KR20170093456A - 다단 변속기어 장치 - Google Patents

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KR20170093456A
KR20170093456A KR1020160014867A KR20160014867A KR20170093456A KR 20170093456 A KR20170093456 A KR 20170093456A KR 1020160014867 A KR1020160014867 A KR 1020160014867A KR 20160014867 A KR20160014867 A KR 20160014867A KR 20170093456 A KR20170093456 A KR 20170093456A
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박승욱
김진용
양인수
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자동차부품연구원
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Abstract

본 발명은 다단 변속기어 장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는 전기자동차의 동력효율을 개선하기 위한 전기자동차용 다단 변속장치에 관한 것이다.
다단 변속기어 장치는 변속시에 변속충격이 없이 부드러운 변속이 가능하며, 변속충격을 줄이기 위한 별도의 전자제어가 불필요하고, 다판 클러치를 압착하기 위한 별도의 유압장치가 불필요한 효과가 있다.
또한, 자동/수동 변속 모두 적용 가능하며, 별도의 주차브레이크나 락킹장치가 필요없는 장점이 있다. 그리고 클러치 페이싱의 마모에도 기능저하가 없는 장점이 있다.

Description

다단 변속기어 장치{Multi-speed Transmission Device}
본 발명은 다단 변속기어 장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는 전기자동차의 동력효율을 개선하기 위한 전기자동차용 다단 변속장치에 관한 것이다.
일반적으로 회전속도에 따라 토크의 변동이 심한 내연기관 자동차는 변속기가 필수적이다. 그러나 전기자동차의 전동기의 경우에는 일정 회전속도까지는 토크가 일정하기 때문에 변속기가 필요 없고 감속기를 주로 사용하였다. 하지만 배터리 기술개발이 예상했던 것 보다 더디게 진행되면서 전기자동차도 에너지 효율을 증대시키기 위해 변속을 할 수 있는 변속기가 장착되고 있으나 기어의 단수가 변경되는 과정에서 변속충격이 발생되고 이로 인해 동력전달이 매끄럽지 않는 등의 문제가 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
본 발명은 변속충격이 없거나 매우 작으며, 콤팩트한 구조의 다단 변속기어 장치를 제공함에 그 목적이 있다.
특히, 전기자동차에 이용되기에 적합한 다단 변속기어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 다단 변속기어 장치는 제1클러치모듈을 포함한다. 제1클러치모듈은 입력기어, 제1회전체, 제2회전체, 제1웜휠을 포함할 수 있다.
제1회전체는 입력기어와 치합하고, 제1기어와 제1마찰결합부를 포함한다.
제2회전체는 일단에 제1마찰결합부와 마찰 결합되는 제2마찰결합부가 형성되고 타단에 제2기어가 형성되며 제2마찰결합부와 제2기어 사이를 연결하되 외주면에 나선형 톱니의 제1웜기어가 형성된 제1웜샤프트를 포함한다.
제1웜휠은 제2회전체의 제1웜기어와 치합되어 자전하다가 자전이 제한됨에 따라 제1웜기어의 나선형 톱니를 따라 슬라이딩하며 제1웜샤프트 둘레를 회전하면서 제1회전체를 향하여 이동할 수 있다.
또한, 제1클러치모듈은 제1웜휠지지바디 및 제2웜휠지지바디를 포함하고, 제1웜휠지지바디 및 제2웜휠지지바디는 제1웜휠을 양측에서 회전 가능하게 지지하며, 제1웜휠과 함께 이동하여 제1마찰결합부를 밀어 제1마찰결합부가 제2마찰결합부와 함께 회전하도록 결합시키는 역할을 수행한다. 클러칭됨에 따라 제1마찰결합부는 제2마찰결합부와 접촉하여 초기에는 서로 상대적으로 회전하다가 강하게 서로 밀착되어 함께 회전하게 된다. 제1마찰결합부와 제2마찰결합부의 이와 같은 마찰 결합 때문에 클러칭 시에 변속 충격이 거의 발생하지 않는다.
제1클러치모듈은 제1탄성부재, 제1슬라이딩부, 제1원웨이클러치, 제1회전 제어체, 제1고정바를 추가로 포함 할 수 있다.
제1탄성부재는 제1회전체와 제1웜휠지지바디 및 제2웜휠지지바디 사이에 복수개가 형성될 수 있다.
제1슬라이딩부는 제1회전체에 형성되며, 제1웜휠지지바디와 제2웜휠지지바디가 가이드 되면서 슬라이딩 될 수 있고, 제1원웨이클러치는 내륜과 외륜을 포함하되, 내륜은 제2회전체와 결합되고, 외륜은 제1회전체의 제1슬라이딩부에 결합될 수 있다.
제1핀은 제1웜휠지지바디 및 제2웜휠지지바디에 설치되고, 제1웜휠의 양단에 삽입되어 제1웜휠의 회전을 제한한다, 제1핀은 제1웜휠지지바디 및 제2웜휠지지바디의 길이방향으로 삽입 고정될 수 있다.
제1회전제어체는 제1슬라이딩부에 결합되어 슬라이딩 되고, 제1원웨이클러치와 제1핀을 제어하여 제1클러치모듈을 작동 시킨다.
제1고정바는 중앙에 제1롤러가 회전 가능하게 설치되고 제1핀의 일단을 고정한다. 제1롤러는 제1회전제어체와 제1고정바 사이의 마찰을 줄여주는 역할을 한다.
다단 변속기어 장치는 제2클러치모듈을 포함한다. 제2클러치모듈은 입력기어, 제3회전체, 제4회전체, 제3웜휠을 포함할 수 있다.
제3회전체는 입력기어와 치합하는 제3기어와 제3마찰결합부를 포함한다.
제4회전체는 일단에 제3마찰결합부와 마찰 결합되는 제4마찰결합부가 형성되고 타단에 제4기어가 형성되며 제4마찰결합부와 제4기어 사이를 연결하되 외주면에 나선형 톱니의 제2웜기어가 형성된 제2웜샤프트를 포함한다.
제3웜휠은 제4회전체의 제2웜기어와 치합되어 자전하다가 자전이 제한됨에 따라 제2웜기어의 나선형 톱니를 따라 슬라이딩하며 제2웜샤프트 둘레를 회전하면서 제3회전체를 향하여 이동할 수 있다.
또한, 제2클러치모듈은 제3웜휠지지바디 및 제4웜휠지지바디를 포함하고, 제3웜휠을 양측에서 회전 가능하게 지지하며 제3웜휠과 함께 이동하여 제3마찰결합부를 밀어 제3마찰결합부가 제4마찰결합부와 함께 회전하도록 결합시키는 역할을 수행한다.
실시 예에 따라 제1클러치모듈은 제2웜휠을 추가로 포함하고, 제1웜휠지지바디 및 제2웜휠지지바디의 타단에서 회전 가능하게 지지되며 제1웜휠 반대측에서 제1웜샤프트와 치합하게 된다.
제2클러치모듈은 제4웜휠을 추가로 포함하고, 제3웜휠지지바디와 제4웜휠지지바디의 타단에서 회전 가능하게 지지되며 제3웜휠 반대측에서 제2웜샤프트와 치합한다.
또한, 제1웜기어의 나선형 방향과 제2웜기어의 나선형 방향은 서로 대칭일 수 있다.
제2클러치모듈은 제2탄성부재, 제2슬라이딩부, 제2원웨이클러치, 제2회전 제어체, 제2고정바를 추가로 포함 할 수 있다.
제2탄성부재는 제3회전체와 제3웜휠지지바디 및 제4웜휠 지지바디 사이에 복수개가 형성될 수 있다.
제2슬라이딩부는 제3회전체에 형성되며, 제3웜휠지지바디와 제4웜휠 지지바디가 가이드 되면서 슬라이딩 될 수 있고, 제2원웨이클러치는 내륜과 외륜을 포함하되, 내륜은 제4회전체와 결합되고, 외륜은 제3회전체의 슬라이딩부에 결합될 수 있다.
제2핀은 제3웜휠지지바디 및 제4웜휠지지바디에 설치되고, 제3웜휠의 양단에 삽입되어 제2웜휠의 회전을 제한한다. 제2핀은 제3웜휠지지바디 및 제4웜휠지지바디의 길이방향으로 삽입 고정될 수 있다.
제2회전 제어체는 제2슬라이딩부에 결합되어 슬라이딩 되고, 제2원웨이클러치와 제2핀을 제어하여 제2클러치모듈을 작동 시킨다.
제2고정바는 중앙에 제2롤러가 회전가능하게 설치되고 제2핀의 일단을 고정한다. 제2롤러는 제2회전 제어체와 제2고정바 사이의 마찰을 줄여주는 역할을 한다.
그리고, 다단 변속기어 장치는 입력기어와 출력기어를 포함한다.
입력기어는 전동기축에 설치될 수 있으며, 제1기어와 제3기어와 치합되며, 전동기로부터 동력을 전달 받아 회전한다.
출력기어는 제2기어 및 제4기어와 치합되고 출력축과 차동기어를 거쳐 동력을 바퀴에 전달하는 역할을 수행할 수 있다.
입력기어는 제1기어 및 제3기어와 상시 물림 상태이며, 출력기어는 제3기어 및 제4기어와 상시 물림 상태일 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따르면, 다단 변속기어 장치는 제1클러치모듈과 제2클러치모듈을 포함한다.
제1클러치모듈은 제1기어와 제1마찰결합부를 포함하는 제1회전체, 클러칭 해제된 상태에서는 제1마찰결합부와 이격되어 있다가 클러칭이 됨에 따라 제1마찰결합부와 마찰 접촉하여 제1마찰결합부에 의해 서서히 회전되어 제1마찰결합부와 같은 속도로 함께 회전하는 제2마찰결합부와 제2기어를 포함하는 제2회전체, 제1마찰결합부와 제2마찰결합부 사이의 회전에 대해 클러칭을 수행하는 클러칭 수단을 포함한다.
제2클러치모듈은 제3기어와 제3마찰결합부를 포함하는 제3회전체, 클러칭 해제된 상태에서는 제3마찰결합부와 이격되어 있다가 클러칭이 이루어짐에 따라 제3마찰결합부와 마찰 접촉하여 제3마찰결합부에 의해 회전되어 제3마찰결합부와 같은 속도로 함께 회전하게 되는 제4마찰결합부와 제4기어를 포함하는 제4회전체, 제3마찰결합부와 제4마찰결합부 사이의 회전에 대해 클러칭을 수행하는 클러칭 수단을 포함한다.
또한 다단변속기어 장치는 전동기로부터 동력을 전달 받아 제1기어 및 제3기어와 치합되는 입력기어와 제2기어 및 상기 제4기어와 치합되는 출력기어를 포함한다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 다단 변속기어 장치에 따르면, 변속시에 변속충격이 없이 부드러운 변속이 가능하며, 변속충격을 줄이기 위한 별도의 전자제어가 불필요하고, 다판 클러치를 압착하기 위한 별도의 유압장치가 불필요한 효과가 있다.
또한, 자동/수동 변속 모두 적용 가능하며, 별도의 주차브레이크나 락킹장치가 필요없는 장점이 있다. 그리고 클러치 페이싱의 마모에도 기능저하가 없는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 제1클러치 모듈을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 제1클러치 모듈을 분해한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 제2클러치 모듈을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 제2클러치 모듈을 분해한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 다단 변속기어 장치를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 다단 변속기어 장치가 출발 시 동력이 전달되는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 다단 변속기어 장치가 변속충격 없이1단에서 2단 변속이 되는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 다단 변속기어 장치가 회생제동 상태가 되는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 다단 변속기어 장치가 2단에서 1단으로 부드럽게 변속되는 과정과 1단 감속, 회생제동 또는 후진상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 다단 변속기어 장치의 1단 변속 상태를 도시한 평면도이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 다단 변속기어 장치의 2단 변속 상태를 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 다단 변속기어 장치의 중립 상태를 도시한 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 다단 변속기어 장치에 대하여 살펴본다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 제1클러치모듈(360)을 도시한 도면이다. 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 제1클러치모듈(360)을 분해한 도면이다. 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 제2클러치모듈(370)을 도시한 도면이다. 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 제2클러치모듈(370)을 분해한 도면이다. 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 다단 변속기어 장치를 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 5를 참조하여 다단 변속기어 장치의 구성을 설명하고자 한다.
본 발명에 따른 다단 변속기어 장치는 제1클러치모듈(360)을 포함한다. 제1클러치모듈(360)은 도 2를 참조하면, 제1회전체(200), 제2회전체(210), 제1웜휠(280)을 포함할 수 있다.
제1회전체(200)는 제1기어(120), 제1마찰결합부(160), 클러치(540), 회전체 베어링(550)을 포함한다.
제2회전체(210)는 일단에 제1마찰결합부(160)와 마찰 결합되는 제2마찰결합부(170)가 형성되고 타단에 제2기어(130)가 형성되며 제2마찰결합부(170)와 제2기어(130) 사이를 연결하되 외주면에 나선형 톱니의 제1웜기어(240)가 형성된 제1웜샤프트(260)를 포함한다.
제2회전체(210)는 설명을 쉽게 하기 위해 도 2에서는 제2마찰결합부(170)와 제1웜샤프트(260)를 분리 하여 도시 하였으나 실시 예에서는 제2마찰결합부(170)와 제1웜샤프트(260)는 토크 전달력 향상을 위해 일체형 구조일 수 있다.
여기서, 제1마찰결합부(160)와 제2마찰결합부(170)는 잘 알려진 다판 클러지 구조로 만들어질 수 있다.
제1웜휠(280)은 제2회전체(210)의 제1웜기어(240)와 치합되어 자전하다가 자전이 제한됨에 따라 제1웜기어(240)의 나선형 톱니를 따라 제1웜샤프트(260) 둘레를 회전하면서 제1회전체(200)를 향하여 이동할 수 있다. 제1웜휠(280)과 후술할 제2웜휠(300)은 양단부 외주면에 삽입홀(315)이 형성될 수 있다.
또한, 제1클러치모듈(360)은 제1웜휠지지바디(320) 및 제2웜휠지지바디(330)를 포함하고, 제1웜휠지지바디(320) 및 제2웜휠지지바디(330)는 제1웜휠(280)을 양측에서 회전 가능하게 지지하며, 제1웜휠(280)과 함께 이동하여 제1마찰결합부(160)를 밀어 제1마찰결합부(160)가 제2마찰결합부(170)와 함께 회전하도록 결합시키는 역할을 수행한다.
제1클러치모듈(360)은 제1탄성부재(380), 제1슬라이딩부(400), 제1원웨이클러치(440), 제1회전제어체(480), 제1고정바(500)를 추가로 포함 할 수 있다.
제1탄성부재(380)는 제1회전체(200)와 제1웜휠지지바디(320) 및 제2웜휠지지바디(330) 사이에 복수개가 형성될 수 있고 제1탄성부재(380)는 본 실시 예에서 코일 스프링이다.
제1슬라이딩부(400)는 제1회전체(200)의 일면에 돌출 형성되며, 제1웜휠지지바디(320)와 제2웜휠지지바디(330)가 가이드 되면서 슬라이딩 될 수 있다.
제1원웨이클러치(440)는 내륜(420)과 외륜(430)을 포함하되, 내륜(420)은 제2회전체(210)의 제1웜샤프트(260)와 결합되고, 외륜(430)은 제1회전체(200)의 제1슬라이딩부(400)에 결합될 수 있다. 외륜(430)은 내면에 웨지홈(421)이 형성되고 웨지홈(421)에 전달매개체(422)가 위치된다. 전달매개체(422)는 롤러 또는 볼 형상일 수 있다. 내륜(420)은 외륜(430)의 내주면에 삽입되며, 웨지홈(421)은 반경방향 폭이 일측보다 타측이 작게 형성될 수 있다. 따라서, 웨지홈(421)에 설치된 전달매개체(422)가 타측으로 이동하여 내륜(420)과 외륜(430) 사이에 끼임 됨에 따라 외륜(430)과 내륜(420)은 서로 고정되어 함께 회전하게 되며, 전달매개체(422)가 후술하게 되는 제1회전제어체(480)의 제1클러치핀(491)에 의해 폭이 넓은 일측으로 이동될 경우 외륜(430)과 내륜(420)은 고정상태가 해제되어 서로 자유회전 될 수 있다.
제1핀(460)은 제1웜휠지지바디(320) 및 제2웜휠지지바디(330)에 설치되고, 제1웜휠(280)의 양단에 형성된 삽입홀(315)에 삽입되어 제1웜휠(280)의 회전을 제한한다, 제1핀(460)은 제1웜휠지지바디(320) 및 제2웜휠지지바디(330)의 길이방향으로 삽입 고정될 수 있다. 제1핀(460)은 압축 스프링을 포함할 수 있다.
제1회전제어체(480)는 제1클러치핀(491)과 제1연장부(493)를 포함하고 제1슬라이딩부(400)에 결합되어 슬라이딩 되며, 제1원웨이클러치(440)와 제1핀(460)을 제어하여 제1클러치모듈(360)을 작동 시킨다.
제1클러치핀(491)은 제1원웨이클러치(440)의 웨지홈(421)에 삽입되어 전달매개체(422)가 웨지홈(421) 일측에 머무르게 하여 원웨이클러치로써의 기능을 하지 못하게 할 수 있다. 제1연장부(493)는 제1핀(460)을 제어하고, 제어과정은 후술한다.
제1고정바(500)는 중앙에 제1롤러(520)가 회전 가능하게 설치되고 제1핀(460)의 일단을 고정한다. 제1롤러(520)는 제1연장부(493)와 제1고정바(500) 사이의 마찰을 줄여주는 역할을 한다.
실시 예에 따라 제1클러치모듈(360)은 제2웜휠(300)을 추가로 포함하고, 제1웜휠지지바디(320) 및 제2웜휠지지바디(330)의 타단에서 회전 가능하게 지지되며 제1웜휠(280) 반대측에서 제1웜샤프트(260)와 치합하게 된다.
또한, 다단 변속기어 장치는 제2클러치모듈(370)을 포함한다. 제2클러치모듈(370)은 도 4를 참조하면 제3회전체(220), 제4회전체(230), 제3웜휠(290)을 포함할 수 있다.
제3회전체(220)는 제3기어(140), 제3마찰결합부(180), 클러치(540), 회전체 베어링(550)을 포함한다.
제4회전체(230)는 일단에 제3마찰결합부(180)와 마찰 결합되는 제4마찰결합부(190)가 형성되고 타단에 제4기어(150)가 형성되며 제4마찰결합부(190)와 제4기어(150) 사이를 연결하되 외주면에 나선형 톱니의 제2웜기어(250)가 형성된 제2웜샤프트(270)를 포함한다.
제4회전체(230)는 설명을 쉽게 하기 위해 도 4에서는 제4마찰결합부(190)와 제2웜샤프트(270)를 분리 하여 도시 하였으나 실시 예에서는 제4마찰결합부(190)와 제1웜샤프트(270)는 토크 전달력 향상을 위해 일체형 구조일 수 있다.
여기서, 제3마찰결합부(180)와 제4마찰결합부(190)는 마찬가지로 잘 알려진 다판 클러지 구조로 만들어질 수 있다.
제3웜휠(290)은 제4회전체(230)의 제2웜기어(250)와 치합되어 자전하다가 자전이 제한됨에 따라 제2웜기어(250)의 나선형 톱니를 따라 제2웜샤프트(270) 둘레를 회전하면서 제3회전체(220)를 향하여 이동할 수 있다. 제3웜휠(290)과 후술할 제4웜휠(310)은 양단부 외주면에 삽입홀(315)이 형성될 수 있다.
또한, 제2클러치모듈(370)은 제3웜휠지지바디(340) 및 제4웜휠지지바디(350)를 포함하고, 제3웜휠지지바디(340) 및 제4웜휠지지바디(350)는 제3웜휠(290)을 양측에서 회전 가능하게 지지하며, 제3웜휠(290)과 함께 이동하여 제3마찰결합부(180)를 밀어 제3마찰결합부(180)가 제4마찰결합부(190)와 함께 회전하도록 결합시키는 역할을 수행한다.
제2클러치모듈(370)은 제2탄성부재(390), 제2슬라이딩부(410), 제2원웨이클러치(450), 제2회전제어체(490), 제2고정바(510)를 추가로 포함 할 수 있다.
제2탄성부재(390)는 제3회전체(220)와 제3웜휠지지바디(340) 및 제4웜휠지지바디(350) 사이에 복수개가 형성될 수 있고 제2탄성부재는 본 실시 예에서 코일 스프링이다.
제2슬라이딩부(410)는 제3회전체(220)에 일면에 돌출 형성되며, 제3웜휠지지바디(340)와 제4웜휠지지바디(350)가 가이드 되면서 슬라이딩 될 수 있다.
제2원웨이클러치(450)는 내륜(420)과 외륜(430)을 포함하되, 내륜(420)은 제4회전체(230)의 제2웜샤프트(270)와 결합되고, 외륜(430)은 제3회전체(220)의 제2슬라이딩부(410)에 결합될 수 있다. 외륜(430)은 내면에 웨지홈(421)이 형성되고 웨지홈(421)에 전달매개체(422)가 위치된다. 전달매개체(422)는 마찬가지로 롤러 또는 볼 형상일 수 있다. 내륜(420)은 외륜(430)의 내주면에 삽입되며, 내륜(420)과 외륜(430)이 결합되면 웨지홈(421)은 일측보다 타측의 폭이 작게 형성될 수 있다. 따라서, 웨지홈(421)에 위치된 전달매개체(422)가 타측으로 이동될 경우 외륜(430)과 내륜(420)은 고정되고 전달매개체(422)가 폭이 넓은 일측으로 이동될 경우 외륜(430)과 내륜(420)은 고정상태가 해제되어 서로 자유회전 될 수 있다.
제2핀(470)은 제3웜휠지지바디(340) 및 제4웜휠지지바디(350)에 설치되고, 제3웜휠(290)의 양단에 형성된 삽입홀(315)에 삽입되어 제1웜휠(280)의 회전을 제한한다. 제2핀(470)은 제3웜휠지지바디(340) 및 제4웜휠지지바디(350)의 길이방향으로 삽입 고정될 수 있다. 제2핀(470)은 코일 스프링을 포함할 수 있다.
제2회전제어체(490)는 제2클러치핀(492)과 제2연장부(494)를 포함하고, 제2슬라이딩부(410)에 결합되어 슬라이딩 되며, 제2원웨이클러치(450)와 제2핀(470)을 제어하여 제2클러치모듈(370)을 작동 시킨다.
제2클러치핀(492)은 제2원웨이클러치(450)의 웨지홈(421)에 삽입되어 전달매개체(422)가 웨지홈(421) 중 폭이 큰 일측에 머무르게 하여 내륜(420)과 외륜(430)이 서로 자유 회전 상태로 유지되도록 하며, 제2연장부(494)는 제2핀(470)을 제어하고, 그 제어과정은 후술한다.
제2고정바(510)는 중앙에 제2롤러(530)가 회전 가능하게 설치되고 제2핀(470)의 일단을 고정한다. 제2롤러(530)는 제2회전제어체(490)와 제2고정바(510) 사이의 마찰을 줄여주는 역할을 한다.
실시 예에 따라 제2클러치모듈(370)은 제4웜휠(310)을 추가로 포함하고, 제3웜휠지지바디(340)와 제4웜휠지지바디(350)의 타단에서 회전 가능하게 지지되며 제3웜휠(290) 반대측에서 제2웜샤프트(270)와 치합한다.
그리고, 다단 변속기어 장치는 도 5에 도시된 바와 같이 입력기어(100)와 출력기어(110)를 포함한다.
입력기어(100)는 전동기축에 설치되고, 제1기어(120)와 제3기어(140)와 치합되며, 전동기로부터 동력을 전달 받아 회전한다.
출력기어(110)는 제2기어(130) 및 제4기어(150)와 치합되고 출력축과 차동기어(미도시)를 거쳐 동력을 바퀴에 전달하는 역할을 수행한다.
입력기어(100)는 제1기어(120) 및 제3기어(140)와 상시 물림 상태이며, 출력기어(110)는 제3기어(140) 및 제4기어(150)와 상시 물림 상태일 수 있다.
또한, 제1웜기어(240)의 나선형 방향과 제2웜기어(250)의 나선형 방향은 서로 대칭일 수 있다.
다단 변속기어 장치가 1단에서 2단으로 변속되는 과정에서 모터는 회전속도가 줄어들게 된다.
즉, 1단에서 2단으로 변속될 때 기어비에 따라 모터는 더 큰 회전저항을 받게 되어 회전속도가 일시적으로 줄어들게 되는 것이다. 반대로 2단에서 1단으로 변속하는 과정에서는 모터의 회전저항이 상기와는 반대로 작아지므로 회전속도가 일시적으로 빨라진다. 비슷한 예로 엔진차량의 자동변속기가 고단으로 변속을 실시하면 일시적으로 엔진RPM이 줄어드는 현상 또는 고단에서 저단으로 변속을 할 때 엔진 RPM이 일시적으로 증가하는 매커니즘과 유사하다고 볼 수 있다.
따라서 1단에서 2단으로 변속되는 과정과 2단에서 1단으로 변속되는 과정에서 역학적인 관계가 반대가 되기 때문에 제1웜휠(280)과 제2웜휠(300)은 제3웜휠(290)과 제4웜휠(310)과 기어치 방향이 대칭일 수 있다.
제1클러치모듈(360)과 제2클러치모듈(370)은 서로 병렬 구성될 수 있다. 제1클러치모듈(360)과 제2클러치모듈(370)을 병렬로 구성함으로써, 변속기의 크기를 콤팩트하게 제작할 수 있는 효과가 있다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 다단 변속기어 장치가 출발 시 동력이 전달되는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 다단 변속기어 장치의 1단 변속 상태를 도시한 평면도이다. 도 6 및 도10을 참조하여 설명한다.
먼저 제1회전제어체(480)가 제1원웨이클러치(440)를 작동하게 하고 입력기어(100)가 A방향으로 회전하여, 제1기어(120)를 B방향으로 회전시키면 제1회전체(200)에 설치된 제1원웨이클러치(440)가 제1웜샤프트(260)를 같은 방향으로 회전시키게 되고 제1윔샤프트(260)와 결합된 제2기어(130)가 출력기어(110)를 같은 방향으로 회전시키게 된다.
이때 제1웜샤프트(260)를 공전하는 제1윔휠은 제1핀(460)에 의해 자전을 하지 않더라도 제1원웨이클러치(440)가 웨지홈(421)에 위치된 전달매개체(422) 의해 내륜(420)과 외륜(430)이 고정되면서 제1웜샤프트(260)가 제1회전체(200)와 같은 회전속도로 회전함에 따라 제1웜휠(280)은 제1회전체(200) 방향으로 이동하지 않는다. 즉, 정지상태에서 1단으로 출발을 시작하면 제1마찰결합부(160)와 제2마찰결합부(170)가 결합하지 않더라도 제1회전체(200)와 제1웜샤프트(260)는 같은 속도로 회전하면서 차량이 전진하게 된다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 다단 변속기어 장치가 변속충격 없이 1단에서 2단 변속이 되는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 다단 변속기어 장치의 2단 변속 상태를 도시한 도면이다. 도 7 및 도11을 참조하여 설명한다.
차량의 속도가 어느 정도 증가하여 1단에서 2단으로 변속할 상황이 발생하면, 제1클러치모듈(360)에 설치된 제1회전제어체(480)가 제1회전체(200)를 향해 이동하여 제1회전제어체(480)의 제1클러치핀(491)이 제1원웨이클러치(440)의 웨지홈(421)에 삽입되면서 상기 웨지홈(421) 내에 삽입되어 있는 전달매개체(422)를 웨지홈(421)의 폭이 큰 일측으로 이동시켜, 제1원웨이클러치(440)를 자유 회전상태로 만들고, 또한, 제1회전제어체(480)의 제1연장부(493)가 이동하여 제1고정바(500)에 설치된 제1롤러(530) 밑으로 삽입되면서 상기 제1고정바(500)를 상승시키고, 그에 따라 제1핀(460)이 제1웜휠(280)로부터 분리되어 제1웜휠(280)이 자유회전하면서 제1웜휠지지바디(320)와 제2웜휠지지바디(330)이 제1회전체(200)로부터 멀어지는 방향으로 이동하며, 그에 따라 제1마찰결합부(160)와 제2마찰결합부(170)의 결합이 해제되며, 결과적으로 제1회전체(200)와 제2회전체(210)는 서로 회전 구속이 해제되어 서로 자유 회전상태가 된다.
상기와 같이 제1클러치모듈(360)의 연결상태가 끊어지면 제2클러치모듈(370)이 연결되는데 원리는 다음과 같다.
먼저, 제2회전제어체(490)의 제2클러치핀(492)이 제2원웨이클러치(450)로부터 분리되고, 이때, 제1연장부(493)도 함께 후퇴한다. 그러나 제2원웨이클러치(450)는 상기의 제1원웨이클러치(440)와 웨지홈(421)이 반대로 되어 있어 제1클러치핀(491)이 분리되도 내륜(420)과 외륜(430)은 고정되지 않아, 제3회전체(220)는 B방향으로 회전이 가능하다. 또한, 제2회전제어체(490)에 형성된 제2연장부(494)가 후퇴하면서 제2고정바(510)를 하강시키고, 제1핀(460)이 제2웜휠(300)에 형성된 삽입홀(315)에 삽입되면서 자전이 중지된다.
제2클러치모듈(370)은 변속충격을 줄이기 위해 2단 변속 및 가속 상황에서는 제3웜휠(290)과 제2웜기어(250)를 통해 동력을 전달한다. 입력기어(100)가 A방향으로 회전되면 제3기어(140)가 제3회전체(220)를 B방향으로 회전시키고 제3웜휠(290)은 상기에 언급한대로 제2핀(470)에 의해 자전이 중지되면서 제2웜샤프트(270)의 외주면에 형성된 제2웜기어(250)를 따라 공전하면서 C방향으로 이동한다. 이렇게 되면 제3웜휠(290)을 통해 제3웜휠지지바디(340)와 제4웜횔지지바디도 C방향으로 이동하여 제3마찰결합부(180)와 제4마찰결합부(190)가 서서히 결합되면서 변속충격이 없이 동력이 연결된다.
제3마찰결합부(180)와 제4마찰결합부(190)가 결합되면 입력기어(100)의 회전력은 제3기어(140)와 제2웜샤프트(270)에 설치된 제4기어(150)를 통해 출력기어(110)를 회전시키게 된다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 다단 변속기어 장치가 회생제동 상태가 되는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 운전자가 가속의지가 없을 때 차량의 동력전달 흐름은 가속과는 반대 방향으로 이루어진다.
즉, 2단에서 감속 상태일 때는 바퀴로부터 회전력이 발생되며, 제2클러치모듈(370)은 제2원웨이클러치(450)를 통해 바퀴의 회전력이 전동기로 전달된다. 이때 제2원웨이클러치(450)가 제3회전체(220)가 회전할 때는 내륜(420)과 외륜(430)이 서로 고정되지 않지만 제4회전체(230)가 회전할 때는 내륜(420)과 외륜(430)이 서로 회전 구속 상태, 즉 함께 회전하는 상태가 된다.
이 때 제3웜샤프트는 제3마찰결합부(180)와 제4마찰결합부(190)의 결합에 관계없이 제2원웨이클러치(450)에 의해 같은 속도로 제3회전체(220)와 B방향으로 회전하면서 입력기어(100)를 A방향으로 회전시키고 입력기어(100)에 연결된 전동기가 회전하면서 회생제동 상태가 된다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 다단 변속기어 장치가 회생제동 상태일 때 2단에서 1단으로 부드럽게 변속되는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하여 다단 변속기어 장치가 2단에서 1단으로 변속되는 과정을 설명하도록 한다.
차량의 속도가 서서히 줄어들게 되면, 제2단 클러치 모듈의 작동은 중단된다. 제2클러치모듈(370)에 설치된 제2회전제어체(490)가 제2원웨이클러치(450)를 자유회전 상태로 만들고 제2핀(470)을 제3웜휠(290)로부터 분리 시키면서 제2클러치모듈(370)은 자유 회전상태가 된다. 제2원웨이클러치(450)와 제3웜휠(290)이 제2회전제어체(490)에 의해 자유회전상태가 되는 과정은 전술한 도 7의 대한 설명에 언급되어 있으므로 상세한 설명은 생략한다.
제2클러치모듈(370)의 연결이 끊어지면 바로 제1클러치모듈(360)이 연결된다. 가속 때 제2클러치모듈(370)이 한 것처럼 제1클러치모듈(360)은 변속충격을 줄이기 위해 1단 변속 및 감속 상황에서 제1웜휠(280)과 제1웜샤프트(260)를 통해 동력을 전달한다. 출력기어(110)가 A방향으로 회전되면 제2기어(130)가 제1웜샤프트(260)를 B방향으로 회전시키고 제1핀(460)에 의해 자전이 중지된 제1웜휠(280)이 정지 상태에서 C방향으로 이동한다. 제1웜휠(280)은 전동기 축에 결합된 입력기어(100)가 회전되지 않음에 따라, 제1회전체(200)가 회전을 하지 않고 있기 때문에 움직이지 않는다. 제1웜휠(280)이 C방향으로 이동하면서 제1웜휠(280)과 결합된 제1웜휠지지바디(320)와 제2웜횔지지바디(330)도 C방향으로 이동하여 제1마찰결합부(160)와 제2마찰결합부(170)를 변속충격 없이 결합시키게 된다. 제1핀(460)이 삽입되는 과정은 상기에 언급되어 있으므로 상세한 설명은 생략한다.
상기에 언급된 대로 제1마찰결합부(160)와 제2마찰결합부(170)가 결합되면 제1웜샤프트(260)와 제1회전체(200)가 같은 속도로 회전되고 제1회전체(200)에 설치된 제1기어(120)가 압력기어(100)를 회전시켜 전동기를 회전시킴으로써 바퀴의 회전력이 전동기로 전달되고 차량은 회생제동 상태가 된다.
후진의 경우에는 다시 도 9를 참조하면, 같이 입력기어(100)가 화살표 방향과 반대방향으로 역회전 하여 제1회전체(200)를 회전시킨다. 제1클러치모듈(360)은 제1웜휠(280)과 제1웜샤프트(260)를 통해 동력을 전달한다. 입력기어(100)가 화살표 방향의 역방향으로 회전되면 제1기어(120)가 제1회전체(200)를 역방향으로 회전시키고 제1웜휠(280)은 제1핀(460)에 의해 자전이 중지되며, 제1웜휠(280)은 제1웜샤프트(260)의 외주면에 형성된 제2웜기어(250) 홈을 따라 공전하면서 C방향으로 이동한다. 이렇게 되면 제1웜휠(280)을 통해 제1웜휠지지바디(320)와 제2웜횔지지바디(330)도 C방향으로 이동하여 상기에 언급한 제1마찰결합부(160)와 제2마찰결합부(170)가 서서히 결합되면서 후진상태가 된다.
후진은 차량이 주행 중이 아닌 정지상태에서 시작하기 때문에 1단에서 후진과정이 이루어지고 제2클러치모듈(370)은 자유 회전상태가 된다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 다단 변속기어 장치의 중립 상태를 도시한 도면이다.
도 12를 참조하면 제1클러치모듈(360)과 제2클러치모듈(370)이 연결되지 않은 상태 즉, 제1회전제어체(480)와 제2회전제어체(490)가 제1핀(460)과 제2핀(470)을 들어 올려 제1웜휠(280)과 제2웜휠(300)이 자전을 하고 제1원웨이클러치(440)와 제2원웨이클러치(450)가 자유 회전되는 상태 에서는 다단 변속기어 장치는 중립상태가 된다.
100: 입력기어
110: 출력기어
120: 제1기어
130: 제2기어
140: 제3기어
150: 제4기어
160: 제1마찰결합부
170: 제2마찰결합부
180: 제3마찰결합부
190: 제4마찰결합부
200: 제1회전체
210: 제2회전체
220: 제3회전체
230: 제4회전체
240: 제1웜기어
250: 제2웜기어
260: 제1웜샤프트
270: 제2웜샤프트
280: 제1웜휠
290: 제3웜휠
300: 제2웜휠
310: 제4웜휠
315: 삽입홀
320: 제1웜휠지지바디
330: 제2웜휠지지바디
340: 제3윔휠지지바디
350: 제4웜휠지지바디
360: 제1클러치모듈
370: 제2클러치모듈
380: 제1탄성부재
390: 제2탄성부재
400: 제1슬라이딩부
410: 제2슬라이딩부
420: 내륜
421: 웨지홈
422: 전달매개체
430: 외륜
440: 제1원웨이클러치
450: 제2원웨이클러치
460: 제1핀
470: 제2핀
480: 제1회전제어체
490: 제2회전제어체
491: 제1클러치핀
492: 제2클러치핀
493: 제1연장부
494: 제2연장부
500: 제1고정바
510: 제2고정바
520: 제1롤러
530: 제2롤러
540: 클러치
550: 회전체 베어링

Claims (11)

  1. 전동기로부터 동력을 전달 받는 입력기어;
    상기 입력기어와 치합하는 제1기어와 제1마찰결합부를 포함하는 제1회전체, 일단에 상기 제1마찰결합부와 마찰결합되는 제2마찰결합부가 형성되고 타단에 제2기어가 형성되며 상기 제2마찰결합부와 상기 제2기어 사이를 연결하되 외주면에 나선형 톱니의 제1웜기어가 형성된 제1웜샤프트를 포함하는 제2회전체, 상기 제2회전체의 상기 제1웜기어와 치합되어 자전하다가 자전이 제한됨에 따라 상기 제1웜기어의 나선형 톱니를 따라 슬라이딩하며 상기 제1웜샤프트 둘레를 회전하면서 상기 제1회전체를 향하여 이동하는 제1웜휠, 상기 제1웜휠을 양측에서 회전 가능하게 지지하며 상기 제1웜휠과 함께 이동하여 상기 제1마찰결합부를 밀어 상기 제1마찰결합부가 상기 제2마찰결합부와 함께 회전하도록 결합시키는 제1웜휠지지바디 및 제2웜휠지지바디를 포함하는 제1클러치모듈;
    상기 입력기어와 치합하는 제3기어와 제3마찰결합부를 포함하는 제3회전체, 일단에 상기 제3마찰결합부와 마찰결합되는 제4마찰결합부가 형성되고 타단에 제4기어가 형성되며 상기 제4마찰결합부와 상기 제4기어 사이를 연결하되 외주면에 나선형 톱니의 제2웜기어가 형성된 제2웜샤프트를 포함하는 제4회전체, 상기 제4회전체의 상기 제2웜기어와 치합되어 자전하다가 자전이 제한됨에 따라 상기 제2웜기어의 나선형 톱니를 따라 슬라이딩하며 상기 제2웜샤프트 둘레를 회전하면서 상기 제3회전체를 향하여 이동하는 제3웜휠, 상기 제3웜휠을 양측에서 회전 가능하게 지지하며 상기 제3웜휠과 함께 이동하여 상기 제3마찰결합부를 밀어 상기 제3마찰결합부가 상기 제4마찰결합부와 함께 회전하도록 결합시키는 제3웜휠지지바디 및 제4웜휠지지바디를 포함하는 제2클러치모듈;
    상기 제2기어 및 상기 제4기어와 치합되는 출력기어
    를 포함하는 다단 변속기어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1클러치모듈은 상기 제1웜휠지지바디 및 제2웜휠지지바디의 타단에서 회전 가능하게 지지되며 상기 제1웜휠 반대측에서 상기 제1웜샤프트와 치합하는 제2웜휠을 추가로 포함하고,
    상기 제2클러치모듈은 상기 제3웜휠지지바디와 제4웜휠지지바디의 타단에서 회전 가능하게 지지되며 상기 제3웜휠 반대측에서 상기 제2웜샤프트와 치합하는 제4웜휠을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 다단 변속 기어장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1웜기어의 나선형 방향과 상기 제2웜기어의 나선형 방향은 서로 대칭인 것을 특징으로 하는 다단 변속기어 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 입력기어는 상기 제1기어 및 상기 제3기어와 상시 물림 상태이며, 상기 출력기어는 상기 제3기어 및 상기 제4기어와 상시 물림 상태인 것을 특징으로 하는 다단 변속기어 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1회전체와 상기 제1웜휠 지지바디 및 제2웜휠 지지바디 사이에 복수개의 제1탄성부재를 추가로 포함하고,
    상기 제3회전체와 상기 제3웜휠 지지바디 및 제4웜휠 지지바디 사이에 복수개의 제2탄성부재를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 다단 변속기어 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1회전체는 상기 제1웜휠 지지바디와 상기 제2웜휠 지지바디가 가이드되면서 슬라이딩 되도록 제1슬라이딩 부를 추가로 포함하고,
    상기 제3회전체는 상기 제3웜휠 지지바디와 상기 제4웜휠 지지바디가 슬라이딩 되도록 제2슬라이딩 부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 다단 변속기어 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    내륜과 외륜을 포함하되, 상기 내륜은 상기 제2회전체와 결합되고, 상기 외륜은 상기 제1회전체의 상기 슬라이딩부에 결합되는 제1원웨이클러치를 추가로 포함하고,
    내륜과 외륜을 포함하되, 상기 내륜은 상기 제4회전체와 결합되고, 상기 외륜은 상기 제3회전체의 상기 슬라이딩부에 결합되는 제2원웨이클러치를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 다단 변속기어 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1웜휠지지바디 및 제2웜휠지지바디에 설치되고, 상기 제1웜휠의 양단에 삽입되어 상기 제1웜휠의 회전을 제한하는 제1핀을 추가로 포함하고,
    상기 제3웜휠지지바디 및 제4웜휠지지바디에 설치되고, 상기 제3웜휠의 양단에 삽입되어 상기 제2웜휠의 회전을 제한하는 제2핀을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 다단 변속기어 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1슬라이딩 부에 결합되어 슬라이딩 되고, 상기 제1원웨이클러치와 상기 제1핀을 제어하는 제1회전 제어체를 추가로 포함하고,
    상기 제2슬라이딩 부에 결합되어 슬라이딩 되고, 상기 제2원웨이클러치와 상기 제2핀을 제어하는 제2회전 제어체를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 다단 변속기어 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1핀의 일단을 고정하는 제1고정 바를 추가로 포함하되, 상기 제1고정 바는 회전 가능하게 설치되는 제1롤러를 포함하고,
    상기 제2핀의 일단을 고정하는 제2고정 바를 추가로 포함하되, 상기 제2고정 바는 회전 가능하게 설치되는 제2롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 다단 변속기어 장치.
  11. 전동기로부터 동력을 전달 받는 입력기어;
    상기 입력기어와 치합하는 제1기어와 제1마찰결합부를 포함하는 제1회전체, 클러칭 해제된 상태에서는 상기 제1마찰결합부와 이격되어 있다가 클러칭이 됨에 따라 상기 제1마찰결합부와 마찰 접촉하여 상기 제1마찰결합부에 의해 서서히 회전되어 상기 제1마찰결합부와 같은 속도로 함께 회전하는 제2마찰결합부와 제2기어를 포함하는 제2회전체, 상기 제1마찰결합부와 상기 제2마찰결합부 사이의 회전에 대해 상기 클러칭을 수행하는 클러칭 수단을 포함하는 제1클러치모듈;
    상기 입력기어와 치합하는 제3기어와 제3마찰결합부를 포함하는 제3회전체, 클러칭 해제된 상태에서는 상기 제3마찰결합부와 이격되어 있다가 클러칭이 이루어짐에 따라 상기 제3마찰결합부와 마찰 접촉하여 상기 제3마찰결합부에 의해 회전되어 상기 제3마찰결합부와 같은 속도로 함께 회전하게 되는 제4마찰결합부와 제4기어를 포함하는 제4회전체, 상기 제3마찰결합부와 상기 제4마찰결합부 사이의 회전에 대해 상기 클러칭을 수행하는 클러칭 수단을 포함하는 제1클러치모듈;
    상기 제2기어 및 상기 제4기어와 치합되는 출력기어
    를 포함하는 다단 변속기어 장치.
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