KR102359816B1

KR102359816B1 - 차동 유성 기어박스

Info

Publication number: KR102359816B1
Application number: KR1020207010950A
Authority: KR
Inventors: 제임스 브렌트 클라쎈; 리차드 보스
Original assignee: 제네시스 어드밴스드 테크놀러지 인크.
Priority date: 2017-09-16
Filing date: 2018-09-17
Publication date: 2022-02-08
Also published as: WO2019051614A1; US11566687B2; US20210025478A1; US10837520B2; JP6997864B2; JP2020533542A; KR20220021025A; JP2022050432A; EP3682143A4; CA3075690A1; KR20200086262A; CN111148922A; US20190085941A1; EP3682143A1

Abstract

토크 전달 장치는 하나 이상의 태양 기어를 중심으로 하는 그리고 하나 이상의 링 기어 내에서의 유성체 회전을 위해 배열되는 복수의 유성체를 갖는다. 각각의 유성체는 차동 기어 시스템을 형성하기 위해, 함께 회전하도록 연결되지만 상이한 직경을 갖는 복수의 유성 기어를 포함하는 적어도 하나의 유성 기어 세트를 포함한다. 부하 공유를 개선하기 위해, 각각의 유성 기어 세트의 복수의 유성 기어는 상이한 나선각을 가질 수 있으며, 이때 복수의 유성 기어 세트는 서로에 대해 축방향으로 이동가능하다. 대안적으로 또는 추가적으로, 유성 기어는 반경방향 힘에 대해 가요성으로 제조될 수 있다.

Description

차동 유성 기어박스

차동 유성 기어박스.

유성 기어박스 감속기(planetary gearbox reducer)는 모든 유성체(planet)가 동일하게 사용되는 것을 보장하기 위해 모든 피니언(pinion)들 사이의 부하 균형(load balancing)을 필요로 한다. 부하 균형은 종종 단지 3개의 유성 기어의 사용에 의해 달성되며, 따라서 태양 기어가 삼각측량법(triangulation)에 의해 자체적으로 중심에 놓인다. 4개의 유성체가 사용되는 경우, 그리고 모든 기어가 완벽하게 동일한 크기는 아닌 경우, 3개의 기어가 부하의 대부분을 받을 것이고, 제4 기어가 총 부하의 25% 미만을 전달할 것이다. 추가되는 기어가 많을수록, 유성체가 작아져야 하며, 따라서 소정 개수의 유성체에서, 전달될 수 있는 최대 토크에 대한 손실이 있다. 이의 증거로서, 산업계의 대부분의 유성 기어세트는 스테이지당 단지 3개의 유성 기어를 가지며, 이때 적은 비율이 스테이지당 4개 또는 5개의 유성체를 갖는다.

차동 유성기어장치(planetary)는 더 작은 직경의 유성 기어로 훨씬 더 높은 기어비를 허용한다. 그러나, 표준 유성기어장치에서와 동일한 부하 공유 문제가 존재하며, 따라서 3개 초과의 유성체의 사용이 불리할 수 있다. 전술된 바와 같이, 이는 더 작은 직경의 유성체가 그만큼 부하를 전달할 수 없기 때문이며, 따라서 3개 또는 4개의 유성체가 부하의 대부분을 받는 경우, 유성체들 중 나머지는 토크 전달에 비례하여 기여하지 않고, 토크 전달의 대부분을 수행하고 있는 유성체는 단지 3개의 더 큰 직경의 유성체만을 사용하는 것에 비해 이익을 제공하기에는 너무 작을 수 있다.

더 작은 직경의 유성체가 매우 바람직한데, 왜냐하면 그들이 기어박스에서 더 큰 중심 관통 구멍을 허용하기 때문이다. 많은 수의 유성체에 대해 부하 공유가 달성되는 경우, 더 큰 토크 전달이 또한 가능한 것으로 나타났다. 본 명세서에 개시된 것과 같은 차동 기어박스의 실시예에서, FEA 분석은 단지 3개의 더 큰 유성체만을 사용하는 것에 비해 12개 내지 18개의 더 작은 유성체가 유리한 토크 전달을 제공한다는 것을 보여주었다.

다수의 더 작은 유성체가 사용될 수 있도록 차동 기어박스의 유성체들 사이에 일관된 부하 공유를 제공하는 방법이 필요하다. 최소의 중량 및 엄밀한 엔빌로프(strict envelope)와 함께 높은 토크 출력이 요구되는 많은 응용이 있다. 장치의 다른 이점이 아래의 설명에서 명백할 것이다.

하나 이상의 태양 기어를 중심으로 하는 그리고 하나 이상의 링 기어 내에서의 유성체 회전(planetary rotation)을 위해 배열되는 복수의 유성체를 갖는 토크 전달 장치가 제공된다. 복수의 유성체 각각은 함께 회전하도록 연결되고 상이한 직경을 갖는 복수의 유성 기어를 포함하는 각각의 제1 유성 기어 세트를 포함한다. 하나 이상의 태양 기어 또는 하나 이상의 링 기어의 각각의 제1 출력 기어가 각각의 제1 유성 기어 세트의 각각의 유성 기어와 맞물리도록 배열되고, 하나 이상의 태양 기어 또는 하나 이상의 링 기어의 각각의 제1 기준 기어가 각각의 제1 유성 기어 세트의 각각의 유성 기어와 맞물리도록 배열된다. 부하 공유는 하기의 A 또는 B 또는 C 또는 D 중 하나 이상에 의해 제공된다:

A는 각각의 제1 유성 기어 세트의 복수의 유성 기어가 상이한 나선각(helical angle)을 갖고, 각각의 제1 유성 기어 세트가 예를 들어 하나 이상의 태양 기어에 의해 한정되는 축에 대해 스프링과 같은 탄성 요소에 대항하여 축방향으로 이동가능하다는 것이고;

B는 복수의 유성체가 개수가 적어도 5개, 6개, 7개, 8개, 9개, 10개, 11개, 12개, 13개, 14개, 15개, 16개, 17개, 18개, 19개, 또는 20개이고, 0.10 초과의 항복 강도-대-강성 비(strength-to-stiffness ratio)를 갖는 제1 재료로 형성된다는 것이고;

C는 각각의 제1 유성 기어 세트의 복수의 유성 기어가 피니언 표면에 의해 한정되고, 피니언 표면의 비틀림 가요성 부분(torsionally flexible portion)에 의해 분리된다는 것이고;

D는 복수의 유성체가 개수가 적어도 5개, 6개, 7개, 8개, 9개, 10개, 11개, 12개, 13개, 14개, 15개, 16개, 17개, 18개, 19개, 또는 20개이고, 하나 이상의 태양 기어들 중 하나 이상 및/또는 하나 이상의 링 기어들 중 하나 이상이 0.10 초과의 항복 강도-대-강성 비를 갖는 제1 재료로 형성된다는 것이다.

다양한 실시예에서, 하기의 특징들 중 임의의 하나 이상이 포함될 수 있다.

각각의 유성체는 또한, 제1 유성 기어 세트에 대응하고 제1 유성 기어 세트에 대해 축 대칭으로 배열되는 제2 유성 기어 세트를 추가로 가질 수 있다. 제2 유성 기어 세트는 하나 이상의 태양 기어 또는 하나 이상의 링 기어의 대응하는 제2 출력 기어 및 하나 이상의 태양 기어 또는 하나 이상의 링 기어의 대응하는 제2 기준 기어와 맞물리도록 배열될 수 있다. 각각의 유성체의 제2 유성 기어 세트는 대응하는 제1 유성 기어 세트의 기어 치형 프로파일에 대해 축 대칭인 기어 치형 프로파일을 가질 수 있다. 여기에서, 기어 치형 프로파일은 기어 상의 기어 치형부의 3차원 형상을 지칭한다. 제1 및 제2 출력 기어들은 제1 및 제2 출력 기어들의 상대적인 축방향 위치설정을 조절하기 위해 심(shim)을 통해 연결될 수 있다. 제1 및 제2 기준 기어들은 제1 및 제2 기준 기어들의 상대적인 축방향 위치설정을 조절하기 위해 심을 통해 연결될 수 있다. 후술되는 바와 같이 제1 입력 기어가 있는 경우, 제2 유성 기어 세트와 맞물리도록 배열되는 제2 입력 기어가 또한 있을 수 있고, 제1 입력 기어 및 제2 입력 기어는 제1 및 제2 입력 기어들의 상대적인 축방향 위치설정을 조절하기 위해 심에 의해 연결될 수 있다. 제1 기준 기어 및 제1 출력 기어는 베어링을 통해 연결될 수 있으며, 이때 베어링은 심을 통해 제1 기준 기어 및 제1 출력 기어 중 적어도 하나에 연결된다. 베어링은 상이한 베어링 레이스(bearing race)에 연결되는 복수의 심을 통해 제1 기준 기어 및 제1 출력 기어 중 적어도 하나에 연결될 수 있다. 제2 출력 기어는 제1 출력 기어일 수 있고, 복수의 기어 표면 또는 단일의 연속 기어 표면을 가질 수 있다. 제2 기준 기어는 제1 기준 기어일 수 있고, 복수의 기어 표면 또는 단일의 연속 기어 표면을 가질 수 있다. 제1 기준 기어 및 제2 기준 기어는 링 기어일 수 있고, 제1 기준 기어는 하나 이상의 태양 기어에 의해 한정되는 중심 구멍을 통해 연장되는 하우징 부분을 통해 제2 기준 기어에 연결될 수 있다(동일성의 개념이 본 명세서에 정의되어 있으므로, 이러한 강성 연결은 그들을 동일한 기어로 만듦). 이러한 하우징 부분은 중심 보어를 한정할 수 있다. 대응하는 제1 유성 기어 세트에 관하여 각각의 유성체의 각각의 제2 유성 기어 세트를 이격시키도록 배열되는 기어 세트 이격 스프링이 있을 수 있다. 제2 유성 기어 세트는 각각의 제2 유성 기어 세트 및 대응하는 제1 유성 기어 세트를 통해 각각 연장되는 로드(rod)에 의해 대응하는 제1 유성 기어 세트와 정렬될 수 있다. 또한, 제1 유성 기어 세트와 제2 유성 기어 세트를 로드에 대해 위치시키도록 배열되는 기어 세트 위치설정 스프링이 로드 상에 있을 수 있다. 제1 출력 기어 및 제1 기준 기어는 둘 모두 하나 이상의 태양 기어의 태양 기어일 수 있거나, 둘 모두 하나 이상의 링 기어의 링 기어일 수 있고, 각각의 제1 유성 기어 세트의 상이한 유성 기어에 연결될 수 있다.

기어 조합의 일부 경우는 다음과 같다. 제1 유성 기어 세트의 복수의 유성 기어 중 하나는 스퍼 기어(spur gear)일 수 있고, 다른 것은 헬리컬 기어(helical gear)일 수 있다. 제1 유성 기어 세트의 복수의 유성 기어 중 하나는 헬리컬 기어일 수 있고, 다른 것은 동일한 나선방향(handedness)의 상이한 크기의 나선각을 갖는 헬리컬 기어일 수 있다. 제1 유성 기어 세트의 복수의 유성 기어 중 하나는 헬리컬 기어일 수 있고, 다른 것은 반대 나선방향의 헬리컬 기어이다. 부하 공유 기술 A는 특히 상기의 기어 조합의 경우에 적용가능하며, 기술 A에서 각각의 제1 유성 기어 세트는 하나 이상의 태양 기어에 의해 한정되는 축에 대해 축방향으로 이동가능하다. 다른 경우에, 제1 유성 기어 세트의 복수의 유성 기어 중 하나는 헬리컬 기어일 수 있고, 다른 것은 동일한 나선방향 및 크기의 나선각을 갖는 헬리컬 기어일 수 있거나, 또는 복수의 유성 기어 중 하나는 스퍼 기어일 수 있고, 다른 것도 또한 스퍼 기어일 수 있다. 제조의 용이함을 위해, 제1 유성 기어 세트의 복수의 유성 기어는 동일한 개수의 치형부를 가질 수 있고, 복수의 유성 기어의 대응하는 치형부는 원주방향으로 정렬될 수 있다. 또한, 제1 유성 기어 세트의 복수의 유성 기어의 치형부는 대응하는 치형부들 사이의 연속 치형 프로파일 충전부(fill)에 의해 연결될 수 있다. 부하 공유를 위한 A, B 또는 C의 선택에 상관없이, 5개 이상, 6개 이상, 7개 이상, 8개 이상, 9개 이상, 10개 이상, 11개 이상, 12개 이상, 13개 이상, 14개 이상, 15개 이상, 16개 이상, 17개 이상, 18개 이상, 19개 이상, 또는 20개 이상의 유성체가 있을 수 있다.

복수의 유성체의 유성체는 중공형일 수 있다. 복수의 유성체의 유성체는 각각, 각각의 외부 유성체 직경의 적어도 1/2, 2/3, 4/5, 9/10 또는 19/20의 각각의 보어 직경을 갖는 각각의 축방향 보어를 한정할 수 있다.

전술된 임의의 토크 전달 장치의 경우, 복수의 유성체가 개수가 적어도 5개, 6개, 7개, 8개, 9개, 10개, 11개, 12개, 13개, 14개, 15개, 16개, 17개, 18개, 19개, 또는 20개이고 0.10 초과의 항복 강도-대-강성 비를 갖는 제1 재료로 형성되도록 옵션 B가 선택될 수 있다. 특히 옵션 B에 관하여, 복수의 유성체의 각각의 유성체는 각각의 피니언 표면을 한정하는 각각의 외부 피니언 부분을 가질 수 있다. 각각의 유성체의 각각의 외부 피니언 부분은 각각의 중공 관 상에 장착될 수 있으며, 이때 각각의 외부 피니언 부분은 제1 재료로 형성된다. 각각의 중공 관은 제1 재료보다 경질인 제2 재료로 형성될 수 있다. 제1 재료는 플레인(plain) 또는 섬유 강화 중합체 수지일 수 있고, 제2 재료는 금속이다. 복수의 유성체의 각각의 피니언 표면은 각각 출력 기어와 맞물리도록 배열되는 출력 기어형(geared) 표면 및 기준 기어와 맞물리도록 배열되는 기준 기어형 표면을 가질 수 있으며, 이때 출력 기어형 표면 및 기준 기어형 표면은 각각의 외부 피니언 부분의 비틀림 가요성 피니언 부분에 의해 분리된다. 각각의 비틀림 가요성 피니언 부분은 피니언 표면의 리세스된 부분(recessed portion)을 한정할 수 있다. 각각의 비틀림 가요성 피니언 부분은 피니언 표면 내에 축방향 또는 반경방향 슬롯을 한정할 수 있다. 제1 재료는 1 미만의 비틀림 트위스트 강성(torsion twist stiffness) 대 굽힘 강성의 비를 가질 수 있다.

옵션 C가 옵션 B와의 조합을 포함하여 또한 선택될 수 있다. 옵션 C에 의해, 각각의 제1 유성 기어 세트의 복수의 유성 기어가 피니언 표면에 의해 한정될 수 있고, 피니언 표면의 비틀림 가요성 부분에 의해 분리될 수 있다. 특히 옵션 C에 관하여, 각각의 비틀림 가요성 피니언 부분은 피니언 표면의 리세스된 부분을 한정할 수 있다. 각각의 비틀림 가요성 피니언 부분은 피니언 표면 내에 축방향 또는 반경방향 슬롯을 한정할 수 있다. 복수의 유성체의 각각의 유성체는 각각의 피니언 표면을 한정하는 각각의 외부 피니언 부분을 가질 수 있으며, 이때 각각의 외부 피니언 부분은 각각의 중공 관 상에 장착된다. 각각의 외부 피니언 부분은 제1 재료로 형성될 수 있고, 각각의 중공 관은 제2 재료로 형성되며, 이때 제2 재료는 제1 재료보다 경질이다. 제1 재료는 플레인 또는 섬유 강화 중합체 수지일 수 있고, 제2 재료는 금속일 수 있다. 각각의 유성체는 1 미만의 비틀림 트위스트 강성 대 굽힘 강성의 비를 가질 수 있다.

전술된 바와 같은 임의의 토크 전달 장치에 관하여, 유성 기어 세트는 군을 이루어 배열될 수 있으며, 이때 각각의 군의 유성 기어는 다른 기어와의 맞물림에 관하여 동상(in phase)이고, 상이한 군의 유성 기어는 동상이 아니며, 각각의 군의 유성 기어는 태양 기어(들) 주위에 균일하게 분포될 수 있다. 유성체는, 대안적으로, 불균일하게 이격될 수 있다. 선택적으로, 각각의 유성체의 유성 기어 세트는 서로 동상이며, 따라서 유성체가 전체적으로 그러한 군으로 배열된다.

또한, 유성체와 견인(traction) 또는 기어식 접촉 상태로 맞물리도록 배열되는 자유 회전(free spinning) 태양 또는 링 요소가 있을 수 있다. 자유 회전 태양 또는 링 요소는 하나 이상의 태양 기어 또는 하나 이상의 링 기어의 기어일 수 있으며, 이때 자유 회전 태양 또는 링 요소는 각각의 제1 유성 기어 세트의 각각의 유성 기어와 맞물리도록 배열된다. 또한, 자유 회전 태양 또는 링 요소와 접촉하도록 배열되는 브레이크가 있을 수 있다. 자유 회전 태양 또는 링 요소는 또한 유성체와 접촉하기 위한 2개의 축방향으로 분리된 접촉 부분을 가질 수 있으며, 이때 접촉 부분은 접촉 부분의 상대적인 축방향 위치에 따라 유성체를 프리로딩(preload)하도록 배향된다. 접촉 부분은 유성체를 프리로딩하기 위해 편의될 수 있다. 또한, 접촉 부분의 축방향 분리를 조절하기 위한 작동 수단이 있을 수 있다.

또한, 하나 이상의 태양 기어 또는 하나 이상의 링 기어의 각각의 제1 입력 기어가 있을 수 있으며, 이때 제1 입력 기어는 각각의 제1 유성 기어 세트의 각각의 유성 기어와 맞물리도록 배열된다. 제1 입력 기어는 입력 부재에 연결될 수 있고, 제1 기준 기어는 하우징 부재에 연결될 수 있으며, 이때 입력 부재는 하나 이상의 중간 부재를 통해 하우징 부재에 회전가능하게 연결되고, 입력 부재는 제1 베어링 세트를 통해 하나 이상의 중간 부재 중 일정 중간 부재에 회전가능하게 연결되며, 출력 부재는 제2 베어링 세트를 통해 하나 이상의 중간 부재 중 상기 중간 부재 또는 다른 중간 부재에 회전가능하게 연결된다. 제1 입력 기어, 제1 기준 기어, 및 제1 출력 기어 중 2개는 링 기어일 수 있고, 제1 입력 기어, 제1 기준 기어, 및 제1 출력 기어 중 하나는 태양 기어일 수 있다. 그러한 경우에, 입력 기어는 속도 감속기를 위한 태양 기어일 수 있다. 제1 입력 기어, 제1 기준 기어, 및 제1 출력 기어 중 2개는 태양 기어일 수 있고, 제1 입력 기어, 제1 기준 기어, 및 제1 출력 기어 중 하나는 링 기어일 수 있다. 그러한 경우에, 입력 기어는 속도 감속기를 위한 링 기어일 수 있다.

또한, 전술된 바와 같은 입력 기어를 갖는 토크 전달 장치를 제1 기준 기어에 대해 입력 기어를 구동시키도록 연결되는 모터와 조합하는 액추에이터가 제공된다. 액추에이터는, 모터에 인접하고 하우징을 통해 액추에이터의 외부 표면으로 돌출되는 열 전도성 구성요소를 가질 수 있다.

또한, 전술된 토크 전달 장치에, 유성 롤러(planetary roller) 상에 장착되는 제1 전자기 요소 및 유성 롤러를 구동시키기 위해 제1 전자기 요소에 작용하도록 배열되는 제2 전자기 요소를 추가하는 전기 장치가 제공된다. 제2 전자기 요소는 제1 기준 기어에 연결될 수 있다. 제1 전자기 요소는 영구 자석일 수 있다. 제2 전자기 요소는 전자석일 수 있다. 제2 전자기 요소는 연자성 포스트(soft magnetic post)를 가질 수 있거나, 에어 코일(air coil)일 수 있다. 에어 코일인 경우, 또는 대단히 작은 연자성 포스트를 사용하는 경우, 스테이터(stator)는 많은 코깅(cogging)을 도입함이 없이 연자성 재료의 백아이언(backiron)을 사용할 수 있다. 따라서, 제2 전자기 요소에 인접한 백아이언이 있을 수 있다. 이는 더 효율적인 에어 코일 설계를 제공한다.

전기 장치가, 또한, 전술된 바와 같은 부하 공유 방식 없이 제공된다. 따라서, 내부 자유 회전 태양 링(sun ring), 내부 자유 회전 태양 링과 구름 접촉(rolling contact)하는 유성 롤러, 외부 고정 링, 외부 출력 링 - 유성 롤러는 외부 고정 링에 대해 외부 출력 링을 구동시키기 위해, 외부 고정 링과 기어식으로 접촉하는 제1 직경부 및 외부 출력 링과 기어식으로 접촉하는 제2 직경부를 가짐 -, 및 유성 롤러 상에 장착되는 제1 전자기 요소 및 유성 롤러를 구동시키기 위해 제1 전자기 요소에 작용하도록 배열되는 제2 전자기 요소를 갖는 전기 장치가 또한 제공된다. 제2 전자기 요소는 외부 고정 링에 연결될 수 있다. 또한, 내부 자유 회전 태양 링에 의해 한정되는 중심 구멍을 통해 외부 고정 링에 연결되는 추가의 외부 고정 링이 있을 수 있다. 제1 전자기 요소는 영구 자석일 수 있다. 제2 전자기 요소는 전자석일 수 있다. 제2 전자기 요소는 에어 코일일 수 있다. 제2 전자기 요소에 인접한 백아이언이 있을 수 있다.

장치의 이들 및 다른 태양들이 청구범위에 기재된다.

이제, 예로서, 동일 도면 부호가 동일 요소를 나타내는 도면을 참조하여 실시예가 기술될 것이다.
도 1은 상이한 나선각을 갖는 부분을 각각 갖는 유성체를 사용하는 차동 기어박스 및 전기 모터를 포함하는 예시적인 액추에이터의 측면 절결도이다.
도 2는 도 1의 액추에이터의 확대 측면 절결도이다.
도 3은 도 1의 액추에이터의 측면 절결도이다.
도 4는 도 1의 액추에이터의 등각 절결도이다.
도 5는 도 1의 액추에이터의 정면도이다.
도 6은 도 1의 액추에이터의 측면도이다.
도 7은 도 1의 액추에이터의 배면도이다.
도 8은 도 1의 액추에이터의 등각도이다.
도 9는 도 1의 액추에이터의 분해도이다.
도 10은 하우징 또는 입력 커넥터가 없는 도 1의 액추에이터의 분해도이다.
도 11은 도 1의 액추에이터의 기어박스의 분해도이다.
도 12는 도 1의 액추에이터의 링 기어의 측면 절결도이다.
도 13은 도 1의 액추에이터의 링 기어의 등각도이다.
도 14는 도 1의 액추에이터의 기어박스를 위한 유성체의 분해도이다.
도 15는 도 14의 유성체의 측단면도이다.
도 16은 도 14의 유성체의 측면도이다.
도 17은 사전응력 힘을 도시한, 도 14의 유성체의 측면도이다.
도 18은 공칭 유성체에 대한 힘을 도시한, 도 1의 예시적인 액추에이터의 측면 절결도이다.
도 19는 일측이 작은 유성체에 대한 힘을 도시한, 도 1의 예시적인 액추에이터의 측면 절결도이다.
도 20은 양측이 작은 유성체에 대한 힘을 도시한, 도 1의 예시적인 액추에이터의 측면 절결도이다.
도 21은 전방 출력 부분 및 하우징 부분이 제거된, 도 1의 액추에이터의 정면도이다.
도 22는 전방 출력 부분 및 하우징 부분이 제거된, 도 1의 액추에이터의 등각도이다.
도 23은 유성체의 전방 단부 스프링이 또한 제거된, 도 1의 액추에이터의 등각도이다.
도 24는 전방 출력 부분 및 하우징 부분이 제거된, 또한 유성체 위치설정 변화를 개략적으로 도시한, 도 1의 액추에이터의 정면도이다.
도 25는 정렬된 치형부를 갖는, 도 1의 액추에이터를 위한 유성체의 등각도이다.
도 26은 오프셋된 치형부를 갖는, 도 1의 액추에이터를 위한 유성체의 등각도이다.
도 27은 예시적인 기어박스의 등각 절결도이다.
도 28은 도 27의 기어박스의 정면도이다.
도 29는 도 27의 기어박스의 측면도이다.
도 30은 도 27의 기어박스의 배면도이다.
도 31은 도 27의 기어박스의 등각도이다.
도 32는 고정 링 기어 및 하우징의 부분들이 제거된, 도 27의 기어박스의 배면도이다.
도 33은 도 27의 기어박스의 분해도이다.
도 34는 유성 기어를 포함하는, 도 27의 기어박스의 일부분의 측면 절결도이다.
도 35는 도 27의 기어박스의 측면 절결도이다.
도 36은 유성체가 제거된, 도 27의 기어박스의 측면 절결도이다.
도 37은 도 27의 기어박스의 등각 절결도이다.
도 38은 도 27의 기어박스를 위한 예시적인 유성체의 측면도이다.
도 39는 사출 성형된 플라스틱의 하나의 피스로서 형성된, 도 27의 기어박스를 위한 유성체의 등각도이다.
도 40 내지 도 42는 도 27의 기어박스에 적합한 유성체의 추가의 실시예의 등각도이다.
도 43은 축방향 슬롯이 있고 관이 없는 유성체의 등각도이다.
도 44는 도 43의 유성체의 절결 등각도이다.
도 45는 축방향 슬롯 및 중심 관을 갖는 유성체의 등각도이다.
도 46은 도 45의 유성체의 절결 등각도이다.
도 47은 유성체에 대한 축방향 힘을 도시한, 도 27의 기어박스의 절결도이다.
도 48은 유성체에 대한 부하 경로를 도시한, 도 27의 기어박스 내의 유성체의 등각 절결도이다.
도 49는 외부 기어 변형을 도시한 기어박스의 개략도이다.
도 50은 태양 기어 변형을 도시한 기어박스의 개략도이다.
도 51은 유성 기어 변형을 도시한 기어박스의 개략도이다.
도 52는 선택된 재료에 대한 재료 강도 대 강성 대 밀도 비를 보여주는 바 차트이다.
도 53은 선택된 재료에 대한 재료 강도 대 강성 비를 보여주는 바 차트이다.
도 54는 다른 예시적인 기어박스의 절결 등각도이다.
도 55는 도 54의 기어박스의 등각도이다.
도 56은 도 54의 기어박스의 축방향 단부도이다.
도 57은 도 54의 기어박스를 위한 예시적인 유성체의 등각도이다.
도 58은 도 57의 유성체의 다른 등각도이다.
도 59는 도 57의 유성체의 축방향 단부도이다.
도 60은 액추에이터의 다른 예시적인 실시예의 측면 절결도이다.
도 61은 도 60의 액추에이터의 등각 절결도이다.
도 62는 모터 입력 구성요소가 없는, 도 60의 액추에이터의 등각 절결도이다.
도 63은 도 60의 액추에이터를 위한 상부 모터 구성요소의 상부 등각도이다.
도 64는 도 60의 액추에이터를 위한 상부 모터 구성요소의 저부 등각도이다.
도 65는 공기 유동 경로를 도시한, 도 60의 액추에이터의 상부 부분의 절결 등각도이다.
도 66은 사출 성형을 용이하게 하기 위한 연속 특징부를 갖는, 도 60의 액추에이터를 위한 예시적인 유성체의 등각도이다.
도 67은 도 60의 액추에이터의 상반부의 분해도이다.
도 68은 도 60의 액추에이터를 위한 다른 예시적인 유성체의 측단면도이다.
도 69는 도 68의 유성체와 인터페이싱하는 확장가능 태양 링의 측단면도이다.
도 70은 안전 브레이크를 제공하기 위해 유성체와 인터페이싱하는 조절가능 태양 링의 측단면도이다.
도 71 내지 도 78은 베어링으로서 작용하기에 적합한 기어박스의 상이한 구성의 측단면도이다.
도 79는 다른 예시적인 기어박스의 축방향 단부도이다.
도 80은 기어세트를 도시한, 도 79의 기어박스의 등각 절결도이다.
도 81은 이상(out of phase)의, 태양 기어와 접촉하는 2개의 유성체의 측면도이다.
도 82는 프로파일 시프트(profile shift)를 갖는 기어 치형부의 도면을 도시한다.

청구범위에 의해 커버되는 것으로부터 벗어남이 없이 본 명세서에 기술된 실시예에 대해 사소한 변형은 이루어질 수 있다.

장치의 실시예는 후술되는 바와 같은 하나 이상의 방안(strategy)의 사용을 통해 부하 공유를 허용한다. 일부 실시예의 다른 이점은 백래시(backlash)를 감소시키거나 방지하는 것, 및 유성 캐리어(planet carrier)의 사용 없이 유성체의 적절한 축방향 및 원주방향 위치를 유지시키는 것을 포함할 수 있다.

하나의 방안은 상이한 나선각을 갖는 상이한 부분을 갖는 유성체를 사용하는 것이다. 이러한 방안에서, 입력, 출력 및 기준 기어가 각각 유성체와 접촉할 수 있다. 유성체와 접촉하는 상이한 기어는 집합적으로 i/o 기어로 지칭될 수 있다. 속도 감속기의 경우, 전형적으로 입력부는 유성체의 일측에 있을 것이고(예컨대, 태양 기어), 출력부 및 기준부는 타측에 있을 것이다(예컨대, 링 기어). 본 문헌에서, "태양 기어"는 반경방향 외부 표면이 유성 기어와 맞물리는 임의의 기어를 지칭하고, "링 기어"는 반경방향 내부 표면이 유성 기어와 맞물리는 임의의 기어를 지칭한다. "태양 링"은 이러한 정의에 의한 링 기어가 아니라, 링 형상의 태양 기어이다. 이러한 방안에서, 일측에 있는 입력부, 출력부 또는 기준 기어들 중 2개는 상이한 나선각을 가져서, 대응하는 나선각의 유성 기어와 맞물린다. 이는 유성 기어의 축방향 시프팅을 통한 부하 균형을 허용한다. 전체 축방향 정렬을 유지시키기 위해, 2개의 축 대칭 기어 세트가 제공될 수 있으며, 이때 2개의 세트의 유성 기어는 반부가 축방향 스프링에 의해 연결되는 단일 유성체로 조합된다. 2개의 세트의 축방향 내부 링 및/또는 태양 기어가 또한 조합될 수 있다. 이러한 방안을 사용하는 실시예가 "축방향 스프링 위치에 따른 차동 나선각(DIFFERENTIAL HELIX ANGLE WITH AXIAL SPRING LOCATION)"이라는 표제의 아래의 섹션에 추가로 기술된다.

다른 방안은 가요성 기어를 사용하는 것이다. 기어는 플라스틱과 같은 가요성 재료를 사용하여 제조될 수 있다. 전통적으로 강보다 낮은 토크 대 중량을 가질 것으로 예상될 수 있는 플라스틱으로부터 놀라운 이점이 발견된다. 가요성 재료를 사용하는 실시예가 "플라스틱 기어"라는 표제의 아래의 섹션에 추가로 기술된다.

가요성은 재료 선택뿐만 아니라 기어의 형상에 의존한다.

여기에 요약된 방안의 추가의 응용이 또한 본 문헌에 기술된다. "예시적인 유성체 구동식 액추에이터(Example Planet driven Actuator)"라는 표제의 섹션은 속도 감속 기어박스와 조합된 전기 모터를 포함하는 액추에이터의 추가의 예를 제공한다.

기술된 방안들 중 하나 이상의 방안의 실시예와 조합될 수 있는 추가의 특징부가 또한 개시된다.

"유성 베어링(PLANETARY BEARING)"이라는 표제의 섹션은 유성 기어박스가 또한 예를 들어 모터를 위한 베어링으로서 어떻게 작용할 수 있는지를 기술한다.

"이상 기어"라는 표제의 섹션은 소음 및 진동을 감소시키기 위해 임의의 주어진 순간에 상이한 유성체가 2개 이상의 치형부 맞물림 위치에서 링 기어와 맞물릴 수 있는 방법을 기술한다.

축방향 스프링 위치에 따른 차동 나선각

일 실시예에서, 전기 모터는 기어박스 인클로저(enclosure) 내에 수용된다.

도 1 내지 도 24는 상이한 나선각을 갖는 부분을 각각 갖는 유성체 및 피니언 부분을 바람직하지만 이동가능한 축방향 위치로 편의시키는 탄성 요소를 사용하는 차동 기어박스 및 전기 모터를 포함하는 예시적인 원통형 액추에이터를 도시한다. 이는 다수의 더 작은 피니언을 이용하기 위해 피니언들 사이에 일관된 충분한 부하 공유를 허용한다. 단순화된 전기 모터 스테이터 및 로터(rotor)가 하우징 내부에 도시된다. 내부 전기 모터는 2개의 외부 링 기어(10, 10)가 중심 보어를 한정하는 환형 하우징 부분(12C)을 통해 연결되는 하우징 부재(12A, 12B)에 부착되도록 허용하여, 링 기어 (10, 10)가 서로에 대해 상대적으로 회전하지 않도록 한다. 하우징 부재(12A, 12B, 12C)는 하우징(12)의 일부분을 구성한다.

예시적인 실시예의 측단면도가 도 1에 도시되어 있다. 도 1 내지 도 3은 이러한 예시적인 실시예의 절결도를 도시하고, 도 5 내지 도 8은 액추에이터의 외측의 도면을 도시한다.

이러한 실시예의 모터는 내부 스테이터(22) 및 외부 로터(13)로 구성되며, 이때 로터는 적층된 베어링 조립체(46, 48)에 의해 지지된다. 베어링 조립체(46)는 여기에 도시되고 추가로 후술되는 바와 같이, 2 세트의 베어링(17, 19)을 링크하는 링(18)을 포함한다.

외부 로터는 태양 기어(14)를 스플라인 핏(spline fit)을 통해 구동시키는 연결 판(15)을 구동시킨다. 연결 판(15)을 사용하는 대신에, 로터(13)를 태양 기어(14) 내에 통합시키는 것이 또한 가능할 것이라는 것에 유의하여야 한다. 이는 더 작은 중심 구멍을 갖더라도 더 축방향으로 콤팩트한 액추에이터를 가능하게 할 것이다.

태양 기어는 중심 직선형 스퍼 기어 치형부로 유성체(23)를 구동시킨다. 적절한 맞물림을 보장하기 위해 치형부 오프셋을 통해 이러한 인터페이스에 소량의 백래시가 도입된다. 도시된 실시예에는, 18개의 유성체가 있다.

유성체는 많은 유성 기어 구성에서 발견될 바와 같은 캐리어를 필요로 하지 않는다. 대신에, 그들은 외부 헬리컬 치형부 상에서 축방향 외부 링 기어(10)와 맞물린다. 유성 기어의 축방향 위치는 또한, 후술되는 부하 균형 메커니즘에 의해 공차 내에 제공된다. 축방향 외부 링 기어가 정지 상태에 있기 때문에, 유성체는 입력부가 회전함에 따라 태양체 입력부 주위를 돈다. 이어서, 유성체 상의 중심 스퍼 기어 치형부가 중심 링 기어(11)와 맞물린다. 유성체 상의 중심 스퍼 치형부의 피치 직경은 유성체 상의 헬리컬 치형부의 피치 직경과 상이하여, 중심 링 기어와 축방향 외부 링 기어 사이의 차동 출력(differential output)을 유발한다. 이어서, 중심 링 기어(11)로부터의 출력부가 스플라인 핏으로 연결 관(16)에 연결되고, 메커니즘의 다른 부분에 체결하기 위한 볼트 군을 포함한다.

추가로 후술되는 하우징(12) 내의 히트 싱크(20) 및 구멍(21)이 또한 도 1에 도시되어 있다. 도 2는 단지 기어 및 연결 판(15)의 확대 절결도를 도시한다. 또한, 유성체(23)의 기어형 부분의 2개의 반부(A, B) - 반부는 관(6) 상에 이동가능하게 장착됨 - 를 연결하는 중심 스프링(7), 및 반부를 관(6) 상에 장착된 정지부(8)에 연결하는 외부 스프링(9)을 도 2에서 볼 수 있다. 유성체(23)의 이들 부분의 기능은 도 14 내지 도 20에 관련하여 추가로 후술된다.

도 3은 명확성을 위해 모터 및 유성체가 생략된, 도 1의 액추에이터를 도시한다. 도 4는 도 1의 액추에이터의 등각 절결도를 도시한다.

도 5 내지 도 8은 도 1의 액추에이터의 외부도를 도시한다. 도 5는 도 1의 액추에이터의 정면도를 도시한다. 도 6은 측면도를 도시한다. 축방향 외부 링 기어들(10) 중 하나에 대응하는 외부 부분을 볼 수 있지만, 이러한 실시예의 축방향 외부 링 기어(10)는 하우징(12)에 고정되고, 대안적으로 둘 모두 하우징 내에 봉입될 수 있다. 도 7은 배면도를 도시한다. 도 8은 전방 등각도를 도시한다.

도 9 내지 도 11은 도 1의 액추에이터의 분해도를 도시한다. 액추에이터는, 예를 들어 액추에이터의 제1 단부(38)에서, 하우징(12)을 통해 외부 구조체에 연결될 수 있고, 예를 들어 액추에이터의 제2 단부(40)에서, 출력 커넥터(16)를 통해 피동 물품에 연결될 수 있다. 기어박스(42) 및 모터(44) 각각은 이러한 실시예에서 액추에이터의 각각의 환형 부분을 차지한다.

도 10은 하우징 또는 출력 커넥터가 없는 액추에이터를 도시한다. 액추에이터가 조립될 때 로터(13)의 양측을 히트싱크(20)에 연결하는 베어링 조립체(46, 48)를 볼 수 있다.

도 11은 기어박스의 분해도를 도시한다. 볼 수 있는 바와 같이, 이러한 실시예의 축방향 내부 태양 기어(14)는 단일 피스로서 형성되고, 축방향 내부 링 기어(11)는 단일 피스로서 형성된다.

도 12는 도 1의 액추에이터의 링 기어(10, 11)의 측면 절결도이고, 도 13은 그의 등각도이며, 이들 기어의 치형부의 패턴을 더 잘 보여준다.

도 14 내지 도 16은 부하 균형 메커니즘을 도시한, 도 1의 액추에이터의 유성 기어(23)의 확대도이다.

도 14는 유성체(23)의 분해도이고, 도 15는 측단면도이며, 도 16은 측면도이다. 이들 도면에 도시된 바와 같이, 축방향 내부 및 외부 유성 기어(1, 2)는 기어세트(B)를 포함하는 대칭 축방향 내부/외부 기어(3, 4)와 함께 하나의 피스(기어세트(A))로서 작용하도록 제조된다. 양쪽 기어세트(A, B)는 중심 관 또는 로드(6)에 의해 동축 정렬 상태로 유지된다. 용어 "로드"는 용어 "관"을 포함할 수 있다. 기어세트(A, B)와 로드(6) 사이의 끼워맞춤은 관(6) 상에서의 기어세트(A, B)의 축방향 및 회전 운동이 가능하도록 한다. 기어세트(A, B)들 사이의 중심 스프링(7), 및 기어세트(A, B)와 샤프트(6)의 단부에 있는 유지 링(8) 사이의 외측 스프링(9)이 관(6) 상에서의 기어세트(A, B)의 축방향 운동, 및 또한 기어세트(A)의 다른 하나의 대칭 세트(B)에 대한 회전 운동을 허용한다. 각각의 세트(A, B) 상의 내부 및 외부 기어들은 상이한 나선각으로 생성된다(이러한 예에서, 0의 나선각이 내부 기어(1)에 사용되지만, 축방향 내부 및 외부 기어들이 상이한 각도를 갖는 한 임의의 나선각이 사용될 수 있다. 상이한 나선방향을 갖는 동일한 크기의 나선각을 갖는 기어는 또한 나선각의 차이를 제공한다. 이러한 나선각 차이는 또한 기어세트의 축방향 운동이 외부 기어 링 상의 외부 기어 치형부의 반대 방향으로 내부 기어 링 상의 내부 기어 치형부를 로딩하는 결과를 가져오도록 내부 및 외부 기어들의 상이한 직경을 보상하여야 함). 그 결과, 기어세트(A)의 임의의 축방향 운동은 그가 하우징(12)에 고정되는 기준 링 기어(10) 상의 헬리컬 기어 치형부와 맞물릴 때 기어(2)들 중 하나 상에서의 더 큰 헬리컬 기어 각도로 인해 전체 기어세트(A)가 회전하게 할 것이다. 본 설명에서는 설명의 간략함을 위해 고정 출력 링 기어(11)를 언급할 것이다. 기어세트(A)의 축방향 운동 동안 기어세트(A)의 회전은 기어(1) 상의 스퍼 기어가 축방향 내부 (출력) 링 기어(11)와 접촉하여 그에 토크를 전달할 때까지 축방향 내부 스퍼 기어(1)가 축방향 내부 (출력) 링 기어(11)에 대해 회전하게 할 것이다.

이러한 실시예의 유성체(23)의 구성요소에 대한 상대적인 힘 및 그의 이동이 도 17 내지 도 20에 예시되어 있다. 중심 스프링(7)은 힘(24)을 가할 수 있고, 단부 스프링(9)은 힘(26, 28)을 가할 수 있다. 선택적으로, 도 17에 도시된 바와 같이, 스프링은 외력이 없을 때, 이들 스프링 힘 모두가 0이 아니도록 사전응력을 받을 수 있다. 이는. 도시된 바와 같이 벨빌 와셔(Belleville washer) 및 파형 와셔를 사용하는 스프링에 유용할 수 있는 바와 같이, 힘이 변함에 따라 모든 스프링이 압축 상태로 유지될 수 있게 할 수 있다. 다른 설계의 경우, 스프링이 인장 상태에 있고 인장 상태로 유지되는 것이 유용할 수 있다.

도 18 내지 도 20의 화살표(78)는 유성체의 치형부의 운동 방향을 나타낸다.

기어세트(A(또는 B))의 축방향 운동은 작동 동안 기준 링 기어(10)가 저항 토크를 받을 때 피니언을 통해 전달되는 반대 토크에 의해 유발된다(작동은 전기 모터 로터(13)에 의해 태양 기어 플랜지(15)를 통해 축방향 내부 (입력) 태양 기어(14)에 인가되는 토크를 지칭함). 기어세트(A)에 인가되는 이러한 토크는 토크가 외부 헬리컬 기어(2)를 통해 외부 헬리컬 링 기어(10)로 전달되는 결과를 가져올 것이다. 다른 실시예에서, 다른 링 기어 또는 태양 기어가 헬리컬 기어와 맞물리고 그를 통해 토크를 전달할 수 있다. 이러한 헬리컬 기어 맞물림부를 통해 인가되는 토크는 도 18에 도시된 바와 같이 기어세트(A)에 대한 축방향 힘(30)을 생성할 것이다. 이러한 축방향 힘은 너트가 나사형성된 볼트에 축방향 힘을 인가하는 것과 유사하다. 이러한 축방향 힘(30)은 스프링들 중 하나 이상의 스프링에 의해 대항되는 기어세트(A)의 축방향 변위(32)를 일으킨다. 스프링의 축방향 힘(예컨대, 중심 스프링(7)에 의해 가해지는 힘(24))이 헬리컬 기어 맞물림부(2) 상에서의 토크 전달의 결과로서 기어세트(A)가 받는 축방향 힘과 동일할 때, 기어세트(A)는 축방향 운동이 중단되는 평형 상태에 도달한다. 스프링(7, 9)(예를 들어, 여기에 도시된 바와 같은 벨빌 와셔 및 파형 와셔일 수 있음)의 스프링 상수(spring rate)로 인해, 유성체(23) 각각 상의 각각의 기어세트(A, B)는 축방향 위치 및 결과적인 상대 회전이, 유성체 내의 모든 기어세트(다수의 유성체(23) 각각 상의 A 및 B)가 모든 기어세트(A)가 대칭 기어세트(B)와 하나의 피스인 경우보다 더 일관된 부하를 전달하는 결과를 가져오는 자체 평형 상태를 찾을 것이다. 이는 모든 피니언들 사이의 비교적 일관된 부하 공유를 갖는 3개 초과의 피니언의 사용을 허용한다. 대응하는 힘 및 변위가 또한 도 18에 기어세트(B)에 대해 도시되어 있다. 도 18은 양호한 접촉을 갖는 디폴트 조건에서의 힘 및 변위를 도시한다.

도 19는 한쪽이 작은 경우의 힘 및 변위를 도시한다. 헬리컬 기어(3)는 작으며, 초기에는 대응하는 기어(10)로부터 축방향 힘을 받지 않는다. 기어세트(A)에 대한 힘 및 변위는 초기에는 도 18에 도시된 것과 동일하다. 기어세트(A)의 변위는 기어세트(B)가 운동(34)으로 변위하도록 강제하는 중심 스프링 힘(24)을 증가시킨다. 이는 기어(4)를 대응하는 기어(10)와 강제로 접촉시켜 부하의 일부를 공유하게 할 것이다.

도 20은 양쪽 기어세트(A, B)가 작은 경우를 도시한다. 기어가 도 18의 위치에 있는 경우, 어느 헬리컬 기어(2 또는 4)도 대응하는 기어(10)로부터 축방향 힘을 받지 않을 것이다. 도 18의 상황과 비교하여, 중심 스프링 힘(24)은 다른 축방향 힘에 의해 덜 대항되고, 양쪽 기어세트를 화살표(36)에 의해 도시된 바와 같이 외향으로 변위시켜 대응하는 기어(10)와 접촉시키고 부하의 일부를 공유한다.

이러한 실시예에서, 하나의 회전 방향으로의 헬리컬 기어 및 대응하는 기어에 대한 토크는 각각의 피니언 조립체 상의 피니언 기어세트(A, B)가 (서로를 향해) 내향으로 이동하여 파형 스프링(7)을 압축시키는 결과를 가져올 것이며, 이는 대응하는 외향 힘(24)을 가한다. 토크가 역전될 때, 각각의 유성체(23) 상의 기어세트(A, B)는 반대 축방향으로 이동하여, 단부 스프링(9)을 압축시킬 것이다.

양쪽 기어세트(A, B)를 포함하는 것은 유성 기어가 태양 및 링 기어들과의 정렬 상태로부터 벗어나 축방향으로 시프트하지 않도록 축방향 힘의 균형을 허용한다. 기어 시스템은 또한, 축방향 힘이 다른 방식으로, 예를 들어 하나의 단부 스프링(9)이 유성 캐리어로부터 유성 기어로 순(net) 축방향 힘을 전달하여 기어에 대한 축방향 힘의 균형을 이룰 수 있도록 로드(6)를 유성 캐리어 상에 장착함으로써 균형을 이루는 한, 기어세트들(A, B) 중 단지 하나와 함께 작동할 수 있다. 대칭 기어세트(A, B)는, 또한, 끝에서 끝까지 유성체의 부하의 균형을 이룸으로써 유성체 조립체의 트위스팅(twisting)을 방지한다.

도 21 내지 도 24는 전방 출력 부분 및 하우징 부분이 제거된 도 1의 액추에이터를 도시한다. 도 21은 정면도이고, 도 22는 등각도이다. 도 23은 유성체의 전방 단부 스프링이 또한 제거된 등각도이다. 도 24는 부하 공유를 위한 유성체 위치설정 변화(50)를 개략적으로 도시한다. 모든 기어가 도시된 실시예에서 직선형인 입력 및 출력 기어들과 맞물리기 때문에, 이들 상대 위치설정 변화(50)는 도시된 것보다 작지만, 이러한 작은 위치설정 변화는 부하를 공유하는 데 도움을 준다.

도 25 및 도 26에 도시된 바와 같이, 기어(1, 2)의 치형부와 기어(3, 4)의 치형부는 (도 25에 도시된 바와 같이) 정렬되거나 (도 26에 도시된 바와 같이) 오프셋될 수 있다. 추가로 후술되는 바와 같이, 일부 제조 기술의 경우, 정렬된 치형부를 갖는 기어세트를 생성하는 것이 더 용이할 수 있다.

이중 베어링: 큰 직경의 응용을 위한 베어링 선택 시 문제들 중 하나는 최대 정격 회전 속도가 종종 베어링 공차의 불일치로 인해 제한된다는 것이다. 기성품(off-the-shelf) 베어링을 사용하지만, 더 높은 회전 속도를 허용하기 위해, 다수의 베어링이 도 1에 도시된 바와 같이 동심으로 적층될 수 있다. 이때, 각각의 베어링은 현저히 감소된 회전 속도를 보일 것이다.

각각의 베어링이 구름 접촉을 유지시키는 경우, n개의 베어링은 각각 회전 속도의 1/n을 보일 것이다.

이러한 전제는 그러한 응용에 적용되는 부하에 적절한 축방향 구속조건을 갖는 2개 이상의 동심 베어링으로 이루어진다. 도 1에 도시된 일 실시예는 한 쌍의 동심 베어링(17, 19)으로 구성되며, 이때 그들 사이에 지지 링(18)이 있다. 이러한 링은 베어링을 로딩된 방향으로 유지시키면서, 베어링 각각에 대한 정밀한 끼워맞춤을 허용한다. 이어서, 축방향 힘이 회전 단부로부터, 외부 베어링을 통해, 유지 링을 통해, 내부 베어링을 통해, 그리고 내부 샤프트 상으로 전달될 수 있다.

알루미늄 히트 싱크: 기어 박스가 조립체의 양측에 고정 링 기어를 사용한다는 사실 때문에, 장치의 실시예에서, 모터는 고정(기준) 링 기어(10)들을 연결하는 구조체(12) 내에 수용된다. 이는 이러한 구조체 내에서의 방열(heat dissipation)에 잠재적인 문제를 일으킨다. 소정 응용에서, 주위 구조체는 열 전도성이 좋지 못한 재료로 구성될 수 있다. 이때, 모터에 의해 발생된 열은 인클로저 밖으로의 매우 저항성의 열 유동 경로를 가질 것이다. 도 1에 도시된 바와 같은 알루미늄(또는 다른 높은 열 전도성 재료) 히트 싱크(20)를 사용함으로써, 모터에 의해 발생된 열은 수집할 상당한 싱크를 가져서, 스테이터가 주기적인 그리고 짧은 온도 스파이크로부터 과열되지 않도록 보장한다. 도 1에서, 히트 싱크는 인클로저 내의 구멍(21)을 통해 외부 지지 구조체에 노출되어, 열이 인클로저 재료를 직접 통과할 필요 없이, 열 에너지가 구조체 내의 다른 열 전도체와의 접촉에 의해, 또는 대류 냉각에 의해 효율적으로 소산되도록 허용한다.

입력부, 출력부 및 기준부의 다른 배열이 또한 사용될 수 있다. 대체적으로, 기어 시스템이 큰 비의 기어 감속기(토크 증폭)로서 작용하기 위해서는, 도면에 도시된 실시예에서와 같이, 출력부 및 기준부가 둘 모두 유성체 배열에 대해 반경방향 내부 또는 반경방향 외부에 있어야 하고, 입력부가 반대편에서, 출력부 또는 기준부가 연결되는 기어들 중 어느 하나에, 또는 원칙적으로 또 다른 기어에 연결되어야 한다. 시스템이 큰 비의 기어 증속기(gear increaser)(토크 감소)로서 작용하기 위해서는, 입력부 및 기준부가 둘 모두 유성체 배열에 대해 반경방향 내부 또는 반경방향 외부에 있어야 하고, 출력부가 반대편에서, 입력부 또는 기준부가 연결되는 기어들 중 어느 하나에, 또는 원칙적으로 또 다른 기어에 연결되어야 한다. 시스템이 작은 비의 기어 증속기 또는 감속기로서 작용하기 위해서는, 입력부 및 출력부가 둘 모두 유성체 배열에 대해 반경방향 내부 또는 반경방향 외부에 있어야 하고, 기준부가 반대편에서, 입력부 또는 출력부가 연결되는 기어들 중 어느 하나에, 또는 원칙적으로 또 다른 기어에 연결되어야 한다.

유성 기어가 반경방향 내향 또는 외향 방향들 중 하나의 방향으로는 입력부, 출력부 또는 기준부 중 하나에 연결되지만, 반경방향 내향 또는 외향 방향들 중 다른 하나의 방향으로는 그들 중 임의의 것에 연결되지 않는 경우, 원한다면 플로팅 기어(floating gear)가 추가될 수 있다.

일 실시예에서, 그 내용이 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함되는 미국 특허 제9755463호에 개시된 것과 같은 고토크 LiveDrive™ 전기 모터가 사용될 수 있다.

차동 기어박스는 전형적으로 효율이 더 낮은데, 왜냐하면 전체 출력 토크가 또한 고속으로 맞물려서 이러한 마찰을 극복하는 데 필요한 높은 비율의 작업을 초래하기 때문이다. 그러나, LiveDrive™의 더 낮은 속도에서의 더 높은 모터 토크의 경우, 상당히 더 낮은 기어비가 사용되어, 그에 따라서 효율을 증가시킬 수 있다. 18개의 유성체 및 적절한 부하 공유를 보장하기 위한 메커니즘에 의해, 접촉비는 전통적인 유성 기어박스의 그것의 6배이며, 그에 따라서 토크 능력을 상당히 증가시킨다. 낮은 비는 입력 로터가 주어진 출력 속도에 대해 더 느리게 작동하도록 허용한다. 이는, 전술된 바와 같이 반경방향으로 적층될 때, 더 낮은 총 베어링 중량을 가져오는 저-프로파일 베어링의 사용을 허용한다. 적은 유지보수: 매우 적은 가동 부품. 유지보수 활동의 빈도 및 전체 정지시간이 감소될 것으로 예상된다.

액추에이터는 유압 액추에이터가 달리 사용될 수 있는 고토크 응용에 사용될 수 있다. 유압장치에 대한 이점은 다음을 포함한다. 높은 신뢰성: 하나의 전력선에 대한 손상이 다수의 액추에이터에 영향을 미치지 않는다. 전기적 작동에 의한 더 높은 MTBF. 용이한 모니터링: 액추에이터만이 모니터링을 필요로 한다. 제어성: 낮은 비의 기어-감속으로 인한 높은 응답성 및 정밀성. 전기적 작동은 더 정교한 제어 알고리즘을 허용한다. 환경 안전성: 누출 또는 위험한 배출물의 가능성이 없음.

플라스틱 기어

유성 기어 박스에 플라스틱 기어를 사용하는 것은, 대체적으로, 동일한 크기 및 기하학적 구조의 강(steel) 기어박스보다 낮은 토크 및 낮은 토크 대 중량을 제공할 것으로 예상된다. 하나의 간단한 예에서, 모든 기어 및 하우징에 고강도 강을 사용하고 3개의 큰 유성체를 사용하는 종래의 강 유성 기어박스는 탄소 강화 PEEK(매우 강한 사출 성형가능 플라스틱)로부터 제조된 동일한 기어박스의 토크-대-중량의 대략 3배를 제공할 것이다.

여기에 도시된 바와 같이 구성될 때, 플라스틱 기어의 사용은, 고강도 강으로부터 제조된 동등한 구성의 기어박스의 토크 대 중량에 근사하거나 심지어 그를 초과하도록 의도되는 놀라운 결과를 제공하는 잠재력을 갖는 것으로 여겨진다.

도 27 내지 도 37은 이러한 구성의 비제한적인 예를 도시한다. 도 27에 도시된 바와 같이, 12개의 유성체(123)들의 어레이는 태양 기어(114)로 구동될 때 15:1의 차동비(differential ratio)로 고정 링 기어(110)에 대해 출력 링 기어(111)를 구동시키도록 구성된다. 명확성을 위해, 기어를 설명하는 기준 프레임이 기어박스의 축방향과 관련되며, 이때 도 27에 표시된 바와 같이 중심 기어 치형부가 기어박스의 축방향 중심에 더 가깝고, 외부 기어 치형부가 기어박스의 축방향 중심으로부터 더 멀리 떨어져 있는 것에 유의한다. 태양 기어(114)는, 중심 유성 기어 치형부(101)(바람직하게는 피치 직경이 더 큼) 또는 외부 유성 기어 치형부(102)(바람직하게는 더 작은 피치 직경임) 중 어느 하나와 맞물리도록 설계될 수 있는 치형부(154)를 갖는다. 모터 로터(도시되지 않음)가 태양 기어(114)의 ID 상에 위치될 수 있다. 도시된 실시예에서, 태양 기어는 실례로서 수동 입력(input by hand)을 위해 설계되는 노출된 홈형성된 부분(156)을 갖는다. 다른 실시예에서, 홈은 홈형성된 부분(156)이 입력 기어(도시되지 않음)와 맞물릴 수 있도록 기어 치형부에 의해 대체될 수 있다. 입력 기어가 노출된 기어 부분(156)에서 태양 기어(114)보다 작은 경우, 추가의 기어 감속이 얻어질 수 있다. 직접 입력이 여기에서 제한된 운동 범위로 제공될 수 있거나, 또는 대안적으로, 하우징(112)은 그가 모터를 둘러싸도록 확대될 수 있으며, 이는 연속 입력을 허용한다.

태양 기어(114)는, 이러한 실시예에서, 베어링 슬리브(160) 상의 베어링(158)에 의해 하우징(112)으로부터 지지된다.

중심 유성 기어 치형부는, 일 실시예에서 기어박스의 출력부인 중심 링 기어(111)와 맞물린다. 유성체 상의 외부 기어 치형부(102)는, 이러한 예시적인 실시예에서 하우징(112)을 통해 접지에 부착되는 2개의 외부 링 기어(110)와 맞물린다. 볼 베어링(117)이 고정 링(110)에 대한 회전을 위해 출력 링(111)을 지지할 수 있다. 이러한 실시예에서 베어링 유지 링(152)이 출력부에 부착된다.

태양 기어(114)의 회전은 유성체(123)가 회전하고 링 기어(110, 111)의 ID 주위를 돌게 한다. 내부 유성체와 내부 링 기어(111), 그리고 외부 유성 기어와 외부 링 기어(110) 사이의 상이한 비의 결과로서, 이러한 경우에, 하기의 기어 치형부 개수로 대략 15:1과 동일한 차동 감속(differential reduction)이 제공된다:

도 28 내지 도 32는 도 27의 기어박스의 추가의 도면을 도시한다. 도 28은 정면도이고, 도 29는 측면도이며, 도 30은 배면도이다. 도 30에 도시된 바와 같이, 하우징(112)은 기어박스가 다른 물체에 더 잘 장착될 수 있게 하기 위해 하우징(112)의 내경부 상에 고정 장착 특징부/키이 홈(162)을 가질 수 있다. 도 31은 등각도이다. 도 32는 고정 링 기어, 및 유성 기어(123)를 가릴 하우징의 부분들이 제거된 배면도이다.

도 33은 도 27의 기어박스의 분해도이다. 도 33에서 볼 수 있는 바와 같이, 내부 심(164)이 하우징(112)에 대한 베어링 슬리브의 축방향 조절을 허용하여, 그에 따라서 태양 기어(114)의 축방향 조절을 허용하며, 외부 심(166)이 2개의 출력 기어(111)를 서로 분리시켜 출력 기어(111)의 축방향 조절을 허용한다. 그러한 축방향 조절의 사용이 도 54 내지 도 56에 관하여 추가로 후술된다. 도 33은 또한 출력 기어(111)의 치형부(174) 및 고정 기어(110)의 치형부(176)를 도시한다.

도 34는 유성 기어(123)를 포함하는 도 27의 기어박스의 일부분의 측면 절결도를 도시한다. 도 35는 도 27의 전체 기어박스의 측면 절결도를 도시한다. 도 36은 유성체가 제거된 측면 절결도를 도시한다. 이는 출력 기어의 치형부(174)가 보이도록 허용한다. 도 37은 등각 절결도를 도시한다.

장치의 실시예에서, 각각의 유성 기어 조립체 상의 적어도 하나의 외부 유성 기어는 토크가 고정 링 기어로부터 내부 링 기어 출력부로 전달될 수 있도록 내부 유성 기어에 회전식으로 고정되어야 한다. 각각의 유성체 상의 내부 유성 기어는 도 38에 도시된 바와 같이 스퍼 기어 또는 2개의 대칭 헬리컬 기어와 같은 단일 기어일 수 있다. 가요성-기반 실시예에서, 내부 유성 기어 치형부(101) 및 외부 유성 기어 치형부(102)가 상이한 나선각을 가질 필요가 없는 것에 유의하여야 한다. 도 39는 외부 유성 기어 치형부 및 내부 유성 기어 치형부가 사출 성형된 플라스틱의 하나의 피스로 제조되는, 플라스틱으로 제조된 이러한 예시적인 장치를 위한 플라스틱 유성 기어의 바람직한 구성을 도시한다. 연속 치형 프로파일 충전부(168)가 내부 치형부(101)를 외부 치형부(102)에 연결한다. 내부 및 외부에서의 나선각은 유사하거나 동일하며, 이는 기어가 2 부분 주형으로부터 이형되도록 허용한다. 주형의 하나의 반부는 시계 방향 나선 치형부의 음각부(negative)를 포함하고, 주형의 다른 하나의 반부는 반시계 방향 나선 치형부의 음각부를 포함한다.

바람직한 실시예에서, 내부 유성 기어 및 외부 유성 기어 상의 치형부의 개수는 부품이 주형으로부터 제거되도록 허용하기 위해, 또는 기어 치형부 커터가 내부 또는 외부 치형부 중 어느 하나와의 간섭 없이 치형부를 형상화시키도록 허용하기 위해 동일하다.

이러한 실시예에서의 부하 공유는 다음과 같이 플라스틱 기어(및 가능하게는 플라스틱 하우징)로 달성된다:

이러한 예시적인 실시예에서의 강 기어의 사용은 사용될 수는 있지만, 강 기어가 매우 강성이고 특히 저비용 액추에이터에서 제조 공차의 변화를 겪기 때문에 문제가 있다. 그 결과, 기어박스가 강으로 제조되는 경우 12개의 유성 기어들 중 3개 내지 5개만이 토크의 더 높은 비율을 전달할 것으로 예상될 것이다.

유성 기어 및/또는 링 기어, 및/또는 태양 기어(및 가능하게는 하우징) 중 하나 또는 둘 또는 모두에 플라스틱을 사용함으로써, 더 가요성의 조립체가 생성된다. 일례로서, 탄소 섬유 PEEK는 3200 ksi(22 gpa)의 인장 계수를 가질 수 있는 한편, 마레이징 강(maraging steel)과 같은 고강도 강은 27600 ksi(190 gpa)의 인장 계수를 가질 것이다. 마레이징 강은 탄소 섬유 PEEK보다 강하다. 스테이지당 3개의 큰 유성체를 갖는 종래의 유성 기어박스에서, 이는 동일한 설계의 탄소 섬유 PEEK 기어박스에 비해 강 기어박스에 더 큰 토크-대-중량을 제공할 것이다. 도시된 실시예에서, 플라스틱 유성 기어가 사용된다. 그러나, 플라스틱 링 및/또는 태양 기어들을 금속 유성체와 조합하여 사용하는 것이 또한 가능할 것이다. 이는 성능 및 마모 수명 이점을 가질 것이며, 금속 부품의 일관성이 높은 경우, 예를 들어 도 49 및 도 50에 도시된 형상 변화를 통해 적절한 부하 공유를 여전히 제공할 것이다.

그러나, 유성체의 개수가 증가됨에 따라, 높은 인장 계수(높은 강성)를 갖는 강 기어박스의 부하 공유는 (제조 공차의 약간의 변화의 결과로서) 부하 공유 일관성의 감소를 초래할 것이다. 반면에, 탄소 섬유 PEEK 기어박스는 구성요소로부터 대략 6배 더 낮은 강성을 가질 수 있으며, 이는 치형부가 강 기어보다 훨씬 더 많이 휘어지도록 허용한다. 이러한 가요성은, 종래의 스테이지당 3개의 피니언의 유성 기어박스에서, 주어진 크기에 대해 6배의 가요성을, 그리고 동일한 토크-대-중량에 대해 5배의 추정 가요성만큼을 생성할 것이다. 이는 효과의 불리한 조합으로 간주될 것이고, 설계자가 주어진 크기 또는 주어진 중량으로부터 높은 토크가 요구되는 기어박스에 플라스틱 기어를 사용하는 것을 회피하게 할 것이다.

본 명세서에서는 본 명세서에 개시된 것과 같은 많은 수의 유성체를 갖는 기어박스 설계와 소정 범위의 강성-대-강도의 플라스틱 기어를 조합함으로써, 예상되는 것보다 높은 토크-대-중량 및 토크 대 크기를 플라스틱 기어박스로부터 제공하는 방법이 제안된다.

강 또는 다른 금속의 강성은 높은 강성을 갖는 기어박스를 생성하는 관점에서 통상적으로 이점으로 간주되지만, 많은 피니언을 갖는 본 명세서에 도시된 실시예와 같은 장치에서, 강 기어의 강성은 그것이 부하 공유의 일관성을 감소시킬 수 있기 때문에 실제로는 불리할 수 있다.

플라스틱의 더 높은 가요성은 본 장치의 실시예의 토크 대 중량에 유익한 것으로 여겨지는데, 이는 소정 개수의 피니언에서, 강 기어의 높은 강성이 부하 공유에 불리한 반면, 플라스틱 기어의 가요성은 부하 공유가 피니언들의 이러한 개수 초과에서 더 일관되도록 허용하기 때문이다. 그 결과는, 장치의 실시예의 기하학적 구조가 강 기어보다는 플라스틱 기어의 사용, 또는 심지어 강 피니언과 플라스틱 링 기어 및 태양 기어와 같은 그러나 이에 제한되지 않는 강과 플라스틱의 조합과 조합될 때 토크 대 중량과 같은 소정 관점에서 더 우수한 성능을 제공하는 다양한 많은 수의 피니언의 기어박스 기하학적 구조의 범위인 것으로 여겨진다.

일정 개수의 피니언 초과 및 소정의 강도 대 강성 비(가요성이 클수록 부하 공유에 더 좋음) 미만에서, 플라스틱(또는 내부 피니언 기어와 외부 피니언 기어 사이의 기계적 비틀림 가요성 부재(또한 금속 기어에 적용됨))의 가요성으로부터 기인하는 증가된 부하 공유로 인해, 더 약한 재료로 더 높은 토크를 달성하는 것이 가능할 것이다. 기어의 구성에서 제조 공차가 클수록, 기어의 가변성이 커지고, 더 많은 이점이 피니언의 비틀림 가요성으로부터 얻어질 것이다.

그 결과는, 플라스틱 기어박스로부터 예상되는 것보다 토크 대 중량의 관점에서 훨씬 더 우수한 성능 및 가능하게는 심지어 합리적인 제조 공차로 제조된 동일한 설계의 강 기어박스와 유사하거나 그보다 우수한 토크 대 중량과 조합되는, 기어박스의 전부 또는 일부를 사출 성형가능하게 함으로써 이루어지는 매우 낮은 비용의 기어박스의 가능성이다.

도 40에 도시된 바와 같이, 도 27의 실시예의 기어박스에 사용하기에 적합한 피니언의 다른 실시예는, 모두 하나의 피스이고 플라스틱(그러나 다른 재료가 다양한 효과와 함께 사용될 수 있음)으로 제조되는 외부 기어 및 내부 기어를 갖는다. 선택적인 원통형 섹션(170)이 내부 기어(101)와 외부 기어(102) 사이에(그리고 가능하게는 도 41에 도시된 바와 같이 2개의 내부 기어들 사이에) 위치된다. 강 또는 알루미늄 또는 다른 재료(예를 들어, 가능하게는 후벽형(thick walled) 플라스틱 또는 박벽형(thin-walled) 금속)의 바 또는 관(106)이 굽힘 강성을 제공하며, 따라서 토크 전달 동안 피니언의 길이방향 굽힘이 감소된다. 플라스틱 기어는 플라스틱 기어가 관(106) 상에서 자유롭게 회전할 수 있도록 관 또는 바의 OD보다 약간 더 큰 ID로 생성된다. 플라스틱 기어는 정지부(108), 예를 들어 여기에 도시된 바와 같은 립(lip)에 의해 관(106) 상에서 축방향으로 경계지어질 수 있다. 관은 또한 도 42에 도시된 바와 같이 생략될 수 있다. 내부 기어와 외부 기어 사이의 선택적인 원통형 섹션은 피니언의 내부 및 외부 기어들에 대한 반대 토크 방향이 원통형 섹션의 소량의 비틀림 트위스트를 유발할 정도로 충분히 얇다. 이러한 비틀림 강성은 원통형 섹션의 길이를 증가시킴으로써 또는 이들 원통형 섹션의 두께를 감소시킴으로써 그리고/또는 원통형 섹션 내에 슬롯(172)을 생성함으로써 감소될 수 있다. 슬롯은 예를 들어 축방향 또는 나선형일 수 있다. 도 43 및 도 44는 내부 관이 없는, 축방향 슬롯(172)을 갖는 형태를 도시하고, 도 45 및 도 46은 축방향 슬롯(172) 및 내부 관(106)을 갖는 형태를 도시한다. 원통형 섹션의 비틀림 강성을 감소시키는 것은 원통 섹션의 트위스팅이 피니언 상의 내부 및 외부 기어들이 서로에 대해 약간 회전하도록 허용하기 때문에 이러한 설계에서 유익한 것으로 여겨진다. 그 결과, 제조 불관용성(intolerance)이 이러한 상대 회전에 의해 보상될 수 있으며, 따라서 여전히 부하 공유의 높은 일관성을 달성하면서 많은 수의 피니언이 사용될 수 있다.

플라스틱 기어가 본 명세서에 일례로서 사용되지만, 금속 기어가 비록 덜하더라도 동일한 구조로부터 이익을 얻을 것이라는 것에 유의하여야 한다. 도 42 내지 도 44는 내부 원통이 없는 피니언을 도시한다. 이는, 일부 구성에서, 모든 피니언들 사이에 적절한 부하 공유를 제공하기에 충분한 굽힘 강성 및 비틀림 가요성을 제공할 수 있다.

백래시는 로봇 공학과 같은 많은 응용에서 기어박스 감속기의 성능 및 정밀도에 불리하다.

차동 유성 기어트레인(geartrain)에서 4개 이상의 피니언들 사이의 부하 공유를 균등화시키기 위한 메커니즘 및 구성이 본 명세서에 개시된다. 또한, 차동 기어트레인에서 백래시를 감소시키거나 제거하기 위한 메커니즘 및 구성이 본 명세서에 개시된다.

본 장치의 하나의 목적은 유성 캐리어가 기어를 축방향으로 조립체 내에 위치시킬 필요성을 제거함으로써 조립체를 단순화시키고 그의 비용을 감소시키는 것이다. 이는 본 장치의 실시예에서, 유성 기어의 양단부 상에 반대편 헬리컬 기어들을 사용함으로써 달성된다. 도 54 내지 도 56에 관하여 아래에 개시되는 바와 같이, 직선형 기어가 또한 사용될 수 있다. 이들 기어는 또한, 그들을 주형 밖으로 이형시키는 것을 더 용이하게 하는 이점을 갖는 테이퍼를 갖도록 설계된다. 헬리컬 기어는 매끄러운 작동에 이로운 한편, 테이퍼는 저비용 생산을 위해 사출 주형으로부터의 용이한 제거를 허용한다.

중심 평면의 양측에 있는 반대편 헬리컬 기어들 및/또는 중심 평면의 양측에 있는 유성체들의 테이퍼링과 함께 설계의 대칭 구성은 유성 캐리어가 유성체를 축방향으로 위치된 상태로 유지시킬 필요성을 제거한다. 본 장치의 실시예의 대칭 구성은 축에 수직한 유성체의 트위스팅이 사실상 제거되기 때문에 유성 캐리어의 필요성을 제거한다. 이는 유성체가 중공형이도록 허용하여 중량을 감소시키고, 그들이 도 51에 도시된 바와 같이 열 팽창 동안 바인딩(binding)을 방지하면서 백래시를 제거하기 위해 반경방향 프리로딩 하에서 반경방향으로 압축되도록 허용한다.

도 47은 유성 기어의 치형부가 곡선 화살표(178)에 의해 도시된 방향으로 회전하고 있을 때, 도 27의 기어박스 내의 도 38의 유성 기어에 대한 축방향 힘을 도시한다. 축방향 힘의 방향은 화살표(180)에 의해 도시되어 있다. 도 48은 도 47에 도시된 축방향 힘을 유발하는 유성체(123)에 대한 부하 경로를 도시한 등각 절결도이다. 부하 경로의 원주방향 힘이 화살표(182)에 의해 도시된다. 도 48에서는 하나의 유성체와 보유 링 및 베어링을 제외하고는 모두 생략되어 있다.

부하 공유는, 예를 들어, 도 49에 개략적으로 도시된 바와 같이, 외부 기어 변형에 의해, 도 50에 개략적으로 도시된 바와 같이, 태양 링 변형에 의해, 또는 도 51에 개략적으로 도시된 바와 같이, 유성 기어 변형에 의해 제공될 수 있다.

위에 도시된 실시예가 태양체 입력과 외부 출력 및 기준 링 기어들을 갖지만, 외부 입력 링과 태양체 출력 및 기준 기어들이 다른 가능한 배열이다.

선택된 재료의 일부 특성이 아래의 표에 제시되어 있다.

도 52 및 도 53은 표 2로부터의 일부 재료 특성을 시각적 형태로 보여주는 바 차트이다.

도 52는 재료 강도 대 강성 대 밀도 비를 도시한다. 도 52는 이러한 비를 비교할 때 플라스틱과 금속 사이의 명확한 차이를 보여준다. 이러한 응용의 경우, 더 낮은 강성(stiffness) 및 더 낮은 밀도와 함께 더 높은 강도(strength)를 갖는 것이 더 좋다. 도 53은 재료 강도 대 강성 비를 도시한다.

일 실시예에서, 피니언은 바람직하게는 0.010 초과의 항복 강도 대 강성의 비를 가질 수 있다.

일 실시예에서, 피니언은 1 미만의 비틀림 트위스트 강성 대 굽힘 강성의 비를 가질 수 있다.

도 54 내지 도 56은 차동 기어박스의 다른 예를 도시한다. 도 27의 실시예와는 달리, 이러한 실시예는 직선 절단 기어(straight cut gear)를 갖는다.

기어박스는 복수의 유성 기어(123)와 기어식으로 접촉하는 하나 이상의 태양 기어(114)를 포함하며, 이때 복수의 유성 기어 각각은 상이한 링 기어(110, 111)와 접촉한다. 유성체는 상이한 링 기어와 접촉하는 상이한 직경을 가질 수 있다. 따라서, 태양 기어(들)(114)가 입력부인 경우, 유성체가 링 기어를 차동식으로 이동시킴으로써 기어 감속이 얻어질 수 있다. 하나 이상의 링 기어가 고정될 수 있고, 하나 이상이 출력부일 수 있다. 또한, 입력 토크를 제공하고 있는 태양 기어(들)에 의해 접촉되지 않는 유성체의 부분과 접촉하는 하나 이상의 추가의 플로팅 태양 기어가 있을 수 있다.

본 문헌에 제시된 다른 예에서와 같이, 상이한 실시예에서, 모든 이들 입력, 출력, 고정 및 선택적인 플로팅 기어들은 상이하게 배열될 수 있다. 예를 들어, 출력 및 고정 태양 기어들과 입력 링 기어(들) 및 선택적인 플로팅 링 기어(들)가 있을 수 있다. 입력 및 출력 기어들은 임의의 실시예에서 감속기로부터 증속기로 변하도록 스위칭될 수 있다.

기어들은 유성 캐리어의 필요성을 회피하면서, 후술되는 바와 같이 제공되는 축방향 중심설정을 갖는 축 대칭 배열로 배열될 수 있다.

도 54 내지 도 59에 도시된 특정 실시예의 기어는 내부 유성 기어 치형부(101) 및 외부 유성 기어 치형부(102) 둘 모두와, 이들 기어 치형부와 맞물리는 모든 다른 기어 치형부에 대해 직선 절삭 (스퍼) 기어를 사용한다. 포함된 자료 내의 다른 실시예에 개시된 바와 같은 헬리컬 기어가 또한 사용될 수 있다.

도 59는 원추형 테이퍼와 프로파일 시프트를 도시하고, 프로파일 시프트를 갖는 기어 치형부(508)가 도 82에 더 구체적으로 도시되어 있다. 테이퍼는 치형부의 폭에 걸쳐 변하는 프로파일 시프트에 의해 기어 치형부 인벌루트(involute) 프로파일의 테이퍼뿐만 아니라 기어의 원추형 테이퍼 둘 모두를 사용한다. 이는 기어 치형부 접촉이 원추형 테이퍼와 유사한 방식으로 거동하도록 허용하지만, 적절한 기어 치형부 접촉 및 결합 운동(conjugate motion)을 갖는 인벌루트 프로파일의 능력을 유지시킨다. 프로파일 시프트는 인벌루트 프로파일을 치형부의 하나의 축 방향에서 양의 방향으로 그리고 축 방향에서 음의 방향으로 오프셋시키도록 작용한다. 맞물린 기어는 반대 방향들을 제외하고는 동일한 시프트(shift)를 갖는다. 프로파일 시프트는 종종 기어에서 사용되지만, (부분적으로 제조 문제로 인해) 치형부에 걸쳐 일정할 것이다. 이는 치형부 접촉의 작은 오차를 보상하는 데 도움을 줄 수 있거나, 기어 세트를 최적화시키는 데 도움을 줄 수 있다. 이의 크기는 전형적으로 매우 작지만, 사용하고 있는 것과 유사한 크기를 가질 수 있다. 치형부 폭에 걸친 프로파일 시프트는 공칭적으로 선형이지만, 가능하게는 치형부 폭에 걸쳐 비-선형일 수 있어서, 하나의 치형부 상에서의 양의 시프트가 매칭하는 치형부 상에서의 음의 시프트와 매칭하는 것을 제공할 수 있다. 치형부의 깊이에 걸친 이러한 프로파일 시프트 변화는 기어의 원추형 테이퍼와 관계없는 축 방향을 따른 치형부 자체의 테이퍼링으로 설명될 수 있다. 프로파일 시프트는 기어들 중 임의의 것에 적용될 수 있다. 적합한 프로파일 시프트가, 예를 들어, 그 내용이 본 명세서에 참고로 포함되는 PCT/IB2018/055087호에 제시되어 있다.

하나의 또는 둘 모두의 테이퍼 효과는, 백래시를 감소시키거나 제거하기 위해 베어링 및 기어의 프리로드 조절을 허용하도록 대칭 출력 링 반부, 출력 링 및 고정 링 또는 대칭 태양 기어 반부 중 임의의 하나 이상들 사이의 심과 조합될 수 있다.

도 27의 실시예의 이중 헬리컬 또는 헤링본(herringbone) 기어는 대칭 설계로 인해 순 축방향 부하를 유발함이 없이, 유성체를 축방향으로 중심설정하기 위한 안정력(stabilizing force)을 제공하고, 또한 도 54의 실시예에서 그러한 이점을 제공할 것이다. 본 문헌에 도시된 실시예에서, 태양 기어 및 링 기어 상의 유성 기어 및 대응하는 기어는 테이퍼진다. 테이퍼는 또한 이러한 안정력을 제공하여 유성체를 중심설정하며, 따라서 헬리컬 기어가 축방향 중심설정에 요구되지 않는다.

전술된 바와 같이, 각각의 유성체의 기어의 축방향 분리의 변화를 허용하는 스프링과 조합하여, 상이한 각도를 갖는 헬리컬 기어(또는 스퍼 기어와 쌍을 이루는 헬리컬 기어)가 부하 공유를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 이는 비교적 비가요성인 기어들 사이의 부하 공유를 허용하는 데 특히 유용하다. 도시된 이러한 특정 실시예에서, 스퍼 기어만이 사용되며, 유성체는 단일 피스이다. 따라서, 위의 부하 공유 메커니즘은 이러한 실시예에서는 작동하지 않는다. 기어가 스퍼 기어이고 유성체가 단일 피스로 형성되는 것은 기어 감속기의 작동에 필요하지 않지만, 이들 특징은 구성을 단순화시킨다.

부하 공유는, 이러한 실시예에서, 유성 기어의 가요성에 의해 제공될 수 있다. 유성 기어는 중공형이고 반경방향으로 휘어져서(예를 들어, 단면 형상이 원형으로부터 약간 타원형으로 변함) 백래시의 감소 또는 제거를 달성할 수 있다. 이는, 기어를 제조하기 위한 비교적 가요성의 재료의 사용에 의해, 그리고 중공 기어의 벽의 박화(thinness)에 의해 용이해질 수 있다. 유성 캐리어의 부존재는 가요성에 도움을 준다. 그렇지 않으면, 유성 캐리어 장치와 연관된 샤프트 및 베어링이 반경방향 휨을 방해할 것이다.

전형적인 강성 기어 시스템에서, 열 팽창을 위한 맞물린 기어들 사이의 어느 정도의 공간이 바인딩을 방지하는 데 요구되지만, 이러한 공간은 백래시를 허용한다. 이러한 실시예에서의 유성체의 가요성은 백래시를 허용하는 추가의 공간이 필요하지 않음을 의미한다. 유성체는, 반경방향 테이퍼와 조합되어 백래시를 감소시키거나 제거하도록 조립 동안 조절되는, 링 기어를 유지시키는 요소들 사이의 심을 사용하여 반경방향으로 프리로딩될 수 있다. 중공 기어의 반경방향 가요성은 열 팽창이 기어를 휘어지게 하여, 바인딩을 초래함이 없이, 그들이 예를 들어 도 51에 도시된 바와 같이 난형 형상을 이루게 한다.

심은 예를 들어 평평할 수 있고, 기어박스의 축방향 중심 평면을 따른 심, 및 아래의 도면에 도시된 바와 같이 베어링 부품의 양측에 있는 다른 심을 포함할 수 있다. 심은 링 기어를 축방향으로 위치시키며, 이는 테이퍼진 링 기어가 테이퍼진 유성체와 맞물리도록 허용하여, 백래시를 수용한다.

심은 축방향 중심 평면 또는 서로에 대한 요소들 중 임의의 것의 상대적인 축방향 위치를 조절하기 위해 적용될 수 있다. 대칭을 유지시키기 위해, 대체적으로 중심 평면을 가로지르는 요소의 축방향 위치를 변화시키는 것은 바람직하지 않을 것이다. 그러나, 그러한 요소는 또한, 예를 들어 플로팅 태양 기어가 입력 태양 기어의 축방향 양측에 있는 실시예(도시되지 않음)에서, 다른 요소를 시밍(shimming)하기 위한 기준으로서 사용될 수 있고 그에 베어링으로 연결될 수 있으며, 후술되는 심(B, C)과 유사한 심이 입력 태양 기어 및 축방향 중심 평면에 대한 플로팅 태양 기어의 축방향 위치를 조절하기 위해 사용될 수 있다.

도 54 내지 도 56에 도시된 실시예는 중심 심(184)에 의해 분리되는 중심 출력 링 기어, 및 후술되는, 내부 심(186) 및 외부 심(188)을 갖는 베어링에 의해 출력 링 기어에 연결되는 고정 외부 링 기어를 갖는다. 중심 심(184)은 서로에 대한 그리고 유성체에 대한 출력 링 기어의 축방향 위치를 조절한다. 내부 심(186) 및 외부 심(188)은 출력 링 기어(111)에 대한, 그리고 중심 심(184)과 조합하여, 유성체에 대한 고정 링 기어(110)의 위치를 조절한다. 태양 기어 심(187)이 또한 도 54에 도시된다. 태양 기어 심(187)은 서로에 대한 2개의 태양 기어 반부(태양 기어)의 축방향 위치를 조절한다. 이는 또한 백래시를 조절하는 데 사용될 수 있다. 태양 기어 심(187)은 이러한 실시예에 대한 다른 도면에는 도시되지 않는다. 대응하는 요소가 중심 평면의 타측에 대칭으로 배열되며, 따라서 일측만이 설명된다. 상이한 심 조절이 상이한 측에 사용될 수 있지만, 전형적으로 이는 다른 비대칭을 보정하는 것을 제외하고는 수행되지 않을 것이다.

이러한 특정 실시예에서, 태양 기어(114)는 하나의 피스이고, 축방향 중심 평면을 가로지르며, 심을 갖지 않는다. 대안적으로, 태양 기어는 이러한 실시예의 출력 기어(111)와 유사하게, 2개의 피스로 제조될 수 있으며, 이때 2개의 피스들 사이에 심이 있다.

도시된 실시예는, 예를 들어 플라스틱으로부터 사출 성형에 의해 형성될 수 있다. 헬리컬 기어는 또한, 더 일관된 접촉비 및 잠재적으로 더 작은 소음 및 전달 오차를 제공하지만, 사출 성형하기 더 어려울 수 있다. 기어는 성형 후에 축방향뿐만 아니라 반경방향으로 수축되며, 이는 정확한 최종 부품을 얻는 것을 더 어렵게 만든다. 따라서, 스퍼 기어가 구성하기 더 용이할 수 있고, 정밀 부품을 얻는 것을 더 용이하게 할 수 있으며, 이는 헬리컬 기어의 이점을 보상할 수 있다.

도 57 내지 도 59에 도시된 바와 같이, 유성체 각각은 고정 및 출력 기어들을 차동식으로 구동시키기 위해 2개의 상이한 피치 직경을 갖는 부분을 포함한다. 유성체가 주형을 떠날 때 간섭 없는 사출 성형을 가능하게 하기 위해, 예를 들어 주형이 유성체의 축방향 중심 평면에서 분리되는 2개의 반부로 형성되는 경우, 도시된 실시예에서, 도 59의 유성체의 단부도에 가장 명확하게 도시된 바와 같이, 2개의 상이한 피치 직경을 갖는 부분은 동일한 개수의 치형부를 갖고, 이들 부분의 치형부는 정렬된다.

유성체는 또한 기계가공에 의해 형성될 수 있거나, 사출 성형 후에 기계가공될 수 있다. 동일한 개수의 치형부를 갖고 치형부가 정렬되어 있는 2개의 상이한 피치 직경을 갖는 부분들은 또한 더 용이한 기계가공을 허용한다.

반면에, 고정 및 출력 링 기어들은 이 실시예에서 유성 기어에 의해 차동식으로 구동될 상이한 개수의 치형부를 가질 것이다.

예를 들어 강으로 된 금속 기어가 또한 사용될 수 있다. 더 큰 강성을 보상하기 위해, 더 얇은 벽이 반경방향 가요성을 허용하는 데 사용될 수 있다.

도 79 내지 도 81에 관하여 후술되는 바와 같이, 상이한 유성 기어가 기어 맞물림의 관점에서 이상이도록 배열될 수 있다. 기어 세트들이 있을 수 있으며, 이때 각각의 세트의 기어는 동일한 위상에 있거나, 상이한 세트는 상이한 위상에 있거나, 또는 모든 기어는 상이한 위상에 있을 수 있다. (또는 그들은 모두 동일한 위상에 있을 수 있다). 예를 들어, 본 명세서에 도시된 바와 같이 12개의 기어를 갖는 실시예에서, 예를 들어 매 두 번째 기어가 세트 내에 있는, 각각 6개의 기어의 2개의 세트가 있을 수 있거나, 또는 모든 12개의 기어가 임의의 주어진 순간에 상이한 맞물림 위상에 있을 수 있다. 이는 기어 맞물림으로 인한 또는 상이한 기어에서 유사하게 정렬된 결함으로 인한 힘의 변화를 분산시키며, 따라서 그들은 한번에 모두 발생하지 않는다.

도 54 내지 도 56에 도시된 실시예에서, 이중 베어링이 축방향 중심 평면의 양측에서 고정 및 출력 링 기어들 사이에 포함된다. 베어링은 각각 앵귤러 콘택트 베어링(angular contact bearing)이고, 내부 심(186) 및 외부 심(188)을 사용하여 프리로딩될 수 있다. 내부 심(186)과 외부 심(188) 사이의 폭의 차이는 베어링을 프리로딩하는 데 사용될 수 있고, 내부 심(186) 및 외부 심(188) 둘 모두의 폭을 동일하게 가감하는 것은 고정 및 출력 링 기어들 사이의 축방향 분리를 결정하는 데 사용될 수 있다. 이러한 배열은 우수한 안정성을 갖는다. 축방향 중심 평면의 각각의 측에 있는 베어링 세트는 별도로 프리로딩될 수 있다. 반대측에 있는 세트는 축방향 중심 평면에 대해 내부 심(186) 및 외부 심(188)에 대칭인 심을 사용하여 프리로딩될 수 있다.

일 실시예에서, 베어링은 플라스틱으로 제조될 수 있다. 이는 금속 베어링에 비해 베어링의 감소된 중량을 허용한다.

도 54는 이러한 실시예의 등각 절결도를 도시하고, 도 55는 그의 등각도를 도시한다. 도 56은 축방향 단부도를 도시한다.

도 57 내지 도 59는 도 54 내지 도 56의 차동 유성 기어박스에 대한 예시적인 유성체를 도시한다. 도 57 및 도 58은 등각도를 도시하고, 도 59는 축방향 단부도를 도시한다.

따라서, 피니언의 개수가 5개, 6개, 7개, 8개, 9개, 10개, 11개, 12개, 13개, 14개, 15개, 16개, 17개, 18개, 19개, 20개의 피니언을 초과하는 상태에서 피니언의 ID 상에 구동 태양체 입력부를 그리고 피니언의 OD 상에 하나 이상의 고정 링 기어를 그리고 피니언의 OD 상에 하나 이상의 출력 링 기어를 갖는 차동 기어박스가 제공되며, 이때 피니언 및/또는 내부 또는 외부 링 기어는: 0.10 초과의 항복 강도-대-강성 비를 갖고; 플레인 또는 섬유 강화 중합체 수지로 제조되며; 피니언은 내부 기어와 외부 기어 사이에 비틀림 가요성 섹션을 가져서 1 미만의 비틀림 트위스트 강성-대-굽힘 강성을 제공한다. 비틀림 가요성을 증가시키기 위해 원통형 섹션 내에 축방향 또는 나선형 슬롯이 있을 수 있다. 고정 및/또는 출력 링 기어들을 위한 축방향 시밍 또는 다른 고정 위치설정 수단에 의한 백래시 조절을 허용하는 대칭적인 반대편 테이퍼진 피니언들이 있을 수 있다. 기어는 직선형 또는 나선형일 수 있다. 하우징 및 출력 링 기어 내에 통합되는 반대편 베어링 레이스들의 2개의 세트가 있을 수 있다.

예시적인 유성체 구동식 액추에이터

도 60 내지 도 67에 도시된 바와 같은 예시적인 액추에이터의 실시예는 2개의 스테이터를 갖는 직접 구동 모터에 결합되는 통합형 대칭 차동 기어박스를 포함한다. 도 60의 직사각형 박스는 축방향으로 (축방향 중심에 있는) 출력 기어 및 (출력 기어 위와 아래에 있는) 고정 기어에 대응하는 기어박스의 부분을 도시한다. 예시적인 액추에이터의 실시예는 별개의 회전 자석 캐리어의 필요 없이 로터의 목적을 서빙하는 영구 자석 캐리어로서의 피니언의 사용을 추가로 포함한다. 구성요소는 밀봉된 하우징(212) 내에 봉입되고 도면 부호 290에 의해 표시된 공통 축을 중심으로 회전할 수 있으며, 도면 부호 292에 의해 표시된 축방향 중심 평면에 대해 대칭일 수 있다. 하나 이상의 전자기 스테이터가 기어박스에 입력 토크를 제공하고, 장치의 축방향 중심 평면(292)으로부터 외측에 위치될 수 있다. 에어 코일(즉, 연자성 코어가 없는 전자기 코일)이 스테이터에 사용될 수 있고, 피니언 기어 내로 삽입되는 영구 자석에 작용하도록 정류된다. 피니언 기어는 도 61에 도시된 플로팅 구름 접촉 태양 링(294)에 의해 반경방향으로 프리로딩될 수 있다. 피니언 기어 치형부는 나선형, 테이퍼형 중 하나 이상일 수 있는 2개의 대칭 치형 프로파일을 갖거나, 인벌루트 프로파일을 갖는다. 내부 피니언 치형부(201)로 지칭되는, 장치의 축방향 중심에 위치되는 피니언 치형부는 장치의 축방향 중심 평면에서 출력 기어(211)의 출력 링 기어 치형부(274)와 맞물린다. 외부 피니언 치형부(202)로 지칭되는, 장치의 축방향 중심으로부터 외측에 위치되는 피니언 치형부는 장치의 축방향 중심으로부터 축방향으로 외측에 위치되는 2개의 고정 입력 링 기어(210)의 치형부(276)와 맞물린다. 고정 링 기어들(210)은, 예를 들어 장치의 축방향 중심을 통해 함께 고정된다. 피니언과 고정 링 기어, 및 피니언과 출력 링 기어 사이의 상이한 기어 치형부 비는 출력 링이 피니언의 궤도선회 속도(orbiting speed)에 비해 감소된 속도로 회전하게 하는 것이다. 본 명세서에 도시된 비제한적인 예시적인 실시예는 10:1 비를 가지며, 상이한 응용에 대해 다수의 비를 제공하도록 그에 맞춰 스케일링될 수 있다. 도 62는 모터 입력 구성요소가 없는 장치를 도시한다.

본 명세서에 도시된 비제한적인 예시적인 실시예는 태양 기어 입력부를 갖지 않는 8개의 유성 기어를 포함한다. 많은 수의 유성 피니언 기어(223)가 장치로부터의 큰 토크 용량을 허용한다. 부하 공유는, 토크가 전자기 스테이터를 통해 인가될 때 모든 피니언이 합리적으로 동일하게 로딩되도록 각각의 피니언이 그의 이상적인 원주방향 위치를 찾도록 허용하면서 피니언을 고정 링(210) 및 출력 링(211)에 대해 프리로딩하는 구름 접촉 자유 회전 태양 링(294)과 함께 피니언(223)에 직접 자력을 인가함으로써 달성된다. 피니언은 장치의 반경방향 중심에 가장 가까운 구름 접촉 태양 링(294)을 사용함으로써 외부 링(210, 211)과 기어 맞물림 상태로 유지된다. 2개의 고정 링 기어(210)가 이러한 실시예에서, 고정 링 기어들을 액추에이터의 큰 중심 관통 구멍을 통해 연결하는 원통형 부재(296)에 의해 마치 그들이 하나의 피스인 것처럼 서로 부착된다는 것에 주목할 필요가 있다. 구름 접촉 태양 링(294)과 피니언(223) 사이의 견인 인터페이스의 사용은 피니언(223)이 각각 고정 및 출력 기어 링들에 대한 그들 자체의 개별 위치를 찾도록 허용한다. 이는, 예를 들어, 내부 링이 기어링된 경우보다 피니언 각각이 장치의 토크 전달로부터 발생하는 부하를 더 균등하게 공유하도록 허용할 수 있다.

유성 기어(223)의 회전은, 유성체 내에 중심설정되는, 강 또는 철과 같은 그러나 이에 제한되지 않는 철 원통(302)에 대한 자기 인력에 의해 기어의 두 축방향 단부를 통해 피니언 기어(223) 내에 고정되는 영구 자석(300)에 작용하는 전자기 전도체 코일(298)에 의해 생성되는 전자기력의 영향에 의해 달성된다. 비제한적인 실시예에서, 모터 스테이터는, 백 아이언(304) 및 스테이터 내에 강 포스트가 없기 때문에 수동형(passive) 코깅 효과를 동시에 제거하면서 합리적으로 높은 토크가 달성될 수 있는 자석과 백 아이언 사이의 충분히 작은 공기 갭과 조합하여 에어 코일(298)을 사용한다. 상이한 토크 효과를 위해 강 포스트가 또한 사용될 수 있다. 대안적으로, 전자석은 연자성 포스트(도시되지 않음)를 가질 수 있다. 에어 코일이 사용되는 경우, 또는 대단히 작은 연자성 포스트를 갖는 전자석이 사용되는 경우, 스테이터는 최소의 코깅을 갖거나 코깅을 전혀 갖지 않는 전자기 코일의 효율을 개선하기 위해 연자성 재료 백아이언을 사용할 수 있다.

모터 스테이터 내의 라미네이팅된 백 아이언(304)은 고정 입력 링 기어(210)/하우징 내의 개구를 통해 연장되는 돌출 알루미늄 핀(306) 및 라미네이트의 교번 층으로 구성될 수 있다. 백 아이언(304)이 강의 나선(상부 모터의 구성요소의 상부도를 도시한 도 63에 동심 링에 의해 표시됨)으로 제조되고 자극 섹션(pole section)의 임의의 정렬을 필요로 하지 않기 때문에 제조가 단순화된다. 동심 권선의 주기적인 층(예를 들어, 매 두 번째 층)은 강일 수 있고, 에어 코일들 사이의 플럭스 경로로서의 역할을 할 수 있지만, 바람직하게는 경질 양극산화 알루미늄, 또는 알루미늄과 같은 그러나 이에 제한되지 않는 어떤 다른 높은 열 전도성 재료이다.

이러한 비제한적인 구성에서, 알루미늄은 코일로부터 액추에이터의 외측에 있는 열 추출 표면으로 직접 열 경로를 제공한다. 열은 에어 코일(298)의 구리 전도체로부터 백 아이언(304) 내로 전달되고, 공기가 핀(306)을 통과함에 따라 하우징 내의 개구에서 분산된다. 압출물(312)이 사행형 패턴으로 형성되는 에어 펜스(air fence) 구성요소(308)가 공기를 입력부로부터 핀(306)을 지나 장치 밖으로 안내하기 위해 하우징 내의 개구(310)와 중첩되는데, 이는 도 65에 가장 잘 도시되어 있다. 화살표(316)는 에어 펜스(308)의 공동을 통한 공기 유동을 나타낸다.

도 64는 상부 모터의 구성요소의 저면도를 도시한다. 도 64는 알루미늄 핀(306) 위의 에어 펜스(308)에 의해 한정된 공동의 원주방향 오프셋을 도시한다.

제조를 단순화시키기 위해, 유성 기어는 예를 들어 플라스틱으로부터 사출 성형가능하도록 제조될 수 있다. 유성 기어의 구성은 사출 성형을 용이하게 하기 위해 도 66에 도시된 바와 같이 언더컷(undercut) 없이 그들의 축을 따라 헬리컬 치형부와 같은 연속적인 특징부를 포함할 수 있다.

도 67은 도 60의 기어박스의 상반부의 분해도를 도시한다.

이때, 사출 성형에 요구되는 테이퍼는 유성 기어의 축방향 외부 섹션의 최대 어덴덤(addendum) 직경이 축방향 내부 섹션의 최소 어덴덤 직경보다 작아야 하는 것을 필요로 한다. 유성 기어의 바람직한 실시예는 축방향 내부 기어의 치형부의 개수의 배수이거나 그와 동일하게 되는 개수의 치형부를 축방향 외부 섹션에 포함할 것이다. 사출 성형가능 유성 기어를 갖는 실시예에서, 기어형 플로팅 내부 링이 피니언 기어를 프리로딩하고 그들을 외부 링과 맞물린 상태로 유지시키기 위해 사용될 수 있다. 기어형 플로팅 내부 링은 높은 자력을 받는 피니언으로부터 EM 힘 입력의 위상들 사이에 있는 피니언으로 토크를 전달하는 이점을 가질 수 있다. 축방향 외부 섹션 상의 치형부의 개수가 축방향 내부 섹션 상의 치형부의 개수의 배수인 경우, 축방향 외부 상의 치형부와 정렬되지 않는 축방향 내부 상의 치형부의 시작 시의 단차 변화에 의해 전체 기어가 여전히 사출 성형될 수 있다는 것에 주목할 필요가 있다.

일 실시예는 먼지 및 미립자로부터 내부 구성요소를 보호하기 위해 모터의 입력부 및 출력부를 따라 추가되는 시일(seal)을 포함한다.

테이퍼진 기어는 기어형 부품이 사출 주형 또는 다른 공정, 예를 들어 분말 금속과 같은 압밀 분말 공정으로부터 제거되도록 허용한다. 테이퍼는, 기어가 바인딩 없이 주형으로부터 이형되도록 어덴덤 및 디덴덤(dedendum)의 테이퍼 및/또는 각각의 기어 치형부의 선행 면(leading face) 및 추종 면(trailing face) 상의 상이한 나선각을 가질 수 있다. 테이퍼진 치형부 설계의 다른 특징은 인벌루트 형상이 정확하게 작동하도록 허용한다.

피니언(223) 상의 내부 기어와 외부 기어 사이에 롤링 특징부(예컨대, 원통형 섹션)가 있을 수 있다. 이는 롤링 태양 링(294)에 의해 제공되는 프리로드에 대한 중간-힘 위치를 제공한다.

이는, 또한, 플라스틱 피니언 레이스(롤링 특징부) 상에서의 태양 링(294)의 구름 접촉이 압축 부하를 강 코어의 양단부에 있는 자석(300)보다는 강 코어(302)로 전달하도록 강 피니언 코어(302) 폭이 충분히 넓도록(축방향으로 충분히 길도록) 허용한다. 강은 전형적인 PM 자석 재료보다 훨씬 더 우수한 강도 및 내구성을 가지며, 따라서 이는 사용 수명의 증가에 기여할 것이다.

자석(300)은 바람직하게는 태양 링(294)의 프리로드에 의해 응력을 받지 않으며, 따라서 PM 자석은 플라스틱 피니언 기어의 단부의 ID와 접촉함이 없이 강 코어의 축방향 단부로 자기적으로 끌어당겨질 수 있고, 그에 따라 축방향 단부에 부착될 수 있다. PM의 내부 축방향 단부 상의 원통형 보스(boss)가 PM을 중심설정하기 위해 강 코어의 단부 내의 원형 보어 내에 끼워맞추어질 것이다.

PM(300)은 전자기 스테이터와 상호작용하기 위해 더 큰 자극을 제공하도록 피니언(223)의 축방향 단부를 넘어서는 더 큰 OD를 가질 수 있다.

조립 순서는 다음과 같을 수 있으며, 대칭 분할형 출력 링(210)에 의해 가능해진다.

이전 단계로서 피니언(223)이 링 기어 내에 배치되는 경우, 태양 링 접촉부가 피니언과 간섭되어 태양 링의 조립을 방해할 것이다. 마찬가지로, 태양 링과 피니언이 먼저 조립되는 경우, 출력 링이 피니언과 간섭될 것이고, 조립을 방해할 것이다. 그러나, 분할형 출력 링 기어(210)를 사용함으로써, 피니언(223)과 태양 링(294) 또는 태양 링 조립체를 먼저 조립하고, 이어서 2개의 출력 링 기어 반부(211) 각각을 중심 평면을 향해 함께 조립하는 것이 가능하다. 이어서, 2개의 테이퍼진 고정 기어 링(210)이 조립된다. 이는 조립 동안 임의의 간섭을 방지하고, 제로(0) 백래시 최종 결과를 허용한다.

진정한 제로 백래시 최종 조립체를 달성하기 위해, 고정 링(210)의 축방향 위치가 출력 링 기어(211) 조립체에 대해 조절될 수 있는 것이 제공된다는 것에 유의하여야 한다. 그러한 솔루션의 문제는 그것이 고정 링과 출력 링 사이의 통합형 베어링 레이스(314)를 구현하기 매우 어렵게 한다는 것이다. 대신에, 일 실시예는 아래에 도시된 바와 같이, 피니언 중심축에 대한 일정 범위의 반경방향 위치에서 기어 프리로드를 제공할 수 있는 확장가능 태양 링(318)을 사용한다. 도 68은, 예를 들어 도 69에 도시된 바와 같은 확장가능 태양 링(318)과 함께 사용되기에 적합한 형상을 갖는 유성체(223)를 도시한다. 유성체(232)는, 자석과 유성 기어 치형부 부분 사이에 그리고 자석과 강 코어(302)의 반경방향으로 분리된 부분 사이에 간극(320)이 있는 상태로 배열되는 자석(300)을 가질 수 있다. 선(322)은 내부 치형부(201) 및 외부 치형부(202)의 치형부 각도를 나타낸다.

교체가능/조절가능 심(도시되지 않음)이 조립체 내에서 2개의 출력 링 기어 반부들 사이에 제공되어, 중심 평면에서 서로에 대한 그들의 상대적인 축방향 위치를 조절한다. 이러한 심은 조립 동안 삽입될 수 있는 교체가능 링 또는 링 섹션일 수 있거나, 또는 그는, 모든 구성요소의 조립 후에 그러나 2개의 출력 링 반부가 예를 들어 볼트로 함께 조임으로써 함께 고정되기 전에 액추에이터 중심축을 중심으로 하는 회전을 통해 조절될 수 있는 램프(ramp) 또는 나사선을 갖는 회전 링일 수 있다. 출력 링 기어(210)가 최대 심 조절 두께에 있을 때 백래시를 갖도록 조립체를 생성함으로써, 고정 링 기어(210) 및 출력 링 기어(211)와 피니언(223) 및 확장가능 태양 기어(318)는 느슨하게 배열되지만 그들의 최종 위치에 가깝게 조립될 수 있다. 이때, 태양 링(318)의 프리로드는 외부 피니언 기어(202) 및 고정 링 기어(210) 치형부를 백래시 없이 맞물리게 가압할 것이다. 이어서, 출력 기어 링들(211) 사이의 축방향 거리를 감소시키는 것은 내부 기어(201) 및 출력 링(211)으로부터 백래시를 제거할 것이다. (단지 출력 링 기어들의 2개의 반부들 사이의) 단일 심 스택이 고정 및 출력 기어 맞물림에서 백래시를 조절하도록 허용하기 위해, 피니언이 태양 링(318)의 확장의 결과로서 외향으로 이동될 수 있고, 피니언(223)의 내부 기어(201)(및 출력 기어(211)) 상의 테이퍼가 더 큰 테이퍼 각도를 가질 것을 요구한다. 이러한 방식으로, 출력 링 기어(211)의 축방향 조절은 외부 치형부(202)와 고정 기어(210) 사이의 외부 기어 맞물림보다 내부 치형부(201)와 출력 기어(211) 사이의 내부 기어 맞물림에 더 많은 영향을 미친다. 그 결과, 단부 상의 고정 링 기어(210)와 그러한 단부 상의 출력 링 기어(211) 반부의 상대 위치는 변경될 필요가 없다. 이는 베어링 레이스(314)가 고정 및 출력 기어들 내에 성형 또는 기계가공되도록 허용하는데, 왜냐하면 백래시 조절 동안 이러한 상대 위치의 어떠한 변화도 요구되지 않기 때문이다. 이러한 조절 방안에서 고려되어야 하는 유일한 것은 2개의 고정 링 기어(210)의 서로에 대한 상대 위치가 2개의 출력 링 기어(211)가 조절됨과 동시에 시밍/조절될 필요가 있을 것이라는 것이다. 그러나, 이러한 조절은, 연결 부분(296)을 통해서를 포함하여, 2개의 고정 링(210)을 함께 지지하고 고정시키는 하우징(212)의 순응성(compliance)의 결과일 수 있다.

축방향 외향으로 밀어내는 기계적 스프링(또는 반발 자석 링)을 갖는 축방향 스프링 2-피스 태양 링을 통한 조절가능 태양 링 압력이 백래시를 감소시키거나 제거하면서 열 팽창 및 기어 표면 마모를 보상할 것이다. 이는, 태양 링 및 피니언 접촉 레이스의 직경에 대한 더 큰 공차 범위뿐만 아니라 기어 면의 공차를 허용한다.

도 69에 도시된 바와 같이, 축방향 확장가능 태양 링(318)은 피니언 레이스 상에서의 태양 링 레이스의 프리로드 힘을 조절하는 능력을 제공한다. 이는, 예를 들어, 아래에 도시된 바와 같이 축방향 확장가능 태양 링 조립체의 양 축방향 단부 상에 있는 자기 코일(324)을 비롯한 다수의 수단에 의해 행해질 수 있다. 전자기 코일은, 이러한 예에서, 액추에이터 하우징에 고정된다. 그들에게 액추에이터의 출력 토크에 비례하는 수준으로 전력을 공급함으로써, 피니언 및 링 기어의 프리로드가 제로-백래시 기어 인터페이스 및 최저 가능 마찰을 보장하도록 항상 조절될 수 있다.

도 70에 도시된 실시예에서, 파워-오프 안전 브레이크가 다음과 같이 기어박스 내에 통합된다. 분리 스프링(326)은 태양 링(318)과 피니언 접촉 면(328) 사이에 높은 수준의 마찰을 생성하기에 충분히 강하다. 이러한 마찰은 또한 기어 맞물림 표면들 사이의 더 높은 마찰을 유발하여, 기어박스를 역구동시키기 매우 어렵거나 불가능하게 한다. 이는 전력이 꺼졌을 때 액추에이터의 회전을 방지하는 파워-오프 브레이크를 생성한다. 브레이크를 해제시키기 위해, 전자기 코일(324)과 같은 작동 수단이 반대 방향으로 힘을 가한다. 이어서, 이러한 힘의 수준은 불필요한 마찰을 제거하기에 충분히, 그러나 임의의 주어진 토크 출력에서 백래시를 초래할 정도로 많지는 않게 스프링 힘을 완화시키도록 조절될 수 있다. 명확성을 위해, 태양 링 조립체에 대한 EM 힘이 클수록, 피니언에 대한 프리로딩 힘이 낮아진다. 액추에이터로의 전력이 꺼졌을 때, EM 코일은 전력을 공급받지 않게 되며, 기계적 스프링은 프리로드 힘을 제공하는데, 이는 이어서 기어박스를 덜 역구동가능하게 또는 완전히 역구동가능하지 않게 하기에 충분히 높다.

이러한 유성체 구동식 액추에이터의 실시예의 특징은 다음을 포함할 수 있다: 고정 링 기어들이 예를 들어 장치의 축방향 중심을 통해 함께 고정되고; 유성 기어는 축방향 외부 섹션에 축방향 내부 기어의 치형부의 개수의 배수이거나 그와 동일하게 되는 개수의 치형부를 포함할 것이며; 사행형 에어 펜스는 공기가 중심축으로부터 외향으로 유동함에 따라 공기가 냉각 핀들 사이에서 원주방향으로 통과하게 하고; 비-기어형 태양 링은 피니언들을 프리로딩하지만 그들이 동일한 토크 전달을 위해 플로팅하도록 허용하며; 태양 링은 기어형일 수 있고; 태양 링은 또한 일부 피니언이 스테이터에 의해 휩쓸려 당겨지지 않을 때 피니언들 사이에 토크를 분배할 수 있으며; 태양 링은 브레이크 장치(도시되지 않음)로 (기어형이든 기어형이 아니든 간에) 태양 링에 제동력을 인가함으로써 브레이크 부재(도시되지 않음)로서 사용될 수 있다. 태양 링을 사용하는 대안적인 브레이크가 도 70에 도시되어 있다.

유성 베어링

로터는 기어박스에 결합될 수 있고, 인터페이스로서의 태양체와 함께 베어링으로서의 유성 기어를 사용할 수 있다. 유성체가 베어링으로서 작용할 수 있도록 하는 기어의 구성을 보여주기 위해 기어박스의 6개의 비제한적인 구성(71 내지 78)이 제시된다. 이는 3개 초과의 임의의 개수의 유성체에 대해 작용할 수 있다. 도 71 내지 도 78은 많은 가능한 기어비의 축방향 내부 또는 축방향 외부 태양체 인터페이스들 중 어느 하나를 갖는 대칭 유성 기어박스의 구성을 포함한다. 이러한 원리는 유성 기어의 반경방향 반대편들(예컨대, 도 71 내지 도 78의 유성 기어의 좌측 및 우측)에 입력 기어 및 고정 기어를 갖는 임의의 유성 시스템에서 작동한다.

도 71 내지 도 78 각각은 각각의 실시예의 2D 단면도를 도시한다. 기어 치형부는 단순화를 위해 도시되지 않는다. 각각은 입력 기어(402), 고정 기어(404), 및 출력 기어(406)와 인터페이싱하는 유성체(400)를 도시한다. 점선(408)은 입력 및 출력 기어들이 그를 중심으로 회전하는 중심축을 나타낸다.

도 71은 축방향 내부 유성 기어 치형부와 인터페이싱하는 태양체 입력부(402) 및 축방향 외부 유성 기어 치형부와 인터페이싱하는 외부 고정 기어(404)를 사용하는 실시예를 도시한다.

도 72는 축방향 내부(또는 외부) 유성 기어 치형부와 인터페이싱하는 입력 링 기어(402) 및 축방향 외부 유성 기어 치형부와 인터페이싱하는(그리고 입력 링 기어 주위에 루프형으로 형성되도록 외향으로 만곡되는) 고정 태양 기어(404), 및 축방향 내부 유성 기어 치형부와 인터페이싱하는 출력 태양 기어(406)를 도시한다. 도 72는 도 71과 동일하지만, 반경방향 내부에 있는 것과 반경방향 외부에 있는 것이 반전된다.

도 73은 축방향 외부 유성 기어 치형부와 인터페이싱하는 태양체 입력부(402) 및 축방향 외부 유성 기어 치형부와 인터페이싱하는 외부 고정부(404)를 도시한다.

도 74는 도 73과 동일하지만, 반경방향 내부에 있는 것과 반경방향 외부에 있는 것이 반전된다.

도 75 및 도 76은 가동 부품에 의해 둘러싸인 고정 부분을 갖는다. 이는 연속 운동을 위해 작동하지 않을 것이지만, 제한된 범위 또는 운동 조인트를 완벽하게 허용가능할 것이며, 즉 가동 부품은 고정 부분이 접지되도록 허용하는 슬롯 부품을 원주 둘레 방향으로 가질 것이다. 이들은 또한, 축방향 내부 유성 기어가 축방향 외부 유성 기어보다 큰 경우 속도 증속기일 것이다. 이는 또한 그를 감속기로 변화시키기 위해 반전될 수 있지만, 이는 유성 기어를 제조/조립하기 더 어렵게 만들 수 있다.

도 75는 축방향 내부 유성 기어 치형부와 인터페이싱하는 외부 입력 기어(402) 및 축방향 내부 유성 기어 치형부와 인터페이싱하는 고정 태양 기어(404)를 도시한다.

도 76은 축방향 내부 유성 기어 치형부와 인터페이싱하는 외부 입력 기어(402) 및 축방향 외부 유성 기어 치형부와 인터페이싱하는 고정 태양 기어(404)를 도시한다.

도 77은 축방향 외부 유성 기어 치형부와 인터페이싱하는 외부 입력 기어(402) 및 축방향 내부 유성 기어 치형부와 인터페이싱하는 고정 태양 기어(404)를 도시한다.

도 78은 축방향 외부 유성 기어 치형부와 인터페이싱하는 외부 입력 기어(402) 및 축방향 외부 유성 기어 치형부와 인터페이싱하는 고정 태양 기어(404)를 도시한다.

이상 기어

차동 기어박스를 사용할 때의 하나의 잠재적인 단점은 3개 또는 4개 유성체 시스템과 비교할 때 추가의 기어 맞물림이다. 유성체가 모두 동상일 때, 기어는 동시에 다음 치형부와 접촉하고, 추가의 유성체에 의해, 소음 및 진동의 가능성이 증가된다. 유성체를 이상 상태로 유지시킴으로써, 추가의 초기 치형부 접촉이 더 균일하게 분포되어, 동상 시스템의 '코깅 느낌(cogging feel)'을 현저히 감소시킬 수 있다. 하나의 예시적인 실시예에서, 14개의 유성체 있으며, 그에 따라서 각각의 치형부에 대해 14개의 초기 접촉이 있다. 단일 위상 시스템에서는, 이들 접촉 모두가 한 시점에서 일어나는 한편, 7상 시스템에서는, 단지 두 접촉만이 단일 시점에서 일어나지만, 접촉은 7배만큼 자주 일어난다.

도 79 및 도 80에 도시된 일 실시예에서, 태양체(114) 주위에 균일하게 위치되는 14개의 유성체(123)가 있다. 각각의 유성체는 동일하며, 유성체의 7개의 고유 위상이 있다. 반대편 유성체들은 동일한 위상에 있다. 기어 직경 및 치형부 개수가 표 3에 제공된다.

이는 2개의 전통적인 유성 기어세트, 즉 각각 태양 기어, 유성 기어, 및 링 기어를 갖는 내부 기어세트(500) 및 외부 기어세트(502)로 분리될 수 있다. 각각의 기어세트는 다른 기어세트와 상이할 수 있는 일정한 피치 또는 모듈을 갖는다. 차동 기어세트가 외부 기어세트 상의 태양 기어를 사용하지 않는 것에 유의하여야 한다. 가상 태양 기어가 시스템 내에 끼워맞추어질 것이지만, 시스템의 균형을 이룬 특성으로 인해 요구되지는 않는다.

2개의 기어세트는 시스템에서의 직경 및 치형부 개수가 다음에 있어서 양립가능하도록 설계된다:

- 유성체의 개수

- 유성체의 반경방향 및 접선방향 위치

- 유성체의 위상

개별적으로, 기어세트는 유성 기어트레인에 대한 알려진 규칙을 따르며, 이때 태양 및 링 기어들 내의 치형부의 개수의 합은 유성체의 개수에 의해 균등하게 나누어질 수 있다. 이는 유성체가 태양체 주위에서 균일하게 이격되는 것을 보장한다.

내부 기어세트 →

외부 기어세트 →

유성체의 반경방향 위치는 2개의 기어세트의 상대 스케일에 의해 제어되어, 유성 기어 축이 동일한 반경 상에 위치하는 것을 보장한다.

유성체의 위상은 2개의 기어세트가 동일한 수의 고유 위상을 갖는 것을 보장함으로써 양립가능하게 유지된다. 시스템에서의 고유 위상의 수는 유성체의 개수를 태양 기어, 링 기어 상의 치형부의 개수, 및 유성체의 개수의 최대 공약수로 나눔으로써 계산된다.

내부 기어세트 →

외부 기어세트 →

위상은 유사한 유성체 위상이 태양체 주위에 균일하게 분포되도록 조직화된다. 위의 예에서, 각각의 고유 위상에 대해 2개의 유성체가 있다. 하나의 위상의 2개의 유성체는 서로 180°만큼 떨어져 위치될 것이다.

고유 기어 위상의 동일한 수 및 위치에 의해, 시스템이 작동할 수 있다. 위치만이 양립가능한 경우, 시스템은 각각의 개별 기어 위치에 대해 특정된 유성체 구성이 있는 경우에만 작동할 수 있다. 각각의 유성체 구성은 동일한 기어를 사용할 것이지만, 내부 기어와 외부 기어 사이의 회전 정렬은 각각의 위상 쌍에 대해 고유할 것이다.

일 실시예에서, 유성 기어 상의 치형부의 개수는 동일할 수 있거나, 또는 하나의 유성체 상의 치형부의 개수는 다른 유성체의 치형부의 개수의 정수배일 수 있다. 이는 다수의 이점을 제공한다.

첫째, 유성체는 사출 성형을 포함하지만 이에 제한되지 않는 방법을 사용하여 단일 피스로서 더 용이하게 제조될 수 있다. 시스템 내의 부하 공유 메커니즘을 더 잘 허용하기 위해 유성체를 단일 피스로서 갖는 것이 유익하다. 예시적인 시스템이 의존하는 부하 공유 메커니즘들 중 하나는 태양체 및 외부 링 둘 모두 상에서의 기어 치형부 접촉을 보장하기 위한 유성체의 반경방향 압축이다. 이러한 일이 일어나도록 보장하는 방법들 중 하나는 유성체 내에 큰 관통 구멍을 포함하여, 어느 정도의 추가의 반경방향 가요성을 허용하는 것이다. 유성체가 다수의 피스로 구성되도록 의도된 경우, 그들을 함께 체결하는 방법은 상당히 더 많은 재료를 필요로 하여, 그에 따라서 상당히 더 큰 강성을 초래할 것이다.

둘째, 시스템은 유성체와 단일 피스로서 조립될 수 있다. 임의의 유성 기어세트에서, 기어들 중 하나 이상은 축방향으로 삽입되어야 한다. 하나의 공정에서, 유성체는 반경방향으로 태양체 주위에 배치될 수 있고, 외부 링은 유성체 주위에 축방향으로 삽입될 수 있다. 차동 기어박스의 경우, 2개의 유성 기어세트가 축방향으로 결합되고, 유성체가 단일 피스인 경우, 조립 방법에 대한 제한이 있다. 유성 기어 상의 치형부의 개수를 제한함으로써, 조립될 수 있는 상당히 더 많은 구성이 있다. 이러한 제한이 없으면, 일부 구성은 조립될 수 없는데, 왜냐하면 외부 유성 기어 치형부가 내부 기어세트 내로의 기어의 축방향 삽입을 방지할 것이기 때문이다. 이는 스퍼 및 헬리컬 기어 치형부에 적용가능하다. 상이한 구성(태양체 입력부, 링 입력부 등)의 이미지에 대해서는 본 출원과 함께 출원된 추가의 명세서를 참조한다.

가장 합리적인 기어비를 위해, 2개의 유성체 직경은 유사하여야 한다. 더 작은 유성 기어의 어덴덤이 더 큰 기어의 디덴덤보다 큰 경우, 언더컷이 존재하는데, 이는 기어가 내부 기어세트 상으로 제위치로 축방향으로 삽입될 수 없음을 의미한다.

도 81에서, 도시된 2개의 유성체가 이상인 것이 명백하다. 기어 중심축과 장치의 중심축 사이에서 이어지는 각각의 선(504)은 가장 가까운 치형부 상의 상이한 지점에서 기어 치형부(506)와 교차하여, 좌측 기어에서는 태양체 치형부의 중심 부근에 위치하고, 우측 기어에서는 태양체 치형부의 일측에 위치한다.

전술된 원리를 사용함으로써, 차동 기어박스에 사용될 수 있는 다수의 고유 솔루션이 있다. 이들 솔루션의 목록이 아래에 제시되지만, 청구범위의 범주는 이들 특정 솔루션으로 제한되지 않는다. 상이한 개수의 기어 치형부에 따라 추가의 솔루션이 존재하며, 각각의 솔루션은 임의의 직경에 적합하도록 기하학적으로 스케일링되어, 치형부의 개수를 일정하게 유지시킬 수 있다. 특정 구성은 본 발명의 원리에 따라 적용되는 알려진 방정식의 솔루션에 의해 결정될 수 있다.

반경방향 내부 유성체 각각이 동일한 크기를 갖는 한편, 원 둘레를 볼 때 교번하는(A,B,A,B,A…) 2가지 크기의 반경방향 외부 유성체를 사용하는 기어박스에 대한 이들 파라미터는 다음과 같이 작용하는 것으로 여겨진다: (P = 유성체, R = 링, in = 내부, out = 외부)

반경방향 내부 유성체가 모두 동일한 크기이고, 반경방향 외부 유성체가 모두 동일한 크기이지만 반드시 내부와 동일하지는 않은 기어박스에 대한 이들 파라미터는 다음과 같이 작용하는 것으로 여겨진다:

재료 선택에 의해서든, 강성 감소 기하학적 특징에 의해서든, 또는 둘 모두에 의해서든 간에, 유성 기어는 내부 및 외부 기어들이 기어의 어떠한 제조 공차도 수용하고 내부 및 외부 기어세트 둘 모두 상에서의 적절한 기어 치형부 접촉을 보장하기에 충분히 비틀림식으로 휘어질 수 있도록 하는 비틀림 강성을 가져야 함과 동시에, 내부 및 외부 유성 기어들을 시스템 내에 축방향으로 정렬된 상태로 유지시키기에 충분한 비틀림 강성을 보유하고 기어 시스템의 의도된 최대 토크에 상관되는 크기의 국소 토크를 전달할 수 있어야 한다. 또한, 유성 기어의 굽힘 강성은 유성체 굽힘 편향으로 인한 기어 치형부의 미끄러짐을 방지하기에 충분하여야 한다.

청구범위에서, 단어 "포함하는"은 그것의 포괄적인 의미로 사용되며, 다른 요소가 존재하는 것을 배제하지 않는다. 청구항 특징부 앞의 부정 관사("a" 및 "an")는 하나 초과의 특징부가 존재하는 것을 배제하지 않는다. 여기에 설명된 개별 특징부들 중 각각의 특징부는 하나 이상의 실시예에서 사용될 수 있으며, 여기서 설명된 것만으로 인해, 청구범위에 의해 한정되는 바와 같은 모든 실시예에 필수적인 것으로 해석되어서는 안 된다.

Claims

토크 전달 장치로서,
하나 이상의 태양 기어를 중심으로 하는 그리고 하나 이상의 링 기어 내에서의 유성체 회전(planetary rotation)을 위해 배열되는 복수의 유성체(planet) - 상기 복수의 유성체 각각은 함께 회전하도록 연결되고 상이한 피치 직경을 갖는 복수의 유성 기어를 포함하는 각각의 제1 유성 기어 세트를 포함함 -;
각각의 제1 유성 기어 세트의 각각의 유성 기어와 맞물리도록 배열되는 하나 이상의 태양 기어 또는 하나 이상의 링 기어의 제1 출력 기어; 및
각각의 제1 유성 기어 세트의 각각의 유성 기어와 맞물리도록 배열되는 하나 이상의 태양 기어 또는 하나 이상의 링 기어의 제1 기준 기어를 포함하고,
하기 A 또는 B 또는 C 또는 D 또는 E 또는 F 또는 G 중 하나 이상이고,
A는 각각의 제1 유성 기어 세트의 상기 복수의 유성 기어가 상이한 나선각(helical angle)을 갖고, 각각의 제1 유성 기어 세트가 상기 하나 이상의 태양 기어에 의해 한정되는 축에 대해 축방향으로 이동가능하다는 것이고;
B는 상기 복수의 유성체가 개수가 적어도 5개, 6개, 7개, 8개, 9개, 10개, 11개, 12개, 13개, 14개, 15개, 16개, 17개, 18개, 19개, 또는 20개이고, 0.10 초과의 항복 강도-대-강성 비를 갖는 제1 재료로 형성된다는 것이고;
C는 각각의 제1 유성 기어 세트의 상기 복수의 유성 기어가 피니언 표면에 의해 한정되고, 상기 피니언 표면의 비틀림 가요성 부분(torsionally flexible portion)에 의해 분리된다는 것이고;
D는 상기 복수의 유성체가 개수가 적어도 5개, 6개, 7개, 8개, 9개, 10개, 11개, 12개, 13개, 14개, 15개, 16개, 17개, 18개, 19개, 또는 20개이고, 상기 하나 이상의 태양 기어들 중 하나 이상 및/또는 상기 하나 이상의 링 기어들 중 하나 이상이 0.10 초과의 항복 강도-대-강성 비를 갖는 제1 재료로 형성된다는 것이고;
E는 상기 복수의 유성 기어 각각이 상이한 피치 직경의 각각의 부분 상에 다수의 치형부를 갖고, 치형부의 개수가 각각의 유성 기어 상에서 그리고 상이한 피치 직경의 각각의 부분 상에서 동일하다는 것이고;
F는 상기 토크 전달 장치가 상기 하나 이상의 태양 기어 또는 하나 이상의 링 기어의 각각의 제1 입력 기어를 추가로 포함하고, 상기 제1 입력 기어가 각각의 제1 유성 기어 세트의 각각의 유성 기어와 맞물리도록 배열되며, 상기 유성 기어가 이중 베어링의 프리로드(pre-load)를 조절하기 위해 하나 이상의 심(shim)에 의해 각각 조절가능한 상기 이중 베어링 상에 장착된다는 것이고;
G는 각각의 유성 기어 세트의 상기 유성 기어, 상기 태양 기어 및 상기 링 기어 각각이 원추형 테이퍼 및 프로파일 시프트(profile shift) 중 하나 또는 둘 모두를 갖는 것이고,
각각의 유성체는 상기 제1 유성 기어 세트에 대응하고 상기 제1 유성 기어 세트에 대해 축 대칭으로 배열되는 제2 유성 기어 세트를 추가로 포함하고, 상기 제2 유성 기어 세트는 상기 하나 이상의 태양 기어 또는 하나 이상의 링 기어의 대응하는 제2 출력 기어 및 상기 하나 이상의 태양 기어 또는 하나 이상의 링 기어의 대응하는 제2 기준 기어와 맞물리도록 배열되는, 토크 전달 장치.
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제1항에 있어서, 각각의 유성체의 상기 제2 유성 기어 세트는 상기 대응하는 제1 유성 기어 세트의 기어 치형 프로파일에 대해 축 대칭인 기어 치형 프로파일을 갖는, 토크 전달 장치.
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제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 제2 출력 기어는 상기 제1 출력 기어이거나, 또는 상기 제2 기준 기어는 상기 제1 기준 기어이거나, 또는 둘 모두인, 토크 전달 장치.
제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 제1 기준 기어 및 제2 기준 기어는 링 기어이고, 상기 제1 기준 기어는 상기 하나 이상의 태양 기어에 의해 한정되는 중심 구멍을 통해 연장되는 하우징 부분을 통해 상기 제2 기준 기어에 연결되는, 토크 전달 장치.
삭제
제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 대응하는 제1 유성 기어 세트에 관하여 각각의 유성체의 상기 각각의 제2 유성 기어 세트를 이격시키도록 배열되는 기어 세트 이격 스프링을 추가로 포함하는, 토크 전달 장치.
제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 제2 유성 기어 세트는 각각의 제2 유성 기어 세트 및 상기 대응하는 제1 유성 기어 세트를 통해 각각 연장되는 로드(rod)에 의해 상기 대응하는 제1 유성 기어 세트와 정렬되는, 토크 전달 장치.
삭제
제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 제1 출력 기어 및 상기 제1 기준 기어는 둘 모두 상기 태양 기어이거나, 둘 모두 상기 링 기어이고, 각각의 제1 유성 기어 세트의 상이한 유성 기어에 연결되는, 토크 전달 장치.
제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 제1 유성 기어 세트의 복수의 유성 기어 중 하나는 스퍼 기어(spur gear)이고, 다른 것은 헬리컬 기어(helical gear)인, 토크 전달 장치.
제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 제1 유성 기어 세트의 복수의 유성 기어 중 하나는 헬리컬 기어이고, 다른 것은 동일한 나선방향(handedness)의 상이한 크기의 나선각을 갖는 헬리컬 기어인, 토크 전달 장치.
제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 제1 유성 기어 세트의 복수의 유성 기어 중 하나는 헬리컬 기어이고, 다른 것은 반대 나선방향의 헬리컬 기어인, 토크 전달 장치.
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제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 복수의 유성체의 유성체 각각은 각각의 외부 유성체 직경의 적어도 1/2, 2/3, 4/5, 9/10 또는 19/20의 각각의 보어 직경을 갖는 각각의 축방향 보어를 한정하는, 토크 전달 장치.
제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 복수의 유성체는 개수가 적어도 5개, 6개, 7개, 8개, 9개, 10개, 11개, 12개, 13개, 14개, 15개, 16개, 17개, 18개, 19개, 또는 20개이고, 0.10 초과의 항복 강도-대-강성 비를 갖는 제1 재료로 형성되는, 토크 전달 장치.
제26항에 있어서, 상기 복수의 유성체의 각각의 유성체는 각각의 피니언 표면을 한정하는 각각의 외부 피니언 부분을 포함하는, 토크 전달 장치.
제27항에 있어서, 각각의 유성체의 상기 각각의 외부 피니언 부분은 각각의 중공 관 상에 장착되고, 상기 각각의 외부 피니언 부분은 상기 제1 재료로 형성되는, 토크 전달 장치.
제28항에 있어서, 상기 각각의 중공 관은 상기 제1 재료보다 경질인 제2 재료로 형성되는, 토크 전달 장치.
제29항에 있어서, 상기 제1 재료는 플레인(plain) 또는 섬유 강화 중합체 수지이고, 상기 제2 재료는 금속인, 토크 전달 장치.
제27항에 있어서, 상기 복수의 유성체의 각각의 피니언 표면 각각은 상기 출력 기어와 맞물리도록 배열되는 출력 기어형(geared) 표면 및 상기 기준 기어와 맞물리도록 배열되는 기준 기어형 표면을 포함하고, 상기 출력 기어형 표면 및 상기 기준 기어형 표면은 상기 각각의 외부 피니언 부분의 비틀림 가요성 피니언 부분에 의해 분리되는, 토크 전달 장치.
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제31항에 있어서, 각각의 비틀림 가요성 피니언 부분은 상기 피니언 표면 내에 축방향 또는 반경방향 슬롯을 한정하는, 토크 전달 장치.
제26항에 있어서, 상기 제1 재료는 1 미만의 비틀림 트위스트 강성(torsion twist stiffness) 대 굽힘 강성의 비를 갖는, 토크 전달 장치.
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제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 유성 기어 세트는 군을 이루어 배열되고, 각각의 군의 상기 유성 기어는 다른 기어와의 맞물림에 관하여 동상(in phase)이며, 상이한 군의 유성 기어는 동상이 아닌, 토크 전달 장치.
제42항에 있어서, 각각의 군의 상기 유성 기어는 상기 태양 기어 주위에 균일하게 분포되는, 토크 전달 장치.
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제1항 또는 제3항에 있어서, 적어도 F가 존재하고, 상기 제1 입력 기어는 입력 부재에 연결되고, 상기 제1 기준 기어는 하우징 부재에 연결되며, 상기 입력 부재는 하나 이상의 중간 부재를 통해 상기 하우징 부재에 회전가능하게 연결되고, 상기 입력 부재는 제1 베어링 세트를 통해 상기 하나 이상의 중간 부재 중 일정 중간 부재에 회전가능하게 연결되며, 출력 부재는 제2 베어링 세트를 통해 상기 하나 이상의 중간 부재 중 상기 중간 부재 또는 다른 중간 부재에 회전가능하게 연결되는, 토크 전달 장치.
제51항에 있어서, 상기 제1 입력 기어, 제1 기준 기어, 및 제1 출력 기어 중 2개는 링 기어이고, 상기 제1 입력 기어, 제1 기준 기어, 및 제1 출력 기어 중 하나는 태양 기어인, 토크 전달 장치.
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제51항에 있어서, 상기 제1 입력 기어, 제1 기준 기어, 및 제1 출력 기어 중 2개는 태양 기어이고, 상기 제1 입력 기어, 제1 기준 기어, 및 제1 출력 기어 중 하나는 링 기어인, 토크 전달 장치.
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상기 제1 기준 기어에 대해 상기 제1 입력 기어를 구동시키도록 연결되는 모터와 조합하여 제51항의 상기 토크 전달 장치를 포함하는, 액추에이터.
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제1항 또는 제3항의 상기 토크 전달 장치를 포함하고, 유성 롤러(planetary roller) 상에 장착되는 제1 전자기 요소 및 상기 유성 롤러를 구동시키기 위해 상기 제1 전자기 요소에 작용하도록 배열되는 제2 전자기 요소를 추가로 포함하는, 전기 장치.
제59항에 있어서, 상기 제2 전자기 요소는 상기 제1 기준 기어에 연결되는, 전기 장치.
제59항에 있어서, 상기 제1 전자기 요소는 영구 자석인, 전기 장치.
제59항에 있어서, 상기 제2 전자기 요소는 전자석인, 전기 장치.
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제1항에 있어서, F가 존재하고, 상기 이중 베어링은, 상기 이중 베어링 및 상기 복수의 유성 기어의 독립적인 프리로드 조절을 허용하는 앵귤러 콘택트 베어링(angular contact bearing)인, 토크 전달 장치.
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제1항에 있어서, F가 존재하고, 상기 복수의 유성 기어는 각각 백래시(backlash) 조절을 허용하는 테이퍼진 기어인, 토크 전달 장치.
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제1항 또는 제3항에 있어서, 적어도 F가 존재하고, 상기 제1 입력 기어는 전기 모터의 로터를 포함하는, 토크 전달 장치.
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