KR101378157B1 - 기어 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 기계 공업의 분야에 적용되는 기어 장치에 관한 것으로, 큰 중량이 가해지는 기어를 가지는 다양한 구조물에 가장 효과적으로 이용할 수 있는 기어 장치에 관한 것이다.

본 발명 기어 장치는, 하나 또는 복수의 기어 엘리먼트와 상호 작용하는 기어의 톱니(3,4 또는 5,6)를 구비한 기어(1, 2)로 구성되어 있다. 상호 작용하는 톱니의 치합 프로파일에는, 극부(極部) 외에서 톱니 끝에서 볼록형상을 이루는 원호 부분(8 또는 9) 및 톱니 바닥에서 오목형상을 이루는 원호 부분(10 또는 7)이 있고, 각각이 서로, 혹은 인벌류트 부분(12 또는 11)과 매끄럽게 연결되어 있다. 상호 작용하는 기어는, 톱니(5 및 6)의 정면 프로파일의 상호 작용의 종료점으로부터, 다음 톱니쌍의 톱니(3 및 4), 혹은 별도의 기어의 톱니쌍의 정면 프로파일의 상호 작용 개시점까지, 톱니의 이산 치합 각도에 정면 치합의 위상 갭이 형성되도록 되어 있다. 기어의 구동은, 예를 들면 총 오버랩율이 0과 동일할 때도 포함하여 1 이하일 때, 톱니의 정면 오버랩율이 1 이하가 되도록 되어 있다.

기어, 톱니, 톱니바퀴

Description

기어 장치{Gear Drive}

본 발명은, 기계 공업의 분야에 적용되는 기어 장치에 관한 것으로, 큰 중량이 가해지는 기어를 가지는 다양한 구조물에 가장 효과적으로 이용할 수 있는 기어 장치에 관한 것이다.

톱니의 정면 오버랩율을 ε_α라고 하고, 총 오버랩율을 ε_γ로 했을 때, ε_α≥1, ε_γ≥1일 때에 상호 접합된 한 쌍의 기어의 톱니의 정면 프로파일에 의해, 기본적 치합 법칙을 만족하는 인벌류트 기어의 구동이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조). 인벌류트 기어 구동의 치합의 결점은, 톱니의 정면 프로파일의 설계 상의 유연성이 낮은 것(단부(端部)에서의 치합 위상의 위험성 및 극부(pole)에 치합 위상이 있고, 톱니의 접촉 밀도가 낮음), 톱니의 선에 따른 접촉의 기술상의 결함, 변형에 의한 결함의 영향을 받기 쉬운 것이다.

노비코프의 공간 극부 외(extra-pole)의 기어 구동이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 2 참조). 이는, 치합의 기본적 법칙을, 톱니의 정면 프로파일이 점접합(ε_α=0), 즉, 톱니 끝에서의 볼록부 반경(ρ_a)과 톱니 바닥에서의 오목부 반경(ρ_f)이 Δρ=ρ_f·ρ_a> 0일 때에서의 톱니의 축방향 치합에 기초하여 실현되고 있다. 노비코프의 기어 구동의 결점은, 설계상의 유연성이 낮은, 즉, 직선 톱니 및/또는 림이 좁은 기어 구동을 기본적으로 할 수 없는 것, Δρ≫0의 값을 선택할 수 없는 것, 톱니의 접촉 밀도가 낮은 것, 형상의 이탈(기술적 이탈 및 변형 이탈)에 의한 영향이 큰 것이다.

톱니가 축방향으로 치합하는 합성 치합의 공간 기어 구동이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 3 참조). 여기서는, 톱니의 정면 프로파일의 극부 외의 점접합 부분이, 톱니 끝에서 반경(ρ_ass)의 볼록형상을 이루고, 톱니 바닥에서 반경(ρ_fss)의 오목형상을 이룬 반경선(ρ_ass-ρ_fss)>0으로 나타내고, 각각은 α=α_1a 및 α_k<α_1a일 때(여기서, α:초기 윤곽, α_k:극부 외의 원호 부분의 이론 압력각, α_1a:톱니 끝의 주원호 부분의 하부 한계점에서의 프로파일 각도), 초기 윤곽(α)≫α_k의 프로파일의 각도, 및 증대한 치합 각도(α_tw)로 인벌류트 부분에서 접속되어 있다.

2 개의 효과, 즉 초가법성 운동학 원리인 IP(Involute Point-adjoin: 인벌류트 단면과 비인벌류트 단면과의 점접합)의 효과(치합 요소를 합성 치합에 조합하여 간단하게 정리하는 가법과는 상이함), 및 접촉 곡률의 효과(접촉 압력의 저하에 대한 탄성체의 접촉 밀도의 증대의 영향이 게르츠의 평면접촉 문제의 해결에 의한 것 이상으로 현저한, 즉, 극부에서도 극부 외에서도 치합 위상의 본질적 개량이 원칙적으로 가능해짐)에 의해, 이러한 기어 구동에서는, 톱니의 접촉면의 손실이 없고, 치합에서의 극부의 접촉 강도가 최대가 되고, 치합 위상의 접촉 내구성(극부 및 극부 외)의 지수와 동일해지는 것이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 4 참조). 그 톱니의 정면 프로파일의 형상의 특징에 따라, 작동의 매끄러움을 향상시켜 곡선 응력이 낮아진다.

이미 알려진 기어 구동의 결점은, 극부 외의 치합 위상에서의 접촉 밀도를 증대시킬(또는, 곡률 효과를 실현시킬) 때, 톱니의 세로 형상의 파라미터(ε_β≥1)를 선택할 때에, 설계 상의 유연성이 한정되는 것이다.

IP 합성의 운동학적 원리에 기초한 합성 치합의 공간 기어 구동이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 5, 6 참조). 톱니의 정면 프로파일은, 인벌류트 및 기본적 점접합 원호형상 부분으로 이루어지고(톱니 끝이 볼록형상을 이루고, 톱니 바닥이 오목형상을 이루고, 축간 거리 편차의 기호 및 절대수준이 Δa_w>0 및 Δa_w<0에 의한 파라미터를 가짐), 이들의 부분은 보조적인 원호형상 부분, 즉 톱니 끝의 반경(ρ_pa)의 볼록형상 부분, 톱니 바닥의 반경(ρ_pf)의 오목형상 부분에서 서로 매끄럽게 접속되어 있다(집중(concentrator)의 곡률효과, 즉 가로방향의 곡선도상에서 지정된 부하 파라미터에서의 기하학적 집중의 곡률의 증가의 휨 압력의 저하에 대한 효과에 기초한 소치수 부분:“G.A.Zhuravlev, The Principle of the Kinematical Independence to the Mixed Toothed Engagements, ISMM '97 International Symposium <Machines and Mechanism> 유고슬라비아, 베오그라드, 1-3.9.1997). 이러한 방법에 의해, 자립성의 운동학적 원리가 형성되고, 인벌류트 부분이 α≫α_1a로 얻어진다. 톱니의 오버랩 부분이 크고, 기어 구동의 축간 거리의 편차에 의한 영향이 적기 때문에, 림의 유효폭(b_w)은 b_w≒0.7p_x(p_x:축 피치)까지 감소할 수 있고, 그 휨 내구성, 진동 음향 및 수명 지수는 상당히 향상된다. 이 이미 알려진 방법의 결점은, 곡률효과 및 치합 위상 전체에서의 접촉 밀도의 증대를 실현시킬 때에 설계상의 유연성에 제한이 있는 것이다.

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IP형의 복수의 기어 엘리먼트로 구성된 합성 치합 기어 구동이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 7 참조). 여기서는, 상호 작용하는 기어, 예를 들면 구성 기어의 다양한 톱니쌍의 정면 프로파일의 치합 위상이 전이한다. 상호 작용하는 기어의 개개의 톱니쌍에서는, 톱니의 정면 프로파일의 인벌류트(α≫α_1a일 때) 및 점접합 부분은, 이들의 운동학적 치합의 연속성이 도중에 끊어지고, 치합 톱니의 접촉에서의 접촉 평면 전체가 프로파일의 개개의 점 및 국부적 부분에 대해서만 이산적이 되고, 독립한 치합 위상을 형성하고 있다. 여기서는, 이산 치합 위상의 상대 이동에 의해, 톱니의 정면 오버랩율(ε_α)≥1, 및 한 쌍의 기어의 상호 접합이 얻어져 있다. 치형의 요철 부분의 점접합 구성 부분은, 축방향 오버랩의 조건을 거부하고, 톱니의 초기선접촉을 형성하여 조합되어 있다. 여기서는, 모든 치합 위상에서 접촉 밀도가 커져 있고, 톱니의 치합에서 축방향의 힘이 없다. 이와 동시에, 조건(ε_αΣ)≥1을 충족시킴으로써, 곡률효과와 접촉 밀도의 증가를 실현시키는 것에 관하여 IP형의 복수의 기어 엘리먼트 구동의 설계상의 유연성이 제한된다.

여기서 프로토 타입으로서 채택한 합성 치합의 기어 구동이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 8 참조). 이 기어 구동은, 톱니가 정면 치합되어 있고, IP 합성의 운동학적 원리 및 접촉 곡률효과에 기초하여 구성되어 있다. IP 구동의 톱니의 정면 프로파일은, 인벌류트(또는, 유사 인벌류트) 부분, 및 극부 외의 부분적 및/또는 점접합 원호형상 부분(톱니 끝에서 볼록형상을 이루고, 톱니 바닥에서 오목형상을 이룸)을 가진다. 이 원호형상 부분은, 극부 외의 부분의 이론 접촉점(α=α_k=α_1a)에서 각각이 접합되고, 톱니 바닥의 이론 접촉점에서 곡점을 형성하고 있다. 인벌류트 부분은, 정면 오버랩율(ε_α)≥1이 독립한 치합 위상을 형성하고 있지만, 한계점에서는, 치형의 접촉 형상은 요철 형상으로부터 양 볼록형상까지(곡점의 양측모두) 다양하다. 이 기어 구동은, 전체로서, 축방향 오버랩에 관한 조건 없이 개시선 접촉형의 접촉을 가지고, 특징으로서, 치합의 극부 외의 위상에서의 개시선 접촉에 따라 접촉 밀도가 높은 곡률효과를 실현시키고, 합성 치합의 초가법성 레벨이 높고, 톱니의 정면 및 세로형상의 설계상의 유연성이 있다. 기어 구동의 치합 역학지수, 조화성 및 내마모성의 조합 지수, 진동 음향, 부하 능력 및 수명 지수가 향상되어 있다.

이들의 이미 알려진 기어 구동의 설계상의 유연성의 제한(톱니의 정면 오버랩율을 ε_α로 하고, 총 오버랩율을 ε_γ로 했을 때, ε_α≥1, ε_γ≥1의 조건)에 의해, 다양한 치합 위상에서의 접촉 밀도(치합각ατw 및/또는 극부 외의 점접합 부분의 높이 치수), 및 합성 치합의 초가법성 레벨의 증대가 억제되는 것이었다.
* 특허문헌 1 : F.L.리트빈, 톱니의 치합의 이론, 모스크바,“Nauka” 1968년, p.584
* 특허문헌 2 : M.L.노비코프, 새로운 치합의 기어 구동, N.E.듀코프스키 기념 출판사 VVIA, 모스크바, 1958년, p.186
* 특허문헌 3 : G.A.주라블레브, 기어 구동, A.s.USSR, No. 1185942,MPK F16H1/08, 선취권 20.05.1975, 공보No.15, 2004년
* 특허문헌 4 : G.A.주라블레브, 합성 기어 치합 시스템, 기계와 기구의 이론에 관한 세계회의 제 9 회의 의사록, 1 권, 이탈리아, 밀라노, 1995년, p.433∼437
* 특허문헌 5 : G.A.주라블레브, 합성 치합 기어, 유럽 특허 No.0293473, F16H55/08,29.07.1992
* 특허문헌 6 : 러시아공화국 No. 1075041,MPK F16H55/08, 공보No.7, 1984년
* 특허문헌 7: G.A.주라블레브, 특허USSR, No. 1839700, MPK F16H1/20, 55/08, 선취권 24.09.1986, 공보No.48-47, 1993년
* 특허문헌 8 : G.A.주라블레브, 러시아공화국 특허 No.1571330, MPK F16H55/08,25.04.1988, 선취권No.22, 1990

본 발명의 기초는, 기어 구동의 설계상의 유연성 및 그 톱니의 치합 위상에서의 접촉 밀도의 향상 문제(그 품질 지수를 향상시키는 목적)를, 일련의 운동학적 원리의 도입, 특히 다양한 치합 위상에서의 접촉 곡률효과를 완전히 실현시킴으로써 해결하는 것이다.
이 과제를 해결하기 위해서는, 톱니의 정면 프로파일이, 접촉 밀도가 큰 부분적 및/또는 점접합된 극부 외(extra-pole)의 원호 부분(톱니 끝에서 반경(r_a)의 볼록형상 부분, 톱니 바닥에서 반경(r_f)의 오목형상 부분에서 이론 압력각도(α_k)를 가짐)을 가지고, 이 부분은 다른 부분, 예를 들면 인벌류트 부분과 매끄럽게 접속되고, 톱니의 정면 프로파일의 치합 위상에 이산 치합각(φ_D1,2)의 간극이 있는 것이 필요하다. 이 때, 한 쌍의 톱니의 정면 프로파일의 이산 치합 중 적어도 1 개의 위상이, 극부 외의 요철 부분의 접촉에 의해 형성된다. 이후, 이러한 상호 작용하는 톱니의 정면 프로파일의 요철 부분에서의 이산 치합 위상을 가지는 기어 구동을, 개개의 위상 또는 부분적으로만, 기어쌍의 각각 톱니의 각도 피치 이하의 정면 오버랩 각으로, 톱니의 정면 프로파일이 규칙적인 치합을 운동학적으로 행하는 것으로서, 이산(디스크리트) 구동이라고 부른다.
종래의 접합 기어 형성 원리에 의한 톱니의 정면 및 세로의 형상의 제한을 거부하면, 회전 구동이 설계상 불균등해지는데, 톱니의 정면 치합 위상에서의 치형의 특징에 의해 보정할 수 있다. 첫째, 구동의 순환적, 운동학적 이탈은, 실제의 인벌류트 구동의 허용오차의 레벨로 측정할 수 있다. 둘째, 접촉 밀도가 큰 극부 외의 원호형상 부분에서의 톱니의 정면 치합, 및 동력전달 치합에서의 접촉 곡률효과 작용에 의해, 일방으로는, 운동학적 정밀도, 톱니의 접촉(구동축의 위치) 및 작동의 매끄러움(톱니수의 주기적 오차)에 관한 구동에 대한 요구 조건을 저감할 수 있고, 또한 타방으로는, 매끄러운 작동, 명확한 접촉점 및 톱니의 저충돌 속도, 동적 부하 및 진동 음향 활성의 저감, 부하 성능과 수명의 향상이 가능해진다.
어떠한 세로형상의 톱니에 대해서도, 톱니의 정면 프로파일의 접합 부분의 한계 또는 이론 접촉점에서의 치합 위상 간에 할 수 있는 이산 치합각(φ_D1,2)의 간극은, 상호 작용하는 기어의 순환 속도가 내려갈수록 커지고, 점접합 부분의 높이 치수가 커질수록 커진다. 극부 외의 부분의 치수 및 접촉 밀도는, 인벌류트 부분의 파라미터를 변경하고, 이산 치합각(φ_D1,2)의 간극의 값을 크게 하지 않고 인벌류트 부분의 치수를 작게 함으로써, 합성 치합의 초가법성 효과에 기초하여 크게 할 수 있다.
그러나, 중요한 것은, 이 문제는, 각도(τ_p1,2)의 톱니쌍의 동일한 치합 위상을, 복수의 기어 엘리먼트를 가지는 이산 기어 구동에 의해, 인벌류트 부분이 완전히 없어질 때까지 전이시킴으로써 해결할 수 있다. 특히, 2 개 또는 2 개 이상의 동축의(직선 톱니, 나선형 톱니 등의) 기어의 톱니의 정면 프로파일이 동일한 치합 위상의 원주 방향에서의 상대적 전이를 수반하는, 각각이 적층하여 접속된 구성 기어로부터 전이시킨다. 이 때, 상호 작용하는 기어의 각 쌍에서 톱니의 이산 치합이 조합되고, 각 기어의 그 표면에서의 톱니의 정면 프로파일의 법선의 사영과 개시선과의 이웃한 교점간(이론 접촉점(K) 또는 예를 들면 중간 또는 한계와 같은 특징이 있는 활동 부분의 점)의 각도 간극이 거의 동일해진다. 톱니의 이산 정면 치합각의 값은, 상관 관계 φ^1,2,3… _D1,2/τ_1,2≤ 0.35로부터 얻는다.
운동학적으로 이상적인 톱니의 접촉선은, 구성 기어의 폭 및 그 톱니의 높이에 대하여, 다양한 부분에서의 다양한 치합 위상에서 이산적으로 나타나 있다. 이는, 종래의 인벌류트 직선 톱니 구동과 같은 톱니의 표면에서의 접촉선 또는 접촉점의 높이 방향, 또는 노비코프 구동과 같은 톱니의 폭방향에의 연속 이동과 상이한 점이다. 치합 위상의 분포의 균일성을 높이면, 기어를 2쌍으로 했을 경우도 포함하여, 이산 구동의 작동의 매끄러움이 향상된다. 정면 및 세로형상을 합하여 톱니의 전체의 형상을 개량하면, 매우 높은, 다른 치합에서는 미치지 못한 접촉 밀도 레벨이 얻어지고, 치합에서 축방향의 힘이 없어진다. 이 때문에, 톱니의 선접촉의 장점과 극부 외의 치합의 역학의 가능성이 충분히 이용되고 있다. 특히, 이산 치합의 장점이 발휘되어 있다.
톱니의 각 쌍의 치합 공정에서 운동학적 접촉 파라미터의 관계를 약간 변경하고, 정면 프로파일의 인벌류트 부분(설계상의 유연성이 비교적 낮음) 및 톱니의 순수한 전동의 극상을 없애고, 접촉 밀도를 높임으로써, 기어 구동의 내마모성 및 조화성이 향상되고, 그 진동 음향성, 형상의 기술적 이탈 및 강성의 이탈에 의한 영향이 저하된다. 동일한 이산 치합이, 유성 기어 장치를 포함하여 다양한 구조물에 이용되고 있다. 어떠한 총 오버랩율(ε_γ)(정면 오버랩율을 ε_α, 축 오버랩율을 ε_β로 하면, ε_γ=ε_α+ε_β)의 때에도, 1 이하 또는 0과 동일한 정면 오버랩율(ε_α)의 구동을 얻을 수 있다.

톱니의 정면 프로파일의 소치수 부분이 있고, 기어쌍의 일방의 치형의 소치수의 볼록형상 부분의 상부 경계점이 톱니 끝에 위치하도록 되어 있고, 상호 작용하는 치형의 인벌류트(유사 인벌류트) 부분이, 극부(pole)의 후 또는 극부 전의 치합 위상을 형성하는 극부 외 타입의 이산 구동 IP(예를 들면 원통형, 원뿔형 또는 웜 형상)이 권장된다. 극부 외의 구동 IP에는, 약하게 한 극부 부분이 있고, 이에 따라 이산 구동 IP의 기본 장점을 유지하면서, 그 작동의 조화성과 신뢰성을 높일 수 있다(특히 ε_β=0일 때). 마찬가지로, 극부 외의 이산 구동 IP에서는, 톱니 끝 및 톱니 바닥의 접촉 강도의 균일 효과와, 소위 '선단' 효과가 나타난다. 이산 정면 치합각의 상관 관계 φ_D1,2/τ_1,2≤0.4에 의해, ε_β≥0.5일 때의 치합 조건이 결정되고, ε_β<0.5에 대해서는, 그것은 0.2까지 적절히 저하된다.

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가능하다면, 특히, 기어의 축의 상대 위치가 운전 중에 변화되는 원뿔이나, 엇갈림 기어(hypoidal), 그 외의 구동에 대해서는, 이산 구동을, 동일한 초기 윤곽쌍의 극부 외의 원호 부분을 합성하고, 다양한 법칙을 따라 이론 접촉점에서 곡부를 형성하여 그려지도록 한다. 한편, 톱니 바닥과 톱니 끝의 극부 외의 부분은, 예를 들면 인벌류트 부분에서 서로 매끄럽게 접속되거나, 또는, 프로파일 각도(α_c)의 점에서 연결된다. 기어 구동은, 이론 접촉점에서 이산 치합으로, 총 오버랩율(ε_γ)을 예를 들면 ε_γ=0으로 저하시켜 행해진다. 이산 정면 오버랩의 각도의 값은, 이산 정면 치합각의 상관 관계 φ_D1,2/τ_1,2≤0.25로부터 선택된다. 이론 접촉점의 양측의 부분의 곡률이 반대인 기호이므로, 이러한 구동은 축간 거리 Δαw> 0의 이탈에 대하여 거의 영향받지 않는다.

다양한 이산 구동에 있어서, 기하학적 및 조립 파라미터의 허용편차가, 원통 형상 기어의 축간 거리 또는 원뿔 형상 기어의 축 위치의 등가 증대에 의해 결정될 경우, 이론 압력각(α_k)의 값 이상의 압력각 범위에서의 치형쌍의 점접합의 극부 외 부분은, 기술적으로 가능한 가까운 곡률 반경치를 가지는 원주의 원호에 가까운 매끄러운 곡선으로 그릴 수 있다. 이는, 일방으로는, 톱니의 정면 프로파일의 점접합의 극부 외부분의 곡률 반경치의 선택이, 축간 거리의 변화와 동일한 구동의 형상 편차와 관계없는 운동학적 원리가 관계되어 있고, 타방으로는, 이들 편차는 톱니의 α≥α_k의 부분에 대하여, 즉, 이들의 오버랩의 가장 중요한 위상에 대하여, 확률적으로 나타나는 각 편차 수준에 상응하는 실제의(또는, 달성 가능한 최대의) 접촉 밀도(표면에 이르기까지)에, 또한 치합에서의 실제의 측면 갭의 값에만 좌우된다. 예를 들면 하나의 회전 방향으로, 점접합 부분의 높이 치수를 증대시키기 위해서는, 이산 구동의 톱니는 비대칭한 정면 프로파일에서 작성된다.

본 발명은, 설계 상의 유연성 및 톱니의 접촉 밀도를 향상시키고, 형상 편차에 의한 치합에의 영향도를 낮추고, 이에 따라 표면 및 내측부의 접촉 및 곡선압력, 접촉 온도의 레벨을 낮출 수 있고, 톱니수를 적게 하고, 기어구성을 보다 완벽한 상태로 할 수 있다. 또한, 베어링 부하를 낮추는 톱니의 형상을 얻을 수 있고, 특히 기어 구조를 가볍게 할 수 있고, 진동 음향성을 낮추고(예를 들면 1∼4dBA), 치수, 질량, 금속 소비량, 원가를 낮출 수 있고, 또한 전동 기어 구동의 윤활 및 방열 조건에 대한 요구 수준을 낮출 수 있다. 또한, 그 제조 기술을 간략화할 수 있고, 조화성, 효율, 고속성, 부하 및 하중 성능(2 배까지), 수명(10 배까지)을 높일 수 있다. 상술한 기술적 해결법은 기준 '신규성'(N)에 합치한다. 여기서는, 이산 기어 치합으로 유도하는 독자적인 운동학적 원리를 도입하고 있다. 본 발명은, 기준 '발명수준'(IS)에 대응한다. 그 규정은 명료하지 않고, 기본적인 치합 법칙도 포함하여, 전통적인 어프로치의 영향을 받지 않았다. 상술한 기술적 해결법은, 기준 '공업의 응용'(IA)에 합치하고, 따라서 널리 사용할 수 있고, 그 개발은 구조의 제조 기술의 근본적 변화를 필요로 하지 않는다.

본 발명의 다른 목적이나 우선권은 다음의 실행 및 설계 구조적 예증들로 인해 더욱 이해하기 용이해 진다.

도 1은, 본 발명을 따라 실시된, 톱니의 정면 프로파일의 치합으로부터 나오는 위상에서 운동학적 치합에 의해 상호 작용하는 한 쌍의 기어를 가지는 기어 구동의 정면 설명도이다.
도 2는, 본 발명을 따라 실시된, 3 개의 치합 존(C, D 및 E)에서 운동학적 치합에 의해 상호 작용하는 복수의 기어 엘리먼트를 가지는 기어 구동의 설명도이다.
도 3은, 본 발명을 따라 실시된, 3 개의 치합 존(C, D 및 E)에서 운동학적 치합에 의해 상호 작용하는 복수의 기어 엘리먼트를 가지는 기어, 즉 조건부로 나타낸 3 개의 동축 기어를 가지는 기어 구동의 정면 설명도이다.
도 4는, 전동 치합에서 톱니의 정면 프로파일의 치합으로부터 나오는 위상의 한 쌍의 기어를 가지는 기어 구동의 설명도이다.
도 5는, 한 쌍의 기어를 가지는 원통 구동의 톱니의 전동 치합 위상을 나타낸 설명도이다.
도 6은, 서로 불균등하게 전이된 4 개의 기어를 포함하는 복수의 기어 엘리먼트를 가지는 기어 구동의 설명도이다.
도 7은, 복수의 기어 엘리먼트를 가지는 원통 구동의 톱니의 전동 치합 위상을 나타낸 설명도이다.
도 8은, 톱니의 측면에 5 개의 일체 접촉이 있는 극부 외의 구동에 의한 3 개의 기어 엘리먼트를 가지는 기어 구동의 부분 설명도이다.
도 9는, 인벌류트 부분과 치합에 들어가는 부분에서 간접적으로, 및 치합으로부터 나오는 부분에서 소치수 부분에 의해 접합될 때, 2 종류의 점접합 원호 부분을 가지는 기어 구동의 톱니의 비동일 초기 윤곽의 쌍을 나타낸 설명도이다.
도 10은, 소치수 부분에 의해 극부 외의 인벌류트 부분과 접합된 점접합 원호 부분을 가지는 극부 외의 기어 구동의 톱니의 비동일 초기 윤곽의 쌍을 나타낸 설명도이다.
도 11은, 극부 외의 인벌류트 부분과 간접적으로 점에서 접합된 점접합 원호 부분을 가지는 극부 외의 기어 구동의 톱니의 비동일 초기 윤곽의 쌍을 나타낸 설명도이다.
도 12는, 가변곡률 기호의 점접합 부분을 가지는 기어 구동의 톱니의 초기 윤곽의 쌍을 나타낸 설명도이다.

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본 발명에 의해 실시되고 중하(重荷) 중전동(重電動) 장치에 이용되는 원통형상 기어의 기어 구동은, 도 1에 나타낸 바와 같이, 각 속도(ω₁ 및 ω₂)로 회전하는 기어(1 및 2)(축(O_1,2)을 가지고, 피치원, 톱니 끝원, 톱니 바닥원의 원주가 각각 반경(r_w1,2, r_a1,2 및 r_f1,2)을 가짐)으로 이루어진다. 이후, 파라미터 기호의 첨자 1 및 2를 쌍의 기어(1 및 2)에 첨부한다.
림(1^O 및 2^O)의 상호 작용하는 톱니(3,4 및 5,6)의 정면 프로파일의 측면에는, 점접합의 극부 외(extra-pole)의 원호 부분(이론 접촉점(K₁, K₂,…K₈ 및 압력각α_k=α_tw을 가지는 톱니 끝에서 반경(r_a1,2)의 볼록형상부, 톱니 바닥에서 반경(r_f1,2)의 오목형상부)(8,9와 10,7)을 가지고, 도 1에서 점선으로 나타낸 인벌류트 부분(반경(r_b1,2)의 기본 원주 및 치합각(α_tw)을 가짐)(12 및 11)(각각 반경(r_ep1,2 및 r_eg1,2)의 하한 및 상한도점의 원주의 사이에 위치함)이 점(K_3,4,5,6)으로 매끄럽게 접속되어 있다. 도 1에 나타낸 치합으로부터 나오는 위상의 톱니(5 및 6)는, 극부 외부분(7 및 8)의 이론 접촉점(K₁ 및 K₂) 및 인벌류트 부분(12 및 11)의 한계점과 일치하는 점(N₂)으로 접촉한다. 단일 구동의 경우, 기어(1 및 2)는, 림(1^O 및 2^O)과 일체이며, 치합선(L₁L₂)의 점(N₁)에서의 톱니(5,6)(점(K₇,K₈))의 치합(도 1 및 도 4에서는, 조건부로 프로파일(13,14 및 15,16)의 부분으로서 나타나 있음)으로 들어가는 위상으로부터, 점(N₂)에서의 치합으로부터 나오는 위상까지 톱니의 정면 오버랩각(φ_α1,2)은 각도 피치(τ_1,2)보다 수치상은 작다. 이 때, 다음 톱니쌍(3 및 4)의 정면 프로파일은, 서로 접촉하지 않고, 예를 들면 각도φ_D1,2≤0.15τ_1,2로, 톱니의 정면 오버랩율(ε_α)이 톱니의 임의의 세로 형상에서 1 이하(ε_α<1), 총 오버랩율 ε_γ=ε_α+ε_β<1이며, 이산(각 점(N₁ 및 N₂)에서만 상호 접합함) 정면 치합(위상 불일치가 있음)의 위상을 형성한다.
종래의 오버랩 조건(ε_α≥1 또는ε_γ≥1)을 거부하고 있기 때문에, 이러한 구동에서는, 극부 외에서 점접합된 부분(7,8 및 9,10)의 높이 치수 및/또는 인벌류트 부분(12,11)의 치합 각도(α_tw)의 값이 커진다. 그 결과, 모든(혹은 가장 중요한) 치합 위상에서 톱니의 접촉 밀도가 커지고, 접촉곡률의 효과 및 합성 치합의 초가법성, 설계상의 유연성 및 구동의 부하 성능이 커진다. 예를 들면 합성 치합의 원통 형상의 직선 톱니 구동 IP에서는, ε_α=1.2에서 ε_α=0.944까지 ε_α를 감소시킴으로써, 치합 각도(α_tw)를 23°에서 27°까지 증대시킬 수 있고, 한편, 기어의 끝의 점접합 부분의 높이(Z₁)=11은, 0.116m에서 0.387m(m:톱니의 모듈)까지 증가할 수 있다.

극부 외의 점접합 부분의 치수 및 기능을 더욱 증대하고, 동시에, 설계상의 유연성이 낮은 정면 프로파일의 인벌류트 부분의 치수를 작게 하기(혹은 완전히 없애기) 위해서는, 축(O₁)의 기어(1) 및 동축의 림(1⁰)(그 톱니는 도시하지 않음)을 가지는 복수의 기어 엘리먼트(도 2 참조)의 이산 구동을 작성한다. 이들의 기어는, 3 개의 기어(2(2', 2'', 2'''))와 상호 작용한다. 이 3 개의 기어는, 축(O₂', O₂'' 및 O₂''')에 장착되고, 기어(1)와 기어(2', 2'' 및 2''')와의 치합 위상이 상대적인 전이를 수반한 3 개의 치합 존(C, D, E)에서의 동력의 흐름을 형성한다.
도 3에, 치합의 전이상의 분석에 편리하도록, 3 개의 치합 존(C, D 및 E)에서 상호 작용하는 기어를 가지는 복수의 기어 엘리먼트의 구동(운동학적 치합으로)을 도시했다. 여기서는, 기어는 각도(τ_p1,2)로 서로 동일하게 전이된 3 개의 동축 기어(1', 1'', 1''' 및 2', 2'', 2'''(이들 단면은 정면에 도시하고 있음))를 가지는 구성 기어(1 및 2)로서 조건부로 나타내고 있다. 톱니의 정면 프로파일은, 이산적으로(φ_α1,2=0일 때), 치합 극부의 점(P)을 통과하여 이론 접촉점(K_1,2)에서 프로파일의 법선을 통과할 때에, 점접합 부분(일방의 기어의 톱니 끝에서 볼록형상, 상대 기어의 톱니 바닥에서 오목형상)(23과 26, 25와 24)에서 극부 외의 치합 위상을 형성한다. 도 3에서는, 기어(1' 및 2')의 톱니(5 및 6(점K'_1,2))는 점(N₂)에서 접촉한다. 예를 들면 기어(2)의 톱니에 대하여, 점(P¹,P²,…P⁷)이 치합 극부의 점(P)과 연속적으로 일치함에 따라, 이산 정면 치합각, φ¹ _D2(기어(2''')의 톱니(22)의 톱니 바닥으로부터 기어(2'')의 톱니(20)의 톱니 바닥까지), φ² _D2(기어(2'')의 톱니(20)의 톱니 끝으로부터 기어(2'')의 톱니(18)의 톱니 끝까지), φ³ _D2(기어(2'')의 톱니(18)의 톱니 바닥으로부터 기어(2')의 톱니(6)의 톱니 끝까지) 등도 바뀐다.

운동학적 치합 시에 발생하는 동력 전동 치합 시(토크(T_1,2)≠0일 때)의 톱니의 치합 프로파일 간의 간극은, 부분적으로(또는 완전히) 없어진다. 단일 기어의 구동(도 4에서는, 변형 톱니(5 및 6)의 치합으로부터 나오는 위상으로서 나타나 있음)에서는, 구동 기어의 톱니의 피치는 작아지고(τ'₁<τ₁), 종동 기어의 톱니의 피치는 증가한다(τ'₂>τ₂). 이 때문에, 톱니(3 및 4)가 단부에서(또는 단부 근처에서) 접촉하고, 점(K_t)에서 최초로 접촉한다. 극부 외의 점접합 부분의 기하학적 파라미터 및 구동 부하 레벨에 의해, 도 4에 나타낸 톱니(3)의 정면 프로파일의 인벌류트 부분(12), 또는 그 오목 부분(10)에 점(K_t)을 배치할 수 있다.
어떤 경우에도, 점(K_t)은 톱니(3)의 정면 프로파일에 따라 하방으로 이동하고, 접촉점의 이동 방향이 반대측(톱니(3)의 정면 프로파일에 따라 상방)으로 변하고, 그 점이 이론 접촉점(K3,4) 및 치합 선(L₁L₂)의 작동 부분(N₁N₂)의 개시점(N₁)과 일치하고, 톱니(3)의 정면 프로파일의 곡점(K₃)의 각 방향에서 요철 및 양 볼록 접촉을 형성하고, 또한 인벌류트 부분(8 및 9)의 상부 한계 접촉점(K₅ 및 K₆)에 이를 때까지, 기어가 회전하여 톱니(3,4)의 부하 레벨이 증가함에 따라, 볼록 부분(9)과 오목 부분(10)을 밀착시킨다. 톱니의 접촉 밀도는, 이들의 톱니가 치합하기 시작하면 이들의 부하 레벨이 최대로 증가하고, 치합이 종료되는 과정에서 부하 레벨이 0까지 저하된다.

톱니(3 및 4)가 톱니(5,6)의 치합 프로파일 간의 점(N1)에서 운동학적으로 치합하기 시작하는 위상에서, 간극이 발생한다. 부하 하에서는, 변형된 톱니(3,4 및 5,6)의 피치는 증대하거나(τ'₁>τ₁) 감소하는데(τ'₂<τ₂), 대부분의 경우, 이에 따라 이 간극이 보상되고, 톱니(5 및 6) 사이에서는 밀착이 일어난다. 톱니(5,6)의 전동 치합의 공정(점(N₂)에서의 이들의 운동학적 치합 후)은, 톱니(3,4)의 치합 개시 공정과 동일하지만, 순서는 그와 반대이다. 증대한 접촉 밀도의 톱니의 치합 프로파일의 부분은, 도 5에 나타낸 바와 같이 치합이 급한 변화가 없는 매끄로운 이산 치합을 형성한다. 도 5에서, 톱니(3 및 4), 톱니(5 및 6)의 통상의 접촉 압력을, 톱니 끝의 치합 프로파일의 점접합 부분의 길이 치수가 작은 톱니의 단부 접촉에 전형적인 상태로서, 정사 투영도적으로 나타내고, 부호(27 및 28)와 부호(29 및 30)로 비교하여 나타냈다. 이들의 정사 투영도는, 수치적으로, 톱니의 접촉에서의 온도 발화의 상관 관계를 특징으로 한다. 부하의 기본적 재배분 시기는 가장 상태가 좋은 위상과 일치하고 있다. 이 때, 양방의 톱니쌍은, 인벌류트 부분이 없는 요철 접촉으로 되어 있다. 다쌍 및 한쌍의 전동 치합 위상(β=0일 때)에서 개시선 접촉 또는 합성 치합 IP(β≠0일 때)의 범위에서, 개시선 접촉을 수반하는 톱니의 정면 프로파일의 극부 외의 점접합 부분을 이용함으로써, 이들의 유효성, 효율 및 조화성이 향상되고, 구동의 진동 음향성 레벨, 접촉 형상의 편차에 대한 감도가 저하되고, 구동의 정지 리스크가 감소한다.

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복수의 기어 엘리먼트의 구동에서의 톱니의 정면 치합의 파라미터를 개량하고, 주파수의 변동(zNP)(z는 기어의 톱니수, P는 복수의 기어 엘리먼트쌍의 기어의 치합 위상의 전이를 수반하는 상호 작용하는 쌍의 수, N은 톱니의 치합 프로파일에서의 원호 부분의 수)의 발생을 저하시키기 위해서는, 상호 작용하는 기어의 다양한 쌍에 대하여, 도 6에서, 톱니의 프로파일이 보이지 않는 부분이 4 개의 기어(2)의 좌부분만으로 점선으로 나타나 있는 톱니(33-34, 35-36, 37-38, 39-40, 41-42, 43-44 등)의 이산 치합을 조합한다. 이 때, 모든 기어의 이론 접촉점(K'_1,2∼K””_1,2)에서의 치합 프로파일의 법선의 투영과 각 기어의 표면의 개시선과의 교차의 이웃한 점 간의 각도 거리를 φ¹ _D1,2=φ² _D1,2=…=φ⁸ _D1,2과 동일하게 하고, 총 오버랩율(ε_γ)=0으로 한다.
이 때, 치합 프로파일(45)은, 2 개의 극부 외의 원호 부분(46 및 47)을 가지고, 각도(τ_p1,2)의 순차 상호 작용하는 쌍의 톱니의 정면 프로파일의 치합의 동일상의 상대 각도 전이의 값은, 개시선과의 이론 접촉점(도 6의 수 개의 점(K””₂)은, K₂로서 나타나 있음)에서의 각각 위치한 기어의 톱니의 치합 프로파일의 법선의 이웃하는 교점(P_a 및 P_f) 간의 각도 거리의 값의 최대 파라미터(τ_qmax1,2=3/4τ_1,2) 및 최소 파라미터(τ_qmin1,2=1/4τ_1,2)에 의해, τ^1-2p_1,2=τ^3-4p_1,2=0.5τ_qmin1,2 및 τ^2-3 _p1,2=τ^4-1 _p1,2=0.5τ_qmax1,2로서 나타내지고, 또한 예를 들면 다음과 같은 관계식으로 나타내진다.
τ_1,2/ (Pτ_qmin1,2)≤1일 때, (τ_pmax1,2-τ_pmin1,2)/τ_{qmin 1,2}=1 (1)
τ_1,2/ (Pτ_qmin1,2)> 1일 때, τ_{pmax 1,2}≒τ_{pmin 1,2} (2)
또한, 톱니의 이산 정면 치합의 각도의 값은, 다음 관계식으로 나타내진다.
φ¹ _D1,2≒ φ_D1,2≒... φ⁸ _D1,2 = min(τ_pmin1,2,τ_pmin1,2) (3)

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도 7에 나타낸 복수의 기어 엘리먼트의 기어의 톱니(33-34 및 35-36)의 전동 치합은, 극부의 점(P)과 일치하지 않는 점(K'₂ 및 K'''₂)으로 치합 프로파일의 법선의 투영의 개시 원주와의 교점(P0 및 P1)을 가지고, 기어(1'-1” 및 2'-2”)의 상대 전이의 값이, 도 6에 나타낸 점(K₁' 및 K₂')의 일치 위상(τ_p1 <τ^1-2 _p1 및 τ_p2>τ^1-2 _p2)으로부터 도 7에 나타낸 기어(1 및 2)의 위치까지, 및 τ_p1>τ^1-2 _p1, τ_p2 <τ^1-2 _p2의 위치로부터 점(K₁” 및 K₂”)의 일치 위상까지 변형 변화할 때에 일어난다. 따라서, 운동학적 치합 위상이 종료된 후의 톱니(33-34), 및, 아직 운동학적 치합 위상에 이르지 않은 톱니(35-36)는, 전동 접촉을 유지하고 있다. 도 7에서 정사 투영도적으로 나타낸 접촉 압력을 부호(31 및 32)로 나타내면, 이 접촉 압력(31,32)은, 높이 치수가 작은 극부 외의 점접합 부분과 접촉시키기 위하여, 부호(29 및 30)로 나타낸 바와 같이 접촉 밀도의 상승을 나타내고 있다. 식 (1)로부터 얻어진 구성 기어쌍의 각각의 4 매의 원반의 불균등한 전이(τ^1-2 _p1,2=τ^3-4 _p1,2=τ_1,2/8 및 τ^2-3 _p1,2=τ^4-1 _p1,2=3/8τ_1,2)에 의해, 표면 접촉에 가까운 톱니의 개시 직선 접촉을 수반하는 톱니의 이산 치합 위상이 동일한 분포 φ¹ _D1,2=φ² _D1,2=…φ⁸ _D1,2=0.125τ_1,2이 달성된다.

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도 8에 나타낸 3 개의 기어 엘리먼트의 원반 타입의 범위를 가지는 기어(48, 49, 50)는 서로 상대적으로 전이하고, 쿠르빅(Kurvik)의 정면 슬리브의 구성 부분(51)에 의해 서로 접속된다. 홈(52)은 기어를 샤프트에 고정하는 것이다. 각종 기어의 톱니(53, 54, 55)의 측면에는, 기어쌍과의 단시간의 전동 회전 후에, 일체 접촉의 반점이 보이고, 각각 톱니 바닥(56,58,60)과 톱니 끝(57,59,61)을 구분하고 있다. 이러한 작동에 의해, 극상과 인벌류트 치합의 부분이 없어지고, 정면 프로파일의 점접합 부분의 치수와 구동의 부하 능력이 현저히 향상된다.

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IP 타입의 이산 구동의 내마모성을 향상시키기 위하여, 도 9에 나타낸 톱니(62 및 63)의 초기 윤곽쌍의 측면 프로파일은, 프로파일 각도(α)의 직선(인벌류트) 부분(64 및 65)을 포함한다. 이 부분은, 2 개의 기본적인 극부 외의 원호 부분(66-67(α'_k=α'_1a=α일 때)과 68-69(α_1a<α_k, α_1a<α일 때))과 매끄럽게 접속되어 있다. 이 접속은, 톱니(62)의 톱니 바닥에서는 소치수의 부분(70), 톱니(63)의 톱니 끝에서는 부분(71)에 의해 행해진다. 점(K1 및 K2)에서의 인벌류트 부분에서의 톱니의 치합상은, 점접합 부분(68-69)의 접촉점(K0)을 가지는 2 개의 간극(q_min과 q_max)으로 분리되어 있다. 또한, 도 9에서, m은 톱니의 모듈, jn은 측면 간극 계수를 나타내고 있다.
도 10에 나타낸 초기 윤곽쌍(72-73)에 기초한 극부 외의 구동 IP는, 인벌류트(직선) 부분(74)과, 톱니의 측면의 소치수 부분(77 및 78)에 의해 접속되는 점접합 부분(75 및 76)(이론적 각도α_k>α_1a를 가짐)으로 구성되고, 상호 작용하는 톱니의 프로파일의 인벌류트 부분(74)이, 극부의 후 또는 극부 전의 치합상을 형성하여, 실제의 기어의 프로파일의 상부 한계점(α)에 대하여 점(K₁ 및 K₂)에서의 치합상을, 점접합 부분의 접촉점을 가지는 2 개의 간극(q_min과 q_max)으로 분리하도록 되어 있다.
이에 따라, IP 치합의 설계상의 유연성이 향상되고, 접촉의 상호 작용을 약하게 할 수 있는 극부의 부분이 작동으로부터 배제된다. 그 결과, ε_α<1의 구동 IP의 기본적 장점을 유지하면서, 그 작동의 조화성과 신뢰성을 높일 수 있다. 또한, 극부 외의 구동 IP에서는, 기어쌍의 일방의 기어(72)의 타입의 톱니 끝과 톱니 바닥의 접촉 강도가 균일해지는 효과가 나타나고, 소위 '헤드 효과'가 가장 완전히 실현된다. 즉, 어떤 세로 형상의 톱니를 가지는 기어쌍에서도, 톱니의 접촉 곡률효과에 대하여 극히 강력한 극부 전(또는 극부의 후)의 치합 위상을 가지는 것이, 톱니의 경도를 크게 저하시켜 실현할 수 있다.

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도 11에 나타낸 소치수 부분(C₁C₂ 및 C₃C₄)을 가지는 IP 타입의 극부 외의 이산 구동의 톱니(80 및 79)의 프로파일은, 한 쌍의 기어의 일방의 톱니의 프로파일의 소치수 볼록 부분의 상부 한계점(C₂)이 톱니 끝에 위치하고, 상호 작용하는 톱니의 프로파일의 인벌류트 부분(81 및 82)이 부분적으로 두 쌍의 치합, 점접합 부분(83-84(K₀상) 및 85-86(K₁상))으로 치합하는 극부의 후 및 극부 전의 치합상을 형성하도록 되어 있다. 이러한 부분적인 2쌍 구동 IP은, 3 개의 특징적인 치합 기간, 즉 1쌍, 2쌍, 및 Δε의 오버랩이 부족한 기간이 있다. 점(K₁)에서의 점접합 부분의 정면 치합 위상은, 이웃한 톱니쌍의 인벌류트 부분(K3 및 K₂)의 한계 치합점의 사이에 위치한다. 즉, 일방의 톱니쌍의 인벌류트 부분의 치합(K₃)으로부터 나오고, 다음 톱니쌍의 인벌류트 부분의 치합(K₂)으로 들어갈 때까지다. 다양한 운동학적 인벌류트의 극부 전 및 극부의 후의 치합과, 조합시킨 톱니의 이산 치합에 의해, 진동 음향 지수가 향상되고, 특히 고속 구동에서의 IP 타입의 극부 외의 치합의 효율이 향상된다.
운전 중에 기어의 축의 상대 위치가 변하는 극부 외의 이산 구동은, 인벌류트 치합 위상 없이 행해지는데, 도 12에 나타낸 동등한 초기 윤곽(87-88)의 쌍의 프로파일의 각 기본 부분은, 다양한 법칙을 따라 합성되는 89-90과 91-92, 93-94와 95-96으로서 나타내고, 프로파일 각도(α_c)에서 점(C)에서 연결되어 있는 톱니 바닥과 톱니 끝의 정면 프로파일의 주요 원호 부분의 이론 접촉점(K)과 일치하는 곡점을 형성하고 있다. 치합 극부의 운동학적으로 약한 구간에서는, 양 오목형상의 톱니의 정면 프로파일은, 상호의 가장자리가 보강되어 있고, 간극(q_min)의 부분(89-90 및 95-96)에서의 점(O₁ 및 O₂)에서의 톱니의 치합 위상은, 특징으로서, 적합한 프로파일 형상을 가지고 있다. 간극(q_max)은 치합의 극상 근처의 부분(92-92 및 93-94)의 치합을 포함한다. 이러한 구동은, 총 오버랩율(ε_γ-)=0의 이론점(K)에서 운동학적으로 규칙적인 치합을 가진다.

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다양한 이산 구동에서, 이론적 압력각(α_k)의 값을 넘는 압력각 범위에서, 톱니의 초기 윤곽쌍의 프로파일의 점접합의 극부 외의 부분, 예를 들면 89-90 및 95-96은, 축간 거리 Δαw>0의 증대와 동등한 기하학적 파라미터의 편차를 수반하여 작성된다. 이론 압력각(α_k) 이상의 압력각 범위에서 치형의 기본적인 극부 외의 원호 부분은, 매끈한 곡선으로 그려져 있다. 이는 기술적으로 가능한 한 곡률반경의 값에 가까운 원주를 가지는 원호에 가깝다. 예를 들면 Δρ=f_f/sin(α_max-α_k)(여기서, f_f는 파형의 허용 오차, Δρ=ρf·ρ_α, ρ_α,f는 상호 작용 톱니의 초기 윤곽쌍의 접촉하는 각각 볼록, 오목 부분의 프로파일의 곡률반경, α_max는 톱니 끝의 최대 프로파일 각도)로서 정의되는 곡선이다. 이러한 이산 구동의 실현에 의해, 톱니의 치합 위상에서의 톱니의 접촉 밀도가 높아지고, 치합에 대하는 형상 편차의 영향이 적어진다.
예를 들면 도 12의 원뿔(또는 원통) 형상 구동에서는, 정면 프로파일의 높이에서 접촉점의 위치는, 기어의 축위치(또는 축간 거리)의 실제의 변화에 전혀 관계없으며, 그것이 증대했을 경우, 톱니의 높이에서 그 최초의 중심 위치를 바꾸지 않아, 도 12에서 마주 향하는 화살표(S)로 나타낸 일체 접촉의 반점은 더욱 점(K)에 국부화된다. 이러한 구동에서는, 톱니의 실제의 접촉 밀도는, 축간 거리의 변화와 동일한 확률적으로 나타난 오차의 함수이며, 표면의 개시 접촉에 이르는 것과 같은 상한 레벨까지 달한다. Δρ의 값을 선택하는 상기의 식을 이용하여, 91-92, 93-94의 부분에서도 접촉 밀도를 다소 높일 수 있지만, 이들의 접촉 밀도의 실제의 상승은, 운동학적으로 상당히 제한되어 있고, 간극의 형상이 양 오목의 경우에 치합의 극상에서의 톱니의 접촉에 의한 파손을 방지하거나, 극부에서 인벌류트 치합의 경우에 치합 각도를 상승시키기 때문에, 이들 부분의 파라미터를 선택하는 것이 적절하다.

직선 톱니형, 아치형 및 경사 톱니형 등의 원통 형상, 원형 톱니가 부착된 나선 형상 및 원뿔 형상의 동력 구동의 시험에서, 재료의 합금화, 톱니의 화학적 열처리 및 마무리 처리의 필요성이 낮아지기 때문에, 제품 원가를 크게 낮출 수 있는 것을 알았다. 또한, 모듈(m)=2.5∼10mm의 원통 형상 구동(일체 또는 구성 강철 기어를 가짐)에 대해서는, 원가를 낮출 수 있고, 동시에 부하 능력을 높이고(H_nob≥HRC57, φ_D1,2=0.085τ_1,2, ε_β=0, ε_γ=0.915일 때에 2배, 3관 구성 기어로 H_nob≒HB320, Z_1,2=29, φ_D1,2=τ_1,2/6, ε_γ=0일 때 1.9배), 정상 작동의 수명을 연장시키고(H_nob≤HB320, φ_D1,2=0.135τ_1,2,ε_β=1.96, ε_α=0.865일 때 10배 이상), 소음 레벨을 낮출 수 있고(H_nob≥HRC58, φ_D1,2=0.086τ_1,2, ε_β=0, ε_γ=0.914일 때에 3∼4dBA), 간극이 없고, 래디안 γ=1.45·10^-3의 기어쌍의 축의 변형이 있는 치합의 극단적인 조건에서 구동의 정지가 없고(H_nob≒HB320, φ_D1,2=0.062τ_1,2, ε_β=1.429, ε_γ=2.367), 폭이 넓은 림의 경사 톱니의 구동의 총치수를 줄일 수 있다(H_nob≤HB320, φ_D1,2=0.135τ_1,2, ε_β=1.176, ε_α=0.865일 때 150mm에서 90mm까지, 1.67배).

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본 발명의 기어 구동은 각 기술 목적에 적용할 수 있고, 다양한 인간의 활동 범위에서 사용할 수 있다. 원통 형상, 원뿔 형상, 엇갈림 형상(hypoidal), 나선 형상, 웜 형상, 스파이럴 형상의 기어 구동 등, 다양한 형상의 것이 가능하며, 그 기어는 다양한 세로 형상의 톱니를 가지는, 하나 또는 복수로 구성된 기어이다. 본 발명에 따라, 동력 구동의 지수 개선에 대하여 당면의 문제를 해결할 수 있다. 즉, 부하 능력(2배까지), 수명(10배까지), 고속성, 효율 및 내마모성을 높이고, 치합의 동력학적(진동 음향) 특성을 낮추고(1∼4dBA), 형상의 기술적 변형 편차에 의한 영향도를 낮추고, 제조 방법을 간략화하고, 치수, 질량, 금속용량 및 원가를 낮추고, 런닝코스트(윤활 및 방열 조건에 대한 요구 수준도 포함함) 및 구동 정지 리스크를 낮출 수 있다. 본 발명은, 톱니의 치합의 설계상의 유연성을 향상시키고, 넓은 범위, 즉 다양한 수송 기계, 공작 기계 제조, 일반 감속 장치 제조, 그 외 기계 제조 분야에 적용할 수 있는 가능성이 있다. 이 기어 구동 및 필요한 톱니 가공구를 제조하기 위해서는, 통상의 널리 사용되고 있는 장치이면 충분하다.

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Claims (5)

1. 상호작용하는 톱니형 크라운(toothed crowns)의 톱니 피치 각도(τ₁,τ₂)를 갖는, 제 1 톱니 바퀴와 제 2 톱니 바퀴를 포함하는 기어 장치로서,

   단일 유동 엘리먼트들, 또는 연속하여 상호작용하는 쌍들의 톱니형 크라운의 결합 위상(engagement phases)과 같은 상대 각도 옵셋(τ_p1,2 ^1-2)을 갖는 복수 유동 엘리먼트들로 구성되고, 정면 톱니 프로파일(face tooth profiles)은 톱니의 끝 높이(addendum)에서는 부분적 접합 및/또는 점적 접합의 볼록 형상을 포함하고, 그들의 이론적 접촉 지점인 톱니의 뿌리(dedendum)에서는 서로 연속하여 연결되거나 또는 다른 섹션들과 연속하여 연결될 수 있는 엑스트라-폴 아크 형 섹션들(extra-pole arc-shaped sections)의 오목 형상을 포함하고,

   상기 상호작용하는 톱니형 크라운은,

   상기 톱니 피치 각도(τ_1,2) 또는 상기 상대 각도 옵셋(τ_p1,2 ^1-2)보다 작은 정면 오버랩 각도(Φ_a1,2)를 가지되,

   상기 톱니 정면 프로파일(N₂)의 분리 지점으로부터 상기 톱니 정면 프로파일(N₁)의 결합 지점까지, 상대각도옵셋(τ_p1,2 ^1-2)이 0 일 경우 Φ_D1,2 이고, 상대각도옵셋(τ_p1,2 ^1-2)이 0 이 아닌 경우 Φ_D1,2 ¹ 인 이산상호매칭각도와 동일한 톱니상호매칭위상(phase)들 사이의 간극(gap)을 형성하면서 배열되고,

   상기 위상중 최소한 하나가 상기 엑스트라-폴 아크 형 섹션에 의해 형성되고, 톱니 정면 오버랩 비(ε_α ) < 1 이거나, 전체 오버랩 비(ε_γ) < 1 를 가지는 것을 특징으로 하는, 기어 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 복수 유동 엘리먼트들은, 원주 방향으로 상대적으로 이동된 톱니 정면 프로파일의 결합 위상과 함께 결합된, 두 개 이상의 동축의 톱니형 크라운이 적층된 형태의 복합 바퀴들을 포함하고,

   상기 기어 장치는 상기 상호작용하는 상이한 쌍의 톱니형 크라운과, 인접한 지점들 사이에 본질적으로 동일한 각도 거리를 포함하는, 별개의 톱니가 상호매칭하는 조합을 갖고,

   상기 이론적 접촉 지점, 또는 상기 각 바퀴의 정면 표면상에서 상기 모든 톱니형 크라운의 활성 섹션들의 특정 지점들에서,

   톱니 정면 프로파일에 법선(normals)인 돌출부들은 바퀴의 피치 라인을 교차하여, 전체 오버랩 비(ε_γ= 0)를 갖고, 다음의 비; Φ_D1,2 ^1,2,3... /τ_p1,2 ≤ 0.35 로부터 얻어진 별개의 톱니 정면 상호매칭 각도의 값을 갖는 것을 특징으로 하는, 기어 장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   한 쌍의 동일하지 않은 베이스 톱니 외형을 포함하며, 상기 톱니 정면 프로파일은 인벌류트(involute) 섹션들을 포함하고,

   각각의 인벌류트 섹션들은 미리 결정된 크기의 추가 볼록 구조 섹션 및 미리 결정된 크기의 추가 오목 구조 섹션에 의해 적어도 하나의 엑스트라-폴 아크 형 섹션과 연결되고,

   상기 기어 장치는 하나의 엑스트라-폴로서 설계되어, 톱니의 끝 높이에 위치한 쌍들의 바퀴 중 하나의 톱니 정면 프로파일의 소형 크기의 볼록 구조 섹션의 상부 경계 지점을 가지며,

   상기 인벌류트 섹션들은 리세스 또는 메싱(meshing)의 접근 위상을 형성하고, 다음의 비; Φ_D1,2 / τ_1,2 ≤ 0.4 로부터 얻어진 별개의 정면 상호매칭 각도 값을 갖는 것을 특징으로 하는, 기어 장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   한 쌍의 베이스 톱니 외형을 포함하며, 상기 정면 톱니 프로파일은 톱니의 끝 높이에서의 오목부와 톱니의 뿌리에서의 볼록부로 만들어지고, 엑스트라-폴 섹션의 이론적 접촉 지점에서 굴절된, 혼합된 커브(mixed curves)로 둘러싸인 아크형 섹션을 포함하고,

   상기 기어 장치는 하나의 엑스트라-폴로서 설계되어, 프로파일 각도(α_c)를 갖는 톱니 기준 뿌리에서의 중간 굴절 지점에서 연속하여 상호연결된 아크형 톱니의 뿌리 및 톱니의 끝 높이 섹션을 갖고, 다음의 비; Φ_D1,2 / τ_1,2 ≤ 0.25 로부터 얻어진 상기 별개의 정면 상호매칭 각도 값을 갖는 것을 특징으로 하는, 기어 장치.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 기어 장치는, 기하학적 파라메터(geometrical parameters)의 편차를 갖도록 설계되고,

   상기 기하학적 파라메터의 편차는 원통형 바퀴의 축 또는 베벨 바퀴의 축 방향 설정 사이의 증가한 거리와 동일하고,

   이론적 압력 각도(α_k)를 초과하는 압력 각도에서 톱니 정면 프로파일의 상기 엑스트라-폴 아크 형 섹션은 부드러운 커브로 둘러싸이고,

   상기 부드러운 커브는 본질적으로 동일한 곡률 반경 값을 갖는 원형 아크에 근접하는 것을 특징으로 하는, 기어 장치.

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