TWM451311U - 具有離合功能的諧波減速器 - Google Patents

Description

具有離合功能的諧波減速器

本創作涉及一種諧波減速器，特別是一種在一方向受力時可以產生固定作用，而另一方向受力時則可以自由旋轉的諧波減速器結構。

諧波減速器是一種利用柔性元件產生彈性機械波來傳遞動力和運動的一種齒輪傳動，亦稱為「諧波齒輪傳動(簡稱諧波傳動)」。

第一圖為顯示習知的諧波減速器結構，主要包含有三個元件：一個具有內齒輪的剛輪A、一個具有外齒輪的柔輪B，以及一個波發生器C。做為減速器使用時，一般都是採用剛輪A固定、波發生器C主動運轉、柔輪B輸出動力的形式。

柔輪B則是一種可產生較大彈性變形的薄壁齒輪，其內徑等於或略大於波發生器的總外徑。波發生器C是使柔輪B產生可控彈性變形的構件；波發生器C具有一中心軸，該中心軸裝有可形變滾動軸承而構成滾輪，波發生器C組合於柔輪B內部，使其外徑與柔輪B的內壁相互壓緊，且波發生器C連接動力源(一般為馬達)。當波發生器C裝入柔輪B後，迫使柔輪的端面由原先的圓形變成橢圓形，進而使其橢圓形之長軸兩端附近的外齒輪與剛輪A的內齒輪完全嚙合，而短軸兩端附近的外齒輪則與剛輪的內齒輪完全脫開；而周長上其他區段的外齒輪則處於和剛輪之內齒輪嚙 合和脫離的過渡狀態。當波發生器連續轉動時，柔輪的變形會不斷改變，使柔輪B與剛輪A的嚙合狀態也不斷改變，產生齧入、嚙合、齧出、脫開、再齧入……，周而復始地進行，從而實現柔輪相對剛輪沿波發生器C相反方向的緩慢旋轉。

在傳動過程中，波發生器C旋轉一周，柔輪B上某點變形的循環次數稱為波數，以n表示。常用的是雙波傳動，其柔輪應力較小，結構比較簡單，易於獲得大的傳動比，故為目前應用最廣的一種。諧波齒輪傳動的柔輪和剛輪的周節相同，但齒數不等。

當剛輪固定、波發生器主動旋轉、柔輪從動旋轉時，諧波齒輪傳動的傳動比為i=-B1/(A1-B1)

式中A1、B1分別為剛輪A與柔輪B的齒數。

由於柔輪齒數很多，因此，諧波減速器可獲得很大的傳動比。

諧波減速器在諧波傳動中，由於齒與齒的嚙合是面接觸，加上同時嚙合齒數較多，因而單位面積的負荷小，使得承載能力較其他傳動形式高，且傳動比大，單級諧波齒輪傳動的傳動比可達i=70~500；再加上具有體積小、重量輕、傳動效率高、壽命長、傳動平穩、無衝擊、低噪音、運動精度高等特點，因此是一種應用十分廣泛的減速器。

由於柔輪在減速傳動過程中需要承受較大的交變負荷，致使柔輪較容易損壞，因而對柔輪材料的抗疲勞強度、加工和熱處理技術要求較高，製程技術也較複雜；另外，傳統諧波減速器的剛輪與柔輪嚙合位置與輸出軸的距離較遠，因而容易產生因為不同 軸而晃動的狀況，增加了摩擦發熱及噪音等問題。

為了解決前述的問題，本案申請人所提出的第101210934號的諧波減速器台灣專利申請案，則是將波發生器組合於柔輪與一動力源，使柔輪產生變形而局部嚙合剛輪；該柔輪被固定，剛輪則連接一輸出軸；藉由動力源驅動波發生器旋轉時，經由柔輪帶動該剛輪與輸出軸同步旋轉。

惟，所述諧波減速器中之柔輪係直接被固定在減速器的機殼或其他元件，以致於柔輪在運轉中產生形變時容易產生受力不均的內應力，柔輪破裂損壞的機率較高；此外，柔輪的形變量受到較大限制，無法進一步調整剛輪與柔輪的齒差，亦即無法達成不同的減速比來滿足更大範圍的輸出需求。

另一方面，習知或前述第101210934號的申請案的諧波減速器柔輪均為固定地設置，亦即連帶地使設於剛輪的輸出軸始終受到阻力限制，因而限制了諧波減速器的應用範圍。

本創作的目的，在於解決一般諧波減速器之柔輪均始終被固定，以致於配合柔輪的剛輪及設於剛輪的輸出軸始終均受到阻力，因而限制了諧波減速器之應用範圍的問題。

本創作提供的具有離合功能的諧波減速器，其主要特徵是利用一固定座將單向離合器設於柔輪，柔輪則被波發生器驅動；藉此，當動力源驅動波發生器往第一方向旋轉時，使單向離合器咬 合而鎖定固定座，同時柔輪產生形變而能帶動剛輪轉動，再由剛輪帶動輸出軸旋轉；當輸出軸受到外力作用而使其轉速快於剛輪的轉速時，則輸出軸將經由剛輪連動單向離合器往相反的第二方向脫離，使得波發生器相對於柔輪而言無轉速，因而使波發生器得以和柔輪一起被剛輪帶動旋轉。

本創作的技術手段，包括有一剛輪、一固定座、一單向離合器、一柔輪與一波發生器；其中，剛輪具有內空間，該內空間的內壁面圓周形成有由複數內輪齒構成的內齒輪，該剛輪連接一輸出軸；該固定座為一環狀體，固定座被設於柔輪的外徑；所述單向離合器被設於固定座的外徑，該單向離合器受到作用力往第一方向旋轉時會產生咬合作用，往相反的第二方向旋轉時則會解除咬合；該柔輪為一薄壁圓筒，其外表面圓周形成有由複數外輪齒構成的外齒輪，柔輪的外徑被固定於所述固定座的內徑；波發生器組合於柔輪的內徑，藉以使柔輪產生變形而使部分所述外齒輪嚙合該內齒輪，該波發生器連接一動力源以被驅動往第一方向旋轉時，經由單向離合器產生咬合令柔輪無法轉動，從而驅動剛輪與輸出軸旋轉；當輸出軸受到外力作用致使其轉速高於波發生器的轉速時，則輸出軸將帶動剛輪，再由剛輪帶動柔輪，柔輪則帶動固定座，使得設於固定座的單向離合器往相反之第二方向轉動脫離咬合，此時波發生器相對於柔輪而言無轉速，得以和柔輪一起被剛輪帶動旋轉，進而使連接波發生器之動力源的中心軸被帶動旋轉。

本創作可以在固定座的內徑設置複數個呈圓周分佈的彈性壁，並將柔輪的外徑固定於各彈性壁所圍的內徑，讓柔輪在運轉過程中具有彈性。

本創作藉由將柔輪外徑固定於固定座之彈性壁，再使柔輪嚙合於剛輪的結構，使得柔輪被波發生器驅動旋轉時，與固定座不產生相對速度差，藉此提供柔輪額外穩定的支撐，使柔輪雖形變卻不轉動，同時柔輪與剛輪嚙合產生相對速度差，藉此提供剛輪減速旋轉作用，使得設於剛輪的輸出軸減速輸出。

本創作的單向離合器可以是一種超越離合器，此超越離合器具有一外圈體、一外徑設有複數棘齒的內圈體、複數滾柱、複數彈簧與複數頂梢，彈簧作用於頂梢而推動滾柱進入該棘齒與外圈體內徑之間所形成的楔形槽，使得內圈體往第一方向旋轉時，得以讓滾柱嵌緊於該楔形槽而帶動外圈體旋轉，當外圈體的轉速快於內圈體的轉速時，則內圈體相對於外圈體往第二方向轉動，使得滾柱和楔形槽鬆脫而解除咬合。

本創作可以採用單向軸承取代所述單向離合器，以達到相同於前述的功能與效果。

以下配合圖式及元件符號對本創作之實施方式做更詳細的說明，俾使熟習該項技藝者在研讀本說明書後能據以實施。

參閱第二圖與第三圖所示，本創作提供之諧波減速器1，包括 有一剛輪11、一柔輪12、一波發生器13與一固定座14；其中，剛輪11具有內空間，該內空間的內壁面圓周形成有由複數內輪齒構成的內齒輪111；該剛輪11連接一輸出軸112；在本創作的較佳實施例，輸出軸112可以一體成型地結合於剛輪11端部，輸出軸112可以設置複數洞孔或螺孔，俾便於組合另外的輸出裝置以輸出動力。

所述柔輪12可以採用具有適當厚度之管材再加工出精確的形狀及尺寸，以及利用滾齒機將其外表面圓周形成出由複數外輪齒構成的外齒輪121，該柔輪的一端邊進一步設有複數洞孔122。

所述固定座14為一環狀體，其內徑設有複數個呈等角度分佈的彈性壁141；較佳者，彈性壁141是經由沖壓加工後留在固定座14內徑的彈性片體，並在其上預留穿孔1411，而後再將各個彈性片體彎曲接近九十度而形成所述彈性壁141。固定座14的外徑則設置一單向離合器142，所述單向離合器142可以是一種“超越離合器”，如第五圖所示，此超越離合器5具有一外圈體51、一外徑設有複數棘齒521的內圈體52、複數滾柱53、複數頂梢54與複數彈簧55，彈簧55被安裝於設在內圈體52的凹槽內，並使每一彈簧55分別作用於每一頂梢54，進而分別推動滾柱53進入該棘齒521與外圈體51內徑之間所形成的楔形槽，因此，內圈體52往第一方向旋轉時，得以讓滾柱53嵌緊於該楔形槽產生咬合，而外圈體往相反的第二方向旋轉時，則滾柱53和楔形槽鬆脫而解除咬合。

所述波發生器13為具有一中心軸131與一外環體132的可形變軸承，該中心軸131為接近正圓形的橢圓形，使得外環體132與中心軸131可以相對旋轉；該中心軸131用來連接一動力源(圖中未顯示)，一般而言，所述動力源是一種馬達。

本創作之諧波減速器1的元件組合方式，是將柔輪12的外徑組合於固定座14的各彈性壁141所圍的內徑中，並且利用螺絲或其他固定元件鎖穿過彈性壁141的穿孔1411與柔輪12的洞孔122而將柔輪12組合固定於固定座14的彈性壁141，亦即藉由彈性壁141直接連結柔輪12，固定座14的外徑則組合單向離合器5之內圈體52內徑；柔輪12再組合於剛輪11的內空間，而波發生器13則組合於柔輪12內徑中；柔輪12是一種可產生較大彈性變形的薄壁齒輪，其內徑等於或略大於波發生器13的總外徑；波發生器13則是使柔輪12產生可控彈性變形的構件，當波發生器13裝入柔輪12後，迫使柔輪12的端面由原先的圓形變成橢圓形(如第四圖所示)，進而使其橢圓形之長軸兩端附近的外齒輪121與剛輪11的內齒輪111完全嚙合，短軸兩端附近的外齒輪則與剛輪的內齒輪完全脫開；而周長上其他區段的外齒輪則處於和剛輪11之內齒輪嚙合和脫離的過渡狀態。當波發生器13連續轉動時，柔輪12的變形會不斷改變，使柔輪12與剛輪11的嚙合狀態也不斷改變，產生齧入、嚙合、齧出、脫開、再齧入……，周而復始地進行，從而實現柔輪12相對剛輪11沿波發生器相同方向的緩慢旋轉。

利用本創作具有離合功能之諧波減速器，當波發生器13受到 驅動往第一方向(例如順時針方向)旋轉時，經由單向離合器5之彈簧55將推動頂梢54，頂梢54則推動滾柱53進入棘齒521與外圍體51內徑所構的楔形槽產生咬合，因而柔輪12無法轉動，從而使柔輪12驅動剛輪11與輸出軸112同時旋轉；當輸出軸112受到外力作用致使其轉速高於波發生器13的轉速時，受到輸出軸112帶動的剛輪11會帶動柔輪12，柔輪12則帶動固定座14，使得設於固定座14的內圈體52往相反的第二方向(逆時針方向)轉動，使得滾柱53脫離棘齒521與外圈體51內徑構成之楔形槽而解除咬合，此時波發生器13相對於柔輪12而言無轉速，因而得以和柔輪12一起被剛輪11帶動旋轉，使連接波發生器13之動力源的中心軸131被帶動旋轉。

此外，本創作藉由將柔輪12外徑固定於固定座14之彈性壁141，再使柔輪12嚙合於剛輪11的結構，使得柔輪12被波發生器13驅動旋轉時，柔輪12與固定座14不產生相對速度差，藉此提供柔輪12額外穩定的支撐，使柔輪12雖形變卻不轉動，同時柔輪12與剛輪11嚙合產生相對速度差，藉此提供剛輪11減速旋轉作用，使得設於剛輪11的輸出軸112減速輸出。

本創作也可以使用單向軸承(圖中未顯示)取代前述的單向離合器5，以達到相同的功能與效果；所述單向軸承為習知且普遍使用的機械元件，因此對於其結構不再多加說明。

本創作具有離合功能的諧波減速器可以被廣泛地運用在多種領域；例如，將此具有離合功能的諧波減速器安裝於電動自行車 時，可以提供電力讓波發生器13往第一方向(順時針方向)旋轉，此時單向離合器5咬合，柔輪12產生形變但不轉動，因而帶動剛輪11及輸出軸112減速輸出讓自行車前進。當不提供電力時，騎車者以腳踩踏鏈輪帶動自行車的輸出軸112，進而帶動剛輪11，剛輪11再帶動柔輪12往相反的第二方向(逆時針方向)轉動，使得單向離合器5脫離咬合，固定座14則被柔輪12帶動旋轉；利用此具有離合功能的諧波減速器，可以將波發生器13連接至發電機的轉子，讓人力反向帶動波發生器旋轉的同時進行發電並對電池充電。

以上所述者僅為用以解釋本創作之較佳實施例，並非企圖據以對本創作做任何形式上之限制，是以，凡有在相同之創作精神下所作有關本創作之任何修飾或變更，皆仍應包括在本創作意圖保護之範疇。

1‧‧‧諧波減速器

11‧‧‧剛輪

111‧‧‧內齒輪

112‧‧‧輸出軸

12‧‧‧柔輪

121‧‧‧外齒輪

122‧‧‧洞孔

13‧‧‧波發生器

131‧‧‧中心軸

132‧‧‧外環體

14‧‧‧固定座

141‧‧‧彈性壁

1411‧‧‧穿孔

5‧‧‧單向離合器

51‧‧‧外圈體

52‧‧‧內圈體

521‧‧‧棘齒

53‧‧‧滾柱

54‧‧‧頂梢

55‧‧‧彈簧

A‧‧‧剛輪

B‧‧‧柔輪

C‧‧‧波發生器

第一圖為顯示習知諧波減速器結構之平面剖視圖。

第二圖為顯示本創作諧波減速器之元件組合關係之立體分解圖。

第三圖為顯示本創作諧波減速器結構之平面剖視圖。

第四圖為顯示本創作諧波減速器結構之端面平面示意圖。

第五圖為顯示本創作單向離合器結構之平面示意圖。

11‧‧‧剛輪

111‧‧‧內齒輪

112‧‧‧輸出軸

12‧‧‧柔輪

121‧‧‧外齒輪

13‧‧‧波發生器

132‧‧‧外環體

14‧‧‧固定座

141‧‧‧彈性壁

5‧‧‧單向離合器

Claims (2)

1. 一種具有離合功能的諧波減速器，包括有：一剛輪，具有內空間，該內空間的內壁面圓周形成有由複數內輪齒構成的內齒輪，該剛輪連接一輸出軸；一固定座，為一環狀體；一單向離合器，設於該固定座的外徑；一柔輪，為一薄壁圓筒，其外表面圓周形成有由複數外輪齒構成的外齒輪，該柔輪的外徑被固定於該固定座的內徑；一波發生器，組合於該柔輪的內徑，使該柔輪產生變形而使所述外齒輪的部分外輪齒嚙合該內齒輪，該波發生器連接一動力源以被驅動旋轉，進而經由該柔輪驅動該剛輪與輸出軸旋轉。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之具有離合功能的諧波減速器，其中，該固定座的內徑設有複數個呈圓周分佈的彈性壁，該柔輪的外徑被固定於該固定座的各彈性壁所圍的內徑，使得柔輪被波發生器驅動旋轉時，與固定座不產生相對速度差，而柔輪則與剛輪嚙合產生相對速度差，使得剛輪減速旋轉。