KR20210091251A - 전동 공구 및 전동 공구용 기어 유닛 - Google Patents

Abstract

본 명세서는 기어 유닛을 포함하는 휴대용 전동 공구에 관한 것으로, 기어 유닛은 기어 입력 및 출력 샤프트, 입력 샤프트와 함께 회전하는 태양 기어, 내부 링 기어, 상기 태양 기어와 내부 링 기어 사이에 배열된 적어도 하나의 유성 기어를 포함하는 하위조립체를 포함한다. 기어 유닛은, 구동 샤프트가 제1 방향으로 회전할 때 기어 유닛 하위조립체를 바이패싱 하는 기어 입력 샤프트와 기어 출력 샤프트 사이에 제1 토크 전달 연결을 선택적으로 제공하도록 배열된 제1 프리휠 클러치 메커니즘 및 구동 샤프트가 제2 반대 방향으로 회전할 때 기어 유닛 하위조립체에 의해 제2 토크 전달 연결을 선택적으로 제공하도록 배열된 제2 프리휠 클러치 메커니즘을 추가로 포함한다. 본 명세서는 또한 이러한 전동 공구용 기어 유닛에 관한 것이다.

Description

전동 공구 및 전동 공구용 기어 유닛

본 발명은 일반적으로 휴대용 전동 공구에 관한 것으로, 특히 휴대용 전동 공구 및 이러한 전동 공구용 기어 유닛에 관한 것이다.

예를 들어, 너트 및 볼트의 조임 또는 드릴링용 전동 공구가 다양한 산업에서 사용되는 것으로 알려져 있다. 일반적으로, 모터의 크기와 효과를 포함하는 공구 유형은 해당 공구를 사용하려는 특정 용도에 대해 가장 우세한 요구 사항 및 조건 즉 대부분의 시간 동안에 공구가 사용되는 조건을 기준으로 선택해야 한다.

그러나, 특정 응용 분야에서, 작업 조건 및/또는 예상 출력에 대한 요구 사항은 예를 들어 일반적인 작업 공정의 여러 부분에서 필요한 속도 및/또는 토크에 관해 많은 디자인 문제를 야기하는 것에 관해 사용 중에 많이 변하는 경향이 있다.

예를 들어, 너트 러너(nut runner)의 경우, 런 다운(run down) 동안 높은 회전 속도를 제공할 수 있도록 매우 넓은 속도 범위를 제공할 필요가 있을 수 있으며 반면에 조인트의 조임이 끝날 때 즉 조인트의 실제 조임 중에 높은 토크를 제공할 수 있다. 드릴링 머신의 경우, 넓은 속도 범위에 대한 유사한 요구가 우세할 수 있지만, 이러한 공구의 경우, 주로 알루미늄 및 탄소 섬유와 같은 재료가 높은 드릴링 속도(고속, 저-토크)를 필요로 하는 경우에서 드릴링이 발생하는 재료에 따라 상이한 속도가 필요하기 때문일 수 있는 반면, 티타늄과 같은 재료는 훨씬 낮은 속도(저속, 고-토크)를 필요로 한다. 이는 다단계 드릴링 작업에서 동일한 공구가 사용되는 여러 층의 서로 다른 재료로 구성된 구조물에서 드릴링이 수행되는 응용 분야에서 특히 중요할 수 있다.

그러나 이러한 유형의 요구 사항을 따르는 전동 공구는 이러한 상이한/다양한 속도 및 토크 레벨을 제공할 수 있도록 알려져 있으며, 예를 들어 직렬로 연결된 하나 또는 여러 개의 유성 기어 단계를 포함한다. 그러나 이러한 기존 기어 박스의 주요 단점은 원하는 거동을 제공하기 위해 조임 중에 모터가 다른 속도 레벨로 작동하게 한다는 것이다. 이는, 전기 모터가 다른 속도로 작동할 수 있어서 손실이 가장 낮은 이상적인 작동 지점이 있다 하더라도, 예를 들어 전기 모터가 사용되는 공구의 주요 단점이다. 따라서, 모터를, 최적은 아니지만, 다른 회전 속도 레벨에서 작동시키면, 불필요한 손실이 발생하여 공구의 효율성이 감소한다.

이러한 문제 중 일부를 완화하기 위해, 힘이 기어 유닛을 통해 통과하고 따라서 제공되는 기어비가 모터의 회전 방향에 따라 좌우되는 역전 모터(reversing motor)를 사용하려는 시도가 있어 왔다. 이러한 모터에서, 모터가 동일한 회전 속도, 바람직하게는 위에서 언급한 이상적인 속도로 작동하는 동안, 2개의 기어비 및 따라서 2개의 속도 레벨이 제공될 수 있다.

그러나, 이러한 기어 배열에 관한 많은 문제가 남아 있다. 예를 들어, 이러한 기능을 제공하는 데 일반적으로 사용되는 많은 개수의 구성 요소로 인해, 이러한 기어 유닛 또는 기어 박스는 공간을 많이 차지하고 특히 공구 길이를 추가하는 경향이 있다. 또한, 적절한 기능을 보장하기 위해, 이러한 기어 유닛은 다수의 베어링을 사용해야 하는 경향이 있다. 이것은, 위에서 언급 한 공간 요구 사항을 추가하는 것 외에도, 디자인에 불필요한 높은 수준의 복잡성을 가져온다.

따라서, 이러한 기어 배열을 포함하는 전동 공구 분야에서 개선이 필요하다.

따라서, 특히 콤팩트하고 신뢰성 있는 디자인을 갖는 이러한 기어 유닛을 포함하는 전동 공구를 제공하는 것이 바람직할 것이다. 특히, 모터의 활성 길이가 가능한 한 짧게 유지될 수 있는 높은 효율(즉, 낮은 손실)을 제공하는 전동 공구를 제공하는 것이 바람직할 것이다. 이들 문제 중 하나 이상을 더 잘 해결하기 위하여, 독립 청구항에 정의된 바와 같은 기어 유닛 및 이러한 기어 유닛을 포함하는 휴대용 전동 공구가 제공된다.

바람직한 실시예는 종속항에서 정의된다.

본 발명의 제1 양태에 따르면, 모터, 출력 샤프트 및 상기 모터에 연결된 구동 샤프트와 상기 출력 샤프트 사이에 배치된 기어 유닛을 포함하는 휴대용 전동 공구가 제공된다. 기어 유닛은 구동 샤프트(즉, 모터에 의해 구동되는), 출력 샤프트와 결합되도록 구성된 기어 출력 샤프트, 및 그 위에 위치되고 입력 샤프트와 함께 회전하는 태양 기어, 내부 링 기어, 태양 기어와 내부 링 기어 사이에 배치되고 그 사이에서 회전 운동을 전달하도록 구성된 적어도 하나의 유성 기어 및 유성 캐리어를 포함하는 외부 요소를 포함하는 기어 유닛 하위조립체를 포함한다. 기어 유닛은 각각이 기어 출력 샤프트에 토크를 선택적으로 전달하도록 구성된 제1 프리휠 클러치 메커니즘 및 제2 프리휠 클러치 메커니즘을 추가로 포함하며, 제1 프리휠 클러치 메커니즘은 기어 유닛 하위조립체를 바이패싱 하는 기어 입력 샤프트와 기어 출력 샤프트 사이에 제1 토크 전달 연결을 선택적으로 제공하도록 배열되고, 제2 프리휠 클러치 메커니즘은 기어 유닛 하위조립체에 의해 제2 토크 전달 연결을 선택적으로 제공하도록 배열되며, 제1 프리휠 클러치 메커니즘은 구동 샤프트가 제1 방향으로 회전할 때 제1 토크 전달 연결을 제공하고, 제2 프리휠 클러치 메커니즘은 구동 샤프트가 제2 반대 방향으로 회전할 때 제2 토크 전달 연결을 제공한다.

제1 양태에 따르면, 전동 공구는, 모터의 회전 방향과 구동 액슬에 따라 유성 기어 메커니즘에 의해 또는 바이패싱에 의해, 모터의 구동 액슬과 출력 액슬 사이에 연결을 선택적으로 제공하는 기어 유닛과 일체로 구성된 디자인에 의해 위에서 언급한 해결책을 제공한다.

보다 구체적으로, 기어 유닛 디자인은 제1 및 제2 프리휠 클러치 메커니즘을 일체로 형성하여, 힘 흐름(force flow) 즉 토크가 전달되는 경로가 모터의 회전 방향에 따라 재안내 될 수 있게 한다. 본 명세서에서, 용어 "프리휠 클러치 메커니즘"은 넓은 의미에서 하나의 회전 방향으로 토크를 전달하고 다른 회전 방향으로는 공회전하는(즉, 프리휠) 메커니즘을 지칭한다. 이러한 유형의 메커니즘을 나타내며 본 명세서 전반에 걸쳐 용어 "프리휠 클러치 메커니즘"과 상호 교환적으로 사용될 수 있는 그 밖의 다른 용어는 프리휠, 프리휠 클러치 및 단방향 또는 일방향 결합장치/클러치를 포함한다. 제1 및 제2 프리휠 클러치 메커니즘은 일부 실시예에서 토크가 전달되는 회전(및 따라서 이들이 공회전하는) 방향이 두 메커니즘에 대해 동일하도록 선택되고 배열될 수 있다.

달리 말하면, 본 발명의 기어 유닛에 의해 제공되는 토크 전달 연결 또는 힘의 흐름은 모터의 회전 방향에 따라 상이하다. 그러나, 출력 샤프트의 회전 방향은 모터의 회전 방향에 관계없이 동일하게 유지된다.

이러한 디자인은, 높은 속도 범위를 편리하게 제공할 뿐만 아니라, 예를 들어, 한 예시적인 실시예에서 2개의 속도 비율이 제공되는데, 예를 들어, 런 다운을 위해 제1 비율이 제공되고 조임 단계를 위해 제2 비율이 제공될 뿐만 아니라, 공구 내의 전력 손실이 감소되어 효율성이 향상될 수 있다. 이는 공구의 모터가 본 명세서의 배경기술 부분에서 언급된 최적 지점에서 또는 적어도 최적 지점의 근처에서 작동하도록 허용될 수 있기 때문이다.

예를 들어, 전기 모터를 사용하는 예시적인 실시예에서, 이러한 디자인은 특히 유리한데, 이는, 예를 들어 전기 모터의 전력 손실이 모터 토크에 크게 좌우되고 모터 토크 감속기로서 기어 박스를 사용함으로써 런 다운 속도가 유지할 수 있으며 조임 단계에서 모터 토크를 줄이기 위해 높은 비율이 사용되기 때문이다. 조임 단계 중에 모터가 높은 부하로 스크루를 구동하여 모터에 높은 전류 및 높은 손실을 발생시키는 1단 기어 박스에 비해, 본 발명의 예시적인 실시예에 의해 제공되는 제2 단계는, 고전류를 발생시켜 큰 손실을 발생시키는 모터가 낮은 부하에서 구동되지만 높은 RPM으로 작동하여, 낮은 전류가 발생하여 손실이 적다. 또한, 본 발명에 의해 가능해진 프리휠 메커니즘의 현명한 배열이 주어지면, 모터의 활성 길이를 단축할 수 있는 기회가 제공된다.

따라서, 본 발명에 의해 제공되는 이점은, 높은 속도 범위의 제공, 공구의 전력 손실의 상당한 감소 및 컴팩트한 디자인을 포함한다.

일반적으로, 기어 유닛에 관해, 기어 입력 액슬과 그 위에 배치된 태양 기어(특히, 태양 기어 휠)는 함께 태양 기어 또는 태양 기어 조립체로 지칭될 수 있으며, 태양 기어 휠은 하나 이상의 유성 기어와 상호 작용하는 요소로 구성된다(일부 실시예에서, 기어 유닛은 2개 또는 3 개의 유성 기어를 포함할 수 있음). 태양 기어 휠은 액슬에 배열된 별도의 요소를 구성할 수 있거나, 일부 실시예에서는 액슬과 일체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 휠을 구성하는 톱니(cog)가 액슬의 외주 표면(circumferential surface)에서 기계가공될 수 있다. 또한, 일부 실시예에서 외부 요소는 내경 및 외경이 가변적인 원통형(즉, 실질적으로 원통형) 요소일 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 외부 요소는 외부 원통형 표면을 포함하고 내부에는 제2 프리휠 클러치 메커니즘 상에서 외부 원통형 표면을 수용하도록 구성된 제1 원통형 부분 및 적어도 하나의 유성 기어와 협력하는 내부 링 기어를 구성하는 제2 부분을 포함한다.

출력 샤프트(기어 출력 샤프트와 결합될 수 있는)는 공구 출력 샤프트, 스핀들 및/또는 이러한 스핀들에 연결되거나 결합되도록 구성되는 샤프트로도 지칭될 수 있다. 더욱이, 출력 샤프트는, 일부 실시예에서, 너트 또는 볼트를 결합하기 위한 소켓과 같은 적절한 소켓 또는 드릴의 경우 척(chuck) 또는 척을 수용하거나 결합하기 위한 수단에 연결하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 출력 샤프트는 대신 추가 기어에 연결되거나 그 일부를 형성하도록 구성된다. 예를 들어, 각진 공구(angled tool)의 예시적인 경우에, 출력 샤프트는 베벨 기어에 연결될 수 있거나 심지어 일부 실시예에서 그러한 베벨 기어의 입력측의 일부를 형성할 수 있다.

일부 실시예에서, 공구는 회로를 추가로 포함할 수 있거나 및/또는 전동 공구를 제어하도록 작동하는 컨트롤러(또는 제어 유닛)에 연결될 수 있다. 일 실시예에서, 전동 공구는 낮은 조임 토크(tightening torque), 예를 들어, 1-20 Nm 범위, 일부 실시예들에서 1-12 Nm 범위의 조임 토크를 제공하는 공구이다.

일 실시예에 따르면, 제1 프리휠 메커니즘은 입력 샤프트 및 기어 출력 샤프트와 결합되도록 배열된다. 이로써, 그 사이에서 유리한 직접 연결이 선택적으로 제공될 수 있으며, 이에 따라 제1 프리휠 클러치 메커니즘이 토크를 전달하는 방향으로 구동 액슬/입력 샤프트가 회전할 때 1:1의 기어비가 선택적으로 구현될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 제1 프리휠 메커니즘은 원통형 외부 표면을 포함하는 원통형 요소를 포함하고, 외부 원통형 표면은 출력 샤프트에 끼워맞춤된다. 이에 의해, 회전 운동은 제1 프리휠에 의해 출력 샤프트로 전달될 수 있다. 적합한 끼워맞춤 방법은 압력 끼워맞춤(press fit), 수축 끼워맞춤(shrink fit), 접착제 등을 포함한다. 일 실시예에 따르면, 제1 프리휠 메커니즘은 원통형 요소와 결합되도록 배열된 적어도 하나의 운동 전달 요소(movement transferring element)를 추가로 포함한다. 보다 구체적으로는, 원통형 요소의 내측이다. 또한, 적어도 하나의 운동 전달 요소는 입력 액슬 또는 샤프트의 외부 표면에 대해 결합되도록, 즉 지탱하도록 구성될 수 있다. 이에 따라 입력 샤프트의 회전 운동은 요소(들)를 통해 출력 액슬로 전달될 수 있다. 이러한 전달은, 회전 방향이 프리휠을 통해 토크가 전달되는 방향인 경우에만 제공된다. 이러한 요소의 예로는 롤러, 볼, 스프래그(sprag) 등이 포함된다.

또 다른 실시예에 따르면, 제1 프리휠 메커니즘은 제1 내부 원통형 요소 및 제2 외부 원통형 요소를 포함하고, 제1 및 제2 원통형 요소는 제1 원통형 요소가 제2 원통형 요소 내부에 동심 배열되고, 제1 실린더는 출력 샤프트에 끼워맞춤 되고, 내부 실린더는 입력 샤프트에 끼워맞춤된다. 따라서, 내부 실린더는 구동 샤프트/입력 샤프트와 함께 회전하고, 그 방향에 따라 외부 실린더에 토크를 전달하는 방식으로 회전하거나 공회전한다(즉, 토크를 전달하지 않고 회전한다). 적합한 끼워맞춤 방법은 압력 끼워맞춤, 수축 끼워맞춤, 접착제 등을 포함한다. 전술한 바와 같이, 운동 전달 요소는 원통형 요소 사이에 배열될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 제2 프리휠 메커니즘은 외부 요소 및 출력 샤프트와 결합되도록 배열된다. 이로써, 유성 기어에 의해 구동 샤프트와 출력 샤프트 사이에 토크 전달 연결이 선택적으로 제공될 수 있으며, 이에 따라 구동 액슬/입력 샤프트가 제2 프리휠 클러치 메커니즘이 토크를 전달하는 방향으로 회전할 때 1:1과 다른 기어비를 얻을 수 있다.

일 실시예에 따르면, 제2 프리휠 메커니즘은 원통형 외부 표면을 포함하는 원통형 요소를 포함하고, 외부 원통형 표면은 외부 요소에 끼워맞춤된다. 이에 의해, 회전 운동은 제2 프리휠에 의해 출력 샤프트로 전달될 수 있다. 적합한 끼워맞춤 방법은 압력 끼워맞춤, 수축 끼워맞춤, 접착제 등을 포함한다. 일 실시예에 따르면, 제2 프리휠 메커니즘은 원통형 요소와 결합되도록 배열된 적어도 하나의 운동 전달 요소를 추가로 포함한다. 보다 구체적으로는, 원통형 요소의 내측이다. 또한, 이러한 실시예에서 적어도 하나의 롤링 요소는 출력 액슬 또는 샤프트의 외부 표면에 대해 결합, 즉 지탱될 수 있다. 이에 의해, 외부 요소의 회전 운동은 롤링 요소(들)를 통해 출력 액슬로 전달될 수 있다. 이러한 전달은, 회전 방향이 제2 프리휠을 통해 토크가 전달되는 방향인 경우에만 제공된다. 이러한 요소의 예로는 롤러, 볼, 스프래그 등이 포함된다.

또 다른 실시예에 따르면, 제2 프리휠 메커니즘은 제1 내부 원통형 요소 및 제2 외부 원통형 요소를 포함하고, 제1 및 제2 원통형 요소는 제1 원통형 요소가 제2 원통형 요소 내부에 동심 배열되고, 제1 실린더는 출력 샤프트에 끼워맞춤 되고, 제2 실린더는 요소에 끼워맞춤된다. 따라서, 구동 샤프트의 운동은 태양 기어, 유성 기어 및 외륜 기어에 의해 외부 실린더에 전달되며, 회전 방향에 따라, 외부 원통형 요소는 내부 실린더에(따라서 기어 출력 샤프트에) 토크를 전달하는 방식으로 회전하거나 또는 회전 방향에 따라 공회전한다. 적합한 끼워맞춤 방법은 압력 끼워맞춤, 수축 끼워맞춤, 접착제 등을 포함한다. 전술한 바와 같이, 운동 전달 요소는 원통형 요소 사이에 배열될 수 있다.

일부 실시예에서, 제1 프리휠 클러치 메커니즘은 모터(즉, 구동 샤프트)가 시계 방향으로 회전할 때 기어 유닛 출력 샤프트에 토크를 전달하도록 구성될 수 있는 반면, 제2 프리휠 메커니즘은 모터가 반시계 방향으로 회전할 때 유성 기어에 의해 토크를 출력 샤프트에 전달하도록 구성될 수 있다.

전술한 바와 같이, 일부 실시예에서, 제1 및 제2 프리휠 메커니즘 중 적어도 하나는 적어도 하나의 운동 전달 요소를 추가로 포함할 수 있다. 이러한 요소의 예에는 롤러 또는 볼과 같은 롤링 요소가 포함된다. 이러한 요소를 포함하는 프리휠 메커니즘에서, 일방향 거동은 롤러가 결합되는 트랙(track)의 디자인에 의해 제공될 수 있다. 다른 실시예에서, 소위 스프래그가 운동을 전달하도록 배열될 수 있다. 스프래그는 회전의 한 방향으로 미끄러지는 비 회전 요소로서, 메커니즘이 공회전 상태가 되지만 토크가 전달될 수 있도록 다른 방향으로 기울어지고 잠긴다. 이것은 당업계에 공지되어 있으며 더 자세히 설명하지 않을 것이다.

일 실시예에 따르면, 제1 및 제2 프리휠 메커니즘 중 적어도 하나는 롤러 클러치이다. 다른 실시예에서, 제1 및 제2 프리휠 클러치 메커니즘 중 적어도 하나는 오버런 클러치, 스프래그 클러치 또는 래칫 장치 일 수 있다.

일 실시예에 따르면, 전동 공구는 적어도 모터 및 기어 유닛을 둘러싸는 하우징을 추가로 포함하고, 유성 캐리어의 회전 운동은 하우징에 대해 고정된다. 따라서, 입력 샤프트 및 그 위에 배치되거나 액슬과 일체로 형성된 태양 휠이 회전함에 따라, 적어도 하나의 유성 기어는 이러한 운동을 외부 요소의 링 기어로 전달하며, 이는 회전하는 반면 캐리어는 정지되어 유지되는데 즉 회전하지 않는다.

일 실시예에 따르면, 기어 유닛은 외부 슬리브를 추가로 포함하고, 외부 슬리브는 하우징에 고정 배열되고, 유성 캐리어의 회전 운동은 외부 슬리브에 대해 고정된다. 일 실시예에서, 유성 캐리어는 외주를 따라 리지(ridge) 또는 돌출부를 포함하고, 외부 슬리브는 리지가 결합될 수 있는 상응하는 홈(groove)을 포함한다. 즉 스플라인 연결(spline connection)이라고 할 수 있다. 이러한 외부 슬리브는 또한 조립 과점에서 유리할 수 있는 기어 유닛의 다른 구성 요소를 둘러싸거나 또는 부분적으로 둘러싸도록 배열될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 제1 및 제2 프리휠 메커니즘은 동축 배열된다. 이것은, 예를 들어, 보다 컴팩트한 디자인이 구현될 수 있다는 점에서 유리하다.

일 실시예에 따르면, 제1 및 제2 프리휠은 적어도 부분적인 축방향 중첩(axial overlap)이 제1 및 제2 프리휠 클러치 메커니즘 사이에서 일어나도록 배열된다. 일부 실시예에서, 제2 프리휠은 제1 프리휠 클러치 메커니즘을 둘러싸거나 에워싸도록 배열될 수 있다. 또는, 달리 말하면, 제1 및 제2 프리휠 클러치 메커니즘은 제1 프리휠 클러치 메커니즘이 제2 프리휠 클러치 메커니즘 내부에 동심 배열될 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 및 제2 프리휠 메커니즘은 동일한 축 길이를 갖는 반면, 다른 실시예에서 제1 또는 내부 프리휠 메커니즘은 짧은 축방향 길이를 갖는다.

제1 및 제2 프리휠 메커니즘의 동축 배열 및 한 프리휠 클러치 메커니즘이 다른 프리휠 클러치 메커니즘 내부에 배열되는 것은, 배열 길이의 감소를 고려할 때, 콤팩트하고 공간 절약형 디자인을 구현하는 데 특히 유리할 뿐만 아니라, 오정렬 위험이 있는 기어 유닛의 부분의 전체 길이도 줄어들기 때문에 추가 베어링의 필요성이 줄어들거나 심지어는 완전히 제거될 수 있다. 이는, 복잡성 감소 및 디자인 구성 요소의 수를 포함하는 추가 이점을 의미한다.

또한, 기어 출력 샤프트는 일부 실시예에서 특히 유리한 방식으로 제1 및/또는 제2 프리휠 클러치 메커니즘을 수용할 수 있도록 하기 위하여, 원통형 형상을 갖는 부분을 포함할 수 있다. 보다 상세하게는, 개방 단부를 갖는 중공 실린더 형상을 갖는 부분이다. 이 원통형 부분은 기어 출력 샤프트의 제1 단부에 배열될 수 있다. 이에 따라, 제1 프리휠 클러치 메커니즘은 중공 실린더의 내부에 배치될 수 있으며, 즉 원통형 부분의 내부 원통형 표면을 향하거나 및/또는 결합될 수 있으며(제1 프리휠 메커니즘의 외부 원통형 표면이 상기 내부 표면을 향하며), 제2 프리휠 클러치 메커니즘은 중공 실린더의 외부에 배치될 수 있으며, 즉 원통형 부분의 외부 원통형 표면을 향하거나 및/또는 결합될 수 있다(제1 프리휠 메커니즘의 외부 원통형 표면이 상기 내부 표면을 향한다). 이러한 기능은 특히 컴팩트하고 공간 절약형 디자인을 제공한다.

일 실시예에 따르면, 구동 샤프트가 제1 방향으로 회전할 때 기어 유닛의 기어비는 1:1이다. 이는, 구동 샤프트가 제1 프리휠 메커니즘이 토크를 전달하는 방향으로 회전할 때와 이에 따라 구동 샤프트/입력 및 기어 출력 샤프트 사이에 직접 연결이 제공되는 경우 일 수 있다.

일 실시예에 따르면, 구동 샤프트가 제2 방향으로 회전할 때 기어비는 1:1과 다르다. 이는, 구동 샤프트가 제1 프리휠 메커니즘이 공회전하는 방향으로 회전하고 제2 프리휠 메커니즘이 토크를 전달하도록 하여 유성 기어에 의해 구동 샤프트/입력 및 기어 출력 샤프트 사이에 연결이 제공되는 경우일 수 있다. 제공된 정확한 기어비는 응용 분야에 따라 조정될 수 있다. 예시적인 일 실시예에서, 제공된 기어비는 1:5이다.

일 실시예에 따르면, 모터는 역전 모터이다. 일 실시예에서, 모터는 역전 전기 모터이다. 또한, 에어 모터(air motor)를 포함하는 공구도 본 발명의 범위 내에서 생각할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 전동 공구는 스크루 드라이버, 너트 러너, 드릴 및 그라인더를 포함하는 그룹으로부터 선택된 전동 공구이다. 그러나, 당업자는 임의의 다른 유형의 전동 공구가 본 발명의 범위 내에서 생각될 수 있음을 인식한다. 예를 들어, 당업자는 정지식 또는 고정식 공구와 함께 사용하기 위해 구조의 약간의 수정 만 필요하다는 것을 인식하고 있다. 일부 실시예에서, 전동 공구는 배터리 구동 공구일 수 있다. 본 발명의 기어 유닛에 의해 제공되는 공구의 증가된 효율은, 긴 배터리 수명이 구현될 수 있는 배터리 구동 공구에 특히 중요하다.

본 발명의 제2 양태에 따르면, 전술한 임의의 실시예에 따른 전동 공구에 배치되도록 구성된 기어 유닛이 제공된다. 본 발명의 제2 양태의 범위 내에서 생각할 수 있는 기어 유닛의 목적, 이점 및 특징은 본 발명의 제1 양태를 참조하는 전술한 논의에 의해 쉽게 이해된다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 위에 나열된 예시적인 실시예들 중 어느 하나에 따른 전동 공구 및 이러한 전동 공구를 제어하도록 작동되는 제어 유닛을 포함하는 시스템이 제공된다.

본 발명의 추가적인 목적, 특징 및 이점은 하기 발명의 상세한 설명, 도면 및 첨부된 청구 범위를 연구함으로써 명백해질 것이다. 당업자는 본 발명의 상이한 특징들이 결합되어 다음에 설명되는 것 이외의 실시예를 생성할 수 있음을 인식한다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 예시적인 실시예의 다음의 예시적이고 비 제한적인 상세한 설명에서 설명될 것이다:
도 1a는 일 실시예에 따른 예시적인 전동 공구의 횡단면도이다.
도 2a는 일 실시예에 따른 전동 공구의 예시적인 기어 유닛의 횡단면도이다.
도 2b는 도 2a에 도시된 예시적인 기어 유닛의 섹션 B-B를 따른 횡단면도이다.
도 2c는 도 2a에 도시된 예시적인 기어 유닛의 섹션 C-C를 따른 횡단면도이다.
모든 도면은 개략적인 것으로 반드시 실측이 아니고 일반적으로 본 발명을 설명하기 위해 필요한 부분만을 보여 주며, 다른 부분은 생략되거나 단순히 제안될 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 예시적인 전동 공구(10), 이 경우, 휴대용 앵글형 배터리 구동 공구(10)의 횡단면도이다. 공구는, 모터(미도시), 예시된 실시예에서, 기어 유닛이 공구의 전방 단부에 있는 베벨 기어(B)에 연결되거나 그 일부를 형성하도록 구성된 출력 샤프트(20)와 결합하게끔 구성된 출력 샤프트(20), 및 출력 샤프트(20)와 구동 샤프트, 또는 모터에 연결된 구동 액슬 사이에 배치된 기어 유닛(30)을 포함한다. 구동 샤프트는 도 1에 표시된 액슬(4)과 결합되도록 구성된다. 또한, 하우징(40)은 모터와 기어 유닛을 둘러싸고 있다.

기어 유닛(30)은 이제 기어 유닛(30)의 예시적인 실시예의 횡단면도인 도 2를 참조하여 상세하게 설명될 것이다. 도 2에 도시된 기어 유닛(30)은 구동 샤프트(도시되지 않음)과 결합하도록 구성된 기어 입력 샤프트(4) 및 따라서 입력 샤프트의 제1 단부(A)에 있는 모터 및 출력 샤프트(20)과 결합하도록 구성된 기어 출력 샤프트(1)를 포함한다. 또한, 기어 유닛(30)은 기어 유닛 하위조립체(30a)를 포함한다. 이 하위조립체(30a)는 또한 유성 기어(30a)로 지칭될 수 있고 입력 샤프트(4)와 일체로 형성된 태양 기어 휠(4a)을 포함하며, 특히 휠을 나타내는 톱니(cog)는 도 2에 도시된 바와 같이 샤프트(4)의 외주 표면에 형성된다. 대안으로, 태양 휠(4a)은 예를 들어 샤프트(4)에 압축 또는 수축 끼워맞춤 되는 개별 구성 요소일 수 있다. 하위조립체는 외부 요소(2), 예시된 실시예에서는 내부 링 기어(2a)를 포함하는 원통형 외부 요소(2)를 추가로 포함한다. 예시된 실시예에서, 3개의 유성 기어(3, 3', 3'')가 태양 기어와 내부 링 기어(2a) 사이에 배열되며, 도 2에서는 이들 중 2개를 볼 수 있다. 기어 유닛은 하우징(40)에 배치된 외부 슬리브(2)를 추가로 포함한다. 상부에 유성 기어(3, 3', 3'')가 배치된 유성 캐리어(7)가 외부 슬리브(2)에 고정 부착된다. 여기서, 유성 캐리어(7)의 회전 운동은 외부 슬리브(2)에 대해 고정되고 따라서 하우징(40)에 고정된다. 캐리어는 그 외주를 따라 톱니를 포함하고, 슬리브(2)의 상응하는 구조물(2b)과 결합하는 이들 톱니에 의해 슬리브(2)에 고정된다.

기어 유닛(30)은 각각 기어 출력 샤프트(1)에 토크를 선택적으로 전달하도록 구성된 제1 프리휠 클러치 메커니즘(5) 및 제2 프리휠 클러치 메커니즘(6)을 추가로 포함한다. 예시된 실시예에서, 이들 메커니즘은 롤러 클러치 또는 스프래그 클러치이다. 다음에서, 용어 "롤러 클러치(roller clutch)"가 사용되는데 즉, 제1 롤러 클러치(5) 및 제2 롤러 클러치(6)가 사용된다. 그에 따라, 이들은 각각 원통형 요소(5; 6) 및 그들 사이에 배열된 롤러(또는 스프래그)와 같은 전달 요소(5b, 6b)를 포함한다(도 2b 참조).

제1 롤러 클러치를 살펴보면, 이 롤러 클러치는 입력 샤프트(4)와 기어 출력 샤프트(1) 사이에 배열되며, 이러한 배열에 의해 원통형 요소(5)의 외부 표면(5a)이 출력 샤프트(1)에 끼워지고 전달 요소는 입력 샤프트(4)의 외부 표면과 결합된다. 반면, 제2 롤러 클러치(6)는 외부 원통형 요소(2)와 출력 샤프트(1) 사이에 배열되며, 이러한 배열에 의해 전달 요소는 출력 샤프트(1)의 외부 표면과 결합되고, 상기 외부 원통형 표면(6a)은 각각의 경우 예를 들어 압축 끼워맞춤에 의해 외부 요소(2)에 끼워맞춤 된다. 이러한 배열을 허용하기 위해, 즉 출력 샤프트(1)가 특히 유리한 방식으로 제1 및/또는 제2 롤러 클러치(5,6)를 수용할 수 있도록 하기 위하여, 샤프트(1)는 개방 단부를 갖는 중공 실린더 형상을 갖는 단부 부분(1a)을 포함하며, 실린더 형태의 단부 부분의 내부 표면과 결합되는 외부 원통형 표면(5a)에 의해 제1 롤러 클러치가 중공 실린더의 내부에 배치될 수 있고, 이 경우, 실린더 형태의 단부 부분의 외부 표면과 결합된 제2 클러치(6)의 전달 요소에 의해, 제2 프리휠 클러치 메커니즘이 중공 실린더 외부에 배치될 수 있다.

또한, 도 2a 및 도 2b의 수직 횡단면에서 볼 수 있는 바와 같이, 제1 및 제2 롤러 클러치(5, 6)는 동축 배열되고 또한 축방향으로 중첩 배열된다. 도 2b는 또한 각각의 프리휠 메커니즘(5, 6)의 롤러 요소(5b, 6b) 또는 스프래그(5b, 6b)를 도시한다. 특히, 제2 프리휠(6)은 예시된 실시예에서 제1 또는 내부 프리휠 클러치(5)를 효과적으로 둘러싸는 즉 예시된 실시예에서 전체 축방향 중첩이 일어나는 외부 프리휠로 표시될 수 있다. 따라서, 제2 또는 외부 롤러 클러치는 직경과 축방향 길이에 있어서 더 크다.

제1 롤러 클러치(5) 및 제2 롤러 클러치(6)는 모터의 배향 회전에 따라 입력 샤프트(4)와 출력 샤프트(1) 사이에 토크 전달 연결을 제공하도록 배열된다. 이에 대해서는 기어 유닛의 기능을 설명하는 다음 내용에서 보다 자세히 설명될 것이다.

기어 유닛의 기능 및 이에 따라 전동 공구의 기능은, 모터의 회전 방향과 구동 액슬에 따라 유성 기어 메커니즘에 의해 또는 바이패싱에 의해, 구동 샤프트(모터에 연결됨)와 출력 액슬 사이, 즉 기어 입력 및 출력 샤프트(4, 1) 사이에 연결을 선택적으로 제공함으로써 기어 유닛(30)에 의해 구현된다.

이 교대 힘 흐름은 도 2의 예시된 실시예에 제공되며, 모터의 회전 방향에 따라 힘 흐름이 재안내 되도록 하는 제1 및 제2 프리휠 롤러 클러치(5, 6)에 의해 달성된다. 보다 구체적으로, 출력 샤프트(1)는 실제로 제1 롤러 클러치(5) 및 제2 롤러 클러치(6)에 의해 입력(4)에 결합되지만, 클러치의 거동(behaviour) 및 따라서 기어 유닛의 거동은 모터의 방향에 의해 다음과 같이 조정된다.

기어 입력 샤프트가 제1 방향, 이 예시적인 경우에서는 시계 방향으로 회전하게 됨에 따라, 태양 기어 휠(4a) 및 입력 액슬(4)은 동일한 방향을 따라 회전한다. 그러면, 유성 기어(3, 3', 3'')가 회전하게 된다(반대 방향으로). 그 다음 구성 요소인 캐리어(7)는 슬리브(8)에 대해 고정 배열되지만, 외부 요소(2)의 링 기어(2a)는 유성 기어와 결합되고 그에 따라 전체적으로 원통형 외부 요소(2)가 회전하게 된다. 외부 요소(2)는 회전 연결되어 제2 롤러 클러치(6)의 원통형 요소(6)의 회전에 영향을 미치며, 이 경우 유성 기어 조립체에 대한 회전 방향의 변화가 주어지면 반시계 방향으로 회전한다. 제2 롤러 클러치(6)는 위에서 언급 한 바와 같이 반시계 방향으로 회전할 때 어떤 토크도 전달하지 않기 때문에 공회전하고(idle) 토크가 전달되지 않는다.

대신에, 제1 롤러 클러치는 입력 샤프트(4)의 시계 방향으로 회전하고 따라서 시계 방향으로 회전할 때 실제로 토크를 전달한다. 이로써, 입력 샤프트(4)의 회전 운동이 출력(2)으로 직접 전달되고 1:1 기어비가 제공된다.

반대의 경우, 즉, 기어 입력 샤프트가 반대 방향으로 회전하게 되면, 이 예시적인 경우에서는, 반시계 방향으로 회전하게 되면,태양 기어 휠과 입력 액슬(4)도 회전하여, 유성 기어(3, 3', 3'') 및 따라서 원통형 외부 요소(2)가 전체적으로 회전하며, 이는 제2 롤러 클러치(6)의 원통형 요소에 영향을 미친다. 그러나, 이 경우, 제2 롤러 클러치(6)는 시계 방향으로 회전하게 되며, 제2 롤러 클러치(6)가 토크를 전달하고 따라서 입력 샤프트(4)의 회전 운동이, 이 경우, 유성 기어에 의해 출력(1)으로 전달되며, 1:1과 다른 기어비가 제공된다. 반면에, 제1 롤러 클러치는, 이 경우, 공회전하고 토크를 전달하지 않는다.

두 경우 모두, 출력 샤프트(2)는 시계 방향으로 회전된다.

예시된 실시예에서, 태양 기어의 9 개의 톱니, 유성 기어의 17 개의 톱니 및 링 기어의 45 개의 톱니를 사용하여, 1:5의 예시적인 기어비가 얻어진다.

본 발명이 도면 및 전술한 설명에서 상세하게 예시되고 설명되었지만, 그러한 예시 및 설명은 제한적이지 않고 예시적이거나 예시적인 것으로 간주되어야 하며, 본 발명은 개시된 실시예로 제한되지 않는다. 당업자는 첨부된 청구범위에 정의된 범위 내에서 많은 수정예, 변경예 및 변형예가 가능하다는 것을 이해한다.

추가로, 개시된 실시예에 대한 변형예는 청구된 발명을 실시하고, 도면, 발명의 상세한 설명 및 첨부된 청구범위의 연구를 형성함에 있어 당업자에 의해 이해되고 수행될 수 있는 것으로 이해해야 한다. 청구범위에서, 용어 "포함하는"은 다른 요소 또는 단계를 배제하지 않으며, 부정 관사 "a"또는 "an"은 복수형을 배제하지 않는다. 특정 구성이 서로 다른 종속항에 언급되어 있다는 단순한 사실은 이러한 구성들의 조합이 이점으로 사용될 수 없음을 나타내는 것은 아니다. 청구항의 임의의 참조 기호는 청구항의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

Claims (14)

1. 모터, 출력 샤프트(20) 및 상기 모터에 연결된 구동 액슬과 상기 출력 샤프트 사이에 배치된 기어 유닛(30)을 포함하는 휴대용 전동 공구(10)에 있어서,
   상기 기어 유닛은:
   상기 모터에 의해 구동되도록 구성된 기어 입력 샤프트(4),
   상기 출력 샤프트와 결합되도록 구성된 기어 출력 샤프트(1),
   및 기어 유닛 하위조립체를 포함하되, 상기 기어 유닛 하위조립체는:
   입력 샤프트(4) 상에 배치되고 함께 회전하는 태양 기어(4a),
   내부 링 기어(2a)를 포함하는 외부 요소(2),
   상기 태양 기어와 상기 내부 링 기어 사이에 배열되고 그 사이에서 회전 운동을 전달하도록 구성된 적어도 하나의 유성 기어(3), 및
   유성 캐리어(7)를 포함하되,
   상기 기어 유닛은 제1 프리휠 클러치 메커니즘(5) 및 제2 프리휠 클러치 메커니즘(6)을 추가로 포함하고, 이들 각각은 토크를 기어 출력 샤프트에 선택적으로 전달하도록 구성되며,
   제1 프리휠 클러치 메커니즘(5)은 상기 기어 유닛 하위조립체를 바이패싱 하는 기어 출력 샤프트와 기어 입력 샤프트 사이에 제1 토크 전달 연결을 선택적으로 제공하도록 배열되고,
   제2 프리휠 클러치 메커니즘(6)은 상기 기어 유닛 하위조립체에 의해 기어 출력 샤프트와 구동 샤프트 사이에 제2 토크 전달 연결을 선택적으로 제공하도록 배열되며,
   제1 프리휠 클러치 메커니즘은 구동 샤프트가 제1 방향으로 회전할 때 제1 토크 전달 연결을 제공하고, 제2 프리휠 클러치 메커니즘은 구동 샤프트가 제2 반대 방향으로 회전할 때 제2 토크 전달 연결을 제공하는 것을 특징으로 하는 전동 공구.
2. 제1항에 있어서, 제1 프리휠 메커니즘(5)은 입력 샤프트(4) 및 기어 출력 샤프트(1)와 결합하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 전동 공구.
3. 제2항에 있어서, 제1 프리휠 메커니즘(5)은 원통형 외부 표면(5a)를 갖는 원통형 요소(5) 및 원통형 요소(5)와 결합하도록 배열된 적어도 하나의 운동 전달 요소(5b)를 포함하며, 상기 외부 원통형 표면은 출력 샤프트(1)에 끼워맞춤 되고, 상기 적어도 하나의 운동 전달 요소는 입력 샤프트(4)의 외부 표면과 결합되도록 추가로 구성되는 것을 특징으로 하는 전동 공구.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 프리휠 메커니즘(6)은 외부 요소(2)와 출력 샤프트(1)와 결합되도록 배열되는 것을 특징으로 하는 전동 공구.
5. 제4항에 있어서, 제2 프리휠 메커니즘(6)은 원통형 외부 표면(6a)를 갖는 원통형 요소(6) 및 원통형 요소(6)와 결합하도록 배열된 적어도 하나의 운동 전달 요소(6b)를 포함하며, 상기 외부 원통형 표면(6a)은 출력 요소(2)에 끼워맞춤 되고, 상기 적어도 하나의 운동 전달 요소는 출력 샤프트(1)의 외부 표면과 결합되도록 추가로 구성되는 것을 특징으로 하는 전동 공구.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 및 제2 프리휠 메커니즘 중 적어도 하나는 롤러 클러치인 것을 특징으로 하는 전동 공구.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 모터 및 기어 유닛을 둘러싸는 하우징을 추가로 포함하고, 유성 캐리어(7)의 회전 운동이 하우징에 대해 고정되는 것을 특징으로 하는 전동 공구.
8. 제7항에 있어서, 상기 기어 유닛은 외부 슬리브를 추가로 포함하고, 상기 외부 슬리브는 상기 하우징에 고정 배열되고, 유성 캐리어(7)의 회전 운동이 상기 외부 슬리브에 대해 고정되는 것을 특징으로 하는 전동 공구.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 및 제2 프리휠 메커니즘은 동축 배열되는 것을 특징으로 하는 전동 공구.
10. 제9항에 있어서, 제1 및 제2 프리휠은 적어도 부분적인 축방향 중첩이 제1 및 제2 프리휠 사이에서 일어나도록 배열되는 것을 특징으로 하는 전동 공구.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 구동 샤프트가 제1 방향으로 회전할 때 기어 유닛의 기어비는 1:1 인 것을 특징으로 하는 전동 공구.
12. 제11항에 있어서, 구동 샤프트가 제2 반대 방향으로 회전할 때 기어비는 1:1과 다른 것을 특징으로 하는 전동 공구.
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 전동 공구는 스크루 드라이버, 너트 러너, 드릴 및 그라인더를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 전동 공구.
14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 전동 공구에 사용하도록 구성된 기어 유닛에 있어서, 상기 기어 유닛은:
    상기 모터에 의해 구동되도록 구성된 기어 입력 샤프트(4),
    상기 출력 샤프트와 결합되도록 구성된 기어 출력 샤프트(1),
    및 기어 유닛 하위조립체를 포함하되, 상기 기어 유닛 하위조립체는:
    입력 샤프트(4) 상에 배치되고 함께 회전하는 태양 기어(4a),
    내부 링 기어(2a)를 포함하는 외부 요소(2),
    상기 태양 기어와 상기 내부 링 기어 사이에 배열되고 그 사이에서 회전 운동을 전달하도록 구성된 적어도 하나의 유성 기어(3), 및
    유성 캐리어(7)를 포함하되,
    상기 기어 유닛은 제1 프리휠 클러치 메커니즘(5) 및 제2 프리휠 클러치 메커니즘(6)을 추가로 포함하고, 이들 각각은 토크를 기어 출력 샤프트에 선택적으로 전달하도록 구성되며,
    제1 프리휠 클러치 메커니즘(5)은 상기 기어 유닛 하위조립체를 바이패싱 하는 기어 출력 샤프트와 기어 입력 샤프트 사이에 제1 토크 전달 연결을 선택적으로 제공하도록 배열되고,
    제2 프리휠 클러치 메커니즘(6)은 상기 기어 유닛 하위조립체에 의해 기어 출력 샤프트와 구동 샤프트 사이에 제2 토크 전달 연결을 선택적으로 제공하도록 배열되며,
    제1 프리휠 클러치 메커니즘은 구동 샤프트가 제1 방향으로 회전할 때 제1 토크 전달 연결을 제공하고, 제2 프리휠 클러치 메커니즘은 구동 샤프트가 제2 반대 방향으로 회전할 때 제2 토크 전달 연결을 제공하는 것을 특징으로 하는 기어 유닛.

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