KR100874816B1

KR100874816B1 - 쟈이로 세차 자동변속기

Info

Publication number: KR100874816B1
Application number: KR1020077012766A
Authority: KR
Inventors: 기혁 한; 기훈 한; 성철 임
Original assignee: 사이데리스 제팬 컴퍼니 리미티드
Priority date: 2004-11-10
Filing date: 2005-11-07
Publication date: 2008-12-19
Also published as: WO2006052036A1; US7827875B2; EP1828637A1; CN101052827B; CA2625265C; US20080103007A1; KR20070073969A; RU2355925C2; BRPI0517704A; CN101052827A; EP1828637A4; RU2007121721A; CA2625265A1

Abstract

이 변속기는 입력축(1), 입력 기어(2), 키 위성 기어(3), 출력 기어(4), 출력축(5), 베어링 위성 기어(6), 회전틀(7), 회전자(8)로 구성된 유성 기어 유닛으로 되어 있다. 위성축은 일정한 크기의 관성모멘트를 가진 회전자(8)이다. 따라서, 이 유성기구에서 위성축의 공전운동은 쟈이로스코프로서 자전하는 회전자(8)에 외력이 작용하여 일으키는 회전자 자체의 세차운동이다. 세차운동을 일으키는 외력은 출력축(5)에 걸린 부하이다. 따라서 이 위성축의 공전속도는 부하변화에 정확히 맞추어 변하게 되었으며 결과 출력축(5)의 속도도 역시 부하변화에 따라 변하게 되었다. 따라서 이 유성 기어 유닛으로 전동하면 전동과정에 부하변화에 속도가 저절로 정확히 맞추어져 변하면서 전동되게 된다. 그러므로 이 유성 기어 기구는 변속 제어 조작 공정없이 전동과정에 속도가 저절로 변하는 자동변속기이다.

쟈이로, 세차, 자동변속기

Description

쟈이로 세차 자동변속기{GYRO PRECESSIONAL AUTOMATIC TRANSMISSION}

본 발명은 부하변화에 따라 속도가 변할 것을 요구하는 자동변속기에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 쟈이로스코프를 가진 유성 기어 유닛(planetary gear unit)으로 된 자동변속기에 관한 것이다.

자동변속기는 특히 자동차공업분야에서 잘 알려져 있다.

유압(Hydraulic) 자동변속기는 좌석이 편안하고 조작이 편리하며 동력특성이 좋을뿐 아니라 안전성이 담보되기 때문에 자동차의 자동변속기의 기본으로 되고 있다. 그러나 유압전동으로서 전동효율이 낮고 제작원가가 높다.

전자조종기계식(Electromechanical) 자동변속기는 기어 전동(gear drives)만 하기 때문에 전동효율이 높고 제작원가가 비교적 낮다. 그러나 변속이 전동과 결합되지 않고 전자조절식 유연요소 측면에서 일정한 오차가 있으므로 고급 주행특성을 얻기에는 적당치 못하다.

무계단(stepless) 자동변속기는 나오기 시작한 처음부터 원리가 좋은 것으로 인정되어 점차 성숙기에 들어갔다. 현재 전자 제어 시스템을 통하여 토크 용 량(torque capacity), 소음, 및 신뢰성 문제 등을 해결하였다. 그러나 여전히 제작원가문제는 제기된다.

미국 특허 제6,416,437호, 미국출원공개 제2003/0176955 A1호 및 WO242658들에서 공개된 자동변속기들 및 도요다혼합체계 THS형과 같이 유성전동통로와 발전기-전동기전동통로로 된 2 통로혼합식자동변속기(dual-path hybrid automatic transmissions)의 경우에 유성전동은 기어를 통한 직접전동으로서 효율이 높으나 발전기-전동기 전동은 여러 차례의 에너지 변환을 동반하므로 효율이 떨어진다. 게다가 전동공정의 복잡성으로 하여 전동장치가 복잡해지고 결국 변속기 총원가는 높아진다.

6단 및 7단 자동변속기는 각 단계의 속도비 범위가 줄어들고 동시에 최고단계와 최저단계 사이의 속도비 범위는 넓어져 전자 제어로 보다 민첩하게 변속할 수 있게 되었다. 따라서 연료 소비가 적어지고 변속기 반응성(respondability)이 높아져 자동차의 기동성과 가속성을 더욱 높일 수 있게 되었다. 그러나 구조가 한등급 더 복잡해지고, 섬세한 제어 체계가 요구됨에 따라서 변속기제작이 더 어려워지게 됨으로써 제작원가가 현저히 높아지게 되었다. 또한 이 변속기는 유압변환기를 쓰기 때문에 전동손실이 적지 않으며 변속과정에 부단한 제어 조작으로 변속특성곡선에 많은 변곡점을 가지게 한다. 따라서, 이들 변속기는 기계적으로 완성도가 높다고 볼 수 없다.

따라서 선행 자동변속기술에는 아직도 공정을 단순히 하며 신뢰성을 높이고 제작원가를 낮추는 문제, 합리적인 제어와 변속기반응성을 기계적으로 완성하는 문 제, 전동효율문제 등 여러 가지 문제점들이 있다.

본 발명의 목적은 기어 유형으로써 기어 변경 없이 (기어 변경이나 기어 메쉬 조합(mesh combination) 변경 없이) 전동 과정에 부하변화에 따라 속도비가 저절로 변하며, 그 값은 항상 변속기 출구에 걸린 부하모멘트에 대한 변속기입구에 주는 기관의 토크 비로 되게 하여 변속기의 기계적으로 필요충분조건을 완전히 만족시키는 자동변속기를 제공하는 것이다.

본 발명의 한 실시예는 1개의 원추 기어 유성조로서 일정한 크기의 관성모멘트를 가진 회전자로 된 1개의 위성축(planet shaft)을 가지며 위성축의 자전운동축과 공전운동축이 직교되는 유성 기어 유닛(planetary gear unit)으로 된 자동변속기이다. 다른 한 실시예로서 유성 기어 유닛은 일정한 크기의 관성모멘트를 가진 회전자로 된 3개의 위성축을 가진다.

위성축이 일정한 관성모멘트를 가진 회전자로 되어 있기 때문에 쟈이로스코프로 되며 그의 공전운동은 쟈이로스코프로서의 세차운동이다. 이때 세차운동을 일으키는 외력은 출력축(output shaft)에 걸린 부하이다. 따라서 위성축의 공전속도는 정확히 부하변화에 따라 변하며 그 결과 입력축(input shaft)의 속도도 부하변화에 따라 변한다. 그러므로 이 자동변속기에서는 변속 제어 조작 공정(controlling poeration for changing speed)이 전혀 없이 전동과정에 속도비가 부하변화에 따라 저절로 변한다.

발명의 다른 한 실시예는 1개의 원추 기어 유성조로서 회전틀(rotating frame)에 설치된 3개의 위성축이 입력(input) 기어와 출력(output) 기어 사이에 입력축과 출력축에 직교되게 배치되고 그 회전틀에서 위성축들 사이에 일정한 크기의 관성모멘트를 가진 3개의 회전자가 따로 설치된 유성 기어 기구로 된 자동변속기이다. 다른 한 실시예로서 유성 기어 기구는 1개의 환형-원통 기어 유성조(annular-cylindrical gear assembly) 또는 2개의 원통 기어 유성조(cylindrical gear assembly)로 되어 있다.

매 회전자축에는 회전자 기어를 조립하여 회전자가 입력축에 설치된 보조 기어를 통하여 따로 돌게 하였다. 입력축을 일정한 속도로 회전시키면 보조 기어를 통해 회전자가 자전하면서 쟈이로모멘트로 회전틀의 회전을 속박한다. 그러므로 입력축의 동력은 입력 기어와 위성 기어를 거쳐 출력 기어로 넘어간다. 출력 기어에 걸리는 부하가 위성 기어 축을 통해 회전틀에 작용하면 이 작용에 의하여 회전틀이 회전하며 회전틀의 이 회전에 의하여 회전자가 세차운동을 한다. 그러므로 회전틀의 회전속도는 부하변화에 따라 변하게 되며 따라서 이 변속기에서도 전동 과정에 부하변화에 따라 속도비가 저절로 변한다.

도 1은 원추 기어로 구성되고 회전자로 된 한 개의 위성축을 가진 유성 기어 기구로 된 쟈이로 세차 자동변속기의 원리구조를 나타낸 개략도이다.

도 2는 위성 기어에서 순간회전중심에 의한 입력 모멘트와 부하 모멘트의 균 형관계를 보여주는 개략도이다.

도 3은 원추 기어로 구성되고 미끄럼 지지된(slidably supported) 2개 이상의 회전자를 가진 유성기어 기구로 된 쟈이로 세차 자동변속기의 원리구조를 나타낸 개략도이다.

도 4는 원추 기어로 구성되고 구름 지지된(rollably supported) 2개 이상의 회전자를 가진 유성 기어 기구로 된 쟈이로 세차 자동변속기의 원리구조를 나타낸 개략도이다.

도 5는 원추 기어로 구성되고 회전틀에 회전자들을 따로 설치한 유성 기어 기구로 된 쟈이로 세차 자동변속기의 원리구조를 나타낸 개략도이다.

도 6은 1개의 환형-원통 기어 유성조로 되고 회전틀에 회전자들을 따로 설치한 유성 기어 기구로 된 쟈이로 세차 자동변속기의 원리구조를 나타낸 개략도이다.

도 7은 2개의 원통 기어 유성조로 되고 회전틀에 회전자들을 따로 설치한 유성 기어 기구로 된 쟈이로 세차 자동변속기의 원리구조를 나타낸 개략도이다.

도 8은 본 발명의 변속특성을 나타낸 그래프이다.

도 9는 조립상태의 자동차용의 본 발명에 따른 쟈이로 세차 자동변속기의 구조를 나타낸 개략도이다.

본 발명에 따른 쟈이로 세차 자동변속기는 도 1에 제시되어 있다.

이 변속기는 4개의 원추 기어와 일정한 크기의 관성모멘트를 가진 1개의 회 전자를 위성축으로 하는 1개의 유성 기어 유닛으로 되어있다. 다른 한 실시예로서 유성 기어 유닛은 일정한 크기의 관성모멘트를 가진 회전자로 된 3개의 위성축을 가진다. (도 3 및 4)

도 1을 참조하면, 입력축(1)과 입력 기어(2)가 한 축선상에서 출력 기어(4) 및 출력축(5)과 서로 마주서 있다. 그 사이에 축선이 직교되게 키 위성 기어(3)와 베어링 위성 기어(6)를 가진 회전자(8)가 설치되어 위성축으로 기능한다. 이 위성축의 양끝은 베어링에 의해 회전틀(7)에 설치되어 있다. (이것은 마치 까르단축(universal-joint shaft)에 설치된 쟈이로스코프와 비슷하다.) 이때 키 위성 기어(3)는 회전자(8)와 키로 움직이지 않게 고정되어(immovably fitted) 입력 기어(2)의 동력을 출력 기어(4)에 넘기는 것과 회전자(8)를 돌려주는 2가지 사명을 수행하며, 베어링 위성 기어(6)는 회전자(8)에 베어링으로 움직일 수 있게 고정되어(movably fitted), 입력 기어(2)의 동력을 출력 기어(4)에 넘겨주는 한가지 사명만 수행한다.

세차운동시에 자전축방향힘(회전자의 세차운동의 원심력)이 서로 균형되게 세차운동고정점이 회전자(8)의 자전축의 중심(도 1에서 0점)에 놓인다. 출력축(5)에 부하를 걸지않은 상태에서 입력축(1)을 일정한 속도로 회전시키면 회전자(8)는 공전을 하지 않고 자전만 한다. 계속 입력축(1)을 돌리면서 출력축(5)에 부하를 걸어 점차 증가시키면 회전자(8)의 공전이 시작되어 부하증가에 따라 속도가 점차 증가된다. 이것은 일정한 속도로 자전하는 회전자(8)에 출력축(5)에 걸린 부하가 외력으로 작용하여 회전자(8)가 세차운동을 하기 때문이다. 다시 말해서 회전자(8)의 공전은 쟈이로스코프로서의 세차운동이다.

이때 세차운동속도(공전각속도)는 다음 식으로 표현될 수 있다:

①

여기서

ω_re: 회전자의 공전각속도

ω_pre: 회전자 세차각속도

ω_ro: 회전자의 고유각속도(회전자의 자전각속도)

J : 회전자의 관성모멘트

F_out : 출력 로드(output load) 회전자에 주는 힘

R : 부하 토크(load torch) 작용점으로부터 세차운동고정점

까지의 수직거리

M_out : 출력축에 걸린 부하 토크

식①에서 보는 바와 같이 회전자(8)의 공전은 회전자 자체의 세차운동으로서 출력 로드 변화에 따라 변한다.

도 2는 입력 기어와 출력 기어 및 위성 기어를 편의상 한 평면에 전개한 개 략도이다.

도 2에서 보면 O' 점에서

으로서 o'는 위성 기어의 순간회전중심이다.

상기 식을 정리하면

②

식②에서 보는 바와 같이 위성 기어의 공전각속도의 변화에 따라 위성 기어의 순간 회전중심이 변하게 된다. 도 2에서와 같이 입력 토크에 의한 위성 기어의 순간회전중심에 관한 모멘트와 출력 토크에 의한 위성 기어의 순간회전중심에 관한 모멘트는 항상 균형된다.

③

위 식의 양변에 ω_pla _, _ro(위성 기어의 절대각속도)를 곱하면

기어들의 메슁점(meshing points) A와 B에서 기어들의 서로서로에 대해 미끄러짐이 없기 때문에,

따라서, 다음 식이 얻어진다.

여기서,

따라서, 식③은 다음과 같이 된다.

④

다음 식이 식④로부터 얻어진다.

따라서, 전동비(speed ratio)는 다음과 같다:

이상에서 보는 바와 같이 본 발명의 변속기는 전동과정에 속도비가 출력 로드에 따라 변하며 그 크기는 항상 입력 토크와 출력 토크의 비로 되는 특성을 가진다. 회전자(8)의 고유회전축과 세차운동축은 직교되므로 세차운동할 때 회전자(8)은 세차운동의 고정점을 원점으로 하는 원심력을 받는다.

도 1에서와 같이 회전자(8)의 세차운동고정점이 회전축의 가운에 놓이므로 세차운동시에 한 직선상에서 크기가 같고 방향이 반대인 두 원심력이 생기며 서로 균형을 이룬다. 또한 회전자(8)가 세차운동할 때 회전자의 회전축을 세차운동 축방향으로 기울어지게 하는 쟈이로모멘트가 생긴다. 이 모멘트에 대하여 회전자(8)을 지지해주지 않으면 세차운동이 진행될 수 없으므로 도 1에서와 같이 회전틀(7)로 지지해준다. 다른 한 실시예로서 회전자는 세차운동시에 생기는 원심력과 쟈이로모멘트에 대하여 베어링으로 미끄럼 지지하고 (도 4) 안내 롤러(9), 지지구(10), 지지 롤러(11)들로 구름 지지한다. (도 3)

세차운동시, 회전자(8)는 고유회전축을 세차운동축방향으로 기울어지게 하는 쟈이로모멘트와 회전자(8)의 고유회전축방향의 원심력을 받으며 방향은 다 같이 세차운동방향과 직교된다. 따라서 세차운동시에는 일이 수행되지 않으며 에너지 손실도 전혀 초래되지 않는다. 세차운동은 단지 동력전달을 위한 힘마당(force field)의 준위변화과정이다. 때문에 여기서 동력전달은 전동 효율 견지에서 일반 기어 전동과 같다. 그리고 세차운동은 비관성운동으로서 부하변화에 정확히 동기되므로 변속기반응성이 매우 좋아지며 자동차의 기동성과 가속성은 역학리론적으로 최대값이 된다.

도 5는 본 발명의 다른 한 실시예를 보여준다. 변속기는 원추 기어로 된 입력 기어(2)과 출력 기어(5) 및 3개의 위성 기어(3), 그리고 일정한 크기의 관성모멘트를 가진 3개의 회전자(12)을 가진 1개의 유성 기어 유닛으로 구성되어 있다. 다른 한 실시예로서 유성 기어 기구는 1개의 환형-원통 기어 유성조 또는 2개의 원 통 기어 유성조로 되어 있다 (도 6 및 7).

입력 기어(2)와 출력 기어(5)가 한 축선상에서 서로 마주서있고 그 사이에 축선이 서로 직교되게 위성 기어(3)의 3개의 축들이 원주상에서 120° 간격으로 회전틀(9)에 설치되어 있다. 또한 회전틀(9)에서는 위성 기어 축들이 설치된 사이에 120° 간격으로 3개의 회전자(12)가 바깥쪽으로 설치되어 있다. 매개 회전자축에는 회전자 기어(8)를 조립하여 회전자가 입력축(1)에 설치된 보조 기어(7)에 의하여 따로 돌게 하였다. 입력축(1)을 일정한 속도로 회전시키면 보조 기어(7)를 통해 회전자(12)가 동력을 받아 자전하면서 쟈이로모멘트로 회전틀(9)의 회전을 속박한다. 그러므로 입력축(1)의 동력은 입력 기어(2)와 위성 기어(3)을 걸쳐 출력 기어(5)로 넘어간다. 이때 출력 기어(5)에 걸린 부하가 위성 기어 축을 통해 회전틀(9)에 작용하면 이 작용에 의하여 회전틀(9)이 회전하며 그 회전에 의하여 회전자(12)가 세차운동을 한다. 그러므로 회전틀(9)의 회전속도는 부하변화에 따라 변하게 되며 따라서 이 구조의 변속기에서도 역시 전동과정에 부하변화에 따라 속도비가 저절로 변한다. 여기서 회전자(12)의 세차운동고정점 O가 도 7에서와 같이 있기 때문에 회전자 (12)는 세차운동시에 원심력과 쟈이로모멘트를 받는다. 이때 원심력에 대한 회전자 (12)의 지지는 회전자축에 설치한 회전자 트러스트 베아링(rotor thrust bearings) (11)로 하고 쟈이로모멘트에 대해서는 회전틀 트러스트 베어링(10)으로 지지한다.

이 변속기의 변속특성곡선은 도 8과 같다. 도 8에서 A는 부하변화에 따르는 토크(torque) 변화 곡선이며, B는 엔진의 토크이고, C는 엔진의 주어진 회전수에서 변속기 토크를 보여주는 선들이고, D는 주어진 회전수에서 엔진에 걸린 부하 토크의 곡선들이다. 세로축은 토크축이고 가로축은 변속기출구와 엔진의 회전수이다.

도 9는 자동차용 쟈이로세차자동변속기의 구조를 보여준다.

Ⅰ부분은 전진/후진/중립 절환 부분으로서 동력축(1), 직결습동축(direct connection spline shaft)(2), 환형 기어(annular gear)(3), 입구 랫치 클러치(input ratchet clutch)(4), 방향전환위성기어(5), 위성기어회전틀(6), 방향전환기(7), 방향전환태양기어(direction converting sun gear)(8), 입력축(9)으로 되어 있다.

Ⅱ부분은 변속부분으로서 입력 기어(10), 위성 기어(11), 회전자(12), 회전틀(13), 내부회전틀(14), 출력 기어(15), 출력축(16)으로 되어 있다.

Ⅲ부분은 직결부분으로서 출구 랫치 클러치(17), 커플링 스프링(18), 크리티컬 토크 자동 클러치(critical torque automatic clutch)(19), 나사결합장치(20), 주행축(21)로 되어 있다.

Ⅰ부분에서 동력은 동력축(1)로부터 직결습동축(2)을 통하여 입구 랫치 클러치(4)를 거쳐 입력축(9)에 전동된다. 방향전환기(7)에 의하여 전진, 후진, 중립으로 방향전환할 수 있다. Ⅰ부분의 회전수가 기관의 회전수보다 커진다.

Ⅱ부분에서 동력이 입력 기어(10)를 거쳐 출력 기어(15)로 통하면서 부하변화에 따라 속도가 변한다.

Ⅲ부분에서 출력축(16)의 회전속도가 기관의 회전속도보다 작을 때에는 동력이 출력 기어(15)을 거쳐 출구 랫치 클러치(17)을 통하여 주행축(21)에 전달되고 출력축(16)의 회전속도가 기관의 회전속도보다 클 때에는 나사결합장치(20)가 동작하여 입구 랫치 클러치(4)와 출구 랫치 클러치(17)이 분리되면서 동력이 직접 직결습동축(2)을 통하여 주행축(21)에 전달된다. 부하 토크가 예정된 한계보다 클 때에는 클리티컬 토크 자동 클러치(19)이 동작하여 직결습동축(2)이 입구 랫치 클러치 (4)와 출구 랫치 클러치(17)을 결합하여 동력이 변속부분을 통하여 전달된다.

쟈이로세차자동변속기를 설치한 자동차에서 주행의도는 오직 가속 페달과 브레이크 페달로만 실현될 수 있다.

Claims

출력축상의 부하 변화에 따라 입력축과 출력축 사이의 속도비가 자동으로 변화하는 쟈이로 세차 자동변속기에 있어서,

상기 쟈이로 세차 자동변속기는,

상기 입력축과 상기 출력축 사이의 축선상에 직교되는 축선을 갖는 키 위성 기어 및 베어링 위성 기어를 구비한 회전자로 구성되는 위성축과,

상기 위성축의 양끝을 베어링을 통해 고정하는 회전틀

을 구비한 유성 기어 유닛을 포함하며,

상기 키 위성 기어는 상기 회전자와 키로 움직이지 않게 고정되며, 상기 베어링 위성 기어는 베어링을 통해 상기 회전자와 움직일 수 있게 고정되어 있는 것을 특징으로 하는, 쟈이로 세차 자동변속기.
제1항에 있어서,

상기 키 위성 기어는 입력 기어의 동력을 출력 기어에 전달하며, 상기 회전자를 회전시키는 것을 특징으로 하는, 쟈이로 세차 자동변속기.
제1항에 있어서,

상기 베어링 위성 기어는 입력 기어의 동력을 출력 기어에 전달하는 것을 특징으로 하는, 쟈이로 세차 자동변속기.
제1항에 있어서,

상기 입력축의 회전시,

상기 회전자는 상기 출력축에 부하가 인가되지 않은 상태에서는 자전운동만을 하며, 상기 출력축에 부하가 인가된 상태에서는 세차운동을 하는 것을 특징으로 하는, 쟈이로 세차 자동변속기.
제4항에 있어서,

상기 회전자의 세차운동시,

세차운동고정점은 상기 회전자의 자전축의 중심에 있는 것을 특징으로 하는, 쟈이로 세차 자동변속기.
제4항에 있어서,

상기 회전자의 세차운동시,

상기 회전자의 원심력 및 쟈이로모멘트에 대한 지지는 베어링을 통해 미끄럼 지지되거나 또는 지지 롤러 및 지지 구를 통해 구름 지지되는 것을 특징으로 하는, 쟈이로 세차 자동변속기.
출력축상의 부하 변화에 따라 입력축과 출력축 사이의 속도비가 자동으로 변화하는 쟈이로 세차 자동변속기에 있어서,

상기 쟈이로 세차 자동변속기는,

상기 입력축과 상기 출력축 사이의 축선상에 서로 마주보고 배치된 입력 기어 및 출력 기어와,

상기 입력 기어 및 출력 기어 사이에서 축선이 서로 직교되게 배치된 3개의 위성 기어 축과, 상기 3개의 위성 기어 축 사이에 120°간격으로 배치된 3개의 회전자가 설치되어 있는 회전틀

을 구비한 유성 기어 유닛을 포함하며,

상기 회전틀에는 일정한 관성모멘트를 갖는 회전자가 설치되어 있으며, 상기 회전자는 상기 입력축에 설치된 보조 기어에 의해 상기 회전틀과는 별도로 회전하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는, 쟈이로 세차 자동변속기.
제7항에 있어서,

상기 입력축의 회전시,

상기 보조 기어를 통해 상기 회전자가 자전하면서 상기 회전틀의 회전을 속박하며, 상기 출력 기어에 부하가 인가되면 상기 회전틀이 회전하면서 상기 회전자가 세차운동을 하는 것을 특징으로 하는, 쟈이로 세차 자동변속기.
제8항에 있어서,

상기 회전자의 세차운동시,

상기 회전자의 원심력에 대한 지지는 회전자축에 설치한 회전자 트러스트 베어링을 통해 이루어지고, 상기 회전자의 쟈이로모멘트에 대한 지지는 회전틀 트러스트 베어링을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는, 쟈이로 세차 자동변속기.
제7항에 있어서,

상기 유성 기어 유닛은 2개의 원통 기어 유성조를 포함하는 것을 특징으로 하는, 쟈이로 세차 자동변속기
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