KR20100095380A

KR20100095380A - 파동 기어 장치

Info

Publication number: KR20100095380A
Application number: KR1020100014615A
Authority: KR
Inventors: 신 유에 창
Original assignee: 가부시키가이샤 하모닉 드라이브 시스템즈
Priority date: 2009-02-20
Filing date: 2010-02-18
Publication date: 2010-08-30
Also published as: CN101813167A; CN101813167B; US20100212446A1; US8215205B2; DE102010008418A1; JP2010190373A

Abstract

컵형 또는 "실크 햇"형 파동 기어 장치(1)에서, 가요성 외치 기어(3)의 림 두께(t)는, 가요성 외치 기어가 타원 형상으로 휜 상태에서 림의 중립 원의 장축 위치에서 측정된 반경 휨량을 d로 하면, 파동 기어 장치의 감속비(R)가 80 미만인 경우에는, (0.5237Ln(R)-1.32)d≤t≤(0.8728Ln(R)-2.2)d 및 감속비(R)가 80 이상인 경우에는, (1.5499Ln(R)-5.8099)d≤t≤(2.5832Ln(R)-9.6832)d를 만족한다. 외부 톱니(35)의 유효 톱니 폭(L)이 피치 원 직경의 21% 내지 30%의 범위 내의 값이다. 이와 같이 설정하면, 가요성 외치 기어의 하부 피로 한계 강도를 높일 수 있어, 파동 기어 장치(1)의 부하 용량을 향상시킬 수 있다.

Description

파동 기어 장치{WAVE GEAR DEVICE}

본 발명은, 컵 형상의 가요성 외치 기어를 구비한 컵형 파동 기어 장치 또는 "실크 햇(silk hat)" 형상의 가요성 외치 기어를 구비한 "실크 햇"형 파동 기어 장치에 관한 것이며, 보다 상세하게는, 가요성 외치 기어의 하부 피로 강도(bottom fatigue strength)를 높여 파동 기어 장치의 고강도화를 도모하기 위한 개량 기술에 관한 것이다.

파동 기어 장치(특허문헌 1: 미국 특허 제2906143호)는 최초 발명자 C. W. Musser에 의해 발명된 이래, 많은 연구자들에 의해 각종 발명이 고안되고 있다. 예를 들면, 특허문헌 2(일본 특허공고공보 소45-41171호), 특허문헌 3(일본 특허공개공보 평7-167228호)에 파동 기어 장치가 개시되어 있다.

전형적인 파동 기어 장치로서, 컵 형상 또는 "실크 햇" 형상의 가요성 외치 기어를 구비한 형식의 파동 기어 장치가 알려져 있다. 도 1은 컵 형상의 파동 기어 장치의 사시도 및 파동 기어 장치의 축에 수직한 단면을 도시하는 개략 단면 구성도이다. 도 2는 컵 형상의 가요성 외치 기어의 개구부를 타원 형상으로 휘게 한 상태를 도시하는 축을 통과한 단면으로서, (a)는 변형 전의 상태, (b)는 타원의 장축(major axis)을 포함하는 단면, (c)는 단축(minor axis)을 포함하는 단면이다. 또한, 도 2에는, "실크 햇" 형상의 가요성 외치 기어도 파선으로 도시한다.

이러한 도면에 도시한 바와 같이, 컵 형상의 파동 기어 장치(1)는, 고리 형상의 강성 내치 기어(2)와, 상기 내치 기어(2)의 내측에 동심 형상으로 배치된 컵 형상의 가요성 외치 기어(3)와, 상기 외치 기어(3)에 삽입된 타원형 윤곽의 파동 발생기(4)를 구비하고 있다. 컵 형상의 가요성 외치 기어(3)는 원통형의 몸통부(31)와, 그 일단에 연속하는 고리 형상의 다이어프램(32; diaphragm)과, 상기 다이어프램(32)의 중심부에 일체 형성된 고리 형상의 보스(33; boss)와, 몸통부(31)의 개구부(34)의 외주면에 형성된 외부 톱니(35)를 구비하고 있다.

"실크 햇" 형상의 가요성 외치 기어(3A)의 다이어프램(32A)은, 도 2에서 파선으로 도시한 바와 같이, 반경 방향 외측으로 확장된 고리 형상 플레이트이다. 상기 다이어프램(32A)의 외주 가장자리를 따라 고리 형상 보스(33A)가 일체적으로 형성되어 있다.

파동 발생기(4)는, 타원형의 강성 캠 플레이트(41; cam plate)와, 상기 캠 플레이트(41)의 외주면에 끼움결합된 웨이브 베어링(42; wave bearing)을 구비하고 있다. 웨이브 베어링(42)은 내측 레이스(42a; inner race), 외측 레이스(42b; outer race), 및 내측 및 외측 레이스 사이에 전동 가능하게 장착된 복수의 베어링 볼(42c; bearing ball)로 구성되어 있다. 내측 및 외측 레이스(42a, 42b)는 가요성이다.

가요성 외치 기어(3)는 파동 발생기(4)에 의해 타원형으로 휠 수 있으며, 상기 타원형의 장축(3a) 상에 위치하는 상기 외치 기어(3)의 외부 톱니(35)가, 강성 내치 기어(2)의 내부 톱니(21)의 대응 부분에 맞물린다. 컵 형상 또는 "실크 햇" 형상의 가요성 외치 기어(3(3A))는, 그 축에 수직한 단면에서, 다이어프램으로부터 개구부로의 거리로서 측정된 다이어프램으로부터의 거리에 실질적으로 비례한 휨량을 발생시키도록 반복하여 휘어진다. 가요성 외치 기어의 휨 변형을 "코닝(coning)"이라고 한다.

가요성 외치 기어는, 상기 외치 기어의 내측에 삽입된 타원 형상의 파동 발생기에 의해 타원 변형되면서, 강성 내치 기어와 맞물려 부하 하중을 전달한다. 따라서, 부하 용량을 높이기 위해서는, 가요성 외치 기어의 하부 피로 강도를 높일 필요가 있다. 가요성 외치 기어의 림(rim) 두께는, 그 하부 피로 강도에 영향을 미치는 중요한 요소이다. 특허문헌 4에는, 플랫형 파동 기어 장치에 있어서, 고리 형상의 가요성 외치 기어의 하부 피로 강도를 높이기 위해, 가요성 외치 기어의 림 두께를 최적화하는 설계가 제안되어 있다.

한편, 컵형 또는 "실크 햇"형 파동 기어 장치에서는, 상술한 바와 같이, 가요성 외치 기어의 외부 톱니가, 상기 외부 톱니 측면 방향으로 다이어프램으로부터의 거리에 실질적으로 비례한 휨량을 발생시키도록 휘어져, 강성 내치 기어의 내부 톱니에 맞물린다. 따라서, 파동 기어 장치의 부하 용량을 높이기 위해서는, 내부 톱니에 맞물리는 외부 톱니의 유효 톱니 폭(effective face width)을 최적화할 필요가 있다.

즉, 강성 기어가 서로 맞물리는 일반 기어 장치에서는, 외부 톱니의 톱니 폭이 넓을수록, 기어의 피로 강도가 높아진다. 이에 대해, 컵형 또는 "실크 햇"형의 파동 기어 장치에서는, 코닝이라고 하는 휨 변형이 반복되는 가요성 외치 기어의 외부 톱니가 강성 내치 기어의 내부 톱니에 3차원적으로 맞물린다. 이 때문에, 가요성 외치 기어의 외부 톱니의 톱니 측면 방향으로의 톱니 형상, 가요성 외치 기어에 대한 파동 발생기의 축방향 설치 위치 등에 따라, 가요성 외치 기어의 하부 피로 강도에 대한 톱니 폭의 영향이 달라진다. 톱니 폭을 넓히면 하부 피로 강도가 높아진다고는 할 수 없다. 톱니 폭을 무리하게 넓히면, 전체 톱니 폭에 걸쳐 양호한 톱니 측면 하중 분포를 얻을 수 없을 뿐만 아니라, 가요성 외치 기어의 강성이 높아져, 타원형으로 변형되기 어려워지므로, 오히려 가요성 외치 기어의 하부 피로 강도가 저하되는 역효과를 초래하기도 한다.

컵형 또는 "실크 햇"형 파동 기어 장치에 있어서, 그 가요성 외치 기어의 톱니 폭을 설계하기 위하여, 특허문헌 5(일본 실용신안공개공보 평4-128558호)에는, 외부 톱니가 형성된 부분의 톱니 측면 방향으로 측정된 길이를, 그 피치 원 직경의 24% 미만으로 제한하는 것이 제안되어 있다. 또한, 특허문헌 6(일본 특허공개공보 평10-159917호)에는, 파동 기어 장치의 편평화를 도모하기 위해, 외부 톱니가 형성된 부분의 톱니 측면 방향으로 측정된 길이를 그 피치 원 직경의 5 내지 14%의 범위 내의 치수가 되도록 짧게 하여, 톱니부에 인접한 몸통부에 얇은 부분을 형성하고, 짧게 한 외부 톱니와의 맞물림 불량을 회피하는 것이 제안되어 있다.

미국특허제2906143호 일본특허공고공보제4541171호 일본특허공개공보평7-167228호 일본특허공개공보제2008-180259호 일본실용신안공개공보평4-128558호 일본특허공개공보평10-159917호

컵형 또는 "실크 햇"형 파동 기어 장치의 고강도화를 도모하기 위해서는, 가요성 외치 기어의 림 두께의 최적화 및 강성 내치 기어에 대한 가요성 외치 기어의 맞물림의 최적화를 도모하는 것이 필요하다.

본 발명의 과제는, 상술한 점을 감안하여, 가요성 외치 기어의 림 두께 및 유효 톱니 폭의 최적화를 도모함으로써, 종래에는 얻을 수 없었던 고강도의 컵형 또는 "실크 햇"형 파동 기어 장치를 제공하는 데에 있다.

상기의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은,

고리 형상의 강성 내치 기어(internally toothed gear)와, 상기 강성 내치 기어의 내측에 배치된 고리 형상의 가요성 외치 기어(externally toothed gear)와, 상기 가요성 외치 기어를 타원 형상으로 휘어지게 하여 상기 강성 내치 기어에 부분적으로 맞물리게 함으로써, 상기 기어들의 톱니 맞물림 위치를 원주 방향으로 이동시키기 위한 파동 발생기를 가지며;

상기 가요성 외치 기어는, 원통형의 몸통부와, 상기 몸통부의 일단에 연속하여 반경 방향의 내측 또는 외측으로 연장되는 다이어프램(diaphragm)과, 상기 몸통부의 타단측의 개구부의 외주면(outer circumferential surface)에 형성된 외부 톱니를 구비한 컵 형상 또는 "실크 햇(silk-hat)" 형상이며;

상기 가요성 외치 기어는 상기 다이어프램으로부터 상기 개구부로의 거리로서 측정된 상기 다이어프램으로부터의 거리에 비례한 휨량을 발생시키도록, 상기 파동 발생기에 의해 타원 형상으로 휘어지는 파동 기어 장치로서,

타원 형상으로 휘어진 상기 가요성 외치 기어에 있어서의 림 중립 원(neutral circle of rim)의 장축 위치에서 측정된 반경 휨량을 d, 상기 파동 기어 장치의 감속비를 R로 하면,

상기 가요성 외치 기어의 림 두께 t는,

R＜80인 경우에는,

(0.5237Ln(R)-1.32)d≤t≤(0.8728Ln(R)-2.2)d

R≥80인 경우에는,

(1.5499Ln(R)-5.8099)d≤t≤(2.5832Ln(R)-9.6832)d

를 만족하며;

상기 외부 톱니의 유효 톱니 폭(effective face width)을 L, 상기 외부 톱니의 피치 원 직경(pitch circle diameter)을 PCD로 하면, 이들의 비 L/PCD가, 21% 내지 30%의 범위 내의 값인 것을 특징으로 한다. 여기서, 「유효 톱니 폭(L)」이란, 외부 톱니에 있어서의 양단의 모따기면과 선단 원통부 사이에서 교차하는 원 사이에서 톱니 측면 방향으로 측정된 길이를 의미한다.

상기 가요성 외치 기어의 재료 경도(HRC)를, 40 내지 50의 범위 내의 값으로 설정하는 것이 바람직하다.

또한, 상술한 바와 같이 외부 톱니의 유효 톱니 폭을 설정하는 경우에는, 가요성 외치 기어에 대한 파동 발생기의 축방향 설치 위치를, 개구부에 보다 인접한 가요성 외치 기어 측의 모따기면과 외부 톱니의 선단 원통부 사이에서 교차하는 원으로부터, 파동 발생기의 베어링 볼의 중심 위치까지 측정된 거리(L1)가 유효 톱니 폭(L)의 50 내지 65%의 영역 내가 되도록 설정하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 휨 변형 및 인장(引張) 변형되며, 반복 휨 변형(코닝)되는 컵형 또는 "실크 햇"형 파동 기어 장치에 있어서, 그 가요성 외치 기어의 림 두께를 상술한 바와 같이 설정함으로써, 상기 가요성 외치 기어의 하부 피로 강도를 높일 수 있다. 또한, 가요성 외치 기어의 외부 톱니의 유효 폭의 최적화를 도모함으로써, 기어의 림 두께의 최적화에 의해 하부 피로 강도를 높이는 결과를 얻을 수 있다.

그 결과, 본 발명에 따르면, 종래에 비해 큰 폭으로 부하 용량이 높은 컵형 또는 "실크 햇"형 파동 기어 장치를 실현할 수 있다.

도 1은 파동 기어 장치를 도시하는 사시도 및 개략 구성도이다.
도 2는 컵 형상 또는 "실크 햇" 형상의 가요성 외치 기어의 휨 상태를 도시하는 설명도이다.
도 3은 가요성 외치 기어의 림 두께를 도시하는 개념도이다.
도 4는 감속비와, 림 두께 및 반경 휨량의 비 사이의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 5는 림 두께와, 굽힘 응력 및 인장 응력 사이의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 6은 컵 형상의 가요성 외치 기어의 림 두께와, 피로 한계 부하 토크 사이의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 7은 "실크 햇" 형상의 가요성 외치 기어의 림 두께와, 피로 한계 부하 토크 사이의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 8은 컵형 파동 기어 장치의 반단면도(half-sectional view)이다.

이하에, 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 컵형 또는 "실크 햇"형 파동 기어 장치의 실시형태에 대하여 설명한다. 또한, 컵형 또는 "실크 햇"형 파동 기어 장치의 전체 구성은, 도 1, 도 2에 도시하는 일반적인 구성과 동일하다.

(가요성 외치 기어의 림 두께)

도 3은, 컵형 또는 "실크 햇"형 파동 기어 장치에서의 컵 형상 또는 "실크 햇" 형상의 가요성 외치 기어의 림 두께를 도시하는 개념도이다. 상기 도면에서, 림 두께는 "t"로 나타내는 부분의 두께이다. 타원형 파동 발생기(4)에 의해 타원 형상으로 휘어진 가요성 외치 기어(3)의 반경 휨량(d)은, 외부 톱니(35)의 톱니 측면 방향에서의 임의의 위치에서 기어(3)의 축에 수직한 축방향 수직 단면에서의 상기 림 중립 원에 있어서 타원 형상의 장축 위치에서 측정된 반경 휨량이다. 상기 반경 휨량(d)은, 가요성 외치 기어(3)와 강성 내치 기어(2)의 톱니 수의 차를 2n(n：양의 정수)으로 하고, 가요성 외치 기어(3)의 모듈을 m으로 하면 d와 동일, 즉 d=mn이다.

도 4는, 가요성 외치 기어(3)의 림 두께와, 종래 기술에 따른 일반적인 컵형 또는 "실크 햇"형 파동 기어 장치의 가요성 외치 기어의 림 두께를 도시하는 그래프이다. 상기 도면에서, F/S는 가요성 외부 기어를 나타낸다. 상기 그래프에 있어서, 가로축은 파동 기어 장치의 감속비(R)이며, 세로축은 림 두께(t)와 반경 휨량(d)의 비(t/d)이다.

상기 그래프에서, 파선(A0)은 종래의 파동 기어 장치에서의 감속비와 가요성 외치 기어의 림 두께의 관계를 도시하고 있다. 이에 대해, 파선(A1 내지 A4)은, 감속비와 본 발명에 의해 규정되는 가요성 외치 기어의 림 두께의 관계를 도시하고 있다. 파선(A1 내지 A4)은, 종래의 파선(A0)으로 도시한 림 두께의 설계치(to)에 대해, 각각, 림 두께를 20%, 45%, 60% 및 100% 증가시킨 경우를 도시한다.

파선(A1)은, 림 두께(t)의 하한을 규정한다. 감속비(R)가 80 미만인 파선(A1)의 부분은 식 1로 나타내며, 감속비(R)가 80 이상인 부분은 식 2로 나타낸다.

(식 1)

t/d=0.5237Ln(R)-1.32

(식 2)

t/d=1.5499Ln(R)-5.8099

파선(A4)은, 림 두께(t)의 상한을 규정한다. 감속비(R)가 80 미만인 선(A4)의 부분은 식 3으로 나타내며, 감속비(R)가 80 이상인 부분은 식 4로 나타낸다.

(식 3)

t/d=0.8728Ln(R)-2.2

(식 4)

t/d=2.5832Ln(R)-9.6832

따라서, 도 4에서 사선으로 나타낸 부분이 본 발명에 따른 림 두께(t)의 범위이다. 종래 설계 모델에 따른 림 두께의 약 120% 내지 200%의 범위 내의 림 두께가 본 발명에 따른 범위 내이다.

다음으로, 본 발명에 따른 림 두께(t)의 상한 및 하한의 임계적 의미에 대하여 설명한다.

도 5는, 가요성 외치 기어에 발생하는 굽힘 응력(σb), 인장 응력(σt) 및 굽힘 응력과 인장 응력의 합계 응력(σb＋σt)과 림 두께(t)와의 관계를 도시하는 그래프이다. 가로축은 가요성 외치 기어의 림 두께(t)와 종래 설계 모델의 림 두께(to)의 비(%)이다. 세로축은 굽힘 응력(σb), 인장 응력(σt), 합계 응력(σb＋σt)과 가요성 외치 기어의 피치 원 직경(PCD; pitch circle diameter)과의 비이다.

선(B1)으로 도시한 바와 같이, 굽힘 응력(σb)은 림 두께에 실질적으로 비례하여 증가하지만, 선(B2)으로 도시한 바와 같이, 인장 응력(σt)은 림 두께의 증가에 따라 감소한다. 이 때문에, 선(B3)으로 도시한 바와 같이, 합계 응력(σb＋σt)은, 림 두께가 종래 설계 모델의 림 두께의 약 160% 일 때까지는 감소하지만, 그 이후는 근소하게 점차적으로 증가하고 있다.

종래 설계 모델의 림 두께(가로축에서 100%의 위치)에서는, 합계 응력이 크고, 림 두께가 최적화될 수 없었다. 이에 대해, 본 발명의 범위(가로축에서 120% 내지 200%의 범위)에서는, 합계 응력이 최소가 되는 범위이므로, 림 두께가 최적화될 수 있음을 알 수 있다. 특히, 두께가 하한값인 120% 이하인 경우에는 합계 응력이 증가하고 있으므로, 림 두께(t)를 그 이상의 값으로 하는 것이 바람직함을 알 수 있다.

다음으로, 도 6은, 경도가 상이한 경우에 있어서, 컵 형상의 가요성 외치 기어의 림 두께를 증감시켰을 경우의 상기 가요성 외치 기어의 하부 강도의 계산 결과를 도시하는 그래프이다. 가로축은 도 5와 마찬가지로, 가요성 외치 기어의 림 두께(t)와 종래 설계 모델의 림 두께(to)의 비(%)이다. 세로축은 가요성 외치 기어의 하부 피로 한계 부하 토크와 정격 부하 토크의 비이다. 그래프에서, 곡선(C0)은 소재 경도(HRC)가 36인 경우, 곡선(C1)은 소재 경도(HRC)가 43인 경우, 곡선(C2)는 소재 경도(HRC)가 50인 경우를 나타낸다.

이러한 곡선으로부터 알 수 있는 바와 같이, 림 두께를 두껍게 하면 피로 한계 부하 토크가 증가하지만, 림 두께가 특정 값을 초과하면, 반대로 피로 한계 부하 토크가 감소된다. 본 발명의 범위(가로축에서 120% 내지 200%의 범위)에서의 피로 한계 부하 토크의 최대치가 나타남을 알 수 있다.

소재 경도(HRC)를 높게 하면, 피로 한계 부하 토크의 위치가 림 두께의 두꺼운 측으로 이동하며, 소재 경도(HRC)가 약 50이 되면, 그 최대값이 가로축에서 실질적으로 200%의 위치에 나타난다. 소재 경도(HRC)가 약 50을 넘는 소재를 이용하여, 반경 방향으로 가요성을 갖는 가요성 외치 기어를 가공하는 것은 현시점에서는 곤란하다. 따라서, 림 두께가 본 발명에서의 상한값인 200% 이하인 경우에는, 실용상 사용 가능한 경도의 소재를 이용하여, 그 피로 한계 부하 토크가 최대가 되도록 림 두께를 설정할 수 있다.

또한, 도 6의 그래프로부터, 림 두께를 상술한 바와 같이 규정하고, 종래에 일반적으로 사용된 HRC 36보다 높은 경도의 소재로 가요성 외치 기어를 제조함으로써, 피로 한계 부하 토크를 종래 설계 모델(도 6의 곡선(C0))에 비해 큰 폭으로 개선할 수 있음을 알 수 있다.

예를 들면, 도 4의 파선(A2)에 의해 도시하는 림 두께를 종래 설계 모델의 145%로 설정하고, 소재 경도(HRC)가 43인 소재를 사용했을 경우에는, 종래 설계 모델(소재 경도(HRC): 36)에 비해 피로 한계 부하 토크가 2배 이상 향상되는 것이 확인되었다.

도 7은, 도 6과 마찬가지로, "실크 햇" 형상의 가요성 외치 기어의 림 두께를 증감시켰을 경우의 상기 가요성 외치 기어의 하부 강도의 계산 결과를 도시하는 그래프이다. 그래프에서, 곡선(D0)은 소재 경도(HRC)가 36인 경우, 곡선(D1)은 소재 경도(HRC)가 43인 경우, 곡선(D2)은 소재 경도(HRC)가 50인 경우를 나타낸다.

이러한 곡선으로부터 알 수 있는 바와 같이, 림 두께를 두껍게 하면 피로 한계 부하 토크가 증가하지만, 림 두께가 특정 값을 초과하면, 반대로 피로 한계 부하 토크가 감소된다. 본 발명의 범위(가로축에서 120% 내지 200%의 범위) 내에서 피로 한계 부하 토크가 림 두께의 증가에 따라 증가한다. 소재 경도(HRC)를 높게 하면, 피로 한계 부하 토크의 위치가 림 두께의 두꺼운 측으로 이동한다. 소재 경도(HRC)가 약 50이 되면, 그 최대값이 가로축에서 실질적으로 260%의 위치에 나타난다. 소재 경도(HRC)가 약 50을 초과하는 소재를 이용하여, 반경 방향으로 가요성을 갖는 가요성 외치 기어를 가공하는 것은, 현시점에서는 곤란하며; 두께가 200%를 초과하는 경우에는 가요성 외치 기어의 강성이 너무 높아져서 실용적이지 못하다. 본 발명에 따르면, 림 두께가 본 발명에서의 상한값인 200%의 이하인 경우에는, 실용상 사용 가능한 경도의 소재를 이용하여, 그 피로 한계 부하 토크가 최대가 되도록 림 두께를 설정할 수 있다.

또한, 도 7의 그래프로부터, 림 두께를 상술한 바와 같이 규정하고, 종래에 일반적으로 사용된 HRC 36보다 높은 경도의 소재로 가요성 외치 기어를 제조함으로써, 피로 한계 부하 토크를 종래 설계 모델(도 7의 곡선(D0))에 비해 큰 폭으로 개선할 수 있음을 알 수 있다.

종래에는, 가요성 외치 기어의 소재 경도가 HRC 40이 될 때까지는, 가요성 외치 기어의 피로 한계 강도가 증가하고, 이 레벨을 초과하는 소재 경도의 소재를 이용하면, 반대로 피로 한계 강도가 저하하는 것으로 인식되었다. 그렇지만, 도 6, 도 7에 도시하는 바와 같이, 소재 경도를 HRC 40 이상으로 해도 가요성 외치 기어의 피로 한계 강도를 높일 수 있다는 것이 확인되었다. 본 발명자들에 의해 수행된 실험에 의하면, 본 발명에 따른 림 두께를 채용했을 경우에는, 소재 경도를 HRC 40 내지 50의 범위 내로 하는 것이 바람직함이 확인되었다. 특히, HRC 40 내지 43의 범위 내의 소재 경도의 소재를 이용하는 것이 바람직하다.

(외부 톱니의 유효 톱니 폭)

다음으로, 도 8을 참조하여, 가요성 외치 기어의 유효 톱니 폭에 대하여 설명한다. 가요성 외치 기어(3)의 외부 톱니(35)의 유효 톱니 폭을 L, 상기 외부 톱니(35)의 피치 원 직경을 PCD로 하면, 이들의 비(L/PCD)가, 21% 내지 30%의 범위 내로 설정된다. 유효 톱니 폭(L)은, 도 8에 도시하는 바와 같이, 외부 톱니(35)의 양단의 모따기면(36, 39)과 선단 원통부(37) 사이에서 교차하는 원(36a, 39a) 사이에서 톱니 측면 방향으로 측정된 길이이다.

이러한 유효 톱니 폭의 범위를 벗어난 톱니 폭을 갖는 가요성 외치 기어에서는, 상술한 바와 같이 림 두께(t)의 최적화를 도모하여도, 그에 따른 톱니 하부 피로 강도를 높이는 결과가 충분히 발휘되지 않는 경우가 있다. 본 발명에 따르면, 유효 톱니 폭을 최적화하여, 톱니 하부에서 림 두께를 최적화함으로써, 톱니 하부 피로 강도를 높이는 결과를 확실하게 얻을 수 있다.

가요성 외치 기어가 강성 내치 기어에 적절하게 맞물리도록, 파동 발생기의 축방향 설치 위치 및 외부 톱니의 톱니 측면 방향으로 형상을 적절하게 설정하는 것이 유효하다.

예를 들면, 도 8에 도시하는 바와 같이, 파동 발생기(4)의 축방향 설치 위치를 설정하는 것이 바람직하다. 개구부(34)에 보다 인접한 가요성 외치 기어(3)의 측의 모따기면(36)과 외부 톱니(35)의 선단 원통부(37) 사이에서 교차하는 원(36a)으로부터, 파동 발생기(4)의 베어링 볼(42c)의 볼 중심(42d)까지 측정된 거리(L1)가, 유효 톱니 폭(L)의 50 내지 65%의 영역 내가 되도록 설정하는 것이 바람직하다.

Claims

고리 형상의 강성 내치 기어(internally toothed gear)와, 상기 강성 내치 기어의 내측에 배치된 고리 형상의 가요성 외치 기어(externally toothed gear)와, 상기 가요성 외치 기어를 타원 형상으로 휘어지게 하여 상기 강성 내치 기어에 부분적으로 맞물리게 함으로써, 기어들의 톱니 맞물림 위치를 원주 방향으로 이동시키기 위한 파동 발생기를 가지며;
상기 가요성 외치 기어는, 원통형의 몸통부와, 상기 몸통부의 일단에 연속하여 반경 방향의 내측 또는 외측으로 연장되는 다이어프램(diaphragm)과, 상기 몸통부의 타단측의 개구부의 외주면(outer circumferential surface)에 형성된 외부 톱니를 구비한 컵 형상 또는 "실크 햇(silk-hat)" 형상이며;
상기 가요성 외치 기어는, 상기 다이어프램으로부터 상기 개구부로의 거리로서 측정된 상기 다이어프램으로부터의 거리에 비례한 휨량을 발생시키도록, 상기 파동 발생기에 의해 타원 형상으로 휘어지는 파동 기어 장치로서,
타원 형상으로 휘어진 상기 가요성 외치 기어에 있어서의 림 중립 원(neutral circle of rim)의 장축 위치에서 측정된 반경 휨량을 d, 상기 파동 기어 장치의 감속비를 R로 하면,
상기 가요성 외치 기어의 림 두께 t는,
R＜80인 경우에는,
(0.5237Ln(R)-1.32)d≤t≤(0.8728Ln(R)-2.2)d, 및
R≥80인 경우에는,
(1.5499Ln(R)-5.8099)d≤t≤(2.5832Ln(R)-9.6832)d
를 만족하며;
상기 외부 톱니의 유효 톱니 폭(effective face width)을 L, 상기 외부 톱니의 피치 원 직경(pitch circle diameter)을 PCD로 하면, 이들의 비 L/PCD가, 21% 내지 30%의 범위 내의 값인 것을 특징으로 하는 파동 기어 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 가요성 외치 기어의 재료 경도(HRC)를 40 내지 50의 범위 내의 값으로 설정하는 것을 특징으로 하는 파동 기어 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 몸통부의 개구부에 보다 인접한 상기 외부 톱니의 톱니 측면 방향으로 단부에 형성된 모따기면과, 상기 외부 톱니의 선단 원통부 사이에서 교차 위치를 규정하는 교차 원으로부터, 상기 외부 톱니의 톱니 측면 방향을 따라 상기 외부 톱니의 유효 톱니 폭(L)의 50 내지 65%의 범위 내에, 상기 파동 발생기의 베어링 볼의 중심이 위치하여 있는 것을 특징으로 하는 파동 기어 장치.