JP7454946B2 - 撓み噛合い式歯車装置 - Google Patents

Description

本発明は、撓み噛合い式歯車装置に関する。

従来、撓み変形する外歯歯車が、並設された第１内歯歯車及び第２内歯歯車と噛合する、いわゆる筒型の撓み噛合い式歯車装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。外歯歯車は、起振体軸受を介して起振体軸が内嵌され、起振体軸が内側で回転することで撓み変形する。第１内歯歯車は外歯歯車と歯数が異なり、装置に固定される。一方、第２内歯歯車は外歯歯車と歯数が同じであり、当該第２内歯歯車から減速された回転が出力される。

特開２０１１－１１２２１４号公報

上記従来の撓み噛合い式歯車装置では、各歯車においてピッチングが発生することがある。各歯車の耐ピッチング特性を高くすればよいが、コストの増大を招きうる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、コストの増大を抑制しつつ、ピッチングの発生を抑制することを目的とする。

本発明に係る撓み噛合い式歯車装置は、
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内歯歯車及び第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内歯歯車と前記外歯歯車が噛み合う第１噛合い部と、前記第２内歯歯車と前記外歯歯車が噛み合う第２噛合い部とで、塗布する潤滑剤を異ならせることにより、前記第１噛合い部は、前記第２噛合い部よりも高い耐ピッチング特性を有し、
前記第１噛合い部と前記第２噛合い部との間に、前記潤滑剤の流通を抑制する抑制部材を有する構成とした。

本発明によれば、コストの増大を抑制しつつ、ピッチングの発生を抑制することができる。

本実施形態に係る撓み噛合い式歯車装置を示す断面図である。 第１内歯歯車と第２内歯歯車の歯面圧と膜厚比の分布の解析結果を示す図である。 本実施形態の変形例における第１噛合い部と第２噛合い部を拡大した断面図である。 本実施形態の他の変形例における第１噛合い部と第２噛合い部を拡大した断面図である。 本実施形態の他の変形例における第１噛合い部と第２噛合い部を拡大した断面図である。 本実施形態の他の変形例における第１噛合い部と第２噛合い部を拡大した断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

［撓み噛合い式歯車装置の全体構成］
図１は、本発明に係る撓み噛合い式歯車装置１を示す断面図である。
この図に示すように、撓み噛合い式歯車装置１は、筒型の撓み噛合い式歯車装置であり、起振体軸１０、外歯歯車３０、第１内歯歯車３１Ｇ及び第２内歯歯車３２Ｇ、起振体軸受１２、ケーシング３３、第１カバー３４、第２カバー３５を備える。

起振体軸１０は、回転軸Ｏ１を中心に回転する中空筒状の軸であり、回転軸Ｏ１に垂直な断面の外形が非円形（例えば楕円状）の起振体１０Ａと、起振体１０Ａの軸方向の両側に設けられた軸部１０Ｂ、１０Ｃとを有する。楕円状は、幾何学的に厳密な楕円に限定されるものではなく、略楕円を含む。軸部１０Ｂ、１０Ｃは、回転軸Ｏ１に垂直な断面の外形が円形の軸である。
なお、以下の説明では、回転軸Ｏ１に沿った方向を「軸方向」、回転軸Ｏ１に垂直な方向を「径方向」、回転軸Ｏ１を中心とする回転方向を「周方向」という。また、軸方向のうち、外部の被駆動部材と連結されて減速された運動を当該被駆動部材に出力する側（図中の左側）を「出力側」といい、出力側とは反対側（図中の右側）を「反出力側」という。

外歯歯車３０は、可撓性を有するとともに回転軸Ｏ１を中心とする円筒状の部材であり、外周に歯が設けられている。

第１内歯歯車３１Ｇと第２内歯歯車３２Ｇは、回転軸Ｏ１を中心として起振体軸１０の周囲で回転を行う。このうち、第１内歯歯車３１Ｇは、第１内歯歯車部材３１の内周部の該当箇所に内歯が設けられて構成される。第２内歯歯車３２Ｇは、第２内歯歯車部材３２の内周部の該当箇所に内歯が設けられて構成される。
第１内歯歯車３１Ｇと第２内歯歯車３２Ｇは、軸方向に並んで設けられ、外歯歯車３０と噛合している。このうち、第１内歯歯車３１Ｇは、外歯歯車３０のうち軸方向中央より反出力側の歯部と噛合し、これらの噛合部分が第１噛合い部５１を構成している。一方、第２内歯歯車３２Ｇは、外歯歯車３０のうち軸方向中央より出力側の歯部と噛合し、これらの噛合部分が第２噛合い部５２を構成している。
また、第１内歯歯車３１Ｇは外歯歯車３０と歯数が異なり、第２内歯歯車３２Ｇは外歯歯車３０と歯数が同じとなっている。

起振体軸受１２は、例えばコロ軸受であり、起振体１０Ａと外歯歯車３０との間に配置される。起振体１０Ａと外歯歯車３０とは、起振体軸受１２を介して相対回転可能となっている。
起振体軸受１２は、外歯歯車３０の内側に嵌入される外輪１２ａと、複数の転動体（コロ）１２ｂと、複数の転動体１２ｂを保持する保持器１２ｃとを有する。
複数の転動体１２ｂは、第１内歯歯車３１Ｇの径方向内方に配置され、周方向に並ぶ第１群の転動体１２ｂと、第２内歯歯車３２Ｇの径方向内方に配置され、周方向に並ぶ第２群の転動体１２ｂとを有する。これらの転動体１２ｂは、起振体１０Ａの外周面と外輪１２ａの内周面とを転走面として転動する。外輪１２ａは、複数の転動体１２ｂの配列に対応して同形状のものが軸方向に二つ並んで設けられている。なお、起振体軸受１２は、起振体１０Ａとは別体の内輪を有してもよい。

起振体軸受１２及び外歯歯車３０の軸方向の両側には、これらに当接して、これらの軸方向の移動を規制する規制部材としてのスペーサリング４１、４２が設けられている。

ケーシング３３は、第１内歯歯車部材３１と連結され、第２内歯歯車３２Ｇの外径側を覆う。ケーシング３３は、内周部に形成された主軸受３８（例えばクロスローラ軸受）の外輪部を有しており、当該主軸受３８を介して第２内歯歯車部材３２を回転自在に支持している。また、撓み噛合い式歯車装置１が外部の相手装置と接続される際、ケーシング３３と第１内歯歯車部材３１は相手装置（被駆動部材とは異なる固定部材）に共締めにより連結される。

第１カバー３４は、第１内歯歯車部材３１と連結され、外歯歯車３０と第１内歯歯車３１Ｇとの噛合い箇所を軸方向の反出力側から覆う。第１カバー３４と起振体軸１０の軸部１０Ｂとの間には第１軸受３６（例えば玉軸受）が配置され、第１カバー３４は、当該第１軸受３６を介して起振体軸１０を回転自在に支持している。

第２カバー３５は、第２内歯歯車部材３２と連結され、外歯歯車３０と第２内歯歯車３２Ｇとの噛合い箇所を軸方向の出力側から覆う。第２カバー３５及び第２内歯歯車部材３２は、減速された運動を出力する相手装置の被駆動部材に連結される。第２カバー３５と起振体軸１０の軸部１０Ｃとの間には第２軸受３７（例えば玉軸受）が配置され、第２カバー３５は、当該第２軸受３７を介して起振体軸１０を回転自在に支持している。

さらに、撓み噛合い式歯車装置１は、シール用のオイルシール４３，４４，４５及びＯリング４６，４７，４８を備える。
オイルシール４３は、軸方向の反出力側の端部で、起振体軸１０の軸部１０Ｂと第１カバー３４との間に配置され、反出力側への潤滑剤の流出を抑制する。オイルシール４４は、軸方向の出力側の端部で、起振体軸１０の軸部１０Ｃと第２カバー３５との間に配置され、出力側への潤滑剤の流出を抑制する。オイルシール４５は、ケーシング３３と第２内歯歯車部材３２との間に配置され、この部分からの潤滑剤の流出を抑制する。
Ｏリング４６，４７，４８は、第１内歯歯車部材３１と第１カバー３４との間、第１内歯歯車部材３１とケーシング３３との間、第２内歯歯車部材３２と第２カバー３５との間にそれぞれ設けられ、これらの間で潤滑剤が移動することを抑制する。
つまり、潤滑剤（例えばグリース）は、オイルシール４３～４５とＯリング４６～４８とでシールされた撓み噛合い式歯車装置１内部のシール空間Ｓ内に封入される。

［噛合い部の耐ピッチング特性］
続いて、第１噛合い部５１と第２噛合い部５２の耐ピッチング特性について説明する。
図２は、所定負荷における第１内歯歯車３１Ｇと第２内歯歯車３２Ｇの歯面圧と膜厚比の分布を解析した結果を示す図である。図３は、本実施形態の変形例における第１噛合い部５１と第２噛合い部５２を拡大した断面図であり、図４～図６は、本実施形態の他の変形例における第１噛合い部５１と第２噛合い部５２を拡大した断面図である。
なお、以下では、第１噛合い部５１と第２噛合い部５２のうち、相手装置の固定部材に連結される側の第１噛合い部５１を「固定側」、被駆動部材に連結される側の第２噛合い部５２を「出力側」という。

第１噛合い部５１と第２噛合い部５２のピッチング特性が同じであった従来の撓み噛合い式歯車装置では、第１噛合い部５１と第２噛合い部５２とで、ピッチングの発生状況に差異が生じており、固定側の第１噛合い部５１の方が出力側の第２噛合い部５２よりもピッチングが発生しやすい。
本発明者らは、解析の結果より、このピッチング発生状況の差異は歯面圧と膜厚比の関係に起因すると考えた。膜厚比とは、歯面の表面粗さに対する油膜厚さの比を表す指標である。
すなわち、図２に示すように、固定側の第１内歯歯車３１Ｇと出力側の第２内歯歯車３２Ｇとで歯面圧と膜厚比の分布を対比すると、出力側の第２内歯歯車３２Ｇでは、歯面圧の数値は大きいものの、その部位では膜厚比が比較的に大きい。対して、固定側の第１内歯歯車３１Ｇでは、歯面圧が高い部位の膜厚比が比較的に小さい。このような固定側と出力側における歯面圧と膜厚比の分布の違いは、内歯と外歯の歯数差の有無（固定側は歯数差があり、出力側は歯数差が無い）に起因すると考えられる。その結果、固定側の第１内歯歯車３１Ｇ（第１噛合い部５１）の方が、出力側の第２内歯歯車３２Ｇ（第２噛合い部５２）よりも相対的にピッチングが発生しやすいと考えられる。

そこで、本実施形態では、固定側の第１噛合い部５１が、出力側の第２噛合い部５２よりも高い耐ピッチング特性を有するように構成されている。
具体的には、第１噛合い部５１の第１内歯歯車３１Ｇが、第２噛合い部５２の第２内歯歯車３２Ｇよりも高い耐ピッチング特性を有している。
このような構成としては、例えば、第１内歯歯車３１Ｇと第２内歯歯車３２Ｇとで歯面の表面粗さを異ならせ、第１内歯歯車３１Ｇを第２内歯歯車３２Ｇよりも歯面の表面粗さを小さくすればよい。これは、第１内歯歯車３１Ｇと第２内歯歯車３２Ｇとで仕上げ加工を変えるか、仕上げ加工の精度を変えればよい。例えばショットピーニング等の仕上げ加工の有無や処理時間の長さで差を付ければよい。具体的には、第１内歯歯車３１Ｇにはショットピーニングを施す一方、第２内歯歯車３２Ｇにはショットピーニングを施さなかったり、第１内歯歯車３１Ｇの仕上げ加工処理時間を第２内歯歯車３２Ｇよりも長くしたりする。これにより、第１内歯歯車３１Ｇのピッチングを抑制しつつ、第２内歯歯車３２Ｇの仕上げ加工コストを抑制できる。
あるいは、第１内歯歯車３１Ｇと第２内歯歯車３２Ｇとで歯車精度を異ならせ、第１内歯歯車３１Ｇを第２内歯歯車３２Ｇよりも高精度に加工（すなわち噛合いを良好に）してもよい。異ならせる歯車精度の種類は特に限定はされないが、例えば単一ピッチ誤差が挙げられる。これは、第１内歯歯車３１Ｇと第２内歯歯車３２Ｇとで、例えば、加工機を変えるか、加工機の設定（速度重視か、精度重視か）を変えるか、又は歯切工具の寿命管理（新しい工具の方が加工精度高）を変えるなどすればよい。これにより、第１内歯歯車３１Ｇのピッチングを抑制しつつ、第２内歯歯車３２Ｇの加工コストを抑制できる。

なお、本実施形態の外歯歯車３０は、第１内歯歯車３１Ｇに噛合う歯部と、第２内歯歯車３２Ｇに噛合う歯部とが、同一の歯車として一体的に形成されている。そのため、外歯歯車３０は、第１内歯歯車３１Ｇと噛合う歯部と、第２内歯歯車３２Ｇと噛合う歯部とで、歯面の表面粗さや歯車精度等の耐ピッチング特性が同一となっている。
しかし、外歯歯車３０の耐ピッチング特性をアレンジすることで、第１噛合い部５１が第２噛合い部５２よりも高い耐ピッチング特性を有するように構成してもよい。すなわち、例えば図３に示すように、外歯歯車３０の軸方向中央の外周面上に全周に亘る凹溝３０１を形成し、この凹溝３０１よりも反出力側の歯部の第１外歯歯車部３０Ａと、出力側の歯部の第２外歯歯車部３０Ｂとで、異なる耐ピッチング特性に形成すればよい。つまり、上述した第１内歯歯車３１Ｇ及び第２内歯歯車３２Ｇと同様にして、第１内歯歯車３１Ｇと噛合う第１外歯歯車部３０Ａを、第２内歯歯車３２Ｇと噛合う第２外歯歯車部３０Ｂよりも高い耐ピッチング特性を有するように形成すればよい。具体的には、第１外歯歯車部３０Ａと第２外歯歯車部３０Ｂとで、歯面の表面粗さ及び歯車精度の少なくとも一方を異ならせればよい。
この場合、第１内歯歯車３１Ｇと第２内歯歯車３２Ｇの耐ピッチング特性は、上述のとおり第１噛合い部５１の方が高くてもよいし、同じでもよい。

また、第１噛合い部５１と第２噛合い部５２で、塗布する潤滑剤を異ならせてもよい。具体的には、第１噛合い部５１に塗布する潤滑剤を、第２噛合い部５２に塗布する潤滑剤よりも、高い基油粘度のものとしたり、耐ピッチング特性の高い極圧添加剤を添加したものとしたりすればよい。あるいは、第１噛合い部５１に塗布する潤滑剤だけに極圧添加剤を添加してもよい。
この場合、図４に示すように、第１噛合い部５１と第２噛合い部５２との間に、潤滑剤の流通を抑制するＶリング（端面シール）６０を配置するのが好ましい。具体的には、外歯歯車３０の軸方向中央の外周面上に全周に亘る凹溝３０２を形成し、この凹溝３０１よりも反出力側の歯部の第１外歯歯車部３０Ａが第１内歯歯車３１Ｇと噛合し、出力側の歯部の第２外歯歯車部３０Ｂが第２内歯歯車３２Ｇと噛合するようにする。そして、凹溝３０２内にＶリング６０を配置する。Ｖリング６０は、その内周部が周方向の全周に亘って凹溝３０２の底部に密着し、リップ６１が第２内歯歯車部材３２の端面（反出力側の側面）と接触している。これにより、第１噛合い部５１と第２噛合い部５２との間での潤滑剤の流通を抑制し、第１噛合い部５１と第２噛合い部５２とで異なる潤滑剤を使用できる。
なお、Ｖリング６０は、第１噛合い部５１と第２噛合い部５２との間で潤滑剤の流通を抑制できればよく、リップ６１により封止する側は特に限定されない。例えば、図５に示すように、リップ６１が第１内歯歯車部材３１の端面に接触していてもよいし、図６に示すように、リップ６１が第１内歯歯車部材３１の端面と第２内歯歯車部材３２の端面の双方に接触していてもよい。
また、潤滑剤を異ならせる構成は、上述した第１内歯歯車３１Ｇと第２内歯歯車３２Ｇで耐ピッチング特性を異ならせる構成や、外歯歯車３０（第１外歯歯車部３０Ａと第２外歯歯車部３０Ｂ）で耐ピッチング特性を異ならせる構成と併用してもよい。

［撓み噛合い式歯車装置の減速動作］
続いて、撓み噛合い式歯車装置１の減速動作について説明する。
モータ等の駆動源により起振体軸１０の回転駆動が行われると、起振体１０Ａの運動が外歯歯車３０に伝わる。このとき、外歯歯車３０は、起振体１０Ａの外周面に沿った形状に規制され、軸方向から見て、長軸部分と短軸部分とを有する楕円形状に撓んでいる。さらに、外歯歯車３０は、固定された第１内歯歯車３１Ｇと長軸部分で噛合っている。このため、外歯歯車３０は起振体１０Ａと同じ回転速度で回転することはなく、外歯歯車３０の内側で起振体１０Ａが相対的に回転する。そして、この相対的な回転に伴って、外歯歯車３０は長軸位置と短軸位置とが周方向に移動するように撓み変形する。この変形の周期は、起振体軸１０の回転周期に比例する。

外歯歯車３０が撓み変形する際、その長軸位置が移動することで、外歯歯車３０と第１内歯歯車３１Ｇとの噛合う位置が回転方向に変化する。ここで、例えば、外歯歯車３０の歯数が１００で、第１内歯歯車３１Ｇの歯数が１０２だとすると、噛合う位置が一周するごとに、外歯歯車３０と第１内歯歯車３１Ｇとの噛合う歯がずれていき、これにより外歯歯車３０が回転（自転）する。上記の歯数であれば、起振体軸１０の回転運動は減速比１００：２で減速されて外歯歯車３０に伝達される。

一方、外歯歯車３０は第２内歯歯車３２Ｇとも噛合っているため、起振体軸１０の回転によって外歯歯車３０と第２内歯歯車３２Ｇとの噛合う位置も回転方向に変化する。ここで、第２内歯歯車３２Ｇの歯数と外歯歯車３０の歯数とが同数であるため、外歯歯車３０と第２内歯歯車３２Ｇとは相対的に回転せず、外歯歯車３０の回転運動が減速比１：１で第２内歯歯車３２Ｇへ伝達される。これらによって、起振体軸１０の回転運動が減速比１００：２で減速されて、第２内歯歯車部材３２及び第２カバー３５へ伝達され、この回転運動が被駆動部材に出力される。

ここで、撓み噛合い式歯車装置１では、固定側の第１噛合い部５１が、出力側の第２噛合い部５２よりも高い耐ピッチング特性を有している。そのため、第１噛合い部５１の方が第２噛合い部５２よりもピッチングが発生しやすいところ、第１噛合い部５１におけるピッチングの発生を好適に抑制できる。

［本実施形態の技術的効果］
以上のように、本実施形態によれば、第１内歯歯車３１Ｇと外歯歯車３０とが異なる歯数で噛み合う第１噛合い部５１が、第２内歯歯車３２Ｇと外歯歯車３０とが同じ歯数で噛み合う第２噛合い部５２よりも、高い耐ピッチング特性を有している。
これにより、第２噛合い部５２よりもピッチングが発生しやすい第１噛合い部５１において、ピッチングの発生を好適に抑制できる。したがって、歯数差の異なる第１噛合い部５１と第２噛合い部５２とにおけるピッチングの発生しやすさを平準化することができる。ひいては、耐ピッチング特性に関して無駄の少ない設計とすることができる。つまり、ピッチングの発生可能性が相対的に低い第２噛合い部５２をオーバースペックにすることなく、加工処理を省略したり、処理時間を短縮したり、安価な潤滑剤を使用したりして、コストの増大を抑制できる。

［その他］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限られない。
例えば、上記実施形態では、固定側の第１噛合い部５１が出力側の第２噛合い部５２よりもピッチングが発生しやすいものとした。しかし、上述したように、ピッチングの発生しやすさは歯数の関係に依ると考えられる。つまり、異なる歯数で噛み合う噛合い部の方が、同じ歯数で噛み合う噛合い部よりもピッチングが発生しやすいと考えられる。したがって、仮に、出力側の噛合い部が異なる歯数で噛み合い、固定側の噛合い部が同じ歯数（または、より少ない歯数差）で噛み合う場合には、出力側の噛合い部の方がピッチングが発生しやすくなると考えられる。よって、この場合には、出力側の噛合い部の耐ピッチング特性を固定側よりも高くする必要がある。

その他、上記実施形態で示した細部は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１ 撓み噛合い式歯車装置
１０ 起振体軸
１０Ａ 起振体
３０ 外歯歯車
３０Ａ 第１外歯歯車部
３０Ｂ 第２外歯歯車部
３１ 第１内歯歯車部材
３１Ｇ 第１内歯歯車
３２ 第２内歯歯車部材
３２Ｇ 第２内歯歯車
５１ 第１噛合い部
５２ 第２噛合い部
６０ Ｖリング
６１ リップ
３０２ 凹溝
Ｏ１ 回転軸

Claims (4)

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内歯歯車及び第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内歯歯車と前記外歯歯車が噛み合う第１噛合い部と、前記第２内歯歯車と前記外歯歯車が噛み合う第２噛合い部とで、塗布する潤滑剤を異ならせることにより、前記第１噛合い部は、前記第２噛合い部よりも高い耐ピッチング特性を有し、
   前記第１噛合い部と前記第２噛合い部との間に、前記潤滑剤の流通を抑制する抑制部材を有する、
   撓み噛合い式歯車装置。
2. 前記第１噛合い部に塗布する潤滑剤は、前記第２噛合い部に塗布する潤滑剤よりも高い基油粘度を有する、
   請求項１に記載の撓み噛合い式歯車装置。
3. 前記第１噛合い部に塗布する潤滑剤は、前記第２噛合い部に塗布する潤滑剤よりも耐ピッチング性能の高い極圧添加剤が添加されているか、または、前記第１噛合い部に塗布する潤滑剤だけに極圧添加剤が添加されている、
   請求項１に記載の撓み噛合い式歯車装置。
4. 前記抑制部材は、前記第１内歯歯車及び前記第２内歯歯車の少なくとも一方の端面に接触するリップを有する、
   請求項１に記載の撓み噛合い式歯車装置。

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