KR101809682B1 - 차동구동장치를 이용한 연속 변속 시스템 - Google Patents

차동구동장치를 이용한 연속 변속 시스템 Download PDF

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KR101809682B1
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traction wheel
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최동일
석상옥
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네이버 주식회사
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Abstract

가변 위치 트랙션 휠을 구비한 차동구동장치를 이용한 연속 변속 시스템은 차동구동장치를 가변 위치 트랙션 휠로 구성하여 일정 속도로 회전 구동하고 상태에서 가변 위치 트랙션 휠의 수평 이동에 따라 출력축의 동력을 분배하여 구동력을 전달하는 장치의 정방향, 정지, 역방향을 가능하게 한다.
본 발명은 가변 위치 트랙션 휠로 구성하여 일정 속도로 회전 구동하고 상태에서 가변 위치 트랙션 휠의 수평 이동에 따라 출력축의 동력을 분배하여 빠르고 변칙적인 운동이 가능하며, 관성력을 이용하여 연속적으로 회전하는 상태에서 구동력을 전달하므로 속도를 변화시키거나 방향을 정방향에서 역방향으로 바꾸는 운동이 손쉽게 이루어질 수 있는 효과가 있다.

Description

차동구동장치를 이용한 연속 변속 시스템 {Continuous Variable System Using Differential Drive}
본 발명은 연속 변속 장치에 관한 것으로서, 특히 차동구동장치를 가변 위치 트랙션 휠로 구성하여 일정 속도로 회전 구동하고 상태에서 가변 위치 트랙션 휠의 수평 이동에 따라 출력축의 동력을 분배하여 구동력을 전달하는 장치의 정방향, 정지, 역방향을 가능하게 하는 가변 위치 트랙션 휠을 구비한 차동구동장치를 이용한 연속 변속 시스템에 관한 것이다.
액츄에이터를 이용하는 시스템은 구동장치의 성능을 시스템의 요구 조건에 맞게 최적화 하기 위해서 필수적으로 변속장치를 사용한다.
변속장치는 자동차의 경우 구동력을 바퀴에 전달하기 위해 사용하며, 다관절 로봇의 경우 작은 사이즈에 큰 회전력을 발생하는 모터를 적용할 때 회전력이 높지만 상대적으로 토크가 약하기 때문에 이를 100 대 1 내지 200 대 1 이상의 감속비를 가지는 하모닉 드라이버를 사용하여 모터의 회전력을 낮추는 대신 큰 토크를 얻는다.
종래의 고감속 액츄에이터 시스템은 휴머노이드 로봇의 관절을 설계하는데 주로 사용되었다.
이러한 고감속 액츄에이터 시스템은 감속기의 관성력을 기어비의 제곱에 비례하기 때문에 모터 및 감속기의 관성력이 감속기 출력단에 상대적으로 매우 큰 관성력이 존재하게 된다. 따라서, 고감속 액츄에이터 시스템은 출력단에 큰 관성력이 존재하여 백드라이브(Back Drive)가 힘들고 높은 관성력에 의해 빠르고 변칙적인 운동이 어려운 단점이 있으며, 속도를 변화시키거나 방향을 정방향에서 역방향으로 바꾸는 운동이 이루어질 때 관성력에 의해 많은 에너지가 소모되는 단점이 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 차동구동장치를 가변 위치 트랙션 휠로 구성하여 일정 속도로 회전 구동하고 상태에서 가변 위치 트랙션 휠의 수평 이동에 따라 출력축의 동력을 분배하여 구동력을 전달하는 장치의 정방향, 정지, 역방향을 가능하게 하는 가변 위치 트랙션 휠을 구비한 차동구동장치를 이용한 연속 변속 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 차동구동장치를 이용한 연속 변속 시스템은,
동력원에 결합되어 일방향으로 회전하는 원판 형태의 트랙션 디스크;
상기 트랙션 디스크의 중심부에 형성된 제1 베벨기어;
상기 제1 베벨기어를 수평 방향으로 관통하여 길이 방향으로 결합된 트랙션 샤프트;
상기 제1 베벨기어를 기준으로 상기 트랙션 샤프트의 양쪽에 관통하여 결합되고 상기 트랙션 디스크 상의 접촉하면서 상기 트랙션 샤프트를 따라 수평 이동하는 제1 트랙션 휠과 제2 트랙션 휠; 및
상기 제1 베벨기어와 직각 방향으로 맞물려 결합되는 제2 베벨기어와 상기 제2 베벨기어에 결합되어 동력을 출력하는 출력단인 출력축 샤프트를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 특징에 따른 차동구동장치를 이용한 연속 변속 시스템은,
상기 트랙션 샤프트와 수평 방향으로 나란하게 이격되어 상기 제1 트랙션 휠과 상기 제2 트랙션 휠의 상기 트랙션 샤프트 상에서의 수평 이동을 제어하는 트랙션 휠 포지션 제어 유니트를 더 포함하고, 상기 트랙션 휠 포지션 제어 유니트는 상기 제1 트랙션 휠과 상기 출력축 샤프트 간의 사이 간격과 상기 제2 트랙션 휠과 상기 출력축 샤프트 간의 사이 간격을 조정하여 출력단인 출력축 샤프트의 회전 속도와 토크를 가변시키는 것을 특징으로 한다.
전술한 구성에 의하여, 본 발명은 가변 위치 트랙션 휠로 구성하여 일정 속도로 회전 구동하고 상태에서 가변 위치 트랙션 휠의 수평 이동에 따라 출력축의 동력을 분배하여 빠르고 변칙적인 운동이 가능하며, 관성력을 이용하여 연속적으로 회전하는 상태에서 구동력을 전달하므로 속도를 변화시키거나 방향을 정방향에서 역방향으로 바꾸는 운동이 손쉽게 이루어질 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가변 위치 트랙션 휠을 구비한 차동구동장치를 이용한 연속 변속 시스템을 위에서 본 모습을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가변 위치 트랙션 휠을 구비한 차동구동장치를 이용한 연속 변속 시스템을 위에서 출력측에서 본 모습을 나타낸 도면이다.
도 3은 종래 기술에 따른 차동구동장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 차동구동장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 제1 트랙션 휠과 제2 트랙션 휠을 나타낸 도면이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 제1 트랙션 휠과 제2 트랙셜 휠의 수평 이동에 따라 출력축 샤프트의 회전 방향을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 트랙션 디스크의 Free 영역을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변 위치 트랙션 휠을 구비한 차동구동장치를 이용한 연속 변속 시스템을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 연속 변속 시스템의 출력축 샤프트의 회전 속도를 도출하는 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 연속 변속 시스템의 출력축 샤프트의 토크를 도출하는 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 연속 변속 시스템의 시뮬레이션 실시예를 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 연속 변속 시스템의 시뮬레이션에서 R1과 R2의 변화를 나타낸 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 연속 변속 시스템의 시뮬레이션에서 속도 전달률의 변화를 나타낸 도면이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 연속 변속 시스템의 시뮬레이션에서 토크 전달률의 변화를 나타낸 도면이다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가변 위치 트랙션 휠을 구비한 차동구동장치를 이용한 연속 변속 시스템을 위에서 본 모습을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가변 위치 트랙션 휠을 구비한 차동구동장치를 이용한 연속 변속 시스템을 위에서 출력측에서 본 모습을 나타낸 도면이고, 도 3은 종래 기술에 따른 차동구동장치의 구성을 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 차동구동장치의 구성을 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 제1 트랙션 휠과 제2 트랙션 휠을 나타낸 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 가변 위치 트랙션 휠을 구비한 차동구동장치를 이용한 연속 변속 시스템(100)은 연속적으로 가변하는 변속기로서 모터와 같은 단일 동력원(101)에 결합되어 일방향으로 회전 구동되는 원판 형태의 트랙션 디스크(Traction Disk)(102), 상기 트랙션 디스크(102)의 중심부에 형성되고 상기 트랙션 디스크(102)의 연속적으로 회전하는 상태에서 트랙션 휠의 이동을 통하여 동력을 분배하는 차동구동장치(110) 및 상기 트랙션 디스크(102)의 일측에 형성되어 트랙션 휠의 위치를 제어하는 트랙션 휠 포지션 제어 유니트(Traction Wheel Position Control Unit, TCU)(120)를 포함한다.
차동구동장치(110)는 상기 트랙션 디스크(102)의 중심부에서 상부로 일정 거리 이격되어 형성된 제1 베벨기어(111)와, 상기 제1 베벨기어(111)의 일측에 결합되어 제1 베벨기어(111)의 회전에 따라 함께 회전되는 길이 방향으로 연장된 제1 트랙션 샤프트(114)와, 상기 제1 베벨기어(111)와 맞물려 결합되는 보조기어(112)와, 상기 보조기어(112)의 일측에 결합되어 보조기어(112)의 회전에 따라 함께 회전하는 길이 방향으로 연장된 제2 트랙션 샤프트(115)와, 상기 제1 베벨기어(111)와 직각 방향으로 맞물려 결합된 제2 베벨기어(113)와, 상기 제2 베벨기어(113)에 결합되어 길이 방향으로 연장되어 동력을 출력하는 출력축 샤프트(116)를 포함한다.
여기서, 제1 트랙션 샤프트(114)와 제2 트랙션 샤프트(115)는 구동력의 입력단을 나타내고, 출력축 샤프트(116)는 구동력의 출력단을 나타낸다.
출력축 샤프트(116)에는 엔코더(Encoder)(117)가 관통되어 결합되어 있으며, 엔코더(117)는 출력축 샤프트(116)의 회전 속도를 센싱하여 감지할 수 있다.
본 발명은 트랙션 디스크(102)가 일정한 속도로 회전하는 상태에서 제1 트랙션 휠(130)과 제2 트랙션 휠(140)이 트랙션 디스크(102) 상에서 접촉하면서 회전하고, 제1 트랙션 휠(130)과 제2 트랙션 휠(140)이 트랙션 샤프트(114, 115)를 따라 수평 이동하여 출력축 샤프트(116)에 동력을 전달한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 종래의 차동구동장치(10)는 입력축 샤프트(11)가 제1 베벨기어(12)에 결합되고 제1 베벨기어(12)에 맞물려 결합된 제2 베벨기어(13)의 양쪽에 출력축 샤프트(14, 15)가 각각 동일한 회전 방향으로 결합된다.
입력축 샤프트(11)에 구동력이 가해지면, 양쪽의 출력축 샤프트(14, 15)에 절반씩 구동력이 배분되며 양쪽의 출력축 샤프트(14, 15)에 걸리는 외력의 크기에 따라 회전력이 자동 분배된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 차동구동장치(110)는 도 3의 종래의 차동구동장치(10)의 입력축이 출력축이 되고 출력축이 입력축이 된다.
따라서, 제1 트랙션 샤프트(114)의 회전 속도를 입력 1의 속도라 하고, 제2 트랙션 샤프트(115)의 회전 속도를 입력 2의 속도라 가정하면 입력 1의 속도와 입력 2의 속도가 동일한 경우, 출력축 속도가 0이 된다.
입력 1의 속도가 입력 2의 속도보다 큰 경우, 출력축 속도가 +가 되며, 입력 1의 속도가 입력 2의 속도보다 작은 경우, 출력축 속도가 -가 된다.
제1 트랙션 샤프트(114)는 제1 베벨기어(111)의 회전에 따라 동시에 회전하며, 제2 트랙션 샤프트(115)는 제1 베벨기어(111)에 맞물려 회전되는 보조기어(112)의 회전에 따라 회전한다.
제1 트랙션 샤프트(114)와 제2 트랙션 샤프트(115)는 직경이 동일하고 정반대 방향으로 회전하도록 기어 조합을 구성한다.
트랙션 디스크(102) 상에는 중심부에서 상부로 일정 거리 이격되어 차동구동장치(110)가 형성되고, 상기 차동구동장치(110)와 수평 방향으로 나란하게 일정 거리 이격된 위치에 트랙션 휠 포지션 제어 유니트(120)가 설치된다.
트랙션 휠 포지션 제어 유니트(Traction Wheel Position Control Unit)(120)는 단면이 직사각형인 육면체 형태로 내부 공간부 중 하부에 제1 트랙션 휠 제어모터(121)가 형성되고, 상부에 제2 트랙션 휠 제어모터(122)가 형성된다.
제1 트랙션 휠 제어모터(121)는 일측에 결합되어 회전되는 일정한 길이의 제1 스크류 샤프트(123)가 길이 방향으로 연장되어 있으며, 제2 트랙션 휠 제어모터(122)는 일측에 결합되어 회전되고 상기 제1 스크류 샤프트(123)와 반대 방향으로 결합된 제2 스크류 샤프트(124)가 길이 방향으로 연장되어 있다.
트랙션 휠 포지션 제어 유니트(120)는 제1 스크류 샤프트(123)가 결합된 반대 방향에 일정한 길이의 제1 가이드 샤프트(125)가 결합되고, 제2 스크류 샤프트(124)가 결합된 반대 방향에 일정한 길이의 제2 가이드 샤프트(126)가 결합된다.
제1 가이드 샤프트(125)는 제1 스크류 샤프트(123)와 동일선상에 배치되며, 제2 가이드 샤프트(126)는 제2 스크류 샤프트(124)와 동일선상에 배치된다.
제1 스크류 샤프트(123), 제1 가이드 샤프트(125)와 제2 스크류 샤프트(124), 제2 가이드 샤프트(126)는 외주면에 나사선을 구비하는 볼스크류로 이루어져 있다.
제1 트랙션 샤프트(114)는 일측에 관통 결합되도록 중앙부에 제1 관통공(134)이 형성된 제1 트랙션 휠(130)이 결합되며, 제2 트랙션 샤프트(115)는 일측에 관통 결합되도록 중앙부에 제2 관통공(144)이 형성된 제2 트랙션 휠(140)이 결합된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제1 트랙션 휠(130)과 제2 트랙션 휠(140)은 좁은 공간에서도 방향 전환이 가능한 바퀴로 옴니디렉셔널 휠(Omni-directional Wheel, 이하 '옴니 휠'이라 칭함)이 사용된다.
제1 트랙션 휠(130)과 제2 트랙션 휠(140)은 외형을 형성하는 휠 프레임의 외주에 휠의 축방향으로 회전하는 복수의 배럴(Barrel)이 배치되어 모든 방향으로 이동이 가능한 옴니디렉셔널 휠(Omni Directional Wheel)을 사용한다.
제1 트랙션 휠(130)과 제2 트랙션 휠(140)은 한 쌍의 원판이 결합된 전체적인 외형을 형성하는 몸체부(131, 141)로 이루어져 있다.
몸체부(131)의 일측에는 소정의 간격을 가지고 복수의 제1 배럴(132)을 지지하는 제1 지지부(133)가 구비되고, 몸체부(141)의 타측에는 소정을 간격을 가지며 복수의 제2 배럴(142)을 지지하는 제2 지지부(143)가 구비된다.
제1 지지부(133)는 몸체부(131)에서 일측으로 돌출되어 상기 제1 배럴(132)을 지지하고 제2 지지부(143)는 몸체부(141)의 타측으로 돌출되어 상기 제2 배럴(142)을 지지한다.
복수의 제1 지지부(133)와 제2 지지부(143)는 각각 제1 배럴(132) 및 제2 배럴(142)의 길이에 대응하는 간격을 가진다.
상기 제1 지지부(133)와 상기 제2 지지부(143)는 서로 교번하여 형성한다. 이와 같이 제1 지지부(133)와 제2 지지부(143)가 서로 교번하여 형성되어 상기 제1 배럴(132)과 상기 제2 배럴(142)은 몸체부에 서로 교번하여 설치된다.
제1 트랙션 휠(130)과 제2 트랙션 휠(140)은 제1 트랙션 샤프트(114)와 제2 트랙션 샤프트(115)에 결합된 상태에서 회전하더라도 제1 지지부(133) 또는 제2 지지부(143)가 지면에 닿지 않게 되고 지면에 항상 제1 배럴(132) 또는 제2 배럴(142)이 닿게 되므로 연속 변속 시스템(100)이 모든 방향으로 이동이 가능하게 된다.
제1 가이드유닛(150)은 상부와 하부에 관통 결합되도록 관통공이 각각 형성되며, 내주면에 제1 가이드 샤프트(125)의 외주면 나사선과 제1 스크류 샤프트(123)의 외주면 나사선에 각각 맞물리는 나사산을 구비한 너트블록이 형성되어 있는 제1 이동부재(151)와, 상기 제1 이동부재(151)로부터 서로 일정 거리 이격된 판 형태의 제1 좌측가이드판(152)과 제1 우측가이드판(153)이 각각 일정 길이로 연장되어 있다.
제1 가이드유닛(150)은 제1 좌측가이드판(152)과 상기 제1 좌측가이드판(152)으로부터 일정 거리 이격된 제1 우측가이드판(153)의 사이의 공간에 제1 트랙션 휠(130)의 일부를 삽입하고, 제1 좌측가이드판(152)과 제1 트랙션 휠(130)의 사이와 제1 우측가이드판(153)과 제1 트랙션 휠(130)의 사이에 복수의 베어링부재(154)를 매개로 결합한다.
제1 가이드유닛(150)은 제1 트랙션 휠 제어모터(121)의 구동에 따라 제1 트랙션 휠(130)의 수평 이동을 가이드한다.
제1 좌측가이드판(152), 제1 우측가이드판(153) 및 제1 트랙션 휠(130)은 제1 트랙션 샤프트(114)가 수평 방향으로 관통하여 일체로 결합한다.
제2 가이드유닛(160)은 상부와 하부에 관통 결합되도록 관통공이 각각 형성되며, 내주면에 제2 가이드 샤프트(126)의 외주면 나사선과 제2 스크류 샤프트(124)의 외주면 나사선에 각각 맞물리는 나사산을 구비한 너트블록이 형성되어 있는 제2 이동부재(161)와, 상기 제2 이동부재(161)로부터 서로 일정 거리 이격되어 판 형태의 제2 좌측가이드판(162)과 제2 우측가이드판(163)이 각각 일정 길이로 연장되어 있다.
제2 가이드유닛(160)은 제2 좌측가이드판(162)과 상기 제2 좌측가이드판(162)으로부터 일정 거리 이격된 제2 우측가이드판(163)의 사이의 공간에 제2 트랙션 휠(140)의 일부를 삽입하고, 제2 좌측가이드판(162)과 제2 트랙션 휠(140)의 사이와 제2 우측가이드판(163)과 제2 트랙션 휠(140)의 사이에 복수의 베어링부재(164)를 매개로 결합된다.
제2 가이드유닛(160)은 제2 트랙션 휠 제어모터(122)의 구동에 따라 제2 트랙션 휠(140)의 수평 이동을 가이드한다.
제2 좌측가이드판(162), 제2 우측가이드판(163) 및 제2 트랙션 휠(140)은 제2 트랙션 샤프트(115)가 수평 방향으로 관통하여 일체로 결합한다.
트랙션 휠 포지션 제어 유니트(120)는 제1 트랙션 휠 제어모터(121)를 일방향으로 회전하도록 구동시키면 제1 트랙션 휠 제어모터(121)의 일측에 결합된 제1 스크류 샤프트(123)가 회전하게 되고 제1 가이드유닛(150)이 제1 가이드 샤프트(125), 제1 스크류 샤프트(123), 제1 트랙션 샤프트(114)를 따라 수평으로 좌우 이동하게 된다.
트랙션 휠 포지션 제어 유니트(120)는 제2 트랙션 휠 제어모터(122)를 일방향으로 회전하도록 구동시키면 제2 트랙션 휠 제어모터(122)의 일측에 결합된 제2 스크류 샤프트(124)가 회전하게 되고 제2 가이드유닛(160)이 제2 가이드 샤프트(126), 제2 스크류 샤프트(124), 제2 트랙션 샤프트(115)를 따라 수평으로 좌우 이동하게 된다.
트랙션 휠 포지션 제어 유니트(120)는 제1 트랙션 휠(130)과 출력축 샤프트(116) 간의 사이 간격과 제2 트랙션 휠(140)과 출력축 샤프트(116) 간의 사이 간격을 조정하여 출력단인 출력축 샤프트(116)의 회전 속도와 토크를 가변시킨다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 제1 트랙션 휠과 제2 트랙셜 휠의 수평 이동에 따라 출력축 샤프트의 회전 방향을 나타낸 도면이고, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 트랙션 디스크의 Free 영역을 나타낸 도면이고, 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변 위치 트랙션 휠을 구비한 차동구동장치를 이용한 연속 변속 시스템을 나타낸 도면이다.
트랙션 디스크(102)는 단일 동력원(101)에 의해 단방향으로 회전하고 이로 인하여 관성력이 유지된다.
트랙션 휠 포지션 제어 유니트(120)는 출력축 샤프트(116)에 결합된 엔코더(117)와 전기적으로 결합되고, 트랙션 디스크(102)의 회전에 따라 엔코더(117)로부터 출력축 샤프트(116)의 회전 속도를 수신받아 제1 트랙션 휠 제어모터(121)와 제2 트랙션 휠 제어모터(122)를 구동 제어하여 R1과 R2의 간격을 독립적으로 조절한다. 여기서, R1은 제1 트랙션 휠(130)과 출력축 샤프트(116) 간의 제1 거리를 나타내고, R2는 제1 트랙션 휠(130)과 출력축 샤프트(116) 간의 제2 거리를 나타낸다.
R1의 거리가 R2의 거리가 같게 되는 경우, 출력축 샤프트(116)는 회전하지 않게 된다. R1의 거리가 R2의 거리보다 크면, 출력축 샤프트(116)는 '+' 방향으로 회전하게 되며, 제1 트랙션 휠(130)과 제1 가이드유닛(150)은 제2 베벨기어(113)와 멀어지는 방향으로 이동하게 되고, 제2 트랙션 휠(140)과 제2 가이드유닛(160)은 보조기어(112)에 가까워지는 방향으로 이동하게 된다. 이때, 제1 트랙션 휠(130)과 제2 트랙션 휠(140)은 반대 방향으로 회전한다.
R1의 거리가 R2의 거리보다 작으면, 출력축 샤프트(116)는 상기 '+' 방향의 반대 방향인 '-' 방향으로 회전하게 되며, 제1 트랙션 휠(130)과 제1 가이드유닛(150)은 제2 베벨기어(113)와 가까워지는 방향으로 이동하게 되고, 제2 트랙션 휠(140)과 제2 가이드유닛(160)은 보조기어(112)에 멀어지는 방향으로 이동하게 된다. 이때, 제1 트랙션 휠(130)과 제2 트랙션 휠(140)은 반대 방향으로 회전한다.
본 발명은 R1의 거리와 R2의 거리가 독립적으로 제어되므로 R1과 R2 값이 동일한 경우에도 그 크기가 다를 수 있고, R1과 R2 값이 클수록 허용 토크가 커지며, R1과 R2 값이 작을수록 허용 토크가 작아진다.
도 9에 도시된 바와 같이, 제1 트랙션 휠(130)과 제2 트랙션 휠(140)이 제1 트랙션 샤프트(114)와 제2 트랙션 샤프트(115)를 따라 트랙션 디스크(102)의 중심부 방향으로 이동하여 트랙션 디스크(102)에서 기설정된 Free 영역(170) 안으로 들어오게 되면 트랙션 디스크(102)의 회전력이 제1 트랙션 휠(130)과 제2 트랙션 휠(140)에 전달되지 않아 출력축 샤프트(116)가 자유(unconstrained) 운동 상태가 된다.
도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연속 변속 시스템은 트랙션 디스크(102)와, 차동구동장치(110), 제1 트랙션 휠(130), 제2 트랙션 휠(140)로 구성된 연속 변속 모듈(100)을 포함하며, 상기 트랙션 디스크(102)의 테두리에 동력 전달용 커플링 기어(200)를 결합하여 상기 연속 변속 모듈(100)을 복수개로 적층하여 동력원(101)의 구동력을 동력 전달용 커플링 기어(200)를 통해 상부의 연속 변속 모듈로 전달한다.
본 발명의 다른 실시예의 연속 변속 시스템은 동력원이 크면 클수록 많은 개수의 구동 출력을 만들어낼 수 있다.
단일 동력원(101)의 최대 회전 속도는 적층된 연속 변속 모듈(100) 중 가장 빠른 속력이 요구되는 모듈(100)의 회전 속도에 의해 결정된다.
이하 도 11을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연속 변속 시스템의 출력축 샤프트(116)의 회전 속도를 도출하기 위한 개념을 상세하게 설명한다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 연속 변속 시스템의 출력축 샤프트의 회전 속도를 도출하는 개념을 설명하기 위한 도면이다.
제1 트랙션 휠(130)과 제2 트랙션 휠(140)의 회전 속도는 양쪽 회전 속도의 평균으로 다음의 [수학식 1]과 같이 계산된다.
Figure 112016065907200-pat00001
여기서, WTW1은 제1 트랙션 휠(130)의 회전 속도, WTW2은 제2 트랙션 휠(140)의 회전 속도, Wring은 링기어(Ring Gear)인 제1 베벨기어(111)의 회전 속도를 의미한다.
P1(165)에서의 트랙션 디스크(102)의 선속도는
Figure 112016065907200-pat00002
이고, P2(166)에서의 트랙션 디스크(102)의 선속도는
Figure 112016065907200-pat00003
이다. 여기서, WTD는 트랙션 디스크(102)의 회전 속도이다.
P1(165)은 트랙션 디스크(102)와 제1 트랙션 휠(130)의 접촉점을 나타낸다.
P2(166)에서의 제1 트랙션 휠(130)의 선속도는
Figure 112016065907200-pat00004
이고, P2(166)에서의 제2 트랙션 휠(140)의 선속도는
Figure 112016065907200-pat00005
이다.
여기서, RTW은 제1 트랙션 휠(130)의 반지름 또는 제2 트랙션 휠(140)의 반지름을 나타낸다.
P1(165), P2(166)에서의 트랙션 디스크(102)와 제1 트랙션 휠(130), 제2 트랙션 휠(140)이 미끄러지지 않는다는 가정하에 다음의 [수학식 2]와 같이 성립된다.
Figure 112016065907200-pat00006
링기어(Ring Gear)인 제1 베벨기어(111)와 출력단 기어인 제2 베벨기어(113)의 기어비는 Rring/Rout이므로 다음의 [수학식 3]과 같은 속도 관계식이 성립된다. Rring는 제1 베벨기어(111)의 반지름이고, Rout는 제2 베벨기어(113)의 반지름을 나타낸다.
Figure 112016065907200-pat00007
이러한 [수학식 3]에 [수학식 1]과 [수학식 2]를 삽입하여 정리하면 다음의 [수학식 4]와 같은 관계식이 도출된다. Wout는 출력축 샤프트(116)의 회전 속도를 의미한다.
Figure 112017085209084-pat00039
이하 도 12를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연속 변속 시스템의 출력축 샤프트의 토크를 도출하기 위한 개념을 상세하게 설명한다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 연속 변속 시스템의 출력축 샤프트의 토크를 도출하는 개념을 설명하기 위한 도면이다.
일반적인 차동 기어에서 토크 관계식은 링기어(Ring Gear)인 제1 베벨기어(111)의 토크와 양쪽축인 제1 트랙션 휠(130)과 제2 트랙션 휠(140)의 토크의 합으로 나타낸다(수학식 5).
Figure 112016065907200-pat00009
Tring는 제1 베벨기어(111)의 토크이고, TTW1는 제1 트랙션 휠(130)의 토크이며, TTW2는 제2 트랙션 휠(140)의 토크이다.
P1(165), P2(166)에서의 토크식을 트랙션 디스크(102), 제1 트랙션 휠(130), 제2 트랙션 휠(140)에 대해서 구해보면 다음의 [수학식 6]과 같다.
Figure 112016065907200-pat00010
Figure 112016065907200-pat00011
는 P1(165)에서의 트랙션 디스크(102)의 토크이고,
Figure 112016065907200-pat00012
는 P2(166)에서의 트랙션 디스크(102)의 토크이다.
이상적으로 미끄러짐이 없음을 가정하고, 토크 전달 효율이 100%라 할 때
Figure 112016065907200-pat00013
이 성립된다. 그리고 트랙션 디스크(102)는 하나의 강체이므로
Figure 112016065907200-pat00014
가 성립되고, 제1 트랙션 휠(130)과, 제2 트랙션 휠(140)의 토크를 다음의 [수학식 7]과 같이 정리할 수 있다.
Figure 112016065907200-pat00015
결과적으로 전술한 [수학식 5]와 [수학식 7]을 이용하여 출력축 샤프트(116)의 토크식을 정리하면 다음의 [수학식 8]과 같다. Tout은 출력축 샤프트(116)의 토크를 의미한다.
Figure 112016065907200-pat00016
트랙션 디스크(102)의 속도 대비 출력축 샤프트(116)의 속도의 비를 전달률(
Figure 112017085209084-pat00017
)로 정의하면 다음의 [수학식 9]와 같다.
Figure 112016065907200-pat00018
또한, 트랙션 디스크(102)의 토크 대비 출력축 샤프트(116)의 토크의 비를 토크 전달률(
Figure 112017085209084-pat00019
)로 정의하면 다음의 [수학식 10]과 같다.
Figure 112016065907200-pat00020
도 13을 참조하면, R1는 1 내지 6cm 변위 가능하고, R2는 -1 내지 -6cm 변위 가능하고, RTW = 2.5cm이며, Rout/ Rring = 1이다.
위와 같은 조건에서 R1, R2를 조정하는 경우, 속도 전달률과 토크 전달률이 어떻게 달라지는지 시뮬레이션하면 도 14 내지 도 16과 같이 나타난다.
시뮬레이션을 수행한 결과, R1과 R2의 변화에 따라 출력축 샤프트(116)의 속도가 0 ~ +1 ~ -1 비율로 변화된다.
토크의 경우 전달률이 최저 0.83에서 최대 5까지이며, 속도 전달률 및 토크 전달률은 기어비를 어떻게 설계하느냐에 따라 변화가 가능하다.
일반적으로 파워는 P = T × W(토크 × 각속도)이므로 토크와 각속도가 반비례하여 제1 트랙션 휠(130)과 제2 트랙션 휠(140)의 사이 간격이 가까울수록 트랙션 휠(130, 140)의 회전 속도가 낮고 토크 전달력은 높아지며 제1 트랙션 휠(130)과 제2 트랙션 휠(140)의 사이 간격이 멀수록 트랙션 휠(130, 140)의 회전 속도가 높아지고 토크 전달력이 낮아진다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 연속 변속 시스템 101: 동력원
102: 트랙션 디스크 110: 차동구동장치
111: 제1 베벨기어 112: 보조기어
113: 제2 베벨기어 114: 제1 트랙션 샤프트
115: 제2 트랙션 샤프트 116: 출력축 샤프트
117: 엔코더 120: 트랙션 휠 포지션 제어 유니트
121: 제1 트랙션 휠 제어모터 122: 제2 트랙션 휠 제어모터
123: 제1 스크류 샤프트 124: 제2 스크류 샤프트
125: 제1 가이드 샤프트 126: 제2 가이드 샤프트
130: 제1 트랙션 휠 131: 몸체부
132: 제1 배럴 133: 제1 지지부
134: 제1 관통공 140: 제2 트랙션 휠
141: 몸체부 142: 제2 배럴
143: 제2 지지부 144: 제2 관통공
150: 제1 가이드유닛 151: 제1 이동부재
152: 제1 좌측가이드판 153: 제1 우측가이드판
154: 베어링부재 160: 제2 가이드유닛
161: 제2 이동부재 162: 제2 좌측가이드판
163; 제2 우측가이드판 164: 베어링부재
165: P1 166: P2
170: Free 영역 200: 동력 전달용 커플링 기어

Claims (14)

  1. 연속 변속 시스템에 있어서,
    동력원에 결합되어 일방향으로 회전하는 원판 형태의 트랙션 디스크;
    상기 트랙션 디스크의 중심부에 형성된 제1 베벨기어;
    상기 제1 베벨기어를 수평 방향으로 관통하여 길이 방향으로 결합된 트랙션 샤프트;
    상기 제1 베벨기어를 기준으로 상기 트랙션 샤프트의 양쪽에 관통하여 결합되고 상기 트랙션 디스크 상의 접촉하면서 상기 트랙션 샤프트를 따라 수평 이동하는 제1 트랙션 휠과 제2 트랙션 휠; 및
    상기 제1 베벨기어와 직각 방향으로 맞물려 결합되는 제2 베벨기어와 상기 제2 베벨기어에 결합되어 동력을 출력하는 출력단인 출력축 샤프트를 포함하는 것을 특징으로 하는 차동구동장치를 이용한 연속 변속 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 트랙션 샤프트와 수평 방향으로 나란하게 이격되어 상기 제1 트랙션 휠과 상기 제2 트랙션 휠의 상기 트랙션 샤프트 상에서의 수평 이동을 제어하는 트랙션 휠 포지션 제어 유니트를 더 포함하고, 상기 트랙션 휠 포지션 제어 유니트는 상기 제1 트랙션 휠과 상기 출력축 샤프트 간의 사이 간격과 상기 제2 트랙션 휠과 상기 출력축 샤프트 간의 사이 간격을 조정하여 출력단인 출력축 샤프트의 회전 속도와 토크를 가변시키는 것을 특징으로 하는 차동구동장치를 이용한 연속 변속 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 출력축 샤프트의 회전 속도는 상기 제1 트랙션 휠과 상기 출력축 샤프트 간의 제1 거리(R1)와 상기 제2 트랙션 휠과 상기 출력축 샤프트 간의 제2 거리(R2), 상기 트랙션 디스크의 회전 속도, 상기 제1 트랙션 휠과 제2 트랙션 휠의 반지름을 기초로 다음의 수학식 1을 이용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 차동구동장치를 이용한 연속 변속 시스템.
    [수학식 1]
    Figure 112017085209084-pat00040

    여기서, Wout는 상기 출력축 샤프트의 회전 속도, RTW는 상기 제1 트랙션 휠과 제2 트랙션 휠의 반지름, WTD는 상기 트랙션 디스크의 회전 속도, Rring/Rout는 상기 제1 베벨기어와 상기 제2 베벨기어의 기어비로 상기 제1 베벨기어의 반지름과 상기 제2 베벨기어의 반지름을 나타냄.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 출력축 샤프트의 토크는 상기 제1 트랙션 휠과 상기 출력축 샤프트 간의 제1 거리(R1)와 상기 제2 트랙션 휠과 상기 출력축 샤프트 간의 제2 거리(R2), 상기 트랙션 디스크의 회전 속도, 상기 제1 트랙션 휠과 제2 트랙션 휠의 반지름을 기초로 다음의 수학식 2를 이용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 차동구동장치를 이용한 연속 변속 시스템.
    [수학식 2]
    Figure 112016065907200-pat00022

    여기서, Tout는 상기 출력축 샤프트의 토크, RTW는 상기 제1 트랙션 휠과 제2 트랙션 휠의 반지름, TTD는 상기 트랙션 디스크의 토크, Rout/Rring는 상기 제2 베벨기어와 상기 제1 베벨기어의 기어비로 상기 제2 베벨기어의 반지름과 상기 제1 베벨기어의 반지름을 나타냄.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 트랙션 디스크가 일정한 속도로 회전하는 상태에서 상기 제1 트랙션 휠과 상기 제2 트랙션 휠이 상기 트랙션 디스크 상에서 접촉하면서 회전하고, 상기 제1 트랙션 휠과 상기 제2 트랙션 휠이 상기 트랙션 샤프트를 따라 수평 이동하여 상기 출력축 샤프트에 동력을 전달하는 것을 특징으로 하는 차동구동장치를 이용한 연속 변속 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 트랙션 샤프트와 수평 방향으로 나란하게 이격되어 상기 제1 트랙션 휠과 상기 제2 트랙션 휠의 상기 트랙션 샤프트 상에서의 수평 이동을 제어하는 트랙션 휠 포지션 제어 유니트가 형성되고,
    상기 트랙션 휠 포지션 제어 유니트는 내부 공간부의 하부에 제1 트랙션 휠 제어모터가 형성되고 상부에 제2 트랙션 휠 제어모터가 형성되며,
    상기 제1 트랙션 휠 제어모터의 일측에 결합되어 회전되는 길이 방향으로 연장된 제1 스크류 샤프트가 결합되고, 상기 제2 트랙션 휠 제어모터의 일측에 결합되어 회전되고, 상기 제1 스크류 샤프트와 반대 방향으로 결합된 길이 방향으로 연장된 제2 스크류 샤프트가 결합되고,
    상기 제1 스크류 샤프트와 상기 트랙션 샤프트를 길이 방향으로 연장하여 일체로 결합하고, 상기 제1 트랙션 휠의 일부를 삽입하여 상기 제1 트랙션 휠 제어모터의 구동에 따라 상기 제1 트랙션 휠의 수평 이동을 가이드하는 제1 가이드유닛과, 상기 제2 스크류 샤프트와 상기 트랙션 샤프트를 길이 방향으로 연장하여 일체로 결합하고, 상기 제2 트랙션 휠의 일부를 삽입하여 상기 제2 트랙션 휠 제어모터의 구동에 따라 상기 제2 트랙션 휠의 수평 이동을 가이드하는 제2 가이드유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차동구동장치를 이용한 연속 변속 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1, 2 가이드유닛은 상기 제1, 2 스크류 샤프트의 일측이 관통되어 상기 제1, 2 스크류 샤프트 상에서 이동하는 이동부재와, 상기 이동부재로부터 서로 일정 거리 이격된 판 형태의 우측가이드판과 좌측가이드판이 연장되어 상기 트랙션 샤프트의 일측을 관통하여 결합하고 상기 우측가이드판과 좌측가이드판의 사이의 공간에 상기 제1, 2 트랙션 휠의 일부를 삽입하고, 상기 우측가이드판, 상기 좌측가이드판, 상기 제1, 2 트랙션 휠은 상기 트랙션 샤프트가 수평 방향으로 관통하여 일체로 결합되며, 상기 제1, 2 트랙션 휠은 상기 우측가이드판과 상기 좌측가이드판에 복수의 베어링부재를 매개로 결합하는 것을 특징으로 하는 차동구동장치를 이용한 연속 변속 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 트랙션 휠과 상기 제2 트랙션 휠은 직경이 동일하고 정반대 방향으로 회전하는 것을 특징으로 하는 차동구동장치를 이용한 연속 변속 시스템.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 트랙션 휠 포지션 제어 유니트는 상기 제1 트랙션 휠 제어모터와 상기 제2 트랙션 휠 제어모터를 구동 제어하여 상기 제1 가이드유닛과 상기 제2 가이드유닛을 좌우로 각각 이동시켜 상기 제1 트랙션 휠과 상기 출력축 샤프트 간의 제1 거리와 상기 제2 트랙션 휠과 상기 출력축 샤프트 간의 제2 거리가 같으면 상기 출력축 샤프트가 회전하지 않고, 상기 제1 거리가 상기 제2 거리보다 크면 상기 출력축 샤프트가 + 방향으로 회전하며, 상기 제1 거리가 상기 제2 거리보다 작으면 상기 출력축 샤프트가 상기 + 방향의 반대 방향인 - 방향으로 회전하는 것을 특징으로 하는 차동구동장치를 이용한 연속 변속 시스템.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 출력축 샤프트에는 엔코더(Encoder)가 관통되어 결합되고, 상기 트랙션 휠 포지션 제어 유니트는 상기 엔코더와 전기적으로 결합되고, 상기 엔코더로부터 상기 출력축 샤프트의 회전 속도를 수신받아 상기 제1 트랙션 휠 제어모터와 상기 제2 트랙션 휠 제어모터를 구동 제어하여 제1 트랙션 휠과 상기 출력축 샤프트 간의 제1 거리와 상기 제2 트랙션 휠과 상기 출력축 샤프트 간의 제2 거리의 사이 간격을 독립적으로 조절하는 것을 특징으로 하는 차동구동장치를 이용한 연속 변속 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 트랙션 샤프트와 제2 트랙션 샤프트는 구동력의 입력단을 나타내고, 상기 출력축 샤프트는 구동력의 출력단인 것을 특징으로 하는 차동구동장치를 이용한 연속 변속 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 트랙션 휠과 상기 제2 트랙션 휠은 외형을 형성하는 휠 프레임의 외주에 휠의 축방향으로 회전하는 복수의 배럴(Barrel)이 배치되어 모든 방향으로 이동이 가능한 옴니디렉셔널 휠(Omni Directional Wheel)을 사용하는 것을 특징으로 하는 차동구동장치를 이용한 연속 변속 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 트랙션 휠과 상기 제2 트랙션 휠이 상기 제1 트랙션 샤프트와 상기 제2 트랙션 샤프트를 따라 상기 트랙션 디스크의 중심부 방향으로 이동하여 상기 트랙션 디스크 상의 기설정된 기준 영역 안으로 들어오게 되면 상기 트랙션 디스크의 회전력이 상기 제1 트랙션 휠과 상기 제2 트랙션 휠에 전달되지 않아 상기 출력축 샤프트가 자유 운동 상태가 되는 것을 특징으로 하는 차동구동장치를 이용한 연속 변속 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 트랙션 디스크와, 상기 제1 베벨기어, 상기 제1 트랙션 휠, 상기 제2 트랙션 휠, 상기 출력축 샤프트로 이루어진 연속 변속 모듈은 상기 트랙션 디스크의 테두리에 동력 전달용 커플링 기어를 결합하여 복수개로 적층하며, 상기 동력원의 구동력을 상기 동력 전달용 커플링 기어를 통해 상부의 연속 변속모듈로 전달하는 것을 특징으로 하는 차동구동장치를 이용한 연속 변속 시스템.
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