KR101801622B1 - 조타 장치의 시스템 백래쉬(backlash) 제거 방법 - Google Patents

조타 장치의 시스템 백래쉬(backlash) 제거 방법 Download PDF

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Abstract

러더(rudder)가 장착되는 러더스톡(rudder stock)과 상기 러더스톡이 연동되는 틸러(tiller)와, 상기 틸러를 회전시키는 치차부와, 상기 틸러의 양측으로 복수개 구비되어 상기 치차부와 상호 치차 결합되는 구동부 및 비구동부를 포함하는 조타 장치의 시스템 백래쉬(backlash) 제거 방법을 제공한다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 조타 장치의 시스템 백래쉬(backlash) 제거 방법에 따르면, 백래쉬(backlash)의 제거를 정밀하고 효과적으로 할 수 있다.

Description

조타 장치의 시스템 백래쉬(backlash) 제거 방법{How to reduce the system backlash of the steering gear}
본 발명은 조타 장치의 백래쉬(backlash) 제거 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기어 물림부의 기어 틈새로 인해 발생되는 시스템 백래쉬(backlash)를 정밀하고 효과적으로 제거 가능한 조타 장치의 시스템 백래쉬(backlash) 제거 방법에 관한 것이다.
선박 운항 중에 있어서, 선박의 방향을 조정하는 조타 장치에 있어서 선미에 연결되고 물속으로 연장되어 있거나 용골의 뒤편에 연결되어 물의 저항을 받아 선박을 한쪽으로 돌리거나 뱃머리를 다른 쪽으로 돌리는 러더(rudder)의 각도가 작을 경우 파도 등에 의하여 기어 물림부에서 발생되는 백래쉬(backlash)만큼 러더(rudder)가 흔들릴 수 있으며, 러더(rudder)가 흔들리게 되면 선박의 조정 성능이 저하되는 문제점이 있다.
한편, 백래쉬(backlash)란 한 쌍의 기어를 맞물렸을 때 치면 사이에 생기는 틈새로 일종의 기어 틈새를 의미하며, 한 쌍의 기어를 매끄럽게 회전시키기 위해서는 적절한 백래쉬(backlash)가 필요하다.
그러나 백래쉬(backlash)가 너무 적으면 윤활이 불충분하게 되기 쉬워서 치면끼리의 마찰이 커지며, 백래쉬(backlash)가 너무 크면 기어의 맞물림이 나빠져 기어가 파손되기 쉽다. 따라서 기어 장치에 있어서, 백래쉬(backlash)의 정밀한 측정 및 제거는 매우 중요한 요소가 된다.
그러나 종래에는 감속기의 성능 검증 등을 위하여 상용화된 백래쉬(backlash) 측정 및 제거 장치가 전무한 실정이며, 대부분 감속기 생산업체 등에서 자체 성능평가 장치나 방법을 개발하고 사용하고 있다.
또한, 자체 성능평가 장치나 방법의 경우에도 백래쉬(backlash)의 측정 정밀도가 매우 낮고, 반복 특성 정밀도의 편차가 크게 나오는 등 측정 데이터의 신뢰도에 많은 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 기어 물림부의 기어 틈새로 인해 발생되는 시스템 백래쉬(backlash)를 효과적으로 제거하기 위한 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 러더(rudder)가 장착된 러더스톡(rudder stock)과 상기 러더스톡과 연동되는 틸러(tiller)로 구성된 종동부와 상기 종동부를 회전시키는 치차부와, 상기 치차부와 결합되어 상기 치차부를 회전시키는 복수개의 구동부를 포함하고, 상기 구동부는 상기 치차부가 회전되도록 회전력을 발생시키는 모터와 상기 모터의 회전력을 전달하는 모터축과 상기 모터를 정지시키는 브레이크를 포함하여 이루어지는 조타 장치의 시스템 백래쉬(backlash) 제거 방법에 있어서,
상기 러더의 각도가 0도를 기준으로 소정 각도 사이에 위치하는지를 판단하는 제1단계와, 상기 러더의 각도가 소정 각도 사이에 위치하는 경우, 일정시간 동안 조타지령이 없는 상태인가를 판단하는 제2단계와,
상기 제1단계와 제2단계의 조건을 만족할 경우, 상기 제1 브레이크를 닫아(close) 상기 제1 모터축을 정지 상태로 두고, 상기 제2 브레이크를 열어(open) 상기 제2 모터축을 회전 가능 상태로 두는 제3단계와, 상기 제2 모터를 반시계방향(ccw; counter clockwise) 또는 시계방향(cw; clockwise)으로 구동시키는 제4단계와,
상기 제2 모터에 소요되는 전류값이 소정의 전류값이 되도록 제어 하는 제5단계와, 상기 제2 모터의 전류값이 상기 소정의 전류값에 도달하였는지를 판단하는 제6단계와,
상기 제2 모터의 전류값이 상기 소정의 전류값에 도달한 경우 상기 제2 브레이크를 닫아(close) 상기 제2 모터를 정지시키는 제7단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 조타 장치의 시스템 백래쉬(backlash) 제거 방법이 제공된다.
또한, 상기 제1단계에서 상기 러더의 각도가 소정 각도 사이에 위치하지 않을 경우, 상기 시스템 백래쉬(backlash) 제거 로직을 정지하는 것을 특징으로 하는 조타 장치의 시스템 백래쉬(backlash) 제거 방법이 제공된다.
또한, 상기 제2단계에서 일정시간 동안 조타지령이 없는 상태를 만족하지 못할 경우, 상기 시스템 백래쉬(backlash) 제거 로직을 정지하는 것을 특징으로 하는 조타 장치의 백래쉬(backlash) 제거 방법이 제공된다.
또한, 상기 제6단계에서 상기 제2 모터의 전류값이 상기 소정의 전류값에 도달하지 못했을 경우, 상기 제2 모터의 전류값이 상기 소정의 전류값이 되도록 제어 하는 상기 제5단계를 재실행하는 것을 특징으로 하는 조타 장치의 백래쉬(backlash) 제거 방법이 제공된다.
또한, 상기 제2 모터에 소요되는 소정의 전류값은 제2 모터의 정격전류의 1/4 인 것을 특징으로 하는 조타 장치의 시스템 백래쉬(backlash) 제거방법이 제공된다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 조타 장치의 시스템 백래쉬(backlash) 제거 방법에 따르면, 시스템 백래쉬(backlash)를 정밀하고 효과적으로 제거 할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 조타 장치를 설명하기 위한 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 백래쉬(backlash) 제거 방법을 나타낸 흐름도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요서의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 발명에서 전반에 걸친 내용을 토대로 하여 내려져야 할 것이다.
아울러, 아래의 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하며, 본 발명의 명세서 전반에 걸친 기술사상에 포함되고 청구범위의 구성요소에서 균등물로서 치환 가능한 구성요소를 포함하는 실시예는 본 발명의 권리범위에 포함될 수 있다.
첨부된 도 1은 본 발명에 따른 조타 장치를 설명하기 위한 개략도이고, 도 2는 본 발명에 따른 백래쉬(backlash) 제거 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 조타 장치는 종동부와 치차부(300) 및 복수개의 구동부(100)를 포함하여 이루어진다.
상기 구동부(100)는 하나의 구동부가 작동 불능 상태여도 나머지 하나에 의해 작동되도록 복수개로 설치되는 것이 바람직하다.
상기 종동부는 러더(rudder)(미도시)가 장착되는 러더 스톡(RS)과 상기 러더 스톡(RS)이 연동되는 틸러(T)를 포함한다.
상기 치차부(300)는 상기 틸러(T) 일측상에 설치되어 상기 틸러(T)를 구동하고, 상기 구동부(100)는 상기 치차부(300) 일측에 치차 결합되어 상기 치차부(300)를 회전시킨다.
즉, 틸러(T)를 구동하는 치차부(300)와 구동부(100)가 상호 치차 결합된 상태에서 상기 치차부(300)를 회전시켜 상기 틸러(T)를 구동하는 것이다.
상기 구동부(100)는 상기 치차부(300)가 회전되도록 회전력을 발생시키는 모터(110)와 상기 모터(110)의 회전력을 전달하는 모터축과 상기 모터(110)를 정지시키는 브레이크(미도시)를 포함한다.
또한, 상기 모터축(미도시)에 연동되고, 상기 모터(110)에서 발생된 회전력을 감속시키는 감속부(120)와, 상기 감속부(120)에 결합되어 상기 치차부(300)와 치차 결합하는 샤프트(130)와, 상기 모터(110)와 감속부(120) 사이에 구비되어 상기 모터(110)의 회전력을 제어하는 토크 리미터(미도시)를 포함한다.
상기 토크 리미터는 상기 치차부(300)와 치차 결합되는 샤프트(130)와 상기 모터(110)와 감속부(120) 사이에 구비되어 과다외력으로부터 상기 구동부(100)를 보호하며, 모터(110)의 부하가 규정이상으로 작용 할 경우 감속부(120)에서 전달되는 회전력을 제한한다.
상기 감속부(120)는 널리 알려진 유성 기어를 이용하는 것이 바람직하며, 상기 유성 기어는 널리 알려진 바와 같이 선 기어와 링기어 등을 포함하여 감속하는 것으로서 상기 모터(110)에서 발생하는 회전력을 증대시킨다.
즉, 상기 모터(110)에서 발생된 회전력을 감속부(120)에서 증대시켜 최종적으로 샤프트(130)로 전달되어 상기 치차부(300)를 회전시킨다.
한편, 상기 샤프트(130)는 외측에 치형이 형성되어 상기 치차부(300)와 치차 결합하는 것으로서 상기 감속부(120)의 출력단으로 사용된다.
또한, 상기 모터(110)에는 모터(110)의 회전수를 확인하기 위한 인코더(encoder)와, 모터(120)에 인가되는 전류를 제어하고, 토크를 확인할 수 있는 인버터(inverter)가 구비된다.
따라서 상술한 바와 같이 구동부(100)와 치차부(300)는 상호 치차 결합되며, 상기 치차부(300)를 회전하여 상기 틸러(T)를 회전시킨다.
이때, 상기 틸러(T)에는 러더 스톡(RS)이 고정되어 있으므로 상기 틸러(T)의 회전에 의해 러더 스톡(RS)이 연동되어 회전되고, 결국 상기 러더 스톡(RS)의 회전에 의해 상기 러더 스톡(RS)에 장착된 러더(R)가 작동되어 조타각을 변경할 수 있게 된다.
한편, 상기 치차부(300)는 틸러(T)와 치차 결합을 위한 것으로서 널리 알려진 기어 등을 이용할 수 있으며, 도시된 바와 같이 선회 베어링(slewing bearing)(310)을 이용하는 것도 가능하다.
이러한 선회 베어링(310)이라고 하는 것은 널리 알려진 바와 같이 내측 또는 외측에 기어가 존재해서 상기 기어의 치차 결합에 의해 회전되는 것을 말한다.
상기 치차부(300)의 치면이 외측면에 형성된 경우 상기 구동부(100)는 상기 치차부(300)의 외측면에 치차 결합되고, 상기 치차부(300)의 치면이 내측면에 형성된 경우 상기 구동부(100)는 상기 치차부(300)의 내측면에 치차 결합되어 상기 치차부(300)를 구동할 수 있다.
상기에서 설명한 바와 같이 본 발명에서는 복수개의 구동부가 구비되는 조타 장치에 대해서 설명하며, 각각의 구동부는 모터부터 러더까지 구동력을 전달하기 위해서 다수의 기어 물림부가 존재하고, 각각의 기어 물림부에 존재하는 놀음양을 측정하고 제거하는 것은 현실적으로 매우 어려운 일이다.
그렇기 때문에 본 발명에서는 각각의 구동부의 모터에서 러더까지 형성된 다수의 기어 물림부 전체의 놀음양인 시스템 백래쉬(backlash)를 제거하는 방법을 제공하며, 본 발명의 실시예에서는 복수개의 구동부가 구비되는 조타 장치를 예를 들어 설명한다.
또한, 본 발명에 따른 시스템 백래쉬(backlash) 제거 방법은 복수개의 구동부를 갖는 어느 장치(전동장치 또는 조타장치 등)에서나 적용가능하다.
한편, 선박 운항 중 러더(rudder)는 유체(해류, 파도 등)의 저항에 의해 소정 각도 이상에서는 기어 물림부에 틈새가 있어도 흔들리지 않는다.
그러나 주로 러더(rudder)가 소정 각도 이내에 위치할 때 비교적 러더(rudder)에 가해지는 유체의 저항이 작기 때문에 기어 물림부의 틈새에 의한 놀음양에 의하여 러더(rudder)가 흔들리게 되어 선박의 조정 성능이 저하되는 문제점이 있다.
따라서 기어 물림부의 놀음양 관리가 중요하며, 이하 본 발명의 상세한 설명에서는 선박 운항 중 선박의 조정 정밀도의 개선을 위한 시스템 백래쉬(backlash) 제거 방법을 상세히 설명하도록 하겠다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 복수개의 구동부가 구비된 조타 장치의 시스템 백래쉬(backlash) 제거 방법은, 상기 러더(rudder)의 각도가 0도를 기준으로 소정 각도(-3도 내지 +3도) 사이에 위치하는지를 판단(S110)한다.
본 발명에 대한 상세한 설명에서는 발명에 대한 쉬운 이해를 돕기 위해서 일실시예로 소정 각도를 -3도 내지 +3도로 정의하며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 러더(rudder)의 각도가 0도 라는 것은 상기 러더(R)가 선박의 길이 방향과 평행한 상태를 말한다.
또한, 상기 러더(rudder)의 각도가 -3도 내지 +3도 사이에 위치하는 경우, 일정시간 동안 조타지령이 없는 상태인가를 판단한다.(S120)
한편, 상기 일정시간은 도 2에 도시된 바와 같이 일실시예로 10초로 정의하며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 단계(S110)에서 상기 러더(rudder)의 각도가 -3도 내지 3도 사이에 위치하지 않은 경우에는, 본 발명에 따른 시스템 백래쉬(backlash) 제거 로직이 종료된다.
또한, 상기 단계(S120)에서 일정시간 동안 조타지령이 없는 상태를 만족하지 못할 경우, 본 발명에 따른 시스템 백래쉬(backlash) 제거 로직이 종료된다.
상기 러더(rudder)가 소정 각도 내에 위치하고, 일정시간 동안 조타지령이 없는 상태를 만족할 경우, 상기 제1 브레이크를 닫아(close) 상기 제1 모터축을 정지 상태로 두고, 상기 제2 브레이크를 열어(open) 상기 제2 모터축을 회전 가능 상태로 준비한다.(S130)
즉, 다시 말해서 선박 운항 중 러더(rudder)의 각도가 소정 각도 이상으로 커지면 유체의 저항이 강해져 시스템 백래쉬(backlash)가 존재해도 러더(rudder)가 밀리면서 시스템 백래쉬(backlash)가 자동으로 제거 되므로 선박의 조정 성능에 영향을 끼치지 않게 된다.
그러나 선박 운항 중 러더(rudder)의 각도가 소정 각도 내에서는 유체의 저항이 비교적 약해져 시스템 백래쉬(backlash)에 의해서 타가 흔들리게 되고, 이에 따라 선박의 조정 성능에 영향을 끼치게 된다.
또한, 조타 지령이 자주 발생하는 경우 시스템 백래쉬(backlash)가 선박의 조정성능에 영향을 미치지 않지만, 일정시간 동안 조타 지령이 없는 경우 시스템 백래쉬(backlash)가 선박의 조정성능에 영향을 끼치게 된다.
그러므로 선박 운항 중 시스템 백래쉬(backlash)를 제거하기 위해서는 러더(rudder)가 소정 각도 이내에 위치해야 하며, 일정 시간 동안 조타 지령이 없는 두 가지 조건을 만족해야 한다.
또한, 상기 제2 모터축을 회전 가능 상태로 준비한 후, 상기 제2 모터(110b)를 반시계방향(ccw ; counter clockwise) 또는 시계방향(cw ; clockwise)으로 구동시킨다(S140).
상기 제1 브레이크를 닫은(close) 상태에서, 상기 제2 모터(110b)를 반시계방향(ccw ; counter clockwise) 또는 시계방향(cw ; clockwise)으로 구동시킴으로써 복수개의 샤프트(130a,130b)의 외측에 형성된 기어가 상기 치차부(300)의 선회 베어링(310) 기어에 대하여 반대로 치합이 이루어지므로 시스템 백래쉬(backlash)가 제거된다.
그리고 상기 제2 모터(110b)를 구동시키면서, 상기 제2 모터(110b)에 소요되는 전류값이 소정의 전류값이 되도록 제어한다.(S150)
여기서 상기 제2 모터(110b)에 소요되는 소정의 전류값은 제2 모터(110b)의 정격전류의 1/4인 것이 바람직하다.
또한, 상기 제2 모터(110b)의 정격전류의 1/4인 값은 본 발명에 대한 일실시예일 뿐이며, 변경되더라도 모두 본 발명의 범주에 속함은 당연하다.
한편, 상기 제2 모터(110b)에 제공되는 전류값을 소정 전류 값 이상이 되지 않도록 제어하는 이유는 제2 모터(110b)에 가해지는 전류를 조정하여 과한 모터 토크 발생을 방지하여 기어 사이에 변형을 방지하기 위함이다.
즉, 다시 말해서 상기 제2 모터(110b)를 반시계방향(ccw ; counter clockwise) 또는 시계방향(cw ; clockwise)으로 구동시켜 기어의 잇면 사이의 간극을 메운 후에도 모터의 전류값이 높아 모터 토크가 과하면 기어의 잇면 사이에 큰 힘이 작용해 기어에 변형이 발생하기 때문에 상기 제2 모터(110b)에 제공되는 전류를 제어한다.
또한, 상기 제2 모터(110b)에 소요되는 전류값이 소정의 전류값이 되도록 제어한 후, 상기 제2 모터(110b)의 전류값에 도달하였는지를 판단한다.(S160)
상기 제2 모터(110b)의 전류값이 상기 소정의 전류값에 도달한 경우, 상기 제2 브레이크를 닫아(close) 상기 제2 모터축을 정지 상태로 두고, 상기 제2 모터(110b)를 정지시킴으로써(S170) 본 실시예에 따른 시스템 백래쉬(backlash) 제거 방법이 마무리 된다.
한편, 상기 제2 모터(110b)의 전류값이 상기 소정의 전류값에 도달하지 못했을 경우, 상기 제2 모터(110b)에 소요되는 전류값이 상기 소정의 전류값이 되도록 제어 하는 상기 단계(S150)를 재실행한다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 범주에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 명확해질 것이다.
100 : 구동부 110 : 모터
120 : 감속부 130 : 샤프트
300 : 치차부 310 : 선회 베어링(slewing bearing)
T : 틸러(tiller) RS : 러더 스톡(rudder stock)
B : 베이스

Claims (5)

  1. 러더(rudder)가 장착된 러더스톡(rudder stock)과 상기 러더스톡과 연동되는 틸러(tiller)로 구성된 종동부와 상기 종동부를 회전시키는 치차부와, 상기 치차부와 결합되어 상기 치차부를 회전시키는 복수개의 구동부를 포함하고, 상기 구동부는 상기 치차부가 회전되도록 회전력을 발생시키는 모터와 상기 모터의 회전력을 전달하는 모터축과 상기 모터를 정지시키는 브레이크를 포함하여 이루어지는 조타 장치의 시스템 백래쉬(backlash) 제거 방법에 있어서,
    상기 러더의 각도가 0도를 기준으로 소정 각도 사이에 위치하는지를 판단하는 제1단계;
    상기 러더의 각도가 소정 각도 사이에 위치하는 경우, 일정시간 동안 조타지령이 없는 상태인가를 판단하는 제2단계;
    상기 제1단계와 제2단계의 조건을 만족할 경우, 상기 브레이크의 제1 브레이크를 닫아(close) 상기 모터축의 제1 모터축을 정지 상태로 두고, 상기 브레이크의 제2 브레이크를 열어(open) 상기 모터축의 제2 모터축을 회전 가능 상태로 두는 제3단계;
    상기 모터의 제2 모터를 반시계방향(ccw; counter clockwise) 또는 시계방향(cw; clockwise)으로 구동시키는 제4단계;
    상기 제2 모터에 소요되는 전류값이 소정의 전류값이 되도록 제어 하는 제5단계;
    상기 제2 모터의 전류값이 상기 소정의 전류값에 도달하였는지를 판단하는 제6단계와,
    상기 제2 모터의 전류값이 상기 소정의 전류값에 도달한 경우 상기 제2 브레이크를 닫아(close) 상기 제2 모터를 정지시키는 제7단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 조타 장치의 시스템 백래쉬(backlash) 제거 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1단계에서,
    상기 러더의 각도가 소정 각도 사이에 위치하지 않을 경우, 상기 시스템 백래쉬(backlash) 제거 로직을 정지하는 것을 특징으로 하는 조타 장치의 시스템 백래쉬(backlash) 제거 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2단계에서,
    일정시간 동안 조타지령이 없는 상태를 만족하지 못할 경우, 상기 시스템 백래쉬(backlash) 제거 로직을 정지하는 것을 특징으로 하는 조타 장치의 시스템 백래쉬(backlash) 제거 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제6단계에서,
    상기 제2 모터의 전류값이 상기 소정의 전류값에 도달하지 못했을 경우, 상기 제2 모터의 전류값이 상기 소정의 전류값이 되도록 제어 하는 상기 제5단계를 재실행하는 것을 특징으로 하는 조타 장치의 시스템 백래쉬(backlash) 제거 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 모터에 소요되는 소정의 전류값은 상기 제2 모터의 정격전류의 1/4인 것을 특징으로 하는 조타 장치의 시스템 백래쉬(backlash) 제거방법.





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