KR20150079049A - 차량용 무단변속장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 동력원의 기동과 동시에 기어의 맞물림으로 출력이 이루어져 저rpm(회전수)에서의 동력 손실을 없앨 수 있고, 고rpm에서는 차량의 주행상태나 저항에 따라 다이나믹하게 자동변속을 하여 차량의 출력 및 성능을 향상시킬 수 있음과 동시에, 출력축의 토크를 더욱 향상시킬 수 있는 차량용 무단변속장치를 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명의 차량용 무단변속장치는, 하우징과, 하우징에 회전지지된 입력축과, 선기어, 복수의 유성기어, 캐리어 및 링기어로 이루어지고, 선기어를 상기 입력축에 고정한 유성기어조립체와, 상기 하우징에 회전지지되고, 유성기어조립체의 캐리어의 회전중심에 고정된 출력축과, 입력축의 회전동력을 상기 유성기어조립체의 링기어에 전달하기 위한 동력전달수단과, 유성기어조립체의 링기어의 회전방향을 시계방향 또는 반시계방향으로 전환하여 일방향으로만 회전하도록 구속하는 정,역일방향회전기구를 포함하여 이루어진 것이다.

Description

차량용 무단변속장치{VEHICLE FOR CONTINUOUSLY VARIABLE TRANSMISSION}

본 발명은 차량용 무단변속장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유성기어와 토크컨버터 또는 원심클러치를 이용하여 저회전에서 고회전으로 자동 무단변속을 구현함으로써 구동차량의 등판능력, 가속성, 최고속도의 성능 등을 향상시킬 수 있는 차량용 무단변속장치에 관한 것이다.

일반적으로 가솔린 엔진 또는 디젤 엔진을 동력원으로 하는 자동변속 타입의 동력전달장치는 엔진과 자동변속기 사이에 클러치 장치와 토크컨버터(Torgue Converter)가 구비되어 있다.

상기 토크컨버터는 임펠러(Impeller), 터빈(Turbine) 및 록 업 클러치(Lock up Clutch)로 구성되고, 내부에 오일이 가득 채워진 구성으로, 엔진에 의하여 임펠러가 회전을 시작하면 내부에 가득 찬 오일의 원심력 작용으로 임펠러와 마주하고 있는 터빈을 회전시키게 되며, 이로써 차량의 저항에 따라 자동적이고 또한 연속적으로 구동력을 변화시켜 자동 변속이 이루어지도록 하는 기능을 수행한다.

그러나 이러한 자동변속 타입의 동력전달장치는, 차량이 정지한 상태에서도 엔진은 계속 구동하므로, 800rpm 이하에서는 아이들링(공회전) 상태가 되도록 하고 있으며, 이 아이들링 상태에서는 클러치 장치와 토크컨버터 장치에 의해 동력전달이 이루어지지 않도록 하고 있다.

따라서, 아이들링 없이 바로 기동하는 전기차량용 동력전달장치에 적용하기에는 동력전달 효율이 매우 낮고 장치가 복잡하여 부적합하다.

또한, 전기모터를 동력원으로 하는 종래의 감속기 타입의 동력전달장치는 자동 변속이 이루어지지 않아 자동변속 차량에 비하여 등판능력, 가속성 최고속도의 성능이 현저히 떨어지는 단점이 있다.

이러한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명자는 대한민국 등록특허 10-1338512호(토크컨버터를 이용한 무단변속장치)와, 등록특허 10-1338513호(원심클러치를 이용한 무단변속장치)를 발명한 바 있다.

일반적으로 알려져 있는 바와 같이 유성기어의 토크는,

Tp : 캐리어토크,

Tr : 링기어토크

Ti : 선기어토크

일 때, Tp = Tr + Ti 관계에 있다.

상기의 관계식으로부터, 예를 들어 유성기어조립체의 기어비를 링기어 3 : 선기어 1 : 유성기어 1로 설정한 경우, 캐리어토크(Tp)는 3+1 이므로 4가 된다.

그런데, 상기의 등록특허에 개시된 무단변속장치는, 모두 출력축이 링기어와 연결된 것이므로, 링기어토크(Tr)는 곧 출력 토크가 되고, 상기의 관계식으로부터 링기어토크(Tr)는, 4-1 이므로, 출력 토크는 3이 된다.

따라서, 캐리어를 출력축과 연결한 것에 비하여 출력 토크가 낮은 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 동력원의 기동과 동시에 기어의 맞물림으로 출력이 이루어져 저rpm(회전수)에서의 동력 손실을 없앨 수 있고, 고rpm에서는 차량의 주행상태나 저항에 따라 다이나믹하게 자동변속을 하여 차량의 출력 및 성능을 향상시킬 수 있음과 동시에, 출력축의 토크를 더욱 향상시킬 수 있는 차량용 무단변속장치를 제공하는 데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 하우징; 상기 하우징에 회전지지된 입력축; 선기어, 복수의 유성기어, 캐리어 및 링기어로 이루어지고, 상기 선기어를 상기 입력축에 고정한 유성기어조립체: 상기 하우징에 회전지지되고, 상기 유성기어조립체의 캐리어의 회전중심에 고정된 출력축; 상기 입력축의 회전동력을 상기 유성기어조립체의 링기어에 전달하기 위한 동력전달수단; 및 상기 유성기어조립체의 링기어의 회전방향을 시계방향 또는 반시계방향으로 전환하여 일방향으로만 회전하도록 구속하는 정,역일방향회전기구를 포함하는 차량용 무단변속장치에 특징이 있다.

또한, 본 발명의 상기 동력전달수단은, 터빈, 임펠러 및 록업클러치로 이루어지며, 상기 임펠러를 상기 입력축에 고정하고, 상기 터빈을 유성기어조립체의 링기어에 고정한 토크컨버터인 차량용 무단변속장치에 특징이 있다.

또한, 본 발명의 상기 동력전달수단은, 원심추, 로터 및 드럼으로 이루어지며, 상기 로터를 상기 입력축에 고정하고, 상기 드럼을 상기 유성기어조립체의 링기어에 고정한 원심클러치인 차량용 무단변속장치에 특징이 있다.

상기의 특징적 구성을 가지는 본 발명에 의하면, 토크컨버터가 동작하지 않는 저rpm 구간에서는 입력축의 회전이 유성기어조립체에 의해 출력축으로 전달되어 차량을 저속주행시킬 수 있어 저rpm구간에서의 동력 손실이 없고, 고rpm 구간에서는 입력축의 회전이 토크컨버터를 통해 유성기어조립체로 전달되어, 차량의 주행속도를 증가시킴과 동시에, 차량의 주행상태 또는 차량의 저항에 따라 자동변속이 다이나믹하게 이루어지므로 구동차량의 등판능력, 가속성, 최고속도의 성능 등을 향상시킬 수 있다.

또한 본 발명은 출력축이 유성기어조립체의 캐리어와 연결된 것이므로, 종래의 출력축이 유성기어조립체의 링기어에 연결된 무단변속장치에 비하여 출력 토크를 더욱 향상시킬 수 있는 유용한 발명인 것이다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 토크컨버터를 이용한 무단변속장치를 나타낸 단면도.
도 2a 내지 도 2c는 도 1의 A-A선 단면도로서, 전,후진 주행시 유성기어조립체의 회전방향을 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 토크컨버터를 이용한 무단변속장치의 입력축과 출력축의 회전수 변화를 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 토크컨버터를 이용한 무단변속장치에서 토크컨버터의 출력토크 변화를 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 원심클러치를 이용한 무단변속장치를 나타낸 단면도.
도 6a 내지 도 6c는 도 5의 B-B선 단면도로서, 전,후진 주행시 유성기어조립체의 회전방향을 나타낸 단면도.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 원심클러치를 이용한 무단변속장치의 입력축과 출력축의 회전수 변화를 나타낸 그래프.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 원심클러치를 이용한 무단변속장치에서 원심클러치의 출력토크 변화를 나타낸 그래프.

이하, 본 발명에 따른 차량용 무단변속장치에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예로서, 토크컨버터를 이용한 차량용 무단변속장치를 나타낸 단면도이다. 도시된 바와 같이 본 실시예의 무단변속장치는 속이 빈 원통 형상의 하우징(110)을 구비한다. 하우징(110)은 무단변속장치의 케이스에 해당하는 것으로, 차량에 고정설치된다.

하우징(110)의 일측에는 전기모터의 회전동력이 입력되는 입력축(120)이 설치되는 것으로, 입력축(120)은 하우징(110) 내에서 회전 자유롭게 설치되어 일단이 외부로 노출된다.

상기 하우징(110) 내의 입력축(120)에는 유성기어조립체(130)와 동력전달수단인 토크컨버터(140)가 설치되고, 유성기어조립체(130)에는 출력축(150)이 설치된다.

유성기어조립체(130)는 선기어(131), 복수개의 유성기어(132), 캐리어(133) 및 링기어(134)가 조립되어 이루어지는 주지의 구성으로서, 선기어(131)는 입력축(120)과 함께 회전하도록 입력축(120)에 고정하고, 링기어(134)는 하우징(110)측에 고정하고 캐리어(133)는 입력축(120)에 회전지지시켜 설치한다.

토크컨버터(140)는, 입력축(120)의 회전동력을 유성기어조립체(130)에 전달하기 위한 동력전달수단으로서, 터빈(141), 임펠러(142) 및 록업클러치(143)로 이루어지는 주지의 구성이다.

따라서, 터빈(141)은 입력축(120)에 회전지지시켜 유성기어조립체(130)의 링기어(134)와 고정함으로써 함께 회전하도록 구성하고, 임펠러(142)는 상기 입력축(120)에 고정하여 함께 회전하도록 설치한다.

이러한 토크컨버터(140)는, 주지된 바와 같이 임펠러(142)의 회전수가 일정회전수에 도달하면 내부에 채워진 유체(기름)의 원심력에 의해 임펠러(142)로부터 터빈(141)으로 회전동력이 전달되고, 임펠러(142)와 터빈(141)의 회전속도가 비슷할 경우, 록업클러치(143)가 작동하여 임펠러(142)와 터빈(141)의 회전비를 1:1로 유지할 수 있도록 되어 있으며, 이 록업클러치(143)가 작동하는 회전수를 동력원(엔진)의 회전수 1000~4000rpm 범위 내에서 임의로 설정할 수 있도록 되어 있다.

출력축(150)은, 유성기어조립체(130)의 캐리어(133)의 회전중심에 고정하고 하우징(110)에 회전지지시켜 일단이 외부로 노출되게 설치한다.

한편, 유성기어조립체(130)의 링기어(134)가 시계방향 또는 반시계방향으로 회전방향을 전환하여 일방향으로만 회전하도록 구속하는 정,역일방향회전기구(160)를 구비한 것으로, 정,역일방향회전기구(160)는, 상기 유성기어조립체(130)의 링기어(134)와 하우징(110) 사이에 설치하는 것이 바람직하다.

상기 정,역일방향회전기구(160)의 구성은 본 출원인의 등록특허 제10-1338512호와 등록특허 제10-1338513호에 기재된 구성과 동일하므로, 구체적인 구성 및 작용설명은 생략한다.

한편, 본 발명의 제1 실시예에 따른 무단변속장치는, 입력축(120)의 회전방향에 따라 차량을 전진주행 또는 후진주행시킬 수 있고, 전진주행의 경우는 토크컨버터(140)의 작동상태를 설정하는 것에 의해 저속변속구간과 고속무단변속구간으로 변속하거나, 상기 고속무단변속구간을 1단계 무단변속구간과 2단계 고속변속구간으로 나누어 변속할 수 있다.

예를 들면 저속변속구간은, 입력축(120)의 회전수 0~1000rpm일 때로 설정하고, 이 저속변속구간에서는 토크컨버터(140)의 임펠러(142)로부터 터빈(141)으로 회전동력이 전달되지 않도록 설정하면, 입력축(120)의 회전동력은 토크컨버터(140)를 통해 유성기어조립체(130)로 전달되지 않고, 유성기어조립체(130)로 직접 전달되므로, 유성기어조립체(130)의 감속비로 출력축(150)을 저속변속시킬 수 있다.

고속무단변속구간은, 입력축(120)의 회전수 1000rpm 이상일 때로 설정하고, 이 고속무단변속구간에서는 토크컨버터(140) 내에 채워진 유체의 원심력의 작용으로 임펠러(142)에서 터빈(141)으로 회전동력이 전달되도록 하고 록업클러치(143)가 작동되지 않도록 설정하면, 터빈(141)의 회전동력이 유성기어조립체(130)에 전달되어 증속과 무단 자동변속을 가능하게 할 수 있다.

그리고, 상기 고속무단변속구간을 1단계 무단변속구간과 2단계 고속변속구간으로 나누어 변속시키고자 하는 경우는, 예를 들어, 입력축(120)의 회전수 1000~2500rpm일 때를 1단계 무단변속구간으로 설정하고, 이 1단계 무단변속구간에서는 토크컨버터(140) 내에 채워진 유체의 원심력의 작용으로 임펠러(142)에서 터빈(141)으로 회전동력이 전달되도록 하고 록업클러치(143)가 작동되지 않도록 설정하면, 터빈(141)의 회전에 의해 유성기어조립체(150)의 증속과 무단 자동변속을 가능하게 할 수 있다.

또한, 입력축(120)의 회전수 2500rpm 이상일 때를 2단계 고속변속구간으로 설정하고, 이 2단계 고속변속구간에서는 토크컨버터(140)의 록업클러치(143)가 작동하도록 설정하면, 임펠러(142)와 터빈(141)의 회전비가 1:1이 되어 유성기어조립체(130)를 입력축(120)의 회전속도로 증속시키게 되므로 고속변속을 가능하게 할 수 있으며, 토크컨버터(140)의 유체로 인한 동력손실을 방지할 수 있다.

이때, 유성기어조립체(130)의 선기어(131)와 링기어(134)의 감속기어비는 3:1로 설정하는 것이 바람직하다.

이러한 구성으로 이루어진 본 발명의 제1 실시예에 따른 무단변속장치의 작동을 설명하면, 다음과 같다.

먼저, 전진주행의 저속변속구간은, 도 1에 도시된 바와 같이, 입력축(120)을 전진방향, 예를 들면 시계방향으로 0~1000rpm의 회전수로 회전시키게 되면, 입력축(120)에 고정된 토크컨버터(140)의 임펠러(142)가 동일한 시계방향으로 회전하게 되지만, 0~1000rpm의 저속에서는 차량의 하중 및 저항력에 비하여 유체(기름)의 원심력이 약하여 터빈(141)을 회전시키지 못하므로, 임펠러(142)의 회전동력은 터빈(141)을 통해 유성기어조립체(130)의 링기어(134)로 전달되지 않고 공회전만 하게 된다.

따라서, 입력축(120)의 회전동력은 유성기어조립체(130)의 선기어(131)로만 전달되어 캐리어(133)에서 4:1로 감속된 후, 출력축(150)으로 출력된다.

즉, 도 2a에 도시된 바와 같이 입력축(120)의 전진방향(시계방향) 회전으로 선기어(131)가 동일 시계방향으로 회전하고, 선기어(131)의 회전은 유성기어(132)를 통해 링기어(134)에 전달되어 링기어(134)를 반시계방향으로 회전시키려고 한다.

이때, 정,역일방향회전기구(160)에 의해 링기어(134)가 반시계방향으로 회전하지 못하도록 하면, 링기어(134)는 정지된 상태가 되므로, 유성기어(132)는 정지된 링기어(134)를 따라 공전하게 되므로, 결국, 캐리어(133)가 회전하게 된다.

유성기어조립체(130)의 기어비가 선기어 1 : 유성기어 1 : 링기어 3인 경우, 선기어(131)의 회전에 대한 캐리어(133)의 회전비는 4 : 1로 감속되므로, 캐리어(133)에 연결된 출력축(150)도 4 : 1로 감속되어 저속주행이 가능하게 된다.

이러한 저속변속구간에서는, 도 3의 그래프에 나타낸 저속변속곡선(a)과 같이, 출력축(150)의 회전수가 유성기어조립체(130)의 기어비에 의해 1차곡선으로 우상향하는 형태로 변속 된다.

이어서, 고속변속구간은, 도 1 및 2b에 도시된 바와 같이, 입력축(120)의 회전수를 1000rpm 이상으로 증가시키면, 토크컨버터(140) 내에 채워진 유체의 원심력에 의해 임펠러(142)의 회전동력이 터빈(141)에 전달되고, 시계방향으로 회전하는 터빈(141)의 회전동력이 유성기어조립체(130)의 링기어(134)를 시계방향으로 회전시키게 된다.

따라서, 유성기어조립체(130)에 의한 회전동력에 더하여 토크컨버터(140)에 의한 회전동력이 추가됨에 따라, 출력축(150)에서의 회전수는 도 3의 그래프에 고속무단변속곡선(b)으로 나타낸 바와 같이, 2차곡선으로 우상향하는 형태로 무단변속이 이루어지게 된다.

이때, 고속무단변속구간에서는 토크컨버터(130)의 록업클러치(143)를 작동시키지 않은 상태로서, 토크컨버터(140)의 유체에 의해 동력이 전달되는 것이므로, 차량의 주행상태나 저항에 따라 무단변속이 자동으로 이루어짐에 따라, 다이나믹한 변속비를 가질 수 있다.

즉, 유성기어조립체(130)의 링기어(134)는 전진주행시 주행환경에 따라 다이나믹한 부하가 걸리는데 이때 토크컨버터(140)는 입력축(120)의 rpm에 따라 일정한 토크를 가지고 있어 이 두 장치 사이에 힘의 평형을 이루려고 유성기어조립체(130)의 회전수가 부하에 따라 변화를 가지며, 이 회전수의 변화는 기어비를 변화시키기 때문에 다이나믹한 변속비를 가지며 입력축(120) 파워에 맞는 최고속도를 이상적으로 구현할 수 있다.

이어서, 토크컨버터(140)의 록업클러치(143)가 입력축(120)의 회전수 2500rpm에서 작동하도록 설정하여 전진주행시의 고속변속구간을 1단계 무단변속구간과 2단계 고속변속구간으로 구분하여 변속시키는 경우를 설명한다.

먼저, 1단계 무단변속구간은, 토크컨버터(140)의 록업클러치(143)가 작동하지 않는 구간으로서, 입력축(120)의 회전수 1000~2500rpm에서 도 3의 그래프에 나타낸 1단계 무단변속곡선(b-1)과 같이, 출력축(150)의 변속은 2차곡선으로 우상향 형태로 나타나고, 이어서 입력축(120)의 회전수가 2500rpm에 도달하면, 토크컨버터(140)의 록업클러치(143)가 작동하여 임펠러(142)와 터빈(141)의 회전비가 1:1 상태가 되므로, 유성기어조립체(130)의 링기어(134)를 일정하게 증속시키게 되므로, 도 3의 그래프에 나타낸 2단계 고속변속선(b-2)과 같이 1차곡선으로 우상향하는 형태로 고속변속 된다.

마지막으로, 차량의 후진주행에 대하여 설명한다. 후진주행은 도 1 및 도 2c에 도시된 바와 같이, 입력축(120)을 반시계방향(후진방향)으로 예를 들면, 1000rpm 이하의 회전수로 회전시키게 되면, 입력축(120)의 회전수 1000rpm 이하에서는 토크컨버터(140)의 임펠러(142)가 공회전만 하므로, 토크컨버터(140)를 통해 유성기어조립체(130)로 회전동력이 전달되지 않는다.

따라서, 입력축(120)의 회전동력은 유성기어조립체(130)의 선기어(131)로만 전달되어 캐리어(133)에서 4:1로 감속된 후, 출력축(150)으로 출력된다.

즉, 도 2c에 도시된 바와 같이 입력축(120)이 반시계방향(후진방향)으로 회전하면, 선기어(131)가 동일한 반시계방향으로 회전하고, 선기어(131)의 회전은 유성기어(132)에 의해 링기어(134)를 시계방향으로 회전시키려고 한다.

이때, 정,역일방향회전기구(160)에 의해 링기어(134)가 시계방향으로 회전하지 못하도록 하면, 링기어(134)는 정지된 상태가 되므로, 유성기어(132)가 자전하면서 링기어(134)를 따라 공전하게 되므로, 결국 캐리어(133)가 반시계방향으로 회전하게 된다.

따라서, 선기어(131)와 캐리어(134)의 회전비에 의해 출력축(150)은 4:1로 감속되어 저속 후진주행이 가능하게 된다.

이러한 후진주행시에는, 전진주행시의 저속변속구간과 회전방향만 다를 뿐, 도 3의 그래프에 나타낸 저속변속선(a)와 같이, 출력축(150)의 회전수가 유성기어조립체(130)의 기어비에 의해 1차곡선으로 우상향하는 형태로 변속 된다.

이상에서와 같이 본 발명은 입력축(120)의 회전방향에 따라 차량을 전진 또는 후진주행시킬 수 있고, 전진주행시에는 도 3의 그래프에서와 같이 입력축(120)의 회전수에 따라, 저속변속구간과 고속무단변속구간으로 변속시킬 수 있는 것이므로, 저속변속구간에서는 종래의 토크컨버터 및 자동변속기를 이용하는 종래의 동력전달장치에 의한 변속곡선(c)에 비하여 아이들링 상태 및 손실구간에 따른 동력손실을 방지하여 에너지 효율을 높일 수 있다.

또한 고속무단변속구간 또는 1단계 무단변속구간에서는 무단변속이 이루어짐과 동시에, 차량의 주행상태 또는 저항에 따라, 무단변속이 자동으로 다이나믹하게 이루어지게 되므로, 종래의 전기모터를 동력원으로 하는 동력전달장치에 비하여 구동차량의 등판능력, 가속성, 최고속도의 성능 등을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 무단변속장치는, 출력토크가 일반적인 전기모터 차량의 출력토크에 비하여 증가 된다.

즉, 도 4는 동력원으로 전기모터를 사용하는 경우에 있어서, 입력축(120)의 회전수에 따른 토크컨버터(140)의 입력 및 출력토크와 저속구간의 출력토크를 나타낸 그래프로서, 전기모터 차량의 출력토크는 통상적인 전기모터의 토크곡선(L1)과 같은 형태로 나타난다.

따라서, 본 발명의 제1 실시예에 따른 무단변속장치에 있어서 토크컨버터(140)의 입력토크는 전기모터의 토크곡선(L1)과 비례하는 입력토크곡선(L2)와 같이 나타난다. 그리고, 이 입력토크곡선(L2)은 유성기어조립체(130)의 캐리어(133)로 출력이 연결되어 저속구간의 출력토크로 동시에 사용된다.

또한, 토크컨버터(140)만의 출력토크는 출력토크곡선(L3)와 같이, 입력축(120)의 회전수가 증가할수록 임펠러(142)와 터빈(141) 사이에서 작용하는 유체의 원심력에 의해 점점 증가하는 형태로 나타난다. 이때, 토크컨버터(140)의 록업클러치(143) 작동 위치, 예를 들면 입력축(120)의 회전수 2500rpm에서 록업클러치(143)를 작동시키지 않는 경우의 출력토크는 계속 증가(점선상태)하지만, 록업클러치(143)를 작동시키게 되면, 임펠러(142)와 터빈(141)의 회전비가 1:1상태가 되므로, 이 후의 토크컨버터(140)의 입력토크곡선(L2)과 같은 형태의 출력토크를 나타낸다.

따라서, 토크컨버터(140)를 이용한 무단변속장치는, 종래의 전기모터 차량의 출력토크에 비하여 토크컨버터(140)의 출력토크곡선(L3) 만큼 출력을 증대시킬 수 있다. 예를 들면, 입력축(120)의 회전수 2000rpm일 때의 종래 전기모터 차량의 출력토크는 "T1"이 되고, 본 발명의 출력토크는 T1+T2가 되므로, 출력토크가 더욱 증대되는 것이다.

또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 무단변속장치는 출력축(150)을 유성기어조립체(130)의 캐리어(133)와 연결한 것이므로,

Tp : 캐리어토크,

Tr : 링기어토크

Ti : 선기어토크

일 때, Tp = Tr + Ti 인 관계식으로부터, 예를 들어 유성기어조립체(130)의 기어비를 링기어 3 : 선기어 1 : 유성기어 1로 설정한 경우, 캐리어토크(Tp)는 3+1 이므로 4가 된다. 따라서, 출력축(150)을 링기어(134)와 연결하여 링기어토크(Tr)가 4-1 이므로 3인 종래기술에 비하여 출력축(150)의 출력 토크를 25％ 향상시킬 수 있다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 원심클러치를 이용한 차량용 무단변속장치를 나타낸 단면도로서, 도시된 바와 같이 제2 실시예의 무단변속장치는 속이 빈 원통 형상의 하우징(210)을 구비한다. 하우징(210)은 무단변속장치의 케이스에 해당하는 것으로, 차량에 고정설치된다.

하우징(210)의 일측에는 전기모터의 회전동력이 입력되는 입력축(220)이 설치되는 것으로, 입력축(220)은 하우징(210) 내에서 회전 자유롭게 설치되어 일단이 외부로 노출된다.

상기 하우징(210) 내의 입력축(220)에는 유성기어조립체(230)와 동력전달수단인 원심클러치(240)가 설치되고, 유성기어조립체(230)에는 출력축(250)이 설치된다.

유성기어조립체(230)는 선기어(231), 복수개의 유성기어(232), 캐리어(233) 및 링기어(234)가 조립되어 이루어지는 주지의 구성으로서, 선기어(231)는 입력축(220)과 함께 회전하도록 입력축(220)에 고정하고, 링기어(234)는 하우징(210)측에 고정하고 캐리어(233)는 입력축(220)에 회전지지시켜 설치한다.

원심클러치(240)는, 입력축(220)의 회전동력을 유성기어조립체(230)에 전달하기 위한 동력전달수단으로서, 원심추(241), 로터(242) 및 드럼(243)으로 이루어지는 주지의 구성이다.

따라서, 원심추(241)가 설치되는 로터(242)는 입력축(220)에 고정하여 함께 회전하도록 설치하고, 드럼(243)은 입력축(220)에 회전지지시켜 유성기어조립체(230)의 링기어(234)와 고정하여 함께 회전하도록 설치한다.

이러한 원심클러치(240)는, 주지된 바와 같이 입력축(220)과 함께 회전하는 로터(242)의 회전수가 일정회전수에 도달하면 원심력에 의해 원심추(241)가 드럼(243)에 밀착하여 로터(242)의 회전동력이 드럼(243)에 전달되기 시작하고, 로터(242)의 회전수가 더욱 증가하여 일정회전수에 도달하면 원심추(241)와 드럼(243) 사이의 밀착력이 더욱 커져 로터(242)와 드럼(243)의 회전비를 1:1로 유지시킬 수 있도록 되어 있다.

이러한 원심클러치(240)는, 통상적으로 원심추(241)가 드럼(243)에 밀착하기 시작하는 로터(242)의 회전수를 800~1000rpm 범위내에서 설정할 수 있고, 로터(242)와 드럼(243)의 회전비가 1:1이 되는 회전수를 1000~4000rpm 범위 내에서 임의로 설정할 수 있도록 되어 있다.

출력축(250)은, 상기 유성기어조립체(230)의 캐리어(233)와 동일 회전중심을 가지도록 캐리어(233)의 회전중심부에 고정하여 입력축(220)에 회전지지시키고, 하우징(210)에 회전지지시켜 일단을 외부로 노출시킨 감속출력축(270)과 한 쌍의 감속기어(271,272)로 연결함으로써 출력축(250)의 회전비를 감속시켜 출력할 수 있도록 한다.

한편, 유성기어조립체(230)의 링기어(234)가 시계방향 또는 반시계방향으로 회전방향을 전환하여 일방향으로만 회전하도록 구속하는 정,역일방향회전기구(260)를 구비한 것으로, 정,역일방향회전기구(260)는, 상기 유성기어조립체(230)의 링기어(234)와 하우징(210) 사이에 설치하는 것이 바람직하다.

상기 정,역일방향회전기구(260)의 구성은 역시, 본 출원인의 등록특허 제10-1338512호와 등록특허 제10-1338513호에 기재된 구성과 동일하므로, 구체적인 구성 및 작용설명은 생략한다.

한편, 본 발명의 제2 실시예에 따른 무단변속장치는, 입력축(220)의 회전방향에 따라 차량을 전진주행 또는 후진주행시킬 수 있고, 전진주행의 경우는 원심클러치(240)의 작동상태에 따라, 저속변속구간, 무단변속구간 및 고속변속구간으로 나누어 변속할 수 있다.

예를 들면 저속변속구간은, 입력축(220)의 회전수 0~1000rpm일 때로 설정하고, 이 저속변속구간에서는 원심클러치(240)의 원심추(241)에 의한 원심력이 작용하지 않도록 설정하면, 로터(242)가 공회전만 하므로 입력축(220)의 회전동력은 원심클러치(240)를 통해 유성기어조립체(230)로 전달되지 않고, 유성기어조립체(230)측으로만 전달되어 유성기어조립체(230)의 감속비로 출력축(250)을 저속변속시킬 수 있다.

무단변속구간은, 입력축(220)의 회전수 1000~2000rpm일 때로 설정하고, 무단변속구간에서는 원심클러치(240)의 원심추(241)에 의한 원심력이 작용하도록 설정하면, 로터(242)의 회전에 따른 원심추(241)의 원심력에 의해 원심추(241)가 드럼(243)에 접촉하게 되고, 이 접촉에 의한 마찰력으로 드럼(243)이 회전하게 된다. 이때 마찰력은 원심추(241)의 원심력에 비례하여 작용하므로, 로터(242)의 회전속도에 따라 드럼(243)이 변속되고, 이 드럼(243)의 회전동력이 유성기어조립체(230)에 전달되어 증속과 무단 자동변속을 가능하게 할 수 있다.

또한, 입력축(220)의 회전수 2000rpm 이상일 때를 고속변속구간으로 설정하고, 이 고속변속구간에서는 원심클러치(240)의 원심추(241)에 의한 원심력이 최대로 작용하여 원심추(241)가 드럼(243)에 강하게 밀착되도록 함으로써 터빈(242)과 드럼(241)의 회전비가 1:1이 되도록 설정하면, 입력축(220)의 회전동력이 그대로 유성기어조립체(230)에 전달되어 유성기어조립체(230)의 기어비로 증속시키게 되므로 고속변속을 가능하게 할 수 있으며, 원심클러치(240)의 원심력으로 인한 동력손실을 방지할 수 있다.

이때, 유성기어조립체(230)의 선기어(231)와 링기어(234)의 감속기어비는 3:1로 설정하는 것이 바람직하다.

이러한 구성으로 이루어진 본 발명의 제2 실시예에 따른 원심클러치를 이용한 차량용 무단변속장치의 작동을 설명하면, 다음과 같다.

먼저, 전진주행의 저속변속구간은, 도 5 및 도 6a에 도시된 바와 같이, 입력축(220)을 전진방향, 예를 들면 시계방향으로 0~1000rpm의 회전수로 회전시키게 되면, 원심클러치(240)의 로터(242)가 동일 시계방향으로 회전한다. 로터(242)가 0~1000rpm로 회전할 때에는 원심추(241)의 원심력이 작용하지 않도록 설정된 것이므로, 로터(242)만 공회전하고, 회전동력이 유성기어조립체(230)의 링기어(234)로 전달되지 않는다.

따라서, 입력축(220)의 회전동력은 유성기어조립체(230)의 선기어(231)로만 전달되어 캐리어(233)에서 4:1로 감속된 후, 출력축(250)으로 출력된다.

즉, 도 6a에 도시된 바와 같이 입력축(220)의 전진방향(시계방향) 회전으로 선기어(231)가 동일 시계방향으로 회전하고, 선기어(231)의 회전은 유성기어(232)를 통해 링기어(234)에 전달되어 링기어(234)를 반시계방향으로 회전시키려고 한다.

이때, 정,역일방향회전기구(260)에 의해 링기어(234)가 반시계방향으로 회전하지 못하도록 하면, 링기어(234)는 정지된 상태가 되므로, 유성기어(232)가 자전하면서 링기어(234)를 따라 공전하게 되므로, 결국, 캐리어(233)가 시계방향으로 회전하게 된다.

유성기어조립체(230)의 기어비가 선기어 1 : 유성기어 1 : 링기어 3인 경우, 선기어의 회전에 대한 캐리어의 회전비는 4 : 1로 감속되므로, 캐리어(233)에 연결된 출력축(250)은 4 : 1로 감속되어 저속주행이 가능하게 된다.

이러한 저속변속구간에서는, 도 7의 그래프에 나타낸 저속변속곡선(a)과 같이, 출력축(250)의 회전수가 유성기어조립체(230)의 기어비에 의해 1차곡선으로 우상향하는 형태로 변속 된다.

이어서, 무단변속구간은, 도 6b에 도시된 바와 같이, 입력축(220)의 회전수를 1000rpm 이상으로 증가시키면, 원심클러치(240)의 원심추(241)가 작동하여 드럼(243)에 밀착되므로, 드럼(243)을 회전시킬 수 있게 되고, 이로써 드럼(243)과 고정된 유성기어조립체(230)의 링기어(231)가 시계방향으로 회전하게 된다.

따라서, 유성기어조립체(230)의 유성기어(232)에 의한 회전동력에 더하여 링기어(234)에 의한 회전동력이 추가됨에 따라, 출력축(250)에서의 회전수는 도 7의 그래프에 무단변속곡선(b-1)으로 나타낸 바와 같이, 2차곡선으로 우상향하는 형태로 무단변속이 이루어지게 된다.

이때, 무단변속구간에서는 원심클러치(240)의 원심추(241)에 의한 원심력으로 회전동력이 전달되는 것이므로, 차량의 주행상태나 저항에 따라 무단변속이 자동으로 이루어질 수 있고, 이로써 다이나믹한 변속비를 가질 수 있다.

즉, 유성기어조립체(230)의 링기어(234)는 전진주행시 주행환경에 따라 다이나믹한 부하가 걸리는데 이때 원심클러치(240)는 입력축(220)의 rpm에 따라 일정한 토크를 가지고 있어 이 두 장치 사이에 힘의 평형을 이루려고 유성기어조립체(230)의 회전수가 부하에 따라 변화를 가지며, 이 회전수의 변화는 기어비를 변화시키기 때문에 다이나믹한 변속비를 가지며 입력축(220) 파워에 맞는 최고속도를 이상적으로 구현할 수 있다.

이어서, 고속변속구간은, 입력축(220)의 회전수가 2000rpm 이상이 되면, 원심클러치(240)의 원심추(241)와 드럼(243) 사이의 마찰력이 더욱 커지게 되고, 이로써 로터(242)와 드럼(243)의 회전비가 1:1 상태가 되므로, 원심클러치(240)의 회전동력이 그대로 유성기어조립체(230)의 링기어(234)로 전달되어 도 7의 그래프에 나타낸 고속변속곡선(b-2)과 같이 1차곡선으로 우상향하는 형태로 고속변속 된다.

마지막으로, 차량의 후진주행에 대하여 설명한다. 후진주행은 도 5 및 도 6c에 도시된 바와 같이, 입력축(220)을 반시계방향(후진방향)으로 예를 들면, 1000rpm 이하의 회전수로 회전시키게 되면, 입력축(220)의 회전수 1000rpm 이하에서는 원심클러치(240)의 로터(242)만 공회전 하므로, 원심클러치(240)를 통해 유성기어조립체(230)로 회전동력이 전달되지 않는다.

따라서, 입력축(220)의 회전동력은 유성기어조립체(230)의 선기어(231)로만 전달되어 캐리어(233)에서 4:1로 감속된 후, 출력축(250)으로 출력된다.

즉, 도 6c에 도시된 바와 같이 입력축(220)이 반시계방향(후진방향)으로 회전하면, 선기어(231)가 동일한 반시계방향으로 회전하고, 선기어(231)의 회전은 유성기어(232)에 의해 링기어(234)를 시계방향으로 회전시키려고 한다.

이때, 정,역일방향회전기구(260)에 의해 링기어(234)가 시계방향으로 회전하지 못하도록 하면, 링기어(234)는 정지된 상태가 되므로, 유성기어(232)가 자전하면서 링기어(234)를 따라 공전하게 되므로, 결국 캐리어(233)가 반시계방향으로 회전하게 된다.

따라서, 선기어(231)와 캐리어(233)의 회전비에 의해 출력축(250)은 4:1로 감속되어 저속 후진주행이 가능하게 된다.

이러한 후진주행시에는, 전진주행시의 저속변속구간과 회전방향만 다를 뿐, 도 7의 그래프에 나타낸 저속변속선(a)와 같이, 출력축(250)의 회전수가 유성기어조립체(230)의 기어비에 의해 1차곡선으로 우상향하는 형태로 변속 된다.

이상에서와 같이 본 발명은 입력축(220)의 회전방향에 따라 차량을 전진 또는 후진주행시킬 수 있고, 전진주행시에는 도 7의 그래프에서와 같이 입력축(220)의 회전수에 따라, 저속변속구간, 무단변속구간 및 고속변속구간으로 변속시킬 수 있으며, 저속변속구간 및 무단변속구간에서는 종래의 토크컨버터 및 자동변속기를 이용하는 종래의 동력전달장치에 의한 변속곡선(c)에 비하여 아이들링 상태 및 손실구간에 따른 동력손실을 방지하여 에너지 효율을 높일 수 있다.

또한 무단변속구간에서는 무단변속이 이루어짐과 동시에, 차량의 주행상태 또는 저항에 따라, 무단변속이 자동으로 다이나믹하게 이루어지게 되므로, 종래의 전기모터를 동력원으로 하는 동력전달장치에 비하여 구동차량의 등판능력, 가속성, 최고속도의 성능 등을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 무단변속장치는, 출력토크가 일반적인 전기모터 차량의 출력토크에 비하여 증가 된다.

즉, 도 8은 동력원으로 전기모터를 사용하는 경우에 있어서, 입력축(220)의 회전수에 따른 원심클러치(240)의 입력 및 출력토크와 저속구간의 출력토크를 나타낸 그래프로서, 전기모터 차량의 출력토크는 통상적인 전기모터의 토크곡선(L1)와 같은 형태로 나타난다.

따라서, 본 발명의 무단변속장치에 있어서 원심클러치(240)의 입력토크는 전기모터의 토크곡선(L1)과 대응하는 입력토크곡선(L2)과 같이 나타나고, 이 입력토크곡선(L2)은 유성기어조립체(230)의 링기어(234)로도 출력이 연결되어 저속구간의 출력토크로 동시에 사용된다.

또한, 원심클러치(240)만의 출력토크는 출력토크곡선(L3)와 같이, 입력축(220)의 회전수가 증가할수록 원심추(241)와 드럼(243) 사이에서 작용하는 마찰력이 점점 커지게 되므로, 2차곡선으로 우상향하는 형태로 나타나고, 입력축(220)의 회전수 2000rpm에서 로터(242)와 드럼(243)의 회전비가 1:1상태가 되므로, 이 후의 원심클러치(240)의 입력토크곡선(L2)과 같은 형태의 출력토크를 나타낸다.

따라서, 원심클러치(240)를 이용한 무단변속장치는, 종래의 전기모터 차량의 출력토크에 비하여 원심클러치(240)의 출력토크곡선(L3) 만큼 출력을 증대시킬 수 있다. 예를 들면, 입력축(220)의 회전수 1500rpm일 때의 종래 전기모터 차량의 출력토크는 "T1"이 되고, 본 발명의 출력토크는 T1+T2가 되므로, 출력토크가 더욱 증대되는 것이다.

또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 무단변속장치는 출력축(250)을 유성기어조립체(230)의 캐리어(233)와 연결한 것이므로,

Tp : 캐리어토크,

Tr : 링기어토크

Ti : 선기어토크

일 때, Tp = Tr + Ti 인 관계식으로부터, 예를 들어 유성기어조립체(230)의 기어비를 링기어 3 : 선기어 1 : 유성기어 1로 설정한 경우, 캐리어토크(Tp)는 3+1 이므로 4가 된다. 따라서, 출력축(250)을 링기어(234)와 연결하여 링기어토크(Tr)가 4-1 이므로 3인 종래기술에 비하여 출력축(250)의 출력 토크를 25％ 향상시킬 수 있다.

지금까지 설명된 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위 내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.

110,210 : 하우징 120,220 : 입력축
130,230 : 유성기어조립체 140 : 토크컨버터
240 : 원심클러치 150,250 : 출력축
160,260 : 정,역일방향회전기구

Claims (3)

1. 하우징;
   상기 하우징에 회전지지된 입력축;
   선기어, 복수의 유성기어, 캐리어 및 링기어로 이루어지고, 상기 선기어를 상기 입력축에 고정한 유성기어조립체:
   상기 하우징에 회전지지되고, 상기 유성기어조립체의 캐리어의 회전중심에 고정된 출력축;
   상기 입력축의 회전동력을 상기 유성기어조립체의 링기어에 전달하기 위한 동력전달수단; 및
   상기 유성기어조립체의 링기어의 회전방향을 시계방향 또는 반시계방향으로 전환하여 일방향으로만 회전하도록 구속하는 정,역일방향회전기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 무단변속장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 동력전달수단은, 터빈, 임펠러 및 록업클러치로 이루어지며, 상기 임펠러를 상기 입력축에 고정하고, 상기 터빈을 유성기어조립체의 링기어에 고정한 토크컨버터인 것을 특징으로 하는 차량용 무단변속장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 동력전달수단은, 원심추, 로터 및 드럼으로 이루어지며, 상기 로터를 상기 입력축에 고정하고, 상기 드럼을 상기 유성기어조립체의 링기어에 고정한 원심클러치인 것을 특징으로 하는 차량용 무단변속장치.

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