KR102078683B1 - 내치 링기어 및 이와 맞물리는 2개의 스퍼 기어들을 구비한 변속기 장치 - Google Patents

내치 링기어 및 이와 맞물리는 2개의 스퍼 기어들을 구비한 변속기 장치 Download PDF

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Abstract

내치 링기어(7) 및 2개의 스퍼 기어들(5, 14)을 갖는 변속기 장치(4)에 관한 것으로서, 상기 스퍼 기어는 공동 중간 기어(15)와 맞물리고, 이때 하나 이상의 스퍼 기어(5)가 샤프트(6)와 고정 연결되어 함께 회전한다. 본 발명에 따라 스퍼 기어들(5, 14)과 내치 링기어(7) 사이의 작동 맞물림각은 각각 적어도 거의 동일하다.

Description

내치 링기어 및 이와 맞물리는 2개의 스퍼 기어들을 구비한 변속기 장치{GEARING DEVICE WITH AN INTERNALLY TOOTHED INTERNAL GEAR AND TWO SPUR GEARS MESHING THEREWITH}
본 발명은 특허 청구범위 제1항의 전제부에서 더 자세히 규정된 유형에 따른 내치 링기어 및 이와 맞물리는 2개의 스퍼 기어들을 갖는 변속기 장치에 관한 것이다.
시내 버스의 직렬 하이브리드 구동부는 경우에 따라 이른바 전기 포털 액슬로 형성되고, 상기 액슬의 구동 휠은 변속기 장치를 통해 전동기와 작동 연결된다. 직렬 하이브리드 구동부는, 복수의 구동과 제동의 과정을 수반하는 쉽지 않은 시내 적용의 경우에, 특히 경제적이고 환경 친화적인 작동을 가능하게 한다.
하이브리드 구동부의 직렬 구조는 전류 생성기로서 제너레이터와 함께 작동되는 내연기관을 포함한다. 이때 내연기관과 휠들 사이에는 직접적인 기계식 연결부가 존재하지 않는다. 중간 연결된 전력 전자 장치를 통해 휠들의 영역 내에 배치된 전동기에는 휠의 구동을 위해 제너레이터 및/또는 전기 에너지 저장기에 의해 전류가 공급될 수 있고, 그리고/또는 전기 에너지 저장기가 충전될 수 있다.
그러나 전력 흐름이 직렬 하이브리드 구동부 내에서 반전될 수도 있고, 이때 전동기는 시내 버스의 회생 브레이크 작동 중에 제너레이터로서 작동하고, 얻어진 전류를 전기 에너지 저장기 또는 배터리 내로 재공급한다. 이로 인해 내연기관이나 디젤 엔진은 단독의 에너지원이 되지 않으므로, 이의 출력 성능과 관련하여 더 작게 설계될 수 있다.
각각 휠의 영역 내에 배치된 전자 구동부를 상응하게 설계할 경우, 내연기관이 정지할 시 충분한 주행 출력이 제공될 수도 있고, 이로써 예컨대 이미션이 없고 소음이 감소된 시동과 출발이 정류장에서 구현될 수 있다. 최적의 드라이브라인 관리(Driveline-Management)와 소형화(Downsizig)에 의해 주어진 적용 사례에 따라 내연기관의 영역 내에서 연비값이 대략 30%까지 감소될 수 있다.
직렬 원리는 시내 버스의 디자인에서도 유연성을 나타낸다. 구동부 에너지가 내연기관과 결합된 제너레이터로부터 휠측 전자 구동부로 전류 케이블을 통해 안내되기 때문에, 구동부 구성부품 배치에 관하여 버스 영역 내에서 높은 자유도가 제공된다. 추가로 종래에 실행된 시내 버스에 비해 더 작은 치수로 설계된 내연기관으로 인해 승객 공간이 더 크게 형성될 수 있다.
문헌 EP 1 192 058 B1호에는 내치 링기어 및 이와 맞물리는 2개의 스퍼 기어들을 갖는 감속 기어로서 실행되는 변속기 장치가 공지되고, 상기 스퍼 기어는 하나의 공동 중간 기어 또는 2개의 공동 중간 기어들과 맞물린다. 변속기 장치는 간단한 유형과 방식으로, 구동 휠의 영역 내에서 각각 가볍고 작은 설치 공간만을 포함하는 전동기를 구비한 시내 버스의 전기 구동부를 실현할 수 있는 가능성을 제공한다.
그러나, 상기 변속기 장치의 작동 중에 내치 링기어와 스퍼 기어들 사이의 톱니가 맞물리는 영역에서 2개의 치면(tooth flank) 콘택이 발생하고, 바람직하게 얇은 벽으로 구현되는 내치 링기어의 영역에서 상기 콘택으로 인해 바람직하지 않은 변형이 발생하며, 이러한 변형은 다시금 변속기 장치의 수명에 바람직하지 않은 정도로 악영향을 입히고 주행의 쾌적성을 방해하는 작동 소음을 야기하는 단점이 있다.
그러므로 본 발명은 내치 링기어 및 이와 맞물리는 2개의 스퍼 기어들을 구비한 변속기 장치를 제공하는 과제를 근간으로 하고, 상기 변속기 장치는 긴 수명을 특징으로 하며, 가능한 한 작동 소음이 작게 작동될 수 있다.
이러한 과제는 본 발명에 따라 특허 청구범위 제1항의 특징을 갖는 변속기 장치에 의해 해결된다.
내치 링기어 및 이와 맞물리는 2개의 스퍼 기어들을 갖는 본 발명에 따른 변속기 장치의 경우, 상기 스퍼 기어는 공동 중간 기어와 맞물리고, 이때 하나 이상의 스퍼 기어는 샤프트와 고정 연결되어 함께 회전하며, 스퍼 기어들과 내치 링기어 사이의 작동 맞물림각이 각각 적어도 거의 동일하기 때문에, 종래 기술에서 공지된 해결 방법에 비해 수명이 연장되고 작동 소음이 감소한다.
본 발명은, 스퍼 기어들과 내치 링기어 사이의 톱니가 맞물리는 영역에서 작동 맞물림각이 적어도 거의 동일한 경우, 내치 링기어의 영역에서 발생하는 2개의 치면 콘택의 변형이 간단한 유형과 방식으로 방지되고, 스퍼 기어들과 내치 링기어 사이의 톱니가 맞물리는 영역에서 톱니 부하가 적어도 거의 보상된다는 인식에 기초한다.
본 발명에 따른 변속기 장치의 바람직한 개선예에서, 긴 수명과 작동 소음은, 기어들과 중간 기어 사이의 작동 맞물림각이 각각 스퍼 기어들과 내치 링기어 사이의 작동 맞물림각에 적어도 거의 상응함으로써 달성된다.
양 쪽 스퍼 기어들이 상이한 톱니 수를 가지면, 높은 자유도를 갖는 변속기 장치의 전체 변속비가 제공될 수 있다.
제1 스퍼 기어와 내치 링기어 사이의 백래시의 합과, 제1 스퍼 기어와 중간 기어 사이와, 중간 기어와 제2 스퍼 기어 사이와, 제2 스퍼 기어와 내치 링기어 사이의 백래시들의 합이 적어도 거의 0이면, 부하 변경이 발생할 경우 내치 링기어와 관련해 제1 스퍼 기어의 반경 방향 편향이 최소이고, 변속기 장치의 영역 내에서의 부하 및 작동 소음이 구조적으로 간단한 유형과 방식으로 최소로 감소될 수 있다.
본 발명의 변속기 장치의 다른 바람직한 실시예에서, 변속기 장치의 영역 내에서 작동 거동에 유리하게 작용하는 위상 동기화를 달성하기 위해, 내치 링기어는 짝수 자연수에 상응하는 톱니 수로 구현된다.
본 발명에 따른 변속기 장치의 다른 실시예에서, 변속기 장치를 고효율로 작동할 수 있도록, 스퍼 기어들과 내치 링기어 사이 및 스퍼 기어들과 중간 기어 사이의 프로파일 오버래핑이 각각 1 이하이다.
스퍼 기어들과 내치 링기어 사이 및 스퍼 기어들과 중간 기어 사이에서의 정상 맞물림각이 각각 25°이상이면, 톱니 베이스 부하 용량과 치면 부하 용량의 개선 이외에도 변속기 장치 효율의 분명한 개선이 달성된다.
마찬가지로 본 발명에 따른 고효율로 작동 가능한 변속기 장치의 추가의 일 실시예에서, 스퍼 기어들, 내치 링기어 및 중간 기어의 톱니가 맞물리는 영역에서 조도 깊이(roughness depth)는 각각 2㎛ 이하이다.
본 발명에 따른 변속기 장치의, 작동 중에 작은 소음을 야기하는 추가의 일 실시예는, 스퍼 기어들과 내치 링기어 사이와 스퍼 기어들과 중간 기어 사이의 영역에서 각각 2를 초과하는 점프 오버래핑에 의해 형성된다.
본 발명에 따른 변속기 장치의 추가의 바람직한 실시예들에서, 스퍼 기어는 샤프트 영역에서 차량의 전기 포털 액슬의 전동기의 출력 샤프트와 결합될 수 있고, 그리고/또는 내치 링기어는 차량의 전기 포털 액슬의 유성 기어 세트의 썬 기어와 작동 연결될 수 있으며, 이를 통해 변속기 장치에 의해 실행되는 차량, 특히 시내 버스는 작동 소음이 작으면서도 동시에 고효율로 작동될 수 있다.
특허 청구범위에 명시된 특징 뿐만 아니라 본 발명에 따른 변속기 장치의 하기의 실시예에서 명시된 특징은 각각 단독으로 또는 임의의 조합에 의해 본 발명에 따른 대상을 개선하기에 적합하다. 각각의 특징들의 조합은 본 발명에 따른 대상의 개선예와 관련하여 제한되지 않고, 오히려 사실상 예시적 특성을 포함할 뿐이다.
본 발명의 다른 장점들과 바람직한 개선예들이 특허 청구범위 및 도면과 관련하여 원리에 따라 설명된 실시예로부터 도출된다.
도 1은 본 발명에 따른 변속기 장치의 실시예에 의한 전기 포털 액슬의 일부를 매우 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 따른 변속기 장치의 개별 측면도이다.
도 1에는 콤팩트하게 구현되고 차량 액슬(2)에 대해 옵셋 배치된, 비대칭 모터로서 구현된 전동기(3)를 구비한, 본원에서는 시내 버스로서 구현되는 차량의 전기 포털 액슬(1)의 일부가 매우 개략적으로 도시된다. 또한 전기 포털 액슬(1)은 제1 스퍼 기어(5)의 영역에서 샤프트(6)를 통해 전동기(3)와 작동 연결되는 변속기 장치(4)를 포함한다.
전동기(3)와 관련해 변속기 장치(4)는 출력측으로 제1 스퍼 기어(5)와 맞물리는 내치 링기어(7)를 통해 유성 기어로서 구현되는 변속기 유닛(8)과 결합된다. 이때 내치 링기어(7)는 변속기 유닛(8)의 썬 기어(9)와 연결되어 함께 회전한다. 썬 기어(9)는 유성 기어(10)와 맞물리고 유성 기어는 다시 변속기 장치(8)의 내치 링기어(11)와 맞물린다. 유성 캐리어(12)의 영역에서 변속기 유닛(8)은 구동 기어(13)와 결합됨으로써, 전동기(3)의 구동은 변속기 장치(4) 및 변속기 유닛(8)을 통해 구동 휠(13) 방향으로 계속 전달된다.
전기 포털 액슬(1)에 의해 구현되는 차량의 브레이크 작동 중에 또는 오버런 작동 중에 오버런 토크가 구동 휠(13)로부터 변속기 유닛(8) 및 변속기 장치(4)를 통해 전동기(3) 방향으로 안내되고 나서, 상기 전동기는 제너레이터 방식으로 작동될 수 있다. 전동기(3)의 영역에서 제너레이터 작동 중에 생성된 전기 에너지는 예컨대 차량의 전기 저장 장치의 영역에서 회생될 수 있다.
변속기 장치(4)는 도 2에서 더 상세히 도시된 유형과 방식으로 제1 스퍼 기어(5) 이외에도 추가의 스퍼 기어 또는 제2 스퍼 기어(14)를 포함하고, 상기 기어는 마찬가지로 내치 링기어(7)와 맞물리며 제1 스퍼 기어(5)와는 다른 톱니 수로 구현된다. 추가로 두 스퍼 기어들(5 및 14)은 공동의 중간 기어(15)와 맞물린다. 제2 스퍼 기어(14) 뿐만 아니라 중간 기어(15)도 각각 하우징에 고정되어 구현되는 샤프트(16 또는 17)에 회전 가능하게 지지된다. 출력 분할식 링 기어 포털로서 구현되는 변속기 장치(4)와 4개의 유성 기어들(10)로 구현되는 변속기 유닛(8)은 기어들의 영역에서 헬리컬 기어방식으로 형성된다.
제1 스퍼 기어(5)와 내치 링기어(7) 사이 및 제2 스퍼 기어(14)와 내치 링기어(7) 사이의 톱니가 맞물리는 영역에서 작동 맞물림각의 크기가 동일하다. 추가로 스퍼 기어(5)와 중간 기어(15) 사이와, 중간 기어(15)와 제2 스퍼 기어(14) 사이의 작동 맞물림각은, 제1 스퍼 기어(5)와 내치 링기어(7) 사이 또는 제2 스퍼 기어(14)와 내치 링기어(7) 사이의 작동 맞물림각에 적어도 거의 상응한다.
작동 소음을 감소시키기 위해, 제1 스퍼 기어(5)와 내치 링기어(7) 사이의 백래시와, 그리고 제1 스퍼 기어(5)와 중간 기어(15) 사이와, 중간 기어(15)와 제2 스퍼 기어(14) 사이와, 제2 스퍼 기어(14)와 내치 링기어(7) 사이의 백래시들의 합의 합계가 적어도 거의 0이다. 그래서, 내치 링기어의 회전각이 같기 때문에 제1 스퍼 기어(5)와 중간 기어(15) 사이와, 중간 기어(15)와 제2 스퍼 기어(14) 사이와, 제2 스퍼 기어(14)와 내치 링기어(7) 사이와, 제1 스퍼 기어(5)와 내치 링기어(7) 사이의 톱니 맞물림을 통해 작동 소음은 더 감소되는데, 그 이유는 부하 변경이 발생할 경우 제1 스퍼 기어(5)의 반경 방향 편향이 작은 정도로만 발생하기 때문이다. 이러한 조치는 변속기 장치(4) 및 변속기 유닛(8)의 톱니 기어가 직선 기어로 구현되든, 헬리컬 기어로 구현되든 이에 무관하다.
본원에서, 내치 링기어(7)는 적어도 거의 100%의 위상 동기화를 달성하기 위해 짝수, 바람직하게 74의 톱니 수로 실시된다. 추가로, 작동 소음을 최소로 감소시킬 수 있도록, 변속기 장치(4)의 톱니가 맞물리는 영역에서 점프 오버래핑이 2를 초과한다.
톱니 손실의 요인을 감소시키기 위해, 변속기 장치(4)의 영역에서 프로파일 오버래핑 및 치면 조도가 가능한 한 작게 선택되는 반면에, 정상 맞물림각은 가능한 한 크게 설정된다. 이때, 프로파일 오버래핑이 각각 제공된 적용 사례에 따라 1 이하이고 조도 깊이는 2㎛ 이하인 반면에, 정상 맞물림각은 25°이상으로 제공된다.
정상 맞물림각의 확대는 효율 개선 이외에 스퍼 기어들(5 및 14)과 중간 기어(15)의 영역에서와 내치 링기어(7)의 영역에서도 톱니 베이스 부하 용량과 치면 부하 용량의 분명한 개선도 가능하게 한다.
한편, 변속기 장치(4)의 영역에서 효율을 개선하기 위한 상술된 조치들은 적용 사례에 따라 변속기 장치(4)의 소음 거동에 경우에 따라 바람직하지 않게 작용하지만, 이는 변속기 장치(4)의 톱니가 맞물리는 영역에서 헬리컬각의 확대로 인해 다시금 광범위하게 보상될 수 있다.
1 전기 포털 액슬
2 차량 액슬
3 전동기
4 변속기 장치
5 제1 스퍼 기어
6 샤프트
7 내치 링기어
8 변속기 유닛
9 썬 기어
10 유성 기어
11 내치 링기어
12 유성 캐리어
13 구동 휠
14 제2 스퍼 기어
15 중간 기어
16, 17 샤프트

Claims (11)

  1. 내치 링기어(7) 및 2개의 스퍼 기어들(5, 14)을 갖는 변속기 장치(4)이며, 상기 스퍼 기어는 공동 중간 기어(15)와 맞물리고, 이때 하나 이상의 스퍼 기어(5)가 샤프트(6)와 고정 연결되어 함께 회전하는 변속기 장치에 있어서,
    스퍼 기어들(5, 14)과 내치 링기어(7) 사이의 작동 맞물림각이 각각 동일하고,
    제1 스퍼 기어(5)와 내치 링기어(7) 사이의 백래시와,
    제1 스퍼 기어(5)와 중간 기어(15) 사이와, 중간 기어(15)와 제2 스퍼 기어(14) 사이와, 제2 스퍼 기어(14)와 내치 링기어(7) 사이의 백래시들의 합의
    합계가 0이고,
    스퍼 기어들(5, 14)과 내치 링기어(7) 사이와, 스퍼 기어들(5, 14)과 중간 기어(15) 사이의 프로파일 오버래핑이 각각 1 이하이고,
    스퍼 기어들(5, 14)과 내치 링기어(7) 사이와, 스퍼 기어들(5, 14)과 중간 기어(15) 사이의 정상 맞물림각이 각각 25°이상이고,
    스퍼 기어들(5, 14)과 내치 링기어(7) 사이와, 스퍼 기어들(5, 14)과 중간 기어(15) 사이의 점프 오버래핑이 각각 2를 초과하는 것을 특징으로 하는,
    변속기 장치.
  2. 제1항에 있어서, 스퍼 기어들(5, 14)과 중간 기어(15) 사이의 작동 맞물림각이 스퍼 기어들(5, 14)과 내치 링기어(7) 사이의 작동 맞물림각에 각각 상응하는 것을 특징으로 하는, 변속기 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 양 쪽 스퍼 기어들(5, 14)은 상이한 톱니 수를 갖는 것을 특징으로 하는, 변속기 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 내치 링기어(7)가 짝수 자연수에 상응하는 톱니 수로 구현되는 것을 특징으로 하는, 변속기 장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 스퍼 기어들(5, 14), 내치 링기어(7) 및 중간 기어(15)의 톱니가 맞물리는 영역에서 조도 깊이(roughness depth)가 각각 2㎛ 이하인 것을 특징으로 하는, 변속기 장치.
  9. 삭제
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 스퍼 기어들 중 하나의 스퍼 기어(5)가 차량의 전기 포털 액슬(1)의 전동기(3)의 출력 샤프트와 결합 가능한 것을 특징으로 하는, 변속기 장치.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 내치 링기어(11)는 차량의 전기 포털 액슬(1)의 유성 기어 세트(8)의 썬 기어(9)와 작동 연결될 수 있는 것을 특징으로 하는, 변속기 장치.
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