KR100256767B1 - 차량용 4속 자동 변속기의 기어 트레인 - Google Patents

Abstract

1↔2, 2↔3, 3↔4속에서 비동기 변속이 이루어지도록 하여 변속감을 향상시킬 수 있도록 한 차량용 4속 자동변속기의 기어 트레인을 제공할 목적으로; 제1단순 유성기어셋트의 링기어 외측에 제2단순 유성기어셋트가 둘러 쌓여져 제1단순 유성기어셋트의 링기어가 제2단순 유성기어셋트의 선기어로도 작용할 수 있도록 조합하되, 제1단순 유성기어셋트의 선기어와 제2단순 유성기어셋트의 유성 캐리어를 상호 연결함으로써, 4개의 작동요소를 보유하며, 이들 작용요소 중 제1단순 유성기어셋트의 유성 캐리어가 출력요소로 작용토록 하는 복합 유성기어 셋트와; 상기 복합 유성기어셋트의 작동요소 중 3개의 요소가 선택적으로 입력요소가 되도록 작동하는 클러치 수단들과; 상기 복합 유성기어셋트의 작동요소 중 2개의 요소가 각각 선택적으로 반력요소가 되도록 작동하는 복수의 브레이크 수단들과; 상기 작동요소 중 어느 한 작동요소와 변속기 하우징 사이에 개재되어 제1속시 반력요소로 작용할 수 있도록 하는 1↔2속 비동기 수단과; 상기 작동요소 중 어느 한 작동요소와 변속기 하우징 사이에 개재되어 제2속시 반력요소로 작용할 수 있도록 하는 2↔3속 비동기 수단과; 상기 작동요소 중 어느 한 작동요소와 입력축 사이에 개재되어 이의 작동요소가 전진 1,2,3 속시 입력요소로 작용하고, 전진 4속에서 프리 휠링의 상태가 되도록 하는 3↔4 비동기 수단과;를 포함하는 차량용 4속 자동 변속기의 기어 트레인을 제공한다.

Description

차량용 4속 자동 변속기의 기어 트레인

본 발명은 차량용 4속 자동 변속기의 기어 트레인에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반경방향으로 조합되는 복합 유성기어셋트를 적용하는 기어 트레인에 있어서, 1↔2, 2↔3, 3↔4속에서 비동기 변속이 이루어지도록 하여 변속감을 향상시킬 수 있도록 한 차량용 4속 자동변속기의 기어 트레인에 관한 것이다.

일반적으로 차량용 자동 변속장치는, 차량의 주행속도와 부하의 변동에 따라 변속비를 자동적으로 제어하는 트랜스밋션 제어유닛을 구비하고 있다.

상기한 트랜스밋션 제어 유닛은 기어 트레인에 설치된 다수개의 마찰요소들을 작동 또는 비작동 상태로 제어하여 유성기어셋트의 3요소(선기어, 링기어, 유성캐리어)중 어느 요소를 입력요소로 하고, 다른 요소를 반력요소로 선택하여 출력단 회전수를 조절하게 된다.

이러한 차량용 자동 변속장치로 사용되는 복합 유성기어 장치로는 라비뉴 타입과, 심프슨 타입, 그리고 2심프슨 타입의 유성기어장치가 있다.

그리고 상기와 같은 복합 유성기어 장치는 차량의 변속수단으로 사용되기 위하여 유성 캐리어가 서로 연결되는 구조를 갖거나, 선기어를 공용으로 하고 유성캐리어와 링기어가 직결되는 구조를 갖거나, 유성 캐리어와 링기어가 상호간 직결되는 구조 즉, 2개의 유성기어셋트가 축방향으로 연결되는 구조를 갖는다.

이에 따라 축방향으로의 길이가 길어져 변속기의 전장이 길어지기 때문에 특히 횡치 전륜 구동형 자동변속기의 경우 탑재성 측면에서 매우 불리하게 작용하여 설계시 이의 전장 단축을 위한 많은 노력이 요구되고 있다.

이러한 예로서, 본 출원인은 대한민국 특허출원 제96-36738호의 "차량용 4속 자동변속기의 기어 트레인(1996년 8월 30일)"를 제안한 바 있다.

상기 발명은 하나의 단순 유성기어셋트의 링기어 외측에 또 다른 단순 유성기어셋트가 둘러쌓이는 형태 즉, 반경 방향으로 조합되는 복합 유성기어셋트와; 이의 복합 유성기어셋트로부터 인출되는 작동요소를 입력 또는 반력요소로 작용토록 하는 다수의 마찰요소로 이루어진다.

이에 따라 전장이 매우 짧은 자동 변속기의 설계가 가능하여 횡치 전륜 구동차량에 적용이 용이한 장점을 갖게 된다.

그러나 상기와 같은 기어 트레인에 있어서는 모든 변속단에서 마찰부재의 해제와 작동 동작의 변환에 의하여 변속이 이루어지게 되는 바, 변속 충격이 발생되어 승차감을 저하시킨다는 문제점을 내포하고 있다.

그리고 변속 충격이 발생되지 않게 하기 위하여는 이들 마찰요소의 작동 제어가 정확하게 이루어져야만 하는데, 이의 작동 제어가 용이하지 못하다는 문제점을 내포하고 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 본 발명의 목적은 1↔2, 2↔3, 3↔4속에서 비동기 변속이 이루어지도록 하여 변속감을 향상시킬 수 있도록 한 차량용 4속 자동변속기의 기어 트레인을 제공함에 있다.

상기 목적을 실현하기 위하여 본 발명은, 제1단순 유성기어셋트의 링기어 외측에 제2단순 유성기어셋트가 둘러 쌓여져 제1단순 유성기어셋트의 링기어가 제2단순 유성기어셋트의 선기어로도 작용할 수 있도록 조합하되, 제1단순 유성기어셋트의 선기어와 제2단순 유성기어셋트의 유성 캐리어를 상호 연결함으로써, 4개의 작동요소를 보유하며, 이들 작용요소 중 제1단순 유성기어셋트의 유성 캐리어가 출력요소로 작용토록 하는 복합 유성기어셋트와; 상기 복합 유성기어셋트의 작동요소 중 3개의 요소가 각각 선택적으로 압력요소가 되도록 작동하는 클러치 수단들과; 상기 복합 유성기어셋트의 작동요소 중 2개의 요소가 각각 선택적으로 반력요소가 되도록 작동하는 복수의 브레이크 수단들과; 상기 작동요소 중 어느 한 작동요소와 변속기 하우징 사이에 개재되어 제1속시 반력요소로 작용할 수 있도록 하는 1↔2속 비동기 수단과; 상기 작동요소 중 어느 한 작동요소와 변속기 하우징 사이에 개재되어 제2속시 반력요소로 작용할 수 있도록 하는 2↔3속 비동기 수단과; 상기 작동요소 중 어느 한 작동요소와 입력축 사이에 개재되어 이의 작동요소가 전진 1,2,3 속시 입력요소로 작용하고, 전진 4속에서 프리 휠링의 상태가 되도록 하는 3↔4 비동기 수단과;를 포함하는 차량용 4속 자동 변속기의 기어 트레인을 제공한다.

제1도는 본 발명에 의한 기어 트레인의 구성도.

제2도는 본 발명의 작동 설명을 레버 해석법으로 설명하기 위한 도면.

제3도는 제2도 기어 트레인의 전진 4속과 후진 1속의 변속비를 얻기 위한 각 변속단별 마찰요소의 작동표이다.

이하, 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도1은 본 발명에 의한 실시예의 기어 트레인을 나타내는 도면으로서, 엔진(2)으로부터 발생된 동력은 토오크 컨버터(4)를 통해 토오크 변환이 이루어져 복합 유성기어셋트(6)로 입력되어 변속이 이루어지게 된다.

그리고 이의 복합 유성기어셋트(6)는 다수의 클러치로 이루어지는 클러치 수단(8)의 선택적인 작동으로 적어도 하나의 요소에 입력이 이루어지고, 다수의 브레이크로 이루어지는 브레이크 수단(10)의 선택적인 작동에 의해 변속이 이루어지게 된다.

상기에서 엔진(2)으로부터 발생되는 토오크를 변환시키는 토오크 컨버터(4)는 엔진(2)의 크랭크축에 직결되어 회전하는 펌프 임펠러(12)와; 이 펌프 임펠러(12)와 대향 배치되어 분출되는 오일에 의하여 함께 회전하는 터어빈 런너(14)와; 이들 펌프 임펠러(12)와 터어빈 런너(14) 사이에 배치되어 오일의 흐름을 바꾸어주어 펌프 임펠러(12)의 회전력을 증가시켜 주는 스테이터(16)를 포함하여 이루어진다.

이에 따라 엔진이 회전을 하면 상기 토오크 컨버터(4)내에 충진된 오일이 펌프 임펠러(12)에서 분출되어 터어빈 런너(14)로 공급되면서 터어빈 런너(14)를 구동시킨 다음 스테이터(16)로 유입된다.

또한, 상기 스테이터(16)로 유입된 오일은 그 방향을 바꾸어 다시 펌프 임펠러(12)로 유입되는 작용을 반복하게 되는데, 이때 스테이터(16)의 회전에 의하여 스테이터(16)가 분담하는 터어빈 런너(14)의 회전력과 펌프 임펠러(12)의 회전력과의 사이에 차이가 생겨 토오크 변환이 이루어지게 되는 것이다.

그리고 상기 토오크 컨버터(4)로부터 동력을 전달받는 복합 유성기어셋트(6)는 상기 토오크 컨버터(4)의 터어빈 런너(14)에 연결되는 입력축(18)과, 동일선상으로 배치되는 출력축(20) 사이에 배치된다.

상기 복합 유성기어셋트(6)는 반경방향으로 조합되는 제1,2단순 유성기어셋트(22)(24)로 이루어지는데, 이는 제1단순 유성기어셋트(22)의 링기어(26) 외측에 또 다른 제2단순 유성기어셋트(24)가 둘러 쌓여져 제1단순 유성기어셋트(22)의 링기어(26)가 제2단순 유성기어셋트(24)의 선기어로도 작용할 수 있도록 이루어진다.

그리고 상기 복합 유성기어셋트(6)에 엔진(2)의 동력을 전달하기 위한 클러치 수단(8)으로 작용하는 제1클러치(28)는 제1단순 유성기어셋트(22)의 링기어(26)와 입력축(18) 사이에 개재되고, 제2클러치(30)는 제2단순 유성기어셋트(24)의 유성 캐리어(32)과 입력축(18) 사이에 개재되며, 제3클러치(34)는 제2단순 유성기어셋트(24)의 링기어(36)와 입력축(18) 사이에 개재된다.

이에 따라 상기 제1,2,3클러치(28)(30)(34)의 선택적인 작동으로 이에 연결된 요소들이 입력요소로 작동하게 되는 것이다.

또한, 브레이크 수단(10)을 형성하는 제1브레이크(38)은 제1단순 유성기어셋트(22)의 선기어(40)와 제2단순 유성기어셋트(24)의 유성 캐리어(32)가 상호 연결되는 연결부재(41)와 변속기 하우징(42) 사이에 개재되며, 제2브레이크(44)는 제2단순 유성기어셋트(24)의 링기어(36)와 변속기 하우징(42) 사이에 개재되어 상기 요소들이 선택적인 반력요소로 작용할 수 있도록 하였다.

그리고, 제1단순 유성기어셋트(22)의 유성 캐리어(46)는 출력축(20)과 연결되어 출력요소로 작용할 수 있도록 하였다.

상기에서 클러치 수단(8)을 형성하는 제1,2,3클러치(28)(30)(34)는 다판클러치가 사용될 수 있으며, 브레이크 수단(10)을 형성하는 제1,2브레이크(38)(44)는 통상의 밴드 브레이크가 사용될 수 있다.

또한, 상기 제1단순 유성기어셋트(22)의 선기어(40)와 제2단순 유성기어셋트(24)의 유성 캐리어(32)를 상호 연결하여 주는 연결부재(41)는 1↔2 비동기 수단인 제1원웨이 클러치(F1)를 개재시켜 변속기 하우징(42)과 연결이 이루어지며, 이의 제1원웨이 클러치(F1)은 전진 1속에서 이의 연결부재(41)의 작동을 정지시켜 이에 연결되는 각 부품(40)(32)이 반력요소로 작용할 수 있도록 이루어진다.

그리고 제2단순 유성기어셋트(24)의 링기어(36)는 그 입력측이 변속기 하우징(42)과 2↔3 비동기 수단인 제2원웨이 클러치(F2)와 제3브레이크(48)를 개재시켜 연결이 이루어진다.

이에 따라 제2속에서 제3브레이크(48)의 작동으로 제2원웨이 클러치(F2)가 작동되면서 링기어(36)가 반력요소로 작용하게 된다.

또한, 상기 제1클러치(28)와 제1단순 유성기어셋트(22)의 링기어(26)를 연결하는 연결부재(50)와, 입력축(18) 사이에는 전진 1,2,3속에서 이의 링기어(26)가 입력요소로 작동하도록 동력을 전달함과 동시에 전진 4속에서 프리 휠링 상태가 되도록 하는 3↔4 비동기 수단인 제3원웨이 클러치(F3)와 제4클러치(52)가 개재된다.

이와 같이 이루어지는 본 발명의 기어 트레인은 도2의 마찰요소 작동표와 같이 마찰요소가 작동하면서 변속이 이루어지게 되는데, 이의 작동요소표와 도3의 레버 해석표를 보면서 변속 과정을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 복합 유성기어셋트를 레버 방식으로 해석하기 위하여는 레버(L)상의 제1노드(N1)는 제2단순 유성기어셋트(24)의 선기어를 겸하는 제1단순 유성기어셋트(22)의 링기어(26), 제2노드(N2)는 제1단순 유성기어셋트(22)의 유성 캐리어(46), 제3노드(N3)는 제1단순 유성기어셋트(22)의 선기어(40)와 제2단순 유성기어셋트(24)의 유성 캐리어(32), 제4노드(N4)는 제2단순 유성기어셋트(24)의 링기어(36)로 설정됨을 전제한다.

상기 노드에 대한 요소는 복합 유성기어셋트의 조합에 의하여 설정되는 것으로서, 이에 관련되는 기술은 공지이므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

이러한 점을 고려하여 전진 1속의 작동 과정을 설명하면, 제1속에서는 제4클러치(52)가 작동 제어된다.

그러면 엔진(2)에 의하여 회전하는 입력축(14)의 동력은 제3원웨이 클러치(F3)와 제4클러치(52)의 작동에 의하여 제1단순 유성기어셋트(22)의 링기어(26)가 입력요소로 작용하게 되며, 이때 제1단순 유성기어셋트(22)의 선기어(40)와 제2단순 유성기어셋트(24)의 유성 캐리어(32)를 연결하는 연결부재(41)는 작동 원리상 입력방향과 반대방향으로 회전하려고 한다.

그러나 상기 연결부재(41)는 제1원웨이 클러치(F1)의 작동에 의하여 역회전이 방지됨으로써, 결국은 반력요소로 작용하게 된다.

이러한 작용에 의하여 제1속의 변속이 이루어져 출력요소인 제1단순 유성기어셋트(22)의 유성 캐리어(46)를 통해 출력이 이루어지게 되는 것이다.

이러한 변속 과정을 가시적으로 도3을 보면서 살펴보면, 제1노드(N1)로 입력되는 제1입력 속도선(S1)과, 반력요소로 작용하는 제3노드(N3)를 연결하는 직선(L1)을 출력요소인 제2노드(N2)와 가장 가깝게 연결하는 선이 제1속의 출력 속도선(D1)이 되는 것이다.

즉, 이는 입력 회전수 보다 출력 회전수가 아주 작아지게 되어 제1속의 변속비로 감속이 이루어짐을 알 수 있다.

상기와 같은 제1속의 상태에서 차속과 스로틀 개도가 증가하면 트랜스 제어유닛에서는 상기 제1속의 상태에서 제3브레이크(48)를 작동시키게 된다.

제1속과 같은 입력의 상태에서 제3브레이크(48)의 작동과 제2원웨이 클러치(F2)의 작동에 의하여 제2단순 유성기어셋트(24)의 링기어(36)가 반력요소로 작용하면서 제2속의 변속이 이루어지게 된다.

이러한 제2속의 변속 과정을 가시적으로 도3을 보면서 살펴보면, 제1노드(N1)의 제1입력 속도선(S1)과, 반력요소로 작용하는 제4노드(N4)를 연결하는 직선(L2)을 출력요소인 제2노드(N2)와 가장 가깝게 연결하는 선이 제3속의 출력 속도선(D2)이 되면서 제1속 보다는 빠른 속도로 출력이 이루어지게 된다.

상기와 같은 제2속의 상태에서 차속과 스로틀 개도가 증가되면, 트랜스밋션 제어 유닛에서는 상기 제2속의 상태에서 제2클러치(30)를 작동시키게 된다.

그러면 제2속의 입력의 상태에서 제2클러치(30)에 의하여 제2의 입력이 이루어지게 되어 2개의 입력요소로 갖게 되므로, 유성기어셋트의 특성상 직결의 상태가 되면서 제3속의 변속이 이루어지게 된다.

이러한 제3속의 변속 과정을 가시적으로 도3을 보면서 살펴보면, 제1노드(N1)로 입력되는 제1입력 속도선(S1)과, 또 다른 입력요소로 작용하는 제3노드(N3)의 제2입력 속도선(S2)를 연결하는 직선(L2)을 출력요소인 제2노드(N2)와 가장 가깝게 연결하는 선이 제3속의 출력 속도선(D3)이 되는 것이다.

상기와 같은 제3속의 상태에서 차속과 스로틀 개도가 더욱 증대되면, 트랜스밋션 제어유닛에서는 상기 제3속의 상태에서 제2브레이크(44)를 작동 제어하게 된다.

그러면 제1의 입력은 해제되고, 제2,3브레이크(44)(48)의 작동으로 제2단순 유성기어셋트(24)의 링기어(36)가 반력요소로 작용하면서 제4속의 변속이 이루어지게 된다.

이때, 제4클러치(52)의 작동은 이루어지지만 입력축(18)의 회전속도가 링기어(26)의 회전속도 보다 빠르게 이루어짐으로써, 제3원웨이 클러치(F3)는 작동하지 않게 되어 링기어(26)는 프리휠링의 상태가 된다.

이러한 제4속의 변속 과정을 가시적으로 도 3을 보면서 살펴보면, 제3노드(N3)로 제2입력 속도선(S2)과, 반력요소로 작용하는 제4노드(N4)를 연결하는 직선(L4)을 출력요소인 제2노드(N2)와 연결하는 선이 제4속의 출력 속도선(D4)이 되는 것이다.

즉, 상기에서의 제4속은 입력 속도 보다 빠른 출력이 이루어지는 오버 드라이브 상태가 된다.

상기에서와 같이 전진 1속에서 2속, 2속에서 3속, 3속에서 4속으로의 변속시에는 원웨이 클러치(F1)(F2)(F3)가 각각 선택적으로 프리 휠링 상태가 되면서 변속이 이루어지게 되는 바, 비동기 상태에서의 변속이 이루어지게 됨으로써, 변속 충격이 발생되지 않으면서 부드럽게 변속이 이루어짐으로써, 승차감을 향상시킬 수 있게 되는 것이다.

그리고 상기에서 상기와 같은 제1,2,3속에서는 제1,2,3원웨이 클러치(F1)(F2)(F3)가 작동되면서 반력요소로 작용하게 되는 바, 역구동 즉, 엔진 브레이크의 작동이 이루어지지 않는다.

또한, "3", "2", "L" 레인지에서는 도 2에서와 같이 마찰요소가 작동되면서 변속이 이루어지고, 엔진 브레이크가 작동하게 된다.

그리고 운전자가 후진을 위하여 셀렉터 레버를 후진 레인지(R)로 변환시키면 제3클러치(34)와 제1브레이크(38)를 작동 제어한다.

그러면 제3클러치(34)의 작동으로 제2단순 유성기어셋트(24)의 링기어(36)를 통해 입력이 이루어지고, 이와 동시에 제1브레이크(38)의 작동에 의하여 제1단순 유성기어셋트(22)의 선기어(40)와 제2단순 유성기어셋트(24)의 유성 캐리어(32)가 반력요소로 작용하게 되면서 후진 변속이 이루어져 출력요소인 제1단순 유성기어셋트(22)의 유성 캐리어(46)를 통해 출력이 이루어지게 된다.

즉, 도 3에서와 같이, 제4노드(N4)의 제3입력 속도선(S3)과, 반력요소로 작용하는 제3노드(N3)를 연결하는 직선(L5)을 출력요소인 제2노드(N2)와 가장 가깝게 연결하는 선이 후진 출력 속도선(R)이 되는 것이다.

이상에서와 같이, 본 발명에 의하면, 반경방향으로 조합되는 복합 유성기어셋트를 적용함으로써, 전장이 매우 짧은 자동 변속기의 설계가 가능하여 횡치 전륜 구동 차량에 적용이 매우 용이하며, 특히, 1↔2, 2↔3, 3↔4 속에서 비동기 변속이 이루어지도록 하여 변속감을 향상시킬 수 있으며, 이에 따른 마찰요소의 제어가 용이해지는 잇점이 있다.

Claims (1)

1. 제1단순 유성기어셋트의 링기어 외측에 제2단순 유성기어셋트가 둘러 쌓여져 제1단순 유성기어셋트의 링기어가 제2단순 유성기어셋트의 선기어로도 작용할 수 있도록 조합하되, 제1단순 유성기어셋트의 선기어와 제2단순 유성기어셋트의 유성 캐리어를 상호 연결하여 4개의 작동요소를 보유하며, 이들 작동요소중 제1단순 유성기어셋트의 유성 캐리어가 출력요소로 작용토록 하여 복합 유성기어셋트를 구성하고, 상기 제1단순 유성기어셋트의 링기어와 입력축 사이에 제1클러치를 개재하고, 제2단순 유성기어셋트의 유성 캐리어와 입력축 사이에 제2클러치를 개재하며, 제2단순 유성기어셋트의 링기어와 입력축 사이에 제3클러치를 개재하여 클러치 수단들을 구성하며, 제1단순 유성기어셋트의 선기어와 제2단순 유성기어셋트의 유성 캐리어를 상호 연결하는 연결부재와 변속기 하우징 사이에 제1브레이크를 개재하고, 제2단순 유성기어셋트의 링기어와 변속기 하우징 사이에 제2브레이크를 개재하여 브레이크 수단들을 구성하여 이루어지는 차량용 4속 자동변속기의 기어 트레인에 있어서, 전진 제1속시 반력요소로 작용할 수 있도록 상기 제1,2단순 유성기어셋트의 선기어와 유성 캐리어를 연결하는 연결부재와 변속기 하우징 사이에 제1원웨이 클러치를 개재하여 1↔2비동기 수단을 이루며, 전진 제2속시 반력요소로 작용할 수 있도록 상기 입력축과 제2단순 유성기어셋트의 링기어를 연결하는 부재와 변속기 하우징 사이에 배치되는 제2원웨이 클러치와 제3브레이크를 개재하여 2↔3 비동기 수단을 이루며, 전진 제1,2,3속시 입력요소로 작용하고, 전진 제4속에서 프리 휠링의 상태가 되도록 상기 제3클러치와 제1단순 유성기어셋트의 링기어를 연결하는 연결부재와, 입력축 사이에 배치되어 상기 전진 제1,2,3속에서 작동하는 제3원웨이 클러치와, 전진 제1,2,3,4속에서 이의 링기어가 입력요소로 작동하도록 동력을 전달하는 제4클러치가 직렬 연결되어 3↔4 비동기 수단을 이루어 구성되는 것을 특징으로 하는 차량용 4속 자동 변속기의 기어 트레인.