KR101053250B1 - 인볼루트 베벨기어를 이용한 기어커플링 - Google Patents

인볼루트 베벨기어를 이용한 기어커플링 Download PDF

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Abstract

본 발명은 베벨기어를 이용한 기어커플링에 관한 것으로, 상세하게는 기어의 치합에 의해 제1회전축과 제2회전축을 연결하여 동력을 전달하는 기어커플링에 있어서, 원통형상으로 이루어져 일측이 제1회전축과 결합되고, 타측 원주를 따라 인볼루트 치형을 가지는 내접베벨기어가 내측으로 경사지게 형성된 내접허브; 원통형상으로 이루어지고 일측 외주에 스플라인이 형성되어 제2회전축과 결합되고, 타측 원주를 따라 인볼루트 치형을 가지는 외접베벨기어가 외측으로 경사지게 형성되어 상기 내접베벨기어와 치합되는 외접허브; 상기 내접허브 내부에 제1스러스트 베어링에 의해 회전가능하게 결합되는 제1피봇홀더; 상기 외접허브 내부에 제2스러스트 베어링에 의해 회전가능하게 결합되고 상기 제1피봇홀더와 힌지결합되는 제2피봇홀더; 및 원통 형상을 이루고 내주면에 축방향으로 스플라인홈이 형성되며 상기 외접허브와 제2회전축 사이에 게재되어 축방향 유동을 가이드 할 수 있는 스플라인 스페이서;로 이루어져, 상기 내접베벨기어와 외접베벨기어가 백래쉬를 형성하면서 치합됨으로써 제1회전축과 제2회전축이 축각을 형성한 상태에서도 동력을 전달하는 것을 특징으로 하며, 이에 의하면 동력밀도가 더 우수하고 잠김 현상이 없어 굽힘 모멘트도 발생하지 않으며 속도 전달오차가 없기 때문에 진동이 감소할 뿐 아니라 치면의 미끄럼량이 적어서 기어수명이 길고 원심력으로 찌꺼기가 치면 외측으로 빠져나가기 때문에 톱니 사이에 끼지 않는다.
Figure R1020090079282
베벨기어, 커플링, 허브, 내접, 외접, 피봇홀더, 스러스트, 스플라인, 패킹

Description

인볼루트 베벨기어를 이용한 기어커플링{Gear coupling using involute bevel gear}
본 발명은 기어커플링에 관한 것으로, 보다 상세하게는 구형 인볼류트 베벨기어를 이용하여 축정렬 오차를 흡수하면서 동력을 원활하게 전달할 수 있는 인볼루트 베벨기어를 이용한 기어커플링에 관한 것이다.
기어커플링은 내접기어와 외접기어의 치합으로 축을 연결하여 동력을 전달하는 장치로서 종래의 기어커플링은 도 1에 도시된 바와 같다. 도 1은 종래 기어커플링을 나타내는 단면도이다.
기어커플링은 외접기어 형태의 피니언(Pinion)과 내접기어 형태의 슬리브(Sleeve)로 구성되며 피니언(2)은 일측 회전축(1)에 고정되고 슬리브(3)는 타측 회전축(1)에 고정된다.
그리고 피니언(2)은 톱니(2a)에 크라우닝(crowning) 처리되어 있고 치형은 인볼류트(Involute)를 기본으로 한다.
크라우닝이란 톱니 중앙부가 볼록하게 되도록 가공하는 것이다. 피니언(2) 톱니(2a)에 크라우닝을 실시하는 목적은 구동회전축(1)과 피구동회전축(1)의 위치나 축선방향이 어긋나도 기어커플링으로서 기능하게 하기 위해서이다.
세부적으로 슬리브(3) 내에는 윤활제로서 그리스(Greese)나 윤활유가 충진되어 있으며, 슬리브(3)의 양단에는 윤활제가 비산하는 것을 방지하는 커버(4)가 결합되어 있고, 슬리브(3) 중앙에는 슬리브(3)를 이등분 하는 중심판(5)이 있다. 또한 피니언(2)이 회전축에서 탈락하는 것을 방지하도록 체결하는 축너트(6)가 결합되어 있고 더불어 축너트(6)가 중심판(5)에 충돌하는 것을 막는 완충재(7)가 설치된다.
따라서, 양 회전축의 정열이 어긋나도 피니언(2)의 외부 톱니(2a)가 크라우닝되어 있기 때문에 원활한 구동력 전달이 가능할 뿐 아니라 양 회전축이 축선방향으로 이동할 때도 슬리브(3) 내의 내부 톱니(3a)의 홈을 따라 피니언(2)의 외부 톱니(2a)가 일정거리 자유롭게 이동하므로 구동력 전달에 문제가 없다.
기어커플링은 백래쉬(Backlash)와 치열방향에 크라우닝이 부과되어 있어서 동력 회전축의 축각오차와 축유동을 흡수하게 되며 이중으로 설치함으로써 축각오차와 축유동뿐 아니라 축평행 오차까지도 흡수하게 되는 것이다.
도 2는 커플링에서 발생할 수 있는 3가지 종류의 축정렬오차를 나타내는 개념도이다.
축각오차(a)는 양 축이 어떤 요인에 의해 180°를 이루지 않고 일정각을 형성하게 되는 것이며, 축유동(b)은 양 축이 어떤 요인에 의해 근접하거나 멀어지는 것을 의미하며, 평행오차(c)는 양 축이 일직선 상에 위치하지 않고 서로 평행하게 어긋나는 현상을 말한다.
실제로는 이러한 3가지 종류의 모든 오차가 3차원적으로 복합되어 발생하기 때문에 기어커플링은 모든 오차를 흡수하면서 동력을 정확하게 전달할 수 있어야 한다.
기어커플링은 동력밀도(Power Density)가 매우 높고 굽힘모멘트가 없는 것이 장점인 반면, 마찰이 심하여 톱니의 마모가 많은 단점이 있다. 또한 과도한 운전조건에서 잠김(Locking) 현상이 발생할 수 있으며 속도전달 오차가 생기며 원심력으로 찌꺼기가 원주방향으로 몰려서 치면에 자주 끼는 문제가 발생하기도 하여 고속 축이음에는 부적합하다.
또 다른 종류로 플렉시블 커플링(Flexible coupling)은 연결해야할 양 축 사이를 유연한 탄성매개물로 구성하여 연결하는 축이음으로서 다이아프램, 겹판 디스크, 코일스프링, 고무 혹은 합성수지의 엘라스토머 등을 사용한다.
플렉시블 커플링의 경우 윤활이 필요없고 구조가 간단하며, 고주파 회전진동을 절연시키는데 효과적이나 피로수명이 짧고 특히, 이음부분의 부식 혹은 훼손이 많다. 또한 공진과 같은 추가적인 진동이 발생할 수 있고 동력밀도가 낮아서 유효직경이 기어커플링보다 커지며 굽힘모멘트가 발생하는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 기어커플링의 장점을 살리면서 단점을 해결하고자 안출된 것으로 본 발명의 목적은 구형 인볼루트 베벨기어를 사용하여 축각오차, 축유동 및 평행오차를 극복할 수 있는 인볼루트 베벨기어를 이용한 기어커플링을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 기어의 치합에 의해 제1회전축과 제2회전축을 연결하여 동력을 전달하는 기어커플링에 있어서, 원통형상으로 이루어져 일측이 제1회전축과 결합되고, 타측 원주를 따라 인볼루트 치형을 가지는 내접베벨기어가 내측으로 경사지게 형성된 내접허브; 원통형상으로 이루어지고 일측 외주에 스플라인이 형성되어 제2회전축과 결합되고, 타측 원주를 따라 인볼루트 치형을 가지는 외접베벨기어가 외측으로 경사지게 형성되어 상기 내접베벨기어와 치합되는 외접허브; 상기 내접허브 내부에 제1스러스트 베어링에 의해 회전가능하게 결합되는 제1피봇홀더; 상기 외접허브 내부에 제2스러스트 베어링에 의해 회전가능하게 결합되고 상기 제1피봇홀더와 힌지결합되는 제2피봇홀더; 및 원통 형상을 이루고 내주면에 축방향으로 스플라인홈이 형성되며 상기 외접허브와 제2회전축 사이에 게재되어 축방향 유동을 가이드 할 수 있는 스플라인 스페이서;로 이루어져, 상기 내접베벨기어와 외접베벨기어가 백래쉬를 형성하면서 치합됨으로써 제1회전축과 제2회전축이 축각을 형성한 상태에서도 동력을 전달할 수 있는 것을 특징으로 한다.
삭제
또, 상기 내접허브와 외접허브 내부에는 윤활제가 충진되고, 상기 제1스러스 트 베어링과 제2스러스트 베어링 각각의 일측에는 윤활제를 밀폐하는 제1패킹디스크와 제2패킹디스크가 결합되며, 상기 내접허브와 외접허브의 외주면에는 윤활제를 밀폐하는 케이스가 결합되는 것을 특징으로 한다.
삭제
바람직한 것은 상기 내접허브와 외접허브가 이루는 피치원추각은 70°~ 80°인 것을 특징으로 한다.
한편, 상기의 인볼루트 베벨기어를 이용한 기어커플링 한 쌍을 마주보게 배치하고, 원통 형상을 가지고 내주면에 축방향으로 스플라인홈이 형성된 스플라인 스페이서의 양측으로 각 기어커플링에 형성된 제1스플라인과 제2스플라인이 각각 삽입되어 상기 한 쌍의 기어커플링을 연결함으로써, 제1회전축과 제2회전축이 축각을 형성하고 축유동이 발생하며 축선이 어긋난 상태에서도 동력을 전달할 수 있는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같은 구성에 의한 본 발명의 효과는 우수한 면압강도로 인하여 종래 일반적인 기어커플링에 비해 동력밀도가 더 우수하고 잠김현상이 없기 때문에 회전축에 굽힘모멘트가 발생하지 않는다.
또 치면의 미끄럼량이 적어 마모가 감소하기 때문에 기어수명이 길며 회전시 원심력으로 윤활제의 찌꺼기가 치면 외측으로 빠져나가기 때문에 톱니 사이에 끼지 않아 기어의 수명을 더 증가시켜준다.
뿐만 아니라 허용 축각오차는 백래쉬량에 비례하는데 기어 조립시 통상적인 백래쉬량인 0.05m를 부여한 경우에도 일 실시 예에서 보여준 바대로 상당한 성과를 얻었음을 볼 때 치충돌이 발생하지 않는(적어도 0.05m 보다 큰) 최대한의 백래쉬량이 파악된다면 상당량의 허용 축각오차의 증대효과를 갖는다.
그리고 속도 전달오차가 없기 때문에 추가로 진동이 발생하지 않는다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시 예를 상세하게 설명하고자 한다. 하기 설명 및 첨부 도면에 나타난 바는 본 발명의 전반적인 이해를 위해 제시된 것이므로 본 발명의 기술적 범위가 그것들에 한정되는 것은 아니다. 그리고 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 구성 및 기능에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명은 내접허브(110), 외접허브(120), 제1피봇홀더(130), 제2피봇홀더(140)를 기본 구성으로 하는데, 내접허브(110)와 외접허브(120)는 구형 인볼루트(Spherical involute) 베벨기어를 이루면서 치합하여 회전하고 내접허브(110)와 외접허브(120) 내부에 각각 제1피봇홀더(130)와 제2피봇홀더(140)가 서로 힌지결합하면서 내설되어 내접허브(110)와 외접허브(120)가 치합된 상태를 유지하면서 회전함으로써 상호 1:1의 전달비로 회전력을 전달할 수 있게 하는 구조이다.
구형 인볼루트 베벨기어는 공지된 베벨기어의 형태로서 베벨기어의 완전한 구형 인볼루트 곡면은 기초원추의 측면에 감겨진 늘어나지 않는 막이 풀리면서 그 평면의 한 모서리가 그리는 궤적의 곡면에 해당한다.
구형 인볼루트 베벨기어에 대한 기구학적 특성 등은 한국정밀공학회지 제12권 제5호(1995.5)"완전한 인볼류트 베벨기어쌍의 기구학적 고찰 및 형상 모형화"(박노길), 한국정밀공학회지 제17권 제2호(2000.2)"구형 인볼루트 베벨기어에 대한 실험적 연구"(정동현, 이형우, 박노길)을 참조할 수 있다.
<실시 예 1>
먼저 도 3과 도 2를 참조하여 상기 내접허브(110)를 설명한다. 도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시 예를 따른 베벨기어를 이용한 기어 커플링의 내부구조를 나타내는 내부 절개사시도, 도 4는 도 3에 도시된 본 발명의 내접허브 및 제1피봇홀더를 나타내는 사시도이다.
상기 내접허브(110)는 전체적으로 대략 원통형을 이루면서 일측은 제1회전축과 연결되고 타측에는 도 4에 도시된 바와 같이 원주를 따라 톱니 형상을 가지는 내접베벨기어(112)가 형성된다.
상기 내접베벨기어(112)는 내측으로 일정각도 경사지게 가공 형성되고 치형은 인볼루트 치형이며 기존의 기어커플링처럼 치열방향으로의 크라우닝 가공은 필요로 하지 않는다.
다음으로 역시 도 3을 참조하여 외접허브(120)에 대해 설명한다.
상기 외접허브(120)도 상기 내접허브(110)와 대응되도록 전체적으로 대략 원통형을 이루면서 일측은 제2회전축과 연결되고 타측에는 원주를 따라 톱니 형상을 가지는 다수개의 외접베벨기어(122)가 형성된다.
상기 외접베벨기어(122)는 외측으로 일정각도 경사지게 가공 형성되고 치형은 인볼루트 치형이며 치면은 역시 별도의 크라우닝 가공을 필요로 하지 않는다.
그리고 상기 외접베벨기어(122)는 상기 내접베벨기어(112)와 치합하되, 백래쉬(Back lash)를 형성하면서 치합하며 상기 외접허브(120)와 내접허브(110)가 이루는 피치원추각(θ)이 약 70°~ 80°를 이루게 치합되는 것이 바람직하다.
백래쉬는 원래 기어 회전을 원활하게 하기 위해 맞물리는 기어 톱니 사이에 두는 틈을 의미하는데, 본 발명에서 이러한 백래쉬는 양 축이 이루는 축각오차를 충분히 흡수하도록 일정량으로 부과된다.
여기서, 상기 내접베벨기어(112)와 외접베벨기어(122)의 잇수가 동일함은 당연하다.
도 5는 축각오차에 따른 내접베벨기어와 외접베벨기어의 물림상태를 나타내는 사시도이다. (a)는 축각오차가 없을 때, (b)는 축각오차가 있을 때를 나타낸다.
도시된 바와 같이 축각오차가 없을 때 내접베벨기어(112)와 외접베벨기어(122)는 피치원 상에서 모든 기어가 동시에 접한다.
그러나 축각오차가 발생한 상태에서는 내접/외접베벨기어는 피치선 쪽으로 기어접촉이 유지되며 그 반대쪽은 기어의 이가 서로 분리된다. 즉, A에서 내접베벨기어(112)와 외접베벨기어(122)가 서로 밀착되는 반면, B 위치에서는 서로 분리된 상태를 볼 수 있다. 그러나 상호 기어의 물림은 양호하여 원활하게 회전력 전달이 진행된다.
기존 기어커플링의 치접촉은 크라우닝 가공으로 인하여 점접촉이고 치면 사이 미끄럼이 과다하여 마모가 잘 생기는 취약점이 있는데 반해 본 발명은 별도의 크라우닝 가공이 없어서 선접촉이고 치면사이 미끄럼도 매우 작기 때문에 마모로 인한 수명이 상당히 길어진다. 또 이것은 전달될 수 있는 토크량이 증대되는 결과를 가져온다. 즉 기존에 비해 더 높은 동력밀도를 얻을 수 있다.
그리고 구형 인볼루트 치형의 경우 축각이 변동하더라도 1:1 속도비가 유지될 수 있는 장점이 있어 축각이 발생해도 전달오차가 발생하지 않아 추가적인 진동발생 없이 정숙한 운전을 할 수 있다.
또한, 본 발명에서 백래쉬는 축각오차를 극복하기 위한 수단이 되기도 하지만 윤활제에 포함된 슬러지나 찌꺼기를 배출하는 통로로서의 기능을 수행한다. 기존 기어커플링의 경우는 윤활 중의 찌꺼기(쇳조각 등)가 원심력에 의해 슬리브 이뿌리부와 피니언의 치면 이끝부에 모여 쌓임으로 인해 치접촉부에 끼어 기어 손상을 일으키는데 반하여 본 발명은 구형 베벨기어 치합으로 인하여 치열이 방사형으로 향하고 있어서 원심력에 의해 찌꺼기는 백래쉬를 통해 외부로 배출되어 오히려 치면에서 제거되는 효과를 얻는다. 그래서 치면상태가 항상 청결하여 피팅이나 스코핑 강도가 크게 향상된다.
한편, 본 발명은 큰 제약없이 수용가능한 축각오차의 한계를 늘릴 수 있다.
기존의 기어커플링의 허용 축각오차는 치폭과 치열방향의 크라운량(치열방향 곡률반경)에 따라 결정된다. 따라서 허용 축각오차를 늘리려면 치폭도 줄이고 크라운량도 더 크게 해줘야 하는데 그만큼 치 강도가 감소하는 것은 자명하다. 그로 인 하여 기존 기어커플링은 최대축각오차의 범위에 한계가 있다.
본 발명의 경우, 허용 축각오차는 백래쉬량에 의해서 결정된다. 백래쉬량(B)과 허용 축각오차(ΔΣ) 사이의 관계식은 다음과 같다.
Figure 112009052385646-pat00001
여기서, Z는 기어잇수,
Figure 112009052385646-pat00002
는 기어의 기초원추각이며, m은 기어모듈이다.
백래쉬량은 통상적으로 조립오차를 감안하여 기어의 조립이 원활히 이루어지도록 하기위하여 약 모듈의 0.05배를 부여한다. 이 정도의 크기는 조립을 원활히 이루면서 역방향 토크가 발생할 때 치의 뒷면끼리 서로 충돌하는 문제를 충분히 방지할 수 있는 만큼의 경험적인 량이다. 따라서 역방향 토크로 인한 치 충돌을 방지할 수 있는 벡래쉬량을 0.05m의 수준으로 보는 것은 타당하다. 통상적인 백래쉬량을 (1)식에 대입하면
Figure 112009052385646-pat00003
와 같이 되므로 바람직한 실시예(Z=21,
Figure 112009052385646-pat00004
=60°)에 대해서는 허용축각오차 ΔΣ가 0.6°까지 됨을 알 수 있다.
이 정도의 크기는 기존의 기어커플링의 허용 축각오차(0.5°~ 1.0°)와 거의 맞먹는 수준이므로 별도의 백래쉬량 없이도 통상적인 커플링의 허용 축각오차를 충분히 흡수할 수 있다고 본다. 따라서 통상적인 백래쉬량(0.05m)만큼을 부과하더라도 조립이 원활히 이루어질 뿐만 아니라 허용축각오차는 0.6°까지 가능하게 된다.
역토크로 인한 치충돌이 발생하는 한계 백래쉬량이 0.05m보다 얼마나 더 클지는 경우에 따라 다르나 본 발명은 한계 백래쉬량까지 최대로 백래쉬를 부여할 수 있으며 그 만큼 축각오차의 허용량이 증가하는 것은 자명하다. 따라서 본 발명은 기존의 기어카플링에 비하여 허용축각오차를 증가시키는데 훨씬 자유롭다는 것은 자명한 사실이다. 따라서, 치충돌이 안되는 치굽힘강도가 허용되는 범위에서 백래쉬량을 크게 할 수 있다.
참고로 상기 내접허브(110)와 외접허브(120)가 치합하는 부분은 후술하는 케이스에 의해 밀폐되는데, 이 부분은 도시된 바와 같이 외접허브(120) 측의 직경이 상대적으로 작게 형성되고 상기 내접베벨기어(112)로부터 외접베벨기어(122)에 이르는 외면이 곡면을 이룬다.
다음으로 도 3과 도 4를 참조하여 제1피봇홀더(130)와 제2피봇홀더(140)를 함께 설명한다.
상기 제1, 제2피봇홀더는 도시된 바와 같이 각각 상기 내접, 외접허브 내부에서 회전가능하게 결합되고 서로 힌지결합된다.
각각은 서로 구조가 동일하므로 제1피봇홀더(130)를 위주로 설명하자면, 도시된 바와 같이 원기둥 형상으로 일측이 상기 내접허브(110) 내부에 삽입되어 결합되는데, 회전 가능하고 축방향으로 지지(추력지지)될 수 있도록 제1스러스트 베어링(132)에 의해 상기 내접허브(110)와 결합된다. 스러스트 베어링은 하중이 축방향으로 작용하는 것을 지지하는 베어링인데 볼(Ball), 칼라(Collar), 풋스 텝(Footstep) 베어링 등이 사용될 수 있다.
그리고 상기 제1피봇홀더(130)의 타측은 상기 외접허브(120)의 중심을 향하도록 배치되며 그 단부에는 핀(p)이 삽입될 수 있는 홀(h)이 형성된다.
마찬가지로 상기 제2피봇홀더(140)도 상기 외접허브(120) 내부에 삽입되어 제2스러스트 베어링(142)에 의해 결합되며 타측 단부에 홀(h)이 형성되며 상기 제1피봇홀더(130)의 홀(h)과 연통되게 배치되어 핀(p)으로 고정됨으로써 상호 힌지결합된다.
이러한 구조로 되어 있어 상기 제1, 제2피봇홀더(140)는 상기 내접, 외접허브(120)가 마주보는 것과 같이 마주보며 결합되어 있어 상기 내접, 외접허브(120)가 치합된 상태를 유지하는 동시에 토크전달시 축방향으로 발생하는 반력(추력)을 지지해준다.
그리고 상기 내접, 외접허브(120)에 축각이 발생할 때 상기 제1, 제2피봇홀더(140)가 상호 힌지결합되어 있으므로 축각에 능동적으로 대응하여 흡수할 수 있으며 동시에 각각 제1, 제2스러스트 베어링(142)에 의해 회전 가능하게 결합되므로 양 축의 회전력을 방해하지 않는다.
바람직하게는, 상기 내접허브(110)와 외접허브(120)가 형성하는 내부공간에는 윤활제가 충진되는 것이 좋다. 윤활제는 상기 내접베벨기어(112)와 외접베벨기어(122)의 물림 및 상기 제1, 제2피봇홀더(140)의 힌지결합과 제1, 제2스러스트 베어링(142)의 작용을 윤활한다.
이러한 윤활제를 밀폐하기 위해서 상기 제1스러스트 베어링(132)과 제2스러 스트 베어링(142) 각 일측에는 원판 형상의 제1패킹디스크(150)와 제2패킹디스크(160)가 결합되며, 상기 내접허브(110)와 외접허브(120)가 치합하는 부분의 외주면에는 상기 내접베벨기어(112)와 외접베벨기어(122)가 형성하는 백래쉬를 통해 배출되는 윤활제를 밀폐하도록 원통형상의 케이스(170)가 결합된다. 물론 상기 제1, 제2패킹디스크(160) 및 케이스(170)는 오링과 같은 것을 사용해서 실링(Sealing) 처리가 되어야 할 것이다.
상기 케이스(170)는 상기 내접허브(110)와 외접허브(120)가 치합하는 부분의 외주면과 약간의 간격을 두고 결합되며 앞서 언급한 바와 같이 곡면을 형성하는 것이 바람직한데, 이것은 양 축이 축각을 형성할 때 상기 케이스(170)가 곡면이어야 상기 내접허브(110)와 외접허브(120)가 치합하는 부분이 곡면으로 형성되어 상기 케이스(170) 내부에서 관절이나 유니버셜 조인트(Universal Joint)과 같이 거동할 수 있게 된다.
도 6은 본 발명에 의해 축각오차가 극복되는 상태를 나타내는 개념도이다.
실제 축각오차가 발생하는 것은 3차원 거동이나 이해를 위해서 2차원적 거동으로 도시하였음을 일러둔다. 점선부분은 축각오차가 발생하기 전 상태를 나타내며 실선은 축각오차가 발생한 상태를 나타낸다.
상기 내접허브(110)와 외접허브(120) 사이에는 백래쉬가 형성되어 있기 때문에 내접베벨기어(112)와 외접베벨기어(122)가 치합되는 부분의 일측(도 6에서 아래부분)이 밀착되면 반대측(도 6에서 윗부분)은 서로 간격이 벌어지고 핀(p)을 중심으로 제1피봇홀더(130)와 제2피봇홀더(140)도 일정각도로 꺾이면서 양 회전축은 축 각을 형성하게 된다.
본 발명에서 상기 외접허브(120)와 제2회전축 사이에는 스플라인 스페이서(180)가 더 개재될 수 있다.
상기 스플라인 스페이서(180)는 축의 축방향 유동을 가이드하여 흡수할 수 있는 것으로서, 원통형상을 이루고 내주면에 축방향을 따라 스플라인홈(182)이 형성된다.
상기 외접허브(120)의 일측 외주에는 상기 스플라인홈(182)에 대응하게 결합될 수 있도록 다수개의 키(Key)가 형성된 형상의 스플라인(124)이 형성된다.
따라서, 상기 스플라인 스페이서(180)의 일측에 제2회전축을 고정하거나 스플라인 결합시키고 동시에 상기 외접허브(120)의 스플라인(124)이 상기 스플라인 스페이서(180)의 타측 내부에 삽입되어 축방향으로 일정거리 미끄러지면서 축방향으로 이동가능하게 거동함으로써 제1, 제2회전축이 축방향으로 유동할 때 그 오차를 흡수하게 된다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시 예를 살펴본다.
<실시 예 2>
<실시 예 1>에서 상술한 베벨기어 기어커플링 한 쌍을 상기 스플라인 스페이서와 같은 연결부재에 의해 결합시킨 베벨기어를 이용한 이중기어커플링이다. 도 7은 본 발명의 바람직한 다른 실시 예에 따른 베벨기어를 이용한 기어커플링의 내부 구조를 나타내는 내부 절개사시도이다.
본 발명은 크게 제1내접허브(210), 제1외접허브(220), 제1피봇홀더(230), 제2피봇홀더(240)로 구성되는 하나의 베벨기어를 이용한 기어커플링과, 제2내접허브(310), 제2외접허브(320), 제3피봇홀더(330), 제4피봇홀더(340)로 구성되는 또 하나의 베벨기어를 이용한 기어커플링을 스플라인 스페이서(400)로 연결하되 마주보도록 결합되어 동력을 연결하고자 하는 제1회전축과 제2회전축이 축각을 형성하면서 동시에 축선이 어긋난 상태에서도 동력을 원활하게 전달할 수 있게 된다. 즉, 축각오차와 평행오차를 동시에 극복한다.
상기 제1내접허브(210), 제1외접허브(220), 제2내접허브(310), 제2외접허브(320)는 각각 <실시 예 1>에 상술한 상기 내접허브(110) 및 외접허브(120)와 그 구성이 대동소이하므로 상세한 설명은 생략한다.
그리고 상기 제1피봇홀더(230), 제2피봇홀더(240), 제3피봇홀더(330), 제4피봇홀더(340)도 상술한 앞 실시 예의 제1피봇홀더(130) 및 제2피봇홀더(140)와 그 구성이 대동소이 하다.
또한, 스플라인 스페이서(400)도 내주면에 스플라인홈(410)이 형성된 원통형상을 가지므로 상술한 것과 동일한 구성을 가진다.
다만 이와 같이 베벨기어 두 개를 이용하기 때문에 앞 실시 예에서는 흡수할 수 없는 평행오차를 흡수할 수 있게 된다. 즉, 본 발명의 구형 인볼루트 베벨기어를 이중으로 사용하면 축각오차, 축유동, 평행오차 3개를 모두 극복하면서 회전력을 원활하게 전달할 수 있게 된다.
도 8은 본 발명에 다른 실시 예에 따라 축각오차 및 평행오차가 극복되는 것을 나타내는 개념도이다.
실제 축각오차 및 평행오차가 발생하는 것은 3차원 거동이나 이해를 위해서 2차원적 거동으로 도시하였음을 일러둔다. 점선부분은 축각오차 및 평행오차가 발생하기 전 상태를 나타내며 실선은 축각오차 및 평행오차가 발생한 상태를 나타낸다.
역시 백래쉬로 인해 제1내접베벨기어(212)와 제1외접베벨기어(222)가 치합되는 부분의 아래부분이 밀착되면 윗부분은 서로 간격이 벌어지고 핀(p)을 중심으로 제1피봇홀더(230)와 제2피봇홀더(240)도 일정각도로 꺾이게 되고, 동시에 제1내접베벨기어(312)와 제2외접베벨기어(322)가 치합되는 부분의 윗부분이 서로 밀착되면 아래부분은 서로 간격이 벌어지고 핀(p)을 중심으로 제3피봇홀더(330)와 제4피봇홀더(340)도 동일 각도로 꺾이게 되면서 양 회전축은 축각을 형성할 뿐 아니라 축선이 어긋난 상태에서도 동력을 원활하게 전달할 수 있는 것이다.
참고로 본 발명에서 축정열오차(축각오차, 평행오차, 축유동)를 완전히 흡수할 수 있는 영역을 3차원적으로 살펴보면, 기어커플링 1개를 사용할 때의 허용 축각오차(ΔΣ0)와 허용 축유동량(ΔZ0)에 따라 결정된다. 도 9는 다소 과장된 허용 축정열오차인 ΔΣ0 = 10°, 허용 축유동인 ΔZ0 = 21mm에 대하여 제1회전축 피봇중심(도 8에서 p 위치)과 제1회전축 중심 사이의 거리 a = 70mm, 스플라인 스페이서 의 표준거리 LS = 140mm에 대한 제1회전축 중심의 상대변위
Figure 112009052385646-pat00005
의 범위를 나타낸다. 이 영역 내에서 발생되는 축정열오차에 대하여 제1회전축과 제2회전축 간의 축각오차(ΔΣt)와 평행오차(ΔE)는 다음과 같이 계산된다.
축각오차
Figure 112009052385646-pat00006
,
평행오차
Figure 112009052385646-pat00007
여기서,
Figure 112009052385646-pat00008
: 제2회전축 중심 변위에 대한 제1회전축 중심의 상대변위,
Figure 112009052385646-pat00009
: 제1회전축 중심의 방향벡터,
Figure 112009052385646-pat00010
: 제2회전축 중심의 방향벡터,
Figure 112009052385646-pat00011
: 제1회전축과 제2회전축 사이의 최단거리 법선벡터
그리고 도 9에 도시된 다수의 점들은 축정열오차를 완전히 흡수할 수 있는 제1회전축 중심의 의미있는 영역을 시뮬레이션한 위치이다.
도 1은 종래 일반적인 기어커플링의 구조를 나타내는 단면도.
도 2는 커플링에서 발생할 수 있는 3가지 종류의 축정렬오차를 나타내는 개념도.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 베벨기어를 이용한 기어커플링의 내부구조를 나타내는 내부 절개사시도.
도 4는 도 3에 도시된 본 발명의 내접허브 및 제1피봇홀더를 나타내는 사시도.
도 5는 축각오차에 따른 내접베벨기어와 외접베벨기어의 물림상태를 나타내는 사시도. (a)는 축각오차가 없을 때, (b)는 축각오차가 있을 때.
도 6은 본 발명에 의해 축각오차가 극복되는 상태를 나타내는 개념도.
도 7은 본 발명의 바람직한 다른 실시 예에 따른 베벨기어를 이용한 기어커플링의 내부구조를 나타내는 내부 절개사시도
도 8은 본 발명에 다른 실시 예에 따라 축각오차 및 평행오차가 극복되는 것을 나타내는 개념도.
<< 도면의 주요부분에 대한 설명 >>
110 : 내접허브 112 : 내접베벨기어
120 : 외접허브 122 : 외접베벨기어
124 : 스플라인 130 : 제1피봇홀더
132 : 제1스러스트 베어링 140 : 제2피봇홀더
142 : 제2스러스트 베어링 150 : 제1패킹디스크
160 : 제2패킹디스크 170 : 케이스
180 : 스플라인 스페이서 182 : 스플라인홈
p : 핀 h : 홀
θ : 피치원추각
210 : 제1내접허브 212 : 제1내접베벨기어
220 : 제1외접허브 222 : 제1외접베벨기어
230 : 제1피봇홀더 240 : 제2피봇홀더
310 : 제2내접허브 312 : 제2내접베벨기어
320 : 제2외접허브 322 : 제2외접베벨기어
330 : 제3피봇홀더 340 : 제4피봇홀더
400 : 스플라인 스페이서 410 : 스플라인홈

Claims (6)

  1. 기어의 치합에 의해 제1회전축과 제2회전축을 연결하여 동력을 전달하는 기어커플링에 있어서,
    원통형상으로 이루어져 일측이 제1회전축과 결합되고, 타측 원주를 따라 인볼루트 치형을 가지는 내접베벨기어(112)가 내측으로 경사지게 형성된 내접허브(110);
    원통형상으로 이루어지고 일측 외주에 스플라인(124)이 형성되어 제2회전축과 결합되고, 타측 원주를 따라 인볼루트 치형을 가지는 외접베벨기어(122)가 외측으로 경사지게 형성되어 상기 내접베벨기어(112)와 치합되는 외접허브(120);
    상기 내접허브(110) 내부에 제1스러스트 베어링(132)에 의해 회전가능하게 결합되는 제1피봇홀더(130);
    상기 외접허브(120) 내부에 제2스러스트 베어링(142)에 의해 회전가능하게 결합되고 상기 제1피봇홀더(130)와 힌지결합되는 제2피봇홀더(140); 및
    원통 형상을 이루고 내주면에 축방향으로 스플라인홈(182)이 형성되며 상기 외접허브(120)와 제2회전축 사이에 게재되어 축방향 유동을 가이드 할 수 있는 스플라인 스페이서(180);로 이루어져,
    상기 내접베벨기어와 외접베벨기어가 백래쉬를 형성하면서 치합됨으로써 제1회전축과 제2회전축이 축각을 형성한 상태에서도 동력을 전달하는 것을 특징으로 하는 인볼루트 베벨기어를 이용한 기어커플링.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 내접허브(110)와 외접허브(120) 내부에는 윤활제가 충진되고,
    상기 제1스러스트 베어링(132)과 제2스러스트 베어링(142) 각각의 일측에는 윤활제를 밀폐하는 제1패킹디스크(150)와 제2패킹디스크(160)가 결합되며,
    상기 내접허브(110)와 외접허브(120)의 외주면에는 윤활제를 밀폐하는 케이스(170)가 결합되는 것을 특징으로 하는 인볼루트 베벨기어를 이용한 기어커플링.
  4. 삭제
  5. 제 1 항 또는 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내접허브(110)와 외접허브(120)가 이루는 피치원추각은 70°~ 80°인 것을 특징으로 하는 인볼루트 베벨기어를 이용한 기어커플링.
  6. 제 1 항 또는 제 3 항 중 어느 한 항의 인볼루트 베벨기어를 이용한 기어커플링 한 쌍을 마주보게 배치하고, 원통 형상을 가지고 내주면에 축방향으로 스플라인홈(410)이 형성된 스플라인 스페이서(400)의 양측으로 각 기어커플링에 형성된 제1스플라인(224)과 제2스플라인(324)이 각각 삽입되어 상기 한 쌍의 기어커플링을 연결함으로써,
    제1회전축과 제2회전축이 축각을 형성하고 축유동이 발생하며 축선이 어긋난 상태에서도 동력을 전달할 수 있는 것을 특징으로 하는 인볼루트 베벨기어를 이용한 기어커플링.
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