KR20040032888A - 톱니 조립체 - Google Patents

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KR20040032888A
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Abstract

본 발명은 고정된 기어 및 두 개의 톱니 형태의 래크를 사용하여 상기 고정된 기어 상에서 회전하는 기어 휠을 포함하고, 회전 이동의 과정에서 상기 기어 휠이 하나의 톱니 모양의 래크로부터 다른 톱니 모양의 래크로 이동하는 기어 조립체와 관련된다. 본 발명의 목적은 이러한 형태의 기어 조립체를 제공하는 것이며, 상기 조립체에서 톱니 모양의 래크를 회전하는 기어 축은 구부러진 부분을 포함하는 궤적을 통과할 수 있다. 리세스가 두 개의 래크(26, 28) 사이에 형성되고, 이 리세스는 기어 휠(10)이 두 개의 톱니 모양의 래크(26,28)과 동시에 맞물리는 것을 방지한다. 기어의 이행은 회전하는 기어 휠(10)과 관련하여 볼록한 또는 선형의 형상을 가지는 톱니 모양의 아크(42)에 의하여 행해진다. 일단 이행 기어(30)와 맞물리면 기어 휠(10)은 다른 톱니 모양의 래크와 맞물리기 전에 하나의 톱니 모양의 래크(26)를 벗어난다.

Description

톱니 조립체{Toothing Assembly}
많은 설계 작업에서, 톱니 모양의 래크를 따라 회전하는 기어의 축 또는 그들과 연결된 구성 요소를 하나 또는 그 이상의 돌출 부위를 가지는 궤도를 따라 이동시키는 문제가 발생한다. 상기 궤도가 돌출 부위에서 연속적인 경우일지라도, 접선 방향의 불연속성이 존재한다. 그러한 궤도의 예로서 두 개의 반대 방향으로 형성된 원호에 의하여 형성된 두 개의 각을 예로 들 수 있다.
예를 들어, DE 199 20 289 C1에 기술된 것과 같은 회전 피스톤 엔진이 그러한 문제를 발생시킨다. 단면적이 이차원 형상의 타원형이 되는 회전 피스톤이 쳄버(chamber) 내에 존재하고, 쳄버의 단면적은 삼차원의 단면적을 형성한다. 쳄버를 관통하여 중심 방향으로 연장된 구동 샤프트는 회전 피스톤의 운동을 픽-오프(pick-off)하는 역할을 한다. 구동 샤프트는 회전 피스톤을 이용하여 타원아피쳐(an oval aperture)를 통하여 연장되고 피니언(pinions)을 가진다. 그에 의하여, 구동 샤프트의 축과 피니언의 축은 회전 피스톤이 운동 과정에서 회전 피스톤과 상대적인 궤도를 따라 운동하고, 회전 피스톤의 궤도는 두 개의 각을 가진 형상으로 이루어진다. 피니언의 축이 궤도의 돌출 부위를 통과하는 지점에서 피니언이 정지되지(jam) 않도록 톱니를 설계하기 위한 여러 가지 과제가 있다. 기어의 축이 돌출 부위를 가지는 궤도를 따라 움직이는 방법으로 톱니(a toothing)를 따라 기어를 이동시키는 문제는 현재까지 해결되지 않았다.
1973년에 Nauka, Moskow 출판사가 출간한 I.I. Artobolcvskij의 "Mechanisms in modern technology", Vol III에는 해결 방법이 개시되어 있으며, 상기 문헌에서 개시된 시도는 기술된 문제를 회피하기 위한 것이다. 이러한 목적을 위하여, 접선 불연속(tangent discontinuity)을 가진 임계점이 연속적이고 매끄러운 톱니의 연장으로 대치된다. 또한, 회전 대칭 또는 다른 구조를 가지지 않는 기어가 사용되고, 이러한 구조는 구체적으로 특별한 경우에 사용된다.
본 발명은 고정 톱니(stationary toothing) 및 두 개의 톱니 모양의 래크(racks)를 가지고 있어 고정 톱니를 따라 회전하는 기어를 포함하고, 상기 기어는 회전 운동 과정에서 하나의 톱니 모양의 래크에서 다른 톱니 모양의 래크로 이동하는 것과 관련된다.
도 1은 첫 번째 아치형 톱니 모양의 래크와의 맞물림으로부터 두 번째 아치형 톱니 모양의 래크로의 맞물림으로 변화하는 경우의 기어를 도시한 것으로서, 기어는 톱니에 대한 변화 부분과 맞물리고 더 이상 첫 번째 톱니 모양의 래크와 맞물리지 않고 두 번째 톱니 모양의 래크와 아직 맞물리지 않은 상태를 도시한 것이다.
도 2는 기어가 더 이상 두 번째 톱니 모양의 래크와 맞물리지 않게 된 후의 도 1의 톱니 조립체를 도시한 것이다.
도 3은 톱니 모양의 래크의 끝 부분을 가진 선형의 톱니에 대한 변화 부분에 대한 확대된 형태를 도시한 것이다.
도 4는 도 3과 유사한 형태로서 볼록한 톱니에 대한 변화 부분을 도시한 것이다.
도 5는 볼록한 톱니에 대한 변화를 가진 톱니 조립체와 기어의 축에 의하여형성되고 돌출 부위를 가지는 궤도를 도시한 것이다.
도 6은 궤도의 돌출 부위를 통과하는 경우 기어의 축 속도에 대한 벡터 다이어그램을 도시한 것이다.
본 발명의 목적은 톱니 모양의 래크를 따라 회전하는 기어의 축이 돌출 부위를 가지는 궤도를 통하여 정지되지 않고 움직일 수 있도록 하는 톱니 조립체를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 위와 같은 목적은 돌출 부위에서 불연속성을 가지는 회전하는 기어의 축의 궤도를 발생시키는 톱니 모양의 래크와 관련하여 매끄럽지 않게 연장된 톱니 모양의 래크 사이에 톱니에 대한 변화 부분(a change-over toothing)을 제공하는 것에 의하여 이루어진다.
이러한 변화가 주어지면, 먼저 기어는 톱니 모양의 래크 중의 하나를 따라 회전한다. 기어의 축은 돌출 부위에 이르기까지 궤도의 한 구간(one leg)을 운동한다. 여기서부터, 기어는 다른 톱니 모양의 기어를 따라 회전하고, 기어의 축은 궤도의 다른 구간(other leg)을 따라 돌출 부위를 따라서 운동한다. 한편, 하나의 톱니 모양의 래크로부터 다른 톱니 모양의 래크로의 이행은 순간적으로 발생한다. 다른 한편으로 정지상태(jamming)가 발생하지 않아야 한다. 만약 돌출 부위의 영역에 있는 톱니가 매끈하게 연속적이라면, 그러한 정지상태가 발생한다. 톱니 모양의 래크 사이에 "톱니에 대한 변화 부분"과 관련된 원의 곡률 반지름이 기어의 반지름보다 더 작은 경우에는, 이러한 톱니에 대한 변화를 넘어서 회전할 수 없을 것이며 정지 상태가 발생할 것이다. 톱니에 대한 변화와 관련된 원의 곡률 반지름이 기어의 반지름보다 더 큰 경우라면, 하나의 톱니 모양의 래크로부터 다른 톱니 모양의 래크로의 순간적인 이행이 생기지 않을 것이다. 톱니에 대한 변화 부분을 따라 회전하는 동안, 기어의 축은 원호를 따라 이동할 것이다. 어떠한 돌출 부위도 발생하지 않을 것이다. 만약 톱니에 대한 변화 부분 및 기어와 관련된 원들이 매끄러운 연결로 이루어져서 동일하다면, 기어는 톱니에 대한 변화의 영역에서 회전하여 진행할 수 없다. 그러므로, 본 발명은 톱니 모양의 래크와 톱니에 대한 변화 부분 사이에 매끄럽지 않은 이행을 제공한다. 본 발명의 구성은 하나의 톱니 모양의 래크를 벗어난 직후 곧바로 다른 톱니 모양의 래크에게 다시 맞물려지도록 하는 방법으로 이루어질 수 있다. 래크들을 매끈하지 않도록 결합하고 그들 사이에 틈(gap)이 형성되도록 적절하게 배열된 톱니에 대한 변화 부분은 기어에 대한 회전으로 인한 진행과 정지된 톱니 형상의 래크 사이에 항상 톱니의 맞물림이 생기는 것을 확실히 한다. 다음 순간에, 기어는 톱니에 대한 변화 부분 및 다른 톱니 형상의 래크와 맞물린다(mesh). 이러한 방식으로, 톱니 바퀴의 맞물림이 연속적으로 유지되는 한편, 하나의 톱니 모양의 래크로부터 다른 것으로의 순간적인 이행이 발생한다. 궤도는 돌출 부위를 가진다.
두 개의 톱니 모양의 래크 사이에는 릴리프(a relief)가 형성되고, 이는 기어가 두 개의 톱니 모양의 래크와 동시에 접촉하는 것을 방지한다. 톱니에 대한 변화는 회전하는 기어와 관련된 볼록한 형상의 톱니 모양의 호(toothed arc convex)에 의하여 형성될 수 있다. 이 경우 적절하게 기어는 기준 원(reference circle)을 가지며, 기어의 축이 궤도의 돌출 부위에 있는 경우에 상기 기준 원은 두 개의 톱니 모양의 래크의 기준 곡면의 각각에 대하여 공통 접선들을 가지고, 볼록한 형상의 톱니 모양의 호는 기어의 기준 원에 대한 공통 접선을 가지는 기준 원을 가진다. 그러나, 톱니에 대한 변화 부분은 또한 선형의 톱니 모양의 래크가 될 수 있다. 선형의 톱니 래크는 무한대의 곡률 반지름을 가지는 볼록한 톱니 모양의래크로 간주될 수 있다. 톱니에 대한 변화 부분과 맞물리는 한편, 기어가 다른 톱니 모양의 래크와 맞물리기 직전에 하나의 톱니 모양의 래크와의 맞물림을 벗어난다. 두 개의 톱니 모양의 래크의 기준 곡면은 오목한 아치형(concave-arcuate)이 될 수 있다.
본 발명의 실시 형태는 아래에서 첨부된 도면을 참조로 하여 상세하게 설명된다.
아래에서, 본 발명은 돌출 부위에 바로 인접하는 부분에서 원형의 진로(path)를 가진 단일의 궤적과 관련하여 개시될 것이다. 물론, 본 발명의 효력은 이에 제한되지 않는다.
도면에서, 참조 번호 10은 기어를 나타낸 것이다. 기어(10)는 일반적으로 참조 번호 12로 표시된 톱니를 따라 회전하고, 이러한 회전에 의하여 기어의 축(A)이 단일의 궤도(14)를 따라서 형성된다. 궤도(14)는 두 개의 원호(16, 18)로 구성되고, 이러한 원호(16, 18)는 돌출 부위(20)를 형성한다. 원호(16)는 곡률(22)의 중심 주위로 곡면의 형상을 이룬다. 원호(18)는 곡률(24)의 중심의 주위로 곡면을 형성한다. 이러한 목적을 위하여, 톱니(12)는 두 개의 오목한 톱니 모양의 래크(26, 28)를 포함한다. 톱니 모양의 래크(26)는 곡률(22)의 중심 주위로 곡면을 형성한다. 이 곡률(22)의 기준 원은 원호(16)의 곡률 반지름에 비하여 기어(10)의 기준 원 반지름만큼 더 크다. 톱니 모양의 래크(28)는 곡률 중심(24) 주위로 곡면을 형성한다. 곡률(24)의 기준 원은 원호(18)의 곡률 반지름에 비하여 기어(10)의 반지름만큼 더 크다. 기어(10)가 톱니 모양의 래크(26)를 따라 회전할때, 기어의 축(A)은 돌출 부위(20)에 이를 때까지 원호(16)를 따른다. 기어(10)가 원호(18)를 따라서 회전할 때, 이 경우에는 기어의 축(A)은 돌출 부위(20)로부터 도 5의 왼쪽 부분까지 원호(18)를 따라서 이동한다.
문제는 톱니 모양의 래크(26)부터 톱니 모양의 래크(28)까지의 걸침-변화(change-over)이다. 도 1 및 도 2에 도시된 것처럼, 톱니 모양의 래크(26, 28)의 끝 부분들 사이에는 릴리프(a relief)가 존재한다. 선형의 "톱니에 대한 변화 부분(30)"은 이러한 릴리프에 위치한다. 릴리프(32)는 톱니 모양의 래크(26) 및 선형의 톱니에 대한 변화 부분(30) 사이에 제공된다. 유사하게 다른 릴리프(34)가 톱니 모양의 래크(28) 및 선형의 톱니에 대한 변화 부분(30) 사이에 제공된다.
도 1에 도시된 것처럼, 돌출 부위에 해당하는 위치에 있는 톱니 모양의 래크(26, 28)의 기준 원(reference circle)(36, 38)은 기어(10)의 기준 원(40)과 매끄럽게 결합한다. 그러나 톱니 모양의 래크(26, 28) 사이에 있는 톱니는 이러한 기준 원(40)을 따르지 않고 선형의 톱니 래크 또는 톱니에 대한 변화 부분(30)을 형성하며, 이러한 형태가 도면에 도시되어 있다. 이러한 선형의 톱니에 대한 변화 부분(30)의 기준 선 a-a는 기어(10)의 기준 원에서 접선에 해당한다.
도 1에 도시된 것처럼, "돌출 부위(salient point)" 위치에 있는 기어는 중심 영역에서 톱니에 대한 변화 부분(30)과 맞물린다. 기어는 톱니 모양의 래크(26)와 지금 막 더 이상 맞물리지 않은 상태에 있다. 이 기어는 아직 다른 톱니 모양의 래크(28)와 맞물리지 않은 상태이다. 바로 직전에 기어(10)는 톱니 모양의 래크(26)와 계속 맞물려 있었고, 바로 직후에 기어(10)는 톱니 모양의 래크(28)와 맞물릴 것이다. 이러한 방식으로, 톱니 모양의 래크(26)로부터 다른 톱니 모양의 래크(28)로의 순간적인 영역에 걸친 변화(change-over)가 발생한다. 축(A)의 궤적(14)은 접선 불연속을 가진 실질적인 돌출 부위를 포함한다. 톱니에 대한 변화(30)가 선형이므로, 기어(10) 주위로 "구부러짐(bent)"이 발생하지 않고 정지 상태(jamming)가 발생하지 않을 것이다. 도 3은 확대된 실시 예를 도시한 것으로서 기어(10)의 기준 원으로부터 톱니에 대한 변화 부분0)에의 편향이 보다 명확하게 인식되도록 한다.
그러므로, 개시된 톱니 조립체는 정지 상태가 발생하지 않고 하나의 톱니 모양의 래크(26)로부터 다른 톱니 모양의 래크(28)로의 기어(10)의 순간적인 영역에 걸친 변화(change-over)가 가능하도록 함으로써 축(A)이 돌출 부위(20)로 표시되는 궤적(14)을 따르도록 한다. 그러나, 이러한 영역에 걸친 변화가 일어나는 동안, 기어(10)와 톱니 및 토크의 전달 사이에 구동 연결(driving connection)이 톱니 맞물림을 통하여 각각의 순간에 확실히 보장된다.
도 4는 도 1 내지 도 3과 유사한 톱니 조립체를 도시한 것이다. 대응되는구성 요소들은 도 1 내지 도 3과 동일한 도면 부호로 표시되어 있다. 도 4의 톱니 조립체에서, 볼록한 형상의 톱니에 대한 변화 부분(42)이 선형의 톱니에 대한 변화부분을 대신하여 제공된다. 톱니에 대한 변화 부분(42)은 기준 원(44)을 가진다. "돌출 부위(salient point)"의 위치에 있는 기어(10)의 기준 원(40)은 기준 원에 대하여 공통 접선 a-a를 가진다. 적절하게, 접선 a-a는 두 개의 곡률(22, 24) 중심을 연결하는 선과 평행을 이룬다.
극단적인 경우로서, 톱니에 대한 변화 부분이 단일의 톱니로 구성되는 것이 가능하다. 만약 충분히 큰 곡률 반지름을 가진다면, 톱니에 대한 변화 부분이 오목한 형상을 가지는 것도 또한 가능하다. 궤적의 돌출 부위(20) 주위로 회전하는 기어의 축에 대한 지침이 되는 물리량은 기어의 축 또는 무게 중심의 궤적은 돌출 부위(20)에서 연속적으로 유지되는 반면, 기어의 속도는 불연속적으로 그것의 방향을 변화시킨다는 사실에 의하여 실질적으로 결정된다.
이러한 상황이 도 6에 도시되어 있다.
만약 마찰로 인한 손실 또는 다른 동역학적인 효과가 무시된다면, 돌출 부위의 바로 앞에서의 축(A)의 속도, 즉 VTR1,는 돌출 부위 바로 뒤의 축의 속도 Vi TR1으로 순간적으로 변한다(점프한다: jump). 점프하기 전 라인 a-a에 평행한 속도 성분 Vi TR1은 돌출 부위 바로 뒤 속도 성분 Vi TR2와 동일하다. 점프하기 전 라인 a-a에 수직한 속도 성분 Vn TR1은 돌출 부위 바로 직후의 반대 성분 Vn TR2로 불연속적으로 변한다. 이는 Vn TR1=-Vn TR2로 표시된다.
그러므로, 돌출 부위를 통하여 기어(10)의 축 A의 통과는 라인 a-a에서 중력에 대한 무게 중심의 거울 반사와 동일하다.
본 발명은 기계분야에 해당하는 것으로서 두 개의 서로 다른 톱니 모양의 래크를 회전하면서 이동하는 기어가 돌출 부위를 통과하면서 잼 현상(jamming)이 발생하지 않고 원활하게 이동하도록 하기 위한 것이다.

Claims (8)

  1. 정지된 톱니 및 두 개의 톱니 모양의 래크(26,28)를 가진 정지된 톱니를 따라 회전하는 기어를 포함하고, 회전 운동이 이루어지는 동안 상기 기어는 하나의 톱니 모양의 래크로부터 다른 톱니 모양의 래크로 이동하는 톱니 조립체에 있어서,
    톱니에 대한 변화 부분(a change-over toothing)(30,42)이 회전하는 기어 축(A)의 궤적(14)을 발생시키는 톱니 모양의 래크와 관련하여 매끄럽지 않게 연장된 톱니 모양의 래크(26, 28) 사이에 제공되고, 상기 궤적은 돌출 부위에서 접선이 불연속적인 것을 특징으로 하는 톱니 조립체.
  2. 청구항 1에 있어서,
    두 개의 톱니 모양의 래크(26, 28) 사이에 릴리프(a relief)가 제공되고, 상기 릴리프는 두 개의 톱니 모양의 래크(26, 28)와 기어(10)가 동시에 접촉되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 톱니 조립체.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 톱니에 대한 변화는 회전하는 기어(10)와 관련하여 볼록한 형상의 톱니 형상의 호(arc)(42)에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 톱니 조립체.
  4. 청구항 3에 있어서,
    (a) 기어(10)의 축(A)이 궤적(14)의 돌출 부위에서 있는 경우, 기어(10)는 두 개의 톱니 모양의 래크(26, 28)의 각각의 기준 곡면(36, 38)에 대한 공통 접선을 가지고, 그리고
    (b) 볼록한 형상의 톱니 모양의 호(42)는 기어(10)의 기준 원(40)에 대한 공통 접선(a-a)을 가진 기준 원(44)을 가지는 것을 특징으로 하는 톱니 조립체.
  5. 청구항 2에 있어서,
    톱니에 대한 변화 부분은 선형의 톱니 모양의 래크(30)인 것을 특징으로 하는 톱니 조립체.
  6. 청구항 2에 있어서,
    톱니에 대한 변화는 단일의 톱니(one single tooth)가 되는 것을 특징으로 하는 톱니 조립체.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중의 어느 하나에 있어서,
    기어(10)가 톱니에 대한 변화 부분(30)과 맞물릴 때, 기어(10)는 다른 톱니 모양의 래크(28)와 맞물리기 바로 직전에 하나의 톱니 모양의 래크(26)를 벗어나는 것을 특징으로 하는 톱니 조립체.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중의 어느 하나에 있어서,
    두 개의 톱니 모양의 래크(26, 28)의 기준 원(36, 38)은 오목한 형상의 아크 형태(arc)인 것을 특징으로 하는 톱니 조립체.
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