JP7406090B2

JP7406090B2 - 内歯車及び遊星歯車機構

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Publication number: JP7406090B2
Application number: JP2020029897A
Authority: JP
Inventors: 慎一郎樋岡; 悠帆林; 宏二河野
Original assignee: Starlite Co Ltd
Current assignee: Starlite Co Ltd
Priority date: 2020-02-25
Filing date: 2020-02-25
Publication date: 2023-12-27
Anticipated expiration: 2040-02-25
Also published as: JP2021134825A

Description

本発明は、内歯車及び遊星歯車機構に関し、より詳細には、遊星歯車機構等で用いられる内歯車に関する。

従来、太陽歯車、遊星歯車、及び、内歯車を組み合わせた遊星歯車機構が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１７－１２９１５９号公報

従来技術に記載の遊星歯車機構等においては、内歯車に過度の応力集中が発生する場合があった。特に、内歯車を樹脂で形成した場合は、応力集中により内歯車の強度に影響が出る可能性があった。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、本発明の課題は、過度の応力集中が生じることを防止できる内歯車及び遊星歯車機構を提供することを目的としている。

本発明は、前述の課題解決のために、以下の内歯車を構成した。

（１）円筒形状に形成されるとともに内周面に多数の歯が形成された歯車部と、前記歯車部の軸線方向における一端面に連続する円環部と、前記円環部から軸中心方向に向かって形成される底部と、を有する内歯車であって、前記円環部の内周面における周方向の少なくとも一部には、隣接する二枚の前記歯の間における端部を閉塞するとともに前記軸線方向に所定の厚みを有する閉塞部が形成され、前記閉塞部において前記歯の間に、前記歯車部の軸線方向に向かって表出する閉塞面は、前記閉塞面と二枚の前記歯との境界部よりも、隣接する二枚の前記歯の間に位置する前記閉塞面の中央部が、前記底部の側に窪んで形成され、前記閉塞面は、前記底部の半径方向外側に向かうに従って縮径する円錐形状の一部として形成される、内歯車。

（２）前記閉塞部の内周面と前記閉塞面とが交差して形成される境界線は、前記閉塞部の内周面上に湾曲して形成される、（１）に記載の内歯車。

（３）前記歯車部の歯底を曲面で形成した、（１）又は（２）に記載の内歯車。

（４）ＰＥＥＫ、ポリカーボネート、ＡＢＳ、ポリイミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリ乳酸、フェノール樹脂、又は、エポキシ樹脂が素材として採用される、（１）から（３）の何れか一に記載の内歯車。

また、本発明は、前述の課題解決のために、以下の遊星歯車機構を構成した。

（５）（１）から（４）の何れか一に記載の内歯車と、前記内歯車と噛み合う遊星歯車と、前記遊星歯車と噛み合う太陽歯車と、を備えた、遊星歯車機構。

本発明に係る内歯車及び遊星歯車機構によれば、過度の応力集中が生じることを防止することが可能となる。

本実施形態に係る遊星歯車機構を示した斜視図。本実施形態に係る遊星歯車機構を示した分解図。固定側内歯車を示した断面斜視図。（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、固定側内歯車を示した部分断面図及び拡大平面図。出力側内歯車を示した断面斜視図。（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、は第二実施形態及び第三実施形態に係る内歯車を示した部分断面図。（ａ）から（ｄ）はそれぞれ、従来技術、第一実施例、第一比較例、及び、第二比較例に係る内歯車の解析モデルを示した図。（ａ）から（ｄ）はそれぞれ、従来技術、第一実施例、第一比較例、及び、第二比較例に係る内歯車における解析結果を示した図。

まず、図１及び図２を用いて、本実施形態に係る遊星歯車機構１００の概略構成を説明する。図１及び図２に示す如く、遊星歯車機構１００は、固定側内歯車１１である内歯車１０と、出力側内歯車１２である内歯車１０と、太陽歯車１３と、遊星歯車１４・１４・・と、キャリア１５・１５と、遊星歯車軸１６・１６・・と、ボス１７・１７・・と、を備える。

本実施形態において、遊星歯車機構１００を構成する各部品の素材は、ＳＵＳ、アルミニウム、チタン、鉄等の金属、ＰＥＥＫ、ＰＰＳ、ポリアミド、ポリカーボネート、ＡＢＳ、ポリアセタール、ポリイミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリ乳酸等の熱可塑性樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂等の何れかを採用することが可能である。このうち、高強度、高剛性という理由で、ＰＥＥＫを採用することが望ましい。ただし、各構成部品の素材は、その用途に応じて適宜選択される。また、各構成部品の素材として、長繊維カーボン繊維、長繊維ガラス繊維等を複合させた強化性プラスチックを用いたり、金属と樹脂の複合体を用いたりしても良い。また、遊星歯車機構１００を構成する各部品の歯数及び外径は、実施形態に応じて適宜調整することが可能である。

本実施形態において、遊星歯車機構１００は減速機として用いられる。特に、本実施形態に係る内歯車１０は高トルク用途に適しているため、産業用や介護用のロボット、車両等の減速機に用いられることが好ましい。また、遊星歯車機構１００の構成部品を樹脂製として減速機を構成した場合は、小型化、軽量化を実現できる点で産業用の協働ロボット、小型ＥＶ車両に好適である。

遊星歯車機構１００には、太陽歯車１３における入力部１３ｃに、図示しない入力軸を介して回転力が入力される。遊星歯車機構１００においては、太陽歯車１３に入力された回転力を後述の如く減速させて、出力側内歯車１２を回動させることにより出力する。

固定側内歯車１１は、減速機として遊星歯車機構１００を支持する構造体に固定される。本実施形態に係る固定側内歯車１１は、歯数５２、外径７０ｍｍで形成される。出力側内歯車１２は、固定側内歯車１１と歯数が異なるとともに、固定側内歯車１１と同軸上に隣接して設けられる。本実施形態に係る出力側内歯車１２は、歯数４５、外径７０ｍｍで形成される。図１及び図２に示す如く、固定側内歯車１１と出力側内歯車１２とで遊星歯車機構１００のケースが構成される。

固定側内歯車１１及び出力側内歯車１２の内部には、遊星歯車機構１００の中心部分に配置される太陽歯車１３と、太陽歯車１３の周囲に配置される五個の遊星歯車１４・１４・・と、が収納される。それぞれの遊星歯車１４には、固定側内歯車１１と噛み合う第一遊星歯車部１４ａと、出力側内歯車１２と噛み合う第二遊星歯車部１４ｂと、が形成される。本実施形態において、第一遊星歯車部１４ａは歯数１８、第二遊星歯車部１４ｂは歯数１５で形成されている。

また、太陽歯車１３には、第一遊星歯車部１４ａと噛み合う第一太陽歯車部１３ａと、第二遊星歯車部１４ｂと噛み合う第二太陽歯車部１３ｂと、が形成される。本実施形態において、第一太陽歯車部１３ａは歯数１８、第二太陽歯車部１３ｂは歯数１５で形成されている。

太陽歯車１３と、遊星歯車１４・１４・・とは、円板形状に形成された二枚のキャリア１５・１５に上下に挟まれた状態で、固定側内歯車１１及び出力側内歯車１２の内部に収容される。キャリア１５・１５には遊星歯車軸１６及びボス１７を介して遊星歯車１４・１４・・が相対位置を変えずに回動可能に支持される。具体的には、遊星歯車１４・１４・・は、遊星歯車軸１６を中心として自転可能に、かつ、太陽歯車１３を中心として太陽歯車１３の周囲を公転可能に構成されている。

上記の如く構成された遊星歯車機構１００において、太陽歯車１３に回転力が入力されると、遊星歯車１４・１４・・に回転力が伝達される。遊星歯車１４の第一遊星歯車部１４ａは、固定されている固定側内歯車１１と噛み合っているため、遊星歯車１４は自転すると同時に太陽歯車１３の周囲を公転する。この際、遊星歯車１４の第二遊星歯車部１４ｂは、固定側内歯車１１と歯数の異なる出力側内歯車１２と噛み合っているため、固定側内歯車１１と出力側内歯車１２と歯数の差異により、出力側内歯車１２は固定側内歯車１１に対して相対的に回転する。

このように、遊星歯車機構１００においては、太陽歯車１３に入力された回転力を減速させて、出力側内歯車１２を回動させることにより出力する。本実施形態に係る遊星歯車機構１００は、太陽歯車１３、遊星歯車１４、固定側内歯車１１、及び、出力側内歯車１２の歯数の関係から、減速比が１０５になるように構成されている。

なお、本実施形態において、内歯車１０は遊星歯車機構１００を構成する固定側内歯車１１及び出力側内歯車１２に採用されているが、本発明に係る内歯車の用途は限定されるものではなく、内歯車で構成される他の機構に採用することも可能である。例えば、内歯車と噛み合う遊星歯車と、遊星歯車と噛み合う太陽歯車と、を備えた遊星歯車機構に用いることも可能である。この場合、遊星歯車機構は、２Ｋ－Ｈ型、３Ｋ型、Ｋ－Ｈ－Ｖ型の何れであっても良い。また、本発明に係る内歯車を複合遊星歯車に採用することも可能である。

次に、図３から図５を用いて、遊星歯車機構１００に用いられる内歯車１０である固定側内歯車１１及び出力側内歯車１２の構成について説明する。図３及び図５に示す如く、固定側内歯車１１及び出力側内歯車１２には、同じ形状の閉塞面３２等が同様に構成されている。このため、以下では固定側内歯車１１について詳細に説明し、出力側内歯車１２に関しては詳細な説明を省略する。

なお、本実施形態に係る遊星歯車機構１００においては、固定側内歯車１１と出力側内歯車１２との双方に閉塞面３２を形成する構成としているが、固定側内歯車１１と出力側内歯車１２との何れか一方のみに閉塞面３２を形成することも可能である。

本実施形態に係る内歯車１０（固定側内歯車１１及び出力側内歯車１２）は、図３及び図５に示す如く、円筒形状に形成されるとともに内周面に多数の歯２１・２１・・が形成された歯車部２０と、歯車部２０の軸線方向（図３及び図５中の上下方向）における一端面に連続する円環部３０と、円環部３０から軸中心方向に向かって形成される底部４０と、底部４０を貫通する複数個の締結用の締結孔４１と、を有する。本実施形態に係る内歯車１０における歯２１の歯型はインボリュートが採用されている。なお、歯２１の歯型として、トリコロイド、サイクロイド等を採用することもできる。また、内歯車をはすば歯車とすることも可能である。

図３及び図４（ａ）に示す如く、円環部３０の内周面には、隣接する二枚の歯２１・２１の間における端部（底部４０側の端部）を閉塞するとともに軸線方向に所定の厚みを有する閉塞部３１が形成されている。本実施形態に係る内歯車１０において、閉塞部３１は円環部３０の内周の全域に円環状に形成されている。なお、閉塞部３１を円環部３０の内周面において周方向の一部にのみ形成することも可能である。この場合、多数の歯２１・２１・・の一部のみが閉塞部３１により端部が閉塞されることになる。

本実施形態に係る内歯車１０においては図３及び図４（ａ）に示す如く、閉塞部３１において歯２１・２１の間に表出する閉塞面３２は、隣接する二枚の歯２１・２１の間が、二枚の歯２１・２１との境界部よりも底部４０の側に深さ１．３ｍｍで窪んで（凹形状に）形成される。なお、閉塞面３２に形成される窪みの深さは実施形態に応じて適宜調整できる。

図３及び図４（ａ）に示す如く、閉塞面３２は全体的に曲面形状に形成される。具体的には、閉塞面３２は半径方向外側に向かうに従って縮径する円錐形状の一部（下半部）として形成されている。

また、図４（ａ）に示す如く、閉塞部３１の内周面と閉塞面３２とが交差して形成される境界線３２ａは、閉塞部３１の内周面上に湾曲して形成される。図４（ａ）では便宜上、底部４０に立設される円筒リブＲを仮想線で示している。さらに、図４（ｂ）に示す如く、本実施形態の係る内歯車１０は、歯車部２０の歯底２２を曲率半径０．７の曲面で形成する事で、内歯車における応力集中をより抑制できる。この歯底２２の曲率半径は、内歯車の外形や歯数によって適宜選択できる。

本願出願人は、本実施形態に係る内歯車１０（図７（ｂ）を参照）と、従来技術に係る内歯車（閉塞部における閉塞面が底部と平行に形成され、歯底に角部が形成される内歯車（図７（ａ）を参照））とを比較するために、それぞれの内歯車の解析モデルを作成し、遊星歯車との接触箇所にトルクの付与を行うＣＡＥ（ｃｏｍｐｕｔｅｒａｉｄｅｄｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）応力解析を行った。

具体的には、従来技術、各比較例、及び、図１から図５に記載の遊星歯車機構１００（固定側内歯車１１を歯数５２、外径７０ｍｍ、出力側内歯車１２を歯数４５、外径７０ｍｍ、第一遊星歯車部１４ａを歯数１８、第二遊星歯車部１４ｂを歯数１５、第一太陽歯車部１３ａを歯数１８、第二太陽歯車部１３ｂを歯数１５とした遊星歯車機構）の解析モデルを図７（ａ）～（ｄ）に示す如く作成し、ＬｉｖｅｒｍｏｒｅＳｏｆｔｗａｒｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（米国企業）製のＣＡＥソフトウェアである、「ＬＳ‐ＤＹＮＡ（登録商標）」を用いて、材料物性の解析条件を、６０℃での曲げ弾性率２０２０ＭＰａ、質量密度１．４１ｇ／ｃｍ３、ポアソン比０．３８で設定し、出力側内歯車１２の締結孔４１の孔内側を拘束固定した上で、第二遊星歯車部１４ｂから出力側内歯車１２にトルク１０Ｎ・ｍで負荷がかかる条件にて応力解析を実行した。

その結果、図８（ａ）に示す如く、従来技術に係る内歯車において歯の周辺に生じる最大第一主応力が３３．８ＭＰａであったのに対し、図８（ｂ）に示す如く、本実施形態に係る内歯車においては歯の周辺に生じる最大第一主応力を１８．７ＭＰａとすることができた。即ち、本実施形態に係る内歯車は、従来技術に係る内歯車に対して最大第一主応力を約４５％低減させることができた。換言すれば、本実施形態に係る内歯車は、従来技術に係る内歯車と比較して、応力集中を抑制することができた。

また、本願出願人は、第一比較例として、閉塞部における閉塞面が本実施形態と同じ曲面形状に形成され、歯底に角部が形成される内歯車（図７（ｃ）を参照）についても同条件で解析を行った。その結果、図８（ｃ）に示す如く、第一比較例に係る内歯車においては歯の周辺に生じる最大第一主応力が２９．８ＭＰａであった。即ち、閉塞面を曲面形状とすることにより、内歯車における応力集中を抑制できることが判明した。

また、本願出願人は、第二比較例として、閉塞部における閉塞面が本実施形態と同じ曲面形状に形成され、歯底に本実施形態よりも小さい曲率の曲面が形成される内歯車（図７（ｄ）を参照）についても解析を行った。その結果、図８（ｄ）に示す如く、第二比較例に係る内歯車においては歯の周辺に生じる最大第一主応力が２０．８ＭＰａであった。即ち、歯底を曲面形状とすることにより、内歯車における応力集中をより抑制できることが判明した。

次に、図６（ａ）及び（ｂ）を用いて、内歯車の別実施形態である、第二実施形態に係る内歯車１１０、及び、第三実施形態に係る内歯車２１０について説明する。

第二実施形態に係る内歯車１１０は、図６（ａ）に示す如く、円筒形状に形成されるとともに内周面に多数の歯１２１・１２１・・が形成された歯車部１２０と、歯車部１２０の軸線方向における一端面に連続する円環部１３０と、円環部１３０から軸中心方向に向かって形成される底部１４０と、を有する。

円環部１３０の内周面には、隣接する二枚の歯１２１・１２１の間における端部を閉塞するとともに軸線方向に所定の厚みを有する閉塞部１３１が形成されている。閉塞部１３１において歯１２１・１２１の間に表出する閉塞面１３２は、隣接する二枚の歯１２１・１２１の間が、二枚の歯１２１・１２１との境界部よりも底部１４０の側に窪んで（凹形状に）形成される。

本実施形態においては図６（ａ）に示す如く、内歯車１１０の中心を通る面で切断した際の閉塞面１３２の断面形状が曲線形状となるように形成される。このように、閉塞面の形状は第一実施形態の如く円錐形状に限定されず、他の形状とすることができる。具体的には、閉塞面を円錐台形状、多角錐形状等とすることができる。また、閉塞面を半径方向外側に向かうに従って段階的に形成し、二段階以上の多段階に形成することも可能である。但し、応力集中を抑制するという観点では、閉塞面の少なくとも一部が曲面形状に形成されることが好ましく、閉塞面を円錐形状に形成することがより好ましい。

第三実施形態に係る内歯車２１０は、図６（ｂ）に示す如く、円筒形状に形成されるとともに内周面に多数の歯２２１・２２１・・が形成された歯車部２２０と、歯車部２２０の軸線方向における一端面に連続する円環部２３０と、円環部２３０から軸中心方向に向かって形成される底部２４０と、を有する。

円環部２３０の内周面には、隣接する二枚の歯２２１・２２１の間における端部を閉塞するとともに軸線方向に所定の厚みを有する閉塞部２３１が形成されている。閉塞部２３１において歯２２１・２２１の間に表出する閉塞面２３２は、隣接する二枚の歯２２１・２２１の間が、二枚の歯２２１・２２１との境界部よりも底部２４０の側に窪んで（凹形状に）形成される。

本実施形態においては図６（ｂ）に示す如く、閉塞部２３１の内周面と閉塞面２３２とが交差して形成される境界線２３２ａは、閉塞部２３１の内周面上で直線と曲線とが組み合わされた形状に形成される。より具体的には、境界線２３２ａは、頂点部分が曲線形状に形成された二等辺三角形となるように形成されている。このように、境界線の形状は第一実施形態の如く曲線形状に限定されず、複数の曲線と直線と組み合わせた他の形状とすることができる。但し、応力集中を抑制するという観点では、境界線を歯の先端辺から連続する曲線形状とすることが好ましい。

１０内歯車１１固定側内歯車
１２出力側内歯車１３太陽歯車
１３ａ第一太陽歯車部１３ｂ第二太陽歯車部
１３ｃ入力部１４遊星歯車
１４ａ第一遊星歯車部１４ｂ第二遊星歯車部
１５キャリア１６遊星歯車軸
１７ボス２０歯車部
２１歯２２歯底
３０円環部３１閉塞部
３２閉塞面３２ａ境界線
４０底部４１締結孔
１００遊星歯車機構
１１０内歯車（第二実施形態）
１２０歯車部１２１歯
１３０円環部１３１閉塞部
１３２閉塞面１４０底部
２１０内歯車（第三実施形態）
２２０歯車部２２１歯
１３１閉塞部２３２閉塞面
２３２ａ境界線２４０底部
Ｒ円筒リブ

Claims

円筒形状に形成されるとともに内周面に多数の歯が形成された歯車部と、前記歯車部の軸線方向における一端面に連続する円環部と、前記円環部から軸中心方向に向かって形成される底部と、を有する内歯車であって、
前記円環部の内周面における周方向の少なくとも一部には、隣接する二枚の前記歯の間における端部を閉塞するとともに前記軸線方向に所定の厚みを有する閉塞部が形成され、
前記閉塞部において前記歯の間に、前記歯車部の軸線方向に向かって表出する閉塞面は、前記閉塞面と二枚の前記歯との境界部よりも、隣接する二枚の前記歯の間に位置する前記閉塞面の中央部が、前記底部の側に窪んで形成され、
前記閉塞面は、前記底部の半径方向外側に向かうに従って縮径する円錐形状の一部として形成される、内歯車。
前記閉塞部の内周面と前記閉塞面とが交差して形成される境界線は、前記閉塞部の内周面上に湾曲して形成される、請求項１に記載の内歯車。
前記歯車部の歯底を曲面で形成した、請求項１又は請求項２に記載の内歯車。
ＰＥＥＫ、ポリカーボネート、ＡＢＳ、ポリイミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリ乳酸、フェノール樹脂、又は、エポキシ樹脂が素材として採用される、請求項１から請求項３の何れか１項に記載の内歯車。
請求項１から請求項４の何れか１項に記載の内歯車と、
前記内歯車と噛み合う遊星歯車と、
前記遊星歯車と噛み合う太陽歯車と、を備えた、遊星歯車機構。