KR101941539B1

KR101941539B1 - 유성기어 감속기

Info

Publication number: KR101941539B1
Application number: KR1020180081564A
Authority: KR
Inventors: 장우교; 김창화; 남동국
Original assignee: 주식회사마르스
Priority date: 2018-07-13
Filing date: 2018-07-13
Publication date: 2019-01-23
Anticipated expiration: 2038-07-13

Abstract

높은 감속비를 가지며 소형화가 가능한 유성기어 감속기가 소개된다. 위성기어(20)는 서로 독립적으로 자전 가능하도록 2단 배치된 제1 및 제2 피니언(21,22)를 구비한다. 이 피니언들(21,22)은 입력축인 선기어(10)에 직접 맞물린다. 2개의 링기어(30) 중 하나는 고정이며 다른 하나는 출력축이다. 제1 및 제2 피니언(21,22)의 기어비 차이를 적절히 조절함에 의해 높은 감속비를 얻을 수 있다.

Description

유성기어 감속기{PLANETARY GEAR REDUCER}

본 발명은 유성기어 감속기, 특히 높은 감속비를 가지며 소형 제작 가능한 유성기어 감속기에 관한 것이다.

유성기어는 동력전달효율이 우수하며 다양한 기어비를 얻을 수 있어, 각종 기계장치의 동력 전달계에 사용된다. 이러한 유성기어는 중심의 선기어와 이와 이격 배치된 링기어의 사이에 복수의 위성기어가 배열되고, 캐리어에 의해 위성기어들이 지지되도록 구성된다.

최소 크기의 모터를 이용하여 요구 출력을 얻기 위해서는 기어비 혹은 감속비가 큰 감속기가 요구된다. 종래 높은 기어비를 얻기 위해 여러 유성기어 세트를 직렬 배치했으나, 감속기의 크기가 커지고, 또 사용 부품의 수도 많아져 조립 공수나 생산 단가가 증가하는 문제가 있었다.

유성기어 감속기에 관하여 참고할 수 있는 종래기술로 한국공개특허 제2004-0046819호, 제2004-0020122호가 있다.

본 발명은 위와 같은 종래기술에 대한 인식에 기초한 것으로, 높은 감속비를 얻을 수 있으며 소형화가 가능한 유성기어 감속기를 제공하고자 한다.

본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 반드시 위에 언급된 사항에 국한되지 않으며, 미처 언급되지 않은 또 다른 과제들은 이하 기재되는 사항에 의해서도 이해될 수 있을 수 있을 것이다.

위 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 유성기어 감속기는 선기어를 중심으로 위성기어열과 링기어가 배치된 구조를 갖는다. 위성기어열의 각 위성기어는 서로 독립적으로 자전 가능하도록 2단 배치된 제1 및 제2 피니언을 구비한다. 위성기어열의 내측에서 위성기어들과 맞물린 선기어는 제1 및 2 피니언과 각각 맞물리는 제1 및 제2 선기어를 구비한다. 링기어는 위성기어열의 외측에서 제1 및 제2 피니언과 각각 맞물리는 제1 및 제2 링기어를 구비한다.

상기 선기어는 제1 및 제2 선기어의 회전 각속도가 동일하도록 일체로 구성될 수 있다. 선기어는 단일의 샤프트로 구성되거나, 샤프트에 제1 및 제2 선기어가 압입 혹은 결합된 형태로도 구성될 수 있다.

본 발명에 의하면 상기 제1 및 제2 피니언은 이들이 직접 맞물린 선기어로부터 구동력을 전달 받으며, 제1 및 제2 링기어 중 어느 하나는 고정 링기어이며 다른 하나는 출력 링기어일 수 있다. 제1 및 제2 피니언(혹은 제1 및 제2 선기어, 혹은 제1 및 제2 링기어)은 모듈이나 기어 잇수 등이 서로 상이할 수 있다. 2개의 선기어와 2개의 링기어는 각각 제1 및 제2 피니언과 맞물려 있으므로, 감속비를 고려하여 각 기어들의 크기, 기어비 등이 최적 설계될 수 있다.

본 발명에 의하면 상기 제1 피니언과 제2 피니언 간의 기어 잇수 혹은 모듈 차이에 의해, 선기어를 통해 입력된 모터 구동력은 출력 링기어를 통해 감속 출력될 수 있다. 제1 및 제2 링기어 간의 상대 속도는 제1 및 제2 피니언의 기어 크기 차이가 클수록 작아지며, 이 기어 크기 차이가 작을수록 큰 감속비가 얻어질 수 있다.

본 발명에 의하면 상기 제1 및 제2 피니언은 서로 독립적으로 자전 가능한 요소들이므로, 제1 및 제2 피니언은 동일 축을 갖거나, 혹은 선기어 축으로부터의 거리가 서로 다른 축을 가질 수 있다.

본 발명에 의하면 상기 제1 및 제2 피니언 각각의 내측에서 선기어가 직접 맞물리며 외측에서 링기어가 맞물리므로, 각 위성기어 축을 고정하기 위한 캐리어가 필요하지 않을 수 있다. 캐리어 없이도 감속기의 회전 중심으로부터 각 위성기어 축 간의 거리는 동일하게 유지될 수 있다. 한편, 고부하, 고신뢰성, 저소음 등이 요구되는 경우, 감속기는 캐리어를 포함할 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 감속기는, 제1 및 제2 피니언의 기어비 차이 또는 제1 및 제2 링기어의 기어비 차이를 적절히 조절함에 의해 높은 감속비를 얻을 수 있다.

또한 본 발명에 의하면 캐리어 없이도 선기어를 통해 입력된 모터 구동력을 링기어를 통해 출력할 수 있고, 감속기를 보다 컴팩트하게 제작할 수 있다. 유성기어를 2단으로 배치한 종래 감속기는 크기가 커지게 되는 문제가 있다.

또한 본 발명에 의하면 위성기어는 독립적으로 자전 가능한 2개의 피니언으로 구성된다. 감속기의 조립 시 피니언과 다른 기어들 간의 정렬이 비교적 완벽하지 않아도 되므로, 조립이 용이하다. 참고로 높은 기어비의 달성을 위해 제1 및 제2 피니언은 기어 크기는 같고 잇수만 다르게 혹은 기어 크기와 잇수가 모두 다르게 하는 등 다양한 형태로 설계될 수 있다. 제1 및 제2 피니언과 마찬가지로 제1 및 제2 선기어나, 제1 및 제2 링기어도 다양한 형태로 설계될 수 있다. 실시예에 의하면 선기어의 제1 및 제2 선기어가 기어 크기가 상이한 이중 기어 형태로 구성되는 반면, 이에 맞물린 위성기어 및 링기어가 분할된 2개의 단으로 구성되어 있어, 기어들 간의 조립이 용이하다.

또한 본 발명에 의하면 제1 및 제2 피니언, 그리고 제1 및 제2 링기어가 분할된 기어이고 각각 별도 제작 가능하므로, 적절한 감속비를 얻기 위해 설계 단계에서 각 기어들의 형상을 다양하게 변경하고 또 생산에 적용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유성기어 감속기의 개략도,
도 2 내지 도 4는 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 유성기어 감속기를 도시한 도면들,
도 5 내지 도 6은 도 1에 도시된 감속기 구동 시 기어들 간의 거동 및 얻어지는 감속비를 설명하기 위한 도면들로, 도 5는 선기어 구동 전 초기 상태, 도 6은 선기어 구동 후 상태를 보인 것이고,
도 7은 도 6의 상태를 다른 관찰자 시각에서 보인 것으로, 도 5의 상태에서 선기어 구동에 의해 공전하는 위성기어의 축을 따라 관찰자의 시각이 이동(공전)한다고 가정한 경우의 도 6 대응 도면,
도 8은 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 유성기어 감속기 및 기어들의 거동을 보인 도면이다.

이하 본 발명의 여러 특징적인 측면을 이해할 수 있도록 실시예를 들어 보다 상세히 살펴보기로 한다. 첨부된 도면들에서 동일 또는 동등한 구성요소들 또는 부품들은 설명의 편의를 위해 가능한 한 동일한 참조부호로 표시되며, 도면들은 본 발명의 특징에 대한 명확한 이해와 설명을 위해 과장되게 그리고 개략적으로 도시될 수 있다.

본 발명에 대한 설명에서, 별도 한정이 없는 한, 제2 요소가 제1 요소 '상'에 배치되거나 두 요소가 서로 '연결'된다고 하는 것은, 두 요소가 서로 직접 접촉하는 것은 물론 제1 및 제2 요소의 요소 사이에 제3의 요소가 개재된 것을 허용하는 의미로 이해될 필요가 있다. 전후, 좌우 또는 상하 등의 방향 표현은 설명의 편의를 위한 것일 뿐이다.

도 1에 실시예에 따른 유성기어 감속기가 도시되어 있다. 감속기의 좌측 부위만 개략적으로 그리고 조금 과장되게 단면으로 도시되어 있다. 감속기의 기어들은 입출력축 혹은 회전축(x1)을 기준으로 좌우 대칭이다.

도 1을 참조하면, 상기 유성기어 감속기는 선기어(10)를 중심으로 위성기어(20)와 링기어(30)가 각각 2단으로 배치된 구조를 갖는다.

상기 선기어(10)는 입력축에 해당하는 것으로 상부에 제1 선기어(11)가 마련되고 하부에 제2 선기어(12)가 마련된 구조를 갖는다. 선기어(10)는, 회전 시, 제1 선기어(11)와 제2 선기어(12)가 동일 각속도로 회전할 수 있도록 일체로 구성된다. 제1 선기어(11)와 제2 선기어(12)는 위성기어(20)와 직접 맞물려 위성기어(20)에 동력을 전달한다.

상기 제1 선기어(11)가 제2 선기어(12)보다 기어 크기(혹은 모듈, 피치원 지름)가 크다. 선기어(10) 회전 시, 제1 선기어(11)와 제2 선기어(12)는 회전각은 동일하나, 반경이 서로 상이하므로 피치원을 따라서의 회전거리가 상이하다. 제1 및 제2 선기어(11,12)는 서로 모듈과 잇수가 모두 다르거나, 모듈이 다르나 잇수가 같거나, 또는 모듈은 같고 잇수만 다른 관계를 가질 수 있다.

알려진 바와 같이 기어 모듈은 다음의 식으로 표현될 수 있다.

상기 제2 선기어(12)가 제1 선기어(11)보다 기어 크기(혹은 모듈, 피치원 지름)가 클 수 있다. 그러나 이 경우 도 1에 도시된 실시예보다 감속기의 조립이 다소 까다로워질 수 있다.

상기 선기어(10)는 금속 분말을 이용한 금형 내 성형 및 소결에 의해, 혹은 사출 성형에 의해 일체로 제조될 수 있다. 선기어(10)는 또한 제1 및 제2 선기어(11,12)를 샤프트에 압입 혹은 결합함에 의해 일체로 제조될 수 있다.

상기 위성기어(20)는 선기어(10)를 중심으로 그 둘레에 일정간격으로 복수개 배열된다. 각 위성기어(20)는 축(23, 혹은 x2) 상에 2단 배치된 제1 및 제2 피니언(21,22)을 구비한다. 제1 및 제2 피니언(21,22)은 같은 위성기어 축(23) 상에 위치될 뿐, 서로 독립적으로 자전 가능하다. 제1 및 제2 피니언(21,22)은 각각 제1 및 제2 선기어(11,12)에 직접 맞물려, 선기어(10)의 회전력이 제1 및 제2 피니언(21,22)에 각각 직접 전달된다. 큰 제1 선기어(11)에 맞물리는 제1 피니언(21)이 작은 제2 선기어(12)에 맞물리는 제2 피니언(22)보다 기어 크기(혹은 모듈, 피치원 지름)가 작다. 제1 피니언(21)과 제2 피니언(22) 간의 기어비도 서로 상이할 수 있다.

실시예에 의하면 상기 위성기어들(20) 간, 그리고 감속기의 중심축으로부터 위성기어 축(23) 간의 거리가 동일하게 유지하도록 하기 위한 캐리어는 반드시 요구되지는 않는다. 다만 기어에 걸리는 토크가 크거나, 고신뢰성 및 고정밀도가 요구되는 경우, 캐리어가 필요할 수 있다. 도 1에서는 생략되어 있으나, 캐리어는 위성기어(20) 아래나 위에 배치되거나 또는 피니언들(21,22) 사이에 배치될 수도 있을 것이다.

상기 링기어(30)는 위성기어(20)의 외측에서 제1 및 2 피니언(21,22)과 각각 맞물리는 제1 및 제2 선기어(11,12)를 구비한다. 제1 및 제2 링기어(31,32) 중 어느 하나는 고정 링기어이며 다른 하나는 출력 링기어이다. 2개의 링기어(31,32) 중 하나를 고정함을 통해, 위성기어 축(23) 상에서 독립적으로 자전 가능한 제1 피니언(21)과 제2 피니언(22) 간의 기어비 혹은 모듈(혹은 피치원 지름) 차이를 이용하여 다른 하나의 링기어가 감속되어 천천히 돌아가도록 할 수 있다.

상기된 작은 제1 피니언(21)과 맞물리는 상부의 제1 링기어(31)가 큰 제2 피니언(22)과 맞물리는 하부의 제2 링기어(32)보다 내측에 마련된다. 달리 표현하면, 제1 링기어(31)의 피치원 지름이 제2 링기어(32)의 피치원 지름보다 작으며, 제1 링기어(31)는 인너 링기어, 제2 링기어(32)는 아우터 링기어로 표현될 수 있다. 실시예에 의하면 제1 링기어(31)가 고정 링기어이며, 제2 링기어(32)는 출력 링기어일 수 있다. 선기어(10)를 통해 입력된 모터 구동력은 제2 링기어(32)의 축(34)을 통해 출력된다.

계속 도 1를 참조하면, 상기 선기어(10)가 시계방향으로 회전 시, 선기어(10)에 맞물린 제1 피니언(21)과 제2 피니언(22)이 각각 반시계 방향으로 자전하면서 선기어(10)를 중심으로 시계방향으로 공전한다. 제1 피니언(21)은 큰 제1 선기어(11)에 의해 자전하면서 고정인 제1 링기어(31)를 따라 공전하고, 제2 피니언(22)은 작은 제2 선기어(12)에 의해 자전하면서 감속기의 출력 측(이하 단순히 '출력')인 제2 링기어(32)와 맞물려 공전하므로, 제2 링기어(32)는 선기어(10)와 같은 시계방향으로 감속 회전한다.

도 1에서 보듯이, 실시예에 의하면 큰 제1 선기어(11)에 작은 제1 피니언(21)이 맞물리며, 작은 제1 피니언(21)에 작은 제1 링기어(31)가 맞물린다. 그리고 작은 제2 피니언(12)에는 큰 제2 피니언(22)이 맞물리며, 큰 제2 피니언(21)엔 큰 제2 링기어(32)가 맞물린다.

도 2 내지 도 4에는 또 하나의 실시예에 따른 유성기어 감속기가 도시되어 있다. 도 2는 감속기의 분해도, 도 2는 위성기어(20)가 캐리어(40)에 조립된 것을 보인 도면, 도 3은 가속기가 조립된 상태가 도시된 도면이다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 상기 위성기어(20)는 캐리어(40)에 마련된 위성기어 축(42) 상에 2단 배치된 제1 및 제2 피니언(21,22)을 구비한다. 분할된 2개의 피니언(21,22)은 독립적으로 자전 가능하다. 제1 및 제2 피니언(21,22)는 잇수는 같고, 제2 피니언(22)이 제1 선기어(11)보다 기어 크기(혹은 모듈, 피치원 지름)가 클 수 있다. 위성기어(20)는 선기어(10)를 중심으로 그 둘레에 복수개 배열된다.

본 실시예에서, 상기 선기어 축(41)으로부터 각 위성기어 축(42) 간 거리는 동일하다. 달리 표현하자면, 제1 및 제2 피니언(21,22)은 같은 축상에 2단 배치된다.

상기 선기어(10)는 위성기어열(20)의 내측에서 위성기어(20) 모두와 맞물리며, 위성기어(20)의 제1 및 2 피니언(21,22)과 각각 맞물리는 제1 및 제2 선기어(11,12)를 구비한다. 선기어(10)는 모터 구동력을 전달받기 위한 드라이브 기어(13)를 구비할 수 있다. 드라이브 기어(13), 제1 및 제2 선기어(11,12)는 일체로 구성된다. 제1 및 제2 선기어(11,12)는 잇수는 같고, 제1 선기어(11)가 제2 선기어(12)보다 기어 크기(혹은 모듈, 피치원 지름)가 크다. 선기어(10)는 캐리어(40)에 마련된 선기어 축(41)을 중심으로 회전한다.

상기 링기어(30)는 위성기어열(20)의 외측에서 제1 및 제2 피니언(21,22)과 각각 맞물리는 제1 및 제2 링기어(31,32)를 구비한다. 분할된 2개의 링기어(30) 중 하나는 고정이며 하나는 출력 링기어이다. 본 실시예에 의하면 인너 링기어(상대적으로 피치원 지름이 작은 링기어)인 제1 링기어(31)는 고정이며, 아우터 링기어(상대적으로 피치원 지름이 큰 링기어)인 제2 링기어(32)가 출력 링기어이다.

실시예에 의하면 1개의 캐리어만으로 2개의 캐리어를 사용하는 종래 감속기 이상의 감속비, 예로서 기존의 유성기어를 3~4단 적층해야 얻을 수 있는 높은 기어비(60:1~120:1)를 얻을 수 있다. 따라서 높은 감속비를 갖는 감속기의 소형 제작이 가능하고, 기어들의 구조 및 조립 과정이 심플하여 조립 공수 축소 및 생산 비용의 절감이 가능하다. 예로서, 감속기는 제2 링기어(32)에 캐리어(40) 조립 후, 캐리어(40)의 위성기어 축(42) 상에 위성기어(20)를 배열한 다음, 제1 링기어(31) 및 선기어(10)를 조립하는 순으로 용이하게 조립될 수 있다.

도 5 내지 도 7은 앞서 설명된 실시예들에 따른 감속기의 구동 시 기어들의 복합 거동 및 얻어질 수 있는 감속비를 설명하기 위한 도면들이다. 각 도면에서 기어들(11,12,21,22,31,32)은 각각의 피치원(pitch circle)으로 도시되어 있다. O₁은 선기어 축(41), O₂는 위성기어 축(42), T는 위성기어 축(42)의 공전궤적을 나타낸다.

도 5는 상기 감속기의 구동 전, 즉 선기어(10)가 회전하기 전의 기어들의 상태가 도시된 것이다. 고정인 제2 링기어(32)에 제1 기준점(A)가 표시되어 있으며, 출력인 제1 링기어(31)에 제2 기준점(B)이 표시있고, 선기어(10)에 제3 기준점(C)이 표시되어 있다. 제1 내지 제3 기준점(A,B,C)는 선기어 축(O₁)과 위성기어 축(O₂)을 연결하는 연장선상에 놓여 있다.

도 6은 도 5의 상태에서 상기 선기어(10) 회전 후 기어들의 상태가 도시된 것이다. 제1 피니언(21)을 매개로 큰 제1 선기어(11)에 물린 제1 링기어(31)가 고정이므로, 선기어(10)가 시계방향으로 θ₁ 만큼 자전 시, 위성기어(20)는 반시계 방향으로 자전하며 위성기어 축(O₂)은 θ₂ 만큼 시계방향으로 공전하고, 그리고 제2 링기어(32)는 시계방향으로 θ₃ 만큼 자전한다. 제1 링기어(31)는 고정이므로 제2 기준점(B)은 최초 위치에서 움직이지 않으며, 출력인 제2 링기어(32)의 기준점(A)은 시계방향으로 θ₃ 만큼 이동한다. θ₃는, 선기어 축(O₁)을 중심으로 한 제1 기준점(A)과 제2 기준점(B) 간의 사잇각, 혹은 제1 링기어(31)에 대한 제2 링기어(32)의 회전 각도로 표현될 수 있다.

도 6에서 상기 선기어(10)의 회전에 의해 제1 및 제2 피니언 기어(21,22)가 자전과 동시에 공전을 하므로, 기어들의 복합 거동이 다소 복잡하게 나타난다. 보다 단순하게 파악할 수 있도록, 관찰자의 시각이 위성기어 축(O₂)을 따라 이동한다고 가정하여 선기어(10) 회전 후의 기어들의 상태를 보인 것이 도 7이다.

도 7을 참조하면, 관찰자의 시각이 위성기어 축(O₂)을 따라 이동하므로 위성기어 축(O₂)은 고정(즉 캐리어 고정으로, 위성기어는 자전만 한다)이며, 선기어(10)는 θ₁ 만큼의 구동력 입력에 대해 시계방향으로 θ₁ - θ₂ 만큼 자전한 것이 된다. 또한 선기어 축(O₁)을 중심으로, 고정인 제1 기어링(31)은 θ₂ 만큼 반시계 방향으로 회전한 것이 되며, 출력축을 갖는 제2 링기어(32)는 θ₂ - θ₃ 만큼 반시계 방향으로 회전한 것이 된다. 도 7에서도 θ₃는 선기어 축(O₁)을 중심으로 한 제1 기준점(A)과 제2 기준점(B) 간의 사잇각에 해당하며, 또한 θ₁ 만큼의 구동력 입력이 θ₃ 만큼으로 감속 출력된다고 말해질 수 있다.

도 6에서 상기 선기어(10)에 θ₁ 만큼의 구동력이 전달됨에 따라 발생되는 기어들(11,12,21,22,31,32)의 거동을, 도 7에서 보듯이 위성기어 축(O₂)이 고정된 관찰자의 시각에서 보면, 아래의 수학식 2의 관계가 성립한다.

도 7을 참조하면, θ₁은 제1 링기어(31)의 기준점(B)과 선기어(10)의 기준점(C) 간의 사잇각, θ₂는 제1 링기어(31)의 기준점(B)과 위성기어 축(O₂) 간의 사잇각, θ₃는 제1 링기어(31)의 기준점(B)과 제2 링기어(32)의 기준점(A) 간의 사잇각으로 표현될 수 있다. 도 6과 도 7에서 θ₁, θ₂, θ₃는 선기어 축(O₁)을 중심으로 한 각도이다. 도 6에서 θ₁, θ₂, θ₃의 크기(스칼라 값)는 도 7에서 각각의 크기와 동일하다. PCD₁₁은 제1 선기어(11)의 피치원 지름이며, PCD₃₁은 제1 링기어(31)의 피치원 지름이다.

도 7을 참조하면, 위의 수학식 2에서 좌변은 제1 선기어(11)의 피치원을 따라서의 회전 거리이며, 우변은 좌변의 제1 선기어(11)의 회전 거리에 대응하는 제1 링기어(31)의 회전 거리이다. 제1 선기어(11)의 움직임은 이의 회전 거리만큼 제1 피니언(21)을 통해 제1 링기어(31)에 전달되는 관계에 있다. 참고로, 도 7에서 제1 및 제2 피니언(21,22)은 구동력 입력축, 즉 선기어 축(O₁)을 중심으로 공전하지 않고, 다만 위성기어 축(O₂)을 중심으로 자전만 한다.

위의 수학식 2를 제1 기어링(31)의 회전각에 해당하는 θ₂에 대해 정리하면 아래의 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.

위와 마찬가지로, 상기 제2 선기어(12)의 움직임(자전)이 출력축을 갖는 제2 링기어(32)에 어떻게 반영되는지를 살펴볼 수 있다. 도 7을 참조하면, 제2 선기어(12)의 자전과 이에 의한 제2 링기어(32)의 움직임의 관계는 아래 수학식 4로 표현될 수 있다.

위 수학식 4에서 좌변은 제2 선기어(12)의 피치원을 따라서의 회전 거리이며, 우변은 좌변의 제2 선기어(12)의 회전 거리에 대응하는 제2 링기어(32)의 회전 거리이다. 제2 선기어(12)의 회전 거리만큼 제2 피니언(22)을 통해 제2 링기어(32)에 전달되는 관계에 있다. PCD₁₂은 제2 선기어(12)의 피치원 지름이며, PCD₃₂은 제2 링기어(32)의 피치원 지름이다.

위의 수학식 4를 선기어 축(O₁)을 중심으로 한 제1 기준점(A)과 제2 기준점(B) 간의 사잇각에 해당하는 θ₃에 대해 정리하면 아래의 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.

위의 수학식 3을 수학식 5에 대입하면 아래 수학식 6과 같이 표현될 수 있다.

위 수학식 6은 다시 아래 수학식 7과 같이 정리될 수 있다.

기어의 감속비는 구동력의 입력에 대한 출력의 비(θ₁/θ₃)이므로, 이를 정리하면 아래 수학식 8과 같이 표현될 수 있다.

아래 표 1에는 상기된 감속기를 구성하는 기어들의 매우 간단한 조합 예가 기재되어 있다. 표 1의 예에서, 구경이 상대적으로 작은 제1 링기어(31)가 고정이며, 제1 및 제2 피니언 기어(21,22)은 동일 축(42)을 갖는다.

표 1에서 보듯이, 감속 출력을 위해 제1 및 제2 선기어(11,12)는 서로 피치원 지름이 상이(기어 잇수는 동일)하게 구성되고, 제1 및 제2 피니언 기어(21,22)는 잇수와 피치원 지름이 모두 상이하게 구성되었다. 서로 맞물리는 기어들 간에는 모듈이 동일하다. 예로서 제1 선기어(11)와 이에 맞물리는 제1 피니언(21), 그리고 제1 피니언(21)에 맞물리는 제1 링기어(31)는 모듈이 서로 동일하다. 표 1에 따른 감속기는 수학식 8에 의해 감속비(θ₁/θ₃)가 1:16이다.

기어	기어 잇수	모듈	피치원 지름(mm)
제1 선기어	12	0.9	10.8
제2 선기어	12	0.72	8.64
제1 피니언	12	0.9	10.8
제2 피니언	18	0.72	12.96
제1 링기어	36	0.9	32.4
제2 링기어	48	0.72	34.56

아래 표 2에는 또 다른 기어 조합의 예가 기재되어 있다. 표 2의 예에서도, 구경이 상대적으로 작은 제1 링기어(31)가 고정이며, 제1 및 제2 피니언 기어(21,22)은 동일 축(42)을 갖는다.

표 2의 예는 표 1의 예와 비교하여, 기어들(11과12, 21과 22, 31과 32) 간의 모듈 차이가 조금 더 작다. 그 결과, 표 2의 예에서 아우터 링기어인 제2 링기어(32)의 피치원 지름은 표 1의 예보다 작으나, 감속비(θ₁/θ₃)는 1:28이 얻어진다. 기어들의 잇수나 피치원 지름의 조절을 통해 높은 감속비를 얻을 수 있다.

기어	기어 잇수	모듈	피치원 지름(mm)
제1 선기어	12	0.9	10.8
제2 선기어	12	0.8	9.6
제1 피니언	12	0.9	10.8
제2 피니언	15	0.8	12.0
제1 링기어	26	0.9	32.4
제2 링기어	42	0.8	33.6

아래 표 3에는 같은 모듈에 잇수가 다른 기어 조합의 예가 기재되어 있다. 이 예에서 기어들(11,12,21,22,31,32)의 모듈이 1이며, 제1 및 제2 선기어(11,12), 제1 및 제2 피니언 기어(21,22) 및 제1 및 제2 링기어(31,32) 간의 잇수 차이는 1이다. 얻어지는 감속비(θ₁/θ₃)는 1:37이다. 참고로, 표 3의 예에서도, 구경이 상대적으로 작은 제1 링기어(31)가 고정이며, 제1 및 제2 피니언 기어(21,22)은 동일 축(42)을 갖는다.

기어	기어 잇수	모듈	피치원 지름(mm)
제1 선기어	12	1	12.0
제2 선기어	11	1	11.0
제1 피니언	12	1	12.0
제2 피니언	13	1	13.0
제1 링기어	36	1	36.0
제2 링기어	37	1	37.0

위의 표 1 내지 표 3의 예들에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 감속기는 기어 잇수, 모듈 등의 조절을 통해 다양한 기어비는 물론 높은 기어비의 감속기를 얻을 수 있다.

한편, 도 8에는 도 1의 감속기에서 아우터 링기어인 제2 링기어(32)가 고정이며 인너 링기어인 제1 링기어(31)가 출력인 경우, 선기어(10) 회전 시 기어들 간의 거동 예가 도시되어 있다. 선기어(10)에 구동력 입력 전의 상태는 도 5에 도시된 것과 같다. θ₁은 제1 링기어(31)의 기준점(B)과 선기어(10)의 기준점(C) 간의 사잇각, θ₂는 제1 링기어(31)의 기준점(B)과 위성기어 축(O₂) 간의 사잇각, θ₃는 제1 링기어(31)의 기준점(B)과 제2 링기어(32)의 기준점(A) 간의 사잇각으로 표현될 수 있다. 도 8에서 θ₁, θ₂, θ₃의 크기는 도 6 및 도 7에서의 각각의 크기와 동일하다. 도면들에서 다소 과장 또는 왜곡 표현되어 있을 수 있다는 점이 이해될 필요가 있다.

도 8을 참조하면, 상기 선기어(10)가 시계방향으로 회전 시, 선기어(10)에 맞물린 제1 피니언(21)과 제2 피니언(22)은 각각 반시계 방향으로 자전하면서 선기어(10)를 중심으로 시계방향으로 공전한다. 큰 제2 피니언(22)은 작은 제2 선기어(12)에 의해 자전하면서 고정이자 아우터 링기어인 제2 링기어(32)를 따라 공전하고, 작은 제1 피니언(21)은 큰 제2 선기어(12)에 의해 자전하면서 인너 링기어인 제1 링기어(31)와 맞물려 공전하므로, 출력인 제1 링기어(31)는 선기어(10)와 달리 반시계방향으로 회전한다.

조금 더 구체적으로 상기 기어들의 거동을 살펴보면, 선기어(10)가 시계방향으로 θ₁ - θ₃만큼 자전(즉, 구동력 입력) 시, 위성기어(20)는 반시계 방향으로 자전하며 위성기어 축(O₂)은 θ₂ - θ₃만큼 시계방향으로 공전하고, 그리고 제1 링기어(31)는 반시계방향으로 θ₃ 만큼 회전한다. 제2 링기어(32)는 고정이므로 제1 기준점(A)은 최초 위치 그대로이며, 출력인 제1 링기어(31)의 기준점(B)은 반시계방향으로 θ₃ 만큼 이동한다.

도 8에 도시된 예에 대해서도 보다 직관적인 이해를 돕기 위해, 관찰자의 시각이 위성기어 축(O₂)을 따라 이동한다고 가정하여, 도 7에서와 같이 위성기어(20)가 자전만 하는 형태로 나타낼 수 있다. 이 경우 θ₁, θ₂ , θ₃ 간의 상관식은 서로 같아진다. 다만 도 8의 예의 경우, 감속비는 θ₁/θ₃이 아니라, (θ₁ - θ₃)/θ₃ 이 된다. 본 실시예에 따른 감속비를 정리하면 아래 수학식 9와 같이 표현될 수 있다.

수학식 9에서 보듯이, 아우터 링기어인 제2 링기어(32)가 고정인 도 8의 예의 경우, 감속비는 인너 링기어인 제1 링기어(31)가 고정인 도 6의 예보다 1 작은 기어비를 갖는다.

도 6 및 도 8을 참고하면, 위의 실시예들에 의하면 감속기의 두 링기어(30) 중 출력 링기어는 입력축인 선기어(10)와 같은 방향으로 회전하거나 반대방향으로 회전할 수 있다.

한편, 위에서 설명된 실시예들에서 제1 및 제2 피니언(21,22)은 동일한 위성기어 축(42)을 갖는다. 달리 표현하자면, 선기어 축(41)으로부터 각 위성기어 축(42) 간 거리는 동일하다.

다른 실시예로서, 제1 및 제2 피니언(21,22)은 서로 다른 축에 배치될 수 있다. 즉, 선기어 축(41)으로부터 제1 피니언(21)의 축 간의 제1 거리와, 선기어 축(41)으로부터 제2 피니언(22)의 축 간의 제2 거리가 서로 상이할 수 있다. 이 경우 제1 및 제2 피니언(21,22)의 기어 크기, 예로서 피치원 지름은 서로 상이하다. 제1 및 제2 피니언(21,22)이 서로 독립적으로 자전하는 요소들이기 때문에 서로 다른 축에 배치될 수 있다. 서로 다른 위성기어 축들은 캐리어(40)에 마련될 수 있을 것이다.

상기된 다른 실시예에 따른 제1 예에 의하면, 제1 선기어(11)와 제2 선기어(12)는 기어 크기(예로서 피치원 지름)는 물론 기어 잇수도 서로 동일하게 설계될 수 있다. 예로서 선기어(10)는 단일의 샤프트 외면에 단일 사양의 치(teeth)가 형성된 것일 수 있다. 이러한 선기어(10)에 맞물리는 제1 및 제2 피니언(21,22)은 서로 다른 축 상에 배치되며 기어 크기가 상이하다. 만일 제1 피니언(21)보다 제2 피니언(22)이 큰 경우, 작은 제1 피니언(21)에 맞물리는 제1 링기어(31)가 인너 링기어(피치원 지름이 상대적으로 작음), 큰 제2 피니언(22)에 맞물리는 제2 링기어(32)가 아우터 링기어(피치원 지름이 상대적으로 큼)가 된다. 이러한 예에 의하면 제1 및 제2 선기어(11,12)가 단일 축 상에 서로 다른 크기 및 잇수를 갖도록 제작되어야 함으로 인해 발생될 수 있는 제조나 조립 등에서의 불편을 해소할 수 있다.

상기된 다른 실시예에 따른 제2 예에 의하면, 제1 및 제2 링기어(31,32)가 동일 피치원을 가지며 동일한 내치를 갖도록 설계될 수 있다. 이러한 링기어(30)에 맞물리는 제1 및 제2 피니언(21,22)은 서로 다른 축 상에 배치되며 기어 크기가 상이하다. 만일 제1 피니언(21)보다 제2 피니언(22)이 큰 경우, 작은 제1 피니언(21)에 맞물리는 제1 선기어(11)가 제2 선기어(12)보다 기어 크기가 크다. 제1 및 제2 링기어(31,32) 중 하나는 고정이고 다른 하나는 출력 축을 가지므로, 제1 링기어(31)와 제2 링기어(32)는 분리 구성된다.

위에서 설명된 실시예들에서 확인할 수 있듯이, 본 발명에 의한 감속기는 제조 및 조립이 용이함은 물론 감속기를 구성하는 기어들의 설계 자유도가 높다. 위에서는 2단 배치된 피니언을 갖는 예에 대해서만 설명되었고 이것만으로도 이론상 거의 무한대의 높은 감속비를 얻을 수 있는 최적의 예라고 생각되나, 어떤 경우 피니언은 3단 이상 배치될 수도 있을 것이라는 것을 완전히 배제하지는 않는다.

이상 본 발명의 특정 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명은 다양하게 수정 또는 변형될 수 있다는 것이 이해될 필요가 있다.

10: 선기어 11: 제1 선기어
12: 제2 선기어 20: 위성기어
21: 제1 피니언 22: 제2 피니언
30: 링기어 31: 제1 링기어
32: 제2 링기어 40: 캐리어
41: 선기어 축 42: 위성기어 축

Claims

위성기어열, 여기서 각 위성기어는 축 상에 서로 독립적으로 자전 가능하도록 2단 배치된 제1 및 제2 피니언을 구비함;
위성기어열의 내측에서 위성기어들과 맞물린 선기어, 여기서 선기어는 제1 및 2 피니언과 각각 맞물리는 제1 및 제2 선기어를 구비함:
위성기어열의 외측에서 제1 및 제2 피니언과 각각 맞물리는 제1 및 제2 링기어를 구비하는 링기어; 및
각 위성기어의 축이 연결된 캐리어;를 포함하며,
선기어는 제1 및 제2 선기어의 회전 각속도가 동일하도록 일체로 구성되며, 제1 및 제2 링기어 중 어느 하나는 고정 링기어이며 다른 하나는 출력 링기어이고,
캐리어에 선기어 축과 위성기어 축이 마련되며, 선기어 축에 선기어가 끼워지며, 위성기어 축에 제1 및 제2 피니언이 끼워진 것을 특징으로 하는 유성기어 감속기.
청구항 1에 있어서, 상기 제1 및 제2 피니언은,
선기어 축으로부터의 거리가 서로 다른 축을 갖는 것을 특징으로 하는 유성기어 감속기.
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