KR100301916B1

KR100301916B1 - 무단변속기

Info

Publication number: KR100301916B1
Application number: KR1019980701931A
Authority: KR
Inventors: 다이스께 고바야시
Original assignee: 하나와 요시카즈; 닛산 지도우샤 가부시키가이샤
Priority date: 1996-07-16
Filing date: 1997-07-14
Publication date: 2001-09-22
Also published as: DE69711009D1; JP3552411B2; MY123119A; CN1138077C; TW397907B; KR19990044676A; EP0850372A1; WO1998002679A1; JPH1030698A; DE69711009T2; US6050912A; EP0850372B1; CN1197507A

Abstract

자동차용 무단 변속기는 풀리 홈을 한정하는 축방향 제1 및 제2 휘일 대응부를 포함하는 구동 풀리를 포함한다. 구동 풀리의 제1 휘일 대응부는 축방향 추력하에서 축방향으로 이동되어 풀리 홈의 폭을 감소시킨다. 종동 풀리는 풀리 홈을 한정하는 제1 및 제2 휘일 대응부를 포함하도록 마련된다. 종동 풀리의 제1 휘일 대응부는 축방향 추력하에서 축방향으로 이동되어 풀리 홈의 폭을 감소시킨다. 환상 벨트는 구동 풀리와 종동 풀리를 구동 연결시킨다. 벨트는 벨트의 주연을 따라 정렬되는 다수의 요소를 포함한다. 제어 유니트는 차량의 작동 조건을 기초로 한 변속비에 따라 풀리 홈의 폭을 제어하는 것과, 변속비가 커짐에 따라 (Q ×r)/T의 값이 증가하도록 축방향 추력(Q)을 설정하도록 구성되며, 여기서 T는 전달된 토크이고 r은 각각의 풀리 상에서의 벨트의 통과되는 반경이다.

Description

무단 변속기{CONTINUOUSLY VARIABLE TRANSMISSION}

벨트가 구동 풀리 및 종동 풀리 상으로 통과하는 종류의 무단 변속기는 이미 제안되어 있으며 실용 상태에 있다. 벨트는 복수개의 무한 강철 시트를 적층함으로써 형성된 무한(루프 형상) 강철 벨트 또는 원통형 링을 포함한다. 복수개의 강철 요소는 인접한 강철 요소들이 서로 접촉 가능하도록 링의 외주를 따라 정렬되는 방식으로 링 상에서 지지된다. 각각의 풀리는 서로 동축으로 되어 있고 풀리 홈을 사이에서 한정하도록 서로 대면하여 있는 축방향 가동 휘일 대응부(counterpart) 및 고정 휘일 대응부를 포함한다. 축방향 가동 휘일 대응부는 풀리 홈의 폭을 변경하기 위하여 제어 유압의 축방향 추력 하에 축방향으로 이동할 수 있다. 최초의 간극과 강철 밴드의 신장으로 인해 벨트의 인접 요소들 사이에 간극이 형성된다. 이러한 간극은 벨트가 벨트에 대하여 미끄러지도록 한다. 이러한 미끄러짐(슬립)은 낮은 기어(큰 변속비)에서 특히 현저하고, 수 % 내지 수십 %에 이른다. 이러한벨트의 슬립은, 벨트를 압력 하에 풀리의 가동 휘일 대응부와 고정 휘일 대응부 사이에 두도록 소정의 축방향 추력이 가동 휘일 대응부에 인가될지라도, 변속비의 변경 하에서 억제될 수 없다. 결과적으로, 이러한 종류의 무단 변속기는 내구성 및 동력 전달 효율이 떨어진다.

본 발명은 구동 풀리(drive pulley)로부터 종동 풀리(driven pulley)로의 동력 전달을 성취하기 위하여 벨트가 구동 풀리 및 종동 풀리 상으로 통과하는 종류의 무단 변속기(continuously variable transmission)에서의 개량에 관한 것으로, 특히 벨트가 풀리에 대하여 미끄러지는 것을 방지하는 개량에 관한 것이다.

도1은 본 발명에 따른 무단 변속기의 실시예의 개략도.

도2는 도1의 변속기의 CVT 제어 유니트에 의해 성취되는 제어의 일례를 도시하는 플로우차트.

도3은 도1의 변속기의 구동 풀리 및 종동 풀리에 대해 요구되는 추력의 안전 계수와 변속비 사이의 관계를 도시하는 그래프.

도4는 도1의 변속기와 종래의 무단 변속기와 관련하여, 변속비 및 추력을 도시하는 그래프.

도5는 비교적 낮은 기어(큰 변속비)에서의 종래의 무단 변속기의, 도1의 변속기와도 공통인 주요부의 개략 측면도.

도6은 그 구조가 도1의 변속기와도 공통인, 도5의 종래의 무단 변속기의 구동 풀리의 축방향 가동 대응부 및 고정 대응부를 도시하는 개략 단면도.

도7은 도5의 종래의 무단 변속기와 관련하여, 추력의 안전 계수를 고려할 때, 풀리에 대한 추력과 변속비 사이의 관계를 도시하는 그래프.

도8은 도1의 변속기와도 공통인, 도5의 종래의 무단 변속기의 벨트의 개략 측면도.

도9는 도1의 변속기와도 공통인, 도5의 벨트의 개략 단면도.

도10은 도1의 변속기와도 공통인, 도8의 벨트의 부분 측면도.

도11은 낮은 기어(큰 변속비) 영역에 있어서 도5의 종래의 무단 변속기에서의 θ/α1인 각속도와 미끄럼율 사이의 관계를 도시하는 그래프.

도12는 그 주요부가 도1의 변속기와도 공통인, 비교적 높은(작은) 변속비에 서의 도5의 종래의 무단 변속기의 주요부를 도시하는, 도5와 유사한 개략 측면도.

도13은 높은(작은) 변속비 영역에 있어서 도5의 종래의 무단 변속기에서의 θ/α1인 각속도와 미끄럼율 사이의 관계를 도시하는, 도11과 유사한 그래프.

도14는 본 발명의 기본 사상을 도시하는 개략도.

본 발명의 목적은 본 발명과 유사한 종류의 종래의 무단 변속기에서 직면하는 결점들을 극복할 수 있는 개량된 무단 변속기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 변속기의 내구성 및 동력 전달 효율의 하락을 효과적으로 방지할 수 있는, 벨트가 구동 풀리 및 종동 풀리 상으로 통과하는 종류의 개량된 무단 변속기를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 변속비의 변경과는 무관하게 벨트가 풀리에 대하여 미끄러지는 것을 효과적으로 그리고 확실하게 억제할 수 있는, 벨트가 구동 풀리 및 종동 풀리 상으로 통과하는 종류의 개량된 무단 변속기를 제공하는 것이다.

본 발명의 무단 변속기는 차량용이며, 도14에 도시된 바와 같이, 사이에 풀리 홈을 한정하는 축방향으로의 제1 휘일 대응부 및 제2 휘일 대응부를 구비하는 구동 풀리(16)를 포함한다. 구동 풀리의 제1 휘일 대응부는 축방향 추력 하에 축방향으로 이동할 수 있어 풀리 홈의 폭을 감소시킨다. 사이에 풀리 홈을 한정하는 제1 휘일 대응부 및 제2 휘일 대응부를 구비하는 종동 풀리(26)가 마련된다. 종동 풀리의 제1 휘일 대응부는 축방향 추력 하에 축방향으로 이동할 수 있어 풀리 홈의 폭을 감소시킨다. 구동 풀리 및 종동 풀리를 구동 연결하도록 환상 벨트(5)가 구동 풀리 및 종동 풀리 상으로 통과한다. 벨트는 각각의 풀리의 풀리 홈 내에 끼워진다. 벨트는 벨트의 외주를 따라 정렬된 복수개의 요소를 포함한다. 시프트(shift) 제어 수단(101)의 작용 하에 차량의 작동 조건을 기초로 한 변속비에 따라 풀리 홈의 폭을 가변적으로 제어하는 것과, 추력 발생 수단(100)의 작용 하에 변속비가 커짐(기어는 낮아짐)에 따라 (Q ×r)/T의 값이 증가하도록 축방향 추력(Q)을 설정하는 것을 수행하도록 구성된 제어 유니트가 마련되는데, 여기서 T는 전달된 토크이고 r은 각각의 풀리 상에서의 벨트의 통과 반경이다.

본 발명에 따르면, (Q ×r)/T의 값이 변속비가 커짐(기어는 낮아짐)에 따라 증가하도록 설정됨으로써, 구동 풀리 및 종동 풀리를 통과한 벨트가 비교적 낮은 기어(큰 변속비)에서도 풀리에 대하여 미끄러지는 것이 효과적으로 방지될 수 있어서, 무단 변속기의 높은 내구성 및 높은 동력 전달 효율이 보장될 수 있다.

본 발명의 이해를 돕기 위하여 도5 및 도6에 도시된 종래의 무단변속기(CVT)에 대하여 간단하게 설명한다. 이러한 종래의 무단변속기로는 예를 들어 일본 특허 공보 (소)63-42147호에 개시된 것이 있다. 도5 및 도6에서, 무단변속기는 동력이 입력되게 되는 구동 풀리(16)와 동력이 출력되게 되는 종동 풀리(26)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 무단 또는 루프형 벨트(5)는 구동 및 종동 풀리(16 및 26)에 걸쳐져 있다. 구동 풀리(16)는 축방향 가동 휘일 대응부(18) 및 축방향 고정 휘일 대응부(22)를 포함하며, 이들 대응부는 축(A)을 중심으로 회전가능하다. 가동 및 고정 휘일 대응부(18 및 22)는 서로 면하는 대개는 절두원추형인 내부면(부호 생략)을 각각 형성하고 있으며, 이들 내부면 사이에는 풀리 홈(G)이 형성된다. 풀리 홈(G)은 도6에 도시된 것처럼 대개 V형인 단면을 취한다. 또한, 종동 풀리(26)도 구동 풀리(16)와 유사한 방식으로 배열되고, 축방향 가동 휘일 대응부와 축방향 고정 휘일 대응부를 포함한다.

구동 풀리(16)는 휘일 대응부(18, 22)들 사이의 축방향 거리가 가동 휘일 대응부(18)에 축방향으로 인가되는 유압에 따라 연속적으로 변화하도록 제어되며, 이로써 풀리 홈(G)의 폭(축방향 치수)이 연속적으로 변화하게 된다. 이러한 연속 변화는 변속비 또는 변속기 속도비를 변화시킨다. 구동 풀리의 휘일 대응부(18)에 인가되는 유압은 동시에 종동 풀리(26)의 휘일 대응부(18)에 인가되는 유압과는 다르다는 것을 알 수 있다. 도5는 비교적 낮은 기어(큰 변속비)에서 벨트(5)의 걸침 상태를 도시한다.

여기서, 전달된 토크 용량은 벨트(5)와 풀리 사이에 생성된 마찰에 따라 결정되고, 따라서 전달된 토크 용량(T)은 다음 식으로 주어진다

T ＝ 2 × Q × μ × r ÷ cos α

여기서, T는 전달된 토크 용량, Q는 풀리의 가동 휘일 대응부(18)에 인가되는 추력(도6), μ는 벨트(5)와 풀리 사이의 마찰계수, r은 벨트(5)의 통과 반경(벨트(5)가 풀리를 통과하는 반경; 도6), α는 축(A)에 수직한 평면에 대한 풀리의 각 휘일 대응부의 절두원추형 면의 경사각(도6)이다. 통과 반경(r)은 풀리의 축(A)과 벨트(5)의 각 요소(8)의 테이퍼 면 개시 지점(8c)의 반경 높이 사이의 거리이다.

따라서, 벨트(5)의 슬립을 일으키지 않고 토크 용량(T)을 전달하는 데 필요한 최소 추력(Q)은 다음 식으로 결정된다.

Q ＝ T × cos α ÷ (2 × μ × r)

가동 휘일 대응부(18)가 벨트(5)를 대면 휘일 대응부(18, 22) 사이에 위치시키는 전달 토크(T)를 발생시키기 위한 최소 소요 추력(Q)의 상태로 추력을 항상 받게 되면, 벨트(5)는 자체의 슬립을 방지할 수 있으며, 이로써 변속기의 양호한 내구성 및 동력 전달 효율을 유지할 수 있다. 상기 형태의 대부분의 종래의 무단변속기에서는 최소 소요 추력(Q)이 변속비 및 전달된 토크 용량(T)에 대응하도록 수학식 2에 따라 계산된다. 추력(Q)은 가동 풀리(18)가 고정 풀리(22) 쪽으로 추력을 일으키는 상태에서 추력(Q)을 얻도록 소정의 안전 계수(0.2 내지 0.3)로 곱해진다.

안전 계수를 고려하여 결정된 추력(Q)은 다음 식으로 주어진다.

Q ＝ T × cos α ÷ (2 × μ × r) × Sf

여기서, Sf는 안전 계수(약 1.2 내지 1.3 범위의 일정한 값)이다.

따라서, 풀리에 대한 추력(Q)은 도7에 도시된 것처럼 변속비가 증가함에 따라 증가하도록 설정되어 있다.

도6에서, 변속비 또는 변속기의 속도비는 [종동 풀리(26) 상의 벨트(5)의 통과 반경] / [구동 풀리(16) 상의 벨트(5)의 통과 반경(r)]의 값이 되는 것을 알 수 있다. 따라서, 변속비는 종동 풀리(26)의 (도1의 Nout에 대응하는) 회전 속도로 나누어지는 구동 풀리(16)의 (도1의 Nin에 대응하는) 회전 속도의 값과 같다.

여기서, 구동 풀리(16) 및 종동 풀리(26) 상에 걸쳐지는 벨트(5)는 예를 들어 일본 특허 공개 공보 (소)55-100443호에 개시되어 있고, 도8 내지 도10에 도시되어 있다. 벨트(5)는 복수개의 무한 강철 시트를 적층하여 형성된 무한(루프형) 스틸 벨트 또는 원통형 링(9)을 포함한다. 복수개의 강철 요소(8)는 인접한 부재들이 서로 접촉할 수 있도록 링(9)의 주연을 따라 정렬되는 방식으로 링(9) 상에 지지되어 있다.

도9에 도시된 것처럼, 각각의 요소(8)는 풀리에 대한 요소(8)의 축방향 대향 단부들에 각각 형성된 두 개의 경사진 단부면(8a, 8a)을 가지며, 여기서 반경 방향 대향 단부면(8d, 8d)들은 서로 평행하고 풀리의 축방향으로 연장된다. 경사면(8a, 8a)들은 풀리의 휘일 대응부의 절두원추형 내부면에 접촉하도록 활주할 수 있게 된다. 각각의 경사면(8a, 8a)은 풀리의 축(A)에 수직한 평면에 대하여 경사져 있다. 각각의 요소(8)는 축방향 대향 단부(8d, 8d)에 평행하게 연장되고 경사면(8a)으로부터 다른 경사면(8a)으로 연장되는 경사진 또는 테이퍼 면(8b)을 추가로 형성하고있어서, 각 부재의 두께는 풀리의 반경 방향 내측으로 가면서 감소된다. 따라서, 요소(8)는 인접 요소(8)에 대하여 경사질 수 있다. 이러한 테이퍼 면(8b)은 경사진 단부면(8a)에서의 테이퍼 면 개시 지점(8c)으로부터 도9의 수직(바닥부) 단부면(8d)에 이르기까지 수직 연장된다. 테이퍼 면 개시 지점(8c)은 반경 방향 대향 단부(8d, 8d)에 평행하게 되는 대향 단부면(8c, 8c) 중 하나로부터 연장되는 절결부(8e)의 반경 방향 내부면으로부터 소정 거리로 이격되어 있다. 링(9)의 반경 방향 내부면은 절결부(8e)의 반경 방향 내부면에 접촉한다. 상기 소정 거리는 예를 들어 약 1 mm 등이다.

도9 및 도10에 도시된 것처럼, 각각의 요소(8)에는 벨트(5)의 주연 방향으로 대향 면(부호 생략)들에 각각 위치한 돌기(10) 및 구멍(11)이 형성된다. 인접하는 각각의 부재(8, 8)의 돌기(10) 및 구멍(11)은 각각의 요소(8)가 풀리의 축방향으로 소정 위치에 유지될 수 있도록 서로 결합되어 있다.

이러한 벨트(5)의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다. 링(9)의 내주연 면(9a)의 원주 길이는 700 mm, 요소(8)의 두께는 1.8 mm, 홈(8e)의 반경 방향 내부면[링(9)의 내주연 면(9a)]과 테이퍼 면 개시 지점(8c) 사이의 소정 거리는 1 mm이다. 이 경우에, 벨트(5)에 조립될 수 있는 요소(8)의 전체 개수는 {700 － 2× 1 × π (원의 반경에 대한 원주의 비)} ÷ 1.8 ＝ 385.398, 여기서 요소(8)의 개수는 정수여야 하므로 전체 개수는 385개이다.

상기 요소(8)의 전체 개수가 벨트(5)를 생성하도록 링(9)에 조립될 때, [(700 － 2 × 1 × π) － 385 × 1.8 ＝ 0.72 (mm)]인 초기 간극(Cs)이 도8에 도시된 것처럼 형성된다.

고무 벨트 또는 체인을 사용하는 유사한 변속기에서의 동력 전달이 벨트 또는 체인의 장력(인장력) 하에서 수행되는 반면에, 링(9) 및 복수개의 요소(8)를 포함하는 상기 벨트(5)를 사용하는 변속기에서의 동력 전달은 각 요소(8)에 인가된 압축(압축력) 하에서 수행되는 것을 알 수 있다. 따라서, 벨트(5)가 초기 간극(Cs)을 가지면, 요소(8)에 압축이 인가되는 시간과 요소(8)에 압축이 인가되지 않는 또 다른 시간이 일어나고, 여기서 각 요소(8)는 제1 상태가 제2 상태로 변화하는 (벨트의 일회전 동안의) 전이 시간으로 이동되어야 한다. 제1 상태에서는 요소(8)에 압축이 인가되지 않도록 요소(8)와 인접 요소(8) 사이에 간극이 형성되고, 제2 상태에서는 요소(8)에 압축이 인가되도록 요소(8)와 인접 요소(8) 사이에 간극이 형성되지 않는다.

상대적으로 낮은 기어(큰 변속비)에서 압축 분포 상태 및 요소(8)들 사이의 간극의 분포 상태의 예가 도5에 도시되어 있다. 도5에서, 구동 풀리(16)로부터 종동 풀리(26)로 확실한 토크가 전달되도록 벨트(5)는 구동 및 종동 풀리(16, 26) 상으로 통과된다. 도5에서, 짙은색(shaded) 부분은 압축이 가해지는 범위를 표시하며, 이러한 짙은색 부분의 면적은 압축의 크기를 표시한다.

여기서, 요소(8)들 사이에 존재하는 간극은 요소(8)에 압축이 가해지지 않는 범위 내에서 구동 풀리(16) 상에 일반적으로 균일하게 분포되며, 인접 요소들 사이의 간극을 갖는 요소(8)들은 하나의 부재로서 구동 풀리(16)와 함께 회전된다.

이하, 각 요소(8)들의 두께는 t이며, 인접 요소(8)들 사이의 평균 간극은 Cm이며, 구동 풀리(16)는 도5의 상태로부터 [개시 지점(8c)의 반경 수준에서] t+Cm의 원주 거리로 회전되며, 압축이 가해지는 범위 내의 짙은색 부분에서 요소(8)는 각 요소(8)의 두께(t)의 원주 거리만큼 회전된다고 가정한다. 따라서, 짙은색 부분에서 요소(8)는 상술된 반경 수준에서 구동 풀리의 회전 원주 거리에 대해 [Cm ÷ (t + Cm) x 100 (%)]의 원주 거리만큼 구동 풀리(16)에 대해 미끄러질 것이다.

이것이 상술된 종류의 무단 변속기에서 벨트(5)의 미끄러짐이 발생하는 기본적인 메카니즘이다.

상대적으로 높은 기어(작은 변속비)에서 압축 분포 상태 및 요소(8)들 사이의 간극의 분포 상태의 예가 도12에 도시되어 있다. 도12에서, 구동 풀리(16)로부터 종동 풀리(26)로 확실한 토크가 전달되도록 벨트(5)는 구동 및 종동 풀리(16, 26) 상으로 통과된다. 도12에서, 짙은색(shaded) 부분은 압축이 가해지는 범위를 표시하며, 도5에서와 마찬가지로 이러한 짙은색 부분의 면적은 압축의 크기를 표시한다.

또한, 상대적으로 높은 기어(작은 변속비)에서, 구동 풀리(16)에 대한 요소(8)의 미끄럼은 [Cm ÷ (t + Cm) x 100 (%)]의 거리만큼 이루어진다. 구동 풀리(16) 상에서 벨트(5)의 통과되는 각도(α1)가 도5의 상대적으로 낮은 기어(큰 변속비)에서의 각도보다 크며 벨트(5)의 통과되는 반경(r)이 도5의 상대적으로 낮은 기어(큰 변속비)에서의 반경보다 크기 때문에, 상대적으로 높은 기어(작은 변속비)에서 요소(8)의 미끄럼은 상대적으로 낮은 기어(큰 변속비)에서의 미끄럼과 비교할 때 작다. 통과되는 각도(α1)는 벨트(5)가 구동 풀리(16) 상에서 통과되는 (또는그와 접촉하는) (도5 및 도12에서) 부채꼴 범위의 각도이다. 도5 및 도12에서 구동 풀리측 상의 각도(θ)는, 요소(8)의 (토크 전달에 필요한) 압축이 증가 또는 감소되도록 벨트(5)가 구동 풀리 상에 감기는 (도5 및 도12에서의) 부채꼴 범위의 각도인 감김각을 표시한다. 도5 및 도12의 구동 풀리측에서, 요소(8)의 압축은 단순히 증가한다. 도5 및 도12에서, 각도(α2)는 종동 풀리(26)에서 벨트(5)의 통과되는 각도를 표시하며, 도5에서 종동 풀리측 상의 각도(θ)는 요소(8)의 (토크 전달에 필요한) 압축이 증가 또는 감소되도록 종동 풀리 상에 벨트가 감기는 감김 각도를 표시한다. 도5 및 도12의 종동 풀리측에서, 요소(8)의 압축은 단순히 감소된다.

그러나, 상술된 종래의 무단 변속기에서, 도5에서 도시된 상대적으로 낮은 기어(큰 변속비)에서, 토크 전달에 필요한 감김각(θ)은 토크가 증가하면서 증가되어, 요소(8)들 사이의 평균 간극(Cm)은 전달된 토크의 증가와 함께 증가된다. 따라서, 요소(8)들 사이의 간극에 의한 요소(8)들의 미끄럼은 전달된 토크의 증가와 함께 증가된다. 즉, 식(2) 및 식(3)에 의해 결정되는 추력(Q) 하에서 종동 풀리의 휘일의 대응부들 사이에 벨트(5)가 놓이는 상태에서 토크 전달에 필요한 감김각(θ)이 증가할 때, 벨트(5)의 감김각(θ)이 구동 풀리(16) 상의 벨트(5)의 통과되는 각도(α1)에 도달되기 전에 벨트(5)의 요소(8)는 수%에서 수십%의 미끄럼율을 갖는다. 미끄럼율은, 풀리 상에서 벨트가 통과되는 [경사면 개시 지점(8c)의] 반경 수준에서 풀리의 외주 변위의 거리에 대한 풀리 상에서 벨트(5)의 미끄럼 거리의 백분율(%)을 의미한다.

이하, 벨트(5)의 인접 요소(8)들 사이의 간극이 없는 것으로 가정하면, 구동 풀리(16) 상의 벨트(5)의 감김각(θ)과 구동 풀리(16) 상의 벨트(5)의 통과되는 각도(α1) 사이의 관계는 이하의 식으로 주어진다.

θ/α = 100 (%)

따라서, 토크 전달은 이론적으로 100%가 가능하다.

그러나, 벨트(5)의 인접 요소들과 링(9)의 연장부 사이에 이루어지는 전체 간극들이 1 mm라고 가정하면, 미끄럼율(5)은 도11에서 도시된 바와 같으며, 도11에서 θ/α1 = 85%에서 6%의 미끄럼율이 이루어진다. 이러한 미끄럼율이 이루어지는 정도는 변속비가 보다 커지면서(기어는 낮아지면서) 증가된다. 도11의 데이타는 구동 및 종동 풀리(16, 26)의 축들 사이의 거리가 160 mm라고 가정할 때의 데이타이다.

도12에서 도시된 상대적으로 높은 기어(낮은 변속비)에서, 도5 및 도11의 경우에서와 같이 벨트(5)의 인접 요소(8)들과 링(9)의 연장부 사이에 이루어진 전체 간극들이 1 mm라고 하면 벨트(5)의 미끄럼율(%)은 도13에서 도시된 바와 같이 된다. 이 경우, 요소(8)들 사이의 간극에 의한 벨트(5)의 미끄럼은 상대적으로 낮은 기어(큰 변속비)에서의 미끄럼과 마찬가지로 이루어지지만, 구동 풀리(16) 상에서 벨트(5)의 통과되는 반경(r) 및 통과되는 각도(α1)가 상대적으로 낮은 기어(큰 변속비)에서의 것과 비교할 때 크기 때문에 미끄럼율(5)은 상대적으로 낮은 기어(큰 변속비)에서의 미끄럼율과 비교할 때 낮게 된다. 따라서, 벨트(5)의 미끄럼율은 식(2) 및 식(3)에 의해 얻어진 (구동 풀리(16)에 대한) 추력(Q) 하에서도 0.4 내지0.7의 변속비에서 1 내지 2%로 억제된다.

상술된 바와 같이, 상대적으로 낮은 기어(큰 변속비)에서, 수% 내지 수십%의 벨트(5) 미끄럼이 이루어지며, 따라서 소정의 추력(Q) 하에서 구동 풀리의 휘일 대응부들 사이에 벨트(5)가 놓일 경우에도 변화되는 변속비 때문에 벨트(5)의 미끄럼은 억제될 수 없다. 벨트(5)의 이러한 미끄럼은 무단 변속기의 동력 전달 효율 및 내구성을 저하시킬 것이다.

종래의 무단 변속기의 상술된 설명의 관점에서, 이하에서 본 발명에 따른 무단 변속기(CVT)의 양호한 실시예를 도면 부호 17로 도시한 도1에 관해 설명하기로 한다. 본 실시예의 변속기(17)는 종래의 변속기의 기계적인 구조와 유사하며, 따라서 도5, 도6, 도8, 도9, 도10 및 도12에서 도시된 구조를 갖는다. 즉, 도5, 도6, 도8, 도9, 도10 및 도12에서 도시된 구조는 상술된 종래의 무단 변속기 및 본 실시예의 변속기(17)에 공통된다. 따라서, 도5, 도6, 도8, 도9, 도10 및 도12를 사용하여 본 실시예의 변속기(17)를 설명할 것이며, 도시를 간단히 하기 위해 종래의 무단 변속기에서와 동일한 도면 부호가 본 실시예의 변속기(17)의 동일 부품 및 요소들에 사용되었다. 본 실시예의 무단 변속기는 자동차용이며 엔진에 구동 연결된 구동 풀리(16)를 포함한다. 종동 풀리(26)는 구동 및 종동 풀리(16, 26) 상에 통과되는 벨트(5)를 통해 구동 풀리(16)에 구동 연결된다. 종동 풀리(26)는 휘일 액슬 샤프트 또는 동력 출력 샤프트에 구동 연결된다. 구동 풀리(16), 종동 풀리(26) 및 벨트(5)는 도5, 도6 및 도8 내지 도11에서 도시된 종래의 무단 변속기의 구동 풀리, 종동 풀리 및 벨트와 동일하다. 그러므로, 벨트(5)는 무단(루프형)강 벨트 또는 다수의 무단 강판을 박판화함으로써 형성된 원통형 링(9)을 구비한다. 다수의 강 요소(8)는 인접한 강 요소들이 상호 접촉할 수 있도록 링(9)의 원주를 따라 정렬되도록 상기 링(9) 상에 지지된다.

도1에 도시된 바와 같이, 구동 풀리(16)는 단일 부재로서 엔진에 연결된 (도면 부호로써 지시되지 않는) 동력 입력 축과 함께 회전할 수 있는 축방향으로 고정된 휘일 대응부(22)를 구비한다. 축방향으로 이동가능한 휘일 대응부(18)는 고정된 휘일 대응부(22)를 향하도록 위치되어, 그들 사이에 (단면이) V형 풀리 홈(G)을 형성한다. 이동가능한 휘일 대응부(18)는 변속 제어 밸브(2)를 통해 구동 풀리 피스톤 챔버(20)에 작용하는 유압에 따라 축방향으로 이동될 수 있다. 종동 풀리(26)는 단일 부재로서 휘일 액슬 축에 연결된 (도면 부호가 없는) 출력 축과 함께 회전할 수 있는 축방향으로 고정된 휘일 대응부(30)를 구비한다. 축방향으로 이동가능한 휘일 대응부(34)는 고정된 휘일 대응부(30)를 향하도록 위치되어, 그들 사이에 (단면이) V자형인 풀리 홈(G)을 형성한다. 이동가능한 휘일 대응부(34)는 유압 제어 유닛(3)으로부터 종동 풀리 피스톤 챔버(32)에 작용되는 도관(유체) 압력에 따라 축방향으로 이동될 수 있다.

풀리 홈(G)의 폭[구동 풀리(16)의 휘일 대응부(18, 22) 사이의 거리]은 구동 풀리 피스톤 챔버(20)로의 유압 오일의 압력 공급을 제어하는 변속 제어 밸브(2)에 의해 변경되고, 따라서 변속기(17) 내의 변속 제어를 달성한다. 보다 상세하게는, 유압 제어 유닛(3)의 일부를 형성하는 솔레노이드(4)는 무단 변속기 제어 유닛(1)으로부터의 명령 하에 제어된다. 이렇게 제어된 솔레노이드(4)는 변속 제어밸브(2)를 제어가능하게 구동한다. 변속 제어 밸브(2)와 솔레노이드(4)는 일본 특허 공보 소63-42147호에 개시된 것과 유사하게 배치된다.

유압식 제어 유닛(3)은 소정의 수준으로 도관 압력을 조절하는 (도시되지 않은) 도관 압력 조절기를 구비한다. 이렇게 조절된 도관 압력은 종동 풀리 피스톤 챔버(32)와 변속 제어 밸브(2)로 공급되고, 이를 통해 상기 도관 압력이 구동 풀리 피스톤 챔버(20)로 공급된다.

무단 변속기 제어 유닛(1)은 목표 변속비와 실제 변속비가 일치하도록 변속기(17)를 구비한 차량의 운전 조건에 따라 계산된 목표 변속비와 실제 변속비 사이의 편차에 따라 솔레노이드(4)를 구동하도록 본체가 배치되는 마이크로컴퓨터를 구비한다.

무단 변속기 제어 유닛(1)에 의해 달성되는 이러한 변속 제어의 예는 도2의 흐름도를 참조하여 상세히 설명한다.

단계 S1에서, 변속기(17)를 구비한 차량의 운전 조건을 나타내는 신호가 판독된다. 이 신호는 변속기로부터의 입력 회전 속도(Nin)와 출력 회전 속도(Nout)를 나타내는 신호와, 쓰로틀 밸브 개도(TVO)를 나타내는 신호와, 억제 스위치(8)로부터의 (변속 모드 등을 나타내는) 억제 스위치 신호(ISS)와, 엔진 제어 유닛(1)으로부터의 엔진 속도(Ne)를 나타내는 신호를 포함한다. 상기의 입출력 회전 속도(Nin, Nout)는 변속기(17)의 동력 입출력축의 회전 속도를 각각 나타낸다. 쓰로틀 개도(TVO)는 차량의 운전자에 의해 가속 페달이 밟아짐으로써 작동되는 (도시되지 않은) 쓰로틀 밸브의 개방 정도이다.

단계 S2에서, 목표 변속비는 단계 S1에서 판독된 상기의 차량 운전 조건에 따라 계산되고, 실제 변속비가 결정된다. 이어서, 솔레노이드(4)는 실제 변속비와 목표 변속비 사이의 편차에 따라 제어가능하게 구동되고, 이로써 변속 제어 밸브(2)를 제어한다. 목표 변속비의 계산은 예컨대 차속(VSP)과 쓰로틀 밸브 개도(TVO) 또는 가속 페달을 밟는 정도에 따라 이미 설정된 변속 맵 등에 따라 수행된다.

단계 S3에서, 추력(Q)에 대한 안전 계수(Sf)가 단계 S2에서 결정된 목표 변속비에 따라 계산된다. 추력(Q)에 대한 안전 계수(Sf)는 적절한 압력 하에 이동가능한 휘일 대응부와 고정된 휘일 대응부 사이에 벨트(5)를 위치시키도록 구동 및 종동 풀리(16, 26)의 이동가능한 휘일 대응부(18, 34)에 적용된다.

안전 계수(Sf)는 도3에 도시된 바와 같이 변속비가 증가 또는 낮아짐에 따라 증가하도록 설정된다. 따라서, 이 단계에서 안전 계수(Sf)는 단계 S2에서 결정된 목표 변속비에 따라 얻어진다.

단계 S4에서, 풀리에 대한 추력(Q)은 전술한 식 [3]에 따라 안전 계수(Sf)를 고려하여 계산된다.

(수학식 3)

Q ＝ T × cos α ÷ (2 × μ × r) × Sf

여기서, 전달 토크 용량 T와, 마찰 계수 μ와, 경사 각도 α는 각각 소정의 값을 취한다. 벨트(5)의 통과되는 반경(r)은 변속비에 따라 이미 설정된 값을 취한다.

다음으로, 단계 S5에서 구동 풀리(16)의 구동 풀리 피스톤 챔버(20)와 종동 풀리(26)의 종동 풀리 피스톤 챔버(32)를 구동하도록 각각 공급된 도관 압력은 가변 안전 계수(Sf)에 따라 결정된 각각의 추력(Q)을 얻도록 제어된다. 도관 압력 제어는 유압 제어 유닛(3) 내의 도관 압력 조절기에 의해 달성된다. 구동 및 종동 풀리(16, 26)의 이동가능한 휘일 대응부(18, 34)는 소정의 압력 하에 이동 및 고정 휘일 대응부 사이에 벨트(5)를 위치시키도록 상기의 추력(Q) 하에 고정 휘일 대응부(22, 30)를 향해 추력을 가한다.

단계 S1 내지 단계 S5의 처리는 소정의 시간 간격으로 반복된다. 그 결과, 풀리에 대한 추력(Q)은 변속비가 커짐(기어는 낮아짐)에 따라 증가한다. 또한, 전달 토크(T)와, 풀리에 대한 추력(Q)과, 벨트(5)의 통과되는 반경(r) 사이의 관계식 중의 값, 즉 (Q×r)/T에 관해서는, 본 실시예의 도3에 도시된 바와 같이 변속비가 커짐(기어는 낮아짐)에 따라 안전 계수(Sf)가 증가하기 때문에 변속비가 커짐(기어는 낮아짐)에 따라 상기 값은 증가한다. 반대로, 종래의 무단 변속기에 의하면, 상기의 값, (Q×r)/T은 안전 계수(Sf)가 일정하기 때문에 항상 일정하게 된다.

그러므로, 벨트(5)의 인접 요소(8)들 사이에 간격이 발생되는 경우에도, 상기 요소(8)와 풀리 사이의 슬립은 효과적으로 발생이 방지되고, 따라서 무단 변속기(17)의 높은 내구성 및 동력 전달 효율을 보장한다.

여기서, 도3에 도시된 안전 계수(Sf)를 설정하는 방법을 상세히 설명한다.

허용가능한 미끄럼율(%)이 도11 및 도13에서 3%인 것으로 가정하면, 각각의 변속비에서 비달성율은 다음과 같다.

변속비 = 0.4%, 비달성율 = 0%

변속비 = 0.7%, 비달성율 = 0%

변속비 = 0.9%, 비달성율 = 10%

변속비 = 1.0%, 비달성율 = 15%

변속비 = 1.7%, 비달성율 = 22%

변속비 = 2.4%, 비달성율 = 27%

상기 비달성율은 벨트(5)의 미끄럼율(%)이 3%일 때 상대적으로 낮은 기어(큰 변속비)에서 [100 (%) - θ/α1]의 값 또는 상대적으로 높은 기어(작은 변속비)에서 [100 (%) - θ/α2]의 값을 나타낸다. 따라서, 이러한 비달성율은 벨트(5)의 인접한 요소(8)들 사이에 간격이 발생하지 않는 경우에 이론적으로 전달 가능한 토크에 대한 실제 허용가능한 전달 토크의 감소율을 의미한다.

여기에서, 풀리의 추력(Q)의 안전 계수(Sf)는 다음의 식(4)에 따라 설정된다.

Sf = 1 + K ÷100

여기에서, K는 비달성율(%)이다. 따라서, 이러한 실시예에서의 안전 계수(Sf)는 변속비가 0.7 이상의 더 큰(낮은 기어)측으로 증가하는 경우에 위의 비달성율(K)에 따라 증가하도록 설정된다. 그 결과, 풀리의 추력(Q)의 설계값으로서의 (Q ×r)/T의 값은 변속비에 따라 가변되고, 따라서 실선(a)이 본 발명의 실시예에서 추력(Q)을 나타내고 점선(b)이 종래의 무단 변속기에서의 추력(Q)을 나타내는도4에 도시된 대로 변속비가 증가하게(기어는 낮아지게)될 때, 풀리의 (본 실시예에 따른) 추력(Q)은 (일본 특허 공보 소63-42147호에 개시된) 종래의 무단 변속기의 추력에 비해 증가하게 된다. 이로 인해 비교적 낮은 기어(큰 변속비)에서 벨트(5)의 미끄럼이 발생하는 것을 효율적으로 방지할 수 있고, 추력(Q)이 높은 기어(작은 변속비)에서 과도하게 증가하는 것을 방지할 수 있게 된다.

구동 및 종동 풀리의 가동 휘일 대응부(18, 34)에 인가될 추력(Q)은 실시예에서는 유압의 작용하에서 가변 제어되는 것으로 도시되고 설명되었지만, 가동 휘일 대응부(18, 34)는 추력(Q)을 가변시키도록 (도시되지 않은) 다른 작동기에 의해 축방향으로 이동될 수도 있음을 알 수 있다.

본 발명은 구동 및 종동 풀리가 그 위로 통과하는 벨트에 의해 구동 연결되는 형태의 무단 변속기의 내구성 및 동력 전달 효율을 효율적으로 향상시킬 수 있다.

Claims

사이에 구동 풀리 홈을 한정하는 제1 휘일 대응부 및 제2 휘일 대응부를 포함하고, 상기 제1 휘일 대응부는 축방향 추력에 의해 축방향으로 이동할 수 있어 구동 풀리 홈의 폭을 감소시키는 구동 풀리와,

사이에 종동 풀리 홈을 한정하는 제1 휘일 대응부 및 제2 휘일 대응부를 포함하고, 상기 제1 휘일 대응부는 축방향 추력에 의해 축방향으로 이동할 수 있어 종동 풀리 홈의 폭을 감소시키는 종동 풀리와,

구동 풀리 및 종동 풀리를 구동 연결하도록 구동 풀리 및 종동 풀리 상에 배치되고, 구동 풀리 홈과 종동 풀리 홈 내에 끼워지며, 그 외주를 따라 정렬된 복수개의 요소를 포함하는 환상 벨트와,

차량의 작동 조건을 기초로 한 변속비에 따라 구동 풀리 홈 및 종동 풀리 홈의 각각의 폭을 가변적으로 제어하고, 변속비가 커짐에 따라 (Q ×r)/T의 값이 증가하도록 구동 풀리 및 종동 풀리 각각의 축방향 추력(Q)을 설정하는 제어 유니트를 포함하며, 여기서 T는 전달된 토크이고 r은 각각의 풀리 상에서의 벨트의 반경인 것을 특징으로 차량용 무단 변속기.
제1항에 있어서, 제어 유니트는 축방향 추력의 안전 계수를 변속비가 커짐에 따라 증가하도록 설정하는 것을 특징으로 하는 차량용 무단 변속기.
제2항에 있어서, 제어 유니트는 변속비를 기초로 한 벨트의 미끄럼율에 따라 안전 계수를 설정하는 것을 특징으로 하는 차량용 무단 변속기.
제1항에 있어서, 벨트의 요소는 인접 요소들 사이에 간극이 형성되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 차량용 무단 변속기.
제4항에 있어서, 벨트는 요소들이 상기 벨트의 외주를 따라 정렬되도록 이동식으로 지지되는 무한 강철 링을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 무단 변속기.
제4항에 있어서, 각각의 구동 풀리 및 종동 풀리의 제1 및 제2 휘일 대응부는 그 사이에 각각의 풀리 홈을 한정하도록 동축상에 있고 서로 대향하는 각각의 제1 및 제2 절두원추형 면을 구비하고, 벨트의 각각의 요소는 요소의 반대편 축방향 단부에 각각 배치된 제1 및 제2 경사면을 구비하고, 각각의 경사면은 각각의 구동 풀리 및 종동 풀리의 축에 직각인 평면에 대해 경사져 있고, 제1 및 제2 경사면은 구동 풀리 및 종동 풀리의 제1 및 제2 절두원추형 면에 미끄럼 가능하게 접촉되는 것을 특징으로 하는 차량용 무단 변속기.
제1항에 있어서, 구동 풀리 및 종동 풀리 각각의 축방향 추력은 상기 구동 풀리 및 종동 풀리의 각각의 제1 휘일 대응부에 인가되는 유압에 의해 발생되는 것을 특징으로 하는 차량용 무단 변속기.