유동력을 보상하는 압력 조절기가 구비된 자동 변속기 document_id A220623015031

본 발명은 압력 조절기(pressure regulator)를 구비한 차량용 자동 변속기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유동력(flow force)을 보상하는 압력 조절기를 구비한 자동 변속기에 관한 것이다. 일반적으로, 육상 차량은 3개의 기본 구성 요소로 이루어진 파워트레인(powertrain)을 필요로 한다. 이러한 요소는 (내연기관과 같은)동력 설비, 동력 변속기 및 휠(wheel)을 포함한다. 동력 변속기 요소는 일반적으로 간단히 "변속기"로 지칭된다. 엔진 토크 및 속도는 차량이 요구하는 견인력에 따라 변속기에서 변환된다. 현재, 종래 모터 차량에는 두 가지 전형적인 변속기들이 널리 사용되고 있다. 첫째로 가장 오래된 유형이 수동으로 조작되는 변속기이다. 이러한 변속기들은 구동 라인과 동력 설비를 결합 및 분리시키는 족동(foot-operated) 시동 또는 발진 클러치와 변속기 내에서 기어비(gear ratios)를 선택적으로 변경하는 변속 레버를 포함한다. 수동 변속기를 가진 차량을 운전할 때, 운전자는 하나의 기어에서 다음 기어로 부드럽고 효율적인 시프트를 달성하기 위하여 클러치 페달, 변속 레버 및 가속 페달의 작동을 조정하여야 한다. 수동 변속기의 구조는 단순하고 튼튼하며 차량의 엔진에서 최종 구동 휠까지 직접적으로 동력을 전달함으로써 우수한 연료 경제성을 제공한다. 또한, 조작자는 시프트 타이밍을 완전히 제어할 수 있기 때문에, 차량이 가장 효율적으로 운전될 수 있도록 시프트 과정을 다이나믹하게 조절할 수 있다. 이러한 수동 변속기의 하나의 단점은 기어 이동 중 구동 연결(drive connection)의 단절(interruption)이 있다는 것이다. 이는 효율 면에서 손실을 초래한다. 또한, 수동 변속기를 사용하는 차량에서 기어를 변경하기 위해 조작자에게 많은 물리적 상호작용이 요구된다. 종래 차량에서 동력 변속을 위한 두 번째의 새로운 선택은 자동 변속기이다. 자동 변속기는 조작의 편의성을 제공한다. 자동 변속기가 장착된 차량의 운전자는 차량을 안전하게 조작하기 위하여 양손, 즉 한 손으로 운전 핸들을 다른 한 손으로 기어 시프트를 조작할 필요가 없으며, 양발, 즉 한발로 클러치를 다른 한 발로 가속 페달 및 브레이크 페달을 조작할 필요가 없다. 또한, 자동 변속기는 운전자가 항시 변하는 교통 흐름에 맞게 연속적으로 기어 변경에 신경쓸 필요가 없기 때문에, 정지 및 출발 상황에서 보다 큰 편의성을 제공한다. 종래 자동 변속기는 기어 변경 중 구동 연결에 단절이 없긴 하지만, 엔진의 출력부와 변속기의 입력부 사이에 운동 에너지를 전달하기 위하여 그 사이에 위치되는 토크 컨버터와 같은 유체동력기구(hydrokinetic devices)를 필요로 하기 때문에 효율이 감소되는 단점이 있다. 또한, 자동 변속기는 일반적으로 구조적으로 더 복잡하여 수동 변속기보다 비싸다. 예를 들어, 토크 컨버터는 일반적으로 내연기관으로부터의 토크 입력에 의해 회전하도록 기능적으로 연결되는 임펠러 조립체, 상기 임펠러 조립체와 구동 관계로 유체 연결되는 터빈 조립체 및 스테이터 또는 리액터 조립체를 포함한다. 이러한 조립체들은 함께 토크 컨버터에서 운동 유체를 위한 거의 환상면의 유로를 형성한다. 각 조립체는 기계적 에너지를 유체 동역학적 에너지로 변화시키고 다시 기계적 에너지로 복귀시키는 작용을 하는 다수의 블레이드 또는 베인(vanes)을 포함한다. 종래 토크 컨버터의 스테이터 조립체는 일 방향의 회전에 대하여 록킹되나, 임펠러 조립체 및 터빈 조립체의 회전 방향으로는 축 둘레를 자유롭게 공전한다. 스테이터 조립체가 회전에 대해 록킹될때, 토크는 토크 컨버터에 의해 증가된다. 토크가 증가하는 동안, 토크 컨버터의 출력 토크는 입력 토크보다 크다. 그러나, 토크 증가가 없을 때, 토크 컨버터는 유체 커플링(fluid coupling) 된다. 유체 커플링은 고유 슬립을 가진다. 토크 컨버터 슬립은 속도비가 1.0보다 작을 때(토크 컨버터 입력 RPM 003e# 출력 RPM) 존재한다. 이러한 고유 슬립은 토크 컨버터의 효율을 감소시킨다. 토크 컨버터가 엔진과 변속기 사이의 부드러운 결합을 제공하지만, 토크 컨버터의 슬립은 기생 손실(parasitic loss)을 초래하여, 전체 파워트레인의 효율을 감소시킨다. 또한, 토크 컨버터 자체는 기어 시프팅 과정의 작동을 위한 임의의 압축 유체 요건에 더하여 압축된 유압 유체를 필요로 한다. 이는 자동 변속기가 컨버터 결합과 시프트 변화 모두를 위해 필요한 유체 압력을 제공하는 대용량의 펌프를 가져야만 한다는 것을 의미한다. 펌프를 구동하고 유체를 압축하는데 필요한 동력은 자동 변속기 효율의 추가 기생 손실을 유도한다. 보다 적은 단점을 가지면서 두 형태의 변속기의 장점을 가지는 차량 변속기를 제공하기 위한 개발중에, 종래의 "수동" 및 "자동" 변속기들을 조합한 형태가 개발되었다. 가장 최근에, 차량 조작자로부터 어떤한 입력없이 자동적으로 변속하는 종래의 수동 변속기들의 "자동화된" 변형품들이 개발되었다. 이러한 자동화된, 또는 자동, 수동 변속기들(AMTs; automatic, manual transmissions)은, 수동 변속기에서 전형적으로 볼 수 있는 맞물린 기어휠의 결합을 제어하는 동기화된 클러치를 자동적으로 시프팅하기 위하여 일반적으로 변속기 컨트롤러 또는 다른 형태의 전자 제어 유닛(ECU)에 의해 제어되는 다수의 동력 조작 작동기(power-operated actuators)를 포함한다. 설계 변형예들은 기어 변경을 실행하도록 전자적 또는 유압적으로 동력화된 작동기를 포함한다. 상기 AMTs의 개발은 토크 컨버터를 구비한 종래의 자동 변속기에 대해 실용적이며 개선된 차량용 동력 전달 수단을 제공한다. 그러나, 이러한 새로운 자동화된 변속기의 고유한 개선에도 불구하고, 이는 연속적인 기어 시프팅 중 입력축과 출력축 사이의 구동 연결에 있어서 동력 차단의 결점을 여전히 가지고 있다. 동력이 차단된 시프팅은 종래 대부분의 자동 변속기와 관련된 부드러운 변속감과 비교할 때 일반적으로 수용할 수 없을 정도의 거친 변속감을 초래한다. AMTs에서 동력 차단을 제거하기 위해, 부하가 걸린 상태에서 기어시프트가 허용되도록 동력 시프트(power-shift) 될 수 있는, 다른 자동화된 수동 형태의 변속기들이 개발되었다. 이러한 동력 시프트된 자동화된 수동 변속기들의 예가 1998년 1월 27일 등록된 "Murata"의 미국 특허 No.5,711,409 "트윈 클러치 유형의 변속기(Twin-Clutch Type Transmission)"와, 2000년 4월 4일 등록된 "Reed, Jr 등"의 미국 특허 No.5,966,989 "듀얼 입력축을 가지는 전자-기계적 자동 변속기(Electro-mechanical Automatic Transmission having Dual Input Shafts)"에 개시되어 있다. 이런 특정 형태의 자동화된 수동 변속기는 두 개의 클러치를 가지고 일반적으로 간단히 듀얼 또는 트윈 클러치 변속기(DCTs)로 지칭된다. 상기 듀얼 클러치 구조는 단일 엔진 플라이휠 배열로부터 동력 입력을 유도하기 위하여 대부분 동축으로 상호작동하도록 구성된다. 그러나, 어떤 설계는 동축이지만 변속기 본체의 양 측부에 위치되고 서로 다른 입력원을 가지는 클러치들을 포함하는 듀얼 클러치 조립체를 가진다. 여하튼, 이 레이아웃은 하나의 하우징에 두 개의 변속기를 가지는 균등물, 즉 하나의 출력축을 동시에 구동하는 두 입력축 각각의 하나의 동력 변속기 조립체이다. 각 변속기는 독자적으로 시프팅되고 클러치 조작될 수 있다. 이런 식으로, 수동 변속기의 높은 기계적인 효율성을 가지면서 기어 사이의 차단되지 않은 동력 업시프팅 및 다운시프팅은 자동 변속기 형태로 사용될 수 있다. 그러므로, 특정 자동화된 수동 변속기의 효과적인 사용을 통해 연료 경제성과 차량 성능의 상당한 향상을 달성할 수 있다. 듀얼 클러치 변속기 구조는 두 개의 클러치 디스크들의 결합 및 분리를 독자적으로 제어하도록 각각 그 자신의 클러치 작동기를 구비한 두 개의 건식 디스크 클러치를 포함할 수 있다. 그 클러치 작동기는 전자 기계적 형태일 수 있지만, 변속기 내의 윤활 시스템은 펌프를 필요로 하기 때문에, 어떤 듀얼 클러치 변속기는 유압 시프팅 및 클러치 제어를 이용한다. 이러한 펌프들은 대부분 지로터(geroter) 형태이고, 일반적으로 토크 컨버터에 공급할 필요가 없기 때문에 종래 자동 변속기에 사용되는 것들보다 훨씬 더 작다. 따라서, 기생 손실은 작게 유지된다. 변속은 그 실행에 앞서 원하는 기어를 결합하고 이어 대응하는 클러치를 결합함으로써 달성된다. 두 개의 클러치와 두 개의 입력축을 가지면, 특정시점에 듀얼 클러치 변속기는 동시에 두 가지 상이한 기어비(gear ratios) 상태일 수 있지만, 어떤 주어진 순간에는 하나의 클러치만이 결합되어 동력을 전달할 것이다. 다음 높은 기어로 시프팅하기 위하여, 우선 비구동 클러치 조립체의 입력축 위의 원하는 기어가 결합되고, 다음으로 구동 클러치가 해제되고 비구동 클러치가 결합된다. 이는 듀얼 클러치 변속기가 각각의 입력축에 번갈아 배열된 전진(forward) 기어비를 가지도록 형성되는 것을 필요로 한다. 다시 말하면, 제1 기어에서 제2 기어로 업시프트를 수행하기 위하여, 제1 기어 및 제2 기어는 다른 입력축 위에 있어야 한다. 그러므로, 홀수 기어들은 하나의 입력축에 연결될 것이고 짝수 기어들은 다른 하나의 입력축에 연결될 것이다. 이러한 종래의 관점에서, 입력축은 일반적으로 홀수 및 짝수축으로 불린다. 일반적으로, 입력축은 인가된 토크를 입력축 기어에 맞물리는 기어를 포함하는 하나의 카운터축에 전달한다. 카운터축의 맞물림 기어는 입력축의 기어와 항상 맞물린다. 또한 카운터축은 출력축 상의 기어와 맞물리는 출력 기어를 포함한다. 그러므로, 엔진의 입력 토크는 클러치 중 하나에서 입력축으로, 기어 세트를 통하여 카운터축에 전달되고 카운터축에서 출력축으로 전달된다. AMT 또는 DCT에서의 기어 선택 및 기어 결합은 종래의 수동 변속기에서와 유사하다. 각 기어 세트들에서 기어들 중 하나는 샤프트 둘레의 프리휠(freewheel)이 되도록 각 축 상에 배치된다. 또한, 상기 샤프트의 프리휠 기어 다음에는 싱크로나이저가 배치되어, 기어를 샤프트에 선택적으로 결합킨다. 새로운 AMT 및 DCT 구조의 대부분은 6개의 전진 기어 및 후진 기어를 포함하도록 설계되며, 이는 종래의 설계에 비해 근접한 기어비 세트를 가짐으로써 효율 및 연료 경제성을 향상시킨다. 이러한 새로운 유형의 자동 변속기는 종래의 변속기가 갖고 있는 일부 단점들을 극복하기는 하지만, 이러한 자동으로 작동되는 변속기를 효율적이고 경제적으로 편안한 승차감을 얻을 수 있도록 제어 및 조절하는 것은 복잡한 문제이다. 각 변속이 부드럽고 효율적으로 실행되도록 하기 위하여 변속기 내에서 시간에 맞춰 많은 동작이 실행된다. 더욱이, 이러한 유형의 자동 변속기의 제어는 변속기 내에서 다양한 요소들을 유압으로 작동시킴으로써 수행되기 때문에, 안정적인 유압 공급 압력을 제공하는 것이 중요하다. 유압으로 작동되는 장치들은 장치들을 작동시키기 위해 공급되는 주어진 압력을 위해 미리 정해진 정확한 방법으로 반응하기 때문에, 유압의 공급압력의 제어가 부정확해지면, AMT 또는 DCT 변속기의 작동 및 제어가 부정확해진다. 지금까지는, 이러한 새로운 유형의 자동 변속기에서 안정적인 유압 공급 압력을 생성하고 유지하는 것이 문제로 밝혀 졌다. 전술한 바와 같이, 변속기를 제어하고 작동시키기 위해 가압된 유압 유체를 제공하도록 펌프가 사용된다. 또한 클러치 및 기어 조립체는 유압 유체의 2차적인 흐름에 의해 윤활되고 냉각된다. 통상적으로, 상기 펌프는 엔진에서 얻어지는 동력에 의해 기계적으로 구동된다. 따라서 펌프로부터 전달되는 유압은 펌프 속도가 엔진 속도에 반응하여 증가함에 따라 함께 증가한다. 엔진 속도가 변함에 따라 펌프에 의해 전달되는 유압의 변화를 해결하기 위해, 종래의 듀얼 클러치 변속기의 유압 공급 회로는 압력 조절기를 포함한다. 보다 상세하게는, 유압 공급 라인에서 특정 압력을 생성하고 유지하기 위해 압력 조절기가 적용된다. 상기 압력 조절기는 밸브 몸체 내에 슬라이딩 가능하게 배치되는 밸브 부재를 포함하며, 상기 밸브 부재는 포트들 사이의 유체 흐름을 안내하고 제어하기 위하여 밸브 몸체 내의 여러 포트들에 대해 앞뒤로 이동한다. 상기 펌프는 아이들 상태에서 필요한 압력을 제공하도록 그 크기가 형성되고 엔진 속도가 증가함에 따라 증가된 압력을 제공하므로, 압력 조절기는 통상적으로 펌프의 복귀 또는 흡입 측으로 초과 유량을 처리하거나 흘려보도록 설계된다. 이러한 작용은, 기껏해야 전체 압력 변화를 기본적으로 조절한다. 그러나 이러한 종래의 조절 방법은, 유압 회로 내에서 유압 유체의 다양한 유동 효과(flow effect)를 적절히 조절하지 못하며, AMT 또는 DCT 변속기에 대한 정확한 제어를 보장하기 위해 필요한 정확하고 안정적인 유압 공급 압력을 제공하지 않는다. 보다 상세하게는, 상기 압력 조절기는, 안정적으로 조절된 "라인"압을 제공하기 위해, 조절기의 라인압 측과 복귀 또는 흡입 측에서의 유압 흐름의 변화로 인해 조절기 내에서 발생하는 유동력의 변화에 반응해야만 한다. 상기 유동력은, 유체가 압력 조절기를 통해 이동함에 따라 조절기 밸브 부재의 랜드(lands)에 작용하는 유압 유체의 상대적인 힘이다. 유동력은 정상 상태(steady state) 또는 과도 상태(transient)에서 고려된다. 정상 상태 유동력은, 조절기 내에서, 조절 밸브 부재와 입구 및 출력 포트 사이에 형성되는 오리피스(orifice)의 유체 가속 특성으로 인해 발생되는, 조절기의 밸브 부재에 작용하는 유압 유체의 힘이다. 상기 정상 상태 유동력은 조절기 및 형성된 오리피스 영역을 통한 압력강하에 직접적으로 비례한다. 상기 정상 상태 유동력은 항상 조절기를 닫는 방향으로 작용한다. 정상 상태 유동력은 상대적으로 일정한 유동 조건으로 인한 조절 밸브 부재의 정상 상태와 관련된다. 과도 유동력(transient flow force)은 밸브 부재가 이동할 때 발생하는 유압 유체의 힘이며, 밸브 내에서 조절 영역의 크기가 변함에 따라 밸브를 통해 이동하는 유동 속도의 변화에 기인한다. 과도 유동력의 크기는 밸브 부재의 이동 속도 및 압력 변화에 비례한다. 과도 유동력의 방향은 유체 흐름의 변화에 의존한다. 과도 유동력은 밸브 부재를 조절 운동과 관련된다. 이러한 유동력의 압력 조절기에 대한 효과는 유체 흐름이 조절기의 밸브 몸체를 통해 이동함에 따라 명백해 진다. 유압 유체가 조절기를 통해 이동함에 따라 고유한 유동력이 밸브 부재의 물리적 표면에 대해 작용하며, 인가된 힘은 밸브 몸체 내의 밸브 부재의 위치에 물리적으로 영향을 미쳐, 밸브 부재의 이동을 초래하며 압력 조절기의 불안정성이 발생하게 한다. 예를 들면, 펌프로부터의 유체 흐름 증가는 압력 조절기의 밸브 부재 표면에 작용하여 밸브 부재가 더 열리게 할 수 있으며, 펌프 흡입의 증가는 조절기가 제어되지 않는 방식으로 이동하도록 할 수 있다. 유동력에 의해 강요된 압력 조절 밸브 부재의 이동은 라인압을 불안정하게 하고, 조절기가 이를 바로 잡으려 할수록 유동을 더 변화시킨다. 압력 조절기의 밸브 부재에 대한 유동력의 효과는, 포트들 및 압력 조절기의 밸브 부재가 어떻게 설계되고 압력 조절기가 유압회로 내에서 어떻게 기능적으로 배치되느냐에 따라 변할 수 있다. 따라서, 현재 압력 조절기가 전체적인 라인압을 관련 범위까지 조절하기 위해 작동하는 동안, 여전히 유동력의 변동에 영향을 받아 변속기의 유압 제어를 부정확하게 할 수 있다. 특히, 종래 변속기 압력 조절기의 구조적인 형태는 알려진 두가지 유형 중 하나로서, 두 가지 모두 단점을 가진다. 이러한 두 유형의 압력 조절기 형태는, 압력이 물리적으로 조절 또는 "미터링(metering)" 되는 방법에 대한 서로 다른 접근 방식에 기초한다. 하나의 접근 방식은 조절기의 복귀 또는 흡입 포트(return or suction port)가 개방되고 구속되지 않은 상태에서 조절기의 밸브 부재가 라인 (입구) 포트를 횡단하고 라인 (입구) 포트의 라인압을 조절(즉, 미터링)하도록 설계되는 "미터-인(meter-in)" 형태로 알려진 압력 조절 밸브 부재와 포트의 상호작용에 관한 것이다. 미터-인 형태는 정상 상태에서 제어를 하는데에는 우수하지만, 과도 유동력(transient flow force)을 조절하는데에는 일반적으로 불안정하다. 다른 압력 조절기 설계에 대한 접근 방식은 "미터-아웃(meter-out)" 형태로 알려져 있다. 미터-아웃 형태에 의하면, 조절기의 라인 입력 포트가 열리고 자유롭게 구속되지 않은 상태에서 조절기의 밸브 부재는 흡입 (출구) 포트를 횡단하고 라인압을 조절(즉, 미터링)하도록 설계된다. 미터-아웃 형태는 과도 유동력 조건에서 우수한 제어를 제공하지만, 정상 상태 유동력의 제어에 있어서는 덜 안정하다. 이러한 압력 조절기 형태에서 밸브 안정성의 부족은 라인압 변동을 유도하며, 듀얼 클러치 변속기의 부정확한 작동 및 제어를 유도한다. 압력 조절기에 기인하는 듀얼 클러치 변속기의 비효율성 및 부정확성은 뚜렷하게 나타나며, 차량 출력 파워 및 연료의 경제성 면에서 정량화할 수 있는 손실을 발생시킨다. AMT 또는 DCT 변속기에서, 압력 조절기는 정상 상태 유동력을 가장 많이 받는 반면 과도 유동력은 특정 작동기간 중에만 발생한다. 따라서 전술한 불안정성을 갖더라도, 미터-인 형태가 종래 듀얼 클러치 변속기에 채택되는 가장 일반적인 설계이다. 미터-인 형태의 조절기에 영향을 미치는 과도 유동력을 보상하기 위한 시도가 계속 되어 왔다. 그러나 이러한 시도들은 대부분 성공하지 못했으며, 정상상태 유동력 제어에 있어서 불안정성을 대가로 하여 과도 유동력을 보상할 뿐이었다. 따라서, AMT 또는 DCT 변속기에 유압 압력 조절기를 적용하는 종래의 접근 방식은 여전히 비효율적일 뿐 아니라, 라인압의 변동 및 부정확한 제어에 영향을 받아 듀얼 클러치 변속기의 유압 제어를 부정확하게 한다. 따라서, 유동력을 보상하는 압력 조절기를 구비하는 자동 변속기와 관련된 분야에서는 정상 상태 유동 및 과도 유동 조건 모두에서 안정적인 라인압을 제공할 필요성이 여전히 존재한다.