KR102057294B1 - 모터용 다단 변속기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 모터용 3단 이상 다단 변속기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 복잡한 유압장치 등이 없어 구조가 간단하고 변속에 에너지 소모가 없으며 변속 충격이 없고 원하는 변속단수와 변속비율로 자유롭게 설계와 제작이 가능한 모터용 변속기에 관한 것이다.
본 발명에 의한 모터용 변속기는 모터의 구동력이 전달되어 회전하는 입력축; 중심에 상기 입력축이 구비되고, 기어잇수가 서로 다른 복수의 구동기어; 상기 구동기어들과 외접하여 맞물리며, 기어잇수가 서로 다른 복수의 피동기어; 상기 입력축과 평행하고, 상기 피동기어들의 중심축이 되며, 상기 구동기어와 피동기어에 의해 변속된 회전력을 출력하는 출력축; 상기 입력축 또는 출력축에 구비되어 외주면으로부터 출몰하는 복수의 폴(pawl); 및 상기 폴들의 출몰을 제어하는 콘트롤러;를 포함한다.

Description

모터용 다단 변속기{MULTI-SPEED TRANSMISSION FOR MOTOR}
본 발명은 모터용 3단 이상 다단 변속기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 복잡한 유압장치 등이 없어 구조가 간단하고 변속에 에너지 소모가 없으며 변속 충격이 없고 원하는 변속단수와 변속비율로 자유롭게 설계와 제작이 가능한 모터용 변속기에 관한 것이다.
최근 전기자동차가 많이 보급되고 있지만, 교통수단용 모터의 다단 변속기는 아직 상용화되고 있지 못하다.
엔진은 초기 기동 때 토크를 얻어낼 수 없지만, 모터는 초기 기동때 최대 토크를 발생시키기 때문에 출발 가속력이 뛰어나다. 이와 같이 모터는 엔진보다 토크-속도 특성이 교통수단에 사용되기에 적합하다.
그러나 다단 변속기가 없어 연료(전기)의 낭비가 심하고, 가파른 언덕길 주행에 문제가 있다. 전기자동차는 초기 기동때 최대 토크를 발생시키고, 속도가 증가할수록 토크는 점점 줄어든다. 가속 이후 떨어지는 토크를 보상하기 위하여 엑셀을 밟아 있는대로 전기에너지를 투입해 RPM을 높여야 한다. 이러면 에너지 소비가 많아지고 모터에 부하가 걸려 열이 심하게 발생해 전기에너지가 열에너지로 낭비된다.
모터용 다단 변속기가 있다면 강한 토크를 여러 속도 구간에 효율적으로 사용해 에너지 낭비를 막을 수 있다. 또한 보다 낮은 출력의 모터로도 효율적인 주행이 가능해진다. 따라서 다단 변속기를 모터에 적용하면 에너지 소모를 획기적으로 줄일 수 있다.
그러나 기존의 엔진용 변속기는 변속에 에너지 소모가 너무 심하고 구조가 복잡해 모터에는 적용하기가 곤란하다.
모터용 변속기의 조건은 1) 에너지를 소모하는 변속 에너지가 없어야 하고, 2) 유압 클러치, 싱크로나이저, 토크 컨버터 등이 없는 간단한 구조여야 하며, 3) 변속충격 없이 부드러운 변속이 가능해야 하며, 4) 3단 이상 다단기어와 적절한 변속비율로 변속할 수 있어야 한다.
현재에도 모터용 2단 변속기는 다수 개시되었다. 이러한 2단 변속기는 전동공구 등에서 널리 사용되고 있는 감속장치를 이용한 방식인데, 이는 변속구간의 변속비율이 너무 크고, 변속충격이 심해 내구성에 문제가 있어 적용이 곤란하다.
한편, 모터는 전기자동차 등의 교통수단 뿐 아니라 전동공구나 발전기 등 산업전반에 걸쳐서 구동원으로 널리 사용되고 있고, 그에 따라 모터 관련 기술을 혁신적으로 발전하고 있는데, 변속기 관련 기술은 그에 미치지 못하는 실정이다.
대한민국 공개특허 제2010-0112974호 대한민국 등록특허 제10-1173679호 대한민국 등록특허 제10-1350419호
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 복잡한 유압장치 등이 없어 구조가 간단하고 변속에 에너지 소모가 없으며 변속 충격 없이 부드러운 변속이 가능한 모터 다단 변속기를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 원하는 변속단수와 변속비율로 자유롭게 설계와 제작이 가능한 모터 변속기를 제공함에 있다.
위와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 의한 모터용 변속기는 모터의 구동력이 전달되어 회전하는 입력축; 중심에 상기 입력축이 구비되고, 기어잇수가 서로 다른 복수의 구동기어; 상기 구동기어들과 외접하여 맞물리며, 기어잇수가 서로 다른 복수의 피동기어; 상기 입력축과 평행하고, 상기 피동기어들의 중심축이 되며, 상기 구동기어와 피동기어에 의해 변속된 회전력을 출력하는 출력축; 상기 입력축 또는 출력축에 구비되어 외주면으로부터 출몰하는 복수의 폴(pawl); 및 상기 폴들의 출몰을 제어하는 콘트롤러;를 포함한다.
또한 상기 콘트롤러는, 일단은 상기 폴과 결합되고 타단은 상기 입력축 또는 출력축의 외주면에서 출몰하는 돌출부가 구비되는 복수의 변속바; 상기 폴 또는 돌출부의 하부에서 탄성적으로 지지하는 탄성부재; 상기 입력축 또는 출력축이 중심을 관통하고, 상기 입력축 또는 출력축의 축방향을 따라 왕복이동하여 상기 돌출부를 상기 입력축 또는 출력축의 외주면에서 출몰시키는 이너링; 및 상기 이너링을 상기 입력축 또는 출력축의 축방향을 따라 이동시키는 이동부;를 포함하는 것이 바람직하다.
또한 상기 이동부는 상기 이너링의 외측을 감싸고, 회전을 통해 상기 이너링을 상기 입력축 또는 출력축의 축방향을 따라 이동시키는 아우터링인 것이 바람직하다.
또한 상기 이너링과 아우터링 중 어느 하나에는 가이드핀이 돌출형성되고, 상기 이너링과 아우터링 중 다른 하나에는 상기 가이드핀을 안내하는 가이드홀이 원주방향에 대하여 사선방향으로 형성되는 것이 바람직하다.
또한 상기 이너링의 내주면에는 상기 돌출부가 도피되는 링홈이 원주방향으로 형성되는 것이 바람직하다.
또한 상기 돌출부에는 회전되는 구형(球形) 돌기가 돌출되도록 구비되고, 상기 링홈은 상기 구형 돌기가 도피되도록 단면이 반원형태인 것이 바람직하다.
또한 외접하는 상기 구동기어와 피동기어 중 어느 하나는 내주면에 상기 폴이 맞물리는 래칫이 형성되고, 외접하는 상기 구동기어와 피동기어 중 다른 하나는 상기 입력축 또는 출력축에 고정되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 회전하는 축(입력축 또는 출력축)에 폴을 구비함으로써 입력축과 동일한 속도로 회전하면서 변속이 이루어지기 때문에 복잡한 유압장치 등이 없어 구조가 간단하고 변속에 에너지 소모가 없으며 변속 충격이 없이 부드럽게 변속되는 효과가 있다.
또한 원하는 변속단수와 변속비율로 자유롭게 설계와 제작이 가능하다.
본 발명에 의한 모터용 변속기를 전기자동차나 전기오토바이 등 교통수단에 적용하게 되면 토크(힘)와 스피드를 모두 만족시키고, 가파른 언덕길 주행에 문제가 없고, 연비 효율을 극대화시킬 수 있다.
본 발명에 의한 모터용 변속기는 교통수단 뿐 아니라 산업 전반에 이용되는 모터를 변속하는데 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 제1실시예의 분해사시도이다.
도 2는 본 발명에 의한 제1실시예의 평단면도이다.
도 3은 본 발명에 의한 제1실시예의 일부 절개 사시도이다.
도 4는 본 발명에 의한 입력축과 구동기어를 도시한 것이다.
도 5 및 도 6은 본 발명에 의한 콘트롤러를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명에 의한 시프트 클러치와 입력축을 나타낸 것이다.
도 8은 폴이 스윙할 때 시프트 클러치 및 입력축의 작동상태를 나타낸 것이다.
도 9 및 10은 본 발명에 의한 제2 및 제3실시예를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명에 의한 실시예의 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 의한 제1실시예(300)는 하우징(H,H1~H3)과, 모터(미도시)의 구동력이 전달되어 회전하는 입력축(320)과, 중심에 상기 입력축(320)이 구비되는 4개의 구동기어(340)들과, 상기 구동기어(340)들과 외접하여 맞물리는 4개의 피동기어(350)들과, 상기 피동기어(350)들의 중심축이 되고 상기 입력축(320)과 평행한 출력축(330)을 포함한다.
또한 본 실시예는 상기 모터의 구동력이 입력축(320)에 직접 전달되는 것이 아니라, 시프트 클러치(shift clutch, 310)를 통해 입력축(320)에 전달된다.
상기 입력축(320)에는 안착홈(도 4의 '321')이 2개 형성되고, 상기 안착홈(321)에 안착되는 폴(361a,361b)이 2개 구비되는데, 특히 안착홈(321)에는 탄성부재(도 4의 '322')가 장착되어 외력이 작용하지 않는 상태에서 상기 폴(361)이 상기 입력축(320)의 외측으로 돌출되도록 탄성적으로 지지된다.
또한 상기 입력축(320)을 중심축으로 하는 복수의 구동기어(340)가 구비되는데, 상기 구동기어(340)들 중 제2 및 제4구동기어(342,344)는 내주면에 상기 폴(361b,361a)이 걸려 입력축(320)의 회전력이 전달되도록 래칫(도 4의 '340a'참조)이 형성되어 있어 입력축(320)과 선택적으로 결합되거나 해제될 수 있다. 또한 제1 및 제3구동기어(341,343)는 중심이 입력축(320)에 고정되어 있어 항상 입력축(320)과 함께 회전한다.
또한 입력축(320)의 외주면에서 상기 폴(361a,361b)들의 출몰을 개별적으로 제어하는 콘트롤러(360)가 구비된다.
상기 4개의 구동기어(340)들은 기어잇수가 각각 다르다.
또한 상기 4개의 구동기어(340)들과 각각 외접하면서 치합하는 4개의 피동기어(350)들이 구비된다. 상기 4개의 피동기어(350)들도 기어잇수가 각각 다르다.
상기 출력축(330)은 상기 피동기어(350)들의 중심을 관통하고, 입력축(320)과 평행하게 구비되어 변속된 회전력을 출력하는 구성요소이다. 상기 출력축(330)에도 안착홈이 2개 형성되고, 상기 안착홈에 안착되는 폴(371a,371b)이 2개 구비되는데, 특히 안착홈에는 스프링이 장착되어 외력이 작용하지 않는 상태에서 상기 폴(371a,371b)이 상기 출력축(330)의 외측으로 돌출되도록 탄성적으로 지지된다.
또한 상기 피동기어(350)들 중 제1 및 제3피동기어(351,353)는 내주면에 상기 폴(371b,371a)이 걸려 출력축(330)에 회전력이 전달되도록 래칫이 형성되어 있어 출력축(330)과 선택적으로 결합되거나 해제될 수 있다. 또한 제2 및 제4피동기어(352,354)는 중심이 출력축(330)에 고정되어 있다.
또한 출력축(330)의 외주면에서 상기 폴(371a,371b)들의 출몰을 개별적으로 제어하는 콘트롤러(370)가 구비된다.
이와 같은 구성으로 본 실시예는 4단으로 변속이 가능하도록 구성된 것이다.
따라서, 본 발명에 의한 변속기는 다른 구조 변경없이 단지 구동기어와 피동기어 갯수만을 각각 5개 이상으로 구성하면 5단 이상으로도 변속이 가능한 단순한 구조이다.
도 4를 참조하면, 입력축(320)의 외주면에 4개의 구동기어(340)가 구비되어 있는 것을 알 수 있다. 또한 입력축(320)의 외주면에는 2개의 안착홈(321)이 형성되어 있는 것은 앞서 설명한 바와 같고, 상기 안착홈(321)에는 폴(361a)과 탄성부재(322)가 구비되는 것도 확인된다.
본 실시예에서는 제2구동기어(342) 및 제4구동기어(344)의 내주면에 래칫(340a)이 형성되어 있고, 제2구동기어(342) 및 제4구동기어(344)가 위치되는 입력축(320)의 외주면에는 제1폴(361b)과 제2폴(361a)이 출몰하도록 구성된다.
상술한 바와 같이, 제2구동기어(342) 및 제4구동기어(344)는 콘트롤러(360)의 조작으로 폴(361b,361a)을 제어하여 입력축(320)과 선택적으로 결합되거나 해제된다.
이와 달리 제1구동기어(341) 및 제3구동기어(343)은 입력축(320)과 결합되거나 일체로 형성되어 고정된다.
마찬가지로 출력축(330)의 외주면에도 2개의 안착홈이 형성되고, 상기 안착홈에는 폴(371a,371b)이 구비된다(도 2 참조).
본 실시예에서는 제1피동기어(351) 및 제3피동기어(353)의 내주면에 래칫이 형성되어 있고, 제1피동기어(351) 및 제3피동기어(353)가 위치되는 출력축(330)의 외주면에는 제3폴(371b)과 제4폴(371a)이 출몰하도록 구성된다.
또한 제2피동기어(352) 및 제4피동기어(354)는 출력축(330)과 결합되거나 일체로 형성되어 고정된다.
또한 서로 외접하는 제1구동기어(341)는 입력축(320)에 고정되고, 제1피동기어(351)는 폴(371b)과 맞물리도록 내주면에 래칫이 형성된다. 마찬가지로 제2구동기어(342)는 폴(361b)과 맞물리도록 내주면에 래칫이 형성되고, 제2구동기어(342)와 외접하는 제2피동기어(352)는 출력축(330)에 고정된다(도 2 참조). 다시 말하면, 서로 외접하는 구동기어(340)와 피동기어(350) 중 어느 하나는 내주면에 폴이 맞물리는 래칫이 형성되고, 다른 하나는 입력축(320) 또는 출력축(330)에 고정되는 것이다.
또한, 입력축(320)에 구비된 콘트롤러(360)의 작동으로 복수의 폴(361a,361b) 중 어느 하나를 돌출시키면, 돌출된 폴(361a,361b)이 래칫(340a)에 걸려 입력축(320)의 회전력이 어느 하나의 구동기어(342,344)에 전달되는 것이다.
또는 출력축(330)에 구비된 콘트롤러(370)의 작동으로 복수의 폴(371a,371b) 중 어느 하나를 돌출시키면, 돌출된 폴(3371a,371b)이 래칫(340a)에 걸려 어느 하나의 피동기어(351,353)의 회전력이 출력축(330)에 전달하여 출력하는 것이다.
본 실시예에서 상기 콘트롤러(360,370)는 변속바(도 5(b)의 '362')와 아우터링(374)과 이너링(373)과 회전부(375)를 포함한다.
도 5는 입력축(320)에 구비된 콘트롤러(360)를 나타낸 것으로서, 이를 참조하면, (a)는 상기 입력축(320)의 외주면에는 안착홈(도 4의 '321')이 형성되어 있고, 상기 안착홈(321)에는 폴(361)이 안착된다. 또한 본 실시예는 상기 변속바(362)도 안착되도록 입력축(320)의 외주면에 안착홈(도 7의 '321a')이 형성된다. 특히, 상기 폴(361)이 안착되는 안착홈(321)에는 탄성부재(도 4의 '322'참조)이 구비되어 외력이 작용하지 않을 때에는 상기 폴(361)은 입력축(320)의 외주면으로부터 돌출되도록 탄성적으로 지지된다. 상기 스프링은 변속바의 돌출부(362a)의 하부에 구비하는 구성도 가능하다.
(b)는 폴(361)과, 상기 폴(361)에 일체형성되어 결합된 변속바(362)를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 상기 변속바(362)는 일단은 돌출부(362a)가 형성되고, 상기 돌출부(362a)의 상면에는 구(球)형태의 돌기(362b)가 회전가능하게 구비된다. 상기 돌기(362b)는 볼베어링에 구비되는 금속구로 형성되고, 상기 돌출부(362a)의 상면에는 반구 형태의 장착홈이 형성되어 있어 구형태의 돌기(362b)가 회전가능하게 안착되는 것이다(도 2의 부분확대도 참조).
돌기(362b)를 가압하면 변속바(362)와 결합된 상기 폴(361)도 안착홈(321)의 내부에서 스윙하여 입력축(320)의 외주면 아래로 도피된다. 따라서 탄성부재(322)에 의해 입력축(320)의 외주면 위로 돌출되어 있던 폴(361)은 안착홈(321)으로 도피되어 더 이상 입력축(320)의 외주면 위로 돌출되지 않는다. 이 경우, 폴(361)은 래칫(도 4의 '340a'참조)과 맞물리지 않기 때문에 입력축(320)이 회전을 하더라도 구동기어(340)는 회전을 하지 않는 것이다.
또한 상기 돌출부(362a)에 작용하는 외력이 제거되면, 상기 폴(361)의 하부에서 탄성적으로 압축되어 있는 탄성부재(322)의 탄성복원력에 의해 상기 폴(361)은 스윙하면서 상기 입력축(320)의 외주면 위로 돌출되게 된다. 앞서 설명한 바와 같이, 폴(361)이 입력축(320)의 외주면 위로 돌출되면 상기 폴(361)은 래칫(340a)과 맞물려 구동기어(340)를 회전시키게 되는 것이다.
(c)는 입력축(320)의 외주면에 이너링(363)이 삽입된 상태를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 상기 이너링(363)에는 가이드핀(363a)이 돌출형성된다.
(d)는 상기 이너링(363)을 아우터링(364)이 감싸면서 결합된 상태를 도시한 것이다. 아우터링(364)는 상기 이너링(363)을 입력축 또는 출력축의 축방향을 따라 이동시키는 이동부의 한 예이다.
도시된 바와 같이, 상기 아우터링(364)에는 가이드홀(364a)이 형성되는데, 상기 가이드홀(36a)은 원주방향에 대하여 사선방향으로 형성되어 있다. 또한 상기 가이드핀(363a)은 상기 가이드홀(364a)에 구속되도록 조립되는데, 그에 따라 상기 아우터링(364)이 회전을 하게 되면, 상기 가이드핀(363a)이 가이드홀(364a)을 따라 사선방향으로 이동하기 때문에 아우터링(364)의 내부에서 이너링(363)은 상기 입력축(320)의 축방향을 따라 좌측 또는 우측으로 이동하게 되는 것이다.
이와 같이 이너링(363)이 좌우로 이동하면 링홈(도 6의 '363b' 참조)이 좌우로 이동하게 되고, 그에 대응되는 위치에 있는 어느 하나의 변속바의 돌기(362b)가 링홈(363b)에 도피되면서 폴(361)이 입력축(320)의 외주면 위로 돌출되는 것이다. 이너링(363)을 좌우로 이동시키기 위해서는 상기 아우터링(364)이 회전을 해야 하고, 이를 위해 상기 아우터링(364)의 일측에는 회전부(365)가 일체형성되거나 결합되어 있다. 상기 회전부(365)를 회전시켜 아우터링(364)을 회전시킬 수 있고, 그에 의해 이너링(36)이 축방향으로 전진 또는 후진되며, 이너링(363)의 전후진에 의해 폴(361)이 돌출 또는 안착홈(321)으로의 도피를 제어하는 것이다.
도 6은 폴(361)이 안착홈(321)에 안착되지 않고 돌출된 상태, 즉, 입력축(340)의 외주면으로부터 돌출된 상태를 도시한 것이다.
상기 이너링(363)의 내주면에는 원주방향으로 띠형태로 링홈(363b)이 형성되어 있다.
상기 이너링(363)이 입력축(320)의 축방향을 따라 이동하여 상기 링홈(363b)이 상기 변속바의 돌기(362b)의 위에 위치되면 상기 탄성부재(322)에 의해 상기 돌기(362b)가 링홈(363b)으로 도피되어 변속바(362)가 스윙할 수 있게 된다. 변속바(362)의 돌기(362b)가 링홈(363b)에 도피되면 폴(361)은 입력축(320)의 외주면 위로 돌출된다.
본 실시예에서 상기 링홈(363b)은 상기 돌기(362b)를 도피하기 위한 구성이지만, 이와 달리 돌출부(362a) 자체를 도피시키도록 구성되는 것도 가능하다.
작동상태를 설명하면, 먼저 상기 아우터링(364)이 회전을 하면 상기 이너링(363)이 입력축 상에서 축방향(좌우)으로 이동하게 된다.
상기 이너링(363)의 이동으로 그 내주면에 형성된 상기 링홈(363b)이 상기 돌기(362b)의 상부에 위치되면 탄성부재(322)의 탄성력에 의해 돌기(362b)가 링홈(363b)으로 도피된다.
이와 함께 폴(361)도 스윙하여 입력축(320)의 외주면 위로 돌출되는데, 돌출된 폴(361)은 래칫(340a)과 맞물려 입력축(320)의 회전력이 해당 구동기어(340)로 전달되어 구동기어(340)가 회전되는 것이다.
본 실시예에서는 상기 아우터링(364)을 회전시키기 위하여 아우터링(364)의 일측에 회전부(365)를 일체형성하고, 회전부(365)를 정방향 또는 역방향으로 회전시키는 방식이다. 그러나 이와 달리 상기 아우터링(364)을 초소형 모터(미도시)로 정방향 또는 역방향으로 회전시키는 변속방식도 가능하다.
더 나아가 본 실시예에서 상기 콘트롤러(360)는 이너링(363)을 입력축(320) 상에서 좌우로 이동시키기 위하여 아우터링(364)을 구비하는데, 아우터링(364) 대신 이너링(363)을 입력축 상에서 좌우로 이동시키는 이동부를 구비하는 것도 가능하다.
상기 이동부는 초소형 모터 또는 실린더 등 공지의 구동원일 수 있다.
도 5 및 도 6에서는 입력축(320)에 구비된 콘트롤러(360)를 도시하였으나, 출력축(330)에 구비된 콘트롤러(370)도 동일한 구조 및 작용을 하므로 반복설명은 생략한다.
도 7을 참조하면, 상기 시프트 클러치(310)는 변속충격을 흡수하면서 모터의 구동력을 상기 입력축(320)에 전달되는 구성요소이며, 상기 시프트 클러치(310)는 입력축(320)의 일단이 관통되는 원통형태로 형성되며, 그 내주면에는 걸림홈(311)이 형성되고, 일측에는 외주면을 따라 연장부(313)가 형성되어 스프링(324,325)이 장착되는 내측홈(312)이 형성된다.
상기 입력축(320)에는 상기 시프트 클러치(310)의 걸림홈(311)에 걸리는 걸림돌기(323)가 형성된다. 상기 시프트 클러치(310)가 회전을 하게 되면, 일정 각도 회전 후 걸림홈(311)에 걸림돌기(323)가 걸려 시프트 클러치(310)와 함께 입력축(320)도 회전을 하게 된다.
특히, 상기 입력축(320)의 회전을 따라 상기 걸림돌기(323)가 상기 걸림홈 (311)내에서 이동(시계방향 또는 반시계방향으로 회전)할 수 있도록 상기 걸림홈(111)의 폭은 걸림돌기(323)의 폭보다 크게 형성된다.
또한 변속충격을 흡수하기 위하여 상기 시프트 클러치(310)의 내측홈(312)에는 상기 내측홈(312)보다 직경이 큰 스프링(324)을 압축시켜 설치한다.
구체적으로 설명하면, 본 실시예에서는 스프링(324)의 일단은 시프트 클러치(310)에 연결되고, 타단은 걸림돌기(323)에 연결되며, 직경을 작게 압축시킨 상기 스프링(324)은 직경이 커지는 방향(스프링 양단부가 멀어지는 방향)으로 탄성복원력이 작용하게 된다.
도 7의 (b)는 스프링(325)이 3회 권취된 것으로서, (a)에 도시된 스프링(324)에 비해 탄성력이 강하므로, 변속충격을 보다 효과적으로 흡수할 수 있다.
본 발명에서 변속할 때 발생하는 변속충격은 2단계에 걸쳐 흡수, 완화된다.
변속충격을 흡수하는 1단계는 변속을 위해 입력축(320)에서 돌출시킨 특정 폴(361)이 상기 구동기어의 내주면에 형성된 래칫(340a)과 함께 회전하면서 맞물리기 때문에 폴(361a,361b)과 래칫(340a)이 강하게 충돌하는 것을 방지해 일차적으로 변속충격을 흡수한다.
변속충격을 흡수하는 2단계는 시프트 클러치(310)와 스프링(324,325)의 작용에 의한 것이며, 도 8을 참조하여 구체적으로 설명한다.
먼저, 변속을 위해 폴(361)을 입력축(320)에서 돌출시킨 상태에서 모터를 작동시키면, 구동력은 시프트 클러치(310)를 회전시킨다. 시프트 클러치(310)의 회전력은 상기 스프링(324)을 매개로 입력축(320)에 전달되어 회전시킨다. 이 때는 시프트 클러치의 걸림홈(도면상 좌측벽,311)이 입력축의 걸림돌기(323)를 직접 밀지 못하므로 스프링(324)을 매개로 회전력이 입력축(320)으로 전달되는 것이다(도 8의 (a)참조). 이 때는, 스프링(324)의 탄성력(직경이 확장되는 방향, 양단부 사이가 멀어지는 방향으로 작용)에 의해 걸림돌기(323)가 걸림홈(311)의 우측벽에 접하면서 좌측으로 공간(S1)이 형성된다.
상기 시프트 클러치(310)와 함께 입력축(320)이 회전함에 따라 폴(361)이 래칫(340a)과 맞물리는 순간이 온다. 이 순간까지는 스프링(324)에 외력이 작용하지 않고, 시프트 클러치(310)의 회전력이 스프링(324)을 매개로 하여 입력축(320)에 전달된다(도 8의 (b) 참조).
상기 폴(361)과 래칫(340a)이 맞물린 후에는 시프트 클러치(310)의 회전으로 인해 스프링(324)이 더욱 압축되면서 시프트 클러치(310)의 걸림홈(311,도면상 좌측벽)이 걸림돌기(323)를 밀게 된다. 따라서 모터의 구동력이 스프링(324)을 매개하지 않고 시프트 클러치(310)에서 입력축(320)에 전달되고, 입력축(320)의 회전으로 구동기어(340)가 회전하게 되는 것이다(도 8의 (c) 참조). 이 때는 걸림돌기(323)의 우측으로 공간(S2)이 형성되게 된다.
다시 말하면, 도 8의 (b)는 모터의 구동력이 시프트 클러치(310)에서 스프링(324)을 통해 입력축(320)으로 전달되는데, 도 8의 (c)는 모터의 구동력이 시프트 클러치의 걸림홈(311)이 걸림돌기(323)를 밀어 스프링(324)을 통하지 않고 직접 입력축(320)으로 전달되는 것이다.
이와 같이 본 발명에 의하면, 폴(361)이 래칫(340a)에 맞물리는 단계(도 8의 (b))와, 걸림홈(311)이 걸림돌기(323)를 미는 단계(도 8의 (c) 참조)에 시차가 있고, 특히, 그 동안에 스프링(324)이 압축되면서 변속충격이 흡수되는 것이다.
만약, 스프링(324)이 없다면 변속을 위해 폴을 돌출시킨 다음, 모터의 회전으로 시프트 클러치(310)가 회전하므로 걸림홈(311)이 걸림돌기(323)에 바로 부딪히면서 변속충격이 발생하게 된다. 또한 스프링(324)이 구비된다고 하더라도 걸림홈(311)과 걸림돌기(323) 사이에 공간(S1)이 형성되어 있지 않다면 변속충격을 피할 수 없게 된다.
또한, 변속을 위해서 폴(361)을 입력축(320)의 외주면 아래로 스윙시키는 동작 전에 변속을 원활하게 하기 위하여 변속순간(1초 미만) 모터의 동작을 잠시 늦추거나 오프(off)한다. 이렇게 하면 상기 폴(361)과 상기 래칫(340a)의 맞물림이 풀려 변속이 가능해진다. 모터가 동작을 멈추면 시프트 클러치(310)도 회전을 멈추게 되고, 이 때 스프링(324)의 탄성복원력에 의해 걸림돌기(323)가 걸림홈(311) 내에서 시계방향으로 회전하면서 이동을 하게 되어 도 8의 (a),(b)상태로 돌아간다. 이와 같은 상태는 계속 변속충격의 흡수를 가능하게 한다.
이하, 본 발명에 의한 실시예의 작동상태를 설명한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 모터의 구동력이 전달되어 시프트 클러치(310)를 통해 입력축(320)이 회전하게 되면 탑승자는 콘트롤러(360,370)를 조작하여 어느 하나의 폴(361a,361b,371a,371b)을 돌출시킴으로써 구동기어(342,344) 또는 피동기어(351,353)을 입력축(320) 또는 출력축(330)에 결합시켜 변속된 회전력을 출력축(330)으로 출력한다.
예를 들어 탑승자가 2단으로의 변속을 하려면, 회전부(365)를 통해 아우터링(364)을 회전시켜 이너링(363)이 입력축상에서 좌측 또는 우측으로 이동하게 된다. 이러한 동작으로 2단에 해당하는 돌출부의 돌기(362b)가 이너링의 링홈(363b)에 도피되어 2단에 해당하는 제2구동기어(342)의 래칫에는 폴(도 2의 '361b')이 맞물리게 된다.
따라서 입력축(340)의 회전력은 제2구동기어(342)를 회전시키고, 이와 치합되어 있는 제2피동기어(352)를 회전시킨다. 제2피동기어(352)는 중심에 출력축(330)이 고정되어 있으므로 출력축(330)은 변속된 회전력을 출력하게 된다.
상기 출력축(330)을 예를 들어 전기 자동차의 전륜축 또는 후륜축과 연결되어 변속된 회전력을 전달하거나, 전기 오토바이나 전기 자전거의 구동스프로켓과 연결되어 체인을 통해 후륜으로 변속된 회전력을 전달한다.
또한, 탑승자가 3단으로의 변속을 하려면, 콘트롤러(370)를 조작하여 폴(도 2의 '371a')을 출력축(330)의 외주면으로 돌출시켜 3단에 해당하는 제3피동기어(353)의 래칫에 맞물리게 한다.
따라서 입력축(320)의 회전력은 입력축에 고정된 제3구동기어(343)를 회전시키고, 이와 치합되어 있는 제3피동기어(353)를 회전시킨다. 제3피동기어(353)는 중심에 폴(371a)에 의해 출력축(330)이 결합되어 있으므로 출력축(330)은 제3피동기어(353)와 연동하여 변속된 회전력을 출력하게 된다.
도 10은 본 발명에 의한 제2실시예를 도시한 것이다.
도시된 바와 같이, 입력축(420)의 일단에는 시프트 클러치(410)가 구비되고, 입력축(420)에는 걸림돌기가 형성되고, 시프트 클러치(410)에는 걸림홈이 형성되는 것은 도 2에 도시된 실시예와 동일하다. 또한 콘트롤러(460)의 구조도 도 5에 도시된 것과 동일하다.
다만, 상기 입력축(420)은 4개의 구동기어(430)를 관통하고, 구동기어(440)들과 맞물리는 4개의 폴(P1~P4)이 출몰 가능하게 구비되어 있어, 콘트롤러(460)의 제어에 의해 결합되거나 해제될 수 있는 것이다.
이와 달리 출력축(430)에는 피동기어(450)들이 결합되어 있고, 폴이 구비되지 않는다.
따라서 아우터링(464)과 이너링(463)을 포함하는 콘트롤러(460)도 출력축(430)에는 구비되지 않고, 입력축(420)에만 구비된다.
도 11은 본 발명에 의한 제3 실시예(500)를 도시한 것이다.
도 10에 도시된 실시예와 대비하면, 상기 출력축(530)은 4개의 피동기어(550)를 관통하고, 피동기어(550)들과 맞물리는 4개의 폴(P1~P4)이 출몰 가능하게 구비되어 있어, 콘트롤러(570)의 제어에 의해 결합되거나 해제될 수 있는 것이다.
이와 달리 입력축(520)에는 구동기어(540)들이 결합되어 있고, 폴이 구비되지 않는다.
따라서 아우터링(574)과 이너링(573)을 포함하는 콘트롤러(570)도 입력축(520)에는 구비되지 않고, 출력축(530)에만 구비된다.
다만, 시프트 클러치(510)는 입력축(520)의 일단에 구비된다는 점은 동일하다.
300: 제1실시예
310: 시프트 클러치
320: 입력축
330: 출력축
340: 구동기어
350: 피동기어
360,370: 콘트롤러
400: 제2실시예
410: 시프트 클러치
420: 입력축
430: 출력축
440: 구동기어
450: 피동기어
P1~P4: 폴
460: 콘트롤러
500: 제3실시예
510: 시프트 클러치
520: 입력축
530: 출력축
540: 구동기어
550: 피동기어
P1~P4: 폴
570: 콘트롤러

Claims (7)

  1. 모터의 구동력이 전달되어 회전하는 입력축;
    중심에 상기 입력축이 구비되고, 서로 다른 기어잇수를 갖는 복수의 구동기어;
    상기 구동기어들과 외접하여 맞물리며, 서로 다른 기어잇수를 갖는 복수의 피동기어;
    상기 입력축과 평행하고, 상기 피동기어들의 중심축이 되며, 상기 구동기어와 피동기어에 의해 변속된 회전력을 출력하는 출력축;
    상기 입력축 또는 출력축의 외주면에 형성된 안착홈에 구비되어 외주면으로부터 출몰하는 복수의 폴(pawl); 및
    일단은 상기 폴에 연결되고 타단은 상기 입력축 또는 출력축의 외주면으로부터 출몰하는 돌출부가 구비되는 변속바를 포함하며, 상기 돌출부를 통해 상기 폴들의 출몰을 제어하는 콘트롤러;를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터용 변속기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 콘트롤러는 상기 입력축 또는 출력축이 중심을 관통하고, 상기 입력축 또는 출력축의 축방향을 따라 왕복이동하여 상기 돌출부를 상기 입력축 또는 출력축의 외주면에서 출몰시키는 이너링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터용 변속기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 콘트롤러는 상기 이너링의 외측을 감싸고, 회전을 통해 상기 이너링을 상기 입력축 또는 출력축의 축방향을 따라 이동시키는 아우터링을 더 포함하며,
    상기 이너링과 아우터링 중 어느 하나에는 가이드핀이 돌출형성되고,
    상기 이너링과 아우터링 중 다른 하나에는 상기 가이드핀을 안내하는 가이드홀이 원주방향에 대하여 사선방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 모터용 변속기.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 콘트롤러는 상기 이너링을 상기 입력축 또는 출력축의 축방향을 따라 이동시키는 이동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터용 변속기.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 돌출부에는 구형(球形) 돌기가 돌출되고 회전가능하게 구비되고,
    상기 이너링의 내주면에는 상기 구형 돌기가 도피되도록 단면이 반원형태인 링홈이 원주방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 모터용 변속기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 폴 또는 돌출부의 하부에 구비되는 탄성부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터용 변속기.
  7. 제1항에 있어서,
    외접하는 상기 구동기어와 피동기어 중 어느 하나는 내주면에 상기 폴이 맞물리는 래칫이 형성되고,
    외접하는 상기 구동기어와 피동기어 중 다른 하나는 상기 입력축 또는 출력축에 고정되는 것을 특징으로 하는 모터용 변속기.
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