이 튜토리얼에서는 유성 기어 세트가 무엇인지, 어떻게 작동하는지 알아보고 유성 기어박스를 직접 설계하고 3D 프린팅하여 실제 생활에서 확인하고 작동 방식을 더 잘 이해하는 방법을 설명합니다. 동영상 끝부분에서는 백래시 및 토크 테스트도 수행하여 3D 프린팅 기어박스로서의 성능이 얼마나 좋은지 확인합니다.
다음 비디오를 보거나 아래에 작성된 튜토리얼을 읽어보실 수 있습니다.
유성기어 세트는 컴팩트한 디자인으로 높은 토크와 높은 효율을 제공하는 독특한 유형의 기어 시스템입니다. 이러한 세 가지 주요 기능으로 인해 유성 기어박스는 산업 기계, 농업, 의료, 풍력 터빈, 로봇, 자동 변속기 등 수많은 응용 분야에 사용됩니다.
유성기어 세트는 4가지 주요 구성요소로 구성됩니다. 중앙에는 일반적으로 모터를 구동하는 입력인 선기어(sun gear)라는 기어가 있습니다.
그런 다음 유성 기어라고 불리는 태양 기어 주위를 공전하는 세 개 이상의 기어가 있습니다. 내부 톱니 기어를 링 기어라고 하며 유성 기어의 궤도를 결정합니다.
네 번째 구성 요소는 캐리어라고 하며 가장 일반적인 시나리오에서는 기어박스의 출력입니다.
이는 유성 기어를 함께 연결하고 궤도 운동을 단일 중심축 출력으로 전송합니다.
링기어를 정지 상태로 유지한 채 태양기어를 회전시키면 유성캐리어는 감소된 속도로 회전하게 되는데, 이 경우에는 5배 느린 속도, 즉 5:1 비율이 됩니다.
반대 방향으로 사용할 수도 있고, 행성 캐리어를 입력으로 사용할 수도 있습니다. 그러면 태양 기어가 5배 더 빠르게 회전합니다.
하지만 그게 전부는 아닙니다. 유성 기어 시스템의 장점은 어떤 구성 요소가 고정되어 있고 어떤 구성 요소가 입력인지에 따라 다양한 출력이나 변속비를 얻을 수 있다는 것입니다.
예를 들어, 캐리어를 정지 상태로 유지하고 태양 기어를 입력으로 사용할 수 있습니다.
이러한 경우 출력은 이전 경우와 다른 출력 비율을 얻는 링 기어가 됩니다. 또는 여기서는 4배 더 느리고 반대 방향으로 됩니다. 마이너스 4:1 비율입니다.
또 다른 예는 선기어를 고정하고 링기어를 입력으로 사용하는 것입니다.
이 경우 반송파는 출력이 되며 입력보다 1.25배 느려집니다. 5:4 비율이군요.
동일한 설정으로 다양한 출력을 생성할 수 있는 유성 기어 세트의 이러한 고유한 기능은 자동 변속기에서 다양한 속도를 달성하는 데 사용됩니다.
ZF 8단 자동변속기여러 유성 기어 세트가 직렬로 연결되어 있으며 어떤 구성 요소가 고정되는지 제어할 수 있는 일부 클러치의 도움으로 다양한 출력 속도를 달성할 수 있습니다.
유성 기어 세트의 변속비는 기어의 톱니 수에 따라 다릅니다. 다음은 어떤 기어가 입력되고 어떤 기어가 고정되어 있는지에 따라 유성 기어 세트의 변속비를 계산하는 공식입니다.
선기어가 입력이고 링기어가 정지된 상태에서 가장 높은 변속비가 달성되는 것을 볼 수 있습니다. 유성캐리어가 출력이 되며 비율은 1 + 링기어 잇수 / 썬기어 잇수 입니다.
i =1 + Zring / Zsun
앞서 말했듯이 유성 기어박스의 가장 일반적인 시나리오는 산업 및 건설 기계, 로봇 응용 분야의 서보 모터 등의 속도를 줄이고 토크를 높이는 것입니다.
이제 NEMA17 스테퍼 모터용 16:1 감속비 유성 기어박스를 설계한 방법을 보여드리고 싶습니다. 이 기어박스는 디자인 측면에서 실제 기어박스와 유사합니다.
마지막에는 토크 및 백래시 테스트도 수행하여 3D 프린팅 기어박스로서의 성능이 얼마나 좋은지 확인합니다.
이 튜토리얼의 후원사인 Onshape를 사용하여 이 유성 기어박스를 디자인했습니다.
— 후원 섹션 —
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Onshape는 브라우저에서도 작동합니다. 즉, iOS 및 Android 장치를 포함한 모든 운영 체제와 장치에서 작동합니다.
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— 주제로 돌아가기 —
이제 제가 이 유성 기어박스를 어떻게 설계했는지 설명하겠습니다.
우선 기어박스를 설계하기 위한 첫 번째 입력 매개변수는 감속비가 15:1 정도, 정수가 되도록 하고 싶다는 것이었습니다. 이러한 비율을 얻기 위해서는 유성기어박스가 2단 기어박스여야 했다. 이는 두 개의 유성 기어 세트가 직렬로 연결되어 있음을 의미합니다.
첫 번째 유성기어 세트의 출력은 두 번째 유성기어 세트의 입력이 됩니다. 기어박스의 최종 비율은 두 기어 세트 비율의 곱입니다. 이는 단일 스테이지 유성 기어박스가 일반적으로 3:1만큼 낮거나 10:1만큼 높은 비율을 제공할 수 있기 때문입니다. 이러한 방식으로 여러 단계를 사용하면 유성 기어박스로 매우 높은 감속비를 달성할 수 있습니다.
따라서 15:1 정도의 비율을 얻으려면 두 단계가 필요합니다. 제 경우에는 4:1 비율로 2단을 선택했는데, 곱하면 16:1 비율이 됩니다. 공식에 따르면 4:1 비율을 얻으려면 링 기어 톱니 수가 태양 기어 톱니의 3배가 되어야 합니다.
링기어에는 45개의 이빨을, 썬기어에는 15개의 이빨을 선택했습니다. 이는 45/15 =3 + 1 =4, 즉 4:1 비율입니다. 하지만 유성 기어박스가 작동하려면 기어의 톱니 수를 선택할 때 따라야 할 몇 가지 규칙이 있습니다.
첫 번째 규칙은 링 기어 톱니 수는 태양 기어 + 2 * 유성 기어 톱니 수와 같아야 한다는 것입니다. 이는 기본적으로 태양과 두 개의 유성 기어가 링 기어 내부에 맞아야 함을 의미합니다.
우리가 따라야 할 두 번째 규칙은 썬 기어 톱니와 링 기어 톱니를 더한 값을 유성 기어 수로 나눈 값이 정수와 같아야 한다는 것입니다. 그렇게 하면 유성기어 사이의 간격이 같아지게 되는데, 이는 매우 중요합니다.
태양과 태양 기어를 향하는 유성 기어 사이에 힘이 발생하므로 행성의 간격이 동일하면 상쇄됩니다.
그렇지 않으면 태양을 특정 방향으로 밀어내는 경향이 있는 순 힘이 발생하여 태양이 흔들리게 되어 진동이 발생하고 기어 간의 부하 공유가 불균형해질 수 있습니다.
여전히 기어의 톱니 수에 대해 이야기하면 태양에 15개, 링 기어에 45개의 톱니가 있으므로 유성 기어도 15개의 톱니를 갖게 됩니다. 이는 기어 마모와 내구성에 있어서 좋은 시나리오는 아닙니다.
이러한 방식으로 태양 기어의 각 톱니는 각 회전마다 유성 기어의 동일한 톱니와 맞물립니다. 그러면 기어 톱니가 고르지 않게 마모될 수 있습니다. 이를 방지하려면 기어의 잇수를 소수 또는 공동소수로 고려해야 합니다.
이러한 방식으로 기어 중 하나의 특정 톱니는 여러 번 회전한 후 시작 톱니와 다시 맞물리기 전에 다른 기어의 모든 톱니와 맞물립니다.
그러나 기어박스에는 이 제안을 구현하지 않았습니다. 기어의 톱니 수 선택이 약간 복잡해지기 때문입니다. 그건 다른 동영상으로 남겨두겠습니다.
3D 프린팅으로 넘어가서 조립하기 전에 기어박스 디자인에 관해 또 하나 이야기할 것은 기어의 모듈입니다. 기어의 모듈은 기어의 크기를 정의합니다.
기어박스를 최대한 작게 만들고 싶었기 때문에 최대한 작은 모듈을 선택해야 했습니다. 저는 1.5 모듈을 선택했습니다. 그보다 낮으면 3D 프린터가 충분한 치아 프로필을 인쇄하지 못해 효율성이 떨어질 수 있기 때문입니다. 즉, 이 문제에 대해서는 자세한 테스트를 수행하지 않았으므로 다른 비디오로 남겨 두겠습니다. 지금은 1.5 모듈을 사용하겠습니다.
그래서 이러한 매개변수를 모두 정의한 후 기어박스 설계를 시작했습니다. Onshape를 사용하면 FeatureScripts 라이브러리의 도움으로 기어를 생성하는 것이 매우 쉽습니다. Spur Gear FeatureScript를 사용하면 몇 초 안에 모든 유형의 기어를 생성할 수 있습니다. 매개변수만 입력하면 됩니다. 모듈은 1.5이고, 태양 및 유성 기어의 톱니 수는 15입니다.
기어를 나선형으로 선택하고 나선형의 각도와 방향을 선택할 수 있습니다. 여기서 우리는 두 개의 헬리컬 기어가 맞물리려면 헬릭스의 반대 방향, 즉 하나는 시계 방향이고 다른 하나는 시계 반대 방향이어야 한다는 점에 유의해야 합니다.
모따기할 기어를 선택하고 중앙 보어를 가질 수도 있습니다. "프로파일 오프셋" 메뉴에서 백래시 값을 입력할 수도 있습니다. 3D 프린팅할 때 일반적으로 부품이 조금 더 크게 나오기 때문에 약간의 백래시를 추가해야 합니다. 따라서 백래시를 추가하지 않으면 기어가 맞물릴 수 없습니다. 몇 가지 테스트를 해보니 0.1mm 값이 좋은 결과를 얻었습니다.
내부 톱니가 있는 링 기어의 경우 먼저 45개의 톱니가 있는 일반 기어를 생성했습니다.
그런 다음 원하는 직경의 원을 그려 기어 자체 내에서 돌출시킨 다음 부울 함수를 사용하여 돌출에서 기어를 빼서 내부 톱니 기어가 남게 되었습니다.
링기어가 고정되어 있어야 하기 때문에 이 부분을 기어박스의 하우징으로 계속 모델링했습니다.
지지대 없이 3D 프린팅하기 쉽도록 치아의 한쪽 면에 모따기를 추가했습니다.
Transform 함수로 파트를 복사해서 두 번째 단계를 만들었고, Boolean 함수를 이용해서 두 파트를 합쳐서 다시 하나의 파트를 얻었습니다.
저는 Onshape가 매우 다양한 기능을 제공하는 3D 모델링 방법인 부울 함수를 발견했습니다.
같은 방법으로 플래닛 캐리와 입력 샤프트를 디자인했습니다.
전체 기어박스의 디자인은 실제로 이전 프로젝트인 사이클로이드 드라이브에서 집에 가지고 있던 샤프트와 베어링을 기반으로 했습니다. 나는 22mm 길이의 6mm 샤프트를 가지고있었습니다. 일부 부싱과 함께 유성기어에 사용했습니다.
플래닛 캐리어의 경우 양쪽 샤프트를 지지하도록 설계했기 때문에 조금 부피가 커지긴 했지만, 그러면 더 나은 성능을 제공할 것입니다.
좋습니다. 이제 유성 기어박스의 설계와 작동 원리를 요약해보겠습니다. 모터는 1단의 선기어인 입력축을 구동합니다. 이는 유성 기어를 구동하고 유성 캐리어는 4배 느린 회전을 출력합니다. 첫 번째 단계의 유성캐리어는 이제 두 번째 단계의 입력 또는 선기어가 되며, 여기서 또 다른 4배의 속도 감소가 발생합니다.
두 번째 단계의 유성 캐리어는 기어박스의 최종 출력 샤프트입니다. 기어박스의 출력 속도는 두 단계 감소의 곱입니다. 즉, 4 곱하기 4는 모터 입력보다 출력 속도가 16배 더 낮습니다. 비례적으로 기어박스의 토크는 모터의 입력보다 16배 더 높습니다.
여기에서 이 유성 기어박스의 3D 모델과 부품 3D 프린팅에 필요한 STL 파일을 다운로드할 수 있습니다.
2단 유성 기어박스의 STEP 파일:
또는 Onshape 문서를 보거나 복사하여 편집하거나 Onshape에서 직접 문서를 내보낼 수 있습니다. (이를 위해서는 Onshape 계정이 필요합니다. 집에서 사용할 수 있는 무료 계정을 만들 수 있습니다)
3D 프린팅용 STL 파일:
3D 프린팅 시 부품의 정확한 치수를 얻으려면 슬라이싱 소프트웨어에 적절한 설정이 필요합니다. 치수적으로 정확한 인쇄물을 얻는 데 가장 중요한 설정은 수평 확장 및 구멍 수평 확장 설정입니다.
이러한 설정을 기본적으로 그대로 두면 인쇄되는 외부 치수와 구멍이 일반적으로 원래 모델보다 작습니다. 수평 확장을 0.02mm로 설정하고 구멍 수평 확장을 0.04mm로 설정했습니다. 물론, 어떤 값이 3D 프린터에서 최상의 결과를 얻을 수 있는지 확인하려면 몇 가지 테스트 프린트를 수행해야 합니다.
자, 여기 3D 프린팅된 부품이 모두 준비되었습니다. 이제 기어박스를 조립하는 방법을 보여드리겠습니다. 더 나은 시각화를 위해 각 부품을 다른 색상으로 인쇄했습니다.
입력축은 금색, 1단 캐리어는 주황색, 유성기어는 흰색, 2단 캐리어와 출력은 파란색, 링기어나 하우징은 회색이다. 모든 것은 PLA 필라멘트로 3D 프린팅되었습니다.
유성 기어박스를 조립하는 데 필요한 모든 구성 요소 목록은 다음과 같습니다.
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플래닛 캐리는 M3 볼트 몇 개로 함께 연결해야 하는 두 개의 섹션으로 구성되어 있으므로 먼저 M3 스레드 인서트를 프린트에 삽입해야 합니다.
그런 다음 유성 기어를 위한 6mm 샤프트를 제자리에 설치할 수 있습니다.
유성 기어에는 외경 8mm, 길이 10mm의 적절한 부싱을 설치했습니다. 유성기어의 두께는 9mm이고, 여분의 부싱 1mm가 기어 양쪽에 분산되어야 합니다. 그런 다음 기어 양쪽에 M6 와셔를 삽입하여 부싱이 플라스틱 기어에 닿는 대신 금속 와셔와 더 잘 접촉하도록 합니다.
여기서는 부싱 대신 기어의 나선형 톱니 프로파일로 인해 발생하는 축 방향 힘을 수용할 수 있는 다른 유형의 베어링을 사용해야 합니다. 하지만 이미 언급한 것처럼 저는 이전 프로젝트에서 집에 가지고 있던 구성 요소를 기반으로 기어박스를 디자인했습니다.
세 개의 유성 기어가 설치되면 캐리어의 다른 부분을 제자리에 삽입하고 M3 볼트를 사용하여 함께 고정할 수 있습니다.
입력축이나 선기어를 삽입하고 하우징이나 링기어에 모두 삽입하면 첫 번째 단계의 모습은 다음과 같습니다. 캐리어는 입력 샤프트보다 4배 느리게 회전합니다.
두 번째 유성 기어 세트도 같은 방식으로 조립되며 일단 하우징에 삽입되면 전체 유성 기어 시스템이 어떻게 작동하는지 확인할 수 있습니다. 출력 샤프트는 입력 샤프트보다 16배 느리게 회전합니다.
조립을 계속하기 전에 선 기어 입력 샤프트를 지지하기 위해 캐리를 내부에 삽입하기 위해 캐리를 꺼내야 합니다. 그런데 유성기어 사이로 베어링이 통과하지 못해서 캐리어를 분해해야 했습니다.
다음은 캐리지에 두 개의 베어링이 있으므로 조립을 계속 진행할 수 있습니다. 하우징에 삽입하기 전에 먼저 기어박스의 후면 및 전면 커버를 고정하는 데 사용할 나사형 인서트를 하우징에 추가했습니다.
보다 원활한 작동을 위해 기어링에 윤활유를 추가했습니다.
기어는 제자리에 꼭 맞게 맞물려 입력 샤프트를 회전할 때 저항이 거의 없으며 동시에 백래시가 거의 없는 것처럼 느껴지지만 실제 백래시는 조금 나중에 기어박스를 테스트할 때 비디오에서 볼 수 있습니다.
다음으로 출력 샤프트에 베어링을 설치하고 전면 커버를 제자리에 놓을 수 있습니다.
M3 볼트로 덮개를 고정합니다. 같은 방법으로 후면 커버에 입력축용 베어링을 삽입하고 다시 M3 볼트로 고정합니다.
이제 유성 기어박스가 완성되었습니다. 디자인이 깔끔하게 나온게 정말 마음에 듭니다.
이제 남은 것은 모터를 부착하는 것입니다. 이 경우에는 NEMA 17 스테퍼입니다. 스테퍼 모터를 기어박스에 고정하려면 먼저 스테퍼 모터에 고정해야 하는 추가 장착 플레이트가 필요합니다.
모터를 제자리에 삽입하기 전에 입력 샤프트에 그러브 나사를 삽입하여 모터 샤프트를 기어박스 입력 샤프트에 조일 수 있습니다.
그런 다음 스테퍼 모터 샤프트를 기어박스 입력 샤프트에 밀어넣고 4개의 M3 볼트로 장착 플레이트를 기어박스에 고정하기만 하면 됩니다.
장착 플레이트에는 그러브 나사를 사용하여 모터 샤프트를 입력 샤프트에 조일 수 있는 구멍이 있습니다. 이로써 3D 프린팅된 유성 기어박스가 완성되었습니다.
출력 샤프트는 모터 입력보다 16배 느리게 회전하며 매우 부드럽습니다.
좋습니다. 이제 기어박스가 얼마나 잘 작동하는지 몇 가지 테스트를 해보겠습니다.
먼저 기어박스의 정확성을 확인해 보겠습니다. 실제로 반복성이 얼마나 좋은지 놀랐습니다. 10cm 거리에서는 1/100mm의 유격도 없었습니다.
물론, 출력에 약간의 힘을 가하면 약간의 변위를 확인할 수 있습니다. 양방향으로 약 1.2mm 변위였습니다.
실제로 그보다 더 적은 것은 스테퍼 모터가 아닌 기어박스 자체를 고정했을 때 각 방향으로 약 0.6mm 정도 유격이 발생했다는 것입니다.
매우 좋은 결과이지만, 백래시를 일반적인 단위인 아크분으로 표현하려면 다음과 같이 해야 합니다. 기어박스 공칭 토크 성능의 약 1~2%에 해당하는 부하를 적용하면서 양방향 변위를 측정해야 합니다.
기어박스의 토크를 테스트할 때 10cm 거리에서 최대 20N 정도 나왔으니 백래시 테스트를 위해서는 0.5N 정도의 하중을 가해야 할 것 같은데 10cm 거리에서 1.5N으로 해보자. 이 하중으로 인해 한 방향으로 약 0.3mm, 다른 방향으로 약 0.2mm의 변위가 발생했습니다.
이러한 측정값을 백래시 단위인 아크분으로 표현하기 위해 먼저 변위 각도인 알파를 계산할 수 있습니다.
간단한 삼각법을 사용하면 각도가 약 0.3도가 됩니다. 1각분은 1도의 1/60입니다. 따라서 이 3D 프린팅 유성 기어박스의 백래시는 약 18분각입니다.
물론 이러한 측정이 정확하다면 정말 인상적인 결과입니다. 이것이 측정하고 백래시를 계산하는 올바른 방법인지 아시는 분은 댓글로 알려주세요.
토크는 앞서 말씀드린 대로 10cm 거리에서 약 20N, 즉 토크는 약 200Nm 정도 나왔습니다.
기어박스가 없는 NEMA17 스테퍼의 토크(약 28Nm)와 비교하면 토크가 약 7~8배 증가한 것입니다. 이는 약 50%에 불과한 기어박스의 매우 낮은 효율입니다. 기어박스의 감속비는 16:1이고 이상적인 조건에서는 토크가 16배 증가해야 하는데 절반만 얻었습니다.
다음 측정 장비를 사용하여 테스트를 수행했습니다.
공개:제휴 링크입니다. Amazon Associate로서 저는 적격 구매를 통해 수입을 얻습니다.
기어박스에 많은 마찰이 일어나고 있고 그것이 효율성을 잃는 이유인 것 같습니다. 하지만 다른 한편으로는 마찰이나 기어의 꽉 끼는 부분 때문에 백래시 측면에서 너무 좋은 결과를 얻고 있습니다.
마찰을 낮추거나 백래시 값을 추가하여 기어 치형 프로파일을 인쇄하면 기어박스의 효율성을 높일 수 있지만 그렇게 하면 백래시가 증가하게 됩니다. 이 두 가지는 서로 연관되어 있습니다. 물론 효율을 떨어뜨리는 요인이 또 있는데, 바로 이 기어박스에 볼베어링 대신 부싱을 사용한 것입니다.
전반적으로 저는 이 3D 프린팅 유성 기어박스가 제공한 결과에 매우 만족합니다. 이제 이와 같은 3D 프린팅 유성 기어박스와 이전 비디오에서도 상당히 좋은 결과를 보여줬던 3D 프린팅 사이클로이드 드라이브 및 하모닉 드라이브의 비교 비디오를 만들고 싶습니다. 물론, 이전 영상에서 기어박스를 만들면서 얻은 모든 경험을 구현하여 최대한 좋게 만들고 더 광범위하게 테스트하도록 노력하겠습니다.
이 튜토리얼을 즐기고 새로운 것을 배웠기를 바랍니다. 아래 댓글 섹션에 질문을 남겨주세요.
산업기술
지난 10년 동안 자연어 처리의 가장 큰 변화는 기계 및 딥 러닝 접근 방식으로 이동 자연어 처리(NLP)를 통해 컴퓨터는 텍스트를 읽고, 말하고, 듣고, 해석하고, 감정을 측정하고, 중요한 부분을 결정할 수 있습니다. 오늘날의 기계는 인간보다 더 많은 언어 기반 데이터를 피로 없이 일관되고 편견 없는 방식으로 분석할 수 있습니다. SAS UK &Ireland의 분석 컨설턴트인 Kayne Putman은 NLP는 언어의 모호성을 해결하고 음성 인식 또는 텍스트 분석과 같은 많은 다운스트림 애플리케이션의 데이터에 유용한 숫자 구조를
Bastian Rapp 박사는 2008년 University of Karlsruhe에서 박사 학위를 취득한 후 미세 유체 공학 및 관련 기술을 위한 3D 프린팅 응용 분야에서 세계 최고의 권위자로 부상했습니다. 칼스루에 공과대학(Karlsruhe Institute of Technology)의 미세구조 기술 연구소(IMT)에서 NeptunLab의 설립자이자 수장으로서 그의 연구는 생물의학 응용 및 생명공학을 위한 미세유체 개발에 중점을 두고 있습니다. Bastian은 우리와 함께 그의 작업에서 3D 프린팅이 수행한 역할과 기술이 발전
