KR20130124232A - 큰 비율의 변형파동기어 변속장치 - Google Patents

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Abstract

입력 샤프트의 입력속도를 출력 샤프트의 출력 속도로 크게 느리게 또는 더 빠르게 변경하기 위한 변형파동기어 변속장치는, 톱니수(A)를 가지는 대경 원형 스플라인과 톱니수(D)를 가지는 소경 원형 스플라인을 포함하는 원형 스플라인들의 동축의 쌍을 가진다. 톱니수(B)를 가지는 대형 신축성 스플라인과 톱니수(C)를 가지는 소형 신축성 스플라인을 포함하는 신축성 스플라인들의 동축의 쌍을 포함한다. 대형 신축성 스플라인은 대경의 원형 스플라인과 치합하며 소형의 신축성 스플라인은 소경의 원형 스플라인과 치합한다. 파동 발생기 부재는, 상기 장치의 입력 샤프트와 출력 샤프트의 하나에 연결된다. 상기 두 개의 동축 쌍들의 하나의 쌍의 두 스플라인들은 상기 파동 발생기 위에서 유성기어식으로 동작하도록 같이 고정된다. 두 개의 동축 쌍들의 다른 쌍의 하나의 스플라인은 상기 장치의 프레임에 고정되며 다른 스플라인은 상기 입력 및 출력 샤프트들의 다른 하나에 연결된다. 장치에서, 네 개의 스플라인들은, A = K + i, B = K, C = K-j, 및 D = K + i-j인 톱니 수의 관계를 만족하며, 여기에서 K, i, j는 정수들이다.

Description

큰 비율의 변형파동기어 변속장치{LARGE-RATIO STRAIN WAVE GEARING SPEED CHANGING APPARATUS}
본 발명은 일반적으로 변속장치에 대한 것으로, 특히, 큰 비율의 변속 장치에 대한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 큰 비율의 변형파동기어 변속장치에 대한 것이다.
변속은 필수적이다. 기본 작동기(prime mover)는 최적 효율을 위하여 자주 높은 회전 속도로 작동하지 않으면 안되며 작동기가 구동하는 그 속도의 십여 배 또는 수백 배로 가동하여야 한다. 그러한 높은 속도 감속 비율을 달성하기 위한 하나의 방법은 더 작은 비율이나 가장 좋은 효율의 감속기(reducer)들의 캐스케이드(cascade)를 사용하는 것이다.
그러나 이러한 캐스케이드식 속도 감축은 캐스케이드의 각각의 그리고 매번의 감속기 스테이지를 관통하여 연속으로 전체 부하가 통과하는 특성에 기인하여 전체 변속 효율이 낮다. 이 장치는 또한 캐스케이드의 각 스테이지가 기본적인 작동기에 의해 발생된 전체 동력의 100%를 취급하도록 완전히 구동되어야 하는 명백한 이유에 의하여 부피가 크다.
현재 널리 사용되는 “단일-스테이지” 감속기들의 일 형태는 일본 도쿄의 스미토모 헤비 인더스트리 리미티드(Sumitomo Heavy Industries, Ltd)에 의해 제조된 사이클로이드 드라이브(cycloidal drive)이다. 수십 내지 백 이상의 범위의 변속 비율에 비해 비교적 소형이지만, 이러한 드라이브는 기본적으로 하나의 사이클로이드 기어 스테이지에 이어서 축외 동력 추출 스테이지를 가진다.
도 1은 단면으로 그러한 사이클로이드 감속기의 구조를 개략적으로 도시한다. 도 1의 종래 장치는 고정된 링 기어(11), 및 디스크 형상 또는 단순히 기어인 특정 형상의 유성 소자(12)를 가진다. 유성 소자(12)는 유성기어식으로(epicyclically) 링 기어(11)와 치합하여 내측에서 운동한다. 양자들은 작동 피치 직경에서 가능한 작은 차이를 가진다.
축외 동력 추출 스테이지에 대해, 디스크(13)는 그 축(19) 위에 동축으로 유성소자(12)에 고정되며 판(14) 위에 설치된 대응하는 수의 롤러 핀(18)들에 의해 결합될 수 있도록 일정 수의 홀(17)들을 가진다. 많은 경우에, 홀(17)들은 소자(12) 에 직접 형성되며, 디스크(13)를 사용할 필요가 없다. 판(14)은 드라이브의 출력 샤프트(16)에 결합되고 장치의 중심축(10)에 일치된다. 이러한 “동력 추출(power extraction)” 장치에 의해 드라이브는 -K/i의 감소 비율이 전달될 수 있는 데, 여기서 K는 유성 소자의 피치 직경이며 i는 소자(11 및 12)들 사이의 피치 직경들 사이의 차이이다. 링 기어(11)가 80개의 톱니를 가지고 유성 소자(12)의 기어 톱니가 79(K=80 및 i = 1)인 통상적인 예에서, 이 장치에 의해 샤프트(15)로서의 입력을 통해 기계적 동력이 전달될 때 비율은 -80이다.
도 2는 도 1의 종래기술의 사이클로이드 드라이브에 사용된 축외 동력 추출 커플링을 개략적으로 도시한다. 일정한 시간에서, 종래의 8 이상의 핀-롤러 및 사이클로이드 디스크 홀 결합의 단지 하나가 완전히 토크를 전달한다. 예컨대, 도시와 같은 회전 방향 및 상대적으로 오프셋된 각 위치와 같이, 단지 쌍을 이루는 핀 롤러(18C)와 홀(17C)이 장치에 충분히 동력을 전달한다.
이는, 피구동 판(14)의 핀 롤러(18C)와 접하고 있는 구동 디스크(13)의 홀(17C)의 에지가 회전 방향을 따라 롤러(18C)의 뒤에 있기 때문에 명백하다. 이러한 의미에서 B와 D로 표시된 핀 롤러와 홀의 쌍들은, 디스크(13)와 판(14)의 회전 방향에 대한 그 접촉점들의 위치에 기인하여 부분적으로 동력을 전달하기 위하여 작용한다. 같은 의미에서, 피구동된 핀-롤러(18G)는 홀(17G)과 같이 접촉점인, 드라이버 뒤로 이동하기 때문에, 핀-롤러와 홀(18G 및 17G)의 쌍은 전혀 같이 작동하지 않는다.
종래의 사이클로이드 드라이브는 축외 축을 가진 다른 피치 직경의 두 소자(기어)들 사이의 동기 결합에 의존한다. 그러나 낮은 이용에 기인하여 이는 최적의 메카니즘이 아니며; 도 2 도시의 모든 8개의 핀/홀 쌍들에서, 그들 중의 절반(각 위치에 따라 넷 또는 다섯)은 부하를 구동하기 위한 위치에 없다. 다른 절반 중에서, 단지 하나는 부하를 구동하기 위한 완전-작동 위치에 있으며, 다른 셋은 부분 작동 위치에 있다. 이와 같은 제한에 의해, 사이클로이드 드라이브들은 단일의 정밀한 핀들에의 의존에 기인하여 비교적 더 낮은 동력 등급을 달성한다. 또한, 이들 정밀한 핀들은 그들의 각각의 결합된 홀들의 내부 원주 위에서 작용하도록 그들의 각각의 횡방향 축들 둘레에 회전함에 따라 통상적으로 정상 부하 상태에서 80% 이하의 효율을 달성한다.
또한, K의 감속 비율을 달성하기 위하여, 사이클로이드 드라이브는 K+1 톱니의 고정된 링 기어를 필요로 한다. 큰 비율을 위하여, 정격 토크가 크고 따라서 톱니의 크기가 충분히 커야 하면, 큰 링 기어 수는 드라이브를 크게 한다. 즉, 사이클로이드 드라이브의 소형화는 드라이브의 토크와 동력 등급에 제한을 설정한다.
백래시(backlash)가 없고, 소형이며 경량이라는 이점들에 기인하여, 정밀 및 항공 용도들에 널리 사용되는 큰 비율의 감속기의 다른 형태는 일본 토쿄의 하모닉 드라이브 시스템즈 인코포레이티드(Harmonic Drive Systems Inc.)에 의해 제조된 하모닉 드라이브이다. 변형파동 기어로 알려진 기초 개념을 가동하면, 하모닉 드라이브는 비교적 유용한 동력 등급이 낮다. 드라이브가 기계적 동력을 전달하기 위하여 동작함에 따라, 그의 스플라인 소자가 항상 신축성이므로 정상 부하 아래 통상적으로 60% 이하의 효율을 전달한다.
도 1A는 그러한 변형파동 기어 감속기의 구조를 단면으로 개략적으로 도시한다. 도 1A의 종래장치는 고정된 원형 스플라인(111)과 신축성 스플라인(112)을 가진다. 신축성 스플라인(112)은 드라이브의 입력 샤프트(115)를 통해 파동 발생기(115E)에 의해 구동될 때 원형 스플라인(111) 내측에 결합하여 유성기어식으로 운동한다. 도 1A의 도시된 예에서, 톱니 수(K)와 원형 스플라인의 수(K+i)를 가지는 신축성 스플라인(flex spline)(112)으로, 출력 샤프트에서의 장치의 감속 비율은 -K/i이다.
사이클로이드 드라이브의 경우와 기본적으로 같이, 변형파동기어 장치가 큰 변속 비율을 가지기 위해서, 두 개의 스플라인 부품들은 그 각각의 작용하는 톱니 수들에서 가능한 작은 차이를 가져야 한다. 사이클로이드 드라이브에 비교해서 구성이 물리적으로 다르지만, 종래의 변형 파동기어 변속장치는 위에 설명된 바와 같이 동력 등급 및 동력-대-중량 비율과 같은 특징들의 측면에서 동일한 결점들을 공유한다.
큰 비율의 감속기에 부가하여, 수십 배 내지 수백 배에 이르도록 출력에 대해 느린 입력 속도를 증가시키는 것이 필요하다.
본 발명의 목적은 십여 내지 이십여 개의 작은 톱니 수들을 가지는 기어들을 사용하는 큰 비율의 변속 장치를 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 백래시가 없는 큰 비율의 변속 장치를 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 큰 톱니로 구성될 수 있는 작은 톱니-수의 기어 부재들을 가진 높은 동력 밀도이며 큰 비율의 변속 장치를 제공하는 것이다.
상기 및 다른 목적들 달성하기 위하여, 본 발명은 입력 샤프트의 입력속도를 출력 샤프트의 출력 속도로 크고 느리게 또는 더 빠르게 변경하기 위한 변형파동기어 변속장치를 제공한다. 이 장치는, 톱니수(A)를 가지는 대경 원형 스플라인과 톱니수(D)를 가지는 소경 원형 스플라인을 포함하는 동축의 쌍의 원형 스플라인들을 가진다. 동축의 쌍을 이루는 신축성 스플라인들은, 톱니수(B)를 가지는 대경 신축성 스플라인과 톱니수(C)를 가지는 소경 신축성 스플라인을 포함한다. 대경 신축성 스플라인은 대경의 원형 스플라인과 치합하며 소경의 신축성 스플라인은 소경의 원형 스플라인과 치합한다. 파동 발생기 부재는, 상기 장치의 입력 샤프트와 출력 샤프트의 하나에 연결된다. 상기 두 개의 동축 쌍들의 하나의 쌍의 두 스플라인들은 상기 파동 발생기 위에서 유성기어식으로 동작하도록 같이 고정된다. 두 개의 동축 쌍들의 다른 쌍의 하나의 스플라인은 상기 장치의 프레임에 고정되며 다른 스플라인은 상기 입력 및 출력 샤프트들의 다른 하나에 연결된다. 장치에서, 네 개의 스플라인들은, A = K + i, B = K, C = K-j, 및 D = K + i-j인 톱니 수의 관계를 만족한다.
도 1은 종래기술의 큰-비율의 사이클로이드 감속기를 개략적으로 도시한다.
도 1A는 다른 종래기술의 큰-비율의 변형파동기어 감속기를 개략적으로 도시한다.
도 2는 종래기술의 사이클로이드 드라이브에 사용되는 축외(off-axis) 동력 추출 커플링을 개략적으로 도시한다.
도 3은 축외 동력추출 스테이지를 개략적으로 도시하는 본 발명의 변속 장치의 단면도이다.
도 4는 모든 부재들의 크기 구조를 도시하는 본 발명의 변속 장치의 단면도를 개략적으로 도시한다.
도 4A는 모든 부재들의 크기 구조를 도시하는 본 발명의 변형파동 기어 변속 장치의 단면도를 개략적으로 도시한다.
도 4B는 도 4A 장치의 이중의 신축성 스플라인을 개략적으로 도시한다.
도 4C는 4C-4C 선을 따라 취한 도 4A의 변속장치의 단면도를 개략적으로 도시한다.
도 4D는 4D-4D 선을 따라 취한 도 4A의 변속 장치의 단면도를 개략적으로 도시한다.
도 5 및 6은 다른 입력-및 출력 부재의 배치의 본 발명의 변속 장치의 단면도들을 개략적으로 도시한다.
도 7은 최적의 변속 용도를 위한 크기 구조를 가진 본 발명의 변속 장치의 단면도를 개략적으로 도시한다.
도 7A 및 7B는 4C-4C 및 4D-4D에 각각 대응하는 선들을 따라 취한 도 4A에 유사하나 도 7의 사이클로이드 장치의 크기 구조를 가진 변형파동 기어 변속장치의 단면도들을 개략적으로 도시한다.
도 3은 그의 축외(off-axis) 동력 추출 스테이지의 균등한 배치를 개략적으로 도시하는 본 발명의 변속 장치의 단면 구조이다. 도 1 및 2를 동시에 참조하면, 사이클로이드 디스크(13)에 형성된 대응하는 홀(17)들에 결합하는 다수의 핀-롤러(17)들을 가진 판(14) 대신에, 본 발명의 변속 장치는 동력 추출을 위한 다른 배치를 가진다.
도시와 같이, 유성 기어(planet gear)(32)는 프레임 링 기어(31)의 내측에서 유성기어식으로 운동하며, 기어(32)와 동축으로(coaxially) 고정된 유성 기어(33)는 또한 링-평 기어들의 제2 쌍의 링 기어(34) 내측에서 유성기어식으로 운동한다. 기어(33)는 선회하며 기어(34) 내측에서 유성기어식으로 운동하며, 그 최외측 에지(그 피치 원의)(33P)는 점선(33T)을 형성한다. 이 점선(33T)은 링 기어(34)의 피치 원과 정확하게 일치하게 이루어진다. 기본적으로, 그 치합하는 평 기어(33)와 같이, 제2 쌍의 링 기어(34)는 종래의 사이클로이드 드라이브의 축외 동력 추출수단과 같이 유사한 기능을 수행하나 본 발명의 장치가, 이후에 설명되는 바와 같이, 더욱 큰 변속 비율을 생성하도록 허용한다.
도 4는 그의 모든 부재들의 크기 구조를 도시하는 본 발명의 변속장치의 구조의 단면도를 개략적으로 도시한다. 변속 장치는 피치 직경(A)을 가지는 대경 링 기어(41)와 피치 직경(D)을 가지는 소경 링 기어(44)를 포함하는 동축의 링 기어 쌍을 포함한다. 본 발명의 장치는 또한 피치 직경(B)을 가지는 대경 평 기어(42)와 피치 직경(C)을 가지는 소경 평 기어(43)를 포함하는 한 쌍의 동축 평 기어들을 가진다. 대경 평 기어(42)는 대경 링기어(41)와 치합하고 소경 평 기어(43)는 소경 링 기어(44)와 치합하여, 두 개의 치합 쌍을 형성한다. 캐리어 부재(45E)는 변속장치의 입력 샤프트(45)에 연결된다. 종래의 기본적으로 유성기어 트레인에서 발견되는 “비틀린(twisted)” 예의, 캐리어 부재(45E)는 입력 샤프트(45)(전체 시스템의 중심축(40)의)와 기어(42 및 43)(그 자체의 축(49) 위의)의 쌍을 위한 중심 샤프트의 결합에 의하여 형성된다.
또한, 캐리어(45E) 위에 유성기어식으로 작동하기 위하여 두 개의 동축 평 기어(42 및 43)들은 서로 같이 고정된다. 도 4의 도시된 예에서, 대경 링 기어(41)는 시스템의 반작용 부재로서 작용하는 장치의 프레임에 고정되며 소경 링 기어(44)는 출력 샤프트(46)에 연결된다.
이러한 기어 트레인 시스템에서, 네 개의 기어(41, 42, 43, 및 44)들은 크기 관계, A= K+i, B=K, C=K-j 및 D=K+i-j를 만족한다. 이해할 수 있는 바와 같이, 기어들을 이용한 본 발명의 변속장치의 구현은 그 K, i, j,크기 값들을 정수로 설정해야 한다.
기본적으로 도 4의 변속 장치는 입력으로 작용하는 캐리어(45E), 출력으로서의 소경 링 기어(44), 및 반작용 부재로서의 대경 링 기어(41)를 가진다. 한편, 같이 고정된 두 개의 동축 평 기어(42 및 43)들이 시스템에서 유성기어식으로 운동한다. 도 4의 도시된 변속 장치는 변속 비율, K(K+i-j)/ij를 가진다. A=16T(톱니), B=15T, C=14T 및 D=15T 또는 K=15, I=1, j=1인 크기의 기어-베이스 시스템에 대해, 변속 비율은 225이다.
이와 대조적으로, 종래의 A=16T, 및 B=15T의 사이클로이드 드라이브(도 1의)의 경우, 변속 비율은 15이다. 이는 본 발명의 변속 장치가 비교가능한 톱니 숫자를 가지는 사이클로이드 드라이브의 비율의 숫자의 제곱인 비율을 달성할 수 있음을 의미한다.
도 4A는 그의 모든 부재들의 크기 구조를 도시하는 본 발명의 변형 파동기어 변속 장치의 단면도를 개략적으로 도시한다. 변형파동기어 변속장치는 톱니수(A)를 가지는 대경 원형 스플라인(141)과 톱니 수(D)를 가지는 소경 원형 스플라인(144)을 포함하는 원형 스플라인들의 동축의 쌍을 가진다. 이 장치는 또한 톱니 수(B)를 가지는 대형의 신축성 스플라인(142)과 톱니 수(C)를 가지는 소형의 신축성 스플라인(143)을 포함하는 동축의 쌍을 이루는 신축성 스플라인들을 가진다. 대형 신축성 스플라인(142)은 대경 원형 스플라인(141)과 치합하고 소형의 신축성 스플라인(143)은 소경의 원형 스플라인(144)과 치합하여, 두 개의 치합하는 쌍들을 형성한다. 파동 발생기(145E)는 변속 장치의 입력 샤프트(145)에 연결된다. 파동 발생기(145E)는 입력 샤프트(145)(전체 시스템의 중심축9140) 위의)와 신축성 스플라인(142 및 143)들의 쌍을 위한 중심 샤프트의 결합에 의해 형성된다.
또한, 두 개의 동축 신축성 스플라인(142 및 143)들은 파동 발생기(145E) 위에서 유성기어식으로 동작하도록 서로 같이 고정된다. 도 4A의 이러한 도시된 예에서, 대경 원형 스플라인(141)은 장치의 프레임에 고정되어, 시스템의 반작용 부재로서 작용하며 소경 원형 스플라인(144)은 출력 샤프트(146)에 연결된다.
이러한 기어 트레인 시스템에서, 4 개의 스플라인(141, 142, 143, 및 144)들은 A + K+i, B = K, C = K -j, 및 D = K +i - j의 톱니 수 관계를 만족한다. 이해될 수 있는 바와 같이, 스플라인들을 이용한 본 발명의 변속 장치의 실시는 크기 수치들인 K, i, j를 정수로 설정하여야 한다.
기본적으로, 도 4A의 변형파동기어 변속장치는 입력으로 작용하는 파동 발생기(145E), 출력으로 기능하는 소경 원형 스플라인(144), 및 반작용 부재로서의 대경 원형 스플라인(141)을 가진다. 한편, 같이 고정된 두 개의 동축 신축성 스플라인(142 및 143)들은 시스템에서 유성기어식으로 운동한다. 도 4A의 도시된 변속 장치는 K(K + i -j)/ij의 변속 비율을 가진다. 톱니수 A=16T(톱니), B=15T, C=14T 및 D=15T 또는 K=15, i=1, j=1의 톱니수를 가지는 스플라인-기반 시스템에서, 변속 비율은 225이다.
도 4B는 신축성 스플라인(142 및 143)의 쌍이 같이 고정되어 도 4A의 변속 장치용의 이중 신축성 스플라인 부품(148)을 형성한다. 도 4A 도시의 변형파동기어 변속 장치의 준비된 실시예에서, 부품(148)은 단일의 금속 튜브로 제조될 수 있다. 두 그룹들의 스플라인 톱니(142S 및 143S)들이 각각 신축성 스플라인142 및 143)들의 외측 원통형 표면에 형성된다. 스플라인들이 신축성 스플라인(142 및 143)들의 전체 외주를 둘러쌀 것이지만 도면에는 단지 몇 개의 스플라인 톱니들이 도시되는 점을 알아야 한다.
도 4C는 4C-4C선을 따라 취한 도 4A의 변속장치의 단면도를 개략적으로 도시하며 도 4D는 4D-4D 선을 따라 취한 단면도를 도시한다.
본 발명의 사이클로이드 변속 장치는 구성 기어들과 캐리어 부재들 사이에서 입력, 출력 및 반작용 부재의 지정이 다른 구조로 사용될 수 있다. 기본적으로, 고정된 링 기어 또는 고정된 평 기어를 가지는 속도 감속기 또는 증속기로 사용된 본 발명의 범용 변속 장치는 피치 직경(A)을 가지는 대경 링 기어와 피치 직경(D)을 가지는 소경 링 기어를 포함하는 동축 링 기어들의 쌍을 가지도록 구성될 수 있다. 그러한 장치는 또한 피치 직경(B)을 가지는 대경 평 기어와 피치 직경(C)을 가지는 소경 평 기어를 포함하는 동축의 평기어 쌍을 가진다. 대경 평기어는 대경 링기어와 치합하며 소경 평 기어는 소경 링 기어와 치합하여, 두 깨의 치합 쌍들을 형성한다. 캐리어 부재는 장치의 입력 및 출력 샤프트의 하나에 연결된다. 두 동축 쌍들의 하나의 두 기어들은 캐리어 위에서 유성기어식으로 작동하도록 같이 고정된다. 두 동축 쌍들의 다른 것의 하나의 기어는 장치의 프레임에 고정되고 다른 기어는 입력 및 출력 샤프트들의 다른 것에 연결된다. 그러한 시스템에서, 네 개의 기어들은 크기 관계, A=K+i, B=K, C=K-j, 및 D=K+i-j를 만족한다.
이와는 대조적으로, 본 발명의 변형파동기어 변속장치는, 구성 기어들과 캐리어 부재들 사이에서 입력, 출력 및 반작용 부재의 지정이 다른 구조로 사용될 수 있다. 기본적으로, 고정된 내부-톱니형 원형 스플라인 또는 고정된 외부-톱니형 원형 스플라인을 가지는 속도 감속기 또는 증속기로 사용된 본 발명의 변형파동기어 변속 장치는 톱니수(A)를 가지는 대경 원형 스플라인과 톱니 수(D)를 가지는 소경 원형 스플라인을 포함하는 동축의 원형 스플라인의 쌍을 가지도록 구성될 수 있다. 그러한 장치는 또한 톱니 수(B)을 가지는 대형 신축성 스플라인과 톱니 수(C)를 가지는 소형 신축성 스플라인을 포함하는 동축의 신축성 스플라인의 쌍을 가진다. 대경 원형의 스플라인은 대형의 신축성 스플라인과 치합하며 소경 원형 스플라인은 소형 신축성 스플라인과 치합하여, 두 개의 치합 쌍들을 형성한다. 파동 발생기 부재는 장치의 입력 및 출력 샤프트의 하나에 연결된다. 두 동축 쌍들의 하나의 두 스플라인들은 파동 발생기 위에서 유성기어식으로 작동하도록 같이 고정된다. 두 동축 쌍들의 다른 쌍의 하나의 스플라인은 본 발명의 장치의 프레임에 고정되고 다른 스플라인은 입력 및 출력 샤프트들의 다른 하나에 연결된다. 그러한 시스템에서, 네 개의 스플라인들은 톱니 수의 관계, A=K+i, B=K, C=K-j, 및 D=K+i-j를 만족한다.
도 5 및 6은 다른 입력-및 출력 부재 장치들인 본 발명의 변속 장치의 단면도를 개략적으로 도시한다. 도 5 및 6의 예들은 다른 모듈 수들의 두 개의 링-평 기어 쌍들을 사용하는 200-플러스 속도 감소 비율을 가진 감속기들의 구조를 도시한다. 대경 링 및 평 기어들의 제1 쌍은 160mm 피치 직경을 구성하는 제2번 모듈의 80톱니-링 기어(51, 61)와, 150mm 피치의 75T, M2 평기어(52, 62)들을 포함한다. 소경 링 및 평 기어들의 제2 쌍은 150mm 피치의 60T, M2.5 링 기어(54, 64)들과, 140mm 피치의 56T, M2.5 평 기어(53, 63)들을 포함한다. 이와 같이, 도 5의 구조와 같은 반작용 부재로서 장치 프레임(52F)에 고정된 대경 평 기어에 의해, 변속 장치는 -224의 감속 비율을 전달한다.
다른 한편, 기본적으로 장치 프레임(61F)에 반작용 부재로서 대경 링 기어(61)가 고정되고 도 4에 설명된 바와 같이 기어 작용(role)의 지정을 가지면서, 도 5와 같은 기어들을 모두 사용하지만, 도 6의 장치는 다른 구조를 가진다.
도 5 및 도 6의 예들은 K =15, i=1 및 j=1의 크기 구조를 가진다.
또한 도 5 도시의 사이클로이드 예의 변형파동 기어의 예가 가능하다. 예컨대, 드라이브의 고정된 부재는 규칙적인 내부-톱니 대신에 외부-톱니의 원형 스플라인(52에 대응)이며, 유성기어 부재들은 내부-톱니의 신축성 스플라인들이다.
요약하면, 도 4 및 4A-4D에 각각 개략적으로 도시된 본 발명의 - 사이클로이드 또는 변형파동기어 - 변속 장치는 표 1에 표시된 바와 같은 다른 4개의 다른 변속 설정(setup) 구조들을 가질 수 있다. 표 2에서와 같이, 표 1에서, 롤(Role) 열의 R, O, 및 I는 각각 본 발명 장치의 회전 소자들의 반작용, 출력 및 입력 롤들을 표시한다.



요소		 대경
링 기어(41)
또는 대경 원형 스플라인(141)		 대경 평기어(42) 또는 대형 신축성 스플라인(142) 소경 평 기어(43)
또는
소형 신축성 스플라인
(143)		 소경 링
기어(44)
또는 소경
원형
스플라인
(144)		 캐리어
부재
(45E)
또는 파동 발생기
(145E)


감속비
구조 1
롤(Role) R - - O I
운동 고정 유성 유성 회전 회전
속도 0 ij/
K(K+i-j)		 I K(K+i-j)
/ij
구조 2
롤 O R I
운동 회전 유성 유성 고정 회전
속도 -ij/
(K-j)(K+i)		 O I -(K-j)(K+i)/ij
구조 3
롤 - R O - I
운동 유성 고정 회전 유성 회전
속도 O -ij/
(K+i)(K-j)		 I -(K+i)(K-j)/ij
구조 4
롤 O R - I
운동 유성 회전 고정 유성 회전
속도 ij/K
(K+i-j)		 K(K+i-j)
/ij
이 기술 분야의 통상의 기술자에게 이해될 수 있는 바와 같이, 표 1의 감속 구조들은 각각의 I 및 O 롤 지정을 단순히 교체함으로써 증속(speed-increasing)으로 용이하게 변경될 수 있다.
도 7은 중량 및 크기, 또는 동력 밀도의 측면에서 최적화된 크기 구조를 가지는 본 발명의 사이클로이드 변속 장치의 단면도를 개략적으로 도시한다. 이와는 대조적으로, 도 7A 및 7B는 4C-4C 및 4D-4D에 각각 대응하는 선들을 따라 취한 도 4A의 장치에 유사하나 도 7의 사이클로이드 장치의 크기 구조를 갖는 변형파동기어 변속 장치의 단면도들을 개략적으로 도시한다. 이러한 특수한 경우들에서, 표 1의 구조들은 표 2에 열거된 구조들이 된다.

요소		 대경
링기어(71)
또는 대경 원형 스플라인(171)
 대경 평기어(72)
또는 대형 신축성 스플라인
(172)		 소경 평기어(73)
또는 소형 신축성
스플라인
(173)		 소경 링
기어(74)
또는 소경 원형 스플라인(174)		 캐리어
부재(75E)
또는 파동 발생기
(175E)

감속비
구조 1
롤(Role) R - - O I
운동 고정 유성 유성 회전 회전
속도 0 i2/K2 I K2/2i
구조 2
롤 O R I
운동 회전 유성 유성 고정 회전
속도 -i2/(K2-i2) O I I-K2/i2
구조 3
롤 - R O - I
운동 유성 고정 회전 유성 회전
속도 O -i2/(K2-i2) I I-K2/i2
구조 4
롤 O R - I
운동 유성 회전 고정 유성 회전
속도 i2/K2 K2/2i
두 표들에 나열된 사이클로이드 감속 비율들은 K로 설정된 톱니 수들을 가지는 기어들에 의해, K2 비율의 감속기가 구성될 수 있음을 보여준다. 이는 종래의 사이클로이드 드라이브의 감속 비율인 K와 비교된다. 변형파동기어 변속장치에 대해서 유사한 비교가 있다.
사이클로이드 구현을 위하여, 링 기어 내측에 치합된 평 기어는 보통 링의 톱니 수보다 충분히 적은 톱니 수를 가져야 한다. 예컨대, 일반적인 20 도(degree)의 압력 각도 기어들에서 최소 8-톱니의 차이가 필요하다. 작은 톱니 수 차이에 대한 기어 간섭을 회피하기 위한 통상적인 하나의 방안은 기어들에 대해 구조 변경(profile shifting)을 채택하는 것이다. 대체적으로, 더 큰 기어 압력 각도에 의해 더 작은 톱니 수의 차이가 가능하다.
또한, 본 발명의 변속 장치의 하나의 동축 쌍의 유성 기어 소자들은 정상적으로 다른 동축 쌍에 대해 크기가 매우 크므로, 단지 하나의 쌍이 가능하다. 따라서 본 발명의 변속장치의 실제 실시에는 도 6 도시의 실시예에서 균형추(counterweight)(65W)로 개략적으로 도시된 바와 같은 균형추가 필요하다. 균형추는 장치의 중심축을 가로 질러 대향하는 유성기어식의 동축 기어들의 쌍의 질량의 균형을 형성하기 위하여 사용된다.
한편, 변형파동 기어의 실시에서, 하나의 톱니로의 스플라인 톱니 수의 차이 감소의 문제는 없다. 편심에 대한 균형추의 평형 문제도 없다.
위의 설명이 비록 특정 실시예들의 전체 설명이지만, 여러 변형, 대체적인 구조들, 및 균등물들이 사용될 수 있다. 예컨대, 본 발명의 변속장치의 기어 실시가양호한 실시예로 설명되었지만, 견인(traction) 방식이 또한 적용가능하다. 그러므로, 위의 설명 및 도시들은 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 이해되어서는 안된다.
31, 34: 링 기어 32, 33: 평 기어

Claims (13)

  1. 입력 샤프트의 입력속도를 출력 샤프트의 출력 속도로 변경하기 위한 변형파동기어 변속장치로서, 상기 장치는:
    톱니수(A)를 가지는 대경 원형 스플라인과 톱니수(D)를 가지는 소경 원형 스플라인을 포함하는 동축의 쌍을 이루는 원형 스플라인들;
    두 개의 치합하는 쌍들을 형성하도록, 톱니수(B)를 가지며 상기 대경 원형 스플라인과 치합하는 대형 신축성 스플라인과 톱니수(C)를 가지며 상기 소경 원형 스플라인과 치합하는 소형 신축성 스플라인을 포함하는 동축의 쌍을 이루는 신축성 스플라인들; 및
    상기 장치의 입력 샤프트와 출력 샤프트의 하나에 연결된 파동 발생기 부재를 포함하며;
    상기 두 개의 동축 쌍들의 하나의 쌍의 두 개의 스플라인들은 상기 파동 발생기 위에서 유성기어식으로 동작하도록 같이 고정되며; 두 개의 동축 쌍들의 다른 쌍의 하나의 스플라인은 상기 장치의 프레임에 고정되며, 다른 스플라인은 상기 입력 및 출력 샤프트들의 다른 하나에 연결되며; 및
    네 개의 스플라인들은, A = K + i, B = K, C = K-j, 및 D = K + i-j인 톱니 수의 관계를 만족하며, 여기에서 K, i, j는 정수들인 변형파동기어 변속장치.
  2. 제1항에 있어서, i와 j는 모두 5보다 작은 변속장치.
  3. 제1항에 있어서, K/i는 30/1보다 작으며, 또는 K/j가 30/1보다 작은 변속장치.
  4. 제1항에 있어서, i와 j는 같은 변속장치.
  5. 제1항에 있어서, 파동 발생기 부재가 연결되는 입력샤프트와 출력 샤프트의 하나는 입력 샤프트인 변속장치.
  6. 제1항에 있어서, 파동 발생기 부재가 연결되는 입력샤프트와 출력 샤프트의 하나는 출력 샤프트인 변속장치.
  7. 입력 샤프트의 입력속도를 출력 샤프트의 출력 속도로 변경하기 위한 변형파동기어 변속장치로서, 상기 장치는:
    톱니수(A)를 가지는 대경 원형 스플라인과 톱니수(D)를 가지는 소경 원형 스플라인을 포함하는 동축의 쌍을 이루는 원형 스플라인들;
    두 개의 치합하는 쌍들을 형성하도록, 톱니수(B)를 가지며 상기 대경 원형 스플라인과 치합하는 대형 신축성 스플라인과 톱니수(C)를 가지며 상기 소경 원형 스플라인과 치합하는 소형 신축성 스플라인을 포함하는 동축의 쌍을 이루는 신축성 스플라인들; 및
    상기 장치의 입력 샤프트에 연결된 파동 발생기 부재를 포함하며;
    상기 두 개의 동축 쌍들의 하나의 쌍의 두 스플라인들은 상기 파동 발생기 위에서 유성기어식으로 동작하도록 같이 고정되며; 두 개의 동축 쌍들의 다른 쌍의 하나의 스플라인은 상기 장치의 프레임에 고정되며, 다른 스플라인은 상기 입력 및 출력 샤프트들의 다른 하나에 연결되며; 및
    네 개의 스플라인들은, A = K + i B = K, C = K-j, 및 D = K + i-j-j인 톱니 수의 관계를 만족하며, 여기에서 K, i, j는 정수들인 변형파동기어 변속장치.
  8. 제7항에 있어서, i와 j는 모두 5보다 작은 변속장치.
  9. 제7항에 있어서, K/i는 30/1보다 작으며, 또는 K/j가 30/1보다 작은 변속장치.
  10. 제7항에 있어서, i와 j는 같은 변속장치.
  11. 제7항에 있어서, 그의 두 개의 스플라인들이 같이 고정되고 파동 발생기 위에서 유성기어식으로 동작하는 상기 스플라인들의 쌍은, 신축성 스플라인들의 동축 쌍인 변속장치.
  12. 제7항에 있어서, 그의 두 개의 스플라인들이 같이 고정되고 파동 발생기 위에서 유성기어식으로 동작하는 상기 스플라인들의 쌍은, 원형 스플라인들의 동축 쌍인 변속장치.
  13. 입력 샤프트의 입력속도를 출력 샤프트의 출력 속도로 변경하기 위한 변형파동기어 변속장치로서, 상기 장치는:
    톱니수(A)를 가지는 대경 원형 스플라인과 톱니수(D)를 가지는 소경 원형 스플라인을 포함하는 동축의 쌍을 이루는 원형 스플라인들;
    두 개의 치합하는 쌍들을 형성하도록, 톱니수(B)를 가지며 상기 대경 원형 스플라인과 치합하는 대형 신축성 스플라인과 톱니수(C)를 가지며 상기 소경 원형 스플라인과 치합하는 소형 신축성 스플라인을 포함하는 동축의 쌍을 이루는 신축성 스플라인들; 및
    상기 장치의 출력 샤프트에 연결된 파동 발생기 부재를 포함하며;
    상기 두 개의 동축 쌍들의 하나의 쌍의 두 스플라인들은 상기 파동 발생기 위에서 유성기어식으로 동작하도록 같이 고정되며; 두 개의 동축 쌍들의 다른 쌍의 하나의 스플라인은 상기 장치의 프레임에 고정되며, 다른 스플라인은 상기 입력 및 출력 샤프트들의 다른 하나에 연결되며; 및
    네 개의 스플라인들은, A = K + i, B = K, C = K-j, 및 D = K + i-j-j인 톱니 수의 관계를 만족하며, 여기에서 K, i, j는 정수들인 변형파동기어 변속장치.
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