KR20200130430A - 파동기어장치 - Google Patents

Abstract

파동기어장치(1)에 있어서의 강성의 내치기어(2), 가요성의 외치기어(3)의 각각의 톱니의 치형윤곽은, 상대측의 기어에 맞물리는 맞물림 부분(26, 36)과, 맞물림 부분(26, 36)의 어덴덤측의 끝에 매끄럽게 연결되고 당해 끝에서부터 이끝 정상부까지 연장되는 이끝측 볼록곡면부분(27, 37)과, 맞물림 부분의 디덴덤측의 끝에 매끄럽게 연결되고 당해 끝에서부터 치저 최심부까지 연장되는 치저측 오목곡면부분(28, 38)에 의하여 규정된다. 맞물림 부분 및 이끝측 볼록곡면부분은 토핑기어절삭에 의하여 동시에 가공된 가공부분이고, 양 기어의 톱니에는 이끝측에 엣지가 존재하지 않는다. 양 톱니(24, 34)의 맞물림 시작 등에 있어서 매끈매끈한 맞물림을 형성할 수 있어, 톱니의 간섭에 기인하는 마모를 억제할 수 있다.

Description

파동기어장치

본 발명은 파동기어장치(波動gear裝置)에 관한 것으로서, 특히 가요성 기어(可撓性 gear)의 각 톱니(tooth)가 강성기어(剛性gear)의 각 톱니에 대하여, 맞물림 시작 등에 있어서 원활하게 맞물리는 파동기어장치에 관한 것이다.

파동기어장치의 기본치형(基本齒形)으로서, 기어절삭가공(gear cutting 加工)이 용이한 기준 랙치형(基準 rack齒形)(인벌류트 곡선치형(involute 曲線齒形))이 널리 채용되고 있다. 인벌류트 곡선치형의 이용은, 특허문헌1에서 제안되어 있다.

일반적으로 사용되고 있는 파동기어장치는, 강성(剛性)의 내치기어(內齒gear)와, 가요성의 외치기어(外齒gear)와, 외치기어를 타원형상으로 휘어지게 하여 내치기어에 맞물리게 하는 파동발생기(波動發生器)를 구비하고 있다. 외치기어의 각 톱니는, 파동발생기에 의하여 반복하여 반경방향으로 일정한 진폭으로 휘어져서, 내치기어에 대한 맞물림 상태, 맞물림 이탈상태가 반복된다. 내치기어에 대한 외치기어의 맞물림의 운동궤적은, 랙 근사(rack 近似)에 의하여 나타낼 수 있다. 예를 들면 특허문헌2의 도7에는, 외치기어가 내치기어에 대하여 맞물림 이탈상태로부터 최심(最深) 맞물림 상태에 이르기까지의 이동상태(최심 맞물림 상태로부터 맞물림 이탈상태에 이르기까지의 이동상태)가 나타나 있다.

: 일본국 공고특허 특공소45―41171호 공보 : 국제공개 제2016/006102호 공보

여기에서 파동기어장치의 내치기어, 외치기어의 가공에 있어서는, 일반적으로 기어절삭의 전공정(前工程)에서 이끝원(addendum circle)을 선반가공에 의하여 결정하고 있다. 기어절삭 후에 있어서도 선반가공에 의한 이끝원이 남고, 치형윤곽(齒形輪郭)과 이끝원이 교차하는 부분은 엣지(edge)가 된다. 이끝부분(tooth tip 部分)에 형성되는 엣지가, 기어 맞물림이나 마모에 대하여 악영향을 줄 가능성이 있다. 특히 톱니의 맞물림 시작에 있어서, 엣지가 상대측의 톱니에 간섭하여, 매끄러운 톱니의 맞물림을 실현할 수 없어, 치면(齒面)에 마모가 생길 우려가 있다. 예를 들면 톱니의 맞물림 시작 등에 있어서, 부하에 의하여 가요성의 외치기어가 휘어져서 변형되어, 외치기어의 휨 형상이 설계로부터 벗어나는 경우가 있다. 그때에, 외치기어에 있어서 이끝측의 엣지가 내치기어의 톱니에 간섭하여, 마모의 원인이 된다.

본 발명의 목적은, 이 점을 감안하여, 톱니의 맞물림 시작 등에 있어서도 매끈한 맞물림을 형성할 수 있어, 톱니의 간섭에 기인하는 마모의 발생을 억제할 수 있는 치형을 구비한 파동기어장치를 제공하는 것에 있다.

상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 강성기어와, 강성기어에 맞물릴 수 있는 가요성 기어와, 가요성 기어를 반경방향으로 휘어지게 하여 강성기어에 부분적으로 맞물리게 하고 회전에 따라 강성기어에 대한 가요성 기어의 맞물림 위치를 강성기어의 원주방향으로 이동시키는 파동발생기를 갖고 있는 파동기어장치에 있어서,

강성기어 및 가요성 기어의 치형윤곽(잇줄방향과 직교하는 직교면에서 절단하였을 경우의 치형단면의 윤곽형상)을, 각각,

상대측의 기어에 맞물리는 맞물림 부분(맞물림 치면부분)과,

맞물림 부분의 어덴덤측의 끝에 매끄럽게 연결되고, 상기 어덴덤측의 끝에서부터 이끝 정상부까지 연장되는 이끝측 볼록곡면부분(볼록곡면에 의하여 규정되는 이끝측 치면부분)과,

맞물림 부분의 디덴덤측의 끝에 매끄럽게 연결되고, 상기 디덴덤측의 끝에서부터 치저 최심부까지 연장되는 치저측 오목곡면부분(오목곡면에 의하여 규정되는 치저측 치면부분)

에 의하여 규정하고 있다.

본 발명에 의한 치형윤곽을 구비한 강성기어 및 가요성 기어의 가공에는, 토핑기어절삭(topping gear cutting)이 사용된다. 이들 기어의 치형설계 시에는, 이끝원은 존재하지 않고 톱니의 정점(頂點)에 이르기까지 치형윤곽이 규정된다. 기어절삭가공에서 사용하는 허브커터(hob cutter)나 피니언 커터(pinion cutter)의 토핑치형(topping 齒形)은, 어덴덤부분으로서 톱니의 정상부까지 규정된 치형윤곽을 사용하여 설계된다.

본 발명에 의한 치형윤곽에 있어서는, 양 기어에 있어서 톱니의 각각의 치면에는, 이끝측에 엣지가 존재하지 않는다. 따라서 가요성 기어의 휨변형 등에 기인하여 엣지가 상대측 톱니의 치면에 간섭한다는 폐해를 해소할 수 있다. 이 결과, 양 기어의 매끈매끈한 맞물림을 실현할 수 있어, 양 톱니의 간섭에 기인하는 마모도 억제할 수 있다. 또한 종래에 있어서의 평탄한 잇봉우리면(tooth crest)을 구비한 엣지가 부착된 톱니에 비하여, 이끝측 볼록곡면부분에 의하여 톱니높이도 늘어난다. 이에 따라 파동기어장치의 라체팅 토크(ratchetting torque)도 높일 수 있다.

여기에서 강성기어 및 가요성 기어가 모듈 m의 기어인 것으로 하면, 강성기어 및 가요성 기어의 사이에는, 최심 맞물림 상태에 있어서 최대로 0.5m의 간극 Δ가 형성되도록, 이끝측 볼록곡면부분 및 치저측 오목곡면부분이 설정된다.

0 < Δ ≤ 0.5m

[도1] (a)는 본 발명의 실시형태에 관한 파동기어장치의 개략 종단면도이고, (b)는 그 외치기어와 내치기어의 맞물림 상태를 나타내는 설명도이다.
[도2] (a)는 도1의 파동기어장치의 외치기어 및 내치기어의 치형윤곽을 나타내는 설명도이고, (b)는 랙 근사에 의한 톱니의 맞물림 상태를 나타내는 설명도이다.

이하에, 도면을 참조하여 본 발명을 적용한 파동기어장치(波動gear裝置)의 실시형태를 설명한다. 도1(a)는 파동기어장치의 개략 종단면도이고, 도1(b)는 그 외치기어와 내치기어의 맞물림 상태를 나타내는 설명도이다.

파동기어장치(1)는, 강성(剛性)의 내치기어(內齒gear)(2)(강성기어)와, 그 내측에 동축상태(同軸狀態)로 배치된 가요성(可撓性)의 외치기어(外齒gear)(3)(가요성 기어)와, 그 내측에 끼워진 파동발생기(波動發生器)(4)를 구비하고 있다. 내치기어(2)는, 강성의 환상체(環狀體)(21)와, 그 원형 내주면에 형성된 내치(24)를 구비하고 있다. 외치기어(3)는 컵 형상을 하고 있고, 원통 모양의 몸통부(31)와, 그 일단(一端)으로부터 반경방향의 내측으로 연장되어 있는 원환 모양의 다이어프램(diaphragm)(32)과, 원환 모양의 다이어프램(32)의 내주 가장자리에 연속되어 있는 원반 모양의 강성의 보스(boss)(33)를 구비하고 있다. 몸통부(31)에 있어서 개구단(開口端)측의 외주면 부분에는 외치(34)가 형성되어 있다. 내치기어(2), 외치기어(3)는 모두 모듈 m의 평기어(spur gear)이고, 외치(34)는 내치(24)에 맞물릴 수 있다.

파동발생기(4)는, 타원형 윤곽의 강성 캠(剛性 cam)(41)과, 이 강성 캠(41)의 외주면에 끼워지고 가요성의 궤도륜(軌道輪)을 구비한 웨이브 베어링(wave bearing)(42)을 구비하고 있다. 도1(b)에 나타내는 바와 같이 파동발생기(4)에 의하여 외치기어(3)의 몸통부(31)에 있어서의 개구단측의 부분이 타원형으로 휘어져 있다. 외치(34)에 있어서의 타원형의 장축방향(L1)의 양단(兩端)에 위치하고 있는 부분이, 내치기어(2)의 내치(24)에 맞물려 있다.

예를 들면 내치기어(2)가 도시하지 않은 고정측 부재에 고정되고, 파동발생기(4)가 모터 등에 의하여 회전구동된다. 파동발생기(4)가 회전하면, 양 기어(2, 3)의 맞물림 위치가 원주방향으로 이동한다. 양 기어의 톱니 수 차이는 2n매(n은 양의 정수)이며, 이 톱니 수 차이에 의하여, 파동발생기(4)의 회전에 대하여 대폭적으로 감속된 상대회전이 양 기어의 사이에 발생한다. 내치기어(2)가 고정되어 있기 때문에, 외치기어(3)가 회전하고, 여기에 접속된 도시하지 않은 부하측으로 감속회전이 출력된다.

도2(a)는, 내치기어(2)의 내치(24) 및 외치기어(3)의 외치(34)의 치형윤곽(齒形輪郭)(잇줄방향(tooth trace 方向)과 직교하는 직교면에서 절단하였을 경우의 치형단면(齒形斷面)의 윤곽형상)을 나타내는 설명도이다. 내치(24)의 치형윤곽(치면형상)은, 상대측의 외치기어(3)에 맞물리는 맞물림 부분(26)(맞물림 치면부분)을 구비하고 있다. 맞물림 부분(26)을 규정하는 치형의 형상은, 종래에 있어서 채용되고 있는 인벌류트 곡선치형(involute 曲線齒形), 그 이외의 공지의 치형 형상에 의하여 규정된다. 맞물림 부분(26)에 있어서 어덴덤(addendum)측의 끝(26a)에는, 이끝측 볼록곡면부분(tooth tip側 凸曲面部分)(27)(볼록곡면에 의하여 규정되는 이끝측 치면부분)의 일단(一端)이 매끄럽게 연결되어 있다. 이끝측 볼록곡면부분(27)은, 이끝측의 끝(26a)에서부터 내치(24)의 이끝 정상부(27a)까지 연장되어 있다. 한편, 맞물림 부분(26)에 있어서 디덴덤(dedendum)측의 끝(26b)에는, 치저측 오목곡면부분(tooth bottom側 凹曲面部分)(28)(오목곡면에 의하여 규정되는 치저측 치면부분)의 일단이 매끄럽게 연결되어 있다. 치저측 오목곡면부분(28)은, 디덴덤측의 끝(26b)에서부터 내치(24)의 치저 최심부(tooth bottom 最深部)(28a)까지 연장되어 있다.

마찬가지로, 외치(34)의 치형윤곽(치면형상)은, 상대측의 내치(24)에 맞물리는 맞물림 부분(36)(맞물림 치면부분)을 구비하고 있다.

맞물림 부분(36)은, 종래에 있어서 채용되고 있는 인벌류트 곡선치형 등의 치형곡선(齒形曲線)에 의하여 규정된다. 맞물림 부분(36)에 있어서 어덴덤측의 끝(36a)에는, 이끝측 볼록곡면부분(37)(볼록곡면에 의하여 규정되는 이끝측 치면부분)의 일단이 매끄럽게 연결되어 있다. 이끝측 볼록곡면부분(37)은, 이끝측의 끝(36a)에서부터 외치(34)의 이끝 정상부(37a)까지 연장되어 있다. 한편, 맞물림 부분(36)에 있어서 디덴덤측의 끝(36b)에는, 치저측 오목곡면부분(38)(오목곡면에 의하여 규정되는 치저측 치면부분)의 일단이 매끄럽게 연결되어 있다. 치저측 오목곡면부분(38)은, 디덴덤측의 끝(36b)에서부터 외치(34)의 치저 최심부(38a)까지 연장되어 있다.

본 예에서는, 내치(24), 외치(34)의 이끝측 볼록곡면부분(27, 37) 및 치저측 오목곡면부분(28, 38)은, 맞물림에 관여하지 않는 부분이다. 기본적으로는, 상대측의 톱니에 간섭하지 않는 임의의 볼록곡면, 오목곡면으로 할 수 있다. 본 예에서는, 내치(24)와 외치(34)의 사이에는, 최심 맞물림 상태에 있어서, 최대로 0.5m의 간극 Δ가 형성되도록 이끝측 볼록곡면부분(27, 37)을 규정하는 볼록곡면, 및 치저측 오목곡면부분(28, 38)을 규정하는 오목곡면이 각각 설정되어 있다.

0 < Δ ≤ 0.5m

또 컵 형상의 외치기어(3)에 있어서는, 그 외치(34)에 있어서의 잇줄방향의 각 위치에 있어서, 반경방향의 휨량이 상이하다. 외치(34)의 잇줄방향의 각 위치에 있어서의 반경방향의 휨량은 2κmn(0 < κ ≤ 1)이다. κ는 편위계수(偏位係數), m은 모듈, n은 양의 정수이다. 예를 들면 외치기어(3)의 개구단측의 외치 단부(端部)에 있어서의 반경방향의 휨량이, κ=1의 표준 휨인 2mn로 설정된다. 외치(34)에 있어서의 개구단측의 외치 단부로부터 다이어프램측의 외치 내단(內端)을 향하여, 휨량이 2mn으로부터 점차적으로 감소된다.

외치(34)의 개구단측의 외치 단부에 있어서의 톱니직각단면에 있어서, 외치(34)의 치형 형상을 상기와 같이 설정하였을 경우에는, 개구단측의 외치 단부로부터 다이어프램측의 외치 내단을 향하여, 상기의 치형 형상에 대하여 휨량에 따른 전위(轉位)가 실시된다. 강성의 내치기어(2)의 내치(24)는, 잇줄방향에 있어서 동일 치형 형상이 된다. 외치(34)를 전위치형(轉位齒形)으로 함으로써, 잇줄방향의 각 위치에 있어서 외치의 내치에 대한 이동궤적의 상이에 기인하는 양 톱니의 간섭을 방지할 수 있다.

도2(b)는, 상기의 치형윤곽을 구비한 외치(34) 및 내치(24)의 맞물림의 상태를 랙 근사에 의하여 나타내는 설명도이다. 외치(34)에는, 평탄한 잇봉우리면(tooth crest)의 양단(兩端)에 엣지가 부착된 외치치형도 포개어서 나타내고 있다. 본 예의 엣지가 없는 치면형상을 구비한 외치(34), 내치(24)를 사용함으로써, 맞물림의 시작에서부터 최심 맞물림 상태를 거쳐서 맞물림의 이탈상태에 이르기까지, 양 톱니의 사이에 매끈매끈한 맞물림 상태가 형성된다.

(그 이외의 실시형태)

상기의 예는, 본 발명을 컵형의 파동기어장치에 적용하였을 경우이다. 본 발명은, 실크햇형(silk hat型)의 파동기어장치, 플랫형(flat型)의 파동기어장치에도 동일하게 적용할 수 있다. 또한 상기의 예는, 강성기어로서의 내치기어와, 가요성 기어로서의 외치기어를 구비하고 있다. 반대로, 강성기어로서 외치기어를 구비하고, 가요성 기어로서 내치기어를 구비하고, 파동발생기에 의하여 내치기어가 외측으로부터 비원형(非圓形), 예를 들면 타원 모양으로 휘어져서, 그 단축(短軸)의 양단위치에서 외치기어에 맞물리는 형식의 파동기어장치에도, 본 발명을 동일하게 적용할 수 있다.

Claims (4)

1. 강성기어(剛性gear)와,
   상기 강성기어에 맞물릴 수 있는 가요성 기어(可撓性 gear)와,
   상기 가요성 기어를 반경방향으로 휘어지게 하여 상기 강성기어에 부분적으로 맞물리게 하고, 회전에 따라 상기 강성기어에 대한 상기 가요성 기어의 맞물림 위치를 상기 강성기어의 원주방향으로 이동시키는 파동발생기(波動發生器)를
   갖고 있고,
   상기 강성기어 및 상기 가요성 기어의 치형윤곽(齒形輪郭)은, 각각,
   상대측의 기어에 맞물리는 맞물림 부분과,
   상기 맞물림 치면부분의 어덴덤(addendum)측의 끝에 매끄럽게 연결되고, 상기 어덴덤측의 끝에서부터 이끝 정상부까지 연장되어 있는 이끝측 볼록곡면부분(tooth tip側 凸曲面部分)과,
   상기 맞물림 치면부분의 디덴덤측(dedendum)의 끝에 매끄럽게 연결되고, 상기 디덴덤측의 끝에서부터 치저 최심부(tooth bottom 最深部)까지 연장되어 있는 치저측 오목곡면부분(tooth bottom側 凹曲面部分)
   에 의하여 규정되어 있는 파동기어장치(波動gear裝置).
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 강성기어 및 상기 가요성 기어는 모듈 m의 기어이고,
   상기 강성기어 및 상기 가요성 기어의 사이에는, 최심(最深) 맞물림 상태에 있어서 최대로 0.5m의 간극이 형성되도록, 상기 이끝측 볼록곡면부분 및 상기 치저측 오목곡면부분이 설정되어 있는 파동기어장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 강성기어는 내치기어(內齒gear)이고,
   상기 가요성 기어는, 상기 강성기어의 내측에 동축(同軸)으로 배치된 외치기어(外齒gear)이고,
   상기 파동발생기는, 상기 가요성 기어를 타원형상으로 휘어지게 하여, 상기 강성기어에 대하여 2개소의 상기 맞물림 위치를 형성하는 파동기어장치.
   
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
   상기 강성기어 및 상기 가요성 기어의 각각에 있어서, 상기 맞물림 부분 및 상기 이끝측 볼록곡면부분은, 토핑기어절삭(topping gear cutting)에 의하여 동시에 가공된 가공부분인 파동기어장치.

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