JP4368018B2 - Friction transmission type rotary drive device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する従来分野】
本発明は、摩擦ローラとして太陽ローラ、遊星ローラ、リングローラ、を有する単純遊星ローラ機構と、この太陽ローラを回転駆動する制動機構付のモータと、を備える摩擦伝動式回転駆動装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、摩擦力によって回転動力の伝達を行う単純遊星ローラ機構と、モータと、を備える摩擦伝動式の回転駆動装置が数多く提案されている。
【0003】
図6は、本発明者が考案した(出願時点では未公知の)摩擦伝動式の回転駆動装置100を示している。この回転駆動装置100は、摩擦ローラとして、太陽ローラ30、キャリア32に保持されると共に、太陽ローラ30の外周に転接する遊星ローラ34、及びこの遊星ローラ34が自身の内周に転接すると共に自身の回転が規制されたリングローラ36、を有する単純遊星ローラ機構28と、この太陽ローラ30に連結されてこの太陽ローラ30を駆動するモータ102と、を備えている。
【0004】
具体的には、モータ102のモータ軸102Aが平行キーを介して太陽ローラ30と連結されており、モータ102自体は、単純遊星ローラ機構28を収容するケーシング38のフランジ部38Bにボルトによって固定されている。
【0005】
このケーシング38の内周面側には、径方向内側に突出するリング状の固定部38Aが形成されており、そこにリングローラ36がボルト40によって固定されている。
【0006】
以上のように構成される回転駆動装置100における単純遊星ローラ機構28は、太陽ローラ30を入力要素、キャリア32を出力要素、リングローラ36を固定要素としたものであり、全体としては減速機能を有している。即ち、この回転駆動装置100は、モータ102の回転動力を太陽ローラ30に伝達し、これを所定の減速比でもってキャリア32側から出力する構造である。
【0007】
単純遊星ローラ機構28は、各摩擦ローラ間の接触面に生ずる摩擦力を利用してモータ102の回転動力を伝達するものであり、歯車等による伝達構造に比較して円滑且つ静粛な運転が可能である。
【0008】
従って、この単純遊星ローラ機構28によって所定の伝達能力(伝達可能トルク)を確保するには、各摩擦ローラ間に十分な摩擦力を発生させる必要がある。この摩擦力は、一般にはリングローラ36の内径を、遊星ローラ34の直径の2倍と太陽ローラ30の直径との和より小さくし、いわゆる締め力を付与してリングローラ36を弾性変形させることによって付与される。締め力が大きい場合は摩擦ローラ間の摩擦力も大きくなり、この摩擦力によって単純遊星ローラ機構28の伝達可能トルクも増大し、反対に締め力が小さい場合には伝達可能トルクが低下する。なお、伝達可能トルクが大きい(締め力が大きい)場合には、各摩擦用ローラの回転抵抗も増大しており、回転駆動装置100の伝達効率が低下すると共に、転動疲労による単純遊星ローラ機構28の耐久性の低下が問題となる。
【0009】
この回転駆動装置100は上記の単純遊星ローラ機構28を採用することで、主に2つのメリットを得ている。1つは、既に示したように、歯車等の伝達構造に比べて円滑且つ静粛な動力伝達ができる結果、回転動力の伝達効率が高くなりモータ102の消費電力が低く抑えられ、いわゆる「省エネ」に寄与することである。もう1つは、歯車等に比べて摩擦ローラは製造が比較的容易であることから、製造コストが低減されて回転駆動装置100全体が「安価」になることである。
【0010】
一方、この摩擦伝動式の単純遊星ローラ機構28を採用することによるデメリットとしては、摩擦力によって回転動力を伝達する構造であるが故に、回転する各摩擦ローラの接触面間には常に微妙な滑りが生じており、太陽ローラ30の回転速度とキャリア32の回転速度とは、必ずしも「厳密な」減速比の関係にはないことである。従って、この点については歯車等の伝達構造の方が優れていると言える。
【0011】
しかし、このような減速機機構のモータ(回転駆動装置)が実際に使用される状況を考えると、そもそも誘導モータ等が採用される場合はロータと回転磁界との間に一定の滑りが生じており、この減速機構自体に厳密な減速比を要求する必要はない。即ち、連結される相手機械の回転速度を、所定の値に維持するには、相手機械側等の回転速度を計測してモータをフィードバック制御しなければならないのが一般的であり、厳密な減速比関係であるが高価でもある歯車減速構造よりも、むしろ「省エネ」で且つ「安価」である単純遊星ローラ機構の方が現在の市場のニーズに沿っているとも言える。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
従来、歯車伝動式の回転駆動装置(いわゆるギヤドモータ)においては、モータ等に制動機構が追加されているものが数多く存在するが、本発明者の知る限りでは、制動機構付の摩擦伝動式回転駆動装置は市場に出回っておらず、又、制動機構を付設したいという提案も一切なされていないのが現状である。これは、以下に示すような難点が実際には数多く存在するためと予想される。
【0013】
(1)単純遊星ローラ機構と制動機構との最適な組合せに関して、これまで確立された理論体系がない。
【0014】
具体的に説明すると、単純遊星ローラ機構は各摩擦ローラの接触面間に生じる摩擦力を介して動力を伝達するものであり、大きな回転負荷がかかったような場合には、接触面に「滑り」が生じる。一方で、一般的に用いられる制動機構も又、ブレーキ片によってブレーキ輪を締め付けることによる摩擦によって運動エネルギを熱エネルギに変換するものであり、つまりブレーキ輪とブレーキ片との「滑り」によって制動力を発生するものである。
【0015】
従って、単純遊星ローラ機構及び制動装置は共に滑りを伴う可能性を有するため、確実な制動という観点からは、その最適な組合せを見出すことが困難であり、実際に設計・製造する場合には、このような不確定な要因を含めて安全性を高めに設定し、単純遊星ローラ機構の(締め力に依存する)伝達可能トルクを大きく設定する必要がある。
【0016】
このようにするのは、例えば、制動機構の制動能力(制動時に発生する制動トルク)に対して単純遊星ローラ機構の伝達能力(伝達可能トルク)が小さすぎると、この回転駆動装置に連結された相手機械(外部負荷)を確実に制動することができないと考えられていたためである。
【0017】
(2)一方で、単純遊星ローラ機構はモータの回転駆動力を効率良く伝達しなければならない。
【0018】
従って、上記(1)のように単純遊星ローラ機構を(伝達能力を含めて)大きめに設計・製造した場合には、各摩擦ローラの回転抵抗が大きくなり、「高効率に回転動力を伝達する」という摩擦伝動式の単純遊星ローラ機構のメリットが失われてしまう。又、当然コストも上昇してしまう。即ち、伝達効率やコストの面から考えると、単純遊星ローラ機構は(伝達能力を含めて)できるだけ小さく設計しなければならない。
【0019】
この(1)、(2)という相反する要因より、摩擦伝動式の回転駆動装置に容易に制動機構を付設することができず、その結果、制動機構の採用が見送られてきたと考えられる。
【0020】
本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、単純遊星ローラ機構、モータ、及び制動機構の三者のバランスを最も適した状態で組み合して、制動能力を維持しつつ高効率化及び低廉化を両立したコストパフォーマンスに優れた摩擦伝動式の回転駆動装置を得ることを目的とする。
【0021】
【課題を解決するための手段】
本発明は、摩擦ローラとして、太陽ローラ、キャリアに保持されると共に太陽ローラの外周に転接する遊星ローラ、及びこの遊星ローラが自身の内周に転接するリングローラ、を有する単純遊星ローラ機構と、この太陽ローラに連結されてこの太陽ローラを駆動するモータと、を備える摩擦伝動式回転駆動装置において、このモータに制動機構を付設すると共に、この制動機構によって取り出し得る静止摩擦トルクYdと、このキャリア及び前記リングローラを固定した状態で太陽ローラに試験トルクを徐々に増大させて入力し、摩擦ローラのいずれかに最初に滑りが生じた際の試験トルクの値Xdとが、Yd<Xdとなるように設定し、且つ、モータの定格回転速度において制動機構によって取り出し得る動摩擦トルクYsと、太陽ローラが定格回転速度で回転する場合に、単純遊星ローラ機構がこの太陽ローラで伝達し得る限界伝達トルクXsとが、0.65Ys<Xs<3.4Y sとなるように設定したことにより、上記目的を達成するものである。
【0022】
本発明者は、単純遊星ローラ機構とモータとを組合せた摩擦伝動式の回転駆動装置に新たに制動機構を付設するにあたって、実際にこの回転駆動装置が使用されるであろう状況を考慮し、その静止時の制動状態と回転時の制動状態との違いに着目した。
【0023】
具体的には、一般的に制動機構は、例えばブレーキ輪をブレーキ片によって挟持して摩擦力によって制動力を発揮するものであるが、その制動能力がブレーキ輪の回転速度によって変動しないようにするために、静止時の静止摩擦トルク(いわゆる保持トルク)と回転時の動摩擦トルクとの相対差を、(多少静摩擦トルクが上回るものの)できるだけ小さく設定している。
【0024】
一方、単純遊星ローラ機構はその機能上、回転負荷を発生する目的のものではなく、各摩擦ローラ間に所定の締め力を与えて円滑に回転することに主眼を置いている。従って静止時の前記試験トルクXd(保持トルクともいえる)に対して、回転中の限界伝達トルクXsは「相対的に」かなり小さくてよい。
【0025】
そこで、本発明者は、静止時と回転時の伝達(制動)能力の相対的な差が、制動機構と単純遊星ローラ機構とで大きく異なることに着目した。従って、この違いを上手く利用する為に、単純遊星ローラ機構の静止時の伝達能力を示す「試験トルクXd」と、回転時の伝達能力を示す「限界伝達トルクXs」という新たな概念を導入し、実際の単純遊星ローラ機構から測定されるこれらの数値から、単純遊星ローラ機構、制動機構及びモータの最適なバランスを設定することができることを見出した。
【0026】
その結果、上記の試験トルクXd、限界伝達トルクXsと、制動機構の制動トルク(静止摩擦トルク、動摩擦トルク)とを上記のような大小関係に設定することが「可能」となった。この摩擦伝動式回転駆動装置によれば、静止時には制動機構によって取り出し得る静止摩擦トルクを、単純遊星ローラ機構を介して接続される相手機械に確実に伝達し、相手機械を確実に静止状態に保持することができる。又、回転している相手機械に対しては、制動機構が発生する動摩擦トルクを単純遊星ローラ機構を介して「ある程度」確実に伝達し、相手機械の回転速度を確実に低下させることができる。
【0027】
つまり、制動機構の機能からして、最終的には相手機械を確実に静止させなければならないが、回転中の制動時はそもそも制動機構自身が滑りながら制動している状態と考えられるので、単純遊星ローラ機構は必ずしもその制動力を「完全に」相手機械に伝達する必要はなく、自身が滑る可能性を有していても構わないといえる。従って、単純遊星機構が伝達し得る限界の範囲内で、回転駆動装置が所定の制動力を発揮して相手機械の回転速度を低減させれば十分であり、更に、相手機械側の回転速度が制動によって徐々に低下するに連れて単純遊星ローラ機構の限界伝達能力も徐々に増大するので(発明者が確認済)、最終的な相手機械の回転の静止に向けて回転駆動装置の制動能力(相手機械に伝達し得る制動能力)も向上していくという構成が採用された。結果として、最終的には必ず相手機械を確実に制動することができ、又、一旦静止すれば相手機械が勝手に回転し始めることがない。
【0028】
一方で、一般的なモータと制動機構との組合せの関係を考慮すると、本発明に係る回転駆動装置の構成ならば、定格回転速度におけるモータの駆動能力に対して単純遊星ローラ機構の伝達能力は大きすぎるものではなく、又、小さ過ぎるものでもなく、最適に設定されているといえる。即ち、上記のように制動機能を確実に発揮するのにも拘らず、静粛且つ円滑な回転動力の伝達(高効率な伝達)という摩擦伝動タイプの特性を十分に維持している。
【0029】
結果として、本発明によれば、単純遊星ローラ機構、制動機構、モータの三者の能力バランスが最適に設定され、コストパフォーマンスに優れた回転駆動装置が得られる。
【0030】
なお、この回転駆動装置においては、具体的なモータの駆動能力については、単純遊星ローラ機構の限界伝達トルクXsに対して、モータの定格トルクTが、T<Xsとなるように設定することが好ましい。このようにすれば、制動能力に加えて駆動能力の面においても、この摩擦伝動式回転駆動装置に連結される相手機械を更に確実に駆動することができる。
【0031】
なお、上記発明においては、単純遊星ローラ機構の限界伝達トルクXsが0.65Ys<Xs<3.4Ysとなるように設定したが、好ましくは0.8Ys<Xs<1.7 Ysとし、ベストはYsとXsがほぼ一致するように設定することである。
【0032】
又、一般的に、上記の単純遊星ローラ機構の動力伝達態様としては、以下に示されるような固定・入力・出力の関係がある。
【0033】
1)太陽ローラを入力要素とした場合、リングローラを固定要素、遊星ローラを保持するキャリアを出力要素とする場合と、リングローラを出力要素、遊星ローラを保持するキャリアを固定要素とする場合があり、
2)遊星ローラを保持するキャリアを入力要素とした場合は、リングローラを固定要素、太陽ローラを出力要素とする場合と、リングローラを出力要素、太陽ローラを固定要素とする場合があり、
3)リングローラ入力要素とした場合は、遊星ローラを保持するキャリアを固定要素、太陽ローラを出力要素とする場合と、遊星ローラを保持するキャリアを出力要素、太陽ローラを固定要素とする場合がある。
【0034】
本発明の単純遊星ローラ機構は、上記の(1)の態様を採用するものであり、リングローラ又はキャリアのいずれを出力要素にしたとしても本発明を適用することができる。
【0035】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施の形態の例について詳細に説明する。
【0036】
図1には、本発明の実施形態に係る摩擦伝動式の回転駆動装置101が示されている。この回転駆動装置101は、摩擦ローラとして、太陽ローラ130、キャリア132に保持されると共に、太陽ローラ130の外周に転接する遊星ローラ134、及びこの遊星ローラ134が自身の内周に転接する共に自身の回転が規制されたリングローラ136、を有する単純遊星ローラ機構128と、この太陽ローラ130に連結されて太陽ローラ130を駆動するモータ126と、を備える。
【0037】
更に、この回転駆動装置101のモータ126には、制動機構122が付設されており、この制動機構によって取り出し得る静止摩擦トルクYdと、単純遊星ローラ機構128が有する試験トルクXd(詳細は後述する)とが、Yd<Xdとなるように設定され、且つ、モータ126の定格回転速度において制動機構122によって取り出し得る動摩擦トルクYsと、太陽ローラ130が定格回転速度で回転する場合の単純遊星ローラ機構128が有する限界伝達トルクXs(詳細は後述する)とが、0.65Ys<Xs<3.4Ysとなるように設定されている。
【0038】
なお、この限界伝達トルクXsは、好ましくは0.8Ys<Xs<1.7Ysの範囲内に設定するべく、又、モータ126の定格トルクTsと、上記限界伝達トルクXsとは、T<Xsとなるように設定されている。この数値は、発明者らが数多くの試作品を作製し、実際に、数多くの場面で適用試験を行った結果得られた知見に基づいている。
【0039】
具体的な構造としては、単純遊星ローラ機構128は2分割構造のケーシング138の内部に収容されており、又、この2分割構造のケーシング138の間にはリングローラ136が挟持され、ボルト140によって三者がまとめて連結されている。即ち、リングローラ136もケーシング138の一部を構成している。又、キャリア132の軸心位置には出力軸133が突設されており、カップリング等を介して相手機械(被駆動機械)と連結できるようになっている。
【0040】
太陽ローラ130側のケーシング138には、モータ126のモータケーシング126Aが一体的に連結されている。又、このモータ126のロータと一体的に回転するモータ軸148の一端は、キー構造によって太陽ローラ130に連結されており、他端側には制動機構122が接続されている。
【0041】
この制動機構122は、モータケーシング126Aに一体的に設けられるリング状の励磁コイル144と、モータケーシング126Aに対して周方向に回転することができない状態で、軸方向には摺動自在であるリング状のブレーキ片146と、モータ軸148に連結されて太陽ローラ130と一体となって回転するブレーキ輪150と、ブレーキ片146を常時ブレーキ輪150方向に付勢するコイルばね152と、を備える。
【0042】
励磁コイル144が励磁状態の場合は、この励磁コイル144にブレーキ片146が吸い寄せられ、コイルばね152の付勢力に抗してブレーキ片146がブレーキ輪150から離隔して非制動状態となり、反対に励磁コイル144が非励磁状態の場合は、コイルばね152によってブレーキ片146がブレーキ輪150に押し付けられて制動状態になる。
【0043】
次に、「試験トルクXd」及び「限界伝達トルクXs」について説明する。
【0044】
図2には試験トルクXdを測定する状態が模式的に示されている。太陽ローラ130にはトルク測定器60を介してトルク発生器62(回転動力を発生することができるもの)が連結される。一方、キャリア132は固定部材64に連結されて回転が完全に規制されている。なお、リングローラ136はケーシング138を介して同様に固定部材64に固定されている。
【0045】
この状態で、トルク発生器62より太陽ローラ130にトルクを徐々に増大させて入力する。この徐々に増大させていく入力トルクが本発明で言う「試験トルクX」であり、このようにすると、各摩擦ローラの接触面における摩擦力によって単純遊星ローラ機構128側に反力トルクXoが発生し、トルク検出器60によって検出される検出トルクXrもそれに追随して徐々に増大する(X=Xo=Xr)。しかし、摩擦力によって生じる反力トルクXoが限界に達すると、各摩擦ローラのいずれかに滑り回転が発生し、試験トルクXをこれ以上増大させてもこの滑りによって反力トルクXoが急激に低下するため、トルク検出器60によって検出される検出トルクXrも急激に低下する。トルク検出器60によって得られた上記データ(図3参照)から、検出トルクXrが急激に低下した際(図3のPに対応する)に、それまで現に加えていた試験トルクの値を求め、それが今回の設定に用いる「試験トルク値Xd」に対応する。即ち、この値は低下する直前の検出トルクXrに等しい。
【0046】
この試験トルク値Xdは、単純遊星ローラ機構128が外部負荷を保持することができる限界のトルクを太陽ローラ130側のトルク値に換算したものと表現でき、言い換えれば(反対に考えると)、太陽ローラ130が固定された状態でキャリア132側に連結された外部負荷が回転しようとする場合に、この単純遊星ローラ機構128が耐え得る(保持し得る)限界能力を太陽ローラ130側で数値化したものと言える。
【0047】
次に、図4を参照して単純遊星ローラ機構128の限界伝達トルクについて説明する。
【0048】
限界伝達トルクXsを測定するためには、太陽ローラ130にトルク測定器60を介して負荷発生器80(回転負荷を発生することができるもの)を連結する。一方、キャリア132には、固定部材(母材)64に固定された試験モータ84のモータ軸84Aがカップリングを介して連結されている。なお、リングローラ136はケーシング138を介して同様に固定部材64に固定されている。
【0049】
まず、負荷発生器80の回転負荷を発生させない状態で、試験モータ84によってキャリア132を回転させて、将来連結されるモータ126(図1参照)の定格回転速度で太陽ローラ130を回転させる。
【0050】
この試験モータ84の駆動トルクは、今般測定しようとする単純遊星ローラ機構128において伝達可能なトルクや制動機構122の制動トルクに比べて十分に大きく、太陽ローラ側で多少の負荷変動があっても、該太陽ローラ130を所定の回転速度(将来連結されるモータ126の定格回転速度)で回転させ続け得るだけの駆動力を有している。この状態で負荷発生器80によって太陽ローラ130の回転負荷(負荷トルクXn)を徐々に増大させて入力してゆくと、試験モータ84はこの負荷の増大に拘わらず一定回転を続けるため、太陽ローラ130には負荷発生器80側から加えた負荷トルクXnに相当する反力トルクXoが戻り、その結果トルク検出器60において検出トルクXrが検出されるようになる(Xn=Xo=Xr)。この検出トルクXrは負荷トルクXnを増大させるとこれに伴って増大していく。しかし、負荷発生器80によって入力される負荷トルクXnを更に増大させていくと、各摩擦ローラ間の滑りによって反力トルクXoが負荷トルクXnの上昇に追随できなくなり、すべりが大きくなり、製品として許容される限界のすべり率(ほぼ0.2%)に達する(図5参照)。結果として、この限界に達した際にトルク検出器60から検出された検出トルクの値Xr(図5におけるQ点に対応する)が本発明で言う「限界伝達トルクXs」である。
【0051】
なお、この実施例ではキャリア132が出力要素の場合を示しているが、リングローラを出力要素にする場合は、このリングローラに負荷発生器80を連結して同様に測定すれば良い。
【0052】
この限界伝達トルクXsは、この単純遊星ローラ機構128が、将来連結され得るモータ102によって駆動されて定格速度で回転している場合に、相手機械の外部負荷を駆動することができる許容限界のトルク値を表わしている。つまり、相手機械の制動という面から考えると、太陽ローラ130が定格速度で回転している状態において、この単純遊星ローラ機構128が、相手機械側に伝達することができる制動能力(トルク)の許容限界値とも言える。
【0053】
この回転駆動装置101は、以上のようにして測定された試験トルク値Xd、限界伝達トルクXs、及び制動機構の静止摩擦トルクYd、動摩擦トルクYsとが上記のように設定されているため、制動機構122に対して単純遊星ローラ機構128が最適な大きさ(伝達能力)になっており、「最終的には相手機械を確実に静止させる」という基本機能を十分に発揮する。
【0054】
回転中における制動時には、単純遊星ローラ機構128の各摩擦ローラに滑りが発生する可能性を有するものの、制動機構122の制動トルク(動摩擦トルク)を相手機械側に(単純遊星機構128が伝え得る限界内で)確実に伝達して相手機械の回転速度を低減することができる。この状態が継続するとやがて相手機械の回転速度が低下し、それに伴って単純遊星ローラ機構128の限界伝達トルクが上昇していくので(本発明者によって実験・実証済み)、制動機構122の制動トルクが更に確実に伝達するようになり、最終的には相手機械を必ず静止させることができる。
【0055】
一旦相手機械が静止すれば、制動機構122の制動トルク(静止摩擦トルクYd)より単純遊星ローラ機構128の保持トルク(試験トルクの値Xd)が上回っているので、制動機構122が滑り出す前に単純遊星ローラ機構128が先に滑り出すことがなく、相手機械を十分に保持することができる。
【0056】
一方で、この回転駆動装置101は、モータ126と制動機構122の一般的な能力バランスから考えると、上記限界伝達トルクXsと静止摩擦トルクYsの関係からも明らかなように、モータ126に対して単純遊星ローラ機構128が最適の大きさ(伝達能力)になっており、単純遊星ローラ機構128が大き過ぎるということはない。従って、モータ126の回転動力を高効率で相手機械側に伝達することができる。
【0057】
結果として、制動特性と伝達効率という単純遊星ローラ機構128にとっては相反する要求を、共に最適な状態でバランスさせているので、全体としてコストパフォーマンスに優れた回転駆動装置101となっている。
【0058】
なお、上記の例では単純遊星ローラ機構の限界伝達トルクXsと、モータの定格トルクTとが、T<Xsとなるように設定したが、更に好ましくは、T<0.8Xsとなるように設定し、ベストはT≒0.6Xsである。
【0059】
以上に示した実施形態においては、モータの後尾に制動機構が付設された場合を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、単純遊星ローラ機構とモータとの間に制動機構が付設される場合も含むものであり、その制動機構の構造も上記のディスク式に限定されるものではない。例えば、ブレーキ輪をブレーキ片によって径方向に圧接するドラムタイプでも良く、又、オン・オフの切換方法も油圧式、機械式、空気圧式等を採用することもできる。
【0060】
又、この実施の形態においては、単純遊星ローラ機構と、モータと、制動機構と、を組合せた回転駆動装置を示したが、更にこれに加えて、本発明の要旨が適用可能な範囲で別途減速機等を付設したものでも良い。
【0061】
【発明の効果】
本発明に係る摩擦伝動式の回転駆動装置によれば、相手機械を確実に制動することができ、特に、コスト面及び伝達効率の面(省エネルギ面)の双方に優れた摩擦伝動式の回転駆動装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係る摩擦伝動式の回転駆動装置を示す部分断面図
【図2】同回転駆動装置における単純遊星ローラ機構の試験トルクを測定する状態を示す模式図
【図3】同測定状態における検出トルクのデータを示す模式図
【図4】同回転駆動装置における単純遊星ローラ機構の限界伝達トルクを測定する状態を示す模式図
【図5】同測定状態における検出トルクのデータを示す模式図
【図6】従来の摩擦伝動式回転駆動装置を示す概略図
【符号の説明】
101…回転駆動装置
122…制動機構
128…単純遊星ローラ機構
126…モータ
130…太陽ローラ
132…キャリア
134…遊星ローラ
136…リングローラ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a friction transmission type rotary drive device including a simple planetary roller mechanism having a sun roller, a planetary roller, and a ring roller as friction rollers, and a motor with a braking mechanism that rotationally drives the sun roller.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, many friction transmission type rotational drive devices including a simple planetary roller mechanism that transmits rotational power by frictional force and a motor have been proposed.
[0003]
FIG. 6 shows a friction transmission type rotary drive device 100 devised by the present inventor (unknown at the time of filing). The rotation drive device 100 is held by the sun roller 30 and the carrier 32 as friction rollers, and the planetary roller 34 that is in rolling contact with the outer periphery of the sun roller 30, and the planetary roller 34 is in contact with the inner periphery of the planetary roller 34. A simple planetary roller mechanism 28 having a ring roller 36 whose rotation is restricted, and a motor 102 which is connected to the sun roller 30 and drives the sun roller 30.
[0004]
Specifically, the motor shaft 102A of the motor 102 is connected to the sun roller 30 via a parallel key, and the motor 102 itself is fixed to the flange portion 38B of the casing 38 that houses the simple planetary roller mechanism 28 by bolts. ing.
[0005]
On the inner peripheral surface side of the casing 38, a ring-shaped fixing portion 38A protruding radially inward is formed, and the ring roller 36 is fixed thereto by a bolt 40.
[0006]
The simple planetary roller mechanism 28 in the rotary drive device 100 configured as described above has a sun roller 30 as an input element, a carrier 32 as an output element, and a ring roller 36 as a fixed element, and has a deceleration function as a whole. Have. That is, the rotary drive device 100 has a structure in which the rotational power of the motor 102 is transmitted to the sun roller 30 and is output from the carrier 32 side with a predetermined reduction ratio.
[0007]
The simple planetary roller mechanism 28 transmits the rotational power of the motor 102 using the frictional force generated on the contact surface between the friction rollers, and can be operated more smoothly and quietly than a transmission structure using gears or the like. It is.
[0008]
Therefore, in order to ensure a predetermined transmission capability (transmittable torque) by the simple planetary roller mechanism 28, it is necessary to generate a sufficient frictional force between the friction rollers. This frictional force generally causes the inner diameter of the ring roller 36 to be smaller than the sum of the diameter of the planetary roller 34 and the diameter of the sun roller 30, and applies a so-called tightening force to elastically deform the ring roller 36. Is granted by. When the tightening force is large, the frictional force between the friction rollers also increases. This frictional force also increases the transmittable torque of the simple planetary roller mechanism 28. Conversely, when the tightening force is small, the transmittable torque decreases. When the transmittable torque is large (the tightening force is large), the rotational resistance of each friction roller is also increased, the transmission efficiency of the rotary drive device 100 is reduced, and the simple planetary roller mechanism due to rolling fatigue Decrease in durability of 28 becomes a problem.
[0009]
The rotary drive device 100 has two main advantages by adopting the simple planetary roller mechanism 28 described above. First, as already shown, as a result of being able to transmit power smoothly and silently compared to a transmission structure such as a gear, the transmission efficiency of rotational power is increased and the power consumption of the motor 102 is reduced, so-called “energy saving”. To contribute. The other is that the friction roller is relatively easy to manufacture as compared with a gear or the like, so that the manufacturing cost is reduced and the entire rotary drive device 100 becomes “inexpensive”.
[0010]
On the other hand, the disadvantage of adopting the friction transmission type simple planetary roller mechanism 28 is that the rotational power is transmitted by the frictional force, so that a slight slip is always generated between the contact surfaces of the rotating friction rollers. The rotational speed of the sun roller 30 and the rotational speed of the carrier 32 are not necessarily in a “strict” reduction ratio relationship. Therefore, it can be said that the transmission structure such as a gear is superior in this respect.
[0011]
However, considering the situation where a motor (rotary drive device) of such a reduction gear mechanism is actually used, when an induction motor or the like is used in the first place, a certain slip occurs between the rotor and the rotating magnetic field. Therefore, it is not necessary to require a strict reduction ratio for the reduction mechanism itself. That is, in order to maintain the rotational speed of the partner machine to be connected at a predetermined value, it is common to measure the rotational speed of the counterpart machine or the like and feedback-control the motor. It can be said that the simple planetary roller mechanism that is “energy saving” and “cheap” is more in line with the current market needs than the gear reduction structure that is ratio-wise but also expensive.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
Conventionally, there are many gear transmission type rotational drive devices (so-called geared motors) in which a braking mechanism is added to a motor or the like. As far as the present inventors know, friction transmission type rotational drive with a braking mechanism is present. The device is not on the market, and no proposal has been made to install a braking mechanism. This is expected because there are actually a number of difficulties as shown below.
[0013]
(1) There is no theoretical system established so far regarding an optimal combination of a simple planetary roller mechanism and a braking mechanism.
[0014]
More specifically, the simple planetary roller mechanism transmits power through frictional force generated between the contact surfaces of each friction roller. When a large rotational load is applied, the contact surface is slid. Is generated. On the other hand, a generally used braking mechanism also converts kinetic energy into heat energy by friction caused by tightening the brake wheel by the brake piece, that is, braking force is generated by "slip" between the brake wheel and the brake piece. Is generated.
[0015]
Therefore, since both the simple planetary roller mechanism and the brake device have a possibility of slipping, it is difficult to find the optimum combination from the viewpoint of reliable braking. When actually designing and manufacturing, It is necessary to set a high safety including such uncertain factors and to set a large transmittable torque (depending on the tightening force) of the simple planetary roller mechanism.
[0016]
For example, if the transmission capability (transmittable torque) of the simple planetary roller mechanism is too small with respect to the braking capability of the braking mechanism (braking torque generated during braking), the rotary drive device is connected. This is because it was thought that the counterpart machine (external load) could not be braked reliably.
[0017]
(2) On the other hand, the simple planetary roller mechanism must efficiently transmit the rotational driving force of the motor.
[0018]
Therefore, when the simple planetary roller mechanism is designed and manufactured to be larger (including the transmission capability) as in (1) above, the rotational resistance of each friction roller increases, and “highly efficient transmission of rotational power is achieved. The advantage of the frictional transmission type simple planetary roller mechanism is lost. Of course, the cost also increases. That is, from the viewpoint of transmission efficiency and cost, the simple planetary roller mechanism must be designed as small as possible (including the transmission capability).
[0019]
Due to the conflicting factors (1) and (2), it is considered that the braking mechanism cannot be easily attached to the friction transmission type rotary drive device, and as a result, the adoption of the braking mechanism has been postponed.
[0020]
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and maintains the braking ability by combining the balance of the simple planetary roller mechanism, the motor, and the braking mechanism in the most suitable state. Another object of the present invention is to obtain a friction transmission type rotary drive device excellent in cost performance that achieves both high efficiency and low cost.
[0021]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is a simple planetary roller mechanism having a sun roller, a planetary roller that is held by a carrier and is in rolling contact with the outer periphery of the sun roller, and a ring roller in which the planetary roller is in contact with its inner periphery as a friction roller, A friction transmission type rotary drive device comprising a motor coupled to the sun roller and driving the sun roller. The motor is provided with a braking mechanism, a static friction torque Yd that can be taken out by the braking mechanism, and the carrier In addition, the test torque is gradually increased and inputted to the sun roller while the ring roller is fixed, and the test torque value Xd when the first slip occurs in any of the friction rollers is Yd <Xd. Dynamic friction torque Ys that can be taken out by the braking mechanism at the rated rotational speed of the motor and the sun roller The above-mentioned object is achieved by setting the limit transmission torque Xs that the simple planetary roller mechanism can transmit with the sun roller when rotating at the rated rotational speed to be 0.65Ys <Xs <3.4Ys. Is.
[0022]
The present inventor considered the situation that this rotary drive device would actually be used in newly attaching a braking mechanism to a friction transmission type rotary drive device combining a simple planetary roller mechanism and a motor, We focused on the difference between the braking state at rest and the braking state at rotation.
[0023]
Specifically, in general, the braking mechanism is, for example, a brake wheel that is sandwiched between brake pieces and exerts a braking force by a frictional force, but the braking ability is prevented from fluctuating depending on the rotation speed of the brake wheel. Therefore, the relative difference between the static friction torque at rest (so-called holding torque) and the dynamic friction torque at rotation is set as small as possible (although the static friction torque is somewhat higher).
[0024]
On the other hand, the simple planetary roller mechanism is not intended to generate a rotational load because of its function, but focuses on smooth rotation by applying a predetermined tightening force between the friction rollers. Therefore, the limit transmission torque Xs during rotation may be “relatively” much smaller than the test torque Xd at rest (also referred to as holding torque).
[0025]
Therefore, the present inventor has paid attention to the fact that the relative difference in transmission (braking) capability between stationary and rotating greatly differs between the braking mechanism and the simple planetary roller mechanism. Therefore, in order to make good use of this difference, a new concept of “test torque Xd” indicating the transmission capability of the simple planetary roller mechanism when stationary and “limit transmission torque Xs” indicating the transmission capability during rotation is introduced. From these numerical values measured from an actual simple planetary roller mechanism, it was found that an optimum balance of the simple planetary roller mechanism, the braking mechanism and the motor can be set.
[0026]
As a result, it has become possible to set the test torque Xd, the limit transmission torque Xs, and the braking torque (static friction torque, dynamic friction torque) of the braking mechanism in the above magnitude relationship. According to this friction transmission type rotary drive device, the static friction torque that can be taken out by the braking mechanism when stationary is reliably transmitted to the counterpart machine connected via the simple planetary roller mechanism, and the counterpart machine is reliably kept stationary. Hold Can. In addition, the dynamic friction torque generated by the braking mechanism can be reliably transmitted to the rotating counterpart machine through the simple planetary roller mechanism to a certain extent, and the rotational speed of the counterpart machine can be reliably reduced.
[0027]
In other words, because of the function of the braking mechanism, it is necessary to make sure that the counterpart machine is finally stopped, but it is considered that the braking mechanism itself is in a state of braking while sliding, The planetary roller mechanism does not necessarily have to transmit its braking force “completely” to the counterpart machine, and it can be said that the planetary roller mechanism may have the possibility of sliding. Therefore, it is sufficient that the rotational drive device exerts a predetermined braking force to reduce the rotational speed of the counterpart machine within the limit range that the simple planetary mechanism can transmit. Since the limit transmission capability of the simple planetary roller mechanism gradually increases as it gradually decreases due to braking (confirmed by the inventor), the braking capability ( The configuration that the braking ability that can be transmitted to the other machine is also improved is adopted. As a result, the counterpart machine can be surely braked finally, and once the counterpart machine stops, the counterpart machine does not start to rotate freely.
[0028]
On the other hand, when considering the relation of the combination of a general motor and a braking mechanism, if the configuration of the rotary drive device according to the present invention is used, the transmission capability of the simple planetary roller mechanism with respect to the drive capability of the motor at the rated rotational speed is It is neither too large nor too small, and can be said to be optimally set. That is, the friction transmission type characteristic of quiet and smooth rotational power transmission (highly efficient transmission) is sufficiently maintained in spite of surely exerting the braking function as described above.
[0029]
As a result, according to the present invention, a three-way balance between the simple planetary roller mechanism, the braking mechanism, and the motor is optimally set, and a rotary drive device with excellent cost performance can be obtained.
[0030]
In this rotary drive device, the specific motor drive capability may be set so that the rated torque T of the motor is T <Xs with respect to the limit transmission torque Xs of the simple planetary roller mechanism. preferable. In this way, in terms of the driving ability in addition to the braking ability, the counterpart machine connected to the friction transmission type rotary drive device can be driven more reliably.
[0031]
In the above invention, the limit transmission torque Xs of the simple planetary roller mechanism is set to be 0.65 Ys <Xs <3.4 Ys, but preferably 0.8 Ys <Xs <1.7 Ys, and the best is that Ys and Xs are almost equal. It is set to match.
[0032]
In general, as a power transmission mode of the simple planetary roller mechanism, there is a fixed / input / output relationship as shown below.
[0033]
1) When the sun roller is an input element, the ring roller is a fixed element, the carrier holding the planetary roller is the output element, and the ring roller is the output element and the carrier holding the planetary roller is the fixed element. Yes,
2) When the carrier holding the planetary roller is used as an input element, there are cases where the ring roller is a fixed element, the sun roller is an output element, and the ring roller is an output element and the sun roller is a fixed element.
3) When the ring roller input element is used, there are cases where the carrier holding the planetary roller is a fixed element and the sun roller is an output element, and the carrier holding the planetary roller is an output element and the sun roller is a fixed element. is there.
[0034]
The simple planetary roller mechanism of the present invention employs the above-described aspect (1), and the present invention can be applied regardless of whether the ring roller or the carrier is used as an output element.
[0035]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an example of an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0036]
FIG. 1 shows a friction transmission type
[0037]
Further, the motor 126 of the
[0038]
The limit transmission torque Xs is preferably set within a range of 0.8 Ys <Xs <1.7 Ys, and the rated torque Ts of the motor 126 and the limit transmission torque Xs are set to satisfy T <Xs. Is set to This numerical value is based on the knowledge obtained as a result of the inventors creating a large number of prototypes and actually conducting application tests in many scenes.
[0039]
As a specific structure, the simple
[0040]
A
[0041]
The
[0042]
When the
[0043]
Next, “test torque Xd” and “limit transmission torque Xs” will be described.
[0044]
FIG. 2 schematically shows a state in which the test torque Xd is measured. A torque generator 62 (which can generate rotational power) is connected to the
[0045]
In this state, torque is gradually increased from the
[0046]
This test torque value Xd can be expressed as a limit torque that the simple
[0047]
Next, the limit transmission torque of the simple
[0048]
In order to measure the limit transmission torque Xs, a load generator 80 (which can generate a rotational load) is connected to the
[0049]
First, in a state where the rotational load of the
[0050]
The driving torque of the test motor 84 is sufficiently larger than the torque that can be transmitted by the simple
[0051]
In this embodiment, the
[0052]
This limit transmission torque Xs is an allowable limit torque that can drive an external load of the counterpart machine when the simple
[0053]
In the
[0054]
At the time of braking during rotation, there is a possibility that each friction roller of the simple
[0055]
Once the counterpart machine is stationary, the holding torque (test torque value Xd) of the simple
[0056]
On the other hand, the
[0057]
As a result, the contradictory requirements for the simple
[0058]
In the above example, the limit transmission torque Xs of the simple planetary roller mechanism and the rated torque T of the motor are set so that T <Xs, but more preferably, T <0.8Xs. The best is T≈0.6Xs.
[0059]
In the embodiment described above, the case where the braking mechanism is attached to the tail of the motor is shown. However, the present invention is not limited to this, and the braking mechanism is provided between the simple planetary roller mechanism and the motor. The structure of the braking mechanism is not limited to the above disk type. For example, a drum type in which a brake wheel is pressed in a radial direction by a brake piece may be used, and an on / off switching method may be a hydraulic type, a mechanical type, a pneumatic type, or the like.
[0060]
Further, in this embodiment, a rotary drive device in which a simple planetary roller mechanism, a motor, and a braking mechanism are combined is shown. It may be provided with a reduction gear.
[0061]
【The invention's effect】
According to the friction transmission type rotary drive device according to the present invention, the counterpart machine can be reliably braked, and in particular, the friction transmission type rotation excellent in both cost and transmission efficiency (energy saving). A drive device can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partial sectional view showing a friction transmission type rotary drive device according to an embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a schematic diagram showing a state in which a test torque of a simple planetary roller mechanism is measured in the rotation drive device.
FIG. 3 is a schematic diagram showing detected torque data in the same measurement state.
FIG. 4 is a schematic diagram showing a state in which a limit transmission torque of a simple planetary roller mechanism is measured in the rotation driving device.
FIG. 5 is a schematic diagram showing detected torque data in the same measurement state.
FIG. 6 is a schematic view showing a conventional friction transmission type rotary drive device;
[Explanation of symbols]
101 ... Rotary drive device
122 ... Braking mechanism
128 ... Simple planetary roller mechanism
126 ... Motor
130 ... Sun Roller
132 ... Career
134 ... Planetary roller
136 ... Ring roller
Claims (2)
前記モータに制動機構を付設すると共に、
前記制動機構によって取り出し得る静止摩擦トルクYdと、前記キャリア及び前記リングローラを固定した状態で前記太陽ローラに試験トルクを徐々に増大させて入力し、前記摩擦ローラのいずれかに最初に滑り回転が生じた際の前記試験トルクの値Xdとが、Yd<Xdとなるように設定し、且つ
前記モータの定格回転速度において前記制動機構によって取り出し得る動摩擦トルクYsと、前記太陽ローラが前記定格回転速度で回転する場合に前記単純遊星ローラ機構が該太陽ローラで伝達し得る限界伝達トルクXsとが、0.65Ys<Xs<3.4Ysとなるように設定した
ことを特徴とする摩擦伝動式回転駆動装置。A simple planetary roller mechanism having a sun roller, a planet roller that is held by a carrier and that is in rolling contact with the outer periphery of the sun roller, and a ring roller that is in contact with the inner periphery of the planet roller, as the friction roller, and the sun roller A friction transmission type rotary drive device comprising: a motor coupled to the motor for driving the sun roller;
Attaching a braking mechanism to the motor,
The static friction torque Yd that can be taken out by the braking mechanism and the test torque are gradually increased and input to the sun roller while the carrier and the ring roller are fixed, and the sliding rotation is first applied to one of the friction rollers. The test torque value Xd at the time of occurrence is set such that Yd <Xd, and the dynamic friction torque Ys that can be extracted by the braking mechanism at the rated rotational speed of the motor, and the sun roller is at the rated rotational speed And a limit transmission torque Xs that the simple planetary roller mechanism can transmit with the sun roller when rotating at a speed of 0.65 Ys <Xs <3.4 Ys.
前記単純遊星ローラ機構の前記限界伝達トルクXsと、前記モータの定格トルクTとが、T<Xsとなるように設定した
ことを特徴とする摩擦伝動装置In claim 1,
The friction transmission device characterized in that the limit transmission torque Xs of the simple planetary roller mechanism and the rated torque T of the motor are set such that T <Xs.
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