KR0174321B1 - 위상 수정된 평행축 기어 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스퍼 및 헬리컬 기어와 같은 평행축 기어의 토풀로저(topology)에 관한 것으로, 이것은 보다 균일한 하중 분호에서 보다 조용하고 보다 부드럽게 작동하는 기어 세트를 생산하기 위해 수정된 것이다. 기어의 작동 모드에 있어서 상기 기어의 정밀한 원소 분석은 피니언 및 기어 치면의 반경방향 및 접선방향 편향의 그래프를 만들 수 있게 하며, 상기 피니언 및 기어 치면의 반경방향 및 접선 방향 편향은 상기 기어가 작동중 하중을 받을 때 발생한다. 상기 결과적인 그래프는 상기 기어 이의 숫돌치의 운행 경로를 규정하는 그래프 또는 좌표세트를 만들기 위해서 변환하며, 상기 기어 숫돌치의 운행 경로는 상기 정밀한 원소 분석에 의한 그래프의 경상(mirror image)이 된다. 그러므로 상기 결과적인 기어가 작동하중에 영향을 받을 때, 상기 기어는 그것의 최적 작동 또는 이론적인 실제 인벌류트 위치로 접선방향 및 반경방향으로 편향되어 보다 조용하고, 부드럽고, 보다 균일한 하중을 받는 기어 열을 생산할 수 있다.

Description

[발명의 명칭]

위상 수정된 평행축 기어 및 제조 방법

[발명의 상세한 설명]

[기술분야]

본 발명은 개선된 기어 치형(gear tooth) 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

특히, 본 발명은 기어에 작동 부하가 걸린 경우에 발생하는 치형의 편향(deflection)의 영향을 해소할 수 있도록 수정된 치형 표면을 가진 평행축 기어열(gear train)에 관한 것이다.

[배경기술]

헬리컬 기어, 스퍼 기어등과 같은 평행축 기어열, 즉 각각의 기어가 평행한 축을 중심으로 회전한는 기어 세트 또는 기어열은 작동 부하가 걸린 경우 기어 치형의 편향이 발생된다. 이런 편향의 범위는 기어의 종류 및 크기에 따라 변화되지만, 치형의 부하 분포, 소음 및 진동은 전체적으로 기어 치형상의 부하에 의한 편향의 정도와 관련된다. 부하가 걸려있지 않을 경우 이상적인 맞물림을 발생하도록 형성된 기어는 부하에 의한 편향으로 인하여 맞물림 에러가 발생된다. 이러한 편향은 기어를 지지하는 케이싱과 관련된 기어의 위치 변화와; 기어가 장착된 샤프트의 굽힘, 비틀림 및 변형과; 다양한 원인에 의해 발생되는 치형 자체의 국부적인 편향으로부터 발생될 수 있다.

과거에도 부하에 의한 기어 치형 변위를 교정하기 위한 노력을 계속해 왔었다. 한 방법은 기어의 대향 단부의 치형 이뿌리(tooth root)내에 상향 절삭부분 및 하향 절삭부분을 형성하는 것이다. 이러한 절삭부분은 기어의 단부에서만 국한되어서 상기 이뿌리 단부는 기어 축에 수렴된다. 이 방법은 당업계에 크라우닝(crowning)으로 공지되어 있다. 기어 이뿌리의 나머지 부분은 기어의 회전축과 평행하게 유지된다. 이러한 해결책은 부하를 가한 경우에 발생하는 치형의 접선방향의 편향을 부분적으로 교정할 수 있으며, 단부에 부하가 걸리는 것을 회피하는데 도움을 준다. 기어 이끝면을 횡단해서 부하를 균등하게 분포시키기 위해 그리고 팁으로부터 참 인벌류트 형상(true involute form;TIF)의 직경까지 부하를 균등하게 분포시키기 위한 또다른 방법은 나선 교정 또는 리드(leed) 수정에 의한 교정을 포함하고, 평행축 기어에 대한 팁 릴리프를 포함한다. 이런 모든 해결책은 접선방향의 치형 편향을 반대쪽으로 직접 향하게 하고 추가된 접선방향의 교정을 가함으로써 기어 치형 표면의 반경방향 편향에 의해 발생된 문제점을 밝히고 처리하는 것이다.

나선형 기어에 대해 최적의 이뿌리면 교정의 계산(Calculation of Optmum Tooth Flank Corrections for Helical Geasrs)이란 명칭의 1988년 9/10 월에 발행된 기어 테크놀로지(Gear Technology)(제5권 제5호의 16내지 22쪽)에는 스퍼 및 헬리컬 기어상에서 플랭크 교정을 설계하고 최적화하기 위한 유한요소법이 기재되어 있다. 변형 지수, 부하 벡터 및 접촉 거리를 포함한 벡터를 매트릭스에 의해 한정된 별개의 접촉 지점의 시스템은 기하학적인 플랭크 편차 또는 교정에 관한 것이다. 상기 시스템은 상이한 롤링 위치로 셋업되고, 전체 부하와 강성 본체 변위에 한계 조건을 고려함으로써 해결되며, 그 결과 작동 범위의 부하 및 압력 분포와 회전 편차곡선의 형상의 정보를 구할 수 있으며, 이것은 다른 맞물림 강성(mesh stffness)에 영향을 준다. 부하 분포 및 맞물림 강성은 플랭크상에서 유리한 부하 및 압력 분포를 얻기 위해서 변화될 수 있는 교정 위상의 직접적인 기능이다. 또한, NC 연삭기에 대한 제어 데이터가 생성될 수 있다.

[발명의 개요]

본 발명은 평행축 기어열에 사용하기 위한 기어 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 기어의 기어 치형은 부하에 의해 유도된 치형의 편향을 반경방향 및 접선방향 모두에서 조정하기 위해서 위상수학적으로 수정된다. 따라서, 기어 치형은 작동 부하가 기어열에 가해질 때 이론적 참 인벌류트 형상을 하게 된다고 가정한다.

상술한 바와 같이, 부하에 의해 유도된 기어 치형 편향은 기어 치형의 이론적 참 인벌류트 형상으로부터의 편차에 의한 것이며, 상기 편차는 유한요소법을 사용하여 계산 및 그래프화할 수 있다. 그 결과 구한 반경방향 및 접선방향의 편향은 부하가 가해진 상태에서 치형 표면의 위상 맵(map)을 작성하도록 그래프화할수도 있다. 위상 맵(topological map)이라 함은 부하에 의한 편차와 이론적 참 인벌류트 기어 치형의 형상을 식별할 수 있는 맵 또는 그래프를 말한다.

부하에 의해 유도된 접선방향 및 반경방향의 편향 그래프가 작성될 때, 숫자로 제어되는 기어 형상 연삭기에 입력할 수 있는 동일하고 대향이거나 또는 경상의 치형 숫돌차 경로가 작성되며, 이에 의해 숫돌차의 X축, Y축 및 Z축 위치는 숫돌차 각각의 치형 연마 경로의 일단부로부터 타단부까지 정밀하게 제어될 수 있다. 독일 코버그 소재의 카프사(Kaap and Co.) 는 기어 형상 연삭기의 라인을 제조하며, 상기 연삭기는 컴퓨터에 의해 수치 제어되며, 기어 연삭 방법을 실행하도록 프로그램화될 수 있고, 본 발명의 위상 수정 기어를 제조한다. 또한, 다른 형태의 CNC형상 연삭기가 사용될 수도 있다.

위상 수정된 기어 치형을 형상 연삭하는데 이용되는 숫돌차는 전체 접촉 숫돌차이며, 상기 전체 접촉 숫돌차는 적절한 기어 치형의 형상으로 형성되며, 인접한 치형의 측면과 개제된 치형 이뿌리를 연삭하는 동안에 기어의 일다부로부터 타단부까지 이동한다. 수정된 위상은 기어의 일단부로부터 타단부까지 또는 그와 반대로 숫돌차의 이동 경로를 제어함으로써 생성된다. 상기 숫돌차는 입방 질화붕소(CBN) 미립자와 같은 고경도 연삭 표면을 구비하는 것이 바람직하다. 이러한 숫돌차는 반복적인 드레싱(dressing)이 필요없이 다수의 기어를 절삭할 수 있다. 상기 숫돌차가 수용하기 어려울 정도로 마모되었을 경우, 쉽게 분리하여 새로운 숫돌차로 교체할 수 있다. 그런 후 마모된 숫돌차는 분리되고 입방 질화붕소 미립자로 다시 피복시킨다. 절삭기의 형상은 소망의 기어 치형의 인벌류트 형상 차트에 의해서 결정되며, 상기 숫돌차의 이동 경로는 작동 부하가 걸린 경우 유한요소법에 의해 편향대 기어 치형의 이끝면 폭을 반전시켜서 결정된다.

수정된 형상으로 기어를 제조하는 것은 보다 어렵기 때문에, 맞물린 기어중 하나의 부재만을 수정하는 것이 바람직하다. 이 부재는 보다 소형이고 제조하기가 매우 쉽기 때문네 보통 피니언이 된다. 상기 피니언과 기어 모두의 편향은 전체 맞물림 편향을 결정하기 위해 합한다. 다음에, 모든 교정은 피니언에만 행해진다.

상술된 기어 치형 수정은 최악의 경우의 작동 모드, 즉 통상 헬리콥터의 최대 수송속도 또는 이륙의 경우와 같은 통상적인 고출력 시간 모드인 공지된 파워 모드에서 발생하는 작동 모드에 대해 계산된다. 따라서, 상기 수정은 정상적인 고진동은 긴 시간의 작동 조건을 완화하게 된다. 치형 크라우닝은 이상적인 부하 분포가 보다 낮은 레벨에서 달성되지 않을 지라도 보다 낮은 파워 레벨에서 진동 및 다른 조건을 완화시키는데 사용될 수 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 기어 치형이 작동 부하가 걸린 경우 이론적 참 인벌류트 형상을 갖는 평행축 기어열을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 기어 치형에 이론적 참 인벌류트 형상으로부터 벗어난 위상이 제공되는 특성을 가진 기어열을 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 기어 치형 위상이 접선방향 및 반경방향에서 이론적 참 인벌류트 형상으로부터 벗어나는 특성을 가진 기어열을 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 상술한 특성을 가진 기어열에 사용되는 기어를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 이러한 목적 및 장점은 첨부 도면과 관련한 하기의 발명의 양호한 실시예의 상세한 설명으로부터 더욱 명료해질 것이다.

[도면의 간단한 설명]

제1도는 전형적인 기어 치형을 도시한 개략적인 단부 정면도.

제2도는 제1도와 유사한 도면으로서, 치형의 이끝면 폭상의 특정 점이 부하가 걸린 경우 어떻게 편향되는가를 확대도시한 것이며, 숫돌차 경로를 챠트화 하는데 사용되는 편향된 상태의 경상을 도시한 정면도.

제3도는 작동 부하가 걸린 경우의 기어 치형의 유한요소법에 의한 결과에 따른 이끝면 폭을 횡단하는 기어 치형의 반경방향의 편향의 그래프.

제4도는 유한요소법으로부터 유도된 이끝면 폭을 횡단하는 치형의 접선반향의 편향의 그래프.

제5도는 기어 치형 형상의 수정된 위상을 결정하고 기어 숫돌차 형상을 결정하는데 이용되는 팁 릴리프 분석으로부터 유도된 기어 치형 형상의 인벌류트 형상 챠트.

제6도는 형상의 기어 치형 팁 릴리프 부분을 결정하며, 기어 치형 숫돌차에 대한 필요조건을 결정하는 수치표.

제7도는 수정된 기어 치형 위상을 형성하는데 사용되는 기어 치형 숫돌차의 이동 경로의 반경방향의 편향의 그래프.

제8도는 제조 후의 기어를 체크하는데 사용되는 허용오차의 피치 라인 리드 챠트로서, 도시된 편차는 반경방향과 접선방향의 교정을 조합해서 얻은 것이다.

[발명을 실시하기위한 최상의 모드]

제1도를 참조하면, 전형적인 기어 치형(2)의 형상이 도시되어 있다. 작동시에 부하가 걸릴 때 치형(2)은 화살표(4)로 표시한 바와 같이 접선방향으로 편향되며, 동시에 화살표(6)로 표시한 바와 같이 반경방향으로 편향될 것이다.

제2도는 한 위치에서 이끝면 폭을 따라 치형이 동시에 접선방향 및 반경방향으로 편향되는 것을 확대하여 개략적으로 도시한 것이다. 부하가 걸리면, 치형(치형들)은 이론적 참 인벌류트 위치(2)로부터 부하가 걸린 편향된 위치(2' ; 이점쇄선으로 표시함)까지 편향되며, 상기 편향된 위치(2')는 반경방향 및 접선방향으로 오프셋된다. 치형 표면의 부하로 인한 편향으로부터 발생된 문제점을 해결하기 위해서, 치형 표면은 위치(2 ; 점선으로 표시함)로 본래 형성되며, 위치(2)는 부하 걸린 위치(2')의 동일하고 반대인 경상을 반전시킨 것이다. 전체 치형 폭은 이러한 형태로 설계될 것이다.

위치(2')는 부하가 걸린 기어 치형의 유한요소법에 의해 유도된다. 제3도는 부하가 걸린 기어 치형의 반경방향 편향의 그래프이며, 이 그래프는 상술한 유한요소법으로 구해진다. 치형 편향은 Y축상에 도시되어 있고, 기어 이끝면을 횡단하는 치형 편향의 위치는 X축상에 도시되어 있다.

제4도는 부하가 걸린 기어 치형의 접선방향 편향을 도시한 그래프이며, 이 그래프도 유한요소법에 의해 구해진다. 기어 이끝면을 횡단하는 반경방향의 치형 편향은 일정하게 변화하는 현상으로 나타나는 것을 제3도에서 볼 수 있으며, 그래프에서 경사도는 기어 이끝면의 폭을 횡단하는 점의 위치에 의해 변화한다. 반대로, 제4도에 도시한 접선방향의 편향은 비교적 일정한 기울기를 갖고 있다. 유사한 그래프는 피니언의 반경방향 및 접선방향에 대해서도 작성된다. 반경방향의 편향의 전체 교정은 피니언상의 반경방향 교정과 기어상의 반경방향 교정의 합계이며, 접선방향의 전체 교정은 피니언상의 접선방향 교정과, 기어상의 접선방향 교정의 합계이다. 연삭기 숫돌차 경로는 이후에 설명하는 바와 같이 이들 피니언 및 기어 편향 그래프를 참조하여 결정될 것이다.

이제 제5도 및 제6도를 참조하면, 제5도에는 연삭기에 의해 제조될 기어 치형의 인벌류트 형상 챠트가 도시되어 있다. 형상 챠트는 숫돌차에 의해 연삭될 기어 치형의 소망 형상을 나타내며, 기어 치형 숫돌차의 교정 단면 형상을 형성하는데 이용된다. 기어 치형은 형상 챠트의 우측단부에 도시한 바와 같이 팁을 수정해서 형성될 것이다. 제6도는 형상 챠트의 팁 수정 부분의 형상표이며, 이 표는 완성된 기어에 대한 회전각 범위와 인벌류트 수정과의 관계를 표시한 것이다.

제7도는 기어 숫돌차가 피니언 이끝면 폭을 횡단하여 이동하는 것에 따른 반경방향의 숫돌차 경로의 챠트이며, 그 절삭 경로는 피니언 축에 평행한 이론적 직선으로부터 수정된 것이고, 제3도에 도시한 것과 동일한 유한요소법에 의한 그래프는 피니언 반경방향 편향과 조합하여 유도된다. 제7도에 의해 결정된 절삭기 경로는 제3도와 동일한 챠트로부터 구한 반경방향 편차를 피니언 반경방향의 편향과 조합한 합계의 경상을 반전시킨 것이다. 이것에 의해 피니언의 이끝면 폭에 따라 그 피니언의 회전축에 대한 치형 이뿌리의 위치가 결정된다. 제8도는 완성된 피니언을 체크하는데 이용된 리드 챠트로서, 반경방향 교정과 접선방향 교정을 포함한 것에 의해 야기된 피치 라인의 편차를 도시한 것이다. 제8도에서 기어 이끝면 폭은 선형으로 증가하며, 리드각은 이끝면을 횡단하여 비선형으로 변화된다. 접선방향 편향이 실질적으로 선형이기 때문에, 절삭기의 경로의 접선방향 리드각 수정은 일정하며, 기어의 이끝면을 횡단해서 변화하지 않는다. 따라서, 접선방향 수의 양은 제8도에서와 같이 일정한 값으로 한정되어 있다. 필요하다면, 절삭기의 경로에 대한 접선 방향 리드각은 비선형일 수 있다. 따라서, 접선방향의 교정은 숫돌차 리드각에 의해 행해지는 것으로, 이것은 나선각 제로로부터 변화한다.

본 발명에 따라 형성된 평행축 기어의 기어 치형 이뿌리는 기어의 회전축과 평행하지 않지만, 대신에 기어에 작동 부하가 걸린 경우 참 인벌류트 형상을 달성하는 결과를 얻는 위상을 갖고 있다.

Claims (7)

1. 기어를 포함하는 기어열의 유한요소법으로부터 유도된 수정된 치형 위상(a modified tooth topology)을 가지는 평행축 기어로서, 상기 유한요소법은 작동 부하를 가한 소정의 기어열에서 행하여 부하에 의해 유도된 접선방향 및 반경방향의 기어 치형 편향(4,6)을 계산하며, 상기 기어는 상기 계산된 접선방향 및 반경방향의 치형 편향(4,6)이 경상을 형성하는 치형 위상(2)을 구비하고, 그 결과 상기 기어 치형은 상기 소정의 작동 부하를 받은 경우 실질적으로 이론적 참 인벌류트 형상(2)이 되는, 상기 평행축 기어에 있어서, 상기 유한요소법은 상기 기어와 그것과 상호작용하는 기어상에서 실행되며, 상기 기어의 상기 기초 치형 위상(2)은 기어의 계산된 접선방향 및 반경방향의 편향(4,6)과, 상기 기어와 상호작용하는 기어의 계산된 접선방향 및 반경방향의 편향(4,6)을 합한 것과 동일한 것을 특징으로 하는 평행축 기어.
2. 제1항에 있어서, 상기 위상 수정된 기어 치형(2)의 이뿌리는 상기 기어의 회전축에 평행하지 않은 것을 특징으로 하는 평행축 기어.
3. 제1항에 있어서, 상기 기어의 상기 위상 수정된 기어 치형(2)의 이뿌리는 상기 기어의 이끝면 폭을 횡단하는 이론적 참 인벌류트 형상(2)으로부터 비선형으로 변화하는 것을 특징으로 하는 평행축 기어.
4. 제1항에 있어서, 상기 위상 수정된 기어 치형(2)의 접선방향 리드각은 상기 기어의 이끝면을 횡단하는 이론적 참 인벌류트 형상(2)으로부터 선형으로 변화하는 것을 특징으로 하는 평행축 기어.
5. 위상 수정된 평행축 기어를 제조하는 방법에 있어서, 상기 기어를 포함하는 기어열의 유한요소법을 실행하는 단계로서, 상기 유한 요소법은 기어열에 대하여 소정의 작동 부하를 걸어 실행하고, 상기 소정의 작동 부하에서 이론적 참 인벌류트 형상(2)으로부터 기어 치형의 편향(2')을 발생하는 부하에 의해 유도된 접선방향 및 반경방향의 기어 치형 편향(4,6)을 계산하는, 상기 실행 단계와, 상기 유한요소법의 결과로부터 부하가 걸린 기어 치형(2)의 표면의 위상 맵(map)을 작성하는 단계와, 상기 위상 맵과 동일하지만 방향이 반대인 상기 기어상에 기어 치형 위상(2)을 작성하는 기어 치형 숫돌차의 이동 경로를 결정하는 단계와, 그 내부에 프로그램화된 기어 치형 숫돌차의 이동 경로를 갖는 컴퓨터제어식 기어 형상 연삭기로 기어를 연삭하여, 상기 기어가 위상 맵과 동일하지만 방향이 반대인 치형 위상(2)을 가지며, 상기 위상 수정 기어 치형(2)은 상기 기어가 소정의 작동 부하를 받은 경우 이론적 참 인벌류트 형상(2)을 갖는, 상기 연삭 단계를 포함하는 위상 수정된 평행축 기어를 제조하는 방법에 있어서, 상기 기어 치형 숫돌차의 이동 경로는 기어의 계산된 접선방향 및 반경방향의 편향(4,6)과, 상기 기어와 상호작용하는 기어의 계산된 접선방향 및 반경방향의 편향(4,6)을 합함으로서 결정되는 것을 특징으로 하는 위상 수정된 평행축 기어 제조 방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 기어 치형 숫돌차의 이동 경로는 상기 기어의 이끝면을 횡단하는 이론적 참 인벌류트 형상(2)으로부터 비선형으로 변화하는 반경방향 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 수정된 평행축 기어 제조 방법.
7. 제5항에 있어서, 상기 기어 치형 숫돌차의 이동 경로는 상기 기어의 이끝면을 횡단하는 이론적 참 인벌류트 형상(2)으로부터 선형으로 변화하는 접선방향 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 수정된 평행축 기어 제조 방법.