JPWO2017077657A1 - 可撓性外歯車および波動歯車装置 - Google Patents

Abstract

波動歯車装置（１）の可撓性外歯車（３）は、半径方向に撓み可能な円筒状胴部（１１）と、その外周面に一定のピッチで形成された外歯（１４）と、円筒状胴部（１１）の内周面（１８）において、その周方向に沿って外歯と同一のピッチで形成された溝部（１７）とを備えている。溝部（１７）は、外歯（１４）の歯山中心線を中心とする波形断面形状の溝部であり、外歯（１４）の歯幅方向に延びている。撓み易さ、および、かみ合いによる接線力に耐えうる歯形形状を維持しつつ、歯底厚を増加して、可撓性外歯車の歯底疲労強度を高めることができる。

Description

本発明は波動歯車装置の可撓性外歯車に関する。

波動歯車装置としては、特許文献１、２、３に記載されているように、可撓性外歯車がカップ形状をしたカップ型波動歯車装置、シルクハット形状をしたシルクハット型波動歯車装置、円筒形状をしたフラット型波動歯車装置が知られている。波動歯車装置では、波動発生器によって可撓性外歯車が非円形、例えば楕円状に撓められて、剛性内歯車に対して部分的にかみ合わされ、波動発生器が回転すると両歯車のかみ合い位置が円周方向に移動する。

波動歯車装置において、波動発生器によって各部分が繰り返し半径方向に撓められる可撓性外歯車の歯底疲労強度は、楕円形状の撓み（曲げ）変形によって生じる可撓性外歯車の歯底部の引張応力と、負荷トルクによって生じる歯底部の引張応力が関係している。現行の波動歯車装置においては、これら双方の影響を考慮して、可撓性外歯車の歯底厚を適切な厚さに設定している。

特開２０１３−１７７９３８号公報 特開２０１２−０７２９１２号公報 特開２００９−２５７５１０号公報

波動歯車装置において、その可撓性外歯車の歯底疲労強度を高めようとして、単に歯底厚を増加させると、負荷トルクによる引張応力は減少するが、撓み変形によって生じる曲げ応力が増加してしまう。このため、単に歯底厚を増加するのみでは疲労強度の向上を図るのは限度がある。

例えば、現行の波動歯車装置において、その可撓性外歯車の歯底厚、撓み変形によって生じる曲げ応力および歯底疲労強度を基準にすると、当該歯底厚を１．２倍、１．４倍にした場合における撓み変形によって生じる曲げ応力比、および、歯底疲労強度比は、次の表に示すように変化する。

このように、波動歯車装置の可撓性外歯車においては、歯底厚を増加させるだけで、その疲労強度を向上させることには限界がある。

本発明の課題は、撓み易さを維持し、かつ、かみ合いによる接線力に耐えうる歯形形状を維持しつつ、歯底厚を増加して歯底疲労強度を高めることのできる波動歯車装置の可撓性外歯車を提供することにある。

また、本発明の課題は、歯底疲労強度を高めると共に、波動発生器のベアリング外周面との間の接触部の潤滑状態を改善することのできる波動歯車装置の可撓性外歯車を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、波動発生器によって半径方向に撓められて剛性内歯車に対して部分的にかみ合う、波動歯車装置の可撓性外歯車であって、
半径方向に撓み可能な円筒状胴部と、
前記円筒状胴部の外周面に、当該外周面の周方向に沿って一定のピッチで形成された外歯と、
前記円筒状胴部の内周面において、当該内周面の周方向に沿って前記外歯と同一のピッチで形成された溝部と、
を備えており、
前記溝部は、前記外歯の歯山中心線を溝部中心線とする波形断面形状の溝部であり、前記外歯の歯幅方向に延びていることを特徴としている。

本発明の可撓性外歯車では、各外歯に対応する内周面の部位に溝部が形成されているので、当該可撓性外歯車は半径方向に撓め易い。したがって、内周面に溝部が付いていない可撓性外歯車と比較した場合に、歯底厚を増加しても同程度の撓み易さを維持でき、撓み変形に起因する引張応力の増加を抑制できるので、疲労強度を高めることができる。

また、可撓性外歯車の内周面に形成した溝部によって、当該可撓性外歯車の撓み易さが維持されるので、外周面に形成される外歯の歯形形状に変更を加える必要がない。歯底厚を増加でき、外歯の歯形形状として適切な形状を採用できるので、剛性内歯車との間の歯のかみ合いの接線力による外歯の変形も小さい。

前記溝部において、溝部中心線上における内周面からの深さＤは、外歯の歯底部中立線径をｄ１、外歯の歯底円径をｄ２とすると、
（３ｄ１＋ｄ２）／４ ≦ Ｄ ≦ （ｄ１＋３ｄ２）／４
であることが望ましい。

溝部の深さＤが大きいほど、可撓性外歯車は撓み易くなり、外歯の歯元の応力集中係数が小さくなる。深さＤが上記の範囲よりも小さいと、歯底厚を厚くした場合において、可撓性外歯車の半径方向への撓み易さを維持できず、その歯底疲労強度の向上が殆ど得られないので好ましくない。逆に、深さＤが上記の範囲よりも大きいと、両歯車の歯のかみ合いの接線力によって波形状の一歯が曲がり易くなり、ばね定数が低下し、ラチェッティングトルクも大幅に低下し、実用に適さない。

溝部の深さを上記のように設定する場合に、溝部の波形断面形状は、溝部中心線上の位置を中心とする半径Ｒ１の半径方向の外側に凸の第１円弧、および、第１円弧および可撓性外歯車の内周面のそれぞれに滑らかに接する半径方向の内側に凸の第２円弧によって規定することが望ましい。第１、第２円弧によって溝部の波形断面形状を規定することにより、溝部が形成されている部分の応力集中を避けることができる。

可撓性外歯車の撓め易さ（外歯の歯底の引張応力）と波形状の一歯の曲がり易さは、第１円弧の半径Ｒ１、第２円弧の半径Ｒ２および溝部の深さＤの全てが影響し、半径Ｒ１と深さＤが決まれば、半径Ｒ２は決まる。溝部の深さＤが大きい程、また、第１円弧の半径Ｒ１が大きい程、第２円弧の半径Ｒ２は小さくなり、可撓性外歯車は撓み易くなる。

第１円弧の半径Ｒ１は、外歯のモジュールの（０．４±０．１）倍の長さであることが望ましい。先に述べたように、半径Ｒ１が大きい程、半径Ｒ２は小さくなり、また、可撓性外歯車は撓み易くなる。半径Ｒ１が上記の値よりも大きいと、可撓性外歯車の歯底部の等価厚さに大きく影響し、疲労強度が低下するので好ましくない。逆に、半径Ｒ１が上記の値よりも小さいと、応力集中が大きくなり、疲労強度が低下するので好ましくない。例えば、可撓性外歯車を楕円状に撓める場合には、その楕円形状の短軸側での引張応力によって疲労強度が低下してしまう。

ここで、可撓性外歯車の円形内周面には波動発生器が嵌め込まれ、当該波動発生器によって楕円形状等の非円形に撓められ、この状態で、波動発生器が回転する。波動発生器のベアリング外周面に接触している可撓性外歯車の内周面には溝部が形成されており、当該溝部が潤滑剤溜まりとして機能する。可撓性外歯車の内周面と波動発生器のベアリング外周面との間の接触部の潤滑状態を改善できるので、これらの転動疲労強度を高めることができる。

次に、本発明の波動歯車装置は、剛性内歯車、上記構成の可撓性外歯車、および、可撓性外歯車を半径方向に撓めて剛性内歯車に対して部分的にかみ合わせ、剛性内歯車および可撓性外歯車のかみ合い位置を円周方向に移動させる波動発生器を有していることを特徴としている。

可撓性外歯車は溝部を備えており、歯底厚を厚くして疲労強度を高めることができるので、全体として耐久性に優れた波動歯車装置を実現できる。

本発明を適用した波動歯車装置を示す斜視図である。 図１の波動歯車装置の縦断面図および横断面図である。 図１の可撓性外歯車の半縦断面、ｂ−ｂ線で切断した部分の模式図、およびフラットタイプの可撓性外歯車に形成した溝部を示す説明図である。 図１の可撓性外歯車の外歯を示す部分拡大縦断面図である。

以下に、図面を参照して本発明を適用した波動歯車装置の実施の形態を説明する。以下の実施の形態はカップ型波動歯車装置に関するものであるが、本発明はシルクハット型波動歯車装置、フラット型波動歯車装置にも同様に適用可能である。

図１は実施の形態に係る波動歯車装置の斜視図であり、図２（ａ）はその縦断面図であり、図２（ｂ）はその横断面図である。波動歯車装置１は、円環状の剛性内歯車２と、この内側に同軸に配置したカップ形状の可撓性外歯車３と、この内側に嵌め込まれた波動発生器４とを備えている。可撓性外歯車３は、波動発生器４によって非円形、例えば楕円形状に撓められ、当該楕円形状の長軸Ｌ１の両端において、外歯１４が剛性内歯車２の内歯２ａにかみ合っている。

波動発生器４がモーター等（図示せず）によって回転すると、両歯車２、３のかみ合い位置が円周方向に移動する。かみ合い位置が１周すると、両歯車の歯数差分だけ、両歯車の間に相対回転が生じる。波動発生器４の回転を、両歯車の一方から大幅に減速された減速回転として取り出すことができる。

可撓性外歯車３は、半径方向に撓み可能な円筒状胴部１１と、この円筒状胴部１１の後端から半径方向の内側に延びている円盤状のダイヤフラム１２と、ダイヤフラムの内周縁に繋がっている剛体である円環状のボス１３と、円筒状胴部１１の開口端の側の外周面部分に形成した外歯１４とを備えている。波動発生器４は、円筒状のハブ２１と、この外周面に取り付けたカム板２２と、カム板２２の楕円状外周面に装着したベアリング２３とを備えている。円筒状胴部１１の外歯１４が形成されている外歯形成部分１５が、波動発生器４によって楕円形状に撓められている。なお、図２（ｂ）においてはベアリング２３のボールリテーナーの図示を省略してある。

図３（ａ）は外歯形成部分１５の半縦断面図であり、図３（ｂ）はそのｂ−ｂ線で切断した部分の横断面を示す模式図である。これらの図に示すように、可撓性外歯車３の円筒状胴部１１の外歯形成部分１５において、その外周面には、その周方向に沿って一定のピッチで所定のモジュールの外歯１４が形成されている。また、外歯形成部分１５の内周面１６には、その周方向に沿って外歯１４と同一ピッチで溝部１７が形成されている。溝部１７は波形断面形状の溝部であり、外歯１４の歯幅方向に直線状に延びている。

例えば、溝部１７は、外歯形成部分１５の内周面１６において、開口端１１ａから両歯のかみ合い部分を包含する範囲（外歯１４のダイヤフラム側の端までの範囲）に亘って形成されている。すなわち、図において、開口端１１ａから位置１１ｂまでの間は、一定深さ、一定幅の溝部１７が延びている。また、位置１１ｂからボス１３の側に向かって、その途中の位置１１ｃまでの間は、溝部１７に連続して、深さおよび幅が漸減する延長溝部分１７ｂが形成されている。

溝部１７は、外歯形成部分１５の内周面１６において、両歯のかみ合い部分を包含する領域に形成すればよいが、延長溝部分１７ｂによって、溝部１７を設けたことによる円筒状胴部１１およびダイヤフラム１２への影響を無くす、あるいは、低減するようにしている。

なお、本発明をフラット型波動歯車装置に適用する場合には、その可撓性外歯車の外歯形成部分の内周面の全幅に亘って、一定深さ、一定幅の溝部を形成することができる。図３（ｃ）はフラットタイプの可撓性外歯車に形成した溝部を示す説明図である。この図に示すように、フラット形状（円筒形状）の可撓性外歯車３Ａにおいて、その内周面１６Ａの全幅に亘って一定深さ、一定幅の溝部１７Ａを形成する。

図４は外歯形成部分１５の一歯分を示す部分拡大横断面図である。この図に示すように、各溝部１７は、外歯１５の歯山中心線Ｌ２を溝部中心線とする波形断面形状の溝部である。

具体的に説明すると、溝部１７における溝部中心線（Ｌ２）上における内周面１６からの深さＤが当該溝部１７の最大深さである。この深さＤは、外歯１４の歯底部中立線径をｄ１、外歯１４の歯底円径をｄ２とすると、次の条件式で規定される範囲内の値とされる。
（３ｄ１＋ｄ２）／４ ≦ Ｄ ≦ （ｄ１＋３ｄ２）／４

深さＤが（３ｄ１＋ｄ２）／４よりも浅いと、歯底厚を厚くした場合において、可撓性外歯車３の半径方向への撓み易さを維持できず、歯底疲労強度を向上させることができない。深さＤが（ｄ１＋３ｄ２）／４よりも深いと、歯底厚を厚くした場合においても可撓性外歯車３の撓み易さを維持できるものの、歯のかみ合いの接線力による外歯の変形が大きくなり、ラチェッティングトルクが大きく低下し、実用に適さなくなるので好ましくない。

本例では、例えば、図４において実線で示すように、深さＤが、上記条件式の最大値と最小値の中間の標準深さＤａに設定される。
Ｄａ ＝ （ｄ１＋ｄ２）／２

なお、図において破線Ｄｍｉｎは上記条件式の最小値に深さを設定した場合の溝部断面形状の例を示し、一点鎖線Ｄｍａｘは上記条件式の最大値に深さを設定した場合の溝部断面形状の例を示す。

次に、溝部１７の波形断面形状は、溝部中心線（Ｌ２）上の位置を中心Ｏ１とする半径Ｒ１の半径方向の外側に凸の第１円弧Ｃ１と、当該第１円弧Ｃ１および外歯形成部分１５の内周面１６のそれぞれに滑らかに接する半径方向の内側に凸の第２円弧Ｃ２とによって規定されている。半径Ｒ１は、外歯１４のモジュールの（０．４±０．１）倍の長さに設定されている。

第２円弧Ｃ２は、例えば、外歯１４の歯溝中心線上に中心Ｏ２が位置する円弧であり、その大きさ（半径Ｒ２）は、内周面１６の内径ｄ３、溝部１７の深さＤ、および、第１円弧Ｃ１の半径Ｒ１によって決まる。第２円弧Ｃ２が小さいほど、可撓性外歯車３が半径方向により撓み易くなる。

第１、第２円弧Ｒ１、Ｒ２によって溝部１７の波形断面形状を規定することにより、溝部１７が形成されている部分の応力集中を避けることができる。また、溝部１７の底面を規定する第１円弧Ｃ１の半径Ｒ１を、外歯１４のモジュールの（０．４±０．１）倍の長さに設定することで、溝部１７の底の部分の応力集中を回避できる。

例えば、図４において想像線で示す輪郭形状の外歯１４Ａを備えた既存の可撓性外歯車において、その歯底厚を、実線で示すようにΔＴだけ厚くすると共に内周面１６に溝部１７を設けることによって、本例の可撓性外歯車３が得られる。可撓性外歯車３は、既存の可撓性外歯車の外歯形状に変更を加えることなく、その歯底厚を厚くすることができる。また、歯底厚を厚くしても、溝部１７を設けてあるので、楕円形状への撓め易さを既存の可撓性外歯車と同様な程度に維持でき、撓み変形に起因する引張応力の増加を抑えることができる。したがって、可撓性外歯車３の疲労強度を既存の可撓性外歯車に比べて向上させることができる。

また、図１、図２を参照して説明したように、可撓性外歯車３の内周面１６には波動発生器４が嵌め込まれ、当該波動発生器４によって可撓性外歯車３の外歯形成部分１５は楕円形状に撓められ、この状態で、波動発生器４が回転する。本例においては、図３に示すように、波動発生器４のベアリング外周面２４に接触している可撓性外歯車３の内周面１６には溝部１７が一定のピッチで形成されている。したがって、溝部１７は潤滑剤溜まりとして機能し、可撓性外歯車３の内周面１６と波動発生器４のベアリング外周面２４との間の接触部の潤滑状態が改善される。これにより、接触部の転動疲労強度を高めることができる。

図４は外歯形成部分１５の一歯分を示す部分拡大横断面図である。この図に示すように、各溝部１７は、外歯１４の歯山中心線Ｌ２を溝部中心線とする波形断面形状の溝部である。

第１、第２円弧Ｃ１、Ｃ２によって溝部１７の波形断面形状を規定することにより、溝部１７が形成されている部分の応力集中を避けることができる。また、溝部１７の底面を規定する第１円弧Ｃ１の半径Ｒ１を、外歯１４のモジュールの（０．４±０．１）倍の長さに設定することで、溝部１７の底の部分の応力集中を回避できる。

Claims (6)

1. 波動発生器によって半径方向に撓められて剛性内歯車に対して部分的にかみ合う、波動歯車装置の可撓性外歯車であって、
   半径方向に撓み可能な円筒状胴部と、
   前記円筒状胴部の外周面に、当該外周面の周方向に沿って一定のピッチで形成された外歯と、
   前記円筒状胴部の内周面において、当該内周面の周方向に沿って前記外歯と同一のピッチで形成された溝部と、
   を備えており、
   前記溝部は、前記外歯の歯山中心線を溝部中心線とする波形断面形状の溝部であり、前記外歯の歯幅方向に延びている波動歯車装置の可撓性外歯車。
2. 前記溝部において、前記溝部中心線上における前記内周面からの深さＤは、前記外歯の歯底部中立線径をｄ１、前記外歯の歯底円径をｄ２とすると、
   （３ｄ１＋ｄ２）／４ ≦ Ｄ ≦ （ｄ１＋３ｄ２）／４
   である請求項１に記載の波動歯車装置の可撓性外歯車。
3. 前記溝部の前記波形断面形状は、
   前記溝部中心線上の位置を中心とする半径Ｒ１の半径方向の外側に凸の第１円弧と、
   前記第１円弧および前記内周面のそれぞれに滑らかに接する半径方向の内側に凸の第２円弧と、
   によって規定されており、
   前記半径Ｒ１は、前記外歯のモジュールの（０．４±０．１）倍の長さである請求項２に記載の波動歯車装置の可撓性外歯車。
4. 前記円筒状胴部の一方の端から半径方向の内側あるいは外側に延びている円盤状のダイヤフラムを備え、
   前記外歯は、前記円筒状胴部の他方の開口端の側の外周面部分に形成され、
   前記溝部は、前記円筒状胴部の前記内周面において、前記開口端から、前記外歯における前記ダイヤフラム側の歯幅方向の端に対応する位置まで延びており、
   前記内周面において、前記溝部に連続して、前記ダイヤフラムに到る途中位置までの間には、前記溝部の深さおよび幅が漸減する延長溝部分が形成されている請求項１に記載の波動歯車装置の可撓性外歯車。
5. 前記溝部は潤滑剤溜まりである請求項１に記載の波動歯車装置の可撓性外歯車。
6. 剛性内歯車と、
   請求項１ないし５のうちのいずれか一つの項に記載の可撓性外歯車と、
   前記可撓性外歯車を半径方向に撓めて前記剛性内歯車に対して部分的にかみ合わせ、前記剛性内歯車および前記可撓性外歯車のかみ合い位置を円周方向に移動させる波動発生器と、
   を有している波動歯車装置。

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