具有寬範圍嚙合齒形的波動齒輪驅動裝置的製作方法
2023-12-10 03:25:21
專利名稱：具有寬範圍嚙合齒形的波動齒輪驅動裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有寬範圍嚙合齒形的高鬆脫轉矩波動齒輪驅動裝置。
背景技術：
自從C.W.Musser發明波動齒輪驅動裝置(專利參考文件1)至今，許多研究人員發明了各種類型的波動齒輪驅動裝置，這其中包括Musser和本申請的發明人。僅僅關于波動齒輪的齒形就提出了各種發明方案。例如，本申請的發明人提出將基本齒形做成漸開線形齒形(專利參考文件2)，以及一種設計齒形的方法，在該齒形中，使用使兩個齒輪之間嚙合與齒條近似來獲得用於剛性內嚙合齒輪和柔性外嚙合齒輪之間的寬範圍接觸的齒頂外形(專利參考文件3和4)。還提出了一個用來防止與齒條近似的齒形之間互相干擾的發明方案(專利參考文件5)。
專利參考文件1美國專利2906143專利參考文件2JP 45-41171 B專利參考文件3JP 63-115943 A專利參考文件4JP 64-79448 A專利參考文件5JP 7-167228 A發明內容對于波動齒輪驅動裝置，在兩個齒輪的齒的數量超出例如160的高減速比情況下，在施加高轉矩的時候會有被稱作鬆脫的跳齒現象發生。然而，關於可防止鬆脫並同時保持持續接觸的齒形沒有具體的設想。
為了防止在高轉矩的過程中發生鬆脫，必須使齒高儘可能地大。另外，還需要拓寬作為一波動齒輪驅動裝置的元件的剛性內嚙合齒輪和柔性外嚙合齒輪之間的嚙合區域，以增加轉矩容量。
從以上觀點來看，本發明要解決的問題是提供一種波動齒輪驅動裝置，為了防止在施加高轉矩的時候發生鬆脫，該裝置具有可使齒高加大並使嚙合區加寬的齒形。
解決問題的方法本發明用一種波動齒輪驅動裝置解決了以上的問題，該裝置具有一環形剛性內嚙合齒輪，在該內嚙合齒輪中置有一柔性外嚙合齒輪，在該外嚙合齒輪中插有一波動發生器，該柔性外嚙合齒輪具有一柔性圓柱主體和一環形隔膜，該環形隔膜沿徑向從圓柱主體的後端延伸出來，形成在圓柱主體的一開口端側區域上的一齒部分由一波動發生器所產生的變形量彎曲成橢圓形，該變形量從隔膜側的一後端部分到開口側的一前端部分，大致與離開隔膜的距離成比例，其特徵在於剛性內嚙合齒輪為模數為m的一正齒輪；柔性外嚙合齒輪為模數為m的一正齒輪或在其前端部分模數為m的一傘齒輪；柔性外嚙合齒輪的齒數比剛性內嚙合齒輪的齒數少2n(n為正整數)；將與沿齒線的方向一任意選取的位置處的軸線垂直的柔性外嚙合齒輪的一橫截面(以下稱作主橫截面)處的柔性外嚙合齒輪的橢圓邊緣中線的長軸的變形量設為2κmn(κ＞1)；剛性內嚙合齒輪和柔性外嚙合齒輪的齒在主橫截面上的嚙合近似為齒條嚙合，並可獲得伴隨著波動發生器的旋轉的柔性外嚙合齒輪的齒相對於剛性內嚙合齒輪的齒的運動路徑，從長軸到運動路徑中的一脫齒側採用從一徑向線與剛性內嚙合齒輪的傾角為90°的兩個齒輪的最深嚙合位置到傾斜角為α(0°＞α＞30°)的位置的一曲線部分；將擴大該曲線部分λ倍而得到的一第一相似曲線作為柔性外嚙合齒輪的齒形；以及將擴大該曲線部分(λ+1)倍而得到的一第二相似曲線作為剛性內嚙合齒輪的齒形。
對於傾角α，通常可採用從0°到15°範圍內的值。
這裡，為了取得較高的鬆脫轉矩，必須使齒高儘可能地大。為此，λ要儘可能地大。λ的最大值是在運動路徑上剛性內嚙合齒輪的齒頂所達到的位置；使λ任意大會使兩個齒輪的齒頂互相干擾。因此，在本發明中，需要將λ值設定為使通過將作為初始最深嚙合位置的曲線部分乘上(λ+1)而得到的第二近似曲線的頂部位於運動路徑上。
同樣，相對於λ的最大值的極值，也存在將剛性內嚙合齒輪的齒頂選為運動路徑的最大振幅的情況。因此，在本發明中，需要將λ和α的值設置成使通過將作為初始最深嚙合位置的曲線部分乘上(λ+1)而得到的第二近似曲線的頂部位於運動路徑的最大振幅點上。
接下來，為了確保在柔性外嚙合齒輪的主橫截面以外的區域處也保持兩個齒輪的有效嚙合，需要使主橫截面成為與沿柔性外嚙合齒輪的齒線方向的前端部分的軸線垂直的一橫截面，將沿柔性外嚙合齒輪的齒線方向的後端部分的變形量設置成2κmn(κ＜1)，以及使用等高齒傘齒輪，其較小的直徑面向前端部分。
在此情況下，為了避免由於柔性外嚙合齒輪運動路徑的沿齒線的方向從前端部分到後端部分振幅減小而引起的兩個齒輪齒頂的互相干擾，希望在包括柔性外嚙合齒輪長軸的軸向部分處彎曲成橢圓形，將柔性外嚙合齒輪的齒頂圓柱面形成為錐形表面，從而使柔性外嚙合齒輪的齒頂跟隨剛性內嚙合齒輪的齒底，而剛性內嚙合齒輪的齒頂圓柱面的形狀形成為錐形表面，該表面具有沿齒線方向從前端部分到後端部分逐漸增大的內徑。
當兩個齒輪的齒形如此形成後，兩個齒輪在沿柔性外嚙合齒輪的齒線方向的後端部分處的嚙合在直到變形為橢圓的柔性外嚙合齒輪的長軸的位置之前為前置級嚙合，它與在通過沿柔性外嚙合齒輪的齒線方向的前端部分(主橫截面)的位置之後的後置級嚙合不同。沿齒線方向從前端部分到後端部分的嚙合為包括前置級嚙合和後置級嚙合的中間過渡嚙合。這樣，根據本發明，就有可能在長軸上實現寬範圍的嚙合。
其次，本發明適用於如下的波動齒輪驅動裝置中，該裝置具有高減速比，其中兩個齒輪的齒數為160或更多。
發明效果如前所述，由於在本發明的波動齒輪中剛性內嚙合齒輪和柔性外嚙合齒輪的齒高與變形量相關，因此將柔性外嚙合齒輪的變形量、較佳地為其開口端側的前端部分的變形量設置為2κmn(κ＞1)，該變形量為大於2mn的標準變形量(κ＝1)。
另外，在κ＞1的情況下，可通過將兩個齒輪的齒之間的嚙合運動軌跡齒條近似、以及將一曲線用作為兩個齒輪的基礎齒形來實現兩個齒輪的持續接觸，該曲線是在後置級嚙合的脫離側上從最深嚙合位置開始的曲線，該嚙合位置是類似地放大的齒條運動路徑的頂點。
因此，根據本發明的具有寬範圍的嚙合齒形的波動齒輪驅動裝置，可使柔性外嚙合齒輪的變形量比通常的標準(κ＝1)要大，從而可增加齒高，從而有可能實現較高的鬆脫轉矩嚙合。另外，還可實現在用來形成齒形的運動路徑上的連續嚙合，而不是採用線性齒形時的瞬時嚙合。
此外，對於本發明，將柔性外嚙合齒輪的隔膜側的後端部分的變形量設為κmn(κ＜1)，並且通過即使在上方的前置級區域也使兩個齒輪嚙合直到到達最深嚙合位置為止，就可保持兩個齒輪的寬範圍嚙合。在那個時候，對柔性外嚙合齒輪的齒形進行任意的齒頂修改，並且調節沿齒線方向的齒高。
結果就有可能在彎曲成橢圓的柔性外嚙合齒輪的長軸位置的兩側在較寬範圍上實現連續嚙合。這樣，根據本發明，就有可能進一步提高波動齒輪驅動裝置的負荷容量。
最佳實施方式以下結合附圖來描述應用本發明的一波動齒輪驅動裝置。
波動齒輪驅動裝置的結構圖1是作為本發明目的的波動齒輪驅動裝置正視圖，圖2是示出了包括柔性外嚙合齒輪的開口部分的軸向部分的截面圖，其狀態為變形成橢圓形，其中(a)示出了在變形前的狀態，(b)是變形後包括橢圓的長軸的軸向部分，以及(c)是變形後包括橢圓的短軸的軸向部分。此外，在圖2中，實線示出了杯形柔性外嚙合齒輪，虛線示出了禮帽形柔性外嚙合齒輪。
如在這些圖中所示出的，波動齒輪驅動裝置1具有圓形剛性內嚙合齒輪2，在該內嚙合齒輪中置有柔性外嚙合齒輪3，在該外嚙合齒輪中插有波動發生器4。剛性內嚙合齒輪2和柔性外嚙合齒輪3之間的齒數差為2n(n為正整數)。波動齒輪驅動裝置1的柔性外嚙合齒輪3可由具有橢圓外形的波動發生器4彎曲成橢圓形，沿橢圓的長軸L1的方向同剛性內嚙合齒輪2嚙合於兩個端部位置。當波動發生器4旋轉時，兩個齒輪2、3的嚙合位置作圓周運動，產生與兩個齒輪的齒數差相對應的齒輪2、3的相對旋轉。柔性外嚙合齒輪3包括一柔性圓柱主體31；一隔膜32，該隔膜徑向延伸，與其後端31a相連續；一突起33，該突起與隔膜32相連續；以及諸外齒34，這些外齒形成於圓柱主體31的一開口端31b側的一外周表面部分。
通過將具有橢圓外形的波動發生器4插入圓柱主體部分31的外齒形成部分的內周表面部分，圓柱主體部分31從其隔膜側的後端31a向開口端31b向內或向外的變形量逐漸增加。如圖2(b)所示，在包括橢圓的長軸L1的軸向部分處的向外變形量與從後端31a到開口端31b的距離成比例地逐漸增加，而如圖2(c)所示，向內在包括橢圓的短軸L2的軸向部分處的向內變形量與從後端31a到開口端31b的距離成比例地逐漸增加。因此，形成在開口端31b側的外周表面上的外齒34的變形量也沿其齒線從後端部分34a到前端部分34b逐漸增加，與到後端31a的距離成比例。
在主橫截面上形成齒形的方法圖3是示出了柔性外嚙合齒輪3的齒相對於剛性內嚙合齒輪2的運動路徑的圖，該圖是在波動齒輪驅動裝置1的兩個齒輪2、3的相對運動近似齒條的情況下得到的。將垂直於開口側的前端部分34b的軸線的橫截面作為組成兩個齒輪齒形的形成基準的主橫截面(在沿柔性外嚙合齒輪3的外齒34的齒線方向指定的選定位置上垂直於軸線的橫截面)，這一運動路徑M是在這個主橫截面上得到的。齒輪3的齒的運動由下列等式給出。
X＝0.5mn(θ-κsinθ)Y＝κmn(1-cosθ)這裡，κ是大於「1」的撓曲係數，m是模量。此外，柔性外嚙合齒輪3的運動路徑M的整個振幅為2κmn。
圖4是示出了處在齒的運動路徑的環形部分中的利用範圍的說明圖。曲線部分AB是從最深嚙合部分點A到脫離嚙合部分點B，從最深位置點A起呈角度α，在點A處，運動路徑M的切線相對於y軸(剛性內嚙合齒輪的徑向線)所呈的傾角(嚙合角)為90°。對於所得到的齒形，這一角度α在柔性外嚙合齒輪的情況下對應於齒根的最小嚙合角，而在剛性內嚙合齒輪的情況下對應於齒頂的最小嚙合角；通常，角α的範圍是0°＜α＜30°，在實踐中為0°＜α＜15°。這一曲線部分AB是用於獲得齒形的，如下所述。當以正變形(κ＞1)嚙合時，柔性外嚙合齒輪3進入剛性內嚙合齒輪2的齒間隙中的齒的接觸並不深及最深位置A，而是在它在脫離側脫離嚙合時首先接觸剛性內嚙合齒輪2的齒面。
接下來，如圖5(a)所示，將運動路徑的工作範圍、即曲線部分AB乘上λ所得到的第一近似曲線AC作為柔性外嚙合齒輪3的齒形。同樣，將曲線部分AB乘上(λ+1)所得到的第二近似曲線AD作為剛性內嚙合齒輪2的齒形。如在圖5(b)中所示的如此設置的這兩個齒形的原理所示，由其相似性，就有可能在曲線部分AB之間實現連續嚙合。
這裡，需要使齒高儘可能地大以增大鬆脫扭矩。為此，λ要儘可能地大。其最大值是剛性內嚙合齒輪2的齒頂走上運動路徑M的位置。如果使之更大，那麼這兩個齒輪的齒頂之間就會互相干擾。圖5(a)示出了這一情況。λ的最大值的極值情況是選擇剛性內嚙合齒輪的齒頂作為運動路徑M的最大振幅的位置。
也就是說，與λ的最大值的極值相關的角度α(嚙合角)的理論值可由以下等式獲得。
tanα＝0.5(1-κcost)/(κsint)這裡，運動路徑M的擴大率(λ+1)將是以下值。
λ+1＝2κm/κm/(1-cost)＝2/(1-cost)同時，t的值可由以下等式得到。
t-κsint+0.5πcost-0.5π＝0作為一例子，若為撓曲係數，則κ＝1.4、t＝26.1272°、α＝11.7712°、λ＝18.5730°。
除主橫截面以外的垂直於軸線的橫截面的齒形以上的說明是關於柔性外嚙合齒輪3的主橫截面、即關於在開口側的前端部分34b中形成齒形的方法。可以如下所述的方法來形成齒形，以在除主橫截面以外的垂直於軸線的橫截面中保持有效嚙合。
首先，在柔性外嚙合齒輪3中，將具有變形量2κmn(κ＞1，正變形)的開口側上的前端部分34b設為主橫截面，將沿柔性外嚙合齒輪3的齒線方向的前端部分34b中的中線橢圓邊緣的長軸的變形量設為2mn(κ＜1，負變形)。同樣，為了能在如圖6所示沿開口側上的前端部分34b到後端部分34a的齒線方向的每個橫截面上都保持嚙合，將柔性外嚙合齒輪3形成為等齒高傘齒輪，其較小的直徑面對前端部分34b。同樣，對於為正齒輪的剛性內嚙合齒輪2，為了避免因柔性外嚙合齒輪3向著後端部分34a的運動路徑M振幅的增大而引起齒頂幹擾，將其齒頂圓柱面的形狀形成為錐形表面，大直徑向著柔性外嚙合齒輪3的後端部分。另外，在垂直於包括波動發生器4的長軸的軸線的橫截面中，將柔性外嚙合齒輪3的頂錐的發生器設定為跟隨柔性外嚙合齒輪3的齒根。同時，在圖6中，虛線示出了在變形前的狀態，實線示出了變形後在包括長軸的軸向部分處的變形狀態。
圖7到圖9示出了柔性外嚙合齒輪3的諸齒相對於剛性內嚙合齒輪2的一個齒的齒條近似相對運動。圖7示出了為主橫截面的開口側後端部分34a的嚙合狀態，圖8示出了柔性外嚙合齒輪3的齒線中心附近的同樣的嚙合狀態，以及圖9示出了在其前端部分34b中的同樣的嚙合狀態。如從圖中可以理解的，顯示出齒從開口側上的前端部分行進到後端部分的運動路徑從環形經尖端形變為錐形。伴隨著這一變化，齒的嚙合區域也從在長軸之後的環的後半部分上的嚙合中改變，經過在長軸尖端附近的嚙合，變到在長軸之前的嚙合。
如前所述，柔性外嚙合齒輪3的後端部分34a的嚙合在直到變形成為橢圓的柔性外嚙合齒輪3的長軸位置之前是前置級嚙合，它與從通過其前端部分34b處的長軸位置之後的後置級嚙合不同。這表示在長軸位置的兩側都能實現寬範圍的嚙合，這在過去是沒有見到過的。在從前端部分34b到後端部分34a的部分中，嚙合是包括前置級嚙合和後置級嚙合的中間過渡嚙合。
同時，圖10示出了在通過前端部分34b的長軸位置之後的後置級嚙合的展開視圖，這是在兩個齒輪的齒高為最大的情況。圖11是在齒線中心附近截面中嚙合的展開視圖，它示出了在長軸附近的中間嚙合，以及圖12是在直到後端部分34a中長軸位置之前前置級嚙合沿齒線方向的展開的視圖。這其中每一個都是在齒數有限的情況下的(柔性外嚙合齒輪的齒數為160，剛性內嚙合齒輪的齒數為162)，其中對柔性外嚙合齒輪3的齒形中作了齒頂修改，從而保證兩個齒輪2、3的順利嚙合。
圖1是作為本發明的一個對象物的一波動齒輪驅動裝置的總的正視圖。
圖2是示出了包括柔性外嚙合齒輪的撓曲狀態的軸向部分的說明圖，其中(a)示出了在變形前的狀態，(b)是變形後包括橢圓的長軸的軸向部分，以及(c)是變形後包括橢圓的短軸的軸向部分。
圖3在本發明的齒形基準為κ＞1的情況下齒條的運動路徑。
圖4是示出圖3所示運動路徑中齒形利用範圍的說明圖。
圖5是示出了為兩個齒輪所設定的齒形例子的說明圖。
圖6是示出了用來在主橫截面以外的橫截面上實現有效嚙合的兩個齒輪的齒形的說明圖。
圖7是示出了垂直於兩個齒輪的齒線的開口側上前端部分軸線的橫截面中的嚙合情況的說明圖。
圖8是示出了垂直於兩個齒輪的齒線中心的軸線的橫截面中的嚙合情況的說明圖。
圖9是示出了垂直於兩個齒輪的齒線後端部分中的軸線的橫截面中的嚙合情況的說明圖。
圖10是垂直於兩個齒輪的齒線的開口側上前端部分軸線的橫截面中的嚙合情況的展開的視圖。
圖11是垂直於兩個齒輪的齒線中心的軸線的橫截面中的嚙合情況的展開視圖。
圖12是垂直於兩個齒輪的齒線後端部分中的軸線的橫截面中的嚙合的發展了的視圖。
標號說明1 波動齒輪驅動裝置2 內嚙合齒輪3 外嚙合齒輪31a 後端31b 開口端34 外齒34a 沿齒線方向的後端部分34b 沿齒線方向的前端部分4 波動發生器M 運動路徑AB 用來設置齒形的曲線部分AC 第一近似曲線AD 第二近似曲線A 運動路徑的最深位置B 在運動路徑上的切線的傾斜角為α的點
權利要求
1.一種具有一環形剛性內嚙合齒輪的波動齒輪驅動裝置，在該內嚙合齒輪中放置有一柔性外嚙合齒輪，在該外嚙合齒輪中插有一波動發生器，該柔性外嚙合齒輪具有一柔性圓柱主體和一環形隔膜，該環形隔膜沿徑向從圓柱主體的後端延伸出來，形成在圓柱主體的一開口端側區域上的一齒部分由該波動發生器所產生的變形量彎曲成橢圓形，該變形量從隔膜側的一後端部分到開口側的一前端部分大致與離開隔膜的距離成比例；其特徵在於剛性內嚙合齒輪為模數為m的一正齒輪；柔性外嚙合齒輪為模數為m的一正齒輪或在其前端部分模數為m的一傘齒輪；柔性外嚙合齒輪的齒數比剛性內嚙合齒輪的齒數少2n(n為正整數)；將與沿齒線的方向一任意選取的位置處的軸線垂直的柔性外嚙合齒輪的一橫截面(以下稱作主橫截面)處的柔性外嚙合齒輪的橢圓邊緣中線的長軸的變形量設為2κmn(κ＞1)；剛性內嚙合齒輪和柔性外嚙合齒輪的齒在主橫截面上的嚙合近似為齒條嚙合，並可獲得伴隨著波動發生器的旋轉的柔性外嚙合齒輪的齒相對於剛性內嚙合齒輪的齒的運動路徑；從長軸到運動路徑中的一脫齒側採用從一徑向線與剛性內嚙合齒輪的傾角為90°的兩個齒輪的最深嚙合位置到傾斜角為α(0°＞α＞30°)的位置的一曲線部分；將擴大該曲線部分λ倍而得到的一第一相似曲線作為柔性外嚙合齒輪的齒形；以及將擴大該曲線部分(λ+1)倍而得到的一第二相似曲線作為剛性內嚙合齒輪的齒形。
2.如權利要求1所述的波動齒輪驅動裝置，其特徵在於，將λ的值設置成可使通過將作為初始最深嚙合位置的曲線部分乘上(λ+1)而得到的第二近似曲線的頂部位於運動路徑上。
3.如權利要求1所述的波動齒輪驅動裝置，其特徵在於，將λ的值設置成可使通過將作為初始最深嚙合位置的曲線部分乘上(λ+1)而得到的第二近似曲線的頂部位於運動路徑的最大振幅點上。
4.如權利要求1到3中任意一項所述的波動齒輪驅動裝置，其特徵在於，主橫截面是與沿柔性外嚙合齒輪的齒線方向的前端部分的軸線垂直的一橫截面；將沿柔性外嚙合齒輪的齒線方向的後端部分的變形量設置成2κmn(κ＜1)；以及柔性外嚙合齒輪為等高齒傘齒輪，其較小的直徑面向前端部分。
5.如權利要求4所述的波動齒輪驅動裝置，其特徵在於，柔性外嚙合齒輪變形之後，在包括柔性外嚙合齒輪長軸的軸向部分處，將柔性外嚙合齒輪的齒頂圓柱面形成為錐形表面，從而使柔性外嚙合齒輪的齒頂跟隨剛性內嚙合齒輪的齒底；剛性內嚙合齒輪的齒頂圓柱面的形狀形成為錐形表面，該表面具有沿齒線方向從前端部分到後端部分逐漸增大的內徑。
6.如權利要求1到5中任意一項所述的波動齒輪驅動裝置，其特徵在於，剛性內嚙合齒輪和柔性外嚙合齒輪各自具有數量為160或更多的齒。
全文摘要
一種波動齒輪驅動裝置(1)，其中一剛性內嚙合齒輪(2)形成為模數為m的一正齒輪，而一柔性外嚙合齒輪(3)形成為具有模數為m的開口側前端的一傘齒輪。外嚙合齒輪(3)的齒數比內嚙合齒輪(2)的齒數少2n(n為正整數)，且將該齒輪在外嚙合齒輪(3)的開口側前端處的橢圓邊緣中線的變形量設為2κmn(κ＞1)。在開口側前端處，將兩個齒輪(2、3)的齒的嚙合近似為齒條嚙合，以可得到外嚙合齒輪(3)的齒根據一波動發生器(4)的運動路徑(M)，且在從長軸到脫齒側的區域中得到範圍為從運動路徑(M)相對於內嚙合齒輪(2)徑向線的傾角為90°的兩個齒輪的最深嚙合點(A)到傾角為α的位置(B)的運動路徑(M)的曲線部分(AB)。然後，將擴大曲線部分(AB)λ倍而得到的一第一相似曲線作為外嚙合齒輪(3)的齒形，以及將擴大該曲線部分(λ+1)倍而得到的一第二相似曲線作為內嚙合齒輪(2)的齒形。
文檔編號F16H55/08GK1864018SQ200480029278
公開日2006年11月15日 申請日期2004年5月26日 優先權日2003年10月30日
發明者石川昌一 申請人:諧波傳動系統有限公司