KR100544220B1 - 최소의 오비터를 갖는 트랜스미션 - Google Patents

Abstract

트랜스미션은 별개의 입력축과 출력축에 각각 연결되는, 입력 기어 및 출력 기어가 상기 입력 기어 및 출력 기어와만 결합되는 궤도를 그리며 회전하는 클러스터 기어를 통하여 상호 연결되는 단지 하나의 최소 오비터를 가지고 있다. 클러스터 기어는 제1 클러치를 통하여 유압 제어 모터에 의하여 차체 회전되는 웨브에 의하여 지지된다. 웨브의 회전이 방지될 때, 입력 기어의 회전은 입력 구동장치의 설정된 감속비로 출력 기어의 회전을 발생하며, 이 기어 감속비는 제1 방향으로 웨브의 회전 속도에 비례하여 연속적으로 감소된다. 차량이 주행 속도에 도달되면, 제어 모터는 연결 해제되고 제2 클러치가 활성화되어 소정의 오버드라이브에 연결되는데, 오버드라이브는 트랜스미션과 최종 출력축 사이의 종래의 위치가 아닌 엔진 입력장치와 트랜스미션 사이에 위치된다.

오비터, 디젤 엔진, 상용차, 출력 토크, 클로즈드 루프, 오버드라이브, 웨브, 기어비

Description

최소의 오비터를 갖는 트랜스미션{TRANSMISSION WITH MINIMAL ORBITER}

본 발명은 대체로 엔진의 출력 토크를 가변시키는 트랜스미션에 관한 것으로, 바람직하게, 엔진의 구동 토크 및 속도가 차량 시동으로부터 정상적인 도로 주행까지 연속적이고 무한 가변될 수 있는 타입의 자동차 트랜스미션에 관한 것이다.

본 출원은 2002년 2월 15일 출원되고, 참조로 여기에 통합되는 미국 가출원 번호 60/357,612호의 우선권 이익을 주장한다.

모든 상용차 트랜스미션은 대형이고, 복잡하고, 연료 소모성이고, 특히 디젤 엔진으로 사용되면, 대기오염의 심각한 문제를 발생시킨다. 상용차 트랜스미션의 관련 비효율은 그 토크 컨버터와 함께, 60년 이상 개선을 필요로 한 주요한 목표로 되었다. 종래 기술은 출력 속도가 복수의 스텝 기어비의 각각을 통하여 연속적으로 계속 변화되는 자동 차량 트랜스미션에 대한 다수의 유성 기어와 오비탈 기어 개념에 대한 변화로 가득했다.

화물을 적재한 트럭과 같은 차량이 가속(예를 들면, 선 채로의 정지 상태로부터)되기 시작하면, 엔진의 구동 속도는 연속적인 기어 변속을 통하여 차량의 종래의 트랜스미션(수동이거나 자동인)을 작동시킴에 따라 반복적으로 변화한다. 각각의 상기 반복적인 속도 변화는 연소되지 않은 연료의 비효율적인 배출 및 특히 디젤 엔진에 대하여, 바람직하지 않고 건강에 해로운 오염물질의 발생에 이르게 한다. 따라서, 엔진 효율을 증가시키고 오염물질을 감소시키는 여러 가지 방법을 찾는 희망을 가지고 다수의 새로운 트랜스미션 설계가 제안되고 시도되고 있다. 이들 설계 중에서 구동 벨트에 의하여 또는 구성요소 사이에 마찰 영향력을 증가시키는 윤활제에 의하여 연결되고 있는 입력 및 출력 구동 원추 또는 환상체의 표면(기어와 구별되는)을 통합하는 무한 가변 트랜스미션에 대하여 제안된 것이 있다. 전자(구동 벨트에 의하여 연결되는 타입)는 비교적 소형 차량으로 제한되고, 후자(윤활제에 의하여 연결되는 타입)는 아직까지 상업적 성공을 달성하지 못하고 있다.

상당히 최근에, 새로운 연속적이고 무한 가변 자동 트랜스미션("IVT")이 미국 특허 번호 5,186,692[글리스만(Gleasman) 등]에 공개되었다. 이 인용된 글리스만 IVT(continuously and infinitely variable automative transmission)는 엔진 드라이브를 오비탈 드라이브(orbital drive)(모델 T로 Henry Ford에 의하여 사용되는 것과 유사함)에 의하여 출력축에 연결되고, 유압 펌프에 의하여 작동되는 개별 유압 제어 모터로 오비터의 제어 기어의 회전을 제어함으로써 기어비를 무한 변속한다. 또한 이 인용된 글리스만 IVT는 상용 트랜스미션보다 매우 작고 가벼우며, 실험 모델이 오비탈 드라이브의 제어 기어를 회전시키기 위하여 유압을 이용하여 성공적으로 시험되었다.

그러나, 이 인용된 글리스만 IVT용 상용 시작품의 개발 동안, 우리는 다른 자동 영역, 즉 무한 궤도 차량(tracked vehicles)용 조향-드라이브(steer-drives)의 설계에서 매우 최근에 개발되었던 새로운 기술과 유사한 방식으로 장치를 변경 함으로써 상당한 개선이 이루어질 수 있다는 것을 갑자기 알게 되었다. 조향-드라이브의 하나의 알려진 그룹에서, 2개의 동일한 차동장치의 조합이 차량의 종래의 트랜스미션의 출력축으로부터 받은 엔진 구동 토크를 분리하는데 사용된다. [예를 들면, 미국 특허 번호 1,984,830(Higley) 및 미국 특허 번호 5,390,751(Puetz 등) 참조]. 이런 종류의 조향-드라이브에서, 2개의 동일한 차동장치는 구동 토크를, 대형 오프-로드(off-road) 차량의 각 트랙용(또는 각각의 특대형 바퀴용) 드라이브인, 2개의 개별 드라이브로 분리한다. 미국 특허 번호 6,342,021호(글리스만 등)에 공개된, 이 알려진 그룹의 조향-드라이브에 대한 우리의 최근의 개선에서, 한 쌍의 동일한 오비터가 종래의 조향 휠(steering wheel)로 도로 속도에서 무한 궤도 차량을 조향하는 것을 가능하게 만드는 조향-드라이브의 2개의 차동 장치를 대체하고 있다.

여기에 공개된 본 발명에 의하여 개선되는 전술한 글리스만 IVT는 비교적 작은 크기를 가지고 소형 차량뿐만 아니라 대형 세미-트럭용으로도 늘이거나 줄일 수 있다. 또한, 우리의 초기 실험적인 시작품(상기 참조)의 시험은 이 IVT가 이 IVT를 결합한 디젤 엔진으로부터 발산되는 오염물질을 상당히 감소시킨다는 것을 나타내고 있다.

여기에 공개되는 개선된 트랜스미션은 우리의 상기 인용된 조향-드라이브 특허에서 공개된 2개의 동일한 오비터 차동 장치의 일반적인 형식을 통합한다. 그러나, 이 개선에서, 단 하나의 오비터만이 이전에 인식되었다면, 90년 이상 포드의 모델 T 트랜스미션으로 제조될 수 있었던, 비교적 작지만 상당한 변화를 포함하는 새로운 결합으로 사용된다. 이 작은 변화는 IVT의 오비터 장치를 단순화할 뿐만 아니라, 자동차용으로, 상당한 효율 증가 및 심지어 크기 및 무게의 감소를 제공한다.

개선된 트랜스미션의 주요한 구성요소는 단 하나의 현저하게 단순한, 최소의 오비터이다. 즉, 별개의 입력축 및 출력축에 각각 연결되는 입력 기어 및 출력 기어가 동일한 제1 축을 따라 양자 모두 장착되고 상기 입력 기어 및 출력 기어와만 결합되는 클러스터 기어(cluster gear)를 통하여 상호 연결된다. 상기 클러스터 기어는 상기 제1 축과 평행하게 위치되는 궤도축에 회전되도록 장착되며 상기 제1 축을 중심으로 회전되도록 자체 장착되는 웨브에 의하여 지지된다. 상기 궤도축 및 클러스터 기어는 각각 상기 제1 축과 상기 입력 기어 및 출력 기어 양자 모두 주위에 궤도를 그리며 회전한다.

최소의 기어 장치의 주위로 궤도를 그리며 회전하는 웨브는 제어 모터에 연결되어, (a) 제어 모터가 오비터 웨브의 회전을 방지하면, 출력 기어는 입력 구동장치와 함께 직접 회전되지만 상기 입력 구동장치의 설정된 감속비로만 회전되며, (b) 제어 모터가 제1("전진") 방향으로 회전되면, 상기 입력 구동장치에 대하여 출력 기어의 설정된 감속비는 제어 모터가 웨브를 회전시키는 속도에 비례하여 감소되고, (c) 제어 모터가 반대("후진") 방향으로 설정된 비교적 저속으로 회전되면, 출력 기어는 시동 동안 및 주행시 정지할 때 차량을 정지 위치에 유지하기 위하여 토크가 웨브에 인가되는 "기어 중립"을 사실상 제공하는, 정지 상태에 이르게 되 며, (d) 마지막으로, 차량이 주행 속도에 도달되면, 제어 모터는 트랜스미션이 출력 구동축을 설정된 오버드라이브에 의하여 엔진 구동장치보다도 더 빨리 회전시키는 설정된 오버드라이브 기어비를 통하여 입력 구동축과 또한 연결되는 오비터 웨브로부터 분리된다.

상기한 오버드라이브는 트랜스미션과 최종 출력축 사이의 종래의 위치가 아닌 엔진 구동장치와 트랜스미션 사이에 위치된다. 따라서, 본 발명의 오버드라이브는 트랜스미션의 기어 감속에 의하여 발생되는 더 높은 토크를 받지 않고 엔진 토크만을 받게 된다. 따라서, 본 발명의 오버드라이브는 대체로 매우 작고 가벼우며, 종래의 트랜스미션과 비교할 때 무게 및 크기를 매우 감소시킨다.

그러나, 전술한 "기어 중립" 상태에 대하여, 실험적인 모델을 사용하여 이 새로운 오비터 개선의 놀랍고 가능한 유익한 특징을 밝혀내었다. 엔진 구동장치가 아이들링 상태일 때, 제어 모터가 "중립"(예를 들면, 클러치와 결합 해제됨으로써)으로 되면, 입력 기어의 아이들링 속도 회전은 클러스터 기어가 출력 기어를 자동적으로 정지시킬 수 있는 속도로 반대 방향으로 웨브를 회전시킨다는 것을 우리는 알게 되었다. 이것은 웨브의 필요한 설정 속도 반전을 생성하도록 후진 토크의 프로그램된 장치를 필요로 하지 않으면서 주행시 정지하기 위하여 그리고 시동을 위하여 필요한 제로-속도 자동 "중립"을 자동적으로 제공한다.

이 후자 특징의 다수의 가능한 결과가 아직까지 완전히 인식되지 않았다. 그러나, 본 발명의 바람직한 유압 펌프/모터 실시예는 제어 모터가 제1 클러치와 결합 해제되지 않고서 입력 기어의 아이들링 속도 회전에 의하여 역전될 수 있는 펌프/모터 결합에 의하여 공유되는 클로즈드-루프 유압 회로의 밸브-조절식 "바이패스"를 포함한다.

주행용을 위하여, 이 개선된 트랜스미션은 그 하나의 오비터에 포함되는 최소 기능의 기어 장치에 부가하여 단지 적은 수의 오버드라이브 기어만을 사용한다. 그러나, 이 기술의 당업자는 본 발명의 최소 오비탈 트랜스미션이 동일한 웨브에 지지되는 하나, 둘, 세 개의 동일 클러스터 기어의 부가에 의하여, 웨브-장착 클러스터 기어에 의하여 제공되는 기어 감속비를 변화시키지 않고서, 증가된 토크 부하를 충족시키는 것을 지지할 수 있다는 것을 인식할 것이다.

또한 (a) 선택적 부가로 알려진 기어 감속장치(예를 들면, 대형 트럭 시동용), (b) 유압 펌프와 모터를 연결하는 클로즈드 루프 유압 회로에서 압력 과부하를 방지하기 위한 안전 장치로서 클로즈드 루프 유압 회로의 전술한 밸브-조절식 "바이패스"의 이용, 및 (c) 동력 인출이 공개된다.

도 1은 최소의 오비터, 제어 모터 결합, 및 구동 엔진에 연결되는 작동 클러치를 나타내는, 기본적인 트랜스미션의 개략적인 일부 단면도이다.

도 2는 도 1에서 단지 상징적으로만 도시된 죠 클러치의 개략적인 일부 단면도이다.

도 3은 본 발명의 밸브-조절식 "바이패스"를 갖는 클로즈드-루프 유압 회로를 나타내는, 유압 제어 모터/펌프의 일 실시예의 개략적인 일부 단면도이다.

도 1을 참조하면, 최소한의 (a) 오비터(orbiter)(12) 및 가변 유압 펌프(또는 전기 제너레이터)(16)와 결합되는 (b) 제어 모터(14)(예를 들면, 전기 모터 또는, 바람직하게 가변 유압 모터)만을 포함하는 본 발명의 단순한 트랜스미션에 연결된 엔진(10)이 도시된다.

오비터(12)는 양자 모두 제1 축(24)을 중심으로 회전되도록 장착되는 입력 기어(20) 및 출력 기어(22), 제1 축(24)과 평행한 제2 축을 중심으로 회전되도록 장착되는 클러스터 기어(cluster gear)(26)만을 포함한다. 입력 기어(20)는 엔진(10)의 구동축(30)과 회전되도록 고정되고, 출력 기어(22)는 출력축(32)과 회전되도록 고정된다. 클러스터 기어(26)는 웨브(web)(34)에서 회전되도록 지지되는 궤도축(orbit shaft)(33)에 고정되고, 웨브(34)는 제1 축(24)을 중심으로 회전되도록 장착되어, 제1 축(24)을 중심으로 뿐만 아니라, 입력 기어(20) 및 출력 기어(22)를 중심으로, 궤도축(33) 및 클러스터 기어(26) 주위로 각각 궤도를 그리며 회전할 수 있도록 한다. 클러스터 기어(26)는 입력 기어(20)와 출력 기어(22)의 이와 각각 결합하는 2세트의 기어 톱니(gear teeth)(36, 38)를 가지고 있다.

입력 기어(20)와 클러스터 기어(36) 사이, 및 클러스터 기어(36)와 출력 기어(22) 사이의 기어비는, 웨브(34)의 회전이 방지될 때, 출력 기어(22)가 입력 기어(20)의 회전의 설정된 감속비로 회전하도록 선택된다. 예를 들면, 바람직한 실시예에서, 기어비는 다음과 같이 선택된다:

기어 톱니의 수

입력 기어 20 21

클러스터 기어 36 46

클러스터 기어 38 21

출력 기어 22 46

이 실시예에서, 웨브(34)의 회전이 방지될 때, 출력 기어(22)는 입력 기어(22)의 대략 4.8:1 감속비로 회전된다.

바람직하게 도 2에 도시된 바와 같은 단순한 죠 클러치(jaw clutch)인 제1 클러치(46)에 의하여 모터축(44)에 연결될 수 있는 모터 기어(42)와 결합되는 기어(40)가 웨브(34)의 외측에 고정된다(이하에서 상세하게 설명됨). 바람직한 실시예에서, 모터축(44)은 유압 제어 모터(14)에 의하여 구동되고, 클러치에 의하여 연결될 때, 모터 기어(42)와 웨브 기어(40)를 1:1 관계로 회전시킨다. 제어 모터(14)는 "클로즈드-루프" 유압 회로(48)를 통하여 유압 펌프(16)로부터 전달되는 유압 유체에 의하여, 차례로 작동된다. 엔진 구동축(30)에 고정되는 보조 구동 기어(50)는 소형 제1 결합 기어(51)와 펌프축(52)의 회전을 미리 결정된 오브드라이브(overdrive)(예를 들면, 0.7:1)에서 발생시킨다. 유압 펌프(16)의 이 오브드라이브는 이하에서 더 상세하게 설명된다.

유압 펌프/모터 결합의 작용은 이 기술에서 잘 알려져 있기 때문에, 상기 작용은 이 공개에서 일반적으로만 논의될 것이다. 엔진 구동축(30)에 의한 펌프축(52)의 보조 회전은 유압 펌프(16)가 펌프(16)의 경사판(swash-plate)(도시하지 않음)의 조절된 각도에 따라 제어 모터(14)를 향하여 유압 유체의 방향 및 흐름을 생성할 수 있게 한다. 유압 모터(14)가 가변성(즉, 가변 경사판을 가지고 있는)인 것으로도 설명되지만, 그 경사판(도시하지 않음)은 펌프(16)의 경사판의 최대 조절 각도와 동일한 설정된 각도에 대체로 위치되어, 모터(14)의 회전이 펌프(16)의 최대 회전까지 펌프(16)에 의하여 언제라도 제공되는 유체의 양 및 흐름의 방향에 따라 비례하여 가변된다.

펌프(16)의 경사판이 최대 조절 각도에 도달하면, 펌프(16)와 모터(14)의 회전 속도가 전술한 설정된 오버드라이브에 의하여 엔진 구동축(30)과 입력 기어(20)의 회전 속도보다 크다는 사실에 특별한 주의가 요구된다. 제어 모터(14)의 작동은 웨브(34)의 회전을 제어하고 이 개선된 트랜스미션의 연속적이고 무한-가변 기어비를 결정한다.

IVT의 전진 작동(Forward Operation of IVT)

제1 클러치(46)가 결합되면, 제어 모터(14)는 웨브(34)에 연결되고, 펌프(16)의 경사판이 0°로 설정되면, 펌프축(52)의 회전은 펌프(16)의 외부로 유압 유체의 어떠한 이동도 발생시키지 않는다. 이것은 클로즈드-루프(48)를 통하여 모든 유체의 흐름을 정지시키고, 모든 이동에 대하여 제어 모터(14)를 록킹시켜, 웨브(34)의 회전을 방지하고 출력 기어(22)가 전술한 바와 같이 기어의 톱니 수의 선택에 의하여 결정되는 설정된 낮은 기어비에서만 회전될 수 있게 한다.

설정된 낮은 기어비가 초대형 트럭에 대하여 불충분하다면, 점선(53)으로 나타낸 바와 같이 추가적인 기어 감속장치가 부가될 수 있다는 것이 이 기술의 당업자에 의하여 이해될 것이다.

펌프(16)의 경사판의 조절된 각도가 포지티브 방향으로 연속적으로 증가되 면, 유압 유체는 루프(48)를 통하여 이동하기 시작하여, 제어 모터(14)의 회전 및, 차례로, 전진 방향으로 웨브(34)의 회전을 연속적으로 증가시킨다. 모터(14) 및 웨브(34)의 회전 속도가 연속적으로 증가되면, 출력 기어(22)의 회전 속도의 설정된 감속비[입력 기어(20)의 속도에 비하여]는, 출력 기어(22)가 전술한 바와 같이[예를 들면, 출력축(32)이 엔진 구동축(30)과 0.7:1 회전하고 있음], 기어(50, 51)에 의하여 펌프(16) 및 모터(14)의 설정된 오버드라이브에 의하여 입력 기어(20)의 속도보다 더 빨리 최종적으로 회전할 때까지 웨브(34)의 변화하는 회전 속도에 비례하여 연속적이고 무한으로 감소된다.

따라서, 상기 예의 기어 톱니에 대하여, 모터(14)와 웨브(34)의 회전 속도가 연속적으로 증가되면, 출력축(32)의 회전은 엔진 속도의 변속이나 증가없이 4.8:1로부터 0.7:1의 오버드라이브까지 기어비의 무한 수를 통하여 속도를 증가시킨다.

전술한 연속적이고 무한-진행 기어비 변화(설정된 낮은 기어비로부터 오버드라이버까지)는 엔진(10)의 속도의 변화없이 발생된다는 사실에 특별한 주의가 요구된다. 즉, 상기의 배경기술 부분에 참조된 글리스만 IVT의 시험 동안, 차량 엔진의 속도는 850 rpm의 아이들링 속도로부터 대략 1800 rpm의 초기 작동 속도까지 단지 증가될 뿐이다. 이 증가는 수동이나 또는 자동 트랜스미션의 종래의 기어 범위의 사이에서 각각의 연속 변속을 위하여 요구되는 엔진 속도(2500-3000+ rpm까지)의 일반적인 증가에 비하여 비교적 근소하다. 엔진은 선 채로의 정지 상태로부터 오버드라이브까지 전체 가속을 통하여 이렇게 비교적 낮고 효율적인 작동 레벨로 유지된다. 이 현저한 특징은 연료를 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 더욱 중요하게, 오염을 상당히 감소시킨다. 이것은 엔진의 선택된 작동 속도가 성능을 최적화하는 "스위트 스폿(sweet spot)"에서 미리 결정될 수 있기 때문에, 디젤 엔진에 특히 정확하며, 잘 알려진 바와 같이, 디젤 엔진이 일정한 속도로 작동될 때, 디젤 엔진은 설사 있다해도, 오염물질을 거의 배출하지 않는다.

특별한 오버드라이브(Special Overdrive)

이 트랜스미션의 특별한 오버드라이브 장치의 부품으로서, 보조 구동 기어(50)도 제1 결합 기어(51)와 동일한 제2 결합 기어(52)와 맞물리며, 따라서, 상기 제1 결합 기어(50)가 보조 구동 기어(50)에 의하여 구동될 때 동일하게 설정된 오버드라이브(예를 들면, 0.7:1)로 회전된다. 그러나, 상기 제2 결합 기어(56)는 초기에는 정상상태에서 결합 해제되어 있는 제2 클러치(54)에 의하여 트랜스미션의 나머지로부터 분리되어 있는, "자유 회전 상태(free-wheels)"이다. 결합될 때, 제2 클러치(54)는 축(57, 58)을 연결하며, 그 때문에, 오버드라이브 기어(59)가 상기 제2 결합 기어(56)와 동일하게 설정된 오버드라이브로 회전될 수 있다.

바람직하게 제2 클러치(54)는 도 2에 도시된 바와 같은 단순한 죠 클러치이다. 각각의 스퍼 기어(72, 74)가 연결축(57, 58)의 각 단부에 고정된다. 축(58) 상에 헐겁게 장착되는 슬라이딩 죠(sliding jaw)(76)는 내부 결합 스퍼 톱니(78)를 가지고 있다. 도시된 위치에서, 내부 치차(78)는 스퍼 기어(72)의 톱니와만 결합되어 상기 죠(76)는 스퍼 기어(72) 및 축(57)으로만 회전되고, 축(58)의 표면 상에 자유로이 회전되며 상기 축을 서로 독립적으로 회전될 수 있게 한다. 그러나, 죠(76)가 우측으로 이동되면, 그 내부 톱니는 스퍼 기어(74)의 톱니와 결합될 뿐만 아니라 상기 스퍼 기어(72)의 톱니와 그 결합 관계를 유지하며, 그 때문에 축(57, 58) 사이를 연결시킨다.

전술한 바와 같이, 펌프(16) 및 모터(14)가 그에 맞는 최고 회전 속도에 도달되면, 웨브(34)의 회전은 입력 기어(20)의 속도까지 또한 기어(50, 51)를 통하여 펌프(16) 및 모터(14)의 설정된 오버드라이브에 의하여 입력 기어(20)보다 더 빨리 연속적으로 증가되었다. 이때, 출력 기어(22)도 전술한 바와 같이 동일하게 설정된 오버드라이브[예를 들면, 출력축(32)이 엔진 구동축(30)에 비하여 0.7:1 회전하고 있다]에 의하여 입력 기어(20)보다 더 빨리 회전되고 있다.

다음에 제1 클러치(46)가 결합 해제되고, 제2 클러치(54)가 결합된다. 이것은 웨브(34)와 제어 모터(14) 사이의 연결을 해제하고, 동시에, 오버드라이브 기어(59)를 기어(56)와 회전하도록 연결시킨다. 오버드라이브 기어(59)는 제1 웨브 기어(40)와 마찬가지로, 웨브(34)에 고정될 뿐만 아니라 대향 측면에 고정되는 제2 웨브 기어(70)와 1:1 결합된다. 전술한 바와 같이, 기어(56)는 기어(51), 펌프(16), 모터(14), 및 제1 웨브 기어(40)와 같이, 동일하게 설정된 오버드라이브(예를 들면, 0.7:1)로 보조 구동 기어(50)에 의하여 회전된다.

따라서, 클러치(46, 54)가 각각 결합 해제되고 결합될 때, 웨브(34), 웨브 기어(40, 70)뿐만 아니라 기어(56, 59)는 엔진 구동축(30)에 0.7:1 비율로 모두 회전하고 있으며, 그 때문에 클러치의 작동을 매우 용이하게 한다. 본 발명의 오버드라이브의 전술한 활성화는 웨브(34), 출력 기어(22), 및 출력축(32)이 기어(56)와 모두 록업될 수 있게 하여, 엔진 구동축(30)과 출력축(32) 사이에 전체적으로 기계적인 오버드라이브 연결을 생성시키고, 동시에, 트랜스미션의 유압 시스템은 웨브(34)와 완전히 결합 해제된다. 따라서, 이 기술의 당업자는 펌프(16)의 경사판이 이때 그 0°위치로 재조절되어 펌프축(52)의 회전이 펌프(16) 외부로 유압 유체의 어떠한 이동도 발생시키지 않으며, 그 때문에 클로즈드-루프(48)를 통하여 유체의 모든 흐름을 정지시키고 모든 이동에 대하여 제어 모터(14)를 록킹시킨다. 따라서, 유압 시스템은 기능을 정지하고, 엔진에 대한 그 부하가 최소이다.

전술한 바와 같이, 유압 모터(14)는 가변적일 수 있다. 따라서, 선택적인 오버드라이브 장치는 상기에 참조된 정상적인 세팅에 비하여 모터(14)의 경사판을 조절함으로써 이루어질 수 있다.

IVT의 "정지" 및 후진 작동

펌프(16)의 경사판의 각도가 약간 네가티브 세팅(예를 들면, 1-3°)으로 이동되면, 제어 모터(14)는 출력 기어(22)를 완전 정지시킬 수 있는 임의의 설정된 비교적 낮은 속도로 반대쪽("후진") 방향으로 이 회전할 것이다. 제어 모터(14)의 이 낮은 속도 작동은 유압 유체의 흐름에 의하여 생성되고 있기 때문에, 이것은 사실상 웨브(34)가 시동을 위한 정지 위치에서 및 주행시 정지할 때 일정한 토크로 유지되는 "기어 중립(geared neutral)"을 제공한다.

펌프(16)의 경사판의 세팅이 네가티브 방향으로[즉, 출력 기어(22)를 정지시키는데 사용되는 약간 네가티브 세팅 이상으로] 연속적으로 증가되면, 제어 모터(14), 웨브(34), 출력 기어(22), 및 출력축(32)의 회전은 모두 후진 방향으로 연속적으로 증가된다. 그러나, 전술한 바와 같이, 실험적인 모델을 사용하여 이 새로 운 트랜스미션의 최소의 오비터에 관련된 놀랍고 가능한 유익한 특징을 밝혀내었다: 제어 모터(14)가 "중립"[예를 들면, 제1 클러치(46)와 결합 해제됨으로써]으로 되면, 입력 기어(20)의 아이들링 속도 회전은 클러스터 기어(26)가 출력 기어(22)를 완전 정지시킬 수 있는 정확한 속도로 후진 방향으로 웨브(34)를 자동으로 회전시킬 것이라는 것을 우리는 알게 되었다. 즉, 웨브의 회전 제어가 중립으로 되면, 본 발명의 최소의 오비터는 최소의 토크의 위치를 자동적으로 찾아낸다.

따라서, 차량을 정지시킬 때 트랜스미션을 제로 속도로 이르게 하는 웨브의 필요한 설정 속도 반전을 생성하기 위하여 펌프(16)의 경사판의 조절을 정밀하게 프로그램하는 것이 필요하지 않을 수 있다. 우리가 이 후자 특징의 다수의 가능한 결과를 계속하여 탐구하는 동안, 우리는 제1 클러치(46)를 결합 해제하지 않고서, 입력 기어(20)의 속도가 아이들링 엔진 속도로 감속될 때마다 차량을 완전 정지시킬 수 있도록 제어 모터(14)를 적절하게 역전시킬 수 있는 본 발명에 대한 바람직한 유압 펌프/모터 실시예를 이미 개발했다.

유압 바이패스 회로(Hydraulic By-Pass Circuit)

펌프(16) 및 모터(14)에 의하여 공유되는 클로즈드-루프 유압 회로(48)에 통합되는 밸브-조절 "바이패스" 어셈블리(60)을 나타내는 도 3을 참조한다. 한 쌍의 "바이패스" 통로(61, 62)는 클로즈드-루프(48)의 대향 측면을 연결하고 스풀 밸브(spool valve)(66)의 피스톤부(65)에 의하여 차단되고 있는 실린더(64)를 관통한다. 한 쌍의 스템(stems)(68, 69)은 스풀 밸브(66)에 위치되어, 스풀 밸브(66)가 화살표의 방향으로 좌측으로 이동될 때, 스템(68, 69)은 유압 유체를 바이패스 통 로(61, 62)를 통하여 흐를 수 있게 한다. 센서(80)는 차량 작동의 선택된 파라미터[예를 들면, 클로즈드 루프(48)에서 차량 속도 및/또는 유압]에서 상위 및 하위 레벨에 응답한다. 이들 선택된 파라미터의 제1 레벨을 센싱하면 스풀 밸브(66)를 통로(61, 62)를 열도록 좌측으로 이동되고(차량 속도가 감속되고 정지 상태에 접근할 때마다), 제2 레벨을 센싱하면 스풀 밸브(66)를 도시된 위치로 복원시켜, 클로즈드-루프 유압 회로(48)를 그 정상 위치로 복귀시킨다.

스풀 밸브(66)를 죄측으로 이동시키는 것은 펌프(16)의 경사판이 구동되고 있거나 또는 0°로 유지되고 있을지라도 제어 모터(14)의 축(44)을 독립적으로 이동시킬 수 있다. 따라서, 바이패스 어셈블리(60)는 엔진 시동 동안 트랜스미션의 부하를 감소시키는데 사용될 수 있으며, 그 때문에 차량의 플라이휠 클러치(flywheel clutch)를 대신할 수 있다. 이 점에 있어서, 센서(80)는 클로즈드-루프 유압 회로(48)에서 유압의 상당한 변화를 감지하는데 이용될 수 있기 때문에, 바이패스 어셈블리(60)는 안전 장치로서도 작용할 수 있으며, 유압 시스템의 어떤 예외적인 과부하를 방지할 수 있다.

동력 인출(Power Takeoff)

이 기술에서 잘 알려진 바와 같이, 동력 인출축은 보조 장치가 차량의 엔진으로부터 작동될 수 있도록 트랙터 및 트럭에 흔히 제공된다. 따라서, 이 새로운 트랜스미션의 한가지 다른 특징은 동력 인출축(84) 및 제3 죠 클러치(88)에 의하여 연결되는 동력 인출 기어(86)를 포함하는 단순한 동력 인출 어셈블리(82)이다.

동력 인출 기어(86)는 전술한 바와 같이, 설정된 오버드라이브(예를 들면, 0.7:1)로 회전되는 제2 결합 기어(56)에 의하여 구동된다. 일반적으로 동력 인출 기어(86)는 정상적으로 분리된 클러치(88)에 의하여 동력 인출축(84)과 결합 해제되어 있는, "자유 회전 상태"이다. 그러나, 클러치(88)가 결합되면, 동력 인출축(84)도 보조 장치를 작동시키도록 설정된 오버드라이브로 회전된다.

상기한 설명은 자동차용에 주로 적합한 것으로서 본 발명을 공개하고 있지만, 이 기술의 당업자는 본 발명이 산업형 엔진의 출력을 제어하는데 동일하게 적합하다는 것을 인식할 것이다.

본 발명은 대체로 엔진의 출력 토크를 가변시키는 트랜스미션에 관한 것으로, 엔진의 구동 토크 및 속도가 차량 시동으로부터 정상적인 도로 주행까지 연속적이고 무한 가변될 수 있는 타입의 자동차 트랜스미션에 이용될 수 있다.

Claims (17)

1. 주 엔진용 트랜스미션으로서,

   오직 하나의 오비터(orbiter), 및 회전 제어장치를 포함하며,

   상기 오비터는 상기 주 엔진에 의하여 공급되는 입력 구동장치(input drive)에 응답하고 제1 축에 장착되는 입력 기어, 상기 제1 축에 장착되는 출력 기어, 및 상기 입력 기어 및 출력 기어에만 결합되고 상기 제1 축에 평행하게 위치하는 궤도축(orbit shaft) 상에 회전되도록 장착되는 적어도 하나의 클러스터 기어(cluster gear)를 구비하고,

   상기 궤도축은, 상기 궤도축 및 상기 클러스터 기어가 상기 제1 축, 상기 입력 기어 및 상기 출력 기어 주위로 각각 궤도를 그리며 회전할 수 있도록, 상기 제1 축을 중심으로 회전되도록 장착되는 웨브(web)에 지지되며,

   상기 클러스터 기어와 상기 입력 기어 및 출력 기어 사이의 기어비는, 상기 웨브의 회전이 방지될 때, 상기 입력 구동장치의 설정된 감속비로 상기 입력 기어의 회전이 상기 출력 기어의 회전을 발생시키도록 선택되고,

   상기 회전 제어장치는, 상기 오비터 웨브에 작동가능하게 연결되어, 상기 웨브의 회전을 방지하면 상기 입력 구동장치의 상기 설정된 감속비로만 상기 출력 기어를 회전시키며, 상기 웨브를 제1 방향으로 회전시키면 상기 입력 구동장치에 대한 상기 출력 기어의 상기 설정된 감속비를 상기 웨브의 회전 속도에 비례하여 감소되게 하고, 상기 웨브를 설정된 속도로 반대 방향으로 회전시키면 상기 출력 기 어의 회전을 정지시키는

   것을 특징으로 하는 트랜스미션.
2. 제1항에 있어서,

   상기 회전 제어장치는 모터인 것을 특징으로 하는 트랜스미션.
3. 엔진 구동장치를 출력 구동축과 연결시키는 연속 무한 가변 트랜스미션으로서,

   오비터 및 제어 모터를 포함하며,

   상기 오비터는 상기 엔진 구동장치와 상기 출력 구동축 사이에 연결될 수 있고, 상기 엔진 구동장치를 설정된 낮은 기어 감속비로부터 상기 엔진 구동 속도까지 연속적으로 가변시키며,

   상기 오비터는 오직 (ⅰ) 상기 엔진 구동장치에 연결되며 제1 축에 장착되는 입력 기어, (ⅱ) 상기 출력 구동축에 연결되며 상기 제1 축에 장착되는 출력 기어, (ⅲ) 상기 입력 기어 및 출력 기어와만 결합되며, 상기 제1 축과 평행하게 위치하는 궤도축에 회전되도록 장착되는 적어도 하나의 클러스터 기어, (ⅳ) 상기 궤도축 및 상기 클러스터 기어가 상기 제1 축, 상기 입력 기어 및 상기 출력 기어 주위로 각각 궤도를 그리며 회전할 수 있도록, 상기 제1 축을 중심으로 회전되도록 상기 궤도축을 지지하는 웨브, 및 (ⅴ) 상기 웨브의 회전이 방지될 때, 상기 설정된 낮은 기어 감속비로 상기 입력 기어의 회전이 상기 출력 기어의 회전을 발생시키도록 선택되는, 상기 클러스터 기어와 상기 입력 기어 및 출력 기어 사이의 기어비를 가지며,

   상기 제어 모터는 상기 오비터 웨브의 회전을 제어하도록 상기 엔진 구동장치에 의하여 구동되어, (a) 상기 웨브의 회전을 방지하면 상기 설정된 낮은 기어 감속비로만 상기 출력 기어를 상기 입력 구동장치에 대하여 회전시키며, (b) 상기 웨브를 제1 방향으로 회전시키면 상기 웨브의 회전 속도에 비례하여 상기 설정된 낮은 기어 감속비를 감소시키고, (c) 상기 웨브를 설정된 속도로 반대 방향으로 회전시키면 상기 출력 기어의 회전을 정지시키며, (d) 상기 웨브를 상기 설정된 속도보다 큰 속도로 상기 다른 방향으로 회전시키면 상기 입력 구동장치의 회전 방향과는 반대쪽으로 상기 출력 기어를 회전시키는

   것을 특징으로 하는 트랜스미션.
4. 제3항에 있어서,

   상기 제어 모터 및 상기 오비터 웨브를 연결시키는 제1 클러치,

   상기 엔진 구동장치 및 상기 오비터 웨브를 연결시키는 제2 클러치, 및

   상기 엔진 구동장치 및 상기 제2 클러치 사이에 위치되는 제1 오버드라이브(overdrive)

   를 추가로 포함하며,

   상기 클러치들은 선택적으로 작동될 수 있어, 상기 제1 클러치가 결합되고 상기 제2 클러치가 결합 해제될 때, 상기 오비터 웨브의 회전이 상기 제어 모터에 의하여 제어되며, 그리고 상기 제2 클러치가 결합되고 상기 제1 클러치가 결합 해제될 때, 상기 오비터 웨브는 상기 설정된 오버드라이브로 회전되어, 상기 엔진 구동장치에 대한 오버드라이브를 상기 출력 구동축에 제공하는

   것을 특징으로 하는 트랜스미션.
5. 제3항에 있어서,

   상기 제어 모터는 전기 모터이며,

   상기 제어 모터는, 상기 엔진 구동장치에 의하여 구동되어, 상기 전기 제어 모터를 구동하기 위한 출력 전류를 발생하는 제너레이터를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스미션.
6. 제4항에 있어서,

   상기 제어 모터는 유압 모터이며,

   상기 제어 모터는, 상기 엔진 구동장치에 의하여 구동되어, 펌프가 최고 회전 속도까지 증가될 때, 상기 모터도 최고 회전 속도까지 증가되도록 상기 유압 제어 모터를 구동하기 위하여 유압 출력을 발생하는 유압 펌프를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스미션.
7. 제6항에 있어서,

   상기 엔진 구동장치와 상기 유압 펌프 사이에 위치하며, 상기 웨브가 상기 제1 오버드라이브에 의하여 구동될 때 상기 엔진 구동장치에 대하여 상기 동일하게 설정된 오버드라이브로 상기 유압 펌프를 구동시키는 제2 오버드라이브를 추가로 포함하며,

   상기 유압 펌프 및 상기 유압 모터가 각각 상기 최고 회전 속도에 도달되면, 상기 제1 오버드라이브도 또한 상기 엔진 구동장치에 대한 상기 오버드라이버를 상기 출력 구동축에 제공하기 위하여 상기 제2 클러치와의 결합 및 상기 제1 클러치와의 결합 해제를 용이하게 하는 동일한 속도로 회전되는 것을 특징으로 하는 트랜스미션.
8. 제6항에 있어서,

   상기 유압 펌프는 상기 엔진 구동장치에 대하여 조절될 수 있는 유압 출력을 가져서, 상기 유압 모터의 속도가 상기 유압 펌프의 상기 유압 출력에 대하여 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는 트랜스미션.
9. 제3항에 있어서,

   상기 설정된 낮은 기어 감속비를 추가로 감소하기 위하여 상기 출력 기어와 상기 출력축 사이에 연결되는 추가 기어 감속장치를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스미션.
10. 제6항에 있어서,

    상기 유압 펌프와 상기 유압 모터를 연결하는 클로즈드 루프 유압 회로, 및

    상기 클로즈드 루프 내에 개재되는 한 쌍의 병렬 바이패스 회로를 추가로 포함하며,

    상기 각 바이패스 회로는 밸브에 의하여 선택적으로 닫혀서, 상기 한 쌍의 바이패스 회로가 모두 닫히면, 상기 클로즈드 루프를 통하여 유압 유체의 순환이 영향을 받지 않으며,

    상기 바이패스 회로는 (a) 유압 유체가 상기 펌프를 통하여 순환되지 않고 상기 모터로부터 다시 상기 모터로 직접 순환될 수 있도록 및 (b) 유압 유체가 상기 모터를 통하여 순환되지 않고 상기 펌프로부터 다시 상기 펌프로 직접 순환될 수 있도록, 선택적으로 개방되는 것을 특징으로 하는 트랜스미션.
11. 제10항에 있어서,

    센서를 추가로 포함하며,

    상기 센서는, 상기 센서가 선택된 파라미터에 대해 설정된 제1 레벨에 의하여 활성화될 때 상기 바이패스 밸브를 개방하고, 상기 센서가 상기 선택된 파라미터에 대해 설정된 제2 레벨에 응답할 때 상기 바이패스 밸브를 폐쇄하도록 상기 클로즈드 루프와 결합되는 것을 특징으로 하는 트랜스미션.
12. 제11항에 있어서,

    상기 센서는, 상기 클로즈드 루프가 설정된 상위 레벨에 도달될 때 상기 바 이패스 밸브를 개방하고, 상기 클로즈드 루프 내의 유압이 설정된 하위 레벨에 도달될 때 상기 바이패스 밸브를 폐쇄하도록 유압에 응답하는 것을 특징으로 하는 트랜스미션.
13. 제10항에 있어서,

    상기 한 쌍의 병렬 바이패스 회로를 개폐하기 위한 피스톤 밸브를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스미션.
14. 제7항에 있어서,

    상기 제1 및 제2 오버드라이브는 각각 상기 엔지 구동장치에 고정되는 대형 기어에 의하여 구동되는 단일 기어를 포함하며,

    상기 단일 기어들은 동일하고 상기 동일한 대형 기어에 의하여 구동되는 것을 특징으로 하는 트랜스미션.
15. 제4항에 있어서,

    상기 엔진 구동장치는 (a) 아이들링 속도 및 (b) 상기 제1 클러치가 결합되고 상기 제2 클러치가 결합 해제될 때 항상 바람직한 작동 속도 중 하나로 유지되는 것을 특징으로 하는 트랜스미션.
16. 제15항에 있어서,

    상기 엔진 구동장치가 상기 아이들링 속도로 유지되고 상기 제1 클러치가 결합 해제될 때, 상기 웨브는 반대 방향으로 회전되고, 상기 출력 기어의 회전이 정지되는 상기 설정된 속도를 자동적으로 찾아내는 것을 특징으로 하는 트랜스미션.
17. 제4항에 있어서,

    상기 제1 오버드라이브에 의하여 구동되는 동력 인출축 및 동력 인출 기어를 가지는 동력 인출 어셈블리(power takeoff assembly), 및

    상기 동력 인출 기어와 상기 동력 인출축을 연결하는 제3 클러치

    를 추가로 포함하여,

    상기 제3 클러치가 결합될 때에만, 상기 동력 인출축 및 동력 인출 기어가 상기 제1 오버드라이브에 의하여 양자 모두 구동되는 것을 특징으로 하는 트랜스미션.

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