KR101914819B1

KR101914819B1 - 연속 가변 변속 장치, 클러치 시스템, 차량, 및 변속 장치를 제어하는 방법

Info

Publication number: KR101914819B1
Application number: KR1020147019634A
Authority: KR
Inventors: 안드레 덱
Original assignee: 게이츠 코포레이션
Priority date: 2011-12-16
Filing date: 2012-12-05
Publication date: 2018-11-02
Also published as: MX2014007216A; MX348538B; WO2013090068A1; BR112014014487B1; JP2014533817A; EP2791547A1; CA2858205A1; BR112014014487A8; EP2791547B1; RU2014129005A; US8958961B2; JP5926812B2; BR112014014487A2; CA2858205C; CN103998824B; CN103998824A; KR20140101438A; US20130158823A1

Abstract

CVT 변속 장치는 하우징(4)에 저널링(journalling)된 샤프트(1); 이 샤프트(1)에 고정된 제1 시브(14); 이 샤프트의 회전축선(1A)에 대해 평행하게 이동 가능한 제2 시브(12)로서, 상기 회전축선에 대해 나선각(helix angle)(HA)으로 배치되는 제2 시브 수용 부재(12A)와 협동적으로 맞물리는 제1 시브 부재(22)에 의해 상기 제1 시브와 회전 관계로 로킹되는 것인 제2 시브(12); 하우징에 저널링되고, 가동 부재(26)와 나사(6B)식으로 맞물리는 스프로킷(6); 가동 부재와 제2 시브 사이에 배치된 베어링(16); 및 스프로킷과 맞물리는 전기 액추에이터(30)를 포함하며, 상기 가동 부재는 상기 하우징과 맞물려(5A), 가동 부재의 운동이 상기 회전 축선에 대해 평행하며, 제2 시브는 스프로킷의 회전 시에 축방향으로 이동 가능하다.

Description

연속 가변 변속 장치, 클러치 시스템, 차량, 및 변속 장치를 제어하는 방법{CONTINUOUSLY VARIABLE TRANSMISSION, CLUTCH SYSTEM, VEHICLE AND METHOD FOR CONTROLLING A TRANSMISSION}

본 발명은, CVT(Continuously Variable Transmission)에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 변속비를 조절하도록 가동 시브(sheave)를 작동시키는 전동 제어기(motorized controller)를 갖는 CVT에 관한 것이다.

종래의 스노모빌용 구동 트레인은 엔진 크랭크샤프트에 작동적으로 결합된 구동 풀리, 및 피동 샤프트에 결합된 피동 풀리를 갖는 연속 가변 변속 장치(CVT)를 채용하고 있다. 구동 풀리는 클러치로서 작동하는 것으로, 원심력에 의해 작동되는 조절 기구를 포함하며, 이 조절 기구를 통해 CVT의 구동비가 엔진 속도 및 피동 풀리의 출력 토크에 따라 점진적으로 변화하게 된다. 통상, 피동 풀리는 체인-스프로킷 감속 구동 장치의 입력 부재를 구동하는 가로 방향 잭 샤프트(transverse jackshaft)이다. 감속 구동 장치의 출력부는 구동 트랙 구동 스프로킷 휘일이 위치하는 차축의 일단에 결합된다.

원심 CVT가 수많은 이점을 제공하지만, 그 CVT의 구동비가 엔진 속도에 직접적으로 관련되어 있다는 점은 몇 가지 단점을 초래한다. 하나의 그러한 단점으로는 구동 풀리의 캘리브레이션이 엔진의 최대 동력 출력과 항시 관련되어 있다는 점이다. 이는 스노모빌에 대해 상당한 가속 특성을 가져오지만, 스노모빌이 순항 속도(cruising speed)로 작동하는 경우에, 필요 이상으로 높은 속도로 엔진이 작동하게 하여, 연료 소모가 많고 소음 수준이 높으며, 많은 진동이 스노모빌의 탑승자에게 전달된다.

대표적인 관련 기술로는 정유압식 변속 장치(hydrostatic transmission)를 모방하고 구동 벨트의 남용을 방지하도록 피지배 엔진(governed engine)과 함께 지원 CVT(assisted CVT)에 의해 변속비를 관리하는 방법을 개시하는 미국 특허출원 공개 제2011/0277577호가 있으며, 그 방법은 동력원과 구동 기구 간에 회전 운동을 전달하도록 지원 CVT를 이용하여 기준 동력원 회전 속도를 제공하는 것, 동력원의 부하 변동시에 실질적으로 균일한 회전 속도를 유지하도록 동력원의 토크를 관리하는 것, 및 구동 기구의 회전 속도를 변경하도록 지원 CVT의 변속비를 조절하는 것을 포함한다. 그러한 구동벨트 남용 방지 기구를 갖는 시스템 및 차량 또한 제공한다.

필요로 하는 것은 변속비를 조절하도록 가동 시브를 작동시키는 전동 제어기를 갖는 CVT이다. 본 발명은 그러한 필요성을 충족시킨다.

본 발명의 주요 양태는 변속비를 조절하도록 가동 시브를 작동시키는 전동 제어기를 갖는 CVT를 제공하는 데에 있다.

본 발명의 다른 양태들은 이하의 발명의 상세한 설명 및 도면에 의해 알 수 있거나 명백해질 것이다.

본 발명은, 하우징에 저널링(journalling)된 샤프트; 이 샤프트에 고정된 제1 시브; 샤프트의 회전 축선에 평행하게 이동 가능한 한편, 회전 축선에 대해 나선각(helix angle)(HA)으로 배치되는 제2 시브 수용 부재와 협동적으로 맞물리는 제1 시브 부재에 의해 제1 시브와 회전 관계로 로킹되는 제2 시브; 하우징에 저널링되고, 가동 부재와 나사식으로 맞물리는 스프로킷; 가동 부재와 제2 시브 사이에 배치된 베어링; 및 스프로킷과 맞물리는 전기 액추에이터를 포함하며, 가동 부재는 하우징과 맞물려, 가동 부재의 운동이 상기 회전 축선에 대해 평행하며, 제2 시브는 스프로킷의 회전 시에 축방향으로 이동 가능하다.

본 명세서에 포함되어 그 일부를 이루는 첨부 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하는 것으로, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 기능을 한다.
도 1은 도 5의 라인 1-1을 따라 취한 본 발명의 변속 장치의 단면도이다.
도 2는 도 1의 라인 2-2를 따라 취한 부분 단면도이다.
도 3은 도 1의 라인 3-3을 따라 취한 부분 단면도이다.
도 4는 힘 분포를 도시하는 도 2의 상세도이다.
도 5는 본 발명의 변속 장치의 정면도이다.
도 6은 CVT 시스템의 제어 계통을 도시한다.
도 7은 CVT 시스템의 제어 계통을 도시한다.
도 8은 CVT 시스템의 제어 계통을 도시한다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명은 베어링(2)에 의해 하우징(4)에 저널링된 입력 샤프트(1)를 포함한다. 하우징(4)은 체결구(도시 생략)를 이용하여 섀시(도시 생략) 또는 기타 프레임에 변속 장치를 부착할 수 있게 하는 구멍(4A)을 포함한다. 입력 샤프트(1)는 회전축선(1A)를 중심으로 회전한다.

입력 샤프트(1)는 시브(14)의 대응하는 스플라인(14B)에 토크를 전달하는 스플라인(1B)을 포함한다. 따라서, 시브(14)는 샤프트(1)의 단부에 견고하게 장착되어 그와 함께 회전한다. 시브(14)는 또한 그 길이를 따라 샤프트(1)와 협동적으로 동축으로 맞물리는 원통형 스템(14C)을 포함한다. 이 스템(14C)은 시브(14)가 샤프트(1) 상에 유지되도록 압력 끼워맞춤(press-fit)되는 것이 바람직하다.

가동 시브(12)가 시브(14)의 내면과 미끄럼 운동 가능하게 맞물린다. 저마찰 부싱(20)이 시브(12)의 스템(12B)의 내면에 압력 끼워맞춤 된다. 부싱(20)은 스템(14C)의 외면 상에서 미끄럼 운동한다.

도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 롤러(22)가 핀(24)을 중심으로 회전한다. 핀(24)은 시브(14)에 견고하게 고정된다. 핀(24)은 시브(14)로부터 반경 방향 내측으로 돌출하고, 샤프트(1)의 회전축선(1A)에 직교한다. 가동 시브(12)는 롤러(22)를 따라 시브를 안내하는 슬롯(12A)을 포함한다. 본 발명의 본 실시예에서는 시브(14) 상에 180도의 간격을 두고 서로 떨어진 2개의 롤러 및 2개의 핀이 있다.

대안적인 실시예에서, 롤러(22)는 핀(24)에서 제거될 수 있다. 핀(24)은 슬롯(12A) 내에서 핀(24)의 미끄럼 운동을 촉진시키도록 저마찰 재료로 코팅되어 있다. 슬롯(12A) 내에서 핀(24)의 미끄럼 운동을 더욱 촉진시키기 위해, 슬롯(12A)의 표면도 역시 저마찰 재료로 코팅된다.

복열 앵귤러 콘택트 베어링(8)이 하우징(4) 상에 압력 끼워 맞춤되고 또한 스프로킷(6) 내에 압력 끼워 맞춤되어, 스프로킷(6)이 하우징(4) 및 축선(1A)을 중심으로 회전할 수 있게 한다. 제2 복열 앵귤러 콘택트 베어링(16)이 스템(12B) 상에 압력 끼워 맞춤된다.

튜브(26)가 베어링(16)의 외륜 상에 압력 끼워 맞춤하다. 베어링(16)은 스냅 링(18)에 의해 튜브(26) 내에서 제위치에 고정된다.

튜브(26)의 일단부는 스프로킷(6) 상의 상응하는 외나사(6B)와 맞물리는 내나사(26B)를 포함한다.

슬리브 부재(5)가 하우징(4)의 일단부에 고정되게 부착된다. 슬리브 부재(5)는 반경 방향 돌기(5A)를 포함한다. 이 돌기(5A)는 상응하는 슬롯 또는 키홈(26A) 내에서 이동한다(도 3 참조). 키홈(26A)은 튜브(26)의 내경측에 형성된다. 키홈(26A)은 입력 샤프트(1)의 주 축선을 따라 회전축선(1A)에 대해 평행하게 연장한다.

벨트(10)가 스프로킷(6) 및 전기 모터(30)의 스프로킷(32) 주위에 둘러진다(도 5 참조). 바람직한 실시예에서, 벨트(10)는 이붙이 타입(toothed type)이다. 전기 모터(30)는 바람직하게는 섀시 또는 프레임에 장착된다(도시 생략). V-벨트(36)가 시브(12)와 시브(14) 사이에 맞물린다.

작동 설명:

V-벨트(36)는 도 5에 도시한 바와 같이 소정 반경(R)에서 작동한다. 반경(R)은 가동 시브(12)의 축방향 위치에 따라 변할 수 있다. 시브(12, 14)들 간의 거리가 감소하는 경우, 반경(R)은 증가한다. 시브(12, 14)들 간의 거리가 증가하는 경우에는 반경(R)이 감소한다. 반경(R)의 변화는 변속비를 변화시키는데, 다시 말해 벨트(36)를 통해 즉석 전기 제어식 CVT 클러치에 연결된 클러치의 각속도를 변화시킨다.

가동 시브(12)의 축방향 위치의 변경은 다음과 같이 이루어진다. 전기 모터(30)가 벨트(10)를 통해 스프로킷(6)을 회전시킨다. 외나사(6B)가 튜브(26)의 내나사(26B)와 맞물린 채 스프로킷(6)과 함께 회전한다. 돌기(5A)들은 이동 불가능한 하우징(4)에 대한 그들의 연결을 고려하면 정지해 있다. 돌기(5A)들은 튜브(26)가 스프로킷(6)의 회전의 영향을 받아 축방향으로 이동할 때에 키홈(26A) 내에서 함께 이동한다. 돌기(5A)들이 정지해 있기 때문에, 튜브(26A)는 축선(1A)을 중심으로 회전하는 것이 방지된다. 이는 외나사(6B)가 튜브(26)를 축방향으로 이동시키게 한다. 튜브(26)에 이에 의해 시브(12)에 맞물린 베어링(16)이 축방향 힘을 전달한다. 튜브(26)의 축방향 이동은 시브(12)의 축방향 이동을 가져온다. 베어링(16)은 시브(12)가 축선(1A)을 중심으로 회전할 수 있게 한다.

시브(14)에 부착된 롤러(22)는 토크를 시브(14)에서 시브(12)로 전달한다. 시브(14)와 시브(12) 간의 상대적 축방향 이동은 부분적으로는 롤러(22)를 안내하는 슬롯(12A)의 배향에 의해 결정된다. 바람직한 실시예에서, 슬롯(12A)의 배향은 약 20도의 나선각(HA)을 갖는 나선형으로 되어 있다(도 4 참조). 슬롯(12A)의 나선각은 시브(12)의 축방향 이동을 보조하여, 본 명세서에서 설명하는 바와 같이 전기 모터(30)로부터 보다 적은 동력을 요구하게 한다. HA는 약 5도 내지 약 50도 범위일 수 있다.

가동 시브(14)는 통상적으로 스프링(도시 생략)을 통해 정지 시브(12)로부터 멀어지게 압박될 수 있다. 모터(30)는 그러한 스프링 압박력을 극복하는 사이즈로 될 수 있다. 슬롯(12A)의 그러한 구조의 경우에 있어서, 모터(30)의 사이즈, 파워, 비용 및/또는 그 조합은 슬롯(12A)이 종방향 축선(1A)에 대해 대체로 평행한 경우에 비해 대체로 감소될 수 있다.

도 4에 도시한 바와 같이, 롤러(22)와 슬롯(12A) 간의 접촉점에서의 벨트(36)의 인장 하중에 의해 생성되는 힘 벡터(F1R)는 슬롯에 대한 법선방향 힘 성분(F1N)과 축방향 힘 성분(F1A)을 포함한다. 축방향 힘(F1A)은 시브(12)를 시브(14)를 향해 압박한다. 나선각(HA)이 클수록 축방향 힘(F1A)이 커져, 시브(12)를 시브(14)를 향해 이동시키는 데에 전기 제어 모터(30)로부터 파워가 덜 요구된다.

시브(12)와 시브(14) 간의 거리의 감소는 시브들을 서로 떨어 뜨려고 하는 벨트(36)의 반경방향 힘을 전기 모터가 극복할 것을 요구한다. 전기 모터(30)의 사이즈의 감소는 기생적 파워 소실을 감소시킴으로써 파워 출력을 향상시킨다.

도 6은 CVT 시스템의 제어 계통을 도시한다. 엔진(300) 및 변속기(100)는 당업계에 공지된 CVT 벨트(1010)를 통해 연결된다. 엔진(300)은 내연 기관을 비롯한 임의의 주 구동 장치를 포함한다. 구동측 클러치(301)가 엔진 샤프트(303)에 연결된다. 피동측 클러치(102)는 도 1에 도시한 바와 같이 변속기(100)에 연결된다.

마이크로컨트롤러(201)가 센서(204)에 연결된다. 센서(204)는 스프로킷(10)의 위치를 검출한다(도 1 참조). 모터 드라이브(202)가 모터(30)에 연결된다. 12V DC 전원이 마이크로컨트롤러 및 모터 드라이브에 연결된다. 마이크로컨트롤러(201)는 또한 모터 드라이브(202)에 연결되고, 이에 의해 마이크로컨트롤러가 제어 신호를 모터 드라이브로 전송한다. 제어 신호는 모터 드라이브(202)가 스프로킷(10)을 적절히 위치 설정하게 하여, 원하는 변속비를 세팅한다.

ECU/드로틀 및 속도 센서(200)가 당업계에 공지된 방식으로 엔진의 작동을 검출 및 제어한다. 마이크로컨트롤러(201)는 ECU(200)으로부터의 신호를 처리하여 모터(30)를 위한 적정 제어 신호를 결정한다.

도 7은 CVT 시스템의 제어 계통을 도시한다. 마이크로컨트롤러(201)는 마이크로프로세서(401), 아날로그 디지털 컨버터(205), 및 고속 카운터(206)를 포함한다. 마이크로프로세서(401)는 엔진 속도에 기초한 변속 시프트 포인트를 프로그래밍하도록 당업계에 공지된 방식으로 사용자에 의해 프로그래밍될 수 있다. 랩탑 컴퓨터(500) 또는 기타 적절한 I/O 디바이스도 역시 마이크로프로세서(401)를 프로그래밍하거나 및/또는 그와 통신하는 데에 이용될 수 있다. 센서(204) 및 센서(302)는 컨트롤러(201)와 통신한다. 당업계에 고지된 전력 전기장치(power electronics)(202)가 모터(30)에 전력을 공한다.

도 8은 CVT 시스템의 제어 계통을 도시한다. 사용자가 당업계에 공지된 방식으로 서브시스템(402)을 컨피규어(configure)한다. 엔진/변속 시스템의 신호가 단계 403에서 마이크로프로세서에 입력된다. 엔진 신호는 드로틀 비율, 엔진 RPM, 및 시브 위치를 포함한다. 변속 시스템 신호는 시브 위치 및 RPM을 포함한다. 마이크프로세서가 단계 404에서 속도비를 계산한다. 입력이 주어지면, 마이크로포세서는 단계 405에서 검색표(look-up table)에서 요구되는 속도비를 검색한다. 예시적인 검색표를 아래에 제시한다.

이 검색표는 차량의 작동 조건에 맞추도록 사용자에 의해 커스터마이징될 수 있다. 그 검색표에서의 값들은 단지 일례일 뿐 한정하고자 하는 것은 아니다. 마이크로프로세서는 또한 단계 407에서 모터(30)의 속도 및 방향을 결정한다. 마이크로프로세서는 원하는 속도비에 따라 스프로킷(10)의 위치를 변경하도록 단계 408에서 모터(30)에 신호를 전송한다. 이어서, 시스템은 원하는 작동 조건이 달성될 때까지 그러한 루프를 반복한다.

본 발명의 하나의 형태를 본 명세서에서 설명하였지만, 본 명세서에서 기재한 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 부품들의 구조 및 관계에 있어서 변형이 이루어질 수 있다는 점은 당업자에게 있어 명백할 것이다.

Claims

연속 가변 변속 장치로서:
하우징(4)에 저널링(journalling)된 샤프트(1);
상기 샤프트(1)에 고정된 제1 시브(sheave)(14);
상기 샤프트의 회전축선(1A)에 대해 평행하게 이동 가능한 제2 시브(12)로서, 상기 회전 축선에 대해 나선각(helix angle)(HA)으로 배치되는 슬롯을 포함하는 제2 시브 수용 부재(12A)와 협동적으로 맞물리는 제1 시브 부재에 의해 상기 제1 시브와 회전 관계로 로킹되는 것인 제2 시브(12);
상기 하우징에 저널링되고, 가동 부재(26)와 나사(6B)식으로 맞물리는 스프로킷(6);
상기 가동 부재와 제2 시브 사이에 배치된 베어링(16); 및
상기 스프로킷과 맞물리는 전기 액추에이터(30)
을 포함하며, 상기 가동 부재는 상기 하우징과 맞물려(5A), 가동 부재의 운동이 상기 회전 축선에 대해 평행하며,
상기 제2 시브는 스프로킷의 회전 시에 나선형으로 축방향으로 이동 가능하고,
상기 제2 시브(12)는 상기 제1 시브(14)의 내면과 미끄럼 운동 가능하게 맞물리는 것인 연속 가변 변속 장치.
제1항에 있어서, 상기 나선각은 20도인 것인 연속 가변 변속 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 시브 부재는 상기 샤프트의 회전축선(1A)에 수직인 롤러 회전축선(24A)을 갖는 롤러(22)를 더 포함하는 것인 연속 가변 변속 장치.
제1항에 있어서, 상기 제2 시브 수용 부재는 슬롯을 포함하는 것인 연속 가변 변속 장치.
제1항에 있어서, 상기 전기 액추에이터는 모터를 포함하는 것인 연속 가변 변속 장치.
제1항에 있어서, 상기 가동 부재는 슬롯을 포함하며, 상기 하우징은 상기 슬롯과 맞물리는 반경방향 돌출부를 포함하는 것인 연속 가변 변속 장치.
종방향 축선을 중심으로 회전 가능한 샤프트에 결합되는 연속 가변 변속 장치용 클러치 시스템으로서:
상기 샤프트에 결합된 정지 시브;
슬롯을 포함하고 상기 샤프트에 이동 가능하게 결합되는 한편, 상기 종방향 축선을 따라 나선형으로 상기 정지 시브에 대해 이동 가능한 가동 시브;
상기 가동 시브에 결합되고, 상기 가동 시브를 상기 정지 시브에 근접하게 또는 상기 정지 시브로부터 멀어지게 이동시키도록 구성된 위치 설정용 모터
를 포함하며, 상기 가동 시브와 상기 정지 시브는 슬롯을 통해 결합되며, 이 슬롯은 상기 종방향 축선으로부터 나선각으로 배치되고,
상기 가동 시브가 상기 정지 시브의 내면과 미끄럼 운동 가능하게 맞물리는 것인 연속 가변 변속 장치용 클러치 시스템.
제7항에 있어서, 상기 나선각은 상기 종방향 축선으로부터 5도 내지 50도 범위인 것인 연속 가변 변속 장치용 클러치 시스템.
제8항에 있어서, 상기 나선각은 상기 종방향 축선으로부터 측정하는 경우에 20도인 것인 연속 가변 변속 장치용 클러치 시스템.
제7항에 있어서, 상기 정지 시브는 상기 슬롯 내에 배치된 롤러를 통해 상기 슬롯에 결합되는 것인 연속 가변 변속 장치용 클러치 시스템.
제7항에 있어서, 상기 모터는 벨트 및 기어 구동 시스템을 통해 가동 시브에 결합되는 것인 연속 가변 변속 장치용 클러치 시스템.
연속 가변 변속 장치를 포함하는 차량으로서:
상기 연속 가변 변속 장치는,
샤프트에 결합된 정지 시브;
상기 샤프트에 저널링되는 한편, 종방향 회전축선을 따라 나선형으로 상기 정지 시브에 근접하게 또는 상기 정지 시브로부터 멀어지게 이동 가능한 가동 시브; 및
상기 가동 시브에 결합되고, 상기 가동 시브를 상기 정지 시브에 근접하게 또는 상기 정지 시브로부터 멀어지게 이동시키도록 구성된 모터
를 포함하며, 상기 정지 시브와 상기 가동 시브는 핀 및 슬롯에 의해 결합되며, 상기 슬롯은 상기 종방향 회전축선으로부터 나선각으로 배치되어, 상기 종방향 회전축선에 대해 평행한 슬롯을 갖는 가동 시브에 비해, 상기 가동 시브를 상기 정지 시브에 대해 이동시키는 데에 필요한 종방향 힘을 감소시키도록 구성되며,
상기 가동 시브가 상기 정지 시브의 내면과 미끄럼 운동 가능하게 맞물리는 것인 차량.
제12항에 있어서, 상기 나선각은 상기 종방향 회전축선으로부터 5도 내지 50도 범위인 것인 차량.
제12항에 있어서, 상기 나선각은 상기 종방향 회전축선으로부터 20도인 것인 차량.
제12항에 있어서, 상기 모터는 벨트 및 기어 구동 시스템을 통해 상기 슬롯에 결합되는 것인 차량.
삭제