JPWO2018100701A1 - 波動歯車装置の外歯歯車 - Google Patents

Abstract

波動歯車装置のシルクハット形状の外歯歯車（３）において、ダイヤフラム（２０）のダイヤフラム本体部分（２２）における内周端（Ａ）、中央部（Ｂ）および外周端（Ｃ）の厚さを、ｔ（Ａ）、ｔ（Ｂ）およびｔ（Ｃ）とし、その湾曲部分（２３）における胴部側端部（Ｄ）の厚さをｔ（Ｄ）とすると、ｔ（Ａ）＞ｔ（Ｃ）＞ｔ（Ｄ）＞ｔ（Ｂ）となっている。また、ダイヤフラム（２０）の内周端（Ａ）の厚さは、中央部（Ｂ）の厚さを基準とした場合に、従来のシルクハット形状の外歯歯車に比べて、より厚くなるように設定されている。高負荷トルクでのスラスト力に起因するダイヤフラムの破断を防止でき、疲労強度の高い外歯歯車を実現できる。

Description

本発明は、シルクハット形状の可撓性の外歯歯車が組み込まれたシルクハット型の波動歯車装置に関する。さらに詳しくは、本発明は、高負荷トルクが作用する運転状態における疲労強度を向上させた波動歯車装置の外歯歯車に関する。

シルクハット型の波動歯車装置の外歯歯車は、円筒状の胴部と、その一端に連続して半径方向の外方に広がるダイヤフラムと、ダイヤフラムの外周端に連続している環状の厚肉のボスを備えている。胴部の先端側開口端の外周部分には、周方向に向けて外歯が一体成形されている。

この形状の外歯歯車では、ダイヤフラムが半径方向の外側に向けて広がっているので、カップ形状の外歯歯車が組み込まれているカップ型の波動歯車装置に比べて、装置の外径寸法が大きくなる。装置の外径寸法を小さくするためにはダイヤフラムの外径を小さくすればよい。しかしながら、ダイヤフラムには、波動発生器によって繰り返し半径方向に撓められる胴部の変形によって、大きな曲げ応力が繰り返し作用する。このため、ダイヤフラムの径を小さくすると、それに逆比例して、ダイヤフラムの内周端部および外周端部に発生する応力が増加し、これらの部分に応力集中が発生するので好ましくない。

特許文献１には、シルクハット型の波動歯車装置において、波動発生器によって撓められる外歯歯車のダイヤフラムに生じる応力集中を緩和して強度を高めることが提案されている。特許文献１に開示の外歯歯車では、ダイヤフラムの厚さを、内周端および外周端においてそれらの間の中央部よりも厚くなるようにして、ダイヤフラムの応力集中を緩和している。

特許文献２には、特許文献１に記載された発明の改良発明が提案されている。当該特許文献２においては、外歯歯車のダイヤフラム部の厚さを、内周端において最大とし、内周端と外周端の間の中央部において最小としている。これにより、外歯歯車のダイヤフラム部の応力集中を一層緩和し、ダイヤフラム部の応力状態を均一化できるようにしている。

特許文献３には、ダイヤフラムにおけるボスへの付け根部分の断面形状を規定するために、ストリームラインを用いることが提案されている。

実開平３−１１８３４６号公報 特許第３５８０５０６号公報 実開昭６１−１７３８５１号公報

従来において、シルクハット形状の外歯歯車のダイヤフラム形状の設計は、波動発生器による楕円状の撓み変形、作用する負荷トルク、外歯歯車の取付誤差を考慮した応力解析によって行われている。高負荷対応の製品開発を目指す目的で、外歯歯車の耐久試験を、現行の負荷をさらにアップして行った。現行の応力解析によれば、このアップした負荷でもダイヤフラムは疲労破壊しない想定であったが、耐久試験結果では、ダイヤフラムに疲労破壊が確認された。

本発明者等は、ダイヤフラムの破断の原因を応力解析等に基づき検討し、負荷トルクに起因して外歯歯車に生じるスラスト力の影響を、応力解析において考慮した。この結果、実際の高負荷トルク状態での外歯歯車の耐久試験において観察されるダイヤフラムの破断現象を、応力解析においても再現できることが確認された。

本発明者は、従来における外歯歯車のダイヤフラム形状の設計において考慮されなかった負荷トルクに起因するスラスト力に着目した。これに基づき、本発明者は、スラスト力の影響を考慮してダイヤフラム形状を設計した。負荷トルクに起因するスラスト力を考慮することにより、高負荷トルクの状態でも、ダイヤフラムの破断を抑制できること、および、外歯歯車の耐久性を高めることができることを見出した。

本発明の目的は、このような新たな知見に基づき、高負荷トルクでのダイヤフラムの疲労強度を向上させることのできるダイヤフラム形状を備えた、波動歯車装置の外歯歯車を提供することにある。

本発明による、波動発生器によって楕円状に撓められて、剛性の内歯歯車に対して部分的にかみ合った状態が形成される、波動歯車装置の外歯歯車は、
一方の端が開口端となっている筒状の胴部と、前記胴部の外周面における前記開口端の側の部分に形成された外歯と、前記胴部の他方の端に連続して当該胴部の半径方向の外方に広がるダイヤフラムと、前記ダイヤフラムの外周端に連続して形成されている環状のボスとを有しており、
前記ダイヤフラムは、
前記半径方向に延びているダイヤフラム本体部分と、
前記ダイヤフラム本体部の内周端に連続して、前記半径方向の内方に向かう方向から中心軸線に沿って前記胴部に向かう方向に湾曲して、前記胴部に繋がっている湾曲部分と、
前記ダイヤフラム本体部の外周端から前記半径方向の外方に延びて、前記ボスの内周面に繋がっているボス付け根部分と
を備えており、
前記ダイヤフラムの厚さは、前記ボスの内周面に繋がる前記ボス付け根部分の位置から、前記ダイヤフラム本体部における前記外周端から前記内周端までの間の中央部まで漸減し、前記中央部から前記ダイヤフラム本体部の前記内周端までは漸増しており、
前記ダイヤフラムにおける前記内周端、前記中央部および前記外周端の厚さを、それぞれ、ｔ（Ａ）、ｔ（Ｂ）およびｔ（Ｃ）とし、前記湾曲部分における前記胴部に繋がっている胴部側端部の厚さをｔ（Ｄ）とすると、
ｔ（Ａ）＞ｔ（Ｃ）＞ｔ（Ｄ）＞ｔ（Ｂ）
であることを特徴としている。

本発明では、ダイヤフラムの厚さを、ダイヤフラム本体部分においては、その中央部に比べて内周端および外周端を厚くし、かつ、内周端を外周端に比べて厚くしている。また、ダイヤフラムの湾曲部分における胴部側端部の厚さを、ダイヤフラム本体部分の最小厚さの中央部よりも厚くし、かつ、ダイヤフラム本体部分の外周端よりも薄くしている。

このようにダイヤフラムの各部分の厚さを設定することにより、ダイヤフラムの内周端から外周端に沿っての応力分布をなだらかにできる。特に、負荷トルクによるスラスト力に起因してダイヤフラムに生じる応力の集中を緩和でき、その最大応力を低減できる。この結果、高負荷トルクでの運転状態におけるダイヤフラムの破断を防止あるいは抑制でき、外歯歯車の耐久性を高めることができる。

ここで、ダイヤフラム本体部分の中央部の厚さｔ（Ｂ）を基準とすると、
ダイヤフラム本体部分の内周端の厚さｔ（Ａ）は、
１．２＜ｔ（Ａ）／ｔ（Ｂ）＜２．７
であり、
ダイヤフラム本体部分の外周端の厚さｔ（Ｃ）は、
１．０＜ｔ（Ｃ）／ｔ（Ｂ）＜２．３
であり、
ダイヤフラムの湾曲部分の胴部側端部の厚さｔ（Ｄ）は、
１．０＜ｔ（Ｄ）／ｔ（Ｂ）＜２．３
であることが望ましい。

すなわち、ダイヤフラム本体部分の中央部の厚さｔ（Ｂ）よりも、ダイヤフラムの湾曲部分の胴部側端部の厚さｔ（Ｄ）を厚くしてある。また、ダイヤフラム本体部分の内周端の厚さｔ（Ａ）を、中央部の厚さｔ（Ｂ）を基準として、従来の外歯歯車の場合に比べて、より厚くしてある。

このようにダイヤフラムの各部の厚さを設定することにより、高負荷トルクでの運転状態において、スラスト力に起因してダイヤフラムに生じる応力集中を、より一層緩和でき、最大応力を大きく下げることができる。これにより、ダイヤフラムの疲労強度を向上できる。

また、ダイヤフラムの湾曲部分において、ダイヤフラム本体部分に繋がる内周端から、胴部に繋がる胴部側端部までの間の中央位置を、湾曲部分中央位置と呼ぶものとする。この場合、ダイヤフラムの厚さは、湾曲部分における内周端から湾曲部分中央位置までの間は、内周端から湾曲部分中央位置までは漸増し、湾曲部分中央位置から胴部側端部までは漸減しており、
湾曲部分中央位置の厚さをｔ（Ｅ）とすると、
ｔ（Ｅ）＞ｔ（Ａ）
であり、
ダイヤフラム本体部分の中央部の厚さｔ（Ｂ）を基準とすると、
１．３＜ｔ（Ｅ）／ｔ（Ｂ）＜２．８
であることが望ましい。

なお、胴部において、外歯が形成されている外歯形成部分からダイヤフラムの湾曲部分の胴部側端部までの間の円筒部分の厚さを一定とし、胴部側端部の厚さｔ（Ｄ）と同一とすることができる。

本発明の実施の形態に係るシルクハット型の波動歯車装置の概略縦断面図である。 図１の波動歯車装置の歯の噛み合い状態を示す説明図である。 図１の外歯歯車を示す半断面図である。

以下に、図面を参照して、本発明を適用したシルクハット型の波動歯車装置の実施の形態を説明する。

図１は本実施の形態に係るシルクハット型の波動歯車装置の全体構成を示す概略縦断面図であり、図２は歯の噛み合い状態を示す説明図である。波動歯車装置１は、環状の剛性の内歯歯車２と、この内側に同軸に配置されたシルクハット形状の可撓性の外歯歯車３と
、この内側にはめ込まれた楕円状輪郭の波動発生器４から構成されている。

外歯歯車３は、胴部１０、ダイヤフラム２０、およびボス３０を備え、全体としてシルクハット形状をしている。胴部１０は円筒形状をしており、撓めることが可能である。胴部１０の一方の端は、開口端１１となっている。胴部１０の他方の端に連続して、ダイヤフラム２０が半径方向の外方に広がっている。ダイヤフラム２０の外周縁に連続して、矩形断面の円環状のボス３０が形成されている。ボス３０は、外歯歯車３を他の部材（図示せず）に取り付けるための剛体部分である。

波動発生器４は、中空ハブ４１と、その外周に嵌めた楕円形の剛性カム板４２と、この外周に嵌めたウエーブベアリング４３から構成されている。波動発生器４によって、可撓性の外歯歯車３の外歯５が形成されている外歯形成部分が楕円形に撓められる。外歯歯車３の外歯５は、楕円形の長軸両端に位置する２箇所の位置において、剛性の内歯歯車２の内歯６に噛み合っている。

波動発生器４が中心軸線１ａを中心として回転すると、両歯車の噛み合い位置が円周方向に回転する。この回転によって、外歯５と内歯６の歯数差に応じて、外歯歯車３と内歯歯車２の間には相対回転が発生する。例えば、内歯歯車２を固定し、波動発生器４を高速回転入力要素とすれば、外歯歯車３は減速回転出力要素となり、両歯車の歯数差に応じて減速された回転出力が取り出される。

図３は、シルクハット形の外歯歯車３を、その中心軸線１ａを含む平面で切断した場合の半断面図である。外歯歯車３の胴部１０は、一端が開口端１１となっている外歯形成部分１２と、外歯形成部分１２からダイヤフラム２０までの間の一定厚さの円筒部分１３とを備えている。外歯形成部分１２の外周面側の部分に、外歯５が形成されている。

本例では円筒部分１３の厚さを一定としているが、例えば、ダイヤフラム２０の側から外歯形成部分１２に向けて肉厚が漸減するように、円筒部分１３の断面形状を設定することも可能である。

ダイヤフラム２０は、ボス付け根部分２１と、ダイヤフラム本体部分２２と、湾曲部分２３とを備えている。ダイヤフラム本体部分２２は、中心軸線1ａに直交する方向である半径方向に延びている。湾曲部分２３は、ダイヤフラム本体部分２２の内周端Ａに連続して、半径方向の内方に向かう方向から中心軸線１ａに沿って胴部１０に向かう方向に湾曲している。湾曲部分２３の胴部側端部Ｄが胴部１０の円筒部分１３に繋がっている。ボス付け根部分２１は、ダイヤフラム本体部分２２の外周端Ｃから半径方向の外方に延びてボス３０の円形内周面３１に繋がっている。

さらに詳しく説明すると、外歯歯車３の胴部１０の円筒部分１３の内周面部分は、外歯形成部分１２に繋がっている部位５１から胴部側端部Ｄまで、中心軸線１ａに平行に延びる内側直線５２によって規定されている。円筒部分１３の外周面部分も中心軸線１ａに平行に延びる外側直線５３によって規定されている。内側直線５２および外側直線５３によって、一定厚さの円筒部分１３が規定されている。

円筒部分１３に繋がっているダイヤフラム２０の湾曲部分２３の内周面部分は、凹円弧５５によって規定されている。凹円弧５５の一端は胴部側端部Ｄの位置において内側直線５２に滑らかに繋がっている。湾曲部分２３の外周面部分は、胴部側端部Ｄを超えて延びている外側直線５３の延長直線端部分と、この延長直線部分５３ａに滑らかに繋がっている凸円弧５７と、凸円弧５７の他方の端に滑らかに繋がり、半径方向の外方に延びる直線部分５８ａとによって規定されている。

湾曲部分２３において、内周端Ａから胴部側端部Ｄまでの間の湾曲部分中央位置をＥとする。湾曲部分２３では、内側の凹円弧５５に比べて外側の凸円弧５７の曲率半径を小さくしてある。湾曲部分２３の肉厚は、湾曲部分中央位置Ｅにおいて最も大きく、内周端Ａから湾曲部分中央位置Ｅまでは漸増し、湾曲部分中央位置Ｅから胴部側端部Ｄまでは漸減している。

次に、湾曲部分２３に繋がっているダイヤフラム本体部分２２の胴部側の端面部分は、複合凹曲線５９によって規定されている。ダイヤフラム本体部分２２における内周端Ａから外周端Ｃまでの間の中央部をＢとする。複合凹曲線５９は、例えば、内周端Ａから中央部Ｂまでを規定している凹円弧５９ａと、中央部Ｂから外周端Ｃまでを規定している凹円弧５９ｂから構成されている。凹円弧５９ａの一端は内周端Ａの位置において凹円弧５５に滑らかに繋がっており、他方の端は凹円弧５９ｂに滑らかに繋がっている。

ダイヤフラム本体部分２２の反対側の端面部分は、直線部分５８ａの端から、内周端Ａを超えて延びている直線５８によって規定されている。直線５８は、中心軸線１ａに直交する半径方向に沿って、外周端Ｃの位置まで延びている。

複合凹曲線５９と直線５８によって規定されるダイヤフラム本体部分２２の厚さは、中央部Ｂにおいて最も薄く、中央部Ｂから内周端Ａに向かって漸増し、中央部Ｂから外周端Ｃに向かって漸増している。

次に、ダイヤフラム本体部分２２の外周端Ｃに繋がっているボス付け根部分２１の胴部側の端面部分は、複合凹曲線５９の凹円弧５９ｂにおける外周端Ｃを超えて延びている円弧部分によって規定されている。凹円弧５９ｂの端は、ボス３０の同一の側の端面を規定している直線６１に繋がっている。

ボス付け根部分２１の反対側の端面部分は、外周端Ｃの位置において直線５８の端に滑らかに繋がっている複合凹曲線６３によって規定されている。複合凹曲線６３の他方の端は、ボス３０の円形内周面３１に滑らかに繋がっている。複合凹曲線６３として、特許文献３（実開昭６１−１７３８５１号公報）において提案されているストリームラインを用いることができる。ボス付け根部分２１の厚さは、外周端Ｃの位置からボス３０の円形内周面３１に向けて増加している。

ダイヤフラム２０における内周端Ａ、中央部Ｂ、外周端Ｃ、胴部側端部Ｄおよび湾曲部分中央位置Ｅの厚さをそれぞれ、ｔ（Ａ）、ｔ（Ｂ）、ｔ（Ｃ）、ｔ（Ｄ）およびｔ（Ｅ）とすると、
ｔ（Ｅ）＞ｔ（Ａ）＞ｔ（Ｃ）＞ｔ（Ｄ）＞ｔ（Ｂ）
となるように設定されている。

また、内周端Ａ、外周端Ｃ、胴部側端部Ｄおよび湾曲部分中央位置Ｅの厚さは、最も薄い中央部Ｂの厚さｔ（Ｂ）を基準として、次のように設定することが望ましい。
内周端Ａの厚さｔ（Ａ）は、
１．２＜ｔ（Ａ）／ｔ（Ｂ）＜２．７
であり、
外周端Ｃの厚さｔ（Ｃ）は、
１．０＜ｔ（Ｃ）／ｔ（Ｂ）＜２．３
であり、
胴部側端部Ｄの厚さｔ（Ｄ）は、
１．０＜ｔ（Ｄ）／ｔ（Ｂ）＜２．３
であり、
湾曲部分中央位置Ｅの厚さｔ（Ｅ）は、
１．３＜ｔ（Ｅ）／ｔ（Ｂ）＜２．８
である。

本例の外歯歯車３では、上記のように、ダイヤフラム２０の最小厚さ部分である中央部Ｂの厚さｔ（Ｂ）に比べて、ダイヤフラム２０の湾曲部分２３の胴部側端部Ｄの厚さｔ（Ｄ）が厚い。また、ダイヤフラム２０の内周端Ａの厚さｔ（Ａ）が、ダイヤフラム２０の中央部の厚さｔ（Ｂ）を基準とした場合に、従来におけるシルクハット形状の外歯歯車の場合に比べて、より厚くなるように設定されている。さらに、湾曲部分中央位置Ｅの厚さｔ（Ｅ）を、ダイヤフラム２０における最大厚さの部分としてある。

シルクハット形状の外歯歯車３にスラスト力が作用すると、ダイヤフラム本体部分２２における外周端Ｃに近い部分、および、内周端Ａに近い部分に、応力が集中する。本発明者の実験によれば、各型番のシルクハット型の波動歯車装置において、上記のように、外歯歯車３の各部の厚さを設定すると、高付加トルクでの運転状態におけるスラスト力に起因する集中応力を、２０〜４０％低減できることが確認された。また、上記のようにダイヤフラム２０の厚さを設定することが、高負荷トルクの運転状態において、ダイヤフラム２０の破断を抑制あるいは回避するために有効であることが確認された。さらに、外歯歯車３の捩じれ剛性および座屈強度の向上にも有効であることが確認された。

シルクハット形状の外歯歯車３にスラスト力が作用すると、ダイヤフラム本体部分２２における外周端Ｃに近い部分、および、内周端Ａに近い部分に、応力が集中する。本発明者の実験によれば、各型番のシルクハット型の波動歯車装置において、上記のように、外歯歯車３の各部の厚さを設定すると、高負荷トルクでの運転状態におけるスラスト力に起因する集中応力を、２０〜４０％低減できることが確認された。また、上記のようにダイヤフラム２０の厚さを設定することが、高負荷トルクの運転状態において、ダイヤフラム２０の破断を抑制あるいは回避するために有効であることが確認された。さらに、外歯歯車３の捩じれ剛性および座屈強度の向上にも有効であることが確認された。

Claims (6)

1. 波動発生器によって楕円状に撓められて、剛性の内歯歯車に対して部分的にかみ合った状態が形成される、波動歯車装置の外歯歯車であって、
   一方の端が開口端となっている筒状の胴部と、前記胴部の外周面における前記開口端の側の部分に形成された外歯と、前記胴部の他方の端に連続して当該胴部の半径方向の外方に広がるダイヤフラムと、前記ダイヤフラムの外周端に連続して形成されている環状のボスとを有しており、
   前記ダイヤフラムは、
   前記半径方向に延びているダイヤフラム本体部と、
   前記ダイヤフラム本体部の内周端に連続して、前記半径方向の内方に向かう方向から中心軸線に沿って前記胴部に向かう方向に湾曲して、前記胴部に繋がっている湾曲部分と、
   前記ダイヤフラム本体部の外周端から前記半径方向の外方に延びて、前記ボスの内周面に繋がっているボス付け根部分と
   を備えており、
   前記ダイヤフラムの厚さは、前記ボスの内周面に繋がる前記ボス付け根部分の位置から、前記ダイヤフラム本体部における前記外周端から前記内周端までの間の中央部まで漸減し、前記中央部から前記ダイヤフラム本体部の前記内周端までは漸増しており、
   前記ダイヤフラムにおける前記内周端、前記中央部および前記外周端の厚さを、それぞれ、ｔ（Ａ）、ｔ（Ｂ）およびｔ（Ｃ）とし、前記湾曲部分における前記胴部に繋がっている胴部側端部の厚さをｔ（Ｄ）とすると、
   ｔ（Ａ）＞ｔ（Ｃ）＞ｔ（Ｄ）＞ｔ（Ｂ）
   である波動歯車装置の外歯歯車。
2. 請求項１において、
   前記中央部の厚さｔ（Ｂ）を基準とすると、
   前記内周端の厚さｔ（Ａ）は、
   １．２＜ｔ（Ａ）／ｔ（Ｂ）＜２．７
   であり、
   前記外周端の厚さｔ（Ｃ）は、
   １．０＜ｔ（Ｃ）／ｔ（Ｂ）＜２．３
   であり、
   前記胴部側端部の厚さｔ（Ｄ）は、
   １．０＜ｔ（Ｄ）／ｔ（Ｂ）＜２．３
   である波動歯車装置の外歯歯車。
3. 請求項１において、
   前記ダイヤフラムの厚さは、
   前記湾曲部分における前記内周端から、前記内周端および前記胴部側端部の間の湾曲部分中央位置までの間は、前記内周端から前記湾曲部分中央位置までは漸増し、前記湾曲部分中央位置から前記胴部側端部までは漸減しており、
   前記湾曲部分中央位置の厚さをｔ（Ｅ）とすると、
   ｔ（Ｅ）＞ｔ（Ａ）
   であり、
   前記中央部の厚さｔ（Ｂ）を基準とすると、
   １．３＜ｔ（Ｅ）／ｔ（Ｂ）＜２．８
   である波動歯車装置の外歯歯車。
4. 請求項１において、
   前記胴部は、前記外歯が形成されている外歯形成部分と、前記外歯形成部分から前記湾曲部分の前記胴部側端部までの間の円筒部分とを備えており、
   前記円筒部分の厚さは一定であり、前記胴部側端部の厚さｔ（Ｄ）と同一である波動歯車装置の外歯歯車。
5. 請求項１において、
   前記ダイヤフラムの厚さは、
   前記湾曲部分における前記内周端から、前記内周端および前記胴部側端部の間の湾曲部分中央位置までの間は、前記内周端から前記湾曲部分中央位置までは漸増し、前記湾曲部分中央位置から前記胴部側端部までは漸減しており、
   前記湾曲部分中央位置の厚さをｔ（Ｅ）とすると、
   ｔ（Ｅ）＞ｔ（Ａ）
   であり、
   前記中央部の厚さｔ（Ｂ）を基準とすると、
   前記内周端の厚さｔ（Ａ）は、
   １．２＜ｔ（Ａ）／ｔ（Ｂ）＜２．７
   であり、
   前記外周端の厚さｔ（Ｃ）は、
   １．０＜ｔ（Ｃ）／ｔ（Ｂ）＜２．３
   であり、
   前記胴部側端部の厚さｔ（Ｄ）は、
   １．０＜ｔ（Ｄ）／ｔ（Ｂ）＜２．３
   であり、
   前記湾曲部分中央位置の厚さｔ（Ｅ）は、
   １．３＜ｔ（Ｅ）／ｔ（Ｂ）＜２．８
   である波動歯車装置の外歯歯車。
6. 環状の剛性の内歯歯車と、
   請求項１ないし５のうちのいずれか一つの項に記載の外歯歯車と、
   前記外歯歯車を半径方向に撓めて前記内歯歯車に部分的に噛み合わせ、これらの噛み合わせ位置を円周方向に回転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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