KR102372783B1 - 기어박스 - Google Patents

Abstract

내부 레이스와 동축 외부 레이스 사이에 유성체의 2개 행을 갖는 유성 기어박스가 개시된다. 입력 기어는 또한 내부 유성체 또는 외부 유성체와 맞물릴 수 있다. 인가된 토크로부터의 비틀림으로 인한 기어들의 맞물림해제를 피하기 위해, 인가된 토크가 반경방향 프리로드를 발생시키는 캐밍 효과가 사용될 수 있다. 입력 기어와 맞물리는 기어는 내부 또는 외부 레이스 중 대응하는 하나와 또한 맞물리는 기어의 부분에서 그렇게 할 수 있다. 유성체들은 상이한 나선각을 갖는 축방향 부분들과 기어결합될 수 있다. 내부 레이스 또는 외부 레이스는 유성체들의 상이한 축방향 부분들과 맞물리기 위해 상이한 나선각으로 기어결합된 2개의 구성요소들로 형성될 수 있다. 이러한 상이한 구성요소들을 사용함으로써, 구성요소들이 유성체 상으로 축방향으로 활주될 수 있기 때문에 조립이 용이하다.

Description

기어박스

기어박스.

공개된 특허 출원 WO2013173928A1호에는, 2개의 다른 롤러와 모두가 접촉하고 있는 롤러의 2개의 행(row)으로 그리고 낮은 캐밍각(camming angle)이 달성되는 충분히 많은 수의 롤러에서 토크를 증가시키는 장치가 도시되어 있다. 이러한 각도 미만에서, 캐밍 작용은 내부 롤러와 외부 롤러 사이의 그리고 내부 롤러와 내부 레이스(race) 사이의 그리고 외부 롤러와 외부 레이스 사이의 접촉에서 견인 압력을 증가시킨다.

이러한 캐밍 작용이 일어나게 하기에 충분히 높은 마찰 계수를 달성하는 것은 어려운 일인데, 이는 스틸 온 스틸(steel on steel)과 같은 많은 일반적인 재료 조합이 이러한 장치에 대한 전형적인 캐밍각에 필요한 것보다 낮은 마찰 계수(CF)를 갖기 때문이다. 결과적으로, 니켈 합금 및 다른 재료 조합과 같은 재료가, 전달되는 토크에 비례하는 견인 압력을 제공하도록 캐밍각 기하학적 구조를 허용하기에 충분히 높은 CF를 달성하기 위해 사용되어야 한다.

구름 접촉 형태에 의한 다른 어려운 점은 롤러들 모두가 원주방향으로 동일한 간격을 유지하는 것이다. 구름 접촉은 다른 롤러에 대해 자신을 "클록(clock)"하지 않으며, 롤러의 2개의 행은 롤러들의 원주방향 간격이 제어되지 않는 경우에 본질적으로 불안정적이다. 불안정하다는 것은 롤러들이 동일하지 않게 이격되면 내부 레이스가 외부 레이스와 동심으로 유지하지 않을 것임을 의미한다.

(기어 치형부를 갖지 않는) 본 장치의 순수 롤러 형태의 다른 어려운 점은 롤러들을 서로 그리고 레이스와 축방향으로 정렬되게 유지하는 것이다.

장치의 순수 롤러 형태의 실시예의 다른 어려운 점은 외부 레이스를 내부 레이스와 축방향으로 정렬되게 유지하기 위해 베어링이 요구된다는 것이다.

이러한 장치의 롤러 또는 기어 형태의 실시예의 다른 어려운 점은 내부 롤러 어레이와 맞물리는 내부 기어 또는 외부 롤러 어레이와 맞물리는 외부 기어를 갖는 기어형 링과 같은 입력 장치를 통해 토크가 롤러에 제공되어야 한다는 것이다.

종래의 기어 감속기와 같은 기어형 장치가 통상 유성 캐리어(planet carrier)를 사용하여 유성체(planet)를 위치시킬 것이다. 유성 캐리어는 회전 질량, 비용 및 복잡성을 부가한다.

외부 표면을 갖고 축을 한정하는 내부 레이스 및 내부 표면을 갖고 내부 레이스와 동축인 외부 레이스를 갖는 변속 장치가 제공된다. 변속 장치는 내부 레이스의 외부 표면과 기어 접촉(geared contact)하는 내부 롤러들 및 외부 레이스의 내부 표면과 기어 접촉하는 외부 롤러들을 포함하고, 각각의 그리고 모든 내부 롤러는 2개의 외부 롤러들과 기어 접촉하고, 각각의 그리고 모든 외부 롤러는 2개의 내부 롤러들과 기어 접촉하는, 한 세트의 궤도 롤러들을 갖는다. 내부 레이스 및 외부 레이스와 동축이고 내부 롤러들과 또는 외부 롤러들과 기어 접촉하는 입력 링이 있을 수 있다.

일 실시예는 하기의 A 또는 B 중 하나의 경우이다: A는 외부 롤러들이 내부 롤러들보다 길고, 각각의 외부 롤러가 내부 롤러들과 접촉하고 그들과 맞물리는 각각의 제1 부분을 갖고, 입력 링이 각각의 외부 롤러의 각각의 제2 부분과 접촉하고 그와 맞물리는 외부 표면을 갖고, 외부 롤러의 제1 부분 및 제2 부분 둘 모두가 외부 레이스와 맞물리는 것이고; B는 내부 롤러들이 외부 롤러들보다 길고, 각각의 내부 롤러가 외부 롤러들과 접촉하고 그들과 맞물리는 각각의 제1 부분을 갖고, 입력 링이 각각의 내부 롤러의 각각의 제2 부분과 접촉하고 그와 맞물리는 내부 표면을 갖고, 내부 롤러의 제1 부분 및 제2 부분 둘 모두가 내부 레이스와 맞물리는 것임.

다른 실시예에서, 내부 및 외부 롤러들은 기어 접촉하는 길이를 갖고, 기어들 및 레이스들은 각각의 직경들을 갖고, 이는 입력 링 상의 토크로 하여금 입력 링 상의 토크에 의해 야기되는 분리력을 극복하기에 충분한 내부 및 외부 롤러들의 증가된 반경방향 부하를 야기하게 하도록 선택된다.

다른 실시예에서, 내부 레이스의 외부 표면 및 외부 레이스의 내부 표면 중 적어도 하나는 상이한 나선각(helix angle)을 갖는 2개의 앵글 기어(angled gear) 표면들로 형성된다. 2개의 앵글 기어 표면들은 축방향으로 인접한 구성요소들 상에 위치될 수 있다. 이러한 배열은 구성요소가 유성 기어와의 기어 맞물림 접촉으로 축방향으로 이동될 수 있게 하는 데 사용되어, 조립을 용이하게 할 수 있다.

이들 실시예 중 임의의 것이 조합될 수 있다.

장치 및 방법의 이들 및 다른 태양은 청구범위에 기재된다.

이제 도면들을 참조하여 실시예들이 예로서 설명될 것이며, 도면에서 유사한 도면 부호들은 유사한 요소들을 지시한다.
도 1은 자기 피니언(magnetic pinion)을 갖는 기어박스를 포함하는 모터의 일부분의 단순화된 개략적인 축방향 단부도이다.
도 2는 파선으로 나타낸 전자기 스테이터 자극/포스트(stator pole/post)를 또한 도시하는, 도 1의 모터의 일부분의 단순화된 개략적인 축방향 단부도이다.
도 3은 롤러의 양 축방향 단부들 상에 부분적으로 조립된 스테이터를 갖는, 도 2의 예시적인 실시예의 개략적인 원주방향 단면도이다.
도 4는 내부 피니언보다 큰 외부 피니언을 갖는 기어박스의 예시적인 실시예의 개략 단면도로서, 행당 16개 피니언을 갖고 더 큰 행의 피니언이 자석을 갖는다.
도 5는 내부 피니언보다 큰 외부 피니언을 갖는 기어박스의 예시적인 실시예의 개략 단면도로서, 행당 14개 피니언을 갖고 더 큰 행의 피니언이 자석을 갖는다.
도 6은 내부 피니언보다 큰 외부 피니언을 갖는 기어박스의 예시적인 실시예의 개략 단면도이다.
도 7은 예시적인 기어 패턴을 도시하는 2개의 롤러의 개략적인 측면도이다.
도 8은 낮은 각의 로브 프로파일(lobe profile)의 단순화된 예를 도시하는 도면이다.
도 9는 맞물린 유성 기어들의 단면도이다.
도 10은 맞물린 유성 기어들의 다른 실시예의 단면도이다.
도 11은 내부 링과 외부 링 사이의 경로를 도시하는 중공 롤러를 갖는 예시적인 기어박스의 개략 단면도이다.
도 12는 기어박스의 일 실시예의 등각 정면도이다.
도 13은 도 12의 기어박스의 등각 배면도이다.
도 14는 비대칭형 태양체 입력부를 갖는 기어박스의 등각 절취도이다.
도 15는 도 14의 기어박스의 분해도이다.
도 16은 예시적인 조립 단계를 보여주는 도 14의 기어박스의 절취도이다.
도 17은 기어박스에 대한 시험 시스템의 등각도이다.
도 18은 아이들러 링(idler ring)을 도시하는 예시적인 기어박스의 절취도이다.
도 19는 예시적인 대칭형 기어박스의 등각도이다.
도 20은 도 16의 대칭형 기어박스의 등각 절취도이다.
도 21은 비대칭형 태양체 입력부를 갖는 예시적인 기어박스의 등각 절취도이다.
도 22a 내지 도 22c는 각각 연성 재료로부터 정상적인 형상으로, 얇은 형상으로, 그리고 기어 루트(root)에 절삭부를 갖는 형상으로 형성된 기어의 일부분을 개략적으로 도시한다.
도 23은 2-스테이지 기어박스의 등각 절취도이다.
도 24는 도 23의 2-스테이지 기어박스를 포함하는 액추에이터의 등각 절취도이다.
도 25는 도 24의 액추에이터의 측단면도이다.
도 26은 테이퍼형 롤러를 갖는 기어박스의 개략 측단면도이다.
도 27은 테이퍼형 롤러를 갖는 기어박스의 분해 등각도이다.
도 28은 도 27의 기어박스의 측단면도이다.
도 29는 도 27의 기어박스의 등각도이다.

청구범위에 의해 커버되는 것으로부터 벗어남이 없이 여기에서 설명되는 실시예에 대해 무형의 변경이 이루어질 수 있다.

본 장치의 실시예들은 직접 유성체의 2개의 행들을 통해 내부 고정 링으로부터 외부 출력 링으로 토크를 전달함으로써 유성 캐리어에 대한 필요성을 제거한다. 기어 감속비는 내부 링의 OD와 외부 링의 ID 사이의 차이에 의해 결정되는데, 이때 내부 및 외부 유성체들은 그들 사이의 토크 전달 부하 경로로서 작용한다. 유성체가 궤도를 돌게 됨에 따라, 외부 링은, 예컨대, 대략 3:1 또는 가능하게는 더 낮은, 또는 최대 대략 6:1 또는 가능하게는 더 높은 비로 회전할 것이다. 내부 링의 OD가 외부 출력 링의 ID에 더 가까울수록, 비는 커진다.

여기에 개시된 장치의 실시예는 롤러 및 레이스의 축방향 정렬뿐만 아니라 동일한 원주방향 간격을 제공하는 특징부들의 조합을 사용하여, 게다가 내부 레이스로부터 외부 레이스로의 축방향 정렬을 제공하는 롤러와 레이스의 상호작용에 의해 일부 응용에서 추가 베어링에 대한 필요성을 제거하거나 또는 추가의 베어링의 강도(및 이에 따른 비용 및 중량)를 감소시킨다. 추가로, 여기에 개시된 장치의 실시예는 롤러가 출력 링보다 더 높은 속도로 궤도를 돌고 있기 때문에 롤러 자체가 일정 감속비를 갖는 로터로서 작용하는 별개의 모터 로터에 대한 필요성을 제거하기 위해 롤러에 직접 자기력을 인가하는 구조물을 제공한다. 이는 모터-기어박스 조합의 제조 및 조립을 단순화하는 태양 링 입력에 대한 필요성을 제거한다. 롤러(및 그에 따른 포함된 자석)가 회전하고 있다는 사실은 롤러가 여전히 에어갭(airgap) 및 스테이터에 자속을 제공하기 때문에 상당한 손실이 되는 것으로 여겨지지는 않는다.

장치의 실시예는 기어보다는 구름 접촉과 더 유사하게 작용하고 느끼는 것을 제공하기에 충분히 작고 충분히 다수인 기어 또는 로브(lobe)를 사용한다. 청구범위에서, 용어 "로브"는 또한 용어 "기어"를 포함한다. 로브는 (쐐기와 유사하게 작용하는 기어 치형부를 갖는 기어와는 대조적으로) 반경 방향으로 큰 표면 영역을 제공하는 이점을 갖는다. 일례에서, 로브 또는 기어의 압력각은 20, 30 또는 40 도 초과일 수 있다. 대안적인 구성에서, 높은 앵글 기어가 로브 대신 사용될 수 있다. 헤링본(herringbone) 구성으로 기어 또는 로브를 구성함으로써, 하기를 포함하는 다수의 특징들이 달성될 수 있다: 롤러의 기어-특정된 원주방향 위치설정의 결과로서 원주방향 롤러 간격; 헤링본 헬리컬 기어의 결과로서 레이스에 대한 롤러 및 외부 롤러에 대한 내부 롤러의 축방향 정렬; 및 롤러 상의 헤링본 기어가 다축 (즉, 반경방향 및 축방향 위치) 구속부를 제공하기 때문에, 내부 레이스와 외부 레이스 사이의 베어링에 대한 필요성을 제거하거나 감소시키는 능력. 롤러에 영구 자석을 사용하는 것은 장치의 축방향 단부들 상에 위치된 하나 또는 바람직하게는 2개의 전자기 스테이터가 롤러에 회전 토크 및 운동을 부여하는 방식으로 정류되게 하고, 그렇게 함으로써 외부 링에 토크를 발생시키게 한다. (이러한 비제한적인 실시예에서 내부 링을 고정 기준으로서 사용하면, 외부 링이 고정 기준으로서 사용될 수 있고 내부 링이 출력 링일 수 있다는 것이 이해되더라도, 스테이터/들은 어느 하나가 고정되고 어느 하나가 출력부인지 상관없이 내부 또는 외부 링에 부착될 수 있는 것이 이해된다.)

영구 자석을 포함하는 실시예

유성 캐리어를 갖는 전형적인 종래의 차동 기어는 유성체에 PM을 사용할 수 없는데, 이는 종래의 차동 기어가 피니언 내의 베어링 및 샤프트를 필요로 하기 때문이다. 추가로, (유성체들의 단일 원형 어레이를 갖는) 종래의 유성 기어가 고정 태양 기어와 함께 유성체에 PM을 사용하는 경우, 이는 감속기로서보다는 오히려 증속기로서 작용할 것이다.

도 1에서, 장치(10)의 비제한적인 예시적인 실시예의 단면의 단순화된 개략도가 도시되어 있다. 내부 레이스(12)는 고정 또는 기준 레이스로서 작용하고, 외부 레이스(14)는 출력 부재로서 작용하고, 이들이 궤도를 돌 때, 내부 롤러(16) 및 외부 롤러(18)의 각각의 어레이들은 내부 레이스(12)로부터 외부 레이스(14)로 토크를 부여한다. 롤러가 궤도를 돌도록 하기 위해, 장치의 실시예는 롤러 중 하나 이상, 바람직하게는 도 1에 도시된 바와 같이 내부 및 외부 롤러들 모두에 매설된 영구 자석(20)을 갖는다.

도 2는 파선으로 나타낸 전자기 스테이터 자극/포스트(22)를 갖는 장치(10)의 일 실시예의 단순화된 개략도를 도시한다. 종래의 전기 모터 및 스테이터에, 예를 들어 72개의 스테이터 포스트 및 68개의 롤러가 사용될 수 있는 것과 같이, 다양한 개수의 롤러 및 포스트가 사용될 수 있다. 이러한 비제한적인 예에서 롤러의 개수는 34개의 내부 롤러 및 34개의 외부 롤러를 포함한다. 스테이터는 포스트 또는 에어 코일을 갖는 전자석을 가질 수 있다. 도 3의 단면도가 절단된 곳을 도시하는 단면선 A-A가 도 2에 또한 도시되어 있다. 단면선은 외부 롤러를 통과하지만 내부 롤러들 사이를 절단한다. 에어 코일이 사용되는 경우, 각각의 에어 코일(22)로부터 각각의 인접한 에어 코일(22)로 플럭스(flux)를 운반하기 위해 연자성 재료 백아이언(backiron)(26)을 갖는 것이 바람직하다.

도 3은 롤러의 양 축방향 단부들 상에 부분적으로 조립된 스테이터를 갖는, 도 2의 비제한적인 예시적인 실시예의 개략 단면도이다. (전자기 요소 상의 코일은 도시되어 있지 않다). 영구 자석(20)의 배치는, 2개의 자석이 사용되도록 그리고 이들이 분리 또는 축방향 위치선정 부재(24)를 가로질러 서로 당겨지게 양쪽 단부로부터 외부 롤러들(18) 내에 배치되도록 한다. 이는 자석이 추가의 고정 수단에 대한 필요성 없이 롤러 내에 유지되도록 허용한다. 이는 전자기 스테이터 자극(22)과 상호작용할 때 추진력을 위해 자석의 전체 단부를 제공한다. 자석들을 삽입 및 고정하는 다른 수단이 또한 사용될 수 있다. 내부 롤러는 외부 롤러와 동일하거나 상이한 배열을 사용할 수 있다. 자극을 포함하는 스테이터 요소(여기서는 에어 코일)(22) 및 백아이언(26)을 포함하는 스테이터 요소가 개략적으로 도시된다. 도시된 바와 같이, 스테이터 요소는 장치(10)의 양쪽 축방향 측부들 상에 있을 수 있다. 스테이터는 고정 요소, 여기서 내부 레이스(12)에 부착될 수 있다. 여기서, 스페이서(28)는 백아이언(26)을 내부 레이스(12)에 연결하는 데 사용된다.

축방향 위치선정 부재(24)는 자석들을 분리할 필요가 없다. 부재(24)는 단지 자석들이 함께 이동하는 것을 방지한다. 예를 들어 축방향 위치선정 부재(24)를 형성하기 위해 (플라스틱 기어가 사용되는 경우) 플라스틱의 링에 의해 분리되는 2개의 단순한 원통형 PM을 갖는 것과 같이, 분리되면, 이들 사이에 강철과 같은 연자성 재료의 디스크(112)가 있을 필요가 있다. 이는 비용 및 단순함의 관점에서 바람직한 구성이다.

축방향 위치선정 요소(24)는 바람직하게는 적어도 롤러의 내부 부분(114)(내경부)을 갖는 하나의 피스(piece)로서 성형 또는 제조된다. 전체 롤러는 단일 피스로서 형성될 수 있거나, 롤러의 기어 면은 내부 부분(114)이 삽입되는 하나 이상의 별개의 피스일 수 있다. 강철 디스크(112)와 같은 연자성 재료는 바람직하게는 2개의 자석들 사이의 플럭스 연결 경로로서 사용된다. PM은 또한 연자성 재료 디스크 대신 더 작은 직경의 원통형 단부 섹션을 가질 수 있다. 단순한 원통형 자석들은 구축하기에 덜 고가인 것으로 간주되며, 그들 사이의 플럭스 연결을 위한 강철 디스크 스페이서의 사용은 이러한 디스크가 이상적인 두께로 용이하게 조절되게 한다(반면에, PM은 동일한 공차로 기계가공하는 것이 더 어렵다).

도 1 내지 도 3에 도시된 실시예는 유사한 크기의 피니언(롤러)의 2개의 행을 가지며, 이때 자석이 각각의 행의 피니언 내에 있다. 자석은, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, (하나의 축방향 측부에서 볼 때) 하나의 어레이 내에 모든 N극을 그리고 다른 어레이 내에 모든 S극을 갖는다. 일부 구성은 다른 것들보다 훨씬 더 작은 피니언들의 하나의 어레이를 사용한다. 이 경우에, 자석을 단지 더 큰 피니언에만 두는 것이 더 양호할 수 있다. 이득은 더 작은 반경방향 치수로 인해 더 가벼운 스테이터를 포함한다. 자석은 피니언 크기에 상관없이 하나의 행으로 제한될 수 있다. 도 4 및 도 5에 각각 행당 16 및 14개의 피니언을 갖는 형태로 도시된 예는 자석(20)이 단지 외부 어레이에만 있는 더 큰 외부 롤러(18)를 갖는다.

이러한 단일 행의 자석 구성은 PM 피니언의 단일 어레이 내의 자석들의 교번하는 극성들을 갖는다.

스테이터는 다수의 자극을 가질 수 있다. 각각의 자극은 예를 들어 에어 코일 또는 포스트를 갖는 전자석일 수 있다. 종래의 3상 모터의 경우, 스테이터는 3으로 나뉘어질 수 있는 개수의 자극들을 가질 필요가 있다(스테이터를 지칭할 때 "자극" 또는 "포스트"라는 용어는 각각의 개별 포스트 및 코일, 또는 에어 코일이 사용되는 경우 코일을 지칭한다). 4로 나뉘어질 수 있는 개수의 자극들을 갖는 것이 또한 유용할 수 있고, 따라서 그것이 3으로 나뉘어질 수 있고 4로 나뉘어질 수 있으면, 이는 12로 나뉘어질 수 있다.

로터 포스트의 개수(로터 포스트, 여기서, 자석을 갖는 인접 롤러에 대한 교번하는 극성의 영구 자석을 갖는 롤러의 개수를 말함)는 이어서 스테이터 포스트의 개수에 기초하고, 집중형 권선의 경우, 로터 포스트의 개수는 스테이터 포스트의 개수보다 많거나 또는 그보다 적다. 예를 들어, -2 또는 +2, 그러나 -4 또는 +4가 바람직한데, 이는 이것이 에어 갭 둘레에 자기력을 분배하여 스테이터 상의 굽힘 부하를 감소시키기 때문이다. 다른 차이가 또한 작용할 것이다.

여기서, 로터 포스트의 개수는 자석이 내부에 있는 피니언의 개수이고, 이는 전형적으로 총 피니언 개수 또는 피니언의 행들 중 하나의 행 내의 피니언의 개수이다.

하나의 행의 피니언들 내에 자석들을 갖는 일 실시예에서, 하나의 행 내의 피니언들의 적합한 개수의 예는, 도 4에 도시된 바와 같이, 16이다.

도 1 내지 도 5에 도시된 실시예는 여기에서 태양체가 없는 자가 작동 기어박스로 지칭된다. 이들 실시예는 매우 단순하다. 이들은 각각 단지 하나의 (전형적으로 고정된) 내부 링 및 (전형적으로 출력부에 연결된) 하나의 외부 링을 갖는다. 롤러는 베어링으로서 작용하여, 종래의 베어링에 대한 필요성을 감소시키거나 제거한다. 이는 외골격(exoskeleton)과 같은 고속을 필요로 하는 임의의 것에 대해 단순하고 저비용의 액추에이터이다. 본 출원에 개시된 실시예는, 예를 들어, 미국 특허 출원 공개 제2017/0181916호에 개시된 바와 같은 외골격에 사용될 수 있다.

도 6은 도 5에서보다 피니언 크기의 덜 극한 차이를 갖는, 행당 14개의 피니언을 갖는 실시예를 도시한다. 자석은 도시되어 있지 않다. 이들 실시예 모두는 자석과 함께 또는 자석 없이 사용될 수 있다. 자석이 없는 경우, 입력 힘은 아래에서 설명되고 도시된 바와 같은 입력 기어에 의해 공급될 수 있다.

기어 또는 로브 구성

도 7은 내부 롤러(16) 상의 내부 헤링본 기어 또는 로브(30) 및 외부 롤러(18) 상의 외부 헤링본 기어 또는 로브(32)의 비제한적인 예를 도시한다. 기어 또는 로브(30, 32)는 라인으로 개략적으로 도시되어 있다. 기어 또는 로브(30, 32)는, 이 도면에서 기어들은 약간 분리된 것으로 보이지만, 맞물릴 것이다. 헤링본 기어 또는 로브는 롤러의 축방향 위치설정을 구속하는 것을 돕는다. 축방향 위치설정은 표면 또는 다른 롤러와 동시에 접촉하는 롤러의 상이한 부분에서 상이한 나선각을 갖는 기어 또는 로브의 임의의 사용에 의해 구속될 수 있다. 도 7에 도시된 헤링본 형상은 단지 이러한 것의 일례이다. 하기에 정의된 "압력각"과 구별하기 위해, 본 문단에서 언급되는 각은 로브 피크 또는 골(trough)의 축방향으로부터 멀어지는 각이며, 나선각으로 지칭될 것이다. (로브(30)를 나타내는 선을 축에 평행한 점선에 연결하는 호에 의해 표현되는) 나선각(34)은 본 실시예에서 롤러의 상이한 축방향 부분들에 대해서 대향(opposite)한다. 이러한 대향하는 0이 아닌 각은 상이한 축방향 부분들에 대한 상이한 나선각들의 예이다.

이러한 장치가 가능하게는 견인 표면과 함께 작동하도록 구성될 수 있지만, 예를 들어 도 8에 도시된 바와 같은 로브의 사용은 기어들 사이의 더 높은 각에서 활주하는 것을 방지함으로써 겉보기 마찰 계수를 증가시키는 효과를 가질 것이다. 따라서, 부하 하에 있을 때의 평균 최대 압력각이 로브 또는 기어 면들이 맞물림해제되는 것을 방지하기에 충분히 낮은 한 사인파 프로파일과 같은 높은 유효 압력각 로브가 사용될 수 있다.

높은 유효 압력각 로브 프로파일의 단순화된 예가 도 8에 도시되어 있다. 높은 유효 압력각 로브 기하학적 구조는 반경방향 활성 표면 영역을 증가시킴으로써 높은 구름 접촉 능력을 허용하는 것으로 여겨진다. 증가된 토크로 반경방향 접촉력을 증가시키는 자가 캐밍 효과와 이러한 낮은 유효 압력각 로브 기하학적 구조의 조합은 최소 활주 및 그에 따른 낮은 구름 마찰을 야기할 것으로 예상된다.

높은 유효 압력각 - 종래의 기어박스에서, 높은 압력각은 토크 전달 동안 기어들 사이의 높은 분리력을 야기할 것이다. 장치의 실시예에서, 로브 압력각은 접촉 영역의 유효 마찰 계수를 증가시키기에 충분히 낮아서, 캐밍각이 확립된다. 일단 이러한 임계 유효 마찰 계수(EFC)가 확립되면, 자가 작동 효과는 롤러가 활주 또는 스킵(skip)하기보다는 견인 압력을 증가시키게 할 것이다. 도 8은 롤러와 레이스 사이의 로브 접촉을 도시한다. 점선 곡선은 하부의 롤러의 피치 직경 및 상부의 더 큰 직경 레이스를 나타낸다. 긴 점선 라인(A)은 그것이 비-기어식 계면인 경우 실제 접촉각을 나타내고, 롤러의 축에 대해 반경 방향에 있다. 라인(B)은 롤러가 레이스 상에서 구를 때 로브 맞물림 동안의 최대 압력각을 나타내고, 로브의 표면에 수직이다. 라인(C)은 롤러가 레이스 상에서 구를 때 부하 맞물림 동안의 최소 압력각을 나타내고, 로브의 표면에 수직이다. 토크 전달 동안, 접촉 압력은 한 방향으로 편의되며 그래서 접촉 라인(B)의 반대 방향으로 효과적인 접촉이 없다. 이러한 접촉 패턴의 결과로서, 평균 유효 압력각은 라인들(B, C) 사이의 대략 중간인 라인(D)을 따른다.

WO2013173928A1호(그의 내용이 본 명세서에 참고로 포함됨)에 기술된 바와 같이, 내부 레이스 및 외부 레이스의 각각은 원형일 수 있고 축 상에 중심설정될 수 있다. 견인각(traction angle)(Ø_i)은 하기와 같이 정의될 수 있다: 제1 외부 롤러와 접촉하는 제1 내부 롤러의 각각의 쌍에 대해, 견인각(Ø_i)은 축으로부터 제1 내부 롤러의 중심을 통해 외향으로 연장되는 제1 라인과 외부 레이스와 제1 외부 롤러의 접촉점 및 내부 레이스와 제1 내부 롤러의 접촉점으로부터 연장되는 제2 라인 사이의 각으로 정의된다. 롤러의 궤도 운동은 내부 레이스와 외부 레이스 사이의 차동 운동으로 이어지고, 따라서 토크 힘이 롤러를 통해 내부 레이스와 외부 레이스 사이에서 전달된다. 토크 힘은 인접한 롤러들의 접촉점들 사이에서 전달되고, 따라서 견인각의 접선과 동일한 반경방향 성분에 대한 원주방향 성분의 일정 비를 갖는 견인각으로 전달된다. 따라서, WO2013173928A1호에 기술된 바와 같이, 견인 표면에 대해, 내부 레이스와 내부 롤러 사이의 마찰 계수가 그 각의 접선보다 큰 경우, 반경방향 부하를 증가시키기 위한 큰 프리로드(preload) 또는 임의의 추가 메커니즘을 필요로 하지 않고서, 토크는 토크가 증가함에 따라 견인력을 유지하기에 충분한 반경방향 성분을 발생시킬 것이다. 이는 본 명세서에서 "캐밍 효과"로 지칭되며; 이러한 캐밍 효과를 나타내는 장치는 또한 본 명세서에서 "자가 작동(self energizing)"으로 지칭될 수 있다.

롤러 상의 기어 또는 로브를 사용함으로써, 롤러가 서로에 대해 회전 활주하는 것을 방지하는 자가 작동 효과를 생성하기 위해 마찰 계수에 의존하지 않는다. 그 대신, 기어들 또는 로브들은 롤러들을 서로에 대해 그리고 그들 각각의 레이스들에 대해 타이밍을 맞추는 역할을 한다.

도 7에 도시된 실시예에서, 로브는 실질적으로 롤러의 완전한 반경방향 표면을 덮고, 내부 롤러는 외부 롤러 로브 및 내부 레이스 로브 둘 모두와 맞물리고, 외부 롤러는 내부 롤러 로브 및 외부 레이스 로브 둘 모두와 맞물린다. 그러나, 단지 롤러의 일부분 상에만 로브를 갖는 것이 또한 가능하다. 또한, 인접한 롤러보다 대응하는 레이스와 접촉하는 롤러의 상이한 부분 및 그에 따라 가능하게는 상이한 로브를 갖는 것이 가능하다. 상이한 접촉을 위해 로브, 기어, 또는 견인 표면의 상이한 선택이 또한 있을 수 있다.

기어 치형 프로파일

본 장치의 실시예는 유성체의 2개의 행들 사이의 그리고 유성체들과 레이스들 사이의 기어 접촉을 사용한다. 이러한 기어 접촉은 더 큰 캐밍각 및 잠재적으로 더 높은 토크 전달을 허용한다. 기어 접촉으로 해결될 한 가지 어려운 점은, 기어형 구성요소들 사이의 반경방향 압축이 비결합 운동(non-conjugate motion)을 야기할 수 있고, 맞물린 유성체의 수용 치형부들 사이에서 가압되고 있는 쐐기로서 작용하는 하나의 유성체의 치형부의 쐐기 효과(wedging effect)의 결과로서 높은 마찰 및 코깅(cogging)을 야기할 수 있다는 것이다. 이러한 쐐기 효과는 기어 접촉면들에 대해 평면인 피니언들 사이의 반경방향 힘의 높은 기계적 확대율(mechanical advantage)을 야기하여, 높은 마찰 및 마모를 초래한다. 기어들을 반경방향으로 서로 가압하는 것은 또한, 기계적 확대율이 피니언 회전 동안 기어 치형부 접촉의 상이한 위상들 전체에 걸쳐 변함에 따라 가변 마찰력을 야기할 것이다. 이러한 가변 마찰력은 코깅 및 불규칙한 마모를 초래할 수 있다.

장치를 위한 새로운 기어 치형 프로파일은 구름 접촉에 의해 제공되지 않는 나머지 토크 전달을 제공하는 인벌루트 기어 치형 프로파일과 조합된, 견인 계수에서의 구름 접촉의 조합을 제공한다.

여기에 기술된 바와 같이, 그리고 스퍼 기어와 함께 사용되는 경우, 기어 치형부들 사이의 원통형 구름 접촉 표면의 사용은 기어 접촉의 양을 감소시킬 것이다(즉, 이는 접촉 비를 감소시킬 것이다). 충분히 높은 백분율의 원통형 구름 접촉에서, 1 미만의 기어 접촉 비가 발생할 것이다. 이러한 비까지는, 1 초과의 구름 접촉 비를 달성하는 것이 어렵거나 불가능하다. 여기에 기술된 바와 같은 헬리컬 치형 패턴의 사용은 매끄러운 구름 접촉 및 중단되지 않는 기어식 토크 전달을 위한 연속적인 기어 접촉뿐만 아니라 기어들 사이의 연속적인 구름 접촉을 제공할 수 있다. 롤러들의 상이한 축방향 부분들에 나선형 방향을 갖는 헬리컬 치형부는 헤링본 치형부를 형성할 수 있다.

도 9에 도시된 실시예에서, 예시적인 변형된 인벌루트 형상을 갖는 헬리컬 기어(60)가 유성체의 내부 행에 사용된다. 내부 유성 기어(60)는 외부 유성 기어(62)와 맞물린다. 내부 유성 기어 치형부(64)의 OD는 반드시 변형되지는 않지만, 유성체의 외부 행과 구름 접촉을 제공하기 위해, 내부 유성체 치형부의 루트(66)는 외부 유성체 치형부(68)의 팁과의 원통형 구름 접촉을 제공하도록 원통형 표면(70)으로서 통상적인 것보다 더 크게 생성된다. 외부 유성체 치형부의 루트(74)는 변형되지 않지만, 외부 유성체 치형부(68)의 OD는 종래의 기어 치형 프로파일(76)과 비교하여 단축된 팁으로 생성되고, 팁은 내부 유성체의 루트(66)와 구름 접촉으로 맞물리는 원통형 표면(72)을 갖는다. 이러한 방식으로, 헬리컬 기어 치형 프로파일과 조합될 때, 구름 접촉은 비정상적으로 큰 원통형 표면 영역(70)과 비정상적으로 큰 원통형 표면 영역(72) 사이에서 항상 유지될 수 있고, 기어 접촉이 또한 항상 유지될 수 있다. 이러한 기어 치형 프로파일의 최적화된 구성에서, 기어 면의 인벌루트 형상은 구름 접촉 직경이 두 기어들 모두의 피치 직경으로서 사용되는 결합 기어 운동을 제공하도록 맞춰질 것이다. 이러한 기어 치형 기하학적 구조에 의해, 하나의 기어의 평평한 바닥 루트에 대응하는 영역(78)의 원통형 거리(cylindrical distance)는 다른 기어의 평평한 상부 팁에 대응하는 영역(80)의 원통형 거리와 대략 동일할 것임에 유의한다. 이러한 각거리(angular distance)는 도 10에 좁은 치형부(84)에 의해 도시된 바와 같이 치형부의 각 크기를 감소시킴으로써 증가될 수 있다.

동일한 구름/기어 접촉 원리가 (도 9 및 도 10에 도시되지 않은) 외부 링 기어와의 외부 유성체 맞물림에 적용된다. 이러한 경우에, 외부 링 기어 치형부의 루트는 원통형이고, 종래의 기어에 비해 감소된 ID를 갖는다. 외부 기어의 이러한 원통형 루트는 단축된 외부 유성 기어 치형부의 원통형 OD 상에서 구른다.

내부 고정 링 기어 치형부는, 링 기어 치형부의 루트가 상대적으로 변형되지 않고 내부 고정 링 기어의 원통형 ID가 감소되어 이러한 원통형 표면의 표면 영역을 증가시킴으로써 내부 유성 기어와 맞물린다.

이러한 방식으로(또는 다른 변형예에 의해) 재료가 맞물린 세트 내의 제1 맞물린 기어의 루트에 추가되어 그에 의해 구름 접촉을 위해 원통형 표면 내의 루트 내에 재료를 증가시키는 한편, 제2 맞물린 기어 치형부의 치형부 팁으로부터 재료가 제거되어 제1 기어 상의 치형부의 루트가 제2 기어의 치형부의 팁 상에서 구른다. 이어서, (도 9의 82에 도시된 바와 같이) 제1 기어의 팁과 제2 기어의 루트 사이에 간극이 생성되어, 기어의 피치 직경과 동축이 아닌 이들 팁 및 루트의 상대 운동은 기어 맞물림의 마찰을 증가시키지 않는다.

많은 로봇 응용과 같은 많은 응용의 경우, 일부 백래시는 기어 맞물림의 원주 방향으로 허용되는데, 이는 원통형 구름 표면들 사이의 견인력이 방향 변화 동안 백래시의 느낌을 감소시킬 것이기 때문이다. 이는 기어 치형부의 타이밍 및 축방향 위치를 제공하는 감소된 크기의 기어 치형부와의 낮은 마찰에 의한 토크의 매끄러운 전달을 야기한다. 본 장치의 캐밍 작용은 더 작은 기어 치형부가 토크 전달에 사용되게 하는데, 이는 토크의 일부분이 구름 접촉의 견인력을 통해 전달되기 때문이다.

로브형 기어

사인파 형상 기어 형태를 사용하는 비교적 단순한 기어 치형 프로파일에 의해 합리적인 성과가 나타났었다. 이러한 형상은 순수한 사인파 또는 로브를 형성하는 일련의 연결된 호(arc)들과 같은 근사적인 사인파일 수 있다. 충분히 많은 수의 로브에 의해, 치형부의 높이는, 매끄러운 구름 접촉을 위해 반경 방향으로 로브의 팁 및 루트에 충분한 표면 영역을 제공하면서, 기어 치형부들 사이의 활주 운동을 감소시키기에 충분히 짧다. 예를 들어, 로브 높이는 기어, 예를 들어 내부 롤러 기어 또는 외부 롤러 기어의 반경의 1/20, 1/30 또는 1/40 미만일 수 있다. 높은 나선각의 사용은 접선 방향으로의 일관된 반경방향 접촉 및 일관된 토크 전달 표면 영역을 제공한다. 이러한 로브형 형상이 본 장치의 자가 캐밍 기하학적 구조와 함께 사용될 때, 견인각은 얼마나 많은 토크 전달이 접선방향 접촉에 의해 제공되는지를 그리고 치형부 팁과의 반구름 접촉에서 치형부 루트의 견인을 통해 얼마나 많이 제공되는지를 결정할 것이다.

토크 전달

본 장치의 실시예는 플라스틱으로 구성될 때에도 매우 강성인 토크 전달을 나타낸다. 본 장치의 실시예의 회전 강성 잠재력은 종래의 유성 기어 트레인으로부터 가능한 것보다 훨씬 높은 것으로 여겨진다. 이는 토크가 내부 및 외부 기어들을 통한 거의 직선의 어레이를 통해 내부 기어로부터 외부 기어로 전달되기 때문이다. 이러한 직선 토크 전달은 도 11의 단순화된 FEA 분석에 나타나 있다. 화살표가 도 11에 더 밝은 음영으로 도시된 응력 라인(110)을 표시하기 위해 추가되어 있다.

증가된 반경방향 프리로드는 강성을 증가시킬 수 있지만, 이는 또한 구름 마찰을 증가시킬 것이다. 증가된 구름 마찰이 항상 유익한 것은 아니지만, 그것이 도움이 되는 경우가 있다. 예를 들어, 기계가공 시, 공구 부하 또는 진동의 결과로서 기어박스의 역구동(backdriving)을 방지하는 것이 바람직하다. 안전 브레이크가 필요한 응용과 같은 다른 사용에서, 높은 프리로드가 소정의 역구동 토크 미만에서 기어박스를 역구동가능하지 않게 하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 이는 전류에 의해 맞물림해제되어야 하는 브레이크의 비용 및 복잡성 및 전력 소비를 감소시킨다.

입력 링을 갖는 실시예

일례에서, 기어박스의 자가 작동 부분은 17개의 동일하게 이격된 외부 유성체와 이후에 맞물리는 17개의 동일하게 이격된 내부 유성체와 맞물리는 고정 내부 태양 기어로 구성된다. 이어서, 외부 유성체는 외부 링과 맞물린다. 이러한 스테이지의 입력이 유성체들의 궤도인 한편, 출력은 외부 링의 운동이다. 입력 스테이지는 유성 기어를 사용함으로써 자가 작동 스테이지 내의 유성체들을 구동시킨다. 이러한 스테이지는 태양체를 입력으로서 사용하고, 유성체 회전을 출력으로서 사용하고, 아이들러 외부 링을 사용한다. 45° 나선형 프로파일이 기어 각각에 대한 헤링본 구성에 사용된다.

본 실시예에 사용되는 기어 치형부의 직경 및 개수가 표 1에 나타나 있다.

본 장치의 실시예의 견인 및 기어형 구성이 공개된 특허 출원 WO2013173928A1호에 기재되어 있다. 본 발명은 유성체들을 (원주방향으로 그리고 축방향으로) 동일하게 이격되게 유지하기 위한 효과적인 방식, 비대칭 입력을 통해 부품 개수를 최소화하는 방식/들, 및 내부 또는 외부 유성체 어레이에 대한 비대칭 태양 링 입력을 통해 감속비를 증가시키는 단순화된 방식을 포함하는 이점을 제공하도록 기어형 입력 및 기어 치형 프로파일들 및 구성을 사용하는 구성을 포함한다.

도 12 및 도 13은 각각 기어박스(40)의 일 실시예의 등각 정면도 및 등각 배면도를 도시한다. 알 수 있는 바와 같이, 내부 기어(42) 및 외부 기어(44)가 있고, 내부 기어(42) 상에 헤링본 형상의 기어 치형부(46) 및 외부 기어 상에 맞물린 헤링본 형상의 기어 치형부(48)를 갖는다. 이러한 실시예에서 단지 내부 기어(42)만이 기어박스의 후방으로 연장된다. 외부 레이스(50)는 유성 기어를 구동시키고, 내부 기어(42)는 상이한 크기의 내부 레이스(52, 54)와 접촉하여 하나의 내부 레이스(52)를 다른 내부 레이스(54)에 대해 구동시킨다.

축방향 외향 태양 기어 입력부

유성체와 링 기어 사이의 기어 접촉의 사용은 그들을 원주방향으로 동일하게 이격되게 유지한다. 헤링본 기어 또는 로브 치형부의 사용은 축 방향으로의 기어의 이동을 방지한다. 이는 기어가 내부 고정 기어 및 외부 출력 기어의 반경 방향 및 축(스러스트 베어링) 방향 둘 모두로의 상대 위치에 대한 베어링으로서 사용될 수 있게 한다. 이는 복잡성 및 비용을 감소시키는 이점이다.

헤링본 기어 또는 로브의 이러한 조합의 다른 이점은 기어박스의 반경방향 축을 중심으로 비틀리지 않고서 기어박스의 단지 하나의 측부로부터 내부 또는 외부 유성체들을 구동시키는 능력을 개선하는 것이다. (여기에 이러한 부분 조립 스케치로 도시된 바와 같이) 외부 유성체(92)에 고정된 또는 내부 롤러(94) - 그것이 고정되는 롤러와 동일하거나 상이한 피치 직경을 가짐 - 에 고정된 도 14의 기어(90)를 사용함으로써, 태양 기어(96) 입력의 사용을 통해 감속(또는 역(reverse)의 경우 속도 증가) 비가 증가될 수 있다. 이러한 일방(one-sided) 구동부는 또한, 그가 나선형으로 정렬된 둘 이상의 어레이 대신에 단일 기어 어레이의 사용을 허용하기 때문에, 조립에 유익하다. 이들 헬리컬 기어는 조립 동안 서로 나사결합되어야 하고, 따라서 축 방향으로의 한 세트의 유성체들만 갖는 것은 내부 고정 링 기어 및/또는 외부 출력 기어가 2개의 피스로 제조되고 양쪽 축방향 단부들로부터 서로 나사결합되게 한다.

본 장치의 비제한적인 예시적인 실시예가 조립될 수 있는 방법의 일례에서, 하기는 여기에 기술된 원리에 따라 기하학적 구조가 생성되는 경우에 장치가 조립될 수 있는 한 가지 방식을 기술한다.

조립

도 15 및 도 16a는 각각 도 14의 장치의 분해도 및 절취도이다. 도 14에 나타낸 부품들이 또한 도 15에 있다. 더욱이, 외부 유성체의 임시 정렬을 위한 핀(98); 핀을 수용하기 위한 구멍(102)을 갖는 외부 출력 기어(100); 입력 태양 기어(96)와 조합하는 입력 태양 링(104); 및 고정 태양 기어(108)와 조합하는 고정 태양 링(106)이 있다.

조립 순서는 다음과 같으며, 도 16에 단계 번호를 갖는 박스로 표시된다. 단계(1)에서, 외부 유성체들(92)이 외부 출력 기어(100) 내로 삽입된다. 이들은 설치될 제1 구성요소들이기 때문에, 반경방향 운동을 통해 이들을 넣어 두는 공간이 존재하여 외부 출력 기어 및 외부 유성체가 헤링본 맞물림에도 불구하고 하나의 피스로서 제조될 수 있다. 단계(1A)에서, 핀(98)은 외부 유성체(92) 내의 구멍 및 외부 출력 기어(100) 내의 구멍(102)을 통해 삽입된다. 이들 핀은 임시 정렬을 위한 것이고, 더 이상 필요하지 않을 때 제거될 수 있다. 단계(2)에서, 입력 태양 링(104)이 삽입되고, 외부 유성 기어(92)에 고정된 기어(90)의 제1 반부와 맞물린다. 단계(3)에서, 내부 유성체(94)가 설치된다. 이는 또한 반경방향으로 삽입될 수 있다. 단계(4)에서, 고정 태양 링(106)이 설치되고 내부 유성 기어(94)의 일부분과 맞물린다. 단계(5)에서, 고정 태양 기어(108)가 삽입되고 내부 유성 기어(94)의 다른 부분과 맞물린다. 고정 태양 링(106) 및 고정 태양 기어(108)는 서로 고정될 수 있다. 단계(6)에서, 입력 태양 기어(96)가 삽입되고 입력 태양 링(104)에 고정될 수 있다.

이러한 비제한적인 입증 예시적인 실시예를 동작시키기 위해, 태양체를 돌리고 내부 링을 유지하는 것은 외부 링이 대략 7:1의 감소된 비로 회전하게 할 것이다.

여기에 도시된 바와 같은 외부 피니언 직경보다 큰 기어에 의해 입력된, 여기에 도시된 바와 같은, 태양 기어에 의해 외부 유성체가 구동되는 경우, 고정 링 기어의 OD보다 큰 더 큰 태양 입력 링 기어의 최소 치수를 갖는 것이 바람직하다. 이러한 방식으로, 기어박스의 조립은, 내부 태양 기어 링 부재(2)가 전술된 바와 같이 내부 평면으로부터 외향으로 더 큰 태양 입력 피니언 기어 상에 나사결합된 후에 내부 고정 링의 2개의 반부(4, 5)가 피니언들의 내부 행의 양 측부로부터 서로 "나사결합"될 수 있기 때문에 가능하다. 추가로, 내부 고정 링의 OD가 태양 입력 링의 1/2보다 작은 경우, 태양 입력 링 기어 조립체는 헤링본 프로파일일 수 있어서, 이는 베어링을 필요로 하지 않는다. 태양 입력 링의 내부 반부는 옐로우(yellow) 내부 피니언이 삽입되기 전에 조립체의 내측으로부터 태양 기어 입력 피니언 기어와의 맞물림 상태로 "나사결합"될 수 있고, 이어서 피니언의 내부 (옐로우) 행이 삽입되고 내부 고정 기어 헤링본의 2개의 반부가 양 축방향 단부들로부터 조립된 후에 태양 기어 헤링본의 다른 반부가 태양 기어의 제1 반부에 볼트체결된 외측으로부터 나사결합될 수 있다.

기어 조합

이러한 장치의 잠재적인 이점들이 많지만, 이때, 완벽한 기어 맞물림을 제공하는 공지된 기어 조합은 없다는 것을 본 발명자들이 보여주었다.

지금까지, 유성체 개수 및 유성체와 기어 링 상의 기어 치형부 개수의 1억 이상의 조합이 가능한 완벽한 솔루션이 없이 시험되었다. 이는 가능성들이 적어도 불완전한 가능성들로 좁아지는 것이 필요하였다.

사용가능한 조합을 선택하기 위한 구속조건은 하기를 포함한다:

2:1 초과의 내부 고정 링과 외부 출력 링 사이의 감속비를 제공하기에 충분히 큰 태양체와 외부 링의 직경 차이(유성체의 2개 궤도는 출력 링의 1 이상의 회전을 야기함). 유성체 개수가 최소 5 내지 최대 30의 범위에 있지만, 이러한 범위의 유성체들 이상의 추가 솔루션이 있다.

0.7 mm 초과의 기어 치형 피치(이는 사출 성형을 포함하는 통상의 기어 제조 방법에 의한 제조를 허용하는 것임).

대략 89.25 mm의 외부 링 OD를 상수(constant)로 설정하였고, 기어 직경이 필요에 따라 더 크거나 더 작은 직경으로 스케일링(scaling)될 수 있다는 것을 알고 있다. 응용에 의해. 이러한 직경은 로봇 시장에서 유용한 크기의 하나로 선택되었다.

단지 완벽하지 않은 솔루션만이 발견되었다. 기어 조합에서의 불완전함은 기어 치형부의 불완전한 정렬 또는 맞물린 기어들의 모듈의 불일치 중 어느 하나로서 나타난다. 전형적으로, 유성체의 내부 행은 내부 고정 기어와 잘 맞물릴 것이고, 유성체의 외부 행은 외부 출력 링 기어와 잘 맞물릴 것이지만, 내부 유성체 치형부는 외부 유성체 행 기어들과 오정렬될 것이다. 어느 정도의 오정렬은 재료의 순응성으로 인해 허용될 수 있지만, 오정렬이 커질수록, 기어박스의 토크 전달 능력이 더 낮아지고 기어들 사이의 간섭으로 인해 마찰이 더 커진다.

더욱 더 작은 치형부의 사용은 잠재적인 옵션의 개수를 증가시키지만, 작은 기어 치형부는 제조 및 조립을 더 어렵게 하고 작은 치형부는 또한 일부 경우에 토크 전달을 감소시킬 수 있다.

더 적은 유성체의 사용은 유성체들의 제조성을 증가시키지만, 더 많은 유성체들은 부하가 유성체들 사이에서 공유된다고 가정하면 더 큰 최대 토크를 허용하여 추가 솔루션을 제공한다.

이들 모든 고려사항이 고려되면, 사용가능한 조합의 수는 의외로 낮다. 유성체-대-유성체 맞물림이 주어진 옵션에 대해 얼마나 오정렬되는지를 나타내는 지수와 상이한 옵션을 비교하기 위해 부정확도 지수가 사용되었다.

잠재적으로 사용가능한 구성은 RMS 오차 계수가 0.0004 미만인 그러한 솔루션으로 제한되었고, 하기 표에 나타나 있다. 나타낸 것보다 더 높은 오차 계수가 소정 응용에 적절할 것이다. 더욱이, 도시된 구성은 치형부의 개수를 일정하게 유지하면서 기하학적으로 스케일링될 수 있다.

아래의 표 2에 나타낸 오차 계수는 각도 오차 및 직경 오차 둘 모두를 고려한다. 주어진 비는 입력이 입력 태양체의 회전이고 내부 링이 고정된 상태로 유지되고 외부 링이 출력부인 것으로 가정한다.

(3D 인쇄를 위한) 적어도 1 mm의 기어/로브 치형부를 위해 선택하고 오차 계수를 최소화하여, 알고리즘에 따른 발견 분석(discovery analysis)은 수억 개의 가능성을 반복적으로 검토한 후에 단지 수백 개의 긍정적인 옵션을 생성하였다.

다른 덜 이상적인 옵션이 나타나 있다.

동상(in phase) 및 이상(out of phase) 둘 모두인 기어가 기어 조합에 포함된다. 이상 기어를 포함하는 것은 단지 동상 솔루션과 비교할 때 솔루션의 수를 상당히 증가시킨다. 더욱이, 오차 계수는 이상 솔루션에서 더 낮은 경향이 있다.

시험 스탠드:

출력 토크 능력을 시험하기 위해, 별개의 구성요소들을 설계하고 3D 인쇄하여 기어박스의 고정 및 입력 구성요소에 고정시켰다. 도 17은 레버 아암 상의 질량체를 기어박스에 연결하고 질량체를 들어올리기 위해 필요한 토크를 측정하는 데 사용되는 토크 시험 장비를 도시한다. 도 17에 도시된 바와 같이, 1 ft 레버 아암(112)을 출력 외부 링에 연결하여 기어박스의 출력을 로딩하고, 출력 토크를 부착 지점(114)에 부착된 질량(도시되지 않음)에 아암의 길이를 곱한 것으로서 계산하였다. 렌치(도시되지 않음)를 장치를 통한 토크 전달을 위해 아암의 입력부(116)에 부착하였다.

아이들러 링

도 18에 도시된 바와 같이, 더 큰 기어(90) 상의 더 큰 직경의 외부 유성 기어 치형부 둘레의 아이들러 링(118)이 삽입되어 기어에 동력공급될 때 유성 기어와 입력 태양 기어 치형부 사이의 분리를 방지할 수 있다.

대칭 구성

유성체의 굽힘을 방지하기 위해, 자가 작동 기어는 도 19 및 도 20에 도시된 바와 같이 입력부의 어느 일 측부 상에 위치될 수 있다. 이러한 구성은 유성체가 기어박스의 중심 축에 평행하게 유지되는 것을 보장한다. 외부 입력 링(120)이 양 측부 상에서 고정 링(122)에 의해 둘러싸이고 내부 유성 기어(124)와 맞물려 내부 유성 기어(124)를 구동시킨다. 내부 유성 기어(124) 및 외부 유성 기어(126)는 고정 링(122)에 대해 출력 태양 링(128)을 구동시키기 위해 2개의 행 롤러 시스템을 형성한다.

주 롤러 직경에서의 입력 링 맞물림

도 21은 일방(single-sided) 입력 자가 작동 기어박스의 비제한적인 예시적인 실시예의 등각 절취도를 도시한다. 여기서 고정된 링인 내부 링(130)이 기어형 내부 롤러(132)의 어레이와 접촉한다. 여기서 출력 링인 외부 링(134)이 또한 기어형 외부 롤러(136)의 어레이와 기어 접촉하고, 기어형 외부 롤러(136) 각각은 2개의 기어형 내부 롤러(132)와 접촉한다. 입력 토크가 기어형 입력 링(138)을 사용하여 공급된다. 도시된 실시예에서, 기어형 입력 링(138)은 외부 롤러와 기어 접촉하는 반경방향 외향 대면 부분을 갖는다. 본 실시예에서, 외부 롤러(136)는 내부 롤러(132)와 맞물리는 제1 부분(140) 및 입력 링(138)과 맞물리는 제2 부분(142)에서 동일한 직경을 갖는다. 제1 부분(140) 및 제2 부분(142) 둘 모두는 외부 링(134)과 맞물린다. 여기서, 제1 및 제2 부분들은 롤러(136)의 각각의 단부를 포함하지만, 도 20에 도시된 것과 같은 대칭 배열이 또한 사용될 수 있다. 외부 링 기어와 외부 롤러의 그의 길이 전체를 따른 맞물림은 롤러들이 정렬되게 유지하도록 돕는다. 도시된 실시예에서, 단일 기어 맞물림이 제1 부분(140) 및 제2 부분(142) 둘 모두를 커버하지만, 이들 부분은 또한 별개의 기어 맞물림을 가질 수 있다. 도시된 실시예는 직선 절단 기어(straight cut gear)를 갖지만 헬리컬 기어가 또한 사용될 수 있고, 전술된 바와 같은 헤링본 기어가 또한 사용될 수 있다.

토크가 입력 링(138)에 인가될 때, 각각의 롤러에 대한 그의 개별 축을 중심으로 하는 회전 토크 전달에 더하여, 외부 롤러(136)로 전달되는 비틀림 부하(torsional twisting load)가 존재한다. 롤러의 2개의 행을 통해 내부 링(130)과 외부 링(134) 사이의 자가 작동(또는 캐밍) 효과의 결과로서, 롤러의 2개의 행 상의 기어 및 내부 링(130)과 외부 링(134)은 장치의 토크 출력이 증가함에 따라 비례하여 더 강한 맞물림으로 강제된다. 외부 기어형 롤러의 소정의 길이 및 소정 감속비에서, 기어들이 서로 맞물리게 하는 자가 작동 효과는 입력 태양 기어(138)로부터의 입력의 비틀림 효과보다 외부 롤러에 대해 더 큰 직선화 효과를 가질 것이다. 최장 롤러의 길이는 축 방향으로의 장치의 전체 폭에 대응할 수 있다. 폭과 감속비의 이러한 조합은, 내부 링(130)으로부터 외부 링(134)으로 전달되는 출력 토크의 결과 - 이는 기어들이 비틀어지게 할 수 있는, 기어들이 맞물림해제되게 하는 기어들의 분리력보다는 오히려 기어들이 맞물리도록 미는 캐밍 효과를 야기함 - 로서, 토크가 입력 기어(138)에 가해질 때 외부 링(134)과 외부 롤러(136)의 맞물림이 외부 롤러(136)를 직선화하는 것을 보장하도록 당업자에 의해 계산될 수 있다. 기어박스의 기어비 때문에, 입력 기어(138)에 대한 입력 토크는 유성체(136, 132)를 통해 전달되는 토크보다 상당히 더 낮을 것이다. 7:1의 비로, 입력 토크는 출력 토크의 대략 1/7일 것이다. 결과적으로, 외부 유성체(136) 내의 우세한 힘은 내부 링(130)으로부터 외부 링(134)으로의 토크 전달로 인한 부하일 것이다. 캐밍 효과로부터의 반경방향 부하 성분은 외부 유성체(136)의 접촉하는 기어 치형부가 외부 링(134) 내의 대응하는 기어 치형부 내로 반경방향으로 가압되는 것을 보장한다. 이러한 반경방향 부하는 입력 기어(138)로부터의 입력 토크로 인한 비틀림 효과에 대항하는 직선화 효과를 야기한다. 이러한 효과는 기어 내의 반경방향 부하의 결과적인 증가로 인한 더 높은 캐밍각 또는 기어 치형부에서의 더 높은 압력각에 의해 더 강하다.

피니언 길이 대 피니언 직경의 종횡비가 클수록, 기어는 태양 링 입력으로부터의 비틀림력의 결과로서 비틀릴 가능성이 더 적다. 이러한 관계는 두 가지 이유로 존재한다. 대체적으로 말하면, 주어진 기어박스 OD와 폭에 대한 종횡비가 클수록, 피니언 직경은 더 작아지고 그에 따라 감속비가 더 커진다. 대체적인 경향으로, 감속비가 높을수록, 태양체의 입력에 의해 발생되는 감소된 비틀림력과 비교하여 피니언과 링 사이에 더 깊은 맞물림을 생성하는 데 사용될 수 있는 피니언에 대한 반경방향 힘은 태양 링 입력에서 더 낮은 토크를 필요로 하는 증가된 감속비 때문에 더 커지고, 그에 따라서 정렬 효과가 더 커진다. 이러한 이유로, 본 발명자에 의해, 1:1, 1.5:1, 2:1, 2.5:1, 3:1, 3.5:1, 4:1 초과의 피니언 길이 대 직경 비는 기어박스가 태양 입력부로부터 출력 링으로 토크를 전달하고 있을 때 피니언이 자가 정렬되게 하기에 적합하다고 여기진다.

대안적인 배열에서, 외부 링(134)은 고정될 수 있고 내부 링(130)은 출력부로서 사용될 수 있다. 이러한 배열은, 기어 비가 1 만큼 감소되고 출력 방향이 역전되더라도 동일한 방식으로 작동할 것이다. 또한, 외부 링 및 내부 링 둘 모두는 이동가능할 수 있고, 기어박스는 이들 사이의 차이를 출력으로서 제공할 것이며, 이때 기어비는 내부 링과 외부 링의 이동에 좌우된다.

다른 가능성은 공구 출력 장치로서 자가 작동 기어박스를 사용하는 것이다. 구체적으로, 모터가 태양 기어 입력부에 부착되고, 내부 링이 시계방향으로 회전하는 샤프트에 부착되고 외부 출력 링이 반시계방향으로 회전하여야만 하는 샤프트에 부착되는 경우, 역전 차동 조인트가 생성될 수 있다.

예를 들어 외부 롤러 및 입력 링과 각각 맞물리는 제1 및 제2 부분들을 갖는 내부 롤러(132)의 외측과 입력 링이 맞물리는 경우 - 둘 모두의 부분들은 내부 링(130)과 맞물림 -, 동일한 원리가 적용될 것임이 이해된다.

이러한 설계는 직선 절단 기어 치형부, 헬리컬 기어 치형부, 로브, 또는 다른 프로파일을 이용할 수 있다.

전술된 것과 유사한 직선 절단 기어 치형부 설계는, 헤링본 설계와 비교할 때 상당히 더 낮은 부품 개수, 및 기어가 일측으로부터 조립체 내로 삽입되게 하는 설계에 의해, 조립에 유리할 수 있다.

직선 절단 기어 치형부 설계는 헤링본 설계와 같은 유성체에 대한 축방향 구속부를 갖지 않고, 따라서 유성체를 축방향으로 구속하기 위한 일부 메커니즘을 필요로 한다. 이러한 설계는 유성체가 기어박스 외부로 축방향으로 부유하는 것을 방지하기 위해 어느 한 축방향 단부 상에 펜스(도 21에 도시되지 않음)를 사용한다. 유성체의 축방향 단부를 크라우닝(crowning)하고 윤활을 부가함으로써, 마찰로 인한 손실은 최소화된다.

부하 공유

전형적인 유성 기어박스에서, 3 초과의 유성체의 수는 매우 정밀한 공차 없이 부하를 고르게 공유하지 않을 것으로 예상된다. 자가 작동 기어박스는 3개 초과의 유성체 쌍들을 가지며, 유성체의 추가 강도를 가장 잘 사용하기 위해 부하 공유가 존재하는 것을 보장하기 위한 일부 메커니즘을 가져야 한다. 이러한 기어박스가 이용할 수 있는 몇몇 메커니즘이 있는데, 여기에 기술된 몇몇 비제한적인 메커니즘은 이러한 기어박스의 비정상적인 부하 분포를 이용한다.

자가 작동 기어박스에서의 부하 공유의 하나의 비제한적인 메커니즘은 유성체, 내부 링 또는 외부 링, 또는 이들의 임의의 조합의 반경방향 가요성이다. 전술된 유성체들의 캐밍 효과 때문에, 외부 링과 유성체와 내부 링 사이에서 전달되는 기어박스 내의 강한 반경방향 부하 성분이 존재한다. 이들 기어 중 임의의 것이 반경방향 가요성을 갖는 경우, 기어는 캐밍 효과의 반경방향 부하 하에서 압축될 수 있을 것이다. 이러한 가요성 때문에, 다수의 유성체들의 공차 대역(tolerance band)이 취해질 수 있어서, 유성체들이 부하를 공유하게 할 수 있다. 이러한 반경방향 가요성은 얇은 벽, 더 낮은 재료 강성, 또는 치형부들 사이의 반경방향 슬롯과 같은 기어 치형부 루트 연장부를 포함하지만 이로 제한되지 않는 다수의 특징부 또는 파라미터로부터 비롯될 수 있다.

부하 공유 메커니즘과 상관없이, 반경방향(캐밍) 부하가 높을수록, 더 큰 부하 공유 효과로 인해 유성체 부하는 더 유사하다. 더 높은 반경방향 부하가, 기어 치형 기하학적 구조의 더 높은 압력각뿐만 아니라 유성체 접촉의 더 높은 캐밍각과 함께 존재한다.

다른 부하 공유 메커니즘은 기어박스의 2-레벨 유성체 구조에 기인한다. 유성체들이 서로 캐밍됨에 따라, 내부 유성체와 외부 유성체 사이의 로딩되지 않은 유성체-유성체 맞물림은 로딩된 유성체-유성체 맞물림을 안정화시키도록 작용한다. 결과적으로, 제자리에 "로킹(locking)"되도록 충분히 높은 반경방향 부하를 발생시키기 전에 유성체 위치에서 작은 양의 시프트가 존재하는 것으로 여겨진다. 이러한 효과는 유성체들 사이의 부하 공유를 증가시킬 것으로 예상되고, 더 낮은 압력각과 함께 더 강한 효과일 것으로 예상된다.

부하 하에서 자가 작동 기어박스 상의 응력 분포는 이들 구성요소 상에 반경방향 부하를 유도할 것이다. 이러한 반경방향 부하는 이들 구성요소를 추가로 변형시키고 자가 작동 구성요소를 변형에 더 취약하게 함으로써 이들이 부하 공유를 더 잘하게 하는 데 사용될 수 있다. 이는 자가 작동 구성요소들(즉, 외부 링, 유성체 및 내부 링)의 전체 강성을 감소시킴으로써 달성될 수 있다. 3가지 상이한 방법이 강성의 이러한 유형의 변화를 달성하도록 구현될 수 있다(도 22a 내지 도 22c). 제1 방법은 재료 강성의 변화를 사용하여 그러한 구성요소들의 전체 강성을 감소시키는데, 이는 구성요소들이 동일한 반경방향 부하 하에서 더 많이 변형될 수 있을 뿐만 아니라 기어 치형부가 받고 있는 동일한 접선방향 부하 하에서 변형되기 쉬워질 것임을 의미한다. 반경방향 및 접선방향 부하에 의해 야기되는 변형은 더 효율적인 부하 공유 및 전체적인 더 강성인 기어박스에 대하여 유리할 것이다. 충분히 낮은 강성의 정도는 기어 공차에 좌우될 것이다. 도 22a는 더 낮은 강성 재료로 형성될 수 있는 공칭 두께 기어(150)의 예시적인 부분을 도시한다. 제2 방법은 기하학적 접근법(예컨대, 얇은 벽)을 사용하여 이들 구성요소의 전체 강성을 변화시킨다. 이는 구성요소를 덜 강성으로 만들 것이고 소정 반경방향 부하 하에서 변형에 더 민감하게 만들 것이다. 도 22b는 더 얇은 벽의 기어(152)의 예시적인 부분을 도시한다. 제3 방법은 벽 두께가 공칭 크기로 유지되지만 치형 기하학적 구조가 루트 상에 반경방향 슬롯을 갖도록 변경된 또 다른 기하학적 접근법을 사용한다. 본 방법에서, 반경방향 부하 및 접선방향 부하 둘 모두는 더 효과적인 부하 공유를 허용하는 기어 가요성에 영향을 미친다. 도 22c는 루트 상에 반경방향 슬롯(156)을 갖는 공칭 두께 기어(154)의 예시적인 부분을 도시한다.

개시된 설계는 입력이 입력 링에 의해 공급될 때 유성 캐리어 및 베어링에 대한 필요성을 제거할 수 있고, 원주방향 위치는 기어에 의해 제공되고, 축방향 위치는, 예를 들어, 펜스, 테이퍼형 롤러에 의해, 또는 상이한 앵글 기어를 갖는 부분에 의해 제공될 수 있다.

유성 캐리어 및 베어링에 대한 필요성을 제거함으로써, 이들 위치선정 요소의 공차 누적(stack-up)이 제거된다. 이는 링 기어와 3개 초과의 유성 기어의 훨씬 더 일관된 맞물림을 허용한다.

제거된 공차 누적 요소는 유성 캐리어 핀의 위치를 포함한다. 유성 캐리어의 동심도(concentricity), 베어링의 런아웃(runout), 및 기어의 피치 원과의 피니언 각각의 베어링 보어의 편심도.

이들 공차 누적 인자를 제거하는 것에 더하여, 반경방향 가요성이 다수의 상이한 방식으로 설계 내에 도입될 수 있다. 반경방향 가요성을 도입하는 것은 피니언 크기의 변동에 기인하는 피니언들 사이의 부하 변동을 감소시키는 효과를 갖는다.

또한, 유성 캐리어를 제거한 결과로서, 예를 들어, 유성체는 중공일 수 있고 따라서 반경방향으로 가요성일 수 있다.

2-스테이지 기어박스

전술된 바와 같은 기어박스는 도 23 내지 도 25에 도시된 바와 같이 2-스테이지 기어박스로 제조될 수 있다. 도 23은 예시적인 2-스테이지 기어박스(160)의 등각 절취도이다. 도 23에 도시된 바와 같이, 외부 하우징(162)은 두 스테이지들 모두를 위한 공통 외부 고정 기어로서 작용한다. 입력 링(164)은 제1 스테이지 외부 기어(168)와 맞물리는 외부 표면(166)을 갖는다. 제1 스테이지 내부 기어(170)는 제1 스테이지 내부 링(172)과 맞물려 내부 링(172)을 외부 하우징(162)에 대해 구동시킨다. 이러한 제1 스테이지 내부 링은, 제2 스테이지 외부 기어(178)와 맞물리는 외부 표면(176)을 갖는 제2 스테이지 입력 기어(174)에 연결되고, 그와 하나의 피스로 형성될 수 있다. 제2 스테이지 내부 기어(180)는 내부 출력 기어(182)와 맞물려서 외부 하우징(162)에 대해 내부 출력 기어(182)를 구동하고, 이러한 차동 이동(differential movement)은 2-스테이지 기어박스의 출력을 제공한다.

도 24는 도 23에 도시된 2-스테이지 기어박스를 사용하는 액추에이터를 도시한다. 도 23에 도시된 구성요소에 더하여, 도 24는 입력 링(164)에 연결된 플랜지(184) 및 외부 하우징(162)에 연결된 내부 하우징 구성요소(163)를 도시한다. 도시되지 않은 전기 모터 로터 및 스테이터가 플랜지(184) 및 내부 하우징(163)에 연결되어 내부 하우징 구성요소(163)에 대해 플랜지(184)를 구동하여 2-스테이지 기어박스를 구동시킬 수 있다. 내부 출력 기어(182)에 연결된 출력 캡(186) 및 외부 하우징(162)에 연결된 고정 외부 캡(188)이 도 24에 또한 도시되어 있다. 도 25는 도 24의 실시예의 측단면도를 도시한다.

스테이지 1의 외부 링 기어가 스테이지 2의 다른 외부 링 기어와 피치 직경 및 치형부 개수가 동일하고 하나의 피스인 경우, 제1 스테이지로부터의 내부 링 기어는 제2 스테이지의 입력 기어에 연결되고, 제2 스테이지의 내부 링 기어는 제2 스테이지의 출력부가 된다.

내부 링 기어가 두 스테이지들 모두에 의해 공유되면, 제1 스테이지의 외부 링 기어는 제2 스테이지의 입력 기어에 링크되고, 제2 스테이지의 외부 링 기어는 장치의 출력부가 된다. 둘 초과의 스테이지가 이러한 방식으로 연결될 수 있다.

테이퍼형 실시예

일방 자가 작동 기어박스의 다른 예시적인 실시예는 도 26 내지 도 29에 도시된 테이퍼형 설계이다. 이러한 설계에서, 더 기본적인 일방 기어박스 설계의 원통형 기어 치형부는 테이퍼형 기어로 대체되는데, 기어 접촉은 전술된 바와 동일하게 유지되지만 테이퍼져 있다.

기어가 테이퍼지게 함으로써, 유성체가 축방향으로 구속되고 백래시가 도 26에 도시된 위치에서 심(shim)을 조절함으로써 감소되거나 제거될 수 있다. 달리, 기어박스는 테이퍼형이 아닌 형태와 동일한 방식으로 기능할 것이다.

테이퍼형 기어 프로파일은 현재 호빙(hobbing) 또는 스카이빙(skiving)과 같은 전통적인 기어 제조 방법에 의해 제조하기가 어렵다. 이와 같이, 사출 성형, 표면 밀링, 분말형 야금, 또는 기어 압연(gear rolling)과 같은 그러나 이로 제한되지 않는 다른 방법이 사용될 것이다. 이들 테이퍼에 의한 제조 한계로 인해 부품 개수의 잠재적인 증가가 또한 존재한다.

테이퍼형 또는 비-테이퍼형 치형 프로파일 중 어느 하나는 직선형 또는 헬리컬 기어 또는 로브를 사용할 수 있다. 제조 방법으로 인해 테이퍼형 기어에 대해 나선각을 사용하는 것 또는 강도 또는 노이즈를 최적화하는 것이 유익할 수 있다.

도 26은 제조 및 조립 고려사항으로 인해 기어 구성요소가 어떻게 분할되는지를 그리고 심이 삽입될 수 있는 위치를 도시하는 테이퍼형 헬리컬 자가 작동 기어박스의 개략 단면도를 도시한다. 이는, 통상 내부 및 외부 기어들이 동일한 원주방향 위치에서 내부 및 외부 레이스들과 맞물리지 않을 것이기 때문에 진정한 단면이 아니라는 것에 유의한다. 본 실시예에서의 외부 레이스(200)는 내부 기어(208)에 대응하는 축방향 위치에서 외부 기어(206)와 접촉하는 제1 구성요소(202)와, 입력 기어(210)에 대응하는 축방향 위치에서 외부 기어(206)와 접촉하는 제2 구성요소(204)로 분할된다. 내부 레이스(212)는 또한 구성요소들(214, 216)로 분할되는 것으로 도시된다. 외부 심(218)이 외부 레이스(200)의 구성요소들(202, 204) 사이에 도시되고 내부 심(220)이 내부 레이스의 구성요소들(214, 216) 사이에 도시되어 있다.

사출 성형이 제조 방법으로 선택되는 경우, 사출 성형을 사용하는 제조를 용이하게 하기 위해, 더 긴 (외부) 기어는 또한 그의 목부(222)에, 도시되지 않은, 분할부(split)를 가질 수 있다.

도 27은 외부 레이스의 제1 구성요소(202)가 2개의 추가 구성요소들(202A, 202B)로 분할된 것으로 여기에 도시되어 있는 추가 변경을 갖는, 도 26에 개략적으로 도시된 바와 같은 기어박스의 등각 분해도를 도시한다.

도 28은 외부 롤러가 제거된, 도 27의 기어박스의 측면 절취도이다. 도 29는 도 27의 기어박스의 등각도이다.

테이퍼형 기어는 직선형 또는 헬리컬 - 헤링본 포함 - 기어와 함께 사용될 수 있다. 테이퍼는, 일부 축방향 위치를 제공하는 것에 더하여, 심에 의한 백래시 조절을 허용한다. 헤링본 치형부는 피니언 및 링 기어의 더 정밀한 실질적인 축방향 위치설정을 허용한다. 함께 사용되는 경우, 모든 이점들이 실현되지만, 일부 응용은 어느 하나로부터 이익을 얻을 것이다.

예를 들어 도 21에 도시된 바와 같이, 치형부가 맞물리고 그에 따라서 기어 축의 비틀림을 제거하게 하는 자가 작동 효과로 인해, 일방(비대칭) 입력이 헤링본 또는 테이퍼형 치형부 없이 가능하다.

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 (30)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 변속 장치로서,
   외부 표면을 갖고 축을 한정하는 내부 레이스;
   내부 표면을 갖고 상기 내부 레이스와 동축인 외부 레이스;
   상기 내부 레이스의 외부 표면과 기어 접촉하는 내부 롤러들 및 상기 외부 레이스의 내부 표면과 기어 접촉하는 외부 롤러들을 포함하고, 각각의 그리고 모든 내부 롤러는 2개의 외부 롤러들과 기어 접촉하고, 각각의 그리고 모든 외부 롤러는 2개의 내부 롤러들과 기어 접촉하는, 한 세트의 궤도 롤러들; 및
   상기 내부 레이스의 외부 표면 및 상기 외부 레이스의 내부 표면 중 적어도 하나는 상이한 나선각(helix angle)을 갖는 2개의 앵글 기어(angled gear) 표면들로 형성되고;
   상기 내부 레이스 및 외부 레이스와 동축이고 상기 내부 롤러들과 또는 상기 외부 롤러들과 기어 접촉하는 입력 링을 포함하는, 변속 장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 2개의 앵글 기어 표면들은 축방향으로 인접한 구성요소들 상에 위치되는, 변속 장치.
8. 제7항에 있어서, 상기 2개의 앵글 기어 표면들은 함께 헤링본(herringbone) 기어 표면을 형성하도록 대향(opposite) 나선각을 갖는, 변속 장치.
9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 입력 링은 각각의 입력 앵글 기어 표면을 각각 갖는 2개의 축방향으로 인접한 구성요소들로 형성되고, 상기 각각의 입력 앵글 기어 표면들은 상이한 나선각을 갖는, 변속 장치.
10. 제9항에 있어서, 상기 입력 앵글 기어 표면들은 함께 헤링본 기어 표면을 형성하도록 대향 나선각을 갖는, 변속 장치.
11. 변속 장치를 조립하는 방법으로서,
    외부 레이스의 내부 표면과 기어 접촉 상태로 한 세트의 외부 궤도 롤러들을 배치하는 단계;
    상기 외부 궤도 롤러들과 기어 접촉 상태로 한 세트의 내부 궤도 롤러들을 배치하는 단계 - 각각의 그리고 모든 내부 궤도 롤러는 2개의 외부 궤도 롤러들과 기어 접촉하고, 각각의 그리고 모든 외부 궤도 롤러는 2개의 내부 궤도 롤러들과 기어 접촉함 -;
    상기 내부 궤도 롤러들과 기어 접촉 상태로 그리고 상기 외부 레이스와 동축으로 내부 레이스의 제1 구성요소를 배치하는 단계 - 상기 제1 구성요소는 제1 앵글 기어 표면을 가짐 -;
    상기 내부 궤도 롤러들과 기어 접촉 상태로 그리고 상기 외부 레이스와 동축으로 내부 레이스의 제2 구성요소를 배치하는 단계 - 상기 제2 구성요소는 제2 앵글 기어 표면을 갖고, 상기 제1 앵글 기어 표면 및 상기 제2 앵글 기어 표면은 상이한 나선각을 가짐 -; 및
    상기 외부 궤도 롤러들과 기어 접촉 상태로 그리고 상기 외부 레이스와 동축으로 입력 기어를 배치하는 단계를 포함하는, 방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 제1 앵글 기어 표면 및 상기 제2 앵글 기어 표면은 함께 헤링본 기어 표면을 형성하도록 대향 나선각을 갖는, 방법.
13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 입력 기어는 제1 앵글 입력 기어 표면을 갖는 제1 입력 기어 구성요소 및 제2 앵글 입력 기어 표면을 갖는 제2 입력 기어 구성요소를 포함하고, 상기 외부 궤도 롤러들과 기어 접촉 상태로 그리고 상기 외부 레이스와 동축으로 입력 기어를 배치하는 단계는 상기 외부 궤도 롤러들과 동축으로 그리고 상기 제1 앵글 입력 기어 표면이 상기 외부 궤도 롤러들과 기어 접촉 상태로 상기 제1 입력 기어 구성요소를 배치하는 단계, 및 상기 외부 궤도 롤러들과 동축으로 그리고 상기 제2 앵글 입력 기어 표면이 상기 외부 궤도 롤러들과 기어 접촉 상태로 상기 제2 입력 기어 구성요소를 배치하는 단계를 포함하고, 상기 제1 앵글 입력 기어 표면 및 상기 제2 앵글 입력 기어 표면은 상이한 나선각을 갖는, 방법.
14. 제13항에 있어서, 상기 제1 앵글 입력 기어 표면 및 상기 제2 앵글 입력 기어 표면은 함께 헤링본 입력 기어 표면을 형성하도록 대향 나선각을 갖는, 방법.
15. 제13항에 있어서, 상기 제1 앵글 입력 기어 표면은 상기 외부 궤도 롤러들과 기어 접촉 상태로 상기 한 세트의 내부 궤도 롤러들을 배치하는 단계 전에 상기 외부 궤도 롤러들과 기어 접촉 상태로 배치되고, 상기 제2 앵글 입력 기어 표면은 상기 내부 궤도 롤러들과 기어 접촉 상태로 상기 내부 레이스의 제1 및 제2 구성요소들을 배치하는 단계 후에 상기 외부 궤도 롤러들과 기어 접촉 상태로 배치되는, 방법.
16. 변속 장치를 조립하는 방법으로서,
    내부 레이스의 외부 표면과 기어 접촉 상태로 한 세트의 내부 궤도 롤러들을 배치하는 단계;
    상기 내부 궤도 롤러들과 기어 접촉 상태로 한 세트의 외부 궤도 롤러들을 배치하는 단계 - 각각의 그리고 모든 외부 궤도 롤러는 2개의 내부 궤도 롤러들과 기어 접촉하고, 각각의 그리고 모든 내부 궤도 롤러는 2개의 외부 궤도 롤러들과 기어 접촉함 -;
    상기 내부 궤도 롤러들과 기어 접촉 상태로 그리고 상기 내부 레이스와 동축으로 외부 레이스의 제1 구성요소를 배치하는 단계 - 상기 제1 구성요소는 제1 앵글 기어 표면을 가짐 -;
    상기 외부 궤도 롤러들과 기어 접촉 상태로 그리고 상기 내부 레이스와 동축으로 외부 레이스의 제2 구성요소를 배치하는 단계 - 상기 제2 구성요소는 제2 앵글 기어 표면을 갖고, 상기 제1 앵글 기어 표면 및 상기 제2 앵글 기어 표면은 상이한 나선각을 가짐 -; 및
    상기 내부 궤도 롤러들과 기어 접촉 상태로 그리고 상기 내부 레이스와 동축으로 입력 기어를 배치하는 단계를 포함하는, 방법.
17. 제16항에 있어서, 상기 제1 앵글 기어 표면 및 상기 제2 앵글 기어 표면은 함께 헤링본 기어 표면을 형성하도록 대향 나선각을 갖는, 방법.
18. 제16항 또는 제17항에 있어서, 상기 입력 기어는 제1 앵글 입력 기어 표면을 갖는 제1 입력 기어 구성요소 및 제2 앵글 입력 기어 표면을 갖는 제2 입력 기어 구성요소를 포함하고, 상기 내부 궤도 롤러들과 기어 접촉 상태로 그리고 상기 내부 레이스와 동축으로 입력 기어를 배치하는 단계는 상기 내부 궤도 롤러들과 동축으로 그리고 상기 제1 앵글 입력 기어 표면이 상기 내부 궤도 롤러들과 기어 접촉 상태로 상기 제1 입력 기어 구성요소를 배치하는 단계, 및 상기 내부 궤도 롤러들과 동축으로 그리고 상기 제2 앵글 입력 기어 표면이 상기 내부 궤도 롤러들과 기어 접촉 상태로 상기 제2 입력 기어 구성요소를 배치하는 단계를 포함하고, 상기 제1 앵글 입력 기어 표면 및 상기 제2 앵글 입력 기어 표면은 상이한 나선각을 갖는, 방법.
19. 제18항에 있어서, 상기 제1 앵글 입력 기어 표면 및 상기 제2 앵글 입력 기어 표면은 함께 헤링본 입력 기어 표면을 형성하도록 대향 나선각을 갖는, 방법.
20. 제18항에 있어서, 상기 제1 앵글 입력 기어 표면은 상기 내부 궤도 롤러들과 기어 접촉 상태로 상기 한 세트의 외부 궤도 롤러들을 배치하는 단계 전에 상기 내부 궤도 롤러들과 기어 접촉 상태로 배치되고, 상기 제2 앵글 입력 기어 표면은 상기 외부 궤도 롤러들과 기어 접촉 상태로 상기 외부 레이스의 제1 및 제2 구성요소들을 배치하는 단계 후에 상기 내부 궤도 롤러들과 기어 접촉 상태로 배치되는, 방법.
21. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내부 및 외부 롤러들은 루트(root)에 반경방향 슬롯들을 갖는 기어 프로파일들을 갖는, 변속 장치.
22. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내부 및 외부 롤러들은 중공인, 변속 장치.
23. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내부 및 외부 롤러들은 상기 기어들이 형성될 때의 한 세트의 공차들을 고려하여 부하를 공유하도록 상기 기어들이 변형되게 하기에 충분히 낮은 강성을 갖도록 선택되는 재료로 형성되는, 변속 장치.
24. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내부 및 외부 롤러들은 각각 적어도 2개의 상이하게 테이퍼형 부분들로 형성되는, 변속 장치.
25. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 청구된 변속 장치를 복수 개 포함하는 변속 장치로서, 제1 스테이지 이외의 각각의 스테이지의 내부 레이스가 연속하는 스테이지의 입력 링에 연결되도록 하는 스테이지들로서 배열되는, 변속 장치.
26. 제25항에 있어서, 상기 연속하는 스테이지들의 외부 레이스들은 서로 연결되는, 변속 장치.
27. 제26항에 있어서, 상기 복수의 스테이지들의 외부 레이스들은 동일한 피치 직경 및 치형부 개수를 갖는, 변속 장치.
28. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 청구된 변속 장치를 복수 개 포함하는 변속 장치로서, 다른 각각의 스테이지의 외부 레이스가 연속하는 스테이지의 입력 링에 연결되도록 하는 스테이지들로서 배열되는, 변속 장치.
29. 제28항에 있어서, 상기 연속하는 스테이지들의 내부 레이스들은 서로 연결되는, 변속 장치.
30. 제29항에 있어서, 상기 복수의 스테이지들의 내부 레이스들은 동일한 피치 직경 및 치형부 개수를 갖는, 변속 장치.

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