KR20120042803A - 하이포트로코이드 체인 감속기 - Google Patents

하이포트로코이드 체인 감속기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하이포트로코이드 체인 감속기에 관한 것으로, 케이싱본체 하우징과, 후면의 고정플레이트에 스프로킷이 결합되어 볼트로 고정되며, 고정스프로킷 외주 면에는 톱니가 형성되어 전동용 2열 체인이 결합되고, 입력샤프트와 편심 캠이 조립되며, 다수개의 출력핀에 다수개의 출력 아이들부시가 조립되어있으며, 또한 입력스프로킷의 외주면 톱니는 전동용 2열 체인의 내주 면에 결합되어 있으므로 하우싱을 제외한 기어부분은 별도의 기어가공이 필요하지 아니하다. 또한 고정스프로킷과 결합된 정동용 체인에 사이는 간극조절용 스페이서가 구비될 수 있으며, 상호 유격조절 또한 가능하다. 전동용 2열체인은 3열, 또는 4열 체인을 사용하여 다단의 감속장치로 변경하여 사용할 수 있고, 입력스프로킷을 다단으로 하여 동일한 체적에서 강도보정을 기할 수 있다. 본 발명에서는 고정스프로킷과 입력스프로킷을 1단으로 사용할 수도 있지만, 2단 또는 3단으로 더 구비하여 2단 또는 3단의 감속장치로 구성할 수 있으며, 본 발명인 체인 감속기는 회전 입력축에 결합된 입력스프로킷의 톱니에 맞물린 전동용 다열 체인의 주위를 하이포트로코이드 곡선운동을 과학적 근거로 한다. 따라서, 본 발명은 종래의 사이클로이드 감속기에서 사용되는 내접링기어 및 유성기어와 선기어(태양기어)를 전동용 체인 및 스프로킷으로 교체하여, 적은 비용과 간단한 구성으로 정밀도가 높은 감속기를 제작할 수 있는 효과가 있다.

Description

하이포트로코이드 체인 감속기{Chain decelerator of Hypo-trochoid}
본 발명은 하이포트로코이드 체인 감속기에 관한 것으로, 더욱 세부적으로 전동용 체인과 스프로킷을 이용한 하이포트로코이드 체인 감속기에 관한 것이다.
일반적으로 하이포트로코이드 감속기는 고정된 내접 링기어나 또는 고정 핀에 접한 트로코이드 기어가 외접으로 배치된 상태의 기어 열을 말하는 것으로, 사이클로이드 감속기와 유사한 동작원리를 지니며 동일 변속비의 경우 다른 원리의 감속기에 배치되는 기어열에 비해 그 체적이 작고 입출력이 동심이며 동력전달효율이 높기 때문에 고비율의 감속장치가 요구되는 산업기계, 건설기계, 항공기, 자동차, 공작기계 등에 많이 사용되고 있다.
하이포트로코이드 감속기와 유사한 동작원리를 지니고 있는 종래의 사이클로이드 감속기는 도 1에 도시한 것과 같이, 바깥쪽에 내접기어의 역할을 하는 고정륜(201)에 핀(202)을 삽입하여 링기어를 배치하고, 맞물리는 사이클로이드 원판(200)을 원주상으로 배치한 다음, 상기 고정륜(201)의 핀(202)들과 맞물리는 원판(200)에 배치하여 편심을 이루도록 구성하여, 편심 축을 입력 축으로 회전 시키면 사이클로이드 원판(200)은 고정륜(201)의 핀(202)을 따라 원주 상으로 사이클로이드 곡선에 따라 운동하고, 출력은 원판(200)의 내부에 다수로 배치된 핀(203)을 통하여 회전이 감속되는 원리로 동력을 전달하게 된다.
사이클로이드는 직선 위로 원을 굴렸을 때 원 위의 정점이 그리는 곡선이다. 더 자세하게는 반지름이 r인 원을 x축 위로 굴렸을 때의 원점과 겹치는 점이 그리는 곡선의 방정식은 원이 각도 t만큼 굴렀을 때의 방정식은 다음과 같다. x = r(t sint) y = r(1 cost) 여기에서, 반지름이 r인 원을 x축 위로 굴렸을 때의 원점과 겹치는 점이 그리는 곡선 한 마디의 길이를 구하면 아래의 식과 같다.
Figure pat00001
반면, 트로코이드(trochoid)는 직선을 따라 굴러가는 원에 붙어있는 점의 자취로 그려지는 곡선이다. 반지름이 a인 원이 직선 L 위를 미끄러지지 않고 구를 때, 원의 중심 O는 L과 평행하게 움직이며, 원 위의 회전하는 면 위에 있는 점 P는 트로코이드라 불리는 곡선을 그리게 된다. OP = b 라 하고, P가 원 내부에 있다면, b <a 를 만족하고, 원주에 있다면, b = a, 원 바깥에 있다면, b >a 를 만족한다. L을 x축으로 잡고, 매개변수를 이용하여 트로코이드의 방정식을 쓰면,
Figure pat00002
Figure pat00003
가 된다. 식에서 θ 가 매개변수로 사용되었다. 원 내부의 점이 그리는 자취는 자전거 페달이 그리는 자취가 된다. 원 바깥에 정점을 잡았을 경우에 곡선은 자신을 교차하며 루프를 만든다. 정점이 원주에 있을 경우에는 사이클로이드로 불리지만, 원이 직선이 아닌 더 큰 원의 내부를 따라 돌면서 만드는 곡선은 하이포트로코이드 곡선으로 부른다.
본 발명인 하이포트로코이드 감속기는 종래의 사이클로이드 감속기 메커니즘을 이룩하는 고정륜(201)과 핀(202)을 배치하는 번거로움을 대신하여, 시중에서 흔히 구할 수 있는 2열 또는 3열의 전동용 체인(140)으로 핀(202)을 대체하고, 고정륜(201)을 스프로켓(120) 으로 대체 하였으며, 또한 원주 상에 배치된 고가의 사이클로이드 원판(200)을 스프로켓(130)으로 간단히 대체 하였기에 새로운 동력전달의 메커니즘으로 구성 되었다.
본 하이포트로코이드 감속기의 운동 메커니즘은 시중에서 흔히 구할 수 있는 2열 또는 3열의 전동용 체인(140)과 스프로켓(130)을 사용하였기에 양산되는 전동용 체인(140) 자체에 기본적으로 다소의 유격이 있으므로 도 3의 (a)에 도시한 것과 같이 중심점 O'(120) 와 중심점 O“(130) 의 차이에서 오는 편심량(c)에 따라 내접 원운동을 할 때는 도 3의 (b)에 도시한 것과 같이 에피트로코이드 곡선운동의 메커니즘을 지니게 되어 있다. 에피트로코이드 곡선은 도 2의 (a)에 도시한 바와 같이 반지름이 a 인 원주 위를 반지름이 b 인 원주가 회전운동을 할 때 편차 h인 점 P 가 그리는 곡선이며 이 곡선은 도 2의 (b), (c), (d) 의 순서로 도시한 바와 같다. 그러나 이 곡선운동은 그 배경이 전동용 체인 자체에 기본적으로 다소의 유격이 있음을 전제로 하기에 전동용 체인 자체에 유격이 없다면 이론적으로는 하이포트로코이드 곡선운동이 적합하다.
종래의 사이클로이드 감속기는 중대형으로 갈수록 내접 링기어나 또는 고정륜(201)의 가공비용과 동력전달의 핵심요소가 되는 사이클로이드 원판(200)의 가공비용이 매우 고가인 반면, 상호 접촉효율이 높고 마찰손실이 감소하므로 소음이 줄어 효율이 향상되는 이점이 있어 많이 이용되고 있다.
그러나, 상기와 같이 사이클로이드 원판을 이용한 사이클로이드 감속기 구성에 의해서는 출력축에서 요구되는 토크나 축단하중의 크기에 따라 설치공간에 제약을 받게 됨은 물론, 감속비율을 정수배나 기수배로 할 수 없어 그 사용이 한계성을 갖게 되고, 저비용의 제작을 위한 제작 공차나 조립 공차에 의한 불량률이 발생하는 주된 원인이 된다.
더구나, 회전축에 편심 축을 결합할 때 일반적인 축 결합구조를 이용하였으므로 가공에 따른 복잡함이 있음은 물론, 편심 축의 공차와 가공이 정확하지 않게 되면 회전이 불가능하게 되거나 유격이 발생하게 되는 등의 정밀도에서도 문제점이 발생된다. 또한, 사이클로이드 원판의 배열에 따른 조립오차의 대응에 있어서 보다 정밀한 가공과 편심 축의 조립공차는 필수적 요소가 되며, 고정륜과 핀 및 사이클로이드 원판을 가공하기 위하여 고가의 가공용 전용장비를 필요로 한다.
상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 기존의 사이클로이드 감속기에서 내접 링기어 또는 고정륜과 핀의 결합체를 전동용 체인 및 스프로킷으로 교체하여 부품이 보다 간단하면서도 안정되게 결합시켜 저비용 고효율의 용이한 제작과 정밀도가 가능한 하이포트로코이드 체인 감속기를 제공하는데 목적이 있다.
목적을 달성하기 위한 구성으로는 케이싱본체 하우징 일측면으로 입력의 편심 축이 롤러베어링과 결합하여 하우징을 관통하고 상기 케이싱본체 하우징의 통공으로 삽입되어 타측면의 소켓볼트로 입력베어링 하우징이 고정되고, 상기 케이싱본체 하우징의 타측면에는 고정용 스프로킷이 접시머리핀볼트로 고정되되, 상기 고정스프로킷 중앙에는 통공이 형성되며, 외주면에는 톱니가 형성되어 전동용 2열, 또는 3열 체인이 외주면에 결합되고, 회전용 스프로킷이 상기 전동용 체인의 내주면에 결합되고, 상기 회전용 스프로킷에는 통공이 형성되어, 회전용 스프로킷의 통공 내부로 출력용 핀과 아이들 부시가 위치되어 출력축에 배치되고 케이싱본체 하우징의 타측면에 고정되며, 상기 출력샤프트에는 지지용 베어링과 외측으로 돌출되는 축은 감속기 케이싱을 관통하여 출력 베어링케이스로 삽입된다.
상기한 바와 같이, 본 발명은 종래의 사이클로이드 감속기에서 사용되는 내접링기어 및 고정륜과 핀 및 사이클로이드 원판을 전동용 체인 및 스프로킷으로 교체함으로써, 적은 비용과 간단한 구성으로도 정밀도가 높은 감속기를 제작할 수 있는 효과가 있다.
또한, 전동용 2열, 또는 3열 체인의 연결핀을 해제하여 체인을 쉽게 분리하고 조립시키는 단순한 행위만으로 완전한 기어 조립이 완성되므로, 별도의 공차개념을 도입할 필요성이 없을 뿐 아니라, 종래의 사이클로이드 감속기가 지닌 편심 축의 공차와 가공이 정확하지 않게 되면 회전이 불가능하게 되거나 유격이 발생하게 되는 등의 불편을 오히려 편심축의 거리를 조정하여 임의로 클리어런스를 부여할 수 있으며, 하이포트로코이드 감속기가 이룩하고자하는 감속기능에 따른 핵심부품인 기어류에 있어, 고가인 기어가공을 생략할 수 있고, 고가의 가공 전용장비를 사용하지 아니하여도 메커니즘에 따른 기능과 신뢰성을 보유한 감속장치의 완성이 가능한 효과가 있다.
도 1은 종래의 일반적인 사이클로이드 감속기의 구성을 나타낸 참고도.
도 2는 본 발명에 따른 에피트로코이드 곡선운동의 메커니즘 참고도.
도 3은 본 발명에 따른 체인과 스프로킷 운동의 메커니즘 참고도.
도 4는 본 발명에 따른 동력전달 계통의 작동상태를 나타낸 참고도.
도 5는 본 발명에 따른 하이포트로코이드 체인 감속기의 절개도.
도 6은 도 5의 하이포트로코이드 체인 감속기의 정면도와 측면도.
도 7은 본 발명에 따른 체인 감속기의 동력전달 구성의 분해도.
도 5는 본 발명에 따른 하이포트로코이드 체인 감속기의 절개도이고, 도 7은 본 발명에 따른 하이포트로코이드 체인 감속기의 분해도이고, 도 6은 상기 도 5의 정면도와 측면도이고, 도 7은 본 발명에 따른 하이포트로코이드 체인 감속기의 동력전달 구성의 분해도이고, 도 4는 본 발명에 따른 하이포트로코이드 체인 감속기의 동력전달 계통의 작동상태를 나타낸 참고도이다.
이하, 도면을 참고로 구성요소를 설명하면 다음과 같다.
도 5와 도 7은 본 발명에 따른 하이포트로코이드 체인 감속기의 절개도 및 분해도로서, 본 발명의 하이포트로코이드 체인 감속기(100)는 케이싱본체 하우징(110)과, 고정스프로킷(120), 전동용 2열체인(140), 입력스프로킷(130) 출력아이들 샤프트 및 플레이트(150), 출력샤프트 하우싱(160), 출력샤프트 보조하우싱(170), 입력편심축(133), 출력아이들부시(154), 출력핀(153), 입력샤프트(133) 편심캠(132) 및 감속기 케이싱(110)과 감속기 스탠드(192)로 이루어진다.
또한, 도 6은 도 5의 정면도와 측면도를 도시하며, 도 4는 동력전달 계통의 작동상태를 나타낸 참고도를 도시하고 있다.
상기 케이싱본체 하우징(110)은 중앙에 통공이 형성되며, 상기 통공을 기준으로 일정간격으로 제1체결공(앞)과 제2체결공(뒤)이 형성되고, 외측에는 전면케이싱(160)과 후면의 고정플레이트(190)에 각각 소켓볼트(161)과 소켓볼트(193)이 삽입된다.
상기 케이싱본체 하우징(110) 일측면으로 원형의 형상을 갖는 후면의 고정플레이트(190)에 삽입되어 소켓볼트(191)로 고정되고 고정용 스프로킷(120)이 고정플레이트(190)에 삽입되어 접시머리볼트(142)로 고정된다. 편심캠(132)은 키이(131)로 입력축(133)과 고정되고 볼베어링(135)과 입력베어링 하우징(180)을 관통하여 상기 케이싱본체에 고정된 고정플레이트(190)의 통공으로 삽입된다.
상기 입력편심축(133)의 입력베어링 하우징(180) 중앙에는 축(133)이 관통되도록 통공이 형성되며, 상기 케이싱본체 하우징(110)에 체결된 고정플레이트(190)의 통공에 삽입되도록 돌출구가 돌출되고, 상기 입력편심축(133)에는 키이 홈이 형성된다.
상기 케이싱 본체 하우징(110)의 타측면에는 고정스프로킷(120)이 접시머리볼트(142)로 고정되되, 상기 고정스프로킷(120) 중앙에는 통공이 형성되며, 외주면에는 톱니가 형성되어 전동용 2열체인(140)이 외주면에 결합되고, 상기 접시머리핀볼트(142)가 관통되도록 고정스프로킷(120)에는 체결공이 형성된다.
상기 고정스프로킷(120)의 통공 내부에는 입력샤프트(133)와 편심캠(132)이 위치되어 베어링(136)과 입력스프로킷(130)의 통공에 조립되며, 출력아이들 샤프트 및 플레이트(150) 에는 베어링공과 체결공이 형성되어, 상기 베어링공에는 베어링이(134) 삽입되고 베어링에는 상기 입력샤프트(133)가 조립되며, 6개의 출력핀(153)이 출력아이들 샤프트 및 플레이트(150)의 체결공에 삽입된다. 상기 6개의 출력핀(153)에는 또한 6개의 출력아이들부시(154)가 위치되며, 상기 출력아이들부시(154)는 입력스프로킷(130)에 위치한 6개의 통공에 삽입된다.
상기 입력스프로킷(130)에는 중앙부와 중앙부 외측으로 통공이 형성되되, 중앙부에 형성되는 통공에는 도 4의 (b)와 같이 편심캠(132)과 축(133)이 삽입되며, 중앙부 외측에 형성되는 통공으로는 상기 6개의 출력핀(153)에 삽입된 6개의 출력아이들부시(154)가 삽입됨을 알 수 있고, 입력스프로킷(130)의 외주면 톱니는 전동용 2열체인(140)의 내주면에 결합되어 있다.
상기 출력아이들 샤프트 및 플레이트(150)는 출력샤프트 하우싱(160)에 삽입된 출력베어링(152,153)이 조립되어 출력샤프트 보조하우싱(170)에 결합되고, 보조하우싱(170)은 출력샤프트 하우싱(160)에 소켓볼트로(171) 고정된다.
상기 출력아이들 샤프트 및 플레이트(150)는 원형 형상으로 이루어지며, 플레이트(150) 모서리에는 체결공이 형성되어 출력샤프트 보조하우싱(170)이 삽입되고, 상기 출력 베어링케이스(160)에는 소켓볼트(161)가 삽입되어 감속기 케이싱(110) 외측에 형성되는 체결공으로 고정된다.
상기 케이싱본체 하우징(110)과 고정스프로킷(120) 사이에는 간극조절용 스페이서가 구비될 수 있으며, 케이싱본체 하우징(110)에 고정되는 고정스프로킷(120)의 간격 조절이 가능하며 상호 유격조절 또한 가능하다.
상기 고정스프로킷(120)과 입력스프로킷(130)의 톱니수의 차이는 2~5개가 바람직하며, 전동용 2열체인(140)은 3열, 또는 4열 체인을 사용하여 다단의 감속장치로 변경하여 사용할 수 있고, 입력스프로킷(130)을 다단으로 하여 동일한 체적에서 강도보정을 기할 수 있다.
본 발명에서는 상기와 같이 고정스프로킷(120)과 입력스프로킷(130)을 1단으로 사용할 수도 있지만, 2단 또는 3단으로 더 구비하여 2단 또는 3단의 감속장치로 구성할 수 있으며, 상기 입력스프로킷(130)을 2단으로 구성시 고정스프로킷(120) 외주면에는 전동용 3열체인이 결합되며, 상기 입력스프로킷(130)을 3단으로 구성시 고정스프로킷(120) 외주면에는 전동용 4열체인이 결합된다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 하이포트로코이드 체인 감속기는 회전 입력축에 결합된 입력스프로킷(130)의 톱니에 맞물린 전동용 다열 체인의 주위를 하이포트로코이드 운동을 진행하며 1차로 감소된 회전수로 회전된다.
도 4의 (b)는 상기 하이포트로코이드 체인 감속기의 동력전달 계통의 작동상태를 나타낸 참고도로서, 편심캠(132)과 입력축(133)에 의하여 스프로킷(130)이 시계방향으로 회전되면, 이 회전력은 출력핀과 부시에 의하여 출력아이들 샤프트 및 플레이트(150)에 동력을 전달하고, 그 방향은 반시계방향으로 회전됨을 알 수 있다.
따라서, 본 발명은 기존의 사이클로이드 감속기에서 내접링기어 및 고정륜과 핀 및 사이클로이드 원판을 전동용 체인 및 스프로킷으로 교체하여 부품이 보다 간단하면서도 안정되게 결합시켜 저비용 고효율의 용이한 제작과 정밀도가 가능하다.
본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 첨부된 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명은 종래의 사이클로이드 감속기에 사용되는 고가의 내접 링기어 및 사이클로이드 원판을 간단하게 전동용 체인 및 스프로킷으로 교체함으로써, 적은 비용과 간단한 구성으로도 정밀도가 높은 감속기를 제작할 수 있으며, 전동용 2열, 또는 3열 체인의 연결핀을 해제하여 체인을 쉽게 분리하고 조립시키는 단순한 행위만으로 완전한 기어 조립이 완성되므로, 별도의 공차개념을 도입할 필요성이 없을 뿐 아니라, 동일한 메커니즘에서 감속기가 이룩하고자하는 기능에 따른 핵심부품인 고가의 기어가공을 생략할 수 있다는 점과 더불어 고가의 가공 전용장비를 사용하지 아니하여도 메커니즘에 따른 기능과 신뢰성을 보유한 감속장치의 완성이 가능하기에 산업상 이용가능성이 매우 높다.
100 : 체인 감속기 110 : 케이싱본체 하우징
120 : 고정스프로킷 130 : 입력스프로킷
140 : 전동용 2열체인 150 : 출력아이들 샤프트 플레이트
160 : 출력측 하우싱 170 : 출력측 보조하우싱
180 : 입력측 하우싱 190 : 고정플레이트

Claims (5)

  1. 하이포트로코이드 체인 감속기(100)에 있어서,
    케이싱본체 하우징(110)은 중앙에 통공이 형성되며, 외측에는 전면케이싱(160)과 후면의 고정플레이트(190)에 각각 삽입되어 고정되며, 고정용 스프로킷(120)이 플레이트(190)에 결합되어 볼트(142)로 고정되며, 고정스프로킷(120) 외주면에는 톱니가 형성되어 전동용 2열체인(140)이 외주면에 결합되고, 볼트(142)가 관통되도록 고정스프로킷(120)에는 체결공이 형성되어 스프로킷(120)의 통공 내부에는 입력샤프트(133)와 편심캠(132)이 위치되어 베어링(136)과 입력스프로킷(130)의 통공에 조립되며, 출력아이들 샤프트 및 플레이트(150) 에는 베어링이(134) 삽입되고 입력샤프트(133)가 조립되며, 출력핀(153)과 출력아이들 샤프트 및 플레이트(150)의 체결공에 삽입되는 것을 특징으로 하는 하이포트로코이드 체인 감속기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 케이싱본체 하우징(110)과 고정스프로킷(120) 사이에 1mm~5mm 사이의 간극조절용 스페이서가 구비되는 것을 특징으로 하는 하이포트로코이드 체인 감속기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 고정스프로킷(120)과 입력스프로킷(130)의 톱니수의 차이는 최소 2개에서 최대 3개로 한정하여 구성되는 것을 특징으로 하는 하이포트로코이드 체인 감속기.
  4. 제 3항에 있어서,
    요구되는 감속비가 정확하게 정수일 경우 입력스프로킷(130)의 톱니수는 2의 배수를 사용하고, 요구되는 감속비가 정수가 아닐 경우에 있어서는 3의 배수를 사용하는 것을 특징으로 하는 하이포트로코이드 체인 감속기.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 고정스프로킷(120)과 입력스프로킷(130)을 1단으로 사용할 수도 있지만, 전동용 체인(140)을 2단 또는 3단으로 더 구비하여 2단 또는 3단의 감속장치로 구성할 수 있으며, 상기 입력스프로킷(130)을 2단으로 구성시 고정스프로킷(120) 외주면에는 전동용 3열체인이 결합되며, 상기 입력스프로킷(130)을 3단으로 구성시 고정스프로킷(120) 외주면에는 전동용 4열체인이 결합되는 것을 특징으로 하는 하이포트로코이드 체인 감속기.
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