KR102284742B1

KR102284742B1 - 실링 링이 생략된 피스톤-스플라인 조립체 및 이를 구비하는 토크 컨버터

Info

Publication number: KR102284742B1
Application number: KR1020200037157A
Authority: KR
Inventors: 박민구
Original assignee: 주식회사 카펙발레오
Priority date: 2020-03-26
Filing date: 2020-03-26
Publication date: 2021-07-30

Abstract

본 발명은 스플라인에 대해 축방향으로 슬라이드 이동하는 피스톤 플레이트와 스플라인 사이에 실링 링이 생략된 구조 및 이를 적용한 토크 컨버터에 관한 것으로, 상기 피스톤 플레이트의 축방향 연장부의 축방향 길이는 6mm 이상 10mm 이하이고, 상기 피스톤 플레이트의 축방향 연장부의 내주면과 상기 스플라인의 외주면 사이의 간극은 상기 축방향 연장부의 축방향 길이의 0.42% 이상 0.58% 이하이다.

Description

실링 링이 생략된 피스톤-스플라인 조립체 및 이를 구비하는 토크 컨버터{Sealing-ringless Spline-Piston Assembly and Torque Converter Using the Same}

본 발명은 토크 컨버터의 스플라인과 피스톤 플레이트의 조립체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스플라인에 대해 축방향으로 슬라이드 이동하는 피스톤 플레이트와 스플라인 사이에 실링 링이 생략된 구조 및 이를 적용한 토크 컨버터에 관한 것이다.

차량용 토크 컨버터는 엔진으로부터 전달되는 구동력(토크)을 변속기 측으로 전달하는 기계 요소이다. 상기 토크 컨버터는 엔진과 변속기 사이에 구비된다. 토크 컨버터는, 기동 단계에서는 유체를 통해 엔진의 구동력을 증배하여 변속기에 전달하고, 락업(lock up) 단계에서는 기계적인 직결을 통해 엔진의 구동력을 변속기에 전달한다.

일반적으로 토크 컨버터는 프론트커버, 임펠러, 터빈, 리액터, 락업클러치 및 토셔널댐퍼를 포함하여 이루어진다. 프론트커버는 원판형의 부재로 이루어지며, 엔진의 크랭크축에 연결되어 엔진으로부터 구동력을 전달받아 회전한다. 임펠러는 프론트커버와 결합되어 프론트커버의 회전에 대응하여 함께 회전한다. 터빈은 임펠러와 대향하는 위치에 배치되어 임펠러의 회전에 의해 유동하는 유체를 받아 회전력을 전달 받는다. 리액터는 임펠러와 터빈 사이에 위치되어 터빈으로부터 나오는 오일의 흐름을 선택적으로 전환하여 임펠러로 되돌린다. 락업클러치는 피스톤 플레이트에 의해 프론트커버와 터빈을 직결하거나 연결 해제한다. 상기 피스톤 플레이트는 유체에 의해 축 방향으로 이동하며 작동한다. 토셔널 댐퍼는 프론트커버와 터빈의 직결 경로에서 축의 회전 방향으로 작용하는 충격 및 진동을 흡수한다.

상기 피스톤 플레이트는 변속기의 입력 스플라인에 의해 지지될 수 있다. 상기 피스톤 플레이트는 입력 스플라인의 반경방향 외측에 배치되고, 입력 스플라인에 대해 축방향으로 슬라이드 이동한다. 피스톤 플레이트의 반경방향의 내주면은 입력 스플라인의 반경방향의 외주면을 타고 축방향으로 슬라이드 이동한다. 즉 입력 스플라인의 반경방향 외주면은 피스톤 플레이트의 반경방향 내주면과 접하며 피스톤 플레이트의 축방향 슬라이드 이동을 안내한다. 결국 피스톤 플레이트의 반경방향의 내주면은 입력 스플라인의 반경방향의 외주면에 대해 기구학적 관계를 가진다고 할 수 있다.

한편 피스톤 플레이트에서 상기 반경방향 내주면 외의 부분은 다른 부품과 기구학적 관계를 가지지 않는다. 다시 말하면, 피스톤 플레이트 전체를 머시닝 가공하는 것은 재료비, 가공비, 생산소요기간 등 모든 면에서 불리하다고 할 수 있다.

따라서 피스톤 플레이트는 판금(sheet metal)을 프레스 가공하여 제작하는 것이 합리적이다.

그러나 프레스 가공은 공차 관리가 어려운 점이 있다. 따라서 종래에는, 입력 스플라인의 외주면과 피스톤 플레이트의 내주면 사이에 실링 링(sealing ring)을 개재하여 피스톤 플레이트의 내주면과 입력 스플라인의 외주면 사이의 간극(clearance)의 공차를 극복하였다.

이처럼 실링 링을 적용하면, 피스톤 플레이트의 프레스 가공에 대한 공차 관리에 대한 어려움은 해소할 수 있다. 하지만, 실링 링을 적용하면 부품 수와 조립 공수가 증가하여 비용 상승으로 이루어진다. 또한 실링 링 자체의 공차와 피스톤 플레이트의 내주면의 공차가 누적되어, 제품마다 피스톤 플레이트의 내주면과 입력 스플라인의 외주면 사이의 간극을 통해 발생하는 누유량에 차이가 생길 수밖에 없고, 제품마다 입력 스플라인에 대해 피스톤 플레이트의 슬라이드 운동의 저항이 달라지게 되는 문제가 있다.

결국, 피스톤 플레이트에 대한 프레스 가공의 공차 관리에 대한 어려움을 줄이는 대신, 실링 링의 추가로 인해 또 다른 문제가 발생하여, 결국 엄격한 공차 관리가 추가된다는 문제가 있다. 물론 이는 비용의 상승을 야기한다.

CN 208670065 U

본 발명은, 피스톤 플레이트에 대한 프레스 가공의 공차 관리의 어려움을 최소화하면서도, 입력스플라인과 피스톤 플레이트 사이에 실링 링을 생략할 수 있는 피스톤-스플라인 조립체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 피스톤 플레이트와 입력스플라인 사이에 실링 링을 생략하면서도, 피스톤 플레이트와 입력스플라인 사이의 겹침 길이를 최소화할 수 있는 피스톤-스플라인 조립체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 피스톤 플레이트와 입력스플라인 사이의 겹침 길이를 제한하여, 피스톤-스플라인 조립체의 축방향 길이를 컴팩트하게 할 수 있는 피스톤-스플라인 조립체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 락업 클러치가 적용되는 동력 전달 구조에 적용될 수 있다. 이러한 동력 전달 구조는 유체클러치 또는 토크 컨버터를 포함할 수 있다.

본 발명은, 축방향 연장부 및 상기 축방향 연장부의 축방향 일측 단부에서 반경방향으로 연장되는 반경방향 연장부를 구비하는 피스톤 플레이트에 적용될 수 있다.

상기 피스톤 플레이트는 판금(sheet metal)을 프레스 가공하여 제작할 수 있다.

상기 축방향 연장부는 프레스 가공 과정에서 드로잉 소성 가공될 수 있다.

상기 피스톤 플레이트는 스플라인에 대해 축방향으로 상대적으로 슬라이드 이동할 수 있다.

상기 축방향 연장부의 내주면은 상기 스플라인의 외주면과 마주한다.

상기 피스톤 플레이트의 축방향 이동은 상기 스플라인의 외주면에 의해 안내될 수 있다.

상기 피스톤 플레이트가 슬라이드 이동하는 구간에서 상기 축방향 연장부의 내주면과 마주하는 스플라인의 외주면의 축방향 구간은, 축방향을 따라 동일한 외경을 가지도록 가공된다.

상기 피스톤 플레이트의 축방향 연장부의 내경은, 축방향으로 상기 반경방향 연장부로부터 멀어질수록, 점차 작아질 수 있다.

상기 피스톤 플레이트의 축방향 연장부의 내주면은 추가적으로 가공되어, 축방향을 따라 동일한 내경을 가질 수 있다.

상기 피스톤 플레이트의 축방향 연장부의 축방향 길이는 6mm 이상이고, 상기 피스톤 플레이트의 축방향 연장부의 내주면과 상기 스플라인의 외주면 사이의 간극은 상기 축방향 연장부의 축방향 길이의 0.42% 이상 0.58% 이하이다.

상기 피스톤 플레이트의 축방향 연장부의 내주면과 스플라인의 외주면 사이의 간극이 피스톤 플레이트의 축방향 연장부의 축방향 길이의 0.58%를 초과하면, 간극을 통한 누유량이 급격히 증가되어 피스톤 플레이트의 전달토크 용량이 저하된다. 또한 상기 피스톤 플레이트의 축방향 연장부의 내주면과 스플라인의 외주면 사이의 간극이 피스톤 플레이트의 축방향 연장부의 축방향 길이의 0.42% 미만이면, 누유량이 극히 줄어들어 오일을 통한 냉각이 이루어지지 않아 마찰재의 마모량이 급격히 늘어난다.

상기 피스톤 플레이트의 축방향 연장부의 축방향 길이는 10mm 이하일 수 있다. 축방향 연장부의 축방향 길이가 10mm를 초과하면 간극을 통한 누유량이 줄어들어 냉각에 문제가 발생할 우려가 있다. 그리고, 피스톤 플레이트를 프레스로 가공하는 과정에서 드로잉 길이가 증가해 피스톤 플레이트의 축방향 연장부가 변형되거나 그 내주면에 스크래치가 발생할 우려가 있다. 또한 토크 컨버터나 유체 클러치를 축방향으로 컴팩트하게 설계하기 어려워진다.

구체적으로, 상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 피스톤-스플라인 조립체는, 제1스플라인 허브(90); 및 상기 제1스플라인 허브(90)에 대해 축방향으로 슬라이드 가능하게 설치된 피스톤 플레이트(70);를 포함한다.

상기 피스톤 플레이트(70)는: 축방향으로 연장되는 축방향 연장부(72); 상기 축방향 연장부(72)의 반경방향 내측에 마련된 내주면(73); 및 상기 축방향 연장부(72)의 일 단부에서 반경방향으로 연장되는 반경방향 연장부(71);를 포함한다.

상기 축방향 연장부(72)는 축방향에서 바라보는 단면이 링 형상을 이룰 수 있다.

상기 반경방향 연장부(71)는 상기 피스톤 플레이트(70)가 축방향으로 슬라이드 이동함에 따라 락업클러치(60)를 가압하거나 가압 해제할 수 있다.

상기 제1스플라인 허브(90)는, 상기 내주면(73)보다 작은 외경을 가지고 상기 내주면(73)과 마주하는 외주면(92)을 포함한다.

상기 제1스플라인 허브(90)에 대해 상기 피스톤 플레이트(70)가 슬라이드 이동함에 따라 상기 내주면(73)과 마주하게 되는 상기 외주면(92) 구간은, 축방향을 따라 동일한 외경을 구비할 수 있다.

상기 축방향 연장부(72)의 내주면은, 상기 제1스플라인 허브(90)의 외주면(92)과 소정의 간극(c)을 두고 배치된다.

상기 축방향 연장부(72)의 내주면의 축방향 길이(L)는 6mm 이상이고, 상기 간극(c)은 상기 축방향 길이(L)의 0.42% 이상 0.58% 이하일 수 있다.

상기 반경방향 연장부(71)의 후방의 유압이 전방의 유압보다 크면 상기 피스톤 플레이트(70)는 상기 제1스플라인 허브(90)의 외주면의 안내를 받아 전방으로 이동하여 상기 락업클러치(60)를 가압하고, 상기 반경방향 연장부(71)의 전방의 유압이 후방의 유압보다 크면 상기 피스톤 플레이트(70)는 상기 제1스플라인 허브(90)의 외주면의 안내를 받아 후방으로 이동하여 상기 락업클러치(60)에 대한 가압을 해제할 수 있다.

상기 피스톤 플레이트(70)의 축방향 연장부(72)의 내주면(73)의 축방향 길이는 10mm 이하일 수 있다.

상기 피스톤 플레이트(70)의 축방향 연장부(72)는 판금(sheet metal)을 프레스로 드로잉 가공하여 성형될 수 있다.

드로잉 가공으로 인해, 상기 제1스플라인 허브(90)의 외주면(92)과 소정의 간극(c)을 두고 배치되는 상기 축방향 연장부(72)의 내주면(73)의 내경은, 상기 반경방향 연장부로부터 축방향으로 멀어질수록 더 작아질 수 있다.

상기 축방향 연장부(72)의 내주면(73)은 절삭 가공되어 제공될 수 있다. 상기 절삭 가공은 상기 드로잉 가공 이후 이루어질 수 있다.

상기 제1스플라인 허브(90)의 외주면(92)과 소정의 간극(c)을 두고 배치되는 상기 축방향 연장부(72)의 내주면(73)은, 축방향을 따라 동일한 내경을 구비할 수 있다.

상기 피스톤 플레이트(70)의 전방과 후방의 유압 차가 760kpa이고 유온이 섭씨 135도일 때, 상기 간극(c)을 통해 이루어지는 누유의 양은 분당 2.0리터 이하일 수 있다. 상기 조건을 만족하면, 누유가 발생하더라도 상기 유압 차로 인해 피스톤 플레이트(70)가 락업클러치(60)를 가압하는 힘을 충분히 확보할 수 있고, 이에 따라 락업클러치(60)의 전달 토크를 충분히 확보할 수 있다.

상기 내주면(73)과 외주면(92)의 축방향 접촉길이는 7mm이고, 상기 간극(c)은 0.04mm일 수 있다. 이에 따르면, 축방향 접촉길이를 억제하여 토크 컨버터를 축방향으로 컴팩트하게 설계할 수 있고, 아울러 간극(c)의 공차 관리도 수월하게 할 수 있다.

본 발명은, 상기 피스톤-스플라인 조립체가 적용된 토크 컨버터를 제공한다.

본 발명에 따르면, 피스톤 플레이트에 대한 프레스 가공의 공차 관리의 어려움을 최소화하면서도, 입력스플라인과 피스톤 플레이트 사이에 실링 링을 생략할 수 있어, 제품의 가격을 낮출 수 있다.

본 발명은, 피스톤 플레이트와 입력스플라인 사이에 실링 링을 생략하면서도, 피스톤 플레이트와 입력스플라인 사이의 겹침 길이를 최소화할 수 있기 때문에, 피스톤 플레이트의 프레스 가공이 보다 용이하고, 토크 컨버터를 컴팩트하게 설계할 수 있다.

상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.

도 1은 토크 컨버터의 측면 단면도이다.
도 2는 도 1의 토크 컨버터에서 락업 클러치를 작동시키기 위해 변속기 오일의 유동을 제어한 상태를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1의 토크 컨버터에서 락업 클러치를 작동 해제시키기 위해 변속기 오일의 유동을 제어한 상태를 나타낸 도면이다.
도 4는 실시예의 토크 컨버터의 측면 단면도이다.
도 5는 도 4의 토크 컨버터에서 락업 클러치를 작동시키기 위해 변속기 오일의 유동을 제어한 상태를 나타낸 도면이다.
도 6은 도 4의 토크 컨버터에서 락업 클러치를 작동 해제시키기 위해 변속기 오일의 유동을 제어한 상태를 나타낸 도면이다.
도 7은 피스톤 플레이트에 의한 전달토크를 계산하기 위해 피스톤 플레이트를 간략히 표현한 도면이다.
도 8은 도 7의 피스톤 플레이트 모델에 의해 계산된 전달토크를 나타낸 그래프이다.
도 9는 실시예의 피스톤 플레이트의 내주면과 스플라인 허브의 외주면 부분을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 10은, 피스톤 플레이트의 축방향 연장부의 축방향 길이와 피스톤 플레이트 및 스플라인 허브 간의 간극에 따라, 피스톤 플레이트와 스플라인 허브 사이에 발생하는 누유량을 나타낸 그래프이다.
도 11은, 도 8의 그래프 상에, 피스톤 플레이트의 축방향 연장부의 축방향 길이가 7mm이고, 피스톤 플레이트와 스플라인 사이의 간극이 0.04mm 인 피스톤-스플라인 조립체의 누유량을 측정한 결과를 함께 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 다양한 변경을 가할 수 있고 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라, 어느 하나의 실시예의 구성과 다른 실시예의 구성을 서로 치환하거나 부가하는 것은 물론 본 발명의 기술적 사상과 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면에서 구성요소들은 이해의 편의 등을 고려하여 크기나 두께가 과장되게 크거나 작게 표현될 수 있으나, 이로 인해 본 발명의 보호범위가 제한적으로 해석되어서는 아니 될 것이다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 구현예나 실시예를 설명하기 위해 사용되는 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 그리고 단수의 표현은, 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 명세서에서 ~포함하다, ~이루어진다 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이다. 즉 명세서에서 ~포함하다, ~이루어진다 등의 용어는. 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들이 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소의 "상부에 있다"거나 "하부에 있다"고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소의 바로 위에 배치되어 있는 것뿐만 아니라 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

설명의 편의 상, 토크컨버터의 회전의 중심을 이루는 축의 길이방향을 따르는 방향을 축방향이라 한다, 전후 방향 또는 축방향은 회전축과 나란한 방향으로서, 전방(앞쪽)은 어느 일 방향(제1축방향), 가령 동력원인 엔진 쪽으로 향하는 방향을 의미하고, 후방(뒤쪽)은 다른 일 방향(제2축방향), 가령 변속기 쪽으로 향하는 방향을 의미한다. 따라서 전면(앞면)이란 그 표면이 전방을 바라보는 면을 의미하고, 후면(뒷면)이란 그 표면이 후방을 바라보는 면을 의미한다.

반경방향 또는 방사 방향이라 함은 상기 회전축과 수직한 평면 상에서 상기 회전축의 중심을 지나는 직선을 따라 상기 중심에 가까워지는 방향 또는 상기 중심으로부터 멀어지는 방향을 의미한다. 상기 중심으로부터 반경방향으로 멀어지는 방향을 원심방향이라 하고, 상기 중심에 가까워지는 방향을 구심방향이라 한다.

둘레방향 또는 원주방향이라 함은 상기 회전축의 주위를 둘러싸는 방향을 의미한다. 외주라 함은 외측 둘레, 내주라 함은 내측 둘레를 의미한다. 따라서 외주면은 상기 회전축을 등지는 방향의 면이고, 내주면은 상기 회전축을 바라보는 방향의 면을 의미한다.

둘레방향 측면이라 함은 그 면의 법선이 둘레방향을 향하는 면을 의미한다.

[토크 컨버터의 구조]

서로 다른 실시예의 토크 컨버터를 예시한 도 1과 도 4를 참조하면, 토크 컨버터(1)는 입력 측(I)과 출력 측(O)을 구비한다. 가령, 엔진의 회전 구동력은, 커버(10)의 전방으로부터 커버(10)에 입력된다. 커버(10)는 내부의 변속기 오일과 같은 유체가 채워질 수 있는 중공의 공간을 규정하는 프론트커버(12)와 리어커버(15)를 포함한다. 프론트커버(12)와 리어커버(15)는 상호 결합되어 일체로 회전한다.

상기 토크 컨버터(1)의 입력은 프론트커버(12)와 리어커버(15)를 통해 임펠러(20)로 전달된다. 임펠러(20)는 리어커버(15)의 내면에 고정되고, 커버(10)와 임펠러(20)는 소정의 축을 중심으로 함께 회전한다. 임펠러(20)가 회전함에 따라 임펠러(20) 내부의 유체는 임펠러(20)의 회전 운동에너지를 가지게 되고, 원심력에 의해 반경방향 외측으로 힘을 받으며 터빈(30)으로 유동한다.

터빈(30)은 임펠러(20)보다 전방에서 임펠러(20)와 마주하도록 설치되고, 상기 임펠러(20)로부터 유동된 유체의 힘을 전달 받아 소정의 축을 중심으로 회전한다. 임펠러(20)와 터빈(30)의 회전 중심은 동축을 이루고, 임펠러(20)와 터빈(30)은 서로 마주하여 토러스를 이룬다. 상기 터빈(30)은 반경방향 내측에서 제1스플라인 허브(90)를 통해 출력 측(O)과 연결되어 회전력을 출력한다.

제1스플라인 허브(90)는 변속기(미도시)의 입력축과 연결된다. 이런 의미에서 제1스플라인 허브(90)를 변속기 입력 스플라인 허브, 간단하게는 입력 스플라인이라 부를 수도 있다.

임펠러(20)와 터빈(30)이 마주하는 반경방향 내측 부위에는 리액터(40)가 구비된다. 터빈(30)으로 유입된 유체는 반경방향 내측으로 유동하고 리액터(40)를 거쳐 임펠러(20)로 되돌아간다. 리액터(40)는, 환형의 리액터바디(41)와, 상기 리액터바디(41)로부터 반경방향으로 외향 연장되는 복수 개의 리액터블레이드(411)를 구비한다.

리액터바디(41)의 내주에는 원웨이 클러치(50)가 설치되고, 상기 원웨이 클러치(50)는 고정단에 의해 지지된다. 상기 원웨이 클러치(50)는 고정단에 대한 리액터(40)의 일방향 회전은 저지하고, 고정단에 대한 리액터(40)의 타방향 회전은 허용한다. 상기 고정단은 제2스플라인 허브(95)에 의해 구현될 수 있다. 상기 제2스플라인 허브(95)는 변속기에 결합되어 고정됨으로써 고정단이 될 수 있다.

회전축 부근에서, 프론트커버(12)의 후방에는 제1스플라인 허브(90)가 배치되고, 제1스플라인 허브(90)의 후방에는 제2스플라인 허브(95)가 배치되며, 제2스플라인 허브(95)의 후방에 리어커버(15)가 배치된다. 제1스플라인 허브(90)의 내경은 제2스플라인 허브(95)의 내경보다 작고, 제2스플라인 허브(95)의 내경은 프론트커버(12)의 내경보다 작다. 도시되지 않은 변속기의 입력축과 그 동심축들은, 상기 토크 컨버터(1)의 회전축 부근의 후방으로부터 토크 컨버터(1) 내부로 삽입되어, 상기 제1스플라인 허브(90), 제2스플라인 허브(95) 및 리어커버(15)에 연결될 수 있다.

회전축보다 반경방향 외측에서, 프론트커버(12)의 후방에는 피스톤 플레이트(70)가 배치된다. 그리고 프론트커버(12)와 피스톤 플레이트(70) 사이에는 락업클러치(60)가 개재된다.

피스톤 플레이트(70)의 후방에는 터빈(30)이 배치된다. 그리고 터빈(30)과 피스톤 플레이트(70) 사이에는 토셔널 댐퍼(65)가 배치된다. 토셔널 댐퍼(65)의 일측은 상기 피스톤 플레이트(70)와 연결되고, 타측은 상기 터빈(30)에 연결된다.

상기 토셔널 댐퍼(65)의 타측과 상기 터빈(30)은 상기 제1스플라인 허브(90)에 회전 구속되도록 연결된다. 이에 반해 상기 피스톤 플레이트(70)는 상기 제1스플라인 허브(90)에 대해 회전 구속되지 않는다.

상기 피스톤 플레이트(70)는 상기 제1스플라인 허브(90)에 대해 축방향으로 상대적으로 슬라이드 이동 가능하도록 상기 제1스플라인 허브(90)에 설치된다. 제1스플라인 허브(90)는 상기 피스톤 플레이트(70)가 중심축에 대해 정렬되도록 유지해주면서, 상기 피스톤 플레이트(70)의 축방향 이동을 안내한다.

상기 프론트커버(12), 리어커버(15) 및 임펠러(20)는 일체로 회전하는 제1회전체가 된다. 그리고 상기 터빈(30), 제1스플라인 허브(90)는 일체로 회전하는 제2회전체가 된다. 피스톤 플레이트(70)는 제3회전체가 된다. 제2스플라인 허브(95)는 고정단이다. 리액터(40)는 고정단에 대해 일방향으로 회전 저지되고 타방향으로 회전 허용된다.

제1 내지 제3 회전체는 고정단에 대해 상대적으로 회전할 수 있다. 상기 제1 내지 제3회전체는 서로 상대적으로 회전할 수 있다.

토셔널 댐퍼(65)는 제2회전체와 제3회전체 사이에 배치되어, 제3회전체의 회전력을 댐핑하며 제2회전체에 전달한다. 락업클러치(60)는 제1회전체와 제3회전체 사이에 배치되어, 제1회전체의 회전력을 직접 제3회전체에 전달하거나, 제1회전체의 회전력이 제3회전체에 전달되지 않도록 한다.

제2회전체와 고정단 사이에는 제1베어링(B1)이 개재되어 고정단에 대한 제2회전체의 상대적인 회전을 지지할 수 있다. 도 1의 실시예에서 상기 제1베어링(B1)은 제1스플라인 허브(90)와 리액터(40) 사이에 배치됨이 예시된다.

제1회전체와 고정단 사이에는 제2베어링(B2)이 개재되어 고정단에 대한 제1회전체의 상대적인 회전을 지지할 수 있다. 도 1과 도 4의 실시예에서 상기 제2베어링(B2)은 리어커버(15)와 리액터(40) 사이에 배치됨이 예시된다.

제1회전체와 제2회전체 사이에는 제3베어링(B3)이 개재되어 제1회전체에 대한 제2회전체의 상대적인 회전을 지지할 수 있다. 도 1의 실시예에서 상기 제3베어링(B3)은 프론트커버(12)와 제1스플라인 허브(90) 사이에 배치됨이 예시된다.

[토크 컨버터의 작동]

초기 구동 단계에서, 입력측(I)에 엔진의 동력이 입력되면, 상기 임펠러(20)가 타방향으로 회전하고, 이에 추종하여 터빈(30)도 타방향으로 회전하며 임펠러(20)의 속도를 따라가기 시작한다.

상기 임펠러(20)와 터빈(30)의 속도비(SR)가 가령 1:0.85 부근에 이르기 전, 이른바 토크 증배 구간에서는, 터빈(30)에서 임펠러(20)로 되돌아가는 유체가, 리액터블레이드(411)에 부딪히며 방향이 전환되어 임펠러(20)로 되돌아간다. 이 과정에서 상기 리액터(40)는 일방향으로 회전하는 힘을 받는다. 그러나 원웨이 클러치(50)는 상기 고정단에 대해 상기 리액터(40)의 일방향 회전을 저지하므로, 리액터(40)는 고정된 상태를 유지한다.

상기 임펠러(20)와 터빈(30)의 속도비(SR)가 가령 1:0.85 부근에 이르면, 터빈(30)에서 임펠러(20)로 되돌아가는 유체는, 리액터블레이드(411)를 타방향으로 밀기 시작한다. 원웨이 클러치(50)는 리액터(40)의 타방향 회전을 허용하므로, 리액터(40)는 고정단에 대해 프리휠링하기 시작한다. 이러한 프리휠링은 상기 임펠러(20)와 터빈(30)의 속도비(SR)가 1:1 부근에 다다를 때까지 지속되며, 이 구간은 프리휠링 구간이 된다.

상기 터빈(30)이 임펠러(20)를 추종하여 회전함으로써 상기 임펠러(20)와 터빈(30)의 속도비(SR)가 1:1에 이르면, 제1회전체의 프론트커버(12)가 락업클러치(60)에 의해 피스톤 플레이트(70)와 직결되고, 피스톤 플레이트(70)는 토셔널 댐퍼(65)를 통해 제2회전체 즉, 출력 측(O)과 연결된다. 그러면 입력 측(I)의 회전력은 락업클러치(60)를 거쳐 직접 출력 측(O)으로 전달된다. 즉, 상기 임펠러(20)와 터빈(30)의 속도비(SR)가 1:1에 이르면, 입력측(I)과 출력측(O)은 락업 상태가 된다.

입력측(I)과 출력측(O)의 락업 및 락업 해제는 피스톤 플레이트(70)의 작동에 의해 이루어진다.

상기 토크 증배 구간과 프리휠링 구간에서는, 도 3 및 도 6에 도시된 바와 같이, 토크 컨버터(1) 내의 제2유로(82)를 통해 유체가 유입된다. 그러면 유체는 제1스플라인 허브(90)의 내부를 거쳐 피스톤 플레이트(70)의 전방에 마련된 공간으로 유입되어 유압을 형성한다. 이와 같은 상태에서는 피스톤 플레이트(70)를 기준으로 전방의 압력이 후방의 압력보다 더 크게 되고, 피스톤 플레이트(70)는 제1스플라인 허브(90)의 외주면의 안내를 받아 후방으로 슬라이드 이동한다. 그러면 상기 락업클러치(60)는 해제된다.

한편, 토크 컨버터(1)를 락업 상태로 작동시키기 위해서는, 도 2 및 도 5에 도시된 바와 같이, 토크 컨버터(1) 내의 제1유로(81)를 통해 유체가 유입된다. 그러면 유체는 피스톤 플레이트(70)의 후방에 마련된 공간으로 유입되어 유압을 형성한다. 이와 같은 상태에서는 피스톤 플레이트(70)를 기준으로 후방의 압력이 전방의 압력보다 더 크게 되고, 피스톤 플레이트(70)는 제1스플라인 허브(90)의 외주면의 안내를 받아 전방으로 슬라이드 이동하여 락업클러치(60)를 락업한다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 피스톤 플레이트(70)와 제1스플라인 허브(90) 사이에는 실링 링(91)이 개재될 수 있다. 그러면 피스톤 플레이트(70)의 슬라이드 이동을 위한 유압이 형성되었을 때, 유체의 누설을 줄일 수 있다.

이와 달리, 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 피스톤 플레이트(70)와 제1스플라인 허브(90) 사이의 축방향 접촉 길이(L)와 간극(c)을 조절하여 유체의 누설을 줄일 수도 있다.

[실링 링리스(ringless) 누유 방지 구조]

도 1 내지 도 3의 토크 컨버터(1)의 피스톤 플레이트(70)에 작용하는 유압을 도식적으로 표현한 도 7을 참조하면, 전달토크(transfer torque)는 다음과 같은 수식으로 정의할 수 있다.

..(수식 1)

여기서, T는 전달토크, μ는 유체의 점성, p'는 피스톤 플레이트(70)의 전방과 후방 사이의 압력차, r₁은 피스톤 플레이트(70)의 내경, r₂는 락업클러치(60)의 내경, r₃는 락업클러치(60)의 외경이다.

이러한 수식에 근거하여, 압력차에 따라 산출된 전달토크는 도 7에 도시된 바와 같다. 이러한 전달토크는 실링 링(91)에 의해 유체의 누설이 방지되도록 제어되는 구조에 의한 것이다. 그러나, 상기 도 1 내지 도 3의 토크 컨버터(1)의 구조에서, 실링 링(91)을 생략하게 되면, 도 8에서 시험값으로 도시한 바와 같이, 압력차가 200kPa를 넘어설 경우, 유체의 누유량이 급증하여 전달토크가 측정되지 않는 상황에 이른다.

이에, 본 발명은, 실링 링(91)을 생략하고 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이 피스톤 플레이트(70)와 제1스플라인 허브 사이의 간극만으로, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 실링 링(91)이 있었던 것과 동등한 수준의 전달토크를 발휘하는 구조를 제공한다.

상기 피스톤 플레이트(70)는, 축방향으로 연장되는 축방향 연장부(72)와, 상기 축방향 연장부(72)의 일측 단부(실시예에서는 후방 단부)에서 반경방향으로 연장되는 반경방향 연장부(71)를 구비한다. 상기 반경방향 연장부(71)의 반경방향 외측의 전방에는, 상기 락업클러치(60)가 마련된다.

피스톤 플레이트(70)와 제1스플라인 허브(90)가 마주하는 부분을 확대 도시한 도 9를 참조하면, 제1스플라인 허브(90)의 외주면(92)과 소정의 간극(c)을 가지는 피스톤 플레이트(70)의 축방향 연장부(72)의 내주면(73)의 축방향 접촉 길이 또는 축방향 길이(L)가 길수록, 유체의 점성에 따른 유동 저항이 커져, 유체의 누설량이 줄어든다. 또한 제1스플라인 허브(90)의 외주면(92)과 피스톤 플레이트(70)의 축방향 연장부(72)의 내주면(73)의 간극(c)이 작을수록, 유체의 점성에 따른 유동 저항이 커져, 유체의 누설량이 줄어든다. 다만 이러한 경향은 거시적인 유체의 유동의 관점에서 유효한 성질이다. 도 10을 참조하면, 축방향 접촉 길이(L)가 증가할수록 오일의 누유량이 줄어드는 경향을 확인할 수 있다.

그러나, 압력차를 760kPa로 하고 오일의 온도를 섭씨 135도로 한 가혹 조건에서 실험 결과, 간극(c)이 0.02mm 이하로 작아질 경우 간극(c) 내의 유막이 충분히 유지되지 않아 피스톤 플레이트(70)의 내주면(73)과 제1스플라인 허브(90)의 외주면(92)이 직접 접촉하여 표면의 파손이 일어나는 현상을 확인할 수 있었다. 따라서 축방향 접촉 길이(L)에 관계 없이, 간극(c)은 0.02mm 보다 커야 한다.

한편, 간극(c)을 0.03mm로 할 경우, 적어도 축방향 접촉 길이(L)가 6mm 이상은 되어야 전달 토크를 확보하기에 유효한 실링 능력을 발휘할 수 있었다. 축방향 접촉 길이(L)을 증가시켜가며 실험한 결과, 축방향 접촉 길이(L)를 10mm까지 증가시키는 구간에서는, 축방향 접촉 길이(L) 대비 간극(c)이 0.58% 이하여야 전달 토크를 확보하기에 유효한 실링 능력을 발휘할 수 있었다.

실험 결과, 축방향 접촉 길이(L)를 10mm보다 크게 하였을 때, 간극(c)이 0.0578mm 이하여야 유효한 실링 능력이 발휘됨을 확인할 수 있었다. 반면 축방향 접촉 길이(L)를 10mm 이상으로 증가시킨 구간에서는 간극(c)이 여전히 0.06mm 이하여야 유효한 실링 능력이 발휘됨을 확인할 수 있었다.

즉 축방향 접촉 길이(L)가 6mm 이상이고 10mm 이하인 경우에는, 축방향 접촉 길이(L) 대비 간극(c)를 0.58% 이하로 설정할 경우 유효한 실링 능력을 발휘할 수 있다. 반면, 축방향 접촉 길이(L)가 10mm를 초과하는 경우에는, 축방향 접촉 길이(L)가 증가하는 경향과 달리 간극(c)은 일정하게 유지되어야 유효한 실링 능력이 발휘된다.

결국 유효한 실링 능력을 확보하기 위해, 축방향 접촉 길이(L)를 10mm 이상으로 증가시킬 실익이 전혀 없다. 왜냐하면, 축방향 접촉 길이(L)가 늘어나더라도 간극(c)은 0.06mm로 관리되어야 하기 때문에 간극(c)의 편차 관리가 편리해지는 이점이 전혀 없는 반면, 토크 컨버터(1)를 축방향으로 컴팩트하게 설계할 수 없게 되는 어려움만 커지게 되기 때문이다.

한편, 피스톤 플레이트(70)의 전방과 후방 간의 압력 차를 유지하여 락업클러치(60)의 전달 토크를 충분히 확보하기 위해 상기 간극(c)을 통한 누유량은 소정의 양(가령 1분당 2리터) 이하로 통제되어야 하지만, 누유량이 지나치게 적을 경우, 유체의 흐름이 적어 락업클러치(60)의 냉각이 원활하게 이루어지지 않는다는 문제가 발생한다. 즉 토크 컨버터(1) 내를 유동하는 유체는 락업클러치(60)의 냉각 기능을 하게 되는데, 누유량이 지나치게 통제되면 락업클러치(60)의 냉각이 제대로 이루어지지 않아 마모와 손상이 빨리 진행될 수 있다.

도 10의 실험과 동일 조건에서 실험 결과, 피스톤 플레이트(70)의 내주면(73)과 제1스플라인 허브(90)의 간극(c)이 축방향 접촉 길이(L)와 대비하여 0.42% 이상은 되어야 락업클러치(60)의 냉각이 원활히 이루어질 수 있는 누유량을 확보할 수 있었다.

정리하면, 피스톤 플레이트(70)와 제1스플라인 허브(90) 간의 축방향 접촉 길이(L)가 6mm 미만이면, 간극(c)이 작을 경우 유막이 제대로 형성되지 않게 되고 간극(c)이 클 경우 누유량이 많아 유효한 전달토크를 확보할 수 없게 되는바, 실링 링리스 누설 방지 구조를 구현할 수 없다.

또한 축방향 접촉 길이(L)가 10mm 초과이면 간극(c)의 관리에 대한 부담이 줄어들지도 않으면서 축방향으로 토크 컨버터(1)의 길이만 커져야 한다는 문제가 있다.

아울러 축방향 접촉 길이(L)가 6mm 이상 10mm 이하인 경우, 간극(c)을 축방향 길이(L) 대비 0.58% 이하로 유지하여야 유효한 전달토크를 확보할 수 있고, 0.42% 이상으로 유지해야 락업클러치(60)의 냉각이 이루어질 수 있는 누유량을 확보할 수 있다.

도 11은 축방향 접촉 길이(L)가 7mm이고 간극(c)이 0.04mm인 피스톤-스플라인 어셈블리의 전달토크 용량에 대한 수식 1의 계산 값과 실제 시험 값을 표시한 그래프이다. 간극(c)의 편차 제어에 대한 부담은 0.04mm 이상일 경우 현저하게 줄어드는바, 간극(c)을 0.04mm로 하고 이에 대응하여 축방향 접촉 길이(L)를 7mm로 설정하면, 토크 컨버터(1)를 컴팩트하게 설계하고 간극(c)의 치수 관리에 대한 부담을 크게 줄이면서도, 실링 링 없는 피스톤-스플라인 어셈블리 구조를 구현할 수 있다.

상기 피스톤 플레이트(70)는 판금을 프레스 가공하여 제작될 수 있다. 상기 축방향 연장부(72)는 프레스로 드로잉 가공하여 형성될 수 있다. 상기 드로잉 가공의 깊이는 10mm 이하일 수 있다. 드로잉 가공의 깊이가 10mm를 넘어서면 축방향 연장부의 축방향으로 내경의 균일도를 확보하기 어렵다. 즉 드로잉 가공을 통해 축방향 연장부를 성형하면, 반경방향 연장부에서 축방향으로 멀어질수록 축방향 연장부의 내경이 더 작아지게 되는데, 드로잉 깊이가 10mm를 넘으면, 축방향 연장부의 내경의 범위가 본 발명에서 요구하는 간극의 범위(축방향 길이의 0.42% 내지 0.58%)를 벗어나게 되어 축방향 연장부의 내주면에 추가적인 절삭 가공이 요구될 수 있다. 이러한 추가적인 절삭 가공을 통해, 축방향 연장부의 내주면의 내경의 축방향 균일도를 확보할 수 있다.

제1스플라인 허브(90)의 외주면은 축방향을 따라 동일한 외경을 가지도록 가공될 수 있다.

본 발명의 실링 링리스 누유 방지 구조에 따르면, 실링 링을 사용하는 구조와 대비하여, 제1스플라인 허브(90) 및 피스톤 플레이트(70)에 대한 가공 방법을 변경하지 않고도, 실링 링을 생략하는 것이 가능하다.

이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.

1: 토크 컨버터
I: 입력 측
O: 출력 측
10: 커버
12: 프론트커버
15: 리어커버
20: 임펠러
30: 터빈
40: 리액터
41: 리액터바디
411: 리액터블레이드
50: 원웨이 클러치
60: 락업클러치
65: 토셔널 댐퍼
70: 피스톤 플레이트
71: 반경방향 연장부
72: 축방향 연장부
73: 내주면
81: 제1유로
82: 제2유로
90: 제1스플라인 허브(입력 스플라인)
91: 실링 링
92: 외주면
95: 제2스플라인 허브(고정 스플라인)
B1: 제1베어링
B2: 제2베어링
B3: 제3베어링
L: 축방향 길이
c: 간극

Claims

제1스플라인 허브(90); 및 상기 제1스플라인 허브(90)에 대해 축방향으로 슬라이드 가능하게 설치된 피스톤 플레이트(70);를 포함하는 피스톤-스플라인 조립체로서,
상기 피스톤 플레이트(70)는:
축방향으로 연장되는 축방향 연장부(72);
상기 축방향 연장부(72)의 반경방향 내측에 마련된 내주면(73); 및
상기 축방향 연장부(72)의 일 단부에서 반경방향으로 연장되는 반경방향 연장부(71);를 포함하고,
상기 제1스플라인 허브(90)는, 상기 내주면(73)보다 작은 외경을 가지고 상기 내주면(73)과 마주하는 외주면(92)을 포함하고,
상기 축방향 연장부(72)의 내주면은 상기 제1스플라인 허브(90)의 외주면(92)과 소정의 간극(c)을 두고 배치되는, 피스톤-스플라인 조립체.
청구항 1에 있어서,
상기 축방향 연장부(72)의 내주면의 축방향 길이(L)는 6 mm 이상인, 피스톤-스플라인 조립체.
청구항 2에 있어서,
상기 간극(c)은 상기 축방향 길이(L)의 0.42% 이상 0.58% 이하인, 피스톤-스플라인 조립체.
청구항 1에 있어서,
상기 제1스플라인 허브(90)의 외주면(92)과 소정의 간극(c)을 두고 배치되는 상기 축방향 연장부(72)의 내주면(73)은, 축방향을 따라 동일한 내경을 구비하는, 피스톤-스플라인 조립체.
청구항 2에 있어서,
상기 피스톤 플레이트(70)의 축방향 연장부(72)의 내주면(73)의 축방향 길이는 10mm 이하인, 피스톤-스플라인 조립체.
청구항 5에 있어서,
상기 피스톤 플레이트(70)의 축방향 연장부(72)는 판금(sheet metal)을 프레스로 드로잉 가공하여 성형되는, 피스톤-스플라인 조립체.
청구항 1에 있어서,
상기 축방향 연장부(72)의 내주면(73)은 절삭 가공되어 제공되는, 피스톤-스플라인 조립체.
청구항 1에 있어서,
상기 피스톤 플레이트(70)의 전방과 후방의 유압 차가 760kpa이고 유온이 섭씨 135도일 때, 상기 간극(c)을 통해 이루어지는 누유의 양은 분당 2.0리터 이하인, 피스톤-스플라인 조립체.
청구항 1에 있어서,
상기 내주면(73)과 외주면(92)의 축방향 접촉길이는 7mm이고, 상기 간극(c)은 0.04mm인, 피스톤-스플라인 조립체.
청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항의 피스톤-스플라인 조립체를 포함하는 토크 컨버터.