KR20070053059A - 자동변속기 - Google Patents

Abstract

구동축의 동력을 여러 축에 분배하고 각 축에 속응성 일방향 클러치를 연결하여 이들 클러치 출력단 축들을 속도합성 기능이 있는 유성기어 입력단에 연결하며 유성기어에의 합성속도 출력축을 피동축에 연결토록 구성한 후, 일방향 클러치들의 연결 또는 단절 상태 조합에 따라 피동축에 다양한 회전속도를 나타내도록 하는 자동변속기 연출방법. 또한, 회전기계장치의 구성 및 원리를 설명하기 위해 회전기계요소의 기능만을 나타내는 기호의 제안.

자동변속기

Description

자동변속기{Automatic Transmission}

도 1은 자동변속기 구성방법

도 2는 기계요소 기호의 정의

도 3은 기호로 표현된 자동변속기구성

도 4는 세 개의 회전속도 비 요소가 있는 자동변속기

도 5는 자동변속기 실시 예

도 6은 기호 사용 예

자동변속기는 자동차와 같이 부하가 요구하는 회전속도와 토크가 수시로 변화되는 곳에서 원동기와 부하간에 동력을 효과적으로 전달하기 위하여 사용하는 것으로서 종래의 자동변속기는 풀리의 지름을 변화시켜 속도 비를 변경시키는 것 또는 유압펌프와 유압터빈의 조합을 이루어 펌프와 터빈의 가이드벤을 변경시키는 것 등이 있다.

풀리의 지름을 변경시키는 것은 벨트를 사용하므로 내구성이 짧고 본질적으로 마찰에 의한 동력전달이므로 미끄럼에 의한 마찰손실이 비교적 크다.

유압펌프와 유압터빈의 조합인 경우에는 기어를 이용한 변속기보다 효율이 낮고 가격이 비싸며 작동 유체의 취급과 유지보수가 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 마찰에 의한 동력전달이나 작동 유체를 사용한 방식을 피하고 본질적으로 효율이 좋은 기어와 마찰손실이 거의 없는 전기식 클러치를 주요 기계요소로 구성하고 부하가 요구하는 속도 비를 검출하여 전기식 클러치를 전자적으로 제어하여 자동변속기의 특성이 있는 장치를 연출할 수 있는 방법에 관한 것이다.

자동변속기 특성을 나타내는 방법을 도 1을 예로 하여 설명한다.

본 발명의 자동변속기는 구동축(1)의 동력을 유성기어(2)(4)에 회전력을 전달하고 전자식 제어명령신호(도 1에서 그림 표기 생략)를 받는 속응성 전기식 클러치(5)(6)로 구동축(1) 회전력을 유성기어 각 기어에 적절히 온-오프 제어로 연결하거나 단절시키게 하고 유성기어 출력이 피동축(3)으로 전해지도록 구성한 장치를 연출하고 유성기어 각 기어 마다 고유로 정해진 변속비에 따라 결정되는 피동축(3)의 합성 회전속도가 그 변속기가 장착된 기계계통에서 요구하는 적절한 값이 되도록 제어할 수 있는 자동변속기이다. 본 발명에서 설명하는 속응성 클러치는 그림에는 생략하였으나 클러치 외부 고정된 위치에서 전기 등으로 축과 축을 연결 또는 단절시킬 수 있는 것을 말한다.

본 발명의 장치를 설계시 고려해야할 주요 기술은 다음과 같다.

첫째, 본 발명의 장치는 본질적으로 단속적인 동력전달이므로 변속비를 바꿀 때 기계적 충돌이나 충격 또는 진동이 최소화 되도록 고려하여야한다. 기계적 진동은 탄성적 회전축결합 및 플라이휠을 이용하면 간단히 극복할 수 있다.

둘째, 유성기어가 속도를 합하는 기능을 이루기 위해서는 클러치로 동력이 단절된 유성기어 요소는 역회전을 방지하기 위하여 브레이크를 걸어야한다. 본 발명의 장치에는 래치트 기어(7)(8)를 이용하거나 클러치(5)(6)를 역방향을 방지하는 기능이 있는 일방향 클러치로 대치하면 된다.

먼저 유성기어가 두 속도를 합하는 기능을 발휘할 수 있다는 것을 설명한다.

유성기어의 선기어(4)와 링기어(2) 각각에 구동축동력을 두 개로 분배하여 연결하고 케리어기어(3)에 피동축을 연결했을 때 구동축 회전속도에 대한 피동축 회전속도를 구해보면 다음과 같다.

유성기어 각 기어에 대한 회전속도 일반식은 Nr + α × Ns - ( 1 + α ) × Nc = 0 이고, 여기서, Nr는 링기어 회전수, Ns는 선기어 회전수, Nc는 케리어기어 회전수이고 α는 선기어 잇수÷링기어 잇수로 계산되는 값이다. 이 식을 풀면,

Nc = k₁·Nr k₂·Ns ............................. (1)

여기서, k₁ = 1/(1 + α), k₂=α/(1 + α)이고 상수들이다.

식 (1)은 케리어(3) 회전수가 링기어(2) 회전수의 일정 비와 선기어(4) 회전수의 일정 비의 합이라는 것을 나타낸다.

이로써, 유성기어는 두 개의 구동축 속도를 합하는 기능이 있음을 알 수 있다.

구동축 동력을 두 개로 분배하는 방법은 평기어, 유성기어 등 여러 가지를 이용할 수 있다.

앞으로 이어질 설명을 단순화하기 위하여 본 명세서에서 사용할 약속기호를 도 2에 나타내었다. 이 기호들은 기계요소의 물리적 형상이나 칫 수 또는 구성방법을 나타내는 것이 아니고 동력이 들어가는 곳과 나오는 곳을 표시하고 그 사이에서 발휘되는 기계요소의 기능만을 개념적으로 나타내기 위한 것이다.

도 2에서 속도 합성기는 앞서 설명한 바와 같은 원리로 구동 측 속도를 합해주는 기능을 갖는 유성기어의 조합이다.

이 기호에는 ω_1, ω_{2, ...} ω_n과 같이 입력 회전속도를 표기할 수 있고, k₁, k₂,... k_n과 같이 각 입력 축에 대한 출력축 변속비를 표시할 수 있으며, ω_out와 같이 출력 회전속도를 표시할 수 있다.

도 2의 속도합성기는 다음 식과 같이 회전속도를 변환한다.

ω_out= k₁ω₁ + k₂ω₂ +,..., + k_{n ,} ω_n

도 2에서 속도분배기는 앞서 설명한 바와 같이 구동축 동력을 여러 기어에 공급하기 위해 하나의 구동축 동력을 여러 축의 동력으로 변환 시키는 기어의 조합이다.

이 기호가 나타내는 기어 조합 장치는 다음 식과 같이 회전속도를 변환한다.

ω₁ = k₁ω_in, ω₂ = k₂ω_in,....,ω₂ = k_nω_in

도 2에서 일방향 클러치는 래치트 등이 부가되어 역방향 방지기능이 있는 일방향성 클러치로 축과 축을 결합한 장치를 나타낸다. 왼쪽 선이 구동축(9) 오른쪽 선은 피동축(10)이다. (11)은 클러치 제어신호를 받아들이는 전기 또는 기계요소이다.

도 2에서 플라이휠은 축의 일부에 일정 관성모멘트를 갖는 플라이휠 장치로서 축과 함께 회전하도록 구성된 것을 나타 낸다.

도 2에서 탄성결합은 축과 축을 이어주는 카플링의 특성이 탄성인 것을 뜻한다.

도 2에서 기어결합은 기어 잇수에 따라 입력회전속도와 출력 회전속도가 정해지는 기어결합을 나타낸다.

도 2의 기호를 이용하여 도 1을 표기하면 도 3과 같이 매우 단순화 된다.

본 발명의 다른 실시 예를 도 4에 나타내었다.

도 4의 위에 있는 그림은 도 1에 표현된 기계장치조합으로 세 개 이상의 회전속도 성분을 분배하거나 합성할 수 있음을 설명하기 위한 것인데 등가적인 장치를 도 4의 아래 그림으로 나타내었다.

본 발명의 장치를 구성하기 위한 기계요소로서 반드시 도 1에 나타낸 것만으로 제한되는 것은 아니고, 도 1보다 많은 기어구성으로 이루어진 유성기어나 평기어를 이용해서 기계요소의 수효는 더 줄일 수 있음은 공지의 지식으로 당연하므로 이 명세서에서는 그러한 설명은 생략한다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예를 나타낸 것으로 구동축 회전속도를 세 개로 분배하고 일방향 클러치 세 개를 통하여 회전속도를 합성한 후 피동축에 동력을 공급한다.

제어기는 피동축 속도와 토크를 검출하여 변속기의 클러치 조합을 자동으로 바꿔주는 전기신호를 발생한다.

이 장치에서는 기계적 진동을 감소시키기 위해서 플라이휠과 탄성결합 축을 구성요소에 포함한 것이다.

클러치 세 개의 제어조합에 따라 구동축에 대한 피동축의 회전속도 비는 다음 표와 같이 여러 가지를 연출할 수 있다.

클러치 12번 상태	클러치 13번 상태	클러치 14번 상태	속도 비
단절	단절	단절	0
연결	단절	단절	0.7
단절	연결	단절	1.2
단절	단절	연결	1.8
연결	연결	단절	1.9
연결	단절	연결	2.5
단절	연결	연결	3.0
연결	연결	연결	3.7

본 발명의 장치에서 임의의 회전속도를 갖는 원동기로부터 서로 다른 회전속도 비를 갖는 동력 전달 경로 수를 n개로 구성하고 각 각의 동력전달경로마다 일방향 클러치로 제어한다면 피동축에서 얻을 수 있는 속도의 수효 또는 구동축에 대한 피동축의 속도 비 수효는 피동축 속도가 0이 되는 경우를 포함하여 2ⁿ 개이다.

클러치를 제어하기 위해 피동기의 회전속도나 토크를 검출하는 방법, 검출된 회전속도나 토크 값에 따라 클러치제어용 신호조합을 만들어내는 방법, 또한 전기 클러치를 구동하기 위한 전기적 회로 등은 공지된 지식으로 본 명세서에는 설명을 생략한다.

본 발명의 장치는 비교적 적은 수효의 동력전달 경로제어만으로 비교적 많은 수효의 속도 비를 연출할 수 있어서 자동차와 같이 피동축 회전속도가 수시로 변하는 기계에서 원동기의 동력을 원활히 피동축에 전달하기 위한 자동변속기를 용이하게 연출할 수 있다.

또한, 본 명세서에서 정의하고, 발명의 구성을 설명하기 위해 사용한 도 2의 기호는 회전기계 장치 요소의 구성방법을 매우 단순화시켜 표현할 수 있어 회전기계장치의 구성 및 원리를 설명하고 해석하는 것이 편리해 질 것이다. 이러한 기호는 전기회로와 유사성이 있으므로 복잡한 기계장치와 전기회로와 결합도 가능해 진다. 도 6은 전기장치와의 결합을 표시한 다른 예이다. 도 6의 16은 전동기를, 17은 발전기를, 18은 변속기 제어장치를 나타낸다.

Claims (2)

1. 원동기 동력으로 회전하는 구동축(1) 회전력을 기어조합으로 여러 회전축으로 분배하고 각 축은 속응성 일방향 클러치들(5)(6)를 경유하여 여러 축 회전속도를 합하는 기능이 있도록 조합된 유성기어(4)(2)들에 연결하며 유성기어들로 합해진 동력이 출력되는 유성기어의 기어요소(3)를 피동축에 연결토록 구성한 후, 속응성 일방향 클러치들(5)(6)의 연결 또는 단절 상태 조합를 제어함으로써 피동축에 다양한 회전속도를 나타내도록 하는 자동변속기 연출방법.
2. 회전기계요소나 장치를 표시함에 있어 동력이 들어가는 곳과 나오는 회전축을 선으로 표시하고 두 회전축 사이에서 발휘되는 기계장치요소의 기능만을 개념적으로 나타내기 위해 도 2와 같이 표시하는 기호.

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