速である)相対運動が生じる。すなわち、遊星歯車12は、その回転位置を第1の回転軸20周りに、及びケーシングにおけるその位置を第2の回転軸21周りに変更するものである。このとき、遊星歯車12は、プラネタリキャリア6,9をケーシング2及び中空軸5に対して回転させるものとなっている。この相対回転は、軸受対7,8あるいは10,11によって可能となる。また、プラネタリキャリア9には駆動され得る要素を連結することも可能である。
図4及び図5には機構が示されており、この機構により、遊星歯車の円すい状の歯部17とリングギヤ18の円すい状の歯部19のより遊びのない噛合が保障される。
プラネタリキャリア9と遊星歯車12の間では、調整装置24が作用する。この調整装置は弾性的な調整体を含んでおり、この調整体は、円筒状の圧縮ばね25として形成されつつプラネタリキャリア9で支持されて軸方向の作用力Fを回転軸20に沿って遊星歯車12へ作用させるとともに、この遊星歯車をその円すい状の歯部17においてリングギヤ18の円すい状の歯部19へ押し込むものである。換言すれば、圧縮ばね25は、動作中に、歯部17,19の歯面を互いに押し付けるものである。この機構によれば、全ての構成要素の製造時に生じる製造ばらつきが補償されるとともに、この製造ばらつきが動作中に動的に調整される。作用力Fが弾性的に、すなわち遊びをもって遊星歯車12へ負荷されることにより、例えば歯溝のふれの誤差により必要となる遊星歯車12の軸方向の調整運動を許容する軸方向の遊びS(図5参照)が実現される。すなわち、円すい状の歯部17,19の歯面において極端に大きな負荷を生じることなく遊びのない動作が維持される。なぜなら、前記負荷が軸方向の遊びSの範囲における遊星歯車の軸方向の運動が作用力Fに抗して回避され得るためである。
調整装置24の正確な構造は、図5から把握される。調整要素26は、ねじ部29を介して、プラネタリキャリア9における対応するねじ穴32へ調整可能に挿設されている。ねじ部29からは、遊星歯車12の軸受ジャーナル14に形成された凹部31へ突出する軸部30が延びている。この凹部31内には、玉27として形成された、場合によっては弾性を有する中間体が挿設されている。この玉27には、ばね25として形成された調整体が係合している。このばね25は、その他端において、軸部30とねじ部29の間で延在するショルダ部33で支持されている。したがって、前記付勢されたばね25は、プラネタリキャリア9における調整要素26を介して支持されつつ圧縮力(作用力F)を玉27を介して遊星歯車12へ作用させるものである。
上述のように、遊星歯車12は、作用力Fに抗して調整ストロークSだけ軸方向へ変位され得る。遊星歯車12の円すい状の歯部17において係合する非常に大きな負荷ピーク時には、この遊星歯車は、玉27がストッパ28(軸部30の端面)に着座するまで作用力Fに抗して摺動される(ばね25が圧縮される)。このとき、玉27は、摩耗を最小限に抑えるか、又は場合によっては更に緩衝的な中間体としての役割を果たす。このとき、この玉27は、ばね25が「ブロック」へ押し縮められることも防止するものである。
ねじ部29を介して軸方向へプラネタリキャリア9内へ螺入又はこのプラネタリキャリアから螺出され得る調整要素26が調整ストロークSを調整する役割を果たす。これにより、必要な調整ストロークSが各遊星歯車に対して個々に調整されることができる。この調整ストロークSは、各遊星歯車12に対して個々に調整可能である。
上述の原理を、任意の他の歯車の歯部に転用することも可能である。
本実施形態は、任意に多数の遊星歯車12と共に実施されることが可能である。また、全く異なるように、多数の変速段を遊星段の手前に接続することも可能である。
駆動部は、同軸又は平行な構造で構成されることも可能である。ここで記載された平行な構成においては、中空軸5をその中央部においてケーブル又は配線のために使用することが考えられる。
1 歯車装置
2 ケーシング
3 駆動ピニオン
4 駆動歯車
5 中空軸
6 プラネタリキャリア
7,8 ころ軸受
9 プラネタリキャリア
10,11 ころ軸受
12 遊星歯車
13,14 軸受ジャーナル
15,16 軸受
17 歯部
18 リングギヤ
19 歯部
20,21 回転軸
22 歯部
23 歯部
24 調整装置
25 圧縮ばね
26 調整要素
27 玉
28 ストッパ
29 ねじ部
30 軸部
31 凹部
32 ねじ穴
33 ショルダ部
100 遊星歯車装置
F 作用力
S 軸方向の遊び(調整ストローク)
上述のように、遊星歯車12は、作用力Fに抗して調整ストロークSだけ軸方向へ変位され得る。遊星歯車12の円すい状の歯部17において係合する非常に大きな負荷ピーク時には、この遊星歯車は、玉27がストッパ28(軸部30の端面)に着座するまで作用力Fに抗して摺動される(ばね25が圧縮される)。このとき、玉27は、摩耗を最小限に抑えるか、又は場合によっては更に緩衝的な中間要素としての役割を果たす。このとき、この玉27は、ばね25が「ブロック」へ押し縮められることも防止するものである。
図示された遊星歯車装置100は、3つのこのような遊星歯車12を備えている。

Claims (15)

  1. −第1の回転軸(20)を有しつつそれぞれ遊星歯車として構成された複数の第1の歯車(12)と、
    −前記第1の回転軸(20)に対して平行に延在する第2の回転軸(22)を有しつつリングギヤとして構成された第2の歯車(18)と、
    −歯部(23)を有しつつサンギヤ(中空軸5)として構成された歯車と、
    −軸方向の作用力(F)及び/又は軸方向の調整ストローク(s)の生成のための調整装置(24)と
    を備え、前記第1の歯車(12)及び前記第2の歯車(18)が前記第1の回転軸(20)の方向へ互いに相対的に軸方向へ変位可能に配置されており、前記生成が、前記第1の歯車(12)の円すい状の歯部(17)が前記第2の歯車(18)の円すい状の歯部(19)に対して軸方向に調整可能及び/又は付勢可能なようになされ、この結果、動作中に前記第1の歯車(12)の円すい状の歯部(17)及び前記第2の歯車(18)の円すい状の歯部(19)が本質的に遊びなしに互いに噛合する、歯車対を備えた遊星歯車装置において、
    遊星歯車として構成された複数の前記第1の歯車(12)が、それぞれ2段に構成されており、第1の段として形成されつつ前記リングギヤと噛合する円すい状の前記歯部(17)と、第2の段として形成されつつ前記サンギヤ(中空軸5)として構成された歯車の前記歯部(23)と噛合する本質的に円筒状の歯部(22)とを備えることを特徴とする遊星歯車装置(100)。
  2. 円すい状の前記歯部(17)及び/また円筒状の前記歯部(22)が直線状の歯部、傾斜状の歯部、又は二重傾斜状の歯部として構成されている、請求項1記載の遊星歯車装置(100)。
  3. 円すい状の前記歯部(17)の最大の直径が、円筒状の前記歯部(22)の直径、特に直径の半分よりも本質的に小さく採寸されている、請求項1又は2記載の遊星歯車装置(100)。
  4. 円すい状の前記歯部(17)及び円筒状の前記歯部(22)が軸方向へ直接隣接している、請求項1〜3のいずれか1項に記載の遊星歯車装置(100)。
  5. 遊星歯車として構成された前記各第1の歯車(12)にそれぞれ1つの調整装置(24)及び/又は弾性的な調整体(25)が割り当てて配置されている、請求項1〜4のいずれか1項に記載の遊星歯車装置(100)。
  6. 前記調整装置(24)が、作用力(F)を作用させる弾性的な調整体(25)を含んでいる、請求項1〜5のいずれか1項に記載の遊星歯車装置(100)。
  7. 前記調整装置(24)が、弾性的な前記調整体(25)に作用し、及び/又は前記調整ストローク(S)を制限するストッパ(28)を形成する調整要素(26)を備えている、請求項1〜6のいずれか1項に記載の遊星歯車装置(100)。
  8. 前記調整体(25)及び/又は前記調整要素(26)が特に玉(27)として構成された中間体に作用するとともに、該中間体が、前記調整体(25)と少なくとも1つの前記第1の歯車の間で作用力(F)を伝達し、及び/又は前記調整要素(26)と前記第1の歯車(12)の間でショックアブソーバとして作用する、請求項7記載の遊星歯車装置(100)。
  9. 前記調整体(25)が圧縮ばね、特にコイルばねとして形成されている、請求項1〜8のいずれか1項に記載の遊星歯車装置(100)。
  10. 軸方向の作用力及び/又は軸方向の調整ストローク(S)が無段階に調整可能である、請求項1〜9のいずれか1項に記載の遊星歯車装置(100)。
  11. 前記調整要素(26)がねじ部(29)を備えており、該ねじ部を介して前記調整要素が前記第1の歯車(12)を収容するキャリア(9)に対して相対的に変位可能である、請求項1〜10のいずれか1項に記載の遊星歯車装置(100)。
  12. 前記調整要素(26)が弾性的な前記調整体(25)の収容及びガイドのための軸部(30)を備えている、請求項1〜11のいずれか1項に記載の遊星歯車装置(100)。
  13. 前記第1の歯車(12)に、前記調整体(25)及び/又は中間要素(27)を収容するための凹部(31)が形成されていることを特徴とする請求項1〜12のいずれか1項に記載の遊星歯車装置(100)。
  14. 前記調整要素(26)がプラネタリキャリア(9)において変位可能に配置されている、請求項1〜13のいずれか1項に記載の遊星歯車装置(100)。
  15. 請求項1〜14のいずれかに記載の遊星歯車装置(100)を有する操作装置。
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