KR101441029B1

KR101441029B1 - 클러치 장치

Info

Publication number: KR101441029B1
Application number: KR1020080079352A
Authority: KR
Inventors: 토마스 리노르트너; 마틴 파리거; 사이먼 카이머; 프란츠 그라처
Original assignee: 마그나 파워트레인 아게 운트 코 카게
Priority date: 2007-08-13
Filing date: 2008-08-13
Publication date: 2014-09-17
Also published as: RU2457960C2; DE102007038156A1; CN101386266A; US20090045027A1; RU2008133233A; KR20090017438A; CN101386266B; US8151965B2

Abstract

속도차에 반응하는 클러치 장치는 서로 상대 회전 가능한 입력요소 및 출력요소와, 마찰 클러치와, 펌프를 포함한다. 마찰 클러치는 클러치 장치의 압력 공간에 공급되는 유압에 따라 입력요소와 출력요소를 연결시키는 역할을 한다. 펌프는 입력요소에 회전가능하게 고정 결합된 제1 펌프부와, 출력요소에 회전가능하게 고정 결합된 제2 펌프부를 갖는다. 펌프는, 그 압력측이 압력 공간에 연결된 상태에서, 입력요소와 출력요소의 상대 회전운동에 의해 구동될 수 있다. 실질적으로 온도에 독립적인 누설 특성을 갖는 오리피스가, 압력 공간으로부터 저압 공간으로 이어지고 펌프와 병렬로 연장된 누설 라인에 배치되어 있다.

클러치 장치, 오리피스, 클러치 특성, 누설율, 온도 의존성

Description

클러치 장치{CLUTCH ARRANGEMENT}

본 발명은 차량의 동력전달장치에서 토크 전달을 위한 속도차에 반응하는 클러치 장치에 관한 것이다.

이러한 클러치 장치는 전륜(all-wheel) 구동 차량에서, 예컨대 구동장치의 구동 토크를 제2차축으로 전달하도록 전환될 수 있는 상시 종동 제1차축과 종동 제2차축 사이의 속도차에 따라, 사용될 수 있다. 다른 응용분야로서, 상기 클러치 장치는 차축의 하프 샤프트(half-shaft)로 구동 토크를 전달하기 위한 액슬 차동장치의 대용으로, 전륜(all-wheel) 구동 차량의 세로 차동장치용 블록으로, 또는 액슬 차동장치용 블록으로 사용될 수 있다.

클러치 장치는 서로 상대 회전가능한 입력요소 및 출력요소, 예컨대 입력축 및 출력출을 갖는다. 또한 클러치 장치는 마찰 클러치를 더 구비하며, 이에 의해 입력요소와 출력요소가 서로 작동가능하도록 유효하게 결합되어, 예컨대 입력요소에 의해 출력요소를 구동시켜 회전운동을 일으키거나 억제할 수 있다. 마찰 클러치는 클러치 장치의 압력 공간에 공급되는 유압에 따라 유효해진다. 또한, 클러치 장치는 유압펌프를 더 구비한다. 유압펌프는 입력요소와 회전가능하게 고정 결합된 제1펌프부와, 출력요소와 회전가능하게 고정 결합된 제2펌프부를 구비한다. 펌프는 입력요소와 출력요소의 상대 회전운동에 의해 구동된다. 펌프의 흡입측은 저압 공간에, 즉 클러치 장치의 상기 압력 공간에서보다 낮은 압력이 공급되는 공간에 연결되어 있다. 펌프의 압력측은 상기 압력 공간에 연결되어 있다.

클러치 장치의 입력요소 및 출력요소 사이에 속도차가 존재할 때, 작동유체가 클러치 장치의 상기 압력 공간 내로 운반되어 마찰 클러치를 작동시키도록, 펌프가 구동된다. 이에 의해 클러치 장치의 입력요소와 출력요소 사이에서 마찰 로킹 연결이 구현되어, 이후 입력요소와 출력요소 사이의 속도차를 감소시키고, 이에 따라 펌프 동력을 감소시킨다.

펌프는 특정 디자인에 따라 내부 누설을 가질 수 있다. 즉, 작동유체가 압력 공간에서 펌프를 거쳐 저압 영역으로 이동할 수 있다. 따라서 펌프 동력이 누설율에 따라 감소된다. 작동유체의 점도는 통상 온도에 의존적이기 때문에, 누설율과 펌프 동력도 작동유체의 온도에 의존적이다. 이러한 효과는 결과적으로 바람직하지 않은 클러치 특성의 높은 온도 의존성으로 이어지고, 입력요소와 출력요소 사이의 속도차에 대한 클러치 장치에 의해 전달되는 토크의 의존성을 부각시킨다.

상술한 종류의 클러치 장치는 미국특허 5,310,388호에 개시되어 있다. 여기에선 작동유체의 온도에 따라 펌프 출구를 개방하거나 폐쇄하는 바이메탈 스트립을 갖는 제어 밸브가 펌프 출구에 배치되어 있다. 이에 의해, 작동유체 점도의 온도 의존성이 보상된다. 그러나 이런 유형의 온도 보상은 복잡하고 고비용이어서 바람직하지 않다.

본 발명의 목적은 구조적 노력 및/또는 비용을 줄이면서 클러치 특성의 온도 의존성을 줄일 수 있는, 차량에서의 토크 전달을 위한 클러치 장치를 제공하는 것이다.

상기 목적은 청구항 1의 특징들을 가진 클러치 장치에 의하여, 특히 실질적으로 온도에 독립적인 누설 특성을 갖는 오리피스가, 클러치 장치의 압력 공간으로부터 저압 공간으로 이어지고 펌프와 병렬로 연장된 누설 라인에 배치되어 있는 점에서, 충족된다.

누설 라인은 작동유체를 저압 공간에서 압력 공간으로 운반하는 펌프와 병렬로 배치되어 있다. 누설 라인은 압력 공간으로부터 저압 공간으로의 작동유체의 일정한 누설을 천천히 허용한다. 이 누설은 확실히 일반적으로 압력 의존적이다. 그러나 누설 라인에서의 누설율(시간당 누설체적)이 작동유체의 온도에 실질적으로 독립적이라는 점이 중요하다. 이에 의해 펌프의 누설율의 온도 의존성이 상대화되어 클러치 특성의 온도 의존성이 크게 감소한다.

누설율의 온도에 대한 충분한 독립성은 오리피스가 누설 라인에 배치되어 있다는 점에서 달성된다. 드로틀(throttle)과는 달리, 예컨대 오리피스는 작동유체의 난류만이 오리피스를 통과하는 것을 허용하고, 따라서 흐름 저항은 실제로 온도에 거의 의존적이지 않다.

오리피스를 통하는 난류의 유량(Q)(시간당 체적, ΔV/Δt)는 다음과 같이 산출된다.

여기서, α는 드래그 계수, A는 개구 횡단면의 면적, ρ는 유체의 밀도, ΔP는 압력차이다. 드래그 계수(α)는 오리피스의 형태에만 의존하는 무차원 상수로서, 샤프 오리피스에 대해 약 0.6이다. 이는 약 2.7-2.8의 저항계수(ζ=1/α²)에 상응한다.

반대로, 층류의 모델에서 Hagen-Poiseuille 법칙에 따른 파이프를 통한 드로틀의 유량(Q)은 다음과 같다.

여기서, r은 개구 횡단면의 반경, η는 상기 유체의 동점성계수, l은 상기 파이프 또는 드로틀의 길이, Δp는 압력차이다. 주로 사용되는 작동유체의 동점성계수(η)는 온도 의존적이기 때문에, 드로틀의 유량(Q) 또한 온도 의존적이다.

클러치 장치에 사용되는 펌프는 상기 누설 라인에 의한 작동유체의 누설을 보상하기 위하여 큰 치수로 만들어질 수 있다.

클러치 장치의 특별한 장점은 클러치 특성의 온도 의존성이 적은 구조적 노력과 비용으로 크게 감소한다는 사실로 이루어진다. 상기 오리피스는 단순하고 비 용 절감적이면서 오류 가능성이 적다. 또한 오리피스는 서로 다른 클러치 특성들 사이의 전이 시에, 특히 기울기가 큰 특성(누설 폐쇄)에서 중간 특성(누설 라인 개방)으로의 전이 시에 뛰어난 완충을 구현하여, 이러한 연결 특성들 사이의 전환이 실질적으로 충격 없이 이루어질 수 있다. 더욱이, 펌프와 병렬로 연결된 오리피스는 압력 공간으로부터 작동유체의 한정된 유출을 구현하고, 이에 따라 단순한 압력 모델이 다른 특성들 사이의 전환을 위해 사용될 수 있다.

바람직한 실시예에 따르면, 오리피스가 배치된 누설 라인은 작동유체의 작동 온도에서 펌프의 누설율에 대략 상응하는 누설율을 갖는데, 이는 내부 펌프 누설이 비교적 높을 때이다. 이에 의해, 펌프 누설의 온도 의존성 그리고 이에 따른 커플링 특성의 온도 의존성이 상당히 감소된다. 오리피스를 가진 상기 누설 라인의 적절한 누설율은, 예컨대 약 10bar의 압력차에서 약 0.4-0.9ℓ/min의 범위에 있다.

또한 누설 라인에 배치된 오리피스는 약 0.4-0.8mm의 내경과 약 0.2-0.5mm의 길이를 갖는 개구 통로를 갖는 것이 바람직하다. 이에 의해 작동유체의 온도에 실질적으로 독립적인 적절한 누설율이 작동유체의 압력에 따라 도출된다.

오리피스가 누설 라인 속으로 삽입되고 작동유체의 흐름 방향에 수직으로 연장된 얇은 디스크의 구멍에 의해 형성될 때, 특히 단순하고 비용 절감적인 오리피스가 구현된다. 디스크는 금속으로 이루어지는 것이 바람직하다. 이에 의해 특히 날카로운 모서리가 구멍의 주변 경계영역에 형성되어 원하는 난류를 발생시킬 수 있기 때문이다.

선택적으로, 오리피스는 누설 라인으로 삽입된 실질적으로 비이커 형상인 인 써트의 베이스 영역에 있는 구멍에 의해 형성될 수 있다. 이러한 인써트는 금속의 사출성형부로서 단순하고 비용 절감적인 방식으로 제조될 수 있고, 누설 라인 내에서 용이하게 결합될 수 있다. 여기서, 상기 베이스 영역은 작동유체의 흐름 방향에 실질적으로 수직으로 연장된다.

상기 디스크나 비이커형 인써트의 베이스 영역은 약 0.2-0.5mm의 두께를 갖는다.

클러치 장치의 바람직한 실시예에 따르면, 클러치 장치의 압력 공간에서 저압 공간으로 이어지고 누설 라인과 병렬로 연장된, 작동유체를 위한 드레인 라인이 제공된다. 제어 가능한 드레인 밸브가 드레인 라인에 배치되어 드레인 라인을 선택적으로 개방 또는 폐쇄할 수 있다. 마찰 클러치의 신속한 개방 및 이에 따른 클러치 장치의 입력요소에 대한 출력요소의 신속한 분리가 토출 밸브를 개방함으로써 가능해진다. 토출 밸브는 포핏 밸브로서 형성되는 것이 바람직하고, 특히 전기적으로 제어가능한 마그네틱 밸브로서 제조되는 바람직하다.

상기 드레인 밸브와 선택적으로 또는 부가적으로, 클러치 장치는 클러치 장치의 압력 공간에서 저압 공간으로 연장된 초과 압력 라인에 배치된 초과 압력 밸브를 가질 수 있다. 초과 압력 밸브는 누설 라인의 오리피스와 병렬로 배치되고, 또한 드레인 밸브가 존재한다면 드레인 밸브와 병렬로 배치된다. 드레인 밸브의 작동 제어와는 달리, 초과 압력 밸브는 펌프의 압력 공간에서의 초과 유압에 대한 클러치 장치의 수동적인 안전이나 마찰 클러치의 수동적인 안전을 위한 역할을 한다.

다른 바람직한 실시예에 따르면, 스위치 밸브가 오리피스와 직렬로 누설 라 인에 배치되어 있다. 스위치 밸브는 누설 라인을 선택적으로 개방하거나 폐쇄한다. 이에 따라 누설 라인을 통한 연속적인 누설 흐름이 스위치 밸브에 의해 누설 라인을 폐쇄함으로써 차단될 수 있고, 이에 따라 결국 상대적으로 기울기가 큰 부가적 특성이 설정된다. 이에 따라 더 기울기가 큰 클러치 특성이 측정된 구동조건 매개변수들(차량속도, 바퀴속도차 등)에 따라 직접, 또는 대응하는 선택 스위치의 작동에 의해, 선정될 수 있다. 누설 라인의 폐쇄 시에 도출되는 클러치 특성은, 직접 유도된 누설이 오리피스에 의해 차단되므로, 확실하게 더 이상 온도 보상되지 않는다. 그러나 가장 기울기가 큰 클러치 특성이 누설 라인 폐쇄에 의해 설정될 수 있다. 이 클러치 특성은 동력전달장치의 최대 인력(traction) 및 장력(tension)을 의미하고, 따라서 온도 보상이 이 클러치 특성에 의해 생략될 수 있다. 상기 스위치 밸브도 바람직하게는 간단한 포핏 밸브로서, 예컨대 전기적으로 제어가능한 마그네틱 밸브로서 제조될 수 있다.

제어장치가 클러치 장치에 연결되는 것이 바람직하다. 제어장치는 클러치 장치의 부분일 수도 있고, 별도로 마련될 수도 있다.

상기 스위치 밸브가 누설 라인에 존재할 때, 제어장치는 일반적으로, 클러치 장치의 입력요소와 출력요소 사이의 주어진 속도차에 대해 평균 토크가 전달되고 0의 속도차에서 오리피스형 압력강하를 갖는, 평균 클러치 특성을 설정하기 위해 스위치 밸브를 개방하도록, 또는 입력요소와 출력요소 사이의 상기 주어진 속도차에서 클러치 장치에 의해 더 큰 토크가 전달되도록 상기 클러치 특성보다 기울기가 큰 클러치 특성을 설정하기 위해 스위치 밸브를 폐쇄하도록, 구성될 수 있다.

이하, 본 발명을 첨부 도면을 참조하여 예시적으로 설명한다.

도 1은 차량의 동력전달장치를 개략적으로 도시한 것이다. 엔진(11)은 전동유니트(13)와 앞차축 차동장치(미도시)를 통해 앞차축(17)의 두 바퀴(15)를 구동시킨다. 여기서 앞차축(17)은 제1차축을 형성한다. 또한, 엔진(11)은 전동유니트(13), 카단(Cardan) 샤프트(19), 클러치 장치(21) 및 뒷차축 차동장치(23)를 통해 뒷차축(27)의 두 바퀴(25)를 구동한다. 뒷차축(27)은 제2차축을 형성한다. 차량의 전자제어장치(29)는 입력측에서 앞바퀴(15) 및 뒷바퀴(25)와 연관된 4륜 속도센서(31)에 연결되어 있다. 제어장치(29)는 선택적으로 다른 센서들, 예컨대 조향각(steering angle) 센서, 편요율(yaw rate) 센서 등(미도시)에 연결될 수 있다. 제어장치(29)는 출력측에서 클러치 장치(21)와 연결된다. 클러치 장치(21)는 제어장치(29)의 제어신호에 따라 엔진(11)의 구동 토크의 일부를 뒷차축(27)으로 전달하는 역할을 한다. 차량은 구동 토크가 클러치 장치(21)를 통해 뒷차축(27)으로 전달되면 전륜(all-wheel) 구동이 된다. 또한 클러치 장치(21)는 동력전달장치의 다른 위치에, 예컨대 전동유니트(13)나 뒷차축 차동장치(23)에 마련될 수도 있다.

도 2는 클러치 장치(21)의 제1실시예를 개략적으로 도시한 것이다. 클러치 장치(21)는 클러치 장치(21)의 회전가능한 내부 하우징(43)에 회전가능하게 고정 결합된 입력축(41)과, 입력축(41)과 상대 회전가능한 출력축(45)을 갖는다. 입력축(41)과 출력축(45)은 클러치 장치(21)의 고정 외부 하우징(미도시)에서 회전가능하게 지지된다. 클러치 장치(21)는 상호 교대로 배열된 복수의 내측 디스크(49)와 복수의 외측 디스크(51)를 갖는 마찰 클러치(47)를 더 갖는다. 내측 디스크(49)는 축방향으로 변위 가능하며, 출력축(45)에 회전가능하게 고정 결합되어 있다. 외측 디스크(51)는 축방향으로 변위 가능하며, 내부 하우징(43)에 (그리고 입력축(41)에) 회전 가능하게 고정 결합되어 있다. 마찰 클러치(47)는 축방향으로 변위 가능한 링 형상의 압력 피스톤(53)을 더 갖는다. 압력 피스톤(53)의 전방측은 내측 디스크(49)와 외측 디스크(51)가 서로 접하도록 선택적으로 가압하여 토크를 입력축(41)으로부터 출력축(45)으로 전달한다. 압력 피스톤(53)의 후방측은 유압 공간(55)과 대향한다.

클러치 장치(21)는 펌프(57)를 더 갖는다. 펌프(57)는 입력축(41)과 출력축(45)의 상대 회전운동에 의해 구동되고, 이에 의해 압력 공간(55)에 유압을 발생시켜 압력 피스톤(53)을 마찰 클러치(47)의 맞물림 위치로 이동시킨다. 펌프(57)로는 속도차에 반응하는 어떠한 유압 펌프든지 일반적으로 사용될 수 있고, 특히 순환 콤프레서(circulating compressor)나 스트로크 콤프레서(stroke compressor)가 사용될 수 있다. 펌프(57)는 제로토(gerotor) 펌프인 것이 바람직하며, 이에 대해서는 도 3을 참조하여 설명한다.

도 3은 도 2에 따른 제로토 펌프(57)의 횡단면도이다. 펌프(57)는 도 2에 따른 출력축(45)에 회전가능하게 고정 결합되고 축(A1)을 중심으로 회전하는 내측 러너(59)를 갖는다. 또한 펌프(57)는 도 2에 따른 클러치 장치(21)의 펌프 하우징(미도시) 및 내부 하우징(43)에 회전가능하게 고정 결합된, 그리고 이에 따라 입력축(41)에도 회전가능하게 고정 결합된, 링 단면부(61)를 더 갖는다. 여기서, 링 단 면부(61)도 축(A1)을 중심으로 회전한다. 링 단면부(61)는 회전축(A1)을 기준으로 중심이 이격된 원형의 개구부(63)를 갖는다. 또한, 펌프(57)는 링 단면부(61)의 개구부(63) 내에서 축(A2)를 중심으로 회전가능하게 지지되고 내측 러너(59)를 감싸면서 내측 러너(59)와 접촉하는 외측 러너(65)를 갖는다. 내측 러너(59)는 외치 구조를 가지며, 외측 러너(65)는 내치 구조를 갖는다. 외측 러너(65)의 치의 개수는 내측 러너(59)의 치의 개수보다 하나 더 많다.

도 3에는 제1연결공(67)과 제2연결공(69)가 도시되어 있다. 이 연결공들(67,69)은 도 3에 도시된 횡단면에 대해 축방향으로 이격된 펌프 하우징의 단면부에 형성되어 있다. 링 단면부(61)에 대한 내측 러너(59)의 회전 위치에 따라 제1연결공(67)은 펌프 입구로, 제2연결공(69)은 펌프 출구로 기능하거나, 혹은 그 반대로 기능한다.

내측 러너(59)가 링 단면부(61)와 제1,2연결공(67,69)에 대해 상대 회전하면, 내측 러너(59)는 제1,2연결공(67,69)의 어느 하나에서 제공되는 작동유체를 제1,2연결공(67,69)의 다른 하나로 원주방향으로 이송한다. 이는 작동유체가 내측 러너(59)와 외측 러너(65) 사이에 형성되는 갭 속에 수용된다는 사실로 인한 것이다. 갭의 체적이 내측 러너(59)의 회전 중에 변하기 때문에, 작동유체는 제1,2연결공(67,69)의 어느 하나로부터 흡입되어 다른 하나로 토출된다. 내측 러너(59)의 회전 중 갭의 체적의 변화는, 다른 치의 개수로 인해 다른 회전 속도가 채용된 상태에서 내측 러너(59)가 외측 러너(65)를 구동시켜 회전운동을 일으킨다는 사실, 즉 외측 러너(65)가 내측 러너(59)보다 느리게 축(A2)을 중심으로 회전한다는 사실에 의해 일어난다.

다시 도 2를 참조하면, 도 3을 참조하여 설명된 펌프(57)의 연결공(67,69)이 도시되어 있다. 흡입 라인(71)은 펌프(57)에 연결되어 있다. 즉, 흡입측에 있는 각 체크밸브(73)를 통해 펌프(57)의 두 연결공(67,69)에 연결되어 있다. 유입 라인(71)은 회전식 리드스루(leadthrough)(75)와 오일 필터(77)를 통해 작동유체의 유동 방향과 반대로 펌프조(79)에 연결되어 있다. 오일 필터(77)와 펌프조(79)는 클러치 장치(21)의 상기 고정 외부 하우징에 배치되어 있다. 압력측에서, 펌프(57)는 두 개의 체크밸브(81)를 경유하여 클러치 장치(21)의 압력 공간(55)으로 이어지는 압력 라인(83)에 연결되어 있다. 작동유체는 압력 공간(55)으로부터 드레인 라인(85)과 다른 회전식 리드스루(87)를 거쳐 펌프조(79)로 흐를 수 있다. 이하 이에 대해 설명한다.

펌프(57)는, 전술한 바와 같이, 출력축(45)에 대한 입력축(41)의 상대 회전에 상응하여, 내측 러너(59)(도 3 참조)의 회전운동에 의해 링 단면부(61)와 함께 펌프 하우징에 대해 상대 구동된다. 도 1을 참조하면, 이것은 속도차가 한편으론 앞차축(17)의 바퀴들(15) 사이에 존재할 때, 그리고 다른 한편으론 뒷차축(27)의 바퀴들(25) 사이에 존재할 때, 펌프(57)가 작동유체를 운반한다는 것을 의미한다. 입력축(41)이 출력축(45)보다 빠르게 회전하느냐 느리게 회전하느냐에 따라, 작동유체는 체크 밸브들(73) 중의 하나를 통해 흡입되어 체크 밸브들(81) 중의 하나를 통해 압력 공간(55)으로 운반된다(도 2 참조). 이렇게 압력 공간(55) 내에 축적되는 유압으로 인해 압력 피스톤(53)은 마찰 클러치(47)의 디스크(49,51)의 방향으로 이동하여 디스크(49,51)의 마찰 로킹을 증대시킨다. 이에 의해 입력축(41)과 출력축(45)은 회전이 유효해지도록 연결이 강화되고, 이에 따라 구동 토크가 입력축(41)으로부터 클러치 장치(21)를 거쳐 출력축(45)으로 전달된다. 출력축(45)의 입력축(41)과의 연결이 강할수록 속도차가 감소되므로 클러치 장치(21)는 자동조절방식으로 작동한다.

그러나 입력축(41)과 출력축(45) 사이의 속도차의 존재시 마찰 클러치(47)의 작동이 발생하는 것은 단지 유압 공간(55)이 충분히 밀폐되어 있을 때뿐이다. 이와 달리, 클러치 장치(21)를 선택적으로 작동 정지시키기 위하여, 드레인 밸브(89)가 드레인 라인(85)을 따라 배치되어 있다. 드레인 밸브(89)는 전기적 제어 라인(91)을 경유하여 제어장치(29)에 의해 제어되는 마그네틱 밸브로 마련되는 것이 바람직하다. 드레인 밸브(89)가 폐쇄되면 클러치 장치(21)는 상술한 자동조절방식으로 출력축(45)을 입력축(41)에 연결시킨다. 반대로 드레인 밸브(89)가 개방되면, 압력 공간(55)으로 운반된 작동유체는 드레인 라인(85)을 통하여 펌프조(29)로 빠져나갈 수 있고, 이에 따라 입력축(41)과 출력축(45) 사이에 속도차가 존재하는 경우에도 단지 적은 구동 토크만이 입력축(41)에서 출력축(45)으로 전달된다.

드레인 밸브(89)는 클러치 장치(21)의 고정 외부 하우징에 배치되어 있다. 초과 압력 밸브(93)는 초과 압력 라인(95)에 드레인 밸브(89)와 병렬로 선택적으로 배치되어 있다. 이에 따라 압력공간(55) 내의 최대 가능 유압이 제한되어 예컨대 드레인 밸브(89)의 고장에 대비할 수 있다.

이하 도 4를 참조하여 도 2에 따른 클러치 장치(21)의 토크 전달 특성을 설 명한다. 도 4는 클러치 장치(21)의 입력축(41)과 출력축(45) 사이의 속도차(Δn)에 대한 전달 토크(M)의 의존을 나타내는, 복수의 클러치 특성 커브를 도시한 것이다.

우선 기울기가 매우 낮은 클러치 특성(K1)이 도 4에 도시되어 있다. 이 특성은 드레인 밸브(89) 개방 시의 토크 전달을 나타낸다. 이 경우, 펌프(57)에 의해 압력공간(55)으로 운반된 작동유체가 드레인 라인(85)을 통해 펌프조(79)로 빠져나가기 때문에, 큰 속도차(Δn)에 대해서도 단지 드래그 토크만이 마찰 클러치(47)에 의해 전달된다. 여기서, 어떠한 실질적인 유압도 압력공간(55) 내에 축적되지 않는다. 이에 의해, 실제로 구동 토크만이 차량의 제1차축에 전달된다(2륜 구동). 이 특성(K1)은 예컨대 차량의 전환(shunting) 용으로 설정된다.

도 4에는 다른 클러치 특성(K2)이 도시되어 있다. 이 특성(K2)은 특성(K1)보다 기울기가 상당히 높아서 상향하는 정도이다. 클러치 특성(K2)은 드레인 밸브(89)가 폐쇄되어, 입력축(41)과 출력축(45) 사이에 속도차가 존재할 때, 의미 있는 압력이 압력공간(55)에 축적되어 압력 피스톤(53)에 의해 마찰 클러치(47)를 작동시킬 수 있는 상태에 일반적으로 대응한다. 이에 따라, 속도차(Δn)가 증가함에 따라 증가된 토크(M)가 입력축(41)에서 출력축(45)으로 전달된다(4륜 구동).

그러나 도 4에는 단지 이상화된 클러치 특성(K2) 커브만이 도시되어 있다. 실제론 펌프(57)가 내부 펌프 누설을 특징으로 한다는 점이 고려되어야 한다. 펌프(57)의 누설율은 또한 작동유체 점도의 온도 의존성으로 인하여 크게 온도 의존적이다. 이에 따라 클러치 특성(K2)과 관련된 특성 영역은 실제로는 곡선(K2LT')(낮은 누설율에 대응하는 낮은 온도에 대한 것)에서부터 곡선(K2HT')(높은 누설율에 대응하는 높은 온도에 대한 것)에까지 전체적으로 확장된다. 따라서 적절한 대응책이 없으면, (드레인 밸브(89)의 폐쇄에 따른) 클러치 특성(K2)은 두 곡선(K2LT',K2HT') 사이에서 확장된 범위(도 4에 수평 해칭으로 표시) 내에서 변할 수 있다.

클러치 장치(21)에 있어서 특성 곡선의 큰 온도 의존성은 바람직하지 않은데, 이는 토크 전달 및 이에 따른 차량 성능의 아주 다양한 특성이 결국 클러치 장치(21) 내의 작동유체의 온도에 의존하는 결과가 되기 때문이다.

이러한 온도 의존성을 적은 노력 및/또는 비용으로 간단하게 감소시키기 위하여, 실질적으로 온도에 독립적인 누설 특성을 갖는 오리피스에 의해 압력공간(55)으로부터 작동유체의 부가적인 누설을 직접 구현하여, 펌프(57)의 누설율의 온도 의존성을 보상한다. 이를 위해, 오리피스(99)가 펌프(57)와 병렬로 압력공간(55)으로부터 펌프조(79)로 연장된 누설 라인(97)에 배치되어 있다(도 2 참조). 오리피스(99)의 누설율의 원하는 온도 독립성은, 특히 드로틀(throttle)과는 달리, 오리피스 구멍이 난류를 발생시켜서 체적 유동이 오로지 관련된 온도범위 내에서 작동유체의 압력에 필연적으로 의존한다는 사실에 근거한 것이다. 예를 들어, 오리피스(99)는 상기한 클러치 장치(21)의 고정 외부 하우징에 위치한다.

도 4에는 오리피스(99)의 효과가 도시되어 있다. 드레인 밸브(89)의 폐쇄 및 오리피스(99)를 갖는 누설 라인(97)의 개방 상태에서 클러치 특성(K2)은 이제 곡선(K2LT)(저온에 대한 것)과 곡선(K2HT)(고온에 대한 것) 사이의 영역에서만 변화한다. 이 범위는 수직 해칭으로 표시되어 있다. 이에 의해, 클러치 특성(K2)의 온 도 의존성은 결과적으로 오리피스(99)의 제공에 의해 허용 가능한 정도로 감소된다.

도 5를 참조하여 도 1에 따른 클러치 장치(21)의 제2실시예를 설명한다. 도 5는 클러치 장치(21)를 개략적으로 도시한 것으로서, 도 2의 요소들과 동일하거나 유사한 요소들은 동일한 참조번호로 표시되어 있다. 특히, 입력축(41), 출력축(45) 및 펌프(57)가 본 실시예에서도 마련되어 있다. 펌프(57)는 입력축(41) 및 출력축(45)에 회전가능하게 유효하게 연결되어 있고, 속도차에 반응한다. 또한 펌프(57)에 의해 발생하는 유압에 따라 출력축(45)을 입력축(41)에 회전가능하게 효과적으로 연결하는 마찰 클러치(47)도 마련되어 있다. 도 5에 따른 클러치 장치(21)는 또한 드레인 라인(85)를 거쳐 펌프조(79)에 연결되어 있는 유압공간(55)을 갖는다.

또한 드레인 밸브(89)는 도 5에 따른 실시예에서 드레인 라인(85)을 따라 배치되고, 제어장치(29)에 의해 제어되어 선택적으로 압력공간(55)을 펌프조(79)에 연결하거나 연결 차단한다. 나아가, 누설 라인(97)은 한편으로는 드레인 밸브(89)와 병렬로, 다른 한편으로는 유입 라인(71), 펌프(57) 및 압력 라인(83)과 병렬로 마련되어, 압력공간(55)을 오리피스(99)를 경유하여 펌프조(79)로 연결한다. 오리피스(99)는 실질적으로 독립적인 누설 특성을 갖는다.

도 2에 따른 실시예와는 달리, 스위치 밸브(101)가 누설 라인(97)을 따라, 오리피스(99)와 직렬로 배치되어 있다. 스위치 밸브(101)는, 누설 라인(97)을 선택적으로 폐쇄하거나 개방하도록, 전기적 제어 라인(103)을 통해 제어장치(29)에 의 해 제어될 수 있는 마그네틱 밸브로 마련된다. 스위치 밸브(101)가 개방되면, 오리피스(99)는 도 2에 따른 실시예에 대해 설명한 바와 같이 펌프(57)의 누설율의 온도 보상을 구현한다. 반대로 스위치 밸브(101)를 폐쇄함으로써 클러치 장치(21)의 부가적인 (제3의) 클러치 특성이 선택적으로 설정될 수 있다. 이에 대해서는 도 6을 참조하여 설명한다.

도 6은 도 5에 따른 클러치 장치(21)에 의해 전달된 토크(M)의, 입력축(41)과 출력축(45) 사이의 속도차(Δn)에 대한 의존성을 보여준다. 누설 라인(97)이 개방된 상태, 즉 스위치 밸브(101)가 개방된 상태에서, 드레인 밸브(89) 개방시의 클러치 특성(K1)과 드레인 밸브(89) 폐쇄시의 클러치 특성(K2)이 도시되어 있다. 간결한 설명을 위하여, 도 6에는 곡선들(K2LT,K2HT)은 생략하고, 이상적인 특성(K2)만을 도시하였다.

누설 라인(97)은 스위치 밸브(101)를 폐쇄함으로써 차단되고, 이에 따라 입력축(41)과 출력축(45) 사이에 소정의 속도차가 존재할 때 훨씬 강한 유압이 압력공간(55) 내에 축적될 수 있다. 이에 따라, 훨씬 기울기가 큰 곡선인 클러치 특성(K3)이 특성(K2)와 관련하여 도출된다. 즉, 입력축(41)과 출력축(45) 사이의 소정의 속도차(Δn)에서 더 큰 토크가 전달된다. 특성(K3)은 확실히 일반적으로 작동 유체의 온도에 의존한다(도 6에는 미도시). 그러나 클러치 특성(K3)은 상대적으로 기울기가 커서(내부 펌프 누설에 의해서만 엄격하게 한정됨), 결국 동력전달장치의 최대 인력(traction) 및 장력(tension)에 상응하고, 이에 따라 온도보상이 특성(K3)에 관하여는 생략될 수 있다. 그럼에도 불구하고 특성(K3)으로부터 특성(K2) 으로의 전이는 오리피스(99)로 인하여 조화롭게 발생한다. 여기서, 특성(K2)은 특성(K1)으로의 이후의 전이를 위하여 '중간 특성'으로 활용될 수 있다. 특성(K2)은, 0의 속도차(Δn)에서 압력공간(55) 내의 유압이 급격히 감소하여 전환(특성(K1)으로의 전이)이 드레인 밸브(89)의 개방에 의해 2륜 구동으로의 팽창 반전(expansion reversal) 없이(높은 전환 안전성) 신속하게 이루어질 수 있도록, 설계될 수 있다.

속도차에 반응하는 클러치 장치(21)에 있어서, 기울기가 작은 특성(K1)에 더하여 기울기가 큰 두 개의 다른 특성(K2,K3)을 설정할 수 있다는 가능성 덕분에, 클러치 장치(21)는 동력전달장치의 향상된 인력(traction)을 구현할 수 있고(특성(K3)), 동시에 팽창 반전을 피하면서 전환 안전성이 증가된다(특성(K2)를 거쳐 특성(K1)으로 부드러운 전이). 도 2 및 도 4에 따른 실시예에 있어서, 특성(K2)에서 특성(K1)으로의 부드러운 전이가 가능하도록, 특성(K2)은 부가 특성(K3)의 제공에 의해 상대적으로 기울기가 작게 설정될 수 있다. 또한 오리피스(99)의 완충 효과도 기울기가 큰 특성(K3)에서 기울기가 작은 특성(K2)으로의 전환이 모든 구동 조건에서 바람직하지 않은 높은 부하 반전 없이도 가능하기 때문에 유리하다.

마지막으로, 도 2 및 도 5에 따른 드레인 밸브(89) 및 선택적으로 스위치 밸브(101)를 제어하는 다른 가능성들을 이하에서 설명한다.

여기서 제어장치(29)는 일반적으로 클러치 장치(21)의 고정 요소일 수 있다. 그러나 제어장치(29)는 클러치 장치(21)로부터 분리되어 제작될 수도 있고, 또는 어떤 식으로든 존재하는 차량의 다이나믹 구동조정장치의 일부일 수도 있다. 이하에서는 예시적으로 제어장치(29)가 다이나믹 구동조정장치와 별도로 마련되어 그와 연결되어 있는 것으로 가정한다. 또한 제어장치(29)는 예컨대 차량의 버스 시스템이나 다이나믹 구동조정장치를 통해 바퀴 속도 센서(31)(도 1 참조)에 연결되어 있다.

드레인 밸브(89)가 존재하면(도 2 및 도 5 참조), 제어장치(29)는 기울기가 작은 클러치 특성(K1)을 설정하도록 드레인 밸브(89)를 개방하도록, 또는 선택적으로 기울기가 훨씬 큰 클러치 특성(K2,K3)을 설정하도록 드레인 밸브(89)를 폐쇄하도록 구성된다.

드레인 밸브(89)의 개방은, 예컨대 제어장치(29)의 판단이 바퀴 속도 센서(31)의 신호들을 기준으로 하고 입력축(41)에서 출력축(45)으로 실질적인 토크가 더 이상 전달되지 않는 상응하는 모델 계산에 근거할 때, 이루어진다. 선택적으로 혹은 부가적으로, 제어장치(29)는, 동적인 구동조정이, 예컨대 전자 안정성 프로그램(electronic stability program: ESP)의 작동이, 차량의 다이나믹 구동조정장치에 의해 일어날 때, 드레인 밸브(89)를 개방한다. 드레인 밸브(89)는, 예컨대 입력축(41)과 출력축(45)의 속도차가 소정의 문턱값을 초과할 때, 폐쇄된다.

드레인 밸브(89)가 드레인 라인(85)에 존재하고, 더하여 스위치 밸브(101)가 누설 라인(97)에 존재하면(도 5 참조), 제어장치(29)는 예컨대 선택적으로 드레인 밸브(89)를 개방하여 제1 클러치 특성(K1)을 설정하도록, 드레인 밸브(89)를 폐쇄하고 스위치 밸브(101)를 개방하여 오리피스(99)에 의해 온도 보상되고 제1 클러치 특성(K1)보다 높은 기울기를 가진 제2 클러치 특성(K2)을 설정하도록, 또는 드레인 밸브(89)와 스위치 밸브(101)를 폐쇄하여 제2 클러치 특성(K2)보다 기울기가 큰 제 3 클러치 특성(K3)을 설정하도록 구성된다. 이에 따라, 세 개의 서로 다른 클러치 특성들이 차량의 현재 구동 상태에 따라 선택적으로 설정될 수 있다.

드레인 밸브(89)와 스위치 밸브(101)가 폐쇄된 상태로부터 시작하여 마찰 클러치(47)가 개방되어야 하면 일반적으로 부하 반전의 위험이 있다. 이 상태에서는, 상대적으로 기울기가 큰 클러치 특성(K3)이 설정된다. 즉, 낮은 속도차(Δn)에 대해서도 높은 토크(M)가 여전히 입력축(41)에서 출력축(45)으로 전달된다. 따라서 제어장치(29)는, 상기 상태로부터 출발하여, 먼저 클러치 특성(K3)으로부터 클러치 특성(K2)으로의 전이를 구현하기 위해 스위치 밸브(89)를 개방시키고, 다음에 클러치 특성(K2)으로부터 클러치 특성(K1)으로의 전이를 구현하기 위해 드레인 밸브(89)만 개방시키도록, 구성되는 것이 바람직하다.

또한 클러치 장치(21)는 드레인 밸브(89)와 스위치 밸브(101)가 모두 개방되는 상태에 있을 수 있다. 이 상태로부터 출발하여 높은 토크 전달을 설정하기 위하여, 제어장치(29)는, 먼저 입력축(41)과 출력축(45) 사이의 속도차(Δn)가 제1문턱값을 초과할 때 드레인 밸브(89)를 폐쇄하고, 다음에 속도차(Δn)가 상기 제1문턱값보다 높은 제2문턱값을 초과할 때 스위치 밸브(101)를 폐쇄하도록, 구성되는 것이 바람직하다. 이에 의해, 기울기가 낮은 클러치 특성(K1)으로부터 시작하여 도 6에 따른 클러치 특성들(K2,K3)이 속도차(Δn)에 따라 순차적으로 설정된다.

상기 전환 기준은 단지 최소한의 기준을 나타낼 뿐이다. 부가적인 기준들도 고려되어야 한다. 예컨대, 측정된 속도차(Δn)와 무관하게 드레인 밸브(89) 및 스위치 밸브(101)를 폐쇄하거나 폐쇄 유지하도록, 로크 스위치(LOCK switch)가 운전 자에 의해 작동될 수 있다. 입력축(41)과 출력축(45) 사이의 각각의 속도차(Δn)는 직접 결정될 필요가 없고, 오히려 바퀴 속도 센서(31)(도 1 참조)의 신호로부터 제어장치(29)에 의해 결정되는 것이 바람직하다.

도 1은 클러치 장치를 가진 차량의 동력전달장치를 보인 도면.

도 2는 클러치 장치의 제1실시예를 보인 도면.

도 3은 제로토(gerotor) 펌프의 횡단면도.

도 4는 도 2에 따른 실시예에 대해 설정될 수 있는 클러치 특성을 보인 도면.

도 5는 클러치 장치의 제2실시예를 보인 도면.

도 6은 도 5에 따른 실시예에 대해 설정될 수 있는 클러치 특성을 보인 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11: 엔진 13: 전동유니트

15: 앞바퀴 17: 앞차축

19: 카단 샤프트 21: 클러치 장치

23: 뒷차축 차동장치 25: 뒷바퀴

27: 뒷차축 29: 제어장치

31: 바퀴 속도 센서 41: 입력축

43: 내부 하우징 45: 출력축

47: 마찰 클러치 49: 내측 디스크

51: 외측 디스크 53: 압력 피스톤

55: 압력 공간 57: 펌프

59: 내측 러너 61: 링 단면부

63: 개구부 65: 외측 러너

67: 제1연결공 69: 제2연결공

71: 유입 라인 73: 체크 밸브

75: 회전식 리드스루 77: 오일 필터

79: 펌프조 81: 체크 밸브

83: 압력 라인 85: 드레인 라인

87: 회전식 리드스루 89: 드레인 밸브

91: 제어 라인 93: 초과 압력 밸브

95: 초과 압력 라인 97: 누설 라인

99: 오리피스 101: 스위치 밸브

103: 제어 라인 A1,A2: 회전축

Δn: 속도차 M: 전달 토크

K1,K2,K3: 클러치 특성

K2LT': 저온에서의 특성(보상 없음)

K2HT': 고온에서의 특성(보상 없음)

K2LT: 저온에서의 특성(보상 있음)

K2HT: 고온에서의 특성(보상 있음)

Claims

차량의 동력전달장치에서 토크 전달을 위해 속도차에 반응하는 클러치 장치에 있어서,

서로 상대 회전 가능한 입력요소(41) 및 출력요소(45)와;

상기 클러치 장치의 압력 공간(55)에 공급되는 유압에 따라 상기 입력요소(41)를 상기 출력요소(45)에 연결시킬 수 있는 마찰 클러치(47)와;

상기 입력요소(41)에 회전가능하게 고정 결합된 제1펌프부(61)와, 상기 출력요소(45)에 회전가능하게 고정 결합된 제2펌프부(59)를 갖는 펌프(57)

를 포함하고,

상기 펌프(57)는, 흡입측이 저압 공간(79)에 연결되고 압력측이 상기 압력 공간(55) 연결된 상태에서, 상기 입력요소(41)와 상기 출력요소(45)의 상대 회전운동에 의해 구동될 수 있고,

실질적으로 온도에 독립적인 누설 특성을 갖는 오리피스(99)가, 상기 압력 공간(55)으로부터 상기 저압 공간(79)으로 이어지고 상기 펌프(57)와 병렬로 연장된 누설 라인(97)에 배치된 것을 특징으로 하는 클러치 장치.
제1항에 있어서,

상기 오리피스(99)는 작동 온도에서 상기 펌프(57)의 누설율에 상응하는 누설율을 가진 것을 특징으로 하는 클러치 장치.
제1항에 있어서,

상기 오리피스(99)는 0.4-0.8mm 범위의 내경과 0.2-0.5mm 범위의 길이를 갖는 개구 통로를 갖는 것을 특징으로 하는 클러치 장치.
제1항에 있어서,

상기 오리피스(99)는 누설 라인(97)으로 삽입된 디스크의 구멍 또는 누설 라인(97)으로 삽입된 비이커 형상의 인써트의 베이스 단면부의 구멍에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 클러치 장치.
제1항에 있어서,

상기 오리피스(99)는 상기 클러치 장치의 고정 하우징 영역에 배치된 것을 특징으로 하는 클러치 장치.
제1항에 있어서,

드레인 라인(85)이 상기 압력 공간(55)으로부터 상기 저압 공간(79)으로 이어지고 누설 라인(97)과 병렬로 연장되며,

상기 드레인 라인(85)에는 제어 가능한 드레인 밸브(89)가 상기 드레인 라인(85)의 개방 또는 폐쇄를 위해 배치된 것을 특징으로 하는 클러치 장치.
제6항에 있어서,

상기 드레인 밸브(89)는 포핏 밸브로 제조된 것을 특징으로 하는 클러치 장치.
제6항에 있어서,

상기 드레인 밸브(89)는 상기 클러치 장치의 고정 하우징 영역에 배치된 것을 특징으로 하는 클러치 장치.
제1항에 있어서,

초과 압력 밸브(93)가 배치된 초과 압력 라인(95)이 상기 압력 공간(55)으로부터 상기 저압 공간(79)으로 연장된 것을 특징으로 하는 클러치 장치.
제1항에 있어서,

스위치 밸브(101)가 상기 누설 라인(97)의 개방 또는 폐쇄를 위해 상기 누설 라인(97)에 상기 오리피스(99)와 직렬로 배치된 것을 특징으로 하는 클러치 장치.
제10항에 있어서,

상기 스위치 밸브(101)는 포핏 밸브로 제조된 것을 특징으로 하는 클러치 장치.
제10항에 있어서,

상기 스위치 밸브(101)는 상기 클러치 장치의 고정 하우징 영역에 배치된 것을 특징으로 하는 클러치 장치.
제10항에 있어서,

제어장치(29)가 상기 클러치 장치와 연결되어 있고,

상기 제어장치(29)는 온도 보상된 클러치 특성(K2)을 설정하기 위해 상기 스위치 밸브(101)를 개방하도록, 또는 상기 클러치 특성(K2)보다 기울기가 큰 클러치 특성(K3)을 설정하기 위해 상기 스위치 밸브(101)를 폐쇄하도록 구성된 것을 특징으로 하는 클러치 장치.
제6항에 있어서,

제어장치(29)가 상기 클러치 장치에 연결되어 있고,

상기 제어장치(29)는 제1 클러치 특성(K1)을 설정하기 위해 상기 드레인 밸브(89)를 개방하도록, 또는 상기 제1 클러치 특성(K1)보다 기울기가 큰 제2 클러치 특성(K2)을 설정하기 위해 상기 드레인 밸브(89)를 폐쇄하도록 구성된 것을 특징으로 하는 클러치 장치.
제6항에 있어서,

스위치 밸브(101)가 상기 누설 라인(97)을 개방 또는 폐쇄하도록 상기 오리피스(99)와 직렬로 상기 누설 라인(97)에 배치되어 있고,

제어장치(29)가 상기 클러치 장치에 연결되어 있고,

상기 제어장치(29)는, 제1 클러치 특성(K1)을 설정하기 위해 상기 드레인 밸브(89)를 개방하도록; 상기 제1 클러치 특성(K1)보다 기울기가 큰 제2 클러치 특성을 설정하기 위해 상기 드레인 밸브(89)를 폐쇄하고 상기 스위치 밸브(101)를 개방하도록; 상기 제2 클러치 특성(K2)보다 기울기가 큰 제3 클러치 특성(K3)을 설정하기 위해 상기 드레인 밸브(89) 및 상기 스위치 밸브(101)를 폐쇄하도록 구성된 것을 특징으로 하는 클러치 장치.
제15항에 있어서,

상기 제어장치(29)는 상기 드레인 밸브(89) 및 상기 스위치 밸브(101)가 폐쇄된 상태에서 시작하여 상기 마찰 클러치(47)를 개방하기 위하여,

먼저 상기 제3 클러치 특성(K3)으로부터 상기 제2 클러치 특성(K2)으로의 전이를 구현하기 위해 상기 스위치 밸브(101)를 개방하고; 오로지 그 다음에 상기 제2 클러치 특성(K2)으로부터 상기 제1 클러치 특성(K1)으로의 전이를 구현하기 위해 상기 드레인 밸브(89)를 개방하도록 구성된 것을 특징으로 하는 클러치 장치.
제15항에 있어서,

상기 제어장치(29)는 상기 드레인 밸브(89) 및 상기 스위치 밸브(101)가 개방된 상태에서 시작하여 기울기가 큰 클러치 특성을 설정하기 위하여,

먼저 상기 입력요소(41)와 상기 출력요소(45) 사이의 속도차가 제1 문턱값을 초과할 때, 또는 다른 제1 전환 기준이 충족될 때, 상기 드레인 밸브(89)를 폐쇄하고; 다음에 상기 입력요소(41)와 상기 출력요소(45) 사이의 속도차가 상기 제1 문턱값보다 높은 제2 문턱값을 초과할 때, 또는 다른 제2 전환 기준이 충족될 때, 상기 스위치 밸브(101)를 폐쇄하도록 구성된 것을 특징으로 하는 클러치 장치.
구동장치(11)와;

상기 구동장치(11)에 의해 상시 구동되는 제1차축(17)과;

제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 클러치 장치(21)를 경유하여 상기 구동장치에 연결될 수 있는 제2차축(27)

을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량.