JP4119375B2 - 複合遊星装置 - Google Patents

Description

本発明は、遊星歯車機構と遊星ローラ機構を有し、これらを構成している歯車およびローラがそれぞれ共通の回転軸線の回りを一体回転するように構成された複合遊星装置に関するものである。さらに詳しくは、高い出力トルクが得られる遊星ローラ機構を有する複合遊星装置に関するものである。

遊星歯車機構と遊星ローラ機構からなる複合遊星装置は、例えば、下記の特許文献１、２に開示されている。これらの特許文献に開示されているように、遊星歯車減速機は大トルクを伝達できるが、バックラッシとかみあい騒音が発生するという問題があり、遊星ローラ減速機はバックラッシがゼロで低騒音であるが、継続的にすべりが発生して位置決め機構などには適さず、また、大トルクを伝達できないという問題がある。複合遊星装置は、遊星歯車減速機および遊星ローラ減速機の欠点を相互に補い、双方の機構の利点を有効利用することができる。
特開平９−１６８９１０号公報 特開２００２−２１３５６６号公報

しかしながら、従来の複合遊星装置には次のような課題がある。特許文献１などに開示されている複合遊星装置では、図４にその概念図を示してあるが、遊星歯車機構の各歯車のかみあいピッチ円半径と、遊星ローラ機構の各ローラの半径とが同一である。したがって、遊星歯車機構の減速比Ｕ_gと遊星ローラ機構の減速比Ｕ_rが同一であり、太陽ローラと遊星ローラ間のすべり率ｓ₁および遊星ローラとリングローラ間のすべり率ｓ₂が共に零である。この場合には、遊星ローラ機構のローラ駆動力（牽引力）が小さく、出力トルクが小さい。

出力トルクを高めるために遊星ローラ機構のローラ駆動力を大きくするには、特許文献２などに開示されているように、遊星ローラ機構のローラ間にすべりを発生させるようにすればよい。図５はこの場合の概念図であり、太陽歯車のかみあいピッチ円半径ｒ₁に対して、太陽ローラの半径をΔｒ₁だけ大きくし、これに伴って、遊星歯車のかみあいピッチ円半径ｒ₂に対して、遊星ローラの半径をΔｒ₁だけ小さくすると共に、内歯車のかみあいピッチ円半径ｒ₃に対してリングローラの内半径もΔｒ₁だけ小さくする。この場合には、遊星ローラ機構の減速比Ｕ_rが遊星歯車機構の減速比Ｕ_gとは異なったものとなり、太陽ローラと遊星ローラ間、および遊星ローラとリングローラ間にはそれぞれすべりが発生する。

しかしながら、この場合には、太陽ローラと遊星ローラ間のすべりの方向に対して、遊星ローラとリングローラ間のすべりの方向が逆になる。たとえば、太陽ローラと遊星ローラ間に正のすべり率ｓ₁を与えると、遊星ローラとリングローラ間には負のすべり率ｓ₂が発生してしまう。このため、ローラ間に発生するローラ駆動力が相互に相殺しあい、大きな出力トルクを得ることができない。

本発明の課題は、かかる問題点に鑑みて、遊星ローラ機構の出力トルクを効率良く高めることのできる複合遊星装置を提案することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の複合遊星装置は、
太陽歯車、遊星歯車、および内歯車を備えた遊星歯車機構と、
太陽ローラ、遊星ローラおよびリングローラを備えた遊星ローラ機構とを有し、
前記太陽歯車および前記太陽ローラは共通の回転中心軸線の回りを一体回転し、
前記遊星歯車および前記遊星ローラは共通の遊星軸の回りを一体回転し、
前記内歯車および前記リングローラは前記回転中心軸線の回りを一体回転するように、または同心で固定できるように構成されており、
前記太陽ローラの半径が前記太陽歯車のかみあいピッチ円半径ｒ₁よりΔｒ₁だけ大きく、
前記遊星ローラの半径が前記遊星歯車のかみあいピッチ円半径ｒ₂₁よりΔｒ_１だけ小さく、
前記遊星歯車の前記太陽歯車とのかみあいピッチ円半径ｒ₂₁が、当該遊星歯車の前記内歯車とのかみあいピッチ円半径ｒ₂₃よりも大きいことを特徴としている。

この構成によれば、太陽ローラと遊星ローラ間にすべりが発生し、遊星ローラとリングローラ間にもすべりが発生する。また、これらの部分のすべりの方向および量を同一にすることができる。すなわち、太陽ローラと遊星ローラ間のすべり率をｓ₁、遊星ローラとリングローラ間のすべり率をｓ₂とすると、ｓ₁＝ｓ₂＞０とすることができる。

かかるすべり率の関係を備えた遊星ローラ機構を実現するためには、
前記遊星歯車機構の各歯車の歯数を、式（１）を満足した歯数の組み合わせとし、
前記太陽ローラの半径を前記太陽歯車のかみあいピッチ円半径よりも、式（２）で与えられる半径増加量Δｒ_１だけ大きくし、
前記遊星ローラの半径を、前記遊星歯車の内歯車とのかみあいピッチ円半径よりも、式（３）で与えられる量Δｒ₂だけ大きくすればよい。

ｊ＝（Ｚ_d−Ｚ_a）／２−Ｚ_b＞０ （１）
但し、ｊ：遊星歯車の歯数低減数
Ｚ_a：太陽歯車の歯数
Ｚ_b：遊星歯車の歯数
Ｚ_d：内歯車の歯数

Δｒ₂＝ｒ₂₁−ｒ₂₃−Δｒ₁ （３）
但し、ｒ₁ ：太陽歯車のかみあいピッチ円半径
ｒ₂₁：遊星歯車の太陽歯車とのかみあいピッチ円半径
ｒ₂₃：遊星歯車の内歯車とのかみあいピッチ円半径
ｒ₃ ：内歯車のかみあいピッチ円半径

本発明の複合遊星装置では、その遊星ローラ機構における太陽ローラと遊星ローラ間のすべりの量および方向が、遊星ローラとリングローラ間のすべりの量および方向と同一である。従って、ローラ間に発生するローラ駆動力を出力トルクとして効率良く出力できる。よって、遊星ローラ機構の出力トルクを高めることができ、遊星歯車機構の低トルク域では当該遊星歯車機構よりも遊星ローラ機構が優勢に作用し、歯車対の駆動側歯面の衝突を少なくして、かみあい騒音を低減できる。また、遊星ローラ機構の高い出力トルクは、遊星歯車機構の低トルク域におけるねじり剛性を高める効果も奏する。

以下に、図面を参照して、本発明を適用した複合遊星減速装置の一例を説明する。

図１は本例の複合遊星減速装置を示す概略縦断面図である。複合遊星減速装置１は、装置軸線１ａに同軸状態で一方の側に配列された入力軸２および他方の側に配列された出力軸３と、これらの間において、並列配置された遊星歯車機構１０および遊星ローラ機構２０とを有している。遊星歯車機構１０の各歯車と、遊星ローラ機構２０の対応する各ローラとが、それぞれ、同一の回転軸線の回りを一体回転するように構成されている。

詳細に説明すると、入力軸２には太陽軸５が同軸状態に連結固定されており、この太陽軸５の入力軸側テーパ部に太陽ローラ２１がナット４で位置決めするように形成され、出力軸側には太陽歯車１１が形成されている。太陽軸５の出力側の端部分５ａは、軸受６を介して、遊星キャリア７によって回転自在の状態で支持されている。遊星キャリア７の入力側の円環状端面７ａには複数本の遊星軸８が固定されており、各遊星軸８は、装置軸線１ａに平行に入力側に延びている。各遊星軸８には、遊星歯車１２および遊星ローラ２２が回転自在の状態で支持されている。各遊星歯車１２は太陽歯車１１にかみ合っており、各遊星ローラ２２は太陽ローラ２１に転がり接触している。

遊星キャリア７、遊星歯車１２および遊星ローラ２２を取り囲む状態に、円筒状の装置ハウジング９が配置されている。遊星キャリア７は軸受９ａを介して装置ハウジング９の内周面に回転自在の状態で支持されている。軸受９ａよりも入力軸側の装置ハウジング９の内周面部分には内歯車１３が一体形成されており、内歯車１３は各遊星歯車１２にかみ合っている。内歯車１３の入力側には、リングローラ２３が同軸状態に配置され、各遊星ローラ２２に転がり接触している。リングローラ２３は、ローラ支持部材２４を介して、装置ハウジング９に固定されている。出力軸３は、遊星キャリア７に一体形成されており、その出力側の円形端面７ｂの中心から装置軸線１ａに同軸状態で突出している。

本例の複合遊星減速装置１は、遊星ローラ機構２０の出力トルクを高めるために、図２に示すように構成されている。図２を参照して説明すると、太陽ローラ２１と遊星ローラ２２間のすべり率をｓ₁、遊星ローラ２２とリングローラ２３間のすべり率をｓ₂とすると、ｓ₁＝ｓ₂＞０となるように設定されている。かかる関係を満たすように、遊星歯車減速機構１０の各歯車１１、１２、１３の歯数を、式（１）を満足した歯数の組み合わせとなるようにしてある。また、太陽ローラ２１の半径を太陽歯車１１のかみあいピッチ円半径ｒ₁よりも、式（２）で与えられる半径増加量Δｒ_１だけ大きくしてある。さらに、遊星ローラ２２の半径ｒ₂₂を、遊星歯車１２の内歯車１３とのかみあいピッチ円半径ｒ₂₃よりも、式（３）で与えられる量Δｒ₂だけ大きくしてある。

ｊ＝（Ｚ_d−Ｚ_a）／２−Ｚ_b＞０ （１）
但し、ｊ：遊星歯車の歯数低減数
Ｚ_a：太陽歯車の歯数
Ｚ_b：遊星歯車の歯数
Ｚ_d：内歯車の歯数

Δｒ₂＝ｒ₂₁−ｒ₂₃−Δｒ₁ （３）
但し、ｒ₁ ：太陽歯車のかみあいピッチ円半径
ｒ₂₁：遊星歯車の太陽歯車とのかみあいピッチ円半径
ｒ₂₃：遊星亜歯車の内歯車とのかみあいピッチ円半径
ｒ₃ ：内歯車のかみあいピッチ円半径

式（１）の条件０＜ｊを満たすように歯数を組み合わせることにより、図２の概念図において誇張して描いてあるように、遊星歯車１２の太陽歯車１１とのかみあいピッチ円半径ｒ₂₁より、内歯車１３とのかみあいピッチ円半径ｒ₂₃が小さくなる。また、式(２)、式(３)は太陽ローラ２１と遊星ローラ２２の間のすべり率ｓ₁と遊星ローラ２２とリングローラ２３の間のすべり率ｓ₂が等しくなるという条件から導出してあるが、式（２）、（３）を満足するように、太陽ローラ２１の半径を太陽歯車１１のかみあいピッチ円半径ｒ₁よりΔｒ_１だけ大きくし、遊星ローラ２２の半径を遊星歯車１２の太陽歯車１１とのかみあいピッチ円半径ｒ₂₁よりΔｒ_１だけ小さくし、この遊星ローラ２２の半径に接するようにリングローラ２３の内半径を決める。この結果、太陽ローラ２１と遊星ローラ２２間のすべり率ｓ₁と、遊星ローラ２２と内歯車２３間のすべり率ｓ₂を等しくできる。すべり率ｓ₁、ｓ₂が等しいので、各ローラ対に発生する牽引力Ｆが同一方向に作用し、合計牽引力が２Ｆとなり、大きな出力トルクが得られる。

本例の複合遊星減速装置１では、遊星歯車減速機構１０の各歯車対には低コスト化のためにバックラッシを許容しても、併設の遊星ローラ減速機構２０のローラ間にはバックラッシがないので、ゼロバックラッシを実現できる。

また、遊星ローラ減速機構２０から大きなトルク出力が得られるので、遊星減速機構の低トルク域では、遊星歯車減速機構１０よりも遊星ローラ減速機構２０が優勢に作用し、歯車対の駆動側歯面の衝突を少なくして、かみあい騒音を低減することができる。また、遊星ローラ減速機構２０から大きな出力トルクが得られるので、遊星減速機構１０の低トルク域におけるねじり剛性を高めることができる。

さらに、高トルク域では、遊星歯車減速機構１０が優勢になるので、高トルクを伝達することができる。

上記構成の複合遊星減速装置１の実施例を説明する。遊星歯車減速機構で使用される歯数組み合わせの一般的な例として、太陽歯車の歯数Ｚ_a＝２４、遊星歯車の歯数Ｚ_b＝３６、内歯車の歯数Ｚ_d＝９６がある。この場合の減速比はＵ_g＝１／５である。この歯数組み合わせは、各歯車の転位係数をゼロにできるので標準歯車を使用でき、設計の手間が省けるので、よく使用される。しかし、この歯数組み合わせは上記の式(１)で規定するｊの値がゼロとなり、ローラ間のすべり率ｓ₁、ｓ₂がともにゼロであり、大きな牽引力が得られない（図３の概念図参照）。

本例では、遊星歯車１２の歯数を１枚減らしてＺ_b＝３５とし、ｊ＝１としてある。こ
の場合、遊星歯車減速機構１０の減速比は上記と同様にＵ_g＝１／５である。また、遊星歯車減速機構１０の各歯車をインボリュート平歯車とし、それらの歯車諸元を表１に示す。この表から分かるように、ｒ₂₁＞ｒ₂₃となっている。

次に、表に示す歯車諸元から算出される太陽ローラ２１の半径増加量Δｒ_１を式（２）から求めると、Δｒ₁＝０．１２３６ｍｍとなる。また、式（３）から、Δｒ₂＝０．４６２６ｍｍが得られる。したがって、太陽ローラ２１の半径は１２．３８５４ｍｍ、遊星ローラ２２の半径は１７．７５８１ｍｍ、リングローラ２３の内半径は４７．９０１７ｍｍとなる。この結果、遊星ローラ減速機構２０の減速比Ｕ_r＝１／４．８６８になる。

以上により、太陽ローラ２１と遊星ローラ２２間のすべり率ｓ₁＝１．７％、遊星ローラ２２とリングローラ２３間のすべり率ｓ₂＝１．７％となり、ｓ₁＝ｓ₂を満足し、図３の概念図に示すように、大きな牽引力を出力可能な遊星ローラ減速機構２０を実現できる。

（式(２)、(３)の算出方法）
図３を参照して、式(２)、(３)の算出方法を説明する。
(１)ローラ半径を歯車のかみあいピッチ円半径よりΔ_r増減するときのローラ間のすべり率を求める（キャリア固定）。

また、式(Ｄ)から
Δｒ₂＝ｒ₂₁−ｒ₂₃−Δｒ₁ （３）

本発明を適用した複合遊星減速装置の概略縦断面図である。 本発明の構成を示す概念図である。 式(２)、(３)の算出方法を示すための説明図である。 従来の複合遊星装置の構成を示す概念図である。 従来の複合遊星装置の構成を示す概念図である。

符号の説明

１ 複合遊星減速装置
１ａ 装置軸線
２ 入力軸
３ 出力軸
５ 太陽軸
７ 遊星キャリア
８ 遊星軸
９ 装置ハウジング
１０ 遊星歯車減速機構
１１ 太陽歯車
１２ 遊星歯車
１３ 内歯車
２０ 遊星ローラ減速機構
２１ 太陽ローラ
２２ 遊星ローラ
２３ リングローラ

Claims (2)

1. 太陽歯車、遊星歯車、および内歯車を備えた遊星歯車機構と、
   太陽ローラ、遊星ローラおよびリングローラを備えた遊星ローラ機構とを有し、
   前記太陽歯車および前記太陽ローラは共通の回転中心軸線の回りを一体回転し、
   前記遊星歯車および前記遊星ローラは共通の遊星軸の回りを一体回転し、
   前記内歯車および前記リングローラは前記回転中心軸線の回りを一体回転するように、または同心で固定できるように構成されており、
   前記太陽ローラの半径が前記太陽歯車のかみあいピッチ円半径ｒ₁よりΔｒ₁だけ大きく、
   前記遊星ローラの半径が前記遊星歯車のかみあいピッチ円半径ｒ₂₁よりΔｒ₁だけ小さく、
   前記遊星歯車の前記太陽歯車とのかみあいピッチ円半径ｒ₂₁が、当該遊星歯車の前記内歯車とのかみあいピッチ円半径ｒ₂₃よりも大きい複合遊星装置。
2. 請求項１において、
   前記遊星歯車機構の各歯車の歯数は式（１）を満足し、
   前記太陽ローラの半径は前記太陽歯車のかみあいピッチ円半径よりも、式（２）で与えられる半径増加量Δｒ₁だけ大きく、
   前記遊星ローラの半径は、前記遊星歯車の内歯車とのかみあいピッチ円半径よりも、式（３）で与えられる量Δｒ₂だけ大きい複合遊星装置。
   
   ｊ＝（Ｚ_d−Ｚ_a）／２−Ｚ_b＞０ （１）
   但し、ｊ：遊星歯車の歯数低減数
   Ｚ_a：太陽歯車の歯数
   Ｚ_b：遊星歯車の歯数
   Ｚ_d：内歯車の歯数
   

   

   但し、ｒ₁ ：太陽歯車のかみあいピッチ円半径
   ｒ₂₁：遊星歯車の太陽歯車とのかみあいピッチ円半径
   ｒ₂₃：遊星歯車の内歯車とのかみあいピッチ円半径
   ｒ₃ ：内歯車のかみあいピッチ円半径
   
   Δｒ₂＝ｒ₂₁−ｒ₂₃−Δｒ₁ （３）

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