JPWO2019220515A1 - 波動歯車装置 - Google Patents

Abstract

波動歯車装置（１）の剛性の内歯歯車（２）、可撓性の外歯歯車（３）のそれぞれの歯の歯形輪郭は、相手側の歯車にかみ合うかみ合い部分（２６、３６）と、かみ合い部分（２６、３６）の歯末側の端に滑らかに繋がり、当該端から歯先頂部まで延びる歯先側凸曲面部分（２７、３７）と、かみ合い部分の歯元側の端に滑らかに繋がり、当該端から歯底最深部まで延びる歯底側凹曲面部分（２８、３８）とによって規定される。かみ合い部分および歯先側凸曲面部分はトッピング歯切によって同時に加工された加工部分であり、両歯車の歯には歯先側にエッジが存在しない。両歯（２４、３４）のかみ合い始め等において滑らかなかみ合いを形成でき、歯の干渉に起因する摩耗を抑制できる。

Description

本発明は波動歯車装置に関し、特に、可撓性歯車の各歯が剛性歯車の各歯に対して、かみ合い始め等において滑らかにかみ合う波動歯車装置に関する。

波動歯車装置の基本歯形として、歯切り加工が容易な基準ラック歯形（インボリュート曲線歯形）が広く採用されている。インボリュート曲線歯形の利用は、特許文献１において提案されている。

一般的に用いられている波動歯車装置は、剛性の内歯歯車と、可撓性の外歯歯車と、外歯歯車を楕円形状に撓めて内歯歯車にかみ合わせる波動発生器とを備えている。外歯歯車の各歯は、波動発生器によって繰り返し半径方向に一定の振幅で撓められて、内歯歯車に対するかみ合い状態、かみ合い離脱状態が繰り返される。内歯歯車に対する外歯歯車のかみ合いの運動軌跡は、ラック近似で示すことができる。例えば、特許文献２の図７には、外歯歯車が内歯歯車に対して、かみ合い離脱状態から最深かみ合い状態に至るまでの移動状態（最深かみ合い状態からかみ合い離脱状態に至るまでの移動状態）が示されている。

特公昭４５−４１１７１号公報 国際公開第２０１６／００６１０２号公報

ここで、波動歯車装置の内歯歯車、外歯歯車の加工においては、一般に、歯切りの前工程で、歯先円を旋盤加工により決定している。歯切り後においても旋盤加工による歯先円が残り、歯形輪郭と歯先円が交差する部分はエッジとなる。歯先部分に形成されるエッジが、歯車かみ合いや摩耗に対して悪影響を与える可能性がある。特に、歯のかみ合い始めにおいて、エッジが相手側の歯に干渉し、滑らかな歯のかみ合いを実現できず、歯面に摩耗が生じるおそれがある。例えば、歯のかみ合い始め等において、負荷によって可撓性の外歯歯車が撓み変形し、外歯歯車の撓み形状が設計からずれる場合がある。その際に、外歯歯車の歯先側のエッジが内歯歯車の歯に干渉し、摩耗の原因になる。

本発明の目的は、この点に鑑みて、歯のかみ合い始め等においても滑らかなかみ合いを形成でき、歯の干渉に起因する摩耗の発生を抑制可能な歯形を備えた波動歯車装置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、剛性歯車と、剛性歯車にかみ合い可能な可撓性歯車と、可撓性歯車を半径方向に撓めて剛性歯車に部分的にかみ合わせ、回転に伴って剛性歯車に対する可撓性歯車のかみ合い位置を剛性歯車の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において、
剛性歯車および可撓性歯車の歯形輪郭（歯筋方向に直交する直交面で切断した場合の歯形断面の輪郭形状）を、それぞれ、
相手側の歯車にかみ合うかみ合い部分（かみ合い歯面部分）と、
かみ合い部分の歯末側の端に滑らかに繋がり、当該歯末側の端から歯先頂部まで延びる歯先側凸曲面部分（凸曲面によって規定される歯先側歯面部分）と、
かみ合い部分の歯元側の端に滑らかに繋がり、当該歯元側の端から歯底最深部まで延びる歯底側凹曲面部分（凹曲面によって規定される歯底側歯面部分）と
によって規定している。

本発明による歯形輪郭を備えた剛性歯車および可撓性歯車の加工には、トッピング歯切りが用いられる。これらの歯車の歯形設計時には、歯先円は存在せず、歯の頂点に至るまで歯形輪郭が規定される。歯切り加工で用いるホブカッタやピニオンカッタのトッピング歯形は、歯末部分として歯の頂部まで規定された歯形輪郭を用いて設計される。

本発明による歯形輪郭においては、両歯車の歯のそれぞれの歯面には、歯先側にエッジが存在しない。よって、可撓性歯車の撓み変形などに起因してエッジが相手側の歯の歯面に干渉するという弊害を解消できる。この結果、両歯車の滑らかなかみ合いを実現でき、両歯の干渉に起因する摩耗も抑制できる。さらに、従来における平坦な歯先面を備えたエッジ付きの歯に比べて、歯先側凸曲面部分によって、歯たけも増える。これにより、波動歯車装置のラチェッティングトルクも高めることができる。

ここで、剛性歯車および可撓性歯車がモジュールｍの歯車であるとすると、剛性歯車および可撓性歯車の間には、最深かみ合い状態において最大で０．５ｍの隙間Δが形成されるように、歯先側凸曲面部分および歯底側凹曲面部分が設定される。
０ < Δ ≦ ０．５ｍ

（ａ）は本発明の実施の形態に係る波動歯車装置の概略縦断面図であり、（ｂ）はその外歯歯車と内歯歯車のかみ合い状態を示す説明図である。 （ａ）は図１の波動歯車装置の外歯歯車および内歯歯車の歯形輪郭を示す説明図であり、（ｂ）はラック近似による歯のかみ合い状態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。図１（ａ）は波動歯車装置の概略縦断面図であり、図１（ｂ）はその外歯歯車と内歯歯車のかみ合い状態を示す説明図である。

波動歯車装置１は、剛性の内歯歯車２（剛性歯車）と、この内側に同軸状態に配置された可撓性の外歯歯車３（可撓性歯車）と、この内側に嵌めた波動発生器４とを備えている。内歯歯車２は、剛性の環状体２１と、その円形内周面に形成した内歯２４とを備えている。外歯歯車３はカップ形状をしており、円筒状の胴部３１と、その一端から半径方向の内側に延びている円環状のダイヤフラム３２と、円環状のダイヤフラム３２の内周縁に連続している円盤状の剛性のボス３３とを備えている。胴部３１の開口端側の外周面部分には外歯３４が形成されている。内歯歯車２、外歯歯車３は共に、モジュールｍの平歯車であり、外歯３４は内歯２４にかみ合い可能である。

波動発生器４は、楕円形輪郭の剛性カム４１と、この剛性カム４１の外周面に嵌めた可撓性の軌道輪を備えたウエーブベアリング４２とを備えている。図１（ｂ）に示すように、波動発生器４によって外歯歯車３の胴部３１における開口端側の部分が楕円形に撓められている。外歯３４における楕円形の長軸方向Ｌ１の両端に位置している部分が、内歯歯車２の内歯２４にかみ合っている。

例えば、内歯歯車２が不図示の固定側部材に固定され、波動発生器４がモータなどによって回転駆動される。波動発生器４が回転すると、両歯車２、３のかみ合い位置が円周方向に移動する。両歯車の歯数差は２ｎ枚（ｎは正の整数）であり、この歯数差により、波動発生器４の回転に対して大幅に減速された相対回転が両歯車の間に発生する。内歯歯車２が固定されているので、外歯歯車３が回転し、そこに接続された不図示の負荷側に、減速回転が出力される。

図２（ａ）は、内歯歯車２の内歯２４および外歯歯車３の外歯３４の歯形輪郭（歯筋方向に直交する直交面で切断した場合の歯形断面の輪郭形状）を示す説明図である。内歯２４の歯形輪郭（歯面形状）は、相手側の外歯歯車３にかみ合うかみ合い部分２６（かみ合い歯面部分）を備えている。かみ合い部分２６を規定する歯形形状は、従来において採用されているインボリュート曲線歯形、その他の公知の歯形形状よって規定される。かみ合い部分２６の歯末側の端２６ａには、歯先側凸曲面部分２７（凸曲面によって規定される歯先側歯面部分）の一端が滑らかに繋がっている。歯先側凸曲面部分２７は、歯先側の端２６ａから内歯２４の歯先頂部２７ａまで延びている。一方、かみ合い部分２６の歯元側の端２６ｂには、歯底側凹曲面部分２８（凹曲面によって規定される歯底側歯面部分）の一端が滑らかに繋がっている。歯底側凹曲面部分２８は、歯元側の端２６ｂから内歯２４の歯底最深部２８ａまで延びている。

同様に、外歯３４の歯形輪郭(歯面形状)は、相手側の内歯２４にかみ合うかみ合い部分３６（かみ合い歯面部分）を備えている。かみ合い部分３６は、従来において採用されているインボリュート曲線歯形などの歯形曲線によって規定される。かみ合い部分３６の歯末側の端３６ａには、歯先側凸曲面部分３７（凸曲面によって規定される歯先側歯面部分）の一端が滑らかに繋がっている。歯先側凸曲面部分３７は、歯先側の端３６ａから外歯３４の歯先頂部３７ａまで延びている。一方、かみ合い部分３６の歯元側の端３６ｂには、歯底側凹曲面部分３８（凹曲面によって規定される歯底側歯面部分）の一端が滑らかに繋がっている。歯底側凹曲面部分３８は、歯元側の端３６ｂから外歯３４の歯底最深部３８ａまで延びている。

本例では、内歯２４、外歯３４の歯先側凸曲面部分２７、３７および歯底側凹曲面部分２８、３８は、かみ合いに関与しない部分である。基本的には、相手側の歯に干渉しない任意の凸曲面、凹曲面とすることができる。本例では、内歯２４と外歯３４の間には、最深かみ合い状態において、最大で０．５ｍの隙間Δが形成されるように、歯先側凸曲面部分２７、３７を規定する凸曲面、および歯底側凹曲面部分２８、３８を規定する凹曲面が、それぞれ設定されている。
０ < Δ ≦ ０．５ｍ

なお、カップ形状の外歯歯車３においては、その外歯３４における歯筋方向の各位置において、半径方向の撓み量が相違する。外歯３４の歯筋方向の各位置における半径方向の撓み量は２κｍｎ（０＜κ≦１）である。κは偏位係数、ｍはモジュール、ｎは正の整数である。例えば、外歯歯車３の開口端の側の外歯端部における半径方向の撓み量が、κ＝１の標準撓みである２ｍｎに設定される。外歯３４における開口端の側の外歯端部からダイヤフラムの側の外歯内端に向けて、撓み量が２ｍｎから漸減する。

外歯３４の開口端側の外歯端部における歯直角断面において、外歯３４の歯形形状を上記のように設定した場合には、開口端側の外歯端部からダイヤフラム側の外歯内端に向けて、上記の歯形形状に対して、撓み量に応じた転位が施される。剛性の内歯歯車２の内歯２４は、歯筋方向において同一歯形形状とされる。外歯３４を転位歯形とすることで、歯筋方向の各位置において、外歯の内歯に対する移動軌跡の相違に起因する両歯の干渉を防止できる。

図２（ｂ）は、上記の歯形輪郭を備えた外歯３４および内歯２４のかみ合いの状態をラック近似で示す説明図である。外歯３４には、平坦な歯先面の両端にエッジの付いた外歯歯形も重ねて示してある。本例のエッジ無しの歯面形状を備えた外歯３４、内歯２４を用いることで、かみ合いの始まりから、最深かみ合い状態を経てかみ合いの離脱状態に至るまで、両歯の間に滑らかなかみ合い状態が形成される。
（その他の実施の形態）

上記の例は、本発明をカップ型の波動歯車装置に適用した場合である。本発明は、シルクハット型の波動歯車装置、フラット型の波動歯車装置にも同様に適用できる。また、上記の例は、剛性歯車としての内歯歯車と、可撓性歯車としての外歯歯車を備えている。逆に、剛性歯車として外歯歯車を備え、可撓性歯車として内歯歯車を備え、波動発生器によって内歯歯車が外側から非円形、例えば楕円状に撓められて、その短軸の両端位置で外歯歯車にかみ合う形式の波動歯車装置にも、本発明を同様に適用可能である。

Claims (4)

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、
   前記可撓性歯車を半径方向に撓めて前記剛性歯車に部分的にかみ合わせ、回転に伴って前記剛性歯車に対する前記可撓性歯車のかみ合い位置を前記剛性歯車の円周方向に移動させる波動発生器と
   を有しており、
   前記剛性歯車および前記可撓性歯車の歯形輪郭は、それぞれ、
   相手側の歯車にかみ合うかみ合い部分と、
   前記かみ合い歯面部分の歯末側の端に滑らかに繋がり、当該歯末側の端から歯先頂部まで延びている歯先側凸曲面部分と、
   前記かみ合い歯面部分の歯元側の端に滑らかに繋がり、当該歯元側の端から歯底最深部まで延びている歯底側凹曲面部分と
   によって規定されている波動歯車装置。
2. 請求項１において、
   前記剛性歯車および前記可撓性歯車はモジュールｍの歯車であり、
   前記剛性歯車および前記可撓性歯車の間には、最深かみ合い状態において最大で０．５ｍの隙間が形成されるように、前記歯先側凸曲面部分および前記歯底側凹曲面部分が設定されている波動歯車装置。
3. 請求項２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、前記剛性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、前記可撓性歯車を楕円形状に撓めて、前記剛性歯車に対して２か所の前記かみ合位置を形成する波動歯車装置。
4. 請求項１ないし３のうちのいずれか一つの項において、
   前記剛性歯車および前記可撓性歯車のそれぞれにおいて、前記かみ合い部分および前記歯先側凸曲面部分は、トッピング歯切によって同時に加工された加工部分である波動歯車装置。

Images