KR20080107088A - 고효율 무단변속기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 변속비 폭이 넓고, 연비가 높으며, 내구성이 우수한 고효율 무단변속기에 관한 것이다.

본 발명은 기관에서 발생된 제1동력이 제1입력축을 통하여 입력될 때 출력축의 주행저항에 대응하여 입력되는 제1동력의 변속비를 무단으로 변속하는 벨트 변속부와, 상기 벨트 변속부를 통해 무단 변속된 제1동력을 토크 증대시켜서 얻어지는 제2동력을 후단으로 전달하는 연결기어계와, 상기 제1입력축을 통하여 선기어로 입력되는 제1동력을 변속한 후 상기 연결기어계로부터 제2입력축을 통하여 링기어로 입력된 제2동력을 캐리어로 혼합하여 출력축에 전달하는 유성기어계와, 상기 유성기어계의 세트 요소에 조합되어 변속기의 동작모드를 선택하기 위한 모드선택부로 구성되는 것을 특징으로 한다.

무단변속기, 벨트식, 변속비 폭, 소형화, 내구성, 고효율

Description

고효율 무단변속기{Continuously Variable Transmission Having High Efficiency}

도 1은 종래의 벨트방식 무단변속기를 나타낸 개략 구성도,

도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 고효율 무단변속기의 전체 구성을 나타낸 개략 구성도,

도 3은 도 2에 도시된 제1실시예에 따른 고효율 무단변속기의 동력전달과정을 나타낸 설명도,

도 4는 도 2에 도시된 제1실시예에 따른 고효율 무단변속기의 변속비를 설명하기 위한 설명도,

도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 고효율 무단변속기의 전체 구성을 나타낸 개략 구성도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호설명 *

20 : 토크 컨버터 21 : 입력축

22 : 임펠러 22a : 펌프 하우징

23 : 터어빈 24 : 스테이터

25 : 일방향 클러치 26 : 고정축

27 : 록-업 클러치 30 : 벨트 변속부

31 : 제1입력축 32 : 구동풀리

33 : 피동풀리 34 : 벨트

40 : 연결기어계 41 : 제2입력축

42 : 제1연결기어 43 : 연결피니언기어

44 : 고정축 45 : 제2연결기어

50 : 유성기어계 51 : 선기어

52 : 제1유성피니언기어 53 : 제2유성피니언기어

54 : 링기어 55 : 캐리어

60 : 모드선택부 61 : 전진 클러치

62 : 후진 브레이크 63 : 록-업 클러치

71 : 출력축

본 발명은 고효율 무단변속기에 관한 것으로서, 더욱 상세히는 변속비 폭이 넓고, 연비가 높으며, 내구성이 우수한 고효율 무단변속기에 관한 것이다.

일반적으로 자동차의 구동력은 차량의 무게나 도로의 상황 및 주행속도 등에 따라 크게 변화하므로 이에 대응하고자 자동차에는 엔진의 구동력을 상황에 맞추어 적절하게 변화시키는 변속장치를 설치하여 사용하여 왔다.

이와 같은 자동차의 변속장치는 엔진과 구동축 사이에 설치되어 엔진의 구동 력을 구동륜에 전달하는 기능을 갖는 것으로 운전자의 의지대로 직접 변속단을 선택하는 수동 변속장치와, 자동차의 주행조건에 따라 자동적으로 변속이 이루어지는 자동변속장치와, 각 변속단 사이에 특정한 변속 영역이 없이 무단으로 연속적인 변속이 이루어지는 무단 변속장치로 나누어진다.

이러한 변속장치 중 수동 변속장치는 운전자의 조작력을 받기 위한 변속레버가 설치되고 상기 변속레버는 변속 기어박스 내에 설치되는 다수의 쉬프트 레일을 조작하여 쉬프트 포크에 연결된 슬리브를 통해 다수의 기어를 작동시킴으로써 변속을 이루는 것으로 변속 중에는 클러치를 밟아 엔진으로부터 전해지는 동력을 차단시켜야 한다.

상기와 같은 수동변속장치는 구조가 간단하고 내구성이 뛰어나며 변속효율이 높은 장점이 있으나, 운전 중 차속에 따라 계속적으로 변화하는 변속단을 운전자가 직접 조작해야 하며 소음/진동이 크다는 문제가 있다. 따라서, 운전에 익숙하지 못한 운전자의 경우에는 변속조작에 미숙하여 각종 사고를 유발시키는 가장 큰 문제점이 있었으며 숙련된 운전자라고 하여도 장시간 운전시에는 피로감을 빨리 느끼게 되었다.

한편 자동 변속장치는 유성기어장치를 제어하는 다판 클러치와 밴드 브레이크로 유성기어장치를 이루는 선기어, 캐리어 및 링기어 중 한 요소를 고정시키면, 동력의 입력요소와 출력요소 간에 일정한 기어비를 얻을 수 있고, 또 이들 가운데 두 요소를 서로간에 고정시키면 일체가 되어 회전하며, 어느 것도 고정시키지 않으면 동력이 전달되지 않는 중립상태로 설정된다.

따라서, 자동 변속장치는 수동식 클러치 조작기구가 생략되어 가속 페달과 브레이크 페달만으로 기어의 이탈 없이 자동 변속을 할 수는 있으나, 다판 클러치와 밴드 브레이크로 유성기어장치를 고정 제어하기 위한 유압 및 전자 제어 구조가 매우 복잡하여 내구성이 떨어지고, 특히 제조비용이 높으며 변속 효율이 낮은 문제점이 있었다. 또한 자동 변속장치는 속도가 업시프트 또는 다운 시프트될 때 각 변속단별 변속비의 차이에 따라 변속 충격이 존재한다.

더욱이, 종래의 수동 및 자동 변속장치는 일정한 기어비로 고정되어 작동하므로 최적의 출력과 연비를 사용하기 어려운 단점이 있어 변속기를 다단화하고 있으나, 기기의 중량과 원가가 증대되어 한계가 있다.

또한 일반적으로 무단 변속장치는 자동변속장치의 단점인 변속충격을 제거함과 동시에 원가절감과 연비의 개선을 주된 목적으로 개발된 것이다.

종래의 무단 변속장치는 유압을 이용하는 자동 변속장치의 단점을 보안하여 연비 및 동력 전달 성능, 그리고 중량면에서 큰 장점을 가지며, 이러한 무단 변속장치는 입력축과 출력축에 장착되는 풀리의 직경 변위를 이용하는 벨트식 무단 변속 방식이 주로 사용되고 있으나, 저속 및 고속에서 연비가 나쁘고 이에 따른 배출가스 발생량도 높고, 동력전달용 벨트의 사용에 따른 내구성 저하, 소음/진동 발생 및 슬립현상의 문제점이 있었다.

또한, 종래의 벨트식 무단변속기는 도 1에 도시된 바와 같이, 토크 컨버터(1)와, 유성기어계(2)와, 벨트 변속부(3)와, 연결기어(4)와, 차동장치(5)를 포함하고 있다.

이 경우, 유성기어계(2)는 링기어(11)에 후진브레이크(6)를 연결하고, 입력축(10)에 연결된 캐리어(13)와 출력축(17)에 연결된 선기어(12)를 전진클러치(7)에 의해 결합된 구조를 가지고 있다. 따라서, 상기 유성기어계(2)는 변속이 이루어질 수 없고 단지 전진 및 후진 모드로 변경하는 역할만을 하고 있다.

따라서, 도 1에 도시된 종래의 무단변속기는 벨트(16)에 의해 구동풀리(14)와 피동풀리(15)가 연결되어 있는 벨트 변속부(3)의 변속비로만 전체 변속 영역을 감당하기 때문에 벨트 변속부(3)의 크기의 한계에 따라 변속비의 범위도 한계가 정해진다.

즉, 상기한 종래의 벨트 변속부(3)는 상기와 같은 이유로 변속비의 범위가 한계가 있고 변속을 위해서는 풀리(14,15)의 많은 이동거리를 필요로 하여 쉽게 파손되거나 마모되는 단점을 가지고 있었으며, 또한, 변속 범위의 한계로 인하여 차동장치(5)에 많은 감속비를 형성시켜야 하므로 효율이 나빠질 수 밖에 없었다.

한편, 한국공개특허공보 제1999-24503호에는 이러한 문제를 해결하고자 입력축과, 출력축과, 출력축상에 회전가능하게 설치된 제1풀리축, 제1풀리축 상의 제1풀리, 제2풀리축 상에 설치된 제2풀리 및 변속조정벨트를 가진 변속조정부와, 제2풀리축과 일체로 형성된 제1연결자, 출력축과 일체로 형성된 제2연결자 및 제3연결자를 가진 연결부, 및 입력축과 변속조정부 사이에 설치된 기어세트 형태의 기어부를 포함하고, 기어부의 각 구성요소를 입력축, 출력축 및 제1풀리축에 각각 작동적으로 연결하는 것을 특징으로 하는 변속비 폭이 넓은 무단변속장치를 제안하고 있다.

또한, 상기 무단변속장치는 변속폭이 넓으면서도 저단 및 고단에서의 효율이 높기 때문에, 높은 토오크하에서의 변속효율 저하가 없어 대형승용차 및 높은 토오크를 이용하는 구동체에 적용이 가능하다.

그러나, 상기 무단변속장치는 고속주행을 위하여 록-업 상태에 돌입하게 되는 경우 변속조정부를 분리시키기 위한 클러치 기구를 구비하고 있지 않아 록-업 상태에서도 변속조정부에 동력이 전달되게 되어 벨트의 스핀현상이 발생하게 되며, 이는 효율저하를 야기하게 된다.

또한, 상기 무단변속장치는 주행모드 선택을 위한 전/후진부를 입력축에 별도 구비해야 하므로 구조가 복잡하고 크기가 증가하게 되며, 제조비용 증가의 요인이 되고 있다.

한편 공개특허공보 제2006-9190호에도 변속 범위가 확장된 무단변속장치가 제안되어 있으나, 전체적으로 구조가 복잡하고 동작모드의 선택을 위하여 별도의 방향전환장치를 채용하고 있어 구조가 복잡하고 크기가 증가하게 되며, 제조비용 증가의 요인이 되고 있다.

따라서 본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 변속비 폭이 넓고, 연비가 높으며, 내구성이 우수한 고효율 무단변속기를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 동작모드 선택을 위하여 동력 전달축에 별도의 구성을 채용하지 않고 유성기어계에 모드선택에 필요한 요소들이 결합되어 있기 때문에 구조가 간단하고 저렴하게 구성할 수 있는 무단변속기를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 높은 효율로 인해 배기가스 감소의 효과가 커서 환경문제 개선에 있어서도 좋은 효과를 얻을 수 있는 무단변속기를 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 기관에서 발생된 제1동력이 제1입력축을 통하여 입력될 때 출력축의 주행저항에 대응하여 입력되는 제1동력의 변속비를 무단으로 변속하는 벨트 변속부와, 상기 벨트 변속부를 통해 무단 변속된 제1동력을 토크 증대시켜서 얻어지는 제2동력을 후단으로 전달하는 연결기어계와, 상기 제1입력축을 통하여 선기어로 입력되는 제1동력을 변속한 후 상기 연결기어계로부터 제2입력축을 통하여 링기어로 입력된 제2동력을 캐리어로 혼합하여 출력축에 전달하는 유성기어계와, 상기 유성기어계의 세트 요소에 조합되어 변속기의 동작모드를 선택하기 위한 모드선택부로 구성되는 것을 특징으로 하는 무단변속기를 제공한다.

상기 유성기어계는 상기 제1입력축과 일체로 연결되는 선기어와, 상기 선기어와 치합되어 회전을 전달 받는 제1유성피니언기어와, 상기 제1유성피니언기어와 치합되어 있는 제2유성피니언기어와, 상기 제2유성피니언기어와 치합되어 있는 링기어와, 상기 제1 및 제2 유성피니언기어를 지지하고 있으며, 출력축과 일체로 연결되어 있는 캐리어로 구성되며,

상기 모드선택부는 전진주행모드로 설정하기 위하여 상기 제2연결기어와 링 기어를 선택적으로 결합시키기 위한 전진 클러치와, 후진주행모드로 설정하기 위하여 상기 링기어를 선택적으로 정지시키기 위한 후진 브레이크와, 고속에서의 효율 향상을 위하여 링기어와 캐리어를 선택적으로 일체로 결합시키기 위한 록-업 클러치로 구성된다.

상기 전진주행모드는 전진 클러치를 결합시키고 후진 브레이크와 록-업 클러치는 분리시킴에 의해 설정되고, 오버 드라이브 모드는 후진 브레이크는 분리시키고 록-업 클러치가 결합되어 있는 상태에서 록-업 클러치를 해제하고 전진 클러치를 결합시킴에 의해 설정되며, 상기 후진주행모드는 록-업 클러치를 분리시킨 상태에서 전진 클러치와 후진 브레이크를 결합시킴에 의해 설정된다.

또한, 상기 벨트 변속부는 상기 제1입력축에 축이 일체로 연결되어 차량의 주행 상태에 따라 가변되는 구동풀리와, 상기 구동풀리의 동력을 전달 받는 피동풀리와, 상기 구동풀리와 피동풀리를 연결하는 벨트로 구성되고, 상기 구동풀리와 피동풀리의 홈 폭이 좁아져서 벨트가 걸치게 되는 유효반경의 변화에 따라 변속비가 결정되며,

상기 연결기어계는 피동풀리의 축과 일체로 연결된 제1연결기어와, 고정축에 지지되어 상기 제1연결기어와 치합되어 있는 연결피니언기어와, 상기 연결피니언기어와 치합되었으며 유성기어계의 링기어로 동력을 전달하는 제2연결기어로 구성되며, 미리 설정된 감속비로 감속된 출력을 제2동력으로 발생하여 제2입력축을 통하여 링기어에 전달한다.

이 경우, 상기 제2입력축의 내부에는 동축적으로 제1입력축이 회전 가능하게 설치되어 구동풀리와 선기어를 연결한다.

또한, 본 발명은 상기 기관에서 발생된 제1동력을 입력축을 통하여 전달 받아서 토크 변환된 동력을 제1입력축으로 전달하는 토오크 컨버터를 더 포함할 수 있다.

상기 토크 컨버터는 입력축과 제1입력축 사이에 고속 회전시에 펌프 하우징과 제1입력축을 일체화시키기 위한 록-업 클러치를 더 포함하는 것이 바람직하다.

(실시예)

이하에 상기한 본 발명을 바람직한 실시예가 도시된 첨부도면을 참고하여 더욱 상세하게 설명한다.

첨부된 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 무단변속기의 전체 구성을 나타낸 개략 구성도, 도 3은 도 2에 도시된 제1실시예의 무단변속기에 대한 동력전달과정을 나타낸 설명도이다.

본 발명의 제1실시예에 따른 무단변속기는 도 2에 도시된 바와 같이, 기관에서 발생된 제1동력을 입력축(21)을 통하여 전달 받아서 제1입력축(31)으로 동력을 전달하는 토오크 컨버터(torque converter)(20)와, 상기 출력축(71)의 주행저항에 대응하여 입력되는 제1동력의 변속비를 무단으로 자동 조절하는 벨트 변속부(30)와, 상기 벨트변속부(30)를 통해 무단 변속된 제1동력을 토크 증대시켜서 얻어지는 제2동력을 후단으로 전달하는 연결기어계(40)와, 상기 제1입력축(31)을 통하여 입력되는 제1동력을 변속한 후 상기 연결기어계(40)로부터 제2입력축(41)을 통하여 링기어(54)로 입력된 제2동력을 캐리어(55)로 혼합하여 출력축(71)에 전달하는 유 성기어계(50)와, 상기 유성기어계(50)의 세트 요소에 조합되어 변속기의 동작모드를 선택하기 위한 모드선택부(60)로 구성되어 있다.

상기 토오크 컨버터(20)는 일반적인 자동변속기와 무단변속기에서 사용되고 있는 것과 동일한 것으로서, 입력축(21)으로부터 펌프하우징(22a)을 통하여 기관의 동력이 입력되는 임펠러(22)와, 상기 임펠러(22)와 마주 대향 설치되어 있는 터어빈(23)과, 상기 임펠러(22)와 터어빈(23) 사이에서 토오크 증배를 위해 중공의 고정축(26)에 설치된 스테이터(24)와, 연비 향상을 위해 일단 동력이 전달되고 나면 임펠러(22)와 터어빈(23)의 회전을 일체로 만들어 주는 록-업 클러치(27)로 구성되어 있다. 즉, 상기 펌프 하우징(22a), 즉 입력축(21)과 제1입력축(31) 사이에는 고속 회전시에 펌프 하우징(22a)과 제1입력축(31)을 일체화시켜서 효율성을 높이기 위한 록-업 클러치(27)가 설치되어 있다.

상기 스테이터(25)와 고정축(26)과 사이에는 스테이터(25)의 역회전을 방지하고 일방향으로 회전할 수 있도록 일방향 클러치(25)가 설치되어 있다.

상기 터어빈(23)과 록-업 클러치(27)는 제1입력축(31)에 스플라인 결합에 의해 일체로 형성되고, 제1입력축(31)의 타단은 벨트 변속부(30)의 구동풀리(32)에 연결되며, 상기 중공으로 된 고정축(26)은 동축적으로 제1입력축(31)에 삽입 설치되어 하우징에 고정된다.

또한, 상기 벨트 변속부(30)는 제1입력축(31)에 축이 일체로 연결되어 차량의 주행 상태에 따라 가변되는 구동풀리(32)와, 상기 구동풀리(32)의 동력을 전달 받는 피동풀리(33)와, 상기 구동풀리(32)와 피동풀리(33)를 연결하는 벨트(34)로 구성되어 있다. 상기 벨트 변속부(30)는 출력축(71)의 주행저항에 대응하여 자동으로 변속비를 무단으로 조절하는 장치로서, 주지된 구조를 이용하는 것이므로 이에 대한 상세한 구성과 동작 설명은 생략한다.

일반적으로 무단변속기의 벨트 변속부(30)는 입력측과 출력측, 즉 구동풀리(32) 및 피동풀리(33)(Pulley) 모두 한 쪽이 축방향으로 이동할 수 있게 되어 있어서 풀리의 홈 폭을 변경함으로써 연속적인 변속비를 얻을 수 있다.

구동풀리(32)를 이동시키는 유압시스템에 작용하는 유압을 높이면 풀리의 홈 폭이 좁아져서 벨트(34)가 걸치게 되는 유효반경이 커지고, 이때 피동풀리(33)의 반경은 반대로 작아지기 때문에 구동풀리(32)와 피동풀리(33) 사이의 속도 차이는 커지게 된다. 구동풀리(32)와 피동풀리(33)의 유효반경비가 곧 속도비, 즉 변속비가 되며, 구동풀리(32)를 이동시키는 유압계에 걸리는 유압을 변동함으로써 속도비를 변경할 수 있다.

피동풀리(33)에는 전달 토오크 등의 기본 특성에 맞춰 설정되어 있는 유압을 작용시킴으로써 벨트(34)를 누르는 힘을 결정하며, 이처럼 연속적인 속도비로 동력을 전달하기 위하여 벨트 변속부(30)는 서로 다르게 변동하는 반경비를 가지는 구동풀리(32)와 피동풀리(33)를 사용한다. 이와 같이 벨트 변속부(30)는 구동 및 피동 풀리(32,33)와 벨트(34) 사이의 마찰을 통하여 동력이 전달된다.

또한, 상기 벨트 변속부(30)의 출력을 감속시켜서 후단에 전달하는 연결기어계(40)는 우선 피동풀리(33)의 축과 일체로 연결된 제1연결기어(42)와, 고정축(44)에 지지되어 상기 제1연결기어(42)와 치합되어 있는 연결피니언기어(43)와, 상기 연결피니언기어(43)와 치합되었으며 유성기어계(50)의 링기어(54)로 동력을 전달하는 제2연결기어(45)로 구성되어 있다.

한편, 유성기어계(50)는 제1입력축(31)과 일체로 연결되는 입력선기어(51)와, 상기 입력선기어(51)와 치합되어 회전을 전달 받는 제1유성피니언기어(52)와, 상기 제1유성피니언기어(52)와 치합되어 있는 제2유성피니언기어(53)와, 상기 제2유성피니언기어(53)와 치합되어 있는 링기어(54)와, 상기 제1 및 제2 유성피니언기어(52,53)를 지지하고 있으며, 출력축(71)과 일체로 연결되어 있는 캐리어(55)로 구성되어 있다.

상기 제2연결기어(45)의 출력은 제2입력축(41)의 일단에 연결되고, 제2입력축의 타단은 전진클러치(61)를 통하여 유성기어계(50)의 링기어(54)에 연결되어 있으며, 상기 제2입력축(41)의 내부에는 동축적으로 제1입력축(31)이 회전 가능하게 설치되어 구동풀리(32)와 입력선기어(51)를 연결하고 있다.

본 발명에서는 각 작동상태별로 회전비와 변속단을 설정하기 위한 모드선택수단(60)을 별도로 구비하지 않고 유성기어계(50)의 3요소들에 대한 동력전달을 선택적으로 단속/접속함에 의해 구현하였다.

즉, 모드선택부(60)는 우선 전진상태를 위하여 제2연결기어(45)와 유성기어계(50)의 링기어(54) 사이에 설치된 전진클러치(61)와, 유성기어계(50)의 링기어(54)의 정지상태를 이루기 위하여 설치된 후진브레이크(62)와, 고속에서의 효율을 좋게 하기 위하여 링기어(54)와 출력캐리어(55)를 일체로 하기 위한 록-업 클러치(63)로 구성되어 있다.

상기한 본 발명의 제1실시예에 따른 고효율 무단변속기는 도 2에서 볼 수 있듯이 시스템의 구조는 일반적인 벨트 방식의 무단변속기(CVT)와 유사한 구조를 가지고 있다. 그러나, 본 발명에서는 토크 컨버터(20)를 엔진으로부터 출력되는 동력을 벨트 변속부(30) 및 유성기어계(50)로 전달하기 위한 동력전달의 매체로 적용하였으며, 토크 컨버터(20)를 통해 전달된 엔진의 동력은 후술하는 바와 같이 무단변속을 위한 벨트 변속부(30)와 유성기어계(50)의 입력선기어(51)로 각각 공급되어 변속이 이루어진 후 유성기어계(50)에서 결합되어 출력축(71)으로부터 무단변속기의 변속출력을 얻는 듀얼 변속방식을 채용하고 있다.

이러한 무단변속기의 변속원리는 기관의 동력을 전달받는 토크 컨버터(20)와 유성기어계(50)의 세트 요소 중 하나를 출력축(71)의 부하상태에 대응할 수 있는 변속비로 자동 조정하는 것이며, 이 변속비로 중립상태에서 오버 드라이브(Over Drive: O/D) 회전비까지 무단으로 동력을 변속하여 출력축(71)에 전달하게 된다.

이 경우 본 발명의 무단변속기에서 유성기어계(50)는 제1 및 제2 유성피니언기어(52,53)에 무관하게 입력선기어(51)와 링기어(54)의 기어 잇수비에 따라 정하여지는 변속비에 따라 입력선기어(51)에 인가되는 기관에서 발생된 제1동력을 변속하여 출력축(71)에 전달하며, 상기 벨트 변속부(30)는 출력축(71)에 걸리는 부하에 따라 구동풀리(32)와 피동풀리(33) 사이의 변속비가 무단으로 자동 조정되어 변속된 출력을 발생하며, 상기 연결기어계(40)는 벨트 변속부(30)를 통해 무단 변속된 출력을 추가로 미리 설정된 비율로 감속시킴에 의해 토크를 증대시켜서 유성기어계(50)로 전달하는 역할을 한다.

1. 작동원리

본 발명의 제1실시예에 따른 고효율 무단변속기의 작동원리를 간단히 살펴보면, 우선 엔진에서 나오는 제1동력은 도 3과 같이 두 갈래로 나누어져 하나는 제1입력축(31)을 통하여 유성기어계(50)의 선기어(51)로, 다른 하나는 벨트 변속부(30)로 전달되게 된다.

그후, 벨트 변속부(30)에 인가된 제1동력은 출력축(71)에 걸리는 부하에 따라 자동 조정되어 변속된 제2동력으로 유성기어계(50)의 링기어(54)로 전달되고 유성기어계(50)의 선기어(51)로 입력된 제1동력과 다시 합하여져서, 유성기어계(50)의 캐리어(55)를 통해 출력을 이루게 된다. 이때 벨트 변속부(30)는 출력측의 부하에 맞게 자동 변속이 이루어지고, 이어서 연결기어계(40)를 통하여 토크 증대가 이루어지는 방식으로, 유성기어계(50)와 함께 상호 변속비 조정 역할을 한다.

동력의 흐름을 보면, 엔진에서 들어오는 제1동력은 벨트 변속부(30)와 유성기어계(50)의 선기어(51)로 나누어진다. 벨트 변속부(30)를 통해 변속된 동력은 연결기어계(40)를 통해 토오크가 증대되어 제2동력이 유성기어계(50)의 링기어(54)로 전달되고 이는 입력선기어(51)를 통해 입력된 제1동력과 합쳐져서 출력을 결정짓게 된다.

또한, 벨트 변속부(30)와 연결기어계(40)를 통해 유성기어계(50)의 링기어(54)로 들어온 제2동력 중 대부분의 동력은 캐리어(55)를 통해 출력측에 전달되고, 나머지 일부는 유성기어계(50)의 제1 및 제2 유성피니언기어(52,53)를 거쳐 선기어(51)를 통해 제1입력축(31)으로 피드백(feedback)되며, 이 피드백되는 일부 동 력은 엔진에서 나오는 제1동력과 혼합되어 벨트 변속부(30)로 들어가게 된다. 즉, 동력전달계 내에 파워순환(Power Circulation)이 이루어지는 것이다.

2. 작동모드별 동작설명

이하에 상기한 본 발명의 제1실시예에 따른 무단변속기를 각 작동모드별 동력전달과정을 상세히 알아보기로 한다.

중립, 전진주행(즉, 주행모드1), 고속주행(즉, 주행모드2) 그리고 후진주행 모드에 따라 동력전달과정을 살펴보기로 한다. 그에 앞서 작동모드별 구성요소인 전진 클러치(61), 록-업 클러치(63) 및 후진 브레이크(62)의 설정 상태를 하기 표 1에 나타내었다.

작동모드	전진클러치	후진브레이크	록-업 클러치
중립모드(N)	분리	분리	분리
전진주행모드1(D1) (저속-중속)	결합	분리	분리
전진주행모드2(D2) (고속-O/D)	분리 후 결합	분리	결합 후 분리
후진주행모드(R)	분리	분리	분리

(1) 중립모드(N)

중립모드(N)는 전진 클러치(61), 록-업 클러치(63) 및 후진 브레이크(62) 모두 분리 상태에 있으며, 출력축(71)이 정지된 상태이다.

이러한 중립모드(N)는 입력되는 제1동력이 출력축(71)을 회전시키지 못하고 유성기어계(50)의 각 기어들이 공회전 하는 상태이다. 즉, 엔진으로부터 전달된 제1동력은 유성기어계(50)와 연결되어 있는 브레이크(62)와 클러치(61,63)가 모두 해제되어 있는 상태이므로 유성기어계(50)의 캐리어(55)에 연결되어 있는 출력축(71)에 걸려 있는 부하에 의해 유성기어 내에서 출력을 일으킬 수 있는 회전력을 발생시키지 못하는 상태가 되어 유성기어 내에서 동력이 소멸되어 중립상태를 이루게 된다.

(2) 전진주행모드1(D1)(저속에서 중/고속까지의 상태)

전진주행모드1(D1)은 후진 브레이크(62)와 록-업 클러치(63)가 작동해제 되고 전진 클러치(61)만 작동되는 상태이다.

전진주행모드1(D1)에서는 중립모드(N)에서 정지하고 있던 출력축(71)의 회전이 점차 증가하여 제1입력축(31)과 1 : 약 0.8 ~ 0.9정도의 회전비에 도달될 때까지로서, 엔진의 낮은 회전속도에서 속도를 점차 증가시키면 토크 컨버터(20)의 임펠러(22)의 회전속도가 증가하게 되고, 따라서 방출되는 유체의 힘이 증가되면서 터빈(23)의 회전 또한 증가하게 된다.

이렇게 토크 컨버터(20)를 통해 토크가 증가된 제1동력은 제1입력축(31)을 통해 벨트 변속부(30)의 구동풀리(32)의 축에 인가됨에 따라 제1동력의 일부는 구동 벨트(34)를 통하여 피동풀리(33)로 전달되고, 제1동력의 나머지 동력은 구동풀리(32)의 축과 직렬된 유성기어계(50)의 선기어(51)로 각각 전달된다.

이 경우, 유성기어계(50)의 캐리어(55)와 연결되어 있는 출력축(71)의 부하에 의해 캐리어(55)는 정지 상태에 있게 된다. 엔진의 회전을 점차 증가시키게 되면 입력축(21)에 연결된 터빈(23)의 회전도 증가되면서 벨트 변속부(30)의 구동 벨트(34)와 유성기어계(50)의 선기어(51)도 보다 큰 회전력으로 회전하게 된다.

그러나, 유성기어계(50)의 선기어(51)는 출력축(71)에 연결된 캐리어(55)에 걸려있는 부하를 이기지 못하고 결국 벨트 변속부(30)의 구동풀리(32)로 동력이 피드백되어 돌아오게 되는데, 이렇게 피드백된 동력은 구동풀리(32)를 통해 피동풀리(33)를 회전시키게 된다. 구동풀리(32)를 통해 전달된 피동풀리(33)는 초기에 큰 토오크를 내기 위해 일차 감속된 회전으로 동력을 전달받게 되고, 그렇게 감속된 회전력은 벨트 변속부(30)와 연결된 제1연결기어(42)에 전달되고 연결피니언기어(43)를 거쳐 제2연결기어(45)에 전달되게 된다.

상기 제2연결기어(45)에 전달된 제2동력은 감속된 회전력으로 큰 토오크 증대를 일으키면서 전진 클러치(61)가 작동 중이므로 전진 클러치(61)를 통해 유성기어계(50)의 링기어(54)에 전달되게 된다. 유성기어계(50)에 전달된 동력은 입력선기어(51)를 통해 전달된 엔진의 제1동력과 합쳐지게 되어 출력축(71)에 걸려 있는 부하를 이기고 캐리어(55)를 회전시키게 된다.

이 과정을 다시 한 번 살펴보면, 처음 제1입력축(31)을 통해 유성기어계(50)의 입력선기어(51)로 전달된 회전력은 유성기어계(50) 내에서 캐리어(55)와 연결된 출력축(71)을 회전시키기 위한 토오크의 증배 작용을 하는 부분이 없는 상태에서 캐리어(55)를 회전시키지 못하고 링기어(54)를 통해 그 회전이 소멸되어 지게 된다.

그러나, 유성기어계(50)와 동시에 전달되는 제1입력축(31)의 회전은 처음 저속시에는 구동풀리(32)를 통해 피동풀리(33)를 감속하여 회전시키게 되고 피동풀리(33)와 일체로 연결된 제1연결기어(42) 또한 연결피니언기어(43)를 통해 다시 한 번 감속된 회전으로 제2연결기어(45)에 전달되며, 그렇게 2차에 걸쳐 감속된 회전력은 큰 토오크 증배 효과가 있으므로 전진 클러치(61)를 통해 연결된 링기어(54)를 회전시킬 수 있는 회전력(POWER)이 발생하게 된다.

링기어(54)가 회전하게 되면 유성기어계(50)의 입력선기어(51)를 통해 입력된 회전력과 함께 출력축(71)과 일체로 연결된 캐리어(55)에 걸려있는 부하와 평형을 이루면서 캐리어(55)를 회전시키게 된다. 이때가 초기 출발상태이다.

예를 들어, 저속 출발시에 벨트 변속부(30)에서 구동풀리(32)의 벨트(34)가 접촉하는 직경과 이 때 피동풀리(33)의 벨트(34)가 접촉하는 직경의 비가 1 : 2로 설정되고, 제1연결기어(42)와 제2연결기어(45)의 잇수비가 1 : 2로 설정되며, 유성기어계(50)에서 선기어(51)와 링기어(54)의 잇수비가 1 : 5로 설정된 것으로 가정하여 설명한다.

초기 출발시 벨트(34)와 접촉하는 구동풀리(32)의 반경은 작은 것에서 피동풀리(33)의 위치는 반경이 큰 상태이므로 대략 구동풀리(32)의 회전보다 피동풀리(33)는 1/2가량 감속된 회전으로 회전하게 되고, 제1 및 제2 연결기어(42,45)를 통해 또 다시 1/2로 감속시키게 되면 결국 링기어(54)에 전달된 회전은 구동풀리(32)의 회전보다 1/4가량 감속된 회전으로 회전하게 된다. 유성기어계(50)의 회전을 살펴보면 캐리어(55)가 정지상태시 링기어(54)는 입력선기어(51)와 같은 방향으로 기어 잇수비에 따라 조금은 달라지나 선기어(51)와 링기어(54)의 잇수비의 설정에 의해 충분히 감속된 만큼의 회전비를 얻을 수 있게 된다. 도 4에 도시된 그래프는 선기어(51)와 링기어(54)의 잇수비가 1 : 5로 설정된 경우의 예를 나타낸 것이다.

이렇게 입력된 제1동력의 회전이 감속을 통해 큰 회전력을 얻게 되어 초기 구동력을 얻게 되고 그렇게 하여 출발하게 되면 출력축(71)에 걸려 있는 부하는 줄어들게 되므로 그때 구동풀리(32)와 피동풀리(33)의 회전비율을 점차 빠른 속도로 회전시키게 되면서 감속은 줄어들고 회전수는 증가시키게 되어 출력축(71)의 속도도 점점 증가하게 된다.

이와 같이 캐리어(55)가 회전하게 되면 출력축(71)의 부하가 감소하게 되고 감소된 부하에 의해 유성기어계(50)의 회전속도 또한 상승하게 된다. 그러면 구동풀리(32)와 피동풀리(33)의 기어비를 조정하면서 점차 회전속도를 증가시킬 수 있게 되어 결국 입력 회전의 1 : 0.8~0.9정도의 속도 비율까지 출력축(71)의 회전을 증가시키게 된다. 이러한 상태를 전진모드1(D1)이라고 한다.

(3) 전진주행모드2(D2)(고속주행)

전진주행모드2(D2)는 전진 클러치(51)와 록-업 클러치(63) 중 하나를 선택적으로 작동시킨 후 일정속도 후에 록-업 클러치(63)를 해제하게 되는 상태이다.

즉, 전진 클러치(61)가 연결된 전진주행모드1(D1)로 인해 입력된 회전력이 중속이상의 상태에 이르게 되면, 즉 입력 회전의 1 : 0.8~0.9정도의 속도 비율까지 출력축(71)의 회전이 증가한 경우, 우선 전진 클러치(61)의 작동을 해제하고 록-업 클러치(63)를 작동시키게 된다. 그리하면 유성기어계(50)의 선기어(51)를 통해 입력된 동력이 록-업 클러치(63)를 통해 유성기어계(50)의 링기어(51)와 록(lock)이 되게 된다. 이와 같이 유성기어계(50)의 두 요소를 록(고정)시키게 되면 유성기어계(50)는 일체로 연결되어 입력된 회전비와 같은 1:1의 회전비로 회전하게 된다(도 4 참조).

입력된 회전과 동일한 회전으로 회전하면서 점차 속도가 증가하게 되면 엔진의 회전보다 더 빠르게 출력축(71)을 회전시킬 필요가 있게 되는데 이를 오버 드라이브(O/D)라 한다. O/D상태일 때는 다시 록-업 클러치(63)를 해제하고 다시 전진 클러치(61)만 작동시키게 된다. 엔진으로부터 입력된 제1동력을 벨트 변속부(30)를 통해 구동풀리(32)에서 피동풀리(33)에 전달할 때 구동풀리(32) 보다 2배 이상 증가된 회전으로 피동풀리(33)를 회전시키게 되면 연결기어계(30)를 통해 증가된 회전이 전진 클러치(61)의 연결로 인하여 유성기어계(50)의 링기어(54)를 입력선기어(51)의 회전보다 더 고속으로 회전시키게 된다.

즉, 제1입력축(31)을 통해 입력선기어(51)에 전달된 회전보다 증가된 회전으로 링기어(54)를 회전시키게 되면 유성기어계(50)의 캐리어(55) 회전 또한 입력선기어(51)의 회전보다 증가되어 회전하게 된다. 이를 O/D라 한다(도 4 참조).

(4) 후진주행모드(R)

후진주행모드(R)는 전진 클러치(61)와 록-업 클러치(63)를 작동 해제하고 유성기어계(50)의 링기어(54)에 연결 설치되어 있는 후진 브레이크(62)를 작동시켜서 링기어(54)를 고정시키게 된다.

엔진으로부터 입력된 회전은 유성기어계(50)의 입력선기어(51)에 전달되고 이때 유성기어계(50)의 캐리어(55)에 조립되어 있는 제1 및 제2 유성피니언기어(52,53)에 의해 링기어(54)에 전달되는 데 링기어(54)가 후진 브레이크(62)의 작동에 의해 정지되어 있으므로 회전하지 못하는 상태가 되어 결국 입력선기어(51)의 회전이 제1 및 제2 유성피니언기어(52,53)를 통해 캐리어(55)를 입력의 반대 방향으로 회전시키게 되는 것이다. 이를 후진주행모드라 한다(도 4 참조).

도 4에는 유성기어계(50)의 선기어(51)에 입력되는 제1동력의 기준값을 100으로 설정한 경우 링기어(54)의 입력과 출력캐리어(55)에서 얻어지는 변속비 값을 나타낸 변속비 그래프이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 무단변속기는 캐리어(55)가 정지 상태(즉, 캐리어 출력이 제로(0))일 때 링기어(54)에는 선기어(51)와 링기어(54)의 잇수비가 1 : 5로 설정되어 있으므로 벨트 변속부(30)와 연결기어계(40)를 통과한 제2동력으로부터 100(기준값)×1/5 =20의 값이 인가된다.

또한, 저속출발상태는 구동풀리(32)와 피동풀리(33)의 회전비(1:2)와 제1 및 제2 연결기어(42,45)의 기어비(1:2)에 따라 링기어(54)에는 100(기준값)×1/4 =25의 값이 설정된다. 이 경우 출력캐리어(55)에는 6.25의 높은 감속값이 인가되면서 저속출발이 이루어진다.

그후, 입력대 출력의 회전비가 0.8~0.9에 이르면 변속비 차이, 즉 입력과 출력 차이가 크지 않으므로, 즉 변속 쇼크가 크지 않으므로 록-업 클러치(63)를 작동시켜 록-업 상태로 돌입하게 된다.

또한, 링기어(51)와 캐리어(55)가 록-업(lock-up)이 되어 회전비가 1:1로 설정된 후, 상기한 오버 드라이브(O/D) 모드로 돌입하게 된다.

따라서, 본 발명에서는 도 4와 같이 출력 캐리어(55)로부터 얻어지는 출력은 0.0625 내지 1.1563 범위의 변속비를 가지므로 변속비 폭은 도 1에 도시된 종래의 벨트식 무단변속기의 변속비 폭과 비교할 때 매우 크게 증가된 것이다.

본 발명의 제1실시예에 따른 무단변속기에서는 전진주행모드(D1,D2), 후진주행모드(R) 및 중립모드(N) 중 하나를 선택하기 위하여 종래와 같은 별도의 전/후진부 또는 방향전환장치를 채용하지 않고 유성기어계(50)의 링기어를 선택적으로 제어하도록 모드선택부(60)의 전진 클러치(61), 후진 브레이크(62) 및 록-업 클러치(63)가 결합되어 있기 때문에 장치의 크기를 최소화할 수 있게 되며, 따라서 제조비용을 줄일 수 있게 된다.

상기한 작동모드별 설명은 설명의 편의상 자동차의 주행조건에 의거하여 설명되었으나, 본 발명이 자동차에만 한정되는 것은 아니고 기타 산업용 또는 동력 전달 장치에 적용될 때에는 우선 토크 컨버터가 필요 없게 되며, 연결기어계와 벨트 변속부의 벨트비의 조정을 통해 다른 동력 전달 장치에도 적용 가능하다.

도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 고효율 무단변속기의 전체 구성을 나타낸 개략 구성도이다.

도 5에 도시된 제2실시예의 무단변속기는 제1실시예에서 토크 컨버터(20) 대신에 전자 클러치(magnetic clutch)(80)를 사용한 것을 제외하고 제1실시예와 동일한 구조를 가지고 있다. 전자 클러치(80)를 사용하는 경우 변속감이나 토크 증배 등에서는 토크 컨버터(20)보다 떨어지나, 구조가 간단하고 크기가 작으며 비용이 저렴한 이점이 있게 된다.

제2실시예의 무단변속기에서 무단 변속이 이루어지는 벨트 변속부(30), 연결기어계(40) 및 유성기어계(50)와 동작모드의 선택을 위한 모드선택부(60)는 제1실시예와 동일하므로 이에 따른 작용효과도 제1실시예와 동일하게 얻어지며 이에 대한 설명은 생략한다.

본 발명의 무단변속기는 변속비 폭이 크므로 큰 변속비 폭을 요구하는 산업용 무단변속기에 적용하는 경우 더 장점을 가지게 된다.

또한, 종래의 벨트식 무단변속기의 벨트 변속부는 변속영역의 전체를 벨트 변속부가 감당을 하기 때문에 저속에서 고속까지를 벨트 변속부에서 다 이루기 위해서는 벨트 변속부가 감속에서 증속까지 다 커버를 해 주어야 한다. 따라서, 종래에는 차동기어로 연결될 때 큰 감속비를 요구하게 되고 이는 효율 면에서 나쁘게 된다. 그러나, 본 발명에서는 유성기어계에서 모드선택에 따라 전진 및 후진을 위한 출력선택이 이루어짐과 동시에 추가로 고속에서의 효율을 높일 수 있는 록-업 기능을 가질 수 있어 효율이 높게 된다.

또한, 종래의 벨트식 무단변속기에서는 후진시에 유성기어계에서 후진을 이루기도 하지만 벨트 변속부에서 일정 속도비를 얻지 않으면 않되는 구조이다. 결국 두 요소를 다 이용하여야 하나, 본 발명에서는 유성기어계 내에서 자체적으로 후진을 이룰 수 있게 되어 구조가 간단하게 된다.

또한, 본 발명에서는 유성기어계와 벨트 변속부 사이에 연결된 연결기어계에서 감속이 이루어지기 때문에 벨트 변속부에서 변속조정을 이루고자 할 때 큰 출력부하를 감당하지 않아도 되는 이점이 있게 되며, 기어비의 조정에 따라 각 자동차에서 요구하는 변속단을 자유롭게 이룰 수 있는 이점을 갖게 된다.

더욱이, 본 발명에서는 고속이나 후진시 벨트 변속부의 동력을 이용하지 않는 방식이므로 종래의 벨트식 무단변속기보다 더 조용한 주행을 할 수 있어 정숙성이 향상된다.

상기한 바와 같이 본 발명에서는 변속비 폭이 넓고, 연비가 높으며, 내구성이 우수한 무단변속기를 제공할 수 있고, 또한 동작모드 선택을 위하여 동력 전달축에 별도의 구성을 채용하지 않고 유성기어계에 모드선택에 필요한 요소들이 결합되어 있기 때문에 구조가 간단하고 저렴하게 구성할 수 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims (9)

1. 기관에서 발생된 제1동력이 제1입력축을 통하여 입력될 때 출력축의 주행저항에 대응하여 입력되는 제1동력의 변속비를 무단으로 변속하는 벨트 변속부와,

   상기 벨트 변속부를 통해 무단 변속된 제1동력을 토크 증대시켜서 얻어지는 제2동력을 후단으로 전달하는 연결기어계와,

   상기 제1입력축을 통하여 선기어로 입력되는 제1동력을 변속한 후 상기 연결기어계로부터 제2입력축을 통하여 링기어로 입력된 제2동력을 캐리어로 혼합하여 출력축에 전달하는 유성기어계와,

   상기 유성기어계의 세트 요소에 조합되어 변속기의 동작모드를 선택하기 위한 모드선택부로 구성되는 것을 특징으로 하는 무단변속기.
2. 제1항에 있어서, 상기 유성기어계는

   상기 제1입력축과 일체로 연결되는 선기어와,

   상기 선기어와 치합되어 회전을 전달 받는 제1유성피니언기어와,

   상기 제1유성피니언기어와 치합되어 있는 제2유성피니언기어와,

   상기 제2유성피니언기어와 치합되어 있는 링기어와,

   상기 제1 및 제2 유성피니언기어를 지지하고 있으며, 출력축과 일체로 연결되어 있는 캐리어로 구성되며,

   상기 모드선택부는

   전진주행모드로 설정하기 위하여 상기 제2연결기어와 링기어를 선택적으로 결합시키기 위한 전진 클러치와,

   후진주행모드로 설정하기 위하여 상기 링기어를 선택적으로 정지시키기 위한 후진 브레이크와,

   고속에서의 효율 향상을 위하여 링기어와 캐리어를 선택적으로 일체로 결합시키기 위한 록-업 클러치로 구성되는 것을 특징으로 하는 무단변속기.
3. 제2항에 있어서, 상기 전진주행모드는 전진 클러치를 결합시키고 후진 브레이크와 록-업 클러치는 분리시키는 것을 특징으로 하는 무단변속기.
4. 제2항에 있어서, 오버 드라이브 모드는 후진 브레이크는 분리시키고 록-업 클러치가 결합되어 있는 상태에서 록-업 클러치를 해제하고 전진 클러치를 결합시킴에 의해 설정되는 것을 특징으로 하는 무단변속기.
5. 제2항에 있어서, 상기 후진주행모드는 록-업 클러치를 분리시킨 상태에서 전진 클러치와 후진 브레이크를 결합시킴에 의해 설정되는 것을 특징으로 하는 무단변속기.
6. 제1항에 있어서, 상기 벨트 변속부는 상기 제1입력축에 축이 일체로 연결되어 차량의 주행 상태에 따라 가변되는 구동풀리와, 상기 구동풀리의 동력을 전달 받는 피동풀리와, 상기 구동풀리와 피동풀리를 연결하는 벨트로 구성되고, 상기 구동풀리와 피동풀리의 홈 폭이 좁아져서 벨트가 걸치게 되는 유효반경의 변화에 따라 변속비가 결정되며,

   상기 연결기어계는 피동풀리의 축과 일체로 연결된 제1연결기어와, 고정축에 지지되어 상기 제1연결기어와 치합되어 있는 연결피니언기어와, 상기 연결피니언기어와 치합되었으며 유성기어계의 링기어로 동력을 전달하는 제2연결기어로 구성되며, 미리 설정된 감속비로 감속된 출력을 제2동력으로 발생하여 제2입력축을 통하여 링기어에 전달하는 것을 특징으로 하는 무단변속기.
7. 제1항에 있어서, 상기 제2입력축의 내부에는 동축적으로 제1입력축이 회전 가능하게 설치되어 구동풀리와 선기어를 연결하는 것을 특징으로 하는 무단변속기.
8. 제1항에 있어서, 상기 기관에서 발생된 제1동력을 입력축을 통하여 전달 받아서 토크 변환된 동력을 제1입력축으로 전달하는 토오크 컨버터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무단변속기.
9. 제8항에 있어서, 상기 토크 컨버터는 입력축과 제1입력축 사이에 고속 회전시에 펌프 하우징과 제1입력축을 일체화시키기 위한 록-업 클러치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무단변속기.

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