KR102225559B1

KR102225559B1 - 3차원 맞물림 치형을 갖는 파동기어장치

Info

Publication number: KR102225559B1
Application number: KR1020197019852A
Authority: KR
Inventors: 노리오 시로코시; 유야 무라야마; 요시토모 미조구치; 사토시 기시
Original assignee: 가부시키가이샤 하모닉 드라이브 시스템즈
Priority date: 2017-10-19
Filing date: 2017-10-19
Publication date: 2021-03-08
Also published as: EP3575632A1; US20190368576A1; JPWO2019077719A1; US10823259B2; CN111201389B; JP6695649B2; EP3575632A4; KR20190090003A; TWI772515B; WO2019077719A1; TW201923253A; CN111201389A; EP3575632B1

Abstract

파동기어장치(1)의 컵 형상 혹은 실크햇 형상의 외치기어(3)의 외치(34)의 치형 형상은 다음과 같이 설정된다. 그 이끝톱니두께(D2a, D2e)가 외치 잇줄방향을 따라 외치 외단(34a)으로부터 외치 내단(34e)을 향하여 점차적으로 감소하고 있다. 또한 피치점(P)에 있어서의 압력각(αa, αe)이 외치 잇줄방향을 따라 외치 외단(34a)으로부터 외치 내단(34e)을 향하여 점차적으로 증가하고 있다. 잇줄방향에 있어서의 1개의 축직각단면 위에서의 맞물림 뿐만 아니라, 잇줄방향을 따라 넓은 범위에서 내치와 맞물릴 수 있는 외치를 구비한 컵형 혹은 실크햇형의 파동기어장치를 실현할 수 있다.

Description

3차원 맞물림 치형을 갖는 파동기어장치

본 발명은, 컵형(cup型) 혹은 실크햇형(silk hat型)의 파동기어장치(波動gear裝置)에 관한 것이다. 더 상세하게는, 잇줄방향의 1개의 축직각단면 위 뿐만 아니라, 다른 축직각단면 위에 있어서도 소정의 맞물림 상태가 유지되는 3차원 맞물림 치형(3-dimensional meshing tooth profile)을 갖는 파동기어장치에 관한 것이다.

컵형 혹은 실크햇형의 파동기어장치는, 강성의 내치기어(internal gear)와, 이 내측에 동축(同軸)으로 배치된 컵 형상 혹은 실크햇 형상의 가요성의 외치기어(external gear)와, 이 내측에 끼워진 파동발생기를 갖고 있다. 외치기어는, 가요성의 원통모양 몸통부와, 이 원통모양 몸통부의 후단(後端)으로부터 반경방향으로 연장되어 있는 다이어프램(diaphragm)과, 원통모양 몸통부의 개구단(開口端)측의 외주면 부분에 형성된 외치(外齒)를 구비하고 있다. 외치기어는 파동발생기에 의하여 타원모양으로 휘어져서, 타원의 장축방향의 양단부에 있어서 내치기어에 맞물려 있다.

특허문헌1에는, 기본 치형(basic tooth profile)을 인벌류트 치형(involute tooth profile)으로 하는 것이 제안되어 있고, 특허문헌2, 3에 있어서는, 내치기어와 외치기어의 톱니의 맞물림을 랙(rack)에 의하여 근사(近似)하는 방법을 사용하여 광역접촉을 실시하는 양 기어의 어덴덤 치형(addendum tooth profile)을 이끌어내는 치형설계법이 제안되어 있다.

여기에서 타원모양으로 휘어진 외치기어의 외치는, 그 잇줄방향을 따라 다이어프램측의 외치 내단으로부터 개구단측의 외치 외단을 향하여, 다이어프램으로부터의 거리에 대략 비례하여 휨량이 증가하고 있다. 또한 파동발생기의 회전에 따라, 외치기어의 외치의 각 부분은 반경방향으로의 휘어짐을 반복한다. 이와 같이 외치기어의 외치는, 잇줄방향의 각 위치에 있어서 휘어진 상태가 다르기 때문에, 내치기어의 내치에 대한 맞물림 상태도 다르다. 외치에 있어서의 잇줄방향의 1개소의 축직각단면 위에 있어서, 내치에 대하여 연속된 맞물림 상태를 형성할 수 있는 외치 치형을 설정하더라도, 잇줄방향이 다른 위치에서는 적절한 맞물림 상태가 형성되지 않는다.

특허문헌4에서는, 외치 치형을 직선 치형으로 하고, 그 양측의 치면(tooth surface)을, 잇줄방향을 따라 다이어프램측의 끝으로부터 외치기어의 개구단측의 끝을 향하여 톱니두께가 점차적으로 증가하도록 경사지게 한 경사면으로 하고 있다. 이에 따라 외치와 내치의 맞물림 동작에 있어서, 외치의 다이어프램측의 이끝(tooth tip)이 내치의 이끝에 간섭하는 것을 방지하고 있다.

: 일본국 특허출원공고 특공소45―41171호 공보 : 일본국 공개특허공보 특개소63―115943호 공보 : 일본국 공개특허공보 특개소64―79448호 공보 : 일본국 공개특허 특개2017―44287호 공보

컵형 혹은 실크햇형의 파동기어장치에서는, 반복하여 휘어지는 외치에 있어서의 잇줄방향의 각 위치에서의 맞물림 운동의 이동궤적이 다르다. 개구측으로부터 다이어프램측을 향하여 톱니두께를 얇게 하면, 외치의 내치의 이끝에 대한 간섭 혹은 내치에 대한 부분적인 접촉상태를 해소할 수 있다. 그러나 잇줄방향에 있어서의 1개의 축직각단면 위에서의 맞물림(2차원 맞물림) 뿐만 아니라, 잇줄방향을 따르는 넓은 범위에 있어서, 내치에 대한 외치의 맞물림(3차원 맞물림)을 형성할 수 없다.

본 발명의 목적은, 잇줄방향에 있어서의 1개의 축직각단면 위에서의 맞물림 뿐만 아니라, 잇줄방향을 따라 넓은 범위에서의 맞물림을 실현할 수 있는 3차원 맞물림 치형을 구비한 컵형 혹은 실크햇형의 파동기어장치를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 컵형 혹은 실크햇형의 파동기어장치에서는, 강성의 내치기어의 내치의 치형 형상은, 내치 잇줄방향의 각 위치에서 동일하다. 가요성의 외치기어의 외치의 치형 형상은 다음과 같이 설정된다. 외치의 이끝톱니두께는, 외치 잇줄방향을 따라 외치기어의 개구단측의 외치 외단으로부터 외치기어의 다이어프램측의 외치 내단을 향하여 점차적으로 감소하고 있다. 또한 외치의 피치점에 있어서의 압력각은, 외치 잇줄방향을 따라 외치 외단으로부터 외치 내단을 향하여 점차적으로 증가하고 있다. 외치의 치저톱니두께는, 외치 잇줄방향의 각 위치에서 일정하게 할 수 있다. 또는 외치 외단으로부터 외치 내단을 향하여 점차적으로 감소시켜도 좋다.

여기에서 이끝톱니두께를, 외치 잇줄방향을 따라 직선 모양 또는 볼록곡선 모양 혹은 오목곡선 모양으로 감소시킬 수 있다. 또 외치의 톱니높이를, 잇줄방향을 따라 서서히 변화시켜도 좋다.

본 발명에서는, 내치에 대한 잇줄방향의 각 축직각단면에서의 외치의 맞물림 운동의 이동궤적에 의거하여, 어덴덤측의 치형 형상이 다이어프램측을 향하여 서서히 가늘게 되도록 하고 있고, 또한 압력각이 다이어프램측을 향하여 서서히 커지게 되도록 하고 있다. 바꾸어 말하면, 외치의 각 톱니면은, 잇줄방향에 있어서는 다이어프램측을 향하여 타방의 치면에 접근하는 방향으로 경사져 있고, 또한 톱니높이방향에 있어서도 다이어프램측을 향하여 타방의 치면측으로의 경사가 서서히 증가하고 있다.

예를 들면 잇줄방향에 있어서의 소정의 위치에 설정된 외치의 축직각단면(주단면)에 있어서, 적절하게 맞물릴 수 있는 외치의 치형 형상 및 내치의 치형 형상을 설정한다. 내치의 치형 형상을 잇줄방향에 있어서 일정하게 한다. 외치의 잇줄방향의 각 위치에 있어서의 휨량에 따라 외치의 잇줄방향의 각 위치의 치형 형상을 수정한다. 즉 그 이끝톱니두께를, 외치 잇줄방향을 따라 외치 외단으로부터 외치 내단을 향하여 서서히 얇게 한다. 또한 피치점에 있어서의 압력각을, 외치 잇줄방향을 따라 외치 외단으로부터 외치 내단을 향하여 크게 한다.

본 발명에서는, 외치의 치면이 잇줄방향을 따라 외치 외단으로부터 외치 내단을 향하여 2방향으로 경사상태가 변화하고 있다. 따라서 외치의 다이어프램측의 이끝이 내치의 이끝에 간섭하는 것을 회피할 수 있을 뿐만 아니라, 양 톱니의 맞물림 상태를, 잇줄방향의 1개소의 단면 위 뿐만 아니라, 잇줄방향에 있어서도 광범위하게 형성할 수 있다. 잇줄방향의 각 위치에서 양 톱니가 적절하게 맞물리기 때문에, 파동기어장치의 하중용량을 높여서, 고하중 운전 시의 신뢰성을 높일 수 있다.

도1은, 컵형의 파동기어장치의 종단면도 및 정면도이다.
도2는, 컵 형상 및 실크햇 형상의 외치기어가 휘어진 상태를 나타내는 설명도로서, (a)는 변형 전의 상태를 나타내고, (b)는 타원모양으로 변형된 외치기어의 장축을 포함하는 단면의 상태를 나타내고, (c)는 타원모양으로 변형된 외치기어의 단축을 포함하는 단면의 상태를 나타낸다.
도3은, 치형의 잇줄방향의 임의의 축직각단면에 있어서의 양 기어의 상대운동을 랙에 의하여 근사하였을 경우에 얻어지는 이동궤적의 일례를 나타내는 설명도이다.
도4는, 외치의 잇줄방향의 각 위치를 나타내는 설명도 및 외치의 잇줄방향의 각 위치에서의 치형 형상을 나타내는 설명도이다.
도5는, 내치 치형에 대한 외치 치형의 맞물림의 상태를 나타내는 설명도로서, 개구측의 외치 외단으로부터 다이어프램측의 외치 내단까지의 5군데의 위치에서의 상태를 나타낸다.

이하에, 도면을 참조하여 본 발명을 적용한 파동기어장치(波動gear裝置)를 설명한다. 도1(a)는 본 발명을 적용한 컵형(cup型)의 파동기어장치의 일례를 나타내는 종단면도이고, 도1(b)는 그 정면도이다.

파동기어장치(1)는, 원환 모양의 강성의 내치기어(internal gear)(2)와, 그 내측에 동축(同軸)으로 배치된 가요성(可撓性)의 외치기어(external gear)(3)와, 이 내측에 끼워진 타원모양 윤곽의 파동발생기(4)를 갖고 있다. 내치기어(2)와 외치기어(3)는 동일 모듈(m)의 평기어(spur gear)이다. 또한 양 기어의 톱니 수의 차이는 2n(n은 양의 정수)이며, 내치기어(2)쪽이 많다. 외치기어(3)의 외치(外齒)(34)는, 타원모양 윤곽의 파동발생기(4)에 의하여 타원모양으로 휘어져서, 타원모양의 장축(L1) 방향의 양단부분에 있어서 내치기어(2)의 내치(內齒)(24)에 맞물려 있다.

파동발생기(4)를 회전시키면, 양 기어(2, 3)의 맞물림 위치가 둘레방향으로 이동되어, 양 기어의 톱니 수 차이에 따른 상대회전이 양 기어(2, 3)의 사이에 발생한다. 외치기어(3)는, 가요성의 원통모양 몸통부(31)와, 그 일단(一端)인 후단(後端)(3lb)에 연속하여 반경방향으로 넓어지는 다이어프램(diaphragm)(32)과, 다이어프램(32)에 연속되어 있는 강성의 원환 모양의 보스(boss)(33)와, 원통모양 몸통부(31)의 타단(他端)(전단(前端))인 개구단(開口端)(31a)측의 외주면 부분에 형성된 외치(34)를 구비하고 있다.

원통모양 몸통부(31)의 외치형성부분의 내주면 부분에 끼워진 타원모양 윤곽의 파동발생기(4)에 의하여, 원통모양 몸통부(31)는 그 다이어프램측의 후단(3lb)으로부터 개구단(31a)를 향하여 반경방향의 외측 혹은 내측으로의 휨량이 점차적으로 증가되고 있다.

도2는 컵 형상의 외치기어(3)를 타원모양으로 휘어지게 한 상태를 포함하는 단면을 나타내는 단면도로서, 도2(a)는 변형 전의 상태, 도2(b)는 변형 후에 있어서의 타원모양 곡선의 장축을 포함하는 단면, 도2(c)는 변형 후에 있어서의 타원모양 곡선의 단축을 포함하는 단면을 각각 나타내고 있다. 또 도2(a)∼도2(c)에 있어서의 파선은, 실크햇(silk hat) 형상의 외치기어(3A)를 나타낸다. 실크햇 형상의 외치기어(3A)는, 원통모양 몸통부(31)의 후단(3lb)으로부터 반경방향의 외측방향으로 다이어프램(32A)이 연장되어 있고, 그 외주단(外周端)에 원환 모양의 보스(33A)가 형성되어 있다. 외치기어(3A)의 외치형성부분의 휘어진 상태는, 컵 형상의 외치기어(3)와 동일하다.

도2(b)에 나타내는 바와 같이 타원모양 곡선의 장축(L1)을 포함하는 단면에서는 외측으로의 휨량이 후단(3lb)으로부터 개구단(31a)으로의 거리에 비례하여 점차적으로 증가하고 있고, 도2(c)에 나타내는 바와 같이 타원모양 곡선의 단축(L2)을 포함하는 단면에서는 내측으로의 휨량이 후단(3lb)으로부터 개구단(31a)으로의 거리에 비례하여 점차적으로 증가하고 있다. 따라서 개구단(31a)측의 외주면 부분에 형성되어 있는 외치(34)는, 그 잇줄방향에 있어서의 각 축직각단면에 있어서 휨량이 변화하고 있다. 즉 외치(34)의 잇줄방향에 있어서의 다이어프램측의 외치 내단(外齒內端)(34e)으로부터 개구단(31a)측의 외치 외단(外齒外端)(34a)을 향하여, 후단(3lb)으로부터의 거리에 비례하여 휨량이 점차적으로 증가하고 있다.

도3은 파동기어장치(1)의 양 기어(2, 3)의 톱니의 상대운동을 랙(rack)에 의하여 근사(近似)한 경우에 얻어지는, 내치기어(2)의 내치(24)에 대한 외치기어(3)의 외치(34)의 이동궤적을 나타내는 도면이다. 도면에 있어서, x축은 랙의 병진방향, y축은 이것과 직각인 방향을 나타낸다. 여기에서 외치기어(3)의 외치(34)의 잇줄방향에 있어서의 임의의 위치의 축직각단면에 있어서, 당해 외치(34)의 타원모양 림 중립선(rim 中立線)에 있어서의 장축(L1)의 위치에 있어서의 당해 외치(34)가 타원모양으로 휘어지기 전의 림 중립원(rim 中立圓)에 대한 휨량은, κ를 휨계수로 하여 2κmn이다.

도3에 있어서 y축의 원점은 이동궤적의 진폭의 평균위치로 되어 있다. 이동궤적 중에서 무편위 이동궤적(M1)은, 휨계수 κ=1인 편위 없음의 표준의 휘어진 상태인 경우에 얻어지는 것이고, 정편위 이동궤적(Mo)은, 휨계수 κ>1인 정편위의 휘어진 상태인 경우에 얻어지는 것이고, 부편위 이동궤적(Mi)은, 휨계수 κ<1인 부편위의 휘어진 상태인 경우에 얻어지는 것이다. 예를 들면 잇줄방향의 도중 위치의 축직각단면, 예를 들면 웨이브 베어링(wave bearing)의 볼(ball)(4a)의 중심을 통과하는 위치를 주단면(主斷面)이라고 부르는 것으로 한다. 이 주단면에 있어서 휨계수 κ=1의 무편위 이동궤적이 얻어지도록 휨량이 설정된다.

(양 톱니의 치형(齒形) 형상)

도4(a)는 외치기어(3)에 있어서의 외치(34)의 잇줄방향의 각 위치를 나타내는 설명도이고, 도4(b)는 내치(24) 및 외치(34)의 치형 형상을 나타내는 설명도이다. 도5는, 외치(34)의 각 위치(A∼E)에 있어서 내치(24)에 대한 외치(34)의 맞물림 운동의 상태를 나타내는 설명도이다.

우선 내치(24)의 치형 형상은, 그 잇줄방향에 있어서 동일하다. 예를 들면 도4(b)에 있어서 상상선으로 나타내는 바와 같이 내치(24)의 치형 형상은, 볼록곡선 치형부분 및 직선 치형부분으로 형성되는 어덴덤 치형부분(addendum 齒形部分)(51), 이것에 연속하는 직선 치형부분 및 오목곡선 치형부분으로 형성되는 디덴덤 치형부분(dedendum 齒形部分)(52) 및 이것에 연속하는 치저부분(tooth bottom 部分)(53)에 의하여 규정되어 있다.

외치(34)의 치형 형상은 다음과 같이 설정되어 있다. 예를 들면 잇줄방향의 외치 외단(34a)의 치형 형상은, 볼록곡선 모양의 어덴덤 치형부분(41), 이것에 매끄럽게 연속되는 오목곡선 모양의 외치 디덴덤 치형부분(42) 및 이것에 연속하는 치저부분(43)에 의하여 규정되어 있다. 외치(34)의 이끝(tooth tip)에는, 내치(24)의 사이에 소정의 정극(radial clearance)을 확보하기 위하여 평탄한 잇봉우리면(tooth crest)(44)이 형성되어 있다.

외치(34)에 있어서의 외치 외단(34a)으로부터 외치 내단(34e)에 이르는 각 부분의 치형 형상은, 다음과 같이 설정되어 있다. 외치(34)의 치저톱니두께(tooth-bottom tooth thickness)(D1)는, 외치 잇줄방향의 각 위치에서 동일하게 되어 있다. 외치(34)의 이끝톱니두께(tooth-tip tooth thickness)는, 외치 외단(34a)의 톱니두께(D2a)가 가장 두껍고, 외치 내단(34e)의 톱니두께(D2e)가 가장 얇아지게 되도록, 외치 잇줄방향을 따라 외치 외단(34a)으로부터 외치 내단(34e)을 향하여 직선 모양으로 점차적으로 감소하고 있다(잇봉우리면(44)의 폭이 점차적으로 감소하고 있다). 또한 피치점(pitch point)(P)에 있어서의 압력각(壓力角)은, 외치 외단(34a)의 압력각(αa)이 최소이고, 외치 내단의 압력각(αe)이 최대가 되도록, 외치 잇줄방향을 따라 외치 외단(34a)으로부터 외치 내단(34e)을 향하여 점차적으로 증가하고 있다.

또 치저톱니두께(D1)는 일정하지만, 외치 외단(34a)으로부터 외치 내단(34e)을 향하여 점차적으로 감소하도록 설정하여도 좋다. 예를 들면 치저톱니두께(D1)를, 잇줄방향을 따라 직선 모양 또는 볼록곡선 모양 혹은 오목곡선 모양으로 감소시켜도 좋다. 마찬가지로 이끝톱니두께를, 잇줄방향을 따라 볼록곡선 모양 혹은 오목곡선 모양으로 점차적으로 감소시켜도 좋다. 또한 외치(34)의 톱니높이(tooth depth)를 잇줄방향에서 변화시켜도 좋다.

예를 들면 잇줄방향에 있어서의 주단면의 위치(C)(볼 중심의 위치)에 있어서, 연속 맞물림이 가능한 외치(34) 및 내치(24)의 치형 형상을 설정한다. 예를 들면 앞에서 인용한 특허문헌2(일본국 공개특허공보 특개소63―115943호 공보), 특허문헌3(일본국 공개특허공보 특개소64―79448호 공보)에 기재되어 있는 바와 같이 외치의 랙 근사에 의한 운동궤적상의 맞물림의 한계점으로부터 소정 범위의 곡선부분을 발췌하고, 이 곡선부분의 상사곡선을 사용하여 양 톱니의 주요 치형 형상을 규정할 수 있다. 내치(24)의 치형 형상을 잇줄방향에 있어서 일정하게 한다. 외치(34)의 잇줄방향의 각 위치에 있어서의 휨량에 따라 외치(34)의 잇줄방향의 각 위치의 치형 형상을 수정한다. 즉 그 이끝톱니두께를, 외치 잇줄방향을 따라 외치 외단(34a)으로부터 외치 내단(34e)을 향하여 서서히 얇게 한다. 또한 외치(34)의 피치점(P)에 있어서의 압력각을, 외치 잇줄방향을 따라 외치 외단(34a)으로부터 외치 내단(34e)을 향하여 서서히 크게 한다.

또 상기의 예는 컵형의 파동기어장치이지만, 본 발명은 실크햇형의 파동기어장치에 대해서도 동일하게 적용할 수 있다.

Claims

강성의 내치기어(internal gear)와, 이 내치기어의 내측에 동축(同軸)으로 배치된 가요성의 외치기어(external gear)와, 이 외치기어의 내측에 끼워진 파동발생기(波動發生器)를 갖고,
상기 외치기어는, 가요성의 원통모양 몸통부와, 이 원통모양 몸통부의 후단(後端)으로부터 반경방향으로 연장되어 있는 다이어프램(diaphragm)과, 상기 원통모양 몸통부의 전단(前端)의 개구단(開口端)측의 외주면 부분에 형성된 외치(外齒)를 구비하고 있고,
상기 외치기어의 상기 원통모양 몸통부는 상기 파동발생기에 의하여 타원모양으로 휘어져서, 그 타원모양 곡선의 장축방향의 양단부에 있어서 상기 외치가 상기 내치기어의 내치(內齒)에 맞물려 있고,
타원모양으로 휘어진 상태에 있어서, 상기 외치는, 외치 잇줄방향을 따라, 상기 다이어프램측의 외치 내단(外齒內端)으로부터 상기 개구단측의 외치 외단(外齒外端)을 향하여, 상기 다이어프램으로부터의 거리에 비례하여 휨량이 증가하고 있고,
상기 내치의 치형(齒形) 형상은 내치 잇줄방향의 각 위치에 있어서 동일하고,
상기 외치의 치형 형상은,
그 이끝톱니두께(tooth-tip tooth thickness)가, 상기 외치 잇줄방향을 따라 상기 외치 외단으로부터 상기 외치 내단을 향하여 점차적으로 감소하고,
피치점(pitch point)에 있어서의 압력각(壓力角)이, 상기 외치 잇줄방향을 따라 상기 외치 외단으로부터 상기 외치 내단을 향하여 점차적으로 증가하도록 설정되어 있는 3차원 맞물림 치형을 갖는 파동기어장치.
제1항에 있어서,
상기 외치의 치저톱니두께(tooth-bottom tooth thickness)는, 상기 외치 잇줄방향의 각 위치에 있어서, 일정하거나 또는 상기 외치 외단으로부터 상기 외치 내단을 향하여 점차적으로 감소하고 있는 3차원 맞물림 치형을 갖는 파동기어장치.
제1항에 있어서,
상기 이끝톱니두께는, 상기 외치 잇줄방향을 따라 직선 모양 또는 볼록곡선 모양 혹은 오목곡선 모양으로 감소하고 있는 3차원 맞물림 치형을 갖는 파동기어장치.
제1항에 있어서,
상기 외치의 톱니높이는, 상기 외치 잇줄방향을 따라 변화되고 있는 3차원 맞물림 치형을 갖는 파동기어장치.