TWI535951B - Can enhance the transmission accuracy of the harmonic reducer - Google Patents

Description

可提升傳動精度之諧波減速機

本發明與諧波減速機有關，特別是指一種可提升傳動精度之諧波減速機。

諧波減速機是一種具有高減速比的減速裝置，在習知的結構配置上主要包含有一剛性內齒輪、一可轉動地設於剛性內齒輪內之撓性外齒輪，以及一可轉動地設於撓性外齒輪內之波產生器，當波產生器組裝於撓性外齒輪之後，撓性外齒輪會被波產生器之外周緣所推頂而變成橢圓形，藉此，當波產生器受到動力源之驅動而開始轉動時，剛性內齒輪與撓性外齒輪之間在波產生器之長軸處可以完全咬合，而在波產生器之短軸處會完全脫離，由於剛性內齒輪與撓性外齒輪之間有齒數的差異，所以當波產生器持續轉動時，此一齒數差異便能達到高減速比的效果，如此即可產生高力矩之輸出。

然而，由於撓性外齒輪在塞入波產生器之後會變成橢圓形，以至於撓性外齒輪之內環面在動力傳動的過程中會產生微動磨耗的現象，如此在長久使用之下會影響傳動精度，為了解決上述問題，日本實公平6-19872號專利案主要是在波產生器的軸承外環端面加工出一凹部，此一凹部與撓性外齒輪之寬度之間具有特定比例，使撓性外齒輪能藉由波產生器的端面凹部降低波產生 器在組裝時所產生的推力而減少微動磨耗的情況，但是在實際使用上所能改善的效果相當有限。

本發明之主要目的在於提供一種諧波減速機，其能有效改善微動磨耗現象且提升傳動精度。

為了達成上述目的，本發明之諧波減速機包含有一剛性內齒輪、一撓性外齒輪，以及一波產生器。該撓性外齒輪可轉動地設於該剛性內齒輪內；該波產生器可轉動地設於該撓性外齒輪內且具有一軸承與一設於該軸承內之橢圓輪，該軸承具有一外周緣，該外周緣抵接於該撓性外齒輪之內環面，而且，該外周緣 在YZ平面上的曲率半徑定義為R _GX ，，y _x 與z _x 之間滿 足以下橢圓參數式：

在前述參數式中，a_x為該軸承之外周緣在未塞入該橢圓輪時於YZ平面上的半長軸，ca _x 為半長軸修正係數，b _x 為該軸承之外周緣在未塞入該橢圓輪時於YZ平面上的半短軸，cb _x 為半短軸修正係數，θ為該波產生器之外周緣在YZ平面上的離心角。

更佳地，該波產生器之外周緣在XY平面上之曲率半徑 定義為R _GZ ，，x _z 與y _z 之間滿足以下橢圓參數式：

在前述參數式中，a_z為該波產生器之外周緣在XY平面上的半長軸，ca _z 為半長軸修正係數，b _z 為該波產生器之外周緣在XY平面上的半短軸，cb _z 為半短軸修正係數，θ為該波產生器之外周緣的離心角。

藉此，當該諧波減速機之波產生器的外周緣在經過前述參數式的修正之後會形成變曲率的弧面，使得該波產生器與該撓性外齒輪之間可以增加接觸面積而達到改善微動磨耗現象及提升傳動精度的目的。

10‧‧‧諧波減速機

20‧‧‧剛性內齒輪

22‧‧‧內環齒部

30‧‧‧撓性外齒輪

32‧‧‧外環齒部

34‧‧‧內環面

40‧‧‧波產生器

42‧‧‧軸承

44‧‧‧橢圓輪

46‧‧‧外周緣

第1圖為本發明之結構示意圖。

第2圖為本發明之波產生器在YZ平面之曲率修正示意圖。

第3圖為本發明之波產生器在XY平面之曲率修正示意圖。

第4圖為本發明之傳動誤差在曲率調整前後的曲線圖。

第5圖為本發明之遲滯誤差在曲率調整前後的曲線圖。

請先參閱第1-3圖，本發明之諧波減速機10包含有一剛性內齒輪20、一撓性外齒輪30，以及一波產生器40。

剛性內齒輪20具有一內環齒部22，撓性外齒輪30設置於剛性內齒輪20內且具有一外環齒部32，外環齒部32對應於剛性內齒輪20之內環齒部22。在此需要補充說明的是，剛性內齒輪20之內環齒部22的齒數比撓性外齒輪30之外環齒部32的齒數多了兩齒，而且，剛性內齒輪20與撓性外齒輪30之間具有相同的模數，在此所指的模數為齒輪的節徑除以齒數所得的商。

波產生器40設置於撓性外齒輪30內且具有一軸承42與一橢圓輪44，軸承42之外周緣抵接於撓性外齒輪30之內環面34，橢圓輪44設於軸承42內，當橢圓輪44受到動力源之驅動而開始轉動時會同步推動軸承42，接著軸承42之外周緣46會推頂撓性外齒輪30之內環面34，使撓性外齒輪30產生變形，藉此，剛性內齒輪20之內環齒部22與撓性外齒輪30之外環齒部32之間在波產生器40之長軸處可以完全咬合，而在波產生器40之短軸處會完全脫離，如此即能達到力矩輸出的效果。

為了增加波產生器40之軸承42的外周緣46與撓性外齒輪30之內環面34之間的接觸面積，本發明對波產生器40之外周緣46提出曲率修正，首先配合第2圖所示，波產生器40之外周緣46在YZ平面上的曲率半徑定義為R _GX ，，y _x 與z _x 之間滿足以下橢圓參數式(1)：y _x ={a _x +ca _x ×(sin(4θ-(π/2))+1)}×sin θ，0θ2π

z _x ={b _x +cb _x ×(sin(4θ-(π/2))+1)}×cos θ，0θ2π

在前述橢圓參數式(1)中，a _x 為波產生器40之軸承42的外周緣46在未塞入橢圓輪44時於YZ平面上的半長軸，ca _x 為半長軸修正係數，b _x 為波產生器40之軸承42的外周緣46在未塞入橢圓輪44時於YZ平面上的半短軸，cb _x 為半短軸修正係數，θ為波產生器40之外周緣46在YZ平面上的離心角。

接著再配合第3圖所示，波產生器40之外周緣46在XY平面上之曲率半徑定義為R _GZ ，，x _z 與y _z 之間滿足以下橢圓參數式(2)：x _z ={a _z +ca _z ×(sin(4θ-(π/2))+1)}×sin θ，0θ2π

y _z ={b _z +cb _z ×(sin(4θ-(π/2))+1)}×cos θ，0θ2π

在前述橢圓參數式(2)中，a _z 為波產生器40之外周緣46在XY平面上的半長軸，ca _z 為半長軸修正係數，b _z 為波產生器40之外周緣46在XY平面上的半短軸，cb _z 為半短軸修正係數，θ為波產生器40之外周緣46的離心角。

除了橢圓參數式(2)之外，波產生器40之外周緣46在YZ平面上之曲率半徑R _GX 還需要滿足下列幾個條件：當橢圓輪44在裝設於軸承42內之後，波產生器40之外周緣46呈橢圓形，所以R _GX 要滿足橢圓參數式(3)：

e=0.001×D _FX ~0.05×D _FX

在前述橢圓參數式(3)中，R _GX 為波產生器40之外周緣46在YZ平面上之曲率半徑，W為波產生器40之軸承42的寬度，D _FX 為撓性外齒輪30在變形前之內徑，e為弧形修正係數。

此外，當橢圓輪44在裝設於軸承42內之後，波產生器40未塞入橢圓輪前之外周緣46在YZ平面上的半長軸a _x 需要滿足方程式(2)：及方程式(3)：a _x =A+T，其中的D _FX 為撓性外齒輪30在變形前之內徑，A為橢圓輪44之半長軸，T為軸承42之厚度。

由上述可知，藉由橢圓參數式(1)~(3)及方程式(1)~(3)可以得到波產生器40在YZ平面與XY平面的曲率半徑R _GX 及R _GZ ，最後再由R _GX 及R _GZ 之間的關係而讓波產生器40之外周緣46能夠調整到最佳化的橢圓曲線，在調整之後即可增加波產生器40與撓性外齒輪30之間的接觸面積，以改善波產生器40在傳動過程中所產生的微動磨耗現象，再由第4圖及表一可以發現，在相同的實驗條件之下，傳動誤差方面相較於調整之前降低了約43.61%，而在遲滯現象方面(如第5圖及表二所示)，相較於調整之前降低了約62.67%，因此，本發明在經過曲率調整之後可以大幅提升傳動精度且降低遲滯誤差。

另一方面，本發明可以根據前述所得到的曲率半徑 R _GX 與R _GZ 而進一步計算出撓性外齒輪30與波產生器40之間的接觸 壓力值，首先由方程式(4)：及方程 式(5)：分別得到R _X 與R _Z ，其中的R _X 為波產生器40之 外周緣46在塞入橢圓輪44前於YZ平面上的曲率半徑，R _FX 為撓性外齒輪30在YZ平面之曲率半徑，R _Z 為波產生器40之外周緣46在XY平面上的曲率半徑，R _FZ 為撓性外齒輪30在XY平面之曲率半徑，接著 由方程式(6)：得到等效曲率半徑，接著配合等 效楊氏係數E、近似橢圓積分與橢圓參數k_e計算出橢圓形接觸面 積的長軸與橢圓形接觸面積的短軸b_e= ，其中的等效楊氏係數，近似橢圓積分 ，橢圓參數，W_Z為剛性內齒輪 20與撓性外齒輪30在嚙合時的接觸應力施加於波產生器40之外周緣46的力量，V _a 與E _a 為撓性外齒輪30的蒲松比及楊氏係數，V _b 與E _b 為 波產生器40的蒲松比及楊氏係數，最後再由方程式(7)： 即可得到接觸壓力值。

10‧‧‧諧波減速機

20‧‧‧剛性內齒輪

22‧‧‧內環齒部

30‧‧‧撓性外齒輪

32‧‧‧外環齒部

34‧‧‧內環面

40‧‧‧波產生器

42‧‧‧外周緣

Claims (4)

1. 一種可提升傳動精度之諧波減速機，包含有：一剛性內齒輪；一撓性外齒輪，可轉動地設於該剛性內齒輪內；以及一波產生器，可轉動地設於該撓性外齒輪內且具有一軸承與一設於該軸承內之橢圓輪，該軸承具有一外周緣，該外周緣抵接於該撓性外齒輪之內環面，該外周緣 在YZ平面上的曲率半徑定義為R _GX ， y _x 與z _x 之間滿足以下橢圓參數式： 其中的a _x 為該軸承之外周緣在未塞入該橢圓輪時於YZ平面上的半長軸，ca _x 為半長軸修正係數，b _x 為該軸承之外周緣在未塞入該橢圓輪時於YZ平面上的半短軸，cb _x 為半短軸修正係數，θ為該波產生器之外周緣在YZ平面上的離心角。
2. 如請求項1所述之可提升傳動精度之諧波減速機，其中該波產生器之外周緣在XY平面上之曲率半徑定義為 R _GZ ，，x _z 與y _z 之間滿足以下橢圓參數式： 其中的a _z 為該波產生器之外周緣在XY平面上的半長軸，ca _z 為半長軸修正係數，b _z 為該波產生器之外周緣在XY平面上的半短軸，cb _z 為半短軸修正係數，θ為該波產生器之外周緣的離心角。
3. 如請求項1或2所述之可提升傳動精度之諧波減速機，其中當該橢圓輪在裝設於該軸承內之前，該波產生器之外周緣在YZ平面上的半長軸與該撓性外齒輪之內徑之間成 立以下關係式：，其中D _FX 為該撓性外齒輪在變形 前之內徑，且該波產生器之外周緣在YZ平面上的半長軸、該橢圓輪之半長軸及該軸承之厚度之間成立以下關係式：a _x =A+T，其中的a _x 為該軸承之外周緣在未塞入該橢圓輪時於YZ平面上的半長軸，A為該軸承之內半徑，T為該軸承之厚度。
4. 請求項3所述之可提升傳動精度之諧波減速機，其中該波產生器之外周緣在YZ平面上之曲率半徑、該波產生器之軸承的寬度、該撓性外齒輪在變形前之內徑及弧形修正係數之間成立以下關係式： e=0.001×D _FX ~0.05×D _FX 其中的R _GX 為該波產生器之外周緣在YZ平面上之曲率半 徑，W為該波產生器之軸承的寬度，D _FX 為該撓性外齒輪在變形前之內徑，e為弧形修正係數。