KR20010025218A - 감속기 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 모터 등의 동력원에 의한 일정한 회전속도를 기어 박스에 입력시켜 제1기어와 제2기어를 통해 회전 속도를 떨어뜨리도록 하는 감속기 및 그의 제조방법에 관한 것이다. 본 감속기는 회전축으로부터 일정한 회전반경을 가지며 그 연부의 측면에 원주방향을 따라 다수개의 산과 골이 반복적으로 형성된 제1기어부와, 상기 제1기어부의 산과 골에 맞물림되어 상기 제1기어부를 회전구동하며, 상기 제1기어부의 반경방향으로부터 소정의 기울기로 배치된 제2기어부와 상기 제1기어부와 제2기어부를 수용하는 본체와 가공방법을 특징으로 포함한다. 이에 따라, 단순한 구조로 효율적으로 소음, 진동없이 감속하는 효과가 있다.

Description

감속기 및 그의 제조방법{Manufacture method and reducer}

본 발명은 감속기및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제1기어부와 제2기어부로 구성되어 고비율을 얻기 위한 감속기 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 감속기는 기어트레인(gear train)구조로서 한 축으로부터 다른 축으로 운동을 전달하기 위하여 맞물려있는 두 개 이상의 기어로 구성된다.

종래에 고속회전을 저속회전으로 하기 위한 다양한 감속기구가 제안되었으며 종래 기술의 예로는 첫째로 스퍼 기어, 베벨 기어 및 웜 기어 같은 복수단계의 기어 열을 사용하거나 또는 유성기어를 사용해서 감속시키는 변속장치가 있으며, 둘째로 잇수의 차를 이용한 기구들 중 조화구동(harmonicdrive)기구를 사용한 변속장치가 있고, 셋째로 잇수의 차를 이용해서 감속시키는 기구들 중 하나인, 탄성변형 가능한 파형 기어를 사용한 변속 장치가 있으며, 넷째로 잇수의 차를 이용해서 감속시키는 기구들 중 하나인, 피벗 이동 가능한 베벨 기어를 피벗 이동시키는 유니버셜 조인트 또는 볼을 사용한 변속장치가 있다. 이 밖에도 상술한 감속기 외에 사이크로 감속기와 RV감속기 등이 있다.

상술한 변속 장치의 몇 가지 구동 방식의 특징을 보면 우선, 셋째의 잇수의 차를 이용해서 감속시키는 기구들 중 하나인, 탄성변형 가능한 파형 기어를 사용한 변속 장치 구동 방식의 특징은, 롤러에 의해 가압된 파형 기어는 탄성 변형되고 그 기어의 치형부는 변속기어의 치형부와 맞물림 결합을 하며, 또 아암이 로우터 축을 중심으로 회전될 때 맞물림의 위치가 순차적으로 이동한다.

여기서, 파형 기어가 고정되어 있다고 가정하면 변속 기어는 기어의 1피치만큼 압착되어 1회전된다. 따라서, 예를 들어 1파형 기어의 잇수가 64이고 변속기어의 잇수가 66개인 경우, 아암이 1회전하면 변속기어는 1회전의 차가 2개이기 때문에 잇수의 차에 대용하는 양만큼 1회전하게된다. 즉, 1/33(2/66)만큼 회전하게된다.

넷째의 잇수의 차를 이용해서 감속시키는 기구들 중 하나인, 피벗 이동 가능한 베벨 기어를 피벗 이동시키는 유니버셜 조인트 또는 볼을 사용한 변속 장치의 구동 방식의 특징을 보면, 우선 입력축이 회전되면, 입력축에 고정되어 경사 단부면이 형성된 입력 로우터도 회전되고, 이와 함께 활주 접촉하는 입력축 기어는 회전베어링 볼을 중심으로 피벗 이동된다. 입력축 기어는 그 외주 상에 장착된 멈춤쇠 롤러핀이 케이싱에 형성된 슬릿홈 내에 끼워 맞춰지기 때문에 회전되지 않는다. 입력축 기어의 배면과 활주 접촉하고 있는 입력 로우터가 1회전하면 입력축 기어는 피벗 이동되고, 입력축 기어와 부분적으로 맞물린 출력축 기어는 이들 간의 잇수 차에 대응하는 양만큼 회전된다. 예를 들어 입력축 기어의 잇수가 100개이고, 출력축 기어의 잇수가 99개인 경우, 입력축 기어가 1회전 할 때 기어는 출력축 기어와 잇수가 1개 차이기 때문에 잇수에 차에 대응하는 초과량만큼 출력축 기어와 맞물린다. 즉 1/100만큼 회전하게 된다.

상술한 종래 기술의 예에는 이하의 문제점이 지적되고 있다.

스퍼 기어, 베벨 기어 및 웜 기어 같은 복수단계의 기어 열을 사용하거나 또는 유성기어를 사용해서 감속시키는 변속장치에 대해서 스퍼 기어, 베벨 기어 및 유성기어가 사용되면 기어들의 매 단계당 감속비로서는 1/2 내지 1/3이 적당하고, 고 감속을 얻고자 할 경우에는 복수단계의 기어 열이 필요하게 되어 장치가 대형화되는 난점을 야기한다. 특히 유성 감속기의 경우, 그 중량은 무거운 편으로 진동 및 소음 역시 심하다. 또한, 웜 기어가 사용되면 단일 단계로 고 감속이 이루어지지만, 일반적으로 변속장치의 효율이 40%정도로 불량하고 진동발생이 심하다.

잇수의 차를 이용한 기구들 중 조화구동(harmonicdrive)기구를 사용한 변속장치에 대해서는 단일 단계로 고 감속비를 얻을 수 있지만, 두께를 작게 하는 것이 곤란하고 볼 베어링을 사용하는 등에 의해 부품수가 증가되어 고가로 되는 결점이 있다. 또한 타원의 Wave Generator와 Flexible Spline의 진동이 문제가 된다.

탄성변형 가능한 파형 기어를 사용한 변속 장치에서는 탄성변형 가능한 파형 기어를 특징으로 하고 있으며, 기어용으로 탄성 재료가 사용되고, 서로 대향되어 끊임없이 변형되는 기어들이 서로 맞물리도록 가압되어 사용되므로, 탄성부재의 기계적 강도 및 구성 부품 등의 구성을 볼 때, 이 예는 토오크가 낮고 회전정밀도 및 내구성을 별로 필요치 않는 공공복지용 소형 재료에 사용된다.

잇수의 차를 이용해서 감속시키는 기구들 중 하나인, 피벗 이동 가능한 베벨 기어를 피벗 이동시키는 유니버셜 조인트 또는 볼을 사용한 변속장치에서는 강성 재료로 형성된 피벗 이동 가능한 기어 및 출력 베벨 기어가 사용되고, 유니버셜 조인트 또는 볼을 사용한 피벗 베어링과 핀을 사용해서 피벗이동 가능한 기어를 회전 방향으로 규제하고, 대항된 출력 베벨 기어의 축은 출력축을 제공하지만, 피벗 이동 가능한 기어 및 출력 베벨 기어를 형성하는 재료 강성, 특히 출력축의 고 부하에도 견딜 수 있는 기구 및 구성 부품들의 구성으로 볼 때, 이러한 구조체는, 예컨데 토오크가 높고 더욱이 내구성을 필요로 하는 산업기계 및 중기계용 제품을 대상으로 한다. 따라서, 피벗 이동 가능한 베벨 기어를 피벗 이동시키는 유니버셜 조인트 또는 볼을 사용한 변속장치에서는 소형 변속 장치로 사용되면 소형화, 특히 박형화가 곤란해지고, 회전규제를 위해 롤러 핀이 사용되기 때문에 회전 중에 롤러 핀이 피벗 이동되면서 캐이싱 내의 슬롯홈을 가격하므로 백래쉬가 발생하기 쉬우며 이것은 가동시에 백래쉬의 발생 및 회전 불규칙을 야기한다.

사이크로 감속기는 중량과 크기는 비교적 작은 편이지만 편심을 이용한 감속으로 진동이 크고 선박 및 대용량에 널리 쓰인다.

RV감속기는 크기는 소형이고 무게는 비교적 무거우며, 최근 로봇 분야에 각광을 받고 있지만 Planoaccentric방식을 이용한 감속으로 진동이 발생하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 소음과 진동, 구조를 개선한 감속기와 그의 제조방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 회전축으로부터 일정한 회전반경을 가지며 그 연부의 측면에 원주방향을 따라 다수개의 산과 골이 반복적으로 형성된 제1기어부와; 상기 제1기어부의 산과 골에 맞물림되어 상기 제1기어부를 회전구동하며, 상기 제1기어부의 반경방향으로부터 소정의 기울기로 배치된 제2기어부와; 상기 제1기어부와 제2기어부를 수용하는 본체를 포함하는 것을 특징으로 하는 감속기에 의해 달성된다.

그리고, 상기 제1기어부는 산과 골이 축방향을 향하여 점차적으로 융기되는 경사각을 가지며, 상기 제1기어부의 산과 골은 제2기어부가 맞물림가능하게 축을 향하여 소정의 원호형상으로 형성하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 목적에 있어서, 적어도 하나의 가공머신을 이용한 감속기의 제조방법에 있어서, 상기 제2기어부의 원재료를 준비하는 단계와, 상기 제2기어부를 원주상에 소정의 피치로 나선형톱니를 가공하는 단계와, 상기 제1기어부를 원주상에 상기 나선형 톱니와 치합되게 가공용 계산식을 산출하는 단계와, 상기 제1기어의 원재료를 준비하는 단계와, 산출된 상기 계산식에 의해 상기 나선형 톱니와 맞물림가능하게 원호톱니로 가공하는 단계를 특징으로 하는 것을 포함하는 감속기 제조방법에 의해 달성된다.

도 1은 본 발명에 따른 기어박스 본체의 정단면도이고,

도 2은 본 발명에 따른 기어박스 본체의 측단면도이고,

도 3은 본 발명에 따른 제1기어부와 제2기어부의 사시도이고,

도 4는 본 발명에 따른 제2기어부의 치형을 나타낸 부분투시도이고,

도 5는 본 발명에 따른 제1기어부의 측단면도이다.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

1;기어박스본체 2;제2기어부

3;입력베어링 4;입력가스킷

5;입력카바 6;볼트

7;출력베어링 8;제1기어부

9;출력축 14;제1기어톱니

15;제2기어톱니 16;입력축

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 감속기 및 그의 제조방법을 설명하면 다음과 같다. 우선, 상기 도 1은 기어박스 본체(1)의 정단면도를, 상기 도 2는 기어박스 본체(1)의 측단면도를, 도 3은 제1기어(8)부와 제2기어(2)부의 치합을 표현한 사시도를, 도 4는 제2기어(2)부의 사시도를 표현하고, 도 5는 제1기어부(8)의 측단면도를 표현한 것이다.

본 발명은 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 우선 도 1에 본체의 우측 상단에 소정의 기울기로 배치된 제2기어부(2)와 그 밑으로 우측하단과 좌측전체의 원호 형상의 톱니를 가진 제1기어부(8)가 도시되어 있다. 상부 입력 개구에는 소정의 기울기로 배치된 제2기어부(2)가 마찰 감소와 동력 낭비를 방지하는 베어링(3) 사이에 설치되어 있다.

도 2는 측면에서 본 것으로서, 기어 박스 본체(1) 공간의 상단은 나선형의 제2기어부(2)와 중앙과 하단은 산과 골이 축방향으로 점차적으로 기울기를 가지는 제1기어부(8)로 도시되어 있다. 본체 중앙에는 산과 골이 축방향으로 점차적으로 기울기를 가지는 제1기어부(8)를 사이에 두고 출력축(9)의 마찰 감소와 동력 낭비를 방지하는 베어링(7)이 2개 설치되어 있고, 산과 골이 축방향으로 점차적으로 기울기를 가지는 제1기어부(8)는 출력축(9)과 링크되어 있다. 또한 출력축(9) 사이의 제1기어부(8)는 제2기어부(2)와 산과 골이 맞물림되게 축경방향을 향하여 경사각을 가지도록 형성되어 있다.

도 3에는 제1기어부(8)와 제2기어부(2)를 표현한 사시도로서, 제1기어부(8)와 제2기어부(2)의 반경방향으로 소정의 기울기로 배치되게 형성되어 있다. 이러한 배치는 산과 골이 축방향으로 점차적으로 기울기를 가지는 제1기어부(8)와 원호 톱니의 제2기어부(2)의 치합으로 동력 낭비를 없앤다. 그리고 제1기어부(8)는 제2기어부(2)의 치형과 모듈, 압력각, 피치원의 지름, 바깥지름, 중심거리 등에 따라 달리 형성된다.

이하, 구성되는 본 발명을 통상적인 감속기 기어와 대비하여 설명하면, 통상적인가 되는데 본 발명의 구동치자의 톱니 수(제2기어의 톱니수)는 1개이다. 따라서, 본 발명 감속기의가 된다. 피동치자의 톱니 수, 즉, 제2기어부의 톱니(15)는 Z1=1이기 때문이다. 예를 들어, 제1기어의 톱니(14)가 50개라면 1/50의 감속비를, 45개라면 1/45의 감속비를 얻을 수 있다.

도 4에서는 제2기어부(2)만 표시한 사시도로서, 우선 제2기어부(2)의 치형은 몸통을 휘감듯이 반경방향으로부터 소정의 기울기로 배치되어 있고 나선형으로 한 개의 잇수를 가지는 특징을 볼 수 있다.

본 발명의 구동 방식은, 도 1과 도 2에 도시 된 것과 같이, 본 발명의 정단면도와 측단면도로서, 원호 톱니의 제2기어부(2)에 일정한 회전력이 투입되면서 입력축(16)은 회전하게되고 이때 베어링(3)은 회전을 원활하게하고 동력의 낭비를 막는다. 입력축(16)의 힘과 회전은 제2기어부(2)의 소정의 기울기로 배치된 나선형 치형에 의해 제1기어부(8)로 전해지고, 산과 골이 원호 형상으로 이루어진 제1기어부(8)의 치형과 맞물려서 회전된다. 이때 출력축의 회전을 원활하고 동력의 낭비를 없애기 위해 베어링(3)이 사용된다.

도 3에서와 같이 제1기어부(8)와 제2기어부(2)를 표현하면, 우선 제1기어부(8)의 치형과 제2기어부(2)의 치형이 치합되도록 되어있으며, 제1기어부(8)의 중심거리와 제2기어부(2)의 중심거리가 다르도록 구성되어 있어 닿는 면적이 크다. 그리고 입력축(16)에 결합되어있는 제2기어부(2)의 몸체는, 반경 방향으로부터 소정의 기울기로 배치되어 나선형으로 형성되어있는 치형을 볼 수 있다. 한편 제1기어부(8)의 치형은 제1기어부(8)와 산과 골이 잘 맞물리도록 설계되어 있으며, 이 산과 골이 축방향을 향하여 점차적으로 경사각을 가지고 있고, 또한 제2기어부(2)의 맞물림 면적이 크고 원활하게 하기 위해 축을 향하여 소정의 원호형상으로 구성된다. 이때, 제1기어부(8)는 제2기어부(2)의 몸통의 모양과 치형에 따라 달리 구성되며, 제2기어부(2)의 구동에 따라 제1기어부(8)의 구동이 가능하다. 그리고, 제1기어부(8)와 제2기어부(2)는 상황에 따라 정역회전을 할 수 있으며 정역회전에 상관없이 일정한 감속비를 이루어 안정적인 구동을 한다.

본 발명의 가공법은, 도 3에서와 같이 회전축으로부터 일정한 회전반경을 가지며 그 연부의 측면에 원주방향을 따라 다수개의 산과 골이 반복적으로 형성되게 제1기어부(8)를 가공하고, 상기 제1기어부(8)의 산과 골에 맞물림되어 상기 제1기어부(8)를 회전구동하게 가공하며, 상기 제1기어부(8)의 반경방향으로부터 소정의 기울기로 배치되게 제2기어부(2)를 가공한다.

본 감속기 제조방법에 있어서 단계는, 상기 제2기어부(2)의 원재료를 준비하는 단계와, 상기 제2기어부(2)를 원주상에 소정의 피치로 나선형 톱니를 가공하는 단계와, 상기 제1기어부(8)를 원주상에 상기 나선형톱니와 치합되게 가공용 계산식을 산출하는 단계와, 상기 제1기어의 원재료를 준비하는 단계와, 산출된 상기 계산식에 의해 상기 나선형 톱니와 맞물림가능하게 원호톱니로 가공하는 단계이다.

상기 제2기어부(2) 및 제1기어부(8)의 원재료를 준비하는 단계는, 특수강을 포함한 스틸 재질의 원료를 사용한다.

상기 제2기어부(2)를 원주상에 소정의 피치로 나선형 톱니를 가공하는 단계는, 치절가공머신인 CNC 선반 및 밀링M/C 등으로 가공한다.

상기 제1기어부(8)를 원주상에 상기 나선형톱니와 치합되게 가공용 계산식을 산출하는 단계는, 도 5는 제1기어부(8)의 측단면을 표현하며, 상기 도 5에 제1기어부(8)를 참조하여, 우선 도면상의 제1기어부(8)의 톱니빗면의 연장선이 기어 중심축에 이르는 거리인 원추거리(R)를 구하고, 제1기어부(8)의 톱니 빗면인 기어의 치폭(B)을 구한다. 다음으로 평균 원추거리(Ra)를 구하는데 이는,

가 된다. 그 후에는 CUTTER의 선정을 하게되는데, 이때의 CUTTER의 선정은 원추거리(R)와 CUT의 반지름이 동일한 것으로 선택한다. 단, 여기서 평균 원추거리(Ra)와 CUTTER의 반지름이 동일하다면 더욱더 정확한 계산치를 얻어 톱니가공의 정밀성을 기할 수 있다. 그 다음은 중간 계산치용 HO를 구하게 되는데, 이는

가 되며 이 공식에 Y는

이 된다. 이때, SIN비틀림각은 보통 35도를 쓴다.

다음으로 중간치 계산용 VO를 구한다. 이는

이때, COS비틀림각은 보통 35도를 쓴다.

그 다음에는 편심각(SO)를 구하게 되는데,

라는 식이 도출되고, 이는 나중에 각(angle)으로 환산되어 수치 적용된다. 단, 이 식에서 기계정수는 치절가공하는 기계에 따라 갖는 고유값이다.

편심각(S0)을 구하고 나서 중간 계산용 W를 구하는데, 이는

이 되고, W의 계산식은 회전 각도 Q를 구하는데 바로 이용되게 된다.

제1기어부(8)의 Q회전각도는 기어의 우방향과 좌 방향을 계산해 주어야 되고, 우선 기어의 우방향Q는

이 되고, 여기서 X-360도로 각을 구하고, 단 마이너스 부호라도 여기 계산식에서는 무방하다. 이는 INV 도(angle)로 환산되어 회전각도를 구한다. 제1기어부(8)의 좌 방향Q는

가 되고 360도-Z로 각(angle)을 구하고 INV도(angle)로 환산을해서 제1기어의 좌 방향 각(angle)을 구하게 된다.

산출된 상기 계산식에 의해 상기 나선형 톱니와 맞물림가능하게 원호톱니로 가공하는 단계는, 상기 제1기어부(8)의 원호톱니를 CNC선반 및 스로터M/C을 포함한 치절가공기계에 의해 가공하여 완제품에 이른다.

본 발명은 로우터의 회전이 더욱 감소 될 수 있고, 변속 조작으로부터 초래되는 활주 소음의 발생이 억제 될 수 있으며, 소음, 진동 및 회전 불규칙을 거의 겪지 않는 변속 조작이 수행 될 수 있다. 그리고 기어의 크기와 잇수의 자유로운 제작으로 수십:1~수백:1의 감속비를 실현할 수 있으며 고 비율, 고 효율을 이룰 수 있다. 또한, 고 토오크의 변속에 적용 될 수 있으며 전동 효율이 양호하고 단일 1단계로 고 감속비를 얻을 수 있으며, 정역회전의 어떤 회전에도 일정한 감속비를 얻을수 있어서 안정적인 구동이 가능하다. 이에 의해 변속 장치 자체의 규모 축소 및 단순화가 달성 될 수 있다. 아울러, 부품의 수가 감소 될 수 있고 조립이 용이해지므로 저가의 제작이 가능해 진다.

Claims (4)

1. 회전축으로부터 일정한 회전반경을 가지며 그 연부의 측면에 원주방향을 따라 다수개의 산과 골이 반복적으로 형성된 제1기어부와;

   상기 제1기어부의 산과 골에 맞물림되어 상기 제1기어부를 회전구동하며, 상기 제1기어부의 반경방향으로부터 소정의 기울기로 배치된 제2기어부와;

   상기 제1기어부와 제2기어부를 수용하는 본체를 포함하는 것을 특징으로 하는 감속기.
2. 제1항에 있어서;

   상기 제1기어부는 산과 골이 축방향을 향하여 점차적으로 융기되는 경사각을 가지며, 상기 제1기어부의 산과 골은 제2기어부가 맞물림가능하게 축을 향하여 소정의 원호형상으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 감속기.
3. 적어도 하나의 가공머신을 이용한 감속기의 제조방법에 있어서,

   상기 제2기어부의 원재료를 준비하는 단계와;

   상기 제2기어부를 원주상에 상기 나선형톱니와 치합되게 계산식을 산출하는 단계와;

   상기 제1기어의 원재료를 준비하는 단계와;

   산출된 상기 계산식에 의해 상기 나선형톱니와 맞물림가능하게 원호톱니로 가공하는 단계를 특징으로하는 감속기 제조방법.
4. 제3항에 있어서;

   상기 계산식 산출 단계는 상기 제1기어부의 톱니 가장자리에서,

   제1기어부 톱니빗면의 연장선이 기어 중심축에 이르는 거리인 원추거리(R)을 구하는 단계와;

   제1기어부의 톱니 빗면인 기어치폭(B)를 구하는 단계와;

   제1기어부의 원추거리(R)에서 기어치폭(B)를 2로 나누는 평균원추거리(Ra)를 구하는 단계와;

   제1 기어부의 톱니가공에 적합한 CUTTER를 선정하는 단계와;

   평균원추거리(Ra)에서 Y를 뺀값인 HO를 산출함에 있어서,

   Y는 CUTTER의 반지름에서 SIN비틀림각을 곱한 값인 단계와;

   CUTTER의 반지름에 COS비틀림각을 곱값인 VO를 산출하는 단계와;

   상기 HO의 제곱과 VO의 제곱의 루트값을 임의의 기계정수로 나누어 편심각(SO)를 산출함에 있어서,

   산출된 편심각(SO)값을 INV SIN에 곱하기 2를 하여 도(angle)로 환산하는 단계와;

   VO값을 HO값으로 나누는 W를 산출함에 있어서,

   산출된 W값을 INV TAN를 하여 수치적용하는 단계와;

   회전각도(Q)를 구함에 있어서,

   270도(angle)에 W값을 더하고 편심각(SO)에 2를 나눈값인 기어의 우방향에 대한 회전각도(Q)를 산출하여 도로 환산하는 단계와;

   270도(angle)에 W값을 빼고 편심각(SO)에 2를 나눈값인 기어의 좌방향에 대한 회전각도(Q)를 산출하여 도로 환산하는 단계를 특징으로하는 감속기 제조방법.