KR102235913B1 - 헬리컬 유성 감속부를 갖는 선박용 터닝기어와, 그 설계방법 및, 이 설계방법을 구현하는 컴퓨터 프로그램을 기록하고 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 터닝기어는 헬리컬 유성감속기로 이루어지되 헬리컬 기어의 물림률이 양의 정수이므로 충격과 진동 및 소음을 줄일 수 있고, 메인 샤프트가 일체형으로 이루어지므로 제작 공정이 단순하며, 메인 샤프트 후단과 지지부재가 스플라인으로 체결되고 지지부재가 테이퍼 롤러 베어링에 의해 지지된다는 특징을 갖는다.
아울러, 본 발명에 따른 터닝기어는 제3 유성 감속부의 선기어와 유성기어 및 링기어의 기어 비틀림이 제1,2 유성 감속부의 선기어와 유성기어 및 링기어의 기어 비틀림과 반대 방향으로 형성되므로 축방향 하중을 감소시킬 수 있고, 이에 따라 기존 축을 그대로 활용할 수 있고 보다 작은 크기의 테이퍼 롤러 베어링을 설치할 수 있다는 특징을 갖는다.

Description

헬리컬 유성 감속부를 갖는 선박용 터닝기어와, 그 설계방법 및, 이 설계방법을 구현하는 컴퓨터 프로그램을 기록하고 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체{Turning gear for ship having helical planetary reducers, design methods thereof and, computer readable recording medium having computer programs executing the design methods}

본 발명은 터닝 기어의 유성 감속부를 헬리컬 기어로 만들고 물림률이 양의 정수가 되도록 함으로써 충격과 진동 및 소음을 줄일 수 있는 선박용 터닝기어에 대한 것이다.

구체적으로, 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박용 터닝기어는, 유성 감속부들의 물림률이 양의 정수이고, 각각의 헬리컬 선기어의 비틀림 방향이 동일하며, 종래의 일체형 메인샤프트를 대신하여 메인 샤프트와 지지부재의 스플라인 체결을 통한 분리형으로 구성하되 테이퍼 롤러 베어링으로 지지한다.

그리고, 본 발명의 제2 실시예에 따른 선박용 터닝기어는, 유성 감속부들의 물림률이 양의 정수이고, 일부 헬리컬 선기어의 비틀림 방향이 나머지 헬리컬 선기어의 비틀림 방향과 다르므로 축방향 하중을 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 종래의 일체형 메인샤프트를 그대로 활용하되 보다 작은 테이퍼 롤러 베어링으로 지지한다.

아울러, 본 발명에 따른 선박용 터닝기어 설계방법 및 이를 구현하는 컴퓨터 프로그램을 기록하고 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체는, MATLAB을 이용하여 물림률이 양의 정수가 되도록 하는 비틀림각을 계산하고, 이 계산된 물림률과 비틀림각을 KISSsys/KISSsoft로 터닝기어를 설계할 때 활용가능하며, 설계 기반으로 헬리컬 유성 감속기 기반 선박용 터닝기어를 제작할 수 있도록 한다. 즉, 기존에 경험에 의존한 스퍼 유성감속기 기반 선박용 터닝기어 제작에서 컴퓨터 프로그램(예를 들어, MATLAB, KISSsys/KISSsoft, 엑셀 프로그램)을 활용하여 헬리컬 유성감속기 기반 선박용 터닝기어를 설계하고 제작할 수 있도록 한다.

일반적으로, 선박용 터닝기어는 엔진의 조립과 분해 및 유지 보수를 위해 엔진의 플라이휠(flywheel)을 저속으로 회전시키는 장치이다. 그리고, 터닝 기어는 엔진 시동 전에 워밍업을 통하여 윤활 및 시동 도시 마력을 낮춰주는 역할도 한다.

도 1에 나타난 바와 같이, 터닝 기어(10)는 전기 모터(11)와 감속 유닛(13) 및 기어휠(15)을 포함한다. 전기 모터(11)의 회전력은 체인에 의해서 감속 유닛(13)에 전달되고, 감속 유닛(13)은 회전 속도를 낮추고 토크를 증가시켜 기어휠(15)에 회전력을 전달한다. 도 2는 터닝 기어(10)의 기어휠(15)이 플라이휠에 맞물린 것을 보여준다.

감속 유닛(13)은 대한민국 공개특허 제10-2001-0076117호 등에 그 구성이 개시되어 있는데, 다수 개의 유성 감속부로 이루어진다. 그리고, 유성 감속부는 스퍼기어로 이루어진 선기어, 유성기어 및, 링기어를 갖는다.

그런데, 스퍼기어로 이루어진 유성 감속부는 물림률이 양의 정수로 고려되지 않았기 때문에 충격, 진동 및 소음 등이 크게 발생한다는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서, 터닝 기어의 유성 감속부를 헬리컬 기어로 만들되 물림률이 양의 정수가 되도록 함으로써 충격과 진동 및 소음을 줄일 수 있는 터닝기어를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 유성 감속부들의 헬리컬 선기어의 비틀림 방향이 동일하되, 축방향 하중을 효과적으로 지지할 수 있는 터닝기어를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 다수 개의 유성 감속부 중 일부 유성 감속부의 헬리컬 선기어의 비틀림 방향이 나머지 유성 감속부의 헬리컬 선기어의 비틀림 방향과 다르므로 축방향 하중을 감소시킬 수 있고 이에 따라 기존의 일체형 메인 샤프트와 작은 크기의 테어퍼 롤러 베어링을 사용할 수 있는 터닝기어를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 이러한 터닝 기어를 설계하는 방법과, 이 설계방법을 구현하는 컴퓨터 프로그램을 기록하고 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체를 제공하는 데 있다. 즉, 물림률이 양의 정수가 되도록 하는 비틀림 각을 MATLAB code를 이용하여 계산하고, 이 비틀림 각과 물림률을 KISSsys/KISSsoft로 터닝기어를 설계할 때 활용하여 설계할 수 있는 설계 방법과, 이를 구현하는 컴퓨터 프로그램을 기록하고 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체를 제공하는 데 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 선박용 터닝기어(100)(200)는 구동모터의 회전력이 메인 샤프트(22)를 통해 감속 유닛으로 전달되고, 감속 유닛은 상기 회전력의 회전 속도를 낮추고 토크를 증가시켜 출력한다.

상기 감속 유닛은 적어도 하나 이상의 유성 감속부(30)(50)(70)를 구비한다.

유성 감속부(30)(50)(70)는, 헬리컬 기어가 외주면에 형성된 선기어(31)(51)(71); 상기 헬리컬 기어와 맞물리는 헬리컬 기어가 외주면에 형성되고, 선기어(31)(51)(71)의 주위를 공전하면서 자전하는 복수 개의 유성기어(32)(52)(72); 유성기어(32)(52)(72)의 헬리컬 기어와 맞물리는 헬리컬 기어가 내주면에 형성되고, 유성기어(32)(52)(72)의 바깥쪽에 설치된 링기어(33)(53)(73); 및, 유성 기어(32)(52)(72)의 중심에 결합되고, 유성 기어(32)(52)(72)의 공전에 의해 메인 샤프트(22)를 중심으로 회전되는 캐리어(37)(57)(77);를 포함한다.

감속 유닛은 제1,2,3 유성 감속부(30)(50)(70)를 포함할 수 있다. 제1 유성 감속부(30)는 구동모터에 연결되고 제3 유성감속부(70)는 출력축(24)에 연결되며, 메인 샤프트(22)의 선단은 입력 스프라켓(21)에 연결되고 메인 샤프트(22)의 후단은 제3 유성감속부(70)의 캐리어(77)에 회전 가능하도록 지지될 수 있다.

제1,2,3 유성 감속부(30)(50)(70)의 캐리어(37)(57)(77)는 각각 메인 샤프트(22)에 회전 가능하도록 설치되고, 메인 샤프트(22)에 작용하는 축방향 하중은 제3 유성감속부(70)의 캐리어(77)에 설치된 베어링(84)에 의해 지지된다.

메인 샤프트(22)의 후단에는 지지부재(80)가 설치되어 축 직경을 증가시키되, 메인 샤프트(22) 후단의 외주면에는 스플라인 기어(23)가 형성되고 지지부재(80)의 내주면에는 스플라인 기어(23)와 맞물리는 스플라인 기어(81)가 형성되어 메인 샤프트(22)와 지지부재(80)가 함께 회전된다.

상기 베어링(84)은 테이퍼 롤러 베어링이고 지지부재(80)에 작용하는 축방향 하중을 지지하며, 지지부재(80)의 후단은 제3 유성감속부(70)의 캐리어(77)와 소정 간격으로 이격된 것이 바람직하다.

제1,2,3 유성 감속부(30)(50)(70) 중 일부는 헬리컬 선기어의 비틀림이 나머지 유성 감속부의 헬리컬 선기어의 비틀림과 반대 방향으로 형성될 수 있고, 이에 따라 축방향 하중이 감소될 수 있다. 예를 들어, 제3 유성 감속부(70)의 선기어(71)의 비틀림 방향이 제1,2 유성 감속부(30)(50)의 선기어(31)(51)의 비틀림 방향과 반대 방향으로 형성될 수 있다.

제3 유성감속부(70)의 캐리어(77)의 선단과 후단은 베어링(75)(76)에 의해 회전 가능하도록 지지되고 베어링(75)(76)은 터닝기어의 하우징(H)에 설치된 스토퍼(75a)(76a)에 의해 그 위치가 고정되므로 캐리어(77)가 앞,뒤로 이동하는 것이 방지될 수 있다.

선기어(31)(51)(71)의 물림률(ε)이 양의 정수이고 아래 식으로 계산될 수 있다.

[식]

ε : 물림률, ε_t : 정면 물림률, ε_β : 중첩 물림률,

D₁ : 선기어의 피치원 직경, D₂ : 유성기어의 피치원 직경,

D_a1 : 선기어의 이끝원 직경, D_a2 : 유성기어의 이끝원 직경,

D_b1 : 선기어의 기초원 직경, D_b2 : 유성기어의 기초원 직경,

m_t : 축직각 모듈, α_bt : 축직각 물림 압력각, α_t: 축직각 압력각,

b : 치폭, β : 비틀림 각

Z₁ : 선기어의 잇수, Z₂ : 유성기어의 잇수,

x_n1 : 선기어의 전위계수, x_n2 : 유성기어의 전위계수,

m_n : 치직각 모듈, α_n : 치직각 압력각

본 발명의 또 다른 측면인 터닝기어 설계방법은, 선기어(31)(51)(71)의 외주면과 유성기어(32)(52)(72)의 외주면에 서로 맞물리는 헬리컬 기어를 설계하고 링기어(33)(53)(73)의 내주면에는 유성기어의 헬리컬 기어와 맞물리는 헬리컬 기어를 설계한다. 이 때, 선기어(31)(51)(71)의 물림률(ε)이 양의 정수가 되는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 측면인 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체는, 상기 설계방법을 구현할 수 있는 컴퓨터 프로그램을 기록한다.

본 발명은 다음과 같은 효과를 갖는다.

첫째, 터닝 기어의 유성 감속부를 헬리컬 기어로 만들되 물림률이 양의 정수가 되도록 함으로써 충격과 진동 및 소음을 줄일 수 있다.

둘째, 유성 감속부들의 헬리컬 선기어의 비틀림 방향이 동일한 경우에는 메인 샤프트의 후단에 지지부재를 스플라인 체결하고 테이퍼 롤러 베어링을 설치하여 축방향 하중을 효과적으로 지지할 수 있다.

셋째, 다수 개의 유성 감속부 중 일부 유성 감속부의 헬리컬 선기어의 비틀림 방향이 나머지 유성 감속부의 헬리컬 선기어의 비틀림 방향과 다른 경우에는 축방향 하중을 감소시킬 수 있다. 이 경우에는 기존의 일체형 메인 샤프트와 작은 크기의 테이퍼 롤러 베어링을 사용할 수 있다.

넷째, 이러한 터닝 기어를 설계하는 방법과, 이 설계방법을 구현하는 컴퓨터 프로그램을 기록하고 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체를 제공한다. 즉, 물림률이 양의 정수가 되도록 하는 비틀림 각을 MATLAB code를 이용하여 계산하고, 이 비틀림 각과 물림률을 KISSsys/KISSsoft로 터닝기어를 설계할 때 활용하여 설계할 수 있다. 즉, 기존에 경험에 의존한 스퍼 유성감속기 기반 선박용 터닝기어 제작에서 컴퓨터 프로그램(예를 들어, MATLAB, KISSsys/KISSsoft, 엑셀 프로그램)을 활용하여 헬리컬 유성감속기 기반 선박용 터닝기어를 설계하고 제작할 수 있다.

도 1은 일반적인 선박용 터닝기어를 보여주는 사시도.
도 2는 도 1의 선박용 터닝기어가 선박 엔진에 설치된 것을 보여주는 사진.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박용 터닝기어를 보여주는 단면도.
도 4는 도 3의 터닝기어에 구비된 감속 유닛을 보여주는 분해 사시도.
도 5는 도 3의 A 부분을 확대한 도면.
도 6은 메인 샤프트의 후단과 지지부재의 결합 관계를 보여주는 분해 사시도.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 선박용 터닝기어를 보여주는 단면도.
도 8은 도 7의 B 부분을 확대한 도면.
도 9는 도 7의 터닝기어에 구비된 감속 유닛을 보여주는 분해 사시도.

이하, 첨부된 도면들을 참조로 본 발명에 대해서 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 실시예들에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

알려진 바와 같이, 터닝기어는 선박 엔진 뿐만 아니라, 추진용 또는 발전기용 저속(또는 중속) 디젤 엔진, 추진용 감속기어, 증기 터빈, 발전기 등에도 사용된다. 그리고, 본 발명은 상기 장치들에 사용되는 터닝기어도 권리범위에 포함한다. 하지만, 아래에서는 설명의 중복을 피하기 위해서 선박용 터닝기어만을 예로 들어 설명하기로 한다.

[제1 실시예]

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박용 터닝기어를 보여주는 단면도이고, 도 4는 상기 터닝기어의 감속 유닛을 보여주는 분해 사시도이다.

도면에 나타난 바와 같이, 상기 터닝기어(100)는 구동모터(도면에 미도시)와, 구동모터로부터 회전력을 전달받는 입력 스프라켓(21)과, 입력 스프라켓(21)에 의해 회전되는 메인 샤프트(22)와, 메인 샤프트(22)의 회전속도를 줄이고 토크를 증가시키는 감속 유닛과, 감속 유닛과 연결된 출력축(24) 및, 출력축(24)에 설치된 기어휠(15)을 포함한다.

메인 샤프트(22)는 입력 스프라켓(21)에서부터 캐리어(77)까지 연장된다. 메인 샤프트(22)의 선단과 후단에는 메인 샤프트(22)를 회전 가능하게 지지하기 위해 베어링(35)(도 5의 84)이 설치된다.

베어링(35)은 하우징(H)에 설치되어 메인 샤프트(22)를 회전 가능하게 지지함과 동시에 선기어(31)와 메인 샤프트(22)가 앞쪽으로 이동하는 것을 방지한다. 이를 위해, 베어링(35)의 앞쪽에는 스토퍼(36)가 설치되어 베어링(35)이 앞쪽으로 이동하는 것을 방지한다. 그리고, 베어링(35)은 축방향 하중을 효과적으로 지지하는 테이퍼 롤러 베어링인 것이 바람직하다.

도 5에 나타난 바와 같이, 베어링(84)은 캐리어(77)에 지지되도록 설치되어 메인 샤프트(22)를 회전 가능하도록 지지함과 동시에 터닝 기어 작동시 발생하는 축방향 하중을 지지한다. 이에 대해서는 아래에서 상세히 설명될 것이다.

감속 유닛은 적어도 하나 이상의 유성 감속부(유성기어 감속기)를 포함한다. 유성 감속부는 선기어와 유성기어와 링기어 및 캐리어를 이용하여 메인 샤프트(22)의 회전속도(R.P.M.)를 낮추고 토크를 증가시킨다. 바람직하게, 감속 유닛은 제1,2,3 유성 감속부(30)(50)(70)로 이루어질 수 있다.

제1 유성 감속부(30)는 선기어(31)와 유성기어(32)와 링기어(33) 및 캐리어(37)를 포함한다.

선기어(31)는 메인 샤프트(22)에 설치되어 메인 샤프트(22)와 함께 회전된다. 선기어(31)의 외주면에는 헬리컬 기어가 형성되어 있다. 헬리컬 기어는, 스퍼 기어에 비해, 접촉선의 길이가 길어서 큰 힘을 전달할 수 있고 원활하게 회전하므로 소음이 작다는 장점을 갖고 있다.

유성기어(32)는 선기어(31)의 둘레에 복수 개가 설치된다. 도면에는 3개의 유성기어(32)가 도시되어 있지만, 유성기어(32)의 개수는 필요에 따라 증감될 수 있다.

유성기어(32)의 외주면에는 헬리컬 기어가 형성되어 있는데, 이 헬리컬 기어가 선기어(31)의 헬리컬 기어 및 링기어(33)의 헬리컬 기어와 맞물리도록 설치된다. 따라서, 선기어(31)가 회전되면 유성기어(32)는 자전하면서 선기어(31)의 둘레를 공전한다.

링기어(33)는 유성기어(32)의 바깥쪽에 설치된다. 그리고, 링기어(33)의 내주면에는 유성기어(32)의 헬리컬 기어와 맞물리는 헬리컬 기어가 형성된다.

캐리어(37)는 선기어(31)의 후방에서 메인 샤프트(22)에 회전 가능하도록 설치된다. 그리고, 캐리어(37)는 각각의 유성기어(32)와 핀(38)으로 체결되어 있다. 즉, 핀(38)의 선단이 유성기어(32)의 중심에 회전 가능하도록 체결된다. 따라서, 유성기어(32)가 선기어(31)를 중심으로 자전 및 공전하면 캐리어(37)는 메인 샤프트(22)를 중심으로 회전하게 되고, 캐리어(37)의 회전에 의해 제2 유성 감속부(50)의 선기어(51)가 회전하게 된다.

제2 유성 감속부(50)는 선기어(51)와 유성기어(52)와 링기어(53) 및 캐리어(57)를 포함한다. 선기어(51)와 유성기어(52)의 외주면 및, 링기어(53)의 내주면에는 헬리컬 기어가 형성되어 있다. 제1 유성 감속부(30)에서와 마찬가지로, 유성기어(52)의 헬리컬 기어는 선기어(51) 및 링기어(53)의 헬리컬 기어와 맞물리도록 설치된다.

선기어(51)는 제1 유성 감속부(30)의 캐리어(37)와 일체로 형성되거나 결합되어 있다. 그리고, 선기어(51)는 메인 샤프트(22)에 회전 가능하도록 설치된다. 따라서, 캐리어(37)가 회전되면 선기어(51)가 함께 회전된다. 그리고, 선기어(51)의 회전에 의해 유성 기어(52)가 선기어(51)의 둘레를 공전하면서 자전한다.

캐리어(57)는 메인 샤프트(22)에 회전 가능하도록 설치되고, 유성기어(52)의 중심과 핀(58)으로 연결된다. 유성 기어(52)가 선기어(51)의 둘레를 공전하면 캐리어(57)는 메인 샤프트(22)를 중심으로 회전하게 된다. 캐리어(57)의 회전에 의해 제3 유성 감속부(70)의 선기어(71)가 회전하게 된다.

제3 유성 감속부(70)는 선기어(71)와 유성기어(72)와 링기어(73) 및 캐리어(77)를 포함한다. 선기어(71)와 유성기어(72)의 외주면 및, 링기어(73)의 내주면에는 헬리컬 기어가 형성되어 있다. 제1,2 유성 감속부(30)(50)에서와 마찬가지로, 유성기어(72)의 헬리컬 기어는 선기어(71) 및 링기어(73)의 헬리컬 기어와 맞물리도록 설치된다.

선기어(71)는 제2 유성 감속부(50)의 캐리어(57)와 일체로 형성되거나 결합되어 있다. 그리고, 선기어(71)는 메인 샤프트(22)에 회전 가능하도록 설치된다. 따라서, 캐리어(57)가 회전되면 선기어(71)가 함께 회전된다. 그리고, 선기어(71)의 회전에 의해 유성 기어(72)가 선기어(71)의 둘레를 공전하면서 자전한다.

캐리어(77)는 메인 샤프트(22)를 중심으로 회전 가능하도록 설치되고, 유성기어(72)의 중심과 핀(78)으로 연결되며, 선단과 후단의 베어링(75)(76)에 의해 회전 가능하게 지지된다.

선기어(71)가 회전되면 유성기어(72)가 선기어(71)를 중심으로 자전하면서 공전하고, 이에 따라 캐리어(77)가 메인 샤프트(22)를 중심으로 회전되며, 캐리어(77)가 회전됨에 따라 출력축(24)이 회전하게 된다. 이 때, 베어링(76)은 메인 샤프트(22)를 통해 전달되는 축방향 하중을 지지하여 캐리어(77)가 이동하는 것을 방지하면서 캐리어(77)를 회전 가능하게 지지하고, 베어링(75)은 캐리어(77)가 앞쪽으로 이동하는 것을 방지하면서 캐리어(77)를 회전 가능하게 지지한다. 이를 위해, 베어링(76)의 후방과 베어링(75)의 전방에는 스토퍼(76a)(75a)가 하우징(H)에 설치된다.

한편, 상술한 바와 같이, 제1,2,3 유성 감속부(30)(50)(70)가 헬리컬 기어로 이루어짐에 따라 메인 샤프트(22)에는 축방향 하중이 발생하게 된다. 본 발명에 따른 터닝 기어(100)는, 축방향 하중을 지지하기 위해, 메인 샤프트(22)의 선단에 테이퍼 롤러 베어링(35)을 설치하고 메인 샤프트(22)의 후단에 지지부재(80)를 설치하여 축 직경을 증가시키고 테이퍼 롤러 베어링(84)으로 지지한다.

도 6에 나타난 바와 같이, 메인 샤프트(22)의 후단에는 스플라인 기어(23)가 형성되고, 지지부재(80)의 내주면에는 스플라인 기어(23)와 맞물리는 스플라인 기어(81)가 형성된다. 그리고, 지지부재(80)의 선단 외주면에는 보스(82)가 원주 방향으로 돌출되도록 형성된다. 메인 샤프트(22)의 후단이 지지부재(80)의 내부에 삽입되면 스플라인 기어(23)(81)가 맞물리게 된다.

테이퍼 롤러 베어링(84)은 보스(82)를 지지하도록 지지부재(80)의 둘레에 설치된다. 이 때, 홀 가공 횟수를 줄일 수 있도록 지지부재(80)의 후단과 캐리어(77) 사이에는 틈이 존재하는 것이 바람직하다. 그리고, 이를 위해 테이퍼 롤러 베어링(84)의 후단에 받침대(86)를 설치할 수 있다.

테이퍼 롤러 베어링(84)은 메인 샤프트(22)를 회전 가능하도록 지지함과 동시에 메인 샤프트(22)에 작용하는 축방향 하중을 지지한다. 터닝기어의 품질 기준인 독일 MAN社 FTA test specification에 따르면, 베어링은 3,000~5,000시간의 작동을 보장하여야 하는데, 본 출원인의 시험에 따르면 테이퍼 롤러 베어링(84)인 #30308이 이러한 기준을 만족하는 것으로 나타났고 #30308을 설치하기 위해 메인 샤프트(22)와 지지부재(84)를 각각 분리 제조한 후 메인 샤프트(22)의 후단에 지지부재(84)를 설치하여 축직경이 증가되도록 하였다.

그리고, 테이퍼 롤러 베어링(35)으로는 #31309가 상기 기준을 만족하는 것으로 나타났다.

이에 비해, 스퍼 기어로 이루어진 기존의 터닝기어에는 깊은 홈 볼베어링이 사용되었는데, 깊은 홈 볼베어링은 헬리컬 기어로 이루어진 터닝기어(100)에 사용될 경우 상기 기준을 만족하지 못하는 것으로 나타났다. 이 점에 대해서는 아래에서 더 설명될 것이다.

[제2 실시예]

도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 선박용 터닝기어를 보여주는 단면도이고, 도 8은 도 7의 B부분을 확대한 도면이다.

도면에 나타난 바와 같이, 상기 터닝기어(200)는 구동모터(도면에 미도시)와, 구동모터로부터 회전력을 전달받는 입력 스프라켓(21)과, 입력 스프라켓(21)에 의해 회전되는 메인 샤프트(22)와, 메인 샤프트(22)의 회전속도를 줄이고 토크를 증가시키는 감속 유닛과, 감속 유닛과 연결된 출력축(24) 및, 출력축(24)에 설치된 기어휠(15)을 포함한다.

터닝기어(200)는, 제1 실시예의 터닝기어(100)와 비교하여, 감속 유닛의 헬리컬 기어가 다르고 나머지 구성은 동일하다. 구체적으로, 다수 개의 유성 감속부 중 일부의 유성 감속부는 헬리컬 선기어의 비틀림 방향이 다르다.

예를 들어, 도 7과 도 9에 나타난 바와 같이, 제1,2,3 유성 감속부(30)(50)(70) 중에서 제1,2 유성 감속부(30)(50)의 헬리컬 선기어(31)(51)가 우비틀림이면 제3 유성 감속부(70)의 헬리컬 선기어(71)는 좌비틀림이 된다. 이와 같은 구성은 메인 샤프트(22)에 발생하는 축방향 하중의 크기를 줄이는 효과를 나타낸다. 따라서, 메인 샤프트(22)의 후단에 지지부재(80)를 설치할 필요가 없고 기존의 메인 샤프트를 그대로 이용할 수 있다. 한편, 베어링(84)으로는 제1 실시예의 #30308 보다 작은 크기의 테이퍼 롤러 베어링, 예를 들어 #31306을 사용할 수 있다. 그리고, 베어링(35)으로는 제1 실시예의 #31309 보다 작은 크기의 테이퍼 롤러 베어링, 예를 들어 #30209를 사용할 수 있다.

[터닝기어의 설계방법 및, 이를 구현하는 컴퓨터 프로그램]

[발명의 배경이 되는 기술]에서 설명한 바와 같이, 기존의 터닝기어는 스퍼 기어로 이루어진 유성 감속부의 물림률이 정수로 고려되지 않았기 때문에 충격, 진동 및 소음 등이 크게 발생한다는 문제점을 갖고 있었다.

본 출원인은 이러한 문제점을 해결하기 위해 스퍼 기어 대신 헬리컬 기어로 이루어진 터닝기어를 제안하되 물림률이 양의 정수가 되도록 하였다. 아래에서는 이러한 터닝기어의 설계방법과 이를 구현하는 컴퓨터 프로그램에 대해 설명하기로 한다.

1. MATLAB, KISSsys/KISSsoft를 이용한 설계방법

헬리컬 기어의 전체 물림률(total contact ratio)은 정면 물림률(transverse contact ratio)과 중첩 물림률(overlap ratio)의 선형합으로 계산되며, 비틀림 각(helix angle)에 대한 비선형 함수로 표현된다.

본 출원인은 터닝기어 설계시 물림률을 양의 정수, 비틀림 각을 변수로 선정한 후, MATLAB을 이용하여 양의 정수인 물림률을 도출하는 비틀림 각을 계산하였다. 바람직하게, 유성 감속부에서 충격, 진동, 소음에 가장 취약한 선기어(잇수가 상대적으로 작음)(31)(51)(71)와 유성 기어(32)(52)(72)의 물림률이 양의 정수가 되도록 하는 비틀림 각을 계산하였다.

그리고, 양의 정수 물림률 산출을 위한 비틀림 각을 입력으로 하고, 기어 및 감속기 설계용 소프트웨어인 KISSsys 및 KISSsoft를 활용하여 헬리컬 유성감속기 기반 선박용 터닝기어를 설계하였다. KISSsys를 이용하여 축, 베어링, 기어를 기반으로 헬리컬 유성감속기 시스템을 모델링하고, KISSsoft를 이용하여 축 안전율, 베어링 정적 안전율 및 수명계산, 기어 물림률 및 안전율을 계산하였다.

(1) 양의 정수인 물림률을 산출하기 위한 수치해법

헬리컬 기어의 정면 물림률은 식 (1)과 같이 계산된다.

식 (1)에서, ε_t : 정면 물림률,

D₁ : 선기어의 피치원 직경, D₂ : 유성기어의 피치원 직경,

D_a1 : 선기어의 이끝원 직경, D_a2 : 유성기어의 이끝원 직경,

D_b1 : 선기어의 기초원 직경, D_b2 : 유성기어의 기초원 직경,

m_t : 축직각 모듈, α_bt : 축직각 물림 압력각, α_t: 축직각 압력각

헬리컬 기어의 중첩 물림률은 식 (2)와 같이 계산된다.

식 (2)에서,

ε_β : 중첩 물림률, b : 치폭, β : 비틀림 각

식 (1)과 (2)의 각 변수는 비틀림각(β)에 대해 식 (3)과 같이 정리된다.

식 (3)에서,

Z₁ : 선기어의 잇수, Z₂ : 유성기어의 잇수,

x_n1 : 선기어의 전위계수, x_n2 : 유성기어의 전위계수,

m_n : 치직각 모듈, α_n : 치직각 압력각

전체 물림률(ε)은 식 (4)와 같이 나타낼 수 있으며, 식 (4)는 Z₁, Z₂, x_n1, x_n2, m_n, α_n, b, β로 표현되는 비선형 함수이다.

ε=ε_t+ε_β .......... (4)

정수 물림률을 고려한 MATLAB 코드는 아래와 같이 구성할 수 있으며, 해당 코드는 중심거리를 일정하게 유지하는 조건이다.

(2) 헬리컬 유성감속기 기반 선박용 터닝기어 설계

MATLAB code를 통하여 계산된 비틀림 각은 선기어와 유성기어의 물림률이 양의 정수가 되도록 하는 각도이고, 이 비틀림 각과 물림률은 KISSsys/KISSsoft를 이용하여 터닝기어를 설계할 때 활용가능하며, 설계 기반으로 헬리컬 유성 감속기 기반 선박용 터닝기어를 제작할 수 있다. 즉, 기존에 경험에 의존한 스퍼 유성감속기 기반 선박용 터닝기어 제작에서 컴퓨터 프로그램(예를 들어, KISSsys/KISSsoft)을 활용하여 헬리컬 유성감속기 기반 선박용 터닝기어를 설계하고 제작할 수 있다.

아래 그림은 KISSsys를 활용한 선박용 터닝기어를 보여준다.

[표 1] KISSsys를 활용한 선박용 터닝기어 모델링

그리고, 아래 그림은 KISSsoft를 활용한 기존의 스퍼 유성감속기 기반 선박용 터닝기어의 축 안전율, 베어링 안전율 및 수명을 보여준다.

[표 2] 축 안전율, 베어링 안전율 및 수명 (기존의 스퍼 유성감속기)

그런데, 스퍼 유성감속기를 헬리컬 유성감속기로 변경할 경우, 아래 그림과 같이, 깊은 홈 볼베어링은 축하중을 지지하지 못한다. 참고로, 깊은 홈 볼베어링인 #6306은 36시간, #6209는 57시간으로 예측되었는데, 이는 독일 MAN社 FTA test specification 기준인 3,000~5,000시간에 미치지 못한다.

[표 3] 축 안전율, 베어링 안전율 및 수명(헬리컬 유성감속기 - 깊은홈 볼 베어링)

본 발명은 상기 기준을 만족할 수 있도록, 깊은 홈 볼베어링을 대신하여 테이퍼 롤러 베어링(35)(84)을 설치하였다. 구체적으로, 메인 샤프트(22)의 후단에 지지부재(80)를 설치하여 축직경을 증가시키고 #6306(깊은 홈 볼베어링)을 대신하여 #30308(테이퍼 롤러 베어링)을 설치하였는데, 아래에 나타난 바와 같이, #30308이 상기 기준을 만족하는 것을 알 수 있다. 그리고, #6209(깊은 홈 볼베어링)를 대신하여 #31309(테이퍼 롤러 베어링)를 설치하였는데, 아래에 나타난 바와 같이, #31309가 상기 기준을 만족하는 것을 알 수 있다.

[표 4] 축 안전율, 베어링 안전율 및 수명(헬리컬 유성감속기-테이퍼 롤러 베어링)

한편, 제2 실시예에서 설명된 바와 같이, 제1,2 유성 감속부(30)(50)의 헬리컬 선기어(31)(51)의 비틀림 각과 제3 유성 감속부(70)의 헬리컬 선기어(71)의 비틀림 각을 반대로 할 경우, 예를 들어, 아래 표와 같이 제1,2 유성 감속부(30)(50)의 헬리컬 선기어(31)(51)가 우비틀림(RH)이고 제3 유성 감속부(70)의 헬리컬 선기어(71)가 좌비틀림(LH)인 경우, 축방향 하중이 감소하므로 기존 메인샤프트를 그대로 활용할 수 있고 보다 작은 크기의 테이퍼 롤러 베어링을 장착할 수 있다. 아래 그림은 이러한 경우를 수치해석한 것을 보여주는데, #30209와 #31306이 상기 기준을 만족하는 것을 알 수 있다.

[표 5] 축 안전율, 베어링 안전율 및 수명(헬리컬 유성감속기 - 1,2단 RH, 3단 LH)

2. EXCEL을 활용한 설계방법

본 출원인은 본 발명에 따른 터닝기어를 설계하는 컴퓨터 프로그램을 EXCEL로 개발하였다.

EXCEL 프로그램의 입력변수는 모듈, 잇수, 압력각, 비틀림각, 전위계수, 치폭, 정격 계수이고, 계산결과인 출력은 물림률, 면압 및 굽힘 강도, 걸치기 및 오버핀 치수, 요목표로서, KISSsys/KISSsoft와 동일한 계산 결과를 획득할 수 있다.

[표 6] 입력변수

[표 7] 물림률 계산결과

[표 8] 면압 및 굽힘강도 계산결과

[표 9] 면압 및 굽힘강도 계산결과

위에 나타난 바와 같이, 고가의 KISSsoft/KISSsys를 구매하지 않고, EXCEL프로그램을 활용하여 물림률, 면압 및 굽힘강도, 걸치기 및 오버핀 치수, 요목표를 생성할 수 있다. 그리고, 그 계산 결과는 KISSsoft/KISSsys와 동일하다.

10 : 터닝 기어 11 : 전기 모터
12 : 체인 13 : 감속 기어부
15 : 기어휠 21 : 입력 스프라켓
22 : 메인 샤프트 23 : 스플라인 기어
24 : 출력축 30 : 제1 유성 감속부
31 : 선기어 32 : 유성기어
33 : 링기어 35 : 베어링
36 : 스토퍼 37 : 캐리어
38 : 핀 50 : 제2 유성 감속부
51 : 선기어 52 : 유성기어
53 : 링기어 58 : 핀
70 : 제3 유성 감속부
71 : 선기어 72 : 유성기어
73 : 링기어 75 : 베어링
75a : 스토퍼 76 : 베어링
76a : 스토퍼 77 : 캐리어
78 : 핀 80 : 지지부재
81 : 스플라인 기어 82 : 보스
84 : 베어링 86 : 스토퍼
100, 200 : 터닝 기어 H : 하우징

Claims (13)

1. 구동모터의 회전력이 메인 샤프트를 통해 감속 유닛으로 전달되고, 감속 유닛은 상기 회전력의 회전 속도를 낮추고 토크를 증가시켜 출력하며,
   감속 유닛은 적어도 하나 이상의 유성 감속부를 구비하고,
   유성 감속부는,
   헬리컬 기어가 외주면에 형성된 선기어;
   상기 헬리컬 기어와 맞물리는 헬리컬 기어가 외주면에 형성되고, 선기어의 주위를 공전하면서 자전하는 복수 개의 유성기어;
   유성기어의 헬리컬 기어와 맞물리는 헬리컬 기어가 내주면에 형성되고, 유성기어의 바깥쪽에 설치된 링기어; 및,
   유성 기어의 축에 결합되고, 유성 기어의 공전에 의해 메인 샤프트를 중심으로 회전되는 캐리어;를 포함하고,
   상기 유성 감속부는 제1,2,3 유성 감속부로 이루어지고,
   제1 유성 감속부는 구동모터에 연결되고 제3 유성감속부는 출력축에 연결되며,
   메인 샤프트의 선단은 입력 스프라켓에 연결되고 메인 샤프트의 후단은 제3 유성감속부의 캐리어에 회전가능하도록 설치되며,
   제1,2,3 유성 감속부의 캐리어는 각각 메인 샤프트에 회전 가능하도록 설치되고,
   메인 샤프트에 작용하는 축방향 하중은 제3 유성감속부의 캐리어에 설치된 베어링(84)에 의해 지지되며,
   메인 샤프트의 후단에는 지지부재가 설치되되, 메인 샤프트 후단의 외주면에는 스플라인 기어가 형성되고 지지부재의 내주면에는 상기 스플라인 기어와 맞물리는 스플라인 기어가 형성되어 메인 샤프트와 지지부재가 함께 회전되며,
   상기 베어링(84)은 테이퍼 롤러 베어링이고 지지부재에 작용하는 축방향 하중을 지지하며, 지지부재의 후단은 제3 유성감속부의 캐리어와 소정 간격으로 이격되고,
   메인 샤프트의 선단에는 테이퍼 롤러 베어링(35)이 설치되어 축방향 하중을 지지하는 것을 특징으로 하는 터닝기어.
2. 제1항에 있어서,
   선기어의 물림률(ε)이 양의 정수이고 아래 식으로 계산되는 것을 특징으로 하는 터닝기어.
   [식]
   

   

   
   

   

   
   ε : 물림률, ε_t : 정면 물림률, ε_β : 중첩 물림률,
   D₁ : 선기어의 피치원 직경, D₂ : 유성기어의 피치원 직경,
   D_a1 : 선기어의 이끝원 직경, D_a2 : 유성기어의 이끝원 직경,
   D_b1 : 선기어의 기초원 직경, D_b2 : 유성기어의 기초원 직경,
   m_t : 축직각 모듈, α_bt : 축직각 물림 압력각, α_t: 축직각 압력각,
   b : 치폭, β : 비틀림 각
   Z₁ : 선기어의 잇수, Z₂ : 유성기어의 잇수,
   x_n1 : 선기어의 전위계수, x_n2 : 유성기어의 전위계수,
   m_n : 치직각 모듈, α_n : 치직각 압력각
   
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