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KR-20260061372-A - MULTI-SPEED TRANSMISSION WITH MULTIPLE FORWARD ROTATIOIN TRANSMISSION MODULE

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Abstract

본 발명의 다단변속기는, 증속/등속 또는 감속/등속의 2단변속 특성을 가진 복수의 정회전 변속모듈이 일렬로 연결되며, n번째 정회전 변속모듈의 변속폭을 Wn이라 정의할 때 서로 인접하게 연결된 한 쌍의 정회전 변속모듈은 모두 Wn-1 > Wn (단, 여기서 n은 2 이상의 정수)의 관계를 가지며, 연속적으로 연결된 3개의 정회전 변속모듈은 모두 Wn-2 > ( Wn-1 x Wn ) (단, 여기서 n은 3 이상의 정수)의 관계를 가지는 것을 특징으로 한다.

Inventors

  • 한영환

Assignees

  • 한영환

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20260403

Claims (5)

  1. m-1번째(단, m은 2 이상의 정수) 정회전 변속모듈의 출력이 m번째 정회전 변속모듈로 입력되도록 3개 이상의 정회전 변속모듈이 입력축에서부터 출력축 방향으로 일렬로 연결되며, 상기 각각의 정회전 변속모듈은 정회전 증속 또는 정회전 감속을 위한 하나의 정회전 변속단과 정회전 등속을 위한 하나의 정회전 등속단으로 이루어진 2단변속 특성을 구비하며, n번째 정회전 변속모듈의 변속폭을 W n 이라 정의할 때 서로 인접하게 연결된 한 쌍의 정회전 변속모듈은 모두 W n-1 > W n (단, 여기서 n은 2 이상의 정수)의 관계를 가지며, 연속적으로 연결된 3개의 정회전 변속모듈은 모두 W n-2 > ( W n-1 x W n ) (단, 여기서 n은 3 이상의 정수)의 관계를 가지는 것을 특징으로 하는 2단변속 특성을 가진 복수의 정회전 변속모듈을 조합한 다단변속기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 정회전 변속모듈의 총 변속단수는 상기 복수의 정회전 변속모듈의 세트 수를 지수로 하는 2의 지수배의 변속단수에 해당하는 것을 특징으로 하는 2단변속 특성을 가진 복수의 정회전 변속모듈을 조합한 다단변속기.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 정회전 변속모듈 중 후단에 배열된 정회전 변속모듈의 후단에 하나의 정회전 등속단과 역회전을 위한 적어도 하나 이상의 역회전단을 가진 역회전 변속모듈이 연결되는 것을 특징으로 하는 2단변속 특성을 가진 복수의 정회전 변속모듈을 조합한 다단변속기.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 정회전 변속모듈 중 후단에 배열된 정회전 변속모듈의 후단에 하나의 정회전 변속단과 하나의 정회전 등속단과 역회전을 위한 적어도 하나 이상의 역회전단을 가진 역회전 변속모듈이 연결되는 것을 특징으로 하는 2단변속 특성을 가진 복수의 정회전 변속모듈을 조합한 다단변속기.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 정회전 변속모듈은 유성기어 형식이며, 선기어와 링기어와 캐리어 중에서 선택되는 어느 하나의 고정요소가 항상 고정되며, 상기 하나의 정회전 변속단은 입력요소와 출력요소를 바꾸어 상호 역수비의 증속 또는 감속의 변속비를 얻을 수 있는 것이며, 상기 하나의 정회전 등속단은 입력요소에 출력축을 연결하고 출력요소는 공회전시킴으로써 변속비가 1인 등속을 얻을 수 있는 것을 특징으로 하는 2단변속 특성을 가진 복수의 정회전 변속모듈을 조합한 다단변속기.

Description

2단변속 특성을 가진 복수의 정회전 변속모듈을 조합한 다단변속기{MULTI-SPEED TRANSMISSION WITH MULTIPLE FORWARD ROTATIOIN TRANSMISSION MODULE} 본 발명은 증속/등속 또는 감속/등속의 2단변속 특성을 가진 복수의 정회전 변속모듈이 일렬로 연결된 다단변속기에 관한 것이다. 자동차 제조사들이 고속주행 능력을 구비하면서, 엔진소음과 배출가스를 줄이고 사용연료의 연료효율을 높여야 하는 등의 시장요구 조건들을 충족시키기 위하여 출력 대비 경량화를 하기 용이한 고 토크, 고 RPM의 성능을 갖는 엔진을 개발하여 왔다. 또한 이와 동시에 다양한 부하조건과 주행여건에 효율적으로 대응하기 위하여 엔진의 회전수와 토크의 효율적인 변환에 필수적인 변속기에 대하여 고단화, 경량화 그리고 소형화에 주력하여 왔다. 한편 자동차의 동력원으로 사용이 확대되고 있는 전기모터는 내연기관보다 토크-속도 특성이 이동 수단으로서의 사용에 적합하다. 그러나 전기모터는 저속구간에서 토크 증대에 한계가 있고 경부하 구간에서의 효율이 나쁘기 때문에, 저속에서 높은 토크가 요구되는 주행 영역에서는 발열 등의 문제가 야기되고 있고 전기모터의 종류에 따라서는 고속회전시 제어특성이 불리한 종류의 모터도 있어 이에 적극적으로 대응하기에 적합한 다단변속기가 요구되고 있다. 자전거의 변속기 또한 단순한 외형과 제한된 공간에 수납이 가능한 내장 허브기어 형태의 유성기어 변속기가 사용되고 있지만, 소형 경량화, 변속 다단화, 코스트 절감 등에 대응할 수 있는 기술적 한계가 존재하여, 자전거 변속기 시장에서 드레일러변속시스템과 비교하여 저변 확대를 가로 막는 요인으로 인식되고 있다. 대형 풍력발전기에서도 발전효율 증대를 위해 사용되는 증속기를 단순히 증속 기능을 넘어 다양한 풍속에 대응하여 발전효율을 높일 수 있는 변속제어 기능이 요구된다. 내연기관이나 전기모터는, 가장 효율이 좋은 RPM 구간에서 벗어나는 회전영역에서는 에너지변환 효율이 떨어질 수밖에 없다. 따라서 효율이 좋은 RPM 영역에서 엔진이나 모터의 사용시간과 사용부하율을 늘일 수 있다면 에너지 사용효율을 높일 수 있을 것이다. 다수의 변속단을 갖는 다단변속기의 장점은 부하와 주행조건에 따라 원동기의 출력 회전수에 맞추어 출력 토크를 다양하게 제어할 수 있어 주행성능의 향상은 물론이며 변속 충격이 적어 승차감 개선과 에너지 전환 효율의 향상에도 도움이 된다. 현재의 유성기어 트레인을 응용한 자동차용 자동변속기의 대부분은 유성기어 세트가 복잡하게 결합된 복합 유성기어 형식이다. 이와 같은 복합 유성기어 형식의 경우 복수의 변속단을 설계하는 것이 용이하지 않다. 특히 종래의 복합 유성기어 형식에서 변속단수가 많아질수록 복합유성기어와 클러치 그리고 브레이크의 사용 개수가 증가하게 되어 클러치와 브레이크의 개수를 최소화하면서 적절한 기어비를 가지는 효율적인 구조로 설계하기 어렵다. 또한 종래의 복합 유성기어 형식를 적용하여 설계가 가능한 경우에도 변속단수가 증가하면 변속기가 무거워지고 공간상의 제약으로 차량에 탑재하기도 쉽지 않으며, 무게의 증가는 차량의 에너지 효율을 약화시키고, 복잡한 내부 구조는 제작비용을 증가시키고 또한 내부저항이 증가함으로 동력전달 효율의 저하를 유발한다. 또한 종래의 복합 유성기어 형식에서는 각각의 출력 변속단 사이의 변속폭을 비교적 균일하게 유지하는 것이 용이하지 않으며, 이는 변속시 변속 충격을 유발하여 승차감 및 에너지 전환 효율을 악화시킨다. 가령 종래의 기술인 대한민국 등록특허 제10-1863127호 "차량의 다단 자동변속장치" (2018. 5.25. 등록)는, 4세트의 유성기어를 이용한 복합유성기어 형태의 다단변속기를 제안하며, 이에 의하여 전진 16단 후진 4단의 총 20단의 변속단수를 구현할 수 있다고 기재되어 있지만, 각 변속단의 변속폭은 매우 불규칙적이다. 또한 이와 같은 복합 유성기어 형태의 다단변속기에서 새로운 변속단을 추가한다는 것은 완전히 새로운 형태의 복합유성기어를 설계하여야 한다는 문제점이 있다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 다단변속기의 정회전 변속모듈 트레인의 특성을 도시한 것, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 의한 다단변속기의 정회전 변속모듈 트레인의 특성을 도시한 것, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 적용되는 정회전 변속모듈을 위한 2단변속 특성을 가진 유성기어의 기본 구성도, 도 4 내지 도 9는 도 3의 Type I ~ Type VI 유성기어의 구체적 적용방식을 도시한 것, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 적용되는 3단변속 또는 4단변속 특성을 가진 역회전 변속모듈을 위한 유성기어의 기본 구성도, 도 11 내지 도 13은 도 10의 Type VII ~ Type IX 유성기어의 구체적 적용방식을 도시한 것, 도 14는 본 발명의 일 실시예에 적용되는 2단변속 특성을 가진 역회전 변속모듈을 위한 유성기어의 기본 구성도 및 구체적 적용방식을 도시한 것, 도 15는 도 1의 다단변속기의 정회전 변속모듈의 기어특성을 동일하게 유지한 상태에서 구현될 수 있는 다양한 변속패턴을 도시한 것. 아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 부여하였다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 다단변속기의 정회전 변속모듈 트레인의 특성을 도시한 것이다. 도 1은 3개의 변속모듈이 입력축에서부터 출력축 방향으로 일렬로 연결되어 출력 변속단수가 변화되는 상태를 표현한 것이다. 도 1에서 m-1번째(단, m은 2 이상의 정수) 정회전 변속모듈의 출력은 m번째 정회전 변속모듈로 입력된다. 즉 1번째 정회전 변속모듈의 출력은 2번째 정회전 변속모듈로 입력되며, 2번째 정회전 변속모듈의 출력은 3번째 정회전 변속모듈로 입력된다. 도 1에서 모든 변속모듈은, 입력축의 회전방향에 대하여 동일한 방향으로 회전하여 출력하는 정회전 변속모듈이다. 각각의 정회전 변속모듈은, 정회전 증속 또는 정회전 감속을 위한 하나의 정회전 변속단과 정회전 등속을 위한 하나의 정회전 등속단으로 이루어진 2단변속 특성을 구비한다. 즉 각각의 정회전 변속모듈은 등속/증속의 2단변속 특성이나 감속/등속의 2단변속 특성을 가진다. 도 1에서 첫번째 정회전 변속모듈은 감속/등속 특성을 가지며, 두번째 정회전 변속모듈은 등속/증속 특성을 가지며, 세번째 정회전 변속모듈은 감속/등속 특성을 가진다. 이에 의하여 도 1의 다단변속기의 총 변속단수(출력 변속단수)는 8단(증속 2단, 등속 1단, 감속 5단)이다. 한편 복수의 정회전 변속모듈의 변속폭은 입력축에서부터 출력축 방향으로 향하면서 순차적으로 작아진다. 상기 및 이하에서 변속비 및 변속폭은 아래와 같이 정의된다. 변속비 = 입력 회전속도 / 출력 회전속도 따라서 변속비 1 초과는 감속이며, 변속비 1은 등속이며, 변속비 1 미만은 증속이다. 변속폭 = 높은 변속비 / 낮은 변속비 보다 구체적으로 각 정회전 변속모듈의 변속폭은 아래와 같이 정의된다. 변속폭 = 정회전 변속단의 변속비 / 정회전 등속단의 변속비 (변속특성이 감속/등속인 정회전 변속모듈) 변속폭 = 정회전 등속단의 변속비 / 정회전 변속단의 변속비 (변속특성이 등속/증속인 정회전 변속모듈) 즉 서로 인접하게 연결된 한 쌍의 정회전 변속모듈은 모두 Wn-1 > Wn (단 n>1)의 관계를 가진다. 도 1에서 첫번째 정회전 변속모듈의 변속비는 2.5(감속) / 1(등속)이며, 두번째 정회전 변속모듈의 변속비는 1(등속) / 0.63(증속)이며, 세번째 정회전 변속모듈의 변속비는 1.26(감속) / 1(등속)이다. 따라서 첫번째 정회전 변속모듈의 변속폭 W1 = 2.5 (=2.5/1)이며, 두번째 정회전 변속모듈의 변속폭 W2 = 1.59 (=1/0.63)이며, 세번째 정회전 변속모듈의 변속폭 W3 = 1.26 (=1.26/1)이다. 즉 W1(2.5) > W2(1.59) > W3(1.26) 의 관계를 가진다. 또한 연속적으로 연결된 3개의 정회전 변속모듈은 모두 아래의 관계를 가진다. Wn-2 > ( Wn-1 x Wn ) (단 n>2) 도 1의 경우 2.5 (W1) > 2.0 (=1.59x1.26 = W2 x W3 )의 관계를 가진다. 즉 2번째 정회전 변속모듈의 변속폭(W2)과 3번째 정회전 변속모듈의 변속폭(W3)을 곱한 값은 1번째 정회전 변속모듈의 변속폭(W1)보다 작다. 나아가 Wn-1 ≒ Wn x Wn 의 관계를 가지는 것이 바람직하다. 이는 n번째 정회전 변속모듈의 변속폭(Wn)은 n-1번째 정회전 변속모듈의 변속폭(Wn-1 )을 실질적으로 균등하게 2분할하기 위한 것이다. 도 1의 경우 2.5 ≒ 2.52 (= 1.59 x 1.59) 의 관계를 가진다. 이러한 관계들은 n번째 정회전 변속모듈의 변속이 n-2번째 정회전 변속모듈에 의하여 구분된 변속영역을 벗어나지 않도록 하기 위한 것이다. 도 1에서 도시된 바와 같이 각 출력 변속단의 총 변속비는, 1번째 정회전 변속모듈을 기준으로 1차로 정렬되며, 2번째 정회전 변속모듈을 기준으로 2차로 정렬되며, 3번째 정회전 변속모듈을 기준으로 3차로 정렬된다. 각 변속단별 총 변속비는 각 정회전 변속모듈에서 설정된 변속비를 모두 곱한 값이다. 가령 증속 1단의 총 변속비는 아래와 같이 산출된다. 0.79 = 1 x 0.63 x 1.26 1 : 1번째 정회전 변속모듈의 변속비 0.63 : 2번째 정회전 변속모듈의 변속비 1.26 : 3번째 정회전 변속모듈의 변속비 또한 각 변속단 사이의 변속폭은 증속 2단부터 감속 5단을 향하여 1.25(=0.79/0.63), 1.27, 1.26, 1.2