KR101511288B1 - 차동기어장치를 이용한 건식 자기강화 클러치 액츄에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차동기어장치를 이용한 건식 자기강화 클러치 액츄에이터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 건식 트랜스미션의 효과적 클러치 체결을 위하여 차동기어장치를 이용해 클러치 체결력이 자기강화 되도록 한 자기강화 클러치 액츄에이터에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 기존 건식 클러치의 액츄에이터 보다 작은 제어 입력으로 같은 체결력으로 발휘하며, 모터의 회전운동을 변환 없이 그대로 액츄에이션에 사용하여, 회전과 선형운동 간의 변환과정을 생략함으로써 기존 자기강화원리를 이용한 클러치 체결 방식보다 향상된 제어 능력과 마찰 특성을 제공한다. 또한 웜 샤프트를 사용하지 않고 차동기어장치로 대체하여, 피니언 기어가 직접적으로 제어될 수 있도록 함으로써 마찰로 인한 에너지 손실을 줄일 뿐만 아니라 능동적으로 자기강화로 인한 클러치 체결력을 제어할 수 있게 한다.

Description

차동기어장치를 이용한 건식 자기강화 클러치 액츄에이터{DRY TYPE SELF-ENERGIZING CLUTCH ACTUATOR USING DIFFERENTIAL GEAR APPARATUS}

본 발명은 차동기어장치를 이용한 건식 자기강화 클러치 액츄에이터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 건식 트랜스미션의 효과적 클러치 체결을 위하여 차동기어장치를 이용해 클러치 체결력이 자기강화 되도록 한 자기강화 클러치 액츄에이터에 관한 것이다.

기존의 기술은 throwout bearing을 이용한 선형운동으로 클러치를 구동한다. 그러나 기본적으로 모터는 회전운동만을 제공하기 때문에, 회전과 선형운동 간의 변환과정은 불가피하였다. 이로 인해 발생하는 문제로는, 액츄에이터의 비선형적 특성으로 인한 제어기 설계시의 어려움과 운동 방향 변환에서 발생하는 마찰로 인한 액츄에이션 에너지 효율 저하 등이 있다. 또한, 클러치 체결력을 높이기 위한 기존의 기술은 ball ramp를 이용한 것이 대부분이다. ball ramp를 이용하게 되면 자기강화원리를 이용할 수는 있지만 비례 제어를 통하여 능동적으로 클러치를 제어하기는 어렵다. 그러므로 피니언-랙을 이용한 방법이 더 효과적이다. 기존의 피니언-랙을 이용한 자기강화원리 클러치에 관한 기술은, 피니언을 직접 제어하지 않고 웜샤프트를 이용하여 간접적으로 피니언기어를 구동시키는 방법을 택했다. 이는, 랙의 각도에 따라 웜샤프트 그루브의 각도가 정해져 버리는 단점이 존재하고, 이에 따라 액츄에이션 이득을 바꿀 수 없는 문제가 발생한다. 그리고 웜샤프트 그루브에서 많은 마찰력을 동반하기 때문에 액츄에이션 효율이 낮아지는 문제점이 있다.

KR 10-2004-0086784 A

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 기존 건식 클러치의 액츄에이터보다 작은 제어 입력으로 같은 체결력을 발휘하며, 모터의 회전운동을 변환 없이 그대로 액츄에이션에 사용하여, 회전과 선형운동 간의 변환과정을 생략함으로써 기존 자기강화원리를 이용한 클러치 체결 방식보다 향상된 제어 능력과 마찰 특성을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 웜 샤프트를 사용하지 않고 차동기어장치로 대체하여, 피니언 기어가 직접적으로 제어될 수 있도록 함으로써 마찰로 인한 에너지 손실을 줄일 뿐만 아니라 능동적으로 자기강화로 인한 클러치 체결력을 제어할 수 있게 하는데 다른 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 차동기어장치를 이용한 건식 자기강화 클러치 액츄에이터는, 경사진 랙(rack)을 구비하며, 액츄에이션 판과 부착되는 고정판; 경사진 랙(rack)을 구비하며, 동력 전달을 위해 상기 고정판과 체결되는 액츄에이션 판; 상기 고정판의 랙 및 액츄에이션 판의 랙과 체결되어 회전함으로써 상기 액츄에이션 판을, 상기 고정판과 체결되는 방향으로 이동시키거나, 고정판에서 분리되는 방향으로 이동시키는 피니언 기어; 및 모터로부터의 동력을 상기 액츄에이션 판에 전달되도록 하는 차동 기어를 포함한다.

상기 차동기어장치를 이용한 건식 자기강화 클러치 액츄에이터는, 상기 고정판과 체결되어 있는 고정판 기어; 및 상기 액츄에이션 판과 체결되어 있는 액츄에이션 판 기어를 더 포함할 수 있다.

상기 차동기어장치를 이용한 건식 자기강화 클러치 액츄에이터는, 상기 차동기어와 체결되어 상기 고정판 기어 또는 상기 액츄에이션 판 기어에 회전 동력을 전달하는 중간 기어를 더 포함할 수 있다.

상기 중간 기어는, 제1 중간 기어 및 제2 중간 기어를 포함하고, 상기 제1 중간 기어는, 상기 차동기어의 중심축 상의 일측에 구비되어 상기 고정판 기어와 체결되며, 상기 제2 중간 기어는 하나의 축 상에 2개의 기어를 구비하고, 그 중 하나의 기어가 상기 액츄에이션 판 기어와 체결될 수 있다.

상기 차동기어의 중심축 상에서 상기 제1 중간 기어와 반대측에는 회전방향 역전기어가 연결되고, 상기 회전방향 역전기어는, 상기 제2 중간 기어의 2개의 기어 중, 상기 액츄에이션 판 기어와 체결되지 않은 나머지 기어와 체결될 수 있다.

상기 피니언 기어는, 하나 또는 둘 이상 구비될 수 있다.

본 발명에 의하면, 기존 건식 클러치의 액츄에이터보다 작은 제어 입력으로 같은 체결력을 발휘하며, 모터의 회전운동을 변환 없이 그대로 액츄에이션에 사용하여, 회전과 선형운동 간의 변환과정을 생략함으로써 기존 자기강화원리를 이용한 클러치 체결 방식보다 향상된 제어 능력과 마찰 특성을 제공하는 효과가 있다.

또한 본 발명은 웜 샤프트를 사용하지 않고 차동기어장치로 대체하여, 피니언 기어가 직접적으로 제어될 수 있도록 함으로써 마찰로 인한 에너지 손실을 줄일 뿐만 아니라 능동적으로 자기강화로 인한 클러치 체결력을 제어할 수 있게 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른, 차동기어장치의 제어를 통해 클러치 체결시 체결력이 자기강화 되도록 설계된 클러치를 도시한 도면.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명에 따른, 차동기어장치의 제어를 통해 클러치 체결시 체결력이 자기강화 되도록 설계된 클러치를 도시한 도면이다.

차량 변속 장치는 크게 MT, AT, AMT, CVT, DCT 등으로 나뉘며, 그 중 AMT는 건식과 습식, 그리고 액츄에이터 방식은 모터와 유압 등으로 나뉜다. 본 발명은 자기강화능력을 갖춘 모터 제어 방식 건식 클러치를 이용하는 자동화 수동 변속기에 관한 것이며, 본 발명에서 제안하는 클러치 모듈을 병합함으로써 DCT 에도 적용할 수 있다.

클러치 액츄에이션을 위한 모터는 감속기를 통해 차동기어 입력축(1)과 연결되어 있다. 차동기어 입력축(1)은 차동기어박스(2)와 기어를 통해 연결되어 있으며, 차동기어의 양단 축은 각각 제1 중간기어(3)와 회전방향 역전기어(4)로 연결되어 있다. 제1 중간기어(3)는 고정판(11)과 체결되어 있는 고정판 기어(10)와 맞물려 있고, 회전방향 역전기어(4)는 제2 중간기어(5)를 통해 액츄에이션 판(13)과 체결되어 있는 액츄에이션 판 기어(12)와 맞물려 있다. 이때 제2 중간기어(5)는 스플라인(6) 상에 있어서, 액츄에이션 판(13)이 클러치를 체결 및 분리시키기 위해 움직일 때 항시 액츄에이션 판 기어(12)와 맞물려 있을 수 있다.
즉, 기본적인 차동기어의 특성상, 차동기어박스(2), 중간기어(3), 그리고 역전기어(4)는 각각 다른 회전속도를 갖는 것이 가능하다. 다만, 차동기어박스(2) 내부 기어의 작용으로 인하여, 각각의 회전 속도는 완전히 독립적인 것이 아니라, 서로의 영향을 받는데, 예를 들어, 중간기어(3)와 역전기어(4)가 반대 회전 방향으로 동일한 회전 속력을 가지고 회전한다면, 차동기어박스(2)는 정지 상태가 된다. 또한, 중간기어(3)와 역전기어(4)가 같은 회전 방향으로 동일한 회전 속력을 가지고 회전한다면, 차동기어박스(2) 또한 동일한 방향과 속력으로 회전하게 된다. 그러므로, 중간기어(3)와 역전기어(4)가 반대 회전 방향으로 동일한 회전 속력을 가지고 회전하고 있을 때에 정지 상태이던 입력축(1)이 구동하기 시작하면, 차동기어박스(2)를 통해 상대적인 속력의 차이를 중간기어(3)와 역전기어(4) 간에 부여하게 된다.

고정판(11)과 액츄에이션 판(13) 사이에 서로 상대적인 회전운동이 없을 때, 즉 클러치가 완전 체결 혹은 분리가 되어 있는 상태일 때는 회전방향 역전기어(4)와 제1 중간기어(3)가 같은 속력으로 반대방향을 유지하며 회전하게 된다. 그러므로 차동기어 박스(2) 내부에서만 기어가 회전하며 차동기어박스(2) 자체는 정지상태를 유지하게 된다.
즉, 도면에 명시되어 있는 부분은 클러치를 체결시키는 구동부 부분으로서, 상세한 설명에 언급된, 체결이 되어야 할 클러치는 액츄에이션 판 기어(12)의 우측에 위치하게 되는 것은 도면으로부터 자명하다. 즉, 고정판(11)으로부터 액츄에이션 판(13)이 멀어지게 되면 클러치를 눌러 체결이 되고, 고정판(11)쪽으로 액츄에이션 판(13)이 가까워지게 되면 클러치가 분리되게 된다. 다만, 분리상태에서부터 체결, 혹은 체결상태에서부터 분리시키기 위하여 고정판(11)과 액츄에이션 판(13) 사이의 상대적인 회전운동을 사용하여 구동부를 움직이며, 고정판(11)과 액츄에이션 판(13) 사이의 상대적인 회전운동이 없는 경우에는 중간기어(3)와 역전기어(4)가 반대 회전 방향으로 동일한 회전 속력을 가지고 회전하게 되고, 이때에는 전술한 바와 같이 기본적인 차동기어의 원리에 따라 차동기어박스(2)는 정지 상태를 유지하게 된다.

그러나 차동기어 입력축(1)이 액츄에이션 모터를 통해 회전하게 되면, 차동기어박스(2)가 함께 회전하여, 결과적으로 제1 중간 기어(3)와 제3 중간 기어(5) 사이에 상대적인 회전운동을 유발하게 된다. 이로 인해 고정 판(11)과 액츄에이션 판(13) 사이에 설치된 피니언 기어(7)가 랙(8)의 경사면을 따라 회전하면서 액츄에이션 판(13)이 고정판(11)에서부터 멀어지거나 가까워짐으로써 클러치를 체결 혹은 분리하게 된다. 이 때 피니언 기어(7)는 90도 간격으로 총 4개가 설치되어 있을 수 있으며, 이들은 리테이너(9)로 인해 위치가 묶여있다.
즉, 클러치의 분리상태에서 체결상태가 되기까지의 과정을 도 1을 참조하여 순서에 따라 설명하면 다음과 같다.
초기상태는 (10)(11)과 (12)(13)간의 거리가 최소, 즉, 클러치 분리 상태일 때를 가정할 경우, (1)은 정지 상태이고 이에 따라 (2)도 정지 상태이다. 그러므로 (3)과 (4)는 같은 속력, 반대 방향으로 회전하게 되어 (3)과 (5)는 같은 속력, 같은 방향으로 회전한다. 따라서 (10)과 (12)는 같은 속력, 같은 방향으로 회전하고 이에 따라 (10)과 (12)간의 상대 속도가 없게 된다. 그러므로 (7)의 회전속도는 0이 되고, (10)(11)과 (12)(13)간의 거리가 동일하게 유지된다. 그러므로 클러치는 계속 분리상태를 유지하게 된다. 이때, (1)이 회전을 시작하게 되고, 이에 따라 (2)도 회전하게 되며, 이로부터 (3)과 (4)간의 상대적 속력차이를 부여하게 된다. 그러므로 (3)과 (5)간에도 상대적 속력차이가 생기게 되어, (10)과 (12)간에 상대 속도가 발생하여 (7)이 회전하게 된다(체결방향이므로, 도면상 (7)은 시계방향). 그러므로, (8)의 경사에 의해 (10)(11)과 (12)(13)간의 거리가 증가하게 되어, 클러치는 압력을 받기 시작하여 체결되게 되며, 체결이 된 후에는 (1)이 정지하게 되고, 같은 과정에 의해 (10)(11)과 (12)(13)간의 거리 유지되고, 클러치가 체결된 상태를 유지하게 된다.

이와 같은 구성을 통해, 획기적으로 축소된 크기의 모터만으로도 기존과 같은 클러치 체결 능력을 발휘할 수 있을 뿐만 아니라, 액츄에이션의 운동 방향 변환 과정을 생략함으로써 클러치 액츄에이션에 동반되는 마찰을 감소시켰다. 이로 인해 변속에 사용되는 에너지 효율을 높일 수 있다. 또한 능동적인 자기강화 체결력 제어를 통한 변속 특성 최적화가 가능하다.

1: 차동기어 입력축
2: 차동기어 박스
3: 제1 중간 기어
4: 회전방향 역전 기어
5: 제2 중간 기어
6: 스플라인(spline)
7: 피니언 기어
8: 랙(rack)
9: 리테이너(retainer)
10: 고정판 기어
11: 고정판
12: 액츄에이션 판 기어(actuation plate gear)
13: 액츄에이션 판(actuation plate)

Claims (6)

1. 차동기어장치를 이용한 건식 자기강화 클러치 액츄에이터로서,
   경사진 랙(rack)을 구비하며, 액츄에이션 판과 부착되는 고정판;
   경사진 랙(rack)을 구비하며, 동력 전달을 위해 상기 고정판과 체결되는 액츄에이션 판;
   상기 고정판의 랙 및 액츄에이션 판의 랙과 체결되어 회전함으로써 상기 액츄에이션 판을, 상기 고정판과 체결되는 방향으로 이동시키거나, 고정판에서 분리되는 방향으로 이동시키는 피니언 기어; 및
   모터로부터의 동력을 상기 액츄에이션 판에 전달되도록 하는 차동 기어
   를 포함하는 차동기어장치를 이용한 건식 자기강화 클러치 액츄에이터.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 고정판과 체결되어 있는 고정판 기어; 및
   상기 액츄에이션 판과 체결되어 있는 액츄에이션 판 기어
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차동기어장치를 이용한 건식 자기강화 클러치 액츄에이터.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 차동기어와 체결되어 상기 고정판 기어 또는 상기 액츄에이션 판 기어에 회전 동력을 전달하는 중간 기어
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차동기어장치를 이용한 건식 자기강화 클러치 액츄에이터.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 중간 기어는,
   제1 중간 기어 및 제2 중간 기어를 포함하고,
   상기 제1 중간 기어는, 상기 차동기어의 중심축 상의 일측에 구비되어 상기 고정판 기어와 체결되며,
   상기 제2 중간 기어는 하나의 축 상에 2개의 기어를 구비하고, 그 중 하나의 기어가 상기 액츄에이션 판 기어와 체결되는 것
   을 특징으로 하는 차동기어장치를 이용한 건식 자기강화 클러치 액츄에이터.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 차동기어의 중심축 상에서 상기 제1 중간 기어와 반대측에는 회전방향 역전기어가 연결되고,
   상기 회전방향 역전기어는, 상기 제2 중간 기어의 2개의 기어 중, 상기 액츄에이션 판 기어와 체결되지 않은 나머지 기어와 체결되는 것
   을 특징으로 하는 차동기어장치를 이용한 건식 자기강화 클러치 액츄에이터.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 피니언 기어는,
   하나 또는 둘 이상 구비되는 것
   을 특징으로 하는 차동기어장치를 이용한 건식 자기강화 클러치 액츄에이터.
   

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