KR100462507B1 - 수동변속기 차량의 변속 자동화 장치 - Google Patents

수동변속기 차량의 변속 자동화 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수동변속기 차량의 변속 자동화 장치에 관한 것으로, 변속 후의 차량의 동역학적 상태를 해석적으로 예측하고 이를 토대로 적정 변속단을 자동적으로 설정함으로써 차량의 승차감 및 에너지 효율을 향상시키기 위한 것이다. 본 발명에 따르면, 클러치에 장착된 토크 센서를 통해 실시간으로 측정되는 변속기 입력축으로 전달되는 토크 및 회전 속도를 이용하여 각각의 변속단에서의 차량의 가속도를 포함하는 동역학적 상태를 해석하고, 상기 동역학적 상태에 따라 적정 변속단을 설정하여 클러치 작동자 및 변속기 작동자를 구동시켜 자동으로 변속이 수행되도록 한다. 따라서, 변속 수행 이전에 변속 이후의 차량의 가속도 등을 예측한 후 적정 변속단으로의 변속을 수행하므로, 변속시 발생하는 불쾌감을 없애고 에너지 효율이 가장 높은 방법 또는 가속이 가장 빠른 방법으로 주행을 선택적으로 가능하도록 한다.

Description

수동변속기 차량의 변속 자동화 장치{APPARATUS FOR CONVERTING A MANUAL TRANSMISSION OF AN AUTOMOBILE INTO AN AUTOMATED MANUAL TRANSMISSION}
본 발명은 수동변속기 차량의 변속 자동화 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차량의 운행 중 차량의 엔진으로부터 변속기로 출력되는 토크를 이용하여 변속 후의 차량의 동역학적 상태를 해석적으로 예측 가능하게 함으로써 적정 변속단으로의 변속을 자동적으로 수행하는, 수동변속기 차량의 변속 자동화 장치에 관한 것이다.
수동변속기 차량의 변속 자동화 장치의 첫번째 목표는 변속 과정의 불편함을 제거하는 것이고, 두번째 목표는 에너지 효율을 극대화하거나 가속을 가장 빨리하는 방안으로 운전자의 의지에 맞추어 차량의 운행을 선택할 수 있게 하는 것이다.
종래의 수동변속기 자동화 장치는 엔진 회전 속도, 차량 속도, 가속 페달의 눌림 정도 및 브레이크의 눌림 여부 등의 정보를 바탕으로 경험적으로 설정된 변속 특성표에 의해 변속을 자동적으로 수행함으로써, 변속 과정의 불편을 일부 해소하였다. 그러나, 종래의 장치에서는 변속 여부의 판단을 함에 있어서 차량의 운행 중 엔진으로부터 변속기로 출력되는 토크 정보를 활용하지 못했다. 이에 따라, 변속을 수행하기 이전에 변속 후의 차량의 동역학적 상태를 예측할 수 없었기 때문에, 변속 후의 차량의 주행이 원활하지 못하게 되는 경우가 발생하였다. 특히, 종래의 장치에서는 변속 여부를 결정하기 위한 엔진 특성표(Engine Map)를 차량 출하시 같은 모델의 모든 차량에 일률적으로 적용했다. 따라서, 생산 과정에서 발생하는 각 차량별의 차이나 운행에 따른 성능 변화 등이 무시된 채, 동일한 특성표에 따라 변속의 판단을 하게되어 각 차량의 특성에 맞게 에너지 효율을 최적화하는데 문제점이 있었다.
또한, 종래의 수동변속기 자동화 장치에서는 클러치의 엔진 출력에 대한 연결 여부를 실험에 의해 설정된 제어 구동자의 이격 거리 제어로서 수행하였다. 이것은 실험적으로 제어 구동자를 움직여서 클러치의 엔진 출력에 대한 연결 시작 위치를 알아두고 이를 메모리에 저장시켜 놓은 후, 제어 구동자가 그 위치에 이를 때마다 클러치의 연결이 시작된 것으로 가정하고 이후의 변속 제어를 수행하는 것이다. 이러한 종래의 장치는 수동변속기의 자동화를 위해 운전자의 행동을 부분적으로 모사하고는 있으나, 외부기온의 차이나 차량의 노후화 등에 따라 클러치의 연결 위치가 변화하는데 대해 대처하기 어려운 문제점이 있었다.
본 발명은 종래의 수동변속기 차량의 변속 자동화 장치의 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것이다.
따라서, 본 발명의 첫번째 목적은 수동변속기 차량에서 엔진 출력과 변속기를 연결하는 클러치를 토크 센서로 활용하고, 토크 센서에서 측정된 토크 및 회전 속도 정보를 이용하여 변속 후의 차량의 동역학적 상태를 예측함으로써, 변속 후의 차량의 주행이 원활하고 에너지 효율이 향상되도록 또는 차량의 가속이 최단 시간에 이루어지도록 변속단을 설정하는 것이다.
본 발명의 두번째 목적은 상기 토크 센서에서 측정된 토크 및 회전 속도 정보를 이용하여 엔진 출력에 대한 클러치의 연결 및 차단을 제어함으로써, 외부기온의 차이나 차량의 성능변화에 관계없이 클러치 연결 및 차단 제어의 정확성을 향상시키는 것이다.
본 발명의 세번째 목적은 차량의 운행 중 상기 토크 센서에서 실시간으로 측정되는 토크 정보를 이용하여 차량의 출하시 차량에 탑재되는 엔진특성표의 토크 정보를 변경하도록 함으로써, 차량의 성능변화에 따른 차이를 반영하여 적정 변속단을 설정하도록 하는 것이다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 엔진 출력이 변속기로 연결되거나 연결이 차단되도록 클러치를 작동시키는 클러치 작동자와; 변속기의 변속단의 위치를 변경시키는 변속기 작동자와; 엔진 회전 속도, 스로틀 위치, 변속단의 위치 및 브레이크의 눌림 여부를 검출하여 이에 따른 신호들을 출력하는 검출부와; 변속기의 입력축에 전달되는 토크와 회전 속도를 측정하여 그에 따른 신호들을 출력하는 토크 센서와; 엔진 회전 속도 및 스로틀 위치의 함수로 정의된 토크값을 저장하는 엔진 특성부와; 상기 엔진 특성부에 저장된 토크값과 상기 검출부에서 전달된 신호들 및 상기 토크 센서로부터 전달된 토크 및 회전 속도 신호에 의해 각각의 변속단에서의 차량의 가속도를 포함하는 동역학적 상태를 계산하는 해석부와, 상기 해석부에서 계산된 동역학적 상태에 따라 변속 여부와 변속 시기를 판단하는 제어부와, 상기 제어부의 판단에 따라 클러치 제어 명령과 적정 변속단으로의 변속 제어 명령을 발생하는 명령부를 포함하는 변속기 관리부를 포함하며; 상기 클러치 작동자와 변속기 작동자는 상기 제어 명령들을 받아서 순차적으로 작동하도록 구성된 수동 변속기의 변속 자동화 장치가 제공된다.
바람직하게는, 상기 엔진 특성부에 저장된 토크값은 차량의 운행 중 각각의 엔진 회전 속도 및 스로틀 위치에 대해 상기 토크 센서로부터 전달되는 토크값으로 갱신된다.
양호하게는, 상기 해석부에서 차량의 동역학적 상태를 계산할 때 필요한 차량의 총 중량과 차량의 총 저항력은 토크 센서로부터 측정되는 토크를 이용하여 상기 해석부에서 계산되는 차량 바퀴가 생성하는 힘과 차량 가속도 사이의 함수 관계로부터 유출하여 사용한다. 상기 토크 센서는 상기 클러치와 일체이며 클러치판을약간 개조하여 제조될 수 있다.
한편, 상기 변속기 관리부는 적정 변속단을, 검출부로부터 전달되는 스로틀 위치 신호를 통해 판단되는 운전자의 의지가 가속일 경우, 상기 해석부에서 계산된 현재의 변속단에서의 차량의 가속도가 음의 값을 가지는 경우에는 현재의 변속단보다 낮은 변속단으로 결정하고, 상기 해석부에서 계산된 현재의 변속단에서의 차량의 가속도가 음이 아닌 값을 가지는 경우에는 상기 해석부에서 계산된 다른 변속단에서의 차량의 가속도와 기 설정된 가속도를 비교하여 다른 변속단에서의 차량의 가속도가 기 설정된 가속도보다 더 크면 상기 다른 변속단으로 결정하고 다른 변속단에서의 차량의 가속도가 기 설정된 가속도보다 더 크지 않으면 현재의 변속단으로 결정하도록 구성된다.
본 발명의 다른 일면에 의하면, 변속기 관리부의 제어부는 해석부를 통해 브레이크 눌림 신호, 스로틀 위치 신호, 변속단 위치 신호, 입력축 회전 속도, 각각의 변속단에서의 차량 속도 및 차량 가속도의 값들을 입력받아서 상기 값들의 조합이 기 설정된 조합과 일치할 때, 기어분리, 기어삽입, 상향변속 및 하향변속의 제어 판단을 내린다.
변속기 관리부의 명령부는 상기 제어부로부터 전달받은 제어 판단에 따라 엔진 출력으로부터 변속기를 차단시키기 위해 제1 클러치 제어 명령을 발생하여 클러치 작동자에 전달하고, 기어분리 및 다른 변속단으로의 기어삽입을 위한 변속 제어 명령을 발생하여 변속기 작동자에 전달하고, 마지막으로 엔진 출력과 변속기를 연결시키기 위해 제2 클러치 제어 명령을 발생하여 클러치 작동자에 전달한다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수동변속기 차량의 변속 자동화 장치의 구성도.
도2는 도1의 장치에 있어서 변속기 관리부의 해석부에서 각각의 변속단에서의 차량의 동역학적 상태를 해석하는 과정을 도시한 흐름도.
도3은 도1의 장치에 있어서 엔진 특성부의 갱신 과정을 도시한 도.
도4는 도1의 장치에 있어서 변속기 관리부의 제어부에서 적정 변속단으로의 변속 여부 및 변속 시기를 판단하는 과정을 도시한 흐름도.
도5는 도1의 장치에 있어서 변속기 관리부의 명령부에서 발생한 제어 명령들에 따라 클러치 작동자와 변속기 작동자가 작동되는 과정을 도시한 도.
도6은 도1의 장치에 있어서 변속기 관리부의 제어부에서 제어 판단을 발생하기 위한 논리적인 판단 기준을 도시한 도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 엔진
2 : 클러치
3 : 수동변속기
4 : 차량 바퀴
5 : 변속기 입력축
6 : 추진축
10 : 검출부
20 : 토크 센서
30 : 클러치 작동자
40 : 변속기 작동자
50 : 변속기 관리부
60 : 엔진 특성부
70 : 해석부
80 : 제어부
90 : 명령부
이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 수동변속기 차량의 변속 자동화 장치의 바람직한 실시예를 설명한다.
도1은 본 발명에 따른 수동변속기 차량의 변속 자동화 장치의 일 실시예의 구성도를 도시한다. 도1에서 수동변속기 차량은 엔진(1), 클러치(2), 수동변속기(3) 및 바퀴(4)의 연결된 체계로 단순화하여 도시된다. 엔진(1)의 출력과 수동변속기(3)는 클러치(2)를 통해 연결 또는 차단된다. 클러치(2)가 엔진(1)의 출력에 연결된 상태에서 엔진(1)의 토크와 회전은 클러치(2)를 통해 변속기 입력축(5)으로 전달되고, 이후 추진축(6)을 통해 차량 바퀴(4)에 전달된다. 일반적인 수동변속기 차량에 장착되는 클러치 페달은 제거되며, 변속 레버는 자동변속기 차량에 장착되는 것과 유사한 변속 레버(도시하지 않음)로 대치된다.
수동변속기 차량의 변속 자동화 장치는 검출부(10), 토크 센서(20), 변속기 관리부(50), 엔진 특성부(60), 클러치 작동자(30) 및 변속기 작동자(40)를 포함한다. 토크 센서(20)는 클러치(2)에 일체로 장착된다.
검출부(10)는 엔진의 회전 속도를 검출하는 엔진 회전 속도 센서(11), 스로틀 위치를 검출하는 스로틀 센서(12), 변속기의 변속단의 현재 위치를 검출하는 변속기 센서(13) 및 브레이크의 눌림 정보를 검출하는 브레이크 센서(14)를 포함하며, 차량의 운행 중 엔진 회전 속도, 스로틀 위치, 변속단의 위치 및 브레이크의 눌림 정보를 검출하여 그에 따른 신호들을 출력한다.
클러치에 일체로 장착된 토크 센서(20)는 엔진(1)으로부터 변속기 입력축(5)에 전달되는 토크 신호를 출력한다. 또한, 클러치(2)의 클러치판의 회전 속도는 입력축(5)의 회전 속도와 일치하므로 상기 클러치에 일체로 장착된 토크 센서(20)를 통하여 토크 신호와 함께 입력축의 회전 속도 신호를 동시에 얻을 수 있다. 이와 같은 클러치에 일체로 장착된 토크 센서(20)로는 예를 들면, 본 출원인의 국제출원 PCT/KR99/00227호(1999년 5월 10일 출원) 및 대한민국 특허 제283294호(2000년 12월 6일 등록)에 개시된 구성을 갖는 토크 센서를 이용한다.
엔진 특성부(60)는 엔진 개발시 엔진 회전 속도 및 스로틀 위치의 함수로 실험실에서 측정된 엔진 토크값을 저장하는 부분으로서, 일반적으로 차량의 출하시 같은 모델의 모든 차량에 일률적으로 탑재된다.
변속기 관리부(50)는 상기 엔진 특성부(60)에 저장된 토크값과 상기 검출부(10)에서 전달된 신호들 및 상기 토크 센서(20)로부터 전달된 토크 및 회전 속도 신호에 의해 이하에서 설명될 방식으로 현재의 변속단 및 다른 변속단에서의 차량의 가속도를 포함하는 동역학적 상태를 해석하는 해석부(70)와, 상기 검출부(10)로부터 해석부(70)를 통해 전달된 신호들 및 상기 해석부(70)에서 계산된 동역학적 상태에 따라 적정 변속단으로의 변속 여부와 변속 시기를 판단하는 제어부(80)와, 상기 제어부(80)의 판단에 따라 클러치 제어 명령과 적정 변속단으로의 변속 제어 명령을 발생하는 명령부(90)를 포함한다.
클러치 작동자(30)는 상기 명령부(90)가 발생한 클러치 제어 명령에 따라서 클러치(2)를 작동시켜서 엔진(1) 출력으로부터 변속기(3)를 차단시키거나 연결시킨다.
변속기 작동자(40)는 상기 명령부(90)가 발생한 적정 변속단으로의 변속 제어 명령에 따라 변속단의 조정을 수행한다.
도2에서는 변속기 관리부(50)의 해석부(70)에서 각각의 변속단에서의 차량의 동역학적 상태를 해석하는 과정을, 현재 변속단 2단으로 주행하는 차량이 3단으로 변속하려고 하는 경우를 예로 들어 설명한다.
먼저, 해석부(70)는 검출부(10)로부터 엔진 회전 속도 및 현재의 변속단(예를 들어, 2단)의 위치를 입력받고(S10 단계), 토크 센서(20)로부터 변속기 입력축의 토크 및 회전 속도 신호를 입력받는다(S20 단계).
회전 동력 기계의 역학 공식에 따르면, 각각의 변속단에서의 차량의 동역학적 상태는 다음의 식들로부터 해석될 수 있다.
상기 수학식 1 내지 5에서 T는 엔진 특성부(60)로부터 해석부(70)로 전달되는 토크값 또는 토크 센서(20)로부터 실시간으로 측정되는 변속기 입력축(5)에서의 토크값을 의미하고, rpmsh는 토크 센서(20)로부터 실시간으로 측정되는 변속기 입력축(5)의 회전 속도이며, ρ는 차량 바퀴(4)의 반경, rgn은 변속단 n단에서의 기어 감속비로서 각각 일정한 상수로 변속기 관리부(50)에 저장된 값이고, fn, an, R 및 M은 각각 변속단 n단에서 바퀴가 생성하는 힘, n단에서 차량의 가속도, 차량 운동의 총 저항력 및 차량의 총 중량으로서, 해석부(70)에서 해석적으로 계산되는 값이다.
해석부(70)는 토크 센서(20)로부터 입력받은 변속기 입력축(5)의 회전 속도 rpmsh와 2단 감속비 rgn(이하에서, n=2)를 이용하여 수학식 3으로부터 현재 2단에서의 차량 가속도 a2를 계산한다(S30 단계). 다음으로, 토크 센서(20)로부터 입력받은 변속기 입력축(5)에서의 토크값 T와 2단 감속비 rg2를 수학식 1에 대입하여 현재 2단에서 바퀴가 생성하는 힘 f2를 계산한다(S40 단계). 차량의 운행 중 상기 가속도 a2및 바퀴가 생성하는 힘 f2를 적어도 2회 이상 계산하여 각각 수학식 2에 대입한다. 수학식 2는 f2와 a2사이의 1차 방정식이므로 그 기울기로부터 차량의 총 중량 M을 계산하고, f2축과의 교차점으로부터 차량 운동의 총 저항력 R를 계산한다(S50 단계). 다음으로, 검출부(10)로부터 입력받은 현재 2단에서의 엔진 회전 속도에 2단과 3단에서의 기어 감속비의 비율(rg3/rg2)을 곱함으로써, 변속 후 즉, 3단에서의 엔진 회전 속도를 계산한다(S60 단계). 상기 S60 단계에서 계산된 3단에서의 엔진 회전 속도와 검출부(10)로부터 입력받은 스로틀 위치에 따라 엔진 특성부(60)에 미리 저장된 토크값을 추출한다(S70 단계). 이때 스로틀 위치는 변속단의 위치와는 무관하므로 상기 추출된 토크값은 3단에서의 토크값으로 가정된다. 엔진 특성부(60)에서 추출된 상기 3단에서의 토크값과, 3단 기어 감속비 rg3를 수학식 1에 대입하여 3단에서 바퀴가 생성하는 힘 f3을 계산한다(S80 단계). 최종적으로, 상기 3단에서 바퀴가 생성하는 힘 f3, 총 저항력 R 및 총 중량 M을 수학식 4에 대입하여 3단으로 변속할 경우 얻을 수 있는 차량 가속도 a3를 계산한다(S90 단계).
현재 변속단 2단으로 주행하는 차량이 1단으로 변속할 경우에도 상기와 같은 과정으로 수학식 5를 이용하여 1단에서의 차량의 가속도 a1및 바퀴가 생성하는 힘 f1등의 동역학적 상태를 계산할 수 있다.
상기 S70 단계에서 설명한 바와 같이, 다른 변속단에서의 차량의 동역학적 상태를 해석하기 위해서는 현재의 변속단에서의 토크 값 뿐만 아니라 다른 변속단에서의 토크 값도 필요하다. 현재의 변속단에서의 토크 값은 클러치에 장착된 토크 센서(20)로부터 차량의 운행 중 실시간으로 입력받지만, 다른 변속단에서의 토크 값은 엔진 특성부(60)에 저장된 미리 정의된 값을 이용한다. 그러나, 엔진 특성부(60)에 저장된 토크 값은 엔진 개발시 실험실에서 측정된 값으로 결정되고, 같은 모델의 차량에 일률적으로 탑재되므로, 차량별 성능 차이나 운행에 따른 성능 변화를 반영하기가 어렵다. 본 발명에서는 도1에 도시한 데이터 흐름과 같이, 차량의 운행 중 토크 센서(20)로부터 측정되는 토크 값을 해석부(70)를 통해 엔진 특성부(60)로 전달하여 엔진 특성부(60)에 저장된 토크값을 변경시킨다. 이에 따라, 엔진 특성부(60)에 저장된 토크 값은 도3에 도시된 바와 같이 토크 센서(20)로부터 측정된 토크 값(21, 22, 23)을 이용하여 차량의 현재의 성능 특성을 반영한 값이 되도록 갱신된다. 엔진 특성부(60)의 갱신은 토크 센서(20)가 고장을 일으킬 경우를 대비하여, 일정한 정비 기간에 실행할 수도 있다. 결과적으로, 해석부(70)에서 각각의 변속단에서의 차량의 동역학적 상태를 해석하기 위해, 엔진 특성부(60)에 저장된 토크 값을 변속 후의 토크 값으로 가정하여 해석하더라도 해석의 정확도를 높일 수 있다.
한편, 각각의 변속단에서의 차량의 속도는 각각의 변속단에서의 기어 감속비 rgn와 토크 센서(20)로부터 실시간으로 측정되는 변속기 입력축(5)의 회전 속도 rpmsh및 차량 바퀴(4)의 반경 ρ를 곱함으로써 해석부(70)에서 또한 계산할 수 있다.
변속기 관리부(50)의 제어부(80)는 상기 해석부(70)에서 해석한 현재의 변속단 및 다른 변속단에서의 차량의 동역학적 상태에 따라 적정 변속단으로의 변속 여부와 변속 시기를 판단한다. 도4는 변속기 관리부(50)의 제어부(80)에서 적정 변속단으로의 변속 여부와 변속 시기를 판단하는 과정을 도시한다.
먼저, 변속기 관리부(50)의 제어부(80)는 검출부(10)로부터 해석부(70)를 통해 전달된 스로틀 위치 신호로부터 운전자의 의지가 "가속"인지의 여부를 판단한다. 바람직하게는, 스로틀 위치가 "양수%"인 경우에는 운전자의 의지가 "가속"인 것으로 판단한다. 운전자의 의지가 "가속"으로 판단되면, 해석부(70)에서 계산한 현재의 변속단에서의 가속도가 음의 값을 가지는지를 판단한다(S110 단계). 현재의 변속단에서의 가속도가 음의 값을 가지는 경우에는 하향 변속이 필요하다고 판단하고, 현재의 변속단보다 낮은 변속단을 적정 변속단으로 판단하여(S150 단계) 명령부(90)에 그 판단을 전달하며, 명령부(90)는 이에 따라 클러치 제어 명령과 변속 제어 명령을 순차적으로 발생한다(S160 단계). 현재의 변속단에서의 가속도가 음이 아닌 값을 가지는 경우에는 해석부(70)에서 계산한 다른 변속단에서의 가속도와 기 설정된 가속도를 비교한다(S120 단계). 상기 기 설정된 가속도는 차량의 종류에 따라 실험적으로 설정되어 변속기 관리부(50)에 저장되는 값이다. 상기 기 설정된 가속도는 변속 후에 차량이 최소한 기 설정된 가속도 이상의 가속도를 가지도록 미리 지정하는 의미를 가진다. 예를 들어 기 설정된 가속도의 값을 "0.5 m/sec2"으로 설정하면, 차량이 정지 상태로부터 60km/h 속도까지 가속하는데 34초 걸리도록 지정하는 것이 된다. 다른 변속단에서의 가속도가 상기 기 설정된 가속도보다 큰 경우에는 상기 다른 변속단을 적정 변속단으로 판단하고(S130 단계) 이에 따라 명령부(90)가 클러치 제어 명령과 변속 제어 명령을 순차적으로 발생한다(S160 단계). 이와 반대로, 다른 변속단에서의 가속도가 상기 기 설정된 가속도보다 크지 않은 경우에는 제어부(80)는 현재의 변속단을 유지하는 판단을 하며 명령부(90)는 변속 제어 명령을 발생하지 않는다(S140 단계). 한편, 스로틀 위치 신호로부터 판단되는 운전자의 의지가 "가속"이 아닌 경우에도, 상기 과정들과 유사한 과정을 통해 해석부에서 계산한 각각의 변속단에서의 가속도를 참고하여 적정 변속단으로의 변속 제어 명령을 발생하게된다. 최종적으로 변속기 관리부(50)의 명령부(90)는 상기 클러치 제어 명령과 변속 제어 명령을 각각 클러치 작동자(30)와 변속기 작동자(40)에 전달한다. 이때, 클러치 제어 명령은 클러치의 차단을 담당하는 제1 클러치 제어 명령과 클러치의 연결을 담당하는 제2 클러치 제어 명령으로 구성된다.
도5는 도1의 변속기 관리부(50)의 명령부(90)에서 발생한 제어 명령들에 따라 클러치 작동자(30)와 변속기 작동자(40)가 작동되는 과정을 도시한다.
먼저, 클러치 작동자(30)는 명령부(90)로부터 제1 클러치 제어 명령을 받는 순간(S210 단계), 클러치(2)를 작동시켜 변속기(3)와 엔진(1) 출력 사이의 연결을 차단한다(S220 단계). 명령부(90)는 토크 센서(20)로부터 해석부(70)를 통해 전달받는 토크 신호를 통해 엔진(1) 출력으로부터 변속기(3)의 차단을 확인한다(S230 단계). 바람직하게는 토크 센서(20)로부터 해석부(70)를 통해 전달받는 현재의 토크 신호가 0이 되는 순간, 엔진(1) 출력으로부터 변속기(3)의 차단을 확인할 수 있다. 변속기(3)의 차단이 확인되면, 명령부(90)는 제어부(80)에서 판단된 적정 변속단으로의 변속 제어 명령을 발생하여 변속기 작동자(40)로 전달한다(S240 단계). 변속기 작동자(40)는 상기 변속 제어 명령을 받는 순간, 설정된 변속단으로의 변속을 수행한다(S250 단계). 명령부(90)는 검출부(10)로부터 해석부(70)를 통하여 전달받는 변속단의 위치 신호에 의해 변속단의 위치 변경을 확인하고(S260 단계), 제2 클러치 제어 명령을 발생하여 클러치 작동자(30)에 전달한다(S270 단계). 토크 센서(20)로부터 전달되는 변속기 입력축(5)의 회전 속도가 검출부(10)로부터 전달되는 엔진 회전 속도와 같아질 때까지 명령부(90)는 클러치 작동자(30)에 제2 클러치 제어 명령을 계속 전달하여 클러치(2)를 엔진(1) 출력에 연결한다(S280 및 S290 단계). 이로써 변속 과정이 완료된다. 따라서, 클러치에 일체로 장착된 토크 센서(20)로부터 전달되는 토크 및 회전 속도 신호에 의해 클러치(2)의 엔진(1) 출력에 대한 연결 또는 차단 여부를 확인할 수 있기 때문에, 클러치(2)의 연결 및 차단의 정확한 제어가 가능해진다.
도6은 검출부(10)로부터 해석부(70)를 통해 전달된 신호들 및 해석부(70)에서 계산된 동역학적 상태의 함수로 변속기 관리부(50)의 제어부(80)에서 적정 변속단으로의 변속 여부 및 변속 시기를 판단하기 위한 논리적인 판단 기준의 일 실시예를 도시한다.
도6의 판단 기준에서 좌측 컬럼(110)은 검출부(10)로부터 해석부(70)를 통해 제어부(80)로 입력되는 브레이크의 눌림 신호, 스로틀 위치 신호 및 변속단 위치 신호와, 토크 센서(20)로부터 해석부(70)를 통해 제어부(80)로 입력되는 변속기 입력축의 회전 속도 및 해석부(70)에서 계산으로 얻어지는 각각의 변속단에서의 차량 속도와 가속도를 포함한다. 한편, 우측 컬럼들은 좌측 컬럼의 값들의 조합에 따라 결정될 제어 판단, 즉 기어분리(121), 기어삽입(122), 상향변속(123) 및 하향변속(124)을 표시한다.
변속기 관리부(50)의 제어부(80)는 좌측 컬럼(110)의 값들을 해석부(70)로부터 지속적으로 입력받아서 이들의 조합이 우측 컬럼에 도시된 제어 판단, 즉 기어분리(121), 기어삽입(122), 상향변속(123) 및 하향변속(124) 중 어느 한 조합과 일치하는지를 비교한다. 해석부(70)로부터 입력되는 신호들의 조합이 상기 제어 판단의 어느 한 조합과 일치하게 되면, 제어부(80)는 해당되는 제어 판단을 명령부(90)에 전달한다.
예를 들어, 해석부(70)를 통하여 제어부(80)에 전달된 브레이크의 눌림 신호가 이전에도 "놓음"이고 현재도 "놓음"이며, 스로틀 위치가 이전 및 현재 모두 "양수%"이고, 해석부로부터 전달된 다른 변속단(an+1)에서의 가속도가 "기 설정된 가속도"보다 더 크게 예측되는 경우에는 경제적 상향변속(123)의 제어 판단을 발생하게된다(125). 다른 예로써, 브레이크의 눌림 신호가 "놓음"이고, 스로틀 위치가 "양수%"이며, 해석부(70)로부터 전달된 현재 변속단에서의 가속도(an)가 음수인 경우에는 경제적 하향변속(124)의 제어 판단을 발생하게된다(126). 또 다른 예로써, 순간적으로 강력한 엔진 출력을 내기 위해 스로틀 위치가 "매우 큰 양수%"인 경우, 브레이크의 눌림 신호가 "놓음"이고, 해석부(70)로부터 전달된 가속도가 현재의 변속단의 가속도(an)보다 낮은 변속단의 가속도(an-1)가 더 크게 예측되는 경우 급가속 하향변속(124)의 제어 판단을 발생하게된다(127).
제어부(80)의 상기 제어 판단은 명령부(90)에 전달되고 명령부(90)는 상기 제어 판단에 따라 클러치 제어 명령과 적정 변속단으로의 변속 제어 명령을 발생하여 클러치 작동자(30)와 변속기 작동자(40)에 전달한다. 클러치 작동자(30)와 변속기 작동자(40)가 작동되는 과정은 도5에 도시된 흐름으로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따르면, 수동변속기 차량에서 엔진 출력과 변속기를 연결하는 클러치를 토크 센서로 활용하고, 토크 센서에서 측정된 토크 및 회전 속도 정보를 이용하여 변속 후의 동역학적 상태를 예측함으로써, 변속 후의 차량의 주행이 원활하고 승차감이 향상되도록 변속의 자동화가 이루어질 수 있다. 또한, 운전자는 클러치 페달과 변속 레버를 작동할 필요없이 자동변속기 차량을 운전하는 것과 동일하게 운전할 수 있으므로, 변속 과정의 불편이 완전하게 제거된다.
또한, 본 발명에 따르면, 변속 수행시에 클러치의 엔진 출력에 대한 연결 여부가 클러치에 일체로 장착된 토크 센서로부터 측정되는 토크 및 변속기 입력축의 회전 속도 신호에 의해 정확하게 파악 가능해진다. 따라서, 이격 거리 제어로서 클러치의 연결 여부를 제어하였던 종래의 수동변속기 자동화 장치에 비해서 클러치 연결 제어의 정확성을 향상시킬 수 있다.
더 나아가, 본 발명에 따르면, 차량의 운행 중 실시간으로 토크 센서에서 측정되는 토크 정보를 이용하여 차량의 출하시 차량에 탑재되는 엔진특성부를 변경하도록 함으로써, 차량의 성능변화에 따른 차이를 반영하여 적정 변속단을 설정할 수 있게 되어, 에너지 효율의 향상을 가져올 수 있다.

Claims (5)

  1. 차량의 수동 변속기의 변속 자동화 장치에 있어서,
    엔진 출력이 변속기로 연결되거나 연결이 차단되도록 클러치를 작동시키는 클러치 작동자와;
    변속기의 변속단의 위치를 변경시키는 변속기 작동자와;
    엔진 회전 속도, 스로틀 위치, 변속단의 위치 및 브레이크의 눌림 여부를 검출하여 이에 따른 신호들을 출력하는 검출부와;
    변속기의 입력축에 전달되는 토크와 회전 속도를 측정하여 그에 따른 신호들을 출력하는 토크 센서와;
    엔진 회전 속도 및 스로틀 위치의 함수로 정의된 토크값이 저장되되, 상기 저장된 토크값은 차량의 운행 중 각각의 엔진 회전 속도 및 스로틀 위치에 대해 상기 토크 센서로부터 전달되는 토크값으로 갱신되는 엔진 특성부와;
    상기 엔진 특성부에 저장된 토크값과 상기 검출부에서 전달된 신호들 및 상기 토크 센서로부터 전달된 토크 및 회전 속도 신호에 의해 각각의 변속단에서의 차량의 가속도를 포함하는 동역학적 상태를 계산하는 해석부와, 상기 해석부에서 계산한 동역학적 상태에 따라 변속 여부와 변속 시기를 판단하는 제어부와, 상기 제어부의 판단에 따라 클러치 제어 명령과 적정 변속단으로의 변속 제어 명령을 발생하는 명령부를 포함하는 변속기 관리부를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 검출부로부터 전달되는 스로틀 위치 신호를 통해 판단되는 운전자의 의지가 가속일 경우,
    상기 해석부에서 계산된 현재의 변속단에서의 차량의 가속도가 음의 값을 가지는 경우에는 현재의 변속단보다 낮은 변속단을 적정 변속단으로 결정하고,
    상기 해석부에서 계산된 현재의 변속단에서의 차량의 가속도가 음이 아닌 값을 가지는 경우에는 상기 해석부에서 계산된 다른 변속단에서의 차량의 가속도와 기 설정된 가속도를 비교하여 다른 변속단에서의 차량의 가속도가 기 설정된 가속도보다 더 크면 상기 다른 변속단을 적정 변속단으로 결정하고, 다른 변속단에서의 차량의 가속도가 기 설정된 가속도보다 더 크지 않으면 현재의 변속단을 적정 변속단으로 결정하도록 구성되며,
    상기 클러치 작동자와 변속기 작동자는 상기 명령부로부터 상기 변속 제어 명령들을 받아서 순차적으로 작동하도록 구성된 것을 특징으로 하는 수동 변속기의 변속 자동화 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 해석부에서 차량의 동역학적 상태를 계산할 때 필요한 차량의 총 중량과 차량의 총 저항력을 토크 센서로부터 측정되는 토크를 이용하여 상기 해석부에서 계산되는 차량 바퀴가 생성하는 힘과 차량 가속도 사이의 함수 관계로부터 유출하여 사용하는 것을 특징으로 하는 수동 변속기의 변속 자동화 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 해석부를 통해 브레이크 눌림 신호, 스로틀 위치 신호, 변속단 위치 신호, 입력축 회전 속도, 각각의 변속단에서의 차량 속도 및 차량 가속도의 값들을 입력받아서 상기 값들의 조합이 기 설정된 조합과 일치할 때, 기어분리, 기어삽입, 상향변속 및 하향변속을 포함하는 제어 판단을 발생하는 것을 특징으로 하는 수동 변속기의 변속 자동화 장치.
  5. 삭제
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