KR100407117B1

KR100407117B1 - Sinusoidal 감속기

Info

Publication number: KR100407117B1
Application number: KR10-2001-0059186A
Authority: KR
Inventors: 주상완
Original assignee: 주상완
Priority date: 2001-09-24
Filing date: 2001-09-24
Publication date: 2003-11-28
Also published as: KR20030026131A

Abstract

본 발명은 기계적인 회전동력 전달장치인 감속기에 관한 것으로서, 편심차동감속기의 일종이나 부품수가 적고 구조가 간단하면서도 고감속비, 고토오크 용량, 저백래쉬, 저관성을 실현한 것으로, 입력축과 출력축이 동심축선상에 설치되므로 주변 기계장치와의 인터페이스가 용이하다. 입력축에는 편심축이 형성되어 있고, 이 편심축은 본체의 내측에 형성되어 있는 내접기어보다 이빨수가 1개이상 적게 형성된 회전기어의 중심부에 회전자유하도록 결합되어, 상기 입력축이 회전하면 상기 내접기어와 맞물려 있는 회전기어가 자전및 공전을 하면서 얻어지는 감속출력을 사각형 형상의 커플러를 통해 출력축에 전달하는 구조이다. 부품수가 적고 구조가 간단한 만큼 제작이 쉬워 원가절감에 기여할 수 있고, 또한 백래쉬의 발생요인이 적어 저가의 고급 감속기를 실현할 수 있다.

Description

Sinusoidal 감속기{Sinusoidal Reducer}

본 발명은 소량의 부품과 간단한 구조로 구성되어, 저가이면서도 고감속비, 고강성, 저백래쉬를 실현할 수 있는 고급 감속기를 제공함을 목적으로 한다.

본 발명은 회전동력을 발생시키는 모터의 출력단에 부착되어, 모터의 회전력을 감속비에 비례하여 증대시키고, 회전속도는 감속비에 반비례하여 낮추어주는 감속기에 관한 것이다. 이러한 감속기의 종류에는, 다단기어열에 의한 감속기, 유성기어식 감속기구, 하모닉 드라이브 감속기구, RV 감속기, 사이클로 감속기, 볼감속기등이 알려져 있다.

가장 간단하고 고전적인 방식인 다단기어열에 의한 감속기는, 단순히 평기어를 인접되게 배열시켜 잇수비에 따라 감속비를 실현시키는 구조로, 단수를 계속 증가시키면 고감속비를 얻을 수 있으나 소음이 심하고 강성이 부족하며 입출력축이 편심되게 배치되는 단점이 있다.

유성기어식 감속기구는 태양기어와 유성기어, 캐리어(내접기어)의 조합에 의해 다양한 감속비를 실현시킬 수 있고 입출력축이 동심이라는 이점이 있으나, 1단으로 실현할 수 있는 감속비가 약5:1정도로 낮고, 소음이 발생하기 쉬우며 제작도 어려운 단점이 있다.

하모닉 드라이브 감속기구는 탄성변형을 하는 스플라인과 몸체에 고정되는 원주스플라인, 웨이브 발생기등 기본적으로는 3개의 부품으로 구성되어, 경량이며 콤팩트하고 고감속비가 얻어지는 장점이 있으나 제작이 대단히 어렵고 동력전달용량이 적으며 탄성변형에 의한 영향을 고려할 필요가 있고 가격이 비싸다는 단점이 있다.

RV 감속기와 사이클로 감속기는 특수기어를 이용하는 감속장치로, 내접기어로는 핀을 이용한 원호기어로 하고, 외접기어로는 페리사이클로이드 치형을 채용하여, 내접기어와 외접기어가 원주의 모든 부분에서 항상 접촉하도록 한 것이 특징이다. 페리사이클로이드 치형은 보통 사용되는 인볼류트 치형에 비해서 충격하중에강한 장점이 있지만, 이와 같은 감속기는 제작이 까다롭고 부품수가 많으며 무게가 무겁고 비싼것이 문제이다.

불감속기는 일본에서 발명된 편심차동감속기로, 편심축, Oldham판, 볼, 편심판, 출력판으로 구성된다. 이 감속기는 백래쉬를 거의 없게 하고, 고감속비의 실현이 용이하며 소음이 적으나, 설계 및 제작이 대단히 어렵고 강성이 부족하며, 부품수가 많고 가격도 비싼 단점이 있다.

상기한 바와 같이, 감속기는 기계공학분야의 상당히 고전적인 기기로 이제까지 여러가지 고급 감속기가 많이 개발되어 있지만, 각각 나름대로의 문제점을 내포하고 있는 것이 현실이다.

본 발명은 상기한 내용의 제반 문제점을 상당히 해소할 수 있도록, 적은 부품수로 구성하되 고감속비를 실현할 수 있고, 동력 전달능력이 뛰어나며,일반적인 가공방법과 공작기계를 이용하여 제작이 가능할 뿐만 아니라, 입출력축을 동심축선상에 배치할 수 있고, 입력단과 출력단과의 거리가 짧아 고감속비를 콤팩트한 사이즈로 실현할수 있으며, 기존의 고급 감속기에 비해 훨씬 저렴한 가격으로 공급이 가능한 감속기를 제공함을 목적으로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예의 전개도,

도 2는 본 발명의 실시예의 전단면도,

도 3은 본 발명의 실시예의 사시도,

도 4는 본 발명에 사용되는 차동운동의 기본 원리도,

도 5는 본 발명에 사용되는 차동운동의 기본 원리를 설명하기 위한 개념도,

도 6은 본 발명의 실시예의 부품도,

도 7은 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 부분 조립도.

도 8은 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 부분 조립도의 정명도 및 우측면도.

도 9는 본 발명의 실시예로 카운터 웨이트가 설치된 입력축을 나타내는 사시도,

도 10은 본 발명의 실시예를 나타내는 부분 조립도,

도 11는 본 발명의 실시예로 2단 감속기를 나타내는 전단면도,

도 12은 본 발명의 실시예로 2단 감속기의 전개도.

＜도면의 주요부분에 사용된 부호의 설명＞

1 : 감속기의 본체 1a : 내접기어

2 : 입력측 카바 3 : 출력측 카바

4 : 입력축 4a : 편심축

4b : 크랭크 암 4c : 카운터 웨이트

5 : 출력축 5a : 출력축 판

5b : 출력측 슬롯 6 : 회전기어

6a : 회전기어 이빨 6b : 회전기어 슬롯

6c : 회전기어 중심 축구멍 7 : Sinusoidal커플러

7a, 7b : Sinusoidal커플러의 슬라이딩면 7c : Sinusoidal커플러의 돌출부

8 : 니-들 로울러 베어링 9a∼9e : 베어링

10 : 보울트 11 : 제2내접기어

11a : 제2내접기어 이빨 14 : 중간축

14a : 제2편심축 16 : 제2회전기어

16a : 제2회전기어 슬롯 17 : 제2Sinusoidal 커플러

본 발명의 기본적인 구성은 도 1과 도 2에 보이는 것처럼, 감속기의 본체(1)와 상기 본체의 내부에 형성되어 있는 내접기어(1a), 입력측 카바(2), 출력측 카바(3), 편심축(4a)이 형성되어 있는 입력축(4),'ㄷ'자형 또는 'V'자형 출력측슬롯(5b)에 형성되어 있는 출력축 판(5a)과 출력축(5), 중심부가 상기 입력축(4)의 편심축(4a)에 회전자유하게 삽입되고 외주면에 상기 내접기어(1a)보다 기어 이빨수가 적어도 1개이상 적게 형성되어 상기 내접기어(1a)와 맞물려 입력축(4)의 회전에 따라 입력축(4)과 직각인 평면내에서 자전, 공전 및 요동운동하는 회전기어(6), 회전기어의 측면에 대칭으로 형성된 'ㄷ'자형 또는 'V'자형 슬롯(6b)에 한쪽이 슬라이딩 자유하도록 삽입되고 다른 한쪽은 상기 출력 측 슬롯(5b)에 슬라이딩 자유하게 삽입되어 회전기어(6)의 자전에 의한 감속된 회전수만을 취출하여 전달하는 사각형 형상의 커플러(7), 그리고,상기의 슬롯(5b, 6b)과 커플러(7)의 슬라이딩면 사이에 마찰을 줄이기 위해 끼워지는 니-들 로울러 베어링(8)과 입출력축을 잡아주는 베어링(9a∼9e), 보울트(10)등으로 구성된다. 이와같이, 간단한 형상의 부품으로 구성된 감속기의 조립도를 도 3에 나타낸다.

본 발명의 감속원리를 도 4와 도 5를 참고로 설명하면 다음과 같다. 도 4에 도시한, 회전기어(6)의 외주에 형성된 기어이빨(6a) 수는 내접기어(1a)의 이빨 수 보다 적어도 1개이상 적고, 회전기어(6)의 중심이 내접기어(1a)의 중심에서 ε만큼 편심된 위치에서 회전기어(6)의 기어이빨(6a)이 내접기어(1a)와 맞물리도록 되어있다. 회전기어(6)의 축구멍(6c)에 회전자유하게 삽입되는 편심축(4a)는 크랭크 암(4b)에 의해 입력축(4)과 결합되어 있다.

상기와 같은 구성에서, 내접기어(1a)가 고정된 상태라면, 입력축(4)이 도 5에 도시한 시계방향(R)으로 1회전씩 할 때 마다, 회전기어(6)상의 임의의 점(m)은초기위치 m₁으로부터 m₂, m₃‥·로 한 구간씩 반시계 방향으로 이동하게 되는데, 이때, 점(m)이 이동하면서 그리는 궤적을 Hypocycloid곡선이라고 한다. 즉, 회전기어(6)는 입력축(4)의 1회전에 대해 입력축(4)의 회전 반대방향으로 내접기어(6)보다 적은 기어이빨 수에 해당하는 만큼의 자전을 하게 되는 것이다.

본 발명에서는 상기 회전기어(6)의 자전운동을 출력으로 취출하는 방법이 독창적인 것으로, 상기 회전기어(6)의 입력축에 직각인 평면상에서의 자전, 공전 및 요동운동을 매 순간마다 서로 직교하는 두 방향의 독립적인 운동으로 분해하여 취출하고, 이를 다시 합성하여 출력축(5)으로 회전운동을 전달시키는 커플러(7)를 이용한 것이다.

상기한 커플러(7)는 도 6과 같이 전후방향으로 돌출된 돌출부(7c)에 슬라이딩면(7a, 7b)을 갖는 형상의 것으로, 서로 인접한 슬라이딩면(7a, 7b)이 서로 직각이 되도록 하고, 각 돌출부(7c)에 있어서 한쪽 슬라이딩면과 이에 평행한 다른쪽 슬라이딩면은 회전기어(6)의 슬롯(6b)에 슬라이딩 가능하게 삽입되고, 이들과 각각 직각으로 배치되는 반대쪽으로 돌출된 슬라이딩면은 출력측 슬롯(5b)에 삽입되어 진다. 상기와 같은 상태에서 입력축(4)이 회전하게 되면, 편심축(4a)에 의해 회전기어(6)가 내접기어(1a)에 맞물리면서 자전, 공전 및 요동운동을 하게 되고, 상기 커플러(7)가 회전기어(6)의 측면에 형성한 슬롯(6b)과 출력측에 형성한 슬롯(5b)에 동시에 슬라이딩 자유하도록 삽입되어 있으므로, 회전기어(6)가 요동하면서 회전하더라도 커플러(7)가 서로 직각인 두 방향으로 편심축(4a)의 편심량(ε)내에서 이동하면서 회전기어(6)의 자전에 의한 회전운동만을 출력측 슬롯(5b)에 전달하게 되므로 감속된 출력이 출력축(5)으로부터 얻어지는 것이다.

상기한 커플러를 본 발명에서는 'Sinusoidal커플러'라고 하는데, Sinusoidal커플러(7)는 도 6에 도시한 바와 같이, 서로 직각이고 돌출방향이 반대인 각각 두쌍의 슬라이딩면이 평행하게 형성되어 있다. 즉, 두쌍의 돌출부위중 한쌍은 회전기어(6)의 슬롯(6b)에 삽입되고 다른 한 쌍은 출력측 슬롯(5b)에 슬라이딩 자유하도록 삽입되어 회전기어(6)의 평면상의 요동운동을 Sinusoidal커플러(7)가 교묘히 흡수하면서 입력축(4)의 회전력을 출력축(5)에 전달할 수 있게 되는 것이다. 상기의 평면상의 요동운동은 수학적으로는 Sine과 Cosine함수의 합성함수로 표현할 수 있는데, 'Sinusoidal커플러'란 의미는 상기와 같이 평면상의 임의의 방향의 요동운동을 Sine과 Cosine으로 분해하여 취출하고 이를 다시 합성하여 출력축에 전달한다는 뜻에서 붙인 이름이다.

한편, 도 6과 같이 돌출부(7c)의 슬라이딩면이 서로 평행한 경우에는, 슬롯의 폭과 로울러 베어링을 포함한 슬라이딩면의 폭이 일치하여야만 회전시 백래쉬가 발생하지 않게 되나, 현실적으로는 제작이 대단히 어려운 것이 사실이다. 상기와 같이 슬롯부의 백래쉬 문제를 해결하기 위한 수단으로서는 도 7과 도 8에 보이는 것처럼 돌출부(7c)와 슬롯(5b, 6b)의 단면을 'V'자형으로 하여 조립시 축방향으로 일정한 예압을 가해주는 것이다. 이와같이 하면, 슬롯의 폭과 커플러의 슬라이딩면의 폭을 정밀가공해야 하는 부담이 크게 줄어들고, 가공비와 시간을 절약할 수 있다.

또한, 도 2, 도 4, 도 5에서 보는 바와같이, 편심축(4a)에 의해 회전되는 회전기어(6)의 무게중심은 입력축(4)의 회전중심으로 부터 ε만큼 편심되어 있기 때문에, 원심력이 발생하게 되어, 이것이 진동과 소음의 원인이 된다. 상기와 같은 진동현상을 억제하기 위한 수단으로, 도 9와 도 10에 보이는 것처럼 입력축(4)에 편심축(4a)의 편심방향과 반대방향으로 카운터 웨이트(4c, Counter Weight)를 설치하였다. 상기 카운터 웨이트(42)의 크기 및 형상을 적절히 선정하면, 입력축(4)이 고속회전 하더라도 감속기 전체로 보아 회전기어(6)의 원심력에 의한 진동은 거의 억제할 수 있게 된다.

도 11과 도 12는 감속비를 더욱 증대시키기 위한 수단으로 상기의 감속원리를 2단으로 확장하여 구성한 것을 나타낸다. 입력축(4)의 편심축(4a)에 의해 내접기어(1a)와 맞물려 자전 및 공전운동하는 회전기어(6)로 부터 감속된 회전력은 Sinusoidal커플러(7)에 의해 중간축(14)에 전달된다. 이 중간축(14)에는 제2편심축(14a)이 형성되어 있고, 상기 제2편심축(14a)은 제2회전기어(16)의 중심부에 회전자유하도록 삽입되어 있어 제2회전기어(16)는 제2내접기어(11a)와 맞물려 자전 및 공전운동 하도록 되어 있다.

상기 제2회전기어(16)의 측면에도 Sinusoidal커플러(17)가 슬라이딩 자유하도록 슬롯(16a) 2개가 중심부의 양쪽에 서로 평행하도록 형성되어 있어 더욱 감속된 회전력이 제2Sinusoidal커플러(17)를 거쳐 출력측 슬롯(5b)을 통해 출력축(5)으로 전달된다. 이와같이, 감속비는 감속기구의 단수를 증가시키는 방법으로 기하급수적으로 증대시킬 수 있는 것이다. 하지만, 일반적인 산업용의 경우, 2단 감속이면 거의 충분한 감속비를 얻는다.

본 발명을 구성하는 거의 모든 부품은 일반적인 범용 공작기계를 사용하여 제작이 가능하다. 특히, 구조적으로 백래쉬가 적고 콤팩트한 사이즈로도 고감속비를 실현할 수 있으며, 토오크 전달능력이 큰 장점이 있으므로 저가의 생산비로 고급감속기를 산업현장에 공급할 수 있다.

또한, 입출력축이 동일 축선상에 배치되므로 사용자가 사용하기에 편하고 주변장치와의 기계적인 인터페이스에도 대단히 효과적이다.

Claims

내부에 내접기어(1a)가 형성된 본체(1)와, 상기 본체(1)에 회전자유하도록 삽입되는 편심축(4a)이 형성되어 있는 입력축(4)과, 상기 내접기어(1a)와 맞물리되 외주에 형성된 기어이빨(6a)의 수가 상기 내접기어(1a)의 이빨 수 보다 적어도 1개이상 적게 형성되고 그 중심부에는 상기 입력축(4)의 편심축(4a)에 회전자유하도록 삽입되는 구멍(6c)이 있고 상기 입력축(4)의 회전에 따라 입력축(4)에 수직인 평면상에서 자전 및 공전, 요동운동을 하며 측면에는 회전력을 전달하기 위한 슬롯(6b)이 형성된 회전기어(6)와, 상기 회전기어(6)의 슬롯(6b)에 슬라이딩 자유하도록 결합되어 상기 회전기어(6)의 자전에 의한 감속된 회전력을 전달하되 상기 회전기어(6)의 평면상의 요동운동을 서로 직각인 두 방향의 성분으로 분해하여 흡수할 수 있도록 형성된 커플러(7)와, 상기 커플러(7)의 다른 한 쪽에 슬라이딩 자유하도록 결합되어 감속된 회전력을 전달받는 출력축(5)으로 구성된 것을 특징으로 하는 감속기.
내부에 내접기어(1a)가 형성된 본체(1)와, 상기 본체(1)에 회전자유하도록 결합되는 편심축(4a)이 형성되어 있는 입력축(4)과, 상기 내접기어(1a)와 맞물리되 외주에 형성된 기어이빨(6a)의 수가 상기 내접기어(1a)의 이빨 수 보다 적어도 1개이상 적게 형성되고 그 중심부에는 상기 입력축(4)의 편심축(4a)에 회전자유하도록 삽입되는 구멍(6c)이 있고 상기 입력축(4)의 회전에 따라 입력축(4)에 수직인 평면상에서 자전 및 공전, 요동운동을 하며 측면에는 회전력을 전달하기 위한 슬롯(6b)이 형성된 회전기어(6)와, 상기 회전기어(6)의 슬롯(6b)에 슬라이딩 자유하도록 결합되어 상기 회전기어(6)의 자전에 의한 감속된 회전력을 전달하되 상기 회전기어(6)의 평면상의 요동운동을 서로 직각인 두 방향의 성분으로 분해하여 흡수할 수 있도록 형성된 Sinusoidal커플러(7)와, 상기 Sinusoidal커플러(7)의 다른 한 쪽에 슬라이딩 자유하도록 결합되어 감속된 회전력을 전달받는 중간축(14)과, 상기 중간축(14)의 일부에 형성된 제2편심축(14a)에 중심부가 회전자유하게 삽입되고 외주에는 제2내접기어(11a)와 맞물리되 기어이빨의 수가 적어도 제2내접기어(11a)의 이빨수 보다 1개이상 적게 형성된 제2회전기어(16)와, 상기 제2회전기어(16)의 측면에 형성된 슬롯(16a)에 슬라이딩 자유하도록 결합되는 제2Sinusoidal커플러(17)와, 상기 제2 Sinusoidal커플러(17)의 다른 한 쪽에 슬라이딩 자유하도록 결합되는 슬롯(5b)이 형성되어 상기 제2Sinusoidal커플러(17)로 부터 감속된 회전력을 전달받는 출력축(5)으로 구성되어 2단으로 감속비를 얻어내는 것을 특징으로 하는 감속기.
상기 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 입력축(4)의 회전에 의해 상기 회전기어(6)가 상기 내접기어(1a)와 맞물려 회전하면서 자전 및 공전, 요동운동을 할 때 발생하는 원심력에 의한 진동을 상쇄시키기 위한 수단으로, 입력축(4)의 일부분에 카운터 웨이트(4c)를 설치한 것을 특징으로 하는 감속기.
상기 청구항 1 또는 2에 있어서, 한쪽은 상기 회전기어(6)의 슬롯(6b)에 슬라이딩 자유하게 삽입되고 다른 한쪽은 상기 출력축(5)의 측면에 형성된 슬롯(5b)에 슬라이딩 자유하게 삽입되는 Sinusoidal커플러(7)의 양쪽 돌출부(7c)에 형성된 슬라이딩면(7a, 7b)의 상대적인 각도는 90도를 이루고, 상기 돌출부(7c)의 단면은 사각형 모양으로 각 방향의 돌출부(7c)에 설치한 한쌍의 슬라이딩면은 서로 평행하게 형성된 것을 특징으로 하는 감속기.
상기 청구항 1 또는 2에 있어서, 한쪽은 상기 회전기어(6)의 슬롯(6b)에 슬라이딩 자유하게 삽입되고 다른 한쪽은 상기 출력축(5)의 측면에 형성된 슬롯(5b)에 슬라이딩 자유하게 삽입되는 Sinusoidal커플러(7)의 양쪽 돌출부(7c)의 상대적인 각도는 90도를 이루고, 상기 돌출부(7c)의 단면은 삼각형 또는 오각형 모양으로 각 방향의 돌출부(7c)에 설치한 한쌍의 슬라이딩면은 서로 평행하지 않은 일정한 각도를 이루도록 형성한 것을 특징으로 하는 감속기.
상기 청구항 1 또는 2에 있어서, 입력축(4)과 출력축(5)을 양단에서 베어링 지지하여 굽힘강성을 증대시킬 수 있도록 구성한 것을 특징으로 하는 감속기.
상기 청구항 1 또는 2에 있어서 입력축(4)과 출력축(5)의 축중심이 동일축선상에 배치되는 것을 특징으로 하는 감속기.