JP4233163B2 - 波動歯車装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は波動歯車装置に関し、特に、高速高負荷回転時におけるラチェティングの発生を防止可能な波動歯車装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
波動歯車装置は創始者Ｃ．Ｗ．Ｍｕｓｓｅｒ氏の発明（米国特許第２，９０６，１４３号）以来、多くの研究者によって各種の発明考案がなされている。例えば、特公昭４５−４１１７１号公報、特開平７−１６７２２８号公報等に波動歯車装置が開示されている。
【０００３】
典型的な波動歯車装置としては、コップ状あるいはシルクハット状の可撓性外歯歯車を備えた形式のものが知られている。図１は、典型的なコップ状の波動歯車装置の斜視図およびその軸直角断面を示す概略断面構成図である。図２は、コップ状可撓性外歯歯車の開口部を楕円状に撓ませた状況を含軸断面で示したものであり、（ａ）は変形前の姿、（ｂ）は楕円の長軸を含む断面、（ｃ）は短軸を含む断面である。なお、図２においては、シルクハット状可撓性外歯歯車も破線で示してある。
【０００４】
これらの図に示すように、コップ状の波動歯車装置１は、環状の剛性内歯歯車２と、この内側に同心状に配置されたコップ状の可撓性外歯歯車３と、この内側にはめ込まれた楕円形輪郭の波動発生器４とを備えている。コップ状の可撓性外歯歯車３は、円筒状の胴部３１と、その一端に連続している環状のダイヤフラム３２と、このダイヤフラム３２の中心部分に一体形成されている円環状のボス３３と、胴部３１の開口部３４の外周面に形成された外歯３５を備えている。
【０００５】
シルクハット状の可撓性外歯歯車３Ａは、図２において破線で示すように、ダイヤフラム３２Ａが半径方向の外方に広がった環状板であり、その外周縁に環状ボス３３Ａが一体的に形成された形状をしている。
【０００６】
波動発生器４は、楕円形の剛性カム板４１と、この外周面に嵌めたボールベアリング４２とを備えている。ボールベアリング４２は内輪４２ａ、外輪４２ｂおよびこれらの間に転動自在に装着された複数個のベアリングボール４２ｃとから構成され、内外輪４２ａ、４２ｂは可撓性のものである。
【０００７】
可撓性外歯歯車３は波動発生器４によって楕円形に撓められ、その楕円形の長軸３ａの近傍に位置する当該外歯車３の外歯３５が、剛性内歯歯車２の内歯２１に噛み合っている。コップ状あるいはシルクハット状の可撓性外歯歯車３（３Ａ）では、その軸直角断面が、ダイヤフラム側から開口部にかけてダイヤフラムからの距離にほぼ比例した撓み量を生ずるように楕円状に撓められる。
【０００８】
波動発生器４が回転駆動源（図示せず。）によって回転すると、両歯車２、３は、それらの歯数差に応じた相対回転が発生する。かかる減速原理は公知であるのこれ以上の説明は省略する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
このような波動歯車装置、特に高減速比のものについては、高負荷トルク時と高回転時においてラチェティングがよく発生する。波動歯車装置におけるラチェティングとは、高負荷トルクでの回転時に、剛性内歯歯車と可撓性外歯歯車の間の噛み合い状態にある歯に滑りが発生して、相互にずれてしまい、正常な噛み合いを形成できない現象を言う。このラチェティングは、入力回転が速いほど起こりやすい。例えば、入力回転数が２０００ｒｐｍの場合は、入力軸を固定する場合と比べて、ラチェティングが発生しない最大負荷トルク、すなわちラチェティング負荷トルクはほぼ半分に低下する。
【００１０】
ラチェティング負荷トルクは歯車の歯丈が高い程、増加する傾向があるが、それ以外の要因もかなり大きいと思われる。しかし、波動歯車装置においては、図２を参照して説明したように、コップ状あるいはシルクハット状の可撓性外歯歯車３（３Ａ）は、その軸直角断面が、ダイヤフラム側から開口部にかけてダイヤフラムからの距離にほぼ比例した撓み量を生ずるように楕円状に撓められる。
【００１１】
また、このようなコーニングと共に、カップ状あるいはシルクハット状の可撓性外歯歯車のボス部に掛けられている負荷トルクと歯面に作用する歯面荷重により、当該可撓性外歯歯車にねじれが生じ、歯幅の広い歯の部分もかなりのねじれ量でねじれが発生する。
【００１２】
このように、波動歯車装置では、そのカップ状あるいはシルクハット状の可撓性外歯歯車が特殊な弾性変形を起こすので、当該可撓性外歯歯車と剛性内歯歯車の噛み合いにおけるラチェティングの発生メカニズムについては、未だ十分に把握されていないのが現状である。
【００１３】
本発明の課題は、高速回転時、高負荷トルク回転時におけるラチェティングを抑制可能な波動歯車装置を提案することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明は、コップ状あるいはシルクハット状の波動歯車装置において、図３に示すように、その波動発生器４の位置を次のように設定している。すなわち、可撓性外歯歯車３の開口部３４の側の面取り面３６と外歯３５の歯先円筒３７との交わり円３８から、波動発生器４のベアリングボール４２ｃの中心位置４２ｄまでの距離Ｌ１が、有効歯幅Ｌの５０％を超える値から６５％の値までの範囲内となるように設定することを特徴としている。本発明における「有効歯幅Ｌ」とは、両端の面取り面３６、３９と歯先円筒との交わりの円の間にある歯筋方向の長さを意味している。
【００１５】
次に、本発明の波動歯車装置では、図４に模式的に示すように、剛性内歯歯車２の内歯２１として採用されている実線で示す形状を、破線Ａで示すように、歯先面を全体として凸曲面となるようにを丸めるか、あるいは、歯先面両側の角２１ａ、２１ｂの部分にアールを付けて丸めることを特徴としている。
【００１６】
一方、本発明の波動歯車装置では、波動発生器４のボールベアリング４２の外輪の幅とその外径寸法の比を１５〜２５％の範囲内としたことを特徴としている。
【００１７】
以下に、上記の各特徴につき更に詳細に説明する。
【００１８】
（波動発生器のベアリングボールの中心位置について）
可撓性外歯歯車３の歯元応力の最大値は、その開口部３４から波動発生器４のベアリングボール４２ｃの中心４２ｄの位置の付近までの領域に現れ、両歯車２、３の歯面荷重の最大値もほぼ同じ位置に現れることが判っている。特に、可撓性外歯歯車３の開口部３４では、剛性内歯歯車２の歯面荷重により生じた半径方向の強制変形のために、円周方向の応力が最大引張応力と最大圧縮応力の間に顕著な極大値と極小値を持つと共に、応力集中係数が大きいので、場合によっては、可撓性外歯歯車３の開口部３４の疲労強度が他の部分よりも弱い可能性がある。
【００１９】
一方、波動発生器４のベアリングボール４２の中心位置は、歯面荷重を分担する歯の歯筋方向の領域を左右する。この歯面荷重を分担する歯筋方向の領域は、歯底強度だけではなく、可撓性外歯歯車３のねじれ剛性にも影響を及ぼす。
【００２０】
可撓性外歯歯車３の開口部３４からベアリングボール４２の中心位置までの距離が大きい方が、可撓性外歯歯車３のねじれ量が小さく、また、ベアリングボール４２ｃの中心位置から歯の歯筋方向の端部位置までのねじれ角が小さい。よって、歯先同士の干渉が起こりにくく、ラチェティング負荷トルクが向上する。
【００２１】
また、先に述べたように、可撓性外歯歯車３の開口部３４からベアリングボール４２ｃの中心位置までの領域で、ほとんどの歯面荷重を受け、最大歯元応力も当該領域内で発生する。ベアリングボール４２ｃの中心位置を開口部３４から遠ざかる方向に移動するのに伴って、大きな歯面荷重を負担する領域も同一方向に移動する。この結果、開口部近傍の歯面荷重や歯元応力を低減でき、歯底強度の向上にも繋がる。
【００２２】
（剛性内歯歯車の歯先や歯先角を丸める必要性）
先に述べたように、可撓性外歯歯車３にねじりが発生すると両歯車２、３の歯２１、３５は、ボス３３側の部分で歯先が干渉し、摩耗というよりも削るような傷が歯先に付く。歯先干渉の程度が大きくなると、可撓性外歯歯車３の外歯歯先が剛性内歯歯車２の内歯歯先の角に乗り上げ、ラチェティングが発生する。
【００２３】
したがって、剛性内歯歯車２の内歯歯先の角を無くし、丸くした方が両歯車の歯先が干渉した場合に、一方の歯車の歯が他方の歯車の歯溝に滑り込みやすくなり、また、歯先に削り傷がつく可能性も少なくなるので、ラチェティングが発生しにくくなるものと考えられる。
【００２４】
（波動発生器のベアリング外輪を広幅とすることについて）
一般的に使用されている波動発生器のボールベアリング４２の外輪の幅は、その外径寸法の１５％未満の寸法である。本発明のように幅広の外輪をもつ波動発生器４を使用することにより、可撓性外歯歯車３の軸線方向１ａの剛性が高まり、歯筋方向の噛み合いも良くなる。このため、ねじれが小さくなり、歯車の歯先干渉が起こりにくくなるので、ラチェティング負荷トルクが向上するものと考えられる。
【００２５】
また、歯筋方向の剛性が向上すると、歯面荷重の分布がなだらかになり、歯元応力の最大値が低下するので、歯底強度の向上にも繋がる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明の波動歯車装置においては、波動発生器ベアリングボールの中心を、可撓性外歯歯車の歯の面取面と歯先円筒との交わり円から有効歯幅の５０％を超え、その６５％までの範囲内に位置するように設定している。また、剛性内歯歯車の歯先を凸曲面とし、あるいは歯先面の両側の角を曲面状としている。さらに、ボールベアリング外輪の幅とその外径寸法の比を１５〜２５％の範囲内としている。
【００２７】
本発明者等の実験等によれば、上記構成を採用することにより、従来の波動歯車装置に比べて、ラチェティング負荷トルクを大幅に向上できることが確認された。
【００２８】
これに加えて、歯元応力の分布、歯面荷重の分布が改善され、両歯車の歯底強度も向上できることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用可能な典型的な波動歯車装置の一例を示す斜視図、およびその軸直角断面を示す概略断面構成図である。
【図２】コップ状あるいはシルクハット状の可撓性外歯歯車の撓み状況を含軸断面で示す説明図であり（ａ）は変形前の断面の状態であり、（ｂ）は該歯車の長軸を含む断面の変形状態であり、（ｃ）は該歯車の短軸を含む断面の変形状態である。
【図３】波動発生器のベアリングボールの位置を説明するための説明図である。
【図４】剛性内歯歯車の内歯の形状を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 波動歯車装置
２ 剛性内歯歯車
３ 可撓性外歯歯車
４ 波動発生器
２１ 内歯
１ａ 軸線方向
３ａ 長軸
３ｂ 短軸
３１ 円筒状の胴部
３２ ダイヤフラム
３３ ボス
３４ 開口部
３５ 外歯
３６ 面取り面
３７ 歯先円筒
３８ 交わり円
３９ 面取り面
４２ ボールベアリング
４２ａ 内輪
４２ｂ 外輪
４２ｃ ベアリングボール
４２ｄ ボールの中心
Ｌ 外歯の有効歯幅
Ｌ１ 交わり円からボール中心までの距離

Claims (3)

1. 剛性内歯歯車と、その内側に配置された可撓性外歯歯車と、この可撓性外歯歯車を半径方向に撓めて前記剛性内歯歯車と部分的に噛み合わせると共に両歯車の噛み合い位置を円周方向に移動させることにより両歯車に相対回転を発生させる波動発生器とを有し、前記可撓性外歯歯車は、円筒状の胴部と、この胴部の一端に連続して半径方向の内方あるいは外方に延びるダイヤフラムと、前記胴部の他端開口部の外周面に形成された外歯とを備えたコップ状あるいはシルクハット状の可撓性外歯歯車であり、前記波動発生器によって、当該可撓性外歯歯車の軸直角断面は、前記ダイヤフラム側から開口部にかけて当該ダイヤフラムからの距離にほぼ比例した撓み量を生ずるように楕円状に撓まされる波動歯車装置において、
   前記可撓性外歯歯車の外歯における胴部開口部側の歯筋方向の端に付けた面取面と、当該外歯の歯先円筒との交差位置を規定する交わり円から、前記外歯の歯筋方向に向けて、当該外歯の有効歯幅の５０％を超える位置からその６５％の位置までの範囲内に、前記波動発生器のベアリングボールの中心が位置していることを特徴とする波動歯車装置。
2. 請求項１において、
   前記剛性内歯歯車の歯先面と両側の歯面とが交差する角を曲面状としたことを特徴とする波動歯車装置。
3. 請求項１または２において、
   前記波動発生器のボールベアリング外輪の幅とその外径寸法の比を１５〜２５％の範囲内としたことを特徴とする波動歯車装置。

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