TWI612228B

TWI612228B - 軸承機構及諧波齒輪裝置

Info

Publication number: TWI612228B
Application number: TW103118631A
Authority: TW
Inventors: Yuya Murayama; Yoshihide Kiyosawa
Original assignee: Harmonic Drive Systems
Priority date: 2013-06-20
Filing date: 2014-05-28
Publication date: 2018-01-21
Also published as: WO2014203295A1; CN105308357B; US10006534B2; KR20160003259A; KR101690036B1; JPWO2014203295A1; JP6045694B2; TW201520443A; CN105308357A; DE112013007180T5; US20160084367A1

Description

軸承機構及諧波齒輪裝置

本發明係關於一種軸承機構、以及使用該軸承機構的諧波齒輪裝置，該軸承機構係使用具備軸承之預壓功能的軸承支承體。

對軸承施以沿著軸線方向(推入方向)之預壓的方法，一般而言有：使用螺栓等的定位預壓構造、以及使用彈簧等的定壓預壓構造。在專利文獻1中係記載具備定位予壓構造的軸承裝置，而在專利文獻2中則記載具備定壓預壓構造的預壓裝置。

另一方面，具有朝軸線方向貫穿之裝置中空部的中空型諧波齒輪裝置，以具備杯型形狀之可撓性外齒齒輪者為大眾所知。在專利文獻3中係記載一種中空型致動器，其構成為：具備杯型形狀之可撓性外齒齒輪的中空型諧波齒輪減速機、以及中空型馬達係一體形成在軸線方向上。

專利文獻3中所記載之諧波齒輪減速機的諧波產生器，係具備：中空旋轉軸；橢圓形輪廓之凸輪板 (插塞)，該凸輪板是一體形成在：位於可撓性外齒齒輪之內側的中空旋轉軸的外周面部分；以及安裝在該凸輪板之橢圓形外周面的諧波產生器軸承。位在可撓性外齒齒輪之內側的中空旋轉軸的軸端部係被軸承所支撐，該軸承是被裝設在可撓性外齒齒輪之輪轂的軸承支承體所保持。藉由使用螺旋彈簧的定壓預壓構造，從輪轂的相反側對被軸承支承體所保持的軸承施加預壓。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本特開2010-91065號公報

[專利文獻2]日本特開2012-52569號公報

[專利文獻3]日本特開2006-144971號公報

在此，使用螺絲等的定位預壓構造是須要螺絲的鎖緊量。並且在使用螺旋彈簧、波形墊片(wave washer)、盤型彈簧(disc spring)等之定壓預壓構造的情形下，也須要確保設置這些施加預壓零件的空間。因此，組裝有具備預壓構造之軸承的裝置，其全體的軸長就會變長。

例如，在專利文獻3所記載之具有杯型形狀之可撓性外齒齒輪的諧波齒輪裝置中，只要使用軸線方向之設置空間較小即可者來做為被軸承支承體所保持之軸承的預壓構造，即可望能縮短軸長。

本發明鑑於此點，其課題即提案一種：使用軸承支承體的軸承機構，該軸承支承體是適用於：構成零件數較少，且軸線方向之設置空間較小的預壓構造。

此外，本發明的另一課題是提案一種：使用該軸承機構之軸長較短的諧波齒輪裝置。

為了解決上述課題，本發明之軸承機構，係以可自由旋轉的狀態支撐著中空旋轉軸的軸端部，其特徵為：具備：支撐上述中空旋轉軸之一方的軸端部的軸承：保持上述軸承的軸承支承體；以及裝設有上述軸承支承體的裝設構件，上述軸端部係具備：上述軸承之內輪安裝用的圓形外周面、以及內輪承接面，該內輪承接面是由形成在該圓形外周面之端部的圓環狀階段面所形成，上述軸承支承體係具備：裝設在上述裝設構件的圓環狀凸緣部；保持上述軸承之外輪的支承體本體部；以及連接上述凸緣部與上述支承體本體部的板簧部，上述凸緣部、上述板簧部以及上述支承體本體部，是由單一構件所形成的一體形成品，上述板簧部係具備：可將上述支承體本體部朝向該中心軸線方向彈推的彈性，上述支承體本體部係具備：安裝有上述軸承之上述外輪的圓形內周面、以及外輪承接面，該外輪承接面是在上述圓形內周面之一方的端部，由形成與上述軸線正交之狀態的圓環狀階段面所構成，上述板簧部是在上述支承體本體部與上述凸緣部之間，形成朝向與上述中心軸線正交之方向延伸的狀態，藉由上述軸承支承體之上述板簧部的彈推力，對上述軸承施加預壓力，該預壓力是將軸承的內輪壓向上述內輪承接面。

本發明之軸承機構的軸承支承體的一部分是做為板簧部。在將軸承支承體安裝到安裝對象的構件，而保持著軸承的狀態下，只要使板簧部朝向中心軸線方向變位，即可對被保持的軸承施加朝向中心軸線方向的預壓。軸承支承體除了軸承的保持功能外，又被賦予了軸承的預壓功能，所以不須要另外設置預壓用的彈簧、螺絲等零件。因此，可實現一種具有預壓構造的軸承機構，該軸承機構之軸線方向的設置空間不須要太大即可。在具有被該軸承機構所支撐之旋轉構件的裝置中，其軸長和使用以往構成之軸承機構者相較，可縮短該軸長。

接下來，本發明的諧波齒輪裝置，其特徵為：具備：剛性內齒齒輪；杯型形狀的可撓性外齒齒輪，該可撓性外齒齒輪係配置於上述剛性內齒齒輪的內側，可嚙合於上述剛性內齒齒輪；諧波產生器，該諧波產生器係配置於上述可撓性外齒齒輪的內側，將該可撓性外齒齒輪彎折成橢圓形，且部分嚙合於上述剛性內齒齒輪；決定上述可撓性外齒齒輪之杯型底面之中心部分的輪轂；以及軸承機構，該軸承機構係以可自由旋轉的狀態，支撐著上述諧波產生器之上述輪轂側的軸端部，上述軸承機構為上述構成的軸承機構，上述軸承支承體係在上述裝設構件的上述可撓性外齒齒輪的內側，被固定於上述輪轂。

在本發明之諧波齒輪裝置中，位於杯型形狀之可撓性外齒齒輪內側的諧波產生器的軸端部，係被使用具有預壓功能之軸承支承體的軸承機構所支撐。因此，就不須要在可撓性外齒齒輪的內側配置彈簧、螺絲等施加預壓的零件，該零件是用來在軸線方向上，對被軸承支承體所保持的軸承施加預壓。所以，可縮短諧波齒輪裝置的軸長。此外，因為只要少量的零件數即可，所以組裝更為簡易，故可謀求製造成本的降低。

在此，本發明係可適用於中空型諧波齒輪裝置，該中空型諧波齒輪裝置是具有朝向該裝置軸線方向貫穿的裝置中空部。此時，上述諧波產生器是具備：中空旋轉軸、形成在該中空旋轉軸之外周面的插塞、以及安裝在該插塞之橢圓形外周面的上述諧波產生器軸承。上述諧波產生器的上述軸端部是上述中空旋轉軸之上述輪轂那一側的輪轂側軸端部，上述可撓性外齒齒輪的上述輪轂是圓環狀的輪轂。上述軸承支承體係具備：固定在上述輪轂之中心貫穿孔的圓環狀之輪轂固定部。上述輪轂固定部的中心貫穿孔、以及上述中空旋轉軸的中空部，係同軸地配列，形成朝向裝置軸線方向貫穿的裝置中空部。

再者，在使用諧波齒輪裝置來做為單元時，諧波齒輪裝置係具有：固定於上述剛性內齒齒輪的第1端板；固定於上述可撓性外齒齒輪之上述輪轂的第2端板；裝置軸承，該裝置軸承是以可相對自由旋轉之狀態，支撐著上述剛性內齒齒輪、與上述第2端板；以及軸承，該軸承是安裝在形成於上述第1端板之中心貫穿孔的內周面，且以可自由旋轉的狀態，從外周側支撐著軸端部，該軸端部是位在上述中空旋轉軸之上述輪轂側軸端部的相反側。

此時，從削減零件數、以及裝組工時等觀點來看，上述剛性內齒齒輪與上述第1端板以由單一零件來構成，且上述裝置軸承之一方的軌道輪以及上述第2端板以由單一零件來構成為佳。上述剛性內齒齒輪、上述第1端板、以及上述裝置軸承之另一方的軌道輪，也可以是由單一零件所構成。

1‧‧‧諧波齒輪單元

1a‧‧‧軸線

2‧‧‧內齒齒輪

2a,2b‧‧‧端面

2c‧‧‧內齒

3‧‧‧外齒齒輪

3a‧‧‧外齒

4‧‧‧諧波產生器

4a‧‧‧第1軸端部

4b‧‧‧第2軸端部

4c‧‧‧外周面

4d‧‧‧內輪承接面

5‧‧‧單元中空部

5a‧‧‧諧波產生器側中空部

5b‧‧‧輪轂側中空部

6‧‧‧第1單元端板

7‧‧‧第1軸承

8‧‧‧交叉滾子軸承

8a‧‧‧外輪

8b‧‧‧內輪

9‧‧‧第2單元端板

10‧‧‧軸承支承體

11‧‧‧第2軸承

12‧‧‧固定側的單元外殼

13‧‧‧旋轉側的單元外殼

14‧‧‧密封構件

15‧‧‧空隙

15a,15b‧‧‧空隙部分

16‧‧‧第1油封

17‧‧‧第2油封

31‧‧‧筒體部

32‧‧‧膜片

33‧‧‧輪轂

34‧‧‧內周面

35‧‧‧端面

41‧‧‧中空旋轉軸

42‧‧‧插塞

43‧‧‧諧波產生器軸承

44‧‧‧內輪

45‧‧‧外輪

46‧‧‧滾珠

47‧‧‧保持器

47a‧‧‧環狀板

47b‧‧‧分隔板

47c,47d‧‧‧環狀板

47e‧‧‧分隔板

48‧‧‧軸端面

48a‧‧‧內周側端面

48b‧‧‧外周側端面

101‧‧‧輪轂固定部

102‧‧‧板簧部

103‧‧‧支承體本體部

103a‧‧‧內周面

103b‧‧‧外輪承接面

104‧‧‧***部

105‧‧‧圓環部

106‧‧‧支承體端面

107‧‧‧圓環狀突部

108‧‧‧端面部分(輪轂側端面)

[圖1]為適用本發明之中空型諧波齒輪單元的縱剖面圖。

[圖2]為放大圖1之一部分的部分放大剖面圖。

[圖3]為被圖1之III-III線所切斷之部分的橫剖面圖。

[圖4]為配置了不須要保持器按壓具之保持器的中空型諧波齒輪單元的半剖面圖。

[圖5]為在半徑方向上配置了密封構件之中空型諧波齒輪單元的半剖面圖。

以下茲參照圖面來說明適用本發明之中空型諧波齒輪單元的實施形態。圖1為本實施形態之中空型諧波齒輪單元的縱剖面圖，圖2為放大圖1之一部分的部分放大剖面圖，圖3為被圖1之III-III線所切斷之部分的橫剖面圖。

(全體構成)

中空型諧波齒輪單元1(以下，有時會簡稱為「諧波齒輪單元1」)係具備矩形剖面之環狀的剛性內齒齒輪2。杯型形狀的可撓性外齒齒輪3係同軸地配置在剛性內齒齒輪2的內側。在可撓性外齒齒輪3的內側係配置有諧波產生器4，該諧波產生器4係將可撓性外齒齒輪3彎折成橢圓形，且部分嚙合於剛性內齒齒輪2。此外，在諧波齒輪單元1又形成有：在軸線1a的方向上貫穿該中心部分而延伸的單元中空部5。

圓盤狀的第1單元端板6係一體形成在剛性內齒齒輪2之一方的端面2a。也可將這些的部分2、6當做其他構件，予以連結固定。第1單元端板6係朝向與軸線1a正交的方向延伸。第1軸承7係安裝在第1單元端板6之中心貫穿孔的內周面，諧波產生器4之一方的第1軸端部4a係以可自由旋轉的狀態被第1軸承7所支撐。單元軸承的交叉滾子軸承8係鄰接配置在剛性內齒齒輪2之另一方的端面2b的那一側。

交叉滾子軸承8的外輪8a係一體形成在剛性內齒齒輪2的端面2b。也可將這些的部分2、8a當做其他構件，予以連結固定。圓盤狀的第2單元端板9係一體形成於：交叉滾子軸承8之內輪8b的剛性內齒齒輪2的相反側的端面。也可將這些的部分9、8b當做其他構件，予以連結固定。第2單元端板9係朝向與軸線1a正交的方向延伸，被固定在圓環狀之輪轂33的外周面，該輪轂33是決定杯型形狀之可撓性外齒齒輪3之杯型底面的中心部分。

固定於該輪轂33的軸承支承體10係配置在可撓性外齒齒輪3的內側。第2軸承11係安裝在軸承支承體10。諧波產生器4之輪轂33那一側的第2軸端部4b，係以可自由旋轉的狀態．被第2軸承11所支撐。

例如，剛性內齒齒輪2是連結固定於無圖示的固定側構件，諧波產生器4的第1軸端部4a是連結於無圖示之馬達軸等的高速旋轉軸，固定於可撓性外齒齒輪3的第2單元端板9則是連結於無圖示的被驅動側構件。此時，一體形成有剛性內齒齒輪2、第1單元端板6、以及交叉滾子軸承8之外輪8a的零件，即成為諧波齒輪單元1之固定側的單元外殼12。此外，一體形成有交叉滾子軸承8的內輪8b以及第2單元端板9的零件，係成為諧波齒輪單元1之旋轉側的單元外殼13。

當諧波產生器4旋轉，可撓性外齒齒輪3的外齒3a對於剛性內齒齒輪2之內齒2c的嚙合位置會朝向周方向移動。可撓性外齒齒輪3的齒數，相對於剛性內齒齒輪2的齒數，會減少2n齒(n：正整數)，通常是減少2齒(n=1)。因此，一旦嚙合位置朝向周方向移動，在兩齒輪2，3即會產生對應於齒數差的相對旋轉。對應齒數差而減速的減速旋轉，是從可撓性外齒齒輪3，透過第2單元端板9而朝向無圖示的被驅動側構件輸出。

接下來，進一步說明各部的構成。首先，諧波產生器4係具備：中空旋轉軸41；一體形成在該中空旋轉軸41之外周面的橢圓形輪廓之固定寬幅的插塞42；以及安裝在該插塞42之橢圓形外周面的諧波產生器軸承43。中空旋轉軸41的中空部係決定了圓形剖面的諧波產生器側中空部5a，該諧波產生器側中空部5a是在軸線1a的方向上貫穿諧波產生器4並延伸。此外，中空旋轉軸41之一方的軸端部係為諧波產生器4的第1軸端部4a，另一方的軸端部則為諧波產生器4的第2軸端部4b。第2軸端部4b係為位在可撓性外齒齒輪3之輪轂33那一側的輪轂側軸端部。

諧波產生器軸承43係具備：可朝向半徑方向彎折的內輪44以及外輪45。複數個滾珠46係以可自由轉動的狀態，***到內外輪44、45之間的圓環狀軌道。滾珠46係在圓周方向上，依一定的角度間距，被圓環狀的保持器47所保持。保持器47係具備：環狀板47a、以及分隔板47b，該分隔板47b是從該環狀板47a的端面，以一定的角度間距朝向垂直(軸線1a的方向)延伸。在相鄰的分隔板47b之間係形成有各滾珠46的滾珠袋。保持器47係從第2單元端板9的那一側，沿著軸線1a的方向，被安裝在內外輪44、45之間。

可撓性外齒齒輪3係具備：可朝向半徑方向彎折的圓筒狀筒體部31；從該圓筒狀筒體部31的一側端，朝向半徑方向內側延伸之圓盤狀的膜片32；以及形成在該膜片32之內周緣的圓環狀輪轂33。在圓筒狀筒體部31之另一方之開口端的外周面部分係形成有外齒3a。輪轂33係藉由壓入、黏著、熔接等，以無縫狀態被固定在第2單元端板9的圓形內周面。軸承支承體10係藉由壓入、黏著、熔接等，從第2單元端板9的相反側，以有空隙的狀態被固定在輪轂33之圓形的中心貫穿孔。

(軸承支承體)

軸承支承體10係具備：圓環狀之輪轂固定部101(凸緣部)；從輪轂固定部101朝向半徑方向外側延伸，且厚度較薄的圓盤狀板簧部102；以及圓環狀的支承體本體部103，該支承體本體部103是從板簧部102的外周緣部朝向第1單元端板6的方向，朝軸線方向延伸。輪轂固定部101係呈L形剖面形狀，且具有：固定在輪轂33之圓形內周面34的***部104；以及沿著輪轂33之內側的圓環狀端面35而延伸的圓環部105。第2軸承11係被保持在支承體本體部103的內側。這些輪轂固定部101、板簧部102、以及支承體本體部103係為由單一構件所構成的一體形成品。板簧部102係具備：可將支承體本體部103朝向軸線1a方向彈推的彈性。

如圖2所示，在支承體本體部103係形成有外輪安裝用的圓形內周面103a。在圓形內周面103a的第2單元端板9那一側的端部，係形成有外輪承接面103b，該外輪承接面103b是由：與軸線1a正交，且具有固定寬度的圓環狀階段面所形成。外輪承接面103b為面向第1單元端板6那一側的面。在圓形內周面103a係安裝有第2軸承11的外輪11a，該圓環狀端面是抵接於外輪承接面103b。板簧部102是朝向與軸線1a正交的方向延伸。此外，板簧部102係連接：比支承體本體部103之外輪承接面103b，更靠近第2單元端板9那一側的端部、以及輪轂固定部101之圓環部105的外周面之間。

另一方面，在中空旋轉軸41之第2軸端部4b的圓形外周面係形成有內輪安裝用的圓形外周面4c。在圓形外周面4c之第1軸端部4a那一側的端部，係形成有內輪承接面4d，該內輪承接面4d是由：與軸線1a正交，且具有固定寬度的圓環狀階段面所形成。內輪承接面4d為面向第2單元端板9那一側的面。在圓形外周面4c係安裝有第2軸承11的內輪11b，該圓環狀端面係抵接於內輪承接面4d。

板簧部102在安裝有第2軸承11的狀態下，變成沿著軸線1a，朝向第2單元端板9的那一側稍微變位的狀態。藉由板簧部102朝向軸線方向的彈性恢復力，而成為在軸線方向(內輪11b被壓向內輪承接面4d的方向)上，對第2軸承11施加預壓的狀態。

如此一來，以可自由旋轉的狀態來支撐中空旋轉軸41之第2軸端部4b的軸承機構，即構成為：使用具有預壓功能的軸承支承體10。不須要配置對第2軸承11施加預壓的零件。用較少的零件數即可構成具有預壓功能的軸承機構，並且可減少該軸線方向的設置空間。因此，若使用本實施例的軸承機構，即可縮短中空型諧波齒輪單元1的軸長。

接下來，軸承支承體10除了預壓功能外，還具備諧波產生器軸承43的保持器按壓具之功能。亦即，從圖2即可明瞭，軸承支承體10的支承體本體部103係具備：面向諧波產生器軸承43那一側的圓環狀的支承體端面106。支承體端面106係形成在：從軸線方向1a的方向，與諧波產生器軸承43之保持器47的環狀板47a對向的位置。在該支承體端面106之外周側的部位，係形成了僅稍微朝向保持器47側突出的圓環狀突部107。圓環狀突部107係以極小的間距，與保持器47之環狀板47a的端面對向。

一旦保持器47從內外輪44、45之間，朝向軸線1a的方向偏移，就會抵接到該圓環狀突部107。圓環狀突部107發揮做為保持器按壓部的功能。就不須要在可撓性外齒齒輪3的內側配置諧波產生器軸承43的保持器按壓板。所以，可縮短中空型諧波齒輪單元1的軸長。

在此，可考慮在中空型諧波齒輪單元1使用不須要保持器按壓板的保持器。如圖4所示，此時的保持器47A係具備：位在滾珠46之兩側的環狀板47c、47d，並在其之間形成分隔板47e。因此，就必須在軸線1a的方向上，在諧波產生器4與第1單元端板6之間確保有配置環狀板47d的空間L。這使中空型諧波齒輪單元1的軸長增加了該空間所須的長度，故為不宜。

(中空部的密封機構)

再度參照圖1、圖2來加以說明。單元中空部5係由：諧波產生器側中空部5a、以及輪轂側中空部5b所構成，該諧波產生器側中空部5a是由：諧波產生器4之中空旋轉軸41的中空部所決定；該輪轂側中空部5b是由：固定在可撓性外齒齒輪3之輪轂33的軸承支承體10之***部104的中心貫穿孔所決定。因此，可在單元中空部5的內周面產生圓環狀的空隙。該空隙是被呈V形剖面的圓環狀密封構件14所密封。

密封構件14係安裝在空隙15，該空隙15是形成在：軸承支承體10之輪轂固定部101、與諧波產生器4的第2軸端部4b之間。空隙15具備：朝向單元中空部5之圓形內周面開口，且寬度極小的圓環狀空隙部分15a；以及形成在該外周側之寬度較大的圓環狀空隙部分15b。圓環狀的密封構件14係安裝在空隙部分15b。藉由如此，將空隙15密封，即可使潤滑油等不會外漏到單元中空部5。

具有極小寬度的空隙部分15a、以及較大寬度的空隙部分15b的空隙15，係如下述般形成。面向諧波產生器4那一側的軸承支承體10的端面部分108(輪轂側端面)係為與軸線1a正交之平坦的端面。與該端面部分108對向之諧波產生器4那一側的端面係為第2軸端部4b的軸端面48。該軸端面48係具備：圓環狀的內周側端面48a、以及圓環狀的外周側端面48b，該外周側端面48b相對於軸承支承體10的端面部分108，是比內周側端面48a更加朝向軸線1a的方向後退。在外周側端面48b、以及軸承支承體10的端面部分108之間，即成為寬度較大的圓環狀空隙部分15b。而在內側的內周側端面48a與端面部分108之間，即成為寬度極小的空隙部分15a。

如此一來，中空旋轉軸41之第2軸端部4b的軸端面48即形成為階段狀，對內周側端面48a而言，外周側端面48b是朝向軸線1a的方向後退。藉由如此，即在外周側端面48b、以及與外周側端面48b對向的軸承外殼10那一側的端面部分108之間，形成密封構件安裝用之寬度較大的空隙部分15b。因此，即可沿著軸線1a的方向，將密封構件14配置在輪轂固定部101與諧波產生器側的中空旋轉軸41之間。

在此，如圖5所示，可考慮將密封構件14A安裝在：輪轂固定部101之***部104的內周面109、以及***至其內側的中空旋轉軸41之軸端部4b的外周面部分41A之間。亦即，沿著半徑方向，將密封構件14A配置在：輪轂固定部101之***部104、以及諧波產生器側之中空旋轉軸41的軸端部4b之間。一旦將密封構件14A配置在半徑方向上，單元中空部5A的內徑，就會被***至輪轂固定部101之***部104內側的中空旋轉軸41的中空徑所決定。因此，不適合於形成較大內徑的單元中空部。相對於此，若根據圖1~圖3所示之本實施例的諧波齒輪單元1，即可消除這種缺點，可形成較大內徑的單元中空部5。

再者，於本實施例中，如圖1、圖2所示般，密封構件安裝用的空隙部分15b是形成為沒入第2軸承 11之內輪11b內側的狀態。因此，可以和圖5所示「將密封構件14配置在半徑方向時」一樣，可維持著相同的單元軸長來配置密封構件14。所以，根據本實施例，即可實現一種軸長較短的中空型諧波齒輪單元1，其係使用杯型形狀之可撓性外齒齒輪3，並具備較大的單元中空部5。

此外，在本實施例中，如圖1所示般，在第1單元端板6的內周面、與第1軸端部4a的外周面之間的空隙，係被安裝在第1軸承7外側之部位的第1油封16所密封。又，在第2單元端板9的那一側，交叉滾子軸承8的內輪8b、與外輪8a的空隙，係被圓環狀的第2油封17所密封。