JP3580506B2

JP3580506B2 - シルクハット型撓み噛み合い式歯車装置

Info

Publication number: JP3580506B2
Application number: JP31083594A
Authority: JP
Inventors: 登滝沢
Original assignee: Harmonic Drive Systems Inc
Current assignee: Harmonic Drive Systems Inc
Priority date: 1994-12-14
Filing date: 1994-12-14
Publication date: 2004-10-27
Anticipated expiration: 2019-10-27
Also published as: JPH08166052A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はシルクハット形状の可撓性外歯歯車が組み込まれたシルクハット型撓み噛み合い式歯車装置に関するものである。さらに詳しくは、本発明は、シルクハット形状の可撓性外歯歯車の応力集中を緩和して外径寸法を小さくできるようにしたシルクハット型撓み噛み合い式歯車装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
撓み噛み合い式歯車装置としては、その可撓性外歯歯車がシルクハット形状をした形式のものが知られている。本明細書では、この形式の装置をシルクハット型撓み噛み合い式歯車と呼ぶものとする。図６には、シルクハット型撓み噛み合い式歯車装置の可撓性外歯歯車を、その装置軸線を含む平面で切断した縦断面図を示してある。この図に示すように、可撓性外歯歯車１は、円筒状の胴部２と、この基端側開口端に連続した内周端部を備えた環状のダイヤフラム部３と、このダイヤフラム部３の外周端部に連続している環状の厚肉のボス部５を備えている。胴部４の先端側開口端の外周部分には周方向に向けて外歯４が一体成形されている。
【０００３】
この形式の装置は、装置軸線１ａに沿って回転部材等を貫通させた状態に配置する場合等に都合がよい。すなわち、可撓性外歯歯車のダイヤフラム部３が胴部２の端から半径方向の外側に広がっているので、胴部３の内側空間を貫通させて回転部材等を配置できる。しかし、ダイヤフラム部３が半径方向の外側に向けて広がっているので、コップ型の可撓性外歯歯車が組み込まれたコップ状撓み噛み合い式歯車装置に比べて、装置の外径寸法が大きくなる。装置の外径寸法を小さくするためにはダイヤフラム部３の外径を小さくすればよい。しかしながら、図６において矢印で示すように、ダイヤフラム部３には、波動発生器（図示せず）によって半径方向に撓められた胴部２の変形によって、大きな曲げ応力が繰り返し作用する。このため、ダイヤフラム部３の径を小さくすると、それに逆比例して、ダイヤフラム部３の内周端部３ａ、および外周端部３ｂに発生する応力が増加してしまう。この結果、これらの内周端部、外周端部に応力集中が発生してしまい好ましくない。
【０００４】
そこで、本願人は、実開平３−１１８３４６号公報において、このダイヤフラム部の厚さを中央部分で薄くし、両端部分で厚くし、これにより、ダイヤフラム部の内周端部および外周端部での応力集中を緩和する構成を提案している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記公報に開示の考案の改良に関するものである。上記公報においては、ダイヤフラム部の厚さを中央部分で薄くする点を開示しているのである。
【０００６】
本発明者等は、これ以外の点を明確にするために、このシルクハット型撓み噛み合い式歯車装置におけるシルクハット型可撓性外歯歯車の応力発生状態を検討すると共に多数の実験を行なった。
【０００７】
本発明は、このような検討結果に基づくものであり、一層効率良くダイヤフラム部の応力集中を緩和でき、また、この部分に発生する応力状態を均一化できるダイヤフラム部の形状を提案することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、環状の剛性内歯歯車と、この内側の可撓性の外歯歯車と、この内側に配置されて当該外歯歯車を半径方向に撓めて前記剛性内歯歯車と部分的に噛み合わせると共に、これらの噛み合わせ位置を円周方向に回転させる波動発生器とを有し、前記外歯歯車は、一方の開口端側の外周面に外歯が形成された筒状の胴部と、この胴部の他方の開口端に対して内周端部が連続している環状のダイヤフラム部と、このダイヤフラム部の外周端部に連続して形成されている環状のボス部とを有するシルクハット形状をしているシルクハット型撓み噛み合い式歯車装置において、可撓性外歯歯車の断面形状を次のように設定している。
【０００９】
すなわち、当該外歯歯車のダイヤフラム部の装置軸線を含む平面で切断した場合の断面形状は、その内周端部の厚さをｔ（Ａ）、その外周端部の厚さをｔ（Ｃ）、内周端部と外周端部のほぼ中央の部分の厚さをｔ（Ｂ）とすると、ｔ（Ａ）を最大厚さ、ｔ（Ｂ）を最小厚さに設定すると共に、ｔ（Ａ）＞ｔ（Ｃ）＞ｔ（Ｂ）となるように設定している。
【００１０】
ここで、ダイヤフラム部の内周端から外周端に向けての応力分布の変化を滑らかにするために、外歯歯車のダイヤフラム部の前記断面形状を、少なくとも一方の表面輪郭形状が複数の曲線によって規定して滑らかに肉厚を変化させるようにすることが好ましい。
【００１１】
本発明者等の検討によれば、内周端部の厚さｔ（Ａ）と前記中央の部分の厚さｔ（Ｂ）の関係は、ｔ（Ａ）／ｔ（Ｂ）が約１．５から約２．２の範囲内の値となるようにすることが好ましい。また、外周端部の厚さｔ（Ｃ）と前記中央の部分の厚さｔ（Ｂ）の関係は、ｔ（Ｃ）／ｔ（Ｂ）が約１．４から約２．０の範囲内となるように設定することが好ましい。
【００１２】
【作用】
シルクハット型可撓性外歯歯車のダイヤフラム部では、内周端部から外周端部に沿っての応力分布がなだらかになる。また、内周端部および外周端部での応力集中も回避される。この結果、ダイヤフラム部の外径寸法を小さくできる。
【００１３】
【実施例】
以下に、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【００１４】
図１および図２には、本例のシルクハット型撓み噛み合い式歯車装置の全体構成を示してある。この図において、装置１１は、環状の剛性内歯歯車１２と、この内側に配置されたシルクハット形状の可撓性外歯歯車１３と、この内側にはめ込まれた楕円状の波動発生器１４から構成されている。可撓性外歯歯車１３は、円筒形の胴部２２と、その基端開口に連続した内周端部２３ａを備えた環状のダイヤフラム部２３と、このダイヤフラム部２３の外周端部２３ｂに連続して一体形成された厚肉の環状ボス部２５を備えている。胴部２２の先端側開口端の外周部分には周方向に向けて外歯２４が一体形成されている。環状のボス部２５は、他の部材（図示せず）への取付けのためのものであり、このボス部２５によって胴部２２およびダイヤフラム部２３は片持ち状態で支持される。
【００１５】
一方、波動発生器１４は、中空ハブ１４ａと、その外周に嵌めた楕円形の剛性カム板１４ｂと、この外周に嵌めたボールベアリング１４ｃから構成されている。波動発生器１４によって、可撓性外歯歯車の外歯２４が形成されている胴部２２の部分が楕円形に撓められ、楕円形の長軸両端に位置する２箇所の外歯部分が剛性内歯歯車１２の内歯１２ａに噛み合わされる。この状態で波動発生器１４が装置軸線１１ａを中心として回転すると、これらの噛み合い位置が円周方向に回転する。この回転によって、外歯と内歯の歯数差に応じて、これらの可撓性外歯歯車１３と剛性内歯歯車１２の間には相対回転が発生する。したがって、例えば、剛性内歯歯車１２を固定し、波動発生器１４を高速回転入力要素とすれば、外歯歯車１３は減速回転出力要素となり、ここから減速された回転出力が得られることになる。
【００１６】
図３は、上記のシルクハット形の可撓性外歯歯車１３の装置軸線１１ａを含む平面で切断した縦断面を示す図である。また、図４には、可撓性外歯歯車１３のダイヤフムラ部を拡大して示してある。各部分の断面形状は、装置軸線１１ａを含む平面で切断して見た場合に次のようになっている。まず、外歯歯車１３の胴部２２の内周面は、その先端側開口端２２ａから装置軸線１１ａに平行な直線２２ｂによって規定されている。この直線２２ｂの基端側の点２２ｃは、この直線２２ｂに滑らかに連続する円弧２２ｄに繋がっている。円弧２２ｄの他端側はＡ点において、ダイヤフラム部２３の裏面を規定している装置軸線１１ａに直交する直線２３１に滑らかに連続している。この直線２３１の他端である外周側の端はＣ点において、ボス部２５の裏面側に連続している円弧２５ａに滑らかに連続している。円弧２５ａの他端は、装置軸線１１ａに直交する直線２５ｂに繋がっている。
【００１７】
これに対して、外歯歯車１３の胴部２２の外周面は、基本的には、内周面側の直線２２ｂに平行な直線２２ｅによって規定されている。胴部２２の先端側の外周部分には前述したように外歯２４が一体成形されている。この直線２２ｅの端は、中心がＯ１点の凸円弧２２ｆに滑らかに連続している。この円弧２２ｆは、中心がＯ２の凹円弧２２ｇに滑らかに連続している。さらに、この凹円弧２２ｇは、これよりも曲率の小さな中心がＯ３である凹円弧２２ｈに滑らかに連続している。この凹円弧２２ｈは、曲率の大きな中心がＯ４である凹円弧２２ｉに滑らかに連続している。このように、胴部２２の基端側の部分は、円弧２２ｇによって、直線２２ｂ、２２ｅにより規定される胴部２２の厚さｔ（２２）よりも薄い薄肉部分が形成されている。
【００１８】
円弧２２ｉは、ダイヤフラム部２３の表面側を規定している中心がＯ５の円弧２３３に滑らかに連続している。この円弧２３３は、ダイヤフラム部２３のほぼ中心位置、すなわちＡ点とＣ点の中央の位置であるＢ点において、これよりも曲率が僅かに大きな中心がＯ６の円弧２３４に滑らかに連続している。円弧２３４の他端は、ボス部２５の表面を規定している装置軸線１１ａに直交する直線２５ｃに滑らかに連続している。このように、ダイヤフラム部２３は、裏面側が直線２３１で規定され、表面側が２つの円弧２３３、２３４により規定されている。
【００１９】
２つの円弧２３３、２３４はダイヤフラム部２３の中央であるＢ点で連続している。したがって、これらの直線、円弧により規定されるダイヤフラム部２３の厚さは、その中央位置であるＢ点での厚さｔ（Ｂ）が最小厚さとなる。また、ダイヤフラム部２３の内周端部であるＡ点での厚さｔ（Ａ）が最大厚さとなる。さらには、ダイヤフラム部２３の外周端部であるＣ点での厚さｔ（Ｃ）は、厚さｔ（Ａ）よりも僅かに薄い厚さとなる。
【００２０】
このように可撓性外歯歯車１３の断面形状を規定した撓み噛み合い式歯車装置１１においては、その動作時にダイヤフラム部２３に発生する応力の分布は、従来に比べてなだらかで均一化される。また、その内周端部、外周端部での応力集中も充分に緩和される。したがって、従来に比べて、ダイヤフラム部２３の外径寸法を小さくできる。すなわち、図３における装置外径寸法Ｄを小さくすることができる。また、ダイヤフラム部２３に発生する応力を低減できるので、胴部２２の長さＬ（２２）を短くすることができる。
【００２１】
一方、本例においては、胴部２２において、ダイヤフラム部２３の内周端部に連続する部分に薄肉部分を形成してある。本発明者等の実験によれば、この部分は発生応力が小さい部分である。よって、この部分を隣接する胴部２２の厚さに比べて薄くすることにより、胴部２２からダイヤフラム部２３にかけての応力分布を均一化することができる。
【００２２】
ここで、本発明者等の実験によれば、Ａ点およびＣ点の厚さは、最小厚さｔ（Ｂ）に対して次の範囲内に設定すると、ダイヤフラム部２３の内周端部から外周端部にかけての応力部分がなだらかになり、内周端部および外周端部での応力集中が緩和されることが確認された。
【００２３】
１．５＜ｔ（Ａ）／ｔ（Ｂ）＜２．２
１．４＜ｔ（Ｃ）／ｔ（Ｂ）＜２．０
なお、本例では、ダイヤフラム部２３の厚さを規定するために、２つの円弧２３３、２３４を用いている。しかし、３つ以上の円弧を用いて、ダイヤフラム部２３の厚さを規定してもよい。また、ダイヤフラム部２３の裏面側は直線２３１によって規定しているが、この代わりに曲線を用いて、表面側を直線より規定するようにしてもよい。さらには、ダイヤフラム部２３の両面を曲線により規定して、上述した条件を満たす断面形状に設定してもよい。
【００２４】
また、本例では、胴部２２の外周面側に薄肉部分を形成してあるが、この代わりに胴部２２の内周面側にこのような薄肉部分を形成してもよい。あるいは、この部分を、外周面および内周面の双方において凹曲線により規定して、薄肉部分としてもよい。
【００２５】
ここで、本発明者等の実験等によれば、胴部２２の薄肉部分２２１の厚さｔ（２２１）は、胴部２２の厚さｔ（２２）の約８０％に設定することが望ましいことが確認された。
【００２６】
次に、シルクハット型撓み噛み合い式歯車装置１１における可撓外歯歯車１３のコーニングについて考察する。可撓性外歯歯車１３は、その内側にはめ込まれた波動発生器１４によって繰り返し楕円形に撓まされる。この変形現象、すなわちコーニングにより波動発生器１４のベアリング１４ｃに作用するコーニング力を小さくするためには、外歯２４の歯筋方向の長さ（歯部長さ）Ｌ（２４）を短くすることが好ましい。歯部長さＬ（２４）を短くすれば、それに応じて胴部２２の軸長さＬ（２２）も短くすることができる。すなわち、軸長の短い撓み噛み合い式歯車装置を実現できる。しかるに、軸長を短くすると、図５に示すように、可撓性外歯歯車１３のコーニング角θが増加する。この結果、ダイヤフラム２３の発生応力も増加してしまう。
【００２７】
しかしながら、前述した本例の装置１１におけるように、可撓性外歯歯車１３の各部分の肉厚さを設定することにより、その軸長さを短くしても、過剰な応力集中が発生せず、また発生応力の分布もなだらかにできることが確認された。
【００２８】
ここで、本発明者等の実験等によれば、可撓性外歯歯車１３の胴部２２の長さＬ（２２）を、外歯の開口径すなわち外歯のピッチ円直径Ｄ（ｐ）の約２０から約７０％の範囲内の寸法に設定することが望ましいことが確認された。また、外歯の歯筋方向の長さＬ（２４）は実用上、ピッチ円直径Ｄ（ｐ）の約１０から約３０％の範囲内の長さにすることが望ましいことが確認された。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のシルクハット型撓み噛み合い式歯車装置においては、そのシルクハット形状の可撓性外歯歯車のダイヤフラム部の厚さを、中央部分において最小厚さとし、内周端部において最大厚さとし、外周端部の厚さを内周端部の厚さよりも薄く、中央部分の厚さよりも厚くなるように設定すると共に、内周端部から外周端部に沿ってこのような肉厚さが形成されるように滑らかに肉厚を変化させるようにしている。したがって、本発明によれば、ダイヤフラム部の内周端部および外周端部の応力集中を緩和でき、しかも、ダイヤフラム部の発生応力分布を均一化することができる。よって、ダイヤフラム部の外径寸法を従来よりも小さくすることができる。また、胴部の長さを短くしてもダイヤフラム部の内外周端部に過剰が応力集中が発生することを回避できるので、軸長の短い可撓性外歯歯車を実現できる。
【００３０】
このように、本発明によれば、外径寸法のみならず、軸長も短い小型でコンパクトなシルクハット型撓み噛み合い式歯車装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例であるシルクハット型撓み噛み合い式歯車装置の概略縦断面図である。
【図２】図１の装置を矢印の方向から見た概略正面図である。
【図３】図１の装置のシルクハット形状の可撓性外歯歯車を示す縦断面図である。
【図４】図３の外歯歯車のダイヤフラム部を拡大して示す部分拡大断面図である。
【図５】可撓性外歯車の軸長を短くすることによるコーニング角の増加を示す説明図である。
【図６】従来のシルクハット型撓み噛み合い式歯車装置の問題点を説明するための説明図である。
【符号の説明】
１１・・・シルクハット型撓み噛み合い式歯車装置
１１ａ・・装置軸線
１２・・・剛性内歯歯車
１３・・・シルクハット形状の可撓性外歯歯車
１４・・・波動発生器
２２・・・胴部
２３・・・ダイヤフラム部
２４・・・外歯
２５・・・ボス部
２２１・・・胴部の薄肉部分
Ａ・・・ダイヤフラム部の内周端部
Ｂ・・・ダイヤフラム部の中央部分
Ｃ・・・ダイヤフラム部の外周端部
ｔ（Ａ）・・・内周端部の厚さ
ｔ（Ｂ）・・・中央部分の厚さ
ｔ（Ｃ）・・・外周端部の厚さ
ｔ（２２）・・・胴部の厚さ
ｔ（２２１）・・・薄肉部分の厚さ

Claims

環状の剛性内歯歯車と、この内側の可撓性の外歯歯車と、この内側に配置されて当該外歯歯車を半径方向に撓めて前記剛性内歯歯車と部分的に噛み合わせると共に、これらの噛み合わせ位置を円周方向に回転させる波動発生器とを有し、前記外歯歯車は、一方の開口端側の外周面に外歯が形成された筒状の胴部と、この胴部の他方の開口端に対して内周端部が連続している環状のダイヤフラム部と、このダイヤフラム部の外周端部に連続して形成されている環状のボス部とを有するシルクハット形状をしており、
当該外歯歯車のダイヤフラム部の装置軸線を含む平面で切断した場合の断面形状は、その内周端部の厚さをｔ（Ａ）、その外周端部の厚さをｔ（Ｃ）、内周端部と外周端部のほぼ中央の部分の厚さをｔ（Ｂ）とすると、ｔ（Ａ）を最大厚さ、ｔ（Ｂ）を最小厚さに設定すると共に、ｔ（Ａ）＞ｔ（Ｃ）＞ｔ（Ｂ）となるように設定したことを特徴とするシルクハット型撓み噛み合い式歯車装置。
請求項１において、前記外歯歯車のダイヤフラム部の前記断面形状は、少なくとも一方の表面輪郭形状が複数の曲線によって規定されて、その肉厚さが前記中央の部分から内周端部および外周端部に向けて滑らかに増加するように設定されていることを特徴とするシルクハット型撓み噛み合い式歯車装置。
請求項１または２において、前記内周端部の厚さｔ（Ａ）と前記中央の部分の厚さｔ（Ｂ）の関係は、ｔ（Ａ）／ｔ（Ｂ）が約１．５から約２．２の範囲内となるように設定されていることを特徴とするシルクハット型撓み噛み合い式歯車装置。
請求項１、２または３において、前記外周端部の厚さｔ（Ｃ）と前記中央の部分の厚さｔ（Ｂ）の関係は、ｔ（Ｃ）／ｔ（Ｂ）が約１．４から約２．０の範囲内となるように設定されていることを特徴とするシルクハット型撓み噛み合い式歯車装置。