专利名称：扁平型波动齿轮装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种装备有带外齿的环形柔性齿轮的扁平型波动齿轮(wave gear)装置，具体来说，涉及一种提高齿根强度的改进技术，目的在于提高扁 平型波动齿轮装置的承载能力。
背景技术：
波动齿轮装置装备有刚性内齿轮、设置在刚性内齿轮内的柔性外齿轮、以 及波发生器，波发生器将柔性外齿轮弯曲成椭圆形，并致使它部分地与刚性内 齿轮啮合。当波发生器通过电动机或类似装置转动时，两个齿轮的啮合位置在 圆周方向上移动，在两个齿轮之间产生减速的相对转动，该减速对应于两个齿 轮齿数之差。通过固定一个齿轮使它不能转动，就能够从另一齿轮将减速的转 动输出和传递到载荷侧。根据柔性外齿轮的形状，波动齿轮装置可分类为扁平型、杯型和大礼帽型。 如图6所示，扁平型波动齿轮装置1具有两个平行同轴设置的环形刚性内齿轮 2和3、设置在刚性内齿轮2和3内的环形柔性外齿轮4，以及波发生器5，其 用来将柔性外齿轮4弯曲成椭圆形以便部分地将其与刚性内齿轮2和3啮合， 并用来圆周向地移动啮合位置。这里，固定的刚性内齿轮2具有与柔性外齿轮4相同的齿数，而另一刚性 内齿轮3具有的齿数比柔性外齿轮4的齿数多2n(n是正整数)。或者，弯曲 的刚性内齿轮2具有的齿数比柔性外齿轮4的齿数多2n，而另一刚性内齿轮3 具有与柔性外齿轮4相同的齿数。波发生器5的转动产生刚性内齿轮3和柔性外齿轮4之间的相对转动，该 相对转动远小于波发生器5的转动，该减小的转动从刚性内齿轮3输出到输出这样构造的扁平型波动齿轮装置的设计比杯型或大礼帽型的波动齿轮寧置更为紧凑和简单。例如，专利参考文献l、 2和3分别揭示了扁平型、杯型 和大礼帽型的波动齿轮装置。[专利文献1] JP 05-172195 A [专利文献2] JP 08-166052 A [专利文献3] JP 02-912382 A与诸如杯型和大礼帽型的其它类型相比，扁平型波动齿轮装置由于其承载能力小而使其实用性受到限制。由于插入其中的波发生器的椭圆形使柔性外齿轮椭圆形地变形，柔性外齿轮在与刚性内齿轮的啮合中传递载荷。因此，为了提高承载能力，必须提高齿 根强度。确定齿根强度的一个重要因素是柔性外齿轮的轮缘厚度。然而，以前 还尚未有有关扁平型波动齿轮装置的柔性外齿轮轮缘厚度设计优化的研究。发明内容鉴于以上所述，本发明的目的是着力优化柔性外齿轮轮缘厚度的设计以大 大地提高扁平型波动齿轮装置的承载能力。通过椭圆形的波发生器产生弯曲变形以及由于扭矩载荷产生的拉伸变形， 以及通过对柔性外齿轮材料设定合适的硬度，获得所生产柔性外齿轮的优化的 轮缘厚度，由此，本发明人能够使其比先前的柔性外齿轮的齿根疲劳强度大两 倍。这就是说，根据本发明，提供了一种扁平型波动齿轮装置，该装置具有环 形刚性内齿轮、设置在刚性内齿轮内的环形柔性外齿轮，以及波发生器，其用 来将柔性外齿轮弯曲成椭圆形以使它部分地与刚性内齿轮啮合，并用来圆周向地移动齿轮的啮合位置，其特征在于当d是在弯曲成椭圆形的柔性外齿轮的轮缘中性圆的主轴位置处的径向弯 曲量，以及t是柔性外齿轮的轮缘厚度时，那么，当波动齿轮装置的减速比R小于80时，(0.5237Ln (R) —1.32) d《t《(0.8728Ln (R) —2.2) d以及当波动齿轮装置的减速比R等于80或以上时，U.5499Ln (R) —5.8099) d《t《(2.5832Ln (R) —9.6832) d。本发明的特征还在于，柔性外齿轮的材料硬度HRC的值在40-50范围之内。 根据本发明，通过优化经受弯曲变形和拉伸变形的扁平型波动齿轮装置的 柔性外齿轮的轮缘厚度，能够提高齿根强度。还能够通过优化柔性外齿轮的轮 缘厚度和优化柔性外齿轮材料的硬度，大大地提高齿根强度。其结果，根据本 发明，能够实现具有比以前高得多的承载能力的扁平型波动齿轮装置。
图1是示出扁平型波动齿轮装置的轮缘厚度的示意图。图2是示出轮缘厚度与径向弯曲量之比相对于减速比之间关系的曲线图。图3是示出弯曲应力和拉伸应力相对于轮缘厚度之间关系的曲线图。图4是示出疲劳限值载荷扭矩和相对于轮缘厚度关系的曲线图。图5是示出弯曲次数和齿根疲劳限值载荷扭矩之间关系的曲线图。图6是扁平型波动齿轮装置的总截面图。
具体实施方式
下面参照附图来描述本发明的细节。图6示出本发明适用的扁平型波动齿轮装置的结构。图1是示出扁平型波 动齿轮装置1的环形柔性外齿轮(F/S) 4的轮缘厚度的概念性示意图；在该 图中，轮缘厚度是用t表示的部分的厚度。还有，柔性外齿轮4通过波发生器 5弯曲成椭圆形的径向弯曲量d是轮缘中性圆上的主轴位置处的径向弯曲量。 假定n是柔性外齿轮4和刚性内齿轮3齿数之间的差，m是柔性外齿轮4的模 量，那么，该径向弯曲量d是d二mn。图2是示出本发明规定的轮缘厚度，以及普通常规的扁平型波动齿轮装置 的柔性外齿轮(F/S)的轮缘厚度的曲线图。在该曲线图中，水平轴线是扁平 型波动齿轮装置的减速比R，而垂直轴线是轮缘厚度t和径向弯曲量d之比t/d。在该曲线图中，虚线A0示出常规扁平型波动齿轮装置内的柔性外齿轮的 减速比和轮缘厚度之间的关系。相反，虚线Al至A4示出根据本发明规定的 柔性外齿轮的减速比和轮缘厚度之间的关系。参照由虚线AO指示的轮缘厚度的常规设计值，虚线Al至A4分别代表20%、 45%、 60%和100%的轮缘厚度增加。这里，由于虚线Al规定了轮缘厚度t的下限，(方程l)表达了减速比小 于80的部分，而(方程2)表达了减速比等于80或以上的部分。(方程1) t/d 二0.5237Ln (R) —1.32(方程2) t/d 二 1.5499Ln (R) —5.8099还有，由于虚线A4规定了轮缘厚度t的上限，(方程3)表达了减速比小 于80的部分，而(方程4)表达了减速比等于80或以上的部分。(方程3) t/d =0.8728Ln (R) —2.2(方程4) t/d 二2.5832Ln (R) —9.6832因此，在曲线图中，由斜线表示的部分是根据本发明的轮缘厚度t的范围， 根据本发明的轮缘厚度的范围在常规设计模型的轮缘厚度的大约120% 200 %范围内。接下来，将解释根据本发明的轮缘厚度t的上限和下限的重要含义。图3是示出轮缘厚度t和扁平型波动齿轮装置内产生的弯曲应力(7b、拉伸 应力at和总应力(ab + (5t)之间关系的曲线图。水平轴线是柔性外齿轮的轮 缘厚度t和图1所示常规设计模型的轮缘厚度之间的比值(％)，而垂直轴线 是弯曲应力ob、拉伸应力(Tt、总应力((jb + cjt)和柔性外齿轮的PCD (节圆 直径)之间的比值。如线段B1所示，弯曲应力ob与轮缘厚度成比例或多或少地增加，但如线 段B2所示，拉伸应力at随着轮缘厚度增加而减小。由于这一点，如线段B3 所示，尽管总应力(CTb + Ot)减小到使轮缘厚度是常规设计模型的轮缘厚度的 160%的量级，此后，它逐渐地增加，但增加甚微。根据常规设计模型的轮缘厚度(在水平轴线上的100%点处)，总应力很 高，所以轮缘厚度的优化不再可能。相反，在本发明的范围之内(水平轴上的120%至200%的范围)，总应力范围保持为最小，显示出轮缘厚度的优化。 尤其是，在120%或以下的下限值的情形中，总应力提高，这表明对于不小于 该值的轮缘厚度是理想的。接下来，图4示出显示齿轮的轮缘厚度变化时柔性外齿轮的齿根强度的计 算结果的曲线图。如图3所示，水平轴线是柔性外齿轮的轮缘厚度t和图l所 示常规设计模型的轮缘厚度之间的比值(％)，而垂直轴线是柔性外齿轮齿根 疲劳极限载荷扭矩和额定扭矩之间的比值。在曲线图中，曲线CO是材料硬度 HRC为36时的曲线，曲线Cl是材料硬度HRC为43时的曲线，而曲线C2 是材料硬度HRC为50时的曲线。如从这些曲线中可见，疲劳极限载荷扭矩随着轮缘厚度的增加而提高，但 当轮缘厚度超过一定值时，会相反，疲劳极限载荷扭矩会减小。疲劳极限载荷 扭矩的最大值出现在本发明的范围内(水平轴线上120%至200%的范围)。 还有，在材料硬度HRC较高的情况下，出现疲劳极限载荷扭矩的最大值的点 朝向较厚轮缘侧移动，使得材料硬度HRC在50量级时出现的最大值的点，在 水平轴线上的200%点的右或左(大于或小于)。此时，当所采用材料的材料 硬度HRC大于50时，则处理具有径向柔度的柔性外齿轮就很困难。因此，使 用在实践中可采用的最硬的材料，可将轮缘厚度设定成产生最大的疲劳极限载 荷扭矩，其值可高达200%，这是本发明中上限值。从图4的曲线图中还可见，与常规设计模型的疲劳极限载荷扭矩(图4中 的曲线CO)相比，通过按如上所述地规定轮缘厚度，并通过使用硬度大于以 前通常使用的HRC为36的材料来制造柔性外齿轮，那么疲劳极限载荷扭矩可 以大大地提高。例如，业已确定，使用如图2中145%虚线A2所示的轮缘厚度以及硬度 HRC为43的材料的常规设计模型，可以提高疲劳极限载荷扭矩，较之于常规 设计模型(具有材料硬度HRC为36)，疲劳极限载荷扭矩可以增加不止两倍。 图5是示出该试验结果的实例的曲线图。在该曲线图中，水平轴线是柔性外齿 轮弯曲次数，而垂直轴线是载荷扭矩和额定扭矩之间的比值。方形点是常规设 计模型的试验值，而圆点是使用本发明获得的试验值。在常规的情形中，柔性外齿轮的疲劳极限强度增加，柔性外齿轮可高达材料硬度HRC为40，但当采用的材料超过该硬度时，可见疲劳极限强度减小。 然而，如图4和5所示，可以确定，甚至当材料硬度HRC为40或更大时，柔 性外齿轮的疲劳极限强度也会增加。根据本发明人的试验，业已确定，当采用 根据本发明的轮缘厚度时，最好使用硬度HRC在40至50范围内的材料，尤 其较佳地是使用硬度HRC在40至43范围内的材料。
权利要求
1.一种扁平型波动齿轮装置，该装置具有环形刚性内齿轮、设置在所述刚性内齿轮内的环形柔性外齿轮、以及波发生器，所述波发生器用来将所述柔性外齿轮弯曲成椭圆形以使其部分地与所述刚性内齿轮啮合，并用来圆周向地移动所述齿轮啮合的位置，该扁平型波动齿轮装置的特征在于当d是在弯曲成椭圆形的所述柔性外齿轮的轮缘中性圆的主轴线位置处的径向弯曲量，并且t是所述柔性外齿轮的轮缘厚度时，那么，当所述波动齿轮装置的减速比R小于80时，(0.5237Ln(R)-1.32)d≤t≤(0.8728Ln(R)-2.2)d以及当所述波动齿轮装置的减速比R等于80或以上时，(1.5499Ln(R)-5.8099)d≤t≤(2.5832Ln(R)-9.6832)d。
2. 如权利要求l所述的扁平型波动齿轮装置，其特征在于，所述柔性外齿 轮的材料硬度HRC的值在40-50的范围之内。
全文摘要
实现一种扁平型波动齿轮装置，该装置具有提高很多的承载能力。当d是在弯曲成椭圆形的扁平型波动齿轮装置的柔性外齿轮的轮缘中性圆的主轴线位置处的径向弯曲量，以及t是柔性外齿轮的轮缘厚度时，那么，当波动齿轮装置的减速比R小于80时，(0.5237Ln(R)-1.32)d≤t≤(0.8728Ln(R)-2.2)d以及当波动齿轮装置的减速比R等于80或以上时，(1.5499Ln(R)-5.8099)d≤t≤(2.5832Ln(R)-9.6832)d。使用这样的设定，就能提高柔性外齿轮的齿根疲劳极限强度，由此，能够提高柔性外齿轮的承载能力。
文档编号F16H55/08GK101230889SQ20081000516
公开日2008年7月30日 申请日期2008年1月23日 优先权日2007年1月24日
发明者上浦啓次, 张新月 申请人:谐波传动系统有限公司