KR100913835B1 - 변속장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 변속장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 보다 단순한 구조에 의해 연속적인 변속작동을 구현할 수 있는 변속장치에 관한 것이다.

구동모터에 연결된 구동축; 상기 구동축과 이격된 피동축; 상기 구동축에 설치된 다수의 구동풀리; 상기 피동축에 회전가능하게 지지된 다수의 피동풀리; 상기 각 구동풀리를 대응되는 각 피동풀리에 연결하는 다수의 연결수단; 및 상기 다수의 피동풀리 중 하나를 상기 피동축에 선택적으로 결합 또는 분리시키는 클러치부재를 포함한다.

변속장치, 클러치부재, 구동축, 구동풀리, 피동축, 피동풀리

Description

변속장치{VARIABLE TRANSMISSION}

본 발명은 변속장치에 관한 것이며, 보다 상세하게는 보다 단순한 구조에 의해 연속적인 변속작동을 구현할 수 있는 변속장치에 관한 것이다.

변속장치는 유단변속장치 및 무단변속장치로 구분되고, 최근에는 무단변속구조가 널리 활용되고 있다.

이러한 무단변속장치(CVT, Continuously Variable Transmission)는 연속적인 변속비를 얻을 수 있는 변속기로서, 변속비의 변화가 단속적이지 않고 연속적이다. 따라서 변속비가 확장되어도 변속 도중에 겪는 충격이 없는 장점 때문에 널리 이용되고 있다. 이에, 무단변속장치는 자동차는 물론, 산업용 로봇, 탐사용 로봇, 인간형 로봇, 동물형 로봇, 서비스 로봇, 엔터테인먼트 로봇, 전투용 로봇 등과 같이 동력전달이 요구되는 다양한 분야에 활용되고 있다.

특히, 차량에 적용되는 일반적인 무단변속장치에는 벨트 및 가변풀리를 이용한 방식, 금속롤러와 레이스를 이용하는 방식, 정유압을 이용하는 방식, 유성기어를 이용하는 방식 등이 있다. 이 중에서 벨트 및 가변풀리를 이용한 방식이 널리 활용되고 있으며, 가변풀리는 그 직경이 가변됨에 따라 변속비의 변환이 용이한 구 조로 이루어진다.

하지만, 이러한 종래의 무단변속장치는 차량 이외에 산업용 로봇, 탐사용 로봇, 인간형 로봇, 동물형 로봇, 서비스 로봇, 엔터테인먼트 로봇, 전투용 로봇 등에 적용될 경우 상대적으로 부피 내지 중량이 커서 쉽게 활용되지 못한 단점이 있다.

특히, 상술한 각종 로봇은 콤팩트한 사이즈 및 동력효율의 극대화 등을 구현하기 위한 다양한 연구 및 실험이 진행되고 있다. 이에 따라 로봇을 구동시키기 위한 각종 모터는 그 크기가 작으면서도 그 동력효율이 높아야 하지만, 앞서 언급한 바와 같이 로봇 내의 협소한 공간으로 인해 종래의 무단변속장치의 적용이 현실적으로 어려워 로봇의 동력효율을 향상시키기 어려운 단점이 있었다.

또 종래의 무단변속장치는 그 동력전달 도중에 발생하는 슬립현상, 금속피로현상 등에 의해 동력전달효율이 상대적으로 낮아 원하는 충분한 동력을 전달하지 못하는 단점이 있었다.

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 보다 단순한 구조를 적용함으로써 그 부피와 중량을 대폭 감소시켜 차량이외에 각종 로봇 분야 등과 같이 다양한 분야에 효과적으로 활용될 수 있는 변속장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 가변풀리 대신에 고정된 풀리를 샤프트에 선택적으로 결합 및 분리시키는 구조를 구현함으로써 그 동력전달 시에 발생되는 슬립현상, 금속피로 등에 의한 동력손실을 최소화할 수 있는 변속장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 아래와 같은 구성으로 이루어지는 변속장치를 제공한다.

구동모터에 연결된 구동축;

상기 구동축과 이격된 피동축;

상기 구동축에 설치된 다수의 구동풀리;

상기 피동축에 회전가능하게 지지된 다수의 피동풀리;

상기 각 구동풀리를 대응되는 각 피동풀리에 연결하는 다수의 연결수단; 및

상기 다수의 피동풀리 중 하나를 상기 피동축에 선택적으로 결합 또는 분리시키는 클러치부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 변속장치.

상기 피동축은 중공형으로 구성되며, 상기 클러치부재가 상기 피동축의 중공부를 따라 축선방향으로 이동가능하게 설치되고, 상기 클러치부재의 이동에 의해 상기 다수의 피동풀리 중 어느 하나가 상기 피동축에 선택적으로 결합 또는 분리되는 것이 좋다.

그리고 상기 각 피동풀리의 내경 방향에는 하나 이상의 마찰결합체 및 상기 각 마찰결합체와 축으로 연결되는 접촉부재가 결합되고, 상기 클러치부재는 원추형의 가압면을 가지며, 상기 접촉부재의 일면에는 상기 클러치부재의 가압면과 접촉하는 접촉면이 형성되며, 상기 마찰결합체는 상기 피동풀리의 내경면에 마찰접촉 가능하다.

상기 접촉부재 및 마찰결합체 사이에는 탄성부재가 개재되고, 접촉부재 및 마찰결합체가 신축가능한 축으로 연결되는 것이 바람직하다.

이러한 구성에 의하면, 액추에이터 등에 의해 클러치부재가 축선방향으로 전진하면 접촉부재의 접촉면을 가압한다. 이에 따라 접촉부재가 피동축의 외경방향으로 상승 이동하고, 마찰결합체가 피동풀리의 내경면에 접한다. 이에 따라 피동풀리는 피동축과 결합되어 함께 회전한다. 즉 동력이 전달된다. 그리고 이후 액추에이터에 의해 클러치부재가 후퇴하면 마찰결합체 및 접촉부재는 탄성부재인 스프링의 힘에 의해 각각 풀리의 내경면 및 클러치부재의 가압면과의 가압 접촉이 해제되고 단순히 접촉하고만 있는 상태가 된다. 이에 따라 풀리와 피동축의 동력 전달은 해제된다. 반면 후퇴된 클러치부재의 반대쪽에 형성된 가압면은 다른 풀리에 결합된 접촉부재와 전술한 것과 같은 방식으로 마찰결합하며 다른 마찰결합체를 상 승 이동시키고, 이에 따라 피동축은 크기가 다른 풀리와 결합이 된다. 즉 속도비가 다른 동력 전달이 이루어진다.

한편 상기 클러치부재의 외주면이 상기 피동축의 내경면에 접촉하면서 이동하는 것이 좋으며, 이때 상기 클러치부재의 외주면에 다수의 돌기가 형성되고 상기 피동축의 내경면에는 그에 대응되는 다수의 홈이 축선방향으로 형성되면, 클러치부재와 피동축의 결합이 더욱 견고하게 된다. 한편 액추에이터의 가변축과 클러치부재는 볼 조인트에 의해 연결될 수 있다.

이상과 같은 구성의 본 발명은, 그 부피 내지 중량이 대폭 감소되는 효과가 있다. 또 동력전달효율이 향상되는 효과가 있다. 이에 따라 로봇을 비롯한 다양한 분야에 보다 효과적으로 활용될 수 있다.

도 1 내지 도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 변속장치를 도시한다.

도시된 바와 같이, 본 실시예의 변속장치는 구동모터(10)에 연결된 구동축(11), 이 구동축(11)에 이격된 피동축(12)을 포함한다. 구동축(11)에는 2개의 구동풀리(21, 22)가 설치되고, 피동축(12)에도 2개의 피동풀리(23, 24)가 설치된다. 서로 대응하는 구동풀리(21, 22)와 피동풀리(23, 24)에는 벨트 등과 같은 연결수단(27, 28, wrapping connector)이 개별적으로 연결된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 피동풀리(23, 24)를 피동축(12)에 선택적으로 결합 및 분리시키기 위한 클러치부재(30)가 형성된다. 이에 의해, 구동모터(10)의 구동력은 고속 내지 저속의 다양한 속도비로 변속시킨 후에 피동축(12)의 일단에 연결된 출력측(100)으로 전달한다.

이하 2개의 구동풀리(21, 22)는 제1구동풀리(21)와 제2구동풀리(22)로 부르고, 2개의 피동풀리(23, 24)는 제1피동풀리(23)와 제2피동풀리(24)로 부르기로 한다.

도 1에서 제1피동풀리(23)와 제1구동풀리(21)는 제1연결수단(27)에 의해 연결되고, 제1피동풀리(23)의 지름은 제1구동풀리(21)의 지름보다 상대적으로 크며, 이에 따라 제1구동풀리(21) 및 제1피동풀리(23)는 소정의 제1속도비로 연결된다. 제2피동풀리(24)와 제2구동풀리(22)는 제2연결수단(28)에 의해 연결되고, 제2피동풀리(24)의 지름은 제2구동풀리(22)의 지름보다 상대적으로 작고, 이에 따라 제2구동풀리(22) 및 제2피동풀리(24)는 소정의 제2속도비로 연결된다.

구동풀리(21, 22)는 구동축(11)과 함께 회전하도록 구동축(11)에 고정되어 있고, 복수의 피동풀리(23, 24)는 피동축(12)의 외주면에 베어링(29) 등에 의해 회전가능하게 지지되며, 각 피동풀리(23, 24)는 스토퍼링(29a) 등에 의해 피동축(12)의 축선방향으로 이동됨이 방지된다. 그리고, 각 피동풀리(23, 24)는 클러치부재(30)에 의해 피동축(12)에 선택적으로 결합 내지 분리됨으로써 본 실시예의 변속장치에서는 제1속도비(제1피동풀리(23)와 제1구동풀리(21)의 속도비)와 제2속도비(제2피동풀리(24)와 제2구동풀리(22)의 속도비)가 상호 연속적으로 변환될 수 있다.

도 2에서 클러치부재(30)는 액추에이터(35)에 의해 피동축(12)의 중공부를 따라 축선방향으로 이동할 수 있게 설치된다. 클러치부재(30)는 그 양단부에 원추형의 제1 및 제2 가압면(31, 32)을 가진다. 액추에이터(35)는 리니어모터 등과 같이 클러치부재(30)를 피동축(12)의 축선방향으로 직선 이동시킬 수 있는 다양한 전동기가 적용될 수 있다. 액추에이터(35)는 피동축(12)의 축선방향으로 이동하는 가변축(35a)을 가지고, 이 가변축(35a)은 클러치부재(30)의 제2가압면(32)측에 연결된다. 가변축(35a)과 클러치부재(30)는 볼 조인트(35b) 등에 의해 연결됨으로써 클러치부재(30)는 액추에이터(35)의 가변축(35a)에 대해 독립적으로 회전할 수 있다. 액추에이터(35)의 가변축(35a)에는 가변축(35a)을 지지하는 홀더(35c)가 구비되고, 액추에이터(35) 및 홀더(35c)는 케이스(35d)의 내경면에 베어링 또는 부시 등과 같은 지지부(35e)에 의해 지지되며, 케이스(35d)는 피동축(12)의 단부에 연결된다.

제1피동풀리(23)의 내경방향에는 하나 이상의 제1마찰결합체(37) 및 하나 이상의 제1접촉부재(33)들이 배치되어 있고, 제2피동풀리(24)의 내경방향에는 하나 이상의 제2마찰결합체(38) 및 하나 이상의 제2접촉부재(34)들이 배치되어 있다.

각 마찰결합체(37, 38) 및 접촉부재(33, 34)들은 축(37b, 38b)을 매개로 연결되고(도 3), 이 축(37b, 38b)은 피동축(12)의 관통공(12b)을 지나 이동할 수 있다. 이 축(37b, 38b)에는 스프링 등과 같은 탄성부재(39)가 개재되고, 이 탄성부재(39)의 일단은 접촉부재(33, 34)측에 지지되며, 이 탄성부재(39)의 타단은 피동축(12)의 내경면에 지지되고, 이에 의해 마찰결합체(37, 38) 및 접촉부재(33, 34)들은 피동축(12)의 반경방향을 따라 탄성적으로 이동할 수 있다.

클러치부재(30)의 가압면(31, 32)은 그 이동에 의해 제1 및 제2 피동풀리(23, 24) 중에서 어느 한 쪽의 접촉부재(33, 34)를 선택적으로 가압하고, 이러한 클러치부재(30)의 가압면(31, 32)과 접촉부재(33, 34) 사이의 가압작용은 도 2 및 도 5에 도시되고 이후 설명되는 바와 같이 불연속구간이 발생됨 없이 연속적으로 이루어진다. 그 결과 변속작동도 연속적으로 이루어진다.

각 접촉부재(33, 34)는 클러치부재(30)의 제1 및 제2가압면(31, 32)과 접촉하는 접촉면(33a, 34a)을 가진다. 접촉면(33a, 34a)이 클러치(30)의 가압면(31, 32)에 대응하는 곡면구조로 이루어짐으로써 클러치부재(30)와 접촉부재(33, 34)는 견고한 쐐기결합을 유지할 수 있다.

제1마찰결합체(37)는 제1피동풀리(23)의 내경방향에 하나 이상이 방사형으로 배치될 수 있고, 제2마찰결합체(38)는 제2피동풀리(24)의 내경방향에 하나 이상이 방사형으로 배치될 수 있다. 이러한 제1 및 제2 마찰결합체(37, 38)는 석면계, 세미 메탈릭계(semi-metallic), 로우 스틸(low-steel)계, 비석면 유기계(NAO) 등과 같이 브레이크패드 등에 이용되는 마찰재로 이루어지고, 이에 의해 마찰결합체(37, 38)의 외주면이 각 피동풀리(23, 24)의 내경면에 개별적으로 마찰결합할 수 있다.

제1 및 제2 접촉부재(33, 34)의 접촉면(33a, 34a)은 클러치부재(30)의 가압면(31, 32)에 쐐기 결합됨으로써 그 결합상태를 견고하게 유지할 수 있는데, 각 접촉부재(33, 34)가 마찰결합체(37, 38)와 유사한 마찰재질로 이루어질 경우 접촉부재(33, 34) 및 클러치부재(30)의 결합이 더욱 견고하게 유지할 수 있다.

한편, 클러치부재(30)는 피동축(12)의 내경면에 접촉하면서 이동하도록 구성 될 수 있다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이 클러치부재(30)의 외주면 및 피동축(12)의 내경면 일부에는 복수의 돌기(30a) 및 복수의 홈(12a)이 대응되게 형성될 수 있다. 돌기(30a) 및 복수의 홈(12a)은 키 및 키홈 구조와 같이 길이방향으로 길게 형성됨으로써 클러치부재(30)의 축선방향 이동을 보다 정밀하게 안내할 수 있을 뿐만 아니라 클러치부재(30)가 피동축(12)과 함께 동일한 방향으로 회전할 수 있다. 그리고, 각 홈(12a)의 길이는 클러치부재(30)의 이동에 따른 각 가압면(31, 32)과 접촉부재(33, 34)들 사이의 접촉 작용이 연속적으로 이루어질 수 있는 길이로 적절히 설정되어야 하고, 이에 의해 클러치부재(30)에 의한 변속작동시 불연속적인 구간이 발생하지 않게 된다.

이상과 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 변속장치의 작동관계를 다음과 같이 상세히 설명한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 클러치부재(30)의 제1가압면(31)이 다수의 제1접촉부재(33)들의 접촉면(33a)들을 가압하여 다수의 제1접촉부재(33)들은 피동축(12)의 외경 방향으로 이동하면, 이 제1접촉부재(33)들의 이동에 의해 탄성부재(39)들이 압축된다. 이에 제1마찰결합체(37)들이 제1피동풀리(23)의 내경면에 밀착됨으로써 제1마찰결합체(37)의 외주면과 제1피동풀리(23)의 내경면이 마찰결합(도 2의 화살표 A 부분)되며, 제1접촉부재(33)와 클러치부재(30)의 제1가압면(31)은 쐐기결합 또는 마찰결합(도 2의 화살표 B 부분)된다. 따라서 제1피동풀리(23)는 피동축(12)에 선택적으로 결합된다. 그리고 제2피동풀리(24)는 피동축(12)에 대해 분리된 상태가 되며, 구동모터(10)의 구동력은 제1구동풀리(21)와 제1피동풀리(23)의 속도비, 즉 제1속도비로 전달될 수 있다. 이때 클러치부재(30)는 피동축(12)의 내경면(12a)에 복수의 돌기(30a) 및 홈(12a)들에 의해 그 원주방향으로의 결합(도 2의 화살표 C부분)이 유지된다.

그런 다음, 그 변속을 위하여 액츄에이터(35)에 의해 클러치부재(30)를 제2피동풀리(24)측으로 이동시키면, 클러치부재(30)의 제2가압면(32)이 제2접촉부재(34)들의 접촉면(34a)들을 가압하여 제2접촉부재(34)들은 피동축(12)의 외경 방향으로 이동한다. 이에 따라 탄성부재(39)들이 압축되고, 제2마찰결합체(38)들이 제2피동풀리(24)의 내경면에 밀착됨으로써 제2마찰결합체(38)의 외주면과 제2피동풀리(24)의 내경면이 마찰결합된다. 또 제2접촉부재(34)의 접촉면(34a)과 클러치부재(30)의 제2가압면(34)이 쐐기결합 또는 마찰결합된다. 따라서 제2피동풀리(24)가 피동축(12)에 선택적으로 결합된다. 그리고 제1피동풀리(23)는 피동축(12)에 대해 가압상태가 해제되어, 구동모터(10)의 구동력은 제2구동풀리(22)에 제2피동풀리(24)의 제2속도비로 전달될 수 있다. 이때 클러치부재(30)는 피동축(12)의 내경면(12a)에 복수의 돌기(30a) 및 홈(12a)들에 의해 그 원주방향으로의 결합이 유지된다.

즉 본 발명의 클러치부재(30)는 그 축선방향 이동에 의해 제1 및 제2 접촉부재(33, 34)와 제1 및 제2마찰결합체(37, 38)를 피동축(12)과 제1 및 제2 피동풀리(23, 24)에 선택적으로 결합 내지 분리시킬 수 있다. 따라서 제1 및 제2 피동풀리(23, 24) 중에서 어느 하나가 피동축(12)에 선택적으로 결합 및 분리될 수 있으며, 이에 따라 본 발명의 변속장치는 그 속도비를 연속적으로 변환시킬 수 있다.

한편 이러한 클러치부재(30)의 전진 및 후퇴에 따른 변속은 불연속구간이 없이 일어난다. 즉 도 2에서 클러치부재(30)의 제1가압면(31)과 접촉부재(33)가 가압된 상태에서도, 제2가압면(32)과 접촉부재(34)는 가압되지는 않지만 접촉을 유지하는 상태로 되어 있다. 따라서 클러치부재(30)가 후퇴를 할 경우에는 도 5에서와 같이, 제1가압면(31)과 접촉부재(33)의 가압상태가 해제됨과 거의 동시에 제2가압면(32)과 접촉부재(34)는 가압상태로 바뀌면서 동력을 전달한다. 따라서 불연속구간 없는 변속이 이루어진다. 그리고 이때 제1가압면(31)과 접촉부재(33)는 가압상태는 해제가 되지만, 접촉 상태는 유지하고 있는 상태로 된다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 변속장치를 도시한 것으로, 복수의 마찰결합체(37, 38) 및 접촉부재(33, 34) 각각은 신축가능한 축(99)에 의해 연결되는 경우다. 축(99)은 대경관(99a) 및 소경관(99b)으로 이루어진다. 축(99)에 설치된 탄성부재(39)의 일단은 접촉부재(33, 34)측에 지지되며, 타단은 마찰결합체(37, 38)에 지지된다. 탄성부재(39)는 피동축(12)의 관통공(12b)을 통과하면서 마찰결합체(37, 38) 및 접촉부재(33, 34)를 탄성적으로 지지한다. 그리고 접촉부재(33, 34)는 클러치부재(30)의 가압면(31, 32)들과 접촉하는 제1접촉면(33a, 34a) 및 피동축(12)의 내경면 일부에 접촉하는 제2접촉면(33b, 34b)을 가질 수 있다. 제2접촉면(33b, 34b)이 피동축(12)의 내경면 일부에 마찰접촉(도 6의 화살표 D 부분)함으로써 결합력이 더욱 강화될 수 있다. 그외 구성은 선행 실시예와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.

이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통해 설명하였으나, 당업자라면 다양한 변형 실시예를 용이하게 구성할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 사상 범위는 특정 실시예가 아니라 첨부된 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 정해지는 것으로 이해되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 변속장치를 도시한 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 변속장치의 클러치부재가 제1피동롤러를 피동축에 결합시킨 상태를 도시한 단면도,

도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ선을 따라 도시한 단면도,

도 4는 도 2의 Ⅳ-Ⅳ선을 따라 도시한 단면도,

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 변속장치에서 클러치부재가 제2피동롤러를 피동축에 결합시킨 상태를 도시한 단면도,

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 변속장치를 도시한 단면도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명 *

10: 구동모터 11: 구동축

12: 피동축 21, 22: 구동풀리

23, 24: 피동풀리 30: 클러치부재

Claims (9)

1. 삭제
2. 삭제
3. 구동모터에 연결된 구동축;

   상기 구동축과 이격되며 중공형으로 형성된 피동축;

   상기 구동축에 설치된 다수의 구동풀리;

   상기 피동축에 회전가능하게 지지된 다수의 피동풀리;

   상기 각 구동풀리를 대응되는 각 피동풀리에 연결하는 다수의 연결수단; 및

   상기 피동축의 중공부를 따라 축선방향으로 이동가능하게 설치되고, 상기 다수의 피동풀리 중 어느 하나가 상기 피동축에 선택적으로 결합 또는 분리되도록 이동하는 클러치부재를 포함하되,

   상기 각 피동풀리의 내경 방향에는 하나 이상의 마찰결합체 및 상기 각 마찰결합체와 축으로 연결되는 접촉부재가 결합되고, 상기 클러치부재는 원추형의 가압면을 가지며, 상기 접촉부재의 일면에는 상기 클러치부재의 가압면과 접촉하는 접촉면이 형성되고, 상기 마찰결합체는 상기 피동풀리의 내경면에 마찰접촉 가능한 것을 특징으로 하는 변속장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 접촉부재 및 마찰결합체 사이에 탄성부재가 개재되는 것을 특징으로 하는 변속장치.
5. 제3항에 있어서,

   상기 접촉부재 및 마찰결합체가 신축가능한 축으로 연결되는 것을 특징으로 하는 변속장치.
6. 제3항에 있어서,

   상기 클러치부재의 외주면이 상기 피동축의 내경면에 접촉하면서 이동하는 것을 특징으로 하는 변속장치.
7. 제6항에 있어서,

   상기 클러치부재의 외주면에 다수의 돌기가 형성되고 상기 피동축의 내경면에는 그에 대응되는 다수의 홈이 축선방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 변속장치.
8. 제3항에 있어서,

   상기 클러치부재가 액추에이터에 의해 축선방향으로 이동하고, 상기 액추에이터에는 상기 피동축의 축선방향으로 이동하는 가변축이 제공되며, 상기 가변축의 단부에 상기 클러치부재가 연결되는 것을 특징으로 하는 변속장치.
9. 제8항에 있어서,

   상기 가변축과 클러치부재가 볼 조인트에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 변속장치.

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