[논문]고감속비를 가지는 베어링일체형 구조의 2단 전위 감속기의 개발

황일규; 최정수; 정문수

doi:10.7315/cadcam.2012.312

고감속비를 가지는 베어링일체형 구조의 2단 전위 감속기의 개발
Development of Dual Stage Profile Shifted Gear System with Bearing-Integrated Structure for High Reduction Ratio 원문보기

한국CAD/CAM학회논문집 = Transactions of the Society of CAD/CAM Engineers, v.17 no.5, 2012년, pp.312 - 323

황일규 (동양미래대학교 로봇자동화공학부) , 최정수 ((주)티트론) , 정문수 ((주)티트론)

Abstract ▼ AI-Helper

Planetary gearing is a gear system consisting of one or more planet gears, revolving about a sun gear. While the planetary gear system has many advantages- for example, high power density, large reduction in a small volume, multiple kinematic combinations, pure torsional reactions, and coaxial shafting, it has not been widely used because of its high bearing loads, inaccessibility, and design complexity. It is also necessary to shift several pairs of gear profiles at a same time. Therefore, designing profile shifted planetary gear system is a difficult and know-how dependent job. This study provides a practical solution to design a profile shifted gear system by the procedural design scheme, and proposes a bearing integrated structure of the dual stage profile shifted gear system with a robust output end. A dual stage profile shifted gear system with the bearing integrated structure is manufactured by the proposed design scheme in this study. This gear system is verified that it is good enough to commercialize, because it has high performance with high gear ratio and robust output end against axial and radial directional runouts in a small space.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서 전위 감속기의 설계는 이론적인 내용뿐만 아니라 설계자의 실제적인 경험과 노하우가 포함되는 고도의 창작 작업이라 하겠다. 그러므로 본 연구에서는 이러한 전위 감속기를 제작하기 위한 실제적인 설계 절차를 제시하고, 제안된 절차에 따라 설계 및 제작된 전위감속기를 검증한다. 제안된 절차에 따라 설계된 전위감속기는, 고정링기어와 회전링기어의 2단구조에 의해 100:1 이상의 감속비를 무리없이 얻을 수 있을 정도로 우수한 감속성능을 구현할 수 있다.
따라서 본 연구에서는 서로 다른 잇수를 가지고 유성기어에 기어 접속되는 고정링 기어와 회전링기어를 구비한 2단 전위 감속기를 제작 설계하는 실제적이고 체계적인 방법을 제시하고, 흔들림이 없이 동력을 전달하는 베어링 일체형(Bearing integrated) 구조를 제안한다.

가설 설정

둘째, 전위를 하게 되면 기어의 이 두께가 넓어지게 되고, 기어 굽힘 강도가 증가하게 된다. 셋째, 중심간 거리조정이 필요할 때 전위를 하게 된다. 즉, 기어의 잇수와 비틀림각만으로는 중심거리 조정이 어려우므로 전위를 통하여 이 문제를 해결하고자 할 때 사용된다.
우선 초기 설계 조건으로 감속기의 전체 크기가 90 mm × 90 mm로 하였고, 감속비는 200:1이상으로 가정하였다.
일반적으로 전위기어(Profile Shifted Gear)는 표준 피치원에서 반경방향으로 공구를 이송하여 가공한 기어로서, 다음의 3가지 목적을 가진다. 첫째, 언더컷(undercut)의 방지이다. 인볼루트 곡선이 기초원의 안쪽에 존재하지 않아서 기어의 이 모양이 기초원의 내부까지 파고 들어가게 된다.

제안 방법

본 연구에서는 상용 기어 해석용 소프트웨어(KISSsoft^[16])를 사용하여 이 단계를 수행하였다. 26건 중 고정링기어와 회전링기어의 강도가 함께 가장 높은 경우의 전위계수를 주어진 설계조건에 적합한 전위계수로 결정하였다. 그러나 이때 각 기어들의 전위계수 값이 −1 이하 또는 +1 이상인 것은 제외시켰다.
이어서, 기어의 강도를 결정짓는 영역계수(Z_H)와 물림율계수(Z_ε)를 계산하여 성능이 나쁜 경우의 수는 2차적으로 배제한다. 다음으로 외부 부하 토크에 의해 각 기어에 걸리는 하중을 고려하여 모든 기어 쌍의 강도가 비슷한 경우를 선택하여 어느 정도 최적화된 범위의 경우의 수를 산출하여 강도 계산을 실시한다.
따라서 근래에는 이와 같은 기어 강도의 계산을 위한 해석 소프트웨어들이 개발되고 있고, 본 연구에서는 이 단계의 설계를 위해 보다 실증적인 전용 해석 소프트웨어를 사용한다. 즉, 주어진 전 위계수들을 사용하여 각 기어 쌍들의 면압강도와 전달 허용 토크를 계산하여 가장 좋은 성능을 가지는 전위계수들을 선택한다.
또한 출력 토크의 경우에는 설계단계에서 활용하였던 전용 해석 프로그램을 이용하여 검증하였다.
본 연구에서 제안하는 전위 감속기의 설계에서는 동시에 전위해야 할 기어의 쌍이 선기어와 유성기어, 유성기어와 고정링기어, 유성기어와 회전링기어의 3가지 쌍이 되고, 기어 시스템의 초기 입력 요소들은 압력각(α), 모듈(m), 그리고 기어의 잇수이다.
본 연구에서는 감속기의 기어 재질은 SCM440을 사용하였으며, 선기어와 유성기어에는 570^oC 전후의 처리온도에서 암모니아 가스를 주성분으로 한 혼합 가스를 첨가하여 가공재료의 표면에 탄화물과 질화물의 화합물층을 형성시키고 그 안쪽에 확산층을 생성시키는 가스연질화 방법을 사용한 열처리를 시행하였다.
이들 중 감속비는 이미 계산에 의하여 결정되었다. 본 연구에서는 원주 방향과 축방향의 흔들림 량과 백래시를 직접 측정하였다.
선택된 26건의 후보군을 대상으로 주어진 전위계수들을 이용하여 기어 강도와 전달 토크를 계산한다. 본 연구에서는 상용 기어 해석용 소프트웨어(KISSsoft^[16])를 사용하여 이 단계를 수행하였다.
앞에서 살펴본 전위기어의 설계절차에 따라 2장에서 제안한 2단 전위 감속기를 다음과 같은 과정을 거쳐 설계를 진행하였다.
이 때 출력 링기어의 이는 이론적으로 둥근 원주방향으로 형성되어 있어야 하지만, 실제로는 동심이 아닐 수도 있고, 원이 아닌 타원일 수도 있으며, 치형이 찌그러져 있을 수도 있으므로, 출력 링기어를 원주 방향으로 돌아가면서(360^o/5회 = 72^o) 여러 번 흔들림 량을 측정하여 평균값을 구하였다. Table 1에 그 결과값이 나타나 있다.
이 때도 볼의 외경공차, 볼과 접촉되는 홈(고정 링기어의 홈, 출력 링기어의 양쪽 홈, 베어링블록의 홈)의 가공오차의 발생 우려를 감안하여 출력 링기어의 원주방향으로 돌아가면서 5회 측정을 하여 흔들림 량의 평균값을 구한다.
이러한 문제의 해결을 위해 본 연구에서는 선기어, 유성기어, 고정링기어, 회전링기어, 유성기어 캐리어로 구성되며, 서로 다른 잇수를 가진 링기어 또는 선기어를 이용해 회전속도 차이를 최소화하여 높은 감속비를 얻을 수 있는 방식의 2단 전위 감속기를 제안한다.
이러한 문제점들의 해결을 위해 본 연구에서는 선기어, 유성기어, 고정링기어, 회전링기어로 구성되며, 서로 다른 잇수를 가진 링기어 또는 선기어를 이용해 회전속도 차이를 최소화하여 높은 감속 비를 얻을 수 있는 방식의 2단 전위 감속기를 제안하였다. 특히, 설계자의 경험과 노하우에 크게 의존하는 2단 전위 감속기를 설계하는 체계적인 방법을 제시하고, 흔들림이 없이 동력을 전달하는 베어링 일체형(Bearing-integrated) 구조를 제안하였다.
따라서 근래에는 이와 같은 기어 강도의 계산을 위한 해석 소프트웨어들이 개발되고 있고, 본 연구에서는 이 단계의 설계를 위해 보다 실증적인 전용 해석 소프트웨어를 사용한다. 즉, 주어진 전 위계수들을 사용하여 각 기어 쌍들의 면압강도와 전달 허용 토크를 계산하여 가장 좋은 성능을 가지는 전위계수들을 선택한다.
)로 결정한 것이다. 최종적으로는 허용 전달 토크가 가장 좋은 경우를 전위값으로 결정하였다.
특히, Fig. 4와 Fig. 5에 나타난 바와 같이 수평형 출력축 지지구조를 가지는 베어링과 일체화된 전위감속기의 구조를 제안한다. 이 구조에서는 고정링 기어, 2열 볼 베어링, 회전링기어, 그리고 베어링블록이 순차적으로 일체화되어 있다.
이러한 문제점들의 해결을 위해 본 연구에서는 선기어, 유성기어, 고정링기어, 회전링기어로 구성되며, 서로 다른 잇수를 가진 링기어 또는 선기어를 이용해 회전속도 차이를 최소화하여 높은 감속 비를 얻을 수 있는 방식의 2단 전위 감속기를 제안하였다. 특히, 설계자의 경험과 노하우에 크게 의존하는 2단 전위 감속기를 설계하는 체계적인 방법을 제시하고, 흔들림이 없이 동력을 전달하는 베어링 일체형(Bearing-integrated) 구조를 제안하였다. 이 구조는 2개의 앵귤러 컨택트 볼 베어링을 사용한 것과 같은 효과를 나타내게 되고, 출력축 지지구조의 흔들림이 감소하게 되어, 출력단의 축방향과 반경방향 모두 모멘트에 의한 하중과 흔들림에 강하게 된다.

대상 데이터

앞장에서 설계된 베어링 일체형 2단 전위기어시스템을 실제로 제작하였다. 치차가 안쪽에 있으므로 내치차는 호브로 가공이 힘들고, 셰이핑 또는 브로우칭 가공을 주로 한다.
영역계수와 물림률 계수를 고려하면 26가지의 후보군이 선택된다.

데이터처리

출력토크 측정은 전용 해석 프로그램^[16]을 이용하여 검증하였다. 이 결과에 의하면 선기어는 18.

이론/모형

선택된 26건의 후보군을 대상으로 주어진 전위계수들을 이용하여 기어 강도와 전달 토크를 계산한다. 본 연구에서는 상용 기어 해석용 소프트웨어(KISSsoft^[16])를 사용하여 이 단계를 수행하였다. 26건 중 고정링기어와 회전링기어의 강도가 함께 가장 높은 경우의 전위계수를 주어진 설계조건에 적합한 전위계수로 결정하였다.

성능/효과

즉, 기어의 잇수가 적은 경우에는 이가 맞물릴 때인 볼루트 곡선의 일부를 깎아 먹는 현상이 생기고 이러한 언더컷을 방지하기 위해 전위를 하게 된다. 둘째, 전위를 하게 되면 기어의 이 두께가 넓어지게 되고, 기어 굽힘 강도가 증가하게 된다. 셋째, 중심간 거리조정이 필요할 때 전위를 하게 된다.
또한 제안된 절차에 따라 설계 제작된 전위감속기는, 고정링기어와 회전링기어의 2단구조에 의해 100:1 이상의 감속비를 무리없이 얻을 수 있을 정도로 우수한 감속성능을 구현하였다. 특히, 작은 공간에서도 높은 감속비를 가진 고출력의 소형 상용 감속기로의 성능을 가지고 있음을 검증하였다.
실제로 본 연구에서 제안하고 있는 베어링 일체형 2단 전위감속기의 경우에는 동시에 전위해야 할 기어의 쌍이 선기어와 유성기어(Sun + Planetary Gears), 유성기어와 고정링기어(Planetary + Stationary Ring Gears), 유성기어와 회전링기어(Planetary + Movable Ring Gears)의 3가지 쌍으로 선기어, 유성기어, 고정링기어, 회전링기어의 4가지 기어가 동시에 물려 있어 전위계수를 동시에 구하기가 쉽지 않다.
을 이용하여 검증하였다. 이 결과에 의하면 선기어는 18.1 Nm, 고정링기어는 78.1 Nm, 회전링기어는 90.1 Nm, 유성기어는 96.244 Nm의 출력 토크를 가진다. 즉, 선기어의 토크가 가장 낮으며, 출력단에 힘을 가했을 때 선기어가 최초로 손상 또는 절단됨을 의미한다.
그러므로 본 연구에서는 이러한 전위 감속기를 제작하기 위한 실제적인 설계 절차를 제시하고, 제안된 절차에 따라 설계 및 제작된 전위감속기를 검증한다. 제안된 절차에 따라 설계된 전위감속기는, 고정링기어와 회전링기어의 2단구조에 의해 100:1 이상의 감속비를 무리없이 얻을 수 있을 정도로 우수한 감속성능을 구현할 수 있다.
또한, 일반 볼베어링과 대비하여, 베어링의 리테이너가 필요없게 되고, 면압 강도가 증가하여 흔들림에 강한 견고한 구조를 가지게 된다. 특히, 감속기의 전체적인 크기가 현격 하게 줄어들게 됨으로써, 휴머로이드 로봇과 같이 좁은 공간에서 고출력 고효율이 필요한 소형 감속기에 적합하다.
또한, 일반 볼베어링 사용시와 비교하면, 그 구조상 베어링의 리테이너가 필요없게 되고 베어링의 수를 최대로 넣을 수 있어 면압 강도가 증가하게 되고, 흔들림에 강한 견고한 구조를 가지게 된다. 특히, 감속기의 전체적인 크기가 현격하게 줄어들게 됨으로써, 휴머노이드 로봇과 같이 좁은 공간에서 고출력 고효율이 필요한 소형 감속기에 적합하다.
또한 제안된 절차에 따라 설계 제작된 전위감속기는, 고정링기어와 회전링기어의 2단구조에 의해 100:1 이상의 감속비를 무리없이 얻을 수 있을 정도로 우수한 감속성능을 구현하였다. 특히, 작은 공간에서도 높은 감속비를 가진 고출력의 소형 상용 감속기로의 성능을 가지고 있음을 검증하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	감속기란?	감속기는 엔진이나 모터 등으로부터 출력되는 고속회전을 입력으로 하여, 로봇, 자동화 및 정밀 제어기기 등에서 요구되는 안정도 및 정밀도를 구현할 수 있도록 일정비율로 감속하여 출력시키는 장치로, 일반적으로 다수의 기어를 조합하여 기어의 잇수 차이로 인한 감속을 도모하고 있으며, 유성기어가 선기어의 주위를 회전하면서 감속이 이루어지는 유성기어 시스템이 대표적인 예이다[1]. 이러한 유성기어에 관한 많은 연구가 있어 왔으나[2-6], 유성기어를 이용한 감속기의 구조로는 보다 큰 감속비를 도모하기 위해서 기어간의 연결이 다단으로 이루어져야 함에 따라 대소직경의 많은 기어와 다수의 축으로 인하여 부피와 무게가 커지며, 베어링에 고하중이 걸리고, 설계가 복잡해지는 등의 단점이 있었다[5,6].
	감속기의 대표적 예는?	감속기는 엔진이나 모터 등으로부터 출력되는 고속회전을 입력으로 하여, 로봇, 자동화 및 정밀 제어기기 등에서 요구되는 안정도 및 정밀도를 구현할 수 있도록 일정비율로 감속하여 출력시키는 장치로, 일반적으로 다수의 기어를 조합하여 기어의 잇수 차이로 인한 감속을 도모하고 있으며, 유성기어가 선기어의 주위를 회전하면서 감속이 이루어지는 유성기어 시스템이 대표적인 예이다[1]. 이러한 유성기어에 관한 많은 연구가 있어 왔으나[2-6], 유성기어를 이용한 감속기의 구조로는 보다 큰 감속비를 도모하기 위해서 기어간의 연결이 다단으로 이루어져야 함에 따라 대소직경의 많은 기어와 다수의 축으로 인하여 부피와 무게가 커지며, 베어링에 고하중이 걸리고, 설계가 복잡해지는 등의 단점이 있었다[5,6].
	전위기어가 갖는 3가지 목적은?	일반적으로 전위기어(Profile Shifted Gear)는 표준 피치원에서 반경방향으로 공구를 이송하여 가공한 기어로서, 다음의 3가지 목적을 가진다. 첫째, 언더컷(undercut)의 방지이다. 인볼루트 곡선이 기초원의 안쪽에 존재하지 않아서 기어의 이모양이 기초원의 내부까지 파고 들어가게 된다. 즉, 기어의 잇수가 적은 경우에는 이가 맞물릴 때인 볼루트 곡선의 일부를 깎아 먹는 현상이 생기고 이러한 언더컷을 방지하기 위해 전위를 하게 된다. 둘째, 전위를 하게 되면 기어의 이 두께가 넓어지게 되고, 기어 굽힘 강도가 증가하게 된다. 셋째, 중심간 거리조정이 필요할 때 전위를 하게 된다. 즉, 기어의 잇수와 비틀림 각 만으로는 중심거리 조정이 어려우므로 전위를 통하여 이 문제를 해결하고자 할 때 사용된다.

참고문헌 (16)

Planetary Gearing from Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Epicyclic_gearing
Cabral, E., Nagahashi, F., Marcos Hunold, C., Design, Construction and Test of a Two-Stage Planetary Traction Speed Reducer, ABCM Symposium Series in Mechatronics, 1, pp. 444-453.
Song, Y., Zhang, J., Zhang. C., 2007, Researches on Key Technologies in Optimization Design Of Ring-Plate Gear Reducer, 12th IFToMM World Congress, Besancon (France), June 18-21.
Taldenko, Y.K., 1994, Mathematical Model of Planetary Roller-Tooth Reduction Gears, Chemical and Petroleum Engineering, 30(4), pp. 145-153.

상세보기
Lynwander, P., 1983, Gear Drive Systems: Design and Application. Marcel Dekker, New York.
Smith, J.D., 1983, Gears and Their Vibration: A Basic Approach to Understanding Gear Noise. Marcel Dekker, New York and MacMillan, London.
Heller, W.H., Planetary Speed Reducer, UMC Industries, Inc., US Patent No. 4,429,594.
Duer, M.J., Compound Epicyclic Gear Mechanism, General Motors Corporation, US Patent No. 3,081,648.
Baira, B.-W., Tsayb, C.-B., 2001, Effects of Profile Shifted Factor and Pressure Angle on the ZK-type Dual-lead Worm Gear Drives, Journal of Materials Processing Technology, 112(1), pp. 29-36.

상세보기
Tsai, S.-J., Wu, S.-H., 2007, Geometrical Design of Conical Gear Drives with Profile-shifted Transmission, 12th IFToMM World Congress, Besancon, France, June 18-21.
Nadano, H., Terauchi, Y., Nohara, M., 1982, On The Effect of the Tooth Profile Modification on the Dynamic Load and the Sound Level of the Spur Gear, Bulletin of JSME, 25(207), pp. 1474-1481.
Kim, J.H., 2007, Gear and Hobbing Operation, Gijeon Publishing Co., Seoul, pp. 60-99.
Gear Technical Reference, http://www.khkgears.co.jp, pp. 19-20.
KS B ISO 6336-2, Calculation of Load Capacity of Spur and Helical Gears - Part 2: Calculation of Surface Durability, pp. 2-15.
AGMA American Gear Manufacturers Association, http://www.agma.org/
KISSSOFT User Manual Release 03/2011, http://www.kisssoft.ch/english/home/index.php

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증