스트레인 웨이브 기어 (Strain Wave Gear) - 구조 정의 (하모닉 드라이브)

 

 

 

 

 

 스트레인 웨이브 기어 (Strain Wave Gear) (하모닉 드라이브)

 

스트레인 웨이브 기어는 탄성 변형 원리를 사용하여 다양한 분야에 사용하는 고비율 기어박스에 사용된다.

소형이며 합리적인 속도-토크 변환 제공

 

 

 스트레인 웨이브 기어 (STrain Wave Gear) 구성 구조

 

스트레인 웨이브 기어 세트에는 하기 3가지 기본 구성 요소가 있다. 이는 원하는 기어비를 만드는데 사용된다.

 

 

 

타원파 발생기 (Wave Generator)

ㄴ 외부 볼 베어링이 있는 타원형 디스크로 구성

ㄴ 구동요소로

ㄴ 특수 제작된 볼 베어링 장착 : 타원형을 구조가 돌아가게끔 해주는 베어링 장착

 

 

 

플렉스플라인 (Flexspline)

ㄴ 얇은 합금으로 만들어짐

ㄴ 외부 치 존재, 얇은 합금으로 만들어져, 비교적 Flexible 한 움직임 가능

ㄴ 비틀림에 강하지만 유연한 소재

ㄴ 입력인 타원파 발생기의 형상에 맞춰 물결형식으로 움직(반경이 실시간 바뀌며)입니다

 

 

외부 원형 스플라인 (Circular Spline)

ㄴ 내부치 존재, 강성물질

ㄴ 내부 직경은 플렉스 스플라인이 만든 타원의 주 축보다 약간 더 큽니다

ㄴ 외부 원형 스플라인은 하우징에 볼팅 고정된 채로 가만히 있으며

ㄴ 내부의 플렉스 스플라인이 인풋에 맞춰 회전하게 만듭니다

 

 

웨이브 제너레이터를 플렉스스플라인에 압입하고

해당 어쌤블리를 써큘러 스플라인의 이에 맞게 밀어 넣는다

 

웨이브 제너레이터는 앞서, 타원형의 원이 아닌 찌그러진 형태라 말했다.

이 웨이브 제너레이터에 input 회전력이 들어가 회전하면

웨이브 제너레이터로 인해 플렉스스플라인 제품은 형태가 변형하며

웨이브 제너레이터의 경이 큰 부분은 플렉스스플라인과 써큘러 스플라인의 치가 맞물리고

경이 작은 부분은 공간이 뜨게 된다.

 

웨이브 제너레이터의 회전에 의해

이렇게 플렉스스플라인과 써큘러 스플라인의 치가 붙었다 떨어졌다를 반복한다

 

 

// Harmonic Drvie SE | Strain Wave Gear Principle 영상 참고

// makerken | Strain Wave Gear 영상 참고

 

 

 

 스트레인 웨이브 기어, (하모닉 드라이브) 기어비

 

회전율은 입력축의 회전 & 플렉스 스플라인과 서큘러 스플라인의 잇수 차이에 따라 달라집니다.

원형 스플라인 보다 플렉스 스팔라인은 톱니 수가 적습니다.

회전 감속비는 (플렉스 스팔라인 톱니 수) - (원형 스플라인 톱니 수) / (플렉스 스플라인 톱니수) 로 계산됩니다.

예를 들어, 플렉스 스플라인 톱니 수가 100 , 원형 스플라인 톱니 수가 105라면

감속비는 5/100 (인풋의 반대방향) // 왜 반대방향인지 아직 머릿속에 그려지진 않는데, 영상 보면 반대방향 이더라구요 :ㅇ

 

 

즉, 감속비가 엄청난 기어를 만들 수 있으며

타원형의 플렉서블한 베어링 및 기어 구조가 들어가며 백래시 반동 효과도 없거나 적은 유일한 기어 배열이라 합니다.

감속비가 저정도 되면 백래시 효과가 아무래도 적을 것 같은데

타원형의 플렉서블한 구조가 탄성 역할을 해주어 백래시 충격이 적은 것으로 고려됩니다.

(감속비가 크다는 건, 그만큼 고회전을 고토크로 만들 수 있는 것이기에, 고회전의 모터를 개발한다면 사용하기 좋은 기어박스가 될 것이고, 고토크를 요하는 산업 장치들에 들어가기 좋을 것 같습니다)

 

 

외접기어는 모든 축 마다 최소 2개의 베어링

유성기어나 라비뇨 기어는 플레닛(피니언)기어 마다 롤러베어링에 링기어도 베어링 들어가기도 하고 캐리어 베어링도 들어가는 것을 보면

감속비 대비 베어링도 적게 들어가네요 ..

처음에는 인풋과 아웃풋 사이에 베어링이 있길래 저게 동력 전달이 잘 되나 싶었는데 ,, 잘못된 생각이었네요 ㅋㅋ

 

엔지니어 기술블로그

 

외접기어 베어링 구성

 

유성기어 베어링 구성

 

이제 공부하기 시작하는 기어

눈동냥으로 배운 것이기에

구조가 틀렸다면 댓글 달아주세용 :ㅇ

 

아무튼, 베어링이 뭔가 사이에 낀 듯 해서

힘 전달이 되나? 라는 의문이 들었다가

기존에 익숙한 구조를 가지고 보니

아..! 여기도 그렇네 싶어서

납득.. :)

 

 

 

마치며

 

하모닉 드라이브는

작은 크기, 가벼운 무게, 제로 백래시, 매우 높은 정밀도 및 높은 신뢰성이 요구되는 모든 기어 감속 프로그램에 적합합니다.

 

하중이 큰 경우는 어떨지 모르겠긴 한데,,

항공우주분야, 로봇공학, 전기자동차, 의료용 엑스레이 및 정위 기계, 밀링 및 선반 기계, 인쇄기, 반도체 공구, 광학 측정장치, 목공장치 등 많은 분야에 적합하다 하니,,

하중도 잘 견디나 봅니다

플렉서블한 구조에 거기를 지나가는 특수? 제작된 베어링이길래 하중에 약하고 찌그러지지 않을까 생각되었는데

막 그렇지도 않은가 봅니다.

 

 

뭔가, 이녀석은

일하는게 축방향 축방향 전달해주는 웜기어 느낌이네요

웜기어는 회전 - 직선운동 변환인데

이녀석은 회전 - 회전 운동 변환이면서 감속비만 대빵 넣어주는

웜기어 느낌이 납니다 :ㅇ

 

 

기어 제작 기술이 까다로워 제작하는 업체가 많진 않아 보입니다.

Harmonic DRive

Nabtesco (Ovalo 인수)

Schaeffler

igus

 

만들기 까다로운 이유

- 변형 가능한 초정밀 볼베어링 혹은 니들롤러베어링 제작

- 기어 치형 난해

- 작은 패키징, 필요 부분만 열처리 되는가, 수미크론 정도의 얇게 침탄이 되는가

- 가격 경쟁력