TWI703285B - 可撓性外齒齒輪及諧波齒輪裝置 - Google Patents

Abstract

一種諧波齒輪裝置(1)的可撓性外齒齒輪(3)，係具備：可朝向半徑方向彎折的圓筒狀本體部(11)；以固定間距形成在其外周面的外齒(14)；溝部(17)；以及連續於溝部(17)的延長溝部分(17b)，該溝部(17)是在圓筒狀本體部(11)的內周面(18)，沿著其周方向，以與外齒相同的間距來形成。溝部(17)係為：以外齒(14)之齒頂中心線為中心的波形剖面形狀的溝部，且朝向外齒(14)的齒幅方向延伸。可維持其易彎性、以及維持承受因嚙合所引起之接線力的齒形形狀，增加齒底厚度，可提高可撓性外齒齒輪的齒底疲勞強度。

Description

可撓性外齒齒輪及諧波齒輪裝置

本發明係關於一種諧波齒輪裝置的可撓性外齒齒輪。

做為諧波齒輪裝置，如專利文獻1、2、3中所記載般，以可撓性外齒齒輪呈杯形的杯型諧波齒輪裝置、呈禮帽形的禮帽型諧波齒輪裝置、以及呈圓筒狀的扁平型諧波齒輪裝置最為人所知。在諧波齒輪裝置中，可撓性外齒齒輪係被諧波產生器彎折成非圓形，例如為橢圓形，並局部嚙合於剛性內齒齒輪，當諧波產生器旋轉，兩齒輪的嚙合位置就會朝向圓周方向移動。

在諧波齒輪裝置中，可撓性外齒齒輪的齒底疲勞強度是和：因為橢圓形的彎折(彎曲)變形所產生之可撓性外齒齒輪的齒底部的拉伸應力、以及因為負荷扭矩所產生之齒底部的拉伸應力有關，該可撓性外齒齒輪的各部分係被諧波產生器反覆朝向半徑方向彎折。在現行的諧波齒輪裝置中，考量到雙方的影響，係將可撓性外齒齒輪的 齒底厚度設定在適當的厚度。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]JP2013-177938A

[專利文獻2]JP2012-072912A

[專利文獻3]JP2009-257510A

在諧波齒輪裝置中，為了提昇其可撓性外齒齒輪的齒底疲勞強度，若只是增加齒底厚度的話，負荷扭矩所引起的拉伸應力雖會減少，但卻會增加因為彎曲變形所產生的彎曲應力。所以，單單只有增加齒底厚度對於提昇疲勞強度的幫助是有限的。

例如，在現行的諧波齒輪裝置中，若以其可撓性外齒齒輪的齒底厚度、因彎曲變形所引起的彎曲應力、以及齒底疲勞強度為基準的話，則在將該齒底厚度設定成1.2倍與1.4倍時之因彎曲變形所引起的彎曲應力比、以及齒底疲勞強度比，就會如下表般產生變化。

如此一來，諧波齒輪裝置的可撓性外齒齒輪，若只有增加齒底厚度，則對其疲勞強度的提昇有限。

本發明的課題即為提供一種諧波齒輪裝置的可撓性外齒齒輪，其係可維持其易彎折性，並且可維持其承受因嚙合所引起之接線力的齒形形狀，增加齒底厚度、可提高齒底疲勞強度。

此外，本發明的課題又提供一種諧波齒輪裝置的可撓性外齒齒輪，其係在提高齒底疲勞強度的同時，又可改善與諧波產生器的軸承外周面之間的接觸部的潤滑狀態。

根據本發明，一種諧波齒輪裝置的可撓性外齒齒輪，其係被諧波產生器朝半徑方向彎折，而局部嚙合於剛性內齒齒輪，其特徵為：具備：可朝向半徑方向彎折的圓筒狀本體部；外齒，該外齒係沿著該外周面的周方向，以固定間距形成在圓筒狀本體部的外周面；溝部，該溝部係在圓筒狀本體部的內周面，沿著該內周面的周方向，以和外齒相同的間距來形成。溝部係為：以外齒的齒頂中心線為溝部中心線的波形剖面形狀的溝部，在圓筒狀 本體部的內周面，從開口端一直到對應外齒之膜片側的齒幅方向端的位置為止，朝向外齒的齒幅方向延伸。並且，在圓筒狀本體部的內周面係形成有延長溝部分，該延長溝部分係連續於溝部，且形成到達膜片之中途位置為止之間，對溝部而言，其溝深度以及溝寬度係為漸減。

本發明的可撓性外齒齒輪，係在對應於各外齒之內周面的部位形成溝部，所以，該可撓性外齒齒輪易於朝向半徑方向彎折。因此，和內周面沒有形成溝部的可撓性外齒齒輪相較，即使增加齒底厚度，也可以維持相同程度的易彎性，可抑制因為彎曲變形所引起的拉伸應力的增加，故可提昇疲勞強度。

此外，藉由形成在可撓性外齒齒輪之內周面的溝部，可維持該可撓性外齒齒輪的易彎性，所以不須要再多加改變形成在外周面之外齒的齒形形狀。因為可以增加齒底厚度，可選用適當的形狀來做為外齒的齒形形狀，所以，外齒因為與剛性內齒齒輪之間的齒輪嚙合之接線力所引起的變形較小。

甚至，還形成有延長溝部分，該延長溝部分是連續於溝部，以其溝深度、以及溝寬度為漸減的方式來形成。藉由如此，即可消除或降低因為溝部的設置對於圓筒狀本體部與膜片的影響。

在上記溝部，當將外齒的齒底部中立線徑設為d1，外齒的齒底圓徑設為d2時，則從溝部中心線上之內周面起的深度D以如下為佳： (3d1+d2)/4≦D≦(d1+3d2)/4

溝部的深度D愈大，則可撓性外齒齒輪愈易彎折，外齒之齒根的應力集中係數變小。當深度D小於上記範圍，在增加齒底厚度時，就無法維持可撓性外齒齒輪朝向半徑方向的易彎性，幾乎無法提昇該齒底疲勞強度，所以不適當。相反地，當深度D大於上記範圍時，因為兩齒輪之嚙合的接線力，波形的一齒變得易彎折，彈簧定數下降，棘輪扭矩也大幅度降低，不適於實際使用。

而當溝部的深度是如上記般設定時，溝部的波形剖面形狀以由：第1圓弧；以及第2圓弧來決定為佳，該第1圓弧是朝向半徑R1之半徑方向的外側凸出，該半徑R1是以溝部中心線上的位置為中心；該第2圓弧是朝向半徑方向的內側凸出，且分別滑順地接觸到第1圓弧以及可撓性外齒齒輪的內周面。藉由以第1、第2圓弧來決定溝部的波形剖面形狀，即可避免應力集中在形成有溝部的部分。

可撓性外齒齒輪的易彎折性(外齒之齒底的拉伸應力)、以及波形之一齒的易彎曲性，係受到第1圓弧的半徑R1、第2圓弧的半徑R2、以及溝部的深度D所影響，只要決定了半徑R1與深度D，即決定了半徑R2。溝部的深度D愈大，或者是第1圓弧的半徑R1愈大，則第2圓弧的半徑R2就變愈小，可撓性外齒齒輪也變得愈易彎折。

第1圓弧的半徑R1，以為外齒之模數的 (0.4±0.1)倍的長度為佳。如前所述，半徑R1愈大，半徑R2就愈小，並且可撓性外齒齒輪也愈易彎折。當半徑R1大於上記的數值，對可撓性外齒齒輪之齒底部的等價厚度就影響愈大，疲勞強度下降，所以不適當。相反地，當半徑R1小於上記數值時，應力集中變大，疲勞強度會下降，所以也不適當。例如：在將可撓性外齒齒輪彎折成橢圓形時，疲勞強度會因為該橢圓形之短軸側的拉伸應力而下降。

在此，諧波產生器係嵌入於可撓性外齒齒輪的圓形內周面，藉由該諧波產生器將外齒齒輪彎折成橢圓形等的非圓形，諧波產生器在此狀態下旋轉。在與諧波產生器之軸承外周面接觸的可撓性外齒齒輪的內周面，係形成有溝部，該溝部有做為潤滑劑儲存部的功能。因為可改善可撓性外齒齒輪的內周面與諧波產生器的軸承外周面之間的接觸部之潤滑狀態，所以可提昇該等的轉動疲勞強度。

接下來，本發明的諧波齒輪裝置，其特徵為：具有：剛性內齒齒輪；上記構成的可撓性外齒齒輪；以及諧波產生器，該諧波產生器是將可撓性外齒齒輪朝向半徑方向彎折，使其局部嚙合於剛性內齒齒輪，並使剛性內齒齒輪與可撓性外齒齒輪的嚙合位置朝向圓周方向移動。

可撓性外齒齒輪具有溝部，增加齒底厚度可提高疲勞強度，所以整體為可實現一種具有優異耐久性的 諧波齒輪裝置。

1:諧波齒輪裝置

2:剛性內齒齒輪

2a:內齒

3:可撓性外齒齒輪

4:諧波產生器

11:圓筒狀本體部

11a:開口端

11b:位置

11c:位置

12:膜片

13:輪轂(boss)

14:外齒

14A:外齒

15:外齒形成部分

16:內周面

17:溝部

17b:延長溝部分

21:輪轂(hub)

22:凸板

23:軸承

24:軸承外周面

L1:長軸

L2:溝部中心線

D:深度

Da:標準深度

Dmin:虛線

Dmax:單點鎖線

d1:齒底部中立線徑

d2:齒底圓徑

d3:內徑

O1、O2:中心

R1、R2:半徑

C1:第1圓弧

C2:第2圓弧

[圖1]為適用本發明之諧波齒輪裝置的立體圖。

[圖2](a)、(b)為圖1之諧波齒輪裝置的縱剖面圖以及橫剖面圖。

[圖3](a)、(b)為圖1之可撓性外齒齒輪的半縱剖面、以及被b-b線切斷之部分的模式圖。

[圖4]為圖1之可撓性外齒齒輪之外齒的部分放大縱剖面圖。

以下，茲參照圖面來說明適用本發明之諧波齒輪裝置的實施形態。以下的實施形態雖是有關杯型諧波齒輪裝置，但是，本發明亦可適用於禮帽型諧波齒輪裝置。

圖1為實施形態之諧波齒輪裝置的立體圖，圖2(a)為其縱剖面圖，圖2(b)為其橫剖面圖。諧波齒輪裝置1係具備：圓環狀的剛性內齒齒輪2；同軸地配置在其內側的杯型可撓性外齒齒輪3；以及嵌入其內側的諧波產生器4。可撓性外齒齒輪3係被諧波產生器4彎折成非圓形，例如為橢圓形，在該橢圓形之長軸L1的兩端，外齒14係嚙合於剛性內齒齒輪2的內齒2a。

當諧波產生器4藉由馬達等(無圖示)而旋轉時，剛性內齒齒輪2以及可撓性外齒齒輪3的嚙合位置就朝向圓周方向移動。當嚙合位置轉動一周，在兩齒輪之間就會產生僅為兩齒輪之齒數差的相對旋轉。可從兩齒輪中的任一側讀取諧波產生器4的旋轉，做為大幅減速的減速旋轉。

可撓性外齒齒輪3係具備：可朝向半徑方向彎折的圓筒狀本體部11；從該圓筒狀本體部11的後端朝向半徑方向內側延伸之圓盤狀的膜片12；連接於膜片之內周緣的剛體的圓環狀輪轂(boss)13；以及形成在圓筒狀本體部11之開口端側之外周面部分的外齒14。諧波產生器4係具備：圓筒狀的輪轂(hub)21；安裝在其外周面的凸板22；以及安裝在凸板22之橢圓形外周面的軸承23。諧波產生器4係將形成有圓筒狀本體部11之外齒14的外齒形成部分15彎折成橢圓形。又，在圖2(b)中，係省略軸承23之滾珠支承具的圖示。

圖3(a)為外齒形成部分15的半縱剖面圖，圖3(b)為顯示被其b-b線所切斷之部分的橫剖面的模式圖。如這些圖面所示，在可撓性外齒齒輪3之外齒形成部分15的外周面，預定模數的外齒14係沿著其周方向，以固定的間距來形成。在外齒形成部分15的內周面16，溝部17係沿著其周方向，以與外齒14相同的間距來形成。溝部17係為波形剖面狀的溝部，且朝向外齒14的齒幅方向，呈直線狀延伸。

溝部17係在外齒形成部分15的內周面16，形成在：包含從開口端11a到兩齒之嚙合部分的整個範圍。意即，是從開口端11a，一直延伸到對應於外齒14之膜片12側的齒幅方向的端部。溝部17係為：從開口端11a一直到位置11b，具有固定深度且固定寬度的溝。

又，在圓筒狀本體部11，若以從位置11b一直到膜片12之間的中途位置為位置11c的話，則延長溝部分17b是形成在位置11b一直到位置11c之間。延長溝部分17b係連續於溝部17，其深度和寬度是朝向膜片12漸減。藉由以連續於溝部17的方式來形成延長溝部分17b，即可消除或降低因為溝部17的設置對圓筒狀本體部11與膜片12的影響。

圖4為外齒形成部分15之一齒分的部分放大橫剖面圖。如該圖所示般，各溝部17係為：以外齒14之齒頂中心線為溝部中心線L2的波形剖面形狀的溝部。

具體而言，從溝部17之溝部中心線L2上的內周面16起的深度D，係為該溝部17的最大深度。若以外齒14的齒底部中立線徑為d1，外齒14的齒底圓徑為d2的話，則該深度D即為：如下列條件式所決定的範圍內之值。

(3d1+d2)/4≦D≦(d1+3d2)/4

當深度D小於(3d1+d2)/4時，在增加齒底厚度的情況下，無法維持可撓性外齒齒輪3朝半徑方向的易彎性，無法提高齒底疲勞強度。而若深度D大於 (d1+3d2)/4時，即使在增加齒底厚度的情況下，雖然可維持可撓性外齒齒輪3的易彎性，但是外齒因為齒嚙合的接線力而變形加劇，棘輪扭矩大幅降低，故不適合於實際使用。

在本例中，例如：如圖4中的實線所示般，深度D是設定為：上記條件式的最大值與最小值中間的標準深度Da。

Da=(d1+d2)/2

再者，在圖中，虛線Dmin係顯示：將深度設定為上記條件式之最小值時的溝部剖面形狀的例子，單點鎖線Dmax則是顯示：將深度設定為上記條件式之最大值時的溝部剖面形狀的例子。

接下來，溝部17的波形剖面形狀係由：第1圓弧C1、以及第2圓弧C2所決定，該第1圓弧C1係朝向半徑R1的半徑方向外側凸出，該半徑R1是以溝部中心線L2上的位置為中心O1；該第2圓弧C2係朝向半徑方向的內側凸出，且分別滑順地接觸於該第1圓弧C1、以及外齒形成部分15的內周面16。半徑R1的長度係被設定為：外齒14之模數的(0.4±0.1)倍。

第2圓弧C2，例如係為中心O2位在外齒14之齒溝中心線上的圓弧，其大小(半徑R2)是由：內周面16的內徑d3、溝部17的深度D、以及第1圓弧C1的半徑R1所決定。第2圓弧C2愈小，可撓性外齒齒輪3就愈易朝向半徑方向彎折。

藉由利用第1、第2圓弧C1、C2來決定溝部17的波形剖面形狀，即可避免應力集中在形成有溝部17的部份。又，藉由將第1圓弧C1之半徑R1的長度設定為外齒14之模數的(0.4±0.1)倍，即可避免應力集中在溝部17底面的部分，該第1圓弧C1是決定溝部17的底面。

例如，在既有的可撓性外齒齒輪中，該可撓性外齒齒輪係具備圖4中以虛擬線所顯示之輪廓狀的外齒14A，藉由將其齒底厚度如實線所示般僅增加△T，並在內周面16設置溝部17，即可得到本例的可撓性外齒齒輪3。可撓性外齒齒輪3，不須要改變既有之可撓性外齒齒輪的外齒形狀，即可加厚其齒底厚度。此外，即使增加了齒底厚度，因為設有溝部17，所以仍可將其彎折成橢圓形的易彎性維持在和既有之可撓性外齒齒輪一樣的程度，並可抑制因為彎折變形所引起之拉伸應力的增加。所以，和既存的可撓性外齒齒輪相較，可提昇可撓性外齒齒輪3的疲勞強度。

再者，參照圖1、圖2來加以說明，諧波產生器4是嵌入於可撓性外齒齒輪3的內周面16，可撓性外齒齒輪3的外齒形成部分15是被該諧波產生器4彎折成橢圓形，諧波產生器4在此狀態下轉動。在本例中，如圖3所示，溝部17係以固定的間距形成在可撓性外齒齒輪3的內周面16，該可撓性外齒齒輪3是接觸到諧波產生器4的軸承外周面24。因此，溝部17具有做為潤滑 劑儲存部的功能，可改善可撓性外齒齒輪3的內周面16、與諧波產生器4的軸承外周面24之間的接觸部的潤滑狀態。藉由如此，即可提高接觸部的轉動疲勞強度。

1‧‧‧諧波齒輪裝置

3‧‧‧可撓性外齒齒輪

4‧‧‧諧波產生器

11‧‧‧圓筒狀本體部

11a‧‧‧開口端

11b‧‧‧位置

11c‧‧‧位置

12‧‧‧膜片

13‧‧‧輪轂

14‧‧‧外齒

15‧‧‧外齒形成部分

16‧‧‧內周面

17‧‧‧溝部

17b‧‧‧延長溝部分

22‧‧‧凸板

23‧‧‧軸承

24‧‧‧軸承外周面

Claims (5)

1. 一種諧波齒輪裝置的可撓性外齒齒輪，其係被諧波產生器朝半徑方向彎折，而局部嚙合於剛性內齒齒輪，其特徵為：具備：可朝向半徑方向彎折的圓筒狀本體部；從上記圓筒狀本體部之一側的端部，朝向半徑方向的內側或外側延伸的圓盤狀膜片；外齒，該外齒係在上記圓筒狀本體部之另一側之開口端的外周面部分，沿著該外周面部分的周方向，以固定間距來形成；溝部，該溝部係在上記圓筒狀本體部的內周面，沿著該內周面的周方向，以與上記外齒相同的間距來形成；以及延長溝部分，該延長溝部分係在上記圓筒狀本體部的上記內周面，連續於上記各個溝部，且形成到達上記膜片之中途位置為止，上記各個溝部係為：以上記外齒之齒頂中心線為溝部中心線的波形剖面形狀的溝部，上記各個延長溝部分，其溝深度以及溝寬度係從上記溝部朝向上記膜片漸減。
2. 如申請專利範圍第1項所述之諧波齒輪裝置的可撓性外齒齒輪，其中，在上記溝部，當將上記外齒的齒底部中立線徑設為d1，將上記外齒的齒底圓徑設為d2時，則從上記溝部中 心線上之上記內周面起的深度D為：(3d1+d2)/4≦D≦(d1+3d2)/4。
3. 如申請專利範圍第2項所述之諧波齒輪裝置的可撓性外齒齒輪，其中，上記溝部的上記波形剖面形狀，係由：第1圓弧；以及第2圓弧所決定，該第1圓弧係朝向半徑R1的半徑方向外側凸出，該半徑R1是以上記溝部中心線上的位置為中心；該第2圓弧係朝向半徑方向的內側凸出，且是分別滑順地接觸於上記第1圓弧、以及上記內周面，上記半徑R1的長度係為上記外齒之模數的(0.4±0.1)倍。
4. 如申請專利範圍第1項所述之諧波齒輪裝置的可撓性外齒齒輪，其中，上記溝部係為潤滑劑儲存部。
5. 一種諧波齒輪裝置，其特徵為：具有：剛性內齒齒輪；請求項1至4項中任一項所述的可撓性外齒齒輪；以及諧波產生器，該諧波產生器是將上記可撓性外齒齒輪朝向半徑方向彎折，使其局部嚙合於上記剛性內齒齒輪，並使上記剛性內齒齒輪與上記可撓性外齒齒輪的嚙合位置朝向圓周方向移動。

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