KR100757251B1

KR100757251B1 - 유성기어와 클러치를 이용한 차량의 동력전달구조

Info

Publication number: KR100757251B1
Application number: KR1020060078645A
Authority: KR
Inventors: 이경훈
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2006-08-21
Filing date: 2006-08-21
Publication date: 2007-09-10

Abstract

본 발명은 유성기어와 클러치를 이용한 차량의 동력전달구조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 엔진의 크랭크축, 입력축, 클러치 디스크를 단순유성기어의 선기어, 캐리어, 링기어로 각각 연결하여 클러치의 마찰에 의해 동력이 전달될 때 클러치가 담당하는 파워를 줄일 수 있는 동력전달구조에 관한 것이다.

본 발명에 따른 유성기어와 클러치를 이용한 차량의 동력전달구조는 엔진의 구동력을 단속하는 클러치를 통해 차량에 탑재된 엔진의 구동력을 변속기로 전달하는 구조에 있어서,

상기 엔진(10)의 크랭크축(12)과 변속기(40)의 입력축(42) 및 클러치 디스크(24)를 단순유성기어(30)로 연결하되, 상기 단순유성기어(30)는 내측에 제공되어 크랭크축(12)과 연결되는 선기어(32)와, 상기 선기어(32)의 외주연에 치합되어 자전하는 피니언 기어(36)와, 이 피니언(36) 기어의 외측에 치합되어 클러치 디스크(24)와 연결되는 링기어(34)와, 상기 링기어(34)와 결합하여 입력축(42)과 연결되는 캐리어(38)로 구성되는 것을 특징으로 한다.

단순유성기어, 클러치, 동력전달, 파워 감소

Description

유성기어와 클러치를 이용한 차량의 동력전달구조{Power Transmission Structure for Cars by Planetary Gear and Clutch}

도 1은 종래 엔진에서 변속기로 동력전달 과정을 도시한 도면,

도 2는 종래 동력전달 과정에서 열손실이 없다는 가정하에서 클러치를 통해 전달되는 파워를 표시한 도면,

도 3은 본 발명에 따른 동력전달구조를 나타낸 도면,

도 4는 도 3에서 클러치를 발로 밟고 변속이 이루어지는 경우 유성기어의 회전수를 나타내는 그래프,

도 5는 도 3에서 클러치에서 발을 뗀 경우 유성기어의 회전수를 나타내는 그래프,

도 6은 도 3에서 열손실이 없다는 가정하에서 클러치와 유성기어를 통해 전달되는 파워를 표시한 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 엔진 12: 크랭크축

20: 클러치 22: 클러치 커버

24: 클러치 디스크 30: 단순유성기어

32: 선기어 34: 링기어

36: 피니언기어 38: 캐리어

40: 변속기 42: 입력축

44: 출력축 45,46,47: 동기장치

48: 차동축

일반적으로 차량의 경우 엔진에서 발생한 구동력은 변속기에서 주행 상태에 따라 적절한 토크로 변속된 다음 추진축을 통해 구동바퀴로 전달되어 주행이 이루어짐으로써 동력전달이 이루어진다.

종래 기술에 따른 차량의 동력전달은 도 1에 도시된 바와 같이, 엔진(1)의 구동력을 단속하는 클러치(2)와, 차실에 장착된 변속레버(미도시)의 조작에 따라 상기 클러치(2)를 통해 전달받은 엔진(1)의 구동력을 증감시키고, 후진변속 작용을 행하는 변속기(3)와, 상기 변속기(3)로부터 출력된 동력을 전달받아 좌우 구동바퀴에 각각 분배하는 차동장치(미도시) 등으로 이루어진다.

상기 변속기(3)는 엔진(1)의 구동력을 전달받아 회전되는 입력축(4)과, 상기 입력축(4)과 평행하게 배치되고 차동장치로 변속된 엔진(1)의 구동력을 전달하는 출력축(5)과, 상기 입력축(4)과 출력축(5) 사이에 배치되어 변속시 상기 입력축(4)과 출력축(5)을 동기화시킴과 아울러 입력축(4)과 출력축(5)을 일정 기어비로 연결하는 동기장치(6,7,8)를 포함하여 구성된다.

상기 클러치(2)는 클러치 커버(2a)와 클러치 디스크(2b)로 이루어지며, 클러치 디스크(2b)와 변속기(3)의 입력축(4)은 스플라인 결합하여 같이 회전한다.

그리고 상기 변속기(3)의 입력축(4)에는 오일의 누유를 방지하는 오일 시일(9a)과, 회전을 지지하는 베어링(9b)이 구비된다.

도 1에서 기호 Te는 엔진(1) 토크, We는 엔진(1) 회전수(클러치 커버(2a)의 회전수), Tt는 클러치(2) 연결시 변속기(3)로부터 엔진(1)에 작용하는 부하(≤클러치 용량(Cc)), Wt는 변속기 입력축(4)의 회전수(클러치 디스크(2b)의 회전수)를 나타낸다.

상기 클러치 용량(Cc)은 아래의 수학식 1에 의해 구해진다.

Cc = 마찰계수 X 유효반경 X 단면적 X 면압이다.

여기서 마찰계수는 클러치 디스크(2b)의 마찰계수, 유효반경은 클러치 디스크 마찰력이 작용하는 유효반경, 면압(clamping load)은 클러치 디스크(2b)에 작용하는 압력이다.

상기한 구성에서 열손실이 없는 경우에 클러치(2)를 통해 전달되는 파워 관계식은 Te*We=Tt*Wt이다(도 2 참조).

그런데 배기 규제 및 차량 성능 향상을 위해 엔진(1) 용량이 증대됨에 따라 클러치 용량(Cc)을 증대되어야 한다.

상기 Cc를 증대시키기 위해서는 상기 수학식 1에 나타낸 바와 같이 면압을 올리거나 유효반경을 증대시켜야 한다.

면압을 증대시킬 경우 클러치 페달의 답력이 증대되어 사용자의 불만을 유발할 수 있고, 유효반경을 증대시킬 경우 변속기의 축간거리가 충분하지 않으면 서로 간섭을 일으키므로 간섭을 피하기 위해 변속기 축간거리를 증대하여야 하며, 이는 중량 증대, 기어 관성(inertia) 증대, 변속감 부족 등을 유발하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 엔진의 크랭크축, 입력축, 클러치 디스크를 단순유성기어의 선기어, 캐리어, 링기어로 각각 연결하여 클러치의 마찰에 의해 동력이 전달될 때 클러치가 담당하는 파워를 줄임으로써 클러치의 용량과 사이즈를 줄일 수 있는 유성기어와 클러치를 이용한 차량의 동력전달구조를 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 유성기어와 클러치를 이용한 차량의 동력전달구조는 엔진의 구동력을 단속하는 클러치를 통해 차량에 탑재된 엔진의 구동력을 변속기로 전달하는 구조에 있어서,

상기 엔진의 크랭크축과 변속기의 입력축 및 클러치 디스크를 단순유성기어 로 연결하되,

상기 단순유성기어는 내측에 제공되어 크랭크축과 연결되는 선기어와, 상기 선기어의 외주연에 치합되어 자전하는 피니언 기어와, 이 피니언 기어의 외측에 치합되어 클러치 디스크와 연결되는 링기어와, 상기 링기어와 결합하여 입력축과 연결되는 캐리어로 구성되는 것을 특징으로 한다.

도 3은 본 발명에 따른 동력전달구조를 나타낸 도면이다.

도시된 바와 같이, 엔진(10)과, 클러치(20)와, 단순유성기어(30) 및 변속기(40)를 포함하여 이루어진다.

클러치(20)는 엔진(10)의 구동력을 단속하고, 클러치 커버(22)와 클러치 디스크(24)로 이루어진다.

변속기(40)는 차실에 장착된 변속레버(미도시)의 조작에 따라 상기 클러치(20)를 통해 전달받은 엔진(10)의 구동력을 증감시키고, 후진변속 작용을 행한다.

상기 변속기(40)는 엔진(10)의 구동력을 전달받아 회전되는 입력축(42)과, 상기 입력축(42)과 평행하게 배치되고 차동장치로 변속된 엔진(10)의 구동력을 전달하는 출력축(44)과, 상기 입력축(42)과 출력축(44) 사이에 배치되어 변속시 상기 입력축(42)과 출력축(44)을 동기화시킴과 아울러 입력축(42)과 출력축(44)을 일정 기어비로 연결하는 동기장치(45,46,47)를 포함하여 구성된다.

상기 단순유성기어(30)는 내측에 제공되어 엔진(10)의 크랭크축(12)과 연결되는 선기어(32)와, 상기 선기어(32)의 외주연에 치합되어 자전하는 피니언기 어(36)와, 이 피니언기어(36)의 외측에 치합되어 클러치 디스크(24)와 연결되는 링기어(34)와, 상기 링기어(34)와 결합하여 변속기(40)의 입력축(42)과 연결되는 캐리어(38)를 포함하여 구성된다.

즉, 클러치 디스크(24)와 변속기의 입력축(42)과 엔진의 크랭크축(12)을 단순유성기어(30)로 연결하되, 엔진의 크랭크축(12)은 선기어(32)와, 입력축(42)은 캐리어(38)와, 클러치 디스크(24)는 링기어(34)와 연결된다.

상기 단순유성기어(30)는 변속기(40)의 내부에 위치되되, 클러치(20)와 단순유성기어(30) 사이의 크랭크축(12) 외측으로는 변속기(40)에 공급되는 오일의 누유를 방지하는 오일 시일(52)과, 크랭크축(12)의 회전을 지지하는 베어링(54)이 구비된다.

상기한 구성에 따른 클러치 디스크(24)의 파워 담당을 알아보기 위해 먼저 단순유성기어(30)의 회전 및 토크에 관해 설명한다.

상기 단순유성기어(30)의 회전 관계식은 수학식 2와 같고, 토크 관계식은 수학식 3과 같다.

(1+R)*Wc = Wr + R*Ws

여기서 R는 Zs/Zr(링기어(34)와 선기어(32)의 기어비), Wc는 캐리어(38)의 회전수(입력축(42)의 회전수), Wr는 링기어(34)의 회전수(클러치 디스크(24)의 회전수), Ws는 선기어(32)의 회전수(크랭크축(12)의 회전수)이다.

Ts = R*Tr, Tc = Tr + Ts

여기서 Ts는 선기어(32)의 토크, Tr은 링기어(34)의 토크, Tc는 캐리어(38)의 토크이다.

상기 수학식 2와 수학식 3에서 단순유성기어(30)의 파워 관계식은 수학식 4가 된다.

Tc*Wc = Tr*Wr + Ts*Ws

다음 단순유성기어(30)와 연결된 엔진의 크랭크축(12), 입력축(42), 클러치 디스크(24)의 회전에 대해 설명한다.

클러치(20)를 발로 밟고 변속기(40)가 중립인 경우에, 선기어(32)는 엔진(10)에 의해 구동하고, 클러치(20)를 발로 밟아 연결이 끊어졌으므로 링기어(34)는 자유 상태이며, 캐리어(38)는 변속기(40)가 중립에 위치되어 있으므로 동력이 전달되지 않는다.

클러치(20)를 발로 밟고 변속기(40)의 변속이 이루어지는 경우에, 선기어(32)는 엔진(10)에 의해 구동하고, 클러치(20)를 발로 밟아 연결이 끊어졌으므로 링기어(34)는 자유 상태이며, 캐리어(38)는 타이어에 의해 구동되므로 동력은 전달되지 않는다.

이때 링기어(34)의 회전수는 수학식 5가 된다.

Wr = (1+r)*Wc - R*Ws

이를 각 기어 간의 회전관계로 나타내면 도 4에 나타낸 바와 같이, Wc가 Ws와 Wr사이에서 1: r로 내분된 값이다.

클러치(20)에서 발을 떼어 동력이 전달되는 경우에, 선기어(32)는 엔진(10)에 의해 구동되고, 클러치(20)가 연결되면서 링기어(34)의 회전수는 선기어(32)와 회전수가 같게 되며, 캐리어(38)는 선기어(32) 및 링기어(34)와 직결되어, 도 5에 나타낸 바와 같이, 모든 기어(32,34,38)의 회전수는 모두 같아져 엔진(10)의 동력이 변속기(40)로 전달된다.

다음 클러치 디스크(24)의 파워 담당에 대해 설명한다.

상기한 클러치(20)와 단순유성기어(30)를 이용한 동력전달구조에서, 변속기(10)를 통해 기어 변속을 한 후 클러치 페달을 떼면서 클러치(20)의 마찰에 의해 동력이 링기어(34)로 전달되고 있고 이때 클러치(20)에서의 손실이 없다고 가정하면, 도 6으로 도시할 수 있다.

도 6에서 클러치(20)가 담당하는 파워는 Tr*Wr으로 Tc*Wc보다 작다(Tr*Wr < Tc*Wc)

이는 클러치(20)에서 마찰에 의해 링기어(34)로 동력이 전달되면서 동시에 선기어(32)를 통해 캐리어(입력축)로 동력이 전달되기 때문이다.

본 발명에 따른 동력전달구조에서 클러치(20) 부분의 파워는 Te'*We' = Tr*Wr 이고, 종래 클러치(2) 부분의 파워는 Te*We = Tt*Wt로 이의 대소관계를 살펴보면, Te'*We' = Tr*Wr < Te*We = Tt*Wt 로서, 클러치가 담당하는 파워가 종래보다 감소함을 알 수 있다.

이와 같이 클러치(20)가 담당하는 파워를 감소시킴으로써 클러치(20)의 용량이나, 사이즈를 줄일 수 있다.

이러한 클러치(20)와 단순유성기(30)어를 이용한 동력전달구조는 변속기의 입력축(42)과 차동축(48)의 축간거리 등 레이아웃 문제로 클러치(20)의 사이즈(외경)를 증대시킬 수 없거나 운전자 페달 조작의 편의를 위해 면압(clamping load)에 제약이 있을 때 유리한 구조이다.

이상에서와 같이 본 발명에 의하면, 클러치의 마찰에 의해 동력이 전달될 때 클러치가 담당하는 파워를 단순유성기어를 이용해 감소시킴으로써 클러치의 사이즈 및 용량을 줄일 수 있고, 클러치가 담당하는 파워가 감소하는 만큼 열손실이 줄어 내구성도 향상시킬 수 있다.

Claims

엔진의 구동력을 단속하는 클러치를 통해 차량에 탑재된 엔진의 구동력을 변속기로 전달하는 구조에 있어서,

상기 엔진(10)의 크랭크축(12)과 변속기(40)의 입력축(42) 및 클러치 디스크(24)를 단순유성기어(30)로 연결하되,

상기 단순유성기어(30)는 내측에 제공되어 크랭크축(12)과 연결되는 선기어(32)와, 상기 선기어(32)의 외주연에 치합되어 자전하는 피니언 기어(36)와, 이 피니언(36) 기어의 외측에 치합되어 클러치 디스크(24)와 연결되는 링기어(34)와, 상기 링기어(34)와 결합하여 입력축(42)과 연결되는 캐리어(38)로 구성되는 것을 특징으로 하는 유성기어와 클러치를 이용한 차량의 동력전달구조.
제 1 항에 있어서,

상기 클러치(20)의 마찰에 의해 링기어(34)로 동력이 전달되면서 동시에 선기어(32)를 통해 캐리어(38) 및 입력축(42)으로 동력이 전달되어 클러치(20)에서 담당하는 파워가 단순유성기어(40)에 의해 감소하는 것을 특징으로 하는 유성기어와 클러치를 이용한 차량의 동력전달구조.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 단순유성기어(30)는 변속기(40)의 내부에 위치되되, 클러치(20)와 단순 유성기어(30) 사이의 크랭크축(12) 외측으로는 변속기(40)에 공급되는 오일의 누유를 방지하는 오일 시일(52)과, 크랭크축(12)의 회전을 지지하는 베어링(54)이 구비되는 것을 특징으로 하는 유성기어와 클러치를 이용한 차량의 동력전달구조.