KR20090130859A - 헬리컬 기어용 가요성 핀 - Google Patents

Abstract

본 발명은 헬리컬 기어 시스템용 가요성 핀에 관한 것이다. 전도 모멘트 및 기타 기어 힘에 기인하는 오정렬과 크기가 같고 방향이 반대인 대응 재정렬이 구성품 또는 마모 표면의 추가 없이 이루어진다. 핀 요소 상에서, 비수직형으로 배향된 주축선을 가진 하나 이상의 여러 단면 또는 가변 단면은 접선 방향 및 반경 방향의 힘을 이용하여 2 평면 내에서 변형을 일으킴으로써, 헬리컬 기어 힘에 의해 발생하는 오정렬을 완전하게 보상하며, 따라서 평기어와 종래 가요성 핀을 사용하였을 경우와 동일하게 맞물림이 정렬되도록 유지한다.

유성 기어, 헬리컬 기어, 가요성 핀, 맞물림 정렬, 면적 관성 모멘트

Description

헬리컬 기어용 가요성 핀{FLEXIBLE PIN FOR HELICAL GEARS}

본 발명은 일반적으로 기어 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 헬리컬 기어 시스템용 가요성 핀에 관한 것이다.

특별한 형태의 기어 요소용 외팔보 지지체(cantilevered support)는 장착 핀과 동심인 슬리브 요소를 포함하며, 장착 핀은 슬리브의 외측이 시스템 축선과 평행하게 유지되도록 변형된다. 이는 통상적으로 "가요성 핀(flex-pin, 플렉스-핀)"이라고 불린다. 그와 같은 가요성 핀은 벽 또는 기타 부재에 고정된 내측 핀을 포함할 수 있고 내측 핀은 벽 또는 기타 부재로부터 외팔보형으로 돌출하며, 가요성 핀은 내측 핀의 반대쪽 단부로부터 내측 핀 주위에 걸쳐서 다시 외팔보형으로 연장되는 슬리브를 또한 포함함으로써, 이중 외팔보를 제공한다.

이러한 장치는, 변형이 평행할 뿐만 아니라, 유성형 시스템(planetary system)을 비롯한 다중 기어 동력 분배 시스템 내의 부하를 균등화하는 데에 기여하는 공학적 스프링 상수(spring rate)를 가진다. 알. 제이. 힉스(R. J. Hicks)의 미국 특허 공보 제3,303,713호에 개시된 발명은, 큰 동력 전달(high-duty transmission)에 있어서, 특히 유성형 구성에서 4개 이상의 유성 기어를 이용하여 출력 밀도를 증가시킬 때에 중요하게 적용된다. 이러한 시스템은 통상적으로 평기 어(spur gear)를 사용한다. 그러한 기어에 있어서, 톱니 접촉부에는 맞물림과 분리 중에 미끄러짐(sliding)과 더불어 주로 구름(rolling)이 일어난다.

반면에, 헬리컬 기어는 나선형 톱니(helicoid teeth)를 구비한 원통형 기어이다. 헬리컬 기어는 평기어에 비하여 작동시에 소음과 진동이 적다. 헬리컬 기어 상의 부하는 항시 여러 톱니들에 걸쳐서 분산되고, 따라서 마모가 감소한다. 각진 절단부(angular cut)에 의하여, 톱니 맞물림은 기어 샤프트를 따라 추력 부하(thrust load)를 발생시킨다. 따라서, 헬리컬 기어는 출력 밀도가 높고 작동이 원활하지만, 가요성 핀이 수용하도록 설계된 접선 방향 부하(tangential load)에 대해 90°인 반경 방향 평면 내에서 전도 모멘트(overturning moment)를 생성한다. 종래의 가요성 핀의 경우에, 이러한 모멘트는 반경 방향 평면 내에서 기어의 회전을 일으키고 그에 따라 톱니 정렬 오차(tooth misalignment)를 발생시킨다.

기어 힘(gear force)의 차이가 도 1에 도시되어 있다. 이 도면에는, 유성 기어 장치 시스템의 일부인 유성 기어가 도시되어 있다. 유성형 장치(epicyclic arrangement)는, 유성 지지체(planet carrier) 상에 장착되고 내측의 태양 기어(sun gear)와 맞물리는 둘레의 다수의 유성 기어와, 외측의 환형 기어(annulus gear)를 포함한다. 태양 기어와 위성 기어는 외접 기어(external gear)이고 환형 기어는 내측에 톱니가 형성된 내접 기어이다. 일반적으로 환형 기어 또는 유성 지지체는 고정되는데, 환형 기어가 고정되면 기어비(gear ratio)는 증가한다.

유성형 장치는 부하가 유성 기어들 사이에 분배될 수 있도록 하여, 모든 기어의 계면에서의 부하를 감소시킨다. 도 1에 도시된 바와 같이, 그러한 장치 내에 서 유성 기어에 작용하는 반경 방향(r), 접선 방향(t) 및 축 방향(a) 성분을 가진 여러 힘이 존재한다. 헬리컬 기어에 있어서는, 축 방향력에 의하여 전도 모멘트가 발생한다.

헬리컬 기어의 전도 모멘트는 반력 링(reaction ring)을 설치함으로써 해소될 수 있으나, 실용에 있어서 반력 링은 응력을 겪게 되고 마모될 수 있다. 이는 특히 위험한데, 그 이유는 기어 및 베어링 영역 내의 마모 입자는 어떠한 경우라도 발생하면 바람직하지 않기 때문이다.

따라서, 본 발명의 목적은 구성품 또는 마모 표면을 추가하지 않고 헬리컬 기어의 전도 모멘트 문제에 대한 해결책을 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 구성품 또는 마모 표면의 추가 없이, 전도 모멘트 및 기타 기어 힘에 기인하는 오정렬(misalignment)과 크기가 같고 방향이 반대인 교정 재정렬(correcting realignment)이 이루어진다. 따라서, 본 발명은 전술한 문제를 해결한다.

본 발명에 따르면, 핀은 비(非)수직형으로 배향된 주축선(principal axis)을 가지는 하나 또는 둘 이상의 여러 단면 또는 가변적인 단면을 나타내고, 헬리컬 기어 힘에 기인하는 정렬 오차를 완전히 보상하기 위하여, 접선 및 반경 방향력을 사용하여 2 평면 내에서 변형을 일으킴으로써, 평기어와 종래의 가요성 핀을 사용하였을 때와 동일하게 맞물림이 정렬되도록 유지시킨다. 그와 같은 핀 요소는 형상이 비등방성이고 축선들을 따라 다른 면적 관성 모멘트를 가지므로, 여러 방향으로 여러 강성을 나타낸다.

또한 접선 방향 정렬은, 구멍(bore) 내의 핀의 회전 배향을 변화시킴으로써 반경 방향과는 무관하게 조정될 수 있다. 반경 방향 조절은 장착 구성품 또는 지지체의 강성에 대한 변경에 의해 조정되고, 따라서 반경 방향 평면 내에서 핀 장착 구멍의 정렬이 이루어진다. 장착 구성품 또는 지지체에 장착되는 판의 강성화는 단면 특성의 조정을 위하여 사용된다. 이러한 판은 반경 방향 평면 내에서 지지체의 핀 장착 구멍의 정렬 오차를 제어한다.

본 발명은 가요성 핀(flexible pin)을 헬리컬 기어에 적용 가능하게 하는 장점을 가진다.

본 발명은 핀이 장착되는 구성품의 바람직하지 않은 변형을 보상할 수 있는 장점을 가진다.

본 발명은 예상 및 실제 시스템 변형의 차이를 보상하기 위한 정렬을 조정할 수 있다는 장점을 가진다.

본 발명은 헬리컬 기어가 더 큰 하중을 지지하고 소음과 진동이 발생하지 않는다는 장점을 가진다.

본 발명은, 큰 동력 전달에 적용될 수 있으며 가요성 핀의 중량과 비용이 감소할 뿐만 아니라, 헬리컬 기어를 사용함으로써 조용한 작동이 이루어지게 하고 중량과 크기를 더욱 감소시킬 수 있다는 또 다른 장점을 가진다.

도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 유성형 시스템에 있어서 평기어와 헬리컬 기어의 힘을 비교한 도면이다.

도 2는 단부 기울기가 0인 외팔보 빔의 간략한 도면이다.

도 3은 단부 기울기가 0인 이중 외팔보 형태의 빔의 간략한 도면이다.

도 4는 평행 변형(parallel deflection)이 일어난 종래의 가요성 핀 상의 평기어 힘을 나타내는 도면이다.

도 5는 비평행 변형(nonparallel deflection)이 일어난 종래의 가요성 핀 상의 헬리컬 기어 힘을 나타내는 도면이다.

도 6은 비평행 변형이 일어난 비대칭 가요성 핀 상의 평기어 힘을 나타내는 도면이다.

도 7은 평행 변형이 일어난 비대칭 가요성 핀 상의 헬리컬 기어 힘을 나타내는 도면이다.

도 8은 주축선 방향을 나타내는 비대칭 가요성 핀의 단면도이다.

도 9는 주축선 방향이 가변적이고 평행 변형이 일어난 비대칭 가요성 핀 상에 작용하는 헬리컬 기어 힘을 나타내는 도면이다.

도 10은 2개의 다르거나 가변적인 단면을 가진 가요성 핀에 있어서 접선 및 반경 방향 정렬에 미치는 핀 회전의 영향을 나타내는 도면이다.

도 11은 동일 비율의 헬리컬 기어와 평기어의 맞물림 오차의 비교도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 유성 기어 시스템 내의 유성 평기어는 일반적인 접선 방향력인 W_{t_환형}과 W_{t_태양}을 각각 가진다.

총 접선 방향력은 다음과 같이 주어진다.

W_t = W_{t_환형}+ W_{t_태양} (식 1)

또한, 시스템은 일반적인 반경 방향력인 W_{r_환형}과 W_{r_태양}을 각각 가진다. 총 반경 방향력은 전형적으로 0이고 다음과 같이 주어진다.

W_r = W_{r_태양} - W_{r_환형} (식 2)

가요성 핀은 핀과 슬리브 배열체의 평행 변형 내의 접선 방향력을 수용한다. 이는 외팔보에 의해 일단에서 발생하는 정렬 오차를 타단에서 외팔보로 보상함으로써 달성된다.

본 명세서에서 Δ_y와 Δ_z로 표기하는 통상의 가요성 핀 장치의 변형(deflection)은 고전 역학(빔 이론 및 빔 변형 공식)에 따르면 다음과 같다.

(식 3)

및

(식 4)

여기서, I_y-y는 y 방향으로의 2차 면적 모멘트 또는 면적 관성 모멘트이고, I_z-z는 z 방향으로의 2차 면적 모멘트 또는 면적 관성 모멘트이며, 빔의 자유 단부 에서의 기울기는 0(톱니 정렬을 유지)이다. 이는 도 2에 도시되어 있다.

슬리브가 충분히 강성이라고 가정하면, 도 3에 도시된 바와 같은 동일한 시스템이 이중 외팔보로서 표현될 수 있다.

이러한 시스템에서, 빔의 단부에서의 기울기가 0과 같기 위해서는 다음의 식이 만족되어야 한다.

(식 5)

및

(식 6)

평기어의 경우에는, 일반적으로, W_r = 0.0, Mot_y = 0.0, Mot_z = 0.0이고, 대칭 핀에 대해서는 I_y-y = I_z-z이다. 따라서, a = l/2일 때에, Δ_z = 0이고, 핀의 단부에서의 기울기와 그에 따른 슬리브 내에서의 기울이가 0이므로 톱니 정렬이 유지된다. 이는 도 4에 도시되어 있다.

반면에, 헬리컬 기어의 경우에는, Mot_y가 0이 아니고(Mot_y ≠ 0) 그에 따라 발생하는 z 방향으로의 변형이 존재한다. 이는 도 5에서 알 수 있다. 유성 기어 시스템 내의 헬리컬 유성 기어는 전도 모멘트가 부가된 평기어와 동일한 힘을 가진다. 전도 모멘트(Mot_y)는 W_t에 수직인 평면에 존재하고, 이러한 반경 방향 평면 내의 변형은 유성 기어들과 태양 기어와 환형 기어 사이에 각각 톱니 정렬 오차를 발 생시킬 것이다. 이는 'a'에 대한 식이 만족될 수 없기 때문이다. Mot_z = 0이므로, a = l/2은 반드시 성립하여야 한다. W_r = 0이면, Mot_y/W_r는 무한대이고, W_r이 0이 아니면(Wr ≠ 0), a = l/2이 성립할 수 없고, 따라서 종래의 가요성 핀은 이러한 효과에 대해 교정이 불가하다.

본 발명에 따르면, I_z-z를 변경한다. 본 발명에서는, 통상적으로 대칭인 핀 형상을 변경하여 I_z-z ≠ I_y-y가 되도록 I_z-z를 변경한다. 이러한 비대칭은 단면 내에 주축선(principal axis)을 생성한다. 주축선은, y 방향으로 접선 방향 하중이 인가될 때에, 반경 방향의 변형과 z 방향으로의 기울기 정렬 오차를 일으키도록 비수직 방향으로 배향된다.

이러한 효과는 도 6에 도시되어 있으며, 도면에서 평기어를 지지하는 비대칭 핀에 의해 특유의 힘(singular force)(W_t)이 작용한다. 단면 주축선의 비수직 배향에 의하여, 도 2의 평기어에서의 대칭 가요성 핀의 변형과는 달리, 변형은 y 방향과 z 방향으로 나타난다. 단면 주축선의 각도 배향을 가능하게 하는 I_z-z와 I_y-y의 차이에 의하여, 핀은 도 6에 도시된 바와 같이 소정 각도로 변형된다.

전술한 바와 같이, 가요성 핀 상에 장착된 헬리컬 기어에는, 평기어와는 대조적으로 헬리컬 기어의 상호 작용에 기인하는 힘 때문에, y축을 중심으로 (반경 방향 평면 내에) 모멘트(Mot_y)가 발생한다. 본 발명에 따르면, 단면 주축선의 배향과 함께, 접선 방향 평면을 벗어난 기울기와 변형을 발생시키는 적절한 y 방향의 힘이 존재한다는 점(그리고, z 방향의 힘이 존재할 수도 있다는 점)을 활용하며, 이러한 변형과 기울기는 y축 주위의 전도 모멘트에 기인하는 변형 Δ_z를 상쇄하거나 최소화하고 기울기 정렬 오차를 제거한다. 이는 도 7에서 알 수 있다.

식 3, 식 4, 식 5 및 식 6은 단면 주축선 좌표계로 변환될 수 있다. 변환하면, 식들은 다음과 같이 된다.

(식 7)

및

(식 8)

이러한 좌표계에서, 빔의 단부에서의 기울기가 0과 같아지기 위해서는 아래의 식들이 만족되어야 한다.

(식 9)

및

(식 10)

이러한 좌표 시스템들이 도 8에 도시되어 있다.

제1 및 제2 주방향으로 힘과 모멘트 성분이 존재하므로, 이 평면들 내에서 0의 기울기를 유지하기 위한 해(solution)는, 변수(a, θ, I_p1-p1 및 I_p2-p2)들을 조정 함으로써 구해질 수 있다.

힘 W_t는 Mot_y에 기인하는 기울기 정렬 오차에 더욱 효과적으로 대항하도록 가해질 수 있다. 핀의 타측에서 단면 주축선의 배향을 반대쪽 방향으로 변화시킴으로써, W_t의 양측의 외팔보는 동일 방향으로 슬리브의 기울기 변화(tipping)를 일으킨다. 이는 도 9에 도시되어 있다.

기어 장치의 특정 하중에 따라서는, 이러한 해결책 또는 핀의 길이에 걸쳐서 단면 배향이 변화하는 대안적 해결책이 바람직하거나 필요하다. 이러한 해결책은 제조 후에 조정 가능하다는 추가 장점을 가진다. 적절하게 설계된 이러한 유형의 가요성 핀은 접선 방향 평면 내의 면에 걸쳐서 기울기 정렬 오차에 대하여 조정될 수 있다. 이는 장착 구멍 내에서 핀의 전체적인 각도 배향을 회전시킴으로써 달성된다. 시계 방향 및 반시계 방향으로의 핀의 회전은 대향 방향으로 접선 방향 정렬 교정이 일어나게 한다. 이러한 접선 방향 정렬로의 변화는 발생한 반경 방향 평면 정렬로의 변화를 초과하는 크기이다. 핀이 적절히 설계될 경우에, 접선 방향 및 반경 방향 평면에서 기어 면 폭에 걸쳐서 기울기 정렬과 핀 배향을 도시하면, 도시된 반경 방향 정렬 곡선은 기울기가 수평인 구역을 가지는 것으로 나타낸다. 이러한 동일 구역에서, 접선 방향 정렬은 큰 양의 정렬 오차로부터 음의 값으로 변화한다. 이 구역에서는, 반경 방향 정렬을 변화시키지 않으면서, 접선 방향 정렬의 큰 조정이 이루어질 수 있다. 이는 도 10에 도시되어 있다.

기어의 반경 방향 정렬에 대한 조정이 제조 후에 필요한 것으로 나타나면, 이러한 조정을 접선 방향 정렬과는 무관하게 처리하기 위하여, 반경 방향 평면 내에서 핀이 기울어질 수 있게 하는 것에 대한 저항성을 변경하여 다소의 기울기 변화를 제공하도록, 핀 장착 부재의 단면 특성을 변경할 수 있다. 이는 교체 가능한 보강재(stiffener)를 사용하거나 장착 부재 그 자체를 물리적으로 변경함으로써 달성된다.

따라서, 본 발명은, 헬리컬 기어 상호 반응에 기인하는 전도 모멘트 또는 힘을 고려하여, 배열체의 면적 관성 모멘트에 의하여, 톱니 정렬 오차를 일으키는 방향으로 변형과 기울기의 보상이 이루어지는 방식으로, 가요성 핀의 구성을 모델화하는 것을 교시한다. 따라서, 여러 방향으로의 여러 굴곡 특성을 가진 가요성 핀을 얻기 위하여, 비수직 배향의 주축선을 가진 비대칭형으로 가요성 핀 장치를 제조한다.

전술한 예에서는, 가요성 핀 조립체의 제어 핀(control pin)의 영향만을 알 수 있다. y축에 대해서는, 반작용 변형들이 크기가 같고 방향이 반대가 되어 최종 기어 장착 축선이 시스템 축선에 평행하게 유지되도록, 핀과 슬리브 특성이 조정되거나 조절된다. 변형은 핀, 슬리브 및 장착 표면의 변형을 포함하므로, 모두는 구성품 조정에 포함되어야 한다. 이는 고전 역학으로 실시될 수도 있으나, 전형적으로 복잡한 기하학적 형상 부분인 장착 표면을 포함할 경우에는 매우 복잡하게 된다. 대부분의 경우에, 설계를 반복하고 예상하거나 소망 결과를 향상시키기 위하여, 유한 요소 해석(FEA)과 같은 컴퓨터 시뮬레이션이 사용된다.

이와 동일한 방안이 비대칭 형상의 핀에 대해서도 가능하다. 가요성 핀 조립 체의 모든 부재는 z 및 y의 각 방향으로 발생하는 관성 모멘트에 기여하고 그에 따라 변형 거동에 기여하므로, 핀과 장착 구성품 모두를 변경하여 소망 결과를 달성할 수 있다. 구성품의 제조를 단순화하기 위하여, 대부분의 경우에는 핀을 변경한다.

도 11을 참조하기로 한다. 도면은 소정의 장착 시스템에 대하여 평행 변형을 제공하는 평기어 및 관련 가요성 핀의 설계에 관한 것이다. 기어 평가 최적화를 위한 공인 절차를 사용하여, 토크 용량(W)을 결정할 수 있다. 그에 따른 변형 곡선이 도 11에 도시되어 있다.

이러한 동일 기어에 10°의 나선 각도가 부가되면, 출력 용량은 1.23W이다. 따라서, 용량 향상은 23%이다. 전도 모멘트는 도 8과 도 9에 도시된 바와 같이 본 발명에 의해 상쇄된다. 비대칭형의 핀 설계에 의하여, 헬리컬 기어가 시스템 축선에 평행하게 병진하고 톱니 정렬 오차가 없는 가요성 핀 장치의 변형이 발생함을 알 수 있다. 본 발명에 따른 핀의 비대칭 형상에 의해, y 방향 또는 z 방향으로의 핀 또는 슬리브의 기울기 정렬 오차가 존재하지 않고, 평기어에서와 마찬가지로, 주로 y 방향으로의 변위가 존재한다.

형상의 이러한 작은 변화 및 가요성 핀의 중앙 샤프트를 가공하는 추가 비용은, 기어 용량의 23% 증가(gain)의 값 또는 동일 출력을 처리하는 기어와 핀 크기의 감소에 비하면 미미할 뿐이다.

헬리컬 기어로의 변경은, 비용 저감뿐만 아니라, 비용을 저감하는 것보다도 더욱 중요할 수도 있는 진동과 소음 감소와 같은 장점을 가진다. 나선 중 첩(helical overlap)은 기어 소음에 있어서 가장 영향을 미치는 기하학적 특성이라는 점이 공지되어 있다. 이제까지는 전체적인 설계에 저소음 대책이 필요한 경우에, 가요성 핀을 적용하는 것이 고려되지 않았다. 본 발명에 의하여, 이러한 제약 조건이 제거되며, 부수적 마모의 위험성이 있는 부품을 조립체에 추가하지 않더라도, 헬리컬 기어의 모든 고유의 장점이 가요성 핀 기술과 조합될 수 있다.

동일 비율의 헬리컬 기어와 평기어의 맞물림 오차의 비교를 나타내는 도 11을 참조하기로 한다. 이는 종래에 맞물림 진동과 소음의 원인이 되는 전동 오차(transmission error)를 감소시키도록 최적화된 유사 설계들을 단적으로 비교하는 도면이다. 이는 설계자가 엄격한 소음 표준을 준수하여야 하는 풍력 터빈과 같은 여러 응용 분야에 중요하다.

Claims (4)

1. 적어도 하나의 유성 기어가 유성 지지체 상에 회전 가능하게 지지된 유성 기어 스테이지를 포함하는 풍력 터빈 조립체용 유성 기어 유닛으로서,

   상기 유성 기어는 태양 기어와 외측 환형 기어와 맞물리며,

   상기 태양 기어와 상기 환형 기어는 유성 기어 유닛의 시스템 축선을 중심으로 회전 가능하고,

   상기 유성 기어, 상기 태양 기어 및 상기 환형 기어는 헬리컬 기어이고,

   상기 유성 지지체는, 가요성 핀 유형의 샤프트와, 유성 기어가 장착된 슬리브를 구비하고,

   유성 지지체는 이방성이고, 그에 따라 기어 유닛의 시스템 축선에 수직인 적어도 2 방향으로 다른 면적 관성 모멘트를 가지는 것을 특징으로 하는 유성 기어 유닛.
2. 제1항에 있어서,

   유성 지지체의 샤프트는 하나 이상의 위치에서 시스템 축선에 수직인 평면 내에 비대칭 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 유성 기어 유닛.
3. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,

   유성 지지체는 시스템 축선에 수직인 평면에 위치하는 소정 방향으로 최소 면적 관성 모멘트를 가지며, 최소 면적 관성 모멘트의 방향은 유성 기어의 회전 축으로부터 태양 기어의 회전 축으로의 방향에 대하여 경사진 것을 특징으로 하는 유성 기어 유닛.
4. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,

   유성 기어의 정렬은 접선 방향과 반경 방향으로 독립적으로 조정 가능하고, 접선 방향의 정렬은 지지체 내의 핀의 배향을 변화시킴으로써 조정되고, 반경 방향의 정렬은 지지체의 강성을 변화시킴으로써 조정되는 것을 특징으로 하는 유성 기어 유닛.

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