KR102156272B1 - 하이드로스태틱 변속기 - Google Patents

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Abstract

공통 요크 설계 및 두 개 이상의 사축 피스톤 구동 유닛을 가지는 하이드로스태틱 변속기가 개시되며, 구동 유닛의 회전 그룹은 다른 구동 유닛과 독립적인 구동 샤프트 축 및 회전 그룹 축 사이의 각도를 변경하기 위해 요크에 대하여 이동 가능하도록 배치된다. 각도의 변경은 구동 유닛의 각각의 구동 샤프트 축에 수직인 축에 관하여 요크 내부에서 아치형으로 이동가능한 회전 그룹에 연결된 이동가능한 섹터 플레이트를 이용하여 이루어진다. 이러한 변속기는 시스템 사이즈의 동적 조정이 가능하면서도 반응과 공통 요크 설계의 패키징 이점을 조합할 수 있다. 결과적으로, 다양한 시스템 사이즈는 최대 디자인 토크에서와 다른 조건으로 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

하이드로스태틱 변속기{HYDROSTATIC VARIATOR}
본 발명은 일반적으로 하이드로스태틱 변속기에 관한 것이다.
유망한 자동차용 대체 동력원들이 많이 개발되고 있지만, 오늘날 지배적인 동력원은 내연기관이다. 현재의 IC-구동 설계가 지난 한 세기에 걸쳐 상당히 발전하였으나, 아직도 개선의 여지가 있다. (CVTs and TVTs)무단 변속 트랜스미션(CVT) 및 무한 변속 트랜스미션(IVT)을 사용하면 엔진이 환경에 미치는 영향은 감소시키면서 효율뿐만 아니라 성능을 향상시킨 최상의 성능으로 동작할 수 있도록 할 수 있다.
분할 경로 IVT(split path IVT)에서, 엔진으로부터 나온 동력은 두 경로로 나뉘었다가 출구에서 다시 합쳐진다. 한 경로는 순전히 기계적이며, 최소한 샤프트와 한 쌍의 기어로 구성될 수 있다. 다른 한 경로는 트랜스미션의 속도비 및 토크비를 변경할 수 있는 무단 변속 장치로 구성된다. 동력은 기계적인 경로와 변속기의 경로를 배타적으로 흐르거나, 두 경로를 조합하여 흐를 것이다.대부분의 동력이 기계적인 경로로 흐르거나 모든 동력이 기계적인 경로로 흐를 때 트랜스미션은 가장 효율적이므로, 트랜스미션은 이러한 조건이 듀티 사이클에서 가장 빈번하게 사용되는 동작점에서 발생되도록 설계될 것이다.
전기 모터/발전기 세트의 환형 구동기(toroidal drives)와 같은 몇몇 다른 장치들이 무단 변속 기어셋 또는 IVT용 변속기를 형성하는데 사용되어왔다. 이들 중에 대형 온 로드(on road) 및 오프 로드(off road) 트럭 및 건설 장비의 동력 요구량을 처리하는 데에는 현재 하이드로스태틱 변속기가 가장 적합하다. 또한, 이동식 유압기계 기술은 손쉽게 구할 수 있는 부품의 범위가 넓을 뿐만 아니라 검증된 신뢰성을 제공할 만큼 매우 발달했다.
하이드로스태틱 변속기에서, 펌프 및 모터 중 하나 또는 양자 모두는 가변 용량으로 설계된다. 펌프 및 모터는 펌프로부터 나온 유체가 모터를 구동시키도록 유체 연결된다. 펌프와 모터 사이의 용량비를 변경함으로써, 입력 샤프트와 출력 샤프트 사이의 속도비 및 토크비는 변할 수 있다. 일반적으로, 전자 제어기는 사용자의 요구 및 구동 트레인(drive train) 조건에 따라 펌프와 모터를 조절한다. 펌프와 모터의 용량의 총합은 시스템의 사이즈로 쓰인다.
도 1은 US 2010/0212309에 설명된 하이드로스태틱 변속기의 종래 기술에 관한 도면이다. 도 1에서, 변속기(2)는 제1 사축(bent axis) 유닛 또는 제1 축방향(axial) 피스톤 유닛과 제2 사축 유닛 또는 제2 축방향 피스톤 유닛(4)을 포함한다. 제1 사축 유닛 또는 제1 축방향 피스톤 유닛은 도면에 도시되지 않았다. 각각의 사축 유닛의 출력/입력 샤프트(6)는 출력 샤프트들이 예정된 상대 위치를 유지하도록 하우징(8) 내부에 배치된다. 제1 사축 유닛 및 제2 사축 유닛(4)의 각각은 각각의 출력/입력 샤프트(6)에 연결되고 각각의 실린더 블록(12)에 위치한 실린더 내부에서 움직일 수 있는 피스톤(10)들의 회전 그룹(rotating group)을 포함한다. 실린더 블록(12)은 각각의 요크(yoke, 14, 16) 내부에서 회전 가능하고, 각각의 요크(14, 16)는 제1 사축 유닛 및 제2 사축 유닛(4)의 각각의 실린더 블록(12) 사이에 마련되는 유체 채널(fluid channels)를 포함한다. 각각의 요크(14, 16)는 축(18)에 대해 독립적으로 회전 가능하여, 제1 사축 유닛으로부터 제2 사축 유닛으로의 유체의 이동 또는 그 역으로 이동이 변할 수 있다. 각각의 사축 유닛의 변위는 하우징에 대한 각각의 사축 유닛의 요크의 회전 각도에 따라 달라진다. 각각의 요크의 위치는 각 요크의 서보 어셈블리(20 또는 22)에 의해 독립적으로 제어된다.
대부분의 분할 경로 IVT 파워 트레인 제어 알고리즘은 엔진을 최고 동력 상태로 유지하거나 최소 연료 소비의 지점을 유지하는, 상대적으로 단순한 동력 관리 체계를 위해 만들어진다. 이러한 접근은 계단식 비율의 트랜스미션보다 두드러지는 이득을 창출하지만, IVT의 모든 가능성을 실현하는 데에는 더욱 개량된 제어가 필요하다.
분할 경로 IVT의 변속기는 트랜스미션에 입력되는 동력의 절반만큼 또는 그 이상을 처리할 수 있도록 설계되어야 한다. 그러나, 자동차의 하중 주기(loading cycle)에 따라 최대 동력이 항상 필요하지는 않을 수 있다. 전달되는 동력의 양에 비해 너무 큰 유압 구동 시스템은 더 작은 시스템과 같이 효율적으로 작동하지 않을 것이다. 부분 하중 조건에서 이러한 효율성을 높이기 위해 일반적으로 적용되는 방법은 요구되는 속도비를 유지하면서 증가하는 시스템 압력에 비례해서 펌프 및 모터의 용량을 줄이는 것(즉, 시스템의 사이즈를 줄이는 것)이다.
독립적으로 조절 가능한 펌프 및 모터를 사용하는 현재의 변속기에서, 마이크로컨트롤러는 수력(hydroelectric) 서보(servo)를 통해 속도와 토크를 제어한다. 다중 서보에 빠르고 동기화된 방식의 반응이 요구되는 경우 문제가 발생한다. 시스템 압력에 따라 변하는 스틱/슬립(stick/slip) 조건이 발생할 수 있고, 모든 상황을 다루는 제어 알고리즘을 만드는 것은 매우 복잡하고 어렵다. 현재의 기술 수준에서, 서보 메커니즘은 순간적인 힘에 대한 반응에 관한 한계를 가지고있다. 이 모든 것은 시스템의 예측 불가능성의 정도를 더해준다.
좀 더 예측 가능한 시스템을 만들기 위한 하나의 접근법은 스틱/슬립이 일어날 수 있는 접점(interface)의 수를 줄이는 것이다. 이것은, 예컨대 DE 1064311 B에 나타난 장치와 같이, 펌프 및 모터에 각각의 요크를 따로 사용하지 않고 펌프 및 모터에 공통의 요크를 사용하는 것에 의해 가능하다. 펌프와 모터는 더 작은 물리적인 엔벨로프(envelope)가 되도록 유압으로 가까이 연결되고, 펌프와 모터 사이의 다이내믹 로터리 씰(dynamic rotary seal)은 불필요하다. 물론, 펌프 및 모터 양자를 움직이기 위해 단지 하나의 서보 어셈블리가 필요하다. 이러한 접근법의 문제점은 펌프 및 모터 요크의 사이의 각도가 고정되어 있어 시스템의 사이즈가 고정되어 있다는 것이다. 분할 경로 트랜스미션에 적용되는 경우, 시스템 사이즈 변경에 의한 잠재적인 효율 이득은 얻을 수 없다.
그러므로, 시스템 사이즈의 동적 조정이 가능하면서도 반응과 공통 요크 설계의 패키징 이점을 조합할 수 있는 하이드로스태틱 변속기에 대한 필요성이 있다. 본 발명은 이러한 요구를 다루고, 아래 설명하는 다른 관련 이점들을 제공한다.
공통 요크 설계에 있어서 시스템 사이즈의 동적 조정을 제공하는 하이드로스태틱 변속기는 하우징, 회전 그룹을 각각 포함하는 제1 사축 피스톤 구동 유닛 및 제2 사축 피스톤 구동 유닛, 및 상기 하우징에 대하여 상기 요크를 위치시키는 요크 서보 어셈블리를 포함한다. 각 피스톤 구동 유닛 내의 상기 각각의 회전 그룹은 상기 요크 내부에서 회전하도록 배치된다. 그리고, 상기 요크는 상기 제1 사축 피스톤 구동 유닛과 상기 제2 사축 피스톤 구동 유닛 사이가 유체 연결될 수 있도록 마련된 하나 이상의 유체 채널을 포함한다. 상기 요크는, 각각의 상기 제1 및 제2 사축 피스톤 구동 유닛의 상기 구동 샤프트 축과 상기 회전 그룹 축 사이의 각도를 동시에 변경하도록, 상기 제1 사축 피스톤 구동 유닛의 구동 샤프트 및 상기 제2 사축 피스톤 구동 유닛의 구동 샤프트의 양측 모두에 수직인 요크 축에 대해 회전가능하다. 동적 조절의 목적에 따라, 상기 제2 사축 피스톤 구동 유닛의 상기 회전 그룹은 상기 제2 사축 피스톤 구동 유닛과 독립적으로 상기 샤프트 축고 상기 제1 사축 피스톤 구동 유닛의 상기 회전 그룹 축 사이의 각도를 변경하기 위해 상기 요크에 대해 이동 가능하게 배치된다. 시스템 사이즈가 변경될 수 있기 때문에, 변속기의 최대 설계 토크 이외의 조건들을 개선시킬 수 있다.
일 실시예에 있어서, 동적 조절은 제1 가동 섹터 플레이트를 이용하여 얻을 수 있는데, 상기 제1 가동 섹터 플레이트는 상기 제1 사축 피스톤 구동 유닛의 상기 회전 그룹에 연결되고, 상기 요크의 내부에서 상기 제1 사축 피스톤 구동 유닛의 구동 샤프트 축에 수직인 제1 섹터 플레이트 축에 대해 아치형으로 이동 가능하다. (상기 제1 섹터 플레이트 축 및 상기 요크 축은 동일한 축이거나 서로 다른 축일 수 있다.) 상기 요크에 대하여 상기 제1 가동 섹터 플레이트를 위치시키는 제1 서보 어셈블리가 이용될 수 있다. 또한, 상기 제1 가동 섹터 플레이트는 상기 제1 가동 섹터 플레이트의 아치형 위치와 독립적으로 상기 제1 사축 피스톤 구동 유닛의 상기 회전 그룹과 상기 요크의 상기 유체 채널 사이에 유체가 흐를 수 있도록 하기 위한 세장형 개구를 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 제2 사축 피스톤 구동 유닛의 회전 그룹은 제1 사축 피스톤 구동 유닛과 독립적인 제2 사축 피스톤 구동 유닛의 구동 샤프트 축 및 회전 그룹 축 사이의 각도를 변경하기 위해 요크에 개하여 이동가능하도록 배치될 수 있거나 배치된다.
제1 사축 피스톤 구동 유닛과 마찬가지로, 제2 가동 섹터 플레이트가 제2 사축 피스톤 구동 유닛의 회전 그룹에 연결될 수 있으며, 제2 사축 피스톤 구동 유닛은 요크의 내부에서 제2 사축 피스톤 구동 유닛의 구동 샤프트 축에 수직인 제2 섹터 플레이트 축에 대하여 이동 가능하다(그 전과 같이, 제2 섹터 플레이트 축 및 요크 축은 동일하거나 다른 축임). 바람직한 실시예에서, 제 2 가동 섹터 플레이트 및 제 2 가동 섹터 플레이트 둘 다 이용된다. 요크에 대하여 제2 가동 섹터 플레이트를 위치시키는 제 2 서보 어셈블리가 이용될 수 있다. 그리고, 이전과 같이, 제2 가동 섹터 플레이트는 제2 사축 피스톤 구동 유닛의 회전 그룹 및 제2 가동 섹터 플레이트의 아치형 위치와 독립적인 요크의 유체 채널 사이에 유체가 흐를 수 있도록 하기 위한 세장형 개구를 포함할 수 있다.
특정 실시예에서, 요크는 각각의 제1 사축 피스톤 구동 유닛 및 제2 사축 피스톤 구동 유닛의 구동 샤프트 축 및 회전 그룹 축 사이의 각도를 동시에 적어도 0~약 40도로 변경하도록 회전할 수 있다. 그리고, 제1 사축 피스톤 구동 유닛의 구동 샤프트 축 및 회전 그룹 축 사이의 각도는 제2 사축 피스톤 구동 유닛과 독립적으로 적어도 0~약 20도로 변경될 수 있다.
제1 사축 피스톤 구동 유닛 및 제2 사축 피스톤 구동 유닛에서, 구동 샤프트 축은 평행일 수 있으며, 회전 그룹 축은 평행이 아닐 수 있다.
의도된 적용에 의존하여, 제1 사축 피스톤 구동 유닛 및 제 2 사축 피스톤 구동 유닛 둘 중 하나는 펌프로서 제공될 수 있으며, 다른 제1 사축 피스톤 구동 유닛 및 제2 사축 피스톤 구동 유닛은 모터로서 제공될 수 있다.
본 발명의 연관된 방법에서, 제1 사축 피스톤 구동 유닛의 구동 샤프트 축 및 회전 그룹 사이의 각도는 일반적인 요크 디자인을 가지는 하이드로스태틱 변속기의 제2 사축 피스톤 구동 유닛과 독립적으로 변경된다. 상기 방법은 제2 사축 피스톤 구동 유닛과 독립적인 제1 사축 피스톤 구동 유닛의 구동 샤프트 축 및 회전 그룹 축 사이의 각도를 변경하도록 요크에 대하여 이동가능한 제1 사축 피스톤 구동 유닛의 회전 그룹을 배치시키는 단계를 포함하며, 일 실시예에서, 요크의 내부에서 제1 사축 피스톤 구동 유닛의 구동 샤프트 축에 수직인 축에 대하여 이동 가능한 제1 가동 섹터 플레이트를 포함하고, 제1 가동 섹터 플레이트는 제1 사축 피스톤 구동 유닛의 회전 그룹에 연결된다. 또 다른 실시예에서, 제2 가동 섹터 플레이트는 대체되거나 추가적으로 포함되고, 제2 사축 피스톤 구동 유닛과 같은 방식으로 연결되며, 또 다른 실시예에서, 다른 수단이 요크에 대하여 이동할 수 있도록 하기 위하여 제1 사축 피스톤 구동 유닛 및/또는 제2 사축 피스톤 구동 유닛의 회전 그룹을 위치시키는데 이용될 수 있으며, 제1 사축 피스톤 구동 유닛 및 제2 사축 피스톤 구동 유닛 사이의 각도를 동적 조정하도록 이용될 수 있다. 예를 들어, 축소된 요크 형상이 변속기의 주요 요크 내부에서 고려될 수 있다.
도 1는 US 2010/0212309에서의 선행 기술 하이드로스태틱 변속기를 나타내는 도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 하이드로스태틱 변속기의 사시도.
도 3은 도 2의 하이드로스태틱 변속기의 측면도.
도 4는 도 2의 하이드로스태틱 변속기의 정면도.
도 5는 요크 내부에 형성된 유체 연결 채널을 나타내도록 요크의 섹션을 제거한 도 2의 하이드로스태틱 변속기의 사시도.
도 6는 두 개의 사축 피스톤 구동 유닛을 나타내도록 요크의 섹션을 제거한 도 2의 하이드로스태틱 변속기의 사시도.
도 7는 도 4의 하이드로스태틱 변속기의 A-A 단면도.
도 8는 도 4의 하이드로스태틱 변속기의 B-B 단면도.
도 9는 하우징 및 요크를 제외한, 도 2의 하이드로스태틱 변속기의 제1 사축 피스톤 구동 유닛 및 제2 사축 피스톤 구동 유닛 및 섹터 플레이트를 나타내는 도.
일반적으로 기술에 이용된 바와 같이, “시스템 사이즈(system size)”는 하이드로스태틱 변속기에서 펌프 및 모터 용량을 합한 값을 말한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 하이드로스태틱 변속기(hydrostatic variator) 또는 유압 모듈(hydraulic module, 50)의 사시도이다. 하이드로스태틱 변속기(50)는 도면의 좌측에 있는 제1 사축 피스톤 구동 유닛(first bent axis piston drive unit, 52) 및 도면의 우측에 있는 제2 사축 피스톤 구동 유닛(second bent axis piston drive unit, 54)을 지지하는 하우징(housing, 56)을 포함한다. 하우징(56)은 각각의 사축 피스톤 구동 유닛(52, 54)의 말단부(distal end)를 지지하며, 하우징(56)에 대하여 각각의 사축 피스톤 구동 유닛(52)이 회전 하는 것을 허용한다. 하우징(54)이 형성되어, 각각의 사축 피스톤 구동 축(52, 54)의 출력 샤프트(output shafts)(도면에 도시되지 않음)는 서로 평행이며 일반적으로 하우징에 수직에 있다. 각각의 사축 피스톤 구동 유닛(52, 54)은 각각의 출력 샤프트(도면에 도시되지 않음)에 연결되며 실린더 블록(cylinder block, 72)의 안팎으로 이동가능한 적어도 두 개의 피스톤(74)(본 예시에서, 9개의 피스톤)을 포함한다. 피스톤의 말단부는 피스톤 및 샤프트 사이에서의 각도 변경을 허용하는 구형부(spherical portion)를 포함하며, 샤프트는 회전한다(다른 실시예에서, 출력 샤프트는 평행일 필요가 없음).
하이드로스태틱 변속기(50)는 일반적인 요크로 참조될 수 있는 요크(58)를 더 포함하며, 요크(58)는 각각의 사축 피스톤 구동 유닛(52, 54)의 전단부(proximal end)를 지지하고 각각의 사축 피스톤 구동 유닛이 요크(58)에 대하여 회전 하는 것을 허용한다. 요크(58)가 단일 또는 일반적인 요크를 형성하도록 함께 연결되고 서로데 애하여 축(60)에 관해 각도적으로 어긋나있는 두 개의 부분(58a, 58b)을 포함하도록, 요크(58)가 형성된다. 본 예시에서, 요크부(yoke portions, 58a, 58b)는 20도의 각도로 어긋나있으며, 다른 각도로 어긋나는 것을 예상할 수 있다. 그러므로, 제1 사축 피스톤 구동 유닛(52)의 출력(또는 입력) 샤프트(도면에 도시되지 않음) 및 실린더 블록(70) 사이의 각도는 제2 사축 피스톤 구동 유닛(54)의 출력(또는 입력) 샤프트(도면에 도시되지 않음) 및 실린더 블록(72) 사이의 각도와 다를 것이다.
요크(58)는 축(60)에 대한 하우징(56)에 대하여 회전 가능 하다. 이러한 방식으로 요크(58)를 회전시켜, 각각의 제1 및 제2 사축 피스톤 구동 유닛(52, 54)의 출력(또는 입력) 샤프트 및 실린더 블록(70, 72) 사이의 각도는 하기에 더 자세히 설명하는 바와 같이 변경될 수 있다. 예를 들어 전기 기계적 잭 스크류(electro-mechanical jack screws), 회전 스테퍼 모터(rotary stepper motor) 등을 이용하여 요크의 각도가 조절될 수 있다. 여기에서, 한 쌍의 (도 2에 도시된) 셋팅 피스톤(setting pistons, 66) 및 (도 2에 도시되지 않은) 셋팅 피스톤(80)으로 이루어진 요크 서보 어셈블리(yoke servo assembly, 170)는 말단부에서 요크(58)에 연결되며, 전단부는 요크(58)가 하우징(56)에 대하여 회전하도록 하우징 위에 배치된 (도 2에 도시된) 실린더(68) 및 (도 2에 도시되지 않은) 실린더(84)의 안팎으로 이동할 수 있다. 일반적으로, 요크 서보 어셈블리(66)는 원통형이며, 적합한 유압 유체(hydraulic fluid), 예를 들어 미네랄 오일을 이용하여 구동된다. 말단부가 하우징(56)에 연결되고 전단부는 요크(58)위에 배치된 실린더 내에서 이동가능하도록 피스톤이 배치되는 것이 적합할 것이다. 또한, 하우징은 요크(58)로 유압 유체를 유입시키고 요크(58)로부터 유압 유체를 제거하는데 이용되는 릴리프 밸브(relief valves, 76a, 76b)를 포함한다.(밸브(76a, 76b)는 고압 포트에서 저압 포트로 압력을 감소시키는데 이용될 수 있다. 밸브(76a, 76b)는 밸브를 이용하여 개폐되는 요크(58) 내부에서 채널과 결합하여 이용된다. 동적 실(dynamic seals)을 지나 누출되는 오일을 형성하는 부스트 포트(boost port, 102c)는 요크(58)에 포함될 것이다.)
또한, 요크(58)는 두 개의 서보 어셈블리 또는 셋팅 메커니즘부(62, 64)를 포함한다. 각각의 서보 어셈블리(62, 64)는 하기에 기술되는 바와 같이, 피스톤 및 실린더를 포함한다. 요크(58) 내에서 및 요크(58)에 관하여 및 제2 사축 피스톤 구동 유닛(54)의 실린더 블록(72)과 독립적으로 실린더 블록(70)을 아치형으로 이동시키도록, 도면에 화살표로 나타낸대로, 제1 서보 어셈블리(62)가 이동할 수 있다. 요크(58) 내에서 및 요크(58)에 관하여 및 제1 사축 피스톤 구동 유닛(52)의 실린더 블록(72)과 독립적으로 실린더 블록(70)을 아치형으로 이동시키도록, 도면에 화살표로 나타낸대로, 제2 서보 어셈블리(64)가 이동할 수 있다. 실린더 블록(70, 72)이 요크(58)의 회전 축으로부터 일정한 거리에서 아치형으로 이동하기 때문에, “아치형으로(arcuately)”는 실린더 블록(70, 72)의 이동을 설명하는데 이용된다.
도 3은 도 2의 하이드로스태틱의 측면도를 나타낸다. 도 2에 이용된 참조 번호는 동일한 특징을 나타내도록 도 3에서도 이용되었다. 셋팅 피스톤(80) 및 실린더(84)가 도면에 도시되었다. 작동에 있어서, 요크 셋팅 피스톤(66, 80)은 반대로 작동한다. 즉, 요크 셋팅 피스톤(66)은 시계 방향으로 요크(58)를 회전시키는데 이용되며, 요크 셋팅 피스톤(80)은 반시계 방향으로 요크(58)를 회전시키는데 이용된다. 제1 사축 피스톤 구동 유닛(52)의 출력 샤프트(82)가 도면에 도시되었다. 샤프트(82)는 샤프트를 다른 장치 또는 어셈블리에 연결하도록 복수의 스플라인(splines, 86)을 포함한다.
도 4는 도 2의 하이드로스태틱 변속기의 전면도를 나타낸다. 도 2에서 이용된 참조 번호는 동일한 특징을 나타내도록 도 4에서도 이용되었다. 도 4는 이전의 도면에서 나타난 단면 A-A 및 B-B의 위치를 나타낸다.
도 5는 요크(58) 내에 형성된 유체 연결 채널을 나타내도록 요크(58)의 섹션을 제거한 도 2의 하이드로스태틱 변속기의 사시도를 나타낸다. 요크(58)의 절단면(cut surface)은 대각선 해칭(diagonal hatching)에 의해 도면에 도시된다. 도 2에 이용된 참조 번호는 동일한 특징을 나타내도록 도 5에서도 이용되었다.
도 5에서, 제1 및 제2 서보 어셈블리(62, 64)의 제1 및 제2 피스톤(90, 92)이 도시되었다. 피스톤(90, 92)은 도면에서 화살표로 나타낸 방향으로 이동 가능하다. 제1 및 제2 피스톤(90, 92)은 (도면에 도시하지 않은)각각의 실린더 내에서 이동 가능하며, 각각의 제1 및 제2 사축 피스톤 구동 유닛(52, 54)에 연결되어, 제1 또는 제2 피스톤(90, 92)이 도면에서 화살표로 나타낸대로 움직일 때, 각각의 사축 유닛의 실린더 블록이 각각의 피스톤(90, 92)과 함께 이동한다. 각각의 피스톤(90, 92)은 (미도시된) 실린더 내에서, 피스톤(90, 92)을 밀봉하는데 이용되는 각각의 말단에서 립 실(lip seal) 또는 o-링 실(o-ring seal)(94, 96)을 포함한다. 각각의 피스톤(90, 92)은 사실상 두 개의 정반대 피스톤이어서, (도면 방향을 따라)상부 피스톤부(upper piston portion)는 (도면 방향에 따라) 아래쪽으로 위치를 이동시키도록 작동되며, (도면 방향을 따라)하부 피스톤부(lower piston portion)는 (도면 방향에 따라)위쪽으로 위치를 이동시키도록 작동된다. 피스톤(90, 92)은 적합한 유압 유체, 예를 들어 미네랄 오일을 이용하여 구동된다.
제1 유체 채널(fluid channel, 98) 및 제2 유체 채널(100)이 도면에 도시된다. 제1 및 제2 유체 채널(98, 100)은 제1 및 사축 피스톤 구동 유닛(52, 54)에 유체적으로 연결된다. 즉, 제1 및 제2 유체 채널(98, 100)은 제1 사축 피스톤 구동 유닛(52, 54) 사이를 유체적으로 연결시킨다. 관통 홀(106a, 106b, 106c, 106d)은 유체 채널(98, 100) 및 사축 피스톤 구동 유닛(52, 54) 사이에 들어가는 각각의 유체 채널(98, 100)의 각 말단에서 요크(58)에 제공된다. 예를 들어, 작동 중에, 제1 유체 채널(98)은 제1 사축 피스톤 구동 유닛(52)에서 제1 사축 피스톤 구동 유닛(54)로 유체를 전달하며, 제2 유체 채널(100)은 제2 사축 피스톤 구동 유닛(54)에서 제1 사축 피스톤 구동 유닛(52)으로 유체를 전달한다. 그러나, 유체의 전달은 각각의 사축 피스톤 구동 유닛(52, 54)의 회전 방향에 따라 달라진다.
도 5 및 상술한 설명은 폐쇄 루프 시스템(closed loop system)에 관한 것이다. 기술에 숙련된 자에게 잘 알려져 있는 개방 루프 시스템이 이용될 수 있다. 개방 루프 시스템으로, 하나의 유체 채널(98 또는 100)이 배제될 것이며, 전체 어셈블리를 포함하며 유압 유체로 채워지는 경우 직접 개구부(direct opening)로 대체된다.
도 6는 사축 피스톤 구동 유닛(52, 54)을 나타내도록 요크(58)의 섹션을 제거한 도 2의 하이드로스태틱 변속기의 사시도를 나타낸다. 요크(58)의 절단면은 대각선 해칭으로 도면에 도시된다. 도 2에 이용된 참조 번호는 동일한 특징을 나타내도록 도 6에서도 이용되었다.
제1 사축 피스톤 구동 유닛(52)은 변속기(50)의 좌측에 도시되었다. 제1 사축 유닛(52)은 요크(58)내부에서 축(60)에 대하여 아치형으로 이동 가능한 제1 섹터 플레이트(sector plate, 106)를 포함한다(여기에서 이러한 방식으로 그려졌지만, 제1 섹터 플레이트가 회전하는 제1 섹터 플레이트 축은 는 요크가 회전하는 요크 축(60)과 같지 않아야 한다. 제1 섹터 플레이트 축은 요크 축(60)에 어긋날 수 있으며 요크 축(60)과 평행일 수 있다.). 제1 섹터 플레이트(106)가 제1 사축 피스톤 구동 유닛(52)의 실린더 블록(70)에 연결되어서, 실린더 블록(70)은 섹터 플레이트(106)에 대하여 회전할 수 있다. 제1 섹터 플레이트(106)는 피스톤(90)의 협동 결합부(cooperating coupling) 또는 볼을 함께 연결시키는 결합부 또는 소켓(112)을 포함한다(피스톤(90)은 도면에 도시되지 않음). 여기에서, 볼 및 소켓(112) 배열이 이용되어서, 피스톤(90)의 이동은 선형일 수 있으며, 섹터 플레이트(106)의 이동은 아치형일 수 있다. 제1 섹터 플레이트(106)는 제1 및 제2 관통 홀(118, 120)을 포함하여, 제1 사축 피스톤 구동 유닛의 실린더 블록(70)으로부터 요크(58)의 유체 채널(98, 100)(채널(100)은 도면에 도시되지 않음)로 유체가 섹터 플레이트(106)를 통과할 수 있다. 섹터 플레이트(106)가 아치형으로 이동함에 따라, 적어도 개구부(118, 120)가 요크(58)의 관통 홀(106c, 106d)과 일렬로 놓이도록 관통 홀(118, 120)이 연장되며, 일 실시예에서, 피스톤(90)이 위쪽 또는 아래쪽으로 이동할 때, 제1 섹터 플레이트(106)은 시계 방향 또는 반시계 방향으로 이동한다.
제2 사축 피스톤 구동 유닛(54)가 변속기(50)의 우측에 도시되었다. 제2 사축 피스톤 구동 유닛(54)은 요크(58)내에서 축(60)에 관해 아치형으로 이동 가능한 제2 섹터 플레이트(108)를 포함한다.(다시, 이러한 방식으로 그려지더라도, 제 2 섹터 플레이트가 회전하는 제2 섹터 플레이트 축은 요크가 회전하는 요크 축(60)과 동일하지 않아야 한다. 제2 섹터 플레이트 축은 요크 축(60)에 어긋날 수 있으며, 요크 축(60)과 평행일 수 있다). 제2 섹터 플레이트(108)가 제2 사축 피스톤 구동 유닛(54)의 실린더 블록(72)에 연결되어서, 실린더 블록(72)은 제2 섹터 플레이트(108)에 대하여 회전할 수 있다. 제2 섹터 플레이트(108)는 피스톤의 협동 결합부 또는 볼(110)을 함께 연결시키는 결합부 또는 소켓(116)을 포함한다. 볼(110) 및 소켓(116) 배열이 이동되어서, 피스톤(92)의 이동은 선형일 수 있으며, 제2 섹터 플레이트(108)의 이동은 아치형일 수 있다. 또한, 제2 사축 피스톤 구동 유닛(54)의 실린더 블록(72)으로부터 요크(58)의 유체 채널(98, 100)로 유체가 제2 섹터 플레이트(108)을 통과할 수 있도록 제2 섹터 플레이트(108)가 제1 및 제2 관통 홀(112, 114)을 포함한다(채널(100)은 도면에 도시되지 않음). 제2 섹터 플레이트(108)가 아치형으로 이동함에 따라, 적어도 개구부(112, 114)가 요크(58)의 관통 홀(106a, 106b)과 일렬로 놓이도록, 관통 홀(112, 114)이 연장된다(관통 홀(106a, 106b)은 도면에 도시되지 않음). 작동에 있어서, 피스톤(92)이 위쪽 또는 아래쪽으로 이동할 때, 제2 섹터 플레이트(108)는 시계 방향 또는 반시계 방향으로 아치형으로 이동한다.
도 7는 도 2에 나타낸 하이드로스태틱 변속기(50)의 A-A 단면도를 나타낸다. 단면 A-A의 위치는 도 4에서 나타난다. 특히, 단면은 제1 사축 피스톤 구동 유닛(52)를 통과하는 섹션을 도시한다. 다양한 소자의 절단면은 대각선 해칭으로 도면에 도시된다. 도 1~6에 이용된 참조 번호는 동일한 특징을 나타내도록 도 7에서도 이용되었다.
샤프트(82)는 샤프트가 자유롭게 회전하도록 하나 이상의 베어링(bearings, 132)을 이용하여 하우징(56)에 배치된다. 도면에서 피스톤 어셈블리(62)는 피스톤(90) 및 연결된 실(94)이 원통형 챔버(cylindrical chamber) 또는 실린더(138)로 보여질 수 있는 단면에 도시되었다. 피스톤(90)은 제1 섹터 플레이트(106)의 소켓(112)에 연결되는 볼(136)을 포함하여, 피스톤(90)이 선형으로 이동할 때, 제1 섹터 플레이트(106)은 도면에 나타낸대로 아치형으로 이동한다. 도면에 화살표로 나타낸대로 피스톤이 이동함에 따라 제1 섹터 플레이트(106)에 관하여 피스톤의 볼(136)의 이동을 허용하도록, 제1 섹터 플레이트(106)에서 소켓 또는 개구부(112)가 연장된다.
제1 사축 피스톤 구동 유닛(52)의 제1 섹터 플레이트(106)는 실린더 블록(70)을 회전시키기 위하여 실린더 블록(70)의 중심에 배치되는 스핀들(spindle, 134)을 포함한다. 제1 섹터 플레이트(106)는 제1 섹터 플레이트(106)가 아치형으로 움직일 수 있는 트랙(track)을 제공하는 요크(58)의 연장 오목부(elongate recess)에 배치된다.
도 8은 도 2에 나타낸 하이드로스태틱 변속기(50)의 B-B 단면을 나타낸다. 단면 B-B의 위치는 도 4에 나타난다. 특히, 단면은 제2 사축 피스톤 구동 유닛(54)을 통과하는 섹션을 도시한다. 다양한 소자의 절단면이 대각선 해칭으로 도면에 도시된다. 도 1~6에 이용된 참조 번호는 동일한 특징을 나타내도록 도 8에서도 이용된다.
도 8에 나타낸 제2 사축 피스톤 구동 유닛(54)의 소자의 부품, 형상 및 작동은 도 7에 나타낸 제1 사푹 피스톤 구동 유닛(52)를 통과하는 단면에 도시된 바와 유사하다. 하나 이상의 베어링(152)을 이용하여 하우징(56)에 배치되는 샤프트(148)가 도시되며, 샤프트는 복수의 스플라인(splines, 164)을 포함한다. 샤프트(148)의 회전 축이 도면에 도시된다. 피스톤 어셈블리(64)는 피스톤(92) 및 연결된 실(96)이 원통형 챔버 또는 실린더(158)로 보일 수 있는 단면에 도시되었다. 피스톤(92)은 제2 섹터 플레이트(108)의 소켓(116)에 연결되는 볼(110)을 포함한다. 제2 섹터 플레이트(108)는 스핀들(154) 및 (도면에 도시되지 않은)하나 이상의 실을 포함한다. 실린더 블록(72)은 9개의 실린더(162) 및 각각 9개의 피스톤(74)을 포함한다.
도 9는 하우징(56) 및 요크(58)가 제거된 제1 및 제2 사축 피스톤 구동 유닛(52, 54)만을 나타낸다. 도 1~8에서 이용된 참조 번호는 동일한 특징을 나타내기 위해 도 8에서도 이용되었다.
변속기(50)의 작동은 도 2~9와 관련하여 기술된 소자를 이용하여 기술되었다.
작동에 있어서, 제1 사축 피스톤 구동 유닛(52)은 펌프로서 작동될 수 있으며, 제2 사축 피스톤 구동 유닛(54)은 모터로서 작동될 수 있다. 사축 피스톤 구동 유닛 둘 중 하나가 펌프 또는 모터로서 작동될 수 있는 것이 이해될 것이다.
펌프의 샤프트(148)가 회전하면, 샤프트(82, 148) 및 스핀들(134, 154) 사이의 각도는 요크 서보 어셈블리(170)을 이용하여 요크 축(60)에 대해 요크(58)를 회전시켜 동시에 조정될 수 있다. 또한, 샤프트(82, 148) 및 스핀들(134, 154) 사이의 각도는 각각의 제1 및 제2 서보 어셈블리(62, 64)의 피스톤 어셈블리(90, 92) 및 실린더(148, 158)을 이용하여 독립적으로 조정될 수 있다. 상술한 바와 같이, 각각의 제1 및 제2 서보 어셈블리의 이동은 요크(58) 내로 및 요크(58)에 대하여 섹터 플레이트(106, 108)을 아치형으로 이동시킨다. 따라서, 요크(58)를 회전시켜, 입력 샤프트(82)(제1 사축 피스톤 구동 유닛(52)의 샤프트(82)) 및 출력 샤프트(148)(제2 사축 피스톤 구동 유닛(54)의 샤프트(148)) 사이의 속도비가 변경되며, 제1 및/또는 제2 섹터 플레이트(106, 108)을 이동시켜, 시스템의 크기가 변경된다. 시스템의 사이즈를 변경하여, 최대 디자인 토크와 다른 조건에 대하여 효율이 극대화된다. 더 작은 시스템 사이즈로 구동될 때, 출력부에서 토크 스파이크 펠트(torque spike felt)에 반응하여 시스템의 사이즈를 “증가(growing)”시켜 시스템이 적은 충격만을 흡수할 수 있다. 즉, 극심한 압력 스파이크(pressure spikes)를 감소시키고 및/또는 제거할 수 있다.
본 발명의 가능한 다른 실시예는 단일 가동 섹터 플레이트만을 포함하고, 즉 다른 회전 그룹은 가동 섹터 플레이트를 가지지 않으면, 회전 그룹 중 하나의 각도만 요크에 대하여 변경가능하고, 요크에 대한 다른 회전 그룹의 각도는 고정된다. 물론, 두 개의 섹터 플레이트가 이용되는 경우 이루어질 수 있는 가능한 이탈 각도 범위를 감소시킨다.
본 발명으로, 바람직하게 각도 조절 범위가 요크와 독립적인 변속기의 각도 조절 범위와 비슷하다. 이런 점에서, 본 사축 피스톤 구동 유닛은 이용된 피스톤 및 볼 소켓 형상의 제한 때문에 약 40~45도의 실질적인 한도를 가진다. 섹터 플레이트에 의해 제공된 추가 조절은 최대 요크 변위의 절만 미만인 것으로 예상된다. 예를 들어, 펌프 및 모터 사이의 최대 전체 변위 각도가 40도인 경우, 섹터 플레이트는 각각 약 20도의 추가 조절 범위를 제공할 수 있다(각도를 조절하기 위해 섹터 플레이트만을 이용한 선행기술 변속기에서, 섹터 플레이트 및 하우징 사이의 포팅 슬롯(porting slots)의 제한 때문에 더 큰 각도 범위를 가지기 어렵다. 슬롯의 어떤 위치에서 매우 큰 각도 때문에 포트를 초크-오프(choke off)하며, 효율은 손실될 것이다).
본 발명이 여러 실시예 및 도시한 도면에 대한 예시로서 여기에서 설명되는 동안, 기술의 숙련자는 본 발명이 설명된 실시예 또는 도면을 제한하지 않는 것으로 인식될 것이다. 도면 및 상세한 설명은 개시된 특정 형상으로 본 발명을 제한 하지 않으나, 반대로 본 발명은 본 발명의 정신 및 범위 내에서 모든 수정, 등가물 및 대안을 보호할 수 있다. 여기에서 이용된 제목은 오직 관리 목적이며, 설명의 범위를 제한하기 위해 이용되는 것을 의미하지 않는다. 본 적용을 통해 사용됨에 따라, 용어 “…일 수도 있다(may)”는 의무적인 뜻(즉, “…해야 한다(must)”가 아닌 관대한 뜻(즉, …할지도 모른다(might)으로 이용된다. 유사하게, 용어 “포함하다(include)”, “포함하는(including)”, 및 “포함하다(includes)”는 포함하는 것을 의미하며 제한되지 않는다.

Claims (15)

  1. 하이드로스태틱 변속기로서,
    하우징(housing); 회전 그룹(rotating group)을 각각 포함하는 제1 사축 피스톤 구동 유닛(bent axis piston drive units) 및 제2 사축 피스톤 구동 유닛; 요크(yoke); 및 상기 하우징에 대하여 상기 요크를 위치시키는 요크 서보 어셈블리(yoke servo assembly);를 포함하고,
    상기 각각의 회전 그룹은 상기 요크 내부에서 회전하도록 배치되며,
    상기 요크는 상기 제1 사축 피스톤 구동 유닛과 상기 제2 사축 피스톤 구동 유닛 사이가 유체 연결될 수 있도록 마련된 적어도 하나의 유체 채널(fluid channel)를 포함하고,
    상기 요크는 각각의 상기 제1 및 제2 사축 피스톤 구동 유닛의 구동 샤프트 축(drive shaft axis)과 회전 그룹 축(rotating group axis) 사이의 각도를 동시에 변경하도록, 상기 제1 사축 피스톤 구동 유닛의 구동 샤프트 및 상기 제2 사축 피스톤 구동 유닛의 구동 샤프트에 수직인 요크 축에 대해 회전 가능하고;
    상기 제1 사축 피스톤 구동 유닛의 상기 회전 그룹은 상기 제2 사축 피스톤 구동 유닛과 독립적으로 상기 구동 샤프트 축과 상기 제1 사축 피스톤 구동 유닛의 상기 회전 그룹 축 사이의 각도를 변경하도록 상기 요크에 대해 이동 가능하게 배치되는 하이드로스태틱 변속기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 사축 피스톤 구동 유닛의 상기 회전 그룹에 연결되는 제1 가동 섹터 플레이트를 포함하고,
    상기 제1 가동 섹터 플레이트는 상기 요크의 내부에서 상기 제1 사축 피스톤 구동 유닛의 상기 구동 샤프트 축에 수직인 제1 섹터 플레이트 축에 대해 아치형으로 이동 가능한 하이드로스태틱 변속기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 요크에 대하여 상기 제1 가동 섹터 플레이트를 위치시키는 제1 서보 어셈블리를 포함하는 하이드로스태틱 변속기.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 가동 섹터 플레이트는 상기 제1 가동 섹터 플레이트의 아치형 위치와 독립적으로 상기 제1 사축 피스톤 구동 유닛과 상기 요크의 상기 유체 채널 사이에 유체가 흐를 수 있도록 세장형 개구를 포함하는 하이드로스태틱 변속기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 사축 피스톤 구동 유닛의 상기 회전 그룹은 상기 제1 사축 피스톤 구동 유닛과 독립적으로 상기 구동 샤프트 축과 상기 제2 사축 피스톤 구동 유닛의 상기 회전 그룹 축 사이의 각도를 변경하도록 상기 요크에 대해 이동 가능하게 배치되는 하이드로스태틱 변속기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 사축 피스톤 구동 유닛의 상기 회전 그룹에 연결되는 제2 가동 섹터 플레이트를 포함하고,
    상기 제2 가동 섹터 플레이트는 상기 요크의 내부에서 상기 제2 사축 피스톤 구동 유닛의 상기 구동 샤프트 축에 수직인 제2 섹터 플레이트 축에 대해 아치형으로 이동 가능한 하이드로스태틱 변속기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 요크에 대하여 상기 제2 가동 섹터 플레이트를 위치시키는 제2 서보 어셈블리를 포함하는 하이드로스태틱 변속기.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제2 가동 섹터 플레이트는 상기 제2 가동 섹터 플레이트의 아치형 위치와 독립적으로 상기 제2 사축 피스톤 구동 유닛과 상기 요크의 상기 유체 채널 사이에 유체가 흐를 수 있도록 세장형 개구를 포함하는 하이드로스태틱 변속기.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 요크는, 각각의 상기 제1 및 상기 제2 사축 피스톤 구동 유닛의 상기 구동 샤프트 축과 상기 회전 그룹 축 사이의 각도를 동시에 변경하도록, 0 내지 약 40도 범위에서 회전 가능한 하이드로스태틱 변속기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 구동 샤프트 축과 상기 제1 사축 피스톤 구동 유닛의 상기 회전 그룹 축 사이의 각도는 상기 제2 사축 피스톤 구동 유닛과 독립적으로 0 내지 약 20도의 범위에서 변경 가능한 하이드로스태틱 변속기.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 사축 피스톤 구동 유닛의 상기 샤프트의 축과 상기 제2 피스톤 구동 유닛의 상기 샤프트의 축은 평행인 하이드로스태틱 변속기.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 사축 피스톤 구동 유닛의 상기 회전 그룹의 축과 상기 제2 사축 피스톤 구동 유닛의 상기 회전 그룹의 축은 평행하지 않은 하이드로스태틱 변속기.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 사축 피스톤 구동 유닛 및 상기 제2 사축 피스톤 구동 유닛 중 하나는 펌프이고, 다른 하나는 모터인 하이드로스태틱 변속기.
  14. 하이드로스태틱 변속기에서 구동 샤프트 축과 제1 사축 피스톤 구동 유닛의 회전 그룹의 축 사이의 각도를 제2 사축 피스톤 구동 유닛과 독립적으로 변경하는 방법으로서,
    상기 하이드로스태틱 변속기는
    하우징; 회전 그룹을 각각 포함하는 상기 제1 사축 피스톤 구동 유닛 및 제2 사축 피스톤 구동 유닛; 요크; 및 상기 하우징에 대하여 상기 요크를 위치시키는 요크 서보 어셈블리;를 포함하고, 상기 각각의 회전 그룹은 상기 요크 내부에서 회전하도록 배치되고, 상기 요크는 상기 제1 사축 피스톤 구동 유닛과 상기 제2 사축 피스톤 구동 유닛 사이가 유체 연결될 수 있도록 마련된 적어도 하나의 유체 채널을 포함하고;
    상기 요크는 각각의 상기 제1 및 제2 사축 피스톤 구동 유닛의 상기 구동 샤프트 축과 상기 회전 그룹 축 사이의 각도를 동시에 변경하도록, 상기 제1 사축 피스톤 구동 유닛의 구동 샤프트 및 상기 제2 사축 피스톤 구동 유닛의 구동 샤프트에 수직인 요크 축에 대해 회전 가능하고,
    상기 방법은
    상기 제2 사축 피스톤 구동 유닛과 독립적으로 상기 구동 샤프트 축과 상기 제1 사축 피스톤 구동 유닛의 상기 회전 그룹 축 사이의 각도를 변경하도록 상기 제1 사축 피스톤 구동 유닛의 상기 회전 그룹을 상기 요크에 대해 이동 가능하게 배치하는 단계를 포함하는 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 요크 내부에서 상기 제1 사축 피스톤 구동 유닛의 상기 구동 샤프트 축에 수직인 제1 섹터 플레이트 축에 대해 아치형으로 이동 가능한 제1 가동 섹터 플레이트를 포함하는 단계, 및
    상기 제1 가동 섹터 플레이트를 상기 제1 사축 피스톤 구동 유닛의 상기 회전 그룹에 연결하는 단계를 포함하는 방법.

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