KR20140047377A - 자동차용 다중 유압식 다판 클러치 변속기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자동차의 변속기에 관한 것으로서 구체적으로는 다수의 유압식 다중 유압식 다판 클러치를 이용한 변속기에 관한 것으로서 종래의 변속기와 비교하여 변속 효율이 우수하고, 제어가 신속하고 용이하며, 구조가 단순하며, 순차 변속이나 스킵 변속이 부드러운 다중 유압식 다판 클러치 변속기에 관한 것이다.
본 발명에서는, 엔진 또는 구동모터에 의하여 회전하는 입력축(IS); 상기 입력축의 종축 방향으로 이격하여 최소한 4개가 일렬 배치되어 입력축에 동력 연결 또는 해제되는 다수의 유압식 다판 클러치; 상기 각 유압식 다판 클러치 상에 적어도 하나 이상씩 형성되는 구동기어(G); 상기 입력축에 평행하게 상하로 나란하게 배치되는 제1출력축(OS1)과 제2출력축(OS2); 상기 제1출력축 또는 상기 제2출력축 상에 형성되어 상기 다수의 구동기어 중에서 어느 하나와 치합하는 다수의 변속기어(D); 및 상기 제1출력축의 일부 변속기어들 사이 및 상기 제2출력축의 일부 변속기어들 사이에 형성되어 출력축 상의 좌측 또는 우측의 변속기어에 항시 연결되고 연결이 해제된 중립 상태가 없도록 위치하는 다수의 기어 셀렉터(S);를 포함하여 구성되어 주행 중인 변속 단수의 변속기어의 위와 아래 단의 변속기어 중 최소한 3개의 변속기어가 가속 또는 감속을 대비하여 프리-셀렉트(pre-select) 상태를 유지하도록 된 것을 특징으로 하는 자동차용 다중 유압식 다판 클러치 변속기를 제안한다.

Description

자동차용 다중 유압식 다판 클러치 변속기{Multiple Hydraulic Wet Clutch Transmission for vehicles}
본 발명은 자동차의 변속기에 관한 것으로서 구체적으로는 다수의 유압식 다판 클러치를 이용한 변속기에 관한 것으로서 종래의 변속기와 비교하여 변속 효율이 우수하고, 제어가 신속하고 용이하며, 가속이나 감속시에 부드러운 순차 변속 및 스킵 변속이 가능한 다중 유압식 다판 클러치를 구비한 변속기에 관한 것이다.
동력을 단속하기 위한 클러치의 종류는 크게 습식형, 건식형, 콘형, 마그네틱형, 도그 투스형 등으로 분류할 수 있다.
최근에는 동축형 듀얼 클러치(Coaxial type dual clutch)가 차량에 장착되어 출시되고 있는데 듀얼 클러치 변속기는 두 개의 클러치를 전방에 배치하고 선택적으로 연속하여 작동시킴으로써 변속시간을 획기적으로 줄인 형태의 변속기를 말한다. 이러한 듀얼 클러치 변속기는 자동화 수동 변속기가 발전된 형태로서 수동 변속기의 높은 경제성과 함께 동력손실이 적고 효율이 높으며 빠른 변속으로 주행감각이 스포티하다는 장점으로 인하여 최근 크게 각광받고 있다.
공지의 듀얼 클러치 변속기(DCT, Dual Clutch Transmission)는 그 성능이 우수하여 가속시에는 현재의 기어보다는 상위 단의 변속기어가 미리 선택되어 있으므로 상위 단으로의 기어 변속이 빠르고 감속시에는 현재의 기어보다 하위 단의 변속기어가 미리 선택되어 엔진 브레이크가 걸리는 이점이 있으나, 단점은 정속 주행시나 가속과 감속이 반복될 때에는 현재의 기어보다 높은 단의 변속기어 또는 낮은 단의 변속기어 중 어느 것이 미리 선택되어야 할지 그 제어에 문제가 있다.
또한 종래 공지의 듀얼 클러치 변속기의 경우 짝수단에서 홀수단 또는 홀수단에서 짝수단으로의 기어 변속은 용이하나 짝수단에서 짝수단 및 홀수단에서 홀수단으로 건너뛰어 변속하는 스킵 시트프(skip shift)가 불가능하다는 문제가 있다. 이러한 스킵 시프트는 가속 추월시 많이 사용되는 변속이며 특히 빠르고 부드러운 응답성이 요구되는 변속이라고 할 수 있다.
그리하여 일부에서는 최소한 세 개의 클러치 변속기(Triple Clutch Transmission)가 되어야 한다는 주장이 있다. 즉, 물려 회전하고 있는 현재의 변속 단수보다 하나 높고 하나 낮은 변속기어가 둘 다 항상 미리 선택돼 있어야 이상적이라는 것이다.
도1은 종래의 일 예에 따른 삼중 클러치 변속기의 기어 트레인 구성도이고, 도2는 종래의 다른 예에 따른 삼중 클러치 변속기의 기어 트레인의 구성도이다. 도1은 공개특허공보 제10-2005-0042671호 "삼중 클러치 변속기" 에서 개시한 것이고, 도2는 미국등록특허 제7,552,658B2호 "THREE CLUTCH POWERSHIFT TRANSMISSION"에서 개시된 것이다.
전기의 공개특허는 축 중심을 공유하는 3개의 동축을 가지는데, 기본 입력축인 제1축의 외경에 중공축인 제2축을 형성하고, 상기 제2축의 외경에 중공축인 제3축을 형성한 후 각 축에 변속기어를 형성하고 있는 구조이다. 또한 상기 각 축에는 각각 제1 내지 제3클러치(C1~C3)가 연결되어 동력을 단속하고 있다.
이러한 구조의 삼중 클러치 변속기는 듀얼 클러치의 전술한 단점을 보완하여 현재의 변속 단수보다 한 단계 위와 아래의 변속기어를 프리 셀렉트함으로써 부드러운 순차 변속을 수행하고 스킵 변속(스킵 시프트)을 용이하게 하기 위한 것이다.
그러나 동축 구조의 축을 형성하기가 매우 어렵고 제작비가 비싸며 유지보수가 어렵다는 단점이 있다. 또한 기어 단수가 7단 이상으로 고단화 되는 경우 그 구조는 더욱 복잡해질 뿐 아니라 기어 셀렉터(싱크로 기구)가 좌측, 중립 및 우측의 세 가지 포지션으로 분할하여 구동되는 특성상 제어가 어렵다는 단점이 있다.
후기의 미국등록특허 역시 삼중 클러치 변속기에 관한 것이나 입력축인 제1축(20)의 외경에 제1 내지 제3중공 샤프트(22,28,30)를 축심을 공유하도록 형성한 후 각 중공 샤프트에 제1 내지 제3 유압식 클러치(14,16,18)를 형성하여 동력을 별도로 단속하도록 한 구조라는 차이가 있다.
이러한 변속기 구조도 듀얼 클러치의 단점을 개선하여 가속이나 감속시 순차 변속이나 스킵 변속이 가능하다는 장점이 있으나 이 역시 첨부 도면에서 확인할 수 있듯이 기어 트레인 구조가 매우 복잡하여 제작이 까다롭고 유지보수가 어려운 단점을 그대로 가진다.
또한 기어 셀렉터를 사용하지 않고 6단의 변속기어를 제1 내지 제3중공 샤프트 상에 편의대로 일렬 배치하는 관계로 변속단수가 7단 이상으로 고단화 되는 경우에는 적용하기가 어려워 최근의 변속단수의 세분화 및 고단화 추세에 대응할 수 없다는 단점이 있다.
공개특허공보 제10-2005-0042671호 "삼중 클러치 변속기" (2005.05.10) 미국등록특허 제7,552,658B2호 "THREE CLUTCH POWERSHIFT TRANSMISSION"(2009.06.30)
본 발명의 목적은 하나의 입력축에 다수의 유압식 다판 클러치를 형성하고, 각 유압식 다판 클러치에는 한 쌍의 출력축 상에 형성되는 최소한 한 개 이상의 변속기어가 상시 대응하도록 배치한 후 각 유압식 다판 클러치와 기어 셀렉터를 중립의 위치가 없이 바로 온/오프 동작시킴으로써 변속 타임이 신속하고 변속 충격이 적으며 변속 단수의 고단화가 가능한 다중 유압식 다판 클러치 변속기를 제공하고자 하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는, 엔진 또는 구동모터에 의하여 회전하는 입력축(IS); 상기 입력축의 종축 방향으로 이격하여 최소한 4개가 일렬 배치되어 입력축에 동력 연결 또는 해제되는 다수의 유압식 다판 클러치; 상기 각 유압식 다판 클러치 상에 적어도 하나 이상씩 형성되는 구동기어(G); 상기 입력축에 평행하게 상하로 나란하게 배치되는 제1출력축(OS1)과 제2출력축(OS2); 상기 제1출력축 또는 상기 제2출력축 상에 형성되어 상기 다수의 구동기어 중에서 어느 하나와 치합하는 다수의 변속기어(D); 및 상기 제1출력축의 일부 변속기어들 사이 및 상기 제2출력축의 일부 변속기어들 사이에 형성되어 출력축 상의 좌측 또는 우측의 변속기어에 항시 연결되고 연결이 해제된 중립 상태가 없도록 위치하는 다수의 기어 셀렉터(S);를 포함하여 구성되어 주행 중인 변속 단수의 변속기어의 위와 아래 단의 변속기어 중 최소한 3개의 변속기어가 가속 또는 감속을 대비하여 프리-셀렉트(pre-select) 상태를 유지하도록 된 것을 특징으로 하는 자동차용 다중 유압식 다판 클러치 변속기를 제안한다.
본 발명에 의하면 다수의 유압식 다판 클러치와 기어 셀렉터를 조합하여 변속 단수를 고단화 및 세분화할 수 있으며 변속 단수가 고단화 될수록 변속기의 구조가 복잡해지고 부피와 사이즈가 커지는 것을 예방할 수 있다.
또한, 각 유압식 다판 클러치에는 적어도 하나 이상의 변속기어가 대응하도록 배치하고, 각 변속기어의 선택을 유압식 다판 클러치와 최소한의 개수로 배치되는 기어 셀렉터의 온/오프 동작으로 수행하므로 변속 타임이 빠를 뿐 아니라 주행 중인 변속단의 위나 아래로의 기어 변속이 용이하다는 장점이 있다.
특히, 본 발명에 의하면 각 유압식 다판 클러치를 전기 유압식으로 구성하는 경우 동력의 단속이 전류의 온/오프에 의하여 순식간에 일어나고 셀렉트의 조작도 중립의 위치가 없이 온/오프 두 가지만 존재하므로 변속장치의 제어가 용이하고 고장의 우려가 적어 안정성이 높다는장점이 있다.
그리고 본 발명의 변속기 구조에 의하면 감속이나 가속시, 특히 가속중에 기어 단수의 순차 변속은 물론 스킵 변속이 부드럽게 수행되므로 변속 타입이 빠르고 변속 충격이 적다는 장점이 있다.
도1은 종래의 일 예에 따른 삼중 클러치 변속기의 기어 트레인 구성도.
도2는 종래의 다른 예에 따른 삼중 클러치 변속기의 기어 트레인의 구성도.
도3은 본 발명의 제1실시예에 의한 다중 유압식 다판 클러치 변속기의 기어 트레인의 평면도.
도4는 본 발명의 제2실시예에 의한 다중 유압식 다판 클러치 변속기의 기어 트레인의 평면도.
도5는 본 발명의 제3실시예에 의한 다중 유압식 다판 클러치 변속기의 기어 트레인의 평면도.
도6은 본 발명의 제4실시예에 의한 다중 유압식 다판 클러치 변속기의 기어 트레인인의 평면도.
도7은 본 발명의 제5실시예에 의한 다중 유압식 다판 클러치 변속기의 기어 트레인의 평면도.
도8은 본 발명의 제6실시예에 의한 다중 유압식 다판 클러치 변속기의 기어 트레인의 평면도.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구성과 작동원리에 관하여 상술한다.
도3은 본 발명의 제1실시예에 의한 다중 유압식 다판 클러치 변속기의 기어 트레인의 평면도로서 전기 자동차, 연료 전지 자동차 및 직렬형 하이브리드카에 적용하기에 적합한 동력 전달 및 변속 구조이다.
미도시한 구동 모터로부터 회전력을 전달받는 입력축(IS)의 상하에 제1 및 제2출력축(OS1,OS2)이 나란하게 배치된다.
상기 입력축(IS) 상에는 그 종축 방향으로 제1 내지 제4 유압식 다판 클러치(WC1~WC4)가 형성된다.
상기 입력축(IS) 상의 각 유압식 다판 클러치(WC1~WC4)에는 한 개 또는 두 개의 구동기어(G1~G6)가 형성된다. 즉, 제1유압식 다판 클러치(WC1)에는 제1구동기어(G1)와 제5구동기어(G5)가 형성되고, 제2유압식 다판 클러치(WC2)에는 제2구동기어(G2)와 제6구동기어(G6)가 형성되며, 제3유압식 다판 클러치(WC3)에는 제3구동기어(G3)가 형성되고, 제4유압식 다판 클러치(WC4)에는 제4구동기어(G4)가 형성된다.
제1 내지 제6구동기어(G1~G6)의 기어 잇수와 직경이 서로 다르게 형성하여 후술할 변속기어(D1~D6)와의 기어비(변속비)를 조절한다.
상기 제1구동기어(G1)와 제5구동기어(G5)에는 제1출력축(OS1) 상의 제1변속기어(D1)와 제2출력축(OS2) 상의 제5변속기어(D5)가 각각 치합한다.
상기 제2구동기어(G2)와 제6구동기어(G6)에는 제2출력축(OS2) 상의 제2변속기어(D2)와 제1출력축(OS1) 상의 제6변속기어(D6)가 각각 치합한다.
상기 제3구동기어(G3)에는 제1출력축(OS1) 상의 제3변속기어(D3)가 치합하고, 상기 제4구동기어(G4)에는 제1출력축(OS1) 상의 제4변속기어(D4)가 치힙한다.
결과적으로 입력축(IS) 상에는 동력이 입력되는 방향에서 반대 방향으로 입력축(IS)의 종축 방향을 따라 제1 내지 제4유압식 다판 클러치(WC1~WC4)가 순서대로 배치되고, 제1출력축(OS1) 상에는 제1변속기어(D1), 제6변속기어(D6), 제3변속기어(D3)와 제4변속기어(D4)가 순서대로 배치된다.
상기 제2출력축(OS2) 상에는 제5변속기어(D5)와 제2변속기어(D2)가 순서대로 배치된다.
상기 제3변속기어(D3)와 제4변속기어(D4)는 제1출력축(OS1) 또는 제2출력축(OS2) 중에서 선택되는 축 상에 선택적으로 형성할 수 있다.
상기 제1출력축(OS1)과 제2출력축(OS2)의 후방에는 제1종동기어(RG1)와 제2종동기어(RG2)가 각각 동력 연결되도록 형성되며, 상기 제1종동기어(RG1)와 제2종동기어(RG2)는 제3종동기어(RG3)에 각각 치합한다.
상기 종동기어들(RG1,RG2)로 전달되는 회전력은 제3종동기어(RG3)가 축설되는 종동축(FS)을 통하여 차륜으로 전달된다.
상기 제1출력축(OS1)과 제2출력축(OS2) 상에는 다수의 기어 셀렉터(S1,S2)가 장착되어 동력을 전환할 변속기어를 선택한다. 본 실시예에서는 제1셀렉터(S1)를 제1출력축(OS1) 상의 제1변속기어(D1)와 제6변속기어(D6) 사이에 배치하고, 제2셀렉터(S2)를 제2출력축(OS2) 상의 제5변속기어(D5)와 제2변속기어(D2) 사이에 배치한다.
상기 기어 셀렉터(S1,S2)는 통상적으로 싱크로 기구라고 하는 것으로서 출력축 상의 변속기어의 회전수를 구동기어와 동기화시켜 동력의 단속을 관장하는 일종의 클러치이며, 본 출원 이전에 다수의 자동차에서 널리 채택하여 사용하는 공지의 개념이므로 이에 관하여 자세한 설명은 생략하기로 한다.
이와 같은 구성을 가지는 다중 유압식 다판 클러치 변속기(100)의 작동원리를 설명하면 다음과 같다.
전기 자동차의 예를 들면, 구동모터에 의하여 입력축(IS)이 회전을 시작하게 되는데 이때 제1유압식 다판 클러치(WC1)에는 전류가 미리 인가되어 제1구동기어(G1)가 형성된 제1유압식 다판 클러치(WC1)가 입력축(IS)에 동력 연결된 상태를 이룬다. 또한 제1셀렉터(S1)가 제1변속기어(D1)에 연결된 상태를 유지한다.
따라서 입력축(IS)의 회전과 함께 제1구동기어(G1)와 제1변속기어(D1)가 회전하게 되고 변속된 회전력이 제1출력축(OS1)과 제1종동기어(RG1) 및 제3종동기어(RG3)를 통하여 종동축(FS)으로 전달되는 것이다.
제1변속기어(D1)가 선택되어 회전하는 동안 다음 기어단수인 제2변속기어(D2)는 제2셀렉터(S2)에 의하여 미리 선택되어진 상태(pre-select state)를 유지한다.
일반적으로 구동모터의 특성상 전기 자동차는 변속기가 필요 없고 그에 따라 클러치도 필요가 없다고 한다. 구동모터는 회전 시작시부터 최대의 토크를 발생할 수 있다는 것이 그 이유이다. 그래서 많은 전기 자동차는 단일 기어 변속 시스템(Single Gear Transmission)를 적용하고 있는 것이 사실이다.
그러나 많은 연구에서는 위와 같은 사정에도 불구하고 구동모터에도 최소한 4단 이상의 기어를 적용하는 것이 연비 효율 면에서 더욱 바람직하다고 한다. 그리하여 최근 다양한 전기 자동차용 변속기가 개발되어 소개되고 있는 실정이다.
본 실시예에서와 같이 다수의 유압식 다판 클러치(WC1~WC4)를 이용하면 이상적인 전기 자동차용 변속기를 구성할 수 있다.
본 실시예에서는 출력축(OS1,OS2)을 입력축(IS)과 평행하게 그 상하에 두 개를 배치하여 변속 단수의 다 단화가 가능하게 하였으며 하나의 유압식 다판 클러치에 두 개씩의 구동기어(G)를 배치하고 셀렉터(S1,S2)에 의하여 동력 선택되도록 함으로써 변속 단수의 고단화를 이루는 경우에도 유압식 다판 클러치의 개수를 최소화함과 동시에 변속기의 부피를 줄이고자 하였다.
본 실시예에서는 4개의 유압식 다판 클러치(WC1~WC4)와 2개의 셀렉터(S1,S2)를 이용하여 6단 변속기를 구현하고 있다. 이러한 변속기 구조는 저회전이나 높은 토크를 가지는 구동 모터에 적용하기에 적합하다. 엔진의 시동이 꺼진 상태에서는 모든 유압식 다판 클러치의 동력 연결이 끊어져 회전이 정지한 상태이다.
스위치를 켜고 드라이브 위치에 두면 출발을 위한 회전 전에 먼저 제1변속기어(D1)에 대응하는 제1유압식 다판 클러치(WC1)가 전류의 인가와 동시에 입력축(IS)에 동력 연결된다. 그리하여 출발 전에 이미 마찰 손실이 없는 최대의 허용 토크를 가지게 된다.
일반적으로 사용되는 클러치는 출발을 위한 회전 전에는 클러치가 물려 있지 않고 떨어져 있다가 입력축이 회전을 시작한 후에 클러치가 붙으며 전진을 시작한다. 하지만 구동 모터의 경우에는 그럴 필요가 없고 출발 직전에 변속 1단의 클러치가 먼저 물림으로써 제1클러치가 가지고 있는 허용 토크를 최대로 이용할 수 있는 것이다.
제1속 출발 후 속도가 오르고 토크가 남게 되면 제1유압식 다판 클러치 클러치(WC1)의 전류를 끊고 제2유압식 다판 클러치(WC2)에 전류를 인가하여 동력 연결한다. .
본 실시예의 유압식 다판 클러치(WC)는 전기로 온/오프 제어될 수 있으므로 클러치의 붙고 떨어짐이 빠르고 정확하다. 하나의 입력축(IS) 상에 4개의 유압식 다판 클러치가 연결되어 회전을 하고 있으나, 주행의 어느 한 시점에서 회전하는 입력축(IS)에 동력 연결되는 유압식 다판 클러치는 단지 하나이다. 즉, 주행 중 어느 한 시점에서 전류는 릴레이 스위치를 통하여 오직 하나의 유압식 다판 클러치로만 인가된다. 그러므로 다수의 클러치가 동시에 물리는 일은 발생하지 않게 된다.
자동차의 주행 중에 현재의 변속 단수보다 한 단계 위의 변속기어와 한 단계 아래의 변속기어가 미리 선택돼 있어야 변속시간과 변속 충격을 줄일 수 있으므로 도시한 바와 같이 최소한 4개의 유압식 다판 클러치(WC1~WC4)가 필요하다. 또한 이를 위하여 각 단의 변속기어를 순서대로 배치하는 것이 아니라 제1 및 제2출력축(OS1,OS2) 상에 엇갈리게 배치할 필요가 있다. 이렇게 하면 도시한 바와 같이 4개의 유압식 다판 클러치를 사용하여 6단 이상의 기어 변속단수를 구현할 수 있게 된다.
전기 자동차의 경우 이처럼 6단 이상까지 기어 변속비를 다단화할 필요가 없을 수도 있으나 변속1단에서 변속6단까지의 기어비의 변화를 조밀하게 할 수 있으므로 이와 같이 구성하는 경우 변속기가 거의 무단 변속기(CVT)와 유사해지는 장점이 있다.
본 발명의 경우 정지에서 출발시에 이미 제1단에서 제4단까지는 프리-셀렉트(Pre-select, Pre-engage) 상태를 이루도록 할 수 있으므로 별도의 셀렉터 작동이 필요 없고 주행 중의 한 시점에서 전류가 흘러 작동하는 클러치만 단 한 개가 되는 것이다. 이는 변속기 작동을 위한 전류 소모를 최소화할 수 있다는 점에서도 유용성이 인정된다.
본 발명의 경우에는 본 실시예 외에도 이하에서 설명되는 다른 실시예의 경우 모두 최소 4개 이상의 유압식 다판 클러치(WC)가 입력축 상에 형성되는 것을 특징으로 한다. 그렇게 해야만 현재 주행 중인 변속 단수 및 그 앞뒤의 변속 단수를 포함하여 최소 4개의 변속기어가 프리 셀렉트 되어 신속하고 변속 충격 없는 기어 변속이 가능할 뿐만 아니라 가속중 스킵 변속이 가능하다.
예를 들어 현재 변속4단인 제4변속기어(D4)가 선택되어 구동하고 있는 상태라면 이 상태에서는 제2변속기어(D1), 제3변속기어(D3) 및 제5변속기어(D5)가 모두 프리 셀렉트된 상태를 유지하고 있으며 차량이 가속 또는 감속됨에 따라 제5변속기어(D5) 또는 제3변속기어(D3)가 제1 유압식 다판 클러치(WC1) 또는 제3유압식 다판 클러치(WC3)에 전류가 인가됨과 동시에 시간 지연 없이 선택 및 구동되는 것이다. 따라서 변속 충격이 없으며 변속 타임이 매우 빠른 것이 특징이다.
도4는 본 발명의 제2실시예에 의한 다중 유압식 다판 클러치 변속기의 기어 트레인의 평면도인데, 내연기관 자동차와 구동모터의 단독 가동 구간이 없이 엔진의 출력만을 보조하는 병렬형 마일드 하이브리드 자동차에 적용이 가능하다.
엔진의 회전력을 전달받는 입력축(IS)상에는 토크 컨버터와 같은 주 클러치(C)가 배치되고 상기 주 클러치(C)의 후방에 다수의 유압식 다판 클러치(WC1~WC4)들을 포함하는 변속기가 배치된다.
여기서 상기 주 클러치(C)는 건식 마찰 클러치, 습식 다판식 마찰 클러치, 토크 컨버터 중에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
본 실시예에서도 입력축(IS), 상기 입력축(IS)에 나란하게 이격하여 배치되는 한 쌍의 출력축(OS1,OS2), 제1 내지 제3종동기어(RG1~RG3) 및 종동축(FS)의 구성은 전술한 실시예와 동일하다.
또한 입력축(IS) 상에 전방에서 후방으로(종축방향으로) 제1 내지 제4 유압식 다판 클러치(WC1~WC4)가 일렬 배치되는 구조 역시 전술한 실시예와 동일하다.
다만, 본 실시예에서는 각 유압식 다판 클러치(WC1~WC4)에 각각 두 개의 구동기어(G)들이 형성되어 후진을 제외한 총 8단의 기어 변속비를 가진다.
즉, 제1유압식 다판 클러치(WC1)에는 제1구동기어(G1)와 제5구동기어(G5)가 형성되어 각각 제1변속기어(D1)와 제5변속기어(D5)에 치합하고, 제2유압식 다판 클러치(WC2)에는 제2구동기어(G2)와 제6구동기어(G6)가 형성되어 각각 제2변속기어(D2)와 제6변속기어(D6)에 치합한다.
제3유압식 다판 클러치(WC3)에는 제3구동기어(G3)와 제7구동기어(G7)가 형성되어 각각 제3변속기어(D3)와 제7변속기어(D7)에 치합하고, 제4유압식 다판 클러치(WC4)에는 제4구동기어(G4)와 제8구동기어(G8)가 형성되어 각각 제4변속기어(D4)와 제8변속기어(D8)에 치합하거나 동력 연결된다.
본 실시예에서는 제1출력축(OS1) 상에 전방에서부터 제1변속기어(D1), 제6변속기어(D6), 제3변속기어 및 제8변속기어(D8)가 배치되고, 제2출력축(OS2) 상에 제5변속기어(D5), 제2변속기어(D2), 제7변속기어(D7) 및 제4변속기어(D4)가 순서대로 배치된다.
그리고, 제1변속기어(D1)와 제6변속기어(D6) 사이의 제1출력축(OS1) 상에 제1셀렉터(S1)가 형성되고, 제3변속기어(D3)와 제8변속기어(D8) 사이에 제3셀렉터(S3)가 형성된다.
또한, 제5변속기어(D5)와 제2변속기어(D2) 사이의 제2출력축(OS2) 상에 제2셀렉터(S2)가 형성되고, 제7변속기어(D7)와 제4변속기어(D4) 사이에 제4셀렉터(S4)가 형성된다.
셀렉터와 변속기어들의 배치를 이와 같이 하는 이유는 주행 변속 단수를 기준으로 3개의 상위 단수의 변속기어와 하위 단수의 변속기어를 프리-셀렉트하여 변속타임과 변속충격을 최소화하기 위한 것이다.
내연기관의 엔진차는 정지에서 출발시 엔진의 토크가 약하므로 부드러운 출발을 위해서는 엔진의 회전수를 올리며 토크를 증가시키는 과정이 필요하다. 그러므로 전기 자동차와는 달리 전기 자동차용의 유압식 다판 클러치 변속기의 전방에 토크 컨버터, 건식 클러치, 습식 클러치와 같은 주 클러치(C)의 존재가 필요하다. 도시한 실시예에서는 주 클러치로서 토크 컨버터를 채택한 경우를 예로 들었다.
즉 제1변속기어(D1)가 연결된 제1유압식 다판 클러치(WC1)는 출발 전에 이미 동력 연결되어 있어 최대 허용 토크 상태를 유지하고 주 클러치(C)에 의하여 엔진의 회전 동력이 전달되면서 출발이 이루어지게 되는 것이다.
각 변속기어(D1~D8)와의 동력 연결은 제1 내지 제4유압식 다판 클러치(WC1~WC4)에 인가되는 전류의 온/오프와 다수의 셀렉터(S1~S4)들에 의하여 수행된다.
예를 들면 제5변속기어(D5)가 선택되어 변속5단의 속도를 구현하는 경우에 제1유압식 다판 클러치(WC1)에 전류가 인가되어 온(ON) 상태를 이루고, 제2셀렉터(S2)가 제5변속기어(D5)에 연결된 상태를 이루게 된다.
이때 주행 변속기어인 제5변속기어(D5)보다 하나 위와 하나 아래 단의 변속기어인 제4변속기어(D4)와 제6변속기어(D6)에는 제4셀렉터(S4)와 제1셀렉터(S1)가 각각 미리 연결되어 있고 아울러 제3변속기어(D3)에 제3셀렉터(S3)가 미리 연결되어 있게 된다. 즉, 변속 5단 주행의 경우 변속 3단, 변속 4단 및 변속 6단에 해당하는 변속기어(D3,D4,D6)가 미리 선택되어져 있게 되는 것이다.
따라서 제5단의 변속비로 주행 중 가속시에는 제2유압식 다판 클러치(WC2)에 전류가 인가되어 제6변속기어(D6)가 동력 선택되고, 감속시에는 제4유압식 다판 클러치(WC4)에 전류가 인가되어 제4변속기어(D4)가 동력 선택된다.
다시 말하면 변속5단 주행의 경우 제3변속기어(D3), 제4변속기어(D4) 및 제6변속기어(D6)가 각각 제3셀렉터(S3), 제4셀렉터(S4) 및 제1셀렉터(S1)에 의하여 프리 셀레트 상태를 이루게 되는 것이다.
이처럼 본 발명에 의하면 제어가 용이한 전동식 유압식 다판 클러치(WC)와 셀렉터(S)에 의하여 변속기어의 전환이나 프리-셀렉트(pre-select)가 신속하고 확실하게 수행되는 이점이 있다.
즉 본 실시예에 의하면 두 개의 변속기어가 한 개의 유압식 다판 클러치에 항시 연결이 되어 있고, 각 변속기어로의 동력 전달 여부는 기어 셀렉터(S)와 각 유압식 다판 클러치(WC)의 온/오프 동작에 의하여 수행되는 것이다.
본 실시예에 의하면, 어느 한 시점에서 하나의 유압식 다판 클러치(WC)에는 오직 하나의 셀렉터(S)만 물려 있게 되고, 반대쪽의 변속기어(D)에는 셀렉터(S)가 연결되어 있지 않고 빠져 있어 그냥 유압식 다판 클러치(WC)에 물린 채 공회전한다.
도시한 실시예의 기어 단수 배치의 장점은 기어 셀렉터(S)의 위치에 있어 좌측에 물리거나 우측에 물리는 두 가지의 위치만 존재하고 종래 일반적인 변속기에 적용되는 셀렉터에서와 같이 셀렉터가 좌·우축 어느 기어에도 연결되지 않은 중립의 위치가 존재하지 않는다는 점이다. 따라서 셀렉터(S)의 제어가 매우 용이하고 제어 속도 및 제어 안정성이 높아지는 장점이 있다. 또한 이러한 구조에 의하면 셀렉터(S)와 각 셀렉터들을 조작하기 위한 셀렉터 조작 샤프트(미도시)의 수를 최소화할 수 있게 되는 이점이 있다.
공지의 듀얼 클러치 변속기(DCT, Dual Clutch Transmission)는 그 성능이 우수하여 가속시에는 현재의 기어보다는 상위 단의 변속기어가 미리 선택되어 있으므로 상위 단으로의 기어 변속이 빠르고 감속시에는 현재의 기어보다 하위 단의 변속기어가 미리 선택되어 엔진 브레이크가 걸리는 이점이 있으나, 단점은 정속 주행시나 가속과 감속이 반복될 때에는 현재의 기어보다 높은 단의 변속기어 또는 낮은 단의 변속기어 중 어느 것이 미리 선택되어야 할지 그 제어에 문제가 있다.
이러한 듀얼 클러치의 단점을 극복하고자 전술한 바 있는 삼중 클러치 변속기와 같은 구조의 변속기들이 제안된 바 있으나, 이미 앞에서 살핀 바와 같이 다수의 중공관축이 축 중심을 공유하는 형상이어서 제작비용이 높고, 유지보수가 어려우며 기어 트레인 구조가 매우 복잡하다는 단점이 있다. 또한 7단 이상으로 고단화하기에 문제가 있는 구조이다.
본 발명의 실시예에 의하면 가속시에는 현재의 변속 단수에 해당하는 유압식 다판 클러치(WC)가 떨어지며 하나 높은 단수의 변속기어에 대응하는 유압식 다판 클러치(WC)가 붙으면 되고, 감속시에는 현재의 변속 단수에 해당하는 유압식 다판 클러치(WC)가 떨어지며 하나 낮은 단수의 변속기어에 대응하는 유압식 다판 클러치(WC)가 붙으면 된다. 이는 현재 물려 회전하고 있는 변속기어의 하나 위와 하나 아래 단수의 변속기어가 미리 함께 선택되어 물려 있는 상태이므로 가능하게 된 것이다.
본 발명의 경우 현재 주행 중인 기어 단수를 포함하여 적용된 유압식 다판 클러치(WC)의 개수만큼 변속기어가 연속적으로 미리 선택되어 대기하므로 변속이 빠르고 부드럽다는 장점이 있다.
도5는 본 발명의 제3실시예에 의한 다중 유압식 다판 클러치 변속기의 기어 트레인의 평면도이고, 도6은 본 발명의 제4실시예에 의한 다중 유압식 다판 클러치 변속기의 기어 트레인인의 평면도이다.
도5의 실시예는 상기 제2실시예와 기본적인 구조는 대동 소이하나, 변속단수가 12단으로 더욱 세분화 및 고단화 되어 있음을 알 수 있다. 도시한 제3실시예에서는 유압식 다판 클러치(WC)가 총 6개로 입력축(IS) 상에 배치되고, 제1출력축(OS) 상에는 순서대로 제1변속기어(D1), 제8변속기어(D8), 제3변속기어(D3), 제10변속기어(D10), 제5변속기어(D5), 제12변속기어(D12)가 배치된다.
제2출력축(OS2) 상에는 제7변속기어(D7), 제2변속기어(D2), 제9변속기어(D9), 제4변속기어(D4), 제11변속기어(D11) 및 제6변속기어(D6)가 순서대로 배치된다.
제1변속기어(D1)와 제8변속기어(D8) 사이, 제3변속기어(D3)과 제10변속기어(D10)사이 및 제5변속기어(D5)와 제12변속기어(D12) 사이의 제1출력축(OS1) 상에는 순서대로 제1셀렉터(S1), 제3셀렉터(S3), 제5셀렉터(S5)가 형성된다.
제7변속기어(D7)와 제2변속기어(D2) 사이, 제9변속기어(D9)와 제4변속기어(D4) 사이 및 제11변속기어(D11)와 제6변속기어(D6) 사이의 제2출력축(OS2) 상에는 순서대로 제2셀렉터(S2), 제4셀렉터(S4), 제6셀렉터(S6)가 형성된다.
위의 제3실시예에서는 주 클러치로서 유압식 다판 클러치를 적용한 예를 보이고 있다.
도6의 실시예는 5개의 유압식 다판 클러치(WC1~WC5)와 4개의 기어 셀렉터(S1~S4)를 이용하여 구현한 9단 변속기를 나타낸다. 본 실시예에서는 주 클러치로서 건식 마찰 클러치를 적용하고 있다.
도7은 본 발명의 제5실시예에 의한 다중 유압식 다판 클러치 변속기의 기어 트레인의 평면도로서 도4에 도시한 제2실시예와 거의 동일한 기어 배치 구성을 나타낸 것이다.
다만 본 실시예의 경우 제1유압식 다판 클러치(WC1)와 제2유압식 다판 클러치(WC2)의 동일한 구성 요소가 서로 마주보도록 내측으로 배치하고, 마찬가지로 제3유압식 다판 클러치(WC3)와 제4유압식 다판 클러치(WC4)의 동일한 구성 요소를 서로 마주보도록 배치함으로써 변속기 전체의 부피와 사이즈를 컴팩트하게 구성할 수 있다는 점에서 장점이 있다.
이와 같이 인접하는 한 쌍의 유압식 다판 클러치(WC)의 각 구동기어(G)들이 서로 마주하도록 내측으로 배치하는 구성은 제1 내지 제4실시예의 경우에 동일하게 그대로 적용할 수 있으며 이에 관하여 중복되는 설명은 생략한다.
도8은 본 발명의 제6실시예에 의한 다중 유압식 다판 클러치 변속기의 기어 트레인의 평면도이다.
병렬형 하이브리드카 중에서 엔진 이외에 구동 모터의 단독 가동 구간이 존재하는 형식의 하이브리드카를 스트롱 병렬형 하이브리드카라고 한다. 이러한 스트롱 병렬형 하이브리드카의 경우 구동모터 단독의 구동 구간을 위하여 토크 컨버터는 주 클러치(C)로 채택할 수 없으며 건식 클러치와 구동모터의 조합 또는 습식(유압식) 클러치와 구동모터의 조합으로 구성하여야 한다.
즉, 도시한 바와 같이 본 발명의 다중 유압식 다판 클러치 변속기(100)의 전방에 엔진으로부터 전달되는 동력을 단속하는 주 클러치(C)와 상기 주 클러치(C)에 연결되는 구동 모터(Motor generator, MG)가 배치된다.
본 실시예는 엔진과 구동 모터가 모두 동력 전달에 관여하는 스트롱 병렬식 하이브리드카라는 점을 제외하고 다중 유압식 다판 클러치 변속기(100)의 작동원리는 이전의 실시예들과 동일하므로 이에 관하여 자세한 설명은 생략한다.
본 발명은 자동차의 변속기 구조에 관한 것으로서 종래의 변속기와 비교하여 변속 제어가 쉽고, 변속 시간이 빠르며, 변속 충격이 적고 다양한 종류의 자동차 변속기를 다단화 및 고단화하는데 유리한 다중 유압식 다판 클러치 변속기에 관한 것이다. 따라서 본 발명을 전기자동차, 하이브리드카, 수로 연료전지 자동차 및 내연기관 자동차 등에 널리 적용할 필요가 있을 것이다.
C: 주 클러치 IS: 입력축
OS1: 제1출력축 OS2: 제2출력축
FS: 종동축 WC1~WC6: 유압식 다판 클러치
G1~G12: 구동기어 D1~D11: 변속기어
RG1~RG3: 종동기어 S1~S6: 셀렉터

Claims (1)

  1. 엔진 또는 구동모터에 의하여 회전하는 입력축(IS);
    상기 입력축의 종축 방향으로 이격하여 최소한 4개가 일렬 배치되어 입력축에 동력 연결 또는 해제되는 다수의 유압식 다판 클러치;
    상기 각 유압식 다판 클러치 상에 적어도 하나 이상씩 형성되는 구동기어(G);
    상기 입력축에 평행하게 상하로 나란하게 배치되는 제1출력축(OS1)과 제2출력축(OS2);
    상기 제1출력축 또는 상기 제2출력축 상에 형성되어 상기 다수의 구동기어 중에서 어느 하나와 치합하는 다수의 변속기어(D); 및
    상기 제1출력축의 일부 변속기어들 사이 및 상기 제2출력축의 일부 변속기어들 사이에 형성되어 출력축 상의 좌측 또는 우측의 변속기어에 항시 연결되고 연결이 해제된 중립 상태가 없도록 위치하는 다수의 기어 셀렉터(S);
    를 포함하여 구성되어 주행 중인 변속 단수의 변속기어의 위와 아래 단의 변속기어 중 최소한 3개의 변속기어가 가속 또는 감속을 대비하여 프리-셀렉트(pre-select) 상태를 유지하도록 된 것을 특징으로 하는 자동차용 다중 유압식 다판 클러치 변속기.
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