KR200485637Y1 - 정격 부하가 최적화된 베벨 기어 치형 - Google Patents

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Abstract

본 고안은 베벨 기어 유닛의 베벨 기어 휠(1)에 관한 것이고, 이 베벨 기어 휠의 치형(2)들 각각은 부하 플랭크(3)와 비작용 플랭크(4)를 포함하며, 치형(2)들은 나선형 또는 소용돌이선형 치열(tooth trace), 특히 만곡된 종방향 치선을 구비하며, 치형(2)들, 특히 치형들의 상부 치합 영역은 옥토이드(octoid) 치형 형상 또는 구형 인벌류트 치형 형상을 구비하며, 치형들은, 치형팁 횡단선(23)의 치형팁 이등분점(A1)을 통과하고 기어 휠의 중점을 통과하여 지나가는 축선(9)이 치형(2)들의 비대칭성을 나타내도록, 부하 플랭크(4)들을 보강하기 위하여 부하 플랭크(4)들 상에 부가 소재부(11)를 구비한다. 또한, 본 고안은 치형 윤곽이 4-축선 또는 다-축선 가공 방법, 특히 5-축선 가공 방법에 의해 생산되는 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 따른 베벨 기어 휠(1)을 생산하는 방법에 관한 것이다.

Description

정격 부하가 최적화된 베벨 기어 치형 {LOAD RATING OPTIMISED BEVEL GEAR TOOTHING}
본 고안은 치형들 각각이 부하 플랭크(load flank)와 비작용 플랭크(nonworking flank)를 구비한 베벨 기어 유닛의 치형 기어 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
베벨 기어의 기하학적 치형 형상은 기어 중심을 통과하고 또한 치형을 반경 방향으로 통과하여 지나가는 대칭 축선에 대해 대체로 대칭으로 구성된다. 이는 치형 기어가 일반적으로 양방향(정방향 및 역방향)으로 동일하게 작동하도록 구성되고 제조된다는 점에서 대체로 타당하다.
작동 방향에 따라, 토크 전달 중의 개별 치형은 대향하는 치형의 부하 플랭크와 치합되어 대향하는 치형의 부하 플랭크로 토크를 전달하는 부하 플랭크와, 비작용 플랭크로 구분한다. 치형 기어가 회전하면, 치형의 비작용 플랭크는 회전 방향이 반대로 바뀌지 않는 한 그와 맞물리는 치형 기어의 다음 대향 치형과 부분적으로 접촉하거나 혹은 전혀 접촉하지 않는다.
실제로, 베벨 기어 유닛은 통상적으로 회전 방향을 역전시킬 필요가 없다. 그렇지만, 치형 기어의 개별 치형들의 플랭크들은 양 회전 방향 모두에 대해 동일하게 가공되어 제조된다.
기어가 전달할 수 있는 최대 힘을 증가시키기 위한 여러 가지의 방법이 있다. 한 가지 방법은 치형 플랭크들이 손상되는 것을 방지하기 위하여 표면을 열처리하는 것이다. 치형 플랭크들의 손상은, 예를 들어 과도하게 높은 접촉 압력에 대응하다가 일어난다. 이를 방지하기 위하여, 기하학적 치형 형상을 제조한 후에, 여러 가지 방법들 중에서, 특히 표면을 마감 처리, 즉 표면 처리를 하거나 혹은 경화시키게 된다. 다른 방법에서는, 치형 형상을 최적화하고 그 기본 랙 프로파일(basic rack profile)은 독일 공업 규격 DIN 867에 맞추어 표준화한다.
본 고안의 목적은 위에서 언급한 유형의 베벨 기어를 최적화하여 정격 부하를 개선하고 상기 베벨 기어에 의해 전달되는 토크를 증가시키는 데 있다.
상술한 목적은, 본 고안에 따라, 첫 번째로, 치형들이 나선형 또는 소용돌이선형 치열(tooth trace), 특히 만곡된 종방향 치선(tooth line)을 포함하며, 두 번째로, 치형들, 특히 치합 치형의 상부 영역이 옥토이드(octoid) 치형 형상 또는 구형 인벌류트(spherical involute) 치형 형상을 구비하며, 세 번째로, 치형들이, 부하 플랭크들을 보강하기 위하여, 특히 치형팁 횡단선의 치형팁 이등분점을 통과하고 기어 휠의 중점을 통과하여 지나가는 축선이 치형들의 비대칭성을 나타내도록, 부하 플랭크들 상에 부가 소재부를 포함하는 접근법에 의해 달성된다.
치형팁 횡단선은 치형 기어의 회전 축선과 직교하는 절단 평면의 단면과 반경 방향으로 최외곽에 있는 치형 기어의 치형면(치형팁 면)의 단면에 의해 형성된다.
본 고안에 따르면, 치형들은 부하 플랭크 상에 부가 소재부를 포함하여 부하 플랭크들을 보강한다. 여기에서, 부가 소재부란 치형을 대칭적으로 보았을 때, 대칭 축선의 한쪽 측면 상에만 존재하는 치형 소재의 부가를 의미한다. 반경 방향 치형 축선은 우선 치형팁 횡단선 상에 위치되고 치형팁 횡단선을 두 개의 동일한 부분으로 나누는 지점을 통과하고 두 번째로는 치형 기어의 중심을 통과하여 지나간다.
부가 소재부는 부하 플랭크의 하부 영역 또는 내측 영역에, 특히 부하 플랭크의 하부 2/3 지점 또는 하부 3/4 지점 내에 배치된다.
부하 플랭크의 임의의 정해진 지점에서의, 특히 피치원 및 회전원 상의 접선이 비작용 플랭크의 상응하는 접선보다 더 편평(flat)하고, 상기 접선의 반경 방향 치형 축선에 대한 각도(β)가 비작용 플랭크에서보다 더 크면 특히 유리하다.
이러한 유형의 비대칭 치형 프로파일의 장점은 부하 플랭크의 곡률 반경을 크게 함으로써 토크 전달이 증가되고 이에 따라 플랭크 접촉 압력이 감소된다는 것이다. 그 결과, 치형, 특히 플랭크 영역의 손상 위험이 감소된다.
또한, 본 고안에 의하면, 치형팁 종선을 따르는 부하 측면 상의 압력각의 가변성을 충족시킬 수 있게 된다. 치형 힐부(tooth heel)에서의 압력각을 치형 토부(tooth toe)에 비해 크게 선택하면, 각도 범위를 크게 할 수 있다. 그 결과, 치형이, 특히 토부 영역에서, 뾰족해질 위험성을 방지할 수 있다. 치형 플랭크들을 따르는 압력각들은 압력각들이 치형 힐부로부터 치형 토부를 향해가면서 0 내지 8° 범위, 특히 5°의 양만큼 감소하도록 변화될 수 있다.
부하 플랭크들의 압력각(α)이 25 내지 45°, 바람직하게는 30 내지 40°이 되도록 압력각들은 가능한 한 큰 것이 바람직하다.
독일특허공개공보 DE10 2005 016746호와 일본특허공개공보 JP09032908호 역시 비대칭 치형 형상을 개시하고 있다. 본 고안과 달리, 이들 공보에서는 부가 소재부가 비작용 플랭크 상에 포함된다. 이는 기본적으로, 서로 다른 치형 형상으로 인해 축선 오프셋이 발생되는 하이포이드 기어 치형들에 적용되는 것으로 생각된다. 비작용 플랭크 상의 부가 소재부에 의해서는 플랭크 정격 부하가 전혀 증가되지 않고, 어떤 경우에는 감소될 수도 있다. 실제적인 이유로, 이는 부하 플랭크와 비작용 플랭크 간의 각기 다른 슬라이딩 및 치합 관계를 보상하기 위하여 하이포이드 기어에 사용된다.
현재의 일반적인 제조 방법이 제조의 자유도를 제한하며 치형 기어의 복수의 치형들을 동시에 제조할 목적으로 최적화된 반면에, 다이(die)가 네 개 이상의 축선들 상에서 안내되는 밀링 머신 또는 연삭기를 이용한 치형 기어의 고정밀 제조가 적용되어 치형들을 더욱 개별화된 성형이 가능해진다.
또한, 이는 치형 프로파일 형상을 제조함에 있어서 자유롭다. 작용선이 대략 직선에 상응하는 옥토이드 형상 외에, 구형 인벌류트 치형 형상이 제조될 수 있는데 이는 변위에 대한 둔감성(insensitivity)을 개선하는 데에 도움이 된다.
이러한 베벨 기어는, 예를 들어 러더/프로펠러 추진 유닛에 사용되는 대형 기어 유닛에 특히 유리하게 사용될 수 있다.
본 고안의 실시예들을 도면에 도시하며 이하에서 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 대칭 축선과 부가 소재부를 구비한 치형을 도시한 도면이다.
도 2는 각기 다른 압력각들을 포함하는 치형 플랭크를 따르는 치형을 도시한 도면이다.
도 3은 치형 힐부와 치형 토부에서의 압력각들이 기본 랙 프로파일에 대해 약간 개조된 치형 프로파일의 단면도이다.
도 4는 치형 힐부와 치형 토부에서의 압력각들이 기본 랙 프로파일과 비교하여 대폭적으로 개조된 치형 프로파일의 단면도이다.
도 1은 복수의 치형(2)들이 원주 둘레에 분포된 베벨 기어(1)를 도시하는데, 치형들 각각은 부하 플랭크(3)와 비작용 플랭크(4)를 구비한다. 두 개의 인접한 치형(2)들의 부하 플랭크(3)와 비작용 플랭크(4)는 "골면(bottom land)"이라고도 하는 치형 뿌리 영역(5)에 의해 연결된다.
선택된 회전 방향이 토크 전달을 위해 설정되기 때문에, 부하 플랭크(3)들과 비작용 플랭크(4)들은 서로 다른 기하학적 형상들에 의해 결정되는 서로 다른 기능들을 갖는다.
부하 플랭크(3)는 일반적인 작동 중에는 토크를 전달하는 작용을 하며 큰 압력각(α)(6)을 갖도록 구성된다. 여기에서, 부하 플랭크(4)의 압력각(α)들은 25 내지 45°이고, 바람직하게는 30 내지 40°이다. 비작용 플랭크(4)는 작은 압력각을 갖도록 구성된다. 도면에서는 피치원 또는 회전원(rolling circle) 상에 도시된, 비작용 플랭크(4)의 상응하는 접선(8)과 비교하여 더욱 편평한, 부하 플랭크(3)를 따르는 임의의 정해진 지점에서의 접선(7)으로 인해, 치형은 비대칭 형상을 갖는다.
비대칭적인 기하학적 형상으로 인하여, 본 고안의 신규한 치형 형상은 일반적인 대칭형 치형들에서 볼 수 있는 것 같은 전형적인 치형 중심선을 가지지 않는다. 이 치형 중심선은 기어 중심(M1)과 치형팁 이등분점(A1)을 통과하는 "반경 방향 치형 축선"(9)에 의해 대체된다. 치형팁 이등분점(A1)은 치형팁 횡단선(23)을 크기가 동일한 두 개의 부분으로 나눈다. 부하 플랭크와 비작용 플랭크에서의 접선들 각각은 이 반경 방향 치형 축선에 대해 크기가 서로 다른 각도(β)(10)를 포함한다. 비작용 플랭크(4)의 접선은 부하 플랭크(3)의 접선(7)보다 더욱 가파르다. 그 결과, 부하 플랭크(3)의 접선(7)은 반경 방향 치형 축선(9)에 대한 각도(β)(10)가 비부하 플랭크(4)의 접선(8)의 반경 방향 치형 축선(9)에 대한 각도보다 더 크다.
이 반경 방향 치형 축선(9)이 부하 플랭크(3)와 비작용 플랭크(4)를 대비하는 데 사용되면, 부하 플랭크(3)의 측면 상에 추가적인 부가 소재부(11)가 명백하게 나타난다. 여기에서, 부가 소재부(11)는 치형의 저부 영역 또는 내부 영역에서, 다시 말하자면 치형 뿌리 영역(5)을 향해가면서 크게 증가된다. 부하 플랭크(3)의 부가 소재부(11)는 기하학적 치형 형상의 기능과 압력각(α)(6)에 따라 변화하고, 1.0 내지 1.5보다 큰 수치 범위 내의 계수(factor)(f)로 표시될 수 있다.
도 2는 치형 힐부(13)로부터 치형 토부(14)까지의 치형 폭(12)을 따르는 치형(2)의 한 예시적인 형상을 도시한다. 만곡된 종방향 치선을 갖는 치형의 설계 형상으로 인해, 본 실시예에서는 치형 길이(15)가 치형 폭(12)보다 더 크다. 도면에서는 치형 힐부(13)의 한 치형 플랭크에서의 압력각(α)(6)[압력각(αheel)(16)]이 치형 토부(14)에서의 압력각(αtoe)(17)과 다를 수 있다는 것을 나타내고 있다. 따라서, 치형 힐부(13)와 치형 토부(14) 사이의 치형 플랭크의 영역에서는 압력각(α)(6)이 치형 길이부(15)를 따라 변하는데, 치형 플랭크를 따라 치형 힐부(13)로부터 치형 토부(14)를 향해가면서 더욱 작아진다. 여기에서, 치형 힐부(13)로부터 치형 토부(14)까지의 압력각(6)들의 차이값은 0 내지 8° 범위, 바람직하게는 대략 5°이다. 따라서, 치형 힐부(13)에서의 접선은 치형 토부(14)에서의 접선에 비해 더욱 편평하고, 이에 따라 그 각도(βheel)가 치형 토부에서의 각도(βtoe)보다 더 크다.
도 3은 부가 소재부(11)를 구비한 최적화된 치형 형상(20)을 도시한다. 부가 소재부(11)는 부하 플랭크(3)의 하부 영역 또는 내측 영역에 있다. 부하 측면(3) 상의 부가 소재부(11)의 양은 전체 치형의 소재의 양과 비교하면 비교적 적다. 이는 표준 기본 랙 프로파일(21)과 최적화된 치형 형상(20)의 압력각들 간의 차이로 인한 것이다. 부하 플랭크(3) 상의 표준 기본 랙 프로파일(21)에서의 압력각(α)(6)[αz = 20°]은 비작용 플랭크 상에서의 압력각[αs = 20°]과 동일하다. 부하 플랭크(3) 상의 최적화된 치형 형상(20)의 압력각(α)(6)[αz = 25°]은 비작용 플랭크 상에서의 압력각[αs = 20°]과 다르다.
도 3은 기본적으로 구형 인벌류트 형상을 갖는 실시예에서의 치형(2)들의 최적화된 치형 형상(20)을 도시하고 있다. 이 실시예는 호빙(hobbing) 및 쉐이빙(shaving)과 같은 전통적인 제조 공정들을 이용하여서는 제안된 기하학적 치형 형상으로 만들어질 수 없다. 그러나, 최적화된 치형 형상은 4-축선 가공 방법, 특히 다축선 가공 방법, 특히 5-축선 가공 방법에 의해 제조될 수 있다. 이 방법에 의해서만 공구는 치형(20)의 최적화된 치형 형상(20)을 위해 요구되는 소재의 삼차원 제거를 고정밀도로 행할 수 있다. 특히, 여기서는, 제조 방법은 연삭(grinding) 및/또는 밀링(milling)이다.
도 4는 도 3에 도시된 실시예보다 상당히 많은 양의 부가 소재부(11)를 구비한 치형 플랭크의 다른 개발예를 도시한다. 이는 표준 기본 랙 프로파일(21)의 최적화된 치형 형상(20)의 압력각들 간의 차이가 더욱 큰 것에 기인한다. 부하 플랭크(3) 상의 표준 기본 랙 프로파일(21)에서의 압력각(α)(6)[αz = 20°]은 비작용 플랭크 상에서의 압력각[αs = 20°]과 동일하다. 부하 플랭크(3) 상의 최적화된 치형 형상(20)의 압력각(α)(6)[αz = 35°]은 비작용 플랭크 상에서의 압력각[αs = 18.5°]과 다르다. 여기에서, 도 4는 압력각(α)(6)이 증가함에 따라 치형팁(22)의 팁 두께가 더욱 작아질 수 있다는 것을 도시하고 있다. 또한, 도 4는 치형(2)의 부하 측면(3) 상에 구형 인벌류트 형상을 구비하는 치형(2)들의 최적화된 치형 형상(20)을 도시하고 있다. 본 고안의 베벨 기어의 치형 기어의 계수(modulus)는 3 내지 30 범위인 것이 바람직하다.
도시하지 않은 변형례는 치형팁의 영역에서 경계 수정부(boundary modification)를 형성할 필요가 없을 정도로 충분히 큰 압력각들을 갖는다. 이는 치형 두께가 0.3x m 이하인 경우에 일반적으로 일어날 수 있는 완전 경화를 방지하고자 하기 위함이다. 이는 치형팁에 대한 손상을 방지하기 위하여 중요하다. 이러한 유형의 경계 수정부는 치형팁의 종선을 따르는 가변 팁 만곡부 또는 치형 토부에서의 원뿔형 팁 축소부로서 형성될 수 있다.
도시하지 않은 또 다른 실시예에서는 부가 소재부(11)가 부하 플랭크(3)의 하부 2/3 지점 또는 하부 3/4 지점 내부에 배치된다.

Claims (12)

  1. 치형(2)들 각각이 부하 플랭크(3)와 비작용 플랭크(4)를 구비하는 베벨 기어 유닛용 베벨 기어(1)에 있어서,
    상기 치형(2)들은 나선형 또는 소용돌이선형 치열을 가지고,
    상기 치형(2)들의 종방향 치선이 베벨 기어의 중심축에 대해 바깥쪽으로 만곡되어 있으며,
    상기 치형(2)들은 옥토이드(octoid) 치형 형상 또는 구형 인벌류트 치형 형상을 가지며,
    상기 치형들은, 부하 플랭크(3)들을 보강하기 위하여 치형팁 횡단선(23)의 치형팁 이등분점(A1)을 통과하고 기어 휠의 중점을 통과하여 지나가는 축선(9)이 치형(2)들의 비대칭성을 나타내도록, 부하 플랭크(3)들 상에 부가 소재부(11)를 포함하며,
    치형 플랭크들의 압력각(6)들이 치형 힐부(13)로부터 치형 토부(14)를 향해가면서 0 내지 8°범위의 값으로 감소하도록 치형 플랭크들의 압력각(6)이 치형(2)들을 따라 변하며,
    치형 기어의 계수(modulus)는 3 내지 30 범위이고,
    치형팁(22)은 치형팁 두께가 0.3 x m이 보장되도록 경계 수정부를 구비한 것을 특징으로 하는 베벨 기어.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 치형(2)들의 상부 치합 영역은 옥토이드 치형 형상 또는 구형의 인벌루트 치형 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 베벨 기어.
  3. 제1항에 있어서,
    치형 플랭크의 압력각(6)은 치형 힐부(13)로부터 치형 토부(14)를 향하여 5°의 값으로 감소하는 것을 특징으로 하는 베벨 기어.
  4. 제1항에 있어서,
    부하 플랭크(4)의 압력각(α)(6)은 25 내지 45°인 것을 특징으로 하는 베벨 기어.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    부하 플랭크(4)의 압력각(α)(6)은 30 내지 40°인 것을 특징으로 하는 베벨 기어.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    부가 소재부(11)는 부하 플랭크(3)의 하부 2/3 지점 또는 하부 3/4 지점 내에 있는 것을 특징으로 하는 베벨 기어.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    부하 플랭크(3)의 임의의 정해진 지점에서의 접선(7)은 반경 방향 치형 축선(9)에 대한 각도(β)(10)가 비작용 플랭크(4)에서 보다 더 큰 것을 특징으로 하는 베벨 기어.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    부하 플랭크(3)의 임의의 정해진 지점에서의 피치원 및 회전원 상의 접선(7)은 반경 방향 치형 축선(9)에 대한 각도(β)(10)가 비작용 플랭크(4)에서 보다 더 큰 것을 특징으로 하는 베벨 기어.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    치형팁(22)은 치형팁 종선을 따르는 가변형 팁 만곡부(rounding) 또는 치형 토부에서 경계 수정부로서 팁 축소부(tip shortening)를 구비한 것을 특징으로 하는 베벨 기어.
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