JP4912001B2 - 揺動型歯車装置 - Google Patents

Description

本発明は、動力源によって駆動される入力軸と、該入力軸に形成した傾斜部において回転自在に支承された中空の回転体と、出力軸とを備え、該回転体の軸方向端部に、ハウジングに固定された歯数n1の第１歯車と噛み合う歯数n2の第２歯車と、出力軸に形成された歯数n4の第４歯車と噛み合う歯数n3の第３歯車とを備え、上記入力軸の回転により上記回転体が揺動運動しながら各歯車間の噛み合い位置を変える揺動型歯車装置に関する。

従来より、揺動運動を行ういわゆる揺動型歯車装置を用いた減速歯車装置の原理が知られていた。この揺動型歯車装置は、４つの歯車のみで大減速比を得ることが可能であり、様々な利点を有するものである。しかしながら、揺動型歯車装置はその歯形を高精度かつ低コストでの生産が困難な球面インボリュート歯形とする必要があり、実用化には至らなかった。本発明者はこの球面インボリュート歯形に替えて、ローラ状のコロを凸状歯として用いることにより、揺動型歯車装置の実用化を可能とした。なお、揺動型歯車装置の詳細については、特許文献１に開示されている。

図４には、本発明者による揺動型歯車装置の要部断面が示されている。揺動型歯車装置は、入力軸１と出力軸２との間を、第１〜第４歯車Ａ１〜Ａ４で連結し、これらの歯車によって減速を行っている。この第１〜第４歯車は傘歯車である。そして、第１歯車Ａ１はハウジング６に一体的に固定されている。また、第２歯車Ａ２および第３歯車Ａ３は１つの回転体３に設けられ、回転体３は入力軸１の傾斜部１ａで回転自在に支承されている。このように回転体３を傾斜支持すると、入力軸１の回転に伴って回転体３に揺動運動を発生させることができる。また、各歯車の歯にコロ４およびコロとの内接面としての凹溝５を用い、歯同士の噛み合い時に生ずる摺動をコロ４の転動で吸収している。

図５に示すように、コロ４は、第１歯車Ａ１（第４歯車Ａ４）に形成された凹溝５によって浮遊支持されている。そして、凹溝５から突出するコロ４によって、半円筒状の凸状歯を形成している。また、第２歯車Ａ２（第３歯車Ａ３）にも半円状凹溝５を形成し、凹状歯として構成する。そして、回転体３が矢印Ｂで示す方向に揺動運動を行うと、第２歯車Ａ２（第３歯車Ａ３）は矢印Ｃで示す方向に移動し、各凹状歯と凸状歯とを噛み合わせていく。この際に、各凹状歯と凸状歯との間に生ずる摺動を、コロ４の転動で吸収している。したがって、バックラッシの設定をなくし、かつ、歯同士に意図的に予圧を付与しても、歯同士の噛み合いによる発熱を回避することが可能となる。
特公平７−５６３２４号公報

上記の揺動型歯車装置は、噛み合い部におけるコロの存在により原理的には噛み合い部の摩擦抵抗が低減されることになり、伝達効率を高めることが可能となる。しかしながら、回転体３に形成された第２(第３)歯車の揺動運動は、傾斜部１ａの軸線Ｙと入力軸１の軸線Ｘの交点Ｏを中心に面ぶれ運動を行うものであるため、固定歯としての第１歯車Ａ１と回転体３に形成された第２歯車Ａ２との噛み合い過程において、コロ４の軸方向(歯筋方向)に過大な摩擦力が作用し、この摩擦力によってコロの端面がコロを軸方向内端において位置決め保持するリテーナの外周面に強く押し付けられることになる。このため、コロの凹溝内でのスムースな転動が妨げられ伝達効率の悪化を招く。また、この現象は、リテーナの外周面に対して繰り返し過大な摩擦力が作用し、リテーナおよびコロの耐久性を損なうといった問題にもつながる。

本発明は、かかる点に着目してなされたもので、コロの転動抵抗を最小にして伝達効率の高い揺動型歯車装置を提供することをその目的とする。

上記課題を解決するための本発明の請求項１に係わる手段は、動力源によって駆動される入力軸と、該入力軸に形成した傾斜部において回転自在に支承された中空の回転体と、出力軸とを備え、該回転体の軸方向端部に、ケースに固定された歯数n1の第１歯車と噛み合う歯数n2の第２歯車と、出力軸に形成された歯数n4の第４歯車と噛み合う歯数n3の第３歯車とを備え、上記入力軸の回転により上記回転体が揺動運動しながら各歯車間の噛み合い位置を変える揺動型歯車装置であって、
上記第１ないし第４歯車が外歯傘歯車として構成され、
該第１ないし第４歯車の互いに噛み合い対峙する歯車のうち第１および第４歯車が、ピッチ円錐上において等間隔で歯車中心から放射状に伸びる断面半円状の凹溝と、該凹溝内に転動自在に配置されるローラ状のコロとで凸状歯として構成され、第２および第３歯車が、該凸状歯と噛み合う凹状歯として構成され、
上記凸状歯を構成するコロが、軸方向両端においてそれぞれ環状の樹脂製リテーナによって軸方向に変位できるように弾性的に位置決め保持されていることを特徴とする。

以上のように構成することにより、各歯車の噛み合い部におけるコロは、歯筋方向に摩擦力が作用するが、コロの軸方向内端がリテーナによって弾性的に保持されているので、その弾性に抗して歯筋方向に変位が可能となり、コロの端面とリテーナの外周面との間の摩擦力が大幅に低減される。この場合、噛み合いが解除されれば、コロはリテーナの弾性により初期位置に戻されることになる。

また、上記凸状歯が第１および第４歯車に形成されることで、歯車の一部を構成するコロの保持がより容易かつ確実となる。

さらに、上記リテーナが樹脂製であることで、リテーナ自身の弾性変形によりコロの歯筋方向の変位を許容し、非噛み合い時には元の位置に復帰させることができるだけでなく、樹脂の材料の選択によりコロ端面との摩擦係数を小さくすることができるので、コロの凹溝内での転動性の向上に大きく貢献する。樹脂としては、耐摩耗性に優れたポリアミド系あるいはポリイミド形の樹脂が好ましい。

請求項２に係わる手段は、請求項１において、上記リテーナの周方向に間欠的に切り欠部を備えていることを特徴とする。この構成によれば、リテーナの弾性特性を任意に設定できるので、コロの弾性保持をより適切に行うことが可能となる。

本発明の揺動型歯車装置は以上のように構成されているので、回転体の揺動運動に伴うコロの転動抵抗を最小に低減でき、伝達効率の高い揺動型歯車装置の実現が可能となる。

以下本発明の実施例を図に基づいて説明する。なお、上記従来例と同一ないし相当部分は同一符号を付し詳細な説明は省略する。

本発明に係わる揺動型歯車装置は、動力源としての電動モータ(図示せず)等によって駆動される入力軸１と、該入力軸１に形成した傾斜部１ａにおいて回転自在に支承された中空の回転体３と、出力軸２とを備え、該回転体３の軸方向端部に、ハウジング６に固定された歯数n1の第１歯車Ａ１と噛み合う歯数n2の第２歯車Ａ２と、出力軸２に形成された歯数n4の第４歯車Ａ４と噛み合う歯数n3の第３歯車Ａ３とを形成し、上記入力軸の回転に伴う傾斜部３ｂの偏心運動により上記回転体３ｃが揺動運動しながら各歯車間の噛み合い位置を変える揺動型減速機として構成されている。

入力軸１は動力源としてのモータ(図示せず)等によって駆動されるように構成され、その一端部には傾斜部１ａが形成されている。傾斜部１ａは、入力軸１の軸心Ｘに対して所定角度傾斜した軸心Ｙを備え、外周面において軸受け手段としてのローラベアリングを介して回転体３を回転自在に支承している。

上記回転体３は、大きい内部空間を有する薄肉の中空リング状に形成され、その軸方向端面には、第２歯車Ａ２および第３歯車Ａ３としての傘歯車が形成されている。この第２歯車Ａ２と第３歯車Ａ３とは、それぞれ軸方向において対峙する固定歯車としての第１歯車Ａ１と、出力歯車としての第４歯車Ａ４と噛み合う。この第１および第４歯車も同様に傘歯車として形成される。これら第１ないし第４歯車の歯形は、ピッチ円錐上において等間隔で歯車中心から放射状に伸びる断面半円状の凹溝５が形成され、それぞれの噛み合い部の一方の凹溝５にニードルローラとしてのコロ４が介在され、このコロ４を介して噛み合い伝達が行われるように構成されている。つまり、第１、第４歯車は凹溝５に位置するコロ４とで凸状歯として構成され、第２、第３歯車は、凹溝5によって上記凸状歯と噛み合う凹状歯として構成される。なお、コロ４は通常のニードルベアリングに用いられる軸受け鋼にて形成されている。

凸状歯として構成されるコロ４は、第１、第４歯車の歯数と同数備え、その軸方向(歯筋方向)の両端部において外側リテーナ７、内側リテーナ８によって位置決め保持されている。各リテーナ７，８はリング状に形成されており、軸方向内端には第１、第４歯車の係止溝９と係合する環状の係止爪７ａ,８ａがそれぞれ形成されている。軸方向の外端には、コロ4の軸端部を保持する環状の係止爪７ｂ，８ｂがそれぞれ形成されている。このリテーナ７，８はポリアミド系あるいはポリイミド系の樹脂にて形成され、自身が所定の外力の作用により変形が可能で、各歯車の噛み合い時にコロ４に軸方向内方に摩擦力が作用するが、この力に対し、コロ４の変位を弾性的に許容するように構成されている。この場合、内側リテーナの弾性特性としては、コロ４に作用する力にもよるが、内側リテーナ８の外周面の一部の弾性変形によるものでもよく、リテーナ全体が弾性変形するものであってもよく、要するに噛み合い時の弾性変形と非噛み合い時の復元性とを備えていればよい。また、リテーナは周方向に等間隔で切欠部１０が設けられており、この切欠部１０も内側リテーナ８の弾性変形を許容するに有効な手段といえる。この切欠部１０はコロ４を歯車に対して組み付け保持する際、歯車の内周面に対し先端部をすぼめて挿入できるので組み付け性の向上にも貢献する。切欠部１０は、図２に示すように非開放部側が円弧状に形成されており、リテーナの変形に伴う切欠部１０の特定部分に対する応力集中を防ぐことが可能とある。

以上のように構成される揺動型歯車装置は、以下のように作動する。すなわち、傾斜部１ａの回転に対し、回転体３が揺動運動を行い、その端面に形成された第２歯車Ａ２および第３歯車Ａ３が第１歯車Ａ１および第４歯車Ａ４の軸心Ｘに対して面振り運動を行い、第１、第２歯車および第３、第４歯車の噛み合い位置が周方向に変位する。

このとき、第１歯車Ａ１と第２歯車Ａ２間の周方向の相対変位は、第１歯車Ａ１と第２歯車Ａ２の歯数差に相当する値だけ、つまり、歯数差が１であれば回転体３の一周期の面振り運動に対し一歯分ずれることになり、歯数差が２の場合には二歯ずれることになる。また、第３歯車Ａ３と第４歯車Ａ４との間においても同様の運動が行われる。したがって、減速機構として構成する場合には、減速比をＲ（入力軸1が１回転したときの出力軸２の回転数）とすると、Ｒ＝１−（ｎ１×ｎ３）／（ｎ２×ｎ４）として表される。

ここで、ｎ１：第１歯車Ａ１の歯数、ｎ２：第２歯車Ａ２の歯数、ｎ３：第３歯車Ａ３の歯数、ｎ４：第４歯車Ａ４の歯数とし、ｎ１＝99，ｎ２＝100，ｎ３＝101，ｎ４＝100とすると、減速比は、Ｒ＝１／１万（正回転）となる。

つまり、第１歯車Ａ１の歯数が 99、第２歯車Ａ２の歯数が 100であるので、入力軸１が１回正回転すると、第１歯車Ａ１に対して第２歯車Ａ２は1/100だけ正回転する。第２歯車Ａ２の運動は、第３歯車Ａ３に直接伝わり、第３歯車Ａ３と第４歯車Ａ４との間でも、同様の噛み合いを行う。この場合、第３歯車Ａ３の歯数が 101、第４歯車Ａ４の歯数が100とすると、第３歯車Ａ３に対して第４歯車Ａ４は1/100だけ逆回転する。よって、第３歯車Ａ３と第４歯車Ａ４との間でも、１段階の減速がなされる。すなわち、入力軸１の回転運動が出力側に伝達される際に、第１、第２歯車Ａ１，Ａ２の間と、第３、第４歯車Ａ３，Ａ４の間とで、２段階の減速が行われることになる。また、第２歯車Ａ２、第３歯車Ａ３が揺動運動をしながら、第１歯車Ａ１、第４歯車Ａ４とそれぞれ噛み合う際には、固定歯間の各噛み合いであれば噛み合い面には摺動を生ずることになるがそれらの噛み合い部にはコロ４が介在されているので、コロ４の転動作用により噛み合い部における摩擦力が軽減されることになり伝達効率が高められ、しかも、バックラッシュを実質的にゼロにすることができるので振動騒音の発生を可及的に低減できる。

また、上記のような回転体３の揺動運動すなわち第２および第３歯車の揺動運動は、傾斜部１ａの回転に伴って入力軸の軸心Ｘと傾斜部１ａの軸心Ｙの交点Ｏを中心とした円弧上を移動しながら揺動運動が行われるので、その噛み合い時において、第１、第４歯車の凸状歯を構成するコロ４に対し、その歯筋方向(歯車の軸心方向)に摩擦力が作用するが、この力によってコロの軸方向内端部と当接する内側リテーナ８が弾性変形しコロ４が歯筋方向に移動することになるので、コロ４の端面とリテーナ８外周面との間の摩擦力が大幅に低減され、もってコロの転動抵抗が大幅に軽減されることになる。この状態から非噛み合い状態に移行すると、コロに作用する歯筋方向の摩擦力がなくなるので、コロ４はリテーナの弾性復元力により所定の位置に復帰する。

本発明にかかわる揺動型歯車装置は以上のように構成されているので、以下のような特徴がある。

コロが軸方向内端においてリテーナによって弾性的に位置決め保持されるように構成されているので、噛み合い時におけるコロ軸端部の過大摩擦力の発生を抑制でき、もって揺動型歯車装置としての伝動効率を向上させることができる。またコロの端面荷重の低減は、内側リテーナの局部磨耗の低減にもつながり、ひいては、揺動型歯車装置の耐久性の向上にも貢献する。

また、歯車の噛み合い部に介在されるコロが固定歯車としての第１歯車と出力歯車としての第４歯車側に位置決め保持されているので、設計の自由度が大きい。すなわち、コロの保持位置としては、第２、第３歯車側であっても基本機能としては支障はないが、固定歯車としての第１歯車、出力歯車としての第４歯車側において保持するほうが。第２および第３歯車は、半径方向内方においてベアリング等の軸受け部材を介して複雑な揺動運動を行うものであるため、できるだけ薄肉であることが好ましく、その端面でコロを保持するとなるとその構造が極めて複雑となる。

また、内側リテーナは樹脂製としているが、ポリアミド系あるいはポリイミド系の樹脂を用いることで、弾性変形の容易性および耐磨耗性に優れたリテーナとすることが可能となる。単に弾性変形については金属製であっても肉厚を薄くし上記実施例のように周方向に切欠部を設ける等の構造的配慮を加えれば可能であるが、本発明では、耐摩耗性、組み付け性を考慮して、樹脂製とする。

本発明は上記の実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

本発明に係わる揺動歯車装置の断面図。 本発明に係わる揺動歯車装置の要部の断面図。 本発明に係わる揺動歯車装置の要部の正面図。 従来の揺動型歯車装置の断面図 従来の揺動型歯車装置の噛み合い部の説明図。

１ 入力軸
１ａ 傾斜部
２ 出力軸
３ 回転体
４ コロ
５ 凹溝
６ ハウジング
７ 外側リテーナ
８ 内側リテーナ
１０ 切欠部

Claims (2)

1. 動力源によって駆動される入力軸と、該入力軸に形成した傾斜部において回転自在に支承された中空の回転体と、出力軸とを備え、該回転体の軸方向端部に、ハウジングに固定された歯数n1の第１歯車と噛み合う歯数n2の第２歯車と、出力軸に形成された歯数n4の第４歯車と噛み合う歯数n3の第３歯車とを備え、上記入力軸の回転により上記回転体が揺動運動しながら各歯車間の噛み合い位置を変える揺動型歯車装置であって、
   上記第１ないし第４歯車が外歯傘歯車として構成され、
   該第１ないし第４歯車の互いに噛み合い対峙する歯車のうち第１および第４歯車が、ピッチ円錐上において等間隔で歯車中心から放射方向に伸びる断面半円状の凹溝と、該凹溝内に転動自在に配置されるローラ状のコロとで凸状歯として構成され、第２および第３歯車が、該凸状歯と噛み合う凹状歯として構成され、
   上記凸状歯を構成するコロが、軸方向両端においてそれぞれ環状の樹脂製リテーナによって軸方向に変位できるように弾性的に位置決め保持されていることを特徴とする揺動型歯車装置。
2. 上記リテーナの周方向に間欠的に切り欠部を備えていることを特徴とする請求項１に記載の揺動型歯車装置。

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