KR101571195B1

KR101571195B1 - 유량계용 오발 기어세트, 핸드-헬드 유량 측정 장치 및 소용돌이 모양의 기어 이빨을 만드는 방법

Info

Publication number: KR101571195B1
Application number: KR1020117001461A
Authority: KR
Inventors: 데이비드 엘. 브리저; 마크 엘. 보크; 존 씨. 홀맨
Original assignee: 그라코 미네소타 인크.
Priority date: 2008-06-20
Filing date: 2009-06-22
Publication date: 2015-12-04
Also published as: EP2310813A4; RU2011101914A; CN102124309A; US8312785B2; AU2009260754A1; TWI409445B; MY154607A; RU2499982C2; TW201011263A; EP2310813A2; KR20110030626A; JP2011524985A; JP5209112B2; CN102124309B; AU2009260754B2; US20090314115A1; WO2009154803A2; ES2848428T3; WO2009154803A3; EP2310813B1

Abstract

유량계(28)용 오발 기어 세트(46)는, 서로 동일하고 모든 각도에서 제1 및 제2 기어(46A, 46B)가 맞물리도록 고정된 중심 사이의 거리 CD에서 맞물리게 배치된 제1 및 제2기어(46A, 46B)를 포함한다. 상기 오발 기어(46) 세트의 각각의 기어는 허브와 복수 개의 기어 이빨(95)을 포함한다. 상기 허브는 허브의 중심(100A, 100B)을 통해 뻗어 나가는 장축 및 단축을 가지는 오발 바디(99A, 99B), 그리고 장축 및 단축을 둘러싸는 루트 프로필 RP 벽(root profile wall)을 포함한다. 상기 복수 개의 기어 이빨(95)은 루트 프로필 RP 벽으로부터 뻗어 나간다. 상기 각각의 기어 이빨(95)은 원형의 소용돌이 커프 프로필(IC1, IC2)를 가지는 한쌍의 접촉 표면을 포함한다.

Description

유량계용 오발 기어세트, 핸드-헬드 유량 측정 장치 및 소용돌이 모양의 기어 이빨을 만드는 방법{AN OVAL GEAR SET FOR USE IN A FLOW METER, A HAND-HELD FLOW METERING DEVICE, AND A METHOD FOR PRODUCING INVOLUTE GEAR TEETH}

본 발명은 유량계용 오발기어에 대한 것이다. 보다 구체적으로, 오발기어용 기어 이빨 형상에 대한 것이다. 핸드-헬드 장치는 벌크 컨테이너로부터 측정된 유체의 양을 분배하기 위해 사용된다. 예를 들면, 자동차 서비스 스테이션은 종종 핸드-헬드 미터를 사용하여 큰 드럼통의 윤활유를 작은 양으로 나누어서 자동차 엔진에 분배한다. 이러한 핸드-헬드 미터 및 다른 유사한 유체 분배 장치는 전형적으로, 분배 장치를 통해 흐르는 유체의 부피를 측정하는 정량-변위 계량장치(a positive-displacement metering mechanism)를 포함한다. 일반적인 정량-변위 계량장치는 서로 맞물린 타원 또는 변형된 타원형 오발 기어들을 포함하는데, 이 사이에서 가압된 유체 흐름은 기어들의 회전을 발생시킨다. 일반적으로 상기 기어들은, 상기 기어들의 회전수를 세서 상기 유체의 부피 유량을 측정하는 전기 제어 시스템에 연결된다. 상기 기어들은 기어들 센터 사이의 거리가 고정되도록 저널되어 있다(journaled). 그래서 기어 이빨은 서로 다른 곡률을 가지는 기어 커브들의 세그먼트를 따라 맞물리고, 이는 기어 이빨들의 경계면을 복잡하게 한다. 예를 들면, 정확한 측정 장치는, 상기 기어의 회전에 기여하지 않는 기어들 사이의 유체 노출을 막고 유체 노출을 방지하기 위해, 이빨 경계면 사이의 역량에 따른 유량을 결정할 수 있다. 게다가, 이빨 사이의 경계면은, 상기 기어들의 수명, 기어들에 의해 발생하는 노이즈의 양, 그리고 기어들에 의해 발생하는 진동에 영향을 미치고, 이것들은 모두 각각에 대하 부드럽게 회전할 수 있는 기어 역량에 의존한다. 그리하여 기어 이빨 디자인은 측정 장치의 효율성 및 유체 분배의 정확성에 매우 중요한 것이다.

종래의 원형 스퍼(spur) 기어는 종종 소용돌이 기어 이빨을 가지는 기어를 사용하는데, 이는 기어들이 서로 슬라이딩하고 달각달각 소리를 내는 대신, 기어 회전으로서 서로를 가로질러서 구르는 경향이 있다. 소용돌이 커브는, 종래에 이미 널리 알려진 바와 같이, 타원형(oval)이나 원형(circle) 등의 구부러진 표면에서 풀려버린 것과 같은, 궤도(path)와 확장할 수 없는 코드 트래블 말단(end of an inextensible cord travels)으로 묘사될 수 있다. 전형적으로 기어의 베이스 프로필은 소용돌이 기어 이빨 프로필을 형성하기 위한 커브 표면으로 사용된다. 그래서, 원형 스퍼 기어는 원형의 소용돌이 이빨 프로필을 형성하는 원형 베이스 커브 프로필을 가진다. 원형 기어를 위해, 소용돌이 표면은 각 이빨과 같고 상기 기어의 피치 반경은 각각의 이빨과 같다. 이와 같이, 소용돌이 기어 이빨은 호빙기(hobbing machine) 등과 같은 원형 기어용으로 쉽게 만들 수 있다. 전형적인 호빙 프로세스는, 회전하는 기어 조각(blank)에 대항하여, 호빙 커터, 상기 기어 이빨의 반대 프로필을 가지는 나선형 커팅 이빨을 포함하는 원통형 커팅 도구를 회전시키는 것을 포함한다. 오발 기어들 사이의 입사각의 변화 때문에, 종래의 호빙 프로세스를 오발 기어용 소용돌이 기어 이빨을 만드는 데 사용할 수 없다. 예를 들면, 오발 기어 조각(blank)은 수직으로(perpendicularly) 이동하고, 상기 오발 반경 변화에 대응하는 간격에서 호빙 랙( rack)으로 부터 멀어질 필요가 있다. 상기 기어 조각을 움직일 수 있다 해도, 상기 기어 이빨은 타원형 피치 커브 때문에 약화(ungercut)되는 경향이 있다. 변형된 기어 모향 및/또는 피티 프로필을 가지는 다양한 기어들이, 좀 더 쉽게 제조되는 오발 기어들 사이의 매끄러운 접촉면을 만들기 위해 고안되고 있다.

초기 기어 디자인들은 매끄러운 접촉 기어를 만들기 위해 이빨 모양과 피치 커브에 가까웠다. 미국 등록특허 제231,939호는 피치 커브가 단축 근처에서 기어 중심에 더 가까워서 로브(lobe) 형태의 기어를 형성하는 변형된 타원형 기어를 서술하고 있다. 상기 기어 이빨의 프로필은 상기 피치 커브를 세그먼트로 나누고, 상기 피치 선을 가로지르는 일련의 작은 원호(arc)를 만들어서, 소용돌이 모양이 아닌 매끄러운 롤링 형태를 만드는 것에 가까웠다. 후속 고안으로, 기어 이빨 모양이 변형되어서 타원형 기어 상에 실제 타원형의 소용돌이 모양 이빨 프로필을 만들고 호빙 장치를 이용하여 쉽게 제작하였다. 예를 들면, 미국 등록특허 제2,842,977호는, 호빙 장치로 생산할 수 있는 타원형 피치 커브의 소용돌이 모양 표면을 띄는 기어 이빨을 가지는 타원형 기어에 대해 서술하고 있다. 그러나 상기 호빙 랙을 이용하여 상기 조각을 수직으로 이동시키는 것을 피하기 위해, 기어 이빨의 크기가 장축으로부터 단축까지 증가하여, 그 결과 특별하게 고안된 호빙 커터가 필요하였다. 게다가, 타원형 기어는, 회전하는 타원형 기어 중심이 고정될 수 없기 때문에 유량계용으로 사용하기에 적합하지 않다. 다른 고안에서는, 피치 커브와 이빨 모양이 모두 변형되어서 기어 이빨 사이의 상호 작용을 개선시켰다. 미국 등록특허 2,897,765호는, 기어 압력(gearing pressure)를 경감하기 위해, 진정 타원과 비교하여 볼 때 장축과 단축 근처에서 기어 중심에 더 가까운 피치 커브를 가지는 변형된 타원형 피치 커브를 가지는 기어에 대한 것이다. 상기 기어 이빨은, 그러나, 이빨 강도를 증가시키고 이빨 수를 감소시키기 위해, 장축 근처가 단축 근처에서보다 더 넓고 길다.

기술이 발전함에 따라, 타원형 소용돌이 이빨을 생산하기 위해, 더 정교한 기어 이빨 프로필 및 피치 커브가 나타났다. 예를 들면, 미국 등록특허 4,036,073호는 , 호빙 랙과 관련된 두 개의 축을 따라 기어 조각이 움직이는 호빙 매커니즘을 이용하여 기어를 제조할 수 있도록 다양한 도구 압력각을 나타내는 기어 이빨을 가지는 타원형 기어에 대해 서술하고 있다. 그러나 정교한 호빙 머신이 필요하고 장축 및 단축 부근의 이빨은 약화(undercutting)되는 것을 피하기 위해 더 넓은 팁을 가진다. 미국 등록특허 제5,545,871호는 진정 타원형 기어와 관련된 장축 및 단축 사이 커브 위치에서 피치 커브가 볼록한 변형된 타원형 기어에 대해 기술하고 있다. 컴퓨터 지원 설계(CAD) 시스템을 이용하여, 시뮬레이션된 호빙 프로세스가 변형된 피치 커브의 더 작은 눈금 버전에 기초하여 타원형의 소용돌이 모양 이빨을 만드는 데 이용되었다.

결과적으로, 다른 기어 고안들은 기어 성능을 향상시키기 위해 소용돌이 이빨을 사용하지 않는 쪽으로 나타났다. 미국 등록특허 6,048,186은, 진정 타원과 비교하여, 피치 커브가 장축과 단축 근처의 기어 중심에서 더 가까운 변형된 타원 피치 커브를 가지는 기어을 만드는 방법을 서술하고 있다. 상기 기어 이빨은, 트랩핑(trapping)과 연관된 문제를 피하고 기어들이 맞물림에서 나오는 것을 방지하기 위해, 장축을 마주보는 소용돌이 모양 표면과 단축을 마주보는 원형 기어 모양 표면을 가진다. 여전히, 다른 고안들은 소용돌이 기어 이빨을 함께 사용하는 것을 피한다. 미국 등록특허 제6,644,947호는 소용돌이 기어 이빨을 사용하지 않고 "물결 모양 이빨(wave teeth)"을 나타내는 기어 이빨을 가지는 오발 기어에 대해 기술하고 있다. 상기 이빨의 헤드는 제1반경을 가지는 원호로 형성되고, 상기 이빨의 루트는 제2반경을 가지는 원호에 의해 형성된다. 이 고안은 슬라이딩을 감소시키는 납작한 기어 이빨 표면을 형성하지만, 타원형이나 원형의 소용돌이가 아니다.

앞서 설명한 기어 고안들은, 이빨 루트의 언더컷팅, 이빨면의 긁힘(scoring), 이빨 사이 유체의 트랩핑으로부터의 회전 저항, 서로 맞물린 이빨들을 관통하는 누수 등의 유량 측정 장치의 성능 문제를 피하기 위해서, 기어 이빨 경계면의 중요성에 대해 언급하고 있다. 그러나 이러한 고안들은, 하나 또는 그 이상의 기어 이빨 경계면에 대한 성능 파라미터와 제조시의 파라미터를 맞교환하였다. 예를 들면, 비소용돌이형 기어 이빨은 제조하기 쉽지만 기어 이빨 사이의 상대 각속도는 슬라이딩과 딸각 소리(chattering)를 만들어 내고 이는 이빨의 마모와 소음의 원인이 된다. 따라서, 오발 기어용의 기션된 기어 이빨 고안, 특히 유량 측정장치에 사용할 오발 기어용 개선된 기어 이빨에 대한 수요가 존재한다.

발명의 요약

본 발명은 유량계용 오발 기어에 대한 것이다. 상기 기어 세트는, 상기 기어 세트는 서로 동일한 제1 및 제2 기어를 포함하고, 고정된 중심 사이의 거리(center to center distance)를 두고 맞물리도록 배열되어 상기 제1 및 제2 기어가 모든 각도의 위치에서 맞물린다. 상기 오발 기어 세트의 각각의 기어는, 허브 및 복수 개의 기어 이빨을 포함한다. 상기 허브는, 허브 중심을 통해서 뻗어나가는 장축 및 단축을 가지는 오발 바디(oval body); 및 상기 장축 및 단축을 둘러싸는 루트 프로필 벽(root profile wall)을 포함한다. 상기 복수 개의 기어 이빨은 상기 루트 프로필 벽에서 뻗어 나오다. 각각의 기어 이빨은 원형의 소용돌이 커브 프로필을 한 한 쌍의 접촉 표면을 가진다.

도 1은 본 발명에서 사용된 소용돌이 기어 이빨을 가지는 오발기어를 포함하는 핸드-헬드 유체 분배장치를 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 기어를 사용한 계량 장치를 보여주는 도 1의 핸드-헬드 유체 분배 장치의 후면 분해도이다.
도 3은 본 발명의 기어를 사용한 계량 장치를 보여주는 도 1의 핸드-헬드 유체 분배 장치의 전면 분해도이다.
도 4는 본 발명의 소용돌이 이빨을 가지는 오발 기어를 포함하는 유량 측정 장치인 도 1의 핸드-헬드 유량 분배 장치의 단면도이다.
도 5는 도 4의 유량 측정 장치의 기어 박스 내에 배치된 소용돌이 기어 이빨을 가지는 오발 기어의 평면도이다.
도 6은 본 발명의 소용돌이 기어 이빨을 가지는 오발 기어 생산 방법을 나타내는 다이어그램이다.

도 1은 유량 측정 장치에 사용되는, 본 발명의 소용돌이 기어 이빨을 가지는 오발 기어가 들어 있는 핸드-헬드 유체 분배 장치(10)의 사시도이다. 분배 장치(10)는 플랫폼(12), 커버(14), 고압 유체 커플링(16), 분배 튜브(18), 트리거 레버(20), 유저 인터페이스(22) 및 디스플레이(24)를 포함한다. 분배 장치(10)는 대용량 용기에 저장된 유체를 편리한 방식으로 더 작은 부피로 분배하는 것을 가능하게 한다. 예를 들면, 한 실시예로, 분배 장치(10)는 저장 드럼으로부터 적은 양의 윤활유를 자동차 엔진에 주유하기 위해 주유소에서 사용하는 계량기를 포함한다. 커플링(16)은 유체 핸들링 호스(미도시)를 통하여 상기 대용량 용기에 연결되며, 예를 들면, 에어 작동 펌프를 사용하여 압축된다. 상기 호스 길이는, 상기 장치(10)를 상기 대용량 용기가 이동하기 어려운 위치까지 쉽게 이동할 수 있도록 해 준다. 분배 튜브(18)는 측정된 양의 유체가 분배되는 엔진 크랭크실과 같은 작은 부피의 용기의 구멍 안에 쉽게 위치하도록 배치된다. 트리거 레버(20)는 상기 대용량 용기로부터 분배 튜브(18)에 있는 작은 부피의 용기로 유체를 분배하기 위해 오퍼레이터에 의해 옮겨진다(displaced). 유저 인터페이스(22)와 디스플레이(24)는 커버(14) 내부의 전자 장치에 연결되어 있으며, 커머(14) 내의 유체 측정 장치는 오퍼레이터가 장치(10)에 의해 분배되는 유체의 양을 모니터링할 수 있게 한다. 인터페이스(22), 디스플레이(24) 및 전자 장치는 장치(10)이 작업 명령을 프로세싱하고, 상세한 데이터 출력값 목록을 작성하여 수집하고 중앙 제어 시스템과 통신하고 그리고 다른 유사한 기능을 수행할 수 있도록 한다.

상기 유체 측정 장치는 유체의 부피 유속(volumetric flow rate)을 측정하기 위해, 장치(10)를 통해 흐르는 유체를 가로지르는 정량-변위 계량장치(a positive-displacement metering mechanism)를 포함한다. 특히, 상기 유량 측정 장치는 유체로 부터의 압력 하에 서로 반대 방향으로 회전하는 맞물린 한 쌍의 오발 기어를 포함한다. 상기 기어는 본 발명의 소용돌이 기어 이빨을 따라 서로 연결되어 있어서, 무엇보다도, 상기 오발 기어를 통한 유체의 누수를 방지하고 그리고 유체 측정 장치가 부드럽게 작동될 수 있도록 해 준다.

도 2 및 3은 도 1의 분배 장치(10)의 분해도이다. 도 2는 밸브(26), 유량계(28), 트리거 릴리스(30), 배터리(31) 및 솔레노이드(32)를 포함하는 장치(10)의 후면도이다. 도 3은 커버(14), 유량계(28), 트리거 릴리스(30), 배터리(31), 및 솔레노이드(32)를 포함하는 장치(10)의 전면도이다. 유체 커플링(16)은 회전식 잠금장치(33), 필터(34), 호스 보호판(hose shroud, 35)을 포함하고, 플랫폼(12)의 핸들부(36)에 연결된다. 특히, 잠금장치(33)의 외부 나삿니(thread)는 핸들부(36) 안쪽의 고압 유로(passage, 39) 내의 내부 나삿니와 조립된다. 핸들부(36)는 트리거(20) 및 밸브(26) 의 돌발적인 작동을 방지하기 위한 트리거 가드(37)를 포함하고, 트리거 가드(37)는 패드(38A, 38B)를 포함한다. 밸브(26)는 밸브 카트리지(40), 밸브 스템(42), 밸브 스프링(44)을 포함하고, 유로(39)와 튜브(18) 사이에 흐름을 차단하기 위해 플랫폼(12) 내에 위치한다. 유량계(28)는 기어(46), 커버(48), 잠금 장치(49)를 포함한다. 기어(46)는 커플링(16)과 밸브(26) 사이에 유체가 흐르도록 하기 위해서 기어 박스(50) 내에 위치한다. 기어 박스(50)는 커버(48)로 밀봉되며, 잠금장치(49)로 고정된다. 트리거 릴리즈(30)는 트립 로드(51)와 스프링(52), 칼라(collar,53), 베어링(54)을 포함하고, 트립 로드(51)가 트리거 레버(20)에 연결되기 위한 베이스인 보어(55) 내에 위치한다. 트리거 레버(20)는 피보팅(pivoting) 연결을 형성하기 위해 핀(56)으로 트립 로드(51)에 연결되고, 플랫폼(12) 내에 가드(57)로 둘러싸여 진다. 가드(57)는, 일단 설치되면 플랫폼(12)로부터 가드(57)를 제거하기 위해 반드시 부서져야 하는 프랜저블 탭(frangible tab, 58)을 포함한다. 핀(56)으로부터, 트리거 레버(20)는 핸들부(36)와 트리거 가드(37)사이로, 밸프 스템(42)과 맞물리면서 그 길을 따라, 플랫폼(12)을 통해 확장된다. 분배 튜브(18)는 노즐(60)과 커플링(61)을 포함하며, 플랫폼(12) 내의 저압 유로(62)에 연결된다. 특히, 커플링(61)의 외부 나삿니는 저압 유로(62) 내의 내부 나삿니와 연결된다.

트리거 레버(20)는 속도 범위 이상으로(over a range of rates) 유체가 분배되도록 씰 고정 밸브(26)를 작동시키고, 트리거 레버(20)가 더 많이 옮겨질수록 더 많은 유체가 튜브(18)에 분배된다. 트리거 레버(20)는 트리거 레버(20)에 핀(65)으로 조립되는 트리거 락(lock, 63)과 락 스프링(64)을 사용하여 밸브(26)가 열린 채로 있게 하는 작동 위치에서 유지될 수 있다. 트리거 락(63)은 래칫(ratchet) 플레이트(66)과 맞물려서 핀(56)에서 트리거 레버(20)과 연결된다. 장치(1)의 밸브(26)는 대략 14 gpm(gallons per minute) [~883.6 cc/s (cubic centimeters per second)]나 그 이상의 대용적 출력량의 유체를 분배하는 크기로 만들어지며, 일반적으로 높은 유체 압력을 이용하여 달성할 수 있다. 높은 유체 압력은 분배 장치(10)가 더 빨리 유체를 분배하여 시간을 절약할 수 있게 하고, 고점도의 유체를 더 쉽게 분배하는 것을 가능하게 한다. 전자 측정 장치와 결합하여, 트리거 릴리스(30)는 분배되는 유체의 양 조정 후에는 트리거 레버(20)가 작동되지 않도록 함으로써 과분배되는 것을 방지하고, 새로운 명령을 받을 때까지 트리거 레버(20)가 작동안되도록 유지하여 허락되지 않은 분배가 일어나지 않도록 한다. 또한, 전자 측정 장치와 결합하여, 유량계(28)는 밸브(26)를 통해 흐르는 유속을 모니터하여 트리거 레버(20)의 작동에 의해 정확한 양의 유체가 정확하게 분배되도록 한다. 유량계(28)의 기어(46)는, 블로우-바이(blow-by)를 감소시키고 넓은 범위의 분배 속도에 걸쳐 유량계(28)를 통해서 유체가 더 균일하게 흐르도록 해주는, 본 발명의 소용돌이 기어 이빨을 포함한다. 그리하여, 유체 분배 장치(10)는 계측된 분배와 분배 제어 장치의 이용을 조절하여 폐액(waste fluid) 및 다른 손실원(inventory shrinkage source)을 감소시킨다.

도 4는 도 1의 유체 분배 장치(10)의 5-5 섹션에서의 단면도이다. 여기서 유량계(28)의 기어(46)는 플랫폼(12) 내의 기어 박스(50)에 위치한다. 분배 장치(10)는 플랫폼(12), 커버(14), 유체 커플링(16), 분배 튜브(18), 트리거 레버(20), 유저 인터페이스(22), 디스플레이(24), 씰-고정 밸브(26), 유량계(28), 트리거 릴리스(30), 및 전자기기(68)을 포함한다. 밸브(26)는 밸브 카트리지(40), 밸브 스템(42) 및 밸브 스프링(44)을 포함한다. 유량계(28)은 기어(46) 및 커버(48)을 포함한다. 트리거 릴리스 장치(30)는 솔레노이드(32), 트립 로드(51), 릴리스 스프링(52), 컬러(53), 베어링(54), 트리거 핀(56), 플런저 핀(70), 솔레노이드 하우징(72) 및 플런저 보어(76)을 포함한다.

플랫폼(12)은 고압 유로(39)를 포함하는 핸들부(36), 저압 유로(62)를 포함하는 분배부(80)를 포함한다(이것은 도 4에서 점선(hidden line)으로 표시되고 도 3의 분배부(80) 뒤에 보인다). 고압 유로(39)는 커플링(16)에서 분배 튜브(18)로 유체를 보내기 위해서 밸브(26)를 통하여 저압 유로(62)와 유체 소통(fluid communicaton)한다. 고압 유로(39)는 핸들부(36) 내의 플랫폼(12)을 통하여 중앙에 연장되고, 밸브(26)와 교차한다. 저압 유로(62)는 밸브(26)로부터 보어(55)를 지나, 분배 튜브(18)까지 접선으로 연장되며, 고압 유로(39)와 평행하다. 유체 커플링(16)은 나삿니 결합을 통하여 유로(39)의 상류로 끝에 연결된다. 유량계(28)의 기어(46)는 유로(39)의 중간부에 위치하는 기어 박스(50) 내에 배치된다. 기어 박스(50)는 덮개(48)에 의해 닫히고 밀봉된다. 씰 고정 밸브(26)와 트리거 릴리즈(30)는 보어(82, 55)내에 배치되고, 각각 플랫폼(12) 내로 연장된다. 밸브 보어(82)는 고압 유로(39)와 대략 수직으로 교차하도록, 플랫폼(12)을 대략 가로질러 연장된다. 보어(82)의 윗부분은 유로(39)의 하류 끝과 연결되고, 보어(82)의 아랫부분은 유로(62)의 상류 끝과 연결된다. 릴리스 보어(55)는 유로(39)에 대하여 수직으로 약 5도 정도 세워져서 플랫폼(12)으로 확장된다. 릴리스 보어(55)는 고압 유로(39) 또는 저압 유로(62)와 교차하지 않는다. 릴리스 보어(55)의 상부는 솔레노이드(32)를 수용하기 위한 시트(84)를 형성하도록 나사산이 난 카운터보어(threaded counterbore)를 포함한다. 릴리스 보어(55)의 중앙부는 릴리스 스프링(52) 및 컬러(53)를 미끄러지 쉽게 수용하기 위한 크기로 만들어졌다. 릴리스 보어(55)의 하단부는 트립 로드(51)을 미끄러지 쉽게 수용하기 위한 크기로 만들어졌다. 커플링(61)은 유로(62) 하류 말단에 연결되어 장치(10)으로부터 분배 튜브(18)을 통하는 유체를 가이드한다.

밸브(26)는 유로(39)와 유로(62) 사이의 흐름을 일정하게 하기 위해 보어(82) 내에 위치한다. 밸브 스프링(44)은 밸브 스템(42)에 삽입되고, 밸브 스템(42)은 밸브 카트리지(40)에 삽입되며, 밸브 카트리지(40)의 외부 나삿니(68)는 플랫폼(12) 내의 보어(82)에 끼워진다(threaded). 이렇게 삽입됨으로써, 밸브 스프링(44)은 플랫폼(12)의 보어(82)의 막다른 곳에 맞물리고, 밸브 카트리지(40) 쪽으로 밸브 스템(42)을 바이어스 시키도록 압축된다. 밸브 카트리지(40)는 밸브 스템(42)이 밸브 카트리지(40)를 통과하는 것을 방지하기 위하여 밸브 스템(42)의 가장자리(lip)에 맞물리는 가장자리(86)를 포함한다. 밸브 스템(42)의 작동부(88)는 트리거 레버(20)에 맞물리도록 보어(82)로부터 밸브 카트리지(40)를 통하여 뻗어간다. 분배 밸브(26)에 대한 구체적인 설명은, 동시 계속출원인, "유체 측정장치용 트리거 릴리스 장치(SEAL-RETAINING VALVE FOR FLUID METERING DEVICE)"에 나와 있으며, 이는 본 명세서의 내용으로 포함된다.

트리거 릴리즈(30)는 솔레노이드(32), 트립 로드(53), 스프링(52), 칼라(53), 베어링(54), 플런저 핀(70), 솔레노이드 하우징(72), 넥(74) 및 플런저 보어(76)를 포함하며, 유체의 한계량이 계량기(28)를 통하여 통과한 후에 트리거 레버(20)를 작동하지 않게 하도록 구성된다. 솔레노이드(32)는 플런저 핀(70)이 릴리스 보어(55)로 뻗어 나가서 트립 로드(51)와 맞물리도록 플랫폼(12) 꼭대기에 설치된다. 솔레노이드 하우징(72)의 넥(74)은 릴리스 보어(55)에 연결되어 솔레노이드 하우징(72)가 플랫폼(12)으로부터 확장되도록 하고 플런저 보어(76)은 릴리스 보어(55)에 맞춰진다. 플런저 핀(70)은 플런저 보어(76)로부터 확장되어 트립 로드(51)의 컬러(53)와 제어 가능하게(releasably) 맞물린다. 트립 로드(51)은 보어(55)를 통해 확장되어 플런저 핀 70과 제1 말단 및 트리거 레버(20) 제2 말단에서 연결된다. 특히, 칼라(53)의 보어(90) 내의 베어링(54)은 제1 말단에서 플런저 핀(70)과 맞물리고, 핀(56)은 제2 말단에서 트립 로드(51) 및 트리거 레버(20)을 통해 뻗어 나간다. 트리거 레버(20)은 일반적으로 핀(56)으로부터 측면으로 뻗어나가서 밸브(26)와 맞물린다. 트리거 락(63)은 핀(65)에서 트리거 레버(20)에 연결되고 랫쳇 플레이트(66)는 핀(56)에서 트리거 레버(20)에 연결된다. 트리거 릴리스 장치(30)는 선택적으로 트리거 레버(20)를 플랫폼(12)에 연결하여 트리거 레버(20)을 작동시키기 위한 고정된 피봇 포인트를 제공한다. 트리거 릴리스(30)에 대한 구체적인 설명은, 동시 계속출원인 "측정 장치용 트리거 릴리스 장치{TRIGGER RELEASE MECHANISM FOR FLUID METERING DEVICE}"에 나와 있으며, 이는 본 명세서 내용으로 포함된다.

계량기(28)는 유체 커플링(16) 및 분배 밸브(26) 사이의 유로(39) 내에 위치한다. 계량기(28)는 일반적으로, 기어 박스(50) 내 커플링(16)으로부터 가압 유체의 흐름에 의해 회전되는 정량 변위 기어(positive displacement gears) 세트를 포함한다. 각 기어(46)는 전극 또는 자석(92)을 포함하고 이것의 위치는 덮개(48) 내에 위치한 전자기기(94)에 의해 감지되어 기어(46)의 회전 속도를 측정할 수 있다. 리드(48)는 기어(46)의 회전 속도가 고압 유로(39)를 통해 흐르는 유체의 부피 유속으로 전환될 수 있도록 전자 기기 (68)에 연결된다. 유량계(28)에 대한 구체적인 내용은 도 5와 관련되어 설명된다.

도 5는 유량계(28)의 기어 박스(50)에 위치한 것과 같은, 소용돌이 기어 이빨(95)을 가지는 오발 기어(46)의 평면도이다. 기어 박스(50)는 일반적으로 고압 유로(39) 위치 사이의 플랫폼(12) 속에 형성된 타원형 챔버를 포함한다. 기어 박스(50)는 벽(96)에 둘러싸여 있고, 이는 잠금 장치(49)와 밀폐 덮개(secure lid, 48)(도 2)를 수용하는 보어(98)를 포함한다. 기어 46A 및 46B는, 각 기어의 장축 및 단축이 뻗어가는 중심 축 100A 및 100B 를 가지는 오발 바디, 예컨대, 동일한 타원형(oval shaped) 허브 바디 99A 및 99B를 포함한다. 기어 이빨(95)은 중심축 100A 및 100B로부터 방사상으로 허브 바디 99A 및 99B로부터 뻗어 나가고, 자석(92)은 허브 바디 99A 및 99B를 통하여 중심축 100A 및 100B와 평행하게 뻗어나간다. 기어 46A 및 46B는 각자의 중심축 100A 및 100B에서 기어 박스(50) 내에 저널된다(journaled). 그리하여, 기어 46A 및 46B는 기어 박스(50) 내의 각각 중심축 100A 및 100B 주변에서 자유롭게 회전할 수 있고, 중심 축 100A 및 100B 사이의 거리 CD는 고정된다. 도 5에 표시된 것과 같이, 기어 박스(50)의 폭은 기어 46A 및 46B의 장축의 길이와 거의 동일하다. 도 5에 표시된 것과 같이 기어 박스(50)의 높이는 거리 CD와 장축의 길이의 합과 거의 동일하다.

기어 46A 및 46B는 장축 중 하나가 유로(39)에 수직일 때 , 기어의 장축(기어의 단축 뿐만 아니라)이 서로 수직이 되도록 방향이 이루어져 있다. 게다가, 장축이 서로 평행하고 단축이 서로 평행할 때, 각각의 장축과 단축은 유로(39)에 비스듬하게 기울것이다. 이러한 방향성으로 인해, 기어 46A 및 46B는, 기어가 회전하며 벽(96)에 맞물리며 주입 포켓(102A), 배출 포켓(102B) 및 트랜지션 포켓(102C)를 형성하면서, 기어가 그들 각자의 중심축에 대해 회전할 때 항상 일정하게 유지된다. 기어 46A 및 46B가 기어 박스(50) 내에서 회전하기 때문에 ,장축 근처의 기어 이빨(95)은 벽(96)의 활모양으로 굽은 부분을 동일하게 타고 간다(gear teeth 95 near the major axes flushly ride against arcuate portions of wall 96). 또한 기어 46A의 기어 이빨 95와 기어 46B의 기어 이빨 95가 맞물려서 단단한 씰(seal)을 형성하여 기어 46A 및 46B사이의 유체를 억제한다.

밸브 26(도 4)의 개방과 닫힘은 유체가 기어 박스(50)를 통해 흐르도록 기어 46A 및 46B를 가로질러서 압력이 낮아지도록 한다. 유체 커플링(16)(도 1)으로부터의 고압 유체는 유로 39의 상류 위치로부터 기어 박스의 주입 포켓(102A)로 들어간다(도 5의 맨 오른쪽). 상대적으로 저압 유체는 유로 39의 하류 위치로부터 기억 박스(50)의 배출 포켓(102B)으로 나간다(도 5의 맨 왼쪽). 고압 유체 흐름은, 기어 46A 및 46B 상의 유체 압력의 힘 균형에 의해, 기어 46A의 반시계 방향 회전과 기어 46B의 시계 방향 회전을 일으킨다(도 5의 화살표 표시). 구체적으로, 도 5에 표시된 방향에서, 기어 46B에 작용하는 주입 포켓 102A 내 유체 압력은, 고압 유체 흐름의 방향에 수직인 장축 방향을 향하고, 기어 46B가 이의 장축을 따라 동일한 고압 유체에 노출되어 있기 때문에, 기어 46B에 작용하는 주입 포켓 102A 내 유체 압력은 거의 중립적으로 힘의 균형을 야기한다. 그러나 기어 46A의 유체 압력은, 고압 유체의 흐름 방향과 평행인 장축 방향을 향하고, 기어 46A는 그 장축의 절반만이 고압 유체를 따라 노출되어 있기 때문에, 기어 46A의 유체 압력은 중심축 100A에 대하어 반시계방향의 운동을 일으킨다. 기어 이빨(95)의 경계면을 통해, 기어 46B는 시계 방향으로 회전한다. 그리하여, 배출 포켓(102B) 내의 유체는 분배 튜브(18)를 향하는 유로(39)의 하류 위치를 통해 밀려 움직이고, 트랜지션 포켓(102C) 내의 유체가 유로(39)의 하류 위치 속으로 흘러 가도록 트랜지션 포켓(102C)이 열릴 수 있도록 트랜지션 포켓(102C)가 열려서 배출 포켓 102B가 된다. 주입 포켓(102A) 내의 유체가 기어 46B와 벽(96) 사이의 새로운 트랜지션 포켓에 잡히도록, 주입 포켓(102A) 내의 유체는 중심축 100B 주위의 기어 46B를 밀어 낸다. 기어 46A와 46B는 중심축 주위에서 계속 회전을 하기 때문에, 고압 유체는 주입 포켓(102A)으로부터의 운동에 의해 기어 박스(50)를 통해 벽(96)과 기어 46 A 또는 46B 사이의 트랜지션 포켓으로 계속 밀려나고 배출 포켓(102B)으로 나간다.

중심축 100A 및 100B 주변의 기어 46A 및 46B의 회전은 자석(92)이 중심축 100A 및 100B의 궤도를 회전하도록 한다. 기어 46A 및 46B의 꼭대기 표면은 벽(96)의 꼭대기 표면과 대략 평면을 이룬다. 이와 같으므로, 덮개(48)는 허브 몸체 96A 및 96B와 자석(92)에 가깝게 근접하여 벽(96)을 가로질러 놓인다. 전자 기기(94, 도 4)는 덮개(48)와 결합되어 있고, 근처에 리드(reed) 스위치나 홀-이펙트(Hall-effect) 센서와 같은 센싱 부품을 포함하여 자석(92)의 존재를 감지할 수 있다. 특히, 허브 바디 99A 및 99B 각각에 위치한 자석(92) 쌍은 반대 방향으로 각 자석의 자석 극을 향하고 있다. 그래서 자기장이 기어 46A 및 46B가 회전하면서 전자기기(94)를 통해 움직이는 작 자석 쌍 사이에 자기장이 생성된다. 상기 센싱 부품은 자기장의 진동을 기록하고 기어 46A 및 46B 각각의 회전 속도와 관계된 데이터를 산출할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, 이 기술분야에 널리 알려진, 서로 다른 형태의 근접 센서 시스템이 사용된다. 전자기기(94)는 전자기기(22)와 연결되고(도 4), 전자기기(94)의 데이터를 디스플레이(24)에 표시하기 적합한 신호로 전환시킬 수 있는 소프트웨어와 부품(components)을 포함한다(도 1). 예를 들면, 전자기기(22)는 각각의 기어 46A 및 46B의 회전에 대해 기어 박스(50)를 통해 얼마나 많은 양의 흐름이 있었는지를 측정하고, 그리고 디스플레이(24) 상의 부피 유속에 대응하는 표시를 위해 계산된다.

유량계(28)의 눈금 측정은, 기어 박스(50)을 통한 거의 모든 유체의 흐름이 기어 46A 및46B 사이 또는 그 위를 흐르는 것보다는 기어 46A 및 46B의 회전에 기여하도록 , 기어 이빨(95)이 최적으로 맞물리는 능력에 달려 있다. 소용돌이 기어 이빨(95)은 기어 46A 및 46B를 만들기 위해 선택된 피치 커브에서 유래한다. 각각의 기어 46A 및 46B의 피치 커브는 커브로서 정의되는데, 상기 커브를 따라 기어 46A 상의 기어 이빨(95)이 기어 46B상의 기어 이빨(95)과 접촉한다. 그리고 만약 이빨이 없이 단순한 타원형(oval)이었다면 기어 46A 및 46B는 서로 대항하여 상기 커브를 따라 회전하였을 것이다. 기어 46A는 상기 피치 커브가 만나는 피치 포인트에서 중심축 100A로부터 반경 R1을 가진다. 마찬가지로, 기어 46B는 상기 피치 커브가 만나는 곳인 피치 포인트에서 중심축 100B로부터 반경 R2를 가진다. 반경 R1 및 R2는 거리 CD를 따라 가고 기어 46A 및 46B의 각 위치에 따라 다양한 길이를 가진다. 최소 길이는 단축을 따른 것이고 ,최대 길이는 장축을 따른 것이다. 상기 거리 CD는 항상 R1과 R2의 합이고, 그래서, 기어 46A 및 46B에 대한 피치 커브는 동일하다.

방정식 [1]

기어 46A 및 46B는, R1 및 R2에서 각 기어에 대한 피치 커브의 교점인 피치 포인트에서 거리 CD를 따라 서로 작용한다. 이로써, 기어 46A의 장축은 항상 기어 46B의 단축에서 기어 46B와 상호 작용을 한다. 그리하여 기어 46A 및 46B의 각속도는, 각각의 기어가 계속 느려지거나 속도를 내서 다른 기어의 속도에 맞추면서, 변한다. 각 기어의 속도 차이는, 유량계(28)를 통한 유체 흐름으로부터 에너지를 뽑아내면서, 더 빠르게 움직이는 기어가 더 느리게 움직이는 기어를 밀어 낸다. 일반적으로 어 46A 및 46B의 단단한 인터페이스-종종 비소용돌이형 기어 이빨에서 기인함-는, 기어 46A 및 46B의 회전 저항성을 더 크게 만들고, 이는 기어 박스(50)를 가로지는 더 큰 압력 낙하를 유발한다. 기어 46A 및 46B의 회전이 어려우면 유체가 기어를 회전시키기 위해 더 많은 에너지를 소진해야 한다. 유체 흐름에 의해 기어가 회전하는 것에 대한 정항은 블로우-바이(blow-by)을 일으키고, 여기서 상기 유체는 기어 46A 및 46B 사이나 그 위와 같은 기어 박스(50)를 통한 다른 길을 찾는다. 게다가, 유량계의 블로우-바이는 유량계를 통한 부피 유속을 증가시키거나 감소시키면서 유량계를 변화시킨다.

본 발명의 소용돌이 기어 이빨(95)은, 기어 이빨(95)이 맞물린 사이가 더 부드럽게 회전하도록 기어 46A 및 46B가 더 부드럽게 회전할 수 있게 하고, 넓은 범위의 유속에 걸쳐서 기어 46A 및 46B를 더 잘 제조할 수 있게 하고 그리고 기어의 수명을 개선하였다. 예를 들면, 기어의 각속도와 상관 없이 기어 46A의 소용돌이 기어 이빨(95)은 이와 맞물리는 기어 46B의 기어 이빨과 함께 변하지 않고 유지되며, 그리하여 기어들 사이로 유체가 이동하지 못하게 한다. 또한, 소용돌이 기어 이빨(95)은 이들과 맞물리는 이빨에 대해 부드럽게 회전하여, 기어를 회전시키는데 필요한 유체 에너지를 감소시키고 유체의 블로우-바이를 방지한다.

도 6은 본 발명의 소용돌이 기어 이빨 95를 가지는 오발 기어 46A 및 46B를 디자인하는 방법을 나타내는 다이어그램이다. 도 6은 이빨(95)의 소용돌이 프로필 생성에 사용되는 대응 커브들이 펼쳐진 기어 46A를 보여준다. 기어 46A는 중심축 100A를 둘러싸는 허브 바디 99A를 포함한다. 기어 이빨 95A, 95B, 95C 및 95D는 허브 바디 99A 주위에 위치하고, 중심축 100A로부터 방사형으로 확장된다. 각 기어 이빨은 피치 프로필 커브 PP를 따른 위치에 의해 측정된 맞춤형 소용돌이 프로필을 가진다. 예를 들면, 이빨 95C는 장축으로부터 Θ 각도에서 피치 반경 R1을 따라 장축 100A로부터 방사형으로 뻗어 나간다. 상기 피치 반경 R1은 기어 46A에 대해 선택된 피치 커브로부터 측정된다. 본 발명의 일 실시예에서, 기어 46A의 피치 프로필 커브 PP는 다음 방정식으로 정의된다:

방정식 [2]

S 및 E는, 각각 상기 피치 프로필 커브 PP의 치수(scale) 및 편심 반경(eccentricity)을 나타내고 디자인 조건에 기초하여 선택된다. 그리하여, 상기 피치 프로필 커브 PP에 따른 각 포인트는 방정식 [2]에 의해 정의되는 극좌표(R1, Θ)를 가진다. 이러한 커브는 Faydor L. Litvin 및 Alfonso Fuentes가 지은 “Gear Geometry and Applied Theory”(2판)에 자세히 기술되어 있다.

상기 피치 커브 PP는 컴퓨터 워크스테이션에 사용하기 위해, 상업적으로 입수할 수 있는 CAD(computer aided design) 소프트웨어와 같은 것을 이용하여 만들고 그릴 수 있다. 상기 피치 프로필 커브 PP는 그 다음, 짝수 개의 동일한 각도 세그먼트로 나뉘고, 이는 이빨 프로필을 만드는 데 사용된다. 특히, 피치 프로필 커브 PP의 360도 주변은 선택된 이빨 개수로 나누어진다. 상기 선택된 이빨 개수는, 더 부드러운 상호 작용을 만드는 많은 개수의 이빨을 이용하여 디자인 대상이 된다. 짝수 개의 이빨 개수는 서로 맞물리는 기어에서 각각의 기어 이빨이 같이 맞물리는 이빨과 상호 작용하도록 선택된다. 반경(radius) 라인은 각 세그먼트의 중심으로부터 그려지고, 기준점은 반경 라인과 피치 프로필 커브 PP의 교점에 위치한다. 예를 들면, 반경 라인 RL은 기어 이빨 95C에 대해 그려지고 기준점(datum point, DP)은 반경 라인 RL과 피치 프로필 커브 PP의 교점에 위치한다. 기준점으로부터, 방정식 [2]에 의해 정의되는 상기 피치 프로필 커브 PP는 각 세그먼트의 피치 반경을 측정하는 데 사용된다. 예를 들면, 기준점 DP는 기어 이빨 95C의 피치 반경 R1을 측정하는 데 사용된다.

각 세그먼트에 대한 피치 반경 R1은 그 다음 기본 원을 측정하는 데 사용된다. 원형 기어의 소용돌이 기어 이빨은, 기본 원으로부터 풀린 것과 같은 확장할 수 없는 코드 트래블 말단의 궤도에 대응하는 형태를 가진다. 소용돌이 기어 이빨에 의해 구동되는 기어는 기어 이빨의 회전을 촉진하는 기어 이빨 프로필에 기인하는 일정한 상대 각속도를 가진다. 잘 알려진 것과 같이, 원형 기어 쌍의 기본원은 기어의 중심과 중심 사이의 거리(center-to-center distance)와 기어의 압력 각에 의해 결정된다. 상기 중심과 중심 사이의 거리는 각 기어의 피치원의 반경의 합에 의해 결정되고, 따라서 이는 방정식 [1]과 동일하다. 압력각 θ는, 일반적으로 정의되는 것과 같이, 피치 포인트를 지나가는 피치 커브에 대한 라인 탄젠트와 서로 맞물린 기어 사이의 작용선 사이에서 형성된 각이다. 상기 압력각은, 이 기술분야에 널리 알려진 것과 같이 디자인시 고려할 사항이고, 이빨 강도와 토크전달성(torque transfer capabilities) 사이의 교환 조건이다. 그다음, 각 원형 기어의 기본원의 반경 Rb1 및 Rb2가 압력각 θ에 대한 피치 반경 R1 및 R2와 다음 방정식과의 관계에 의해 결정된다:

방정식 [3]

방정식 [4]

방정식 [5]

원형 기어에서, 상기 피치 프로필은 각각의 이빨과 동일하고, 이로 인해 피치 원은 각각의 이빨과 동일하다. 그리하여, 각각의 기어 이빨은 원형 기어의 중심으로부터 방사상으로 뻗어 나간다. 그러나 오발 기어 상에서, 피치 프로필은 각 기어 이빨에서 서로 다른 곡률을 가진다. 그래서 타원형의 소용돌이 기어를 가진 종래의 오발 기어들에서, 각각의 기어 이빨의 중심 반경은 타원의 중심을 통해 확장되지 않았다. 본 발명은 방정식 [1]-[5]의 관계를 이용하여 오발 기어 상의 각 기어 이빨에 대한 원형 소용돌이 이빨 프로필을 결정하였다. 특히, 방정식 [1]-[5]는 기어 이빨 95C의 Rb1을 결정하는 데 이용된다.

CAD 프로그램을 이용하여, 중심축 100A에서 중심을 가지면서, Rb1과 동일한 반경을 가지는 기본원 BC가 그려졌다. 상기 기본원 BC로부터, 제1말단 E1과 제2 말단 E2 사이에 고정된 거리를 가지는 라인 S를 만들어서 소용돌이 커브 IC1과 IC2가 생성되었다. 제2 E2는 이빨 95C에 대한 피치 프로필 커브 PP의 세그먼트 내 위치 에서 기본원 BC 위에 위치한다. 라인 S는 그 다음 시계 반대 방향으로 기본원 BC를 가로질러서 펼쳐지고, 제1 E1은 세그먼트 바깥의 기본원 BC 위에 고정된다. 라인 S의 길이와 제2말단 E1이 고정되는 위치가 이빨 95C의 원하는 두께에 기초하여 디자인 고려 대상이 된다. 그러나 이빨 95C 그 세그먼트 내에 제한되어 있어야만이 다른 기어 이빨들과 맞출 수가 있다. 라인 S의 제2 말단 E2는, 라인 S가 충분히 확장되는 동안, 시계 반대 방향에서 기본원으로부터 멀리 떨어져 나가 있다. 그리하여, 라인 S는 기본원 BC로부터 풀리지 않는 코드가 풀리도록 시뮬레이트한다. 제2말단 E2가 통과하는 일련의 기준점들의 궤도가 그려져서 소용돌이 커브 IC1이 형성된다. 소용돌이 커브 IC2의 궤도도, 이와 유사한 방법으로, 세그먼트 내부의 제1 말단 E1과 제1 말단 E1으로부터 시계방향 세그먼트 외부의 제2 말단 E2를 고정한 후에 시계 방향으로 기본원 BC로부터 라인 S 를 풀어서 그린다. 소용돌이 커브 IC1 및 IC2는 반경선 RL에서 교차하여 이빨 95C의 기본 형태를 만든다. 도 6에 나타난 것과 같이, 이빨 95C는 중심축 100A로부터 방사상으로 허브 바디 99A로부터 뻗어나가고, 각각의 맞물리는 기어 표면에서 원형의 소용돌이 프로필을 가진다.

95B와 95D와 같은 다른 이빨의 기본 형태는, 95C와 같은 방법에 의해 얻을 수 있는데, 서로 다른 반경 Rb1을 가지는 기본원으로부터 얻는다. 그러나, 기어 46A에 대한 모든 이빨을 형성하는 과정이 개별적으로 수행될 필요는 없다. 방정식 [2]에 정의된 것과 같이, 기어 46A의 피치 프로필은 기어 46A의 사분원에 대해 대칭이다. 그리하여, 필요한 만큼 장축 및 단축에 대해 그대로 묘사되면서, 장축 및 단축 사이 이빨의 기어 이빨 모양은 각 사분원에 대해 반복될 수 있다. 기어 46A의 기어 이빨 형태를 반복하는 능력은 기어 46A와 46B의 상호 작용에 의해 촉진된다. 기어 46A와 46B는 R1과 R1의 합이 항상 CD와 동일하도록 위치되어 있고, 기어 46A 및 46B는 같은 개수의 이빨을 가지고 있어서 각각의 기어 이빨은 항상 같은 이빨에 대해 회전한다. 각각의 이빨은 이에 대응하는 맞물리는 이빨에 대해 완벽한 소용돌이 프로필을 가질 것이다. 그리하여, 예를 들면, 장축 근처의 기어 46A 상의 기어 이빨의 프로필은 기어 46B의 단축 근처의 기어 이빨의 프로필에 대해 완벽한 소용돌이를 가진다. 이는 각 이빨 사이의 접촉과 이들의 맞물림을 유지하도록 해 준다. 맞물린 이빨 사이의 상대 운동은 거의 제로이고, 각각에 대한 상기 이빨의 회전은 거의 또는 전혀 감소하지 않는다.

일단 전체 피치 프로필 커브 PP 주위에서 각각의 이빨의 기본형이 생성되면, 각 이빨의 특정 어덴덤(addendum)과 디덴덤(dedendem)이 루트 프로필 커브 RP와 아웃사이드 프로필 커브 OP의 변위에 의해 결정된다. 루트 프로필 커브 RP와 아웃사이드 프로필 커브 OP의 포지셔닝은, 맞물리는 기어에서 이빨 팁(tip)과 이빨 루트의 간섭을 막기 위해 선택된다. 구체적으로, 각 기어의 팁은 정점이 평면으로 잘려지고(truncated) 아웃사이드 프로필 커브 OP 내에서 둥글게 되어서 각 이빨의 이빨 팁을 형성하고, 각 이빨의 베이스는 루트 프로필 커브 RP에서 컷오프된다. 더욱이, 각 이빨의 형태는 기어 46A를 제작하는데 사용될 생산 규제(manufacturing limitations)에 맞추기 위해 약간 크기를 줄일 수 있다. 일단 각 이빨과 루트 프로필 커브 RP의 최종 형태가 결정되면, 각 이빨의 소용돌이 프로필을 포함하는 기어 46A의 최종 프로필을 나타내는 CAD 소프트웨어를 사용하여 데이터 포인트를 만든다. 이 데이터 포인트 세트는 CNC(computer numerically controlled) 기계와 연결되어 사용될 수 있는 기계 판독이 가능한 코딩 또는 다른 사용 가능한 것으로 변환된다. 본 발명의 일 실시예에서, 데이터 포인트 세트는, 이 기술분야에 널리 알려진, EDM(electrical discharge machining) 프로세스에 의해 이용되었고, 이를 통해 기어를 생산하기 위한 인젝트 몰딩 공정에 이용될 수 있는 기어 몰드를 생산할 수 있다.

비록 본 발명은 바람직한 실시예들을 기초로 설명되었지만, 이 기술분야의 통상의 기술자들은 본 발명의 기술적 사상과 범위를 벗어나지 않는 한 다양한 변형과 실시가 가능함을 인지할 것이다.

Claims

유량계용 오발 기어세트(oval gear set)로서,
상기 기어 세트는 서로 동일한 제1 및 제2 기어를 포함하고, 고정된 중심 사이의 거리(center to center distance)를 두고 맞물리도록 배열되어 상기 제1 및 제2 기어가 모든 각도의 위치에서 맞물리고, 상기 오발 기어 세트의 각각의 기어는,
허브 중심을 통해서 뻗어나가는 장축 및 단축을 가지는 오발 바디(oval body); 및 상기 장축 및 단축을 둘러싸는 루트 프로필 벽(root profile wall)을 포함하는 허브; 그리고
각각의 기어 이빨이 원형의 소용돌이 커브 프로필을 한 한 쌍의 접촉 표면을 가지는, 루트 프로필 벽에서 뻗어 나오는 복수개의 기어 이빨;
을 포함하고,
상기 제1 기어의 각각의 이빨의 원형의 소용돌이 커브 프로필은, 제1 기어의 중심으로부터 Θ 각위치에서 피치 반경 R1을 가지는 변형 타원 피치 커브에서 유래한 Rb1 반경을 가지는 기본원(base circle)으로부터 발생하고,
상기 변형 타원 피치 커브는 하기 극좌표 방정식에 의해 정의되는 것인 유량계용 오발 기어세트:

상기 S 및 E는, 각각 상기 피치 커브의 치수(scale) 및 편심 반경(eccentricity)을 나타냄.
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제1항에 있어서, 상기 기본원의 반경 Rb1은 상기 변형 타원 피치 커브가 가지는 하기 방정식의 관계에 의해 정의되는 것인 유량계용 오발 기어세트:

상기 CD는 상기 제 1 및 제2 기어의 중심 사이의 거리이고, θ는 상기 제1 및 제2 기어 사이의 경계면에서 맞물린 이빨 사이의 압력각이고, R2는 상기 제1기어의 경계면에서 상기 제2기어의 피치 반경이고, 그리고 Rb2는 상기 제1기어의 경계면에서 상기 제2기어의 기본원 반경임.
제1항에 있어서, 상기 각 이빨의 상기 중심 사이의 공간은 상기 변형 타원 피치 커브와 전체로서 동일한 것인, 유량계용 오발 기어세트.
제1항에 있어서, 상기 각 기어의 중심선(centerline)은 상기 허브 센터로부터 뻗어 나오는 반경을 따라 유래하는 것인, 유량계용 오발 기어세트.
가압 플루이드 분배용 핸드-헬드 유량 측정 장치로서,
가압 플루이드(pressurized fluid)를 받아드리는 내부 플루이드 통로를 가지는 플랫폼;
상기 장치 전체를 관통하는 가압 플루이드의 유량을 조절하기 위해 상기 내부 통로 속으로 확장된 밸브;
상기 플랫폼에 설치된 유량 측정 장치로, 상기 유량 측정 장치는 상기 내부 통로를 가로지르는 기어 박스 내 기어 센터에 고정되어 설치된 서로 맞물린 제1 및 제2오발 기어를 포함하고, 상기 기어들은 상기 가압 플루이드의 흐름 내에서 그들의 기어를 한 차례 회전시켜서 플루이드를 기어 박스 속으로 흐를 수 있게 하도록 배열되어 있으며, 상기 서로 맞물린 오발 기어는 변형된 타원 피치 프로필; 및 상기 변형 타원 피치 프로필에서 유래한 원형의 소용돌이 커브 프로필을 가지는 한 쌍의 접촉 표면을 가지는 기어 이빨을 포함하는 것인 유량 측정 장치;
상기 플랫폼에 설치되고 상기 유량 측정 메커니즘에 연결되어 상기 각 밸브에 의해 분배되어 장치를 관통하는 상기 가압 플루이드의 부피 유량을 측정하고 표시하는 전자 미터계;
를 포함하고,
상기 제1 기어의 각각의 이빨의 원형의 소용돌이 커브 프로필은, 변형 타원 피치 프로필에서 유래한 반경 Rb1을 가지는 기본원으로부터 발생하고, 상기 변형 타원 피치 프로필은 각 기어 이빨에 대한 각위치 Θ에서 반경 R1을 가지는 커브에 의해 정의되고,
상기 변형 타원 피치 프로필은 하기 극좌표 방정식에 의해 정의되는 것인 핸드-헬드 유량 측정 장치:

상기 S 및 E는, 각각 상기 피치 프로필의 치수(scale) 및 편심 반경(eccentricity)을 나타냄.
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제7항에 있어서, 상기 기본원의 반경 Rb1은 상기 변형 타원 피치 커브가 가지는 하기 방정식의 관계에 의해 정의되는 것인 핸드-헬드 유량 측정 장치:

상기 CD는 상기 제 1 및 제2 기어의 중심 사이의 거리이고, θ는 상기 제1 및 제2 기어 사이의 경계면에서 맞물린 이빨 사이의 압력각이고, R2는 상기 제1기어의 경계면에서 상기 제2기어의 피치 반경이고, 그리고 Rb2는 상기 제1기어의 경계면에서 상기 제2기어의 기본원 반경임.
제7항에 있어서, 상기 기어 이빨은 변형된 타원 피치 프로필 전체 주위에서 동일한 중심 사이 간격을 가지고, 각 기어의 중심선(centerline)은 상기 각 기어 중심으로부터 뻗어 나오는 반경을 따라 유래하는 것인 핸드-헬드 유량 측정 장치.
제7항에 있어서, 상기 장치는,
상기 플랫폼에 설치되고 상기 밸브를 개방하기 위해 배열된 트리거 레버(trigger lever);
각각의 기어에 연결된 자석;
전극과 반응하기 위해 기어 박스에 인접한 상기 플랫폼에 설치된 전기 스위치;
를 더 포함하고,
그리고 상기 전자 미터는 상기 자석의 움직임을 감지하기 위해 상기 스위치와 연결되어 상기 트리거에 의해 분배되는 상기 밸브를 관통하는 가압 유체의 부피 유량을 기어의 회전에 기초하여 측정할 수 있는 것인, 핸드-헬드 유량 측정 장치.
제12항에 있어서, 상기 장치는 상기 트리거 밸브에 연결되고 상기 전자 미터에 연결된 트리거 제어(release) 장치를 더 포함하고, 상기 트리거 제어 장치는, 상기 트리거 레버가 변위되었을 때(displaced) 상기 트리거 레버가 상기 밸브를 개방하는 것을 방지하기 위해, 선택적으로 기계적인 작동을 하는 것인, 핸드-헬드 유량 측정 장치.
변형된 타원 프로필을 가지는 피치 커브를 그리고;
변형된 타원 프로필로부터 상기 피치 커브에 따른 기어 이빨 위치에 대한 피치 반경을 결정하고;
상기 피치 반경으로부터 기본원 반경을 결정하고;
기본원 반경을 가지는 기본원을 그리고; 그리고
상기 기본원으로부터 원형 소용돌이 커브 쌍의 궤적을 그려서 상기 기어 이빨 위치에서 이빨 프로필을 형성하는 단계;
를 포함하고,
상기 피치 반경 및 상기 기본원 반경은 상기 피치 커브의 중앙에서부터 방사상으로 확장되고,
상기 피치 커브는 다음 극좌표 방정식으로 정의되는 것인 소용돌이 모양의 기어 이빨을 만드는 방법:

상기 S 및 E는, 각각 상기 피치 커브의 치수(scale) 및 편심 반경(eccentricity)을 나타냄.
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제14항에 있어서, 상기 기본원의 반경은 하기 방정식과 상기 피치 커브와의 관계에 의해 정의되는 것인 소용돌이 모양의 기어 이빨을 만드는 방법:

상기 CD는 상기 오발 기어와 동일하게 맞물린 오발 기어의 고정된 중심 사이의 거리(center-to-center distance)이고, θ는 상기 맞물린 기어들 사이의 경계면에서 맞물린 이빨 사이의 압력각이고, R2는 상기 오발 기어의 경계면에서 상기 동일한 기어의 피치 반경이고, 그리고 Rb2는 상기 오발 기어의 경계면에서 상기 동일한 기어상의 기본원 반경임.
제17항에 있어서, 상기 피치 커브는 상기 피치 커브에 따른 기어 이빨 위치를 결정하기 위해 짝수 개의 기어 이빨 세그먼트로 나뉘고, 그리고 상기 피치 반경을 만드는 단계, 기본원 반경을 만드는 단계, 기본원을 그리는 단계, 그리고 원형 소용돌이 커브 궤적을 그리는 단계는 각 기어 이빨 위치에 대해 반복되어서 복수 개의 기어 이빨의 이빨 프로필을 형성하는 것인, 소용돌이 모양의 기어 이빨을 만드는 방법.
제18항에 있어서, 상기 단계는 다음의 단계를 더 포함하는 것인 소용돌이 모양의 기어 이빨을 만드는 방법:
상기 피치 커브, 상기 피치 반경, 상기 기본원 반경, 상기 기본원 및 각 기어 이빨 프로필에 대한 원형의 소용돌이 모양 커브를 만들기 위해 컴퓨터 지원 설계(CAD) 소프트웨어를 사용하고;
오발 기어 프로필을 형성하기 위해 상기 기어 이빨 프로필과 연결되는 루트(root) 프로필과 이빨 팁(tooth tip)을 만들고; 그리고
상기 오발 기어 프로필을 나타내는 기계 판독이 가능한 좌표 세트를 만드는 단계.
제19항에 있어서, 상기 단계는, EDM 프로세스를 이용하여 상기 좌표 세트로부터 인젝션 몰딩 캐버티를 형성하는 단계를 더 포함하는 것인, 소용돌이 모양의 기어 이빨을 만드는 방법.