齿轮的制造方法、齿轮及挠曲啮合式齿轮装置与流程

齿轮的制造方法、齿轮及挠曲啮合式齿轮装置
1.本技术主张基于2020年5月18日申请的日本专利申请第2020
‑
086400号的优先权。该日本技术的全部内容通过参考而援用于本说明书中。
技术领域
2.本发明涉及一种齿轮的制造方法、齿轮及挠曲啮合式齿轮装置。


背景技术：

3.专利文献1公开了一种由含有碳纤维的树脂材料制作出的齿轮。在专利文献1的齿轮中，通过将碳纤维的长度设为100μm以下，即使是小型齿轮，也确保耐久性及耐磨性。
4.专利文献1：日本特开2018
‑
155313号公报
5.通过使流体材料(例如，树脂材料)凝固从而形成齿轮，能够获得低成本化等各种优点。另一方面，通过使流体材料凝固而形成的成型品由于成型时的各种原因容易产生尺寸的偏差。若将使流体材料凝固而形成的齿轮适用于齿轮装置，则有时无法获得齿轮装置所要求的精度。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种能够制造出具有由流体材料形成的成型品的优点并且具有能够适用于齿轮装置的精度的齿轮的制造方法及齿轮。而且，还提供一种具有这种齿轮的挠曲啮合式齿轮装置。
7.本发明所涉及的齿轮的制造方法包含如下工序：
8.中间体形成工序，使流体材料凝固从而形成齿轮中间体；及
9.齿形成工序，通过切削在所述齿轮中间体上形成齿。
10.本发明所涉及的齿轮具有外形由流体材料凝固而形成的流体固化部及进行切削加工而成的切削加工部，其中，
11.所述切削加工部包括齿。
12.本发明所涉及的挠曲啮合式齿轮装置具备起振体、被所述起振体挠曲变形的外齿轮及与所述外齿轮啮合的内齿轮，所述挠曲啮合式齿轮装置中，
13.所述内齿轮具有外形由流体材料凝固而形成的流体固化部及进行切削加工而成的切削加工部，
14.所述切削加工部包括齿。
15.根据本发明，能够提供一种具有由流体材料形成的成型品的优点并且具有能够适用于齿轮装置的精度的齿轮。而且，还能够提供一种具备这种齿轮的挠曲啮合式齿轮装置。
附图说明
16.图1是表示本发明的实施方式所涉及的挠曲啮合式齿轮装置的图。
17.图2表示本发明的实施方式所涉及的第2内齿轮，其中，(a)是俯视图，(b)是沿图2
中(a)中的a
‑
a线剖切的剖视图。
18.图3是用于说明第2内齿轮的制造工序的图，其中，(a)表示注塑成型工序，(b)表示脱模后的齿轮中间体，(c)表示齿的切削工序。
19.图4是表示齿轮中间体的俯视图。
20.图中：1
‑
挠曲啮合式齿轮装置，10a
‑
起振体，12
‑
外齿轮，15
‑
起振体轴承，22
‑
第1内齿轮，22e1、22e2
‑
嵌合面，22g
‑
齿，22h1～22h3
‑
连结用孔，23
‑
第2内齿轮，23a
‑
凸缘部，23aa、23ab
‑
突出部，23e
‑
嵌合面，23g
‑
齿，23h1、23h2
‑
连结用孔，23s1
‑
嵌合面，23s2
‑
抵接面，33
‑
主轴承，33a
‑
内圈，j1
‑
中间体形成工序，e1
‑
模具，in
‑
齿轮中间体，r
‑
加强筋，p
‑
减重部，j2
‑
齿形成工序，m1～m3
‑
壁厚部。
具体实施方式
21.以下，参考附图对本发明的实施方式进行详细说明。
22.图1是表示本实施方式所涉及的挠曲啮合式齿轮装置1的剖视图。以下，将沿着图1的旋转轴o1的方向称为“轴向”，将与旋转轴o1垂直的方向称为“径向”，将以旋转轴o1为中心的旋转方向称为“周向”。而且，将轴向上的输出减速后的旋转运动的第2罩体27侧称为“输出侧”，将与输出侧相反的一侧称为“输出相反侧”。
23.图1的挠曲啮合式齿轮装置1为外齿轮12挠曲变形从而传递以旋转轴o1为中心的旋转运动的筒型的挠曲啮合式齿轮装置。挠曲啮合式齿轮装置1具备：起振体轴10；外齿轮12，被起振体轴10挠曲变形；第1内齿轮22及第2内齿轮23，与外齿轮12啮合；及起振体轴承15。而且，挠曲啮合式齿轮装置1还具备外壳24、第1罩体26、第2罩体27、输入轴承31、32及主轴承33。
24.起振体轴10为空心轴状，其具有：起振体10a，与旋转轴o1垂直的截面的外形为椭圆形；及轴部10b、10c，设置于起振体10a的轴向上的两侧且与旋转轴o1垂直的截面的外形为圆形。另外，椭圆形并不只限定于几何学严格意义上的椭圆，其还包括大致椭圆。起振体轴10以旋转轴o1为中心旋转，起振体10a的与旋转轴o1垂直的截面的外形形状的中心与旋转轴o1一致。起振体轴10为与马达等驱动源(省略图示)连结从而输入驱动力的输入轴。
25.外齿轮12为具有挠性的圆筒状的金属，在其外周设置有齿。
26.起振体轴承15配置于起振体10a与外齿轮12之间。起振体轴承15具有多个滚动体(滚子)15a及保持多个滚动体15a的保持器15c。多个滚动体15a将起振体10a的外周面和外齿轮12的内周面作为滚动面(还称为轨道面)进行滚动。另外，起振体轴承15也可以具有与起振体10a分体的内圈或与外齿轮12分体的外圈或它们两者。
27.在外齿轮12及起振体轴承15的保持器15c的轴向上的两侧，设置有与它们抵接从而限制它们沿轴向移动的间隔圈36、37作为限制部件。
28.第1内齿轮22及第2内齿轮23分别在其内周部具有齿22g及齿23g。齿22g及齿23g在轴向上排列，其中一个齿与外齿轮12的比轴向上的中央更靠一侧的齿啮合，另一个齿与外齿轮12的比轴向上的中央更靠另一侧的齿啮合。
29.第1内齿轮22的外周部作为与外壳24一同覆盖挠曲啮合式齿轮装置1的内部的外壳而发挥作用。在第1内齿轮22的输出相反侧具有为了与第1罩体26连结而突出的部分，在该部分设置有供用于将第1内齿轮22连结于第1罩体26的连结部件(螺栓等，以下相同)51螺
合的连结用孔22h3。而且，在第1内齿轮22的外周部设置有：连结用孔22h1，用于通过连结部件53将第1内齿轮22连结于外壳24；及连结用孔22h2，用于将第1内齿轮22与外壳24一同紧固连结于外部的支承部件。而且，第1内齿轮22具有与外壳24锁扣嵌合的嵌合面22e1及与第1罩体26锁扣嵌合的嵌合面22e2。在连结部件螺合于连结用孔22h1～22h3时，连结用孔22h1～22h3形成有内螺纹，在连结部件通过连结用孔22h1～22h3时，可以不在连结用孔22h1～22h3形成内螺纹。
30.第2内齿轮23在其外周部具有用于固定主轴承33的内圈33a的嵌合面23s1，并且第2内齿轮23还具有：抵接面23s2，确定内圈33a的轴向位置；连结用孔23h1，用于将第2内齿轮23连结于驱动对象的外部部件；连结用孔23h2，用于将第2内齿轮23连结于第2罩体27；及嵌合面23e，与第2罩体27锁扣嵌合。
31.外壳24经由连结部件53与第1内齿轮22连结在一起。外壳24与第1内齿轮22一同覆盖第1内齿轮22及第2内齿轮23的齿22g、23g与外齿轮12之间的啮合部分的径向外侧。外壳24具有：嵌合面24s，用于固定主轴承33的外圈33b；连结用孔24h1，供连结部件53螺合；及连结用孔24h2，与第1内齿轮22的连结用孔22h2连通。
32.第1罩体26覆盖起振体轴10的输出相反侧的外周部。第1罩体26具有与第1内齿轮22的连结用孔22h3连通的连结用孔26h1，第1罩体26经由连结部件51与第1内齿轮22连结在一起。
33.第2罩体27覆盖起振体轴10的输出侧的外周部。第2罩体27具有分别与第2内齿轮23的连结用孔23h1、23h2连通的连结用孔27h1、27h2。连结用孔27h1为用于将驱动对象的外部部件、第2罩体27及第2内齿轮23以第2罩体27夹在驱动对象的外部部件与第2内齿轮23之间的状态紧固在一起的贯穿孔。连结用孔27h2为具有连结部件52的支承面的贯穿孔，连结部件52通过连结用孔27h2后螺合于第2内齿轮23的连结用孔23h2中，由此第2罩体27单体与第2内齿轮23连结在一起。
34.输入轴承31配置于起振体轴10的轴部10b与第1罩体26之间。第1罩体26经由输入轴承31将起振体轴10支承为旋转自如。输入轴承32配置于起振体轴10的轴部10c与第2罩体27之间。第2罩体27经由输入轴承32将起振体轴10支承为旋转自如。
35.主轴承33具有内圈33a、外圈33b及滚动体33c，并且主轴承33配置于第2内齿轮23与外壳24之间。外壳24经由主轴承33将第2内齿轮23支承为旋转自如。在图1中，作为主轴承33示出了球轴承，但也可以使用滚子轴承、交叉滚子轴承、角接触球轴承、锥形轴承等任意种类的轴承。另外，主轴承33的外圈33b也可以与外壳24构成为一体。
36.＜各部件的材料＞
37.第2内齿轮23由树脂材料制成。树脂材料可以适用树脂单体或者含有增强纤维的树脂，例如可以使用peek(poly ether ether ketone，聚醚醚酮)材料或pom(polyacetal(聚缩醛)或polyoxymethylene(聚甲醛)等)等各种树脂材料。作为含有增强纤维的树脂，可以使用cfrp(carbon fiber reinforced plastics，碳纤维增强塑料)等复合材料、树脂与其他材料的复合材料、酚醛树脂(纸酚醛树脂或布酚醛树脂等)等。在树脂材料为树脂单体时或者所含有的增强纤维为没有结合成布状的纤维时，可以使用树脂材料进行注塑成型或压缩成型。若树脂材料中含有的材料为结合成布状或片状的纤维，则可以使用树脂材料进行压缩成型。
38.其他部件的材料并不受特别限定，但在本实施方式中，构成为如下。第1内齿轮22、外壳24、第1罩体26及第2罩体27由上述任意一个树脂材料制成。通过将这些部件设为树脂制，能够实现挠曲啮合式齿轮装置1的低成本化和轻型化。
39.起振体轴10、外齿轮12、间隔圈36、37由钢铁材料等金属材料制成。虽不受特别限制，但更具体而言，起振体轴10由铬钼钢等钢铁材料制成。外齿轮12由镍铬钼钢等钢铁材料制成。间隔圈36、37由高碳铬轴承钢钢材等钢铁材料制成。
40.＜动作说明＞
41.若起振体轴10通过马达等驱动源的驱动而进行旋转，则起振体10a的运动传递至外齿轮12。此时，外齿轮12被限制为顺应起振体10a的外周面的形状，从轴向观察时，挠曲成具有长轴部分和短轴部分的椭圆形形状。而且，外齿轮12的长轴部分与固定的第1内齿轮22啮合。因此，外齿轮12不会以与起振体10a相同的转速进行旋转，而是起振体10a在外齿轮12的内侧进行相对旋转。并且，随着该相对旋转，外齿轮12以其长轴位置和短轴位置沿周向移动的方式挠曲变形。该变形的周期与起振体轴10的旋转周期成比例。
42.在外齿轮12挠曲变形时，其长轴位置移动，因此外齿轮12与第1内齿轮22的啮合位置沿旋转方向发生变化。在此，例如，若将外齿轮12的齿数设为100且将第1内齿轮22的齿数设为102，则啮合位置每转一圈，外齿轮12与第1内齿轮22的啮合齿逐渐错开，由此，外齿轮12进行旋转(自转)。若设为上述齿数，则起振体轴10的旋转运动以100:2的减速比减速后传递至外齿轮12。
43.另一方面，外齿轮12还与第2内齿轮23啮合，因此通过起振体轴10的旋转，外齿轮12与第2内齿轮23的啮合位置也沿旋转方向发生变化。在此，若将第2内齿轮23的齿数设为与外齿轮12的齿数相同，则外齿轮12与第2内齿轮23并不相对旋转，外齿轮12的旋转运动以1:1的减速比传递至第2内齿轮23。由此，起振体轴10的旋转运动以100:2的减速比减速后传递至第2内齿轮23及第2罩体27，接着该旋转运动输出至驱动对象的外部部件。
44.＜第2内齿轮的详细内容＞
45.图2表示本发明的实施方式所涉及的第2内齿轮，其中，(a)是俯视图，(b)是沿图2中(a)中的a
‑
a线剖切的剖视图。
46.如图2所示，第2内齿轮23具有比内齿(即，齿23g)更向径向延伸的凸缘部23a。由于是内齿，因此凸缘部23a比齿23g更向径向外侧延伸，但若是外齿，则比齿更向径向内侧延伸。凸缘部23a还具有在轴向上比齿23g的位置更向输出侧和输出相反侧突出的突出部23aa及突出部23ab。在突出部23aa具有沿着轴向及径向延伸的多个板状的加强筋r及相邻的加强筋r之间形成为间隙的减重部p。减重部p的输出侧开口。在凸缘部23a的突出部23aa侧，设置有上述连结用孔23h1、23h2及嵌合面23e。在另一个突出部23ab设置有上述抵接面23s2，在包括突出部23ab在内的凸缘部23a的外周设置有上述嵌合面23s1。
47.第2内齿轮23具有外表面由熔融的树脂材料(即，流体材料)凝固而成的流体固化部及对外表面进行切削加工而成的切削加工部。在将第2内齿轮23看作单体时，外表面表示与空气接触的面。切削加工为包含抛光加工的概念。在切削加工部附加有工具的刀痕(工具痕)。另一方面，在流体固化部中不会出现上述刀痕。因此，可以通过有无上述刀痕来判别切削加工部和流体固化部。而且，在通过注塑成型来形成流体固化部时，在流体固化部的某一部位包含熔融的树脂材料填充于模具内时通过的浇口部的形状。
48.切削加工部包括齿23g。对齿23g的切削加工方法并不受特别限定，例如可以包括基于插齿机(gear shaper)、车齿刀、滚刀等的齿的形成加工，也可以是基于砂轮的抛光加工。
49.流体固化部包括除了上述切削加工部以外的面(部位)。例如，流体固化部包括凸缘部23a的输出相反侧的面s1、输出侧的面s2、突出部23aa的内周面s3、减重部p内的面、抵接面23s2、突出部23ab的外周面s4、连结用孔23h1、23h2的除了内螺纹部以外的面、嵌合面23s1、嵌合面23e、连结用孔23h1、23h2的内螺纹部等。
50.流体固化部例如通过注塑成型来形成，但也可以通过纤维增强型树脂的压缩成型来形成。流体固化部的外形成为与模具相同的形状。
51.另外，嵌合面23s1、嵌合面23e、连结用孔23h1、23h2的内螺纹部中的一个或多个也可以包含在切削加工部而不是包含在流体固化部。在嵌合面23s1或嵌合面23e包含在切削加工部的情况下，其切削加工包括使用砂轮等的抛光加工。通过将嵌合面23s1或嵌合面23e设为切削加工部，经由该面的嵌合结构的尺寸精度得到提高。
52.第2内齿轮23的切削加工部在第2内齿轮23的整个外表面中所占的面积比例如为50％以下，优选为30％以下。而且，更优选地，仅将齿23g设为切削加工部，而齿轮中间体(参考图3中(b)、图4的齿轮中间体in)的除了齿以外的部分在完成品的齿轮(第2内齿轮23)中维持齿轮中间体的形状。切削加工部虽然能够获得高加工精度，但由于追加了工序，因而其成本会相应地增加。通过将切削加工部的面积比设为上述比例，能够维持以低成本制造第2内齿轮23的优点，并且能够获得所需部分的高加工精度。
53.＜第1内齿轮的详细内容＞
54.第1内齿轮22具有外表面由熔融的树脂材料凝固而成的流体固化部及对外表面进行切削加工而成的切削加工部。在第1内齿轮22中，切削加工部包括齿22g。切削加工部还可以包括连结用孔22h1的内螺纹部及嵌合面22e1、22e2中的一个或多个。除了切削加工部以外的部分相当于第1内齿轮22的流体固化部。能够以与在第2内齿轮23的说明中示出的方法同样的方法来判别流体固化部和切削加工部。在第1内齿轮22中，第1内齿轮22的切削加工部在第1内齿轮22的整个外表面中所占的面积比也例如为50％以下，优选为30％以下。而且，更优选地，仅将齿22g设为切削加工部，而齿轮中间体的除了齿以外的部分在完成品的齿轮(第1内齿轮22)中维持齿轮中间体的形状。
55.＜齿轮的制造方法＞
56.图3是用于说明第2内齿轮的制造工序的图，其中，(a)表示注塑成型工序，(b)表示脱模后的齿轮中间体，(c)表示齿的切削工序。图4是表示齿轮中间体的俯视图。
57.本实施方式的齿轮的制造方法包括：如图3中(a)及(b)所示使流体材料(即，熔融的树脂材料)凝固从而形成齿轮中间体in的中间体形成工序j1；及如图3中(c)所示通过切削在齿轮中间体in上形成齿23g的齿形成工序j2。
58.如图3中(a)所示，中间体形成工序j1为从注射喷嘴n1向模具e1的型腔内注入熔融的树脂材料并使树脂材料在模具e1内固化的注塑成型工序。通过打开模具e1而取出成型品，能够获得与模具e1的型腔的形状相同形状的齿轮中间体in。另外，中间体形成工序j1也可以适用压缩成型工序。在本实施方式中，树脂材料(例如，peek材料)可以含有增强纤维(例如，碳纤维)，齿轮中间体in的材料可以使用纤维增强型树脂。
59.如图3中(b)及图4所示，在齿轮中间体in的成为齿23g的部位具有径向厚度比齿23g的齿高更厚且在表面(内周面)上没有凹凸的壁厚部m1。另外，壁厚部m1也可以是具有与齿23g的齿根和齿顶相对应的凹凸且其径向厚度比齿23g的径向厚度更大的形状。通过预先形成凹凸，能够抑制模具成型时应力集中在壁厚部m1。
60.而且，在将除了齿23g以外的部分(例如，嵌合面23s1或嵌合面23e等)作为切削工序的对象时，在齿轮中间体in的这些部分形成厚度仅大切削量(抛光量)的壁厚部m2、m3。除了壁厚部m1～m3以外的部分则具有与最终形态的第2内齿轮23相同的形状。
61.如图3中(c)所示，在齿形成工序j2中，通过使用插齿机c对齿轮中间体in的壁厚部m1(的没有凹凸的内周面)进行切削从而形成齿23g。另外，在齿形成工序j2中，也可以使用车齿刀具或滚刀等其他工具，还可以包含使用砂轮的抛光工序。
62.本实施方式的齿轮的制造方法还可以包含对要求高尺寸精度的部分的切削工序。例如，在该切削工序中，对齿轮中间体in的嵌合面23s1或嵌合面23e进行切削加工(使用砂轮的抛光等)。该工序在齿形成工序j2之前或之后进行或者与齿形成工序j2同时进行。
63.经过上述多个工序，制造出本实施方式的挠曲啮合式齿轮装置1的第2内齿轮23。也可以通过与上述工序相同的工序来制造出第1内齿轮22。并且，也可以通过与上述工序相同的工序来制造出各种齿轮装置中包含的内齿轮或外齿轮。
64.如上所述，根据本实施方式的齿轮的制造方法，包括如下工序：中间体形成工序j1，使流体材料凝固从而形成齿轮中间体in；及齿形成工序j2，通过切削在齿轮中间体in上形成齿23g。在中间体形成工序j1中，由于使流体材料凝固从而形成齿轮中间体in，因此能够获得减少制造成本的效果。另一方面，即使在使流体材料凝固的工序中出现尺寸精度下降的情况，通过齿形成工序j2，也能够将齿23g的部分加工成高精度。因此，能够以低制造成本制造出可适用于高精度的齿轮装置的齿轮(第2内齿轮23)。
65.而且，根据本实施方式的齿轮的制造方法，在中间体形成工序j1中，通过注塑成型来形成齿轮中间体in。通过注塑成型，能够形成低成本且品质偏差较少的齿轮中间体in。因此，成品率得到提高，能够以更低的制造成本制造出可适用于高精度的齿轮装置的齿轮(第2内齿轮23)。
66.而且，根据本实施方式的齿轮的制造方法，树脂材料中含有增强纤维。因此，能够制造出可适用于大转矩的齿轮装置的高强度的齿轮。在此，假设使用含有增强纤维的树脂材料并通过注塑成型来形成至齿23g的形状。此时，为了实现齿顶及齿根的细致形状，需要使纤维的长度变短，否则可能会出现增强纤维的分布率在齿22g的表面降低等情况，即，纤维的长度受到限制。另一方面，根据本实施方式的齿轮的制造方法，在使树脂材料凝固的成型工序中无需细致地形成齿23g，通过切削来形成齿23g，因此，即使使用较长的增强纤维，也能够在整个齿23g上获得良好的纤维分布。因此，能够制造出高精度且高强度的齿轮。
67.而且，根据本实施方式的齿轮的制造方法，齿轮中间体in的要形成齿23g的壁厚部m1具有没有凹凸的面。因此，在将熔融的树脂材料填充至模具e1内时，对壁厚部m1的部分的填充变得容易，而且，即使在含有增强纤维时，也容易对壁厚部m1以良好的纤维分布填充树脂材料。因此，经过之后的切削加工能够获得品质偏差较少的高强度的齿23g。
68.而且，根据本实施方式的齿轮的制造方法，能够制造出挠曲啮合式齿轮装置1的第2内齿轮23。挠曲啮合式齿轮装置1通过使用高精度的齿轮能够实现齿隙较小且高精度的动
作。因此，通过适用按照本实施方式的制造方法来制造出的轻型、高精度且低成本的第2内齿轮23，能够实现轻型、高精度且低成本的挠曲啮合式齿轮装置1。
69.根据本实施方式的第2内齿轮23，具有外表面由树脂材料凝固而成的流体固化部及对外表面进行切削加工而成的切削加工部，切削加工部包括齿23g。因此，能够通过流体固化部来实现低成本化，并且能够实现齿23g的尺寸精度较高的第2内齿轮23。而且，通过采用具有第2内齿轮23的挠曲啮合式齿轮装置1，能够实现装置的轻型化及低成本化且能够实现高精度的动作。
70.以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明并不只限于上述实施方式。例如，在上述实施方式的齿轮的制造方法中，示出了使流体材料注塑成型来形成齿轮中间体in的例子。但是，关于中间体形成工序，只要能够使流体材料(包含溶解粉体或粒体材料而成为流体的情况)来形成齿轮中间体，则可以采用任意的成型法(例如，压缩成型、基于3d打印机的成型等)。并且，在上述实施方式的齿轮的制造方法中，将用于固定主轴承33的内圈33a的嵌合面23s1设为了进行切削加工的面，但是，在具有用于固定轴承的外圈的嵌合面时，也可以将该面设为切削加工对象。并且，也可以将整个连结用孔设为切削加工对象。而且，在上述实施方式中，作为构成齿轮的流体材料示出了树脂材料，但是，例如也可以将熔融的铝、熔融的铁等熔融金属作为流体材料并通过铸铝、铸造、3d打印等成型方法来形成齿轮中间体。此时，由于包括使流体材料固定从而进行成型的工序，因而也能够实现齿轮的低成本化，并且能够通过基于切削的齿形成工序来实现齿的尺寸及形状的高精度。在实施方式中，举例说明了挠曲啮合式齿轮装置的内齿轮，但是，成为本发明的对象的齿轮并不受特别限定，例如，也可以适用于外齿轮或正交齿轮。此外，在不脱离发明宗旨的范围内可以适当变更实施方式中示出的细节。