KR20210142197A

KR20210142197A - 기어박스

Info

Publication number: KR20210142197A
Application number: KR1020217035581A
Authority: KR
Inventors: 제임스 브렌트 클라센; 리처드 보스
Original assignee: 제네시스 어드밴스드 테크놀러지 인크.
Priority date: 2019-04-01
Filing date: 2020-03-27
Publication date: 2021-11-24
Also published as: WO2020201958A1; EP3948021A1; CN113811703A; JP2022527204A; US20220154804A1; CA3134657A1; EP3948021A4

Abstract

내부 레이스와 동축 외부 레이스 사이에 유성체의 2개 행을 갖는 유성 기어박스가 개시된다. 입력 기어는 또한 내부 유성체 또는 외부 유성체와 맞물릴 수 있다. 인가된 토크로부터의 비틀림으로 인한 기어들의 맞물림해제를 피하기 위해, 인가된 토크가 반경방향 프리로드를 발생시키는 캐밍 효과가 사용될 수 있다. 입력 기어와 맞물리는 기어는 내부 또는 외부 레이스 중 대응하는 하나와 또한 맞물리는 기어의 부분에서 그렇게 할 수 있다. 유성체들은 상이한 나선각을 갖는 축방향 부분들과 기어결합될 수 있다. 내부 레이스 또는 외부 레이스는 유성체들의 상이한 축방향 부분들과 맞물리기 위해 상이한 나선각으로 기어결합된 2개의 구성요소들로 형성될 수 있다. 이러한 상이한 구성요소들을 사용함으로써, 구성요소들이 유성체 상으로 축방향으로 활주될 수 있기 때문에 조립이 용이하다.

Description

기어박스

관련 출원에 대한 상호 참조

본 특허 출원은 2019년 4월 1일자로 출원된 미국 가특허 출원 제62/827,786호 및 2019년 4월 2일자로 출원된 미국 가특허 출원 제62/828,320호의 이익을 주장하며, 이들 각각은 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된다.

공개된 특허 출원 WO2013173928A1호에는, 2개의 다른 롤러 기반 유성체(planet)들과 모두가 접촉하고 있는 롤러 기반 유성체들의 2개의 행(row)에 의해, 그리고 낮은 캐밍각(camming angle)이 달성되기에 충분히 많은 수의 유성체에서 토크를 증가시키는 장치가 도시되어 있다. 이러한 각도 미만에서, 장치가 로딩될 때 발생하는 캐밍 작용은 기어결합된 또는 구르는 부재들 사이의 힘, 및 내부 유성체와 외부 유성체 사이의, 내부 유성체와 내부 레이스 사이의, 그리고 외부 유성체와 외부 레이스 사이의 접촉부들에서의 접촉 압력을 증가시킨다.

이러한 캐밍 작용이 일어나게 하기에 충분히 높은 마찰 계수를 달성하는 것은 어려운 일인데, 이는 스틸 온 스틸(steel on steel)과 같은 많은 일반적인 재료 조합이 이러한 장치에 대한 전형적인 캐밍각에 필요한 것보다 낮은 마찰 계수(CF)를 갖기 때문이다. 결과적으로, 니켈 합금 또는 다른 재료 조합과 같은 재료가, 전달되는 토크에 비례하는 견인 압력을 제공하도록 캐밍각 기하학적 구조를 허용하기에 충분히 높은 CF를 달성하기 위해 사용되어야 한다.

구름 접촉 형태에 의한 다른 어려운 점은 유성체들 모두가 원주방향으로 동일한 간격을 유지하는 것이다. 구름 접촉은 다른 유성체에 대해 자신을 "클록(clock)"하지 않으며, 유성체의 2개의 행은 유성체들의 원주방향 간격이 제어되지 않는 경우에 본질적으로 불안정적이다. 불안정하다는 것은 유성체들이 동일하지 않게 이격되면 내부 레이스가 외부 레이스와 동심으로 유지하지 않을 것임을 의미한다.

롤러 기반 기어박스의 실시예의 다른 어려운 점은 외부 레이스를 내부 레이스와 축방향으로 정렬되게 유지하기 위해 베어링이 요구된다는 것이다.

종래의 기어 감속기와 같은 기어형 장치가 통상, 샤프트 및 베어링과 함께 유성 캐리어(planet carrier)를 사용하여 유성체(planet)를 위치시킬 것이다. 유성 캐리어는 회전 질량, 비용 및 복잡성을 부가한다.

외부 표면을 갖고 축을 한정하는 내부 레이스 및 내부 표면을 갖고 내부 레이스와 동축인 외부 레이스를 갖는 기어박스 장치가 제공된다. 기어박스 장치는 내부 레이스의 외부 표면과 기어 접촉(geared contact)하는 내부 유성체들 및 외부 레이스의 내부 표면과 기어 접촉하는 외부 유성체들을 포함하고, 각각의 그리고 모든 내부 유성체는 2개의 외부 유성체들과 기어 접촉하고, 각각의 그리고 모든 외부 유성체는 2개의 내부 유성체들과 기어 접촉하는, 한 세트의 궤도 유성체들을 갖는다. 내부 레이스 및 외부 레이스와 동축이고 내부 유성체들과 또는 외부 유성체들과 기어 접촉하는 입력 링이 있을 수 있다.

일 실시예는 하기의 A 또는 B 중 하나의 경우이다: A는 외부 유성체들이 내부 유성체들보다 길고, 각각의 외부 유성체가 내부 유성체들과 접촉하고 그들과 맞물리는 각각의 제1 부분을 갖고, 입력 링이 각각의 외부 유성체의 각각의 제2 부분과 접촉하고 그와 맞물리는 외부 표면을 갖고, 외부 유성체의 제1 부분 및 제2 부분 둘 모두가 외부 레이스와 맞물리는 것이고; B는 내부 유성체들이 외부 유성체들보다 길고, 각각의 내부 유성체가 외부 유성체들과 접촉하고 그들과 맞물리는 각각의 제1 부분을 갖고, 입력 링이 각각의 내부 유성체의 각각의 제2 부분과 접촉하고 그와 맞물리는 내부 표면을 갖고, 내부 유성체의 제1 부분 및 제2 부분 둘 모두가 내부 레이스와 맞물리는 것임.

다른 실시예에서, 내부 및 외부 유성체들은 기어 접촉하는 길이를 갖고, 기어들 및 레이스들은 각각의 직경들을 갖고, 이는 입력 링 상의 토크로 하여금 입력 링 상의 토크에 의해 야기되는 기어들 사이의 분리력을 극복하기에 충분한 내부 및 외부 유성체들의 증가된 반경방향 부하를 야기하게 하도록 선택된다.

다른 실시예에서, 내부 레이스의 외부 표면 및 외부 레이스의 내부 표면 중 적어도 하나는 상이한 나선각(helix angle)을 갖는 2개의 앵글 기어(angled gear) 표면들로 형성된다. 2개의 앵글 기어 표면들은 축방향으로 인접한 구성요소들 상에 위치될 수 있다. 이러한 배열은 구성요소가 유성 기어와의 기어 맞물림 접촉으로 축방향으로 이동될 수 있게 하는 데 사용되어, 조립을 용이하게 할 수 있다.

다양한 실시예는 기어박스에 관한 것으로, 기어박스는 외부 표면 상에 내부 레이스를 한정하는 태양 기어 - 태양 기어는 태양 기어의 제1 단부와 반대편 제2 단부 사이의 축을 한정함 -; 내부 표면 상에 외부 레이스를 한정하는 링 기어 - 링 기어는 태양 기어와 동축임 -; 태양 기어의 내부 레이스와 기어 접촉 상태에 있는 내부 세트의 유성체들; 링 기어의 외부 레이스와 기어 접촉 상태에 있는 외부 세트의 유성체들 - 내부 세트의 유성체들의 각각은 외부 세트의 유성체들 중 적어도 2개와 기어 접촉 상태에 있고, 외부 세트의 유성체들의 각각은 내부 세트의 유성체들 중 적어도 2개와 기어 접촉 상태에 있음 -; 및(a) 내부 세트의 유성체들 또는 (b) 외부 세트의 유성체들 중 하나와 기어 접촉 상태의 중간 레이스를 한정하는 중간 기어를 포함하고; 태양 기어, 링 기어, 및 중간 기어 중 하나는 고정 상태로 유지된다.

소정 실시예에서, 내부 세트의 유성체들은 각각 태양 기어의 축에 평행하게 측정된 제1 축방향 길이를 갖고; 외부 세트의 유성체들은 각각 태양 기어의 축에 평행하게 측정된 제2 축방향 길이를 갖고, 제2 축방향 길이는 제1 축방향 길이와 상이하며; 중간 레이스는 (a) 내부 세트의 유성체들 또는 (b) 외부 세트의 유성체들 중 더 긴 축방향 기어 세트와 기어 접촉 상태에 있다. 다양한 실시예에서, 내부 세트의 유성체들 및 외부 세트의 유성체들은 기어 접촉하는 일정 길이를 갖고, 내부 세트의 유성체들, 외부 세트의 유성체들, 내부 레이스, 외부 레이스, 및 중간 레이스는 태양 기어, 링 기어, 또는 중간 기어 중 하나를 통해 제공되는 토크가, 토크에 의해 야기되는 분리력을 극복하기에 충분한 내부 세트의 유성체들 및 외부 세트의 유성체들의 증가된 반경방향 부하를 야기하는 것을 가능하게 하도록 선택되는 각각의 직경들을 갖다. 더욱이, 소정 실시예에서, (a) 내부 세트의 유성체들 또는 (b) 외부 세트의 유성체들 중 적어도 하나는 각각 길이 대 직경 비가 1:1 초과이다. 소정 실시예에서, 내부 세트의 유성체들 및 외부 세트의 유성체들은 각각 2개의 상이하게 테이퍼진 부분들을 포함한다.

다양한 실시예에서, 내부 세트의 유성체들 및 외부 세트의 유성체들은 각각 헬리컬 기어들을 한정한다. 소정 실시예에서, 내부 세트의 유성체들 및 외부 세트의 유성체들은 각각 일정한 나선각을 갖는 헬리컬 기어들을 한정한다. 더욱이, 내부 세트의 유성체들 및 외부 세트의 유성체들은 각각 축방향 길이를 따라 상이한 나선각들을 갖는 헬리컬 기어들을 한정할 수 있다. 다양한 실시예에서, 내부 세트의 유성체들 및 외부 세트의 유성체들은 각각 헤링본(herringbone) 기어 패턴들을 한정한다. 더욱이, 중간 기어는 헤링본 기어 패턴들의 일부분에 대응하는 각각의 앵글 기어 표면을 각각 갖는 2개의 축방향으로 인접한 구성요소들을 포함할 수 있고, 2개의 축방향으로 인접한 구성요소들은 서로 체결된다. 소정 실시예에서, 링 기어는 헤링본 기어 패턴들의 일부분에 대응하는 각각의 앵글 기어 표면을 각각 갖는 2개의 축방향으로 인접한 구성요소들을 포함하고, 2개의 축방향으로 인접한 구성요소들은 서로 체결된다. 더욱이, 태양 기어는 헤링본 기어 패턴들의 일부분에 대응하는 각각의 앵글 기어 표면을 각각 갖는 2개의 축방향으로 인접한 구성요소들을 포함할 수 있고, 2개의 축방향으로 인접한 구성요소들은 서로 체결된다.

소정 실시예에서, 기어박스 장치는 내부 세트의 유성체들을 축방향으로 구속하도록 구성된 적어도 하나의 내부 펜스를 추가로 포함한다. 다양한 실시예에서, 기어박스는 외부 세트의 유성체들을 축방향으로 구속하도록 구성된 적어도 하나의 외부 펜스를 추가로 포함한다. 다양한 실시예에서, 내부 레이스, 외부 레이스, 중간 레이스, 및 내부 세트의 유성체들의 각각 및 외부 세트의 유성체들의 각각의 외부 표면들은 모두 기어 루트(root)들에 의해 인접 기어 치형부들로부터 분리된 복수의 기어 치형부들을 한정하고, 기어 루트들의 적어도 일부분은 반경방향 슬롯들을 한정한다. 소정 실시예에서, 내부 세트의 유성체들의 각각 및 외부 세트의 유성체들의 각각은 중공이다.

다양한 실시예들은 다중-스테이지 기어박스 장치에 관한 것으로, 다중-스테이지 기어박스 장치는 본 명세서에서 논의된 바와 같은 기어박스 장치를 복수 개 포함하고, 복수의 기어박스 장치들은 제1 기어박스 장치의 제1 링 기어가 제2 기어박스 장치의 제2 중간 기어에 연결되어 그를 구동시키도록 스테이지들로 배열된다.

소정의 실시예는 기어박스 장치에 관한 것으로, 기어박스 장치는 외부 표면 상에 내부 레이스를 한정하는 태양 기어 - 태양 기어는 태양 기어의 제1 단부와 반대편 제2 단부 사이의 축을 한정함 -; 내부 표면 상에 외부 레이스를 한정하는 링 기어 - 링 기어는 태양 기어와 동축임 -; 태양 기어의 내부 레이스와 기어 접촉 상태에 있는 내부 세트의 유성체들; 링 기어의 외부 레이스와 기어 접촉 상태에 있는 외부 세트의 유성체들 - 내부 세트의 유성체들의 각각은 외부 세트의 유성체들 중 적어도 2개와 기어 접촉 상태에 있고, 외부 세트의 유성체들의 각각은 내부 세트의 유성체들 중 적어도 2개와 기어 접촉 상태에 있음 -; 및 (a) 내부 세트의 유성체들 또는 (b) 외부 세트의 유성체들 중 하나와 기어 접촉 상태의 중간 레이스를 한정하는 중간 기어를 포함하고; 내부 레이스, 외부 레이스, 중간 레이스, 및 내부 세트의 유성체들의 각각 및 외부 세트의 유성체들의 각각의 외부 표면들은 모두 연속 나선각을 갖는 복수의 기어 치형부들을 한정한다.

다양한 실시예에서, 기어박스는, 태양 기어에 부착되고 내부 세트의 유성체들의 축방향 이동을 구속하도록 구성된 적어도 하나의 내부 펜스를 추가로 포함한다. 소정 실시예에서, 적어도 하나의 내부 펜스는 태양 기어의 서로 반대편인 축방향 단부들 상에 각각 고정되는 2개의 내부 펜스들을 포함한다. 다양한 실시예에서, 링 기어에 부착되고 외부 세트의 유성체들의 축방향 이동을 구속하도록 구성된 적어도 하나의 외부 펜스. 소정 실시예에서, 적어도 하나의 외부 펜스는 링 기어의 서로 반대편인 축방향 단부들 상에 각각 고정되는 2개의 외부 펜스들을 포함한다. 더욱이, 내부 세트의 유성체들의 축방향 단부들의 각각은 반구형 형상을 가질 수 있고, 적어도 하나의 내부 펜스는 내부 세트의 유성체들의 축방향 단부들의 반구형 형상에 대응하는 만곡된 형상을 갖는다. 다양한 실시예에서, 중간 기어는 출력 링이고, 태양 기어 또는 링 기어 중 하나는 입력 모터에 의해 구동된다. 소정 실시예에서, 내부 세트의 유성체들은 각각 태양 기어의 축에 평행하게 측정된 제1 축방향 길이를 갖고; 외부 세트의 유성체들은 각각 태양 기어의 축에 평행하게 측정된 제2 축방향 길이를 갖고, 제2 축방향 길이는 제1 축방향 길이와 상이하며; 중간 레이스는 (a) 내부 세트의 유성체들 또는 (b) 외부 세트의 유성체들 중 더 긴 축방향 기어 세트와 기어 접촉 상태에 있다. 더욱이, (a) 내부 세트의 유성체들 또는 (b) 외부 세트의 유성체들 중 적어도 하나는 각각 길이 대 직경 비가 1:1 초과이다. 소정 실시예에서, 내부 세트의 유성체들의 각각 및 외부 세트의 유성체들의 각각은 중공이다.

다양한 실시예는 기어박스 장치에 관한 것으로, 기어박스 장치는 외부 표면 상에 내부 레이스를 한정하는 태양 기어 - 태양 기어는 태양 기어의 제1 단부와 반대편 제2 단부 사이의 축을 한정함 -; 내부 표면 상에 외부 레이스를 한정하는 링 기어 - 링 기어는 태양 기어와 동축임 -; 태양 기어의 내부 레이스와 기어 접촉 상태에 있는 내부 세트의 유성체들; 링 기어의 외부 레이스와 기어 접촉 상태에 있는 외부 세트의 유성체들 - 내부 세트의 유성체들의 각각은 외부 세트의 유성체들 중 적어도 2개와 기어 접촉 상태에 있고, 외부 세트의 유성체들의 각각은 내부 세트의 유성체들 중 적어도 2개와 기어 접촉 상태에 있음 -; (a) 내부 세트의 유성체들 또는 (b) 외부 세트의 유성체들 중 하나와 기어 접촉 상태의 중간 레이스를 한정하는 중간 기어; 태양 기어에 부착되고 내부 세트의 유성체들을 축방향으로 구속하도록 구성된 적어도 하나의 내부 펜스; 및 링 기어에 부착되고 외부 세트의 유성체들을 축방향으로 구속하도록 구성된 적어도 하나의 외부 펜스를 포함한다.

다양한 실시예에서, 내부 세트의 유성체들의 축방향 단부들의 각각은 반구형 형상을 갖고, 적어도 하나의 내부 펜스는 내부 세트의 유성체들의 축방향 단부들의 반구형 형상에 대응하는 만곡된 형상을 갖는다. 더욱이, 외부 세트의 유성체들의 축방향 단부들의 각각은 반구형 형상을 갖고, 적어도 하나의 외부 펜스는 외부 세트의 유성체들의 축방향 단부들의 반구형 형상에 대응하는 만곡된 형상을 갖다. 소정 실시예에서, 내부 세트의 유성체들은 각각 태양 기어의 축에 평행하게 측정된 제1 축방향 길이를 갖고; 외부 세트의 유성체들은 각각 태양 기어의 축에 평행하게 측정된 제2 축방향 길이를 갖고, 제2 축방향 길이는 제1 축방향 길이와 상이하며; 중간 레이스는 (a) 내부 세트의 유성체들 또는 (b) 외부 세트의 유성체들 중 더 긴 축방향 기어 세트와 기어 접촉 상태에 있다.

소정 실시예에서, 중간 기어는 출력 기어이고, 태양 기어 또는 링 기어 중 하나는 입력 모터에 의해 구동된다. 다양한 실시예에서, (a) 내부 세트의 유성체들 또는 (b) 외부 세트의 유성체들 중 적어도 하나는 각각 길이 대 직경 비가 1:1 초과이다. 더욱이, 내부 세트의 유성체들 및 외부 세트의 유성체들은 각각 헬리컬 기어들을 한정한다. 소정 실시예에서, 내부 레이스, 외부 레이스, 중간 레이스, 및 내부 세트의 유성체들의 각각 및 외부 세트의 유성체들의 각각의 외부 표면들은 모두 기어 루트들에 의해 인접 기어 치형부들로부터 분리된 복수의 기어 치형부들을 한정하고, 기어 루트들의 적어도 일부분은 반경방향 슬롯들을 한정한다. 소정 실시예에서, 내부 세트의 유성체들의 각각 및 외부 세트의 유성체들의 각각은 중공이다.

소정 실시예는 기어박스 장치에 관한 것으로, 기어박스 장치는 외부 표면 상에 내부 레이스를 한정하는 태양 기어 - 태양 기어는 태양 기어의 제1 단부와 반대편 제2 단부 사이의 축을 한정함 -; 내부 표면 상에 외부 레이스를 한정하는 링 기어 - 링 기어는 태양 기어와 동축임 -; 태양 기어의 내부 레이스와 기어 접촉 상태에 있는 내부 세트의 유성체들; 링 기어의 외부 레이스와 기어 접촉 상태에 있는 외부 세트의 유성체들 - 내부 세트의 유성체들의 각각은 외부 세트의 유성체들 중 적어도 2개와 기어 접촉 상태에 있고, 외부 세트의 유성체들의 각각은 내부 세트의 유성체들 중 적어도 2개와 기어 접촉 상태에 있음 -; 및 (a) 내부 세트의 유성체들 또는 (b) 외부 세트의 유성체들 중 하나와 기어 접촉 상태의 중간 레이스를 한정하는 중간 기어를 포함하고; 내부 세트의 유성체들의 각각 및 외부 세트의 유성체들의 각각은 태양 기어, 링 기어, 및 중간 기어의 각각의 강성보다 큰 강성을 가져서, 태양 기어, 링 기어, 또는 중간 기어 중 하나 이상이 내부 세트의 유성체들 및 외부 세트의 유성체들 상의 반경방향 부하들의 균형을 맞추도록 변형되게 한다.

소정 실시예에서, 내부 세트의 유성체들의 각각 및 외부 세트의 유성체들의 각각은 금속 재료를 포함한다. 더욱이, 태양 기어, 링 기어, 및 중간 기어 중 하나 이상은 플라스틱 재료를 포함한다.

다양한 실시예에서, 내부 세트의 유성체들은 각각 태양 기어의 축에 평행하게 측정된 제1 축방향 길이를 갖고; 외부 세트의 유성체들은 각각 태양 기어의 축에 평행하게 측정된 제2 축방향 길이를 갖고, 제2 축방향 길이는 제1 축방향 길이와 상이하며; 중간 레이스는 (a) 내부 세트의 유성체들 또는 (b) 외부 세트의 유성체들 중 더 긴 축방향 기어 세트와 기어 접촉 상태에 있다. 소정 실시예에서, (a) 내부 세트의 유성체들 또는 (b) 외부 세트의 유성체들 중 적어도 하나는 각각 길이 대 직경 비가 1:1 초과이다. 다양한 실시예에서, 내부 세트의 유성체들 및 외부 세트의 유성체들은 각각 2개의 상이하게 테이퍼진 부분들을 포함한다. 소정 실시예에서, 내부 세트의 유성체들 및 외부 세트의 유성체들은 각각 헬리컬 기어들을 한정한다. 소정 실시예에서, 내부 세트의 유성체들 및 외부 세트의 유성체들은 각각 일정한 나선각을 갖는 헬리컬 기어들을 한정한다. 다양한 실시예에서, 내부 세트의 유성체들 및 외부 세트의 유성체들은 각각 축방향 길이를 따라 상이한 나선각들을 갖는 헬리컬 기어들을 한정한다. 더욱이, 내부 세트의 유성체들 및 외부 세트의 유성체들은 각각 헤링본 기어 패턴들을 한정한다. 소정 실시예에서, 중간 기어는 헤링본 기어 패턴들의 일부분에 대응하는 각각의 앵글 기어 표면을 각각 갖는 2개의 축방향으로 인접한 구성요소들을 포함하고, 2개의 축방향으로 인접한 구성요소들은 서로 체결된다.

다양한 실시예에서, 링 기어는 헤링본 기어 패턴들의 일부분에 대응하는 각각의 앵글 기어 표면을 각각 갖는 2개의 축방향으로 인접한 구성요소들을 포함하고, 2개의 축방향으로 인접한 구성요소들은 서로 체결된다. 다양한 실시예에서, 태양 기어는 헤링본 기어 패턴들의 일부분에 대응하는 각각의 앵글 기어 표면을 각각 갖는 2개의 축방향으로 인접한 구성요소들을 포함하고, 2개의 축방향으로 인접한 구성요소들은 서로 체결된다. 더욱이, 기어박스는 내부 세트의 유성체들을 축방향으로 구속하도록 구성된 적어도 하나의 내부 펜스를 추가로 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 기어박스 장치는 외부 세트의 유성체들을 축방향으로 구속하도록 구성된 적어도 하나의 외부 펜스를 추가로 포함한다. 소정 실시예에서, 내부 레이스, 외부 레이스, 중간 레이스, 및 내부 세트의 유성체들의 각각 및 외부 세트의 유성체들의 각각의 외부 표면들은 모두 기어 루트들에 의해 인접 기어 치형부들로부터 분리된 복수의 기어 치형부들을 한정하고, 기어 루트들의 적어도 일부분은 반경방향 슬롯들을 한정한다. 더욱이, 내부 세트의 유성체들의 각각 및 외부 세트의 유성체들의 각각은 중공일 수 있다.

다양한 실시예는 기어박스 장치에 관한 것으로, 기어박스 장치는 외부 표면 상에 내부 레이스를 한정하는 태양 기어 - 태양 기어는 태양 기어의 제1 단부와 반대편 제2 단부 사이의 축을 한정함 -; 내부 표면 상에 외부 레이스를 한정하는 링 기어 - 링 기어는 태양 기어와 동축임 -; 태양 기어의 내부 레이스와 기어 접촉 상태에 있는 내부 세트의 유성체들; 링 기어의 외부 레이스와 기어 접촉 상태에 있는 외부 세트의 유성체들 - 내부 세트의 유성체들의 각각은 외부 세트의 유성체들 중 적어도 2개와 기어 접촉 상태에 있고, 외부 세트의 유성체들의 각각은 내부 세트의 유성체들 중 적어도 2개와 기어 접촉 상태에 있음 -; 및 (a) 내부 세트의 유성체들 또는 (b) 외부 세트의 유성체들 중 하나와 기어 접촉 상태의 중간 레이스를 한정하는 중간 기어를 포함하고; 내부 세트의 유성체들의 각각 및 외부 세트의 유성체들의 각각은 태양 기어, 링 기어, 및 중간 기어의 각각의 강성보다 작은 강성을 가져서, 태양 기어, 링 기어, 또는 중간 기어 중 하나 이상이 내부 세트의 유성체들 및 외부 세트의 유성체들 상의 반경방향 부하들의 균형을 맞추도록 변형되게 한다.

소정 실시예에서, 내부 세트의 유성체들의 각각 및 외부 세트의 유성체들의 각각은 금속 재료를 포함한다. 더욱이, 내부 세트의 유성체들의 각각 및 외부 세트의 유성체들의 각각은 중공이다. 다양한 실시예에서, 내부 세트의 유성체들의 각각 및 외부 세트의 유성체들의 각각은 플라스틱 재료를 포함한다. 더욱이, 소정 실시예에서, 내부 세트의 유성체들은 각각 태양 기어의 축에 평행하게 측정된 제1 축방향 길이를 갖고; 외부 세트의 유성체들은 각각 태양 기어의 축에 평행하게 측정된 제2 축방향 길이를 갖고, 제2 축방향 길이는 제1 축방향 길이와 상이하며; 중간 레이스는 (a) 내부 세트의 유성체들 또는 (b) 외부 세트의 유성체들 중 더 긴 축방향 기어 세트와 기어 접촉 상태에 있다. 다양한 실시예에서, (a) 내부 세트의 유성체들 또는 (b) 외부 세트의 유성체들 중 적어도 하나는 각각 길이 대 직경 비가 1:1 초과이다. 소정 실시예에서, 내부 세트의 유성체들 및 외부 세트의 유성체들은 각각 2개의 상이하게 테이퍼진 부분들을 포함한다. 소정 실시예에서, 내부 세트의 유성체들 및 외부 세트의 유성체들은 각각 헬리컬 기어들을 한정한다. 다양한 실시예에서, 내부 세트의 유성체들 및 외부 세트의 유성체들은 각각 일정한 나선각을 갖는 헬리컬 기어들을 한정한다. 소정 실시예에서, 내부 세트의 유성체들 및 외부 세트의 유성체들은 각각 축방향 길이를 따라 상이한 나선각들을 갖는 헬리컬 기어들을 한정한다. 소정 실시예에서, 내부 세트의 유성체들 및 외부 세트의 유성체들은 각각 헤링본 기어 패턴들을 한정한다. 더욱이, 중간 기어는 헤링본 기어 패턴들의 일부분에 대응하는 각각의 앵글 기어 표면을 각각 갖는 2개의 축방향으로 인접한 구성요소들을 포함할 수 있고, 2개의 축방향으로 인접한 구성요소들은 서로 체결된다. 소정 실시예에서, 링 기어는 헤링본 기어 패턴들의 일부분에 대응하는 각각의 앵글 기어 표면을 각각 갖는 2개의 축방향으로 인접한 구성요소들을 포함하고, 2개의 축방향으로 인접한 구성요소들은 서로 체결된다. 더욱이, 태양 기어는 헤링본 기어 패턴들의 일부분에 대응하는 각각의 앵글 기어 표면을 각각 갖는 2개의 축방향으로 인접한 구성요소들을 포함할 수 있고, 2개의 축방향으로 인접한 구성요소들은 서로 체결된다.

소정 실시예에서, 기어박스 장치는 내부 세트의 유성체들을 축방향으로 구속하도록 구성된 적어도 하나의 내부 펜스를 추가로 포함한다. 소정 실시예에서, 기어박스 장치는 외부 세트의 유성체들을 축방향으로 구속하도록 구성된 적어도 하나의 외부 펜스를 추가로 포함한다. 다양한 실시예에서, 내부 레이스, 외부 레이스, 중간 레이스, 및 내부 세트의 유성체들의 각각 및 외부 세트의 유성체들의 각각의 외부 표면들은 모두 기어 루트들에 의해 인접 기어 치형부들로부터 분리된 복수의 기어 치형부들을 한정하고, 기어 루트들의 적어도 일부분은 반경방향 슬롯들을 한정한다. 다양한 실시예에서, 내부 세트의 유성체들의 각각 및 외부 세트의 유성체들의 각각은 중공이다.

다양한 실시예는 기어박스 장치를 조립하는 방법에 관한 것으로, 본 방법은 외부 레이스의 내부 표면과 기어 접촉 상태로 한 세트의 외부 유성체들을 배치하는 단계; 외부 세트의 유성체들과 기어 접촉 상태로 한 세트의 내부 유성체들을 배치하는 단계 - 각각의 그리고 모든 내부 유성체는 2개의 외부 유성체들과 기어 접촉하고, 각각의 그리고 모든 외부 유성체는 2개의 내부 유성체들과 기어 접촉함 -; 내부 유성체들과 기어 접촉 상태로 그리고 외부 레이스와 동축으로 내부 레이스의 제1 구성요소를 배치하는 단계 - 제1 구성요소는 제1 앵글 기어 표면을 가짐 -; 내부 유성체들과 기어 접촉 상태로 그리고 외부 레이스와 동축으로 내부 레이스의 제2 구성요소를 배치하는 단계 - 제2 구성요소는 제2 앵글 기어 표면을 갖고, 제1 앵글 기어 표면 및 제2 앵글 기어 표면은 상이한 나선각을 가짐 -; 및 외부 유성체들과 기어 접촉 상태로 그리고 외부 레이스와 동축으로 입력 기어를 배치하는 단계를 포함한다. 소정 실시예에서, 제1 앵글 기어 표면 및 제2 앵글 기어 표면은 헤링본 기어 표면을 집합적으로 형성하는 대향 나선각들을 갖는다. 다양한 실시예에서, 입력 기어는 제1 앵글 입력 기어 표면을 갖는 제1 입력 기어 구성요소 및 제2 앵글 입력 기어 표면을 갖는 제2 입력 기어 구성요소를 포함하고, 외부 세트의 유성체들과 기어 접촉 상태로 그리고 외부 레이스와 동축으로 입력 기어를 배치하는 단계는 외부 유성체들과 동축으로 그리고 제1 앵글 입력 기어 표면이 외부 세트의 유성체들과 기어 접촉 상태로 제1 입력 기어 구성요소를 배치하는 단계, 및 외부 세트의 유성체들과 동축으로 그리고 제2 앵글 입력 기어 표면이 외부 세트의 유성체들과 기어 접촉 상태로 제2 입력 기어 구성요소를 배치하는 단계를 포함하고, 제1 앵글 입력 기어 표면 및 제2 앵글 입력 기어 표면은 상이한 나선각을 갖는다.

소정 실시예에서, 제1 앵글 입력 기어 표면 및 제2 앵글 입력 기어 표면은 함께 헤링본 입력 기어 표면을 형성하도록 대향 나선각을 갖는다. 더욱이, 제1 앵글 입력 기어 표면은 외부 세트의 유성체들과 기어 접촉 상태로 한 세트의 내부 유성체들을 배치하는 단계 전에 외부 유성체들과 기어 접촉 상태로 배치될 수 있고, 제2 앵글 입력 기어 표면은 내부 유성체들과 기어 접촉 상태로 내부 레이스의 제1 입력 기어 구성요소 및 제2 입력 기어 구성요소를 배치하는 단계 후에 외부 세트의 유성체들과 기어 접촉 상태로 배치된다.

더욱이, 소정 실시예는 기어박스 장치를 조립하는 방법에 관한 것으로, 본 방법은 내부 레이스의 외부 표면과 기어 접촉 상태로 한 세트의 내부 유성체들을 배치하는 단계; 내부 세트의 유성체들과 기어 접촉 상태로 한 세트의 외부 유성체들을 배치하는 단계 - 각각의 그리고 모든 외부 유성체는 2개의 내부 유성체들과 기어 접촉하고, 각각의 그리고 모든 내부 유성체는 2개의 외부 유성체들과 기어 접촉함 -; 내부 유성체들과 기어 접촉 상태로 그리고 내부 레이스와 동축으로 외부 레이스의 제1 구성요소를 배치하는 단계 - 제1 구성요소는 제1 앵글 기어 표면을 가짐 -; 외부 세트의 유성체들과 기어 접촉 상태로 그리고 내부 레이스와 동축으로 외부 레이스의 제2 구성요소를 배치하는 단계 - 제2 구성요소는 제2 앵글 기어 표면을 갖고, 제1 앵글 기어 표면 및 제2 앵글 기어 표면은 상이한 나선각을 가짐 -; 및 내부 세트의 유성체들과 기어 접촉 상태로 그리고 내부 레이스와 동축으로 입력 기어를 배치하는 단계를 포함한다.

소정 실시예에서, 제1 앵글 기어 표면 및 제2 앵글 기어 표면은 헤링본 기어 표면을 집합적으로 형성하는 대향 나선각들을 갖는다. 더욱이, 소정 실시예에 따르면, 입력 기어는 제1 앵글 입력 기어 표면을 갖는 제1 입력 기어 구성요소 및 제2 앵글 입력 기어 표면을 갖는 제2 입력 기어 구성요소를 포함하고, 내부 유성체들과 기어 접촉 상태로 그리고 내부 레이스와 동축으로 입력 기어를 배치하는 단계는 내부 세트의 유성체들과 동축으로 그리고 제1 앵글 입력 기어 표면이 내부 유성체들과 기어 접촉 상태로 제1 입력 기어 구성요소를 배치하는 단계, 및 내부 세트의 유성체들과 동축으로 그리고 제2 앵글 입력 기어 표면이 내부 유성체들과 기어 접촉 상태로 제2 입력 기어 구성요소를 배치하는 단계를 포함하고, 제1 앵글 입력 기어 표면 및 제2 앵글 입력 기어 표면은 상이한 나선각을 갖는다. 다양한 실시예에서, 제1 앵글 입력 기어 표면 및 제2 앵글 입력 기어 표면은 함께 헤링본 입력 기어 표면을 형성하도록 대향 나선각을 갖는다. 더욱이, 소정 실시예에서, 제1 앵글 입력 기어 표면은 내부 유성체들과 기어 접촉 상태로 한 세트의 외부 유성체들을 배치하는 단계 전에 내부 세트의 유성체들과 기어 접촉 상태로 배치되고, 제2 앵글 입력 기어 표면은 외부 유성체들과 기어 접촉 상태로 외부 레이스의 제1 입력 기어 구성요소 및 제2 입력 기어 구성요소를 배치하는 단계 후에 내부 세트의 유성체들과 기어 접촉 상태로 배치된다.

반드시 축척대로 그려진 것은 아닌 첨부 도면이 이제 참조될 것이다.
도 1은 자기 유성체(magnetic planet)를 갖는 기어박스를 포함하는 모터의 일부분의 단순화된 개략적인 축방향 단부도이다.
도 2는 파선 라인으로 나타낸 전자기 스테이터 자극/포스트(stator pole/post)를 또한 도시하는, 도 1의 모터의 일부분의 단순화된 개략적인 축방향 단부도이다.
도 3은 유성체의 양 축방향 단부들 상에 부분적으로 조립된 스테이터를 갖는, 도 2의 예시적인 실시예의 개략적인 원주방향 단면도이다.
도 4는 내부 유성체보다 큰 외부 유성체를 갖는 기어박스의 예시적인 실시예의 개략 단면도로서, 행당 16개 유성체를 갖고 더 큰 행의 유성체들이 자석을 갖는다.
도 5는 내부 유성체보다 큰 외부 유성체를 갖는 기어박스의 예시적인 실시예의 개략 단면도로서, 행당 14개 유성체를 갖고 더 큰 행의 유성체들이 자석을 갖는다.
도 6은 내부 유성체보다 큰 외부 유성체를 갖는 기어박스의 예시적인 실시예의 개략 단면도이다.
도 7은 예시적인 기어 패턴을 도시하는 2개의 유성체의 개략적인 측면도이다.
도 8은 낮은 각의 로브 프로파일(lobe profile)의 단순화된 예를 도시하는 도면이다.
도 9는 내부 링과 외부 링 사이의 경로를 도시하는 중공 유성체를 갖는 예시적인 기어박스의 개략 단면도이다.
도 10은 기어박스의 일 실시예의 등각 정면도이다.
도 11은 도 10의 기어박스의 등각 배면도이다.
도 12는 비대칭형 태양체 입력부를 갖는 기어박스의 등각 절취도이다.
도 13은 도 12의 기어박스의 분해도이다.
도 14는 예시적인 조립 단계를 보여주는 도 12의 기어박스의 절취도이다.
도 15는 기어 치형 프로파일을 위해 구현될 수 있는 프로파일 시프트(profile shift) 개념의 개략도이다.
도 16은 기어박스에 대한 시험 시스템의 등각도이다.
도 17은 아이들러 링(idler ring)을 도시하는 예시적인 기어박스의 절취도이다.
도 18은 예시적인 대칭형 기어박스의 등각도이다.
도 19는 도 14의 대칭형 기어박스의 등각 절취도이다.
도 20은 비대칭형 태양체 입력부를 갖는 예시적인 기어박스의 등각 절취도이다.
도 21 및 도 22는 소정 실시예들에 따른 대칭형 기어박스의 대안적인 도면이다.
도 23 및 도 24는 소정 실시예들에 따른 대안적인 기어박스의 대안적인 도면이다.
도 25 내지 도 28은 소정 실시예들에 따른 기어박스의 대안적인 도면이다.
도 29 내지 도 35는 소정 실시예들에 따른, 하우징 내에 제공된 완전한 기어박스의 다양한 구성요소들의 대안적인 도면이다.
도 36a 내지 도 36c는 각각 연성 재료로부터 정상적인 형상으로, 얇은 형상으로, 그리고 기어 루트에 절삭부를 갖는 형상으로 형성된 기어의 일부분을 개략적으로 도시한다.
도 37은 2-스테이지 기어박스의 등각 절취도이다.
도 38은 도 37의 2-스테이지 기어박스를 포함하는 액추에이터의 등각 절취도이다.
도 39는 도 38의 액추에이터의 측단면도이다.
도 40은 테이퍼형 유성체를 갖는 기어박스의 개략 측단면도이다.
도 41은 테이퍼형 유성체를 갖는 기어박스의 분해 등각도이다.
도 42는 도 41의 기어박스의 측단면도이다.
도 43은 도 41의 기어박스의 등각도이다.

본 발명은 첨부 도면을 참조하여 다양한 실시예를 더 충분히 설명한다. 모든 실시예가 아닌 일부 실시예가 본 명세서에서 도시되고 설명된다는 것을 이해하여야 한다. 실제로, 실시예들은 여러 상이한 형태들을 취할 수 있고, 따라서 본 발명이 본 명세서에서 제시된 실시예들로 제한되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 청구범위에 의해 커버되는 것으로부터 벗어남이 없이 여기에서 설명되는 실시예에 대해 무형의 변경이 이루어질 수 있다. 오히려, 이들 실시예는 본 발명이 적용가능한 법적 요건을 만족하도록 제공된다. 전체에 걸쳐 동일한 도면 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

본 장치의 실시예들은 직접 유성체의 2개의 행들을 통해 내부 고정 링으로부터 외부 출력 링으로 토크를 전달함으로써 유성 캐리어에 대한 필요성을 제거한다. 기어 감속비는 내부 링의 OD와 외부 링의 ID 사이의 차이에 의해 결정되는데, 이때 내부 및 외부 유성체들은 그들 사이의 토크 전달 부하 경로로서 작용한다. 유성체가 궤도를 돌게 됨에 따라, 외부 링은, 예컨대, 대략 3:1 또는 가능하게는 더 낮은, 또는 최대 대략 6:1 또는 가능하게는 더 높은 비로 회전할 것이다. 내부 링의 OD가 외부 출력 링의 ID에 더 가까울수록, 감속비는 커진다.

여기에 개시된 장치의 실시예는 유성체 및 레이스의 축방향 정렬뿐만 아니라 동일한 원주방향 간격을 제공하는 특징부들의 조합을 사용하여, 게다가 내부 레이스로부터 외부 레이스로의 축방향 정렬을 제공하는 유성체와 레이스의 상호작용에 의해 일부 응용에서 추가 베어링에 대한 필요성을 제거하거나 또는 추가의 베어링의 강도(및 이에 따른 비용 및 중량)를 감소시킨다. 추가로, 여기에 개시된 장치의 실시예는 유성체가 출력 링보다 더 높은 속도로 궤도를 돌고 있기 때문에 유성체 자체가 일정 감속비를 갖는 로터로서 작용하는 별개의 모터 로터에 대한 필요성을 제거하기 위해 유성체에 직접 자기력을 인가하는 구조물을 제공한다. 이는 모터-기어박스 조합의 제조 및 조립을 단순화하는 태양 링 입력에 대한 필요성을 제거한다. 유성체(및 그에 따른 포함된 자석)가 회전하고 있다는 사실은 유성체가 여전히 에어갭(airgap) 및 스테이터에 자속을 제공하기 때문에 상당한 손실이 되는 것으로 여겨지지는 않는다.

장치의 실시예는 기어보다는 구름 접촉과 더 유사하게 작용하고 느끼는 것을 제공하기에 충분히 작고 충분히 다수인 기어 또는 로브(lobe)를 사용한다. 청구범위에서, 용어 "로브"는 또한 용어 "기어"를 포함한다. 로브는 (쐐기와 유사하게 작용하는 기어 치형부를 갖는 기어와는 대조적으로) 반경 방향으로 큰 표면 영역을 제공하는 이점을 갖는다. 일례에서, 로브 또는 기어의 압력각은 20, 30 또는 40 도 초과일 수 있다. 대안적인 구성에서, 높은 앵글 기어가 로브 대신 사용될 수 있다. 헤링본 구성으로 기어 또는 로브를 구성함으로써, 하기를 포함하는 다수의 특징들이 달성될 수 있다: 유성체의 기어-특정된 원주방향 위치설정의 결과로서 원주방향 유성체 간격; 헤링본 헬리컬 기어의 결과로서 레이스에 대한 유성체 및 외부 유성체에 대한 내부 유성체의 축방향 정렬; 및 유성체 상의 헤링본 기어가 다축 (즉, 반경방향 및 축방향 위치) 구속부를 제공하기 때문에, 내부 레이스와 외부 레이스 사이의 베어링에 대한 필요성을 제거하거나 감소시키는 능력. 유성체에 영구 자석(PM)을 사용하는 것은 장치의 축방향 단부들 상에 위치된 하나 이상의 (예컨대, 2개의) 전자기 스테이터가 유성체에 회전 토크 및 운동을 부여하는 방식으로 정류되게 하고, 그렇게 함으로써 외부 링에 토크를 발생시키게 한다. (이러한 비제한적인 실시예에서 내부 링을 고정 기준으로서 사용하면, 외부 링이 고정 기준으로서 사용될 수 있고 내부 링이 출력 링일 수 있다는 것이 이해되더라도, 스테이터(들)는 어느 하나가 고정되고 어느 하나가 출력부인지 상관없이 내부 또는 외부 링에 부착될 수 있는 것이 이해된다.)

영구 자석을 포함하는 실시예

유성 캐리어를 갖는 전형적인 종래의 차동 기어는 유성체에 PM을 포함할 수 없는데, 이는 차동 기어박스가 유성체 내의 베어링 및 샤프트를 필요로 하기 때문이다. 추가로, (유성체들의 단일 원형 어레이를 갖는) 종래의 유성 기어가 고정 태양 기어와 함께 유성체에 PM을 사용하는 경우, 이는 감속기로서보다는 오히려 증속기로서 작용할 것이다.

도 1에서, 장치(10)의 비제한적인 예시적인 실시예의 단면의 단순화된 개략도가 도시되어 있다. 내부 레이스(12)는 고정 또는 기준 레이스로서 작용하고, 외부 레이스(14)는 출력 부재로서 작용하고, 이들이 궤도를 돌 때, 내부 유성체(16) 및 외부 유성체(18)의 각각의 어레이들은 내부 레이스(12)로부터 외부 레이스(14)로 토크를 부여한다. 유성체가 궤도를 돌도록 하기 위해, 장치의 실시예는 유성체 중 하나 이상, 바람직하게는 도 1에 도시된 바와 같이 내부 및 외부 유성체들 모두에 매설된 (예컨대, 그들의 축방향 내부 개구 내에 배치된) 영구 자석(20)을 갖는다.

도 2는 파선 라인으로 나타낸 전자기 스테이터 자극/포스트(22)를 갖는 장치(10)의 일 실시예의 단순화된 개략도를 도시한다. 종래의 전기 모터 및 스테이터에, 예를 들어 72개의 스테이터 포스트 및 68개의 유성체가 사용될 수 있는 것과 같이, 다양한 개수의 유성체 및 포스트가 사용될 수 있다. 이러한 비제한적인 예에서 유성체의 개수는 34개의 내부 유성체 및 34개의 외부 유성체를 포함한다. 스테이터는 포스트 또는 에어 코일을 갖는 전자석을 가질 수 있다. 도 3의 단면도가 절단된 곳을 도시하는 단면 라인 A-A가 도 2에 또한 도시되어 있다. 단면 라인은 외부 유성체를 통과하지만 내부 유성체들 사이를 절단한다. 에어 코일이 사용되는 경우, 각각의 에어 코일(22)로부터 각각의 인접한 에어 코일(22)로 플럭스(flux)를 운반하기 위해 연자성 재료 백아이언(backiron)(26)을 갖는 것이 바람직하다.

도 3은 유성체의 양 축방향 단부들 상에 부분적으로 조립된 스테이터를 갖는, 도 2의 비제한적인 예시적인 실시예의 개략 단면도이다. (전자기 요소 상의 코일은 도시되어 있지 않다). 영구 자석(20)의 배치는, 2개의 자석이 사용되도록 그리고 이들이 분리 또는 축방향 위치선정 부재(24)를 가로질러 서로 당겨지게 양쪽 단부로부터 외부 유성체들(18) 내에 배치되도록 한다. 이는 자석이 추가의 고정 수단에 대한 필요성 없이 유성체 내에 유지되도록 허용한다. 이는 전자기 스테이터 자극(22)과 상호작용할 때 추진력을 위해 자석의 전체 단부를 제공한다. 자석들을 삽입 및 고정하는 다른 수단이 또한 사용될 수 있다. 내부 유성체는 외부 유성체와 동일하거나 상이한 배열을 사용할 수 있다. (예시된 실시예에서 에어 코일로서 구현된) 자극을 포함하는 스테이터 요소(22) 및 백아이언(26)을 포함하는 스테이터 요소가 개략적으로 도시된다. 도시된 바와 같이, 스테이터 요소는 장치(10)의 양쪽 축방향 측부들 상에 있을 수 있다. 스테이터는 고정 요소, 여기서 내부 레이스(12)에 부착될 수 있다. 여기서, 스페이서(28)는 백아이언(26)을 내부 레이스(12)에 연결하는 데 사용된다.

축방향 위치선정 부재(24)는 자석들을 분리할 필요가 없다. 부재(24)는 단지 자석들이 함께 이동하는 것을 방지한다. 예를 들어 축방향 위치선정 부재(24)를 형성하기 위해 (플라스틱 기어가 사용되는 경우) 플라스틱의 링에 의해 분리되는 2개의 단순한 원통형 PM을 갖는 것과 같이, 분리되면, 이들 사이에 연자성 재료 디스크(112)(예컨대, 강철)가 있을 필요가 있다.

축방향 위치선정 부재(24)는 바람직하게는 적어도 유성체의 내부 부분(114)(내경부)을 갖는 하나의 피스(piece)로서 성형 또는 제조된다. 전체 유성체는 단일 피스로서 형성될 수 있거나, 유성체의 기어 면은 내부 부분(114)이 삽입되는 하나 이상의 별개의 피스일 수 있다. 강철 디스크(112)와 같은 연자성 부재는 바람직하게는 2개의 자석들 사이의 플럭스 연결 경로로서 사용된다. 소정 실시예에서, PM은 연자성 재료 디스크 대신 더 작은 직경의 원통형 단부 섹션을 가질 수 있다. 단순한 원통형 자석들은 구축하기에 덜 고가인 것으로 간주되며, 그들 사이의 플럭스 연결을 위한 강철 디스크 스페이서의 사용은 이러한 디스크가 이상적인 두께로 용이하게 조절되게 한다(반면에, PM은 동일한 공차로 기계가공하는 것이 더 어렵다).

도 1 내지 도 3에 도시된 실시예는 유사한 크기의 유성체(롤러, 유성 기어, 등)의 2개의 행을 가지며, 이때 자석이 각각의 행의 유성체들 내에 있다. 자석은, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, (하나의 축방향 측부에서 볼 때) 하나의 어레이 내의 N극과 같은 제1 극성 배열 및 다른 어레이 내에 S극과 같은 제2 극성 배열을 갖는다. 일부 구성은 다른 것들보다 훨씬 더 작은 유성체들의 하나의 어레이를 사용한다. 그러한 실시예에서, 자석이 더 큰 유성체에만 위치될 수 있지만(그리고 더 작은 유성체에는 위치되지 않음), 다양한 실시예에서 자석들이 다른 유성체 배향으로 배치될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 더 큰 유성체에만 자석을 배치하는 것은 더 작은 반경방향 치수로 인해 더 가벼운 스테이터를 제공하는 것과 같은 이점을 제공한다. 자석은 유성체 크기에 상관없이 하나의 행으로 제한될 수 있다. 도 4 및 도 5에 각각 행당 16 및 14개의 유성체를 갖는 형태로 도시된 예는 자석(20)이 단지 외부 어레이에만 있는 더 큰 외부 유성체(18)를 갖는다.

이러한 단일 행의 자석들의 구성은 PM 유성체의 단일 어레이 내의 자석들의 교번하는 극성들을 갖는다.

스테이터는 복수의 자극을 가질 수 있다. 각각의 자극은, 예를 들어, 에어 코일 또는 포스트를 갖는 전자석으로 구현될 수 있다. 종래의 3상 모터의 경우, 스테이터는 3으로 나뉘어질 수 있는 개수의 자극들을 갖는다(스테이터를 지칭할 때 "자극" 또는 "포스트"라는 용어는 각각의 개별 포스트 및 코일, 또는 에어 코일이 사용되는 경우 코일을 지칭한다). 4로 나뉘어질 수 있는 자극들의 개수를 갖는 것이 또한 유용할 수 있고, 따라서 자극들의 개수가 3으로 나뉘어질 수 있고 4로 나뉘어질 수 있으면, 자극들의 개수는 12로 나뉘어질 수 있다.

로터 포스트의 개수(로터 포스트, 여기서, 자석을 갖는 인접 유성체에 대한 교번하는 극성의 영구 자석을 갖는 유성체의 개수를 말함)는 이어서 스테이터 포스트의 개수에 기초하고, 집중형 권선의 경우, 로터 포스트의 개수는 스테이터 포스트의 개수보다 많거나 또는 그보다 적다. 예를 들어, -2 또는 +2, 그러나 -4 또는 +4가 바람직한데, 이는 이것이 에어 갭 둘레에 자기력을 분배하여 스테이터 상의 굽힘 부하를 감소시키기 때문이다. 다른 차이가 또한 작용할 것이다.

여기서, 로터 포스트의 개수는 자석이 내부에 있는 유성체의 개수이고, 이는 전형적으로 총 유성체 개수 또는 유성체의 행들 중 하나의 행 내의 유성체의 개수이다.

하나의 행의 유성체들 내에 자석들을 갖는 일 실시예에서, 하나의 행 내의 유성체들의 적합한 개수의 예는, 도 4에 도시된 바와 같이, 16이다.

도 1 내지 도 5에 도시된 실시예는 여기에서 태양체가 없는 자가 작동 기어박스로 지칭된다. 이러한 실시예들은 각각 단지 하나의 (전형적으로 고정된) 내부 링 및 (전형적으로 출력부에 연결된) 하나의 외부 링을 갖는다. 유성체는 베어링으로서 작용하여, 종래의 베어링에 대한 필요성을 감소시키거나 제거한다. 그러한 액추에이터는 외골격(exoskeleton)과 같은 고속 작동을 이용하는 구현예에 사용가능할 수 있다. 본 출원에 개시된 실시예는, 예를 들어, 내용이 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된 미국 특허 출원 공개 제2017/0181916호에 개시된 바와 같은 외골격에 사용될 수 있다.

도 6은 도 5에서보다 유성체 크기의 덜 극한 차이를 갖는, 행당 14개의 유성체를 갖는 실시예를 도시한다. 자석은 도시되어 있지 않다. 이들 실시예 모두는 자석과 함께 또는 자석 없이 사용될 수 있다. 자석이 없는 경우, 입력 힘/토크는, 아래에서 설명되고 도시된 바와 같은 외부 모터에 의해 동력공급되는 입력 기어와 같은, 외부 공급원에 의해 공급될 수 있다.

기어 또는 로브 구성

도 7은 내부 유성체(16) 상의 내부 헤링본 기어 또는 로브(30) 및 외부 유성체(18) 상의 외부 헤링본 기어 또는 로브(32)의 비제한적인 예를 도시한다. 기어 또는 로브(30, 32)는 라인으로 개략적으로 도시되어 있다. 기어 또는 로브(30, 32)는, 이 도면에서 기어들은 약간 분리된 것으로 보이지만, 맞물릴 것이다. 헤링본 기어 또는 로브는 유성체의 축방향 위치설정을 구속하는 것을 돕는다. 축방향 위치설정은 표면 또는 다른 유성체와 동시에 접촉하는 유성체의 상이한 부분에서 상이한 나선각을 갖는 기어 또는 로브의 임의의 사용에 의해 구속될 수 있다. 도 7에 도시된 헤링본 형상은 단지 이러한 것의 일례이다. 하기에 정의된 "압력각"과 구별하기 위해, 본 문단에서 언급되는 각은 로브 피크 또는 골(trough)의 축방향으로부터 멀어지는 각이며, 나선각으로 지칭될 것이다. (로브(30)를 나타내는 라인을 내부 유성체(16)의 축에 평행한 점선 라인에 연결하는 호(arc)에 의해 표현되는) 나선각(34)은 본 실시예에서 유성체의 상이한 축방향 부분들에 대해서 대향(opposite)한다. 이러한 대향하는 0이 아닌 각은 상이한 축방향 부분들에 대한 상이한 나선각들의 예이다.

이러한 장치가 가능하게는 견인 표면과 함께 작동하도록 구성될 수 있지만, 예를 들어 도 8에 도시된 바와 같은 로브의 사용은 기어들 사이의 더 높은 각에서 활주하는 것을 방지함으로써 겉보기 마찰 계수를 증가시키는 효과를 가질 것이다. 따라서, 부하 하에 있을 때의 평균 최대 압력각이 로브 또는 기어 면들이 맞물림해제되는 것을 방지하기에 충분히 낮은 한 사인파 프로파일과 같은 높은 유효 압력각 로브가 사용될 수 있다.

소정 장치(10) 실시예의 압력각은 기어/로브(30, 32)의 로딩에 상당히 영향을 미칠 수 있다. 장치(10)(기어박스)가 소정 실시예에 따라 로딩되고 설계될 때 (본 명세서에서 논의되는 바와 같이) 자가 캐밍 작용이 있기 때문에, 유성체(16, 18) 상에 반경방향 부하가 놓인다. 하부 임계치 미만의 압력각에서, 기어 치형부가 결속되는 위험이 존재하여, 장치(10)가 회전하지 않거나 높은 마찰을 생성하게 한다. 상부 임계치 초과의 압력각에서, 기어/로브(30, 32)는 너무 얕아져서 상당한 부하를 취할 수 없으며, 이는 부하 하에서 기어/로브(30, 32)의 스키핑(skipping)을 야기할 수 있다. 하부 임계치 및 상부 임계치는 내부 및 외부 유성체들(16, 18)의 캐밍각에 의해 영향을 받는다.

압력각의 조절은 복수의 유성체들(16, 18) 사이의 부하 공유를 개선하기 위해 또는 (예컨대, 기어가 겪게 되는 부하를 감소시킴으로써) 장치(10) 내의 유성체(16, 18) 또는 다른 기어의 수명을 증가시키기 위해 반경방향 힘을 증가 또는 감소시킬 수 있다. 예를 들어, (예컨대, 낮은 강성 재료 또는 낮은 강성 구성을 포함하는) 낮은 강성을 갖는 유성체를 통합한 장치(10)에서, 재료 강성은 단독으로 장치(10) 또는 유성체들(16, 18) 사이의 부하 공유를 허용하기 위해 상당한 양의 편향을 제공한다. 높은 압력각을 갖는 기어/로브(30, 32)를 제공하는 것은 유성체(16, 18) 상의 반경방향 부하를 증가시킬 것이지만, 유성체(16, 18) 상의 굽힘 부하는 감소시킬 것이다. 그러한 구성은 치형부 루트 굽힘이 임계 고장 모드로서 식별되는 구현예에서 유성체(16, 18)의 수명을 증가시킬 수 있다. 더 전형적으로, 덜 강성인 유성체(16, 18)에 대한 반경방향 부하를 감소시키고 기어/로브(30, 32)의 더 낮은 압력각을 사용하여 장치(10)의 전체 강성을 최대화하기를 원할 것이다. 높은 강성의 유성체(16, 18)를 갖는 장치(10)에서, 유성체들(16, 18) 사이의 부하 공유를 보장하기 위해 유성체(16, 18)(또는 본 명세서에서 논의되는 바와 같은 다른 기어/링)의 충분한 편향이 존재하는 것을 보장하기 위해 추가의 반경방향 부하가 이용될 수 있다. 일례로서, 더 높은 압력각을 이용함으로써 유성체(16, 18)의 충분한 편향을 제공하여 유성체들(16, 18) 사이의 부하 공유를 증가시킬 수 있다.

치형부 루트에서의 감소된 응력 집중으로 인해 유성체(16, 18)에 대해 더 높은 압력각을 갖는 것이 유익할 수 있다. 이는 치형부 루트에서 더 낮은 응력으로 변환될 것이며, 이는 유성체(16, 18)의 수명을 증가시킬 수 있다.

높은 유효 압력각 로브 프로파일의 단순화된 예가 도 8에 도시되어 있다. 높은 유효 압력각 로브 기하학적 구조는 반경방향 활성 표면 영역을 증가시킴으로써 높은 구름 접촉 능력을 허용하는 것으로 여겨진다. 증가된 토크로 반경방향 접촉력을 증가시키는 자가 캐밍 효과와 이러한 낮은 유효 압력각 로브 기하학적 구조의 조합은 최소 활주 및 그에 따른 낮은 구름 마찰을 야기할 것으로 예상된다.

높은 유효 압력각 - 종래의 기어박스에서, 높은 압력각은 토크 전달 동안 기어들 사이의 높은 분리력을 야기할 것이다. 장치의 실시예에서, 로브 압력각은 접촉 영역의 유효 마찰 계수를 증가시키기에 충분히 낮아서, 캐밍각이 확립된다. 일단 이러한 임계 유효 마찰 계수(EFC)가 확립되면, 자가 작동 효과는 유성체가 활주 또는 스킵(skip)하기보다는 견인 압력을 증가시키게 할 것이다. 도 8은 유성체와 레이스 사이의 로브 접촉을 도시한다. 파선 곡선은 하부의 유성체의 피치 직경 및 상부의 더 큰 직경 레이스를 나타낸다. 긴 파선 라인(A)은 유성체와 레이스 사이의 접촉이 비-기어결합 계면이라면 실제 접촉각을 나타내고, 그러한 구현예 하에서의 접촉각은 유성체의 축에 대해 반경 방향에 있다. 라인(B)은 (도시된 바와 같이 로브(30)를 갖는) 유성체가 (도시된 바와 같이 대응하는 로브(32)를 갖는) 레이스 상에서 구를 때 로브 맞물림 동안의 최대 압력각을 나타내고, 로브의 표면에 수직이다. 라인(C)은 (도시된 바와 같이 로브(30)를 갖는) 유성체가 (도시된 바와 같이 대응하는 로브(32)를 갖는) 레이스 상에서 구를 때 부하 맞물림 동안의 최소 압력각을 나타내고, 로브(30)의 표면에 수직이다. 토크 전달 동안, 접촉 압력은 한 방향으로 편의되며 그래서 접촉 라인(B)의 반대 방향으로 효과적인 접촉이 없다. 이러한 접촉 패턴의 결과로서, 평균 유효 압력각은 라인들(B, C) 사이의 대략 중간인 라인(D)을 따른다.

WO2013173928A1호(그의 내용이 본 명세서에 참고로 포함됨)에 기술된 바와 같이, 내부 레이스 및 외부 레이스의 각각은 원형일 수 있고 축 상에 중심설정될 수 있다. 견인각(traction angle)(ㆈ_i)은 하기와 같이 정의될 수 있다: 제1 외부 유성체(18)와 접촉하는 제1 내부 유성체(16)의 각각의 쌍에 대해, 견인각(ㆈ_i)은 축으로부터 제1 내부 유성체(16)의 중심을 통해 외향으로 연장되는 제1 라인과 외부 레이스(14)와 제1 외부 유성체(18)의 접촉점 및 내부 레이스(12)와 제1 내부 유성체(16)의 접촉점으로부터 연장되는 제2 라인 사이의 각으로 정의된다. 유성체(16, 18)의 궤도 운동은 내부 레이스(12)와 외부 레이스(14) 사이의 차동 운동으로 이어지고, 따라서 토크 힘이 유성체(16, 18)를 통해 내부 레이스(12)와 외부 레이스(14) 사이에서 전달된다. 토크 힘은 인접한 유성체들(16, 18)의 접촉점들 사이에서 전달되고, 따라서 견인각(ㆈ_i)의 접선과 동일한 반경방향 성분에 대한 원주방향 성분의 일정 비를 갖는 견인각으로 전달된다. 따라서, WO2013173928A1호에 기술된 바와 같이, 견인 표면에 대해, 내부 레이스(12)와 내부 유성체(16) 사이의 마찰 계수가 그 각의 접선보다 큰 경우, 반경방향 부하를 증가시키기 위한 큰 프리로드(preload) 또는 임의의 추가 메커니즘을 필요로 하지 않고서, 토크는 토크가 증가함에 따라 내부 유성체(16)와 외부 유성체(18) 사이의 견인력을 유지하기에 충분한 반경방향 성분을 발생시킬 것이다. 이는 본 명세서에서 "캐밍 효과"로 지칭되며; 이러한 캐밍 효과를 나타내는 장치(10)는 또한 본 명세서에서 "자가 작동(self energizing)"(예컨대, 자가 작동 기어박스)으로 지칭될 수 있다.

유성체(16, 18) 상의 기어 또는 로브(30, 32)를 사용함으로써, 유성체들(16, 18)이 서로에 대해 회전 활주하는 것을 방지하는 자가 작동 효과를 생성하기 위해 유성체들(16, 18)의 표면들 사이의 마찰 계수에 의존하지 않는다. 그 대신, 기어들 또는 로브들(30, 32)은 유성체들(16, 18)을 서로에 대해 그리고 그들 각각의 레이스들에 대해 타이밍을 맞추는 역할을 한다.

도 7에 도시된 실시예에서, 로브(30, 32)는 실질적으로 유성체(16, 18)의 완전한 반경방향 표면을 덮고, 내부 유성체 로브(30)는 외부 유성체 로브(32) 및 내부 레이스(12) 로브 둘 모두와 맞물리고, 외부 유성체 로브(32)는 내부 유성체 로브(30) 및 외부 레이스(14) 로브 둘 모두와 맞물린다. 그러나, 소정 실시예는 유성체(16, 18)의 일부분 상에만 로브를 가질 수 있다. 또한, 다른 실시예는 인접한 유성체보다 대응하는 레이스와 접촉하는 유성체(16, 18)의 상이한 부분 및 그에 따라 가능하게는 상이한 로브(30, 32)를 제공할 수 있다. 상이한 접촉을 위해 로브, 기어, 또는 견인 표면의 상이한 선택이 또한 있을 수 있다.

기어 치형 프로파일

본 장치(10)의 실시예는 유성체들(16, 18)의 2개의 행들 사이의 그리고 유성체들과 레이스들 사이의 기어 접촉을 포함한다. 이러한 기어 접촉은 더 큰 캐밍각 및 잠재적으로 더 높은 토크 전달을 허용한다. 기어 접촉으로 해결될 한 가지 어려운 점은, 기어형 구성요소들 사이의 반경방향 압축이 비결합 운동(non-conjugate motion)을 야기할 수 있고, 맞물린 유성체의 수용 치형부들 사이에서 가압되고 있는 쐐기로서 작용하는 하나의 유성체의 치형부의 쐐기 효과(wedging effect)의 결과로서 높은 마찰 및 코깅(cogging)을 야기할 수 있다는 것이다. 이러한 쐐기 효과는 기어 접촉면들에 대해 평면인 유성체들 사이의 반경방향 힘의 높은 기계적 확대율(mechanical advantage)을 야기하여, 높은 마찰 및 마모를 초래한다. 기어들을 반경방향으로 서로 가압하는 것은 또한, 기계적 확대율이 유성체 회전 동안 기어 치형부 접촉의 상이한 위상들 전체에 걸쳐 변함에 따라 가변 마찰력을 야기할 것이다. 이러한 가변 마찰력은 코깅 및 불규칙한 마모를 초래할 수 있다.

장치를 위한 새로운 기어 치형 프로파일은 구름 접촉에 의해 제공되지 않는 나머지 토크 전달을 제공하는 인벌루트 기어 치형 프로파일과 조합된, 견인 계수에서의 구름 접촉의 조합을 제공한다.

스퍼 기어와 함께 사용되는 경우, 기어 치형부들 사이의 원통형 구름 접촉 표면의 사용은 기어 접촉의 양을 감소시킬 것이다(즉, 이는 접촉 비를 감소시킬 것이다). 충분히 높은 백분율의 원통형 구름 접촉에서, 1 미만의 기어 접촉 비가 발생할 것이다. 이러한 비까지는, 1 초과의 구름 접촉 비를 달성하는 것이 어렵거나 불가능하다. 여기에 기술된 바와 같은 헬리컬 치형 패턴의 사용은 매끄러운 구름 접촉 및 중단되지 않는 기어식 토크 전달을 위한 연속적인 기어 접촉뿐만 아니라 기어들 사이의 연속적인 구름 접촉을 제공할 수 있다. 유성체들의 상이한 축방향 부분들에 나선형 방향을 갖는 헬리컬 치형부는 헤링본 치형부를 형성할 수 있다.

실시예는 구름 표면들이 높은 백분율의 토크를 전달하게 하는 캐밍각 및 마찰 계수를 사용할 수 있다는 것에 유의하여야 한다. 다른 응용예에서, 자가 작동 효과를 야기하지 않는 캐밍각 및 CF를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 경우, 기어 치형부는 더 큰 백분율의 총 토크를 제공할 수 있다.

로브형 기어

사인파 형상 기어 형태를 사용하는 비교적 단순한 기어 치형 프로파일에 의해 합리적인 성과가 나타났었다. 이러한 형상은 순수한 사인파 또는 로브를 형성하는 일련의 연결된 호들과 같은 근사적인 사인파일 수 있다. 충분히 많은 수의 로브에 의해, 치형부의 높이는, 매끄러운 구름 접촉을 위해 반경 방향으로 로브의 팁 및 루트에 충분한 표면 영역을 제공하면서, 기어 치형부들 사이의 활주 운동을 감소시키기에 충분히 짧다. 예를 들어, 로브 높이는 기어, 예를 들어 내부 유성 기어(16) 또는 외부 유성 기어(18)의 반경의 1/20, 1/30 또는 1/40 미만일 수 있다. 높은 나선각의 사용은 접선 방향으로의 일관된 반경방향 접촉 및 일관된 토크 전달 표면 영역을 제공한다. 이러한 로브형 형상이 본 장치(10)의 자가 캐밍 기하학적 구조와 함께 사용될 때, 견인각은 얼마나 많은 토크 전달이 접선방향 접촉에 의해 제공되는지를 그리고 치형부 팁과의 반구름 접촉에서 치형부 루트의 견인을 통해 얼마나 많이 제공되는지를 결정할 것이다.

토크 전달

본 장치(10)의 실시예는 플라스틱으로 구성될 때에도 강성인 토크 전달을 제공한다. 본 장치(10)의 실시예의 회전 강성 잠재력은 종래의 유성 기어 트레인으로부터 가능한 것보다 훨씬 높은 것으로 여겨진다. 이는 토크가 내부 유성체(16) 및 외부 유성체(18)를 따라 거의 직선을 따라 내부 기어(16)로부터 외부 기어(18)로 전달되기 때문이다. 이러한 직선 토크 전달은 도 9의 단순화된 FEA 분석에 나타나 있다. 화살표가 도 9에 더 밝은 음영으로 도시된 응력 라인(110)을 표시하기 위해 추가되어 있다.

증가된 반경방향 프리로드는 강성을 증가시킬 수 있지만, 구름 마찰을 또한 증가시킬 수 있다. 증가된 구름 마찰이 항상 유익한 것은 아니지만, 증가된 구름 마찰이 도움이 될 수 있는 경우가 있다. 예를 들어, 기계가공 시, 공구 부하 또는 진동의 결과로서 기어박스의 역구동(backdriving)을 방지하는 것이 바람직하다. 안전 브레이크가 필요한 응용과 같은 다른 사용에서, 높은 프리로드가 소정의 역구동 토크 미만에서 기어박스를 역구동가능하지 않게 하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 이는 전류에 의해 맞물림해제되어야 하는 브레이크의 비용 및 복잡성 및 전력 소비를 감소시킨다.

입력 링을 갖는 실시예

일례에서, 장치의 자가 작동 부분은 복수의 이격된 내부 유성체들(16)(예컨대, 17개의 동일하게 이격된 내부 유성체들(16)) - 이는 이어서 대응하는 개수의 이격된 외부 유성체들(18)(예컨대, 17개의 동일하게 이격된 외부 유성체들(18))과 맞물림 - 과 맞물리는 내부 고정 태양 기어를 포함한다. 이어서, 외부 유성체(18)는 외부 링의 레이스와 맞물린다. 이러한 스테이지의 입력이 유성체들(16, 18)의 궤도인 한편, 출력은 외부 링의 운동이다. 입력 스테이지는 유성 기어를 사용함으로써 자가 작동 스테이지 내의 유성체들(16, 18)을 구동시킨다. 이러한 스테이지는 태양 기어를 입력으로서 사용하고, 유성체 회전을 출력으로서 사용하고, 아이들러 외부 링을 사용한다. 예시적인 실시예에서, 45° 나선각이 각각의 기어에 대해 헤링본 구성에서 사용되지만, (헤링본 구성으로 제공되든, 연속 나선 구성으로 제공되든, 가변 나선각 구성으로 제공되든, 스퍼 기어 구성으로 제공되든, 그리고/또는 그 외 유사 구성으로 제공되든 간에) 다른 나선각도 사용될 수 있다.

45° 나선각을 갖는 본 실시예에 사용되는 기어 치형부의 직경 및 개수가 표 1에 나타나 있다.

[표 1]

본 장치의 실시예의 견인 및 기어형 구성이 공개된 특허 출원 WO2013173928A1호에 기재되어 있다. 본 명세서에서 논의되는 바와 같은 다양한 실시예들은 유성체들을 (원주방향으로 그리고 축방향으로) 동일하게 이격되게 유지하기 위한 효과적인 방식, 비대칭 입력을 통해 부품 개수를 최소화하는 방식들, 및 내부 또는 외부 유성체 어레이에 대한 비대칭 태양 링 입력을 통해 감속비를 증가시키는 단순화된 방식을 포함하는 이점을 제공하도록 기어형 입력 및 기어 치형 프로파일들 및 구성을 사용하는 구성을 포함한다.

도 10 및 도 11은 각각 기어박스(40)의 일 실시예의 등각 정면도 및 등각 배면도를 도시한다. 알 수 있는 바와 같이, 내부 기어(42) 및 외부 기어(44)가 있고, 내부 기어(42) 상에 헤링본 형상의 기어 치형부(46) 및 외부 기어 상에 맞물린 헤링본 형상의 기어 치형부(48)를 갖는다. 이러한 실시예에서 단지 내부 기어(42)만이 기어박스의 후방으로 연장된다. 외부 레이스(50)는 유성 기어를 구동시키고, 내부 기어(42)는 상이한 크기의 내부 레이스(52, 54)와 접촉하여 하나의 내부 레이스(52)를 다른 내부 레이스(54)에 대해 구동시킨다.

축방향 외향 태양 기어 입력부

유성체와 링 기어 사이의 기어 접촉의 사용은 그들을 원주방향으로 동일하게 이격되게 유지한다. 더욱이, 소정 실시예에 따르면, 헤링본 기어 또는 로브 치형부의 사용은 축 방향으로의 기어의 이동을 방지한다. 이는 기어가 내부 고정 기어 및 외부 출력 기어의 반경 방향 및 축(스러스트 베어링) 방향 둘 모두로의 상대 위치에 대한 베어링으로서 사용될 수 있게 한다.

더욱이, 헤링본 기어 또는 로브의 이러한 조합은 장치(10)의 반경방향 축을 중심으로 하는 유성체의 유의한 비틀림 없이 기어박스의 단지 하나의 측부로부터 내부 또는 외부 유성체들을 구동시키는 능력을 제공한다. (여기에 이러한 부분 조립 스케치로 도시된 바와 같이) 외부 유성체(92)에 고정된 또는 내부 유성체(94) - 그것이 고정되는 유성체와 동일하거나 상이한 피치 직경을 가짐 - 에 고정된 도 12의 기어(90)를 사용함으로써, 태양 기어(96) 입력의 사용을 통해 감속(또는 역(reverse)의 경우 속도 증가) 비가 증가될 수 있다. 이러한 일방(one-sided) 구동부는 또한, 그가 나선형으로 정렬된 둘 이상의 어레이 대신에 단일 기어 어레이의 사용을 허용하기 때문에, 조립에 유익하다. 이들 헬리컬 기어는 조립 동안 서로 나사결합되어야 하고, 따라서 축 방향으로의 한 세트의 유성체들만 갖는 것은 내부 고정 링 기어 및/또는 외부 출력 기어가 2개의 피스로 제조되고 장치(10)의 서로 반대편인 축방향 단부들로부터 서로 나사결합되게 한다.

본 장치의 비제한적인 예시적인 실시예가 조립될 수 있는 방법의 일례에서, 하기는 여기에 기술된 원리에 따라 기하학적 구조가 생성되는 경우에 장치가 조립될 수 있는 한 가지 방식을 기술한다.

조립

도 13 및 도 14는 각각 도 12의 장치의 분해도 및 절취도이다. 도 12에 나타낸 부품들이 또한 도 13에 있다. 더욱이, 외부 유성체의 임시 정렬을 위한 핀(98); 핀을 수용하기 위한 구멍(102)을 갖는 외부 출력 기어(100); 입력 태양 기어(96)와 조합하는 입력 태양 링(104); 및 고정 태양 기어(108)와 조합하는 고정 태양 링(106)이 있다.

조립 순서는 다음과 같으며, 도 14에 단계 번호를 갖는 박스로 표시된다. 단계(1)에서, 외부 유성체들(92)이 외부 출력 기어(100) 내로 삽입된다. 이들은 설치될 제1 구성요소들이기 때문에, 반경방향 운동을 통해 외부 유성체(92)를 외부 출력 기어(100) 내로 배치하기에 충분한 반경 방향의 공간이 존재하여 외부 출력 기어 및 외부 유성체가 각각 헤링본 맞물림에도 불구하고 하나의 피스 구성요소로서 구성될 수 있다. 단계(1A)에서, 핀(98)은 외부 유성체(92) 내의 구멍 및 외부 출력 기어(100) 내의 구멍(102)을 통해 삽입된다. 이들 핀은 임시 정렬을 위한 것이고, 더 이상 필요하지 않을 때 제거될 수 있다. 단계(2)에서, 입력 태양 링(104)이 삽입되고, 외부 유성 기어(92)에 고정된 기어(90)의 제1 반부와 맞물린다. 단계(3)에서, 내부 유성체(94)가 설치된다. 이는 또한 반경방향으로 삽입될 수 있다. 단계(4)에서, 고정 태양 링(106)이 설치되고 내부 유성 기어(94)의 일부분과 맞물린다. 단계(5)에서, 고정 태양 기어(108)가 삽입되고 내부 유성 기어(94)의 다른 부분과 맞물린다. 고정 태양 링(106) 및 고정 태양 기어(108)는 서로 고정될 수 있다. 단계(6)에서, 입력 태양 기어(96)가 삽입되고 입력 태양 링(104)에 고정될 수 있다.

이러한 비제한적인 예시적인 실시예를 동작시키기 위해, 태양 기어를 돌리고 내부 링을 유지하는 것은 외부 링이 대략 7:1의 감소된 비로 회전하게 할 것이다.

여기에 도시된 바와 같은 외부 유성체 직경보다 큰 기어에 의해 입력된, 여기에 도시된 바와 같은, 태양 기어에 의해 외부 유성체가 구동되는 경우, 고정 링 기어의 OD보다 큰 더 큰 태양 입력 링 기어의 최소 치수를 갖는 것이 바람직하다. 이러한 방식으로, 기어박스의 조립은, 내부 태양 기어 링 부재(2)가 전술된 바와 같이 내부 평면으로부터 외향으로 더 큰 태양 입력 유성 기어 상에 나사결합된 후에 내부 고정 링의 2개의 반부(4, 5)가 유성체들의 내부 행의 양 측부로부터 서로 "나사결합"될 수 있기 때문에 가능하다. 추가로, 내부 고정 링의 OD가 태양 입력 링의 1/2보다 작은 경우, 태양 입력 링 기어 조립체는 헤링본 프로파일일 수 있어서, 이는 베어링을 필요로 하지 않는다. 태양 입력 링의 내부 반부는 옐로우(yellow) 내부 유성체가 삽입되기 전에 조립체의 내측으로부터 태양 기어 입력 유성 기어와의 맞물림 상태로 "나사결합"될 수 있고, 이어서 유성체의 내부 (옐로우) 행이 삽입되고 내부 고정 기어 헤링본의 2개의 반부가 양 축방향 단부들로부터 조립된 후에 태양 기어 헤링본의 다른 반부가 태양 기어의 제1 반부에 볼트체결된 외측으로부터 나사결합될 수 있다.

이러한 구성은 조립체가 축방향으로 완전히 구속되게 할 것이지만, 그러한 구성은 대칭형 헤링본 배열이 아니기 때문에 유성체에서 보여지는 바와 같은 축방향 부하들의 균형을 반드시 맞추어야 하는 것은 아니다.

유성체들에 대한 축방향 부하들을 최소화하기 위해, 3개의 설계 구속조건들 중 하나가 구현될 수 있다:

기어의 나선각이 각각의 기어의 축방향 길이를 따라 일정하게 유지되는 실시예에서, 내부 유성체와 고정 태양 기어 사이의 기어 맞물림은 내부 유성체와 고정 태양 링 사이의 기어 맞물림에 대해 상이한 길이를 갖고, 외부 유성체와 입력 태양 기어 사이의 기어 맞물림은 외부 유성체와 입력 태양 링 사이의 기어 맞물림에 대해 상이한 길이를 갖는다. 이들 길이는 축방향 힘을 감소시키도록 선택될 수 있다.

축방향 길이가 일정하게 유지되는 실시예에서, 내부 유성체와 고정 태양 기어 사이의 기어 맞물림은 내부 유성체와 고정 태양 링 사이의 기어 맞물림에 대해 상이한 나선각을 갖고, 외부 유성체와 입력 태양 기어 사이의 기어 맞물림은 외부 유성체와 입력 태양 링 사이의 기어 맞물림에 대해 상이한 나선각을 갖는다. 이들 길이는 축방향 힘을 감소시키도록 선택될 수 있다.

나선각도 축방향 길이도 일정하게 유지되지 않는 실시예에서, 내부 유성체와 고정 태양 기어 사이의 기어 맞물림은 내부 유성체와 고정 태양 링 사이의 기어 맞물림에 대해 상이한 길이 및 나선각을 갖고, 외부 유성체와 입력 태양 기어 사이의 기어 맞물림은 외부 유성체와 입력 태양 링 사이의 기어 맞물림에 대해 상이한 길이 및 나선각을 갖는다. 이들 길이는 축방향 힘을 감소시키도록 선택될 수 있다.

기어 조합

이러한 장치(10)의 잠재적인 이점들이 많지만, 이때, 완벽한 기어 맞물림을 제공하는 공지된 기어 조합은 없다는 것을 본 발명자들이 보여주었다. 각각의 솔루션은 기어 직경, 모듈, 맞물림 접촉 등과 같은 하나 이상의 파라미터에서 약간의 오차를 갖는다.

일부 기어장치 솔루션은 개별 기어 부품들의 제조 허용오차보다 작을 오차를 갖는다. 그러나, 그러한 낮은 오차를 갖는 솔루션의 수는 제한되며, 추가의 솔루션을 갖는 것이 바람직하다.

지금까지, 유성체 개수 및 유성체와 기어 링 상의 기어 치형부 개수의 1억 이상의 조합이 발견된 완벽한 솔루션이 없이 시험되었다. 이는 가능성들이 적어도 불완전한 가능성들로 좁아지는 것이 필요하였다.

사용가능한 조합을 선택하기 위한 구속조건은 하기를 포함한다:

태양체와 외부 링의 직경 차이는 2:1 초과의 내부 고정 링과 외부 출력 링 사이의 감속비를 제공하기에 충분히 크다(유성체의 2개 궤도는 출력 링의 1 이상의 회전을 야기함). 유성체 개수가 최소 5 내지 최대 30의 범위에 있지만, 이러한 범위의 유성체들 이상의 추가 솔루션이 있다.

0.7 mm 초과의 기어 치형 피치(이는 사출 성형을 포함하는 통상의 기어 제조 방법에 의한 제조를 허용하는 것임).

대략 89.25 mm의 외부 링 OD를 상수(constant)로 설정하였고, 기어 직경이 필요에 따라 더 크거나 더 작은 직경으로 스케일링(scaling)될 수 있다는 것을 알고 있다. 응용에 의해. 이러한 직경은 로봇 시장에서 유용한 크기의 하나로 선택되었다.

단지 완벽하지 않은 솔루션만이 발견되었다. 기어 조합에서의 불완전함은 기어 치형부의 불완전한 정렬 또는 맞물린 기어들의 모듈의 불일치 중 어느 하나로서 나타난다. 전형적으로, 유성체의 내부 행은 내부 고정 기어와 잘 맞물릴 것이고, 유성체의 외부 행은 외부 출력 링 기어와 잘 맞물릴 것이지만, 내부 유성체 치형부는 외부 유성체 행 기어들과 오정렬될 것이다. 어느 정도의 오정렬은 재료의 순응성/가요성(및 구성된 구성요소의 결과적인 순응성/가요성)으로 인해 허용될 수 있지만, 오정렬이 커질수록, 기어박스의 토크 전달 능력이 더 낮아지고 기어들 사이의 간섭으로 인해 마찰이 더 커진다.

더 많은 수의 더 작은 치형부의 사용은 잠재적인 옵션의 개수를 증가시키지만, 작은 기어 치형부는 제조 및 조립을 더 어렵게 하고 작은 치형부는 또한 일부 경우에 토크 전달을 감소시킬 수 있다.

더 적은 유성체의 사용은 유성체들의 제조성을 증가시키지만, 더 많은 유성체들은 부하가 유성체들 사이에서 공유된다고 가정하면 더 큰 최대 토크를 허용하여 추가 솔루션을 제공한다.

이들 모든 고려사항이 고려되면, 사용가능한 조합의 수는 의외로 낮다. 유성체-대-유성체 맞물림이 주어진 옵션에 대해 얼마나 오정렬되는지를 나타내는 지수와 상이한 옵션을 비교하기 위해 부정확도 지수가 사용되었다.

잠재적으로 사용가능한 구성은 RMS 오차 계수가 0.0004 미만인 그러한 솔루션으로 제한되었고, 하기 표에 나타나 있다. 나타낸 것보다 더 높은 오차 계수가 소정 응용에 적절할 것이다. 더욱이, 도시된 구성은 치형부의 개수를 일정하게 유지하면서 기하학적으로 스케일링될 수 있다.

아래의 표 2에 나타낸 데이터 내에 반영된 오차 계수는 각도 오차 및 직경 오차 둘 모두를 고려한다. 주어진 비는 입력이 입력 태양체의 회전이고 내부 링이 고정된 상태로 유지되고 외부 링이 출력부인 것으로 가정한다.

[표 2]

(예컨대 3D 인쇄에 의한 제조를 허용하는) 적어도 1 mm의 기어/로브 치형부를 위해 선택하고 오차 계수를 최소화하여, 알고리즘에 따른 발견 분석(discovery analysis)은 검토된 수억 개의 가능성으로부터 단지 수백 개의 긍정적인 옵션을 생성하였다.

다른 덜 이상적인 옵션이 나타나 있다.

동상(in phase) 및 이상(out of phase) 둘 모두인 기어가 기어 조합에 포함된다. 이상 기어를 포함하는 것은 단지 동상 솔루션과 비교할 때 솔루션의 수를 상당히 증가시킨다. 더욱이, 오차 계수는 이상 솔루션에서 더 낮은 경향이 있다. 이상은, 출력의 주어진 회전 위치에 대해, 동일한 링 기어와 맞물리는 다른 피니언과 비교하여, 피니언이 기어 치형부 맞물림의 상이한 위상에서 링 기어와 맞물리는 구성을 지칭한다.

소정 실시예에서, 프로파일 시프트를 받는 다양한 기어 표면들 상에 기어 치형부를 제공함으로써 서로에 대해 적절하게 이동하는 구성요소들을 갖는 기능적 기어박스(functional gearbox)를 제공하기 위해 더 높은 오차 계수들이 수용될 수 있다. 프로파일 시프트의 개념을 이용하여, 2개의 맞물린 기어들 사이에 조절된 중심 거리를 갖고/갖거나, 너무 적은 치형부를 갖는 기어 내의 언더컷을 포함하는 조절된 설계를 갖고/갖거나, 기어 맞물림 시 조절된 양의 활주를 갖는 기어들이 설계될 수 있다. 그러한 경우, 동일한 공구가 기어를 제조하는 데 사용될 수 있지만, 그의 기어의 중심 축에 대한 배치가 변경된다. 이는 도 15에 도시된 바와 같이 약간 상이한 치형부 형태를 생성한다.

프로파일 시프트를 사용함으로써, 그렇지 않으면 장치를 기능적이지 않게 할 수 있는 기어장치 조합들에 의해서도, 장치의 기능을 유지하면서, 더 높은 오차 임계치가 본 명세서에서 논의되는 바와 같은 장치를 위한 기어박스 솔루션을 생성하는 데 사용될 수 있다.

프로파일 시프트는 또한 기어 맞물림 시 발생하는 활주의 양을 조절함으로써 기어 맞물림에서의 효율을 최적화하는 데 사용된다. 특정 활주를 최소화함으로써, 각각의 기어 치형부는 맞물림 시 가장 작은 양의 활주를 가질 것이어서, 효율을 증가시키고 마모 고장에 의한 잠재적인 문제를 최소화할 것이다. 대체적으로, 이는 한 쌍의 기어들 중 하나의 기어의 프로파일을 내향으로(-x) 시프트시키면서 정합하는 기어의 프로파일을 외향으로(+x) 시프트시킬 것이다. 대부분의 응용예에서 이러한 시프트들의 합은 시스템이 전체적으로 잘 작동하기 위해 0에 매우 가까운 경향이 있다.

본 명세서에서 논의되는 바와 같은 실시예에 따라 제공되는 자가 작동 기어박스의 장치에서, 이러한 시프트들의 합은 기어박스 솔루션에서 오차의 양과 관련된다. 그러나, 설계 내의 기어들의 프로파일 시프트들의 합의 크기는 기능적 자가 작동 기어박스를 제공하면서 증가된 오차 계수들을 수용하도록 증가할 수 있다. 포함된 시프트들을 고려하면, 인접 기어들 사이의 기어 맞물림은 전형적인 기어박스에서와 같이 그의 특정 활주를 위한 최적 지점을 유지한다. 본 명세서에서 논의되는 바와 같은 실시예에서, 유사한 치수를 갖는 전형적인 유성 기어박스에 비해 상당히 더 많은 기어 맞물림들이 있으며, 이는 일단 오차가 프로파일 시프트에 대해 고려되면, 하나의 기어에서의 임의의 추가 시프트가 모든 다른 기어에서의 상호보완적인 시프트에 대응할 것임을 의미한다. 이와 같이, 기어 맞물림들은 특정 활주에 대해 개별적으로는 아니지만 전체적으로는 최적화된다. 이는 기어 맞물림에서의 오차로 인한 프로파일 시프트가 다수의 기어 맞물림들 사이에서 확산되는 것을 허용하는 추가된 이점을 갖는다.

소정의 예시적인 실시예에서, 유성 기어에는 양의 프로파일 시프트가 제공되어 각각의 포함된 기어 치형부의 압력각을 효과적으로 증가시키고 각각의 치형부의 루트에서의 응력 집중을 감소시켜 유성 기어의 수명을 증가시킬 수 있다.

시험 스탠드

출력 토크 능력을 시험하기 위해, 별개의 구성요소들을 설계하고 3D 인쇄하여 기어박스의 고정 및 입력 구성요소에 고정시켰다. 도 16은 레버 아암 상의 질량체를 기어박스에 연결하고 질량체를 들어올리기 위해 필요한 토크를 측정하는 데 사용되는 토크 시험 장비를 도시한다. 도 16에 도시된 바와 같이, 1 ft 레버 아암(112)을 출력 외부 링에 연결하여 기어박스의 출력을 로딩하고, 출력 토크를 부착 지점(114)에 부착된 질량(도시되지 않음)에 아암의 길이를 곱한 것으로서 계산하였다. 렌치(도시되지 않음)를 장치를 통한 토크 전달을 위해 아암의 입력부(116)에 부착하였다.

아이들러 링

도 17에 도시된 바와 같이, 더 큰 기어(90) 상의 더 큰 직경의 외부 유성 기어 치형부 둘레의 아이들러 링(118)이 삽입되어 기어에 동력공급될 때 유성 기어와 입력 태양 기어 치형부 사이의 분리를 방지할 수 있다.

대칭 구성

유성체의 굽힘을 방지하기 위해, 자가 작동 기어는 도 18 및 도 19에 도시된 바와 같이 입력부의 어느 일 측부 상에 위치될 수 있다. 이러한 구성은 유성체가 기어박스의 중심 축에 평행하게 유지되는 것을 보장한다. 외부 입력 링(120)이 양 측부 상에서 고정 링(122)에 의해 둘러싸이고 내부 유성 기어(124)와 맞물려 내부 유성 기어(124)를 구동시킨다. 내부 유성 기어(124) 및 외부 유성 기어(126)는 고정 링(122)에 대해 출력 태양 링(128)을 구동시키기 위해 2개의 행 유성체 시스템을 형성한다.

주 유성체 직경에서의 입력 링 맞물림

도 20은 일방 입력 자가 작동 기어박스의 비제한적인 예시적인 실시예의 등각 절취도를 도시한다. 여기서 고정된 링인 내부 링(130)이 기어형 내부 유성체(132)의 어레이와 접촉한다. 여기서 출력 링인 외부 링(134)이 또한 기어형 외부 유성체(136)의 어레이와 기어 접촉하고, 기어형 외부 유성체(136) 각각은 2개의 기어형 내부 유성체(132)와 접촉한다. 입력 토크가 기어형 입력 링(138)을 사용하여 공급된다. 도시된 실시예에서, 기어형 입력 링(138)은 외부 유성체와 기어 접촉하는 반경방향 외향 대면 부분을 갖는다. 본 실시예에서, 외부 유성체(136)는 내부 유성체(132)와 맞물리는 제1 부분(140) 및 입력 링(138)과 맞물리는 제2 부분(142)에서 동일한 직경을 갖는다. 제1 부분(140) 및 제2 부분(142) 둘 모두는 외부 링(134)과 맞물린다. 여기서, 제1 및 제2 부분들은 유성체(136)의 각각의 단부를 포함하지만, 도 19에 도시된 것과 같은 대칭 배열이 또한 사용될 수 있다. 외부 링 기어와 외부 유성체의 그의 길이 전체를 따른 맞물림은 유성체들이 정렬되게 유지하도록 돕는다. 도시된 실시예에서, 단일 기어 맞물림이 제1 부분(140) 및 제2 부분(142) 둘 모두를 커버하지만, 이들 부분은 또한 별개의 기어 맞물림을 가질 수 있다. 도시된 실시예는 직선 절단 기어(straight cut gear)를 갖지만, 전술된 바와 같은 헤링본 기어뿐만 아니라, 헬리컬 기어도 또한 사용될 수 있다. 실시예들의 기어형 표면들 상의 모든 나선들이 동일한 헬리컬 기어들은 기어형 구성요소들이 서로에 대해 나사결합하여 조립되는 것을 가능하게 한다. 본 명세서에서 논의되는 바와 같이, 축방향 힘은 헬리컬 기어가 사용되는 경우 종래의 유성 기어박스와 동일한 방식으로 생성되지 않는다.

소정 실시예에서, 기어박스는 일방 입력뿐만 아니라 단일 헬리컬 치형부 패턴(헤링본 패턴이 필요하지 않음)을 가질 수 있다. 입력부는 본 실시예에서 외부 유성체를 구동시키고, 유성체는, 하나가 고정되고 다른 하나는 출력부인 내부 및 외부 링들의 차동 이동을 야기한다.

헬리컬 기어는 전형적으로, 기어의 축방향 위치를 유지하기 위해 스러스트 베어링 또는 반대편 나선각(헤링본 패턴)을 필요로 한다. 그러나, 이들은 공간 및 중량을 필요로 한다. 축방향으로 부유하는 헬리컬 기어를 포함하는 본 명세서에서 논의되는 바와 같은 실시예는 사용 동안에 축방향 위치 안정성을 나타내는 것으로 밝혀졌다. 본 발명자들은 유성 샤프트 없이 이중 행의 유성 기어들을 갖는 자가 작동 기어박스 구성이, 유성체 상의 하나의 기어 맞물림에서의 축방향 힘이 각각의 유성체 상의 다른 기어 맞물림에서의 대향 헬리컬 계면에 의해 상쇄되는 (대항하게 되는) 상황을 만든다는 것을 발견하였다. 즉, 내부 유성체로부터의 외부 유성체 상의 축방향 힘이 외부 링으로부터의 외부 유성체 상의 축방향 힘으로 상쇄되고, 외부 유성체로부터의 내부 유성체 상의 축방향 힘이 내부 링으로부터의 내부 유성체 상의 축방향 힘으로 상쇄된다. 그 결과는 유성 기어박스가 단일 행의 유성체들을 갖는 경우보다 유성체 상의 축방향 힘이 훨씬 더 작다.

유성체 상의 축방향 힘들이 상쇄되는 한편, 입력, 내부, 및 외부 링들 상의 축방향 힘들은 상쇄되지 않고, 예를 들어 스러스트 베어링과 같은 다른 요소가 이러한 요소 상의 축방향 부하를 견디는 데 사용될 수 있다.

단일 각 나선의 유의한 이점은 기어박스가 조립될 수 있다는 것이다. 헤링본 패턴은 불가능하지 않다면 조립하기가 매우 어렵다. 단일 나선각은 기어들이 축방향으로 함께 활주되게 하고 축방향 힘들의 상쇄는 이들이 샤프트 또는 베어링 없이 작동하게 한다.

토크가 입력 링(138)에 인가될 때, 각각의 유성체에 대한 그의 개별 축을 중심으로 하는 회전 토크 전달에 더하여, 외부 유성체(136)로 전달되는 비틀림 부하(torsional twisting load)가 존재한다. 유성체의 2개의 행을 통해 내부 링(130)과 외부 링(134) 사이의 자가 작동(또는 캐밍) 효과의 결과로서, 유성체의 2개의 행 상의 기어 및 내부 링(130)과 외부 링(134)은 장치의 토크 출력이 증가함에 따라 비례하여 더 강한 맞물림으로 강제된다. 외부 기어형 유성체의 소정의 길이 및 소정 감속비에서, 기어들이 서로 맞물리게 하는 자가 작동 효과는 입력 태양 기어(138)로부터의 입력의 비틀림 효과보다 외부 유성체에 대해 더 큰 직선화 효과를 가질 것이다. 최장 유성체의 길이는 축 방향으로의 장치의 전체 폭에 대응할 수 있다. 폭과 감속비의 이러한 조합은, 내부 링(130)으로부터 외부 링(134)으로 전달되는 출력 토크의 결과 - 이는 기어들이 비틀어지게 할 수 있는, 기어들이 맞물림해제되게 하는 기어들의 분리력보다는 오히려 기어들이 맞물리도록 미는 캐밍 효과를 야기함 - 로서, 토크가 입력 기어(138)에 가해질 때 외부 링(134)과 외부 유성체(136)의 맞물림이 외부 유성체(136)를 직선화하는 것을 보장하도록 당업자에 의해 계산될 수 있다. 기어박스의 기어비 때문에, 입력 기어(138)에 대한 입력 토크는 유성체(136, 132)를 통해 전달되는 토크보다 상당히 더 낮을 것이다. 7:1의 비로, 입력 토크는 출력 토크의 대략 1/7일 것이다. 결과적으로, 외부 유성체(136) 내의 우세한 힘은 내부 링(130)으로부터 외부 링(134)으로의 토크 전달로 인한 부하일 것이다. 캐밍 효과로부터의 반경방향 부하 성분은 외부 유성체(136)의 접촉하는 기어 치형부가 외부 링(134) 내의 대응하는 기어 치형부 내로 반경방향으로 가압되는 것을 보장한다. 이러한 반경방향 부하는 입력 기어(138)로부터의 입력 토크로 인한 비틀림 효과에 대항하는 직선화 효과를 야기한다. 이러한 효과는 기어 내의 반경방향 부하의 결과적인 증가로 인한 더 높은 캐밍각 또는 기어 치형부에서의 더 높은 압력각에 의해 더 강하다.

피니언 길이 대 유성체 직경의 종횡비가 클수록, 유성체는 태양 링 입력으로부터의 비틀림력의 결과로서 비틀릴 가능성이 더 적다. 이러한 관계는 두 가지 이유로 존재한다. 대체적으로 말하면, 주어진 기어박스 OD와 폭에 대한 종횡비가 클수록, 피니언 직경은 더 작아지고 그에 따라 감속비가 더 커진다. 대체적인 경향으로, 감속비가 높을수록, 태양체의 입력에 의해 발생되는 감소된 비틀림력과 비교하여 피니언과 링 사이에 더 깊은 맞물림을 생성하는 데 사용될 수 있는 피니언에 대한 반경방향 힘은 태양 링 입력에서 더 낮은 토크를 필요로 하는 증가된 감속비 때문에 더 커지고, 그에 따라서 정렬 효과가 더 커진다. 이러한 이유로, 1:1, 1.5:1, 2:1, 2.5:1, 3:1, 3.5:1, 4:1 초과의 유성체 길이 대 직경 비는 기어박스가 태양 입력부로부터 출력 링으로 토크를 전달하고 있을 때 피니언이 자가 정렬되게 하기에 적합하다고 여겨진다.

더욱이, 유성체 길이와 유성체 직경 사이의 높은 종횡비는 유성체들 상의 기어 치형부의 낮은 나선각이 높은 접촉 비(기어 맞물림 중첩)를 여전히 달성하게 한다. 더 낮은 나선각은 축방향 힘을 더 감소시킨다.

종횡비는 2:1 초과일 수 있고, 3:1 이상, 4:1 이상, 5:1 이상, 6:1 이상, 7:1 이상, 8:1 이상, 9:1 이상, 또는 10:1 이상일 수 있다. 일 실시예에서, 유성체는 적어도 4:1의 종횡비를 포함한다.

단일 행의 유성체들을 갖는 전형적인 유성 기어박스에서, 기어가 비틀리고 토크 전달 능력을 상실하기 때문에 높은 종횡비는 이익이 감소할 것이다. 전형적인 기어박스 내의 더 긴 기어는 "강도저하 요인(knockdown factor)"을 겪는데, 이는 유성 캐리어가, 예를 들어, 비틀릴 것이고 유성체의 일 단부로의 토크 전달을 편의시킬 것이기 때문이다. 대조적으로, 본 명세서의 실시예에 따라 제공되는 자가 작동 기어박스는 토크를 순전히 반경방향으로 전달하고, 그에 의해 기어의 길이를 비교적 무의미한 것으로 만들고, 강도저하의 문제 없이 더 긴 유성체 길이를 가능하게 한다.

이러한 기어박스에서 기어의 비틀림 또는 뒤틀림이 없다는 사실은 예상된 토크 출력의 실질적인 감소 없이 아주 긴 유성체의 사용을 가능하게 한다. 도 21은 길어진 외부 유성 기어 길이를 갖고 이중 모터 입력을 포함하는 예시적인 기어박스 구성을 예시한다.

도 21 및 도 22에 도시된 실시예는 더 긴 유성체의 양 단부들에 태양체 입력부를 포함한다. 이는 2개의 모터가 하나의 기어박스를 대칭으로 구동시키게 한다. 모터들은 외부 로터 설계를 갖고, 스테이터들은 폭이 넓은 내부 링에 고정된다. 구체적으로, 도 21에 도시된 바와 같이, 기어박스는 기어박스의 내부를 한정하는 모터 스테이터(301)를 포함한다. 모터 로터(302)는 모터 스테이터(301)를 둘러싸고, 외부 유성체(304)를 구동시키는 입력 링(303)에 단단히 고정된다. 이어서, 외부 유성체(304)는, 고정된 내부 링(306)에 맞물리고 그에 대해 이동하는 내부 유성체(305)를 구동시킨다. 외부 유성체(304)는 외부 링 출력부(307)를 추가적으로 구동시킨다.

앞서 도시된 바와 같은 모터가 포함된 기어박스는 또한, 예를 들어 하나 이상의 모터가 소형 내부 링 기어의 ID 내측에 위치된, 일방 구성으로 형성될 수 있다.

다른 실시예는 하나의 단부에 단지 하나의 태양 링을 포함한다. 이러한 구성에서, 2개의 개별 모터에 의해 구동되는 2개의 태양 링이 있다. 모터 스테이터는 이러한 구성으로 고정된 내부 링에 고정된다. 모터 로터는 입력 태양 링에 고정된다.

도 23 및 도 24에 도시된 바와 같은 다른 실시예에서, 스테이터(310)가 장치의 고정된 OD를 한정하는 외측 모터가 존재하고, 모터 로터(311)는 스테이터(310) 내측에 있고 장치의 외부 링으로서 구현된다. 도 23 및 도 24의 예시된 실시예에서, 장치는 장치의 서로 반대편인 축방향 단부들 상에 2개의 외부 링을 포함하고, 이때 각각의 외부 링은 통합된 모터 로터(311)를 갖는다. (모터 로터(311)를 포함하는) 외부 링은, 궤도를 돌고 내부 출력 링(314)을 구동시키는 외부 유성체(312)를 구동시킨다. 도 24에 구체적으로 예시된 바와 같이, 외부 유성체(312)는 복수의 출력 링(314), 또는 소정 실시예에서 단일 출력 링(314)을 구동시킬 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 그러한 실시예는 속도 증가 구성을 제공한다. 외부 유성체(312)는 추가적으로, 외부 유성체(312)와 함께 동작하여 기어박스의 자가 작동 기능을 제공하는 내부 유성체(313)와 함께 맞물려 회전한다. 내부 유성체(313)는 고정된 내부 링(315) 둘레에서 궤도를 돈다.

내측 및 외측 모터 구성 둘 모두는 또한, 장치의 외경을 둘러싸서 형성하는 외부 로터 대신 장치의 축방향 단부들 둘 모두에서 내부 로터를 포함할 수 있다.

도 25 내지 도 28은 입력 링(322)이 내부 유성체(323)를 구동시키는 대안적인 실시예를 예시한다. 도 25 내지 도 28에 예시된 실시예와 같은 속도 감속기에서, 내부 링(324) 또는 외부 링(320)은 출력부일 수 있다. 더욱이, 도 25 내지 도 28에 도시된 바와 같이, 다양한 실시예가 단일 입력 링(321) 또는 다수의 입력 링(321)(예컨대, 장치의 서로 반대편인 축방향 단부들 상에 각각 위치된 2개의 입력 링(321))을 포함할 수 있다.

도 25 내지 도 28의 예시된 실시예에서, (모터 스테이터로서 구현될 수 있는) 고정 출력 링(320)이 장치의 OD를 한정한다. 하나 이상의 입력 링(321)이 고정 출력 링(320)에 대해 회전하고 내부 유성체(323)를 구동시킨다. 내부 유성체(323)는 외부 유성체(322)에 대해 그리고 그와 함께 회전하여 장치의 자가 작동 기능을 제공한다. 이러한 외부 유성체(322)는 고정 출력 링(320)에 대해 회전한다. 내부 유성체(323)는 내부 출력 링(324)을 구동시킨다.

도 26에 구체적으로 도시된 추가 실시예에서, 단일 입력 링(321)만이 존재하여, 일 측에서 출력부를 제공한다. 입력 링이 없는 측부가 도 26의 등각도에 도시되고, 입력 링을 갖는 측부는 도 27에 도시되어 있다. 도 28은 2개의 입력 링(321)과 함께 사용하도록 구성된 예시적인 실시예를 도시하지만, 하나의 입력 링(321)이 장치의 유성체(322, 323)의 구성을 예시하기 위해 제거되어 있다.

내부 링(324), 외부 링(320), 및 중간 링(예컨대, 도 25 내지 도 28에 도시된 입력 링(321)) 중 임의의 하나는 입력부 또는 출력부일 수 있다. 입력 링도 출력 링도 아닌 나머지 링은 고정될 수 있다.

많은 작은 유성체를 갖는 실시예에서, 내부 링(324)과 외부 링(320)의 상대 운동은 내부 링(324) 및 외부 링(320)에 대한 중간 링(예컨대, 입력 링(321))의 상대 운동보다 훨씬 더 작다. 따라서, 중간 링이 고정될 수 있는 동안, 내부 링 및 외부 링 중 하나가 입력부이고 다른 하나가 출력부인 경우, 이러한 구성은 입력부 및 출력부보다 더 빠른 내부 이동 부품에 의해 작은 (거의 1의) 변속비(speed change ratio)로 이어질 것이고, 대체적으로 바람직하지 않다. 입력부 또는 출력부로서의 중간 링에 의해, 장치는 중간 링이 출력부이면 속도 증가기일 것이고 중간 링이 입력부이면 속도 감소기일 것이다.

다수의 중간 링을 갖는 경우, 입력부인 하나의 중간 링을 그리고 출력부인 하나의 중간 링을 갖는 것이 또한 가능하다. 내부 및 외부 링들 중에서, 하나는 고정될 수 있고, 다른 하나는 자유 회전할 수 있다. 이러한 배열에 의해, 중간 링들 중 하나가 내부 유성체에 연결되고 다른 하나가 외부 유성체에 연결되면, 1 이외의 기어비가 얻어질 수 있다. 이러한 기어비는 이러한 유성체의 크기를 가변시킴으로써 가변될 수 있다. 주목할 점으로, 중간 링이 유성체들과 상이한 직경에서 접촉하도록 유성체들이 그들의 축방향 길이를 따라 크기가 변하게 함으로써 더 많은 변형예가 얻어질 수 있다.

또한, 외부 링 및 내부 링 둘 모두는 이동가능할 수 있고, 기어박스는 이들 사이의 차이를 출력으로서 제공할 것이며, 이때 기어비는 내부 링과 외부 링의 이동에 좌우된다.

다른 가능성은 공구 출력 장치로서 자가 작동 기어박스를 사용하는 것이다. 구체적으로, 모터가 태양 기어 입력부에 부착되고, 내부 링이 시계방향으로 회전하는 샤프트에 부착되고 외부 출력 링이 반시계방향으로 회전하여야만 하는 샤프트에 부착되는 경우, 역전 차동 조인트가 생성될 수 있다.

예를 들어 외부 유성체 및 입력 링과 각각 맞물리는 제1 및 제2 부분들을 갖는, 일 실시예의 내부 유성체의 외측과 입력 링이 맞물리는 경우 - 둘 모두의 부분들은 내부 링과 맞물림 -, 동일한 원리가 적용될 것임이 이해된다.

이러한 설계는 직선 절단 기어 치형부, 헬리컬 기어 치형부, 로브, 마찰 표면, 또는 다른 프로파일을 이용할 수 있다.

전술된 것과 유사한 직선 절단 기어 치형부 설계는, 헤링본 설계와 비교할 때 상당히 더 낮은 부품 개수, 및 기어가 일측으로부터 조립체 내로 삽입되게 하는 설계에 의해, 조립에 유리할 수 있다.

직선 절단 기어 치형부 설계는 헤링본 설계와 같은 유성체에 대한 축방향 구속부를 갖지 않고, 따라서 유성체를 축방향으로 구속하기 위한 일부 메커니즘을 필요로 한다. 이러한 설계는 유성체가 기어박스 외부로 축방향으로 부유하는 것을 방지하기 위해 어느 한 축방향 단부 상에 펜스(도 20에 도시되지 않음)를 사용한다. 유성체의 축방향 단부를 크라우닝(crowning)하고 윤활을 부가함으로써, 마찰로 인한 손실은 최소화된다.

유성 기어를 축방향으로 위치시키기 위해 베어링 및 샤프트가 장치의 일부 구성에 사용될 수 있다. 일부 구성, 특히 더 작은 장치의 경우에는, 임의의 베어링 또는 샤프트를 유성체에서 제거하는 것이 바람직하다.

이러한 경우, 기어가 헬리컬 기어든 직선 절단 기어든 간에, 축방향 위치선정 방법이 요구된다. 장치를 통한 기어에 대한 축방향 위치선정 방법을 제공하기 위한 하나의 가능한 구성이 도 29 내지 도 36에 도시되어 있다. 도 29 내지 도 36의 실시예는 하나 이상의 링 기어(예컨대, 외부 링(330), 내부 링(334), 입력 링(331))의 단부에 있는 펜스(예컨대, 내부 펜스(337, 338) 및/또는 외부 펜스(339, 340))와 유성체(332, 333)의 단부 사이에 상대 만곡부를 포함한다. 유성체(332, 333)의 단부는 그의 축방향 단부 상에 구형 또는 반구형 섹션을 갖고, 펜스(예컨대, 내부 펜스(337, 338) 및 외부 펜스(339, 340))는 대응하는 반구형 형상을 갖는다. 유성체(332, 333)의 축방향 단부 또는 펜스(내부 펜스(337, 338) 및/또는 외부 펜스(339, 340))는 테이퍼형 섹션을 제공할 수 있지만, 펜스 및 유성체의 축방향 단부 둘 모두 상의 만곡된 프로파일이 이상적인 기능을 제공할 수 있다. 그러한 구성은 유성체가 펜스(내부 펜스(337, 338) 및/또는 외부 펜스(339, 340))와 접촉함에 따라 유성체(332, 333)의 축방향 단부 상에 원형 접촉 라인을 제공하며, 상기 원은 기어 치형부의 피치 직경에 가깝다. 이러한 구성은 축방향 힘을 접할 때, 예를 들어 (예컨대, 장치의 중심 축이 수직으로 위치되도록) 장치가 단부 상에 위치되고 중력이 유성체(332, 333)를 펜스들 중 한 쪽(예컨대, 내부 펜스(337) 및 출력 펜스(339), 또는 입력 측의 내부 펜스(338) 및 입력 측의 외부 펜스(340))을 향해 하향으로 당기고 있을 때, 높은 활주 속도 및 마모를 방지한다. 소정 구성의 유성체(332, 333)는 중공이고, 따라서 유성체(332, 333) 상의 이러한 접촉 원은 유성체(332, 333)의 관통 구멍의 ID와 유성체(332, 333)의 치형부의 루트 사이에 있을 수 있다.

여기에 도시된 실시예는 직선 절단 기어를 사용하지만, 펜스(337 내지 340)는 대안 실시예에서 헬리컬 절단 기어와 함께 작동가능하다.

도 29 내지 도 36의 예시된 실시예는 하우징(입력 측 하우징 부분(343), 출력 측 하우징 부분(342), 및 외부 하우징(344)뿐만 아니라 고정된 외부 링(330)의 외부 표면을 포함하는 하우징) 내에 둘러싸인 장치를 포함한다. 도 29는 도 30에 도시된 장치의 분해도를 구체적으로 예시한다. 도 31은 장치의 내부의 부분 단면도를 예시하고, 도 32는 하우징 구성요소가 제거된 단면도를 예시한다. 도 33은 (도 34에서 조립된 상태로 그리고 도 35에 단면도로 도시된) 기어장치 구성요소의 부분 분해도를 예시한다. 도 29 내지 도 36의 장치는 입력 커넥터(335)가 부착된 태양 입력 링(331)을 포함한다. 태양 입력 링(331)은 장치 내에서 중심에 위치되고 외부 기어형 표면을 갖는다. 태양 입력 링(331)은, 태양 입력 링(331) 둘레에서 궤도를 돌고 내부 유성체(333)를 구동시키는 외부 유성체(332)를 구동시킨다. 외부 유성체(332)는 고정된 외부 링(330)에 대해 맞물려 회전한다. 더욱이, 내부 유성체(333)는, 장치에 대한 출력부를 제공하는 내부 링(334) 둘레에서 궤도를 돌고 이를 구동시킨다. 내부 링(334)은 그에 연결된 출력부(336)를 가지며, 이는 (베어링 레이스(341)를 포함하는) 베어링 구성을 통해 하우징에 대해 회전한다. 예시된 실시예의 출력부는 출력 플레이트(345)와 추가로 연결되고, 이는 외부 하우징(344)과 함께 베어링 레이스(341)의 이동을 구속한다. 단면도에 구체적으로 도시된 바와 같이, 장치는 내부 유성체(333)의 이동을 축방향으로 구속하도록 구성된 내부 펜스(337, 338), 및 외부 유성체(332)의 이동을 축방향으로 구속하도록 구성된 외부 펜스(339, 340)를 추가로 포함한다.

더욱이, 도시된 바와 같이, 장치는 2개의 행으로 배열된 유성 기어들을 가지며, 본 실시예에서, 외부 유성체(332)는 내부 유성체(333)보다 축방향으로 더 길다. 내부 유성체(333)와 접촉하는 내부 펜스(338)는 내부 링(334)에 고정될 수 있고, 외부 유성체(332)와 접촉하는 외부 펜스(340)는 외부 링(330)에 고정될 수 있다. 예시된 실시예에서, 펜스들은 장치의 양 축방향 단부들에 제공된다. 예시된 바와 같은 실시예에서, 유성체(332, 333)가 입력 축방향 단부 상의 상이한 축방향 위치들로 연장되는 경우, 입력 축방향 측부 상의 내부 펜스(337) 및 외부 펜스(339)는 유성체들의 각각의 행들의 유성체들과 접촉하도록 상이한 축방향 위치들에 있을 수 있다.

펜스(337 내지 340)와 유성체(332, 333)는 서로 접촉하는 만곡된 면들을 가질 수 있다. 유성체(332, 333)의 축방향 단부들에서의 곡률은, 유성체(332, 333)의 단부 상의 접촉 원이 유성체 관통 구멍의 외측에 그리고 유성체 치형부의 루트의 내측에 있도록 펜스(337 내지 340) 상의 만곡부와 접촉한다. 그러한 실시예는, 펜스(337 내지 340)가 고정되거나 정지되어 있는 요소에 유성체(332, 333)가 접촉하는 곳 근처에서, 유성체(332, 333)의 피치 직경에 가까운 펜스(337 내지 340)와 유성체(332, 333) 사이의 접촉을 제공하여, 활주 속도가 최소화된다. 여기서, 펜스(337 내지 340)는 내부 링(334) 및 외부 링(330)에 고정되고, 유성체(332, 333)는 그들과 접촉한다.

부하 공유

전형적인 유성 기어박스에서, 3 초과의 유성체의 수는 매우 정밀한 공차 없이 부하를 고르게 공유하지 않을 것으로 예상된다. 자가 작동 기어박스는 3개 초과의 유성체 쌍들을 가지며, 유성체의 추가 강도를 가장 잘 사용하기 위해 부하 공유가 존재하는 것을 보장하기 위한 일부 메커니즘을 가져야 한다. 이러한 기어박스가 이용할 수 있는 몇몇 메커니즘이 있는데, 여기에 기술된 몇몇 비제한적인 메커니즘은 이러한 기어박스의 비정상적인 부하 분포를 이용한다.

자가 작동 기어박스에서의 부하 공유의 하나의 비제한적인 메커니즘은 유성체, 내부 링 또는 외부 링, 또는 이들의 임의의 조합의 반경방향 가요성이다. 전술된 유성체들의 캐밍 효과 때문에, 외부 링과 유성체와 내부 링 사이에서 전달되는 기어박스 내의 강한 반경방향 부하 성분이 존재한다. 이들 기어 중 임의의 것이 반경방향 가요성을 갖는 경우, 기어는 캐밍 효과의 반경방향 부하 하에서 압축될 수 있을 것이다. 이러한 가요성 때문에, 다수의 유성체들의 공차 대역(tolerance band)이 취해질 수 있어서, 유성체들이 부하를 공유하게 할 수 있다. 이러한 반경방향 가요성은 얇은 벽, 더 낮은 재료 강성, 또는 치형부들 사이의 반경방향 슬롯과 같은 기어 치형부 루트 연장부를 포함하지만 이로 제한되지 않는 다수의 특징부 또는 파라미터로부터 비롯될 수 있다.

다수의 유성체들 사이에 부하 공유가 존재하는 것을 보장하기 위해, 이전의 문헌들에서는 기어박스의 유성체에서 어떤 종류의 편향을 허용할 필요성에 대해 언급하였다. 이러한 편향은 기어 치형부 내의 언더컷 또는 얇은 벽의 기어와 같은 기하학적 구조에 기인할 수 있거나, 이는 기어들 중 하나 이상에서의 재료 강성에 기인할 수 있다.

다양한 실시예의 유성체의 전체 크기뿐만 아니라, 유성체의 반경방향 가요성을 가능하게 하는 비교적 얇은 벽(및 중공 내부)을 갖는 그러한 유성체를 제공하는 능력은 소정 실시예에서 부하 공유를 가능하게 하기 위해 유성체의 적절한 가요성을 제공한다. 유성체는 강철과 같은 강성 재료로 제조될 수 있지만, 얇은 벽(및 중공 내부)을 갖고 부하 하에서 편향되어 나머지 유성체가 연관된 기어와 접촉하여 부하를 전달할 수 있게 한다. 대안적으로 또는 추가적으로, 유성체는 덜 강성인 재료로 제조되고 중실 구성을 갖지만, 여전히 다른 유성체가 부하를 공유하기 시작하도록 하기에는 충분히 편향된다. 유성체의 설계에서의 비교적 작은 차이가 기어박스 내에서 보여지는 부하 공유의 양을 상당히 차이로 만들 수 있다는 것을 발견하였다.

유성체의 설계 및 제조가 높은 응력 및/또는 높은 사이클 카운트를 견디도록 제공될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 소정 장치 설계에서, 유성체는 장치의 모든 구성요소들의 최고 응력 집중을 받을 것이다. 따라서, 고강도 및/또는 긴 수명의 재료가 소정 구현예에서 유성체에 이용될 수 있다.

유성체 내에서 높은 강도를 유지하기 위해, 부하 공유는 다른 기어(외부 링, 내부 링, 및/또는 태양 기어)의 강성을 감소시킴으로써 대신 달성될 수 있는데, 여기서 기어박스의 중요한 안전 한도에 영향을 미치지 않으면서 강도를 감소시키는 어느 정도의 능력이 존재한다. 강철과 같은 강성 재료로 유성 기어를 제조하고 탄소 섬유 충전 PEEK와 같은 덜 강성인 재료로 나머지 기어를 제조함으로써, 부하 공유가 달성될 수 있다는 것이 밝혀졌다.

흥미롭게도, 이러한 접근법에 의해 요구되는 강성의 감소는 유성체의 재료를 단독으로 변화시킴으로써 요구되는 강성의 감소보다 상당히 높다. 하나의 시뮬레이션에서, 유성체는 나머지 기어의 강성의 1/2을 가졌고, 충분히 부하 공유를 할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 유성체가 모두 강성인 구성에서 동일한 양의 부하 공유를 달성하기 위해, 나머지 기어는 유성체의 강성의 대략 1/7을 가져야 한다.

부하 공유 메커니즘과 상관없이, 반경방향(캐밍) 부하가 높을수록, 더 큰 부하 공유 효과로 인해 유성체 부하는 더 유사하다. 더 높은 반경방향 부하가, 기어 치형 기하학적 구조의 더 높은 압력각뿐만 아니라 유성체 접촉의 더 높은 캐밍각과 함께 존재한다.

다른 부하 공유 메커니즘은 기어박스의 2-레벨 유성체 구조에 기인한다. 유성체들이 서로 캐밍됨에 따라, 내부 유성체와 외부 유성체 사이의 로딩되지 않은 유성체-유성체 맞물림은 로딩된 유성체-유성체 맞물림을 안정화시키도록 작용한다. 결과적으로, 제자리에 "로킹(locking)"되도록 충분히 높은 반경방향 부하를 발생시키기 전에 유성체 위치에서 작은 양의 시프트가 존재하는 것으로 여겨진다. 이러한 효과는 유성체들 사이의 부하 공유를 증가시킬 것으로 예상되고, 더 낮은 압력각과 함께 더 강한 효과일 것으로 예상된다.

부하 하에서 자가 작동 기어박스 상의 응력 분포는 유성체들 및 기어형 구성요소들 상에 반경방향 부하를 유도한다. 이러한 반경방향 부하는, 자가 작동 구성요소를 변형에 더 취약하게 함으로써, 이들 구성요소 중 하나 이상을 추가로 변형시킬 수 있고 유성체들이 효과적으로 부하 공유를 하게 할 수 있다. 이는 자가 작동 구성요소들(즉, 외부 링, 유성체 및 내부 링)의 전체 강성을 감소시킴으로써 달성될 수 있다. 3가지 상이한 방법이 강성의 이러한 유형의 변화를 달성하도록 구현될 수 있다(도 36a 내지 도 36c). 제1 방법은 재료 강성의 변화를 사용하여 그러한 구성요소들의 전체 강성을 감소시키는데, 이는 구성요소들이 동일한 반경방향 부하 하에서 더 많이 변형될 수 있을 뿐만 아니라 기어 치형부가 받고 있는 동일한 접선방향 부하 하에서 변형되기 쉬워질 것임을 의미한다. 반경방향 및 접선방향 부하에 의해 야기되는 변형은 더 효율적인 부하 공유 및 전체적인 더 강성인 기어박스에 대하여 유리할 것이다. 충분히 낮은 강성의 정도는 기어 공차에 좌우될 것이다. 도 36a는 더 낮은 강성 재료로 형성될 수 있는 공칭 두께 기어(150)의 예시적인 부분을 도시한다. 제2 방법은 기하학적 접근법(예컨대, 얇은 벽)을 사용하여 이들 구성요소의 전체 강성을 변화시킨다. 이는 구성요소를 덜 강성으로 만들 것이고 소정 반경방향 부하 하에서 변형에 더 민감하게 만들 것이다. 도 36b는 더 얇은 벽의 기어(152)의 예시적인 부분을 도시한다. 제3 방법은 벽 두께가 공칭 크기로 유지되지만 치형 기하학적 구조가 루트 상에 반경방향 슬롯을 갖도록 변경된 또 다른 기하학적 접근법을 사용한다. 본 방법에서, 반경방향 부하 및 접선방향 부하 둘 모두는 더 효과적인 부하 공유를 허용하는 기어 가요성에 영향을 미친다. 도 36c는 루트 상에 반경방향 슬롯(156)을 갖는 공칭 두께 기어(154)의 예시적인 부분을 도시한다.

개시된 설계는 입력이 입력 링에 의해 공급될 때 유성 캐리어 및 베어링에 대한 필요성을 제거할 수 있고, 원주방향 위치는 기어에 의해 제공되고, 축방향 위치는, 예를 들어, 펜스, 테이퍼형 유성체에 의해, 또는 상이한 앵글 기어를 갖는 부분에 의해 제공될 수 있다.

유성 캐리어 및 베어링에 대한 필요성을 제거함으로써, 이들 위치선정 요소의 공차 누적(stack-up)이 제거된다. 이는 링 기어와 3개 초과의 유성 기어의 훨씬 더 일관된 맞물림을 허용한다.

제거된 공차 누적 요소는 유성 캐리어 핀의 위치를 포함한다. 유성 캐리어의 동심도(concentricity), 베어링의 런아웃(runout), 및 기어의 피치 원과의 유성체 각각의 베어링 보어의 편심도.

이들 공차 누적 인자를 제거하는 것에 더하여, 반경방향 가요성이 다수의 상이한 방식으로 설계 내에 도입될 수 있다. 반경방향 가요성을 도입하는 것은 유성체 크기의 변동에 기인하는 유성체들 사이의 부하 변동을 감소시키는 효과를 갖는다.

또한, 유성 캐리어를 제거한 결과로서, 예를 들어, 유성체는 중공일 수 있고 따라서 반경방향으로 가요성일 수 있다.

2-스테이지 기어박스

전술된 바와 같은 기어박스는 도 37 내지 도 39에 도시된 바와 같이 2-스테이지 기어박스로 제조될 수 있다. 도 37은 예시적인 2-스테이지 기어박스(160)의 등각 절취도이다. 도 37에 도시된 바와 같이, 외부 하우징(162)은 두 스테이지들 모두를 위한 공통 외부 고정 기어로서 작용한다. 입력 링(164)은 제1 스테이지 외부 기어(168)와 맞물리는 외부 표면(166)을 갖는다. 제1 스테이지 내부 기어(170)는 제1 스테이지 내부 링(172)과 맞물려 내부 링(172)을 외부 하우징(162)에 대해 구동시킨다. 이러한 제1 스테이지 내부 링은, 제2 스테이지 외부 기어(178)와 맞물리는 외부 표면(176)을 갖는 제2 스테이지 입력 기어(174)에 연결되고, 그와 하나의 피스로 형성될 수 있다. 제2 스테이지 내부 기어(180)는 내부 출력 기어(182)와 맞물려서 외부 하우징(162)에 대해 내부 출력 기어(182)를 구동하고, 이러한 차동 이동(differential movement)은 2-스테이지 기어박스의 출력을 제공한다.

도 38은 도 37에 도시된 2-스테이지 기어박스를 사용하는 액추에이터를 도시한다. 도 37에 도시된 구성요소에 더하여, 도 38은 입력 링(164)에 연결된 플랜지(184) 및 외부 하우징(162)에 연결된 내부 하우징 구성요소(163)를 도시한다. 도시되지 않은 전기 모터 로터 및 스테이터가 플랜지(184) 및 내부 하우징(163)에 연결되어 내부 하우징 구성요소(163)에 대해 플랜지(184)를 구동하여 2-스테이지 기어박스를 구동시킬 수 있다. 내부 출력 기어(182)에 연결된 출력 캡(186) 및 외부 하우징(162)에 연결된 고정 외부 캡(188)이 도 38에 또한 도시되어 있다. 도 39는 도 38의 실시예의 측단면도를 도시한다.

스테이지 1의 외부 링 기어가 스테이지 2의 다른 외부 링 기어와 피치 직경 및 치형부 개수가 동일하고 하나의 피스인 경우, 제1 스테이지로부터의 내부 링 기어는 제2 스테이지의 입력 기어에 연결되고, 제2 스테이지의 내부 링 기어는 제2 스테이지의 출력부가 된다.

내부 링 기어가 두 스테이지들 모두에 의해 공유되면, 제1 스테이지의 외부 링 기어는 제2 스테이지의 입력 기어에 링크되고, 제2 스테이지의 외부 링 기어는 장치의 출력부가 된다. 둘 초과의 스테이지가 이러한 방식으로 연결될 수 있다.

테이퍼형 실시예

일방 자가 작동 기어박스의 다른 예시적인 실시예는 도 40 내지 도 43에 도시된 테이퍼형 설계이다. 이러한 설계에서, 더 기본적인 일방 기어박스 설계의 원통형 기어 치형부는 테이퍼형 기어로 대체되는데, 기어 접촉은 전술된 바와 동일하게 유지되지만 테이퍼져 있다.

기어가 테이퍼지게 함으로써, 유성체가 축방향으로 구속되고 백래시가 도 25에 도시된 위치에서 심(shim)을 조절함으로써 감소되거나 제거될 수 있다. 달리, 기어박스는 테이퍼형이 아닌 형태와 동일한 방식으로 기능할 것이다.

테이퍼형 기어 프로파일은 현재 호빙(hobbing) 또는 스카이빙(skiving)과 같은 전통적인 기어 제조 방법에 의해 제조하기가 어렵다. 이와 같이, 사출 성형, 표면 밀링, 분말형 야금, 또는 기어 압연(gear rolling)과 같은 그러나 이로 제한되지 않는 다른 방법이 사용될 것이다. 이들 테이퍼에 의한 제조 한계로 인해 부품 개수의 잠재적인 증가가 또한 존재한다.

테이퍼형 또는 비-테이퍼형 치형 프로파일 중 어느 하나는 직선형 또는 헬리컬 기어 또는 로브를 사용할 수 있다. 제조 방법으로 인해 테이퍼형 기어에 대해 나선각을 사용하는 것 또는 강도 또는 노이즈를 최적화하는 것이 유익할 수 있다.

도 40은 제조 및 조립 고려사항으로 인해 기어 구성요소가 어떻게 분할되는지를 그리고 심이 삽입될 수 있는 위치를 도시하는 테이퍼형 헬리컬 자가 작동 기어박스의 개략 단면도를 도시한다. 이는, 통상 내부 및 외부 기어들이 동일한 원주방향 위치에서 내부 및 외부 레이스들과 맞물리지 않을 것이기 때문에 진정한 단면이 아니라는 것에 유의한다. 본 실시예에서의 외부 레이스(200)는 내부 기어(208)에 대응하는 축방향 위치에서 외부 기어(206)와 접촉하는 제1 구성요소(202)와, 입력 기어(210)에 대응하는 축방향 위치에서 외부 기어(206)와 접촉하는 제2 구성요소(204)로 분할된다. 내부 레이스(212)는 또한 구성요소들(214, 216)로 분할되는 것으로 도시된다. 외부 심(218)이 외부 레이스(200)의 구성요소들(202, 204) 사이에 도시되고 내부 심(220)이 내부 레이스의 구성요소들(214, 216) 사이에 도시되어 있다.

사출 성형이 제조 방법으로 선택되는 경우, 사출 성형을 사용하는 제조를 용이하게 하기 위해, 더 긴 (외부) 기어는 또한 그의 목부(222)에, 도시되지 않은, 분할부(split)를 가질 수 있다.

도 41은 외부 레이스의 제1 구성요소(202)가 2개의 추가 구성요소들(202A, 202B)로 분할된 것으로 여기에 도시되어 있는 추가 변경을 갖는, 도 40에 개략적으로 도시된 바와 같은 기어박스의 등각 분해도를 도시한다.

도 42는 외부 유성체가 제거된, 도 41의 기어박스의 측면 절취도이다. 도 43은 도 41의 기어박스의 등각도이다.

테이퍼형 기어는 직선형 또는 헬리컬 - 헤링본 포함 - 기어와 함께 사용될 수 있다. 테이퍼는, 일부 축방향 위치를 제공하는 것에 더하여, 심에 의한 백래시 조절을 허용한다. 헤링본 치형부는 유성체 및 링 기어의 더 정밀한 실질적인 축방향 위치설정을 허용한다. 함께 사용되는 경우, 모든 이점들이 실현되지만, 일부 응용은 어느 하나로부터 이익을 얻을 것이다.

예를 들어 도 20에 도시된 바와 같이, 치형부가 맞물리고 그에 따라서 기어 축의 비틀림을 제거하게 하는 자가 작동 효과로 인해, 일방(비대칭) 입력이 헤링본 또는 테이퍼형 치형부 없이 가능하다.

청구범위에서, 단어 "포함하는"은 그것의 포괄적인 의미로 사용되며, 다른 요소가 존재하는 것을 배제하지 않는다. 청구항 특징부 앞의 부정 관사("a" 및 "an")는 하나 초과의 특징부가 존재하는 것을 배제하지 않는다. 여기에 설명된 개별 특징부들 중 각각의 특징부는 하나 이상의 실시예에서 사용될 수 있으며, 여기서 설명된 것만으로 인해, 청구범위에 의해 한정되는 바와 같은 모든 실시예에 필수적인 것으로 해석되어서는 안 된다.

결론

전술한 설명 및 관련 도면에 제시된 교시 내용의 이점을 갖는 많은 변형예 및 다른 실시예가 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련자에게 고려될 것이다. 따라서, 본 발명은 개시된 특정 실시예로 제한되지 않고 변형예 및 다른 실시예가 첨부된 청구범위의 범주 내에 포함되는 것으로 의도된다는 것을 이해하여야 한다. 특정 용어들이 본 명세서에서 사용되지만, 이들은 제한을 위한 것이 아니라 단지 포괄적이고 설명적인 의미로 사용된다.

Claims

기어박스 장치로서,
외부 표면 상에 내부 레이스를 한정하는 태양 기어 - 상기 태양 기어는 상기 태양 기어의 제1 단부와 반대편 제2 단부 사이의 축을 한정함 -;
내부 표면 상에 외부 레이스를 한정하는 링 기어 - 상기 링 기어는 상기 태양 기어와 동축임 -;
상기 태양 기어의 내부 레이스와 기어 접촉(geared contact) 상태에 있는 내부 세트의 유성체(planet)들;
상기 링 기어의 외부 레이스와 기어 접촉 상태에 있는 외부 세트의 유성체들 -
상기 내부 세트의 유성체들의 각각은 상기 외부 세트의 유성체들 중 적어도 2개와 기어 접촉 상태에 있고, 상기 외부 세트의 유성체들의 각각은 상기 내부 세트의 유성체들 중 적어도 2개와 기어 접촉 상태에 있음 -; 및
(a) 상기 내부 세트의 유성체들 또는 (b) 상기 외부 세트의 유성체들 중 하나와 기어 접촉 상태의 중간 레이스를 한정하는 중간 기어를 포함하고;
상기 태양 기어, 상기 링 기어, 및 상기 중간 기어 중 하나는 고정 상태로 유지되는, 기어박스 장치.
제1항에 있어서,
상기 내부 세트의 유성체들은 각각 상기 태양 기어의 축에 평행하게 측정된 제1 축방향 길이를 갖고;
상기 외부 세트의 유성체들은 각각 상기 태양 기어의 축에 평행하게 측정된 제2 축방향 길이를 갖고, 상기 제2 축방향 길이는 상기 제1 축방향 길이와 상이하며;
상기 중간 레이스는 (a) 상기 내부 세트의 유성체들 또는 (b) 상기 외부 세트의 유성체들 중 더 긴 축방향 기어 세트와 기어 접촉 상태에 있는, 기어박스 장치.
제1항에 있어서, 상기 내부 세트의 유성체들 및 상기 외부 세트의 유성체들은 기어 접촉하는 일정 길이를 갖고, 상기 내부 세트의 유성체들, 상기 외부 세트의 유성체들, 상기 내부 레이스, 상기 외부 레이스, 및 상기 중간 레이스는 상기 태양 기어, 상기 링 기어, 또는 상기 중간 기어 중 하나를 통해 제공되는 토크가, 상기 토크에 의해 야기되는 분리력을 극복하기에 충분한 상기 내부 세트의 유성체들 및 상기 외부 세트의 유성체들의 증가된 반경방향 부하를 야기하는 것을 가능하게 하도록 선택되는 각각의 직경들을 갖는, 기어박스 장치.
제3항에 있어서, (a) 상기 내부 세트의 유성체들 또는 (b) 상기 외부 세트의 유성체들 중 적어도 하나는 각각 길이 대 직경 비가 1:1 초과인, 기어박스 장치.
제1항에 있어서, 상기 내부 세트의 유성체들 및 상기 외부 세트의 유성체들은 각각 2개의 상이하게 테이퍼진 부분들을 포함하는, 기어박스 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내부 세트의 유성체들 및 상기 외부 세트의 유성체들은 각각 헬리컬 기어들을 한정하는, 기어박스 장치.
제6항에 있어서, 상기 내부 세트의 유성체들 및 상기 외부 세트의 유성체들은 각각 일정한 나선각을 갖는 헬리컬 기어들을 한정하는, 기어박스 장치.
제6항에 있어서, 상기 내부 세트의 유성체들 및 상기 외부 세트의 유성체들은 각각 축방향 길이를 따라 상이한 나선각들을 갖는 헬리컬 기어들을 한정하는, 기어박스 장치.
제8항에 있어서, 상기 내부 세트의 유성체들 및 상기 외부 세트의 유성체들은 각각 헤링본(herringbone) 기어 패턴들을 한정하는, 기어박스 장치.
제9항에 있어서, 상기 중간 기어는 상기 헤링본 기어 패턴들의 일부분에 대응하는 각각의 앵글 기어(angled gear) 표면을 각각 갖는 2개의 축방향으로 인접한 구성요소들을 포함하고, 상기 2개의 축방향으로 인접한 구성요소들은 서로 체결되는, 기어박스 장치.
제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 링 기어는 상기 헤링본 기어 패턴들의 일부분에 대응하는 각각의 앵글 기어 표면을 각각 갖는 2개의 축방향으로 인접한 구성요소들을 포함하고, 상기 2개의 축방향으로 인접한 구성요소들은 서로 체결되는, 기어박스 장치.
제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 태양 기어는 상기 헤링본 기어 패턴들의 일부분에 대응하는 각각의 앵글 기어 표면을 각각 갖는 2개의 축방향으로 인접한 구성요소들을 포함하고, 상기 2개의 축방향으로 인접한 구성요소들은 서로 체결되는, 기어박스 장치.
제1항에 있어서, 상기 내부 세트의 유성체들을 축방향으로 구속하도록 구성된 적어도 하나의 내부 펜스를 추가로 포함하는, 기어박스 장치.
제1항 또는 제13항에 있어서, 상기 외부 세트의 유성체들을 축방향으로 구속하도록 구성된 적어도 하나의 외부 펜스를 추가로 포함하는, 기어박스 장치.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내부 레이스, 상기 외부 레이스, 상기 중간 레이스, 및 상기 내부 세트의 유성체들의 각각 및 상기 외부 세트의 유성체들의 각각의 외부 표면들은 모두 기어 루트(root)들에 의해 인접 기어 치형부들로부터 분리된 복수의 기어 치형부들을 한정하고, 상기 기어 루트들의 적어도 일부분은 반경방향 슬롯들을 한정하는, 기어박스 장치.
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내부 세트의 유성체들의 각각 및 상기 외부 세트의 유성체들의 각각은 중공인, 기어박스 장치.
제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에서 청구된 기어박스 장치를 복수 개 포함하는 다중-스테이지 기어박스 장치에 있어서, 상기 복수의 기어박스 장치들은 제1 기어박스 장치의 제1 링 기어가 제2 기어박스 장치의 제2 중간 기어에 연결되어 그를 구동시키도록 스테이지들로 배열되는, 다중-스테이지 기어박스 장치.
기어박스 장치로서,
외부 표면 상에 내부 레이스를 한정하는 태양 기어 - 상기 태양 기어는 상기 태양 기어의 제1 단부와 반대편 제2 단부 사이의 축을 한정함 -;
내부 표면 상에 외부 레이스를 한정하는 링 기어 - 상기 링 기어는 상기 태양 기어와 동축임 -;
상기 태양 기어의 내부 레이스와 기어 접촉 상태에 있는 내부 세트의 유성체들;
상기 링 기어의 외부 레이스와 기어 접촉 상태에 있는 외부 세트의 유성체들 -
상기 내부 세트의 유성체들의 각각은 상기 외부 세트의 유성체들 중 적어도 2개와 기어 접촉 상태에 있고, 상기 외부 세트의 유성체들의 각각은 상기 내부 세트의 유성체들 중 적어도 2개와 기어 접촉 상태에 있음 -; 및
(a) 상기 내부 세트의 유성체들 또는 (b) 상기 외부 세트의 유성체들 중 하나와 기어 접촉 상태의 중간 레이스를 한정하는 중간 기어를 포함하고;
상기 내부 레이스, 상기 외부 레이스, 상기 중간 레이스, 및 상기 내부 세트의 유성체들의 각각 및 상기 외부 세트의 유성체들의 각각의 외부 표면들은 모두 연속 나선각을 갖는 복수의 기어 치형부들을 한정하는, 기어박스 장치.
제18항에 있어서, 상기 태양 기어에 부착되고 상기 내부 세트의 유성체들의 축방향 이동을 구속하도록 구성된 적어도 하나의 내부 펜스를 추가로 포함하는, 기어박스 장치.
제19항에 있어서, 상기 적어도 하나의 내부 펜스는 상기 태양 기어의 서로 반대편인 축방향 단부들 상에 각각 고정되는 2개의 내부 펜스들을 포함하는, 기어박스 장치.
제18항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 링 기어에 부착되고 상기 외부 세트의 유성체들의 축방향 이동을 구속하도록 구성된 적어도 하나의 외부 펜스를 추가로 포함하는, 기어박스 장치.
제21항에 있어서, 상기 적어도 하나의 외부 펜스는 상기 링 기어의 서로 반대편인 축방향 단부들 상에 각각 고정되는 2개의 외부 펜스들을 포함하는, 기어박스 장치.
제19항 또는 제20항에 있어서, 상기 내부 세트의 유성체들의 축방향 단부들의 각각은 반구형 형상을 갖고, 상기 적어도 하나의 내부 펜스는 상기 내부 세트의 유성체들의 축방향 단부들의 반구형 형상에 대응하는 만곡된 형상을 갖는, 기어박스 장치.
제18항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중간 기어는 출력 링이고, 상기 태양 기어 또는 상기 링 기어 중 하나는 입력 모터에 의해 구동되는, 기어박스 장치.
제18항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 내부 세트의 유성체들은 각각 상기 태양 기어의 축에 평행하게 측정된 제1 축방향 길이를 갖고;
상기 외부 세트의 유성체들은 각각 상기 태양 기어의 축에 평행하게 측정된 제2 축방향 길이를 갖고, 상기 제2 축방향 길이는 상기 제1 축방향 길이와 상이하며;
상기 중간 레이스는 (a) 상기 내부 세트의 유성체들 또는 (b) 상기 외부 세트의 유성체들 중 더 긴 축방향 기어 세트와 기어 접촉 상태에 있는, 기어박스 장치.
제25항에 있어서, (a) 상기 내부 세트의 유성체들 또는 (b) 상기 외부 세트의 유성체들 중 적어도 하나는 각각 길이 대 직경 비가 1:1 초과인, 기어박스 장치.
제18항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내부 세트의 유성체들의 각각 및 상기 외부 세트의 유성체들의 각각은 중공인, 기어박스 장치.
기어박스 장치로서,
외부 표면 상에 내부 레이스를 한정하는 태양 기어 - 상기 태양 기어는 상기 태양 기어의 제1 단부와 반대편 제2 단부 사이의 축을 한정함 -;
내부 표면 상에 외부 레이스를 한정하는 링 기어 - 상기 링 기어는 상기 태양 기어와 동축임 -;
상기 태양 기어의 내부 레이스와 기어 접촉 상태에 있는 내부 세트의 유성체들;
상기 링 기어의 외부 레이스와 기어 접촉 상태에 있는 외부 세트의 유성체들 -
상기 내부 세트의 유성체들의 각각은 상기 외부 세트의 유성체들 중 적어도 2개와 기어 접촉 상태에 있고, 상기 외부 세트의 유성체들의 각각은 상기 내부 세트의 유성체들 중 적어도 2개와 기어 접촉 상태에 있음 -;
(a) 상기 내부 세트의 유성체들 또는 (b) 상기 외부 세트의 유성체들 중 하나와 기어 접촉 상태의 중간 레이스를 한정하는 중간 기어;
상기 태양 기어에 부착되고 상기 내부 세트의 유성체들을 축방향으로 구속하도록 구성된 적어도 하나의 내부 펜스; 및
상기 링 기어에 부착되고 상기 외부 세트의 유성체들을 축방향으로 구속하도록 구성된 적어도 하나의 외부 펜스를 포함하는, 기어박스 장치.
제28항에 있어서, 상기 내부 세트의 유성체들의 축방향 단부들의 각각은 반구형 형상을 갖고, 상기 적어도 하나의 내부 펜스는 상기 내부 세트의 유성체들의 축방향 단부들의 반구형 형상에 대응하는 만곡된 형상을 갖는, 기어박스 장치.
제28항 또는 제29항에 있어서, 상기 외부 세트의 유성체들의 축방향 단부들의 각각은 반구형 형상을 갖고, 상기 적어도 하나의 외부 펜스는 상기 외부 세트의 유성체들의 축방향 단부들의 반구형 형상에 대응하는 만곡된 형상을 갖는, 기어박스 장치.
제28항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 내부 세트의 유성체들은 각각 상기 태양 기어의 축에 평행하게 측정된 제1 축방향 길이를 갖고;
상기 외부 세트의 유성체들은 각각 상기 태양 기어의 축에 평행하게 측정된 제2 축방향 길이를 갖고, 상기 제2 축방향 길이는 상기 제1 축방향 길이와 상이하며;
상기 중간 레이스는 (a) 상기 내부 세트의 유성체들 또는 (b) 상기 외부 세트의 유성체들 중 더 긴 축방향 기어 세트와 기어 접촉 상태에 있는, 기어박스 장치.
제28항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중간 기어는 출력 기어이고, 상기 태양 기어 또는 상기 링 기어 중 하나는 입력 모터에 의해 구동되는, 기어박스 장치.
제31항에 있어서, (a) 상기 내부 세트의 유성체들 또는 (b) 상기 외부 세트의 유성체들 중 적어도 하나는 각각 길이 대 직경 비가 1:1 초과인, 기어박스 장치.
제28항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내부 세트의 유성체들 및 상기 외부 세트의 유성체들은 각각 헬리컬 기어들을 한정하는, 기어박스 장치.
제28항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내부 레이스, 상기 외부 레이스, 상기 중간 레이스, 및 상기 내부 세트의 유성체들의 각각 및 상기 외부 세트의 유성체들의 각각의 외부 표면들은 모두 기어 루트들에 의해 인접 기어 치형부들로부터 분리된 복수의 기어 치형부들을 한정하고, 상기 기어 루트들의 적어도 일부분은 반경방향 슬롯들을 한정하는, 기어박스 장치.
제28항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내부 세트의 유성체들의 각각 및 상기 외부 세트의 유성체들의 각각은 중공인, 기어박스 장치.
기어박스 장치로서,
외부 표면 상에 내부 레이스를 한정하는 태양 기어 - 상기 태양 기어는 상기 태양 기어의 제1 단부와 반대편 제2 단부 사이의 축을 한정함 -;
내부 표면 상에 외부 레이스를 한정하는 링 기어 - 상기 링 기어는 상기 태양 기어와 동축임 -;
상기 태양 기어의 내부 레이스와 기어 접촉 상태에 있는 내부 세트의 유성체들;
상기 링 기어의 외부 레이스와 기어 접촉 상태에 있는 외부 세트의 유성체들 -
상기 내부 세트의 유성체들의 각각은 상기 외부 세트의 유성체들 중 적어도 2개와 기어 접촉 상태에 있고, 상기 외부 세트의 유성체들의 각각은 상기 내부 세트의 유성체들 중 적어도 2개와 기어 접촉 상태에 있음 -; 및
(a) 상기 내부 세트의 유성체들 또는 (b) 상기 외부 세트의 유성체들 중 하나와 기어 접촉 상태의 중간 레이스를 한정하는 중간 기어를 포함하고;
상기 내부 세트의 유성체들의 각각 및 상기 외부 세트의 유성체들의 각각은 상기 태양 기어, 상기 링 기어, 및 상기 중간 기어의 각각의 강성보다 큰 강성을 가져서, 상기 태양 기어, 상기 링 기어, 또는 상기 중간 기어 중 하나 이상이 상기 내부 세트의 유성체들 및 상기 외부 세트의 유성체들 상의 반경방향 부하들의 균형을 맞추도록 변형되게 하는, 기어박스 장치.
제37항에 있어서, 상기 내부 세트의 유성체들의 각각 및 상기 외부 세트의 유성체들의 각각은 금속 재료를 포함하는, 기어박스 장치.
제38항에 있어서, 상기 태양 기어, 상기 링 기어, 및 상기 중간 기어 중 하나 이상은 플라스틱 재료를 포함하는, 기어박스 장치.
제37항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 내부 세트의 유성체들은 각각 상기 태양 기어의 축에 평행하게 측정된 제1 축방향 길이를 갖고;
상기 외부 세트의 유성체들은 각각 상기 태양 기어의 축에 평행하게 측정된 제2 축방향 길이를 갖고, 상기 제2 축방향 길이는 상기 제1 축방향 길이와 상이하며;
상기 중간 레이스는 (a) 상기 내부 세트의 유성체들 또는 (b) 상기 외부 세트의 유성체들 중 더 긴 축방향 기어 세트와 기어 접촉 상태에 있는, 기어박스 장치.
제40항에 있어서, (a) 상기 내부 세트의 유성체들 또는 (b) 상기 외부 세트의 유성체들 중 적어도 하나는 각각 길이 대 직경 비가 1:1 초과인, 기어박스 장치.
제37항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내부 세트의 유성체들 및 상기 외부 세트의 유성체들은 각각 2개의 상이하게 테이퍼진 부분들을 포함하는, 기어박스 장치.
제37항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내부 세트의 유성체들 및 상기 외부 세트의 유성체들은 각각 헬리컬 기어들을 한정하는, 기어박스 장치.
제43항에 있어서, 상기 내부 세트의 유성체들 및 상기 외부 세트의 유성체들은 각각 일정한 나선각을 갖는 헬리컬 기어들을 한정하는, 기어박스 장치.
제43항에 있어서, 상기 내부 세트의 유성체들 및 상기 외부 세트의 유성체들은 각각 축방향 길이를 따라 상이한 나선각들을 갖는 헬리컬 기어들을 한정하는, 기어박스 장치.
제45항에 있어서, 상기 내부 세트의 유성체들 및 상기 외부 세트의 유성체들은 각각 헤링본 기어 패턴들을 한정하는, 기어박스 장치.
제46항에 있어서, 상기 중간 기어는 상기 헤링본 기어 패턴들의 일부분에 대응하는 각각의 앵글 기어 표면을 각각 갖는 2개의 축방향으로 인접한 구성요소들을 포함하고, 상기 2개의 축방향으로 인접한 구성요소들은 서로 체결되는, 기어박스 장치.
제46항에 있어서, 상기 링 기어는 상기 헤링본 기어 패턴들의 일부분에 대응하는 각각의 앵글 기어 표면을 각각 갖는 2개의 축방향으로 인접한 구성요소들을 포함하고, 상기 2개의 축방향으로 인접한 구성요소들은 서로 체결되는, 기어박스 장치.
제46항에 있어서, 상기 태양 기어는 상기 헤링본 기어 패턴들의 일부분에 대응하는 각각의 앵글 기어 표면을 각각 갖는 2개의 축방향으로 인접한 구성요소들을 포함하고, 상기 2개의 축방향으로 인접한 구성요소들은 서로 체결되는, 기어박스 장치.
제37항에 있어서, 상기 내부 세트의 유성체들을 축방향으로 구속하도록 구성된 적어도 하나의 내부 펜스를 추가로 포함하는, 기어박스 장치.
제37항 또는 제50항에 있어서, 상기 외부 세트의 유성체들을 축방향으로 구속하도록 구성된 적어도 하나의 외부 펜스를 추가로 포함하는, 기어박스 장치.
제37항 내지 제51항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내부 레이스, 상기 외부 레이스, 상기 중간 레이스, 및 상기 내부 세트의 유성체들의 각각 및 상기 외부 세트의 유성체들의 각각의 외부 표면들은 모두 기어 루트들에 의해 인접 기어 치형부들로부터 분리된 복수의 기어 치형부들을 한정하고, 상기 기어 루트들의 적어도 일부분은 반경방향 슬롯들을 한정하는, 기어박스 장치.
제37항 내지 제52항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내부 세트의 유성체들의 각각 및 상기 외부 세트의 유성체들의 각각은 중공인, 기어박스 장치.
기어박스 장치로서,
외부 표면 상에 내부 레이스를 한정하는 태양 기어 - 상기 태양 기어는 상기 태양 기어의 제1 단부와 반대편 제2 단부 사이의 축을 한정함 -;
내부 표면 상에 외부 레이스를 한정하는 링 기어 - 상기 링 기어는 상기 태양 기어와 동축임 -;
상기 태양 기어의 내부 레이스와 기어 접촉 상태에 있는 내부 세트의 유성체들;
상기 링 기어의 외부 레이스와 기어 접촉 상태에 있는 외부 세트의 유성체들 -
상기 내부 세트의 유성체들의 각각은 상기 외부 세트의 유성체들 중 적어도 2개와 기어 접촉 상태에 있고, 상기 외부 세트의 유성체들의 각각은 상기 내부 세트의 유성체들 중 적어도 2개와 기어 접촉 상태에 있음 -; 및
(a) 상기 내부 세트의 유성체들 또는 (b) 상기 외부 세트의 유성체들 중 하나와 기어 접촉 상태의 중간 레이스를 한정하는 중간 기어를 포함하고;
상기 내부 세트의 유성체들의 각각 및 상기 외부 세트의 유성체들의 각각은 상기 태양 기어, 상기 링 기어, 및 상기 중간 기어의 각각의 강성보다 작은 강성을 가져서, 상기 태양 기어, 상기 링 기어, 또는 상기 중간 기어 중 하나 이상이 상기 내부 세트의 유성체들 및 상기 외부 세트의 유성체들 상의 반경방향 부하들의 균형을 맞추도록 변형되게 하는, 기어박스 장치.
제54항에 있어서, 상기 내부 세트의 유성체들의 각각 및 상기 외부 세트의 유성체들의 각각은 금속 재료를 포함하는, 기어박스 장치.
제55항에 있어서, 상기 내부 세트의 유성체들의 각각 및 상기 외부 세트의 유성체들의 각각은 중공인, 기어박스 장치.
제54항에 있어서, 상기 내부 세트의 유성체들의 각각 및 상기 외부 세트의 유성체들의 각각은 플라스틱 재료를 포함하는, 기어박스 장치.
제54항 내지 제57항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 내부 세트의 유성체들은 각각 상기 태양 기어의 축에 평행하게 측정된 제1 축방향 길이를 갖고;
상기 외부 세트의 유성체들은 각각 상기 태양 기어의 축에 평행하게 측정된 제2 축방향 길이를 갖고, 상기 제2 축방향 길이는 상기 제1 축방향 길이와 상이하며;
상기 중간 레이스는 (a) 상기 내부 세트의 유성체들 또는 (b) 상기 외부 세트의 유성체들 중 더 긴 축방향 기어 세트와 기어 접촉 상태에 있는, 기어박스 장치.
제58항에 있어서, (a) 상기 내부 세트의 유성체들 또는 (b) 상기 외부 세트의 유성체들 중 적어도 하나는 각각 길이 대 직경 비가 1:1 초과인, 기어박스 장치.
제54항에 있어서, 상기 내부 세트의 유성체들 및 상기 외부 세트의 유성체들은 각각 2개의 상이하게 테이퍼진 부분들을 포함하는, 기어박스 장치.
제54항에 있어서, 상기 내부 세트의 유성체들 및 상기 외부 세트의 유성체들은 각각 헬리컬 기어들을 한정하는, 기어박스 장치.
제61항에 있어서, 상기 내부 세트의 유성체들 및 상기 외부 세트의 유성체들은 각각 일정한 나선각을 갖는 헬리컬 기어들을 한정하는, 기어박스 장치.
제61항에 있어서, 상기 내부 세트의 유성체들 및 상기 외부 세트의 유성체들은 각각 축방향 길이를 따라 상이한 나선각들을 갖는 헬리컬 기어들을 한정하는, 기어박스 장치.
제63항에 있어서, 상기 내부 세트의 유성체들 및 상기 외부 세트의 유성체들은 각각 헤링본 기어 패턴들을 한정하는, 기어박스 장치.
제64항에 있어서, 상기 중간 기어는 상기 헤링본 기어 패턴들의 일부분에 대응하는 각각의 앵글 기어 표면을 각각 갖는 2개의 축방향으로 인접한 구성요소들을 포함하고, 상기 2개의 축방향으로 인접한 구성요소들은 서로 체결되는, 기어박스 장치.
제64항에 있어서, 상기 링 기어는 상기 헤링본 기어 패턴들의 일부분에 대응하는 각각의 앵글 기어 표면을 각각 갖는 2개의 축방향으로 인접한 구성요소들을 포함하고, 상기 2개의 축방향으로 인접한 구성요소들은 서로 체결되는, 기어박스 장치.
제64항에 있어서, 상기 태양 기어는 상기 헤링본 기어 패턴들의 일부분에 대응하는 각각의 앵글 기어 표면을 각각 갖는 2개의 축방향으로 인접한 구성요소들을 포함하고, 상기 2개의 축방향으로 인접한 구성요소들은 서로 체결되는, 기어박스 장치.
제54항에 있어서, 상기 내부 세트의 유성체들을 축방향으로 구속하도록 구성된 적어도 하나의 내부 펜스를 추가로 포함하는, 기어박스 장치.
제54항 또는 제68항에 있어서, 상기 외부 세트의 유성체들을 축방향으로 구속하도록 구성된 적어도 하나의 외부 펜스를 추가로 포함하는, 기어박스 장치.
제54항 내지 제69항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내부 레이스, 상기 외부 레이스, 상기 중간 레이스, 및 상기 내부 세트의 유성체들의 각각 및 상기 외부 세트의 유성체들의 각각의 외부 표면들은 모두 기어 루트들에 의해 인접 기어 치형부들로부터 분리된 복수의 기어 치형부들을 한정하고, 상기 기어 루트들의 적어도 일부분은 반경방향 슬롯들을 한정하는, 기어박스 장치.
제54항 내지 제70항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내부 세트의 유성체들의 각각 및 상기 외부 세트의 유성체들의 각각은 중공인, 기어박스 장치.
기어박스 장치를 조립하는 방법으로서,
외부 레이스의 내부 표면과 기어 접촉 상태로 한 세트의 외부 유성체들을 배치하는 단계;
상기 외부 세트의 유성체들과 기어 접촉 상태로 한 세트의 내부 유성체들을 배치하는 단계 - 각각의 그리고 모든 내부 유성체는 2개의 외부 유성체들과 기어 접촉하고, 각각의 그리고 모든 외부 유성체는 2개의 내부 유성체들과 기어 접촉함 -;
상기 내부 유성체들과 기어 접촉 상태로 그리고 상기 외부 레이스와 동축으로 내부 레이스의 제1 구성요소를 배치하는 단계 - 상기 제1 구성요소는 제1 앵글 기어 표면을 가짐 -;
상기 내부 유성체들과 기어 접촉 상태로 그리고 상기 외부 레이스와 동축으로 내부 레이스의 제2 구성요소를 배치하는 단계 - 상기 제2 구성요소는 제2 앵글 기어 표면을 갖고, 상기 제1 앵글 기어 표면 및 상기 제2 앵글 기어 표면은 상이한 나선각을 가짐 -; 및
상기 외부 유성체들과 기어 접촉 상태로 그리고 상기 외부 레이스와 동축으로 입력 기어를 배치하는 단계를 포함하는, 방법.
제72항에 있어서, 상기 제1 앵글 기어 표면 및 상기 제2 앵글 기어 표면은 헤링본 기어 표면을 집합적으로 형성하는 대향 나선각들을 갖는, 방법.
제72항 또는 제73항에 있어서, 상기 입력 기어는 제1 앵글 입력 기어 표면을 갖는 제1 입력 기어 구성요소 및 제2 앵글 입력 기어 표면을 갖는 제2 입력 기어 구성요소를 포함하고, 상기 외부 세트의 유성체들과 기어 접촉 상태로 그리고 상기 외부 레이스와 동축으로 입력 기어를 배치하는 단계는 상기 외부 유성체들과 동축으로 그리고 상기 제1 앵글 입력 기어 표면이 상기 외부 세트의 유성체들과 기어 접촉 상태로 상기 제1 입력 기어 구성요소를 배치하는 단계, 및 상기 외부 세트의 유성체들과 동축으로 그리고 상기 제2 앵글 입력 기어 표면이 상기 외부 세트의 유성체들과 기어 접촉 상태로 상기 제2 입력 기어 구성요소를 배치하는 단계를 포함하고, 상기 제1 앵글 입력 기어 표면 및 상기 제2 앵글 입력 기어 표면은 상이한 나선각을 갖는, 방법.
제74항에 있어서, 상기 제1 앵글 입력 기어 표면 및 상기 제2 앵글 입력 기어 표면은 함께 헤링본 입력 기어 표면을 형성하도록 대향 나선각을 갖는, 방법.
제74항 또는 제75항에 있어서, 상기 제1 앵글 입력 기어 표면은 상기 외부 세트의 유성체들과 기어 접촉 상태로 상기 한 세트의 내부 유성체들을 배치하는 단계 전에 상기 외부 유성체들과 기어 접촉 상태로 배치되고, 상기 제2 앵글 입력 기어 표면은 상기 내부 유성체들과 기어 접촉 상태로 상기 내부 레이스의 상기 제1 입력 기어 구성요소 및 상기 제2 입력 기어 구성요소를 배치하는 단계 후에 상기 외부 세트의 유성체들과 기어 접촉 상태로 배치되는, 방법.
기어박스 장치를 조립하는 방법으로서,
내부 레이스의 외부 표면과 기어 접촉 상태로 한 세트의 내부 유성체들을 배치하는 단계;
상기 내부 세트의 유성체들과 기어 접촉 상태로 한 세트의 외부 유성체들을 배치하는 단계 - 각각의 그리고 모든 외부 유성체는 2개의 내부 유성체들과 기어 접촉하고, 각각의 그리고 모든 내부 유성체는 2개의 외부 유성체들과 기어 접촉함 -;
상기 내부 유성체들과 기어 접촉 상태로 그리고 상기 내부 레이스와 동축으로 외부 레이스의 제1 구성요소를 배치하는 단계 - 상기 제1 구성요소는 제1 앵글 기어 표면을 가짐 -;
상기 외부 세트의 유성체들과 기어 접촉 상태로 그리고 상기 내부 레이스와 동축으로 외부 레이스의 제2 구성요소를 배치하는 단계 - 상기 제2 구성요소는 제2 앵글 기어 표면을 갖고, 상기 제1 앵글 기어 표면 및 상기 제2 앵글 기어 표면은 상이한 나선각을 가짐 -; 및
상기 내부 세트의 유성체들과 기어 접촉 상태로 그리고 상기 내부 레이스와 동축으로 입력 기어를 배치하는 단계를 포함하는, 방법.
제77항에 있어서, 상기 제1 앵글 기어 표면 및 상기 제2 앵글 기어 표면은 헤링본 기어 표면을 집합적으로 형성하는 대향 나선각들을 갖는, 방법.
제77항 또는 제78항에 있어서, 상기 입력 기어는 제1 앵글 입력 기어 표면을 갖는 제1 입력 기어 구성요소 및 제2 앵글 입력 기어 표면을 갖는 제2 입력 기어 구성요소를 포함하고, 상기 내부 유성체들과 기어 접촉 상태로 그리고 상기 내부 레이스와 동축으로 입력 기어를 배치하는 단계는 상기 내부 세트의 유성체들과 동축으로 그리고 상기 제1 앵글 입력 기어 표면이 상기 내부 유성체들과 기어 접촉 상태로 상기 제1 입력 기어 구성요소를 배치하는 단계, 및 상기 내부 세트의 유성체들과 동축으로 그리고 상기 제2 앵글 입력 기어 표면이 상기 내부 유성체들과 기어 접촉 상태로 상기 제2 입력 기어 구성요소를 배치하는 단계를 포함하고, 상기 제1 앵글 입력 기어 표면 및 상기 제2 앵글 입력 기어 표면은 상이한 나선각을 갖는, 방법.
제79항에 있어서, 상기 제1 앵글 입력 기어 표면 및 상기 제2 앵글 입력 기어 표면은 함께 헤링본 입력 기어 표면을 형성하도록 대향 나선각을 갖는, 방법.
제79항 또는 제80항에 있어서, 상기 제1 앵글 입력 기어 표면은 상기 내부 유성체들과 기어 접촉 상태로 상기 한 세트의 외부 유성체들을 배치하는 단계 전에 상기 내부 세트의 유성체들과 기어 접촉 상태로 배치되고, 상기 제2 앵글 입력 기어 표면은 상기 외부 유성체들과 기어 접촉 상태로 상기 외부 레이스의 상기 제1 입력 기어 구성요소 및 상기 제2 입력 기어 구성요소를 배치하는 단계 후에 상기 내부 세트의 유성체들과 기어 접촉 상태로 배치되는, 방법.