TWI526638B

TWI526638B - Deceleration mechanism

Info

Publication number: TWI526638B
Application number: TW102142600A
Authority: TW
Inventors: jia-sheng Liang
Original assignee: Prodrives & Motions Co Ltd; Liang Chia Sheng
Priority date: 2013-11-22
Filing date: 2013-11-22
Publication date: 2016-03-21
Also published as: TW201520450A

Description

減速機構

本發明係有關於一種傳動結構，特別是關於一種減速機構。

行星齒輪結構及諧波傳動(harmonic drive)結構均為典型的習知同軸傳動結構。其中，諧波傳動結構的減速原理係由C.W.Musser於1955年所提出，並於1959年獲准第2906143號美國專利。諧波傳動結構之組成主要包含波產生器(wave generator)、柔輪(flex spline)及鋼輪(circular spline)三部分，依序由內而外同軸地設置。其中，波產生器係由橢圓形凸輪、外環以及二者之間設置之滾珠軸承所構成，並作為輸入軸；柔輪則是一杯狀之金屬彈性體，並在其外表面形成漸開線齒型，通常作為輸出軸；而鋼輪則是一環狀剛體，並在其內表面形成對應嚙合柔輪之齒型，且較柔輪之齒數多2齒，一般固定於外殼。當橢圓形凸輪(輸入軸)受驅動而開始轉動，長軸方向的兩端可將柔輪撐張，使柔輪外表面的齒與對應之鋼輪內表面的齒嚙合，並藉由柔輪與鋼輪的齒數差，產生減速傳動之效果。相對於傳統齒輪結構，諧波傳動結構主要有傳動比較大且範圍廣、同時嚙合的齒數多、傳動精度高、傳動效率高等優點。

然而，柔輪為了可被凸輪撐張須具備一定的可撓性，卻又必須具備一定之剛性方能支撐外表面的齒進行嚙合。惟柔輪藉由彈性變形進行動力之傳遞，其剛性難以提高，且隨著使用時間的增長，其變形精度亦可能劣化，故必需使用昂貴的特殊材料，且需要精密加工的齒輪，導致製造成本難以降低，並反應在高昂的產品價格上。

因此，針對上述習知諧波傳動結構之缺點，本發明提出一種減速機構，其無須使用可形變或可撓材料之柔輪以及精密加工的齒輪，即可展現與傳統諧波傳動結構類似的特性。

本發明之一態樣為一種減速機構，其組成包含一輸入軸，該輸入軸具有一軸部及一非正圓柱形式之波產生部；一承載環，該承載環上形成有複數承載孔，每一承載孔中設置有相對該承載環可活動之一滾子；以及一承窩環，其內表面具有複數承窩，每一承窩可容納至少一部分之一該滾子而使該承窩與該滾子得以彼此施力；在此減速機構中，該輸入軸之該波產生部、該承載環、與該承窩環依序由內而外同軸地設置，當所有滾子均與該波產生器抵接時，該等滾子中之至少一者最大地容納於該等承窩中之一者，且該等滾子中之至少另一者不容納於該承窩環之任一承窩(亦即不接觸或可自由滑動地接觸該承窩環)。

在上述本發明之態樣中，上述之滾子可為滾珠或滾柱，故上述之承窩可為與該等滾珠或滾柱具有相同或較大半徑之部分圓柱凹面，亦可能是V形溝或多邊形溝。此外，並可進一步設計為當所有滾子均與該波產生器抵接時，在該承載環上等分配置之Y個滾子完全推入Y個該等承窩中，且Y至少為2。例如，當Y為2時，亦即在該承載環上徑向相對之二滾子最大地容納於二承窩中，且在該承載環上徑向相對之另二滾子不容納於該承窩環之任一承窩。

本發明之另一態樣係基於前述態樣之減速機構，其中，假設該等承窩之數量為X，該等滾子之數量為Z，則較佳為滿足2*Z/Y=X/Y+1之關係。在此態樣中，若將該承載環設置為輸出軸，此時承載環將與輸入軸同向轉動，該減速機構之減速比為Y：(X+Y)；若將該承窩環設置為輸出軸，此時承窩環將與輸入軸反向轉動，該減速機構之減速比為Y：X。

本發明之又一態樣係基於前述各態樣之減速機構，其中該波產生部具有一曲面(spline)，該曲面係由連續之片段圓柱面組成，俾使該波產生器讓盡可能最多的滾子接觸該承窩環，使其推動承載環或承窩環更有效率。其中，該等片段圓柱面對應至少二不同之圓心軸及二不同之半徑。

本發明所提出之減速機構具有高減速比、體積更小、不受材料限制、無須精密之齒輪加工、及成本/效能比(cost/performance)相對較低等優點。根據上述本發明之意旨，其具體實施方式將詳述於後。

4‧‧‧動力源

10‧‧‧輸入軸

11‧‧‧軸部

12‧‧‧波產生部

20‧‧‧承載環

21‧‧‧承載孔

22‧‧‧滾子

30‧‧‧承窩環

31‧‧‧承窩

圖1(a)為本發明提出之減速機構之部分剖面圖，圖1(b)為該減速機構應用之剖面圖；圖2為本發明之減速機構之整體剖面圖；圖3為本發明以承載環為輸出軸之具體例的減速機構分解圖；圖4(a)為圖3之具體例組裝後垂直軸向的剖面圖，圖4(b)為圖3之具體例組裝後沿軸向的剖面圖；圖5為本發明之以承載環為輸出軸的減速機構之連續動作示意圖；圖6為本發明之以承載環為輸出軸的減速機構之連續動作細部示意圖；圖7為本發明以承窩環為輸出軸之具體例的減速機構分解圖；圖8(a)為圖7之具體例組裝後垂直軸向的剖面圖，圖8(b)為圖7之具體例組裝後沿軸向的剖面圖；圖9為本發明之以承窩環為輸出軸的減速機構之連續動作示意圖；圖10為本發明之波產生器的曲面剖面之一具體例；圖11(a)為本發明之波產生器的曲面剖面之另一具體例，圖11(b)則為圖11(a)中心部分之放大圖。

以下配合圖式說明本發明之具體實施方式，惟該等揭示內容僅為例示說明之用，並非意欲限定本發明之範圍及可能的變化。

圖1(a)為本發明提出之減速機構之部分剖面圖，圖1(b)為其應用之剖面圖。此減速機構主要包含一輸入軸10、一承載環20及一承窩環30。該輸入軸10包含一軸部11與一波產生部12。該軸部用於與一動力源4之輸出耦合，該動力源4可例如但不限於是一馬達；該波產生部12具有一非正圓柱面。該承載環20包含複數承載孔21，每個承載孔可置入一滾子22，該等滾子22可例如但不限於是滾珠或滾柱，該等承載孔可例如但不限於是圓孔或方孔。該等滾子22置於該等承載孔21中後，可相對於該承載環20移動，而該等滾子22相對於該等承載孔21之對應形狀、尺寸及間隙可由該領域具有通常知識者依實際需要與製程能力適當地設計。該承窩環30具有複數之承窩31，該等承窩31之尺寸與形狀係對應於該滾子22，使該滾子22之至少一部分可最大地容納於該承窩31中。此處所謂「容納」，係指滾子22與承窩31以可彼此施力之方式接觸，而其施力之效率則依二者相對位置或接觸方式而有差異。例如，在圖1(a)所示之結構中，該滾子22之一部分表面可大致密合地與該承窩31之表面接觸，亦即若滾子22為滾珠或滾柱，則承窩31可為具有相同或較大半徑之部分圓柱凹面(例如參見圖3及圖7)。在當圖1(a)中，位於1A處的滾子22與承窩31最密合，即滾子22最大地容納於承窩31之情形；相對地，位於1B處的滾子22與承窩31已無法彼此施力，即滾子22並未容納於承窩31之情形。又前文所謂「大致密合」，係指密合程度取決於例如機械加工之精度，故未必可達到完美密合之程度，此為該領域具有通常知識者所能理解而無不明確之情事。然而，圖1(a)僅為實施方式之一種，承窩31亦可能為具有V形剖面的V形溝或具有多邊形剖面的多邊形溝等，只要滿足後述本發明之運作機制，其形狀及尺寸可由該領域具有通常知識者依實際需要而加以改變。

在本發明所提出之減速機構中，如圖1(a)所示，該輸入軸10、該承載環20及該承窩環30依序由內而外相對一機構軸心同軸地配置。前段提及該輸入軸10之該波產生部12具有一非正圓柱面，係指該波產生部12環繞前述軸心之曲面與前述軸心之距離並非定值(例如參見圖10及後述對應之說明)。依據實際應用的需求，可在該承載環20與該承窩環30中選擇其一者作為固定環，另一者則作為輸出軸或與輸出軸耦合。於組裝完成之靜止狀態，該波產生部12藉由其曲面抵頂該等滾子22，使該等滾子22之至少一者的一部分最大地容納於一承窩31中；此外，該等滾子22之至少另一者則並未容納於任一承窩31中。以圖1(a)所繪之結構為例，基於輸入軸10之波產生部12的曲面設計，其中1A點為該曲面與該軸心距離最大之處，此處所抵頂之滾子22最大地容納於承窩31；而1B點則為該曲面與該軸心距離最小之處，此處所抵頂之滾子22並不容納於該承窩環30之任一承窩31。此外，在該曲面於1A點至1B點之間的圓弧上，其與該軸心之距離係逐漸變小，使對應之該等滾子22逐漸與承窩環30遠離；惟其逐漸變小之趨勢並無特定之限制，該領域具有通常知識者可依需求及製程可行性加以變化。

圖2所示為本發明之減速機構之整體剖面圖。其中，2A 點(共兩點)為完全推入點，波產生部12之曲面於此處與該軸心的距離最長，分別抵頂一滾子使其最大地容納於對應之承窩31。相對地，2B點(共兩點)為完全釋放點，波產生部12之曲面於此處與該軸心的距離最短，位於該等完全釋放點之滾子22並未容納於承窩環30的任一承窩31中。如前所述，在本發明中完全推入點較佳狀態為一點以上，然而為使受力較為平均，完全推入點之數目更佳為複數且於圓周上等分設置，例如圖2所示之完全推入點/完全釋放點為兩點且相對於圓周之兩端設置。

其次，在本發明之減速機構的結構中，為使其得以有效地運作，可對承窩31、完全推入點、承載孔21或滾子22的數目進行適當之配置。假設承窩31之數量為X、完全推入點之數量為Y及承載孔21或滾子22之數量為Z，則本發明之一較佳實施方式為滿足以下之設計規則：

(1)X/Y較佳為奇數；(2)(X-Y)/Y較佳為偶數；(3)Z/Y為偶數。

以圖2所示之結構為例，其承窩31之數量(X)為46、完全推入點之數量(Y)為2而承載孔21或滾子22之數量(Z)為24，符合上述之規則。

圖3所示為本發明之一具體例的分解圖，係承窩環30固定而以承載環20為輸出軸之減速機構，而圖4(b)為圖3之具體例組裝後沿軸向的剖面圖，圖4(a)則為圖3之具體例組裝後垂直軸向〔沿圖4(b)4A-4A〕的剖面圖；其中，承載環20之轉動方向與輸入軸10相同，其連續動作示意圖則繪於圖5(應注意該減速機構外側所繪之箭號係代表承載環20之方向)。為便於說明，圖6所示為本實施方式的連續動作細部示意圖，圖6中之編號代表各圖之順序。其中，當輸入軸10以逆時針方向旋轉時，其非正圓柱表面持續地向外推動數個滾子22，該等滾子22受到該輸入軸10的抵頂及承載孔21的限制，隨著該輸入軸10的轉動而依序滑入承窩31中；換言之，該等滾子22依序最大地容納於一承窩31中。當承窩環30固定時，滾子22因受到輸入軸10與承窩31的擠壓，將以逆時針方向推擠承載孔21，而承載環20便因承載孔21受推擠而與輸入軸10相同方向地轉動。

在圖3及圖4所示之承窩環30固定的減速機構中，承窩31之數量X、完全推入點之數量Y及承載孔21或滾子22之數量Z較佳為滿足以下的設計規則：2*Z/Y=X/Y+1，其中，係數2可理解為承載環20包含相同數目之承載孔21(或滾子22)與相鄰承載孔21之間的肋部。以圖4(a)所示之剖面圖為例，其承窩31之數量(X)為46、完全推入點之數量(Y)為2且承載孔21或滾子22之數量(Z)為24，即符合上式之要求。

此外，參照圖5與圖6所示之動作方式，假設承窩31之數量為X、完全推入點之數量為Y且承載孔21或滾子22之數量為Z，則在圖3之減速機構中，當輸入軸10旋轉一圈又Y個承窩31，承載環20(輸出軸)會旋轉Y個承窩31。故可計算出此結構之減速比R為：R=Y：(X+Y)。

圖7所示為本發明之另一具體例的分解圖，係承載環20固定而以承窩環30為輸出軸之減速機構，圖8(b)為圖7組裝後沿軸向的剖面圖，圖8(a)則為圖7組裝後垂直軸向〔沿圖8(b)之8A-8A〕的剖面圖；其中，承窩環30之轉動方向與輸入軸10相反，其動作分解圖則繪於圖9。當輸入軸10以逆時針方向旋轉時，其曲面持續地向外推動數個滾子22，該等滾子22受到該輸入軸10的抵頂及承載孔21的限制，隨著該輸入軸10的轉動而依序滑入承窩31中；換言之，該等滾子22依序最大地容納於一承窩31中。當承載環20固定時，滾子22因受到輸入軸10與承載孔21的擠壓，將以順時針方向推擠承窩31，而承窩環30便因承窩31受推擠而與輸入軸10相反方向地轉動。

在圖7及圖8所示之承載環20固定的減速機構中，承窩31之數量X、完全推入點之數量Y及承載孔21或滾子22之數量Z較佳為滿足以下的設計規則：2*Z/Y=X/Y+1。其中，係數2可理解為承載環20包含相同數目之承載孔21(或滾子22)與相鄰承載孔21之間的肋部。以圖8(a)所示之剖面圖為例，其承窩31之數量(X)為46、完全推入點之數量(Y)為2且承載孔21或滾子22之數量(Z)為24，即符合上式之要求。此外，參照圖9所示之動作方式，假設承窩31之數量為X、完全推入點之數量為Y且承載孔21或滾子22之數量為Z，則在圖6之減速機構中，當輸入軸10旋轉一圈，承窩環30(輸出軸)會旋轉Y個承窩31。故可計算出此結構之減速比S為：S=Y：X。

在本發明之具體實施方式中，輸入軸10之波產生部12的曲面並無特別之限定，僅須使前述減速機構得依本發明之意旨動作即可，該領域具有通常知識者當可自行設計其變化。然而，為使本發明之減速機構具有更高之效率，圖10揭示本發明之波產生部之曲面剖面的一具體例。在圖10中，波產生部之曲面係由連續之數個片段圓柱面所構成，其目的在於讓各位置之滾子盡可能地抵頂承窩環，使滾子得以更有效率地推擠承載孔或承窩31。在實際設計過程中，波產生部之曲面可藉由繪圖軟體以人工擬合之方式求出適當的各個片段圓柱面半徑及軸心位置；圖10中標示出各個片段圓柱面半徑與對應軸心位置之一實例，由於圖10之波產生部為左右對稱且上下對稱，故僅標示其中一象限之半徑數值。應注意的是，由圖10可看出，該等圓柱面片段之剖面並非以同一點為圓心；換言之，本發明中所謂「曲面」，並非以單一軸(例如前述機構軸心)作為軸心。圖11(a)、(b)則揭示波產生部的曲面之另一實例，此波產生部係配合直徑1.5mm之鋼珠所設計。其中，圖11(a)為波產生部之剖面圖，而圖11(b)則為圖11(a)中C部分之放大圖，可更清楚地看出各圓柱片段對應之圓心位置。

以上所述本發明之意旨及各具體實施方式僅為例示，並非窮盡列舉所有可能之變化。申請人或專利權人所欲主張之權利範圍如後述「申請專利範圍」所載，各請求項之文義及均等範圍內所為之改變或更動，均為本專利所涵蓋。