KR19990021750A - 무단 변속 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 구동축과 종동축 간의 동력전달이 기어의 치합에 의해 신뢰성있게 이루어지도록 함과 동시에, 양 축간의 변속비를 연속적으로(continuously)미세하게 변화시킬 수 있도록 하는 무단(stepless) 변속 장치에 관한 것으로서, 제1 동력을 이용하는 구동축의 회전력을 무단으로 변속하면서 종동축에 전달하는 변속 장치에 있어서, 상기 구동축에 동축적으로 결합되어 있으며 상기 구동축의 회전에 따라 회전하는 선(sun) 기어; 상기 선 기어의 피치원상에 치합되게 설치되되 그 각각이 소정 간격을 유지하도록 지지되면서 다수가 배치되며, 상기 선기어의 회전에 따라 각각 회전되어 동력을 전달하는 다수의 유성기어들; 상기 다수의 유성기어들 각각에 외접되게 그 내측기어가 치합되며, 상기 각 유성기어로부터 동력을 전달받아 상기 종동축을 회전시키는 링(ring) 기어; 제2 동력을 이용하여, 상기 다수의 유성기어들을 상기 선 기어를 중심으로 공전시키기 위한 캐리어: 및 상기 구동축의 회전이 정지된 상태일 때는 상기 캐리어에 동력이 인가되지 않도록 동력전달을 단속하는 일방향 클러치를 포함한다.

Description

무단 변속 장치

본 발명은 변속 기술에 관한 것으로, 특히 인가되는 동력을 무단(stepless)으로 유연하게(continuously) 변속하는 장치에 관한 것이다.

기존의 변속 장치 예로서, 자동차에 사용되고 있는 변속기를 살펴보면, 크게 두 가지 방식을 들 수 있는데, 수동 5단식과 자동 4단식이 있다.

우선, 수동 5단식 변속기를 사용하는 경우는 운전자의 조작에 의해 1단에서 부터 5단까지 변속될 수 있으나 변속시마다 클러치 페달 조작을 수반한 변속조작을 해야하는 불편한 점이 있다.

그리고, 자동 4단식은 토크컨버터와, 오일펌프, 다수의 유성기어, 매뉴얼 밸브, 수개의 솔레노이드 밸브, 수개의 유압 클러치, 유압 브레이크, 유압회로 등으로 구성되었으며, 선(sun) 기어축, 유성(planetary) 기어축, 링(ring) 기어축에 교차적으로 동력인가위치를 바꾸어 변속되도록 하는 방식이며, 엔진출력, 속도, 온도, 스로틀밸브상태 등을 감지하여 콘트롤러 (통상적으로 자동차 분야에서는 TCU라고 함)에서 연산한 결과를 이용한 전자적인 제어에 의해 자동변속되도록 함으로써 수동식이 갖는 조작상의 불편성은 제거할 수 있으나, 구조가 매우 복잡하고, 제작비용이 고가이며, 수동식에 비하여 일반적으로 약 10~15% 정도의 추가적인 연료소모를 유발하여 에너지 효율이 저감시키는 단점을 갖고 있다.

특히, 상기 종래의 수동식 및 자동식 변속 장치의 변속동작은 모두 단계(step)적으로 이루어지고 있을 뿐만아니라 각 단간의 변속비 차가 매우 커서, 도로조건에 따라 유연하게 증속 또는 감속을 할 수 없다는 단점을 갖고 있다.

예컨대, 자동차가 임의의 경사각(tenθ)을 갖는 언덕을 거슬러 올라갈 때, 변속기어를 4단으로 하면 엔진출력이 부족하고, 반면에 3단으로 하면 출력이 남는 상황을 쉽게 상정할 수 있다. 그러나, 종래의 경우는 그에 상응하는 적절한 중간 단이 설정되어 있지 않기 때문에, 부득이하게 3단으로 운행할 수 밖에 없다.

즉, 종전의 경우는 변속의 선택 폭이 4가지 또는 5가지밖에 없기 때문에, 도로조건 등의 운행조건에 대한 변속비 부적합으로 인한 불필요한 동력낭비를 배제할 수 없었고, 특히 정지와 발차가 반복되는 운행시의 경우는 매 출발시 마다 가속하면서 수회의 변속이 이루어지게 되는데 이때 연료소모가 매우 클 뿐만아니라, 불필요한 배기가스, 소음등 경제적 손실이 너무 크다는 단점을 내포하고 있다.

한편, 상기한 바와 같은 종래의 변속장치의 문제점을 개선하기 위하여 그동안 여러 가지 시도가 있었는데, 그 예로서, 도 1에 도시된 작동원리를 이용하는 무단 변속 장치에 대하여 간단히 살펴보기로 한다.

도 1a 및 도 1b는 종래의 무단 변속 장치(stepless transmission)의 작동원리를 설명하는 개략도이다.

도 1에 도시된 무단 변속 장치는 벨트에 의해 동력이 전달되는 구조를 채용하고 있다. 그리고, 이러한 기술은 미국의 포드(Ford)사에서 제작한 배기량 1600㏄ 정도의 전륜구동방식의 차량의 무단 자동변속기로 적용되기도 하였다.

이 변속기의 원리와 특징은 다음과 같다.

이 변속기는 표면의 내마모성이 아주 강한 V형의 강제 벨트(V-form steel belt)를 사용하며, 상기 벨트는 기관측의 구동풀리의 회전력을 구동륜측의 종동풀리에 전달하도록 장착된다. 그리고, 상기 구동풀리와 종동풀리는 주행상태와 요구출력에 따라 각각의 홈이 제어되어, 벨트가 걸리는 홈의 원주면 길이가 확대되거나 또는 축소된다.

즉, 구동풀리측의 홈이 넓어져서 상기 V벨트가 걸리는 원주면이 축중심 방향으로 축소됨과 동시에, 종동풀리측의 홈이 좁아져서 상기 종동풀리측에서 V벨트가 걸리는 원주면은 구동풀리측에서 줄어든 길이만큼 확장된다.

이와 같은 원리를 이용하여 변속비는 무단(stepless)으로, 그리고 자동적인 제어로 이루어지도록 하였던 것이다.

그러나, 이러한 종래의 무단 변속장치 역시 다음과 같은 문제점을 내포하고 있다.

우선, 상기한 바와 같이 벨트를 이용한 동력전달 방법은 미끄러짐 현상을 완전히 배제할 수 없어 동력손실이 발생한다는 문제점이 있다. 즉, 상기한 바와 같은 벨트를 장시간 사용하게 되면 벨트 및 풀리의 마모에 기인한 슬립(slip)현상이 발생하며, 기름, 물, 먼지등 이물질이 상기 벨트와 풀리사이에 유입된 경우에도 슬립현상이 발생되어 동력전달 효율을 저하시키게 된다.

또한, 상기한 바와 같이, 구동측 및 종동측 풀리의 벨트접면(피치원)이 상호간에 정확하고 상반되게, 줄어들거나 또는 확대되어야 하는데, 이를 정확이 제어하기가 매우 어렵고, 벨트으 특성상, 큰 동력전달을 수행하는 변속장치에는 적용이 불가능하다는 제한이 있다.

참고적으로, 이러한 원리를 이용한 발명으로는 특허공고 제93-10897호(1993. 11.17)의 동시 변환식 연속 가변 변속기, 특허공고 제95-2991호(1995. 3. 29)의 무단 변속기 등 다수가 있다.

또한, 특허공고 제96-12241호(1996. 9. 18)의 가변피치식 무단변속장치는 피치원을 가변시키는 상기 도 1의 원리를 응용하되, 종전의 기술이 가지는 문제점을 개선하기 위해, 스프라켓과 체인에 의한 동력전달장치에서 스프라켓의 피치원 지름을 가변조절함과 동시에 체인을 지지하는 양측 체인축간의 거리가 조절되도록하여 무단변속 효과를 얻는 발명으로서, 벨트이용시의 슬립발생문제를 해결하는 데에는 기여하고 있다 하겠지만, 상기 스프라켓의 각 이(teeth)를 관통하도록 구비되어 체인을 지탱하는 피치조절 프레임과 체인가변로드를 요하는 등, 미세한 구조에 대한 정확한 조립을 전제로하고 있어 그 제작이 어려울 뿐만아니라, 큰 동력을 오랜동안 변속하는 장치에는 그 내구성의 한계상 적용이 부적절하며, 피치가변제어를 실현하기 위한 기구적인 제어가 매우 정교하고 복잡하게 이루어져야 하는 문제점을 여전히 내포하고 있다.

상기한 바와 같은 종래의 제반 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 구동축과 종동축 간의 동력전달이 기어의 치합에 의해 신뢰성있게 이루어지도록 함과 동시에, 양 축간의 변속비를 연속적으로(continuously) 미세하게 변화시킬 수 있도록 하는 무단(stepless) 변속 장치를 제공함에 그 목적을 두고 있다.

또한, 본 발명은, 차량엔진으로부터 동력을 전달받아 회전하는 구동축과 상기 구동축으로부터 동력을 전달받아 회전하는 종동축간의 동력전달이 기어의 치합에 의해 신뢰성있게 이루어지도록 함과 동시에, 상기 차량엔진의 상태 및 부하의 상태 등 시변환적으로 변환되는 환경에 적합하게 변속비를 일정범위내에서 연속적으로 미세하게 변화시키는 차량용 무단 변속 장치를 제공함에 그 목적을 두고 있다.

도 1a 및 도 1b는 종래의 무단 변속 장치의 작동원리를 설명하는 개략도.

도 2는 본 발명의 무단 변속 장치의 작동원리를 설명하는 개략도.

도 3은 본 발명에 따른 무단 변속 장치의 일실시예 구조를 나타낸 개략도.

도 4는 도 3의 단면도.

도 5a 내지 5c는 본 발명에 따른 무단 변속 장치의 변속동작을 설명하기 위한 개략도.

도 6a 및 6b는 본 발명의 무단 변속 장치를 차량에 적용한 일실시 예시도.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

100 : 콘트롤부200 : 무단변속부

300 : 전후진 및 증속부

1 : 토크 컨버터2 : 오일펌프

3 : 워엄기어4 : 일방향 클러치

5 : 스피트 콘트롤 모터6 : 워엄

7 : 밴드 브레이크8,9 : 브레이크 실린더

10 : 가버너11 : 주차록커

12 : 메뉴얼 밸브13 : 콘트롤러

15 : 솔레노이드 밸브20 : 링 기어

21,22 : 유성기어23 : 선 기어

24 : 캐리어

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 제1 동력을 이용하는 구동축의 회전력을 무단(stepless)으로 변속하면서 종동축에 전달하는 변속 장치에 있어서, 상기 구동축에 동축적으로 결합되어 있으며 상기 구동축의 회전에 따라 회전하는 선(sun) 기어; 상기 선 기어에 치합되게 설치되며, 상기 선 기어의 회전에 따라 회전되는 적어도 하나의 유성기어; 상기 적어도 하나의 유성기어에 외접되게 그 내측기어가 치합되며, 상기 유성기어로부터 동력을 전달받아 상기 종동축을 회전시키는 링(ring) 기어; 제2 동력을 이용하여, 상기 유성기어를 상기 선 기어 주위로 공전시키기 위한 수단; 및 상기 구동축이 정지된 상태일 때, 상기 유성기어를 상기 선 기어 주위로 공전시키기 위한 수단에는 더 이상 상기 제2 동력이 인가되지 않도록 동력전달을 단속하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 제1 동력을 이용하는 구동축의 회전력을 무단으로 변속하면서 종동축에 전달하는 변속 장치에 있어서, 상기 구동축에 동축적으로 결합되어 있으며 상기 구동축의 회전에 따라 회전하는 선(sun) 기어; 상기 선 기어의 피치원 상에 치합되게 설최되되 그 각각이 소정 간격을 유지하도록 지지되면서 다수가 배치되며, 상기 선기어의 회전에 따라 각각 회전되어 동력을 전달하는 다수의 유성기어들; 상기 다수의 유성기어들 각각 외접되게 그 내측기어가 치합되며, 상기 각 유성기어로부터 동력을 전달받아 상기 종동축을 회전시키는 링(ring) 기어; 제2 동력을 이용하여, 상기 다수의 유성기어들을 상기 선 기어를 중심으로 공전시키기 위한 수단: 및 상기 구동축의 회전이 정지된 상태일 때, 상기 다수의 유성기어들을 상기 선 기어를 중심으로 공전시키기 위한 수단에는 더 이상 상기 제2 동력이 인가되지 않도록 동력전달을 단속하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 다수의 유성기어들은, 3조 6개의 유성기어가 상기 선 기어를 중심으로 120도 각도 간격으로 배치되거나, 또는 4조 8개의 유성기어가 상기 선 기어를 중심으로 90도 각도 간격으로 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 다수의 유성기어들을 상기 선 기어를 중심으로 공전시키기 위한 수단은, 동축적으로 설치되는 상기 선 기어와 상기 링 기어 사이에 치합되어 동력전달을 매개하는 상기 다수의 유성기어들을 지지하기 위한 캐리어; 상기 선 기어에 동력을 전달하는 구동축이 그 내부를 관통하여 삽입설치도록 형성되되, 그 일측 끝단에 상기 캐리어가 일체로 결합된 중공축; 상기 중공축의 타측 끝단에 설치되며, 인가되는 회전력을 상기 중공축에 전달되도록 하여, 상기 캐리어가 상기 다수의 유성기어들을 선(sun) 기어주위로 공전시킬 수 있도록 하는 워엄기어; 및 상기 제2 동력을 받아 상기 워엄기어를 회전시키는 워엄(일명 피니언 기어라고도 함); 상기 중공축을 관통하도록 삽입되는 구동축 및 상기 중공축 간의 마찰력을 최소화하기 위한 베어링을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 동력전달을 단속하는 수단은, 상기 워엄기어와 상기 중공축 사이에 체결되는 일방향 클러치인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 차량엔진으로 부터 구동축에 인가되는 회전력을 소정범위내에서 무단(stepless)으로 변속하면서 종동축에 전달하는 차량용 변속 장치에 있어서, 상기 구동축에 동축적으로 결합되어 있으며 상기 구동축의 회전에 따라 일체로 회전하는 선(sun) 기어; 상기 선 기어의 피치원 상에 치합되게 설치되되, 그 각각이 소정 간격을 유지하도록 지지되면서 다수가 배치되며, 상기 선기어의 회전에 따라 각각 회전되어 동력을 전달하는 다수의 유성기어들; 상기 다수의 유성기어들 각각에 외접되게 그 내측기어가 치합되며, 상기 각 유성기어로부터 동력을 전달받아 상기 종동축을 회전시키는 링(ring) 기어; 소정의 DC 모터로 부터의 동력을 이용하여, 상기 다수의 유성기어들을 상기 선 기어를 중심으로 공전시키기 위한 수단; 및 상기 차량엔진출력 및 부하의 상태를 감안하여 상기 DC모터의 회전수를 콘트롤하는 수단을 포함하는 것을 특징을 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하며 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 무단 변속 장치의 작동원리를 쉽게 이해할 수 있도록 설명하기 위한 개략도이다.

본 발명의 무단 변속 장치의 원리를 보다 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위해서, 도면에 도시된 바와 같은 시스템을 상정할 수 있다.

W(도 3의 워엄 기어와 상응함)를 고정시키고 A(도 3의 선 기어와 상응함)를 구동시키면, S(도 3의 유성 기어와 상응함)가 회전되면서 C(도 3의 링 기어와 상응함)랙을 F 방향으로 이송시킨다. 그런데, 이송속도가 1분당 10m인 경우에 상기 W(워엄 기어)를 회전시켜 S(유성 기어)를 0방향으로 1분에 2m를 이동시키면, 상기 C(링 기어)랙의 이송거리는 8m가 된다.

즉, A(선 기어)의 회전수는 일정하더라도, S(유성 기어)가 회전하게 되면, 이송거리는 짧아지고 이송력은 증가한다. 다시 말해서, 출력축 회전수는 감소하고 회전력은 증가하는 변속이 이루어진다.

결과적으로, S(유성 기어)를 회전시키기 위한 W(워엄 기어)의 회전속도에 따라, 상기 C(링 기어)랙의 이송거리는 유연하게 증가 또는 감소되며, 이때 상기 W(워엄 기어)의 회전수에 이송거리는 반비례하고 이송력은 비례한다.

또한, 상기 W(워엄 기어)를 역방향으로 회전시키면 상기 C(링 기어)랙의 이송거리는 상기 W(워엄 기어)의 회전수에 비례하고 이송력은 그에 반비례하며, 상기 W(워엄 기어)를 구동시키기 위하여 더 큰 구동력을 요한다.

그리고, 상기 C(링 기어)랙을 F방향으로 이송시킬 때, 0방향으로 나가려는 힘이 발생되므로 아주 적은힘으로 큰 이송력을 증,감속시킬 수 있는 특징을 갖고 있다.

위와같은 원리를 이용하는 본 발명의 무단 변속 장치는, 주 동력원에 연결된 구동축의 선 기어(도 2의 A와 상응함)가 회전하면, 그에 치합된 유성기어(도 2의 S와 상응함)가 회전되면서, 상기 유성기어에 치합된 종동축의 링 기어(도 2의 C와 상응함)에 회전력이 전달되도록 한다. 이때, 상기 선 기어 및 링 기어의 기어수에 의해 고정된 1차 변속이 이루어진다는 것은 당해분야의 통상의 지식을 가진자에게 자명하다.

그런데, 상기 유성 기어가 상기 선 기어를 중심으로 하여 공전되도록 하기 위하여, 별도의 동력원으로부터 인가되는 동력을 이용하는 워엄 기어(도 2의 W와 상응함)에 의해 상기 유성기어가 0 방향으로 공전시키면, 그 공전 회전수에 비례하여 상기 종동축 링 기어의 회전수는 감소하고 회전력(torque)은 증가하면서 2차적인 유연한(continuous 또는 stepless) 변속이 이루어진다.

한편, 상기 워엄 기어의 회전수를 일정하게 고정시키고, 즉 상기 유성기어를 일정한 회전수로 공전시키면서, 상기 구동축의 선(sun) 기어 회전수를 증,감속시키면 그에 의해서도 또다시 3차적인 유연한 변속이 이루어진다.

결국, 본 발명의 변속 장치는 기어의 치차에 기인한 공지의 고정변속(1차) 이외에도, 신규한 연속적인(continuous) 변속이 2중으로 이루어지는 2중 변속(double Variable speed) 운동의 무단 변속 장치라 할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 무단변속기의 변속비를 선택함에 있어서는, 상기한 바와 같이, 우선 구동축의 선 기어, 중동축의 링 기어, 및 상기 두 기어 사이의 동력전달을 위해 매개되는 유성기어들 간의 기어 비에 따른 변속요인 이외에, 상기 유성기어의 공전속도와, 상기 선 기어의 회전속도가 고려되어야 한다.

특히, 차량 등과 같이 동력발생원(예컨대, 엔진, 전동 모터, 등등)에 의해 발생되는 동력(회전수)이 그때 그때 마다의 환경에 따라 시변환적으로 수시로 변동하는 경우, 즉 상기 선 기어의 회전속도가 수시로 변화하는 경우는, 위에서 언급한 변속비를 고려함에 있어서, 상기 선기어의 회전속도와 상기 유성기어의 공전속도 간의 비율변화도 고려되어야 한다.

도 3은 본 발명의 무단 변속 장치의 일실시예 구조를 나타낸 개략도이고, 도 4는 상기 도 3의 단면도이다.

도면에서, 3은 워엄 기어, 6은 워엄(또는 피니언 기어라고도 함)이며, 4는 일방향 클러치로서 상기 워엄 기어와 캐리어 축 사이에 장착된다.

그리고 21 및 22는 캐리어 끝단에 장착된 유성기어(S₁,S₂)이며, 23은 구동축 선 기어(A), 24는 캐리어를 각각 나타낸 것이다.

본 실시예에서 상기 유성기어들(21, 22)을 상기 선 기어(23)를 중심으로 공전시키기 위한 구조는, 도면에서 도시한 바와 같이, 동축적으로 설치되는 상기 선 기어(23)와 상기 링 기어(20) 사이에 치합되어 동력전달을 매개하는 상기 유성기어들을 지지하기 위한 캐리어(24)와, 상기 선 기어(23)에 동력을 전달하는 구동축이 그 내부를 관통하여 삽입설치되도록 형성되며 그 일측 끝단에는 상기 캐리어가 일체로 결합되는 중공축과, 상기 중공축의 타측 끝단에 설치되며 인가되는 회전력을 상기 중공축에 전달하여 상기 캐리어가 상기 유성기어들(21, 22)을 선(sun) 기어(23) 주위로 공전시킬 수 있도록 하는 워엄 기어(3)와, 상기 구동축의 동력원과는 별도로 콘트롤되는 DC 모터 등으로부터 동력을 전달받아 상기 워엄 기어를 회전시키는 워엄(일명 피니언 기어라고도 함)과, 상기 중공축을 관통하도록 삽입되는 구동축 및 상기 중공축 간의 마찰력을 최소화하기 위한 베어링(도시되지 않음)을 포함한다.

앞서 설명한 바와 같이, 상기 워엄 기어(3)는 캐리어 축의 끝단에 구비되어 상기 캐리어(24)가 상기 유성기어(21,22)를 선(sun) 기어 주위로 공전시킬 수 있도록 회전력을 제공하는데, 상기 일방향 클러치(4)는 상기 구동축의 회전이 정지된 동안에는 일시적으로 상기 워엄 기어(3)가 무부하 상태로 가볍게 회전할 수 있도록 한다. 본 실시예에서 상기 선 기어(23), 유성기어(21, 22) 및 상기 링 기어(24)를 각각 헬리컬 기어로 구성하였는데, 다른 기어로 대체할 수 있음은 이 기술의 통상의 지식을 가진자에게 자명한다.

그리고, 중동축에 결합된 링 기어(20)는 구동축 선 기어(23)가 회전될 때, 유성기어(21, 22) (S₁, S₂)를 통하여 회전력을 전달받아 회전된다. 이때, (링 기어 피치수) / (선 기어 피치수)에 의하여 고정되는 감속비에 따라 1차 감속이 이루어진다.

그러나, 캐리어 축 끝단에 결합된 워엄 기어(3)를 화살표 방향으로 회전시키면 상기 캐리어가 회전하면서 상기 유성기어(21, 22)를 공전운동(orbital motion)시키게 되며, 그에 의해 무단의 변속(Variable speed)이 발생된다. 이때 발생되는 변속비는 상기 유성기어의 공전수(즉, 워엄 기어(3) 회전수임)에 반비례하며, 이로써 유연한 상기 2차 변속이 이루어진다.

그리고, 상기 워엄 기어(3)를 일정한 회전수로 회전시킴과 동시에 상기 선 기어(23)의 회전수를 변화시켜 보면, 상기 선 기어(23)의 회전속도 변화에 따라 또다른 변속이 이루어지며, 이때의 변속비는 상기 선 기어 회전수에 비례하게 되는데, 상기 유연한 상기 3차 변속은 바로 이를 의미하는 것이다.

즉, 위에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 특징은 상기 유성기어 공전에 의한 유연한 변속 뿐만아니라, 상기 선 기어 회전수의 변화에 의한 유연한 변속운동을 함께할 수 있도록 제공하므로써, 동력발생원 및 부하의 상태 등의 환경에 따라 용이하게 무단 변속을 가능하게 한다.

특히, 상기한 실시예에서와 같은 무단 변속시, 워엄 기어(3)를 회전시키기 위한 별도의 동력이 필요하지만, 선 기어(23)의 회전력을 상기 유성기어(21, 22)가 링 기어(20)에 전달하는 과정에서 0 방향으로 회전하려는 관성력이 발생된다.

따라서, 상기 실시예에서는 이러한 관성력을 이용하여 작은 동력원으로도 상기 워엄 기어(3)를 회전시킴으로써, 작은 동력원으로 큰동력의 변속을 유연하게 수행할 수 있도록 한다. 예로서, 본 발명의 바람직한 일실시예에서는, 150 마력(HP)의 구동력을 변속시키기 위해 상기한 바와 같은 워엄기어를 구동시키는 데에 있어서, 고작 대략 180W 정도의 모터 회전력으로도 충분히 구동시킬 수 있었다.

도 5a 내지 5c는 본 발명에 따른 상기 도 3의 실시예에서와 동일한 구조를 갖는 무단 변속 장치의 작동상태를 이해하기 쉽게 설명하기 위한 예시도이다. 이하에서 각각에 대한 예를 상세히 설명하기로 한다.

우선, 도 5a를 참조하면, 이는 상기 본 발명 장치에서 고정된 1차 변속이 이루어지는 내용을 알기 쉽게 설명하기 위한 것으로서, 상기 선 기어(23)의 기어 이(gear teeth) 수는 33개, 상기 유성기어(22)는 19개, 상기 유성기어(21)는 16개, 상기 링 기어(20)는 81개인 것으로 가정한다.

이 경우에, 캐리어 축은 회전되지 않도록 고정시켜 놓은 상태에서, 상기 선 기어(23)를 1분당 약 1회전 시키게 되면, 상기 링 기어(20)는 도면에 표시된 바와 같이 1분에 약 0.484회전을 하게 된다.

다음으로, 도 5b를 참조하면, 이는 상기 본 발명 장치에서 2차 변속(무단변속임)이 이루어지는 내용을 알기 쉽게 설명하기 위한 것으로서, 상기 각 기어의 기어 이(gear teeth) 수 등은 상기 도5a의 경우와 동일하다고 가정한다. 그리고 이 경우에, 상기 캐리어 축을 1분당 약 0.25회전시키면서 상기 선 기어(23)를 도 5a의 경우와 동일하게 1분당 약 1회전 시킬 때, 상기 링 기어(20)의 회전은 도면에 표시된 바와 같이 1분에 약 0.113회전밖에 이루어지지 않는다. 즉, 도 5a의 경우와 비교할 때 상당한 감속이 이루어졌음을 쉽게 알 수 있다.

또한, 도 5c를 참조하면, 이는 본 발명 장치에서 3차 변속(역시 무단변속임)이 이루어지는 내용을 알기 쉽게 설명하기 위한 것이다. 이 경우에도 상기 각 기어의 기어 이(gear teeth) 수 등은 상기 도 5a 및 도 5b와 동일하다고 가정한다. 단지 여기에서는, 상기 캐리어 축을 1분당 0.25회전시키면서, 상기 선 기어(23)를 도 5a의 경우(1분당 1회전)보다 2배속(1분당 2회전)으로 회전시킨다. 그러면, 상기 링 기어(20)는 도면에 표시된 바와 같이 1분에 0.597회전을 한다.

이를 도 5a 및 도 5b의 경우와 비교할 때 특이한 점은, 입력조건의 변화와 동일비율로 그 결과가 배속된 것이 아니라는 점이다. 즉, 상기 도 5c 경우의 결과는, 상기 도 5a 경우의 결과에 대한 배속(0.484 ⅹ 2 = 0.968회전)과도 상응하지 않고, 또한 상기 도 5b 경우의 결과에 대한 배속(0.113 ⅹ 2 = 0.226회전)과도 상응하지 않는다.

결국, 이와같은 현상만 보더라도 본 발명의 무단 변속 장치에는 틀림없이 상기 1차 변속(고정된 변속임) 및 2차변속(무단변속임) 요인 이외에도 또 다른 변속요인(이를 3차 변속이라 칭한 것임)이 개입되어 있음을 쉽게 알 수 있다. 또한, 그러한 증거는 도 5a, 도 5b 및 도 5c의 관계를 종합적으로 대비해 볼 때 더욱 명확해 진다. 즉, 상기 도 5a와 도 5b 간의 관계, 도 5a와 도 5c 간의 관계, 및 도 5b와 도5c 간의 관계를 상호 대비해 볼때, 본 발명의 무단 변속 장치에서는 상기 1차 및 2차 변속이외에도 3차 변속이 이루어짐을 쉽게 알 수 있다.

상기한 바와 같이, 선 기어(23; A)의 기어 이(gear teeth) 수가 33개, 유성기어(22; S1)는 19개, 유성기어(21; S2)는 16개, 링 기어(20; C)는 81개인 경우에, 상기 3차 변속비를 확인하기 위해 상기 워엄기어(또는 캐리어; W)의 회전속도를 100(rpm)으로 고정시켜 놓고 다음과 같이 구할 수 있다. (수식에서 nA는 선 기어 회전수(rpm), nW는 워엄기어 회전수(rpm), nC는 링 기어 회전수(rpm)를 나타낸다.)

위 수식 (1) 및 (2)를 이용하여 산출한 변속비가 아래의 [표 1]에 예시되어 있다.

[표 1]

결과적으로, 본 발명에는(상기 도 5b 및 도 5c의 경우 참조) 그 환경에 따라 원하는 바 대로 상기 캐리어축을 구동하는 작은 동력발생원과 상기 선 기어를 구동시키는 큰 동력발생원을 각각 전자적으로 유연하게 콘트롤할 수 있음이 자명하므로, 그에 따라 상기 본 발명의 장치에서 이루어지는 변속 결과도 결국 연속적으로 유연하게 이루어질 수 있는 것임은 명백한 것이다.

또한, 전술한 실시예는 3조 6개의 유성기어가 선 기어를 중심으로 120도 각도 간격으로 배치되어 있는데, 이는 단순히 상기 선 기어의 회전방향과 상기 링 기어의 회전방향을 일치시키기 위한 것이고 상기 각도 간격도 임의로 정한 것이어서 필요에 따라 얼마든지 변결할 수 있다.

만일 상기 유성기어를 한조에 하나씩 조, 3조 3개의 유성기어를 사용하거나 또는 3조 9개의 유성기어를 사용하는 경우는 상기 선 기어의 회전방향과 상기 링 기어의 회전방향이 서로 반대일 것이라는 점과, 경우에 따라서는 상기 유성기어의 배열을 2조, 4조, 5조, 등등 해당 변속장치의 조건에 따라 적절하게 변화시킬 수 있으며 그 배열간격도 해당 변속 장치의 구조적인 특징에 따라 적절히 선택할 수 있음은 본 발명 분야의 통상의 지식을 가진자에게 자명하다.

도 6a는 본 발명의 무단 변속 장치를 차량에 적용한 일실시예 개략도이고, 도 6b는 상기 도 6a의 A-A'선 단면 예시도이다.

도면에서 100은 콘트롤부, 200은 무단변속부, 300은 전후진 및 증속부를 각각 나타낸 것이고, 1은 토크 컨버터, 2는 오일펌프, 3은 워엄기어, 4는 일방향 클러치, 5는 스피드 콘트롤 모터, 6은 워엄, 7은 밴드 브레이크, 8 및 9는 브레이크 실린더, 10은 가버너, 11은 주차록커, 12는 매뉴얼 밸브, 13은 콘트롤러, 15는 솔레노이드 밸브, 20은 링 기어, 21 및 22는 유성기어, 23은 선 기어, 24는 캐리어, 25는 링 기어, 26 및 27은 유성기어, 28 및 29는 선 기어, 30은 캐리어이다.

본 실시예에서 상기 스피트 콘트롤 모터(5)는 DC 180W의 모터를 사용하고, 상기 워엄(6) 및 워엄기어(3)는 그 회전수 비가 대략 5:1 정도가 되도록 비틀림각이 형성된 것을 사용한 것이다.

이와같은 차량의 경우, 상기 무단 변속의 범위는 차종에 따라 그 범위를 달리 정하여 구현할 수 있는데, 예컨대, 승용차의 경우는 상기 전후진 및 증속부를 통해 최종 출력되는 변속 범위를 대략 1/5.0에서 1/0.7사이가 되도록 함이 바람직하다.

상기 무단변속부(200)의 선 기어(23)의 기어 이(gear teeth) 수가 33개, 유성기어(22)는 19개, 유성기어(21)는 16개, 링 기어(20)는 81개이고, 상기 전후진 및 증속부(300)의 선 기어(28)의 기어 이(gear teeth) 수가 31개, 유성기어(26)는 19개, 유성기어(27)는 16개, 링 기어(25)는 79개인 경우의 변속비가 아래의 [표 2]에 예시되어 있다.

[표 2]

상기한 바와 같이, 본 발명의 자동 변속 장치를 이용하는 경우는, 주행중 수시로 변화하는 입력신호들을 콘트롤부(100)에서 입력받아 내장된 제어 소프트웨어를 이용하여 최적 변속비를 산출하고 상기 무단변속부(200)의 스피드 콘트롤 모터(5)의 분당 회전수를 제어하여, 동력전달장치로서의 최적효율을 달성할 수 있게 한다.

즉, 저속 출발에서 고속주행까지 도로조건 등의 운행조건과 엔진출력에 대한 최적의 변속비를 제공하여, 기존의 경우에 비해서 대략 15 내지 25% 내외의 연료절감과 아울러 대략 5 내지 7%의 엔진출력을 향상시킬 수 있게 한다.

또한, 전술한 본 발명의 무단 변속 장치를 이용하는 경우는 동력발생원의 출력을 제어하는 것에 의해, 주어진 환경에 적합한 변속비를 용이하게 구현할 수 있고, 상기 동력발생원의 출력제어는 공지의 전자적인 제어방법으로 충분히 제어가능하다. 그러므로, 예견가능한, 모든 환경변화에 대처할 수 있는 변속 제어 알고리즘 및 데이터를 미리 프로그램화하여 소정의 제어장치가 이용할 수 있도록 하는 방법으로, 상기 전자적인 제어를 자동화할 수도 있다.

본 발명에 따른 무단 변속 장치의 또다른 특징은 차량 등의 제작회사에 관계없이 범용적으로 모두 적용가능하다는 점이다.

현재의 자동차 산업의 경우를 예로들면, 각 제작회사마다 엔진특성 및 설게 등의 기인하는 문제 때문에, 변속장치의 각 단(1, 2, 3, 4, 및 5단) 감속비가 각기 달라 호환성이 없었다.

따라서, 현재까지는 각 제작사별로 변속 장치들을 별도로 설계하여 제작하였는데, 본 발명에 따르면, 각종차량에 장착된 공지의 콘트롤장치의 제어신호만을 필요에 따라 변경함으로써 어느 제작회사의 차종에도 용이하게 적용할 수 있게 된다.

전술한 본 발명은, 주 동력원에 의해 발생된 동력을 상황에 따라 변속시키는 것이 요구되는 모든 기기에 적용할 수 있는 것으로서, 앞에서 예시한 차량의 변속 장치 이외에도, 중장비, 기관차, 선박, 항공기 등에 모두 적용가능하다.

본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면은 그것으로 권리범위를 한정하기 위해 제시된 것이 아니라 단지 본 발명의 기술요지를 보다 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위해 제시된 것이며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백하므로, 그러한 여러가지 치환물, 변형물 및 변경물도 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 변속을 위한 가속이 필요없고, 언제나 엔진출력과, 도로상태등의 운행조건에 따른 부하의 상태, 등을 고려한 최적의 변속비를 무단(stepless)으로 제공할 수 있고, 불필요한 에너지 소모를 방지할 뿐만 아니라, 동력전달의 신뢰성을 현저히 제고시키면서도 간단한 구조로 이루어져 있어 제작비용을 최소화하는 매우 우수한 효과를 갖는다.

Claims (13)

1. 제1 동력을 이용하는 구동축의 회전력을 무단(stepless)으로 변속하면서 종동축에 전달하는 변속 장치에 있어서,

   상기 구동축에 동축적으로 결합되어 있으며 상기 구동축의 회전에 따라 회전하는 선(sun) 기어;

   상기 선 기어에 치합되게 설치되며, 상기 선 기어의 회전에 따라 회전되는 적어도 하나의 유성기어;

   상기 적어도 하나의 유성기어들 외접되게 그 내측기어가 치합되며, 상기 유성기어로부터 동력을 전달받아 상기 종동축을 회전시키는 링(ring) 기어; 및

   제2 동력을 이용하여, 상기 유성기어를 상기 선 기어 주위로 공전시키기 위한 수단을 포함하는 무단 변속 장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 구동축이 정지된 상태일 때, 상기 유성기어를 상기 선 기어 주위로 공전시키기 위한 수단에는 더 이상 제2 동력이 인가되지 않도록 동력전달을 단속하는 수단을 더 포함하는 무단 변속 장치.
3. 청구항 1 또는 2에 있어서,

   상기 선 기어 주위로 공전시키기 위한 수단은,

   동축적으로 설치되는 상기 선 기어와 상기 링 기어 사이에 치합되어 동력전달을 매개하는 상기 적어도 하나의 유성기어들을 지지하기 위한 캐리어;

   상기 선 기어에 동력을 전달하는 구동축이 그 내부를 관통하여 삽입설치되도록 형성되되, 그 일측 끝단에는 상기 캐리어가 일체로 결합되는 중공축;

   상기 중공축의 타측 끝단에 설치되며 인가되는 회전력을 상기 중공축에 전달되도록하여, 상기 캐리어가 상기 유성기어를 선(sun) 기어 주위로 공전시킬 수 있도록 하는 워엄기어;

   상기 제2 동력을 받아 상기 워엄 기어를 회전시키는 워엄

   을 포함하는 것을 특징으로 하는 무단 변속 장치.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 동력전달을 단속하는 수단은,

   상기 워엄기어와 상기 중공축 사이에 체결되는 일방향 클러치인 것을 특징으로 하는 무단 변속 장치.
5. 청구항 3에 있어서,

   상기 중공축을 관통하도록 삽입되는 구동축 및 상기 중공축 간의 마찰력을 최소화하기 위한 베어링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무단 변속 장치.
6. 제1 동력을 이용하는 구동축의 회전력을 무단(stepless)으로 변속하면서 종동축에 전달하는 변속 장치에 있어서,

   상기 구동축에 동축적으로 결합되어 있으며 상기 구동축의 회전에 따라 일체로 회전하는 선(sun) 기어;

   상기 선 기어의 피치원 상에 치합되게 설치되되, 그 각각의 소정 간격을 유지하도록 지지되면서 다수가 배치되며, 상기 선 기어의 회전에 따라 각각 회전되어 동력을 전달하는 다수의 유성기어들;

   상기 다수의 유성기어들 각각에 외접되게 그 내측기어가 치합되며, 상기 각 유성기어로부터 동력을 전달받아 상기 종동축을 회전시키는 링(ring) 기어; 및

   제2 동력을 이용하여, 상기 다수의 유성기어들을 상기 선 기어 주위를 중심으로 공전시키기 위한 수단을 포함하는 무단 변속 장치.
7. 청구항 6에 있어서,

   상기 구동축이 정지된 상태일 때, 상기 다수의 유성기어들을 상기 선 기어를 중심으로 공전시키기 위한 수단에는 더 이상 상기 제2 동력이 인가되지 않도록 동력전달을 단속하는 수단을 더 포함하는 무단 변속 장치.
8. 청구항 6 또는 7에 있어서,

   상기 다수의 유성기어들은

   3조 6개의 유성기어가 상기 선 기어를 중심으로 120도 각도 간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 무단 변속 장치.
9. 청구항 6 또는 7에 있어서,

   상기 다수의 유성기어들은

   4조 8개의 유성기어가 상기 선 기어를 중심으로 90도 각도 간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 무단 변속 장치.
10. 청구항 6 또는 7에 있어서,

    상기 다수의 유성기어들을 상기 선 기어를 중심으로 공전시키기 위한 수단은,

    동축적으로 설치되는 상기 선 기어와 상기 링 기어 사이에 치합되어 동력전달을 매개하는 상기 적어도 하나의 유성기어들을 지지하기 위한 캐리어;

    상기 선 기어에 동력을 전달하는 구동축이 그 내부를 관통하여 삽입설치되도록 형성되되, 그 일측 끝단에는 상기 캐리어가 일체로 결합되는 중공축;

    상기 중공축의 타측 끝단에 설치되며 인가되는 회전력을 상기 중공축에 전달되도록하여, 상기 캐리어가 상기 다수의 유성기어들을 선(sun) 기어 주위로 공전시킬 수 있도록 하는 워엄기어; 및

    상기 제2 동력을 받아 상기 워엄 기어를 회전시키는 워엄

    을 포함하는 것을 특징으로 하는 무단 변속 장치.
11. 청구항 10에 있어서,

    상기 동력전달을 단속하는 수단은,

    상기 워엄기어와 상기 중공축 사이에 체결되는 일방향 클러치인 것을 특징으로 하는 무단 변속 장치.
12. 청구항 10에 있어서,

    상기 중공축을 관통하도록 삽입되는 구동축 및 상기 중공축 간의 마찰력을 최소화하기 위한 베어링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무단 변속 장치.
13. 차량엔진으로부터 구동축에 인가되는 회전력을 소정범위내에서 무단(stepless)으로 변속하면서 종동축에 전달하는 차량용 변속 장치에 있어서,

    상기 구동축에 동축적으로 결합되어 있으며 상기 구동축의 회전에 따라 일체로 회전하는 선(sun) 기어;

    상기 선 기어의 피치원 상에 치합되게 설치되되, 그 각각이 소정 간격을 유지하도록 지지되면서 다수가 배치되며, 상기 선기어의 회전에 따라 각각 회전되어 동력을 전달하는 다수의 유성기어들;

    상기 다수의 유성기어들 각각에 외접되게 그 내측기어가 치합되며, 상기 각 유성기어로부터 동력을 전달받아 상기 종동축을 회전시키는 링(ring) 기어;

    소정의 DC 모터로 부터의 동력을 이용하여, 상기 다수의 유성기어들을 상기 선 기어를 중심으로 공전시키기 위한 수단; 및

    상기 차량엔진출력 및 부하의 상태를 감안하여 상기 DC모터의 회전수를 콘트롤하는 수단을 포함하는 차량용 무단 변속 장치.