TWI518266B - 諧波式減速機構 - Google Patents

Description

諧波式減速機構

本發明係與減速機構有關，特別是指一種諧波式減速機構。

參閱第1圖所示，顯示US7178427B號諧波式減速機構的一圖式，包含一剛性內齒輪11、一穿設於該剛性內齒輪11的撓性外齒輪12、一穿設於該撓性外齒輪12的撓性軸承13、及一穿設於該撓性軸承13的波產生輪14，該波產生輪14轉動時係頂推撓性軸承13及撓性外齒輪12變形，以驅動該撓性外齒輪12依序在不同位置的嚙合齒和該剛性內齒輪11所相對應的嚙合齒嚙合，並藉由該剛性內齒輪11與撓性外齒輪12所設計的齒數差，來產生一減速傳動效用。

然而，由於該波產生輪14是呈橢圓形，被該波產生輪14帶動的撓性外齒輪12也呈橢圓狀，反觀該剛性內齒輪11為圓形狀，因此使得該撓性外齒輪12與剛性內齒輪11間真正有相互嚙合的地方只有兩個點，相互嚙合的齒數少，而具有每齒受力高、接觸壓力大、承受力矩大等缺陷。

而為使嚙合齒數增加，習知技術研究了非常多的齒型，以使嚙合的齒數增加，但是由於特殊的齒型的公齒15型和母齒16型間有很大的輪廓上的差異，反而使每一齒的接觸區域都不大，此導致齒面的接觸壓力變大而磨耗增加。例如：第2圖所示之US3996816B圖式、第3圖所示之US5456139B 圖式、第4圖所示之US4974470B圖式、第5圖所示之US4823638B圖式、第6圖所示之US8028603B圖式。

此外，第7圖所示之US8011273B圖式、及第8圖所示之JPU-1978165179圖式，其波產生輪14皆呈楕圓形，而同樣具有上述缺陷。

再者，第9圖所示之JPA-1994174018圖式、第10圖所示之JPA-1999094030圖式、及第11圖所示之JPU-19741405830圖式，其波產生輪14對應長軸141處的輪廓142仍是呈圓弧狀，且該圓弧半徑143小於長軸半徑144，所以被該波產生輪14帶動的撓性外齒輪12和剛性內齒輪11完全嚙合的區域只有兩個點(雖然有一圓弧狀的區域有相嚙合)，而同樣具有該撓性外齒輪12與剛性內齒輪11間相互嚙合的齒數少，具有每齒受力高、接觸壓力大、承受力矩大等缺陷。

緊接著，參閱第12、13圖所示之JPA-2012251603圖式，其波產生輪14的外輪廓係使用三個圓弧來模擬一楕圓，但因為其使用三圓孤的方式，其圓孤半徑為R1部份的α角只有5度，故該波產生輪的強度有限。

是以，如何發展出一種諧波式減速機構，其可解決上述的問題，即為本案發明的動機。

本發明之目的在於提供一種諧波式減速機構，主要使嚙合的齒數增加，使每一齒的節距誤差被平均而減少，而提高傳動精度。

本發明另一目的在於提供一種諧波式減速機構，主要使嚙合的齒數增加，以增加可傳動的扭力。

本發明再一目的在於提供一種諧波式減速機構，主要使波產 生輪的輪廓為一次微分連續，使撓性軸承可平滑轉動。

本發明又一目的在於提供一種諧波式減速機構，主要使剛性內齒輪各齒與撓性外齒輪各齒的齒形一致，使齒與齒的嚙合區域大，減少嚙合面上的接觸壓力。

本發明次一目的在於提供一種諧波式減速機構，主要避免剛性內齒輪與撓性外齒輪的各齒的尾端局部受力而產力的大力矩，造成齒的斷裂。

緣是，為了達成前述目的，依據本發明所提供之一種諧波式減速機構，包含：一剛性內齒輪，中空狀，其上設有為2(n+1)的齒數、及模數為m；一撓性外齒輪，中空狀，穿設於該剛性內齒輪中，並設有為2n的齒數、及與該剛性內齒輪模數m相同的模數m；一撓性軸承，中空狀，穿設於該撓性外齒輪中；一波產生輪，穿設於該撓性軸承中；其中，定義該撓性軸承內徑至該撓性外齒輪節徑間的厚度為t，該波產生輪之剖面的輪廓線由第一段曲線、第二段曲線、第三段曲線、及第四段曲線依序相接所圍成，且令該第一、三段曲線的曲率半徑為R，並滿足下列關係式：R=m(n+1)-t；該第一、三段曲線的圓心角為k度(角度量)，並滿足下列關係式：10<k≦60；另外，該第二、四段曲線能夠一次微分，且在該第二、四段曲線與該第一、三段曲線相接的端點能夠一次微分。第一段曲線及第三段曲線相對波產生輪的中心為對稱；而第二段曲線及第四段曲線相對波產生輪的中心為對稱。

較佳地，該剛性內齒輪與該撓性外齒輪的齒形在有效區域內齒形相同。

較佳地，該剛性內齒輪與該撓性外齒輪的各齒形為漸開線齒形。

較佳地，該第二、四段曲線為半楕圓形之等角比例壓縮。

較佳地，該第一、三段曲線的圓心角為k度(角度量)，並滿足下列關係式：20≦k≦40。較佳地，該波產生輪的第二、四段曲線為半楕圓形之等角比例壓縮，並以X²/R²+Y²/b²=1橢圓方程式的等角比例壓縮，R為該第一段曲線、或第三段曲線的曲率半徑，b為該波產生輪的短軸半徑。

有關本發明為達成上述目的，所採用之技術、手段及其他之功效，茲舉一較佳可行實施例並配合圖式詳細說明如後。

《習知》

11‧‧‧剛性內齒輪

12‧‧‧撓性外齒輪

13‧‧‧撓性軸承

14‧‧‧波產生輪

141‧‧‧長軸

142‧‧‧輪廓

143‧‧‧R1圓弧半徑

144‧‧‧長軸半徑

15‧‧‧公齒

16‧‧‧母齒

《本發明》

20‧‧‧剛性內齒輪

21‧‧‧齒

30‧‧‧撓性外齒輪

31‧‧‧齒

32‧‧‧節徑

t‧‧‧厚度

a‧‧‧長軸半徑

b‧‧‧短軸半徑

m‧‧‧模數

40‧‧‧撓性軸承

50‧‧‧波產生輪

51‧‧‧第一段曲線

52‧‧‧第二段曲線

53‧‧‧第三段曲線

54‧‧‧第四段曲線

R‧‧‧曲率半徑

511、531、55‧‧‧中心

k‧‧‧圓心角

521、541、512、532‧‧‧端點

α‧‧‧第一段曲線或第三段曲線的圓心角k的二分之一

第1圖係US7178427B號專利前案的一圖式。

第2圖係US3996816B號專利前案的一圖式。

第3圖係US5456139B號專利前案的一圖式。

第4圖係US4974470B號專利前案的一圖式。

第5圖係US4823638B號專利前案的一圖式。

第6圖係US8028603B號專利前案的一圖式。

第7圖係US8011273B號專利前案的一圖式。

第8圖係JPU-1978165179號專利前案的一圖式。

第9圖係JPA-1994174018號專利前案的一圖式。

第10圖係JPA-1999094030號專利前案的一圖式。

第11圖係JPU-19741405830號專利前案的一圖式。

第12圖係JPA-2012251603號專利前案的一圖式。

第13圖係JPA-2012251603號專利前案的另一圖式。

第14A圖係本發明的示意圖。

第14B圖係本發明的示意圖，顯示波產生輪的第二、四段曲線為半楕圓形之等角比例壓縮的狀態。

第15圖係本發明的示意圖，顯示第一、三段曲線的圓心角k等於60度的狀態。

第16圖係本發明的示意圖，顯示第一、三段曲線的圓心角k等於20度的狀態。

參閱第14A圖所示，本發明第一實施例所提供的一種諧波式減速機構，其主係由一剛性內齒輪20、一撓性外齒輪30、一撓性軸承40、及一波產生輪50所組成，其中：該剛性內齒輪20，中空狀，其上設有為2(n+1)的齒數、及模數為m；本實施例中，該剛性內齒輪20的各齒形為漸開線齒形。

該撓性外齒輪30，中空狀，穿設於該剛性內齒輪20中，並設有為2n的齒數、及與該剛性內齒輪20模數m相同的模數m；本實施例中，該撓性外齒輪30的各齒形為漸開線齒形，且該撓性外齒輪30與該剛性內齒輪20的齒形在有效區域內齒形相同，該有效區域是指該撓性外齒輪30與該剛性內齒輪20相互嚙和帶動的部分，而排除該撓性外齒輪30與該剛性內齒輪20的各齒21、31的齒頂與齒根。

該撓性軸承40，中空狀，穿設於該撓性外齒輪30中。

該波產生輪50，穿設於該撓性軸承40中，並令該波產生輪50的長軸半徑為a、短軸半徑為b。

其中，定義該撓性軸承40內徑至該撓性外齒輪30節徑32間的厚度為t，該波產生輪50之剖面的輪廓線由第一段曲線51、第二段曲線52、第三段曲線53、及第四段曲線54依序相接所圍成，且令該第一、三段曲線51、53的曲率半徑相同而皆為R，藉以使該第一、三段曲線51、53為一等曲率半徑的圓弧，同時讓該第一、三段曲線51、53的中心511、531位於該波產生輪50的中心55，即該第一、三段曲線51、53的曲率半徑R等於該波產生輪的長軸半徑a，並滿足下列關係式：R=m(n+1)-t，而b為該波產生輪的短軸半徑，b<R。而為使該撓性外齒輪30的承受負荷平衡，第一段曲線51及第三段曲線53相對波產生輪50的中心55為對稱；而第二段曲線52及第四段曲線54相對波產生輪50的中心55為對稱。該第一、三段曲線51、53的圓心角為k度(角度量)，並滿足下列關係式：10<k≦60，較佳為20≦k≦40；本實施例中，係舉該k=40為例，當然也可為如第15圖所示之k=60、或如第16圖所示之k=20。

另外，該第二、四段曲線52、54為一個曲率連續曲線，使得該第二、四段曲線52、54能夠一次微分，且在該第二、四段曲線52、54與該第一、三段曲線51、53相接的端點521、541、512、532能夠一次微分，使得該第二、四段曲線52、54的兩端點521、541之斜率和該第一、三段曲線51、53相接的兩端點512、532之斜率相同，即曲率連續。

以上所述即為本發明實施例各主要構件之結構及其組態說明。至於本發明的作動方式及功效作以下說明。

由於本發明特別將該波產生輪50之剖面的輪廓線由第一段曲線51、第二段曲線52、第三段曲線53、及第四段曲線54依序相接所圍成，且具有上述的結構限定，即將該第一、三段曲線51、53設計為一等曲率半徑R的圓弧而使其中心511、531位於該波產生輪50的中心55，並令該第一、三段曲線51、53的圓心角k=40等等結構限定，因此，該波產生輪50最終帶動該撓性外齒輪30轉動時，得以增加該撓性外齒輪30與該剛性內齒輪20兩者嚙合時的齒數，由於嚙合的齒數不只一齒，而且遠多於傳統的設計，故撓性外齒輪30與該剛性內齒輪20間的相對角度會由所有嚙合的齒來共同決定，而不會只依某一嚙合的齒的節距或齒形即予決定，使撓性外齒輪30與該剛性內齒輪20間的相對角度是由所有相互嚙合的齒21、31的節距相互平均之後的平均節距所決定。每一齒各會有其節距誤差，而此誤差也會導致傳動上的角度精度誤差，而經由所有相互嚙合的齒的誤差相互平均之後，誤差被平均而減少，而提高傳動精度。

再者，由於本發明得以增加該撓性外齒輪30與該剛性內齒輪20兩者嚙合時的齒數，在該撓性外齒輪30受負荷下，每一齒的受力相對於傳統的設計減少，因此有效提升該諧波式減速機構可傳動的扭力。

值得一提的是，由於本發明特別將該波產生輪50之剖面的輪廓線由第一段曲線51、第二段曲線52、第三段曲線53、及第四段曲線54依序相接所圍成，且該第二、四段曲線52、54能夠一次微分，以及在該第二、四段曲線52、54與該第一、三段曲線51、53相接的端點521、541、512、532能夠一次微分，因此，該撓性軸承40得以平滑轉動。

除此之外，由於本發明特別將該剛性內齒輪20與該撓性外齒 輪30的齒形為漸開線齒形設計，並使該剛性內齒輪20各齒21與撓性外齒輪30各齒31的齒形除了齒根及齒頂部分之外，其餘一致，因此得以該剛性內齒輪20與該撓性外齒輪30相互嚙合時齒21與齒31的嚙合區域大，以減少嚙合面上的接觸壓力，同時避免剛性內齒輪20與撓性外齒輪30的各齒21、31的尾端局部受力而產力的大力矩，造成齒的斷裂。

值得說明的是，該波產生輪50的第二、四段曲線52、54為半楕圓形之等角比例壓縮，如第14B圖所示，該第二、四段曲線52、54是以(X²/R²+Y²/b²=1)橢圓方程式的等角比例壓縮，因此，在該第二、四段曲線52、54中的任一點的座標為{X(θ),Y(θ)}，其中X(θ)=Rcos〔(θ-α)π/(π-2α)〕；Y(θ)=bsin〔(θ-α)π/(π-2α)〕；α為該第一段曲線51、或第三段曲線53的圓心角k的二分之一；R等於該波產生輪的長軸半徑，並滿足下列關係式：R=m(n+1)-t，而b為該波產生輪的短軸半徑，b<R。

綜上所述，此實施例及圖示僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以之限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應屬本發明專利涵蓋之範圍內。

20‧‧‧剛性內齒輪

21‧‧‧齒

30‧‧‧撓性外齒輪

31‧‧‧齒

32‧‧‧節徑

t‧‧‧厚度

a‧‧‧長軸半徑

b‧‧‧短軸半徑

40‧‧‧撓性軸承

50‧‧‧波產生輪

51‧‧‧第一段曲線

52‧‧‧第二段曲線

53‧‧‧第三段曲線

54‧‧‧第四段曲線

R‧‧‧曲率半徑

511、531、55‧‧‧中心

k‧‧‧圓心角

521、541、512、532‧‧‧端點

Claims (8)

1. 一種諧波式減速機構，包含：一剛性內齒輪，中空狀，其上設有為2(n+1)的齒數、及模數為m；一撓性外齒輪，中空狀，穿設於該剛性內齒輪中，並設有為2n的齒數、及與該剛性內齒輪模數m相同的模數m；一撓性軸承，中空狀，穿設於該撓性外齒輪中；一波產生輪，穿設於該撓性軸承中；其中，定義該撓性軸承內徑至該撓性外齒輪節徑間的厚度為t，該波產生輪之剖面的輪廓線由第一段曲線、第二段曲線、第三段曲線、及第四段曲線依序相接所圍成，且令該第一、三段曲線的曲率半徑為R，並滿足下列關係式：R=m(n+1)-t；該第一、三段曲線的圓心角為k度(角度量)，並滿足下列關係式：10<k≦60；另外，該第二、四段曲線能夠一次微分，且在該第二、四段曲線與該第一、三段曲線相接的端點能夠一次微分。
2. 如申請專利範圍第1項所述之諧波式減速機構，其中該剛性內齒輪與該撓性外齒輪的齒形在有效區域內齒形相同。
3. 如申請專利範圍第2項所述之諧波式減速機構，其中該剛性內齒輪與該撓性外齒輪的各齒形為漸開線齒形。
4. 如申請專利範圍第1項所述之諧波式減速機構，其中該第二、四段曲線為半楕圓形之等角比例壓縮。
5. 如申請專利範圍第1項所述之諧波式減速機構，其中該第一、三段曲線的圓心角為k度(角度量)，並滿足下列關係式：20≦k≦40。
6. 如申請專利範圍第1項所述之諧波式減速機構，其中該波產生輪的第二、 四段曲線為半楕圓形之等角比例壓縮，並以X²/R²+Y²/b²=1橢圓方程式的等角比例壓縮，R為該第一段曲線、或第三段曲線的曲率半徑，b為該波產生輪的短軸半徑。
7. 如申請專利範圍第6項所述之諧波式減速機構，其中該波產生輪的第二、四段曲線為中的任一點的座標為{X(θ),Y(θ)}；X(θ)=Rcos〔(θ-α)π/(π-2α)〕；Y(θ)=bsin〔(θ-α)π/(π-2α)〕；α為該圓心角k的二分之一。
8. 如申請專利範圍第1項所述之諧波式減速機構，其中該第一段曲線及第三段曲線相對波產生輪的中心為對稱；而該第二段曲線及第四段曲線相對波產生輪的中心為對稱。