JPWO2019030843A1 - 波動歯車装置 - Google Patents

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Abstract

波動歯車装置(1)において、可撓性の外歯歯車(3)の内周面部分(16)に接する波動発生器(4)の外輪外周面(27)が接している外歯歯車の内周面部分(16)には、外輪外周面(27)に接触しない逃がし溝(30)が形成されている。逃がし溝(30)は、ボール軌道溝(28)を包含する領域に形成されている。逃がし溝(30)の溝深さは、溝幅方向の両側の溝端から、溝幅方向の途中に設けた溝最深部(34)に向かって、漸増している。逃がし溝(30)を設けることにより、外歯歯車(3)に作用する波動発生器(4)の押圧力の歯筋方向の分布をなだらかにできる。外歯歯車(3)の歯底疲労強度、伝達トルク容量を向上できる。

Description

本発明は、波動発生器によって非円形に撓められる可撓性歯車に生じる応力を緩和できる波動歯車装置に関する。
典型的な波動歯車装置は、剛性の内歯歯車、可撓性の外歯歯車、および波動発生器を備えている。波動発生器によって、外歯歯車は半径方向に撓められて、内歯歯車に部分的に噛み合っている。波動発生器を回転させると、両歯車の噛み合い位置が円周方向に移動して、両歯車の間に、それらの歯数差に起因する相対回転が発生する。
波動発生器は、一般に、楕円形輪郭の剛性プラグと、この外周面に装着したウエーブベアリングとを備えている。ウエーブベアリングは、半径方向に撓み可能な外輪および内輪と、これらの間に転動可能な状態で装着されている複数個のボールとを備えている。ウエーブベアリングは、剛性プラグの非円形外周面と、外歯歯車の内周面との間に装着され、外歯歯車と剛性プラグを相対回転可能な状態に保持している。
例えば、波動発生器の剛性プラグが回転入力要素とされ、内歯歯車あるいは外歯歯車が減速回転出力要素とされる。剛性プラグは、ウエーブベアリングおよび外歯歯車の各部分を繰り返し半径方向に変位させながら、回転する。ウエーブベアリングの内輪が剛性プラグと共に高速回転し、その外輪が外歯歯車と一体となって回転する。内外輪の間に挿入されているボールは、外輪および内輪の軌道面に沿って転動する。これにより、剛性プラグおよび外歯歯車が小さなトルクでスムーズに相対回転可能である。
なお、特許文献1には、カップ形状あるいはシルクハット形状の外歯歯車を備えた波動歯車装置が記載されている。特許文献2には、円筒形状の外歯歯車を備えたフラット型波動歯車装置が記載されている。
国際公開第2016/092636号 特開2009−156462号公報
波動歯車装置では、内歯歯車と外歯歯車の噛み合い部分を介してトルク伝達が行われる。外歯歯車の外歯における歯底疲労強度は、伝達トルクを決定する上で重要な要因となる。外歯の歯底疲労強度を高めるためには、歯底に発生する応力を下げることが有効である。外歯歯車を撓めている波動発生器の押圧力(ボール荷重)は、外歯の歯筋方向におけるボール中心位置において大きくなる。波動発生器の押圧力の歯筋方向の分布をなだらかにできれば、外歯歯車の歯底疲労強度および装置の伝達トルク容量の向上に有利である。
本発明の目的は、この点に鑑みて、外歯歯車に対する波動発生器の押圧力における歯筋方向の分布をなだらかにして、外歯歯車に生じる応力を低減可能な波動歯車装置を提供することにある。
本発明の波動歯車装置は、剛性歯車と、剛性歯車にかみ合い可能な可撓性歯車と、可撓性歯車を非円形に撓めて剛性歯車に部分的にかみ合わせると共に、かみ合い位置を円周方向に移動させる波動発生器とを備えている。波動発生器は、剛性プラグと、可撓性歯車と剛性プラグの間に装着されるウエーブベアリングとを備えている。また、波動歯車装置は、可撓性歯車とウエーブベアリングとの間の面接触部分に形成した円周方向に延びる1条の逃がし溝を備えている。ウエーブベアリングは、一対の可撓性の軌道輪と、これらの間に装着された複数のボールを備えており、軌道輪の一方は、可撓性歯車との間で面接触部分を形成している第1軌道輪であり、逃がし溝は、可撓性歯車および第1軌道輪のうち、少なくとも、第1軌道輪の可撓性歯車に接触する外周面に形成されている。
逃がし溝は、面接触部分において、第1軌道輪に形成されているボール軌道溝に対応する領域、あるいは当該領域を包含する領域に形成されている。逃がし溝の溝幅は、ボール軌道溝の軌道幅と同一あるいは当該軌道幅よりも広い。逃がし溝の溝深さは、溝幅方向の両側の溝端から、溝幅方向の途中に設けた溝最深部に向かって、漸増している。
本発明では、可撓性歯車と波動発生器の間の面接触部分に、所定幅の逃がし溝を形成してある。逃がし溝を設けることにより、面接触部分には、可撓性歯車に作用する波動発生器の押圧力が最大となるボール中心を含む領域に、相互に接触していない部分が形成される。歯筋方向において、外歯歯車に作用する押圧力の分布をなだらかにできる。この結果、可撓性歯車の歯底部分に生じる最大応力を低減でき、可撓性歯車の伝達トルク容量を上げることができる。
波動歯車装置が、剛性歯車として内歯歯車を備え、可撓性歯車として外歯歯車を備えている場合には、波動発生器は、外歯歯車の内側に同軸に配置され、ウエーブベアリングの外輪の外周面と外歯歯車の内周面との間に、面接触部分が形成される。
フラット型波動歯車装置の場合には、通常、外歯の歯筋方向の中心に、ウエーブベアリングのボール中心が位置する。したがって、逃がし溝の溝幅方向の中心を、ボール中心に対応する位置とし、逃がし溝の溝幅をボール軌道溝の幅と同一とすればよい。また、逃がし溝の溝深さを、溝幅方向の両側の溝端から、溝幅方向の中心に設けた溝最深部に至るまで、漸増させる。溝最深部の溝深さは、0.02mm以下にすることが望ましい。
カップ型あるいはシルクハット型の波動歯車装置の場合には、外歯歯車は、円筒状胴部と、当該円筒状胴部の一方の端から半径方向に延びるダイヤフラムと、円筒状胴部の他方の端である開口端の側の外周面部分に形成された外歯とを備えたカップ形状あるいはシルクハット形状の外歯歯車である。この形状の外歯歯車には、波動発生器によって、コーニングと呼ばれる撓みが生じる。この場合には、外歯の歯筋方向の中心に対して、ウエーブベアリングのボール中心が、外歯歯車の開口端の側にシフトしている場合がある。
カップ型あるいはシルクハット型の波動歯車装置の場合には、逃がし溝の溝幅を、ボール軌道溝の幅よりも広くし、逃がし溝の溝端のうち、開口端の側の溝端を、ボール軌道溝における開口端の側の端に対応する位置とし、逃がし溝の溝最深部を、ボール中心に対応する位置から外歯の有効歯幅の中心に対応する位置までの間に位置させる。
例えば、ボール軌道溝の軌道幅と同一の幅から、その1.1倍の幅までの範囲内とし、逃がし溝の溝端のうち、開口端の側の溝端を、ボール軌道溝における開口端の側の端に対応する位置とし、逃がし溝の溝最深部を、ボールの中心に対応する位置から、ダイヤフラムの側に向かって、軌道幅の0.1倍の距離の位置までの間に位置させる。このように逃がし溝を形成すると、大きな押圧力が作用する領域に逃がし溝の溝最深部を位置させることができる。この場合においても、溝最深部の溝深さは、0.02mm以下にすることが望ましい。
なお、個々の装置については、上記の条件を満たす範囲内において、逃がし溝の幅、深さ、形状を、主として、外歯歯車の内周面部分と外輪の外周面との間の接触面圧および縦弾性係数を考慮して決定すればよい。
本発明を適用した波動歯車装置の概略端面図である。 図1Aの波動歯車装置の概略断面図である。 図1の逃がし溝が形成されている部分を示す部分拡大断面図である。 逃がし溝の別の例を示す部分拡大断面図である。 逃がし溝の更に別の例を示す部分拡大断面図である。 本発明を適用可能な波動歯車装置の例を示す説明図である。 本発明を適用可能な波動歯車装置の例を示す説明図である。 本発明を適用可能な波動歯車装置の例を示す説明図である。
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。しかしながら、本発明は、シルクハット型波動歯車装置およびフラット型波動歯車装置にも、同様に適用可能である。
図1Aは実施の形態に係る波動歯車装置の概略端面図であり、図1Bはその概略縦断面図である。これらの図に示すように、波動歯車装置1は、円環状の剛性の内歯歯車2(剛性歯車)と、この内側に同軸に配置したカップ形状の可撓性の外歯歯車3(可撓性歯車)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。
外歯歯車3は、波動発生器4によって、楕円形状に撓められている。波動発生器4によって撓められた外歯歯車3には、楕円形状における長軸Lmaxの両端の2か所に、内歯歯車2にかみ合うかみ合い部分が形成される。図1Aにおいて、一点鎖線で囲む部分が、かみ合い部分5a、5bである。
波動発生器4がモータ等(図示せず)によって回転すると、両歯車2、3のかみ合い部分5a、5bが内歯歯車2の円周方向に移動する。かみ合い部分5a、5bが1周すると、両歯車2、3の歯数差分だけ、両歯車2、3の間に相対回転が生じる。内歯歯車2と外歯歯車3の間の歯数差は2n枚(n:正の整数)であり、例えば、2枚(n=1)である。例えば、内歯歯車2を回転しないように固定すると、波動発生器4の回転を、外歯歯車3の側から、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。
内歯歯車2は、ほぼ矩形断面をした円環状部材6と、この円環状部材6の円形内周面に形成した内歯7とを備えている。外歯歯車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11a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12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11b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、円筒状の剛性ハブ21と、この外周面に取り付けた剛性のウエーブプラグ22と、ウエーブプラグ22の楕円状輪郭の外周面22aに装着したウエーブベアリング23とを備えている。ウエーブベアリング23は、可撓性の外輪24、可撓性の内輪25、および、これらの間に転動可能に装着されている複数のボール26を備えている。ウエーブプラグ22の外周面22aに装着したウエーブベアリング23の外輪外周面27は楕円状輪郭に撓められている。外歯歯車3において、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は、外輪外周面27によって内側から外方に押圧されて、輪郭形状に対応した楕円形状に撓められている。
ここで、外歯歯車3と波動発生器4との間の面接触部分には、円周方向に延びる1条の逃がし溝30が形成されている。面接触部分は、外歯歯車3の外歯形成部分15の内周面部分16と、波動発生器4のウエーブベアリング23の外輪外周面27との間に形成される。逃がし溝30は、内周面部分16および外輪外周面27のうちの少なくとも一方に形成される。本例では、外輪外周面27に形成されている。
図2Aは逃がし溝30が形成されている部分を示す部分拡大断面図である。ウエーブベアリング23において、外輪24の内周面には、所定の曲率の湾曲面からなるボール軌道溝28が形成されている。ボール軌道溝28は一定の軌道幅w2を備えている。ボール軌道溝28における幅方向の中心は、ボール中心26aに一致している。
逃がし溝30の溝幅w1は、外輪24に形成されているボール軌道溝28の軌道幅w2と同一あるいは、それよりも広い。本例では、軌道幅w2の1.1倍の寸法としてある。
また、逃がし溝30の溝幅方向(外歯14の歯筋方向)の両側の溝端31、32のうち、外歯歯車3の開口端11bの側の溝端32は、ボール軌道溝28における開口端11bの側の端28bに対応する位置とされる。したがって、本例では、逃がし溝30の他方の溝端31は、ボール軌道溝28の他方の端28aから軌道幅w2の0.1倍の距離の位置にある。逃がし溝30における溝幅方向の中心33は、ボール中心26aよりもダイヤフラム側に位置する。
逃がし溝30の溝最深部34は、ボール中心26aに対応する位置から、外歯14の有効歯幅w3の中心14aに対応する位置までの間に設けてある。本例では、ボール中心26aから、ダイヤフラムの側に向かって、軌道幅w2の0.1倍の距離の位置までの間に設けてある。例えば、溝幅方向の中心33に溝最深部34が位置する。また、溝最深部34の溝深さは、0.02mm以下に設定されている。さらに、逃がし溝30の溝深さは、溝幅方向の両側の溝端31、32から溝最深部34に至るまで、漸増している。
本例の波動歯車装置1においては、外歯歯車3と波動発生器4との間の面接触部分に、逃がし溝30を形成してある。すなわち、外歯歯車3の内周面部分16とウエーブベアリング23の外輪外周面27との間において、ボール真上の位置を包含する部分を、接触しないように相互に逃がしてある(離してある)。外歯歯車3の外歯形成部分15において、ボール真上の部分に作用する応力を緩和できる。すなわち、ウエーブベアリング23の側から外歯形成部分15に作用する押圧力における歯筋方向の分布を平坦化できる。これにより、外歯14の歯面荷重分布を平坦化でき、歯筋方向の各位置において外歯14を内歯7に対して適切にかみ合わせることができる。外歯歯車3の歯底疲労強度および装置の伝達トルク容量の向上に有利である。
また、逃がし溝30は、外歯歯車3の内周面部分とウエーブベアリングの外輪外周面との間に、潤滑剤溜まりとして機能する。これにより、これらの摺動面の潤滑信頼性が向上する。
図2Bは、外輪24の側に逃がし溝を形成した例を示す部分拡大断面図である。この場合においても、逃がし溝30Aの溝幅、形状、形成範囲は、逃がし溝30の場合と同様である。図2Cに示すように、外歯歯車3の内周面部分16および外輪外周面27の双方に、逃がし溝30B、30Cを形成することも可能である。例えば、逃がし溝30B、30Cを線対称の形状にする。また、それぞれの溝最深部の溝深さの合計を、0.02mm以下にすればよい。なお、図2B、2Cにおいて、図2Aにおける対応する部位には同一の符号を付してある。
[その他の実施の形態]
図3A、3B、3Cには、本発明を適用可能な波動歯車装置を示してある。図3Aに示す波動歯車装置120は、最も内側に剛性の外歯歯車122(剛性歯車)が配置されている。外歯歯車122を同心状に取り囲む状態に、円環状の可撓性の内歯歯車123(可撓性歯車)が配置されている。内歯歯車123を同心状に取り囲む状態に、環状の波動発生器124が配置されている。内歯歯車123は、波動発生器124によって、楕円状に撓められている。波動発生器124によって撓められた内歯歯車123には、楕円形状の短軸Lminの両端の2か所に、外歯歯車122に対するかみ合い部分125a、125bが形成される。
波動発生器124は円環状の剛性カム板126と、この内側に装着されたウエーブベアリング127とを備えている。なお、図示の例では、ウエーブベアリング127の外輪は剛性カム板126に一体形成されている。例えば、波動発生器124をモータなどの回転駆動源によって回転し、外歯歯車122を回転しないように固定すると、両歯車122、123のかみ合い位置が周方向に移動し、両歯車の歯数差に応じた相対回転が両歯車の間に発生する。この回転を内歯歯車123から取り出すことができる。
ウエーブベアリング127の内輪128の内周面128aと、可撓性の内歯歯車123の外周面部分123aとの間の面接触部分に、逃がし溝130が形成される。逃がし溝130は、内周面128a、外周面部分123a、あるいは、双方に形成される。
図3Bに示す波動歯車装置140は、剛性の内歯歯車142(剛性歯車)と、この内側に配置されている可撓性の外歯歯車143(可撓性歯車)と、この内側に嵌め込まれている非円形輪郭の波動発生器144を有している。外歯歯車143における外歯が形成されている部分は、波動発生器144によって非円形に撓められている。
波動発生器144は、非円形輪郭の剛性カム板146と、この外周に装着したウエーブベアリング147とを備えている。剛性カム板146の非円形外周面146aは、真円に対して、その円周方向に沿って等間隔の複数箇所において内接可能な閉曲線によって規定されている。本例では、非円形外周面146aは、三つ葉形状(3ローブ形状)であり、真円に対して、その円周方向に沿って等間隔の3箇所において内接可能な閉曲線によって規定されている。真円に対して、その円周方向に沿って等間隔の4か所以上の複数箇所において内接可能な閉曲線によって非円形外周面を規定することも可能である。
この形状の波動発生器144によって、外歯歯車143は、当該波動発生器144の非円形輪郭に沿った形状に撓められて、120°の角度間隔の3か所で、内歯歯車142に対するかみ合い部分145a、145b、145cが形成されている。
波動発生器144にはモータ軸などの高速回転入力軸が連結される。波動発生器144が回転すると、両歯車142、143の噛み合い位置が円周方向に移動して、両歯車142、143の間には、それらの歯数差に起因する相対回転が発生する。例えば、内歯歯車142が回転しないように固定され、外歯歯車143が負荷側の部材に連結され、外歯歯車143から減速回転が取り出されて負荷側の部材に伝達される。この場合の両歯車142、143の歯数差は3n枚(nは正の整数)に設定される。
波動発生器144のウエーブベアリング147の外輪148の外周面148aと、可撓性の外歯歯車143の内周面部分143aとの間の面接触部分に、逃がし溝150が形成される。逃がし溝150は、外周面148a、内周面部分143a、あるいは、双方に形成される。
図3Cに示す波動歯車装置160は、可撓性の内歯歯車163(可撓性歯車)が剛性の外歯歯車162(剛性歯車)の外側に配置されており、内歯歯車163の外周側に、非円形輪郭の内周面を備えた波動発生器164が配置されている。
波動発生器164は、非円形内周面166aを備えた剛性カム板166と、この非円形内周面166aに装着したウエーブベアリング167とを備えている。剛性カム板166の非円形内周面166aは、真円に対して、その円周方向に沿って等間隔の複数箇所において外接可能な閉曲線によって規定されている。本例では、非円形内周面166aは、三つ葉形状(3ローブ形状)であり、真円に対して、その円周方向に沿って等間隔の3箇所において外接可能な閉曲線によって規定されている。真円に対して、その円周方向に沿って等間隔の4か所以上の複数箇所において外接可能な閉曲線によって非円形内周面を規定することも可能である。
この形状の波動発生器164によって、内歯歯車163は、当該波動発生器164の非円形輪郭に沿った形状に撓められて、120°の角度間隔の3か所で、外歯歯車162に対するかみ合い部分165a、165b、165cが形成される。例えば、波動発生器164をモータなどの回転駆動源によって回転し、外歯歯車162を回転しないように固定しておくと、両歯車162、163のかみ合い位置が周方向に移動し、両歯車の歯数差に応じた相対回転が両歯車の間に発生する。この回転を内歯歯車163から取り出すことができる。この場合の両歯車162、163の歯数差は3n枚(nは正の整数)に設定される。
波動発生器164のウエーブベアリング167の内輪168の内周面168aと、可撓性の内歯歯車163の外周面部分163aとの間の面接触部分に、逃がし溝170が形成される。逃がし溝170は、内周面168a、外周面部分163a、あるいは、双方に形成される。

Claims (7)

  1. 剛性歯車と、
    前記剛性歯車にかみ合い可能な可撓性歯車と、
    前記可撓性歯車を非円形に撓めて前記剛性歯車に部分的にかみ合わせると共に、かみ合い位置を円周方向に移動させるために、剛性プラグと、前記可撓性歯車と前記剛性プラグの間に装着されるウエーブベアリングとを備えた波動発生器と、
    前記可撓性歯車と前記ウエーブベアリングとの間の面接触部分に形成した円周方向に延びる1条の逃がし溝と
    を有しており、
    前記ウエーブベアリングは、一対の可撓性の軌道輪と、これらの間に装着された複数のボールを備えて、前記軌道輪の一方は、前記可撓性歯車との間で前記面接触部分を形成している第1軌道輪であり、
    前記逃がし溝は、前記可撓性歯車および前記第1軌道輪のうち、少なくとも、前記第1軌道輪の前記可撓性歯車に接触する外周面に形成されており、
    前記逃がし溝は、前記面接触部分において、前記第1軌道輪に形成されているボール軌道溝に対応する領域、あるいは当該領域を包含する領域に形成されており、
    前記逃がし溝の溝幅は、前記ボール軌道溝の軌道幅と同一あるいは当該軌道幅よりも広く、
    前記逃がし溝の溝深さは、溝幅方向の両側の溝端から、前記溝幅方向の途中に設けた溝最深部に向かって、漸増している波動歯車装置。
  2. 請求項1において、
    前記剛性歯車は内歯歯車であり、
    前記可撓性歯車は、前記内歯歯車の内側に同軸に配置した外歯歯車であり、
    前記波動発生器は、前記外歯歯車の内側に同軸に配置されており、
    前記第1軌道輪は外輪であり、
    前記面接触部分は、前記可撓性歯車の内周面と前記第1軌道輪の外周面との間に形成されている波動歯車装置。
  3. 請求項2において、
    前記外歯歯車は、円筒形状の外歯歯車であり、
    前記逃がし溝の前記溝幅方向の中心は、前記ボール軌道溝の幅方向の中心に対応する位置にあり、
    前記逃がし溝の前記溝幅は前記ボール軌道溝の前記軌道幅と同一であり、
    前記逃がし溝の溝深さは、前記溝幅方向の両側の前記溝端から、前記溝幅方向の中心に設けた前記溝最深部に至るまで、漸増している波動歯車装置。
  4. 請求項3において、
    前記溝最深部の溝深さは、0.02mm以下である波動歯車装置。
  5. 請求項2において、
    前記外歯歯車は、円筒状胴部と、当該円筒状胴部の一方の端から半径方向に延びるダイヤフラムと、前記円筒状胴部の他方の端である開口端の側の外周面部分に形成された外歯とを備えたカップ形状あるいはシルクハット形状の外歯歯車であり、
    前記逃がし溝の前記溝幅は、前記ボール軌道溝の前記軌道幅よりも広く、
    前記逃がし溝の前記溝端のうち、前記開口端の側の前記溝端は、前記ボール軌道溝における前記開口端の側の端に対応する位置にあり、
    前記逃がし溝の前記溝最深部は、前記ボールの中心に対応する位置から、前記外歯歯車の外歯の有効歯幅の中心までの間に位置している波動歯車装置。
  6. 請求項5において、
    前記逃がし溝の前記溝幅は、前記ボール軌道溝の前記軌道幅の1.1倍以下であり、
    前記逃がし溝の前記溝端のうち、前記開口端の側の前記溝端は、前記ボール軌道溝における前記開口端の側の端に対応する位置にあり、
    前記逃がし溝の前記溝最深部は、前記ボールの中心に対応する位置から、前記ダイヤフラムの側に向かって、前記軌道幅の0.1倍の距離の位置までの間に位置している波動歯車装置。
  7. 請求項5において、
    前記溝最深部の溝深さは、0.02mm以下である波動歯車装置。
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