KR100503998B1 - 벨트 구동 링 무단 변속기 커플러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 벨트 구동 링 CVT 커플러를 포함한다. 구동 링(10, 11)은 프레임(15)의 각 단부와 회전 가능하게 연결된다. 벨트(21, 22)는 이 구동 링 둘레로 주행한다. 각 쌍의 구동 링의 회전축의 상대적 공간 배치는 프레임에 의하여 유지되는데, 이것은 구동 링이 풀리 활차(101, 102; 201, 202) 사이의 예정된 관계로 유지해준다. 구동 풀리(100)상의 구동 링은 CVT 구동 풀리 활차 측면과의 마찰 접촉을 통하여 구동 풀리와 동일한 방향으로 회전한다. 피동 풀리 쪽의 구동 링은 구동 풀리상의 구동 링과 동일한 방향으로 회전하는데, 이것은 이들이 벨트에 의하여 기계적으로 연결되어 있기 때문이다. 이 때, 피동 풀리상의 구동 링은 피동 풀리 활차의 측면과 마찰 접촉 상태에 있게 되므로, 피동 풀리(200)를 구동하게 된다. 각 풀리의 유효 직경 또는 반경은 풀리 활차의 이동에 의하여 조정된다. 풀리 활차의 축방향 이동에 의하여 각 구동 링의 회전축은 그 각 풀리의 회전축에 대하여 편심 이동하게 된다. 구동 링은 기계적으로 연결되어 있기 때문에, 구동 링은 풀리 활차의 이동에 응답하여 하나의 단위체로서 프레임과 함께 이동하고, 이에 따라 변속기의 유효 기어비를 바꾼다.

Description

벨트 구동 링 무단 변속기 커플러 {BELT DRIVE RING CVT COUPLER}

본 발명은 동력 전달 시스템, 더 구체적으로 말하자면 구동 풀리로부터 피동 풀리로 동력을 전달하는 데 이용되는 벨트 구동 링 CVT 커플러에 관한 것이다.

기어형 변속기는 자동차, 모터 사이클 등을 작동시키는 데 이용될 수 있다는 것은 당업계에 잘 알려져 있다. 연료 효율을 개선하기 위한 목적으로는 무단 변속기(continuously variable transmission), 즉 CVT가 좋다. 무단 변속기에 사용하기 위한 여러 가지 형식의 벨트들이 개발되어 왔다.

일반적으로, CVT 벨트는 형상이 종래의 V자형 벨트의 형상과 유사하다. 특히, 이들은 상단이 넓고 하단이 좁으며, 각형(角形)의 홈을 형성하는 풀리의 활차(滑車)들 사이에 맞물리도록 설계된다. 벨트가 주행하는 풀리는 가동 활차와 고정 활차로 구성되는데, 이들 양활차는 모두 절두원추(截頭圓錐; truncated cone) 형상이다. 일반적으로, 상기 활차 중의 하나는 움직이지만, 나머지는 고정되어 있다.

하나의 활차를 나머지 활차에 대하여 효과적으로 가동시키면, 벨트가 작동하는 풀리의 유효 직경, 즉 ø이 변하게 된다. 따라서, 벨트의 속도는 풀리의 유효 직경의 함수이며, 이 유효 직경은 활차의 서로에 대한 축방향 위치의 함수이다. 일반적으로 CVT 변속기에는 두 개의 풀리, 즉 구동 풀리 및 피동 풀리가 제공된다.

종래 기술의 각 CVT 벨트는 가요성이지만, 이들 각 벨트에는 역시 기타의 동력 전달 벨트들에서는 발견되지 않는 특징들이 있다. 예컨대, 이들 벨트에는 횡방향 강성(剛性)이 있어야 한다. 이것은 벨트로 하여금 풀리 활차 사이에서 파단되는 일이 없이 특정의 유효 직경으로 주행하도록 해준다. 따라서, 각 CVT 벨트 시스템은 직경이 가변적인 풀리에서 주행되는 벨트로 구성된다.

가요성 벨트의 변형이 구동 링이다. 이 구동 링은 인성(靭性) 플라스틱 또는 금속 링으로 구성되는데, 이 링은 풀리에서 주행하게 된다. 이 경우, 가요성 벨트는 링 주위를 주행하게 된다. 풀리 활차가 이동함에 따라 이 링의 회전축은 풀리의 회전축에 대하여 편심 이동하게 된다.

종래 기술의 풀리와 벨트 사이의 관계에 있어서, 도노브스키(Donowski)에게 허여된 미국 특허 제5,709,624호에는 직경이 가변적인 풀리가 개시되어 있다. 단일한 구동 링이 풀리 활차 내에서 작동한다. 가요성 벨트는 풀리를 통하여 이 구동 링 위에서 주행한다. 풀리 활차가 서로에 대하여 이동함에 따라, 풀리의 유효 직경이 변한다. 구동 링은 상기 풀리 활차들 사이의 횡력 또는 압축력을 견디기 때문에, 이들 힘을 수용하도록 벨트를 설계할 필요는 없다. 그러나, 상기 도노브스키의 장치는 내연 기관의 보조 구동 시스템의 일부로서 이용되는 단일한 구동 링으로 구성된다. 풀리 활차 부재들의 회전축에 대하여 적어도 실질적으로 평행한 구동 링의 회전축을 유지하기 위한 안정화 부재도 역시 필요하다. 상기 도노브스키의 장치는 그 자체로는 CVT 변속기에는 도움이 되지 않는다.

또 하나의 대표적인 종래 기술은 클라크(Clark)의 미국 특허 제4,875,894호에 개시되어 있는 무단 변속기이다. 이 변속기는 각각 회전 디스크 조립체를 구비하고 있는 입력축과 출력축을 포함하고 있다. 회전 디스크 조립체는 각각 직경이 연속적으로 변하는 원을 형성하는 접촉 패드를 갖추고 있다. 두 개의 회전 디스크 조립체가 단일한 경질성 커플링 링과 같은 커플링 기구에 의하여 연결된다. 각 풀리 사이의 동력 전달은 링의 회전을 통하여 이루어진다. 이 장치는 동력을 전달하기 위한 가요성 벨트를 사용하는 대안을 제공하지 않으며, 그 대신 두 개의 디스크를 연결하기 위한 경질성 링을 필요로 한다. 이것은 상기 장치가 작동할 수 있는 공간을 일반적으로 풀리의 가장 바깥 쪽 치수에 의하여 이루어지는 사각형 또는 원형으로 확대시킨다.

구동 링이 CVT 커플러에 적용되지는 않았다. 일반적으로 가요성 CVT 벨트들이 작동함에 따라 열과 마찰이 이들 벨트에 악영향을 미친다. 나아가, CVT 벨트들은 일반적으로 차량 액세서리 구동기를 위하여 사용하는 동력 전달 벨트보다 더 고가이다. 따라서, CVT 벨트가 파손되면, 그것을 더 저가인 V 벨트 대신에 그것과 유사한 벨트로 교체할 필요가 있다.

필요로 하는 것은 구동 링이 마련된 벨트 구동 링 CVT 커플러이다. 필요로 하는 것은 무단 벨트들이 구동 링 사이에서 주행하는 벨트 구동 링 CVT 커플러이다. 필요로 하는 것은 예정된 공간 관계에서 구동 링을 고정하기 위한 프레임이 마련된 벨트 구동 링 CVT 커플러이다. 본 발명은 이러한 요구를 충족시킨다.

본 명세서에 포함되어 본 명세서의 일부를 이루고 있는 첨부 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 나타내고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다.

도 1은 본 발명의 커플러의 사시도이고,

도 2는 두 개의 풀리 사이에 있는 본 발명의 횡단면도이며,

도 3은 구동 링 커플러의 측면도이고,

도 4는 구동 링 커플러의 다른 측면도이며,

도 5는 베어링 프레임의 사시도이고,

도 6은 베어링 프레임과 링의 측면도이며,

도 7은 베어링 프레임과 링의 평면도이고,

도 8은 링과 베어링의 사시도이며,

도 9는 링의 사시도이고,

도 10은 한 쌍의 풀리 상의 커플러의 횡단면도이다.

본 발명의 주요 관점은 구동 링들이 마련된 벨트 구동 링 CVT 커플러를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 관점은 무단 벨트들이 구동 링들 사이에서 주행하는 벨트 구동 링 CVT 커플러를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 하나의 관점은 예정된 공간 관계에서 구동 링들을 고정하기 위한 프레임이 마련된 벨트 구동 링 CVT 커플러를 제공하는 것이다.

본 발명의 기타의 관점들은 본 발명에 대한 이하의 설명 및 첨부 도면에 의하여 지적되거나 자명하게 될 것이다.

본 발명은 벨트 구동 링 CVT 커플러를 포함한다. 한 쌍의 구동 링은 프레임의 각 단부에 회전 가능하게 연결된다. 이 프레임은 구동 링의 공간적 관계를 제어함으로써 커플러가 작동할 때 구동 링이 상대적으로 이동하는 것을 방지하여, 동력 전달을 개선하면서 마찰 열을 감소시키고 이로써 커플러의 수명을 개선하게 된다. 구동 링은 금속 또는 비금속 재료로 구성되고 종래 기술의 탄성 중합체(elastomer) 벨트와 비교할 때 내마모성이 향상되어 벨트 수명을 개선하게 된다. 벨트들은 구동 링 둘레로 주행하게 된다. 상기 벨트들은 당업계에서 이용 가능한 임의의 벨트일 수 있으므로, 사용자는 커플러의 비용을 절감하게 된다. 프레임은 풀리 활차들 사이의 예정된 관계에서 구동 링을 유지한다. 구동 풀리 상의 구동 링은 CVT 구동 풀리 활차의 측면과 마찰 접촉을 통하여 구동 풀리와 동일한 방향으로 회전한다. 피동 풀리 쪽의 구동 링은 벨트에 의하여 기계적으로 연결되어 있기 때문에 구동 풀리 상의 구동 링과 동일한 방향으로 회전한다. 이 경우, 피동 풀리의 구동 링은 피동 풀리 활차의 측면과 마찰 접촉 상태에 있게 되고, 이에 따라 피동 풀리를 구동하게 된다. 벨트 대신에 링이 활차의 측면과 접촉하기 때문에, 커플러의 마찰 마모는 상당히 감소하게 된다. 각 풀리의 유효 직경 또는 반경은 풀리 활차의 이동에 의하여 조정된다. 풀리 활차의 이동에 의하여 각 구동 링의 회전축은 그것의 각 풀리의 회전축에 대하여 편심 이동하게 된다. 구동 링들은 기계적으로 연결되어 있기 때문에, 구동 링들은 상기 풀리 활차들의 이동에 응답하여 하나의 단위체로서 프레임과 함께 이동함으로써, 변속기의 유효 기어비를 바꾼다.

도 1은 본 발명의 커플러의 사시도이다. 벨트 구동 링 CVT 커플러는 구동 링(10, 11)을 포함한다. 프레임(15)은 이 프레임의 각 단부에 개공(16, 17)을 나타내고 있다. 베어링(18, 19)은 각각 개공(16, 17)에 장착된다. 링 기어 또는 링(10, 11)은 이 베어링(18, 19) 내에서 회전 가능하게 프레임(15)에 장착된다. 당업자가 인식하는 바와 같이, 프레임(15)은 베어링(18, 19)을 적절한 공간 관계로 유지하고, 이들 베어링은 또한 링(10, 11)을 적절한 공간 관계로 유지한다. 링(10, 11)은 각각 그 회전 평면이 서로 동평면이다. 베어링(18, 19)은 볼 베어링, 니들 베어링 또는 슬리브 베어링을 포함하는 당업계에 알려진 임의의 적절한 베어링 종류로 구성될 수 있지만 이들에 한정되는 것은 아니다.

벨트(21, 22)는 링(10, 11)의 외측 표면 위로 주행한다. 각 벨트(21, 22)는 링(10)으로부터 링(11)으로 나란히 주행한다. 이 벨트는 당업계에서 이용 가능한 임의의 벨트이다. 바람직한 실시예에서, 이들은 치형 또는 코그형(cog) 프로파일(profile)을 갖는다. 또한, 이들은 사용자의 필요에 따라 리브(rib)가 종방향으로 뻗은 멀티 리브형 또는 V자형 벨트 프로파일일 수 있다. 나아가, 바람직한 실시예에서, 벨트가 프레임(15)의 양쪽에 있는 것으로 나타나 있다. 대체 실시예에서, 링(10, 11)은 각 링(10, 11)의 중심면 축이 프레임 주축에 정렬되지 않도록, 즉 이들 링이 프레임 중심선의 한쪽으로 오프셋(offset) 되도록 프레임(15)과 연결된다. 그러므로, 벨트 또는 단일 벨트는 프레임의 한쪽에서 주행될 수 있다. 이런 식으로 링을 프레임에 오프셋 시키는 것은 CVT 변속기 경우에 있어서 사용자가 그 형태에 있어서의 변형을 수용할 수 있도록 한다.

도 2는 두 개의 풀리 사이에서의 본 발명의 횡단면도이다. 본 발명의 시스템은 구동 풀리(100)와 피동 풀리(200) 사이에 설치되어 있는 것으로 나타나 있다. 풀리 활차(101, 102)는 각각 축(M1, M1')을 따라 이동하여 활차 사이의 간격을 증가 또는 감소시키게 된다. 풀리 활차(201, 202)는 각각 축(M2', M2)을 따라 이동하여 활차 사이의 간격을 증가 또는 감소시키게 된다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 축 M1과 M1'는 평행하지 않다. 축 M2와 M2'도 평행하지 않다. 이들 축은 예정된 각도로 서로로부터 약간 오프셋되어 있다. 이것은 도 2에서 나타내고 본 명세서에서 더 자세히 설명하는 바와 같이, 큰 간격의 저속 구동 상태로부터 작은 간격의 고속 구동 상태로 풀리가 이동함에 따라, 링(10, 11)이 활차의 측면 및 대향하는 활차의 측면과 접촉할 수 있기 때문이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 각 활차의 회전축을 그것의 짝에 대하여 약간 기울이면, 활차 사이의 내측에 있는 활차 사이의 공간이 개방된다. 이것은 링(10 또는 11)이 고속 구동 상태에 있는 각 활차의 내측과 접촉하게 되는 것을 방지한다. CVT 풀리 활차의 이동은 당업계에 알려진 수단에 의하여 달성된다.

작동 중에, 풀리(100)는 R1 방향으로 회전하고 풀리(200)는 R2 방향으로 회전한다. 풀리(100)의 회전축은 개공(16)을 통하여 돌출한다. 풀리(200)의 회전축은 개공(17)을 통하여 돌출한다. 링(10)의 표면(33, 34; 도 3, 도 4, 도 9 참조)은 각각 접촉면(110, 111)에서 활차면(103, 105)과 접촉한다. 링(11)의 표면(31, 32; 도 3, 도 4, 도 9 참조)은 각각 접촉면(210, 211)에서 활차면(104, 106)과 접촉한다.

이러한 접촉에 의하여 링(10)은 풀리(100)와 협력하여 R3 방향으로 회전한다. 링(10)이 회전함에 따라, 벨트(21, 22)가 이동함으로써 링(11)은 R4 방향으로 회전하는데, 이것은 풀리(200)를 구동하여 링(11)과 공동으로 그리고 링(11)에 의한 구동시 R2 방향으로 회전하도록 한다. 벨트 구동 링 CVT 커플러의 각 링의 유효 반경은 활차부의 상대적인 위치에 의하여 결정된다는 것이 당업계에 알려져 있다. 주어진 풀리의 활차부가 함께 이동할 때, 링 기어의 회전축은 풀리의 회전축 방향으로 힘을 받으므로, 유효 반경은 증가한다. 반대로, 상기 활차부가 서로 멀어지는 방향으로 이동할 때, 링 기어의 회전축은 풀리의 회전축으로부터 멀어지는 방향으로 이동하므로, 유효 반경은 감소한다.

도 3은 구동 링 커플러의 측면도이다. 베어링 표면(32)은 활차면(105; 도 2 참조)과 접촉한다. 베어링 표면(34)은 활차면(106)과 접촉한다.

도 4는 구동 링 커플러의 다른 측면도이다.

도 5는 베어링 프레임의 사시도이다. 프레임(15)은 이 프레임의 각 단부에 개공(16, 17)을 포함한다. 베어링(18, 19)은 각각 개공(16, 17)에 장착된다. 링(10, 11)은 각 베어링(18, 19) 내에 각각 가압되어 끼워진다. 각 링(10, 11)은 벨트(도시되지 않음)의 형태와 상호 작용하는 형태를 갖추고 있다. 이러한 도 5에서, 링(10, 11)은 치형 형태로 나타내지만, 당업계에 알려진 임의의 형태도 채택될 수 있다. 베어링(18, 19)은 프레임(15)에 대하여 각 링(10, 11)을 기계적으로 유지하고 적절하게 배치시킨다.

도 6은 베어링 프레임과 링의 측면도이다.

도 7은 베어링 프레임과 링의 평면도이다.

도 8은 링과 베어링의 사시도이다. 벨트(21, 22)와 프레임(15)은 나타나 있지 않다.

도 9는 링의 사시도이다. 링(10)의 대향하는 베어링 표면(33, 34)은 서로에 대하여 일정한 각도(α)를 이루고 있다. 각도(α)의 정점(角点; vertex)은 링(10)의 회전축과 실질적으로 정렬되어 있다. 링(11; 도시되지 않음)의 대향하는 베어링 표면(31, 32)도 역시 서로에 대하여 일정한 각도(α)를 이루고 있다. 각도(α)는 링이 작동하는 풀리 활차의 내측 표면 사이의 협각(夾角) 값의 1/2과 실질적으로 동일하다. 그러므로, 각도(α)는 특정한 풀리의 물리적 특성을 수용하도록 명시할 수 있다. 이러한 형태는 링(10, 11)에 있어서 전형적이다. 물론, 당업자는 링이 작동하는 풀리의 협각에 따라 각 링에 대한 각도(α)가 상이할 수 있다는 것을 인식할 것이다. 표면(101)은 링(10)을 둘러싼다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 베어링은 이 표면(101)과 접촉한다. 표면(31, 32, 33, 34)은 바람직한 실시예에서 비금속 마찰 재료로 구성된다. 물론, 상기 표면(31, 32, 33, 34)은 금속 마찰 재료로도 역시 구성될 수 있다.

도 10은 한 쌍의 풀리 상의 커플러의 횡단면도이다. 커플러는 풀리(100, 200) 사이에 있는 것으로 나타나 있다.

본 명세서는 본 발명의 한 가지 단일한 형태에 관하여 설명하였으나, 본 명세서에 기재된 본 발명의 사상과 범위를 벗어나는 일 없이 부품의 구성 및 상호 관계에 여러 가지 변형이 이루어질 수 있다는 것은 당업자에게 자명하게 될 것이다.

Claims (11)

1. 양 단부 각각에 형성되는 두개의 개공을 포함하는 프레임과,

   이 프레임의 두개의 개공에 회전 가능하게 각각 장착되는 제1 회전 부재 및 제2 회전 부재와,

   이 제1 회전 부재 및 제2 회전 부재 사이에서 주행하는 적어도 하나의 무단 벨트 부재와,

   상기 제1 회전 부재 및 제2 회전 부재 각각을 회전 가능하게 장착하기 위한 상기 제1 회전 부재 및 제2 회전 부재의 외측 표면 상의 베어링

   을 포함하는 것인 벨트 구동 링 CVT 커플러.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 회전 부재 및 제2 회전 부재는 각각 회전면이 있고,

   이들 회전면은 실질적으로 동평면인 것인 벨트 구동 링 CVT 커플러.
3. 제2항에 있어서, 상기 프레임은 상기 제1 회전 부재 및 제2 회전 부재 각각의 회전면과 실질적으로 동평면을 이루는 적어도 하나의 평면을 나타내는 것인 벨트 구동 링 CVT 커플러.
4. 제2항에 있어서, 상기 제1 회전 부재 및 제2 회전 부재는 각각 풀리와 상호 교합(交合)하기 위한 대향하는 베어링 표면을 더 구비하는 것인 벨트 구동 링 CVT 커플러.
5. 제4항에 있어서, 상기 제1 회전 부재 및 제2 회전 부재는 각각 벨트와 상호 교합하기 위한 표면을 더 포함하고, 이 표면은 일정한 프로파일(profile)을 갖춘 것인 벨트 구동 링 CVT 커플러.
6. 삭제
7. 제5항에 있어서, 상기 제1 회전 부재 및 제2 회전 부재 사이에서 이 제1 회전 부재 및 제2 회전 부재 각각의 외측 표면 둘레로 주행하는 복수 개의 무단 벨트를 더 포함하는 것인 벨트 구동 링 CVT 커플러.
8. 제7항에 있어서, 상기 프레임은 상기 제1 회전 부재 및 제2 회전 부재를 탄성적으로 이격 편향시키고, 이로써 상기 무단 벨트 부재 상의 장력이 유지되는 것인 벨트 구동 링 CVT 커플러.
9. 제8항에 있어서, 상기 제1 회전 부재 및 제2 회전 부재 각각의 상기 대향하는 베어링 표면은 일정한 각도를 더 이루는 것인 벨트 구동 링 CVT 커플러.
10. 제9항에 있어서, 상기 대향하는 베어링 표면은 비금속 재료로 구성되는 것인 벨트 구동 링 CVT 커플러.
11. 제5항에 있어서, 상기 프로파일은 치형 프로파일로 구성되는 것인 벨트 구동 링 CVT 커플러.