KR20160028200A - 유성기어 세트 조합형 무단 자동변속 시스템 - Google Patents

유성기어 세트 조합형 무단 자동변속 시스템 Download PDF

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KR20160028200A KR1020140116963A KR20140116963A KR20160028200A KR 20160028200 A KR20160028200 A KR 20160028200A KR 1020140116963 A KR1020140116963 A KR 1020140116963A KR 20140116963 A KR20140116963 A KR 20140116963A KR 20160028200 A KR20160028200 A KR 20160028200A
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Abstract

본 발명은 가솔린 엔진, 디젤 엔진, 가스 엔진과 같은 엔진이나 전기모터 등으로 구동되는 다양한 종류의 차량 및 산업기계에 적용되어 차량의 정지, 저속주행, 고속주행, 가속주행, 감속주행, 주차와 같은 각 운전조건에 따라 차량 구동시 요구되는 토크와 속도를 제어하게 되는 유성기어 세트 조합형 무단 자동변속 시스템을 제공한다. 이와 같은 본 발명에 따른 유성기어 세트 조합형 무단 자동변속 시스템은 유성기어기구와 유체식 동력전달기구(유체 클러치, 토크 컨버터 등)의 조합으로 변속모듈이 구현되고, 변속모듈을 이루는 유성기어기구의 작동을 제어하기 위한 별도의 브레이크기구나 클러치기구가 설치되지 않더라도 차량의 운전자에 의해 조작되는 엑셀러레이터(accelerator)에 의해 조절되는 차량 엔진축의 회전수에 연동되어 유성기어기구와 유체식 동력전달기구의 작동이 자동으로 제어되도록 한다. 이에 따라, 차량의 운전이 간편하고 용이하게 이루어질 수 있게 되고, 차량 운전자의 운전능력이 향상되게 된다. 이와 더불어 본 발명은 차량 엔진축으로부터 차축으로 회전력이 전달될 시 변속모듈의 유성기어기구에 의해 토크와 회전수(rpm)가 서로 반비례하는 관계를 유지하면서 차량의 토크 변화와 변속이 유도되도록 함에 따라 차속에 따른 차량의 등판능력이 자동으로 구현됨으로써 차량 성능이 향상되게 된다. 특히 본 발명은 복합적으로 조합된 유성기어 세트와 유체식 동력전달기구의 연결구성에 의해 변속 효율과 시스템 안정성이 증대된다.
본 발명에 따른 유성기어 세트 조합형 무단 자동변속 시스템은 엔진에 연결된 차량 엔진축과 구동바퀴에 연결된 차축 사이에 배치되어 차량의 변속을 유도하는 변속모듈과, 차량에 설치되어 운전자의 발 누름동작으로 조작되는 엑셀러레이터로 이루어져 차량 엔진축의 회전수를 조절하는 가속조작모듈을 포함하여, 운전자의 발 누름동작으로 조작되는 가속조작모듈의 엑셀러레이터에 의해 차량 엔진축의 회전수가 변경되면서 변속모듈이 작동하여 차량 엔진축의 회전수에 대응하는 토크가 차축으로 전달되면서 차량의 정지, 저속주행, 고속주행, 가속주행, 감속주행, 주차를 위한 변속이 이루어지도록 하는데, 변속모듈은 차량 엔진축이 결합되는 엔진측 선기어(S1)에 다수의 유성기어, 다수의 링기어, 다수의 보조 선기어, 다수의 캐리어가 설정된 연결 패턴으로 접속되어 이루어지는 유성기어기구와; 유성기어기구의 보조 선기어에 펌프가 결합되고 유성기어기구의 링기어에 터빈이 결합되어 이루어지는 유체식 동력전달기구를 포함하는 변속모듈을 포함한다.

Description

유성기어 세트 조합형 무단 자동변속 시스템{Automatic transmission system with complex combining planetary gear system set}
본 발명은 유성기어 세트 조합형 무단 자동변속 시스템에 관한 것으로, 조금 더 구체적으로는 승용차, 버스, 트럭과 같은 다양한 차량 및 산업기계에 적용되는 변속모듈이 유성기어기구와 유체식 동력전달기구(유체 클러치, 토크 컨버터 등)의 조합으로 이루어지도록 하고, 변속모듈에 별도의 브레이크기구나 클러치기구가 설치되지 않더라도 차량 운전자에 의해 조작되는 엑셀러레이터에 의해 조절되는 차량 엔진축의 회전수에 따라 자동으로 유체식 동력전달기구와 유성기어기구의 작동이 제어될 수 있도록 하며, 특히 복합적으로 조합된 유성기어 세트와 유체식 동력전달기구의 연결구성에 의해 변속 효율과 시스템 안정성이 증대될 수 있는 유성기어 세트 조합형 무단 자동변속 시스템에 관한 것이다.
차량의 변속장치(transmission)는 차량의 엔진으로부터 토크를 전달받아 회전하게 되는 엔진축과 차량을 이동시키는 구동바퀴를 구동시키게 되는 차축 사이에 설치되어 정지, 저속주행, 고속주행, 가속주행, 감속주행, 주차와 같은 각 운전조건에서 차량 구동시 요구되는 토크와 속도를 조절하게 되는 장치이다.
이와 같은 차량의 변속장치는 일반적으로 1단에서 5단까지의 변속단계를 구현하기 위해 기어잇수를 달리한 다수개의 기어가 구비되어 각 변속단계 별로 기어를 달리하면서 각 운전조건에서 요구되는 토크와 속도로 차량이 운전될 수 있도록 한다. 이를 구현하기 위한 다양한 구성의 변속장치들이 개발되어 현재 사용되고 있는데, 차량 운전자에 의해 직접 기어가 조작되는 수동변속기(manual transmission), 차량의 속도에 따라 자동으로 기어가 조작되는 자동변속기(automatic transmission), 풀리나 체인 등을 사용하여 무단으로 변속이 이루어지도록 하는 무단 자동변속장치 등이 있다.
여기서, 자동변속기는 유체클러치나 토크컨버터 등의 유체식 동력전달기구와 유성기어기구의 조합으로 이루어지고, 차량에 구비된 변속 레버를 통해 차량 운전자가 P(Parking), R(Reverse), N(Neutral), D(Drive), 2(Second), L(lock-up) 등으로 구성되는 주행 선택모드를 선택하게 되면, 선택된 주행 선택모드에 따라 자동으로 기어가 조작되면서 변속이 이루어지도록 하는 것이다.
이와 같은 자동변속기와 관련된 기술로는 대한민국 특허공보 공고번호 제10-1995-0000045호 "무단자동 변속장치", 등록특허공보 등록번호 제10-0290390호 "자동차용 무단변속장치", 등록번호 제10-0801095호 "무단자동변속장치", 공개특허공보 공개번호 제10-1996-0040756호 "차량용 자동변속장치" 공개번호 제10-1998-030064호 "자동차용 무단 변속장치" 등이 안출되어 있다.
한편, 대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-0637799호는 도 1에서와 같이 자동 변속 유체를 매개로 하여 엔진 입력축으로부터 엔진 출력축으로 동력을 전달하는 무단 자동 변속 시스템으로서, 자동 변속 유체에 엔진 입력축으로부터의 동력을 전달하는 임펠러, 이 임펠러에 의한 유체 유동을 받아 회전하는 터빈, 이 터빈에 의해 유동되는 자동 변속 유체의 반동을 방지하도록 반동 유체를 상기 임펠러로 유도하여 토크를 배가시키는 스테이터로 이루어져 있으며, 상기 임펠러와 터빈 간의 속도비 차이만큼 변속하여 변속기 입력(input)으로 전달하는 토크 컨버터(10)와; 상기 엔진 입력축과 엔진 출력축 사이의 축선 상에 일정간격을 두고 각각 배치되며, 선기어(20S), 링기어(20R) 및 유성 캐리어(20C)로 각각 이루어지고 외부로부터 전달되는 동력을 각각 변속하는 제1 및 제2 유성 기어 세트(20a,20b)와; 이 제1 유성 기어 세트와 제2 유성 기어 세트 사이에 설치되어 상기 제1 유성 기어 세트(20a)를 통한 출력을 제2 유성 기어 세트(20b)로 전달하는 제1 다판 클러치(30a) 및 상기 제2 유성 기어 세트(20b)의 일부분에 설치되어 그 제2 유성 기어 세트를 통한 동력 전달을 매개하는 제2 다판 클러치(30b)와; 후진 작동시, 상기 제2 유성 기어 세트(20b)의 유성 캐리어(20C)를 고정시키는 다판 브레이크(40)를 포함하며, 상기 제1 유성 기어 세트(20a)의 선기어(20S)는 상기 임펠러의 축(10I)에 직렬되어 엔진으로부터의 동력을 직접 전달받으며, 상기 제1 유성 기어 세트(20a)의 링기어(20R)는 상기 터빈의 축(10T)에 직렬되어 상기 토크 컨버터(10)로부터의 변동출력을 전달받으며, 상기 제1 유성 기어 세트(20a)의 유성 캐리어(20C)는 상기 선기어(20S)와 링기어(20R)에 각기 입력된 출력이 합쳐져 출력되는 구성의 무단 자동 변속 시스템이 개시되고 있다.
여기서, 상기 무단 자동 변속 시스템은 토크 컨버터를 이루는 펌프의 회전 속도와 유체를 매개로 전달된 동력에 의해 회전하는 터빈의 회전 속도 사이의 속도비에 의해 변속이 이루어지는 시스템으로, 제1유성기어세트와 제2유성기어세트 사이에 제1다판클러치가 설치되어 제1유성기어세트를 통한 출력을 제2유성기어세트로 전달하며, 제2유성기어세트에는 제2다판클러치가 설치되어 제2유성기어세트를 통한 동력전달을 매개하는데, 토크 컨버터와 유성기어세트만으로는 차량의 저속구동시 요구되는 토크에 대응할 수 없어 차속 및 가속 상태의 감지를 통해 제1다판클러치의 작동량을 조절함으로써 원활한 동력 전달이 이루어지도록 한다.
이와 같이 상기 무단 자동 변속 시스템은 토크 컨버터, 유성기어세트 이외에 복수개의 다판클러치가 구비되는 구성이어서 차량의 변속을 위한 장치구성이 복잡해져 제조비용이 증대되고, 차량 운전자가 변속장치 뿐만 아니라 복수개의 다판클러치까지 조작해야 함에 따라 차량 운전에 불편함이 있었으며, 상기와 같이 차속 및 가속 상태의 감지하여 조작되는 다판클러치와 같이 유성기어세트의 동작을 제어하는 별도의 제어기구가 설치되어야 하는 문제점이 있었다.
또한, 대한민국 공개특허공보 공개번호 제10-1996-0040756호는 도 2에서와 같이 최대 토크비가 2.5 내지 3인 공지의 3요소 1단형 토크컨버터와 유성기어장치, 보조변속기를 조합하여 자동변속기를 구성함에 있어서, 토크컨버터의 펌프(2)와 유성기어장치의 선기어(7)를 동심축으로 결합시키는 입력축(5)를 설치하고, 상기의 입력축을 마찰클러치(1)를 개재시켜 엔진에 연결하여 엔진의 동력이 상기의 펌프(2)와 선기어(7)에 전달되게 하며, 유성기어장치의 링기어(10)와 토크컨버터의 터빈(3)을 동심축으로 결합하는 토크컨버터의 출력축(6)을 설치하여 상기 터빈(3)의 동력을 링기어(10)에 전달하고, 차량의 발진시부터 일정한 주행 속도에 도달될 때 또는 상기 링기어(10)의 역회전(엔진 회전 방향과 반대되는 방향으로의 회전)의 회전속도가 일정한 수치 이하로 감소되는 시점에 이를 때까지 일정한 마찰력을 상기 링기어(10)에 작용시켜 상기 링기어(10)의 역회전 회전속도를 감소시키는 방향으로 그 마찰력이 작용되는 밴드 브레이크(11)를 설치하고, 상기 선기어(7)와 링기어(10) 사이에 치차물림된 피니언기어(8)에 연결된 유송캐리어(9)의 회전축을 보조변속기의 입력축(25)에 연결시킴으로써, 차량의 주행저항의 변화, 엔진의 회전력 및 회전속도의 변화에 따라 토크컨버터의 회전력 및 회전속도가 변화되고, 토크컨버터의 회전력의 변화와 밴드 브레이크(11)의 마찰력의 변화에 따라 링기어(10)의 회전력 및 회전속도가 변화되며, 상기의 여러 가지 요소의 변화에 따라 캐리어(9)의 회전력과 회전속도가 변화되는 구성의 차량용 자동변속장치이 개시되고 있다.
그러나, 상기 차량용 자동변속장치도 상술한 상기 무단 자동 변속 시스템과 마찬가지로, 유성기어장치를 이루는 링기어에 작용되어 링기어의 역회전 회전속도를 감소시키는 밴드 브레이크(1)가 설치되어 유성기어장치의 동작을 제어하는 구성이어서, 차량의 변속을 위한 장치구성이 복잡해지는 문제점이 여전히 존재하며, 이와 더불어 토크컨버터의 회전력 변화와 밴드 브레이크의 마찰력의 변화에 영향을 받으면서 차량의 변속이 이루어지는 시스템이어서 불필요한 동력의 소모를 야기하여 차량의 연비가 낮아지는 문제점이 있었으며, 특히, 상기 밴드 브레이크와 같이 유성기어세트의 동작을 제어하는 별도의 제어기구가 설치되어야 하는 문제점이 있었다.
(특허문헌 1) 대한민국 특허공보 공고번호 제10-1995-0000045호 "무단자동 변속장치"
(특허문헌 2) 대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-0290390호 "자동차용 무단변속장치"
(특허문헌 3) 대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-0801095호 "무단자동변속장치"
(특허문헌 4) 대한민국 공개특허공보 공개번호 제10-1996-0040756호 "차량용 자동변속장치"
(특허문헌 5) 대한민국 공개특허공보 공개번호 제10-1998-030064호 "자동차용 무단 변속장치"
따라서 본 발명은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 개선하여, 유성기어기구와 유체식 동력전달기구(유체 클러치, 토크 컨버터 등)의 조합으로 변속모듈이 구현되고, 변속모듈을 이루는 유성기어기구의 작동을 제어하기 위한 별도의 브레이크기구나 클러치기구가 설치되지 않은 상태에서도 차량의 운전자에 의해 조작되는 엑셀러레이터(accelerator)에 의해 조절되는 차량 엔진축의 회전수에 연동되어 유성기어기구와 유체식 동력전달기구의 작동이 자동으로 제어될 수 있도록 하는 구성이 제공됨에 따라 변속모듈을 이루는 유성기어기구와 유체식 동력전달기구를 제어하기 위한 별도의 제어기구의 설치가 필요없는 새로운 형태의 유성기어 세트 조합형 무단 자동변속 시스템를 제공하는 것을 목적으로 한다.
특히 본 발명은 복합적으로 조합된 유성기어 세트와 유체식 동력전달기구의 연결구성에 의해 변속 효율과 시스템 안정성이 증대될 수 있는 새로운 형태의 유성기어 세트 조합형 무단 자동변속 시스템를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 본 발명은 엔진에 연결된 차량 엔진축과 구동바퀴에 연결된 차축 사이에 배치되어 차량의 변속을 유도하는 변속모듈과, 차량에 설치되어 운전자의 발 누름동작으로 조작되는 엑셀러레이터로 이루어져 차량 엔진축의 회전수를 조절하는 가속조작모듈을 포함하여, 운전자의 발 누름동작으로 조작되는 상기 가속조작모듈의 엑셀러레이터에 의해 상기 차량 엔진축의 회전수가 변경되면서 상기 변속모듈이 작동하여 차량 엔진축의 회전수에 대응하는 토크가 상기 차축으로 전달되면서 상기 차량의 정지, 저속주행, 고속주행, 가속주행, 감속주행, 주차를 위한 변속이 이루어지도록 하되, 상기 변속모듈은, 상기 차량 엔진축이 결합되는 엔진측 선기어(S1)에 다수의 유성기어, 다수의 링기어, 다수의 보조 선기어, 다수의 캐리어가 설정된 연결 패턴으로 접속되어 이루어지는 유성기어기구와; 상기 유성기어기구의 보조 선기어에 펌프가 결합되고 상기 유성기어기구의 링기어에 터빈이 결합되어 이루어지는 유체식 동력전달기구를 포함하는 변속모듈을 포함하는 유성기어 세트 조합형 무단 자동변속 시스템을 제공한다.
이와 같은 본 발명에 따른 유성기어 세트 조합형 무단 자동변속 시스템에서 상기 변속모듈의 유성기어기구는, 차량 엔진축이 결합되는 엔진측 선기어(S1), 엔진측 선기어(S1)로부터 전방으로 이격되어 배치되는 제1보조 선기어(S2), 엔진측 선기어(S1)와 맞물리는 제1유성기어(PL1), 제1유성기어(PL1)와 일체로 연결되는 동시에 제1보조 선기어(S2)와 맞물리는 제2유성기어(PL2), 제2유성기어(PL2)와 일체로 연결되는 제3유성기어(PL3), 제1유성기어(PL1)와 일체로 연결되는 제1캐리어(C1), 제1캐리어(C1)와 일체로 연결되는 동시에 제3유성기어(PL3)와 맞물리는 제4유성기어(PL4), 제4유성기어(PL4)와 일체로 연결되는 제5유성기어(PL5), 제1캐리어(C1)와 일체로 연결되는 동시에 제5유성기어(PL5)와 맞물리는 제6유성기어(PL6), 제6유성기어(PL6)와 일체로 연결되는 제7유성기어(PL7), 상기 유체식 동력전달기구의 터빈과 연결되는 동시에 제5유성기어(PL5)와 제7유성기어(PL7) 중에서 선택된 어느 하나에 맞물리는 제1링기어(R1), 제1링기어(R1)와 일체로 연결되는 제2링기어(R2), 제1캐리어(C1)와 일체로 연결되는 제2보조 선기어(S3), 제2보조 선기어(S3)와 맞물리는 제8유성기어(PL8), 제8유성기어(PL8)와 일체로 연결되는 동시에 제2링기어(R2)와 맞물리는 제9유성기어(PL9), 제8유성기어(PL8)와 일체로 연결되는 동시에 차축이 결합되는 제2캐리어(C2)를 포함한다.
이와 같은 본 발명에 따른 유성기어 세트 조합형 무단 자동변속 시스템에서 상기 엔진측 선기어(S1)와 제1보조 선기어(S1)는 기어이가 2열로 배열된 이중기어 형상으로 이루어지고, 상기 제1유성기어(PL1)와 제2유성기어(PL2) 및 제3유성기어(PL3)는 기어이가 3열로 배열된 3중기어 형상으로 이루어지며, 상기 제4유성기어(PL4)와 제5유성기어(PL5), 상기 제6유성기어(PL6)와 제7유성기어(PL7), 상기 제8유성기어(PL8)와 제9유성기어(PL9)는 각각 기어이가 2열로 배열된 이중기어 형상으로 이루어질 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 유성기어 세트 조합형 무단 자동변속 시스템에서 상기 변속모듈은, 상기 차량엔진축이 일체로 연결되는 제1기어와, 제1기어와 맞물리는 동시에 상기 유성기어기구가 일체로 연결되는 제2기어를 포함하되, 상기 제1기어보다 제2기어의 기어 잇수가 작게 형성되는 증속기구와; 상기 유성기어기구가 일체로 연결되는 제3기어와, 제3기어와 맞물리는 동시에 상기 차축이 일체로 연결되는 제4기어를 포함하되, 상기 제3기어보다 제4기어의 기어 잇수가 크게 형성되는 감속기구를 더 포함한다.
이와 같은 본 발명에 따른 유성기어 세트 조합형 무단 자동변속 시스템에서 상기 유체식 동력전달기구는 유체 클러치와 토크 컨버터 중에서 선택된 어느 하나이다.
본 발명에 의한 유성기어 세트 조합형 무단 자동변속 시스템에 의하면, 유성기어기구의 기구학적 특성에 의해 차량의 변속과 토크구현이 자동으로 이루어짐에 따라 유성기어기구의 작동을 위한 별도의 브레이크기구나 클러치기구가 필요없는 변속 시스템의 구성이 가능해져 구성이 단순화되고 제조비용이 절감되는 효과를 가지게 된다. 또한, 차량 운전자는 엑셀러레이터의 조작만으로 자유롭게 차량의 변속과 요구되는 구동토크를 구현할 수 있게 됨에 따라 운전자의 운전 능력이 향상되는 효과를 가지게 된다. 이와 더불어 별도의 제어기구의 간섭없이 차량의 변속이 이루어질 수 있음에 따라 차량의 운전 응답성이 향상되고, 차량의 연비가 증대되는 효과도 동시에 가지게 된다.
특히 본 발명에 의한 유성기어 세트 조합형 무단 자동변속 시스템에 의하면, 복합적으로 조합된 유성기어 세트와 유체식 동력전달기구의 연결구성에 의해 변속 효율과 시스템 안정성이 증대되는 효과를 가지게 된다.
도 1은 종래 무단 자동 변속 시스템의 구성도;
도 2는 종래 차량용 자동변속장치의 구성도;
도 3과 도 4는 본 발명에 따른 유성기어 세트 조합형 무단 자동변속 시스템의 구성을 보여주기 위한 블록도;
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 유성기어 세트 조합형 무단 자동변속 시스템의 구성을 보여주기 위한 도면;
도 6의 (a)와 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 유체식 동력전달기구가 제1링기어와 제2링기어에 선택적으로 접속되는 구성을 보여주기 위한 도면;
도 7 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 유성기어기구에서의 토크 전달 구성을 보여주기 위한 도면;
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 유성기어 세트 조합형 무단 자동변속 시스템에 적용되는 기어 잇수 예시도;
도 11과 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 유성기어 세트 조합형 무단 자동변속 시스템에서 차속과 RPM의 관계를 보여주기 위한 그래프;
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 유성기어 세트 조합형 무단 자동변속 시스템에서 차속과 토크의 관계를 보여주기 위한 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면 도 3 내지 도 13에 의거하여 상세히 설명한다. 한편, 도면과 상세한 설명에서 일반적인 차량의 변속장치, 자동변속장치, 무단변속장치, 유체클러치, 토크 컨버터, 유성기어기구 등으로부터 이 분야의 종사자들이 용이하게 알 수 있는 구성 및 작용에 대한 도시 및 언급은 간략히 하거나 생략하였다. 특히 도면의 도시 및 상세한 설명에 있어서 본 발명의 기술적 특징과 직접적으로 연관되지 않는 요소의 구체적인 기술적 구성 및 작용에 대한 상세한 설명 및 도시는 생략하고, 본 발명과 관련되는 기술적 구성만을 간략하게 도시하거나 설명하였다.
본 발명의 실시예에 따른 유성기어 세트 조합형 무단 자동변속 시스템(100)은 도 3에서와 같이 변속모듈(20)과 가속조작모듈(40)을 포함하는 구성으로 이루어진다.
변속모듈(20)은 엔진(1)에 연결된 차량 엔진축(2)과 구동바퀴(4)에 연결된 차축(3) 사이에 배치되어 차량의 변속을 유도한다. 이와 같은 변속모듈(20)은 유성기어기구(24)와 유체식 동력전달기구(22)를 포함한다.
유성기어기구(24)는 차량 엔진축(2)이 결합되는 엔진측 선기어(S1)에 다수의 유성기어(PL1, PL2, PL3, PL4, PL5, PL6, PL7, PL8, PL9), 다수의 링기어(R1, R2), 다수의 보조 선기어(S2, S3), 다수의 캐리어(C1, C2)가 설정된 연결 패턴으로 접속되어 이루어진다. 유체식 동력전달기구(22)는 유성기어기구(24)의 보조 선기어(S2)에 펌프(222)가 결합되고, 유성기어기구(24)의 링기어(R1)에 터빈(224)이 결합되어 이루어진다. 이와 같은 유체식 동력전달기구(22)로는 유체 클러치나 토크 컨버터 등이 사용될 수 있다.
가속조작모듈(40)은 차량에 설치되어 운전자의 발 누름동작으로 조작되는 엑셀러레이터(42)로 이루어져 차량 엔진축(2)의 회전수를 조절하게 된다.
이와 같은 본 발명의 실시예에 따른 유성기어 세트 조합형 무단 자동변속 시스템(100)은 운전자의 발 누름동작으로 조작되는 가속조작모듈(40)의 엑셀러레이터(42)에 의해 차량 엔진축(2)의 회전수가 변경되면서 변속모듈(20)이 작동하여 차량 엔진축(2)의 회전수에 대응하는 토크가 차축(3)으로 전달되면서 차량의 정지, 저속주행, 고속주행, 가속주행, 감속주행, 주차를 위한 변속이 이루어지도록 한다.
여기서 변속모듈(20)은 도 4에서와 같이 증속기구(26)와 감속기구(28)를 더 포함할 수 있다. 증속기구(26)는 차량 엔진축(2)이 일체로 연결되는 제1기어(261), 제1기어(261)와 맞물리는 동시에 유성기어기구(24)의 엔진측 선기어(S1)가 일체로 연결되는 제2기어(262)를 포함하는 구성으로 이루어지는데, 제1기어(261)보다 제2기어(262)의 기어 잇수가 작게 형성되도록 한다. 이에 따라 차량 엔진축(2)보다 제2기어(262)와 엔진측 선기어(S1)의 RPM이 높아져 증속이 이루어지게 된다. 이와 같은 증속기구(26)에 의해 유체식 동력전달기구(22)를 이루는 펌프(222)로의 입력 RPM이 증대되고, 이를 통해 유체식 동력전달기구(22)의 입출력 토크 크기가 증대될 수 있게 된다. 감속기구(28)는 유성기어기구(24)가 일체로 연결되는 제3기어(281), 제3기어(281)와 맞물리는 동시에 차축(3)이 일체로 연결되는 제4기어(282)를 포함하는 구성으로 이루어지는데, 제3기어(281)보다 제4기어(282)의 기어 잇수가 크게 형성되도록 한다. 이에 따라 유성기어기구(24)에 연결된 제3기어(281)보다 차축(3)이 연결된 제4기어(282)의 RPM이 낮아지면서 감속이 이루어지게 된다. 이와 같은 감속기구(28)에 의해 차축(3)으로의 출력 토크 크기 증대가 유도되면서 차량 운행에 요구되는 필요 구동력이 확보될 수 있게 된다.
한편 본 발명의 실시예에 따른 변속모듈(20)은 증속기구(26)의 제1기어(261), 제2기어(262)의 기어비와 감속기구(28)의 제4기어(282), 제3기어(281)의 기어비가 서로 동일하게 설정되도록 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 변속모듈(20)의 유성기어기구(24)는 하우징(10) 내부에 배치되는 것으로, 도 5에서와 같이 차량 엔진축(2)이 결합되는 엔진측 선기어(S1), 엔진측 선기어(S1)로부터 전방으로 이격되어 배치되는 제1보조 선기어(S2), 엔진측 선기어(S1)와 맞물리는 제1유성기어(PL1), 제1유성기어(PL1)와 일체로 연결되는 동시에 제1보조 선기어(S2)와 맞물리는 제2유성기어(PL2), 제2유성기어(PL2)와 일체로 연결되는 제3유성기어(PL3), 제1유성기어(PL1)와 일체로 연결되는 제1캐리어(C1), 제1캐리어(C1)와 일체로 연결되는 동시에 제3유성기어(PL3)와 맞물리는 제4유성기어(PL4), 제4유성기어(PL4)와 일체로 연결되는 제5유성기어(PL5), 제1캐리어(C1)와 일체로 연결되는 동시에 제5유성기어(PL5)와 맞물리는 제6유성기어(PL6), 제6유성기어(PL6)와 일체로 연결되는 제7유성기어(PL7), 유체식 동력전달기구(22)의 터빈(224)과 연결되는 동시에 제7유성기어(PL7)와 맞물리는 제1링기어(R1), 제1링기어(R1)와 일체로 연결되는 제2링기어(R2), 제1캐리어(C1)와 일체로 연결되는 제2보조 선기어(S3), 제2보조 선기어(S3)와 맞물리는 제8유성기어(PL8), 제8유성기어(PL8)와 일체로 연결되는 동시에 제2링기어(R2)와 맞물리는 제9유성기어(PL9), 제8유성기어(PL8)와 일체로 연결되는 동시에 차축이 결합되는 제2캐리어(C2)를 포함하는 구성으로 이루어진다.
여기서 엔진측 선기어(S1)와 제1보조 선기어(S1)는 기어이가 2열로 배열된 이중기어 형상으로 이루어진다. 그리고 제1유성기어(PL1)와 제2유성기어(PL2) 및 제3유성기어(PL3)는 기어이가 3열로 배열된 3중기어 형상으로 이루어진다. 또한 제4유성기어(PL4)와 제5유성기어(PL5), 제6유성기어(PL6)와 제7유성기어(PL7), 제8유성기어(PL8)와 제9유성기어(PL9)는 각각 기어이가 2열로 배열된 이중기어 형상으로 이루어 질 수 있다.
상기와 같이 본 발명의 실시예에 따른 변속모듈(20)은 도 6에서와 같이 유체식 동력전달기구(22)의 터빈(224)이 2개의 링기어{제1링기어(R1)와 제2링기어(R2)}를 통해 2개의 유성기어{제7유성기어(PL7)과 제9유성기어(PL9) 또는 제5유성기어(PL5)과 제9유성기어(PL9)}에 동시적으로 연결되는 구조를 통해 도 7에서와 같이 해당 유성기어에 연결되거나 맞물리는 링기어(R1, R2)에 저항을 제공함으로써 차축(3)으로 전달되는 캐리어(C1, C2)의 토크 출력 증대를 도모하게 된다. 그리고 도 8에서와 같이 엔진측 선기어(S1)로 전달되는 엔진(1)의 토크 분력(S1')은 제1캐리어(C1)의 저항 토크(C1")와 함께 제1보조 선기어(S2)에 전달되는데, 이때 제1캐리어(C1)의 저항 토크는 반대방향이 된다. 여기서 도 9에서와 같이 제1보조 선기어(S2)의 토크가 링기어(R1, R2)로 전달되는데, 링기어(R1, R2)는 유체식 동력전달기구(22)의 터빈(224)과 연결되어 설정크기 이상의 힘으로 저항을 받음에 따라, 제2링기어(R2)에 연결된 제2캐리어(C2)의 토크 출력 증대가 도모되는 것이다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 유성기어 세트 조합형 무단 자동변속 시스템(100)에서의 RPM 상태를 검토해보면 다음과 같다.
본 발명의 실시예에 따른 유성기어기구(24)를 이루는 선기어, 유성기어, 링기어의 기어 잇수(Z)가 도 10에 도시된 바와 같을 때, 도 10에 표시된 지점에서 기어비(i)는 다음과 같이 산출된다.
Figure pat00001
이와 같은 조건에서 도 5의 (a)에서와 같이 제7유성기어(PL7)에 링기어(R1)가 연결되어 유체식 동력전달기구(22)의 터빈(224)이 역회전할 시 RPM(w)은 다음의 [수학식 1]과 같다.
Figure pat00002
Figure pat00003
그리고 도 5의 (b)에서와 같이 제5유성기어(PL5)에 링기어(R1)가 연결되어 유체식 동력전달기구(22)의 터빈(224)이 정회전할 시 RPM(ω)은 다음의 [수학식 2]와 같다.
Figure pat00004
Figure pat00005

(1)여기서 차량의 최초 정지상태(ωc2=0)일 때, ωs1=1로 입력된다고 가정하면, 도 5의 (a)에서와 같이 제7유성기어(PL7)에 링기어(R1)가 연결되어 유체식 동력전달기구(22)의 터빈(224)이 역회전할 시 RPM 상태는 다음의 [수학식 3]과 같다.
Figure pat00006
그리고, 도 5의 (b)에서와 같이 제5유성기어(PL5)에 링기어(R1)가 연결되어 유체식 동력전달기구(22)의 터빈(224)이 정회전할 시 RPM 상태는 다음의 [수학식 4]와 같다.
Figure pat00007
여기서 ωs1=1, ωc2=0 이므로, 상기 [수학식 3]의 연산결과는 다음과 같다.
Figure pat00008
그리고 상기 [수학식 4]의 연산결과는 다음과 같다.
Figure pat00009

(2)다음으로 차량이 움직이기 시작할 경우, ωc2 수치값이 증가하게 되고, 이에 대응하여 [수학식 1]과 [수학식 2]에서의 ωS2, ωR1=ωR2, ωC1=ωS3, ωP, ωT 수치값도 증가하게 된다. ωc2 수치값은 ωc2=0에서 증가하기 시작하여 변속모듈(20) 전체가 일체로 회전할 때까지 증가한다. 이때 ωS2, ωR1=ωR2, ωC1=ωS3, ωP, ωT 수치값도 증가하여 1이 된다. 여기서 ωc2 수치값이 증가할 때 ωP, ωT 수치값도 증가하므로, 유체식 동력전달기구(22)의 전달력 증가가 유도되면서 출력 효율이 높아지게 된다. 즉, 유체식 동력전달기구(22)의 효율은 η=e*y=(ωT/ωP)*(tT/tP)*100% 으로 산출되므로, RPM 비(ωT/ωP)가 상대적으로 커지는 만큼 효율이 증대된다.{여기서 펌프 토크(tP)는 다음과 같이 산출됨. tP=C*DP 2*ωP 2, C는 차량 용량계수, DP는 펌프 외경, ωP는 펌프 RPM}
도 11에는 터빈(224)이 역회전할 시 차속과 RPM의 관계가 도시되어 있고, 도 12에는 터빈(224)이 정회전할 시 차속과 RPM의 관계가 도시되어 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 유성기어 세트 조합형 무단 자동변속 시스템(100)에서의 토크 상태를 검토해보면 다음과 같다.
(1)차량의 최초 정지상태에서는 tC2=∞, tS1=1=te(te는 엔진 토크)조건이므로, 유체식 동력전달기구(22)에서 유체에 의해 공회전하게 된다.
(2)차량이 움직이기 시작할 시 토크 상태를 검토해보면,
먼저 엔진측 선기어(S1)의 토크(tS1) 중에서 제1링기어(R1) 방향의 토크 분력(tS1')을 (x)로 정의하고, 제1보조 선기어(S2) 방향의 토크 분력(tS1")을 (1-x)로 정의한다.{tS1= tS1'+tS1"=(x)+(1-x)=1} 그리고 유체식 동력전달기구(22)를 이루는 터빈(224)의 토크(tT) 중에서 제1링기어(R1) 방향의 토크 분력(tR1)을 (z)로 정의하고, 제2링기어(S2) 방향의 토크 분력(tR2)을 (1-z)로 정의한다.{tT=tR1+tR2=tT*((z)+(1-z))} 또한 제1캐리어(C1)에서 출력으로 나가는 토크 분력을 tC1', 제1보조 선기어(S2)로 되돌아가는 토크 분력을 tC1"로 정의한다(tC1=tC1'-tC1")
이를 정리하면 다음의 [수학식 5], [수학식 6]과 같다.
Figure pat00010
Figure pat00011
여기서 유체식 동력전달기구(22)의 펌프 토크(tP=C*DP 2*ωP 2)에서 RPM 변화에 대한 tP 수치값의 변화량(zz)을 감안하여 상기 [수학식 6]에서의 기어비 i2에 zz를 곱하면 다음의 [수학식 7]이 도출된다.
Figure pat00012
여기서 엔진측 선기어(S1)의 토크(tS1) 중에서 제1링기어(R1) 방향의 토크 분력(tS1') x는 다음의 [수힉식 8]을 통해 산출된다.
Figure pat00013
또한 유체식 동력전달기구(22)를 이루는 터빈(224)의 토크(tT) 중에서 제1링기어(R1) 방향의 토크 분력(tR1) z는 다음의 [수학식 9]를 통해 산출된다.
Figure pat00014
따라서 제2캐리어(C2)에 연결되는 차축(3)은 tC2=(1+i3)*(1+i1)*x-(zz*i2-1)*(1-x))의 토크로 구동된다.
한편 상기 [수학식 5]은 다음의 [수학식 10]으로 표현될 수 있다.
Figure pat00015
(3)차량이 본격적으로 구동되면,
제2캐리어(C2)의 RPM이 증가하고, 이에 대응하여 유체식 동력전달기구(22)의 토크 증가비(y)가 감소하게 되고,{유체식 동력전달기구(22)의 효율 η=e*y=(ωT/ωP)*(tT/tP)*100%에서 회전비 e=ωT/ω의 증가에 따른 y의 감소} tC2 수치값도 점차 감소하게 된다.
그리고 y=1일 때 유체식 동력전달기구(22)가 직결되어 회전하면서 tC2=tS1으로 된다. y>1일 때 제2캐리어(C2)의 토크는 입력보다 증대되게 된다.(tC2>tS1)
이와 같은 본 발명의 실시예에 따른 유성기어 세트 조합형 무단 자동변속 시스템(100)은 상기의 x, y 수치값이 자동으로 변하면서 무단 변속이 이루어지도록 한다.
도 13에는 차속과 토크의 관계가 도시되어 있다.
상기와 같은 본 발명의 실시예에 따른 유성기어 세트 조합형 무단 자동변속 시스템(100)은 유체식 동력전달기구(24)(유체 클러치, 토크 컨버터 등)의 조합으로 변속모듈(20)이 구현되고, 변속모듈(20)을 이루는 유성기어기구(24)의 작동을 제어하기 위한 별도의 브레이크기구나 클러치기구가 설치되지 않은 상태에서도 차량의 운전자에 의해 조작되는 엑셀러레이터(accelerator)(42)에 의해 조절되는 차량 엔진축(2)의 회전수에 연동되어 유성기어기구(24)와 유체식 동력전달기구(22)의 작동이 자동으로 제어될 수 있도록 하는 구성이 제공됨에 따라 변속모듈(20)을 이루는 유성기어기구(24)와 유체식 동력전달기구(22)를 제어하기 위한 별도의 제어기구의 설치가 필요없게 된다. 특히 본 발명의 실시예에 따른 유성기어 세트 조합형 무단 자동변속 시스템(100)은 복합적으로 조합된 유성기어 세트와 유체식 동력전달기구(22)의 연결구성에 의해 변속 효율과 시스템 안정성이 증대되게 된다.
상술한 바와 같은, 본 발명의 실시예에 따른 유성기어 세트 조합형 무단 자동변속 시스템을 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다는 것을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.
1 : 엔진 2 : 차량 엔진축
3 : 차축 4 : 구동바퀴
10 : 하우징 20 : 변속모듈
22 : 유체식 동력전달기구 222 : 펌프
224 : 터빈 24 : 유성기어기구
26 : 증속기구 261 : 제1기어
262 : 제2기어 28 : 감속기구
281 : 제3기어 282 : 제4기어
40 : 가속조작모듈 42 : 엑셀러레이터
100 : 유성기어 세트 조합형 무단 자동변속 시스템

Claims (5)

  1. 엔진에 연결된 차량 엔진축과 구동바퀴에 연결된 차축 사이에 배치되어 차량의 변속을 유도하는 변속모듈과, 차량에 설치되어 운전자의 발 누름동작으로 조작되는 엑셀러레이터로 이루어져 차량 엔진축의 회전수를 조절하는 가속조작모듈을 포함하여,
    운전자의 발 누름동작으로 조작되는 상기 가속조작모듈의 엑셀러레이터에 의해 상기 차량 엔진축의 회전수가 변경되면서 상기 변속모듈이 작동하여 차량 엔진축의 회전수에 대응하는 토크가 상기 차축으로 전달되면서 상기 차량의 정지, 저속주행, 고속주행, 가속주행, 감속주행, 주차를 위한 변속이 이루어지도록 하되,
    상기 변속모듈은,
    상기 차량 엔진축이 결합되는 엔진측 선기어(S1)에 다수의 유성기어, 다수의 링기어, 다수의 보조 선기어, 다수의 캐리어가 설정된 연결 패턴으로 접속되어 이루어지는 유성기어기구와;
    상기 유성기어기구의 보조 선기어에 펌프가 결합되고 상기 유성기어기구의 링기어에 터빈이 결합되어 이루어지는 유체식 동력전달기구를 포함하는 변속모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 유성기어 세트 조합형 무단 자동변속 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 변속모듈의 유성기어기구는,
    차량 엔진축이 결합되는 엔진측 선기어(S1), 엔진측 선기어(S1)로부터 전방으로 이격되어 배치되는 제1보조 선기어(S2), 엔진측 선기어(S1)와 맞물리는 제1유성기어(PL1), 제1유성기어(PL1)와 일체로 연결되는 동시에 제1보조 선기어(S2)와 맞물리는 제2유성기어(PL2), 제2유성기어(PL2)와 일체로 연결되는 제3유성기어(PL3), 제1유성기어(PL1)와 일체로 연결되는 제1캐리어(C1), 제1캐리어(C1)와 일체로 연결되는 동시에 제3유성기어(PL3)와 맞물리는 제4유성기어(PL4), 제4유성기어(PL4)와 일체로 연결되는 제5유성기어(PL5), 제1캐리어(C1)와 일체로 연결되는 동시에 제5유성기어(PL5)와 맞물리는 제6유성기어(PL6), 제6유성기어(PL6)와 일체로 연결되는 제7유성기어(PL7), 상기 유체식 동력전달기구의 터빈과 연결되는 동시에 제5유성기어(PL5)와 제7유성기어(PL7) 중에서 선택된 어느 하나에 맞물리는 제1링기어(R1), 제1링기어(R1)와 일체로 연결되는 제2링기어(R2), 제1캐리어(C1)와 일체로 연결되는 제2보조 선기어(S3), 제2보조 선기어(S3)와 맞물리는 제8유성기어(PL8), 제8유성기어(PL8)와 일체로 연결되는 동시에 제2링기어(R2)와 맞물리는 제9유성기어(PL9), 제8유성기어(PL8)와 일체로 연결되는 동시에 차축이 결합되는 제2캐리어(C2)를 포함하는 것을 특징으로 하는 유성기어 세트 조합형 무단 자동변속 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 엔진측 선기어(S1)와 제1보조 선기어(S1)는 기어이가 2열로 배열된 이중기어 형상으로 이루어지고, 상기 제1유성기어(PL1)와 제2유성기어(PL2) 및 제3유성기어(PL3)는 기어이가 3열로 배열된 3중기어 형상으로 이루어지며, 상기 제4유성기어(PL4)와 제5유성기어(PL5), 상기 제6유성기어(PL6)와 제7유성기어(PL7), 상기 제8유성기어(PL8)와 제9유성기어(PL9)는 각각 기어이가 2열로 배열된 이중기어 형상으로 이루어질 수 있는 것을 특징으로 하는 유성기어 세트 조합형 무단 자동변속 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 변속모듈은,
    상기 차량엔진축이 일체로 연결되는 제1기어와, 제1기어와 맞물리는 동시에 상기 유성기어기구가 일체로 연결되는 제2기어를 포함하되, 상기 제1기어보다 제2기어의 기어 잇수가 작게 형성되는 증속기구와;
    상기 유성기어기구가 일체로 연결되는 제3기어와, 제3기어와 맞물리는 동시에 상기 차축이 일체로 연결되는 제4기어를 포함하되, 상기 제3기어보다 제4기어의 기어 잇수가 크게 형성되는 감속기구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유성기어 세트 조합형 무단 자동변속 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 유체식 동력전달기구는 유체 클러치와 토크 컨버터 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 유성기어 세트 조합형 무단 자동변속 시스템.
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