KR20140112021A - 미끄럼 제한 유성 기어 변속기 - Google Patents

Abstract

미끄럼 제한 유성 기어 변속기는, 입력 부재, 입력 부재와 동축 상에 있는 출력 부재, 입력 부재와 출력 부재 사이에 결합되는 유성 기어 세트, 및 출력 부재의 토크를 제어하기 위해 유성 기어 세트에 결합되는 브레이크 부재를 포함한다.

Description

미끄럼 제한 유성 기어 변속기{LIMITED SLIP PLANETARY GEAR TRANSMISSION}

본 발명은 미끄럼 제한 유성 기어 변속기에 관한 것으로, 특히 유성 기어 변속기의 출력 토크를 제어하기 위해 유성 기어 세트의 회전 부분과 맞물리는 브레이크 부재를 구비하는 미끄럼 제한 유성 기어 변속기에 관한 것이다.

본 발명은 유성 기어 세트에 관한 것이다. 유성 기어 세트는 전형적으로, 태양 기어, 캐리어, 피니언들 및 링 기어를 포함하는 단일 조립체이다. 유성 기어 세트 반조립체는 이어서 자동차 변속기와 같은 더 큰 기계 장치 내부에 통합된다. 유성 기어 세트가 통합되는 더 큰 장치의 출력 동력 또는 출력 토크는 기계적으로 제어가능하다. 특정 적용들을 위해, 태양 기어 또는 캐리어와 같은 하나 이상의 유성 기어 세트 구성요소들의 토크를 직접적으로 제어함에 의해, 유성 기어 세트의 토크 출력을 적당하게 조절하는 것이 바람직할 것이다.

당해 기술 분야의 대표적인 예는, 전방 고/저 구동 범위 기어 세트 및 후방 듀얼 유성 인터 액슬 디퍼렌셜 기어 세트(aft dual planetary inter-axle differential gear set)에 의해 동심으로 둘러싸이게 되는 제1 출력을 한정하는 중앙 샤프트를 제공하는 4륜 구동 차량을 위한 전달 케이스(transfer case)를 개시하는, 미국특허번호 제5,106,351호이다. 범위 클러치 칼라가, 선택적으로 4륜 구동 저 범위, 중립 및 상시 4륜 구동 고 범위를 제공하기 위해, 기어 세트들 사이에 배치된다. 마찬가지로, 모드 슬리브가, 차량이 4륜 저 범위로 조작될 때, 디퍼렌셜 기어 세트를 선택적으로 잠금하기 위해, 기어 세트들 사이에 배치된다. 상대적으로 회전하는 내측 및 외측 드럼 하우징이 후방 듀얼 유성 디퍼렌셜 기어 세트를, 이들 사이에 환형의 점성 유체 결합 챔버를 한정하기 위해, 둘러싼다. 외측 드럼이 제1 출력과 제2 출력 사이에 미끄럼 제한을 갖는 상시 4륜 구동 차동을 제공하기 위해 제2 출력에 상호 연결되는 가운데, 내측 드럼은, 제1 출력 샤프트와 함께 회전하기 위한 듀얼 유성 기어 세트의 일부분과 맞물리게 되는, 내측 환형 기어 톱니로 형성된다.

필요한 것은, 유성 기어 변속기의 출력 토크를 제어하기 위해 유성 기어 세트의 회전 부분과 맞물리는 브레이크 부재를 구비하는, 미끄럼 제한 유성 기어 변속기이다. 본 발명은 이러한 요구를 충족시킨다.

본 발명의 주요 양태는. 유성 기어 변속기의 출력 토크를 제어하기 위해 유성 기어 세트의 회전 부분과 맞물리는 브레이크 부재를 구비하는, 미끄럼 제한 유성 기어 변속기를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 양태는 뒤따르는 본 발명의 상세한 설명 및 첨부되는 도면들에 의해 드러나고 명백해질 것이다.

본 발명은 입력 부재, 출력 부재, 입력 부재와 출력 부재 사이에 결합되는 태양 기어를 구비하는 유성 기어 세트, 및 태양 기어에 직접적으로 결합되며 태양 기어의 속도를 제어함에 의해 유성 기어 세트의 출력 토크를 제어하는 브레이크 부재를 포함하는 미끄럼 제한 유성 기어 변속기를 포함한다.

본 명세서에 통합되고 본 명세서의 일부를 형성하는 첨부되는 도면들은, 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하며, 상세한 설명과 함께, 본 발명의 원리들을 설명하는 역할을 한다.
도 1은 바람직한 실시예를 도시한 단면도.
도 2는 도 1의 실시예를 도시한 분해도.
도 3은 대안적인 실시예를 도시한 단면도.
도 4는 도 3의 실시예를 도시한 분해도.

도 1은 본 발명의 변속기의 단면도이다. 캐리어(20)가 A-A 축에 대해 회전한다. 캐리어(20)는 회전 샤프트(미도시)에 압입될 수 있을 것이다.

다수의 피니언 기어(90)가 캐리어(20) 둘레에 고정된다. 각 피니언 기어(90)는 링 기어(30) 및 태양 기어(10)와 맞물린다. 태양 기어 부재(11)가 A-A 축에 대해 캐리어(20)와 동축상에 놓이는 샤프트를 더 포함한다. 이러한 실시예에서, 태양 기어(10)는 태양 기어 부재(11)를 통해 브레이크(40)와 마찰식으로 맞물리게 된다.

링 기어(30)는 베어링(81)을 통해 태양 기어 부재(11) 상에서 회전한다. 링 기어(30)는 베어링(80)을 통해 캐리어(20) 상에서 회전한다. 이러한 실시예에서, 동력 출력은 링 기어(30)를 통하게 되고, 동력 입력은 캐리어(20)를 통하게 된다.

브레이크(40)는 하우징(50) 및 번갈에 포개지게 배치되는(interleaved) 플레이트들(60)과 플레이트들(70)을 포함한다. 플레이트들(60)은 클러치 및 브레이크 기술 분야에 공지된 마찰 재료를 포함한다. 플레이트들(70)은 클러치 및 브레이크 기술 분야에 공지된 마찰 재료를 포함한다. 플레이트들(60)은 하우징(50)에 장착된다. 플레이트들(70)은 태양 기어 부재(11)에 장착된다. 피스톤(41)이 플레이트들(60)을 플레이트들(70)과의 마찰 맞물림 상태로 압박한다. 플레이트들(60) 및 플레이트들(70) 사이의 마찰 맞물림은 태양 기어 부재(11)에 드래그 토크(drag torque)를 인가하여, 태양 기어(10)의 회전을 느리게 하며, 순차로 장치의 출력 토크를 감소시킨다. 브레이크(40)는 또한, 원뿔형 또는 밴드 브레이크와 같은, 당해 기술분야에 공지된 바와 같은 다른 유형의 브레이크들을 포함할 수 있을 것이다. 대안적인 실시예에서, 피스톤(41)은 제어 시스템(미도시)에 연결되는 공압 또는 유압 실린더를 더 포함할 수 있을 것이다.

도 1에서, 장치는, 태양 기어(10)가 반작용 기어이고 캐리어(20)가 링 기어(30)에서 출력 속도 증가를 생성하기 위한 입력 부재인 유성 기어 세트로서, 구성된다. 대안적인 실시예에서, 링 기어(30)가 캐리어(20) 출력에 속도 감소를 생성하도록 하는 입력 부재일 수 있다. 태양 기어(10)는 속도비를 생성하기 위해 고정되고 유지될 수 있지만, 또한 출력 속도를, 각각 브레이크(40)를 사용하여 선택된 속도로, 변화시키기 위해 미끄러질 수 있다.

작동을 예시하기 위해, 변속기가 링 기어(30)가 출력 부재이고 캐리어(20)가 입력 부재인 증속 장치로서 사용되는 것으로 가정한다. 태양 기어(10)가 브레이크(40)에 의해 회전 없이 유지될 때 변속비는:

여기서,

S는 태양 기어(10) 상의 톱니수이고,

R은 링 기어(30) 상의 톱니수이다.

이러한 예에서, 태양 기어(10)는 12개의 톱니를 구비하고, 링 기어(30)는 60개의 톱니를 구비하여, 변속비는 0.83:1 이다. 캐리어(20)가 12Nm 의 토크에서 1,000RPM 으로 회전하고 태양 기어(10)가 브레이크(40)의 작용으로 인해 회전하지 않고 있다면, 이때 링 기어(30)는 1,200RPM 으로 그리고 10Nm 의 토크에서 회전한다. 링 기어(30)에서 1,200RPM 보다 낮은 임의의 속도를 갖도록 하기 위해 브레이크(40)를 미끄러지도록 할 수 있다. 링 기어(30)의 요구되는 속도가 1,100RPM 이라면, 브레이크(40)에 작용되는 힘이, 태양 기어(10)가 미끄러질 수 있도록 하기 위해, 감소될 수 있다.

태양 기어(10)에서 요구되는 미끄럼 속도를 계산하기 위해, 뒤따르는 계산이 사용된다:

(R + S)ω캐리어 = Rω링 기어 + Sω태양 기어

ω캐리어는 캐리어의 속도이고,

ω링 기어는 링 기어의 속도이며,

ω태양 기어는 태양 기어의 속도이다.

이러한 경우에서, 링 기어(30)를 1200 RPM 으로부터 1100 RPM 으로 낮추기 위한, 태양 기어(10)의 미끄럼 속도는 500RPM 이다. 동력 손실은 단순히, 이하의 방정식으로 나타나는 바와 같이, 링 기어(30) 에서의 속도 변화와 링 기어(30)에서의 토크의 곱이다:

링 기어(30)를 미끄러지게 함에 의한 동력 손실은 대략 105 W(와트)이다. 태양 기어(10)에서의 토크는, 태양 기어(10)에서의 속도가 500RPM 더 높기 때문에, 2Nm 더 낮다. 동력 손실은, 플레이트(60) 및 플레이트(70)에 작용하게 되는 요구되는 힘이 더 낮기 때문에, 고속에서 관리하기에 더 용이하다. 더 낮은 작용하는 힘은 플레이트(60), 플레이트(70) 및 하우징(50)의 전체적인 물리적 크기의 감소를 허용한다.

도 2는 도 1의 실시예를 도시한 분해도이다. O-링들(51)이, 파편이 하우징에 들어가고 플레이트들(60, 70)에 도달하는 것을, 방지한다. O-링들(51)은 또한 압력 경계로서 피스톤(41)을 밀봉하기 위해 사용된다. 하우징 커버(52)가 볼트들(53)을 사용하여 하우징(50)에 고정된다. 플레이트(60)가 단부 플레이트(54) 상에서 지탱된다.

스냅 링(82)이 링 캐리어(31) 내에서 베어링(81)을 구속한다. 편향기(33)가, 피니언 기어(90)와 태양 기어(10) 사이의 기어 맞물림 인터페이스 내로 오일을 지향시킨다. 링 기어(30)는 링 캐리어(31)와 링 캐리어(32) 사이에 구속된다. 스냅 링(83)이 링 캐리어(32) 내에서 베어링(80)을 구속한다.

이러한 실시예에서, 비록 더 많은 피니언 기어가 사용자의 필요에 의존하여 사용될 수 있지만, 3개의 피니언 기어(90)가 캐리어(20) 둘레에 고정된다. 태양 기어(10)는 태양 기어 부재(11)의 외측면 상에 압입된다.

도 3은 대안적인 구성을 도시한 단면도이다. 도 1의 실시예의 경우 브레이크 메커니즘이 태양 기어(10)에 작용하는 가운데, 이러한 실시예에서, 브레이크 메커니즘은 캐리어(300)에 작용하게 된다.

이러한 실시예에서, 2개의 링 기어(100, 500)가 복합 피니언(200: compound pinion)을 구비하는 공통의 캐리어(300)를 공유하며, 여기서 캐리어는 반작용 요소이다. 링 기어(100)는 출력 링 기어(500)에서의 속도 증가를 생성하기 위한 입력 부재이다. 캐리어(300)는, 회전이 방지되거나 브레이크(400)를 사용하여 미끄러지게 되는, 반작용 부재이다. 도 1의 실시예에 대해 알려진 바와 같이, 동력 흐름은 어느 방향이나, 즉, 링 캐리어(501)를 통한 입력 및 속도 감소 변속을 위한 링 캐리어(101)를 통한 출력 중 어느 한 방향일 수 있다.

링 기어(100)는 링 캐리어(101)의 내측면 상에 배치된다. 링 기어(100)는 다수의 복합 피니언(200)과 맞물린다. 복합 피니언들(200)은 캐리어(300) 둘레에 고정된다. 각각의 복합 피니언(200)은 2개의 기어, 즉, 기어(201) 및 기어(202)를 포함한다. 기어(201) 및 기어(202) 각각은 상이한 수의 톱니를 구비한다. 링 기어(100)는 각각의 기어(201)와 맞물린다.

링 기어(500)는 링 캐리어(501)의 내측면 상에 배치된다. 링 기어(500)는 각각의 복합 피니언(200) 상에서 각각의 기어(202)와 맞물린다.

밴드 브레이크(400)는 캐리어(300)의 외주면(301)과 마찰식으로 맞물린다. 밴드 브레이크는, 자체에 마찰 재료(402)가 장착되는, 밴드(401)를 포함한다. 마찰 재료는 외주면(301)과 마찰식으로 맞물린다. 밴드 브레이크(400)는, 외주면(301) 상에 밴드를 압축하기 위한 기계적 수단을 사용하는, 당해 기술분야에 공지된 방식으로 작용하며, 그로 인해 캐리어에 작용하게 되는 마찰력을 증가시킨다. 그러한 수단은, 이에 국한되는 것은 아니지만, 전기 액추에이터 , 공압 또는 유압 피스톤, 애크미 타입 나사(Acme-type screw) 또는 단순한 레버(미도시)를 포함할 수 있다.

작동시, 각 기어는 사전 결정된 수의 톱니를 포함한다. 각 기어는 사용자에 의해 요구되는 바에 따라 당해 기술분야에 공지된 바와 같은 임의의 수의 톱니를 구비할 수 있을 것이다. 예시적인 실시예에서, 링 기어(100)는 107개의 톱니를 구비한다. 복합 피니언(200)은 2개의 기어 톱니 윤곽을 구비한다. 기어(201)는 링 기어(100)와 맞물리는 12개의 톱니를 구비하고, 기어(202)는 링 기어(500)와 맞물리는 17개의 톱니를 구비한다. 링 기어(500)는 111 개의 톱니를 구비한다.

링 기어(100)가 1,000RPM에서 회전하고 캐리어(300)가 브레이크(400)에 의해 (회전 없이) 유지 고정된다면, 이때 링 기어(500)는 1,260RPM 으로 회전한다. 링 기어(500)의 속도는 브레이크(400)를 부분적으로 해제함에 의해 캐리어(300)가 미끄러질 수 있도록 함에 의해 감소하게 될 수 있다. 예를 들어, 링 기어(500)에서 10%의 미끄럼을 달성하기 위해, 캐리어(300)는, 캐리어(300)가 485RPM 으로 회전하도록 미끄러져야 한다. 링 기어(500) 및 링 캐리어(501)에서의 속도 변화는 126RPM이지만, 10%의 미끄럼에 의해 허용되는 캐리어(300)의 속도 증가는, 더 낮은 토크가, 브레이킹 메커니즘에 더 작은 작용력을 가질 수 있도록 하기 위해, 브레이크(400)에 의해 관리되어야 한다는 것을 의미한다.

도 4는 도 3의 실시예를 도시한 분해도이다. 이러한 실시예에서, 3개의 복합 피니언(200)이 캐리어(300) 둘레에 고정된다. 밴드 브레이크(400)는 캐리어(300)의 반경방향 외측으로 배치된다. 이러한 배열은, 변속기가 얇은 두께(T)를 구비할 수 있도록 하여, 제한된 영역 내에서 사용될 수 있도록 한다.

본 발명의 장치는 단순하고 정확하게 속도 제어를 실시한다. 제어 시스템은 출력 부재 및 반작용 부재에서의 속도 및/또는 토크를 모니터할 수 있어서, 출력 부재에서의 일정한 속도를 가능하게 하기 위해 미끄럼 요소가 일정하게 변화되도록 할 수 있다.

미끄럼 또는 제동되는 요소의 토크를 측정하기 위해 사용될 수 있는 여러 방법이 있다. 토크 측정의 몇몇 예들은 로드셀들 및 비틀림 또는 압축 스프링들과 같은 탄성 요소의 사용이다. 탄성 요소는, 측정된 각 변위 또는 선형 변위와 함께 토크를 측정하기 위해 사용될 수 있는, 공지의 탄성률(spring rate)을 구비한다.

비록 본 발명의 형태들이 여기에 설명되었지만, 변화들은 여기에 설명되는 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어남 없이 부품들의 구조 및 관계 내에서 이루어질 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다.

Claims (17)

1. 미끄럼 제한 유성 기어 변속기로서,
   입력 부재;
   출력 부재;
   태양 기어를 구비하며, 상기 입력 부재와 상기 출력 부재 사이에 결합되는, 유성 기어 세트; 및
   상기 태양 기어에 직접적으로 결합되며, 상기 태양 기어의 속도를 제어함에 의해 상기 유성 기어 세트의 출력 토크를 제어하는 브레이크 부재를 포함하는 것인 미끄럼 제한 유성 기어 변속기.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 출력 부재는 링 기어를 포함하는 것인 미끄럼 제한 유성 기어 변속기.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 입력 부재는 유성 기어 캐리어를 포함하는 것인 미끄럼 제한 유성 기어 변속기.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 브레이크 부재는 다수의 플레이트를 포함하는 것인 미끄럼 제한 유성 기어 변속기.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 출력 부재는 유성 기어 캐리어를 포함하는 것인 미끄럼 제한 유성 기어 변속기.
6. 제 1항에 있어서,
   상기 입력 부재는 링 기어를 포함하는 것인 미끄럼 제한 유성 기어 변속기.
7. 미끄럼 제한 유성 기어 변속기로서,
   입력 부재;
   상기 입력 부재와 동축 상에 놓이는 출력 부재;
   상기 입력 부재와 상기 출력 부재 사이에 결합되는 유성 기어 세트; 및
   상기 출력 부재의 토크를 제어하기 위해 상기 유성 기어 세트에 결합되는 브레이크 부재를 포함하는 것인 미끄럼 제한 유성 기어 변속기.
8. 제 7항에 있어서,
   상기 브레이크 부재는 태양 기어에 결합되고;
   상기 브레이크 부재는, 하우징에 교호반복적으로 결합되는 다수의 번갈아 포개지게 배치되는 플레이트들 및 상기 태양 기어, 그리고 상기 번갈아 포개지게 배치되는 플레이트들 상에 사전 결정된 힘을 가하는 압박 부재를 포함하는 것인 미끄럼 제한 유성 기어 변속기.
9. 제 7항에 있어서,
   캐리어;
   제1 링 기어 및 제2 링 기어;
   상기 캐리어 둘레에 고정되고, 상기 제1 링 기어 및 상기 제2 링 기어와 맞물리는 복합 피니언;
   상기 캐리어에 결합되는 브레이크 부재를 포함하고,
   상기 복합 피니언은 제1 기어 및 제2 기어를 구비하고, 상기 제1 기어 상의 톱니의 수는 상기 제2 기어 상의 톱니의 수와 상이한 것인 미끄럼 제한 유성 기어 변속기.
10. 제 9항에 있어서,
    상기 브레이크 부재는 밴드 브레이크를 포함하는 것인 미끄럼 제한 유성 기어 변속기.
11. 제 10항에 있어서,
    상기 밴드 브레이크는 캐리어 표면과 맞물리는 것인 미끄럼 제한 유성 기어 변속기.
12. 제 11항에 있어서,
    상기 밴드 브레이크는 상기 캐리어 표면의 반경방향 외측에 배치되는 것인 미끄럼 제한 유성 기어 변속기.
13. 미끄럼 제한 유성 기어 변속기로서,
    입력 부재;
    상기 입력 부재와 동축 상에 놓이는 출력 부재;
    캐리어를 구비하며, 상기 입력 부재 및 상기 출력 부재 사이에 결합되는 유성 기어 세트;
    상기 캐리어에 결합되는 브레이크 부재; 및
    힘을 가하여 그로 인해 상기 브레이크 부재가 상기 유성 기어 세트의 토크 출력을 제어하도록 하는 압박 부재를 포함하는 것인 미끄럼 제한 유성 기어 변속기.
14. 제 13항에 있어서,
    제1 링 기어 및 제2 링 기어;
    상기 캐리어 둘레에 고정되며, 상기 제1 링 기어 및 상기 제2 링 기어와 맞물리는 복합 피니언을 포함하며,
    상기 복합 피니언은 제1 기어 및 제2 기어를 구비하고, 상기 제1 기어 상의 톱니의 수는 상기 제2 기어 상의 톱니의 수와 상이한 것인 미끄럼 제한 유성 기어 변속기.
15. 제 14항에 있어서,
    상기 브레이크 부재는 밴드 브레이크를 포함하는 것인 미끄럼 제한 유성 기어 변속기.
16. 제 15항에 있어서,
    상기 밴드 브레이크는 캐리어 표면과 맞물리는 것인 미끄럼 제한 유성 기어 변속기.
17. 제 16항에 있어서,
    상기 밴드 브레이크는 상기 캐리어 표면의 반경방향 외측에 배치되는 것인 미끄럼 제한 유성 기어 변속기.

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