KR101012469B1 - 다단 자동 변속기 - Google Patents

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KR101012469B1
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Abstract

본 발명은, 다단 자동 변속기에 관한 것으로서, 본체 하우징; 상기 본체 하우징의 일측에 결합되고 엔진 토크에 의해 회전되는 입력측 샤프트; 상기 입력측 샤프트의 반경 방향 외측에 피라미드형으로 고정되어 상기 입력측 샤프트와 함께 회전하는 복수의 입력측 기어; 피라미드형으로 마련되되 외면이 상기 복수의 입력측 기어와 상호 반대 방향으로 치형 맞물림되며, 내부공간이 비원형으로 형성되는 복수의 출력측 캠기어; 상기 복수의 출력측 캠기어의 내부에서 상기 복수의 출력측 캠기어와 각각 하나씩 대응되게 피라미드형으로 배치되되 상기 복수의 출력측 캠기어와 캠공간을 사이에 두고 분리된 상태로 배치되고 내부에 압력실이 형성되는 샤프트 몸체와, 상기 샤프트 몸체와 연결되고 상기 복수의 출력측 캠기어의 외부로 노출되는 샤프트 바아를 구비하는 출력측 샤프트; 외면에 원주 방향을 따라 형성되는 복수의 유로통로 안내홈과, 내부에 마련되어 상기 복수의 유로통로 안내홈들을 해당하는 것끼리 연결하되 상기 압력실과 연통되는 복수의 유로통로를 구비하며, 일 영역이 상기 샤프트 몸체의 내부에 삽입되도록 상기 출력측 샤프트와 연결되는 유로통로봉; 상기 복수의 출력측 캠기어에 각각 대응되게 상기 샤프트 몸체에 왕복이동가능하게 결합되며, 상기 압력실로부터의 유압에 의해 동작되는 복수의 피스톤; 상기 복수의 피스톤과 연결되어 해당 피스톤의 동작에 기초하여 해당 출력측 캠기어에 밀착 및 이격하는 복수의 마찰부재; 및 상기 복수의 입력측 기어 중 선택된 어느 하나에 대응하는 출력측 캠기어의 해당 마찰부재를 밀착시켜 상기 선택된 입력측 기어의 회전력을 상기 출력측 샤프트로 전달되도록 상기 유압 펌프로부터 상기 해당 마찰부재에 대응하는 유로통로로 공급되는 유압의 공급을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

다단 자동 변속기{MULTI STAGE AUTOMATIC TRANSMISSION}
본 발명은, 다단 자동 변속기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 전진 8속, 또는 그 이상 및 이하의 변속단 구현을 용이하게 수행할 수 있음은 물론 변속단 간의 동작이 유기적인 메커니즘으로 조화롭게 동작될 수 있어 동력 전달 효율 및 변속감을 향상시킬 수 있으며, 나아가 동력 성능을 높이면서 오히려 연료 소비율을 절감시킬 수 있는 새로운 타입의 다단 자동 변속기에 관한 것이다.
차량 및 산업기계 등에 적용되는 자동 변속기의 다단 변속기어 메커니즘은 보통 복수의 유성기어세트의 조합으로 이루어져 있다.
이러한 복수의 유성기어세트가 조합된 기어 트레인(gear train)은 엔진 토크를 변환하여 전달하는 토크 컨버터로부터 회전 동력이 입력될 경우 이를 다단으로 변속하여 출력측으로 전달하는 기능을 수행한다.
이러한 자동 변속기의 파워 트레인은 많은 변속단을 보유하면 보유할수록 동력 성능 및 연료 소비율면에서 유리한 것으로 알려지고 있다. 따라서 보다 많은 변속단을 구현할 수 있는 기어 트레인에 대한 연구가 지속되고 있다.
다만, 동일 변속단을 구현하더라도 유성기어세트의 조합 방법에 따라 내구성 및 동력 전달효율, 그리고 크기 및 중량 등이 크게 달라지기 때문에, 보다 견고하고 동력 손실을 최소화하면서도 컴팩트화 할 수 있는 기어 트레인의 개발을 위한 노력이 계속되고 있다.
현재, 유성기어세트를 이용하는 기어 트레인의 개발 방향은, 기존에 나와 있는 싱글 피니언 유성기어세트 및 더블 피니언 유성기어세트를 어떻게 조합하고, 이에 수반되는 클러치와 브레이크, 그리고 일방향 클러치를 어느 위치에 어떻게 몇 개를 배치하여 가능한 동력 손실이 없이 원하는 변속단과 이에 따르는 변속비를 구현하여 변속기 성능을 향상시킬 수 있는 지에 대해 그 초점이 맞춰져 있다.
한편, 수동 변속기의 경우 변속단이 지나치게 많으면 운전자가 자주 변속을 해주어야 하는 불편함이 야기될 수 있다.
하지만, 자동 변속기의 경우에 있어서는 운전 상태에 따라 컴퓨터 트랜스미션 제어유닛(CJU)이 자동으로 기어 트레인의 작동을 제어하여 변속을 수행하게 되는 바, 보다 많은 변속단을 구현할 수 있는 기어 트레인을 개발하는 것은 매우 중요한 가치가 있다고 할 수 있다.
이러한 추세에 부응하기 위하여 다양한 연구가 진행되고 있음과 아울러, 최근에는 전진 6속 및 전진 8속의 변속단을 구현할 수 있는 자동 변속기의 기어 트레인이 제안되고 있기도 하다.
이에, 본 출원인은 이러한 추세에 맞추어, 전진 8속, 또는 그 이상 및 이하의 변속단 구현을 용이하게 수행할 수 있음은 물론 변속단 간의 동작이 유기적인 메커니즘으로 조화롭게 동작될 수 있어 동력 전달 효율 및 변속감을 향상시킬 수 있으며, 나아가 동력 성능을 높이면서 오히려 연료 소비율을 절감시킬 수 있는 새로운 타입의 다단 자동 변속기를 제안하기에 이르렀다.
본 발명의 목적은, 전진 8속, 또는 그 이상 및 이하의 변속단 구현을 용이하게 수행할 수 있음은 물론 변속단 간의 동작이 유기적인 메커니즘으로 조화롭게 동작될 수 있어 동력 전달 효율 및 변속감을 향상시킬 수 있으며, 나아가 동력 성능을 높이면서 오히려 연료 소비율을 절감시킬 수 있는 새로운 타입의 다단 자동 변속기를 제공하는 것이다.
상기 목적은, 본체 하우징; 상기 본체 하우징의 일측에 결합되고 엔진 토크에 의해 회전되는 입력측 샤프트; 상기 입력측 샤프트의 반경 방향 외측에 피라미드형으로 고정되어 상기 입력측 샤프트와 함께 회전하는 복수의 입력측 기어; 피라미드형으로 마련되되 외면이 상기 복수의 입력측 기어와 상호 반대 방향으로 치형 맞물림되며, 내부공간이 비원형으로 형성되는 복수의 출력측 캠기어; 상기 복수의 출력측 캠기어의 내부에서 상기 복수의 출력측 캠기어와 각각 하나씩 대응되게 피라미드형으로 배치되되 상기 복수의 출력측 캠기어와 캠공간을 사이에 두고 분리된 상태로 배치되고 내부에 압력실이 형성되는 샤프트 몸체와, 상기 샤프트 몸체와 연결되고 상기 복수의 출력측 캠기어의 외부로 노출되는 샤프트 바아를 구비하는 출력측 샤프트; 외면에 원주 방향을 따라 형성되는 복수의 유로통로 안내홈과, 내부에 마련되어 상기 복수의 유로통로 안내홈들을 해당하는 것끼리 연결하되 상기 압 력실과 연통되는 복수의 유로통로를 구비하며, 일 영역이 상기 샤프트 몸체의 내부에 삽입되도록 상기 출력측 샤프트와 연결되는 유로통로봉; 상기 복수의 출력측 캠기어에 각각 대응되게 상기 샤프트 몸체에 왕복이동가능하게 결합되며, 상기 압력실로부터의 유압에 의해 동작되는 복수의 피스톤; 상기 복수의 피스톤과 연결되어 해당 피스톤의 동작에 기초하여 해당 출력측 캠기어에 밀착 및 이격하는 복수의 마찰부재; 및 상기 복수의 입력측 기어 중 선택된 어느 하나에 대응하는 출력측 캠기어의 해당 마찰부재를 밀착시켜 상기 선택된 입력측 기어의 회전력을 상기 출력측 샤프트로 전달되도록 상기 유압 펌프로부터 상기 해당 마찰부재에 대응하는 유로통로로 공급되는 유압의 공급을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 다단 자동 변속기에 의해 달성된다.
여기서, 상기 복수의 마찰부재는 상기 압력실을 중심으로 하여 원주 방향을 따라 상호간 등간격을 가지고 배치될 수 있다.
상기 복수의 마찰부재는 아크(arc)형 블록(block)이거나 볼(ball)일 수 있다.
상기 복수의 피스톤은 상기 복수의 마찰부재와 하나씩 대응되게 마련될 수 있다.
상기 복수의 입력측 기어는 일방향 클러치에 의해 상기 입력측 샤프트와 결합되어 함께 회전될 수 있다.
상기 복수의 입력측 기어 중에서 후진을 담당하는 기어에는 역회전 중간 기어가 결합될 수 있다.
상기 본체 하우징의 외측에 결합되어 상기 본체 하우징의 외측으로 노출된 상기 유로통로봉의 노출 부위를 감싸 지지하는 유로통로봉 하우징을 더 포함할 수 있다.
상기 유로통로봉 하우징의 표면에는 상기 유로통로와 연통되는 복수의 연통구가 형성되어 있으며, 상기 복수의 연통구에는 니플이 각각 결합될 수 있다.
상기 유압 펌프로부터 상기 니플로 향하는 유압의 공급 라인 상에는 상기 제어부에 의해 온/오프(on/off) 제어되는 복수의 솔레노이드 밸브가 더 마련될 수 있다.
상기 유로통로봉과 상기 출력측 샤프트는 일체형 또는 분리형이며, 상기 유로통로봉과 상기 출력측 샤프트가 분리형인 경우 상기 유로통로봉과 상기 출력측 샤프트는 키(key) 결합될 수 있다.
상기 다단 자동 변속기는 1개의 후진단과 8개의 전진 변속단을 포함하는 전진 8속일 수 있다.
본 발명에 따르면, 전진 8속, 또는 그 이상 및 이하의 변속단 구현을 용이하게 수행할 수 있음은 물론 변속단 간의 동작이 유기적인 메커니즘으로 조화롭게 동작될 수 있어 동력 전달 효율 및 변속감을 향상시킬 수 있으며, 나아가 동력 성능을 높이면서 오히려 연료 소비율을 절감시킬 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하며, 각 실시예들의 설명 중 동일 구성에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하도록 한다. 또한, 이하에서는 본 발명에 따른 다단 자동 변속기가, 일 실시예로서 차량에 적용되는 경우에 대해 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 다단 자동 변속기의 개략적인 내부 구조도, 도 2는 도 1에 도시된 입력측 샤프트와 입력측 기어의 결합 상태 사시도, 도 3은 입력측 샤프트/입력측 기어 및 출력측 캠기어/출력측 샤프트 간의 배치 상태 사시도로서 후진단을 제외한 상태의 도면, 도 4는 출력측 캠기어의 분해 사시도, 도 5는 유로통로봉과 출력측 샤프트의 결합 상태 사시도, 도 6은 유로통로봉 하우징의 사시도, 도 7은 도 6의 단면 구조도, 도 8은 유로통로봉의 정면도, 도 9는 마찰부재의 동작에 따른 출력측 샤프트, 출력측 캠기어 및 입력측 기어 간의 배치 상태 구조도이다.
이들 도면을 참조하되 주로 도 1을 참조하면, 본 실시예의 다단 자동 변속기는, 크게 본체 하우징(100)과, 입력측 구성으로서의 입력측 샤프트(210) 및 입력측 기어(220)와, 출력측 구성으로서의 출력측 캠기어(310) 및 출력측 샤프트(320)와, 출력측 샤프트(320)의 회전 출력을 위해 출력측 샤프트(320)와 연결되는 유로통로봉(400), 그리고 유로통로봉(400)과 연계되어 동작되는 복수의 구성을 갖는다. 각 구성에 대해 살펴본다.
우선, 본체 하우징(100)은 본 실시예의 다단 자동 변속기의 외관을 형성하는 부분이다. 본체 하우징(100)은 강성이 있는 금속 재질로 제작될 수 있다.
대부분의 구성이 본체 하우징(100) 내에, 그리고 유로통로봉 하우징(500) 내에 수용되는 형태로 조립된다. 하지만, 동작을 위해 입력측 샤프트(210)의 일 영역과 출력측 샤프트(320)의 샤프트 바아(340)는 본체 하우징(100)의 외측으로 일정 부분 노출된다. 입력측 샤프트(210)와 본체 하우징(100) 사이, 그리고 출력측 샤프트(320)의 샤프트 바아(340)와 본체 하우징(100) 사이에는 원활한 회전을 위한 베어링(B)이 개재된다. 또한 이들 사이에는 밀봉을 위한 패킹(P)이 더 개재된다.
입력측 샤프트(210)는, 엔진 토크에 의해 회전되는 부분이다. 즉 입력측 샤프트(210)에 구동을 위한 동력이 입력된다. 입력된 동력은 후술할 구조에 의해 출력측 샤프트(320)를 통해 가감된 후에 출력된다. 가감은 속도와 토크 모두를 포함할 수 있다.
입력측 기어(220)는, 입력측 샤프트(210)의 반경 방향 외측에 피라미드형으로 고정되어 입력측 샤프트(210)와 함께 회전된다.
본 실시예의 다단 자동 변속기는 1개의 후진단과 8개의 전진 변속단을 가지므로 피라미드형의 입력측 기어(220)는 총 9단으로 마련된다. 입력측 기어(220)가 총 9단으로 마련되기 때문에 이에 대응되는 출력측 캠기어(310) 및 출력측 샤프트(320)의 샤프트 몸체(330) 역시 총 9단으로 마련된다.
물론, 이는 하나의 실시예이므로 본 실시예의 다단 자동 변속기는 8개의 전진 변속단보다 적어도 또는 많아도 무방하며, 이러한 경우, 입력측 기어(220), 출력측 캠기어(310) 및 출력측 샤프트(320)의 샤프트 몸체(330)는 그에 대응되는 개 수의 단으로 마련되면 그것으로 충분하다.
이하에서는 도시 및 설명의 편의를 위해, 입력측 기어(220) 및 출력측 캠기어(310)의 위치별 도면 참조부호는 구별하지 않도록 하는 대신 도면에 문자 및 숫자를 부여하여 설명하도록 한다.
입력측 기어(220)가 입력측 샤프트(210)와 함께 회전될 수 있도록, 입력측 기어(220)는 일방향 클러치(230, 원 웨이(one way) 클러치, 도 3 및 도 9 참조)에 의해 입력측 샤프트(210)와 결합된다. 물론, 일방향 클러치(230)를 사용하지 않고 입력측 기어(220)가 입력측 샤프트(210)를 일체형으로 제작하여도 무방하다.
8개의 전진 변속단에 의해 자유롭게 변속이 되면서 전진될 때, 속도와 토크에 차이가 있을 뿐 출력측 샤프트(320)의 회전 방향은 동일하다. 하지만, 후진의 경우에는 출력측 샤프트(320)가 반대 방향으로 회전되어야 한다. 이를 위해, 복수의 입력측 기어(220) 중에서 후진을 담당하는 기어(도면에 문자로 표시)에는 역회전 중간 기어(240)가 결합된다.
역회전 중간 기어(240)는 입력측 기어(220) 사이에 하나의 기어가 더 개재되어 출력측 캠기어(310)의 회전 방향을 역으로 바꾸는 역할을 한다.
출력측 캠기어(310)는, 입력측 기어(220)와 마찬가지로 피라미드형으로 마련되지만 입력측 기어(220)와 반대로 배열되어 입력측 기어(220)와 하나씩 반대 방향으로 치형 맞물림된다. 이러한 출력측 캠기어(310)의 내부공간은 비원형으로 마련된다.
이처럼 입력측 기어(220)가 연결된 입력측 샤프트(210)와 샤프트 몸체(330) 를 구비한 출력측 샤프트(320)가 다단의 피라미드형으로 마련되면 각 변속단의 압력이 동일해질 수 있는 이점이 있다. 그렇지만, 이 대신에 평행 샤프트가 사용되면 각 변속단의 압력을 다르게 구성해야 한다.
동력 전달 시 각 변속단 기어 원주율이 다르다. 원주율이 다르면 회전력도 차이가 난다. 출력측 샤프트(320)와 출력측 캠기어(310) 동력 전달 시 원주율 차이에 의하여 마찰력도 차이가 난다. 평행 샤프트의 경우 각 변속단에 맞는 압력을 다르게 주어야 한다. 본 실시예와 같이 다단 출력측 샤프트(320)의 경우 출력측 캠기어(310)의 원주율이 커지더라도 비례하여 출력측 샤프트(320)의 원주율도 커지므로 출력측 샤프트(320)와 출력측 캠기어(310)의 마찰력은 변동 없이 전체 변속단에 동일한 압력을 주어도 동일한 마찰력이 유지된다.
출력측 샤프트(320)는, 크게 샤프트 몸체(330)와 샤프트 바아(340)로 나뉠 수 있다. 샤프트 몸체(330)와 샤프트 바아(340)는 일체형으로 제작될 수도 있고, 혹은 별개로 제작된 후에 상호 결합될 수도 있다.
샤프트 몸체(330)는 출력측 캠기어(310)의 내부에서 출력측 캠기어(310)와 각각 하나씩 대응되게 피라미드형으로 배치되되 출력측 캠기어(310)와 캠공간(331, 도 33 및 도 9 참조)을 사이에 두고 분리된 상태로 배치된다. 그리고 샤프트 바아(340)는 샤프트 몸체(330)와 연결되되 출력측 캠기어(310)의 외부로 노출되는 부분이다.
이처럼 출력측 샤프트(320)가 출력측 캠기어(310)와 분리된 상태로 마련되기 때문에 출력측 캠기어(310)가 회전되더라도 출력측 샤프트(320)는 미끄럼 마찰 상 태로서 공회전된다. 하지만, 후술할 구조 및 동작에 의해 샤프트 몸체(330)의 어느 하나가 출력측 캠기어(310)의 어느 하나에 접촉 가압되어 이들이 한 몸체를 형성할 때 비로소 출력측 샤프트(320)는 회전될 수 있다.
이의 동작 구현을 위해, 다시 말해 샤프트 몸체(330)의 어느 하나가 출력측 캠기어(310)의 어느 하나에 접촉 가압되어 이들이 한 몸체를 형성하기 위해, 유로통로봉(400), 복수의 피스톤(600) 및 복수의 마찰부재(700), 그리고 피스톤(600)의 동작을 제어하는 제어부(미도시)가 구비된다.
유로통로봉(400)은, 일 영역은 출력측 샤프트(320)의 샤프트 몸체(330) 내에 결합되고, 나머지 영역은 본체 하우징(100)의 외측으로 노출되는 봉 형상을 갖는다.
유로통로봉(400)은 출력측 샤프트(320)와 결합된다. 본 실시예의 경우, 유로통로봉(400)은 출력측 샤프트(320)와 분리된 상태로 제작된 후, 상호간 키(440, key) 결합되고 있다. 하지만, 본 발명의 권리범위가 이에 제한될 필요는 없으므로 유로통로봉(400)과 출력측 샤프트(320)는 일체형일 수도 있다.
유로통로봉(400)의 외면에는 도 8에 도시된 바와 같이, 그 원주 방향을 따라 복수의 유로통로 안내홈(411,412)이 마련된다. 본 실시예에서 유로통로 안내홈(411,412)은 유로통로봉 하우징(500) 쪽에 위치되는 9개의 1차 유로통로 안내홈(411)과, 샤프트 몸체(330) 쪽에 배치되는 9개의 2차 유로통로 안내홈(412)으로 나뉠 수 있다.
이들 1차 및 2차 유로통로 안내홈(411,412)들은 유로통로봉(400)의 내부에서 복수의 유로통로(420)에 의해 상호간 해당하는 것끼리 연결된다. 2차 유로통로 안내홈(412)은 출력측 샤프트(320)의 샤프트 몸체(330) 내에 형성되는 압력실(332)과 연통된다.
유로통로봉(400)에서 본체 하우징(100)의 외측으로 노출되는 영역은 유로통로봉 하우징(500)에 의해 감싸 지지된다. 유로통로봉 하우징(500)은 본체 하우징(100)에 기밀하게 밀착된 후에 볼트 결합된다.
이러한 유로통로봉 하우징(500)의 표면에는 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 유로통로(420)와 연통되는, 즉 1차 유로통로 안내홈(411)과 연통된 후에 유로통로(420)와 연통되는 복수의 연통구(510)가 형성된다. 복수의 연통구(510)에는 니플(520)이 각각 결합된다.
전술한 바와 같이, 유로통로봉(400)의 외면에는 그 원주 방향을 따라 1차 유로통로 안내홈(411)이 형성되어 있기 때문에, 유로통로봉(400)이 출력측 샤프트(320)와 함께 회전되더라도 1차 유로통로 안내홈(411)에 의하여 니플(520)로부터의 작동유 공급이 가능해진다.
유로통로봉 하우징(500)의 일측에는 플랜지(540)가 형성되어 있고, 플랜지(540)에는 본체 하우징(100)과의 볼트 결합을 위한 복수의 볼트공(541)이 형성되어 있다. 또한 본체 하우징(100)과 접하는 플랜지(540)의 내측에는 오링(542)이 개재되어 있다.
이때, 유압 펌프(810)로부터 복수의 니플(520)로 향하는 유압의 공급 라인 상에는 도시 않은 제어부에 의해 온/오프(on/off) 제어되는 복수의 솔레노이드 밸 브(530)가 마련된다. 솔레노이드 밸브(530) 역시 9개가 마련된다.
복수의 피스톤(600)은, 출력측 샤프트(320)의 샤프트 몸체(330)에 위치별로 각각 결합된다. 즉 9단의 피라미드형으로 마련되는 샤프트 몸체(330)의 각 단에 원주 방향을 따라 상호간 등간격을 가지고 복수개씩 마련된다.
이러한 피스톤(600)들은 도 9에 도시된 바와 같이, 샤프트 몸체(330)에 왕복이동가능하게 결합되며, 출력측 샤프트(320)의 샤프트 몸체(330)의 해당 단에 형성된 압력실(332)로 유압이 유입될 경우, 반경 방향 외측으로 동작되면서 피스톤(600)에 연결된 마찰부재(700)들을 반경 방향 외측으로 가압하는 역할을 한다. 물론, 압력이 해제되면 피스톤(600)과 마찰부재(700)들은 원위치 복귀된다.
복수의 마찰부재(700)는, 전술한 바와 같이, 복수의 피스톤(600)과 연결되어 해당 피스톤(600)의 동작에 기초하여 반경 방향 외측으로 이동하며 해당 출력측 캠기어(310)의 내주에 밀착 및 이격한다. 마찰부재(700)는 피스톤(600)과 하나씩 대응되게 마련될 수 있다.
본 실시예에서 마찰부재(700)는 아크(arc)형 블록(block) 구조를 가지며, 출력측 샤프트(320)의 샤프트 몸체(330)에 형성된 마찰부재 홈(710, 도 5 참조)에 출입 가능하게 배치된다. 그리고 본 실시예에서 마찰부재(700)는 원주 방향을 따라 이격 간격을 두고 4개가 마련된다.
이러한 마찰부재(700)들은 9단의 피라미드형으로 마련되는 샤프트 몸체(330) 중에서 선택된 어느 하나를 그에 대응되는 복수의 출력측 캠기어(310) 중 어느 하나에 밀착 유지시키는 역할을 한다.
예컨대, 도 1과 같이 3번 위치로 유압이 공급되어 3번 위치의 피스톤(600)들이 반경 방향 외측으로 동작되면, 이에 연동하여 3번 위치의 마찰부재(700)들이 3번 위치의 출력측 캠기어(310)의 내면으로 접촉 가압됨에 따라 3번 위치의 출력측 캠기어(310)와 출력측 샤프트(320)가 한 몸체를 이루게 됨으로써 출력측 샤프트(320)가 회전될 수 있게 되어 전진이 이루어진다. 이때, 나머지들은 공회전을 이룬다.
이러한 일련의 구조가 가능하도록, 즉 복수의 입력측 기어(220) 중에서 선택된 어느 하나와 출력측 샤프트(320)가 연결되어 출력측 샤프트(320)가 회전되도록 본 실시예의 다단 자동 변속기는 유압 펌프(810)로부터 유로통로봉(400) 쪽으로 공급되는 유압의 공급 경로를 제어하는 제어부(미도시)를 더 구비하고 있다. 즉, 제어부는 복수의 입력측 기어(220) 중 선택된 어느 하나에 대응하는 출력측 캠기어(310)의 해당 마찰부재(700)를 밀착시켜 선택된 입력측 기어(220)의 회전력을 출력측 샤프트(320)로 전달되도록 유압 펌프(810)로부터 해당 마찰부재(700)에 대응하는 유로통로(420)로 공급되는 유압의 공급을 제어한다.
제어부는 출력측과 입력측의 회전 차이에 의하여 변속을 결정짓도록 제어한다. 즉 제어부는, 회전수를 감지하여 TCU(Transmission Control Unit, 자동변속기의 전자제어장치)로 신호를 전달하는 입력측 펄스 제너레이터 센서(미도시)와 출력측 펄스 제너레이터 센서(미도시)에 의하여 입력측 회전수와 출력측 회전수를 연산한 후, 연산 값과 설정된 값에 차이가 나면 저속단으로 변속이 연속적으로 이루어지도록 제어한다.
이에 대해 부연하면, 제어부는 입력측과 출력측의 회전수를 펄스 제너레이터 센싱하여 이의 정보를 CJU(컴퓨터 트랜스미션 제어유닛)전달하면 컴퓨터가 연산하여 변속을 결정한다. CJU 신호에 의하여 솔레노이드 밸브(530)가 작동되어 최적의 변속이 이루어진다. 수동일 경우, 선택 레버를 수동으로 조작함에 따라 변속이 이루어진다.
이러한 구성을 갖는 본 발명에 따른 다단 자동 변속기를 차량에 탑재하여 개략적인 동작 및 변속 작용에 대해 살펴보면 다음과 같다.
우선, 동작을 살펴보면, TCU 신호에 의하여 원하는 변속단에 압력이 주어지면 압력에 의하여 피스톤(600)이 마찰부재(700)를 밀어주어 마찰부재(700)가 출력측 캠기어(310)의 내면에 밀착되어 치합 상태가 됨으로써 출력측 샤프트(320)의 회전을 이끌어내어 차량의 전진을 도모할 수 있다.
예를 들면, 도 1과 같이 3번 위치로 유압이 공급되어 3번 위치의 피스톤(600)들이 반경 방향 외측으로 동작되면, 이에 연동하여 3번 위치의 마찰부재(700)들이 3번 위치의 출력측 캠기어(310)의 내면으로 접촉 가압됨에 따라 3번 위치의 출력측 캠기어(310)와 출력측 샤프트(320)가 한 몸체를 이루게 됨으로써 출력측 샤프트(320)가 회전될 수 있게 되어 차량의 전진이 이루어진다.
이때, 나머지 변속단들은 압력이 제로(zero)가 된 상태일 뿐만 아니라 피스톤(600)이 미는 힘이 없기 때문에 중립이 되어 부하 없이 공회전을 하게 된다. 만약, 변속단 전체의 압력이 제로(zero)가 되면 중립 상태가 된다.
다음, 변속 작용에 대해 살펴본다. 참고로, 자동 변속인 경우 TCU 신호에 의 하여, 수동 변속인 경우 도시 않은 선택 레버에 기초하여 원하는 변속단에 압류가 흐르도록 하고 나머지 변속단은 단속이 되는 솔레노이드 밸브(530)의 온/오프(on/off) 개폐 작용에 의하여 변속이 이루어질 수 있다.
본 실시예의 경우, 자동 변속기의 토크 컨버터와 같은 작용을 하는 미끄럼 마찰 회전 구동륜의 최대 견인력에 대하여 각 변속단에 압력을 설정하고 설정된 압력 이상의 견인력이 저하되면 정지 마찰에서 미끄럼 마찰 회전이 되도록 할 수 있다.
예컨대, 출발 시 선택 레버에서 'D'가 선택되면 1단 부하가 걸려 앞으로 전진되는데, 전진 중 브레이크를 밟으면 출력측은 멈추게 되나 입력측은 회전된다. 다시 말해, 출력측 샤프트(320)의 회전은 정지되고 출력측 샤프트(320)와 분리되어 있는 출력측 캠기어(310)는 미끄럼 마찰 회전을 하게 된다. 출력측 샤프트(320)에 부분적으로 삽입 결합되어 있는 마찰부재(700)는 출력측 캠기어(310)의 돌기부를 넘어 미끄럼 마찰이 되어 멈추게 되나 출력측 캠기어(310)는 회전된다.
결과적으로, 자동 변속 선택 레버에서 'D'가 선택되면 토크 컨버터에 의해 입력측과 출력측에 부하가 걸려 차량은 앞으로 전진되며, 전진 중 브레이크를 밟으면 출력측은 정지되나 입력측은 슬립에 의하여 회전된다.
이처럼 출력측은 멈추고 있지만 그렇다 하더라도 입력측엔 전진하려는 회전력이 유지가 된다. 미끄럼 마찰 회전도 토크 컨버터 슬립 형상과 같이 출력측은 멈추고 있지만 출력측이 전진하려는 회전력을 유지가 된다.
다시 브레이크를 놓으면 출력측의 전진이 이루어진다. 정지 마찰 회전력과 미끄럼 마찰 회전력은 자동 변속기의 토크 컨버터와 같은 작용이 이루어진다.
한편, 수동 변속기의 경우, 클러치가 정지 마찰 상태에서 브레이크를 밟으면 엔진이 멈추어 버리지만, 자동 변속기는 부하가 걸린 상태에도 브레이크를 밟으면 토크 컨버터의 슬립에 의하여 엔진이 멈추지 않고 정상 작동된다. 본 발명도 부하가 걸린 상태에서 브레이크를 밟으면 미끄럼 마찰 회전이 되어 엔진이 멈추지 않고 정상 작동된다.
출력측 견인력이 저하되면 미끄럼 마찰 회전이 되고, 견인력이 회복되면 정지 마찰 회전이 된다. 견인력이 저하되면 토크 컨버터는 슬립이 되고 본 발명은 미끄럼 마찰이 된다.
앞서도 기술한 바와 같이, 제어부는 출력측과 입력측의 회전 차이에 의하여 변속을 결정짓도록 제어한다. 즉 제어부는, 회전수를 감지하여 TCU로 신호를 전달하는 입력측 펄스 제너레이터 센서(미도시)와 출력측 펄스 제너레이터 센서(미도시)에 의하여 입력측 회전수와 출력측 회전수를 연산한 후, 연산 값과 설정된 값에 차이가 나면 저속단으로 변속이 연속적으로 이루어지도록 제어한다. 이 경우, 입력측과 출력측의 회전 차이가 나는 까닭은 출력측이 미끄럼 회전이 되는 것이고 미끄럼 회전은 출력측의 견인력을 저하시키기 때문이다.
만약, 입력측과 출력측의 설정된 회전수 차이가 없을 경우, 높은 변속단으로 변속이 된다. 회전 차 없이 연속적으로 고속단으로 변환 중에 미끄럼 회전이 되면 다시 저속단으로 변속이 이루어진다. 입력측 변속비와 출력측 변속비 회전수가 설정된 회전수보다 차이가 나면 저속단으로 변속이 되고 설정된 회전수와 차이가 없 으면 시간 차이를 두고 높은 변속단으로 연속적으로 변속된다.
최고 변속단에서는 회전차가 없으면 변속이 이루어지지 않고 회전차가 나면 저속단으로 변속이 된다. 최저 변속단에서는 회전차가 나더라도 변속이 이루어지지 않고, 회전차가 업는 경우에만 높은 변속단으로 변속된다.
이와 같이, 본 실시예에 따르면, 전진 8속, 또는 그 이상 및 이하의 변속단 구현을 용이하게 수행할 수 있음은 물론 변속단 간의 동작이 유기적인 메커니즘으로 조화롭게 동작될 수 있어 동력 전달 효율 및 변속감을 향상시킬 수 있으며, 나아가 동력 성능을 높이면서 오히려 연료 소비율을 절감시킬 수 있게 된다.
도 10 내지 도 13은 본 발명의 제3 내지 제5 실시예에 따른 다단 자동 변속기에서 마찰부재의 동작에 따른 출력측 샤프트, 출력측 캠기어 및 입력측 기어 간의 배치 상태 구조도이다.
도 10을 참조하면, 제1 실시예와는 달리 마찰부재(700a)가 원주 방향을 따라 2개 마련된다. 이러한 경우, 출력측 캠기어(310a)의 내부공간 구조가 약간 상이하게 형성될 뿐 나머지 구성과 동작은 제1 실시예와 동일하다.
도 11을 참조하면, 마찰부재(700b)가 원주 방향을 따라 4개 마련되는 것은 제1 실시예와 동일하나 출력측 캠기어(310b)의 내부공간 구조가 원형이라는 점에서 제1 실시예와 상이하다. 하지만, 도 11과 같은 구조가 적용되더라도 본 발명의 효과를 제공하는 데에는 아무런 무리가 없다.
도 12를 참조하면, 마찰부재(700c)의 형상이 아크(arc)형 블록(block) 구조가 아닌 볼(ball) 구조로 되어 있다. 이러한 경우, 출력측 캠기어(310c)의 내부공 간 구조가 약간 상이하게 형성될 뿐 나머지 구성과 동작은 제1 실시예와 동일하다.
도 13을 참조하면, 출력측 캠기어(310) 쪽 구성은 제1 실시예와 동일하다. 다만 도 13의 실시예의 경우, 입력측 기어(220) 내의 일방향 클러치(230a) 구조가 전술한 실시예와는 다르게 마련된다.
한편, 전술한 실시예에서는 유로통로봉이 출력측 샤프트에 연결되고, 피스톤과 마찰부재를 출력측 샤프트에 구비하여, 복수의 입력측 기어 중 선택된 어느 하나에 대응하는 출력측 캠기어의 해당 마찰부재를 밀착시켜 선택된 입력측 기어의 회전력을 출력측 샤프트로 전달하는 것으로 설명하고 있지만, 유로통로봉을 입력측 샤프트에 연결하고 피스톤과 마찰부재를 입력측 샤프트에 구비하여, 복수의 출력측 기어 중 선택된 어느 하나에 대응하는 내부공간이 비원형으로 형성된 입력측 캠기어에 해당 마찰부재를 밀착시켜, 선택된 입력측 캠기어의 회전력을 출력측 샤프트로 전달할 수도 있다.
또한, 전술한 실시예에서는 그 설명을 생략하였지만, 본 실시예의 다단 자동 변속기는 일반 승용 차량을 비롯하여 중장비 차량, 각종 산업기계 등에 적용될 수 있다.
이와 같이 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 다단 자동 변속기의 개략적인 내부 구조도,
도 2는 도 1에 도시된 입력측 샤프트와 입력측 기어의 결합 상태 사시도,
도 3은 입력측 샤프트/입력측 기어 및 출력측 캠기어/출력측 샤프트 간의 배치 상태 사시도로서 후진단을 제외한 상태의 도면,
도 4는 출력측 캠기어의 분해 사시도,
도 5는 유로통로봉과 출력측 샤프트의 결합 상태 사시도,
도 6은 유로통로봉 하우징의 사시도,
도 7은 도 6의 단면 구조도,
도 8은 유로통로봉의 정면도,
도 9는 마찰부재의 동작에 따른 출력측 샤프트, 출력측 캠기어 및 입력측 기어 간의 배치 상태 구조도,
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 다단 자동 변속기에서 마찰부재의 동작에 따른 출력측 샤프트, 출력측 캠기어 및 입력측 기어 간의 배치 상태 구조도,
도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 다단 자동 변속기에서 마찰부재의 동작에 따른 출력측 샤프트, 출력측 캠기어 및 입력측 기어 간의 배치 상태 구조도,
도 12는 본 발명의 제4 실시예에 따른 다단 자동 변속기에서 마찰부재의 동작에 따른 출력측 샤프트, 출력측 캠기어 및 입력측 기어 간의 배치 상태 구조도,
도 13은 본 발명의 제5 실시예에 따른 다단 자동 변속기에서 마찰부재의 동 작에 따른 출력측 샤프트, 출력측 캠기어 및 입력측 기어 간의 배치 상태 구조도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100 : 본체 하우징 210 : 입력측 샤프트
220 : 입력측 기어 310 : 출력측 캠기어
320 : 출력측 샤프트 400 : 유로통로봉
500 : 유로통로봉 하우징 600 : 피스톤
700 : 마찰부재 810 : 유압 펌프

Claims (11)

  1. 본체 하우징;
    상기 본체 하우징의 일측에 결합되고 엔진 토크에 의해 회전되는 입력측 샤프트;
    상기 입력측 샤프트의 반경 방향 외측에 피라미드형으로 고정되어 상기 입력측 샤프트와 함께 회전하는 복수의 입력측 기어;
    피라미드형으로 마련되되 외면이 상기 복수의 입력측 기어와 상호 반대 방향으로 치형 맞물림되며, 내부공간이 비원형으로 형성되는 복수의 출력측 캠기어;
    상기 복수의 출력측 캠기어의 내부에서 상기 복수의 출력측 캠기어와 각각 하나씩 대응되게 피라미드형으로 배치되되 상기 복수의 출력측 캠기어와 캠공간을 사이에 두고 분리된 상태로 배치되고 내부에 압력실이 형성되는 샤프트 몸체와, 상기 샤프트 몸체와 연결되고 상기 복수의 출력측 캠기어의 외부로 노출되는 샤프트 바아를 구비하는 출력측 샤프트;
    외면에 원주 방향을 따라 형성되는 복수의 유로통로 안내홈과, 내부에 마련되어 상기 복수의 유로통로 안내홈들을 해당하는 것끼리 연결하되 상기 압력실과 연통되는 복수의 유로통로를 구비하며, 일 영역이 상기 샤프트 몸체의 내부에 삽입되도록 상기 출력측 샤프트와 연결되는 유로통로봉;
    상기 복수의 출력측 캠기어에 각각 대응되게 상기 샤프트 몸체에 왕복이동가능하게 결합되며, 상기 압력실로부터의 유압에 의해 동작되는 복수의 피스톤;
    상기 복수의 피스톤과 연결되어 해당 피스톤의 동작에 기초하여 해당 출력측 캠기어에 밀착 및 이격하는 복수의 마찰부재; 및
    상기 복수의 입력측 기어 중 선택된 어느 하나에 대응하는 출력측 캠기어의 해당 마찰부재를 밀착시켜 상기 선택된 입력측 기어의 회전력을 상기 출력측 샤프트로 전달되도록 상기 유압 펌프로부터 상기 해당 마찰부재에 대응하는 유로통로로 공급되는 유압의 공급을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 다단 자동 변속기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 마찰부재는 상기 압력실을 중심으로 하여 원주 방향을 따라 상호간 등간격을 가지고 배치되는 것을 특징으로 하는 다단 자동 변속기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 마찰부재는 아크(arc)형 블록(block)이거나 볼(ball)인 것을 특징으로 하는 다단 자동 변속기.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 피스톤은 상기 복수의 마찰부재와 하나씩 대응되게 마련되는 것을 특징으로 하는 다단 자동 변속기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 입력측 기어는 일방향 클러치에 의해 상기 입력측 샤프트와 결합되어 함께 회전되는 것을 특징으로 하는 다단 자동 변속기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 입력측 기어 중에서 후진을 담당하는 기어에는 역회전 중간 기어가 결합되는 것을 특징으로 하는 다단 자동 변속기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 본체 하우징의 외측에 결합되어 상기 본체 하우징의 외측으로 노출된 상기 유로통로봉의 노출 부위를 감싸 지지하는 유로통로봉 하우징을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다단 자동 변속기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 유로통로봉 하우징의 표면에는 상기 유로통로와 연통되는 복수의 연통구가 형성되어 있으며,
    상기 복수의 연통구에는 니플이 각각 결합되는 것을 특징으로 하는 다단 자동 변속기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 유압 펌프로부터 상기 니플로 향하는 유압의 공급 라인 상에는 상기 제어부에 의해 온/오프(on/off) 제어되는 복수의 솔레노이드 밸브가 더 마련되는 것을 특징으로 하는 다단 자동 변속기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 유로통로봉과 상기 출력측 샤프트는 일체형 또는 분리형이며,
    상기 유로통로봉과 상기 출력측 샤프트가 분리형인 경우 상기 유로통로봉과 상기 출력측 샤프트는 키(key) 결합되는 것을 특징으로 하는 다단 자동 변속기.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 다단 자동 변속기는 1개의 후진단과 8개의 전진 변속단을 포함하는 전진 8속인 것을 특징으로 하는 다단 자동 변속기.
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