JP6614988B2 - カップ形状の可撓性外歯歯車および波動歯車装置 - Google Patents
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Description
本発明は波動歯車装置の可撓性外歯歯車に関し、特に、小さなサイズのカップ形状の可撓性外歯歯車に関する。
図１（ａ）は典型的なカップ型の波動歯車装置を示す縦断面図であり、図１（ｂ）は装置の中心軸線に直交する平面で切断した場合の概略構成図である。これらの図に示すように、波動歯車装置１は、円環状の剛性内歯歯車２と、この内側に同心状態に配置したカップ形状の可撓性外歯歯車３と、この内側に嵌めた楕円形輪郭の波動発生器４とを備えている。可撓性外歯歯車３は、可撓性の円筒状胴部１１と、この円筒状胴部の中心軸線１ａの方向の一端から半径方向の内側に延びている円環状のダイヤフラム１２と、このダイヤフラム１２の内周縁に連続している円盤状の剛性ボス１３と、円筒状胴部１１の他方の端部の外周面部分に形成した外歯１４とを備えている。
この形状の可撓性外歯歯車３における外歯１４が形成されている円筒状胴部１１の部分は、波動発生器４によって楕円形に撓められ、その楕円形の長軸方向の両端に位置する外歯１４が、剛性内歯歯車２の内歯１５に噛み合っている。両歯車２、３には２ｎ（ｎは正の整数）の歯数差があるので、モータなどの回転駆動源によって波動発生器４を回転すると、両歯車２、３の噛み合い位置が周方向に移動して、両歯車２、３には歯数差に応じた相対回転が発生する。一般には剛性内歯歯車２が固定され、可撓性外歯歯車３から大幅に減速された回転が出力される。
図２は波動発生器４によって撓められるカップ形状の可撓性外歯歯車３の撓み状態を示す説明図である。可撓性外歯歯車３の円筒状胴部１１は、図２（ａ）に示すように変形前の状態では円筒形状をしている。波動発生器４により楕円形に撓められた後においては、その楕円形の長軸を含む断面は、図２（ｂ）に示すように、円筒状胴部１１は、ダイヤフラム１２の側から開口端１１ａの側に向けて外側に徐々に広がった状態になる。また、楕円形の短軸を含む断面は、図２（ｃ）に示すように、円筒状胴部１１は、ダイヤフラム１２の側から開口端１１ａの側に向けて内側に徐々に窄まった状態になる。
円筒状胴部１１の開口端１１ａの側の部分を楕円形に撓めるために、円筒状胴部１１と剛性ボス１３の間にはダイヤフラム１２が形成されている。円筒状胴部１１の開口端１１ａが楕円形に撓むと、その楕円形の長軸を含む断面においては、図２（ｂ）に示すように、ダイヤフラム１２が剛性ボス１３への付け根部分を中心として、矢印で示すように反り返る。これに対して、短軸を含む断面においては、図２（ｃ）に示すように、ダイヤフラム１２が矢印で示すように開口端１１ａの側に傾斜する。ダイヤフラム１２は、中心軸線１１ｂの方向への曲げ応力が作用すると同時に、トルク伝達によるせん断応力が作用する。
このため、ダイヤフラム１２は、これらの組み合わせ応力の作用状態において、円筒状胴部１１の開口端側の部位を楕円形に変形させるための力が小さくて済み、しかも、大きなトルクを伝達することができるように、その断面形状が工夫されている。特に、この組み合わせ応力の作用状態において、ダイヤフラムに応力集中が発生しないように、その断面形状が工夫されている。
特許文献１に記載のカップ形可撓性スプラインにおいては、ダイヤフラムの断面形状を、その内側端面を中心軸線に直交する直線により規定し、その外側端面におけるボスへの付け根部分を、ボスに向けて肉厚が漸増するように、ストリームラインにより規定してい
る。特許文献２に記載の可撓性外歯歯車においては、ダイヤフラムを全体として中心軸線に直交する方向に対して僅かに傾け、ダイヤフラムにおけるボス側への付け根部分の外側の輪郭形状を３つの円弧によって規定している。
る。特許文献２に記載の可撓性外歯歯車においては、ダイヤフラムを全体として中心軸線に直交する方向に対して僅かに傾け、ダイヤフラムにおけるボス側への付け根部分の外側の輪郭形状を３つの円弧によって規定している。
力学的特性に優れたストリームライン形状は、カップ形状の可撓性外歯歯車におけるダイヤフラムのボス側付け根部分の輪郭形状を規定するために採用されている。ストリームライン形状は、特許文献１に開示されているように、多数の径の異なる曲線群を接続することによって形成される。曲線群の半径は、ボスの付け根側に接近するに連れて小さくなる。
ここで、可撓性外歯歯車は一般に旋削加工によって製作されており、小サイズの可撓性外歯歯車の場合には、ストリームラインを構成する曲線群の径が小さくなる。このため、ダイヤフラムにおけるボス側付け根部分の輪郭形状を、旋削加工によってストリームラインに沿った形状に仕上げることは極めて困難である。
一般的に、入手可能な旋盤のチップのノーズ半径の最小値は０．２ｍｍである。０．２ｍｍ未満の半径の曲線群を含むストリームラインとなるように、ダイヤフラムのボス側付け根部分の輪郭形状を旋削することは困難である。例えば、ピッチ円直径が２０〜４０ｍｍの小さいサイズの可撓性外歯歯車の場合には、ダイヤフラムのボス側付け根部分の輪郭をストリームラインによって規定しようとすると、ボス側におけるストリームラインを構成する曲線群に、チップのノーズ半径の最小値よりも更に小さな半径の曲線が含まれる。
そこで、例えば図３に示すように、小さなサイズの可撓性外歯歯車４０において、ダイヤフラム４２のボス側付け根部分４２ａにおける外側端面部分の輪郭形状を、ストリームラインの代わりに、旋削加工が可能な最小ノーズ半径と同一の半径Ｒ３の円弧５４によって規定することが考えられる。
しかしながら、このような輪郭形状のダイヤフラム４２においては、ストリームライン形状を用いる場合に比べて、そのボス側付け根部分４２ａに大きな応力集中が発生する。このため、可撓性外歯歯車４０の疲労強度が低下し、波動歯車装置の負荷容量を高めることができない。
本発明の課題は、このような点に鑑みて、旋削加工によってストリームラインの輪郭形状を形成することが困難な小さなサイズのカップ形状の可撓性外歯歯車に用いるのに適した可撓性外歯歯車のダイヤフラムの輪郭形状を実現することにある。
また、本発明の課題は、かかる新たな輪郭形状をしたカップ形状の可撓性外歯歯車を備えた波動歯車装置を実現することにある。
上記の課題を解決するために、本発明は、
波動発生器によって楕円状に撓められて剛性内歯歯車に部分的にかみ合い、可撓性の円筒状胴部、この円筒状胴部の中心軸線の方向の一端から半径方向の内側に延びている円環
状のダイヤフラム、このダイヤフラムの中心部分に一体形成されている円盤状あるいは円環状の剛性ボス、および、前記円筒状胴部の中心軸線の方向の他方の端部の外周面部分に形成された外歯を備えており、
前記外歯が形成されている前記円筒状胴部の内側に嵌めた楕円状輪郭の波動発生器によって楕円状に撓められて部分的に剛性内歯歯車にかみ合う、
波動歯車装置のカップ形状の可撓性外歯歯車において、
前記中心軸線を含む平面で切断した場合に、
前記剛性ボスのボス内側端面輪郭および前記ダイヤフラムの内側端面輪郭は、前記中心軸線に直交する内側直線によって規定され、
前記ダイヤフラムの外側端面輪郭は、前記剛性ボスの円形外周面を規定する前記中心軸線に平行な平行直線に一端が滑らかに連続する第１半径の第１凹円弧と、この第１凹円弧の他端に滑らかに連続する第２半径の第２凹円弧と、この第２凹円弧の他端に滑らかに連続し前記中心軸線に対して前記内側直線の側に傾斜する傾斜直線とによって規定され、
前記第２凹円弧の前記第２半径は、前記第１凹円弧の前記第１半径よりも大きく、
前記ダイヤフラムの厚みは、前記剛性ボスの側から前記円筒状胴部の側に向けて漸減していることを特徴としている。
波動発生器によって楕円状に撓められて剛性内歯歯車に部分的にかみ合い、可撓性の円筒状胴部、この円筒状胴部の中心軸線の方向の一端から半径方向の内側に延びている円環
状のダイヤフラム、このダイヤフラムの中心部分に一体形成されている円盤状あるいは円環状の剛性ボス、および、前記円筒状胴部の中心軸線の方向の他方の端部の外周面部分に形成された外歯を備えており、
前記外歯が形成されている前記円筒状胴部の内側に嵌めた楕円状輪郭の波動発生器によって楕円状に撓められて部分的に剛性内歯歯車にかみ合う、
波動歯車装置のカップ形状の可撓性外歯歯車において、
前記中心軸線を含む平面で切断した場合に、
前記剛性ボスのボス内側端面輪郭および前記ダイヤフラムの内側端面輪郭は、前記中心軸線に直交する内側直線によって規定され、
前記ダイヤフラムの外側端面輪郭は、前記剛性ボスの円形外周面を規定する前記中心軸線に平行な平行直線に一端が滑らかに連続する第１半径の第１凹円弧と、この第１凹円弧の他端に滑らかに連続する第２半径の第２凹円弧と、この第２凹円弧の他端に滑らかに連続し前記中心軸線に対して前記内側直線の側に傾斜する傾斜直線とによって規定され、
前記第２凹円弧の前記第２半径は、前記第１凹円弧の前記第１半径よりも大きく、
前記ダイヤフラムの厚みは、前記剛性ボスの側から前記円筒状胴部の側に向けて漸減していることを特徴としている。
本発明では、ダイヤフラムの内側端面輪郭を中心軸線に直交する直線によって規定し、その外側端面輪郭を第１、第２円弧と傾斜直線とによって規定している。本発明者等の実験によれば、ダイヤフラムのボス側付け根部分の応力集中を緩和でき、ストリームラインを採用した場合と同程度に、可撓性外歯歯車の疲労強度を改善できることが確認された。
ここで、本発明は、特に、小さなサイズの可撓性外歯歯車に用いるのに適している。具体的には、本発明は、旋削加工によってストリームライン形状を形成することが困難、あるいは不可能な外歯のピッチ円直径が４０ｍｍ程度未満の小さなサイズの可撓性外歯歯車を対象としており、第１凹円弧の第１半径を、旋削加工によって加工可能な０．２ｍｍ以上にしている。
次に、本発明の波動歯車装置は、上記構成の可撓性外歯歯車を備えていることを特徴としている。本発明によれば、波動歯車装置の負荷容量を高めることができる。
以下に、図面を参照して、本発明を適用したカップ型波動歯車装置のカップ形状の可撓性外歯歯車の例を説明する。
図４は、本例のカップ形状の可撓性外歯歯車を示す縦断面図である。本例の可撓性外歯歯車２０の基本構成は従来のもの（図１、２参照）と同様であり、そのピッチ円直径が２０〜４０ｍｍ程度の小さなサイズの外歯歯車である。
可撓性外歯歯車２０は、半径方向に撓み可能な円筒状胴部２１と、この円筒状胴部の中心軸線２１ａの方向の一端から半径方向の内側に延びている円環状のダイヤフラム２２と
、このダイヤフラム２２の中心部分に同心状に一体形成されている円盤状の剛性のボス２３と、円筒状胴部１１の他方の端部の外周面部分に形成した外歯２４とを備えている。
、このダイヤフラム２２の中心部分に同心状に一体形成されている円盤状の剛性のボス２３と、円筒状胴部１１の他方の端部の外周面部分に形成した外歯２４とを備えている。
各部分の断面輪郭形状について説明する。まず、図４において、カップ形状の可撓性外歯歯車２０をその中心軸線２１ａを含む平面で切断した場合において、そのカップ形状の内側の端面を内側端面と呼び、その外側の端面を外側端面と呼ぶものとする。
ボス２３のボス内側端面輪郭およびダイヤフラム２２の内側端面輪郭は、中心軸線２１ａに直交する内側直線３１によって規定されている。本例では、ボス２３の外側端面輪郭も、中心軸線２１ａに直交する外側直線３２によって規定されており、ボス２３は一定厚さの円環形状をしている。
ダイヤフラム２２の外側端面輪郭は、そのボス側付け根部分が、点Ｏ１を中心とし、半径が第１半径Ｒ１の第１凹円弧３４によって規定されている。第１凹円弧３４は、ボス２３の円形外周面を規定する中心軸線２１ａに平行な平行直線３３に一方の端点３４ａが滑らかに連続する第１半径Ｒ１の円弧である。
ダイヤフラム２２の外側端面輪郭は、そのボス側付け根部分２２ａを除く部分２２ｂは、点Ｏ２を中心とする第２半径Ｒ２の第２凹円弧３５と、これに滑らかに繋がる傾斜直線３６とによって規定されている。
第２凹円弧３５は、その一端が第１凹円弧３４の他方の端点３４ｂに滑らかに連続する円弧である。第２凹円弧３５の端点３５ｂには傾斜直線３６が繋がっている。傾斜直線３６は、中心軸線２１ａに対して内側直線３１の側に僅かの角度で傾斜している。
ダイヤフラム２２は、内側直線３１によって規定される内側端面部分と、外側の第１凹円弧３４、第２凹円弧３５および傾斜直線３６とによって規定される外側端面部分とによって、ボス２３の側から円筒状胴部２１の側に向けて厚みが漸減している。
第２凹円弧３５の第２半径Ｒ２は第１凹円弧３４の第１半径Ｒ１よりも大きい。第１凹円弧３４の第１半径Ｒ１は、例えば、入手可能な旋盤のチップノーズ半径の最小値に設定される。例えば、０．２ｍｍに設定される。
なお、ダイヤフラム２２の外周端２２ｃは、円筒状胴部２１における円弧状に湾曲している端部２１ｂの内周縁端に滑らかに連続している。例えば、円筒状胴部２１はほぼ一定の肉厚であり、ダイヤフラム２２の外周端２２ｃの肉厚と同一の肉厚である。
ここで、図４において想像線で示す輪郭形状５０は、図３に示す可撓性外歯歯車４０において、その円弧５４を第１凹円弧３４と同一にし、その端に、傾斜直線３６の延長線を滑らかに連続させたものである。
本発明者等は、図４に示す可撓性外歯歯車２０と、図３に示す可撓性外歯歯車４０とを用いて動作時の応力分布を測定した。可撓性外歯歯車２０に対して、可撓性外歯歯車４０は、図４において想像線で示す輪郭形状５０の部分のみが相違し、他の部分は同一である。
図５（ａ）は応力測定位置を示し、図５（ｂ）は測定結果である応力分布状態を示すグラフである。グラフにおいて、実線は可撓性外歯歯車２０の応力分布を表す曲線であり、破線は可撓性外歯歯車４０の応力分布を表す曲線である。応力測定位置ｐ０は端点３４ａ、ｐ２は端点３４ｂ、ｐ６は第２凹円弧３５の途中位置、ｐ８は第２凹円弧３５の端点３５ｂ、ｐ１０はダイヤフラム２２の外周端２２ｃである。
このグラフから分かるように、ダイヤフラム２２のボス側付け根部分２２ａの応力集中が大幅に緩和されており、可撓性外歯歯車２０の疲労強度が高まることが分かる。また、図示は省略するが、本例の可撓性外歯歯車２０は座屈トルクも向上する。
上記構成のカップ形状の可撓性外歯歯車２０は、図１、２に示す可撓性外歯歯車３として用いることができる。可撓性外歯歯車２０が組み込まれたカップ型の波動歯車装置は、図３に示す可撓性外歯歯車４０を用いる場合に比べて、負荷容量を高めることができる。
１ カップ型波動歯車装置
２ 剛性内歯歯車
３ 可撓性外歯歯車
４ 波動発生器
２０ 可撓性外歯歯車
２１ 円筒状胴部
２１ａ 中心軸線
２１ｂ 端部
２２ ダイヤフラム
２２ａ ボス側付け根部分
２２ｂ 部分
２２ｃ 外周端
２３ ボス
２４ 外歯
３１ 内側直線
３２ 外側直線
３３ 平行直線
３４ 第１凹円弧
３４ａ 端点
３４ｂ 端点
３５ 第２凹円弧
３５ｂ 端点
３６ 傾斜直線
Ｒ１ 第１半径
Ｒ２ 第２半径
２ 剛性内歯歯車
３ 可撓性外歯歯車
４ 波動発生器
２０ 可撓性外歯歯車
２１ 円筒状胴部
２１ａ 中心軸線
２１ｂ 端部
２２ ダイヤフラム
２２ａ ボス側付け根部分
２２ｂ 部分
２２ｃ 外周端
２３ ボス
２４ 外歯
３１ 内側直線
３２ 外側直線
３３ 平行直線
３４ 第１凹円弧
３４ａ 端点
３４ｂ 端点
３５ 第２凹円弧
３５ｂ 端点
３６ 傾斜直線
Ｒ１ 第１半径
Ｒ２ 第２半径
Claims (2)
- 波動発生器によって楕円状に撓められて剛性内歯歯車に部分的にかみ合い、可撓性の円筒状胴部、この円筒状胴部の中心軸線の方向の一端から半径方向の内側に延びている円環状のダイヤフラム、このダイヤフラムの中心部分に一体形成されている円盤状あるいは円環状の剛性ボス、および、前記円筒状胴部の前記中心軸線の方向の他方の端部の外周面部分に形成された外歯を備えており、
前記外歯が形成されている前記円筒状胴部の内側に嵌めた楕円状輪郭の波動発生器によって楕円状に撓められて部分的に剛性内歯歯車にかみ合う、
カップ型波動歯車装置のカップ形状の可撓性外歯歯車において、
前記中心軸線を含む平面で切断した場合に、
前記剛性ボスのボス内側端面輪郭および前記ダイヤフラムの内側端面輪郭は、前記中心軸線に直交する内側直線によって規定され、
前記ダイヤフラムの外側端面輪郭は、前記剛性ボスの円形外周面を規定する前記中心軸線に平行な平行直線に一端が滑らかに連続する第１半径の第１凹円弧と、この第１凹円弧の他端に滑らかに連続する第２半径の第２凹円弧と、この第２凹円弧の他端に滑らかに連続し前記中心軸線に対して前記内側直線の側に傾斜する傾斜直線とによって規定され、
前記第２凹円弧の前記第２半径は、前記第１凹円弧の前記第１半径よりも大きく、
前記ダイヤフラムの厚みは、前記剛性ボスの側から前記円筒状胴部の側に向けて漸減しており、
前記外歯のピッチ円直径の最大値は４０ｍｍであり、
前記第１凹円弧の前記第１半径の最小値は０．２ｍｍである、
カップ型波動歯車装置のカップ形状の可撓性外歯歯車。 - 請求項１に記載の可撓性外歯歯車を備えていることを特徴とするカップ型波動歯車装置。
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