KR20020007944A

KR20020007944A - 고비율 차동유성 감속장치

Info

Publication number: KR20020007944A
Application number: KR1020000048632A
Authority: KR
Inventors: 김석윤
Original assignee: 김석윤
Priority date: 2000-08-22
Filing date: 2000-08-22
Publication date: 2002-01-29

Abstract

본 발명은 태양기어와 한쌍의 유성기어 및 한쌍의 인터널기어를 조합하여 고감속비를 실현한 차동유성 감속장치에 관한 것이다. 이를 위해, 입력축(1)의 일단에 설치된 태양기어(S), 상기 태양기어(S)와 맞물린 제 1 유성기어(P1), 상기 제 1 유성기어(P1)와 동심원을 이룬 채 일체로 형성된 제 2 유성기어(P2), 상기 제 1 유성기어(P1)와 맞물리고 회전중심에 출력축(2)이 연결된 제 1 인터널 기어(I1), 상기 제 2 유성기어(P2)와 맞물리고 회전하지 못하도록 고정된 제 2 인터널 기어(I2)로 구성되는 차동 유성기어식 감속장치에 있어서, 상기 제 1 유성기어(P1) 및 상기 제 2 유성기어(P2)는 상기 태양기어(S) 주위에 3개씩 구비되어 있고, 상기 태양기어(S), 상기 제 1 유성기어(P1), 상기 제 1 인터널 기어(I1), 및 상기 제 2 인터널 기어(I2)의 이빨수는 3의 배수이고, 상기 태양기어(S), 상기 제 1 유성기어(P1), 상기 제 1 인터널 기어(I1)의 제 1 모쥴(m1)은 상기 제 2 유성기어(P2), 상기 제 2 인터널 기어(I2)의 제 2 모쥴(m2)과 다른 것을 특징으로 한다.

Description

고비율 차동유성 감속장치{High Ratio Differential Planetary Gear Reducer}

본 발명은 유성기어에 관한 것으로, 보다 상세하게는 태양기어(S)와 한쌍의 유성기어(P1, P2) 및 한쌍의 인터널기어(I1, I2)를 조합하여 고감속비를 실현한 차동유성 감속장치에 관한 것이다.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 종래의 유성기어 감속장치의 구조에 대하여 설명하기로 한다.

태양기어(S)의 주위에는 3개의 유성기어(P1, P2)가 등각도로 배치되어 있고, 이러한 유성기어(P1, P2)는 외측에는 인터널기어(I1, I2)가 맞물려 있다.

태양기어(S)는 입력축(1)과 연결되어 동력을 전달받을 수 있으며, 축방향으로 소정거리만큼 선택적으로 이동하여 한쌍의 유성기어(P1, P2)중 하나에 맞물리도록 할 수 있다.

유성기어(P1, P2)는 태양기어(S)와 맞물리는 제 1 유성기어(P1) 및 제 1 유성기어(P1)와 동심을 이루며 일체로 형성된 제 2 유성기어(P2)로 구성되어 있다. 이러한 유성기어(P1, P2)는 태양기어(S)의 주위에 2, 3 또는 4개 이상을 등각도로 배치할 수 있다. 만약 태양기어(S)의 주위에 3개의 유성기어(P1, P2)가 배치될 경우 등각도를 유지하기 위해 태양기어(S)와 인터널기어의 이빨수는 3의 배수가 되어야만 한다. 그리고 각각의 유성기어(P1, P2)는 상호 등각도를 유지하도록 프레임 (3)에 설치되어 있다. 따라서, 프레임(3)이 자전함에 따라 유성기어(P1, P2)는 공전과 자전을 동시에 하게 된다.

인터널 기어(I1, I2)는 제 1 인터널 기어(I1)와 제 2 인터널 기어(I2)로 구성되어 있는데, 제 1 인터널 기어(I1)는 제 1 유성기어(P1)와 맞물리고, 제 2 인터널기어(I2)는 제 2 유성기어(P2)와 맞물린다. 그리고 도 1과 같이 제 2 인터널기어(I2)를 회전하지 못하도록 고정하고, 제 1 인터널기어(I1)를 출력축(2)에 연결하여 감속된 회전축으로 사용한다.

이러한 종래의 유성기어(P1, P2)를 이용한 감속기는 "수십 : 1" 또는 "수백 : 1" 의 감속비를 위해 유성기어의 이빨수를 같게 하거나, 인터널기어의 이빨수를 같게 하고 기어에 큰 전위를 주어 사용하곤 하였다. 그러나 이러한 큰 전위로 인해 맞물림이 감소하고 효율도 저하되며 감속비에도 제한이 있었다. 따라서 지금까지 유성기어를 이용한 감속기 분야에서 연구개발되는 방향은 맞물리는 기어사이에 큰 전위를 주고 그 단점을 해결하기 위한 방향으로 진행되어 왔다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 본 발명의 제 1목적은, 수십대일 내지 수만대일 까지의 고감속이 가능한 고비율 차동유성 감속장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 제 2 목적은 감속비의 변화를 각 기어 이빨수의 미소한 차이로 실현함으로써 감속장치의 외관이 크게 변하지 않고 거의 일정한 고비율 차동유성 감속장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 제 3 목적은 높은 감속비인 경우 또는 낮은 감속비인 경우라도 열발생, 기계소음, 감속효율 등에 변화가 거의 없는 고비율 차동유성 감속장치를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 입력축(1)의 일단에 설치된 태양기어(S), 상기 태양기어(S)와 맞물린 제 1 유성기어(P1), 상기 제 1 유성기어 (P1)와 동심원을 이룬 채 일체로 형성된 제 2 유성기어(P2), 상기 제 1 유성기어 (P1)와 맞물리고 회전중심에 출력축(2)이 연결된 제 1 인터널 기어(I1), 상기 제 2 유성기어(P2)와 맞물리고 회전하지 못하도록 고정된 제 2 인터널 기어(I2)로 구성되는 차동 유성기어식 감속장치에 있어서, 상기 제 1 유성기어(P1) 및 상기 제 2 유성기어(P2)는 상기 태양기어(S) 주위에 3개씩 구비되어 있고, 상기 태양기어 (S), 상기 제 1 유성기어(P1), 상기 제 1 인터널 기어(I1), 및 상기 제 2 인터널 기어(I2)의 이빨수는 3의 배수이고, 상기 태양기어(S), 상기 제 1 유성기어(P1), 상기 제 1 인터널 기어(I1)의 제 1 모쥴(m1)은 상기 제 2 유성기어(P2), 상기 제 2 인터널 기어(I2)의 제 2 모쥴(m2)과 다른 것을 특징으로 하는 고비율 차동유성 감속장치에 의하여 달성된다.

그리고, 상기 제 2 모쥴(m2)은 다음 식으로부터 산정되는 것이 바람직하다.

m2 = (nS + nP1) * m1 / (nI2 - nP2),

여기서, nS는 태양기어의 이빨수, nP1은 제 1 유성기어의 이빨수, nI2는 제 2 인터널기어의 이빨수, nP2는 제 2 유성기어의 이빨수 이다.

아울러, 상기 태양기어(S), 상기 제 1 유성기어(P1), 및 상기 제 2 유성기어(P2)의 상호 이빨수의 차가 4개 이하인 것이 가장 바람직하다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 고비율 차동유성 감속장치중 태양기어 (S)가 없는 쪽의 인터널 기어(I2)를 고정시키고, 나머지 인터널 기어(I1)를 구동시킬 때의 개략도,

도 2은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 고비율 차동유성 감속장치중 태양기어 (S)가 있는 쪽의 인터널 기어(I1)를 고정시키고, 나머지 인터널 기어(I2)를 구동시킬 때의 개략도,

도 3은 본 발명에 따른 고비율 차동유성 감속장치의 모듈계산을 위한 개략적인 평면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 입력축 2 : 출력축

S : 태양기어 P1 : 제 1 유성기어

P2 : 제 2 유성기어 I1 : 제 1 인터널 기어

I2 : 제 2 인터널 기어 3 : 프레임

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점 및 신규한 특징은 이하의 상세한 설명및 첨부된 도면들에 따른 바람직한 실시예에 의하여 보다 분명해 질 것이다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 고비율 차동유성 감속장치중 태양기어 (S)가 없는 쪽의 인터널 기어(I2)를 고정시키고, 나머지 인터널 기어(I1)를 구동시킬 때의 개략도이고, 도 3은 본 발명에 따른 고비율 차동유성 감속장치의 모듈계산을 위한 개략적인 평면도이다.

도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 태양기어(S)의 주위에는 3개의 유성기어 (P1, P2)가 등각도로 배치되어 있고, 이러한 유성기어(P1, P2)의 외측에는 인터널기어가 맞물려 있다.

태양기어(S)는 입력축(1)과 연결되어 동력을 전달받을 수 있으며, 축방향으로 소정거리만큼 선택적으로 이동하여 한쌍의 유성기어(P1, P2)중 하나에 맞물리도록할 수 있는데 도 1에서는 제 1 유성기어(P1)와 맞물려 있다.

유성기어(P1, P2)는 태양기어(S)와 맞물리는 제 1 유성기어(P1) 및 제 1 유성기어(P1)와 동심을 이루며 일체로 형성된 제 2 유성기어(P2)로 구성되어 있다. 이러한 유성기어(P1, P2)는 태양기어(S)의 주위에 3개가 등각도로 배치되어 있다. 그리고 각각의 유성기어(P1, P2)는 상호 등각도를 유지하도록 프레임(3)에 설치되어 있다. 따라서, 프레임(3)이 자전함에 따라 유성기어(P1, P2)는 공전과 자전을 동시에 하게 된다.

인터널 기어(I1, I2)는 제 1 인터널 기어(I1)와 제 2 인터널 기어(I2)로 구성되어 있는데, 제 1 인터널 기어(I1)는 제 1 유성기어(P1)와 맞물리고, 제 2 인터널기어(I2)는 제 2 유성기어(P2)와 맞물린다. 그리고 도 1과 같이 제 2인터널기어(I2)를 회전하지 못하도록 고정하고, 제 1 인터널기어(I1)를 출력축(2)에 연결하여 감속된 회전축(2)으로 사용한다.

이하에서는 고비율 차동유성 감속장치의 감속비와 이빨수 등의 상관관계에 대하여 설명하기로 한다.

nS를 태양기어(S)의 이빨수, nP1은 제 1 유성기어(P1)의 이빨수, nP2는 제 2 유성기어(P2)의 이빨수, nI1는 제 1 인터널기어의 이빨수, nI2는 제 2 인터널기어의 이빨수, R을 감속비라 하면,

도 1과 같이 태양기어(S)가 회전하는 인터널 기어측의 유성기어와 맞물린 경우, 감속비는 다음과 같이 구할 수 있다. 즉, 고정된 제 2 인터널 기어(I2)와 제 2 유성기어(P2) 사이의 감속비는,

nI2 ÷( nS ＊ nP2 / nP1 ) + 1 ------ ① 이다.

회전하는 제 1 인터널 기어(I1)에서의 감속비는 유성기어(P1, P2)가 360도 공전할 때, 즉 제 2 유성기어(P2)가 제 2 인터널 기어(I2)의 내부를 1회전할 때 제 1 유성기어(P1)는 nP1 ÷nP2 ＊ nI2 만큼의 제 1 인터널 기어(I1) 이빨을 지나게 된다. 따라서, 제 1 인터널 기어(I1)에서의 감속비는,

nI1 ÷{ nI1 - nP1 ＊ nI2 / nP2 } ------ ② 이다.

따라서, 고비율 차동유성 감속장치의 최종 감속비(R1)는 ①＊②이므로,

R1= {nI2÷(nS＊nP2/nP1)+1}＊nI1÷{nI1-nP1＊nI2/nP2}------------③ 이다.

도 2은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 고비율 차동유성 감속장치중 태양기어(S)가 있는 쪽의 인터널 기어(I1)를 고정시키고, 나머지 인터널 기어(I2)를 구동시킬 때의 개략도이다. 도 2와 같이 태양기어(S)가 고정된 인터널 기어측의 유성기어와 맞물린 경우, 감속비(R2)는 다음과 같이 구할 수 있다. 즉,

R2= (nI1 / nS + 1)＊nI2÷{nI2 - nP2＊nI1/nP1}---------④ 이다.

이상에서 설명한 도 1과 도 2의 차동유성 감속장치의 경우, 다양한 감속비를 얻기 위하여, 상기 제 1 유성기어(P1) 및 상기 제 2 유성기어(P2)는 상기 태양기어 (S) 주위에 3개씩 구비되고, 상기 태양기어(S), 상기 제 1 유성기어(P1), 상기 제 1 인터널 기어(I1), 및 상기 제 2 인터널 기어(I2)의 이빨수는 3의 배수이고, 태양기어(S)와 맞물리지 않는 제 2 유성기어(P2)의 이빨수는 3의 배수라는 제한을 두지 않는다.

그리고, 상기 태양기어(S), 상기 제 1 유성기어(P1), 상기 제 1 인터널 기어(I1)의 제 1 모쥴(m1)과 상기 제 2 유성기어(P2), 상기 제 2 인터널 기어(I2)의 제 2 모쥴(m2)이 서로 같지 않도록 하여 표준 인벌류트 치형의 사용을 가능하게 한다.

도 3과 같은 차동유성 감속장치의 기구적 특성을 이용하면 다음과 같은 등식을 만들수 있다. 즉,

nI2 ＊ m2 = nS ＊ m1 + nP1 ＊ m1 + nP2 ＊ m2---------⑤

따라서, 제 1모쥴(m1)로부터 제 2 모쥴(m2)를 구하는 식은,

m2 = (nS + nP1) * m1 / (nI2 - nP2)------------------⑥이다.

제 1 유성기어(P1)와 제 2 유성기어(P2)가 동심원을 이루므로 제 2 유성기어(P2)의 모쥴을 식⑥에 의해 조절하면 표준 인벌류트 치형을 사용하면서 감속을 이룰 수 있다.

R1은 도 1과 같이 태양기어(S)가 있는 쪽의 인터널 기어(I1)을 구동시킬 때의 감속비라 하고, R2는 도 2와 같이 태양기어(S)가 없는 쪽의 인터널 기어(I2)을 구동시킬 때의 감속비라 하고, 제 1 모쥴(m1)을 1.00 이라고 하면, 각 기어의 이빨수에 대한 감속비와 모쥴을 다음과 같이 나타낼 수 있다. 즉,

예	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
S	24	24	24	24	24	24	24	24	24	48
P1	27	27	27	24	24	21	21	18	18	51
P2	26	28	25	22	22	22	17	16	15	50
I1	78	78	78	72	72	66	66	60	60	150
I2	73	81	69	69	63	69	57	54	54	147
R1	2869	-3097	92	-91	85	1812	-58	-282	-46	10309
R2	-2868	3098	-91	92	-84	-1811	59	283	47	-10309
m2	1.04	0.96	1.15	1.02	1.17	0.95	1.12	1.10	1.07	1.02

상기 표에서 감속비의 "-" 부호는 역방향을 의미한다. 상기 표에서 알 수 있는 바와 같이, 예를 들어 예 1)의 경우 태양기어(S)의 잇수를 24, 제 1 유성기어 (P1)의 잇수를 27, 제 2 유성기어(P2)의 잇수를 26, 제 1 인터널 기어(I1)의 잇수를 78, 제 2 인터널 기어(I2)의 잇수를 73이라고 할 때, 감속비(R1)은 식 3에 의하여 2869가 되고, 감속비(R2)는 식 4에 의하여 -2868이 되며, 제 2 모쥴(m2)은 식 6에 의하여 1.04 가 된다. 즉 감속비(R1)가 2869가 된다는 것은 입력축(1)이 2869회전 하는 동안 출력축(2)이 일회전을 한다는 것을 의미한다.

상기 표에서 알 수 있는 바와 같이, 감속비(R1, R2)사이에는 부호의 반대와 절대값에서 "1"의 차이가 나는 것을 알 수 있다. 또한 예 1)과 예 3)을 상호 비교하면, 각 기어의 잇수가 크게 차이나지 않음에도 불구하고 감속비(R1)에서는 "2869"와 "92"라는 큰 차이를 나타내고 있다. 이는 높은 감속비나 낮은 감속비인 경우라도 각 기어의 잇수에 큰 차이가 있을 필요가 없다는 것을 의미한다.

또한 예 9)와 예 10)을 상호 비교하면 알 수 있는 바와 같이, 감속비의 범위가 수십대일에서 수만대일까지 크게 변화시킬 수 있음을 의미한다.

또한 상기 표에서 알 수 있는 바와 같이, 태양기어(S), 제 1 유성기어(P1), 제 1 인터널 기어, 제 2 인터널 기어의 이빨수는 3의 배수(예를 들어, 24, 27, 75, 78)이지만, 제 2 유성기어(P2)의 잇수는 3의 배수이어도 좋고 아니라도(예를 들어, 25, 26, 28) 무방하다.

또한 상기 표에서 상기 태양기어(S), 상기 제 1 유성기어(P1), 및 상기 제 2 유성기어(P2)의 상호 이빨수의 차가 4개 이하일때, 높은 감속비를 얻을 수 있다.

상기 표에서 나열한 10개의 예는 단지 예시에 불과한 것으로써 필요에 따라 각 기어의 잇수에 일정한 변화를 주어 다양한 감속비를 얻을 수 있다.

본 실시예에서는 도 3과 같이 태양기어(S)의 둘레에 3개의 유성기어를 등간격(120도 간격)으로 배치한 경우를 예로 들어 설명하였으나 만약 4개의 유성기어를 등간격(90도 간격)으로 배치한 경우 상기 표에서 3의 배수는 4의 배수로 변환하여 쉽게 응용할 수 있다. 필요에 따라서는 유성기어를 2개 배치한 경우 또는 5개 이상 배치한 경우에도 같은 방식으로 잇수를 결정하여 원하는 감속비를 얻을 수 있다.

본 발명의 고비율 차동유성 감속장치에 의하면, 수십대일 내지 수만대일 까지의 고감속이 가능하다. 또한, 감속비의 변화를 각 기어 이빨수의 미소한 차이로 실현함으로써 감속장치의 외관이 크게 변하지 않고 거의 일정한 장점이 있다. 아울러, 높은 감속비인 경우 또는 낮은 감속비인 경우라도 열발생, 기계소음, 감속효율 등에 변화나 편차가 거의 없는 특징이 있다.

그리고, 고감속장치임에도 불구하고 외관이 작고 콤팩트하여 다른 설비에 부착하기가 용이하고 공간을 적게 차지한다는 특징이 있다. 또한 표준 인벌류트 치형이 사용되므로 전위계수를 0으로 하거나 최소화할 수 있고, 소음이 적고, 기어의 가공을 쉬우며, 감속장치의 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

Claims

입력축(1)의 일단에 설치된 태양기어(S),

상기 태양기어(S)와 맞물린 제 1 유성기어(P1),

상기 제 1 유성기어(P1)와 동심원을 이룬 채 일체로 형성된 제 2 유성기어 (P2),

상기 제 1 유성기어(P1)와 맞물리고 회전중심에 출력축(2)이 연결된 제 1 인터널 기어(I1),

상기 제 2 유성기어(P2)와 맞물리고 회전하지 못하도록 고정된 제 2 인터널 기어(I2)로 구성되는 차동 유성기어식 감속장치에 있어서,

상기 제 1 유성기어(P1) 및 상기 제 2 유성기어(P2)는 상기 태양기어(S) 주위에 3개씩 구비되어 있고,

상기 태양기어(S), 상기 제 1 유성기어(P1), 상기 제 1 인터널 기어(I1), 및 상기 제 2 인터널 기어(I2)의 이빨수는 3의 배수이고,

상기 태양기어(S), 상기 제 1 유성기어(P1), 상기 제 1 인터널 기어(I1)의 제 1 모쥴(m1)은 상기 제 2 유성기어(P2), 상기 제 2 인터널 기어(I2)의 제 2 모쥴 (m2)과 다른 것을 특징으로 하는 고비율 차동유성 감속장치
제 1항에 있어서, 상기 제 2 모쥴(m2)은 다음 식으로부터 산정되는 것을 특징으로 하는 고비율 차동유성 감속장치

m2 = (nS + nP1) * m1 / (nI2 - nP2),

여기서, nS는 태양기어의 이빨수, nP1은 제 1 유성기어의 이빨수, nI2는 제 2 인터널기어의 이빨수, nP2는 제 2 유성기어의 이빨수 임.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 태양기어(S), 상기 제 1 유성기어(P1), 및 상기 제 2 유성기어(P2)의 상호 이빨수의 차가 4개 이하인 것을 특징으로 하는 고비율 차동유성 감속장치.