KR20020015613A

KR20020015613A - 기어 치합을 통해 신뢰성 있는 무단 변속 동작을 수행하는 변속기와, 그를 이용한 차량용 무단 변속 장치

Info

Publication number: KR20020015613A
Application number: KR1020000048778A
Authority: KR
Inventors: 구택서
Original assignee: 구택서
Priority date: 2000-08-22
Filing date: 2000-08-22
Publication date: 2002-02-28
Also published as: US20030004030A1; WO2002016802A1; KR100374770B1; US6645106B2; AU2001282633A1

Abstract

본 발명은 동력 손실을 최소화 하면서 기어 치합을 통해 신뢰성 있는 무단변속 동작을 수행하는 변속기와, 그를 이용하여 엔진출력에 대한 최적의 변속비를 무단으로 제공하는 차량용 무단변속 장치에 관한 것으로, 본 발명의 무단변속 장치는 유성기어 치차장치와 유압모터 및 서보 밸브를 구비하며, 제1 운동(유성기어 <구동>, 링기어 <종동>, 선기어 <고정>)시 정방향 증속 운동을 하고, 제2 운동(유성기어 <고정>, 링기어 <종동>, 선기어 <구동>)시 역방향 감속 운동을 하며, 상기 제1 및 제2 운동을 중첩시키면 출력비가 무단으로 변환되어 출력되는 특징이 있다. 입력축 회전력을 주 구동 터빈축 유성기어와 부 구동 선기어에 분배하여 각기 다른 기능을 수행하게 한다. 즉, 주 구동 터빈축 유성기어가 부 구동 변속선기어를 중심으로 자전과 공전을 하며, 종동축 링기어에 회전력을 전달할 때, 부 구동 변속선기어를 서서히 터빈축 회전방향으로 회전시키면 출력비가 변화하며 회전수를 증가시키면 감속비가 증가하고 감소시키면 감속비가 감소하는 무단변속이 미세하고 유연하게 이루어지는 1차 변속을 한다. 뿐만 아니라, 부 구동 변속선기어 회전수를 고정시키고 터빈축 회전수를 증가 또는 감소시키면 출력 증속비가 증가 또는 감소하는 2차 변속이 이루어지는 2중 무단변속 장치이다. 분배된 회전력은 변속가공 과정에서 합성되여 출력되므로 부 구동 선기어 회전시에 동력소모는 거의 없다. 또한 부 구동축 동력은 변속기내부에 설치된 오일펌프에서 유압을 공급받아 유압모터에 의해 구동되며 회전제어는 서보벨브의 유량제어로 제어되며 서보밸브는 콘트롤러(TCU)의 신호에 제어되며 주 구동 터빈축 유성기어가 부 구동 변속선기어를 중심축으로 자전과 공전을 하며 종동축 링기어에 회전력을 전달할 때 동방향으로 변속선기어에 회전력이 발생되어 아주 적은 동력으로구동이 가능하며 입력축 동력에 비례하여 회전력이 발생되어 작은 동력에서 큰 동력도 변속제어 가능한 특징이 있다. 이를 자동차에 적용하여 엔진출력, 차속, 스로틀 개도율, 변속선기어 회전수, 브레이크 압력등을 콘트롤러(TCU)에서 연산하여 시변환적으로 변화는 운행조건 및 도로조건에 최적의 변속비를 실시간으로 미세하고 유연하게 제공하여 연료절감, 출력향상, 매연 및 소음감소 뿐만아니라 안락한 운행을 가능하게 한다.

Description

기어 치합을 통해 신뢰성 있는 무단 변속 동작을 수행하는 변속기와, 그를 이용한 차량용 무단 변속 장치{A STEPLESS TRANSMISSION AND A TRANSMISSION APPARATUS FOR VEHICLES SUING THE SAME}

본 발명은 동력 손실을 최소화하면서 기어 치합을 통해 신뢰성 있는 무단 변속 동작을 수행하는 변속기 및 그 기어 조합 방식과, 그를 이용하여 엔진출력에 대한 최적의 변속비를 무단으로 제공하는 차량용 무단변속 장치에 관한 것이다.

지금까지, 다 종의 무단 변속기가 제안된 바 있으며, 그 종류를 살펴보면 크게 기계식, 전기식, 유압식으로 나눌 수 있다.

차량에 적용된 무단 변속 장치로는, 기계식으로 마찰차식, 밸트식, 체인식이 주로 사용되고 있다. 그러나 이들 방식은 하기와 같은 문제점을 내포하고 있다.

우선 마찰차식의 경우 마찰면의 마모 및 이물질 유입시 동력전달 실패(PowerFailure)에 의한 동력 손실이 발생되는 단점이 있다. 또한 밸트식은 밸트의 장력이 낮으면 슬립(slip)이 발생되고 밸트의 장력이 높으면 밸트에 과부하가 발생되며 풀리와 밸트의 접지면에 마모 및 이물질유입으로 인한 슬립으로 동력손실이 발생된다. 체인식은 변속은 연속적이지만 체인과 풀리와의 접속은 불연속적이기 때문에 풀리와 접촉시 충격음이 발생하며 체인의 중량으로 인하여 원심력이 증가하므로 최고속도 및 대형화에 한계가 있는 단점이 있다.

한편, 기어의 치합을 통한 신뢰성 있는 변속동작을 제공하기 위한 무단변속 기술로서, 본 출원인이 특허출원 제97-45324호(무단 변속기), 제97-58590호(차량용 무단 변속 장치), 및 제98-36378호(무단 변속기 및 그를 이용한 차량용 변속 장치)를 제안한 바 있으나, 이들의 경우도 기어조합 구조가 복잡하여 그 기어 치합을 통한 변속동작에 따라 얻어지는 동력손실 및 제작비용 절감효과가 저감되는 한계를 내포하고 있다.

상기와 같은 종래의 제반 문제점들을 해결하기 위하여 제안된 본 발명은, 동력손실을 최소화하며 기어 치합식으로 신뢰성 있는 무단 변속 동작을 수행하는 변속기를 제공함에 그 목적을 두고 있다.

또한, 본 발명은 간단한 구조로 이루어질 뿐만 아니라 동력손실을 최소화하며 신뢰성 있는 무단 변속 동작을 수행하는 차량용 무단 변속 장치를 제공함에 또다른 목적을 두고 있다.

또한, 본 발명은 이동체 등에서 엔진 출력에 대해 기어 치합을 통한 변속 동작이 무단으로 이루어지고, 간편하게 전후진 동작 제어를 가능하게 하는, 동력 전달용 기어 조합 방법을 제공함에 또 다른 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 변속기의 유성기어 조합방식을 설명하기 위한 개략도,

도 2A 내지 도 2F는 본 발명에 따른 무단 변속기의 변속원리 설명도,

도 3은 본 발명에 따른 차량용 무단 변속 장치가, 공지의 동력 발생 장치와, 유압형성 및 제공 장치와, 차륜을 구동하는 차륜구동 장차와, 차량의 전반적인 작동부들을 전자적으로 제어하기 위한 전자 제어 장치를 구비한 공지의 차량에서, 타 구성부들과의 연결 및 작동 상태를 설명하기 위한 일실시예 구성 예시도,

도 4는 종래의 5단 변속장치와 본 발명의 무단변속 장치의 동작특성 비교도.

*도면의 주요 부분에 대한 설명

1 : 토크컨버터 2 : 터빈 샤프트

3 : 전진클러치 4 : 후진클러치

5 : 링기어 6 : 유성기어 세트

7 : 변속 선기어 8 : 후진 선기어

9 : 유압모터(엑추레이터) 10 : 오일펌프 샤프트

11 : 오일 펌프 12 : 서보 밸브

13 : 차동기어 14 : 체크벨브

15 : 어큐물레이터 16 : 매뉴얼밸브

17 : 레귤레이터 18 : 릴리프밸브

19 : 릴레이밸브 20 : 바이패스 밸브

21 : 출력 샤프트 22 : 변속선기어 회전센서

23 : 브레이크 압력 센서 24 : 차속 센서

25 : 엔진 회전수 센서 26 : 스로틀개도율 센서

27 : 콘트롤러(TCU)

본 발명에 따른 무단변속기는, 입력단으로 인가되는 주 구동력을 무단으로 변속하면서 출력하되, 특히 기어 치합을 통해 신뢰성 있는 무단 변속 동작을 수행하는 구조를 갖는 것으로서, 상기 입력단 샤프트에 연결되었으며 다수의 유성기어 세트들을 지지하면서 공전시키는 캐리어 수단; 상기 캐리어 수단에 의해 지지되면서 자유회전하도록 조립되며, 일체로 형성되는 각 유성기어 셋트의 일측 유성기어 (S1) 잇수가 타측 유성기어(S2) 잇수보다 상대적으로 적게 형성된 다수의 유성기어셋트(S1,S2); 상기 잇수가 많은 쪽의 유성기어(S2) 배열 외측으로 치합되어 전달 받은 회전력을 출력단 샤프트로 제공하는 제 1 출력 수단; 상기 잇수가 많은 쪽의 유성기어(S2) 배열 내측에 치합되어 전달 받은 회전력을 축력단 샤프트로 제공하는 제 2 출력 수단; 및 상기 잇수가 적은 쪽의 유성기어(S1) 배열 내측에 치합되어 있으며 부 구동력에 의해 상기 캐리어 수단과 동방향으로 회전하면서 그 회전 속도 변화에 따라 변속이 이루어지도록 하는 변속 수단을 포함한다.

그리고 상기 입력단 샤프트와 상기 캐리어 수단간의 연결은 스프라인으로 결합된다. 또한, 상기 제 1 출력 수단은 상기 잇수가 많은 유성기어(S2) 배열 외측에 치합되여 회전하는 링기어와, 상기 링기어와 상기 출력단 샤프트간의 연결을 단속하는 전진클러치를 포함하고, 상기 제 2 출력수단은 잇수가 많은 유성기어(S2) 배열 안쪽에 치합되여 회전하는 후진선기어와, 상기 후진선기어와 출력단 구동축간의연결을 단속하는 후진클러치를 포함하며. 상기 변속 수단은 상기 잇수가 적은 유성기어(S1) 배열 안쪽에 치합되여 회전하는 변속선기어와, 상기 변속선기어가 캐리어수단과 동방향으로 회전하거나 정지상태를 유지하도록 동력을 제공하는 유압모터를 포함한다.

그리고, 상기 변속수단은 상기 무단변속기가 제 1 출력 수단을 통해 회전력을 전달하는 경우에는 상기 유압모터를 통해 변속선기어가 캐리어 수단과 동방향으로 회전하도록 동력을 제공하되 그 회전속도 변화에 의해 상기 입/출력단 사이에서 무단변속이 이루어 지도록 하고, 상기 제 2 출력 수단을 통해 회전력을 전달하는 경우에는 상기 유압모터가 정지하여 상기 변속선기어가 정지상태를 유지하도록 함으로써 입/출력단 사이에 기어 잇수비에 의한 고정변속이 이루어 지도록 하며, 특히 상기 제 1 출력 수단으로 회전력이 전달되는 경우 상기 입력단 샤프트를 통해 제공되는 주 구동 회전력과 상기 유압모터를 통해 제공되는 부 구동 회전력이 변속가공 과정을 거치면서 합성되여 상기 출력단 샤프트로 인가되도록 한다.

또한, 상기 무단변속기에서 변속선기어는 다수의 유성기어 세트들이 변속선기어를 중심축으로 자전과 공전하면서 링기어에 회전력을 전달할 때 캐리어 회전 방향으로 발생하는 회전력 및 유압모터로부터 제공되는 부 구동 회전력에 의하여 구동되는 구조로 이루어져 있기 때문에 상기 부 구동 회전력은 주 구동 회전력에 비하여 상대적으로 아주 적은 동력으로도 충분하다.

한편, 본 발명에 따른 차량용 무단 변속 장치는, 공지의 동력 발생 장치와, 유압형성 및 제공 장치와, 차륜을 구동하는 차륜구동 장차와, 차량의 전반적인 작동부들을 전자적으로 제어하기 위한 전자 제어 장치를 구비한 공지의 차량에서, 상기 동력 발생 장치로부터 입력되는 회전력을 무단으로 변속하면서 상기 차륜 구동장치측으로 출력하기 위한 차량용 무단 변속 장치에 있어서, 상기 동력 발생 장치의 터빈 샤프트에 연결되어 있으며, 다수의 유성기어 세트를 지지하면서 회전(공전)시키는 캐리어 수단; 상기 캐리어 수단에 의해 지지되면서 자유회전 하도록 조립되며, 일체로 형성되는 각 유성기어 세트의 일측 유성기어(S1) 잇수가 타측 유성기어(S2) 잇수 보다 상대적으로 적게 형성된, 다수의 유성기어 셋트(S1,S2); 상기 잇수가 많은 쪽의 유성기어(S2) 배열 외측에 치합되어 전달받은 회전력을 출력단 샤프트로 제공하는 제1 출력 수단(정회전 출력); 상기 잇수가 많은 쪽의 유성기어 (S2) 배열 내측에 치합되어 전달받은 회전력을 출력단 샤프트로 제공하는 제2 출력수단(역회전 출력); 및 상기 잇수가 적은 쪽의 유성기어(S1) 배열 내측에 치합되어 있으며 상기 캐리어 수단과 동방향으로 회전하면서 변속 동작을 수행하는 변속수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 변속기 기어조합 방법은, 입력단 샤프트로 인가되는 주 구동 회전력을 무단으로 변속하면서 출력단 샤프트로 출력하기 위한 변속기의 기어 조합 방법에 관한 것으로서, 상기 입력단 샤프트에, 다수의 유성기어 세트를 지지하면서 회전(공전)시키는 캐리어 수단을 연결하고; 일체로 형성되는 각 유성기어 세트의 일측 유성기어(S1) 잇수가 타측 유성기어(S2) 잇수 보다 상대적으로 적게 형성된 다수의 유성기어 셋트(S1,S2)들이, 상기 캐리어 수단에 의해 지지되면서 자유회전 하도록 조립하고; 상기 잇수가 많은 쪽의 유성기어(S2) 배열 외측에 링기어를 치합되게 조립하여, 전달받은 회전력(정회전 출력)을 상기 출력단 샤프트로 제공 하도록 하고; 상기 잇수가 많은 쪽의 유성기어(S2) 배열 내측으로 후진선기어를 치합되게 조립하여, 전달받은 회전력(역회전 츨력)을 상기 출력단 샤프트로 제공 하도록 하며; 상기 잇수가 적은 쪽의 유성기어(S1) 배열 내측에 변속 선기어가 치합되게 조립하되, 상기 변속 선기어에, 상기 캐리어와 동방향으로 회전하면서 변속 동작을 수행하도록 부 구동 회전력을 제공하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 본 발명을 용이하게 실시 할수있게 본 발명의 바람직한 실시예로서 첨부된 도면을 참조하여 설명 한다.

도1은 본 발명에 따른 변속기의 기어조합 방식을 설명하는 개략도이다.

도면에 도시 된바와같이, 본 발명의 무단변속기의 유성기어 조합방식은 종래의 라비뉴 기어 조합방식(Ravigneaux Gears)이나 심프슨 기어 조합방식(Simpson Gears)과 전혀다른 독자적인 구조를 가지는 것으로서 이하에서는 이를 간단히 "GTS기어 조합방식" 이라 칭한다.

도면을 참조하여 본 발명의 기어 조합방식에 의한 구조를 설명하면 터빈축 (2)에 스프라인으로 연결되는 캐리어가 구비되고 상기 캐리어에 지지되는 한조의 유성기어(6)가 구비되며 한조의 유성기어는 수개의 축 양단에 일체로 구비되어 있으며 한 개의 축에 일측에는 잇수가 많은 유성기어(S2) 그리고 타측에는 잇수가 적은 유성기어(S1)가 구비 된다.

상기 유성기어(S2,6) 외측으로 링기어(C,5)와 치합되고 내측으로 후진선기어(A2,8)가 치합되며 상기 유성기어(S1,6) 내측으로 변속 선기어(A1,7)가 치합되고 변속 선기어축 외측은 스프라인으로 유압모터(9)와 연결되어 유압모터에 의해 구동되어 입력축과 별개의 회전을 하면서 변속기능을 한다.

상기 터빈축(2)이 회전하면 유성기어(S1,S2)(6)가 변속 선기어(A1,7)를 중심축으로 자전과 공전을 하면서(후진 선기어(A2,8)은 자유회전) 링기어(C,5)를 회전시켜 소정의 정회전 증속비가 출력되며,유압모터(9)를 구동시켜, 변속 선기어를 서서히 회전시키면 상기 증속 출력비가 변화되어 변속가공이 이루어지며 변속 선기어 회전수를 증가 또는 감소시키면 감속비가 증가 또는 감소하며 변속 선기어 회전수를 고정시키고 터빈축 회전수를 증가 또는 감소시키면 증속비가 증가 또는 감소하는 2중 무단변속 동작이 이루어진다.

또한 상기 변속 선기어(A1,7)를 고정시키고 (링기어(C,5) 자유회전) 상기 터빈축(2) 회전시키면 유성기어(S1,S2)가 변속 선기어를 중심 축으로 자전과 공전을 하면서 후진 선기어(A2,8) 회전시켜 소정의 역회전 감속비가 출력되며 감속비가 고정된 감속장치로 동작한다.

특히 본 발명에서는 입력축 회전력을 분배하여 주 구동 터빈축(2)은 변속된 회전력을 종동축에 전달하는 기능을 하고 부 구동 변속 선기어(A1,7)는 변속기능을 수행하는 구조를 가지고 있어, 부 구동 변속 선기어의 변속가공시 구 구동에 합성출력되도록 함으로써 동력손실을 최소화 하는 특징이 있다.

또한 캐리어가 회전하여 유성기어가 자전과 공전을 하면서 변속된 회전력을 전달할 때 동방향으로 변속 선기어에 회전력이 발생되어, 입력동력의 약 1/150 내외로 상대적으로 아주 작은 구동력으로도 변속 선기어 회전제어가 가능한 특징이 있다.

본 발명의 무단 변속 원리는 첨부 도면 2A 내지 도 2F를 참조하면 더 쉽게 이해될 수 있다. 일반적으로 기어는 피치원의 구름접촉 운동을 기본으로 하고 있으며 다음과 같은 두 기어의 접촉시 회전각 변화는 다음과 같이 구할 수 있다. (이하의 수식 및 그 설명에서 m은 모듈, Z1 및 Z2는 잇수, d1 및 d2는 피치원을 각각 나타낸다.)

도 2A를 참조하면, 초기상태에서 A점과 B점은 P점에서 일치하고 있던 점으로 피치원의 구름 운동에서 원호 PA와 원호 PB의 길이가 같아야 한다.

유성기어는 기어의 회전뿐만 아니라, 기어 중심의 운동도 고려하여야 한다.

도 2B는 유성기어를 고정시키고 캐리어를 회전시키는 경우로서, B와 C는 유성기어 피치원상의 점으로 초기 상태에서는 각각 선기어 피치원상의 점 A와 링기어 피치원상의 점 D와 접촉하고 있으며 이들 접촉점이 피치점에 해당된다.

캐리어가 θs 회전하면 유성기어 점 C와 링기어 점 D는 도 2B에 도시한 바와 같은 상태가 되며 구름접촉 조건에서 원호 P'C = P'D 를 만족하여야 한다.

따라서 링기어 총회전각(θc)은 다음 수식3과 같이 된다.

도 2C는 캐리어를 고정시키고 선기어를 회전시키는 경우로서 점 A, B, C, D는 초기에 일직선상에 있다가 선기어가 θa 회전하면 유성기어 회전각 θb 는 다음과 같다.

이 경우 링기어는 역방향으로 회전하며 다음과 같다.

즉 이 경우는 캐리어가 회전하지 않으므로 위의 회전각이 총회전각이 된다.

도 2D는 캐리어와 선기어를 동시에 회전(이때 캐리어와 선기어는 각기 회전수가 다름)시키는 경우로서, 도 2B와 도 2C의 두 운동을 중첩시키면 다음과 같다 캐리어와 선기어를 각각 θs 및 θa 만큼씩 회전시키면 링기어의 회전각은 다음과 같다.

캐리어와 선기어를 각각 시계방향으로 θs, θa 회전하면 링기어의 회전각은 [수식 7]을 중첩시킨 것으로 다음과 같다.

기어비에 대해서 이식을 정리하면 수식 9와 같다.

여기서 n은 rpm이므로 회전수에 대해서도 마찬가지로 다음과 같은 수식 10이이 성립된다.

각속도에 대해서도 동일한 식이 성립된다

링기어 잇수가 73, 선기어 잇수가 35, 유성기어 잇수가 19 일 때,

기어비는 2.0857이다.

도 2B의 경우 선기어를 고정시키고 캐리어를 회전시키면 다음과 같다.

도 2B의 경우 증속비 0.675인 유성기어 증속기에 해당된다.

도 2C의 경우 캐리어를 고정시키고 선기어를 회전시키면 다음과 같다.

상기 식 13에 표시된 바와 같이 감속비 1/2.0875인 유성기어 감속기이다.

도 2D의 경우는 도 2B와 도 2C를 중첩시킨 것으로, 주 구동 캐리어를 회전시키면서 부 구동 선기어를 회전시키는 경우로서, 이 경우를 수식으로 표현하면 아래와 같다.

이를 적용해보면 다음과 같다.

입력축 캐리어 : 1000 rpm

변속 캐리어 : 1950 rpm

출력 링기어 :

상기 실시예와 같이 변속 선기어 회전수가 1 rpm 증가시 감속비는 0.004 증가하고, 터빈축 캐리어 회전수가 1 rpm 증가시 증속비가 0.006증가 하는 것을 알 수 있다.

즉, 변속 선기어 회전수 증가시에는 감속비가 증가하고 터빈축 캐리어 회전수 증가시에는 증속비가 증가하는 2중 변속이 이루어지며, 변속 선기어 회전수를 임의로 제어하여 변속비를 무단으로 미세하고 유연하게 증감시킬 수 있는 것이다. 결국 위에서 살펴본 원리에 따라, 최적의 변속비가 시변환적으로 유연하게 제공되는 무단 변속 동작이 가능해 지는 것이다.

또한, 부 구동 변속 선기어가 주 구동 터빈축 회전수보다 높아 상당한 동력손실이 유발될 것으로 오해하기 쉬우나, 사실은 입력축과 동방향으로 회전하면서 감속 기능을 수행함으로써 입력축 회전수를 제외하고 감속비 1/2.0857를 계산하면 변속비 가공시에 필요한 실 회전수는 455.4rpm이 되며, 변속비 가공후 소멸되는 것이 아니라, 입력측 회전력을 주 구동 터빈축과 부 구동으로 분산하여 각기 다른 기능을 수행한 후 합성되어 출력축으로 출력되여 동력손실이 거의 없는 특징이 있으며, 변속 선기어 회전시에 필요한 동력은 주 구동 터빈축에 조립된 유성기어가 변속선기어를 중심축으로 자전과 공전을 하며 링기어에 회전력을 전달할 때 변속 선기어에 동방향으로 회전력이 발생되어 입력 동력의 약 1/150의 동력이면 그 구동이 충분히 가능해 지며 변속 선기어에 발생되는 회전력은 입력동력에 비례하여 발생되는 특징이 있다. 따라서, 작은 동력으로 매우 큰 동력에 대한 변속 제어가 가능해지며, 부구동 유압모터는 변속기내부에 설치되여 유압과 윤활유를 공급하는 오일펌프에서 유압을 공급받아 구동되고, 서브밸브의 유량 제어에의해 회전수가 제어되며, 서브밸브는 콘트롤러(TCU)의 신호에 의해 제어된다.

도 2E 및 도 2F는 역회전 감속하는 시스템으로 터빈축 유성기어(S1,S2)(6)가 변속 선기어( 7)를 중심축으로 자전과 공전을 하면서( 링기어는 자유 회전함) 후진선기어(8)를 역회전 감속시켜, 고정된 감속기능을 수행하는 후진 장치로서 동작하는 과정을 나타낸 것으로,이를 수식으로 표현하면 아래와 같다.

앞에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 변속장치의 기어 조합 방법은 기존에 알려져 있던 기어 조합 방법과 확연하게 다르다.

지금까지 널리 쓰여온 유성 치차 장치 조합 방식은, 라비뉴 기어방식 (Ravigneaux Gears) 및 심프슨 기어방식 (Simpson Gears)이 주로 이용되이 왔다. 이들에 관하여 간단히 살펴보면, 라비뉴 기어 방식의 경우, 한 개의 링 기어와 캐리어에 지지되며 동축에 이(치차) 수가 같은 2개의 유성기어가 일체형으로 설치되었으며 일측의 유성기어군은 외측으로는 링기어와 치합되고 내측으로는 선기어와 치합되며, 타측의 유성기어군은 아이들 기어와 치합되고 그 아이들 기어는 이 수가 적은 선기어와 치합된 기어 방식으로 한 개의 링기어와 잇수가 같은 2개의 유성기어가 한 축에 일체형으로 설치된 한 조의 유성기어와, 한조의 아이들기어 잇수가 각기 다른 2개의 선기어로 조합되어 있다.

한편, 심프슨 기어방식은 한 개의 선기어가 롱(long)기어로 설치되고 이 수가 적은 유성기어 한조 및 링기어와, 이 수가 많은 유성기어 한조 및 링기어로 이루어져, 한 개의 선기어와 2조의 유성기어 및 2개의 링기어로 조합된 방식이며, 각 기어축에 클러치 및 브레이크를 설치하여 감속비가 많은 기어에서 감속비가 적은 기어로 순차적으로 4-5번의 클러치를 단속(ON-OFF)을 하여 변속되도록 하는 것이어서, 결국 종전의 두 방식은 모두 변속 단(step)이 있는 변속 장치에 불과하다.

그러나, 본 발명의 무단 변속 장치의 기어조합 방식은, 이(치차) 수가 각기 다른 유성기어(S1,S2)(6)가 한 측에 일체형으로 구비되었으며 잇수가 많은 유성기어(S2) 외측으로 정회전 출력 링기어(5)와 치합되고 그 내측으로는 이 수가 적은 후진 선기어(8)가 치합되며, 타측에 잇수가 적은 유성기어(S1) 내측으로는 변속 선기어(7)가 치합되고 변속 선기어 축에 부 구동수단 유압모터(9)가 설치되어 변속 선기어의 회전수를 제어하며, 유성기어가 링기어에 회전력을 전달할 때 변속 선기어 회전수 증감에 따라 변속이 무단으로 이루어지도록 하는 것이다.

결국, 본 발명에 따른 무단 변속용 기어 조합 방식은, 링기어(5) 한개와, 잇수가 각기 다른 유성기어(S1,S2)(6)가 동일 축 상에 일체형으로(한조를 이루도록)형성된 다수의 유성기어 셋트와, 서로 잇수가 다른 변속 선기어(7) 및 후진 선기어 (8)와, 상기 변속 선기어의 회전수를 제어하기 위한 수단으로 유압모터(9)를 포함하여 이루어지는 조합 구성을 갖는다.

특히, 본발명에 따른 기어 조합 방식에서는, 입력축 회전력을 분배하여 주 구동 회전력 전달 기능을 수행하며, 상기 유압모터(9) 측으로 분배된 부 구동 회전력은 변속가공 과정을 거치면서 상기 주 구동 회전력과 합성되어 결국 하나의 출력으로 나타나므로, 부 구동 변속 선기어를 회전시키기 위한 동력은 실질적으로 거의 소모됨이 없게 하는 특징을 지니고 있다.

따라서, 본 발명에 따른 동력전달 장치용 변속 기어조합 방식은 앞에서 설명한 종전의 기어 조합 방식 라비뉴 기어 방식(Ravigneaux Gears) 및 심프슨 기어 방식(Simpson Gears)들 보다 월등하게 우수하게 작동하는 특유한 기어조합 방식이다.

도 3은 본 발명에 따른 차량용 무단 변속 장치가, 공지의 동력 발생 장치와, 유압형성 및 제공 장치와, 차륜을 구동하는 차륜구동 장치와, 차량의 전반적인 작동부들을 전자적으로 제어하기 위한 전자 제어 장치를 구비한 공지의 차량에서, 타 구성부들과의 연결 및 작동 상태를 설명하기 위한 일실시예 구성 예시도이다.

도면에서, 1은 토크컨버터, 2는 주 구동 회전력을 제공하기 위한 터빈 샤프트 3은 전진 클러치, 4는 후진 클러치, 5는 링기어, 6은 유성기어 셋트, 7은 변속선기어, 8은 후진 선기어, 9는 상기 변속 선기어에 부 구동 회전력을 제공하기 위한 유압모터, 10은 오일 펌프 샤프트, 11은 오일 펌프, 12는 서보 밸브(전자비례 유량 제어 밸브), 13은 차동기어, 14는 체크 밸브, 15는 에큐물레이터, 16은 매뉴얼 밸브, 17은 레귤레이터, 18은 릴리프밸브, 19는 릴레이 밸브, 20은 바이패스 밸브, 21은 출력 샤프트, 22는 변속 선기어 회전센서, 23은 브레이크 압력 센서, 24는 차속 센서, 25는 엔진 회전수 센서, 26은 스로틀개도율, 27은 콘트롤러(TCU)를 각각 나타낸 것이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 무단 변속 장치는 동력 발생 장치로부터 발생되어 제공되는 회전력을 입력받아 무단(stepless)으로 변속하면서 차륜 구동 장치 측으로 출력하기 위한 것으로서, 상기 동력 발생 수단의 터빈 샤프트(2)에 연결되어 있으며 다수의 유성기어 셋트들을 지지하면서 회전(공전)시키는 캐리어와, 상기 캐리어에 의해 지지되면서 자유회전하도록 조립되며 일체 형성되는 유성기어 셋트 일측 유성기어(S1) 잇수가 타측 유성기어(S2) 잇수보다 상대적으로 적게 형성된 다수의 유성기어 셋트(S1,S2) 상기 잇수가 많은 쪽의 유성기어(S2) 배열 외측에 치합되어 전달받은 회전력을 출력단 샤프트로 제공하는 제1 출력부(5,3)와,상기 잇수가 많은 쪽의 유성기어(S2) 배열 내측에 치합되어 전달받은 회전력을 출력단 사프트로 제공하는 제2 출력부(8,4)와, 상기 잇수가 적은 쪽의 유성기어(S1) 배열 내측에 치합되어 있으며 상기 캐리어 수단과 동방향으로 회전하면서 변속 동작 수행하는 변속부(7,9)를 구비한다.

그리고, 상기 입력단의 터빈 샤프트(2)와 상기 캐리어 간의 연결은 스프라인 결합으로 이루어지고, 상기 제1 출력부(5,3)는 상기 잇수가 많은 쪽의 유성기어 (S2) 배열 외측에 치합되어 회전하는 링기어(5)와 상기 링기어와 상기 출력단 샤프트 간의 연결을 단속하는 전진 클러치(3)를 포함하고, 상기 제2 출력부(8,4)는 상기 잇수가 많은 쪽의 유성기어(S2) 배열 내측에 치합되어 회전하는 후진 클러치(4)를 포함하고, 상기 변속부(7,9)는 상기 잇수가 적은 유성기어(S1) 배열 내측에 치합되어 회전하는 변속 선기어(7)와, 상기 변속선기어는 캐리어와 동방향으로 회전하거나 정지상태를 유지하도록 동력을 제공하는 유압모터(9)를 포함한다.

또한, 상기 변속부는 상기 제1 출력부를 통한 출력동작시(정회전 출력시), 상기 유압 모터의 회전속도의 변화에 따라 상기 입/출력단 사이에서 무단 변속이이루어 지도록하고, 상기 제 2 출력부를 통한 출력동작시(역회전 출력시)에는, 상기 유압모터가 정지하여 상기 변속 선기어가 정지 상태를 유지하도록 함으로써 입/출력단 사이에서 기어 잇수 비에 의한 고정변속이 이루어 지도록 하며, 상기 제1 출력부를 통한 출력동작시(정회전 출력시), 상기 입력단의 터빈 샤프트(2)를 통해 제공되는 주 구동 회전력과 상기 유압모터(9)를 통해 제공되는 부 구동 회전력이 앞에서 살펴본 바와 같은 무단 변속가공 과정을 거치면서 합성되어 출력단 샤프트로 인가되도록 한다.

상기 변속 선기어 구동은 유성기어가 변속 선기어를 중심축으로 자전과 공전하면서 회전력을 전달할 때 상기 유성기어의 공전 방향으로 발생하는 회전력과, 상기 유압모터(9)로부터 제공되는 부 구동 회전력에 의해 구동되며, 따라서 상기 부 구동 회전력은 상기 주 구동 회전력에 비해 상대적으로 현저하게 작은 동력만으로도 변속 선기어의 회전 제어를 수행하여 무단 변속이 이루어지도록한다.

그리고, 상기 유압모터의 구동은 별도의 동력 발생 장치 없이, 상기 동력발생 장치로 부터 공지의 유압 형성 및 제공 장치의 오일펌프(11) 유압을 사용하고, 상기 오일펌프 흡입구에 체크밸브(14)를 설치하여 상기 유압모터(9)에서 배출되는 압유가 상기 오일펌프(11) 흡입구로 유도되도록 하여 동력 손실을 최소화 하고, 상기 공지의 유압 형성 및 제공 장치는 서보 밸브(12)를 구비하여 유압모터(9)의 회전수를 미세하게 제어하며, 상기 전자 제어 장치의 콘트롤러(TCU) 신호에 의해 상기 서보 밸브(12)가 제어되어 상기 유압모터 회전수가 제어 된다. 그리고 상기 전자 제어 장치는 제동시, 동력 발생 장치의 마스터 시린더 내의 압력을 감지하고,상기 콘트롤러(TCU)를 통해 연산하여 감지된 압력에 비례하여 감속비를 증가 시켜 엔진 브레이크가 발생되록 제어 한다.

도 4는 본 발명에 따른 차량용 변속장치와 종래의 변속장치간의 동작특성을 비교한 그래프도이다.

도시된 그래프를 참조하면, 본 발명의 차량변속 장치가 저속에서 고속 주행까지 차량운행 조건과 엔진출력에 대한 최적의 변속비를 제공할 수 있도록 함으로써 종래의 변속장치들(5단 동작)에 비하여 연료를 절감시킬 뿐 아니라, 엔진 출력을 향상시킴을 알 수 있다. 그리고 전술한 본 발명의 무단 변속장치는 주 동력원에 의해 발생된 동력을 상황에 따라 변속시켜 사용하는 것에 요구되는 모든 기기에 적용할 수 있는 것으로서 차량의 변속장치 이외도 중장비 기관차, 선박 등에 모두 적용 가능하다.

본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면은 그것으로 권리범위를 한정하기 위해 제시된 것이 아니라 단지 본 발명의 기술 요지를 보다 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위해 제시된 것이며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백하므로 그러한 여러 가지 치환물, 변형물, 및 변경물도 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.

상기한 바와 같은 본 발명의 기어 치합에 의한 무단변속 방식은, 차량 등의 주행상태에 적합하게 무단계로 변속이 진행되도록 하여 차량의 주행속도와 상관없이 기관을 항상 최적연비 범위에서 작동 시킬 수 있는 효과가 있다.

따라서, 기관의 전 영역에서 실시간으로 최대 출력상태 또는 최저 연비상태로 제어 할 수 있게 되고, 변속 진행 중에도 기관의 구동력이 노면에 전달되고, 광역 변속비를 사용하므로 가속 성능이 개선되며, 변속 충격을 배제시키는 우수한 효과가 있다.

또한, 차량 제작사에 상관없이 해당 차량의 콘트롤 유니트(TCU)에 내장되는 프로그램의 변경을 통해 유연하게 차종별로 제어 동작을 변화시킬 수 있도록 함으로써 범용적으로 사용가능케 하여 중복적인 개발비의 소모를 방지하는 효과가 있다.

아울러, 연료의 소모를 절감시키면서도 엔진의 출력을 향상시키고, 소음을 감소시키며, 기어 치합에 의한 신뢰성 있는 무단변속 동작으로 변속효율 향상시키는 우수한 효과가 있는 것이다.

Claims

입력단 샤프트로 인가되는 회전력을 무단으로 변속하면서 출력단 샤프트로 출력하는 무단변속에 있어서,

상기 입력단 샤프트에 연결되어 있으며, 다수의 유성기어 셋트를 지지하면서 회전(공전)시키는 캐리어 수단;

상기 캐리어 수단에 의해 지지되면서 자유회전하도록 조립되며, 일체로 형성되는 유성기어 셋트 일측의 유성기어(S1) 잇수가 타측 유성기어(S2) 잇수보다 상대적으로 적게 형성된 다수의 유성기어 셋트(S1,S2);

상기 잇수가 많은 쪽의 유성기어(S2) 배열 외측으로 치합되어 전달 받은 회전력을 출력단 샤프트로 제공하는 제 1 출력 수단;

상기 잇수가 많은 쪽의 유성기어(S2) 배열 내측에 치합되어 전달 받은 회전력을 축력단 샤프트로 제공하는 제 2 출력 수단; 및

상기 잇수가 적은 쪽의 유성기어(S1) 배열 내측에 치합되어 있으며 상기 캐리어 수단과 동방향으로 회전하면서 변속 동작을 수행하는 변속 수단

을 포함하는 것을 특징으로 하는 무단 변속기.
청구항 1에 있어서,

상기 입력단 샤프트와 상기 캐리어 수단 간의 연결을 스프라인 결합으로 이루어진 것을 특징으로 하는 무단 변속기.
청구항 1에 있어서, 상기 제1 출력 수단은.

상기 잇수가 많은 쪽의 유성기어(S2) 배열 외측에 치합되어 회전하는 링기어; 및

상기 링기어와 상기 출력단 샤프트 간의 연결을 단속하는 전진 클러치

를 포함하는 것을 특징으로 하는 무단 변속기.
청구항 1에 있어서, 상기 제2 출력 수단은,

상기 잇수가 많은 쪽의 유성기어(S2) 배열 내측에 치합되어 회전하는 후진 선기어; 및

상기 후진 선기어와 상기 출력단 샤프트 간의 연결을 단속하는 후진 클러치

를 포함하는 것을 특징으로 하는 무단 변속기.
청구항 1에 있어서, 상기 변속 수단은,

상기 잇수가 적은 쪽의 유성기어(S1) 배열 내측에 치합되어 회전하는 변속 선기어; 및

상기 변속 선기어가 상기 캐리어 수단과 동방향으로 회전하도록 부 구동 회전력을 제공하거나 정지 상태를 유지하도록 동력을 제공하는 유압모터

를 포함하는 것을 특징으로 하는 무단 변속기.
청구항 5에 있어서, 상기 변속 수단은,

상기 제 1 출력 수단을 통한 출력동작시(정회전 출력시), 상기 유압 모터의 회전속도의 변화에 따라 상기 입/출력단 사이에서 무단 변속이 이루어 지도록하고,

상기 제 2 출력 수단을 통한 출력동작시(역회전 출력시)에는, 상기 유압모터가 정지하여 상기 변속 선기어가 정지 상태를 유지하도록 함으로써 입/출력단 사이에서 기어 잇수 비에 의한 고정변속이 이루어 지도록 하는 것을 특징으로 하는 무단 변속기.
청구항 6에 있어서,

상기 제 1 출력 수단을 통한 출력동작시(정회전 출력시), 상기 입력단 샤프트를 통해 제공되는 주 구동 회전력과 상기 유압모터를 통해 제공되는 부 구동 회전력이 변속가공 과정을 거치면서 합성되어 상기 출력단 샤프트로 인가되는 것을 특징으로 하는 무단 변속기.
청구항 7에 있어서,

상기 변속 선기어는, 상기 유성기어 셋트가 상기 변속 선기어를 중심축으로 자전과 공전을 하면서 회전력을 전달할 때 상기 유성기어 셋트들의 회전 방향과 동 방향으로 발생하는 회전력, 및 상기 유압 모터로부터 제공되는 부 구동 회전력에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 무단 변속기.
공지의 동력 발생 장치와, 유압형성 및 제공 장치와, 차륜을 구동하는 차륜구동 장차와, 차량의 전반적인 작동부들을 전자적으로 제어하기 위한 전자 제어 장치를 구비한 공지의 차량에서, 상기 동력 발생 장치로부터 입력되는 회전력을 무단으로 변속하면서 상기 차륜 구동 장치측으로 출력하기 위한 차량용 무단 변속 장치에 있어서,

상기 동력 발생 장치의 터빈 샤프트(2)에 연결되어 있으며, 다수의 유성기어 세트를 지지하면서 회전(공전)시키는 캐리어 수단;

상기 캐리어 수단에 의해 지지되면서 자유회전 하도록 조립되며, 일체로 형성되는 각 유성기어 세트(6)의 일측 유성기어(S1) 잇수가 타측 유성기어(S2) 잇수보다 상대적으로 적게 형성된, 다수의 유성기어 셋트(S1,S2);

상기 잇수가 많은 쪽의 유성기어(S2) 배열 외측에 치합되어 전달받은 회전력을 출력단 샤프트로 제공하는 제1 출력 수단(5,3)(정회전 출력);

상기 잇수가 많은 쪽의 유성기어(S2) 배열 내측에 치합되어 전달받은 회전력을 출력단 샤프트로 제공하는 제2 출력수단(8,4)(역회전 출력); 및

상기 잇수가 적은 쪽의 유성기어(S1) 배열 내측에 치합되어 있으며 상기 캐리어 수단과 동방향으로 회전하면서 변속 동작을 수행하는 변속 수단(7,9)을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 무단 변속 장치.
청구항 9에 있어서,

상기 터빈 샤프트(2)와 상기 캐리어 수단 간의 연결은 스프라인 결합으로 이루어진 것을 특징으로 하는 차량용 무단 변속 장치.
청구항 9에 있어서, 상기 제 1 출력 수단은,

상기 잇수가 많은 쪽의 유성기어(S2) 배열 외측에 치합되어 회전 하는 링기어(5); 및

상기 링기어와 상기 출력단 샤프트 간의 연결을 단속하는 전진 클러치(3)

를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 무단 변속 장치.
청구항 9에 있어서, 상기 제 2 출력 수단은,

상기 잇수가 많은 쪽의 유성기어(S2) 배열 내측에 치합되어 회전하는 후진 선기어(8); 및

상기 후진 선기어와 상기 출력단 샤프트 간의 연결을 단속하는 후진 클러치 (4)

를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 무단 변속 장치.
청구항 9에 있어서, 상기 변속 수단은,

상기 잇수가 적은 쪽의 유성기어(S1) 배열 내측에 치합되어 회전하는 변속 선기어(7); 및

상기 변속 선기어가 상기 캐리어 수단과 동방향으로 회전하거나 정지 상태를 유지하도록 동력을 제공하는 유압모터(9)

를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 무단 변속 장치.
청구항 13에 있어서, 상기 변속 수단은,

상기 제 1 출력 수단을 통한 출력동작시(정회전 출력시), 상기 유압 모터의 회전속도의 변화에 따라 상기 입/출력단 사이에서 무단 변속이 이루어 지도록하고,

상기 제 2 출력 수단을 통한 출력동작시(역회전 출력시)에는, 상기 유압모터가 정지하여 상기 변속 선기어가 정지 상태를 유지하도록 함으로써 입/출력단 사이에서 기어 잇수 비에 의한 고정변속이 이루어 지도록 하는 것을 특징으로 하는 차량용 무단 변속장치.
청구항 14에 있어서,

상기 제 1 출력 수단을 통한 출력동작시(정회전 출력시), 상기 입력단 샤프트를 통해 제공되는 주 구동 회전력과 상기 유압모터를 통해 제공되는 부 구동 회전력이 변속가공 과정을 거치면서 합성되어 상기 출력단 샤프트로 인가되는 것을 특징으로 하는 차량용 무단 변속 장치.
청구항 15에 있어서,

상기 변속 선기어는, 상기 유성기어 셋트가 상기 변속 선기어를 중심축으로 자전과 공전을 하면서 회전력을 전달할 때 상기 유성기어 셋트의 동방향으로 발생하는 회전력, 및 상기 유압 모터로부터 제공되는 부 구동 회전력에 의해 구동되는것을 특징으로 하는 차량용 무단 변속 장치.
청구항 13에 있어서,

상기 유압 모터의 구동은 별도의 동력 발생 장치로 부터 동력을 제공받지 않고, 상기 주 구동 회전력을 제공하는 동력발생장치에 의해 구동되는 상기 유압 형성 및 제공 수단의 오일펌프 유압을 사용하여 구동되는 것을 특징으로 하는 차량용 무단 변속 장치.
청구항 17에 있어서,

상기 오일펌프 흡입구에 체크 밸브를 설치하여 상기 유압모터에서 배출되는 압유가 상기 오일펌프 흡입구로 유도되도록 하여 동력 손실을 최소화 하는 것을 특징으로 하는 차량용 무단 변속 장치.
청구항 17에 있어서,

상기 공지의 유압 형성 및 제공 수단은 서보 밸브를 구비하여 유압모터의 회전수를 미세하게 제어 하는 것을 특징으로 하는 차량용 무단 변속 장치.
청구항 19에 있어서,

상기 전자 제어 수단의 콘트롤러(TCU) 신호에 의해 상기 서보밸브가 제어되며 상기 유압모터 회전수가 제어되는 것을 특징으로 하는 차량용 무단 변속 장치.
청구항 20에 있어서, 상기 전자 제어 수단은.

제동시, 마스터 시린더 내의 압력을 감지하고, 상기 콘트롤러(TCU)를 통해 연산하여 감지된 압력에 비례하게 감속비를 증가시켜 엔진 브레이크가 발생되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 차량용 무단 변속 장치.
입력단 샤프트로 인가되는 주 구동 회전력을 무단으로 변속하면서 출력단 샤프트로 출력하기 위한 변속기의 기어 조합 방법에 있어서,

상기 입력단 샤프트(2)에, 다수의 유성기어 세트를 지지하면서 회전(공전)시키는 캐리어 수단을 연결하고;

일체로 형성되는 각 유성기어 세트(6)의 일측 유성기어(S1) 잇수가 타측 유성기어(S2) 잇수 보다 상대적으로 적게 형성된 다수의 유성기어 셋트(S1,S2)들이, 상기 캐리어 수단에 의해 지지되면서 자유회전 하도록 조립하고;

상기 잇수가 많은 쪽의 유성기어(S2) 배열 외측에 링기어(5)를 치합되게 조립하여, 전달받은 회전력(정회전 출력)을 상기 출력단 샤프트로 제공 하도록 하고;

상기 잇수가 많은 쪽의 유성기어(S2) 배열 내측으로 후진선기어(8)를 치합되게 조립하여, 전달받은 회전력(역회전 출력)을 상기 출력단 샤프트로 제공 하도록 하며;

상기 잇수가 적은 쪽의 유성기어(S1) 배열 내측에 변속 선기어(7)가 치합되게 조립하되, 상기 변속 선기어(7)에, 상기 캐리어와 동방향으로 회전하면서 변속동작을 수행하도록 부 구동 회전력을 제공하는 것을 특징으로 하는 변속기의 기어 조합 방법.