KR102214883B1 - 가역 가변 변속 장치의 개선된 출력 밀도 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자동차, 버스, 트럭, 오프로드 차량, 지게차, 텔레스코픽 붐 핸들러(telescopic boom handler) 등과 같은 차량용 가역 가변 변속 장치 시스템(reversible variable transmission system)의 출력 밀도를 증가시키기 위한 구성 변경을 제공한다. 가역 가변 변속 장치는 또한 윈드밀(windmill) 등과 같은 시스템과, 출력이 가변 속도로 전달될 것을 요구하는 다른 산업 용례에서 사용될 수도 있다.

Description

가역 가변 변속 장치의 개선된 출력 밀도{IMPROVED POWER DENSITY OF A REVERSIBLE VARIABLE TRANSMISSION - RVT}
본 발명은 기어박스/변속 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은, 자동차, 버스, 트럭, 오프로드 차량, 지게차, 텔레스코픽 붐 핸들러(telescopic boom handler) 등과 같은 차량을 위한 새로운 형태의 가역 변속 장치(reversible variable transmission)에 관한 것이다. 대안적으로, 그 기어박스는 풍차 등과 같은 시스템은 물론, 동력을 가변 속도로 전달할 필요가 있는 기타 산업 용례에서 이용될 수 있다.
특허 출원 제PCT/EP2008/057009호에는 소위 유성형 가변기(planetary variator)를 포함하고, 수동 변속 장치(MT), 자동 변속 장치(AT), 더블 클러치 변속 장치(DOT), 무단 변속 장치(CVT) 및 정수압 구동 장치(HSD)와 같은 실제 차량 변속 장치의 한계와 단점을 극복하는 가역 변속 장치가 기술되어 있다.
전술한 특허 출원에 따르면, 상이한 가변 변속 장치 레이아웃에서 하나 이상의 유성형 가변기의 조합이 사용될 수 있다. 유성형 가변기는 변속비를 연속적으로 변화시킬 수 있고, 링 휠, 중심 샤프트 주위에 장착된 2개 이상의 위성(planet) 및 선 휠로 이루어지며, 가변 또는 가역 변속 장치를 위한 서브시스템으로서 기능하며, 따라서, 링 휠, 중심 샤프트 및 선 휠은 다른 변속 장치의 구성요소와의 인터페이스를 형성한다. 위성은 기본적으로 원뿔형 구름면을 갖는 위성 휠로 이루어진 것으로, 바람직하게는 견인력 및 압축력을 전달하도록 경화 또는 코팅되고, 레디얼 또는 액시얼 베어링 또는 부싱에 의해 위성 포크를 중심으로 자유로이 회전 가능하게 장착되며, 상기한 원뿔의 실제 꼭지점은 중심 샤프트의 축선과 위성의 힌지의 축선의 교차점과 일치한다. 유성형 가변기의 각각의 위성 포크는 힌지 조인트를 중심으로 자유로이 회전할 수 있으며, 이 힌지 조인트의 축선은 중심 샤프트의 축선에는 직교하고 위성 휠 평면에 대해서는 평행하며, 각각의 위성 포크와 각각의 위성 휠은 위성 축선과 중심 샤프트 축선 간의 모든 적용 가능한 경사각에 대해 서로 간섭하지 않도록 구성된다. 링 휠, 위성, 및 선 휠은, 그 구름면들이 서로 접촉하고 그 접촉 압력이 요구되는 토크를 전달하기에 충분히 높도록 서로에 대해 압착된다. 중심 샤프트는 변속비를 변경하도록 압착력 및 전달되는 토크와 관련하여 정해진 속도로 축방향으로 이동되고, 기본적으로 원뿔형인 위성 휠의 구름면의 형상은 접촉 압력 분포를 최적화하도록 볼록하게 이론 형상으로부터 약간 벗어난다.
1차 및 2차 유성형 가변기를 포함하는, 특허 출원 제PCT/EP2008/057009호의 가역 가변 변속 장치를 고려하면, 1차 유성형 가변기의 링 휠은 회전할 수는 없지만 두 유성형 가변기 모두의 모든 구름 접촉부를 압박하는 예하중에 의해 축방향으로 이동할 수 있도록 하우징에 연결된다. 두 유성형 가변기 모두의 중심 샤프트들은 하나의 메인 샤프트로 합쳐져, 변속 장치 입력 샤프트에 회전 가능하게 연결되고, 조향력에 의해 축방향으로 양쪽으로 이동할 수 있는 한편, 입력 샤프트는 축방향으로 이동하지 않는다. 1차 유성형 가변기의 선 휠은 2차 유성형 가변기의 링 휠에 연결되어, 이들 링-선 휠이 함께 변속 장치의 중심 축선을 중심으로 회전할 수 있다. 2차 유성형 가변기의 선 휠은 변속 장치의 출력 샤프트에 연결되고, 예하중의 반력은 액시얼 베어링을 통해 하우징에 전달된다.
링 휠, 선 휠, 및 위성들의 상대 치수는, 엔진이 그 출력을 거의 항시 최고의 효율점에서 제공할 수 있을 정도로 최고 속도비가 높도록, 그리고 또한 자동차가 후진시에 중간 정도의 엔진 속도 및 낮은 소음으로 주행하기에 충분하게 후진시의 최고 속도비가 높게 되도록 자동차 용례에 대해 적합하게 선택되는 것이 바람직하다. 변속 장치의 메인 샤프트를 이동시킴으로써, 변속비가 전진시의 최고 속도비에서 정지 상태를 거쳐 후진시의 최고 변속비로 연속적으로 변화한다.
각 구름 접촉부 상의 수직력이 하우징으로부터 비회전 1차 링 휠에 작용하는 하나의 예하중에 의해 생성되고, 그 반력은 2차 선 휠에서부터 하나의 베어링을 거쳐 하우징으로 전달된다. 메인 샤프트의 위치를 결정하고 이에 따라 변속비도 결정하는 순 조향력은 양 방향 중 하나의 방향으로 메인 샤프트에 작용하는 하나의 힘에 의해 생성되며, 반력은 입력 샤프트로부터 베어링을 거쳐 하우징으로 전달된다.
상기한 예하중은 하우징과 1차 링 휠 사이에서 단일 공압 또는 유압에 의해 작동되는 하나 이상의 피스톤-실린더 시스템에 의해 생성되거나 기계식 예비 부하 시스템에 의해 생성되고, 이 기계식 예비 부하 시스템은 변속 장치가 0의 속도비로 된 경우에 주차 브레이크로서도 이용될 수 있다. 조향 압력은 양방향으로 작동할 수 있고 입력 샤프트 및 메인 샤프트에 통합된 유압 또는 공압식 피스톤-실린더 시스템에 의해 생성된다. 조향 압력을 생성하기 위한 유압 또는 공압은, 고정된 상태의 하우징과 회전하는 입력 샤프트 사이에서, 상이한 회전 속도로 회전하는 부품들을 밀봉하도록 구성된 피스톤 링 또는 시일에 의해 밀봉된다.
앞서 언급한 특허 출원 제PCT/EP2008/057009호의 가역 가변 변속 장치는 또한한 자동차, 트럭 또는 다른 온하이웨이 또는 오프하이웨이 차량에 있는 유압 밸브에 의해 가역 가변 변속 장치를 제어하도록 된 유압 시스템과 어플리케이션 소프트웨어 프로그램을 제공한다.
구름 접촉부들이 이동하는 변속 장치 내부는 불활성 가스, 또는 통상의 공기와 냉각 및 윤활용 스플래싱 유체(splashing fluid), 또는 냉각제의 미스트(mist)를 갖는 가스로 채워지며, 상기 변속 장치 내부는 베어링용 윤활유 및 변속 장치의 외부로부터 밀봉된다. 특허 출원 제PCT/EP2008/057009호의 가역 가변 변속 장치의 경우에는 위성 내부의 베어링 또는 부싱에 대한 유활의 다수의 옵션이 주어진다.
가역 가변 변속 장치는 사용자가 자동차, 트럭, 버스, 오프로드 차량, 잔디깎기 기계, 풍력 터빈, 텔레스코픽 붐 핸들러, 지게차, 또는 동력이 가변 속도로 전달될 필요가 있는 임의의 기타 산업 용례에서 동력을 가변 속도로 전달하도록 한다.
그러나, 가역 가변 변속 장치 시스템의 구성은 출력 밀도 면에서 다른 개선 가능성을 포함하며; 동일한 외측 치수로 보다 많은 동력을 전달할 수 있다. 동일한 변속 장치 크기 내에서 그리고 동일한 정지 마찰 계수로, 트랙션 휠에 더 높은 수직력을 가하는 것에 의해 그리고 트랙션 한계(traction limit)에 더 가깝게 변속 장치를 사용하는 것에 의해 보다 많은 동력이 전달된다. 근본적인 본 발명은 보다 높은 출력 밀도를 초래하는 다수의 구성 수정을 개시한다.
본 발명은 아래에서 설명하는 바와 같은 유성형 가변기를 포함하는 가역 가변 변속 장치(RVT)를 개선한다. 본 발명에 따른 RVT는, 예컨대 특허 출원 제PCT/EP2008/057009호에 개시된 것과 같은 RVT와 동일한 치수 내에서 보다 높은 출력 밀도를 갖는다. 특허 출원 제PCT/EP2008/057009호에 기술된 바와 같은 초기 RVT는 최대 약 10 바아의 압착 압력을 지탱하는 설계 제한이 있었지만, 본 발명은 통상적으로 20 내지 150 바아 범위 내의 보다 높은 압착 압력을 지탱할 수 있는 RVT를 제공한다.
통상적으로, 가변 또는 가역 변속 장치를 위한 서브시스템으로서 기능하는 유성형 가변기는 링 휠, 중심 샤프트 둘레에 장착되는 2개 이상의 위성 및 선 휠을 포함하여, 링 휠, 중심 샤프트 및 선 휠이 다른 변속 장치의 구성요소와의 인터페이스를 형성한다. 통상적으로, 각각의 위성은 상기 선 휠 또는 링 휠의 주행면에서 주행하는 위성 휠과 위성을 상기 중심 샤프트에 연결하는 위성 포크를 포함한다.
보다 구체적으로, 가변 또는 가역 변속 장치를 위한 서브시스템으로서 기능하고 변속비를 연속적으로 변화시킬 수 있는 유성형 가변기는,
- 유성형 가변기가 링 휠, 중심 샤프트 주위에 장착되는 2개 이상의 위성 및 선 휠로 이루어져, 각각의 구성요소, 즉 링 휠, 중심 샤프트 및 선 휠이 다른 변속 장치 구성요소와의 인터페이스를 형성하고,
- 링 휠은 중심 축선 주위의 축대칭체이며, 트랙트릭스 곡선(tractrix curve)을 따르는 형상을 갖는 구름면을 가지며, 이 구름면은 바람직하게는 견인력 및 압축력을 견디도록 경화 또는 코팅되고,
- 선 휠은 실제적으로 링 휠과 동일하지만, 트랙트릭스 곡선의 내경 및 외경은 링 휠의 내경 및 외경과 상이할 수 있고,
- 위성은 기본적으로 원뿔형 구름면을 갖는 위성 휠로 이루어진 것으로, 바람직하게는 견인력 및 압축력을 전달하도록 경화 또는 코팅되고, 레이디얼 또는 액시얼 베어링 또는 부싱에 의해 위성 포크를 중심으로 자유로이 회전 가능하게 장착되며, 상기한 원뿔의 실제 꼭지점은 중심 샤프트의 축선과 위성의 힌지의 축선의 교차점과 일치하며,
- 하나의 유성형 가변기의 각각의 위성 포크는 힌지 조인트를 중심으로 자유로이 회전할 수 있으며, 이 힌지 조인트의 축선은 중심 샤프트의 축선에는 수직하고 위성 휠 평면에 대해서는 평행하며, 각각의 위성 포크와 각각의 위성 휠은 위성 축선과 중심 샤프트 축선 간의 모든 적용 가능한 경사각에 대해 서로 간섭하지 않도록 구성되고,
- 링 휠, 위성, 및 선 휠은, 그 구름면들이 서로 접촉하고 그 접촉 압력이 요구되는 토크를 전달하기에 충분히 높도록 서로에 대해 압착되며,
- 중심 샤프트는 변속비를 변경하도록 압착력 및 전달되는 토크와 관련하여 정해진 속도로 축방향(종방향)으로 이동하며,
- 링 휠 및 선 휠의 트랙트릭스 곡선은 모두, 위성 휠의 구름 접촉점에서부터 힌지 축선과 중심 샤프트 축선의 교차점에 이르는 길이와 동일한 길이 변수 L을 가지며, 이 L은 트랙트릭스 방정식
- +/-x+c = L*(cosα + ln|tan (α/2)|)
에 이용되고, 여기서 c는 임의의 상수이고, α는 접촉점에서의 접선과 중심 샤프트 축선 간의 경사각이며,
- 기본적으로 원뿔형인 위성 휠의 구름면의 형상은 접촉 압력 분포를 최적화하도록 볼록하게 이론 형상으로부터 약간 벗어나는 것을 특징으로 한다.
통상적으로, 가역 가변 변속 장치(RVT)는, 링 휠, 중심 샤프트 주위에 장착되는 2개 이상의 위성 및 선 휠을 포함하여, 링 휠, 중심 샤프트 및 선 휠이 다른 변속 장치 구성요소와의 인터페이스를 형성하는 1차 유성형 가변기와 2차 유성형 가변기를 포함한다. 통상적으로, 각각의 위성은 상기 선 휠 또는 링 휠의 주행면에서 주행하는 위성과, 상기 중심 샤프트에 위성을 연결하는 위성 포크를 포함한다.
보다 구체적으로, 가역 가변 트랜스미션(RVT)은 1차 유성형 가변기와 2차 유성형 가변기를 포함하며,
- 1차 유성형 가변기의 링 휠이 회전할 수는 없지만 두 유성형 가변기 모두의 모든 구름 접촉부를 압박하는 예하중에 의해 축방향으로 이동할 수 있도록 하우징에 연결되며,
- 두 유성형 가변기 모두의 중심 샤프트들은 하나의 메인 샤프트로 합쳐져, 변속 장치 입력 샤프트에 회전 가능하게 연결되고, 조향력에 의해 축방향으로 양쪽으로 이동할 수 있는 한편, 입력 샤프트는 축방향으로 이동하지 못하며,
- 1차 유성형 가변기의 선 휠은 2차 유성형 가변기의 링 휠에 연결되어, 이들 선-링 휠이 함께 변속 장치의 중심 축선을 중심으로 회전할 수 있도록 되며,
- 2차 유성형 가변기의 선 휠은 변속 장치의 출력 샤프트에 연결되고, 예하중의 반력은 액시얼 베어링을 통해 하우징에 전달되는 것을 특징으로 한다.
특허 출원 제PCT/EP2008/057009호에 기술된 바와 같은 변속 장치의 출력 밀도 개념은 이제 견일 휠에 더 높은 수직력을 가하는 것에 의해 그리고 변속 장치를 그 트랙션 한계에 가깝게 사용될 수 있도록 하는 제어 방법을 추가하는 것에 의해 개선되었다. 더 높은 수직력을 가하기 위해, 본래 구성의 조정 또는 개선이 이루어져야만 한다. 변속 시스템에 관하여 아래에 주어지는 모든 비교 및 개선들은 그것이 비교되는 것과 인용예 및 고유의 데이터를 포함하는 특허 출원 제PCT/EP2008/057009호에 관하여 고려될 필요가 있다.
가역 가변 변속 장치의 아래의 구성요소에 관한 개선이 이루어진다:
- 조향 피스톤;
- 위성: 특히 위성 휠, 위성 커버, 위성 베어링 및 위성 포크의 레그(leg)에 대한 것;
- 압착 압력의 제어 전략;
- 출력 샤프트.
첫번째로, 더 높은 수직력은 조향 실린더에 있는 조향 피스톤에 대한 더 높은 압력을 초래한다. 입력 속도로 회전하는 RVT의 조향 실린더는 이제 고정 하우징 내에 포함되어, 피스톤 링이 해당 구성으로부터 제거된다. 피스톤 링은 조향 실린더 내의 압력을 제한하고 있었다. 또한, 피스톤 링의 제거는 구성요소의 개수를 줄이고, 이에 따라 비용과 복잡성을 개선하며, 입력 샤프트의 관성을 줄인다.
두번째로, 변속 장치의 가변기가 그 트랙션 한계에 보다 가깝게 작동해야만 하는 경우, 메인 샤프트 상의 동일한 지점에 연결된 위성 휠들은 정확하게 동일한 비를 나타내야만 한다. 따라서, 위성은 이제, 위성 휠 주행면으로부터 힌지 축선까지의 정확한 축방향 거리를 보장하고, 이에 따라 동력 손실과, 가능하게는 진동을 유발하는 언밸런스를 제거하기 위해 위성 포크 내에 포함되는 나사 결합 시스템(screwing system)을 사용하여 조정될 수 있다.
더욱이, 유성형 가변기 또는 RVT에서 사용되는 위성 휠은 더 높은 수직력을 견뎌야만 하기 때문에, 재구성되었고 이제 이증 맨틀 구조를 포함하는데, 이 이중 맨틀 구조를 통해 응력 및 변형이 감소되고, 이는 더 얇고 가벼운 구성을 초래하는 동시에 관성을 감소시킨다. 추가로, 삼각형 단면을 갖는 이중 맨틀은 횡방향 힘에 대한 충분한 강성을 제공한다.
동일한 이유로, 유성형 가변기 또는 RVT에서 사용되는 위성 휠은, 위성 허브와 실제로 평판 디스크로서 성형되는 위성 커버를 포함하도록 더욱 재구성되었다. 위성 커버의 외경은 원뿔형이고, 동일한 원뿔각을 지닌 위성 허브 내부에 끼워진다. 모든 클리어런스는 위성 허브 내부에 위성 커버를 나사 결합시키는 것에 의해 제거된다. 이러한 방식에서는, 위성 허브와 위성 휠의 변형을 피하기 위해 원뿔면 상에 압박 접촉 응력이 가해진다. 위성 커버의 디스크는, 상부 위성 맨틀이 위성 허브에 의해 지지되는 위치에 가깝게 위성 허브 내부에 배치된다. 이것은 도 2에서 비제한적인 방식으로 예시된다.
더 높은 수직력은 위성 베어링에 가해지는 힘을 증가시킨다. 위성 휠의 베어링 구성은 테이퍼진 또는 구형 롤러 액시얼 베어링을 단지 하나의 레이디얼 베어링과 함께 사용하는 것에 의해 개선되었으며, 이는 베어링 출력 손실을 줄이고 더 콤팩트하고 비용이 덜 드는 베어링 구성을 초래하였다.
마지막으로, 유성형 가변기 또는 RVT에서 사용되는 위성에 관하여, 전방 구동에 관한 응력으로 인해 주로 하중을 받고, 이에 따라 균일하게 하중을 받지 못하는 위성 포크는, 대칭 레그를 지닌 위성 포크를 갖는 것보다 비대칭 구성이 더 적절하다. 위성 포크의 더 콤팩트하고 더 강건한 재구성에서, 레그는 동일하지 않으며, 최고 하중을 받는 레그가 약간 더 두꺼운 반면, 최저 하중을 받는 레그는 약간 더 얇은 구성요소로 재형상화된다.
변속 장치를 그 트랙션 한계에 가깝게 작동시키려는 목표는 압착 압력이 마찰에 의한 토크 전달에 필요한 것보다 높지 않고 최소 안전 마진이 증가되는 것을 보장하는 것에 의해 달성된다. 이러한 방식에서는, 효율도 또한 증가되는데. 그 이유는 더 높은 압착 압력이 내부 전달 손실을 증가시킬 것이기 때문이다.
변속 장치 컨트롤러는 통상적으로 실제 속도비, 속도비 변화 및 입력 토크에 기초하여 요구되는 압착 압력을 산출한다(도 7a 참고). 입력 토크 신호는 2개 또는 3개의 소스 중 최대값을 취하여 얻어질 수 있다:
- 엔진 모델로부터의 입력 토크
- 출력 토크 측정으로부터 재산출된 선택적 입력 토크
- 마이크로 슬립(micro slip) 및 압착 압력으로부터 산출된 입력 토크.
마이크로 슬립 자체는 2개 신호를 비교하는 것으로부터 산출된다:
- 조향 피스톤의 측정 위치로부터 산출된 이론적인 무부하 속도비
- 측정된 실제 속도비.
대안으로서(도 7b 참고), 변속 장치 컨트롤러는 실제 입력 속도, 속도비, 속도비 변화 및 입력 또는 출력 토크에 기초하여 요구되는 압착 압력을 산출한다. 입력 또는 출력 토크 신호는 1개 또는 2개 소스 중 되채값을 취하는 것으로부터 달성된다:
- 엔진 모델 또는 출력 토크를 설명하는 모델로부터의 입력 토크,
- 선택적으로 측정된 출력 토크.
압착 압력은 PID-컨트롤러를 사용하여 마이크로 슬립을 미리 정해진 값으로 유지하는 것에 의해 더욱 조정될 수 있다.
마이크로 슬립 자체는 2개 신호를 비교하는 것으로부터 산출된다:
- 조향 피스톤의 측정 위치로부터 산출된 이론적인 무부하 속도비
- 측정된 실제 속도비
이러한 전자 제어 방법은 또한 매크로 슬립에 대한 전자 보호로서 기능한다.
선택적으로, 또한 전자적 슬립 방지뿐만 아니라, RVT의 출력 샤프트 구성에는 이 샤프트를 2개 부분, 즉 2차 선 휠과 출력 샤프트로 분할하는 것에 의해 기계적 슬립 방지가 포함된다. 2차 선 휠은 출력 샤프트에 의해 센터링되고 접선방향 램프를 통해 출력 샤프트에 의해 축방향으로 지지된다. 출력에 대한 예상치 못한 토크 피크는 압착 압력에 대한 압력 피크를 유발할 것이며, 즉 위성 휠에 대한 2차 선 휠의 축방향 힘 피크를 형성할 것이며, 이에 따라 마이크로 슬립을 안정화할 것이다.
마지막 매크로 슬립 방지는, 토크 피크가 변속 장치의 토크 용량을 초과할 때마다 엔진의 연료 분사와 압착 압력 모두를 동시에 0으로 하는 것에 의해 추가된다.
본 발명은 아래의 양태를 더 제공한다:
양태 1. 제한하는 것은 아니지만 압착 압력을 통상적으로 20 내지 150 바아 범위 내로 유지할 수 있는 가변 또는 가역 변속 장치를 위한 서브시스템으로서 기능하는 유성형 가변기(planetary variator)로서, 링 휠, 중심 샤프트 주위에 장착되는 2개 이상의 위성(planet) 및 선 휠을 포함하여, 링 휠, 중심 샤프트 및 선 휠은 다른 변속 장치 구성요소와의 인터페이스를 형성하며, 각각의 위성은 상기 선 휠 또는 링 휠의 주행면(running surface)에서 주행하는 위성 휠과, 위성을 상기 중심 샤프트에 연결하는 위성 포크를 포함하는 것인 유성형 가변기에 있어서,
a) 이론적인 넌크라운형(non crowned) 위성 휠 주행면에 소정 하중이 인가될 때에 위성 휠 주행면에 의해 형성되는 원뿔의 꼭지점이 위성 포크의 힌지 축선과 정확하게 일치하는 것을 보장하기 위해, 연속 또는 불연속 제어 시스템이 각각의 위성 조립체에 포함되고; 및/또는
b) 위성 휠은 상부 위성 맨틀과 하부 위성 맨틀로 형성되어, 상부 위성 맨틀의 중립 파이버(neutral fiber)가 실제적으로 위성 휠 주행면에 대한 수직력 벡터와 일치하며, 하부 위성 맨틀의 중립 파이버가 실제적으로 주행면의 2개의 접촉 영역에 작용하는 접선방향 힘에 의해 형성되는 평면에 놓이고; 및/또는
c) 각각의 위성이 위성 커버와 위성 허브를 포함하며,
- 위성 커버와 위성 허브는 임의의 클리어런스 또는 예하중 없이 서로 조립되고; 및/또는
- 위성 커버의 디스크는 상부 위성 맨틀이 위성 허브에 의해 지지되는 높이에 가깝게 장착되며; 및/또는
- 위성 커버는 위성 허브와의 접촉면 사이에 적어도 실제적으로 편평한 디스크를 포함하고;
d) 각각의 위성에 작용하는 축방향 힘과 반경방향 힘의 일부는 하나의 테이퍼진 베어링 또는 하나의 구형 롤러 액시얼 베어링에 의해 얻어지며, 구형 롤러 액시얼 베어링을 위한 경사각은 롤러 요소의 중심에서 정해지며, 반경방향 힘의 나머지는 하나의 레이디얼 베어링에 의해 지지되고, 선택적으로, 축방향 하중에 대한 외측 링 구름면에 작용하는 수직력의 경사각은 20°내지 50°이며; 및/또는
e) 위성 포크의 2개의 레그는 동일하지 않은 것을 특징으로 하는 유성형 가변기.
양태 2. 제1항에 따른 1차 및 2차 유성형 가변기를 포함하는, 통상적으로 압착 압력을 제한하는 것은 아니지만 20 내지 150 바아 범위 내로 유지할 수 있는 가역 가변 변속 장치.
양태 3. 양태 2에 있어서, 모든 트랙션 휠을 서로에 대해 압박하는 압착 피스톤과 속도비를 제어하는 조향 피스톤을 더 포함하고,
a) 조향 피스톤은 메인 샤프트와 함께 회전하지 않지만 하우징에 대해 축방향으로 이동되며, 액시얼 베어링을 통해 메인 샤프트를 축방향으로 재배치하고, 조향 피스톤을 위한 유압 또는 공압이 피스톤 링과 같은 임의의 동역학적 시일 없이 하우징에 대해 공급되거나 방출되며; 및/또는
b) 변속 장치 컨트롤러가 입력 또는 출력 토크 신호, 입력 속도, 속도비 및 속도비 변화에 기초하여 압착 피스톤에 작용하는 압착 압력을 산출하며, 입력 토크 신호는 아래의 1개 또는 2개 입력 데이터, 즉
- b1) 부속품을 포함하는 엔진 모델 또는 출력 토크를 설명하는 모델로부터의 입력 토크 신호
- b2) 출력 토크 감지 디바이스로부터의 선택적 토크 신호(도 7b)
중 최고값이며; 및/또는
c) 변속 장치는 선 휠과 출력 샤프트 베어링 사이에서 출력 샤프트에 포함되는 기계적 압착 압력 제어부 및 슬립 방지 백업부를 더 포함하고, 상기 슬립 방지 백업부는 양방향의 윤활식 접선방향 램프와, 선 휠 샤프트를 센터링된 상태로 유지하는 센터링 디바이스를 포함하고, 램프 각의 탄젠트는 축방향 출력 샤프트 힘에 대한 최대 접선방향 샤프트 힘의 비에 상응하는 것을 특징으로 하는 가역 가변 변속 장치.
양태 4. 양태 3에 있어서, 선택적으로 b) 압착 압력은 PID-컨트롤러를 사용하여 마이크로 슬립을 미리 정해진 값으로 유지하는 것에 의해 더욱 조정되고, 상기 마이크로 슬립 자체는 아래의 2개 신호를 비교하는 것에 의해 산출되는 것인 RVT.
- b3) 조향 피스톤의 위치 측정으로부터 얻은 이론적인 무부하 속도비 또는 압착 피스톤 위치의 측정과 요구되는 구동 센스에 관한 지식으로부터 산출된 무부하 속도비, 및
- b4) 측정된 실제 속도비.
양태 5. 양태 3 또는 양태 4에 있어서, 특징 b)를 포함하고, 토크가 변속 장치 토크 용량을 초과하는 경우에, 과부하가 인가되는 한 압착 압력과 엔진 코트를 즉시 0으로 하는 것에 의한 최종 슬립 방지부를 더 포함하고, 이에 의해 요구되는 압착 압력의 설계 한계를 초과할 때에 과부하 토크가 검출되는 것인 RVT.
양태 6. 링 휠, 중심 샤프트 주위에 장착되는 2개 이상의 위성 및 선 휠을 포함하여, 링 휠, 중심 샤프트 및 선 휠이 다른 변속 장치 구성요소와의 인터페이스를 형성하는 것인 1차 유성형 가변기와 2차 유성형 가변기를 포함하는 가역 가변 변속 장치로서,
- 모든 트랙션 휠을 서로에 대해 압박하는 압착 피스톤과 속도비를 제어하는 조향 피스톤을 지닌 조향 실린더
를 더 포함하는 가역 가변 변속 장치에 있어서,
- 변속 장치 컨트롤러가 입력 토크 신호, 속도비 및 전달 모델에 기초하여 압착 압력을 산출하고, 입력 토크 신호는 아래의 2개 또는 3개 입력 데이터 중 최대값인 것을 특징으로 하는 가역 가변 변속 장치.
- a) 부속품을 포함하는 엔진 모델로부터의 입력 토크 신호,
- b) 변속비 및 손실을 고려하여 입력 토크에 대해 재산출된, 출력 토크 감지 디바이스로부터의 선택적 입력 토크 신호, 및
- c) 아래의 2개 신호, 즉
- c1) 조향 피스톤의 위치 측정으로부터 얻은 이론적인 무부하 속도비, 및
- c2) 측정된 실제 속도비(도 7a)
를 비교함으로써 산출된, 실제 속도비 및 그 변화와, 실제 압착 압력, 그리고 실제 슬립에 의한 전달 모델을 통해 산출된 입력 토크.
양태 7. 양태 6에 있어서, 단계 c)에서, 무부하 속도비는 압착 피스톤의 위치 측정과, 조향 피스톤의 위치 측정 대신에 요구되는 구동 센스의 지식으로부터 산출되는 것인 가역 가변 변속 장치.
양태 8. 양태 6 또는 7에 있어서, 선 휠과 축방향 출력 샤프트 베어링 사이에서 출력 샤프트에 포함되는 기계적 압착 압력 제어부와 슬립 방지 백업부를 더 포함하고, 상기 슬립 방지부는 양 방향의 윤활식 접선방향 램프와, 선 휠 샤프트를 센터링된 상태로 유지하는 센터링 디바이스를 포함하며, 램프 각의 탄젠트는 축방향 출력 샤프트 힘에 대한 최대 접선방향 샤프트 힘의 비에 상응하는 것인 가역 가변 변속 장치.
양태 9. 양태 6 내지 8 중 어느 하나에 있어서, 토크가 변속 장치의 토크 용량을 초과하는 경우에, 과부하가 인가되는 한 압착 압력과 엔진 토크를 즉시 0으로 하는 것에 의해 구현되는 최종 슬립 방지부를 더 포함하고, 요구되는 압착 압력이 설계 한계를 초과할 때에 과부하 토크가 감지되는 것인 가역 가변 변속 장치.
양태 10. 가역 가변 변속 장치로서, 링 휠, 중심 샤프트 주위에 장착되는 2개 이상의 위성 및 선 휠을 포함하며, 링 휠, 중심 샤프트 및 선 휠이 다른 변속 장치 구성요소와의 인터페이스를 형성하는 가역 가변 트랜스미션 또는 양태 6 내지 양태 9 중 어느 하나에 따른 RVT에 있어서,
조향 피스톤은 메인 샤프트와 함께 회전하지 않지만 하우징에 대해 축방향으로 이동되고, 액시얼 베어링을 통해 메인 샤프트를 축방향으로 재배치하고, 조향 피스톤을 위한 유압 또는 공압이 피스톤 링과 같은 임의의 동적 시일 없이 하우징에 대해 직접 공급되거나 배출되는 것을 특징으로 하는 RVT.
양태 11. 가변 또는 가역 변속 장치를 위한 서브시스템으로서 기능하는 유성형 가변기로서, 링 휠, 중심 샤프트 주위에 장착되는 2개 이상의 위성 및 선 휠을 포함하여, 링 휠, 중심 샤프트 및 선 휠은 다른 변속 장치 구성요소와의 인터페이스를 형성하는 유성형 가변기에 있어서,
이론적인 넌크라운형 위성 휠 주행면에 의해 형성되는 원뿔의 꼭지점이, 위성 휠 주행면에 소정 하중이 인가될 때에 위성 포크의 힌지 축선과 정확히 일치하는 것을 보장하기 위해 연속 또는 불연속 제어 시스템이 위성 조립체에 포함되는 것을 특징으로 하는 유성형 가변기.
양태 12. 가변 또는 가역 변속 장치를 위한 서브시스템으로서 기능하고, 링 휠, 중심 샤프트 주위에 장착되는 2개 이상의 위성 및 선 휠을 포함하여, 링 휠, 중심 샤프트 및 선 휠이 다른 변속 장치 구성요소와의 인터페이스를 형성하는 유성형 가변기 또는 양태 11에 따른 유성형 가변기에 있어서,
위성 휠이 상부 위성 맨틀과 하부 위성 맨틀로 형성되어, 상부 위성 맨틀의 중립 파이버가 위성 휠 주행면에 대한 수직력의 벡터와 실제적으로 일치하고, 하부 위성 맨틀의 중립 파이버가 주행면의 2개 접촉 영역에 작용하는 접선방향 힘에 의해 형성되는 평면에 실제적으로 놓이는 것을 특징으로 하는 유성형 가변기.
양태 13. 가변 또는 가역 변속 장치를 위한 서브시스템으로서 기능하고, 링 휠, 중심 샤프트 주위에 장착되는 2개 이상의 위성 및 선 휠을 포함하여, 링 휠, 중심 샤프트 및 선 휠이 다른 변속 장치 구성요소와의 인터페이스를 형성하는 유성형 가변기 또는 양태 11 또는 양태 12에 따른 유성형 가변기에 있어서,
- 위성 커버와 위성 허브는 임의의 클리어런스 없이 또는 예하중 없이 서로 조립되고,
- 위성 커버의 디스크는, 상부 위성 맨틀이 위성 허브에 의해 지지되는 높이에 가깝게 장착되며,
- 위성 커버는 위성 허브와의 접촉면 사이에 실제적으로 편평한 디스크를 적어도 포함하는 것을 특징으로 하는 유성형 가변기.
양태 14. 가변 또는 가역 변속 장치를 위한 서브시스템으로서 기능하고, 링 휠, 중심 샤프트 주위에 장착되는 2개 이상의 위성 및 선 휠을 포함하여, 링 휠, 중심 샤프트 및 선 휠이 다른 변속 장치 구성요소와의 인터페이스를 형성하는 유성형 가변기 또는 양태 6 내지 양태 8 중 어느 하나에 따른 유성형 가변기에 있어서,
- 위성에 작용하는 축방향 힘과 반경방향 힘은 1개의 테이퍼진 베어링에 의해 주로 지지되고, 이에 의해 선택적으로 축방향 하중에 대한 외측 링 구름면에 대한 수직력의 경사각은 20°내지 50°범위이고(도 8 참고), 선택적으로 이러한 테이퍼진 베어링은 상당히 낮은 지탱 능력을 갖는 1개의 슬라이딩 또는 구름 베어링에 의해 지원되는 것을 특징으로 하는 유성형 가변기.
양태 15. 가변 또는 가역 변속 장치를 위한 서브시스템으로서 기능하고, 링 휠, 중심 샤프트 주위에 장착되는 2개 이상의 위성 및 선 휠을 포함하여, 링 휠, 중심 샤프트 및 선 휠이 다른 변속 장치 구성요소와의 인터페이스를 형성하는 유성형 가변기 또는 양태 11 내지 양태 14 중 어느 하나에 따른 유성형 가변기에 있어서,
위성 포크의 2개의 레그는 동일하지 않은 것을 특징으로 하는 유성형 가변기.
양태 16. 승용차, 트럭, 쓰레기차, 시내 버스, 오프하이웨이 차량, 잔디깎기 기계, 지게차, 텔레스코픽 붐 핸들러, 운동 에너지 회수 시스템(Kinetic Energy Recovery Systems; KERS), 풍력 터빈 또는 동력이 가변 속도로 전달되어야만 하는 산업 용례에서의 이전 양태들 중 어느 하나에 따른 유성형 가변기 또는 RVT의 용도.
상기 실시예들 중 임의의 실시예는 단일의 바람직한 실시예로 결합되어, 모든 개선점을 포함할 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 전술한 실시예의 모든 개선점을 갖는 유성형 가변기와, RVT 및 유성형 가변기에 관한 전술한 실시예의 모든 개선점을 포함하는 RVT를 제공한다.
첨부도면을 참고로 하여, 단지 예로써 본 발명의 실시예를 설명하겠다.
도 1은 조향 피스톤의 개략도이다.
도 2는 위성 조정 시스템, 위성 형상, 위성 커버 및 위성 휠 베어링의 개략도이다.
도 3은 동일하지 않은 레그를 지닌 비대칭 위성의 개략도이다.
도 4는 캘리버에 의한 위성의 조정에 관한 개략도이다.
도 5는 기계적 슬립 방지부의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 가역 가변 변속 장치의 개략도이다.
도 7은 전자적 슬립 방지 피드백 루프 제어 시스템의 개략도이다.
도 8은 테이퍼진 베어링의 경사각의 개략도이다.
도 9는 특허 출원 제PCT/EP2008/057009호의 가역 가변 변속 장치의 개략도이다. 이 도면은 특허 출원 제PCT/EP2008/057009호로부터 전체적으로 받은 것이며, 텍스트 및 도면부호는 이 선행 특허 출원에 원래 도시된 것과 같으며, 이 특허 출원은 참조에 의해 그 전체 내용이 여기에 포함되고, 도면부호는 단지 이 도면으로만 제한해서 봐야 하며, 이 선행 특허 출원의 도면부호 리스트에서 인용되는 것과 같다: (1) 링 휠, (2) 위성, (3) 선 휠, (4) 위성 포크, (5) 위성 휠, (6) 위성의 레이디얼 베어링, (7) 위성의 트러스트 베어링, (8) 힌지 핀, (9) 중심 샤프트, (10) 압력 경감 밸브, (11) 입력 샤프트, (12) 메인 샤프트, (13) 유성형 가변기, (14) 하우징, (15) 입력부에서의 액시얼 베어링, (16) 출력부에서의 레이디얼 ㅂ베베어링, (17) 부싱 선-링 휠, (18) 출력부에서의 레이디얼 베어링, (19) 출력부에서의 액시얼 베어링, (20) 입력 부싱, (21) 출력 부싱, (22) 오일 분배기, (23) 피스톤 링, (24) 립 시일, (25) 밀봉 튜브, (26) 전진 조향 실린더, (27) 후진 조향 실린더, (28) 조향 피스톤, (29) 예하중용 피스톤, (30) 예하중용 피스톤, (31 ) 위치 설정 핀, (32) 오일 펌핑 베인, (33) 전진 조향 압력을 위한 감압 밸브(pSF 프로프), (34) 후진 조향 압력을 위한 감압 밸브(pSR 프로프), (35) 수직 압력을 위한 감압 밸브(pN 프로프), (36) 전진 조향 압력을 위한 안전 차단 밸브, (37) 후진 조향 압력을 위한 안전 차단 밸브, (38) 저압 축압기, (39) 고압 축압기, (40) 오일 펌프, (41) 유압 펌프 스위치, (42) 유압 공급 스위치, (43) 유압 축압기 스위치, (44) 압력 센서, (45) 조향력, (46) 출력 샤프트, (47) 토크 전달 장치(즉, 스플라인 연결부), (48) 링 기어, (49) 유성 기어, (50) 유성 기어 캐리어, (51) 선 기어, (52) 예하중, (53) 조향력, 첨자 a: 1차 유성형 가변기, 첨자 b: 2차 유성형 가변기
특정 실시예에 대하여 그리고 소정 도면을 참고로 하여 본 발명을 설명하겠지만, 본 발명은 이들 실시예로만 제한되는 것이 아니라 단지 청구범위에 의해서만 제한된다. 도시된 도면은 단지 예시적인 목적을 위해 개략적이며 비제한적이다.
도 9에 개략적으로 도시하고 전술한 가역 가변 변속 장치에 대한 수정으로서 본 발명을 설명하겠다. 다른 신규하고 진보성이 있는 피쳐들이 추가되고, 대응하는 부분들이 아래에서 언급된다.
가역 가변 변속 장치에 대한 수정
1. 압착 압력 제어 및 슬립 방지
전자적 압착 압력 제어 전략
도 6에는, 모든 트랙션 휠을 서로에 대해 압박하여 마찰에 의한 토크 전달을 보장하기 위해 압착 압력이 작용하는 압착 피스톤(21)이 도시되어 있다. 압착 압력을 필요 이상으로 훨씬 많이 인가하는 것은 내부 전달 손실을 증가시키기만 할 것이다. 이에 따라, 변속 장치 컨트롤러가 전달 모델에 의해 필요한 압착 압력을 산출할 수 있도록 토크 레벨을 아는 것이 중요하다.
대부분의 구동 환경에서, 압착 압력은 스로틀 위치 및 변속비로부터 산출될 수 있다. 각각의 스로틀 위치에서, 이상적인 엔진 속도와 대응하는 엔진 토크가 변속 장치 컨트롤러의 메모리에 저장되고, 이상적인 엔진 속도와 대응하는 엔진 토크도 또한 엔진 온도, 주위 공기 상태 및 엔진의 동적 작용에 좌우된다. 입력 토크 및 요구되는 변속비와, 가속으로 인한 이들 값이 변화가 주어지면, 모든 구름 접촉부에서의 수직력이 산출될 수 있다. 일단 이들 데이터가 알려지면, 필요한 압착 압력이 산출된다.
매우 낮은 속도비(속도비는 변속 장치의 출력 속도를 그 입력 속도로 나눈 것임)에서, 이 방법은 부정확해진다. 자동차가 0.01의 속도비로 대기하고 있다고 가정하자. 변속 장치의 출력 토크는 크기가 15 Nm이다. 이에 따라, 입력 토크는 손실을 극복하고 부속품을 구동하는 데 필요한 토크에 비해 100배 작거나 0.15 Nm만큼 크다. 자동차가 가파른 오르막길에서 구동하기 시작하고 변속 장치 출력이 최대 75 Nm까지 증가한다고 가정하자. 입력 토크는 단지 0.6 Nm만큼 증가한다. 이러한 소량의 토크 레벨 증가는 부속품의 변하는 토크 레벨 중에서 주목받지 못할 것이며, 변속 장치 컨트롤러는 최적 압착 압력을 산출할 수 없을 것이다.
전술한 피드 포워드 방법(feed-forward method)은 토크 감지 디바이스를 사용하여 출력 토크도 또한 측정하는 것에 의해 개선될 수 있다. 일단 이러한 토크 감지 디바이스는 설치되고 나면, 낮은 속도비에서도 유용할 뿐만 아니라 임의의 속도비에서 보다 정확한 토크 정보를 제공할 것이다. 러프한 도로로 인한 급속한 토크 변동도 또한 측정될 수 있다. 이때, 입력 토크는 기지의 속도비에 의해 그리고 전달 모델로부터 알려진 전달 손실을 추가하는 것에 의해 산출된다.
출력 시, 즉 도로 상의 장애물에 의해 야기되는 토크 스파이크는, 엔진 속도가 현저히 감소되기 전에 그리고 이에 따라 변속 장치 컨트롤러가 토크가 증가하는 것을 인지하기 전에 변속 장치에 슬립을 유발할 수 있다. 출력 토크 감지 디바이스가 없는 경우, 소망하는 속도 미만의 엔진 속도의 편차는 토크 증가를 검출하는 유일한 방법이다. 이 경우, 엔진 속도는 토크 스파이크의 결과로서 전체 차량과 함께 감소될 것이다. 토크 스파이크 작용에 대한 반응은 단지 차후에 나타나며, 즉 조기 검출 피드백 시그널링은 존재하지 않는다.
전술한 다소 지체된 사후 팩텀 결정(factum determination)을 피하기 위해, 전술한 바와 같은 엔진 모델로부터의 피드 포워드 입력 토크 신호뿐만 아니라 피드백 입력 토크 신호도 또한 변속 장치 컨트롤러에 제공된다.
위치 센서는 조향 피스톤의 위치를 측정한다. 전달 모델로부터, 이론적인 무부하 속도비가 조향 피스톤의 각각의 위치에 대해 산출될 수 있다. 실제 슬립은 측정된 속도비와 이론적인 무부하 속도비로부터 산출된다. PID 컨트롤러는 마이크로 슬립을 그 최적의 미리 정해진 값으로 유지하기 위해 산출된 피드 포워드 압착 압력을 조정할 것이다(도 7b).
요약하자면, 압착 압력 제어를 위해 이용 가능한 2개 또는 3개의 신호가 있다:
- 피드 포워드를 위한 엔진 모델로부터의 입력 토크
- 피드 포워드를 위한 출력 토크 측정 디바이스로부터의 선택적인 입력 토크
- 피드 포워드를 위한 실제 슬립.
압착 압력을 정하기 위해, 2개의 입력 토크 신호 중 최대값이 모델에 대한 입력치로서 사용된다.
입력 토크 신호를 사용하는 것과 동일하게, 전달 모델도 또한 출력 토크 신호를 사용할 수 있다. 변속비와 내부 전달 손실의 모델을 통해, 출력 토크가 입력 토크로부터 산출될 수 있다.
본 발명의 실시예가 도 7에 도시되어 있다. 출력 시에 토크 스파이크가 나타날 때마다, 변속 장치 마이크로 슬립이 급격히 증가하는 한편, 측정된 마이크로 슬립은, 마이크로 슬립을 그 최적값으로 다시 보내는 압착 압력에서의 급속한 증가를 초래할 것이다.
조향 피스톤 이동이 비교적 길기 때문에, 시판 중인 적절한 위치 센서를 찾기가 어려울 수 있다. 대안으로서, 위치 센서는 압착 센서 상에 장착될 수 있는데, 그 이유는 그 이동이 훨씬 짧기 때문이다. 운전자의 요구로 인해 구동 방향이 알려져 있을 때, 압착 피스톤(21)의 위치와 이론적인 무부하 속도비 간의 기하학적 관계가 존재한다.
기계적 압착 압력 제어 및 슬립 방지
전술한 바와 같은 전자적 압착 압력 제어를 위한 백업부로서, 슬립 방지 기능을 지닌 다른 기계적 압착 압력 제어부가 추가될 수 있다.
2차 선 휠과 액시얼 베어링 사이에 있는 변속 장치의 출력 샤프트는 압착 압력에 의해 야기되는 축방향 힘으로 인해 하중을 받고, 전달되는 토크로부터의 토션으로 인해 하중을 받는다. 샤프트의 소정 직경에서, 토크로 인한 최대 접선방향 힘은 축방향 힘에 비례한다. 토크가 이러한 비례를 초과할 때, 변속 장치는 슬립할 것이다. 본 발명의 실시예에서, 토크와 관련된 이러한 초과하는 비례 피쳐가 포함되어, 출력 샤프트를 선 휠 샤프트(22)와 출력 샤프트(23)로 분할하는 것에 의해 기계적 슬립 방지 시스템이 제공되며, 이에 따라 2개의 샤프트는 도 5에 도시한 바와 같이 접선방향 램프(24)를 통해 서로 끼워맞춰진다. 램프(24)는 전달 영역에 배치되어, 베어링 오일에 의해 윤활된다. 기계적 슬립 방지 메커니즘은 안전 메커니즘을 의미하며, 이에 따라 빈번히 사용되도록 의도되지 않는다. 그 결과, 램프들 사이에 베어링으로서 작용하는 볼들 또는 롤러들이 요구되지 않는다. 램프 각도의 탄젠트는 접선방향 힘과 축방향 힘 간의 관계에 상응한다. 램프(24)는, 슬립 방지가 전방과 후방 양쪽 모두에서 작용하도록 양 방향으로 형성된다.
제조 관련 원인으로 인해, 램프(24)를 포함하는 별도의 링을 형성한 다음, 이 링은 출력 샤프트(23) 내부에 장착하는 것이 더 편리할 것이다. 램프(24)를 지닌 링이 출력 샤프트(23) 내부에서 회전하는 것을 방지하기 위한 여러 종래의 방식이 있으며, 이들 방식의 몇몇 예가 제공될 수 있다. 가능한 옵션은, 예컨대 볼트를 사용하여 링을 장착하는 것 또는 링의 외경 상에 캠을 배치하는 것, 출력 샤프트(23)에 있는 슬롯에 끼워넣는 것 또는 스플라인 연결부를 사용하는 것일 수 있다.
도 5를 참고하는 본 발명의 실시예에서 압착 압력이 인가되는 토크에 비해 너무 낮을 때, 램프(24)들이 서로에 대해 슬라이딩하기 시작할 것이고, 2차 선 휠 샤프트(22)를 압착 피스톤(21) 방향으로 압박할 것이다. 유압 오일이 제어 솔레노이드를 통해 압착 실린더 외측으로 압박될 것이다. 이러한 솔레노이드의 포트에서는, 유동력이 발생할 것이고, 이에 의해 전자 제어 시스템이 반응할 수 있기 전에 압착 실린더 내부의 압력이 증가한다. 증가된 압착 압력은 슬립 개시를 상쇄시키고 기계적 슬립 방지 시스템의 해제를 더욱 방지할 것이다. 일단 컨트롤러가 요구되지 않은 변속비 변화와 함께 요구되지 않은 증가하는 압착 압력을 측정하면, 기계적 슬립 방지 시스템이 활성화되고, 매크로 슬립을 방지하기 위해 압착 압력이 제어될 것이라는 것이 알려진다.
타력 운전 차량의 슬립 방지
본 발명의 실시예에서 제공되는 최종 방지로서, 토크 피크가 변속 장치의 토크 용량을 초과할 때마다 엔진의 연료 분사와 압착 압력 모두가 동시에 0이 된다. 차량은 이러한 방지가 활성화되는 매우 짧은 시간 동안 타력 운전될 것이다. 요구되는 압착 압력이 설계 한계를 초과할 때에 과부하 상태가 검출된다.
전술한 슬립 방지 시스템을 포함하는 본 발명의 실시예는 변속 장치를 손상으로부터 보호할 뿐만 아니라, 그 주요 임무는 더 낮은 안전 마진을 갖는 압착 압력 레벨로 구동하는 것을 보장하는 것이다.
2. 조향 피스톤
본 발명의 실시예를 참고하면, 변속 장치 하우징 내로의 조향 실린더 시스템의 통합이 도 1 내지 도 6을 참고로 하여 설명될 것이다.
메인 샤프트(5)는 액시얼 베어링(4)에 의해 또는 특히 4 포인트 앵귤러 컨택트 볼 베어링(4-point angular contact ball bearing)에 의해 축방향으로 변위된다. 이러한 액시얼 베어링(4)은 고정식 이중 작용 조향 피스톤(3)에 의해 조향된다. 유압은 유압 제어 블럭과 직접 연결된다. 유압 채널은 짧고 넓기 때문에, 많은 유량이 매우 낮은 압력 강하로 신속한 변속비 변경을 달성하도록 한다. 액시얼 베어링(4)은 특허 출원 제PCT/EP2008/057009호의 구성과 동일한 힘 및 속도를 갖고, 이에 따라 더 많은 하중을 받지 않는다.
특허 출원 제PCT/EP2008/057009호에 기술된 바와 같은 구성에 비해, 본 발명에서의 유압은 고정 하우징으로부터 회전 피스톤으로 전달될 필요가 없다. 이에 따라, 본 발명의 실시예의 피스톤 링이 제거되고, 따라서 오일 누설이 거의 완전히 제거된다. 변속 장치는 동일한 변속비로 장시간 동안 작동될 수 있고, 유압 제어 블럭에 대한 압력은 펌프가 동력을 소비하는 일 없이 축압기로부터 공급된다.
본 발명의 실시예는 조향 피스톤과 관련된 구성요소의 개수가 더 작고, 이에 따라 비용과 조립체의 복잡성을 줄인다. 더욱이, 입력 샤프트(1)의 관성이 특허 출원 제PCT/EP2008/057009호에 비해 상당히 감소되었다.
3. 위성 조정
본 발명의 실시예는 위성 휠 주행면(16)에서부터 위성 포크(11)의 힌지 축선(17)까지의 축방향 거리의 연속 조절 메커니즘을 지닌 구성을 제공한다. 이러한 조절 기구는 특히 위성의 구성요소에 있어서의 기존의 불가피한 제조 공차에 의해 유발되는 위성들의 치수차를 보상한다. 조절 기구에 있어서, 모든 위성은 구름체의 동일한 기하 치수를 형성하는데, 이것은 변속비에 있어서의 원치 않게 발생되는 차이, 감소된 토크 용량, 보다 작은 효율 및 가능하게는 진동을 유발하는 언밸러스로부터 시스템을 보호하기 위해 필요하다.
실제적인 구현예가 도 2 및 도 4에 도시되어 있다. 베어링, 위성 허브(9) 및 위성 휠(6)을 지닌 위성 샤프트(12)는 위성 포크(11)를 통해 캘리버(20)의 기계적 엔드스톱까지 나사 결합되어, 위성 휠 주행면(16)까지의 힌지 축선(17)의 정확한 거리를 제공한다. 조정 위치가 고정될 수 있고, 이에 의해 이러한 고정은 위성 포크(11)에 대해 로크 스크루(13)를 조이는 것에 의해 보장된다. 상기 조절은 원뿔형 위성 휠의 주행면(16)으로부터의 이론적인 원뿔의 선단이 주어진 하중 하에서 위성 포크(11)의 위성의 힌지 축선(17)과 일치하는 것을 보장한다.
4. 위성 휠의 형상
본 발명의 실시예에서, 견인력을 전달하기 위해 위성 휠은 링 휠 및 선 휠과의 접촉 영역에서 발생되고, 상기 접촉 영역에서의 견인력에 기인하는 전달되는 접선방향 힘과는 독립적인 높은 수직력에 저항하도록 구성된다. 수직력의 값은 변속 장치의 크기 및 전달되는 토크에 좌우되지만, 도시한 예에서는 예컨대 약 30 kN에 이를 수 있다. 수직력에 대한 견인력의 관계는 시스템의 마찰 계수에 의해 제한된다. 수직력이 클수록, 더 많은 토크가 전달될 수 있다.
도 2에 관하여 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예는 이중 맨틀, 즉 상부 위성 맨틀(7) 및 하부 위성 맨틀(8)을 포함하는 위성 휠(6)을 갖는다. 상부 위성 맨틀(7)은 수직력에 기인하는 압축 응력에 의해서만 하중을 받고, 굴곡 응력에 의해서는 하중을 받지 않지 반면, 하부 위성 맨틀(8)은 접선방향 힘에 기인하는 압축 응력과 인장 응력에 의해서만 하중을 받는다. 그 결과, 위성 휠의 이중 맨틀에 의해, 응력과 변형이 줄어들고, 이에 따라 도 9에 도시한 바와 같은 특허 출원 제PCT/EP2008/057009호의 위성 휠에 비해 얇고 경량인 구성이 얻어진다. 이러한 질량 감소로 인해, 관성도 동시에 감소되었다.
이중 맨틀을 지닌 위성을 포함하는 본 발명의 실시예는 위성 휠에서 굴곡 응력을 제거한다. 도 2의 상세 A를 참고하면, 수직력의 벡터가 상부 위성 맨틀(7)의 상부 중립 파이버(18)와 일치하는 반면, 접선방향 힘의 벡터는 하부 위성 맨틀(8)의 하부 중립 파이버(18)와 동일한 평면에 놓인다.
도 2의 상세 A에 도시한 바와 같이, 상부 위성 맨틀(7)과 하부 위성 맨틀(8)은 삼각형 단면을 형성하여, 접촉 영역에 대해 접선방향이고 도 2에 도시한 단면의 평면에 횡방향 힘에 대한 충분한 강성을 제공하여, 빠른 변속비 변화에서 중요해진다. 일례로서, 자동차의 가속 중에 속도비는, 예컨대 0.5 Hz 미만의 속도에서 변하고, 횡방향 힘은 무시할 만한 크기(약 20 kN의 수직력에 비해 10 내지 500 N)로 유지되지만, 킥다운(kick-down) 중에 횡방향 힘은 약 1000 N으로 증가할 수 있고, 이에 따라 속도비는 최대 5 Hz 속도로 변할 수 있다.
예컨대, 원심력과 자이로 모멘트(gyroscopic moment)를 고려하는 강도 수치 산출(numerical strength calculation)에 의한 설계 최적화는 접촉 영역에 대해 상부 또는 하부 위성 맨틀을 재배치하는 것에 의해 설명한 원리에 관하여 상부 중립 파이버(18)와 하부 중립 파이버(18)의 작은 변위를 초래할 수 있다.
5. 위성 커버
도 2에 예시한 바와 같이, 본 발명의 실시예는 위성 허브(9)와 위성 휠(6)의 변형을 방지하기 위해 위성 커버(10)가 클리어런스 없이 위성 허브(9) 내에 장착되는 위성을 제공한다. 위성 커버(10)가 없는 경우, 위성 허브(9)의 원형 에지는 상부 위성 맨틀(7)에 의해 위성 허브(9)의 상부 림에 전달되는 수직력으로 인해 타원 형상으로 변형될 것이다.
위성 커버(10)는 실제적으로 원뿔형 에지를 지닌 평판 디스크로서 구성된다. 위성 커버(10)의 측부 상에 작용하는 반경방향 힘은 굴곡 응력을 전혀 발생시키기 않기 때문에, 변형이 최소가 된다. 위성 커버(10)의 평면은 위성 허브(9) 내의 상부 위성 맨틀(7)의 지지 평면에 가깝게 장착된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 관하여 위성 커버(10)가 클리어런스 없이 위성 허브(9) 내부에 장착될 수 있는 방법을 예시한다. 위성 커버(10)는 원뿔형이며, 동일한 원뿔각을 지닌 위성 허브(9) 내부에 끼워진다. 위성 커버(10)가 위성 허브(9) 내부에 나사 결합되기 때문에, 모든 클리어런스와 가능한 상대 이동이 제거된다. 따라서, 원뿔면 상에 압박 접촉 응력이 인가된다. 위성 커버(10)를 클리어런스 없이 장착하는 대안의 방법은, 예컨대 샤프트 상에 기어를 장착하는 것으로부터 알려진, 예컨대 기지의 억지 끼워맞춤이다.
위성 커버(10)의 최종 형상은, 원심력에 기인하는 추가의 응력을 보상하기 위해 평판 디스크 구성으로부터 약간 벗어날 수 있다.
위성 커버(10)는 단지 압축력에 의해서만 하중을 받기 때문에, 위성 커버(10) 구성을 위해 알루미늄과 같은 경량재가 선택될 수 있는 한편, 요구되는 강성이 여전히 유지된다.
6. 위성 휠 베어링
높은 축방향 힘이 위성의 베어링에 작용한다. 더욱이, 이러한 베어링은 또한 반경방향 힘으로 인해 하중을 받는다. 특허 출원 제 PCT/EP2008/057009호에 설명된 바와 같이, 도 9에도 또한 도시된 레이디얼 베어링은 반경방향 하중을 받는다. 위성 휠의 고유한 하중에 대응하도록 보다 간단하고 효율적인 베어링 구성이 적용될 수 있다.
트랙션 휠의 마찰 계수로 인해, 반경방향 힘 대 축방향 힘의 비가 소정 한계치를 초과할 수 없다. 본 발명의 실시예는 이러한 속성의 장점을 취하여 위성에 있어서, 하나의 테이퍼진 단일 베어링(14)이 축방향 하중(27)과 반경방향 하중(26)의 일부 양자 모두를 지지하는 콤팩트한 베어링 구성을 제공한다. 작동 시에, 변속 장치 또는 유성형 가변기는 항시 축방향 힘(27)에 의해 하중을 받는다. 반경방향 하중의 나머지 부분은 도 2에 도시한 바와 같은 다른 레이디얼 베어링(15)에 의해 수용된다.
테이퍼진 베어링(14)의 외측 링의 경사각은 통상적으로, 보다 효과적으로 합력을 지지하도록 형성된다. 도 8a 및 도 8b는 베어링의 외측 링 상에 작용하는 축방향 힘과 반경방향 힘의 합력(28)을 개략적으로 보여준다. 베어링의 외측링의 구름면에 대한 법선이 쇄선으로 나타난다.
축방향 하중(27)에 대한, 도 8에서 25로 나타낸 법선의 경사각은 표준 베어링에서의 경사각보다 훨씬 각도로 선택되지만, 이러한 각은 도 8에서 29로 나타낸 축방향 하중(28)에 대한 합력(28)의 각보다 훨씬 커야만 한다. 구성과 마찰 계수에 따라, 각 29로 나타낸, 축방향 하중(27)에 대한 합력(28)의 각은 10°내지 25°를 절대 초과하지 않는다. 표준형 테이퍼진 베어링의 축방향 하중에 대한 법선의 경사각은 통상적으로 60°보다 크지만, 본 출원에 있어서 25로 나타낸, 축방향 하중(27)에 대한 법선의 경사각은 20°내지 50°로 선택될 수 있다. 이러한 방식으로, 베어링의 크기가 감소될 수 있고, 테이퍼진 베어링이 안정하게 유지된다.
구형 롤러 액시얼 베어링은 경사각이 작은 테이퍼진 롤러 베어링과 유사한 기하 형상을 갖고, 또한 표준형 부품으로서 시판된다. 구형 롤러 액시얼 베어링은 테이퍼진 베어링을 대체할 수 있다.
테이퍼진 베어링(14)과 레이디얼 베어링(15)이 마련되는 전술한 바와 같은 베어링 구성을 포함하는 본 발명의 실시예는 특허 출원 제PCT/EP2008/057009의 베어링 구성에 비해 더 콤팩트하고 비용이 저렴한 베어링 구성을 초래한다. 구성요소의 정확도 및 경도에 대한 요건은 덜 까다로운데, 그 이유는 니들 또는 롤러가 구성요소에 직접 맞닿아 이동되지 않기 때문이다.
7. 위성 포크의 레그
여러 변속 장치 용례에서, 대부분의 구동은 전방으로 일어난다. 따라서, 위성 포크 재료의 수명은 주로 전진 구동 중의 응력에 의해 결정된다. 전진 시의 모든 변속비에서, 위성 포크에서의 굴곡 모멘트는 동일하게 나타난다. 그 결과, 위성 포크의 하나의 레그가 위성 포크의 나머지 레그보다 훨씬 더 큰 하중을 받을 것이다.
유성형 가변기의 구성에서는, 위성 포크들 간의 간섭이나 위성 포크와 링 휠 및 선 휠 간의 간섭을 피하는 것이 필수적이다. 특허 출원 제PCT/EP2008/057009호에서 유성형 가변기에 대해 설명한 바와 같은 대칭형 레그를 지닌 위성 포크는 이용 가능한 공간을 효율적으로 사용하지 않기 때문에, 공간 제약 내에서 포크의 강도가 최적화되지 않는다. 아래에서 더 설명하겠지만 2개의 동일하지 않은 레그를 포함하는 신규한 비대칭 구성을 도입하는 것에 의해, 유성형 가변기는 전술한 용례 환경 내에서 더 많은 토크를 전달할 수 있다.
도 3에 예시한 바와 같이, 본 발명의 실시예는, 최대 하중을 받는 레그는 약간 더 두꺼운 구성요소로 조정하는 반면, 최소 하중을 받는 레그는 약간 더 얇은 구성요소로 재구성하는 것에 의한 위성 포크(11)의 강건하고 콤팩트항 구성을 보여준다. 위성 포크(11)에서의 대칭은 더 이상 유지되지 않는다. 이에 의해, 전달 가능한 토크가 증가하는 반면, 전체 치수는 동일하게 유지된다.
적용 분야
이러한 변속 장치는 승용차용으로 고려되지만, 그 용례는 아래로 확대될 수 있다:
- 트럭: 높은 효율과 함께, 큰 폭의 높은 여러 변속비가 필요하다. 쓰레기차는 그 클러치가 마모되지 않을 것이며, 훨씬 더 효율적으로 구동할 것이다.
- 시내 버스는 클러치가 슬립되거나 토크 컨버터가 슬립되는 일 없는 빈번한 시동으로 인해 훨씬 더 효율적으로 구동할 것이다. 그 외에, 버스를 출발시키기 위해 엔진을 가속시킬 필요가 없는데, 그 이유는 엔진 토크가 저속에서의 비제한된 토크 배가로 인해 매우 낮기 때문이다.
- 오프하이웨이
- 대형 잔디깎기 기계와 같이, 저속에서 양호한 효율과 크리퍼 속도(creeper speed)가 중요한 용례
- 전진과 비교적 빠른 후진(2단 전진 기어에 필적함) 양자 모두에서 원활한 저속 조작 능력을 필요로 하는 지게차
- 변하는 지면 저항과는 독립적으로 저속이 제어 가능해야만 하는 텔레스코픽 붐 핸들러와 같은 기계
- 운동 에너지 회수 시스템(KERS로 알려짐)은 임의의 슬립하는 구성요소 없이 플라이휠과 엔진 사이에서 동력을 전달할 수 있다. 이와 동시에, 차량은 또한 RVT에 의해 구동된다.
- 변속 장치 "출력부"가 매우 저속으로 회전하는 프로펠러에 연결되고, "입력부"가 발전기를 구동하는, 풍력 터빈.
- 동력이 가변 속도로 전달되어야만 하는 다른 산업 용례.
1: 입력 샤프트 2: 하우징
3: 조향 피스톤 4: 액시얼 베어링
5: 메인 샤프트 6 : 위성 휠
7: 상부 위성 맨틀 8: 하부 위성 맨틀
9: 위성 허브 10: 위성 커버
11: 위성 포크 12: 위성 샤프트
13: 로크 스크루 14: 테이퍼진 베어링
15: 레이디얼 베어링 16: 위성 휠 주행면
17: 위성 포크의 힌지 축선 18: 상부 중립 파이버
19: 하부 중립 파이버 20: 캘리버
21: 압착 피스톤 22: 램프를 지닌 선 휠 샤프트
23: 램프를 지닌 출력 샤프트 24: 접선 방향 램프
25: 외측 링의 구름면에 대한 수직력의 경사각
26: 반경방향 힘 27: 축방향 힘
28: 반경방향 힘과 축방향 힘의 합력
29: 합력의 각

Claims (9)

  1. 가변 또는 가역 변속 장치를 위한 서브시스템으로서 기능하는 유성형 가변기(planetary variator)로서, 링 휠, 중심 샤프트 주위에 장착되는 2개 이상의 위성(planet) 및 선 휠을 포함하여, 링 휠, 중심 샤프트 및 선 휠은 다른 변속 장치 구성요소와의 인터페이스를 형성하며, 각각의 위성은 상기 선 휠 또는 링 휠의 주행면(running surface)에서 주행하는 위성 휠과, 위성을 상기 중심 샤프트에 연결하는 위성 포크(planet fork)를 포함하는 것인 유성형 가변기에 있어서,
    위성 포크에 포함되는 나사 결합 시스템을 사용하여 위성의 위치를 조정하고 중심 샤프트 상에 로킹하는 것에 의해, 이론적인 넌크라운형(non crowned) 위성 휠 주행면에 특정 하중이 인가될 때에 이론적인 넌크라운형 위성 휠 주행면에 의해 형성되는 원뿔의 꼭지점이 위성 포크의 힌지 축선과 정확하게 일치하는 것을 보장하도록 연속 또는 불연속 제어 시스템이 각각의 위성 조립체에 포함되는 것을 특징으로 하는 유성형 가변기.
  2. 제1항에 따른 1차 유성형 가변기와 2차 유성형 가변기의 2개의 유성형 가변기를 포함하는 가변 변속 장치.
  3. 제2항에 있어서, 하우징, 모든 트랙션 휠을 서로에 대해 압박하는 압착 피스톤, 속도비를 제어하는 조향 피스톤, 변속 장치 컨트롤러 및 최종 슬립 방지부를 더 포함하고,
    a) 조향 피스톤은 메인 샤프트와 함께 회전하지 않고, 하우징에 대해 축방향으로 이동되며, 액시얼 베어링을 통해 메인 샤프트를 축방향으로 재배치하고, 조향 피스톤을 위한 유압 또는 공압이 임의의 동역학적 시일 없이 하우징에 대해 직접 공급되거나 방출되며,
    b) 변속 장치 컨트롤러가 입력 또는 출력 토크 신호, 입력 속도, 속도비 및 속도비 변화에 기초하여 압착 피스톤에 작용하는 압착 압력을 산출하며, 입력 토크 신호는 아래의 1개 또는 2개 입력 데이터인,
    - b1) 부속품을 포함하는 엔진 모델 또는 출력 토크를 설명하는 모델로부터의 입력 토크 신호, 또는
    - b2) 출력 토크 감지 디바이스로부터의 토크 신호
    중 최고값인 것을 특징으로 하는 가변 변속 장치.
  4. 제3항에 있어서, 선택적으로 b) 압착 압력은 비례 적분 미분 컨트롤러(proportional integral derivative controller)를 사용하여 마이크로 슬립(micro slip)을 미리 정해진 값으로 유지하는 것에 의해 더욱 조정되고, 마이크로 슬립 자체는 아래의 2개 신호인,
    - b3) 조향 피스톤의 위치 측정으로부터 얻은 이론적인 무부하 속도비 또는 압착 피스톤 위치의 측정과 요구되는 구동 센스에 관한 지식으로부터 산출된 무부하 속도비와,
    - b4) 측정된 실제 속도비
    를 비교하는 것에 의해 산출되는 것인 가변 변속 장치.
  5. 제2항에 있어서, 토크가 변속 장치의 토크 용량을 초과하는 경우에, 과부하가 인가되는 한 압착 압력과 엔진 토크를 즉시 0으로 하는 것에 의한 최종 슬립 방지부를 더 포함하고, 이에 의해 요구되는 압착 압력이 설계 한계를 초과할 때에 과부하 토크가 검출되는 것인 가변 변속 장치.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 위성 휠은 상부 위성 맨틀과 하부 위성 맨틀로 형성되어, 상부 위성 맨틀의 중립 파이버(neutral fiber)가 실제적으로 위성 휠 주행면에 대한 수직력 벡터와 일치하며, 하부 위성 맨틀의 중립 파이버가 실제적으로 주행면의 2개의 접촉 영역에 작용하는 접선방향 힘에 의해 형성되는 평면에 놓이는 것인 유성형 가변기.
  8. 제2항에 있어서, 각각의 위성에 작용하는 축방향 힘과 반경방향 힘의 일부는 하나의 테이퍼진 베어링 또는 하나의 구형 롤러 액시얼 베어링에 의해 얻어지며, 반경방향 힘의 나머지는 하나의 레이디얼 베어링에 의해 지지되는 것인 가변 변속 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 액시얼 베어링은 테이퍼진 롤러 베어링 또는 다수의 롤러 요소, 내측 링 및 외측 링을 포함하는 구형 롤러 액시얼 베어링이며, 외측 링은 상기 롤러 요소와 접촉하는 구름면을 갖고, 구름면은 외측 링의 회전축에 대해 경사지며, 상기 구형 롤러 액시얼 베어링을 위한 경사각은 상기 롤러 요소의 중심에서 정해지고, 축방향 하중에 대한 외측 링 구름면에 작용하는 수직력의 경사각은 20° 내지 50° 범위인 것인 가변 변속 장치.
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