KR20130056370A - 자동무단변속기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동무단변속기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 구동축의 회전력에 의해 발생하는 원심력에 따라 회전반경이 변하는 크랭크를 이용하여 출력축의 회전속도를 변속하는 기어식 자동무단변속기에 관한 것이다.
현재 사용되고 있는 자동변속기들은 유압장치 등 복잡한 구조로 구성되어 생산 및 유지, 보수비가 비싸거나, 유단변속에 따른 변속효율이 떨어지거나, 유체컨버터나 벨트를 이용하여 슬립에 따른 동력전달 효율이 낮은 문제가 있다.
상기한 바와 같은 문제를 해결하기 위하여 본 발명은 구동축에 크랭크휠을 연결하고, 크랭크휠 위에서 원심력에 의해 크랭크 암의 길이가 변하는 크랭크를 장착하고, 그 크랭크는 구동레버를 통해 유성기어에 연결되어 크랭크 휠이 회전하면 유성기어의 왕복원호운동을 발생시키고, 유성기어는 원웨이 베어링에 결합돼 한 방향으로만 회전할 수 있기 때문에 유성기어의 왕복원호운동은 링기어를 회전시켜 구동축의 회전속도에 따라 자동으로 무단변속되는 기어식 자동무단변속기를 제공한다.

Description

자동무단변속기{Automatic Continuously Variable Transmission}

본 발명은 자동무단변속기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 크랭크운동을 구동레버를 통해 유성기어의 왕복원호운동으로 변환하고, 유성기어의 왕복원호운동이 링기어를 회전시켜 출력을 발생시키면서, 구동축의 회전속도의 변화에 따른 원심력의 증감을 이용하여 출력축의 회전속도를 변속하는 기어식 자동무단변속기에 관한 것이다.

현재 사용되고 있는 수동변속기는 변속을 수동으로 해야하는 번거로움과 유단변속에 따른 변속효율이 떨어지고, 자동변속기들은 유압장치 등 복잡한 구조로 구성되어 생산 및 유지, 보수비가 비싸거나, 유단변속에 따른 변속효율이 떨어지거나, 유체컨버터나 벨트를 이용하여 슬립에 따른 동력전달 효율이 낮은 문제가 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 기존 변속기들의 여러 가지 문제점들을 해결하기 위해 고안된 것으로서, 구조가 간단하여 생산비와 유지보수비가 저렴하고, 기어를 사용하여 전달효율이 우수하고, 원웨이 베어링을 사용하여 기어의 역회전이 없어 동력전달이 부드럽고, 구동축의 회전속도에 따라 무단으로 자동변속을 하는 편리한 기어식 범용 자동무단변속기를 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 구동기어(102)에 크랭크휠(103)이 치합되고, 크랭크휠에 원심력에 따라 원주운동의 회전반경의 길이가 변하는 크랭크핀(105)을 장착하고, 크랭크핀은 구동레버(201)에 결합되고, 구동레버의 한쪽 끝에는 유성기어(208, 209)가 연결되고, 유성기어는 링기어 (203, 204)와 치합된다.

구동기어가 회전하면, 치합된 크랭크휠이 회전하고, 크랭크휠이 회전하면 크랭크핀은 원주운동을 하고, 이 원주운동이 크랭크핀에 연결된 구동레버의 진자운동을 발생시키고, 구동레버의 진자운동은 유성기어의 왕복원호운동으로 변환되고, 한 방향으로만 회전이 가능한 원웨이 베어링(212, 213)에 삽입된 유성기어의 원호운동이 링기어를 회전시켜 출력을 발생시킨다.

크랭크휠의 회전속도가 증가하면 크랭크휠에 장착된 무게추(106)의 원심력이 증가해 무게추는 크랭크휠의 중심에서 멀어지고, 무게추에 연결된 크랭크핀도 함께 이동해 원주운동의 회전반경이 늘어나게 된다. 크랭크핀의 회전반경이 커지면 크랭크핀에 결합된 구동레버의 진자운동의 진폭이 커진다. 진폭이 커지면 구동레버의 한쪽 끝에 연결된 유성기어의 왕복원호운동의 행정거리도 길어진다. 행정거리가 길어지면 유성기어에 치합된 링기어의 회전속도는 구동회전속도의 증가분을 초과해 증가하며 변속비가 커진다.

게다가, 운전중 무게추를 당기는 조절용수철(108)의 장력을 조절하면 변속비를 운전자 의도대로 변화시키는 것이 가능하다.

본 발명은 구조가 간단한 기어로 구성되어 있어 생산비와 유지보수비가 저렴할 뿐만 아니라 고장이 적으며 동력전달 효율이 높고, 원웨이 베어링을 사용해 왕복운동 장치에서 흔히 발생하는 역회전이 안 생겨 작동이 부드럽고, 구동축의 회전속도에 따라 자동으로 무단변속 되므로 편리하고 변속효율이 높다.

도 1은 본 발명의 대표도,
도 2는 본 발명의 정면도
도 3은 크랭크휠의 구조를 보여주는 상세 사시도
도 4는 크랭크휠의 정면 상세도
도 5는 크랭크휠의 측면 상세도

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

도1을 참조하면, 본 발명의 실시예는 구동축(101)이 구동기어(102)를 회전시키고, 구동기어는 크랭크 휠(103)을 회전시키고, 크랭크 휠의 회전은 크랭크홈(104)에 위치한 크랭크핀(105)의 원주운동을 발생시킨다. 크랭크핀에 구동레버(201)가 레일홈(202)을 통해 끼워지는데, 레일홈을 따라 자유롭게 움직일 수 있는 크랭크핀의 원주운동은 구동레버의 진자운동을 발생시킨다.

구동레버의 진폭은 크랭크 핀의 위치에 따라 결정되는데, 크랭크휠의 회전속도가 커질수록 도3의 무게추(106)의 원심력도 점점 커져 무게추에 슬라이더(116)를 통해 결합된 크랭크핀이 중심에서 멀어지며, 멀어진 만큼 회전반경도 늘어나 구동레버의 진폭을 크게 해준다. 이렇게 늘어난 진폭이 변속비를 증가시켜주는 원천이 된다.

구동레버는 동일한 치수의 1번링기어(203)와 2번링기어(204) 사이에 위치하며 링기어의 중심을 관통하는 중심축에 삽입되어, 지렛대의 작용점 역할을 하는 중심축(205)을 중심으로 진자운동을 한다. 중심축의 양끝에는 베어링(206, 207)으로 링기어와 결합돼있어 링기어의 회전으로부터 독립적으로 움직인다. 구동레버의 한쪽 끝에는 1번유성기어(208)가 결합되어 1번링기어(203)와 치합하고, 중심축을 중심으로 그 대칭점에 2번유성기어(209)가 결합되고 2번링기어(204)와 치합한다. 유성기어(208, 209)들은 유성기어축(210, 211)과 원웨이 베어링(212, 213)으로 결합되는데, 원웨이 베어링은 서로 회전방향이 다른 것이 사용된다. (이 유성기어와 링기어는 유성치차에서 선기어가 빠진 것으로 링기어가 빠지고 유성기어와 선기어로 구성될 수도 있으나 이 실시예에서는 유성기어와 링기어를 사용하였다.)

구동레버의 진자운동은 중심축을 중심으로 유성기어들이 왕복원호운동을 하게 만드는데, 유성기어가 양방향으로 자유롭게 회전할 수 있다면 유성기어는 치합된 링기어의 내면에 접해 움직이며 링기어를 구동시킬 수 없지만 유성기어는 원웨이 베어 링에 삽입돼 있어 한 방향으로만 회전하기 때문에 왕복원호운동 중 한번은 공회전하고 방향이 다른 한번은 링기어의 회전운동을 발생시킨다. 그런데 두 개의 유성기어는 서로 다른 방향으로만 회전할 수 있기 때문에 왕복원호운동 중 한 방향은 1번링기어를, 다른 방향은 2번링기어를 서로 다른 방향의 회전운동으로 구동시킨다.

이 두 링기어를 서로 결합하면 유성기어들이 왕복운동을 하더라도 연속으로 구동력을 얻을 수 있는데, 두 링기어를 결합하는 방법은 많지만 본 실시예에서는 베벨기어를 사용해 결합시킨다. 양쪽 링기어의 안쪽 면에는 동일한 치수의 베벨기어부(214)가 형성돼 있고 출력베벨기어(215)로 서로 치합돼 있어 회전방향은 서로 반대가 되고 회전속도는 동일하게 연동돼 연속으로 회전하며 출력축(299)에 출력을 발생시킨다.

본 자동무단변속기의 변속원리를 상세히 살펴보자. 이해를 용이하게 하기 위해 본 자동무단변속기가 자동차에 설치됐다고 가정하자. 엔진이 시동되고 엔진의 회전력이 구동축과 구동기어를 통해 크랭크휠에 전달되면 치합된 크랭크휠이 회전하게 된다. 도3을 참고하면, 엔진이 정지상태거나 아이들 정도의 속도일 때는 크랭크휠의 무게추(106)에 원심력이 생기더라도 구심방향으로 작용하는 구심용수철(107)의 인장력으로 무게추 하단에 슬라이더(116)를 통해 연결된 크랭크 핀이 원점(크랭크휠의 구심점)에 머물며 원주운동반경이 제로인 상태로 단순회전운동만 하게 되어 원주운동을 일으키지 않는다.

만약 가속페달을 밟아 엔진의 회전이 아이들 속도를 넘어 빨라지면 무게추의 원심력도 커지는데, 일정속도 이상이 되면 용수철(107)의 임계인장력을 이겨 슬라이더(116)에 부착된 크랭크핀을 원심방향으로 이동시킨다. 크랭크핀이 원심방향으로 이동하면 크랭크암의 길이가 발생하기 시작해 크랭크핀의 단순회전운동이 원주운동으로 바뀌기 시작한다. 크랭크핀의 원주운동은 링기어의 중심축(205)을 축으로 움직이는 구동레버(201)가 진자운동을 하게 만든다.

구동레버가 진자운동을 시작하면 구동레버의 한 쪽 끝에 연결된 1번유성기어(208와 2번유성기어(209)가 같은 방향으로 왕복원호운동을 시작한다. 이때 왕복운동 중 전진시에는 1번유성기어(208)은 공회전을 하고 2번유성기어(209)는 원웨이 베어링 때문에 치합된 2번링기어(204)를 구동시킨다. 후진시에는 1번유성기어가 링기어를 구동시키고 2번유성기어는 공회전을 한다. 구동레버의 전진후진이 반복되면 링기어들이 연속 회전하고 상기에 기술된 것처럼 출력베벨기어(215)의 출력축에 회전력이 발생하며 자동차가 서서히 출발한다.

엔진을 더 가속시키면 무게추의 원심력은 이론상 회전속도의 제곱에 비례하여 증가하고 그 증가분이 무게추를 당기는 용수철을 늘어나게 해 크랭크핀을 원심방향으로 이동시켜 회전반경이 커지며 거기에 따라 구동레버의 진자운동의 진폭을 증가시킨다. 그 늘어난 진폭이 유성기어(208, 209)의 왕복행정거리를 증가시키며, 늘어난 행정거리만큼 변속비도 늘어난다.

변속비의 증가에 대한 이해를 돕기 위해 설명하면, 만약 엔진의 회전속도가 증가해도 커넥팅 로드의 진폭의 증가가 없다면, 회전속도의 증가가 구동레버의 진자운동의 왕복주기만 단축시키며 출력속도는 엔진속도의 증가에 따라 선형적으로 비레해 늘어나겠지만, 빨라진 왕복주기에다 추가로 행정거리까지 늘려주어 선형증가 이상의 속도증가를 야기한다. 따라서 엔진속도가 빨라짐에 따라 변속비는 급속히 늘어난다.

변속비의 증가를 이론상의 수치로 따져보자. 엔진의 회전속도가 두 배 증가하면 크랭크휠의 무게추의 원심력은 제곱에 비례하므로 네 배 증가한다. 따라서 무게추가 원심 방향으로 네 배 늘어나게 되며 결과적으로 유성기어의 왕복행정 거리도 네 배 증가하게 된다. 따라서 증가한 속도는, 왕복운동속도의 두 배와 운동거리의 네 배로 전부 여덟 배가 늘어나게 된다. 즉 이론상 변속비는 구동속도의 세제곱에 비례해서 늘어난다. 하지만 용수철의 길이는 잡아당기는 원심력에 항상 정비례해서 늘어나지 않을 뿐만 아니라 구동레버를 움직이는 크랭크핀에 걸리는 부하로 인한 원심력에 대한 저항력이 존재하기 때문에 속도 증가는 이론대로 정확하게 세제곱이 되지는 않는다. 따라서 적당한 특성의 용수철을 사용하면 요구되는 변속비를 얻을 수 있다.

크랭크핀의 원주운동 회전반경의 길이를 변화시켜주는 무게추(106)의 작동원리를 상세히 설명하면, 크랭크휠이 정지돼 있으면 무게추는 용수철의 인장력에 따라 원점에 존재한다. 무게추가 원점에 위치하면 무게추에 연결된 크랭크핀(105)은 크랭크 휠의 구심에 위치하게 끔 설계한다. 크랭크휠이 회전을 시작하여 원심력이 발생하더라도 어느 정도까지는 용수철의 인장력을 이기지 못하고 원점에 머무른다. 따라서 엔진을 시동시켜 아이들 상태가 돼도 차량이 출발하지 않는다. 속도가 증가해 원심력이 일정 수준 이상이 되면 무게추가 용수철의 인장력을 이기고 원심방향으로 움직이기 시작하여 출력을 발생시키고 차량을 서서히 출발시킨다.

또한, 용수철 장력 조절장치를 통해 무게추를 당겨주는 도5의 조절용수철(108)의 장력을 조절해주면 경사로 운행과 같은 운행환경의 변화에 따라 임의로 변속비를 조절해줄 수도 있게 된다. 도5를 참고하면 무게추는 구심용수철(107) 뿐만 아니라 조절레버 하우징(114) 속에 장착된 조절용수철(108)에 의해서도 당겨지게 되는데 조절용수철(108)은 한끝은 로울러(113)를 거쳐 무게추에 연결되고, 또 한끝은 조절레버(109)에 부착돼있어 한끝이 조절레버와 함께 움직인다. 조절레버의 한끝은 숫나사부(110)가 존재해 레버를 돌리면 암나사부(111)를 따라 이동하면서 조절용수철을 조절할 수 있게 돼있다. 그리고 조절용수철과 조절레버는 베어링(112)으로 연결돼있어 크랭크휠의 회전이나 조절레버의 회전에 영향을 안 받고 꼬임이나 뒤틀림이 안 생긴다.

상기한 바와 같이 본 발명은 클러치가 없이도 부드럽게 출발하고 속도에 따라 자동으로 무단변속되는 간단한 기어식 자동무단변속기를 제공한다.

101: 구동축 102: 구동기어 103: 크랭크휠 104: 크랭크홈 105: 크랭크핀 106: 무게추 107: 구심용수철 108: 조절용수철 109: 조절레버 110: 숫나사부 111: 암나사부 112: 베어링 113: 로울러 114: 크랭크휠 겸 조절레버 하우징 116: 슬라이더 201: 구동레버 202: 레일홈 214: 베벨기어부 215: 출력베벨기어 216: 링기어 스포크

Claims (3)

1. 크랭크를 사용해 회전력을 유성기어의 왕복원호운동으로 변환하고, 변환된 그 왕복원호운동을 원웨이 베어링을 이용하여 상기 유성기어와 치합된 링기어 또는 선기어의 회전운동으로 변환시켜 출력을 발생시키고, 상기 크랭크의 크랭크핀의 회전반경의 변화를 이용하여 변속을 하는 것을 특징으로 하는 자동무단변속기.
   
2. 청구항 1에 있어서, 크랭크핀을 상기 링기어 또는 선기어의 중심축과 동일 축으로 움직이는 레버의 레일홈에 끼워, 크랭크운동을 상기 레버의 진자운동으로 변환하고, 그 진자운동이 상기 레버의 한 부분에 축으로 결합된 상기 유성기어의 왕복원호운동으로 변환하고, 그 왕복원호운동이 원웨이 베어링을 이용하여 상기 유성기어에 치합된 상기 링기어 또는 선기어의 회전운동으로 변환시켜 출력을 발생시키는 것을 특징으로 하는 자동무단변속기.
   
3. 청구항 1에 있어서, 상기 크랭크핀에 용수철을 구심방향으로 연결하고 그 용수철의 인장력을 조절하는 것에 의해, 원심력에 따라 원심방향으로 이동하려는 상기 크랭크핀의 회존속도에 대한 이동 비율을 조절하여 변속비를 임의로 변화시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 자동무단변속기.
   

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