KR102594496B1 - 토크 컨버터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 양방향 회전이 이루어지는 전기자동차용 모터에 적용할 수 있는 유체식 토크건버터에 관한 것으로, 후진 시 링기어 구속수단에 의해 링기어가 고정단에 고정되도록 하여, 토크 컨버터 입력단에 역방향의 회전 입력이 들어오더라도 토크를 증배시킬 수 있다. 상기 링기어 구속수단은 피스톤의 유압제어 유로에 연동하는 유압에 의해 작동하도록 할 수 있어 부가적인 구성의 추가를 최소화할 수 있다. 이와 같은 토크 컨버터는 양방향 구동모터와 감속기 사이에 장착되어, 일방향(전진방향) 초기 구동시는 물론 타방향(후진방향) 초기 구동시에도 토크를 증배시키게 된다.

Description

토크 컨버터{Torque Converter}

본 발명은 토크 컨버터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 양방향 회전이 이루어지는 전기자동차용 모터에 적용할 수 있는 유체식 토크건버터에 관한 것이다.

자동차는 초기 구동 시 높은 토크의 출력이 요구된다. 이에 전기자동차의 모터에는 1단 감속기를 사용하여 초기 구동 시 높은 토크를 얻고, 제어의 편의성도 확보한다.

전기자동차의 모터의 다운사이징 및 연비 상승을 위해서는 변속기가 필요하다. 그러나 이를 위해서는 클러치 액추에이터, 기어 액추에이터 및 TCU 등 부가적인 전장품이 추가되어야 한다.

이러한 제약을 피하기 위해, 기존의 유체식 토크 컨버터를 적용하는 것을 고려할 수 있다. 그러나 전기자동차의 구동원인 모터는, 일반적인 엔진과 달리 양방향 구동이 이루어진다. 따라서 이러한 구동원에 종래의 유체식 토크 컨버터를 그대로 적용할 경우, 후진 토크의 증배가 어렵다는 문제가 있다.

차량의 초기 구동은 전진 방향으로뿐만 아니라 후진 방향으로도 일어난다. 따라서, 초기 구동을 위해서는 차량의 전진뿐만 아니라 후진 시에도 출력토크가 입력토크보다 커질 필요가 있다.

내연기관의 경우 전진구동 및 후진구동 시 엔진의 회전방향은 동일하고, 변속기에 의해서 전진/후진이 결정된다. 따라서 내연기관을 적용한 자동차에는, 초기구동 시 단방향 회전에 대해서만 토크를 증배하는 액압식 토크 컨버터를 적용하더라도, 변속기가 전진 및 후진 방향을 전환하므로, 전진 및 후진 시 초기 출력토크를 증배할 수 있다.

그러나 전기자동차용 모터의 경우 전진구동과 후진구동 시 모터의 회전방향이 반대가 된다. 즉 구동원 자체가 양방향 회전이 가능하다. 따라서 모터의 출력 측에 액압식 토크 컨버터를 적용하더라도, 단방향으로 토크를 증배하는 액압식 토크 컨버터의 특성 상, 후진을 위해 모터가 역회전 구동될 경우 토크 증배가 어렵다.

따라서 양방향 회전 모터가 적용된 자동차에서 모터의 토크 증배를 위해서는 다단 감속기를 사용해야 했다. 그러나 다단 감속기는 구조가 복잡하고 이를 제어하기 위한 전장장치가 요구되기 때문에, 액압식 토크 컨버터에 비해 제조비용이 높아진다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 양 방향 회전에 대해 모두 토크를 증배할 수 있어, 양방향 구동 모터가 적용된 차량에 적용할 경우 전장창치를 생략하거나 최소한의 전장장치만을 적용하여 제조비용을 절감할 수 있는 액압식 토크 컨버터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 후진 시 링기어 구속수단에 의해 링기어가 고정단에 고정되도록 하여, 토크 컨버터 입력단에 역방향의 회전 입력이 들어오더라도 토크를 증배시킬 수 있는 토크 컨버터를 제공한다.

상기 링기어 구속수단은 유압에 의해 작동할 수 있다. 그리고 상기 유압은 피스톤의 유압제어 유로에 연동될 수 있다.

상기 링기어 구속수단은 전기적인 수단에 의해 작동할 수 있다. 상기 전기적인 수단은 솔레노이드와 같은 액추에이터일 수 있다.

상기 토크 컨버터는 양방향 구동모터와 감속기 사이에 장착되어, 일방향(전진방향) 초기 구동시는 물론 타방향(후진방향) 초기 구동시에도 토크를 증배시키게 된다.

구체적으로 상기 토크 컨버터는, 동력이 입력되고, 고정단(90)에 대해 상대적으로 회전하는 케이스(10); 상기 케이스(10)의 동력을 전달받아 출력하는 출력축(80); 및 유성기어 어셈블리(30);를 포함한다.

유성기어 어셈블리는, 상기 케이스(10)와 일체로 회전하는 선기어(31); 상기 선기어(31)의 반경방향 외측에서 상기 선기어(31)와 동심 배치되고 상기 고정단(90)과 원웨이 클러치(42)를 통해 연결되는 링기어(35); 및 상기 선기어(31)와 링기어(35) 사이에서 상기 선기어(31)의 외주와 상기 링기어(35)의 내주를 따라 선회 가능하도록 상기 선기어(31)의 외주와 상기 링기어(35)의 내주에 맞물리고 상기 출력축(80)과 캐리어를 통해 연결된 피니언 기어(33)를 포함한다.

상기 토크 컨버터는, 상기 고정단(90)에 대해 회전 구속되고, 상기 고정단(90)에 대해 축방향으로 슬라이드 이동 가능하게 연결되며, 상기 고정단(90)에 대해 축방향으로 슬라이드 이동함에 따라 상기 링기어(35)와 간섭되어 링기어(35)의 회전을 구속하거나 상기 링기어(35)와 간섭 해제되어 상기 링기어(35)의 회전을 구속하지 않는 링기어 고정플레이트(45); 및 상기 링기어 고정플레이트(45)를 슬라이드 이동시키는 이동수단;을 포함한다.

상기 이동수단은, 상기 링기어 고정플레이트(45)를 기준으로 상기 링기어(35)의 반대편으로부터 상기 링기어 고정플레이트(45)를 상기 링기어(35) 쪽으로 가압하거나 가압 해제하는 제3유압경로(A3)를 포함할 수 있다.

상기 이동수단은, 상기 링기어 고정플레이트(45)가 상기 링기어(35)로부터 멀어지는 방향으로 상기 링기어 고정플레이트(45)를 탄성 가압하는 스프링(47)을 포함할 수 있다.

상기 이동수단은, 액추에이터를 포함할 수 있다.

상기 케이스(10)에는 임펠러(50)가 설치되고, 상기 임펠러(50)와 마주하여 유체를 통해 상기 임펠러(50)의 동력을 전달받는 터빈(60)은 상기 피니언 기어(33)의 캐리어에 연결될 수 있다.

상기 피니언 기어(33)의 캐리어는 댐퍼(73)에 연결되고, 상기 댐퍼(73)에는 록업 동작시 축방향으로 슬라이드 이동하는 록업 피스톤(70)이 연결되며, 상기 케이스(10)와 록업 피스톤(70) 사이에는 마찰재(71)가 배치될 수 있다.

상기 토크 컨버터는, 상기 마찰재(71)가 개재된 케이스(10)와 록업 피스톤(70) 사이의 공간으로 유체를 유입시키는 제1유압경로(A1)와, 상기 록업 피스톤(70)의 배면 쪽 공간으로 유체를 유입시키는 제2유압경로(A2)를 포함할 수 있다.

본 발명의 토크 컨버터에 따르면, 정방향 입력뿐만 아니라 역방향 입력의 경우에도, 토크 증배가 가능하다.

본 발명의 토크 컨버터에 따르면, 링기어 고정플레이트를 추가하는 것만으로, 양방향 토크 증배가 가능하다.

본 발명의 토크 컨버터에 따르면, 토크 컨버터의 유압경로에 추가적인 제3유압경로를 간단히 더하는 것만으로 링기어 고정플레이트를 제어하는 것이 가능하므로, 양방향 토크 증배를 위한 추가적인 구성을 최소화할 수 있다.

본 발명의 토크 컨버터는, 양방향 회전 모터를 사용하는 차량에서 모터와 감속기 사이에 장착될 수 있으며, 다단 감속기의 적용을 생략할 수 있어 제조비용을 크게 절약할 수 있다.

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

도 1은 본 발명에 따른 토크 컨버터의 실시예의 개념적인 도면이다.
도 2는 전진 방향 초기 구동 단계에서 토크 컨버터의 작동을 나타낸 도면이다.
도 3은 전진 방향 속도 동기화 단계에서 토크 컨버터의 작동을 나타낸 도면이다.
도 4는 전진 방향 록업 단계에서 토크 컨버터의 작동을 나타낸 도면이다.
도 5는 후진 방향 초기 구동 단계의 토크 컨버터의 작동을 나타낸 도면이다.
도 6은 링기어 고정플레이트의 작동을 나타낸 확대도이다.
도 7은 초기 구동 시부터 전진 방향 구동의 토크 출력을 나타낸 그래프이다.
도 8은 초기 구동 시부터 후진 방향 구동의 토크 출력을 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, 제2 등과 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.

실시예의 토크 컨버터는 축을 기준으로 대칭을 이루므로, 작도의 편의 상, 축을 기준으로 반만 도시한다. 또한 설명의 편의 상, 토크 컨버터의 회전의 중심을 이루는 축의 길이방향을 따르는 방향을 축방향이라 한다, 즉 전후 방향 또는 축방향은 회전축과 나란한 방향으로서, 전방(앞쪽)은 동력원인 어느 일 방향, 가령 엔진 쪽으로 향하는 방향을 의미하고, 후방(뒤쪽)은 다른 일 방향, 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]

토크 컨버터(1)는 고정단(90), 고정단(90)에 대해 상대적인 회전이 가능한 케이스(10) 및 고정단(90)에 대해 상대적인 회전이 가능한 출력축(80)을 구비한다.

케이스(10)는 용접(W)에 의해 일체화되는 프론트커버(11)와 백커버(12)를 포함한다. 프론트커버(11)의 중심에는 선기어(31)가 연결된다. 선기어(31)는 회전축을 중심으로 정렬되어 있고, 케이스(10)와 선기어(31)는 일체로 회전한다. 선기어(31), 피니언기어(33; 유성기어) 및 링기어(35)는 유성기어 어셈블리(30)를 구성한다.

피니언기어(33)는 선기어(31)의 외주에 맞물리고, 링기어(35)의 내주에 맞물려, 자신의 축을 중심으로 회전(자전)함은 물론, 토크 컨버터의 회전축의 둘레 방향으로 선회(공전)한다. 상기 피니언기어(33)는 출력축(80)과 연결된다. 따라서 피니언기어(33)가 회전축의 둘레를 한 바퀴(360도) 선회(공전)하면, 출력축(80)도 한 바퀴(360도) 회전한다. 출력축(80)은 베어링(B1, B4)을 통해 상기 고정단(90)에 회전 가능하게 지지될 수 있다.

링기어(35)는 리액터 어셈블리(40)를 통해 고정단(90)에 연결된다. 리액터 어셈블리(40)에는 원웨이 클러치(42)가 설치된다. 원웨이 클러치(42)는 상기 링기어(35)가 고정단(90)에 대해 일방향(제1방향, 정방향)으로 회전하는 것은 허용하고 타방향(제2방향, 역방향)으로 회전하는 것은 제한한다. 리액터 어셈블리(40)는 베어링(B2)을 통해 고정단(90)에 회전 가능하게 지지될 수 있다.

백커버(12)는 리액터 어셈블리(40)를 통해 고정단(90)에 연결된다. 백커버(12)는 베어링(B3)을 통해 리액터 어셈블리(40)와 연결될 수 있다. 베어링(B3)은 백커버(12)와 리액터 어셈블리(40) 간의 상대적인 회전을 안내한다.

케이스(10) 내부 공간에서 백커버(12)에는 임펠러(50)가 고정된다. 임펠러(50)는 유성기어 어셈블리(30)보다 반경방향으로 더 외측에 배치된다. 상기 케이스(10), 선기어(31) 및 임펠러(50)는 일체로 회전한다.

임펠러(50)의 앞에는 터빈(60)이 마주하여 배치된다. 터빈(60)은 댐퍼(73)와 상기 피니언기어(33)의 축을 거쳐 출력축(80)과 연결된다. 따라서 댐퍼(73), 피니언기어(33)의 축 및 출력축(80)은 일체로 회전한다.

케이스(10) 내부에서 댐퍼(73)의 전방에는 록업 피스톤(70)이 설치된다. 록업 피스톤(70)은 댐퍼(73)와는 회전방향으로 구속되고, 전후 방향으로 이동 가능하다. 프론트커버(11)의 뒷면과 록업 피스톤(70)의 앞면은 서로 마주한다. 프론트커버(11)의 뒷면 또는 록업 피스톤(70)의 앞면에는 마찰판(71; 마찰재)이 설치된다. 따라서 록업 피스톤(70)이 전진하여, 프론트커버(11)와 록업 피스톤(70)이 마찰판(71)을 사이에 두고 강하게 압착하면, 프론트커버(11)의 회전력이 댐퍼(73)에 그대로 전달된다. 한편, 본 발명에 사용되는 록업 클러치는 도 1에 도시된 단판 클러치 형태에 특별히 제한되지 않으며, 토크 컨버터 분야에서 알려진 다양한 형태의 록업 피스톤이 사용될 수 있다. 예컨대, 다수의 마찰판을 포함하는 다판 클러치를 사용하거나, 터빈 쉘을 록업 피스톤(70)로 사용하는 터빈록업 클러치를 사용할 수도 있다.

링기어 고정플레이트(45)는 상기 고정단(90)에 대해 회전 방향으로 구속되고, 축방향으로는 소정의 범위 내에서 슬라이드 가능하게 설치된다. 상기 링기어 고정플레이트(45)는 판스프링(47)에 의해 후방으로 탄성력을 받는다. 따라서 링기어 고정플레이트(45)는, 기본적으로 축방향 후방에 위치한다.

링기어 고정플레이트(45)가 소정의 범위 내에서 전방으로 이동하여 리액터 어셈블리(40)와 맞물리면, 링기어 고정플레이트(45)와 리액터 어셈블리(40)는 회전방향으로 서로 구속된다. 따라서 링기어 고정플레이트(45)가 전방으로 이동하면, 고정단(90), 링기어 고정플레이트(45), 리액터 어셈블리(40) 및 링기어(35)는 일체로 고정된다.

설명하지 않은 도면부호 S는 유압유의 누설을 방지하는 실링 부재이다.

프론트커버(11)의 중심축은 중공 축 형상을 이루고, 출력축(80)도 중공 축 형상을 이룬다. 상기 프론트커버(11)의 중심축의 중공부와 출력축(80)의 중공부는 제1유압경로(A1)를 구성한다. 그리고 출력축(80)의 외주면과 고정단(90)의 내주면 사이의 공간은 제2유압경로(A2)를 구성한다. 제1유압경로(A1), 제2유압경로(A2) 및 케이스(10)의 내부 공간은 자동변속기 유체(ATF)가 흐르는 공간으로서, 제1유압경로(A1)과 제2유압경로(A2)는 상기 케이스(10)의 내부 공간을 통해 서로 연결된다. 제1유압경로(A1)에서 제2유압경로(A2) 방향으로 유체가 이동하면, 케이스(10) 내에서, 록업 피스톤(70)이 후진하는 방향으로 유압이 가해지고, 링기어 고정플레이트(45)가 후진하는 방향으로 유압이 가해진다. 제2유압경로(A2)에서 제1유압경로(A1) 방향으로 유체가 이동하면, 케이스(10) 내에서, 록업 피스톤(70)이 전진하는 방향으로 유압이 가해진다. 한편, 본 발명의 토크 컨버터의 유압경로는 이에 한정되지 않으며 록업 피스톤(70)의 정밀한 동작을 위해 추가적인 유압경로를 더 포함할 수 있다. 예컨대 ATF의 순환 및 록업 클러치의 작동은 도 1에 도시된 바와 같이 2개의 유압경로를 통해 이루어지거나, 3개의 유압경로 또는 4개의 유압경로를 통해서도 이루어질 수도 있다.

상기 백커버(12)의 내주면과 고정단(90)의 외주면 사이의 공간은 제3유압경로(A3)를 이룬다. 제3유압경로(A3)에 유압이 차면 링기어 고정플레이트(45)가 전진하고, 제3유압경로(A3)에 유압이 빠지면 링기어 고정플레이트(45)가 후진한다.

상술한 토크 컨버터에 따르면, 초기 구동 시 토크 증배는 유성기어 어셈블리(30), 리액터 어셈블리(40)의 원웨이 클러치(42) 및 링기어 고정플레이트(45)의 작동에 의해 이루어지고, 속도 동기화는 임펠러(50)와 터빈(60)에 의해 이루어지며, 록업은 록업 피스톤(70), 마찰판(71), 댐퍼(73) 및 프론트커버(11)에 의해 이루어진다. 오일 펌프(미도시)는 유체(ATF)의 흐름을 제어한다.

[전진 초기 구동 시 토크 증배]

이하 도 2를 참조하여 전진 초기 구동 시 토크 증배에 대해 설명한다.

최초 동작 시에는 케이스(10)의 회전이 느리기 때문에 임펠러(50)의 회전에 의한 터빈(60)의 회전은 거의 무시할 수 있다. 따라서 입력 토크는 프론트커버(11)를 통해 선기어(31)로 입력되는데, 선기어(31)는 정방향 회전을 하고, 피니언 기어(33)는 감속된 속도로 정방향 회전을 하려 하고, 링기어(35)는 피니언 기어의 반력에 의해 역방향 회전을 하려 한다. 이때 고정단(90)에 연결되는 원웨이 클러치(42)가 링기어(35)의 역방향 회전을 구속하여 링기어(35)를 고정단(90)에 고정시킨다. 따라서 피니언 기어(33)는 설정된 기어비에 따라 캐리어(피니언 기어를 지지하는 부품)와 출력축을 통해 증배된 출력 토크를 발생시킨다.

즉 전진 초기 구동 시에는 프론트커버(11)와 일체형 조립된 선기어(31)를 통해 동력이 전달된다고 할 수 있으며, 링기어(35)에 부착된 원웨이 클러치(42)의 클러치 작용을 통해 링기어(35)가 회전구속이 되어 일정한 기어비를 가진 유성기어만으로 토크증배가 되어 동력이 전달된다.

전진 초기 구동 시에는 프론트커버(11)와 록업 피스톤(70) 사이의 경로를 통하여 자동변속기 유체(ATF)가 유입된다(제1유압경로 → 케이스 내부 → 제2유압경로). 그러면 록업 피스톤(70)을 프론트커버(10)로부터 멀어지는 방향으로 밀어 록업 마찰이 발생하지 않게 되고, 록업은 이루어지지 않는다.

유체는 그 후에 터빈(60)과 임펠러(50)가 있는 곳으로 이동하여 유체 클러치의 효율에 영향을 미칠 수 있지만, 터빈(60)과 임펠러(50)의 블레이드 각도 조절을 통해 저 속도차 영역에서의 효율도 높일 수 있다.

[전진 초기 구동 후 속도 동기화]

이하 도 3을 참조하여 전진 초기 구동 시 토크 증배 후 속도 동기화 과정에 대해 설명한다.

속도 동기화 구간에서는, 임펠러(50)의 회전속도가 증가하였기 때문에 터빈(60)의 회전이 발생한다. 따라서 입력 토크는, 선기어(31)를 통해 피니언 기어(33)에 입력될 뿐만 아니라, 유체클러치(터빈)를 통해서도 피니언 기어(33)에 추가적으로 입력된다. 이에 따라 링기어(35)는 추가된 피니언 기어(33)의 정방향 회전에 의해 정방향으로 회전하려고 한다. 원웨이 클러치(42)는 링기어(35)의 정방향 회전을 허용하기 때문에, 터빈(60)의 회전력이 계속 증가함에 따라 링기어(35)의 회전이 가속화된다. 링기어(35)가 정방향으로 회전하기 때문에 유성기어 어셈블리(30)에 의한 토크 증배는 점점 작아지지만 유체 클러치(50-60)를 통해 피니언 기어(33)에 토크가 직접 입력됨에 따라 입력과 출력의 속도비(출력/입력)는 점차 커진다(1을 향해 수렴, 입력과 출력이 점점 같아진다).

즉 속도 동기화 구간에서는, 입력축과 출력축의 속도차이가 더욱 커질수록 유체 클러치에 의한 힘이 커지게 되고, 이 힘은 입력축과 출력축의 속도 동기화를 만들어낸다. 터빈(60)과 캐리어는 직접 연결되어 있기 때문에 캐리어의 회전속도는 입력축과 동일하게 증가한다. 이때 이 캐리어의 속도 증가는 링기어(35)를 상대적으로 회전하게 만드는데(원웨이 클러치의 베어링 작용), 이로 인해 링기어(35)의 구속 역할이 줄어들면서 동력전달의 비중이 유성기어로부터 유체클러치 쪽으로 점점 넘어가 전환된다.

[전진 시 속도 동기화 후 록업]

이하 도 4를 참조하여 속도 동기화 후 록업 과정에 대해 설명한다.

속도가 동기화된 후, 제2유압경로(A2)를 거쳐, 백커버(12)와 리액터 어셈블리(40) 사이의 경로를 통해 자동변속기 유체(ATF)가 유입된다. 이에 따라 케이스(10)에 유입된 유체는 록업 피스톤(70)을 마찰판(71) 쪽으로 밀게 되어 록업이 이루어지게 된다.

록업이 되게 되면 선기어(31)와 피니언(33) 기어에 동일한 회전력이 입력되고 원웨이 클러치(42)는 링기어(35)를 프리-휠링(free-wheeling)하기 때문에 입력과 출력의 속도비는 1이 된다.

록업 클러치(70)의 작용으로 록업이 이루어지면, 입력축과 출력축은 직결이 되어 동력전달이 된다. 유성기어 어셈블리(30)는 장착된 원웨이 클러치(42)의 베어링 작용으로 인해 별의 기어 작용 없이 일체로 회전하게 된다.

[후진 구동]

이도 도 5를 참조하여 후진 구동에 대해 설명한다.

후진 시에는 유압에 의해 작용하는 링기어 구속수단(45)에 의해 링기어(35)가 고정단에 고정된다. 만일 링기어 구속수단(45)이 없다면 초기 후진구동에서, 선기어(31)와 피니언기어(33)는 역방향 회전을 하고, 링기어(35)는 정방향 회전을 하려고 한다. 그런데 원웨이 클러치(42)는 링기어(35)의 역방향 회전만 구속하기 때문에 링기어를 구속하지 못하게 된다. 이 경우 유성기어는 토크 증배 작용을 하지 못한다.

원웨이 클러치(42)로는 역방향 초기 구동 시 토크 증배를 하지 못하는 문제를 해결하기 위해, 실시예에서는, 도 6에 도시된 바와 같이 유압에 의해 작용하는 링기어 구속수단(45)에 의해 링기어(35)의 정방향 회전을 구속함으로써, 피니어 기어(33)가 캐리어를 통해 증배된 토크를 출력하도록 하였다.

한편, 후진 구동은 일정한 속도 이하로 제한되기 때문에, 전진 구동처럼 유체 클러치에 의해 피니언 기어(33)로 추가적인 토크가 입력되도록 할 필요는 없다.

한편, 링기어 구속수단인 링기어 고정플레이트(45)은 유압을 사용하여 작동하기 때문에, 어차피 사용되는 피스톤의 유압제어 유로(제1유압경로와 제2유압경로를 거치는 입력유로/출력유로)에 단순한 제어유로를 하나 더 추가하는 것만으로도 후진구동을 제어할 수 있는 효과가 있다.

그러나 본 발명이 링기어 구속수단을 유압으로 작동시키는 것에 한정되는 것은 아니다. 즉 링기어 구속수단을 액추에이터(솔레노이드 등)와 같은 전기적인 수단으로 구현할 수도 있음은 물론이다.

후진 구동 시에는 프론트커버(11)와 록업 피스톤(70) 사이의 경로를 통하여 자동변속기 유체(ATF)가 유입된다(제1유압경로 → 케이스 내부 → 제2유압경로). 그러면 록업 피스톤(70)을 프론트커버(10)로부터 멀어지는 방향으로 밀어 록업 마찰이 발생하지 않게 되고, 록업은 이루어지지 않는다.

이에 더하여, 후진 시 제3유압경로(A3)를 통해 링기어 고정 플레이트(45)를 리액터 어셈블리(40)와 기구적으로 직결 되도록 밀어준다. 그러면 링기어(35)는 고정단(90)에 대해 강제 고정된다.

후진 시에는 위와 같이 유압을 제어하여, 저속에서부터 고속까지 록업이 이루어지지 않게 하고, 오직 유성기어를 통해서 토크증배가 된 채로 구동되도록 제어될 수 있다.

후진 시 고속 영역에 이르러 입력과 출력 간 큰 속도차가 있는 경우에도, 터빈(60)과 임펠러(50)의 블레이드의 형상 특성으로 인해 유체클러치 역할을 극히 미미하게 할 수 있어, 동력 전달 효율을 만족시킬 수 있다.

[속도에 따른 출력 토크]

도 7을 참조하면, 실시예의 토크 컨버터에 의한 출력 토크는 다음과 같이 정리할 수 있다.

(1) 유성기어 구간: 유성기어에 의한 토크 증배 영역으로서, 출력의 대부분이 기어 토크로 출력되는 구간

→유성기어 토크 + 극소 유체토크 = (기어비) × 입력토크

(2) 유성기어 + 유체 구간: 차속이 높아짐에 따라 유체 커플링 작용으로 유체토크는 증가하고 기어 토크는 감소하는 구간

→유성기어 토크 + 극소 유체토크 = (기어비) × 입력토크

→유성기어 토크↓ + 유체토크↑ = (기어비) × 입력토크

→극소 유성기어 토크 + 유체토크 = (극소기어비) × 입력토크

(3) 유체 구간: 기어 작용은 없이 유체커플링을 통한 동력 전달 구간

→ 유체 토크 = 입력 토크

(4) 유체 + 록업 구간: 록업 슬립 구간으로 록업 전 슬립에 따라 유체 커플링 작용이 감소하는 구간

→ 유체 토크 + 록업 슬립 토크 = 입력 토크

(5) 록업 구간: 입/출력 직결 구조로 입력토크와 출력토크가 동일한 구간

→ 록업 토크 = 입력토크

다음으로, 도 8을 참조하면, 실시예의 토크 컨버터에 의한 출력 토크는 다음과 같이 정리할 수 있다.

유성기어 구간: 유성기어에 의한 토크 증배 영역으로 출력의 대부분이 기어 토크로 출력

→ 유성기어 토크 + 극소 유체토크 = (기어비) × 입력토크

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
10: 케이스
11: 프론트커버
12: 백커버
30: 유성기어 어셈블리
31: 선기어(sun gear)
33: 피니언 기어
35: 링기어
40: 리액터 어셈블리
42: 원웨이 클러치(OWC)
45: 링기어 고정플레이트
47: 스프링
50: 임펠러
60: 터빈
70: 록업 피스톤
71: 마찰재(마찰판)
73: 댐퍼
80: 출력축
90: 고정단
A1: 제1유압경로
A2: 제2유압경로
A3: 제3유압경로

Claims (7)

1. 동력이 입력되고, 고정단(90)에 대해 상대적으로 회전하는 케이스(10);
   상기 케이스(10)의 동력을 전달받아 출력하는 출력축(80);
   상기 케이스(10)와 일체로 회전하는 선기어(31)와, 상기 선기어(31)의 반경방향 외측에서 상기 선기어(31)와 동심 배치되고 상기 고정단(90)과 원웨이 클러치(42)를 통해 연결되는 링기어(35)와, 상기 선기어(31)와 링기어(35) 사이에서 상기 선기어(31)의 외주와 상기 링기어(35)의 내주를 따라 선회 가능하도록 상기 선기어(31)의 외주와 상기 링기어(35)의 내주에 맞물리고 상기 출력축(80)과 캐리어를 통해 연결된 피니언 기어(33)를 포함하는 유성기어 어셈블리(30);
   상기 고정단(90)에 대해 회전 구속되고, 상기 고정단(90)에 대해 축방향으로 슬라이드 이동 가능하게 연결되며, 상기 고정단(90)에 대해 축방향으로 슬라이드 이동함에 따라 상기 링기어(35)와 간섭되어 링기어(35)의 회전을 구속하거나 상기 링기어(35)와 간섭 해제되어 상기 링기어(35)의 회전을 구속하지 않는 링기어 고정플레이트(45); 및
   상기 링기어 고정플레이트(45)를 슬라이드 이동시키는 이동수단;을 포함하는 토크 컨버터.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 이동수단은, 상기 링기어 고정플레이트(45)를 기준으로 상기 링기어(35)의 반대편으로부터 상기 링기어 고정플레이트(45)를 상기 링기어(35) 쪽으로 가압하거나 가압 해제하는 제3유압경로(A3)를 포함하는 토크 컨버터.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 이동수단은, 상기 링기어 고정플레이트(45)가 상기 링기어(35)로부터 멀어지는 방향으로 상기 링기어 고정플레이트(45)를 탄성 가압하는 스프링(47)을 포함하는 토크 컨버터.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 이동수단은, 액추에이터를 포함하는 토크 컨버터.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 케이스(10)에는 임펠러(50)가 설치되고,
   상기 임펠러(50)와 마주하여 유체를 통해 상기 임펠러(50)의 동력을 전달받는 터빈(60)은 상기 피니언 기어(33)의 캐리어에 연결되는 토크 컨버터.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 피니언 기어(33)의 캐리어는 댐퍼(73)에 연결되고,
   상기 댐퍼(73)에는 축방향으로 슬라이드 이동하는 록업 피스톤(70)이 연결되며,
   상기 케이스(10)와 록업 피스톤(70) 사이에 마찰재(71)가 배치되는 토크 컨버터.
   
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 마찰재(71)가 개재된 케이스(10)와 록업 피스톤(70) 사이의 공간으로 유체를 유입시키는 제1유압경로(A1)와,
   상기 록업 피스톤(70)의 배면 쪽 공간으로 유체를 유입시키는 제2유압경로(A2)를 포함하는 토크 컨버터.