WO2023079701A1

WO2023079701A1 - 波動歯車装置

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Publication number: WO2023079701A1
Application number: PCT/JP2021/040850
Authority: WO
Inventors: 優小林
Original assignee: 株式会社ハーモニック・ドライブ・システムズ
Priority date: 2021-11-05
Filing date: 2021-11-05
Publication date: 2023-05-11
Also published as: JPWO2023079701A1; CN118159755A; KR20240051287A; TW202321596A

Abstract

波動歯車装置（１）の波動発生器（４）のウエーブベアリング（７）は、外歯歯車（３）に一体形成した外輪と、ウエーブプラグ（６）に一体形成した内輪と、複数個の円筒コロ（７１）とを備えている。外輪一体型の外歯歯車（３）と内輪一体型のウエーブプラグ（６）は、スーパーエンジニアリングプラスチックからなる部品である。円筒コロ（７１）は円円周方向に等角度間隔で１３個以上の奇数個、配置され、外歯歯車（３）の撓み量は標準の撓み量よりも大きく、外歯（３１）、内歯（２１）の圧力角は２０ｄｅｇ以下の低圧力角度である。円筒コロ（７１）、軌道面（３６、６２）にかかる応力を小さくでき、実用可能な負荷トルク域での使用において傷が発生しないプラスチック製の軌道部を備えた波動発生器を実現できる。

Description

波動歯車装置

　本発明は、ウエーブプラグの外周面にウエーブベアリングが装着された構成の波動発生器を備えた波動歯車装置に関する。更に詳しくは、波動発生器のウエーブベアリングの軌道部（内外輪）をプラスチック製の部品とした波動歯車装置に関する。

　波動歯車装置は、剛性の内歯歯車と、可撓性の外歯歯車と、外歯歯車を半径方向に撓めて内歯歯車にかみ合わせる波動発生器の三部品から構成される。波動発生器は、非円形の外周面を備えたウエーブプラグと、ウエーブプラグの非円形外周面に装着したウエーブベアリングとから構成される。この構成の波動歯車装置の軽量化等を目的として、金属製の部品をプラスチック製の部品にすることが試みられている。特許文献１には、ウエーブプラグ、外歯歯車および内歯歯車をプラスチック製の部品とした波動歯車装置が提案されている。

特開平５－３３２４０３号公報

　従来においては、波動歯車装置の軽量化を図るために、ウエーブベアリングの構成部品である軌道部（外輪および内輪）をプラスチック製の部品にすることには着目されていない。

　ここで、波動歯車装置の波動発生器のウエーブベアリングとして、ウエーブプラグの回転に伴って生じる波動運動をスムーズに外歯歯車に伝えることができるように軌道輪が薄肉とされた薄肉ベアリング仕様のものが用いられる。薄肉ベアリング仕様の波動発生器の軌道部（外輪、内輪）を単純にプラスチック製の部品にすると、無負荷及び低負荷時でも、軌道部に圧痕、摩耗、疲労剥離などの損傷が発生してしまう。転動体として円筒コロを用いたとしても、軌道部に摩耗、溶融が発生する。また、摩耗を抑制するために潤滑剤などを考慮しても、軌道部の疲労剥離が発生する。

　本発明の目的は、このような点に鑑みて、ウエーブベアリングの軌道部をプラスチック製の部品として軽量化を図りつつ、軌道部の損傷を回避し、実用可能な負荷トルク域で使用できる波動発生器を備えた波動歯車装置を提供することにある。

　上記の課題を解決するために、本発明の波動歯車装置では、次の手段の一つあるいは複数を組み合わせて採用することで、転動体及び軌道部にかかる応力を小さくして、実用可能な負荷トルク域での使用において軌道部に損傷が発生しないようにしている。
　波動発生器のウエーブベアリングの軌道部をスーパーエンジニアリングプラスチックから形成する。
　転動体を適切な径の円筒コロとし、円周方向に等角度間隔で１３個以上の奇数個、配列する。
　外歯歯車の撓み量（楕円量）を標準の撓み量よりも大きくする。
　外歯および内歯の圧力角を２０ｄｅｇ以下の低圧力角度にする。

　また、本発明では、軌道面にイオン結晶性層状化合物からなる強固な固体潤滑膜（移着膜）を形成しておき、グリース潤滑を併用することで、実用可能な負荷トルクでの軌道部の疲労剥離寿命を向上させるようにしている。

本発明を適用した波動歯車装置を示す概略縦断面図である。内歯歯車に対する外歯歯車のかみ合い状態を示す説明図である。

　以下に、図面を参照して、本発明を適用した実施の形態に係る波動歯車装置を説明する。図１Ａ、図１Ｂを参照して説明すると、波動歯車装置１は、内歯歯車２と、この内側に同軸に配置されたカップ形状をした可撓性の外歯歯車３と、この内側にはめ込まれた波動発生器４とを備えている。内歯歯車２および外歯歯車３は、共に、モジュールがｍの平歯車であり、相互にかみ合い可能である。外歯歯車３は、外歯３１が形成された円筒部３２と、円筒部３２の一端から半径方向の内側に延びるダイヤフラム３３と、ダイヤフラム３３の内周縁に連続して形成した円盤状のボス３４とを備えている。外歯歯車の円筒部３２における外歯３１が形成されている開口側部分３５の内側に波動発生器４がはめ込まれている。

　外歯歯車３は、波動発生器４によって楕円形状に撓められて、楕円形状の長軸Ｌｍａｘの両端の部分に位置する外歯３１が内歯歯車２の内歯２１にかみ合っている。波動発生器４が回転すると、内歯歯車２に対する外歯歯車３のかみ合い位置が円周方向に移動して、これらの歯車２、３の間には、これらの歯車の歯数差に応じた相対回転が生じる。本例では、外歯歯車３が楕円形状に撓められて円周方向の２か所において内歯歯車２にかみ合うので、両歯車２、３の歯数差は、２ｎ枚（ｎ:正の整数）、例えば、２枚であり、内歯歯車２の歯数が多い。本例では、内歯歯車２および外歯歯車３は、それぞれプラスチック部品である。

　波動発生器４は、軸孔を備えた円筒状のハブ５と、ハブ５の外周面に装着したウエーブプラグ６と、ウエーブプラグ６の楕円状外周面６１に装着したウエーブベアリング７とを備えている。これらの波動発生器４の構成部品はプラスチック部品である。また、本例のウエーブベアリング７はローラーベアリングであり、外歯歯車３の開口側部分３５の内周面に形成した外輪側軌道面３６と、ウエーブプラグ６の楕円状外周面６１に形成した内輪側軌道面６２と、外輪側軌道面３６および内輪側軌道面６２の間に形成される軌道溝に転動可能な状態で挿入されている複数個の円筒コロ７１と、円筒コロ７１を円周方向において等角度間隔に保持しているリテーナ７２とを備えている。このように、本例では、ウエーブベアリング７の外輪が外歯歯車３の円筒部３２の開口側部分３５に一体形成されており、その内輪がウエーブプラグ６に一体形成されている。ウエーブベアリング７の外輪および内輪をそれぞれ独立のプラスチック部品とすることも可能である。

　外歯歯車３の内側において、ボス３４にはカップ状の外輪受け８が同軸に固定されている。外輪受け８と、波動発生器４のハブ５の軸端部との間に、ボールベアリング９が装着されている。波動発生器４は、ボールベアリング９を介して、外歯歯車３のボス３４の部分によって回転自在の状態に支持されている。なお、外輪受け８およびボールベアリング９の内外輪もプラスチック部品とすることが可能である。

（ウエーブベアリング）
　波動発生器４のウエーブベアリング７について更に詳しく説明する。まず、材質について説明すると、波動発生器４のウエーブベアリング７の外輪が一体形成されている外歯歯車３および内輪が一体形成されているウエーブプラグ６は、共に、スーパーエンジニアリングプラスチックから形成されている。ウエーブベアリング７の外輪および内輪が独立したプラスチック部品の場合には、少なくとも、外輪および内輪がスーパーエンジニアリングプラスチックから形成される。

　スーパーエンジニアリングプラスチックとして例えば次のものがある。結晶性樹脂として、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、フッソ樹脂（ＦＲ）等が知られている。また、非晶性樹脂として、ポリアリレート（ＰＡＲ）、ポリスルフォン（ＰＳＵ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、熱可塑性ポリイミド（ＴＰＩ）等が知られている。例えば、外輪一体型の外歯歯車３および内輪一体型のウエーブプラグ６の材質を、ＰＥＥＫ、ＰＡＩ、ＴＰＩまたはＰＰＳとすることができる。

　先に述べたように、波動発生器４のウエーブベアリング７の軌道部、すなわち、外輪側軌道面３６および内輪側軌道面６２が形成されている部品を、プラスチック部品にした場合には、無負荷、低負荷時でも軌道面に圧痕、摩耗、疲労剥離などの損傷が発生する。軽量化を図りつつ、軌道面の損傷を回避し、実用可能な負荷トルク域で使用できる波動発生器を提供するために、本例においては、以下のように、ウエーブベアリング７を構成している。

　まず、ウエーブベアリング７の円筒コロ７１は、外輪側軌道面３６、内輪側軌道面６２に作用する応力の低減化などのためには、そのコロ径が大きい方が望ましい。一方、波動発生器４のウエーブプラグ６の回転に伴って外歯歯車３に生じる波動運動が、ウエーブプラグ６から外歯歯車３にスムーズに伝達されるようにするためには、円周方向に等角度間隔で所定個数以上の円筒コロ７１を配置することが望ましい。本例では、円筒コロ７１の個数を１３個以上の奇数個とし、円筒コロ７１を、リテーナ７２によって円周方向に等角度間隔の位置に保持している。必要個数の円筒コロ７１を配置するために、円筒コロ７１のコロ径をＤ、楕円状の撓められる前のウエーブベアリング７の軌道溝直径をＰＣＤとすると、
　Ｄ　≦　ＰＣＤ×０．２
としてある。

　また、本例では、外輪厚さ、すなわち外輪一体型の外歯歯車３の開口側部分３５を可能な限り厚くし、楕円量（外歯歯車３の撓み量：ｄｆ）を速比にかかわらず、
　ｄｆ　≧　歯数差（２ｎ）×歯のモジュ－ル（ｍ）
としてある。これにより、無負荷時の、負荷率（転がり軸受の荷重分布を表す負荷圏の範囲を表す）を大きくすることができ、負荷時でもラジアル荷重の低下を図ることができる。

　さらに、内歯歯車２の内歯２１および外歯歯車３の外歯３１のそれぞれの歯の圧力角（または、平均圧力角）を、２０ｄｅｇ以下の低圧力角にしてある。これにより、負荷時のラジアル荷重を低減できる。

　次に、ウエーブベアリング７において、転動体を上記のように円筒コロ７１とした場合においても、外輪側軌道面３６、内輪側軌道面６２に摩耗、溶融が発生するおそれが依然としてある。また、潤滑剤などを考慮することで軌道面の摩耗を抑制できたとしても、軌道面に疲労剥離が発生するおそれがある。このような弊害を確実に回避するためには、内輪側軌道面６２および外輪側軌道面３６には、イオン結晶性層状化合物の微小粉体からなる固体潤滑膜を形成しておくことが望ましい。イオン結晶性層状化合物としては、二硫化モリブデン（ＭoＳ_２）、硫化タングステン（ＷＳ_２）等を用いることができる。例えば、このようなイオン結晶性層状化合物の微小粉体を、ショットピーニングまたは、軟質の皮革ハブなどにより軌道面に擦り付けることで、固体潤滑膜として、強固な移着膜を軌道面に形成できる。これにより、軌道面表面付近のせん断応力の低下を図ることができる。これに加えて、グリース潤滑を併用することで、外輪側軌道面３６、内輪側軌道面６２の摩耗、溶融の発生を確実に防止できる。

（その他の実施の形態）
　上記の例は、本発明をカップ型の波動歯車装置に適用したものである。本発明は、シルクハット形状の外歯歯車を備えたシルクハット型の波動歯車装置、および、円筒状の外歯歯車を備えたフラット型の波動歯車装置のそれぞれの波動発生器に対しても、同様に適用可能である。

Claims

　可撓性の外歯歯車を非円形に撓めて、剛性の内歯歯車に対して部分的にかみ合わせた状態を形成する波動発生器を備え、前記波動発生器は、非円形外周面を備えたウエーブプラグと、このウエーブプラグの前記非円形外周面に装着されるウエーブベアリングとを備えている波動歯車装置において、
　前記ウエーブベアリングは、
　外輪と、
　内輪と、
　前記外輪の内周面に形成した外輪側軌道面と前記内輪の外周面に形成した内輪側軌道面との間に転動可能な状態で挿入されている複数個の転動体と、
を備えており、
　前記外輪および前記内輪は、それぞれ、スーパーエンジニアリングプラスチックからなる部品である波動歯車装置。
　請求項１において、
　前記外輪は前記外歯歯車に一体形成されており、
　前記外歯歯車は、前記スーパーエンジニアリングプラスチックからなる部品である波動歯車装置。
　請求項１において、
　前記内輪は前記ウエーブプラグに一体形成されており、
　前記ウエーブプラグは、前記スーパーエンジニアリングプラスチックからなる部品である波動歯車装置。
　請求項１において、
　前記転動体は、円筒コロであり、
　前記円筒コロは、円周方向に等角度間隔に配置されており、
　前記円筒コロの個数は、１３個以上の奇数個であり、
　前記円筒コロのコロ径をＤとし、前記非円形に撓められる前の前記ウエーブベアリングの軌道溝直径をＰＣＤとすると、
　Ｄ　≦　ＰＣＤ×０．２
である波動歯車装置。
　請求項１において、
　前記内歯歯車および前記外歯歯車はモジュールがｍの歯車であり、
　前記内歯歯車と前記外歯歯車の歯数差は、ｎを正の整数として、２ｎであり、
　前記外歯歯車は前記波動発生器によって楕円形状に撓められており、
　前記楕円形状の楕円量である前記外歯歯車の撓み量をｄｆとすると、
　ｄｆ　≧　２ｎ×ｍ
である波動歯車装置。
　請求項１において、
　前記内歯歯車および前記外歯歯車のそれぞれの歯の圧力角は２０ｄｅｇ以下の低圧力角である波動歯車装置。
　請求項１において、
　前記内輪側軌道面および前記外輪側軌道面には、イオン結晶性層状化合物の微小粉体からなる移着膜が形成されている波動歯車装置。
　請求項７において、
　前記内輪側軌道面および前記外輪側軌道面にはグリースが塗布されている波動歯車装置。
　請求項５において、
　前記内歯歯車および前記外歯歯車のそれぞれの歯の圧力角は２０ｄｅｇ以下の低圧力角であり、
　前記外輪は前記外歯歯車に一体形成されており、
　前記内輪は前記ウエーブプラグに一体形成されており、
　前記外歯歯車および前記ウエーブプラグは、それぞれ、前記スーパーエンジニアリングプラスチックからなる部品であり、
　前記転動体は、円筒コロであり、
　前記円筒コロは、円周方向に等角度間隔に配置されており、
　前記円筒コロの個数は、１３個以上の奇数個であり、
　前記円筒コロのコロ径をＤとし、前記非円形に撓められる前の前記ウエーブベアリングの軌道溝直径をＰＣＤとすると、
　Ｄ　≦　ＰＣＤ×０．２
である波動歯車装置。
　請求項９において、
　前記内輪側軌道面および前記外輪側軌道面には、イオン結晶性層状化合物の微小粉体からなる移着膜が形成されていると共に、グリースが塗布されている波動歯車装置。