WO2013151402A1 - 변속 장치 - Google Patents

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WO2013151402A1
WO2013151402A1 PCT/KR2013/002914 KR2013002914W WO2013151402A1 WO 2013151402 A1 WO2013151402 A1 WO 2013151402A1 KR 2013002914 W KR2013002914 W KR 2013002914W WO 2013151402 A1 WO2013151402 A1 WO 2013151402A1
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WO
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gear
brake member
planetary
cage
rotation
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PCT/KR2013/002914
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English (en)
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방영봉
황순욱
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재단법인 차세대융합기술연구원
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    • F16H2200/2038—Transmissions using gears with orbital motion characterised by the engaging friction means not of the freewheel type, e.g. friction clutches or brakes with three engaging means

Definitions

  • the present invention relates to a transmission device, and more particularly, to a transmission device capable of multi-stage rotation with a simple structure including a composite planetary gear set and capable of stopping and opening operations.
  • the electric motor has a speed-torque characteristic suitable for driving a car than an engine, but also has low energy efficiency in the low speed and high speed areas, and thus, when the electric motor is operated in these areas, the efficiency decreases and heat generation becomes severe. Therefore, if the mechanical transmission can be used with the motor can increase the performance of the electric vehicle.
  • the currently developed transmissions have a complicated structure, a large size, and an axially long structure, so that it is difficult to mount them together with a motor in an automobile wheel, and in the case of an automobile wheel, high torque low speed rotation and low torque high speed rotation
  • the brake operation since the brake operation, the opening operation to allow a person to push the car, there is a problem that it is difficult to install in the wheel using the existing transmission.
  • an object of the present invention is to provide a transmission apparatus capable of performing multi-stage rotation, stop operation, and opening operation through the composite planetary gear set.
  • a speed change device for performing a shift between the input end and the output end, the sun gear connected to the input end;
  • a second planetary gear which forms a concentric circle with each of the first planetary gears and is integrally formed with the first planetary gear;
  • a brake member wherein the brake member can act on the second ring gear and the cage to control the rotation of the second ring gear and the rotation of the cage.
  • the brake member comprises a first brake member acting on the second ring gear, and a second brake member acting on the cage.
  • the brake member is composed of a friction brake.
  • a sixth gear is formed around the outer circumferential surface of the second ring gear
  • a seventh gear is formed around the outer circumferential surface of the cage
  • the brake member is the sixth gear.
  • a first brake member having an eighth tooth that engages with the gear
  • a second brake member having a ninth tooth that engages with the seventh gear.
  • the first and second brake members respectively, the rack gear having an eighth and ninth gears, a spring for applying elasticity to the rack gear, the displacement of the rack gear And a guide rail for guiding, a rotation axis acting as a rotation center of the guide rail, and a power transmission unit for displacing the rack gear.
  • a speed shift device wherein the speed change device performs shifting between an input end and an output end, the first sun gear; A second sun gear having a rotation axis overlapping with the rotation axis of the first sun gear; Several first planetary gears circumscribed and engaged with the first sun gear; A second planetary gear that forms a concentric circle with each of the first planetary gears and is integrally formed with the first planetary gear and is externally engaged with the second sun gear; A first ring gear externally engaged with the first planetary gear; A second ring gear that is externally engaged with the second planetary gear; A cage supporting the rotation axis of the first planetary gear and the second planetary gear so that the first planetary gear and the second planetary gear can revolve around the first and second sun gears; And a brake member;
  • the rotation axis of the first sun gear, the rotation axis of the second sun gear, the rotation axis of the first ring gear, the rotation axis of the second ring gear, and the rotation axis of the cage are the input ends, and the other is the output end.
  • the brake member may perform gear shifting, gear stop, and gear opening as the brake member acts on at least one of three rotation shafts except for the input stage and the output stage.
  • the brake member includes a first brake member, a second brake member, and a third brake member,
  • the first brake member, the second brake member, and the third brake member may each include a rotation shaft of the first sun gear, a rotation shaft of the second sun gear, a rotation shaft of the first ring gear, a rotation shaft of the second ring gear, And a rotation axis of the cage.
  • gear shifting is performed as any one of the first to third brake members operates on any one of the rotary shafts, and two or more of the first to third brake members are A gear stop is performed in accordance with any one of the rotary shafts, and gear opening is performed as the first to third brake members do not operate with respect to the rotary shaft.
  • At least one of the first to third brake members is composed of a friction brake.
  • a first gear is formed on each of the remaining rotation shafts except for the input end and the output end, and at least one of the first to third brake members is engaged with the first gear. It is composed of a gear brake including a second gear that can stop the rotation of the rotary shaft.
  • the gear brake a gear gear having a gear portion, a spring for applying elasticity to the rack gear, a guide rail for guiding displacement of the rack gear, the center of rotation of the guide rail It includes a rotation axis that acts as, and a power transmission for displacing the rack gear.
  • the first sun gear and the input end are connected, and any one of the second sun gear, the first ring gear, and the second ring gear is connected to the output end;
  • the second sun gear and the input end are connected, and the second sun gear or the cage is connected to the output end;
  • the first ring gear is connected to an input end and the first sun gear or the cage is connected to an output end;
  • the second ring gear is connected to an input terminal and the first sun gear is connected to an output terminal;
  • the rotation direction of the output end is not changed even when the brake member acts on any of the remaining three rotation shafts.
  • the first sun gear and the input terminal are connected and the second ring gear and the output terminal are connected;
  • the first ring gear and the input terminal are connected and the cage and the output terminal are connected;
  • the second ring gear and the input terminal are connected, and the first sun gear and the output terminal are connected;
  • the cage and the input terminal are connected, and the first ring gear and the output terminal are connected.
  • the speed change device a speed change device for performing a shift between the input end and the output end
  • the transmission device includes N gear stages (N> 2) having a multi-stage structure; Cage; And a brake member; Including;
  • Each gear stage may include at least one of a sun gear and a ring gear; And several planetary gears; Including;
  • the sun gear is disposed at the orbital center of the several planetary gears, the several planetary gears are externally meshed with the solar gear, the ring gears are internally meshed with the several planetary gears, and the plurality of planetary gears are meshed.
  • Each sun gear included in the gear stage is arranged on the coaxial line, each having a separate axis, each planetary gear included in the plurality of gear stages are arranged to correspond to each other by gear stages and a plurality of gears corresponding to each gear stage Planetary gears are formed concentrically and integrally,
  • the cage supports a rotating shaft of the planetary gear so that the planetary gear revolves around the sun gear
  • the brake member includes a rotating shaft of the sun gear, a rotating shaft of the ring gear, and a rotating shaft of the cage.
  • the diameters of the several sun gears are configured differently from each other.
  • the several sun gears are arranged such that diameters increase or decrease in sequence in the arrangement direction of the plurality of gear stages.
  • the brake member is composed of a friction brake.
  • the brake member is composed of a gear brake having a first gear, and at least a portion of the shaft of the cage, the ring gear, and the sun gear, the first gear provided in the gear brake.
  • a second gear is formed to engage the portion.
  • the brake member may include a rack gear having a gear, a spring that elastically applies the rack gear, a guide rail for guiding displacement of the rack gear, a rotation shaft acting as a rotation center of the guide rail, And a power transmission for displacing the rack gear.
  • the brake member is composed of a variable brake member capable of acting on each gear stage by displacing in the direction in which the plurality of gear stages are arranged.
  • the gear stop is performed as the brake member is applied to two or more of the rotary shafts other than the input stage and the output stage,
  • Gear opening is performed as the brake member does not operate with respect to the rotational axis.
  • the speed of the output shaft changes.
  • the complex planetary gear set includes a complex and simple structure, and has a structure that does not have an axially extending structure and is reduced in size, thereby improving space utilization.
  • the multi-speed planetary gear set may perform a multi-speed rotation, a stop operation, and an opening operation.
  • FIG. 1 is a view showing a transmission device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing a transmission apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a view showing a transmission apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a view showing a transmission apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view showing a transmission device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view showing a transmission device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is an exploded view of the transmission device according to FIGS. 4 to 6.
  • FIG. 8 is a view showing the operation of the transmission apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a view showing the operation of the transmission apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a view showing a transmission apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a view showing a transmission device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a view showing the operation of the transmission apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a view showing the structure of the gear stage of the transmission according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a view showing a transmission device according to an embodiment of the present invention.
  • 15 is a view showing a transmission device according to an embodiment of the present invention.
  • 16 is a view showing the structure of a transmission gear stage according to an embodiment of the present invention.
  • 17 is a view showing a transmission device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a view showing a transmission device according to an embodiment of the present invention.
  • 19 is a view showing a transmission device according to an embodiment of the present invention.
  • a transmission device comprising: a sun gear connected to an input end as a shift device configured to perform a shift between an input end and an output end; A plurality of first planetary gears externally engaged with the sun gear; A second planetary gear which forms a concentric circle with each of the first planetary gears and is integrally formed with the first planetary gear; A first ring gear meshed with the first planetary gear and engaged with the output shaft; A second ring gear that is externally engaged with the second planetary gear; A cage supporting the rotating shafts of the first planetary gear and the second planetary gear so that the first planetary gear and the second planetary gear revolve around the sun gear; And a brake member, wherein the brake member can act on the second ring gear and the cage to control the rotation of the second ring gear and the rotation of the cage.
  • spatially relative terms “bottom”, “top”, “side”, etc., as shown in the figures, may be used to easily describe the correlation of one member or component with another member or component.
  • Spatially relative terms should be understood to include terms in which the members are shown in different directions in use or operation in addition to the directions shown in the figures, for example, when the members shown in the figures are reversed.
  • a member described as “top” of may be placed at the “bottom” of another member, thus, the exemplary term “top” may include both the up and down directions.
  • spatially relative terms may be interpreted according to orientation.
  • FIG. 1 to 3 is a view showing a speed change device according to an embodiment of the present invention
  • Figures 4 to 6 is a view showing a speed change device according to another embodiment
  • Figure 7 is a shift according to Figures 4 to 6 An exploded view of the device.
  • the speed change apparatus 1 includes a sun gear 110 connected to an input terminal, and several first planetary gears 120 engaged with the sun gear 110. And a second planetary gear 130 which is formed concentrically with each of the first planetary gears 120 and integrally formed with the first planetary gear 120, and is engaged with the first planetary gear 120 and outputs.
  • the first ring gear 140 connected to the second ring gear 150, the second ring gear 150 engaged with the second planetary gear 130, the first planetary gear 120, and the second planetary gear 130. It supports a rotating shaft, and comprises a cage 160, which is concentric with the output side of the first and second planetary gear 130, and a brake member.
  • the sun gear 110 is connected to the input terminal 10, for example, the rotational axis of the input shaft and the rotating shaft of the sun gear 110 may be connected to receive power from the input terminal (10).
  • the input terminal 10 may be, for example, a predetermined driving motor, but is not limited thereto.
  • the sun gear 110 may rotate by power received from the input terminal 10.
  • the main frame 20 may be provided for mounting and support of the transmission device (1).
  • the first planetary gear 120 is configured to be engaged with the sun gear 110 and to rotate in accordance with the rotation of the sun gear 110. 1 to 7, the number of the first planetary gears 120 is illustrated as three, but the present invention is not limited thereto and several first planetary gears 120 engaged with the sun gear 110 may be disposed.
  • the sun gear 110 is disposed between the plurality of first planetary gears 120, so that the sun gear 110 is inscribed with the plurality of first planetary gears 120, and the first planetary gear 120 is a sun gear. Circumscribe and engage about 110. Therefore, the rotational force may be applied to the entire first planetary gear 120 by being disposed in a space between the plurality of first planetary gears 120.
  • the second planetary gear 130 shares a rotation axis with each of the first planetary gears 120 and forms concentric circles. That is, the second planetary gear 130 is disposed in the same number as the first planetary gear 120, and each of the first planetary gear 120 and the second planetary gear 130 shares a rotation axis and forms concentric circles.
  • the first planetary gear 120 and the second planetary gear 130 rotate together, and the angular velocity is configured to be the same.
  • first and second planetary gears 120 and 130 are illustrated to be integrally in contact with each other, but the present invention is not limited thereto.
  • the first and second planetary gears 120 and 130 may be formed of the first and second planetary gears 120 and 130. 2 may be spaced apart from each other by a connecting means such as a predetermined shaft (not shown) connecting the central axis of the planetary gears (120, 130), but is not limited thereto.
  • the first ring gear 140 meshes with the first planetary gear 120 and is configured to rotate according to the rotation of the first planetary gear 120. That is, the plurality of first planetary gears 120 are externally engaged with the sun gear 110, and the first ring gear 140 is externally engaged with the plurality of first planetary gears 120. In this case, the rotation center axis of the first ring gear 140 may overlap with the rotation center axis of the sun gear 110.
  • the first ring gear 140 is connected to an output end (not shown), and the output end (not shown) is connected to, for example, a rotating shaft of the first ring gear 140 extending from the first ring gear 140, Or it may be connected via a belt connected to the outer circumference of the first ring gear 140, but is not limited thereto.
  • the second ring gear 150 circumscribes and engages with the second planetary gear 130.
  • the second ring gear 150 may rotate according to the rotation of the second planetary gear 130, and the rotation axis of the second ring gear 150 may also rotate the sun gear 110 and the first ring gear 140. It can be configured to overlap with the axis.
  • the radius of the first planetary gear 120 is larger than that of the second planetary gear 130. Therefore, the diameter of the first ring gear 140 circumscribed with the first planetary gear 120 may be larger than the diameter of the second ring gear 140 circumscribed with the second planetary gear 130.
  • the cage 160 is provided at the lower end of the second planetary gear 130 and supports the rotating shafts of the first and second planetary gears 120 and 130.
  • the first and second planetary gears 120 and 130 may include a predetermined shaft that forms a rotating shaft, and the cage 160 may have a hole into which the shaft is inserted to rotate.
  • the upper cage 170 for supporting the rotating shaft of the first and second planetary gear on the first planetary gear may be provided.
  • the cage 160 has a rotating shaft, and the rotating shafts of the sun gear 110, the first ring gear 140, and the second ring gear 150 and the rotating shafts of the cage 160 may overlap each other.
  • the cage 160 has a rotating shaft overlapping with the rotating shaft of the sun gear 110 and is configured to support the rotating shafts of the first and second planetary gears 120 and 130, thereby providing the first and second planetary gears 120 and 130.
  • C) rotates around the sun gear 110 as the shaft acting as the rotation axis of the first and second planetary gears 120 and 130 rotates around the sun gear 110. It can rotate in the same direction as the revolution direction.
  • a brake member capable of stopping the rotation of the second ring gear 150 and the cage 160, respectively. That is, the brake member stops the rotation of the second ring gear and the cage 160 all, or stops the rotation of any one of the second ring gear 150 and the cage 160, or the second ring gear ( The second ring gear 150 and the cage 160 may both rotate by not stopping the rotation of both the 150 and the cage 160. Accordingly, the brake member may include a first brake member acting on the second ring gear 150 and a second brake member acting on the cage.
  • the brake member may be, for example, a predetermined friction brake 200 as shown in FIGS.
  • the friction brake 200 may stop the rotation of the second ring gear 150 and the cage 160 by applying friction to the second ring gear 150 and the cage 160, respectively.
  • the brake member may be, for example, toothed brakes 300a and 300b having predetermined teeth T8 and T9, as shown in FIGS. 4 to 7.
  • the first gear T1 of the sun gear 110 and the first gear T2 of the first planetary gear 120 mesh with each other, and the first planetary gear 120 is formed of a first gear. It can be seen that the second gear T2 of the first planetary gear 120 meshes with the fourth gear T4 of the first ring gear 140 by being external to the first ring gear 140.
  • the third gear T3 formed on the second planetary gear 130 meshes with the fifth gear T5 formed on the inner circumferential surface of the second ring gear 150, and the second ring gear 150 and the cage It can be seen that the sixth and seventh gear parts T6 and T7 are formed on the outer circumferential surface of the 160, respectively.
  • sixth and seventh gear parts T6 and T7 are formed around the cage 160 and the second ring gear 150, respectively, and are engaged with the sixth and seventh gear parts T6 and T7.
  • Gear brakes 300a and 300b having eighth and ninth gears T8 and T9 are provided, and the second ring gear 150 is engaged with the gears T6, T7, T8 and T9. And rotation of the cage 160 may be stopped.
  • the gear brakes 300a and 300b are elastic to the rack gear 310 and the rack gear 310 having the eighth and ninth gears T8 and T9. Displace the spring 320, the guide rail 330 for guiding the displacement of the rack gear 310, the rotation axis 340 acting as a rotation center of the guide rail 330, and the rack gear 310 It may be configured to include a power transmission unit 350.
  • the gear brakes 300a and 300b may include a first gear brake 300a acting on the second ring gear 150 and a second gear brake 300b acting on the cage 160.
  • the first gear brake 300a and the second gear brake 300b may have the same structure.
  • the power transmission unit 350 displaces the rack gear 310 and thus the gear T8 of the rack gear 310. Is engaged with the sixth gear T6 formed around the second ring gear 150. At this time, the engagement between the rack gear 310 and the gear brake 300a may be performed as the rack gear 310 is guided along the guide rail 330.
  • the gear brakes 300a and 300b include a spring 320 member that applies elasticity to the rack gear 310 and thus includes a gear formed on the rack gear 310 and a fifth ring gear 150 formed on the second ring gear 150.
  • first stage gear state illustrates a state in which the brake member acts on the second ring gear 150 and the brake member does not act on the cage 160. This state is hereinafter referred to as "first stage gear state”.
  • the rotation of the second ring gear 150 stops as the brake member acts on the second ring gear 150, and the brake member does not act on the cage 160.
  • rotation of the first and second planetary gear 130 is not interrupted, so that the first and second planetary gears 130 rotate and rotate at the same time.
  • the first ring gear 140 engaged with the first planetary gear 120 also rotates by the rotation of the first planetary gear 120.
  • the rotation direction of the first ring gear 140 is opposite to the rotation direction of the first planetary gear 120 and has the same direction as the rotation direction of the sun gear 110.
  • the rotation direction Q of the first planetary gear 120 is opposite to the rotation direction P of the sun gear 110.
  • the first and second planetary gears 120 and 130 may revolve as the cage 160 is rotated without the brake member 300a acting on the cage 160.
  • the first ring gear 140 connected to the output terminal also rotates, and the rotation direction R of the first ring gear 140 is the same as the rotation direction P of the sun gear 110.
  • second stage gear state illustrates a state in which the brake member acts on the cage 160 and the brake member does not act on the second ring gear 150. This state is hereinafter referred to as "second stage gear state”.
  • the rotation of the cage 160 stops, so that the positions of the rotation shafts of the first and second planetary gears 130 are fixed, and thus the first and second planetary gears 130 are fixed. Stops.
  • the brake member does not act on the second ring gear 150 to rotate, the second ring gear 150 is rotated by the rotation of the second planetary gear 130.
  • the first ring gear 140 engaged with the first planetary gear 120 also rotates.
  • the rotation direction of the first ring gear 140 is opposite to the rotation direction of the first planetary gear 120 and has the same direction as the rotation direction of the sun gear 110.
  • the rotation direction Q of the first planetary gear 120 is opposite to the rotation direction P of the sun gear 110.
  • the brake member 300b acts on the cage 160 to stop the rotation of the cage 160
  • the idle of the first and second planetary gears 120 and 130 also stops.
  • the first ring gear 140 connected to the output terminal also rotates, and the rotation direction R of the first ring gear 140 is the same as the rotation direction P of the sun gear 110.
  • the first ring gear 140 has a first angular velocity as the first planetary gear 120 engaged with the first ring gear 140 simultaneously rotates and revolves.
  • the angular velocity of the first ring gear 140 has a second angular velocity. In this case, as the first angular velocity and the second angular velocity are different from each other, the output stage may be shifted.
  • the shift may be performed by applying the brake member to the second ring gear or the cage, but the output direction of the output stage may be maintained in the shifting process.
  • the output stage can be freely rotated by opening all the brakes, so that when applied to a vehicle, a vehicle can be pushed by a person (a gear neutral state in an engine vehicle).
  • the gears may be switched to the stopped state.
  • the transmission device has a simple and simple structure, as well as a complex planetary gear set, and can be reduced in size without an axially extending structure, thereby improving space utilization.
  • the multi-speed planetary gear set may perform a multi-speed rotation, a stop operation, and an opening operation.
  • FIG. 10 is a view showing a transmission device according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 11 is a view showing a rotation that the transmission device according to FIG. 10
  • FIG. 12 is a view that the transmission device according to FIG. A diagram showing an example of a gear state.
  • a transmission device may include a first sun gear 410, a first planetary gear 420, a second planetary gear 430, a first ring gear 440, The second ring gear 450, the cage 460, and the second sun gear 480 may be included.
  • the first sun gear 410 may be connected to a member, such as a predetermined shaft (not shown) that acts as the center of rotation, for example.
  • the first sun gear 410 may receive power from the outside through the shaft (not shown) or may apply power to the outside.
  • the second sun gear 480 may also be connected to a member, such as a predetermined shaft (not shown) that acts as the center of rotation, for example, and may receive power from or externally through the shaft (not shown). Can be.
  • a member such as a predetermined shaft (not shown) that acts as the center of rotation, for example, and may receive power from or externally through the shaft (not shown).
  • the rotation axis of the second sun gear 480 and the rotation axis of the first sun gear 410 are formed independently of each other, and are disposed to overlap each other.
  • a hollow may be formed in a rotation shaft of the second sun gear 410, and a dual rotation shaft structure may be provided in which the rotation shaft of the first sun gear 410 is disposed.
  • the diameter of the first sun gear 410 is smaller than the diameter of the second sun gear 480, so that the first sun gear 410 is the first sun. It is composed of a gear, the second sun gear 480 may be composed of a second sun gear.
  • the first planetary gear 420 is externally engaged with the first sun gear 410. 10 and 11, the number of the first planetary gears 420 is illustrated as three, but the present invention is not limited thereto, and several first planetary gears 420 engaged with the first sun gear 410 may be disposed.
  • the second planetary gear 430 is externally engaged with the second sun gear 480.
  • Each second planetary gear 430 shares a rotation axis with the first planetary gear 420 and forms a concentric circle. That is, the second planetary gear 430 is disposed in the same number as the first planetary gear 420, and each of the first planetary gear 420 and the second planetary gear 430 shares a rotating shaft and forms concentric circles.
  • the first planetary gear 420 and the second planetary gear 430 rotate together, and the angular velocity is configured to be the same.
  • the first and second planetary gears 420 and 430 may be formed of the first and second planetary gears 420 and 430.
  • the second planetary gears 420 and 430 may be connected to be spaced apart from each other by a connecting means such as a predetermined shaft (not shown) for connecting the central axis, but is not limited thereto.
  • the diameter of the first planetary gear 420 may be larger than the diameter of the second planetary gear 430.
  • the first ring gear 440 is externally engaged with the first planetary gear 420. That is, the first planetary gear 420 circumscribes the first sun gear 410, and the first ring gear 440 circumscribes the first planetary gear 420. In this case, the rotation center axes of the first ring gear 440 may overlap with the rotation center axes of the first sun gear 410.
  • the second ring gear 450 is externally engaged with the second planetary gear 430. That is, the second planetary gear 430 circumscribes the second sun gear 480, and the second ring gear 450 circumscribes the second planetary gear 430. Rotating axes of the second ring gear 450 may also be configured to overlap each other with the rotating axes of the first and second sun gears 410 and 480 and the first ring gear 440.
  • the diameter of the first ring gear 440 may be configured larger than the diameter of the second ring gear 450.
  • the cage 160 supports the rotating shafts of the first and second planetary gears 420 and 430.
  • the first and second planetary gears 420 and 430 have a predetermined shaft (not shown) that forms a rotating shaft
  • the cage 460 is a hole (not shown) in which the shaft (not shown) can be inserted and rotated. C) can be formed.
  • the cage 460 has a rotating shaft, and the rotating shaft of the first sun gear 110, the first ring gear 440, the second ring gear 450, and the second sun gear 480 and the cage 460 of the cage 460.
  • the rotating axes may be configured to overlap each other.
  • the cage 160 has a rotation axis overlapping with the rotation axes of the first and second sun gears 410 and 480, and is configured to support the rotation axes of the first and second planetary gears 420 and 430, so that the first and second 2
  • the rotation axes of the first and second planetary gears 420 and 430 are first and second sun gears.
  • the cage 460 may rotate in the same direction as the revolving direction as the revolves about 410 and 480.
  • the first and second planetary gears 420 and 430 may revolve around the first and second sun gears 410 and 480.
  • a brake member may be provided to control and stop the rotation of each member, and specific embodiments of the brake member (not shown) may be provided.
  • the brake member may be a predetermined friction brake or a gear brake. That is, the brake member (not shown) includes, for example, a rack gear having a toothed portion, a spring for applying elasticity to the rack gear, a guide rail for guiding displacement of the rack gear, a rotation axis acting as a rotation center of the guide rail, and the It may be configured as a gear brake including a power transmission unit for displacing the rack gear, but is not limited thereto.
  • the rotation speed of the first sun gear 410 which is a small sun gear
  • the rotation speed of the second sun gear 480 which is a large sun gear
  • ⁇ LS the first being a large planetary gear
  • the rotational speed of the planetary gear 420 and the second planetary gear 430 as the small planetary gear is ⁇ P
  • the rotational speed of the first ring gear 440 as the large ring gear is ⁇ LR and the second ring gear as the small ring gear.
  • D SS is the diameter of the first sun gear 410, which is a small sun gear
  • D LS is the diameter of the second sun gear 480, which is a large sun gear
  • D LP is the first planetary gear 420, which is a large planetary gear.
  • D SP is the diameter of the second planetary gear 430 which is a small planetary gear
  • D LR is the diameter of the first ring gear 440 which is a large ring gear
  • D SR is the second ring gear 450).
  • the rotational speed ⁇ P of the first and second planetary gears 420 and 430 among the six rotational speeds shown in FIG. 11 is not a value appearing outside the transmission but is determined by other values. 2) has five rotary shafts that can be connected and controlled externally.
  • the transmission device is a rotation axis of the first sun gear 410, a rotation axis of the second sun gear 480, a rotation axis of the first ring gear 440, the second ring gear 450
  • Five rotating shafts consisting of a rotating shaft of the, and the rotating shaft of the cage 460 can be connected to the outside and controlled.
  • the input shaft and the output shaft are rotated at a constant rate, so that the shift can be performed.
  • Tables 1 to 5 below derive the equations for the reduction ratios between the input and output shafts for all these cases.
  • the diameters D LP and D SP of the first and second planetary gears 420 and 430 are represented by diameters of other gears.
  • 'direction' is indicated by + when the input shaft and the output shaft rotate in the same direction, and-when rotating in the other direction.
  • Table 4 Reduction ratio in case of input ring is first ring gear shaft in compound planetary gear set Input Output Fixed end Reduction ratio Remarks 1st ring gear 2nd sun gear 2nd ring gear - 1st sun gear + Cage - 2nd ring gear 1st sun gear + 2nd sun gear + Cage + 1st sun gear 2nd ring gear - 2nd sun gear - Cage - Cage 2nd sun gear + 1st sun gear + 2nd ring gear -
  • the direction of rotation is important is that if the direction of rotation is not changed even if the input stage and the output stage are fixed and brakes are applied to any of the remaining three rotary shafts to form the fixed stage (for example, the output stage is the second sun gear 480 in Table 1). Or in the case of the second ring gear 450) it can be used as a three-speed transmission.
  • FIG. 12 shows a case where the first sun gear 410, which is a small sun gear, is used as the input end, and the first ring gear 440, which is a large ring gear, is used as the output end.
  • the rotation direction is changed (for example, when the output stage is a cage in Table 1), it can be actively used.
  • the reverse direction can be reversed by changing the direction of rotation (in this case, the forward speed is shifted by two speeds).
  • Table 6 shows examples of various combinations of pitch circle diameters that can form the composite planetary gear set included in the transmission apparatus according to the embodiment.
  • Table 7 is a result of calculating the reduction ratio of the gear set of Table 6 using Table 1 to Table 5.
  • the input stage may be the first sun gear 410, the output stage the first ring gear 440, or the input stage may be the second ring gear 450, and the output stage may be the cage 460.
  • the speed change apparatus can be implemented to increase the speed at the same rate as the shift from the medium speed to the high speed.
  • the transmission stage can be used as a speed increaser as in a wind power generator.
  • the transmission device can make the output stage can rotate freely by opening all the rotary shafts other than the input stage and the output stage, so that when applied to a vehicle, a person can push the vehicle (in an engine vehicle) Gear neutral state).
  • the brake can be applied to two or more of the three rotary shafts other than the input stage and the output stage, the brake can be applied to the rotation of the output stage, and thus, when applied to a vehicle, it may serve as a main brake or a side brake.
  • This characteristic has another advantage in implementing break by wire.Because the brake is applied to any two of the three rotation shafts except the input shaft and the output shaft, one of the three brakes is in the middle of driving. If the car breaks down, the other two brakes can stop the car. Therefore, the safety of the brake can be further improved.
  • the composite planetary gear set (the first sun gear 410, the second sun gear 480, the first planetary gear 420, the second planetary gear 430, Although the first ring gear 440 and the second ring gear 450) have been described in the case of a three-speed shift or a forward two-stage reverse one-stage shift, the sun gear and the ring gear among the six elements are described.
  • one of the four elements except for the first and second planetary gears 420 and 430 which must be essential, may serve as a transmission device even when not provided.
  • the missing element is the same as the rotation axis of the element is open, so in fact it can be seen that it has six components and is not braked.
  • the brake can act on two shafts, two speed shifts are performed, and the reduction ratios can be obtained from Tables 1 to 5 as before. That is, the speed change apparatus 1 which concerns on 1st Embodiment mentioned above corresponds to this, and when a 2 speed is sufficient, it is possible to comprise a speed reduction apparatus in this way, if it is desirable to make a device simpler even a little.
  • FIG. 13 is a view showing the structure of the gear stage of the transmission apparatus according to an embodiment of the present invention
  • Figures 14, 15, 17 and 18 is a view showing a transmission device according to an embodiment of the present invention
  • 16 is a view showing the structure of the gear stage of the transmission apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • a speed shift device including a gear shift that performs a shift between an input end and an output end, wherein the speed change device includes N gear stages having a multi-stage structure; Cage; And a brake member;
  • Each gear stage may include at least one of a sun gear and a ring gear; And several planetary gears; Including;
  • the sun gear is disposed at the orbital center of the several planetary gears, the several planetary gears are externally meshed with the solar gears, the ring gears are internally meshed with the several planetary gears,
  • Each of the sun gears included in the plurality of gear stages is arranged on a coaxial line, each having a separate axis,
  • Each of the planetary gears included in the plurality of gear stages is disposed to correspond to each other by gear stages, and a plurality of planetary gears corresponding to each gear stage are integrally formed in a concentric circle, and the cage has the planetary gear centered on the solar gear.
  • the brake member has one of a rotation shaft of the sun gear, a rotation shaft of the ring gear, and a rotation shaft of the cage as an input end, and when the other is an output end, the brake member has one of the other rotation axes except for the input end and the output end. Gear shift is performed as it works.
  • FIG. 13 is a conceptual diagram showing the structure of the gear stage 10T of the transmission apparatus 10000 according to the present invention.
  • the shifting apparatus 10000 according to the present invention may have a plurality of gear stages 10T composed of several gears, and the plurality of gear stages 10T may be stacked in multiple stages.
  • the transmission device 10000 when each one gear stage 10T is regarded as a gear set constituting one row, the transmission device 10000 according to the present invention may be described as a gear set having N rows.
  • each gear stage 10T will first be described with reference to FIG.
  • One gear stage 10T includes several planetary gears 14T, and includes at least one of sun gear 12T and ring gear 16T in addition to planetary gear 14T. Accordingly, one gear stage 10T, which is one of several gear stages 10T, has a configuration in which the sun gear 12T, the planetary gear 14T, and the ring gear 16T are all provided, or the planetary gear ( 14T) and the sun gear 12T may be provided, or the planetary gear 14T and the ring gear 16T may be provided.
  • the sun gear 12T may be connected to a member, such as a predetermined shaft (not shown) that serves as the center of rotation, for example.
  • the sun gear 12T may receive power from the outside through the shaft (not shown) or may apply power to the outside.
  • the planetary gear 14T is externally engaged with the sun gear 12T. Although the number of planetary gears 14T is illustrated in the figure, the present invention is not limited thereto, and several planetary gears 14T meshing with the sun gear 12T may be disposed. At this time, the revolving center axis of the planetary gear 14T overlaps with the revolving center axis of the sun gear 12T.
  • the planetary gear 14T is inscribed in the gear portion formed in the ring gear 16T. That is, the planetary gear 14T may be inscribed with respect to the ring gear 16T, and the sun gear 12T may be engaged between the plurality of planetary gears 14T. At this time, the rotation center axis of the ring gear 16T overlaps with the rotation center axis of the sun gear 12T.
  • FIG. 14, 15, 17 and 18 are views showing the structure of the speed change apparatus 10000 according to the present invention
  • FIG. 16 is a view showing the structure of the gear stage of the speed change apparatus 10000 according to the present invention.
  • a sun gear may be provided in each gear stage. Accordingly, for example, when one of the gear stages shown in FIG. 14 is referred to as the first gear stage 1000 and the other gear stage is referred to as the second gear stage 2000, the first gear stage 1000 may be used.
  • the first sun gear 1100 may be provided in the second gear gear 2000, and the second sun gear 2100 may be provided in the second gear stage 2000.
  • each gear stage may be referred to as a gear set constituting one row. This is applicable to all N gear stages, that is, for each gear set corresponding to N rows, when the transmission according to the present invention is an N-row composite planetary gear set having N gear stages.
  • the first sun gear 1100 and the second sun gear 2100 may each be connected to a member, such as a predetermined shaft (not shown), which acts as a rotation center, respectively, and is driven from the outside through the shaft (not shown 0). Receive, or apply power to the outside, or may receive a braking action by the brake member (4000).
  • the rotation axis of the second sun gear 2100 and the rotation axis of the first sun gear 1100 are formed independently of each other, and are disposed to overlap each other. That is, each sun gear included in the plurality of gear stages is disposed on the coaxial line, each having a separate axis. Accordingly, it is also possible to apply the brake to only one sun gear, and each sun gear may have a different angular velocity.
  • a hollow may be formed in a rotation shaft of the second sun gear 2100, and a dual rotation shaft structure may be provided such that the rotation shaft of the first sun gear 1100 is disposed in the hollow.
  • the diameters of the first sun gear 1100 and the second sun gear 2100 may be different from each other.
  • a planetary gear is provided in each gear stage. Accordingly, for example, the first planetary gear 1200 is provided in the first gear stage 1000, and the second planetary gear 2200 is provided in the second gear stage 2000. This is applicable to all N gear stages, that is, for each gear set corresponding to N rows, when the transmission according to the present invention is an N-row composite planetary gear set having N gear stages.
  • the first planetary gear 1200 is configured to engage with the first sun gear 1100 and to rotate according to the rotation of the first sun gear 1100.
  • the second planetary gear 2200 shares a rotation axis with each of the first planetary gears 1200 and forms concentric circles. That is, the second planetary gear 2200 is disposed in the same number as the first planetary gear 1200, and each of the first planetary gear 1200 and the second planetary gear 2200 shares a rotation axis and forms concentric circles.
  • the first planetary gear 1200 and the second planetary gear 2200 rotate together, and their angular velocities are the same.
  • the relationship between the planetary gear is equally applied to not only the first gear stage 1000 and the second gear stage 2000 but also the N th gear stage.
  • each of the planetary gears included in the plurality of gear stages is disposed to correspond to each other by gear stages, and the plurality of planetary gears corresponding to the gear stages are formed integrally in concentric circles and rotate together with the same angular velocity.
  • first and second planetary gears 2200 are illustrated to be integrally in contact with each other, but the present invention is not limited thereto.
  • the first and second planetary gears 2200 may include the first and second planetary gears 2200. It may be connected to be spaced apart from each other by a connecting means such as a predetermined shaft (not shown) for connecting the central axis of, but is not limited thereto.
  • a ring gear may be provided in each gear stage.
  • the first ring gear 1300 may be provided in the first gear stage 1000
  • the second ring gear 2300 may be provided in the second gear stage 2000.
  • This can be applied to all N gear stages, i.e., each compound planetary gear set corresponding to N rows, when the transmission according to the present invention is an N-row composite planetary gear set having N gear stages.
  • the first ring gear 1300 meshes with the first planetary gear 1200 and is configured to rotate as the first planetary gear 1200 rotates. That is, the plurality of first planetary gears 1200 is in a first shape.
  • the first ring gear 1300 is inscribed with and engaged with both gears 1100, and the first ring gear 1300 is inscribed with and engaged with the plurality of first planetary gears 1200. At this time, the rotation center axis of the first ring gear 1300 overlaps with the rotation center axis of the first sun gear 1100.
  • the second ring gear 2300 is inscribed and engaged with the second planetary gear 2200.
  • the second ring gear 2300 may rotate according to the rotation of the second planetary gear 2200, and the rotation axis of the second ring gear 2300 may also rotate with the rotation axis of the sun gear and the first ring gear 1300. It is configured to overlap.
  • the diameter of the sun gear gradually decreases and the diameter of the planetary gear and the ring gear gradually increases every time the number of rows increases from one row to N rows. That is, the diameters of several sun gears included in the plurality of rows are different from each other, and according to one example, the plurality of sun gears may be arranged to increase or decrease diameters sequentially.
  • gear diameter continues to increase or decrease as the heat changes, it may be easier to design the rotation / fixing mechanism of the sun gear or the ring gear, but this is not essentially required for the operation of the transmission. .
  • the cage 3000 supports the rotation axis of each planetary gear.
  • the first and second planetary gears 120 and 2200 may include predetermined shafts that form a rotating shaft, and the cage 3000 may be provided with a hole through which the shaft is inserted to rotate.
  • the cage 3000 may be provided on the upper and lower portions of the entire gear stage to support the rotating shaft of the planetary gear in the upper and lower portions of the entire planetary gear.
  • the cage 3000 has a rotating shaft, but the rotating shafts of the sun gear, the ring gear, and the cage 3000 overlap each other.
  • the cage 3000 has a rotating shaft overlapping with the rotating shaft of the sun gear and is configured to support the rotating shaft of the planetary gear, so that the shaft acting as the rotating shaft of the planetary gear when the planetary gear revolves around the solar gear is centered on the solar gear. As the cage is rotated, the cage 3000 may rotate in the same direction as the revolution direction.
  • the planetary gear may revolve around the sun gear.
  • a brake member 4000 may be provided to control and stop rotation of each member, and a specific embodiment of the brake member 4000 may be a predetermined friction brake or a gear brake.
  • the brake member 4000 may have a predetermined shape and configuration, and may apply a braking action to the sun gear, the ring gear, and the cage 3000 as described above.
  • a first gear is formed in the gear brake, and at least a portion of the shaft of the cage 3000, the ring gear, and the sun gear is located on the gear brake.
  • a second tooth portion may be formed to engage the first tooth portion.
  • the gear brake includes a rack gear 4100 having a gear, a spring 4200 for applying elasticity to the rack gear 4100, a guide rail 4300 for guiding displacement of the rack gear 4100, and the guide rail 4300. It may be configured to include a rotation axis 4400 that acts as the center of rotation of the power unit 4700 to displace the rack gear 4100.
  • the power unit displaces the rack gear 4100 so that the gear of the rack gear 4100 is rotated around the rotation shaft with the input / output shaft. Engages the formed tooth.
  • the engagement between the rack gear 4100 and the gear brake may be performed as the rack gear 4100 is guided along the guide rail 4300.
  • the gear brake includes a spring 4200 member that applies elasticity to the rack gear 4100, when the gear is formed on the rack gear 4100 and the gear formed on the rotation shaft other than the input / output shaft is engaged, the rotation stops. The resulting impact can be mitigated.
  • the transmission apparatus 10000 according to the present invention includes a plurality of gear stages according to the embodiment, for example, as shown in FIG. 14, the sun gear shaft, the cage 3000, to which the brake member 4000 is applied, And a separate brake member 4000 may be provided for each ring gear, but as illustrated in FIG. 17, the brake member 4000 is provided only for a part of the plurality of sun gear shafts, the cage 3000, and the ring gear.
  • the brake member 4000 may be displaced to selectively apply a brake to the sun gear shaft, the cage 3000, and the ring gear. That is, as the brake member 4000 is displaced, it is possible to apply a brake to other rotation shafts other than the input shaft and the output shaft, and in this case, one or more rotation shafts to which the brake is applied may be applied.
  • the brake in order to allow one gear brake to function properly, the brake may be configured as a variable brake provided with a predetermined position variable device.
  • the rack gear 4100 when the brake member 4000 includes a gear brake including a rack gear 4100, and the gear stages have a stacked structure in multiple directions in the vertical direction, the rack gear 4100. ) May be provided with a predetermined transfer device for displacing the rack gear (4100) so that it can be properly engaged with the member to which the brake is applied.
  • the brake member 4000 including the lag gear 4100 is mounted on the linear motor movable part 4600, so that the brake member 4000 is appropriately stacked along the linear motor fixing part 4500 in the stacking direction of the gear stage. By displacing, proper application of the brake through the rack gear 4100 can be achieved.
  • a gear stage disposed at one end of the transmission apparatus 10000 according to the present invention will be defined as one row, and the gear stages arranged in the nth order will be described as n rows.
  • the sun gear 12T, the ring gear 16T, and the planetary gear 14T are The equation of motion applied to any of the n rows of gear stages 10T is the same as equations (1) and (2).
  • the angular velocity wp of the planetary gear 14T is not a value appearing outside the transmission 10000 and is determined by other values. Therefore, in the case of the transmission 10000, five angular velocities can be controlled by being connected to the outside. It has a rotation axis. When one of the five rotary shafts is used as the input shaft, the other is the output shaft, and the other is fixed to prevent rotation, that is, when one is the fixed shaft to which the brake is applied, the input shaft and the output shaft rotate at a constant rate. As a result, shifting can be performed.
  • the number of cases in this case a combination of the number of hypotheses 5 to select one of the five rotation axes as the input axis, the number of hypotheses 4 to select one of the remaining four rotation axes as the output axis, and the number of hypotheses 3 to select one of the remaining three rotation axes as the fixed axis
  • Each can be operated with a three-speed gearbox.
  • the transmission 10000 according to the present invention includes N gear stages 10T, where N is a natural number greater than 1, and thus the transmission 10000 according to the present invention extends to three or more. It may include a gear stage 10T.
  • N a natural number greater than 1
  • the transmission 10000 according to the present invention extends to three or more. It may include a gear stage 10T.
  • N 3
  • eight angular velocities ( , , , , , , , , , ,
  • Equations (3) to (8) representing the relationship between the two and eight angular velocities, if two of the eight angular velocities are determined.
  • the planetary gear 14T angular velocity ⁇ P is not a value appearing outside the transmission 10000 and is determined by other values. It has three rotation axes.
  • the number of gearboxes that the transmission apparatus 10000 can form may increase.
  • the fixed stage, the input stage, and the output stage each have a sun gear 12T, a ring gear 16T, or a planetary gear 14T cage.
  • the gearboxes are classified into 20 gears according to their position, and the general formulas for the gear ratios for these 20 cases are derived as shown in Table 9.
  • the lowercase letter w represents the angular velocity and the uppercase letter D represents the diameter of the pitch circle. Those used as subscripts mean:
  • s sun gear (12T)
  • r ring gear (16T)
  • c cage
  • n number of rows
  • i mouth
  • the one on the left specifies the sun gear 12T or ring gear 16T
  • the one on the right specifies the number of columns at the input, output and fixed ends.
  • the derivation of the equation can be performed as follows.
  • the sun gear 12T is the fixed end
  • the ring gear 16T is the input end
  • the cage is the output end
  • the reduction ratio is as follows.
  • the reduction ratio is as follows. .
  • the input stage is a cage and the output stage is a ring gear 16T having the smallest diameter.
  • classification numbers 2 and 15 correspond to classification numbers 2 and 15.
  • Three reduction ratios are determined according to which sun gear 12T is fixed in the reduction ratio general formula of Classification No. 2, and any ring gear 16T of the remaining two ring gears 16T except the output stage is determined in the reduction ratio general formula of Classification No. 15.
  • Two reduction ratios are determined according to whether or not to fix them, and a total of five reduction ratios are realized.
  • the speed reduction ratio When used as a transmission of the bicycle, the speed reduction ratio is large at one speed (used when climbing a steep slope), and in other stages, the reduction ratio is reduced at a relatively constant ratio, so that the bicycle transmission can have very desirable performance.
  • the overall transmission ratio of this transmission (1 speed / 5 speed) is 4, which is larger than the overall transmission ratio of the existing 10-speed bicycle transmission, so that a wide range of transmission can be performed.
  • (16)-(19) has no solution except in special cases. Therefore, in the case of the three-speed transmission device 10000, unlike the two-speed transmission device 10000, it is not always possible to set the reduction ratio ratio of each stage as desired (in the case of the two-row composite planetary gear 14 set, two independent variable( , ) And two equations, so it has a solution).
  • a four-column composite planetary gear set 14 has four independent variables (eg , , , ), It has six speed ratio relations, so the solution is generally not available. In this case, too, if only four of the six speed ratio relations are satisfied, the solution can be solved in many cases. Therefore, when the four-speed composite planetary gear set 14 is used as a five-speed transmission, the gear ratio ratio of each stage can be designed as desired. Can be.
  • the shifting apparatus 10000 has a simple, non-complicated structure by including a composite planetary gear set and a brake mechanism, and has a structure that does not have an axially extending structure and can be reduced in size to improve space utilization. have.
  • the multi-stage shifting as described above may be performed.
  • one of the ring gear 16T and the sun gear 12T except for the planetary gear 14T may serve as the transmission device 10000 without any one.
  • the deceleration device is designed to have a desired speed ratio while lowering the gearable stage. Can be configured.
  • the transmission apparatus 10000 can make the output stage freely rotated by opening all of the rotary shafts other than the input stage and the output stage, so that when applied to the vehicle, a person can push the vehicle ( Gear neutrals can be implemented in engine cars.
  • the brake can be applied to two or more of the rotary shafts other than the input stage and the output stage, the brake can be applied to the rotation of the output stage, and thus, it may serve as a main brake or side brake when applied to a vehicle.
  • This characteristic has another advantage in implementing break by wire.Because the brake is applied to any two rotary shafts except the input shaft and the output shaft, the brake is applied to the output stage. If one breaks down while driving, the other two brakes can stop the car.
  • the transmission device of the present invention as a transmission device having one input shaft and one output shaft has been described.
  • another input shaft K is connected to a rotation shaft to which the brake member is applied to the additional input shaft.
  • (K) is open or stopped, it is used as a deceleration device having the reduction ratio according to the above-mentioned formula, and even when this additional input shaft K is rotated and the speed of the output shaft is determined by the rotation speed of the two input shafts K. Since the angular velocity w of the rotating shaft corresponding to the brake shaft in Equation (1) -Equation (8) is not zero but only has a certain value, it is naturally included in the scope of the present patent.
  • the transmission device of the present invention further includes a second input shaft acting on at least one of the remaining rotation shafts other than the rotation shaft acting as the input stage and the output stage, and as the second input shaft rotates at a predetermined angular velocity, The speed can vary.

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Abstract

본 발명에 따른 변속 장치는, 입력단과 출력단 사이의 변속을 수행하는 변속 장치로서, 입력단과 연결되는 태양기어; 상기 태양기어와 외접하며 맞물리는 수개의 제1 유성기어; 상기 각각의 제1 유성기어와 동심원을 형성하며 상기 제1 유성기어와 일체로 형성되는 제2 유성기어; 상기 제1 유성기어와 외접하여 맞물리고 출력축과 연결되는 제1 링기어; 상기 제2 유성기어와 외접하여 맞물리는 제2 링기어; 상기 제1 유성기어, 및 제2 유성기어가 상기 태양기어를 중심으로 공전할 수 있도록 상기 제1 유성기어 및 제2 유성기어의 자전 회전축을 지지하는 케이지; 및 브레이크 부재;를 포함하며, 상기 브레이크 부재는, 상기 제2 링기어 및 상기 케이지에 작용하여 상기 제2 링기어의 자전 및 상기 케이지의 자전을 제어할 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

변속 장치
본 발명은 변속 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 복합유성기어 세트를 포함하여 단순한 구조로 다단 변속 회전이 가능하며, 정지 및 개방 동작을 할 수 있는 변속 장치에 관한 것이다.
최근 전기자동차를 개발함에 있어서 에너지 효율을 높이고 차체 내부 공간을 크게 하며, 모듈화에 따른 생산비 절감효과를 얻기 위해서 인휠 구동시스템의 개발을 추진하고 있다. 전기모터는 엔진보다는 속도-토크 특성이 자동차 구동에 적합하나, 역시 저속과 고속 영역에서는 에너지 효율이 좋지 않으므로 이러한 영역에서 작동시킬 경우 효율이 떨어지고 발열이 심해지는 문제점이 있다. 따라서 기계적 변속 장치가 모터와 함께 사용될 수 있으면 전기자동차의 성능을 높일 수 있다. 그러나 현재 개발되어 있는 변속 장치들은 복잡한 구조를 하고 있고 크기가 크며 축방향으로 긴 구조를 하고 있어서, 자동차 휠 안에 모터와 함께 장착하기가 어렵고, 자동차 휠의 경우는 고토크 저속회전, 저토크 고속회전 뿐 아니라 브레이크 동작, 사람이 차를 밀 수 있도록 하는 개방동작을 해야 하므로 기존의 변속 장치 등을 사용하면 휠 안에 장착하기 힘든 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 복합유성기어 세트를 포함함에 따라서 복잡하지 않고 단순한 구조를 가지며, 아울러 축방향으로 연장되는 구조를 갖지 않고 크기가 축소되어 공간 활용도가 개선될 수 있고, 상기 복합유성기어 세트를 통해 다단 변속 회전, 정지동작, 및 개방동작을 수행할 수 있는 변속 장치를 제공하는 데 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 변속 장치는, 입력단과 출력단 사이의 변속을 수행하는 변속 장치로서, 입력단과 연결되는 태양기어; 상기 태양기어와 맞물리는 수개의 제1 유성기어; 상기 각각의 제1 유성기어와 동심원을 형성하며 상기 제1 유성기어와 일체로 형성되는 제2 유성기어; 상기 제1 유성기어와 맞물리고 출력축과 연결되는 제1 링기어; 상기 제2 유성기어와 맞물리는 제2 링기어; 상기 제1 유성기어, 및 제2 유성기어의 자전 회전축을 지지하며, 상기 제1 및 제2 유성기어의 출력측과 동심으로 구성되는 케이지; 및 브레이크 부재;를 포함하며, 상기 브레이크 부재는, 상기 제2 링기어 및 상기 케이지에 작용하여 상기 제2 링기어의 자전 및 상기 케이지의 자전을 제어할 수 있는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 브레이크 부재는, 상기 제2 링기어에 작용하는 제1 브레이크 부재, 및 상기 케이지에 작용하는 제2 브레이크 부재를 포함한다.
바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 브레이크 부재는, 마찰 브레이크로 구성된다.
바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 링기어의 외주면 둘레에는 제6 치차부가 형성되고, 상기 케이지의 외주면 둘레에는 제7 치차부가 형성되며, 상기 브레이크 부재는, 상기 제6 치차부와 맞물리는 제8 치차부를 갖는 제1 브레이크 부재, 및 상기 제7 치차부와 맞물리는 제9 치차부를 갖는 제2 브레이크 부재를 포함한다.
바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 및 제2 브레이크 부재는, 각각 제8 및 제9 치차부를 갖는 렉 기어, 상기 렉 기어에 탄성을 가하는 스프링, 상기 렉 기어의 변위를 안내하는 가이드 레일, 상기 가이드 레일의 회전 중심으로 작용하는 회전 축, 및 상기 렉 기어를 변위하는 동력 전달부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 변속 장치는, 입력단과 출력단 사이의 변속을 수행하는 변속 장치로서, 제1 태양기어; 상기 제1 태양기어의 회전축과 중첩되는 회전축을 갖는 제2 태양기어; 상기 제1 태양기어에 대해서 외접하며 맞물리는 수개의 제1 유성기어; 상기 각각의 제1 유성기어와 동심원을 형성하며 상기 제1 유성기어와 일체로 형성되고 상기 제2 태양기어에 대해서 외접하여 맞물리는 제2 유성기어; 상기 제1 유성기어에 대해서 외접하여 맞물리는 제1 링기어; 상기 제2 유성기어에 대해서 외접하여 맞물리는 제2 링기어; 상기 제1 유성기어, 및 제2 유성기어가 상기 제1 및 제2 태양기어를 중심으로 공전할 수 있도록 상기 제1 유성기어 및 제2 유성기어의 자전 회전축을 지지하는 케이지; 및 브레이크 부재;를 포함하며,
상기 제1 태양기어의 회전축, 상기 제2 태양기어의 회전축, 상기 제1 링기어의 회전축, 상기 제2 링기어의 회전축, 및 상기 케이지의 회전축 중 어느 하나를 입력단으로 하고, 다른 하나를 출력단으로 하며, 상기 브레이크 부재는 상기 입력단과 상기 출력단을 제외한 3개의 회전축 중 하나 이상에 대해서 작용함에 따라서 기어 변속, 기어 정지 및 기어 개방을 수행하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 브레이크 부재는 제1 브레이크 부재, 제2 브레이크 부재, 및 제3 브레이크 부재를 포함하며,
상기 제1 브레이크 부재, 제2 브레이크 부재, 및 제3 브레이크 부재는 각각 상기 제1 태양기어의 회전축, 상기 제2 태양기어의 회전축, 상기 제1 링기어의 회전축, 상기 제2 링기어의 회전축, 및 상기 케이지의 회전축 중 어느 하나에 작용한다.
바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 내지 제3 브레이크 부재중 어느 하나가 상기 회전축 중 어느 하나에 작동함에 따라서 기어 변속이 수행되며, 상기 제1 내지 제3 브레이크 부재중 둘 이상이 상기 회전축 중 어느 하나에 작동함에 따라서 기어 정지가 수행되고, 상기 제1 내지 제3 브레이크 부재가 상기 회전축에 대해서 작동하지 않음에 따라서 기어 개방이 수행된다.
바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 내지 제3 브레이크 부재 중 적어도 하나는 마찰 브레이크로 구성된다.
바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 입력단과 출력단을 제외한 나머지 회전축들에 각각 제1 치차부가 형성되며, 상기 제1 내지 제3 브레이크 부재 중 적어도 하나는 상기 제1 치차부와 맞물려서 상기 회전축의 회전을 정지할 수 있는 제2 치차부를 포함하는 치차 브레이크로 구성된다.
바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 치차 브레이크는, 치차부를 갖는 렉 기어, 상기 렉 기어에 탄성을 가하는 스프링, 상기 렉 기어의 변위를 안내하는 가이드 레일, 상기 가이드 레일의 회전 중심으로 작용하는 회전 축, 및 상기 렉 기어를 변위하는 동력 전달부를 포함한다.
바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 태양기어와 입력단이 연결되며 상기 제2 태양기어, 상기 제1 링기어, 및 상기 제2 링기어 중 어느 하나가 출력단과 연결되거나; 상기 제2 태양기어와 입력단이 연결되며 상기 제2 태양기어또는 상기 케이지가 출력단과 연결되거나; 상기 제1 링기어와 입력단이 연결되며 상기 제1 태양기어 또는 상기 케이지가 출력단과 연결되거나; 상기 제2 링기어와 입력단이 연결되며 상기 제1 태양기어가 출력단과 연결되거나; 또는 상기 케이지와 입력단이 연결되며 상기 제2 태양기어 또는 상기 제1 링기어가 연결됨에 따라서, 상기 나머지 3개 회전축 중 어느 것에 브레이크 부재가 작용하여도 상기 출력단의 회전방향이 바뀌지 않도록 구성된다.
바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 태양기어와 입력단이 연결되고 상기 제2 링기어와 출력단이 연결되거나; 상기 제1 링기어와 입력단이 연결되고 상기 케이지와 상기 출력단이 연결되거나; 상기 제2 링기어와 입력단이 연결되고 상기 제1 태양기어와 출력단이 연결되거나; 또는, 상기 케이지와 입력단이 연결되고 상기 제1 링기어와 출력단이 연결되게 구성된다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 변속 장치는, 입력단과 출력단 사이의 변속을 수행하는 변속 장치로서,
상기 변속 장치는 다단으로 배열된 구조를 갖는 N 개(N>2)의 기어단; 케이지; 및 브레이크 부재; 를 포함하며,
상기 각각의 기어단은, 태양기어와 링기어 중 적어도 하나; 및 수개의 유성기어; 를 포함하며,
상기 태양기어는 상기 수개의 유성기어의 공전 중심에 배치되고, 상기 수개의 유성기어는 상기 태양기어에 대해서 외접하여 맞물리며, 상기 링기어는 상기 수개의 유성기어에 대해서 내접하여 맞물리고, 상기 복수의 기어단에 포함된 각각의 태양기어는 동축선상에 배치되되 각각 별개의 축을 갖게 구성되며, 복수의 기어단에 포함된 각각의 유성기어는 기어단별로 서로 대응되게 배치되며 기어단별로 대응되는 복수의 유성기어는 동심원을 이루며 일체로 형성되고,
상기 케이지는 상기 유성기어가 상기 태양기어를 중심으로 공전할 수 있도록 상기 유성기어의 자전 회전축을 지지하며, 상기 브레이크 부재는, 상기 태양기어의 회전축, 상기 링기어의 회전축, 및 상기 케이지의 회전축 중 어느 하나를 입력단으로 하고, 다른 하나를 출력단으로 하였을 때 상기 입력단과 상기 출력단을 제외한 다른 회전축 중 하나에 대해서 작용함에 따라서 기어 변속을 수행하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 일 실시예에 의하면, 상기 수개의 태양기어의 직경은 서로 상이하게 구성된다.
바람직한 일 실시예에 의하면, 상기 수개의 태양기어는, 상기 복수의 기어단의 배열 방향으로 직경이 순차적으로 커지거나 작아지도록 배열된다.
바람직한 일 실시예에 의하면, 상기 브레이크 부재는, 마찰 브레이크로 구성된다.
바람직한 일 실시예에 의하면, 상기 브레이크 부재는, 제1 치차부를 갖는 치차 브레이크로 구성되며, 상기 케이지, 상기 링기어, 및 상기 태양기어의 축의 적어도 일 부분에는, 상기 치차 브레이크에 구비된 제1 치차부에 맞물리는 제2 치차부가 형성된다.
바람직한 일 실시예에 의하면, 상기 브레이크 부재는, 치차부를 갖는 렉 기어, 상기 렉 기어에 탄성을 가하는 스프링, 상기 렉 기어의 변위를 안내하는 가이드 레일, 상기 가이드 레일의 회전 중심으로 작용하는 회전 축, 및 상기 렉 기어를 변위하는 동력 전달부를 포함한다.
바람직한 일 실시예에 의하면, 상기 브레이크 부재는, 상기 복수의 기어단이 배열된 방향으로 변위하여 각각의 기어단에 작용할 수 있는 가변 브레이크 부재로 구성된다.
바람직한 일 실시예에 의하면, 상기 입력단 및 출력단을 제외한 다른 회전축 중 두개 이상의 회전축에 상기 브레이크 부재가 인가됨에 따라서 기어 정지가 수행되고,
상기 브레이크 부재가 상기 회전축에 대해서 작동하지 않음에 따라서 기어 개방이 수행된다.
바람직한 일 실시예에 의하면, 상기 입력단 및 출력단으로 작용하는 회전축을 제외한 나머지 회전축 중 하나 이상에 대해서 작용하는 제2 입력축을 더 포함하며,
상기 제2 입력축이 소정의 각속도로 회전함에 따라서 출력축의 속도가 가변된다.
본 발명의 변속 장치에 의하면, 복합유성기어 세트를 포함함에 따라서 복잡하지 않고 단순한 구조를 가지며, 아울러 축방향으로 연장되는 구조를 갖지 않고 크기가 축소되어 공간 활용도가 개선될 수 있다. 또한, 상기 복합유성기어 세트를 통해 다단 변속 회전, 정지동작, 및 개방동작을 수행할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 변속 장치를 나타낸 도면이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 변속 장치를 나타낸 도면이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 변속 장치를 나타낸 도면이다.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 변속 장치를 나타낸 도면이다.
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 변속 장치를 나타낸 도면이다.
도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 변속 장치를 나타낸 도면이다.
도 7 은 도 4 내지 도 6 에 따른 변속 장치의 분해도이다.
도 8 은 본 발명의 일 실시예에 따른 변속 장치의 작동을 나타낸 도면이다.
도 9 는 본 발명의 일 실시예에 따른 변속 장치의 작동을 나타낸 도면이다.
도 10 은 본 발명의 일 실시예에 따른 변속 장치를 나타낸 도면이다.
도 11 은 본 발명의 일 실시예에 따른 변속 장치를 나타낸 도면이다.
도 12 는 본 발명의 일 실시예에 따른 변속 장치의 작동을 나타낸 도면이다.
도 13 은 본 발명의 일 실시예에 따른 변속 장치의 기어단의 구조를 나타낸 도면이다.
도 14 는 본 발명의 일 실시예에 따른 변속 장치를 나타낸 도면이다.
도 15 는 본 발명의 일 실시예에 따른 변속 장치를 나타낸 도면이다.
도 16 은 본 발명의 일 실시예에 따른 변속 장치 기어단의 구조를 나타낸 도면이다.
도 17 은 본 발명의 일 실시예에 따른 변속 장치를 나타낸 도면이다.
도 18 은 본 발명의 일 실시예에 따른 변속 장치를 나타낸 도면이다.
도 19 는 본 발명의 일 실시예에 따른 변속 장치를 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 변속 장치는, 입력단과 출력단 사이의 변속을 수행하는 변속 장치로서, 입력단과 연결되는 태양기어; 상기 태양기어와 외접하며 맞물리는 수개의 제1 유성기어; 상기 각각의 제1 유성기어와 동심원을 형성하며 상기 제1 유성기어와 일체로 형성되는 제2 유성기어; 상기 제1 유성기어와 외접하여 맞물리고 출력축과 연결되는 제1 링기어; 상기 제2 유성기어와 외접하여 맞물리는 제2 링기어; 상기 제1 유성기어, 및 제2 유성기어가 상기 태양기어를 중심으로 공전할 수 있도록 상기 제1 유성기어 및 제2 유성기어의 자전 회전축을 지지하는 케이지; 및 브레이크 부재;를 포함하며, 상기 브레이크 부재는, 상기 제2 링기어 및 상기 케이지에 작용하여 상기 제2 링기어의 자전 및 상기 케이지의 자전을 제어할 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
공간적으로 상대적인 용어인 “하부", "상부", “측부” 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 부재 또는 구성 요소들과 다른 부재 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작 시 부재의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 부재를 뒤집을 경우, 다른 부재의 “상부"로 기술된 부재는 다른 부재의 "하부”에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "상부"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 부재는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다" 및/또는 "포함하는”은 언급된 부재 외의 하나 이상의 다른 부재의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
도면에서 각부의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기와 면적은 실제크기나 면적을 전적으로 반영하는 것은 아니다.
또한, 실시예에서 본 발명의 구조를 설명하는 과정에서 언급하는 방향은 도면에 기재된 것을 기준으로 한다. 명세서에서 본 발명을 이루는 구조에 대한 설명에서, 방향에 대한 기준점과 위치관계를 명확히 언급하지 않은 경우, 관련 도면을 참조하도록 한다.
도 1 내지 도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 변속 장치를 나타낸 도면이며, 도 4 내지 도 6 은 다른 실시예에 따른 변속 장치를 나타낸 도면이며, 도 7 은 도 4 내지 도 6 에 따른 변속 장치의 분해도이다.
도 1 내지 도 7 을 참조하면, 본 발명에 따른 변속 장치(1)는, 입력단과 연결되는 태양기어(110)와, 상기 태양기어(110)와 맞물리는 수개의 제1 유성기어(120)와, 상기 각각의 제1 유성기어(120)와 동심원을 형성하며 상기 제1 유성기어(120)와 일체로 형성되는 제2 유성기어(130)와, 상기 제1 유성기어(120)와 맞물리고 출력단과 연결되는 제1 링기어(140)와, 상기 제2 유성기어(130)와 맞물리는 제2 링기어(150)와, 상기 제1 유성기어(120), 및 제2 유성기어(130)의 자전 회전축을 지지하며, 상기 제1 및 제2 유성기어(130)의 출력측과 동심으로 구성되는 케이지(160), 및 브레이크 부재를 포함하여 구성된다.
태양기어(110)는 입력단(10)과 연결되며, 예컨대, 태양기어(110)의 자전축과 입력단의 회전축이 연결되어 입력단(10)으로부터 동력을 전달받을 수 있다. 입력단(10)은 예컨대 소정의 구동 모터일 수 있으며, 이에 한정하지 않는다. 태양기어(110)는 입력단(10)으로부터 전달받은 동력에 의해서 자전할 수 있다. 한편, 변속 장치(1)의 장착 및 지지를 위해 메인 프레임(20)이 구비될 수 있다.
제1 유성기어(120)는 태양기어(110)와 맞물려서 태양기어(110)의 자전에 따라서 회전할 수 있게 구성된다. 도 1 내지 도 7 에서는 제1 유성기어(120)의 수가 3 개로 도시되었으나, 이에 한정하지 아니하며 태양기어(110)와 맞물리는 수개의 제1 유성기어(120)가 배치될 수 있다. 태양기어(110)는 복수의 제1 유성기어(120) 사이에 배치되며, 따라서 태양기어(110)는 복수의 제1 유성기어(120)와 내접하며, 제1 유성기어(120)는 태양기어(110)에 대해 외접하며 맞물린다. 따라서 복수의 제1 유성기어(120) 사이의 공간에 배치되어 전체 제1 유성기어(120)에 회전력을 인가할 수 있다.
제2 유성기어(130)는 각각의 제1 유성기어(120)와 자전축을 공유하며 동심원을 형성한다. 즉, 제2 유성기어(130)는 제1 유성기어(120)와 동수로 배치되며 각각의 제1 유성기어(120)와 제2 유성기어(130)는 자전축을 공유하며 동심원을 구성함에 따라서, 제1 유성기어(120)와 제2 유성기어(130)는 함께 회전하고, 그 각속도는 동일하게 구성된다.
한편, 도 1 내지 7 에서는 제1 및 제2 유성기어(120, 130)가 서로 접하여 일체로 구성되게 도시되었으나, 이에 한정하지 아니하며 제1 및 제2 유성기어(120, 130)는 제1 및 제2 유성기어(120, 130)의 중심 축을 연결하는 소정의 샤프트(미도시)와 같은 연결 수단에 의해 서로 이격되게 연결될 수 있고, 이에 한정하지 아니한다.
제1 링기어(140)는 제1 유성기어(120)와 맞물리며, 제1 유성기어(120)의 회전에 따라서 자전할 수 있게 구성된다. 즉, 복수의 제1 유성기어(120)는 태양기어(110)에 대해서 외접하며 맞물리며, 제1 링기어(140)는 복수의 제1 유성기어(120)에 대해서 외접하며 맞물린다. 이때, 제1 링기어(140)의 자전 중심 축은 태양기어(110)의 자전 중심 축과 서로 중첩될 수 있다.
한편, 제1 링기어(140)는 출력단(미도시)과 연결되며, 출력단(미도시)은 예컨대 제1 링기어(140)로부터 연장된 제1 링기어(140)의 자전 축과 연결되거나, 또는 제1 링기어(140)의 외주와 연결된 벨트를 통해 연결될 수 있으며, 이에 한정하지 아니한다.
제2 링기어(150)는 제2 유성기어(130)에 대해서 외접하며 맞물린다. 제2 링기어(150)는 제2 유성기어(130)의 회전에 따라서 자전할 수 있으며, 제2 링기어(150)의 자전 축 또한 태양기어(110) 및 제1 링기어(140)의 자전 축과 서로 중첩되게 구성될 수 있다.
바람직하게는, 도 1 내지 도 7 에 도시된 바와 같이, 제1 유성기어(120)의 반경은 제2 유성기어(130)보다 크게 구성된다. 따라서, 제1 유성기어(120)와 외접하는 제1 링기어(140)의 직경은 제2 유성기어(130)와 외접하는 제2 링기어(140)의 직경보다 크게 구성될 수 있다.
케이지(160)는 제2 유성기어(130)의 하단에 구비되며 제1 및 제2 유성기어(120, 130)의 자전축을 지지한다. 예컨대 제1 및 제2 유성기어(120, 130)는 자전축을 형성하는 소정의 샤프트를 구비하며, 케이지(160)에는 상기 샤프트가 삽입되어 회전할 수 있는 홀이 형성될 수 있다. 한편, 제1 유성기어의 상부에 제1 및 제2 유성기어의 자전축을 지지하는 상부 케이지(170)가 마련될 수 있다.
케이지(160)는 자전 축을 갖되, 태양기어(110), 제1 링기어(140) 및 제2 링기어(150)의 자전 축과 케이지(160)의 자전 축은 서로 중첩되게 구성될 수 있다.
케이지(160)는 태양기어(110)의 자전 축과 중첩되는 자전 축을 가지며 제1 및 제2 유성기어(120, 130)의 자전 축을 지지하도록 구성됨으로써, 제1 및 제2 유성기어(120, 130)가 태양기어(110)를 중심으로 공전할 때 상기 제1 및 제2 유성기어(120, 130)의 자전축으로 작용하는 샤프트가 태양기어(110)를 중심으로 공전함에 따라서 케이지(160)는 상기 공전 방향과 동일한 방향으로 자전할 수 있다.
본 발명에 따라서, 제2 링기어(150) 및 케이지(160)의 자전을 각각 정지할 수 있는 브레이크 부재가 구비된다. 즉, 브레이크 부재는 상기 제2 링 기어 및 케이지(160)의 자전을 전부 정지하거나, 또는 제2 링기어(150) 및 케이지(160) 중 어느 하나의 자전을 정지하거나, 또는 제2 링기어(150)와 케이지(160) 모두의 자전을 정지하지 아니하여 제2 링기어(150)와 케이지(160)가 모두 자전하도록 할 수 있다. 이에 따라서, 브레이크 부재는 제2 링기어(150)에 작용하는 제1 브레이크 부재, 및 케이지에 작용하는 제2 브레이크 부재를 포함할 수 있다.
브레이크 부재는 예컨대 도 1 내지 도 3 에 도시된 바와 같이 소정의 마찰 브레이크(200)일 수 있다. 마찰 브레이크(200)는 제2 링기어(150)와 케이지(160)에 각각 마찰을 가함으로써 제2 링기어(150)와 케이지(160)의 회전을 정지할 수 있다.
한편, 브레이크 부재는 예컨대 도 4 내지 도 7 에 도시된 바와 같이 소정의 치차부(T8, T9)를 갖는 치차 브레이크(300a, 300b)일 수 있다.
도 7 에 도시된 바와 같이, 태양기어(110)의 제1 치차부(T1)와 제1 유성기어(120)의 제1 치차부(T2)가 치합하며, 제1 유성기어(120)는 제1 링기어(140)와 외접하여 제1 유성기어(120)의 제2 치차부(T2)는 제1 링기어(140)의 제4 치차부(T4)와 치합함을 알 수 있다.
또한, 제2 유성기어(130)에 형성된 제3 치차부(T3)는 제2 링기어(150)의 내주면에 형성된 제5 치차부(T5)와 치합하며, 제2 링기어(150) 및 케이지(160)의 외주면에 각각 제6 및 제7 치차부(T6, T7)가 형성된 것을 확인할 수 있다.
즉, 케이지(160)와 제2 링기어(150)의 둘레에 각각 제6 및 제7 치차부(T6, T7)가 형성되고, 상기 제6 및 제7 치차부(T6, T7)와 맞물리는 제8 및 제9 치차부(T8, T9)를 갖는 치차 브레이크(300a, 300b)가 구비되며, 상기 치차부(T6, T7, T8, T9)가 서로 치합됨에 따라서 상기 제2 링기어(150) 및 케이지(160)의 자전이 정지될 수 있다.
이때, 도 4 내지 도 6 에 도시된 바와 같이, 치차 브레이크(300a, 300b)는 제8 및 제9 치차부(T8, T9)를 갖는 렉 기어(310), 상기 렉 기어(310)에 탄성을 가하는 스프링(320), 상기 렉 기어(310)의 변위를 안내하는 가이드 레일(330), 상기 가이드 레일(330)의 회전 중심으로 작용하는 회전 축(340), 및 상기 렉 기어(310)를 변위하는 동력 전달부(350)를 포함하도록 구성될 수 있다.
한편, 치차 브레이크(300a, 300b)는 제2 링기어(150)에 작용하는 제1 치차 브레이크(300a) 및 케이지(160)에 작용하는 제2 치차 브레이크(300b)를 포함할 수 있으며, 상기 제1 치차 브레이크(300a)와 제2 치차 브레이크(300b)는 동일한 구조를 갖게 구성될 수 있다.
예컨대, 제1 치차 브레이크(300a)를 통해 제2 링기어(150)를 정지시킬 때, 상기 동력 전달부(350)는 렉 기어(310)를 변위하여 렉 기어(310)의 치차부(T8)가 제2 링기어(150)의 둘레에 형성된 제6 치차부(T6)에 맞물리게 한다. 이때, 렉 기어(310)와 치차 브레이크(300a) 사이의 치합은 렉 기어(310)가 가이드 레일(330)을 따라서 안내됨에 따라서 이루어질 수 있다. 한편, 치차 브레이크(300a, 300b)는 렉 기어(310)에 탄성을 가하는 스프링(320) 부재를 포함함에 따라서, 렉 기어(310)에 형성된 치차부와 제2 링기어(150)에 형성된 제5 치차부(T5)가 맞물려서 제2 링기어(150)의 자전이 정지할 때, 그에 따른 충격이 완화될 수 있다.
이러한 브레이크 부재를 포함함에 따라서, 제2 링기어(150)에만 상기 브레이크 부재가 작용할 경우 제2 링기어(150)의 자전이 정지하며 케이지(160)의 자전은 정지하지 아니하여, 제1 및 제2 유성기어(130)는 공전에 방해를 받지 아니하며 자전 및 공전 운동을 동시에 할 수 있다.
반면에, 케이지(160)에만 브레이크 부재가 작용할 경우, 케이지(160)의 자전이 정지되며 제1 및 제2 유성기어(130)의 공전이 정지되고 자전 운동만을 하게 된다. 이에 따른 효과에 대해서는 후술한다.
도 8 및 도 9 는 본 발명에 따른 변속 장치(1)의 작동을 나타낸 도면이다.
이하에서는 도 8 및 도 9 를 참조하여 본 발명에 따른 변속기의 동작에 대해 설명한다.
도 8 은 제2 링기어(150)에 브레이크 부재가 작용하며 케이지(160)에는 브레이크 부재가 작용하지 아니한 상태를 나타낸다. 이하에서는 이러한 상태를 "제1 단 기어 상태" 라 지칭한다.
이러한 제1 단 기어 상태에서는, 제2 링기어(150)에 브레이크 부재가 작용함에 따라서 제2 링기어(150)의 자전이 정지하며, 케이지(160)에는 브레이크 부재가 작용하지 아니하여 케이지(160)의 자전이 가능하게 되고, 제1 및 제2 유성기어(130)의 공전이 방해를 받지 아니하여 제1 및 제2 유성기어(130)는 자전 운동과 공전 운동을 동시에 하게 된다.
한편, 제1 유성기어(120)와 맞물린 제1 링기어(140) 또한 제1 유성기어(120)의 회전에 의해서 자전한다. 이때, 제1 링기어(140)의 자전 방향은 제1 유성기어(120)의 자전 방향과 반대이며 태양기어(110)의 자전 방향과 동일한 방향을 갖는다.
즉, 도 8 에 도시된 바와 같이, 제1 유성기어(120)의 자전 방향(Q)은 태양기어(110)의 자전 방향(P)과 반대이다. 또한, 케이지(160)에 브레이크 부재(300a)가 작용하지 아니하여 케이지(160)의 자전이 가능함에 따라서 제1 및 제2 유성기어(120, 130)가 공전 할 수 있게 된다. 한편, 출력단과 연결된 제1 링기어(140) 또한 자전하게 되며, 이때 제1 링기어(140)의 자전 방향(R)은 태양기어(110)의 자전 방향(P)과 동일하다.
*도 9 는 케이지(160)에 브레이크 부재가 작용하고 제2 링기어(150)에는 브레이크 부재가 작용하지 아니한 상태를 나타낸다. 이하에서는 이러한 상태를 "제2 단 기어 상태" 라 지칭한다.
케이지(160)에 브레이크 부재가 작용함에 따라서 케이지(160)의 자전이 정지하며, 따라서 제1 및 제2 유성기어(130)의 자전축의 위치가 고정되고 따라서 제1 및 제2 유성기어(130)의 공전이 정지한다. 한편, 제2 링기어(150)에는 브레이크 부재가 작용하지 아니하여 회전이 가능함에 따라서, 제2 링기어(150)는 제2 유성기어(130)의 자전에 의해 자전하게 된다.
한편, 제1 유성기어(120)와 맞물린 제1 링기어(140) 또한 자전한다. 이때, 제1 링기어(140)의 자전 방향은 제1 유성기어(120)의 자전 방향과 반대이며 태양기어(110)의 자전 방향과 동일한 방향을 갖는다.
즉, 도 9 에 도시된 바와 같이, 제1 유성기어(120)의 자전 방향(Q)은 태양기어(110)의 자전 방향(P)과 반대이다. 또한, 케이지(160)에 브레이크 부재(300b)가 작용하여 케이지(160)의 자전이 정지함에 따라서, 제1 및 제2 유성기어(120, 130)의 공전 또한 정지한다. 한편, 출력단과 연결된 제1 링기어(140) 또한 자전하게 되며, 이때 제1 링기어(140)의 자전 방향(R)은 태양기어(110)의 자전 방향(P)과 동일하다.
상술한 바와 같이, 제1 단 기어 상태에서는 제1 링기어(140)와 맞물린 제1 유성기어(120)가 자전 및 공전 운동을 동시에 함에 따라서 제1 링기어(140)는 제1 각속도를 갖게 되며, 제2 단 기어 상태에서는 제1 링기어(140)와 맞물린 제1 유성기어(120)가 자전 운동만을 함에 따라서 제1 링기어(140)의 각속도는 제2 각속도를 갖게 된다. 이때, 제1 각속도와 제2 각속도가 서로 상이함에 따라서 출력단의 변속이 이루어질 수 있다.
즉, 브레이크 부재를 제2 링기어, 또는 케이지에 인가함에 따라서 변속이 이루어질 수 있되, 변속 과정에서 출력단의 출력 방향이 유지될 수 있다.
또한, 브레이크를 전부 개방하는 것에 의해 출력단이 자유롭게 회전할 수 있는 상태로 만들 수 있어서 자동차에 적용할 경우 자동차를 사람이 밀 수 있는 상태(엔진 자동차에서 기어 중립상태)를 구현할 수 있다. 또한 상기 2 개의 브레이크 부재를 작용할 경우 기어가 정지 상태로 전환될 수 있다.
본 발명에 따른 변속 장치는, 복합유성기어 세트를 포함함에 따라서 복잡하지 않고 단순한 구조를 가지며, 아울러 축방향으로 연장되는 구조를 갖지 않고 크기가 축소되어 공간 활용도가 개선될 수 있다. 또한, 상기 복합유성기어 세트를 통해 다단 변속 회전, 정지동작, 및 개방동작을 수행할 수 있다.
도 10 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 변속 장치를 나타낸 도면이며, 도 11 은 도 10 에 따른 변속 장치가 가질 수 있는 회전을 나타낸 도면이고, 도 12 는 도 10 에 따른 변속 장치가 가질 수 있는 기어 상태의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 10 을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 변속 장치는, 제1 태양기어(410), 제1 유성기어(420), 제2 유성기어(430), 제1 링기어(440), 제2 링기어(450), 케이지(460), 및 제2 태양기어(480)를 포함할 수 있다.
제1 태양기어(410)는 예컨대 회전 중심으로 작용하는 소정의 샤프트(미도시)와 같은 부재에 연결될 수 있다. 제1 태양기어(410)는 상기 샤프트(미도시)를 통해 외부로부터 동력을 받거나, 또는 외부에 동력을 인가할 수 있다.
제2 태양기어(480)도 예컨대 회전 중심으로 작용하는 소정의 샤프트(미도시)와 같은 부재에 연결될 수 있으며, 상기 샤프트(미도시)를 통해 외부로부터 동력을 받거나, 또는 외부에 동력을 인가할 수 있다. 이때, 제2 태양기어(480)의 자전축과 제1 태양기어(410)의 자전축은 서로 독립적으로 형성되되, 서로 중첩되게 배치된다. 예컨대, 도 12 에 도시된 바와 같이 제2 태양기어(410)의 회전축 내에 중공이 형성되고 상기 중공에 제1 태양기어(410)의 회전축이 배치되는 것과 같은 이중 회전축 구조가 구비될 수 있다.
한편, 도 10 내지 도 12 에 도시된 바와 같이, 제1 태양기어(410)의 직경은 제2 태양기어(480)의 직경보다 작게 구성되며, 이에 따라서 제1 태양기어(410)는 제1 태양기어로 구성되고, 제2 태양기어(480)는 제2 태양기어로 구성될 수 있다.
제1 유성기어(420)는 제1 태양기어(410)에 대해서 외접하여 맞물린다. 도 10 및 도 11 에서는 제1 유성기어(420)의 수가 3 개로 도시되었으나, 이에 한정하지 아니하며 제1 태양기어(410)와 맞물리는 수개의 제1 유성기어(420)가 배치될 수 있다.
제2 유성기어(430)는 제2 태양기어(480)에 대해서 외접하여 맞물린다. 각각의 제2 유성기어(430)는 제1 유성기어(420)와 자전축을 공유하며 동심원을 형성한다. 즉, 제2 유성기어(430)는 제1 유성기어(420)와 동수로 배치되며 각각의 제1 유성기어(420)와 제2 유성기어(430)는 자전축을 공유하며 동심원을 구성함에 따라서, 제1 유성기어(420)와 제2 유성기어(430)는 함께 회전하고, 그 각속도는 동일하게 구성된다.
한편, 도 10 및 도 11 에서는 제1 및 제2 유성기어(420, 430)가 서로 접하여 일체로 구성되게 도시되었으나, 이에 한정하지 아니하며 제1 및 제2 유성기어(420, 430)는 제1 및 제2 유성기어(420, 430)의 중심 축을 연결하는 소정의 샤프트(미도시)와 같은 연결 수단에 의해 서로 이격되게 연결될 수 있고, 이에 한정하지 아니한다.
또한, 도 10 내지 도 12 에 도시된 바와 같이, 제1 유성기어(420)의 직경은 제2 유성기어(430)의 직경보다 크게 구성될 수 있다.
제1 링기어(440)는 제1 유성기어(420)에 대해서 외접하여 맞물린다. 즉, 제1 유성기어(420)는 제1 태양기어(410)에 외접하며, 제1 링기어(440)는 제1 유성기어(420)에 대해서 외접한다. 이때, 제1 링기어(440)의 자전 중심 축은 제1 태양기어(410)의 자전 중심 축과 서로 중첩될 수 있다.
제2 링기어(450)는 제2 유성기어(430)에 대해서 외접하여 맞물린다. 즉, 제2 유성기어(430)는 제2 태양기어(480)에 외접하며, 제2 링기어(450)는 제2 유성기어(430)에 대해서 외접한다. 제2 링기어(450)의 자전 축 또한 제1 및 제2 태양기어(410, 480) 및 제1 링기어(440)의 자전 축과 서로 중첩되게 구성될 수 있다.
한편, 도 10 내지 도 12 에 도시된 바와 같이, 제1 링기어(440)의 직경은 제2 링기어(450)의 직경보다 크게 구성될 수 있다.
케이지(160)는 제1 및 제2 유성기어(420, 430)의 자전축을 지지한다. 예컨대 제1 및 제2 유성기어(420, 430)는 자전축을 형성하는 소정의 샤프트(미도시)를 구비하며, 케이지(460)에는 상기 샤프트(미도시)가 삽입되어 회전할 수 있는 홀(미도시)이 형성될 수 있다.
케이지(460)는 자전 축을 갖되, 제1 태양기어(110), 제1 링기어(440), 제2 링기어(450), 및 제2 태양기어(480)의 자전 축과 케이지(460)의 자전 축은 서로 중첩되게 구성될 수 있다.
케이지(160)는 제1 및 제2 태양기어(410, 480)의 자전 축과 중첩되는 자전 축을 가지며 제1 및 제2 유성기어(420, 430)의 자전 축을 지지하도록 구성됨으로써, 제1 및 제2 유성기어(420, 430)가 제1 및 제2 태양기어(410, 480)를 중심으로 공전할 때 상기 제1 및 제2 유성기어(420, 430)의 자전축이 제1 및 제2 태양기어(410, 480)를 중심으로 공전함에 따라서 케이지(460)는 상기 공전 방향과 동일한 방향으로 자전할 수 있다. 한편, 역으로 케이지(460)가 자전함에 따라서 제1 및 제2 유성기어(420, 430)는 제1 및 제2 태양기어(410, 480)를 중심으로 공전할 수 있다.
한편, 도 10 및 도 11 에는 도시되지 아니하였으나, 상기 각각의 부재의 회전을 제어하여 정지시킬 수 있는 브레이크 부재(미도시)가 마련될 수 있으며, 상기 브레이크 부재(미도시)의 구체적인 실시 형태는 상술한 바와 같이 소정의 마찰 브레이크, 또는 치차 브레이크일 수 있다. 즉, 브레이크 부재(미도시)는 예컨대 치차부를 갖는 렉 기어, 상기 렉 기어에 탄성을 가하는 스프링, 상기 렉 기어의 변위를 안내하는 가이드 레일, 상기 가이드 레일의 회전 중심으로 작용하는 회전 축, 및 상기 렉 기어를 변위하는 동력 전달부를 포함하는 치차 브레이크로 구성될 수 있으며, 이에 한정하지 아니한다.
상기 브레이크 부재의 동작예 및 그에 따른 변속 장치의 동작예에 대해서는 하기에서 후술하도록 한다.
도 11 에 도시된 바와 같이, 소형 태양기어인 제1 태양기어(410)의 회전속도를 ωSS, 대형 태양기어인 제2 태양기어(480)의 회전속도를 ωLS, 대형 유성기어인 제1 유성기어(420) 및 소형 유성기어인 제2 유성기어(430)의 회전속도를 ωP, 대형 링기어인 제1 링기어(440)의 회전속도를 ωLR, 소형 링기어인 제2 링기어(450)의 회전속도를 ωSR, 케이지(460)의 회전속도를 ωC라고 하였을 때, 실시예에 따른 변속 장치에서는 아래의 관계식들이 성립한다.
Figure PCTKR2013002914-appb-I000001
Figure PCTKR2013002914-appb-I000002
Figure PCTKR2013002914-appb-I000003
Figure PCTKR2013002914-appb-I000004
이 식들에서 DSS는 소형 태양기어인 제1 태양기어(410)의 직경, DLS는 대형 태양기어인 제2 태양기어(480)의 직경, DLP는 대형 유성기어인 제1 유성기어(420)의 직경, DSP는 소형 유성기어인 제2 유성기어(430)의 직경, DLR는 대형 링기어인 제1 링기어(440)의 직경, DSR는 소형 링기어인 제2 링기어(450)의 직경을 나타낸다.
위의 네 식에서 미지수가 6개(ωSS, ωLS, ωP, ωLR, ωSR, ωC)이고 식이 4개 이므로 6개의 미지수 중 두 개를 알면 나머지 4개의 값이 정해지게 된다. 즉, 입력축 회전속도와 브레이크가 인가된 고정축 1개의 회전속도(=0)에 따라서 출력축 회전속도를 포함한 나머지 값들이 결정된다.
도 11 에 나타난 6개의 회전속도 중 제1 및 제2 유성기어(420, 430)의 회전속도 ωP는 변속 장치 밖으로 나타나는 값은 아니며 다른 값들에 의해서 결정되는 값이므로, 실시예에 따른 변속 장치(2)는 외부에 연결되어 제어될 수 있는 5개의 회전축을 갖게 된다.
즉, 실시예에 따른 변속 장치는 상기 제1 태양기어(410)의 회전축, 상기 제2 태양기어(480)의 회전축, 상기 제1 링기어(440)의 회전축, 상기 제2 링기어(450)의 회전축, 및 상기 케이지(460)의 회전축으로 구성된 다섯개의 회전축이 외부에 대해서 연결되어 제어될 수 있다.
이 다섯 개의 회전축 중 어느 하나를 입력축으로 하고 다른 하나를 출력축으로 하며 또 다른 하나를 회전하지 못하도록 고정하였을 때, 입력축과 출력축은 일정한 비율로 회전하게 되므로, 변속을 수행할 수 있다. 이것의 경우의 수를 생각하면, 5개의 회전축 중 하나를 입력축으로 택할 가짓수 5, 남은 4개의 회전축 중 하나를 출력축으로 택할 가짓수 4, 남은 3개의 회전축 중 하나를 고정축으로 택할 가짓수 3 의 조합으로 이루어지므로, 모든 경우의 수는 60가지가 된다 (5x4x3=60).
아래의 표 1 부터 표 5 까지는 이 모든 경우에 대하여 입력축과 출력축 사이의 감속비에 관한 식을 유도한 것이다. 식에서 문자의 수를 줄이기 위해서 제1 및 제2 유성기어(420, 430)의 직경(D LP , D SP )은 다른 기어의 직경들로 표현되어 있다. 또한 표에서 '방향' 은 입력축과 출력축이 같은 방향으로 회전할 경우 +, 다른 방향으로 회전할 경우 - 로 나타내었다.
표 1 복합유성기어세트에서 입력단이 제1 태양기어 축인 경우 감속비
입력단 출력단 고정단 감속비 방향
제1 태양기어 제2 태양기어 제2 링기어
Figure PCTKR2013002914-appb-I000005
 +
제1 링기어
Figure PCTKR2013002914-appb-I000006
 +
케이지
Figure PCTKR2013002914-appb-I000007
 +
제2 링기어 제2 태양기어
Figure PCTKR2013002914-appb-I000008
 -
제1 링기어
Figure PCTKR2013002914-appb-I000009
 +
케이지
Figure PCTKR2013002914-appb-I000010
 -
제1 링기어 제2 링기어
Figure PCTKR2013002914-appb-I000011
 -
제2 태양기어
Figure PCTKR2013002914-appb-I000012
 -
케이지
Figure PCTKR2013002914-appb-I000013
 -
케이지 제2 태양기어
Figure PCTKR2013002914-appb-I000014
 -
제1 링기어
Figure PCTKR2013002914-appb-I000015
 +
제2 링기어
Figure PCTKR2013002914-appb-I000016
 +
표 2 복합유성기어세트에서 입력단이 제2 태양기어 축인 경우 감속비
입력단 출력단 고정단 감속비 방향
제2 태양기어 제1 태양기어 제2 링기어
Figure PCTKR2013002914-appb-I000017
 +
제1 링기어
Figure PCTKR2013002914-appb-I000018
 +
케이지
Figure PCTKR2013002914-appb-I000019
 +
제2 링기어 제1 태양기어
Figure PCTKR2013002914-appb-I000020
 +
제1 링기어
Figure PCTKR2013002914-appb-I000021
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케이지
Figure PCTKR2013002914-appb-I000022
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제1 링기어 제2 링기어
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제1 태양기어
Figure PCTKR2013002914-appb-I000024
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케이지
Figure PCTKR2013002914-appb-I000025
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케이지 제1 태양기어
Figure PCTKR2013002914-appb-I000026
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제1 링기어 +
제2 링기어
Figure PCTKR2013002914-appb-I000028
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표 3 복합유성기어세트에서 입력단이 제2 링기어 축인 경우 감속비
입력단 출력단 고정단 감속비 방향
제2 링기어 제2 태양기어 제1 태양기어
Figure PCTKR2013002914-appb-I000029
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제1 링기어
Figure PCTKR2013002914-appb-I000030
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케이지
Figure PCTKR2013002914-appb-I000031
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제1 태양기어 제2 태양기어
Figure PCTKR2013002914-appb-I000032
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제1 링기어
Figure PCTKR2013002914-appb-I000033
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케이지
Figure PCTKR2013002914-appb-I000034
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제1 링기어 제1 태양기어
Figure PCTKR2013002914-appb-I000035
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제2 태양기어
Figure PCTKR2013002914-appb-I000036
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케이지
Figure PCTKR2013002914-appb-I000037
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케이지 제2 태양기어
Figure PCTKR2013002914-appb-I000038
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제1 링기어
Figure PCTKR2013002914-appb-I000039
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제1 태양기어
Figure PCTKR2013002914-appb-I000040
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표 4 복합유성기어세트에서 입력단이 제1 링기어 축인 경우 감속비
입력단 출력단 고정단 감속비 비고
제1 링기어 제2 태양기어 제2 링기어
Figure PCTKR2013002914-appb-I000041
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제1 태양기어
Figure PCTKR2013002914-appb-I000042
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케이지
Figure PCTKR2013002914-appb-I000043
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제2 링기어 제1 태양기어
Figure PCTKR2013002914-appb-I000044
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제2 태양기어
Figure PCTKR2013002914-appb-I000045
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케이지
Figure PCTKR2013002914-appb-I000046
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제1 태양기어 제2 링기어
Figure PCTKR2013002914-appb-I000047
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제2 태양기어
Figure PCTKR2013002914-appb-I000048
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케이지
Figure PCTKR2013002914-appb-I000049
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케이지 제2 태양기어
Figure PCTKR2013002914-appb-I000050
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제1 태양기어
Figure PCTKR2013002914-appb-I000051
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제2 링기어
Figure PCTKR2013002914-appb-I000052
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표 5 복합유성기어세트에서 입력단이 케이지 축인 경우 감속비
입력단 출력단 고정단 감속비 비고
케이지 제2 태양기어 제1 태양기어
Figure PCTKR2013002914-appb-I000053
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제1 링기어
Figure PCTKR2013002914-appb-I000054
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제2 링기어
Figure PCTKR2013002914-appb-I000055
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제2 링기어 제2 태양기어
Figure PCTKR2013002914-appb-I000056
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제1 링기어
Figure PCTKR2013002914-appb-I000057
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제1 태양기어
Figure PCTKR2013002914-appb-I000058
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제1 링기어 제2 태양기어
Figure PCTKR2013002914-appb-I000059
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제1 태양기어
Figure PCTKR2013002914-appb-I000060
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제2 링기어
Figure PCTKR2013002914-appb-I000061
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제1 태양기어 제2 태양기어
Figure PCTKR2013002914-appb-I000062
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제1 링기어
Figure PCTKR2013002914-appb-I000063
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제2 링기어
Figure PCTKR2013002914-appb-I000064
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회전방향이 중요한 이유는, 입력단과 출력단을 정하고 나머지 3개의 회전축 중 어느 것에 대해 브레이크를 인가하여 고정단으로 하여도 회전방향이 바뀌지 않으면 (예를 들어 표 1에서 출력단이 제2 태양기어(480) 혹은 제2 링기어(450)인 경우) 3단 변속기로 사용이 가능하기 때문이다.
예컨대, 도 12 는, 소형 태양기어인 제1 태양기어(410)를 입력단으로 하고 대형 링기어인 제1 링기어(440)를 출력단으로 한 경우를 나타낸다.
소형 링기어인 제2 링기어(160), 케이지(170), 대형 태양기어인 제2 태양기어(480) 중 어느 하나에 브레이크(510, 520, 530)를 거는 것에 의해 3단 변속 장치로서 사용가능하다.
그러나 회전방향이 바뀌는 경우(예를 들어 표 1에서 출력단이 케이지인 경우)도 적극적으로 활용이 가능한데, 역회전이 되지 않는 엔진의 출력이 입력단에 연결되고 변속 장치의 출력단이 바퀴를 구동할 경우, 회전방향을 바꾸는 것에 의해 후진을 할 수 있게 된다 (이 경우 전진은 2단 변속을 하게 된다).
표 6 은 실시예에 따른 변속 장치에 포함된 복합유성기어세트를 구성할 수 있는 피치원 직경의 여러가지 조합 예를 나타낸다. 한편, 표 7은 표 6의 기어 세트들의 감속비를 표 1 내지 표 5를 사용하여 계산한 결과이다.
표 7을 보면 알 수 있듯이, 입력단을 제1 태양기어(410), 출력단을 제1 링기어(440)로 할 경우, 혹은 입력단을 제2 링기어(450), 출력단을 케이지(460)로 할 경우, 저속으로부터 중속으로 변속할 때, 중속에서 고속으로 변속할 때 같은 정도의 비율로 속도가 증가하는 변속 장치를 구현 할 수 있음을 알 수 있다. 또한 이와 반대로 입력단을 제1 링기어(440), 출력단을 제1 태양기어(410)로 할 경우는 풍력발전기에서와 같이 속도를 증속시키는 변속 장치로 활용이 가능함을 알 수 있다.
표 6 다양한 피치원 직경 조합에 따른 복합유성기어세트 예
제1 태양기어 제2 태양기어 제2 링기어 제1 링기어
세트 1 12 24 48 60
세트 2 12 21.6 50.4 60
세트 3 12 19.2 52.8 60
세트 4 12 16.8 55.2 60
세트 5 12 36 60 84
세트 6 14.4 33.6 62.4 81.6
세트 7 12 27 57 72
표 7 표 6에 나타난 기어 조합에서의 감속비
입력단 출력단 고정단 세트 1 세트 2 세트 3 세트 4 세트 5 세트 6 세트 7
제1 태양기어 제2 태양기어 제2 링기어 3.000 2.400 1.943 1.575 6.000 3.889 3.375
제1 링기어 2.667 2.250 1.882 1.556 4.500 3.267 3.000
케이지 4.000 3.000 2.286 1.750 9.000 5.444 4.500
제2 링기어 제2 태양기어 -3.333 -2.800 -2.410 -2.108 -6.250 -4.189 -3.732
제1 링기어 -3.692 -3.500 -3.342 -3.209 -5.455 -4.272 -4.290
케이지 -8.000 -7.000 -6.286 -5.750 -15.000 -10.111 -9.500
제1 링기어 제2 링기어 -15.000 -20.000 -28.333 -45.000 -14.000 -14.167 -18.000
제2 태양기어 -1.667 -1.250 -0.882 -0.556 -3.500 -2.267 -2.000
케이지 -5.000 -5.000 -5.000 -5.000 -7.000 -5.667 -6.000
케이지 제2 태양기어 -3.000 -2.000 -1.286 -0.750 -8.000 -4.444 -3.500
제1 링기어 6.000 6.000 6.000 6.000 8.000 6.667 7.000
제2 링기어 9.000 8.000 7.286 6.750 16.000 11.111 10.500
제2 태양기어 제1 태양기어 제2 링기어 0.333 0.417 0.515 0.635 0.167 0.257 0.296
제1 링기어 0.375 0.444 0.531 0.643 0.222 0.306 0.333
케이지 0.250 0.333 0.438 0.571 0.111 0.184 0.222
제2 링기어 제1 태양기어 0.667 0.583 0.485 0.365 0.833 0.743 0.704
제1 링기어 6.000 9.333 15.583 29.571 3.333 4.643 6.333
케이지 -2.000 -2.333 -2.750 -3.286 -1.667 -1.857 -2.111
제1 링기어 제2 링기어 -5.000 -8.333 -14.583 -28.571 -2.333 -3.643 -5.333
제1 태양기어 0.250 0.200 0.150 0.100 0.333 0.286 0.250
케이지 -1.250 -1.667 -2.188 -2.857 -0.778 -1.041 -1.333
케이지 제1 태양기어 0.750 0.667 0.563 0.429 0.889 0.816 0.778
제1 링기어 2.250 2.667 3.188 3.857 1.778 2.041 2.333
제2 링기어 3.000 3.333 3.750 4.286 2.667 2.857 3.111
제2 링기어 제2 태양기어 제1 태양기어 1.500 1.714 2.061 2.739 1.200 1.346 1.421
제1 링기어 0.167 0.107 0.064 0.034 0.300 0.215 0.158
케이지 -0.500 -0.429 -0.364 -0.304 -0.600 -0.538 -0.474
제1 태양기어 제2 태양기어 -0.300 -0.357 -0.415 -0.474 -0.160 -0.239 -0.268
제1 링기어 -0.271 -0.286 -0.299 -0.312 -0.183 -0.234 -0.233
케이지 -0.125 -0.143 -0.159 -0.174 -0.067 -0.099 -0.105
제1 링기어 제1 태양기어 -0.729 -0.714 -0.701 -0.688 -0.817 -0.766 -0.767
제2 태양기어 0.833 0.893 0.936 0.966 0.700 0.785 0.842
케이지 0.625 0.714 0.795 0.870 0.467 0.560 0.632
케이지 제2 태양기어 1.500 1.429 1.364 1.304 1.600 1.538 1.474
제1 링기어 0.375 0.286 0.205 0.130 0.533 0.440 0.368
제1 태양기어 0.875 0.857 0.841 0.826 0.933 0.901 0.895
제1 링기어 제2 태양기어 제2 링기어 -0.200 -0.120 -0.069 -0.035 -0.429 -0.275 -0.188
제1 태양기어 1.600 1.800 2.133 2.800 1.286 1.441 1.500
케이지 -0.800 -0.600 -0.457 -0.350 -1.286 -0.961 -0.750
제2 링기어 제1 태양기어 -1.371 -1.400 -1.427 -1.453 -1.224 -1.306 -1.304
제2 태양기어 1.200 1.120 1.069 1.035 1.429 1.275 1.188
케이지 1.600 1.400 1.257 1.150 2.143 1.784 1.583
제1 태양기어 제2 링기어 -0.067 -0.050 -0.035 -0.022 -0.071 -0.071 -0.056
제2 태양기어 -0.600 -0.800 -1.133 -1.800 -0.286 -0.441 -0.500
케이지 -0.200 -0.200 -0.200 -0.200 -0.143 -0.176 -0.167
케이지 제2 태양기어 1.800 1.600 1.457 1.350 2.286 1.961 1.750
제1 태양기어 1.200 1.200 1.200 1.200 1.143 1.176 1.167
제2 링기어 -0.600 -0.400 -0.257 -0.150 -1.143 -0.784 -0.583
케이지 제2 태양기어 제1 태양기어 1.333 1.500 1.778 2.333 1.125 1.225 1.286
제1 링기어 0.444 0.375 0.314 0.259 0.563 0.490 0.429
제2 링기어 0.333 0.300 0.267 0.233 0.375 0.350 0.321
제2 링기어 제2 태양기어 0.667 0.700 0.733 0.767 0.625 0.650 0.679
제1 링기어 2.667 3.500 4.889 7.667 1.875 2.275 2.714
제1 태양기어 1.143 1.167 1.189 1.211 1.071 1.110 1.118
제1 링기어 제2 태양기어 0.556 0.625 0.686 0.741 0.438 0.510 0.571
제1 태양기어 0.833 0.833 0.833 0.833 0.875 0.850 0.857
제2 링기어 -1.667 -2.500 -3.889 -6.667 -0.875 -1.275 -1.714
제1 태양기어 제2 태양기어 -0.333 -0.500 -0.778 -1.333 -0.125 -0.225 -0.286
제1 링기어 0.167 0.167 0.167 0.167 0.125 0.150 0.143
제2 링기어 0.111 0.125 0.137 0.148 0.063 0.090 0.095
또한, 실시예에 따른 변속 장치는 입력단과 출력단 이외의 회전축을 전부 개방하는 것에 의해 출력단이 자유롭게 회전할 수 있는 상태로 만들 수 있어서 자동차에 적용할 경우 자동차를 사람이 밀 수 있는 상태(엔진 자동차에서 기어 중립상태)를 구현할 수 있다. 또한 입력단과 출력단 이외의 3개 회전축 중 2개 이상에 브레이크를 작용할 경우 출력단의 회전에 브레이크를 가할 수 있어 자동차에 적용할 경우 메인브레이크나 사이드 브레이크의 역할을 할 수 있다.
이러한 특성은 break by wire를 구현함에 있어서도 또 다른 장점을 가지는데, 입력축과 출력축을 제외한 3개의 회전축 중 어떤 2개의 회전축에 브레이크를 가해도 출력단에 브레이크가 가해지기 때문에 3개의 브레이크 중 1개가 주행 도중 고장이 나도 다른 2개의 브레이크로 자동차를 정지시킬 수 있기 때문이다. 따라서, 브레이크의 안전성이 더욱 향상될 수 있다.
한편, 앞에서의 설명에서는 복합유성기어 세트를 구성하는 6개의 모든 요소(제1 태양기어(410), 제2 태양기어(480), 제1 유성기어(420), 제2 유성기어(430), 제1 링기어(440), 제2 링기어(450))가 있는 상태에서 3단 변속 혹은 정방향 2단 역방향 1단 변속을 하는 경우 등에 대해서 언급하였으나, 상기 6개의 요소 중 태양기어와 링기어를 연결시키는 역할을 함으로써 필수로 있어야 하는 제1 및 제2 유성기어(420, 430)를 제외한 나머지 4개의 요소 중 하나는 구비되지 아니할 경우에도 변속 장치로서의 역할을 할 수 있다. 이 경우 없는 요소는 그 요소의 회전축이 개방되어 있는 것과 마찬가지이므로 사실 6개의 구성요소를 그대로 가지고 있으면서 이 축에는 브레이크를 걸지 않은 것으로 볼 수 있다. 이 경우 브레이크는 2개의 축에 작용시킬 수 있으므로 2단 변속을 하게 되고, 앞에서와 마찬가지로 표 1 내지 표 5에서 감속비를 구할 수 있다. 즉, 선술한 제1 실시예에 따른 변속 장치(1)가 이에 해당하며, 2단 변속이면 충분하고 장치를 조금이라도 더 간단히 하는 것이 좋을 경우는 이와 같이 감속 장치를 구성할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 변속 장치에 관해 설명한다.
도 13 은 본 발명의 일 실시예에 따른 변속 장치의 기어단의 구조를 나타낸 도면이며, 도 14, 도 15, 도 17 및 도 18 은 본 발명의 일 실시예에 따른 변속 장치를 나타낸 도면이고, 도 16 은 본 발명의 일 실시예에 따른 변속 장치의 기어단의 구조를 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 변속 장치는, 입력단과 출력단 사이의 변속을 수행하는 변속장치로서, 상기 변속 장치는 다단으로 배열된 구조를 갖는 N 개(N>2)의 기어단; 케이지; 및 브레이크 부재;를 포함하며,
상기 각각의 기어단은, 태양기어와 링기어 중 적어도 하나; 및 수개의 유성기어; 를 포함하며,
상기 태양기어는 상기 수개의 유성기어의 공전 중심에 배치되고, 상기 수개의 유성기어는 상기 태양기어에 대해서 외접하여 맞물리며, 상기 링기어는 상기 수개의 유성기어에 대해서 내접하여 맞물리고,
상기 복수의 기어단에 포함된 각각의 태양기어는 동축선상에 배치되되 각각 별개의 축을 갖게 구성되며,
복수의 기어단에 포함된 각각의 유성기어는 기어단별로 서로 대응되게 배치되며 기어단별로 대응되는 복수의 유성기어는 동심원을 이루며 일체로 형성되고, 상기 케이지는 상기 유성기어가 상기 태양기어를 중심으로 공전할 수 있도록 상기 유성기어의 자전 회전축을 지지하며,
상기 브레이크 부재는, 상기 태양기어의 회전축, 상기 링기어의 회전축, 및 상기 케이지의 회전축 중 어느 하나를 입력단으로 하고, 다른 하나를 출력단으로 하였을 때 상기 입력단과 상기 출력단을 제외한 다른 회전축 중 하나에 대해서 작용함에 따라서 기어 변속을 수행한다.
도 13 은 본 발명에 따른 변속 장치(10000)의 기어단(10T)의 구조를 나타낸 개념도이다.
본 발명에 따른 변속 장치(10000)는 수개의 기어로 구성된 기어단(10T)이 복수 개 구비되어 상기 복수의 기어단(10T)이 다단으로 적층된 구성을 가질 수 있다.
재술하면, 상기 각각의 일 기어단(10T)을 하나의 열을 구성하는 기어세트로 보면, 본 발명에 따른 변속 장치(10000)는 N 개의 열을 갖는 기어세트로 설명될 수 있다.
이하에서는, 먼저 도 13 을 참조하여 각각의 기어단(10T)의 구조에 관해 설명한다.
일 기어단(10T)은 수개의 유성기어(14T)를 포함하며, 유성기어(14T) 외에 태양기어(12T) 및 링기어(16T) 중 적어도 하나를 포함한다. 이에 따라서, 수개의 기어단(10T) 중 하나인 일 기어단(10T)은 태양기어(12T), 유성기어(14T), 링기어(16T)가 모두 구비되는 구성을 갖거나, 또는 유성기어(14T)와 태양기어(12T)가 구비되는 구성을 갖거나, 또는 유성기어(14T)와 링기어(16T)가 구비되는 구성을 가질 수 있다.
태양기어(12T)는 예컨대 회전 중심으로 작용하는 소정의 샤프트(미도시)와 같은 부재에 연결될 수 있다. 태양기어(12T)는 상기 샤프트(미도시)를 통해 외부로부터 동력을 받거나, 또는 외부에 동력을 인가할 수 있다.
유성기어(14T)는 태양기어(12T)에 대해서 외접하여 맞물린다. 도면에서는 유성기어(14T)의 수가 3 개로 도시되었으나, 이에 한정하지 아니하며 태양기어(12T)와 맞물리는 수개의 유성기어(14T)가 배치될 수 있다. 이때, 상기 유성기어(14T)의 공전 중심 축은 태양기어(12T)의 자전 중심 축과 중첩된다.
링기어(16T)는 유성기어(14T)에 대해서 맞물림에 따라서, 링기어(16T)에 형성된 치차부에 유성기어(14T)가 내접한다. 즉, 링기어(16T)에 대해 유성기어(14T)가 내접하며, 복수의 유성기어(14T) 사이에 태양기어(12T)가 맞물릴 수 있다. 이때, 링기어(16T)의 자전 중심 축은 태양기어(12T)의 자전 중심 축과 서로 중첩된다.
상기한 설명은 일 기어단(10T) 내에 태양기어(12T)와 링기어(16T)가 모두 구비된 예를 설명하였으나, 상술한 바와 같이 일 기어단(10T) 내에서 태양기어(12T) 및 링기어(16T)는 어느 하나만 구비되어도 충분하며, 따라서 한쪽을 생략할 수 있다.
도 14, 도 15, 도 17 및 도 18 은 본 발명에 따른 변속 장치(10000)의 구조를 나타낸 도면이며, 도 16 는 본 발명에 따른 변속 장치(10000)의 기어단의 구조를 나타낸 도면이다.
이하에서는 상기 각각의 기어단이 복수 구비되어 형성되는 변속 장치(10000)에 관해 설명한다.
상술한 바와 같이, 각각의 일 기어단 내에는 태양기어가 구비될 수 있다. 이에 따라서, 예컨대 도 14 에 도시된 기어단 중 일 기어단을 제1 기어단(1000)이라 하고, 다른 하나의 기어단을 제2 기어단(2000)이라 할 때, 제1 기어단(1000) 내에 제1 태양기어(1100)가 구비되며, 제2 기어단(2000) 내에 제2 태양기어(2100)가 구비될 수 있다. 한편, 상술한 바와 같이 각각의 기어단은 하나의 열을 구성하는 기어세트라 할 수 있다. 이러한 사항은 본 발명에 따른 변속기가 N 개의 기어단을 갖는 N 열의 복합유성기어세트일 때, N 개의 기어단 모두, 즉 N 개의 열에 해당하는 각각의 기어세트에 대해서 적용될 수 있다.
제1 태양기어(1100)와 제2 태양기어(2100)는 각각 예컨대 회전 중심으로 작용하는 소정의 샤프트(미도시)와 같은 부재에 연결될 수 있으며, 상기 샤프트(미도시0)를 통해 외부로부터 동력을 받거나, 또는 외부에 동력을 인가하거나, 또는 브레이크 부재(4000)에 의한 브레이킹 작용을 받을 수 있다. 이때, 제2 태양기어(2100)의 자전축과 제1 태양기어(1100)의 자전축은 서로 독립적으로 형성되되, 서로 중첩되게 배치된다. 즉, 복수의 기어단에 포함된 각각의 태양기어는 동축선상에 배치되되, 각각 별개의 축을 갖는다. 이에 따라서, 어느 하나의 태양기어에 대해서만 브레이크가 작용하는 것도 가능하며, 각각의 태양기어가 서로 상이한 각속도를 가질 수도 있다.
예컨대, 도 14 에 도시된 바와 같이 제2 태양기어(2100)의 회전축 내에 중공이 형성되고 상기 중공에 제1 태양기어(1100)의 회전축이 배치되는 것과 같은 이중 회전축 구조가 구비될 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 태양기어(1100) 및 제2 태양기어(2100)의 직경은 서로 상이할 수 있다. 이는 본 발명에 따른 변속기가 N 개의 기어단을 가질 경우, N 개의 기어단 각각에 대해 적용될 수 있다. 즉, N 개의 기어단에 구비되는 태양기어는 서로 상이한 직경을 가질 수 있다. 이에 따라서, 각각의 태양기어에 맞물리는 유성기어 및 링기어의 직경이 상이해지며, 브레이크의 선택적 인가에 따른 변속이 이루어질 수 있다. 이에 대해서는 후술한다.
상술한 바와 같이, 각각의 일 기어단 내에는 유성기어가 구비된다. 이에 따라서, 예컨대 제1 기어단(1000) 내에 제1 유성기어(1200)가 구비되며, 제2 기어단(2000) 내에 제2 유성기어(2200)가 구비된다. 이러한 사항은 본 발명에 따른 변속기가 N 개의 기어단을 갖는 N 열의 복합유성기어세트일 때, N 개의 기어단 모두, 즉 N 개의 열에 해당하는 각각의 기어세트에 대해서 적용될 수 있다.
제1 유성기어(1200)는 제1 태양기어(1100)와 맞물려서 제1 태양기어(1100)의 자전에 따라서 회전할 수 있게 구성된다.
제2 유성기어(2200)는 각각의 제1 유성기어(1200)와 자전축을 공유하며 동심원을 형성한다. 즉, 제2 유성기어(2200)는 제1 유성기어(1200)와 동수로 배치되며 각각의 제1 유성기어(1200)와 제2 유성기어(2200)는 자전축을 공유하며 동심원을 구성함에 따라서, 제1 유성기어(1200)와 제2 유성기어(2200)는 함께 회전하고, 그 각속도는 동일하게 구성된다. 이러한 유성기어 사이의 관계는 제1 기어단(1000) 및 제2 기어단(2000) 뿐만 아니라, N 번째의 기어단까지 모두 동일하게 적용된다.
재술하면, 복수의 기어단에 포함된 각각의 유성기어는 기어단별로 서로 대응되게 배치되며, 기어단별로 대응되는 복수의 유성기어는 동심원을 이루며 일체로 형성되어 동일한 각속도를 가지며 함께 회전한다.
한편, 도 14 에서는 제1 및 제2 유성기어(2200)가 서로 접하여 일체로 구성되게 도시되었으나, 이에 한정하지 아니하며 제1 및 제2 유성기어(2200)는 제1 및 제2 유성기어(2200)의 중심 축을 연결하는 소정의 샤프트(미도시)와 같은 연결 수단에 의해 서로 이격되게 연결될 수 있고, 이에 한정하지 아니한다.
상술한 바와 같이, 각각의 일 기어단 내에는 링기어가 구비될 수 있다. 이에 따라서, 예컨대 제1 기어단(1000) 내에 제1 링기어(1300)가 구비되며, 제2 기어단(2000) 내에 제2 링기어(2300)가 구비될 수 있다. 이러한 사항은 본 발명에 따른 변속기가 N 개의 기어단을 갖는 N 열의 복합유성기어세트일 때, N 개의 기어단 모두, 즉 N 개의 열에 해당하는 각각의 복합유성기어세트에 대해서 적용될 수 있다.
제1 링기어(1300)는 제1 유성기어(1200)와 맞물리며, 제1 유성기어(1200)의 회전에 따라서 자전할 수 있게 구성된다. 즉, 복수의 제1 유성기어(1200)는 제1 태
양기어(1100)에 대해서 외접하며 맞물리며, 제1 링기어(1300)는 복수의 제1 유성기어(1200)에 대해서 내접하며 맞물린다. 이때, 제1 링기어(1300)의 자전 중심 축은 제1 태양기어(1100)의 자전 중심 축과 서로 중첩된다.
제2 링기어(2300)는 제2 유성기어(2200)에 대해서 내접하며 맞물린다. 제2 링기어(2300)는 제2 유성기어(2200)의 회전에 따라서 자전할 수 있으며, 제2 링기어(2300)의 자전 축 또한 태양기어 및 제1 링기어(1300)의 자전 축과 서로 중첩되게 구성된다.
한편, 도면에서는 1 열에서 N 열으로 열 수가 증가할 때마다 태양기어의 직경은 점점 감소하고, 유성기어와 링기어의 직경은 점점 증가하게 되어 있다. 즉, 상기 복수의 열에 포함된 수개의 태양기어의 직경은 서로 상이하며, 일 예에 의하면 상기 복수의 태양기어는 순차적으로 직경이 커지거나 작아지도록 배열될 수 있다.
이와 같이 열이 바뀜에 따라서 기어 직경이 계속 증가하거나 감소하는 경우 태양기어나 링기어의 회전/고정 기구를 설계하기가 수월할 수 있으나, 이것은 본 변속기가 작동을 하는 데 있어서 본질적으로 요구되는 것은 아니다.
이하에서는 케이지(3000)에 대해 설명한다.
케이지(3000)는 각각의 유성기어의 자전축을 지지한다. 예컨대 제1 및 제2 유성기어(120, 2200)는 자전축을 형성하는 소정의 샤프트를 구비하며, 케이지(3000)에는 상기 샤프트가 삽입되어 회전할 수 있는 홀이 형성될 수 있다. 한편, 케이지(3000)는 전체 기어단의 상, 하부에 마련되어 전체 유성기어의 상부 및 하부에서 유성기어의 자전축을 지지할 수 있다.
케이지(3000)는 자전 축을 갖되, 태양기어, 링기어 및 케이지(3000)의 자전 축은 서로 중첩된다.
케이지(3000)는 태양기어의 자전 축과 중첩되는 자전 축을 가지며 유성기어의 자전 축을 지지하도록 구성됨으로써, 유성기어가 태양기어를 중심으로 공전할 때 유성기어의 자전축으로 작용하는 샤프트가 태양기어를 중심으로 공전함에 따라서 케이지(3000)는 상기 공전 방향과 동일한 방향으로 자전할 수 있다.
한편, 역으로 케이지(3000)가 자전함에 따라서 유성기어는 태양기어를 중심으로 공전할 수 있다.
이하에서는 브레이크 부재(4000)에 대해 설명한다.
상기 각각의 부재의 회전을 제어하여 정지시킬 수 있는 브레이크 부재(4000)가 마련될 수 있으며, 상기 브레이크 부재(4000)의 구체적인 실시 형태는 소정의 마찰 브레이크, 또는 치차 브레이크일 수 있다. 상기 브레이크 부재(4000)는 소정의 형태 및 구성을 가짐으로써, 상기와 같은 태양기어, 링기어, 및 케이지(3000)에 대해 브레이킹 작용을 인가할 수 있다.
일 예에 의하면, 브레이크 부재(4000)가 치차 브레이크로 구성될 경우, 상기 치차 브레이크에는 제1 치차부가 형성되며, 상기 케이지(3000), 상기 링기어, 및 상기 태양기어의 축의 적어도 일 부분에는 상기 제1 치차부에 맞물리는 제2 치차부가 형성될 수 있다.
치차 브레이크는 치차부를 갖는 렉 기어(4100), 상기 렉 기어(4100)에 탄성을 가하는 스프링(4200), 상기 렉 기어(4100)의 변위를 안내하는 가이드 레일(4300), 상기 가이드 레일(4300)의 회전 중심으로 작용하는 회전 축(4400), 및 상기 렉 기어(4100)를 변위하는 동력부(4700)를 포함하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 도 18 에 도시된 바와 같이 치차 브레이크를 통해 입력축, 출력축 이외의 회전축을 정지시킬 때, 상기 동력부는 렉 기어(4100)를 변위하여 렉 기어(4100)의 치차부가 입출력축 이와의 회전축 둘레에 형성된 치차부에 맞물리게 한다. 이때, 렉 기어(4100)와 치차 브레이크 사이의 치합은 렉 기어(4100)가 가이드 레일(4300)을 따라서 안내됨에 따라서 이루어질 수 있다. 한편, 치차 브레이크는 렉 기어(4100)에 탄성을 가하는 스프링(4200) 부재를 포함함에 따라서, 렉 기어(4100)에 형성된 치차부와 입출력축 이외의 회전축에 형성된 치차부가 맞물려서 회전이 정지할 때, 그에 따른 충격이 완화될 수 있다.
한편, 실시예에 따라서 본 발명에 따른 변속 장치(10000)가 복수의 기어단을 포함할 경우, 예컨대 도 14 에 도시된 바와 같이 브레이크 부재(4000)가 인가되는 태양기어 축, 케이지(3000), 및 링기어 마다 별개의 브레이크 부재(4000)가 구비될 수 있으나, 도 17 에 도시된 바와 같이 상기 복수의 태양기어 축, 케이지(3000), 및 링기어 중 일부에 대해서만 브레이크 부재(4000)가 구비되는 것도 가능하며, 도 18 에 도시된 바와 같이 브레이크 부재(4000)가 변위되어 태양기어 축, 케이지(3000), 및 링기어에 대해 선택적으로 브레이크가 인가되는 것도 가능하다. 즉, 브레이크 부재(4000)가 변위됨에 따라서 입력축과 출력축을 제외한 다른 회전축에 브레이크를 인가하는 것이 가능하며, 이때 브레이크가 인가되는 회전축은 하나 또는 둘 이상일 수 있다.
이때, 하나의 치차 브레이크가 적절히 작용할 수 있도록 하기 위해 상기 브레이크는 소정의 위치 가변 장치가 마련된 가변 브레이크로 구성될 수 있다.
예컨대, 도 14 에 도시된 바와 같이, 상기 브레이크 부재(4000)가 렉 기어(4100)를 포함하는 치차 브레이크로 구성되고, 기어단이 상하 방향으로 다단으로 적층된 구조를 가질 경우 상기 렉 기어(4100)가 변위하여 브레이크가 인가되는 부재에 적절히 맞물릴 수 있도록 상기 렉 기어(4100)를 변위시키는 소정의 이송장치가 구비될 수 있다.
예컨대, 도 18 에 도시된 바와 같이, 렉기어(4100)를 포함하는 브레이크 부재(4000)를 선형모터 가동부(4600)에 장착하여, 선형모터 고정부(4500)를 따라서 기어단의 적층 방향으로 적절히 변위시켜서 렉 기어(4100)를 통한 브레이크의 적절한 인가가 이루어질 수 있다.
이때, 일 예로 링기어에만 상기 브레이크 부재(4000)가 작용할 경우 링기어의 자전이 정지하며 케이지(3000)의 자전은 정지하지 아니하여, 유성기어는 공전에 방해를 받지 아니하며 자전 및 공전 운동을 동시에 할 수 있다.
다른 예로, 케이지(3000)에만 브레이크 부재(4000)가 작용할 경우, 케이지(3000)의 자전이 정지되며 유성기어의 공전이 정지되고 자전 운동만을 하게 된다.
이하에서는, 본 발명에 따른 변속 장치(10000)의 변속 작동에 대해 설명한다.
이하에서는, 설명의 편의상 본 발명에 따른 변속 장치(10000)의 일 단에 배치된 기어단을 1 열로 정의하며, 이로부터 순차적으로 n 번째로 배치된 기어단을 n 열로 설명한다.
본 발명에 따라서, N 개의 기어단(100)을 포함하여 N 열의 기어단(10T)으로 구성된 변속 장치(10000)에서, 태양기어(12T), 링기어(16T), 및 유성기어(14T)를 포함하는 임의의 n 열의 기어단(10T)에 적용되는 운동방정식은 식 (1), (2)와 같다.
Figure PCTKR2013002914-appb-I000065
(1)
Figure PCTKR2013002914-appb-I000066
(2)
여기서
Figure PCTKR2013002914-appb-I000067
은 n 열 태양기어(12T)의 각속도,
Figure PCTKR2013002914-appb-I000068
은 n 열 링기어(16T)의 각속도,
Figure PCTKR2013002914-appb-I000069
는 유성기어(14T)의 각속도 (모든 열의 유성기어(14T)는 같은 축으로 결합되어 있으므로 각속도가 같다),
Figure PCTKR2013002914-appb-I000070
는 유성기어(14T) 케이지의 각속도,
Figure PCTKR2013002914-appb-I000071
은 n 열 태양기어(12T)의 직경,
Figure PCTKR2013002914-appb-I000072
은 n 열 링기어(16T)의 직경을 나타낸다 (유성기어(14T) 직경은 태양기어(12T)의 직경과 링기어(16T)의 직경으로 나타낼 수 있다 (
Figure PCTKR2013002914-appb-I000073
)).
일 기어단(10T)으로 구성된 변속 장치(10000)의 경우 (N=1), 네 개의 각속도(
Figure PCTKR2013002914-appb-I000074
,
Figure PCTKR2013002914-appb-I000075
,
Figure PCTKR2013002914-appb-I000076
,
Figure PCTKR2013002914-appb-I000077
) 사이의 관계를 나타내는 두 개의 방정식이 존재하며 (식(3), (4)), 네 개의 각속도 중 두 개가 결정될 경우 나머지 두 개의 각속도는 알 수 있게 된다. 즉, 하나의 회전축을 고정시키고(
Figure PCTKR2013002914-appb-I000078
= 0) 다른 하나의 회전축을 입력축으로 하여 입력 회전속도를 알 경우, 남은 두 개 회전축의 각속도가 결정되며 이것은 일반 변속 장치(10000)의 동작에 해당한다.
Figure PCTKR2013002914-appb-I000079
(3)
Figure PCTKR2013002914-appb-I000080
(4)
2 개의 기어단(10T)으로 구성된 변속 장치(10000)의 경우 (N=2), 6 개의 각속도(
Figure PCTKR2013002914-appb-I000081
,
Figure PCTKR2013002914-appb-I000082
,
Figure PCTKR2013002914-appb-I000083
,
Figure PCTKR2013002914-appb-I000084
,
Figure PCTKR2013002914-appb-I000085
,
Figure PCTKR2013002914-appb-I000086
) 사이의 관계를 나타내는 4 개의 방정식(식(3)~(6))이 존재하며, 6 개의 각속도 중 두 개가 결정될 경우 나머지 4 개의 각속도가 결정된다.
Figure PCTKR2013002914-appb-I000087
(5)
Figure PCTKR2013002914-appb-I000088
(6)
이 6개의 각속도 중 유성기어(14T)의 각속도 wp 는 변속 장치(10000) 밖으로 나타나는 값은 아니며 다른 값들에 의해서 결정되는 값이므로, 변속 장치(10000)의 경우 외부에 연결되어 제어될 수 있는 5개의 회전축을 갖게 된다. 이 5개의 회전축 중 어느 하나를 입력축으로 하고 다른 하나를 출력축으로 하며 또 다른 하나를 회전하지 못하도록 고정하였을 때, 즉, 어느 하나를 브레이크가 인가된 고정축으로 하였을 때 입력축과 출력축은 일정한 비율로 회전하게 되므로, 변속을 수행할 수 있다.
이것의 경우의 수를 생각하면, 5개의 회전축 중 하나를 입력축으로 택할 가짓수 5, 남은 4개의 회전축 중 하나를 출력축으로 택할 가짓수 4, 남은 3개의 회전축 중 하나를 고정축으로 택할 가짓수 3의 조합으로 이루어지므로, 모든 경우의 수는 60가지가 된다 (5x4x3=60). 즉, 어느 축을 입력축, 출력축, 고정축으로 택하는가에 따라서 60가지의 변속이 가능하고, 입력축, 출력축이 결정될 경우 (20가지 경우의 수 (5x4=20)), 남은 3개의 축 중 어느 축을 고정하는가에 따라서 각각을 3단 변속기로 작동시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 변속 장치(10000)는 N 개의 기어단(10T)을 포함하며, 이때 N 은 1 보다 큰 자연수이므로, 본 발명에 따른 변속 장치(10000)는 3 개 이상으로 확장된 기어단(10T)을 포함할 수 있다. 도 14에 나타낸 것과 같이 3 개의 기어단(10T)으로 구성된 변속 장치(10000)의 경우 (N=3), 8 개의 각속도(
Figure PCTKR2013002914-appb-I000089
,
Figure PCTKR2013002914-appb-I000090
,
Figure PCTKR2013002914-appb-I000091
,
Figure PCTKR2013002914-appb-I000092
,
Figure PCTKR2013002914-appb-I000093
,
Figure PCTKR2013002914-appb-I000094
,
Figure PCTKR2013002914-appb-I000095
,
Figure PCTKR2013002914-appb-I000096
) 사이의 관계를 나타내는 6 개의 방정식(식(3)~(8))이 존재하며, 8 개의 각속도 중 두 개가 결정될 경우 나머지 6 개의 각속도가 결정된다.
Figure PCTKR2013002914-appb-I000097
(7)
Figure PCTKR2013002914-appb-I000098
(8)
이 8 개의 각속도 중 유성기어(14T) 각속도 ωP 는 변속 장치(10000) 밖으로 나타나는 값은 아니며 다른 값들에 의해서 결정되는 값이므로, 3 열로 구성된 복합유성기어세트의 경우 외부에 연결되어 제어될 수 있는 7 개의 회전축을 갖게 된다.
이 7 개의 회전축 중 어느 하나를 입력축으로 하고 다른 하나를 출력축으로 하며 또 다른 하나를 회전하지 못하도록 고정하였을 때, 입력축과 출력축은 일정한 비율로 회전하게 되므로, 변속을 수행할 수 있다. 이것의 경우의 수를 생각하면, 7 개의 회전축 중 하나를 입력축으로 택할 가짓수 7, 남은 6 개의 회전축 중 하나를 출력축으로 택할 가짓수 6, 남은 5 개의 회전축 중 하나를 고정축으로 택할 가짓수 5 의 조합으로 이루어지므로, 42종류(7x6=42)의 5단 변속기로 구성이 가능하다.
같은 식으로 도 15에 나타낸 4 개의 기어단(10T)으로 구성된 변속 장치(10000)(N=4)가 형성할 수 있는 변속기의 가짓수는 72(9x8=72)이고, 이 각각의 경우는 7 단 변속기로 작동을 한다. 마찬가지로 5 개의 기어단(10T)으로 구성된 변속 장치(10000)(N=5)가 형성할 수 있는 변속기의 가짓수는 110(11x10=110)이고, 이 각각의 경우는 9단 변속기로 작동을 한다. 즉, N 열로 구성된 복합유성기어(14T)세트가 변속기로 구성될 수 있는 가짓수는 2N(2N+1)이고, 이 각각은 2N-1단 변속기로 작동을 한다.
기어단(100)의 수가 증가함에 따라서 변속 장치(10000)가 형성할 수 있는 변속기의 가짓수가 매우 많아질 수 있다.
하기와 같이 3 개 이상의 기어단(100)을 포함한 변속 장치(10000)를 구성함에 있어서 고정단, 입력단, 출력단이 각각 태양기어(12T), 링기어(16T), 유성기어(14T) 케이지 중 어느 곳에 속하느냐에 따라서 변속기를 표 8과 같이 20 개로 분류하고, 이 20 개 경우에 대한 감속비의 일반식을 표 9와 같이 도출하였다
표 8 3개 이상의 기어단으로 구성된 변속 장치로부터 구성 가능한 변속기의 분류
고정단 입력단 출력단 분류번호
태양기어 링기어 케이지 1
케이지 링기어 2
(고정단과 다른 단의) 태양기어 A (고정단과 다른 단의) 태양기어 B 3
(고정단과 다른 단의) 태양기어 링기어 4
링기어 (고정단과 다른 단의) 태양기어 5
(고정단과 다른 단의) 태양기어 케이지 6
케이지 (고정단과 다른 단의) 태양기어 7
링기어 A (링기어 A와 다른 단의) 링기어 B 8
링기어 태양기어 케이지 9
케이지 태양기어 10
(고정단과 다른 단의) 링기어 A (고정단과 다른 단의) 링기어 B 11
(고정단과 다른 단의) 링기어 태양기어 12
태양기어 (고정단과 다른 단의) 링기어 13
(고정단과 다른 단의) 링기어 케이지 14
케이지 (고정단과 다른 단의) 링기어 15
태양기어 A (태양기어 A와 다른 단의) 태양기어 B 16
케이지 태양기어 A (태양기어 A와 다른 단의) 태양기어 B 17
태양기어 링기어 18
링기어 태양기어 19
링기어 A (링기어 A와 다른 단의) 링기어 B 20
표 9 3 개 이상의 기어단을 포함한 변속 장치로부터 구현 가능한 변속기의 감속비 일반식
고정단 일반식 감속비 일반식 분류번호
Figure PCTKR2013002914-appb-I000099
= 0
Figure PCTKR2013002914-appb-I000100
 1
Figure PCTKR2013002914-appb-I000101
 2
Figure PCTKR2013002914-appb-I000102
 3
Figure PCTKR2013002914-appb-I000103
 4
Figure PCTKR2013002914-appb-I000104
 5
Figure PCTKR2013002914-appb-I000105
 6
Figure PCTKR2013002914-appb-I000106
 7
Figure PCTKR2013002914-appb-I000107
 8
Figure PCTKR2013002914-appb-I000108
= 0
Figure PCTKR2013002914-appb-I000109
 9
Figure PCTKR2013002914-appb-I000110
 10
Figure PCTKR2013002914-appb-I000111
 11
Figure PCTKR2013002914-appb-I000112
 12
Figure PCTKR2013002914-appb-I000113
 13
Figure PCTKR2013002914-appb-I000114
 14
Figure PCTKR2013002914-appb-I000115
 15
Figure PCTKR2013002914-appb-I000116
 16
Figure PCTKR2013002914-appb-I000117
= 0
Figure PCTKR2013002914-appb-I000118
 17
Figure PCTKR2013002914-appb-I000119
 18
Figure PCTKR2013002914-appb-I000120
 19
Figure PCTKR2013002914-appb-I000121
 20
표 9에 사용된 기호에 대한 설명은 다음과 같다.
소문자 w 는 각속도를 나타내고 대문자 D 는 피치원의 직경을 의미한다. 하첨자로 사용된 것들은 다음을 의미한다.
s : 태양기어(12T), r : 링기어(16T), c : 케이지, n : 열 수, i : 입
력, o : 출력, f : 고정단
하첨자가 두 개 있을 경우, 왼쪽에 있는 것은 태양기어(12T) 혹은 링기어(16T)를 지정하고, 오른쪽에 있는 것은 입력단, 출력단, 고정단의 열 수를 지정한다.
예를 들어, 2열에 있는 태양기어(12T)가 고정단이고, 3열에 있는 링기어(16T)가 입력단이며, 6열에 있는 케이지가 출력단인 경우, 식의 도출은 다음과 같이 할 수 있다. 먼저 태양기어(12T)가 고정단, 링기어(16T)가 입력단, 그리고 케이지가 출력단인 경우는 분류번호 1에 해당한다. 고정단의 열 수는 2이고, 입력단의 열 수는 3이며, 출력단의 열 수는 6이므로, 감속비는 다음과 같다.
Figure PCTKR2013002914-appb-I000122
(9)
또한, 5열에 있는 링기어(16T)가 고정단이고, 6열에 있는 태양기어(12T)가 입력단이며, 1열에 있는 태양기어(12T)가 출력단인 경우 (분류번호 16), 감속비는 다음과 같다.
Figure PCTKR2013002914-appb-I000123
(10)
구체적 적용 예로서, 3열로 구성되어 3 개의 기어단(10T)을 포함한 변속 장치(10000)를 이용한 감속기로서, 입력단은 케이지, 출력단은 직경이 가장 작은 링기어(16T)인 경우, 이것은 표9에서 분류번호 2과 15에 해당한다. 분류번호 2의 감속비 일반식에서 어떤 태양기어(12T)를 고정하느냐에 따라서 3가지 감속비가 결정되고, 분류번호 15의 감속비 일반식에서 출력단을 제외한 나머지 2개의 링기어(16T) 중 어떤 링기어(16T)를 고정하느냐에 따라서 2가지 감속비가 결정되어, 합계 5개의 감속비를 구현한다.
태양기어(12T)와 링기어(16T)의 피치원 직경의 상대적 크기를 고려하면, 아래와 같은 순서로 5개의 감속비를 얻을 수 있다 (1속이 감속비가 가장 큰 경우이고, 5속이 감속비가 가장 작은 경우이다).
1속:
Figure PCTKR2013002914-appb-I000124
(11)
2속:
Figure PCTKR2013002914-appb-I000125
(12)
3속:
Figure PCTKR2013002914-appb-I000126
(13)
4속:
Figure PCTKR2013002914-appb-I000127
(14)
5속:
Figure PCTKR2013002914-appb-I000128
(15)
식(11) - 식(15)에 의해 기어의 직경이 주어졌을 때 감속비를 구할 수 있다.
예를 들어,Ds1 = 12, Ds2 = 30, Ds3 = 33, Dr1 = 60, Dr2 = 42, Dr3 = 39 일 경우 각 단의 감속비는 하기와 같다.
1속 = 2.167, 2속 = 1.238, 3속 = 0.963, 4속 = 0.722, 5속 = 0.542
1속 / 2속 = 1.75, 2속 / 3속 = 1.29, 3속 / 4속 = 1.33, 4속 / 5속 = 1.33
자전거의 변속기로 사용할 경우 1속에서는 감속비가 많이 크고(가파른 경사를 올라갈 경우 사용), 다른 단에서는 비교적 일정한 비율로 감속비가 줄어들게 되어 자전거 변속기로서 매우 바람직한 성능을 가질 수 있다. 이 변속기의 전체변속비율(1속 / 5속)은 4로, 이것은 기존 10단 자전거 변속기의 전체변속비율보다 커서 넓은 범위의 변속을 할 수 있다.
변속특성을 원하는 대로 결정할 수 있는지에 대하여 아래와 같이 고찰할수 있다. 변속기에서는 변속되는 각 단의 절대적 감속비(입력축과 출력축의 각속도 비율0)를 임의로 설정함이 바람직하나, 각 단의 감속비 비율(n단에서의 감속비 / n+1단에서의 감속비)을 자유롭게 설정할 수 있는 형태도 무방하다. 식(11) - 식(15)에서 1속과 2속의 감속비 비율을 k1, 2속과 3속의 감속비 비율을 k2, 3속과 4속의 감속비 비율을 k3, 4속과 5속의 감속비 비율을 k4라고 할 경우 아래와 같이 쓸 수 있다.
Figure PCTKR2013002914-appb-I000129
(16)
Figure PCTKR2013002914-appb-I000130
(17)
Figure PCTKR2013002914-appb-I000131
(18)
Figure PCTKR2013002914-appb-I000132
(19)
식(16) - 식(19)에서 변수 k1, k2, k3, k4는 원하는 변속특성으로 주어진 값
이고, 도출되어야 할 6개의 변수를 가지고 있으나, 이 중 2개는 각 기어 피치원 직경의 기하학적 관계에 의한 종속변수이다. 예를 들어,
Figure PCTKR2013002914-appb-I000133
,
Figure PCTKR2013002914-appb-I000134
는 식(20), 식(21)과 같이 다른 4개의 변수로 표시될 수 있다.
Figure PCTKR2013002914-appb-I000135
(20)
Figure PCTKR2013002914-appb-I000136
(21)
따라서 식(16)-(19)는 4개의 변수(
Figure PCTKR2013002914-appb-I000137
,
Figure PCTKR2013002914-appb-I000138
,
Figure PCTKR2013002914-appb-I000139
,
Figure PCTKR2013002914-appb-I000140
)로 표시될 수 있으나, 감속기의 경우 감속기를 구성하는 모든 기어의 직경을 같은 비율로 크거나 작게 해도 감속비는 같게 되므로, 독립변수의 수는 1개 줄어들게 되어 식(16),식(19)는 3개의 독립변수(예를 들어,
Figure PCTKR2013002914-appb-I000141
,
Figure PCTKR2013002914-appb-I000142
,
Figure PCTKR2013002914-appb-I000143
)에 의한 식이 된다.
독립변수는 3개인 반면 만족시켜야 할 식은 4개(식(16) - 식(19))이므로, 식
(16) - 식(19)는 특별한 경우를 제외하고는 해를 갖지 않는다. 따라서 3열로 구성된 변속 장치(10000)의 경우 2열로 구성된 변속 장치(10000)와는 달리 항상 각 단의 감속비 비율을 원하는 대로 설정할 수는 없다 (2열로 구성된 복합유성기어(14)세트의 경우 2개의 독립변수(
Figure PCTKR2013002914-appb-I000144
,
Figure PCTKR2013002914-appb-I000145
)와 2개의 만족시켜야 할 식을 가지므로 해를 갖는다).
그러나 식(16) - 식(19)를 모두 만족시키지 않고 3개의 관계식만 만족시키도록 하면 독립변수가 3개이므로 대부분의 경우 해가 존재하고, 각 단의 감속비 비율을 원하는 대로 설정할 수 있다. 즉, 3 열로 구성된 변속 장치(10000)를 5단 변속기로 사용하지 않고 4단 변속기로 사용한다면 각 단의 감속비 비율을 원하는 대로 설계할 수 있다.
같은 식으로, 4 열로 구성된 복합유성기어(14)세트는 4개의 독립변수를 갖고 (예를 들어
Figure PCTKR2013002914-appb-I000146
,
Figure PCTKR2013002914-appb-I000147
,
Figure PCTKR2013002914-appb-I000148
,
Figure PCTKR2013002914-appb-I000149
), 6개의 변속비 관계식을 가지므로 일반적으로 해를 구할 수 없다. 이 경우도 6개의 변속비 관계식 중 4개만을 만족시킨다면 많은 경우 해를 구할 수 있고, 따라서 4열로 구성된 복합유성기어(14)세트는 5단 변속기로 사용할 경우, 각 단의 감속비 비율을 원하는 대로 설계할 수 있다.
정리하면, N 열로 구성된 복합유성기어(14)세트는(N=2) 최대 2N-1 단의 변속기로 작동시킬 수 있지만, N+1 단의 변속기로 구성할 경우 각 단의 감속비 비율을 원하는 대로 설계할 수 있다.
본 발명에 따른 변속 장치(10000)는, 복합유성기어세트와 브레이크기구를 포함함에 따라서 복잡하지 않고 단순한 구조를 가지며, 아울러 축방향으로 연장되는 구조를 갖지 않고 크기가 축소되어 공간 활용도가 개선될 수 있다. 또한, 상기와 같은 다단 변속이 수행될 수 있다.
한편, 상술한 바와 같이 하나의 기어단(10T)에서는 유성기어(14T)를 제외한 링기어(16T) 및 태양기어(12T) 중 하나는 없어도 변속 장치(10000)로서의 역할을 할 수 있다. 이 경우 없는 요소는 그 요소의 회전축이 개방되어 있는 것과 마찬가지이므로 이 축에는 브레이크를 걸지 않은 것으로 볼 수 있고, 상술한 바와 같이 변속 가능한 단수를 낮추면서 원하는 변속비를 갖도록 설계하려는 경우는 이와 같이 감속 장치를 구성할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 변속 장치(10000)는 입력단과 출력단 이외의 회전축을 전부 개방하는 것에 의해 출력단이 자유롭게 회전할 수 있는 상태로 만들 수 있어서 자동차에 적용할 경우 자동차를 사람이 밀 수 있는 상태(엔진 자동차에서 기어 중립상태)를 구현할 수 있다. 또한 입력단과 출력단 이외의 회전축 중 2개 이상에 브레이크를 작용할 경우 출력단의 회전에 브레이크를 가할 수 있어 자동차에 적용할 경우 메인브레이크나 사이드 브레이크의 역할을 할 수 있다.
이러한 특성은 break by wire를 구현함에 있어서도 또 다른 장점을 가지는데, 입력축과 출력축을 제외한 회전축 중 어떤 2개의 회전축에 브레이크를 가해도 출력단에 브레이크가 가해지기 때문에 여러 개(3개 이상)의 브레이크 중 1개가 주행 도중 고장이 나도 다른 2개의 브레이크로 자동차를 정지시킬 수 있기 때문이다.
따라서, 브레이크의 안전성이 더욱 향상될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 변속 장치를 하나의 입력축과 하나의 출력축을 갖는 변속 장치로 사용하는 것에 대하여 설명하였지만, 도 19 과 같이 상기 브레이크 부재가 가해지는 회전축에 다른 입력축(K)이 연결되어 이 추가 입력축(K)이 개방되거나 정지하고 있을 때에는 앞에서 언급한 식에 의한 감속비를 갖는 감속 장치로서 사용하고, 이 추가 입력축(K)이 회전하여 출력축의 속도가 두 입력축(K)의 회전속도에 의해서 결정될 때도 식(1) - 식(8)에서 브레이크축에 해당하는 회전축의 각속도 w 는 0이 아니고 어떤 값을 갖는 것에 불과하므로, 이것은 당연히 본 특허의 범위에 포함된다.
즉, 본 발명의 변속 장치는, 상기 입력단 및 출력단으로 작용하는 회전축을 제외한 나머지 회전축 중 하나 이상에 대해서 작용하는 제2 입력축을 더 포함하며, 상기 제2 입력축이 소정의 각속도로 회전함에 따라서 출력축의 속도가 가변될 수 있다.
이상에서는 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.

Claims (24)

  1. 입력단과 출력단 사이의 변속을 수행하는 변속 장치(1)로서,
    입력단과 연결되는 태양기어(110);
    상기 태양기어(110)에 대해서 외접하며 맞물리는 수개의 제1 유성기어(120);
    상기 각각의 제1 유성기어(120)와 동심원을 형성하며 상기 제1 유성기어(120)와 일체로 형성되는 제2 유성기어(130);
    상기 제1 유성기어(120)에 대해서 외접하며 맞물리고 출력축과 연결되는 제1 링기어(140);
    상기 제2 유성기어(130)에 대해서 외접하며 맞물리는 제2 링기어(150);
    상기 제1 유성기어(120), 및 제2 유성기어(130)가 상기 태양기어(110)를 중심으로 공전할 수 있도록 상기 제1 유성기어(120) 및 제2 유성기어(130)의 자전 회전축을 지지하는 케이지(160); 및
    브레이크 부재;를 포함하며,
    상기 브레이크 부재는, 상기 제2 링기어(150) 및 상기 케이지(160)에 작용하여 상기 제2 링기어(150)의 자전 및 상기 케이지(160)의 자전을 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 변속 장치(1).
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 유성기어(120)의 직경은,
    상기 제2 유성기어(130)의 직경보다 큰 것을 특징으로 하는 변속 장치(1).
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 브레이크 부재는,
    상기 제2 링기어(150)에 작용하는 제1 브레이크 부재, 및
    상기 케이지(160)에 작용하는 제2 브레이크 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 변속 장치(1).
  4. 청구항 2 에 있어서,
    상기 브레이크 부재는,
    마찰 브레이크인 것을 특징으로 하는 변속 장치(1).
  5. 청구항 2 에 있어서,
    상기 제2 링기어(150)의 외주면 둘레에는 제6 치차부(T6)가 형성되고,
    상기 케이지(160)의 외주면 둘레에는 제7 치차부(T7)가 형성되며,
    상기 브레이크 부재는,
    상기 제6 치차부(T6)와 맞물리는 제8 치차부(T8)를 갖는 제1 브레이크 부재(300a), 및
    상기 제7 치차부(T7)와 맞물리는 제9 치차부(T9)를 갖는 제2 브레이크 부재(300b)를 포함하는 것을 특징으로 하는 변속 장치(1).
  6. 청구항 5 에 있어서,
    상기 제1 및 제2 브레이크 부재(300a, 300b)는,
    각각 제8 및 제9 치차부(T8, T9)를 갖는 렉 기어(310),
    상기 렉 기어(310)에 탄성을 가하는 스프링(320),
    상기 렉 기어(310)의 변위를 안내하는 가이드 레일(330),
    상기 가이드 레일(330)의 회전 중심으로 작용하는 회전 축(340), 및
    상기 렉 기어(310)를 변위하는 동력 전달부(350)를 포함하는 것을 특징으로 하는 변속 장치(1).
  7. 입력단과 출력단 사이의 변속을 수행하는 변속 장치(2)로서,
    제1 태양기어(410);
    상기 제1 태양기어(410)의 회전축과 중첩되는 회전축을 갖는 제2 태양기어(480);
    상기 제1 태양기어(410)에 대해서 외접하며 맞물리는 수개의 제1 유성기어(420);
    상기 각각의 제1 유성기어(420)와 동심원을 형성하며 상기 제1 유성기어(420)와 일체로 형성되고 상기 제2 태양기어(480)에 대해서 외접하여 맞물리는 제2 유성기어(430);
    상기 제1 유성기어(420)에 대해서 외접하여 맞물리는 제1 링기어(440);
    상기 제2 유성기어(430)에 대해서 외접하여 맞물리는 제2 링기어(450);
    상기 제1 유성기어(420), 및 제2 유성기어(430)가 상기 제1 및 제2 태양기어(410, 480)를 중심으로 공전할 수 있도록 상기 제1 유성기어(420) 및 제2 유성기어(430)의 자전 회전축을 지지하는 케이지(460); 및
    브레이크 부재;를 포함하며,
    상기 제1 태양기어(410)의 회전축, 상기 제2 태양기어(480)의 회전축, 상기 제1 링기어(440)의 회전축, 상기 제2 링기어(450)의 회전축, 및 상기 케이지(460)의 회전축 중 어느 하나를 입력단으로 하고, 다른 하나를 출력단으로 하며, 상기 브레이크 부재는 상기 입력단과 상기 출력단을 제외한 3개의 회전축 중 하나 이상에 대해서 작용함에 따라서 기어 변속, 기어 정지 및 기어 개방을 수행하는 것을 특징으로 하는 변속 장치(2).
  8. 청구항 7 에 있어서,
    상기 제1 태양기어(410)의 직경은,
    상기 제2 태양기어(480)의 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 변속 장치(2).
  9. 청구항 8 에 있어서,
    상기 브레이크 부재는 제1 브레이크 부재(510), 제2 브레이크 부재(520), 및 제3 브레이크 부재(530)를 포함하며,
    상기 제1 브레이크 부재(510), 제2 브레이크 부재(520), 및 제3 브레이크 부재(530)는 각각 상기 제1 태양기어(410)의 회전축, 상기 제2 태양기어(480)의 회전축, 상기 제1 링기어(440)의 회전축, 상기 제2 링기어(450)의 회전축, 및 상기 케이지(460)의 회전축 중 어느 하나에 작용하는 것을 특징으로 하는 변속 장치(2).
  10. 청구항 9 에 있어서,
    상기 제1 브레이크 부재(510), 상기 제2 브레이크 부재(520), 및 상기 제3 브레이크 부재(530) 중 어느 하나가 상기 회전축 중 어느 하나에 작동함에 따라서 기어 변속이 수행되며,
    상기 제1 브레이크 부재(510), 상기 제2 브레이크 부재(520), 및 상기 제3 브레이크 부재(530) 중 둘 이상이 상기 회전축 중 어느 하나에 작동함에 따라서 기어 정지가 수행되고,
    상기 제1 브레이크 부재(510), 상기 제2 브레이크 부재(520), 및 상기 제3 브레이크 부재(530)가 상기 회전축에 대해서 작동하지 않음에 따라서 기어 개방이 수행되는 것을 특징으로 하는 변속 장치(2).
  11. 청구항 10 에 있어서,
    상기 제1 브레이크 부재(510), 상기 제2 브레이크 부재(520), 및 상기 제3 브레이크 부재(530) 중 적어도 하나는 마찰 브레이크인 것을 특징으로 하는 변속 장치(2).
  12. 청구항 10 에 있어서,
    상기 입력단과 출력단을 제외한 나머지 회전축들에 각각 제1 치차부가 형성되며,
    상기 제1 브레이크 부재(510), 상기 제2 브레이크 부재(520), 및 상기 제3 브레이크 부재(530) 중 적어도 하나는 상기 제1 치차부와 맞물려서 상기 회전축의 회전을 정지할 수 있는 제2 치차부를 포함하는 치차 브레이크인 것을 특징으로 하는 변속 장치(2).
  13. 청구항 12 에 있어서,
    상기 치차 브레이크는,
    치차부를 갖는 렉 기어,
    상기 렉 기어에 탄성을 가하는 스프링,
    상기 렉 기어의 변위를 안내하는 가이드 레일,
    상기 가이드 레일의 회전 중심으로 작용하는 회전 축, 및
    상기 렉 기어를 변위하는 동력 전달부를 포함하는 것을 특징으로 하는 변속 장치(2).
  14. 청구항 8 에 있어서,
    상기 제1 태양기어(410)와 입력단이 연결되며 상기 제2 태양기어(480), 상기 제1 링기어(440), 및 상기 제2 링기어(450) 중 어느 하나가 출력단과 연결되거나,
    상기 제2 태양기어(480)와 입력단이 연결되며 상기 제2 태양기어(480) 또는 상기 케이지(460)가 출력단과 연결되거나,
    상기 제1 링기어(440)와 입력단이 연결되며 상기 제1 태양기어(410) 또는 상기 케이지(460)가 출력단과 연결되거나,
    상기 제2 링기어(450)와 입력단이 연결되며 상기 제1 태양기어(410)가 출력단과 연결되거나, 또는
    상기 케이지(460)와 입력단이 연결되며 상기 제2 태양기어(480) 또는 상기 제1 링기어(440)가 연결됨에 따라서,
    상기 나머지 3개 회전축 중 어느 것에 브레이크 부재가 작용하여도 상기 출력단의 회전방향이 바뀌지 않는 것을 특징으로 하는 변속 장치(2).
  15. 청구항 8 에 있어서,
    상기 제1 태양기어(410)와 입력단이 연결되고 상기 제2 링기어(450)와 출력단이 연결되거나,
    상기 제1 링기어(440)와 입력단이 연결되고 상기 케이지(460)와 상기 출력단이 연결되거나,
    상기 제2 링기어(450)와 입력단이 연결되고 상기 제1 태양기어(410)와 출력단이 연결되거나, 또는,
    상기 케이지(460)와 입력단이 연결되고 상기 제1 링기어(440)와 출력단이연결되는 것을 특징으로 하는 변속 장치(2).
  16. 입력단과 출력단 사이의 변속을 수행하는 변속 장치로서,
    상기 변속 장치는 다단으로 배열된 구조를 갖는 N 개(N>2)의 기어단;
    케이지; 및
    브레이크 부재; 를 포함하며,
    상기 각각의 기어단은,
    태양기어와 링기어 중 적어도 하나; 및
    수개의 유성기어; 를 포함하며,
    상기 태양기어는 상기 수개의 유성기어의 공전 중심에 배치되고,
    상기 수개의 유성기어는 상기 태양기어에 대해서 외접하여 맞물리며,
    상기 링기어는 상기 수개의 유성기어에 대해서 내접하여 맞물리고,
    상기 복수의 기어단에 포함된 각각의 태양기어는 동축선상에 배치되되 각각 별개의 축을 갖게 구성되며,
    복수의 기어단에 포함된 각각의 유성기어는 기어단별로 서로 대응되게 배치되며 기어단별로 대응되는 복수의 유성기어는 동심원을 이루며 일체로 형성되고,
    상기 케이지는 상기 유성기어가 상기 태양기어를 중심으로 공전할 수 있도록 상기 유성기어의 자전 회전축을 지지하며,
    상기 브레이크 부재는, 상기 태양기어의 회전축, 상기 링기어의 회전축, 및 상기 케이지의 회전축 중 어느 하나를 입력단으로 하고, 다른 하나를 출력단으로 하였을 때 상기 입력단과 상기 출력단을 제외한 다른 회전축 중 하나에 대해서 작용함에 따라서 기어 변속을 수행하는 것을 특징으로 하는 변속 장치.
  17. 청구항 16 에 있어서,
    상기 수개의 태양기어의 직경은 서로 상이한 것을 특징으로 하는 변속 장치.
  18. 청구항 16 에 있어서,
    상기 수개의 태양기어는,
    상기 복수의 기어단의 배열 방향으로 직경이 순차적으로 커지거나 작아지도록 배열되는 것을 특징으로 하는 변속 장치.
  19. 청구항 16 에 있어서,
    상기 브레이크 부재는,
    마찰 브레이크인 것을 특징으로 하는 변속 장치.
  20. 청구항 16 에 있어서,
    상기 브레이크 부재는,
    제1 치차부를 갖는 치차 브레이크로 구성되며,
    상기 케이지, 상기 링기어, 및 상기 태양기어의 축의 적어도 일 부분에는,
    상기 치차 브레이크에 구비된 제1 치차부에 맞물리는 제2 치차부를 갖는 변속 장치.
  21. 청구항 20 에 있어서,
    상기 브레이크 부재는,
    제1 치차부를 갖는 렉 기어,
    상기 렉 기어에 탄성을 가하는 스프링,
    상기 렉 기어의 변위를 안내하는 가이드 레일,
    상기 가이드 레일의 회전 중심으로 작용하는 회전 축, 및
    상기 렉 기어를 변위하는 동력 전달부를 포함하는 것을 특징으로 하는 변속 장치.
  22. 청구항 16 에 있어서,
    상기 브레이크 부재는,
    상기 복수의 기어단이 배열된 방향으로 변위하여 각각의 기어단에 작용할 수 있는 가변 브레이크 부재인 것을 특징으로 하는 변속 장치.
  23. 청구항 16 에 있어서,
    상기 입력단 및 출력단을 제외한 다른 회전축 중 두개 이상의 회전축에 상기 브레이크 부재가 인가됨에 따라서 기어 정지가 수행되고,
    상기 브레이크 부재가 상기 회전축에 대해서 작동하지 않음에 따라서 기어 개방이 수행되는 것을 특징으로 하는 변속 장치.
  24. 청구항 16 에 있어서,
    상기 입력단 및 출력단으로 작용하는 회전축을 제외한 나머지 회전축 중 하나 이상에 대해서 작용하는 제2 입력축을 더 포함하며,
    상기 제2 입력축이 소정의 각속도로 회전함에 따라서 출력축의 속도가 가변되는 것을 특징으로 하는 변속 장치.
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