KR101289184B1 - 가역 변속 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 자동차, 버스, 트럭, 오프로드 차량, 지게차, 텔레스코픽 붐 핸들러(telescopic boom handler) 등과 같은 차량을 위한 새로운 형태의 가역 변속 장치에 관한 것이다. 대안적으로, 그 기어박스는 풍차 등과 같은 시스템은 물론, 동력을 가변 속도로 전달할 필요가 있는 기타 산업 용례에서 이용될 수 있다.
Description
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.
본 발명의 이점은 이상적인 자동차 변속 장치와 종래에 이용 가능한 자동차 변속 장치 간의 차이점을 살펴봄으로써 가장 잘 설명할 수 있다.
이상적인 변속 장치
이론적으로, 이상적인 자동차 변속 장치는 임의의 요구되는 동력 수준에 대해 어떠한 자동차 속도에서라도 엔진이 최고 효율점으로 작동하도록 엔진 출력을 바퀴로 전달한다.
디젤 엔진의 연료 소비율를 보여주는 도 10의 그래프에 나타낸 바와 같이 스로틀이 강하게 밀려졌을 대에 엔진이 최고의 효율로 작동한다. 엔진 출력은 스로틀을 변경하기보다는 엔진 속도를 변경함으로써 조정된다. 예를 들면, 고속도로 상에서 120 km/h의 일정 속도로 주행 중에 겨우 약 25HP가 요구된다. 그러면, 최적 엔진 속도는 종래의 엔진의 경우에 약 1300 RPM이다. 이 때, 요구되는 변속 토크비는 0.441인 반면, 실제 기어 박스의 통상의 비는 최대비가 0.90 내지 0.65로 다양하다. 결론적으로, 종래의 기어 박스의 비는 최적의 엔진 효율을 위해 충분히 높지는 않다.
전술한 사항이 도 10에 예시되어 있다. 공지의 기어 박스의 경우, 자동차는 2400 RPM에서 2400 km/h로 주행하고 엔진으로부터의 토크는 73 Nm이다. 이 경우, 연료 소비율(SFC : specific fuel consumption)은 265 g/kWh이다. 이상적인 경우(낮은 토크 엔진)에서, 엔진 속도는 최대 효율을 달성하기 위해서는 단지 1700 RPM으로 감소되어야 한다. 그 경우, 엔진은 103 Nm을 생성하고 SFC는 225 g/kWh이다. 이는 15%의 연료 절감에 상응한다. 이는 100 km 당 6.5ℓ 내지 100 km 당 5.5ℓ의 연료 절감에 해당하는 것으로, 변속 장치의 효율을 고려하지 않고 단지 엔진 작동점(engine operating point)의 향상으로부터만 달성되는 것이다.
발차의 경우, 이상적인 변속 장치는 무한 토크비를 필요로 한다. 자동차가 여전히 0의 속도로 있고 엔진의 속도가 적어도 공전 속도로 있는 경우, 변속비는 무한대이어야 한다. 미끄럼 클러치 또는 미끄럼 토크 컨버터에 의한 종래의 해법은 매 발차시마다 많은 에너지를 소비한다.
이러한 점은 갑작스런 스로틀 위치 변경 중에 또는 그 후에도 역시 사실이다(트로틀 위치 변경은 사실상 요청되는 엔진 출력의 변경이다). 이는 그 비를 매우 신속하게 변경할 수 있어야 함을 의미한다. 자동차가 최적의 연료 소비를 위해 85%의 스로틀로 일정한 중간 정도의 속도로 주행한다고 가정하자. 그 엔진은 가용 엔진 출력의 단지 작은 비율만을 생성한다. 그 비의 변경 없이 가속이 요청되는 경우에, 엔진은 나머지 15%의 스로틀만을 갖고 가속되어, 낮은 출력을 단지 15%만큼 상승시킬 수 있다. 따라서, 요청된 엔진 출력을 얻기 위해서는 즉각적인 다운시프팅이 필요하며, 변속 장치는 엔진이 최적의 효율로 요청된 출력을 생성할 수 있는 엔진 속도로 가속되도록 즉시 그 비를 변경해야 한다.
이상적인 변속 장치는 환경 친화적이어야 하며, 재생 불가능하거나 독성이 있는 물질 또는 오일을 수용해서는 안 된다.
이상적인 효율은 100%이고, 가능한 한 크기 작고 경량이고 저렴해야 하며, 완벽한 신뢰성과 내구성을 갖추어야 한다.
실제 자동차 변속 장치의 한계
MT = 건식 클러치를 이용한 수동 변속 장치.
AT = 토크 컨버터를 이용하고 어쩌면 락업(lock-up)이 설치된 자동 변속 장치.
DCT = 습식 또는 건식 클러치를 이용한 더블 클러치.
CVT-벨트 = 2개의 원뿔형 풀리 사이에 벨트를 이용한 무단 변속 장치.
CVT-토로이드 = 하프(half) 또는 풀(full) 토로이드 풀리를 이용한 무단 변속 장치.
HSD = 정수압 구동 장치(hydrostatic drive). 이는, 엔진에 의해 구동되는 가변 축류 피스톤 펌프, 및 기어 박스를 구동하거나 바퀴를 직접 구동하는 가변 유압 모터를 이용한 유압 시스템이다. 출력 속도는 0에서부터 특정 속도로 변화시킬 수 있으며, 밸브의 전환에 의해 회전 방향이 반대로 될 수 있다.
| 효율 (하이웨이) |
문제점 | |
| MT | 고효율 약 88 내지 97% |
연료 절감의 개선을 위해 훨씬 많은 기어 및 더 큰 스프레드(spread)를 필요로 함(1). 보다 많은 기어는 너무 많은 시프팅을 필요로 하여 운전자의 혼란을 야기함. |
| AT | 중간 효율 약 88 내지 92% |
연료 절감의 개선을 위해 훨씬 많은 기어 및 더 큰 스프레드를 필요로 함(1). 보다 많은 기어는 비용이 높아지게 함. 시프팅 중에 효율이 낮음. 보다 많은 시프팅은 연료 소비의 개선과 상충됨. |
| DCT | 고효율 89 내지 95% |
연료 절감의 개선을 위해 훨씬 많은 기어 및 더 큰 스프레드를 필요로 함(1). 보다 많은 기어는 비용이 높아지게 함. 보다 많은 기어 → 보다 많은 시프팅 → 클리치의 보다 많은 사용 → 보다 많은 에너지 소산 |
| CVT-벨트 | 저효율 <85%? |
토크 전달을 위해 벨트에 슬립이 없어야 하지만, 변속비 변경에는 벨트에 슬립이 이루어져야 함. 변속비를 변경할 때에 효율이 너무 낮거나, 변속비 변경이 너무 느림. 풀리에 고압이 필요하고, 이는 높은 유압 손실을 초래함. |
| CVT-토로이드 | 저효율 <85%? |
풀리가 드릴링 운동(drilling motion)하면서 서로 대해 구름 운동함. 이러한 드릴링 운동은 강제 매크로슬립(macroslip)을 생성함. 이 슬립은 효율을 감소시키고 소산될 열을 생성함. |
| HSD | 매우 낮은 효율 약 70 내지 80% |
중량의 시스템으로서, 오프-하이웨이 차량(휘일 로더 등)이나 소형 트럭에 흔히 사용됨. 기어박스 없이 허용 가능한 효율 범위에서 낮은 최고 속도비를 가짐 |
(1) 아래의 승용차에서의 기어비의 통상적 개수의 변천 과정을 참조.
| MT | AT | DCT | 최고 기어비 | |
| 70년대 및 그 이전 | 4 | 3[킥다운(kickdown)에서만 이용되는 1단 기어 포함] | 1 | |
| 80 및 90년대 | 5 | 4 | 약 0.90 내지 0.95 | |
| 2000년에서 2007년까지 | 5-6 | 5-6-7 | 6-7 | 약 0.65 내지 0.90 |
결론 :
MT, AT, DCT : 연료 소비를 개선시키기 위해서 항시 보다 많은 기어를 필요로 하지만, 대략 추가적인 개선이 불가능한 실제적인 한계에 있다. 그 최고 비는 여전히 최적의 연료 절감을 위해서 충분히 높지 않다.
CVT : 효율이 낮고 또한 그 최고 비도 역시 최적의 연료 절감을 위해서 충분히 높은 것이 아니다.
따라서, 전술한 한계 및 단점을 극복하는 개선된 기어 박스 또는 변속 장치가 필요하다.
본 발명은 아래에 정의한 소위 유성형 가변기(planetary variator)를 포함하는 가역 변속 장치를 제공한다.
본 발명은, 가변 또는 가역 변속 장치를 위한 하위 시스템으로서 기능을 하고 변속비를 연속적으로 변화시킬 수 있는 유성형 가변기(13)에 있어서,
- 링 휘일(1), 중심 샤프트(12) 주위에 장착된 2개 이상의 위성(2) 및 선 휘일(3)로 이루어져, 이들 각각의 구성 요소, 즉 링 휘일, 중심 샤프트, 및 선 기어가 다른 변속 장치 구성 요소와의 인터페이스를 형성하도록 되어 있고,
- 링 휘일은 중심 축선을 중심으로 한 축대칭체(axisymmetric body)이고, 트랙트릭스 곡선(tractrix curve)을 따라 형성된 구름면을 구비하며, 이 구름면은 바람직하게는 견인력 및 압축력에 견디도록 경화 또는 코팅되며,
- 선 휘일은 기본적으로 링 휘일과 동일하지만 그 트랙트릭스 곡선의 내경 및 외경이 링 휘일의 직경들과는 상이할 수 있으며,
- 위성은 기본적으로 원뿔형 구름면을 갖는 위성 휘일(5)로 이루어진 것으로, 바람직하게는 견인력 및 압축력을 전달하도록 경화 또는 코팅되고, 레디얼 또는 액시얼 베어링 또는 부싱(8)에 의해 위성 포크(planet fork)(4)를 중심으로 자유로이 회전 가능하게 장착되며, 상기한 원뿔의 실제 꼭지점은 중심 샤프트(9)의 축선과 위성(2)의 힌지의 축선의 교차점과 일치하며,
- 하나의 유성형 가변기(13)의 각각의 위성 포크(4)는 힌지 조인트(8)를 중심으로 자유로이 회전할 수 있으며, 이 힌지 조인트의 축선은 중심 샤프트의 축선에는 직교하고 위성 휘일 평면에 대해서는 평행하며, 각각의 위성 포크와 각각의 위성 휘일은 위성 축선과 중심 샤프트 축선 간의 모든 적용 가능한 경사각에 대해 서로 간섭하지 않도록 구성되고,
- 링 휘일, 위성, 및 선 휘일은, 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 휘일 및 선 휘일의 트랙트릭스 곡선은 모두 위성 휘일의 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 휘일의 구름면의 형상은 접촉 압력 분포를 최적화하도록 볼록하게 이론 형상으로부터 약간 벗어나는 것을 특징으로 하는 유성형 가변기를 제공한다.
본 발명은 또한, 본 발명에 따른 1차 및 2차 유성형 가변기를 포함하는 가역 변속 장치에 있어서,
- 1차 유성형 가변기(13a)의 링 휘일(1a)은 회전할 수는 없지만 두 유성형 가변기 모두의 모든 구름 접촉부를 압박하는 예비 부하력에 의해 축방향으로 이동할 수 있도록 하우징(14)에 연결되며,
- 두 유성형 가변기 모두의 중심 샤프트들은 하나의 메인 샤프트(12)로 합쳐져, 변속 장치 입력 샤프트(11)에 회전 가능하게 연결되고, 조향력에 의해 축방향으로 양쪽으로 이동할 수 있는 한편, 입력 샤프트는 축방향으로 이동하지 못하며,
- 1차 유성형 가변기(13a)의 선 휘일(3a)은 2차 유성형 가변기(13b)의 링 휘일(3b)에 연결되어, 이들 링-선 휘일이 함께 변속 장치의 중심 축선을 중심으로 회전할 수 있도록 되며,
- 2차 유성형 가변기(13b)의 선 휘일(3b)은 변속 장치의 출력 샤프트에 연결되고, 예비 부하력의 반작용력은 액시얼 베어링을 통해 하우징에 전달되는 것을 특징으로 하는 가역 변속 장치를 제공한다.
본 발명은 또한, 본 발명에 따른 가역 변속 장치에 있어서,
- 링 휘일, 선 휘일, 및 위성들의 상대 치수는, 엔진이 그 출력을 거의 항시 최고의 효율점에서 제공할 수 있을 정도로 최고 속도비가 높도록 자동차 용례에 대해 적합하게 선택되며[특히, 변속비와 관련된 치수는 1차 및 2차 링 휘일의 외경, 1차 및 2차 선 휘일의 내경, 위성 휘일의 유효 직경, 및 트랙트릭스 방정식의 길이 변수 L이고, 개념상 통상적인 변속비 범위를 나타내는 도시한 예에서 얻어지는 변속비는 2.266(절대값)임](변속비는 효율 손실을 무시하고 출력 속도를 입력 속도로 나눈 값이다),
- 링 휘일, 선 휘일, 및 위성들의 상대 치수는, 자동차가 후진시에 중간 정도의 엔진 속도 및 낮은 소음으로 주행하기에 충분하게 후진시의 최고 속도비가 높게 되도록 자동차 용례에 대해 적합하게 선택되며[특히, 후진 변속비와 관련된 치수는 1차 및 2차 링 휘일의 내경, 1차 및 2차 선 휘일의 외경, 위성 휘일의 유효 직경, 및 트랙트릭스 방정식의 길이 변수 L이고, 개념상 통상적인 변속비 범위를 나타내는 도시한 예에서 얻어지는 후진 변속비는 0.695임],
- 변속 장치의 메인 샤프트를 이동시킴으로써, 변속비가 전진시의 최고 속도비에서 정지 상태를 거쳐 후진시의 최고 변속비로 연속적으로 변화하는 것을 또한 특징으로 하는 가역 변속 장치를 제공한다.
본 발명은 또한, 본 발명에 따른 가역 변속 장치에 있어서,
- 각 구름 접촉부 상의 수직력이 하우징으로부터 비회전 1차 링 휘일에 작용하는 하나의 예비 부하력에 의해 생성되고, 그 반작용력은 2차 선 휘일에서부터 하나의 베어링을 거쳐 하우징으로 전달되며,
- 메인 샤프트의 위치를 결정하고 이에 따라 변속비도 결정하는 순 조향력은 양 방향 중 하나의 방향으로 메인 샤프트에 작용하는 하나의 힘에 의해 생성되며, 반작용력은 베어링을 거쳐 하우징으로 전달되는 것을 또한 특징으로 하는 가역 변속 장치를 제공한다.
본 발명은 또한, 본 발명에 따른 가역 변속 장치에 있어서,
- 상기한 예비 부하력은 하우징과 1차 링 휘일 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 있으며,
- 조향 압력은 양방향으로 작동할 수 있고 입력 샤프트 및 메인 샤프트에 통합된 유압 또는 공압식 피스톤-실린더 시스템에 의해 생성되며,
- 청구항 4에 기재한 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 밀봉되는 것을 또한 특징으로 하는 가역 변속 장치를 제공한다.
본 발명은 또한, 자동차, 트럭, 또는 기타 온-하이웨이(on-highway) 혹은 오프-하이웨이(off-highway)용 차량에서 본 발명에 따른 가역 변속 장치를 제어하도록 된 유압 시스템에 있어서,
- 엔진에 의해 구동되는 하나의 펌프가 유압 및 유압유 흐름을 제공하는 데에 이용되고,
- 고압 및 저압 축압기가 시스템에 통합되어 있고, 저압 축압기로부터의 유체가 예비 부하 피스톤(30) 및 조향 피스톤(28)을 가압하는 데에 고압 축압기보다 우선적으로 사용되며,
- 고압 축압기는 저압 축압기보다 우선적으로 펌프에 의해 충전되며,
- 예비 부하 압력과 전진 및 후진 주행 방향을 위한 조향 압력을 제어하는 데에 감압 밸브가 사용되며,
- 가능하다면, 예비 부하 압력 라인에 2개의 차단 밸브에 의해 안전 수단이 추가되며, 이들 차단 밸브 중 하나는 전진 조향 압력에 의해 전환되고 다른 하나는 후진 조향 압력에 의해 전환되어, 활성 조향 압력 중 하나가 특정 바이어스 압력 아래로 떨어지자마자 바로 예비 부하 압력을 배출하도록 되며,
- 상기한 안전 수단은 안전 차단 밸브(37)를 유압 체계로부터 꺼냄으로써 단순화시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 유압 제어 시스템을 제공한다.
본 발명은 또한, 자동차, 트럭, 또는 기타 온-하이웨이 혹은 오프-하이웨이용 차량에서 본 발명에 따른 유압 밸브를 사용하여 본 발명에 따른 가역 변속 장치를 제어하도록 된 소프트웨어 프로그램에 있어서,
- 모든 엔진 출력 레벨에 대해 최소 연료 소비를 나타내는 곡선(엔진 토크 대 엔진 속도 곡선)을 제어기 메모리에 저장하며,
- PID 제어기가 최소 연료 소비 곡선으로부터 계산된 요구되는 엔진 속도에 상응하는 엔진 속도를 얻도록 메인 샤프트에 연결된 조향 피스톤의 속도를 정하며,
- PID 제어기에 의해 제안되는 조향 피스톤의 속도는 계산 과정에 기초한 마이크로슬립 범위 내에 머무르도록 감소될 수 있으며,
- 메인 샤프트의 축선에 대한 위성의 각도를 결정하는 예비 부하 압력 및 조향 압력을 종방향 및 횡방향 마이크로슬립에 대한 공개된 이론에 근거하여 계산하는 것을 특징으로 하는 소프트웨어 프로그램을 제공한다.
본 발명은 또한, 다양한 변속 장치 레이아웃에서 본 발명에 따른 하나 이상의 유성형 가변기의 조합의 용도에 있어서,
- 유성형 가변기의 각각의 인터페이스, 즉 링 휘일, 중심 샤프트 및 선 휘일은 변속 장치 입력단, 출력단, 하우징, 다른 유성형 가변기의 인터페이스, 또는 오프셋 기어나 유성 기어 시스템과 같은 임의의 다른 변속 장치 구성 요소에 연결될 수 있거나,
- 다양한 가역 변속 장치 레이아웃이 전술한 바와 같이 이루어질 수 있는 것을 특징으로 하는 유성형 가변기의 조합의 용도를 제공한다. 본 명세서에 있어서, "가역(reversible)"이란 표현은, 토크 컨버터 또는 마찰 디스크 클러치에 이용되는 것과 같은 미끄럼 요소(매크로슬립 요소) 없이 입력 회전 방향에 대한 출력 회전 방향이 연속적으로 변경될 수 있는 한편, 그 속도비가 매우 낮은 출력 속도 및 0의 출력 속도에서도 정해지는 변속 장치를 의미한다.
본 발명은 또한, 본 발명에 따른 가역 변속 장치에 있어서,
- 구름 접촉부들이 이동하는 변속 장치 내부가 불활성 가스, 또는 통상의 공기와 냉각 및 윤활용 스플래싱 유체(splashing fluid), 또는 냉각제의 미스트(mist)를 갖는 가스로 채워지며,
- 변속 장치의 내부는 베어링용 윤활유 및 변속 장치의 외부로부터 밀봉되어 있는 것을 또한 특징으로 하는 가역 변속 장치를 제공한다.
본 발명은 또한, 본 발명에 따른 유성형 가변기에 있어서,
- 위성 내부의 베어링 및 부싱을 위한 윤활 흐름은 가능하다면 각각의 위성을 위한 폐회로에 의해 구현되고, 그 윤활유는 위성 내부에서 오일을 외측으로 펌핑하는 베인에 의해 사방으로 펌핑되어 베어링 또는 부싱을 통과하며,
- 위성 내부의 베어링 및 부싱을 위한 대안적인 윤활 흐름이 그 윤활유 흐름을 입력 및 출력 샤프트의 모든 베어링을 포함하는 메인 윤활 흐름에 통합함으로써 구현되며[이 경우, 윤활 흐름은 중심 샤프트로부터 취해져 힌지 중 하나(특히, 힌지 핀 중 하나)를 거쳐 위성의 베어링을 통해 안내된 후에 다시 다른 힌지(또는, 특히 다른 힌지 핀)를 거쳐 중심 샤프트로 흐르게 된다],
- 또 다른 대안으로서 위성의 베어링들이 그리스로 윤활되거나, 어떠한 윤활도 필요로 하지 않는 하이브리드 베어링이 이용되는 것을 또한 특징으로 하는 유성형 가변기를 제공한다.
본 발명은 또한, 자동차, 트럭, 버스, 오프-하이웨이용 차량, 잔디 깎기 기계, 풍력 터빈, 텔레스코픽 붐 핸들러, 지게차, 또는 동력이 가변 속도로 전달될 필요가 있는 임의의 기타 산업 용례에서 동력을 가변 속도로 전달하는 데에 있어서의 본 발명에 따른 변속 장치의 용도를 제공한다.
본 발명은 또한, 본 발명에 따른 변속 장치, 본 발명에 따른 유압 시스템 및 본 발명에 따른 소프트웨어 프로그램을 포함하는 (가역) 변속 시스템을 제공한다.
도 1은 위성(2)과 상호 작용하는 링 또는 선 휘일(1, 3)을 개략적으로 도시한다. 여기서, L은 구름 원뿔의 꼭지점에서 구름 접촉점까지의 길이를 나타낸다. 도 1a는 서로에 대해 구름 운동하는 2개의 원뿔을 도시한다. 이들 두 원뿔의 꼭지점이 일치하는 경우에만 원뿔들이 미끄럼 없이 순수 구름에 의해 서로에 대해 (고정된 축선 위치를 갖고) 구름 운동한다. 도 1b는 링 또는 선 휘일의 단면도 및 그 곡선 상의 다양한 지점에서의 접선을 도시하고 있다. 도 1c에서는 보다 잘 확인할 수 있도록 3개의 지점에 위성이 추가되어 있다. L은 일정하다는 점을 유념해야 한다.
도 2는 위성(2)을 포함한 유성형 가변기가 메인 샤프트(9)에 연결된 상태를 개략적으로 도시한다. 위성(2)은 링 휘일(1) 및 선 휘일(3) 상에서 구름 운동하고, 그 결과 선 휘일은 특정 출력 속도로 회전한다. 메인 샤프트(9)에 대한 위성(2)의 축선의 기울기를 변화시킴으로써, 상호 작용하는 선 휘일(3)의 출력 속도가 메인 샤프트(9)의 일정한 속도에 대해 변경된다. 도면 부호 4는 위성 포크, 도면 부호 5는 위성 휘일, 도면 부호 6은 위성의 레디얼 베어링, 도면 부호 7은 위성의 트러스트 베어링, 도면 부호 8은 힌지 핀, 도면 부호 9는 중심 샤프트, 그리고 도면 부호 10은 압력 릴리프 밸브이다.
도 3은 본 발명의 가역 변속 장치를 개략적으로 도시한다. 도 3a 및 도 3b는 제1 및 제2 유성형 가변기를 각각 변속 장치에서의 그들의 위치에 있는 상태로 나타내는 확대도이다. 기어박스의 종방향으로의 유성형 가변기들의 위치 설정(미끄럼 이동)에 따라 메인 샤프트에 대한 위성의 축선이 변경되고, 나아가서는 링 휘일(1a, 1b)과 선 휘일(3a, 3b)의 상호 작용이 변경됨으로써 제2 선 휘일(3)이 변속 장치의 축선을 중심으로 가변 속도로 회전하게 됨을 유념해야 한다.
도 4는 위성들 및 이들 위성의 변속 장치의 메인 샤프트에 대한 연결을 개략적으로 도시한다.
도 5는 유압 체계를 개략적으로 도시한다.
도 6은 가역 변속 장치의 대안적인 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 7은 가역 변속 장치의 다른 대안적인 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 8은 가역 변속 장치의 또 다른 대안적인 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 9는 기어박스를 조향하는 데에 필요한 소프트웨어의 소프트웨어 블록도이다.
도 10은 Brandstetter 및 Howard(1989)로부터 채택된 디젤 엔진 및 통상의 기어박스의 통상의 연료 소비를 나타내는 종래의 그래프이다(Ford사의 2.5리터 D1 디젤 엔진의 연료 소비율).
도 11은 정지 상태로부터 풀 스로틀 발진의 시뮬레이션 결과를 도시한다.
도 12는 50 km/h로의 정속 주행 후에 풀 스로틀에 의한 갑작스런 가속의 시뮬레이션 결과를 도시한다.
도 13은 위성 포크의 가능한 실시예를 3차원으로 나타낸 도면이다.
도 2는 위성(2)을 포함한 유성형 가변기가 메인 샤프트(9)에 연결된 상태를 개략적으로 도시한다. 위성(2)은 링 휘일(1) 및 선 휘일(3) 상에서 구름 운동하고, 그 결과 선 휘일은 특정 출력 속도로 회전한다. 메인 샤프트(9)에 대한 위성(2)의 축선의 기울기를 변화시킴으로써, 상호 작용하는 선 휘일(3)의 출력 속도가 메인 샤프트(9)의 일정한 속도에 대해 변경된다. 도면 부호 4는 위성 포크, 도면 부호 5는 위성 휘일, 도면 부호 6은 위성의 레디얼 베어링, 도면 부호 7은 위성의 트러스트 베어링, 도면 부호 8은 힌지 핀, 도면 부호 9는 중심 샤프트, 그리고 도면 부호 10은 압력 릴리프 밸브이다.
도 3은 본 발명의 가역 변속 장치를 개략적으로 도시한다. 도 3a 및 도 3b는 제1 및 제2 유성형 가변기를 각각 변속 장치에서의 그들의 위치에 있는 상태로 나타내는 확대도이다. 기어박스의 종방향으로의 유성형 가변기들의 위치 설정(미끄럼 이동)에 따라 메인 샤프트에 대한 위성의 축선이 변경되고, 나아가서는 링 휘일(1a, 1b)과 선 휘일(3a, 3b)의 상호 작용이 변경됨으로써 제2 선 휘일(3)이 변속 장치의 축선을 중심으로 가변 속도로 회전하게 됨을 유념해야 한다.
도 4는 위성들 및 이들 위성의 변속 장치의 메인 샤프트에 대한 연결을 개략적으로 도시한다.
도 5는 유압 체계를 개략적으로 도시한다.
도 6은 가역 변속 장치의 대안적인 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 7은 가역 변속 장치의 다른 대안적인 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 8은 가역 변속 장치의 또 다른 대안적인 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 9는 기어박스를 조향하는 데에 필요한 소프트웨어의 소프트웨어 블록도이다.
도 10은 Brandstetter 및 Howard(1989)로부터 채택된 디젤 엔진 및 통상의 기어박스의 통상의 연료 소비를 나타내는 종래의 그래프이다(Ford사의 2.5리터 D1 디젤 엔진의 연료 소비율).
도 11은 정지 상태로부터 풀 스로틀 발진의 시뮬레이션 결과를 도시한다.
도 12는 50 km/h로의 정속 주행 후에 풀 스로틀에 의한 갑작스런 가속의 시뮬레이션 결과를 도시한다.
도 13은 위성 포크의 가능한 실시예를 3차원으로 나타낸 도면이다.
본 발명의 변속 장치는 토로이드 변속 장치와 가장 잘 비교될 수 있다. 하프 또는 풀 토로이드 변속 장치는 총 스프레드(total spread)가 제한된다는 단점이 있다. 또한, 발진을 위한 토크 컨버터 또는 기타 장치와, 후진 주행을 위한 시프팅 기구 및 기어를 필요로 한다. 그 주요 단점은 위성 휘일 및 풀리가 서로에 대해 드릴링 운동(drilling motion)하면서 서로에 대해 구름 운동하는 데, 그 드릴링 운동은 구름 접촉부들에서 그 기하학적 형상으로 인해 구동력을 전달하는 중에 매크로슬립(macroslip)이 발생함을 의미한다. 그 결과, 구름 접촉부들은 마모를 감소시키고 열을 소산시키도록 윤활되어야 한다. 윤활되는 표면은 마찰 계수가 낮다. 접촉면들에 의해 구동력을 전달하기 위해서는 그 접촉면들이 큰 힘에 의해 서로에 대해 압박되어야 하여, 중량의 구조(heavy design)를 필요로 한다. 매크로슬립의 또 다른 결과는 물론 전달 효율이 낮다는 점이다.
구성 요소들에 대한 설명
기본적으로, 본 발명의 변속 장치는 2개의 소위 유성형 가변기(Planetary Variator)로서 구성된다. 유성형 가변기는 유성 기어 시스템에 상응하는 기계적 하위 시스템이지만, 기어 대신에 구름면과 가변비를 갖는 갖는다. 유성형 가변기는 구름 접촉부에서 드릴링 운동 없이 순수 구름 운동이 발생하도록 구성된다. 본 발명의 변속 장치의 용례에서, 구름 접촉부의 접촉 압력은 접촉 응력을 허용 가능 한계 내에 유지하면서 매크로슬립을 피하기에는 충분하게 높도록 제어된다. 학문적으로, 마이크슬립(microslip)은, 수직 하중을 받으면서 접선력(구름면에 대한 접선 방향)을 전달하는 2개의 구름면이 함께 고착(sticking)되는 하위 영역이 그 접촉 영역 내에 존재하게 되는 그 구름면들의 상태로서 불린다. 그 하위 영역의 외측이지만 여전히 접촉 영역 내의 영역에서는 구름 운동체들의 탄성 변형으로 인해 크리프가 발생한다.
매크로슬립(macroslip)은 고착 접촉이 이루어지는 하위 영역이 존재하지 않는 상태를 말한다. 매크로슬립 상태에서 슬립의 크기는 제어할 수 없다.
유성형 가변기
유성형 가변기 하위 시스템(도 2 참조)은 아래와 같은 부품들로 이루어진다.
- 링 휘일(1)
- 위성(2)
* 위성 포크(4)
* 위성 휘일(5)
* 레디얼 베어링(6)
* 트러스트 베어링(7)
* 힌지 핀(8)
* 중심 샤프트(9)
- 선 휘일(3).
링 휘일(1), 선 휘일(3) 및 중심 샤프트(9)는 모두 공통의 회전 축선을 갖는다. 링 휘일(1)은 예비 부하력(52)에 의해 2개 또는 그 이상의 위성(2)에 대해 축방향으로 압박된다. 위성 휘일(5)은 레디얼 베어링(6)에 의해 포크(4)를 중심으로 자유로이 회전할 수 있다. 예비 부하력(52)으로부터 초래되는 힘 및 원심력이 트러스트 베어링(7)에 의해 위성 포크(4)로 전달된다. 각각의 위성 포크(4)는 중심 샤프트(9)와 위성 포크(4)에 의해 형성되는 평면 내에서 힌지 핀(8)을 중심으로 자유로이 회전할 수 있다. 각각의 위성(2)의 힌지 축선은 동일한 지점에서 중심 샤프트(9)와 교차한다. 위성 휘일(5)은 선 휘일(3)에 대해 압박되어, 예비 부하력(52)에 대한 반작용력을 전달한다.
휘일들에 대한 힌지의 상대 위치를 변경함으로써, 변속비가 변경된다. 변속비의 변경 중에, 횡방향 접촉 속도 및 접촉 압력은 마이크로슬립 범위 내에서 횡방향 및 종방향 크리프를 유지하도록 제어되어야 한다.
링 휘일(1) 및 선 휘일(3)
링 휘일(1)과 선 휘일(3) 모두의 위성(2)과의 활성 접촉면은 특별한 형상의 축대칭면이다.
두 운동체(위성과 링 휘일, 그리고 위성과 선 휘일)들의 미끄럼 없는 구름을 달성하기 위해, 그들의 회전축 및 접촉면에서의 접선 모두 3개가 하나의 지점에서 교차한다(도 1 참조, 2개의 원뿔의 꼭지점이 일치하고 있음). 접촉면의 하나의 지점에서 서로 미끄럼 없이 구름 운동한다면 모든 지점이 구름 운동한다. 드릴링 운동은 발생하지 않는다. 미끄럼 없는 구름 운동을 제공하게 되는 링 휘일 및 선 휘일 모두의 곡선은 xy-평면에서 그 특성으로부터 작도할 수 있는 데, 그 곡선의 임의의 접선은 중심의 x축과의 교차점에서부터 접점까지의 거리가 일정한 L로 되도록 x축과 교차해야 한다. x축과의 교차점은 힌지의 위치이다. 그러면, 그 곡선은 다음과 같은 미분 방정식에 의해 생성된다.
Lsinα = y
α = arctan(dy/dx)
여기서, x : 회전 축선을 나타내는 수평축이며,
y : x축에 직교하는 축선
L : 힌지에서부터 구름 접촉점까지의 길이
α : x축에 대한 접선의 각도
이를 적분하면,
+/-x + c = √(L2 - y2) - L/2 * ln((L + √(L2- y2)) / (L - √(L2 - y2)))
또는,
+/-x + c = L*(cosα - 1/2 * ln((1 + cosα) / (1 - cosα))
또는,
+/-x + c = L*(cosα + ln|tan(α/2)|).
여기서, c는 임의의 적분 상수.
y 및 α에 대해 아래와 같이 경계를 정함으로써,
0 <= y <= L
0°<= α <= 90°
x축을 중심으로 한 회전면을 작도할 수 있다. 이 회전면이 도 1b에 도시되어 있는데, 곡선 상의 3개의 임의의 지점에서의 접선들이 접점에서부터 x축과의 교차점까지 길이 L을 갖고 x축과 교차하고 있다. 도 1c에서는 그러한 3개의 지점에 위성이 추가되어 있다.
위성의 접촉점의 힌지까지의 거리도 역시 L이어서 x축을 따른 힌지의 모든 위치에서 순수 구름을 위한 조건을 충족한다. 수학적으로, 그 곡선은 트랙트릭스 곡선(tractrix curve)으로 알려진 것으로, 1693년도에 Christian Huygens 및 Claude Perrault에 의해 처음으로 제시하였다. 이 곡선은 다양한 수학적 표현으로 나타낼 수 있지만, 상기한 식이 본 발명의 변속 장치에서의 적용에 보다 실용적이다.
실제로, 그 표면들은 그 표면의 압축 또는 마모를 보상하도록 이론적인 것으로부터 약간 벗어날 수 있다. 접촉면의 재질, 경도, 거칠기, 상태(condition), 코팅, 및 윤활 유체나 가스는 정지 마찰(traction) 및 마모를 최적화하도록 선택된다. 그러한 조성물은 기어 프로파일 기술 분야 및 공작 기계 분야에서 널리 알려져 있다.
링 휘일 및 선 휘일은 변속 장치 내에서의 그들의 기능 및 변속 형태에 따라 회전을 허용 또는 방지하고, 축방향 이동을 허용 또는 방지하며, 그리고 그 구성 요소의 중심을 잡을 수 있는 수단을 갖고 있다. 다양한 구성의 링 휘일-위성-선 휘일 조합에 대한 몇몇 비한정적인 예가 도 3, 도 6 내지 도 8에 도시되어 있다. 이들 실시예에서 제1 링 휘일은 회전할 수 없는 반면, 대안적인 실시예에서는 링 휘일에서 구름 운동하는 위성이 고정되어 있는 동안에 그 링 휘일이 회전할 수 있다. 다른 대안적인 실시예에서, 링 휘일과 위성 모두가 서로 독립적으로, 예를 들면 상이한 속도로 회전할 수 있다. 실제로, 전술한 바와 같은 링 휘일 및 선 휘일과 위성의 축대칭 접촉면의 개념이 고려되는 한은 임의의 구성이 가능하다.
사용되는 재료
바람직한 실시예에서, 회전 요소(위성 및 휘일)는 강 또는 경화 강으로 제조되고, 변속 장치의 케이싱은 예를 들면 알루미늄으로 이루어질 수 있고 베인을 갖는 커버는 예를 들면 알루미늄이나 플라스틱으로 이루어질 수 있다. 필요한 재료 경도, 정지 마찰 요건, 및 내마모성을 지원할 수 있는 당업계에 공지된 임의의 기타 적절한 재료가 이용될 수 있다.
위성과 휘일들의 상호 작용하는 표면의 표면 코팅은 예를 들면 AlTiN(알루미늄 티타늄 질화물), TiCN(티타늄 탄질화물), TiN(티타늄 질화물), 또는 TiCrN(티타늄 크롬 질화물)로 이루어진다. 필요한 재료 경도, 정지 마찰 요건, 및 내마모성을 지원할 수 있는 당업계에 공지된 임의의 기타 적절한 재료가 이용될 수 있다.
위성(2)
유성형 가변기는 구동력을 전달하도록 2개의 이상의 위성(2)을 구비한다. 바람직한 실시예에서, 도 4에 도시한 바와 같이 유성형 가변기마다 3개의 위성을 갖는다. 구름면에서의 접선은 힌지의 중심을 가로지른다. 구름 접촉점에서 힌지까지의 거리는 동일하게 L이며, 이는 휘일 표면에 대한 식에서와 동일한 길이 L이다.
(i) 위성 휘일(5)
위성 휘일(5)의 구름면은 높은 에지 접촉 응력을 방지하도록 크라운(배불림)을 갖는다. 링 휘일 및 선 휘일의 표면과 마찬가지로, 접촉면의 재질, 경도, 거칠기, 조건, 및 코팅은 정지 마찰 및 마모에 대해 최적화된다.
(ii) 위성 포크(4) 및 힌지 핀(8)
포크(4)와 힌지 핀(8)은 원심력, 예비 부하력(52) 및 구동 모멘트에 대처하기에 충분히 강하게 구성된다. 한편, 포크(4)들은 위성(2)의 모든 경사각에서 서로 방해하지 않는다. 포크의 구조는 도 2, 도 3 및 도 4에 도시되어 있다. 도 13에는 그 3차원 도면이 도시되어 있다. 하나의 유성형 가변기의 3개의 포크 모두는 동일하다. 포크(4)의 2개의 다리는 포크(4)의 중심축에 대해 서로 경상(鏡像)을 이룬다.
(iii) 베어링 및 윤활
모든 베어링(6, 7)은 롤러 베어링 또는 미끄럼 베어링일 수 있다. 베어링을 냉각 및 윤활하기 위한 오일 흐름은 위성 휘일(5) 내의 베인에 의해 이루어진다. 위성 휘일(5)은 엔진이 작동하고 있을 때에 항시 회전한다. 압력 릴리프 밸브(10)는 아이들 속도 아래에서 원심력에 의해 개방되고, 엔진이 정지 상태로 되기 전에 스프링 힘에 의해 폐쇄된다. 이 밸브는 압력을 상승시키는 일 없이 오일이 열에 의해 팽창될 수 있게 한다. 정지 상태에서, 위성(2)으로부터 나온 오일이 대체로 다른 윤활을 필요로 하거나 윤활을 필요로 하지 않는 구름 접촉 영역을 오염시키는 것을 피해야 한다. 대안적인 윤활 시스템도 물론 가능하다. 윤활 없이 하이브리드 롤러 베어링을 이용하는 것 또한 가능하다.
유성형 가변기의 용례
유성형 가변기는 유성 기어 시스템과 마찬가지로 3개의 인터페이스를 갖는 데, 이들 인터페이스는 입력단, 출력단, 하우징과의 연결부, 다른 유성형 가변기와의 연결부, 또는 유성 기어 세트나 오프셋 기어 장치와 같은 다른 변속 장치 구성 요소에 대한 연결부일 수 있다. 하나 또는 그 이상의 유성형 가변기를 사용하여, 어쩌면 다른 변속 장치 구성 요소(예를 들면, 유성 기어 세트 또는 오프셋 기어 세트)와 조합하여 다양한 변속 장치 레이아웃을 구성할 수 있다.
가역 변속 장치
개요
아래에서 설명하고 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같은 2개의 유성형 가변기의 조합이 가역 변속 장치를 얻기 위한 다양한 방법 중 하나이다. 여기서, "가역"이라 함은 출력 회전 방향을 연속적으로 변화하게 변화시킬 수 있고 이에 따라 0의 속도비를 지나갈 수 있는 변속 장치를 의미한다.
엔진은 변속 장치 입력 샤프트(11)에 직접 연결되거나 비틀림 댐퍼 시스템을 통해 연결된다. 입력 샤프트는 1차 유성형 가변기(12a)의 중심 샤프트(9a)에 이 두 샤프트들이 서로에 대해 회전할 수 없도록 연결된다. 중심 샤프트(9a)는 입력 샤프트(11)에 대해 축방향으로 미끄럼 운동할 수 있다. 1차 및 2차 유성형 가변기(13a, 13b)의 중심 샤프트(9a, 9b)들은 합쳐져 하나의 변속 장치 메인 샤프트(12)를 이룬다.
1차 유성형 가변기의 링 휘일(1a)은 회전할 수는 없고 축방향 이동만 가능하도록 2개 또는 그 이상의 위치 설정 핀(31)에 의해 하우징(14)에 고정된다. 그 링 휘일은 제어된 유압 pN에 의해 1차 유성형 가변기의 위성(2a)에 대해 압박된다. 링 휘일(1a)은 변속비를 변경하는 경우에 축방향으로 이동된다. 고정된 위치 설정 핀(31) 대신에, 하우징(14)과 1차 링 휘일(13a) 사이에 장착되어 접선 방향으로 작용하는 스프링 및 감쇠 요소와 같은 탄성 요소로 위치 설정 핀(31)을 대체함으로써 비틀림 진동 댐퍼를 포함시킬 수 있다. 그러면, 그러한 탄성 요소는 큰 강성도(stiffness)로 1차 링 휘일(1a)의 접선 방향 운동을 가능하게 하는 한편, 훨씬 낮은 강성도로 1차 링 휘일(1a)의 축방향 이동을 허용하게 된다.
1차 유성형 가변기의 선 휘일(3a)은 2차 유성형 가변기의 링 휘일(1b)과 하나의 부품처럼 연결된다. 이와 같이 조합된 선-링 휘일(3a, 1b)은 센터링용 베어링 없이 1차 및 2차 유성형 가변기의 위성(2a, 2b)들에 의해 중심이 맞춰진다. 그러나, 긴 입력 샤프트의 진동을 방지하거나 "중립(neural)"(섹션 4.6.1 참조)을 생성하도록 레디얼 부싱 또는 베어링(17)이 선-링 휘일(3a, 1b)과 메인 샤프트(12) 사이에 추가될 수 있다. 선-링 휘일(3a, 1b)은 변속비를 변경할 때에 축방향으로 이동한다.
2차 유성형 가변기의 위성(2b)도 메인 샤프트(12)에 연결된다.
2차 유성형 가변기의 선 휘일(3b)은 변속 장치의 출력단이다. 이 선 휘일은 베어링(18, 19)에 의해 축방향 및 반경 방향으로 위치 설정된다. 이들 베어링(18, 19)은 예비 부하력(52)은 물론, 조향력(53), 원심력, 및 위성(2a, 2b)에 작용하는 자이로 힘의 축방향 성분을 전달하도록 선택된다.
적용 분야
이러한 변속 장치는 승용차용으로 고려한 것이지만, 그 용례는 아래와 같이 확장시킬 수 있다.
- 높은 효율과 더불어 많은 변속비, 깊고 높은 변속비를 필요로 하는 트럭
- 오프-하이웨이용
* 대형 잔디 깎기 기계와 같이 크리퍼 속도(creeper speed)와 저속에서의 양호한 효율이 중요한 용례
* 두 주행 방향 모두에 있어서 원활한 저속 조작 능력 및 비교적 빠른 후진(전진 2단 기어에 상응하는 후진)을 필요로 하는 지게차
* 지면의 변화하는 저항과는 별도로 저속이 제어될 수 있어야 하는 텔레스코픽 붐 핸들러와 같은 장비
- 변속 장치의 "출력단"이 매우 느리게 회전하는 프로펠러에 연결되고 "입력단"이 발전기를 구동하게 되는 풍력 터빈
- 동력을 가변적인 속도로 전달해야 하는 기타 산업적 용례.
예
본 발명을 이하의 비한정적인 예로 설명한다.
예 1 : 본 발명에 따른 변속 장치의 일례의 세부 사항
입력 샤프트(11)는 베어링(15) 및 베어링(16)에 의해 지지된다. 베어링(15)은 원심력, 자이로 힘, 횡방향 크리프 힘 및 스플라인 마찰력에 의한 축방향 결과력을 견딘다. 이들 베어링(15, 16)은 하우징(14)에 볼트에 의해 연결된 오일 분배기(22) 내에 수용된다. 엔진으로부터 나오는 입력 샤프트는 변속 장치의 메인 샤프트에 스플라인-샤프트 요소에 의해 연결되어, 병진 축방향 이동은 가능하지만 서로에 대한 회전은 불가능하도록 된다. 이러한 식으로, 입력 샤프트(11)로부터의 토크가 긴 내접 스플라인을 거쳐 메인 샤프트(12)의 외접 스플라인에 전달된다. 스플라인 대신에서, 토크를 전달하면서 축방향 이동(샤프트의 종방향으로 이동)을 가능하게 하는 대안 또한 가능하다. 메인 샤프트(12)는 입력 샤프트(12) 내부의 부싱(20) 및 2차 유성형 가변기의 선 휘일(3b) 내의 다른 하나의 부싱(21)에 의해 중심이 맞춰진다. 이들 부싱(20, 21)은 반경 방향 힘이 가해지는 것이 아니라, 단지 메인 샤프트(12)의 중심을 맞추고 축방향 이동을 가능하게 해야 한다. 제1 부싱(20)은 스플라인들 위로 장착할 수 있도록 분할되어 있다. 2차 유성형 기어의 선 휘일(3b)은 2개의 베어링(18, 19) 상에 지지된다. 이들 베어링 중 하나가 축방향 하중을 담당한다.
베어링(15, 16, 18, 19) 및 부싱(20, 21)을 위한 윤활유는 하우징(14)의 보어를 통해 오일 분배기(22)로 공급되어 베어링(15) 및 베어링(16)을 지나고, 그 후에 그 흐름이 분할된다. 그 중 하나의 흐름은 부싱(20) 및 스플라인을 지나 메인 샤프트(12)의 중앙 보어를 통과한다. 다른 하나의 흐름은 오리피스를 통해 그러한 구성 요소들을 우회한 후에 중앙 보어에서 제1 윤활유 흐름과 합쳐진다. 이 윤활유 흐름은 메인 샤프트(12)의 단부에서 부싱(21) 및 2개의 선 휘일 베어링(18, 19)을 지나간다. 이 윤활유는 다시 하우징(14)의 보어를 통해 집유통(sump)으로 흐른다.
각각의 위성의 베어링(6a, 6b, 7a, 7b)의 윤활은 폐회로로서 도시하고 있지만, 대안적으로는 힌지 핀(8a, 8b) 내부의 채널을 통과하는 윤활유 흐름에 의해 그러한 윤활 회로에 통합될 수도 있다. 이러한 대안은 힌지 핀(8a, 8b)과 위성 포크(4a, 4b) 사이에 시일을 필요로 할 것이다. 폐회로 구조에서, 윤활유 흐름은 윤활유를 외측으로 펌핑하는 위성 휘일(5) 내부의 베인(32)에 의해 생성된다. 입력 샤프트가 회전하자마자, 위성(2)들도 그들의 축선을 중심으로 회전하고, 이에 따라 윤활유가 베어링(6, 7)들을 통회 순환한다. 이러한 윤활 구조는 구름 접촉부의 윤활 유체 또는 가스가 베어링의 윤활유와 섞이지 않아야 한다는 점을 전제로 한 것이다. 이러한 이유로, 구름 접촉부들이 있는 변속 장치의 내부는 베어링용 윤활유로부터 완전히 밀봉됨은 물론 외부로부터도 밀봉된다.
하우징(14)과 오일 분배기(22)는 또한 조향 압력(pSF, pSR)을 위한 2개 이상의 보어를 갖고 있다. 이들 압력은 오일 분배기(22)와 회전하는 입력 샤프트(11) 사이의 3개의 피스톤 링(23)에 의해 밀봉된다. 조향 압력으로부터 피스톤 링(23)을 통해 누설되는 오일은 윤활 회로에 모인다. 이 윤활 회로는 변속 장치 내부 및 구름면 영역들에 대해 립 시일(24)에 의해 완전히 밀봉된다. 밀봉 튜브(25)를 통해 조향 압력(pSF, pSR)이 밀봉된 상태로 전진 조향 실린더(26) 및 후진 조향 실린더(27)로 각각 보내진다. 부싱(17)은 건식 작동(dry running)하거나 구름 접촉부를 위한 윤활 유체 또는 가스에서 작동하는 재료로 제조된다. 통상의 작동시에 부싱(17)은 메인 샤프트(12)와 접촉하지 않는다(섹션 4.6.1 참조).
본 발명에 따른 변속 장치 개념은 다음의 이점을 갖는다.
- 모든 접촉면들을 서로에 압박하는 예비 부하력(52)을 생성하는 데에 단지 하나의 피스톤-실린더 시스템(29, 30)만이 필요하다. 실린더(30)는 회전하지 않아 유동 시일(dynamic seal)이 필요하지 않기 때문에 유압(또는 공압)의 공급을 용이하게 한다.
- 조향 실린더(26, 27)가 메인 샤프트(12)와 동일한 속도로 회전한다. 그렇지 않다면, 축방향 양방향으로 작용하는 대형 베어링이 필요했을 것이다. 조향 피스톤(28)의 시일은 축방향으로 이동하지 접선 방향으로는 이동하지 않는다. 그들의 대직경 및 높은 엔진 속도에서 상대 회전은 불가능할 것이다. 도 3에 도시한 구성에서, 두 유성형 가변기 모두의 중심 샤프트(9)를 이동시키는 데에 축방향 양방향으로 작동하는 단지 하나의 조향 피스톤(28)이 필요하다.
- 도 3에 도시한 바와 같이 2개의 유성형 가변기를 조합함으로서, 각각의 유성형 가변기의 변속비가 전진 주행 방향에서 매우 긴 오버드라이브 비를 생성하도록 증폭된다. 또 다른 이점은 후진 주행 방향에서 보다 높은 변속비가 얻어져 후진 주행시에 높은 엔진 속도를 피할 수 있다는 점이다.
- 큰 토크비(0.441)는 자동차가 최적의 엔진 효율을 갖고 임의의 속도 및 임의의 동력 레벨로 주행할 수 있게 한다. 이는 엔진의 연료 소비를 15 내지 20% 감소시킨다. 도 10의 엔진 그래프를 또한 참조하기 바란다. 현대의 엔진은 낮은 엔진 속도에서 큰 동력을 생성한다. 25HP(약 110 내지 120 km/h로 정속 주행하기에 충분한 동력)이 1300 RPM만큼 낮은 엔진 속도 근처에서 최적의 효율로 생성된다.
- 이러한 변속 장치 개념에 대한 제어 목표는 엔진이 항시 최적의 효율로 작동하도록 하는 데에 있다. 이는 중간 정도의 엔진 출력에서 엔진이 매우 낮은 속도로 작동함을 의미한다. 이러한 상태는 운전자가 갑작스레 스로틀을 미는 경우에 변속비를 매우 신속하게 변경할 수 있는 경우에만 운전자에게 허용될 수 있다. 변속비의 변경은 위성 휘일(5)이 링 휘일(1) 및 선 휘일(3) 위에서 횡방향 운동(즉, 구름 방향에 대한 직각 방향)을 수행해야 함을 의미한다. 이는 주어진 변속비 변경을 위해 극복해야 할 횡방향 거리가, 구름 접촉부들이 마이크로슬립 상태로 유지되어 있는 동안에 횡방향 운동을 충분히 신속하게 행할 수 있을 정도로 구름 방향으로의 종방향 거리에 비해 짧기 때문에 문제가 없다.
- 토크비는 -1.44(후진)에서 무한대를 거쳐 +0.441(전진)까지 연속적으로 변화한다. 따라서, 어떠한 발진 장치도 필요로 하지 않는다. 발진 중에 미끄럼 클러치 또는 토크 컨버터에서 어떠한 에너지도 소산되지 않는다. 열 소산이 없게 되면, 100km 당 0.1 내지 0.12ℓ 정도 연료 소비를 감소시킨다. 메인 클러치 또는 토크 컨버터가 없으면, 비용 및 중량도 물론 절감된다. 따라서, 토크비는 무한대까지 연속적으로 변화지만, 최대 출력 토크는 건조한 표면 상에서 자동차의 타이어 슬립 한계(tyre slip limit)에 상응하는 토크로 제한된다. 그 비를 속도비(출력 속도를 입력 속도로 나눈 값)로 표현하기가 보다 용이해진다. 그러면, 속도비는 후진시에 -0.695에서부터 0을 거쳐 전진 최고단 기어에서 +2.268까지 연속적으로 변한다.
- 발진 장치(토크 컨버터 또는 클러치)에 의한 정지 상태로부터의 최대 가속의 경우에, 엔진은 최대 토크(또는, 거의 타이어 슬립이 이루어지는 데에 필요한 토크)를 제공하는 속도로 되어야 한다. 엔진의 가속에는 시간이 걸린다. 이 시간 동안에, 바퀴에서 최대 구동력을 이용할 수 없다. 전술한 바와 같이 0에서부터 변화하는 속도비를 갖는 변속 장치의 경우, 엔진의 아이들 속도에서 최대 구동력을 이용할 수 있다. 따라서, 최대 구동력은 또한 스로틀을 밀기 시작할 때에 바로 이용할 수 있다. 아래의 시뮬레이션에서는 엔진이 최대 출력에 도달하는 시점까지 최대 구동력을 지속적으로 유지하도록 그 변속 장치가 충분히 신속하게 엔진 속도를 증가시킬 수 있음을 보여준다(그 시점부터 엔진 속도는 스로틀 페달이 바닥까지 완전히 밀어져 있는 동안에는 일정하게 유지된다).
- 따라서, 본 발명의 변속 장치는 또한 정지 상태로 머무를 수 있고 임의의 미끄럼 요소 없이 전진 또는 후진 방향으로 매우 서서히 구동될 수 있다. 그 효율은 매우 낮은 속도에서도 높게 유지된다. 그러한 낮은 비에서의 주행은 오르막이든 내리막이든 그 경사에는 거의 무관하다(예를 들면 비탈길에서 주차하거나 도로 연석에 접하게 주차하는 중에 매우 유용하다). 이러한 매우 낮은 속도비는 또한 미끄럽거나 눈이 덮인 표면 위에서 발진할 때에도 실용적이다. 미끄럼 클러치를 갖는 종래의 자동차에서, 구동 바퀴는 토크가 제어된다. 타이어 그립이 구동력 아래로 떨어지는 경우, 바퀴는 클러치가 폐쇄될 때까지 바퀴는 제어되지 않은 채로 가속된다. 눈이 덮이거나 진흙탕 상태에서, 타이어 자체는 패인 곳 내에서 작동하여 자동차는 움직이지 못할 수 있다. 본 발명의 변속 장치의 경우, 바퀴는 속도가 제어되고 소정의 매우 낮은 속도로 회전할 수 있다. 타이어 그립이 떨어지는 경우, 바퀴는 동일한 저속으로 계속 회전하여, 타이어가 지면에 대한 그립을 다시 회복할 수 있다. 이러한 능력은 또한 오프-하이웨이 차량 또는 4륜 구동 자동차에 매우 유용하다.
- 변속 장치 자체의 시뮬레이션된 효율은 낮은 출력 레벨에서 약 99.4%이다. 이러한 수치는 기계적 및 유압적 손실을 포함한다. 풀 스로틀 가속에서는 96 내지 97%로 감소한다. 실제 기어박스는 최대 토크에서 최고의 효율을 가지며 현대의 고출력 자동차에서 좀처럼 발생하지 않는 상황이다. 본 발명의 변속 장치는 낮은 출력 및 0 또는 느린 비 변경에서 최고의 효율을 갖는 것으로 여겨진다. 그러한 주행 조건이 전체 연료 소비에 가장 많이 기여한다.
- 그러한 고효율의 결과로, 냉각 시스템이 필요하지 않거나 단지 드문 조건에서 소형의 쿨러 시스템이 이용된다. 펌프, 쿨러, 팬, 냉각제 및 유압 제어부는 단지 비용과 중량을 증가시키고 그 환경에서 오일을 망칠 위험성을 증가시킨다. 무엇보다도, 쿨러 펌프를 구동하기 위한 동력은 효율을 더욱 떨어뜨린다.
- 시뮬레이션에서는 전체 엔진 토크가 엔진 자체의 가속에 소비될 정도로 (스로틀이 갑작스레 밀리는 경우) 빠르게 변속비를 변경할 수 있는 것으로 확인되었다. 보다 신속한 변속비 변경은 물론 의미가 없다. 이는 엔진 출력이 200ms에서 거의 0에서 풀 파워까지 증가함을 의미한다(그 시뮬레이션은 1800 kg의 후륜 구동 승용차를 갖는 300 HP, 400 Nm의 가솔린 엔진에 대해 수행하였다).
- 정리하면, 총 효율 상승은 약 18 내지 30%로,
* 개선된 엔진 효율이 15 내지 20,
* MT에 대한 본 발명의 변속 장치 효율이 2 내지 7%, 그리고
* 클러치 또는 토크 컨버터가 없음으로 인해 1 내지 3%.
- 변속 장치의 속도비를 0으로 놓는 경우(이에 따라, 출력단은 정지 상태로 유지되는 반면 엔진은 동력 전달 없이 회전할 수 있게 된다)에 주차 브레이크를 용이하게 형성할 수 있다. 예비 부하력(52)으로서 기계적 장치가 적용되는 경우에, 그 예비 부하력은 엔진이 멈춘 경우에도 유지될 것이다. 이러한 식으로, 엔진의 작동 여부와 관계없이, 변속 장치의 출력단이 회전하지 않을 수 있다.
- 도 11에서는 정지 상태로부터 발진의 시뮬레이션을 도시한다.
- 도 12에서는 50 km/h로 정속 주행 후에 갑작스런 가속의 시뮬레이션을 나타낸다. 자동차의 가속이 얼마나 신속하게 이루어지는지를 확인할 수 있다.
예 2 : 유압 제어
도 5에서 예비 부하력 및 조향력을 생성하는 유압적 방법을 도시하고 있지만, 그 힘들은 공압 또는 기계적 수단에 의해 생성될 수도 있다.
제어된 유압은 1차 유성형 가변기의 링 휘일(1a)의 예비 부하력 피스톤(29)에 작용하여, 위성(2a, 2b)들과 링 및 선 휘일(1a, 1b, 3a, 3b) 간에 수직력을 생성한다. 예비 부하력 피스톤(29) 및 예비 부하력 실린더(30)는 회전하지 않는다. 각각의 접촉면에서의 수직력은 접촉 구역에서 종방향 및 횡방향 크리프를 마이크로슬립 상태로 유지하도록 충분히 커야 한다. 필요한 것보다 훨씬 큰 압력을 영구적으로 가하게 되면 베어링 및 접촉면의 수명을 단축시킬 것이다.
변속비는 전진 조향 실린더(26) 내의 조향 피스톤(28)에 작용하는 전진 조향 압력 pSF, 및 후진 조향 실린더(27) 내의 조향 피스톤(28)의 다른쪽에 작용하는 후진 조향 압력 pSR에 의해 제어된다. 조향 피스톤(28) 및 조향 실린더(26, 27)는 입력 속도로 회전한다. 조향 압력이 없으면, 변속비는 위성(2a, 2b)에서의 원심력이 메인 샤프트(12)를 0의 속도비의 위치로 끌어당기기 때문에 0의 속도비로 될 것이다. 순 조향력은 소프트웨어에 의해 제어된다. 급속 다운시프팅(전진 주행시)은 대부분의 경우에 이미 위성(2a, 2b)에서의 원심력이 단지 전진 조향 압력 pSF를 감소시키는 것만으로 다운시프팅하기에 충분하도록 크기 때문에 조향 압력으로부터의 유압 동력을 요구하지 않는다. 원심력이 충분하지 않는 경우에, 급속 다운시프팅은 후진 조향 압력 pSR의 도움을 받아야 한다.
예 3 : 소프트웨어 제어
자동차용 용례에 대한 일례로서 소프트웨어 프로그램을 설명한다. 일반적으로, SW는 예비 부하력 압력 및 조향 압력(pSF, pSR)을 제어해야 한다. 안전성 및 제어 가능성의 이유로, 조향 피스톤(28)의 어느 쪽에서도 언제나 0의 압력으로 되는 것이 아니라, 항시 한쪽에서 최소한의 바이어스 압력으로 된다(섹션 4.6.1 참조). SW를 위한 입력은 스로틀의 위치, 요청되는 구동 방향, 입력 속도, 출력 속도, 및 엔진 토크와 효율 맵(efficiency map)이다. 어쩌면, 조향 피스톤의 위치가 피드백 신호로서 이용될 것이다. 스로틀의 위치로부터 요청되는 엔진 출력 레벨을 알 수 있다. 이 출력 레벨은 효율 맵에 의해 요청되는 엔진 속도를 정한다. PID(또는 PID2) 제어기에 의해, SW는 엔진 속도를 요청된 엔진 속도쪽으로 변경하도록 조향 피스톤(28)의 속도에 대한 제1 제안을 정한다. 보다 상세하게 말해, 변속 장치의 컴퓨터가 구름 접촉부들 중 하나에서 매크로슬립이 발생하는 것을 방지하는 한편, 자동차의 ASC(anti-spin control)가 너무 자주 간섭하는 것을 피하도록 다섯 단계로 예비 부하력 및 조향력을 계산한다.
단계 1 :
자동차의 낮은 속도에서, 요청되는 출력은 건조한 콘크리트에 대한 타이어 그립의 기지의 값에 의해 제한될 것이다. 요청되는 엔진 속도와 엔진의 연료 효율 맵에 의해, 요청되는 엔진 속도 및 토크가 계산된다. 그러면, PID 제어기가 조향 피스톤(280의 속도 vS를 정한다. 그 후에, 모든 기하학적 변수 및 모든 내부 속도(구름 방향에 대한 종방향 및 횡방향 속도)가 계산된다. 실제 변속 장치 입력 토크를 갖고 구름 접촉부에서의 종방향 힘을 계산한다.
단계 2 :
예비 부하 압력 pN은 최대치인 것으로 가정한다.
마이크로슬립 이론에 의해 종방향 크리프를 계산한다. 모든 종방향 크리프가 마이크로슬립이라면, 제어기는 다음 단계로 가며, 그렇지 않은 경우에 입력 토크를 감소시켜야 한다(후자의 상황은 변속 장치가 잘못 설계되었음을 의미하기 때문에 발생하지 않아야 한다).
단계 3 :
조향 속도 vS는 제어기에 의해 이미 계산되었고 예비 부하 압력 pN은 최대치인 것으로 가정한다.
기지의 실제 입력 토크와 입력 속도에 의해 접촉점에서의 종방향 힘을 알 수 있다. 조향 속도 vS은 또한 구름 접촉부에서의 모든 횡방향 속도를 결정한다. 마이크로슬립 이론, 기지의 수직력, 및 횡방향 속도에 의해 종방향 마이크로슬립을 결정한다. 마이크로슬립 이론으로부터 횡방향 크리프도 결정한다. 두 크리프에 의해 총 크리프가 정해진다.
총 크리프가 마이크로슬립 범위 내라면 제어기는 다음 단계로 가며, 그렇지 않은 경우에 조향 속도 vS를 새로운 조향 속도 vS로 감소시켜야 한다.
단계 4 :
조향 속도 vS의 실제 제안과 실제 구동력에 의해, 마이크로슬립 한계 약간 아래에서 마이크로슬립이 이루어지는 최소 예비 부하 압력 pN을 찾을 수 있다.
정확한 예비 부하 압력 pN을 계산한다(이 계산 순서에 있어서 예비 부하 압력은 최대 한계를 초과할 수 없다). 조향 피스톤의 위치는 입력 속도에 대한 출력 속도의 비로 알 수 있다(또는 위치 센서에 의해 직접 알 수도 있다). 그 위치는 모든 기하학적 조건을 결정한다. 원심력은 입력 속도로 알 수 있고, 구동력은 엔진 속도(입력 속도) 및 스로틀 위치로부터 알 수 있다.
또한, 조향 속도 vS를 달성하기 위한 조항 압력을 계산한다. 각각의 구름 접촉점에서 횡방향 속도는 알고 있으며 마이크로슬립 이론에 의해 횡방향 힘을 계산한다. 그 결과가 순 조향력이다.
단계 5 :
조향 압력이 한계보다 높은 경우에, 조향 속도 vS는 감소되어야 하고 제어기는 단계 1로 되돌아가며, 그렇지 않은 경우에는 예비 부하 압력 pN 및 전진 조항 압력 pSF이 마이크로슬립 범위 내에 유지되는 한편, 주어진 (변화하는) 출력 요청에 대해 가능한 한 최대 효율점에 근접하게 엔진을 이용하도록 결정된다.
예 4 : 유압 시스템
유압 공급원 :
바람직한 유압 동력 공급원이 도 5에 도시되어 있다.
안전성 :
전진 조향 압력 pSF를 위해 단지 하나의 비례 밸브가 이용되고 다른 하나의 비례 밸브가 후진 조향 압력 pSR를 위해 이용되는 경우, 자동차가 전진 주행하고 있다고 가정할 때에 pSF를 위한 비례 밸브(33)가 0의 압력까지 떨어지는 경우에 불안전한 상황이 발생할 것이다. 이 경우, 원심력이 변속비를 매우 빠르게 0의 속도비로 변경하여 엔진은 과속되고 바퀴는 멈추게 할 것이다. 이러한 결과를 피하기 위해, 2개의 안전 차단 밸브(36, 37)가 추가되고, 감압 밸브[이하, "프로프(prop)"](33, 34)가 조향 피스톤(28)의 양측에서 바이어스 압력을 최소한(즉, 0.5 바아)으로 항시 유지한다. 이러한 바이어스 압력은 안전 차단 밸브(이하, "온-오프")(36, 37)를 개방 상태로 유지한다. 하나의 프로프(33 또는 34)가 0의 압력으로 떨어지는 경우, 대응하는 온-오프(36 또는 37)는 예비 부하 압력 pN을 배출하고, 변속 장치는 어떠한 토크도 전달하지 않게 된다. 자동차는 타력 주행(coasting)하게 되고, 엔진은 그 자신의 과속 방지책에 의해 보호된다. 이러한 상태에서 변속 장치는 "중립 상태(in neutral)"에 있다[단지 응급 상황의 경우에 부싱(17)이 선-링 휘일(3a, 1b)을 지지할 것이다].
유압 동력 :
풀 스로틀 가속시에, 전혀 흐르지 않는 상태의 고압(즉, 20 내지 50 바아)이 필요하다. 이 상황에서, 필요한 유압 동력은 약 50 W이지만, 변속비의 급속 변경 중에는 수분의 1초 동안 고압과 큰 흐름이 동시에 필요하다. 피크 유압 동력은 10 kW 근처까지 상승할 수 있다. 중간 정도의 엔진 출력으로 정속 주행 시에, 유압 pN 및 pSF는 낮으며(약 10 바아), 필요한 유압 동력은 5 W미만이다.
효율적 동력 소모와 낮은 비용에 의해 그러한 요건을 충족하기 위해서, 저압 축압기(38) 및 고압 축압기(39)를 이용한 해법이 선택된다.
유압 체계 :
용량이 작은 오일 펌프(40)는 엔진에 의해 구동된다. 유압 펌프 스위치(41)는 펌프(40)가 축압기(38, 39) 중 하나에 동력을 공급할 것인지, 아니면 모든 펌프 흐름을 다시 집유통으로 배출하여 엔진으로부터의 동력을 거의 소비하지 않을 것인지를 선택하는 온-오프 밸브이다. 유압 공급 스위치(42)는 어느 축압기가 충전될 것인지를 선택한다. 고압 축압기(39)가 저압 축압기(38)에 비해 우선 순위를 갖는다. 유압 축압기 스위치(43)는 어느 축압기가 3개의 프로프에 대한 공급원으로서 이용될 것인지를 결정하는 데, 요구되는 압력의 최대치를 초과하는 가장 작은 압력을 갖는 축압기가 이용된다. 축압기의 압력을 모니터링하는 압력 센서(44)는 변속 장치 제어기를 위한 정보 입력원으로서 이용된다. 압력 pN, pSF 및 pSR은 4.4에서 전술한 바와 같이 제어된다.
예 5 : 냉각 및 여과
구름면에서 마이크로슬립은 열을 생성한다. 높은 엔진 출력과 높은 토크비에서는 주변의 가스 또는 유체로 전달되는 것보다 많은 열을 생성한다. 이러한 과잉의 열은 위성, 선 휘일 및 링 휘일의 온도를 상승시킨다. 낮은 출력 레벨 또는 낮은 토크비에서는 회전 요소들은 주위의 가스 또는 유체에 대한 대류에 의해 냉각된다. 어쩌면, 링 및 선 휘일의 내부와 위성에 냉각핀이 추가되어 열전달을 향상시킬 수 있다. 그러한 가스 또는 유체는 강제 부품들의 부식을 피하도록 불활성 가스일 수 있지만, 윤활제가 썩인 통상의 공기이거나, 냉각 유체의 미스트를 갖는 가스일 수도 있다. 하우징 내부의 냉각핀은 내부 가스 또는 유체의 열을 하우징으로 전달할 것이다. 어쩌면 외부에 냉각핀이 설치된 하우징 자체가 주행시 바람에 의해 냉각될 것이다. 몇몇 용례 또는 조건에서, 전술한 바와 같은 대류에 의한 냉각은 불충분할 수 있다. 그 경우, 가스를 송풍하는 팬이나 유체를 순환시키는 펌프가 추가될 것이다. 그 가스 또는 유체는 하우징의 외부에서 냉각될 것이다. 그 회로에서는 구름면으로부터의 마모 입자를 필터에서 포집할 것이다.
예 6 : 대안적인 변속 장치 구조
유성형 가변기의 경우, 링 휘일(1), 선 휘일(3) 및 중심 샤프트(9)를 다른 유성형 가변기와 연결하거나, 유성 기어 시스템이나 오프셋 기어와 같은 다른 변속 장치 구성 요소와 연결을 함으로써 다양한 변속 장치 레이아웃을 구성할 수 있다. 수많은 다양한 가능성 중 몇몇 예를 아래에서 설명한다.
도 6에는 2개의 유성형 가변기로 이루어진 가역 변속 장치의 일례가 도시되어 있다. 여기서, "가역"은 그 비를 0의 출력 속도까지 연속적으로 변화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 출력 회전 방향도 연속적으로 변화시킬 수 있는 변속 장치를 의미한다. 도 3의 레이아웃에 비해, 본 대안예는 1차 유성형 가변기의 위성 휘일(5) 및 포크(4)가 중심 샤프트(9a)를 중심으로 회전하지 않는다는 이점이 있다. 이러한 식으로, 그 요소들은 큰 원심력을 받지 않게 된다. 도 3의 구조보다 최고 속도비가 낮다는 단점은 있다. 예를 들면 변속비를 제어하도록 원래의 구조에서는 단지 1개의 조향 피스톤(28)이 필요하지만, 대안적인 구조의 2개의 중심 샤프트(9)는 2개의 조향 피스톤에 의해 축방향으로 이동할 필요가 있다.
입력 샤프트(11)는 1차 선 휘일(3a) 및 2차 링 휘일(1b)을 구동한다. 1차 위성(2a)은 원래의 구조와 동일한 식으로 힌지 핀(8)에 의해 1차 중심 샤프트(9a)에 연결된다. 1차 중심 샤프트(9a)는 회전할 수는 없지만, 조향력(53a)에 의해 축방향으로 이동할 수 있다. 이 힘은 중심 샤프트(9a)의 축방향 위치를 제어하고, 이에 따라 변속비도 제어한다. 1차 링 휘일(1a)은 토크 전달 장치(47)를 통해 2차 선 휘일(3b)에 기계적으로 연결된다. 토크 전달 장치(47)는 2개의 구성 요소들 간에 토크를 전달할 수 있지만, 이들 구성 요소들 간에 축방향 변위도 허용한다. 이는 스플라인 이음에 의해 구현될 수 있지만 대안적인 기구도 가능하다. 2차 중심 샤프트(9b)는 유사한 토크 전달 장치(47)에 의해 출력 샤프트(46)에 연결된다. 유사한 방식으로, 2차 중심 샤프트(9b)가 요구되는 변속비를 달성하도록 조향력(53b)에 의해 축방향으로 위치 설정된다.
1차 및 2차 유성형 가변기의 링 휘일(1), 위성(2) 및 선 휘일(3)의 모든 접촉면은 마찰에 의해 토크를 전달하도록 서로에 대해 압박된다. 이는 1차 링 휘일(1a)의 베어링을 통해 작용하는 단지 하나의 예비 부하력(52)에 의해 구현된다. 그 반작용력은 2차 선 휘일(3b)에서부터 베어링을 거쳐 하우징에 전달된다.
도 7에서는 가역 변속 장치의 또 다른 대안적인 구조를 도시하고 있다. 여기서는, 2차 유성형 가변기가 통상의 유성 기어 시스템(일정한 변속비를 가짐)으로 대체되어 있다. 이 구조에서, 유성형 가변기의 중심 샤프트(9a)가 고정되어 있어, 위성(2)의 베어링에는 어떠한 원심력도 작용하지 않는다. 그 구조의 양 회전 방향에서의 최고 변속비는 물론 앞서 설명한 도 6의 레이아웃보다는 낮다.
1차 유성형 가변기는 도 6의 것과 동일하다. 이 경우, 1차 링 휘일(1a)은 토크 전달 장치(47)를 통해 링 기어(48)에 연결된다. 선 휘일(3a)은 선 기어(51)에 연결된다. 토크는 변속 장치의 출력단에 해당하는 유성 기어 캐리어(50)를 구동하는 유성 기어(49)에 전달된다. 유성형 가변기와 유성 기어 시스템 사이에는 유성 기어 시스템을 위한 윤활유가 유성형 가변기 하우징 내부에 이르는 것을 방지하도록 밀봉이 필요하다. 그 변속 장치 역시 "가역적"이기 때문에, 출력 속도는 0까지 연속적으로 변할 수 있고, 출력단의 회전 방향 또한 연속적으로 변경될 수 있다.
도 8에는 출력단의 회전 방향이 고정된 변속 장치가 도시되어 있다. 이 개념에 있어서, 큰 변속비 스프레드(spread)를 달성하도록 임의의 개수의 유성형 가변기들이 조합될 수 있다. 하나의 유성형 가변기의 변속비가 r에서부터 1/r까지 변한다면, n개의 유성형 가변기의 총 변속비 스프레드는 r(2n)(절대값)로 된다. 도시한 예에서, r은 약 2이다.
입력 샤프트(11)는 1차 선 휘일(3a)을 구동한다. 각 유성형 가변기의 모든 중심 샤프트(9)들은 연결되어 있다. 중심 샤프트(9)는 회전할 수는 없지만, 하나의 축방향 조향력(45)에 의해 위치 설정될 수 있다. 모든 구름 접촉부는 베어링을 통해 출력 링 휘일(1b)에 단지 하나의 예비 부하력(52)을 가함으로써 서로에 대해 압박된다. 그 반작용력은 베어링을 통해 1차 링 휘일(3a)에서 하우징으로 전달된다. 중심 샤프트(9)가 회전하지 않기 때문에, 위성 휘일(2)의 베어링에는 어떠한 원심력도 작용하지 않는다.
1 : 링 휘일 2 : 위성
3 : 선 휘일 4 : 위성 포크
5 : 위성 휘일 6 : 위성의 레디얼 베어링
7 : 위성의 트러스트 베어링 8 : 힌지 핀
9 : 중심 샤프트 10 : 압력 릴리프 밸브
11 : 입력 샤프트 12 : 메인 샤프트
13 : 유성형 가변기 14 : 하우징
15 : 입력단에서의 액시얼 베어링 16 : 입력단에서의 레디얼 베어링
17 : 선-링 휘일의 부싱 18 : 출력단에서의 레디얼 베어링
19 : 출력단에서의 액시얼 베어링 20 : 입력단의 부싱
21 : 출력단의 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 : 예비 부하력용 피스톤 30 : 예비 부하력용 실린더
31 : 위치 설정 핀 32 : 오일 펌핑용 베인
33 : 전지 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 이음)
48 : 링 기어 49 : 유성 기어
50 : 유성 기어 캐리어 51 : 선 기어
52 : 예비 부하력 53 : 조향력
첨자 a : 1차 유성형 가변기 첨자 b : 2차 유성형 가변기
3 : 선 휘일 4 : 위성 포크
5 : 위성 휘일 6 : 위성의 레디얼 베어링
7 : 위성의 트러스트 베어링 8 : 힌지 핀
9 : 중심 샤프트 10 : 압력 릴리프 밸브
11 : 입력 샤프트 12 : 메인 샤프트
13 : 유성형 가변기 14 : 하우징
15 : 입력단에서의 액시얼 베어링 16 : 입력단에서의 레디얼 베어링
17 : 선-링 휘일의 부싱 18 : 출력단에서의 레디얼 베어링
19 : 출력단에서의 액시얼 베어링 20 : 입력단의 부싱
21 : 출력단의 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 : 예비 부하력용 피스톤 30 : 예비 부하력용 실린더
31 : 위치 설정 핀 32 : 오일 펌핑용 베인
33 : 전지 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 이음)
48 : 링 기어 49 : 유성 기어
50 : 유성 기어 캐리어 51 : 선 기어
52 : 예비 부하력 53 : 조향력
첨자 a : 1차 유성형 가변기 첨자 b : 2차 유성형 가변기
Claims (15)
- 가변 또는 가역 변속 장치를 위한 하위 시스템으로서 기능을 하고 변속비를 연속적으로 변화시킬 수 있는 유성형 가변기(planetary variator)(13)에 있어서,
- 링 휘일(1), 중심 샤프트(12) 주위에 장착된 2개 이상의 위성(2) 및 선 휘일(3)로 이루어져, 이들 각각의 구성 요소, 즉 링 휘일, 중심 샤프트, 및 선 기어가 다른 변속 장치 구성 요소와의 인터페이스를 형성하도록 되어 있고,
- 링 휘일은 중심 축선을 중심으로 한 축대칭체(axisymmetric body)이고, 트랙트릭스 곡선(tractrix curve)을 따라 형성된 구름면을 구비하며,
- 선 휘일은 기본적으로 링 휘일과 동일하지만 그 트랙트릭스 곡선의 내경 및 외경이 링 휘일의 직경들과는 상이할 수 있으며,
- 위성은 기본적으로 원뿔형 구름면을 갖는 위성 휘일(5)로 이루어진 것으로, 레디얼 또는 액시얼 베어링 또는 부싱(8)에 의해 위성 포크(planet fork)(4)를 중심으로 자유로이 회전 가능하게 장착되며, 상기 원뿔의 실제 꼭지점은 중심 샤프트(9)의 축선과 위성(2)의 힌지의 축선의 교차점과 일치하며,
- 하나의 유성형 가변기(13)의 각각의 위성 포크(4)는 힌지 조인트(8)를 중심으로 자유로이 회전할 수 있으며, 이 힌지 조인트의 축선은 중심 샤프트의 축선에는 직교하고 위성 휘일 평면에 대해서는 평행하며, 각각의 위성 포크와 각각의 위성 휘일은 위성 축선과 중심 샤프트 축선 간의 모든 적용 가능한 경사각에 대해 서로 간섭하지 않도록 구성되고,
- 링 휘일, 위성, 및 선 휘일은, 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 휘일 및 선 휘일의 트랙트릭스 곡선은 모두 위성 휘일의 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 휘일의 구름면의 형상은 접촉 압력 분포를 최적화하도록 볼록하게 이론 형상으로부터 벗어나는 것을 특징으로 하는 유성형 가변기. - 제1항에 따른 1차 유성형 가변기 및 2차 유성형 가변기를 포함하는 가역 변속 장치(reversible variable transmission)에 있어서,
- 1차 유성형 가변기(13a)의 링 휘일(1a)은 회전할 수는 없지만 두 유성형 가변기 모두의 모든 구름 접촉부를 압박하는 예비 부하력에 의해 축방향으로 이동할 수 있도록 하우징(14)에 연결되며,
- 두 유성형 가변기 모두의 중심 샤프트들은 하나의 메인 샤프트(12)로 합쳐져, 변속 장치 입력 샤프트(11)에 회전 가능하게 연결되고, 조향력에 의해 축방향으로 양쪽으로 이동할 수 있는 한편, 입력 샤프트는 축방향으로 이동하지 못하며,
- 1차 유성형 가변기(13a)의 선 휘일(3a)은 2차 유성형 가변기(13b)의 링 휘일(3b)에 연결되어, 이들 링-선 휘일이 함께 변속 장치의 중심 축선을 중심으로 회전할 수 있도록 되며,
- 2차 유성형 가변기(13b)의 선 휘일(3b)은 변속 장치의 출력 샤프트에 연결되고, 예비 부하력의 반작용력은 액시얼 베어링을 통해 하우징에 전달되는 것을 특징으로 하는 가역 변속 장치. - 제2항에 있어서,
- 링 휘일, 선 휘일, 및 위성(planet)들의 상대 치수는, 0 또는 양의 가속도로 구동될 때에 엔진이 그 출력을 최고 효율 곡선으로 제공할 수 있을 정도로 최고 속도비가 높도록 자동차 용례를 위해 선택되며,
- 링 휘일, 선 휘일, 및 위성들의 상대 치수는, 자동차가 후진시에 중간 정도의 엔진 속도 및 낮은 소음으로 주행하기에 충분하게 후진시의 최대 속도비가 높게 되도록 자동차 용례를 위해 선택되며,
- 변속 장치의 메인 샤프트를 이동시킴으로써, 변속비가 전진시의 최고 속도비에서 정지 상태를 거쳐 후진시의 최고 변속비로 연속적으로 변화하는 것을 또한 특징으로 하는 가역 변속 장치. - 제2항에 있어서,
- 각 구름 접촉부 상의 수직력이 하우징으로부터 비회전 1차 링 휘일에 작용하는 하나의 예비 부하력에 의해 생성되고, 그 반작용력은 2차 선 휘일에서부터 하나의 베어링을 거쳐 하우징으로 전달되며,
- 메인 샤프트의 위치를 결정하고 이에 따라 변속비도 결정하는 순 조향력은 양 방향 중 하나의 방향으로 메인 샤프트에 작용하는 하나의 힘에 의해 생성되며, 반작용력은 베어링을 거쳐 하우징으로 전달되는 것을 또한 특징으로 하는 가역 변속 장치. - 제4항에 있어서,
- 예비 부하력은 하우징과 1차 링 휘일 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 있으며,
- 조향 압력은 양방향으로 작동할 수 있고 입력 샤프트 및 메인 샤프트에 통합된 유압 또는 공압식 피스톤-실린더 시스템에 의해 생성되며,
- 조향 압력을 생성하기 위한 유압 또는 공압은, 고정된 하우징과 회전하는 입력 샤프트 사이에서, 상이한 회전 속도로 회전하는 부품들을 밀봉하도록 구성된 피스톤 링 또는 시일에 의해 밀봉되는 것을 또한 특징으로 하는 가역 변속 장치. - 자동차, 트럭, 또는 기타 온-하이웨이(on-highway) 혹은 오프-하이웨이(off-highway)용 차량에서 제5항에 따른 가역 변속 장치를 제어하도록 된 유압 시스템에 있어서,
- 엔진에 의해 구동되는 하나의 펌프가 유압 및 유압유 흐름을 제공하는 데에 이용되고,
- 고압 및 저압 축압기가 시스템에 통합되어 있고, 저압 축압기로부터의 유체가 예비 부하 피스톤(30) 및 조향 피스톤(28)을 가압하는 데에 고압 축압기보다 우선적으로 사용되며,
- 고압 축압기는 저압 축압기보다 우선적으로 펌프에 의해 충전되며,
- 예비 부하 압력과 전진 및 후진 주행 방향을 위한 조향 압력을 제어하는 데에 감압 밸브가 사용되는 것을 특징으로 하는 유압 제어 시스템. - 제6항에 있어서, 예비 부하 압력 라인에 2개의 차단 밸브에 의해 안전 수단이 추가되며, 이들 차단 밸브 중 하나는 전진 조향 압력에 의해 전환되고 다른 하나는 후진 조향 압력에 의해 전환되어, 활성 조향 압력 중 하나가 특정 바이어스 압력 아래로 떨어지자마자 바로 예비 부하 압력을 배출하도록 되며,
상기 안전 수단은 안전 차단 밸브(37)를 유압 체계(hydraulic scheme)로부터 꺼냄으로써 단순화시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 유압 제어 시스템. - 자동차, 트럭, 또는 기타 온-하이웨이 혹은 오프-하이웨이용 차량에서 유압 작동을 사용하여 제5항에 따른 가역 변속 장치를 제어하도록 된 소프트웨어 프로그램을 포함한 컴퓨터 판독 가능 저장 매체로서:
- 모든 엔진 출력 레벨에 대해 최소 연료 소비를 나타내는 곡선(엔진 토크 대 엔진 속도 곡선)을 제어기 메모리에 저장하며,
- PID 제어기가 최소 연료 소비 곡선으로부터 계산된 요구되는 엔진 속도에 상응하는 엔진 속도를 얻도록 메인 샤프트에 연결된 조향 피스톤의 속도를 정하며,
- PID 제어기에 의해 제안되는 조향 피스톤의 속도는 계산 과정에 기초한 마이크로슬립(microslip) 범위 내에 머무르도록 감소될 수 있으며,
- 메인 샤프트의 축선에 대한 위성의 각도를 결정하는 예비 부하 압력 및 조향 압력을 종방향 및 횡방향 마이크로스립에 대한 공개된 이론에 근거하여 계산하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 판독 가능 저장 매체. - 다양한 변속 장치 레이아웃으로의 제1항에 따른 유성형 가변기의 하나 이상의 조합체에 있어서,
- 유성형 가변기의 각각의 인터페이스, 즉 링 휘일, 중심 샤프트 및 선 휘일은 변속 장치 입력단, 출력단, 하우징, 다른 유성형 가변기의 인터페이스, 또는 오프셋 기어나 유성 기어 시스템을 포함한 임의의 다른 변속 장치 구성 요소에 연결될 수 있는 것을 특징으로 하는 하나 이상의 유성형 가변기의 조합체. - 다양한 가역 변속 장치 레이아웃으로의 제1항에 따른 유성형 가변기의 하나 이상의 조합체에 있어서,
- 유성형 가변기의 각각의 인터페이스, 즉 링 휘일, 중심 샤프트 및 선 휘일은 변속 장치 입력단, 출력단, 하우징, 다른 유성형 가변기의 인터페이스, 또는 오프셋 기어나 유성 기어 시스템을 포함한 임의의 다른 변속 장치 구성 요소에 연결될 수 있으며,
- 토크 컨버터 또는 마찰 디스크 클러치에 이용되는 미끄럼 요소 없이 입력 회전 방향에 대한 출력 회전 방향이 연속적으로 변경될 수 있는 한편, 그 속도비가 0의 속도비에서도 전체 속도비 범위에 대해 기구학적(kinematically)으로 정해지는 것을 특징으로 하는 유성형 가변기의 조합체. - 제2항에 있어서,
- 구름 접촉부들이 이동하는 변속 장치 내부가 불활성 가스, 또는 통상의 공기와 냉각 및 윤활용 스플래싱 유체(splashing fluid), 또는 냉각제의 미스트(mist)를 갖는 가스로 채워지며,
- 변속 장치의 내부는 베어링용 윤활유 및 변속 장치의 외부로부터 밀봉되어 있는 것을 또한 특징으로 하는 가역 변속 장치. - 제2항에 있어서,
- 위성 내부의 베어링 및 부싱을 위한 윤활 흐름은 각각의 위성을 위한 폐회로에 의해 구현되고, 그 윤활유는 위성 내부에서 오일을 외측으로 펌핑하는 베인에 의해 사방으로 펌핑되어 베어링 또는 부싱을 통과하거나,
- 위성 내부의 베어링 및 부싱을 위한 윤활 흐름이 그 윤활유 흐름을 입력 및 출력 샤프트의 모든 베어링을 포함하는 메인 윤활 흐름에 통합함으로써 구현되며, 상기 윤활 흐름은 중심 샤프트로부터 취해져 힌지 핀 중 하나를 거쳐 위성의 베어링을 통해 안내된 후에 다시 다른 힌지 핀를 거쳐 중심 샤프트로 흐르게 되거나, 또는
- 위성의 베어링들이 그리스로 윤활되거나, 어떠한 윤활도 필요로 하지 않는 하이브리드 베어링이 이용되는 것을 또한 특징으로 하는 가역 변속 장치. - 제2항에 있어서, 상기 가역 변속 장치는 자동차, 트럭, 버스, 오프-하이웨이용 차량, 잔디 깎기 기계, 풍력 터빈, 텔레스코픽 붐 핸들러(telescopic boom handler), 지게차, 또는 동력이 가변 속도로 전달될 필요가 있는 임의의 다른 산업 용례에서 동력을 가변 속도로 전달하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가역 변속 장치.
- 제1항에 있어서,
- 구름 접촉부들이 이동하는 내부가 불활성 가스, 또는 통상의 공기와 냉각 및 윤활용 스플래싱 유체(splashing fluid), 또는 냉각제의 미스트(mist)를 갖는 가스로 채워지며,
- 상기 내부는 베어링용 윤활유 및 유성형 가변기의 외부로부터 밀봉되어 있는 것을 특징으로 하는 유성형 가변기. - 제1항에 있어서,
- 위성 내부의 베어링 및 부싱을 위한 윤활 흐름은 각각의 위성을 위한 폐회로에 의해 구현되거나,
- 위성 내부의 베어링 및 부싱을 위한 윤활 흐름은 그 윤활유 흐름을 중심 샤프트의 모든 베어링을 포함하는 메인 윤활 흐름에 통합함으로써 구현되며, 상기 윤활 흐름은 중심 샤프트로부터 취해져 힌지 핀 중 하나를 거쳐 위성의 베어링을 통해 안내된 후에 다시 다른 힌지 핀를 거쳐 중심 샤프트로 흐르게 되거나, 또는
- 위성의 베어링들이 그리스로 윤활되거나, 어떠한 윤활도 필요로 하지 않는 하이브리드 베어링이 이용되는 것을 또한 특징으로 하는 유성형 가변기.
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