KR20080003165A - 유성 기어식 변속기와 그것을 이용한 차량 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유성 기어식 변속기에 관한 것으로서, 단일 유성 기어열을 2개 조합하여, 한쪽의 캐리어와 다른 한쪽의 링 기어를 각각 일체화시키고, 입력측과 출력측으로 나누어 작동하는 상기 두 캐리어가 협조하여 변속기의 하우징을 이루며, 고정된 중심축에 회전 가능하게 설치된 각각의 태양기어를 상기 중심축과 결합하거나 분리하고, 상기 두 태양기어를 일체화시키거나 분리하는 것을 제어하여 변속한다.

본 발명에 의하면 캐리어가 변속기의 하우징을 겸하여 작고 가벼우며, 중심축이 차체에 착탈이 가능하고, 클러치를 사용하지 않으면서도 가속과 감속 및 등속 구동이 원활하게 변속 되는 유성 기어식 변속기를 제공한다.

유성기어, 변속기, 휠체어

Description

유성 기어식 변속기와 그것을 이용한 차량{Planetary Gear Transmission and Vehicle using same}

도 1은 본 발명에 따른 3단 유성 기어식 변속기의 일 실시예를 적용한 휠체어 바퀴의 장착 상태를 도시한 사시도

a) 외측에서 본 사시도 b) 내측에서 본 사시도

도 2는 도 1의 3단 유성 기어식 변속기의 각부 요소들을 분해하여 배열한 분해 사시도

도 3은 도 1의 3단 유성 기어식 변속기의 가속상태를 도시한 부분 단면도.

도 4는 도 3의 A - A 선을 따르는 단면도

도 5는 도 1의 3단 유성 기어식 변속기의 변속 없는 등속상태를 도시한 부분 단면도.

도 6은 도 5의 B - B 선을 따르는 단면도

도 7는 도 1의 3단 유성 기어식 변속기의 감속상태를 도시한 부분 단면도.

도 8은 도 7의 C - C 선을 따르는 단면도

도 9는 본 발명에 따른 변속기의 일 실시예의 중심축 사시도

도 10은 본 발명에 따른 변속기의 일 실시예의 변속축 사시도

도 11은 본 발명에 따른 변속기의 일 실시예의 홈캠 회전부재 사시도

도 12는 본 발명에 따른 변속기의 일 실시예의 변속키 사시도

도 13은 본 발명에 따른 변속기의 일 실시예의 제1홈캠 사시도

도 14는 본 발명에 따른 변속기의 일 실시예의 제2홈캠 사시도

도 15는 본 발명에 따른 변속기의 일 실시예의 태양기어 사시도

도 16은 본 발명에 따른 변속기의 일 실시예의 입력 캐리어 내접기어 홀더 사시도

도 17은 본 발명에 따른 변속기의 일 실시예의 바퀴 중심축 받침대 사시도

1: 중심축 2: 변속축

3: 홈캠회전부재 4: 홈캠 회전방향 고정부재

5: 변속키 6: 제1홈캠

7: 제2홈캠 8: 가속 태양기어

9: 감속 태양기어 10: 가속 유성기어

11: 감속 유성기어 12: 가속 내접기어

13: 감속 내접기어 14: 입력 캐리어

15: 입력 캐리어 내접기어 홀더 16: 입력 캐리어 푸쉬림 홀더

17: 출력 캐리어(바퀴 중심) 18: 바퀴

19: 가속 유성기어 축 20: 감속 유성기어 축

8z, 9z, 10z, 11z, 14z, 17z: 베어링 21: 키

24: 용수철 25: 변속축 결합링

26, 6a, 7a: 구 27: 바퀴 중심축 밭침대

28: 중심축 고정부재 29: 디스크 허브

30: 변속줄잡이 31: 변속 줄 고정판

32: 변속 줄 고정 나사 33: 변속 줄 안내판

35: 감속 변속 줄 36: 가속 변속 줄

100: 휠체어(차체) 110: 켈리퍼 브레이크

111: 디스크 허브 112: 디스크

본 발명은 유성기어 변속기에 관한 것으로서, 특히 단일 유성 기어열을 2개 조합하여, 캐리어가 변속기의 하우징을 겸하여 작고 가벼우며, 중심축이 차체에 착탈이 가능하고, 클러치를 사용하지 않으면서도 가속과 감속 및 등속 변속이 원활한 유성기어 변속기에 관한 것이다.

일반적으로 변속기는 회전축의 회전속도를 변속시키기 위한 장치로서, 벨트, 마찰차, 기어 등을 이용해 회전축의 변속을 이루고 있는데, 이 중 기어를 이용한 변속기의 경우 스퍼어기어, 헬리컬기어, 치차열 등을 이용한 외접기어 변속과, 한 개의 기어가 다른 기어의 안에서 연동되는 내접기어와, 태양기어 외주면에 피니언기어가 연접되어 연동되는 유성기어 변속이 주로 사용되게 된다.

특히, 외접기어인 스퍼어기어 및 헬리컬기어와, 차차열을 이용해 구성한 변속기의 경우, 회전축 변속을 위한 기어간의 치합시 기어의 잇빨과 잇빨간의 충돌에 따른 충격력이 각 기어의 잇빨에 작용됨과 함께, 기어간의 치합에 따른 회전시 기어 잇빨에 하중이 집중되면서 기어 잇빨이 마모되거나 파손되게 되는 문제점이 있으며, 특히 기어 간의 치합시 외주면에 형성된 전체 잇수에 비해 일부분만 치합이 이루어지기 때문에, 이에 따른 기어 간의 치합이 원활하지 않아 이로 인한 소음 및 진동이 발생하게 되는 문제점도 있다.

또한, 내접기어를 이용해 구성한 유성 기어식 변속기의 경우에는 다른 원리의 기어열에 비해 기어 간의 치합시 기어 잇빨에 작용하였던 충격력이나 집중하중이 비교적 작게 작용되고, 많은 잇수가 치합되어 소음 및 진동이 작으며, 그 체적이 작고 입출력이 동심이며 동력전달효율이 높기 때문에 소형 경량화가 요구되는 항공기, 자동차, 사무기기, 공작기계 등의 분야에 많이 사용되고 있다.

따라서 유성 기어식 변속기의 한 적용 분야로서 휠체어가 적합하다.

휠체어는 팔의 힘으로 좌우 바퀴를 구동 조작하기 위해서 상당한 체력을 필요로 한다. 통상은 구동 바퀴와 원형 푸쉬림이 고정되어 있고 그 푸쉬림은 반경이 바퀴보다 작게 구성되어 있으므로, 바퀴에 필요하게 되는 출력 모멘트보다 푸쉬림에 거는 모멘트를 보다 크게 해야 하므로, 정상인에 있어서는 아무것도 아닌 작은 경사의 비탈길에서도 휠체어는 자력으로 오를 수 없는 경우가 많다. 따라서, 약한 힘으로도 비탈길을 오를 수 있도록 바퀴와 푸쉬림의 회전비를 바꾸고, 힘의 부하를 경감시킨 각종의 변속 장치가 제안되고 있다.

종래의 변속 가능한 수동 휠체어는, 푸쉬 림으로부터 차바퀴에의 회전 구동은 특정의 감속비에 고정되고 있는 것, 혹은 예를 들면 미국 특허 5362081와 일본 특개 2000－316914과 같이, 다단 변속이 가능한 것이 제안되어 있지만, 변속하는 것과 구동력을 차바퀴에 전달하는 것의 양립이 어려워 노면이나 주행의 조건에 따라 자유롭게 변속할 수 없기 때문에, 휠체어 조작자의 부담을 경감하는데 만족한 것은 아니다. 또 변속 장치 자체가 복잡하고 무거워서 고가이며, 작동 소음도 커서, 생활 용품 등의 용도로 개선이 바람직하다.

본 발명은, 상기 문제점을 개선하고자 하는 것으로서,

본 발명의 목적은 회전 중에 쉽고 빠르게 변속되며, 구조가 단순하고, 두께가 얇고 가벼운 염가의, 휠체어에 사용 가능한, 변속기를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 생활 용품으로서 요구되고 있는, 작동 소음이 작고 쾌적하게 사용할 수 있는 범용 변속기를 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위해서 본 발명은 단일 유성 기어열을 2개 조합하여, 한쪽의 캐리어와 다른 한쪽의 링 기어를 각각 일체화시키고, 입력측과 출력측으로 나누어 작동하는 상기 두 캐리어가 협조하여 변속기의 하우징을 이루며, 고정된 중심축에 회전 가능하게 설치된 각각의 태양기어를 상기 중심축과 결합하거나 분리하고, 상기 두 태양기어를 일체화시키거나 분리하는 것을 제어하여 변속하는 것으로 과제를 해결한다.

이와 같은 구성으로 상기 한쪽 태양기어가 상기 중심축과 상대 회전하지 않게 결합하는 가속모드와; 상기 두 태양기어가 일체화되어 상기 중심축에 대해 자유 회전하는 직결모드와; 상기 다른 쪽 태양기어가 상기 중심축과 상대 회전하지 않게 결합하는 감속모드와; 상기 두 태양기어가 일체화되어 상기 중심축과 상대 회전하지 않게 결합하는 정지모드;를 선택할 수 있다.

특히 바람직하게는 상기 중심축에 축방향으로 고정되어 회전 가능하게 지지가 되고 외주면에 홈캠을 위한 제1홈 및 제2홈이 형성된 회전캠과; 상기 회전캠의 제1홈을 따라 축방향으로 이동하여 상기 어느 한 태양기어를 중심축과 상대 회전하지 않게 결합시키거나 자유 회전하게 허용하는 제1홈캠과; 상기 회전캠의 제2홈을 따라 축방향으로 이동하여 상기 두 태양기어가 상대회전하지 않게 결합하고 중심축에 대해 자유 회전하게 안내하는 제2홈캠;으로 구성하고, 회전캠의 회전방향 위치를 제어함으로써 두 태양기어의 회전과 결합이 제어되고,

상기 각각의 태양기어는 내주면 일부와 두 태양기어가 마주하는 측면에 요철부을 갖고, 상기 제1홈캠 및 제2홈캠은 중심축에 대해 회전하지 않게 지지가 되며, 상기 제1홈캠은 외주면에 상기 두 태양기어의 내주면 요철부와 치합하는 요철부가 형성되어 상기 회전캠의 회전에 의해 상기 어느 한쪽의 태양기어와 치합하거나 상기 두 태양기어와 치합하지 않는 위치로 이동하고, 상기 제2홈캠은 상기 제1홈캠이 상기 두 태양기어와 치합하지 않는 위치에서 상기 두 태양기어의 측면 요철부가 서로 치합하게 축방향으로 가압하는 것으로 상기 두 태양기어를 일체화시키거나 분리하는 것을 제어하여 그에 따라 변속 되는 것이다.

상기 구성에 더해서 상기 회전캠은 상기 중심축을 축 방향으로 관통하는 변속축에 의해 회전이 제어되는 것이 바람직하다.

상기 구성에 더해서 상기 변속축은, 상기 중심축을 관통하여 돌출되고, 변 속 손잡이를 줄 또는 링크 기구, 혹은 유사한 편성에 의해 돌출된 상기 변속축과 결합하고, 상기 변속 손잡이를 요동하는 것으로 회전방향 위치를 제어하여 변속하는 것이 바람직하다.

상기 구성에 더해서 상기 변속 손잡이는 하나 이상의 상기 유성 기어식 변속기와 줄 또는 링크 기구, 혹은 유사한 편성에 의해 결합하고, 상기 1개의 변속 손잡이에 의해 연결된 변속기가 동시에 변속되는 것이 바람직하다.

상기 구성에 더해서 상기 변속 손잡이는 액추에이터와 결합하고, 구동부에 가해지는 토크를 검출하는 센서와; 상기 센서의 데이터에 따라 판단하고 상기 액추에이터를 제어하는 제어기를 구비하여 자동으로 변속되는 것이 바람직하다.

특히 상기 구성에 더해서 상기 중심축은 차량의 차체에 신속하게 분리 및 장착할 수 있게 구성되고, 장착 시 차체에 대해 회전하지 않게 설치되는 것이 바람직하다

또한 상기 구성에 더해서 상기 변속기는 차량의 바퀴 중심에 위치하여, 한쪽 캐리어는 구동부와 결합하고, 다른 쪽 캐리어는 바퀴와 결합하는 것이 바람직하다.

또한 휠체어와 같은 차량에 대해서는 단일 유성 기어열을 2개 조합시켜, 한쪽의 캐리어와 다른 한쪽의 링 기어를 일체화시키고, 각각 입력측과 출력측으로 작동하는 두 캐리어가 협조하여 변속기의 하우징을 이루며, 고정된 중심축에 회전 가능하게 설치된 각각의 태양기어를 중심축과 결합하거나 분리하고, 두 태양기어를 일체화시키거나 분리하는 것을 제어하여 변속하는 유성기어 변속기를 바퀴의 중심에 설치하고, 한쪽 캐리어는 구동부와 결합하고, 다른 쪽 캐리어는 바퀴와 결합한 바퀴를 장착하여 본 과제를 해결한다.

상기 구성에 더해서 상기 바퀴는 상기 중심축을 포함하여 상기 차량의 차체에서 신속하게 탈착되는 것이 바람직하다.

상기 구성에 더해서 상기 중심축을 축 방향으로 관통하는 변속축에 의해 변속이 제어되는 것이 바람직하다.

상기 구성에 더해서 상기 각 바퀴의 상기 변속축은 상기 중심축을 관통하여 차체에 돌출되고, 변속 손잡이를 줄 또는 링크 기구, 혹은 이러한 편성에 의해 변속축과 결합하고, 하나의 변속 손잡이를 요동하는 것으로 두 개 이상의 차량용 바퀴가 동시에 변속 되는 것이 바람직하다.

상기 구성에 더해서 상기 구동부는 인력으로 구동되는 휠체어의 푸쉬림인 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 실시 형태를 도면에 따라서 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 3단 유성 기어식 변속기의 일 실시예를 적용한 휠체어 바퀴의 장착 상태를 도시한 사시도이다. 도 2는 도 1의 3단 유성 기어식 변속기의 각부 요소들을 분해하여 배열한 분해 사시도이다.

본 발명에 따른 실시예의 유성기어 변속기는 두 개의 유성기어 열로 구성된다. 유성기어 열은 태양기어가 고정요소로 작동할 때에 내접기어가 입력측이면 캐리어는 출력측으로 작동하고 감속되는데 이때의 내접기어를 감속 내접기어라 부르기로 한다. 반대로 캐리어가 입력측이면 내접기어는 출력측으로 작동하고 가속되는 데 이때의 내접기어를 가속 내접기어로 부르기로 한다. 가속 태양기어와 가속 유성기어 및 가속 내접기어가 치합하고, 감속 태양기어와 감속 유성기어 및 감속 내접기어가 치합하며 각각의 유성기어 열은 각각 독립되어 있어 기어의 모듈과 변속비 및 크기가 서로 다르게 구성할 수 있다.

휠체어 바퀴의 중심 역할을 하는 출력 캐리어(17)는 중심축(1)에 회전 가능하게 베어링(17z)으로 지지가 되고 반경 방향으로 확장하여 변속기의 한쪽 측벽을 제공한다. 이 측벽에는 감속기어 열의 기어 축(20)이 4개 장착되어 4개의 감속기어 열의 유성기어(11)를 지지한다. 또한 출력 캐리어(17)는 감속 유성기어와 치합하는 감속 내접기어(13)를 접촉하지 않게 감싸고 돌아 축 방향으로 돌출하여 가속 내접기어(12)와 결합한다. 또한 출력 캐리어(17)는 베어링(17z)을 감싸고 축방향으로 돌출하여 외주면에 디스크 허브(111)와 결합하기 위한 방사상 돌기를 갖는다.

입력측인 푸쉬림(16)과 나사로 단단히 결합하는 입력 캐리어(14)는 중심축(1)에 베어링(14z)으로 지지가 되고 반경 방향으로 확장하여 변속기의 다른 한쪽 측벽을 제공한다. 이 측벽에는 가속 유성기어 열의 유성기어 축(19)이 4개 장착되어 4개의 가속 유성기어(10)를 지지한다. 또한 4개의 유성기어 축(19)은 감속 내접기어(12)와 용접이나 나사로 단단히 결합한 입력 캐리어 내접기어 홀더(15)의 관통 구멍(15a)에 삽입되어 감속 내접기어(12)를 입력 캐리어(14)와 같이 회전하게 결합한다. 입력 캐리어(14)와 결합한 푸쉬림(16)은 출력 캐리어(17)인 허브에 가까이 근접하여 미끄럼 베어링으로 허브를 지지하고 리테이너로 변속기를 외부와 차단한다.

또는 입력 캐리어(14)는 베어링(14z)으로부터 가속 태양기어(8)를 감싸고 축방향으로 돌출하여, 두 개의 유성기어 열 사이에서 반경 방향으로 확장해 감속 내접기어(12)와 단단히 결합할 수도 있다. 이때에는 출력 캐리어(17)의 뚜껑이 변속기의 다른 한쪽 측벽을 제공하고 입력 캐리어(14)에 가까이 근접하여 베어링으로 허브를 지지하고 리테이너로 변속기를 외부로부터 차단하여 기밀을 유지한다.

가속 태양기어(8) 및 감속 태양기어(9)의 내주면은 턱이 져 큰 반경(8d)과 작은 반경(8b)의 내주면을 갖는다. 반경이 작은 내주면(8b)은 홈캠 회전방향 고정부재(4)를 감싸고 제1홈캠(6)의 반경 방향 돌기(6c)와 치합을 위한 다수의 반경 방향 돌기(8b)가 형성되어 있고, 반경이 큰 내주면(8d)은 제1홈캠(6)의 반경 방향 돌기(6c)를 감싸고 회전할 수 있게 매끈한 내주면을 갖는다. 또한 큰 반경의 내주면과 접하는 태양기어(8, 9)의 측면에는 축방향 치합을 위한 다수의 돌기(8c, 9c)가 형성되어 있다. 두 태양기어(8, 9)는 축방향 돌기(8c, 9c)가 마주하게 배치되어 있고, 축방향으로 이동하여 서로 치합하여 같이 회전하고, 이때 두 태양기어의 큰 내주면(8d)은 협조하여 제1홈캠(6)을 수용하며 회전할 수 있게 구성되어 있다. 따라서 두 태양기어(8, 9)는 각 변속비에 따라 외경이 다를 수 있으나 그 이외의 것은 같게 구성할 수 있다.

축방향의 관통 구멍(1a)을 갖는 중심축(1)은, 입력 캐리어(14)를 지지하는 베어링(14z)의 내륜 측면과 접하는 단이진 턱(1b)을 한쪽 끝 부분에 갖는 큰 반경의 축부와 차체와 결합하기 위해 작은 반경의 축부가 반대쪽 끝 부분에 형성되어 있다. 작은 반경과 큰 반경이 만나는 중심축의 중간부에는 축의 회전을 방지하기 위한 평면(1c)이 큰 반경의 축부에 형성되고 이어서 출력 캐리어를 지지하는 베어링(17z)의 내륜 측면을 지지하는 스냅링 홈(1d)이 형성되어 있다. 큰 반경의 축부 중간에는 홈캠 회전방향 고정부재(4)를 고정하기 위한 키홈(1f)과 변속키(5)를 위한 반경 방향의 관통 구멍(1e)이 형성되어 있다. 이 관통 구멍(1e)은 축 중심의 축방향의 관통 구멍(1a)과 연결되고 변속키(5)가 회전방향으로 80°~ 100°를 요동할 수 있게 구성되어 있다. 또한 작은 반경의 축부 끝 부분에는 중심축(1)을 차체에 고정하기 위한 볼(26)을 수용하는 2 ~ 4 개의 반경 방향 관통 구멍(1g)이 형성되어 있다.

"T" 자형의 변속축(2)은 중심축(1)의 축방향 관통 구멍을 관통하여 양쪽으로 돌출하게 되어있다. "T" 자형의 머리(2a)는 중심축의 큰 반경 끝 부분(1b)에 접하고, 변속키(5)를 수용하기 위한 키홈 또는 돌기(2b)가 중간부에 형성되어 변속키(5)와 단단히 결합한다. 반대편 끝 부분에는 중심축(1)을 차체(100)에 결합 고정할 때에 볼(26)이 중심축(1)에서 돌출되도록 지지하는 턱(2c)과 차체에서 분리하기 위해 볼(26)을 중심축 내로 수용하기 위한 오목한 홈(2d)이 형성되어 있다. 또한 변속축 결합링(25)과 결합하기 위한 홈(2e)을 갖고 변속축 결합링(25)이 이탈하지 않게 스냅링 홈(2f)이 형성되어 있다.

중심축(1)과 변속축 결합링(25) 사이에는 용수철(24)이 배치되어 볼(26)이 중심축(1)에서 외부로 돌출되도록 양쪽으로 가압함과 동시에 변속축(2)이 중립에 위치하도록 중심축(1)과 변속축 걸림링(25)이 회전방향으로 고정되게 설치하여 회전방향 탄성을 제공한다. 이것으로 바퀴가 차체(100)에서 분리되면 변속축(1)은 항 상 중립을 유지하고 차체(100)에 장착시 직결 상태로 결합하게 유도한다. 또한 바퀴의 착탈을 위해 변속축 결합링(25)의 외경은 중심축(1)의 작은 외경보다 작게 형성되고, 변속줄잡이(30)와 결합하기 위한 반경 방향 돌기가 형성되어 있다.

바퀴의 중심(17)를 지지하는 베어링(17z)의 안쪽에는 홈캠회전부재(3)가 중심축(1)에 지지가 되어 회전 가능하게 설치된다. 홈캠회전부재(3)의 내주면에는 키홈(3a)이 형성되어 전술한 변속키(5)와 단단히 결합하고 외주면에는 제1홈캠(6)과 제2홈캠(7)을 위한 캠 안내 홈이 2열로 3조가 형성되어 있다. 본 실시예에서는 제1홈캠(6)의 안내 홈은 0°~ 5°(3b)에서 제1홈캠(6)이 가속 태양기어(8)와 맞물리고, 40°~ 60 °(3c)에서 양 태양기어(8, 9)와 맞물리지 않게 위치하고, 85°~ 90°(3d)에서 감속 태양기어(9)와 맞물리게 구성되어 있다. 또한 제2홈캠(7)의 안내 홈은 45°~ 55°(3e)에서 축방향으로 전진하여 두 태양기어(8, 9)가 맞물리게 구성되어 있다. 이러한 홈캠회전부재의 안내 홈(3b, 3c, 3d, 3e)이 각각 0 °, 120°, 240°를 기점으로 3조가 배치되는데 이것은 홈캠(6, 7)이 축방향으로 이동 중 끼거나 기울어 지지않고 원활히 작동하게 하기 위함이다.

홈캠 회전방향 고정부재(4)는 베어링(14z)의 안쪽에 중심축(1f)에 회전 불가능하게 키(21)로 고정 설치되어 있고, 3개의 돌기가 홈캠회전부재(3)의 안내 홈(3b, 3c, 3d, 3e)과 만나지 않게 축방향으로 나란히 확장되어 홈캠회전부재(3)를 감싸고 있다.

제1홈캠(6)은 홈캠회전부재(3)의 안내 홈(3b, 3c, 3d, 3e)과 결합하기 위한 3개의 볼(6a)을 수용하는 오목한 홈(6b)과 홈캠 회전방향 고정부재(4)와 결합하는 3개의 축방향 안내 홈(6d)이 내주면에 형성되어 있다. 또한 외주면(6c)에는 태양기어(8, 9)의 내주면 반경 방향 돌기와 결합하기 위한 반경 방향 돌기(6c)가 형성되어 있다. 따라서 제1홈캠(6)은 3개의 볼(6a)에 의해 홈캠회전부재(3)와 결합하고 홈캠회전부재(3)가 회전함에 따라 홈캠 회전방향 고정부재(4)에 의해 회전하지 않고 제1홈캠 안내홈(3b, 3c, 3d)을 따라 축방향으로 이동한다.

제2홈캠(7)은 홈캠회전부재(3)의 안내 홈(3e)과 결합하기 위한 3개의 볼(7a)을 수용하는 오목한 홈(7b)과 홈캠 회전방향 고정부재(4)와 결합하는 3개의 안내 홈(7d)이 내주면에 형성되어 있다. 또한 외주면(7c)에는 감속 태양기어(9)를 축방향으로 가압하기 위한 베어링(9z)을 수용하는 단(7c)이 형성되어 있다. 따라서 제2홈캠(7)은 3개의 볼(7a)에 의해 홈캠회전부재(3)와 결합하고 홈캠회전부재(3)가 회전함에 따라 홈캠 회전방향 고정부재(4)에 의해 회전하지 않고 제2홈캠 안내 홈을 따라 축방향으로 이동하여 베어링(9z)과 감속 태양기어(9)를 축방향으로 가압하고 가속 태양기어(8)와 치합하게 한다. 또한 가속 태양기어(8)와 입력 캐리어(14) 사이에 베어링(8z)이 배치되어 감속 태양기어(9)와 치합 시에도 가속 태양기어(8)가 밀리지 않게 축방향으로 지지한다.

바퀴 중심축 받침대(27)는 차체(100)에 바퀴를 고정하기 위해 차체(100)의 형상에 맞춰 다양한 형상이 가능하다. 본 실시예에서는 환봉형의 차체(100)에 상하로 조절하여 장착할 수 있게 U자형의 홈(27a)을 만들고 나사를 환봉에 관통시켜 차체(100)에 고정한다. 또한 차체(100)의 외측방향으로 바퀴의 중심축(1)을 지지하는 관통구멍(27b)이 형성되어 있고, 그 관통구멍(27b)의 바깥쪽에는 중심축(1)의 평면 과 결합하는 평면 돌출부(27d)를 가져 중심축(1)이 회전하지 않게 지지하고, 중간 부분에는 중심축을 차체에 고정하기 위해 중심축으로부터 돌출한 볼(26)을 수용하는 단이진 턱이 형성되어 있으며, 끝 부분에는 변속줄잡이(30)를 수용하기 위한 확장된 구멍과 변속 줄잡이를 이탈하지 않게 지지하는 스냅링 홈이 형성되어 있다. 또한 관통구멍의 바깥쪽 주변에는 동심 상의 디스크 허브(111)를 수용하는 단이진 턱(27e)과 그것을 이탈하지 않게 지지하는 스냅링 홈(27c)이 형성되어 있다.

변속줄잡이(30)는 탑승자의 팔걸이 주변에 설치된 변속 손잡이(미 도시)와 2개의 변속 줄(35, 36)로 결합하여 탑승자에 의해 변속 손잡이가 요동하면 같이 요동하게 구성된다. 각각의 변속 줄(35, 36)은 변속 손잡이로부터 바퀴 중심축 받침대(27)에 부착된 변속줄 안내판(32)을 통과하여 변속줄잡이(30)의 외륜과 변속줄 고정판(32) 사이에서 서로 반대 방향으로 감겨 변속줄 고정 나사(32)에 의해 고정된다. 변속줄잡이(30)의 내주면은 변속축 결합링(25)과 결합하기 위한 반경 방향 돌기가 형성되어 있다.

디스크 허브(111)는 차량의 제동을 위한 브레이크 시스템과 연결한다. 작은 내주면은 바퀴 중심축 받침대에 지지가 되어 회전할 수 있게 설치된다. 또한 큰 내주면은 출력 캐리어(17)와 결합하여 회전력을 전달하기 위한 방사상 돌기를 갖는다. 외주면에는 디스크(112)를 고정하기 위한 단이진 턱이 형성되고 그 측면에 방사상 나사 구멍이 형성되어 있다. 디스크 허브는 디스크를 나사로 고정하여 같이 회전한다. 디스크는 캘리퍼(112)와 결합하여 바퀴의 회전을 제어한다.

본 발명의 유성기어를 이용한 변속기의 작동 상태를 설명하면 다음과 같다.

도 5는 본 발명의 3단 유성 기어식 변속기의 변속 없는 등속 구동 상태를 도시한 부분 단면도이고, 도 6은 도 5의 B - B 선을 따르는 단면도이다.

휠체어 바퀴를 휠체어(100)에 장착 시 등속 구동 모드로 장착되기 위해 용수철(24)은 변속축 결합링(25)을 중립위치로 안내하여 변속축(2)을 직결 위치에 있게 한다. 변속축(2)을 잡아당긴 상태로 휠체어 바퀴의 중심축(1)이 바퀴 중심축 받침대(27)의 관통 구멍(27b)에 삽입하고, 변속축(2)을 놓으면 용수철(24) 작용에 의해 변속축(2)에 밀려 돌출된 볼(26)에 의해 중심축(1)은 바퀴 중심축 받침대(27)에 고정된다. 동시에 변속축(2)은 변속축 결합링(25)을 통해 변속줄잡이(30)와 연결된다.

등속 구동 모드로 결합된 변속기의 제2홈캠(7)은 홈캠회전부재(3)와 홈캠 회전방향 고정부재(4)에 의하여 베어링(9z)과 감속 태양기어(9)를 가속 태양기어(8) 쪽으로 밀어 두 태양기어(8, 9)는 치합하여 일체가 되고, 제2홈캠의 안내홈(3e)은 치합이 해제되지 않게 지지한다. 제1홈캠(6)은 홈캠회전부재(3)와 홈캠 회전방향 고정부재(4)에 의하여 가속 태양기어(8)와 감속 태양기어(9)가 일체가 되어 이룬 공간(8d, 9d) 사이에서 두 태양기어와 접촉하지 않게 위치한다. 따라서 두 태양기어(8, 9)는 중심축(1)과 결합하지 않고 동시에 중심축(1)에 베어링(14z, 17z)으로 지지가 된 두 개의 유성기어 열은 자유 회전할 수 있게 된다.

이때 푸쉬림(16)으로부터 회전력이 입력되면 회전력은 입력 캐리어(14)를 거쳐 4개의 유성기어 축(19)으로 전달된다. 이 회전력은 가속 유성기어(10)를 통해 가속 내접기어(12)와 가속 태양기어(8)에 전달됨과 동시에 유성기어 축(19)과 결합한 입력 캐리어 내접기어 홀더(15)를 통해 감속 내접기어(13)에 전달된다. 이때 가속 태양기어(8)는 감속 태양기어(9)와 일체가 되어 있으므로 감속 태양기어(9)와 감속 내접기어(13)가 같이 돌게 되어 본 발명의 변속기는 직결 상태(direct drive)가 된다(유성기어는 임의의 두 기어를 동시에 회전시키면 세 번째 기어가 동일 방향, 동일속도로 회전하는 직결 상태가 된다). 따라서 바퀴(17)와 푸쉬림(16)은 중심축(1)에 자유회전 하게 지지가 되어 있고, 입력 캐리어(16)와 출력 캐리어()17가 직결로 연결되어 있으므로 푸쉬림(16)의 회전은 바퀴(17)로 직접 전달되는 등속 구동 상태로 회전한다.

도 3은 본 발명의 3단 유성 기어식 변속기의 가속상태를 도시한 부분 단면도이고, 도 4는 도 3의 A - A 선을 따르는 단면도이다.

등속 구동 상태에서 탑승자가 변속 손잡이를 조작하여 가속모드를 선택하면 가속 변속줄(36)은 당겨지고, 감속 변속줄(35)은 느슨하게 됨에 따라 바퀴중심축 받침대(27)에 회전하게 설치된 변속줄잡이(30)는 회전하고, 변속줄잡이(30)와 일체로 결합한 변속축 결합링(25)/변속축(2)/변속키(5)를 통해 도 4에서와 같이 변속키(5)는 반시계 방향으로 회전하게 된다.

변속키(5)가 회전하게 되면 홈캠회전부재(3)도 같이 회전하여 제2홈캠의 안내홈이 회전한다. 홈캠 회전방향 고정부재(4)에 의해 회전하지 않게 설치된 제2홈캠(7)은 안내홈에 결합한 제2홈캠의 볼(7a)과 함께 안내홈(3f)을 따라 출력 캐리어(17)쪽으로 이동하여 두 태양기어(8, 9)의 축방향 가압을 해제한다. 구속에서 풀 린 두 태양기어(8, 9)는 서로 반대 방향으로 회전하게 되어 치합은 해제되고 분리된다. (이때 두 유성기어 열은 고정 요소가 없어 토크를 전달할 수 없는 상태가 되지만 탑승자기 변속을 위해 손잡이를 조작하고 있으므로 푸쉬림으로부터 입력되는 회전력은 없다.)

계속해서 제2홈캠의 안내홈과 같이 회전하는 제1홈캠의 안내홈(3c -> 3b)은 홈캠 회전방향 고정부재(4)에 의해 회전하지 않게 설치된 제1홈캠(6)을 가속 태양기어(8)의 내주면 돌기(8b)와 결합하는 위치로 안내한다. 따라서 제1홈캠(6)과 가속 태양기어(8)는 치합하고 가속 태양기어(8)는 중심축(1)에 고정되어 가속 변속 상태가 된다. 이때 가속 태양기어(8)가 회전 중이라도 비교적 저속으로 회전하고 주면 전체의 돌기가 일시에 결합하므로 마찰 소음이나 결합에 따른 저항이 발생하지 않아 변속은 원활히 수행된다.

가속모드로 기어 변속이 이루어진 상태에서 푸쉬림(16)으로부터 회전력이 입력되면 회전력은 입력 캐리어(14)를 거쳐 4개의 유성기어 축(19)으로 전달된다. 이 회전력은 가속 유성기어(10)를 통해 가속 내접기어(12)와 가속 태양기어(8)에 전달된다. 또한 입력 캐리어 내접기어 홀더(15)를 통해 감속 내접기어(13)에 전달되고 감속 유성기어(11)와 감속 태양기어(9)에 전달되지만 고정 요소가 없이 감속 유성기어 열은 공회전 상태가 된다. 따라서 가속 유성기어 열만이 작동하여 가속 내접기어(12)와 결합한 출력 캐리어(17)에 회전력이 정해진 변속비에 따라 전달된다.

다시 탑승자가 변속 손잡이를 조작하여 등속모드를 선택하면 감속 변속줄(35)은 당겨지고, 가속 변속줄(36)은 느슨하게 됨에 따라 바퀴중심축 받침대(27) 에 회전하게 설치된 변속줄잡이(30)는 회전하고, 변속줄잡이(30)와 일체로 결합한 변속축 결합링(25)/변속축(2)/변속키(5)를 통해 변속키(5)는 반시계 방향으로 회전하여 도 6에서와 같이 직결모드 위치로 복귀하게 된다.

가속모드에서 등속모드로 변속하는 과정은 등속모드에서 가속모드로 변속하는 과정의 역순이므로 생략한다. 이 변속 과정에서 제1홈캠(6)이 가속 태양기어(8)와 결합이 해제된 후 가속 태양기어(8)와 감속 태양기어(9)가 축방향으로 결합하여 일체가 된다. 각각의 결합 해제와 결합에서 각각의 요소가 서로 다른 속도로 회전 중이라도 각각은 비교적 저속으로 회전하고 주면 전체의 돌기가 일시에 분리되거나 결합하므로 마찰 소음이나 결합에 따른 저항이 발생하지 않아 변속은 원활히 이루어진다.

도 7는 도 1의 3단 유성 기어식 변속기의 감속상태를 도시한 부분 단면도이고, 도 8은 도 7의 C - C 선을 따르는 단면도이다.

등속 구동 상태에서 탑승자가 변속 손잡이를 조작하여 감속모드를 선택하면 감속 변속줄(35)은 당겨지고, 가속 변속줄(36)은 느슨하게 됨에 따라 바퀴중심축 받침대(27)에 회전하게 설치된 변속줄잡이(30)는 회전하고, 변속줄잡이(27)와 일체로 결합한 변속축 결합링(25)/변속축(2)/변속키(5)를 통해 도 8에서와 같이 변속키(5)는 시계 방향으로 회전하게 된다.

변속키(5)가 회전하게 되면 홈캠회전부재(3)도 같이 회전하여 제2홈캠(7)의 안내홈(3e, 3f, 3g)이 회전한다. 홈캠 회전방향 고정부재(4)에 의해 회전하지 않게 설치된 제2홈캠(7)은 안내홈에 결합한 제2홈캠의 볼(7a)과 함께 안내홈(3e -> 3g) 을 따라 출력 캐리어(17) 쪽으로 이동하여 두 태양기어(8, 9)의 축방향 가압을 해제한다. 구속에서 풀린 두 태양기어는 서로 반대 방향으로 회전하게 되어 치합은 해제되고 분리된다. (이때 두 유성기어 열은 고정 요소가 없어 토크를 전달할 수 없는 상태가 되지만 탑승자기 변속을 위해 손잡이를 조작하고 있으므로 푸쉬림으로부터 입력되는 회전력은 없다.)

계속해서 제2홈캠의 안내홈과 같이 회전하는 제1홈캠의 안내홈(3b, 3c, 3d)은 홈캠 회전방향 고정부재(4)에 의해 회전하지 않게 설치된 제1홈캠(6)을 감속 태양기어(9)의 내주면 돌기(9b)와 결합하는 위치로 안내한다. 따라서 제1홈캠(6)과 감속 태양기어(9)는 치합하고 감속 태양기어(9)는 중심축(1)에 고정된다. 이때 감속 태양기어(9)가 회전 중이라도 주면 전체의 돌기가 일시에 결합하므로 마찰 소음이나 결합에 따른 저항이 발생하지 않아 변속은 원활히 이루어진다.

감속모드로 기어 변속이 이루어진 상태에서 푸쉬림(16)으로부터 회전력이 입력되면 회전력은 입력 캐리어(14)를 거쳐 4개의 유성기어 축(19)으로 전달된다. 이 회전력은 가속 유성기어(10)를 통해 가속 내접기어(12)와 가속 태양기어(8)에 전달되지만 고정 요소가 없이 가속 유성기어 열은 공회전 상태가 되고, 또한 유성기어 축(19)에 결합한 입력 캐리어 내접기어 홀더(15)를 통해 감속 내접기어(13)에 전달되고 감속 유성기어(11)와 감속 태양기어(9)에 전달되어 감속 유성기어 열만이 작동하여 감속 유성기어 축과 결합된 출력 캐리어(17)에 회전력이 정해진 변속비에 따라 감속되어 전달된다.

다시 탑승자가 변속 손잡이를 조작하여 직결모드를 선택하면 가속 변속 줄(36)은 당겨지고, 감속 변속줄(35)은 느슨하게 됨에 따라 바퀴중심축 받침대에 회전하게 설치된 변속줄잡이(30)는 회전하고, 변속줄잡이와 일체로 결합한 변속축 결합링/변속축/변속키를 통해 도 6에서와 같이 변속키는 반시계 방향으로 회전하여 직결모드 위치로 복귀하게 된다. 감속모드에서 직결모드로 변속하는 과정은 직결모드에서 감속모드로 변속하는 과정의 역순이므로 생략한다.

상기의 바람직한 실시예는 본 발명의 구조적인 기술사상 및 기능적인 기술사상을 예시할 뿐만 아니라, 상기의 바람직한 실시예를 이용하는 방법을 예시하기 위한 목적으로 도시되고 기술되었으므로, 상기와 같은 기술사상을 벗어나지 않고 변경하여 실시할 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구항의 기술사상의 범위 내에 포함되는 모든 변경 실시형태를 포함한다.

본 발명에 의하면 캐리어가 변속기의 하우징을 겸하므로 작고 가벼우며, 중심축이 차체에 착탈이 가능하고, 클러치를 사용하지 않으면서도 감속모드, 가속모드와 변속없이 동력이 전달되는 직결모드 및 동력전달 계통이 차체과 결합하여 회전하지 않는 정지모드를 갖는 유성 기어식 변속기를 제공한다.

특히 본 발명을 휠체어의 바퀴에 적용하면 탑승자는 저속으로 변속하여 적은 힘으로 언덕을 쉽게 오르거나 모래밭이나 카펫 위를 주행할 수 있고, 고속으로 변속하여 평지를 좀더 빠르게 주행할 수 있다.

Claims (15)

1. 단일 유성 기어열을 2개 조합하여, 한쪽의 캐리어와 다른 한쪽의 링 기어를 각각 일체화시키고, 입력측과 출력측으로 나누어 작동하는 상기 두 캐리어가 협조하여 변속기의 하우징을 이루며, 고정된 중심축에 회전 가능하게 설치된 각각의 태양기어를 상기 중심축과 결합하거나 분리하고, 상기 두 태양기어를 일체화시키거나 분리하는 것을 제어하여 변속하는 것;을 특징으로 하는 유성 기어식 변속기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 한쪽 태양기어가 상기 중심축과 상대 회전하지 않게 결합하는 가속모드와; 상기 두 태양기어가 일체화되어 상기 중심축에 대해 자유 회전하는 직결모드와; 상기 다른 쪽 태양기어가 상기 중심축과 상대 회전하지 않게 결합하는 감속모드와; 상기 두 태양기어가 일체화되어 상기 중심축과 상대 회전하지 않게 결합하는 정지모드;를 갖는 것을 특징으로 하는 유성 기어식 변속기
3. 제 2 항에 있어서, 상기 중심축에 축방향으로 고정되어 회전 가능하게 지지가 되고 외주면에 홈캠을 위한 제1홈 및 제2홈이 형성된 회전캠과;

   상기 회전캠의 제1홈을 따라 축방향으로 이동하여 상기 어느 한 태양기어를 중심축과 상대 회전하지 않게 결합시키거나 자유 회전하게 허용하는 제1홈캠과;

   상기 회전캠의 제2홈을 따라 축방향으로 이동하여 상기 두 태양기어가 상대 회전하지 않게 결합하고 중심축에 대해 자유 회전하게 안내하는 제2홈캠;으로 구성되고, 변속을 위한 상기 두 태양기어의 회전과 결합은 상기 회전캠의 회전방향 위치에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 유성 기어식 변속기
4. 제 3 항에 있어서, 상기 각각의 태양기어는 내주면 일부와 두 태양기어가 마주하는 측면에 요철부을 갖고, 상기 제1홈캠 및 제2홈캠은 중심축에 대해 회전하지 않게 지지가 되며, 상기 제1홈캠은 외주면에 상기 두 태양기어의 내주면 요철부와 치합하는 요철부가 형성되어 상기 회전캠의 회전에 의해 상기 어느 한쪽의 태양기어와 치합하거나 상기 두 태양기어와 치합하지 않는 위치로 이동하고, 상기 제2홈캠은 상기 제1홈캠이 상기 두 태양기어와 치합하지 않는 위치에서 상기 두 태양기어의 측면 요철부가 서로 치합하게 축방향으로 가압하는 것을 특징으로 하는 유성 기어식 변속기
5. 제 3 항에 있어서, 상기 회전캠은 상기 중심축을 축 방향으로 관통하는 변속축에 의해 회전이 제어되는 것을 특징으로 하는 유성 기어식 변속기
6. 제 5 항에 있어서, 상기 변속축은, 상기 중심축을 관통하여 돌출되고, 변속 손잡이를 줄 또는 링크 기구, 혹은 유사한 편성에 의해 돌출된 상기 변속축과 결합하고, 상기 변속 손잡이를 요동하는 것으로 회전방향 위치를 제어하여 변속하는 것을 특징으로 하는 유성 기어식 변속기
7. 제 6 항에 있어서, 상기 변속 손잡이는 하나 이상의 상기 유성 기어식 변속기와 줄 또는 링크 기구, 혹은 유사한 편성에 의해 결합하고, 상기 1개의 변속 손잡이에 의해 연결된 변속기가 동시에 변속되는 것을 특징으로 하는 유성 기어식 변속기
8. 제 7 항에 있어서, 상기 변속 손잡이는 액추에이터와 결합하고, 구동부에 가해지는 토크를 검출하는 센서와; 상기 센서의 데이터에 따라 판단하고 상기 액추에이터를 제어하는 제어기를 구비하여 자동으로 변속되는 것을 특징으로 하는 유성 기어식 변속기
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 중심축은 차량의 차체에 신속하게 분리 및 장착할 수 있게 구성되고, 장착 시 차체에 대해 회전하지 않게 설치되는 것을 특징으로 하는 유성 기어식 변속기
10. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 변속기는 차량의 바퀴 중심에 위치하여, 한쪽 캐리어는 구동부와 결합하고, 다른 쪽 캐리어는 바퀴와 결합하는 것을 특징으로 하는 유성 기어식 변속기
11. 단일 유성 기어열을 2개 조합시켜, 한쪽의 캐리어와 다른 한쪽의 링 기어를 일체화시키고, 각각 입력측과 출력측으로 작동하는 두 캐리어가 협조하여 변속기의 하우징을 이루며, 고정된 중심축에 회전 가능하게 설치된 각각의 태양기어를 중심축과 결합하거나 분리하고, 두 태양기어를 일체화시키거나 분리하는 것을 제어하여 변속하는 유성기어 변속기를 바퀴의 중심에 설치하고, 한쪽 캐리어는 구동부와 결합하고, 다른 쪽 캐리어는 바퀴와 결합한 바퀴를 장착한 것을 특징으로 하는 차량
12. 제 11항에 있어서, 상기 바퀴는 상기 중심축을 포함하여 상기 차량의 차체에서 신속하게 탈착되는 것을 특징으로 하는 차량
13. 제 12항에 있어서, 상기 중심축을 축 방향으로 관통하는 변속축에 의해 변속이 제어되는 것을 특징으로 하는 차량
14. 제 13 항에 있어서, 상기 각 바퀴의 상기 변속축은 상기 중심축을 관통하여 차체에 돌출되고, 변속 손잡이를 줄 또는 링크 기구, 혹은 이러한 편성에 의해 변속축과 결합하고, 하나의 변속 손잡이를 요동하는 것으로 두 개 이상의 차량용 바퀴가 동시에 변속 되는 것을 특징으로 하는 차량
15. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서, 상기 구동부는 인력으로 구동되는 휠체어의 푸쉬림인 것을 특징으로 하는 휠체어

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