KR101029422B1 - 연비효율 극대화를 위한 동축형 다중 클러치 변속기 - Google Patents
연비효율 극대화를 위한 동축형 다중 클러치 변속기 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 회전 중심을 공유하는 두 개의 회전축을 가지는 동축형 다중 클러치 변속기에 관한 것으로서, 구체적으로는 소형 습식 다판식 클러치에 국한되지 않고 필요에 따라 클러치의 배치나 조합을 다양하게 구성할 수 있으며, 습식 다판 클러치의 적용으로 인한 에너지 손실을 막고, 허용 토크 한계를 증가시킬 수 있도록 개선된 동축형 다중 클러치 변속기에 관한 것이다.
본 발명에서는, 엔진으로부터 전달되는 회전력을 변속하여 출력하기 위한 동축형 다중 클러치 변속기에 관한 것으로서, 플라이휠(FW)에 연결되어 엔진으로부터의 회전력을 전달받는 주입력축(MIS); 상기 주입력축(MIS)에 동력 연결되어 회전력을 전달받는 것으로서, 상기 주입력축의 후방에 회전 가능하게 배치되는 제1입력축(IS1) 및 상기 제1입력축과 회전 중심을 공유하는 중공 구조로서 내부에 상기 제1입력축을 회전 가능하게 수용하는 제2입력축(IS2); 상기 주입력축으로부터 상기 제1입력축으로 전달되는 동력의 연결 또는 해제를 위하여 상기 제1입력축상에 연결 형성되는 제1클러치(C1) 및 상기 제2입력축으로 전달되는 동력의 연결 또는 해제를 위하여 상기 제2입력축상에 연결 형성되는 제2클러치(C2); 상기 플라이휠과 상기 제1클러치 사이의 상기 주입력축 상에 회전 가능하게 장착되는 동력전달 제1전위기어(FG1), 상기 제 2입력축의 전단부에 회전 가능하게 장착되는 동력전달 제1후위기어(RG1), 상기 주입력축에 평행하게 배치되는 중간축(MS), 상기 중간축 상에 회전 가능하게 장착되어 상기 동력전달 제1전위기어에 치합하는 동력전달 제2전위 기어(FG2), 상기 중간축 상에 회전 가능하게 장착되어 상기 동력전달 제1후위기어에 치합하는 동력전달 제2후위기어(RG2)로 이루어지는 동력전달 기어유닛; 동축 구조의 상기 제1입력축과 상기 제2입력축에 평행하게 이격하여 마련되는 출력축(OS);
상기 제1입력축과 상기 제2입력축 상에 회전가능하게 장착되는 다수의 구동기어(G1~G8); 및 상기 출력축 상에 회전 가능하게 장착되어 상기 각 구동기어에 치합하는 다수의 피동기어(D1~D7, R); 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연비효율 극대화를 위한 동축형 다중 클러치 변속기를 제시한다.
동축형 다중 클러치 변속기, 플라이휠, 제1클러치, 제2클러치, 제1입력축, 제2입력축, 출력축, 구동기어, 피동기어, 중공축, 동심축, 메인 클러치
Description
본 발명은 동축형 다중 클러치 변속기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 클러치의 조합이나 배치가 자유롭고, 건식 단판 클러치의 적용이 용이하며, 습식 다판 클러치 구조로부터 연유하는 유압 조절기의 에너지 손실을 방지함으로써 연비효율을 향상시킬 수 있으며, 건식 클러치와 메인 클러치의 도입으로 허용 토크 한계를 증가시킴으로써 버스나 트럭 등의 대형차량에도 적용이 가능하도록 개선된 동축형 듀얼 클러치 변속기에 관한 것이다.
최근 자동차 기술분야에서 가장 중요하게 다뤄지고 있는 부분은 연비의 향상과 아울러 자동차로 인한 공해를 줄이는 것이다. 자동차의 배기가스로 인한 환경오염에 관해서는 각 대륙별로 기준(Euro 6, Tier 3 등)을 마련하여 규제하고 있으며, 최근 유가의 급등으로 인하여 자동차의 연비를 개선하는 문제가 해당 업계의 주요한 이슈이자 과제가 되고 있다. 즉, 현재 각 자동차 업계는 보다 효율적인 전기자동차나 하이브리드카의 개발 및 보급에 힘쓰는 한편, 현재의 내연기관 기술을 바탕 으로 연료의 효율을 높이고 공해 배출량은 줄여 연료와 환경문제에 대응하면서 보다 나은 자동차 환경을 만들고자 하는 노력을 지속하고 있다.
이러한 기술적 노력들은 아직까지 연료를 직접 소비하는 기관인 엔진에 집중되어 있으나 엔진 이외의 영역에서도 여러 시도들이 다각도로 진행되고 있다. 특히, 최근 선보인 몇몇 변속기 기술은 새로은 접근 방법을 통하여 과거 변속기가 가지고 있던 문제들을 해결하기 시작하였다.
변속기의 종류로는 수동 변속기(MT: Manual Transmission), 자동 변속기(AT: Automatic Transmission), 무단변속기(CVT: Continuously Variable Transmission)와 비교적 최근에 등장하기 시작한 자동화 수동 변속기(AMT: Automated Manual Transmission) 및 듀얼 클러치 변속기(DCT: Dual Clutch Transmission) 등이 있다.
이중에서도 듀얼 클러치 변속기(DCT)는 자동화 수동 변속기가 발전된 형태라고 볼 수 있는데, 듀얼 클러치 변속기는 수동 변속기의 높은 경제성과 함께 동력 손실이 적고 효율이 높으며 빠른 변속으로 주행감각이 스포티하다는 장점이 있어 최근 각광받고 있다. 듀얼 클러치 변속기가 양산차에 쓰이기 시작한 것은 2003년으로 현재 가장 널리 쓰이고 있는 것은 보그워너(Borg Warner)의 듀얼 트로닉(Dualtronic) 기술에 바탕을 둔 폭스바겐의 DSG(Direct Shift Gearbox)이다. 듀얼 클러치 변속기는 수동 변속기의 구조를 바탕으로 전자유압장치의 도움을 받아 변속이 이루어진다는 점에서 자동화 수동 변속기와 비슷하지만 구조적으로는 큰 차이가 있다. 수동 변속기의변속은 일반적으로 기어가 물려 있는 상태에서 클러치를 분리해 동력 연결을 끊은 뒤 기어를 원하는 단에 넣고 다시 클러치를 연결시켜 동 력을 전달하는 과정으로 이루어진다. 이때 두 기어 사이의 회전수 차이를 상쇄시키기 위하여 엑셀러레이터(accelerator)를 조절해 회전수를 맞추는 과정이 필요하다. 이 과정이 수동 변속기는 운전자의 손과 발에 의하여 이루어지고 자동화 수동 변속기는 전자유압장치에 의하여 이루어진다. 이때 한 개의 클러치를 쓰기 때문에 클러치 연결 및 해제와 기어의 선택이 순차적으로 이루어져야 한다. 따라서, 변속 속도를 높이는 데 한계가 있고 클러치 조절방법에 따라 변속충격이 생길 수도 있다.
도 1은 종래의 일 예에 의한 동축형 듀얼 클러치 변속기의 구조도이다. 수동 변속기(MT)나 자동화 수동 변속기(AMT)와 듀얼 클러치 변속기(DCT)의 차이점은 그 이름에서도 알 수 있듯이 두 개의 클러치(C1, C2)가 쓰인다는 것이다. 도시한 폭스바겐 DSG(PDK;Porsche Doppelkupplung)을 기준으로 설명하면 두 개의 클러치는 각각 홀수 기어(D1,D3,D5)와 짝수 기어(D2,D4,D6)의 동력 연결을 맡는다. 그리고 선택된 기어와 인접한 단수의 기어는 미리 엔진 쪽 입력축(IS1, IS2)에 연결된 '프리 셀렉트(pre-select)' 상태로 회전하고 있다. 예를 들어 1단 기어(D1)가 선택된 상태에서는 홀수 기어를 맡은 클러치(C1)가 연결되어 동력을 전달하는 동안 2단 기어(D2)도 함께 회전하고 있지만, 짝수 기어를 맡은 클러치(C2)가 분리되어 있어 동력은 전달되지 않는다. 1단에서 2단으로 변속하면 홀수 기어를 맡은 클러치가 분리됨과 동시에 짝수 기어를 맡은 클러치가 연결되어 2단 기어가 물린다. 이와 같은 방식으로 변속 때마다 클러치를 이용한 동력전달과 해제가 거의 동시에 일어나기 때문에 변속속도가 매우 빠르고, 클러치가 연결되고 해제될 때의 충격이 상쇄되기 때문에 변속충격이 매우 적은 것이 특징이다.
이와 같은 듀얼 클러치 변속기(DCT)의 변속 소요시간은 약 8~10 ms 로서 전술한 자동화 변속기보다 월등히 향상된 것임을 알 수 있다. 또한, 변속기에서의 동력 손실이 수동 변속기 보다 적어 연비 향상에도 탁월한 장점을 가진다. 이러한 특징들로 인하여 현재 세계 유수의 자동차 메이커와 변속기 업체들은 듀얼 클러치 변속기의 개발과 생산에 힘을 쏟고 있으며, 치열한 경쟁이 전개되고 있는 실정이다.
도 2는 종래의 다른 예에 의한 동축형 듀얼 클러치 변속기의 구조도이다. 도시한 동축 듀얼 클러치 변속기는 한국특허 공개번호 제10-2006-0049939호에 개시된 것으로서 보르그워너사가 대한민국 특허청에 2005.07.07자로 출원한 것이다. 도 2의 변속기는 기본적으로 도 1의 변속기와 유사한 구조를 가진다. 다만, 도 1의 변속기에서는 동심축 구조인 제1 및 제2입력축에 평행하게 두 개의 출력축(OS1,OS2)을 배치하고 있으나, 도 2의 변속기에서는 두 개의 동축 제1 및 제2 입력축(14,16)의 하방에 한 개의 카운터 샤프트(18)를 배치하고 있다는 점에서 차이가 있다.
이러한 듀얼 클러치 변속기(DCT)의 전술한 바와 같은 장점에도 불구하고 현재의 듀얼 클러치 변속기는 몇가지 구조적인 단점을 가지고 있는데 그 중의 하나가 바로 연비효율의 문제이다. 동축형 듀얼 클러치 변속기(도 1 또는 도 2와 같은)는 이론적으로는 그 연비가 우수하여 수동 변속기보다도 뛰어날 것 같으나, 실제로는 자동 변속기보다는 우수하나 여전히 수동 변속기에 비하여는 떨어진다. 그 이유는 습식 클러치와 기어 셀렉터(싱크로 기구;싱크로 나이저, 도 1의 S, 도 2의 74,76,78,80)의 조작을 위한 유압 조절기 때문이다. 즉, 유압 조절기(Hydraulic pressure controller)는 엔진 출력으로부터 전달되는 에너지의 일부를 사용하여 구 동하므로 부가적인 에너지 잠식(parasitic energy consumption)의 원인이 되는 것이다. 최근 컴퓨터 제어기술의 발달로 인하여 자동차의 여러가지 수동 기능을 자동화하는데 성공하였으며, 습식 클러치와 싱크로 기구(기어 셀렉터)의 작동 또한 이러한 컴퓨터 제어기술의 성공을 바탕으로 등장하게 된 것이다. 습식 클러치는 주로 다판으로 구성되며 유압 조절기를 통하여 제어하며, 건식 클러치는 주로 단판으로 구성되며, 전동모터를 통하여 제어된다.
전술한 종래의 동축형 듀얼 클러치 변속기는 모두 습식 다판 클러치(도 1의 C1,C2; 도 2의 32,33)를 채택하였는데, 이는 동축 듀얼 클러치 변속기의 부피를 감안한 것이다. 즉, 종래의 동축 듀얼 클러치 변속기는 그 구조상 클러치 케이싱(도 1의 CC, 도 2의 28,36) 내에 소형의 습식 다판 클러치를 채택할 수 밖에 없었다. 이러한 습식 클러치는 클러치의 냉각을 위하여 오일을 사용하므로 동력손실을 피할 수 없으며, 소형 다판식 클러치이므로 보다 높은 토크를 감당하는데 한계가 있다는 문제가 있다.
이러한 습식 다판식 클러치는 유압 조절기를 통하여 제어되는데, 전술한 것처럼 유압 조절기는 엔진의 출력을 지속적으로 잠식하여 구동하므로 연비저하의 원인이 된다. 이에 비하여 전동모터는 축전지에 저장되는 전기를 사용하여 구동하므로 건식 클러치의 연비효율이 더 우수하다. 더욱이 감속이나 내리막 주행시 기계적 에너지를 전기 에너지를 변환할 수 있는 하이브리드카와 같은 동력계통을 가진 자동차의 경우 이러한 건식 클러치의 연비효율은 더욱 향상된다.
현재 중공축 내에 또 다른 회전축을 배치한 동축 구조의 듀얼 클러치 변속기 에서는 이러한 건식 클러치를 적용한 예가 없으며, 그 기본적인 구조상의 한계로 인하여 건식 클러치를 적용하지 못하고 있는 실정이다. 따라서, 이러한 동축형 듀얼 클러치 변속기에 효율 높은 건식 클러치를 적용할 수 있도록 하여 연비효율을 향상시키고, 클러치가 감당할 수 있는 토크를 증가시킬 수 있도록 그 구조가 개선된 새로운 형태의 동축형 다중 클러치 변속기의 개발이 필요하게 되었다.
본 발명은 소형 습식 다판 클러치 구조를 채택한 종래의 동축형 듀얼 클러치 변속기의 문제점에 착안하여 제시된 것으로서, 본 발명의 목적은 종래의 동축형 듀얼 클러치 변속기가 그 구조상의 한계로 인하여 소형 습식 다판 클러치만을 채택함으로써 발생하는 에너지 비효율이나 허용 토크 한계를 극복하기 위하여 그 구조를 개선함으써 건식 및 습식에 상관없이 다양한 배치나 조합의 클러치 구조를 채택하는 것이 가능하도록 개선된 동축형 다중 클러치 변속기를 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는, 엔진으로부터 전달되는 회전력을 변속하여 출력하기 위한 동축형 다중 클러치 변속기에 관한 것으로서, 플라이휠(FW)에 연결되어 엔진으로부터의 회전력을 전달받는 주입력축(MIS); 상기 주입력축(MIS)에 동력 연결되어 회전력을 전달받는 것으로서, 상기 주입력축의 후방에 회전 가능하게 배치되는 제1입력축(IS1) 및 상기 제1입력축과 회전 중심을 공유하는 중공 구조로서 내부에 상기 제1입력축을 회전 가능하게 수용하는 제2입력축(IS2); 상기 주입력축으로부터 상기 제1입력축으로 전달되는 동력의 연결 또는 해제를 위하여 상기 제1입력축상에 연결 형성되는 제1클러치(C1) 및 상기 제2입력축으로 전달되는 동력의 연결 또는 해제를 위하여 상기 제2입력축상에 연결 형성되는 제2클러치(C2); 상기 플라이휠과 상기 제1클러치 사이의 상기 주입력축 상에 회전 가능 하게 장착되는 동력전달 제1전위기어(FG1), 상기 제 2입력축의 전단부에 회전 가능하게 장착되는 동력전달 제1후위기어(RG1), 상기 주입력축에 평행하게 배치되는 중간축(MS), 상기 중간축 상에 회전 가능하게 장착되어 상기 동력전달 제1전위기어에 치합하는 동력전달 제2전위기어(FG2), 상기 중간축 상에 회전 가능하게 장착되어 상기 동력전달 제1후위기어에 치합하는 동력전달 제2후위기어(RG2)로 이루어지는 동력전달 기어유닛; 동축 구조의 상기 제1입력축과 상기 제2입력축에 평행하게 이격하여 마련되는 출력축(OS); 상기 제1입력축과 상기 제2입력축 상에 회전가능하게 장착되는 다수의 구동기어(G1~G8); 및 상기 출력축 상에 회전 가능하게 장착되어 상기 각 구동기어에 치합하는 다수의 피동기어(D1~D7, R); 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연비효율 극대화를 위한 동축형 다중 클러치 변속기를 제공한다.
여기서, 상기 제1입력축 상에는 짝수단 구동기어가 배치되고, 상기 제2입력축 상에는 홀수단 구동기어가 배치되거나 혹은 반대로 상기 제1입력축 상에는 홀수단 구동기어가 배치되고, 상기 제2입력축 상에는 짝수단 구동기어가 배치되도록 할 수 있다.
그리고, 상기 플라이휠(FW)과 상기 동력전달 제1전위기어(FG1) 사이의 상기 주입력축 상에는 상기 제1클러치(C1)와 상기 제2클러치(C2)보다 직경이 큰 메인 클러치(MC)가 마련되는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면 종래 동축형 듀얼 클러치 변속기가 그 구조상의 한계로 인하여 습식 다판식 클러치만을 적용하던 것에서 탈피하여 건식 단판 클러치 구조를 채택할 수 있게 되었으며, 아울러 건식 또는 습식 클러치를 필요에 따라 다양하게 조합 및 배치하여 구성하는 것이 가능하므로 변속기의 설계나 설계변경이 유연하고 용이하다는 이점이 있다.
또한, 종래 소형 습식 다판 클러치를 사용함에 따른 유압 조절기에서의 에너지 잠식을 방지하여 연비효율을 향상시킬 수 있으며, 소형 다판 클러치의 기능상 단점인 허용 토크 한계를 극복하는 것이 가능하다는 장점이 있다.
따라서, 종래 고급 세단이나 스포츠카에만 적용하던 동축형 듀얼 클러치 변속기를 출력이 작은 소형차나 높은 허용 토크를 요하는 버스나 트럭 등의 대형차량에도 광범위하게 적용하는 것이 가능해진다는 이점이 있다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구성과 작동원리에 관하여 보다 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 의한 동축형 다중 클러치 변속기의 개략적인 구성도이다. 본 발명은 회전 중심을 공유하는 두 개의 입력축에 각각 클러치를 연결하여 동력을 선택적으로 전달함으로써 변속시간을 단축시키고 에너지 효율을 높이기 위한 동축형 다중 클러치 변속기에 관한 것이다.
본 발명의 동축형 다중 클러치 변속기는 기본적으로 엔진으로부터 회전력을 직접 전달받는 주입력축(MIS), 상기 주입력축(MIS)의 축선 상에 배치되는 제1입력축(IS1), 상기 제1입력축(IS1)과 회전 중심을 공유하는 중공 동심축 구조의 제2입력축((IS2), 상기 제1입력축(IS1)의 동력연결을 단속하는 제1클러치(C1), 상기 제2입력축(IS2)의 동력연결을 단속하는 제2클러치(C2), 주입력축(MIS)의 회전동력을 상기 제1입력축(IS1) 및 제2입력축(IS2)에 전달하기 위한 것으로서, 중간축(MS)과 4개의 기어(FG1,FG2,RG1,RG2)로 이루어지는 동력전달 기어유닛, 상기 제1 및 제2입력축(IS1,IS2) 상에 회전 가능하게 장착되는 구동기어(G1~G8), 상기 입력축(IS1,IS2)에 평행하게 이격하여 배치되는 출력축(OS) 및 상기 출력축(OS)에 배치되어 상기 구동기어에 각 치합하는 다수의 피동기어(D1~D7, R)로 구성된다.
상기 제1클러치(C1)는 주입력축(MIS)과 제1입력축(IS1) 간의 동력을 연결 또는 해제하기 위한 것으로서, 제1입력축(IS1) 상에 마련된다. 상기 제2클러치(C2)는 주입력축(MIS)으로부터 전달되는 회전 동력을 상기 제2입력축(IS2) 상에 전달 또는 해제하기 위한 것으로서 상기 제2입력축(IS2) 상에 마련된다. 상기 제1 및 제2클러치(C1,C2)는 건식 단판 클러치인 것이 바람직하나, 이것이 습식 다판 클러치의 사용을 배제하는 것은 아니며, 필요에 따라서는 이 두가지 클러치를 혼용하여 구성할 수 있다.
본 발명에서는 동축형 듀얼 클러치 변속기 구조에 건식 단판 클러치 구조를 보다 용이하게 채택하기 위한 별도의 구성인 동력전달 기어유닛을 채택하고 있다. 즉, 플라이휠(FW)과 제1클러치(C1) 사이의 주입력축(MIS) 상에 동력전달 제1전위기어(FG1)가 회전가능하게 축설되고, 제2입력축(IS2)의 전단부에 동력전달 제1후위기 어(RG1)가 회전 가능하게 형성된다.
상기 주입력축(MIS)의 하방에는 주입력축(MIS)에 평행하게 이격하여 중간축(MS)이 마련되고, 상기 중간축(MS) 상에 동력전달 제2전위기어(FG2) 및 동력전달 제2후위기어(RG2)가 회전 가능하게 장착된다. 상기 동력전달 제2전위기어(FG2)는 동력전달 제1전위기어(FG1)와 치합하고, 상기 동력전달 제2후위기어(RG2)는 상기 동력전달 제1후위기어(RG1)와 치합한다. 따라서 이러한 전위기어(FG1,FG2) 및 후위기어(RG1,RG2)로 인하여 주입력축(MIS)의 회전력이 제1 및 제2입력축(IS1,IS2)에 모두 전달될 수 있게 되며, 각 입력축 간의 동력 입력은 상기 제1 및 제2클러치(C1,C2)에 의하여 선택적으로 단속된다.
상기 제1입력축(IS1) 상에는 도시한 바와 같이 다수의 짝수단 구동기어(G2,G4,G6,G8)가 장착되고, 상기 제2입력축(IS2) 상에는 다수의 홀수단 구동기어(G1,G3,G5,G7)가 장착된다.
상기 출력축(OS)은 상기 입력축(IS1,IS2)의 하방에 평행하게 이격하여 배치되며, 다수의 홀수단 피동기어(D1,D3,D5,D7) 및 짝수단 피동기어(D2,D4,D6, R)가 배치된다. 각 구동기어 및 피동기어의 도면부호 중에서 알파벳 뒤의 아라비아 숫자는 해당 변속단수를 나타낸다. 따라서, 상기 출력축(OS) 상에 형성되는 다수의 피동기어들은 상기 입력축(IS1,IS2) 상의 해당 변속단수에 상응하는 구동기어와 각각 치합하도록 배치된다.
상기 각 구동기어 사이의 축상에는 도시한 바와 같이 구동기어와 선택적으로 결합하여 동력을 전달 또는 해제하기 위한 싱크로 기구(syncronizer or syncromesh,S1,S2,S3,S4)가 슬라이딩 가능하게 결합된다. 상기 싱크로 기구(S1,S2,S3,S4)는 별도의 엑츄에이터(actuator, 미도시)에 연결되어 전자제어장치에 의하여 콘트롤 된다.
이와 같은 구성을 가지는 본 발명의 동축형 듀얼 클러치 변속기의 작동기전을 설명하기로 한다.
상기 제1,2 클러치(C1,C2)는 엔진으로부터 전달받은 주입력축(MIS)의 회전력(토크 및 속도)을 각각 제1입력축(IS1) 및 제2입력축(IS2)에 선택적으로 전달한다. 즉, 제1클러치(C1)가 작동되면 주입력축(MIS)의 회전력은 제1입력축(IS1)에 전달되고, 이때 제2클러치(C2)는 동력 해제상태를 유지한다. 반대로 제2 클러치(C2)가 작동되면 주입력축(MIS)의 회전력은 제2입력축(IS2)에 전달되고 제1 클러치(C1)가 동력 해제상태에 들어가게 된다.
상기 출력축(OS)은 주입력축(MIS)의 회전력을 변속기를 거쳐 최종적으로 바퀴로 전달하기 위하여 차동기어(differential gear, DF)에 동력연결된다.
상기 제1,2클러치(C1,C2)는 기본적으로 건식 단판 클러치가 채택되며, 변속1단을 포함하는 홀수단 구동기어를 단속하는 제2클러치(C2)의 크기(직경)는 짝수단 구동기어를 단속하는 제1클러치(C1) 보다 크게 형성해야 한다. 왜냐하면 변속1단에 걸리는 토크 부하가 가장 크기 때문이다. 따라서, 변속1단이 결합하는 제2입력축(IS2) 상의 동력을 연결 또는 해제하기 위한 제2클러치(C2)의 크기는 정지마찰력과 같은 토크 부하를 충분히 견딜 수 있는 크기로 설정되어야 한다.
제1구동기어(G1)와 제1피동기어(D1)가 동력연결되어 작동하는 제1속 모드에 서는, 엔진으로부터 전달되는 회전력이 주입력축(MIS)과 동력전달 기어유닛의 전위기어들(FG1,FG2) 및 후위기어들(RG1,RG2)을 거쳐 제2입력축(IS2)으로 전달된다. 이때 제1 클러치(C1)는 동력 해제되고 제2클러치(C2)는 동력 연결된다. 제1싱크로 기구(S1)는 제1구동기어(G1)와 결합하여 회전력이 제1구동기어(G1)에 전달될 수 있도록 한다. 제1구동기어(G1)는 제1피동기어(D1)와 치합되어 있으므로 엔진 동력인 회전력은 제1피동기어(D1)와 출력축(OS)을 통하여 차동기어(미도시)에 전달된다. 이때, 제2싱크로 기구(S2)는 다음 단계의 기어 변속을 대비하여 미리 선택되어져 제2구동기어(G2)와 결합된 상태를 유지하는데, 이를 프리-셀렉트(pre-select) 상태라고 한다. 그러나 제2구동기어(G2)가 프리-셀렉트 상태라고 하더라도 제1입력축(IS1)에 연결된 제1클러치(C1)가 해제된 상태이므로 제2구동기어(G2)에는 주입력축(MIS)의 회전력이 전달되지 않고 공회전 상태를 유지한다.
제2구동기어(G2)와 제2피동기어(D2)가 동력연결되어 작동하는 제2속 모드에서는, 제2클러치(C2)가 해제되고 제1클러치(C1)가 연결된다. 이때 제2구동기어(G2)는 이미 프리-셀렉트(pre-select)된 상태였으므로 제1클러치(C1)의 연결과 동시에 회전력을 전달받아 제2피동기어(D2)에 전달하여 출력축(OS)을 회전시킨다. 이때 전술한 1속 모드에서와 마찬가지로 다음 단계의 기어 변속을 대비하여 제3구동기어(G3)에 제1싱크로 기구(S1)가 결합하여 프리-셀렉트 상태가 되어 다음의 기어 변속을 준비하게 되는 것이다.
3속 모드에서부터 후진 모드까지의 동작은 도 3에 도시한 것처럼, 제1,2 클러치(C1,C2)가 교대로 연결 또는 해제되면서 동력을 전달하게 된다. 또한, 해당 변 속단의 다음 단계에 해당하는 구동기어가 미리 선택되어져 프리-셀렉트 상태로 대기하는 것도 전술한 것과 동일하다. 이렇게 하여 기어변속이 제1단에서부터 7단에 이르기까지 순차적으로 신속하게 진행될 수 있는 것이다. 후진 모드에서는 도시한 것처럼, 제4 싱크로 기구(S4)가 후진 변속기어인 제8구동기어(G8)에 결합하고 아이들링 기어(IG)를 거쳐 후진 피동기어(R)에 회전력을 전달한다.
이러한 본 발명에 따른 기어의 변속은 변속 버튼(shift button), 변속 페들(shift paddle) 또는 일반적인 변속 레버를 사용하여 수동(manual) 또는 자동(automatic)으로 수행될 수 있다. 상기 동축형 다중 클러치 변속기는 기본적으로 수동식 기어의 장점을 가지고 있으나 클러치 페달은 필요없다. 왜냐하면 기어의 변속은 전자 유압 엑츄에이터에 의하여 자동으로 수행되기 때문이다. 본 발명의 변속기는 두 개의 클러치(C1,C2)를 교대로 작동시켜 미리 선택된 다음 단계의 변속기어를 시간차 없이 바로 구동시키는 구조이므로 수동 변속기에서와 같은 클러치 페달의 ON-OFF-ON으로 이루어지는 변속작업이 불필요하다. 자동차의 전자제어장치는 스로틀(throttle)의 위치와 회전수 카운터로부터 읽어드린 데이터로부터 운전자가 다음 단계의 변속단수를 선택할 것이라는 것을 판단하여 다음 단계의 변속기어를 선택하게 된다. 예를 들어, 현재 2단 변속기어인 제2구동기어(G2)가 작동하고 있는 상태라면 홀수 변속단을 위한 제2클러치(C2)는 해제된 상태이므로 3단 변속용 제3구동기어(G3)가 프리-셀렉트 상태라하더라도 구동중인 제2구동기어(G2)에는 영향을 주지 않는 것이다. 운전자가 변속 페들을 조작하면 전자제어장치는 짝수 변속단을 위한 클러치(C1)를 해제하고 동시에 홀수 변속단을 위한 클러치(C2)를 연결하라는 신호를 송신한다. 이러한 방식으로 기어는 2단에서 3단으로 지연시간 없이 즉시 변속된다. 따라서, 수동 변속기에서와 같은 동력이 완전히 해제된 상태가 없게 되는 것이다. 그에 따라 기어변속은 매우 신속하고 부드럽게 중단없이 이뤄지게 된다.
이와 같은 본 발명의 동축형 다중 클러치 변속기는 종래의 동축형 듀얼 클러치 변속기가 그 구조상의 이유 때문에 소형 습식 다판 클러치만을 채택하던 한계를 극복하고 건식 단판 클러치를 채택할 수 있도로 한다.
동축형 다중 클러치 변속기용 클러치로서 건식 클러치를 도입하는 경우 습식 다판 클러치의 구동을 위하여 엔진출력을 잠식하는 유압 조절기의 사용이 필요 없어 연비효율이 향상되며, 습식 다판식 클러치보다 직경을 크게 하는 것이 자유로우므로 클러치의 허용토크가 커져 부하가 큰 차량인 버스나 트럭 등의 대형 차량에도 동축형 다중 클러치 변속기를 도입할 수 있게 된다. 아울러, 엔진출력이 작은 소형차의 경우 유압 조절기에 의한 부가적인 엔진출력의 잠식이 없으므로 동축형 다중 클러치의 적용이 가능해진다. 현재 동축형 듀얼 클러치 변속기는 고가의 세단이나 일부 스포츠카에만 적용되고 있으나 본 발명에 따른 동축형 다중 클러치 변속기를 적용하게 되면 그 사용범위가 보다 많은 차종으로 확대될 수 있을 것이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 의한 동축형 다중클러치 변속기의 개략적인 구성도이다. 본 실시예의 경우 상기 제1 및 제2클러치(C1,C2)의 전방에 별도의 클러치인 메인 클러치(MC)를 두는 점을 제외하고 나머지 구성은 상기 제1실시예의 그것과 동일하다.
본 실시예에서는 플라이휠(FW)과 상기 동력전달 제1전위기어(FG1)의 사이 상 기 주입력축(MIS) 상에 제3의 클러치로서 메인 클러치(MC)를 도입하였다. 상기 메인 클러치(MC)는 건식 단판 클러치인 것이 바람직하며, 상기 제1 및 제2클러치(C1,C2)에 비하여 그 크기(직경)가 크고, 허용토크가 크도록 설정된다. 즉, 본 실시예에서는 전술한 실시예들과는 달리 모두 세 개의 클러치가 운용된다.
각 구성요소의 크기를 순서대로 살펴보면, 플라이휠(FW), 메인 클러치(MC), 제1 및 제2클러치(C1,C2)의 순이다. 삼중 클러치(triple clutch) 구조를 가지는 본 실시예의 작동 방식은 전술한 실시예의 경우와는 약간 상이하다. 즉, 본 실시예에 의하면, 정지 상태에서 자동차가 1단 출발하는 경우 제2클러치(C2)는 이미 연결되어 있고 메인 클러치(MC)가 떨어져 있다가 물리면서 회전력을 출력축(OS)에 전달한다. 또한, 후진시에는 제1클러치(C1)는 이미 연결되어 있고 메인 클러치(MC)가 떨어져 있다가 물리면서 회전력을 출력축(OS)에 전달하는 것이다. 이렇게 하면, 등판 각도가 매우 큰 경사로 등에서 출발하는 경우에도 직경이나 넓이가 매우 큰 메인 클러치(MC)가 동력 연결 또는 해제를 관장하므로 클러치가 미끄러지는 현상이 없이 정지 마찰력을 쉽게 극복할 수 있게 되어 매우 안정적이다. 메인 클러치(MC)는 플라이휠(FW) 보다는 작게 형성하고, 제1클러치 및 제2클러치(C1,C2)는 메인 클러치(MC)가 없는 경우에 비하여 훨씬 작게 형성할 수 있으므로 메인 클러치(MC)의 도입은 오히려 기어박스의 부피를 감소시키는데 일조한다. 차량이 일단 1단 출발을 하고 나면 이후의 구간에서는 메인 클러치(MC)는 동력 연결 상태를 유지하고, 제1클러치(C1)와 제2클러치(C2) 만이 번갈아 선택되어 작동함으로써 변속된다. 따라서, 출발 이후의 변속기어가 선택되는 과정은 전술한 실시예의 경우와 동일하게 전개된다.
본 실시예의 경우에는 메인 클러치(MC)를 매우 크게 형성하더라도 기어박스의 부피를 증가시키지 않으므로 주로 사이즈가 매우 큰 건식 클러치를 채택하는 버스나 트럭 등의 대형 차량에도 용이하게 적용될 수 있다는 장점이 있다. 또한, 큰 토크를 발휘하는데 적합하도록 메인 클러치(MC)는 건식으로 하고, 제1 및 제2 클러치(C1,C2)는 습식 다판식 클러치로 하는 식의 조합도 가능하다. 상기 메인 클러치(MC)로는 건식 클러치, 습식 다판식 클러치 및 자동 변속기의 토크 컨버터(Torque converter) 중에서 하나를 선택하여 적용할 수 있다.
상기 삼중 클러치 변속기의 작동 메카니즘을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 우선 정지 상태에서 변속 1단(G1,D1)으로 출발하는 경우에는 사이즈가 작아도 되는 제2클러치(C2)는 이미 물려 있는 연결 상태에 있고, 제1클러치(C1)는 떨어져 있는 해제 상태에 있다. 이러한 상태에서 변속 1단으로 기어가 쉬프트 됨과 동시에 메인 클러치(MC)가 떨어져 있다가 물리면서 동력을 상기 제2입력축(IS2)에 전달하게 되고 결국 제1단 변속기어에 해당하는 제1구동기어 및 피동기어(G1,D1)를 통하여 회전력을 출력축(OS)에 전달하게 된다.
제2단 이후의 변속모드에서는 메인 클러치(MC)는 물려 있는 상태를 유지하고상기 제1실시예에서 설명한 것과 같은 방식으로 제1 및 제2클러치(C1,C2)만이 서로 교번하여 연결 및 해제를 반복함으로써 기어 변속이 수행된다.
후진 모드의 경우에는 제1클러치(C1)는 이미 연결 상태에 있고, 제2 클러치(C2)는 연결이 해제된 상태이며, 후진모드로 기어가 쉬프트 됨과 동시에 떨 어져 있던 메인 클러치(MC)가 물리면서 동력을 연결한다. 이때 상기 제1 클러치(C1) 만이 이미 물려 있으므로 주입력축(MIS)의 회전력은 그대로 제1입력축(IS1)으로 전달되고, 후진 피동기어(R)를 통하여 출력축(OS)으로 전달되는 것이다.
이렇게 하면, 정지 후 출발이나 후진의 경우처럼 정지 마찰력이 커서 클러치 사이즈가 커야 하는 경우 상대적으로 사이즈가 큰 메인 클러치(MC)로 동력을 연결 또는 해제하는 역할을 수행하게 하고, 일단 차량이 움직이기 시작하여 고속모드에서 변속이 필요한 경우에는 상대적으로 사이즈가 작아도 되는 제1클러치(C1) 및 제2클러치(C2)를 사용하여 신속하게 기어변속을 할 수 있게 되는 것이다.
본 실시예는 동축형 다중 클러치 변속기를 버스나 트럭 등의 대형차량에도 효율적으로 장착할 수 있게 한다는 점에서 그 유용성이 크다고 할 것이다.
본 실시예에서는 메인 클러치(MC)가 토크 부하가 많이 걸리는 1단 피동기어(D1)의 단속을 관장하므로 제1 및 제2클러치(C1,C2)의 크기는 메인 클러치(MC)가 없는 제1실시예의 경우보다 작아져도 되며, 도 4에서는 제1 및 제2클러치(C1,C2)의 크기를 동일하게 하였다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 의한 동축형 다중클러치 변속기의 개략적인 구성도이다. 본 실시예는 도 3의 제1 실시예의 경우와 그 기본적인 구조가 동일하다. 다만, 본 실시예에서는 이전의 실시예들에서와는 달리 제1입력축(IS1) 상에 홀수 변속단의 구동기어(G1,G3,G5,G7)들을 배치하고, 제2입력축(IS2) 상에는 짝수단의 구동기어(G2,G4,G6,R)들을 배치한 점에서 차이가 있다. 그 외 나머지 구성과 작 동기전은 전술한 제1실시예의 그것과 동일하므로 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 6는 본 발명의 제4 실시예에 의한 동축형 다중클러치 변속기의 개략적인 구성도이다. 본 실시예에서는 도 4의 제2실시예에서처럼 상기 제3 실시예의 구성에메인 클러치(MC)를 도입하였다. 따라서, 입력축 상의 홀수단 또는 짝수단 기어배치의 점을 제외한 나머지 구성과 작동기전은 도 4의 제2 실시예의 경우와 동일하므로 이에 관하여 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
전술한 실시예들에서는 출력축(OS)을 상기 입력축(IS1,IS2)의 하방에 하나를 형성한 경우를 예로 들어 설명하였으나, 상기 출력축은 입력축(IS1,IS2)을 중심으로 상하로 평행하게 두 개를 배치하여 구성할 수 있다. 이 경우 다수의 피동기어들(D1~D7,R)들은 상하 두 개의 출력축에 나뉘어 형성될 것이다.
또한, 전술한 실시예들에서는 싱크로 기구(S1~S4)를 모두 제1입력축(IS1) 또는 제2입력축(IS2) 상에 형성하는 것으로 하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 경우에 따라서는 상기 출력축(OS)의 각 피동기어들 사이에 싱크로 기구(S1~S4)를 배치하는 것도 가능하며, 입력축과 출력축 상에 선택적으로 형성하는 것도 가능하다.
도 1은 종래의 일 예에 의한 동축형 듀얼 클러치 변속기의 구조도.
도 2는 종래의 다른 예에 의한 동축형 듀얼 클러치 변속기의 구조도.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 의한 동축형 다중클러치 변속기의 개략적인 구성도.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 의한 동축형 다중클러치 변속기의 개략적인 구성도.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 의한 동축형 다중클러치 변속기의 개략적인 구성도.
도 6는 본 발명의 제4 실시예에 의한 동축형 다중클러치 변속기의 개략적인 구성도.
<도면의 주요 부분에 대한 기호의 설명>
FW: 플라이휠 MIS: 주입력축
MS: 중간축 FG1: 동력전달 제1전위기어
FG2: 동력전달 제2전위기어 RG1: 동력전달 제1후위기어
RG2: 동력전달 제2후위기어 C1,C2: 제1 및 제2클러치
MC: 메인 클러치 G1~G8: 구동기어
D1~D7: 피동기어 R: 후진 피동기어
IS1,IS2: 제1 및 제2입력축 OS: 출력축
S1~S4: 싱크로 기구
Claims (4)
- 엔진으로부터 전달되는 회전력을 변속하여 출력하기 위한 동축형 다중 클러치 변속기에 관한 것으로서,플라이휠(FW)에 연결되어 엔진으로부터의 회전력을 전달받는 주입력축(MIS);상기 주입력축(MIS)에 동력 연결되어 회전력을 전달받는 것으로서, 상기 주입력축의 후방에 회전 가능하게 배치되는 제1입력축(IS1) 및 상기 제1입력축과 회전 중심을 공유하는 중공 구조로서 내부에 상기 제1입력축을 회전 가능하게 수용하는 제2입력축(IS2);상기 주입력축으로부터 상기 제1입력축으로 전달되는 동력의 연결 또는 해제를 위하여 상기 제1입력축상에 연결 형성되는 제1클러치(C1) 및 상기 제2입력축으로 전달되는 동력의 연결 또는 해제를 위하여 상기 제2입력축상에 연결 형성되는 제2클러치(C2);상기 플라이휠과 상기 제1클러치 사이의 상기 주입력축 상에 회전 가능하게 장착되는 동력전달 제1전위기어(FG1), 상기 제2입력축의 전단부에 회전 가능하게 장착되는 동력전달 제1후위기어(RG1), 상기 주입력축에 평행하게 배치되는 중간축(MS), 상기 중간축 상에 회전 가능하게 장착되어 상기 동력전달 제1전위기어에 치합하는 동력전달 제2전위기어(FG2), 상기 중간축 상에 회전 가능하게 장착되어 상기 동력전달 제1후위기어에 치합하는 동력전달 제2후위기어(RG2)로 이루어지는 동력전달 기어유닛;동축 구조의 상기 제1입력축과 상기 제2입력축에 평행하게 이격하여 마련되는 출력축(OS);상기 제1입력축과 상기 제2입력축 상에 회전가능하게 장착되는 다수의 구동기어(G1~G8); 및상기 출력축 상에 회전 가능하게 장착되어 상기 각 구동기어에 치합하는 다수의 피동기어(D1~D7, R);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연비효율 극대화를 위한 동축형 다중 클러치 변속기.
- 제 1항에 있어서,상기 제1입력축 상에는 짝수단 구동기어가 배치되고, 상기 제2입력축 상에는 홀수단 구동기어가 배치되는 것을 특징으로 하는 연비효율 극대화를 위한 동축형 다중 클러치 변속기.
- 제 1항에 있어서,상기 제1입력축 상에는 홀수단 구동기어가 배치되고, 상기 제2입력축 상에는 짝수단 구동기어가 배치되는 것을 특징으로 하는 연비효율 극대화를 위한 동축형 다중 클러치 변속기.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 플라이휠(FW)과 상기 동력전달 제1전위기어(FG1) 사이의 상기 주입력축 상에는 상기 제1클러치(C1)와 상기 제2클러치(C2)보다 직경이 큰 메인 클러치(MC)가 마련되는 것을 특징으로 하는 연비효율 극대화를 위한 동축형 다중 클러치 변속기.
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