TWI738015B - 具動平衡之擺線型減速機 - Google Patents

具動平衡之擺線型減速機 Download PDF

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鐘啟聞
朱恩毅
林泓瑋
曹明立
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Abstract

本案係揭露一種擺線型減速機，配重部件係設置於擺線盤之容置空間內，而輸入軸上僅設置偏心部，使得本案之輸入軸的長度較短，故本案之擺線型減速機的整體長度亦較短，此外，本案之配重部件之質心及偏心部與擺線盤兩者整體之質心係在同一軸向上，且使得配重部件之質心及偏心部與擺線盤兩者整體之質心的連線垂直於輸入軸，因此本案之擺線型減速機的配重部件於輸入軸上所造成的力矩，及偏心部與擺線盤兩者整體於輸入軸上所造成的力矩可以平衡，進而提升本案之擺線型減速機的動平衡效果。

Description

具動平衡之擺線型減速機
本案為一種減速機，尤指一種可達到動平衡之擺線型減速機。
一般而言，馬達包含高轉速而扭力小之特性，因此不易驅動大型的負載，故當馬達欲使用於推動重物時，便須利用一減速機來進行減速，藉此提高扭力。
常見的減速機有RV(Rotary Vector)減速機、諧波式減速機(Harmonic Drive)及擺線型減速機等。RV減速機機，例如日本納博特斯克(Nabtesco)公司所生產之RV-E系列的減速機係為二級減速型，其係包含為正齒輪減速機構的第一減速部和為差動齒輪減速機構的第二減速部，其中第一減速部和第二減速部內的齒輪可分別由金屬元件所構成，該系列的減速機可藉由兩段式減速設計而在增加減速比值時同時減輕振動和慣性。然而雖然RV減速機在高剛性和高減速比值方面包含卓越的性能，且RV減速機內的滾動接觸元件亦可確保產品高效率及長壽命，然而其體積和重量卻相對較大，同時因組成的部件相當多，導致RV減速機的成本亦相對較高。
至於諧波式減速機則主要係由波發生器、柔性剛材元件(柔性齒輪)和剛性齒輪所構成，而諧和式減速機的諧波傳動係利用柔性剛材元件的彈性微變形來進行推擠運作，藉此傳遞運動和動力。雖然諧波式減速機相較於RV減速機包含體積小、重量輕及精度高的優點，然而因諧波式減速機之柔性剛材元件的剛性相較於金屬元件差，故諧波式減速機並不耐衝擊且包含齒差磨擦之問題，導致使用壽命較短。更甚者，諧波式減速機的輸入轉速存在一定的限制而無法太高，導致諧波式減速機的高減速比值係相對較差。
擺線型減速機則包含輸入軸與擺線盤，其運作原理為輸入軸轉動時，輸入軸上之偏心部帶動擺線盤以偏於輸入軸之軸心轉動，藉此擺線盤可對應地帶動一動力輸出部轉動。雖然傳統擺線減速機相較於RV減速機及諧波式減速機係具有傳動比大、結構緊湊和傳動效率高等優點，然而傳統擺線型減速機之輸入軸的偏心部以偏心方式帶動擺線盤轉動，因此需要額外設置配重部件以在輸入軸高速運轉下達成動平衡。
請參閱第1圖，其係為傳統擺線減速機內之配重部件之質心及偏心部與擺線盤兩者之整體質心的位置示意圖。如圖所示，雖然傳統擺線型減速機可設置配重部件來達成動平衡之目的，然傳統擺線型減速機因輸入軸與擺線盤之間的空間限制，使得配重部件僅能設置於輸入軸上並與偏心部位於輸入軸上的位置相異，如此一來，輸入軸的長度需相對較長，才能同時設置偏心部及配重部件，卻導致擺線型減速機的整體長度增加而存在較大體積之缺失，此外，由於配重部件與偏心部位於輸入軸上的位置相異，導致偏心部與擺線盤兩者之整體質心，即第1圖所示的質心M1，與配重部件的質心，即第1圖所示的質心M2，不在同一軸向位置，如此一來，偏心部的質心M1相對於輸入軸，例如第1圖所例示之輸入軸L，所產生之力矩，與配重部件的質心M2相對於輸入軸L所產生之力矩並不平衡，導致擺線型減速機的動平衡效果並無法達到最佳化。
因此，如何發展一種可改善上述傳統技術缺失之具動平衡之擺線型減速機，實為相關技術領域者目前所迫切需要解決之問題。
本案之目的在於提供一種具動平衡之擺線型減速機，其係不但可減小體積，更提升動平衡效果，俾解決傳統擺線型減速因配重部件僅能設置於輸入軸上並與偏心部位於輸入軸上的位置相異，所導致體積較大以及動平衡效果並無法達到最佳化之缺失。
為達上述目的，本案之較廣義實施態樣為提供一種擺線型減速機，係包含第一滾柱輪組、輸入軸、擺線盤、第二滾柱輪組以及配重部件。第一滾柱輪組具有第一輪盤及複數個第一滾柱，第一輪盤係具有第一軸孔，複數個第一滾柱設置於第一輪盤上。輸入軸係可轉動，且部分穿設第一軸孔，並包含偏心部，係偏心地固設於輸入軸上，且被輸入軸帶動而以相對於輸入軸之軸心進行偏轉。擺線盤具有外環部、內環部、第二軸孔以及容置空間。第二軸孔供偏心部設置，使偏心部帶動擺線盤轉動，外環部相對於內環部位於擺線盤之外側，且外環部之第一外壁面具有至少一第一齒部，第一齒部係與對應之第一滾柱接觸，外環部之第一內壁面具有至少一第二齒部，內環部之第二內壁面定義出第二軸孔，容置空間位於外環部及內環部之間。第二滾柱輪組具有第二輪盤及複數個第二滾柱，第二輪盤係具有第三軸孔，用以供輸入軸穿設，複數個第二滾柱係設置於第二輪盤上，其中每一第二滾柱係與對應之第二齒部相接觸。配重部件係設置於容置空間內，且設置於內環部之第二外壁面上，用以於輸入軸藉由偏心部帶動擺線盤偏心轉動時，平衡輸入軸所產生的徑向力。
本案之有益效果在於：提供一種具動平衡之擺線型減速機，其中擺線型減速機之配重部件設置於擺線盤之容置空間內，故輸入軸上可僅設置偏心部，使得輸入軸的長度可減小，故本案之擺線型減速機的整體長度亦較短。此外，由於本案之配重部件之質心及偏心部與擺線盤兩者整體之質心在同一軸向位置上，即配重部件之質心及偏心部與擺線盤兩者整體之質心的連線垂直於輸入軸，因此本案之擺線型減速機的配重部件之質心相對於輸入軸上所造成的力矩可與偏心部與擺線盤兩者整體之質心相對於輸入軸上所造成的力矩進行平衡，故可提升本案之擺線型減速機的動平衡效果。
請參閱第2、3、4及5圖，其中第2圖係為本案較佳實施例之擺線型減速機的分解結構示意圖，第3圖係為第2圖所示之擺線型減速機的剖面結構示意圖，第4圖係為第2圖所示之擺線盤、第一滾柱輪組、第二滾柱輪組及配重部件在組合後之部分結構示意圖，第5圖係為第2圖所示之配重部件之質心及偏心部與擺線盤兩者之整體質心的位置示意圖。如圖所示，本實施例之擺線型減速機1可為但不限於應用在各種馬達裝置、工具機、機械手臂、汽車、機車或其它動力機械內，以便提供適當的減速功能，另外，擺線型減速機1實際上屬於兩階式擺線型減速機。擺線型減速機1包含第一滾柱輪組10、輸入軸11、擺線盤12、第二滾柱輪組13及至少一配重部件14。
第一滾柱輪組10具有第一輪盤100及複數個第一滾柱101。第一輪盤100係由金屬或合金製成之圓形盤狀元件或中空圓柱罩狀元件，且第一輪盤100於其幾何中心具有第一軸孔102。複數個第一滾柱101可分別為但不限於由金屬或合金製成之短圓柱狀體所構成，且等距環設排列於第一輪盤100之設置面上，如第4圖所示。此外，複數個第一滾柱101更可選擇性以自身的軸心轉動，又在本實施例中，第一滾柱101可以以輸入軸11之軸心進行轉動或是不轉動，換言之，即當第一滾柱輪組10轉動時，第一輪盤100可帶動複數個第一滾柱101以輸入軸11之軸心進行轉動。
輸入軸11可為但不限於由金屬或合金所製成之軸桿，且可被馬達(未圖示)驅動而轉動，故輸入軸11實際上構成擺線型減速機1之動力輸入端，並具有第一端110及第二端111，其中輸入軸11可穿設第一軸孔102，使第一端110及第二端111位於第一輪盤100的相對兩側，且第一端110更可部分容置於第一軸孔102內。此外，輸入軸11更包含偏心部112，係偏心地固設於輸入軸11上，並位於第一端110及第二端111之間，當輸入軸11轉動時，偏心部112便被輸入軸11帶動而以相對於輸入軸11之軸心進行偏轉。
擺線盤12可為但不限於由金屬或合金製成，且具有第二軸孔120、外環部121、內環部122及容置空間123。第二軸孔120位於擺線盤12之幾何中心位置，用以供偏心部112設置，因此當偏心部112轉動時，擺線盤12便被偏心部112帶動而轉動。外環部121相對於內環部122而位於擺線盤12之外側，且具有第一外壁面121a及第一內壁面121b，其中外環部121之第一外壁面121a具有至少一第一齒部121c，第一齒部121c係與對應的第一滾柱101接觸，外環部121之第一內壁面121b則具有至少一第二齒部121d。內環部122相對於外環部121而位於擺線盤12之內側，且具有第二外壁面122a及第二內壁面122b，其中內環部122之第二內壁面122b可定義出第二軸孔120。容置空間123係位於外環部121之第一內壁面121b及內環部122之第二外壁面122a之間。
第二滾柱輪組13具有第二輪盤130及複數個第二滾柱131。第二輪盤130係由金屬或合金製成之圓形盤狀元件，且第二輪盤130之幾何中心位置具有第三軸孔132，用以供輸入軸11之第二端111設置。複數個第二滾柱131可分別為但不限於由金屬或合金製成之短圓柱狀體所構成，係等距環設方式排列於第二輪盤130上，如第4圖所示，且每一第二滾柱131係至少部分容置於容置空間123內而與對應之第二齒部121d相接觸，故當擺線盤12被偏心部112帶動而同步轉動時，第二輪盤130便可藉由每一第二滾柱131與對應之第二齒部121d進行推擠運動而轉動。此外，複數個第二滾柱131更可選擇性以自身的軸心轉動。又在本實施例中，第二滾柱131可以以輸入軸11之軸心進行轉動或是不轉動，換言之，即第二輪盤130可帶動複數個第二滾柱131以輸入軸11之軸心進行轉動。另外，當第一滾柱101偕同第一輪盤100以輸入軸11之軸心進行轉動時，複數個第二滾柱131並不轉動，此時第一輪盤100可構成擺線型減速機1之動力輸出端，反之，當第一滾柱101及第一輪盤100不轉動時，複數個第二滾柱131則偕同第二輪盤130以輸入軸11之軸心進行轉動，此時第二輪盤130可構成擺線型減速機1之動力輸出端。
配重部件14係設置於擺線盤12之容置空間123內，且設置於擺線盤12之內環部122之第二外壁面122a上，用以於輸入軸11藉由偏心部112帶動擺線盤12偏心轉動時，平衡輸入軸11因偏心部112所產生的徑向力，其中如第4圖及第5圖所示，配重部件14之質心M3及偏心部112與擺線盤12兩者整體之質心M4係在同一軸向位置上，即偏心部112與配重部件14彼此間的配置方式為徑向配置，進而使配重部件14之質心M3及偏心部112與擺線盤12兩者整體之質心M4的連線垂直於輸入軸11。
由上可知，本案之擺線型減速機1之配重部件14係設置於擺線盤12之容置空間123內，故輸入軸11上可僅設置偏心部112，使得輸入軸11的長度可減小，故本案之擺線型減速機1的整體長度亦較短。此外，由於本案之配重部件14之質心M3及偏心部112與擺線盤12兩者整體之質心M4係在同一軸向位置上，即配重部件14之質心M3及偏心部112與擺線盤12兩者整體之質心M4的連線垂直於輸入軸11，因此本案之擺線型減速機1的配重部件14之質心M3相對於輸入軸11上所造成的力矩可與偏心部112與擺線盤12兩者整體之質心M4相對於輸入軸11上所造成的力矩進行平衡，故可提升本案之擺線型減速機1的動平衡效果。
請再參閱第3圖，於一些實施例中，第二輪盤130更部分容置於容置空間123內而形成環形延伸部133，其中環形延伸部133位於配重部件14及外環部121之第一內壁面121b之間，並可為但不限於環形延伸部133之內周與配重部件14接觸且相抵頂，而配重部件14位於環形延伸部133之內周及內環部122之第二外壁面122a之間，環形延伸部133用以加強配重部件14設置於擺線盤12之內環部122之第二外壁面122a上，並提升擺線型減速機1之結構的剛性。此外，複數個第二滾柱131更可設置於環形延伸部133之外周面上。
請再參閱第2圖，於一些實施例中，擺線型減速機1更包含第一外軸承15、第二外軸承16及內軸承17。第一外軸承15設置於第一軸孔102內而位於輸入軸11之部分第一端110及第一輪盤100之間，用以使輸入軸11經由第一外軸承15之媒介而可於第一軸孔102內轉動。第二外軸承16設置於第三軸孔132內而位於輸入軸11之第二端111及第二輪盤130之間，用以使輸入軸11經由第二外軸承16之媒介而可於第三軸孔132內轉動。內軸承17設置於第二軸孔120內而位於偏心部112及擺線盤12之間，用以使偏心部112經由內軸承17之媒介而可設於第二軸孔120內轉動。於一些實施例中，第一外軸承15、第二外軸承16及內軸承17可分別但不限於由深溝滾珠軸承所構成。
請再參閱第3圖，於一些實施例中，擺線型減速機1更可包含環形檔塊18，其中環形檔塊18可為但不限於具有中空結構，並套設於輸入軸11上，更位於第二滾柱輪組13之第二輪盤130及容置空間123之間，此外，環形檔塊18更至少部份位於容置空間123之開口處，環形檔塊18用以在擺線型減速機1運作時，限制配重部件14維持於原來的設置位置，以避免配重部件14退出擺線盤12之容置空間123。
請參閱第6A圖並配合第2、3及4圖，其中第6A圖係為第2圖所示之配重部件之第一實施例之結構示意圖。如圖所示，配重部件14可為中空的環形結構，並套設於擺線盤12之內環部122之第二外壁面122a上，其中配重部件14具有第三外壁面141及第三內壁面142，配重部件14之第三外壁面141之圓心M5及配重部件14之第三內壁面142之圓心M6之間存在第一偏心量e，該第一偏心量e與偏心部112的第二偏心量相同，第一偏心量e使得配重部件14的厚度呈現不均勻狀態，故存在相對較厚區以及相對較薄區，其中配重部件14之第三外壁面141與配重部件14之第三內壁面142之間的最大距離為配重部件14之最大厚度T，且最大厚度T可為環形延伸部133之內周之直徑D減去擺線盤12之內環部122之第二外壁面122a之直徑d，再加上第一偏心量e，即T=D-d+e。
於一些實施例中，當配重部件14為環形結構且套設於擺線盤12之內環部122之第二外壁面122a上時，配重部件14的相對較厚區以及相對較薄區的配置位置可依偏心部112的偏心方向來決定，藉此達到平衡輸入軸11因偏心部112所產生的徑向力之目的，例如第3圖所示，當偏心部112朝輸入軸11之左邊方向偏心時，配重部件14的相對較厚區則與偏心部112的偏心相反而位於輸入軸11之右邊，配重部件14的相對較薄區則與偏心部112的偏心相同而位於輸入軸11之左邊。
請參閱第6B圖並配合第2圖及第3圖，其中第6B圖係為第2圖所示之配重部件之第二實施例之結構示意圖。如圖所示，於一些實施例中，配重部件14亦可為C型結構，故配重部件14除了具有相同於第6A圖所示之配重部件14之第三外壁面141及第三內壁面142外，更具有缺口143，配重部件14可套設於擺線盤12之內環部122之第二外壁面122a上，其中可利用調整缺口143之大小來符合配重需求。此外，在第6B圖所示之實施例中，配重部件14之第三外壁面141之圓心及配重部件14之第三內壁面142之圓心之間同樣存在第一偏心量(於此稱為e1)，且本實施例之配重部件14的最大厚度與第6A圖所示之配重部件14的最大厚度的算法相似，即T=D-d+e1
請參閱第7圖並配合第2圖及第3圖，其中第7圖係為本案之配重部件之第三實施例與第2圖所示之擺線盤、第一滾柱輪組及第二滾柱輪組在組合後之部分結構示意圖。如圖所示，當然，配重部件14並不侷限於如第6A圖或第6B圖所示分別為環形結構或C型結構，於其它實施例中，配重部件14可為柱狀結構或圓珠結構，此外，配重部件14之個數更可依據實際配重需求而為一個或複數個，例如第7圖所示，擺線型減速機1包含三個配重部件14，三個配重部件14係設置於擺線盤12之容置空間123內，且錯開地設置於擺線盤12之內環部122之第二外壁面122a上。此外，配重部件14之直徑T1可為環形延伸部133之內周之直徑D減去擺線盤12之內環部122之第二外壁面122a之直徑d，再加上偏心部112之第一偏心量(於此稱為e2)，即T1=D-d+e2。
當然，配重部件14可根據實際配重需求而有各種不同形狀之實施態樣，然配重部件14並不侷限於僅由外型的改變來配合配重需求，於其它實施例中，配重部件14亦可選用不同密度的材質來構成，以達到配重要求。
綜上所述，本案提供一種具動平衡之擺線型減速機，其中擺線型減速機之配重部件設置於擺線盤之容置空間內，故輸入軸上可僅設置偏心部，使得輸入軸的長度可減小，故本案之擺線型減速機的整體長度亦較短。此外，由於本案之配重部件之質心及偏心部與擺線盤兩者整體之質心在同一軸向位置上，即配重部件之質心及偏心部與擺線盤兩者整體之質心的連線垂直於輸入軸，因此本案之擺線型減速機的配重部件之質心相對於輸入軸上所造成的力矩可與偏心部與擺線盤兩者整體之質心相對於輸入軸上所造成的力矩進行平衡，故可提升本案之擺線型減速機的動平衡效果。
M1、M2:質心 L:輸入軸 1:擺線型減速機 10:第一滾柱輪組 100:第一輪盤 101:第一滾柱 102:第一軸孔 11:輸入軸 110:第一端 111:第二端 112:偏心部 12:擺線盤 120:第二軸孔 121:外環部 121a:第一外壁面 121b:第一內壁面 121c:第一齒部 121d:第二齒部 122:內環部 122a:第二外壁面 122b:第二內壁面 123:容置空間 13:第二滾柱輪組 130:第二輪盤 131:第二滾柱 132:第三軸孔 133:環形延伸部 14:配重部件 141:第三外壁面 142:第三內壁面 143:缺口 M3、M4:質心 M5、M6:圓心 e:第一偏心量 D:環形延伸部之內周之直徑 d:擺線盤之內環部之第二外壁面之直徑 T:最大厚度 T1:配重部件之直徑 15:第一外軸承 16:第二外軸承 17:內軸承 18:環形檔塊
第1圖係為傳統擺線減速機內之配重部件之質心及偏心部與擺線盤兩者之整體質心的位置示意圖。 第2圖係為本案較佳實施例之擺線型減速機的分解結構示意圖。 第3圖係為第2圖所示之擺線型減速機的剖面結構示意圖。 第4圖係為第2圖所示之擺線盤、第一滾柱輪組、第二滾柱輪組及配重部件在組合後之部分結構示意圖。 第5圖係為第2圖所示之配重部件之質心及偏心部與擺線盤兩者之整體質心的位置示意圖。 第6A圖係為第2圖所示之配重部件之第一實施例之結構示意圖。 第6B圖係為第2圖所示之配重部件之第二實施例之結構示意圖。 第7圖係為本案之配重部件之第三實施例與第2圖所示之擺線盤、第一滾柱輪組及第二滾柱輪組在組合後之部分結構示意圖。
1:擺線型減速機
10:第一滾柱輪組
100:第一輪盤
101:第一滾柱
102:第一軸孔
11:輸入軸
110:第一端
111:第二端
112:偏心部
12:擺線盤
120:第二軸孔
121:外環部
121a:第一外壁面
121b:第一內壁面
121c:第一齒部
121d:第二齒部
122:內環部
122a:第二外壁面
122b:第二內壁面
123:容置空間
13:第二滾柱輪組
130:第二輪盤
131:第二滾柱
132:第三軸孔
133:環形延伸部
14:配重部件
15:第一外軸承
16:第二外軸承
17:內軸承
18:環形檔塊

Claims (12)

  1. 一種擺線型減速機，係包含： 一第一滾柱輪組，具有一第一輪盤及複數個第一滾柱，該第一輪盤係具有一第一軸孔，該複數個第一滾柱係設置於該第一輪盤上； 一輸入軸，係可轉動，且部分穿設該第一軸孔，並包含一偏心部，係偏心地固設於該輸入軸上，且被該輸入軸帶動而以相對於該輸入軸之一軸心進行偏轉； 一擺線盤，具有一外環部、一內環部、一第二軸孔以及一容置空間，該第二軸孔供該偏心部設置，使該偏心部帶動該擺線盤轉動，該外環部相對於該內環部位於該擺線盤之外側，且該外環部之一第一外壁面具有至少一第一齒部，該第一齒部係與對應之該第一滾柱接觸，該外環部之一第一內壁面具有至少一第二齒部，該內環部包含一第二外壁面及一第二內壁面，該第二內壁面定義出該第二軸孔，該容置空間位於該外環部及該內環部之間； 一第二滾柱輪組，具有一第二輪盤及複數個第二滾柱，該第二輪盤係具有一第三軸孔，用以供該輸入軸穿設，該複數個第二滾柱係設置於該第二輪盤上，其中每一該第二滾柱係與對應之該第二齒部相接觸；以及 一配重部件，係設置於該容置空間內，且設置於該內環部之該第二外壁面上，用以於該輸入軸藉由該偏心部帶動該擺線盤偏心轉動時，平衡該輸入軸所產生的徑向力。
  2. 如請求項1所述之擺線型減速機，其中該配重部件之質心與該偏心部及該擺線盤兩者整體之質心之間的連線垂直於該輸入軸。
  3. 如請求項1所述之擺線型減速機，其中該第二輪盤部分容置於該容置空間內而形成一環形延伸部，該環形延伸部位於該配重部件及該外環部之該第一內壁面之間，而該配重部件位於該環形延伸部及該內環部之該第二外壁面之間。
  4. 如請求項3所述之擺線型減速機，其中該環形延伸部之內周與該配重部件接觸且相抵頂。
  5. 如請求項3所述之擺線型減速機，其中複數個該第二滾柱設置於該環形延伸部之一外周面上。
  6. 如請求項3所述之擺線型減速機，其中該配重部件為環型結構，且該配重部件具有一第三外壁面及一第三內壁面，該配重部件之該第三外壁面之圓心及該配重部件之該第三內壁面之圓心之間存在第一偏心量，第一偏心量與該偏心部的第二偏心量相同。
  7. 如請求項3所述之擺線型減速機，其中該配重部件為C型結構，且具有一缺口，且該配重部件具有一第三外壁面及一第三內壁面，該配重部件之該第三外壁面之圓心及該配重部件之該第三內壁面之圓心之間存在第一偏心量，第一偏心量與該偏心部的第二偏心量相同。
  8. 如請求項6或7所述之擺線型減速機，其中該配重部件存在一最大厚度，該最大厚度為該環形延伸部之內周之直徑減去該擺線盤之該內環部之該第二外壁面之直徑再加上第一偏心量。
  9. 如請求項3所述之擺線型減速機，其中該配重部件為柱狀結構或圓珠結構。
  10. 如請求項9所述之擺線型減速機，其中該配重部件為複數個，複數個該配重部件係錯開地設置於該擺線盤之該內環部之該第二外壁面上。
  11. 如請求項3所述之擺線型減速機，其中該配重部件之直徑為該環形延伸部之內周之直徑減去該擺線盤之該內環部之該第二外壁面之直徑再加上該偏心部之第一偏心量。
  12. 如請求項1所述之擺線型減速機，其中該擺線型減速機更包含一環形檔塊，係套設於該輸入軸上，且位於該第二滾柱輪組之該第二輪盤及該容置空間之間，且該環形檔塊更至少部份位於該容置空間之開口處，該環形檔塊用以於該擺線型減速機運作時，限制該配重部件維持於原來的設置位置。
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