KR20200115105A

KR20200115105A - 스프로켓 및 전동 기구

Info

Publication number: KR20200115105A
Application number: KR1020200020952A
Authority: KR
Inventors: 유지 쿠레마츠
Original assignee: 가부시기가이샤쯔바기모도체인
Priority date: 2019-03-25
Filing date: 2020-02-20
Publication date: 2020-10-07
Also published as: JP2020159365A; CN111734801B; DE102020107416A1; US20200309242A1; CN111734801A; US11493120B2; JP7299476B2

Abstract

[과제] 부하 토크(load torque) 변동에 대응한 체인의 장력(張力) 변동의 영향을 경감해, 소음이나 진동을 억제하면서, 고강도화, 경량화를 도모할 수 있고, 생산성이 높은 스프로켓 및 이 스프로켓을 이용한 전동 기구를 제공하는 것.
[해결수단] 고강성(高剛性) 재료로 만들어진 스프로켓 기체(110)에서의 치부(111)의 치면(齒面)에 완충재층(115)이 설치되는 것에 의해 스프로켓 이빨(101)이 구성되고, 스프로켓 이빨(101)이 완충재층(115)의 두께가 다른 것을 포함하는 구성으로 된다.

Description

스프로켓 및 전동 기구{SPROCKET AND DRIVE MECHANISM}

본 발명은, 체인과 치합하는 복수의 스프로켓 이빨이 형성된 스프로켓 및 이 스프로켓을 이용한 전동 기구에 관한 것이다.

회전을 확실히 전달하는 전동 기구로서, 주면(周面)에 복수의 스프로켓 이빨이 형성된 스프로켓에 체인을 걸어 돌리는 전동 기구가 관용(慣用)되고 있다.

스프로켓 이빨이 체인과 치합하는 것에 의해, 복수의 스프로켓 사이에, 타이밍과 회전력이 확실히 전해지지만, 스프로켓 이빨과 체인과의 치합에 따라 소음이나 진동이 발생하는 것은 피할 수 없다. 플라스틱제의 스프로켓에서는, 치합음(齒合音, meshing noise) 자체는 작지만, 내강도(耐强度) 부족의 문제가 있다.

한편, 회전에 따라 주기적으로 부하 토크(load torque)가 변동하는 전동 기구의 경우, 각 스프로켓 이빨이 등간격으로 체인과 치합하는 위상을 제로('0')로 했을 때, 정측(正側) 및 부측(負側)으로 교대로 위상(位相)이 변동하는 위상 변동 패턴을 형성하도록 복수의 스프로켓 이빨을 배치함으로써, 부하 토크 변동에 대응한 장력(張力) 변동의 영향을 경감해, 소음이나 진동을 억제한 스프로켓이 공지되어 있다(예를 들어, 특허문헌 1, 2 등 참조).

[특허문헌 1] 일본 특허 제4589598호 공보 [특허문헌 2] 일본 특허 제4235242호 공보

공지된 스프로켓에서는, 체인의 장력 변동이 경감되는 것으로 체인의 진동에 의한 소음을 억제하는 것은 가능하지만, 부하 토크 변동이 주기적이기 때문에, 그 주기에 대응한 차수음(次數音, order noise)의 발생은 불가피하였다.

또한, 부하 토크 변동의 위상이 시프트(shift)한 경우나, 스프로켓의 회전 수와 체인의 고유 진동수와의 관계에서 공진(共振)했을 경우에는, 반대로 체인의 장력 변동이 증대하거나, 소음이나 진동이 증가하거나 할 가능성이 있었다.

또한, 체인 장력이 작고 부하 토크가 작은 경우나, 체인 장력의 영향을 받지 않고 치합하고 있는 영역에서는, 스프로켓의 복수의 이빨이 위상 변동 패턴을 형성하도록 배치되어 있기 때문에, 스프로켓의 형상이 반대로 체인의 장력 변동이나 진동이나 소음의 요인이 될 우려도 있었다.

게다가 또한, 스프로켓 이빨의 피치가 일정하지 않기 때문에, 예를 들면 기어 호빙(GEAR HOBBING) 가공이 불가(不可)하는 등, 스프로켓의 제조 방법이 제한되어 버리는 문제가 있었다.

본 발명은, 이러한 문제점을 해결하는 것으로서, 부하 토크 변동에 대응한 체인의 장력 변동의 영향을 경감해, 소음이나 진동을 억제할 수 있고, 게다가, 고강도를 유지하면서 경량화를 도모할 수 있는 동시에, 높은 생산성을 얻을 수 있는 스프로켓 및 이 스프로켓을 이용한 전동 기구를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 스프로켓은, 체인(chain)과 치합(齒合)하는 복수의 스프로켓 이빨(sprocket teeth)이 형성된 스프로켓으로서, 주면(周面)에 복수의 치부(齒部)가 형성된 고강성(高剛性) 재료로 만들어진 스프로켓 기체와, 상기 복수의 치부 각각의 적어도 치면(齒面)에 설치되어 상기 치부와 함께 상기 스프로켓 이빨을 형성하는 완충재층을 갖추고, 상기 스프로켓 이빨은, 상기 완충재층의 두께가 다른 것을 포함하는 구성인 것에 의해, 상기 과제를 해결한다.

본 청구항 1에 따른 스프로켓에 의하면, 스프로켓 이빨의 표면에서의 완충재층 자체의 쿠션성(충격 흡수성)에 의해 진동 소음 저감 효과(NV 저감 효과)를 얻을 수 있는 동시에, 완충재층의 두께 변화에 의해 체인으로부터 스프로켓으로의 진동 전달 특성을 변화시킴으로써, NV 저감 효과를 얻을 수 있다. 이 때문에, 토크 변동에 동적으로 대응하여 체인의 장력 변동의 영향을 경감해, 소음이나 진동을 억제할 수 있다.

게다가, 각 스프로켓 이빨이 고강성 재료로 만들어진 스프로켓 기체의 치부와 완충재층에 의해 구성되는 것에 의해, 고강도를 유지하면서 스프로켓의 경량화를 도모할 수 있다.

본 청구항 2에 따른 구성에 의하면, 스프로켓 기체는, 제조 방법에 관하여 제한을 받지 않기 때문에, 완충재층의 두께를 조정함으로써 소기의 스프로켓을 확실히 얻을 수 있어 높은 생산성을 얻을 수 있다.

본 청구항 3에 따른 구성에 의하면, 주기적인 부하 토크 변동에 대응한 체인의 장력 변동의 영향을 경감해, 소음이나 진동을 억제할 수 있고, 게다가, 엔진의 강성 저감이나 흡음재(吸音材) 등을 삭감할 수 있어, 경량화, 저비용화를 도모할 수 있다.

본 청구항 4에 따른 구성에 의하면, 부하 토크의 변동 주기와 위상 변동 패턴의 증감 변동의 주기의 위상이 시프트(shift)되는 타이밍을 원활히 변화시킬 수 있어, 한층 더 차수음의 발생을 억제할 수 있다.

또한, 치합음(소음)의 저감에 의해 엔진의 강성 저감이나 흡음재 등의 삭감을 도모할 수 있고, 스프로켓을 포함한 체인 전동 기구가 탑재되는 엔진 등의 경량화 및 저비용화를 도모할 수 있다.

본 청구항 5에 따른 구성에 의하면, 주된 소음이나 진동의 원인이 되는 토크 변동에 대한 영향을 효과적으로 경감하는 것이 가능해진다.

본 청구항 6에 따른 구성에 의하면, 체인과 치합한 상태에서, 스프로켓 이빨에 작용하는 굽힘 응력(bending stress)에 대해 충분히 높은 강도를 유지할 수 있는 동시에, 스프로켓 이빨에서의 압력이 작은 부위를 완충재층에서 형성할 수 있기 때문에, 경량화를 도모할 수 있다. 또한, 체인과 치합할 때의 굽힘 응력 발생 부위의 곡률 반경을 크게 하는 것이 가능해지기 때문에, 응력 노치 계수가 저감하여 이 점에 있어서도 고강도를 유지할 수 있고, 또한, 완충재층에 생기는 열 응력을 저감할 수 있다.

본 청구항 7에 따른 전동 기구에 의하면, 상기의 스프로켓을 갖춘 것에 의해, 부하 토크 변동에 대응한 체인의 장력 변동의 영향을 경감하고, 소음이나 진동을 억제할 수 있다.

[도 1] 본 발명에 따른 전동 기구의 일례에서의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
[도 2] 도 1에 도시한 전동 기구에 이용된 본 발명에 따른 스프로켓의 일부를 확대해 도시한 도면이다.
[도 3a] 위상 변동 패턴의 일례를 도시한 도면이다.
[도 3b] 위상 변동 패턴의 다른 예를 도시한 도면이다.
[도 4a] 본 발명에서의 스프로켓의 스프로켓 이빨과 체인의 롤러와의 치합 접촉 시의 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
[도 4b] 비교 예에서의 스프로켓의 스프로켓 이빨과 체인의 롤러와의 치합 접촉 시의 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
[도 5] 본 발명에 따른 스프로켓의 다른 구성 예에서의 일부를 확대해 도시한 도면이다.

본 발명의 스프로켓은, 체인과 치합하는 복수의 스프로켓 이빨이 형성된 스프로켓으로서, 주면(周面)에 복수의 치부가 형성된 고강성 재료로 만들어진 스프로켓 기체와, 복수의 치부 각각의 적어도 치면에 설치되어 상기 치부와 함께 스프로켓 이빨을 형성하는 완충재층을 갖추고, 스프로켓 이빨은, 완충재층의 두께가 다른 것을 포함하는 것이면, 그 구체적인 구성은 어떠한 것도 무방하다.

또한, 본 발명의 전동 기구는, 복수의 스프로켓과, 복수의 스프로켓에 걸려 돌려지는 체인을 가지는 전동 기구로서, 적어도 하나의 스프로켓이, 본 발명에 따른 스프로켓에 의해 구성되는 것이면, 그 구체적인 구성은 어떠한 것도 무방하다.

스프로켓에 걸려 돌려지는 체인은, 사이렌트 체인(Silent Chain), 롤러 체인(roller chain), 부싱 체인(bushing chain) 등 어떠한 것이어도 무방하고, 또한, 스프로켓의 이빨과 치합하는 구조의 것이면, 타이밍 벨트 등의 가요성(可撓性) 전동 부재여도 무방하다.

이하, 본 발명의 실시예에 대해서, 도면에 근거해 설명한다.

도 1에 도시한 것처럼, 스프로켓(100)은, 체인, 본 실시 형태에서는 롤러 체인의 롤러(R)와 치합하는 복수의 스프로켓 이빨(101)이 주면(周面)에 형성되어 있다.

스프로켓(100)은, 도 2에서 일부를 확대해 도시한 것처럼, 스프로켓 기체(110)와, 완충재층(115)을 갖추고 있다.

스프로켓 기체(110)는, 스프로켓(100)의 회전 중심(O)을 중심으로 한 피치 서클(pitch circle) 상에 형성된 복수의 치부(111)를 가진다.

본 실시 형태의 스프로켓(100)에서는, 복수의 치부(111)가 서로 동일한 형상을 가지고, 등피치(equal pitch)로 형성된 것으로 되어 있다.

스프로켓 기체(110)는, 예를 들면, 강(剛) 등의 금속이나 세라믹스 등의 고강성 재료로 구성되어 있다.

본 실시 형태의 스프로켓(100)에서는, 완충재층(115)은, 스프로켓 기체(110)의 각 치부(111)의 치면(112)의 표면 및 인접하는 치부(111) 사이에 위치되는 치저면(齒底面)(113)의 표면에 설치되어 있다. 그리고, 스프로켓 기체(110)의 치부(111)와 그 치면(112)에 설치된 완충재층(115)에 의해 스프로켓 이빨(101)이 구성된다.

완충재층(115)을 구성하는 재료로는, 탄성(彈性)을 가져서 체인과의 접촉음(치합음)이 저감되는 것이면, 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면, 합성수지 재료 등을 이용할 수 있다. 완충재층(115)은, 예를 들면 인서트(Insert) 성형에 의해 형성할 수 있다.

이와 같이, 본 실시 형태에 따른 스프로켓(100)에서는, 완충재층(115)이 원주방향으로 두께가 연속적으로 변화하도록 설치되어 있고, 따라서, 복수의 스프로켓 이빨(101)이, 각 스프로켓 이빨이 등간격으로 체인과 치합하는 위상(位相)을 제로('0')로 했을 경우에, 정측(正側) 및 부측(負側)으로 위상이 변동하는 파형의 위상 변동 패턴을 형성하도록 배치된 구성으로 되어 있다.

위상 변동 패턴은, 예를 들면 도 3a에 도시한 것처럼, 위상 시프트 진폭의 증감 변동이 일정한 주기로 복수 회 반복되도록 설정되어도 무방하지만, 도 3b에 도시한 것처럼, 위상 시프트 진폭의 증감 변동이 주방향(周方向)으로 대(大)로부터 소(小), 또는 소로부터 대로 연속해서 변화하는 주기로 복수 회 반복되도록 설정되는 것이 바람직하다.

　또한, 위상 변동 패턴은, 증감 변동의 주기가 주된 토크(torque) 변동의 주기와 같은 부분을 포함하도록 설정되는 것이 보다 바람직하다. 예를 들면, 주된 입력 하중 변동 주기의 변동 주기의 반분(半分)의 주기 혹은 배(倍)의 주기를 포함해 연속적으로 변화하도록 설정할 수 있다.

게다가 또한, 위상 변동 패턴은, 위상 시프트 진폭의 증감 변동이 부하 토크 변동의 주기와 동일해지는 최대 주기를 포함해 연속적으로 변화하도록, 혹은, 증감 변동이 최대 주기와 최대 주기의 반분이 되는 최소 주기를 포함해 연속적으로 변화하도록 설정되어도 무방하고, 또한, 증감 변동의 변동량(위상 시프트 양)이 주방향(周方向)으로 대(大)로부터 소(小), 또는 소로부터 대로 연속해서 변화하도록 설정되어도 무방하다.

본 실시 형태의 스프로켓(100)에서는, 도 2에 도시한 것처럼, 완충재층(115)의 두께를 조정하여 각 스프로켓 이빨(101)의 피치(…, P+α, P-α, P+β, …)를 변화시킴으로써, 위상 변동 패턴을 형성하고 있다. 도 2에서, P는, 스프로켓 기체(110)의 치부(111)의 피치이며, α 및 β는, 서로 다른 수치이다.

위상 변동 패턴을 형성하는 구체적인 구성으로는, 각 스프로켓 이빨(101)의 피치를 변화시키는 것이 바람직하지만, 완충재층(115)의 두께를 조정하여 스프로켓 이빨(101)의 치면(치합면)의 형상, 반경 방향의 스프로켓 이빨(101)과 체인과의 치합 위치 등을 변화시켜도 무방하다.

또한, 본 실시 형태의 스프로켓(100)에서는, 도 4a에 도시한 것처럼, 스프로켓 이빨(101)의 체인과의 치합 접촉점 C에서의 스프로켓 이빨(101)의 치면의 법선 N에 대해, 스프로켓 기체(110)의 치부(111)의 치선(齒先, tooth tip)이 지름 방향 외측에 위치되도록, 완충재층(115)이 설치된다. 도 4a에서, T는 치합 접촉점 C에서의 스프로켓 이빨(101)의 치면의 접선, L은 반경선(半徑線), θ는 체인과의 치합 압력각이다.

예를 들면, 도 4b에 도시한 것처럼, 스프로켓 이빨(101)의 체인과의 치합 접촉점 C에서의 스프로켓 이빨(101)의 치면의 법선 N에 대해, 스프로켓 기체(110)의 치부(111)의 치선이 지름 방향 내측에 위치되도록, 완충재층(115)이 설치되는 경우에는, 플라스틱제의 스프로켓과 마찬가지로, 치합음 자체를 작게 하는 것이 가능해지지만, 내강도가 부족할 우려가 있다.

본 실시 형태의 스프로켓(100)에 의하면, 스프로켓 이빨(101)의 표면에서의 완충재층(115) 자체의 쿠션성(충격 흡수성)에 의해 진동 소음 저감 효과(NV 저감 효과)를 얻을 수 있는 동시에, 완충재층(115)의 두께 변화에 의해 체인에서 스프로켓(100)으로의 진동 전달 특성을 변화시킴으로써, NV 저감 효과를 얻을 수 있다. 이 때문에, 토크 변동에 동적으로 대응하여 장력 변동의 영향을 경감하고, 소음이나 진동을 억제할 수 있다.

게다가, 완충재층(115)의 두께 조정에 의해 형성되는 위상 변동 패턴에 따라 다음과 같은 효과를 나타낸다.

즉, 증감 변동이 주방향으로 대로부터 소, 또는 소로부터 대로 연속해서 변화하는 주기로 복수 회 반복하는 위상 변동 패턴을 형성하도록 완충재층(115)의 두께를 조정함으로써, 주기에 대응한 차수음의 발생을 억제해, 치합음(소음)을 저감할 수 있다.

또한, 증감 변동의 주기가 주된 토크 변동의 주기와 같은 부분을 포함하는 위상 변동 패턴을 형성하도록 완충재층(115)의 두께를 조정함으로써, 위상 변동에 따른 체인 장력의 변동 주기를 연속적으로 변동시켜 주기성을 없애서, 장력(張力) 피크가 나오기 쉬운 고유 주파수와의 일치를 회피할 수 있기 때문에(공진 피크 저감 효과), 체인 장력 피크(치합력 피크)를 저감할 수 있다. 타이밍 시스템에서 입력 하중에 변동 주기가 있는 경우에는, 위상 변동 패턴을 주된 입력 하중 변동 주기의 변동 주기의 반분의 주기 혹은 배의 주기를 포함해 연속적으로 변화시킴으로써, 상기 효과를 한층 확실히 얻을 수 있다.

게다가 또한, 증감 변동이 부하 토크 변동의 주기와 동일해지는 최대 주기를 포함해 연속적으로 변화하는 위상 변동 패턴, 혹은, 증감 변동이 최대 주기와 최대 주기의 반분이 되는 최소 주기를 포함해 연속적으로 변화하는 위상 변동 패턴을 형성하도록, 완충재층(115)의 두께를 조정함으로써, 권괘부(卷掛部)의 체인 장력을 저감할 수 있다.

게다가 또한, 증감 변동의 변동량(위상 시프트 양)이 주방향으로 대(大)로부터 소(小), 또는 소로부터 대로 연속해서 변화하는 위상 변동 패턴을 형성하도록, 완충재층(115)의 두께를 조정함으로써, 체인 강도를 저하시키지 않고 체인 장력을 저감할 수 있다.

이상, 본 발명의 일 실시 형태를 상술했지만, 본 발명은 상기 실시 형태로 한정되지 않으며, 청구범위에 기재된 본 발명을 일탈하지 않고 다양한 설계 변경을 행하는 것이 가능하다.

예를 들면, 완충재층은, 스프로켓 기체의 적어도 치부의 치면에 설치되어 있으면 무방하고, 치저면의 표면에 설치되지 않아도 무방하다.

또한, 스프로켓 기체에서의 복수의 치부는, 서로 동일 형상일 필요는 없고, 치부의 형상이 다른 것을 포함하는 것이어도 무방하다. 구체적으로는 예를 들면, 치부의 높이, 치부의 치면의 형상, 치저원(齒底円)의 반경의 크기 및 그 외의 구성이 다른 것을 포함하고 있어도 무방하다. 게다가, 복수의 치부의 피치는, 등피치가 아니어도 무방하다.

또한, 상기 실시 형태에서는, 롤러 체인의 롤러와 치합하는 스프로켓을 예로 들어 설명했지만, 본 발명의 스프로켓은, 사이렌트 체인의 플레이트 이빨과 치합하는 스프로켓이어도 무방하다. 이러한 스프로켓에서도, 도 5에 도시한 것처럼, 고강성 재료로 만들어진 스프로켓 기체(210)와, 스프로켓 기체(210)의 주면(周面)에 설치되어 스프로켓 기체(210)의 치부(211)와 함께 스프로켓 이빨(201)을 형성하는 완충재층(215)을 갖추고, 스프로켓 이빨(201)이 완충재층(215)의 두께가 다른 것을 포함하는 구성으로 되어 있으면 무방하다. 본 실시 형태의 스프로켓은, 각 치부(211)의 치면(212) 및 인접하는 치부(211) 사이의 치저면(213)의 표면에 완충재층(215)이 설치되어 있고, 완충재층(215)의 두께를 조정하여 각 스프로켓 이빨(201)의 피치(…, P+α, P-α, P+β, …)를 변화시킴으로써, 위상 변동 패턴을 형성하도록 구성되어 있다. 위상 변동 패턴을 형성하는 구체적인 구성은, 특별히 한정되지 않는다.

100: 스프로켓
101, 201: 스프로켓 이빨
110, 210: 스프로켓 기체
111, 211: 치부
112, 212: 치면
113, 213: 치저면
115, 215: 완충재층
O: 스프로켓의 회전 중심
R: 롤러
N: 치면의 법선
T: 치면의 접선
L: 반경선
θ: 체인과의 치합 압력각
C: 치합 접촉점

Claims

체인과 치합하는 복수의 스프로켓 이빨이 형성된 스프로켓에 있어서,
주면(周面)에 복수의 치부(齒部)가 형성된 고강성 재료로 만들어진 스프로켓 기체와,
상기 복수의 치부 각각의 적어도 치면(齒面)에 설치되어 상기 치부와 함께 상기 스프로켓 이빨을 형성하는 완충재층
을 갖추고,
상기 스프로켓 이빨은,
상기 완충재층의 두께가 다른 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 스프로켓.
제1항에 있어서,
상기 스프로켓 기체에서의 상기 복수의 치부는,
서로 동일 형상이고,
스프로켓의 회전 중심을 중심으로 한 피치 서클 위에 등피치로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 스프로켓.
제1항에 있어서,
상기 완충재층은, 두께가 원주방향으로 연속적으로 변화하도록 설치되고,
상기 복수의 스프로켓 이빨은,
각 스프로켓 이빨이 등간격으로 체인과 치합하는 위상을 제로로 했을 경우, 정측 및 부측으로 위상이 변동하는 파형의 위상 변동 패턴을 형성하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 스프로켓.
제3항에 있어서,
상기 위상 변동 패턴은, 증감 변동이 복수 회 반복되고,
상기 증감 변동의 주기가 주방향으로 대(大)로부터 소(小), 또는 소로부터 대로 연속해서 변화하도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 스프로켓.
제3항에 있어서,
상기 위상 변동 패턴이, 증감 변동이 복수 회 반복되고,
상기 증감 변동의 주기가 주된 토크 변동의 주기와 같은 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 스프로켓.
제1항에 있어서,
상기 스프로켓 이빨의 체인과의 치합 접촉점에서의 상기 스프로켓 이빨의 치면의 법선에 대해서, 상기 스프로켓 이빨에 따른 상기 스프로켓 기체의 치부의 치선이 지름 방향 외측에 위치되도록, 상기 완충재층이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 스프로켓.
복수의 스프로켓과, 상기 복수의 스프로켓에 걸려 돌려지는 체인을 가지는 전동 기구에 있어서,
적어도 하나의 스프로켓이, 제1항에 기재된 스프로켓인 것을 특징으로 하는 전동 기구.