TW201821715A - 諧波齒輪裝置的外齒齒輪 - Google Patents

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Abstract

一種諧波齒輪裝置的外齒齒輪，在諧波齒輪裝置的禮帽形狀(silk hat shaped)之外齒齒輪(3)中，當將隔膜(20)之隔膜本體部分(22)中的內周端(A)、中央部(B)及外周端(C)之厚度，設為t(A)、t(B)及t(C)，且將其彎曲部分(23)中的軀體部側端部(D)之厚度設為t(D)時，則成為 t(A)＞t(C)＞t(D)＞t(B)。又，隔膜(20)的內周端(A)之厚度，係在將中央部(B)之厚度作為基準的情況下，以成為比習知的禮帽形狀之外齒齒輪更厚的方式所設定。可以實現一種能夠防止因高負載轉矩之推力所引起的隔膜之斷裂，且疲勞強度較高的外齒齒輪。

Description

諧波齒輪裝置的外齒齒輪
[0001] 本發明係關於一種嵌入有禮帽(silk hat)形狀之可撓性的外齒齒輪的禮帽型之諧波齒輪裝置。更詳言之，本發明係關於一種改善起高負載轉矩(high load torque)作用之運轉狀態中的疲勞強度之諧波齒輪裝置的外齒齒輪。
[0002] 禮帽型之諧波齒輪裝置的外齒齒輪，係具備：圓筒狀之軀體部；及隔膜(diaphragm)，其是連續於該軀體部之一端並朝向半徑方向之外側擴展；以及環狀之厚壁的凸臺(boss)，其是連續於隔膜之外周端。在軀體部之前端側開口端的外周部分，係朝向圓周方向一體形成有外齒。 　　[0003] 在該狀態的外齒齒輪中，由於隔膜是朝向半徑方向之外側擴展，所以比起嵌入有杯體(cup)形狀之外齒齒輪的杯型之諧波齒輪裝置，裝置的外徑尺寸會變大。為了減小裝置的外徑尺寸只要減小隔膜的外徑即可。然而，較大的彎曲應力(bending stress)會藉由軀體部之變形而重複作用於隔膜，該軀體部之變形係藉由諧波產生器重複朝向半徑方向撓彎所致。因此，由於當減小隔膜之直徑時，就會與此成反比，增加產生於隔膜之內周端部及外周端部的應力，且會在此等的部分發生應力集中，所以不佳。 　　[0004] 在專利文獻1，已有提出一種在禮帽型之諧波齒輪裝置中，緩和發生於藉由諧波產生器而被撓彎的外齒齒輪之隔膜上的應力集中以提高強度的技術。在專利文獻1所揭示的外齒齒輪中，係將隔膜的厚度，形成比在內周端及外周端上的其等之間的中央部更厚，以緩和隔膜之應力集中。 　　[0005] 在專利文獻2，已有提出一種專利文獻1所記載的發明之改良發明。在該專利文獻2中，係將外齒齒輪的隔膜部之厚度，在內周端設為最大，在內周端與外周端之間的中央部設為最小。藉此，可以更進一步緩和外齒齒輪之隔膜部的應力集中，且可以使隔膜部之應力狀態均一化。 　　[0006] 在專利文獻3，已有提出一種為了規定隔膜中之往凸臺的根部之剖面形狀，而使用流線(streamline)的技術。 [先前技術文獻] [專利文獻] 　　[0007] 　　專利文獻1：日本實開平3-118346號公報 　　專利文獻2：日本特許第3580506號公報 　　專利文獻3：日本實開昭61-173851號公報
[發明所欲解決之課題] 　　[0008] 以往，禮帽形狀之外齒齒輪的隔膜形狀之設計，係藉由考慮了藉由諧波產生器所致使的橢圓狀之彎曲變形、起作用的負載轉矩、外齒齒輪之安裝誤差後的應力分析所進行。在以開發高負載對應製品為目標的目的下，更進一步提升(up)現行之負載來進行外齒齒輪之耐久試驗。依據現行之應力分析，雖然是假定隔膜即便是在該提升後的負載下仍不會疲勞破壞，但是在耐久試驗結果中，則確認了隔膜有疲勞破壞。 　　[0009] 本發明人等，係基於應力分析等來檢討隔膜之斷裂的原因，且在應力分析中考慮了起因於負載轉矩而發生於外齒齒輪的推力(thrust force)之影響。結果，確認了即便是在應力分析中仍可以重現在實際的高負載轉矩狀態下的外齒齒輪之耐久試驗中所觀察的隔膜之斷裂現象。 　　[0010] 本發明人係已著眼於因在習知的外齒齒輪的隔膜形狀之設計中尚未被考慮到的負載轉矩所引起的推力。基於此，本發明人係考慮了推力之影響來設計隔膜形狀。藉由考慮因負載轉矩所引起的推力，而發現了即便是在高負載轉矩的狀態下，仍可以抑制隔膜之斷裂，以及可以提高外齒齒輪的耐久性。 　　[0011] 本發明之目的係基於如此新的知識見解，而提供一種具備有可以改善高負載轉矩下的隔膜之疲勞強度的隔膜形狀的諧波齒輪裝置的外齒齒輪。 [解決課題之手段] 　　[0012] 本發明提供一種諧波齒輪裝置的外齒齒輪，係形成藉由諧波產生器而被撓彎成橢圓狀，且部分地嚙合於剛性的內齒齒輪後的狀態的諧波齒輪裝置的外齒齒輪，其特徵為： 　　具有筒狀之軀體部、外齒、隔膜及環狀之凸臺，該軀體部係使一方之端成為開口端，該外齒係形成於前述軀體部之外周面中的前述開口端該側的部分，該隔膜係連續於前述軀體部的另一方之端並朝向該軀體部之半徑方向的外側擴展，該環狀之凸臺係連續於前述隔膜之外周端所形成； 　　前述隔膜係具備： 　　隔膜本體部，其是朝向前述半徑方向延伸；及 　　彎曲部分，其是連續於前述隔膜本體部之內周端，從面向前述半徑方向之內側的方向沿著中心軸線朝向面向前述軀體部的方向彎曲，並接連於前述軀體部；以及 　　凸臺根部，其是從前述隔膜本體部之外周端朝向前述半徑方向之外側延伸，並接連於前述凸臺之內周面； 　　前述隔膜之厚度，係從接連於前述凸臺之內周面的前述凸臺根部之位置，到達從前述隔膜本體部中的前述外周端至前述內周端為止之間的中央部為止是漸減，而從前述中央部到達前述隔膜本體部的前述內周端為止是漸增； 　　當將前述隔膜中的前述內周端、前述中央部及前述外周端之厚度，分別設為t(A)、t(B)及t(C)，且將前述彎曲部分中之與前述軀體部接連的軀體部側端部之厚度設為t(D)時，則為t(A)＞t(C)＞t(D)＞t(B)。 　　[0013] 在本發明中，係將隔膜之厚度，在隔膜本體部分中，將內周端及外周端形成比其中央部還厚，且將內周端形成比外周端還厚。又，將隔膜之彎曲部分中的軀體側端部之厚度，形成比隔膜本體部分之最小厚度的中央部更厚，且形成比隔膜本體部分之外周端更薄。 　　[0014] 如此地藉由設定隔膜之各部分的厚度，就可以使從隔膜之內周端沿著外周端的應力分布平穩。尤其是，可以緩和起因於藉由負載轉矩所致使的推力而發生於隔膜的應力之集中，且可以減低其最大應力。結果，可以防止或抑制高負載轉矩之運轉狀態中的隔膜之斷裂，且可以提高外齒齒輪的耐久性。 　　[0015] 在此，較佳是當將隔膜本體部分的中央部之厚度t(B)作為基準時， 　　隔膜本體部分的內周端之厚度t(A)，為1.2＜t(A)/t(B) ＜2.7； 　　隔膜本體部分的外周端之厚度t(C)，為1.0＜t(C)/t(B) ＜2.3； 　　隔膜之彎曲部分的軀體部側端部之厚度t(D)，為1.0＜t(D)/t(B)＜2.3。 　　[0016] 亦即，將隔膜之彎曲部分的軀體部側端部之厚度t(D)，設為比隔膜本體部分的中央部之厚度t(B)更厚。又，將中央部之厚度t(B)作為基準，將隔膜本體部分的內周端之厚度t(A)，形成比起習知的外齒齒輪之情況更厚。 　　[0017] 如此地藉由設定隔膜之各部的厚度，就可以更加緩和在高負載轉矩之運轉狀態中，起因於推力而發生於隔膜的應力集中，且可以大幅地降低最大應力。藉此，可以改善隔膜之疲勞強度。 　　[0018] 又，在隔膜之彎曲部分中，將接連於隔膜本體部分的內周端，到達接連於軀體部的軀體部側端部為止之間的中央位置，稱為彎曲部分中央位置。在此情況下，隔膜之厚度，較佳是從彎曲部分中的內周端到達彎曲部分中央位置為止之間，從內周端到達彎曲部分中央位置為止是漸增，從彎曲部分中央位置到達軀體部側端部為止是漸減； 　　當將彎曲部分中央位置之厚度設為t(E)時，則為 t(E)＞t(A)； 　　當將中央部之厚度t(B)作為基準時，則為 1.3＜t(E)/t(B)＜2.8。 　　[0019]再者，可以在軀體部中，將形成有外齒的外齒形成部分到達隔膜之彎曲部分的軀體部側端部為止之間的圓筒部分之厚度設為一定，且與軀體部側端部之厚度t(D)相同。
[0021] 以下，參照圖式來說明應用本發明的禮帽型之諧波齒輪裝置的實施形態。 　　[0022] 圖1係顯示本實施形態的禮帽型之諧波齒輪裝置之整體構成的概略縱剖視圖，圖2係顯示齒之嚙合狀態的說明圖。諧波齒輪裝置1係包含：環狀之剛性的內齒齒輪2；及禮帽型狀之可撓性的外齒齒輪3，其是同軸地形成於該內齒齒輪2之內側；以及橢圓狀輪廓之諧波產生器4，其是嵌入於該外齒齒輪3之內側。 　　[0023] 外齒齒輪3，係具備軀體部10、膈膜20及凸臺30，且整體形成為禮帽形狀。軀體部10係形成圓筒形狀，且能夠撓彎。軀體部10的一方之端，係成為開口端11。連續於軀體部10的另一方之端，形成有朝向半徑方向之外側擴展的隔膜20。連續於隔膜20之外周緣，形成有矩形剖面的圓環狀之凸臺30。凸臺30，為用以將外齒齒輪3安裝於其他構件(未圖示)的剛體部分。 　　[0024] 諧波產生器4，係包含：中空轂部(hollow hub)41；及橢圓形之剛性凸輪板42，其是嵌套於該中空轂部41之外周；以及波浪型軸承(wave bearing)43，其是嵌套於該剛性凸輪板42之外周。藉由諧波產生器4，形成有可撓性的外齒齒輪3之外齒5的外齒形成部分能撓彎成橢圓形。外齒齒輪3之外齒5，係在位於橢圓形之長軸兩端的二個部位之位置，嚙合於剛性的內齒齒輪2之內齒6。 　　[0025] 當諧波產生器4將中心軸線1a作為中心旋轉時，兩個齒輪之嚙合位置就會朝向圓周方向旋轉。藉由該旋轉，就能按照外齒5與內齒6之齒數差，在外齒齒輪3與內齒齒輪2之間產生相對旋轉。例如，只要固定內齒齒輪2，且將諧波產生器4作為高速旋轉輸入要件，外齒齒輪3就成為減速旋轉輸出要件，且能按照兩個齒輪之齒數差來取出已被減速後的旋轉輸出。 　　[0026] 圖3係將禮帽型之外齒齒輪3，在包含其中心軸線1a在內的平面予以切斷後之情況的半剖視圖。外齒齒輪3之軀體部10，係具備：外齒形成部分12，其是使一端成為開口端11；以及圓筒部13，其是在從外齒形成部分12到達隔膜20之間具有一定厚度。在外齒形成部分12之外周面側的部分，形成有外齒5。 　　[0027] 在本例中雖然是將圓筒部分13之厚度設為一定，但是例如也能夠以壁厚從隔膜20之側朝向外齒形成部分12漸減的方式，來設定圓筒部分13之剖面形狀。 　　[0028] 隔膜20，係具備凸臺根部21、隔膜本體部分22及彎曲部分23。隔膜本體部分22係朝向作為正交於中心軸線1a之方向的半徑方向延伸。彎曲部分23，係連續於隔膜本體部分22之內周端A，並從轉向半徑方向之內側的方向沿著中心軸線1a朝向轉向軀體部10的方向彎曲。彎曲部分23之軀體部側端部D是接連於軀體部10之圓筒部分13。凸臺根部21，係從隔膜本體部分22之外周端C朝向半徑方向之外側延伸並接連於凸臺30之圓形內周面31。 　　[0029] 當更詳細地說明時，外齒齒輪3之軀體部10的圓筒部分13之內周面部分，係藉由從接連於外齒形成部分12的部位51到達軀體部側端部D，平行地延伸至中心軸線1a的內側直線52所規定。圓筒部分13之外周面部分也是藉由平行地延伸至中心軸線1a的外側直線53所規定。藉由內側直線52及外側直線53，就能規定一定厚度的圓筒部分13。 　　[0030] 接連於圓筒部分13的隔膜20之彎曲部分23的內周部分，係藉由凹圓弧55所規定。凹圓弧55之一端係在軀體部側端部D之位置平滑地接連於內側直線52。彎曲部分23之外周面部分，係藉由超過軀體部側端部D而延伸的外側直線53之延長直線端部分、平滑地接連於該延長直線部分53a的凸圓弧57、以及平滑地接連於凸圓弧57的另一方之端且朝向半徑方向之外側延伸的直線部分58a所規定。 　　[0031] 在彎曲部分23中，將從內周端A到達軀體部側端部D為止之間的彎曲部分中央位置作為E。在彎曲部分23，係將外側的凸圓弧57之曲率半徑形成比內側的凹圓弧55還小。彎曲部分23之壁厚，係在彎曲部分中央位置E中最大，從內周端A到達彎曲部分中央位置E為止是漸增，從彎曲部分中央位置E到達軀體部側端部D為止是漸減。 　　[0032] 其次，與彎曲部分23接連的隔膜本體部分22之軀體部側的端面部分，係藉由複合凹曲線59所規定。將隔膜本體部分22中的內周端A到達外周端C為止之間的中央部作為B。複合凹曲線59，例如是包含：凹圓弧59a，其是規定從內周端A到達中央部B為止；以及凹圓弧59b，其是規定從中央部B到達外周端C為止。凹圓弧59a之一端係在內周端A之位置平滑地接連於凹圓弧55，另一方之端係平滑地接連於凹圓弧59b。 　　[0033] 隔膜本體部分22之相反側的端面部分，係藉由從直線部分58a之端，超過內周端A而延伸的直線58所規定。直線58，係沿著正交於中心軸線1a的半徑方向，延伸至外周端C之位置為止。 　　[0034] 藉由複合凹曲線59和直線58所規定的隔膜本體部分22之厚度，係在中央部B中最薄，從中央部B朝向內周端A漸增，從中央部B朝向外周端C漸增。 　　[0035] 其次，與隔膜本體部分22之外周端C接連的凸臺根部21之軀體部側的端面部分，係藉由複合凹曲線59之凹圓弧59b中之超過外周端C而延伸的圓弧部分所規定。凹圓弧59b之端，係接連於用以規定凸臺30之同一側之端面的直線61。 　　[0036] 凸臺根部21之相反側的端面部分，係藉由在外周端C之位置平滑地接連於直線58之端的複合凹曲線63所規定。複合凹曲線63的另一方之端，係平滑地接連於凸臺30之圓形內周面31。作為複合凹曲線63，可以使用在專利文獻3(日本實開昭61-173851號公報)中所提出的流線。凸臺根部21之厚度，係從外周端C之位置朝向凸臺30之圓形內周面31增加。 　　[0037] 當將隔膜20中的內周端A、中央部B、外周端C、軀體部側端部D及彎曲部分中央位置E之厚度，分別設為t(A)、t(B)、t(C)、t(D)及t(E)時，則設定成為t(E)＞t(A)＞ t(C)＞t(D)＞t(B)。 　　[0038] 又，內周端A、外周端C、軀體部側端部D及彎曲部分中央位置E之厚度，較佳是將最薄的中央部B之厚度t(B)作為基準，並設定如下。 　　內周端A之厚度t(A)，為1.2＜t(A)/t(B)＜2.7； 　　外周端C之厚度t(C)，為1.0＜t(C)/t(B)＜2.3； 　　軀體部側端部D之厚度t(D)，為1.0＜t(D)/t(B)＜2.3； 　　彎曲部分中央位置E之厚度t(E)，為1.3＜t(E)/t(B)＜ 2.8。 　　[0039] 在本例之外齒齒輪3中，如上述，隔膜20之彎曲部分23的軀體部側端部D之厚度t(D)，是比屬於隔膜20之最小厚度部分的中央部B之厚度t(B)還厚。又，隔膜20的內周端A之厚度t(A)，是在將隔膜20的中央部之厚度t(B)作為基準的情況下，設定成比習知的禮帽形狀之外齒齒輪的情況更厚。更且，將彎曲部分中央位置E之厚度t(E)，作為隔膜20中的最大厚度之部分。 　　[0040] 當推力作用於禮帽形狀之外齒齒輪3時，應力就會集中於隔膜本體部分22中之離外周端C較近部分、以及離內周端A較近的部分。依據本發明人的實驗，已確認在各型號的禮帽型之諧波齒輪裝置中，當如上述般地設定外齒齒輪3之各部的厚度時，可以將因高負載轉矩之運轉狀態中的推力所引起的集中應力，減低20%至40%。又，可確認如上述般地設定隔膜20之厚度，在高負載轉矩之運轉狀態中，能有效地抑制或迴避隔膜20之斷裂。更且，已確認也有效用於外齒齒輪3之扭轉剛性(torsional rigidity)及挫曲強度(buckling strength)的改善。
[0041]
1‧‧‧諧波齒輪裝置
1a‧‧‧中心軸線
2‧‧‧內齒齒輪
3‧‧‧外齒齒輪
4‧‧‧諧波產生器
5‧‧‧外齒
6‧‧‧內齒
10‧‧‧軀體部
11‧‧‧開口端
12‧‧‧外齒形成部分
13‧‧‧圓筒部分
20‧‧‧隔膜
21‧‧‧凸臺根部
22‧‧‧隔膜本體部分
23‧‧‧彎曲部分
30‧‧‧凸臺
31‧‧‧圓形內周面
41‧‧‧中空轂部
42‧‧‧剛性凸輪板
43‧‧‧波浪型軸承
51‧‧‧部位
52‧‧‧內側直線
53‧‧‧外側直線
53a‧‧‧延長直線部分
55、59a、59b‧‧‧凹圓弧
57‧‧‧凸圓弧
58‧‧‧直線
58a‧‧‧直線部分
59、63‧‧‧複合凹曲線
A‧‧‧內周端
B‧‧‧中央部
C‧‧‧外周端
D‧‧‧軀體部側端部
E‧‧‧彎曲部分中央位置
t(A)至t(E)‧‧‧厚度
[0020] 　　圖1係本發明之實施形態的禮帽型之諧波齒輪裝置的概略縱剖視圖。 　　圖2係顯示圖1的諧波齒輪裝置之齒的嚙合狀態的說明圖。 　　圖3係顯示圖1的外齒齒輪的半剖視圖。

Claims (6)

  1. 一種諧波齒輪裝置的外齒齒輪，係形成藉由諧波產生器而被撓彎成橢圓狀，且部分地嚙合於剛性的內齒齒輪後的狀態的諧波齒輪裝置的外齒齒輪，其特徵為： 　　具有筒狀之軀體部、外齒、隔膜及環狀之凸臺，該軀體部係使一方之端成為開口端，該外齒係形成於前述軀體部之外周面中的前述開口端該側的部分，該隔膜係連續於前述軀體部的另一方之端並朝向該軀體部之半徑方向的外側擴展，該環狀之凸臺係連續於前述隔膜之外周端所形成； 　　前述隔膜係具備： 　　隔膜本體部，其是朝向前述半徑方向延伸；及 　　彎曲部分，其是連續於前述隔膜本體部之內周端，從面向前述半徑方向之內側的方向沿著中心軸線朝向面向前述軀體部的方向彎曲，並接連於前述軀體部；以及 　　凸臺根部，其是從前述隔膜本體部之外周端朝向前述半徑方向之外側延伸，並接連於前述凸臺之內周面； 　　前述隔膜之厚度，係從接連於前述凸臺之內周面的前述凸臺根部之位置，到達從前述隔膜本體部中的前述外周端至前述內周端為止之間的中央部為止是漸減，而從前述中央部到達前述隔膜本體部的前述內周端為止是漸增； 　　當將前述隔膜中的前述內周端、前述中央部及前述外周端之厚度，分別設為t(A)、t(B)及t(C)，且將前述彎曲部分中之與前述軀體部接連的軀體部側端部之厚度設為t(D)時，則為t(A)＞t(C)＞t(D)＞t(B)。
  2. 如申請專利範圍第1項之諧波齒輪裝置的外齒齒輪，其中，當將前述中央部之厚度t(B)作為基準時， 　　前述內周端之厚度t(A)，為1.2＜t(A)/t(B)＜2.7； 　　前述外周端之厚度t(C)，為1.0＜t(C)/t(B)＜2.3； 　　前述軀體部側端部之厚度t(D)，為1.0＜t(D)/t(B) ＜2.3。
  3. 如申請專利範圍第1項之諧波齒輪裝置的外齒齒輪，其中，前述隔膜之厚度，係從前述彎曲部分中的前述內周端，到達前述內周端及前述軀體部側端部之間的彎曲部分中央位置為止之間，從前述內周端到達前述彎曲部分中央位置為止是漸增，從前述彎曲部分中央位置到達前述軀體部側端部為止是漸減； 　　當將前述彎曲部分中央位置之厚度設為t(E)時，則為t(E)＞t(A)； 　　當將前述中央部之厚度t(B)作為基準時，則為1.3＜t(E)/t(B)＜2.8。
  4. 如申請專利範圍第1項之諧波齒輪裝置的外齒齒輪，其中，前述軀體部，係具備：形成有前述外齒的外齒形成部分；以及從前述外齒形成部分到達前述彎曲部分的前述軀體部側端部為止之間的圓筒部分； 　　前述圓筒部分之厚度為一定，且與前述軀體部側端部之厚度t(D)相同。
  5. 如申請專利範圍第1項之諧波齒輪裝置的外齒齒輪，其中，前述隔膜之厚度，係從前述彎曲部分中的前述內周端，到達前述內周端及前述軀體部側端部之間的彎曲部分中央位置為止之間，從前述內周端到達前述彎曲部分中央位置為止是漸增，從前述彎曲部分中央位置到達前述軀體部側端部為止是漸減； 　　當將前述彎曲部分中央位置之厚度設為t(E)時，則為t(E)＞t(A)； 　　當將前述中央部之厚度t(B)作為基準時， 　　前述內周端之厚度t(A)，為1.2＜t(A)/t(B)＜2.7； 　　前述外周端之厚度t(C)，為1.0＜t(C)/t(B)＜2.3； 　　前述軀體部側端部之厚度t(D)，為1.0＜t(D)/t(B) ＜2.3； 　　前述彎曲部分中央位置之厚度t(E)，為1.3＜t(E)/t(B) ＜2.8。
  6. 一種諧波齒輪裝置，其特徵為，具有： 　　環狀之剛性的內齒齒輪；及 　　申請專利範圍第1至5項中任一項之外齒齒輪；以及 　　諧波產生器，其是使前述外齒齒輪朝向半徑方向撓彎並部分地嚙合於前述內齒齒輪，且使此等的嚙合位置朝向圓周方向旋轉。
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