KR101858187B1 - 차량용 토크 컨버터 및 그 제어방법 - Google Patents

차량용 토크 컨버터 및 그 제어방법 Download PDF

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김준성
권기현
이원호
신순철
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Abstract

본 발명의 목적은 구조가 단순하며 제조 및 설계 비용이 낮고 유체를 사용하지 않는 구조에도 적용될 수 있는 차량용 토크 컨버터를 제공하는 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 토크 컨버터는, 제1요소(선기어), 제2요소(캐리어) 및 제3요소(링기어)를 가지는 유성기어, 상기 입력축과 상기 제1요소의 제1연결 및 상기 입력축과 상기 제3요소의 제2연결 중 하나를 선택하는 와전류부, 상기 입력축과 상기 제1요소의 연결을 단속하는 원심 클러치, 및 상기 제3요소와 고정부의 연결을 단속하는 일방향 클러치를 포함한다.

Description

차량용 토크 컨버터 및 그 제어방법 {TORQUE CONVERTER FOR VEHICLE AND CONTROLLING METHOD THEREOF}
본 발명은 차량용 토크 컨버터 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전자기력과 유성기어를 이용하여 엔진에서 입력되는 토크를 증배하여 출력하는 차량용 토크 컨버터 및 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로, 토크 컨버터는 차량의 엔진과 자동변속기 사이에 설치되어, 유체 마찰력을 이용하여 엔진의 구동력을 자동변속기에 전달한다. 일례로써, 토크 컨버터는 엔진의 구동력을 전달받는 프론트 커버, 프론트 커버와 일체로 회전하는 임펠러, 임펠러에서 토출되는 유체에 의하여 회전되는 터빈, 및 터빈에서 임펠러로 되돌아 가는 유체의 흐름을 임펠러의 회전 방향으로 향하게 하여 토크 변화율을 증대시키는 리엑터("스테이터" 라고도 함)를 포함한다.
이와 같이, 차량에 사용되는 토크 컨버터는 유체를 이용하여 토크를 증배하는 방법을 적용하고 있으므로 임펠러, 터빈 및 리엑터에 구비되는 많은 날개들에 의하여 내부 구조가 복잡하고, 제조 비용 및 설계 비용이 높아진다. 또한 유체를 사용하는 토크 컨버터는 유체를 사용하지 않는 구조에 적용될 수 없는 단점을 가진다.
본 발명의 목적은 구조가 단순하며 제조 및 설계 비용이 낮고 유체를 사용하지 않는 구조에도 적용될 수 있는 차량용 토크 컨버터를 제공하는 것이다. 본 발명의 목적은 상기 차량용 토크 컨버터를 제어하는 차량용 토크 컨버터 제어방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 토크 컨버터는, 제1요소(선기어), 제2요소(캐리어) 및 제3요소(링기어)를 가지는 유성기어, 상기 입력축과 상기 제1요소의 제1연결 및 상기 입력축과 상기 제3요소의 제2연결 중 하나를 선택하는 와전류부, 상기 입력축과 상기 제1요소의 연결을 단속하는 원심 클러치, 및 상기 제3요소와 고정부의 연결을 단속하는 일방향 클러치를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 토크 컨버터는, 상기 입력축과 상기 원심 클러치의 드럼을 상기 와전류부에 연결하는 제1연결부재, 상기 원심 클러치의 슈우와 상기 제1요소에 연결되고 상기 와전류부에 연결 또는 분리되는 제2연결부재, 및 상기 제3요소에 연결되고 상기 와전류부에 연결 또는 분리되는 제3연결부재를 더 포함할 수 있다.
상기 와전류부는 상기 제2연결부재와 상기 제3연결부재에 선택적으로 대응하는 와전류부재, 및 일측으로 상기 와전류부재에 연결되어 다른 일측으로 상기 제1연결부재에 탄성적 지지 구조로 연결되는 탄성부를 포함할 수 있다.
상기 와전류부 및 상기 원심 클러치는 상기 제1요소와 상기 제3요소를 분리하거나 동기 연결할 수 있다.
상기 일방향 클러치는 상기 제3요소와 상기 고정부를 서로 가변 연결할 수 있다.
상기 제1요소는 선기어이고, 상기 제2요소는 캐리어이며, 상기 제3요소는 링기어일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 토크 컨버터 제어방법은, 입력축에 선택적으로 연결되는 제1요소(선기어), 출력축에 연결되는 제2요소(캐리어), 상기 입력축에 선택적으로 연결되고 고정부에 가변적으로 연결되는 제3요소(링기어), 및 설정된 기어비에 의한 속도비를 가지는 유성기어에서, 상기 기어비에 의한 속도비 이상에서 상기 입력축과 상기 제1요소의 제1연결과 상기 입력축과 상기 제3요소의 제2연결 중 하나를 선택하는 와전류부의 작동 제어 및 상기 입력축과 상기 제1요소의 연결을 단속하는 원심 클러치의 작동 제어로 상기 제1요소와 상기 제3요소를 동기 제어하여 상기 제2요소로 출력되는 토크를 증배하는 제1단계, 및 상기 기어비에 의한 속도비 이하에서 상기 와전류부의 비작동 제어와 상기 원심 클러치의 비작동 후 작동 제어로 상기 제2요소로 출력되는 토크를 증배하는 제2단계를 포함한다.
상기 제1단계는 상기 와전류부의 작동과 상기 원심 클러치의 작동 제어로 인하여, 상기 제3요소와 상기 고정부 사이에 구비되는 상기 일방향 클러치를 비작동 제어할 수 있다.
상기 제2단계는 상기 와전류부의 비작동과 상기 원심 클러치의 비작동 후 작동 제어로 인하여, 상기 제3요소와 상기 고정부 사이에 구비되는 상기 일방향 클러치를 작동 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 토크 컨버터 제어방법은, 상기 기어비에 의한 속도비 내에서 상기 일방향 클러치의 작동과 상기 원심 클러치의 작동 제어로 상기 제3요소를 고정 제어하여 상기 제2요소로 설정된 정상 토크를 출력하는 제3단계를 더 포함할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 일 실시예는, 유성기어의 제1요소와 제3요소를 와전류부와 원심 클러치에 의하여 동기 연결을 단속하고, 제3요소와 고정부의 연결을 일방향 클러치에 의하여 가변적으로 단속하므로 기어비에 의한 속도비 이상에서 출력 토크를 증배(동기화) 제어하고, 기어비에 의한 속도비 이하에서 출력 토크를 증배할 수 있다.
따라서 일 실시예는 토크 컨버터의 구조를 단순하게 하며, 제조 및 설계 비용을 낮추고, 유체를 사용하지 않는 구조에도 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 토크 컨버터의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 토크 컨버터의 제어방법으로 제어되는 와전류부, 원심 클러치 및 일방향 클러치의 작동을 나타내는 표이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 토크 컨버터의 제어방법으로 제어되는 유성기어 요소들의 작동을 나타내는 표이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
일반적으로 유성기어는 세가지 요소 중 한 요소를 고정단으로 하는 경우, 나머지 두 가지 요소가 입력단과 출력단으로 작동되며, 입력단과 출력단 사이에서 설정된 기어비를 가진다. 이러한 조건에서, 유성기어는 입력단과 출력단 및 고정단의 토크 합이 영이 되는 특성을 가지며, 설정된 기어비에 의한 속도비 내에서만 토크를 전달할 수 있다.
일 실시예에서, 유성기어는 기어비에 의한 속도비 이하 구간에서 입력 토크를 증배할 수 있고, 기어비에 의한 속도비 이상의 구간에서 입력 요소와 출력 요소 사이의 속도를 동기화 하여 입력 토크를 증배시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 토크 컨버터의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 일 실시예의 차량용 토크 컨버터는 엔진(E)과 자동변속기(TM) 사이에서 양자를 서로 연결하여, 엔진(E)의 출력 토크를 변환하여 자동변속기(TM)로 전달하도록 구성된다.
일 실시예의 토크 컨버터는 입력축(1)으로 엔진(E)에 연결되고, 출력축(2)으로 자동변속기(TM)에 연결된다. 토크 컨버터는 제1요소(11)와 제2요소(12) 및 제3요소(13)를 구비하여, 입력축(1)과 출력축(2)에 연결되는 유성기어(10)를 포함한다.
일례로써, 유성기어(10)에서 제1요소(11)는 선기어(S)이고, 제2요소(12)는 피니언 기어(P)를 연결하는 캐리어(C)이며, 제3요소(13)는 링기어(R)이다.
또한, 일 실시예의 토크 컨버터는 와전류부(21)와 원심 클러치(22) 및 일방향 클러치(23)를 포함한다. 예를 들면, 와전류부(21)는 와전류에 의하여 발생되는 전자기력으로 작동되는 비접촉식 커플링으로 구성된다. 원심 클러치(22)는 외부 부재인 드럼(221)과 드럼(221) 내측에서 수축 또는 확장되는 내측 부재인 슈우(222)의 원심력으로 작동되는 비접촉식 커플링으로 구성된다.
유성기어(10)에서, 제1요소(예, 선기어(S))(11)와 제3요소(예, 링기어(R))(13)는 각각 입력축(1)에 선택적으로 연결되고, 제2요소(예, 캐리어(C))(12)는 출력축(2)에 연결되며, 또한 제3요소(예, 링기어(R))(13)는 고정부(14)에 가변적으로 연결된다. 고정부(14)는 자동변속기(TM) 또는 차량에 고정되어 있다.
와전류부(21)는 입력축(1)과 제1요소(11)의 제1연결 및 입력축(1)과 제3요소(12)의 제2연결 중 하나를 선택하도록 작동된다. 원심 클러치(22)는 입력축(1)과 제1요소(11)의 연결을 단속하도록 작동된다.
이를 위하여, 일 실시예의 자동차용 토크 컨버터는 제1연결부재(31), 제2연결부재(32) 및 제3연결부재(33)를 포함한다.
제1연결부재(31)는 입력축(1)과 원심 클러치(22)의 드럼(221)을 와전류부(21)의 일측에 연결한다. 제2연결부재(32)는 원심 클러치(22)의 슈우(222)와 제1요소(11)에 연결되고 와전류부(21)의 다른 일측에 연결 또는 분리된다. 제3연결부재(33)는 제3요소(13)에 연결되고 와전류부(21)의 다른 일측에 연결 또는 분리된다.
따라서 와전류부(21)는 입력축(1)을 제2, 제2연결부재(32, 33)에 선택적으로 연결하고, 원심 클러치(22)는 제1, 제2연결부재(31, 32)의 연결을 단속한다. 즉 원심 클러치(22)는 입력축(1)과 제1요소(11)의 연결을 단속하며, 와전류부(21)와 함께 입력축(1)과 제1, 제3요소(11, 13)의 연결을 단속할 수 있다.
와전류부(21)는 와전류부재(211)와 탄성부(212)를 포함한다. 와전류부재(211)는 제2연결부재(32)와 제3연결부재(33)에 선택적으로 대응하도록 배치되고, 탄성부(222)는 일측으로 와전류부재(221)에 연결되어 다른 일측으로 제1연결부재(31)에 탄성적 지지 구조로 연결된다. 와전류부재(211)는 탄성부(212)와의 상호 작동에 의하여 제2연결부재(32)와 제3연결부재(33)에 선택적으로 마주한다.
편의상, 제2, 제3연결부재(32, 33)는 와전류부(21)의 와전류부재(211)에 대응하는 대응 와전류부재(도면 번호 미기재)를 더 포함한다. 그러나 여기서 대응 와전류부재에 대한 별도의 설명을 생략한다.
와전류부(21)에서, 탄성부(212)의 탄성력과 와전류부재(211)의 와전류 및 와전유부재(211)와 제2연결부재(32) 또는 제3연결부재(33)와의 사이에 형성되는 전자기력에 의하여, 와전류부재(211)가 제2연결부재(32) 또는 제3연결부재(33)와 선택적으로 동기 연결 또는 분리된다.
이를 위하여, 와전류부(21)의 비작동으로 입력축(1), 제1연결부재(31), 탄성부(212), 제2연결부재(32) 및 제1요소(11)가 연결되고, 제1요소(11)의 회전수가 상승하면서 제1요소(11) 및 제2연결부재(32)에 연결되는 원심 클러치(22) 슈우(222)의 회전수가 상승하고, 이에 따라서 슈우(222)에 작용하는 원심력에 의하여 원심 클러치(22)가 작동된다.
와전류부(21)의 작동으로 입력축(1), 제1연결부재(31), 와전류부재(211), 제3연결부재(33) 및 제3요소(13)가 에 연결되고, 원심 클러치(22)가 작동함에 따라 입력축(1)은 제1요소(11)에 연결된다. 와전류부(21)의 작동으로 와전류부재(211)가 제3연결부재(33)에 연결되고, 원심 클러치(22)가 작동함에 따라 제1, 제3요소(11, 13)가 동기되어 입력축(1)에 연결된다.
일방향 클러치(23)는 제3요소(13)와 고정부(14)의 연결을 단속한다. 일방향 클러치(23)는 작동하여 제3요소(13)를 정지시키거나 비작동하여 제3요소(13)를 정방향으로 회전 가능하게 한다.
원심 클러치(22)가 작동하는 기어비에 의한 속도비 내에서 구동시, 일방향 클러치(23)는 작동(정지)하여 제3요소(13)를 고정부(14)에 연결하여 정지시킨다. 이때, 원심 클러치(22)가 작동하여 출력축(1)의 토크를 제1요소(11)로 전달한다.
원심 클러치(22)가 비작동 후 작동하는 기어비에 의한 속도비 이하 구동시, 일방향 클러치(23)는 작동(정지)하여 제3요소(12)의 역방향 회전을 구속하여 정지시킨다.
기어비에 의한 속도비 이하의 경우, 와전류부(21)의 비작동 및 원심 클러치(22)의 비작동 후 작동으로 제1요소(11)가 정방향으로 회전하고, 제3요소(13)에 연결된 일방향 클러치(23)가 작동(즉 정지된 상태를 유지)된다. 따라서 제1, 제2연결부재(31,32)에 의한 입력축(1)과 제1요소(11) 사이의 토크가 원심 클러치(22)를 통하여 증배되어 제2요소(12)로 전달된다. 즉 기어비에 의한 속도비와 같아질 때까지 출력 토크가 증배된다.
또한, 원심 클러치(22)가 작동하고 와전류부(21)가 작동하는 기어비에 의한 속도비 이상의 경우, 일방향 클러치(23)는 비작동되어, 제3요소(13)가 정방향 동기 회전 구동을 받지 않게 된다.
기어비에 의한 속도비 이상의 경우, 와전류부(21)와 원심 클러치(22)의 작동으로 제1, 제3요소(11, 13)(및 제2요소(12))가 정방향으로 동기 회전한다. 따라서 제1, 제3연결부재(31, 33)에 의하여 입력축(1)에 연결된 제1, 제3요소(11, 13) 사이의 와전류부(21)에서 와전류 토크가 발생하고 증배하여 제2요소(12)로 전달된다. 즉, 기어비에 의한 속도비 이상인 동기와 같아질 때까지 출력 토크가 증배된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 토크 컨버터의 제어방법으로 제어되는 와전류부, 원심 클러치 및 일방향 클러치의 작동을 나타내는 표이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 토크 컨버터의 제어방법으로 제어되는 유성기어 요소들의 작동을 나타내는 표이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 일 실시예에 따른 차량용 토크 컨버터의 제어방법은 기어비에 의한 속도비 이상에서 제2요소(12)로 출력되는 토크를 증배하는 제1단계, 및 기어비에 의한 속도비 이하에서 제2요소(12)로 출력되는 토크를 증배하는 제2단계를 포함한다.
제1단계는 기어비에 의한 속도비 이상에서, 와전류부(21)의 작동 제어로 입력축(1)과 제1요소(11)의 제1연결과 입력축(1)과 제3요소(13)의 제2연결 중 하나를 선택하고, 원심 클러치(22)의 작동 제어로 입력축(1)과 제1요소(11)의 연결을 단속하여, 제1요소(선기어)(11)와 제3요소(링기어)(13)를 동기 제어하여, 제2요소(12)로 출력되는 토크를 증배한다.
제1단계는 와전류부(21)의 작동과 원심 클러치(22)의 작동 제어에 의하여, 제3요소(13)와 고정부(14) 사이에 구비되는 일방향 클러치(23)가 제어와 무관하게 된다(즉 일방향 클러치가 비작동 제어). 이때, 제3요소(13)는 제1, 제2요소(11, 12)와 일체로 회전한다.
제2단계는 기어비에 의한 속도비 이하에서 와전류부(21)의 비작동 제어와 원심 클러치(22)의 비작동 후 작동 제어에 의하여, 제2요소(12)로 출력되는 토크를 기어비에 의한 속도비와 같아질 때까지 증배한다.
제2단계에서 원심 클러치(22)의 비작동 후 작동으로 인하여, 제3요소(13)와 고정부(14) 사이에 구비되는 일방향 클러치(23)가 작동된다. 이때, 제3요소(13)는 제1, 제2요소(11, 12)의 정방향 회전과 달리 정지된다.
또한, 일 실시예에 따른 차량용 토크 컨버터의 제어방법은 기어비에 의한 속도비에서 제2요소(12)로 설정된 정상 토크를 출력하는 제3단계를 더 포함한다. 제3단계는 기어비에 의한 속도비에서 일방향 클러치(23)와 원심 클러치(22)의 작동 제어로 제3요소(13)를 정지 제어하여, 제2요소(12)로 정상 토크를 출력한다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
1: 입력축 2: 출력축
10: 유성기어 11: 제1요소
12: 제2요소 13: 제3요소
14: 고정부 21: 와전류부
22: 원심 클러치 23: 일방향 클러치
31: 제1연결부재 32: 제2연결부재
33: 제3연결부재 C: 캐리어
E: 엔진 P: 피니언 기어
R: 링기어 S: 선기어
TM: 자동변속기

Claims (10)

  1. 제1요소, 제2요소 및 제3요소를 가지는 유성기어;
    입력축과 상기 제1요소의 제1연결 및 입력축과 상기 제3요소의 제2연결 중 하나를 선택하는 와전류부;
    입력축과 상기 제1요소의 연결을 단속하는 원심 클러치; 및
    상기 제3요소와 고정부의 연결을 단속하는 일방향 클러치
    를 포함하는 자동차용 토크 컨버터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 입력축과 상기 원심 클러치의 드럼을 상기 와전류부에 연결하는 제1연결부재,
    상기 원심 클러치의 슈우와 상기 제1요소에 연결되고 상기 와전류부에 연결 또는 분리되는 제2연결부재, 및
    상기 제3요소에 연결되고 상기 와전류부에 연결 또는 분리되는 제3연결부재
    를 더 포함하는 자동차용 토크 컨버터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 와전류부는
    상기 제2연결부재와 상기 제3연결부재에 선택적으로 대응하는 와전류부재, 및
    일측으로 상기 와전류부재에 연결되어 다른 일측으로 상기 제1연결부재에 탄성적 지지 구조로 연결되는 탄성부
    를 포함하는 자동차용 토크 컨버터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 와전류부 및 상기 원심 클러치는
    상기 제1요소와 상기 제3요소를 분리하거나 동기 연결하는 자동차용 토크 컨버터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 일방향 클러치는
    상기 제3요소와 상기 고정부를 서로 가변 연결하는 자동차용 토크 컨버터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1요소는 선기어이고, 상기 제2요소는 캐리어이며, 상기 제3요소는 링기어인 자동차용 토크 컨버터.
  7. 입력축에 선택적으로 연결되는 제1요소, 출력축에 연결되는 제2요소, 상기 입력축에 선택적으로 연결되고 고정부에 가변적으로 연결되는 제3요소, 및 설정된 기어비에 의한 속도비를 가지는 유성기어에서,
    상기 기어비에 의한 속도비 이상에서 상기 입력축과 상기 제1요소의 제1연결과 상기 입력축과 상기 제3요소의 제2연결 중 하나를 선택하는 와전류부의 작동 제어 및 상기 입력축과 상기 제1요소의 연결을 단속하는 원심 클러치의 작동 제어로 상기 제1요소와 상기 제3요소를 동기 제어하여 상기 제2요소로 출력되는 토크를 증배하는 제1단계, 및
    상기 기어비에 의한 속도비 이하에서 상기 와전류부의 비작동 제어와 상기 원심 클러치의 비작동 후 작동 제어로 상기 제2요소로 출력되는 토크를 증배하는 제2단계
    를 포함하는 자동차용 토크 컨버터 제어방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1단계는
    상기 와전류부의 작동과 상기 원심 클러치의 작동 제어로 인하여,
    상기 제3요소와 상기 고정부 사이에 구비되는 일방향 클러치를 비작동 제어하는 자동차용 토크 컨버터 제어방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제2단계는
    상기 와전류부의 비작동과 상기 원심 클러치의 비작동 후 작동 제어로 인하여,
    상기 제3요소와 상기 고정부 사이에 구비되는 일방향 클러치를 작동 제어하는 자동차용 토크 컨버터 제어방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 기어비에 의한 속도비 내에서 일방향 클러치의 작동과 상기 원심 클러치의 작동 제어로 상기 제3요소를 정지 제어하여 상기 제2요소로 설정된 정상 토크를 출력하는 제3단계
    를 더 포함하는 자동차용 토크 컨버터 제어방법.
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