KR20210055527A - 원웨이 클러치 및 이를 구비하는 토크 컨버터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 토크 컨버터의 리액터의 일방향 회전을 제한하고 타방향 회전을 허용하는 원웨이 클러치 및 이를 적용한 토크 컨버터에 관한 것이다. 상기 원웨이 클러치(50)는, 일방향으로는 상호 회전 구속되고 타방향으로는 상호 회전이 허용되는 래칫(ratchet)을 각각 구비하는 아우터레이스(51)와 이너레이스(53)를 포함한다. 상기 이너레이스(53)와 마주하는 상기 아우터레이스(51)의 후면에는 제1락킹부(511)가 마련된다. 상기 제1락킹부(511)는 제1슬립면(5111)과 제2걸림면(5382)을 구비한다. 상기 아우터레이스(51)와 마주하는 상기 이너레이스(53)의 전면에는 제2락킹부(538)가 마련된다. 상기 제2락킹부(538)는 상기 제1슬립면(5111)과 대응하는 제2슬립면(5381) 및 상기 제1걸림면(5112)과 대응하는 제2걸림면(5382)을 구비한다. 회전축과 수직한 면에 대해 상기 제1슬립면(5111)이 이루는 경사각(θ)은 0도 초과 1.5도 이하이고, 회전축과 나란한 면에 대해 상기 제1걸림면(5112)이 이루는 각(ф)은 0도 초과 15도 이하이며, 상기 제1락킹부(511)와 상기 제2락킹부(538)가 축방향으로 상호 최대한 접근하여 상기 제1걸림면(5112)이 상기 제2걸림면(5382)에 걸린 상태에서, 상기 제1걸림면(5112)과 제2걸림면(5382)의 축방향 중첩길이(i)는 1.4 mm 이상이다.

Description

원웨이 클러치 및 이를 구비하는 토크 컨버터{One-Way Clutch and Torque Converter Using the Same}

본 발명은 원웨이 클러치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 토크 컨버터의 리액터의 일방향 회전을 제한하고 타방향 회전을 허용하는 원웨이 클러치 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, 록업클러치 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. 록업클러치는 피스톤에 의해 프론트커버와 터빈을 직결하거나 연결 해제한다. 상기 피스톤은 유체에 의해 축 방향으로 이동하며 작동한다. 토셔널댐퍼는 프론트커버와 터빈의 직결 경로에서 축의 회전 방향으로 작용하는 충격 및 진동을 흡수한다.

리액터는 원웨이 클러치에 의해 일 방향으로만 회전이 허용된다. 원웨이 클러치는 리액터의 반경방향 내측 가장자리와 고정단 사이에 구비된다. 종래에는 이러한 원웨이 클러치로서 주로 스프래그(sprag) 타입 또는 롤러 타입이 적용되었다.

그러나 상술된 타입의 원웨이 클러치는 축 방향으로 많은 공간을 차지할 뿐만 아니라 무게 역시 무시할 수 없었다. 이는 차량용 토크 컨버터의 축 방향 길이가 증가할 수밖에 없는 원인이 되고, 연비가 악화되는 원인이 되었다.

상술된 문제점을 해결하기 위해, 특허문헌 1 및 2와 같이 아우터레이스와 이너레이스 중 적어도 어느 한 쪽에, 경사면과 턱을 가지는 톱니 형상의 래칫(ratchet)을 형성한 원웨이클러치가 제안되기도 하였다. 이러한 구조의 원웨이 클러치는, 스프래그 타입 등의 원웨이 클러치에 비해 구조가 단순하기 때문에, 축 방향으로의 많은 공간을 차지 하지 않고, 원가 절감과 경량화에 유리하였다.

그러나 상술한 원웨이 클러치 구조는, 이너레이스에 대해 아우터레이스가 상대적으로 회전되기 시작하는 천이 영역에서 아우터레이스의 축방향 위치를 원하는 대로 제어할 수 없었다. 이에, 아우터레이스가 이너레이스 등과 부딪히며 소음이 발생하는 일이 빈번하였다.

또한 상술한 원웨이 클러치 구조는, 원리상 원웨이 클러치의 기능을 확보하기 위해, 래칫(ratchet)의 슬립면에서 슬립이 일어나는데, 그 과정에서 소음이 크게 발생한다.

한편 원웨이 클러치의 회전 구속을 확실히 담보하기 위해서는, 걸림면이 견고해야 한다.

따라서 원웨이 클러치의 래칫의 회전 허용과 회전 구속이 확실히 일어나면서도, 원웨이 클러치의 축방향 체적을 줄일 수 있고, 작동의 확실성을 보장할 수 있으며, 소음을 줄일 수 있는 구조를 가지는 원웨이 클러치가 요구된다.

KR 10-0216105 B1 JP, H05-045306, U

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 천이 영역에서 소음이 발생을 억제하고 최소화할 수 있는 래칫 타입의 원웨이 클러치와, 이를 적용한 토크 컨버터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 축방향 길이를 최소화하여, 토크 컨버터의 축방향 길이를 최소화할 수 있는 원웨이 클러치와, 이를 적용한 토크 컨버터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 원웨이 클러치의 래칫의 회전 허용과 회전 구속이 확실히 일어나면서도, 소음을 줄일 수 있고, 구조가 단순하고 가공이 용이한 원웨이 클러치와, 이를 적용한 토크 컨버터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 원웨이 클러치(50)는, 일방향으로는 상호 회전 구속되고 타방향으로는 상호 회전이 허용되는 래칫(ratchet)을 각각 구비하는 아우터레이스(51)와 이너레이스(53)를 포함한다.

상기 원웨이 클러치(50)는, 토크 컨버터(1)의 리액터(40)와 고정단 사이에 배치되어, 상기 고정단에 대한 상기 리액터(40)의 일방향 회전은 허용하지 않고 타방향 회전은 허용한다.

상기 아우터레이스(51)는 상기 리액터(40)와 연결되어 상기 리액터(40)와 일체로 회전한다.

상기 이너레이스(53)는 상기 고정단과 회전 구속되도록 연결된다. 이에 따라 상기 이너레이스(53)는 상기 고정단에 대해 상대적으로 회전하지 않는다.

상기 이너레이스(53)와 마주하는 상기 아우터레이스(51)의 후면에는 제1락킹부(511)가 마련된다. 상기 제1락킹부(511)는 제1슬립면(5111)과 제2걸림면(5382)을 구비한다.

상기 아우터레이스(51)와 마주하는 상기 이너레이스(53)의 전면에는 제2락킹부(538)가 마련된다. 상기 제2락킹부(538)는 상기 제1락킹부(511)가 마련된 영역과 대응하는 영역에 마련된다. 상기 제2락킹부(538)는 상기 제1슬립면(5111)과 대응하는 제2슬립면(5381) 및 상기 제1걸림면(5112)과 대응하는 제2걸림면(5382)을 구비한다.

상기 제1락킹부(511)와 제2락킹부(538)는 래칫(ratchet) 구조일 수 있다.

상기 제1락킹부(511)의 제1슬립면(5111)은 원주방향의 일방향으로 갈수록 상기 아우터레이스(51)로부터 후방으로 향하는 거리가 점점 커지는 경사면 형태일 수 있다. 즉 상기 제1락킹부(511)의 제1슬립면(5111)의 경사면은 원주방향의 일방향으로 갈수록 상기 이너레이스(53) 쪽으로 가까워질 수 있다.

상기 제2락킹부(538)의 제2슬립면(5381)은 원주방향의 일방향으로 갈수록 상기 이너레이스(53)로부터 전방으로 향하는 거리가 점점 작아지는 경사면 형태일 수 있다. 즉 상기 제2락킹부(538)의 제2슬립면(5381)의 경사면은 원주방향의 일방향으로 갈수록 상기 아우터레이스(51)로부터 멀어질 수 있다.

상기 제1락킹부(511)의 제1슬립면(5111)의 경사면과 제2락킹부(538)의 제2슬립면(5381)의 경사면은 서로 나란할 수 있다.

상기 제1락킹부(511)의 제1걸림면(5112)과 상기 제2락킹부(538)의 제2걸림면은 서로 나란할 수 있다.

상기 리액터(40)가 일방향으로 회전력을 받으면, 상기 제1걸림면(5112)이 상기 제2걸림면(5382)에 접하며 걸린다.

상기 제1락킹부(511)의 제1걸림면(5112)의 축방향길이(h1)와 상기 제2락킹부(538)의 제2걸림면(5382)의 축방향길이(h2)는 모두 1.4mm 이상일 수 있다.

상기 제1락킹부(511)와 상기 제2락킹부(538)가 축방향으로 상호 최대한 접근하여 상기 제1걸림면(5112)이 상기 제2걸림면(5382)에 걸린 상태에서, 상기 제1걸림면(5112)과 제2걸림면(5382)의 축방향 중첩길이(i)는 1.4 mm 이상일 수 있다.

회전축과 나란한 면에 대해 상기 제1걸림면(5112)이 이루는 각(ф)은 0도 이상이고 15도 이하일 수 있다.

이에 따라 제1걸림면(5112)과 제2걸림면(5382)의 상호 구속력을 충분히 확보하여, 아우터레이스(51)가 이너레이스(53)에 대해 안정적으로 회전 구속된 상태를 유지할 수 있다.

상기 리액터(40)가 타방향으로 회전력을 받으면, 상기 제1슬립면(5111)이 상기 제2슬립면(5381)에 접하며 슬라이드 이동하여 상기 제1락킹부(511)와 상기 제2락킹부(538)가 축방향으로 상호 멀어지는 방향으로 이동할 수 있다.

회전축과 수직한 면에 대해 상기 제1슬립면(5111)이 이루는 경사각(θ)은 0도 초과 1.5도 이하일 수 있다. 이에 따라 제1슬립면(5111)과 제2슬립면(5381)이 상호 접동하며 발생하는 소음을 최소화할 수 있다.

상기 제1락킹부(511)는 상기 아우터레이스(51)의 후면에서 전방으로 함몰된 형태이고, 상기 제2락킹부(538)는 상기 이너레이스(53)의 전면에서 전방으로 돌출된 형태일 수 있다.

상기 제1락킹부(511)에는 원주 방향으로 연장된 슬릿(512)이 구비될 수 있다. 함몰된 형태의 제1락킹부(511)에 슬릿(512)을 둠으로써, 유체의 유동을 더 촉진할 수 있다.

상기 슬릿(512)은 반경방향으로 보았을 때 제1락킹부(511)의 중앙부에 배치될 수 있다. 이로써, 슬릿(512)의 형성에 의해 발생할 수 있는 함몰된 제1락킹부(511)의 강도 저하를 최소화할 수 있다.

상기 원웨이 클러치는, 상기 아우터레이스(51)와 이너레이스(53)를 축방향으로 지지하는 지지부재(55)를 구비할 수 있다.

상기 지지부재(55)는 레버(551)를 포함할 수 있다. 상기 레버(551)는, 강체(rigid body)처럼 거동할 수 있는 강성을 가지도록, 금속으로 제작될 수 있다.

상기 레버(551)는, 받침부(5514)와, 상기 받침부(5514)로부터 반경방향 외측으로 연장되는 아우터암(5511)과, 상기 받침부(5514)로부터 반경방향 내측으로 연장되는 이너암(5512)을 구비할 수 있다.

상기 아우터레이스(51)의 외경은 상기 이너레이스(53)의 외경보다 더 클 수 있다.

상기 받침부(5514)는 지지단에 의해 지지된다. 상기 아우터암(5511)은 상기 아우터레이스(51)를 전방으로 지지하고, 상기 이너암(5512)은 상기 이너레이스(53)를 전방으로 지지한다.

상기 지지부재(55)의 레버(551)의 아우터암(5511)은 상기 이너레이스(53)의 외경보다 큰 상기 아우터레이스(51)의 후면 영역을 지지할 수 있고, 상기 지지부재(55)의 레버(551)의 이너암(5512)은 상기 이너레이스(53)의 후면 영역을 지지할 수 있다.

임펠러(20)에 대한 터빈(30)의 속도비(SR: speed ratio)가 낮을 때, 즉 구동 초기 단계일 때, 상기 터빈(30)에서 임펠러(20)로 귀환하는 유체에 의해 상기 리액터(40)는 일방향으로 회전하는 힘을 받는다. 이 때 리액터(40)의 리액터블레이드(411)의 형상에 의해, 상기 리액터(40)는 축방향의 후방으로도 가압될 수 있다. 이에 따라 상기 리액터(40)와 일체로 회전하는 아우터레이스(51) 역시 후방으로 가압될 수 있다.

상기 레버(551)의 아우터암(5511)은, 아우터레이스(51)가 후방으로 가압되는 힘을 전달 받고, 아우터암(5511)이 전달받은 힘의 방향은 받침부(5514)에 의해 전방으로 전환되어 이너암(5512)에 전달된다. 이에 따라 이너암(5512)은 상기 이너레이스(53)를 전방으로 가압할 수 있다. 이러한 레버(551)의 작용은, 아우터레이스(51)의 제1락킹부(511)와 이너레이스(53)의 제2락킹부(538)가 서로 밀착되도록 한다.

구동이 계속되어 임펠러(20)에 대한 터빈(30)의 속도비가 높아져 커플링 포인트 부근에 도달했을 때, 상기 터빈(30)에서 임펠러(20)로 귀환하는 유체에 의해 상기 리액터(40)는 타방향으로 회전하는 힘을 받는다.

다시 말해, 임펠러(20)에 대한 터빈(30)의 속도비가 0부터 커플링 포인트에 다다를 때까지, 상기 아우터레이스(51)는 상기 리액터(40)에 의해 후방으로 힘을 받을 수 있다. 그리고 커플링 포인트를 넘어서면, 아우터레이스(51)는 상기 리액터(40)에 의해 전방으로 힘을 받을 수 있다.

상기 아우터레이스(51)에 전방으로 힘이 가해지면, 아우터레이스(51)가 전방으로 이동하고, 이에 따라 상기 레버(551)의 아우터암(5511)도 전방으로 이동하고, 이너암(5512)은 후방으로 이동할 수 있다. 이에 따라 상기 이너레이스(53)가 후방으로 이동하는 것이 허용될 수 있다.

구동 초기에는 터빈(30)에서 임펠러(20)로 돌아가는 유체가 리액터(40)에서 방향 전환을 하며 리액터(40)를 후방으로 미는 힘을 가하게 되고, 이에 아우터레이스(51)는 후방으로 밀리는 힘을 받는다. 따라서 레버(551)가 아우터레이스(51)를 전방으로 미는 반력이 커도, 아우터레이스(51)와 이너레이스(53)의 맞물림을 방해하지 않는다.

임펠러(20)에 대한 터빈(30)의 속도비가 높아질수록, 토러스의 유체가 리액터(40)를 후방으로 미는 힘이 줄어든다. 커플링 포인트에 이르면 토러스의 유체가 리액터(40)가 회전하기 시작하여 리액터(40)를 후방으로 밀지 않게 된다. 이 때에는 아우터레이스(51)와 이너레이스(53)가 즉각적으로 서로 멀어져야 마찰 또는 충격으로 인한 소음이 발생하지 않는다. 즉 천이 영역에서 이너레이스(53)에 대한 레버(551)의 반력이 작고, 아우터레이스(51)에 대한 레버(551)의 반력이 커야 아우터레이스가 이너레이스로부터 확실히 떨어지도록 할 수 있다.

이를 위해, 상기 받침부(5514)와 상기 아우터암(5511)의 지지점 간의 제1 반경방향 길이(a)는, 상기 받침부(5514)와 상기 이너암(5512)의 지지점 간의 제2 반경방향 길이(b)와 같거나 그보다 작을 수 있다.

상기 이너레이스(53)는, 상기 고정단과 회전 구속되도록 연결되는 레이스부(531)와, 상기 레이스부(531)에 대해 회전 구속되고 축방향으로는 슬라이드 이동 가능하게 설치되는 케이지부(536)를 포함할 수 있다.

상기 제2락킹부(538)는 상기 케이지부(536)에 구비되고, 상기 케이지부(536)가 상기 이너암(5512)에 의해 지지될 수 있다.

상기 레이스부(531)와 케이지부(536)는 각각 상호 회전 구속되는 제1가이드부(534)와 제2가이드부(537)를 구비할 수 있다.

상기 제1가이드부(534)는, 축방향으로 연장되고 반경방향 외측과 후방으로 개방된 키 홈을 포함할 수 있다.

상기 제2가이드부(537)는, 반경방향 내측으로 연장되는 키를 포함할 수 있다.

또한 본 발명은, 엔진의 회전력을 전달받는 커버(10), 상기 커버(10)와 일체로 회전하는 임펠러(20), 상기 임펠러(20)와 마주하는 터빈(30), 상기 임펠러(20)와 터빈(30) 사이에 배치되는 리액터(40), 및 상기 리액터(40)와 고정단 사이에 배치되는 상기 원웨이 클러치(50)를 포함하는 토크 컨버터(1)를 제공할 수 있다.

본 발명에 따르면, 원웨이 클러치를 래칫 타입으로 구성하되, 래칫의 슬립면들의 경사각을 소정의 범위 내로 설정하고 래칫의 축방향 돌출 길이를 규제하여 래칫의 슬립이 진행되는 과정에서 소음의 발생을 최소화할 수 있고, 원웨이 클러치의 축방향 치수를 더욱 컴팩트하게 구현할 수 있다.

본 발명에 따르면, 래칫 타입의 원웨이 클러치에 레버 구조를 부가함으로써, 토크 컨버터의 토크 증배 영역에서 원웨이 클러치의 고정력을 더욱 확보하면서도, 커플링 포인트와 천이 영역에서 원웨이 클러치가 확실히 회전 자유롭도록 하고, 천이 영역에서 원웨이 클러치에서 발생하는 소음을 제거할 수 있다.

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

도 1은 본 발명에 따른 원웨이 클러치가 적용된 토크 컨버터의 단면도이다.
도 2는 도 1의 토크 컨버터의 리액터와 원웨이 클러치를 나타낸 측면 단면도이다.
도 3과 도 4는 도 2의 리액터와 원웨이 클러치를 서로 다른 방향에서 바라본 분해사시도이다.
도 5는 임펠러에 대한 터빈의 속도비가 0 일 때부터 내지 커플링 포인트 사이에 있을 때, 리액터와 원웨이 클러치의 상태를 나타낸 측면도이고, 도 6은 도 5의 VI-VI 단면도이다.
도 7은 커플링 포인트 이후, 리액터와 원웨이 클러치의 상태를 나타낸 측면도이고, 도 8은 도 7의 VIII-VIII 단면도이다.
도 9는 속도비에 따른 축하중을 나타낸 도면이다.
도 10은 회전속도 1,000rpm에서, 슬립면의 경사각을 서로 달리 한 실시예의 원웨이 클러치가 적용된 토크 컨버터의 속도비에 따른 소음 발생량을 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 컨버터]

도 1을 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 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 출력 측(O)과 연결되어 회전력을 출력한다.

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 임펠러(20)는 타방향으로 회전하고, 이에 추종하여 터빈(30)도 타방향으로 회전한다.

상기 터빈(30)이 임펠러(20)를 추종하여 회전함으로써 상기 임펠러(20)와 터빈(30)의 속도비(SR)가 1:1에 이르면, 프론트커버(12)가 록업클러치(60)에 의해 출력 측(O)과 직결된다. 그러면 입력 측(I)의 회전력은 록업클러치(60)를 거쳐 직접 출력 측(O)으로 전달된다.

[원웨이 클러치]

원웨이 클러치(50)는, 리액터(40)와 함께 회전하도록 리액터바디(41)의 내주면에 고정되는 아우터레이스(51)와, 고정단에 고정되어 회전하지 아니하는 이너레이스(53)를 포함한다.

상기 아우터레이스(51)는 상기 리액터바디(41)의 내주에 설치될 수 있다. 실시예에 따르면, 상기 아우터레이스(51)의 외주면이 상기 리액터바디(41)의 내주면과 억지끼움(press fit)되어, 상기 아우터레이스(51)가 상기 리액터바디(41)와 일체로 거동할 수 있다. 그러나 아우터레이스(51)가 리액터(40)와 반드시 일체로 거동해야 하는 것은 아니다. 가령 상기 아우터레이스(51)와 리액터(40)는, 상호 간의 회전은 구속되지만, 상호 간의 축방향 이동은 허용될 수도 있다.

상기 아우터레이스(51)는 중앙에 관통홀(514)이 형성된 원반 형상을 이룬다. 상기 아우터레이스(51)의 후면에는 상기 관통홀(514)보다 큰 원형의 안착홈(513)이 마련된다. 안착홈(513)은 아우터레이스(51)의 후면에서 전방으로 함몰된 형상이다. 상기 안착홈(513)의 바닥면에는 복수 개의 제1락킹부(511)가 원주 방향을 따라 원호 형태로 연장 형성될 수 있다. 실시예에서는 3개의 제1락킹부(511)가 120도 간격으로 형성된 구조가 예시된다.

상기 제1락킹부(511)는 아우터레이스(51)의 후면, 보다 구체적으로 안착홈(513)의 바닥면으로부터 함몰된 경사면 형상일 수 있다. 상기 제1락킹부(511)의 경사면은, 원주방향의 일방향으로 갈수록 점차 후면으로부터의 함몰 깊이가 줄어드는 형상일 수 있다. 구체적으로, 상기 제1락킹부(511)는, 경사면을 이루는 제1슬립면(5111)과, 상기 제1슬립면(5111)이 가장 깊이 함몰된 부위에 마련되는 제1걸림면(5112)을 포함한다.

제1슬립면(5111)은 원주방향을 따라 형성되고, 축에 수직한 평면(아우터케이지의 후면)에 대해, 소정의 경사각(θ)을 가진다. 슬립면의 경사각(θ)은 슬립이 원활하게 일어나고, 소음 발생은 최소화할 수 있는 각도 범위 내에서 결정되고, 또한 제1걸림면(5112)의 돌출길이를 확보하기 위한 각도 범위 내에서 결정될 수 있다.

제1걸림면(5112)은 대략 축의 원주방향을 향하는 법선을 가지는 평면일 수 있다. 상기 제1걸림면(5112)이 축방향으로 연장된 제1축방향길이(h1)는, 원웨이 클러치(50)의 일방향 회전 저지력을 충분히 확보할 수 있고, 래칫이 파손되지 않으면서도, 원웨이 클러치(50)의 축방향 길이 치수를 최소화하는 범위 내에서 결정되는 것이 바람직하다.

상기 아우터레이스(51)에는 슬릿(512)이 형성될 수 있다. 상기 슬릿(512)은, 상기 제1락킹부(511)의 폭방향 중심에 배치되고 원주방향을 따라 연장되는 원호 형상의 개구 형태일 수 있다. 상기 슬릿(512)은 커버(10)의 내부공간에서 발생하는 유체의 유동을 허용한다. 상기 슬릿(512)은 제1슬립면(5111)에 배치될 수 있다.

상기 이너레이스(53)는, 고정단에 고정되는 레이스부(531)와, 상기 레이스부(531)와 회전 구속되고 축방향 슬라이드 이동은 허용되는 케이지부(536)를 포함한다. 상기 이너레이스(53)를 구성하는 레이스부(531)와 케이지부(536)는, 케이지부(536)가 레이스부(531)에 대해 슬라이드 이동되지 않도록 일체로 제작될 수도 있다. 실시예에서는 레이스부(531)와 케이지부(536)가 분리된 형태로 제작된 구조의 이너레이스(53)를 예시한다.

상기 레이스부(531)는 축방향 연장부(532)와 반경방향 연장부(535)를 구비한다.

상기 축방향 연장부(532)는 축방향으로 연장되는 파이프 형태일 수 있다. 상기 축방향 연장부(532)의 내주에는, 고정단에 대해 회전되지 않도록 고정되는 치형을 가지는 스플라인 허브(533)가 구비된다. 그리고 상기 축방향 연장부(532)의 외주에는, 소정의 직경을 가지는 제1외주면(5321)과, 상기 제1외주면(5321)보다 큰 직경을 가지는 제2외주면(5322)이 마련된다. 상기 제2외주면(5322)은 상기 제1외주면(5321)의 전방에 배치되고, 제1외주면(5321)과 제2외주면(5322)의 경계에는 직경 차이로 인한 단턱이 마련될 수 있다. 상기 제2외주면(5322)에는 축방향으로 연장된 제1가이드부(534)가 구비된다. 상기 제1가이드부(534)는 후방으로 개방된 형태의 키 홈일 수 있다. 실시예에서는 3개의 제1가이드부(534)가 120도 간격으로 마련된 구조가 예시된다.

상기 축방향 연장부(532)는, 상기 아우터레이스(51)의 관통홀(514)에 삽입된다. 상기 축방향 연장부(532)의 제2외주면(5322)은 상기 관통홀(514)의 내주면과 접하여 상기 아우터레이스(51)의 중심을 정렬하고 상기 아우터레이스(51)를 회전 자유롭게 지지한다. 상기 축방향 연장부(532)가 상기 아우터레이스(51)에 끼워진 상태에서, 상기 제1가이드부(534)의 적어도 일부는, 상기 아우터레이스(51)와 축방향 연장부(532)가 서로 접하는 부위보다 더 후방에 배치될 수 있다.

상기 반경방향 연장부(535)는 상기 축방향 연장부(532)의 앞부분에서 반경방향 외측으로 연장되는 평평한 환형 링 형상일 수 있다. 상기 반경방향 연장부(535)의 후면은 상기 아우터레이스(51)의 전면과 마주한다. 상기 반경방향 연장부(535)는 상기 아우터레이스(51)가 전방으로 이동하는 범위를 규제할 수 있다.

상기 이너레이스(53)의 케이지부(536)는 상기 아우터레이스(51)의 뒤에서 상기 아우터레이스(51)와 마주한다. 상기 케이지부(536)는 평평한 환형 평판 형태일 수 있다. 상기 케이지부(536)의 적어도 일부는 상기 아우터레이스(51)의 안착홈(513)에 수용될 수 있다. 상기 케이지부(536)의 외주면과 상기 안착홈(513)의 내주면은 서로 마주하고, 상호 간의 상대적인 회전을 지지할 수 있다.

상기 레이스부(531)의 축방향 연장부(532)는 상기 케이지부(536)에 끼워질 수 있다. 이에 따라 상가 케이지부(536)의 내주면은 상기 축방향 연장부(532)의 제2외주면(5322)과 서로 접하여 상호 중심이 정렬된다. 상기 케이지부(536)의 내주면과 상기 축방향 연장부(532)의 제2외주면(5322)은 상대적인 축방향 슬라이드 이동이 가능하도록 서로 지지될 수 있다.

상기 케이지부(536)에는, 그 내주면으로부터 내향 연장되는 키 돌기 형태의 제2가이드부(537)가 마련될 수 있다. 상기 제2가이드부(537)는 상기 제1가이드부(534)에 맞물릴 수 있다. 상기 제1가이드부(534)와 제2가이드부(537)는, 상기 레이스부(531)에 대한 케이지부(536)의 축방향 이동은 허용하고, 회전은 허용하지 않는다.

상기 케이지부(536)의 전면에는, 상기 아우터레이스(51)의 제1락킹부(511)와 상보적인 형상의 제2락킹부(538)가 마련된다. 상기 제1락킹부(511)가 래칫 경사면 홈이라면, 상기 제2락킹부(538)는 이와 상보적인 형상의 래칫 경사면 돌기일 수 있다. 상기 제2락킹부(538)의 경사면은, 원주방향의 타방향으로 갈수록 점차 돌출 높이가 낮아지는 형태이다. 구체적으로 상기 제2락킹부(538)는, 경사면을 이루는 제2슬립면(5381)과, 상기 제2슬립면(5381)이 전방으로 가장 높이 돌출된 부위에 마련되는 제2걸림면(5382)을 포함한다.

제2슬립면(5381)은 원주방향을 따라 형성되고, 축에 수직한 평면(케이지부의 전면)에 대해 소정의 경사각(θ)을 가진다. 상기 제2슬립면(5381)은 상기 제1슬립면(5111)과 상보적인 형상이며, 동일한 반경방향 위치에 배치된다.

제2걸림면(5382)은 대략 축의 원주방향을 향하는 법선을 가지는 평면일 수 있다. 상기 제2걸림면(5382)이 축방향으로 연장된 제2축방향길이(h2)는 상기 제1걸림면(5112)의 제1축방향길이(h1)와 대응할 수 있으나, 반드시 상호 대응해야만 하는 것은 아니다. 원웨이 클러치(50)의 일방향 회전에 대한 저지력은 상기 제1걸림면(5112)과 제2걸림면(5382)이 서로 중첩되는 중첩길이(i)에 의해 결정될 수 있다.

따라서 제1락킹부(511)가 제2락킹부(538)에 대해 타방향으로 회전하고자 할 때에는 상기 제1락킹부(511)의 경사면 형상의 제1슬립면(5111)이 상기 제2락킹부(538)의 경사면 형상의 제2슬립면(5381)을 타고 올라 제1락킹부(511)의 회전이 허용된다(도 8 참조).

반면 제1락킹부(511)와 제2락킹부(538)의 제1슬립면(5111)과 제2슬립면(5381)의 원주방향 타측 단부에서 서로 맞물리는 단턱 형상을 이루는 상기 제1걸림면(5112)과 제2걸림면(5382)은, 제1락킹부(511)가 제2락킹부(538)에 대해 일방향으로 회전하고자 할 때 서로 맞물려, 상기 제1락킹부(511)의 회전을 제한한다(도 6 참조).

도 5와 도 6을 참조하면, 구동 초기(SR 0.00 ~ 커플링 포인트)에는 터빈(30)에서 임펠러(20)로 회귀하는 유체가 리액터(40)에 의해 방향 전환되어 임펠러(20)로 전달되며, 이러한 과정에서 리액터(40)는 일방향으로 회전하는 힘(T₁)을 받는다. 그리고 리액터블레이드(411)의 형상에 의해 상기 리액터(40)는 축방향 후방으로도 힘을 받는다. 그러나 상기 원웨이 클러치(50)의 제1락킹부(511)의 단턱 형상의 제1걸림면(5112)이 제2락킹부(538)의 단턱 형상의 제2걸림면(5382)에 걸려, 상기 리액터(40)는 회전하지 않는다.

도 7과 도 8을 참조한다. 구동이 진행되어 커플링 포인트에 이르면, 터빈(30)에서 임펠러(20)로 회귀하는 유체가 리액터(40)를 타방향으로 회전하는 힘(T₂)을 가한다. 이에 따라 제1락킹부(511)가 타방향으로 회전하면, 제1락킹부(511)의 경사면 형상의 제1슬립면(5111)이 제2락킹부(538)의 경사면 형상의 제2슬립면(5381)을 타고 올라간다. 따라서 아우터레이스(51)와 이너레이스(53)의 케이지부(536)는 서로 멀어지는 방향으로 축방향으로 이동한다. 이러한 원리에 의해, 리액터(40)는 타방향으로 회전하는 것이 허용된다. 이처럼 리액터(40)가 타방향으로 회전하게 될 때에는, 원웨이 클러치(50)의 아우터레이스(51)와 이너레이스(53)의 케이지부(536)가 서로 멀어지는 방향으로 확실히 이동하여, 제1락킹부(511)와 제2락킹부(538)가 서로 맞물리지 않도록 하는 것이 바람직하다.

커플링 포인트에 이르면, 리액터블레이드(411)의 형상에 의해 상기 리액터(40)는 축방향 전방으로도 힘을 받기 시작한다. 그러나 리액터(40)가 타방향으로 회전하기 시작하는 천이 영역에서, 리액터(40)가 축방향 전방으로 받는 힘은 작을 수 있다. 따라서 커플링 포인트에 이르러 천이가 진행될 때, 리액터블레이드(411)가 터빈(30)에서 임펠러(20)로 회귀하는 유체에 의해 축방향의 전방으로 확실한 힘을 받기 전까지는, 아우터레이스(51)가 축방향의 전방으로 확실하게 이동하지 않는 운전 영역이 존재할 수 있다. 이러한 운전 영역에서, 아우터레이스(51)가 이너레이스(53)와 부딪히는 현상이 일어날 수 있으며, 이는 소음의 원인이 될 수 있다.

유체에 의해 리액터(40)가 받는 힘(F_blade)와 원웨이클러치(50)가 받는 힘(F_shell)은 다음과 같다.

F_blade = 0.5πρ(w_imp ² - w_tur ²)(r_c ⁴-r_s ⁴)×0.5 … (수학식 1)

F_shell = 0.5πρ(w_imp ² - w_tur ²)(r_s ⁴-r_o ⁴) … (수학식 2)

여기서, ρ는 유체의 밀도, w_imp는 임펠러(20)의 각속도, w_tur는 터빈(30)의 각속도, r_c는 리액터(40)의 외측 반경, r_s는 리액터(40)의 내측 반경, 그리고 r_o는 이너레이스(53)의 내측 반경이다. 축하중(F_axial)은 도 9에 도시된 바와 같이 속도비가 높아질수록 점차 낮아지다가 속도비 0.85 부근에서 가장 낮은 상태가 된 후 약간 회복된다.

유체에 의해 리액터(40)가 받는 힘(F_blade)와 원웨이클러치(50)가 받는 힘(F_shell)은 축하중(F_axial)이 된다.

F_blade + F_shell = F_axial … (수학식 3)

[슬립면의 경사각 θ]

아우터레이스(51)의 제1슬립면(5111) 및 이와 대응하는 이너레이스(53)의 케이지부(536)의 제2슬립면(5381)은, 리액터(40)가 타방향으로 회전하기 시작하는 천이 영역에서, 상호 슬라이드 이동한다. 리액터(40)는 토러스의 유체의 흐름에 의해 타방향으로 회전하기 시작하며 토크(T₂)를 아우터레이스(51)에 전달한다. 그리고, 토러스의 유체 흐름은 아우터레이스(51)를 축방향으로 민다. 상기 리액터(40)의 회전력, 즉 토크(T₂)는, 서로 접하는 두 슬립면(5111, 5381)에 원주방향 힘(F_y)으로 작용하고, 유체가 아우터레이스(51)를 축방향으로 미는 힘(F_axial) 역시 두 슬립면에 축방향 힘(F_x)으로 작용한다.

F_y = T₂ / r … (수학식 4)

여기서, r은 아우터레이스(51)의 회전중심으로부터 슬립면까지의 반경방향 거리이다.

F_x = F_axial … (수학식 5)

도 8을 참조하면, 이러한 두 힘(F_x, F_y)의 작용은, 슬립면의 경사각(θ)으로 인해, 다음과 같이 슬립면의 표면에 수직한 방향으로 작용하는 수직항력(F_n)과 슬립면의 표면에 나란한 방향으로 작용하는 슬립력(F_s)으로 작용한다.

F_n = F_xcosθ + F_ysinθ … (수학식 6)

F_s = F_xsinθ - F_ycosθ + μF_n … (수학식 7)

여기서, μ는 두 슬립면 간의 정지마찰계수이다. 두 슬립면이 동질 금속일 경우, 정지마찰계수는 약 0.235 정도일 수 있다.

슬립면의 경사각(θ)이 얼마 정도가 되어야 안정적으로 제1슬립면(5111)과 제2슬립면(5381) 사이에 슬라이딩이 일어날 수 있는지에 대해 검토하면 다음과 같이 정리할 수 있다.

SR	max[Fy] (N)	max[Fx] (N)	Fs(θ=10˚) (N)	Fs(θ=20˚) (N)	Fs(θ=30˚) (N)	Fs(θ=40˚) (N)	Fs(θ=50˚) (N)
0.90	173.4	103.5	-121.8	-90.8	-57.0	-21.5	14.7
0.92	300.0	109.1	-239.0	-196.4	-147.9	-94.8	-38.9

max[F_y]와 max[F_x]는 풀-스로틀(full throttle) 상태에서 발생하는 F_y와 F_x를 의미한다.

SR	min[Fy] (N)	min[Fx] (N)	Fs(θ=10˚) (N)	Fs(θ=20˚) (N)	Fs(θ=30˚) (N)	Fs(θ=40˚) (N)	Fs(θ=50˚) (N)
0.90	13.8	8.5	-9.6	-7.1	-4.3	-1.5	1.4
0.92	20.7	7.6	-16.5	-13.5	-10.2	-6.5	-2.6

min[F_y]와 min[F_x]는 아이들(idle) 상태에서 발생하는 F_y와 F_x를 의미한다.살펴보면, 경사각(θ)이 커질수록 슬립력(F_s)이 줄어듦을 알 수 있다. 즉 슬립면의 경사각은 약 40도 이하여야 안정적으로 두 슬립면 사이에 슬립이 일어날 수 있음을 확인할 수 있다. 선행기술문헌의 특허문헌 2(JP H05-045306 U)에 도시된 슬립면의 경사각은 위와 같은 조건 하에서 대략 25도 정도로 규정되어 있다. 그러나, 위 특허문헌 2에서도 언급되어 있듯이, 래칫 구조를 적용한 원웨이 클러치는 소음의 발생이 불가피하였다.

실험 결과 래칫 구조를 적용한 원웨이 클러치의 소음은, 유체 유동의 예측의 어려움으로 인해 아우터레이스(51)와 이너레이스(53)가 축방향으로 이동하며 부딪힐 때 발생하는 충격소음, 그리고 슬립면(5111, 5381)의 접동(slide)할 때 발생하는 마찰소음을 포함함을 확인할 수 있었다. 실시예에 따르면, 충격소음은 후술할 지지부재의 레버 구조로 저감할 수 있고, 마찰소음은 래칫 구조의 슬립면의 경사각을 조절하여 저감할 수 있다.

또한, 래칫의 개수를 동일하게 하고, 래칫의 걸림면의 돌출길이를 동일하게 유지한 상태에서, 실시예의 래칫 구조를 적용한 원웨이 클러치에서의 마찰소음은, 슬립면 간에 슬라이드가 일어날 때 슬립면에 작용하는 수직항력(F_n)에 의해 슬립면에 작용하는 압력에 비례함을 확인하였다. 검토 결과, 수직항력(F_n)은 슬립면의 경사각(θ)이 커질수록 증가하는 경향을 보이고, 슬립면의 면적은 경사각(θ)이 작아질수록 넓어지므로, 수직항력(F_n)에 의해 슬립면에 작용하는 압력은 경사각이 작아질수록 더욱 작아지게 됨을 확인하였다.

도 10에 도시된 바와 같이, 슬립면의 경사각이 3도일 경우 천이영역(SR 0.85~)에서 88dB 이상의 소음이 발생하는 것을 확인하였다. 88dB 이상의 소음은 운전자가 인지할 수 있을 정도의 소음이며, 88dB 이하로 소음을 억제할 수 있다면 운전자가 그 소음을 인지하기 어렵다. 실험 결과 경사각을 1.5도 이하로 설정하면 소음이 88dB 이하로 억제됨을 확인할 수 있었다. 도 10에는 경사각을 1.4도로 설정하고 측정한 소음 레벨의 결과를 도시하였다.

즉, 슬립력의 관점에서는 특허문헌 2와 같이 경사각이 40도 이하이면 족하지만, 실시예의 래칫 구조를 적용한 원웨이 클러치에서 마찰소음은 제1슬립면(5111)과 제2슬립면(5381)의 경사각(θ)을 1.5도 이하로 설정해야 소음이 억제된 원웨이 클러치를 구현할 수 있다.

[걸림면의 각(ф)과 중첩길이]

원웨이 클러치의 회전 구속을 확실히 담보하기 위해, 제1걸림면(5112)과 제2걸림면(5382)은, 축방향과 평행하고 원주방향에 수직을 이루도록 할 수 있다. 그러나 가공성 측면에서, 또는 부드러운 작동을 구현하기 위해, 걸림면도 어느 정도의 각을 가지도록 하는 것이 바람직하다.

회전축과 나란한 면에 대해 상기 걸림면이 이루는 각(ф)은, 걸림면이 축방향과 평행하고 원주방향에 수직을 이룰 때 0도이고, 도 6에 도시된 방향으로 경사짐에 따라 점차 커진다고 규정할 수 있다.

아우터레이스(51)의 제1걸림면(5112) 및 이와 대응하는 이너레이스(53)의 케이지부(536)의 제2걸림면(5382)은, 리액터(40)가 일방향으로 힘을 받기 시작하는 토크 컨버터의 초기 구동 구간(SR 0.0~0.85)에서, 상호 원주방향으로 맞물린다. 리액터(40)는 토러스의 유체의 흐름에 의해 일방향으로 회전력을 받기 시작하며, 토크(T₁)를 아우터레이스(51)에 전달한다. 그리고, 토러스의 유체 흐름은 아우터레이스(51)를 축방향으로 민다. 상기 리액터(40)의 회전력, 즉 토크(T₁)는, 서로 접하는 두 걸림면(5112, 5382)에 원주방향 힘(F_y)으로 작용하고, 유체가 아우터레이스(51)를 축방향으로 미는 힘(F_axial) 역시 양의 각(ф)을 가지는 두 걸림면에 축방향 힘(F_x)으로 작용한다.

F_y = T₁ / r … (수학식 8)

여기서, r은 아우터레이스(51)의 회전중심으로부터 걸림면까지의 반경방향 거리이다.

도 6을 참조하면, 이러한 두 힘(F_x, F_y)의 작용은, 걸림면의 각(ф)으로 인해, 다음과 같이 걸림면의 표면에 수직한 방향으로 작용하는 수직항력(F_n)과 걸림면의 표면에 나란한 방향으로 작용하는 슬립력(F_s)으로 작용한다.

F_n = F_ycosф + F_xsinф … (수학식 9)

F_s = F_xcosф - F_ysinф + μF_n … (수학식 10)

여기서, μ는 두 걸림면 간의 정지마찰계수이다. 두 걸림면이 동질 금속일 경우, 정지마찰계수는 약 0.235 정도일 수 있다.

제1걸림면(5112)과 제2걸림면(5382)이 상호 맞물림 상태를 유지하기 위해 걸림면의 경사각(ф)이 어느 정도까지 커질 수 있는지에 대해 검토하면 다음과 같이 정리할 수 있다.

SR	max[Fy] (N)	max[Fx] (N)	Fs (ф=1˚) (N)	Fs (ф=4˚) (N)	Fs (ф=8˚) (N)	Fs (ф=12˚) (N)	Fs (ф=15˚) (N)	Fs (ф=16˚) (N)
0.00	5351.7	203.1	1367.9	1087.2	708.3	326	38.9	-57.9
0.10	4692.6	201.4	1222.8	976.9	644.9	309.8	57.7	-26.8
0.20	4090.4	196.2	1086.7	872.5	583.3	291.3	71.6	-2.1
0.30	3486.7	186.3	945.4	763	516.7	267.9	80.5	17.7
0.40	2879.7	174.7	801.8	651.4	448.1	242.7	87.4	36.1
0.50	2244.3	157.3	646	529	370.8	210.8	90.1	49.7
0.60	1608.0	144.0	494.3	410.8	297.7	183.2	96.9	67.8
0.70	1056.8	128.4	358.7	304.2	230.2	155	98.0	79.1
0.75	642.4	117.4	257.6	224.9	180.2	134.7	99.8	88.6
0.80	335.6	104.3	177.7	161	138.1	114.5	96.2	90.3
0.85	169.7	87.1	124.3	116.2	104.9	93.1	84.0	80.9

max[F_y]와 max[F_x]는 풀-스로틀(full throttle) 상태에서 발생하는 F_y와 F_x를 의미한다.

SR	min[Fy]	min[Fx]	Fs (ф=1˚) (N)	Fs (ф=4˚) (N)	Fs (ф=8˚) (N)	Fs (ф=12˚) (N)	Fs (ф=15˚) (N)	Fs (ф=16˚) (N)
0.00	879.7	33.3	224.8	178.6	116.3	53.5	5.5	-9.6
0.10	762.1	33.0	198.8	158.9	105	50.6	9.7	-4.1
0.20	655.8	32.0	174.7	140.4	94	47.2	12.1	0.2
0.30	556.1	30.3	151.4	122.3	83	43.3	13.2	3.4
0.40	457.2	28.0	127.5	103.6	71.4	38.8	14.3	5.9
0.50	356.1	25.0	102.5	84	58.8	33.5	14.4	7.9
0.60	238.0	21.3	73.2	60.8	44.1	27.1	14.0	10
0.70	140.2	17.0	47.5	40.3	30.5	20.5	13.0	10.4
0.75	79.3	14.6	31.9	27.8	22.3	16.7	11.8	11
0.80	38.7	12.0	20.4	18.5	15.9	13.2	11.1	10.4
0.85	17.9	9.2	13.2	12.3	11.1	9.9	8.7	8.6

min[F_y]와 min[F_x]는 아이들(idle) 상태에서 발생하는 F_y와 F_x를 의미한다.

살펴보면, 각(ф)이 커질수록 슬립력(F_s)이 커짐을 알 수 있다. 즉 걸림면의 각이 15도까지 커지더라도 슬립력은 아우터레이스(51)와 이너레이스(53)가 서로 가까워지는 방향으로 작용함을 확인할 수 있다. 따라서 특허문헌 2(JP H05-045306 U)에 도시된 걸림면과 같이 걸림면을 수직으로 돌출시키지 않고 최대 15도까지 완만하게 경사지도록 형성하더라도, 걸림면의 걸림 작용에 문제가 없는 반면, 부드러운 작동과 가공의 유연성을 확보할 수 있다.

한편, 제1걸림면(5112)이 축방향으로 돌출된 제1축방향길이(h1)와 제2걸림면(5382)이 축방향으로 돌출된 제2축방향길이(h2)는 서로 대응할 수 있다. 이들의 길이는 1.5mm 이상일 수 있다. 제1축방향길이(h1)와 제2축방향길이(h2)가 서로 다르더라도, 아우터레이스(51)와 이너레이스(53)의 케이지부(536)가 서로 최대한 밀착한 상태에서, 제1걸림면(5112)과 제2걸림면(5382)이 축방향으로 중첩되는 중첩길이(i)가 1.5mm 이상이면, 이너레이스(53)에 대한 아우터레이스(51)의 회전을 충분히 구속할 수 있다.

상기 길이 1.5mm는, 래칫 형상에서 걸림면과 연결되는 슬립면의 경사각(θ)이 1.5도일 때 상기 걸림면이 회전을 충분히 구속할 수 있는 강도가 보장되는 길이이다. 즉 슬립면의 경사각(θ)이 1.5도 이하의 조건이라면, 상기 중첩길이(i)가 1.5mm 이상 확보되기만 하면, 걸림면의 회전 구속 기능을 충분히 보장받을 수 있다.

[지지부재]

상기 원웨이 클러치(50)는 상기 아우터레이스(51)와 이너레이스(53)의 후방에서 상기 아우터레이스(51)와 이너레이스(53)를 전방으로 지지하는 지지부재(55)를 더 구비한다.

상기 지지부재(55)는, 아우터암(5511)과 이너암(5512)을 구비하는 레버(551)를 포함한다. 상기 레버(551)는 받침부(5514), 상기 받침부(5514)로부터 반경방향 외측으로 연장되는 아우터암(5511), 그리고 상기 받침부(5514)로부터 반경방향 내측으로 연장되는 이너암(5512)을 포함한다. 상기 받침부(5514)는, 소정의 지지단에 의해 후방으로부터 지지된다. 상기 지지단은, 도 1에 도시된 베어링서포터(57)이거나, 도 5 및 도 7에 도시된 제2베어링(B2)일 수 있다.

상기 아우터암(5511)과 이너암(5512)은 상기 받침부(5514)보다 전방으로 비스듬히 연장된다. 상기 아우터암(5511)과 이너암(5512)의 전방사잇각(j)은 둔각일 수 있다. 이에 따라, 레버(551)의 작동이 원활하게 이루어지면서도, 레버(551)가 전후방향으로 차지하는 체적을 줄여 전체적으로 원웨이 클러치(50)를 컴팩트하게 구성할 수 있다.

상기 아우터암(5511)의 선단부는 상기 아우터레이스(51)의 후면에 접하고, 상기 이너암(5512)의 선단부는 상기 이너레이스(53)의 케이지부(536)의 후면에 접한다. 아우터암(5511)과 이너암(5512)은 소정의 전방사잇각(j)을 유지할 수 있도록, 상기 레버(551)에는 리브(5513)가 형성되어 있다. 이에 따라 상기 아우터암(5511)과 이너암(5512)의 굽힘 강성이 크게 보강된다.

상기 아우터암(5511)와 이너암(5512)의 굽힘 강성이 크게 보강되면, 아우터레이스(51)가 아우터암(5511)을 후방으로 미는 힘은, 레버(551)를 통해 이너암(5512)이 이너레이스(53)의 케이지부(536)를 전방으로 미는 힘으로 확실히 전달된다. 마찬가지로 이너레이스(53)가 이너암(5512)을 후방으로 미는 힘은, 레버(551)를 통해 아우터암(5511)이 아우터레이스(51)를 전방으로 미는 힘으로 확실히 전달된다. 또한 아우터레이스(51)가 아우터암(5511)을 후방으로 미는 힘이 해제되면, 레버(551)를 통해 이너암(5512)이 이너레이스(53)의 케이지부(536)를 전방으로 밀던 힘 역시 확실히 해제된다. 그리고 이너레이스(53)가 이너암(5512)을 후방으로 미는 힘이 해제되면, 레버(551)를 통해 아우터암(5511)이 아우터레이스(51)를 전방으로 밀던 힘 역시 확실히 해제된다.

상기 레버(551)는 원주 방향을 따라 등간격으로 복수 개 구비된다. 그리고 상기 레버들은 환형의 연결링(553)에 의해 상호 연결된다. 상기 연결링(553)은 상기 레버(551)의 받침부(5514)들을 연결하고, 이에 따라 복수 개의 레버(551)는 하나의 부품, 즉 지지부재(55)를 이룬다.

다시 지지부재(55)를 포함한 원웨이 클러치(50)의 작동에 대해 설명한다.

도 5와 도 6을 참조하면, 구동 초기(SR 0.00 ~ 커플링 포인트)에는 터빈(30)에서 임펠러(20)로 회귀하는 유체가 리액터(40)에 의해 방향 전환되어 임펠러(20)로 전달되며, 이러한 과정에서 리액터(40)와 아우터레이스(51)는 일방향으로 회전하는 힘(T1)을 받고, 축방향 후방으로도 힘(Fouter)을 받는다. 이러한 힘(Fouter)는 레버(551)를 통해 이너레이스(53)를 전방으로 미는 힘(Finner)으로 전달된다. 이는 아우터레이스(51)와 이너레이스(53)가 서로 밀착하는 방향으로 작용한다.

도 7과 도 8을 참조한다. 구동이 진행되어 커플링 포인트에 이르면, 터빈(30)에서 임펠러(20)로 회귀하는 유체에 의해 리액터(40)와 아우터레이스(51)가 타방향으로 회전하는 힘(T2)을 받기 시작하고, 축방향 전방으로도 힘(Fouter)을 받기 시작하나, 천이 영역에서 리액터(40)가 축방향 전방으로 받는 힘은 미미하다.

한편 커버(10)의 내부 공간의 유체는 유동을 일으키고, 아우터레이스(51)와 이너레이스(53)가 배치된 리액터바디(41)의 반경방향 내측 영역에도 유체의 유동이 발생한다. 천이영역에서 터빈(30)에서 임펠러(20)로 회귀하는 유체에 의해 리액터(40)가 축방향 전방으로 받는 힘(Fouter)은 이러한 유체의 유동에 비해 미미하므로, 리액터바디(41)의 반경방향 내측 영역에서 일어나는 유체의 유동은 아우터레이스(51)와 케이지부(536)를 전방 또는 후방으로 밀게 된다. 이러한 유체의 유동의 일부는, 상기 아우터레이스(51)의 슬릿(512)을 통할 수 있다.

만약 리액터바디(41)의 반경방향 내측 영역에서 유체가 전방으로 유동하면, 아우터레이스(51)와 케이지부(536)는 모두 전방으로 밀리는 힘을 받는다. 상기 케이지부(536)의 제2가이드부(537)는 제1가이드부(534)가 형성된 범위 내에서 전후로 슬라이드 이동하므로, 케이지부(536)는 제1가이드부(534)에 의해 허용되는 범위 내에서 전방으로 이동하는 반면, 아우터레이스(51)는 레이스부(531)의 반경방향 연장부(535)에 의해 이동이 제한될 때까지 전방으로 이동할 수 있다. 그러면 아우터레이스(51)가 이너레이스(53)의 케이지부(536)보다 더 전방으로 이동하여, 제1락킹부(511)와 제2락킹부(538)가 서로 멀어질 수 있다.

한편 리액터바디(41)의 반경방향 내측 영역에서 유체가 후방으로 유동하면, 아우터레이스(51)와 케이지부(536)는 모두 후방으로 밀리는 힘을 받는다. 그러면 아우터레이스(51)와 케이지부(536)는 모두, 각각 레버(551)의 아우터암(5511)과 이너암(5512)을 후방으로 밀게 된다.

실시예에 따르면, 도 4에 도시된 바와 같이, 받침부(5514)로부터 반경방향 외측으로 연장되는 아우터암(5511)의 제1반경방향 길이(a)보다, 받침부(5514)로부터 반경방향 내측으로 연장되는 이너암(5512)의 제2반경방향 길이(b)가 더 클 수 있다(a<b). 그러면 레버(551)의 원리에 의해, 받침부(5514)를 기준으로, 케이지부(536)가 이너암(5512)을 후방으로 미는 힘에 의해 발생하는 모멘트가, 아우터레이스(51)가 아우터암(5511)을 후방으로 미는 힘에 의해 발생하는 모멘트보다 더 크다. 따라서 아우터레이스(51)는 케이지부(536)와 레버(551)에 의해 전방으로 힘을 받는다. 즉 아우터레이스(51)와 케이지부(536)가 모두 레버(551)와 접하고 있지만, 케이지부(536)는 후방으로 이동하는 반면 아우터레이스(51)는 전방으로 이동하게 된다. 따라서 제1락킹부(511)와 제2락킹부(538)가 서로 멀어질 수 있다.

물론 이러한 레버(551)의 길이(a, b)의 조절과 함께, 또는 독립적으로, 아우터레이스(51)와 케이지부(536)의 면적을 조절하여, 유체에 의해 아우터레이스(51)와 케이지부(536)가 받는 힘을 조절하는 것도 가능하다.

임펠러(20)와 터빈(30)의 커플링 포인트로부터 시작되는 리액터(40)의 천이 영역에서, 원웨이 클러치(50)에 소음이 나지 않도록 하기 위해서는, 커플링 포인트 이후 아우터레이스(51)와 케이지부(536)가 서로 확실히 멀어지도록 레버비(a:b, 도 4 참조)를 설정하는 것이 바람직하다.

[회전 지지 구조]

도 1을 참조하면, 터빈(30)과 출력 측(O)은 제1베어링(B1)을 사이에 두고 상기 이너레이스(53)의 레이스부(531)의 반경방향 연장부의 전면과 마주할 수 있다. 레이스부(531)는 고정단에 스플라인 허브를 통해 고정되어 회전하지 않는다. 상기 터빈(30)은 상기 이너레이스(53)에 대해 제1베어링(B1)을 통해 회전 가능하게 지지된다.

상기 이너레이스(53)의 레이스부(531)의 축방향 연장부(532)의 제1외주면(5321)은 환형의 베어링서포터(57)에 삽입될 수 있다. 상기 베어링서포터(57)의 전면은 상기 지지부재(55)의 받침부(5514)를 전방으로 지지한다. 그리고 상기 베어링서포터(57)의 후면은 제2베어링(B2)을 지지한다. 상기 리어커버(15)와 임펠러(20)는 상기 제2베어링(B2)에 의해 회전 지지된다. 도 1에는 베어링서포터(57)가 이너레이스(53)의 레이스부(531)에 설치되고, 지지부재(55)와 리어커버(15) 사이에 개재된 구조가 개시되어 있다. 그러나 도 5 및 도 7에 도시된 바와 같이 베어링서포터(57)가 생략된 채, 제2베어링(B2)이 직접 지지부재(55)의 받침부(5514)와 접하도록 하여도 무방하다. 베어링서포터(57)를 생략하면, 토크 컨버터(1)의 축방향 치수를 더 줄일 수 있다.

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
51: 아우터레이스
511: 제1락킹부(래칫 경사면 홈)
5111: 제1슬립면
5112: 제1걸림면
h1: 제1축방향길이
512: 슬릿
513: 안착홈
514: 관통홀
53: 이너레이스
531: 레이스부
532: 축방향 연장부
5321: 제1외주면
5322: 제2외주면
533: 스플라인 허브
534: 제1가이드부(키 홈)
　535: 반경방향 연장부
536: 케이지부
537: 제2가이드부(키 돌기)
538: 제2락킹부(래칫 경사면 돌기)
5381: 제2슬립면
5382: 제2걸림면
h2: 제2축방향길이
i: 중첩길이
55: 지지부재
551: 레버
5511:　아우터암
a:　아우터암의 제1반경방향 길이
5512: 이너암　　　
b:　이너암의 제2반경방향 길이
j: 아우터암과 이너암의 전방사잇각
5513: 리브
5514: 받침부
553: 연결링
57: 베어링서포터
60: 록업클러치
B1: 제1베어링
B2: 제2베어링

Claims (9)

1. 토크 컨버터(1)의 리액터(40)와 고정단 사이에 배치되어, 상기 고정단에 대한 상기 리액터(40)의 일방향 회전은 허용하지 않고 타방향 회전은 허용하는 원웨이 클러치(50)로서,
   상기 원웨이 클러치(50)는:
   상기 리액터(40)와 회전 구속되도록 연결되어 상기 리액터(40)와 일체로 회전하는 아우터레이스(51);
   상기 고정단과 회전 구속되도록 연결되어 상기 고정단에 대해 상대적으로 회전하지 않는 이너레이스(53);
   상기 이너레이스(53)와 마주하는 상기 아우터레이스(51)의 후면에 마련되고, 제1슬립면(5111) 및 제1걸림면(5112)을 구비하는 제1락킹부(511); 및
   상기 아우터레이스(51)와 마주하는 상기 이너레이스(53)의 전면에서 상기 제1락킹부(511)가 마련된 영역과 대응하는 영역에 마련되고, 상기 제1슬립면(5111)과 접하는 제2슬립면(5381) 및 상기 제1걸림면(5112)에 접하는 제2걸림면(5382)을 구비하는 제2락킹부(538);를 포함하고,
   상기 리액터(40)가 일방향으로 회전력을 받으면, 상기 제1걸림면(5112)이 상기 제2걸림면(5382)에 접하며 걸리고, 상기 리액터(40)가 타방향으로 회전력을 받으면, 상기 제1슬립면(5111)이 상기 제2슬립면(5381)에 접하며 슬라이드 이동하여 상기 제1락킹부(511)와 상기 제2락킹부(538)가 축방향으로 상호 멀어지는 방향으로 이동하며,
   회전축과 수직한 면에 대해 상기 제1슬립면(5111)이 이루는 경사각(θ)은 0도 초과 1.5도 이하인, 원웨이 클러치.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   회전축과 나란한 면에 대해 상기 제1걸림면(5112)이 이루는 각(ф)은 0도 초과 15도 이하인, 원웨이 클러치.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1락킹부(511)는 상기 아우터레이스(51)의 후면에서 전방으로 함몰된 형태이고,
   상기 제2락킹부(538)는 상기 이너레이스(53)의 전면에서 전방으로 돌출된 형태인, 원웨이 클러치.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1락킹부(511)와 상기 제2락킹부(538)가 축방향으로 상호 최대한 접근하여 상기 제1걸림면(5112)이 상기 제2걸림면(5382)에 걸린 상태에서, 상기 제1걸림면(5112)과 제2걸림면(5382)의 축방향 중첩길이(i)는 1.4 mm 이상인, 원웨이 클러치.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1락킹부(511)의 제1걸림면(5112)의 축방향길이(h1)와 상기 제2락킹부(538)의 제2걸림면(5382)의 축방향길이(h2)는 모두 1.4mm 이상인, 원웨이 클러치.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1락킹부(511)에는 원주 방향으로 연장된 슬릿(512)이 구비되는, 원웨이 클러치.
   
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 슬릿(512)은 반경방향으로 보았을 때 제1락킹부(511)의 중앙부에 배치되는, 원웨이 클러치.
   
8. 청구항 1에 있어서,
   지지단에 의해 지지되는 받침부(5514)와, 상기 받침부(5514)로부터 반경방향 외측으로 연장되고 상기 아우터레이스(51)를 전방으로 지지하는 아우터암(5511)과, 상기 받침부(5514)로부터 반경방향 내측으로 연장되고 상기 이너레이스(53)를 전방으로 지지하는 이너암(5512)을 구비하는 레버(551)를 포함하는 지지부재(55);를 더 포함하고,
   상기 아우터레이스(51)의 외경은 상기 이너레이스(53)의 외경보다 더 크고,
   상기 지지부재(55)의 레버(551)의 아우터암(5511)은 상기 이너레이스(53)의 외경보다 큰 상기 아우터레이스(51)의 후면 영역을 지지하고,
   상기 지지부재(55)의 레버(551)의 이너암(5512)은 상기 이너레이스(53)의 후면 영역을 지지하는, 원웨이 클러치.
   
9. 엔진의 회전력을 전달받는 커버(10);
   상기 커버(10)와 일체로 회전하는 임펠러(20);
   상기 임펠러(20)와 마주하는 터빈(30);
   상기 임펠러(20)와 터빈(30) 사이에 배치되는 리액터(40); 및
   상기 리액터(40)와 고정단 사이에 배치되는, 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항의 원웨이 클러치(50);를 포함하는 토크 컨버터.
   

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