JP6871818B2 - 撓み噛合い式歯車装置 - Google Patents

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Description

本発明は、撓み噛合い式歯車装置に関する。
小型かつ軽量で高減速比が得られる歯車装置として、撓み噛合い式歯車装置が知られている。従来では、起振体と、起振体の外周に配置され起振体の回転により撓み変形される可撓性を有する筒形状の外歯歯車と、外歯歯車が内接噛合する剛性を有する第1内歯歯車と、第1内歯歯車に並設され外歯歯車と内接噛合する剛性を有する第2内歯歯車と、を備える、いわゆるフラット型の撓み噛合い式歯車装置が提案されている(例えば特許文献1)。
特開2011−112214号公報
特許文献1に記載されるような撓み噛合い式歯車装置では、使用経過とともに各歯車が摩耗し、ロストモーションが増加する。各歯車の耐摩耗特性を高くすればロストモーションの増大を抑制できるが、コストの増大を招きうる。
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、コストの増大を抑制しつつ、ロストモーションの増大を抑制できる撓み噛合い式歯車装置を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある態様の撓み噛合い式歯車装置は、起振体と、起振体により撓み変形される外歯歯車と、外歯歯車と噛合う第1内歯歯車および第2内歯歯車と、を備える。第1内歯歯車は外歯歯車と歯数が異なり、第2内歯歯車は外歯歯車と歯数が同じである撓み噛合い式歯車装置であって、第1内歯歯車は、第2内歯歯車よりも高い耐摩耗特性を有する。
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本発明によれば、コストの増大を抑制しつつ、ロストモーションの増大を抑制できる。
実施の形態に係る撓み噛合い式歯車装置を示す断面図である。 図2(a)、(b)はそれぞれ、回転軸に垂直な平面による第1内歯歯車、第2内歯歯車の断面を示す図である。 図3(a)は図2(a)のA−A線断面図であり、図3(b)は図2(b)のB−B線断面図である。 図4(a)は第1内歯歯車と外歯歯車の第1外歯部との隙間を示す図であり、図4(b)は第2内歯歯車と外歯歯車の第2外歯部との隙間を示す図である。
以下、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、工程には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図面における部材の寸法は、理解を容易にするために適宜拡大、縮小して示される。また、各図面において実施の形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。
実施の形態に係る撓み噛合い式歯車装置の概要は以下の通りである。
実施の形態に係る撓み噛合い式歯車装置は、起振体と、起振体により撓み変形される外歯歯車と、外歯歯車と噛合う第1内歯歯車および第2内歯歯車と、を備える。第1内歯歯車は外歯歯車と歯数が異なり、第2内歯歯車は外歯歯車と歯数が同じである。
ここで、撓み噛合い式歯車装置では、使用経過とともに各歯車が摩耗し、ロストモーションが増大する。各歯車の耐摩耗特性を高くすれば、各歯車の摩耗が抑制されるため、ロストモーションの増大を抑制できるが、その分コストが増大する。
本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、外歯歯車と歯数が異なる第1内歯歯車が外歯歯車と歯数が同じである第2内歯歯車よりも摩耗しやすいことを見出した。そこで、実施の形態に係る撓み噛合い式歯車装置では、第1内歯歯車が第2内歯歯車よりも高い耐摩耗特性を有するように構成した。すなわち、第1内歯歯車は耐摩耗特性が比較的高くなるよう構成した。これにより、第1内歯歯車の摩耗が抑制され、ロストモーションの増大を抑制できる。また、第2内歯歯車は耐摩耗特性が比較的低くなるよう構成した。これにより、例えば第2内歯歯車の耐摩耗特性を第1内歯歯車の耐摩耗特性と同程度にする場合と比べ、コストの増大を抑制できる。つまり本実施の形態に係る撓み噛合い式歯車装置によれば、コストの増大を抑制しつつ、ロストモーションの増大を抑制することができる。以下、具体的に説明する。
図1は、実施の形態に係る撓み噛合い式歯車装置100を示す断面図である。撓み噛合い式歯車装置100は、入力された回転を減速して出力する。撓み噛合い式歯車装置100は、波動発生器2と、外歯歯車4と、第1内歯歯車6と、第2内歯歯車8と、ケーシング10と、第1規制部材12と、第2規制部材14と、主軸受16と、第1軸受ハウジング18と、第2軸受ハウジング20と、を備える。噛合い式歯車装置100には、潤滑剤(例えばグリース)が封入されている。潤滑剤は、外歯歯車4と第1内歯歯車6および第2内歯歯車8との噛み合い部や各軸受等を潤滑する。
波動発生器2は、起振体軸22と、複数の第1転動体24aと、複数の第2転動体24bと、第1保持器26aと、第2保持器26bと、第1外輪部材28aと、第2外輪部材28bとを含む。起振体軸22は、入力軸であり、例えばモータ等の回転駆動源に接続され、回転軸Rを中心に回転する。起振体軸22には、回転軸Rに直交する断面が略楕円形状である起振体22aが一体に形成されている。
複数の第1転動体24aはそれぞれ、略円柱形状を有し、軸方向が回転軸R方向と略平行な方向を向いた状態で周方向に間隔を空けて設けられる。第1転動体24aは、第1保持器26aにより転動自在に保持され、起振体22aの外周面22bを転走する。第2転動体24bは、第1転動体24aと同様に構成される。複数の第2転動体24bは、第1保持器26aと軸方向に並ぶように配置された第2保持器26bにより転動自在に保持され、起振体22aの外周面22bを転走する。以降では、第1転動体24aと第2転動体24bとをまとめて「転動体24」とも呼ぶ。また、第1保持器26aと第2保持器26bとをまとめて「保持器26」とも呼ぶ
第1外輪部材28aは、複数の第1転動体24aを環囲する。第1外輪部材28aは、可撓性を有し、複数の第1転動体24aを介して起振体22aにより楕円状に撓められる。第1外輪部材28aは、起振体22a(すなわち起振体軸22)が回転すると、起振体22aの形状に合わせて連続的に撓み変形する。第2外輪部材28bは、第1外輪部材28aと同様に構成される。第2外輪部材28bは、第1外輪部材28aとは別体として形成される。なお、第2外輪部材28bは、第1外輪部材28aと一体に形成されてもよい。以降では、第1外輪部材28aと第2外輪部材28bとをまとめて「外輪部材28」とも呼ぶ。
外歯歯車4は、可撓性を有する環状の部材であり、その内側には起振体22a、転動体24および外輪部材28が嵌まる。外歯歯車4は、起振体22a、転動体24および外輪部材28が嵌まることによって楕円状に撓められる。外歯歯車4は、起振体22aが回転すると、起振体22aの形状に合わせて連続的に撓み変形する。外歯歯車4は、第1外輪部材28aの外側に位置する第1外歯部4aと、第2外輪部材28bの外側に位置する第2外歯部4bと、基材4cと、を含む。第1外歯部4aと第2外歯部4bとは単一の基材である基材4cに形成されており、同歯数である。
第1内歯歯車6は、剛性を有する環状の部材であり、その内周に第1内歯部6aが形成されている。第1内歯部6aは、楕円状に撓められた外歯歯車4の第1外歯部4aを環囲し、起振体22aの長軸近傍の所定領域(2領域)で第1外歯部4aと噛み合う。第1内歯部6aは、第1外歯部4aよりも多くの歯を有する。
第2内歯歯車8は、剛性を有する円筒状の部材であり、その内周に第2内歯部8aが形成されている。第2内歯部8aは、楕円状に撓められた外歯歯車4の第2外歯部4bを環囲し、起振体22aの長軸方向の所定領域(2領域)で第2外歯部4bと噛み合う。第2内歯部8aは、第2外歯部4bと同数の歯を有する。したがって、第2内歯歯車8は、第2外歯部4bひいては外歯歯車4の自転と同期して回転する。
第1内歯歯車6(特にその第1内歯部6a)は、第2内歯歯車8(特にその第2内歯部8a)よりも高い耐摩耗特性を有する。これを実現するための構成については後述する。
第1規制部材12は、平たいリング状の部材であり、外歯歯車4、第1外輪部材28aおよび第1保持器26aと第1軸受ハウジング18との間に配置される。第2規制部材14は、平たいリング状の部材であり、外歯歯車4、第2外輪部材28bおよび第2保持器26bと第2軸受ハウジング20との間に配置される。第1規制部材12および第2規制部材14は、外歯歯車4、外輪部材28および保持器26の軸方向の移動を規制する。
ケーシング10は、略円筒状の部材であり、第2内歯歯車8を環囲する。ケーシング10には、第1内歯歯車6がインロー嵌合され一体化される。ケーシング10と第2内歯歯車8との間には主軸受16が配置される。主軸受16は、本実施の形態ではクロスローラ軸受であり、周方向に間隔を空けて設けられる複数のローラ(転動体)46を含む。複数のローラ46は、第2内歯歯車8の転走面8bおよびケーシング10の転走面10aを転走する。つまり、第2内歯歯車8の外周側は主軸受16の内輪として機能し、ケーシング10の内周側は主軸受16の外輪として機能する。ケーシング10は、主軸受16を介して、第2内歯歯車8を相対回転自在に支持する。
第1軸受ハウジング18は、環状の部材であり、起振体軸22を環囲する。同様に、第2軸受ハウジング20は、環状の部材であり、起振体軸22を環囲する。第1軸受ハウジング18と第2軸受ハウジング20とは、外歯歯車4、転動体24、保持器26、外輪部材28、第1規制部材12および第2規制部材14を軸方向に挟むよう配置される。第1軸受ハウジング18は、第1内歯歯車6に対してインロー嵌合されボルト固定される。第2軸受ハウジング20は、第2内歯歯車8に対してインロー嵌合されボルト固定される。第1軸受ハウジング18の内周には軸受30が組み込まれ、第2軸受ハウジング20の内周には軸受32が組み込まれており、起振体軸22は、軸受30および軸受32を介して、第1軸受ハウジング18および第2軸受ハウジング20に対して回転自在に支持される。
起振体軸22と第1軸受ハウジング18の間にはオイルシール40が配置され、第1軸受ハウジング18と第1内歯歯車6の間にはOリング34が配置され、第1内歯歯車6とケーシング10との間にはOリング36が配置され、ケーシング10と第2内歯歯車8との間にはオイルシール42が配置され、第2内歯歯車8と第2軸受ハウジング20との間にはOリング38が配置され、第2軸受ハウジング20と起振体軸22との間にはオイルシール44が配置される。これにより、撓み噛合い式歯車装置100内の潤滑剤が漏れるのを抑止できる。
以上のように構成された撓み噛合い式歯車装置100の動作を説明する。ここでは、第1外歯部4aの歯数が100、第2外歯部4bの歯数が100、第1内歯部6aの歯数が102、第2内歯部8aの歯数が100の場合を例に説明する。また、第2内歯歯車8および第2軸受ハウジング20が被駆動部材に連結される場合を例に説明する。
第1外歯部4aが楕円形状の長軸方向の2箇所で第1内歯部6aと噛み合っている状態で、起振体軸22が回転すると、これに伴って第1外歯部4aと第1内歯部6aとの噛み合い位置も周方向に移動する。第1外歯部4aと第1内歯部6aとは歯数が異なるため、この際、第1内歯部6aに対して第1外歯部4aが相対的に回転する。第1内歯歯車6および第1軸受ハウジング18が固定状態にあるため、第1外歯部4aは、歯数差に相当する分だけ自転することになる。つまり、起振体軸22の回転が大幅に減速されて第1外歯部4aに出力される。その減速比は以下のようになる。
減速比=(第1外歯部4aの歯数−第1内歯部6aの歯数)/第1外歯部4aの歯数
=(100−102)/100
=−1/50
第2外歯部4bは、第1外歯部4aと一体的に形成されているため、第1外歯部4aと一体に回転する。第2外歯部4bと第2内歯部8aは歯数が同一であるため、相対回転は発生せず、第2外歯部4bと第2内歯部8aとは一体に回転する。このため、第1外歯部4aの自転と同一の回転が第2内歯部8aに出力される。結果として、第2内歯歯車8からは起振体軸22の回転を−1/50に減速した出力を取り出すことができる。
続いて、外歯歯車4、第1内歯歯車6および第2内歯歯車8の構成をさらに詳細に説明する。図2(a)、(b)はそれぞれ、回転軸Rに垂直な平面による第1内歯歯車6、第2内歯歯車8の断面を示す図である。図3(a)は図2(a)のA−A線断面図であり、図3(b)は図2(b)のB−B線断面図である。図4(a)は第1内歯歯車6と外歯歯車4の第1外歯部4aとの隙間を示す図であり、図4(b)は第2内歯歯車8と外歯歯車4の第2外歯部4bとの隙間を示す図である。
まず、いくつかの用語の定義を説明する。
「歯たけ」は、回転軸Rに垂直な平面による内歯歯車の歯先円筒の断面である歯先円と、歯底円筒の断面である歯底円との半径方向距離である。具体的には、第1内歯歯車6の歯たけhは、回転軸Rに垂直な平面による第1内歯歯車6の歯先円筒の断面である歯先円Caと、歯底円筒の断面である歯底円Cbとの半径方向距離である(図2(a)参照)。また、第2内歯歯車の歯たけhは、回転軸Rに垂直な平面による第2内歯歯車8の歯先円筒の断面である歯先円Caと、歯底円筒の断面である歯底円Cbとの半径方向距離である(図2(b)参照)。
「歯幅」は、内歯歯車の歯先と歯底の間の中央における軸方向距離である。具体的には、第1内歯歯車の歯幅wは、第1内歯歯車の歯先Taと歯底Tbの間の中央における軸方向距離である(図3(a)参照)。また、第2内歯歯車の歯幅wは、第2内歯歯車の歯先Taと歯底Tbの間の中央における軸方向距離である(図3(b)参照)。
「噛合い隙間」は、内歯歯車と外歯歯車4との長軸位置における径方向の隙間である(図4参照)。具体的には、噛合い隙間は次の式1で特定される。
噛合い隙間g=(第i内歯歯車のBBDの誤差−外歯歯車の第i歯車部の長軸OBDの誤差)/2 (iは1または2) ・・・(式1)
ここで、BBDは内歯歯車のビトウィーンボール径であり、長軸OBDは起振体22aにより撓み変形された外歯歯車4の最大のオーバーピンボール径であり、誤差は測定値から設計値を引いた差である。なお、BBDの設計値、長軸OBDの設計値はそれぞれ、噛合い隙間gが0mmのときのOBD、BBDである。
次に、第1内歯歯車6が第2内歯歯車8よりも高い耐摩耗特性を有するための外歯歯車4、第1内歯歯車6および第2内歯歯車8の構成を説明する。なお、以下では、(1)〜(5)の5つの構成を説明するが、これらは、いずれかひとつが採用されても、任意に組み合わせて採用されてもよい。
(1)第1内歯歯車6および第2内歯歯車8は、第1内歯部6aの歯面Sの表面硬度が第2内歯部8aの歯面Sの表面硬度よりも高くなるように構成される。これは、第1内歯歯車6を第2内歯歯車8よりも硬い材料から形成することにより実現されてもよく、第1内歯歯車6に第2内歯歯車8よりもより表面硬度を高める表面処理を施すことにより実現されてもよく、これらを併用することにより実現されてもよい。好ましくは、第1内歯歯車6および第2内歯歯車8は、第1内歯部6aの歯面Sの表面硬度が第2内歯部8aの歯面Sの表面硬度よりもブリネル硬さで20[HB]以上高くなるように構成される。一例としては、第1内歯歯車6の第1内歯部6aの歯面Sの表面硬度はブリネル硬さでHB400とされ、第2内歯歯車8の第2内歯部8aの歯面Sの表面硬度はブリネル硬さでHB300とされる。ブリネル硬さは、JIS Z2243に準じた方法により測定される。
(2)第1内歯歯車6および第2内歯歯車8は、第1内歯部6aが第2内歯部8aよりも耐摩耗特性の高い表面処理層を有するように構成される。例えば、第1内歯部6aだけが耐摩耗特性の高い表面処理層を有してもよい。また例えば、第1内歯部6aが第1の表面処理層を有し、第2内歯部8aが第1の表面処理層よりも耐摩耗特性が低い第2の表面処理層を有してもよい。耐摩耗特性の高い表面処理層とは、表面硬度を高める表面処理が施された層であってもよく、潤滑性を高める表面処理、例えば潤滑剤の保持性能を向上させる微少凹凸(マイクロディンプル)を形成する表面処理が施された層であってもよい。図2の例では、第1内歯歯車6の第1内歯部6aだけがショットピーニングが施された表面処理層Lを有する。ショットピーニングによれば、第1内歯部6aの歯面Sの表面硬度が高まり、かつ、潤滑剤の保持性能が向上して第1内歯部6aの潤滑性が向上する。
(3)第1内歯歯車6および第2内歯歯車8は、第1内歯部6aの歯幅wが、第2内歯部8aの歯幅wよりも大きくなるように構成される(図3参照)。これにより、第1内歯部6aにおける面圧が下がる、すなわち第1内歯歯車6の耐摩耗特性が向上する。好ましくは、第1内歯歯車6および第2内歯歯車8は、第1内歯部6aの歯幅wと第2内歯部8aの歯幅wとの差が0.2mmよりも大きくなるように構成される。
(4)外歯歯車4、第1内歯歯車6および第2内歯歯車8は、第1内歯部6aと第1外歯部4aとの間の噛み合い隙間gが、第2内歯部8aと第2外歯部4bとの間の噛み合い隙間gよりも大きくなるよう構成される(図4参照)。この場合、第1内歯部6aと第1外歯部4aとの噛み合いによる発熱量が低減されため、潤滑剤の温度上昇ひいては基油粘度の低下が抑制され、その結果、第1内歯部6aの摩耗が低減される。つまり、第1内歯歯車6の耐摩耗特性が高くなる。好ましくは、外歯歯車4、第1内歯歯車6および第2内歯歯車8は、次の式2を満たすように構成される。
Figure 0006871818
ここで、mは外歯歯車4のモジュールである。モジュールはピッチ円直径を歯数で割った値であり、ピッチ円直径は「ピッチ円直径=(歯先円直径+歯底円直径)/2」で算出される値である。
(5)第1内歯歯車6および第2内歯歯車8は、第1内歯部6aの歯たけhが、第2内歯部8aの歯たけhよりも小さくなるように構成される(図2参照)。この場合、第1内歯部6aでは、滑り速度が高い歯先が比較的短いため、摩擦による発熱量が低減され、潤滑剤の温度上昇ひいては潤滑剤の基油粘度の低下が抑制され、その結果、第1内歯部6aの摩耗が低減される。つまり、第1内歯歯車6の耐摩耗特性が高くなる。好ましくは、第1内歯歯車6および第2内歯歯車8は、第2内歯部8aの歯たけhと第1内歯部6aの歯たけhとの差が0.01mmよりも大きくなるよう構成される。
以上説明した本実施の形態に係る撓み噛合い式歯車装置100によると、第1内歯歯車6および第2内歯歯車8は、第1内歯部6aの耐摩耗特性が第2内歯部8aの耐摩耗特性よりも高くなるように構成される。すなわち、比較的摩耗しやすい第1内歯歯車6の耐摩耗特性は、比較的高くされる。これにより、第1内歯歯車6の摩耗が抑制され、ロストモーションの増大を抑制できる。また、比較的摩耗しにくい第2内歯歯車8の耐摩耗特性は、比較的低くされる。これにより、例えば第2内歯歯車8の耐摩耗特性を第1内歯歯車6の耐摩耗特性と同程度にする場合と比べ、コストの増大を抑制できる。つまり、本実施の形態に係る撓み噛合い式歯車装置100によると、コストの増大を抑制しつつ、ロストモーションの増大を抑制することができる。
以上、実施の形態に係る撓み噛合い式歯車装置について説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
4 外歯歯車、 6 第1内歯歯車、 8 第2内歯歯車、 22a 起振体、 100 撓み噛合い式歯車装置。

Claims (6)

  1. 起振体と、
    前記起振体により撓み変形される外歯歯車と、
    前記外歯歯車と噛合う第1内歯歯車および第2内歯歯車と、を備え、
    前記第1内歯歯車は前記外歯歯車と歯数が異なり、前記第2内歯歯車は前記外歯歯車と歯数が同じである撓み噛合い式歯車装置であって、
    前記第1内歯歯車は、前記第2内歯歯車よりも高い耐摩耗特性を有し、
    前記第1内歯歯車は、前記第2内歯歯車よりも歯面の表面硬度が高いことを特徴とする撓み噛合い式歯車装置。
  2. 起振体と、
    前記起振体により撓み変形される外歯歯車と、
    前記外歯歯車と噛合う第1内歯歯車および第2内歯歯車と、を備え、
    前記第1内歯歯車は前記外歯歯車と歯数が異なり、前記第2内歯歯車は前記外歯歯車と歯数が同じである撓み噛合い式歯車装置であって、
    前記第1内歯歯車は、前記第2内歯歯車よりも高い耐摩耗特性を有し、
    前記第1内歯歯車は、前記第2内歯歯車よりも耐摩耗特性の高い表面処理層を有することを特徴とする撓み噛合い式歯車装置。
  3. 起振体と、
    前記起振体により撓み変形される外歯歯車と、
    前記外歯歯車と噛合う第1内歯歯車および第2内歯歯車と、を備え、
    前記第1内歯歯車は前記外歯歯車と歯数が異なり、前記第2内歯歯車は前記外歯歯車と歯数が同じである撓み噛合い式歯車装置であって、
    前記第1内歯歯車は、前記第2内歯歯車よりも高い耐摩耗特性を有し、
    前記第1内歯歯車と前記外歯歯車の間の噛合い隙間は、前記第2内歯歯車と前記外歯歯車との間の噛合い隙間よりも大きいことを特徴とする撓み噛合い式歯車装置。
  4. 起振体と、
    前記起振体により撓み変形される外歯歯車と、
    前記外歯歯車と噛合う第1内歯歯車および第2内歯歯車と、を備え、
    前記第1内歯歯車は前記外歯歯車と歯数が異なり、前記第2内歯歯車は前記外歯歯車と歯数が同じである撓み噛合い式歯車装置であって、
    前記第1内歯歯車は、前記第2内歯歯車よりも高い耐摩耗特性を有し、
    前記第1内歯歯車の歯たけは、前記第2内歯歯車の歯たけよりも小さいことを特徴とする撓み噛合い式歯車装置。
  5. 前記第2内歯歯車から減速された回転が出力され、前記第2内歯歯車が被駆動部材に連結されることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の撓み噛合い式歯車装置。
  6. 前記第1内歯歯車の歯幅は、前記第2内歯歯車の歯幅よりも大きいことを特徴とする請求項1からのいずれかに記載の撓み噛合い式歯車装置。
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