KR20150121656A - 헬리컬 기어의 백래시 제로화 장치 - Google Patents

Abstract

헬리컬 기어의 백래시 제로화 장치에 관하여 개시한다. 축을 따라 맞물려 있는 한 쌍의 헬리컬 기어; 한 쌍의 헬리컬 기어 물림이 피니언 기어; 및 복수의 링 기어;의 조합으로 이루어지며, 한 쌍의 헬리컬 기어는 복수의 링 기어들 중에서 선택된 링 기어의 잇 수를 달리하는 물림 구조;를 포함하고, 물림 구조는, 피니언 기어에 대하여 링 기어 물림을 백래시를 줄여주는 물림으로 바꿔주는 슬립 기어; 및 슬립 기어의 축 방향 지지부;를 포함함으로써, 피니언 기어와 드라이브 기어의 이가 만나는 지점에서 발생되는 간격을 줄여 백래시를 제거한다.

Description

헬리컬 기어의 백래시 제로화 장치{BACK LASH ZEROISE CONTROLING GEARING SYSTEM FOR HELICAL GEAR}

본 발명은 헬리컬 기어의 백래시 제로화 장치에 관한 것으로 피니언 기어와 맞물릴 때 발생 되는 헬리컬 기어의 백래시를 줄이는 헬리컬 기어의 백래시 제로화 장치에 관한 것이다.

기어의 물림과 조합에서 한 쌍의 기어가 무리 없이 부드럽게 회전하도록 하기 위해, 백래시(back lash)를 둔다. 백래시는 한 쌍의 회전하는 기어를 회전시키기 위해 필요로 하는 치합 간 틈새로, 한 쌍의 기어를 맞물렸을 때 치면 사이의 틈새이다. 백래시는 기어의 종류와 특성에 따라 다르게 나타나는데 보통 설계 기준 규격에 따라 설계하도록 백래시 산출수치표에 따르도록 기준 규격이 마련되어 있다. 도 1은 헬리컬 기어의 'JIS 0급 및 5급 백래시 산출수치표'이고, 도 1을 참조하면 JIS 0급 헬리컬 기어의 백래시를 구하는 방법이 제시되어 있다.

한 쌍의 구동 및 피동측 기어 물림에서 발생 되는 백래시는 기어의 원호를 기준으로 설계하는 이론적인 출력 값과 기동 출력 값을 정역 방향에 따라 다르게 변화시켜 정밀도를 저하시킨다.

예를 들면, 로봇 및 정밀기계에서 반복되는 동작시, 서보 모터만으로는 동력 힘이 부족할 때 정밀감속기를 사용하며 동력방향 전환시 헬리컬 기어, 베벨기어 등을 사용하고, 이들 맞물려 구동하는 기어들은 백래시를 제어하는 설계를 적용한다. 실제로 ISO, DIN에서는 기어등급에 따라 백래시 량을 규정하고 있다. 또한 정밀화되는 로봇이나 공작기계, 서보 감속기, 분할인덱스 등에서도 백래시 제거를 필요로 하여 다양한 방법의 백래시 제거 방식이 적용되었지만 비용에 비해 효과가 낮은 상태이다.

기어의 백래시는 도 2의 백래시 참고도를 참조하면, 원주 방향, 법선 방향, 각도, 반지름, 축 방향 틈새(미도시) 등에 의해 형성되며 사전에 계산된 산출수치표 기준에 따라 정도를 관리한다. 기어 물림 강도에 대한 계산과 허용 공차 및 백래시에서 오는 출력 오차 등에 대해 어느 정도 예측 가능하다.

한편, 백래시에 의한 출력 오차를 줄이기 위해 전위 기어를 포함하여 백래시를 작게 조정하는 기어 또는 별개의 구조를 이용하는 방법들이 제안되어 왔지만 백래시를 충분히 제거할 수 있는 수준에 도달하지 못했다. 기어의 백래시를 작게 조정하는 방법으로는 기어의 중심거리를 조정하는 방식이 있다. 이것은 헬리컬 기어 등에 적용될 수 있다. 하지만, 기어의 중심거리를 작게함으로써 반지름 방향의 틈새를 조정하여 백래시를 작게 하는 것이므로 중심거리를 조정하기 위한 구조가 복잡해지는 문제가 있다.

도 3은 백래시를 줄이는 시저스 기어의 구성도로서, 이 방식은 원주방향의 백래시를 2 분할한 기어에서 스프링의 힘 등으로 상대 기어의 이를 잡아당겨 강제적으로 백래시를 제거하는 방식이다. 그러나, 기어는 양 치면 물림이 되므로 유막이 끊어지지 않도록 윤활에 주의가 필요하다. 이 방법은 치면의 미끄럼이 큰 기어에는 적합하지 않아 적용에 제한이 많고, 미끄럼이 큰 치면에서 유막이 끊어졌을 경우 급격한 치면 마찰의 위험이 있다.

기어의 백래시는 지금까지 전위 및 원활한 기어 물림 회전을 위해 당연히 발생하는 것으로 단정짓고 이를 방지하기 위한 여러 보조수단을 사용해 왔으나 비용과 신뢰성을 만족시키기 어려웠고, 국내 또는 해외에서 공개된 백래시 제거에 관한 제안들은 여러 가지 소재 사용이 필요하고 가공비가 고가이다.

백래시가 정밀하게 제어되는 기어의 설계는, 로봇 관절 정밀도 향상으로 로봇 종합 위치 정밀도를 현재 기술수준 약 0.3mm에서 0.01mm 이내로 고정밀 위치제어를 가능하게 할 것으로 예상되고, CNC control 공작기계의 경우 모터감속기의 정밀도를 높여 엔코더 사용을 줄일 수 있으며, 공작기계 시스템 운용 비용을 획기적으로 줄일 수 있을 것이다.

특허문헌 1. 대한민국 특허출원 제10-2005-0062101호

특허문헌 2. 대한민국 특허출원 제10-2012-0080568호

특허문헌 3. 대한민국 특허출원 제10-2011-0107126호

특허문헌 4. 대한민국 특허출원 제10-2011-0045290호

본 발명은 전술한 바와 같은 종래 문제점들을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 헬리컬 기어로 이루어지는 피니언 기어와 링 기어의 드라이브 기어가 백래시 제로에 근접하는 물림을 갖도록 유도하는 헬리컬 기어의 백래시 제로화 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 피니언 기어와 맞물려 회전하는 헬리컬 기어에서 발생되는 백래시를 간결하면서도 저 비용으로 신뢰성 있게 제거하는 헬리컬 기어의 백래시 제로화 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 하나의 축에서 링 기어의 백래시를 제거하는 헬리컬 기어의 백래시 제로화 장치를 제공하는 것이다.

상기 목적은, 본 발명에 따르면, 축을 따라 맞물리는 피니언 기어 및 링 기어의 조합으로 이루어지는 한 쌍의 헬리컬 기어; 상기 한 쌍의 헬리컬 기어는 잇 수를 다르게 갖는 링 기어와 맞물리는 물림 구조;를 포함하고, 상기 물림 구조는, 피니언 기어에 대하여 상기 링 기어의 기어 물림을 기어간 틈새 간격을 줄이는 물림으로 바꾸는 슬립 기어; 및 상기 슬립 기어를 지지하는 축 방향 지지부;를 포함하는 헬리컬 기어의 백래시 제로화 장치로부터 달성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 의하면, 링 기어는, 축을 따라 2 개의 대응형 헬리컬 기어를 조합하여 이루어지는 것으로, 1 개는 상기 피니언 기어와 치합되어 축을 중심으로 회전하는 슬립 기어;이고, 다른 1 개는 상기 피니언 기어로부터 입력되는 동력을 받아 축을 중심으로 회전하고 축을 구동시키는 드라이브 기어;로 분할되어 있으며, 상기 슬립 기어와 드라이브 기어의 톱니 줄기가 같은 방향으로 나란히 정렬된다.

또한, 본 발명의 실시 예에 의하면, 드라이브 기어는 축에 키로 물려 있어 축에 구속된다.

또한, 본 발명의 실시 예에 의하면, 링 기어는, 드라이브 기어와 별도로 1 개 이상의 슬립 기어를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 의하면, 슬립 기어는, 드라이브 기어의 어느 한 면 또는 양면과 대면하도록 배치될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 의하면, 슬립 기어의 축 방향 지지부는, 축을 지지하는 구조물 베이스; 베이스에 압입되어 축을 지지 고정하고, 슬립 기어의 표면을 드라이브 기어 표면에 밀착시켜 지지하는 스러스트 베어링;을 포함함으로써 슬립 기어의 마찰 회전을 유도할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 의하면, 슬립 기어의 축 방향 지지부는, 슬라이드 홈이 형성되고 축을 지지하는 구조물 베이스; 링 기어를 통과하는 축에 끼워져 베이스에 지지 되는 디스크; 디스크와 간격을 두고 이격 되어 있으며 축을 베이스에 지지하는 스러스트 베어링; 및 디스크와 스러스트 베어링 사이에서 디스크를 슬립 기어에 탄력으로 밀착시키는 탄성부재;를 포함함으로써 슬립 기어의 마찰 회전을 유도할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 의하면, 디스크의 원주면에는 베이스의 슬라이드 홈을 따라 2 개 이상의 스토퍼를 구비함으로써, 축 회전 시 구조물 베이스 안에서 디스크의 축 방향 회전을 구속하고 탄성력에 의해 축 방향으로 이동하여 슬립 기어와 밀착된다.

또한, 본 발명의 실시 에에 의하면, 슬립 기어는, 드라이브 기어의 표면에 대면하는 표면이 너어링 가공된 표면, 또는 마찰 패드를 구비하여 이루어지는 마찰부;를 포함함으로써, 피니언 기어 또는 드라이브 기어와 맞물릴 때 회전 마찰력을 증가시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 의하면, 디스크는, 슬립 기어의 표면에 대면하는 표면이 너어링(knurling) 가공된 표면, 또는 마찰 패드를 구비하여 이루어지는 마찰부;를 포함함으로써, 슬립 기어에 대하여 회전 마찰력을 증가시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 의하면, 드라이브 기어의 잇 수와 슬립 기어의 잇 수는 1 개 이상의 차이를 가지며, 슬립 기어의 잇 수가 드라이브 기어의 잇 수에 비해 더 많게 기어 잇 수가 조절될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 의하면, 링 기어는, 드라이브 기어의 치면 폭이 슬립 기어의 치면 폭에 비해 좁거나, 또는 서로 같거나, 또는 슬립 기어의 치면 폭이 드라이브 기어의 치면 폭에 비해 넓은 것 중 어느 하나일 수 있으며, 이를 통해 슬립 기어가 드라이브 기어에 접촉되는 수직하중에 따라 변화하는 마찰력을 선택적으로 조정할 수 있다.

본 발명에 따른 헬리컬 기어의 백래시 제로화 장치는, 헬리컬 기어로 이루어지는 피니언 기어와 링 기어의 물림에서 이 간격을 좁혀주는 것을 통해 기어 물림을 백래시 제로에 가까워지도록 유도하는 효과가 있다.

또한, 피니언 기어와 맞물려 회전하는 헬리컬 기어에서 발생되는 백래시를 신뢰성 있게 제거한다.

또한, 헬리컬 기어의 백래시를 줄여주는 기존 구조물 위주, 또는 구조물 의존 방식을 하나의 축을 통해 백래시를 줄여줄 수 있으므로 백래시 제거를 위한 장치의 고장과 오작동을 방지한다.

도 1은 기어의 백래시 산출수치 참고도표.
도 2는 기어의 백래시 참고도.
도 3은 백래시를 제로로 하는 시저스 기어 참고도.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 헬리컬 기어 물림 상태를 나타낸 개략도.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 헬리컬 기어의 백래시 제로화 장치를 나타낸 분해 사시도.
도 6은 도 5의 결합 상태의 예시도.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 헬리컬 기어의 백래시 제거 물림의 적용 예시도.
도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 헬리컬 기어의 백래시 제로화 장치를 나타낸 분해 사시도.
도 9는 도 8의 결합 상태 예시도.
도 10은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 헬리컬 기어의 백래시 제거 물림의 적용 예시도.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 링 기어의 조합을 치면 두께 폭 비교로 나타낸 것으로, (a)는 드라이브 기어 치면 폭(t)과 슬립 기어 치면 폭(t1)이 t > t1 인 링 기어의 예, (b)는 t = t1 인 링 기어의 예, (c)는 t < t1 인 링 기어의 비교 예시도.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 헬리컬 기어의 백래시 제거 기어 물림 관련 설명도.
도 13은 도 12의 10t-58t 치직각 방식 전위 헬리컬 기어 계산식 및 산출표.
도 14는 도 12의 10t-59t 치직각 방식 전위 헬리컬 기어 계산식 및 산출표.
도 15는 도 12의 10t-60t 치직각 방식 전위 헬리컬 기어 계산식 및 산출표.
도 16은 도 12의 10t-61t 치직각 방식 전위 헬리컬 기어 계산식 및 산출표.
도 17은 도 12의 10t-62t 치직각 방식 전위 헬리컬 기어 계산식 및 산출표.
도 18은 도 12의 10t-63t 치직각 방식 전위 헬리컬 기어 계산식 및 산출표.

이하, 본 발명의 실시 예에 따른 헬리컬 기어의 백래시 제로화 장치의 구성을 도 4 내지 도 11을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 한 쌍의 헬리컬 기어 물림을 나타낸 개략도이다.

도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 헬리컬 기어의 백래시 제로화 장치는, 피니언 기어(200)와 맞물리는 링 기어(100)가 축(110)을 따라 결합된 2개의 대응형 헬리컬 기어일 수 있다.

링 기어(100)는, 축(110)을 따라 2 개의 대응형 헬리컬 기어로 조합된 것으로, 1 개는 피니언 기어(200)와 치합 되어 축(110)을 중심으로 회전하는 슬립 기어(300)일 수 있고, 나머지 1개는 피니언 기어(200)로부터 입력되는 동력을 받아 축(110)을 중심으로 회전하고 축(110)을 구동시키는 드라이브 기어(D) 이다. 슬립 기어(300)와 드라이브 기어(D)는 대응형 헬리컬 기어 특성으로 톱니 줄기 방향이 같은 방향으로 나란히 정렬된다. 다만 드라이브 기어(D)의 잇 수와 슬립 기어(300)의 잇 수에 차이를 두는 경우 그 잇 수의 차이로 인해 기어의 이 위치는 일치하지 않고 어긋날 수 있다.

링 기어(100)에는 기어 이가 만나는 지점에서 발생하는 이 간격인 백래시를 줄이는 수단이 포함된다.

상기 헬리컬 기어에서 발생되는 백래시를 줄이는 수단은, 피니언 기어(200)로부터 입력되는 회전을 받아 축(110)을 중심으로 회전하고 축(110)을 연동시키는 드라이브 기어(D)와 대면하면서 축(110)을 따라 마찰 회전하는 슬립 기어(300)이다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 헬리컬 기어의 백래시 제로화 장치의 요부를 나타낸 분해 사시도 이다.

본 발명의 구성은, 도 5에 도시된 바와 같이, 구체적으로는, 축(110)을 따라 맞물려 있는 한 쌍의 헬리컬 기어(H)의 물림이 피니언 기어(200) 및 링 기어(100)들의 조합으로 이루어진다.

그리고, 한 쌍의 헬리컬 기어(H)는 링 기어(100)를 구성하는 드라이브 기어와 슬립 기어의 잇 수를 달리하여 이를 피니언 기어(200)와 맞물리도록 구성된 물림 구조로 이루어진다.

그리고, 물림 구조는, 피니언 기어(200)에 대하여 링 기어(100)의 드라이브 기어(D) 물림을 피니언 기어의 이가 만나는 지점에서 발생하는 간격인 백래시를 줄이는 물림으로 바꿔주는 슬립 기어(300)를 포함한다.

그리고, 슬립 기어(300)를 축 방향으로 지지하는 축 방향 지지부(400)를 구비할 수 있다. 축 방향 지지부(400)를 구비하는 슬립 기어(300)는, 회전 중 마찰력으로 외부의 힘을 작용시켜 피니언 기어(200)에 맞물리는 드라이브 기어(D)를 회전 과정에서 백래시를 줄여주는 방향으로 밀어 준다.

여기서, 피니언 기어(200) 및 이와 서로 맞물리는 링 기어(100)는 원통 기어로 분류되는 헬리컬 기어(helical gear)이고, 링 기어(100)는 드라이브 기어(D)와 슬립 기어(300)로 분할되어 있다.

일반적으로 헬리컬 기어는 바퀴 주위에 비틀린 이가 절삭되어 있으며 나선 치형을 갖는다. 나선 치형은 이 직각 모듈과 정면 모듈의 어느 한쪽으로 나타나며 나선 치형에 회전력이 작용하면 축 방향에 추력(thrust)이 걸린다. 나선 치형은 톱니 줄기가 비스듬히 경사져 있어서 톱니 줄이 나선 곡선을 띠게 되는데 2축의 상대적 위치는 스퍼기어(spur gear)처럼 평행하지만 톱니가 경사져 있어서 축 방향으로 추력이 걸리며 추력의 크기는 헬리컬 기어의 치형 경사도에 따라 변동될 수 있다.

따라서, 축(110)에 드라이브 기어(D)와 별도로 슬립 기어(300)를 결합하고 이들을 지지하는 축 방향 지지장치를 두는 경우, 피니언 기어(200)로부터 회전력이 작용하면 슬립 기어(300)는 마찰력이 발생 되고 드라이브 기어와 피니언 기어의 이가 만나는 지점에서 발생하는 사이 간격인 백래시를 줄여줄 수 있게 된다.

그리고, 축(110) 상에서 슬립 기어(300)의 과도한 미끄럼 회전을 억제하고 마찰 회전으로 유도하기 위하여 축(110)의 외경과 접촉하는 슬립 기어(300)의 축 구멍에는 별도의 링(ring) 형의 마찰 부재(310)를 장착하여 축(110)의 외경에 접촉하는 슬립 기어(300)에 대한 축 마찰력을 유도할 수도 있다. 다만, 축의 회전 부하를 감안하여 적용하는 것이 바람직하다. 마찰 부재(310)로는 도면으로 구체적으로 나타내지는 않았으나 탄성체, 브레이크 패드계 재료, 또는 거친 표면을 갖도록 표면 처리된 부재 등을 적절히 가공처리하여 적용할 수 있다.

미설명 부호 110a는 각각 피니언 기어의 '축'이고, 120은 축(110)에 있는 '키 홈'이다. 150은 드라이브 기어에 형성된 '중공'이다.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 헬리컬 기어의 백래시 제로화 장치의 기어 물림을 나타낸 사시도 이다. 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 헬리컬 기어의 백래시 제거 물림의 적용 예시도 이다.

도 4 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 링 기어(100)는, 헬리컬 기어로서 피니언 기어(210)와 치합되어 축(110)을 중심으로 회전하는 슬립 기어(300)와, 피니언 기어(200)로부터 입력되는 동력을 받아 축(110)을 중심으로 회전하고 축(110)을 구동시키는 드라이브 기어(D)로 구성된다.

여기서, 슬립 기어(300)는 드라이브 기어(D)와 나란한 한 축(110)에 조합되어 피니언 기어(200)를 통해 전달되는 회전력을 드라이브 기어(D)와 동시에 받아 회전한다. 그리고, 드라이브 기어(D)와 슬립 기어(300)는 한 축(110)에 결합되지만 분할되어 있다. 드라이브 기어(D)는 축(110)을 돌리는 구동측 기어이다.

슬립 기어(300)는, 피니언 기어(200)와 맞물리는 드라이브 기어(D)의 이가 만나는 지점에서 발생되는 백래시를 제거하기 위해 축(110)을 따라 회전하는 헬리컬 기어로서, 피니언 기어(200)에 의해 축(110)을 중심으로 회전하면서 그 과정에서 피니언 기어(200)와 드라이브 기어(D)의 이가 만나는 지점에서 발생되는 간격을 마찰 회전으로 줄여줌으로써 백래시를 제거한다.

또한, 드라이브 기어(D)는 축(110)에 키(130)로 물려 있어 피니언 기어로부터 회전력을 받아 축(110)을 구동시키도록 구성된다.

또한, 드라이브 기어와 슬립 기어로 이루어지는 링 기어(100)는, 도면으로 나타내지 않았으나, 슬립 기어(300)의 수가 1 개 또는 그 이상으로 조합된 링 기어(100)로 구성될 수 있다. 도면에는 1 개의 드라이브 기어에 대하여 1 개의 슬립 기어(300)가 조합된 예로 제시되어 있다.

또한, 슬립 기어(300)는, 드라이브 기어(D)의 어느 한 표면 또는 양면과 대면하는 링 기어(100)로 구성될 수 있다.

또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 피니언 기어(200) 및 링 기어(100)는 헬리컬 기어로서 회전시 축(110)에 걸리는 축 방향 추력(W)은 구조물 베이스(500) 및 스러스트 베어링(400a)에 의해 지지 된다.

이와 같이 구성된 본 발명의 실시 예에 따른 헬리컬 기어의 백래시 제로화 장치의 구체적인 구성 및 작용을 도 4 내지 도 11을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

슬립 기어(300)의 마찰 회전은, 도 7에 도시된 바와 같이, 드라이브 기어(D)와 슬립 기어(300)로 분할되는 링 기어(100)를 축에 축설하고, 그 축(110)을 구조물 베이스(500)에 축 방향으로 지지하도록 설치하여 슬립 기어(300)의 마찰 회전을 유도할 수 있다. 추력(W)이 걸리는 축(110)은 구조물 베이스(500) 및 스러스트 베어링(400a)을 통해 지지 된다.

슬립 기어(300)를 포함하는 링 기어(100)의 축 방향 지지는 베이스(500)에 압입된 스러스트 베어링(400a)에 의해 지지 된다. 스러스트 베어링(400a)은 베이스(500)에 압입 되어 축(110)을 유동 없이 지지 고정하고, 슬립 기어(300)의 표면을 드라이브 기어(D) 표면에 밀착시키는 지점에 위치한다.

이렇게 구조물 베이스(500) 및 스러스트 베어링(400a)에 의해 축 방향 지지되는 슬립 기어(300)에는 헬리컬 기어 특성에 의한 나선 치형에 의한 마찰력, 추력이 걸리는 축(110)의 외경과 접촉하는 슬립 기어의 내경(마찰 부재 선택적 포함) 접촉면 사이의 마찰력, 그리고 드라이브 기어와 슬립 기어의 표면 접촉면 사이 마찰력이 더해져 슬립 기어(300)는 드라이브 기어와 피니언 기어 이가 만나는 지점에서 발생 되는 간격을 마찰력에 의한 반력으로 줄여줄 수 있게 된다. 여기서, 드라이브 기어(D)와 슬립 기어(300)의 표면 접촉면 사이 마찰력은 슬립 기어(300)에 마찰부(320)를 두는 경우 마찰력에 변동을 줄 수 있다.

도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 헬리컬 기어의 백래시 제로화 장치의 요부를 나타낸 분해 사시도 이다. 도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 헬리컬 기어의 백래시 제로화 장치의 결합 상태 예시도 이다. 도 10은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 헬리컬 기어의 백래시 제거 물림의 적용 예시도 이다.

슬립 기어(300)의 마찰 회전 유도는, 도 8 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 드라이브 기어(D)와 슬립 기어(300)로 분할되는 링 기어(100)를 축(110)에 축설하고, 그 축(110)을 구조물 베이스(500)에 축 방향으로 지지하도록 설치하여 유도할 수 있다.

구체적으로는, 축(110)을 지지하는 구조물 베이스(500)에 슬라이드 홈(510)을 형성하고 그 슬라이드 홈(510)을 따라 디스크(410)를 조립하고 탄성력을 가하여 슬립 기어(300)의 회전 마찰을 유도하는 형식이다.

주요 부분은, 축(110)을 지지하는 구조물 베이스(500), 링 기어(100)를 통과하는 축(110)에 끼워져 베이스(500)에 지지 되는 디스크(410), 디스크(410)와 간격을 두고 이격 되어 있으며 축(110)을 베이스(500)에 지지하는 스러스트 베어링(400a), 디스크(410)와 스러스트 베어링(400a) 사이에서 디스크(410)를 슬립 기어(300)에 탄력으로 밀착시키는 탄성부재(430)로 구성된다. 탄성부재(430)로는 코일 스프링, 판스프링 등을 다양하게 선택적으로 적용할 수 있다. 도면에는 코일 스프링인 예로 제시되어 있다.

디스크(410)는 축에 결합되어 있지만 축의 회전을 받지 않으며, 베이스(500)의 슬라이드 홈(510)을 따라 축 방향으로 이동한다. 탄성부재(430)의 탄성력에 따라 슬립 기어(300)에 압력을 가하는 힘이 변화되며, 이는 슬립 기어(300)에 작용하는 마찰력을 결정한다. 따라서, 적절한 탄성부재(430)의 사용을 통해 슬립 기어(300)의 회전 마찰력을 조절할 수 있게 된다.

디스크(410)의 원주면에는 베이스(500)의 슬라이드 홈(510)을 따라 결합 되어 축 방향 회전을 단속하고 축 방향 이동을 유도하기 위해 적어도 2 개 이상의 스토퍼(410a)가 돌설 되어 있다. 디스크(410)에는 언제나 탄성력이 작용하고 그 탄성력 작용방향으로 이동하여 슬립 기어(300) 표면에 밀착된다. 이로 인해 슬립 기어(300)의 회전이 있을 때 탄성력에 해당하는 마찰력이 발생 된다.

또한, 드라이브 기어(D)와 슬립 기어(300)의 접촉면 사이 마찰력, 그리고 슬립 기어(300)와 디스크(410) 사이의 마찰력은 각각 마찰부(320)(420)를 두는 경우 회전이 있을 때 접촉면 사이의 마찰력에 변동을 줄 수 있다.

다만, 축 또는 드라이브 기어의 회전 부하를 감안하여 마찰력을 조절하여 적용하는 것이 바람직하다. 마찰부(320)는 도면으로 구체적으로 나타내지는 않았으나 브레이크 패드계 재료, 또는 거친 표면을 갖도록 가공 처리된 표면 등을 포함하여 다양한 가공 구조 및 소재 등을 선택적으로 가공 제조하여 필요에 따라 적용할 수 있다.

상기 슬립 기어(300)의 마찰부(320)는, 드라이브 기어(D)의 표면에 대면하는 표면이 너어링(knurling) 가공된 표면, 또는 마찰 패드를 구비하여 구성될 수 있다. 마찬가지로, 디스크(410)의 마찰부(420)의 경우도 슬립 기어(300)의 표면에 대면하는 표면을 너어링 가공헌 표면 처리, 또는 마찰 패드를 구비하여 용이하게 구성될 수 있다.

또한, 링 기어(100)를 구성하는 드라이브 기어(D)의 잇 수(T)와 슬립 기어(300)의 잇 수(T1)는 1 개 이상의 차이를 가지도록 하는 것이 바람직하며, 바람직하기로는 슬립 기어의 잇 수(T1)가 드라이브 기어의 잇 수(T)에 비해 더 많게 할 때 피니언 기어(200)와 드라이브 기어(D)의 이가 만나는 지점에서 발생 되는 이의 간격을 줄여주는데 보다 유리하다. 이 경우 드라이브 기어와 슬립 기어의 이는 도면에 도시된 바와 같이 언제나 어긋나 있게 된다.

이와 같이 드라이브 기어(D)와 슬립 기어(300)의 조합으로 이루어지는 링 기어(100)는 그 기어 잇 수 차이로 인해 피니언 기어(200)와 언제 어느 지점에서든 기어가 어긋난 물림 상태로 치합 되며 이 어긋난 물림 자체는 기어간 틈새 간격을 좁혀주도록 작용한다.

슬립 기어(300)는 축(110)을 따라 드라이브 기어(D)와 함께 회전하면서 피니언 기어와 맞물릴 때 기어 잇 수에 차이에 의해 각속도 및 회전각 차이에 의해 기어 물림 간 틈새 간격을 줄여준다.

도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 링 기어의 조합을 치면 두께 폭 비교로 나타낸 것으로, (a)는 드라이브 기어 치면 폭(t)과 슬립 기어 치면 폭(t1)이 t > t1 인 링 기어의 예, (b)는 t = t1 인 링 기어의 예, (c)는 t < t1 인 링 기어의 비교 예시도 이다.

(a)는, 드라이브 기어(D)의 치면 폭(t)을 슬립 기어(300)의 치면 폭(t1)에 비해 상대적으로 더 넓은 t > t1 인 폭으로 조합한 링 기어(100)의 예이다.

(b)는, 드라이브 기어(D)의 치면 폭(t)과 슬립 기어(300)의 치면 폭(t1)이 서로 같은 t = t1 인 폭으로 조합된 링 기어(100)의 예이다.

(c)는, 드라이브 기어(D)의 치면 폭(t)에 비해 슬립 기어(300)의 치면 폭(t1)을 더 넓힌 t < t1 인 링 기어(100)의 예이다.

도 11을 참조하면, 링 기어를 구성하는 드라이브 기어 및 슬립 기어의 치면 폭 또는 그 두께는 필요에 따라 치면 폭을 선택적으로 조정하여 적용할 수 있음을 알 수 있다. 이러한 드라이브 기어와 슬립 기어의 상대적인 치면 폭의 차이는 나선 치형을 갖는 헬리컬 기어들인 피니언 기어와 링 기어의 물림에서 추력과 마찰력의 변화를 유도할 수도 있다.

예를 들면, 도 11의 (c)는 슬립 기어(300)의 치면 폭이 드라이브 기어에 비해 상대적으로 넓은 경우로서, 이 경우 슬립 기어의 마찰 유도는 그렇지 않은 경우에 비해 더 유리할 수 있다.

한편, 피니언 기어(200)는 입력되는 동력을 링 기어(100)에 전달하는 동시에, 감속기의 감속용 구동 피니언 기어, 차의 사이드 기어와 맞물려 선회를 원활하게 하는 차동 피니언 기어, 차의 조향 핸들의 회전력을 래크에 전달하는 피니언 기어, 기동 전동기에서 엔진에 회전력을 전달하는 피니언 기어, 건설 기계의 상부 회전체를 회전시키는 피니언 기어, 자동 변속기의 유성 기어에 조합되는 피니언 기어, 로봇의 기동 및 구동용 피니언 기어로 사용되는 기어일 수 있다.

도 12 본 발명의 실시 예에 따른 헬리컬 기어의 백래시 제거 물림에 관한 설명도로서, 백래시를 줄여주기 위한 치직각 단면 물림 상태를 나타낸다.

도 12를 참조하면, 입력측 피니언 기어(200)의 잇수가 '10T'이고, 여기에 맞물리는 드라이브 기어(D)의 잇수가 60T, 그리고 링 기어(100)의 슬립 기어(300) 잇수 '63T'인 경우, 백래시 줄여주는 치직각 물림 단면은 58T, 59T, 60T, 61T, 62T, 63T 일 때, 모두 드라이브 기어(D)가 피니언 기어(200)와 일정한 물림율을 형성한다. 여기서, 일정한 물림율은 백래시가 줄어든 물림으로서, 피니언 기어(200)의 회전을 드라이브 기어(D)에 전달하여 출력한다.

즉, 기어 반경을 제외한 기어의 잇 수를, 피니언 기어 10T, 드라이브 기어 60T 인 1/6의 기어비로 물려 있는 경우, 피니언 기어의 1회전은 드라이브 기어에 1/6의 회전량으로 전달된다. 백래시가 허용된 일반적인 헬리컬 기어의 실제 물림율은 백래시에 의해 ±1/6의 값을 가진다.

물림율은 도 12의 상세-58T, 상세-59T, 상세-60T, 상세-61T, 상세-62T, 상세-63T 처럼 모두 백래시를 제거하는 안정된 물림율을 형성하는데, 입력측 피니언 기어(200)를 따라 회전하는 드라이브 기어(D), 그리고 같은 방향으로 회전하는 슬립 기어(300)는 각각 회전 위치와 관계없이 어느 경우에서나 백래시를 형성하는 기어간 틈새 간격에 슬립 기어(300)의 기어 이가 위치하여 틈 간격을 줄여줄 수 있다.

도 12는 입력측 피니언 기어 잇 수 10T, 출력측 드라이브 기어 잇 수 60T 일 때, 슬립 기어 잇 수를 63T로 한 쌍의 헬리컬 기어 물림상태로서, 드라이브 기어(D)와 슬립 기어(300)의 잇 수가 다르고, 그 잇 수 차이에 의해 피니언 기어(200)와 전위로 축간거리를 조정하여 헬리컬 기어 물림에서 발생 되는 백래시를 제거할 수 있게 된다.

예를 들면, 드라이브 기어(D)의 잇 수(T) : 슬립 기어(300)의 잇 수(T1)는, 입력측 피니언 기어 잇 수 10T, 출력측 드라이브 기어 잇 수 58 내지 63T 일 때, 드라이브 기어의 잇 수(T)와 슬립 기어의 잇 수(T1)는, 1 내지 5개 범위의 차이를 가질 수 있다. 이러한 조건에서 슬립 기어 잇 수는 드라이브 기어의 잇 수가 58T일 때 1개, 63T일 때 5개 등으로 그 잇 수를 드라이브 기어의 잇 수를 기준으로 비례적으로 더 많게 할 수도 있다.

도 13 내지 도 18은 본 발명의 실시 예에 따른 백래시 제로화 물림을 위한 전위 헬리컬 기어 설계에서, 피니언 기어 잇 수 10T, 슬립 기어(링 기어) 잇 수 최대 63T일 때, 피니언 기어와 맞물리는 슬립 기어의 이를 각각 58T, 59T, 60T, 61T, 62T, 63T로 구분하여 헬리컬 기어 물림 설계에 반영한 식과 그 산출표의 예로서, 기어 잇 수, 치직각 모듈, 기준압력각, 이뿌리 틈새 비율, 비틀림각을 대입하여 각각 10T-58T(도 13), 10T-59T(도 14), 10T-60T(도 15), 10T-61T(도 16), 10T-62T(도 17), 10T-63T(도 18)로 구분하여 이를 예로서 나타낸 산출표의 예이다.

상기 예에 따르면, 기어 잇 수를 제외한 치직각 모듈, 기준압력각, 이뿌리 틈새 비율, 비틀림각을 아래의 표 1과 같은 조건으로 대입하여 산출한 것으로, 기어 잇 수를 제외한 값은 모두 같다.

계산 항목	산출 값
치직각 모듈	2
기준압력각	20
이뿌리 틈새 비율	0.35
비틀림각	28

기어 잇 수를 다르게 대입하는 경우 값은 모두 달라지는데, 이를 백래시에 직접 영향을 미치는 정면물림압력각, 이 끝 원직경, 물림율 항목을 추출하여 나타내면 표 2와 같다.

구분	정면물림압력각(°)		이 끝 원직경(mm)		물림율
	피니언	링 기어	피니언	링 기어
10T-58T	0.0343	26.0886	26.289	139.908	1.185
10T-59T	0.0274	24.3109	26.559	139.908	1.269
10T-60T	0.0212	22.4025	26.651	139.908	1.337
10T-61T	0.0157	20.3250	26.553	139.908	1.391
10T-62T	0.0108	18.0210	26.246	139.909	1.435
10T-63T	0.0066	15.3872	25.702	139.908	1.473

도 13 내지 도 18의 표 및 상기 표 2에 따르면, 기어 잇 수가 변동되는 슬립 기어를 포함하는 출력측 링 기어의 '이 끝 원직경' 값은 10T-58T 내지 10T-63T에서 모두 '139.908' 또는 '139.909'로 거의 일치하는 값을 나타낸다. 링 기어의 '이 끝 원직경' 값이 같거나 근사한 값은 입력 기어(피니언)와 출력 기어(드라이브 기어)의 사이 틈새에 의해 형성되는 백래시를 제거하는 안정된 물림율을 얻을 수 있는 것으로 볼 수 있다.

본 발명에 따른 헬리컬 기어의 백래시 제로화 장치는, 헬리컬 기어로 이루어지는 피니언 기어와 드라이브 기어의 이가 만나는 지점에서 발생 되는 간격을 좁히는 이 물림을 갖도록 유도하고, 피니언 기어와 맞물려 회전하는 드라이브 기어에서 발생 되는 백래시를 줄일 수 있게 된다. 그리고, 백래시를 줄이는 슬립 기어가 링 기어로 통합되므로 링 기어 가공시 적은 가공비로 간결하게 완성할 수 있고, 백래시 제거를 위한 장치를 단순화한다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 실시 예로 한정되지 않으며 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 수정 및 변형하여 실시할 수 있으며 수정과 변형이 이루어진 것은 본 발명의 기술 사상에 포함된다.

D: 드라이브 기어 H: 한 쌍의 헬리컬 기어
100: 링 기어 110: 축
120: 키 홈 130: 키
200: 피니언 기어 300: 슬립 기어
310: 마찰 부재 320: 마찰부
400: 축 방향 지지부 400a:스러스트 베어링
410: 디스크 410a: 스토퍼
420: 마찰부 430: 탄성부재
500: 베이스 510: 슬라이드 홈

Claims (11)

1. 축을 따라 맞물리는 피니언 기어 및 링 기어의 조합으로 이루어지는 한 쌍의 헬리컬 기어; 상기 한 쌍의 헬리컬 기어는 잇 수를 다르게 갖는 링 기어와 맞물리는 물림 구조;를 포함하고, 상기 물림 구조는, 피니언 기어에 대하여 상기 링 기어의 기어 물림을 기어간 틈새 간격을 줄이도록 유도하는 슬립 기어; 및 상기 슬립 기어를 지지하는 축 방향 지지부;를 포함하는 헬리컬 기어의 백래시 제로화 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 링 기어는, 축을 따라 2 개의 대응형 헬리컬 기어를 조합하여 이루어지는 것으로, 1 개는 상기 피니언 기어와 치합되어 축을 중심으로 회전하는 슬립 기어;이고, 다른 1 개는 상기 피니언 기어로부터 입력되는 동력을 받아 축을 중심으로 회전하고 축을 구동시키는 드라이브 기어;로 분할되어 있으며, 상기 슬립 기어와 드라이브 기어의 톱니 줄기가 같은 방향으로 나란히 정렬된 헬리컬 기어의 백래시 제로화 장치.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 드라이브 기어는 축에 키로 물려 있는 헬리컬 기어의 백래시 제로화 장치.
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 슬립 기어는, 상기 드라이브 기어의 어느 한 면 또는 양면과 대면하는 헬리컬 기어의 백래시 제로화 장치.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 슬립 기어의 축 방향 지지부는, 축을 지지하는 구조물 베이스; 상기 베이스에 압입되어 축을 지지 고정하고, 슬립 기어의 표면을 드라이브 기어 표면에 밀착시켜 지지하는 스러스트 베어링;을 포함하는 헬리컬 기어의 백래시 제로화 장치.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 슬립 기어의 축 방향 지지부는, 슬라이드 홈이 형성되고 축을 지지하는 구조물 베이스; 링 기어를 통과하는 축에 끼워져 상기 베이스에 지지 되는 디스크; 상기 디스크와 간격을 두고 이격 되어 있으며 축을 베이스에 지지하는 스러스트 베어링; 및 상기 디스크와 스러스트 베어링 사이에서 디스크를 슬립 기어에 탄력으로 밀착시키는 탄성부재;를 포함하는 헬리컬 기어의 백래시 제로화 장치.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 디스크의 원주면에는 상기 베이스의 슬라이드 홈을 따라 결합 되어 디스크의 축 방향 회전을 구속하고 축 방향 이동으로 유도하는 적어도 2 개 이상의 스토퍼를 구비하는 헬리컬 기어의 백래시 제로화 장치.
8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 슬립 기어는, 상기 드라이브 기어의 표면에 대면하는 표면이 너어링 가공된 표면, 또는 마찰 패드를 구비하여 이루어지는 마찰부;를 구비하는 헬리컬 기어의 백래시 제로화 장치.
9. 제 6 항에 있어서,
   상기 디스크는, 상기 슬립 기어의 표면에 대면하는 표면이 너어링 가공된 표면, 또는 마찰 패드를 구비하여 이루어지는 마찰부;를 구비하는 헬리컬 기어의 백래시 제로화 장치.
10. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 드라이브 기어의 잇 수와 슬립 기어의 잇 수는 1 개 이상의 차이를 가지며, 슬립 기어의 잇 수가 드라이브 기어의 잇 수에 비해 더 많은 헬리컬 기어의 백래시 제로화 장치.
11. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 링 기어는, 드라이브 기어의 치면 폭이 슬립 기어의 치면 폭에 비해 좁거나, 또는 서로 같거나, 또는 슬립 기어의 치면 폭이 드라이브 기어의 치면 폭에 비해 넓은 것 중 어느 하나인 헬리컬 기어의 백래시 제로화 장치.

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