JPWO2005100818A1 - 波動歯車装置 - Google Patents

Abstract

波動歯車装置（１）の波動発生器（４）が低速回転状態では、ウェーブベアリング（４３）による転がり軸受状態が形成され、波動発生器（４）と可撓性外歯歯車（３）が相対回転自在の状態に保持される。波動発生器（４）が高速回転状態では、ウェーブベアリング（４３）のリテーナ（４７）の構成部材である仕切片（７）および分割側板片（８）が外側に変位してボール（４６）の自転、公転を阻止するので、波動発生器（４）と可撓性外歯歯車（３）の間に形成されている潤滑油膜（９）による滑り軸受状態が形成され、これらが相対回転自在の状態に保持される。波動発生器（４）が低速状態に戻ると、リテーナ（４７）の弾性リング（５）の弾性復帰力によりウェーブベアリング（４３）の拘束が解除され、転がり軸受状態に戻る。高速回転時にウェーブベアリング（４３）に転動疲労が発生しないので、高速回転を入力可能な波動歯車装置を実現できる。

Description

本発明は、ガスタービンなどの高速動力源の高速出力回転を減速するために用いるのに適した高速回転対応型の波動歯車装置に関するものである。

典型的な波動歯車装置は、円環状の剛性内歯歯車と、この内側に同心状態に配置した円環状の可撓性外歯歯車と、この内側に嵌めた楕円形輪郭の波動発生器とを備えている。可撓性外歯歯車は波動発生器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部分において、剛性内歯歯車に噛み合っている。両歯車には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を回転すると、両歯車の噛み合い位置が周方向に移動して、両歯車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が固定され、可撓性外歯歯車から大幅に減速された回転が出力される。
波動発生器は、モータ等の出力軸に連結される回転入力軸と、この回転入力軸に同心状態で取り付けられた楕円形輪郭の剛性プラグと、この剛性プラグの外周面に取り付けたウェーブベアリングとを備えている。ウェーブベアリングは薄肉の可撓性の外輪および内輪を備えており、内輪が剛性プラグの楕円形の外周面に一体回転するように装着され、外輪が剛性プラグによって可撓性外歯歯車の内周面に押し付けられている。
波動発生器によって楕円形状に撓められた状態で可撓性外歯歯車が回転するので、真円の状態で回転する場合に比べて、回転時にウェーブベアリングに作用する摩擦抵抗が大きくなる。そこで、ローラなどの他の形状の転動体を備えた軸受に比べて転がり摩擦抵抗が低いボールベアリングがウェーブベアリングとして一般的に採用されている。
ここで、ボールベアリングを備えた波動発生器を高速回転させた場合には次のような問題点が発生する。
（１）ボールベアリングのボールの単位時間当たりの転動回数が増加するので、ボールの転動疲労寿命が低下する。
（２）ボールベアリングに作用する潤滑剤による攪拌抵抗が大きくなり、それに伴って発熱量が多くなる。この結果、ボールベアリングの摺動部分に潤滑不良が発生し、ボールベアリングの寿命が低下する。
（３）ボールベアリングのボールの公転速度が増すので、ボールに作用する遠心力が増加する。ボールに作用する遠心力はサイズの大きなボールベアリングにおいては特に大きくなる。この結果、特に外輪に大きな荷重が作用するので、その転動疲労寿命が低下する。このため、特に大型型番の波動歯車装置においては、最高回転速度が低く抑えられている。
このように、波動歯車装置においては、ウェーブベアリングの寿命などが制約となって、ガスタービンなどの高速回転装置の減速装置として用いるのに適していなかった。また、波動歯車装置は増速装置として利用することが可能であるが、最高回転速度の速度限界が低いので増速装置としての用途が限られていた。

本発明の課題は、このような点に鑑みて、高速回転装置の減速装置として用いるのに適した波動歯車装置を提案することにある。
また、本発明の課題は、増速装置として用いるのに適した波動歯車装置を提案することにある。
本発明の波動歯車装置では、波動発生器と可撓性外歯歯車を相対回転自在に保持するために、低速回転時にはウェーブベアリングによる転がりを利用している。また、ウェーブベアリング外輪外周面と可撓性外歯歯車の内周面の間に十分な油膜あるいは気体膜が形成される高速回転時には、ウェーブベアリングを波動発生器の剛性プラグと一体回転するように拘束して、油膜あるいは気体膜による流体潤滑を利用するようにしている。
波動発生器と可撓性外歯歯車を相対回転自在に保持するための軸受機構をこのように構成すると、高速回転時にはウェーブベアリングの転動体が回転しないので、転動疲労が発生しない。また、転動体が自転および公転しないので、転動体の遠心力に起因する外輪などの転動疲労も発生しない。さらには、潤滑剤による大きな攪拌抵抗に起因する発熱を抑制できるので、潤滑不良によるボールベアリングの寿命の低下も抑制できる。一方、低速回転時には、波動発生器と可撓性外歯歯車の間の相対滑り速度が低いので、これらの間には十分な油膜あるいは気体膜が形成されず、滑り軸受状態を形成できない。本発明では、低速回転時には、ウェーブベアリングの拘束が解除されるので、従来と同様に、ウェーブベアリングによる転がり軸受状態が形成される。
詳細に説明すると、本発明の波動歯車装置は、
環状の剛性内歯歯車と、
前記剛性内歯歯車の内側に配置された環状の可撓性外歯歯車と、
前記可撓性外歯歯車を半径方向に撓めて前記剛性内歯歯車に部分的に噛み合わせ、両歯車の噛み合い位置を周方向に回転させる波動発生器と、
前記可撓性外歯歯車および前記波動発生器を相対回転自在の状態に保持している軸受機構とを有し、
前記軸受機構は、前記波動発生器の回転数に応じて、転動体による転がり軸受状態と、油膜などの流体潤滑膜による滑り軸受状態とに可逆的に切り換わることを特徴としている。
ここで、前記波動発生器は剛性プラグと転がり軸受とを備えており、前記転がり軸受は、前記剛性プラグの外周面に嵌めた内輪と、前記可撓性外歯歯車の内周面に流体潤滑膜を介して接している外輪と、これら内輪および外輪の間に装着された転動体とを備えている。
前記軸受機構は、前記転がり軸受と、前記流体潤滑膜と、前記波動発生器の回転数が所定回転以上になると、前記転がり軸受を前記剛性プラグと一体回転するように拘束する拘束部材とを備えた構成とすることができる。
前記拘束部材として、前記転がり軸受における前記転動体を保持しているリテーナを利用することができる。この場合には、このリテーナの少なくとも一部の部位を、前記波動発生器の回転数の上昇に伴って当該リテーナに作用する遠心力によって半径方向の外側に変位させて、前記外輪および／または前記転動体に接触した状態を形成すればよい。
また、前記リテーナの前記部位を、前記波動発生器の回転数が低下すると、弾性復帰力により半径方向の内側に変位させて、前記外輪および／または前記転動体から離れた状態を形成すればよい。
さらに、前記リテーナの前記部位における前記外輪および／または前記転動体に対する摩擦接触面は、当該リテーナの他の部分に比べて摩擦係数の高い高摩擦面であることが望ましい。
転がり軸受状態から滑り軸受状態に完全に切り換えるためには、前記波動発生器が所定回転数以上になると、前記リテーナと前記外輪および／または前記転動体の間に発生する接触摩擦抵抗が、前記外輪外周面と前記可撓性外歯歯車の内周面の間に発生する接触摩擦抵抗よりも大きくなるようにすればよい。
次に、前記拘束部材として、前記剛性プラグあるいは前記内輪に対して半径方向に移動可能な状態で取り付け、前記波動発生器の回転に伴って当該拘束部材に作用する遠心力によって半径方向の外側に移動して、前記外輪および／または前記転動体に接触した状態に移行する部材を用いることができる。
この場合においても、前記拘束部材は、前記波動発生器の回転数が低下すると、弾性復帰力により半径方向の内側に移動して、前記外輪および／または前記転動体から離れた状態に移行する構成とすればよい。
また、前記拘束部材における前記外輪および／または前記転動体に対する摩擦接触面は、当該拘束部材の他の部分に比べて摩擦係数の高い高摩擦面とすることが望ましい。
さらに、前記波動発生器が所定回転以上になると、前記拘束部材と前記外輪および／または前記転動体の間に発生する接触摩擦抵抗が、前記外輪外周面と前記可撓性外歯歯車の内周面の間に発生する接触摩擦抵抗よりも大きくなることが望ましい。
一方、波動発生器の転がり軸受としては、転がり摩擦抵抗が低いボールベアリングを用いることが望ましい。

図１は、本発明を適用した波動歯車装置の一例を示す縦断面図である。
図２は、図１の波動歯車装置の断面構成図である。
図３Ａないし図３Ｄは、図１の波動歯車装置におけるウェーブベアリングのリテーナの構造および動作を示す説明図である。
図４Ａおよび図４Ｂは、本発明による拘束部材の別の例を示す説明図である。

符号の説明

１、１Ａ 波動歯車装置、 ２ 剛性内歯歯車
２４ 内歯、 ３ 可撓性外歯歯車
３ａ 内周面部分、 ３４ 外歯
４ 波動発生器、 ４１ 入力軸
４２ 剛性プラグ、 ４３ ウェーブベアリング
４４ 内輪、 ４５ 外輪
４５ａ 外輪外周面、 ４６ ボール
４７ リテーナ、 ５ 弾性リング
６ 仕切片、 ７ 分割側板片
７１ 本体部材、 ７２ 摩擦接触部材
７２ａ 摩擦接触面、 ９ 潤滑油膜
１０ 拘束部材、 １１ 拘束板
１１ｂ 本体部材、 １１ｃ 摩擦接触部材
１１ｄ 摩擦接触面、 １１ｅ ガイド穴
１２ 弾性リング、 １３ ガイドピン

以下に、図面を参照して、本発明を適用した波動歯車装置を説明する。
図１は波動歯車装置を示す縦断面図であり、図２は装置軸線に直交する面で切断した場合の断面構成図である。波動歯車装置１は、所謂「カップ型波動歯車装置」と呼ばれる形式のものであり、円環状の剛性内歯歯車２の内側に、カップ形状の可撓性外歯歯車３が同心状態で配置され、この内側に楕円形輪郭の波動発生器４が同心状態に装着されている。カップ形状の可撓性外歯歯車３は、円筒状胴部３１と、この軸線方向の一端を封鎖している円環状のダイヤフラム３２と、このダイヤフラム３２の内周縁に連続している円環状のボス３３とを備えている。円筒状胴部３１の他方の端部の外周面部分に外歯３４が形成されており、外歯３４は剛性内歯歯車２の内歯２４に対峙しており、当該内歯２４に噛み合い可能である。
楕円形輪郭の波動発生器４は、中空の入力軸４１と、この外周に同心状態に固定した楕円形輪郭の剛性プラグ４２と、剛性プラグ４２の外周に装着したウェーブベアリング４３とを備えている。ウェーブベアリング４３は、薄肉の可撓性の内輪４４および外輪４５と、これらの間に転動自在の状態で挿入されている複数のボール４６と、各ボール４６を円周方向に沿って一定の間隔で転動自在の状態で保持しているリテーナ４７とを備えている。ウェーブベアリング４３は、その内輪４４が剛性プラグ４２の外周面４２ａに装着されて、全体として楕円形に撓められた状態となっている。また、剛性プラグ４２によって、ウェーブベアリング４３の外輪外周面４５ａが、可撓性外歯歯車３の外歯形成部分の内周面部分３ａに押し付けられ、初期状態が真円である当該外歯形成部分を楕円形に撓めている。この結果、楕円形の長軸方向の両端部分に位置している外歯３４が、真円状態の剛性内歯歯車２の内歯２４に押し付けられて、内歯２４に噛み合っている。
外歯３４と内歯２４の歯数差は２枚（一般には、ｎを正の整数とすると、２ｎ枚）である。波動発生器４が回転して両歯車２、３の噛み合い位置が周方向に移動すると、両歯車の歯数差に起因して、両歯車に相対回転が発生する。例えば、剛性内歯歯車２を回転しないように固定すれば、可撓性外歯歯車３が、波動発生器４の回転数に対して、所定の減速比で減速された回転数で回転する。
図３Ａ〜３Ｄはウェーブベアリング４３のリテーナ４７の構造および動作を示す説明図である。本例のウェーブベアリング４３のリテーナ４７は、当該ウェーブベアリング４３を剛性プラグ４２と一体回転するように拘束するための拘束部材として機能する。そのために、リテーナ４７は、円周方向および半径方向に弾性変形可能な左右一対の弾性リング５、５と、これらの間に、円周方向に沿って一定の間隔で架け渡した剛性の仕切片７と、各仕切片７の間の位置において、左右の弾性リング５、５にそれぞれ固定されている分割側板片８とを備えている。仕切片７の円周方向の両側面は湾曲面７ａ、７ｂとされており、仕切片７の間が各ボール４６を転動自在の状態で保持するためのポケットとなっている。
ここで、各分割側片８は、本体部材８１と、この本体部材８１における外輪側の端面に積層固定した摩擦接触部材８２からなる複合部材であり、摩擦接触部材８２の外輪側の端面は外輪内周面４５ｂに対応した輪郭形状の摩擦接触面８２ａとされている。
この構成の波動歯車装置１の動作を説明する。波動発生器４が低速回転状態においては、ウェーブベアリング４３が機能して、波動発生器４と可撓性外歯歯車３の間が相対回転自在の状態に保持される。波動発生器４の回転数が上昇すると、それに伴って、弾性リング５に取り付けられている仕切片７および分割側板片８に作用する遠心力も増加する。この結果、仕切片７および分割側板片８は半径方向の外側（外輪側）に徐々に変位する。
図３Ｃ、３Ｄに示すように、仕切片７が外側に変位すると、その両側の湾曲面７ａ、７ｂの内輪側の部分が左右のボール４６の内輪側の外周面部分に接触する。これらの接触面に発生する接触摩擦抵抗により、各ボール４６の転動が拘束され始める。また、各分割側板片８の外輪側の摩擦接触面８２ａが外輪内周面４５ｂに接触する。これらの接触面に発生する接触摩擦抵抗により、リテーナ４７の回転が拘束され始める。
一方、波動発生器４の回転数が増加すると、可撓性外歯歯車３と波動発生器４の間の相対滑り回転数も増加する。波動歯車装置１の内部には不図示の潤滑油供給機構から潤滑油が供給されており、これらの間に潤滑油膜９が形成され始める。この結果、可撓性外歯歯車３と波動発生器４の間の滑り摩擦抵抗が減少し始める。すなわち、可撓性外歯歯車３の外歯形成部分の内周面部分３ａと、ウェーブベアリング４３の外輪外周面４５ａの間に形成される潤滑油膜９によって、これらの滑り摩擦抵抗が減少する。
波動発生器４が所定回転数（第１の回転数）以上の高速回転状態になると、各仕切片７および各分割側板片８に作用する遠心力による接触摩擦抵抗が、可撓性外歯歯車３とウェーブベアリングの外輪外周面４５ａの間に発生する滑り摩擦抵抗よりも大きくなる。この結果、ボール４６、リテーナ４７および外輪４５が、剛性プラグ４２の外周面４２ａに固定されている内輪４４に対して、一体回転するように拘束され、ボール４６の自転および公転が阻止される。よって、波動発生器４と可撓性外歯歯車３の間は、ウェーブベアリング４３による転がり軸受状態から、これらの間に形成されている潤滑油膜による滑り軸受状態に完全に切り換わる。
波動発生器４が所定回転数（第１の回転数）より低下すると、リテーナ４７の各仕切片７および各分割側板片８による接触摩擦抵抗が、可撓性外歯歯車３と波動発生器４の間の滑り摩擦抵抗よりも小さくなる。この結果、潤滑油膜による滑り軸受状態およびウェーブベアリング４３による転がり軸受状態が並存した状態に移行する。波動発生器４の回転数の減少に伴って、リテーナ４７の弾性リング５の弾性復帰力によって各仕切片７および各分割側板片８が半径方向の内側に徐々に戻る。よって、波動発生器４の回転数が、第１の回転数よりも低い所定の回転数（第２の回転数）を下回ると、図３Ａ、３Ｂに示すように、ウェーブベアリング４３による転がり軸受状態に移行する。
このように、本例の波動歯車装置１における波動発生器４と可撓性外歯歯車３を相対回転自在に保持している軸受機構では、波動発生器４が第２の回転数以下の低速回転状態では、ウェーブベアリング４３による転がり軸受状態が形成される。また、波動発生器４が第２の回転数から第１の回転数の間では、ウェーブベアリング４３による転がり軸受状態と、波動発生器および可撓性外歯歯車の間に形成される潤滑油膜による滑り軸受状態が並存する。さらに、波動発生器４が第１の回転数以上の高速回転になると、ウェーブベアリング４３による転がり軸受状態から、潤滑油膜による滑り軸受状態に完全に移行する。
したがって、本例の波動歯車装置１では、高速回転状態では、ウェーブベアリング４３の回転が拘束され、ボール４６の自転および公転が阻止される。よって、高速回転によりボール４６、外輪４５などに転動疲労が発生することがない。この結果、従来よりも高速の回転を入力可能な波動歯車装置を実現できる。また、高速回転が可能になるので、増速装置として用いるのに適した波動歯車装置を実現できる。
（拘束部材の別の例）
図４Ａ、４Ｂは、ウェーブベアリング４３を剛性プラグ４２に一体回転するように拘束するための拘束部材の一例を示す説明図である。本例の波動歯車装置１Ａでは、一般的に用いられるウェーブベアリング４３Ａが採用されている。このウェーブベアリング４３Ａの回転を拘束するための拘束部材１０は、波動発生器４の剛性プラグ４２の側面に放射状に取り付けた複数枚の扇形の拘束板１１と、これらの拘束板１１の内周端に形成したＬ形状のフック１１ａに架け渡されている弾性リング１２とを備えている。拘束板１１は、本体部材１１ｂと、この本体部材１１ｂにおける外周面に積層固定した摩擦接触部材１１ｃとからなる複合部材であり、摩擦接触部材１１ｃは本体部材１１ｂよりも摩擦係数が高い素材から形成されている。この摩擦接触部材１１ｃの外輪側の端面は、外輪内周面４５ｂに対応した輪郭形状の摩擦接触面１１ｄとされている。
各拘束板１１には、半径方向に長いガイド穴１１ｅが形成されており、各ガイド穴１１ｅには、ガイドピン１３がスライド可能に差し通されている。ガイドピン１３の脚部分１３ａは剛性プラグ４２に打ち込み固定されており、その頭部１３ｂはガイド穴１１ｅから抜けないようにガイド穴１１ｅの幅よりも大径とされている。弾性リング１２は、円周方向および半径方向に弾性変形可能である。
この構成の拘束部材１０を備えた波動歯車装置１Ａにおいて、波動発生器４が低速回転状態では、ウェーブベアリング４３Ａにより、波動発生器４と可撓性外歯歯車３が相対回転自在の状態に保持されている。波動発生器４の回転が所定回転数以上の高速回転状態になると、各拘束板１１の摩擦接触面１１ｄと、これが接触している外輪内周面４５ｂの間に発生する接触摩擦抵抗が、ウェーブベアリング４３Ａの外輪外周面４５ａと可撓性外歯歯車３の内周面部分３ａの間の滑り摩擦抵抗よりも大きくなる。この結果、拘束部材１０によってウェーブベアリング４３Ａが剛性プラグ４２と一体回転するように拘束され、ウェーブベアリング４３Ａによる転がり軸受状態から、波動発生器４と可撓性外歯歯車３の間に形成されている潤滑油膜による滑り軸受状態に切り換わる。波動発生器４が低速回転状態に戻ると、再びウェーブベアリング４３Ａによる転がり軸受状態に戻る。
本例の拘束部材１０を備えた波動歯車装置１Ａによっても、前述した波動歯車装置１と同様の作用効果が得られる。
なお、上記の各例では、ウェーブベアリングとしてボールベアリングを用いているが、ローラベアリングなどの他の転がり軸受を採用することも可能である。

以上説明したように、本発明の波動歯車装置では、低速回転時には、ボールベアリングなどの転がり軸受によって波動発生器と可撓性外歯歯車を相対回転自在の状態に支持し、高速回転時には、転がり軸受の機能を停止して、波動発生器および可撓性外歯歯車の相対滑り面に形成される油膜や気体膜による滑りを利用して、これらを相対回転自在の状態に支持している。
したがって、高速回転時には転がり軸受が機能しないので、高速回転に伴う転がり軸受の転動体や外輪の寿命低下が発生せず、また、転がり軸受の転動疲労に起因する最高回転速度の制限も無くなる。よって、本発明によれば、高速回転対応型の波動歯車装置を実現できる。また、増速装置として用いるのに適した波動歯車装置を実現できる。

Claims (12)

1. 環状の剛性内歯歯車と、
   前記剛性内歯歯車の内側に配置された環状の可撓性外歯歯車と、
   前記可撓性外歯歯車を半径方向に撓めて前記剛性内歯歯車に部分的に噛み合わせ、両歯車の噛み合い位置を周方向に回転させる波動発生器と、
   前記可撓性外歯歯車および前記波動発生器を相対回転自在の状態に保持している軸受機構とを有し、
   前記軸受機構は、前記波動発生器の回転数に応じて、転動体による転がり軸受状態と、油膜などの流体潤滑膜による滑り軸受状態とに可逆的に切り換わる波動歯車装置。
2. 請求項１において、
   前記波動発生器は剛性プラグと転がり軸受とを備え、
   前記転がり軸受は、前記剛性プラグの外周面に嵌めた内輪と、前記可撓性外歯歯車の内周面に流体潤滑膜を介して接している外輪と、これら内輪および外輪の間に装着された転動体とを備えており、
   前記軸受機構は、前記転がり軸受と、前記流体潤滑膜と、前記波動発生器の回転数が所定回転以上になると、前記転がり軸受を前記剛性プラグと一体回転するように拘束する拘束部材とを備えている波動歯車装置。
3. 請求項２において、
   前記転がり軸受は、前記拘束部材として機能する、前記転動体を保持しているリテーナを備えており、
   このリテーナの少なくとも一部の部位は、前記波動発生器の回転数の上昇に伴って当該リテーナに作用する遠心力によって半径方向の外側に変位して、前記外輪および／または前記転動体に接触した状態に移行する波動歯車装置。
4. 請求項３において、
   前記リテーナの前記部位は、前記波動発生器の回転数が低下すると、弾性復帰力により半径方向の内側に変位して、前記外輪および／または前記転動体から離れた状態に移行する波動歯車装置。
5. 請求項３または４において、
   前記リテーナの前記部位における前記外輪および／または前記転動体に対する摩擦接触面は、当該リテーナの他の部分に比べて摩擦係数の高い高摩察面とされている波動歯車装置。
6. 請求項３、４または５において、
   前記波動発生器が所定回転数以上になると、前記リテーナと前記外輪および／または前記転動体の間に発生する接触摩擦抵抗が、前記外輪外周面と前記可撓性外歯歯車の内周面の間に発生する接触摩擦抵抗よりも大きくなる波動歯車装置。
7. 請求項２ないし６のうちのいずれかの項において、
   前記転がり軸受はボールベアリングである波動歯車装置。
8. 請求項２において、
   前記拘束部材は、前記剛性プラグあるいは前記内輪に対して半径方向に移動可能な状態で固定されており、前記波動発生器の回転に伴って当該拘束部材に作用する遠心力によって半径方向の外側に移動して、前記外輪および／または前記転動体に接触した状態に移行する波動歯車装置。
9. 請求項８において、
   前記拘束部材は、前記波動発生器の回転数が低下すると、弾性復帰力により半径方向の内側に移動して、前記外輪および／または前記転動体から離れた状態に移行する波動歯車装置。
10. 請求項９において、
    前記拘束部材における前記外輪および／または前記転動体に対する摩擦接触面は、当該拘束部材の他の部分に比べて摩擦係数の高い高摩擦面とされている波動歯車装置。
11. 請求項８、９または１０において、
    前記波動発生器が所定回転以上になると、前記拘束部材と前記外輪および／または前記転動体の間に発生する接触摩擦抵抗が、前記外輪外周面と前記可撓性外歯歯車の内周面の間に発生する接触摩擦抵抗よりも大きくなる波動歯車装置。
12. 請求項８ないし１１のうちのいずれかの項において、
    前記転がり軸受はボールベアリングである波動歯車装置。

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