KR20150117438A - 입력 합성 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 입력 합성 장치는, 제1 회전력을 제공하는 제1 입력부; 상기 제1 회전력과 동일하거나 다른 제2 회전력을 제공하는 제2 입력부; 상기 제1 입력부 및 상기 제2 입력부에 맞물려 상기 제1 회전력과 상기 제2 회전력을 합성하는 기어부; 및 상기 제1 회전력과 상기 제2 회전력의 합성력이 출력되는 출력부;를 포함하며, 상기 기어부는 상기 제1 입력부의 회전방향과 상기 제2 입력부의 회전방향의 동일 여부에 따라 상기 제1 회전력과 상기 제2 회전력의 속도 또는 토크를 합산할 수 있다.

Description

입력 합성 장치{Apparatus for combining inputs}
본 발명은 입력 합성 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 입력의 토크 또는 속도를 선별적으로 합산하여 합성된 출력을 생성할 수 있는 입력 합성 장치를 제공한다.
일반적으로 로봇, 차량, 운송기구 또는 기계 시스템 등을 제어하기 위해서 모터 또는 엔진 등의 동력원이 사용되는데, 이때 요구된 작업(작동, 동작)을 위해서 이를 만족하게 하는 동력원의 용량을 선택하여야 한다. 예를 들어, 동력원이 모터인 경우 모터의 용량은 모터의 크기, 무게, 비용과 밀접한 관계를 가지고 있다.
로봇 또는 기계 시스템 등이 큰 토크, 빠른 속도로 구동되어야 할 필요성이 있는 경우 높은 용량의 동력원이 필요하게 되며, 이에 의해서 로봇 또는 기계 시스템 등의 크기, 무게, 비용이 증가하게 된다.
자동차의 경우 경사로에서 주행을 원활하게 하기 위한 고토크 출력, 빠른 주행을 위한 고속 출력을 모두 얻기 위해서 엔진의 회전력을 바퀴에 전달하는 과정에서 기어 비를 변화시키는 기어 변속 장치를 사용하게 된다. 하지만, 기어 변속 시스템은 기구적인 구성의 복잡함, 가격, 무게 등의 문제로 소형 구동 시스템에 사용이 어렵다.
한편, 본 출원인은 한국공개특허 제10-2012-0028234호에서 두 개의 입력 특성을 이용한 유성 기어 시스템을 제안한 바 있다. 하지만, 본 출원인은 이 한국공개특허에서 입력 속도를 합성하는 기술만 제안하였다. 따라서, 보다 다양한 특성을 가지는 출력을 생성하기 위해서는 입력의 속도와 더불어 입력의 토크도 함께 합성할 수 있는 입력 합성 장치의 필요성이 있다.
따라서, 본 발명에서는 소형 구동 시스템에 간단히 적용될 수 있으며 입력의 속도와 토크를 선별적으로 합성하여 다양한 출력을 생성할 수 있는 입력 합성 장치를 제안한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 서로 다르거나 같은 특성을 가지는 다수개의 입력을 합성하여 다양한 출력을 생성할 수 있는 입력 합성 장치를 제공한다.
본 발명은 입력의 토크와 속도를 구분하여 합성함으로써 다양한 출력을 생성할 수 있는 입력 합성 장치를 제공한다.
본 발명은 입력을 생성하는 구동원의 작동 중에 입력의 회전 방향만 변경하여 입력의 속도 또는 토크를 합성할 수 있는 입력 합성 장치를 제공한다.
상기한 바와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 입력 합성 장치는, 제1 회전력을 제공하는 제1 입력부; 상기 제1 회전력과 동일하거나 다른 제2 회전력을 제공하는 제2 입력부; 상기 제1 입력부 및 상기 제2 입력부에 맞물려 상기 제1 회전력과 상기 제2 회전력을 합성하는 기어부; 및 상기 제1 회전력과 상기 제2 회전력의 합성력이 출력되는 출력부;를 포함하며, 상기 기어부는 상기 제1 입력부의 회전방향과 상기 제2 입력부의 회전방향의 동일 여부에 따라 상기 제1 회전력과 상기 제2 회전력의 속도 또는 토크를 합산할 수 있다.
상기 제1 입력부 및 상기 제2 입력부에는 각각 상기 기어부와 맞물리는 기어가 형성되며, 상기 제1 입력부에 형성된 기어와 상기 제2 입력부에 형성된 기어의 개수는 상이하게 형성될 수 있다.
상기 제1 입력부 또는 상기 제2 입력부 중 어느 하나에는 상기 기어부와 맞물리는 2개의 기어가 형성되고, 상기 2개의 기어에는 제1 원웨이 베어링 및 제2 원웨이 베어링이 형성될 수 있다.
상기 제1 원웨이 베어링과 상기 제2 원웨이 베어링의 동력전달 차단방향은 서로 반대로 형성될 수 있다.
상기 기어부는 회전하지 않는 고정축에 형성된 제3 원웨이 베어링을 포함할 수 있다.
상기 제3 원웨이 베어링의 동력전달 차단방향은 상기 제1 원웨이 베어링 또는 상기 제2 원웨이 베어링 중 어느 하나의 동력전달 차단방향과 동일하게 형성될 수 있다.
상기 제1 원웨이 베어링 또는 상기 제2 원웨이 베어링 중 상기 제3 원웨이 베어링과 같은 동력전달 차단방향을 가지는 원웨이 베어링이 형성된 기어는 상기 기어부의 유성기어부 또는 차동기어부와 맞물리도록 형성될 수 있다.
상기 제1 원웨이 베어링 또는 상기 제2 원웨이 베어링 중 상기 제3 원웨이 베어링과 다른 동력전달 차단방향을 가지는 원웨이 베어링이 형성된 기어는 상기 제3 원웨이 베어링이 형성된 기어와 맞물리도록 형성될 수 있다.
상기 기어부는 상기 제1 입력부에 형성된 제1 입력기어 및 상기 제2 입력부에 형성된 제2 입력기어와 제3 입력기어를 포함하고, 상기 유성기어부 또는 상기 차동기어부는 상기 제1 입력기어와 맞물리고 상기 제2 입력기어 또는 상기 제3 입력기어와 맞물리도록 형성될 수 있다.
상기 제1 원웨이 베어링 및 상기 제2 원웨이 베어링은 각각 상기 제2 입력기어 및 상기 제3 입력기어에 형성될 수 있다.
상기 유성기어부는, 상기 제1 입력기어와 맞물리는 제1 중간기어; 상기 제1 중간기어에 형성되어 상기 제1 중간기어의 회전 방향으로 공전하는 유성기어; 상기 유성기어 사이에 형성되어 상기 유성기어의 자전방향과 반대방향으로 회전하는 선기어; 상기 유성기어와 맞물리며 상기 유성기어의 자전방향과 동일방향으로 회전하는 링기어; 상기 링기어가 내부에 형성되어 상기 링기어와 동일방향으로 회전하며 상기 출력부가 연결되는 제2 중간기어; 및 상기 선기어와 동일 회전축으로 연결 형성된 제3 중간기어;를 포함하며, 상기 제3 중간기어는 상기 제2 입력기어와 맞물리고 상기 제2 중간기어는 상기 제3 입력기어와 맞물리도록 형성될 수 있다.
상기 차동기어부는, 상기 제1 입력기어와 맞물리는 제1 중간기어; 상기 제1 중간기어의 평면부에 형성된 제1 베벨기어; 상기 제1 베벨기어와 맞물리는 아이들기어; 상기 아이들기어가 회전 가능하게 형성된 회전축이 연결되고, 상기 아이들기어의 공전방향과 동일방향으로 회전하는 제2 중간기어; 상기 아이들기어와 맞물리며 상기 제1 베벨기어와 마주 보도록 형성된 제2 베벨기어; 및 상기 제2 베벨기어가 평면부에 형성되는 제3 중간기어;를 포함하며, 상기 아이들기어가 형성된 회전축에는 상기 출력부가 연결되고, 상기 제3 중간기어는 상기 제2 입력기어와 맞물리고 상기 제2 중간기어는 상기 제3 입력기어와 맞물리도록 형성될 수 있다.
상기 제2 중간기어와 상기 제3 입력기어 사이에는 제4 중간기어가 맞물리도록 형성될 수 있다.
상기 제3 원웨이 베어링은 상기 제3 중간기어에 형성될 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 입력 장치는 서로 동일하거나 다른 특성을 갖는 입력의 합력을 출력하되, 입력의 토크 또는 속도를 구분하여 합성하기 때문에 다양한 출력을 생성할 수 있다.
본 발명에 따른 입력 합성 장치는 입력의 토크 또는 속도를 구분하여 합성할 수 있기 때문에 필요에 따라 다양한 속도 또는 토크를 가지는 출력을 제공할 수 있고 이로 인해 기어 변속의 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 입력 합성 장치는 입력의 토크와 속도를 개별적으로 합성하여 필요에 따라 고속-저토크 또는 저속-고토크의 출력을 생산할 수 있어 소형 로봇 등의 소형 구동 시스템도 자유 자재로 출력 특성을 변화시킬 수 있다. 또한, 소형 시스템에도 효과적으로 채용될 수 있고, 비용절감 및 대량생산이 가능하도록 모듈화가 용이하다.
본 발명에 따른 입력 합성 장치는 사용 동력원의 크기 또는 무게에 비해 최대 속도 및 최대 토크를 증가하게 할 수 있고, 출력 축의 부하에 따라 다양한 방법으로 동력원을 구동할 수 있기 때문에 에너지 효율을 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 입력 합성 장치의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 입력 합성 장치를 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2에 따른 입력 합성 장치의 분해 사시도이다.
도 4 내지 도 7은 도 2에 따른 입력 합성 장치의 입출력 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 입력 합성 장치를 도시한 사시도이다.
도 9 및 도 10은 도 8에 따른 입력 합성 장치의 분해 사시도이다.
도 11 내지 도 13은 도 8에 따른 입력 합성 장치의 입출력 관계를 설명하기 위한 도면이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 입력 합성 장치의 개념을 설명하기 위한 도면, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 입력 합성 장치를 도시한 사시도, 도 3은 도 2에 따른 입력 합성 장치의 분해 사시도, 도 4 내지 도 7은 도 2에 따른 입력 합성 장치의 입출력 관계를 설명하기 위한 도면, 도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 입력 합성 장치를 도시한 사시도, 도 9 및 도 10은 도 8에 따른 입력 합성 장치의 분해 사시도, 도 11 내지 도 13은 도 8에 따른 입력 합성 장치의 입출력 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 입력 합성 장치(100,200)는 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이 동일한 용량(또는 특성)을 가지는 입력 2개를 합성할 수 있는데, 토크와 속도를 구분하여 각각 합성할 수 있다. 합성 결과는 도 1의 (b)에 도시된 바와 같다. 입력의 토크와 속도를 각각 구분하여 합성하게 되면 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 저속-고토크의 출력과 고속-저토크의 출력을 모두 만들어낼 수 있다. 저속-고토크의 출력은 2가지 입력의 토크를 합성한 경우의 출력인데, 토크는 2개 입력의 토크를 합산한 값을 최대치로 가지며 속도는 2개 입력의 속도와 동일한 속도를 가지는 출력이 생성될 수 있다. 2개의 구동원을 구비한 하이브리드 자동차 등이 출발하는 경우 이와 같은 토크 합성이 필요할 수 있다. 또한, 자동차가 오르막을 오를 때에도 토크 합성이 필요하게 된다.
한편, 고속-저토크의 출력은 2가지 입력의 속도를 합성한 경우의 출력인데, 속도는 2개 입력의 속도를 합산한 값을 최대치로 가지며 토크는 2개 입력의 토크와 동일한 토크를 가지는 출력이 생성될 수 있다. 상기 형태의 하이브리드 자동차 등이 최고 속도를 낼 때 이러한 속도 합성이 필요할 수 있다.
이하에서는 이와 같이 속도 합성 또는 토크 합성을 가능하게 하는 입력 합성 장치에 대해서 보다 상세하게 설명한다.
도 2 및 도 8을 참조하면 본 발명에 따른 입력 합성 장치(100,200)는, 제1 회전력을 제공하는 제1 입력부(110,210); 상기 제1 회전력과 동일하거나 다른 제2 회전력을 제공하는 제2 입력부(120,220); 상기 제1 입력부(110,210) 및 상기 제2 입력부(120,220)에 맞물려 상기 제1 회전력과 상기 제2 회전력을 합성하는 기어부(150,250); 및 상기 제1 회전력과 상기 제2 회전력의 합성력이 출력되는 출력부(101,201);를 포함하며, 상기 기어부(150,250)는 상기 제1 입력부(110,210)의 회전방향과 상기 제2 입력부(120,220)의 회전방향의 동일 여부에 따라 상기 제1 회전력과 상기 제2 회전력의 속도 또는 토크를 합산할 수 있다.
상기와 같이 구성함으로써, 본 발명에 따른 입력 합성 장치(100,200)는 입력의 속도만 합성하거나 입력의 토크만 합성할 수 있으며, 제1 입력부(110,210)와 제2 입력부(120,220)의 작동 중에 토크를 합성하거나 속도를 합성하여 다양한 특성의 출력을 만들어 낼 수 있다.
한편, 상기 제1 입력부(110,210) 및 상기 제2 입력부(120,220)에는 각각 상기 기어부(150,250)와 맞물리는 기어가 형성되며, 상기 제1 입력부(110,210)에 형성된 기어와 상기 제2 입력부(120,220)에 형성된 기어의 개수는 상이하게 형성될 수 있다.
도 2 및 도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 입력 합성 장치(100,200)는 제1 입력부(110,210)에는 1개의 기어(112,212)가 형성되고 제2 입력부(120,220)에는 2개의 기어(122,123,222,223)가 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 입력 합성 장치(100,200)는 2개의 입력부(110,120,210,220)를 포함하는데, 입력부는 전동기, 모터, 엔진 등 다양한 동력원이 사용될 수 있다. 2개의 입력부(110,120,210,220)는 지지판(102,202)에 고정될 수 있으며, 제1/제2 입력부(110,120,210,220)의 회전력은 각각 동력축(111,121,211,221)을 통해서 전달될 수 있다.
제1 입력부(110,210)의 동력축(111,211)에는 제1 입력기어(112,212)가 형성되고, 제2 입력부(120,220)의 동력축(121,221)에는 제2 입력기어(122,222) 및 제3 입력기어(123,223)가 형성될 수 있다. 즉, 2개의 입력부에는 서로 다른 개수의 기어가 장착되거나 형성될 수 있다. 본 발명에 따른 입력 합성 장치(100,200)의 경우에는 제1 입력부(110,210)에는 1개의 기어가 형성되고 제2 입력부(120,220)에는 2개의 기어가 형성된다.
제1 내지 제3 입력기어(112,122,123,212,222,223)는 기어부(150,250)와 맞물려서 입력의 속도 또는 토크를 합성할 수 있다. 여기서, 기어부(150,250)에 제1 내지 제3 입력기어(112,122,123,212,222,223)가 포함될 수도 있다. 이하에서는 제1 내지 제3 입력기어(112,122,123,212,222,223)가 기어부(150,250)에 포함되는 경우를 예시로서 설명한다.
이처럼, 상기 제1 입력부(110,210) 또는 상기 제2 입력부(120,220) 중 어느 하나에는 상기 기어부와 맞물리는 2개의 기어(122,123,222,223)가 형성되고, 상기 2개의 기어(122,123,222,223)에는 제1 원웨이 베어링(124,224) 및 제2 원웨이 베어링(125,225)이 형성될 수 있다. 즉, 제2 입력부(120,220)의 동력축(121,221)에 장착된 제2 입력기어(122,222) 및 제3 입력기어(123,223)에는 각각 제1 원웨이 베어링(124,224) 및 제2 원웨이 베어링(125,225)이 형성될 수 있다.
원웨이 베어링(one-way bearing)은 클러치 베어링(clutch bearing)이라고도 불리우며, 어느 한 방향으로는 회전력 내지 동력을 전달하지만 다른 한 방향으로는 동력을 전달하지 않는 부재이다. 도 4 및 도 11을 참조하면 제1 원웨이 베어링(124,224) 및 제2 원웨이 베어링(125,225)의 회전방향이 도시되어 있다.
제1 원웨이 베어링(124,224)과 제2 원웨이 베어링(125,225)의 동력전달 차단방향은 서로 반대로 형성될 수 있다.
한편, 기어부(150,250)는 회전하지 않는 고정축(138,236)에 형성된 제3 원웨이 베어링(137,235)을 포함할 수 있다. 제3 원웨이 베어링(137,235)은 제3 원웨이 베어링(137,235)이 설치된 기어부(150,250)의 기어가 회전하는 방향을 제어할 수 있다.
제3 원웨이 베어링(137,235)의 동력전달 차단방향은 제1 원웨이 베어링(124,224) 또는 제2 원웨이 베어링(125,225) 중 어느 하나의 동력전달 차단방향과 동일하게 형성될 수 있다. 도 4 및 도 11을 참조하면, 본 발명에 따른 입력 합성 장치(100,200)는 제3 원웨이 베어링(137,235)과 제2 원웨이 베어링(125,225)의 동력전달 차단방향이 동일하고, 제1 원웨이 베어링(124,224)의 동력전달 차단방향은 다르다.
제1 원웨이 베어링(124,224) 또는 제2 원웨이 베어링(125,225) 중 제3 원웨이 베어링(137,235)과 같은 동력전달 차단방향을 가지는 원웨이 베어링이 형성된 기어(123,223)는 기어부(150,250)의 유성기어부 또는 차동기어부와 맞물리도록 형성될 수 있다. 여기서, 유성기어부 또는 차동기어부는 원웨이 베어링과 함께 입력의 토크 또는 속도를 합성하는 부분이라고 할 수 있다.
제1 원웨이 베어링(124,224) 또는 제2 원웨이 베어링(125,225) 중 제3 원웨이 베어링(137,235)과 다른 동력전달 차단방향을 가지는 원웨이 베어링(124,224)이 형성된 기어(122,222)는 제3 원웨이 베어링(137,235)이 형성된 기어(136,234)와 맞물리도록 형성될 수 있다.
기어부(150,250)는 제1 입력부(110,210)에 형성된 제1 입력기어(112,212) 및 제2 입력부(120,220)에 형성된 제2 입력기어(122,222)와 제3 입력기어(123,223)를 포함하고, 상기 유성기어부 또는 상기 차동기어부는 제1 입력기어(112,212)와 맞물리고 제2 입력기어(122,222) 또는 제3 입력기어(123,223)와 맞물리도록 형성될 수 있다.
도 2 내지 도 7에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 입력 합성 장치(100)는 기어부(150)에 유성기어부가 포함되어 있고, 도 8 내지 도 13에 도시된 본 발명의 다른 일실시예에 따른 입력 합성 장치(200)의 기어부(250)에는 차동기어부가 포함되어 있다.
도 2 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 입력 합성 장치(100)의 기어부(150)에 포함된 상기 유성기어부는, 제1 입력기어(112)와 맞물리는 제1 중간기어(131); 제1 중간기어(131)에 형성되어 제1 중간기어(131)의 회전 방향으로 공전하는 유성기어(132); 유성기어(132) 사이에 형성되어 유성기어(132)의 자전방향과 반대방향으로 회전하는 선기어(134); 유성기어(132)와 맞물리며 유성기어(132)의 자전방향과 동일방향으로 회전하는 링기어(133); 링기어(133)가 내부에 형성되어 링기어(133)와 동일방향으로 회전하며 상기 출력부(101)가 연결되는 제2 중간기어(135) 및 선기어(134)와 동일 회전축으로 연결 형성된 제3 중간기어(136)를 포함할 수 있다.
여기서, 제3 중간기어(136)는 제2 입력기어(122)와 맞물리고 제2 중간기어(135)는 제3 입력기어(123)와 맞물리도록 형성될 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 링기어(133)와 제2 중간기어(135)는 함께 회전할 수 있도록 형성된다. 예를 들면, 도시된 바와 같이 링기어(133)의 외주면에 제2 중간기어(135)가 끼워지는 형태 등으로 결합될 수 있다. 제2 중간기어(135)의 외주면에 치차가 형성될 수 있다.
제1 중간기어(131)는 캐리어(carrier)이다. 유성기어(132)의 회전축은 제1 중간기어(131)의 평면부에 고정 설치되기 때문에 유성기어(132)의 공전방향과 제1 중간기어(131)의 회전방향이 일치하게 된다.
출력축 내지 출력부(101)는 제2 중간기어(135)와 함께 회전할 수 있도록 형성된다. 이를 위해 제2 중간기어(135)의 평면부에 원판플레이트(미도시)가 고정 체결되고, 상기 원판플레이트의 중심에 출력부(101)가 결합될 수 있다.
제2 입력기어(122)와 동력축(121) 사이에는 제1 원웨이 베어링(124)이 장착되고, 제3 입력기어(123)와 동력축(121) 사이에는 제2 원웨이 베어링(125)이 장착될 수 있다. 또한, 제3 중간기어(136)와 고정축(138) 사이에는 제3 원웨이 베어링(137)이 장착될 수 있다.
도 5 내지 도 7을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 입력 합성 장치(100)에 의해 입력의 토크 및 속도가 합성되는 원리에 대해서 설명한다. 도 5 내지 도 7에서 ⊙로 표시된 기호는 기어가 평면에서 튀어나오는 것을 의미하고, ○ 안에 X가 표시된 기호는 기어가 평면으로 들어가는 것을 의미한다. 즉 기어의 회전방향을 의미하는 기호이다.
도 5는 입력의 토크를 합성하는 원리를 보여 준다. 즉, 제1 입력부(110)에서 제공되는 제1 회전력의 토크와 제2 입력부(120)에서 제공되는 제2 회전력의 토크를 합성하는 경우의 동력 전달 과정을 나타낸다. 우선, 제1 입력부(110)에서 생성되는 제1 회전력과 제2 입력부(120)에서 생성되는 제2 회전력의 회전 방향이 같을 경우에 토크가 합성될 수 있다(도 5의 실선 화살표 참조).
제1 입력부(110)의 동력축(111)이 회전함에 따라 제1 입력기어(112)가 회전하게 되고 제1 입력기어(112)와 맞물린 제1 중간기어(131)가 회전하게 된다. 제1 입력부(110)의 제1 회전력은 제1 중간기어(131)에 전달될 수 있다. 제1 중간기어(131)가 회전하게 되면, 제1 중간기어(131)의 평면부에 장착된 유성기어(132)가 공전하면서 자전하게 된다. 유성기어(132)의 공전에 의해서 링기어(133)가 회전하게 되는데, 유성기어(132)의 공전방향과 동일방향으로 회전하게 된다. 링기어(133)가 회전하게 되면 이와 동일한 방향으로 제2 중간기어(135)가 회전하게 되고, 제2 중간기어(135)에 연결된 출력부(101)도 회전하게 된다. 이러한 과정을 통해 제1 입력부(110)의 제1 회전력이 출력부(101)까지 전달된다.
또한, 유성기어(132)가 자전함에 따라 유성기어(132)와 맞물린 선기어(134)도 회전하려 하는데, 링기어(133)와 같은 방향으로 선기어(134)는 회전하려고 한다. 이때 선기어(134)와 연결된 제3 중간기어(136)가 회전하려고 하지만 제3 원웨이 베어링(137)에 의해 제3 중간기어(136)는 회전하지 못하고 링기어(133)만 회전하게 된다.
한편, 제2 입력부(120)의 동력축(121)이 회전함에 따라 제2 입력기어(122) 및 제3 입력기어(123)가 회전해야 하는데, 제1 원웨이 베어링(124)에 의해서 제2 입력기어(122)는 회전하지 않고, 제3 입력기어(123)만 회전하게 된다. 제2 원웨이 베어링(125)은 제2 입력부(120)의 회전력 또는 구동력을 제3 입력기어(123)에 전달하게 된다.
제3 입력기어(123)는 제2 중간기어(135)와 맞물리게 되는데, 제2 회전력이 제2 중간기어(135)에 전달되고 최종적으로 출력부(101)까지 전달된다. 이와 같이, 제1 입력부(110)와 제2 입력부(120)가 동일 방향으로 회전하는 경우, 즉 제1 회전력과 제2 회전력의 회전방향이 동일한 경우에는 상기한 유성기어부와 원웨이 베어링에 의해 제1 회전력과 제2 회전력이 제2 중간기어(135)에 직접 전달되기 때문에 제1 회전력과 제2 회전력의 토크가 합성되어 출력부(101)를 통해 생성될 수 있다.
도 6은 입력의 속도를 합성하는 원리를 보여 준다. 즉, 제1 입력부(110)에서 제공되는 제1 회전력의 속도와 제2 입력부(120)에서 제공되는 제2 회전력의 속도를 합성하는 경우의 동력 전달 과정을 나타낸다. 우선, 제1 입력부(110)에서 생성되는 제1 회전력과 제2 입력부(120)에서 생성되는 제2 회전력의 회전 방향이 다를 경우에 속도가 합성될 수 있다(도 6의 실선 화살표 참조).
제1 입력부(110)의 제1 회전력이 제2 중간기어(135)를 통해 최종적으로 출력부(101)까지 전달되는 과정은 도 5의 경우와 동일하다.
한편, 제2 입력부(120)의 동력축(121)이 회전함에 따라 제2 입력기어(122) 및 제3 입력기어(123)가 회전해야 하는데, 제1 원웨이 베어링(124)에 의해서 제2 입력기어(122)는 회전하게 되지만, 제2 원웨이 베어링(125)에 의해서 제3 입력기어(123)는 헛돌게 된다. 즉, 제3 입력기어(123)가 회전하기는 하지만 제2 중간기어(135)에 회전력을 전달하지는 않는다.
제2 입력기어(122)는 제3 중간기어(136)와 맞물려서 제3 중간기어(136)에 회전력을 전달하고, 제3 중간기어(136)는 연결된 선기어(134)에 회전력을 전달하게 된다. 이 때, 제3 중간기어(136)에 의해 선기어(134)에 전달되는 회전력의 회전방향과 제1 입력기어(112)에 의해 선기어(134)에 전달되는 회전력의 회전방향은 동일하게 된다. 이로 인해서, 제2 중간기어(135)의 회전속도가 증가하게 되고, 최종적으로 제1 회전력과 제2 회전력의 속도가 합성되어 출력부(101)를 통해 생성될 수 있다.
도 7은 출력부(101)가 입력인 경우에 동력전달 관계를 보여준다. 본 발명의 일 실시예에 따른 입력 합성 장치(100)가 자전거의 페달과 연결되고 출력부(101)가 자전거의 바퀴와 연결될 경우, 자전거를 뒤로 끄는 경우의 동력 전달 과정이 도 7에 도시된 것과 동일하다.
출력부(101)가 반시계 방향으로 회전하게 되면 이와 연결된 제2 중간기어(135)도 같은 방향으로 회전하게 되고, 유성기어부에 의해서 순차적으로 제1 입력부(110)의 동력축(111) 및 제2 입력부(120)의 동력축(121)에 회전력이 전달될 수 있다. 이 과정에서 유성기어부 및 원웨이 베어링(124,125,137)의 작동에 의해서 동력축(111,121)은 같은 방향으로 회전하게 된다. 이 때, 동력축(111,121)은 헛돌게 되는 것이다.
한편, 도 8 내지 도 13을 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 입력 합성 장치(200)의 기어부(250)에 포함된 상기 차동기어부는, 제1 입력기어(212)와 맞물리는 제1 중간기어(231); 제1 중간기어(231)의 평면부에 형성된 제1 베벨기어(232); 제1 베벨기어(232)와 맞물리는 아이들기어(241,242); 아이들기어(241,242)가 회전 가능하게 형성된 회전축(243)이 연결되고, 아이들기어(241,242)의 공전방향과 동일방향으로 회전하는 제2 중간기어(244); 아이들기어(241,242)와 맞물리며 제1 베벨기어(232)와 마주 보도록 형성된 제2 베벨기어(233) 및 제2 베벨기어(233)가 평면부에 형성되는 제3 중간기어(234)를 포함할 수 있다.
여기서, 아이들기어(241,242)가 형성된 회전축(243)에는 출력부(201)가 연결되고, 제3 중간기어(234)는 제2 입력기어(222)와 맞물리고 제2 중간기어(244)와 제3 입력기어(223) 사이에는 제4 중간기어(245)가 맞물리도록 형성될 수 있다.
도 8 내지 도 10을 참조하면, 제1 베벨기어(232)와 제1 중간기어(231)는 일체로 형성되고, 제2 베벨기어(233)와 제3 중간기어(234)는 일체로 형성되는 것이 바람직하다. 제1 중간기어(231)와 제3 중간기어(234) 사이에 아이들기어(241,242)와 제2 중간기어(244)가 위치한다.
아이들기어(241,242)는 제2 중간기어(244)의 중심을 기준으로 공전 가능한데 이를 위해 회전축(243)의 양단 쪽에 2개의 아이들기어(241,242)가 회전 가능하게 장착된다. 회전축(243)의 양단은 아이들기어(241,242)를 관통하여 돌출되고, 돌출된 양단은 각각 제2 중간기어(244)의 내주면에 형성된 홈(247)에 끼워진다. 이로 인해, 제2 중간기어(244)가 회전하게 되면 회전축(243)도 함께 회전하게 되고, 회전축(243)에 장착된 아이들기어(241,242)는 제2 중간기어(244)의 회전 방향과 동일한 방향으로 공전하게 된다.
한편, 아이들기어(241,242)는 제1 및 제2 베벨기어(232,233)에 맞물려서 공전하기 때문에 자전하면서 공전하게 된다. 아이들기어(241,242)의 공전에 의해서 회전축(243)이 회전하기 때문에 회전축(243)에 연결된 출력부(201)가 회전하게 된다.
출력부(201)는 제1 중간기어(231)를 통과하여 외부로 노출되기 때문에 제1 중간기어(231)의 회전력이 출력부(201)에 전달되는 것은 아니다.
한편, 제3 원웨이 베어링(235)은 제3 중간기어(234)에 형성될 수 있다. 즉, 제3 중간기어(234)와 고정축(236) 사이에 제3 원웨이 베어링(235)이 장착된다. 도 11에서 미설명 도면부호 "203"은 케이스이다.
도 12 및 도 13을 참조하여, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 입력 합성 장치(200)에 의해 입력의 토크 및 속도가 합성되는 원리에 대해서 설명한다.
도 12는 입력의 토크를 합성하는 원리를 보여 준다. 즉, 제1 입력부(210)에서 제공되는 제1 회전력의 토크와 제2 입력부(220)에서 제공되는 제2 회전력의 토크를 합성하는 경우의 동력 전달 과정을 나타낸다. 우선, 제1 입력부(210)에서 생성되는 제1 회전력과 제2 입력부(220)에서 생성되는 제2 회전력의 회전 방향이 다른 경우, 제1 입력부(210)가 시계 방향으로 회전하고 제 2입력부(220)가 반시계 방향으로 회전하는 경우에 토크가 합성될 수 있다(도 12의 실선 화살표 참조). 즉, 제2 입력부(220)가 역방향으로 회전하는 경우에 토크가 합성될 수 있다.
제1 입력부(210)의 동력축(211)이 시계방향으로 회전하게 되면 제1 입력기어(212)가 동일 방향으로 회전하면서 제1 회전력을 생성한다. 제1 회전력은 제1 입력기어(212)와 맞물린 제1 중간기어(231)로 전달된다. 제1 중간기어(231)가 회전하게 되면 제1 베벨기어(232)도 동일 방향으로 회전하게 된다. 제1 베벨기어(232)의 회전에 의해 아이들기어(241,242)가 자전하면서 공전하게 된다. 아이들기어(241,242)가 자전하기 때문에 이와 맞물린 제2 베벨기어(233) 및 제3 중간기어(234)는 제1 베벨기어(232)와는 반대방향으로 회전하려고 하지만 제3 원웨이 베어링(235)이 제3 중간기어(234)의 회전을 막기 때문에 제2 베벨기어(233)도 회전할 수 없는 상태가 된다. 만약 속도를 합성하는 경우라면 제2 베벨기어(233)가 제1 베벨기어(232)와 반대방향으로 회전하는 것을 막기 위해 입력부가 구동되기 때문에 출력이 생성되지만, 토크 합성의 경우에는 제2 베벨기어(233)가 제1 베벨기어(232)와 반대방향으로 회전하는 것을 방지하지 못하면 출력이 전혀 생성되지 않고 아이들기어(241,242)는 자전과 공전만 하게 된다. 따라서, 토크 합성의 경우에 출력이 생성되도록 하기 위해 제3 원웨이 베어링(235)이 필요하다. 즉, 토크 합성의 경우 제3 원웨이 베어링(235)에 의해서 제3 중간기어(234)의 회전이 차단되고 결과적으로 제2 베벨기어(233)도 회전하지 않게 된다.
한편, 아이들기어(241,242)가 제1 중간기어(231)와 동일 방향으로 공전하기 때문에 회전축(243)과 연결된 출력부(201)도 동일 방향(반시계 방향)으로 회전하게 된다. 이러한 과정을 통해 제1 입력부(210)의 제1 회전력이 출력부(201)에 전달된다.
또한, 제2 입력부(220)의 동력축(221)이 반시계방향으로 회전하게 되면 제2 입력기어(222)는 회전하지 않고 제3 입력기어(223)만 동일한 반시계 방향으로 회전하게 된다. 제2 입력기어(222)의 회전력은 제4 중간기어(245)를 거쳐 제2 중간기어(244)에 전달된다. 즉, 제1 입력부(210)에 의해 생성된 제2 중간기어(244)의 토크와 제2 입력부(220)에 의해 전달된 제2 중간기어(244)의 토크는 서로 더해지게 된다. 이렇게 더해진 제2 중간기어(244)의 토크는 회전축(243)을 통해 출력축(201)에 전해지게 된다. 이와 같은 원리로 제1 입력부(210)의 토크와 제2 입력부(220)의 토크가 합성된다.
도 13은 입력의 속도를 합성하는 원리를 보여 준다. 즉, 제1 입력부(210)에서 제공되는 제1 회전력의 속도와 제2 입력부(220)에서 제공되는 제2 회전력의 속도를 합성하는 경우의 동력 전달 과정을 나타낸다. 우선, 제1 입력부(210)에서 생성되는 제1 회전력과 제2 입력부(220)에서 생성되는 제2 회전력의 회전 방향이 같은 경우(도 13의 경우 시계방향)에 속도가 합성될 수 있다. 즉, 제1 입력부(210)의 회전방향과 같은 반향으로(시계방향) 제2 입력부(220)가 회전할 때 속도가 합성될 수 있다(도 13의 실선 화살표 참조).
제1 입력부(210)의 제1 회전력이 제2 중간기어(244)를 통해 최종적으로 출력부(201)까지 전달되는 과정은 도 12의 경우와 동일하다.
한편, 제2 입력부(220)의 동력축(221)이 시계방향으로 회전함에 따라 제2 입력기어(222) 및 제3 입력기어(223)가 회전해야 하는데, 제1 원웨이 베어링(224)에 의해서 제2 입력기어(222)는 회전하게 되지만, 제2 원웨이 베어링(225)에 의해서 제3 입력기어(223)는 헛돌게 된다. 즉, 제3 입력기어(223)가 회전하기는 하지만 제2 중간기어(244)에 회전력을 전달하지는 않는다.
제2 입력기어(222)는 제3 중간기어(234)와 맞물려서 제3 중간기어(234)에 회전력을 전달하고, 제3 중간기어(234)는 제2 베벨기어(233)를 통해 아이들기어(241,242)를 공전시키고 회전축(243)에 연결된 출력부(201)에 회전력을 전달하게 된다. 이 때, 제1 입력부(210)와 제2 입력부(220)에 의해 생성된 제1 베벨기어(232)와 제2 베벨기어(233)의 속도가 같은 경우에는 아이들기어(241,242)는 자전하지 않고 공전만 하게 된다. 만약, 제1 베벨기어(232)와 제2 베벨기어(233)의 회전 속도가 다르게 되면, 아이들기어(241,242)는 특정 방향으로 자전하게 되며 제1 베벨기어(232) 및 제2 베벨기어(233)와 동일한 방향으로 공전하게 된다.
아이들기어(241,242)의 공전력은 회전축(243)을 통해 출력축(201)을 회전시키게 된다. 즉, 아이들기어(241,242)의 공회전 속도가 출력축(201)의 속도가 된다. 이 때, 제1 입력부(210)에 의한 아이들기어(241,242)의 공회전 속도와 제2 입력부(220)에 의한 아이들기어(241,242)의 공회전 속도가 더해지기 때문에 제1 입력부(210)와 제2 입력부(220)의 속도가 더해지게 된다.
이와 같이, 속도합성에서는 제1 베벨기어(232), 제2 베벨기어(233)는 항상 같은 방향으로만 회전하게 된다. 또한, 아이들기어(241,242)는 제1 베벨기어(232)와 제2 베벨기어(233)의 속도 차이에 의해서 자전 방향이 결정된다.
이와 같이, 본 발명에 따른 입력 합성 장치(100)는 3개의 원웨이 베어링과 유성기어부를 구비하는 경우, 제1 입력부에서 제공되는 제1 회전력과 제2 입력부에서 제공되는 제2 회전력의 방향이 서로 동일하면 토크를 합성하고, 방향이 서로 다르면 속도를 합성함으로써 다양한 속도와 토크를 가지는 출력을 만들어낼 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 일실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100,200: 입력 합성 장치 101,201: 출력부
110,210: 제1 입력부 120,220: 제2 입력부
112,212: 제1 입력기어 122,222: 제2 입력기어
123,223: 제3 입력기어 124,224: 제1 원웨이 베어링
125,225: 제3 원웨이 베어링 137,235: 제3 원웨이 베어링
131,231: 제1 중간기어 135,244: 제2 중간기어
136,234: 제3 중간기어 150,250: 기어부

Claims (14)

  1. 제1 회전력을 제공하는 제1 입력부;
    상기 제1 회전력과 동일하거나 다른 제2 회전력을 제공하는 제2 입력부;
    상기 제1 입력부 및 상기 제2 입력부에 맞물려 상기 제1 회전력과 상기 제2 회전력을 합성하는 기어부; 및
    상기 제1 회전력과 상기 제2 회전력의 합성력이 출력되는 출력부;를 포함하며,
    상기 기어부는 상기 제1 입력부의 회전방향과 상기 제2 입력부의 회전방향의 동일 여부에 따라 상기 제1 회전력과 상기 제2 회전력의 속도 또는 토크를 합산하는 것을 특징으로 하는 입력 합성 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 입력부 및 상기 제2 입력부에는 각각 상기 기어부와 맞물리는 기어가 형성되며, 상기 제1 입력부에 형성된 기어와 상기 제2 입력부에 형성된 기어의 개수는 상이한 것을 특징으로 하는 입력 합성 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 입력부 또는 상기 제2 입력부 중 어느 하나에는 상기 기어부와 맞물리는 2개의 기어가 형성되고, 상기 2개의 기어에는 제1 원웨이 베어링 및 제2 원웨이 베어링이 형성된 것을 특징으로 하는 입력 합성 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 원웨이 베어링과 상기 제2 원웨이 베어링의 동력전달 차단방향은 서로 반대인 것을 특징으로 하는 입력 합성 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 기어부는 회전하지 않는 고정축에 형성된 제3 원웨이 베어링을 포함하는 것을 특징으로 하는 입력 합성 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제3 원웨이 베어링의 동력전달 차단방향은 상기 제1 원웨이 베어링 또는 상기 제2 원웨이 베어링 중 어느 하나의 동력전달 차단방향과 동일한 것을 특징으로 하는 입력 합성 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 원웨이 베어링 또는 상기 제2 원웨이 베어링 중 상기 제3 원웨이 베어링과 같은 동력전달 차단방향을 가지는 원웨이 베어링이 형성된 기어는 상기 기어부의 유성기어부 또는 차동기어부와 맞물리는 것을 특징으로 하는 입력 합성 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 원웨이 베어링 또는 상기 제2 원웨이 베어링 중 상기 제3 원웨이 베어링과 다른 동력전달 차단방향을 가지는 원웨이 베어링이 형성된 기어는 상기 제3 원웨이 베어링이 형성된 기어와 맞물리는 것을 특징으로 하는 입력 합성 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 기어부는 상기 제1 입력부에 형성된 제1 입력기어 및 상기 제2 입력부에 형성된 제2 입력기어와 제3 입력기어를 포함하고,
    상기 유성기어부 또는 상기 차동기어부는 상기 제1 입력기어와 맞물리고 상기 제2 입력기어 또는 상기 제3 입력기어와 맞물리도록 형성된 것을 특징으로 하는 입력 합성 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 원웨이 베어링 및 상기 제2 원웨이 베어링은 각각 상기 제2 입력기어 및 상기 제3 입력기어에 형성된 것을 특징으로 하는 입력 합성 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 유성기어부는,
    상기 제1 입력기어와 맞물리는 제1 중간기어;
    상기 제1 중간기어에 형성되어 상기 제1 중간기어의 회전 방향으로 공전하는 유성기어;
    상기 유성기어 사이에 형성되어 상기 유성기어의 자전방향과 반대방향으로 회전하는 선기어;
    상기 유성기어와 맞물리며 상기 유성기어의 자전방향과 동일방향으로 회전하는 링기어;
    상기 링기어가 내부에 형성되어 상기 링기어와 동일방향으로 회전하며 상기 출력부가 연결되는 제2 중간기어; 및
    상기 선기어와 동일 회전축으로 연결 형성된 제3 중간기어;를 포함하며,
    상기 제3 중간기어는 상기 제2 입력기어와 맞물리고 상기 제2 중간기어는 상기 제3 입력기어와 맞물리는 것을 특징으로 하는 입력 합성 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 차동기어부는,
    상기 제1 입력기어와 맞물리는 제1 중간기어;
    상기 제1 중간기어의 평면부에 형성된 제1 베벨기어;
    상기 제1 베벨기어와 맞물리는 아이들기어;
    상기 아이들기어가 회전 가능하게 형성된 회전축이 연결되고, 상기 아이들기어의 공전방향과 동일방향으로 회전하는 제2 중간기어;
    상기 아이들기어와 맞물리며 상기 제1 베벨기어와 마주 보도록 형성된 제2 베벨기어; 및
    상기 제2 베벨기어가 평면부에 형성되는 제3 중간기어;를 포함하며,
    상기 아이들기어가 형성된 회전축에는 상기 출력부가 연결되고,
    상기 제3 중간기어는 상기 제2 입력기어와 맞물리고 상기 제2 중간기어는 상기 제3 입력기어와 맞물리는 것을 특징으로 하는 입력 합성 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제2 중간기어와 상기 제3 입력기어 사이에는 제4 중간기어가 맞물리는 것을 특징으로 하는 입력 합성 장치.
  14. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 제3 원웨이 베어링은 상기 제3 중간기어에 형성된 것을 특징으로 하는 입력 합성 장치.
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