KR100256637B1 - 차동기어식 변속장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차동기어식 변속장치에 관한 것으로서, 차동기어 케이스(1) 내측에 서로 직교하는 회전축을 형성하며 치합된 다수의 피니언 기어(2) 및 제1,2 사이드 기어(3,4)와 상기 피니언 기어(2)를 상기 차동기어 케이스(1) 내측에 지지하는 피니언 샤프트(5)를 포함하는 차동기어 장치(6)와, 상기 차동기어 장치(6)의 차동기어 케이스(1)를 회전 가능하게 지지하는 몸체(7)와, 외부로부터 회전력을 전달받으며 상기 제1,2 사이드 기어(3,4)와 동심의 회전축을 형성하는 입력축(8)과, 상기 입력축(8)의 회전력을 상기 차동기어 케이스(1)에 제공하는 상태와 상기 제1 사이드 기어(3)에 제공하는 상태를 절환하도록 하는 제1 클러치 수단과, 상기 제2 사이드 기어(4)의 회전을 단속하는 제2 클러치 수단과, 변속된 회전력을 인출하기 위한 출력부재(9)와, 상기 제1 사이드 기어(3)와 차동기어 케이스(1)의 회전력을 선택적으로 상기 출력부재(9)에 전달하도록 하는 제3 클러치 수단으로 구성된 차동기어식 변속장치를 제공하여, 변속장치가 보다 간단한 구조로 설치되어 정확하고 강한 회전토크를 원활하게 전달할 수 있도록 함과 동시에 상기 간단한 구조로 인한 제작 및 유지보수의 용이성이 향상되도록 하는 효과를 얻을 수 있다.

Description

차동기어식 변속장치

본 발명은 변속장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 차동기어를 활용하여 필요로 하는 변속비를 얻도록 하는 차동기어식 변속장치에 관한 것이다.

일반적으로 변속기는 동력발생장치인 엔진이나 모터로부터 발생되는 회전력을 제공받아 적절한 변속비로 변환하여 피동측에 전달하도록 하는 역할을 하는 것으로서, 그 변속 방식에는 다수의 기어가 서로 다른 기어비로 맞물리도록 하는 기어식 변속방법과, 벨트나 체인을 이용한 변속방법 및 원추마찰차와 같은 경사 회전체를 사용한 연속식 변속방법 등 다양한 형태가 사용되고 있다.

상기한 바와 같은 변속장치 중 보다 큰 회전토크를 전달할 수 있고 변속되는 변속비가 가장 정확하게 이루어지도록 할 수 있는 것으로는 상기 다수의 기어가 사용되는 기어식 변속방법을 들 수 있는 바, 자동차나 그 밖의 많은 산업용 기계에 널리 사용되고 있다.

특히, 상기 기어식 변속방법 중에는 작은 부피를 차지하면서도 다양한 변속비를 구현할 수 있는 것으로서 유성기어식 변속장치가 있는 바, 상기한 바와 같은 유성기어식 변속장치로서 자동차의 자동변속기에 많이 응용되고 있는 것으로는 라비뇨식 기어장치(ravigneaux gear system)와 심프슨 기어장치(simpson gear system)가 있다.

여기서, 상기 심프슨 기어장치는 선기어를 한 개만 사용하고 2세트의 유성기어장치를 연이어 접속시킨 형태이며, 상기 라비뇨식 기어장치는 전, 후의 크고 작은 선기어와, 상기 두 선기어에 각각 치합되는 길고 짧은 피니언과, 상기 피니언의 회전축을 제공하며 출력축과 직결되는 캐리어와, 상기 피니언의 외측에 치합되도록 설치되는 링기어 등으로 구성된 것이다.

그러나, 상기한 바와 같은 유성기어식 변속장치는 비교적 그 차지하는 부피는 작으나, 그 내부 구조가 매우 복잡하여 제작 및 유지보수가 까다롭고 단가가 비싼 것이 문제점으로 대두되어 있다.

물론, 상기한 바와 같은 구동측과 피동측 사이에 설치되는 변속장치의 구조적 복잡성에 기인하는 문제점은 상기한 바와 같은 자동차의 자동변속기 경우 이외에도 변속장치가 사용되는 다른 산업부문의 모든 기계장치에서도 마찬가지이다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 간단한 구성과 구조로 다양한 변속비를 얻을 수 있도록 하여 피동되는 기계 장치에 항상 적절한 회전토크를 정확하게 전달할 수 있도록 함과 아울러 손쉬운 제작성 및 정비성을 제공할 수 있도록 한 차동기어식 변속장치를 제공함에 그 목적이 있다.

제1도는 본 발명에 따른 차동기어식 변속장치의 구성이 도시된 단면도,

제2도는 제1도의 측면 관측도로서 제2 클러치 수단의 일 예를 도시한 구성도,

제3도는 제1도의 변속장치가 중속단 상태에서 작동되는 상태도,

제4도는 제1도의 변속장치가 저속단 상태에서 작동되는 상태도,

제5도는 제1도의 변속장치가 고속단 상태로 작동되는 상태도이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 차동기어 케이스 2 : 피니언 기어

3 : 제1 사이드 기어 4 : 제2 사이드 기어

5 : 피니언 샤프트 6 : 차동기어장치

7 : 몸체 8 : 입력축

9 : 출력부재 10 : 제1 클러치 슬리브

11 : 제1 스플라인 결합홈 12 : 래칫기어

13 : 스토퍼 14 : 조작간

16,21 : 압축코일 스프링 17 : 핑거

18 : 고정지지기어 19 : 일방향 클러치

20 : 제2 클러치 슬리브 22 : (경사면체의) 경사면

23 : 경사면체 24 : (경사 슬리브의) 경사면

25 : 경사 스리브 26 : 조작간 연결부재

27 : 원통형 연장부 28 : 멈춤돌기

29,30 : 베어링

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 차동기어식 변속장치는 차동기어 케이스 내측에 서로 직교하는 회전축을 형성하며 치합된 피니언 기어 및 제1,2 사이드 기어와 상기 피니언 기어를 상기 차동기어 케이스 내측에 지지하는 피니언 샤프트를 포함하는 차동기어 장치와, 상기 차동기어 장치의 차동기어 케이스를 회전 가능하게 지지하는 몸체와, 외부로부터 회전력을 전달받으며 상기 제1,2 사이드 기어와 동심의 회전축을 형성하는 입력축과, 상기 입력축의 회전력을 상기 차동기어 케이스에 제공하는 상태와 상기 제1 사이드 기어에 제공하는 상태를 절환하도록 하는 제1 클러치 수단과, 상기 제2 사이드 기어의 회전을 단속하는 제2 클러치 수단과, 변속된 회전력을 인출하기 위한 출력부재와, 상기 제1 사이드 기어와 차동기어 케이스의 회전력을 선택적으로 상기 출력부재에 전달하도록 하는 제3클러치 수단으로 구성된 것을 특징으로 한다.

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

도 1과 도 2는 본 발명에 따른 차동기어식 변속장치의 구조를 도시한 것으로서, 차동기어 케이스(1) 내측에 서로 직교하는 회전축을 형성하며 치합된 다수의 피니언 기어(2) 및 제1,2 사이드 기어(3,4)와 상기 피니언 기어(2)를 상기 차동기어 케이스(1) 내측에 지지하는 피니언 샤프트(5)를 포함하는 차동기어 장치(6)와, 상기 차동기어 장치(6)의 차동기어 케이스(1)를 회전 가능하게 지지하는 몸체(7)와, 외부로부터 회전력을 전달받으며 상기 제1,2 사이드 기어(3,4)와 동심의 회전축을 형성하는 입력축(8)과, 상기 입력축(8)의 회전력을 상기 차동기어 케이스(1)에 제공하는 상태와 상기 제1 사이드 기어(3)에 제공하는 상태를 절환하도록 하는 제1 클러치 수단과, 상기 제2 사이드 기어(4)의 회전을 단속하는 제2 클러치 수단과, 변속된 회전력을 인출하기 위한 출력부재(9)와, 상기 제1 사이드 기어(3)와 차동기어 케이스(1)의 회전력을 선택적으로 상기 출력부재(9)에 전달하도록 하는 제3 클러치 수단으로 구성되어 있다.

여기서, 상기 제1 클러치 수단은 내측이 상기 입력축(8)에 스플라인 결합되며 외측이 상기 피니언 샤프트(5) 선단에 스플라인 결합되는 제1 클러치 슬리브(10)와, 상기 제1 클러치 슬리브(10)의 직선이동에 의해 상기 제1 클러치 슬리브(10)와 스플라인 결합될 수 있도록 상기 제1 사이드 기어(3)에 마련된 제1 스플라인 결합홈(11)과, 상기 제1 클러치 슬리브(10)를 직선 이동시키는 직선작동수단으로 구성하였다.

그리고, 상기 제2 클러치 수단은 상기 제2 사이드 기어(4)에 일체로 형성된 원형의 래칫기어(12)와, 상기 몸체(7)에 회전 가능하게 힌지 결합되어 회전에 의해 상기 래칫기어(12)에 치합 또는 분리되는 스토퍼(13)와, 상기 몸체(7)에 회전 가능하게 힌지 결합되어 회전에 의해 상기 스토퍼(13)가 회전되어 상기 래칫기어(12)와 치합 또는 분리되도록 하는 조작간(14)과, 상기 조작간(14)과 스토퍼(13)의 사이에 설치되어 상기 스토퍼(13)의 래칫기어 결합상태를 탄성 지지하도록 하는 탄성지지 수단으로 구성하였다.

상기 탄성지지수단은 도시된 바와 같이 조작간(14)의 스토퍼(13)쪽 선단에 형성된 홈(15)에 압축코일 스프링(16)을 설치하고, 상기 압축코일 스프링(16)의 탄성력을 상기 스토퍼(13)에 적은 마찰력으로 접촉하면서 제공할 수 있도록 구형 단부가 형성된 핑거(17)를 설치하여 구성하였다.

여기서, 상기 스토퍼(13)의 형상은 상기 조작간(14)이 제2 사이드 기어(4)의 회전중심을 향한 상태에서는 스토퍼(13)가 제2 사이드 기어(4)의 래칫기어(12)에 결합되지 않은 상태가 되고, 좌, 우로 회전된 상태에서는 스토퍼(13)가 상기 래칫 기어(12)에 치합된 상태가 되도록 원호형의 양단에 치형이 가공된 형상으로 하였으며, 아울러 상기 스토퍼(13)의 래칫기어 치합상태를 더욱 확실히 지지하기 위해 상기 몸체(7)에도 상기 스토퍼(13)가 래칫기어(12)에 치합된 상태에서는 스토퍼(13)의 외측이 결합 고정되도록 하는 고정지지기어(18)를 설치하여 두었다.

상기 제3 클러치 수단은 상기 차동기어 케이스(1)와 출력부재(9) 사이에 차동기어 케이스(1)로부터 출력부재(9)로 회전력이 전달되도록 설치된 일방향 클러치(19)와, 상기 출력부재(9)에 스플라인 결합됨과 동시에 상기 제1 사이드 기어(3)에 스플라인 결합되는 제2 클러치 슬리브(20)와, 상기 제2 클러치 슬리브(20)가 제1 사이드 기어(3)에 스플라인 결합된 상태를 유지하도록 탄성 지지하는 탄성부재인 압축코일 스프링(21)과, 상기 압축코일 스프링(21)의 탄성력을 극복하고 상기 제2 클러치 슬리브(20)를 직선 이동시켜 상기 제1 사이드 기어(3)와 제2 클러치 슬리브(20)가 분리되도록 하는 직선작동수단으로 구성하였다.

여기서, 상기 제1 클러치 수단에 사용되는 직선작동수단과 상기 제3 클러치 수단에 필요로 하는 직선작동수단은 상기 제2 클러치 수단과 함께 상호 유기적인 작동이 가능하여 동일한 메커니즘에 의해 구현한 바, 내측에 입력축(8)이 통과하도록 몸체(7)에 고정되고 입력축(8)에 대하여 경사면(22)을 가진 경사면체(23)와, 상기 경사면체(23)의 경사면(22)에 맞추어지는 경사면(24)을 가지며 입력축(8)상에서 회전 및 직선 이동하여 상기 제1 클러치 슬리브(10)를 밀 수 있도록 된 경사 슬리브(25)와, 상기 조작간(14)의 회전상태를 상기 경사 슬리브(25)에 전달하도록 상기 경사 슬리브(25)에 연결 고정되며 조작간(14)을 양쪽에서 가이드하는 포크(fork) 형태의 연결부를 가진 조작간 연결부재(26)와, 상기 제1 클러치 슬리브(10)의 직선 이동상태를 전달받을 수 있도록 상기 제2 클러치 슬리브(20)에 마련된 원통형 연장부(27)로 구성하였다.

또한, 상기 제1 사이드 기어(3)에는 상기 제2 클러치 슬르비(20)와 스플라인 결합되는 부위에 상기 압축코일 스프링(21)에 의해서 탄성 지지되는 제2 클러치 슬리브(20)의 이동량을 제한할 수 있도록 멈춤돌기(28)를 형성하고 있다.

상기 제1 클러치 슬리브(10)에는 상기 경사 슬리브(25)와의 상대 회전에 의한 마찰력을 저감하기 위하여 베어링(29)을 설치하였으며, 상기 몸체(7)와 차동기어 케이스(1) 사이에도 베어링(30)을 설치하고 있다.

상기한 바와 같이 구성된 차동기어식 변속장치는 입력축의 회전속도가 그대로 출력축으로 전달되는 중속단과, 상기 중속단보다 낮은 회전수로 변속되는 저속단 및 상기 중속단보다 높은 회전수로 변속되는 고속단의 3가지 변속비를 가지는 바, 각 변속단별 작용을 살펴보면 다음과 같다.

참고로, 도면상 우측면에서 관측된 입력축의 회전방향이 시계방향일때를 ↑로 표시하고 도면상 상측에서 관측된 피니언 기어의 회전방향이 시계방향일때를 ←로 표시하였다.

먼저, 중속단은 도 3에 도시된 바와 같이 상기 조작간(14)이 상기 제2 사이드 기어(4)의 회전중심을 향해 있는 상태로서 상기 스토퍼(13)는 상기 제2 사이드 기어(4)의 래칫기어(12)와 치합되지 않은 상태여서 상기 제2 사이드 기어(4)는 자유로운 회전상태를 가지고 있으며, 상기 조작간(14)의 중속단 상태는 상기 조작간 연결부재(26)를 통해 상기 경사 슬리브(25)의 경사면(24)이 상기 경사면체(23)의 경사면(23)에 밀착되지 않고 약간 회전된 상태로서 경사면체(23)의 경사면(22)과 경사 슬리브(25)의 경사면(24)이 밀착된 상태보다 상기 제1 클러치 슬리브(10)쪽으로 약간 이동된 상태이나, 아직 상기 제1 클러치 슬리브(10)는 상기 피니언 샤프트(5)와의 스플라인 결합상태를 유지하고 있는 상태이며, 상기와 같은 상태에서는 상기 제2 클러치 슬리브(20)에도 상기 제1 클러치 슬리브(10)의 직선이동상태가 전해지지 않는 상태로서 상기 제2 클러치 슬리브(20)는 상기 제2 사이드 기어(3)와 출력부재(9)를 스플라인으로 연결하고 있는 상태이다.

이때, 상기 입력축(8)으로 제공된 회전력은 상기 제1 클러치 슬리브(10)를 통해 상기 피니언 샤프트(5)의 선단으로 전해져 상기 차동기어 케이스(1)를 회전시키며, 상기와 같이 차동기어 케이스(1)로 전해진 회전력은 상기 일방향 클러치(19)를 통해 출력부재(9)로 전달되므로 입력축(8)의 회전속도가 그대로 출력부재(9)로 나오는 1:1 변속비의 중속단 상태가 형성된다.

물론, 상기와 같은 상태에서 상기 피니언 기어(2)는 자전 없이 입력축(8)을 회전축으로 공전하게 되므로 상기 제1 사이드 기어(3) 및 제2 사이드 기어(4)는 상기 입력축(8) 및 차동기어 케이스(1)와 더불어 일체가 되어 회전된다.

다음으로 저속단 상태는 도 4에 도시된 바와 같이 상기 조작간(14)을 도면에서 우측으로 회전시킨 상태로서, 상기 스토퍼(13)는 상기 제2 사이드 기어(4)의 래칫기어(12) 및 몸체(7)의 고정지지기어(18)에 동시에 치합되어 상기 제2 사이드 기어(4)를 고정하여 회전되지 못하도록 하며, 상기 경사 슬리브(25)는 상기 경사면체(23)의 경사면(22)과 상기 경사 슬리브(25)의 경사면(24)이 상기 중속단에서보다 더욱 어긋난 상태가 되어 상기 경사 슬리브(25)는 상기 제1 클러치 슬리브(10)를 더욱더 도면상 우측으로 밀어 상기 제1 클러치 슬리브(10)가 피니언 샤프트(5)와의 스플라인 결합상태를 해제하고 상기 제1 사이드 기어(3)에 스플라인 결합된다.

한편, 상기와 같이 제1 클러치 슬리브(10)의 직선이동상태는 상기 제2 클러치 슬리브(20)에 전달되어 상기 제2 클러치 슬리브(20)는 상기 압축코일 스프링(21)을 압축시키면서 상기 제1 사이드 기어(3)와의 스플라인 결합상태를 해제하게 된다.

상기와 같은 상태에서 입력축(8)으로 제공되는 회전력은 상기 제1 클러치 슬리브(10)를 통해 상기 제1 사이드 기어(3)를 회전시키고, 상기 제1 사이드 기어(3)의 회전은 상기 피니언 기어(2)에 전달되어 피니언 기어(2)를 회전시키게 된다.

이때, 상기 제2 사이드 기어(4)는 스토퍼(13)에 의해 회전이 억제된 상태이므로 상기 제1 사이드 기어(3)에 의해 회전되는 피니언 기어(2)는 상기 제2 사이드 기어(4)를 타고 입력축(8)을 회전축으로 공전하면서 상기 피니언 샤프트(5)가 일체로 연결된 차동기어 케이스(1)를 회전시키며, 상기 차동기어 케이스(1)의 회전력은 상기 일방향 클러치(19)를 통해 상기 출력부재(9)에 제공됨으로써, 감속된 출력을 얻는 저속단의 변속비를 얻을 수 있게 된다.

또한, 고속단 상태에서는 도 5에 도시된 바와 같이 상기 조작간(14)이 도면상 좌측으로 기울어진 상태로서, 상기 스토퍼(13)가 기울어지면서 상기 제2 사이드 기어(4)의 래칫기어(12)와 몸체(7)의 고정지지기어(18) 사이에 치합됨으로써, 상기 제2 사이드 기어(4)의 회전을 억제하며, 상기 경사 슬리브(25)의 경사면(24)은 상기 경사면체(23)의 경사면(22)에 일치하여 도면상 가장 좌측으로 이동된 상태가 된다.

이때, 상기 제2 클러치 슬리브(20)는 상기 압축코일 스프링(21)에 의해 상기 제1 사이드 기어(3)에 밀착되어 상기 제1 사이드 기어(3)로 회전력을 전달할 있는 스플라인 결합상태를 확보하며, 아울러 상기 제2 클러치 슬리브(2)에 의해 좌측으로 밀쳐진 상기 제1 클러치 슬리브(10)는 상기 피니언 샤프트(5)와 스플라인 결합된 상태가 된다.

상기한 바와 같은 상태에서, 상기 입력축(8)으로 제공된 회전력은 상기 제1 클러치 슬리브(10)를 통해 상기 피니언 샤프트(5)로 전달되어 상기 피니언 샤프트(5)가 일체로 연결된 차동기어 케이스(1)가 입력축(8)과 일체로 회전되도록 한다.

따라서, 상기 피니언 샤프트(5)에 지지되어 있는 피니언 기어(2)는 상기 차동기어 케이스(1)의 회전에 의해 상기 입력축(8)을 회전축으로 하는 공전궤도를 따라 공전하면서 상기 스토퍼(13)에 의해 정지된 제2 사이드 기어(4)에 의해 자전되는 바, 상기와 같은 피니언 기어(2)의 공전 및 자전은 상기 제1 사이드 기어(3)에 모두 전달되어 상기 제1 사이드 기어(3)를 상기 입력축(8)과 일체가 되어 회전되는 차동기어 케이스(1) 보다 더욱 빠르게 회전되도록 하며, 상기와 같은 제1 사이드 기어(3)의 회전력은 그대로 상기 제2 클러치 슬리브(20)를 통해 상기 출력부재(9)로 전달된다.

이때, 상기 출력부재(9)의 빠른 회전속도는 상기 일방향 클러치(19)의 작용으로 상기 차동기어 케이스(1)로 역류되지 않으므로, 상기 출력부재(9)로는 상기 입력축(8)의 회전속도와 같은 차동기어 케이스(1)의 회전속도보다 빠른 고속단의 변속출력을 얻을 수 있게 된다.

따라서, 상기한 바와 같이 구성되어 작동되는 변속장치는 동력발생장치와 발생된 동력을 제공받아 피동되는 기계장치의 사이에 보다 간단한 구조로 설치되어 정확하고 강한 회전토크를 원활하게 전달할 수 있도록 함과 동시에 상기 간단한 구조로 인한 제작 및 유지보수의 용이성이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (3)

1. 차동기어 케이스 내측에 서로 직교하는 회전축을 형성하며 치합된 피니언기어 및 제 1,2사이드기어와 상기 피니언기어를 상기 차동기어케이스 내측에 지지하는 피니언샤프트를 포함하는 차동기어장치와, 상기 차동기어 장치의 차동기어케이스를 회전가능하게 지지하는 몸체와, 외부로부터 회전력을 전달받으며 상기 제1,2사이드기어와 동심의 회전축을 형성하는 입력축과, 변속된 회전력을 인출하기 위한 출력부재를 가지는 차동기어식 변속장치에 있어서, 상기 입력축의 회전력을 상기 차동기어케이스에 제공하는 상태와 상기 제1 사이드기어에 제공하는 상태를 절환하도록 하는 제1클러치수단과; 상기 제2사이드기어의 회전을 단속하는 제2클러치수단; 상기 제1사이드기어와 차동기어케이스의 회전력을 선택적으로 상기 출력부재에 전달하도록 하는 제3클러치수단을 더 구비하되; 상기 제1클러치수단은, 내측이 입력축에 스플라인 결합되어 외측이 상기 피니언샤프트 선단에 스플라인 결합되는 제1클러치슬리브와; 상기 제1클러치슬리브의 직선이동에 의해 상기 제1클러치슬리브와 스플라인 결합될 수 있도록 제1사이드기어에 마련된 제1스플라인결합홈과; 상기 제1클러치슬리브를 직선이동시키는 직선작동수단으로 구성된 것을 특징으로 하는 차동기어식 변속장치.
2. 제1항에 있어서; 상기 제2클러치수단은 제2사이드기어에 일체로 형성된 원형의 래칫기어와; 상기 몸체에 회전가능하게 힌지결합되어 회전에 의해 상기 래칫기어에 치합되거나 분리되는 스토퍼; 상기 몸체에 회전가능하게 힌지결합되어 회전에의해 상기 스토퍼가 회전되어 상기 래칫기어와 치합되거나 분리되도록 하는 조작간; 상기 조작간과 스토퍼사이에 설치되어 상기 스토퍼의 래칫기어 결합상태를 탄성 지지하는 탄성지지수단으로 구성되는 것을 특징으로 하는 차동기어식 변속장치.
3. 제1항에 있어서; 상기 제3클러치수단은 상기 차동기어케이스와 출력부재사이에 차동기어 케이스로부터 출력부재로 회전력이 전달되도록 설치되는 일방향클러치; 상기 출력부재와 제1사이드기어에 스플라인 결합되는 제2클러치슬리브; 상기 제2클러치슬리브가 제1사이드기어에 스플라인 결합된 상태를 유지할 수 있도록 하는 탄성부재; 상기 탄성부재의 탄성력을 극복하고 상기 제2클러치슬리브를 직진이동시켜 상기 제1사이드기어와 제2클러치슬리브가 분리되도록 하는 직선작동수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 차동기어식 변속장치.

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