CN106104076B - 波动齿轮装置及多层中空体的制造方法 - Google Patents

Abstract

波动齿轮装置(1)的波动发生器(4)的波动插塞(11)包括：金属制的外侧中空体(21)，该金属制的外侧中空体(21)形成有椭圆状的波动插塞外周面(12)；金属制的内侧中空体(22)，该金属制的内侧中空体(22)形成有波动插塞内周面(15)；以及中间中空体(23)，该中间中空体(23)夹在外侧中空体(21)与内侧中空体(22)之间。中间中空体(23)具备CFRP层(25、26)。本发明能够实现可确保必要的刚性且形成大中空部的轻量波动插塞。当使用该波动插塞时，能够实现发生爬齿的负载扭矩高且具备大中空部的轻量波动齿轮装置。

Description

波动齿轮装置及多层中空体的制造方法

技术领域

本发明涉及波动齿轮装置的波动发生器的波动插塞(Wave Plug)及刚性内齿齿轮。另外，涉及用于制造波动插塞及刚性内齿齿轮的多层中空体的制造方法。

背景技术

在波动齿轮装置中，通过波动发生器使柔性外齿齿轮弯曲变形成椭圆状而与刚性内齿齿轮部分啮合，使波动发生器发生旋转，从而，使两个齿轮的啮合位置在周向上进行移动。由此，以与两个齿轮的齿数差相对应的转速而在两个齿轮之间产生相对旋转。

如果固定一个齿轮使其不发生旋转，则输入到波动发生器中的旋转则由另一个齿轮以根据两个齿轮的齿数差而被减速了的减速旋转的形式被输出。使柔性外齿齿轮弯曲变形成椭圆状的波动发生器通常包括：具备椭圆状外周面的金属制的刚性插塞和安装在该椭圆状外周面上的波动轴承。

作为波动齿轮装置，已知有其中空部在轴线方向上贯穿波动齿轮装置的中心部分而延伸的中空型的波动齿轮装置。在中空型的波动齿轮装置中，作为其波动发生器的波动插塞，使用了具备贯穿其中心部而延伸的中空部的圆筒状的波动插塞。

在此，要求增大波动齿轮装置的使用扭矩及大的中空径。在使用扭矩较大的情况下，如果增大中空径，则波动齿轮装置有可能发生爬齿(棘轮效应)。特别是在扁平式、礼帽型波动齿轮装置中，为了形成更大内径的中空部，需要在波动插塞上形成更大的中空部。如果在波动插塞上形成大的中空部，则其壁厚减小，其半径方向的刚性降低。结果，在两个齿轮之间发生爬齿的负载扭矩也降低。为了避免发生这些现象，需要即便在有限的截面形状(壁厚、宽度)内也具有高刚性的波动插塞。

作为具有纵向弹性模量的材料，且该纵向弹性模量比通常用作波动插塞的材料的钢(纵向弹性模量：210GPa)还要大，已知有陶瓷(氧化铝：350GPa、氮化硅：320GPa)、碳纤维强化塑料(以下也有时称为“CFRP”。)。

对于碳纤维强化塑料而言，因所使用的碳纤维的弹性模量的原因而具有大范围55～400GPa的纵向弹性系数。专利文献1中公开有：使用CFRP作为原料的内容。该专利文献1中，提出了：在形成机械手的叉子的矩形筒状框架，使用在减震板的两面层叠了CFRP层的夹层结构的原料的内容。

专利文献

专利文献1：日本特开2013-180357号公报

发明内容

在此，由于陶瓷的加工性较差，因此，不适合作为波动插塞的原料。另外，虽然可以考虑使用专利文献1中所提出的夹层结构的原料来制造波动插塞，但是，该原料的两面被CFRP层所规定，加工性较差。

需要把波动插塞的外周面加工成精度高的椭圆形状，为了进行与马达轴之间的安装等，需要对其内周部进行复杂的加工。因此，要求波动插塞具有高刚性，同时要求能够高精度加工其外周部及内周部。目前，作为波动插塞的原料，无法同时满足这两个要求。

另一方面，对于波动齿轮装置的刚性内齿齿轮，也要求高刚性，同时还要求能够在其内周面高精度地加工内齿。另外，刚性内齿齿轮有时通过其外周面且借助球轴承等轴承而对柔性外齿齿轮进行支撑。在这样的情况下，也有时在刚性内齿齿轮的外周面上一体地形成轴承内圈轨道面从而构成小型、轻量的波动齿轮装置。因此，刚性内齿齿轮被要求高刚性，同时在其外周面能够高精度加工轴承轨道面等。

本发明的课题是鉴于以上内容而完成的，提供具有波动发生器的波动齿轮装置，该波动发生器具备能够在有限的截面(壁厚、宽度)内确保高刚性且加工性优良的波动插塞。

另外，本发明的课题在于，提供能够抑制发生跳齿的负载扭矩降低且形成大中空部的波动齿轮装置。

此外，本发明的课题在于，提供具有能够在有限的截面内确保高刚性且加工性优良的刚性内齿齿轮的波动齿轮装置。

另一方面，本发明的课题在于，提出：用于制造能够在这种有限的截面内确保高刚性且加工性优良的波动插塞及刚性内齿齿轮的多层中空体的制造方法。

为了解决上述课题，本发明的波动齿轮装置的特征在于，包括：

刚性内齿齿轮；

柔性外齿齿轮；以及

波动发生器，该波动发生器使所述柔性外齿齿轮弯曲变形成椭圆状等非圆形而使之与所述刚性内齿齿轮局部啮合，并使这两个齿轮的啮合位置在圆周方向上进行移动，

所述波动发生器包括：

中空状的波动插塞，该中空状的波动插塞形成有椭圆状等非圆形的插塞外周面；和

波动轴承，该波动轴承安装在所述插塞外周面，

所述刚性内齿齿轮及所述波动插塞中的至少一者是由多层中空体形成的，

所述多层中空体包括：

金属制的外侧中空体；

金属制的内侧中空体；以及

中间中空体，该中间中空体夹在所述外侧中空体与所述内侧中空体之间，

所述中间中空体至少具备一层碳纤维强化塑料层。

本发明的波动齿轮装置中，波动插塞或者刚性内齿齿轮或这两者是由夹持CFRP层并且层叠有外侧中空体及内侧中空体的多层中空体形成的。与由金属原料单体形成的波动插塞、刚性内齿齿轮相比，这些部件能够在有限的截面(壁厚、宽度)内确保高刚性，更加轻量。另外，多层中空体的外周面被金属制的外侧中空体所限定，其内周面被金属制的内侧中空体所限定。因此，对多层中空体的外周部分及内周部分的加工变得容易，多层中空体适合用作波动插塞、刚性内齿齿轮的原料。

本发明中，在所述波动插塞由所述多层中空体形成的情况下，在所述外侧中空体的外周面上形成有所述插塞外周面。波动插塞与由金属原料单体形成的波动插塞相比，能够在有限的截面(壁厚、宽度)内确保高刚性，还能够实现轻量化。因此，能够实现可确保必要的刚性且形成大中空部的轻量波动插塞。

另外，波动插塞的外周部分由金属制的外侧中空体形成，其内周部分由金属制的内侧中空体形成。因此，容易将波动插塞的外周面高精度地加工成椭圆状外周面等非圆形外周面，还容易对其内周部分进行电机轴安装用的复杂加工。

这样，本发明的波动齿轮装置使用了：能够在有限的截面内确保高刚性且加工性优良的波动插塞。因此，即便在波动插塞中形成大的中空部，也能够确保该波动插塞的刚性。因此，因为能够通过波动发生器可靠地对柔性外齿齿轮进行支撑，所以能够实现：可抑制发生跳齿的负载扭矩降低且形成大的中空部的轻量波动齿轮装置。

在此，优选为，所述中间中空体包括：金属制的第一中空体；第一碳纤维强化塑料层，该第一碳纤维强化塑料层夹在所述第一中空体的外周面与所述外侧中空体的内周面之间；以及第二碳纤维强化塑料层，该第二碳纤维强化塑料层夹在所述第一中空体的内周面与所述内侧中空体的外周面之间。通过层叠多个CFRP层，能够确保波动插塞的刚性等机械强度的各向同性，并且，提高波动插塞的刚性，实现其轻量化。

作为所述外侧中空体、所述内侧中空体、所述第一中空体的金属原料，可以使用钢、不锈钢、铝合金以及钛合金中的任一者。也可以使用彼此不同的金属原料来制造各筒。

接着，上述构成的波动插塞中所使用的多层中空体的制造方法的特征在于，包括以下工序：

在用于形成所述内侧中空体的内侧中空体坯料的外周面，层叠所述第二碳纤维强化塑料层，从而制造第一中空层叠体的工序；

在用于形成所述第一中空体的第一中空体坯料的外周面，层叠所述第一碳纤维强化塑料层，从而制造第二中空层叠体的工序；

将所述第一中空层叠体压入于所述第二中空层叠体，并将所述第二碳纤维强化塑料层固定于所述第一中空体坯料的内周面，从而制造第三中空层叠体的工序；

将所述第三中空层叠体压入于用于形成所述外侧中空体的外侧中空体坯料，并将所述第一碳纤维强化塑料层固定于所述外侧中空体坯料的内周面，从而制造第四中空层叠体的工序；以及

对所述第四中空层叠体的所述外侧中空体坯料及所述第四中空层叠体的所述内侧中空体坯料中的至少一者实施后期加工的工序。

另一方面，可以由多层中空体形成刚性内齿齿轮。在这种情况下，在多层中空体的所述内侧中空体的内周面形成有内齿。另外，也有时在所述外侧中空体的外周面形成有球轴承或者滚子轴承的内圈轨道面。

即便在由多层中空体形成刚性内齿齿轮的情况下，所述中间中空体也可以包括：金属制的第一中空体；第一碳纤维强化塑料层，该第一碳纤维强化塑料层夹在所述第一中空体的外周面与所述外侧中空体的内周面之间；以及第二碳纤维强化塑料层，该第二碳纤维强化塑料层夹在所述第一中空体的内周面与所述内侧中空体的外周面之间。另外，所述外侧中空体、所述内侧中空体以及所述第一中间体的金属原料可以为钢、不锈钢、铝合金以及钛合金中的任一者。

本发明的刚性内齿齿轮由夹持CFRP层并层叠有外筒及内筒的多层中空体形成。与由金属原料单体形成的刚性内齿齿轮相比，能够在有限的截面(壁厚、宽度)内确保高刚性，还能够实现轻量化。另外，刚性内齿齿轮的外周部分由金属制的外侧中空体形成，其内周部分则由金属制的内侧中空体形成。因此，能够在其内周面高精度加工内齿。另外，能够在其外周面高精度一体地形成轴承外圈轨道面。

接着，用于制造上述构成的刚性内齿齿轮的多层中空体的制造方法的特征在于，包括以下工序：

在用于形成所述内侧中空体的内侧中空体坯料的外周面，层叠所述第二碳纤维强化塑料层，从而制造第一中空层叠体的工序；

在用于形成所述第一中空体的第一中空体坯料的外周面，层叠所述第一碳纤维强化塑料层，从而制造第二中空层叠体的工序；

将所述第一中空层叠体压入于所述第二中空层叠体，并将所述第二碳纤维强化塑料层固定于所述第一中空体坯料的内周面，从而制造第三中空层叠体的工序；

将所述第三中空层叠体压入于用于形成所述外侧中空体的外侧中空体坯料，并将所述第一碳纤维强化塑料层固定于所述外侧中空体坯料的内周面，从而制造第四中空层叠体的工序；以及

在所述第四中空层叠体的所述内侧中空体坯料的内周面加工内齿的工序。

附图说明

图1是应用了本发明的礼帽型波动齿轮装置的左视图、纵向截面图以及右视图。

图2是表示图1的波动齿轮装置的波动发生器的波动插塞的截面构成的示意图、表示波动插塞的另一例子的示意图以及表示波动插塞的再一例子的示意图。

图3是表示图2的波动插塞的制造顺序的说明图。

图4是表示由多层中空体形成的刚性内齿齿轮的例子的截面图。

图5是表示能够应用本发明的波动齿轮装置的三个例子的纵向截面图。

具体实施方式

以下，参照附图，对应用了本发明的波动齿轮装置的实施方式进行说明。图1(a)、(b)及(c)是本实施方式所涉及的礼帽型波动齿轮装置的左视图、纵向截面图以及右视图。

波动齿轮装置1包括：圆环状的刚性内齿齿轮2、同轴配置在其内侧的礼帽形状的柔性外齿齿轮3以及同轴嵌入在柔性外齿齿轮3的内侧的波动发生器4。柔性外齿齿轮3包括：能够在半径方向上弯曲变形的圆筒状胴体部5、自该圆筒状胴体部5的一端起朝向半径方向的外侧扩展的隔膜6、以及形成在圆筒状胴体部5的另一开口端侧的外周面部分的外齿7。刚性内齿齿轮2借助交叉滚子轴承9且以能够相对自由旋转的状态对柔性外齿齿轮3进行支撑。本例中，在刚性内齿齿轮2的圆形外周面上形成有交叉滚子轴承9的内圈轨道面9a。在交叉滚子轴承9的外圈9b，同轴地紧固有柔性外齿齿轮3。

柔性外齿齿轮3的外齿7的形成部分通过波动发生器4而被弯曲变形成非圆形状、通常为椭圆状，从而，其椭圆形状的长轴两端的外齿7的部分与刚性内齿齿轮2的内齿8的部分啮合。波动发生器4被未图示的马达旋转驱动。波动发生器4包括：刚性的波动插塞11、和安装在该波动插塞11的椭圆状的波动插塞外周面12上而被弯曲变形成椭圆状的波动轴承13。在波动插塞11上形成有沿着轴线11a的方向贯穿其中心部的中空部14。

(波动插塞)

图2(a)是表示波动插塞11的截面构成的示意图。波动插塞11由包含CFRP层的多层中空体形成，其包括：形成有椭圆状的插塞外周面12的由金属制圆筒构成的外侧中空体21、形成有波动插塞内周面15的由金属制圆筒构成的内侧中空体22、以及夹在外侧中空体21与内侧中空体22之间的中间中空体23。

中间中空体23包括：由金属制圆筒构成的第一中空体24、夹在第一中空体24的外周面24a与外侧中空体21的内周面21b之间的第一碳纤维强化塑料层25、以及夹在第一中空体24的内周面24b与内侧中空体22的外周面22a之间的第二碳纤维强化塑料层26。

作为外侧中空体21、内侧中空体22以及第一中空体24的原料，可以使用钢、不锈钢、铝合金以及钛合金等。通常使用碳钢S45C。可以对各中空体21、22、24使用相同原料，也可以使用彼此不同的原料。另外，还可以对外侧中空体21、内侧中空体22使用相同原料而对中间的第一中空体24使用其它原料。

第一、第二CFRP层25、26中，通过预浸料的片状卷绕或将碳纤维按规定密度沿着规定方向缠绕在树脂基材上的纤维卷绕，来卷绕碳纤维。卷绕方向可以为圆周方向、与圆周方向不同的方向。还可以使第一、第二CFRP层的卷绕方向为彼此不同的方向。

作为用于第一、第二CFRP层25、26的树脂，可以使用高强度的环氧树脂、聚酰亚胺树脂，通常可以使用环氧树脂。作为碳纤维，可以使用沥青系、PAN系的任一碳纤维，但是，从加工性、弹性、热传导、减震能力等观点考虑，优选使用沥青系。

另外，在是纤维卷绕、片状卷绕的任意一种的情况下，第一、第二CFRP层25、26中的碳纤维的体积分率Vf均可以为55～65％。从树脂部与碳纤维的接合强度的观点考虑，认为最佳值为Vf65％。

此外，为了减小环状的波动插塞11的径向的弯曲变形，优选增大其圆周方向的拉伸弹性模量。因此，只要使第一、第二CFRP层25、26中的碳纤维的卷绕方向为圆周方向(0deg取向)即可。在CFRP层的厚度较薄的情况下，例如如果到1.5mm左右，则仅为0deg取向即可。但是，在CFRP层的厚度增加的情况下，根据其厚度，为了使其整体强度为规定水平以上，优选为，将45deg取向组合于0deg取向。

接着，如图2(b)所示，还可以仅由第一碳纤维强化塑料层25来形成中间中空体23。在这种情况下，波动插塞11A由：形成有椭圆状的插塞外周面12的金属制的外侧中空体21、形成有插塞内周面15的金属制的内侧中空体22、以及夹在外侧中空体21与内侧中空体22之间的作为中间中空体23的第一CFRP层25构成。

另外，如图2(c)所示，还可以使用构成了中间中空体23的波动插塞11B。在这种情况下的中间中空体23除图2(a)所示的第一中空体24、第一、第二CFRP层25、26以外，还追加了由金属制圆筒构成的内侧的第二中空体27和第三CFRP层28。

另外，作为波动齿轮装置的波动发生器，已知带有十字滑块机构的波动发生器。例如已知日本特许第4155420号公报的图6中记载的结构的带有十字滑块机构的波动发生器。在这种情况下，也可以将本发明应用于构成波动发生器的十字滑块机构的各波动插塞。

(波动插塞的制造方法)

接着，图3是表示上述构成的波动插塞11的制造方法(多层中空体的制造方法)之一例的说明图。参照图3进行说明，首先，制造：用于形成内侧中空体22的圆筒状的内侧中空体坯料22A、用于形成第一中空体24的圆筒状的第一中空体坯料24A以及用于形成外侧中空体21的圆筒状的外侧中空体坯料21A(工序ST1-1、ST1-2、ST1-3)。也可以使用由金属制的圆棒形成的坯料来代替内侧中空体坯料22A。

接着，在内侧中空体坯料22A的圆形外周面，层叠第二碳纤维强化塑料层26，从而制造第一中空层叠体31(ST2-1)。同样地，在第一中空体坯料24A的圆形外周面，层叠第一碳纤维强化塑料层25，从而制造第二中空层叠体32(ST2-2)。

接着，将第一中空层叠体31压入于第二中空层叠体32的圆形内周面，并进行加热，通过粘合剂将第二CFRP层26与第二中空层叠体32的圆形内周面之间粘合固定。由此，得到第三中空层叠体33(工序ST3)。然后，将第三中空层叠体33压入于外侧中空体坯料21A的圆形内周面，通过粘合剂将第一碳纤维强化塑料层25与外侧中空体坯料21A的圆形内周面之间粘合固定。由此，得到第四中空层叠体34(工序ST4)。

最后，对第四中空层叠体34的外侧中空体坯料21A的圆形外周面进行加工，来形成椭圆形状的波动插塞外周面12。另外，对第四中空层叠体34的内侧中空体坯料22A实施后期加工，并形成螺栓孔等，并且，形成规定直径的中空部14(工序ST5)。经过这样的工序而制造波动插塞11。

(刚性内齿齿轮的例子)

接着，还可以由具备CFRP层的多层中空体来制造上述的刚性内齿齿轮2。图4是表示由多层中空体形成的刚性内齿齿轮2A的截面图，刚性内齿齿轮2A可以代替图1所示的刚性内齿齿轮2进行使用。

刚性内齿齿轮2A包括：形成有交叉滚子轴承(未图示)的内圈轨道面109a的由金属制圆筒构成的外侧中空体121、形成有内齿108的由金属制圆筒构成的内侧中空体122、以及夹在外侧中空体121与内侧中空体122之间的中间中空体123。中间中空体123由一层碳纤维强化塑料层125形成。

可以使外侧中空体121、内侧中空体122的原料、CFRP层与之前说明的波动插塞11的情形相同。另外，中间中空体123还可以采用图2(a)、(c)所示的多层结构。

作为用于制造刚性内齿齿轮2A的具备CFRP层的多层中空体的制造方法，可以采用与图3所示的波动插塞中所使用的多层中空体的制造方法同样的方法。刚性内齿齿轮2A的制造工序包括以下工序：在所制造的多层中空体的内周面加工内齿108的工序、在其外周面加工内圈轨道面109a等工序。

(其它实施方案)

应用了本发明的上述的刚性内齿齿轮2A一体地形成有交叉滚子轴承的内圈轨道面109a，可用于所提到的图1所示的单元式波动齿轮装置。本发明还可以用于除图1所示的单元式波动齿轮装置以外的各种形态的波动齿轮装置所使用的各种结构的刚性内齿齿轮。

例如图5(a)是表示杯型波动齿轮装置的纵截面图，图5(b)是表示包括具备单排滚珠轴承的波动发生器的扁平式波动齿轮装置的纵向截面图，图5(c)是表示包括具备多排滚珠轴承的波动发生器的扁平式波动齿轮装置的纵向截面图。可以由本发明的多层中空体来制造：图5(a)所示的刚性内齿齿轮2B、图5(b)所示的2个刚性内齿齿轮2C1、2C2、以及图5(c)所示的2个刚性内齿齿轮2D1、2D2。

Claims (6)

1.一种波动齿轮装置，其特征在于，包括：

刚性内齿齿轮；

柔性外齿齿轮；以及

波动发生器，该波动发生器使所述柔性外齿齿轮弯曲变形成非圆形而使之与所述刚性内齿齿轮局部啮合，并使这两个齿轮的啮合位置在圆周方向上进行移动，

所述波动发生器包括：

中空状的波动插塞，该中空状的波动插塞形成有非圆形的插塞外周面；和

波动轴承，该波动轴承安装在所述插塞外周面，

所述刚性内齿齿轮及所述波动插塞中的至少一者是由多层中空体形成的，

所述多层中空体包括：

金属制的外侧中空体；

金属制的内侧中空体；以及

中间中空体，该中间中空体夹在所述外侧中空体与所述内侧中空体之间，

所述中间中空体包括：

金属制的第一中空体；

第一碳纤维强化塑料层，该第一碳纤维强化塑料层夹在所述第一中空体的外周面与所述外侧中空体的内周面之间；以及

第二碳纤维强化塑料层，该第二碳纤维强化塑料层夹在所述第一中空体的内周面与所述内侧中空体的外周面之间。

2.根据权利要求1所述的波动齿轮装置，其特征在于，

所述波动插塞由所述多层中空体形成，

在所述外侧中空体的外周面形成有所述插塞外周面。

3.根据权利要求1所述的波动齿轮装置，其特征在于，

所述刚性内齿齿轮为所述多层中空体，

在所述内侧中空体的内周面形成有内齿。

4.根据权利要求1所述的波动齿轮装置，其特征在于，

所述外侧中空体及所述内侧中空体的原料为钢、铝合金以及钛合金中的任意一者。

5.根据权利要求1所述的波动齿轮装置，其特征在于，

所述第一中空体的原料为钢、铝合金以及钛合金中的任意一者。

6.一种多层中空体的制造方法，其是用于制造权利要求1所述的波动插塞或者刚性内齿齿轮的多层中空体的制造方法，其特征在于，包括以下工序：

在用于形成所述内侧中空体的内侧中空体坯料的外周面，层叠所述第二碳纤维强化塑料层，从而制造第一中空层叠体的工序；

在用于形成所述第一中空体的第一中空体坯料的外周面，层叠所述第一碳纤维强化塑料层，从而制造第二中空层叠体的工序；

将所述第一中空层叠体压入于所述第二中空层叠体，并将所述第二碳纤维强化塑料层固定于所述第一中空体坯料的内周面，从而制造第三中空层叠体的工序；

将所述第三中空层叠体压入于用于形成所述外侧中空体的外侧中空体坯料，并将所述第一碳纤维强化塑料层固定于所述外侧中空体坯料的内周面，从而制造第四中空层叠体的工序；以及

对所述第四中空层叠体的所述外侧中空体坯料及所述第四中空层叠体的所述内侧中空体坯料中的至少一者实施后期加工的工序。