KR20240051287A - 파동기어장치 - Google Patents

Abstract

파동기어장치(1)의 파동발생기(4)의 웨이브 베어링(7)은, 외치기어(3)에 일체로 형성된 외륜과, 웨이브 플러그(6)에 일체로 형성된 내륜과, 복수개의 원통롤러(71)를 구비하고 있다. 외륜일체형의 외치기어(3)와 내륜일체형의 웨이브 플러그(6)는, 슈퍼 엔지니어링 플라스틱으로 이루어지는 부품이다. 원통롤러(71)는 원주방향으로 등각도 간격으로 13개 이상의 홀수개 배치되고, 외치기어(3)의 휨량은 표준의 휨량보다도 크고, 외치(31), 내치(21)의 압력각은 20 degree 이하의 저압력각도이다. 원통롤러(71), 궤도면(36, 62)에 걸리는 응력을 작게 할 수 있고, 실용 가능한 부하토크영역에서의 사용에 있어서 손상이 발생하지 않는 플라스틱제의 궤도부를 구비한 파동발생기를 실현할 수 있다.

Description

파동기어장치

본 발명은, 웨이브 플러그(wave plug)의 외주면에 웨이브 베어링(wave bearing)이 장착된 구성의 파동발생기(波動發生器)를 구비한 파동기어장치(波動gear裝置)에 관한 것이다. 더 상세하게는, 파동발생기의 웨이브 베어링의 궤도부(軌道部)(내외륜(內外輪))를 플라스틱제(plastic製)의 부품으로 한 파동기어장치에 관한 것이다.

파동기어장치는, 강성의 내치기어와, 가요성의 외치기어와, 외치기어를 반경방향으로 휘게 하여 내치기어와 교합시키는 파동발생기의 3부품으로 구성된다. 파동발생기는, 비원형의 외주면을 구비한 웨이브 플러그와, 웨이브 플러그의 비원형 외주면에 장착된 웨이브 베어링으로 구성된다. 이 구성의 파동기어장치의 경량화 등을 목적으로 하여, 금속제의 부품을 플라스틱제의 부품으로 하는 것이 시도되고 있다. 특허문헌1에는, 웨이브 플러그, 외치기어 및 내치기어를 플라스틱제의 부품으로 한 파동기어장치가 제안되어 있다.

특허문헌1 : 일본국 공개특허 특개평5-332403호 공보

종래에 있어서는, 파동기어장치의 경량화를 도모하기 위하여, 웨이브 베어링의 구성부품인 궤도부(외륜 및 내륜)를 플라스틱제의 부품으로 하는 것에는 착목하고 있지 않다.

여기에서 파동기어장치의 파동발생기의 웨이브 베어링으로서, 웨이브 플러그의 회전을 따라 발생하는 파동운동을 원활하게 외치기어에 전하는 것이 할 수 있도록 궤도륜이 박육(薄肉)으로 된 박육베어링사양(薄肉bearing仕樣)의 것이 사용된다.

박육베어링사양의 파동발생기의 궤도부(외륜, 내륜)를 단순하게 플라스틱제의 부품으로 하면, 무부하(無負荷), 저부하(低負荷)시이더라도, 궤도부에 압흔(壓痕), 마모(磨耗), 피로박리(疲勞剝離) 등의 손상이 발생하여 버린다. 전동체로서 원통롤러를 사용하였다 하더라도, 궤도부에 마모, 용융(鎔融)이 발생한다. 또한 마모를 억제하기 위하여 윤활제 등을 고려하더라도, 궤도부의 피로박리가 발생한다.

본 발명의 목적은, 이러한 점을 감안하여, 웨이브 베어링의 궤도부를 플라스틱제의 부품으로 하여 경량화를 도모하면서, 궤도부의 손상을 회피하고, 실용 가능한 부하토크영역(負荷torque領域)에서 사용할 수 있는 파동발생기를 구비한 파동기어장치를 제공하는 것에 있다.

상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 파동기어장치에서는, 다음의 수단의 1개 혹은 복수를 조합시켜서 채용함으로써, 전동체 및 궤도부에 걸리는 응력을 작게 하고, 실용 가능한 부하토크영역에서의 사용에 있어서 궤도부에 손상이 발생하지 않도록 하고 있다.

파동발생기의 웨이브 베어링의 궤도부를 슈퍼 엔지니어링 플라스틱으로 형성한다.

전동체를 적절한 지름의 원통롤러로 하여, 원주방향으로 등각도 간격으로 13개 이상의 홀수개 배열한다.

외치기어의 휨량(타원량)을 표준의 휨량보다도 크게 한다.

외치 및 내치의 압력각을 20 degree 이하의 저압력각도로 한다.

또한 본 발명에서는, 궤도면에 이온결정성 층상화합물로 이루어지는 강고한 고체윤활막(이착막)을 형성하여 두고, 그리스 윤활을 병용함으로써, 실용 가능한 부하토크에서의 궤도부의 피로박리수명(疲勞剝離壽命)을 향상시키도록 하고 있다.

[도1a]본 발명을 적용한 파동기어장치를 나타내는 개략적인 종단면도이다.
[도1b]내치기어에 대한 외치기어의 교합상태를 나타내는 설명도이다.

이하에, 도면을 참조하여 본 발명을 적용한 실시형태에 관한 파동기어장치를 설명한다. 도1a, 도1b를 참조하여 설명하면, 파동기어장치(波動gear裝置)(1)는, 내치기어(內齒gear)(2)와, 이 내측에 동축(同軸)으로 배치된 컵형상(cup形狀)을 한 가요성(可撓性)의 외치기어(外齒gear)(3)와, 이 내측에 끼워 넣어진 파동발생기(波動發生器)(4)를 구비하고 있다. 내치기어(2) 및 외치기어(3)는 모두 모듈러스(modulus)가 m인 평기어(平gear)로서, 서로 교합(咬合) 가능하다. 외치기어(3)는, 외치(31)가 형성된 원통부(圓筒部)(32)와, 원통부(32)의 일단(一端)으로부터 반경방향의 내측으로 연장되는 다이어프램(diaphragm)(33)과, 다이어프램(33)의 내주 가장자리에 연속하여 형성된 원반(圓盤)모양의 보스(boss)(34)를 구비하고 있다. 외치기어의 원통부(32)에 있어서의 외치(31)가 형성되어 있는 개구측 부분(開口側 部分)(35)의 내측에 파동발생기(4)가 끼워 넣어져 있다.

외치기어(3)는 파동발생기(4)에 의하여 타원형상으로 휘어지고, 타원형상의 장축(Lmax)의 양단(兩端)의 부분에 위치하는 외치(31)가 내치기어(2)의 내치(21)와 교합하고 있다. 파동발생기(4)가 회전하면, 내치기어(2)에 대한 외치기어(3)의 교합위치가 원주방향으로 이동하고, 이들의 기어(2, 3)의 사이에는, 이들의 기어의 톱니수 차이에 따른 상대회전이 발생한다. 본 예에서는, 외치기어(3)가 타원형상으로 휘어져서 원주방향의 2군데에 있어서 내치기어(2)와 교합하기 때문에, 양 기어(2, 3)의 톱니수 차이는, 2n개(n:양의 정수), 예를 들면 2개이고, 내치기어(2)의 톱니수가 많다. 본 예에서는, 내치기어(2) 및 외치기어(3)는 각각 플라스틱 부품이다.

파동발생기(4)는, 축구멍(軸hole)을 구비한 원통모양의 허브(hub)(5)와, 허브(5)의 외주면에 장착된 웨이브 플러그(wave plug)(6)와, 웨이브 플러그(6)의 타원모양 외주면(61)에 장착된 웨이브 베어링(wave bearing)(7)을 구비하고 있다. 이들의 파동발생기(4)의 구성부품은 플라스틱 부품이다. 또한 본 예의 웨이브 베어링(7)은, 롤러 베어링(roller bearing)으로서, 외치기어(3)의 개구측 부분(35)의 내주면에 형성된 외륜측 궤도면(外輪側 軌道面)(36)과, 웨이브 플러그(6)의 타원모양 외주면(61)에 형성된 내륜측 궤도면(內輪側 軌道面)(62)과, 외륜측 궤도면(36) 및 내륜측 궤도면(62)의 사이에 형성되는 궤도홈(軌道groove)에 전동(轉動) 가능한 상태로 삽입되어 있는 복수개의 원통롤러(圓筒roller)(71)와, 원통롤러(71)를 원주방향에 있어서 등각도 간격으로 홀딩(holding)하고 있는 리테이너(retainer)(72)를 구비하고 있다. 이와 같이 본 예에서는, 웨이브 베어링(7)의 외륜이 외치기어(3)의 원통부(32)의 개구측 부분(35)에 일체로 형성되어 있고, 그 내륜이 웨이브 플러그(6)에 일체로 형성되어 있다. 웨이브 베어링(7)의 외륜 및 내륜을 각각 독립된 플라스틱 부품으로 할 수도 있다.

외치기어(3)의 내측에 있어서, 보스(34)에는 컵모양의 외륜홀더(外輪holder)(8)가 동축으로 고정되어 있다. 외륜홀더(8)와, 파동발생기(4)의 허브(5)의 축단부(軸端部)와의 사이에, 볼베어링(ball bearing)(9)이 장착되어 있다. 파동발생기(4)는, 볼베어링(9)을 통하여, 외치기어(3)의 보스(34)의 부분에 의하여 회전 가능한 상태로 지지되어 있다. 또한 외륜홀더(8) 및 볼베어링(9)의 내외륜도 플라스틱 부품으로 하는 것이 가능하다.

(웨이브 베어링)

파동발생기(4)의 웨이브 베어링(7)에 대하여 더 상세하게 설명한다. 우선 재질에 대하여 설명하면, 파동발생기(4)의 웨이브 베어링(7)의 외륜이 일체로 형성되어 있는 외치기어(3) 및 내륜이 일체로 형성되어 있는 웨이브 플러그(6)는, 모두 슈퍼 엔지니어링 플라스틱(super engineering plastic)으로 형성되어 있다. 웨이브 베어링(7)의 외륜 및 내륜이 독립된 플라스틱 부품인 경우에는, 적어도 외륜 및 내륜이 슈퍼 엔지니어링 플라스틱으로 형성된다.

슈퍼 엔지니어링 플라스틱으로서 예를 들면 다음의 것이 있다. 결정성 수지(結晶性 樹脂)로서, 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 액정폴리머(LCP), 불소수지(FR) 등이 알려져 있다. 또한 비결정성 수지(非結晶性 樹脂)로서, 폴리아릴레이트(PAR), 폴리술폰(PSU), 폴리아미드이미드(PAI), 폴리에테르이미드(PEI), 열가소성 폴리이미드(TPI) 등이 알려져 있다. 예를 들면 외륜일체형의 외치기어(3) 및 내륜일체형의 웨이브 플러그(6)의 재질을 PEEK, PAI, TPI 또는 PPS로 할 수 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 파동발생기(4)의 웨이브 베어링(7)의 궤도부, 즉 외륜측 궤도면(36) 및 내륜측 궤도면(62)이 형성되어 있는 부품을, 플라스틱 부품으로 하였을 경우에는, 무부하, 저부하시이더라도 궤도면에 압흔, 마모, 피로박리 등의 손상이 발생한다. 경량화를 도모하면서, 궤도면의 손상을 회피하여, 실용 가능한 부하토크영역에서 사용할 수 있는 파동발생기를 제공하기 위하여, 본 예에 있어서는, 다음과 같이 웨이브 베어링(7)을 구성하고 있다.

우선 웨이브 베어링(7)의 원통롤러(71)는, 외륜측 궤도면(36), 내륜측 궤도면(62)에 작용하는 응력(應力)의 저감화(低減化) 등을 위하여, 그 롤러지름이 큰 것이 바람직하다. 한편 파동발생기(4)의 웨이브 플러그(6)의 회전에 따라 외치기어(3)에 발생하는 파동운동(波動運動)이, 웨이브 플러그(6)로부터 외치기어(3)에 원활하게 전달되도록 하기 위해서는, 원주방향으로 등각도 간격으로 소정의 개수 이상의 원통롤러(71)를 배치하는 것이 바람직하다. 본 예에서는, 원통롤러(71)의 개수를 13개 이상의 홀수개로 하여, 원통롤러(71)를, 리테이너(72)에 의하여 원주방향으로 등각도 간격의 위치에 홀딩하고 있다. 필요 개수의 원통롤러(71)를 배치하기 위하여, 원통롤러(71)의 롤러지름을 D, 타원모양으로 휘어지기 전의 웨이브 베어링(7)의 궤도홈 직경을 PCD라 하면, D ≤ PCD×0.2 로 하고 있다.

또한 본 예에서는, 외륜두께, 즉 외륜일체형의 외치기어(3)의 개구측 부분(35)을 가능한 한 두껍게 하고, 타원량(楕圓量)(외치기어(3)의 휨량:df)을 속도비(速度ratio)에 관계없이,

df ≥ 톱니수 차이(2n)×톱니의 모듈러스(m) 로 하고 있다.

이에 따라 무부하시의, 부하율(롤링 베어링의 하중분포를 나타내는 부하권(負荷圈, load zone)의 범위를 나타낸다)을 크게 할 수 있어, 부하시이더라도 래디얼 하중의 저하를 도모할 수 있다.

또한 내치기어(2)의 내치(21) 및 외치기어(3)의 외치(31)의 각각의 톱니의 압력각(壓力角)(또는, 평균 압력각)을, 20 degree 이하의 저압력각(低壓力角)으로 하고 있다. 이에 따라 부하시의 래디얼 하중을 저감할 수 있다.

다음에 웨이브 베어링(7)에 있어서, 전동체를 상기한 바와 같이 원통롤러(71)로 하였을 경우에 있어서도, 외륜측 궤도면(36), 내륜측 궤도면(62)에 마모, 용융(鎔融)이 발생할 우려가 여전히 있다. 또한 윤활제 등을 고려함으로써 궤도면의 마모를 억제할 수 있었다 하더라도, 궤도면에 피로박리가 발생할 우려가 있다. 이러한 폐해를 확실하게 회피하기 위해서는, 내륜측 궤도면(62) 및 외륜측 궤도면(36)에는, 이온결정성 층상화합물(ion結晶性 層狀化合物)의 미소분체(微小粉體)로 이루어지는 고체윤활막(固體潤滑膜)을 형성하여 두는 것이 바람직하다. 이온결정성 층상화합물로서는, 2황화 몰리브덴(MoS₂), 황화 텅스텐(WS₂) 등을 사용할 수 있다. 예를 들면 이러한 이온결정성 층상화합물의 미소분체를, 숏피닝(shot peening) 또는 연질인 피혁의 버핑(buffing) 등에 의하여 궤도면에 문질러 바름으로써, 고체윤활막으로서 강고(强固)한 이착막(移着膜)을 궤도면에 형성할 수 있다. 이에 따라 궤도면표면 부근의 전단응력의 저하를 도모할 수 있다. 이에 더하여, 그리스(grease) 윤활을 병용함으로써, 외륜측 궤도면(36), 내륜측 궤도면(62)의 마모, 용융의 발생을 확실하게 방지할 수 있다.

(기타의 실시형태)

상기한 예는, 본 발명을 컵형(cup型)의 파동기어장치에 적용한 것이다. 본 발명은, 실크햇 형상의 외치기어를 구비한 실크햇형(silk hat型)의 파동기어장치 및 원통모양의 외치기어를 구비한 플랫형(flat型)의 파동기어장치의 각각의 파동발생기에 대해서도, 마찬가지로 적용 가능하다.

Claims (10)

1. 가요성(可撓性)의 외치기어(外齒gear)를 비원형(非圓形)으로 휘게 하고, 강성(剛性)의 내치기어(內齒gear)에 대하여 부분적으로 교합(咬合)시킨 상태를 형성하는 파동발생기(波動發生器)를 구비하고, 상기 파동발생기는, 비원형 외주면을 구비한 웨이브 플러그(wave plug)와, 이 웨이브 플러그의 상기 비원형 외주면에 장착되는 웨이브 베어링(wave bearing)을 구비하고 있는 파동기어장치(波動gear裝置)에 있어서,
   상기 웨이브 베어링은,
   외륜(外輪)과,
   내륜(內輪)과,
   상기 외륜의 내주면에 형성된 외륜측 궤도면(外輪側 軌道面)과 상기 내륜의 외주면에 형성된 내륜측 궤도면(內輪側 軌道面)과의 사이에 전동(轉動) 가능한 상태로 삽입되어 있는 복수개의 전동체(轉動體)를
   구비하고 있고,
   상기 외륜 및 상기 내륜은, 각각 슈퍼 엔지니어링 플라스틱(super engineering plastic)으로 이루어지는 부품인 파동기어장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 외륜은 상기 외치기어에 일체로 형성되어 있고,
   상기 외치기어는, 상기 슈퍼 엔지니어링 플라스틱으로 이루어지는 부품인 파동기어장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 내륜은 상기 웨이브 플러그에 일체로 형성되어 있고,
   상기 웨이브 플러그는, 상기 슈퍼 엔지니어링 플라스틱으로 이루어지는 부품인 파동기어장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 전동체는, 원통롤러(圓筒roller)이고,
   상기 원통롤러는, 원주방향으로 등각도 간격으로 배치되어 있고,
   상기 원통롤러의 개수는, 13개 이상의 홀수개이고,
   상기 원통롤러의 롤러지름을 D라 하고, 상기 비원형으로 휘어지기 전의 상기 웨이브 베어링의 궤도홈 직경을 PCD라 하면,
   D ≤ PCD×0.2 인 파동기어장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 내치기어 및 상기 외치기어는 모듈러스(modulus)가 m인 기어이고,
   상기 내치기어와 상기 외치기어의 톱니수 차이는, n을 양의 정수라 하면 2n이고,
   상기 외치기어는 상기 파동발생기에 의하여 타원형상으로 휘어져 있고,
   상기 타원형상의 타원량(楕圓量)인 상기 외치기어의 휨량을 df라 하면,
   df ≥ 2n×m 인 파동기어장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 내치기어 및 상기 외치기어의 각각의 톱니의 압력각(壓力角)은 20 degree 이하의 저압력각(低壓力角)인 파동기어장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 내륜측 궤도면 및 상기 외륜측 궤도면에는, 이온결정성 층상화합물(ion結晶性 層狀化合物)의 미소분체(微小粉體)로 이루어지는 이착막(移着膜)이 형성되어 있는 파동기어장치.
8. 제7항에 있어서,
   상기 내륜측 궤도면 및 상기 외륜측 궤도면에는 그리스(grease)가 도포되어 있는 파동기어장치.
9. 제5항에 있어서,
   상기 내치기어 및 상기 외치기어의 각각의 톱니의 압력각은 20 degree 이하의 저압력각이고,
   상기 외륜은 상기 외치기어에 일체로 형성되어 있고,
   상기 내륜은 상기 웨이브 플러그에 일체로 형성되어 있고,
   상기 외치기어 및 상기 웨이브 플러그는, 각각 상기 슈퍼 엔지니어링 플라스틱으로 이루어지는 부품이고,
   상기 전동체는, 원통롤러이고,
   상기 원통롤러는, 원주방향으로 등각도 간격으로 배치되어 있고,
   상기 원통롤러의 개수는, 13개 이상의 홀수개이고,
   상기 원통롤러의 롤러지름을 D라 하고, 상기 비원형으로 휘어지기 전의 상기 웨이브 베어링의 궤도홈 직경을 PCD라 하면,
   D ≤ PCD×0.2 인 파동기어장치.
10. 제9항에 있어서,
    상기 내륜측 궤도면 및 상기 외륜측 궤도면에는, 이온결정성 층상화합물의 미소분체로 이루어지는 이착막이 형성되어 있음과 아울러, 그리스가 도포되어 있는 파동기어장치.