KR101385731B1 - 기어를 분리시키지 않고 제어장치 없이 또는 그것과 함께 기어 비를 변화시키기 위한 자동 기어 변화장치 - Google Patents

Abstract

유성 기구(planetary mechanism)의 둘 또는 그 이상의 단(stage)은 자동 기어 변화장치로 사용되고, 유성 기구의 단은 이중 휠 기어의 형태가 가능한 썬 기어, 캐리어 기어 및 유성 기어를 포함한다. 유성 기구는 둘 또는 그 이상의 동력 전달 흐름을 포함한다. 하나의 구조적 실시예에서, 제1단의 캐리어 기어는 제2단의 썬 휠 기어와 하나의 부분을 형성할 수 있고, 제1단의 썬 휠 기어는 제2단의 캐리어 기어와 하나의 부분을 형성할 수 있으며, 적어도 하나의 링크를 초기에 정지시키거나 정지 위치 또는 상기 정지 위치에 가까운 위치에 적어도 하나의 링크를 위치시키는 것에 의해 기어들을 분리시키지 않고 그리고 제어 장치 없이 기어 비를 변화시킬 수 있고, 방항 면에서 반대가 되고, 다른 측면으로부터 및 주 동력 흐름으로부터 그것들에 전달되는 다른 동력 흐름들의 힘들의 동일성 또는 근사성에 의존하며, 상기 주 동력 흐름은 동적 체인에 의해 나누어지고, 부하, 기어들의 직경 사이의 관계, 그것들의 톱니 수량과 모듈에 의해 결정되는 중심에서 중심까지의 거리, 그리고 그것들의 톱니의 수량 및 연결 모듈, 그리고 균형을 유지하게 하고 상기 기어들을 그것들의 최초 균형 위치로 조절하려는 상기 힘들의 경향에 의해 동일성이 회복되는 방법으로 부하, 힘들, 상기 기어들의 원궤도 속도 및 상대적인 속도의 변화에 의해 결정되는 상기 기어의 이동성에 의존한다.

Description

기어를 분리시키지 않고 제어장치 없이 또는 그것과 함께 기어 비를 변화시키기 위한 자동 기어 변화장치{Automatic geared variator for changing gear ratio without disengaging gears and without control devices or therewith}

본 발명은 공학기술 산업분야에 관한 것이고 기계 및 메카니즘(mechanisms)을 구동하기 위한 다른 산업분야에 사용될 수 있다; 특히, 본 발명은 제어 장치가 없는 상태에서 기어를 분리시키지 않고 무단으로(stepless) 기어 비(gear ratio)를 변화시키는 톱니 형(toothed)의 자동 변속 기어박스로 사용될 수 있다.

본 발명은 유사 선행기술이 없다.

유성(planet)기어장치, 차동(differential)기어장치, 파동(wave)기어장치 및 다른 유형의 기어장치를 포함하는 알려진 형태의 기어장치들은 제어장치 없이 기어를 분리시키지 않고 기어 비의 자동 변화를 제공하지 못한다.(V.N Kudryavtsev "유성 기어장치 레퍼런스 북(Planetary Gearings. Reference Book)". M.:Mashinostroenie, 1977; Yu.N. Kirdyashev “다중엔진 차동 기어(Multiengine Differential Gears)”. L.:Mashinostroenie, 1981; A.Krainev "기계 역학. 기초 사전(Machines Mechanics. Basic Dictionary)". M.: Mashinostroenie, 2000 을 보라)

따라서, 본 발명의 목적은 구동축(driving shaft) 및/또는 피동축(driven shaft)에 제공되는 변하는 부하 하에서 제어장치 없이 기어를 분리시키지 않고 기어 비를 변화시킬 수 있는 톱니 형의 자동 변속 기어박스를 제공하는 것이다.

적어도 제2단(two stages)의 유성(planetary) 기어-트레인(gear-train)을 포함하는 톱니 형의 자동 변속 기어박스를 제공하는 본 발명에 따라 상기의 문제는 해결되며, 여기서 상기 기어박스는 적어도 3차 자유도(three degrees of freedom)를 가지는 동적 체인(kinematic chains)을 포함하고, 적어도 두 개의 동력-전달 흐름을 가지며, 적어도 하나의 기어의 초기 정지 가능성 또는 정지 위치에 가까운 곳에 기어를 위치시키는 것을 제공하며, 여기서 다른 기어들은 이동가능 하도록 남아있다. 상기 초기 정지는 다른 측면과 다른 동력 흐름으로부터 상기 기어에 가해지는 힘들의 작용에 의해 수행되고, 여기서 상기 힘들은 크기 면에서 초기에 동일하거나 유사한 값을 가지고 방향 면에서 반대가 되며, 그리고 상기 힘들은 부하, 기어들의 직경 선택, 그리고 부하와 중심에서 중심까지 기어들 사이의 거리에 의존한다.

반면에, 상기 동력은 가동의 기어를 가지는 또 다른 동적 체인을 통해 전달된다. 상기 기어 비는 그것들이 자동적으로 기어들을 분리시키지 않고 서로 완벽하게 일치하며 그리고 반대의 경우가 될 때까지 상기 기어들의 원궤도 속도 및 상대적인 속도를 자동적으로 맞추게 하는(pull together), 반대방향의 힘들의 균형 변화, 그리고, 결과적으로, 상기 정지된 기어의 가동성 때문에 구동 기어 및/또는 피동 기어에 가해지는 상기 부하가 변화할 때 변한다.

위에서 설명된 상기 기어의 정지 위치 또는 상기 정지 위치에 인접한 위치에서의 초기 정지는 정지 동작이 체결구(fastner), 제어 장치, 또는 다른 수단에 의해 영향을 받는 유성기어장치, 차동기어장치, 파동기어장치, 기타등등과 같이 알려진 형태의 기어장치들에서 제동 기어로써 기능 한다. 따라서, 힘들의 비의 변화에 기인하는 상기 기어의 가동성은 기어의 원궤도 속도 및 상대적인 속도의 변화에 기인하는 기어 비의 자동 변화를 결정한다.

힘들의 초기 균형은 하기의 것에 의존한다:

- 기어휠(gearwheels)의 특정한 직경 및 중심에서 중심까지의 거리;

- 동적 체인의 구조적인 구현;

- 동력-전달 흐름의 분배.

상기 톱니 형의 자동 변속 기어박스는 양방향 일 수 있는 적어도 제2단의 유성 기어 트레인, 썬 기어(sun gear), 유성기어, 그리고, 선택적으로, 하나 또는 그 이상의 캐리어기어(carrier gears)를 포함한다.

또한, 상기 톱니 형의 자동 변속 기어박스는 피동 기어 또는 다른 기어가 정지될 때의 상태를 포함하며, 부하의 재분배를 허용하는 적어도 3차 자유도; 적어도 두 개의 동력-전달 흐름; 을 가지며, 다른 기어들이 이동 가능하도록 남아있을 때 하나 또는 그 이상의 기어들을 정지시키는 가능성을 제공한다. 여기서:

- 적어도 하나의 썬 기어는 플렉서블(flexible)하게 만들어질 수 있다;

- 기어는 동력 입력 또는 동력 출력을 위해 사용될 수 있다;

- 하나 또는 그 이상의 썬 기어들은 내부 기어장치 및/또는 외부 기어장치로 사용될 수 있다;

- 제1단 및/또는 제2단의 위성 기어(satellite gear)는 양방향으로 만들어 질 수 있다.(동력-전달 흐름을 나누거나 합하기 위해)

- 제1단의 캐리어 기어는 제2단의 썬 기어 또는 제2단의 캐리어 기어와 연동될 수 있다.

- 특히 동작모드에서, 적어도 하나의 제어장치는 어떠한 기어와도 연결될 수 있다.

- 동력은 순방향(forward direction) 또는 그 반대방향으로 전달될 수 있다.

- 상기 동적 체인은 순서에 관계없이 일체로 구성될 수 있다.

유익하게, 상기 톱니 형의 자동 변속 기어박스는 제공한다:

- 구동 기어(driving gear) 및 피동 기어(driven gear)에 관하여 최대의 차이로부터 그것들의 완벽한 일치에 이르기까지 변화하는 부하의 재분배 및 부드럽고 불연속적인 기어 비의 변화, 여기서 상기 기어들은 분리되지 않고, 동력 흐름은 방해받지 않으며, 어떠한 제어장치도 사용되지 않는다;

- 상기 구동 기어 및 피동 기어의 회전 차이가 감소할 때 거의 1에 가까워지는 높은 효율 인자;

- 높은 모터 용량;

- 제조 공정 동안에 물질, 노동, 동력의 적은 소비;

- 제조 공정 동안에 높은 가공성;

- 높은 동작 특성;

- 연료 소비 및 배기가스를 줄이는, 서로 다른 모드에서 동작을 유도하기 위한 최적 조건;

- 소형의(compact) 사이즈 및 가벼운 무게;

- 간단한 구조;

- 낮은 생산 비용.

상기 톱니 형의 변속 기어박스에 있는 상기 동적체인의 제한 없는 예들은 도1 내지 도40 에서 보여질 수 있다.

제1단의 썬 기어(1)는 제2단의 썬 기어(12)가 피동 기어로써 기능할 수 있는 동안, 구동 기어로써 기능할 수 있으며, 또는 그 역으로도 가능하다. 적절한 기어를 결합시킴으로써, 상기 동적체인(kinematic chains)은 추가적인 동적체인들과 통합적으로 구성될 수 있다.

상기 톱니 형의 변속 기어박스는 적어도 두 개의 동력-전달 흐름(power-transfer flows)을 제공한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 하나의 동력-전달 흐름은 외면적(external)이고, 썬 기어(1)로부터 제1단의 상기 제1위성기어(2)를 통과하고, 그리고 나서 제1단의 썬 기어(5)와 제2단의 썬 기어(7)를 통과하며, 여기서 썬 기어(5)와 썬 기어(7)은 서로 연동되어 있고, 상기 흐름은 제2단의 위성 기어(10)를 통과하여, 최종적으로 피동 기어인 썬 기어(12)로 흐른다;

다른 동력-전달 흐름은 내면적(internal)이고, 썬 기어(1)로부터 제1위성 기어(2)를 통과하고 제1단의 위성 기어(3)를 통과하며, 상기 기어(3)는 상기 기어(2)와 연동되어 있고, 그리고 나서 상기 흐름은 제1단의 제2썬 기어(6)를 통과하여 흐르며, 제2단의 캐리어 기어(9)를 통과하고, 제2단의 위성 기어(10)를 통과하여 최종적으로 썬 기어(12)로 흐른다.

동작원리

정지 위치 또는 상기 정지 위치에 인접한 위치에서의 기어의 정지는 서로 다른 측면(side)으로부터 상기 기어에 가해지고, 서로 다른 동력 흐름으로부터 기인하는 힘들의 균형을 통하여 달성되며, 여기서 상기 힘들은 크기 면에서 동일하거나 유사하고 방향 면에서 반대가 된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 외면적인 동력-전달 흐름으로부터 기인하고 썬 기어(7)와 연동된 썬 기어(5)에 가해지는 힘들은 내면적인 동력-전달 흐름으로부터 기인하고 기어(7)에 가해지는 힘들에 의해 균형이 유지된다; 상기 기어들 사이의 상기 동적 체인들에 따르면, 이러한 동력 흐름으로부터 기인하는 상기 힘들은 방향의 면에서 반대가 되고, 따라서 초기의 균형 또는 그것들의 상기 정지 위치에 인접한 위치에서 서로 연동된 썬 기어(5)와 썬 기어(7)의 정지를 가능하게 한다.

또한, 그러한 균형은 예를 들면, 제1단의 캐리어 기어(4)와 제2단의 썬 기어(7)와 같은 다른 기어들을 위해 달성될 수 있다.(도6, 도8, 도9를 보라)

이러한 균형잡힌 힘들의 크기는 상기 기어들의 적절한 기하학적 특징과 그것들 사이의 중심에서 중심까지의 거리에 의해 결정되며, 나아가 기어들의 톱니 수량과 기어 연결 모듈에 의해 그리고 입력동력을 고려하여 결정된다.

상기 톱니 형의 변속 기어박스의 자동 동작은 다음과 같이 힘들 사이의 초기 상호상관(correlation)에 기초한다:

-

(1)

여기서

- 외면적인 동력-전달 흐름으로부터 기인하는 제1단의 썬 기어에 가해지는 힘;

- 내면적인 동력-전달 흐름으로부터 기인하는 제2단의 썬 기어에 가해지는 힘이며,

여기서 상기 힘은 같은 단(stage)의 캐리어 기어에 가해지는 힘의 절반과 같다.

따라서, 이러한 힘들 즉, 외면적인 동력-전달 흐름으로부터 기인하는 힘(

)과 내면적인 동력-전달 흐름으로부터 기인하는 힘(

)의 반대되는 방향은 그것들을 서로 간에 균형을 유지하게 하고 기어(7)를 정지 위치 또는 상기 정지 위치에 인접한 위치에서 초기에 정지시키기 위한 조건들을 만들어내고, 그에 따라 실질적으로 외면적인 동력-전달 흐름을 통한 동력 전달을 정지시키는 결과를 가져왔으며, 여기서 상기 동력은 다른 동력-전달 흐름, 예를 들면 내면적인 동력-전달 흐름을 통하여 동작가능하게 전달된다. 공식 (1)에 의해 표현된 조건들은 상기 톱니 형의 자동 변속 기어박스의 다른 기어들을 위해 만들어질 수 있다.

상기 구동축 및/또는 피동축에 가해지는 부하를 변화시키는 것은 초기의 균형 조건을 변화시키고, 따라서 상기 동력-전달 흐름들 사이의 동력을 재분배하는 결과를 가져오며, 결과적으로 기어들의 위치를 변화시키고, 그에 의하여 중간 값으로부터 완전히 일치하는 경우까지 변화하며 그리고 그 역으로도 변화하는, 상기 기어들의 원궤도 속도 및 상대적인 속도의 차이 및 일치에 의해 결정되는 기어 비를 변화시킨다; 여기서, 상기 기어들에 가해지는 상기 힘들은 동일하지 않다:

-

(2)

따라서, 상기 부하가 작아질 때, 상기 기어들에 가해지는 상기 힘들은 균형 상태로 가려는 경향이 있고, 상기 부하가 증가할 때, 상기 균형은 교란되어, 따라서 기어들을 분리시키지 않고 기어 비의 자동 변화를 가능하게 하며, 여기서 상기 변화는 제어 장치의 사용에 의해 도움을 받거나 도움을 받지 않는다.

1- 제1단의 썬 기어
2- 제1단의 제1위성 기어
3- 제1단의 제1위성 기어(2)와 연동된 제1단의 제2위성 기어
4- 제1단의 캐리어 기어
5- 제1단의 외부 썬 기어
6- 제1단의 내부 썬 기어
7- 제2단의 외부 썬 기어
8- 제2단의 내부 썬 기어
9- 제2단의 캐리어 기어
10- 제2단의 제1위성 기어
11- 제2단의 제2위성 기어
12- 제2단의 썬 기어
13- 제1단의 기어 트레인

Claims (10)

1. 둘 또는 그 이상의 단(stage)의 유성 메카니즘, 썬 기어, 유성 기어 또는 기어 트레인을 포함하는 자동 변속 기어박스로, 상기 기어박스는 적어도 3차 자유도 및 적어도 두 개의 동력-전달 흐름을 가지며, 상기 기어박스는 캐리어 기어를 포함하며, 제1단의 상기 캐리어 기어는 제2단의 상기 썬 기어 또는 제2단의 상기 캐리어 기어와 연동될 수 있고, 제1단의 상기 썬 기어는 제2단의 상기 캐리어 기어 또는 제2단의 상기 썬 기어와 연동될 수 있고,
   상기 기어박스는,
   다른 동력 흐름으로부터 기인하고, 크기 면에서 동일하고 방향 면에서 반대가 되며, 다른 측면으로부터 가해지고 동적 체인의 기어들에 의해 나누어지는 주 동력 흐름으로부터 가해지며, 부하, 상기 기어들의 직경 사이의 비, 상기 기어들 사이의 중심에서 중심까지의 거리에 의해 결정되고, 또한 상기 기어들의 톱니의 수량 및 연결 모듈에 의해 결정되는 힘들의 동일성 또는 근사성에 의존해서,
   그리고 균형을 유지하게 하고 상기 기어들을 상기 기어들의 최초 균형 위치로 조절하려는 상기 힘들의 경향에 의해 동일성이 회복되는 방법으로 상기 부하, 상기 힘들, 상기 기어들의 원궤도 속도 및 상대적인 속도의 변화에 의해 결정되는 상기 기어들의 가동성에 기인해서,
   정지 위치 또는 상기 정지 위치에 인접한 위치에서 적어도 하나의 기어를 초기에 정지시키는 것에 의해 상기 기어들을 분리시키지 않고 그리고 제어 장치 없이 기어 비를 변화시킬 수 있는 톱니 형의 자동 변속 기어박스.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 기어박스의 유성 메카니즘, 썬 기어, 유성 기어 또는 기어 트레인은 캐리어 기어의 축에 설치되는 자동 변속 기어박스.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 기어박스는 적어도 하나의 캐리어 기어를 더 포함하는 자동 변속 기어박스.
4. 제 1 항에 있어서,
   적어도 하나의 상기 썬 기어는 플렉서블하게 만들어지는 것을 특징으로 하는 톱니 형의 자동 변속 기어박스.
5. 제 2 항에 있어서,
   적어도 하나의 상기 썬 기어는 내부 및 외부 톱니를 포함하는 것을 특징으로 하는 톱니 형의 자동 변속 기어박스.
6. 제 3 항에 있어서,
   상기 기어박스의 기어들은 동력 입력을 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 톱니 형의 자동 변속 기어박스.
7. 제 3 항에 있어서,
   상기 기어박스의 기어들은 동력 출력을 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 톱니 형의 자동 변속 기어 박스.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 기어박스의 기어들은 또한 동력 입력을 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 톱니 형의 자동 변속 기어박스.
9. 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
   적어도 하나의 제어 장치가 사용되는 것을 특징으로 하는 톱니 형의 자동 변속 기어박스.
10. 제 3 항에 있어서,
    동적 체인들이 순서에 관계없이 통합적으로 구성되는 것을 특징으로 하는 톱니 형의 자동 변속 기어박스.

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