KR100243304B1

KR100243304B1 - 스플라인 및 멀티 스핀들 압출기의 회전 요소용 스플라인

Info

Publication number: KR100243304B1
Application number: KR1019960018467A
Authority: KR
Inventors: 토미카와 카즈토
Original assignee: 오카노 사다오; 도시바 기카이 가부시키가이샤
Priority date: 1995-05-29
Filing date: 1996-05-29
Publication date: 2000-06-01
Also published as: JPH08326768A; US5716159A; DE19621571A1; DE19621571C2; KR960041804A

Abstract

멀티 스핀들 압출기의 회전 요소에 알맞는 톱니-단면 모양의 스플라인이 제공된다. 이 스플라인은 x-축이 미리 설정된 반경을 가진 중심원 위를 움직이는 것처럼 연속 곡선을 변형시킴으로써 제공되는 톱니 단면을 갖는다. 변형 이전의 이 연속 곡선은 y≥0로 정의된 영역에서 수식 x²/a²+y²/b²=1로 표현되는 반원 또는 반타원 라인을 y≤0로 정의된 영역에서 수식 x²/a²+y²/b²=1로 표현되는 다른 반원 또는 반타원 라인과 차례로 연결시킴으로써 얻어지는 연속 라인이다.

Description

스플라인 및 멀티 스핀들 압출기의 회전 요소용 스플라인

제1도는 같은 방향으로 회전하는 두개의 맞물린 스핀들을 갖고 있는 종래의 이중 스핀들 압출기의 스크루 섹션을 보여주는 횡단면도이며,

제2도는 본 발명의 실시예에 따른 멀티 스핀들의 회전 요소용 스플라인에 적용되는 스플라인의 횡단면도이며,

제3(a)도는 그 안에 타원을 포함하는 x-y 직교 좌표 시스템의 설명도이며,

제3(b)도는 본 발명에 따른 스플라인의 톱니 단면을 기초로 하는 연속 라인을 보여주는 설명도이며,

제3(c)도는 본 발명에 따른 톱니 단면을 보여주는 설명도이며,

제3(d)도는 본 발명에 따른 스크루 샤프트의 실제 톱니 단면을 보여주는 설명도이며,

제3(e)도는 본 발명에 따른 삽입구의 실제 톱니 단면을 보여주는 설명도이다.

[발명의 배경]

[기술 분야]

본 발명은 스플라인 및 멀티 스핀들 압출기의 회전 요소용 스플라인에 관한 것이다.

[관련 기술의 설명]

스핀들 요소와 스핀들 요소가 맞물리는 구멍을 보유하는 장치 요소 사이에 구동력을 전달하기 위한 스플라인으로는, 잘 알려진 다각형 톱니 단면을 보유하는 각형 스플라인과 인벌류트 톱니 단면을 보유하는 인벌류트 스플라인이 있다. 이들 모두는 JIS(Japanese Industrial Standard)에서 표준화되었으며 대중화되었다.

멀티 스핀들 압출기의 스크루 요소 또는 니딩 디스크와 드라이브 샤프트(스크루 샤프트)는 스플라인을 통한 회전 관계로 서로 연결되어 있다. 지금까지는, 각형 스플라인이나 인벌류트 스플라인이 스플라인으로 사용되어 왔다. 지금부터 본 명세서의 회전 요소는 스크루 요소 및 니딩 디스크를 위한 일반적인 용어임을 명시한다.

제1도는 이중-스핀들 압출기의 스크루 단면을 나타낸다. 여기서 두 스핀들은 같은 방향으로 회전하는 동안 서로 맞물리게 된다. 제1도에서, 참조번호 51은 스크루 챔버(53)를 공급받는 배럴을 나타낸다. 스크루 챔버(53)는 쌍안경 모양의 횡단면을 갖는데, 이는 서로 부분적으로 겹치는 순환 횡단면 통로(53a 및 53b)로 이루어진다. 각각의 횡단면 통로(53a 및 53b)에서, 럭비공 모양의 단면을 갖는 스크루 요소(55)와 스크루 샤프트(57)의 조합은 각 통로(53a 및 53b)의 축 둘레를 회전할 수 있도록 적용된다.

스크루 샤프트(57)는 스크루 요소(55) 안에 형성된 통과공(59) 안으로 삽입되므로, 스크루 요소(55)와 스크루 샤프트(57)는 통과공(59)의 내부면에 형성된 스플라인(61)과 스크루 샤프트(57)의 외부면에 형성된 또다른 스플라인(63)에 의해 서로 스플라인-연결된다.

인벌류트 스플라인은 각형 스플라인과 비교해 각 디덴덤부의 치폭이 큰 반면, 샤프트의 각 디덴덤부에 여유홈을 제공할 필요가 없어서, 인벌류트 스플라인은 각형 스플라인과 비교해 큰 동력 전달 능력을 보이기 때문에, 인벌류트 스플라인은 상기한 스크루 요소(55)와 스크루 샤프트(57) 사이에 토크를 전달하기 위한 스플라인으로 이용된다.

상기한 압출기에서, 스크루 샤프트(57)의 회전은 스플라인(61 및 63)으로 이루어진 스플라인 커넥션을 통해 스크루 요소(5)로 전달되어서, 스크루 요소(55)의 회전으로 배럴(51) 안의 수지 물질이 혼합되고 절단된다. 결과적으로, 스크루 요소(55)가 회전하는 방향의 전면부에는 수지 물질과 접하는 큰 직경부의 팁부분을 통해 큰 회전 저항을 받기 쉽다. 따라서, 이 회전 저항으로 인해 각형 스플라인 또는 인벌류트 스플라인 톱니의 각 하부에 스트레스가 집중되기 때문에, 스플라인의 각 하부는 피로 파괴되기 쉽다.

일반적으로, 스크루 요소(55)의 작은 직경부는 압출 효과를 고려하여 가능한 한 작은 크기(D)이어야 하며, 반면에, 스크루 샤프트(57)의 직경은 수지물질을 혼합하는데 필요한 토오크를 전달하기 위해 가능한 한 커야 한다. 따라서 스크루 요소(55)는 큰 직경부와 비교할 때 극도로 감소된 두께를 가진 작은 직경부를 보유한다.

스크루 요소(55)의 매우 얇은 작은 직경부는 모양이 망가지기 쉽기 때문에, 큰 토오크 전달에 상응하는 인벌류트 스플라인에서 스크루 샤프트(57)의 스플라인과 스크루 요소(55)의 다른 스플라인 사이에 슬립이 발생한다. 이로 인해 스크루 요소(55)의 회전방향에는 갭이 생기고 방사방향으로는 팽창한다. 방사상의 팽창의 크기와 회전방향에서의 갭이 모두 클 경우, 스플라인의 각 하부에 작용하는 스트레스가 증가하여, 각각의 스플라인 하부는 스크루 요소(55)의 작은 직경부에서 피로 파괴될 것이다.

이와 같이 각 스플라인 하부에 스트레스가 집중되는 것을 감소시키기 위해, 크게 굽은 스무스 아크로 각 스플라인 하부들을 서로 연결시킬 수 있다. 그러나, 만약 인벌류트 모양의 톱니 단면에서 양측면의 스플라인 톱니 표면이 상기 스무스 아크에 의해 서로 연결된다면, 스크루 요소(55)의 작은 직경부의 두께는 더욱 감소하여 내구력을 저하시킬 것이다.

[발명의 요약]

따라서, 본 발명의 목적은 스트레스의 집중, 방사상의 팽창 그리고, 회전방향에서의 변위가 발생하는 것을 방지하고, 스플라인 주위 부분의 두께가 감소되지 않도록 하여 강도가 보증되는 스플라인 및 멀티 스핀들 압출기의 회전 요소를 위한 스플라인을 제공하는데 있다.

상기한 본 발명의 목적은 다음을 포함하는 스플라인 커플링(spline coupling)에 의해 이루어진다:

구동부재; 및 피동부재가 결합되어 구성되고, 상기 구동부재 및 피동부재는 이들 사이에 토오크를 전달하기 위해 동심의 서로 맞물리는 스플라인 치들을 포함하며, 상기 스플라인 치들은 x-y 직교 좌표 시스템의 평면에서 연속 곡선을 포함하는 평면의 x-축이 미리 설정된 반경을 가진 중심원 위를 움직이는 것처럼 연속 곡선을 변형시킴으로써 제공되는 톱니 단면을 구비하고, 여기서 변형 이전의 연속 곡선은 y≥0로 정의된 영역에서 수식 x²/a²+y²/b²=1(여기서, a,b는 상수)로 표현되는 반원 또는 반타원 라인을 y≤0로 정의된 영역에서 수식 x²/a²+y²/b²=1(여기서 a,b는 상수)로 표현되는 다른 반원 또는 반타원 라인과 차례로 연결시킴으로써 얻어지는 연속 라인이다.

본 발명에 따르면, 다음을 포함하는 또다른 스플라인 커플링이 제공된다:

구동부재; 및 피동부재가 결합되어 구비되고, 상기 구동부재 및 피동부재는 이들 사이에 토오크를 전달하기 위해 동심의 서로 맞물리는 스플라인 치들을 포함하며, 상기 스플라인 치들은 x-y 직교 좌표 시스템의 평면에서 상기 평면의 y-축에 대하여 곡선을 대칭화시킴으로써 얻어지는 톱니 단면을 구비하고, 상기 곡선은 0＜θ＜(a/Rm) 범위에서, x={Rm+b(1-Rm²θ²/a²)} sin θ, 및 y={Rm+b(1-Rm²θ²/a²)} cos θ이고; (a/Rm)＜θ＜(2a/Rm) 범위에서, x={Rm-b(1-(2a-Rmθ)²/a²)} sin θ, 및 y={Rm-b(1-(2a-Rmθ)²/a²)} cos θ의 수식으로 표현되며, 상기 수식 중 Rm은 톱니 단면의 중심 원의 반경이고, θ는 좌표축 시작의 중심인 y-축으로부터의 회전각이며, a 및 b는 각각 상수이다.

스플라인 모양의 톱니 단면에서, 이 끝면은 중심원과 직각으로 교차하며, 스플라인은 중심원으로부터 안과 밖으로 진행되는 큰 굴곡을 갖고 있는 각각의 연속 곡선에 의해 윤곽이 그려지는 반타원 또는 반원형의 톱니 형태들(톱니들)을 갖도록 형성된다.

게다가, 본 발명에 따르면, 멀티 스핀들 압출기의 회전 요소를 회전시키기 위한 구동 샤프트와 스플라인 연결시키기 위한 스플라인을 제공한다. 여기서 스플라인은 상기한 톱니 단면 모양의 스플라인들 중 하나에 의해 구성된다.

이들 및 본 발명의 다른 목적과 특징들은 다음 설명 및 도면과 함께 주어지는 첨부된 청구항으로 더욱 명백해 질 것이다.

[실시예의 설명]

본 발명의 실시예가 도면을 참조로 설명된다.

제2도는 본 발명에 따른 스플라인의 한 실시예를 보여주는데, 이는 멀티 스핀들 압출기의 회전 요소용 스플라인에 적용 가능하다. 제2도에서, 참조번호 1은 럭비공 모양의 횡단면을 갖고 있는 스크루 요소를 가리키는데, 그 중심에는 스크루 샤프트(7)를 위한 삽입구(3)가 제공된다. 스크루 요소(1)는 또한 삽입구(3)의 내부면에 형성된 스플라인(5)을 포함한다.

스크루 샤프트(7)는 그 외부면에 또다른 스플라인(9)을 갖고 있다. 스플라인(9)은 스크루 샤프트(7)가 삽입구(3)에 삽입될 때 스플라인(5)과 결합가능하다. 스플라인(9)으로 인해 스크루 요소(1)는 토오크 전달을 위한 관계로 스크루 샤프트(7)와 연결될 수 있다.

x-y 직교 좌표 시스템의 평면에서, 각각의 스플라인(5 및 9)은 평면의 x-축이 미리 설정된 반경을 가진 중심원 위를 움직이는 것처럼 연속 곡선을 변형시킴으로써 얻어지는 톱니 단면을 갖는다. 이와 관련하여, 변형 이전의 연속 라인은 y≥0로 정의된 영역에서 수식 (x²/a²+y²/b²=1)로 표현되는 반원 또는 반타원 라인을 나머지 y≤0로 정의된 영역에서 수식 (x²/a²+y²/b²=1)로 표현되는 또다른 반원 또는 반타원 라인과 상호 연결시킴으로써 얻어진다.

수식 x²/a²+y²/b²=1은 수식 y=±b(1-x²/a²)로 표현될 수도 있다. 따라서, 만약 a＞b라는 조건이 주어진다면, 이러한 수식은 제3(a)도에서 보여지는 것처럼 x-축을 따라 연장되는 긴축을 갖는 타원을 나타낼 것이다.

이 경우 연속 라인은 y≥0으로 정의되는 영역, 즉, x-y 직교 좌표 시스템의 평면에서 제1 및 제2사분면에 나타나는 반타원을 y≤0으로 정의되는 영역, 즉 제3(b)도에서 보여지는 것처럼 차례로 제3 및 제4사분면에 나타나는 반타원과 연결시킴으로써 제공되는 것이다. 그 라인은 다음과 같은 수식으로 표현될 수 있다:

0＜x＜a 범위에서 y=b(1-x²/a²)

a＜x＜2a 범위에서 y=-b(1-(2a-x)²/a²)

그 x-축이, 굴곡 반경이 Rm인 중심원을 따라 진행하는 방법으로 상기 연속 라인을 구부러지게 함으로써, 제3(c)도에서 보는 바와 같이 톱니 단면을 갖는 스플라인이 얻어질 수 있다.

좌표축 시작의 중심인 y-축으로부터의 각으로 θ가 주어진다면, 상기 톱니 단면은 다음의 수식으로 표현되는 곡선을 y-축에 대해 대칭시킴으로써 얻어진다:

0＜θ＜(a/Rm) 범위에서,

x={Rm+b(1-Rm²θ²/a²)} sin θ

y={Rm+b(1-Rm²θ²/a²)} cos θ;

(a/Rm)＜(2a/Rm) 범위에서,

x={Rm-b(1-(2a-Rmθ)²/a²)} sin θ

y={Rm-b(1-(2a-Rmθ)²/a²)} cos θ;

여기서 “Rm”은 톱니 단면의 중심 원의 반경이며;

“θ”는 좌표축 시작의 중심인 y-축으로부터의 회전각이며;

“a”는 상수이며;

“b”는 상수이다.

제3(d)도는 스크루 샤프트(7)의 외부면에 제공되는 스플라인(9)의 실제 모양을 보여준다. 이 스플라인(9)은 톱니의 가장 윗부분에 톱니 크레스트(21)를 갖는다. 톱니 크레스트(21)의 단면 모양은 그 중심이 스크루 샤프트(7)의 중심과 같은 곳에 위치하는 원의 일부로 이루어진다. 톱니 크레스트(21)의 위치는 가상의 타원 톱니 모양의 정점(P)으로부터 1/4b 만큼 물러나 있다. 제3(e)도는 삽입홈(3)의 내부면에 제공되는 스플라인(5)의 실제 모양을 보여준다. 이 스플라인(9)은 톱니의 가장 윗부분에 톱니 크레스트(31)를 갖는다. 톱니 크레스트(31)의 단면 모양은 그 중심이 삽입구(3)의 중심과 같은 곳에 위치하는 원의 일부로 이루어진다. 톱니 크레스트(31)의 위치는 가상의 타원 톱니 모양의 정점(P)으로부터 1/4b 만큼 물러나 있다.

이러한 톱니 단면을 갖는 스플라인에서, 이끝면은 중심원과 수직으로 교차한다. 게다가, 스플라인은 중심원으로부터 안과 밖으로 진행되는 큰 굴곡을 갖고 있는 각각의 연속 곡선에 의해 윤곽이 그려지는 반타원형의 톱니 형태들을 갖도록 형성된다. 따라서, 큰 전달 토오크가 스플라인 연결부에 전해진다 하더라도, 스크루 요소(1)의 두께가 감소된 작은 직경부에서 조차 스트레스의 집중, 방사상의 팽창 그리고, 회전 변위의 발생이 어려워진다. 또한, 이는 큰 굴곡을 가진 톱니 단면을 만들기 위한 낭비 영역을 요구하지 않으므로, 스플라인 주변부의 두께를 감소시키지 않는다. 결과적으로, 스플라인은 좀처럼 피로 파괴되지 않으므로, 강도가 보증될 수 있다.

반타원 모양의 톱니 단면을 갖는 본 스플라인에 따르면, 톱니의 수와 톱니의 높이가 같은 경우 인벌류트 스플라인과 비교해 30에서 40퍼센트까지 스트레스의 집중을 줄일 수 있다.

상기 실시예에서 톱니 크레스트의 단면 모양이 원형 라인이라 할지라도, 단면 모양으로 곧은 선을 사용할 수도 있다.

상기 실시예가 a＞b라는 조건을 사용한다 할지라도, 이는 수정시 a=b라는 조건으로 대체될 수 있다. 이러한 경우에, 스플라인은 반원모양의 톱니 단면을 갖도록 형성된다. 선택적으로, a＜b라는 조건하에서 반타원 모양의 톱니 단면을 가질 수도 있다.

게다가, 매개변수 (a) 및 (b)가 y≥0 및 y≤0로 정의된 각각의 영역에서 서로 다르게 적용될 수 있다.

결과적으로, 당업자들은 전술한 설명이, 발표된 스플라인에 대한 바람직한 실시예 중 하나라는 것과 본 발명의 목적과 범위를 벗어나지 않는 범위내에서의 다양한 변경 및 수정이 가능하다는 것을 이해하게 될 것이다.

Claims

구동부재; 및 피동부재가 결합되어 구성되고, 상기 구동부재 및 피동부재는 이들 사이에 토오크를 전달하기 위해 동심의 서로 맞물리는 스플라인 치들을 포함하며, 상기 스플라인 치들은 x-y 직교 좌표 시스템의 평면에서 연속 곡선을 포함하는 평면의 x-축이 미리 설정된 반경을 가진 중심원 위를 움직이는 것처럼 상기 연속 곡선을 변형시킴으로써 제공되는 톱니-단면을 각각 구비하고, 여기서 변형 이전의 상기 연속 곡선은 y≥0로 정의된 영역에서 수식 x²/a²+y²/b²=1(여기서, a,b는 상수)로 표현되는 반원 또는 반타원 라인을 y≤0로 정의된 영역에서 수식 x²/a²+y²/b²=1(여기서 a,b는 상수)로 표현되는 다른 반원 또는 반타원 라인과 차례로 연결시킴으로써 얻어지는 연속 라인인 스플라인 커플링.
제1항에 있어서, 상기 각 스플라인 치의 가장 윗부분에 톱니 크레스트를 추가로 포함하는 스플라인 커플링.
제1항에 있어서, 상기 수식의 상수 a가 상수 b보다 스플라인 커플링.
제1항에 있어서, 상기 수식의 상수 a가 상수 b와 같은 스플라인 커플링.
제1항에 있어서, 상기 수식의 상수 a가 상수 b보다 작은 스플라인 커플링.
구동부재; 및 피동부재가 결합되어 구성되고, 상기 구동부재 및 피동부재는 이들 사이에 토오크를 전달하기 위해 동심의 서로 맞물리는 스플라인 치들을 포함하며, 상기 스플라인 치들은 x-y 직교 좌표 시스템의 평면에서 상기 평면의 y-축에 대하여 곡선을 대칭화시킴으로써 얻어지는 톱니-단면을 구비하고, 상기 곡선은 0＜θ＜(a/Rm) 범위에서, x={Rm+b(1-Rm²θ²/a²)} sin θ, 및 y={Rm+b(1-Rm²θ²/a²)} cos θ이고; (a/Rm)＜θ＜(2a/Rm) 범위에서, x={Rm-b(1-(2a-Rmθ)²/a²)} sin θ, 및 y={Rm-b(1-(2a-Rmθ)²/a²)} cos θ의 수식으로 표현되며, 상기 수식 중 Rm은 톱니 단면의 중심 원의 반경이고, θ는 좌표축 시작의 중심인 y-축으로부터의 회전각이며, a 및 b는 각각 상수인 스플라인 커플링.
제6항에 있어서, 상기 스플라인 치의 가장 윗부분에 톱니 크레스트를 추가로 포함하는 스플라인 커플링.
제6항에 있어서, 상기 수식의 상수 a가 상수 b보다 큰 스플라인 커플링.
제6항에 있어서, 상기 수식의 상수 a가 상수 b와 같은 스플라인 커플링.
제6항에 있어서, 상기 수식의 상수 a가 상수 b보다 작은 스플라인 커플링.
멀티 스핀들 압출기용 스플라인 커플링에 있어서, 상기 스플라인은 회전요소; 상기 회전요소를 회전시키는 구동축; 및 상기 구동축에서 상기 회전요소로 토오크를 전달하기 위해 상기 구동축과 상기 회전요소 상에 있는 동심의 서로 맞물리는 스플라인 치들이 결합되어 구성되고, 각각의 상기 스플라인 치는 x-y 직교 좌표 시스템의 평면에서 연속 곡선을 포함하는 상기 평면의 x-축이 미리 설정된 반경을 가진 중심원 위를 움직이는 것처럼 연속 곡선을 변형시킴으로써 제공되는 톱니 단면을 포함하며, 여기서 변형 이전의 상기 연속 곡선은 y≥0로 정의된 영역에서 수식 x²/a²+y²/b²=1(여기서, a,b는 상수)로 표현되는 반원 또는 반타원 라인을 y≤0로 정의된 영역에서 수식 x²/a²+y²/b²=1(여기서 a,b는 상수)로 표현되는 다른 반원 또는 반타원 라인과 차례로 연결시킴으로써 얻어지는 연속 라인인 톱니 단면을 포함하는 스플라인 커플링.
제11항에 있어서, 상기 스플라인 치의 가장 윗부분에 톱니 크레스트를 추가로 포함하는 스플라인 커플링.
제11항에 있어서, 상기 수식의 상수 a가 상수 b보다 큰 스플라인 커플링.
제11항에 있어서, 상기 수식의 상수 a가 상수 b와 같은 스플라인 커플링.
제11항에 있어서, 상기 수식의 상수 a가 상수 b보다 작은 스플라인 커플링.
멀티 스핀들 압출기용 스플라인 커플링에 있어서, 상기 스플라인은 회전요소; 상기 회전요소를 회전시키는 구동축; 및 상기 구동축에서 상기 회전요소로 토오크를 전달하기 위해 상기 구동축과 상기 회전요소 상에 있는 동심의 서로 맞물리는 스플라인 치들이 결합되어 구성되고, 각각의 상기 스플라인 치는 x-y 직교 좌표 시스템의 평면에서 상기 평면의 x-축에 대하여 곡선을 대칭화시킴으로써 얻어지는 톱니 단면을 구비하고, 여기서 상기 곡선은 0＜θ＜(a/Rm) 범위에서, x={Rm+b(1-Rm²θ²/a²)} sin θ, 및 y={Rm+b(1-Rm²θ²/a²)} cos θ이고; (a/Rm)＜θ＜(2a/Rm) 범위에서, x={Rm-b(1-(2a-Rmθ)²/a²)} sin θ, 및 y={Rm-b(1-(2a-Rmθ)²/a²)} cos θ의 수식으로 표현되며; 상기 수식 중 Rm은 톱니 단면의 중심 원의 반경이고, θ는 좌표축 시작의 중심인 y-축으로부터의 회전각이며, a 및 b는 각각 상수인, 스플라인 커플링.
제16항에 있어서, 상기 스플라인 치의 가장 윗부분에 톱니 크레스트를 추가로 포함하는 스플라인 커플링.
제16항에 있어서, 상기 수식의 상수 a가 상수 b보다 큰 스플라인 커플링.
제16항에 있어서, 상기 수식의 상수 a가 상수 b와 같은 큰 스플라인 커플링.
제16항에 있어서, 상기 수식의 상수 a가 상수 b보다 작은 스플라인 커플링.