KR20180127209A - 교통수단용 모터의 다단 변속기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 교통수단용 모터의 3단 이상 다단 변속기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 복잡한 유압장치 등이 없어 구조가 간단하고 변속에 에너지 소모가 없으며 변속 충격이 없고 원하는 변속단수와 변속비율로 자유롭게 설계와 제작이 가능한 교통수단용 모터 다단 변속기에 관한 것이다.
본 발명에 의한 모터 변속기는 모터의 구동력이 전달되어 회전하며, 외주에 안착홈이 형성되는 입력축; 상기 안착홈에 구비되어 상기 입력축과 함께 회전하며, 상기 입력축의 외주면에서 출몰하는 복수의 폴(pawl); 상기 폴들의 출몰을 제어하는 콘트롤러; 상기 입력축이 중심을 관통하고, 상기 입력축의 외주면 위로 돌출된 상기 폴이 맞물리도록 내주면에 래칫(ratchet)이 형성되며, 서로 다른 칫수를 갖는 복수의 구동기어; 상기 구동기어들과 각각 치합하며, 서로 다른 칫수를 갖는 복수의 피동기어; 및 상기 구동기어와 피동기어에 의해 변속된 회전력을 출력하는 출력부;를 포함한다.

Description

교통수단용 모터의 다단 변속기{MULTI-SPEED TRANSMISSION OF MOTOR FOR TRANSPORTATION MEANS}

본 발명은 교통수단용 모터의 3단 이상 다단 변속기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 복잡한 유압장치 등이 없어 구조가 간단하고 변속에 에너지 소모가 없으며 변속 충격이 없고 원하는 변속단수와 변속비율로 자유롭게 설계와 제작이 가능한 교통수단용 모터 다단 변속기에 관한 것이다.

최근 전기자동차가 많이 보급되고 있지만, 교통수단용 모터의 다단 변속기는 아직 상용화되고 있지 못하다.

엔진은 초기 기동 때 토크를 얻어낼 수 없지만, 모터는 초기 기동때 최대 토크를 발생시키기 때문에 출발 가속력이 뛰어나다. 이와 같이 모터는 엔진보다 토크-속도 특성이 교통수단에 사용되기에 적합하다.

그러나 다단 변속기가 없어 연료(전기)의 낭비가 심하고, 가파른 언덕길 주행에 문제가 있다. 전기자동차는 초기 기동때 최대 토크를 발생시키고, 속도가 증가할수록 토크는 점점 줄어든다. 가속 이후 떨어지는 토크를 보상하기 위하여 엑셀을 밟아 있는대로 전기에너지를 투입해 RPM을 높여야 한다. 이러면 에너지 소비가 많아지고 모터에 부하가 걸려 열이 심하게 발생해 전기에너지가 열에너지로 낭비된다.

모터용 다단 변속기가 있다면 RPM을 높이지 않고도 초기 저RPM의 강한 토크를 여러 속도 구간에 효율적으로 사용해 에너지 낭비를 막을 수 있다. 또한 보다 낮은 출력의 모터로도 효율적인 주행이 가능해진다. 따라서 다단 변속기를 모터에 적용하면 에너지 소모를 획기적으로 줄일 수 있다.

그러나 기존의 엔진용 변속기는 변속에 에너지 소모가 너무 심하고 구조가 복잡해 모터에는 적용하기가 곤란하다.

모터용 변속기의 조건은 1) 에너지를 소모하는 변속 에너지가 없어야 하고, 2) 유압 클러치, 싱크로나이저, 토크 컨버터 등이 없는 간단한 구조여야 하며, 3) 변속충격 없이 부드러운 변속이 가능해야 하며, 4) 3단 이상 다단기어와 적절한 변속비율로 변속할 수 있어야 한다.

현재에도 모터용 2단 변속기는 다수 개시되었다. 이러한 2단 변속기는 전동공구 등에서 널리 사용되고 있는 감속장치를 이용한 방식인데, 이는 변속구간의 변속비율이 너무 크고, 변속충격이 심해 내구성에 문제가 있어 적용이 곤란하다.

전기자동차 생산업체인 테슬라도 내구성 문제로 2단 변속기를 포기하고, 듀얼 모터를 적용해 큰 토크가 필요한 저속에서는 저속모터를, 큰 토크가 필요없는 고속에서는 고속모터를 상황에 따라 각각 사용한다.

대한민국 공개특허 제2010-0112974호 대한민국 등록특허 제10-1173679호 대한민국 등록특허 제10-1350419호

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 복잡한 유압장치 등이 없어 구조가 간단하고 변속에 에너지 소모가 없으며 변속 충격 없이 부드러운 변속이 가능한 교통수단용 모터 다단 변속기를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 원하는 변속단수와 변속비율로 자유롭게 설계와 제작이 가능한 교통수단용 모터 변속기를 제공함에 있다.

위와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 의한 모터용 변속기는 모터의 구동력이 전달되어 회전하며, 외주에 안착홈이 형성되는 입력축; 상기 안착홈에 구비되어 상기 입력축과 함께 회전하며, 상기 입력축의 외주면에서 출몰하는 복수의 폴(pawl); 상기 폴들의 출몰을 제어하는 콘트롤러; 상기 입력축이 중심을 관통하고, 상기 입력축의 외주면 위로 돌출된 상기 폴이 맞물리도록 내주면에 래칫(ratchet)이 형성되며, 서로 다른 칫수를 갖는 복수의 구동기어; 상기 구동기어들과 외접하여 맞물리며, 서로 다른 칫수를 갖는 복수의 피동기어; 및 상기 구동기어와 피동기어에 의해 변속된 회전력을 출력하는 출력부;를 포함한다.

또한 상기 콘트롤러는, 일단은 상기 폴과 결합되고 타단은 상기 입력축의 외주면에서 출몰하는 돌출부가 구비되는 변속로드; 상기 입력축이 중심을 관통하고, 상기 입력축의 축방향을 따라 이동하여 상기 돌출부를 상기 입력축의 외주면에서 출몰시키는 이너링; 및 상기 이너링을 감싸고, 회전을 통해 상기 이너링을 상기 입력축의 축방향을 따라 이동시키는 아우터링;을 포함하며, 상기 이너링과 아우터링 중 어느 하나에는 가이드핀이 돌출형성되고, 다른 하나에는 상기 가이드핀을 안내하는 가이드홀이 원주방향에 대하여 사선방향으로 형성되는 것이 바람직하다.

또한 상기 콘트롤러는, 일단은 상기 폴과 결합되고 타단은 상기 입력축의 외주면에서 출몰하는 돌출부가 구비되는 변속로드; 상기 입력축이 중심을 관통하고, 상기 입력축의 축방향을 따라 이동하여 상기 돌출부를 상기 입력축의 외주면에서 출몰시키는 이너링; 및 상기 이너링을 상기 입력축의 축방향을 따라 이동시키는 이동부;를 포함하는 것이 바람직하다.

또한 상기 돌출부에는 구형태의 돌기가 회전 가능하게 구비되는 것이 바람직하다.

또한 상기 돌기가 상기 입력축의 외주면 위로 돌출되도록 상기 이너링의 내주면에는 원주방향으로 링홈이 형성되는 것이 바람직하다.

또한 상기 폴 또는 돌출부의 하부에는 탄성부재가 더 구비되는 것이 바람직하다.

또한 상기 피동기어들은 동일한 속도로 회전하도록 일체형성되거나 상호 결합되는 것이 바람직하다.

또한 상기 출력부는 상기 구동기어들 중 어느 하나로부터 변속된 회전력을 전달받아 출력하는 것이 바람직하다.

또한 상기 출력부는 상기 피동기어 중 어느 하나로부터 변속된 회전력을 전달받아 출력하는 것이 바람직하다.

또한 상기 출력부는 상기 피동기어들의 중심을 관통하고, 상기 피동기어들과 고정되어 함께 회전하며, 상기 입력축과 평행한 것이 바람직하다.

또한 상기 입력축의 일단에는 걸림돌기가 형성되고, 상기 입력축의 일단이 중심을 관통하며, 내주면에 상기 걸림돌기가 걸리도록 걸림홈이 형성되며 상기 모터의 구동력이 입력되는 시프트 클러치를 더 포함하고, 상기 걸림돌기는 상기 걸림홈의 내부에서 이동이 가능하도록 상기 걸림홈의 폭은 상기 걸림돌기의 폭보다 더 크게 형성되는 것이 바람직하다.

또한 일단은 상기 시프트 클러치에 연결되고, 타단은 상기 입력축의 일단에 연결되는 스프링이 더 구비되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 폴을 모터에 의해 회전하는 입력축에 구비함으로써 입력축과 동일한 속도로 회전하면서 변속이 이루어지기 때문에 복잡한 유압장치 등이 없어 구조가 간단하고 변속에 에너지 소모가 없으며 변속 충격이 없이 부드럽게 변속되는 효과가 있다.

또한 원하는 변속단수와 변속비율로 자유롭게 설계와 제작이 가능하다.

교통수단에 본 발명에 의한 모터용 변속기를 적용하게 되면 토크(힘)와 스피드를 모두 만족시키고, 가파른 언덕길 주행에 문제가 없고, 연비 효율을 극대화시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 실시예의 분해사시도이다.
도 2는 본 발명에 의한 실시예의 평단면도이다.
도 3은 본 발명에 의한 실시예의 일부 절개 사시도이다.
도 4는 본 발명에 의한 피동기어세트를 도시한 것이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명에 의한 콘트롤러 및 구동기어를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명에 의한 시프트 클러치와 입력축을 나타낸 것이다.
도 9는 폴이 스윙할 때 시프트 클러치 및 입력축의 작동상태를 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명에 의한 다른 실시예를 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명에 의한 또 다른 실시예를 나타낸 것이다.

이하, 본 발명에 의한 일 실시예의 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 의한 실시예(100)는 하우징(H)과, 모터(미도시)의 구동력이 전달되어 회전하는 입력축(120)과, 상기 입력축(120)이 중심을 관통하는 구동기어들(140)과, 상기 구동기어(140)들과 외접으로 치합되는 피동기어(150)들을 포함한다. 또한 본 실시예는 상기 모터의 구동력이 시프트 클러치(shift clutch, 110)를 통해 입력축(120)에 전달된다.

상기 입력축(120)에는 안착홈(121)이 복수개 형성되고, 상기 안착홈(121)에 안착되는 폴(도 5의 '171'참조)이 복수개 구비되는데, 특히 안착홈(121)에는 스프링(122)이 장착되어 외력이 작용하지 않는 상태에서 상기 폴(171)이 상기 입력축(120)의 외측으로 돌출되도록 탄성적으로 지지된다.

또한 상기 입력축(120)이 축방향으로 관통하는 복수의 구동기어(140)가 구비되는데, 상기 구동기어(140)는 내주면에 상기 폴(171)이 걸려 입력축의 회전력이 전달되도록 래칫(도 5의 '140a'참조)이 형성되어 있다.

또한 상기 구동기어(140)들과 각각 외접하면서 치합하는 복수의 피동기어(150)가 구비된다.

본 실시예(100)에서는 서로 다른 칫수를 갖는 3개의 구동기어(140)가 구비되고, 이와 마찬가지로 서로 다른 칫수를 갖는 3개의 피동기어(150)가 구비되며, 폴(171)도 구동기어들(140)과 각각 대응되도록 3개가 구비된다.

이와 같은 구성으로 본 실시예는 3단으로 변속이 가능하도록 구성된 것이다.

따라서, 본 발명에 의한 변속기는 다른 구조 변경없이 단지 구동기어와 피동기어 갯수만을 각각 4개 이상으로 구성하면 4단 이상으로도 변속이 가능한 단순한 구조이다.

또한 상기 구동기어(140)와 피동기어(150)에 의해 변속된 회전력을 출력하는 출력부(130)가 구비되는데, 본 실시예에서는 출력부(130)가 상기 구동기어(140) 중 가장 바깥쪽에 있는 제1구동기어(141)와 결합되어 형성된다.

도 4는 본 실시예의 피동기어세트를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 본 실시예는 각각 구동기어와 외접으로 치합하며 칫수가 서로 다른 3개의 피동기어(151~153)가 구비되는데, 특히, 본 실시예에서는 3개의 피동기어(150)는 서로 결합되어 있다. 예를 들어 제2피동기어(152)가 이와 맞물려 있는 제2구동기어(도 5의 '142')의 회전력을 전달받아 회전하게 되면, 다른 2개의 피동기어(151,153)들도 제2피동기어(152)와 동일한 회전속도로 회전하게 되는 것이다.

또한 본 실시예는 3개의 피동기어(151~153)가 120°를 이루는 3세트가 구비되고, 이들은 각각 기어박스(160)에 축결합되어 피동기어세트를 이룬다.

도 5를 참조하면, 입력축(120)의 외주면에 3개의 구동기어(140)가 구비되어 있는 것을 알 수 있다. 또한 상기 구동기어(140)의 내주면에 래칫(140a)이 형성되고, 입력축(120)의 외주면에는 안착홈(121)이 형성되며, 상기 안착홈(121)에는 폴(171)이 구비되어 있는 것도 확인된다.

한편, 콘트롤러(170)의 작동으로 복수의 폴(171) 중 어느 하나를 돌출시키면, 돌출된 폴(171)이 래칫(140a)에 걸려 어느 하나의 구동기어(141~143)에 입력축(120)의 회전력이 전달되어 회전되는 것이다.

본 실시예에서 상기 콘트롤러(170)는 폴(171)과 변속로드(도 6(b)의 '172')와 아우터링(174)과 이너링(173)과 변속스프로켓(175)과 와이어(도 3의 '176')를 포함한다.

도 6을 참조하면, (a)는 상기 입력축(120)의 외주면에는 안착홈(도 8의 '121a')이 형성되어 있고, 상기 안착홈(121)에는 폴(171)이 안착된다. 또한 본 실시예는 상기 변속로드(172)도 안착되도록 입력축(120)의 외주면에 안착홈(121a)이 형성된다. 특히, 상기 폴(171)이 안착되는 안착홈(121)에는 스프링(도 5의 '122'참조)이 구비되어 외력이 작용하지 않을 때에는 상기 폴(171)은 입력축(120)의 외주면으로부터 돌출되도록 탄성적으로 지지된다. 상기 스프링은 변속로드의 돌출부(172a)의 하부에 구비하는 구성도 가능하다.

(b)는 폴(171)과, 상기 폴(171)에 일체형성되어 결합된 변속로드(172)를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 상기 변속로드(172)는 일단은 돌출부(172a)가 형성되고, 상기 돌출부(172a)의 상면에 구(球)형태의 돌기(172b)가 회전가능하게 구비된다. 상기 돌기(172b)는 볼베어링과 같은 금속강구로 형성되고, 상기 돌출부(172a)의 상면에는 반구 형태의 장착홈이 형성되어 있어 구형태의 돌기(172b)가 회전가능하게 안착되는 것이다(도 2의 부분확대도 참조).

돌기(172b)를 가압하면 변속로드(172)와 결합된 상기 폴(171)도 안착홈(121)의 내부에서 스윙하여 입력축(120)의 외주면 아래로 가라앉게 된다. 따라서 스프링(122)에 의해 입력축(120)의 외주면 위로 돌출되어 있던 폴(171)은 스윙하여 안착홈(121)으로 도피되어 더 이상 입력축(120)의 외주면 위로 돌출되지 않는다. 이 경우, 폴(171)은 래칫(도 5의 '140a'참조)과 맞물리지 않기 때문에 입력축(120)이 회전을 하더라도 구동기어(140)는 회전을 하지 않는 것이다.

또한 상기 돌출부(172a)에 작용하는 외력이 제거되면, 상기 폴(171)의 하부에서 탄성적으로 압축되어 있는 스프링(122)의 탄성복원력에 의해 상기 폴(171)은 스윙하면서 상기 입력축(120)의 외주면 위로 돌출되게 된다. 앞서 설명한 바와 같이, 폴(171)이 입력축(120)의 외주면 위로 돌출되면 상기 폴(171)은 래칫(140a)과 맞물려 구동기어(140)를 회전시키게 되는 것이다.

(c)는 입력축(120)의 외주면에 이너링(173)이 삽입된 상태를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 상기 이너링(173)에는 가이드핀(173a)이 돌출형성된다.

(d)는 상기 이너링(173)을 아우터링(174)이 감싸면서 결합된 상태를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 상기 아우터링(174)에는 가이드홀(174a)이 형성되는데, 상기 가이드홀(174a)은 원주방향에 대하여 사선방향으로 형성되어 있다. 또한 상기 가이드핀(173a)은 상기 가이드홀(174a)에 구속되도록 조립되는데, 그에 따라 상기 아우터링(174)이 회전을 하게 되면, 상기 가이드핀(173a)이 가이드홀(174a)을 따라 이동하기 때문에 아우터링(174)의 내부에서 이너링(173)은 상기 입력축의 축방향을 따라 좌측 또는 우측으로 이동하게 되는 것이다.

이와 같이 이너링(173)이 좌우로 이동하면 링홈(도 7의 '173b' 참조)이 좌우로 이동하게 되고, 그에 대응되는 위치에 있는 어느 하나의 변속로드의 돌기(172b)가 링홈(173b)에 도피되면서 폴(171)이 입력축(120)의 외주면 위로 돌출되는 것이다.

상기 이너링(173)을 좌우로 이동시키기 위해서는 상기 아우터링(174)이 회전을 해야 하고, 이를 위해 상기 아우터링(174)의 일측에는 변속스프로켓(175)이 결합되어 있다. 상기 변속스프로켓(175)은 와이어(176,본 실시예에서는 체인)가 구비되어 와이어(176)를 잡아당겨 아우터링(174)을 회전시킬 수 있고, 그에 의해 이너링(173)이 전진 또는 후진되며, 이너링(173)의 전후진에 의해 폴(171)이 돌출 또는 안착홈(121)으로의 안착을 제어하는 것이다.

도 7은 폴(171)이 안착홈(121)에 안착되지 않고 돌출된 상태, 즉, 입력축(140)의 외주면으로부터 돌출된 상태를 도시한 것이다.

상기 이너링(173)의 내주면에는 원주방향으로 띠형태로 링홈(173b)이 형성되어 있다.

상기 이너링(173)이 입력축(120)의 축방향을 따라 이동하여 상기 링홈(173b)이 상기 변속로드의 돌기(172b)의 위에 위치되면 상기 스프링(122)에 의해 상기 돌기(172b)가 링홈(173b)으로 도피되어 스윙할 수 있게 된다. 변속로드(172)의 돌기(172b)가 링홈(173b)에 도피되면 폴(171)은 입력축(120)의 외주면 위로 돌출된다.

본 실시예에서 상기 링홈(173b)은 상기 돌기(172b)를 도피하기 위한 구성이지만, 이와 달리 돌출부(172a) 자체를 도피시키도록 구성되는 것도 가능하다.

작동상태를 설명하면, 먼저 상기 아우터링(174)이 회전을 하면 상기 이너링(173)이 입력축 상에서 축방향(좌우)으로 이동하게 된다.

상기 이너링(173)의 이동으로 그 내주면에 형성된 상기 링홈(173b)이 상기 돌기(172b)의 상부에 위치되면 스프링(122)의 탄성력에 의해 돌기(172b)가 링홈(173b)으로 도피된다.

이와 함께 폴(171)도 스윙하여 입력축(120)의 외주면 위로 돌출되는데, 돌출된 폴(171)은 래칫(140a)과 맞물려 입력축(120)의 회전력이 해당 구동기어(140)로 전달되어 구동기어(140)가 회전되는 것이다.

본 실시예에서는 상기 아우터링(174)을 회전시키기 위하여 아우터링(174)의 일측에 변속스프로켓(175)을 일체형성하고, 와이어(176)를 잡아 당겨 상기 변속스프로켓(175)을 정방향 또는 역방향으로 회전시키는 수동방식이다. 그러나 이와 달리 상기 아우터링(174)을 초소형 모터(미도시)로 정방향 또는 역방향으로 회전시키는 전자식 변속방식도 가능하다.

더 나아가 본 실시예에서 상기 콘트롤러(170)는 이너링(173)을 입력축(120) 상에서 좌우로 이동시키기 위하여 아우터링(174)을 구비하는데, 아우터링(174)과 회전부 대신 이너링(173)을 입력축 상에서 좌우로 이동시키는 이동부(미도시)를 구비하는 것도 가능하다.

상기 이동부는 초소형 모터 또는 실린더 등 공지의 구동원일 수 있다.

도 8을 참조하면, 상기 시프트 클러치(110)는 모터의 구동력이 직접 전달되는 구성요소이며, 상기 시프트 클러치(110)는 입력축(120)의 일단이 관통되는 원통형태로 형성되며, 그 내주면에는 걸림홈(111)이 형성된다.

상기 입력축(120)의 일단은 상기 시프트 클러치(110)의 중심을 관통하고, 상기 시프트 클러치(110)의 걸림홈(111)에 걸리는 걸림돌기(123)가 형성된다. 상기 시프트 클러치(110)가 회전을 하게 되면, 일정 각도 회전 후 걸림홈(111)에 걸림돌기(123)가 걸려 시프트 클러치(110)와 함께 입력축(120)도 함께 회전을 하게 된다.

특히, 상기 입력축(120)의 회전에 따라 상기 걸림돌기(123)가 상기 걸림홈(111) 내에서 이동(시계방향 또는 반시계방향으로 회전)할 수 있도록 상기 걸림홈(111)의 폭은 걸림돌기(123)의 폭보다 크게 형성된다.

또한 상기 시프트 클러치(110)와 입력축(120)에는 스프링(124)이 구비된다. 구체적으로 설명하면, 본 실시예에서는 스프링(124)의 일단은 시프트 클러치(110)에 연결되고, 타단은 걸림돌기(123)에 연결되며, 상기 스프링(124)은 직경이 커지는 방향으로 탄성복원력이 작용하도록 설치된다.

도 9를 참조하여 변속과정을 설명한다. 먼저, 모터의 구동력이 시프트 클러치(110)에 전달되면 시프트 클러치(110)가 회전하면서 걸림홈(111)에 걸림돌기(123)가 걸리게 되어 결국 입력축(120)이 회전하는 것이다. 또한 폴(171)이 입력축(120)의 외주면 위로 돌출된 상태라면 래칫(140a)이 걸려 구동기어(140)를 회전시키게 된다(도 9(a) 참조). 이 때 (a)의 우측 도면에서 시프트 클러치(110)의 회전으로 걸림홈(111)의 좌측벽이 걸림돌기(123)를 밀어 입력축(120)을 회전시키는 것이고, 이로 인해 걸림홈(111)의 우측 빈 공간(S1)이 형성된다.

다음으로, 변속을 위해서 폴(171)을 입력축(120)의 외주면 아래로 스윙시키는 동작 전에 변속을 원활하게 하기 위하여 변속순간(1초 미만) 모터의 동작을 잠시 늦추거나 오프(off)한다. 모터가 동작을 멈추면 시프트 클러치(110)도 회전을 멈추게 되고, 이 때 스프링(124)의 탄성복원력에 의해 걸림돌기(123)가 걸림홈(111) 내에서 시계방향으로 회전하면서 이동을 하게 되어 걸림홈(111)의 좌측에 빈 공간(S2)이 형성된다(도 9(b) 참조).

이와 같이 걸림돌기(123)가 걸림홈(111) 내에서 이동을 하여 좌측에 빈 공간(S2)이 마련되게 되면 아우터링과 이너링, 레버의 작동으로 돌출되어 있던 폴(171)이 아래로 스윙될 때 걸림돌기(123)가 걸림홈(111)내에서 반시계방향으로 회전하여 폴(171)이 원활하게 하강할 수 있다(도 9(c) 참조).

본 실시예에서는 시프트 클러치(110)와 입력축(120) 사이에 스프링(124)을 연결하였으나, 이와 달리 스프링(124)을 배제하고, 단지 걸림돌기(123)가 걸림홈(111) 내부에서 이동할 수 있는 폭을 갖도록 형성하는 것만으로도 폴의 하강을 원활하게 할 수 있는 것이다.

이하, 본 발명에 의한 실시예의 작동상태를 설명한다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 모터의 구동력이 전달되어 시프트 클러치(110)을 통해 입력축(120)이 회전하게 되면 탑승자는 콘트롤러(170)의 와이어(176)를 잡아당겨 어느 하나의 폴(171)을 안착홈(120)으로부터 돌출시킴으로써 그에 대응되는 구동기어(140)를 구동시킨다. 예를 들어 탑승자가 2단으로의 변속을 위하여 와이어(176)를 잡아당기면, 아우터링(174)이 회전하면서 이너링(173)이 입력축상에서 좌측 또는 우측으로 이동하게 된다. 이러한 동작으로 2단에 해당하는 돌출부의 돌기(172b)가 이너링의 링홈(173b)에 도피되어 2단에 해당하는 제2구동기어(142)의 래칫(도 5의 '140a')에는 폴(171)이 맞물리게 된다.

따라서 입력축(140)의 회전력은 제2구동기어(142)를 회전시키고, 이와 치합되어 있는 제2피동기어(152)를 회전시킨다. 비록 제2피동기어(152)에만 구동력이 전달되지만, 피동기어(150)들은 모두 결합되어 있기 때문에 제1 및 제3피동기어(151,153)도 제2피동기어(152)와 동일한 회전속도로 회전하게 되고, 제1피동기어(151)와 치합되어 있는 제1구동기어(141)도 제2피동기어(152)의 회전속도로 변속되어 회전하는 것이다.

또한 제1구동기어(141)와 직접 결합되어 있는 출력부(130)를 통해 변속된 회전력이 출력되는 것이다. 이와 같이 변속되어 출력된 회전력은 출력부(130)를 회전시킨다.

상기 출력부(130)를 예를 들어 전기 자동차의 전륜축 또는 후륜축과 연결되어 변속된 회전력을 전달하거나, 전기 오토바이나 전기 자전거의 구동스프로켓과 연결되어 체인을 통해 후륜으로 변속된 회전력을 전달한다.

도 10은 본 발명에 의한 다른 실시예를 도시한 것이다.

본 발명에 의한 실시예(200)는 자동차와 오토바이나 자전거 등의 전륜 또는 후륜 중심에 구비되는 허브쉘(210)에 모터부(220)와 감속부(221)가 내장되고, 상기 모터부(220)와 감속부(221)의 중심에는 입력축(240)이 설치된다. 상기 허브쉘(210)의 양측에는 프레임(F)이 결합되고, 바퀴살(미도시)이 결합된다.

또한 상기 입력축(240)이 중심을 관통하는 구동기어(250)들과, 상기 구동기어(250)들과 외접하여 맞물리는 피동기어(260)들을 포함한다.

상기 모터부(220)는 배터리(미도시)의 전원을 공급받아 구동하는 공지의 구동원이다. 배터리와 연결되는 케이블(미도시)이 구비된다.

본 실시예에서는 모터부(220)는 고정자인 코일(220a)과, 회전자인 자석(220b)이 링형태로 구비된다. 따라서 링형태의 자석(220b)의 중심에 입력축(240)이 관통된다. 또한 배터리에서 전원이 공급되면 자석(220b)이 회전하면서 모터회전축(220c)이 회전하게 되는데, 본 실시예에서 모터회전축(220c)은 감속부(221)와 연결된다.

따라서 모터부(220)의 구동력은 감속부(221)를 통해 감속된 후 감속축(221a)을 통해 출력된다. 상기 감속축(221a)의 회전력은 상기 시프트 클러치(270)를 통해 상기 입력축(240)으로 전달된다.

보다 구체적으로 설명하면, 시프트 클러치(270)에는 걸림홈(271)이 형성되고, 상기 걸림홈(271)과 맞물려 입력축(240)에는 걸림돌기(241)이 형성된다.

따라서 상기 감속축(221a)의 회전력은 시프트 클러치(270)에 전달되고, 상기 시프트 클러치(270)가 회전하게 되면 시차를 갖고 걸림홈(271)이 걸림돌기(241)에 걸려 입력축(240)을 회전시키는 것이다.

상기 감속부(221) 역시 공지의 수단으로서, 다양한 방법으로 필요에 따라 감속비율을 선택할 수 있다. 또한 경우에 따라서는 감속부(221)를 배제하는 구성도 가능하다.

상기 입력축(240)에는 안착홈(도 5의 '121'참조)이 형성되고, 상기 안착홈에 안착되는 폴(도 5의 '171'참조)이 복수개 구비되는데, 특히 안착홈에는 스프링(도 5의 '122'참조)이 장착되어 외력이 작용하지 않는 상태에서 상기 폴이 상기 입력축(240)의 외측으로 돌출되도록 탄성적으로 지지된다.

또한 상기 입력축(240)이 축방향으로 관통하는 4개의 구동기어(251~254)가 구비되는데, 상기 구동기어(250)는 내주면에 상기 폴이 걸려 회전력이 전달되도록 래칫(도 5의 '140a'참조)이 형성되어 있다.

또한 상기 구동기어(251~254)들과 각각 외접하면서 맞물리는 복수의 피동기어(261~264)가 구비된다.

본 실시예(200)에서는 서로 다른 칫수를 갖는 4개의 구동기어(250)가 구비되고, 이와 마찬가지로 서로 다른 칫수를 갖는 4개의 피동기어(260)가 구비된다.

또한 폴도 구동기어들(250)과 각각 대응되도록 4개가 구비된다.

또한 상기 피동기어(260) 중 반경이 가장 큰 제1피동기어(261)와 허브쉘(210) 사이에 동력전달기어(211)가 구비된다. 즉, 모터(220)의 회전력이 감속기(221)를 거쳐 시프트 클러치(270)를 통해 입력축(240)으로 입력되고, 구동기어(250)와 피동기어(260)를 거쳐 변속된 회전력이 허브쉘(210)로 출력되는 것이다. 즉, 본 실시예(200)는 허브쉘(210)이 출력부가 되는 것이다. 허브쉘(210)로 출력되는 회전력은 허브쉘(210)에 연결된 바퀴살을 통해 자동차와 오토바이나 자전거 등의 전륜 또는 후륜이 구동하는 것이다.

본 실시예에서 콘트롤러는 도 5 내지 도 7에 도시된 것과 동일하므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

본 실시예와 달리 모터 및 감속기가 허브쉘 외측에 구비되는 것도 가능하다.

도 11은 본 발명에 의한 다른 실시예(300)를 도시한 것이다.

도시된 바와 같이, 입력축(310)의 일단에는 시프트 클러치(380)가 구비되고, 입력축(310)에는 걸림돌기(312)가 형성되고, 시프트 클러치(380)에는 걸림홈(도 9의 '111' 참조)이 형성되는 것은 도 8 및 도 9에 도시된 실시예와 동일하다.

또한 상기 입력축(310)은 3개의 구동기어(340)들을 관통하며, 구동기어(340)들과 맞물리는 폴(311)이 구비된다. 폴(311)의 출몰을 제어하는 콘트롤러는 도 7에 도시된 실시예와 동일하다. 즉, 폴(311)의 일단에 변속로드가 결합되고, 변속로드의 돌출부에는 구형태의 돌기(372b)가 구비된다.

상기 입력축(310)의 축방향을 따라 이동하는 이너링(373)과 상기 이너링을 이동시키는 아우터링(374)를 포함한다.

상기 돌기(372b)가 입력축(310)의 외주면 위로 돌출되도록 상기 이너링(373)의 내주면에는 원주방향으로 링홈이 형성되는 것도 도 7에 도시된 실시예와 동일하다.

또한 상기 입력축(310)과 외접으로 맞물리는 3개의 피동기어(350)가 구비되는 것도 앞선 실시예와 동일하다.

다만, 출력부(320)가 상기 피동기어(351~353)들의 중심을 관통하고, 입력축(310)과 평행하게 구비된다는 점에서 도 2 및 도 10에 도시된 실시예와 다르다.

또한 상기 출력부(320)는 상기 피동기어(351~353)들과 고정되어 있다. 따라서 어느 하나의 피동기어(350)가 회전을 하게 되면 다른 피동기어(350)들과 출력부(320)도 함께 회전을 하게 된다. 이러한 구조로 인해 시프트클러치(380)에 입력된 회전력이 어느 하나의 구동기어(340)에 전달되고, 이와 맞물리는 피동기어(350)를 회전시킴으로써 변속된 회전력이 출력부(320)를 통해 출력되는 것이다.

상기 구동기어(340)들과 피동기어(350)들은 하우징(330)에 내장된다.

100: 제1실시예
110: 시프트 클러치
120: 입력축
130: 출력부
140: 구동기어
150: 피동기어
160: 기어박스
170: 콘트롤러
200: 제2실시예
210: 허브쉘
220: 모터
240: 입력축
250: 구동기어
260: 피동기어
270: 시프트 클러치
300:제3실시예
310: 입력축
320: 출력축
330: 하우징
340: 구동기어
350: 피동기어
380: 시프트 클러치

Claims (5)

1. 모터의 구동력이 전달되어 회전하며, 외주에 안착홈이 형성되는 입력축;
   상기 안착홈에 구비되어 상기 입력축과 함께 회전하며, 상기 입력축의 외주면에서 출몰하는 복수의 폴(pawl);
   상기 폴들의 출몰을 제어하는 콘트롤러;
   상기 입력축이 중심을 관통하고, 상기 입력축의 외주면 위로 돌출된 상기 폴이 맞물리도록 내주면에 래칫(ratchet)이 형성되며, 서로 다른 칫수를 갖는 복수의 구동기어;
   상기 구동기어들과 외접하여 맞물리며, 서로 다른 칫수를 갖는 복수의 피동기어; 및
   상기 피동기어 중 어느 하나로부터 변속된 회전력을 전달받아 출력하는 출력부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터용 변속기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 콘트롤러는,
   일단은 상기 폴과 결합되고 타단은 상기 입력축의 외주면에서 출몰하는 돌출부가 구비되는 변속로드;
   상기 폴 또는 돌출부의 하부에 구비되는 탄성부재;
   상기 입력축이 중심을 관통하고, 상기 입력축의 축방향을 따라 이동하여 상기 돌출부를 상기 입력축의 외주면에서 출몰시키는 이너링; 및
   상기 이너링을 감싸고, 회전을 통해 상기 이너링을 상기 입력축의 축방향을 따라 이동시키는 아우터링;을 포함하며,
   상기 이너링과 아우터링 중 어느 하나에는 가이드핀이 돌출형성되고, 다른 하나에는 상기 가이드핀을 안내하는 가이드홀이 원주방향에 대하여 사선방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 모터용 변속기.
3. 제1항에 있어서,
   상기 콘트롤러는,
   일단은 상기 폴과 결합되고 타단은 상기 입력축의 외주면에서 출몰하는 돌출부가 구비되는 변속로드;
   상기 폴 또는 돌출부의 하부에 구비되는 탄성부재;
   상기 입력축이 중심을 관통하고, 상기 입력축의 축방향을 따라 이동하여 상기 돌출부를 상기 입력축의 외주면에서 출몰시키는 이너링; 및
   상기 이너링을 상기 입력축의 축방향을 따라 이동시키는 이동부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터용 변속기.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
   상기 돌출부에는 구형태의 돌기가 회전 가능하게 구비되는 것을 특징으로 하는 모터용 변속기.
5. 제4항에 있어서,
   상기 돌기가 상기 입력축의 외주면 위로 돌출되도록 상기 이너링의 내주면에는 원주방향으로 링홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 모터용 변속기.
   

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