KR102503654B1 - 개선된 고토크 트랜스미션 - Google Patents

Abstract

웜 드라이브는 웜과 웜휠을 가진다. 메쉬 조립체는 볼과 볼의 일부를 수용하는 컵을 각각 포함하는 웜휠에 대해 형성된다. 각각의 컵은 휠의 주연부에 대해 웜 드라이브에 대해 예각으로 배향된다. 웜은 웜휠의 주변부를 보완하는 테이퍼 진 측면 프로파일을 제공합니다. 결과적으로 볼의 일부가 웜과 맞물려 자유롭게 회전하므로 사용중인 웜과 웜휠 사이의 전단력이 감소합니다.

Description

개선된 고토크 트랜스미션{An Improved High Torque Transmission}

본 발명은 웜 드라이브 및 부하에 대하여 높은 토크를 부여하기 위한 기계식 토크 배율기로서 구성된 웜 드라이브에 관한 것이다.

선행 기술의 방법, 장치 또는 문서에 대한 언급은 그들이 작성한 흔적이나 승인을 구성하는 것으로 간주되거나 일반적인 지식의 일부를 구성하는 것으로 간주되어서는 안된다.

웜과 기어 메커니즘은 감속, 토크 증배 및 회전 대 회전 전달이 필요한 곳에서의 일반적인 애플리케이션에 사용하기 위한 것으로 수세기 동안 알려져 왔다.

가장 기본적인 웜 및 기어 메커니즘은 기어 또는 "웜휠"의 이(치)와 맞물리는 일정 피치 나사산의 웜을 포함한다. 이러한 메커니즘에서는 이(치) 중 하나만 한번에 웜에 의해 강제된다. 즉, 기어 및 웜 접촉은 각각의 주 구성 요소 사이의 미끄럼 접촉인 하나의 단 접점(Sweet point)으로 제한된다. 기어와 웜 사이의 정확한 수직점에서만 접촉이 이루어지며, 그 점은 미끄럼 접촉에서 모든 토크 구동력을 전달한다.

기어와 웜 사이의 더 긴 호를 따라 힘을 가할 수 있는 보다 복잡한 웜이 알려져 있으며, 이들은 "헤리컬(Helical)", "모래 시계(Hourglass)" 또는 "글로보이드(Globoid)" 웜이라고 할 수 있다. 예를 들면, Trbojevich의 미국 특허 제2,338,367호는 전진 또는 후진 중 어느 하나에서 기어를 구동하도록 설계된, 잘린, 점점 가늘어지는 글로보이드 웜을 기술한다.

이러한 웜 드라이브에서 발생할 수 있는 문제는 기어와 웜의 이(치) 사이에 과도한 마모가 발생할 수 있다는 것이다.

마모 문제를 해결하기 위한 하나의 접근법은 Meko Seiki Inc.의 유럽 특허 출원 번호 EP2251564A1에 개시되어 있으며, 여기서 웜 기어는 휠에 형성된 각각의 소켓에 볼을 보유하는 주변 자석을 포함한다. 볼은 헬리컬 웜의 나사산과 맞물려 웜과 기어 휠 사이에 구름 접촉이 발생하도록 한다. 그러나 정밀하게 위치된 주변 자석을 갖는 기어 휠을 제조하는 것은 복잡한 노력임을 알게 될 것이다. 또한, 자석은 탈자가 될 위험이 있으며, 이 경우 볼은 더 이상 제 위치에 유지되지 않는다. 또한, 볼은 바람직하지 않은 상당한 전단력을 받기 쉽다.

웜과 기어 사이에 구름 접촉을 제공하기 위한 또 다른 접근법은 텅(Tong)의 미국 특허 공개 공보 US20060156845에 개시되어 있으며, 볼은 웜의 나선형(Helical) 트랙을 따라 순환하고 그를 통해 형성된 터널을 통해 재순환된다. 그러나 텅(Tong)에 설명된 웜 드라이브는 렌치 또는 윈치용 토크 배율기에서 요구하는 높은 토크를 웜으로부터 기어로 전달하지 못할 수도 있다.

미국특허등록 US2,338,367 특허 공보

본 발명의 목적은 높은 수준의 토크로 작동할 수 있는 개선된 웜 드라이브를 제공하는 것이다.

본 발명의 제1 양태에 따르면, 웜 및 웜휠을 포함하는 웜 드라이브가 제공되며, 상기 웜 드라이브는

a. 볼과 상기 볼의 일부를 수용하는 컵을 각각 포함하는 상기 웜휠에 대하여 형성되는 맞물림 어셈블리를 포함하며, 각각의 컵은 상기 휠의 주변에 대해 예각으로 배치되고,

b. 상기에서 웜은 상기 웜휠의 주변부를 보완하는 오목한 테이퍼링 측면 프로파일을 제공하며,

c. 그에 따라 볼의 일부가 웜과 맞물려 자유롭게 회전하면서 사용중인 웜휠과 웜휠 사이의 전단력이 감소한다.

바람직하게는, 상기 웜은 상기 볼을 위한 트랙을 한정하는 적어도 하나의 헤리컬 나사산를 포함하고, 상기 트랙은 프로파일이 오목하다.

웜 드라이브는 웜의 완전한 회전이 그 축에 대한 웜 드라이브의 부분 회전을 일으키는 토크 배율기로서 구성될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시 예에서, 웜은 적어도 3개의 맞물림 어셈블리와 맞물린다.

바람직하게는, 웜은 구동 부재에 쉽게 연결하기 위한 형성부를 포함한다. 예를 들어, 형성부는 육각형 소켓을 포함 할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시 예에서, 웜 드라이브는 소켓 렌치로서 구성되며, 여기서 웜휠은 볼트의 헤드를 수용하기 위한 소켓을 포함한다.

바람직하게는, 웜 드라이브는 웜 및 웜휠을 상호 맞물리게 유지하는 웜 및 웜휠 용 하우징을 포함한다.

본 발명은 부하에 대하여 높은 토크를 부여하는 것이 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 웜 드라이브의 단면도이다.
도 1a는 도 1의 웜 드라이브의 웜휠의 분해도이다.
도 2는 도 1의 웜 드라이브의 웜의 측면도이다.
도 3은 하우징이 제거된 도 1의 웜 드라이브의 등축도(Isometric View)이다.
도 4는 도 1의 웜 드라이브의 맞물림 어셈블리의 단면도의 상세도이다.
도 5는 하우징이 제거된 도 1의 웜 드라이브의 측면도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 웜 드라이브의 일부의 상세도이다.

본 발명의 바람직한 특징, 실시 예 및 변형은 본 발명을 수행하기 위한 당업자에게 충분한 정보를 제공하는 상세한 설명으로부터 식별될 수 있다.

상세한 설명은 어떤 식으로든 본 발명의 전술한 요약의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다. 상세한 설명은 다음과 같이 도면을 참조한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 웜 드라이브의 단면도이며, 도 1a는 도 1의 웜 드라이브의 웜휠의 분해도이며, 도 2는 도 1의 웜 드라이브의 웜의 측면도이며, 도 3은 하우징이 제거된 도 1의 웜 드라이브의 등축도이며, 도 4는 도 1의 웜 드라이브의 맞물림 어셈블리의 단면도의 상세도이며, 도 5는 하우징이 제거된 도 1의 웜 드라이브의 측면도이며, 도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 웜 드라이브의 일부의 상세도이다.

이제 도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 웜 드라이브(1)의 단면이 도시되어있다. 웜 드라이브(1)는 웜휠(5)과 맞물리는 웜(3)으로 구성되고, 웜 및 웜휠은 하우징(7)에 의해 서로 맞물린 상태로 유지된다. 드라이브의 도 2 및 도 3은 각각 명료함을 위해 하우징(7)이 제거된 웜 드라이브(1)의 측면도와 등축도이다.

웜휠(5)의 맞물림 어셈블리(9a, ..., 9n)는 각각 컵(11a, ..., 11n)의 형태의 일체로 형성된 지지체로 구성된다. 컵은 각각 볼(13a, ..., 13n)을 수용한다. 현재 설명된 바람직한 실시 예에서, 각각의 볼(13a, ..., 13n)은 각 컵 내에서 자유롭게 회전한다. 도 1a는 각각의 컵 외부의 볼을 보여주는 웜휠의 분해도이다.

각각의 볼(13a, ..., 13n)은 각각의 컵(11a, ..., 1n)으로부터 바깥쪽을 향하는 표면 영역을 가지므로 웜(3)에 구면을 제공한다.

도 2에서 가장 잘 알 수 있는 바와 같이, 웜(3)에는 생크(4)에 인접한 생크 단부(15a, 17a)로부터 팁(6)에 인접한 팁 단부(15n, 17n)로 각각 진행하는 제1 및 제2 나사산(15, 17)이 형성된다. 점선(19, 21)으로 도시한 바와 같이 나사산(15, 17)은 오목하며, 점점 가늘어지는 측면 프로파일을 나타낸다. 웜(3)의 측면 프로파일은 웜휠(5)의 주변부의 맞물림 어셈블리(9a, ..., 9n)를 보완하여, 볼(13a, ..., 13n)의 구면의 일부가 나사산(15, 17) 사이를 지나는 오목한 트랙(23)과 맞물리게 한다.

다시 도 1을 참조하면, 볼(13a, ..., 13n)은 웜(3)의 트랙(23)에 의해서 또는 웜휠(5)의 외부 둘레로 하우징(7) 내로 형성된 베어링 궤도(31)에 의해서 각각의 컵(11a, ..., 11n)의 소켓 내에 유지된다.

본 발명의 바람직한 실시 예에서, 트랙(23)은 4개의 맞물림 어셈블리(9a, ..., 9d)와 맞물린다.

다시 도 1을 참조하면, 웜(3)은 성형체, 즉 길다란 손잡이와 같은 구동 부재에 즉시 연결하기 위한 육각 소켓(25)을 포함한다.

현재 설명된 바람직한 실시 예에서, 웜 드라이브(1)는 소켓 렌치로 구성되므로 웜휠(5)은 사용 시 볼트의 헤드를 회전시키기 위한 중앙 소켓(27)을 포함한다. 웜 드라이브(1)는 토크 배율기로서 구성되며, 웜(3)의 완전한 회전은 그 축선에 대한 웜휠(5)의 부분 회전을 일으킨다.

도 3을 참조하면, 웜(3)은 그 축(29)을 중심으로 화살표(32)로 표시된 방향으로 회전한다. 웜(3)이 회전함에 따라 웜휠(5)의 맞물림 어셈블리(9a, ..., 9n)의 볼(13a, ..., 13n)의 구면이 웜의 트랙(23)과 맞물리므로 화살표(35)로 표시된 방향으로 웜휠(5)의 축(33)에 대하여 힘을 받는다.

가장 큰 직경의 나사산(15a)(도 2에 도시됨)은 나사산(15a)가 가장 큰 반경 및 가장 작은 피치각을 갖기 때문에 이(치)에 대해 가장 큰 구동력을 제공한다. 도 2에서 볼 수 있듯이 피치각은 웜의 샤프트 단부에서부터 그 먼 단부까지 감소한다. 예를 들어, 웜(3)의 섕크(4) 단부를 향한 제2 나사산의 피치 각도인 θ1은 웜(3)의 팁(6)을 향한 제2 나사산의 피치 각도인 θ2보다 작다.

웜(3)이 회전함에 따라, 웜은 1 웜 회전마다 하나의 볼 궤적을 추적한다. 결과적으로 도 1에서와 같이 웜휠(5)에 대해 15개의 맞물림 어셈블리가 있는 경우 토크 배율은 15 : 1이 된다.

볼(13a, ..., 13n)의 면이 최대 직경의 트랙 부분(23a)와 결합함에 따라 볼(13a, ..., 13n)은 각각의 컵(11a, ..., 11n) 내에서 가장 빠르게 회전하는 경향이 있다. 이것은 웜(3)의 섕크(4)를 향하는 트랙 부분(23a)에 기인하며, 웜의 더 작은 직경의 팁(6)을 향하는 트랙 부분(23n)을 가지는 경우보다 볼(13a, ..., 13n)의 각 구면과 더 큰 접촉 영역을 형성한다.

도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 현재 설명된 실시 예에서, 도 1에 도시된 4 개의 볼, 즉 볼(13a, 13b, 13c, 13d)은 웜(3)의 트랙(23)과 맞물린 다. 각각의 볼은 웜의 트랙 및 각각의 컵(11a, ..., 11d)과 구름 접촉한다.

도 4를 참조하면, 본 실시 예에서, 각각의 구형 컵(11a, ..., 11d)은 웜휠(5)의 원주에 대해 예각(θ3)(약 60도)으로 정렬된다. 컵의 각도는 우수한 힘의 선(10)이 웜(3)으로부터 웜휠로 전달된 다음 소켓(27)을 통해 부착된 장치, 예를 들어 볼트의 헤드로 전달되는 것을 허용한다. 컵 중심선(도 4에 점선으로 도시됨)은 웜 트랙을 향해 기울어져 하나의 회전 방향, 즉 도 5에서 화살표(32, 35)로 표시된 방향으로 웜(3)으로부터의 추력을 최대화한다. 또한 트랙(15)(도 4에 상세히 도시됨)은 볼과 상호 작용하여 기어가 웜(3)을 향해 당겨지도록 형성되어 웜과 기어 사이의 밀착 결합을 유지하는 것을 돕는다.

컵(11a, ..., 11d)을 공격각(θ3; Angle of Attack)로 함으로써 볼(13a, ..., 13n)은 웜(3)의 트랙(23)으로부터 전단력보다는 압축력을 받는다. 이러한 방식으로, 컵(11a, ..., 11n)은 한쪽 면에서 마모되지 않는다. 컵의 각도는 종래의 웜휠 드라이브가 겪는 분리력을 최소화하는 단일 방향 지지를 제공한다. 컵의 각도 조절은 또한 극단적인 토크로 작동하면서 모(Parent) 성분, 즉 웜 및 웜 휠 사이에 매우 낮은 분리력을 제공함으로써 웜 드라이브(1)의 기능을 돕는다. 이 경우, 웜휠(5)이 다른 베어링의 요구 없이 완전한 분리 하중을 전달할 수 있게 한다.

경사진 컵을 사용하는 대신에 베어링 휠의 원주에 정렬된 편평한 구형 컵이 사용된 경우에는 볼이 전단 하중 상태가 되어 컵이 측방향 힘을 받아서 높은 분리력 없이 높은 토크 부하를 전달할 수 없게 된다. 이러한 힘은 웜 휠을 웜에서 멀어지게 하고 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 이러한 배열은 피니언 기어와 크라운 기어가 분리하려고 시도하고 결과적으로 매우 비효율적인 다른 90도 구동 장치에서 발견되는 것과 같은 높은 분리력을 초래한다.

전술 한 실시 예에서, 볼은 컵 내에서 자유롭게 회전할 수 있다. 그러나 본 발명자들은 볼(13) 및 컵(11)을 갖는 맞물림 어셈블리를 도 6에 도시된 바와 같이 단일 솔리드 조각으로(일체로) 제조하는 것이 가능하다는 것을 발견했다. 이 경우, 볼(13)의 구면은 컵(11)과 일체로 형성되고 롤링 접촉이 없다. 오히려, 맞물림 어셈블리(9 ')는 종래의 이(치) 방식으로 더 작용하고, 웜 트랙과 함께 과도한 마모가 발생하도록 잘 윤활되어야 한다. 이 제2 실시 예는 도 1을 참조하여 설명된 예시적인 실시 예보다 상당히 바람직하지 않다는 것을 알게 될 것이다.

예시적인 웜 드라이브는, 도 1에 도시된 바와 같이, 토크 렌치와 관련하여 설명되었지만, 기어 박스 및 윈치와 같은 고토크 전달 메커니즘이 요구되는 다른 분야에 사용될 수 있다.

상기 설명은 본 발명을 위한 적어도 하나의 구체적이고 실질적이며 신뢰할만한 사용을 식별한다는 것을 알게 될 것이다.

본 법령에 따라, 본 발명은 구조적 또는 체계적인 특징에 다소 특정 된 언어로 기술되었다. "포함하는"이라는 용어 및 그 변형은 포괄적인 의미로 전체에 걸쳐 사용되고 임의의 추가 특징을 배제하지 않는다. 본 발명은 여기에 기술된 수단이 본 발명을 실시하는 바람직한 형태를 포함하기 때문에 도시되거나 설명된 특정 특징에 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 따라서 본 발명은 당업자에 의해 적절히 해석되는 첨부된 청구 범위의 적절한 범위 내에서 임의의 형태 또는 수정으로 청구된다.

명세서 및 청구 범위(존재하는 경우)에서, 문맥상 달리 요구되지 않는 한, 용어 "실질적으로" 또는 "약"은 용어에 의해 한정된 범위의 값으로 제한되지 않는 것으로 이해될 것이다.

본 명세서의 설명 및 청구항 전체에 걸쳐, 단수는 문맥상 달리 요구되지 않는 한 복수를 포함한다. 특히, 부정사가 사용되는 경우, 본문에서 달리 요구하지 않는 한, 본문은 복수형 및 단수형을 고려하는 것으로 이해되어야한다.

본 발명의 특정 양태, 실시 양태 또는 예와 관련하여 기술된 특징, 정수, 특성, 화합물, 화학적 잔기 또는 그룹은 이들과 양립할 수 없다면 본원에 기재된 임의의 다른 양상, 실시 양태 또는 실시 예에 적용 가능한 것으로 이해되어야한다.

본 발명의 임의의 실시 양태는 단지 예시적인 것을 의미하고 본 발명을 제한하려는 것은 아니다. 따라서 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 설명된 임의의 실시 예에 대하여 다양한 다른 변경 및 수정이 가해질 수 있음을 이해해야 한다.

1: 웜 드라이브 3: 웜
5: 웜휠 7: 하우징

Claims (8)

1. 웜 및 웜휠을 포함하는 웜 드라이브로서;
   복수 개의 볼들과 상기 웜휠에 대하여 형성된 복수 개의 역방향 컵들을 포함하는 맞물림 어셈블리들을 포함하고, 상기 각 맞물림 어셈블리는 상기 복수 개의 볼들 중 하나의 볼과 상기 복수 개의 역방향 컵들 중 하나의 컵을 포함하고, 각 역방향 컵은 상기 볼의 다른 일부는 컵에서 바깥쪽으로 향하여 상기 볼의 구면이 상기 웜에 제공되도록 상기 볼의 일부를 수용하기 위한 상기 볼의 형태에 상보적인 오목한 소켓을 포함하는 반대 평면과 볼록면을 포함하고, 각 맞물림 어셈블리의 상기 역방향 컵의 중심선은 상기 볼의 중심 및 상기 맞물림 어셈블리의 상기 오목한 소켓의 중심을 통해 연장되며, 상기 중심선은 상기 웜휠의 외주부와 교차하는 상기 웜휠의 외주부에 대한 접선과 예각을 형성하고,
   상기 웜은 단부를 향해 오목하게 테이퍼지고, 상기 웜휠의 외주부를 보완하는 오목한 테이퍼링 측면 프로파일을 제공하며, 상기 웜은 상기 맞물림 어셈블리들을 보완하는 오목한 트랙을 포함하고,
   그에 따라, 상기 볼의 상기 구면과 상기 웜의 상기 오목한 트랙과 맞물려 자유롭게 회전하므로 사용 중인 웜과 웜휠 사이의 전단력이 감소하고,
   이에 의해, 상기 웜과 맞물리는 각 맞물림 어셈블리의 상기 역방향 컵의 상기 중심 선은 사용시 상기 웜을 향해 기울어지는 것을 특징으로 하는 웜 드라이브.
2. 제1 항에 있어서, 상기 웜은 상기 볼을 위한 상기 오목한 트랙을 형성하는 적어도 하나의 나선형 나사산을 포함하는 것을 특징으로 하는 웜 드라이브.
3. 제1 항에 있어서, 상기 웜의 완전한 회전은 그 축에 대한 상기 웜 드라이브의 부분 회전을 일으키는 토크 배율기로서 구성되는 것을 특징으로 하는 웜 드라이브.
4. 제1 항에 있어서, 상기 웜은 상기 웜휠의 적어도 3개의 맞물림 어셈블리와 어느 순간에라도 맞물리는 것을 특징으로하는 웜 드라이브.
5. 제 3 항에 있어서, 상기 웜은 구동 부재에 즉시 연결하기 위한 성형체를 포함하는 것을 특징으로 하는 웜 드라이브.
6. 제5 항에 있어서, 토크 렌치(torque wrench)로서 구성되고, 상기 웜휠은 볼트 헤드를 수용하기 위한 소켓을 포함하는 것을 특징으로 하는 웜 드라이브.
   
7. 제2 항에 있어서, 상기 웜의 완전한 회전은 그 축에 대한 상기 웜 드라이브의 부분 회전을 일으키는 토크 배율기로서 구성되는 것을 특징으로 하는 웜 드라이브.
8. 제3 항에 있어서, 상기 웜은 상기 웜휠의 적어도 3개의 맞물림 어셈블리와 어느 순간에라도 맞물리는 것을 특징으로하는 웜 드라이브.
   
   
   

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