KR20080055928A

KR20080055928A - 이축 압출기용 기어 시스템

Info

Publication number: KR20080055928A
Application number: KR1020087009259A
Authority: KR
Inventors: 에르윈 슈나블
Original assignee: 데이손 익스트루션스테크닉 게셀샤프트 엠.베.하.
Priority date: 2005-09-19
Filing date: 2006-09-15
Publication date: 2008-06-19
Also published as: DE502006005370D1; RU2008115435A; EP1948420B1; AT503370B1; AT503370A1; ATE448070T1; WO2007093228A1; US20080307924A1; CN101300119A; TW200730340A; JP2009508722A; EP1948420A1

Abstract

길이가 상이한 두 개의 평행한 구동축들 (1, 2)을 갖는 이축 압출기의 스크류들을 구동하기 위한 기어 시스템으로서, 긴 구동축 (1)은 구동기어 휠 (3)을 보유한다. 짧은 구동축 (2)은 기어치바퀴 (6)에 의해 세 개의 분배축들 (13, 14, 15)에 회전 가능하게 고정된 연결을 가지며, 이 분배축들은 내부 기어치들 (19)을 가지는 환상형의 기어 휠 (20)과 이 기어치들과 맞물리는 분배축들 위의 기어 휠들 (16, 17, 18)에 의해 긴 구동축 (1)으로부터 구동될 수 있다. 긴 구동축 (1) 위에는, 짧은 구동축 (2)의 기어치바퀴와 직접 맞물리는 기어치바퀴 (5)가 있다. 하중을 잘 분배하는 것을 달성하기 위해, 환상형의 기어 휠 (20)은 또한 두 개의 중간 축들 (24, 25)의 기어 휠들 (22, 23)과 맞물리는 외부 기어치들 (21)을 가지며, 중간 축들 (24, 25)의 기어 휠들은 또한 기어 휠들 (26, 27)에 의해 구동기어 휠 (3)과 서로 맞물린다.

Description

이축 압출기용 기어 시스템{GEAR SYSTEM FOR A TWIN-SCREW EXTRUDER}

본 발명은 청구항 1의 전제부에 의한 전동장치(transmission)에 관한 것이다.

이축 압출기(twin-screw extruders)를 구동함에 있어서의 문제는 서로 매우 근접하게 위치하는 두 구동축들(drive shafts)이 매우 높은 토크를 전달해야 한다는 점에 있다. 전동장치의 양 구동축들은 상이한 길이를 가진다. 사실상 여하한 크기의 구동기어(drive gear)라도 이 구동기어에 작용하는 힘들이 (그 큰 직경 때문에) 높은 토크에도 불구하고 합리적인 한계 내로 유지될 수 있도록 긴 구동축에 설치될 수 있다. 상대적으로 작은 직경을 가진 기어만이 짧은 구동축에 설치될 수 있는데, 그렇지 않으면 긴 구동축과 부딪힐 것이기 때문이다. 이 기어에는 높은 토크를 가진 매우 큰 힘이 작용한다. 기어치에 작용하는 압력은 기어를 (구동축의 길이 방향으로) 길게 만듦으로써 제한적으로나마 경감될 수 있지만, 구동축이 높은 토크에서 비틀리기 때문에 기어의 길이 중 일부만이 실제로는 힘을 전달하게 된다. 최대의 토크란 기어치가 지탱하고 있는 힘, 말하자면 한편으로는 레이디얼(radial) 베어링들이, 다른 한편으로는 기어의 직경이 흡수할 수 있는 반경방향힘(radial forces)의 결과인데, 이는 짧은 구동축으로 전달될 수 있다.

스크류들이 견딜 수 있는 토크는 소재 개량의 결과 점차 커지고 있어서, 예전보다 더 강력한 전동장치가 요구되고 있다. 짧은 구동축으로 더 높은 토크를 전달시킬 수 있도록 하기 위해, 오스트리아 특허 제 351235 호는 하나의 기어가 아니라 두 개의 기어로 짧은 구동축의 기어를 구동하여, 전달될 수 있는 토크가 대략 두 배가 될 수 있도록 할 것을 제안하고 있다. 이러한 목적을 위해 두 개의 분배축들(distributor shafts)이 사용되어, 각각이 일측에서는 짧은 구동축 위의 기어와, 다른 일측에서는 긴 구동축의 구동기어와 맞물린다.

이 경우에는, 양 분배축들이 그 하우징의 대칭면에 있지 않아서, 그 조립과 해체가 복잡한 것이 단점이다.

이 문제를 해결하기 위해, 오스트리아 특허 제 398938 호[미국 특허 제 4,899,620 호]는 단지 한 개의 분배축을 설치하고, 그 제2 파워 트레인(power train)을 위해 긴 구동축 위에 하나의 기어를 설치하여 짧은 구동축 위의 기어와 직접 맞물리게 하는 것을 제안하고 있다. 짧은 구동축 위의 기어는 그에 따라 두 기어에 의해 구동되어 대략 두 배의 토크가 이들에 의해 전달될 수 있다.

오스트리아 출원 공개 제 1690/98 호(유럽 특허 제 995580호 [미국 특허 제 6,318,202 호]에 대응됨)에는, 이 두 해결책들이 조합되어 있어서, 두 개의 분배축들과 아울러 짧은 구동축 위의 기어와 직접 맞물리는 긴 구동축 위의 기어를 설치하는 것이 제안되어 있다. 이로 인해 세 개의 파워 체인들(power chains)이 형성되 고, 이에 따라 세 배의 토크를 전달할 수 있다.

이 특허 출원은 또한, 전달가능한 토크가 네 배가 되도록 세 개의 분배축을 설치하는 것에 대해 특허를 청구하고 있다. 그러나, 이에 대해서는 어떠한 실시예(embodiment)도 제시되어 있지 않아 세 개의 분배축들이 균일하게 구동될 수 있는 방법은 명확하지 않은 상태로 남아 있다.

2005년 6월 15일자의 오스트리아 특허 출원 제 1690/98 호에 대한 이의신청에 대해서, 링 기어(ring gear)를 통해 세 개의 분배축들을 구동한다는 주장이 제안되었다. 이것은 혁신적인 최신 기술이다. 그러나, 하나의 링 기어로 세 개의 분배축들을 균일하게 구동하는 것은 그리 간단한 것이 아니다. 만일 링 기어의 내부 기어치들이 하나의 단일 기어에 의해 구동되면, 매우 높은 반경방향힘이 발생하여 링 기어를 베어링 내에서 미세하게 이동시켜서(shift) 적어도 하나의 분배축에 돌출부형성(relieving)을 가져오게 된다(그러면 작동되지 않을 것이다). 이것은 비록 링 기어가 이상적인 강성체라는 것을 전제하더라도 그러하다. 링 기어가 탄성적으로 변형될 것을 추가로 고려하면, 상황은 더 바람직하지 못하다.

발명의 목적

본 발명의 목적은 이러한 단점들을 피하고 토크의 이상적인 분배가 보장되는 상술한 유형의 전동장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 의하면, 이 목적은 청구항 1의 특징적인 특성들에 의해 정의되는 전동장치에 의해 달성된다.

링 기어의 내부 기어치들을 통해 세 개의 분배축들을 구동함으로써 중간 축들(intermediate shafts)의 위치가 자유롭게 최적화될 수 있고(분배축들이 방해가 되지 않음), 링 기어는 다시 외부 기어치들과 두 개의 중간 축들을 통해 구동될 수 있다. 또한, 두 중간 축들의 반경방향힘들은 적어도 부분적으로 서로 상쇄된다. 이 방법에 의해, 전단력들과 탄성적 변형들을 크게 피할 수 있다. 이리하여, 본 발명에 의한 전동장치 내에서는 전달될 토크들이 매우 우수하게 분배되어, 밀폐된 공간 환경 하에서 조차도, 개별 구성 요소들에 대한 하중은 낮게 유지되며, 개별 구성요소들 내에서 과도한 응력(tension)이 허용될 필요가 없다. 이로 인해 전동장치의 작동 안전성이 높아진다.

이러한 맥락에서, 청구항 2의 특성들을 제공하는 것이 특히 유리하다. 이러한 조치들 때문에, 토크의 전달 중에 생기는 전단력은 크게 서로 상쇄되어 링 기어가 의도한 위치 밖으로 거의 이탈되지 않는다. 외부 분배축들의 축면들(axial planes)과 중간 축들의 축면들 간의 이상적인 각도는, 만일 링 기어의 두께가 무시할 만하면 대략 20°이고, 링 기어의 두께와 함께 증가된다. 따라서 이상적인 각도은 20°와 30°사이이다.

스크류에 의해 압출하는 동안 발생하는 축력(axial forces)을 더 잘 흡수할 수 있도록 하기 위해서는, 청구항 4의 특성들을 구비하는 것이 바람직하다. 링 기어의 기어치들은 서로 반대로 피치되어(pitched) 있으므로, 링 기어가 순축력(net axial forces)에 처해지지 않는다.

이제 본 발명을 다음의 도면들을 참조하여 상세하게 설명하고자 한다:

도 1은, 본 발명에 의한 전동장치의 입력부 측으로부터 바라본 개략도이고;

도 2는, 입력부 측으로부터 바라본 도 1의 전동장치의 개략도이며;

도 3은, 링 기어 및 중간 축들이 배제된 채로 출력부 측으로부터 바라본 도 1 및 도 2에 의한 전동장치의 사시도이고;

도 4는, 링 기어 및 중간 축들이 배제된 채로 출력부 측으로부터 바라본 도 1 및 도 2에 의한 전동장치의 사시도이며; 그리고

도 5는, 긴 그리고 짧은 구동축들의 베어링의 개략도이다.

발명 실시의 최량의 형태

하나의 구동기어 (3)가 긴 구동축 (1)에 회전 가능하게 고정되어, 도시되지 않은 모터의 출력 기어(output gear)와 맞물리거나, 또는 긴 구동축 (1)이 구동 모터와 직접 결합된다(coupled). 또한, 액시얼 베어링(axial bearing) (4)이 장착된 긴 구동축 (1)은, 짧은 구동축 (2)에 회전 가능하게 고정된 기어 (6)와 맞물리는 기어 (5)에 회전 가능하게 고정되어 있다. 짧은 구동축 (2)도 또한 한 개의 액시얼 베어링 (9)을 가진다. 이것은 긴 구동축 (1)의 근접성 때문에 그 직경이 제한되며, 이중 베어링(double bearing)으로서 설계되는 것이 바람직하다.

기어들 (5 및 6)은 헬리컬(helical) 기어치를 가진다. 이 헬리컬 기어링(기어전동장치)은, 짧은 구동축 (2)이 스크류 쪽으로 밀려서 이에 따라 짧은 구동축의 베어링 (9)에 작용하는 축력(axial force)이 상승 토크(rising torque)와 함께 비례적으로 작아지도록 선택되는 것이다. 결과적으로, 긴 구동축 (1)에 작용하는 축력은 증가하지만, 액시얼 베어링 (4)이 더 크게 만들어질 수 있으므로 이것이 문제되지는 않는다.

도 5에서 볼 수 있는 바와 같이, 레이디얼 베어링들 (7)은 긴 구동축 (1) 위의 기어 (5) 옆에 장착된다. 레이디얼 베어링들 (8)은 그들에 대해 축상으로 오프셋되도록(offset axially) 짧은 구동축 (2) 위에 장착된다. 이러한 축상 오프셋은 레이디얼 베어링들 (7 및 8)을 가능한 크게 만들 수 있도록 하기 위해 필수적이다. 레이디얼 베어링들 (8)에 대해 기어 (6)와의 간격을 두는 것은, 이후 설명하는 바와 같이, 기어 (6)에 작용하는 반경방향힘들이 크게 서로 상쇄되기 때문에 별로 문제되지 않는다.

보다 명확히 보이도록 하기 위해, 도 1 내지 도 4의 베어링들 (4, 7, 8 및 9)은 부분적으로만 나타내었다.

또한, 분배축들(distributor shafts) (13, 14, 15)에 회전 가능하게 고정된 기어들 (10, 11, 12)은 짧은 구동축 (2)의 기어 (6)와 맞물린다. 또한 이들 분배축들 (13, 14, 15)에 회전 가능하게 고정된 것은, 한 개의 링 기어 (20)의 내부 기어치들 (19)과 맞물리는 기어들 (16, 17)이다.

이 링 기어 (20)는 또한 외부 기어치들을 갖도록 설계되고, 내부 기어치들 (19)과 외부 기어치들 (21)은 반대 피치들 가지는 나선형(helical)이다.

분배축들 (13, 14 또는 14, 15)은 각도 상으로 90°만큼 떨어져 있고, 긴 구동축 (1), 짧은 구동축 (2) 및 분배축 (14)은 동일 평면상에 있다. 기어 (6)는 각도 상으로 동일한 간격만큼 떨어져 있는 네 개의 기어들에 의해 구동되어 그 반경방향힘들이 서로 상쇄된다.

링 기어 (20)의 외부 기어치들 (21)은 각각 중간 축들 (24 및 25)에 회전 가능하게 고정된 기어들 (22 및 23)과 맞물린다. 또한 이 중간 축들 (24 및 25)에 회전 가능하게 고정된 기어들 (26 및 27)은 구동기어 (3)와 맞물린다.

중간 축들 (24 및 25)은, 링 기어 (20)를 가로힘(transverse forces)으로부터 크게 자유롭게 유지되도록 하기 위해, 짧은 구동축의 축에 대해 분배축 (14)으로부터 분배축들 (13, 15)에 대해 20°내지 30°만큼 오프셋되어 있다. 이리하여 토크를 분배축들 (13, 14, 15)에 균일하게 분배하는 것이 달성된다.

모든 기어들은, 상응하는 스크류로부터 짧은 구동축에 전달된 축력을 부분적으로 보상하기 위해, 공지된 방법으로 헬리컬 기어들로서 설계되고, 이리하여, 직경이 제한되는 액시얼 베어링 (9)에 대한 하중이 걸리지 않게 해준다.

도 1 내지 도 5에 의한 전동장치의 설계에 힘입어, 개별 기어들 및 축들에 작용하는 하중들이 낮게 유지되어, 높은 토크들이 전동장치를 통해 양 구동축들 (1 및 2)의 스크류들로 전달될 수 있다. 이리하여 동력 전달이 실패할 위험 없이, 스크류들의 높은 하중 지지 용량이 전부 사용될 수 있다.

Claims

서로 반대로 회전하며 각각 스크류와 연결되고 길이가 상이한 두 개의 평행 구동축들 (1, 2)을 포함하여 구성되고, 상기 긴 구동축 (1)에는 하나의 구동기어 (3)와 하나의 기어 (5)가 장착되고, 상기 짧은 구동축 (2)은 3 개의 분배축들 (13, 14, 15)에 연결된 하나의 기어 (6)에 회전 가능하게 고정되며, 상기 기어 (5)는 상기 기어 (6)와 직접 맞물려 있어서, 상기 3 개의 분배축들 (13, 14, 15)이, 내부 기어치들 (19)을 갖는 하나의 링 기어 (20)에 의해 그리고 이들 내부 기어치들과 맞물리는 그 자체의 기어들 (16, 17, 18)에 의해 상기 긴 구동축 (1)으로부터 구동될 수 있는 것에 있어서,

상기 링 기어 (20)에, 다른 기어들 (26, 27)을 통해 하나의 구동기어 (3)와 맞물리는 두 개의 중간 축들 (24, 25)의 기어들 (22, 23)과 맞물리는 외부 기어치들 (21)이 형성된 것을 특징으로 하는, 이축 압출기의 스크류 구동용 전동장치.
제1항에 있어서, 상기 3 개의 분배축들 (13, 14, 15)이 각도 상으로 약 90°떨어져 있고, 상기 중간 축들 (24, 25)이 축면들 내에(in the axial planes) 그리고 외부 및 중앙 분배축들 (13, 14, 15) 사이에 있는 것을 특징으로 하는, 이축 압출기의 스크류 구동용 전동장치.
제2항에 있어서, 상기 외부 분배축들 (13, 15)의 축면들과 상기 중간 축들 (24, 25)의 축면 사이의 각도가 20°내지 30°인 것을 특징으로 하는, 이축 압출기의 스크류 구동용 전동장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기어들이, 공지된 방법으로, 헬리컬 기어링(기어전동장치)을 가지며, 상기 링 기어 (20)의 상기 내부 기어치들 (19) 및 상기 외부 기어치들 (21)이 서로 반대로 피치되는(pitched) 것을 특징으로 하는, 이축 압출기의 스크류 구동용 전동장치.