JP3220171U6 - サイクロイドピン歯車波動歯車装置 - Google Patents

Abstract

【課題】可撓性歯車の耐用年数と強度を大幅に高めることができるサイクロイドピン歯車波動歯車装置を提供する。
【解決手段】カム軸１、可撓性軸受２、可撓性歯車３、針状ころ４及び剛性歯車５を備え、可撓性軸受が楕円形のカム軸に取り付けられ、可撓性歯車の内輪が可撓性軸受の外輪と相互に嵌合し、可撓性歯車の外歯面が各針状ころに相互に接触し、針状ころが剛性歯車の半円溝内に均一に分布し、主軸受の内輪が可撓性歯車に固定して接続され、主軸受の外輪が剛性歯車に固定して接続される。歯高さと歯元がいずれもサイクロイド歯プロフィールであり、破断故障のリスクを軽減させ、深い噛み合い距離を必要とせずに非常に大きな噛合量を得られ、歯幅が大きく、すべての歯が噛合に関与し、歯面の単位圧力が小さく、非常に大きなトルクに耐えられ、所要の可撓性歯車変形量も非常に小さい。
【選択図】図１

Description

本考案は、精密減速機の分野に関し、具体的には、サイクロイドピン歯車ハーモニックドライブ装置に関する。

産業用ロボットや様々な精密機械の分野では、精密減速機は核心部品である。これらの分野では、減速機は、小型、軽量、高剛性、過負荷耐性、安定性及びスムーズさの特徴が求められているとともに、大速度比、小隙間、小角度伝達誤差及び優れた加速度性能が求められている。

Ｋ−Ｈ−Ｖ（Ｎ）型インボリュート小歯数差遊星伝動は、一対の遊星歯車が入力軸の１８０°離れた２つの偏心ジャーナルに取り付けられ、２つの遊星歯車が同一の内歯車と噛合し、内歯車の歯数と遊星歯車の歯数は差があり、内歯車を固定する場合、遊星歯車が１周公転すると、一定の角度で自転し、自転角度が歯数差により決定され、遊星歯車が公転するとともに自転するため、その複雑な運動に対し出力機構によって公転を相殺し、差動により形成された自転のみを出力する必要がある。通常構造の減速機に比べて、Ｋ−Ｈ−Ｖ（Ｎ）型インボリュート小歯数差行星減速機は、ギヤ比が大きく、構造がコンパクトで、軽量で、加速度性能が優れたという特徴を有し、プライマリギヤ比がｉ＝１００と高く、ギヤ比と電力が同じ円筒歯車減速機よりも大幅に軽量になる。

ハーモニックドライブは、弾性変形が制御可能な可撓性インボリュート歯車、剛性内歯車及び楕円形の波発生器を主要な機械構造とするものであり、可撓性歯車と剛性内歯車の歯数は差があるため、ハーモニックドライブも差動伝動である。ハーモニックドライブの原理はＫ−Ｈ−Ｖ（Ｎ）型インボリュート小歯数差遊星伝動として理解することができ、可撓性歯車は２つの遊星歯車の融合変形として理解することができ、波発生器は偏心軸の変形として理解することができ、可撓性歯車のケースはＫ−Ｈ−Ｖ（Ｎ）型インボリュート小歯数差遊星伝動出力機構として機能する。従って、本質的には、ハーモニックドライブもＫ−Ｈ−Ｖ（Ｎ）型インボリュート小歯数差遊星伝動である。この考案によれば、Ｋ−Ｈ−Ｖ（Ｎ）型インボリュート小歯数差遊星伝動は、構造がより簡単になり、よりコンパクトで軽量である。

インボリュート小歯数差遊星伝動とハーモニックドライブは、歯数差が小さすぎる場合、歯プロフィール重なり干渉や節点相手の歯先干渉が生じるという問題があり、歯高さ減少と圧力角増大の方法によって解決できるが、この問題を根本的に解決できなない。

サイクロイドピン歯車遊星伝動は、Ｋ−Ｈ−Ｖ（Ｎ）型インボリュート小歯数差遊星伝動の歯形を徹底的に変更し、インボリュート内歯車とインボリュート遊星歯車をピン歯車及びサイクロイド歯車に変更する。サイクロイド歯車の歯プロフィールの形成原理、針状ころの直径及び偏心運動半径等の間の独特な関係によって、１歯数差サイクロイドピン歯車遊星伝動は、理論上、半分の歯数の針状ころがサイクロイド歯車と同時噛合し、すべての針状ころがサイクロイド歯車に同時接触する。このような歯形の噛合伝動は、インボリュート小歯数差遊星伝動の歯プロフィール重なり干渉と節点相手の歯先干渉の問題を徹底的に解決するとともに、伝動精度と機構の剛性を大幅に向上させ、ノイズを低減させる。

現在、ハーモニックドライブではサイクロイドピン歯車噛合の伝動形式を用いるものが見出されておらず、本考案は、上記背景に鑑みてサイクロイドピン歯車ハーモニックドライブを提供する。インボリュート歯形ハーモニックドライブの歯プロフィール重なり干渉と節点相手の歯先干渉の問題を回避するために、ハーモニックドライブの波発生器の長軸と短軸の長さ差をできるだけ大きくする必要があるが、可撓性歯車及び軸受の材料性能は波発生器の長軸と短軸の長さ差をできるだけ小さくすることが求められ、この矛盾によって、ハーモニック減速機は設計において剛性と耐衝撃性を犠牲にし、本考案は上記矛盾の問題を改善できるとともに、噛合率と剛性を高める。

本考案が解決しようとする技術的問題は、従来技術の欠陥を効果的に解決するサイクロイドピン歯車ハーモニックドライブ装置を提供することである。

本考案は以下の技術案によって実現される。サイクロイドピン歯車ハーモニックドライブ装置であって、カム軸、可撓性軸受、可撓性歯車、針状ころ及び剛性歯車を備え、可撓性軸受が楕円形のカム軸に取り付けられ、可撓性歯車の内輪が可撓性軸受の外輪と相互に嵌合し、可撓性歯車の外歯面が各針状ころに相互に接触し、針状ころが剛性歯車の半円溝内に均一に分布し、主軸受の内輪が可撓性歯車に固定して接続され、主軸受の外輪が剛性歯車に固定して接続される。

好ましくは、前記カム軸が可撓性軸受の内輪に密着しており、両者が波発生器を構成し、可撓性歯車の内輪が可撓性軸受の外輪に密着している。

好ましくは、前記針状ころは剛性歯車の半円溝内に円周方向に均一に分布し、剛性歯車の半円溝はフランジを有する構造であり、フランジの内径は針状ころの分布円直径より小さくすべきではない。

好ましくは、前記可撓性歯車がカップ型構造であり、可撓性歯車の底部が貫通孔として設計され、主軸受の内輪が対応するねじ穴を有し、両者がねじによって固定して接続され、剛性歯車の外輪がねじ穴であり、主軸受の外輪が対応する貫通孔を有し、両者もねじによって固定して接続され、主軸受がクロスローラー軸受である。

サイクロイド歯車が固定され、針状ころは所定の法則に従ってサイクロイド歯車に対して相対運動し、前記運動法則は減速機の機構とギヤ比によって決定され、針状ころはサイクロイド歯車の周辺で所定の運動法則に従って連続的に移動し、針状ころ外円はサイクロイド歯車の周辺で連続的に密閉した包絡線を形成し、この包絡線はサイクロイド歯車の歯プロフィール曲線である。

サイクロイドの設計パラメータはそれぞれ、針状ころの中心のピン歯車ハウジング上に分布する基準円の半径Ｒ、針状ころの数Ｚ、針状ころの半径ｒ、遊星運動の偏心距離Ｅである。サイクロイド歯車の中心を座標原点とし、時間ｔに対する針状ころの中心座標（ｘ，ｙ）のパラメータ方程式は以下の通りである。

ｘ＝Ｅ＊Ｃｏｓ（Ｚ＊ｔ）＋Ｒ＊Ｃｏｓ（ｔ）
ｙ＝Ｅ＊Ｓｉｎ（Ｚ＊ｔ）＋Ｒ＊Ｓｉｎ（ｔ）

上記の方法及びパラメータを用いて設計される１歯数差サイクロイドピン歯車遊星伝動は、伝動中、すべての針状ころ外円が常にサイクロイド歯車の歯プロフィール曲線に接し、サイクロイド歯車全体の輪郭曲線が連続的で且つどこでも微分可能であり、噛合伝動中の噛合率が５０％であり、歯先干渉や歯プロフィール重なり干渉がなく、歯高さが偏心距離の２倍であり、サイクロイド歯車の歯数がＺ−１であるという特徴を有する。

上記の特徴によって、伝動過程が安定し、伝動過程では噛合歯の交互衝撃がなく、噛合率が大きい利点を有する。

本考案のサイクロイドピン歯車ハーモニックドライブにおける可撓性歯車は、組立前に標準的な円形可撓性歯車であり、組立後にそれと隣接する部品の制限で変形して楕円形になる。

以下、可撓性歯車のサイクロイド歯プロフィール曲線と波発生器の具体的な設計過程を説明する。

前記可撓性歯車のサイクロイド歯プロフィール曲線の設計方法は包絡法であり、可撓性歯車のサイクロイド歯プロフィール曲線形成原理は上記の１歯数差サイクロイドピン歯車遊星伝動のサイクロイド歯車の歯プロフィール曲線形成原理と同じである。

前記可撓性歯車サイクロイドの設計パラメータはそれぞれ、針状ころの中心の剛性歯車上に分布する基準円の半径Ｒ、針状ころの数Ｚ、針状ころの半径ｒ、遊星運動の偏心距離Ｅである。可撓性歯車の中心を座標原点として、時間ｔに対する針状ころの中心座標（ｘ，ｙ）のパラメータ方程式は以下の通りである。

ｘ＝Ｅ＊Ｃｏｓ（ｔ＊（Ｚ−１））＋（Ｒ−Ｅ）＊Ｃｏｓ（ｔ）
ｙ＝Ｅ＊Ｓｉｎ（ｔ＊（Ｚ−１））＋（Ｒ＋Ｅ）＊Ｓｉｎ（ｔ）

上記のパラメータ方程式は可撓性歯車の変形後の瞬時状態であり、可撓性歯車の実際変形が仮設と近似する状態でもある。

上記の方法によって可撓性歯車曲線の設計パラメータを得て、さらに上記の１歯数差サイクロイドピン歯車遊星伝動のサイクロイド歯車設計方法によって円形可撓性歯車の歯プロフィール曲線を得て、円形の可撓性歯車歯プロフィール曲線が加工可能性を有し、可撓性歯車の実際動作状態は隣接する部品によって制限された変形状態である。

カム軸１０１の輪郭曲線は密閉した楕円曲線であり、長軸半径ｂと短軸半径ａとの差が偏心距離の２倍である。前記楕円の具体的なサイズは選択した薄肉軸受の内輪直径ｄによって決定され、前記楕円曲線のパラメータ方程式は以下の通りである。

ｘ＝ａ＊ｃｏｓ（ｔ）
ｙ＝ｂ＊ｓｉｎ（ｔ）

コンピュータによって楕円の周囲長を積分して計算し、さらに対応する円の直径を計算し、結果を選択した軸受１０２の内径ｄと比較し、反復を繰り返してａとｂの正確値を得ることができ、このようにして楕円の輪郭曲線が決定される。

上記の方法及びパラメータによって設計されるサイクロイドピン歯車ハーモニックドライブは、伝動中、すべての針状ころ外円が常に可撓性歯車の歯プロフィール曲線に接し、可撓性歯車全体の輪郭曲線が連続的で且つどこでも微分可能であり、噛合伝動中の噛合率が５０％であり、歯先干渉や歯プロフィール重なり干渉がなく、歯高さが偏心距離の２倍であり、可撓性歯車の歯数がＺ−２であるという特徴を有する。従って、本考案のハーモニックドライブは２歯数差の差動伝動である。

上記の特徴によって、普通歯形のハーモニックドライブに比べて、サイクロイドピン歯車ハーモニックドライブは、過程が安定し、伝動過程では噛合歯の交互衝撃がなく、噛合率が大きい利点を有する。波発生器の長軸と短軸の半径差が大幅に減少し、可撓性歯車の長さをより短く設計することができ、可撓性歯車をより厚く設計することができ、さらにハーモニックドライブのねじり剛性を向上させる。

図１はサイクロイドピン歯車ハーモニックドライブの構造原理概略図である。 図２はサイクロイドピン歯車ハーモニックドライブの分解模式図である。 図３はサイクロイドピン歯車ハーモニックドライブの構造断面図である。 図４はサイクロイドピン歯車ハーモニックドライブの正面図である。 図５はサイクロイドピン歯車ハーモニックドライブにおけるカム軸が一定の角度で回転する時の噛合状況概略図である。 図６は外サイクロイドの形成原理概略図である。

本考案の実施例又は従来技術の技術案をより明瞭に説明するために、以下、実施例又は従来技術の説明に必要な図面を簡単に説明し、明らかなように、後述する図面は本考案のいくつかの実施例に過ぎず、当業者であれば、創造的な努力をせずに、これらの図面に基づきほかの図面を想到し得る。また、本明細書に開示されてすべての特徴、又は開示されるすべての方法又はプロセスのステップは、互いに排他的な特徴及び／又はステップを除き、任意の形態で組み合わせることができる。

本明細書（添付の請求項、要約及び図面を含む）に開示される任意の特徴は、別段の記載がない限り、ほかの同等、又は類似目的を有する代替特徴に置き換えることができる。すなわち、別段の記載がない限り、各特徴は一連の同等又は類似の特徴の一例に過ぎない。

図１−図４に示すように、可撓性軸受２が楕円形のカム軸１に取り付けられ、可撓性歯車３の内輪が可撓性軸受２の外輪と相互に嵌合し、可撓性歯車３の外歯面が各針状ころ４に相互に接触し、針状ころ４が剛性歯車５の半円溝内に均一に分布し、主軸受６の内輪が可撓性歯車２に固定して接続され、主軸受６の外輪が剛性歯車５に固定して接続される。

さらに、使用されるカム軸１が可撓性軸受２の内輪に密着しており、両者が波発生器を構成し、可撓性歯車３の内輪が可撓性軸受２の外輪に密着しており、カム軸１の外形が楕円曲線であるため、理論上、可撓性軸受２の内輪、可撓性軸受２の外輪及び可撓性歯車３の内輪がいずれもにカム軸１の楕円の等距離曲線である。

さらに、針状ころ４は剛性歯車５の半円溝内に円周方向に均一に分布し、針状ころ２の軸方向脱出を防止するために、剛性歯車５の半円溝はフランジを有する構造として設計され、可撓性歯車２との干渉を防止するために、フランジの内径は針状ころ４の分布円直径より小さくすべきではない。

さらに、可撓性歯車３がカップ型構造であり、可撓性歯車３の底部が貫通孔として設計され、主軸受６の内輪が対応するねじ穴を有し、それらがねじによって固定して接続され、剛性歯車５の外輪がねじ穴として設計され、主軸受６の外輪が対応する貫通孔を有し、それらもねじによって固定して接続され、主軸受６がクロスローラー軸受であり、それにより半径方向荷重に耐えられるとともに、軸方向荷重及び曲げモーメントに耐えられる。

さらに、理論上、可撓性歯車３の歯プロフィールの設計パラメータはそれぞれ、針状ころ４の中心の剛性歯車５上に分布する基準円の半径Ｒ、針状ころ４の数Ｚ、針状ころ４の半径ｒ、遊星運動の偏心距離Ｅである。可撓性歯車３の中心を座標原点とし、時間ｔに対する針状ころ４の中心座標（ｘ，ｙ）のパラメータ方程式は以下の通りである。

ｘ＝Ｅ＊Ｃｏｓ（ｔ＊（Ｚ−１））＋（Ｒ−Ｅ）＊Ｃｏｓ（ｔ）
ｙ＝Ｅ＊Ｓｉｎ（ｔ＊（Ｚ−１））＋（Ｒ＋Ｅ）＊Ｓｉｎ（ｔ）

可撓性歯車３の歯プロフィールは針状ころ４の中心の曲線の等距離曲線であり、曲線のオフセット量は針状ころ４の半径であり、オフセット方向は中心に沿う。針状ころ４を可撓性歯車３に接させるために、遊星運動の偏心距離Ｅはカム軸１の長半軸と短半軸との差の半分に等しいことが求められる。

さらに、上記のような楕円形の歯プロフィールは加工し難く且つ使用できないため、本考案は以下の方法によって可撓性歯車３の歯プロフィールを得る。

以下の設計方程式を採用する。
ｘ＝Ｅ＊Ｃｏｓ（ｔ＊（Ｚ−１））＋Ｒ＊Ｃｏｓ（ｔ）
ｙ＝Ｅ＊Ｓｉｎ（ｔ＊（Ｚ−１））＋Ｒ＊Ｓｉｎ（ｔ）

ここで、偏心距離Ｅはカム軸１の長半軸と短半軸との差の半分に等しく、Ｒは針状ころ４の分布円半径に等しく、Ｚは針状ころ４の数である。この曲線を中心へ等距離オフセットさせ、オフセット距離が針状ころ４の半分に等しく、得られた曲線は可撓性歯車３の自由時の曲線であり、カム軸１が可撓性軸受２内に嵌入され、可撓性軸受２内に可撓性歯車３が嵌入されると、カム軸１の楕円によって可撓性歯車３の曲線が変化し、その結果、針状ころ４が可撓性歯車２にどこでも接する。

動作時、カム軸１が可撓性軸受２に取り付けられ、可撓性軸受２がさらに可撓性歯車３に取り付けられると、可撓性歯車３が弾性変形して楕円状になり、その長軸では可撓性歯車３の歯元が針状ころ４に嵌入され、歯元で２箇所接する状態を形成し、その短軸では可撓性歯車３の歯先が針状ころ４にも接し、接触保持状態にある。カム軸１が連続的に回転すると、可撓性歯車３が連続的に変形し、可撓性歯車３と針状ころ４が接触する位置が連続的に変化し、所謂歯ずらし運動を発生させ、それにより運動伝達を実現する。

さらに、図５に示すように、剛性歯車５が固定されると仮定し、カム軸１が０°回転する時、可撓性歯車２と剛性歯車５が矢印で重なり、カム軸１が時計回りに１８０°回転する時、図中の可撓性歯車の矢印に示すように、可撓性歯車２が反時計回りに１歯の距離回転し、カム軸１が時計回りに３６０°回転する時、図中の可撓性歯車の矢印に示すように、可撓性歯車２が反時計回りに２歯の距離回転し、従って、剛性歯車が固定され、可撓性歯車が回転する時、減速比が可撓性歯車２の歯数の半分に等しい。

カム軸１の楕円は数値制御加工方式により形成され、可撓性歯車２は低速ワイヤーカット又はホッビングにより加工され、剛性歯車５はＣＮＣフライス盤、低速ワイヤーカット又は歯車形削りにより加工され、加工が極めて簡単である。

針状ころ４は軸受鋼材質からなり、熱処理後の硬度がＨＲＣ６０−６２、粗度がＲａ０．４以上であり、摩耗軽減及び耐用年数延長に寄与する。

図６に示すように、サイクロイド歯車２０１が固定され、針状ころ２０２は一定の法則に従ってサイクロイド歯車に対して相対運動し、前記運動法則は減速機の機構とギヤ比によって決定され、針状ころはサイクロイド歯車の周辺で所定の運動法則に従って連続的に移動し、針状ころ外円はサイクロイド歯車の周辺で連続的に密閉した包絡線を形成し、この包絡線はサイクロイド歯車の歯プロフィール曲線である。

以上は、本考案の具体的な実施形態に過ぎず、本考案の保護範囲を限定するものではなく、創造的な努力をせずに想到し得る変更や置換はすべて、本考案の保護範囲に属する。従って、本考案の保護範囲は実用新案登録請求の範囲に限定される保護範囲に準じるべきである。

Claims (4)

1. カム軸、可撓性軸受、可撓性歯車、針状ころ及び剛性歯車を備え、可撓性軸受が楕円形のカム軸に取り付けられ、可撓性歯車の内輪が可撓性軸受の外輪と相互に嵌合し、可撓性歯車の外歯面が各針状ころに相互に接触し、針状ころが剛性歯車の半円溝内に均一に分布し、主軸受の内輪が可撓性歯車に固定して接続され、主軸受の外輪が剛性歯車に固定して接続されることを特徴とするサイクロイドピン歯車ハーモニックドライブ装置。
2. 前記カム軸が可撓性軸受の内輪に密着しており、両者が波発生器を構成し、可撓性歯車の内輪が可撓性軸受の外輪に密着していることを特徴とする請求項１に記載のサイクロイドピン歯車ハーモニックドライブ装置。
3. 前記針状ころは剛性歯車の半円溝内に円周方向に均一に分布し、剛性歯車の半円溝はフランジを有する構造であり、フランジの内径は針状ころの分布円直径より小さくすべきではないことを特徴とする請求項１に記載のサイクロイドピン歯車ハーモニックドライブ装置。
4. 前記可撓性歯車がカップ型構造であり、可撓性歯車の底部が貫通孔として設計され、主軸受の内輪が対応するねじ穴を有し、両者がねじによって固定して接続され、剛性歯車の外輪がねじ穴であり、主軸受の外輪が対応する貫通孔を有し、両者もねじによって固定して接続され、主軸受がクロスローラー軸受であることを特徴とする請求項１に記載のサイクロイドピン歯車ハーモニックドライブ装置。