KR102470215B1 - 토크 제한 자기강화 클러치 및 이를 이용하는 하이브리드 자동차 - Google Patents

토크 제한 자기강화 클러치 및 이를 이용하는 하이브리드 자동차 Download PDF

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Abstract

자기강화 효과를 이용하며 전달되는 토크가 제한되는 마찰 클러치가 제공된다.
클러치 장치는 스크류와 너트의 관계를 이용하여 자기강화 효과를 제공하며, 마찰면의 발명적인 구조를 이용하여 전달되는 토크의 크기를 제한한다. 클러치 장치는 기존 유압식 클러치에 비해 공간을 많이 차지하지 않으며, 하이브리드 차량의 최적 주행을 위한 자동 변속 및 모드 변경이 가능하고, 하이브리드 차량에서 엔진의 스타트 모터가 필요 없도록 한다.

Description

토크 제한 자기강화 클러치 및 이를 이용하는 하이브리드 자동차{Self-energizing clutch transferring restricted torque and hybrid vehicle using the same}
본 발명은 자기강화 효과를 이용하며 전달되는 토크가 제한되는 마찰 클러치에 대한 것으로서, 더 구체적으로는, 자기강화 효과를 이용하여 작은 크기의 작동력으로도 요구되는 크기의 토크가 전달되도록 할 수 있으며, 다른 한편으로, 전달되는 토크가 무제한으로 커지는 것을 방지할 수 있는 마찰 방식의 클러치에 대한 것이다.
최근 수동변속기를 가진 하이브리드 차량이 개발되거나, 기존의 차량을 개조하여 그런 차량으로 만드는 경향이 나타나고 있다. 수동변속기-하이브리드 차량에서 기존의 유압 클러치 시스템을 이용할 경우, 다음과 같은 문제점들이 발생한다: 1) 하이브리드 모드를 구현하기 위해서는 클러치 디스크를 상황에 맞게 자동으로 체결하고 해제할 수 있어야 하는데, 수동변속기 구조에서는 운전자가 수동으로 작동시켜야 하며, 2) 기존의 유압 클러치 시스템은 부피를 많이 차지하므로 구동 전기 모터를 추가하기 위한 공간이 부족하고, 3) 엔진 온/오프가 잦은 하이브리드 자동차의 경우 엔진 시동을 걸어주는 스타트 모터의 내구성 문제가 발생한다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 수동변속기-하이브리드 차량에서 기존의 유압 클러치 시스템을 사용할 경우에 발생하는 문제점들을 해결할 수 있는 클러치 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
나아가, 본 발명은 자기강화 효과를 이용하여 작은 크기의 작동력으로도 요구되는 크기의 토크가 전달될 수 있도록 하는 클러치 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 양태에 따라, 제1축과 제2축 사이에서 동력 전달을 끊거나 연결시키는 마찰 클러치로서, 제1축과 연결되는 스크류부; 상기 스크류부와 맞물리도록 형성된 너트부; 상기 너트부에 마련되는 제1 마찰면; 상기 제1 마찰면과 맞물릴 수 있으며, 제2축과 연결되는 제2 마찰면; 및, 상기 너트부의 회전속도를 감속시키기 위한 작동부를 포함하며, 상기 스크류부 및 상기 너트부는 상기 제1축의 회전속도보다 상기 너트부의 회전속도가 작은 경우 상기 너트부가 상기 제2 마찰면을 향하여 이동하도록 형성되고, 상기 제1 마찰면과 상기 제2 마찰면 사이의 수직력이 미리 정해진 값에 도달한 후에 일정하게 유지되도록 상기 제1 마찰면 또는 상기 제2 마찰면이 형성되는 토크 제한 자기강화 클러치가 제공된다.
상기 제1 마찰면과 상기 제2 마찰면이 정지마찰 상태일 경우, 동력이 상기 제1축에서 상기 제2축으로 전달되고, 상기 제1 마찰면과 상기 제2 마찰면이 운동마찰 상태일 경우, 동력이 상기 제2축에서 상기 제1축으로 전달된다.
상기 제1 마찰면과 상기 제2 마찰면이 정지마찰 상태일 경우, 상기 제1 마찰면 또는 상기 제2 마찰면의 유효반경이 감소되고, 상기 제1 마찰면과 상기 제2 마찰면이 운동마찰 상태일 경우, 상기 제1 마찰면 또는 상기 제2 마찰면의 유효반경이 일정하게 유지된다.
상기 제1축에는 모터가 연결되고, 상기 제2축에는 내연기관 엔진이 연결될 수 있다. 상기 내연기관 엔진은 스타트 모터를 구비하지 않는다. 상기 제1축에는 변속기가 상기 모터와 직렬로 연결된다.
삭제
본 발명의 다른 양태에 따르면, 전술한 토크 제한 자기강화 클러치를 포함하는 하이브리드 자동차가 제공된다.
본 발명에 따라, 공간을 많이 차지하지 않는 클러치 장치가 제공된다.
또한 본 발명에 따라, 하이브리드 차량의 최적 주행을 위한 자동 변속 및 모드 변경이 가능하도록 하는 자동화 개념의 클러치 장치가 제공된다.
나아가, 본 발명에 따라, 하이브리드 차량에서 엔진의 스타트 모터가 필요 없도록 하는 클러치 장치가 제공된다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 토크 제한 자기강화 클러치가 도시되어 있다.
도 2에는, 도 1에 도시된 실시예에서, 마찰 패드와 회전 부재가 접촉한 상태가 개략적으로 도시되어 있다.
도 3에는 도 2에 도시된 스크류부와 너트부의 자유물체도 및 너트부의 등가 자유물체도가 도시되어 있다.
도 4에는 마찰 패드에 의하여 회전 부재에 인가되는 수직력을 제한하기 위한 본 발명에 따른 일 실시예가 도시되어 있다.
도 5에는 도 4에 도시된 본 발명의의 일 실시예에 따른 토크 제한 자기강화 클러치의 매개변수들의 변화와 작동 상태의 관계가 도시되어 있다.
도 6에는 하이브리드 자동차의 동력전달계통이 도시되어 있다.
도 7에는 도 6에 도시된 하이브리드 자동차에 적용된 본 발명에 따른 클러치의 일 실시예가 도시되어 있다.
도 8은 도 6에 도시된 하이브리드 자동차의 동력전달계통의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 9에는 본 발명에 따른 토크 제한 자기강화 클러치의 작동을 확인해 보기 위한 실험장치가 도시되어 있다.
도 10에는 도 9에 도시된 실험장치에서 측정된 물리량들이 도시되어 있다.
도 11은 도 9에 도시된 실험장치에서 토크 제한 자기강화 클러치의 자기강화 효과를 분석하기 위한 그래프이다.
도 12에는 너트부의 재질 및 마찰 패드와 회전 부재 사이의 여유간격을 확인하기 위한 수치해석 결과가 도시되어 있다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 동일하거나 유사한 구성요소에 대해서는 동일 또는 유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략한다. 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 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, 등가인 것 내지 대체하는 것을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이러한 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용되며 해당되는 구성요소들은 이러한 용어들에 의해 한정되지 않는다. 단수의 표현은, 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 "포함한다", "구비한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 한정하려는 것으로 이해되어야 하며, 하나 이상의 다른 특징들이나 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들이 존재할 또는 부가될 가능성을 배제하려는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 토크 제한 자기강화 클러치가 도시되어 있다. 토크 제한 자기강화 클러치(100)는, 제1축(10)과 연결되는 스크류부(110), 스크류부(110)와 맞물리는 너트부(120), 너트부에 마련되고 제1 마찰면(131)을 구비하는 마찰 패드(130), 마찰 패드(130)의 제1 마찰면(131)과 맞물릴 수 있도록 형성된 제2 마찰면(141)을 구비하고 제2축(20)과 연결되는 회전부재(140), 및 너트부(120)에 마찰력을 제공하거나 해제하기 위한 작동부(150)를 포함한다.
도시된 실시예에서, 제1축과 제2축은 서로에 대하여 독립적으로 회전할 수 있다. 스크류부(110)는 제1축(10)의 외주면에 일체로 형성된다. 따라서, 스크류부(110)는 제1축(10)과 동일한 회전속도를 갖는다. 너트부(120)는 스크류부(110)와 나사식으로 맞물린다. 너트부(120)는 스크류부(110)에 대한 상대 운동을 통하여 스크류부(110) 상에서 왕복 이동이 가능하다. 도시된 실시예에서, 너트부(120)의 회전속도가 스크류부(110), 즉, 제1축의 회전속도보다 작을 경우, 너트부(120)가 회전 부재(140)쪽으로 이동하도록 형성된다.
너트부(120)의 일측에는 마찰 패드(130)가 마련된다. 마찰 패드(130)는 너트부(120)에 고정되어 너트부(120)와 동일한 속도로 회전한다. 마찰 패드(130)는 제1 마찰면(131)을 구비한다. 너트부(130)와 마주보는 위치에 제2축(20)과 연결되고 이와 동일한 속도로 회전하는 회전 부재(140)가 배치된다. 회전 부재(140)는 마찰 패드(130)와 맞물릴 수 있도록 형성된 제2 마찰면(141)을 구비한다.
제1축(10)은 베어링(30)을 경유하여 회전 부재(140)과 연결된다. 이에 따라, 제1축(10)은 회전 부재(140) 및 제2축(20)과 독립하여 회전할 수 있다.
작동부(150)는 너트부에 마찰력을 제공하거나 해제하도록 형성된다. 도시된 실시예에서, 작동부(150)는 솔레노이드(151) 및 이에 의하여 왕복 이동이 가능한 레버(152)를 구비한다. 레버(152)는 도면에서 좌측으로 이동하여 너트부(120)의 마찰면(121)과 접촉하거나, 도면에서 우측으로 이동하여 너트부(120)의 마찰면(121)과의 접촉 상태가 해제될 수 있다.
도 1에 도시된 토크 제한 자기강화 클러치(100)의 작동에 대하여 간략하게 설명하면 아래와 같다.
작동부(150)의 레버(152)가 너트부(120)의 마찰면(121)과 접촉하지 않은 상태에서, 제1축(10), 스크류부(110) 및 너트부(120)는 동일한 회전속도로 회전한다. 마찰 패드(130)의 제1 마찰면(131)과 회전 부재(140)의 제2 마찰면(141)은 접촉하지 않고 이격된 상태로 유지된다. 제2축(20) 및 이와 연결된 회전 부재(140)는 정지된 상태이거나 제1축(10)과 다른 속도로 회전할 수 있다.
작동부(150)의 레버(152)가 너트부(120)의 마찰면(121)과 접촉하면 레버(152)와 마찰면(121) 사이에 마찰력이 발생하고, 너트부(120)의 회전속도가 제1축(10) 및 스크류부(110)의 회전속도에 대하여 작아진다. 너트부(120)가 감속되면, 너트부(120)는 제1축(10)의 회전축을 따라 회전 부재(140) 쪽으로 이동되고, 제1 마찰면(131)과 제2 마찰면(141)이 접촉된다. 두 마찰면이 접촉되면, 너트부(120)는 마찰력으로 인하여 추가로 감속되는 동시에 회전 부재(140) 방향으로의 이동이 구속된다. 이에 따라 너트부(120)에 의하여 회전 부재(140)에 수직력이 인가된다. 인가되는 수직력에 의하여 제1 마찰면(131)과 제2 마찰면 사이에 작용하는 마찰력이 증가되고, 이는 회전 부재(140)에 대한 토크로 작용한다. 회전 부재(140)에는 제1축(10)의 회전방향과 동일한 방향을 갖는 토크가 인가되고, 제1축(10)의 회전방향과 동일한 방향으로 각가속도가 발생한다.
너트부(120)의 회전속도가 제1축(10)의 회전속도 보다 작은 상태에서는, 너트부(120)에 의하여 회전 부재(140)에 인가되는 수직력은 계속 증가하게 된다. 장치의 파손을 막기 위하여, 이 수직력을 일정한 값 이상으로 증가하지 않도록 제한하여야 한다.
이하에서는, 도 2 내지 도 5를 참조하여, 너트부(120)에 의하여 회전 부재(140)에 인가되는 수직력을 제한하기 위한 본 발명에 따른 일 실시예에 대하여 설명한다. 도 2에는 마찰 패드(130)와 회전 부재(140)가 접촉한 상태에서의 스크류부(110), 너트부(120), 마찰 패드(130) 및 회전 부재(140)가 개략적으로 도시되어 있으며, 도 3에는 스크류부(110)와 너트부(120)의 자유물체도 및 너트부(120)의 등가 자유물체도가 도시되어 있으며, 도 4에는 수직력을 제한하기 위한 본 발명에 따른 일 실시예가 도시되어 있고, 도 5에는 도 4에 따른 실시예에서 토크 제한 자기강화 클러치의 매개변수들의 변화와 작동 상태의 관계가 도시되어 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 너트부(120)에는 회전 부재(140)로부터 반력 Np가 마찰 패드(130)와 회전 부재(140) 사이의 접촉 유효반경 rp에서 인가된다. 너트부(120)의 x-축 방향으로의 운동은 회전 부재(140)에 의하여 제한되므로, x-축 방향의 가속도는 0(영)으로 볼 수 있다. 따라서, 도 3에 도시된 자유물체도를 참고하면, 너트부(120)의 x-축 방향에서의 운동방정식으로부터 스크류부(110)와 너트부(120) 사이의 수직력 Ns는 아래와 같은 식으로 주어진다.
Figure 112020087473487-pat00001
수학식 1에 기초하여, 스크류부(110)가 너트부(120)에 인가하는 토크는 수학식 2와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112020087473487-pat00002
수학식 2에서,
Figure 112020087473487-pat00003
는 미끄러짐 효과를 포함한 마찰계수이다. 즉, 스크류부(110)가 너트부(120)에 인가하는 토크는 스크류부(110)의 고정 반경에 미끄러짐 효과를 포함한 마찰계수 그리고 수직력의 곱으로 나타낼 수 있다.
너트부(120)를 미끄러짐 효과를 가진 마찰계수로 치환하여 등가 자유물체도로 나타내면 도 3의 120a와 같이 표현된다. 너트부의 등가 자유물체도(120a)에서는 수직력은 상쇄되고 마찰 패드(130)에 의한 토크와 스크류부(110)에 의한 토크가 남는다. 양쪽 토크에 의해 너트부(120a)는, 최대정지 마찰력의 원리로, 한쪽은 미끄러짐이 발생하고 다른 한쪽은 미끄러짐이 없는 상태로 토크를 전달하게 된다. 따라서, 너트부(120a)의 미끄러짐 상태를 2가지로 구분할 수 있다. 첫 번째는, 스크류부(110)와 너트부(120) 사이에는 미끄러짐이 발생하고, 마찰 패드(130)와 회전 부재(140) 사이에는 미끄러짐이 발생하지 않는 경우이다. 이 경우에는 회전 부재(140)에 전달되는 토크는 스크류부(110)가 전달하는 토크가 된다. 두 번째는, 스크류부(110)와 너트부(120) 사이에는 미끄러짐이 발생하지 않고, 마찰 패드(130)와 회전 부재(140) 사이에는 미끄러짐이 발생하는 경우이다. 이 경우에는, 회전 부재(140)에 전달되는 토크는 마찰 패드(130)가 전달하는 토크가 된다. 특히, 두 번째 경우에는 스크류부(110)와 너트부(120) 사이의 미끄러짐이 발생하지 않으므로, 수직력이 일정하게 되고, 회전 부재(140)에 전달되는 토크가 일정해 진다.
너트부(120)가 이동하며 마찰 패드(130)가 회전 부재(140)에 접촉하는 단계가 첫 번째 경우이다. 도 4에는 전달되는 토크가 일정해지는 두 번째 경우를 제공하기 위한 일 실시예가 도시되어 있다. 도시된 실시예에서는, 수직력에 의하여 마찰 패드(130)와 회전 부재(140) 사이의 접촉 유효반경 rp가 감소되도록 하기 위하여, 마찰 패드(130)와 회전 부재(140) 사이에 여유간격(d)을 제공한다. 이러한 구성에서, 마찰 패드(130)에 수직력이 인가되면, 마찰 패드(130)가 변형되어 접촉면의 외경 r2는 일정하게 유지되지만 내경 r1이 감소하고 이에 따라 접촉 유효반경 rp가 감소한다. 접촉 유효반경 rp는 여유간격(d)가 0(영)이 될 때까지 감소한다.
도 5에는 위에서 설명한 첫 번째 경우(I)와 두 번째 경우(II)에 매개변수들의 변화가 도시되어 있다. 도 4에 도시된 실시예에 따른 클러치에 의하여 전달되는 토크는, 첫 번째 경우(I)에는 화살표 A를 따라 감소하다가 두 번째 경우(II)에는 화살표 B를 따라 일정하게 유지된다. 이상에서 설명한 내용이 본 발명에 따른 클러치의 토크 제한 자기강화 원리이다.
도 6 내지 도 8에는, 본 발명에 따른 클러치를 하이브리드 자동차에 적용한 경우가 도시되어 있다. 도 6에는 하이브리드 자동차의 동력전달계통이 도시되어 있으며, 도 7에는 도 6에 도시된 하이브리드 자동차에 적용된 본 발명에 따른 클러치의 일 실시예가 도시되어 있고, 도 8은 도 6에 도시된 하이브리드 자동차의 동력전달계통의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 병렬형 하이브리드 동력전달계통은 엔진, 클러치(100a), 모터 및 변속기를 포함하며, 엔진을 위한 스타트 모터를 포함하지 않는다. 하이브리드 자동차에서는 엔진 시동 및 모드 변환이 잦다. 도시된 실시예에서는, 스타트 모터 대신 동력전달계통의 트랙션 모터 혹은 주행 관성을 이용하여 엔진을 시동해 준다. 이를 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 클러치(100a)가 적용된다. 도 7에는 클러치(100a)의 분해도가 도시되어 있다. 클러치(100a)는, 도 1에 도시된 클러치(100)와 비교하여 베어링(30) 대신 원웨이 클러치(710)을 구비하는 점을 제외하고 동일한 기술적 구성을 갖는다. 제1축(10)은 모터와 연결되고, 도시되지 않은 제2축은 엔진과 연결된다.
클러치(100a)의 작동은 크게 토크 역전달 과정(도 6에서 화살표 A 방향으로의 동력전달) 및 토크 정전달 과정(도 6에서 화살표 B 방향으로의 동력전달)로 구분된다.
토크 역전달 과정에서는, 주행 관성 혹은 트랙션 모터와 마찰 패드(130)를 통해 엔진의 시동을 걸어준다. 처음 EV 모드에서는 회전 부재(140)와 마찰 패드(130)는 체결되어 있지 않고, 원웨이 클러치(710)는 공전하며, 변속기와 엔진이 단절되어 있는 상태이다. 차량이 엔진 시동 기준속도에 도달하면 솔레노이드(150)가 스틱을 밀어주어 작은 마찰로 너트를 감속시키고, 마찰 패드(130)와 회전 부재(140)를 체결시킨다. 이 후, 회전 부재(140)와 마찰 패드(130) 사이의 마찰로 인해 너트부(120)가 감속된다. 회전 부재(140)에 토크가 전달되는 상태에서 점화를 가해 엔진 시동이 걸리게 된다. 엔진 시동이 걸리면, 엔진의 속도가 차량 구동계의 속도를 부드럽게 넘겨받는 HEV 모드로 전환된다. 엔진으로부터 변속기로 토크가 전달되며, 이것이 토크 정전달 과정이다. 이후로는 원웨이 클러치(710)가 체결되고, 엔진이 동력전달계통에 토크를 전달하면서 모터가 보조하는 어시스트가 가능하다.
도 8은 하이브리드 자동차 동력전달계통의 각 장치가 연계되어 작동하는 점을 설명하기 위한 도면이다. 가장 위의 그래프에서, 점선은 시간에 따른 엔진 RPM의 변화를 나타내고, 실선은 차량 부하에 따른 변속기 입력축 속도를 나타내는 로드 RPM을 표시한다. 두 번째 및 세 번째 그래프에서 솔레노이드와 엔진 시동 플래그를 각각 나타내었다. 차량의 변속기 입력축이 500RPM에 도달(t1)하면, 솔레노이드를 구동하여 마찰 패드(130)를 회전 부재(140)과 체결시킨다(t2). 그러면 토크 역전달 과정을 통해 엔진의 속도가 점차 증가하게 된다. 엔진 점화 속도에 도달하면 엔진 점화를 가해 시동을 걸어준다(t3). 엔진의 속도가 점차 증가하여 로드 RPM보다 빨라지게 되면, 원웨이 클러치를 통해 엔진이 차량 속도를 넘겨받아 부드러운 속도 체결이 이루어진다(t4). 이 후, 토크 정전달 과정을 통해 HEV 모드에 도달한다.
도 9 내지 도 12에는, 본 발명에 따른 토크 제한 자기강화 클러치의 작동을 확인해 보기 위한 실험에 관련된 사항이 도시되어 있다. 도 9는 실험장치의 사진이며, 도 10에는 도 9에 도시된 실험장치에서 측정된 물리량들이 도시되어 있고, 도 11은 도 9에 도시된 실험장치에서 토크 제한 자기강화 클러치의 자기강화 효과를 분석하기 위한 솔레노이드 카탈로그이며, 도 12에는 너트부의 재질 및 마찰 패드와 회전 부재 사이의 여유간격을 확인하기 위한 수치해석 결과가 도시되어 있다.
실험장치는 로드 모터(910), 엔진을 모사하기 위한 엔진모터(920), 차량 관성을 모사하기 위한 플라이 휠(930), 역전달 과정의 토크를 측정하기 위한 토크 센서(940) 및 실험을 위하여 설계된 토크 제한 자기강화 클러치(100b)를 포함하여 구성된다. 표시되지는 않았지만, 솔레노이드가 OFF 되는 경우 레버의 복귀를 보장하기 위하여 스프링을 구비한다.
도 10에는 속도, 토크 및 솔레노이드 ON/OFF 상태가 시간축에 따라 나타나 있다. 속도 그래프에서 붉은색은 로드 모터의 속도, 푸른색은 엔진 모터의 속도를 나타낸다. 먼저, 솔레노이드가 ON 상태가 된 후, 클러치가 최대 25Nm의 토크를 전달한 후 미끄러짐이 발생한 것을 확인할 수 있다(A). 약간의 진동이 있으나, 예상했던 토크 전달 방식 대로 미끄러짐 발생 후 전달하는 토크가 일정하게 수렴하는 것을 확인할 수 있다. 토크 역전달 과정 후, 엔진 모터는 시동이 걸린 상태라고 가정하고 점차 속도가 증가하게 된다. 로드 모터의 속도 보다 빨라진 엔진 모터는 부드럽게 차량 속도를 넘겨받고 토크 정전달 과정에 진입하는 것을 확인할 수 있다(B). 또한, 엔진 모터에서 토크 정전달 과정을 통해 토크를 전달하기 때문에, 토크 센서에서는 마이너스 토크가 측정되는 것을 확인할 수 있다(C).
카탈로그에 따르면 솔레노이드는 약 75N의 수직력을 내고 있다(도 11에서, 이동 스트로크 8mm, 소요 전력 120W). 힘의 작용점을 고려해 볼 때 마찰 패드의 중앙에 가해지는 수직력은 75N의 절반 정도인 37.5N 정도가 가해질 것으로 추정된다. 스프링의 인장력을 고려하면 솔레노이드에 의해 패드에 가해지는 수직력은 (37.5 - α) N 이다. 그러나 마찰 패드에 실제로 가해지는 수직력은 수직력 = 토크 / (정지마찰계수 * 마찰 패드의 반경 r2) = 25 N·m / (0.55 * 0.082m) = 554 N 이 된다. 수직력에 의하여 변형된 후의 유효반경을 고려하면, 반경이 0.082m보다 더 감소하게 되므로, 실제 마찰 패드에 가해지고 있는 수직력은 (554 + β) N 이 된다. 정리하면, 자기강화 효과는, 수직력 = 실제 가해지는 수직력 - 솔레노이드에 의한 수직력 = (554 + β) - (37.5 - α) = 516.5 N 이상이 됨을 알 수 있다.
도 12의 시뮬레이션 결과, 수직력이 가해짐에 따라, 패드의 가운데 부분이 변형되며 접촉 면적이 증대되는 것을 확인할 수 있었다. 패드의 접촉 외경은 84mm로 그대로이지만, 내경의 경우는 84mm에서 33mm로 감소하게 되면서 마찰 패드의 유효 반경이 약 62mm 정도로 감소하게 되는 것을 확인하실 수 있었다. 너트부의 재질은 알루미늄이 바람직한 것으로 나타났다.
전술한 상세한 설명은 어떤 면에서도 제한적으로 해석되어서는 아니되며 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
10 : 제1축
20 : 제2축
30 : 베어링
100, 100a, 100b : 토크 제한 자기강화 클러치
110 : 스크류부
120 : 너트부
121 : 마찰면
130 : 마찰 패드
131 : 제1 마찰면
140 : 회전 부재
141 : 제2 마찰면
150 : 작동부
151 : 솔레노이드
152 : 레버
910 : 로드 모터
920 : 엔진 모터
930 : 플라이 휠
940 : 토크 센서

Claims (9)

  1. 제1축과 제2축 사이에서 동력 전달을 끊거나 연결시키는 마찰 클러치로서,
    제1축과 연결되는 스크류부;
    상기 스크류부와 맞물리도록 형성된 너트부;
    상기 너트부에 마련되는 제1 마찰면;
    상기 제1 마찰면과 맞물릴 수 있으며, 제2축과 연결되는 제2 마찰면; 및,
    상기 너트부의 회전속도를 감속시키기 위한 작동부
    를 포함하며,
    상기 스크류부 및 상기 너트부는 상기 제1축의 회전속도보다 상기 너트부의 회전속도가 작은 경우 상기 너트부가 상기 제2 마찰면을 향하여 이동하도록 형성되고,
    상기 제1 마찰면과 상기 제2 마찰면 사이의 수직력이 미리 정해진 값에 도달한 후에 일정하게 유지되도록 상기 제1 마찰면 또는 상기 제2 마찰면이 형성되는
    토크 제한 자기강화 클러치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 마찰면과 상기 제2 마찰면이 정지마찰 상태일 경우, 동력이 상기 제1축에서 상기 제2축으로 전달되고,
    상기 제1 마찰면과 상기 제2 마찰면이 운동마찰 상태일 경우, 동력이 상기 제2축에서 상기 제1축으로 전달되는
    것을 특징으로 하는 토크 제한 자기강화 클러치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 마찰면과 상기 제2 마찰면이 정지마찰 상태일 경우, 상기 제1 마찰면 또는 상기 제2 마찰면의 유효반경이 감소되고,
    상기 제1 마찰면과 상기 제2 마찰면이 운동마찰 상태일 경우, 상기 제1 마찰면 또는 상기 제2 마찰면의 유효반경이 일정하게 유지되는
    것을 특징으로 하는 토크 제한 자기강화 클러치.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1축에는 모터가 연결되고, 상기 제2축에는 내연기관 엔진이 연결되는
    것을 특징으로 하는 토크 제한 자기강화 클러치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 내연기관 엔진은 스타트 모터를 구비하지 않는
    것을 특징으로 하는 토크 제한 자기강화 클러치.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1축에는 변속기가 상기 모터와 직렬로 연결되는
    것을 특징으로 하는 토크 제한 자기강화 클러치.
  8. 삭제
  9. 청구항 1 내지 3 및 5 내지 7 중의 어느 한 항에 따른 토크 제한 자기강화 클러치를 포함하는 하이브리드 자동차.
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