KR0150804B1

KR0150804B1 - 기어형 기계장치

Info

Publication number: KR0150804B1
Application number: KR1019930000372A
Authority: KR
Inventors: 아. 아이젠만 지그프리드
Original assignee: 아. 아이젠만 지그프리드
Priority date: 1992-01-15
Filing date: 1993-01-13
Publication date: 1998-11-02
Also published as: DE59203844D1; JPH05256268A; DE4200883C1; EP0552443B1; EP0552443A1; JP2818723B2; KR930016665A; US5368455A

Abstract

내측으로 톱니가 향하는 링형 기어와 이것과 맞물리고 톱니의 개수가 하나 적은 피니언을 구비한 기어형 기계장치에 있어서, 소음 발생을 줄이기 위해 피니언 톱니는 링형 기어 톱니의 절반 정도이며, 최소 클리어런스를 가짐에도 불구하고 가장 깊숙히 톱니가 맞물리는 지점의 반대편에서 톱니 헤드의 원활한 맞물림을 보장하기 위해 사이클로이드를 평활화 시킨 기어형 기계장치.

Description

기어형 기계장치

제1도는 기어가 장착된 기어 체임버를 도시하기 위해 커버가 제거된 상태에서, 본발명에 따른 링형 기어 펌프의 약도.

제2도는 평면으로 나타낸 사이클로이드 형상의 확대도.

제3a도는 기어 톱니가 가장 깊숙히 맞물리는 지점에서, 본 발명에 따른 기어의 이상적인 자유 맞물림을 도시한 확대도.

제3b도는 제3a도와 동일한 상태에서, 본 발명에 따른 실제 클리어런스를 가진 기어 맞물림을 도시한 확대도.

제4,5도는 제1도에 도시된 기어 펌프의 여러 회전 위치를 도시한 약도.

제6도는 톱니수의 비가 7:8인 펌프에 있어서, 링형 기어의 톱니 폭과 피니언의 톱니 폭의 비에 대한 순간적인 이송량의 불규칙성을 나타낸 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 하우징 2 : 기어 체임버

3 : 중공기어 4 : 링형 기어 톱니

5 : 피니언 톱니 6 : 피니언

7 : 샤프트 10 : 유입구

11 : 배출구 T : 피치원

FH1 : 외전 사이클로이드 FR1 : 내전 사이클로이드

TH : 링형 기어의 피치원 TR : 피니언의 피치원

본 발명은 액체 또는 기체를 이송하기 위한 기어형 기계장치에 관한 것으로, 유입구와 배출구로 구성된 기어 체임버를 감싸는 하우징과; 피니언 톱니와 링형 기어 톱니 사이에 형성되고 유입구에서 배출구로 향하는 유체의 안내를 위해 유체셀(fluid cell)을 회전, 팽창, 수축시키도록 기어 체임버에 배치된 내향하는 톱니를 구비한 링형 기어와, 이 링형 기어보다 하나가 적은 톱니를 가지고 하우징내의 링형 기어와 내접하면서 맞물리는 피니언을 포함하며; 피니언 톱니의 헤드와 링형 기어 톱니 틈새는 피니언과 링형 기어의 피치원상에서 외접하면서 굴릴 때 제1 굴림원에 의해 형성된 외전 사이클로이드(epicycloid)를 가지며; 피니언의 톱니 틈새와 링형 기어의 톱니 헤드는 피니언과 링형 기어 각각의 피치원 상에서 내접하면서 굴릴 때 제2 굴림원에 의해 형성된 내전 사이클로이드(hypocycloid)를 가지며; 그리고 제1 굴림원의 반경이 제2 굴림원의 반경과 다르다는 것을 특징으로 하는 기어형 기계장치이다.

본 발명에 따른 기어형 기계장치는 액체 또는 가스를 펌핑시키는 펌프로서 그리고 가압된 액체 또는 가스를 구동시키는 모우터로서도 사용될 수 있다. 그러나 본 발명의 양호한 실시예에서는 액체 펌프로 사용될 경우만 그 실예를 설명 할 것이다. 아래의 명세서와 청구범위는 간편성을 위해 액체를 의미하는 유체만의 경우를 설명할 것이다. 청구범위에서의 용어 유체는 액체 뿐만 아니라 가스도 포함한다는 것을 의도한다.

이하에 설명된 본 발명은 액체 이송용 펌프에만 한정한다.

본 발명에 따른 기어형 기계장치는 링형 기어가 하우징에 고정되고 피니언은 피니언의 내부 톱니에 대해 중앙으로 배치된 축의 크랭크 아암을 중심으로 회전할 수 있도록 설계된 것일 수도 있다. 그러나, 본 발명의 양호한 실시예에 의한 기계장치는 링형 기어가 기어 체임버내에서 회전이 가능하고, 피니언은 링형 기어 및 기어 체임버의 축에 대해 편심되게 장착되어 고정 샤프트 또는 상기의 축과 함께 회전하는 구조를 가진다. 본 발명에 의한 장치는 최대 30바아 이내의 이송 압력이 발생할 수 있는 내연기관 및 자동 변속기내에서 윤활 혹은 유체용 내부 링형 기어 펌프로 사용되도록 설계된 기계장치에 주로 사용된다. 이러한 용도에서의 펌프 피니언은 엔진의 크랭크샤프트의 연장부나 기어박스의 메인샤프트에 주로 장착되어, 구동되며 내부 링형 기어 펌프는 소음이 적은 저진동 펌프임이 증명되었다. 그러나 엔진 및 변속기의 소음을 줄이기 위해 이와같은 저소음의 펌프의 개선이 계속적으로 요구되어 왔다.

내연기관 및 자동차의 자동 변속기에 사용되고 트로코이드(trochoid)식 톱니 맞물림으로 작동되는 종래의 방법으로 설계된 대부분의 내부 기어 펌프 또는 링형 기어 펌프에 있어서, 오목한 기어 또는 피니언 톱니의 플랭크면은 원호에 의해 한정되며, 대응되는 바퀴는 상기 원호에 고정된 다른 바퀴의 톱니 내에서 미끄럼 없이 구른다.

본 발명에 의한 개선된 형태의 기어 펌프는, 예를들면 영국 특허 공보(GB-PS 223, 423호(1925년) 또는 마이론 에스. 힐(Myron S. Hill)의 저서 모우터의 운동법칙(Kinematics of Gerotors)에 공개된 것과 같이 오래전부터 알려져 왔다. 전술한 내연기관 및 자동 변속기용 사이클로이드 톱니 맞물림의 현대적인 응용은 독일연방공화국 출원번호 DE-PS 3,938,346호에 공개되었다. 상기 독일연방공화국 특허에 의한 펌프는 엔진의 크랭크샤프트 또는 자동기어박스의 페인 샤프트에 의해 구동되고 링형 기어의 톱니 수에 하나를 뺀 갯수의 톱니를 지닌 피니언이 상기 링형 기어와 맞물리도록 장착된 내부 링형 기어 펌프내에 완전한 사이클로이드 형상을 구비한 톱니 및 톱니 틈새의 운동학적 특성을 최대한 이용한 특허이다. 이 방법에 의하면, 크랭크샤프트의 비교적 현저한 방사 운동이 보상될 수 있으며, 링형 기어의 장착된 주변은 이 보상에 대해 적절한 틈새를 선택할 수 있다. 또한 링형 기어를 약간 자유로이 움직이도록 장착한 다음, 피니언을 지지하는 샤프트와 피니언 사이에서 더욱 자유로이 움직일 수 있도록 하고, 그 다음 피니언의 톱니가 링형 기어의 톱니와 맞물리도록 장착시킨다.

이러한 펌프가 본 발명의 응용에 양호하게 사용되었다.

종래 기술에 의한 펌프의 소음 발생과 그 결과에 따른 펌프 효율의 저하는 톱니의 반경 및 접선 방향의 맞물에 의한 노킹과 압력 맥동 즉, 이송유체의 맥동이 주원인이었다. 이 이송유체의 맥동은 운전중인 기어 세트의 진동을 유발하는 유압 피이크(peak)의 압착에 의해 증폭된다. 또한 펌프의 압축실내에서 액체 증기 거품의 폭발로 인한 캐비테니션(cavitation)소음이 발생된다.

따라서, 본 발명의 주목적은 종래의 링형 기어 펌프에서 발생되는 소음을 더욱 줄이는 것이며, 이러한 기계장치가 자동차의 엔진과 변속기의 윤활유 공급 펌프로 사용될 경우 매우 바람직하다. 또한 상기 소음의 감소로 인한 다른 잇점은 링형 기어 기계 장치의 효율과 수명이 연장된다는 점이다.

따라서 본 발명의 목적은 유입구와 배출구로 구성된 기어 체임버를 감싸는 하우징과; 피이언 톱니와 링형 기어 톱니 사이에 형성되고 유입구에서 배출구로 향하는 유체의 안내를 위해 유체셀을 회전, 팽창, 수축시키도록 기어 체임버에 배치된 내향하는 톱니를 구비한 링형 기어와, 이 링형 기어보다 하나가 적은 톱니를 가지고 하우징내의 링형 기어와 내접하면서 맞물리는 피니언을 포함하며; 피니언 톱니의 헤드와 링형 기어의 톱니 틈새는 피니언과 링형 기어의 피치원상에서 외접하면서 굴릴 때 제1굴림원에 의해 형성된 외전 사이클로이드를 가지며; 피니언의 톱니 틈새와 링형 기어의 톱니 헤드는 피니언과 링형 기어 각각의 피치원 상에서 내접하면서 굴릴 때 제2굴림원에 의해 형성된 내전 사이클로이드를 가지며; 그리고 제1굴림원의 반경이 제2굴림원의 반경과 다르다는 것을 특징으로 하는 기어형 기계장치(액체 혹은 가스를 이송시키는 펌프 또는 모우터)에 있어서, 각각의 피치원상에서 측정되고 링형 기어 톱니와 내전 사이클로이드에 의해 형성된 피니언 톱니의 틈새의 원주 크기는 각각의 피치원상에서 측정되고 링형 기어 톱니의 틈새와 외전 사이클로이드에 의해 형성된 피니언 톱니의 크기보다 1.5 내지 3배이며; 그리고 가장 깊숙히 톱니가 맞물리는 지점에서 상기 기어들의 매우 적은 클리어런스(clearance)로 맞물리는 반면, 상기 가장 깊숙히 톱니가 맞물리는 지점의 반대편 위치에서의 톱니 헤드간의 비교적 큰 반경방향의 클리어런스와 일치하는 크기만큼 외전 사이클로이드와 내전 사이클로이드를 피치원으로 평활화시키는 것을 특징으로 하는 기어 기계 장치를 제공하는 것이다.

또한 전술한 첫 번째 특징에 있어서, 내전 사이클로이드를 형성하는 제2원의 반경은 외전 사이클로이드를 형성하는 제1원의 반경보다 1.5 내지 3배라는 것이다.

링형 기어 기계장치에서 발생되는 소음을 최소화시키는 방법에 있어서, 본 발명에 따른 형태의 링형 기어 기계장치내의 이송 유체의 맥동은 순간적인 이송량의 형상이 주원인이며, 그 장치는 정교하고 적은 오차로 제작된 것으로 가정하였다. 다시 말해서 그 원인은 피니언 또는 링형 기어의 회전각상에서 기계장치의 압축공간과 흡입 공간 사이의 밀봉 지점의 위치에 의해 주로 결정된다. 따라서, 이론상 클리어런스가 없는 완전한 톱니 맞물림에 있어서의 밀봉 지점은 톱니의 맞물림선과 톱니 플랭크면을 교차하는 지점과 일치한다. 압축 및 흡입 개구상의 영역에 위치한 밀봉지점은 그 밀봉 지점에 의해 분리된 유체셀이 흡입 및 압축개구에 의해 어떤 경우에도 연결되기 때문에 밀봉 역할을 못한다. 따라서, 가장 깊숙히 톱니가 맞물린 지점의 반대편 영역의 밀봉 지점만 밀봉 작용을 한다. 본 발명에 의한 형태의 링형 기어 기계장치의 이론상의 맞물림선은 피치원과 두 기어의 중심을 연결하는 직선과의 교차점에서 서로 접촉하는 세 개의 원으로 구성되며, 이 원은 두 기어의 중심을 연결하는 선에 의해 이등분되고 그 선에 의해 대칭된다.

본 발명에서 매우 중요한 과제인 가장 깊숙히 톱니가 맞물리는(제1도의 상부)영역에서의 최적의 맞물림 조건은 본 발명에서 적용한 사이클로이드식 톱니 맞물림에 의해 이루어진다. 그러나 이것은 그 지점에서의 클리어런스가 매우 적을 경우에만 해당된다. 톱니의 클리어런스를 줄이기 위한 기술은 링형 기어의 불규칙한 원호진 부분을 처리하기 위한 대량 생산의 기술적 혁신이 없이는 불가능하다. 그 결과, 종래 기술에 의한 최소 클리어런스는 가장 깊숙히 톱니가 맞물리는 위치의 반대편에서(제1도의 하부)피니언 톱니의 팁과 링형 기어 톱니의 팁이 서로 금속적인 접촉을 방지시킬 수 있을 만큼 큰 클리어런스를 가져야 했다. 다시 말해서, 가장 깊숙한 맞물림 지점의 반대편에서 자유로운 톱니의 맞물림을 보장하기 위해 필요한 클리어런스는 종래의 톱니 맞물림과 같은 비교적 큰 최소 톱니 클리어런스를 요구한다. 그 결과, 가장 깊숙한 맞물림 영역내에서의 밀봉 지점의 통로형상은 이론적인 형상과 크게 차이를 가진다. 상기 영역내에는 가능한 최소의 톱니 클리어런스를 그리고 그 반대편 영역에서는 큰 톱니 클리어런스를 제공하기 위해, 본 발명은 링형 기어의 톱니 틈새와 피니언 톱니와의 상호 작용과 링형 기어의 톱니와 피니언의 톱니 틈새와의 상호 작용중 어느 하나를 가장 깊숙히 톱니가 맞물리는 지점의 반대편 영역에서 상기 두 톱니 팁이 자유로이 움직일 수 있을만큼 평활하게 만드는 것을 또다른 특징으로 한다. 따라서 상기 톱니의 평활화 작업은 가장 깊숙히 톱니가 맞물리는 지점의 반대편 영역에 비교적 큰 톱니 클리어런스를 제공함으로써 이루어진다. 톱니 틈새가 평활화된 동일한 크기만큼 가장 깊숙히 맞물리는 영역내의 톱니 클리어런스가 증가하게 된다.

물론 상기 평활화 작업은 전술한 두 개의 사이클로이드 그룹 즉, 외전 사이클로이드 및 내전 사이클로이드 모두에 또한 고루 분포시킬 수 있다. 그러나 작업의 편의상 두 그룹중 한쪽에만 한정한다.

그 결과, 두 기어는 가장 깊숙히 톱니가 맞물리는 영역에서 최소의 클리어런스로 맞물리며, 그 크기는 이론상의 값에 매우 근접하게 된다. 따라서 가장 깊숙히 톱니가 맞물리는 영역에서의 맞물리는 톱니 사이의 밀봉 지점의 편차로 인한 부작용을 최소한으로 감소시킨다. 그러므로 이송 유체의 맥동에서 비롯된 부작용은 감소된다.

그러나 이송 유체의 맥동은 본 발명에 의한 톱니 두께비에 의해 크게 감소되었다. 광범위한 실험에 의하면, 단위 시간당 이송 유체의 맥동의 파동은 선택된 톱니의 형상에 따라 좌우되며, 사이클로이드 톱니 맞물림의 장점을 상실하지 않고 내부 링형 기어 및 피니언의 상호 두께비를 변화시켜 사이클로이드 톱니 맞물림을 매우 쉽게 바꿀 수 있다. 본 발명은 이 결과를 응용하여 문제점을 해결하였다. 만약 순간적인 이송량 즉, 최대 이송량과 최저 이송량의 차이를 평균 이송량으로 나눈량과 중공 기어 톱니와 피니언 톱니의 폭비의 관계를 그래프로 나타낸다면, 그 최소값은 순간적인 이송량의 불규칙성이 일어나는 1.5 내지 3 사이의 톱니의 폭비에서 얻어진다.

피니언의 톱니 틈새와 링형 기어 톱니의 원주 크기는 피니언 톱니와 링형 기어의 톱니 틈새의 원주 크기보다 1.75배 내지 2.25배만큼 큰 형상이 바람직하다.

피니언 톱니가 링형 기어 톱니의 폭보다 반일 경우 즉, 외전 사이클로이드를 형성하는 제1원이 내전 사이클로이드를 형성하는 제2원의 반일 경우 최적의 조건이 생긴다.

바람직하게는, 톱니 형상의 평활화 작업에 있어서, 필요한 클리어런스의 완전한 크기를 얻기 위해 두 개의 사이클로이드 그룹 즉, 외전 사이클로이드 및 내전 사이클로이드 중 어느 하나를 평활화 시키며 나머지 사이클로이드 그룹의 평활화는 제로가 되도록 한다.

톱니 틈새의 평활화 및 이 틈새와 상호 작용하는 톱니 헤드의 평활화 모두는 수학 법칙에 동일하게 적용되는 것이 필수적이다.

톱니의 평활화는 예를들면, 톱니의 반경방향 높이와 이 톱니와 맞물리는 대응 기어의 틈새의 반경방향 깊이를 약간 줄임으로써 이루어지는데, 상기 줄어든 크기는 톱니의 중심 또는 톱니 틈새의 중심으로부터 대응되는 톱니와 피치원의 교차점 이내에서 점차적으로 영으로 감소한다. 그러나 이것은 최적의 사이클로이드 형상에서 벗어남을 의미한다. 가장 간단한 해결방법은 굴림원의 원주로부터 그 중심방향으로 사이클로이드를 그리는 지점의 미소한 반경방향 이동에 의해 형성된 평활화 방법이다. 따라서 사이클로이드 형상은 존속하게 된다.

비록 이것에 의해 평활화 시킨 사이클로이드의 시작점과 이와 일치하는 피치원상의 평활화 안된 끝지점 사이의 크기보다 수백분의 1밀리미터인 미소한 틈새가 형성되지만, 상기 틈새는 평활화 시킨 사이클로이드의 시작점 및 끝지점을 직선으로 피치원상의 평활화 안된 시작점 또는 끝지점과 연결 시킴으로써 장점으로 바꿀 수 있다.

사이클로이드의 평활화는 물론 가능한 적게 형성된 클리어런스를 최소한의 교정으로 감소시키는 것이기 때문에, 사이클로이드의 중심에서부터 측정한 두 사이클로이드의 평활화 시킨 변위의 합(전술한 바와같이, 한쪽 변위는 영이 될 수 있으며, 영으로 한 것이 양호함)이 링형 기어의 피치원 직경의 2천분의 1 내지 5백분의 1 정도가 충분하다.

비교적 링형 기어의 직경이 클 경우는 상기 합친 값이 1천분의 1인 반면, 소형의 직경을 가진 링형 기어일 경우 그 값은 5백분의 1 이상일 수 있다. 피치원의 직경이 100㎜인 링형 기어의 경우를 예를들면, 두 사이클로이드의 평활화 시킨 크기의 합 및 대응하는 피치원에서 평활화시킨 사이클로이드의 시작점까지의 거리는 단지 0.1㎜이 된다.

그럼에도 불구하고 이렇게 평활화 시키는 작업에 있어서, 가장 깊숙히 톱니가 맞물리는 영역에서는 두 기어들이 클리어런스가 없이 맞물리는 반면 상기 영역의 반대면 지점에서는 최대 0.1㎜의 클리어런스로 톱니 팁간에서 상기 기어들은 자유로이 움직일 수 있고, 그리고 기어의 어떤 각 위치에서는 링형 기어 또는 최소 직경의 지점에서 피니언의 부정확성을 보상하기 위해 클리어런스가 0으로 될 수 있다.

비록 본 발명에 의한 가장 깊숙히 톱니가 맞물리는 지점에서의 톱니 클리어런스는 매우 적을 수 있지만, 영이 되어서는 않된다. 여기서 원주방향의 최소 톱니 플랭크면의 클리어런스는 치형의 등거리 감축에 의해 얻을 수 있다. 이 감축의 크기는 예를들면, 링형 기어 피치원의 직경의 10-4배이다. 이 수치는 본 발명에서 필요한 클리어런스가 얼마나 적은가를 짐작할 수 있다.

톱니의 수를 증가시킴에 따라 링형 기어 기계장치내의 이송유체의 맥동이 감소한다. 또한 이송 유체 자체저으로 발생할 수도 있다. 따라서 링형 기어 기계장치내의 톱니수는 지나친 이송 유체의 맥동을 유발시키지 않고, 톱니 수를 부적합하게 줄여서 다른 부작용이 없게하는 한 될 수 있으면 그 수를 줄이는 것이 바람직하다. 따라서 피니언 톱니의 수가 7 내지 11인 것이 양호하다.

이송 유체내에서 캐비테이션에 의해 발생된 증발거품의 충돌에 의해 야기되는 유체 펌프의 이동 유체내의 갑작스러운 압력 파동을 방지하기 위해 피니언의 톱니 틈새 밑면에 최소한 좁은 축방향 홈을 제공하는 것이 바람직하다.

상기 홈의 폭은 굴림원의 원주의 약 4분의 1 내지 6분의 1이 바람직하며, 특히 5분의 1이 양호하다. 그리고 이 홈의 폭은 그 깊이의 2 내지 3배가 적당하다.

피니언 톱니 틈새의 밑면에 형성된 축방향 홈은 어떤 무효 공간이 문제를 일으키지 않고 링형 기어의 톱니 헤드에 의해 피니언 톱니 틈새의 최적의 충만을 보장하게끔 해주며, 따라서 기어들을 최적으로 서로 안내하여 톱니간의 밀봉을 향상시키는 역할을 한다. 따라서 무효 공간내에 작동 유체 및 압축 오일의 증기로 채워져 캐비테이션에 의해 발생한 거품은 펌프 또는 모우터의 작동으로 인해 상기 거품의 충돌이 더 빠르게 형성되지 않고 수집될 수 있다. 캐비테이션에 의한 거품은 피니언 톱니 밑면에서 중력의 작용하에서 소량으로 수집되기 때문에, 본 발명에 의해 제공된 홈의 무효 공간의 부작용은 무시할 정도로 감소된다.

상기 주어진 홈의 치수에 있어서, 너무 깊은 홈은 피니언의 강도에 손상을 주며 너무 넓은 홈의 폭은 기어 치형의 상호 작동에 손상을 주는 반면, 너무 좁은 홈은 매우 적은 흡수능력을 가지는 것으로 가정하였다.

상기 홈의 모양을 직사각형으로 하면 비교적 큰 흡수능력을 가질 수 있는 장점을 가지며, 만약 원호와 같이 크게 라운딩시킨 형상으로 만들 경우, 피니언의 강도가 최소한으로 약해지는 장점을 얻을 수 있다. 직사각형 홈의 경우에 있어서, 홈의 측벽과 밑면 사이의 테두리는 노치 효과를 피하기 위해 라운딩 시키는 것이 바람직하다. 또한 홈의 측면과 이 측면에 이웃하는 톱니 틈새 밑면 사이의 가장자리는 톱니 틈새 밑면이 가능한 전 부하지지 능력을 갖도록 각을 유지하는 것이 바람직하다. 그러나 이 가장자리들은 날카로운 모양이어서는 안된다.

본 발명에 의한 또 다른 장점에 있어서, 홈은 또한 내부 링형 기어의 톱니 틈새 밑면에 제공된다. 여기서, 이 홈은 어떤 캐비테이션 거품을 흡수하지 못하게 하는 대신 압착 오일을 흡수하도록 하는 것이 여러면에 있어서 유리하다. 이러한 홈은 향상 피니언의 톱니 틈새 밑면에 형성된 홈보다 적다.

상기 홈들을 축방향의 단면을 통해 보았을 때 그 형상은 원호 모양이다. 그러나 제작상의 이유로 홈은 톱니의 전체 폭을 따라 일정한 형상을 지니는 것이 바람직하다.

전술한 홈의 배열은 또한 다른 종류의 기어형 기계장치에도 양호하게 적용시킬 수 있으며, 톱니 수의 차이가 1 이상이 필링 피스(filling piece)와 같은 기어형 기계장치에도 적합하다.

제1도에 도시된 링형 기어 펌프는 하우징(1)과, 이 하우징 내에 절단된 상태로 도시된 원통형 링형 기어 체임버(2)를 구비하고 있다. 링형 기어 체임버(2)의 원주면 상에는 원통형의 원주면을 지닌 링형 기어(3)이 회전 가능하게 장착된다. 상기 링형 기어(3)은 8개의 톱니(4)를 구비한다. 상기 톱니들은 피니언을 구동시키는 샤프트(7)에 고정 장착된 피니언(6)의 톱니(5)에 맞물리게 된다. 중공 기어(3)의 회전축은 도면부호(8)로, 그리고 피니언(6)의 회전축은 (9)로 표기되어 있다. 제1도의 화살표 방향대로 펌프는 시계방향으로 회전한다. 또한 유입구(10) 및 배출구(11)이 도시되어 있다. 상기 두 개구의 형상은 점선으로 도시되며 기어들의 뒷부분에 위치한다.

유입구(10) 및 배출구(11)에 연결되는 유입 및 배출 통로는 도면이 복잡해지지 않도록 제1도에는 생략되어 있다.

펌프는 일반적으로 잘 알라진 형태의 것이며, 사이클로이드의 평활화와, 피니언 톱니 폭과 링형 기어 톱니 폭의 비와, 그리고 피니언 톱니의 틈새 밑면에 형성된 홈(12)만 제외하고 독일연방공화국 특허 제3,938,346호와 1990. 10. 5일자의 미합중국 특허 출원번호 SN 593,135호에 공개된 펌프와 일치한다.

제4도에 도시된 바와 같이 피니언의 피치원(TR)상에 라디언(radian)으로 측정된 피니언 톱니의 폭(BE)와 링형 기어의 피치원(TH)를 따라 측정한 내향하게 톱니가 형성된 링형 기어 톱니의 폭(BH)이 도시되어 있다. 또한 이론상의 접촉선(E)도 제4도에 나타나 있다. 제4도에 도시된 상기 접촉선의 상부는 제3a도에 다시 확대되어 있다. 이 접촉선은 두 기어들이 회전할 때 피니언 톱니와 내부 링형 기어의 치형이 접촉하는 지점들의 궤도를 나타낸다.

제3a도 및 제5도에 도시된 기어들의 위치에서부터 시작하는 최초의 맞물림 지점은 (EO)의 위치로 표신된다(제3a도 참조). 그곳에서부터 상기 맞물림 지점은 반원(E1)을 따라 구름 지점(C), 즉 두 피치원(TH) 및 (TR)이 두 기어의 중심(8) 및 (9)을 잇는 선과 접촉하는 지점으로 이동한다. 그 다음 맞물림 지점은 (C)지점을 지나 원(E3)를 따라 화살표 방향으로 이동한다. 맞물림 지점이 (EO)와 (C)를 통과하는 직선상에 놓인 상기 원(E3)의 꼭지점에 도달하게 되면, 제3a도의 좌측에 도시된 피니언 톱니의 중심선이 직선(EO-C)상에 위치하게 된다. 맞물림 지점이 원(E3)의 좌측 반원을 따라 더욱 (C)지점으로 이동하게 되면, 다시 제3a도의 좌측에 도시된 피니언 톱니의 좌측 플랭크면이 현재의 위치로 위치하게 된다. 동시에 피니언 톱니 헤드의 회전 사이클로이드와 내부 링형 기어의 내전 사이클로이드 사이의 맞물림 지점은 두 피치원 사이의 분기선(E2)를 따라 가장 깊숙히 톱니가 맞물리는 지점의 반대편 영역으로 하향하여 이동한 다음 다시 상향하여 지점(C)로 이동한다(제4도 참조).

그러나 실제의 상기 맞물림선 또는 두 톱니간의 밀봉 지점의 보다 정확한 궤도는 이론적인 맞물림선의 형상과 상당히 다르며, 그 이유는 제작상의 오차와 기어가 자유롭게 움직이기 때문이다.

또한 제3a도는 중공 기어의 톱니가 두 기어의 중심을 잇는 선상에 그 기어의 중심선의 위치한 경우의 이론적인 이상적인 상태를 도시한 것이며, 사이클로드식 톱니 맞물림을 하는 링형 기어 톱니의 꼬리부분의 플랭크면과 피니언 톱니의 구동 플랭크면 사이에 매우 가늘고 긴 잔여부(VR)이 존재한다. 이 잔여부는 최대 변위에 도달하기 전에 뒤따르는 각회전 동안에 최적의 지점이내의 영역까지 변위되어야 한다.

그러나 실제의 기어 톱니의 맞물림은 반드시 자유롭게 움직이는 현상이 일어난다. 특히, 비교적 큰 자유롭게 움직임이 지금까지 필요해 왔으며, 그 이유는 밀봉 영역내의 가장 깊숙히 톱니가 맞물리는 지점의 반대편 영역내에의 흡입 및 압축부 사이에 형성된 그 자체로는 바람직하지 않은 적절한 톱니 클리어런스가 상호 맞물리는 톱니의 방해나 부딪치는 것을 방지하도록 제공되어야 하기 때문이다. 잘 알려진 사이클로이드 톱니 맞물림에 있어서, 제1도의 하부 밀봉 지점에서 상기의 헐거운 클리어런스는 또한 가장 깊숙히 톱니가 맞물리는 영역내의 밀봉 지점에서 바람직하지 못한 큰 클리어런스를 발생시킨다. 본 발명은 가장 깊숙히 톱니가 맞물리는 지점의 반대편 영역에서 요구되는 비교적 큰 톱니 클리어런스를 방해하지 않고, 가장 깊숙히 톱니가 맞물리는 지점에서 최소의 클리어런스를 가지도록 만드는 것이다. 톱니의 틈새와 톱니의 형상을 형성하는 사이클로이드식 설계를 위한 평활화 방법이 제2도에 확대되어 도시되어 있다. 수정될 기어의 피치원은 (T)로 표시된다. 이하에서는 이것을 피니언의 피치원이라고 가정할 것이다.

제2도에는 원(RH)가 도시되어 있다. 만약 상기 원이 피치원상의 지점(ZO)에서부터 상기 피치원의 내측을 따라 구르게 되면, 초기에 지점(20)에 위치한 원(RH)의 원주상의 지점(Y1)은 피니언의 톱니 틈새를 형성하게될 사이클로이드(FR)을 그리게 된다. 만약 사이클로이드를 그리는 상기 지점이 원(RH)의 반경(rH)를 따라 원(RH)의 중심 내측으로(X1)위치 이내로 약간 이동할 경우, 지점(Y1)의 시작 위치는 (Z0)지점에서, 그리고 상기 지점(X1)는 (Z1)위치가 될 것이다. 만약 원(RH)가 피치원(T)를 따라 다시 좌측으로 구르면 지점(X1)은 또한 사이클로이드(FR1)을 그릴 것이며, 그러나 그 끝점은 피치원에서 약간 떨어질 것이다. 그 간격은 제2도에 표시된 Z1-ZO 길이가 된다. 이와 유사하게, 원(RE)를 굴릴 때 피니언의 톱니 헤드를 형성하는 외전 사이클로이드(FH)은 평활화 될 수 있다. 이 경우 평활화된 사이클로이드(FH1)을 그리는 지점(X2)는 시작 지점인(Z2)에 위치할 것이다. 이러한 방법으로, 좌측에 위치한 큰 피니언 톱니 하부는 피치원(T)로 향해 반경방향 외측으로 이동하였고, 피니언 톱니의 형상은 사이클로이드(FH)에서 피치원(T)의 반경방향으로 평활화 되었다.

이와 동일한 방법으로 내부 링형 기어의 톱니와 톱니 틈새도 평활화 시킨다. 그 기어의 형상은 전술한 피치원(T)가 내부 링형 기어의 피치원이 되고, 원(RH)는 톱니의 윤곽을 그리고 원(RE)는 톱니 틈새의 윤곽을 형성시키는 것만 제외하고 상기의 피니언 윤곽과 유사하다. 본 발명에 의한 기어의 형상에 있어서, 상기 평활화된 사이클로이드는 피치원(T)로부터 약간 떨어진 위치에서 시작하여 그곳에서 끝나게 된다. 이 간격은 제2도의 (Z1-Z2)로 표시되어 있다. 이 간격은 제2도에 확대 도시된 형상과 비교시 매우 적기 때문에 직선으로 간주할 수 있다. 톱니를 상기 설명한 방법대로 고안되면, 먼저 이상적인 톱니 맞물림은 가장 깊숙히 톱니가 맞물리는 영역내에 형성되는 클리어런스가 제3a도에 도시된 것과 같이 없게 되지만, 가장 깊숙히 맞물리는 영역의 반대편의 톱니 클리어런스는 제5도에 도시된 바와같이 (Z0-Z1)과 (Z0-Z2)거리를 합친 크기가 된다. 가장 깊숙히 톱니가 맞물리는 영역에서 톱니 클리어런스를 수정할 때, 피니언 및 내부 링형 기어의 톱니 높이의 두 감축된 크기의 합이 가장 깊숙히 톱니가 맞물리는 지점의 반대편 영역에서 톱니의 어떠한 금속적인 접촉을 방지할 수 있을 만큼의 크기를 가진 이상 내부 링형 기어의 라운드(round)부족을 염려할 필요없다. 실제로는, 피니언 및 종공 기어의 양톱니 모두를 평활하게 시킬 필요가 없으며 이 양톱니중 하나만으로 충분하다. 이로 인해 치형이 보다 간단해진다. 따라서 이제는 단지 최소한의 잔여치의 간격만 필요하며, 이것은 제2도에 도시된 치형(FR1)(FH1)의 수백분의 일 밀리미터에 놓인 동일한 선으로 내부 링형 기어의 최형이나 피니언의 치형중 어느 하나를 퇴지시키는 간단한 조작방법으로 얻을 수 있다. 이렇게 형성된 쌍의 기어가 제5도에 도시되었다. 원주 톱니간격(SU)는 가장 깊숙히 톱니가 맞물리는 반대편 영역에서의 이끝 사이의 간격(SR)보다 매우 적은 간격만 필요하게 된다.

제3b도는 제3도와 동일한 본 발명에 의한 기어 맞물림을 도시한 것이다. 치형을 적게함으로써, 예를들면 피치원 직경의 수천분의 일정도로 줄임으로써 생기 약간의 톱니간격에는 체적(VR)만큼 액체로 가득차게 된다. 따라서 제3b도에 도시된 위치에서 두 기어사이에 생긴 톱니의 간격의 효과에 있어서, 구동 피니언에 의해 작용된 구동력은 이론처럼 지점(E0)에 전달되는 것이 아니라 미소한 간격에 채워진 이송액과 그의 큐션으로 인해 구동력을 폭넓게 전달하기 때문에 전반적으로 넓은 면적에 따라 분포된다. 현재까지 양톱니의 원활한 맞물림에 요구되는 톱니의 큰 간격은 매우 불량했기 때문에 실제적으로 유막은 단지 좁은 폭에만 분포되어 압착되는 액체의 양이 많아지게 된다. 본 발명에 의한 구동 피니언과 구동된 중공 기어의 톱니 사이의 접촉은 양톱니의 플랭크면 사이의 얇은 이송액의 폭의 차이가 매우 적기 때문에 넓은 영역에서 접촉되며, 제3b도에 도시된 틈새내의 액체를 좌측으로 압착시키는데 필요한 압력은 종공기어에 토오크 전달역활을 하기 위해 충분하게 된다. 제3b도에 도시된 바와같이, 곡선(E1')들로 이루어진 면적은 제3a도에 도시된 접촉선(E1)을 대신한 것이다.

전술한 피니언 톱니 틈새와 링형 기어의 톱니간의 상호 작동에 대한 상태는 피니언 톱니와 중공 기어형 톱니 틈새간의 상호 작동과 유사하다. 이 경우의 접촉선 E3는 접촉 면적(E3')가 된다.

구동력을 전달시키는 톱니 접촉은 제3a도의 접촉선 부분인(E4) 및 (E5)의 영역에서 더 이상 일어나지 않는다. 이 접촉은 가장 깊숙히 톱니가 맞물리는 영역 외측의 회전 부분인 톱니의 큰 간격에 의해 방지된다. 분기선(E2)의 처음 부분만이 짧은 거리 동안 존속하게 된다.

마지막으로, 제3b도에 도시된 위치에서의 톱니 맞물림 간의 최소 틈새(VR)을 구비한 본 발명에 따른 치형은 또한 잔여 틈새(VR)이 전 길이에 걸쳐 매우 좁게 형성되기 때문에 밀봉 작동이 우수하다는 것을 제3b도를 통해 알 수 있다. 제2도 및 제4도에 도시된 바와같이, 본 발명에 의한 기어(3,6)각각의 피치원(T)를 따라 측정된 내전 사이클로이드(FR1)에 의해 형성된 톱니 헤드(4) 또는 톱니 틈새의 원주 크기는 이와 일치하고 외전 사이클로이드(FH1)에 의해 형성된 톱니의 틈새 또는 헤드(5)의 원주 크기의 두배이다. 다시 말해서, 내전 사이클로이드(FR1)를 그리는 굴림원(RH)의 직경은 굴림원(RE)의 직경보다 두배가 된다.

또다른 본 발명의 장점은 두 기어간에 반경 및 접선 방향의 가속도와 지연이 발생하지 않는다는 것이다.

일반적으로 가장 깊숙히 톱니가 맞물리는 지점의 반대편 영역에서의 운전 간격의 6분의 1 내지 3분의 1이 반경방향의 운전 간격으로 충분하며, 다시 말해서, 가장 깊숙히 톱니가 맞물리는 영역에서도 또한 효과적인 치형의 축소는 사이클로이드 또는 수백분의 1밀리미터 정도 퇴거한 평활화시킨 사이클로이드에 대한 등거리의 선과 일치한다.

끝으로, 본 발명에 의한 간격의 축소의 결과로 상기에서 분명하게 발생된 장점은 독일연방공화국 특허 제 3,938,346호에 공개된 기어형 기계장치에서 실현된다.

제3b도에 도시된 바와같이, 그 위치에서 피니언 톱니의 중심선이 두 축을 연결하는 선상에 위치할때까지 톱니 맞물림의 회전에 의한 본 발명에 의한 잔여 압착 액체량은 최소한 오일 펌프로서 작동될 경우, 상당히 높은 압력 없이는 표면에서 제거할 수 없는 얇은 오일막 이상으로 보충 할 수 없다. 다시 말해서 틈새에 잔존하는 오일의 양은 헛돌기를 방지하기 위해 채워지는 얇은 오일막의 양을 초과할 수 없기 때문에 또다른 압착 오일이 반드시 필요하다.

이로 인해 이송유체의 맥동이 상당히 감소되었다. 본 발명에 의해 전술한 톱니 헤드의 차이는 동일한 변수로 작용한다. 제6도에는 가로축을 따라 중공기어의 톱니폭과 피니언 톱니폭의 비 즉, 내전 사이클로이드를 그리는 굴림원의 직경과 외전 사이클로이드를 그리는 굴림원의 직경의 비가 표시되어 있다. 세로축을 따라서는 순간적인 이송 체적(A)의 균질성의 결핍도가 표시되어 있다. 이 균질성의 결핍도는 아래의 공식으로 표현된다 :

제6도에는 제1,4,5도에 도시된 형태와 같이 톱니수의 비가 7:8인 경우의 비를 나타낸 것이다. 제6도에 도시된 곡선은 톱니 폭의 비에 따라 변하는 순간 이송체적의 균질성의 결핍도를 나타낸다. BH/BE=2일 때 현저히 적은 최소값 2.5%를 나타내는 반면, 동일한 톱니의 폭일 경우 5%의 결핍도를 나타낸다. 이러한 방법으로 채택한 본 발명의 톱니 폭의 비는 이송 유체의 맥동을 상당히 크게 감소시키며, 그 결과에 따라 소음이 줄어들었다.

본 발명에 의한 기어형 기계장치가 고속으로 회전할 경우에도 소음 발생을 크게 줄이기 위해 피니언(6)의 이끝 틈새의 중앙에 축방향 홈(16)을 제공한다. 도면에 잘 도시되어 있듯이, 이 홈들은 반원형이며 피니언 톱니 틈새의 표면으로 날카로운 모서리가 형성되어 있지 않는다.

만약 기어형 기계장치가 시계방향으로 회전하여 비교적 고속의 회전으로 이송 유체내에 발생하는 캐비테이션 거품은 원심력에 의해 홈(16)에 모아지게 되며, 이들은 가장 깊숙히 톱니가 맞물리는 지점 뒤로 형성된 무효 공간, 즉 구름 지점(C)에서 흡입 영역으로 전달된다. 이와 유사하게 상기의 홈은 압착 오일을 흡수 할 수 있다. 시험 결과에 있어서, 이로 인해 양호한 소음 감소 효과와 기계장치의 효율 증대를 가져왔다.

이와 유사한 홈은 또한 압착 오일을 수용하기 위해 내부 링형 기어의 (17)위치인 톱니 틈새의 이끝에도 형성될 수 있다. 이들 홈은 제5도에 도시된 점선과 일치한다.

Claims

유입구와 배출구로 구성된 기어 체임버를 감싸는 하우징과; 피니언 톱니와 링형 기어 톱니 사이에 형성되고 유입구에서 배출구로 향하는 유체의 안내를 위해 유체셀을 회전, 팽창, 수축시키도록 기어 체임버에 배치된 내향하는 톱니를 구비한 링형 기어와. 링형 기어보다 하나가 적은 톱니를 가지고 하우징내의 링형 기어와 내접하면서 맞물리는 피니언을 포함하여; 피니언 톱니의 헤드와 링형 기어의 톱니 틈새는 피니언과 링형 기어의 피치원상에서 외접하면서 굴릴 때 제1굴림원에 의해 형성된 외전 사이클로이드를 가지며; 피니언의 톱니 틈새와 링형 기어의 톱니 헤드는 피니언과 링형 기어 각각의 피치원 상에서 내접하면서 굴릴 때 제2굴림원에 의해 형성된 내전 사이클로이드를 가지며; 그리고 제1굴림원의 반경이 제2굴림원의 반경과 다르며; 각각의 피치원상에서 측정되고 링형 기어 톱니와 내전 사이클로이드에 의해 형성된 피니언 톱니의 틈새의 원주 크기는 각각의 퇴치원상에서 측정되고 링형 기어 톱니의 틈새와 외전 사이클로이드에 의해 형성된 피니언 톱니의 크기보다 1.5 내지 3배이며; 그리고 가장 깊숙히 톱니가 맞물리는 지점에서 상기 기어들의 매우 적은 클리어런스로 맞물리는 반면, 상기 가장 깊숙히 톱니가 맞물리는 지점의 반대편 위치에서의 톱니 헤드간의 비교적 큰 반경방향의 클리어런스와 일치하는 크기 만큼 외전 사이클로이드와 내전 사이클로이드를 피치원으로 평활화시키는 것을 특징으로 하는 액체 또는 가스용의 펌프나 모우터와 같은 기어형 기계장치.
제1항에 있어서, 피니언 톱니 틈새와 링형 기어 톱니의 원주 크기는 피니언 톱니와 링형 기어 톱니 틈새의 원주 크기보다 1.75배 내지 2.25배인 것을 특징으로 하는 기어형 기계장치.
제2항에 있어서, 피니언 톱니 틈새와 링형 기어 톱니의 원주 크기는 피니언 톱니와 링형 기어 톱니 틈새의 원주 크기보다 2배인 것을 특징으로 하는 기어형 기계장치.
제1항에 있어서, 상기 두 그룹의 사이클로이드(내전 사이클로이드 및 외전 사이클로이드)중 하나의 사이클로이드를 필요한 클리어런스 전체만큼 평활화 시키고 다른 그룹의 사이클로이드를 영으로 평활화 시키는 것을 특징으로 하는 기어형 기계장치.
제4항에 있어서, 외전 사이클로이드가 평활화 되는 것을 특징으로 하는 기어형 기계장치.
제1항에 있어서, 사이클로이드의 평활화는 굴림원의 원주에 대해 각각의 사이클로이드를 그리는 지점들을 그 원의 중심방향으로 약간 반경방향 이동에 의해 이루어 지는 것을 특징으로 하는 기어형 기계장치.
제6항에 있어서, 상기 각각의 평활화 시킨 사이클로이드의 시작점과 종점은 피치원 상에서 평활화 시키지 않은 원래의 사이클로이드 각각의 시작점 및 종점에 대해 직선으로 연결되는 것을 특징으로 하는 기어형 기계장치.
제1항에 있어서, 사이클로이드의 중심에서 측정한 평활화 시킨 크기 또는 두 사이클로이드의 평활화 시킨 크기의 합은 링형 기어 피치원의 직경의 2000분의 1 내지 500분의 1인 것을 특징으로 하는 기어형 기계장치.
제1항에 있어서, 가장 깊숙히 톱니가 맞물리는 지점에서 요구되는 톱니 플랭크면의 최소 클리어런스는 치형의 등거리 감소에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 기어형 기계장치.
제1항에 있어서, 상기 피니언은 7 내지 11개의 톱니를 가지는 것을 특징으로 하는 기어형 기계장치.
제1항에 있어서, 유체를 위해 최소한 피니언의 톱니 틈새 밑면에 좁은 축방향 홈을 제공하는 것을 특징으로 하는 기어형 기계장치.
제11항에 있어서, 상기 홈의 폭은 톱니의 틈새를 형성하는 굴림원의 원주보다 4분의 1 내지 6분의 1, 또는 5분의 1인 것을 특징으로 하는 기어형 기계장치.
제11항에 있어서, 상기 홈은 그 홈의 깊이보다 2 내지 3배 넓은 것을 특징으로 하는 기어형 기계장치.