JP5875876B2 - 歯車伝動装置 - Google Patents

Description

本明細書は歯車伝動装置に関する技術を開示する。

外歯歯車が内歯歯車と噛み合いながら偏心回転する歯車伝動装置が知られており、その一例が特許文献１及び２に開示されている。特許文献１及び２の歯車伝動装置では、内歯歯車がケースの内周に形成されており、外歯歯車がキャリアに支持されている。キャリアは、ケースに支持されている。キャリアは、クランクシャフトを有している。外歯歯車は、クランクシャフトの偏心体に係合して偏心回転する。外歯歯車の歯数は、内歯歯車の歯数と相違している。そのため、外歯歯車が内歯歯車と噛み合いながら偏心回転すると、キャリアがケースに対して回転する。特許文献１の歯車伝動装置では、キャリアは、アンギュラ玉軸受を介してケースに支持されている。また、特許文献２の歯車伝動装置では、キャリアは、アンギュラころ軸受を介してケースに支持されている。

特開２０１０−１５６４３０号公報 特開２０１０−１５９７７４号公報

上記したような歯車伝動装置は、大きな出力トルクが要求される分野で使用されることが多い。そのため、キャリアとケースの間に配置される軸受に大きな力が作用する。特許文献１の歯車伝動装置の場合、転動体が玉なので、転動体とレースの接触面積が小さい。その結果、大きな力に耐えることができず、耐久性に優れた歯車伝動装置を実現することができない。

特許文献２の歯車伝動装置の場合、転動体は、円筒状であるとともに歯車伝動装置の軸線に対して斜めに配置されている。そのため、転動体の軸方向において、レースの直径が位置毎に異なる。すなわち、レースの直径は、転動体の軸方向において、歯車伝動装置の外側に向かうに従って大きくなる。転動体がレースを一周するときに、転動体の転走距離が位置毎に異なるので、転動体とレースの間にすべりが発生する。このすべりによって、転動体の回転軸が本来の軸方向から傾き、転動体を軸方向に移動させる力が発生する。この現象により、キャリアとケースが相対回転すると、転動体の軸方向に沿って、転動体を歯車伝動装置の外側へ移動させる力が作用する。その結果、転動体が軸方向へ移動することを規制する部品が必要となり、歯車伝動装置の構造が複雑になる。本明細書は、簡単な構造で、耐久性に優れた歯車伝動装置を提供する。

本明細書が開示する歯車伝動装置は、ケースと、一対の軸受と、キャリアと、クランクシャフトと、外歯歯車を備えている。ケースの内周には、内歯歯車が形成されている。キャリアは、一対の軸受を介して内歯歯車と同軸にケースに支持されている。クランクシャフトは、キャリアに支持されている。また、クランクシャフトは偏心体を有する。外歯歯車は、クランクシャフトの偏心体に係合しており、内歯歯車と噛み合いながら偏心回転する。この歯車伝動装置では、上記一対の軸受の夫々が、内歯歯車の軸線方向において、内歯歯車の外側に夫々配置されている。また、上記一対の軸受の夫々は、内周面に円弧状の窪みが一巡して形成されているアウターレースと、外周面に円弧状の窪みが一巡して形成されているインナーレースと、アウターレースとインナーレースの間に配置されている複数の球面ころによって構成されている。上記一対の軸受は、軸受中心軸を含む断面において、一方の軸受の球面ころの回転軸線の延長線と他方の軸受の球面ころの回転軸線の延長線が、一対の軸受の間で交わるように配置されている。

まず、本明細書で用いる用語について説明する。「円弧状の窪みが一巡して形成されている」とは、アウター（インナー）レースを軸受中心軸に沿ったいずれの断面で観察しても、内周面（外周面）に円弧が現れる形態のことを意味する。軸受中心軸は、内歯歯車の軸線に等しい。また、「球面ころ」とは、転動体の回転軸に沿った断面を観察したときに、回転軸の両端を円弧でつないだ形状が現れるものを意味する。別言すると、転動体の回転軸に直交する断面を観察したときに、いずれの断面も円となり、転動体の回転軸方向の中心に向かうに従って、円の直径が大きくなる形態を意味する。「球面ころ」は、「凸面ころ」と呼ばれることもある。なお、本明細書では、ケースとキャリアの間に配置されている軸受を「主軸受」と称することがある。

上記の歯車伝動装置によると、アンギュラ玉軸受を用いた歯車伝動装置と比較して、転動体（球面ころ）とレースの接触面積を増大することができる。そのため、キャリアとケースの間で作用する大きな力に耐えることができる。また、アウター（インナー）レースの内周面（外周面）に円弧が形成されているので、転動体の軸方向に沿って転動体を歯車伝動装置の外側に移動させる力が作用しても、転動体の移動が規制される。なお、上記したように、一対の軸受は、軸受中心軸を含む断面において、一方の軸受の球面ころの回転軸線の延長線と他方の軸受の球面ころの回転軸線の延長線が、一対の軸受の間で交わるように配置されている。よって、アキシャル方向とラジアル方向の双方において、キャリアとケースの相対移動が規制される。上記歯車伝動装置は、従来の歯車伝動装置よりも、簡単な構造で、耐久性を向上させることができる。

第１実施例の歯車伝動装置の断面図を示す。 第１実施例の歯車伝動装置について、主軸受の拡大断面図を示す。 第２実施例の歯車伝動装置の断面図を示す。

以下、本明細書で開示する実施例の技術的特徴の幾つかを記す。なお、以下に記す事項は、各々単独で技術的な有用性を有している。

（特徴１）球面ころとインナーレースの接触角が、３０度以上で６０度以下であることが好ましい。この範囲であれば、アキシャル荷重とラジアル荷重の両方を、バランスよく負担することができる。なお、「球面ころとインナーレースの接触角」とは、軸受中心軸に直交する面と、球面ころからインナーレースに加えられる力の向きを示す直線によって形成される角度のことを意味する。

（特徴２）ケースとキャリアの相対的な回転速度が１００ｒｐｍ以下であることが好ましい。主軸受の温度上昇が抑制されるので、主軸受に大きな予圧を加えることができる。

（特徴３）球面ころの回転軸に沿った断面を観察したときに、球面ころの円弧の中心が、球面ころの外側に位置していることが好ましい。主軸受のサイズが小さくなるので、小型の歯車伝動装置を実現することができる。

（第１実施例）
図１は、歯車伝動装置１００の断面図を示す。歯車伝動装置１００は、外歯歯車２４が内歯歯車２８と噛み合いながら偏心回転するタイプの減速装置である。具体的には、歯車伝動装置１００は、外歯歯車２４と内歯歯車２８の歯数差を利用し、クランクシャフト１４に伝達されたトルクを増大して（回転を減速して）キャリア８から出力する。別言すると、外歯歯車２４と内歯歯車２８の歯数差を利用し、キャリア８をケース３８に対して回転させる。以下、歯車伝動装置１００の基本構造について簡単に説明する。

歯車伝動装置１００は、ケース３８とキャリア８とクランクシャフト１４と外歯歯車２４を備えている。内歯歯車２８は、ケース３８と、ケース３８の内周に配置されている複数の内歯ピン２６で構成されている。ケース３８とキャリア８の間に一対の主軸受２（２Ｘ,２Ｙ）が配置されている。キャリア８は、一対の主軸受２を介して、内歯歯車２８と同軸にケース３８に支持されている。軸線３６が、キャリア８及び内歯歯車２８の軸線である。なお、主軸受２の軸受中心軸は、軸線３６に等しい。主軸受２の詳細については後述する。

ケース３８の内周面には、径方向に延びるフランジ３８ａが形成されている。本明細書でいう「径方向」とは、軸線３６に直交する方向を意味する。キャリア８は、第１プレート８ａと第２プレート８ｃで構成されている。第１プレート８ａから第２プレート８ｃに向けて柱状部８ｂが延びており、柱状部８ｂと第２プレート８ｃが固定されている。第１プレート８ａの端部には、径方向に延びる第１フランジ８ｄが形成されている。また、第２プレート８ｃの端部には、径方向に延びる第２フランジ８ｅが形成されている。第１プレート８ａとケース３８の間にオイルシール４が配置されている。オイルシール４は、歯車伝動装置１００の内部に注入された潤滑剤等が歯車伝動装置１００の外部に漏れることを防止している。

キャリア８は、クランクシャフト１４と外歯歯車２４を支持している。クランクシャフト１４は、一対の円錐ころ軸受１２によって、キャリア８に支持されている。クランクシャフト１４の軸線３４は、軸線３６に平行である。すなわち、クランクシャフト１４は、軸線３６からオフセットした位置で、軸線３６に平行に延びている。クランクシャフト１４は、偏心体１８と入力歯車３２を備えている。偏心体１８は、円筒ころ軸受２２を介して、外歯歯車２４に係合している。外歯歯車２４は、クランクシャフト１４を介してキャリア８に支持されている。なお、キャリア８の柱状部８ｂが、外歯歯車２４の貫通孔２４ａを通過している。貫通孔２４ａの内壁と柱状部８ｂの間には、隙間が確保されている。

モータ（図示省略）のトルクが入力歯車３２に伝達されると、クランクシャフト１４が回転する。偏心体１８は、クランクシャフト１４の回転に伴って、軸線３４に対して偏心回転する。外歯歯車２４は、偏心体１８の偏心回転に伴って、内歯歯車２８と噛み合いながら偏心回転する。外歯歯車２４の歯数と内歯歯車２８の歯数（内歯ピン２６の数）は異なる。上記したように、外歯歯車２４はキャリア８に支持されており、内歯歯車２８はケース３８の内周面に形成されている。よって、外歯歯車２４が偏心回転すると、外歯歯車２４と内歯歯車２８の歯数差に応じて、キャリア８がケース３８に対して回転する。歯車伝動装置１００では、キャリア８とケース３８の相対的な回転速度が、１００ｒｐｍ以下に調整されている。

主軸受２Ｘの球面ころの回転軸線４０Ｘの延長線と、主軸受２Ｙの球面ころの回転軸線４０Ｙの延長線とが、主軸受２Ｘと主軸受２Ｙの間で交わっている。このような配置により、アキシャル方向及びラジアル方向において、キャリア８とケース３８の相対移動を規制することができる。すなわち、主軸受２は、アキシャル荷重及びラジアル荷重の双方を負担することができる。なお、歯車伝動装置１００では、軸線３６方向から観察した回転軸線４０Ｘと回転軸線４０Ｙの交点が、主軸受２の径方向内側に位置している。回転軸線４０Ｘと回転軸線４０Ｙの交点が主軸受２の径方向外側に位置するように、主軸受２Ｘ，２Ｙを配置してもよい。

図２を参照し、主軸受２について詳細に説明する。図２は、第１プレート８ａとケース３８の間に配置されている主軸受２Ｘを示す。なお、主軸受２Ｙ（図１を参照）の構造は、主軸受２Ｘの構造と同一である。よって、主軸受２Ｘについてのみ説明し、主軸受２Ｙの説明は省略する。

主軸受２は、アウターレース５６と、インナーレース５０と、球面ころ５４と、リテーナ５２を備えている。複数の球面ころ５４が、アウターレース５６とインナーレース５０の間に配置されている。リテーナ５２は、球面ころ５４同士が接触することを防止している。なお、リテーナ５２は、ケース３８及びキャリア８に接触していない。別言すると、リテーナ５２とケース３８の間、及び、リテーナ５２とキャリア８の間には隙間が確保されている。歯車伝動装置１００の駆動中も、リテーナ５２は、ケース３８及びキャリア８に接触しない。

アウターレース５６の内周面５６ａには、円弧状の窪みが一巡して形成されている。アウターレース５６の外周面５６ｂは、ケース３８に嵌合している。アウターレース５６の軸受中心軸３６方向（図１を参照）の端面５６ｃは、フランジ３８ａに接している。インナーレース５０の外周面５０ｂには、円弧状の窪みが一巡して形成されている。インナーレース５０の内周面５０ａは、キャリア８の第１プレート８ａに嵌合している。インナーレース５０の軸受中心軸３６方向の端面５０ｃは、第１プレート８ａの第１フランジ８ｄに接している。球面ころ５４の転動面５４ａ、アウターレース５６の内周面５６ａ及びインナーレース５０の外周面５０ｂの曲率は、ほぼ等しい。なお、主軸受２Ｙでは、インナーレース５０の軸受中心軸３６方向の端面が、第２プレート８ｃの第２フランジ８ｅに接している（図１を参照）。

歯車伝動装置１００では、主軸受２に対して、ラジアル容量（Ｃｒ）の１０〜５０％の予圧を加える。一般的な機械に使用される軸受の場合、軸受に対して、ラジアル容量（Ｃｒ）の３〜５％程度の予圧を加える。すなわち、歯車伝動装置１００では、一般的な軸受の使用方法に比べ、大きな予圧を加える。上記したように、キャリア８とケース３８の相対的な回転速度が１００ｒｐｍ以下に調整されているので、歯車伝動装置１００が駆動しているときに、主軸受２の発熱が抑制される。そのため、歯車伝動装置１００は、大きな予圧を主軸受に加えることができ、高い剛性を得ることができる。なお、インナーレース５０の端面５０ｃとキャリア８の第１フランジ８ｄとの間にスペーサを配置し、主軸受２の予圧を調整してもよい。

主軸受２の利点を説明する。上記したように、主軸受２は、内周面５６ａに円弧状の窪みが形成されているアウターレース５６と、外周面５０ｂに円弧状の窪みが形成されているインナーレース５０と、球面ころ５４を備えている。そのため、主軸受２の場合、転動体（球面ころ）とレース（アウターレース及びインナーレース）の接触面積が、従来の玉軸受（例えばアンギュラ玉軸受）よりも広い。主軸受２を使用することにより、歯車伝動装置の耐久性を向上させることができる。

また、歯車伝動装置１００の駆動中は、球面ころ５４に、球面ころ５４の回転軸線４０Ｘ（４０Ｙ）に沿って歯車伝動装置１００の外側へ移動させる力が作用する。しかしながら、円弧状の窪みがアウターレース５６及びインナーレース５０に形成されているので、球面ころ５４の移動が規制される。歯車伝動装置１００は、従来のころ軸受（例えばアンギュラころ軸受）のように、転動体の移動を規制する構造を必要としない。また、上記したように、リテーナ５２がケース３８及びキャリア８に接触しないので、球面ころ５４の回転が妨げられることがない。歯車伝動装置１００は、従来の歯車伝動装置と比較して、簡単な構造で、高い耐久性を実現することができる。

図１に軸受中心軸３６に直交する面を示す破線６ａと、球面ころ５４からインナーレース５０（図２も参照）に加えられる力の向きを示す破線６ｂを示している。歯車伝動装置１００では、破線６ａ，６ｂの間の角度、すなわち、球面ころ５４とインナーレース５０の接触角Ｔｈがおよそ４０度である。以下、球面ころ５４とインナーレース５０の接触角Ｔｈを、単に接触角Ｔｈと呼ぶ。歯車伝動装置１００の場合、接触角Ｔｈは、３０度〜６０度の間に調整されていることが好ましい。接触角Ｔｈが３０度未満の場合、アキシャル方向に加わる力に充分に耐えることができず、歯車伝動装置の耐久性が低下する。また、接触角Ｔｈが６０度を超える場合、ラジアル方向に加わる力に充分に耐えることができず、歯車伝動装置の耐久性が低下する。接触角Ｔｈが３０度以上で６０度以下の範囲であれば、耐久性に優れた歯車伝動装置を実現することができる。

図２に示すように、球面ころ５４の円弧の中心５８が、球面ころ５４の外側に位置している。このような球面ころ５４を使用することにより、球面ころとインナー球面ころの幅（回転軸に直交する方向の長さ）を短くすることができる。球面ころ５２とレース（アウターレース５６及びインナーレース５０）との接触面積を維持したまま、小型の歯車伝動装置１００を実現することができる。

（第２実施例）
歯車伝動装置２００について説明する。図２に、歯車伝動装置２００の断面図を示す。歯車伝動装置２００は歯車伝動装置１００の変形例であり、歯車伝動装置１００と同じ部品には、同じ符号又は下二桁が同じ符号を付すことにより説明を省略することがある。

歯車伝動装置２００では、クランクシャフト２１４が、内歯歯車２２８と同軸に配置されている。すなわち、クランクシャフト２１４の軸線２３４が、内歯歯車２２８の軸線２３６に一致している。クランクシャフト２１４は、一対の深溝玉軸受２１２によって、キャリア２０８に支持されている。クランクシャフト２１４は、円筒ころ軸受２２２を介して、外歯歯車２２４に係合している。

キャリア２０８の柱状部２０８ｂが、外歯歯車２２４の貫通孔２２４ａを通過している。柱状部２０８ｂは、円柱状である。トルクピン２３０が、柱状部２０８ｂに固定されているとともに、貫通孔２２４ａの内壁に接している。トルクは、トルクピン２３０と貫通孔２２４ａの内壁の接点で、外歯歯車２２４からキャリア２０８に伝達される。

歯車伝動装置２００では、キャリア２０８の外周に、円弧状の窪み２５０が一巡して形成されている。キャリア２０８の窪み２５０が、主軸受２０２のインナーレースを兼ねている。そのため、主軸受２０２を構成する部品が、歯車伝動装置１００よりも少ない。なお、この技術は、歯車伝動装置１００に適用することもできる。すなわち、歯車伝動装置１００においても、キャリア８の外周に円弧状の窪みを一巡して形成し、キャリアをインナーレースとして使用してもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：一対の軸受（主軸受）
８：キャリア
１４：クランクシャフト
１８：偏心体
２４：外歯歯車
２８：内歯歯車
３８：ケース
５０：インナーレース
５４：球面ころ
５６：アウターレース

Claims (2)

1. 内周に内歯歯車が形成されているケースと、
   一対の軸受と、
   前記一対の軸受を介して内歯歯車と同軸にケースに支持されているキャリアと、
   キャリアに支持されているとともに、偏心体を有するクランクシャフトと、
   偏心体に係合しており、内歯歯車の歯数と異なる歯数を有しているとともに内歯歯車と噛み合いながら偏心回転する外歯歯車と、を備えており、
   前記一対の軸受の夫々は、
   内歯歯車の軸線方向において、ラジアル容量に対して１０％以上５０％以下の予圧が加えられた状態で内歯歯車の外側に夫々配置されており、
   内周面に円弧状の窪みが一巡して形成されているアウターレースと、外周面に円弧状の窪みが一巡して形成されているインナーレースと、アウターレースとインナーレースの間に配置されている複数の球面ころによって構成されており、
   軸受中心軸を含む断面において、一方の軸受の球面ころの回転軸線の延長線と他方の軸受の球面ころの回転軸線の延長線が、一対の軸受の間で交わるように配置されていることを特徴とする歯車伝動装置。
2. 球面ころとインナーレースの接触角が、３０度以上で６０度以下であることを特徴とする請求項１に記載の歯車伝動装置。

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