KR20240068672A - 차동 기어들의 제조 - Google Patents

Abstract

매우 짧은 기계가공 시간들을 갖는 직선 베벨 기어들을 위한 기계가공 공정. 일 실시예에서, 직선 베벨 기어세트의 양 부재들은 비발생된 형태 절단 또는 형태 연삭 공정에서 기계가공된다. 도구 프로파일은 각각의 개별 직선 베벨 기어의 등가 스퍼 기어로부터 결정되는 미러링된 인벌루트의 형상을 갖는다. 다른 실시예에서, 직선 베벨 기어세트의 하나의 부재는 비발생된 형태 절단 또는 형태 연삭 공정에서 기계가공되고 기어세트의 다른 부재는 발생 공정에서 기계가공된다.

Description

차동 기어들의 제조

본 발명은 베벨 기어들의 제조에 관한 것으로, 특히 차동 기어들과 같은 직선 베벨 기어들의 절단 및/또는 연삭에 관한 것이다.

차동 기어들은 적은 수의 톱니들을 가지며, 코스 피치("피치"는 주어진 라인 또는 곡선을 따라 유사한 동일하게 이격된 톱니 표면들 사이의 거리임)이고, 통상적으로 약 25° 이상의 압력 각도를 갖는다. "코스 피치"라는 용어는 기어의 직경에 대한 톱니들의 수가 낮을 때 사용된다. 예를 들어, 100 mm의 직경을 갖는 기어 상의 10개의 톱니(모듈 = 100/10 = 10 mm)는 코스 피치인 것으로 간주되는 한편, 30 mm의 직경을 갖는 기어 상의 10개의 톱니(모듈 = 30/10 = 3 mm)는 미세 피치인 것으로 간주된다. 당업자는 일반적으로 5 mm 미만의 모듈을 갖는 톱니(또는 기어들)가 "미세 피치"인 것으로 간주하는 한편, 5 mm 이상의 모듈을 갖는 톱니(또는 기어들)가 "코스 피치"인 것으로 간주한다.

도 1은 복수의 톱니(4)를 갖는 직선 베벨 차동 기어(2)의 일 예를 도시하며, 각각의 톱니는 톱랜드(6), 루트 부분(8) 및 톱니 플랭크 표면들(10)을 갖는다. 연속적인 톱니들의 대향 톱니 표면들 사이의 영역(12)은 톱니 "슬롯" 또는 "공간"으로 공지되어 있으며 루트 부분(8)은 톱니 슬롯의 하단과 일치한다.

전통적으로, 차동 기어들은 예를 들어, 18, 21 또는 25 인치(460, 535 또는 635 mm)의 커터 직경을 갖는 큰 원형 커터로 절단되었다. 예를 들어, 미국 특허 2,267,181을 참조하며, 그 전체 개시는 참조로 이로써 원용된다. 커팅 블레이드들은 예를 들어, 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 커터 몸체의 주변 상에 배향되고, 러핑 블레이드들, 반마무리 블레이드들 및 마무리 블레이드들로 그룹화된다. 커터는 단일 인덱싱 공정에서 작동하고, 완전한 톱니 슬롯을 절단하면서 한 번의 선회만을 수행한다. 커터는 톱니 슬롯의 토우 단부에 위치되고 종래의 절단 공정에서 사이클의 러핑 및 반마무리 부분 동안 토우로부터 힐로 이동한다. 커터가 톱니 슬롯의 힐 단부에 도달할 때, 모든 러핑 및 반마무리 블레이드들이 사용되었다. 그 다음, 커터는 상승 절단 공정에서 마감 블레이드들로 톱니 슬롯을 마무리하기 위해 토우 단부로 다시 이동한다. 마지막 마무리 블레이드와 제1 러핑 블레이드 사이에는, 커터가 회전을 정지할 필요 없이 그리고 커터 후퇴 모션에 대한 필요 없이 기계가 가공물을 다음 톱니 슬롯 위치에 인덱싱하는 것을 허용하는 더 큰 공간이 있다. 도구 재료는 바람직하게는 고속도 강이고, 적용된 표면 속도는 통상적으로 20 내지 40 m/min이며, 이는 이러한 절단 공정을 일 유형의 브로칭 공정으로 한다.

한 번의 커터 선회가 하나의 슬롯을 마무리하고 인덱싱 시간을 포함한다는 사실은 위에 논의된 원형 브로칭 공정을 매우 빠르게 한다. 회전 절단 블레이드들이 동일한 고속도 강 도구 재료로 동일한 톱니 슬롯(예컨대, 미국 특허 2,567,273)을 동시에 절단하도록 효과적으로 인터로킹하는 한 쌍의 경사 회전 절단 도구들에 의한 직선 베벨 기어 절단에 비해, 원형 브로칭 공정의 절단 시간들은 인터로킹 회전 도구 공정의 단지 분율(예를 들어, 15 내지 20%)이다.

원형 브로칭 공정의 단점은 가공물 톱니 프로파일들이 낮은 모션 에러로 접합체 메싱을 위해 정확한 옥토이드 톱니 형태의 생성을 가능하게 하지 않는 프로파일 절단 공정에서 형성된다는 것이다. 다른 단점은 원형 브로치 블레이드 프로파일들이 인벌루트들 또는 인벌루트 근사 대신에 일반적으로 원형이라는 것이다. 원형 브로칭의 또 다른 단점은 공정이 플랭크 형태 보정들을 위해 이용 가능한 자유들을 잃고 있다는 것이다. 원형 블레이드 프로파일을 갖는 프로파일 절단은 특정 양의 길이 크라우닝을 (즉, 톱니 길이의 방향으로) 생성한다. 톱니 표면 프로파일 곡률 반경의 선택은 프로파일 크라우닝을 생성할 수 있다. 프로파일(즉, 톱니 높이, 루트 대 상단 방향) 크라우닝은 프로파일 절단 공정에 기초하여 존재하는 운동학적 부정확성들을 마스킹하기에 충분히 커야 한다. 압연 성능을 최적화하기 위해 톱니 표면들의 미세 조정은 절단 에지 프로파일들의 재정의와 새로운 커터의 제조없이는 거의 불가능하다.

열처리 후에, 원형 브로칭 공정에 의해 절단된 기어들의 톱니 표면들은 하드 가공되지 않지만, 열 처리 공정으로부터의 왜곡들과 함께 사용된다. 이것은 가장 실용적인 적용들에 충분하다. 그러나, 전기 차량 구동 트레인들의 제조자들로부터 오는 고출력 밀도 및 무소음 작업에 대한 증가하는 수요에 따라, 하드 마무리 작업에 대한 필요성은 많은 적용들에서 요건이 되고 있다.

1970년에 산업적 돌파구를 갖는 차동 기어들을 위한 다른 제조 방법은 단조이다. 단조에서, 2,000℉(1,093℃)를 초과하는 온도들을 갖는 강 빌렛이 경강 다이에서 가압된다. 다이는 차동 기어의 톱니 측면의 네거티브 형상을 갖는다. 단조된 부분들의 보어 및 후면은 단조 공정 후에 기계가공된다. 일부 단조 공정들은 마무리 공정으로서 교정을 적용한다. 교정은 표면 마무리뿐만 아니라 톱니 인덱싱 질을 개선하기 위해 단조 후에 수행된다. 오늘날, 단조는 매우 비용 효과적인 제조 공정에서 고품질의 차동 기어들을 달성한다. 단조의 장점들은 낮은 제조 비용, 굽힘 및 충격들에 관해 높은 무결성을 갖는 부분들의 생성, 및 예를 들어 피니언 부재 및 측면 기어 부재(때때로 차동 기어 세트의 "기어" 부재로 지칭됨)를 포함하는, 도 3의 기어 세트에서 알 수 있는 바와 같이 토우 및 힐 루트에서 보강 웹들의 배치와 같은 수정들을 적용할 가능성이다. 일부 단점들은 보강 웹들이 탄성 굽힘으로부터 톱니들을 제약하며, 이는 피팅(pitting)과 같은 표면 손상들, 및 또한 톱니 루트 내의 크랙들에 대해 높은 하중 조건들을 초래할 수 있다는 것이다. 추가적으로, 보강 웹들의 존재에서, 루트 라인들은 직선이 아니거나 만곡되어 있지 않으며, 이는 임의의 최신 기어 기계가공 공정들로 기계가공하는 것을 불가능하게 한다. 기계가공은 예를 들어, 볼 노즈 엔드밀 및 다축 기계가공 중심을 사용하여 느린 공정에 의해 수행되어야 할 것이다.

단조된 기어들은 더 높은 경도 및 상이한 강 구조를 갖는 얇은 외부 층인 스케일을 갖는다. 단조 스케일은 또한 높은 하중 하에 표면 파손에 기여한다. 단조된 기어들은 다이 도구 수명의 제1 및 마지막 부분 사이의 톱니 두께의 특정 변형을 갖는다. 이러한 변화는 제어될 수 없는 조립 후에 변화하는 백래시를 초래한다. 다이 도구 수명의 시작 시 단조된 차동 기어들은 너무 단단하며, 이는 효율을 감소시킨다. 다이 도구 수명의 종료에서의 단조된 기어들은 너무 많은 백래시를 가지며, 이는 래틀링 노이즈 및 과도한 구동 트레인 백래시를 초래한다.

직선 베벨 차동 기어들을 제조하기 위한 다른 방법은 미국 특허 7,364,391에 개시되어 있으며, 그 전체 개시는 참조로 이로써 원용되고, 공개 "CONIFLEX^®Plus Straight Bevel Gear Manufacture", Stadtfeld, Hermann J, The Gleason Works, June 2010에서, 제1 단계에서 모든 제1 플랭크들을 대충 세우고 마무리 절단하고, 그 다음 커터의 위치를 변경하여 제2 단계에서 모든 제2 플랭크들을 마무리 절단하는 단일 측면 절단 공정을 포함한다. 2 단계 공정은 미국 특허 6,712,566에 개시된 것과 같은 컴퓨터 제어 다축 기어 제조 기계 상에서 수행될 수 있으며, 그 전체 개시는 참조로 이로써 원용된다. 2 단계 공정은 정확한 인벌루트들(옥토이드들)을 발생시키고, 다양한 플랭크 형태 수정들을 허용한다. 열 처리 후에, 차동 기어들을 CBN 연삭 공정으로 연삭하는 것이 가능하다. 2 단계 공정은 특히 전기 차량 구동 트레인들에 대한 의도된 차이들에 있어 위에 논의된 원형 브로칭 또는 단조에 비해 다양한 장점들을 제시한다. 2 단계 공정의 단점은 차동 기어들과 관련하여, 원형 브로칭 또는 단조에 비해 더 낮은 생산성이다.

본 발명은 매우 짧은 기계가공 시간들을 갖는 직선 베벨 기어들을 위한 기계가공 공정을 포함한다. 일 실시예에서, 직선 베벨 기어세트의 양 부재들은 비발생된 형태 절단 또는 형태 연삭 공정에서 기계가공된다. 도구 프로파일은 각각의 개별 직선 베벨 기어의 등가 스퍼 기어로부터 결정되는 미러링된 인벌루트의 형상을 갖는다.

다른 실시예에서, 직선 베벨 기어세트의 하나의 부재는 비발생된 형태 절단 또는 형태 연삭 공정에서 기계가공되고 기어세트의 다른 부재는 발생 공정에서 기계가공된다.

도 1은 차동 기어의 일 예를 도시한다.
도 2는 차동 기어 톱니 슬롯을 절단하는 공정에 있는 원형 브로치 커터의 도면이다.
도 3은 단조된 차동 기어 세트의 단면도를 도시한다.
도 4는 비발생된 프로파일 절단을 위한 주변 커터를 도시한다.
도 5는 본 발명의 공정의 커터 및 가공물 및 절단 스트로크의 배향을 예시한다.
도 6은 등가 스퍼 기어의 반경과 차동 기어를 도시한다.
도 7은 등가 스퍼 기어의 피치 지점, 압력 각도 및 베이스 원 반경 사이의 관계를 도시한다.
도 8은 등가 스퍼 기어의 베이스 원과 인벌루트 지점(P_i) 사이의 관계를 도시한다.
도 9는 본 발명의 절단 또는 연삭 도구의 단면을 도시한다.
도 10은 직선 베벨 기어의 톱니 슬롯 폭 테이퍼의 정면도를 도시한다.
도 11은 비례 슬롯 폭 테이퍼에 대해 정의된 톱니 깊이 테이퍼를 도시한다.
도 12는 도구 전진 또는 후퇴와 기계가공된 슬롯 폭 사이의 관계를 도시한다.
도 13은 토우로부터 힐로의 하나의 스트로크에서의 기계가공을 도시한다.
도 14는 토우 플런지 및 토우로부터 힐로의 스트로크를 갖는 기계가공을 도시한다.
도 15는 힐로부터 토우로의 하나의 스트로크에서의 기계가공을 도시한다.
도 16은 힐 플런지 및 힐로부터 토우로의 스트로크를 갖는 기계가공을 도시한다.
도 17은 곡선 길이 모션을 갖는 비발생된 측면 기어 절단을 도시한다.
도 18은 발생 공정에 의한 피니언 절단을 도시한다.

본 명세서에 사용된 "발명", "그 발명", 및 "본 발명"이라는 용어들은 본 명세서의 기술 요지 및 아래의 임의의 특허 청구범위 모두를 광범위하게 지칭하는 것으로 의도된다. 이들 용어들을 포함하는 서술들은 본원에 설명된 기술 요지를 제한하거나 아래의 임의의 특허 청구범위의 의미 또는 범위를 제한하는 것으로 이해되어서는 안된다. 또한, 본 명세서는 본 출원서의 임의의 특정 부분, 단락, 서술 또는 도면에서 임의의 청구범위에 의해 보호되는 기술 요지를 설명하거나 제한하는 것으로 도모되지 않는다. 본 기술 요지는 전체 명세서, 모든 도면들, 및 아래의 임의의 청구범위를 참조하여 이해되어야 한다. 본 발명은 다른 구성들이 가능하고 다양한 방식들로 실시되거나 수행될 수 있다. 또한, 본원에 사용된 어법 및 용어는 설명의 목적들을 위한 것이고 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다는 점이 이해되어야 한다.

본 발명의 상세들은 이제 단지 예로서 본 발명을 도시하는 첨부 도면들을 참조하여 논의될 것이다. 도면들에서, 유사한 특징들 또는 구성요소들은 유사한 참조 부호들로 지칭될 것이다. 특정 양태들 또는 요소들의 크기 및 상대적 크기들은 명확성 또는 상세한 설명 목적들을 위해 과장될 수 있다.

본원에서 "포함하는", "갖는" 및 "포함하는", 및 이들의 변형들의 사용은 이후에 열거된 항목들 및 그 등가물들뿐만 아니라 추가 항목들을 포함하는 것을 의미한다. 방법 또는 공정의 요소들을 식별하기 위한 문자들 또는 숫자들의 사용은 단순히 식별을 위한 것으로, 요소들이 특정 순서로 수행되어야 함을 나타내는 것으로 의미되지 않는다. 본원에 사용된 바와 같이, 단수 형태들(하나의("a", "an"), 및 상기("the"))은 맥락이 명백하게 달리 나타내지 않는 한 복수 형태들을 포함하는 것으로 의도되고, "및/또는"이라는 용어는 연관된 열거된 항목들 중 하나 이상의 임의의 및 모든 조합을 포함한다.

도면들을 설명함에 있어서 상부, 하부, 상향, 하향, 후향, 하단, 상단, 전방, 후방 등과 같은 방향들이 아래에서 참조될 수 있지만, 이들 참조들은 편의를 위해 (일반적으로 볼 때) 도면들에 대해 이루어진다. 이들 방향들은 문자 그대로 취하거나 어떤 형태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한, "제1", "제2", "제3" 등과 같은 용어들은 본원에서 설명의 목적들로 사용되고 명시적으로 언급되지 않는 한 중요성 또는 의미를 나타내거나 암시하려는 의도가 아니다.

본 발명은 제1 부재 및 제2 부재를 포함하는 직선 베벨 기어들의 결합 쌍의 적어도 하나의 부재를 제조하는 방법을 포함한다. 제1 가공물 블랭크는 제1 부재를 생성하도록 기계가공된다. 기계가공하는 단계는 제1 가공물 블랭크의 토우 단부 또는 힐 단부 중 하나로부터 제1 가공물 블랭크의 토우 단부 또는 힐 단부 중 다른 하나로의 스트로킹 모션에서 회전 도구를 공급하여 제1 가공물 블랭크 상에 톱니 슬롯 및 대향 톱니 플랭크들을 형성하는 단계를 포함하는 비발생 공정이다. 제1 가공물 블랭크는 다른 톱니 슬롯 위치에 인덱싱되고, 공급 및 인덱싱 단계들은 모든 톱니 슬롯들 및 모든 톱니 플랭크들이 생성되며 이에 따라 제1 부재를 형성할 때까지 반복된다.

본 발명의 기계가공 방법은 코스 피치 톱니들, 큰 톱니 깊이 테이퍼 및 높은 압력 각도들인 차동 기어들의 전형적인 속성들을 갖는 직선 베벨 기어들을 생성한다. 본 발명의 방법은 바람직하게는 큰 직경 및 복수의 교번 내부 절단 블레이드(20) 및 외부 절단 블레이드(22)를 갖는 주변 커터(18)로 수행된다. 대안적으로, 톱니 슬롯의 양 측면들 및 하단(즉, 전체 톱니 슬롯)을 각각 동시에 절단하는 전체 프로파일 절단 블레이드들이 또한 이용될 수 있다. 도 4는 비발생된 톱니 프로파일 절단을 완료하기 위한 주변 커터의 3차원 도면을 도시한다. 본 발명의 공정을 위한 바람직한 커터는 큰 직경(예컨대 460 mm)을 갖고, 그의 원주 주위에 큰 수(예컨대 40)의 절단 블레이드(예컨대, 스틱 또는 바 블레이드)를 가지고 있다. 블레이드 스틱들의 측면 표면들은 회전의 평면과 결합되도록 배향된다. 블레이드 스틱들의 전방 표면들은 예를 들어, 7.42도의 경사 대 반경방향 라인을 갖는다.

발생 모션 없이 직선 루트 라인을 형성하기 위해, 본 발명의 방법의 제1 실시예는 바람직하게는 도 5에 도시된 바와 같이 하나의 스트로크에서 토우 단부로부터 힐 단부로 하나의 톱니 슬롯을 절단하는 비발생 형태 절단 공정이다. 스트로크 방향은 기계가공된 직선 베벨 기어의 루트 라인에 평행하다. 각각의 슬롯의 양 플랭크들은 동시에 마무리된다. 바람직한 절단 블레이드 재료로서 탄화물을 사용하여, 절단 에지들은 3면 지면(즉, 전방 면 및 양 측부 표면들)이고 마모 코팅(예를 들어, TiAlN 또는 AlCrN)으로 모두 코팅되며, 본 발명의 완료 공정은 이전에 논의된 원형 브로칭 공정과 유사한 생산성을 가능하게 한다. 스트로크 방향은 반전될 수 있는데, 즉 토우 단부에서 힐 단부까지일 수 있다. 교번 방향 스트로크들은 연속적인 톱니 슬롯들을 생성하는 데 사용될 수 있다.

본 발명의 공정은 바람직하게는 인벌루트 블레이드 프로파일(또는 3개의 연결된 원으로 인벌루트들을 근사화하는 블레이드 프로파일들)을 사용한다. 커터 블레이드들의 프로파일들은 절단 기어들 상에 인벌루트 프로파일을 생성하기 위해 곡선과 유사한 미러링된 인벌루트들이다. 블레이드 프로파일들은 톱니 상에 프로파일 크라우닝, 팁 릴리프 및/또는 루트 릴리프를 달성하기 위해 수정될 수 있다. 팁 및 루트 릴리프를 적용함으로써, 프로파일 중심은 낮은 모션 전달 에러, 낮은 잡음 및 더 높은 하중 운반 용량을 초래하는 접합체를 유지할 수 있다. 바람직하게는, 절단 도구는 예를 들어, 이전에 개시된 미국 특허 6,712,566과 같은, 5축(또는 그 이상) 컴퓨터 제어(예를 들어, CNC) 기계를 이용하여 톱니 슬롯을 통해 안내되며, 이는 길이 크라우닝 및 플랭크 트위스팅과 같은, 특정 플랭크 형태 수정들의 형성을 가능하게 한다. 또한, 가청 노이즈를 감소시키기 위한 목표로 청감 톱니 플랭크 형태 산란을 적용하는 것이 가능하다.

인벌루트 파라미터들은 직선 베벨 기어 단면의 2차원 도면을 도시하는, 도 6에 도시된 바와 같이 중간면에 정의된 등가 스퍼 기어로부터 결정된다. 등가 스퍼 기어는 직선 베벨 기어들의 특정 특징들을 등가 스퍼 기어에 관련시키기 위해 표준들(예를 들어, AGMA 등)에 사용된다. 원래의 직선 베벨 기어 및 등가 스퍼 기어 사이의 비슷한(등가의) 키네매틱(kinematic)을 달성하기 위해, 직선 베벨 기어의 중간면에서의 회전의 운동량 극은 등가 스퍼 기어의 피치 직경(직선 베벨 기어의 피치 직경/cos(피치 각도) = 등가 스퍼 기어의 피치 직경)을 정의하는 데 사용된다. 등가 스퍼 기어의 톱니 비율들은 양 경우들에서, 동일한 모듈 및 압력 각도가 적용되는 것을 의미하는 직선 베벨 기어와 동일하다. 등가 스퍼 기어의 공지된 피치 직경 및 압력 각도를 사용하여, 스퍼 기어의 인벌루트가 계산될 수 있다. 등가 스퍼 기어의 인벌루트는 이제 직선 베벨 기어에 사용될 수 있다. 대부분의 경우들에서, (직선 베벨 기어의 중간면 치수들로부터 정의된) 등가 스퍼 기어의 인벌루트를 직선 베벨 기어의 전체 면 폭에 적용하는 것이 실용적이고 충분히 정확하다.

이하의 논의 및 식들에서, 길이/거리 측정의 단위들은 바람직하게는 밀리미터(mm)이지만, 대안적으로 인치일 수 있다. 토우와 힐 사이의 중심에 있는 중간면(도 6 참조)에서, 피치 라인에 수직인 라인이 도시된다. 이러한 라인은 교차 지점에서 기어 축과 교차한다. 교차 지점으로부터 피치 라인으로 이러한 라인의 길이는 등가 스퍼 길이의 피치 반경이다. 그것은 베벨 기어의 피치 반경을 피치 각도의 코사인으로 나눔으로써 계산된다. 차동 기어의 중간면에서의 피치 직경은 등가 스퍼 기어 피치 직경을 수용하기 위해 피치 각도의 코사인으로 나누어진다:

(1)

도 7은 피치 지점, 압력 각도 및 베이스 원 반경 사이의 2차원 관계를 도시한다. 등가 스퍼 기어의 피치 원(파선 아치형 라인)은 등가 스퍼 기어의 중심 주위에 위치되도록 도시된다. 수직 파선은 등가 스퍼 기어의 중심으로부터 피치 원으로 그리고 이를 넘어 연장된다. 피치 원과 수직 라인의 교차점은 피치 지점을 정의한다. 직선 라인(즉, 플랭크 접선 라인)은 압력 각도와 동일한 양만큼 수직 라인 방향에 대해 경사지고 피치 지점을 통해 연장된다. 플랭크 접선에 수직이고 피치 지점에서 시작하면, 인벌루트 반경 라인은 우측으로 연장되고, 접선 지점에서 인벌루트 베이스 원에 접하다. 인벌루트 베이스 원 접선에 수직인 라인은 접선 지점으로부터 연장되고 등가 스퍼 기어의 중심과 교차한다. 이러한 라인의 길이는 등가 스퍼 기어의 베이스 원의 반경이다. (인벌루트 베이스 원에서의) 접선 지점과 피치 지점 사이의 거리는 피치 지점에서 인벌루트 반경의 길이를 정의한다.

인벌루트의 베이스 원은 도 7의 그래픽으로부터 계산된다:

(2)

도 8은 등가 스퍼 기어의 베이스 원과 인벌루트 지점(P_i) 사이의 관계의 2차원 도면을 도시한다. 도 8은 또한 인벌루트 반경을 사용하여 지점마다 전개됨에 따라 톱니 프로파일을 도시한다. 이러한 방식으로 발생된 프로파일은 중간면에서 실제 직선 베벨 기어의 프로파일이다. 프로파일은 또한 미러 이미지로서 절단 블레이드 프로파일을 결정하는 데 사용된다. 도 8은 피치 원에서의 톱니 프로파일 두께를 더 도시한다. 도 8의 그래픽에 도시된 바와 같이 팁 및 루트 릴리프를 도입하는 것이 선택적이다.

인벌루트 반경은 (지점(P_i)에 도시된 도 8에서) 각각의 프로파일 포인트에 대해 개별적으로 계산된다:

(3)

도구 프로파일은 또한 미러 이미지 또는 반전된 인벌루트로 지칭될 수 있는 중간면에서의 기어 슬롯의 음의 프로파일이다. 도 9는 도구 프로파일의 단면을 도시한다.

토우로부터 힐로(또는 그 반대로) 절단하고 하나의 슬롯의 양 플랭크들을 동시에 마무리하는 것은 톱니 슬롯의 좌측 및 우측 플랭크의 피치 라인들을 따라 비례 슬롯 폭 테이퍼를 기계가공하는 것을 필요로 한다(도 10 참조). 비례는 피치 원뿔 방향의 연장된 플랭크 라인들이 직선 베벨 기어의 축과 교차하는 것을 의미한다("직선 베벨 기어의 중심"으로서 도 10에 정면도로 도시됨). 도 10은 슬롯 폭이 직선 베벨 기어의 중심에서 0의 폭으로 시작하고 비례적으로 증가하는 비례 슬롯 폭 테이퍼를 도시한다. 각각의 반경방향 위치에서, 그러한 위치에서의 원주는 톱니의 수의 2배로 분할된다. 이것은 결합 기어들 둘 다의 동일한 톱니 두께들 및 슬롯 폭을 준다. 2 개의 결합 부재 사이의 강도의 균형을 맞추기 위해, 특정 양의 스톡 재료를 2개의 부재 중 하나에 추가하고 다른 부재(프로파일 측면 시프트)로부터 동일한 양의 스톡 재료를 감산하는 것은 나중에 가능하다. 프로파일 측면 시프트를 도입한 후에, 슬롯 폭 테이퍼는 여전히 비례한다.

비례 슬롯 폭 테이퍼는 특정 디덴덤 각도(도 11에 도시된 바와 같이 피치 라인과 루트 라인 사이의 각도)를 정의함으로써 달성될 수 있다. 도 11은 베벨 기어의 단면의 2차원 도면을 도시한다. 완료 공정에서 기계가공된, 직선 베벨 기어에 대한 톱니 깊이 테이퍼는 디덴덤 각도를 필요로 한다. 디덴덤 각도는 피치 라인들을 따라 비례 톱니 슬롯 폭을 제공하기 위해 결정된다. 디덴덤 각도는 루트 각도를 획득하기 위해 피치 각도로부터 감산된다. 2 개의 결합 부재 사이의 균일한 상단 루트 유격을 위해, 면 각도는 디덴덤 각도를 피치 각도에 추가함으로써 결정될 수 있다.

디덴덤 각도를 결정하는 하나의 방식이 하기에 제시된다.

(아크 길이에서) 중간면, 토우 및 힐에서 피치 라인에서의 톱니 슬롯 폭 계산:

피치 라인에서의 평균 슬롯 폭=(중간면에서의 피치 직경)×(π/2/(톱니들의 수) (4)

피치 라인에서의 토우 슬롯 폭=(토우에서의 피치 직경)×(π/2/톱니들의 수) (5)

피치 라인에서의 힐 슬롯 폭=(힐에서의 피치 직경)×(π/2/톱니들의 수) (6)

톱니 슬롯이 토우에서 더 얕아야 하는 양:

ΔToe=((피치 라인에서의 토우 슬롯 폭-피치 라인에서의 평균 슬롯 폭)/2/tan(압력 각도) (7)

슬롯이 힐에서 더 깊어야 하는 양:

ΔHeel=((피치 라인에서의 힐 슬롯 폭-피치 라인에서의 평균 슬롯 폭)/2/tan(압력 각도) (8)

그 다음, 디덴덤 각도는 이하에 의해 결정된다:

디덴덤 각도=arctan(ΔHeel-ΔToe)/면 폭) (9)

이는 특정 기어의 루트 각도가 이하에 의해 결정되는 것을 허용한다:

루트 각도=피치 각도-디덴덤 각도 (10)

2개의 결합 부재 사이의 백래시는 원하는 백래시 양의 절반만큼 각각의 개별 부재의 (도 8에 도시된 톱니 프로파일 두께를 감소시키는) 피치 원에서 도구 프로파일 두께를 증가시킴으로써 생성된다.

메싱 부재들 사이의 평행한 상단 루트 간극을 달성하기 위해, 면 각도는 이하에 의해 결정될 수 있다:

면 각도 = 피치 각도+디덴덤 각도 (11)

중간면, 토우 및 힐에서의 도구의 위치 사이의 관계는 도 12에 도시된다. 중간면으로부터 힐을 향해, 도구는 더 깊은 슬롯을 절단하도록 (피치 라인에 대해) 전진된다. 중간면으로부터 토우를 향해, 도구는 더 얕은 슬롯을 절단하도록 (피치 라인에 대해) 후퇴된다. 절단 블레이드들의 팁들은 가공물의 루트 라인을 따르며, 이는 토우 단부와 힐 단부 사이의 길이를 따라 톱니 슬롯의 적절한 깊이 및 폭을 초래한다.

슬롯 절단 동안의 모션들에 대해, 4개의 예가 설명된다. 실시예 1은 도 13에 도시되며, 도 13은 직선 베벨 차동 기어의 단면의 2차원 도면 및 기계가공 공정의 (토우 전의) 시작 위치 및 (힐에서의) 종료 위치에서의 커터 헤드의 단순화된 도면을 도시한다. 커터는 하나의 슬롯의 양 플랭크들을 완료하기 위해 토우로부터 힐로 하나의 스트로크 모션을 수행한다. 시작 위치에서, 커터는 연장된 루트 라인에 접하는 커터 윤곽 원을 갖는 토우 앞에 위치된다. 시작 위치에서, 커터는 소량의 토우 유격을 갖는 부분을 제거한다. 시작 위치로부터, 스트로크는 커터를 힐에서의 종료 위치로 이동시켜, 접선 지점은 조금 슬롯의 외부(힐 유격 접선 지점)에 있다.

실시예 2는 도 14에 도시되며, 도 14는 직선 베벨 차동 기어의 단면의 2차원 도면 및 (토우에서, 루트 라인으로부터 후퇴된) 시작 위치에서의 커터 헤드의 단순화된 도면을 도시한다. 커터는 시작 위치로부터 루트 라인으로 플런지되고, 그 다음 하나의 슬롯의 양 플랭크들을 완료하기 위해 스트로크 모션으로 힐에서의 종료 위치로 이동한다. 시작 위치에서, 커터는 토우에 위치되지만, 루트 라인으로부터 후퇴되어, 블랭크(상부 유격)를 제거한다. 시작 위치로부터, 커터는 커터 윤곽이 토우 유격 접선 지점에 도달할 때까지 플런지된다. 플런지 다음에 토우로부터 힐로의 스트로크가 이어진다. 스트로크는 힐 유격 접선 지점에서 종료된다.

실시예 3은 도 15에 도시되며, 도 15는 직선 베벨 차동 기어의 단면의 2차원 도면 및 기계가공 공정의 (힐 뒤의) 시작 위치 및 (토우에서의) 종료 위치에서의 커터 헤드의 단순화된 도면을 도시한다. 커터는 하나의 슬롯의 양 플랭크들을 완료하기 위해 힐로부터 토우로 하나의 스트로크 모션을 수행한다. 시작 위치에서, 커터는 연장된 루트 라인에 접하는 커터 윤곽 원을 갖는 힐 뒤에 위치된다. 시작 위치에서, 커터는 소량의 힐 유격을 갖는 부분을 제거한다. 시작 위치로부터, 스트로크는 커터를 토우에서의 종료 위치로 이동시켜, 접선 지점은 조금 슬롯의 외부(토우 유격 접선 지점)에 있다.

실시예 4는 도 16에 도시되며, 도 16은 직선 베벨 차동 기어의 단면의 2차원 도면 및 (힐에서, 루트 라인으로부터 후퇴된) 시작 위치에서의 커터 헤드의 단순화된 도면을 도시한다. 커터는 시작 위치로부터 루트 라인으로 플런지되고, 그 다음 하나의 슬롯의 양 플랭크들을 완료하기 위해 스트로크 모션으로 토우에서의 종료 위치로 이동한다. 시작 위치에서, 커터 위치는 힐에 있지만, 루트 라인으로부터 후퇴되어, 커터는 블랭크(상부 힐 유격)를 제거한다. 시작 위치로부터, 커터는 커터 윤곽이 힐 유격 접선 지점에 도달할 때까지 플런지된다. 플런지 다음에 힐로부터 토우로의 스트로크가 이어진다. 스트로크는 토우 유격 접선 지점에서 종료된다.

공정은 절단으로 제한되지 않지만, 또한 하드 스카이빙 및 연삭과 같은 다른 기계가공 공정들에 적용 가능하다.

더욱이, 공정은 하나의 스트로크에 제한되지 않는다. 러핑을 위한 설명된 스트로크 및 마무리를 위한 반전 스트로크를 사용하는 것이 또한 가능하다.

또한, 본 발명은 완료 공정들에 제한되지 않지만, 제1 스트로크로 제1 톱니 플랭크 표면을 러핑하고 마무리한 다음 반전 스트로크로(상이한 설정들로) 제2(즉, 대향) 톱니 플랭크 표면을 마무리하는 것을 포함한다.

제2 실시예에서, 기어 세트의 측면 기어 부재는 위에 논의된 제1 실시예와 유사한 방식으로 발생되지 않지만, 피니언 부재는 발생된다(또는 그 반대도 마찬가지임). 비발생된 측면 기어 부재에 대해, 톱니 슬롯은 바람직하게는 도 17에 도시된 바와 같이 하나의 스트로크에서 토우 단부로부터 힐 단부로(또는 힐 단부로부터 토우 단부로)의 하나의 톱니 슬롯을 절단하는 형태 절단 공정에 의해 생성된다. 발생된 피니언과 메시로 롤링할 때 발생할 수 있는 토우 및 힐 에지 접촉을 제거하기 위해, 스트로크 길이 모션은 (도 5에서 스트로크 방향과 같이) 직선이 아니지만, 톱니 단부들을 향해 점진적으로 더 깊게 절단하도록 만곡된다. 커터는 직선 교번 절단 에지들(즉, 내부 및 외부 절단 블레이드들)을 갖고, 시작 위치(예를 들어, 토우 단부)로부터 종료 위치(예컨대, 힐 단부)로 양 톱니 플랭크들을 생성한다.

도 18은 언롤링된 실린더를 나타내는 (도면 페이지에 의해 표현된) 평면 내의 피니언 부재의 발생을 도시한다. 실린더는 평면에 평행하고 도 18의 커터 축에 수직인 축을 갖는다. 원통의 반경은 결합 측면 기어의 평균 원뿔 거리와 동일하다. 커터는 사다리꼴 절단 에지 프로파일을 갖고, 피니언의 시작 롤 각도 위치로부터 단부 롤 각도 위치로 (도면 평면에서, 언롤링된 실린더를 나타내는) 선형 이동을 수행한다. 선형 커터 이동과 동시에, 피니언은 톱니 프로파일을 발생시키기 위해 회전한다. 절단 블레이드들은 제1 실시예(도 9)의 경우에서와 같이 반전된 인벌루트 프로파일을 갖지 않지만, 블레이드 프로파일 에지 곡률 반경을 포함하도록 수정될 수 있는 직선 절단 에지를 가져서 톱니 표면 상에 일부 프로파일 크라우닝을 생성한다. 피니언 발성은 결합 비발생된 측면 기어를 이론적 발생 기어로서 사용한다. 이것은 측면 기어 톱니 프로파일이 정확한 기어 메싱 작용을 위해 직선일 수 있도록 피니언 톱니 표면들의 프로파일에 추가적인 곡률을 제공한다.

피니언 커터가 어떠한 길이 이동도 수행하지 않기 때문에, 루트 라인은 커터의 반경으로 만곡될 것이다. 이러한 배치는 톱니들의 2개의 단부에서 스톡-온 조건을 야기할 것이다. 스톡온 조건은 음의 길이 크라우닝을 야기하고, 측면 기어의 수정되지 않은 톱니 표면과 메시로 롤링할 때 토우 및 힐 단부에서 에지 접촉을 초래할 수 있다. 그러나, 위에 논의된 바와 같이, 롤링 동안 토우 및 힐 에지 접촉을 제거하기 위해, 스트로크 길이 모션은 (도 5에서 스트로크 방향과 같이) 측면 기어의 비발생된 생성 동안 직선이 아니지만, 톱니 단부들을 향해 점진적으로 더 깊게 절단하도록 만곡된다(도 17).

본 발명은 또한 발생되지 않은 피니언 부재 및 발생되는 측면 기어 부재뿐만 아니라, 각각의 발생 공정에 의해 제조되는 피니언 부재 및 측면 기어 부재 둘 다를 고려한다.

전술되고 도 18에 도시된 발생 모션들 외에 추가하여, 발생된 피니언의 톱니 플랭크 표면들은 미국 특허 5,580,298에 개시된 것들과 같은 예를 들어 플랭크 트위스트 제어, 길이방향 크라우닝 및/또는 다른 톱니 플랭크 표면 수정들의 도입으로 더 최적화될 수 있으며, 그 전체 개시는 참조로 이로써 원용된다.

본 발명은 바람직한 실시예들을 참조하여 설명되었지만, 본 발명은 그 세부사항들에 제한되지 않는다는 점이 이해되어야 한다. 본 발명은 첨부된 청구범위의 사상 및 범위를 벗어남이 없이 기술 요지가 속하는 당업자들에게 명백할 수 있는 수정들을 포함하도록 의도된다.

Claims (20)

1. 제1 부재 및 제2 부재를 포함하는 직선 베벨 기어들의 결합 쌍의 적어도 하나의 부재를 제조하는 방법으로서, 상기 방법은,
   제1 가공물 블랭크를 기계가공하여 상기 제1 부재를 생성하는 단계로서, 상기 기계가공하는 단계는 상기 제1 가공물 블랭크의 토우 단부 또는 힐 단부 중 하나로부터 상기 제1 가공물 블랭크의 토우 단부 또는 힐 단부 중 다른 하나로의 스트로킹 모션에서 회전 도구를 공급하여 상기 제1 가공물 블랭크 상에 톱니 슬롯 및 대향 톱니 플랭크들을 형성하는 단계를 포함하는 비발생 공정인 단계,
   상기 제1 가공물 블랭크를 다른 톱니 슬롯 위치에 인덱싱하는 단계,
   모든 톱니 슬롯들 및 모든 톱니 플랭크들이 생성되며 이에 따라 상기 제1 부재를 형성할 때까지 상기 공급 및 인덱싱을 반복하는 단계를 포함하는, 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 도구는 주변 절단 또는 연삭 도구인, 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 주변 절단 도구는 복수의 교번 내부 절단 블레이드 및 외부 절단 블레이드를 포함하는, 방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 내부 절단 블레이드들 및 외부 절단 블레이드들은 상기 톱니 플랭크들 상에 인벌루트 프로파일을 생성하기 위해 미러링된 인벌루트들의 형태로 곡선 블레이드 프로파일들을 갖는, 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 스트로킹 모션은 단일 스트로크를 포함하는, 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 스트로킹 모션은 직선 또는 곡선인, 방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 곡선 스트로킹 모션은 상기 톱니 슬롯을 상기 톱니 슬롯의 토우 단부 및 힐 단부를 향해 더 깊게 기계가공하는, 방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 도구는 상기 스트로킹 모션을 시작하기 전에 상기 제1 가공물 블랭크에 대해 상기 토우 단부 또는 상기 힐 단부에서 미리 결정된 톱니 슬롯 깊이로 플런지 공급되는, 방법.
9. 제1항에 있어서,
   상기 톱니 플랭크들 상에 마무리된 톱니 표면을 제공하기 위해 상기 톱니 플랭크들 상에 마무리 작업을 수행하는 단계를 더 포함하는, 방법.
10. 제9항에 있어서, 상기 마무리 작업은 연삭 또는 하드 스카이빙을 포함하는, 방법.
11. 제1항에 있어서, 제2 가공물 블랭크를 기계가공하여 상기 제2 부재를 생성하는 단계를 더 포함하며, 상기 기계가공하는 단계는,
    회전 도구를 제2 가공물 블랭크와 체결하고, 시작 롤 각도로부터 종료 롤 각도로 상기 제2 가공물 블랭크를 회전시키는 것과 조합된 선형 방향으로 상기 회전 도구를 이동시킴으로써 상기 제2 가공물 블랭크 상에 톱니 슬롯 및 대향 톱니 플랭크들을 발생시키는 단계,
    상기 제2 가공물 블랭크를 다른 톱니 슬롯 위치에 인덱싱하는 단계,
    모든 톱니 슬롯들 및 모든 톱니 플랭크들이 생성되며 이에 따라 상기 제2 부재를 형성할 때까지 상기 체결, 발생 및 인덱싱을 반복하는 단계를 포함하는 발생 공정인, 방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 도구는 주변 절단 또는 연삭 도구인, 방법.
13. 제12항에 있어서, 상기 주변 절단 도구는 복수의 교번 내부 절단 블레이드 및 외부 절단 블레이드를 포함하는, 방법.
14. 제13항에 있어서, 상기 내부 절단 블레이드들 및 외부 절단 블레이드들은 사다리꼴 절단 에지 프로파일을 형성하는, 방법.
15. 제11항에 있어서,
    상기 톱니 플랭크들 상에 마무리된 톱니 표면을 제공하기 위해 상기 톱니 플랭크들 상에 마무리 작업을 수행하는 단계를 더 포함하는, 방법.
16. 제15항에 있어서, 상기 마무리 작업은 연삭 또는 하드 스카이빙을 포함하는, 방법.
17. 제1 부재 및 제2 부재를 포함하는 직선 베벨 기어들의 결합 쌍의 적어도 하나의 부재를 제조하는 방법으로서, 상기 방법은,
    제1 가공물 블랭크를 기계가공하여 상기 제1 부재를 생성하는 단계로서, 상기 기계가공하는 단계는 상기 제1 가공물 블랭크의 토우 단부 또는 힐 단부 중 하나로부터 상기 제1 가공물 블랭크의 토우 단부 또는 힐 단부 중 다른 하나로의 스트로킹 모션에서 회전 도구를 공급하여 상기 제1 가공물 블랭크 상에 톱니 슬롯 및 대향 톱니 플랭크들을 형성하는 단계를 포함하는 비발생 공정인 단계,
    상기 제1 가공물 블랭크를 다른 톱니 슬롯 위치에 인덱싱하는 단계,
    모든 톱니 슬롯들 및 모든 톱니 플랭크들이 생성되며 이에 따라 상기 제1 부재를 형성할 때까지 상기 공급 및 인덱싱을 반복하는 단계,
    또는,
    회전 도구를 제1 가공물 블랭크와 체결하고, 시작 롤 각도로부터 종료 롤 각도로 상기 제1 가공물 블랭크를 회전시키는 것과 조합된 선형 방향으로 상기 회전 도구를 이동시킴으로써 상기 제1 가공물 블랭크 상에 톱니 슬롯 및 대향 톱니 플랭크들을 발생시키는 단계,
    상기 제1 가공물 블랭크를 다른 톱니 슬롯 위치에 인덱싱하는 단계,
    모든 톱니 슬롯들 및 모든 톱니 플랭크들이 생성되며 이에 따라 상기 제1 부재를 형성할 때까지 상기 체결, 발생 및 인덱싱을 반복하는 단계를 포함하는, 방법.
18. 제17항에 있어서, 상기 도구는 주변 절단 또는 연삭 도구인, 방법.
19. 제17항에 있어서,
    상기 톱니 플랭크들 상에 마무리된 톱니 표면을 제공하기 위해 상기 톱니 플랭크들 상에 마무리 작업을 수행하는 단계를 더 포함하는, 방법.
20. 제19항에 있어서, 상기 마무리 작업은 연삭 또는 하드 스카이빙을 포함하는, 방법.