KR101444124B1 - 고성능 워엄기어 제조기 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 워엄기어 특히 특정한 워엄 및 헬리컬 기어에 정확히 맞물려서 동력전달의 손실을 최소화하고 효율을 최대로 하는 원판형 워엄기어를 제작하는 방법 및 그에 따른 원판형 워엄기어에 관한 발명으로서,
절삭장치가 회전운동하면서 기어홈인도에 의해 수평왕복운동하고,
워엄기어본체가 회전운동 및 상하운동하면서 상기의 기어홈인도에 의한 인도되어진 절삭장치에 의해 절삭되는 공정이 포함된 원판형 워엄기어 제조방법 및 그에 따른 원판형 워엄기어를 제공한다.

Description

고성능 워엄기어 제조기 및 그 제조방법{highly qualified worm gear and the production method thereof}

본 발명은 워엄기어 특히 특정한 워엄 및 헬리컬 기어에 정확히 맞물려서 동력전달의 손실을 최소화하고 효율을 최대로 하는 원판형 워엄기어를 제작하는 방법 및 그에 따른 원판형 워엄기어에 관한 발명이다.

기어 이를 제작하는 방법으로는 주조법에는 샌드캐스팅(Sand Casting), 인젝션 몰딩(Shell Molding), 인베스트먼트 주조법(Investment Casting), 영구주조법(Permanent Mold Casting), 다이 캐스팅(Die Casting) 및 원심 주조법(Centrifugal Casting)등 매우 많은 방법이 있다. 또한 분말 야금(Powder-Metallurgy Process)이나 압출(Extrus-ion)등에 의해서도 만들어진다. 냉간 성형(Cold Forming), 이나 냉간 전조법(Cold Rol-ling)등에 의해서도 기어 이를 제작할 수 있다.

그러나 고하중이 작용하거나 정밀한 치형을 얻기 위해서는 현재까지는 절삭 가공법을이용하여야 한다.

따라서 정밀한 치형이 적용되는 헬리컬기어(hellical gear)와 맞물리는 워엄기어(worm gear)의 절삭가공 제작은 실제로 매우 어렵다. 통상적으로는 워엄기어(worm gear)와 맞물리는 것은 워엄(worm)이지만, 본 발명에서는 통상적인 워엄기어가 아닌 "원판형 워엄기어를 제작하는 방법 및 그에 따른 원판형 워엄기어"인 것임에 따라 본 발명의 원판형 워엄기어에 맞는 기어를 일컬어서 "헬리컬 기어"라고 칭한다. 통상의 워엄은 하나의 나선형의 기어 이줄(teeth line)을 형성하지만 현재 사용되는 워엄형의 기어는 대부분 여러 개의 이줄(teeth line)이 나선형으로 이루어진 형태를 취하게 됨에 따라 이를 통칭하여 본 발명에서는 "헬리컬기어"라고 표현함에 유의해야 한다.

오늘날 CNC나 NC가 적용되는 기어 제작공구에서도 헬리컬 기어에 정확히 맞물리는 워엄기어의 제작은 실제로 불가능하다. 그 이유는 아무리 정확히 수치계산을 해서 워엄기어를 제작한다고 하더라도 헬리컬 기어 자체의 성형도가 완전할 수가 없기 때문에 이에 완벽하게 맞물리는 워엄기어를 제작한다는 실제로 불가능하기 때문이다.

실제로 이와 같은 문제점 때문에 특허등록번호 10-0581608의 웜의 가공장치라는 발명특허도 있었다. 그러나 이는 자동선반에 장착되는 장치로서 복수의 공정이 수반되는 웜가공의 전반을 자동선반에서 수행하는 것에 특징이 있는 것으로서 상기의 문제점을 완전히 해결하지는 못하였다.

본 발명은 종래의 워엄기어 제작방법에서는 헬리컬 기어와 정확히 맞물리는 원판형 워엄기어를 제조하기가 극히 어려웠는데 그것을 해결하고자 하는 데 목적이 있다.

또한 본 발명은 헬리컬 기어와 정확히 맞물리는 원판형 워엄기어를 제작하여 동력을 전달하는데 있어 동력손실을 최소화하는데 목적이 있다.

그리고, 본 발명은 헬리컬 기어에 정확히 맞물리는 원판형 워엄기어를 사용하는 다양한 기계 및 기구에 필요한 워엄기어를 제작하는 데 그 목적이 있다.

상기의 과제를 해결하기 위하여,

절삭에 의한 워엄기어 제조방법에 있어서,

절삭장치가 회전운동하면서 기어홈인도에 의해 수평왕복운동하고,

워엄기어본체가 회전운동 및 상하운동하면서 상기의 기어홈인도에 의한 인도되어진 절삭장치에 의해 절삭되는 공정이 포함된 워엄기어를 제조하는 방법을 제공한다.

본 발명에 의한 워엄기어 제조방법은 NCC 또는 NC에 의한 제조방법에 비하여 더 정확한 워엄기어를 제조할 수 있다.

본 발명의 특징은 어떠한 각을 갖는 헬리컬기어라도 그에 딱 맞는 워엄기어를 정확하게 제조할 수 있다.

본 발명에 의해 제조된 워엄기어는 마모율이 적도 동력전달의 감소도 매우 적어 강력한 효율을 자랑하는 워엄기어가 제조된다.

본 발명은 특히 소형이면서 정밀함이 필요하여 고효율을 내어야하는 헬리컬기어에 정밀하게 들어맞는 워엄기어를 매우 쉽게 제조할 수 있는 효과를 나타낸다.

도 1은 본 발명에 따른 원판형 워엄기어 동력전달 장치를 도시한 구성도.
도 2는 도 1의 요부 분해 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 원판형 워엄기어 동력전달 장치를 구성하는 헬리컬 기어와 원판형 워엄기어가 맞물린 상태의 평면 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 원판형 워엄기어의 입체도.
도 5는 본 발명에 따른 원판형 워엄기어 제조장치의 모형도.
도 6은 본 발명에 따른 원판형 워엄기어 제조장치가 장착된 기어제조기계 모형.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명의 워엄기어(worm gear)는 상기한 바처럼 헬리컬기어(앞에서 언급한 것처럼 본 발명에서는 통상의 워엄과 헬리컬기어를 통칭하는 것으로 사용한다)와 맞물리며 작동을 하는 동력전달 수단을 의미한다. 따라서 워엄기어는 그 단독으로는 사용되는 것이 극히 드물며 그와 같이 연동되는 기어와 함께 사용되는 것이 통상적이다. 이와 같이 워엄기어에 맞물려서 작동하는 기어를 본 발명에서는 통상적으로 헬리컬기어라고 한다.

본 발명은 고성능의 워엄기어 제조기 및 그 제조방법은 앞에서 설명한 헬리컬기어를 사용하는 것을 특징으로 하고 있다. 따라서 먼저 헬리컬기어를 제조하는 것으로부터 본 발명은 시작된다.

따라서 본 발명은 먼저 헬리컬기어를 제조하고 그 헬리컬기어에 맞물리는 워엄기어를 제조하는 순서대로 진행된다. 사용되는 헬리컬기어는 기성으로 나온 것뿐만 아니라 새로 제작하는 것 그 모두가 다 허용된다.

먼저 헬리컬기어를 제조한다. 헬리컬 기어의 제조법은 절삭 가공법의 방법 중 밀링, 세이핑, 또는 호빙 등의 방법을 사용할 수 있으며, 절삭 가공으로 가공된 기어는 세이빙, 그라인딩 또는 래핑 등의 방법으로 다듬어져서 완성된다.

이와 같이 완성된 헬리컬 기어에 맞물리는 본 발명의 워엄기어는 원판형 워엄기어이다.

일반적으로 기어(gear)는 2개 또는 그 이상의 축 사이에 회전이나 동력을 전달하는 장치로서, 이는 동력이나 회전의 전달이 확실하고, 정확한 각속도비(角速度比)로 전달할 수 있으며, 구조도 비교적 간단하고, 동력손실도 적고 수명도 긴 장점이 있어 기계구조에 널리 쓰인다.

이러한 기어는 시계에 쓰이는 지름 1.5mm 정도의 작은 것에서부터 큰 것은 선박용 감속장치 등에 사용되는 수 m에 달하는 것까지도 있으며, 공작기계차량 등을 비롯하여 모든 종류의 기계에 이용되고, 치형(齒形)은 사이클로이드(cycloid) 곡선을 이용한 사이클로이드 치형과 원에 감은 실을 팽팽한 상태로 풀 때, 실 끝이 그리는 궤적(軌跡)인 인벌류트(involute, 나선형) 곡선을 이용한 인벌류트 치형 등이 있다.

통상 기어의 종류로는 피니언 엔 랙, 스퍼기어, 내 기어, 헬리컬 기어, 베벨기어, 나사 기어, 워엄기어 등이 있다.

이러한 기어는 통상 원주상에 형성되고, 원주상에 형성된 기어를 맞물려서 동력을 전달하도록 구성한 것이다. 본 발명과 관련된 헬리컬 기어는 원주상에 기어 이가 형성되고, 이 기어 이에 동일한 곡률로 이루어진 헬리컬 기어를 워엄기어의 이를 맞물리도록 하여 동력을 전달하게 된다.

그러나, 종래의 원주상에 형성된 헬리컬 기어와 워엄기어의 치합은 기어 이의 배열상 정확하게 맞물리지 못하는 구조로 이루어져 동력이 제대로 전달되지 못하여 효율이 떨어지고 헬리컬 기어로써의 동력전달에 대한 힘이 많이 들었던 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 어떠한 형상이나 구조로 된 헬리컬 기어라도 이를 이용하여 정확한 워엄기어를 제작할 수 있도록 해준다.

또한 본 발명은 특히 워엄기어 중에서도 도 4와 같은 형태의 원판형 워엄기어를 제조하는 방법을 제공해 준다. 그리고 이런 원판형 워엄기어는 기어의 형상자체로도 매우 큰 기술적 특징을 갖고 있다.

본 발명에서의 원판형 워엄기어는 워엄기어의 이(이빨)가 나선형으로 이루어져 있는 것으로서, 원판형의 외주부근의 이(이빨) 폭보다 내주 부근의 이(이빨) 폭이 큰 형태의 것을 말한다.

이런 원판형 워엄기어를 제조하는 방법은 상기한 절삭가공법으로 가능한데, 종래의 NCC나 NC의 공법으로 정확히 한다고 하더라도 헬리컬 기어에 정확히 맞물려서 에너지 소모 없이 정확히 동력전달을 하는 구조로 제작하기는 어려웠다.

그러나 본 발명은 통상의 선반, 밀링머신, 호빙머신 등의 절삭기계에 본 발명의 워엄기어 제작장치를 장착하거나 또는 통상의 기어절삭방법에 본 발명의 워엄기어 제작방법을 적용하여 완전한 원판형 워엄기어를 제작하는 것을 제공한다.

본 발명의 특징은 기어홈 인도과정이 부가됨을 특징으로 한다. 기어홈 인도과정은 상기한 절삭기계에 기어홈 인도장치가 장착되어 있어 헬리컬 기어의 기어홈을 접촉지지하여 헬리컬 기어가 회전운동을 하게 되면 헬리컬 기어가 수평운동을 하게 되는 과정을 의미한다.

따라서 더 상세히 설명하면 도 5에서 보는 바와 같이 회전력을 전달하는 동력기관(202)에 의해 헬리컬 기어(200)가 회전을 하게 되고, 그 헬리컬 기어의 기어홈(201)에는 기어홈 인도장치(100)가 장착되어 있어 헬리컬 기어가 회전운동을 하게 되고 이와 연동하여 기어 절삭장치(300)가 수평 및 왕복으로 운동하게 되는 작용을 하게 된다.

다시 말하여 기어홈 인도장치는 기어를 제조하는 통상의 절삭가공법(예컨대 선반, 밀링머신, 호빙머신 등의 방법)에 장착되어 하기할 기어 절삭장치가 원판형 워엄기어 본체(400)의 중심에 대하여 수평왕복운동하면서 기어가공절삭을 할 때 워엄기어의 나선(402)을 정확히 형성해 주는 본 발명의 특수한 장치이다. 원판형 워엄기어 본체는 감속기(401)에 의해 회전운동을 한다.

그리고 원판형 워엄기어의 축에 직교한 방향으로 절삭장치의 수평운동 축이 형성되어 있다. 그리고 상기한 기어홈 인도장치에 의해 헬리컬 기어의 나선형의 이에 잘 맞물릴 수 있는 원판형 워엄기어의 이를 절삭하게 된다.

상기한 기어 절삭장치는 원판형 워엄기어의 회전속도에 대해 일정한 비율로 회전운동하게 된다. 본 발명의 절삭장치는 일반 바이트, 일반 커터, 피니언 커터, 호브 등의 절삭을 가능하게 하는 장치 등을 의미한다. 이러한 원판형 워엄기어에 대한 절삭장치의 회전 비율은 통상의 기어 제작속도 식에 의해 쉽게 구해질 수 있음은 물론이며 헬리컬기어의 축방향으로 장착된 절삭장치의 회전구동은 원판형 워엄기어 본체의 회전구동과 연동되어 구성되어 있을 수도 있다.
즉, 원판형 워엄기어 본체가 회전하고 절삭장치는 원판형 워엄기어 본체의 중심을 왕복하며 절삭하게 되므로 원판형 워엄기어의 이가 나선형으로 되는 것이다.

또한 원판형 워엄기어가 절삭되는 과정에서 원판형 워엄기어 본체는 위쪽이나 아래쪽 방향으로 운동하여 절삭하는 UP CUTTING 또는 DOWN CUTTING 구조를 취하게 된다.

기어 절삭장치는 기어홈 인도장치에 의해 원판형 워엄기어의 본체의 중심을 향해 일정한 속도로 수평 왕복운동하게 된다. 일정한 속도의 의미는 헬리컬기어의 홈이 기어홈인도장치에 의해 지지된 상태에서, 헬리컬기어가 회전하면 기어의 홈에 따라 헬리컬기어가 수평으로 이동하게 되는 것을 의미한다. 그 후 다시 원판형 워엄기어의 이의 길이에 대응하여(맞춰서) 헬리컬기어의 회전장치는 캠(203)과 같은 기능을 갖는 것에 의해 역회전을 하게 되고 그에 따라 수평적인 반대방향으로 운동하게 된다.

상기한 기어홈 인도장치는 고정되어 있으며 헬리컬기어의 이가 기어홈 인도장치에 지지되고 헬리컬기어가 회전하면 헬리컬기어의 축방향에 장착된 절삭장치가 일정한 속도 및 정확한 헬리컬 기어의 나선에 따라 수평 및 왕복 운동하면서 원판형 워엄기어의 이를 제작하게 되는 것이다.

상기와 같이 헬리컬기어에 정확하게 잘 맞물리는 원판형 워엄기어를 정밀하게 제조하는 방법을 제공한다.

그리고 본 발명은 워판형 워엄기어 제조방법에 따른 워엄기어 제조기를 제공하게 된다.

또한 본 발명에 의해 제조된 원판형 워엄기어는 기능적으로 본 발명의 가장 큰 특징이 된다.

첨부된 도면중 도 1은 본 발명에 따른 기어 동력전달 장치를 도시한 구성도이고, 도 2는 도 1의 요부 분해 사시도이며, 도 3은 본 발명에 따른 기어 동력전달 장치를 구성하는 헬리컬 기어와 원판형 워엄기어가 맞물린 상태의 평면 구성도이다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의해 제조된 기어 동력전달 장치는 크게 헬리컬 기어(10)와; 헬리컬 기어(10)에 치합되는 원판형 워엄 기어(30)로 이루어진다.

상기 헬리컬 기어(10)는 원판 또는 원통의 일면에 동일 간격과 곡률을 유지하여 반복적으로 형성되는 기어 이(12)와; 기어 이(12)의 중앙 영역에 관통 형성되어 회전축(20)이 축설되는 회전축 공(14)으로 이루어진다.

상기 기어 이(12)는 원판 또는 원통의 일면에 내주연 폭의 칫수가 넓고, 외주연 폭의 칫수가 좁게 형성된다. 즉, 정면에서 보았을 때, 기어 이(12)의 폭이 내측은 넓고, 외측은 좁은 긴 역삼각형으로 이루어진다. 이때, 이 폭은 내주연에서 외주연으로 동일한 곡률을 유지하여 일 방향으로 만곡지게 형성된다.

이와 같이 기어 이(12)의 폭이 역삼각형으로 구성되면, 기어 이(12) 사이에 형성되는 기어 골(16)은 반대, 즉 삼각형으로 형성된다.

이때, 기어 이(12)와 기어 골(16)을 평면상에 보았을 때, 톱니형으로 이루어진다.

상기 웜 기어(30)는 헬리컬 기어(10)의 기어 이(12)와 골에 맞물리도록 어 이(32)가 형성된다. 즉, 헬리컬 기어(10)의 기어 이(12)에 맞물리도록 동일한 곡률로 형성되어 맞물려 회전하게 된다.

이때, 웜 기어(30)의 기어 이(32)는 헬리컬 기어(10)의 회전축 공(14)을 중심으로 3등분으로 나누어 1/3지점에 수평으로 맞물리도록 축설하여 헬리컬 기어(10)의 기어 이(12)를 따라 회전 가능하도록 구성하게 된다.

한편, 이와 같이 상호 맞물려 구성된 헬리컬 기어(10)와 웜 기어(30)는 헬리컬 기어(10)의 회전시 헬리컬 기어(10)를 따라 웜 기어(30)가 회전하면서 동력을 전달하게 된다.

이러한 워엄 기어(30)는 헬리컬 기어(10)의 회전축공(14)을 중심으로 3등분으로 나누어 1/3지점에 헬리컬 기어(10)의 기어 이(12)와 맞물리도록 축설되어, 헬리컬 기어(10)의 기어 이(12)를 따라 회전이 원활하게 이루어지게 되어 마찰계수가 줄어 동력 손실이 방지됨에 따라 적은 힘으로도 큰 힘을 전달할 수 있게 된다.

본 발명은 헬리컬기어와 맞물리는 원판형 워엄기어가 사용되는 동력전달 장치를 제조하는 산업에 적용할 수 있다. 또한 자동차용 워엄기어 동력전달 장치 제조 산업에도 이용가능성이 있고 소형의 워엄기어가 사용되는 Reel Gear 및 정확하고 부드러운 동력전달이 필요한 정밀기계장치 및 저소음이 필요한 동력전달 장치 등의 제조 가공 산업에 유용하다.

10 : 헬리컬 기어 12 : 기어 이
14 : 회전축 공 16 : 기어 골
20 : 회전축 30 : 워엄 기어
32 : 기어 이
100 : 기어홈 인도장치
200 : 헬리컬 기어 201 : 헬리컬 기어 홈
202 : 감속기 203 : 캠
300 : 절삭장치 301 : 감속기
400 : 원판형 워엄기어 본체 401 : 감속기
402 : 원판형 워엄기어 나선(기어홈)

Claims (4)

1. 삭제
2. 선반, 밀링머신 또는 호빙머신의 절삭기계에 의하여 기성의 헬리컬기어에 맞는 워엄기어 제조방법에 있어서,
   절삭장치가 회전운동하면서 상기 기성의 헬리컬기어의 기어홈인도방법에 의해 수평왕복운동하고,
   워엄기어본체가 회전운동 및 상하운동하면서 상기 기성의 헬리컬기어의 기어홈인도방법에 의하여 인도되어지는 절삭장치에 의해 절삭되는 공정이 포함되되,
   상기 기어홈인도방법은 상기 기성의 헬리컬기어의 홈에 기어홈인도장치가 지지되면서 상기 기성의 헬리컬기어가 회전운동하면 기어홈인도장치의 지지에 의하여 기성의 헬리컬기어가 수평으로 왕복운동하는 작용에 의한 것이고,
   상기 기성의 헬리컬기어의 축방향으로 장착된 절삭장치의 회전구동은 원판형 워엄기어 본체의 회전구동과 연동되어 구성된 것을 특징으로 하는 상기 기성의 헬리컬기어에 대한 원판형 워엄기어 제조방법.
   
3. 선반, 밀링머신 또는 호빙머신의 절삭기계에 부가되어 구성되되,
   기성의 헬리컬기어와,
   상기 기성의 헬리컬기어의 기어홈을 지지하도록 장착되어 있는 기어홈인도장치가 부가 구성되되, 상기 기성의 헬리컬기어가 감속기에 의해 회전운동하면 기어홈인도장치에 의해 지지되어진 상기 기성의 헬리컬기어가 기어 홈에 의하여 수평왕복운동하는 작용을 하고,
   상기 기성의 헬리컬기어에 수평왕복운동함에 따라 기성의 헬리컬기어에 연동된 절삭장치가 원판형 워엄기어 본체의 중심을 수평왕복하며 절삭하는 작용을 하고,
   상기 원판형 워엄기어 본체는 회전운동 및 상하운동을 하여 상기한 절삭장치가 원판형 워엄기어를 가공하되,
   상기 기성의 헬리컬기어의 축방향으로 장착된 절삭장치의 회전구동은 원판형 워엄기어 본체의 회전구동과 연동되어 구성된 것을 특징으로 하는 상기 기성의 헬리컬기어에 대한 원판형 워엄기어 제조장치.
   
4. 삭제

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