JP6710742B2 - 偏心揺動型歯車装置 - Google Patents

Description

本発明は、偏心揺動型歯車装置に関するものである。

従来、下記特許文献１に開示されているように、二つの相手側部材間で所定の減速比で回転数を減速する偏心揺動型歯車装置が知られている。この偏心揺動型歯車装置は、一方の相手側部材に固定される外筒と、外筒内に配置されるとともに、もう一方の相手側部材に固定されるキャリアとを備えており、キャリアは、クランク軸の偏心部に取り付けられた揺動歯車の揺動回転によって外筒に対して相対的に回転する。

特開２００６−７７９８０号公報

近年、ロボットの使用環境の変化により、ロボットの稼働率が上げられる傾向にあり、これに伴い減速機についても高速化が要求されている。偏心揺動型歯車装置では、使用時にキャリア内の温度が外筒の温度よりも高くなる。このため、使用時には揺動歯車が熱膨張するが、この熱膨張により、揺動歯車の外歯と外筒の内歯との間のすき間が狭くなり、揺動歯車の歯面の面圧が高くなり、その結果、揺動歯車の寿命を低下させるという問題がある。

そこで、本発明は、前記従来技術を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、揺動歯車の歯面の面圧が高くなることを抑制することにより、揺動歯車の寿命が短くなることを抑制することにある。

前記の目的を達成するため、本発明は、第１の部材と第２の部材との間で所定の回転数比で回転数を変換して駆動力を伝達する歯車装置であって、偏心部と、前記偏心部が挿入される挿通孔を有すると共に歯部を有する揺動歯車と、前記第１の部材及び前記第２の部材の一方に取り付け可能に構成される第１筒部と、前記第１の部材及び前記第２の部材の他方に取り付け可能に構成される第２筒部と、を備え、前記第１筒部は、前記揺動歯車の材質よりも線膨張係数の大きな材質で構成されるとともに、前記揺動歯車の前記歯部と噛み合う内歯を有しており、前記第２筒部は、前記揺動歯車を保持した状態で前記第１筒部の径方向内側に配置され、前記第１筒部と前記第２筒部とは、前記偏心部の回転に伴う前記揺動歯車の揺動によって同心状に互いに相対的に回転可能である偏心揺動型歯車装置であり、前記第１筒部は、アルミニウム合金製であり、前記揺動歯車は、鉄系材料で構成されている。

本発明では、揺動歯車を構成する素材の線膨張係数が、第１筒部を構成する素材の線膨張係数よりも小さい。したがって、偏心揺動型歯車装置の使用時に第１筒部、第２筒部及び揺動歯車が昇温したときに、第１筒部が揺動歯車よりも膨張する。このため、第１筒部の内歯と揺動歯車の歯部との間のすき間、すなわち、第１筒部の内周面と揺動歯車との間のすき間が使用前の状態よりも狭くなることがない。したがって、揺動歯車が昇温して膨張したとしても、揺動歯車の歯面の面圧が高くなることを抑制することができ、揺動歯車の寿命が短くなることを抑制することができる。

この態様では、第１筒部を構成する素材の線膨張係数と、揺動歯車を構成する素材の線膨張係数との差を大きく取ることができるため、揺動歯車の温度と第１筒部の温度との温度差が大きくなるような使用環境においても、揺動歯車の歯面の面圧が高くなることを抑制することができ、これにより、揺動歯車の寿命が短くなることをより確実に抑制することができる。

以上説明したように、本発明によれば、揺動歯車の歯面の面圧が上昇することを抑制することができるため、揺動歯車の寿命が短くなることを抑制することができる。

本発明の実施形態に係る偏心揺動型歯車装置の構成を示す断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線における断面図である。

以下、本発明の実施形態に係る偏心揺動型歯車装置について図面を参照して詳細に説明する。本実施形態の偏心揺動型歯車装置（以下、歯車装置と称する）１は、例えばロボットの旋回胴や腕関節等の旋回部、各種工作機械の旋回部等に減速機として適用されるものである。この歯車装置１は、例えば、８０ｒｐｍ〜２００ｒｐｍの回転数で使用される。

本実施形態に係る歯車装置１は、入力軸８を回転させることによってクランク軸１０を回転させ、クランク軸１０の偏心部１０ａ，１０ｂに連動して揺動歯車１４，１６を揺動回転させることにより、入力回転から減速した出力回転を得るように構成されている。

図１及び２に示すように、歯車装置１は、第１筒部の一例である外筒２と、第２筒部の一例であるキャリア４と、入力軸８と、複数（例えば３つ）のクランク軸１０と、第１揺動歯車１４と、第２揺動歯車１６と、複数（例えば３つ）の伝達歯車２０とを備えている。

外筒２は、歯車装置１の外面を構成するものであり、略円筒形状を有している。外筒２の内周面には、多数のピン溝２ｂが形成されている。各ピン溝２ｂは、外筒２の軸方向に延びるように配置され、軸方向に直交する断面において半円形の断面形状を有している。
これらのピン溝２ｂは、外筒２の内周面に周方向に等間隔で並んでいる。

外筒２は、多数の内歯ピン３を有している。各内歯ピン３は、ピン溝２ｂにそれぞれ取り付けられている。具体的に、各内歯ピン３は、対応するピン溝２ｂにそれぞれ嵌め込まれており、外筒２の軸方向に延びる姿勢で配置されている。これにより、多数の内歯ピン３は、外筒２の周方向に沿って等間隔で並んでいる。これらの内歯ピン３には、第１揺動歯車１４の第１外歯１４ａ及び第２揺動歯車１６の第２外歯１６ａが噛み合う。

キャリア４は、外筒２と同軸上に配置された状態でその外筒２内に収容されている。キャリア４は、外筒２に対して同じ軸回りに相対回転する。具体的に、キャリア４は、外筒２の径方向内側に配置されており、この状態で、軸方向に互いに離間して設けられた一対の主軸受６によって外筒２に対して相対回転可能に支持されている。

キャリア４は、基板部４ａと複数（例えば３つ）のシャフト部４ｃとを有する基部と、端板部４ｂと、を備えている。

基板部４ａは、外筒２内において軸方向の一端部近傍に配置されている。この基板部４ａの径方向中央部には円形の貫通孔４ｄが設けられている。貫通孔４ｄの周囲には、複数（例えば３つ）のクランク軸取付孔４ｅ（以下、単に取付孔４ｅという）が周方向に等間隔で設けられている。

端板部４ｂは、基板部４ａに対して軸方向に離間して設けられており、外筒２内において軸方向の他端部近傍に配置されている。端板部４ｂの径方向中央部には貫通孔４ｆが設けられている。貫通孔４ｆの周囲には、複数（例えば３つ）のクランク軸取付孔４ｇ（以下、単に取付孔４ｇという）が基板部４ａの複数の取付孔４ｅと対応する位置に設けられている。外筒２内には、端板部４ｂ及び基板部４ａの互いに対向する双方の内面と、外筒２の内周面とで囲まれた閉空間が形成されている。

３つのシャフト部４ｃは、基板部４ａと一体的に設けられており、基板部４ａの一主面（内側面）から端板部４ｂ側へ直線的に延びている。この３つのシャフト部４ｃは、周方向に等間隔で配設されている（図２参照）。各シャフト部４ｃは、ボルト４ｈによって端板部４ｂに締結されている（図１参照）。これにより、基板部４ａ、シャフト部４ｃ及び端板部４ｂが一体化されている。

入力軸８は、図略の駆動モータの駆動力が入力される入力部として機能するものである。入力軸８は、端板部４ｂの貫通孔４ｆ及び基板部４ａの貫通孔４ｄに挿入されている。
入力軸８は、その軸心が外筒２及びキャリア４の軸心と一致するように配置されており、軸回りに回転する。入力軸８の先端部の外周面には入力ギア８ａが設けられている。

３つのクランク軸１０は、外筒２内において入力軸８の周囲に等間隔で配置されている（図２参照）。各クランク軸１０は、一対のクランク軸受１２ａ，１２ｂによりキャリア４に対して軸回りに回転可能に支持されている（図１参照）。具体的に、各クランク軸１０の軸方向の一端から所定長さだけ軸方向内側の部分に第１クランク軸受１２ａが取り付けられており、この第１クランク軸受１２ａは、基板部４ａの取付孔４ｅに装着されている。一方、各クランク軸１０の軸方向の他端部に第２クランク軸受１２ｂが取り付けられており、この第２クランク軸受１２ｂは、端板部４ｂの取付孔４ｇに装着されている。これにより、クランク軸１０は、基板部４ａ及び端板部４ｂに回転可能に支持されている。

各クランク軸１０は、軸本体１２ｃと、この軸本体１２ｃに一体的に形成された偏心部１０ａ，１０ｂとを有する。第１偏心部１０ａと第２偏心部１０ｂは、両クランク軸受１２ａ，１２ｂによって支持された部分の間に軸方向に並んで配置されている。第１偏心部１０ａと第２偏心部１０ｂは、それぞれ円柱形状を有しており、いずれも軸本体１２ｃの軸心に対して偏心した状態で軸本体１２ｃから径方向外側に張り出している。第１偏心部１０ａと第２偏心部１０ｂは、それぞれ軸心から所定の偏心量で偏心しており、互いに所定角度の位相差を有するように配置されている。

クランク軸１０の一端部、すなわち、基板部４ａの取付孔４ｅ内に取り付けられる部分の軸方向外側の部位には、伝達歯車２０が取り付けられる被嵌合部１０ｃが設けられている。

第１揺動歯車１４は、外筒２内の前記閉空間に配設されているとともに各クランク軸１０の第１偏心部１０ａに第１ころ軸受１８ａを介して取り付けられている。第１揺動歯車１４は、各クランク軸１０が回転して第１偏心部１０ａが偏心回転すると、この偏心回転に連動して内歯ピン３に噛み合いながら揺動回転する。

第１揺動歯車１４は、外筒２の内径よりも少し小さい大きさを有している。第１揺動歯車１４は、第１外歯１４ａと、中央部貫通孔１４ｂと、複数（例えば３つ）の第１偏心部挿通孔１４ｃと、複数（例えば３つ）のシャフト部挿通孔１４ｄとを有している。第１外歯１４ａは、揺動歯車１４の周方向全体に亘って滑らかに連続する波形状を有している。

中央部貫通孔１４ｂは、第１揺動歯車１４の径方向中央部に設けられている。中央部貫通孔１４ｂには、入力軸８が遊びを持った状態で挿通されている。

３つの第１偏心部挿通孔１４ｃは、第１揺動歯車１４において中央部貫通孔１４ｂの周囲に周方向に等間隔で設けられている。各第１偏心部挿通孔１４ｃには、第１ころ軸受１８ａが介装された状態で各クランク軸１０の第１偏心部１０ａがそれぞれ挿通されている。

３つのシャフト部挿通孔１４ｄは、第１揺動歯車１４において中央部貫通孔１４ｂの周りに周方向に等間隔で設けられている。各シャフト部挿通孔１４ｄは、周方向において、３つの第１偏心部挿通孔１４ｃ間の位置にそれぞれ配設されている。各シャフト部挿通孔１４ｄには、対応するシャフト部４ｃが遊びを持った状態で挿通されている。

第２揺動歯車１６は、外筒２内の前記閉空間に配設されているとともに各クランク軸１０の第２偏心部１０ｂに第２ころ軸受１８ｂを介して取り付けられている。第１揺動歯車１４と第２揺動歯車１６は、第１偏心部１０ａと第２偏心部１０ｂの配置に対応して軸方向に並んで設けられている。第２揺動歯車１６は、各クランク軸１０が回転して第２偏心部１０ｂが偏心回転すると、この偏心回転に連動して内歯ピン３に噛み合いながら揺動回転する。

第２揺動歯車１６は、外筒２の内径よりも少し小さい大きさを有しており、第１揺動歯車１４と同様の構成となっている。すなわち、第２揺動歯車１６は、第２外歯１６ａ、中央部貫通孔１６ｂ、複数（例えば３つ）の第２偏心部挿通孔１６ｃ及び複数（例えば３つ）のシャフト部挿通孔１６ｄを有している。これらは、第１揺動歯車１４の第１外歯１４ａ、中央部貫通孔１４ｂ、複数の第１偏心部挿通孔１４ｃ及び複数のシャフト部挿通孔１４ｄと同様の構造を有している。各第２偏心部挿通孔１６ｃには、第２ころ軸受１８ｂが介装された状態でクランク軸１０の第２偏心部１０ｂが挿通されている。

各伝達歯車２０は、入力ギア８ａの回転を対応するクランク軸１０に伝達するものである。各伝達歯車２０は、対応するクランク軸１０の軸本体１２ｃにおける一端部に設けられた被嵌合部１０ｃにそれぞれ外嵌されている。各伝達歯車２０は、クランク軸１０の回転軸と同じ軸回りにこのクランク軸１０と一体的に回転する。各伝達歯車２０は、入力ギア８ａと噛み合う外歯２０ａを有している。

ここで、外筒２及び揺動歯車１４，１６を構成する素材について説明する。

外筒２は、第１揺動歯車１４及び第２揺動歯車１６の材質よりも線膨張係数の大きな材質で構成されている。具体的には、外筒２は、アルミニウム合金製であり、外筒２を構成する素材の線膨張係数は、２０．０〜２３．５μ／Ｋとなっている。これに対し、揺動歯車１４，１６は、鉄系材料で構成されている。例えば、揺動歯車１４，１６は、炭素含有量が０．７〜１．０％の鋼製（高炭素鋼製）、あるいは炭素含有量が０．２％以下の鋼製（低炭素鋼製）としてもよく、この場合、揺動歯車１４，１６を構成する素材の線膨張係数は、１０．８〜１１．０μ／Ｋ、あるいは１１．６〜１１．７μ／Ｋとなる。さらに、これらの鉄系素材を焼入れ硬化させると、炭素含有量０．２％以下の場合に、線膨張係数は１３．６μ／Ｋとなり、また炭素含有量０．７〜１．０％の場合に、線膨張係数は１２．０〜１２．５μ／Ｋとなる。なお、内歯ピン３についても、揺動歯車１４，１６と同じ素材で形成されていてもよい。

以上説明したように、本実施形態の歯車装置１では、揺動歯車１４，１６を構成する素材の線膨張係数が、外筒２を構成する素材の線膨張係数よりも小さい。したがって、歯車装置１の使用時に外筒２、キャリア４及び揺動歯車１４，１６が昇温したときに、外筒２が揺動歯車１４，１６よりも膨張する。このため、外筒２の内歯ピン３と揺動歯車１４，１６の外歯１４ａ，１６ａとの間のすき間、すなわち、外筒２の内周面と揺動歯車１４，１６との間のすき間が使用前の状態よりも狭くなることがない。したがって、揺動歯車１４，１６が昇温して膨張したとしても、揺動歯車１４，１６の歯面の面圧が高くなることを抑制することができ、揺動歯車１４，１６の寿命が短くなることを抑制することができる。

また本実施形態では、外筒２がアルミニウム合金製であり、揺動歯車１４，１６が鉄系材料で構成されているので、外筒２を構成する素材の線膨張係数と、揺動歯車１４，１６を構成する素材の線膨張係数との差を大きく取ることができる。このため、揺動歯車１４，１６の温度と外筒２の温度との温度差が大きくなるような使用環境においても、揺動歯車１４，１６の歯面の面圧が高くなることを抑制することができ、これにより、揺動歯車１４，１６の寿命が短くなることをより確実に抑制することができる。

なお、本発明は、前記実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更、改良等が可能である。例えば、前記実施形態では、２つの揺動歯車１４，１６が設けられた構成としたが、これに限られるものではない。例えば、１つの揺動歯車が設けられる構成、又は３つ以上の揺動歯車が設けられる構成であってもよい。

前記実施形態では、入力軸８がキャリア４の中央部に配設され、複数のクランク軸１０が入力軸８の周囲に配設される構成としたがこれに限られるものではない。例えば、クランク軸１０がキャリア４の中央部に配設されたセンタークランク式としてもよい。この場合、入力軸８がクランク軸１０に取り付けられた伝達歯車２０に噛み合うように設けられれば、入力軸８はどの位置に配設されていてもよい。

前記実施形態では、外筒２がアルミニウム合金製である場合を例示したが、外筒２は、アルミニウム合金製に限られるものではない。例えば、外筒２及び揺動歯車１４，１６が何れも鉄系材料で構成されていてもよい。ただし、この場合でも、外筒２が、揺動歯車１４，１６の材質よりも大きな線膨張係数の材質で構成されている必要がある。例えば、外筒２を、炭素含有量が０．２％以下の鋼製（低炭素鋼製）で且つ焼入れ硬化されたものとすれば、線膨張係数が１３．６μ／Ｋとなる。この場合、揺動歯車１４，１６が、炭素含有量が０．７〜１．０％の鋼製（高炭素鋼製）とすることができ、この場合において、揺動歯車１４，１６を構成する素材を焼入れ硬化させたときの線膨張係数は、１２．３〜１２．４μ／Ｋとなる。この場合において、内歯ピン３は、揺動歯車１４，１６と同じ素材で形成されていてもよい。

１ 偏心揺動型歯車装置
２ 外筒
３ 内歯ピン
４ キャリア
６ 主軸受
１０ クランク軸
１０ａ 第１偏心部
１０ｂ 第２偏心部
１２ａ 第１クランク軸受
１２ｂ 第２クランク軸受
１２ｃ 軸本体
１４ 第１揺動歯車
１４ａ 外歯
１６ 第２揺動歯車
１６ａ 外歯

Claims (1)

1. 第１の部材と第２の部材との間で所定の回転数比で回転数を変換して駆動力を伝達する歯車装置であって、
   偏心部と、
   前記偏心部が挿入される挿通孔を有すると共に歯部を有する揺動歯車と、
   前記第１の部材及び前記第２の部材の一方に取り付け可能に構成される第１筒部と、
   前記第１の部材及び前記第２の部材の他方に取り付け可能に構成される第２筒部と、を備え、
   前記第１筒部は、前記揺動歯車の材質よりも線膨張係数の大きな材質で構成されるとともに、前記揺動歯車の前記歯部と噛み合う内歯を有しており、
   前記第２筒部は、前記揺動歯車を保持した状態で前記第１筒部の径方向内側に配置され、
   前記第１筒部と前記第２筒部とは、前記偏心部の回転に伴う前記揺動歯車の揺動によって同心状に互いに相対的に回転可能であり、前記第１筒部は、アルミニウム合金製であり、前記揺動歯車は、鉄系材料で構成されている偏心揺動型歯車装置。

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