KR101282697B1

KR101282697B1 - 자동변속기의 변속충격 저감장치

Info

Publication number: KR101282697B1
Application number: KR1020110047551A
Authority: KR
Inventors: 김진현; 채창국; 이흥석; 오석일; 오완수; 원광민
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2011-05-19
Filing date: 2011-05-19
Publication date: 2013-07-05
Also published as: CN102788151A; US20120292154A1; DE102011053821A1; JP2012241894A; US8839932B2; KR20120129356A

Abstract

본 발명은 자동변속기의 변속충격 저감장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 변속시 클러치와 피스톤의 접합 과정 중 발생하는 충격 토크에 대한 강건성을 확보하여 변속충격을 저감하기 위한 자동변속기의 변속충격 저감장치에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은, 제어 압력에 의해 거동되는 피스톤, 상기 피스톤의 거동에 의해 접합 작동하게 되는 클러치가 구성되며, 상기 피스톤과 클러치 사이에 상기 피스톤의 거동 위치에 따라 단계적으로 스프링 강성을 증가하게 되는 쿠션스프링을 배치하여 클러치 접합에 의한 변속충격을 완화하도록 된 것을 특징으로 하는 자동변속기의 변속충격 저감장치를 제공한다.

Description

자동변속기의 변속충격 저감장치 {Apparatus for reducing transmission shock of automatic transmission}

본 발명은 자동변속기의 변속충격 저감장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 변속시 클러치의 접합 과정 중 발생하는 충격 토크에 대한 강건성을 확보하여 변속충격을 저감하기 위한 자동변속기의 변속충격 저감장치에 관한 것이다.

일반적으로 자동변속기는 차량의 주행상태에 따라 적절한 변속단으로 자동 변속하여 주는 장치로, 자동 변속을 구현하기 위하여 선기어(sun gear), 링기어(ring gear), 그리고 유성 캐리어(planet carrier)를 그 작동 부재(operating member)들로 포함하는 유성기어세트(planetary gear set)를 적어도 하나 이상 포함하고, 이러한 작동 부재들의 동작을 제어하기 위하여 클러치(clutch)와 브레이크(brake) 같은 마찰요소(friction element)가 복수 개 구비된다.

자동변속기에는 이러한 마찰요소를 유압적으로 제어하기 위하여 유압 제어 시스템(hydraulic control system)이 구비되며, 각 변속단에 따라 정해진 클러치와 브레이크들이 유압 제어 시스템에 의해 결합 또는 해제되도록 제어됨으로써 각 변속단이 구현된다.

상기 마찰요소 중 클러치는 상기 유성기어세트의 작동 부재에 엔진의 동력을 전달하거나 작동 부재들 사이의 동력전달을 매개하는 역할을 한다.

이러한 클러치는 클러치 허브와 클러치 드럼 사이에 수 개의 클러치 디스크와 마찰재가 교대로 끼워져 구성되며, 피스톤에 유압을 가하여 동력전달을 단속한다.

예컨대, 기어의 변속시 클러치 허브에 형성된 오일공을 통하여 피스톤과 클러치 드럼 사이의 공간으로 오일이 유입되면, 오일의 유압에 의해 피스톤이 마찰재와 클러치 디스크를 밀착시키는 것에 의해 클러치가 작동되는 것이다.

그러나, 이러한 종래의 자동변속기는 변속 과정 중 발생하는 트랜션트(transient) 토크와 구동계에 존재하는 백래쉬를 원천적으로 제거하기 어렵기 때문에, 작동시 순간적으로 높은 유압이 피스톤에 걸림에 따라 급격한 강성변화가 발생하여, 변속충격 및 크렁크(clunk) 소음 등 해결하기 곤란한 문제를 갖는다.

종래 자동변속기에 발생하는 변속 문제 중 대부분은 클러치의 접합(혹은 클러치 디스크와 마찰재의 밀착) 시점에 발생하는 변속충격이 가장 큰 요인으로 작용하는 것으로 알려져 있으며, 이때 발생한 충격 토크는 구동계 백래쉬에 의해 증폭되어 전달계를 통해 운전자에게 전달된다.

이와 같은 종래 자동변속기의 변속충격을 저감하기 위해 변속시간을 증대하였으나, 이는 변속 응답성을 감소시키는 문제를 초래하였다.

즉, 자동변속기의 변속시간을 단축하면 변속충격이 악화되고, 변속시간을 연장하면 변속 지연감이 발생하는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 피스톤의 거동 위치에 따라 단계적으로 변화하는 강성특성을 갖는 쿠션스프링을 이용하여 변속시 발생하는 충격을 감소시키고 클러치의 접합 특성을 완만하게 구현할 수 있는 자동변속기의 변속충격 저감장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 제어 압력에 의해 거동되는 피스톤, 상기 피스톤의 거동에 의해 접합 작동하게 되는 클러치가 구성되며, 상기 피스톤과 클러치 사이에 상기 피스톤의 거동 위치에 따라 단계적으로 스프링 강성을 증가하게 되는 쿠션스프링을 배치하여 클러치 접합에 의한 변속충격을 완화하도록 된 것을 특징으로 하는 자동변속기의 변속충격 저감장치를 제공한다.

바람직하게, 상기 쿠션스프링은 클러치의 작동방향으로 굴곡이 형성된 복수 개의 곡면스프링들이 서로 연결되어 형성된 것으로, 적어도 굴곡 높이가 서로 다른 두 종류 이상의 곡면스프링으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 자동변속기의 변속충격 저감장치에 의하면 변속시 피스톤 변위에 따라 쿠션스프링의 강성이 단계적으로 증가되어 클러치의 접합 시점에서 발생하는 변속충격 및 이음 발생을 완화할 수 있으며, 이에 따라 피스톤의 거동을 위한 변속 유압을 신속하게 제어할 수 있게 되어 변속 응답성능을 확보할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 자동변속기의 변속충격 저감장치를 나타낸 개략적인 도면
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 쿠션스프링을 나타낸 사시도
도 2b는 도 2a의 쿠션스프링을 나타낸 평면도 및 부분 확대도
도 3a은 본 발명의 다른 실시예에 따른 쿠션스프링을 나타낸 도면
도 3b는 도 3a의 쿠션스프링을 나타낸 평면도 및 부분 확대도
도 4는 변속시 유압에 의해 거동되는 피스톤의 속도변화를 비교하여 나타낸 도면
도 5는 변속시 유압에 의해 거동되는 피스톤 위치에 따라 발생되는 쿠션스프링의 강성특성을 기존과 비교하여 거시적으로 나타낸 도면
도 6은 변속시 유압에 의해 거동되는 피스톤 위치에 따라 발생되는 쿠션스프링의 다단계 강성특성을 거시적으로 나타낸 도면
도 7은 실차 검증을 위해 독자 8속 변속기에 1단 쿠션스프링을 적용하여 시험한 결과를 기존의 독자 8속 변속기를 탑재한 차량과 비교하여 나타낸 도면

본 발명은 클러치 접합시 발생하는 충격 토크에 대한 강건성을 확보하기 위한 자동변속기의 변속충격 저감장치에 관한 것으로, 변속시 피스톤 거동에 따른 강성특성을 다단화한 쿠션스프링을 이용하여 변속감 및 변속 응답성을 향상시키도록 이루어진다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

본 발명은 클러치 접합시 발생하는 변속충격을 저감하기 위하여, 도 1과 같이 자동변속기의 클러치(10)와 피스톤(20) 사이에 다단 구조로 굴곡되어 형성되는 쿠션스프링(30)을 구성한다.

상기 쿠션스프링(30)은 클러치(10)의 일측에 연결, 예컨대 마찰재(11)의 일면에 마찰력에 의해 면접촉된 상태로 연결 설치될 수 있으며, 피스톤(20)과는 일정 간격을 두고 배치되도록 구성된다.

이러한 쿠션스프링(30)은 기어 변속에 따른 피스톤(20)의 거동시 피스톤(20)과 직접 접촉하여 가압되면서 피스톤(20)의 하중을 클러치(10)에 전달하게 된다.

상기 클러치(10)는, 주지된 바와 같이, 클러치 드럼과 클러치 허브 사이에 수 개의 마찰재(11)와 클러치 디스크(12)가 교대로 끼워지고, 제어 압력(유압 또는 공압)에 의해 거동되는 피스톤(20)이 쿠션스프링(30)을 통해 상기 마찰재(11)와 클러치 디스크(12)를 밀착시킴으로써 작동된다.

참고로, 상기 피스톤(20)은 리턴스프링(21)의 탄성력을 공급받도록 설치된다.

도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 쿠션스프링을 나타낸 도면이고, 도 2b는 도 2a의 쿠션스프링을 나타낸 평면도 및 부분 확대도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 쿠션스프링(30-1)은 피스톤(20)의 거동 위치에 따라 단계적으로 스프링 강성을 증가하기 위하여 벤딩(bending) 구조를 갖는 복수의 곡면스프링(31,32)들이 서로 연결되어 형성된다.

다시 말해, 클러치(10)와 피스톤(20) 사이에 설치되는 쿠션스프링(30-1)은, 상기 클러치(10)의 작동방향(마찰재와 클러치 디스크가 상호 접합을 위해 이동되는 방향)으로 굴곡이 형성된 곡면스프링(31,32)들이 원을 형성하도록 연결되어 고정된다.

상기 쿠션스프링(30)은 클러치(10)의 작동방향으로 굴곡이 형성된 n개의 곡면스프링(31,32)으로 이루어질 수 있으며, 도 2a와 같이 클러치(10)의 작동방향으로 굴곡이 형성된 제1곡면스프링(31)과 클러치(10)의 작동방향으로 굴곡이 형성된 제2곡면스프링(32)이 각기 복수 개로 구성되어 상호 연결됨으로써 형성될 수 있다.

도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 제1곡면스프링(31)과 제2곡면스프링(32)은 상호 연결되어 물결 무늬 형상을 이루게 되며, 서로 다른 굴곡 높이 H1, H2를 각각 갖도록 형성된다.

상기 굴곡 높이(H1,H2)는 각 곡면스프링(31,32)의 파저점(P1)의 수평선과 파고점(P2)의 수평선 사이의 최단직선거리로 나타낸다. 여기서, 상기 파저점(P1)은 각 곡면스프링(31,32)의 최저지점이고, 파고점(P2)은 상기 각 곡면스프링(31,32)의 최고지점이다.

이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 쿠션스프링(30-1)의 변속시 작동상태를 살펴보면, 유압 제어 시스템에 의해 피스톤(20)이 거동됨에 의해 복수 개의 클러치 디스크(12)들이 마찰재(11)를 사이에 두고 밀착 가압됨에 있어, 쿠션스프링(30-1) 중 굴곡 높이가 가장 높은 제1곡면스프링(31)의 파고점(P2)이 제어 유압에 의해 거동되는 피스톤(20)과 가장 먼저 접하여 가압되면서 1차적으로 변속충격을 흡수하게 되고, 상기 피스톤(20)이 점차 이동되면서 다음 굴곡 높이를 갖는 제2곡면스프링(32)의 파고점(P2)과 접하게 되면서 상기 제1 및 제2곡면스프링(31,32)이 동시에 가압됨에 의해 스프링 강성이 증가되어 클러치(10)의 접합에 의한 변속충격을 완만하게 흡수하여 완화하게 된다.

첨부한 도 3a은 본 발명의 다른 실시예에 따른 쿠션스프링을 나타낸 도면이고, 도 3b는 도 3a의 쿠션스프링을 나타낸 평면도 및 부분 확대도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 쿠션스프링(30-2)은 클러치(10)의 작동방향으로 굴곡이 형성된 제1, 제2, 제3곡면스프링(33,34,35)이 각기 하나 이상 구성되고 원을 형성하도록 연결되어 이루어진다.

도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 제1, 제2, 제3곡면스프링(33,34,35)은 상호 연결되어 물결 무늬 형상을 이루게 되며, 서로 다른 굴곡 높이 H1, H2, H3를 각기 갖는다.

이와 같이 본 발명의 다른 실시예에 따른 쿠션스프링(30-2)의 변속시 작동상태를 살펴보면, 피스톤(20)을 클러치(10) 측으로 밀어주는 제어 유압에 의해 피스톤(20)이 리턴스프링(21)을 압축시키며 거동됨에 의해 복수 개의 클러치 디스크(12)들이 마찰재(11)를 사이에 두고 밀착 가압됨에 있어, 쿠션스프링(30-2) 중 굴곡 높이가 가장 높은 제1곡면스프링(33)의 파고점(P2)이 제어 유압에 의해 거동되는 피스톤(20)과 가장 먼저 접하여 가압되면서 1차적으로 변속충격을 흡수하게 되고, 상기 피스톤(20)이 점차 이동되면서 다음 굴곡 높이를 갖는 제2곡면스프링(34)의 파고점(P2)과 접하게 되면서 상기 제1 및 제2곡면스프링(33,34)이 동시에 가압됨에 의해 스프링 강성이 증가되어 클러치(10)의 접합에 의한 변속충격을 2차적으로 흡수하게 되며, 또한 상기 쿠션스프링(30-2) 중 굴곡 높이가 가장 낮은 제3곡면스프링(35)의 파고점(P2)이 피스톤(20)에 의해 가압됨으로써 제1 내지 제3곡면스프링(33,34,35)이 동시에 가압되고 쿠션스프링(30-2)의 3단계 강성이 순차적으로 작용하여 클러치(10)의 접합 충격을 단계적으로 흡수하여 완화하게 된다.

즉, 유압 제어 시스템에 의해 거동되는 피스톤(20)이 리턴스프링(21)의 저강성과 쿠션스프링(30-2)의 다단 강성을 순차적으로 상쇄하면서 클러치(10)에 접합하여 접합 충격을 완화하게 된다.

상기와 같이 본 발명은 자동변속기의 변속충격을 저감하기 위해, 클러치(10)와 피스톤(20) 사이에 배치하는 쿠션스프링(30)을 굴곡 높이가 서로 다른 두 종류 이상의 곡면스프링(31,32 또는 33,34,35)들을 연결하여 형성할 수 있으며, 이러한 쿠션스프링(30)을 구성하는 각 곡면스프링(31,32 또는 33,34,35)들의 연결순서 및 구성개수는 변속충격의 효과적인 흡수를 위한 설계에 따라 변경 및 조정될 수 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 자동변속기는 피스톤(20)의 거동에 따라 단계적으로 변화하는 다단계 강성을 갖는 쿠션스프링(30)을 상기 피스톤(20)과 클러치(10) 사이에 구성함으로써, 기어 변속시 리턴스프링의 초기 저강성에서 클러치 접합에 의한 급격한 강성변화를 보이게 되는 기존 자동변속기에 비해, 피스톤(20)의 변위에 따라 미소강성을 서서히 순차적으로 증가시켜서 스프링 강성의 다단화 및 히스테리시스와 조합된 비선형 강성의 유사효과를 구현할 수 있으며, 이로써 클러치(10) 접합시 발생되는 변속충격을 완화할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 쿠션스프링을 차량의 자동변속기에 적용함에 따른 피스톤의 이동속도를 살펴보기 위해, 자동변속기 샘플에 1단 쿠션스프링, 2단 쿠션스프링, 3단 쿠션스프링을 각기 적용하여 시간에 따른 피스톤의 속도변화를 측정하였다.

여기서, 1단 쿠션스프링은 모두 동일한 굴곡 높이를 갖는 곡면스프링들로 이루어진 쿠션스프링이고, 2단 쿠션스프링은 서로 다른 굴곡 높이를 갖는 두 종류의 곡면스프링들로 이루어진 쿠션스프링이며, 3단 쿠션스프링은 서로 다른 굴곡 높이를 갖는 세 종류의 곡면스프링들로 이루어진 쿠션스프링이다.

그리고, 결과 비교를 위해 쿠션스프링을 적용하지 않은 기존 차량의 자동변속기에 대한 피스톤의 속도변화도 측정하였다.

그 결과는 도 4와 같이 확인할 수 있는바, 쿠션스프링을 적용하지 않은 기존 차량의 경우 변속시 클러치의 접합위치에서 피스톤의 급격한 속도변화가 발생한 반면, 1단/2단/3단 쿠션스프링을 적용한 차량의 경우 모두 기존에 비해 피스톤의 속도변화가 완만하게 발생하였으며, 특히 3단 쿠션스프링을 적용한 차량의 경우 클러치의 접합위치에서 제어 유압에 대한 피스톤의 속도변화(즉, 거동)가 매우 완만해졌음을 확인할 수 있었다.

도 5 및 도 6에서 제어 유압(F)에 의해 거동되는 피스톤 위치에 따라 순차적으로 작용하는 1단 및 3단 쿠션스프링의 다단계 강성특성에 따른 피스톤 거동변화를 거시적으로 나타내었다.

도시된 바와 같이, 기존에 비해 클러치 접합위치에서 제어 유압에 대한 피스톤의 거동이 완만하게 변화되었음을 확인할 수 있으며, 특히 3단 쿠션스프링을 적용한 차량에서 피스톤의 거동변화는 매우 완만하게 변화됨을 확인할 수 있었다.

도 5에 도시된 바와 같이, 1단 쿠션스프링을 적용한 차량의 경우, 클러치 접합위치에서 제어 유압에 대한 피스톤의 거동이 완만하게 변화되었음을 확인할 수 있었다. 반면 기존 차량의 경우 자동변속기에 접합 충격을 완화해주는 쿠션스프링이 적용되어 있지 않으므로 피스톤의 거동이 급격하게 변화되었으며, 이에 따라 변속충격 및 변속응답성능의 저하를 확인할 수 있었다.

이에 따라 쿠션스프링의 강성을 다단화 할수록 클러치 접합시 작용하는 충격력의 변화가 완만하게 발생되어 최종적인 변속충격 및 이음발생에 대한 강건성을 확보할 수 있음을 알 수 있으며, 또한 충격력 변화가 완만해짐에 의해 구동계 백래쉬에 대한 강건성 확보뿐만 아니라 피스톤의 거동을 위한 변속 유압을 신속하게 제어할 수 있게 되어 변속 응답성능을 확보할 수 있게 된다.

즉, 자동변속기의 기어 변속시 변속 응답성 및 변속 NVH(Noise, Vibration, Harshness)를 확보할 수 있게 된다.

또한, 상기의 1단 쿠션스프링을 독자 8속 변속기의 마찰구간(클러치와 피스톤 사이)에 적용하고 이를 실차에 탑재하여 시험한 결과, 도 7과 같은 결과를 얻을 수 있었다.

그리고, 결과 비교를 위해 쿠션스프링을 적용하지 않은 기존 독자 8속 변속기를 탑재한 차량에 대한 변속시 충격토크 등도 측정하였다.

도 7에 나타낸 바와 같이, 1단 쿠션스프링을 적용한 실차에서 변속시 충격 토크(우측 그래프에서 동그라미로 표시한 부분)가 기존 차량의 변속시 충격토크(좌측 그래프에서 동그라미로 표시한 부분)에 비해 크게 감소하였고, 이로써 변속충격에 관련하여 상당한 하드웨어적 강건성을 확보할 수 있음을 확인하였다.

10 : 클러치
11 : 마찰재
12 : 클러치 디스크
20 : 피스톤
21 : 리턴스프링
30,30-1,30-2 : 쿠션스프링
31~35 : 곡면스프링
P1 : 파저점
P2 : 파고점

Claims

제어 압력에 의해 거동되는 피스톤, 상기 피스톤의 거동에 의해 접합 작동하게 되는 클러치가 구성되고,
상기 피스톤과 클러치 사이에 상기 피스톤의 거동 위치에 따라 단계적으로 스프링 강성을 증가하게 되는 쿠션스프링을 배치하여 클러치 접합에 의한 변속충격을 완화시킬 수 있으며,
상기 쿠션스프링은 클러치의 작동방향으로 굴곡이 형성된 복수 개의 곡면스프링들이 서로 연결되어 형성된 것으로, 적어도 굴곡 높이가 서로 다른 두 종류 이상의 곡면스프링으로 이루어지되,
상기 쿠션스프링은 클러치의 작동방향으로 굴곡이 형성된 제1, 제2, 제3곡면스프링이 각기 하나 이상 구성되고 원을 형성하도록 이루어지고,
상기 제1, 제2, 제3곡면스프링은 상호 연결되어 물결 무늬 형상을 이루면서 서로 다른 굴곡 높이 H1, H2, H3을 각기 가지며, 밀착 가압시 쿠션스프링의 3단계 강성이 순차적으로 작용하여 클러치의 접합 충격을 단계적으로 흡수하여 완화시킬 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 자동변속기의 변속충격 저감장치.
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