KR970008220B1 - 무단변속기 - Google Patents

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KR970008220B1
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대우자동차 주식회사
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Abstract

요약없음

Description

무단변속기
제1도는 본 발명에 사용되는 무단변속기의 구성을 보인 구조도.
제2도는 토오크 컨버터의 일반적 특성도.
제3도는 본 발명의 속도비 특성도.
제4도는 본 발명의 구동토오크비 특성도.
제5도는 본 발명의 효율 특성도.
제6도는 본 발명의 차량용 무단변속기의 구도조.
제7도는 본 발명의 차량용 무단변속기의 제어 로직.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 입력축2 : 펌프축
3 : 터어빈축4 : 중간축
5 : 중간축6 : 중간축
7 : 중간축8 : 중간축
9 : 중간축10 : 토오크 컨버터
10-P : 펌프10-T : 터어빈
10-S : 스테이터 11 : 일방향 클러치
12 : 유성 기어 기구12-R : 링 기어
12-P : 피니언12-S : 선 기어
13 : 외접 기어 기구13-A : 외접 기어
13-B : 외접 기어14 : 클러치
15 : 클러치16 : 브레이크
17 : 브레이크18 : 유성 기어 기구
18-R : 링 기어18-P : 피니언
18-S : 선 기어 19 : 외접 기어 기구
19-A : 외접 기어19-B : 외접 기어
20 : 차동 기어21 : 출력축
22 : 하우징
본 발명은 무단변속기(Continuously Variable Transmission)에 관한 것으로, 특히 입력축이 관통할 수 있도록 속이 빈 펌프축이 취부되는 토오크 컨버터(Torque Converter)와 유성 기어 기구(Planetary Gear Train)를 사용하여 입력축의 회전 속도와 공급 동력, 출력축에 부과된 부하 그리고 토오크 컨버터의 특성에 따라 변속비(Speed Ratio)가 연속적이고 자동적으로 변하도록 고안된 무단변속기가 차량에 적용하기에 적합하도록 구성된 차량용 무단변속기에 관한 것이다.
일반적으로 변속기(Transmission)는 하나의 동력을 여러 부하 상태에 대응시키면서 출력축으로부터 여러 가지 다른 값의 속도를 얻기 위한 목적으로 사용되는 바, 대부분의 경우 변속기가 낼 수 있는 변속비의 수가 많을수록, 최대 변속비를 최소 변속비로 나눈 값이 클수록 바람직하다. 그 예로 통상적으로 널리 사용되고 있는 차량용 수동 변속기(Manual Transmission)와 자동변속기(Automatic Transmission)의 단수가 점차 증가하는 추세를 들 수 있다. 그러나 통상의 변속기에 있어서 변속비의 수가 증가하게 되면 변속기의 구조가 복잡해질 뿐만 아니라, 자동변속기의 경우 제어 수단이 복잡해지고 수동변속기의 경우 조작이 어려워진다.
따라서 본 발명의 목적은 주어진 변속비 구간 내에서 연속적으로 무한히 많은 변속비 중에서 공급동력, 입력축의 회전 속도, 출력축에 부과된 부하 등에 따라 스스로 변속비를 선택하여 동력을 전달하므로써 조작이 편리하고 통상의 변속기에 비하여 상대적으로 구조가 간단하고 크기가 작고 저렴한 생산비로 제작할 수 있는 새로운 구조의 무단 변속기를 제공하려는 것이다.
본 발명의 이러한 목적은 입력축이 관통할 수 있도록 속이 빈 펌프축(Pump Shaft )을 갖는 토오크 컨버터와 이와 연결되는 유성 기어 기구 및 중간축을 사용하는 무단변속기에 의하여 달성된다.
또한, 상기 입력축, 토오크 컨버터, 유성 기어 기구 및 중간축으로 이루어지는 무단변속기와 함께 추가적으로 별도의 외접 기어 기구, 유성 기어 기구, 동력의 단속 기능을 하는 클러치나 브레이크, 차동 기어(Differential Gear) 및 이들의 연결을 위한 중간 축들과 출력축을 구성하고, 상기 클러치와 브레이크의 단속을 제어하는 제어장치를 구비함으로써, 특히 자동차 등에의 응용이 적합하도록 출력축의 정/역회전(Forward/Reverse Rotation) 전환을 가능하게 할 수 있다.
이하, 본 발명의 구성을 첨부도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.
제1도는 토오크 컨버터(10)와 유성 기어 기구(12)를 이용한 본 발명 무단변속기의 구성을 도시한 구조도로서, 본 발명의 무단변속기는 입력축(1)과, 토오크 컨버터(10)와, 유성 기어 기구(12)와, 중간축(5)을 포함하여 구성되는 차량의 변속기에 있어서, 상기 유성 기어 기구(12)의 피니언(12-P)과 피봇 결합되는 속이 빈 펌프축(2)이 상기 토오크 컨버터(10)의 펌프(10-P)에 취부되고, 상기 입력축(1)이 상기 펌프축(2)을 관통하여 상기 유성 기어 기구(12)의 링 기어(12-R)에 직결되고, 상기 유성 기어 기구(12)의 선기어(12-S)는 상기 토오크 컨버터(10)의 터어빈(10-T)과 터어빈축(3)으로 연결되고, 상기 펌프축(2)과 상기 피니언(12-P)의 결합부에는 중간축(5)이 연결되어 이루어지는 것이다.
보다 상세하게 설명하면, 상기 토오크 컨버터(10)는 제1도에 도시된 바와 같이, 자동차용 자동변속기에 통상적으로 사용되는 토오크 컨버터의 구성 요소인 펌프(Pump)(10-P), 터어빈(Turbine)(10-T), 스테이터(Stator)(10-S)를 갖고 있으며, 스테이터(10-S)는 일방향 클러치(11)를 통하여 중간축(4)에 의하여 하우징(22)에 결합되는데, 통상의 토오크 컨버터와는 달리 입력축(1)이 토오크 컨버터(10)를 관통할 수 있도록 토오크 컨버터 케이스에 속이 빈 펌프축(2)이 취부되어 있다.
상기 토오크 컨버터(10)를 관통한 입력축(1)은 유성 기어 기구(12)의 링 기어(Ring Gear)(12-R)와 일체로 거동하여 상대운동이 발생되지 않도록 하는 스플라인체결, 용접, 일체제작 등의 체결방법에 의하여 직결되고, 펌프축(2)은 상기 유성 기어 기구(12)의 피니언(Pinion)(12-P)에 피봇(Pivot) 결합되는데, 예컨데 펌프축(2)의 끝단에 스플라인을 사용하면 상기 피니언(12-P)을 피봇 결합을 지지하는 캐리어와 스플라인 결합되고, 따라서 상기 펌프축(2)은 전체로서 유성 기어 기구(12)의 캐리어 역할을 하도록 형성되는 것이다.
본 발명 무단변속기의 작동을 살펴보면 다음과 같다.
유성 기어 기구의 일반적인 동력전달 특성에 따르면, 동력은 선 기어(12-S)와 링 기어(12-R)로부터 피니언(12-P)을 통하여 캐리어로 전달되거나 또는 캐리어로부터 피니언(12-P)을 통하여 선 기어(12-S)와 링 기어(12-R)로 전달된다.
따라서, 입력축(1)이 유성 기어 기구(12)의 링 기어(12-R)에 직결되는 본 발명의 구성에 따르면, 입력축(1)과 링 기어(12-R)로 동력이 들어와서 중간축(5)으로 동력이 전달되어야 하고, 이와같은 경우에는 반드시 선 기어(12-S)로부터 피니언(12-P)으로 전달되는 동력이 존재하여만 하기 때문에, 이를 위하여 선 기어(12-S)와 순차적으로 연결된 터어빈축(3), 터어빈(10-T), 펌프(10-P), 펌프축(2)은 선 기어(12-S) 방향으로 동력을 전달하여야만 한다.
상기한 본 발명에 따른 유성 기어 기구(12)의 동력전달 특성에 따라서 전체로서 캐리어로 작동하는 펌프축(2), 피니언(12-P), 중간축(5)의 결합체는 링 기어(12-R)와 선 기어(12-S)로부터 피니언(12-P)을 통하여 들어온 동력을 펌프축(2)과 중간축(5) 각각에 동력학적 평형이 이루어지는 크기로 나누어 전달하게 된다. 이때 펌프축(2)으로 전달되어 토오크 컨버터(10)의 펌프(10-P)와 터어빈(10-T) 그리고 터어빈축(3)을 거쳐서 유성 기어 기구(12)의 선 기어(12-R)로 전달되는 동력은 토오크 컨버터(10)를 거칠 때마다 토오크 컨버터(10)의 고유 특성에 따라 토오크가 증대되는 동력 변환을 일으키게 된다.
유성 기어 기구는, 선 기어의 잇수를 링 기어의 잇수로 나눈 값을 λ라 하고, 선 기어, 링 기어, 그리고 캐리어의 회전속도를 각각 ωS, ωR, ωC라 하면 널리 알려진 바와 같이 다음 관계식을 만족한다.
(1+λ)ωC=ωR+λωS(가)
(나)
(다)
(라)
여기서 ωR은 본 발명의 입력축(1)의 회전 속도와, ωS는 중간축(5)의 회전 속도와 같으므로은 본 발명의 변속비와 같다.
토오크 컨버터는 펌프의 회전 속도와 토오크를 각각 ωP, TP, 터어빈의 회전 속도와 토오크를 각각 WT, TT라 하고, 터어빈의 회전 속도를 펌프의 회전속도로 나눈 값과 터어빈 토오크를 펌프 토오크로 나눈 값을 각각 토오크 컨버터의 속도비 SR, 토오크 컨버터의 토오크비 TR이라 하면 토오크 컨버터의 토오크비 TR은 속도비 SR의 함수로 표현될 수 있고, 속도비가 작으면 토오크비가 커지고 속도비가 크면 토오크비가 작아짐은 널리 알려져 있는 토오크 컨버터의 일반적인 특성을 제2도에서 보이는 바와 같다.
(마)
(바)
TR=f(SR)(사)
여기서 ωP, ωT는 각각 본 발명에 사용되는 토오크 컨버터(10)의 펌프(10-P)회전속도, 터어빈(10-T) 회전속도와 같고, 속도비 SR은 식(라)의 두 번째 식의 SR과 같다.
이와 같은 토오크 컨버터(10)의 특성과 제1도에서 보인 바와 같은 토오크 컨버터(10)와 유성 기어 기구(12)의 결합 방식에 의하여 입력축(1)으로 전달된 동력에 의하여 중간축(5)이 구동되는 경우, 변속비는 토오크 컨버터(10)의 속도비 SR이 0에서 1까지 변함에 따라에서 1까지 연속적으로 변화될 수 있고, 입력축(1)으로 전달되는 구동토오크와 중간축(5)으로 전달되는 구동토오크를 각각 T1, T5라 하면 다음과 관계식을 만족한다.
(아)
여기서 TR은 상기 식(사)와 동일하고, 토오크 컨버터의 속도비 SR에 대한 본 발명의 변속비 특성은 제3도에서 보이는 바와 같고, T5를 T1으로 나눈 값을 본 발명의 구동토오크비(Torque Ratio)라 하면 변속비에 대한 구동토오크비의 특성은 제4도에서 보인 바와 같다.
따라서, 본 발명은 입력축(1)의 구동토오크가 증가하거나 중간축(5)의 부하가 감소하면, 토오크 컨버터(10)의 속도비 SR이 증가하여 본 발명의 변속비가 증가하고, 토오크 컨버터(10)의 토오크비 TR이 감소하여 본 발명의 구동토오크비는 감소하고, 반대로 입력축(1)의 구동토오크가 감소하거나 중간축(5)의 부하가 증가하면 본 발명의 변속비는 감소하고 구동토오크비는 증가하는 특성을 나타낸다.
이상에서 설명된 본 발명의 무단변속기에 따라서, 전륜 구동형 차량에 장착할 수 있도록 고안된 차량용 무단변속기에 대하여 제6도에 도시된 바에 따라서 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 차량용 무단변속기는, 상기한 입력축(1)과 중간축(5)을 포함하여 이루어지는 무단변속기에 있어서, 상기 입력축(1)은 차량의 엔진이 직결되고, 상기 중간축(5)은 외접 기어 기구(13)의 외접 기어(13-A)와 결합되고 외접 기어(13-B)는 중간축(6) 일단에 결합되고, 상기 중간축(6)의 타단은 클러치(14)와 클러치(15)가 이중으로 결합되고, 상기 중간축(6)은 상기 클러치(14)를 통하여 또 다른 중간축(7)과 결합되고, 상기 중간축(7)은 유성 기어 기구(18)의 피니언(18-P)과 피봇 결합되고 브레이크(17)를 통하여 하우징(22)과도 결합되고, 상기 중간축(6)은 상기 클러치(15)를 통하여 중간축(8)과 결합되고, 상기 중간축(8)은 유성 기어 기구(18)의 선 기어(18-S)와 결합되고 브레이크(16)를 통하여 하우징(22)과도 결합되고, 유성 기어 기구(18)의 링 기어(18-R)는 중간축(9)을 통하여 외접 기어(19-A)에 결합되고, 외접 기어(19-A)에 외접하는 외접 기어(19-B)는 차동기어(20)와 일체로 형성되고, 상기 차동 기어(20)에 연결되는 출력축(21)은 차량의 구동 바퀴와 직결되고, 상기 클러치(14, 15)와 상기 브레이크(16, 17)의 작동 로직을 구현하는 제어장치가 구비되는 것이다.
보다 상세하게 설명하면, 입력축(1)은 차량의 엔진(Engine)에 직결되어서 엔진의 동력이 본 발명 무단변속기의 입력축(1)에 전달되게 구성되며, 중간축(5)은 외접 기어 기구(13)의 외접 기어(13-A)와 결합되고 외접 기어(13-B)는 중간축(6)에 결합되는데 즉, 중간축(5)의 동력이 중간축(6)에 전달되기 위하여 외접 기어 기구(13)가중간축(5)과 중간축(6) 사이에 결합되는 것이다.
상기 중간축(6)의 한쪽 끝단에는 예컨대 스플라인 결합, 키이 결합, 용접 또는 일체 가공 등의 방법에 의하여 외접 기어(13-B)가 결합되면서, 또한 다른 일단에는 예컨데 스플라인 결합, 키이 결합, 용접 또는 일체 가공 등의 방법에 의하여 클러치(14)와 클러치(15)가 이중으로 결합되어 있다.
그리고, 상기 중간축(6)은 상기 클러치(14)를 통하여 또 다른 중간축(7)과 결합된다. 상기 중간축(7)은 유성 기어 기구(18)의 피니언(18-P)과 피봇 결합되어 전체로서 유성 기어 기구(18)의 캐리어의 역할을 하도록 형성되고, 또 브레이크(17)를 통하여 하우징(22)과도 결합된다.
한편, 상기 중간축(6) 상기 클러치(14)와는 별도로 이중으로 형성된 상기 클러치(15)를 통하여 또 다른 중간축(8)과 결합된다. 상기 중간축(8)은 유성 기어 기구(18)의 선기어(18-S)와 결합되고, 또 브레이크(16)를 통하여 하우징(22)과도 결합된다.
그리고, 유성 기어 기구(18)의 링 기어(18-R)는 중간축(9)을 통하여 외접 기어(19-A)에 결합되고, 외접 기어(19-A)에 외접하는 외접 기어(19-B)는 차동 기어(20)와 일체로 형성된다. 상기 차동 기어(20)에 연결되는 출력축(21)은 차량의 구동 바퀴(Driving Wheel)와 직결되어서, 본 발명의 차량용 무단변속기의 구성이 이루어지게 된다.
이와 더불어 제6도에 도시된 차량용 무단변속기가 통상의 사용상태가 만족되도록 하기 위하여, 통상의 자동변속기에서 일반적으로 사용되는 밸브바디와 같이 제7도에 도시된 바와 같은 클러치(14), (15) 및 브레이크(16), (17)의 작동 로직(Operating Logic)에 의하여 작동되는 제어장치가 차량용 무단변속기에 포함되어서 이루어지게 된다.
즉, 제7도에 의거하여 클러치(14), (15) 및 브레이크(16), (17)의 작동 로직이 구현되는 제어장치를 살펴보면 다음과 같다.
차량의 주행상태에 따라서 제어장치는, 클러치(14)와 클러치(15)가 해제되도록 설정되는 주차 또는 중립의 경우와, 클러치(14)와 클러치(15)는 결합되고 브레이크(16)과 브레이크(17)은 해제되는 주행 1의 경우와, 클러치(14)와 브레이크(16)는 결합되고 클러치(15)와 브레이크(17)는 해제되는 주행 2의 경우와, 클러치(15)와 브레이크(17)는 결합되고 클러치(14)와 브레이크(16)는 해제되는 후진의 경우로 나누어져 그 제어모드가 설정되게 구현된다.
이상에서 설명된 본 발명 차량용 무단변속기의 작동을 살펴보면 다음과 같다.
유성 기어 기구(18)는 상기한 작동로직이 구현된 제어장치의 제어모드에 따라서 설정되는 클러치(14), 클러치(15), 브레이크(16), 브레이크(17)의 결합 및 해제에 따라, 출력축(21)을 공회전시키거나, 두 개의 변속비로 정회전시키거나, 또는 1개의 변속비로 역회전시켜서, 제6도에 도시된 바와 같은 본 발명의 차량용 무단변속기를 장착한 차량의 주차 또는 중립, 주행 1, 주행 2 또는 후진을 구현하게 한다.
주차 또는 중립의 경우에는, 클러치(14)와 클러치(15)가 해제되어서, 외접 기어(13)을 통하여 중간축(6)으로 전달된 동력은 중간축(6) 이후로 더 이상 전달되지 않는다. 따라서 본 발명의 입력축(1)에서 중간축(6)까지는 부하가 없는 상태에서 공회전하게 된다.
주행 1의 경우에는, 클러치(14)와 클러치(15)는 결합되고, 브레이크(16)과 브레이크(17)은 해제되어서, 중간축(7)과 중간축(8)은 중간축(6)과 동일한 속도로 회전하게 되고, 유성 기어 기구의 특성에 따라 중간축(9)도 중간축(6), 중간축(7) 및 중간축(8)과 동일한 속도로 회전하게 된다. 따라서, 외접 기어 기구(13)를 통하여 중간축(6)으로 전달된 동력을 변속없이(변속비 1) 출력축(21)에 전달하게 된다.
주행 2의 경우에는, 클러치(14)와 브레이크(16)는 결합되고, 클러치(15)와 브레이크(17)는 해제되어서, 중간축(7)은 중간축(6)과 동일한 속도로 회전하고, 중간축(8)은 정지하며, 링 기어(18-R)의 잇수를 선 기어(18-S)의 잇수로 나눈 값을 λ'라고 할 때 유성 기어 기구의 특성에 따라 중간축(9)은 중간축(7)의 회전속도의 (1+λ')배 만큼 증가된 속도로 회전하게 된다. 따라서, 외접 기어 기구(13)를 통하여 중간축(6)으로 전달된 동력을 변속비 (1+λ')로 출력축(21)에 전달하게 된다.
후진의 경우에는, 클러치(15)와 브레이크(17)는 결합되고, 클러치(14)와 브레이크(16)는 해제되어서, 중간축(8)은 중간축(6)과 동일한 속도로 회전하고, 중간축(7)은 정지하며, 링 기어(18-R)의 잇수를 선 기어(18-S)의 잇수로 나눈 값을 λ'라고 할 때 유성 기어 기구의 특성에 따라 중간축(9)은 중간축(8)의 회전속도의 (1/λ')배 만큼 증가된 속도로 역회전하게 된다. 따라서 외접기어 기구(13)를 통하여 중간축(6)으로 전달된 동력을 변속비 -(1/λ')로 출력축(21)에 전달하게 된다.
이상에서 설명된 본 발명의 차량용 무단변속기에 따르면, 입력축이 관통할 수 있도록 속이 빈 펌프축이 취부되는 토오크 컨버터(Torque Converter)와 유성 기어 기구(Planetary Gear Train)를 사용하는 무단변속기를 구성함으로써 입력축의 회전 속도와 공급 동력, 출력축에 부과된 부하 그리고 토오크 컨버터의 특성에 따라 변속비가 연속적이고 자동적으로 변하도록 하는 효과를 제공하며, 또한 이러한 무단 변속기를 차량의 동력전달계에 적합한 차량용 무단변속기로 구성함으로써 조작이 편리하고 통상의 변속기에 비하여 상대적으로 구조가 간단하고 크기가 작고 저렴한 생산비로 제작할 수 있는 새로운 구조의 무단 변속기를 제공할 수 있게 한다.

Claims (1)

  1. 입력축(1)과, 토오크 컨버터(10)와, 유성 기어 기구(12)와, 중간축(5)을 포함하여 구성되는 차량의 변속기에 있어서, 상기 입력축(1)은 차량의 엔진에 직결되고, 상기 유성 기어 기구(12)의 피니언(12-P)과 피봇 결합되는 속이 빈 펌프축(2)이 상기 토오크 컨버터(10)의 펌프(10-P)에 취부되고, 상기 입력축(1)이 상기 펌프축(2)을 관통하여 상기 유성 기어 기구(12)의 링 기어(12-R)에 직결되고, 상기 유성 기어 기구(12)의 선 기어(12-S)는 상기 토오크 컨버터(10)의 터어빈(10-T)과 터어빈축(3)으로 연결되고, 상기 펌프축(2)과 상기 피니언(12-P)의 결합부에는 중간축(5)이 연결되고, 상기 중간축(5)은 외접 기어 기구(13)의 외접 기어(13-A)와 결합되고 외접 기어(13-B)는 중간축(6) 일단에 결합되고, 상기 중간축(6)의 타단은 클러치(14)와 클러치(15)가 이중으로 결합되고, 상기 중간축(6)은 상기 클러치(14)를 통하여 또 다른 중간축(7)과 결합되고, 상기 중간축(7)은 유성 기어 기구(18)의 피니언(18-P)과 피봇 결합되고 브레이크(17)를 통하여 하우징(22)과 결합되고, 상기 중간축(6)은 상기 클러치(15)를 통하여 중간축(8)과 결합되고, 상기 중간축(8)은 유성 기어 기구(18)의 선기어(18-S)와 결합되고 브레이크(16)를 통하여 하우징(22)과도 결합되고, 유성 기어 기구(18)의 링 기어(18-R)는 중간축(9)을 통하여 외접 기어(19-A)에 결합되고, 외접 기어(19-A)에 외접하는 외접 기어(19-B)는 차동 기어(20)와 일체로 형성되고, 상기 차동 기어(20)에 연결되는 출력축(21)은 차량의 구동 바퀴와 직결되고, 상기 클러치(14, 15)와 상기 브레이크(16, 17)의 작동 로직을 구현하는 제어장치가 구비되는 것을 특징으로 하는 차량용 무단변속기.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101360413B1 (ko) * 2011-08-25 2014-02-11 현대자동차주식회사 차량용 다단 변속기 기어트레인

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