KR101270945B1 - 진동저감 기어 - Google Patents

Abstract

본 발명은 운전시 발생되는 진동과 소음을 감소시키기 위한 진동저감 기어에 관한 것으로, 중앙에 원형의 관통공(11)이 형성되고, 상기 관통공(11)의 외주면에 일정 간격을 두고 중심을 기준으로 복수 개의 관통슬릿(12)이 방사상으로 연장 형성되는 베이스부(10)와; 상기 베이스부(10)의 외측에 형성된 원형의 둘레를 따라 동일한 형상의 치형이 반복 형성되는 치형부(20) 및; 상기 관통공(11)과 상기 관통슬릿(12)의 내부에 일정 간격을 두고 이격 설치되는 축결합부(30)로 이루어지고, 상기 축결합부(30)의 중심부에는 축결합공(31)이 구비되고, 상기 축결합공(31)의 외주면에는 상기 복수 개의 관통슬릿(12)을 따라 각각 연장 돌출되는 복수 개의 돌출부(32)가 구비되며, 상기 축결합부(30)에 구비되는 상기 복수 개의 돌출부(32)의 각각의 단부에는 감쇠부재(40)가 설치되어 상기 돌출부(32)가 상기 베이스부(10)에 결합되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기와 같은 구성에 의해 기어의 운전에 따른 진동과 소음이 대폭 줄어들 수 있다.

Description

진동저감 기어{Vibration Reducible Gear}

본 발명은 진동저감 기어에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 표면에 형성된 치형에 의해 기어가 회전 동력을 전달할 때 노이즈나 진동을 저감할 수 있도록 하는 진동저감 기어에 관한 것이다.

기어는 일반적으로 그 외주면에 일정한 피치를 가지는 치형이 형성되고, 이러한 치형이 형성된 기어가 구동축과 종동축에 각각 설치되어 이들이 서로 맞물려 동작됨으로써 회전 동력을 전달하는 기계요소인데, 이러한 기어는 서로 맞물려 회전되는 기어의 기어비에 따라 회전 속도를 증감시켜 전달할 수 있을 뿐만 아니라 정확한 속도비를 얻을 수 있다는 장점 때문에 널리 사용되고 있다.

이러한 기어를 가공할 때에는 치면이 정확한 인벌류트(involute) 치형을 형성하도록 하는 것이 이상적이지만 기어의 치면은 열처리 등으로 인해 정확한 인벌류트 치형을 이루지 못하고 오차를 포함하게 되며, 이러한 치면의 오차에 의해 노이즈, 진동의 원인이 되는 맞물림 전달 오차가 생성된다.

맞물림 전달 오차란 서로 맞물리는 한 쌍의 기어의 회전 오차로서, 예를 들면 구동 기어를 일정 속도로 회전시키는 경우 구동 기어의 회전에 대한 종동 기어의 전달 지연량이라 할 수 있다.

따라서 기어의 노이즈, 진동의 발생 또는 전달을 억제할 수 있는 기어에 대한 기술개발이 활발하게 이루어지고 있고, 그 하나의 예로서 공개특허 제2007-13010호에 개시된 기어를 들 수 있다.

상기 문헌에 개시된 기어는 도 1a에 도시된 바와 같이 기어의 몸체(100)에 요(凹)홈을 형성하고 이 요홈에 완충부재(110)를 설치하거나, 또는 도 1b에서와 같이 축결합부와 기어부 사이에 이들을 연결하는 복수 개의 연결부(스포크부)를 형성한 다음, 축결합부와 기어부 사이에 형성된 복수의 공간에 완충부재(210)를 설치한 구조로 이루어진다.

그러나 도 1a에 도시된 바와 같은 기어의 몸체(100)에 요홈을 형성하는 구조는 중량이 기어의 수직중심선을 기준으로 한쪽으로 편중됨으로써 이에 의해 또 다른 진동이 생성될 우려가 있고, 또한 요홈이 형성되고 남은 부분에 의해 진동이 회전축 등에 그대로 전달되기 때문에 실제로는 진동저감 효과가 그다지 크지 않다.

또한 도 1b에서와 같은 구조, 즉 축결합부와 기어부 사이에 형성된 복수의 공간에 완충부재(210)를 설치한 구조의 기어는 기어 동작시점 또는 종료시점에서와 같이 외부로부터 기어축에 충격이 가해질 경우 축결합부와 기어부가 그 단면적이 좁은 연결부에 의해 연결되기 때문에 외부 충격에 따른 진동을 쉽게 흡수할 수 있다는 장점은 있으나, 축결합부와 기어부가 연결부에 의해 일체로 연결되어 있기 때문에 기어부의 진동이 회전축 등에 그대로 전달되고, 그 결과 실제로는 진동저감 효과가 그다지 크지 않다는 문제점이 있다.

상기 특허문헌 이외에도 다수의 문헌, 예를 들면 일본 공개특허공보 특개2000-145928호(발명의 명칭: 치차), 일본 공개특허공보 특개2009-216153호(발명의 명칭: 치차) 및 일본 공개특허공보 특개2006-183854호(발명의 명칭: 다중 구조를 가지는 롤러 및 치차) 등의 특허문헌에도 진동감쇄 기어의 구조가 개시되어 있으나, 이들 문헌에 개시된 대부분의 기어 역시 도 1a와 도 1b에 도시된 바와 같이 축결합부와 기어부 사이에 요홈을 형성하거나, 또는 축결합부와 기어부 사이에 형성된 복수의 공간에 완충부재를 설치한 구조로서, 따라서 위에서 설명한 바와 같은 종래의 진동저감 기어가 가지는 문제점을 그대로 가지고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 진동감쇠 기어가 가지는 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 기어의 운전에 따른 노이즈와 진동을 효과적으로 경감시킬 수 있도록 하는 진동저감 기어를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적은 진동저감 기어를, 중앙에 원형의 관통공이 형성되고, 상기 관통공의 외주면에 일정 간격을 두고 중심을 기준으로 복수 개의 관통슬릿이 방사상으로 연장 형성되는 베이스부와; 상기 베이스부의 외측에 형성된 원형의 둘레를 따라 동일한 형상의 치형이 반복 형성되는 치형부 및; 상기 관통공과 상기 관통슬릿의 내부에 일정 간격을 두고 이격 설치되는 축결합부로 이루어지고, 상기 축결합부의 중심부에는 축결합공이 구비되고, 상기 축결합공의 외주면에는 상기 복수 개의 관통슬릿을 따라 각각 연장 돌출되는 복수 개의 돌출부가 구비되며, 상기 축결합부에 구비되는 상기 복수 개의 돌출부의 각각의 단부에는 감쇠부재가 설치되어 상기 돌출부가 상기 베이스부에 결합되도록 구성하는 것에 의해 달성된다.

이때 상기 감쇠부재는 탄성재질로 이루어지고, 상기 돌출부의 양 측면과 끝단이 감싸진 상태로 관통슬릿의 내부에 고정되도록 "ㄷ"자 형상으로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한 상기 "ㄷ"자 형상의 감쇠부재 중 상기 돌출부의 끝단이 지지되는 부분의 내부 양측에는 홈부가 각각 형성되는 것이 더욱 바람직하다.

본 발명은 베이스부와 회전축이 결합되는 축결합부가 일체로 연결되지 않고 감쇠부재에 의해 간접적으로 서로 연결되는 구조이기 때문에 치형부 또는 회전축에 의해 발생하는 진동이 베이스부 또는 축결합부를 통해 서로에게 직접 전달되지 않으면서 감쇠부재에 의해 감소되기 때문에 진동과 이에 따른 소음이 대폭 감소될 수 있다.

도 1a와 도 1b는 종래의 진동저감 기어의 예를 보인 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 진동저감 기어의 예를 보인 사시도,
도 3은 도 2의 분리 사시도,
도 4(a, b, c)는 본 발명에 따른 진동저감 기어에 사용되는 감쇠부재의 예를 보인 정면도,
도 5a는 축결합부와 베이스부가 연결부에 의해 일체로 연결된 종래의 기어(Type A)의 치수를 나타낸 도면,
도 5b는 본 발명에 따른 기어(Type B)의 치수를 나타낸 도면,
도 6a는 축결합부와 베이스부가 연결부에 의해 일체로 연결된 종래의 기어(Type A)에 대한 회전모드 해석결과를 나타낸 도면,
도 6b는 본 발명에 따른 기어(Type B)에 대한 회전모드 해석결과를 나타낸 도면,
도 7은 종래(Type A)의 기어와 본 발명에 따른 기어(Type B)에 있어서의 진폭과 진동 주파수에 따른 전달함수의 변화를 나타낸 그래프이다.

이하에서는 바람직한 실시예를 도시한 첨부 도면을 통해 본 발명의 구성을 더욱 상세히 설명한다.

본 발명은 기어의 동력전달에 따른 노이즈 및/또는 진동을 경감시킬 수 있도록 하는 진동저감 기어를 제공하고자 하는 것으로, 이를 위해 본 발명은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 베이스부(10), 치형부(20), 축결합부(30) 및 감쇠부재(40)로 이루어진다.

베이스부(10)는 원판 형상으로 이루어지고, 그 중앙에는 후술하는 축결합부(30)가 설치될 수 있도록 원형의 관통공(11)이 형성되며, 이 관통공(11)의 외주면에는 일정 간격을 두고 중심을 기준으로 방사상으로 연장되는 복수 개의 관통슬릿(12)이 형성된다.

이러한 관통공(11)과 관통슬릿(12)의 내부에는 축결합부(30)가 설치되는데, 이때 베이스부(20) 또는 축결합부(30)에서 발생하는 진동이 서로에게 직접 전달되지 않도록 축결합부(30)는 관통공(11)과 관통슬릿(12)에 대해 일정 간격 이격된 상태로 유지된 상태에서, 축결합부(30)는 후술하는 감쇠부재(40)에 의해 베이스부(10)에 결합 고정된다.

베이스부(10)의 둘레를 따라 복수 개의 치형이 반복 형성되는 치형부(20)는 서로 맞물리는 다른 기어와 치합되어 동력을 전달하기 위한 것으로, 치형이 형성될 때에는 앞서 설명한 바와 같이 통상 언더컷을 방지하기 위해 적정의 조립 공차가 포함되고, 따라서 이러한 기어가 서로 치합됨에 따라 슬립이 발생되면서 노이즈와 진동이 발생되며, 이러한 진동은 맞물려 회전되는 상대 기어나 회전축에 그대로 전달된다.

베이스부(10)의 관통공(11)과 관통슬릿(12)의 내부에 일정 간격을 두고 이격 설치되는 축결합부(30)에는 도 2에 도시된 바와 같이 그 내부에 구동축이나 종동축이 결합 설치되는데, 이를 위해 축결합부(30)의 중심부에는 구동축 또는 종동축이 결합되기 위한 축결합공(31)이 형성되고, 상기 축결합공(31)과 동심으로 이루어진 원형의 축결합부(30)의 외주면에는 일정 간격을 두고 중심을 기준으로 방사상으로 형성된 복수 개의 베이스부(10)의 관통슬릿(12)을 따라 연장 돌출되는 복수 개의 돌출부(32)가 형성된다.

베이스부(10)의 관통슬릿(12)과 축결합부(30)의 돌출부(32) 사이에 설치되는 감쇠부재(40)는 베이스부(10) 또는 축결합부(30)에서 전달되는 진동을 흡수할 수 있도록 탄성재질로 이루어지는데, 이러한 감쇠부재(40)는 도 4(a)에 도시된 바와 같이 "ㄷ"자 형상으로 이루어지고, 이에 의해 돌출부(32)의 단부, 즉 돌출부(32)의 양 측면과 끝단이 감쇠부재(40)에 의해 감싸진 상태로 관통슬릿(12)의 내부에 고정된다.

이때 "ㄷ"자 형상의 감쇠부재(40) 중 돌출부(32)의 끝단이 지지되는 부분, 즉 관통슬릿의 폭방향으로 형성된 부분의 내부 양측에는 각각 도 4(b)에 도시된 바와 같이 홈부(41)를 형성하는 것이 바람직한데, 이 홈부(41)에 의해 치형부(20)나 축결합부(30)에서 발생할 수 있는 축중심 방향으로의 진동을 효과적으로 흡수할 수 있으며, 따라서 소음과 진동이 저감된다.

이러한 감쇠부재(40)는 충격이나 진동을 흡수할 수 있는 재질의 플라스틱이나 고무(NPR, Neoprene Rubber) 등과 같은 탄성재질로 이루어질 수 있는데, 실험 결과 플라스틱과 같은 강성재질보다 고무와 같은 연성재질이 진동저감 효과에 있어서 유리한 것으로 나타났다.

이때 감쇠부재(40)는 상기한 바와 같이 홈부(41)를 형성하는 대신에 도 4(c)에 도시된 바와 같이 관통슬릿의 폭방향으로 형성된 부분의 내부에 중공부(41')를 형성한 것으로 실시될 수 있다.

본 발명자 등은 상기와 같은 구조로 이루어진 기어의 유효성을 검증하기 위해 전산 프로그램(NASTRAN)을 이용하여 도 5a에 도시된 바와 같은 축결합부(30)와 베이스부(10)가 4개의 연결부에 의해 일체로 연결된 형태와, 도 5b에 도시된 바와 같은 본 발명에 따른 결합부(30)와 기어부(10)가 서로 이격된 상태에서 이들 사이에 위치하는 4개의 돌출부(32)가 각각 "ㄷ"자 형상의 감쇠부재(40)에 의해 연결되는 형태의 2가지 형태의 진동저감 기어에 대한 해석을 수행하였다.

이때 도 5a에 도시된 기어, 즉 축결합부(30)와 베이스부(10)가 연결부에 의해 일체로 연결된 형태(Type A)는 외부 직경(D1) 200mm, 내부 직경(D2) 100mm, 내부 홀 직경(D3) 30mm, 연결부 두께(H1) 6mm, 외부 홈 두께(H2) 6mm, 내부/외부 간극(H3) 5mm, 전체 두께 5mm로 이루어지고, 도 5(b)에 도시된 본 발명에 따른 기어(Type B)는 외부 직경(D1) 200mm, 내부 직경(D2) 100mm, 내부 홀 직경(D3) 30mm, 연결부 두께(H1)6mm, 외부 홈 두께(H2) 6mm, 내부/외부 간극(H3) 5mm, 전체 두께 5mm로 이루어진 것으로 하여 모델링하였고, 이때 양 기어는 알루미늄 재질로 이루어지고, 충 중량은 380g로서 동일하게 설정하였다.

그리고 본 발명에 따른 기어(Type B)에 있어서, 돌출부(32)와 베이스부(10)를 연결하는 감쇠부재(40)는 10N/mm의 탄성계수를 가지는 스프링 요소(spring element)에 의해 연결되는 것으로 등가 모델링하였다.

도 6a와 도 6b는 전산해석에 따른 회전모드 주파수(Torsional Mode Frequency) 결과를 나타낸 것으로, 일체형 기어(Type A)에서는 도 6a에 도시된 바와 같이 기어의 운전시 베이스부(10)와 축결합부(30)를 연결하는 연결부에서 큰 비틀림이 발생하는 반면, 분리형 기어(Type B)의 연결부(돌출부)에서는 도 6b에서와 같이 비틀림의 발생이 거의 발생되지 않아, 종래(Type A)의 기어에 비해 본 발명에 따른 기어(Type B)가 상대적으로 회전모드에 있어서 강건하다는 것을 알 수 있다.

또한 도 7은 종래(Type A)의 기어와 본 발명에 따른 기어(Type B)에 있어서의 진폭과 진동 주파수에 따른 전달함수의 변화를 나타낸 그래프로서, 이 그래프로부터 종래(Type A)의 기어에 비해 본 발명에 따른 기어(Type B)의 진동 주파수와 진폭의 크기가 대폭 감소하고 있음을 알 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명은 베이스부와 축결합부가 서로 분리된 상태에서 베이스부에 형성된 관통슬릿의 내부에 삽입된 축결합부의 돌출부가 감쇠부재에 의해 연결 결합됨으로써 치형부 및/또는 축결합부에서 발생된 진동 등이 서로에게 전달되지 않고, 그 결과 기어의 운전에 따른 소음 및 진동이 대폭 감소되는 동시에, 기어의 내구성도 향상된다.

10: 베이스부 11: 관통공
12: 관통슬릿 20: 치형부
30: 축결합부 31: 축결합공
32: 돌출부 40: 감쇠부재
41: 홈부 41': 중공부

Claims (4)

1. 운전시 발생되는 진동과 소음을 감소시키기 위한 진동저감 기어에 있어서,
   상기 기어는,
   중앙에 원형의 관통공(11)이 형성되고, 상기 관통공(11)의 외주면에 일정 간격을 두고 중심을 기준으로 복수 개의 관통슬릿(12)이 방사상으로 연장 형성되는 베이스부(10)와;
   상기 베이스부(10)의 외측에 형성된 원형의 둘레를 따라 동일한 형상의 치형이 반복 형성되는 치형부(20) 및;
   상기 관통공(11)과 상기 관통슬릿(12)의 내부에 일정 간격을 두고 이격 설치되는 축결합부(30)로 이루어지고,
   상기 축결합부(30)의 중심부에는 축결합공(31)이 구비되고, 상기 축결합공(31)의 외주면에는 상기 복수 개의 관통슬릿(12)을 따라 각각 연장 돌출되는 복수 개의 돌출부(32)가 구비되며,
   상기 축결합부(30)에 구비되는 상기 복수 개의 돌출부(32)의 각각의 단부에는 감쇠부재(40)가 설치되어 상기 돌출부(32)가 상기 베이스부(10)에 결합되고,
   상기 감쇠부재(40)는 탄성재질로 이루어지며, 상기 돌출부(32)의 양 측면과 끝단이 감싸진 상태로 관통슬릿(12)의 내부에 고정되도록 "ㄷ"자 형상으로 이루어지고,
   상기 "ㄷ"자 형상의 감쇠부재(40) 중 상기 돌출부(32)의 끝단이 지지되는 부분의 내부 양측에는 홈부(41)가 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 진동저감 기어.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 감쇠부재(40)는 고무로 이루어지는 것을 특징으로 하는 진동저감 기어.

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