JP4135827B2

JP4135827B2 - Wave gear device

Info

Publication number: JP4135827B2
Application number: JP22129598A
Authority: JP
Inventors: 優小林
Original assignee: Harmonic Drive Systems Inc
Current assignee: Harmonic Drive Systems Inc
Priority date: 1998-08-05
Filing date: 1998-08-05
Publication date: 2008-08-20
Anticipated expiration: 2018-08-05
Also published as: JP2000055147A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、脆性破壊による破断の起きない可撓性外歯歯車を備えた波動歯車装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
波動歯車装置は、そこに組み込まれている可撓性外歯歯車の形状によって、カップ型、シルクハット型、およびフラット型のものに分類できる。
【０００３】
図１および図２には、カップ型の波動歯車装置の代表的な例を示してある。これらの図に示すように、カップ型の波動歯車装置１は、環状の剛性内歯歯車２と、この内側に配置されたカップ形の可撓性外歯歯車３と、この内側にはめ込まれた楕円形の波動発生器４とを有している。カップ形の可撓性外歯歯車３は、円筒状の胴部３１と、この胴部３１の一端に連続している外歯３４が形成された円筒状歯部３０と、胴部３１の他端を封鎖している環状のダイヤフラム３２と、このダイヤフラム３２の中心に一体形成されているボス３３とを備えている。
【０００４】
可撓性外歯歯車３は、波動発生器４によって楕円形に撓められて、その楕円形状の長軸方向の両端の部分の外歯３４が、内歯歯車２の内周面に形成した内歯２１に噛み合っている。波動発生器４がモータ回転軸等により回転すると、両歯車の噛み合い位置が円周方向に移動する。内歯２１と外歯３４の歯数は２Ｎ（Ｎは正の整数）だけ差があるので、この歯数差に応じた相対回転が両歯車の間に発生する。一般的には、内歯歯車２の側が固定されるので、カップ形の可撓性外歯歯車３の側から、両歯車の歯数差に応じて大幅に減速された回転が出力される。
【０００５】
一方、図４には、シルクハット型の波動歯車装置５の典型例を示してある。この図に示すように、シルクハット型の波動歯車装置５では、その可撓性外歯歯車５１が、円筒状の胴部５１１と、この胴部５１１の一端に連続している外歯５１４が形成された円筒状歯部５１１と、胴部５１１の他端開口縁から半径方向の外側に広がっている環状のダイヤフラム５１２と、このダイヤフラムの外周縁に一体形成された環状のボス５１３とを備えたシルクハット形をしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、例えば、図１、２に示すカップ型の波動歯車装置１においては、波動発生器４によって可撓性外歯歯車３の開口端の部分である外歯３４が形成されている円筒状歯部３０の部分は繰り返し半径方向に撓められる。すなわち、図３に示すように、楕円形状の長軸側では半径方向の外側に撓められ、短軸側では半径方向の内側に撓められる。これに伴い、歯部３０に繋がっている円筒状胴部３１、この胴部３１に繋がっているダイヤフラム３２の部分も繰り返し変形する。このような歯部３０、胴部３１およびダイヤフラム３２の撓み動作、すなわち、コーニングが発生するので、これらの部分の疲労強度を高める必要がある。特に、肉厚の薄い円筒状胴部３１およびダイヤフラム３２の部分の疲労強度を高める必要がある。
【０００７】
このことは、シルクハット型の波動歯車装置におけるシルクハット形の可撓性外歯歯車５１についても同様に当てはまる。すなわち、図５に示すようにシルクハット形の可撓性外歯歯車５１は繰り返し撓められるので、円筒状胴部５１１、ダイヤフラム５１２の部分の疲労強度を高める必要がある。
【０００８】
ここで、鋼材の静的強度及び疲労強度を高めるための一般的な表面硬化処理を可撓性外歯歯車３、５１の円筒状胴部３１、５１１およびダイヤフラム３２、５１２に適用すると、これらの部分の疲労強度自体は増すものの、これらの部分の脆性が低下して、割れ等が発生しやすくなる。特に、肉厚の薄い円筒状胴部３１、５１１と、厚い円筒状歯部３０、５１０の境界部分に割れが発生しやすくなるので、望ましくない。
【０００９】
本発明の課題は、この点に鑑みて、脆性破壊による破断を起こすことが無く、しかも疲労強度が高い可撓性外歯歯車を備えた波動歯車装置を提案することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明は、環状の剛性内歯歯車と、この内側に配置された可撓性外歯歯車と、この内側に配置された波動発生器とを有し、前記可撓性外歯歯車が、半径方向に変形可能な可撓性の筒状胴部と、この筒状胴部の一端に連続している外歯が形成された筒状歯部と、前記筒状胴部の他端に連続して半径方向に延びている環状のダイヤフラムと、このダイヤフラムに連続しているボスとを備えた構成となっている波動歯車装置において、前記ダイヤフラムおよび前記筒状胴部の両面に表面硬化処理を施すことにより、これらの部分の静的強度および疲労強度を高めるようにすると共に、当該表面硬化処理による硬化層深さの合計を、当該表面硬化処理が施されている部分の厚さに対して４５パーセント以下の割合となるようにしている。
【００１１】
本発明者等の実験によれば、このように表面硬化処理の硬化層深さを制御することにより、ダイヤフラムおよび円筒状胴部の静的強度および疲労強度を向上させることができると共に、次のような特性が得られることが確認された。すなわち、このように表面硬化処理が施された部分では、脆性破壊よりも先に座屈が発生するので、脆性破壊による破断が発生しない。
【００１２】
ここで、前記表面硬化処理による硬化深さは、当該表面硬化処理が施されている部分の両面において同一の深さとすることができる。
【００１３】
また、前記表面硬化処理としては、軟窒化またはレーザービーム焼き入れを採用することができる。
【００１４】
一方、本発明を適用可能な前記可撓性外歯歯車には、前記筒状胴部の他端から半径方向の内方に延びる円環状の前記ダイヤフラムを備えたカップ形の可撓性外歯歯車、および前記筒状胴部の他端から半径方向の外方に延びる円環状の前記ダイヤフラムを備えたシルクハット形の可撓性外歯歯車が含まれる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１、２に示す（ピッチ円直径が４インチの）カップ型の波動歯車装置１のカップ形の可撓性外歯歯車３における円筒状胴部３１、ダイヤフラム３２の両面に軟窒化を施した。
【００１６】
図６に示すように、軟窒化処理を施したダイヤフラム３２の部分の全体厚さをｔ、その外側の表面から形成した窒化層深さをｄ１、その内側の表面から形成した窒化層深さをｄ２とし、実質的にｄ１＝ｄ２となる条件下で、窒化層深さ割合を変えて、その部分の破壊強度の増加割合、および破壊形態（座屈破壊あるいは脆性破壊）を測定した。
【００１７】
図７は、この測定により得られた結果を示すグラフである。このグラフの曲線Ａは一連の測定結果をプロットしたものであり、窒化層割合を増加させると、それに伴って破壊トルク増加割合（軟窒化処理を施さない場合の破壊トルクに対する増加割合）が増加する。ここで、窒化層割合が４５パーセント以下の場合には表面硬化処理部分は座屈破壊が優勢であるのに対して、この割合が４５パーセントを超えると、脆性破壊が優勢となることが見出された。
【００１８】
この知見に基づき、条件を変えて同様な測定を行ったところ、同様な結果が得られた。すなわち、図７において窒化層割合が４５パーセント以下の領域（座屈領域）に入るように、窒化層割合を制御すると、ダイヤフラムの疲労強度を向上できると共に、脆性破壊も回避できることが確認された。４５パーセントを超える領域（脆性破壊領域）では、ダイヤフラムの疲労強度は向上するものの、割れ等が発生するので、実用上では好ましくない。
【００１９】
次に、図４に示すシルクハット形の可撓性外歯歯車５１に対する表面硬化処理の場合においても同様な結果が得られることが確認された。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、波動歯車装置の可撓性外歯歯車における円筒状胴部、ダイヤフラムの両面に形成する硬化層深さの合計を、その部分の厚さの４５パーセント以下に制御するようにしている。
【００２１】
本発明による表面硬化処理が施された可撓性外歯歯車によれば、その円筒状胴部およびダイヤフラムの静的強度および疲労強度を高めることができる共に、その部分が脆性破壊により破断することも回避できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用可能なカップ型の波動歯車装置の概略断面構成図である。
【図２】図１の装置の概略正面図である。
【図３】図１の装置のカップ形の可撓性外歯歯車の撓み状態の説明図である。
【図４】本発明を適用可能なシルクハット型の波動歯車装置の概略断面構成図である。
【図５】図４の装置のシルクハット形の可撓性外歯歯車の撓み状態の説明図である。
【図６】図１のカップ形の可撓性外歯歯車のダイヤフラムに施こす窒化層の深さの割合を示すための説明図である。
【図７】窒化層割合に対する破壊トルク増加割合及び破壊形態を示すグラフである。
【符号の説明】
１カップ型の波動歯車装置
２内歯歯車
２１内歯
３可撓性外歯歯車
４波動発生器
３０歯部
３１胴部
３２ダイヤフラム
３３ボス
３４外歯
５シルクハット型の波動歯車装置
５１０歯部
５１１胴部
５１２ダイヤフラム
５１３ボス
５１４外歯
ｔ軟窒化処理が施されたダイヤフラムの部分の厚さ
ｄ１外側表面からの窒化層深さ
ｄ２内側表面からの窒化層深さ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a wave gear device including a flexible external gear that does not break due to brittle fracture.
[0002]
[Prior art]
Wave gear devices can be classified into cup type, top hat type, and flat type depending on the shape of the flexible external gear incorporated therein.
[0003]
1 and 2 show a typical example of a cup-type wave gear device. As shown in these drawings, a cup-shaped wave gear device 1 is fitted into an annular rigid internal gear 2, a cup-shaped flexible external gear 3 disposed on the inside thereof, and an inside thereof. And an elliptical wave generator 4. The cup-shaped flexible external gear 3 includes a cylindrical body portion 31, a cylindrical tooth portion 30 in which external teeth 34 are formed continuously at one end of the body portion 31, and the body portion 31. An annular diaphragm 32 that seals the end, and a boss 33 that is integrally formed at the center of the diaphragm 32 are provided.
[0004]
The flexible external gear 3 is bent into an elliptical shape by the wave generator 4, and external teeth 34 at both ends of the elliptical long-axis direction are formed on the inner peripheral surface of the internal gear 2. It meshes with the internal teeth 21. When the wave generator 4 is rotated by a motor rotating shaft or the like, the meshing position of both gears moves in the circumferential direction. Since the number of teeth of the internal teeth 21 and the external teeth 34 is different by 2N (N is a positive integer), relative rotation corresponding to the difference in the number of teeth occurs between the two gears. In general, since the side of the internal gear 2 is fixed, rotation that is greatly decelerated according to the difference in the number of teeth of both gears is output from the side of the cup-shaped flexible external gear 3.
[0005]
On the other hand, FIG. 4 shows a typical example of a top hat type wave gear device 5. As shown in this figure, in the top hat type wave gear device 5, the flexible external gear 51 includes a cylindrical body 511 and external teeth 514 that are continuous with one end of the body 511. A cylindrical tooth portion 511 formed, an annular diaphragm 512 extending radially outward from the other end opening edge of the body portion 511, and an annular boss 513 integrally formed on the outer peripheral edge of the diaphragm. Has a top hat shape.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
Here, for example, in the cup-shaped wave gear device 1 shown in FIGS. 1 and 2, a cylindrical shape in which an external tooth 34 that is an open end portion of the flexible external gear 3 is formed by the wave generator 4. The portion of the tooth portion 30 is repeatedly bent in the radial direction. That is, as shown in FIG. 3, the elliptical major axis is bent outward in the radial direction, and the minor axis is deflected radially inward. Along with this, the cylindrical body part 31 connected to the tooth part 30 and the part of the diaphragm 32 connected to the body part 31 are also repeatedly deformed. Since such bending operation of the tooth portion 30, the body portion 31, and the diaphragm 32, that is, coning occurs, it is necessary to increase the fatigue strength of these portions. In particular, it is necessary to increase the fatigue strength of the thin cylindrical body 31 and the diaphragm 32.
[0007]
The same applies to the top hat type flexible external gear 51 in the top hat type wave gear device. That is, as shown in FIG. 5, since the top hat-shaped flexible external gear 51 is repeatedly bent, it is necessary to increase the fatigue strength of the cylindrical body 511 and the diaphragm 512.
[0008]
Here, when a general surface hardening treatment for increasing the static strength and fatigue strength of the steel material is applied to the cylindrical body portions 31 and 511 and the diaphragms 32 and 512 of the flexible external gears 3 and 51, these Although the fatigue strength itself of the portions increases, the brittleness of these portions decreases and cracks and the like are likely to occur. In particular, it is not desirable because cracks are likely to occur at the boundary between the thin cylindrical body portions 31 and 511 and the thick cylindrical tooth portions 30 and 510.
[0009]
In view of this point, an object of the present invention is to propose a wave gear device including a flexible external gear that does not break due to brittle fracture and has high fatigue strength.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention comprises an annular rigid internal gear, a flexible external gear disposed on the inside thereof, and a wave generator disposed on the inside thereof. A flexible externally toothed gear that can be deformed in the radial direction, a cylindrical tooth part in which external teeth are formed continuously at one end of the cylindrical body part, and the cylinder A wave gear device comprising a ring-shaped diaphragm extending in the radial direction continuously to the other end of the cylindrical body and a boss continuing to the diaphragm, wherein the diaphragm and the cylindrical body By applying surface hardening treatment to both sides of the part, the static strength and fatigue strength of these parts are increased, and the total of the hardened layer depth by the surface hardening treatment is applied to the surface hardening treatment. 45% or less of the thickness of the part Unishi to have.
[0011]
According to the experiments by the present inventors, the static strength and fatigue strength of the diaphragm and the cylindrical body can be improved by controlling the depth of the hardened layer in the surface hardening treatment as described above. It was confirmed that such characteristics were obtained. That is, in the portion subjected to the surface hardening treatment in this manner, buckling occurs before brittle fracture, so that fracture due to brittle fracture does not occur.
[0012]
Here, the hardening depth by the surface hardening treatment can be the same depth on both surfaces of the portion subjected to the surface hardening treatment.
[0013]
Further, as the surface hardening treatment, soft nitriding or laser beam quenching can be employed.
[0014]
On the other hand, the flexible external gear to which the present invention can be applied includes a cup-shaped flexible external tooth provided with the annular diaphragm extending inward in the radial direction from the other end of the cylindrical body. A top hat-shaped flexible external gear including the gear and the annular diaphragm extending radially outward from the other end of the cylindrical body is included.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Soft nitriding was performed on both surfaces of the cylindrical body 31 and the diaphragm 32 in the cup-shaped flexible external gear 3 of the cup-type wave gear device 1 (having a pitch circle diameter of 4 inches) shown in FIGS. .
[0016]
As shown in FIG. 6, the total thickness of the portion of the diaphragm 32 subjected to soft nitriding is t, the depth of the nitride layer formed from the outer surface is d1, and the depth of the nitride layer formed from the inner surface is Under the condition that d2 is substantially d1 = d2, the ratio of the nitride layer depth was changed, and the rate of increase in fracture strength and the fracture mode (buckling fracture or brittle fracture) were measured.
[0017]
FIG. 7 is a graph showing the results obtained by this measurement. Curve A of this graph is a plot of a series of measurement results. Increasing the ratio of the nitride layer increases the breakdown torque increase ratio (the increase ratio relative to the breakdown torque when soft nitriding is not performed). . Here, when the ratio of the nitride layer is 45% or less, the surface-hardened portion is dominant in buckling fracture, whereas when this ratio exceeds 45%, brittle fracture is dominant. It was done.
[0018]
Based on this finding, the same results were obtained when similar measurements were performed under different conditions. In other words, it was confirmed that the fatigue strength of the diaphragm can be improved and brittle fracture can be avoided by controlling the nitride layer ratio so that the nitride layer ratio is in the region of 45% or less (buckling region) in FIG. In the region exceeding 45 percent (brittle fracture region), although the fatigue strength of the diaphragm is improved, cracks and the like are generated, which is not preferable in practical use.
[0019]
Next, it was confirmed that the same result was obtained in the case of the surface hardening treatment for the top-hat shaped flexible external gear 51 shown in FIG.
[0020]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, the total depth of the hardened layer formed on both sides of the cylindrical body and the diaphragm in the flexible external gear of the wave gear device is 45% or less of the thickness of the portion. I try to control it.
[0021]
According to the flexible external gear subjected to surface hardening treatment according to the present invention, the static strength and fatigue strength of the cylindrical body portion and the diaphragm can be increased, and the portion is broken by brittle fracture. Can also be avoided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional configuration diagram of a cup-type wave gear device to which the present invention can be applied.
FIG. 2 is a schematic front view of the apparatus of FIG.
FIG. 3 is an explanatory view of a bending state of a cup-shaped flexible external gear of the apparatus of FIG. 1;
FIG. 4 is a schematic cross-sectional configuration diagram of a top hat wave gear device to which the present invention is applicable.
FIG. 5 is an explanatory diagram of a bent state of a top hat-shaped flexible external gear of the apparatus of FIG. 4;
6 is an explanatory diagram for showing a ratio of the depth of a nitride layer applied to the diaphragm of the cup-shaped flexible external gear shown in FIG. 1; FIG.
FIG. 7 is a graph showing a fracture torque increase ratio and a fracture mode with respect to a nitride layer ratio.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cup type wave gear apparatus 2 Internal gear 21 Internal tooth 3 Flexible external gear 4 Wave generator 30 Tooth part 31 Body 32 Diaphragm 33 Boss 34 External tooth 5 Top hat type wave gear apparatus 510 Tooth part 511 Body 512 Diaphragm 513 Boss 514 External tooth t Thickness of diaphragm portion subjected to soft nitriding d1 Nitride layer depth from outer surface d2 Nitride layer depth from inner surface

Claims

環状の剛性内歯歯車と、この内側に配置された可撓性外歯歯車と、この内側に配置された波動発生器とを有する波動歯車装置において、
前記可撓性外歯歯車は、半径方向に変形可能な可撓性の筒状胴部と、この筒状胴部の一端に連続している外歯が形成された筒状歯部と、前記筒状胴部の他端に連続して半径方向に延びている環状のダイヤフラムと、このダイヤフラムに連続しているボスとを備えており、
前記ダイヤフラムおよび前記筒状胴部の両面には表面硬化処理が施されており、
前記ダイヤフラムおよび前記筒状胴部において脆性破壊よりも先に座屈破壊が発生するように、前記表面硬化処理による硬化層深さの合計を、当該表面硬化処理が施されている部分の厚さに対して４５パーセント以下の割合にしたことを特徴とする波動歯車装置。In a wave gear device having an annular rigid internal gear, a flexible external gear disposed on the inner side, and a wave generator disposed on the inner side,
The flexible external gear includes a flexible cylindrical body portion that is deformable in a radial direction, a cylindrical tooth portion formed with external teeth that are continuous with one end of the cylindrical body portion, An annular diaphragm extending in a radial direction continuously to the other end of the cylindrical body, and a boss continuing to the diaphragm;
Surface hardening treatment is performed on both surfaces of the diaphragm and the cylindrical body,
The thickness of the diaphragm and in the cylindrical body portion so as buckling destruction before the brittle fracture occurs, the total case depth by the surface hardening, the portion where the surface hardening treatment is applied A wave gear device characterized in that the proportion is 45% or less.

請求項１において、
前記表面硬化処理による硬化深さは、当該表面硬化処理が施されている部分の両面において同一の深さであることを特徴とする波動歯車装置。In claim 1,
The wave gear device according to claim 1, wherein the hardening depth by the surface hardening treatment is the same depth on both sides of the portion subjected to the surface hardening treatment.

請求項１または２において、
前記表面硬化処理は、軟窒化またはレーザービーム焼き入れであることを特徴とする波動歯車装置。In claim 1 or 2,
The wave gear device, wherein the surface hardening treatment is soft nitriding or laser beam hardening.

請求項１ないし３のうちのいずれかの項において、
前記可撓性外歯歯車は、前記筒状胴部の他端から半径方向の内方に延びる円環状の前記ダイヤフラムを備えたカップ形の可撓性外歯歯車であることを特徴とする波動歯車装置。In any one of claims 1 to 3,
The flexible external gear is a cup-shaped flexible external gear provided with the annular diaphragm extending radially inward from the other end of the cylindrical body. Gear device.

請求項１ないし３のうちのいずれかの項において、
前記可撓性外歯歯車は、前記筒状胴部の他端から半径方向の外方に延びる円環状の前記ダイヤフラムを備えたシルクハット形の可撓性外歯歯車であることを特徴とする波動歯車装置。In any one of claims 1 to 3,
The flexible external gear is a top hat type flexible external gear provided with the annular diaphragm extending radially outward from the other end of the cylindrical body. Wave gear device.