사이클로노이드 기어박스

기본적으로 사이클로이드 기어박스는 사이클로이드 곡선을 이용하여 회전 운동을 하는 기어박스입니다. 매우 간단하고 효율적인 설계로 다양한 분야에 적용될 수 있습니다. 사이클로이드 기어박스는 무거운 하중을 이동해야 하는 용도에 자주 사용됩니다. 유성 기어박스에 비해 더 높은 하중과 더 빠른 속도를 처리할 수 있다는 등의 여러 장점을 가지고 있습니다.

사이클로이드 기어박스의 동적 및 관성 효과

사이클로이드 기어박스의 동적 및 관성 효과에 대한 연구는 여러 차례 수행되었습니다. 일부 연구는 작동 원리에 초점을 맞추었고, 다른 연구들은 기어박스의 수학적 모델에 초점을 맞추었습니다. 본 논문에서는 사이클로이드 기어박스의 수학적 모델을 분석하고 실제 측정 결과와 성능을 비교합니다. 사이클로이드 기어박스를 설계하고 제어하기 위해서는 적절한 수학적 모델을 갖추는 것이 중요합니다. 사이클로이드 기어박스는 사이클로이드 디스크와 자체 축을 중심으로 회전하는 링 기어로 구성된 2단 기어박스입니다.
수학적 모델은 160만 개 이상의 요소로 구성됩니다. 각 기어 쌍은 500개의 고유 모드를 갖는 축소 모델로 표현됩니다. 스퍼 기어의 고유 진동수는 70kHz입니다. 이 모드 축소 모델은 사이클로이드 기어박스에 적합합니다.
본 수학적 모델은 ABAQUS 소프트웨어를 사용하여 검증되었습니다. 사이클로이드 디스크를 이산화하여 매우 정밀한 모델을 생성했으며, 각 톱니당 400개의 요소점을 사용했습니다. 또한 정적 유한 요소 해석(FEA)을 통해 검증했습니다. 이 모델을 사용하여 모든 사분면에서 기어의 마찰력을 모델링했습니다. 이는 사이클로이드 기어박스의 마찰력을 모델링하는 새로운 접근 방식입니다. 이 모델은 EMBS 모델과 유사한 결과를 나타내는 것으로 확인되었으며, 탄성 다물체 시뮬레이션 모델과도 결과가 일치합니다. 이는 사이클로이드 기어 디스크의 접촉력과 크기에 대한 적합도를 보여줍니다. 사이클로이드 기어 디스크와 링 기어 사이의 전달 정확도는 약 98.5%인 것으로 나타났습니다. 그러나 이 값은 링 기어 쌍의 전달 정확도보다 낮습니다. 수정된 모델의 전달 오차는 약 0.3%입니다. 전달 정확도가 낮은 이유는 톱니 측면의 탄성 변형량이 적기 때문입니다.
사이클로이드 기어박스의 각 톱니에 작용하는 접촉력은 매끄럽지 않다는 점에 유의해야 합니다. 단일 톱니의 접촉력은 선형적으로 증가하다가 급격하게 감소합니다. 이는 점 접촉에서의 접촉력처럼 매끄럽지 않기 때문에 타원형 접촉에서의 접촉력과 비교되기도 합니다. 하지만 타원형 접촉에서의 접촉면은 상대적으로 작기 때문에 EMBS 모델은 이를 제대로 포착하지 못합니다.
사이클로이드 디스크의 유한 요소 모델은 약 160만 개의 요소로 구성됩니다. 유한 요소 모델에서 가장 중요한 부분은 사이클로이드 디스크의 이산화입니다. 사이클로이드 기어 디스크는 높은 진동을 받기 때문에 이산화를 매우 신중하게 수행해야 합니다. 정적 유한 요소 해석 결과와 비교 가능한 결과를 얻으려면 사이클로이드 디스크를 정밀하게 이산화해야 합니다. 사이클로이드 디스크와 링 기어 사이의 접촉력을 정확하게 시뮬레이션하려면 가능한 한 가장 정확한 모델을 만들어야 합니다.

사이클로이드 구동 장치의 운동학

임의의 좌표계를 사용하여 사이클로이드 기어박스 구성 요소의 운동을 관찰할 수 있습니다. 사이클로이드 디스크는 고정된 핀을 중심으로 원형으로 회전하고, 팔로워 샤프트는 편심 캠을 중심으로 회전하는 것을 알 수 있습니다. 또한 입력 샤프트는 구름 요소 베어링에 편심으로 장착되어 있음을 확인할 수 있습니다.
또한 사이클로이드 디스크는 편심 베어링을 중심으로 독립적으로 회전하는 반면, 팔로워 샤프트는 대칭축을 중심으로 회전하는 것을 관찰할 수 있습니다. 따라서 사이클로이드 디스크는 사이클로이드 기어박스의 운동학에서 핵심적인 역할을 한다는 결론을 내릴 수 있습니다.
사이클로이드 감속기의 효율을 계산하기 위해 접촉면의 비선형 강성을 기반으로 하는 모델을 사용합니다. 이 모델에서 접촉면의 비선형성은 접촉면에서의 힘과 변형의 비선형성에 의해 결정됩니다. 사이클로이드 감속기의 효율은 하중이 증가함에 따라 증가함을 보였습니다. 또한, 효율은 슬라이딩 속도와 수직 하중의 변형에 따라 달라집니다. 이러한 요소들은 사이클로이드 구동 장치의 효율을 결정하는 핵심 변수로 간주됩니다.
또한 입력 토크와 입력 속도에 따른 사이클로이드 감속기의 효율을 고려합니다. 효율은 링 기어의 순 토크를 출력 토크로 나누어 계산할 수 있습니다. 효율은 다양한 작동 조건에 맞게 조정할 수 있습니다. 사이클로이드 구동 장치의 효율은 부하가 증가함에 따라 증가합니다.
사이클로이드 기어박스는 작은 축 조인트와 큰 축으로 구성된 다단 기어박스입니다. 19개의 톱니와 황동 와셔를 가지고 있습니다. 바깥쪽 디스크는 가운데 디스크와 반대 방향으로 회전하며 180도 어긋나 있습니다. 가운데 디스크는 바깥쪽 디스크보다 질량이 두 배 큽니다. 사이클로이드 디스크에는 9개의 돌기가 있으며, 각 돌기는 구동축이 한 바퀴 회전할 때마다 한 바퀴씩 회전합니다. 디스크의 핀 개수는 주변 디스크의 핀 개수보다 적어야 합니다.
입력축은 편심 베어링을 구동하여 출력축으로 동력을 전달합니다. 또한, 입력축은 중간 베어링을 통해 사이클로이드 디스크에 힘을 가합니다. 사이클로이드 디스크는 360도 회전 및 피벗/롤러 단계를 거쳐 회전합니다. 출력축 핀은 구멍 안에서 움직여 출력축을 연속적으로 회전시킵니다. 입력축은 기준축의 일정한 속도를 유지하기 위해 정현파 운동을 발생시킵니다. 이 정현파는 팔로워축에 미세한 조정을 일으킵니다. 내부 슬리브에 가해지는 힘은 평형 메커니즘의 일부입니다.
또한, 사이클로이드 기어는 유성 기어보다 더 큰 토크를 전달할 수 있음을 알 수 있습니다. 이는 사이클로이드 기어의 축 방향 길이가 더 길고 링 기어의 구멍 직경이 더 작기 때문입니다. 또한, 고정 링과 디스크 사이의 맞물림을 통해 고정 링과 디스크 사이에 정확한 끼워맞춤을 구현할 수 있습니다. 사이클로이드 디스크는 일반적으로 고속 회전 시 불균형력을 최소화하기 위해 짧은 사이클로이드로 설계됩니다.

유성 기어박스와의 비교

유성 기어박스와 비교했을 때, 사이클로이드 기어박스는 몇 가지 장점을 가지고 있습니다. 이러한 장점으로는 낮은 백래시, 우수한 과부하 용량, 컴팩트한 설계, 그리고 광범위한 응용 분야에서의 활용성 등이 있습니다. 사이클로이드 기어박스는 다축 로봇 시장에서 널리 사용되고 있으며, 특히 1차 관절 및 위치 제어 장치에 많이 적용되고 있습니다.
사이클로이드 기어박스는 사이클로이드 디스크, 출력 플랜지, 링 기어, 고정 링의 네 가지 기본 구성 요소로 이루어진 기어박스입니다. 사이클로이드 디스크는 360도 회전하는 편심축에 의해 구동되며, 이 편심축은 피벗/롤러 스텝 방식으로 회전합니다. 출력 플랜지는 동력을 출력축으로 전달하는 고정 핀 디스크입니다. 링 기어는 고정 링이며, 입력축은 서보 모터에 연결되어 있습니다.
사이클로이드 기어박스는 고동적 상황에서 관성을 제어하도록 설계되었습니다. 이러한 기어박스는 일반적으로 로봇 공학 및 포지셔너에 사용되며, 무거운 하중을 위치시키는 데 적합합니다. 또한 다양한 산업 분야에서 널리 사용됩니다. 사이클로이드 기어박스는 높은 토크 밀도와 낮은 백래시를 가지고 있어 무거운 하중을 처리하는 데 이상적입니다.
출력 플랜지는 최대 500Nm의 토크를 처리할 수 있도록 설계되었습니다. 회전 속도는 유성 기어박스보다 낮지만 출력 토크는 훨씬 높습니다. 고성능 기어박스로 설계되었으며, 높은 기어비와 높은 토크 밀도가 요구되는 용도에 사용할 수 있습니다. 사이클로이드 기어박스는 가격도 저렴하고 백래시도 적습니다. 하지만 사이클로이드 기어박스는 설계 시 고려해야 할 몇 가지 단점이 있습니다. 가장 큰 문제는 진동입니다.
유성 기어박스와 비교했을 때, 사이클로이드 기어박스는 전체 크기가 작고 가격도 저렴합니다. 또한, 사이클로이드 기어박스는 단일 단에서 큰 감속비를 제공합니다. 일반적으로 사이클로이드 기어박스는 단일 단 또는 2단으로 구성되며, 3단은 드뭅니다. 하지만 이러한 구성을 가진 기어박스는 사이클로이드 기어박스뿐만이 아닙니다. 단일 단 유성 기어박스도 흔히 볼 수 있습니다.
사이클로이드 기어박스에는 여러 종류가 있으며, 흔히 사이클로이드 감속기라고도 불립니다. 이 기어박스는 서보 모터를 사용하는 모든 산업 분야에 적합하도록 설계되었습니다. 유성 기어박스보다 길이가 짧고, 동일한 토크를 낼 때 직경이 더 큽니다. 또한 30:1보다 낮은 기어비를 가진 제품도 있습니다.
사이클로이드 기어박스는 높은 회전 속도와 높은 토크가 요구되는 응용 분야에 적합한 선택입니다. 또한 유성 기어박스보다 크기가 작고 고토크 응용 분야에 적합합니다. 뿐만 아니라 내구성이 뛰어나 충격 하중을 잘 견뎌냅니다. 백래시가 적고 정밀도 및 위치 정밀도가 높습니다. 산업용 로봇을 포함한 다양한 분야에서 널리 사용됩니다.

editor by CX 2023-06-12