KR100640247B1 - 자동차용 마찰전동 무단변속장치 - Google Patents

자동차용 마찰전동 무단변속장치 Download PDF

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KR100640247B1 KR1020050087337A KR20050087337A KR100640247B1 KR 100640247 B1 KR100640247 B1 KR 100640247B1 KR 1020050087337 A KR1020050087337 A KR 1020050087337A KR 20050087337 A KR20050087337 A KR 20050087337A KR 100640247 B1 KR100640247 B1 KR 100640247B1
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박노길
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부산대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 자동차용 마찰전동 무단변속장치에 관한 것으로, 내타원체면으로 이루어진 내측면과 외구면의 접촉에 의해 동력전달시 최적화된 동력밀도와 동력전달효율에 의해 동력을 전달하는 한편, 정밀하고 넓은 범위의 변속이 가능하며 진동 및 소음발생이 적어 자동차의 운전성능 및 제어성능을 향상시키며, 구성이 간소화되어 자동차의 저중량 설계에 기여하게 되는 것이다.
이러한 본 발명은, 일측면 가장자리를 따라 오목하게 곡면 형성되되 곡률원의 중심이 자신의 회전축 상에 위치하지 않는 내타원체면으로 형성된 내측면을 구비하며, 동력입력축으로부터 동력을 입력받는 구동로터와, 일측면 가장자리를 따라 오목하게 곡면 형성되되, 곡률원의 중심이 자신의 회전축 상에 위치하지 않는 내타원체면으로 형성된 내측면을 구비하며, 동력출력축에 동력을 출력하는 종동로터와, 구동로터의 내측면 및 종동로터의 내측면과 각각 접촉하고, 곡률원의 중심이 서로 일치하여 자신의 회전축 상에 위치하는 구체면으로 형성된 제 1외구면 및 제 2외구면을 구비하여, 마찰전동에 의해 구동로터로부터 전달된 회전력을 종동로터로 전달하는 카운터로터와, 카운터로터의 회전축 각도를 변경하여, 카운터로터의 회전축으로부터 구동로터와 카운터로터가 접촉하는 제 1접촉점까지의 거리에 대하여 카운터로터의 회전축으로부터 종동로터와 카운터로터가 접촉하는 제 2접촉점까지의 거리의 비율을 변화시키면서 변속을 이루는 변각수단을 포함하여 구성된다.
마찰전동, 무단변속, 자동차

Description

자동차용 마찰전동 무단변속장치{CVT for automobile usage}
도 1은 종래 기술에 의한 트로이달 무단변속장치의 기본 구조를 도시한 참조도.
도 2 및 도 3은 본 발명의 기본원리를 설명하기 위한 참조도.
도 4는 본 발명의 구성을 설명하기 위한 개략적인 조립단면도.
도 5는 본 발명의 분해사시도.
도 6은 본 발명의 변형 실시예의 구성을 설명하기 위한 개략적인 조립단면도.
도 7은 본 발명의 변형 실시예에 따른 카운터로터의 배치된 상태를 보여주는 참조도.
도 8은 본 발명에 따른 카운터로터가 한 쌍의 지지축을 구비한 형태로 변형된 모습을 보여주는 참조단면도.
도 9는 도 8의 카운터로터가 배치된 상태를 보여주는 참조도.
도 10은 본 발명에 따른 카운터로터가 베어링홀을 구비한 형태로 변형된 모습을 보여주는 참조단면도.
도 11은 도 10의 카운터로터가 배치된 상태를 보여주는 참조도.
도 12는 본 발명에 따른 카운터로터가 겸용 외구면을 구비한 형태로 변형된 모습을 보여주는 참조단면도.
도 13은 도 12의 카운터로터가 배치된 상태를 보여주는 참조도.
도 14는 본 발명에 따른 변각수단이 드럼형 스크루와 원통형 너트를 구비한 형태로 변형된 모습을 보여주는 참조도.
도 15는 본 발명에 따른 변각수단이 웜기어와 웜휠을 구비한 형태로 변형된 모습을 보여주는 참조도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
111 : 동력입력축 113 : 동력출력축
120 : 구동로터 121 : 구동로터의 내측면
130 : 종동로터 131 : 종동로터의 내측면
140 : 카운터로터 141 : 제 1구체부
142 : 제 1외구면 143 : 제 2구체부
144 : 제 2외구면 145 : 베어링
146 : 지지프레임 150 : 변각수단
151 : 드럼형 스크루 153 : 나선형 가이드홈
155 : 연결부재 160,170 : 가압수단
161,162,171,172 : 가압회전체 165,175 : 구슬
본 발명은 변속장치에 관한 것으로, 특히 내타원체면으로 이루어진 내측면과 외구면의 접촉에 의해 동력전달시 최적화된 동력밀도와 동력전달효율에 의해 동력을 전달하는 한편, 정밀하고 넓은 범위의 변속이 가능하며 진동 및 소음발생이 적어 자동차의 운전성능 및 제어성능을 향상시키며, 구성이 간소화되어 자동차의 저중량 설계에 적당한 자동차용 마찰전동 무단변속장치에 관한 것이다.
일반적으로, 변속장치는 두 축의 한쪽에서 다른 쪽으로 회전력을 전달할 때, 두 축 사이의 각속도(角速度)를 변경하는 것을 목적으로 한다.
자동차에서 변속장치는 자동차의 주행상태에 따라 엔진의 구동력을 변환하는 역할을 하면서 주행속도 및 전후진 주행방향을 조절하고, 필요한 가속성능 및 등판성능을 위해 구동력을 조절하는 등의 중요한 역할을 수행한다. 이러한 변속장치는 운전자가 직접 각각의 변속비를 갖는 기어를 조작하여 변속을 이루는 수동변속장치와, 유체클러치에 의해 동력을 자동으로 단속하고, 차량의 주행여건을 감지하는 각종 센서 및 변속제어기의 유압제어에 따라 자동적인 변속을 이루는 자동변속장치가 있다.
자동변속장치의 경우 운전자가 일일이 클러치 페달을 조작해야 하는 수동변속장치에 비해 사용하는 데 편리하기 때문에 그 수요가 꾸준히 증가하고 있는 편이다. 자동변속장치는 변속 때 각속도의 변화를 단계적으로 혹은 연속적으로 행하는지 여부에 따라 단계변속장치, 무단변속장치로 구분한다. 단계변속장치로는 단차(段車)를 사용한 벨트전동, 미끄럼 기어, 클러치, 미끄럼 키 등이 있고, 무단변속장 치로는 마찰전동장치, 감기전동장치 등이 있다.
대표적인 유단변속장치인 기어식 변속장치는 통상적으로 무겁고, 진동 및 소음이 크며, 제어성이 적고 운전성이 미흡하다는 단점이 있다.
한편, 무단변속장치는 동력밀도가 낮고, 효율이 저조하여 열 발생이 심하며, 토크용량이 작고 수명시간이 짧으며 속도범위가 좁은 것으로 알려져 있다. 하지만 그럼에도 불구하고 무단변속장치의 경우 단수에 구애받지 않고 연속적인 변속이 가능하며, 구성이 간단하고 저중량 설계에 유리하다. 뿐만 아니라 다양한 이론적 잠재성을 가지고 있다. 즉, 엔진의 동력을 최대한 이용하여 우수한 동력성능과 연비향상을 얻을 수 있도록 운전 가능하며, 운전이 쉽고 변속에 따른 충격이 거의 없다. 또한, 차량의 주행조건에 알맞도록 변속되어 동력성능의 향상을 기대할 수 있고 연비소모를 최소화할 수 있도록 변속패턴을 설정하는 데 자유롭다.
무단변속장치는 이러한 이론적 잠재성에도 불구하고 현실적으로는 동력밀도 및 동력전달 효율의 저조와 함께 동력전달 용량의 측면에서 제약이 있어서 그동안 실용화가 어려운 문제점이 있었다. 따라서 최근에는 이와 같은 무단변속장치의 제약들을 탈피하기 위한 다양한 연구 및 개발이 추진되고 있다.
현재 상용화된 무단변속장치 중 다른 무단변속장치들에 비해 상대적으로 변속범위가 넓고 동력전달능력도 큰 것으로 알려진 것으로는 트로이달 무단변속장치를 들 수 있다.
이에 도 1은 종래 기술에 의한 트로이달 무단변속장치의 기본 구조를 도시한 참조도이다.
도시된 바와 같이, 트로이달 무단변속장치는 외측에 트로이달면을 구비한 디스크형의 구동로터(12) 및 종동로터(13)가 양편에 설치된다. 그리고 그 사이에 상기 트로이달면과 접촉하는 외구면을 구비한 카운터로터(14)가 설치된다.
이같은 구성에 따르면 상기 구동로터(12)가 동력을 입력받아 회전할 때 마찰전동에 의해 상기 카운터로터(14)도 회전하게 된다. 이어서 상기 카운터로터(14)의 회전으로 마찰전동에 의해 상기 종동로터(13)가 회전하면서 변속된 동력을 출력한다. 이때 변속 조절은 상기 카운터로터(14)의 틸팅으로 카운터로터(14)의 회전축이 변각되면서 이루어진다.
종래 기술에 의한 무단변속장치에서는 마찰전동이 트로이달면(toroidal surface)과 외구면(outer spherical surface)의 접촉으로 이루어짐을 볼 수 있다. 여기서 상기 트로이달면은 상기 구동로터(12) 및 종동로터(13)의 외측면에 오목한 형태로 형성되었음에도 불구하고 기본적으로는 상기 로터들의 원주방향을 따라 볼록하게 형성된 외측면에 형성되어 있다. 따라서 상기 트로이달면은 상기 구동로터(12) 및 종동로터(13)의 회전축을 중심으로 바깥쪽에서는 오목면으로 형성되었지만 곡률이 커지는 안쪽으로 들어올수록 점차 볼록면으로 변화되어 오목면과 볼록면을 함께 구비하게 된다.
이와 같은 트로이달면과 외구면에 의한 접촉은 무단변속장치의 입력측과 출력측 중 어느 한편에서 곡률차가 작은 두 로터(12,13)간 마찰접촉으로 동력전달이 이루어진다면 다른 한편에서는 곡률차가 큰 두 로터(12,13)간 마찰접촉으로 동력전달이 이루어진다. 뿐만 아니라 이러한 양편에서의 로터(12,13)간 곡률차는 변속 정 도에 따라 유동적이 되어 접촉면적과 접촉면의 형태가 변하게 된다.
또한, 트로이달면과 외구면에 의한 접촉은 접촉점의 위치가 카운터로터(14)의 회전중심보다 항상 아래쪽에 놓일 수밖에 없는 형태를 갖는다. 따라서 적어도 로터(12,13 구동로터, 종동로터)의 회전축으로부터 접촉점까지의 거리는 로터(12,13)의 회전축으로부터 카운터로터(14)의 틸팅을 위한 회전중심까지의 거리보다 항상 작다. 이는 동일한 조건에서 로터(12,13)의 회전축으로부터 접촉점까지의 거리가 클수록 마찰전동에 유리하다는 자명한 사실(참고로, 전달되는 동력은 축의 회전속도와 전달 토크의 곱으로 정의할 수 있고, 상기 전달 토크는 마찰 접선력과 회전축으로부터 접촉점까지의 거리의 곱이다. 따라서 마찰 접선력을 작게 하기 위하여 상대적으로 회전축에서 접촉점까지의 거리를 크게 하는 것이 흔히 취하는 설계방안이다)에 비추어 볼 때 트로이달 무단변속장치는 동력전달 측면에서 불리함을 지니고 있다.
이러한 특징들은 응력완화 및 스핀로스 측면에서 최적의 메카니즘을 구성하는 데 곤란성을 야기하고 있다.
일반적으로 두 물체간 마찰전동을 위해 접촉하는 면적이 커질수록 두 물체간 스핀로스는 증가하게 된다. 그러면 접촉면에서의 온도 상승으로 인한 열적 문제를 야기할 수 있어 성능이 급격히 떨어질 수 있는 문제가 있게 된다. 한편, 두 물체간 접촉면적이 작아지게 되면 스핀로스는 감소할 수 있지만 접촉응력이 커져 수명이 단축되고 동력전달능력도 떨어지는 문제가 있게 된다.
이처럼 종래 기술에 의한 트로이달 무단변속장치는 다른 무단변속장치들에 비해 상대적으로 변속범위가 넓고 동력전달능력도 큰 것으로 알려져 있다고는 하나 응력완화 및 스핀로스 측면에서 여전히 문제점을 가지고 있어 최적의 메카니즘을 구성하기가 곤란한 것이다.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 내타원체면으로 이루어진 내측면과 외구면의 접촉에 의해 접촉면의 형태를 거의 원형에 가까운 형태로 만들어 스핀 로스를 최소화하는 한편, 로터의 회전축으로부터 접촉점까지의 거리를 로터의 회전축으로부터 카운터로터 회전중심까지의 거리보다 항상 크게 가져갈 수 있도록 하여 최적화된 동력밀도와 동력전달효율을 얻을 수 있는 자동차용 마찰전동 무단변속장치를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명은 정밀하고 넓은 범위의 변속이 가능한 자동차용 마찰전동 무단변속장치를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 간소한 구성에 의해 저중량 설계에 유리한 자동차용 마찰전동 무단변속장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 기술적 사상에 의한 자동차용 마찰전동 무단변속장치는, 일측면 가장자리를 따라 오목하게 곡면 형성되되 곡률원의 중심이 자신의 회전축 상에 위치하지 않는 내타원체면으로 형성된 내측면을 구비하며, 동력입력축으로부터 동력을 입력받는 구동로터와, 일측면 가장자리를 따라 오목하게 곡면 형성되되, 곡률원의 중심이 자신의 회전축 상에 위치하지 않는 내타원체면으로 형성된 내측면을 구비하며, 동력출력축에 동력을 출력하는 종동로터와, 상기 구동로터의 내측면 및 종동로터의 내측면과 각각 접촉하고, 곡률원의 중심이 서로 일치하며 자신의 회전축 상에 위치하는 구체면으로 형성된 제 1외구면 및 제 2외구면을 구비하여, 마찰전동에 의해 상기 구동로터로부터 전달된 회전력을 상기 종동로터로 전달하는 카운터로터와, 상기 카운터로터의 회전축 각도를 변경하여, 상기 카운터로터의 회전축으로부터 상기 구동로터와 카운터로터가 접촉하는 제 1접촉점까지의 거리에 대하여 상기 카운터로터의 회전축으로부터 상기 종동로터와 카운터로터가 접촉하는 제 2접촉점까지의 거리의 비율을 변화시키면서 변속을 이루는 변각수단을 포함하여 구성되는 것을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.
여기서, 상기 구동로터의 내타원체면 곡률반경비는 상기 제 1접촉점으로부터 상기 구동로터의 회전축까지 이르는 곡률반경을 기준으로 0.6 내지 0.9이고, 상기 종동로터의 내타원체면 곡률반경비는 상기 제 2접촉점으로부터 상기 종동로터의 회전축까지 이르는 곡률반경을 기준으로 0.6 내지 0.9인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 카운터로터는 상기 제 1외구면을 구비하는 제 1구체부와 상기 제 2외구면을 구비하는 제 2구체부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 카운터로터의 제 1외구면과 제 2외구면은 서로 다른 곡률반경을 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 카운터로터는 제 1구체부와 제 2구체부 사이에 잘록하게 형성되고 자신의 회전축과 동축을 이루는 허리부를 구비하고, 상기 허리부에는 상기 카운터로터를 회전 가능하게 지지하는 베어링이 설치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 카운터로터는 상기 제 1구체부와 제 2구체부가 서로 연하여 배향하며, 상기 제 1구체부와 제 2구체부에서 각각 외팔보 형태로 형성되어 자신의 회전축과 동축을 이루는 한 쌍의 지지축을 구비하고, 상기 한 쌍의 지지축에는 상기 카운터로터를 회전 가능하게 지지하는 한 쌍의 베어링이 설치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 카운터로터는 제 1구체부와 제 2구체부 중 어느 한편에 자신의 회전축과 동축을 이루는 베어링홀을 구비하고, 상기 베어링홀에는 상기 카운터로터를 회전 가능하게 지지하는 베어링이 삽입 설치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 카운터로터는 일측에는 제 1외구면과 제 2외구면을 겸용하는 겸용 외구면을 구비하고, 타측에는 자신의 회전축과 동축을 이루는 외팔보 형태의 지지축을 구비하며, 상기 지지축에는 상기 카운터로터를 회전 가능하게 지지하는 베어링이 설치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 카운터로터는 두 개 이상 구비되어 방사상으로 배치되고, 상기 카운터로터들을 에워싸면서 틸팅 가능하게 피봇팅하여 상기 카운터로터를 회전축이 변경 가능하도록 지지하는 지지프레임을 더욱 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 구동로터와 종동로터는 자신의 회전축들이 상호 예각을 이루도록 경사지게 배치된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 동력입력축 및 동력출력축의 회전력에 비례하여 각각 상기 구동로터 및 종동로터를 상기 카운터로터 쪽으로 가압하여 밀착시키는 비례가압수단이 더 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 비례가압수단은, 상기 동력입력축과 구동로터 사이, 상기 종동로터와 동력출력축 사이에 각각 설치되며, 상호 대향하여 마주보게 배치되고, 대향하는 각 면에는 상호 대응하여 마주보는 복수 쌍의 콘형 홈이 형성된 한 쌍의 가압회전체와, 상기 대응하여 마주보는 콘형 홈 사이에 삽입되어 상기 한 쌍의 가압회전체 중 어느 하나가 회전할 때 다른 하나를 구속하여 회전시키면서 서로 밀어내도록 수직항력을 발생시키는 구슬들을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 변각수단은, 상기 구동로터의 회전축과 동축을 이루도록 설치되고, 외주면에는 나선형의 가이드홈이 형성된 드럼형 스크루와, 상기 드럼형 스크루와 카운터로터를 연결하고, 상기 드럼형 스크루의 회전시 일단이 상기 가이드홈의 안내를 받아 이동하면서 상기 카운터로터를 틸팅시키는 연결부재를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 변각수단은, 상기 구동로터의 회전축과 동축을 이루도록 설치된 웜기어와, 일단에는 상기 웜기어와 치합되는 웜휠이 구비되어 상기 웜기어와 카운터로터를 연결하고, 상기 윔기어의 회전시 일단이 상기 웜기어를 따라 이동하면서 상기 카운터로터를 틸팅시키는 연결부재를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
이하, 상기와 같은 본 발명의 기술적 사상에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
[실시예]
본 발명의 자동차용 마찰전동 무단변속장치는 내타원체면으로 이루어진 내측면과 외구면의 접촉으로 마찰전동을 위한 접촉면이 원형에 가까운 타원형을 이루도록 함으로써 동력전달시 최적의 동력밀도와 동력전달효율을 갖도록 구성된다. 또한, 정밀하고 넓은 범위의 변속이 가능하며 진동 및 소음발생이 적도록 구성되어 전체적으로 자동차의 운전성능과 제어성능을 획기적으로 개선시킬 수 있게 된다. 뿐만 아니라 간소화된 형태로 자동차의 저중량 설계에 기여할 수 있도록 구성된다.
이하, 본 발명에 의한 자동차용 마찰전동 무단변속장치의 구성을 상세히 설명한다.
먼저, 상세한 구성설명에 앞서 도 2와 도 3을 참조하여 본 발명에 의한 무단변속장치의 기본원리 및 관련된 특징을 설명한다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 기본원리를 설명하기 위한 참조도이다.
본 발명은 크게 세 부분으로 분류된다. 즉, 도 3에 도시된 것처럼 입력측 구동로터(120), 출력측 종동로터(130) 및 이들 중간에서 마찰전동에 의해 동력을 전달하면서 변속을 시도하는 카운터로터(140) 등의 드라이버들, 상기 드라이버들(120,130,140)을 양측에서 가압하여 동력전달의 신뢰도를 향상시키고 스핀로스(spin loss)를 감소시키는 가압수단(차후에 도면과 함께 설명하기로 한다), 상기 카운터로터(140)의 회전축 기울기를 변경하는 조립체인 변각수단(차후에 도면과 함께 설명하기로 한다)으로 분류된다.
이 중 상기 구동로터(120), 종동로터(130) 및 카운터로터(140)로 이루어진 상기 드라이버들을 중심으로 보면, 내측 가장자리를 따라 오목하게 내타원체면으로 형성된 내측면을 구비한 원반형의 구동로터(120)가 동력의 입력측에 설치된다. 마찬가지로 내측 가장자리를 따라 오목하게 내타원체면으로 이루어진 내측면을 구비한 원반형의 종동로터(130)가 동력의 출력측에 설치된다. 그리고 그 사이에는 상기 구동로터의 내측면(121) 및 종동로터의 내측면(131)에 각각 접촉되는 외구면(142,144)을 구비한 카운터로터(140)가 설치된다.
본 발명의 무단변속장치는 상기와 같은 기본구성에 의해 상기 구동로터(120)가 동력을 입력받아 회전하면 상기 구동로터(120)와 접촉된 카운터로터(140)가 마찰전동에 의해 구동로터(120)로부터 회전력을 전달받아 회전하게 된다. 그리고 상기 카운터로터(140)가 회전하면 상기 카운터로터(140)에 접촉된 상태로 있는 상기 종동로터(130)가 마찰전동에 의해 카운터로터(140)로부터 회전력을 전달받아 회전하면서 그 회전력을 출력하게 된다. 이때 상기 카운터로터(140)의 회전축(CA) 기울기가 변하면서 변속이 이루어진다. 즉, 도 3과 같이 상기 카운터로터(140)의 회전축(CA) 기울기가 변하면 상기 카운터로터(140)의 회전축(CA)으로부터 상기 구동로터(120)와 카운터로터(140)가 접촉하는 제 1접촉점까지의 거리인 제 1축간거리(D1')에 대하여 상기 카운터로터(140)의 회전축(146)으로부터 상기 종동로터(130)와 카운터로터(140)가 접촉하는 제 2접촉점까지의 거리인 제 2축간거리(D2')의 비율이 변화된다. 이는 도 2의 최초 제 1축간거리(D1) 및 제 2축간거리(D2)일 때의 비율과는 다른 것이다. 이로써, 상기 구동로터(120)의 회전수에 대한 상기 종동로터(130)의 회전수가 변하여 변속이 이루어진다. 이때 상기 카운터로터(140)의 회전축(CA)이 더 많이 기울수록 상기 구동로터(120)의 회전수에 대한 종동로터(130)의 회전수 비율이 더 커져서 고속의 변속이 이루어진다. 도 3의 것은 고속 변속이 이루어지는 경우이고, 상기 카운터로터(140)가 반대방향으로 기울 경우 저속의 변속이 이루어진다.
여기서, 상기 구동로터(120)와 카운터로터(140), 상기 종동로터(130)와 카운터로터(140) 모두 오목한 내타원체면인 내측면(121,131)과 볼록한 외구면(142,144)의 접촉으로 마찰전동이 이루어진다. 따라서 접촉응력이 완화되며 결과적으로 동력전달능력(Torque capacity)이 증가하게 된다. 이에 대한 이론적인 배경을 간략하게 살펴보면 다음과 같다.
즉, 허츠의 접촉이론(Hertz's contact theory)에 의하면, 접촉응력은 수직항력의 1/3승에 비례하고, 접촉하는 부분의 곡률반경의 역수의 합(K값)이 2/3에 비례한다. 여기서 K값은, 1/(물체 1의 제 1방향곡률반경) + 1/(물체 1의 제 2방향곡률반경) + 1/(물체 2의 제 1방향곡률반경) + 1/(물체 2의 제 2방향곡률반경)이다. 여기서 물체의 곡률반경은 곡선이 오목한 경우에는 음(-)으로 정의되고, 곡선이 볼록한 경우에는 양(+)으로 정의된다. 따라서 본 발명에 따른 마찰전동 무단변속장치는 입력측과 출력측 중 어느 하나에 볼록-볼록 접촉이나 오목-오목 접촉이 존재하는 방식보다 K값을 크게 줄일 수 있으므로 응력완화의 측면에서 유리한 메카니즘을 지니고 있음을 알 수 있다(참고로, 오목-볼록 접촉 관계에서 두 물체의 곡률반경의 차이가 작을수록 K값의 감소효과는 더욱 커지게 된다. 그러나 두 물체 사이의 스핀운동으로 인하여 마찰부분의 동력 손실량이 증가하기 때문에 그 차이를 무제한 작게 할 수는 없다). 여기서, 두 물체간 오목-볼록 접촉은 그 접촉면이 원형에 가까 운 형태로 형성되는 것이 바람직하다. 이는 단축과 장축의 차이가 큰 길쭉한 타원형의 접촉면적보다 스핀로스(Spin loss)가 작기 때문이다. 하지만, 접촉면이 완전한 원형이 되는 경우 원형에 가까운 타원형으로 형성된 경우보다 접촉되는 면적의 크기가 커지면서 스핀로스가 더 커질 수도 있다. 따라서 본 발명과 같이 내타원체면으로 형성된 내측면(121,131)과 외구면의 접촉에 의해 그 접촉면의 형태를 원형에 가까운 타원형으로 조절함으로써 오히려 최적의 결과를 도출할 가능성을 갖게 된다. 문제는 관련된 설계인자들을 얼마나 효과적으로 이용하느냐에 달려 있다. 본 발명과 같이 내타원체면으로 형성된 내측면(121,131)과 외구면(142,144) 접촉에 의해 마찰전동을 수행하는 경우 관련된 설계인자들을 효과적으로 이용하기가 훨씬 유리해진다.
한편, 일반적으로 마찰전동을 위해 접촉하는 면적이 커질수록 두 물체간 스핀로스는 증가하게 된다. 상기 오목-볼록 접촉으로 인한 스핀로스의 증가는 접촉면에서의 온도 상승으로 인한 열적 문제를 야기할 수 있어 성능이 떨어질 수 있기 때문에 신중을 기해야 한다. 따라서 본 발명에서는 마찰전동의 접촉점 위치를 회전축 상으로부터 멀리 위치시킬 수 있는 매우 유리한 메카니즘을 구성하고자 하였다. 이를 위해 적은 양의 접촉면적을 가지고도 동력전달능력을 손상시키지 않는 범위에서 구동로터(120) 및 종동로터(130)의 내측면(121,131)을 그들의 내측 가장자리(120A,130A)를 따라 넓지 않은 적정 폭으로 형성시켰다. 이로써 스핀로스는 최소화되고 동력전달의 신뢰도는 향상된다.
이처럼 본 발명에 의한 자동차용 마찰전동 무단변속장치는 기본적으로 내타 원체면으로 이루어진 내측면(121,131)과 외구면(142,144) 접촉에 의해 응력을 완화함과 동시에 접촉점의 위치를 높게 가져감으로써 동력전달능력을 향상시키는 한편, 우려되는 스핀로스 문제를 최소화하는 가운데 동력전달의 신뢰도를 향상시킬 수 있다. 아울러 상기 내측면(121,131)의 곡률반경비의 변화를 통하여 접촉면의 형태를 원형에 가까운 타원형으로 조절함으로써 최적화된 동력밀도와 동력전달효율을 얻어낼 수 있도록 하였다.
계속해서, 전술된 기본 원리를 바탕으로 본 발명의 실시예에 따른 보다 구체적인 구성을 설명한다.
도 4는 본 발명의 구성을 설명하기 위한 개략적인 조립단면도이고, 도 5는 본 발명의 분해사시도이다.
본 발명은 구동로터(120), 종동로터(130), 카운터로터(140) 및 비례가압수단(160,170)을 포함하여 구성된다. 이 같은 본 발명은 개략적으로 마찰전동에 의한 변속을 수행하는 드라이브들(120,130,140)과, 상기 드라이브들(120,130,140)의 변속을 조절하는 조립체인 변각수단(150), 상기 드라이브들(120,130,140)을 가압하여 밀착시키는 가압수단(160,170)으로 분류할 수 있다. 각 구성요소들의 구성은 다음과 같다.
상기 구동로터(120)는 동력입력축(111)으로부터 동력을 입력받아 회전하는 디스크형 회전체이다. 상기 구동로터(120)는 일측면 가장자리(120A)를 따라 오목하게 곡면 형성된 내측면(121)을 구비한다. 상기 구동로터의 내측면(121)은 구면체로 형성되지 않고 내타원체면으로 형성된다. 즉, 상기 구동로터의 내측면(121)이 그리 는 곡률원의 중심(Or)이 자신의 회전축 상에 위치하지 않도록 형성된다. 본 실시예에서는 내타원체면으로 이루어진 상기 구동로터(120) 내측면(121)의 곡률반경비가 제 1접촉점(Cr)으로부터 구동로터(120)의 회전축까지 이르는 곡률반경(Cr-O1간 직선거리)을 기준으로 0.6 내지 0.9 범위 내에서 형성된다. 도 4를 참조하면 상기 구동로터(120)의 내측면(121)이 그리는 곡률원의 중심(Or)은 구동로터(120)의 회전축에 약간 못미치는 정도가 된다. 참고로 상기 곡률반경비가 1인 경우 구동로터(120)의 내측면(121)은 타원체가 아닌 구체를 이루게 되며 이 경우 곡률원의 중심(O1)이 구동로터(120)의 회전축 상에 위치하게 된다. 이같이 상기 구동로터의 내측면(121)이 갖는 곡류반경비가 0.6 내지 0.9가 되면 정격마력 [110kW] 정도의 중형 자동차에서 동력밀도와 동력전달효율이 최적의 상태가 된다. 이에 대해서는 차후에 시뮬레이션을 통한 실험치를 가지고 상세히 설명하기로 한다.
상기 종동로터(130)는 동력출력축(113)에 동력을 출력하는 디스크형 회전체이다. 상기 종동로터(130)는 구동로터(120)와 마찬가지로 일측면 가장자리(130A)를 따라 오목하게 곡면 형성된 내측면(131)을 구비한다. 상기 종동로터의 내측면(131)은 구면체로 형성되지 않고 내타원체면으로 형성된다. 즉, 상기 종동로터(130)의 내측면(131)이 그리는 곡률원의 중심(On)이 자신의 회전축 상에 위치하지 않도록 형성된다. 본 실시예에서는 내타원체면으로 이루어진 상기 종동로터(130) 내측면(131)의 곡률반경비가 제 2접촉점(Cn)으로부터 종동로터(130)의 회전축까지 이르는 곡률반경(Cn-O2간 직선거리)을 기준으로 0.6 내지 0.9 범위 내에서 형성된다. 도 4를 참조하면 상기 종동로터(130)의 내측면(131)이 그리는 곡률원의 중심(On)은 종 동로터(130)의 회전축에 약간 못미치는 정도가 된다. 참고로 상기 곡률반경비가 1인 경우 종동로터(130)의 내측면(131)은 타원체가 아닌 구체를 이루게 되며 이 경우 곡률원의 중심(O2)이 종동로터(120)의 회전축 상에 위치하게 된다. 이같은 종동로터(130)의 효과적인 측면에 대해서도 구동로터(120)와 마찬가지로 차후에 시뮬레이션을 통한 실험치를 가지고 상세히 설명하기로 한다.
상기 종동로터(130)는 도시된 것처럼 구동로터(120)와 다른 크기로 형성될 수 있다. 아울러 상기 카운터로터(140)와 함께 상기 구동로터(120)에 대하여 그 회전축이 구동로터(120)의 회전축과 상호 예각을 이루도록 경사진 형태로 배치될 수 있다. 이같은 구성은 본 발명의 무단변속장치가 자동차에 장착되는데 더 많은 융통성을 갖게 하며 변속 가능한 범위를 확장하는 데도 유리하게 작용한다.
상기 카운터로터(140)는 상기 구동로터(120)와 종동로터(130)의 사이에 설치된다. 상기 카운터로터(140)는 상기 구동로터(120)의 내측면(121) 및 종동로터(130)의 내측면(131)과 각각 접촉하는 제 1외구면(142) 및 제 2외구면(144)을 구비한다. 상기 제 1외구면(142) 및 제 2외구면(144)은 곡률원의 중심(Oc)이 서로 일치하며 자신의 회전축 상에 위치하는 구체면으로 형성된다. 이로써 상기 구동로터(120)와 제 1외구면(142)간 접촉, 상기 종동로터(130)와 제 2외구면(144)간 접촉 모두 오목-볼록 접촉 형태 중 이상적인 내타원체면과 외구면의 접촉 형태가 된다.
여기서, 상기 카운터로터(140)의 제 1외구면(142)과 제 2외구면(144)은 서로 다른 곡률반경을 갖도록 형성된다. 이를 위해 상기 카운터로터(140)는 제 2외구면(144)을 구비하는 제 1구체부(141)와 제 2외구면(144)을 구비하는 제 2구체부(143) 가 서로 다른 크기로 이루어진다. 하지만, 상기 제 1구체부(141) 및 제 2구체부(143)의 크기와 관계없이 상기 제 1외구면(142) 및 제 2외구면(144)이 그리는 곡률원의 중심(Oc)은 카운터로터(140)의 회전축 상에 동일하게 위치한다. 이렇게 상기 제 1구체부(141)와 제 2구체부(143)가 서로 다른 크기로 형성되면 상기 구동로터(120) 및 종동로터(130)의 크기를 달리하면서 변속범위를 더욱 확장할 수 있는 장점이 있다. 한편, 상기 카운터로터(140)는 제 1구체부(141)와 제 2구체부(143) 사이에 잘록하게 형성된 허리부(140A)를 구비하고, 상기 허리부(140A)에는 상기 카운터로터(140)를 회전 가능하게 지지하는 베어링(145)이 설치된다. 상기 베어링(145)의 설치로 상기 카운터로터(140)가 자신의 회전축을 중심으로 원활하게 회전할 수 있도록 지지된다.
상기 변각수단(150)은 상기 카운터로터(140)를 틸팅시켜 카운터로터(140)의 회전축 각도를 변경하는 역할을 한다. 이로써, 상기 카운터로터(140)의 회전축으로부터 상기 구동로터(120)와 카운터로터(140)가 접촉하는 제 1접촉점(Cr)까지의 거리에 대하여 상기 카운터로터(140)의 회전축으로부터 상기 종동로터(130)와 카운터로터(140)가 접촉하는 제 2접촉점(Cn)까지의 거리의 비율이 변화되면서 변속이 이루어진다. 이를 위해 상기 변각수단(150)은, 드럼형 스크루(151)와 연결부재(155)를 포함한다. 상기 드럼형 스크루(151)는 구동로터(120)의 회전축과 동축을 이루도록 설치되고, 외주면에는 나선형의 가이드홈(153)이 형성된다. 상기 연결부재(155)는 상기 드럼형 스크루(151)와 카운터로터(140)를 연결하고, 상기 드럼형 스크루(151)의 회전시 일단(156)이 상기 가이드홈(153)의 안내를 받아 이동하면서 상기 카운터로터(140)를 틸팅시킨다. 여기서, 상기 드럼형 스크루(151)의 일단(156)은 상기 가이드홈(153)에 삽입되어 안내를 받는 삽입용 돌기가 형성된다. 한편, 상기 드럼형 스크루(151)의 회전을 위해서 상기 드럼형 스크루(151)의 회전축(152) 일단은 상기 구동로터(120)의 중앙에 공회전 가능하게 결합된다. 상기 드럼형 스크루(151)의 회전축(152) 타단은 케이스 밖으로 연장되어 스테핑 모터(stepping motor 미도시 됨)로부터 회전력을 제공받도록 결합된다.
상기 비례가압수단(160,170)은 입력측 비례가압수단(160)과 출력측 비례가압수단(170)으로 이루어진다. 이들은 각각 상기 동력입력축(111) 및 동력출력축(113)의 회전력에 비례하여 상기 구동로터(120) 및 종동로터(130)를 상기 카운터로터(140) 쪽으로 가압하여 밀착시키는 역할을 한다. 이를 위해 상기 비례가압수단(160,170)은 각각 동력입력축(111)과 구동로터(120) 사이, 상기 종동로터(130)와 동력출력축(113) 사이에 설치된다. 상기 비례가압수단(160,170)에는 각각 한 쌍의 가압회전체(161와 163, 171과 173)와, 구슬(165,175)들이 포함된다. 먼저, 상기 동력입력축(111)과 구동로터(120) 사이에 설치되는 입력측 비례가압수단(160)을 살펴보면, 한 쌍의 가압회전체(161,163) 중 하나(161)는 동력입력축(111)에 고정되고 다른 하나(163)는 구동로터(120)에 고정되어 상호 대향하여 마주보도록 배치된다. 상기 가압회전체(161,163)의 마주보는 면에는 상호 대응하여 마주보는 콘형 홈(162,164)이 상기 가압회전체(161,163)의 원주방향을 따라 복수개 형성된다. 그리고 마주보는 콘형 홈(162,164)들 사이에는 구슬(165)들이 상기 콘형 홈(162,164)들에 의해 물려진 상태로 삽입되어 설치된다. 마찬가지로, 상기 종동로터(130)와 동 력출력축(113) 사이에 설치되는 출력측 비례가압수단(170)은 한 쌍의 가압회전체(171,173) 중 하나(171)는 종동로터(130)의 고정되고 다른 하나(173)는 동력출력축(113)에 고정된다. 그 외의 구성은 상기 입력측 비례가압수단(160)과 동일하다. 이처럼 설치되는 비례가압수단(160,170)은 상기 구슬(165,175)들과 콘형 홈(162,164,172,174)의 상호작용으로 회전시 서로 마주보는 가압회전체(161와 163, 171과 173)를 구속시킨다. 동시에 수직항력(추력)을 발생시켜 서로 밀어내려는 경향을 갖게 한다. 따라서 상기 비례가압수단(160,170)은 각각 동력입력축(111)의 회전력에 비례하여 상기 구동로터(120)를 상기 카운터로터(140) 쪽으로 가압하여 밀착시킴과 동시에 동력출력축(113)의 회전력에 비례하여 상기 종동로터(130)를 상기 카운터로터(140) 쪽으로 가압하여 밀착시킬 수 있게 되는 것이다. 이 때 양 방향에서 가압하는 힘의 잔여량은 상기 카운터로터(140)를 지지하기 위해 설치된 지지프레임(차후 설명, 도 7의 146)의 핀 지지부에 가해진다.
아래에서는 전술된 본 발명의 구성에 따라 실제 시뮬레이션을 시행한 결과를 설명한다. 상기 시뮬레이션 결과는 상기 구동로터(120) 및 종동로터(130)의 내측면(131, 141))이 갖는 곡률반경비(ellipticity ratio(rho) = radius of curvature/reference radius)에 따라 동력밀도(power density)와 동력전달효율(power transfer efficiency)이 어떻게 변하는지를 보여준다. 이로써 구동로터(120) 및 종동로터(130)의 내측면 형성을 위한 최적의 곡률반경비를 도출할 수 있게 된다. 단, 상기 시뮬레이션은 다음과 같은 조건하에 시행되었다.
1. 정격마력 및 정격입력을 중형 자동차에 해당하는 각각 110[kW] 5000[rpm]으로 하여 성능을 계산하였다.
2. 접촉부의 최대전단응력이 500[MPa]을 넘지 않도록 하였다.
3. 최단수명시간을 10000시간이 넘지 않도록 하였다.
4. 평균 동력전달효율이 90[%] 이상이 되도록 하였다.
5. 동력밀도(power density)는 정격마력을 무단변속유닛(continuously variable unit : CVU)의 기본볼륨으로 나눈 값에 상수를 곱한 값으로 정의했다.
6. 동력밀도는 단위볼륨당 전달 가능한 마력의 양을 나타내며 곧 파워용량을 의미한다.
7. 곡률반경비를 0.4에서 1.4까지 변화시켰다(참고로 곡률반경비가 1.0인 경우는 구체인 내구면이 됨)
이같은 조건을 가지고 시행한 시뮬레이션을 통해 얻은 결과치는 아래 표 1과 같다.
[표 1]
ellipticity ratio power density efficiency life time(khour)
0.4 30.6 90.0 32.0
0.5 39.5 90.4 68.7
0.6 19.7 94.1 17.3
0.7 14.6 94.7 23.9
0.8 14.5 95.4 21.2
0.9 14.7 95.5 22.1
1.0 11.2 95.7 21.6
1.1 11.2 95.8 24.0
1.2 11.2 96.0 19.8
1.3 11.2 96.0 21.9
1.4 11.1 96.2 21.2
표 1을 참조하면, 동력밀도는 곡률반경비가 작을수록 증가하였다. 동력전달 효율은 곡률반경비가 클수록 증가하였으나 그 변화폭은 작은 편임을 알 수 있다. 수명시간은 일정한 경향은 없으나 대체적으로 20000 시간 정도에서 안정적임을 알 수 있다. 이상의 결과로부터 다음의 결론을 도출할 수 있다.
즉, 곡률반경이 그 기준이 되는 곡률반경보다 작은 경우에 동력밀도는 더 증가하였다. 그러나 곡률반경비가 과도하게 작아지면 동력전달효율이 작아지는 경향을 보이기 때문에 적정선으로 제한하는 것이 바람직하다. 특히 동력전달효율이 작아지면 접촉부에서 열이 더 많이 발생한다는 의미이므로 윤활유 사용에 있어서 중요한 장애요소가 된다는 점을 가만해야 한다.
이상과 같은 시뮬레이션의 결과로부터 여러 설계인자들에 따라서 최적의 조건은 다를 수 있지만 하나의 분명한 경향이 있음을 알 수 있다. 즉, 곡률반경비가 0.6 내지 0.9 범위에서는 효율이 크게 감소하지 않으면서 동력밀도가 더 좋아지고 있다는 점이다. 따라서, 정격마력이 110[kW] 정도 내외의 중형 자동차에서 동력밀도와 동력전달효율이 조화된 최적의 성능을 내기 위해서는 구동로터(120) 및 종동로터(130)의 내측면(131,141)이 내타원체면으로 이루어지고 그 곡률반경비가 0.6 내지 0.9 범위에 속하는 것이 바람직하다.
이와 같이 구성된 본 발명에 의한 자동차용 마찰전동 무단변속장치의 동작을 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 본 발명에 의한 무단변속장치에서 동력의 흐름을 살펴보면 자동차의 동력발생장치에서 발생한 동력은 동력입력축(111)을 통해 입력측 비례가압수단(160), 구동로터(120), 카운터로터(140), 종동로터(130), 출력측 비례가압수단 (170)을 순서대로 거치면서 변속된 후 동력출력축(113)으로 전달되어 출력된다.
이제 본 발명의 무단변속장치의 동작을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 자동차의 동력발생장치에서 발생한 동력이 동력입력축(111)에 전달되어 상기 동력입력축(111)을 회전시키게 되면 그 회전력은 입력측 비례가압수단(160)에 전달된다. 상기 입력측 비례가압수단(160)에 전달되는 동력은 구체적으로는 먼저 상기 동력입력축(111)에 고정된 가압회전체(161)를 회전키게 된다. 그러면 구슬(165)들을 매개로 대향하여 마주보고 있는 맞은 편 가압회전체(163) 즉, 구동로터(120)에 고정된 가압회전체(163)가 회전하게 된다. 동시에 상기 구슬(165)들은 콘형 홈(162,164)과의 상호작용으로 동력입력축(111)의 회전력에 비례한 수직항력(추력)을 발생시킴으로써 상기 구동로터(120)를 상기 카운터로터(140)가 있는 쪽으로 가압하여 밀어주게 된다. 이로써 구동로터(120)와 카운터로터(140)간 스핀로스가 감소되어 동력전달의 신뢰도가 향상된다.
상기 구동로터(120)의 회전으로 상기 구동로터(120)와 접촉된 카운터로터(140)가 회전하게 된다. 이때 내타원체면으로 형성된 구동로터의 내측면(121)과 카운터로터(140)의 제 1외구면(142)의 마찰접촉이 일어난다. 이로써 구동로터(120)와 카운터로터(140)간 동력이 전달된다. 이 때 상기 구동로터(120)의 내측면(121)은 곡률반경비인 0.6 내지 0.9를 갖도록 설계되어 적절히 균형 잡힌 동력밀도 및 동력전달효율을 가지고 마찰전동을 수행하게 된다.
이어서 상기 카운터로터(140)가 회전하면 상기 카운터로터(140)와 접촉된 종 동로터(130)가 마찰전동에 의해 회전하게 된다. 이때 상기 카운터로터(140)의 제 2외구면(144)과 내타원체면으로 형성된 상기 종동로터(130)의 내측면(131)과의 마찰접촉으로 동력이 전달된다. 상기 종동로터의 내측면(131) 역시 곡률반경비가 0.6 내지 0.9를 갖도록 설계되어 적절하게 균형잡힌 동력밀도 및 효율을 가지고 마찰전동을 수행하게 된다.
상기 종동로터(130)가 회전하면 상기 동력출력축(113)이 연하여 회전하면서 동력을 출력하게 된다. 이 때, 상기 종동로터(130)와 동력출력축(113) 사이에 설치된 출력측 비례가압수단(170)이 작용하여 상기 종동로터(130)와 동력출력축(113) 상호간을 연결하여 동력을 전달하도록 구속한다. 동시에 종동로터(130)를 카운터로터(140) 쪽으로 가압하는 밀어주는 역할을 한다. 이같은 역할 및 작용은 동력입력축(111)과 구동로터(120) 사이에 설치된 입력측 비례가압수단(160)과 동일하게 이루어진다. 이처럼 본 발명에서는 카운터로터(140)를 사이에 두고 그 양쪽에 설치된 구동로터(120) 및 종동로터(130)를 가압하여 밀어주는 비례가압수단(160,170)이 상호 작용하게 된다. 이로써 미끄러짐 현상에 따른 스핀로스가 사라지면서 전달되는 동력의 변화에 관계없이 로터간 마찰 메카니즘만으로도 동력전달이 충실하게 이루어진다.
한편, 변각수단(150)의 드럼형 스크루(151)를 회전시키면 그 외주면에 형성된 나선형의 가이드홈(153)을 따라 연결부재(155)의 일단(156)이 이동하면서 연결부재(155) 전체가 틸팅된다. 이에 따라 상기 연결부재(155)의 타단과 결합되어 있는 카운터로터(140)가 피봇점을 중심으로 틸팅하여 기울면서 그 자신의 회전축 기 울기가 변경된다. 도 2 및 도 3과 같이 상기 카운터로터(140)의 회전축(CA) 각도가 변화되면, 상기 카운터로터(140)의 회전축(CA)으로부터 상기 구동로터(120)와 카운터로터(140)가 접촉하는 제 1접촉점까지의 거리인 제 1축간거리(D1')에 대하여 상기 카운터로터(140)의 회전축(146)으로부터 상기 종동로터(130)와 카운터로터(140)가 접촉하는 제 2접촉점까지의 거리인 제 2축간거리(D2')의 비율이 변화된다. 이로써 상기 구동로터(120)의 회전수에 대한 상기 종동로터(130)의 회전수가 변하여 변속이 이루어진다. 이때 상기 카운터로터(140)의 회전축(146) 각도가 더 많이 변할수록 상기 구동로터(120)의 회전수에 대한 종동로터(130)의 회전수가 더욱 급격히 변화되어 더욱 큰 변속이 이루어진다. 이로써, 자동차가 가속 또는 감속된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하였으나 본 발명의 경우 다양한 변형 실시예들이 가능하다. 이하, 본 발명의 변형 가능한 실시예들을 특징적인 부분을 중심으로 간략하게 설명한다. 단, 변형된 실시예들을 설명하기 위해 첨부된 도면에서 각 구성요소들을 지시하는 도면부호는 해당 구성요소가 변형전 실시예와 비교하여 약간 변형되었지만 기능상 다르지 않다면 동일하게 기재하기로 한다.
도 6은 본 발명의 변형 실시예의 구성을 설명하기 위한 개략적인 조립단면도이다. 도 7은 본 발명의 변형 실시예에 따른 카운터로터의 배치된 상태를 보여주는 참조도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 변형 실시예에서는 카운터로터(140)가 두 개 이상 구비되어 방사상으로 배치되고, 상기 카운터로터(140) 모두를 에워싸면서 틸 팅 가능하게 피봇팅하여 지지하는 지지프레임(146)이 구비된다. 여기서, 상기 카운터로터(140)의 원활한 틸팅을 위해 상기 카운터로터(140)를 상기 지지프레임(146)에 피봇점을 중심으로 틸팅 가능하게 지지시키는 적절한 형태의 지지체(148)가 설치되는 것이 바람직하다.
이처럼 상기 카운터로터(140)가 두 개 이상 방사상으로 구비되는 경우에는 구동로터(120) 및 종동로터(130)가 카운터로터(140) 모두와 원활하게 접촉되도록 서로 대향하여 마주보는 형태로 배치되는 것이 적당하다.
단, 도면에서는 세 개의 카운터로터(140)가 방사상으로 구비되고, 지지프레임(146)은 구비된 세 개의 카운터로터(140)를 에워쌀 수 있는 삼각형태로 형성된 것으로 하였다. 하지만, 상기 카운터로터(140)는 두 개 이상의 다양한 개수로 구비될 수 있고, 상기 지지프레임(146) 역시 구비되는 카운터로터(140)들을 에워쌀 수 있는 적절한 형태로 형성될 수 있다.
본 발명은 상기 카운터로터(140)의 형태를 변형시킨 또 다른 형태의 다양한 변형 실시예들이 가능하다. 이에 대해 아래에서 도 8 내지 도 13을 참조하여 설명한다.
도 8은 본 발명에 따른 카운터로터가 한 쌍의 지지축을 구비한 형태로 변형된 모습을 보여주는 참조단면도이고, 도 9는 도 8의 카운터로터가 배치된 상태를 보여주는 참조도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 카운터로터(140)는 제 1외구면(142)을 갖는 제 1구체부(141)와 제 2외구면(144)을 갖는 제 2구체부(143)에서 외팔보 형태의 지지축(147A,147B) 한 쌍이 구비된 형태로 변형될 수 있다. 상기 지지축(147A,147B) 한 쌍은 양팔을 좌우로 벌리고 있는 형태가 되며 카운터로터(140)의 회전축과 동축을 이룬다.
그리고 상기 한 쌍의 지지축(147A,147B)에는 각각 베어링(145)이 설치되고, 설치된 베어링(145)을 매개로 상기 카운터로터(140)를 회전 가능하게 지지하는 지지체(148)가 설치된다.
참고로 언급되지 않은 도면부호 120A,120B는 구동로터(120) 및 종동로터(130)와의 접촉부위를 표시하기 위해 도시한 구동로터(120) 및 종동로터(130)의 가상적인 가장자리 부위 단편이다.
도 10은 본 발명에 따른 카운터로터가 베어링홀을 구비한 형태로 변형된 모습을 보여주는 참조단면도이고, 도 11은 도 10의 카운터로터가 배치된 상태를 보여주는 참조도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 카운터로터(140)는 제 1외구면(142)을 갖는 제 1구체부(141)와 제 2외구면(144)을 갖는 제 2구체부(143) 중 어느 한편에 상기 카운터로터(140)의 회전축과 동축을 이루는 베어링홀(149)을 구비한 형태로 변형될 수 있다. 그리고, 상기 베어링홀(149)에 베어링(145)이 삽입된 상태로 설치되고, 상기 베어링(145)을 매개로 상기 카운터로터(140)와 결합되어 상기 카운터로터(140)를 회전 가능하게 지지하는 외팔보 형태의 지지체(155)가 설치된다.
도 12는 본 발명에 따른 카운터로터가 겸용 외구면을 구비한 형태로 변형된 모습을 보여주는 참조단면도이고, 도 13은 도 12의 카운터로터가 배치된 상태를 보 여주는 참조도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 카운터로터(140)는 일측에 제 1외구면과 제 2외구면을 겸용하는 겸용 외구면(141')을 구비하고, 타측에는 상기 카운터로터(140)의 회전축과 동축을 이루는 외팔보 형태의 지지축(147)을 구비한 형태로 변형될 수 있다. 그리고, 상기 지지축(147)에는 베어링(145)이 설치되고, 상기 베어링(145)을 매개로 상기 카운터로터(140)와 결합되어 상기 카운터로터(140)를 회전 가능하게 지지하는 지지체(148)가 설치된다.
한편, 본 발명은 변각수단(150)을 변형시킨 형태의 변형 실시예들이 가능하다. 이에 대해 아래에서 도 14 내지 도 15를 참조하여 설명한다.
도 14는 본 발명에 따른 변각수단이 드럼형 스크루와 원통형 너트를 구비한 형태로 변형된 모습을 보여주는 참조도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 변각수단(150)은 외측에 나선형의 가이드홈(153)이 형성된 드럼형 스크루(151)를 구비한다. 또한, 내측에 상기 드럼형 스크루(151)의 가이드홈(153)과 부합하는 나선형 가이드돌기(154A)가 형성되어 상기 드럼형 스크루(151)의 회전시 그 길이방향을 따라 이동하는 원통형 너트(154)를 구비한다. 이같은 구성에 의하면 본원발명에 따른 연결부재(155)는 상기 드럼형 스크루(151)가 회전하여 상기 원통형 너트(154)가 이동할 때 카운터로터(140)를 틸팅시킬 수 있도록 상기 원통형 너트(154)와 상기 카운터로터(140)를 연결하는 역할을 한다.
도 15는 본 발명에 따른 변각수단이 웜기어와 웜휠을 구비한 형태로 변형된 모습을 보여주는 참조도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 변각수단(150)은 웜기어(157)와, 상기 웜기어(157)와 치합되는 웜휠(158)을 부분적으로 구비하고 있는 연결부재(155)를 포함하는 형태로 변형될 수 있다. 이를 위해 상기 웜기어(157)는 구동로터(120)의 회전축과 동축을 이루도록 설치된다. 이같은 구성에 의하면 상기 웜기어(157)가 회전할 때 웜휠(158)이 형성된 연결부재(155)의 일단이 웜기어(157)의 길이방향을 따라 이동하면서 연결부재(155) 전체가 틸팅하게 된다. 이로써 상기 연결부재(155)와 연결된 카운터로터(140)가 틸팅되면서 변속이 이루어진다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나. 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 자동차용 마찰전동 무단변속장치는, 내타원체면으로 이루어진 내측면과 외구면 접촉에 의해 접촉면의 형태가 거의 원형에 가까운 형태가 되어 스핀 로스를 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명은 로터(구동로터, 종동로터)의 회전축으로부터 접촉점까지의 거리가 로터의 회전축으로부터 카운터로터 회전중심까지의 거리보다 항상 크기 때문에 동력전달 측면에서 유리하다.
또한, 본 발명은 내측면과 외구면 접촉에 의해 동력전달을 위한 접촉면적은 넓어지고 유막의 유동은 안정적으로 이루어진다. 따라서 트랙션오일의 점성력을 최대한 활용할 수 있게 되어 동력전달 용량이 증대된다.
또한, 본 발명은 비례가압수단에 의해 동력의 변화시에도 마찰 메카니즘만으로 미끄럼 현상 없이 동력전달을 충실히 수행할 수 있다.
또한, 본 발명은 정확한 속도조절을 구현할 수 있는 것은 물론, 넓은 범위의 변속비를 갖기 때문에 자동차의 운전성능 및 제어성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 구성이 간소화되고 중량이 감소되어 자동차의 저중량 설계에 유리하다.

Claims (14)

  1. 일측면 가장자리를 따라 오목하게 곡면 형성되되 곡률원의 중심이 자신의 회전축 상에 위치하지 않는 내타원체면으로 형성된 내측면을 구비하며, 동력입력축으로부터 동력을 입력받는 구동로터와;
    일측면 가장자리를 따라 오목하게 곡면 형성되되, 곡률원의 중심이 자신의 회전축 상에 위치하지 않는 내타원체면으로 형성된 내측면을 구비하며, 동력출력축에 동력을 출력하는 종동로터와;
    상기 구동로터의 내측면 및 종동로터의 내측면과 각각 접촉하고, 곡률원의 중심이 서로 일치하며 자신의 회전축 상에 위치하는 구체면으로 형성된 제 1외구면 및 제 2외구면을 구비하여, 마찰전동에 의해 상기 구동로터로부터 전달된 회전력을 상기 종동로터로 전달하는 카운터로터와;
    상기 카운터로터의 회전축 각도를 변경하여, 상기 카운터로터의 회전축으로부터 상기 구동로터와 카운터로터가 접촉하는 제 1접촉점까지의 거리에 대하여 상기 카운터로터의 회전축으로부터 상기 종동로터와 카운터로터가 접촉하는 제 2접촉점까지의 거리의 비율을 변화시키면서 변속을 이루는 변각수단을 포함하여 구성되는 자동차용 마찰전동 무단변속장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 구동로터의 내타원체면 곡률반경비는 상기 제 1접촉점으로부터 상기 구 동로터의 회전축까지 이르는 곡률반경을 기준으로 0.6 내지 0.9이고,
    상기 종동로터의 내타원체면 곡률반경비는 상기 제 2접촉점으로부터 상기 종동로터의 회전축까지 이르는 곡률반경을 기준으로 0.6 내지 0.9인 것을 특징으로 하는 자동차용 마찰전동 무단변속장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 카운터로터는 상기 제 1외구면을 구비하는 제 1구체부와 상기 제 2외구면을 구비하는 제 2구체부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차용 마찰전동 무단변속장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 카운터로터의 제 1외구면과 제 2외구면은 서로 다른 곡률반경을 갖는 것을 특징으로 하는 자동차용 마찰전동 무단변속장치.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 카운터로터는 제 1구체부와 제 2구체부 사이에 잘록하게 형성되고 자신의 회전축과 동축을 이루는 허리부를 구비하고,
    상기 허리부에는 상기 카운터로터를 회전 가능하게 지지하는 베어링이 설치되는 것을 특징으로 하는 자동차용 마찰전동 무단변속장치.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 카운터로터는 상기 제 1구체부와 제 2구체부가 서로 연하여 배향하며, 상기 제 1구체부와 제 2구체부에서 각각 외팔보 형태로 형성되어 자신의 회전축과 동축을 이루는 한 쌍의 지지축을 구비하고,
    상기 한 쌍의 지지축에는 상기 카운터로터를 회전 가능하게 지지하는 한 쌍의 베어링이 설치되는 것을 특징으로 하는 자동차용 마찰전동 무단변속장치.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 카운터로터는 제 1구체부와 제 2구체부 중 어느 한편에 자신의 회전축과 동축을 이루는 베어링홀을 구비하고,
    상기 베어링홀에는 상기 카운터로터를 회전 가능하게 지지하는 베어링이 삽입 설치되는 것을 특징으로 하는 자동차용 마찰전동 무단변속장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 카운터로터는 일측에는 제 1외구면과 제 2외구면을 겸용하는 겸용 외구면을 구비하고, 타측에는 자신의 회전축과 동축을 이루는 외팔보 형태의 지지축을 구비하며,
    상기 지지축에는 상기 카운터로터를 회전 가능하게 지지하는 베어링이 설치되는 것을 특징으로 하는 자동차용 마찰전동 무단변속장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 카운터로터는 두 개 이상 구비되어 방사상으로 배치되고,
    상기 카운터로터들을 에워싸면서 틸팅 가능하게 피봇팅하여 상기 카운터로터를 회전축이 변경 가능하도록 지지하는 지지프레임을 더욱 구비하는 것을 특징으로 하는 자동차용 마찰전동 무단변속장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 구동로터와 종동로터는 자신의 회전축들이 상호 예각을 이루도록 경사지게 배치된 것을 특징으로 하는 자동차용 마찰전동 무단변속장치.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 동력입력축 및 동력출력축의 회전력에 비례하여 각각 상기 구동로터 및 종동로터를 상기 카운터로터 쪽으로 가압하여 밀착시키는 비례가압수단이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 자동차용 마찰전동 무단변속장치.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 비례가압수단은,
    상기 동력입력축과 구동로터 사이, 상기 종동로터와 동력출력축 사이에 각각 설치되며,
    상호 대향하여 마주보게 배치되고, 대향하는 각 면에는 상호 대응하여 마주보는 복수 쌍의 콘형 홈이 형성된 한 쌍의 가압회전체와, 상기 대응하여 마주보는 콘형 홈 사이에 삽입되어 상기 한 쌍의 가압회전체 중 어느 하나가 회전할 때 다른 하나를 구속하여 회전시키면서 서로 밀어내도록 수직항력을 발생시키는 구슬들을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 마찰전동 무단변속장치.
  13. 제 1항에 있어서, 상기 변각수단은,
    상기 구동로터의 회전축과 동축을 이루도록 설치되고, 외주면에는 나선형의 가이드홈이 형성된 드럼형 스크루와;
    상기 드럼형 스크루와 카운터로터를 연결하고, 상기 드럼형 스크루의 회전시 일단이 상기 가이드홈의 안내를 받아 이동하면서 상기 카운터로터를 틸팅시키는 연결부재를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차용 마찰전동 무단변속장치.
  14. 제 1항에 있어서, 상기 변각수단은,
    상기 구동로터의 회전축과 동축을 이루도록 설치된 웜기어와;
    일단에는 상기 웜기어와 치합되는 웜휠이 구비되어 상기 웜기어와 카운터로터를 연결하고, 상기 윔기어의 회전시 일단이 상기 웜기어를 따라 이동하면서 상기 카운터로터를 틸팅시키는 연결부재를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차용 마찰전동 무단변속장치.
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