KR100637799B1 - 무단 자동 변속 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무단 자동 변속 시스템에 관한 것으로, 이 무단 자동 변속 시스템은 임펠러, 이 임펠러에 의한 유체 유동을 받아 회전하는 터빈, 이 터빈에 의해 발생된 반동 유체를 상기 임펠러로 유도하여 토크를 배가시키는 스테이터로 이루어져 있으며, 상기 임펠러와 터빈 간의 속도비 차이만큼 변속하여 변속기 입력으로 전달하는 토크 컨버터와; 상기 엔진 입력축과 엔진 출력축 사이의 축선 상에 일정간격을 두고 각각 배치되며, 선기어, 링기어 및 유성 캐리어로 각각 이루어지고 외부로부터 전달되는 동력을 각각 변속하는 제1 및 제2 유성 기어 세트와; 이 제1 유성 기어 세트와 제2 유성 기어 세트 사이에 설치되어 상기 제1 유성 기어 세트를 통한 출력을 제2 유성 기어 세트로 전달하는 제1 다판 클러치 및 상기 제2 유성 기어 세트의 일부분에 설치되어 그 제2 유성 기어 세트를 통한 동력 전달을 매개하는 제2 다판 클러치와; 후진 작동시, 상기 제2 유성 기어 세트의 유성 캐리어를 고정시키는 다판 브레이크를 포함하며, 상기 제1 유성 기어 세트의 선기어는 상기 임펠러의 축에 직렬되어 엔진으로부터의 동력을 직접 전달받으며, 상기 제1 유성 기어 세트의 링기어는 상기 터빈의 축에 직렬되어 상기 토크 컨버터로부터의 변동 출력을 전달받으며, 상기 제1 유성 기어 세트의 유성 캐리어는 상기 선기어와 링기어에 각기 입력된 출력이 합쳐져 출력되는 것을 특징으로 한다.

Description

무단 자동 변속 시스템{IMPROVED CONTINUOUS VARIABLE TRANSMISSION}

도 1은 종래 기술에 따른 공지의 자동 변속기와 본 발명에 따른 무단 자동 변속 시스템 간의 차이점을 나타낸 도표;

도 2는 본 발명에 따른 무단 자동 변속 시스템의 구성도;

도 3은 도 2의 무단 자동 변속 시스템에서 동력 흐름을 나타내는 도면;

도 4는 본 발명의 무단 변속 시스템의 유성 기어 세트의 작동을 모식적으로 도시한 개략도;

도 5는 본 발명에 따른 무단 자동 변속 시스템의 주행 선택에 따른 각 요소의 작동 상태를 도식적으로 도시한 도표;

도 6은 가속 및 감속 상태시의 클러치 작동을 도식적으로 나타낸 그래프;

도 7은 본 발명의 무단 자동 변속 시스템의 전진 작동시 유성 기어의 속비 선비를 도시한 그래프;

도 8은 본 발명의 무단 자동 변속 시스템의 후진 작동시 유성 기어의 속비 선비를 도시한 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 토크 컨버터 10I: 임펠러의 축
10T: 터빈의 축 20a: 제1 유성 기어 세트
20b: 제2 유성 기어 세트 20R: 링기어
20S: 선기어 20C: 유성 캐리어
30a: 제1 다판 클러치 30b: 제2 다판 클러치
40: 다판 브레이크 50: 파킹 기구

본 발명은 무단 자동 변속 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 일반적인 자동 변속기에 대해 변속 충격 및 연비 효율의 단점을 개선한 일반적인 무단 변속기(continuous variable transmission: CVT)의 구성을 단순화하고, 무단 변속을 위해 채용한 금속 벨트 등의 동력 전달 수단을 유성 기어를 이용한 방식의 수단으로 구성함으로써, 일반적인 자동 변속기의 구성으로도 CVT의 기능 및 효과를 구현할 수 있는 무단 자동 변속 시스템에 관한 것이다.

전형적으로, 차량의 엔진 토크를 소정 속도의 구동 출력으로 자동 변속하기 위한 자동 변속기 또는 자동 변속 시스템은 엔진 출력을 변속기 입력으로 전달하는 토크 컨버터, 전달된 동력을 변속하는 적어도 2 세트의 유성 기어 세트, 유성 기어로의 동력 전달을 필요에 따라 차단하는 적어도 2개의 다판 클러치, 변속을 위해 유성 기어 세트의 선기어 또는 캐리어를 고정시키는 적어도 2개의 다판 브레이크를 포함한다.

또한, 상기 토크 컨버터는 자동 변속 유체(automatic transmission fluid)에 엔진 입력축으로부터의 동력을 전달하는 임펠러, 임펠러에 의한 유체 유동을 받아 회전하는 터빈, 터빈에 의해 유동되는 자동 변속 유체의 반동을 방지하도록 반동 유체를 임펠러로 유도하여 토크를 배가시키는 스테이터로 이루어져 있으며, 터빈은 엔진 입력축과 직렬 연결되어 있는 구성이다.

이러한 구성으로부터, 엔진 출력은 토크 컨버터를 거치면서 1차 변속되고, 토크 컨버터의 출력이 유성 기어 세트로 전달되고, 엔진 회전수 및 차속에 따라 다판 클러치를 이용하여 유성 기어 세트로의 동력 전달을 매개 또는 단속하고, 다판 브레이크를 이용하여 유성 기어 세트의 선기어 또는 캐리어를 정지시켜 2차적으로 변속하여, 변속된 동력을 구동축으로 전달하게 된다.

그러나, 이러한 종래의 자동 변속기는 구성이 복잡하고, 3~5단의 강제 변속이 적용되어 다소의 충격이 발생하며, 연비가 떨어지는 등의 단점이 있었다.

또한, 전술한 종래의 자동 변속기 또는 시스템의 단점인 변속 충격의 발생 또는 연비 감소의 측면을 보완하기 위해 안출된 무단 자동 변속기(CVT)는 종래 기술의 유성 기어 세트 대신에, 엔진의 입력축으로부터 토크 컨버터를 거쳐 전달된 주축으로부터의 동력을, 금속 벨트 등의 전달 수단을 이용하여, 부축으로 전달하고, 주축과 부축은 원추형의 풀리로 구성함으로써, 금속 벨트가 직경이 가변되는 원추형 풀리를 따라 회전되어 무단 변속이 이루어지는 구성이다.

그러나, 이러한 종래의 무단 자동 변속기는 주축과 부축 사이로 동력을 전달하기 위한 금속 벨트 등이 마모와 부하에 취약하여 끊어지기 쉬우며, 소형 차량의 동력 전달에 적합할 뿐, 중형급 이상의 차량에 대한 동력 전달에는 한계가 있었다.

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 자동 변속기의 부품수를 줄이고, 풀리와 금속 벨트를 사용하지 않고 기존의 유성 기어 세트를 사용하여 무단 변속이 가능하며, 토크 컨버터에 속도 변환 제어 기능을 제공하며, 2축 변속 방식이 아닌 1축 변속 방식을 채용하여, 단순한 구성으로 무단 변속을 실현할 수 있는 무단 자동 변속 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명이 제공하는 무단 자동 변속 시스템은 자동 변속 유체(automatic transmission fluid)를 매개로 하여 엔진 입력축으로부터 엔진 출력축으로 동력을 전달하는 무단 자동 변속 시스템으로서, 자동 변속 유체에 엔진 입력축으로부터의 동력을 전달하는 임펠러, 이 임펠러에 의한 유체 유동을 받아 회전하는 터빈, 이 터빈에 의해 유동되는 자동 변속 유체의 반동을 방지하도록 반동 유체를 상기 임펠러로 유도하여 토크를 배가시키는 스테이터로 이루어져 있으며, 상기 임펠러와 터빈 간의 속도비 차이만큼 변속하여 변속기 입력(input)으로 전달하는 토크 컨버터와; 상기 엔진 입력축과 엔진 출력축 사이의 축선 상에 일정간격을 두고 각각 배치되며, 선기어, 링기어 및 유성 캐리어로 각각 이루어지고 외부로부터 전달되는 동력을 각각 변속하는 제1 및 제2 유성 기어 세트와; 이 제1 유성 기어 세트와 제2 유성 기어 세트 사이에 설치되어 상기 제1 유성 기어 세트를 통한 출력을 제2 유성 기어 세트로 전달하는 제1 다판 클러치 및 상기 제2 유성 기어 세트의 일부분에 설치되어 그 제2 유성 기어 세트를 통한 동력 전달을 매개하는 제2 다판 클러치와; 후진 작동시, 상기 제2 유성 기어 세트의 유성 캐리어를 고정시키는 다판 브레이크를 포함하며, 상기 제1 유성 기어 세트의 선기어는 상기 임펠러의 축에 직렬되어 엔진으로부터의 동력을 직접 전달받으며, 상기 제1 유성 기어 세트의 링기어는 상기 터빈의 축에 직렬되어 상기 토크 컨버터로부터의 변동 출력을 전달받으며, 상기 제1 유성 기어 세트의 유성 캐리어는 상기 선기어와 링기어에 각기 입력된 출력이 합쳐져 출력되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 터빈의 축으로부터 링기어로 직렬된 축은 상기 임펠러로부터 선기어로 직렬된 축을 내장한 중공축으로 구성되며, 상기 임펠러와 이에 직렬된 축은 스플라인 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 임펠러는 플라이 휠에 고정되어 동반 회전되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 제1 유성 기어 세트의 변속은 다음의 수학식 에 따라 행해지며, 그 입력 대 출력의 변속비는 대략 0.2 내지 1인 것을 특징으로 한다:

[수학식] (5/4)Nc=Nr+(1/4)Ns (Nc: 캐리어 회전수, Nr: 링기어 회전수, Ns: 선기어 회전수)

본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 유성 기어 세트를 통한 제2 유성 기어 세트의 변속은 유성 캐리어를 고정시킨 상태에서 전술한 수학식에 따라 산출된 0.25의 변속비와 제1 유성 기어 세트의 변속비와의 곱으로 산출되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 종래 기술에 따른 공지의 자동 변속기와 본 발명에 따른 무단 자동 변속 시스템 간의 차이점을 나타낸 도표이다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 무단 자동 변속 시스템은 종래 기술의 자동 변속기에 비해, 유성 기어 세트, 다판 클러치 등의 부품의 수를 줄이고, 밴드 브레이크를 제거하고, 토크 컨버터의 구조 변형을 통해, 종래 자동 변속기에서 얻지 못하는 무단 변속 기능을 단순한 구성으로 실현할 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 무단 자동 변속 시스템의 구성도이고,

도 3은 도 2의 무단 자동 변속 시스템에서 동력 흐름을 나타내는 도면이고,

도 4는 본 발명의 무단 변속 시스템의 유성 기어 세트의 작동을 모식적으로 도시한 개략도이다.

이들 도면을 참조하면, 본 발명의 무단 자동 변속 시스템은 크게 엔진 출력을 변속시키는 유체 커플링으로서의 토크 컨버터(10)와, 엔진 출력을 직접 받아 변속을 행하는 제1 및 제2 유성 기어 세트(20a;20b)와, 유성 기어 세트로의 동력 전달을 매개하는 제1 및 제2 다판 클러치(30a;30b)와, 후진 작동시 제2 유성 기어 세트(20b)의 유성 캐리어를 고정시키는 다판 브레이크(40)를 포함한다.

상기 토크 컨버터(10)는 자동 변속 유체(automatic transmission fluid)에 엔진 입력축으로부터의 동력을 전달하도록 플라이 휠에 고정되어 동반 회전되는 임펠러, 임펠러에 의한 유체 유동을 받아 회전하는 터빈, 터빈에 의해 유동되는 자동 변속 유체의 반동을 방지하도록 반동 유체를 임펠러로 유도하여 토크를 배가시키는 스테이터로 이루어져 있다.

따라서, 엔진 출력을 그대로 전달하는 임펠러의 회전 속도와 유체를 매개로 전달된 동력에 의해 회전하는 터빈의 회전 속도 사이에는 소정의 속도비가 야기되며, 이 차이 만큼 변속이 이루어지게 된다.

상기 제1 유성 기어 세트(20a)는 상기 임펠러의 축(10I)에 직렬되어 엔진으로부터의 동력을 직접 전달받는 선기어(20S), 상기 터빈의 축(10T)에 직렬되어 상기 토크 컨버터(10)로부터의 변동 출력을 전달받는 링기어(20R) 및 상기 선기어(20S)와 링기어(20R)에 각기 입력된 출력이 합쳐져 출력되는 유성 캐리어(20C)로 이루어진다.

따라서, 엔진 출력은 임펠러의 축(10I)를 통해 제1 유성 기어 세트(20a)의 선기어(20S)로 직접 전달됨과 동시에, 토크 컨버터(10)로 전달되어 속도 변환이 이루어지며, 속도 변환된 출력은 터빈의 축(10T)에 직렬된 제1 유성 기어 세트(20a)의 링기어(20R)로 전달되어, 이중의 동력 전달이 이루어지게 된다.

이중, 토크 컨버터(10)로 유도된 엔진 동력은 임펠러와 터빈의 회전 속도차에 따른 변속을 야기하기 위한 것으로, 야기된 변속은 제1 유성 기어 세트(20a)의 링기어(20R)로 전달되고, 상기 제1 유성 기어 세트(20a)의 유성 캐리어(20C)에서 상기 제1 유성 기어 세트(20a)의 선기어(20S)로 직접 전달된 차량 구동 동력과 합쳐져서 출력된다.

이러한 이중 출력 방식이 가능하도록 하기 위해, 상기 터빈의 축(10T)으로부터 링기어(20R)로 직렬된 축은 상기 임펠러로부터 선기어(20S)로 직렬된 축을 내장한 중공축으로 구성되며, 상기 임펠러와 이에 직렬된 축은 스플라인 연결되어 있다.

상기 제2 유성 기어 세트(20b)는 제1 유성 기어 세트(20a)와 같이 선기어, 유성 캐리어, 링기어로 구성되며, 변속 유체를 매개로 하여 제1 유성 기어 세트와 작동 가능하게 연결되어 있다.

상기 제1 유성 기어 세트와 제2 유성 기어 세트 사이에는 제1 다판 클러치(30a)가 설치되어, 제1 유성 기어 세트(20a)를 통한 출력을 제2 유성 기어 세트(20b)로 전달하며, 제 2 유성 기어 세트(20b)에는 제2 다판 클러치(30b)가 설치되어, 제2 유성 기어 세트(20b)를 통한 동력 전달을 매개한다.

이상과 같은 본 발명의 무단 자동 변속 시스템의 구성에 따른 무단 변속 동작을 도 2 및 도 5 내지 도 8을 참조로 하여 설명한다.

도 5는 본 발명에 따른 무단 자동 변속 시스템의 주행 선택에 따른 각 요소의 작동 상태를 도식적으로 도시한 도표이고, 도 6은 가속 및 감속 상태시의 클러 치 작동을 도식적으로 나타낸 그래프이고, 도 7은 본 발명의 무단 자동 변속 시스템의 전진 작동시 유성 기어의 속비 선비를 도시한 그래프이고, 도 8은 본 발명의 무단 자동 변속 시스템의 후진 작동시 유성 기어의 속비 선비를 도시한 그래프이다.

우선, 엔진에서 발생된 동력은 임펠러의 축(10I)을 통해 직렬 연결된 제1 유성 기어 세트(20a)의 선기어(20S)로 직접 전달됨과 동시에, 토크 컨버터(10)로 안내되어 토크 컨버터에 변속을 야기한 후 토크 컨버터(10)의 터빈의 축(10T)을 통해 이에 직렬 연결된 제1 유성 기어 세트(20a)의 링기어(20R)로 전달된다.

이들 2류의 전달 동력은 각각 제1 유성 기어 세트의 선기어(20S)와 링기어(20R)를 회전시키고, 이들 각각의 회전은 이들 사이에 기어 접속된 유성 캐리어(20C)로 전달되어, 그 전달 동력이 합해져서 출력되고, 다시 제1 다판 클러치(30a)와 제2 유성 기어 세트(20b)를 경유하여 차량의 구동축으로 전달된다.

정상 구동 모드에서, 차량의 초기 발진시에는 토크 컨버터를 통한 동력 전달이 미미한 상태이므로, 제1 유성 기어 세트의 링기어(20R)가 정지 상태(즉, 아이들링 상태)가 되어, 동력 전달은 제1 유성 기어 세트의 선기어(20S)로의 직접적인 동력 전달만이 존재한다.

이에 따라 선기어(20S)의 회전을 통해 유성 캐리어(20C)의 회전으로 차량의 전진 이동이 야기되는 한편, 정지 차량의 중량에 의해 유성 캐리어(20C)의 회전에 반발하는 힘이 발생하게 된다.

따라서, 제1 유성 기어 세트(20a)와 제2 유성 기어 세트(20b) 사이에 제1 다판 클러치(30a)를 설치하여, 차속 및 가속 상태의 감지를 통해, 클러치의 작동량, 즉 접촉량을 조절함으로써, 원활한 동력 전달이 이루어질 수 있도록 한다.

그러한 클러치의 작동 상태가 도 6에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 제1 다판 클러치(30a)는 가속 ON 상태시 작동 개시하며, 차속 정지 상태에서부터 소정 속도까지는 서서히 클러치 작동량을 100%까지 상승시키며, 이후, 가속 OFF 시키거나, 차속이 소정 정도로 떨어지면 작동이 해제된다.

제2 다판 클러치(30b)도 제2 유성 기어 세트(20b)에 대해 유사한 동작을 하지만, 후진 작동시, 다판 브레이크(40)가 제2 유성 기어 세트(20b)의 유성 캐리어를 정지시키는 것에 의해 동작 해제되며, 정지된 유성 캐리어에 의해 링기어는 선기어와 반대 방향으로 회전하게 되어, 후진 구동이 이루어진다. 이때, 후진 구동시의 변속비는 제1 유성 기어 세트(20a)로부터의 출력에 따라 제2 유성 기어 세트(20b)에서 행해지므로, 각 유성 기어 세트에서의 각 변속비를 곱한 값으로 결정되어, 변속비 증가가 이루어진다.

파킹 모드에서는 파킹 기구(50)가 제2 유성 기어 세트의 링 기어를 고정시킴으로써 차량의 움직임을 정지시킨다.

또한, 중립 모드에서는 제2 다판 클러치(30b) 및 다판 브레이크(40)를 해제시킴으로써 엔진의 공회전이 가능해진다.

드라이브 모드에서는 제2 다판 클러치(30b)의 작동으로, 제2 유성 기어 세트의 선기어와 유성 캐리어가 일체화되어 작동되고, 제1 다판 클러치를 작동함으로써, 전진 구동이 이루어진다.

유성 기어 세트에서 이루어지는 변속의 범위, 즉 변속비의 산정에 대해 설명한다.

계산상 편의를 위해 다음과 같이 가정하였다.

(1) 제1 유성 기어 세트의 잇수: 선기어=20개, 링기어=80개.

(2) 제2 유성 기어 세트의 잇수: 선기어=20개, 링기어=80개.

유성 기어 세트의 변속 범위는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

먼저, 제1 유성 기어 세트의 변속은 다음의 수학식에 따라 행해진다:

[수학식] (5/4)Nc=Nr+(1/4)Ns (Nc: 캐리어 회전수, Nr: 링기어 회전수, Ns: 선기어 회전수)

이때, 도 7에 도시한 바와 같이, 링기어의 속도는 토크 컨버터의 속도비에 의해 0에서 1까지 변화하며, 제1 유성 기어 세트의 입력 대 출력의 변속비는 대략 0.2 내지 1이 되어, 예컨대, 입력이 1000rpm으로 회전하면, 출력은 200~1000rpm으로 회전한다.

또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 제1 유성 기어 세트를 통한 제2 유성 기어 세트의 변속은 유성 캐리어를 고정시킨 상태에서 행해지므로, 전술한 수학식에 따라 0.25의 변속비가 산출된다. 제1 유성 기어 세트로부터의 출력에 따라 제2 유성 기어 세트의 입력이 정해지므로, 결국, 제2 유성 기어 세트의 변속비는 상기 수학식에 따라 얻어진 변속비 0.25와 제1 유성 기어 세트의 변속비인 0.2~1의 곱인 0.05~0.25의 변속비가 얻어지게 된다. 즉, 입력이 1000rpm으로 회전한다면, 후진시의 출력 회전수는 5~250rpm이 된다.

전술한 구성에 따르면, 본 발명의 무단 자동 변속 시스템은 자동 변속기의 부품수를 줄이고, 풀리와 금속 벨트를 사용하지 않고 기존의 유성 기어 세트를 사용하여 무단 변속이 가능하며, 토크 컨버터에 속도 변환 제어 기능을 제공하며, 2축 변속 방식이 아닌 1축 변속 방식을 채용하여, 단순한 구성으로 무단 변속을 실현할 수 있다.

Claims (3)

1. 자동 변속 유체를 매개로 하여 엔진 입력축으로부터 엔진 출력축으로 동력을 전달하는 무단 자동 변속 시스템으로서,

   자동 변속 유체에 엔진 입력축으로부터의 동력을 전달하는 임펠러, 이 임펠러에 의한 유체 유동을 받아 회전하는 터빈, 이 터빈에 의해 유동되는 자동 변속 유체의 반동을 방지하도록 반동 유체를 상기 임펠러로 유도하여 토크를 배가시키는 스테이터로 이루어져 있으며, 상기 임펠러와 터빈 간의 속도비 차이만큼 변속하여 변속기 입력(input)으로 전달하는 토크 컨버터(10)와;

   상기 엔진 입력축과 엔진 출력축 사이의 축선 상에 일정간격을 두고 각각 배치되며, 선기어(20S), 링기어(20R) 및 유성 캐리어(20C)로 각각 이루어지고 외부로부터 전달되는 동력을 각각 변속하는 제1 및 제2 유성 기어 세트(20a,20b)와;

   이 제1 유성 기어 세트와 제2 유성 기어 세트 사이에 설치되어 상기 제1 유성 기어 세트(20a)를 통한 출력을 제2 유성 기어 세트(20b)로 전달하는 제1 다판 클러치(30a) 및 상기 제2 유성 기어 세트(20b)의 일부분에 설치되어 그 제2 유성 기어 세트를 통한 동력 전달을 매개하는 제2 다판 클러치(30b)와;

   후진 작동시, 상기 제2 유성 기어 세트(20b)의 유성 캐리어(20C)를 고정시키는 다판 브레이크(40)를 포함하며,

   상기 제1 유성 기어 세트(20a)의 선기어(20S)는 상기 임펠러의 축(10I)에 직렬되어 엔진으로부터의 동력을 직접 전달받으며, 상기 제1 유성 기어 세트(20a)의 링기어(20R)는 상기 터빈의 축(10T)에 직렬되어 상기 토크 컨버터(10)로부터의 변동 출력을 전달받으며, 상기 제1 유성 기어 세트(20a)의 유성 캐리어(20C)는 상기 선기어(20S)와 링기어(20R)에 각기 입력된 출력이 합쳐져 출력되는 것을 특징으로 하는 무단 자동 변속 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 터빈의 축(10T)으로부터 링기어(20R)로 직렬된 축은 상기 임펠러로부터 선기어(20S)로 직렬된 축을 내장한 중공축으로 구성되며, 상기 임펠러와 이에 직렬된 축은 스플라인 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 무단 자동 변속 시스템.
3. 제1항에 있어서, 상기 임펠러는 플라이 휠에 고정되어 동반 회전되는 것을 특징으로 하는 무단 자동 변속 시스템.

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