KR101411588B1

KR101411588B1 - 3차원 접촉의 인볼류트 양편위 치형을 가지는 파동기어장치

Info

Publication number: KR101411588B1
Application number: KR1020137001544A
Authority: KR
Inventors: 쇼이치 이시카와; 노보루 타키자와; 타카히로 아리마; 유스케 시바모토
Original assignee: 가부시키가이샤 하모닉 드라이브 시스템즈
Priority date: 2011-02-04
Filing date: 2011-02-04
Publication date: 2014-06-25
Also published as: CN102959275B; KR20130031348A; JP5390028B2; CN102959275A; WO2012104927A1; US20130081496A1; DE112011103908T5; US9057421B2; JPWO2012104927A1

Abstract

본 발명의 파동기어장치(1)에서는, 가요성 외부기어(3)의 외치(11)의 기본치형으로서, 저압력각(α(<20°))의 인볼류트치형을 이용한다. 외치(11)의 주단면(20)에 있어서, 그 톱니높이를 표준보다 큰 2κ₀ｍｎ=2(1+c)ｍｎ(편위계수 κ₀= 1+c, 0 < c < 0.5)으로 한다. 외치(11)의 잇줄방향을 따라, 코닝을 고려한 톱니의 전위를 행함으로써, 외치(11)의 잇줄방향의 각 축직각 단면에 있어서의 랙 치형의 직선부를 잇줄방향을 따라 보았을 경우에 일치시키도록 하고 있다. 인볼류트치형의 랙 치형이 직선이므로, 양 기어 (2, 3)의 잇줄전체에 걸쳐, 톱니의 코닝을 고려한 연속적인 맞물림이 가능한 치형을 실현할 수 있다.

Description

3차원 접촉의 인볼류트 양편위 치형을 가지는 파동기어장치{WAVE GEAR DEVICE HAVING THREE-DIMENSIONAL CONTACTING INVOLUTE POSITIVE DEFLECTION TOOTH PROFILE}

본 발명은 휨량이 정규의 휨량보다도 많은 양편위(正偏位, positive deflection) 치형을 가지는 파동기어장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은, 파동기어장치의 강성 내부기어, 가요성 외부기어의 기본치형을 표준보다 작은 저압력각(low pressure angle)의 인볼류트치형(involute tooth profile)으로 하고, 가요성 외부기어의 외치(外齒)의 잇줄(齒筋, tooth trace) 방향에 있어서, 해당 외치의 각 축직각 단면의 인볼류트치형의 직선부를 일치시키도록 외치에 전위(轉位)를 행함으로써 얻어지는 3차원 접촉의 인볼류트 양편위 치형에 관한 것이다.

파동기어장치는, 창시자 C.W.Ｍｕｓｓｅｒ씨의 발명(특허문헌 1) 이래, 지금까지 상기 발명자를 시작으로, 본 발명자를 포함하여 많은 연구자에 의해 본 장치의 각종의 발명고안이 이루어져 있다. 그 치형에 관한 발명에 한해서도, 각종의 것이 있다. 예를 들면, 본 발명자는, 특허문헌 2에 있어서 파동기어장치의 기본치형을 인볼류트치형으로 하는 것을 제안하고, 특허문헌 3, 4에 있어서, 파동기어장치의 강성 내부기어(rigid internal gear)와 가요성 외부기어(flexible external gear)의 톱니의 맞물림을 랙(rack)으로 근사하는 방법을 이용해서 광역접촉을 행하는 양 기어의 치말(齒末, cusp) 치형을 유도하는 치형설계법을 제안하고 있다. 더욱이, 본 발명자는, 특허문헌 5에 있어서, 파동기어장치에 있어서의 연속 맞물림이 가능한 높은 라쳇팅(ratcheting) 토크의 치형을 제안하고 있다.

일반적으로, 파동기어장치는, 원환형상의 강성 내부기어와, 이 내측에 동축(同軸)형상으로 배치된 가요성 외부기어와, 이 내측에 끼워진 파동발생기를 가지고 있다. 가요성 외부기어는, 가요성의 원통형상 몸통부와, 이 원통형상 몸통부의 후단으로부터 반경방향으로 연장되어 있는 다이어프램과, 원통형상 몸통부의 전단 개구 측의 외주면 부분에 형성한 외치를 구비하고 있다. 다이어프램이 원통형상 몸통부의 후단 개구를 봉쇄하는 상태로 형성되어 있는 가요성 외부기어는 컵형상 가요성 외부기어라고 칭해지며, 다이어프램이 원통형상 몸통부의 후단으로부터 외측으로 넓어지는 상태로 형성되어 있는 가요성 외부기어는 실크햇형상(silk-hat-shaped) 가요성 외부기어로 칭해지고 있다. 어느 형상의 가요성 외부기어도, 파동발생기에 의해 타원형상으로 휘어지며, 그 원통형상 몸통부의 외주면 부분에 형성되어 있는 외치(external teeth)가, 타원의 장축방향의 양단부에 있어서 강성 내부기어의 내치(internal teeth)에 맞물리고 있다.

가요성 외부기어가 파동발생기에 의해 타원형상으로 변형하면, 해당 가요성 외부기어의 외치의 림 중립원(rim-neutral circle)도 타원형상의 림 중립곡선(rim-neutral curve)으로 변형된다. 이 림 중립곡선의 장축위치에 있어서의 변형 전의 림 중립원에 대한 반경 방향의 휨량(the amount of bending)을 w로 하고, 림 중립원의 반경을 파동기어장치의 감속비로 나눈 값을 정규(표준)의 휨량 w₀로 하면, 이들의 비(w/w₀)를 편위계수 κ로 칭하고 있다. 또한, 정규의 휨량보다도 큰 휨량(κ>1)을 양편위 휨이라고 칭하며, 정규의 휨량보다도 작은 휨량(κ<1)을 음편위(negative deflection) 휨으로 칭하고 있다.

여기서, 타원형상으로 휘어진 가요성 외부기어의 외치는, 그 잇줄 방향을 따라, 다이어프램 측의 후단부로부터 전단 개구측의 전단부를 향해서, 다이어프램으로부터의 거리에 거의 비례해서 휨량이 증가하고 있다. 또한, 파동발생기의 회전에 따라, 가요성 외부기어의 외부의 각 부분은 반경방향으로의 휨을 되풀이한다. 따라서, 예컨대, 외치의 잇줄방향의 중앙의 축직각 단면에 있어서의 휨량을 정규의 휨량(κ=1)으로 설정하면, 외치에 있어서의 이보다도 전단부의 측에서는 양편위 휨의 상태가 되고, 이보다도 후단부의 측에서는 음편위 휨의 상태가 된다. 외치의 잇줄방향의 전체에 걸쳐서 양편위 휨 상태가 되는 외치치형을 양편위 치형이라고 칭하며, 외치의 잇줄방향의 전체에 걸쳐서 음편위 휨 상태가 되는 외치치형을 음편위 치형이라고 칭하고 있다.

이러한 파동발생기에 의한 가요성 외부기어의 각 부분의 휨 상태를 코닝(coning)이라고 칭하고 있지만, 외치의 코닝을 고려한 합리적인 치형의 설정법에 대해서는, 지금까지 충분히는 고려되고 있지 않았다. 현재, 파동기어장치의 부하 토크 성능의 향상을 기대하는 시장의 강한 요구가 있다. 이를 달성하기 위해서는, 잇줄 전체에 걸쳐, 톱니의 코닝을 고려한 연속적인 맞물림을 가능하게 하는 합리적인 치형이 필요하다.

또한, 파동기어장치에 대한 요망의 하나로, 고감속비(高減速比)의 라쳇팅 대책이 있다. 양 기어의 톱니수(the number of teeth)가 200을 초과하는 고감속비의 경우, 고(高)부하 토크 시의 라쳇팅을 방지하기 위해서는, 톱니높이(tooth height)를 크게 할 필요가 있다.

미국 특허 제2906143호 공보 일본 특공소 45-41171호 공보 일본 특개소 63-115943호 공보 일본 특개소 64-79448호 공보 일본 특개 2007-211907호 공보

본 발명의 과제는, 양 기어가, 잇줄방향에 있어서의 소정의 위치에 설정한 주(主)단면(축직각 단면, axis-perpendicular cross section)에 있어서는 광범위한 맞물림(meshing)을 유지하며, 잇줄방향의 다른 축직각 단면에 있어서도 부분적인 맞물림을 유지하고, 또한 고감속비이더라도 고(高)부하 토크 시의 양 기어의 라쳇팅을 방지가능한 큰 톱니높이(tooth depth)를 구비하고 있는 3차원 접촉의 인볼류트 양편위 치형을 가지는 파동기어장치를 제안하는 것에 있다.

상기의 과제를 달성하기 위해서, 본 발명의 파동기어 장치에서는, 유효톱니높이를 크게 하기 위해서, 20°보다 작은 저압력각의 인볼류트 양편위 치형을 기본치형으로서 채용하고 있다. 또한, 인볼류트치형의 랙 치형이 직선인 것에 착안하여, 양 기어의 잇줄 전체에 걸쳐, 톱니의 코닝을 고려한 연속적인 맞물림이 가능하게 되는 치형을 실현하고 있다. 즉, 본 발명에서는, 파동기어장치의 가요성 외부기어의 외치에 있어서의 잇줄 중앙부근에 설정한 기준의 축직각 단면(이하, 주(主)단면이라고 칭함)에서 톱니높이를 표준의 2ｍｎ(m은 모듈, n은 양의 정수이며, 통상은 n=1)보다 크게 한 2κ₀ｍｎ=2(1+c)ｍｎ(편위계수 κ₀=1+c, 0 < c < 0.5)으로 하고 있다. 또한, 외치의 잇줄방향을 따라, 코닝을 고려한 톱니의 전위(轉位)를 행함으로써, 외치의 잇줄방향의 각 축직각 단면에 있어서의 랙 치형의 직선부를 잇줄방향을 따라 보았을 경우에 일치하도록 하고 있다. 이것에 의해, 본 발명의 파동기어장치에서는, 그 양 기어의 잇줄 전반에 걸친 합리적인 톱니의 맞물림을 실현하고 있다.

더욱 설명하면, 본 발명은,

원환형상의 강성 내부기어와,

이 내측에 배치된 가요성 외부기어와,

이 내측에 끼워진 파동발생기를 가지고,

상기 가요성 외부기어는, 가요성의 원통형상 몸통부와, 이 원통형상 몸통부의 후단으로부터 반경방향으로 연장되어 있는 원환형상의 다이어프램을 구비하고, 상기 원통형상 몸통부의 전단 개구부의 부위에 형성되어 있는 외치가, 상기 파동발생기에 의해, 그 다이어프램측의 후단부로부터 그 개구측의 전단부에 걸쳐, 상기 다이어프램으로부터의 거리에 거의 비례한 휨량이 생기도록 타원형상으로 휘어지는 파동기어장치로서 :

상기 강성 내부기어 및 상기 가요성 외부기어는 모듈(m, module)의 평(平)기어(spur gears)이고 ;

상기 강성 내부기어 및 가요성 외부기어의 각각의 톱니수는, 적어도 200매이며 ;

상기 가요성 외부기어의 톱니수는, n을 양의 정수라고 하면, 상기 강성 내부기어의 톱니수보다 2n매 적고 ;

상기 강성 내부기어 및 상기 가요성 외부기어의 기본치형은, 압력각(α)이 20°미만의 인볼류트치형이며 ;

상기 가요성 외부기어가 상기 파동발생기에 의해 타원형상으로 변형함으로써, 상기 가요성 외부기어의 외치의 림 중립원은 타원형상의 림 중립곡선으로 변형되어 있으며, 해당 림 중립곡선의 장축위치에 있어서의 상기 림 중립원에 대한 반경방향의 휨량은, κ를 1보다 큰 값의 편위계수라고 하면, κmn이고 ;

상기 가요성 외부기어의 외치의 잇줄방향의 각 위치에서 있어서의 축직각 단면에 있어서, 톱니의 맞물림을 랙 맞물림으로 근사했을 때 얻어지는 상기 가요성 외부기어의 외치의 상기 강성 내부기어의 내치에 대한 각 이동 궤적을 구하며,

상기 가요성 외부기어의 외치의 잇줄방향에 있어서의 후단부로부터 전단부까지의 사이의 도중위치에 설정한 축직각 단면을 주단면으로 하며, 이 주단면에 있어서 얻어지는 상기 이동 궤적을 제 1 이동 궤적이라고 칭하고, 이 제 1 이동 궤적 상의 루프형상 정상부(頂部)에 있어서, 상기 제 1 이동 궤적에 그려진 접선 중, 림 중립곡선의 장축과의 이루는 각이 상기 압력각(α)이 되는 접선을 제 1 접선이라고 칭하며,

상기 외치에 있어서의 상기 주단면 이외의 잇줄방향의 각 축직각 단면에 있어서 얻어지는 상기 이동 궤적을 각각 제 2 이동 궤적이라고 칭하며, 이들에 그려진 접선 중, 림 중립곡선의 장축과의 이루는 각이 상기 압력각(α)이 되는 접선을 각각 제 2 접선이라고 칭하는 것으로 하면,

상기 외치의 잇줄방향을 따라 보았을 경우에, 각 축직각 단면에 있어서의 각 제 2 이동 궤적을 천이(遷移)시켜 각 제 2 접선이 상기 제 1 접선에 일치하도록, 상기 외치에 있어서의 상기 주단면 이외의 각 축직각 단면의 치형이, 인볼류트치형으로 이루어지는 상기 기본치형에 전이(轉移)를 행한 전위(轉位) 치형(shifted tooth profile)으로 되어 있으며 ;

상기 강성 내부기어의 내치의 톱니 선단에는, 그 잇줄방향을 따라, 상기 전위 치형에 간섭하지 않도록 수정이 행해져 있는 것을 특징으로 하고 있다.

여기서, 상기 외치에 있어서의 상기 주단면에서의 톱니높이는, 해당 주단면에서의 편위계수(κ)를 κ₀라고 하면, 2κ₀ｍｎ이며, 편위계수 κ₀= 1+c(0 < c < 0.5)로 하는 것이 바람직하다.

또한, 외치의 주단면에 있어서의 상기 휨 계수(κ)를 κ₀(>1)라고 하면, 전위 치형의 전위량은 다음 식에 의해 주어지는 값으로 할 수 있다.

이 대신에, 횡축을 휨 계수(κ), 세로축을 전위량(y)으로 했을 경우에 있어서 상기의 식에 의해 얻어지는 전위량 곡선은 일정 구배(句配)의 직선에 의해 근사할 수 있으므로, 이 근사 직선을 이용하여 전위량을 규정할 수도 있다.

그 다음에, 상기 가요성 외부기어를 등고치(等高齒, uniform-depth tooth)의 원추기어로 할 수 있다. 이 경우에는, 해당 가요성 외부기어가 타원형상으로 변형된 상태에서의 장축을 포함하는 축단면 상에 있어서, 해당 가요성 외부기어의 외치의 톱니 선단이 상기 강성 내부기어의 내치의 톱니 바닥(roots of the internal teeth)에 거의 평행하게 되도록, 해당 외치의 톱니 선단 원통면의 형상을, 잇줄방향의 후단부로부터 전단부를 향해서 외경이 점차 감소하는 원추면으로 하면 좋다.

본 발명의 파동기어 장치에서는, 가요성 외부기어를 휨량이 정규의 휨량보다도 많은 양편위 휨으로 하고, 강성 내부기어, 가요성 외부기어를 표준보다 작은 저압력각의 인볼류트치형으로 하며, 가요성 외부기어의 외치의 잇줄방향에 있어서, 해당 외치의 각 축직각 단면의 인볼류트치형의 직선부를 일치시키도록 외치에 전위를 행하고 있다. 이것에 의해, 양 치형의 맞물림을, 이들의 축직각 단면 위뿐만 아니라, 이에 직교하는 잇줄을 따른 방향에 있어서도 실현하여, 고감속비에 있어서도 원하는 전달 토크를 유지할 수 있도록 하고 있다.

따라서, 본 발명의 파동기어장치에 따르면, 주단면에 있어서의 연속적인 치형의 맞물림을 중심으로 하여, 주단면으로부터 전단부에 이르는 잇줄의 범위 및 주단면으로부터 후단부에 이르는 잇줄의 전체 범위에 있어서, 유효한 맞물림을 실현할 수 있으며, 보다 많은 토크를 전달할 수 있다.

도 1은, 일반적인 파동기어장치의 일예를 나타내는 개략 정면도이다.
도 2는, 컵형상, 실크햇형상 가요성 외부기어의 휨 상황을 함축(含軸) 단면으로 나타내는 설명도로서, (a)는 변형 전의 상태, (b)는 타원형으로 변형된 후에 있어서의 타원의 장축을 포함하는 단면의 상태, (c)는 타원형으로 변형된 후에 있어서의 타원의 단축을 포함하는 단면의 상태를 나타낸다.
도 3은, 본 발명의 치형 형성의 베이스가 되는 3군데의 단면(주(主)단면, 전(前)단부, 후(後)단부)에 있어서의 양 기어의 상대운동을 랙으로 근사했을 경우에 얻어지는 이동 궤적을 나타내는 도면이다.
도 4는, 본 발명에서 사용하는 랙 치형의 도면이다.
도 5는, 가요성 외부기어의 잇줄방향의 각 위치에서의 전위량을 나타내는 그래프이다.
도 6의 (A), (B) 및 (C)는, 각각 외치의 잇줄방향에 있어서의 전단부, 주단면 및 후단부에 있어서의 가요성 외부기어와 강성 내부기어의 맞물림을 나타내는 설명도로서, 어느 경우에도 양 기어는 직선부의 치형을 공유하고 있는 상태를 나타내고 있다.
도 7은, 가요성 외부기어와 강성 내부기어의 톱니의 형상을 나타내는 설명 도이다.

(파동기어장치의 구성)

도 1은 본 발명의 대상인 파동기어장치의 정면도이다. 도 2(a)∼(c)는 그 가요성 외부기어의 개구부를 타원형상으로 휘게 한 상황을 함축 단면으로 나타내는 단면도로서, (a)은 변형 전의 상태, (b)는 변형 후에 있어서의 타원형의 장축을 포함하는 단면, (c)는 변형 후에 있어서의 타원의 단축을 포함하는 단면을 각각 나타내고 있다. 한편, 도 2(a)∼(c)에 있어서 실선은 컵형상의 가요성 외부기어를 나타내고, 파선은 실크햇형상의 가요성 외부기어를 나타낸다.

이들의 도면에 나타낸 바와 같이, 파동기어장치(1)는, 원환(圓環)형상의 강성 내부기어(2)와, 그 내측에 배치된 가요성 외부기어(3)와, 이 내측에 끼워 넣어진 타원형 윤곽의 파동발생기(4)를 가지고 있다. 강성 내부기어(2) 및 가요성 외부기어(3)는 모듈(m)의 평기어이며, 이들의 톱니수는 200매 이상이다. 또한, 가요성 외부기어의 톱니수는, n을 양의 정수라고 하면, 강성 내부기어의 톱니수보다 2n매 적다. 일반적으로는 n=1이므로, 톱니수(齒數) 차이는 2매이다.

파동기어장치(1)의 가요성 외부기어(3)는, 타원형 윤곽의 파동발생기(4)에 의해 타원형으로 휘어지며, 타원형의 장축(L1)방향의 양단부분의 근방에 있어서, 그 외치(11)가 강성 내부기어(2)의 내치(12)에 맞물리고 있다. 파동발생기(4)를 회전시키면, 양 기어(2, 3)의 맞물림 위치가 둘레 방향으로 이동하며, 양 기어의 톱니수 차이에 따른 상대회전이 양 기어(2, 3)의 사이에 발생한다. 가요성 외부기어(3)는, 가요성의 원통형상 몸통부(13)와, 그 후단(14)에 연속해서 반경방향으로 확대되는 다이어프램(15)과, 다이어프램(15)에 연속되어 있는 보스(boss, 16)를 구비하고 있다. 원통형상 몸통부(13)의 개구단부(17) 측의 외주면 부분에, 외치(11)가 형성되어 있다.

원통형상 몸통부(13)의 외치 형성 부분의 내주면 부분에 끼워 넣어진 타원형 윤곽의 파동발생기(4)에 의해, 원통형상 몸통부(13)는, 그 다이어프램 측의 후단 (114)으로부터 개구단부(17)를 향해서, 반경방향의 외측 혹은 내측으로의 휨량이 점차 증대되고 있다. 도 2(b)에 나타낸 바와 같이, 타원형의 장축(L1)을 포함하는 단면에서는 외측으로의 휨량이 후단(14)으로부터 개구단부(17)로의 거리에 비례해서 점차 증가하고, 도 2(c)에 나타낸 바와 같이, 타원형의 단축(L2)을 포함하는 단면에서는 내측으로의 휨량이 후단(14)으로부터 개구단부(17)로의 거리에 비례해서 점차 증가하고 있다. 따라서, 개구단부(17) 측의 외주면 부분에 형성되어 있는 외치(11)도, 그 잇줄방향에 있어서의 다이어프램 측의 후단부(18)로부터 개구단부측 의 전단부(19)를 향해서, 후단(14)(다이어프램(15))으로부터의 거리에 비례해서 휨량이 점차 증가하고 있다.

도 3은 파동기어장치(1)의 양 기어(2, 3)의 상대운동을 랙으로 근사했을 경우에 얻어지는, 강성 내부기어(2)의 내치(12)에 대한 가요성 외부기어(3)의 외치(11)의 타원형상의 림 중립곡선상의 점의 이동 궤적을 나타내는 도면이다. 도 3에 있어서, x축은 랙의 병진(竝進, translation) 방향, y축은 그것에 직각인 방향을 나타낸다. y축의 원점은 이동 궤적의 진폭의 평균 위치로 하고 있다. 강성 내부기어(2)와 가요성 외부기어(3)의 톱니수 차이는 2n(n은 양의 정수, 통상은 n=1)이다. 가요성 외부기어(3)의 임의의 축직각 단면에 있어서의 강성 내부기어(2)에 대한 이동 궤적의 전체 진폭을 2κmn(κ는 편위계수이며, 1보다 큰 실수, m은 모듈)이라고 하면, 가요성 외부기어(3)의 외치(11)의 이동 궤적은 식 1로 주어진다.

x = 0.5ｍｎ(θ-κsinθ) (식1)

y = κｍｎｃｏｓθ

설명을 간단히 하기 위해서, m=1, n=1(톱니수 차이가 2)이라고 하면, 이동 궤적은 식 1A와 같이 된다. 도 3에는 이 경우의 이동 궤적을 나타내고 있다.

x = 0.5(θ-κsinθ) (식1A)

y = κｃｏｓθ

(치형 설정 방법)

그 다음에, 본 발명에 의한 외치(11), 내치(12)의 치형설정 방법을 설명한다. 우선, 가요성 외부기어(3)의 축직각 단면으로 잇줄방향의 중앙부근에 설정한 단면을 주(主)단면(20)으로 한다. 도 4는, 가요성 외부기어(3)의 편위계수(κ₀)의 주단면(20)에 설정한 저압력각(low pressure angle)(α(< 20°))의 인볼류트치형의 랙 치형 형상이다. 라쳇팅을 방지하기 위해서 높은 톱니(tall teeth)를 채용하고 있다. 즉, 주단면(20)에서 톱니높이를 표준의 2ｍｎ(m은 모듈, n은 양의 정수이며, 통상은 n=1)보다 크게 한 2κ₀ｍｎ= 2(1+c)ｍｎ(편위계수 κ₀ = 1+c, 0 < c < 0.5)으로 하고 있다. 이와 같이, 외치(11) 및 내치(12)의 기본치형으로서, 저압력각(α)의 인볼류트치형의 랙 치형 형상을 채용한다.

다음으로, 이 주단면(20)에 있어서의 강성 내부기어(2)에 대한 가요성 외부기어(3)의 타원형상의 림 중립곡선상의 점이 그리는 이동 궤적의 전체 진폭을 2κ₀ｍｎ(κ₀> 1의 양편위)으로 한다. 외치(11)의 잇줄방향 전단부(19)에 있어서의 타원형상의 림 중립곡선상의 점이 그리는 이동 궤적의 전체 진폭을 2(κ₀+a)ｍｎ으로 하고, 외치(11)의 잇줄방향의 후단부(18)에 있어서의 타원형상의 림 중립곡선상의 점이 그리는 이동 궤적의 전체 진폭을 2(κ₀-b)ｍｎ으로 한다. 가요성 외부기어(3)의 원통형상 몸통부(13)는 코닝에 의해 다이어프램(15)으로부터의 거리에 비례해서 휨량이 증가하므로, 다이어프램(15)으로부터 전단부(19), 주단면(20) 및 후단부(18)에 이르는 거리를 각각 lａ, l₀, lｂ라고 하면, a, ｂ는 다음과 같이 규정할 수 있다.

a = κ₀(lａ-l₀)/l₀

b = κ₀(l₀-lｂ)/l₀

다시 도 3을 참조해서 설명하면, 곡선(I₀)은 전위 전의 톱니의 주단면(20)에 있어서의 이동 궤적을 나타내고, 주단면(20)에 있어서는 휨 계수가 κ = κ₀(= 1+c, 0 < c < 0.5)로 휜다. 곡선(Ｉａ)은 전위 전의 톱니의 전단부(19)에 있어서의 이동 궤적을 나타내며, 전단부(19)의 단면에 있어서는 휨 계수가 κ = κ₀+a로 휜다. 곡선(Ｉｂ)은 전위 전의 톱니의 후단부(18)에 있어서의 이동 궤적을 나타내고, 후단부(10)의 단면에 있어서는 휨 계수가 κ = κ₀-b(> 1)로 휜다. 예를 들면, 곡선(I₀)은 편위계수가 κ = κ₀= 1.4(c=0.4), 곡선(Ｉａ)은 편위계수가 κ = 1.7(a=0.3), 곡선(Ｉｂ)은 편위계수가 κ = 1.1(b=0.3)의 경우이다. 한편, 일점쇄선으로 나타내는 곡선(I)은 표준편위 휨의 경우의 이동 궤적이다(κ = 1). 이와 같이, 각 이동 궤적(Ｉａ, Ｉｂ, I₀)은 양편위 휨이므로, 이들의 맞물림의 최심부(最深部)인 정점부분에는 루프형상 정상부(頂部)가 형성된다.

그 다음에, 주단면(20)에 있어서 얻어지는 이동 궤적(I₀) 위의 루프형상 정상부에 있어서, 해당 이동 궤적(I₀)에 대하여, 림 중립곡선의 장축(도 3에 있어서의 ｙ축)과의 이루는 각이 압력각(α(< 20°))가 되는 접선을 그리고, 이것을 제 1 접선(T1)이라고 한다. 또한, 외치(11)에 있어서의 주단면(20) 이외의 잇줄방향의 각 축직각 단면에 있어서 얻어지는 이동 궤적의 루프형상 정상부에 대하여, 림 중립곡선의 장축과의 이루는 각이 압력각 α가 되는 접선을 그리고, 이것을 각각 제 2 접선(T2)이라고 한다. 예를 들면, 도 3에 있어서, 전단부(19)의 이동 궤적(Ｉａ)의 루프형상 정상부에는 제 2 접선(T2a)이 얻어지고, 후단부(18)의 이동 궤적(Ｉｂ)의 루프형상 정상부에는 제 2 접선(T2b)이 얻어진다.

그 다음에, 외치(11)의 잇줄방향을 따라 보았을 경우에, 외치(11)의 각 축직각 단면에 있어서의 각 이동 궤적을 천이시켜서 각 제 2 접선(T2)이 상기 제 1 접선(T1)에 일치하도록, 외치(11)에 있어서의 주단면(20) 이외의 각 축직각 단면의 치형을, 인볼류트치형의 랙 치형 형상으로 이루어지는 기본치형에 전이(displacement)를 행한 전위 치형으로 한다.

이때 필요한 전위량은 다음 (2)식으로 주어진다.

(식 2)

도 5는, 가요성 외부기어의 잇줄의 각 위치에서의 전위량을 나타내는 그래프이며, 상기의 식 2의 일예를 나타내는 것이다. 이 도면의 횡축은 가요성 외부기어(3)의 외치(11)의 각 축직각 단면의 반경방향의 휨량(w)을 ｍｎ으로 나눈 값(편위계수(κ))을 나타내고, 세로축은 전위량(y)을 나타내고 있다. 실용적으로는 이 곡선은 직선에 가깝기 때문에 전위량을, 이 곡선을 근사하는 직선에 의해 규정해도 좋다.

도 6(A), (B) 및 (C)는, 이와 같이 하여 얻어진 외치(11)의 전단부(19), 주단면(20) 및 후단부(18)에 있어서의 강성 내부기어(2)의 내치(12)와의 맞물림을 나타내는 것이다. 어느 경우에 있어서도 양 기어(2, 3)의 치형은 그 직선부의 치형을 공유하고 있는 상태를 나타내고 있다. 이와 같이, 본 발명에서는, 가요성 외부기어(3)의 외치(11)의 전단부(19)로부터 주단면(20)을 거쳐 후단부(18)에 이르는 잇줄방향으로 각 단면에 있어서, 내치(12)와의 사이에서 맞물림 상태가 형성된다.

그 다음에, 도 7은 상기한 바와 같이 형성된 치형을 가지는 가요성 외부기어(3)와 강성 내부기어(2)의 톱니의 형상의 일예를 나타내는 것으로, 이들의 양 기어의 중심축선(1a) 및 타원형상으로 변형되어 있는 가요성 외부기어(3)의 장축을 포함하는 단면으로 절단했을 경우의 세로 단면도이다. 이 도 7에 나타낸 바와 같이, 강성 내부기어(2)의 내치(12)의 톱니선단에는, 그 잇줄방향을 따라, 외치(11)의 전위 치형에 간섭하지 않도록 수정을 행하고 있다. 즉, 내치(12)의 톱니선단에는 그 잇줄방향에 있어서, 외치(11)의 주단면(20)에 대응하는 위치로부터 외치의 후단부(18) 측의 단부를 향해서, 톱니높이가 점차 감소하도록 수정을 행하고 있다.

또한, 가요성 외부기어(3)를 등고치의 원추기어로 하는 것이 바람직하다. 이 경우, 해당 가요성 외부기어(3)가 타원형상으로 변형된 상태에서의 장축을 포함하는 축단면 상에 있어서, 해당 가요성 외부기어(3)의 외치(11)의 톱니선단이 강성 내부기어(2)의 내치(12)의 톱니바닥(root)에 거의 평행하게 되도록, 해당 외치(11)의 톱니선단 원통면의 형상을, 잇줄방향의 후단부(18)로부터 전단부(19)를 향해서 외부직경이 점차 감소하는 원추면으로 하는 것이 바람직하다.

1 파동기어장치
1a 중심축선
2 강성 내부기어
3 가요성 외부기어
4 파동발생기
11 외치
12 내치
13 원통형상 몸통부
14 후단
15 다이어프램
16 보스
17 개구단부
18 후단부
19 전단부
20 주단면
I 표준편위 휨의 이동 궤적
I₀ 주단면의 양편위 휨의 이동 궤적
Ｉａ 전단부의 양편위 휨의 이동 궤적
Ｉｂ 후단부의 양편위 휨의 이동 궤적
T1 제 1 접선
T2a, T2b 제 2 접선

Claims

원환형상의 강성 내부기어와, 이 내측에 배치된 가요성 외부기어와, 이 내측에 끼워진 파동발생기를 가지고,
상기 가요성 외부기어는, 가요성의 원통형상 몸통부와, 이 원통형상 몸통부의 후단으로부터 반경방향으로 연장되어 있는 원환형상의 다이어프램을 구비하고, 상기 원통형상 몸통부의 전단 개구부의 부위에 형성되어 있는 외치가, 상기 파동발생기에 의해, 그 다이어프램 측의 후단부로부터 그 개구측의 전단부에 걸쳐, 상기 다이어프램으로부터의 거리에 거의 비례한 휨량이 생기도록 타원형상으로 휘어지는 파동기어장치로서 :
상기 강성 내부기어 및 상기 가요성 외부기어는 모듈(m)의 평기어이고 ;
상기 강성 내부기어 및 가요성 외부기어의 톱니수는, 적어도 200매이며 ;
상기 가요성 외부기어의 톱니수는, n을 양의 정수라고 하면, 상기 강성 내부기어의 톱니수보다 2n매 적고 ;
상기 강성 내부기어 및 상기 가요성 외부기어의 기본치형은, 압력각(α)이 20°미만의 인볼류트치형이며 ;
상기 가요성 외부기어가 상기 파동발생기에 의해 타원형상으로 변형함으로써, 상기 가요성 외부기어의 외치의 림 중립원은 타원형상의 림 중립곡선으로 변형되어 있으며,
상기 림 중립원의 반경을 파동기어장치의 감속비로 나눈 값을 정규 휨량 w₀로 하고, 해당 림 중립곡선의 장축위치에 있어서의 상기 림 중립원에 대한 반경방향의 휨량을 w로 하며, w/w₀를 편위계수 κ로 하면, 정규 휨량 w₀=mn, 휨량 w=κmn으로 나타내며, 해당 편위계수 κ는 1보다 큰 값으로 설정되어 있고,
상기 가요성 외부기어의 외치의 잇줄방향의 각 위치에 있어서의 축직각 단면에 있어서, 톱니의 맞물림을 톱니수가 무한대인 랙 기어의 맞물림으로 근사(近似)했을 경우에 얻어지는 상기 가요성 외부기어의 외치의 상기 강성 내부기어의 내치에 대한 각 이동 궤적을 구하고,
상기 가요성 외부기어의 외치의 잇줄방향에 있어서의 후단부로부터 전단부까지의 사이의 도중위치에 설정한 축직각 단면을 주단면으로 하며, 이 주단면에 있어서 얻어지는 상기 이동 궤적을 제 1 이동 궤적이라고 칭하고, 이 제 1 이동 궤적 상의 루프형상 정상부(頂部)에 있어서, 상기 제 1 이동 궤적에 그려진 접선 중, 림 중립곡선의 장축과의 이루는 각이 상기 압력각(α)이 되는 접선을 제 1 접선이라고 칭하며,
상기 외치에 있어서의 상기 주단면 이외의 잇줄방향의 각 축직각 단면에 있어서 얻어지는 상기 이동 궤적을 각각 제 2 이동 궤적이라고 칭하며, 이들에 그려진 접선 중, 림 중립곡선의 장축과의 이루는 각이 상기 압력각(α)이 되는 접선을 각각 제 2 접선이라고 칭하는 것으로 하면,
상기 외치의 잇줄방향을 따라 보았을 경우에, 각 축직각 단면에 있어서의 각 제 2 이동 궤적을 천이시켜 각 제 2 접선이 상기 제 1 접선에 일치하도록, 상기 외치에 있어서의 상기 주단면 이외의 각 축직각 단면의 치형이, 인볼류트치형으로 이루어지는 상기 기본치형에 전이를 행한 전위 치형으로 되어 있으며 ;
상기 강성 내부기어의 내치의 톱니 선단에는, 그 잇줄방향을 따라, 상기 전위 치형에 간섭하지 않도록 수정이 행해져 있는 것을 특징으로 하는 파동기어장치.
제1항에 있어서,
상기 외치에 있어서의 상기 주단면에서의 톱니높이는, 해당 주단면에서의 편위계수(κ)를 κ₀ 라고 하면, 2κ₀ｍｎ이며,
편위계수(κ₀)는 1 < κ₀ < 1.5인 것을 특징으로 하는 파동기어장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 외치의 주단면에 있어서의 상기 편위계수(κ)를 κ₀(> 1)라고 하면, 상기 전위 치형의 전위량은,
다음 식에 의해 주어지는 값, 또는,
횡축 x를 편위계수(κ), 세로축 y를 전위량이라고 했을 경우에 있어서 다음 식에 의해 얻어지는 전위량 곡선을 근사하는 일정 구배의 직선에 의해 규정되는 값인 것을 특징으로 하는 파동기어장치.
[수학식 1]
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 가요성 외부기어는 등고치의 원추기어이며,
해당 가요성 외부기어가 타원형상으로 변형된 상태에서의 장축을 포함하는 축단면 상에 있어서, 해당 가요성 외부기어의 외치의 톱니선단이 상기 강성 내부기어의 내치의 톱니바닥에 거의 평행하게 되도록, 해당 외치의 톱니선단 원통면의 형상은, 잇줄방향의 후단부로부터 전단부를 향해서 외경이 점차 감소하는 원추면으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 파동기어장치.
제3항에 있어서,
상기 가요성 외부기어는 등고치의 원추기어이며,
해당 가요성 외부기어가 타원형상으로 변형된 상태에서의 장축을 포함하는 축단면 상에 있어서, 해당 가요성 외부기어의 외치의 톱니선단이 상기 강성 내부기어의 내치의 톱니바닥에 거의 평행하게 되도록, 해당 외치의 톱니선단 원통면의 형상은, 잇줄방향의 후단부로부터 전단부를 향해서 외경이 점차 감소하는 원추면으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 파동기어장치.