변형파 기어

Strain wave gearing
  • 외부 원: 원형 스플라인(고정)
  • 미들원: 플렉스 스플라인(출력축에 부착, 표시되지 않음)
  • 내부 타원형: 파형 발생기(입력축에 부착됨, 내부 볼 베어링 및 샤프트는 표시되지 않음)
파형 발생기 베어링(왼쪽 상단), 플렉스 스플라인 컵(오른쪽 상단) 및 원형 스플라인 링(아래쪽)으로 구성된 조화형 드라이브 SE 변형파 기어 세트.

변형파 기어(일명 고조파 기어)는 외부 톱니가 있는 유연한 스플라인을 사용하는 기계식 기어 시스템의 일종으로, 외부 스플라인 내부 기어 톱니와 결합하기 위해 회전하는 타원형 플러그에 의해 변형된다.

독일 회사인 하모닉 드라이브 SE는 제품명 또는 등록 상표인 하모닉 드라이브(Harmonic Drive)로 시리즈로 제작된 최초의 기어를 제조했다.

변형파 기어는 헬리컬 기어 또는 유성 기어와 같은 기존 기어 시스템에 비해 다음과 같은 몇 가지 장점이 있다.

  • 반발은 없고
  • 컴팩트함과 가벼운 무게,
  • 높은 기어비,
  • 표준 주택 내에서 재구성 가능한 비율
  • 관성하중을 재배치할 때 분해능과 우수한 반복성([1]선형 표현),
  • 높은 토크 능력,
  • 동축 입출력 [2]축

높은 기어비 감소는 작은 부피에서 가능하다(30:1에서 320:1까지의 비율은 일반적으로 유성 기어가 10:1의 비율로만 생성되는 동일한 공간에서 가능하다).

단점으로는 낮은 토크 영역에서 '윈드업'(비틀림 스프링 비율) 경향이 있다.

스트레인 웨이브 기어는 로봇공학이나[3] 항공우주공학에서 흔히 사용된다.[4]기어 감소를 제공할 수 있지만 회전 속도를 높이거나 차동 기어를 사용하는 데도 사용할 수 있다.

역사

변형파 기어(SWG)의 기본 개념은 C.W에 의해 도입되었다. Musser는 United Shoe Machine Corporation(USM)의 고문으로 재직하던 중 1957년에 특허를[5] 얻었다.1960년 USM사에 의해 처음 사용되었고, 이후 USM의 면허에 따라 하세가와 기어웍스에 의해 성공적으로 사용되었으며,[citation needed] 이후 하세가와 기어워크는 일본과 USM사에 위치한 하메가 기어드라이브 시스템이 되었다.하모닉 드라이브 부문은 하모닉 드라이브 기술이 되었다.[6][7]

역학

고조파 기어의 단면.
  1. 입력축
  2. 파동 발생기
  3. 플렉스 스플라인
  4. 원형 스플라인
  5. 출력축
  6. 주택

변형파 기어는 금속의 탄성을 이용한다.이 메커니즘은 파동 발생기(2/녹색), 플렉스 스플라인(3/빨간색), 원형 스플라인(4/파란색)의 세 가지 기본 구성요소를 가지고 있다.더 복잡한 버전은 전체 길이를 줄이거나 더 작은 직경 내에서 기어 감소를 증가시키기 위해 일반적으로 사용되는 네 번째 구성요소를 가지고 있지만, 여전히 동일한 기본 원칙을 따른다.

파동 발생기는 파동 발생기 플러그라고 불리는 타원형 디스크와 외부 볼 베어링의 두 개의 분리된 부분으로 이루어져 있다.타원형 플러그를 베어링에 삽입하여 베어링이 타원형 모양에 부합하도록 강제하지만 외부 베어링 내에서 플러그가 회전할 수 있도록 한다.

플렉스 스플라인은 얕은 컵처럼 생겼다.스플라인 옆면은 매우 얇지만 바닥은 비교적 단단하다.이로 인해 벽이 얇아 개방된 끝에서 벽이 상당히 유연해지고, 닫힌 쪽에서는 단단히 고정될 수 있을 정도로 견고해진다(예를 들어 축에).톱니는 플렉스 스플라인 바깥쪽을 중심으로 반경 방향으로 위치한다.플렉스 스플라인(flex spline)은 파형 발생기 플러그가 회전할 때 플렉스 스플라인(flex spline)이 회전 타원 모양으로 변형되어 볼 베어링의 바깥쪽 타원형 링 위로 미끄러지지 않도록 파형 발생기 위에 단단히 고정된다.볼 베어링은 플렉스 스플라인을 파형 발생기의 샤프트에 독립적으로 회전시킬 수 있도록 한다.

원형 스플라인(circle spline)은 내부에 톱니가 있는 단단한 원형 링이다.플렉스 스플라인과 파동 발생기는 원형 스플라인 내부에 배치되어 플렉스 스플라인과 원형 스플라인 톱니를 메싱한다.플렉시블 스플라인은 타원형으로 변형되기 때문에 실제로 플렉시블 스플라인(타원의 주요 축에 위치)의 반대편에 있는 두 지역의 원형 스플라인 톱니와 맞물릴 뿐이다.

파형 발생기가 입력 회전이라고 가정한다.파형 발생기 플러그가 회전함에 따라 원형 스플라인 톱니와 맞물린 플렉스 스플라인 톱니가 천천히 위치를 바꾼다.플렉스 스플라인 타원의 주요 축은 파동 발생기와 함께 회전하므로 톱니가 중심점을 중심으로 회전하는 지점은 파동 발생기의 축과 같은 속도로 회전한다.변형파 기어 설계의 핵심은 플렉시블 스플라인에 원형 스플라인에 있는 톱니(예: 2개)보다 적은 수의 톱니(예: 2개)가 있다는 것이다.즉, 파형 발생기의 전체 회전 시마다 플렉스 스플라인을 원형 스플라인에 비해 약간(이 예에서는 톱니 2개) 뒤로 회전시켜야 한다.따라서 파형 발생기의 회전 작용은 반대 방향으로 플렉스 스플라인 회전이 훨씬 느리게 된다.

변형파 기어 메커니즘의 경우 기어 감속비는 사이클로이드 드라이브와 유사한 방식으로 각 기어의 톱니 수로 계산할 수 있다.

감소율의 역수 역시 같은 구와 기호로 언급되는 경우가 있다.

예를 들어 원형 스플라인에 202개의 톱니가 있고 플렉스 스플라인에 200개의 톱니가 있는 경우 감소율은 (200 - 202)/200 = -0.01이다.

따라서 플렉시블 스플라인은 파형 발생기 플러그의 1/100 속도로 회전하며 반대 방향으로 회전한다.치아의 개수를 변경하여 다른 감소 비율을 설정한다.이는 메커니즘의 직경을 변경하거나 개별 치아의 크기를 변경하여 크기와 무게를 보존함으로써 달성될 수 있다.가능한 기어비의 범위는 주어진 구성에 대한 톱니 크기 한계에 의해 제한된다.

이 감소율은 원형 스플라인, 파형 발생기 입력 및 플렉시블 스플라인 출력이 고정된 구성에 적용된다.원형 스플라인도 회전하는 경우, 다음 관계는 세 부분의 회전 속도 사이에서 유지된다.[8]

이(가) 음이고 작다는 것을 명심하십시오.

사용 예

아폴로 달 탐사선의[9] 전기 구동 휠에는 변형파 기어가 포함되어 있었다.또한, 태양 전지판을 배치하기 위해 스카이랩에 사용되는 윈치는 변형파 기어를 사용하여 작동되었다.

참고 항목

참조

  1. ^ Chironis, Nicholas; Sclater, Neil (2007). Mechanisms and Mechanical Devices Sourcebook. ISBN 978-0-07-146761-2.
  2. ^ Lauletta, Anthony (April 2006). "The Basics of Harmonic Drive Gearing" (PDF). Gear Product News. pp. 32–36. Archived from the original (PDF) on 2016-03-03.
  3. ^ Li, Z; Melek, WW; Clark, C (2009). "Decentralized robust control of robot manipulators with harmonic drive transmission and application to modular and reconfigurable serial arms". Robotica. 27 (2): 291–302. doi:10.1017/S0263574708004712.
  4. ^ Ueura, K; Kiyosawa, Y; Kurogi, J; Kanai, S; Miyaba, H; Maniwa, K; Suzuki, M; Obara, S (2008). "Tribological aspects of a strain wave gearing system with specific reference to its space application". Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology. 222 (8): 1051–1061. doi:10.1243/13506501JET415. ISSN 1350-6501. S2CID 108896120.
  5. ^ 미국 특허 2,906,143호
  6. ^ "Harmonic drive companies merge", Motion System Design, 2006.[데드링크]
  7. ^ 조화 드라이브 시스템 회사 정보
  8. ^ "HarmonicDrive Reducer Catalog" (PDF). wwww.harmonicdrive.net. Harmonic Drive LLC. Retrieved 17 January 2022.
  9. ^ "Qualifying Bulk Metallic Glass Gear Materials for Spacecraft Applications" (PDF). NASA. May 20, 2019. Archived from the original (PDF) on May 20, 2019.

일반

외부 링크