KR100249650B1 - 하모닉드라이브의 플렉스 스플라인 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 토오크 전달 강성과 진동흡수 능력을 향상시킨 하모닉드라이브에 관한 것이다.

본 발명에 의한 하모닉드라이브는, 타원형의 웨이브를 발생하는 웨이브발생기와; 상기 웨이브발생기가 내접하도록 삽입되고, 스틸재의 외부와, 상기 외부의 내측에 장착되는 합성수지재의 내부링으로 구성되는 플렉스스플라인; 그리고 상기 플렉스스플라인이 내부에 삽입되어 치합하는 써큘러스플라인으로 구성된다. 내부링은 유리섬유에폭시 복합소재 또는 탄소섬유에폭시 복합재료로 성형되고, 플렉스스플라인의 축방향에 대하여 소정의 각도를 가지고 적층된다.

Description

하모닉드라이브의 플렉스 스플라인

제1도는 일반적인 하모닉드라이브의 분리 사시도.

제2도는 하모닉 드라이브의 원리를 보여주는 설명도.

제3도는 종래의 플렉스 스플라인의 단면도.

제4도는 본 발명의 플렉스 스플라인의 단면도.

＊ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1, 10 : 웨이브발생기 2, 20 : 플렉스 스플라인

22 : 외부 24 : 내부링

본 발명은 하모닉드라이브에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 높은 강도와 진동흡수능력의 플렉스 스플라인을 구비하는 하모닉드라이브에 관한 것이다.

먼저 제1도 내지 제2도를 참조하면서 일반적인 하모닉드라이브의 구성 및 동작원리에 대하여 간단하게 살펴보기로 한다.

하모닉드라이브는 소형, 경량이면서도 고감속비를 얻을 수 있고, 전달 토오크의 용량이 크고, 백래쉬가 작기 때문에 정밀한 감속비를 얻기 위한 여러 가지 장치, 예를 들면 CNC머신이나 산업용 로봇 등에 널리 이용되고 있다. 제1도에 도시된 바와 같이, 하모닉드라이브는 크게, 타원형의 웨이브를 만들어내는 웨이브발생기(wave generator)(1)와, 원통형의 플렉스 스플라인(2), 그리고 원통형의 써큘러스플라인(3)으로 구성된다.

웨이브발생기는 타원형상의 캠(1a)의 외주면에 소형의 볼베어링(1b)이 다수개 끼워져 있어서, 전체가 타원형상으로 성형되어 있다. 볼베어링(1b)은 캠(1a)의 외면에 조립되고, 캠(1a)은 일반적으로 입력축(1c)에 연결되다. 그리고 상기 웨이브발생기(1)의 외부에는 플렉스스플라인(2)이 끼워진다. 플렉스스플라인(2)의 일단부의 외면에는 인볼류트치형이 성형되어 있고, 타단부는 일반적인 출력축(도시생략)에 연결되어 있다.

원통형상의 원형스플라인(3)은 강체로서, 내면에는 상기 플렉스스플라인의 치형과 부분적으로 맞물리기 위한 인볼류트 치형이 성형되어 있고, 일반적으로 외부의 기계장치와 연결되어 고정된 상태로 설치된다. 그리고 상기 원형스플라인(3)의 내부의 인볼류트치형의 잇수는 플렉스스플라인의 잇수에 비하여 2개 또는 4개 많게 형성되어 있다.

이와 같이 구성되는 하모닉드라이브의 작동원리를 제2도를 참조하여 살펴본다. 입력축과 연결되는 타원형상의 캠(1a)이 회전하게 되면, 플렉스스플라인(2)은 웨이브발생기(1)의 회전에 의하여 타원형상으로 변하여 타원의 장축부분에서 원형 스플라인(3)의 이와 맞물리게 되고, 단축부분에서는 이가 서로 떨어진 상태를 유지하게 된다. 원형스플라인(3)을 고정하고, 웨이브발생기(1)를 시계 방향으로 회전시키면, 플렉스스플라인(2)은 탄성변형하면서 원형스플라인(3)과 맞물리는 이의 위치는 순차적으로 이동하게 된다. 웨이브발생기(1)가 완전하게 일회전하게 되면, 플렉스스플라인(2)은 원형스플라인의 잇수차에 해당하는 만큼 반대방향으로 회전하게 되고, 이러한 반대방향의 회전에 의하여, 출력축과 연결된 플렉스스플라인(2)은 감속된 회전수를 출력하게 되는 것이다.

여기서 상기 플렉스스플라인(2)에 대하여 자세하게 살펴보기로 한다. 먼저 원통형인 플렉스스플라인(2)은 원형스플라인(3)의 내경의 이와 순차적으로 맞물리기 위하여 반경반향으로는 탄성적인 유연성, 즉 신축성이 좋아야 한다. 그리고 상기 플렉스스플라인(2)이 출력축과 연결되는 점을 고려하면 반경방향으로는 높은 강성을 필요로 한다.

그리고 플렉스스플라인의 고유 진동수가 웨이브의 동작 진동수와 일치하게 될 경우, 공진이 일어날 수 있기 때문에, 플렉스스플라인의 동적특성과 고유 진동수, 감쇄비 또한 상당히 중요한 요소이다.

그리고 하모닉드라이브의 단점으로서, 동작이 부드럽지 못하고 진동이 발생하게 되는 바, 이러한 진동은 소음의 원인이 되기도 한다. 그리고 제3도에 도시된 바와 같이, 플렉스스플라인의 비틀림 강성은 자체의 모양이 반경 방향의 강성을 줄이기 위하여 얇은 컵 모양을 가지고 있으며, 모양 자체에 기인하여 작을 수 밖에 없는 것이다.

본 발명은 이러한 단점을 해결하기 위한 것으로, 충분한 강성 및 진동 흡수능력을 구비하는 하모닉드라이브를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 구조적으로 안정된 하모닉드라이브를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 하모닉드라이브는, 타원형의 웨이브를 발생하는 웨이브발생기와; 상기 웨이브발생기가 내접하도록 삽입되고, 스틸재의 외부와, 상기 외부의 내측에 장착되는 합성수지재의 내부링으로 구성되는 플렉스스플라인; 그리고 상기 플렉스스플라인이 내부에 삽입되어 치합하는 써큘러스플라인으로 구성된다.

상기 내부링은 유리섬유에폭시 복합소재 또는 탄소섬유에폭시 복합재료로 성형되고, 플렉스스플라인의 축방향에 대하여 소정의 각도를 가지고 적층된다.

상기 내부링은, 플렉스스플라인에 삽입되는 웨이브발생기와 접촉하여 지지할 수 있는 길이로 성형되어, 구조적인 안정성을 제공하고 있다.

다음에는 도면에 도시된 실시예에 기초하면서 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 한다. 이하의 설명에서 본 발명에 대한 실시예에 대해서는, 플랙스스플라인(20) 및 그 내부에 설치되는 웨이브발생기(10)를 통하여 제4도에 도시하면서 이를 설명하기로 하고, 그외의 부분에 대해서는 제1도를 같이 참조하기로 한다.

제4도에 도시한 바와 같이, 본 발명에 의한 하모닉드라이브의 플렉스스플라인(20)은 재질이 상이한 이종 복합재료를 사용하여 만들어진다. 구체적으로 보면, 원형스플라인(3)(제1도참조)의 내부치형과 맞물리는 외부치형(26)이 성형되는 플렉스 스플라인(20)의 외부(22)는 스틸)steel)로 만들어진다. 이러한 스틸재질의 플렉스스플라인(20)의 외부(22)는 실질적으로 종래의 것과 동일한 형상을 가지는 것이다. 그리고 상기 외부(22)의 내측에는 합성수지재로 되는 내측링(24)이 접착된 상태로 설치되어 있다.

합성수지재의 내측링(24)에 대하여 보다 구체적으로 살펴본다. 플렉스스플라인의 내부에 내측링(24)을 합성수지재로 성형하는 것은, 합성수지재가 가지고 있는 감쇄능력과 탄성을 이용하고자 하는 것이다. 구체적으로는, 플렉스스플라인(20)의 외부(22)를 스틸 재질로 하는 것에 의하여 전달토오크의 대부분을 지지할 수 있도록 하고, 내부링(24)을 합성수지재로 하는 것에 의하여 플렉스스플라인의 고유진동수와 감쇄능력을 증가시키는 역할을 하게 되는 것이다.

다음에는 상기 내부링(24)에 대하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다. 상기 내부링(24)은 플렉스스플라인(20)의 외부(22)의 내측에 소정의 길이를 가지고 장착된다. 합성수지재로 바람직한 재질은 탄소섬유에폭시(carbon fiber epoxy)와 유리섬유에폭시(glass fiber epoxy)를 사용한다. 그리고 스틸재의 상기 외부(22)의 내측에 부착하는 것은, 동시경화접착법(Co-curedhybrid flexspline)을 사용하거나 접착제에 의한 접착법(adheresively bondedhybrid flexspline)을 사용한다. 상기와 같은 합성수지계열의 재료를 사용하여 스틸인 외부(22)의 내측에 이종의 플렉스스플라인을 형성하는 것에 의하여, 토오크 전달을 위한 충분한 강성을 확보함과 동시에, 진동감쇄능력을 동시에 가질 수 있도록 하고 있다.

먼저 동시경화 접착법을 사용하는 경우에 대하여 살펴본다. 동시경화접착법은 내부링(24)을 구성하는 탄소섬유에폭시 또는 유리섬유에폭시가 경화되지 않은 상태에서 스틸재의 외부(22)의 내측에 적층하여 경화시키는 방법을 말한다. 이러한 방법에 의하여 제작된 하이브리드 플렉스스플라인의 반경방향과 고유 진동수와 감쇄비를 관찰하면, 전체적으로 적층정도가 증가함에 따라 반경방향의 고유진동수는 증가하고, 감쇄비는 감소한다는 사실을 알 수 있다. 탄소섬유에폭시 복합재료로 보강한 경우에는 반경방향의 강성이 유리섬유에폭시 복합재료를 사용하는 경우에 비하여 높게 나타났으며, 감쇄비는 비슷한 값을 나타내거나 다소 작은 경향을 보였다.

그리고 유리섬유에폭시 복합재료를 사용하여 보강한 경우에는, 보강을 하지 않은 경우에 비하여 감쇄비가 최고 160% 증가하였으며, 반경방향의 고유진동수는 약 3% 정도가 증가함을 알 수 있었다. 따라서 동시경화접착법을 사용하는 경우에는 유리섬유 에폭시 복합재료를 사용하는 경우가 바람직하다는 것을 알 수 있다.

다음의 (표1)과 (표2)는, 동시경화 접착법으로 제작된 플렉스스플라인의 진동특성 데이터로써, 각각 주파수 및 감쇄비를 보이는 것이다.

[표 1]

[표 2]

이상에서 [±30°]_T에 있어서, 내부의 30도는 상술한 유리섬유 에폭시 또는 카본섬유에폭시 복합재료의 방향성을 나타낸다. 즉, 플렉스스플라인의 길이 방향 축에 상술한 유리섬유 또는 카본섬유의 방향을 ±30도의 각도를 가지고 적층한 상태를 말하는 것이다. 그리고 첨자로 표시되는 T 또는 S는 복합재료의 층을 말하는 것으로, T는 다중층을 가지도록 한 것이고, S는 단일층을 가지도록 성형한 상태를 말한다.

상술한 표에서 알 수 있는 바와 같이, 적층 각도가 증가함에 따라 고유진동수는 증가하고 감쇄비는 감소한다는 사실을 알 수 있으며, 상기 표에서 상술한 결과가 유도되는 것임을 알 수 있다.

다음에는 내부링(24)을 완성한 상태에서 접착제를 이용하여 플렉스스플라인의 내측에 접착하는 방법을 사용하는 접착제에 의한 접착법으로 제작된 하이브리드 플렉스스플라인의 경우를 관찰하면, 전체적으로 동시경화접착법에 의하여 제작된 것에 비해 감쇄 특성이 상당히 향상되는 것을 알 수 있었다. 이러한 이유는 접착제가 소정의 감쇄성능을 가지고 있은 것에 의한 것으로 이해될 수 있다. 특히 유리섬유에폭시 복합재료를 접착두께 0.1㎜로 접착한 경우에는, 보강하지 않은 강철 플렉스스플라인에 비하여 감쇄비가 630% 이상 증가하고, 반경방향의 고유진동수 및 반경방향의 강성은 각각 23%와 43% 증가함을 알 수 있었다.

한편 유리섬유에폭시 복합재료를 [±30]T, [±45]T, [±60]T로 보강할 경우, 접착두께가 0.5㎜, 1.0㎜으로 증가함에 따라 감쇄비가 증가하는 반면 [±30]S, [±45]S, [±60]S로 적층한 경우에는 접착두께에 대한 변화가 미소함을 알 수 있다. 접착두께가 증가함에 따라 감쇠비가 증가하는 경향을 나타내는 반면 반경 방향의 강성도 증가하여 유리섬유 에폭시 복합재료를 [±30]S로 보강하고 접착두께 1.0㎜으로 할 경우 반경 방향의 강성은 약 80% 이상 증가하므로 접착두께의 증가는 신중히 고려되어야 한다. 그리고 이와 같은 결과는 다음의 (표4) 및 (표5)에서 명백하게 확인될 수 있다.

[표 3]

Steel tube = 0.3t

[표 4]

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 이종복합재료로 플렉스스플라인을 성형하는 경우, 단일의 스틸재질로 성형하는 것에 비하여, 진동 감쇄능력이 탁월하며, 강도가 증가하게 됨을 알 수 있다.

그리고 제4도에 도시한 바와 같이, 본 발명에 의한 내부링(24)는, 외부(22)의 내부에서 축방향으로 소정길이를 가지고 있음을 알 수 있다. 따라서 상기 플렉스스플라인(20)의 내부에 삽입되는 웨이브발생기(10)가, 그 내부에서 상기 내부링(24)에 의하여 지지되도록 하는 것에 의하여 전체적인 구조의 안정성을 제공하게 된다. 즉, 본 발명에 의한 내부링(24)의 구조에 의하여, 웨이브발생기(10)의 위치가 안정된 상태로 제공될 수 있어서, 예를 들면, 웨이브발생기(10)가 플렉스스플라인(20)의 내부로 들어가지 않는 구조적인 잇점도 기대된다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 플렉스 스플라인의 구조에 의하면, 진동을 흡수하는 능력이 뛰어나기 때문에 진동에 의하여 발생하는 제문제점을 해결할 수 있음과 동시에, 토오크 전달을 위한 강도의 면에 있어서도 종래의 것에 비하여 개선되고 있음을 알 수 있다. 또한 내부링의 구조에 의하여 웨이브발생기의 위치가 안정되는 것에 의하여 전체적으로 구조적인 안정성을 더욱 높여주는 잇점이 기대된다.

Claims (5)

1. 타원형의 웨이브를 발생하는 웨이브발생기와;

   상기 웨이브발생기가 내접하도록 삽입되고, 스틸재의 외부와, 상기 외부의 내측에 장착되는 합성수지재의 내부링으로 구성되는 플렉스스플라인; 그리고

   상기 플렉스스플라인이 내부에 삽입되어 치합하는 써큘러스플라인으로 구성되는 하모닉드라이브.
2. 제1항에 있어서, 상기 내부링은 유리섬유에폭시 복합소재로 성형되는 하모닉드라이브.
3. 제1항에 있어서, 상기 내부링은 탄소섬유에폭시 복합재료로 성형되는 하모닉드라이브.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 복합소재는, 플렉스스플라인의 축방향에 대하여 소정의 각도를 가지고 적층되는 하모닉드라이브.
5. 제1항에 있어서, 상기 내부링은, 플렉스스플라인에 삽입되는 웨이브 발생기와 접촉하여 지지할 수 있는 길이로 성형되는 하모닉드라이브.

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