KR20120107558A - 마찰전동 무단 변속기 - Google Patents

마찰전동 무단 변속기 Download PDF

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KR20120107558A
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Abstract

유선형으로 된 카운터로터의 꺽임에 따라 무단으로 변속시킬 수 있는 마찰전동 무단 변속기가 개시된다. 본 발명에 따른 무단 변속기는 입력 디스크로터와 출력 디스크로터의 사이에 메인샤프트에 의해 카운터로터가 방사상으로 결합되어 있는 구성을 갖는다. 이때, 카운터로터는 유선형으로 제작되어 메인샤프트에 조인트된 카운터샤프트상에 삽입되어 자전이 된다. 따라서 메인샤프트의 좌,우 슬라이딩에 따라 카운터샤프트가 꺽이면서 유선형의 카운터로터가 입력측과 출력측에 서로 상반되게 마찰접촉되어 감속 및 증속이 무단으로 이루어지게 된다. 이러한 무단 변속기는 디스크로터를 입력축과 출력축으로 지정하는 변속장치에 적용될 수도 있고, 메인샤프트를 입력축으로 하고 하우징을 출력축으로 하는 변속장치에 적용될 수도 있게 된다.

Description

마찰전동 무단 변속기{Traction drive continuously various transmission}
본 발명은 무단 변속기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 마찰되는 접촉부위의 변화를 통해 변속을 시킬 수 있는 마찰전동 무단 변속기에 관한 것이다.
일반적으로 변속장치는 두 축의 한쪽에서 다른 쪽으로 회전력을 전달할 때, 두 축 사이의 각속도(角速度)를 어느 범위 내에서 변경하는 것을 목적으로 한다.
이러한 변속장치는 변속원리에 따라 기계적, 유체적, 전기적인 것 등이 있고, 변속 때 각속도의 변화를 단계적으로 변화시키는지 연속적으로 변화시키는지에 따라 단계 변속장치, 무단변속장치로 구분한다. 단계 변속장치로는 단차(段車)를 사용한 벨트전동, 미끄럼 기어, 클러치, 미끄럼 키 등이 있고, 무단변속장치로는 마찰전동장치, 감기전동장치 등이 있다.
이중에서 마찰전동 무단변속기는 동력밀도가 낮고, 효율이 저조하여 열 발생이 심하며, 토크용량이 작고 수명시간이 짧으며 속도범위가 좁은 것으로 알려져 있다. 하지만 그럼에도 불구하고 무단변속장치의 경우 단수에 구애받지 않고 연속적인 변속이 가능하며, 구성이 간단하고 저중량 설계에 유리하다. 뿐만 아니라 다양한 이론적 잠재성을 가지고 있다. 즉, 엔진의 동력을 최대한 이용하여 우수한 동력성능과 연비향상을 얻을 수 있도록 운전 가능하며, 운전이 쉽고 변속에 따른 충격이 거의 없다. 또한, 차량의 주행조건에 알맞도록 변속되어 동력성능의 향상을 기대할 수 있고 연비소모를 최소화할 수 있도록 변속패턴을 설정하는 데 자유롭다.
무단변속장치는 이러한 이론적 잠재성에도 불구하고 현실적으로는 동력밀도 및 동력전달 효율의 저조와 함께 동력전달 용량의 측면에서 제약이 있어서 그동안 실용화가 어려운 문제점이 있었다.
따라서 최근에는 이와 같은 무단변속장치의 제약들을 탈피하기 위한 다양한 연구 및 개발이 추진되고 있다. 현재 상용화된 무단변속장치 중 다른 무단변속장치들에 비해 상대적으로 변속범위가 넓고 동력전달능력도 큰 것으로 알려진, 토로이달 무단변속장치를 예시로 하여 마찰전동 무단변속장치를 설명하기로 한다.
도 1은 종래기술에 따른 토로이달 무단변속장치의 기본 구조를 도시한 참조도이다. 도시된 바와 같이, 토로이달 무단변속장치는 외측에 토로이달면을 구비한 디스크형의 구동로터(10) 및 종동로터(20)가 양편에 설치된다. 그리고 그 사이에 토로이달면과 접촉하는 외구면을 구비한 카운터로터(12,14)가 설치된다.
이와 같은 구성에 따르면, 구동로터(10)가 동력을 입력받아 회전할때에 마찰전동에 의해 카운터로터(12,14)도 회전하게 된다. 이어서 카운터로터(12,14)의 회전으로 마찰전동에 의해 종동로터(20)가 회전하면서 변속된 동력을 출력한다. 이때, 변속조절은 카운터로터(12,14)의 틸팅으로 카운터로터(12,14)의 회전축이 변각되면서 이루어진다.
그러나 상기와 같은 종래의 무단변속기는 형이상학적 설계에 의해 이론적인 잠재력만 있을 뿐 실용화에 기여하지 못하고 있는 실정으로, 더욱 다양한 설계변경과 연구를 통해 현실적인 무단변속기를 개발해야 될 필요성이 있게 되었다.
본 발명은 상기와 같은 필요성에 부응하기 위해 안출된 것으로, 디스크로터와 카운터로터의 사이에 로터의 축중심으로 관통한 메인샤프트에 조인트 되어 방사상으로 벌어진 유선형의 카운터로터를 마찰 접촉시켜 메인샤프트를 좌,우로 슬라이딩시키면서 변속이 이루어지게 할 수 있는 마찰전동 무단변속기를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은,
원통형의 하우징내에 배치되는 입력 디스크로터와 출력 디스크로터의 사이에 카운터로터를 마찰접촉시켜 입력 디스크로터로 입력된 동력을 출력 디스크로터로 변속출력을 도모하는 마찰전동 무단 변속기에 있어서,
입력 디스크로터의 축중심을 통해 메인샤프트를 삽입시키고, 입력 디스크로터 및 출력 디스크로터의 사이에 적어도 두 개 이상이 방사상으로 벌어지면서 하우징에 고정되도록 메인샤프트의 단부에 카운터샤프트를 조인트 결합시키며, 카운터샤프트에는 유선형으로 된 롤 형태의 카운터로터를 삽입하여 메인샤프트를 좌,우로 슬라이딩하여 변속시킴을 특징으로 하는 마찰전동 무단 변속기를 제공한다.
또는, 본 발명은,
원통형의 하우징에 축중심 양측으로 메인샤프트가 관통되고, 하우징내에 메인샤프트가 관통되는 입력 디스크로터와 출력 디스크로터가 배치되고, 하우징의 양측에 프레임이 지지되며, 입력 디스크로터와 출력 디스크로터의 사이에 카운터로터를 마찰접촉시켜 메인샤프트로 입력된 동력을 하우징으로 변속출력하는 마찰전동 무단 변속기에 있어서,
입력 디스크로터는 프레임에 고정시키고, 출력 디스크로터는 하우징에 고정시키고, 입력 디스크로터 및 출력 디스크로터의 사이에 적어도 두 개 이상이 방사상으로 벌어지도록 메인샤프트의 중간에 카운터샤프트를 조인트 결합시키며, 카운터샤프트에는 유선형으로 된 롤 형태의 카운터로터를 삽입하여 메인샤프트를 좌,우로 슬라이딩하여 변속시킴을 특징으로 하는 마찰전동 무단 변속기를 제공한다.
여기에서, 출력 디스크로터와 하우징의 타측 사이에는 스프링이 내장되어 출력 디스크로터를 입력 디스크로터측으로 밀어주어 마찰을 높이고, 메인샤프트의 복원력이 가능하게 해준다.
또한, 카운터샤프트가 결합되는 메인샤프트상에는 다수의 결합홈이 형성된 변속브라켓이 형성되어 카운터샤프트의 일단이 결합홈에 힌지 결합됨이 바람직하다.
이때, 입력 디스크로터 및 출력 디스크로터들의 마주보는 면상에는 변속브라켓이 좌,우로 움직일 수 있도록 여유공간이 형성될 수도 있다.
전술한 바와 같이 본 발명에 따른 무단변속기는 메인샤프트를 슬라이딩시켜 카운터로터들이 꺽이면서 이 꺽임각도에 따라 입력 디스크로터와 출력 디스크로터의 접촉부위가 상반되도록 변화되어 무단으로 변속을 도모할 수 있게 된다.
또한, 동력의 입력을 디스크로터측으로 하는 변속기나, 동력의 입력을 메인샤프트측으로 하는 변속기 등으로 자유롭게 변화하여 적용범위를 넓힐 수도 있게 된다.
도 1은 종래기술에 따른 토로이달 무단변속기의 개념도이고,
도 2는 본 발명에 따른 무단변속기를 나타낸 분해사시도이고,
도 3은 본 발명에 따른 무단변속기를 나타낸 결합사시도이고,
도 4는 본 발명에 따른 무단변속기를 나타낸 결합단면도이고,
도 5a 및 도 5b는 도 4의 단면도에서 증속 또는 감속되는 방법을 설명한 단면도이며, 그리고
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 무단변속기를 나타낸 결합단면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마찰전동 무단변속기를 설명한다.
도 2 내지 도 4를 참고하면, 본 발명에 따른 무단변속기(100)는 원통형의 하우징(110)과, 이 하우징(110)내의 양측에 배치되는 입력 디스크로터(120) 및 출력 디스크로터(130)와, 하우징(110) 및 입력 디스크로터(120)의 축중심부를 횡단하는 메인샤프트(140)와, 메인샤프트(140)의 끝에 결합되어 입력 디스크로터(120) 및 출력 디스크로터(130)들에 밀착되어 동력을 전달시키는 카운터로터(160)를 포함한다.
하우징(110)은 도면에서 보는 바와 같이 양쪽에는 입력 디스크로터(120) 및 출력 디스크로터(130)가 걸쳐지도록 입력축공(111) 및 출력축공(112)이 형성되며, 하우징(110)의 내측면상에는 축중심과 평행하게 고정홀(113)이 형성된다. 고정홀(113)은 카운터로터(160)의 자리에 형성되는 것으로, 카운터로터(160)가 자전하도록 마련될 카운터샤프트(150)의 끝단이 끼워지는 곳으로 메인샤프트(140)가 회전하지 않도록 고정시키는 홀이다.
입력 디스크로터(120)는 하우징(110)의 내부 일측에 삽입되어 하우징(110)이나 메인샤프트(140)에 영향을 받지 않도록 회전되는 원판으로서, 일측에는 입력축공(111)을 통해 외부로 연장되어 동력을 입력받도록 입력축(121)이 형성된다. 이때, 입력축(121)의 축중심으로 메인샤프트(140)가 관통되어 결합된다.
출력 디스크로터(130)는 입력 디스크로터(120)와 반대로 형성된 것으로, 이 출력 디스크로터(130)의 타측면에도 하우징(110)의 출력축공(112)을 통해 외부로 연장되어 동력을 출력시키는 출력축(131)이 형성되고, 출력 디스크로터(130)와 출력축공(112)의 사이에는 스프링(170)이 내장되어 출력 디스크로터(130)를 입력 디스크로터(120)측으로 밀어주게 된다.
그리고 입력 디스크로터(120) 및 출력 디스크로터(130)의 마주보는 면상 중심부에는 메인샤프트(140)의 끝단이 움직일 수 있도록 여유공간(122,132)이 형성된다.
다음으로 메인샤프트(140)는 전술한 바와 같이 입력 디스크로터(120)의 축중심을 통해 하우징(110)내로 연장되는 것으로, 이 메인샤프트(140)의 끝단에는 변속브라켓(141)이 형성된다. 변속브라켓(141)은 카운터샤프트(150)들이 결합되는 조인트로서, 적어도 등간격으로 두 방향 이상에서 카운터샤프트(150)들이 결합되도록 마련된다. 즉, 카운터샤프트(150)는 최소한의 구성으로서 180도 간격으로 두 개가 구비될 수 있고, 120도 간격으로 세 개가 구비될 수도 있고, 90도 간격으로 네 개가 구비될 수도 있다. 또는, 더욱 큰 마찰력을 위해 다 많은 개수의 카운터샤프트를 구비하여도 된다.
이러한 변속브라켓(141)은 카운터샤프트(150)들이 메인샤프트(140)와 직각을 이루도록 결합홈(142)들이 방사상으로 형성되고, 이 결합홈(142)들내에 카운터샤프트(150)의 일단이 삽입된 후에 핀에 의해 힌지 결합된다.
한편, 카운터샤프트(150)는 그 타단이 하우징(110)의 내측면까지 연장되고, 이 끝단부가 하우징(110)의 내측에 형성되어 있는 고정홀(113)에 끼워져 움직임을 억제하도록 결합된다. 따라서 메인샤프트(140)는 그 축방향으로 슬라이딩될 수는 있으나, 카운터샤프트(150)가 고정되어 있기 때문에 회전을 하지 않게 되고, 변속브라켓(141)의 뭉치가 입력 디스크로터(121) 및 출력 디스크로터(130)의 여유공간(122,132)속으로 들어갈 수 있어 슬라이딩이 자유롭게 된다. 그리고 변속브라켓(141)의 결합홈(142)에 결합되는 카운터샤프트(150)의 일단은 끼움결합되기 위해 양측면이 깍여진 형상을 가지며, 일정한 각도내에서 선회할 수 있도록 끝부분이 라운딩진 형태를 갖는다. 또한, 카운터샤프트(150)의 타단도 고정홀(113)에 끼워지기 위해 양단이 깍여진 형상을 가지며, 끝단도 일단과 마찬가지로 일정각도내에서 선회할 수 있도록 라운딩진 형상을 갖는다.
카운터로터(160)는 카운터샤프트(150)에 끼워져 자전되는 롤러로서, 카운터샤프트(150)가 변속브라켓(141)에서 꺽여질때에 입력 디스크로터(120) 및 출력 디스크로터(130)와 계속된 마찰을 유지하기 위해 외측면이 유선형으로 형성된다.
하기에는, 전술한 바와 같이 형성된 무단 변속기의 작동원리를 설명한다.
도 4는 변속브라켓(141)이 입력 디스크로터(120) 및 출력 디스크로터(130)의 사이 정중앙에 위치한 상태로서, 카운터로터(160)의 볼록한 정 중앙부가 입력 디스크로터(120)와 출력 디스크로터(130)에 맞닿은 기본상태이다. 따라서 입력 디스크로터(120)의 입력축(121)으로부터 동력이 입력되면, 입력 디스크로터(120)가 회전을 하게 되고, 이 회전이 카운터로터(160)들을 자전시키게 되고, 이 카운터로터(160)들의 자전에 의해 출력 디스크로터(130)가 회전되어 출력축(131)으로 출력하게 된다. 이때, 입력된 동력은 출력축(131)으로 변속 없이 1:1로 출력되고, 방향은 반대가 된다.
도 5a 및 도 5b는 메인샤프트(140)가 슬라이딩된 모습을 보인 도면으로, 이렇게 메인샤프트(140)가 하우징(110)의 내부로 또는 바깥쪽으로 슬라이딩되면, 변속브라켓(141)이 위치이동되고, 이 위치이동에 따라 카운터샤프트(150) 및 이에 삽입된 카운터로터(160)가 꺽이게 된다. 카운터로터(160)가 꺽이게 되면, 입력 디스크로터(120) 및 출력 디스크로터(130)들은 카운터로터(160)의 볼록한 중앙부를 벗어나 점점 얇아지는 쪽으로 맞닿게 되는데 이때의 맞닿는 방향이 서로 반대로 되어 변속이 도모된다.
즉, 도 5a와 같이 메인샤프트(140)가 바깥쪽으로 당겨지게 되면, 카운터로터(160)의 중심부쪽이 입력 디스크로터(120)의 중심부쪽에 밀착되고, 카운터로터(160)의 가장자리쪽이 출력 디스크로터(130)의 가장자리쪽에 밀착되어 감속된다.
반대로, 도 5b와 같이 메인샤프트(140)가 하우징(110)내로 슬라이딩되면, 카운터로터(160)의 가장자리쪽이 입력 디스크로터(120)의 가장자리쪽에 밀착되고, 카운터로터(160)의 중심부쪽이 출력 디스크로터(130)의 중심부쪽에 밀착되어 증속된다.
도면에서의 감속 및 증속의 변화는 최대감속 및 최대증속으로 도시하였으나, 카운터로터(160)가 유선형으로 되어 있기 때문에 메인샤프트(140)의 슬라이딩되는 길이에 따라 연속적으로 접촉부위가 변화되어 무단으로 변속된다. 또한, 스프링(170)이 출력 디스크로터(130)를 계속해서 밀어주고 있기 때문에 메인샤프트(140)를 당기거나 밀어준 힘은 다시 스프링(170)에 의해 복원이 되게 된다.
전술한 바와 같은 무단변속기(100)는 입력축과 출력축을 갖는 산업용 기계에서부터 운송수단에 이르기 까지 다양하게 적용이 가능할 것이다.
다음은 본 발명의 다른 실시예에 따른 무단변속기를 설명한다.
다른 실시예에 따른 무단변속기는 출력의 개념을 바꾼 것으로, 위에서는 동력이 입력축으로 들어와 반대쪽의 출력축으로 변속되는 실시예이고, 이번 실시예에서는 동력이 입력축으로 들어와 하우징으로 변속되는 실시예이다.
도 6을 참고하면, 다른 실시예에 따른 무단변속기(200)는 원통형의 하우징(110)과, 이 하우징(110)내의 양측에 배치되는 입력 디스크로터(120) 및 출력 디스크로터(130)와, 이 디스크로터(120,130)들의 축중심을 관통하여 하우징(110)의 외부로 연장되는 메인샤프트(140)와, 메인샤프트(140)의 중간에 형성된 변속브라켓(141)에 조인트 결합되어 직각방향으로 연장되는 적어도 두 개 이상의 카운터샤프트(150)와, 카운터샤프트(150)들에 끼워져 자전 및 공전되는 카운터로터(160)와, 출력 디스크로터(130)를 입력 디스크로터(120)측으로 밀어주는 스프링(170)을 포함하여 구성된다.
또한, 입력 디스크로터(120)는 입력축(121)이 하우징(110)의 외부로 돌출되어 본 발명 변속기(200)를 거치하는 프레임(201)상에 고정되고, 출력 디스크로터(130)는 그 외측면이 하우징(110)의 내측에 형성된 고정홀(113)과 끼움결합되어 출력 디스크로터(130)와 하우징(110)이 함께 회전된다. 즉, 본 발명의 두 번째 실시예에 따른 무단 변속기(200)는 메인샤프트(140)에서 동력이 입력되고, 입력된 동력은 카운터로터(160)를 통해 출력 디스크로터(130) 및 하우징(110)으로 출력된다.
보다 상세한 작동을 설명하면, 메인샤프트(140)로 입력된 동력은 카운터로터(160)들을 공전시키게 된다. 이때, 입력 디스크로터(120)는 프레임(201)과 일체로 고정되어 있기 때문에 카운터로터(160)가 공전되면서 자전도 함께 되도록 해준다. 그리고 카운터로터(160)의 자전은 다시 출력 디스크로터(130)를 회전시키게 되어 출력 디스크로터(130)와 일체로 고정된 하우징(110)이 함께 회전된다.
변속의 방법은 전술한 첫 번째 실시예에서와 같이 메인샤프트(140)를 슬라이딩시키게 되면, 유선형으로 제작된 카운터로터(160)가 입력 디스크로터(120) 및 출력 디스크로터(130)와 중심부 및 가장자리쪽에 맞닿으면서 감속 및 증속을 도모하게 된다.
그리고 프레임(201)상에는 변속레버(202)가 힌지결합되고, 이 변속레버(202)의 끝단이 메인샤프트(140)에 미끄럼결합되어 변속레버(202)의 시이소 타기에 의해 메인샤프트(140)가 슬라이딩된다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술분야의 숙련된 당업자는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100, 200 : 마찰전동 무단 변속기
110 : 하우징 111 :입력축공
112 : 출력축공 113 : 고정홀
120 : 입력 디스크로터 121 : 입력축
122 : 여유공간 130 : 출력 디스크로터
131 : 출력축 132 : 여유공간
140 : 메인샤프트 141 : 변속브라켓
142 : 결합홈 150 : 카운터샤프트
160 : 카운터로터 170 : 스프링
201 : 프레임 202 : 변속레버

Claims (5)

  1. 원통형의 하우징(110)내에 배치되는 입력 디스크로터(120)와 출력 디스크로터(130)의 사이에 카운터로터(160)를 마찰접촉시켜 상기 입력 디스크로터(120)로 입력된 동력을 상기 출력 디스크로터(130)로 변속출력을 도모하는 마찰전동 무단 변속기에 있어서,
    상기 입력 디스크로터(120)의 축중심을 통해 메인샤프트(140)를 삽입시키고, 상기 입력 디스크로터(120) 및 출력 디스크로터(130)의 사이에 적어도 두 개 이상이 방사상으로 벌어지면서 상기 하우징(110)에 고정되도록 상기 메인샤프트(140)의 단부에 카운터샤프트(150)를 조인트 결합시키며, 상기 카운터샤프트(150)에는 유선형으로 된 롤 형태의 카운터로터(160)를 삽입하여 상기 메인샤프트(140)를 좌,우로 슬라이딩하여 변속시킴을 특징으로 하는 마찰전동 무단 변속기.
  2. 원통형의 하우징(110)에 축중심 양측으로 메인샤프트(140)가 관통되고, 상기 하우징(110)내에 상기 메인샤프트(140)가 관통되는 입력 디스크로터(120)와 출력 디스크로터(130)가 배치되고, 상기 하우징(110)의 양측에 프레임(201)이 지지되며, 상기 입력 디스크로터(120)와 출력 디스크로터(130)의 사이에 카운터로터(160)를 마찰접촉시켜 상기 메인샤프트(140)로 입력된 동력을 상기 하우징(110)으로 변속출력하는 마찰전동 무단 변속기에 있어서,
    상기 입력 디스크로터(120)는 상기 프레임(201)에 고정시키고, 상기 출력 디스크로터(130)는 상기 하우징(110)에 고정시키고, 상기 입력 디스크로터(120) 및 출력 디스크로터(130)의 사이에 적어도 두 개 이상이 방사상으로 벌어지도록 상기 메인샤프트(140)의 중간에 카운터샤프트(150)를 조인트 결합시키며, 상기 카운터샤프트(150)에는 유선형으로 된 롤 형태의 카운터로터(160)를 삽입하여 상기 메인샤프트(140)를 좌,우로 슬라이딩하여 변속시킴을 특징으로 하는 마찰전동 무단 변속기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 출력 디스크로터(130)와 상기 하우징(110)의 타측 사이에는 스프링(170)이 내장되어 상기 출력 디스크로터(130)를 상기 입력 디스크로터(120)측으로 밀어줌을 특징으로 하는 마찰전동 무단 변속기.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 카운터샤프트(150)가 결합되는 메인샤프트(140)상에는 다수의 결합홈(142)이 형성된 변속브라켓(141)이 형성되어 상기 카운터샤프트(160)의 일단이 상기 결합홈(142)에 힌지 결합됨을 특징으로 하는 마찰전동 무단 변속기.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 입력 디스크로터(120) 및 출력 디스크로터(130)들의 마주보는 면상에는 상기 변속브라켓(141)이 좌,우로 움직일 수 있도록 여유공간(122,132)이 형성됨을 특징으로 하는 마찰전동 무단 변속기.
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