KR102558376B1 - 토션 스프링을 가지는 변속기 및 변속기의 작동방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 커플링 휠(4)과 토션 스프링(5)을 포함하고, 커플링 휠(4)은 동일한 샤프트에 회전가능하게 장착되고 토션 스프링(5)에 의하여 출력 샤프트(3)에 연결될 수 있으며, 구동 샤프트(2)와 커플링 휠(4) 사이에 회전하도록 고정된, 평면의, 압입-고정된 제1 커플링을 발생하고 해제하기 위한 제1 커플링 수단(7)을 또한 포함하며, 그 회전 속도들은 임의적이며 변할 수 있는 비율(무단 변속기)을 가지며, 샤프트(A) 위에 축방향으로 지지될 수 있는 구동 샤프트(2)로부터의 파워 또는 토크를 출력 샤프트(3)에 전달하기 위한 메카트로닉 변속기(transmission)에 대한 것이다. 본 발명에 따르면, 변속기가 출력 샤프트(3)에 대해 1:X의 고정된 변속 비를 가지며 회전가능한 지지 장치(6), 여기서 X는 대략 -10과 1 사이의 실수일 수 있으며, 및 지지 장치(6)와 커플링 기어(4) 사이에서 회전하도록 고정되고, 압입-고정된 제2 커플링을 생성하고 해제하기 위한 제2 커플링 수단(8)을 포함한다.

Description

토션 스프링을 가지는 변속기 및 변속기의 작동방법

본 발명은 커플링 휠과 토션 스프링을 포함하고, 커플링 휠은 동일한 샤프트위에 회전가능하게 장착되고 토션 스프링에 의하여 출력 샤프트에 연결될 수 있으며, 구동 샤프트와 커플링 휠 사이에 회전하도록 고정된, 평면의, 압입-고정된 제1 커플링을 생성하고 해제하기 위한 제1 커플링 수단을 또한 포함하며, 연속으로 변하는 변속 비가 제공되고, 샤프트 위에 축방향으로 지지될 수 있는 구동 샤프트로부터의 파워 또는 토크를 출력 샤프트에 전달하기 위한 변속기(transmission)에 대한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 변속기의 작동 방법에 대한 것이다.

엔진을 위한 대부분의 사례들에서, 속도 및 토크의 면에서 엔진의 바람직한 작동 범위는 기어 장비(gearing) 또는 변속을 필요로 하는 사례들의 범위 내에 속하지 않는다.

고정된 기어 장비 및 기어박스들은 대체로 광범위한 변수들의 랙-앤-피니언 구조 또는 기어-체인 변속에 기초한다. 그러한 기어 장비는 단지 하나 또는 작은 수의 기어 스테이지들을 가진다. 따라서, 소비 또는 효율(또는 다른 기준)의 측면에서 일정한 작동 지점에 대해 이상적인 기어 비를 선택하는 것은 항상 가능하지는 않다. 더욱이, 기어박스들은 견인력을 차단하거나 또는 배제하는 이중 클러치 회로를 특징으로 하는 한정된-속도의 절환 작동을 가진다.

연속으로 변할 수 있는 변속기들은 이러한 단점들을 가진다.

변속기들은, 입력 회전 속도와 출력 회전 속도 사이의 비율이 특징적인 작동 범위에서 자유로이 선택될 수 있으므로, "연속으로 변할 수 있는 변속기(continuously variable transmissions)"로 불린다. "연속으로 변할 수 있는(continuously variable)(영어 표현)"은 “시간이 연속하는(time continuous)(영어 표현)"과 혼동될 수 없는 것이 이해되어야 한다. 연속으로 변할 수 있는 변속기의 기어 비를 시간순으로 변경하는 한계 또는 가능성은 이하 구체적으로 설명될 것이다.

그러한 연속으로 변할 수 있는 변속기가 손실 없이 작동하고, 입력 파워와 출력 파워가 동일한 것으로 대략 상정한다. 파워는 토크와 회전 속도의 곱이므로, 입력과 출력 토크 사이의 비율은 입력과 출력 회전 속도 사이의 비율과 정확히 반대이다. 따라서, 이와 같이, 기어 비는 출력과 입력 회전 속도 사이의 비로서 이해된다. 달리 말하면, 이는 출력과 입력 토크 사이의 비율에 대응한다.

그러한 연속으로 변할 수 있는 변속기 기능을 보다 잘 이해하기 위하여, 이제 세 개의 작동 시나리오들이 검토된다. 예로서 도로 차량이 선택될 것이다. 후자에서, 구동은 통상적으로 크랭크샤프트에 토크를 생성하는, 내연 기관으로 구성된다. 이 크랭크샤프트가 변속기의 구동 샤프트에 견고하게 연결된 것으로 상정되므로, 이들 부품들은 하나로서 간주된다. 이러한 토크 또는 대응하는 파워는 구동 트레인(drivetrain)(연속으로 변할 수 있는 변속기의 출력 샤프트)를 거쳐 휠들에 전달되고, 차량을 구동한다. 휠들은 도로에 견고하게 접촉하는(슬라이딩이나 슬리핑 없이) 것으로 상정된다. 이러한 이유로서, 연속으로 변할 수 있는 변속기의 출력 샤프트의 회전 속도는 차량 속도에 비례한다. 비례 인자는 휠 반경과 구동 트레인에 통합된 구동 휠(예컨대, 차동)들과 연속으로 변할 수 있는 변속기 사이의 고정된 기어 장비에 대한 기어 비로 이루어진다. 차량을 가속하기 위해서는 그 관성을 극복하는 것이 필요하다. 이러한 관성은 상기 설명된 비례 인자와 같이 변속기 출력으로 컴퓨터에 의하여 전송된다.

그러므로, 연속으로 변할 수 있는 변속기는 비교적 작은 관성 모멘트를 가지는 엔진의 크랭크샤프트와, 커다란 관성 모멘트가 비례 인자에 의하여 전환된 차량 질량을 포함하는 구동 트레인 사이에 위치된다. 대부분의 연속으로 변할 수 있는 변속기는 구동 샤프트(크랭크샤프트) 또는 출력 샤프트(구동 트레인)에 불가피하게 연결되는 아주 작은 이동된 질량을 포함한다. 단순화를 위하여, 그러한 자유 질량은 이하의 예들에서 무시된다. 설명된 바와 같이, 연속으로 변할 수 있는 변속기는 또한 손실 없이 작동하는 것으로 상정된다.

작동 시나리오 1: 일정한 구동

차량이 일정하게 구동하려면, 엔진에 의하여 생성된 파워는 연속으로 변할 수 있는 변속기에 의하여 완전히 수용되고 전달되어야 한다. 더욱이, 이 파워는 모든 구동 저항의 저항 파워(resistance power)와 균형을 이루어야 한다. 차량의 저항 파워는 모든 저항력의 합과 차량 속도를 곱한 것이다. 이들은 공기 저항력이며, 비구동 휠의 마찰과 구동 트레인의 마찰에 기인한 저항력 및 기울기에 기인한 저항력이다. 유사한 방식으로, 저항력은 출력 토크와 구동 회전 속도의 곱과 같다. 연속으로 변할 수 있는 변속기에서, 일정하게 구동하는 이러한 고정 상태의 회전 속도 비는 소정 값을 가질 수 있다(작동 범위 내에서). 즉, 이러한 고정 상태는 소정의 기어 비로서 설정되나, 엔진 파워나 기어 장비를 바로 제어함으로써 현재 일정한 기어비이다. 이는 또한 엔진 토크와 출력 토크 사이의 비율이 정확하게 이러한 기어 비에 대응하는 것을 의미한다.

그러한 고정 상태에 대해 선택된 엔진 작동 지점은 이하와 같은 다양한 기준들에 기초한다. 예컨대: 저온 가동 동안의 이상적인 가온 회전 속도, 최적의 연료 효율적인 작동 또는 최적의 낮은-오염의 작동이 있다.

작동 시나리오 2: 일정한 엔진 파워를 통한 차량 가속

엔진이 일정한 작동 지점(예컨대, 최대 파워 또는 최적의 연료 효율적인 작동 지점)에 있는 것으로 상정한다. 즉, 엔진 속도, 엔진 토크 및 엔진 파워가 일정하다. 크랭크샤프트가 엔진에 의하여 가속되거나 감속되는 것을 방지하기 위하여 연속으로 변할 수 있는 변속기는 엔진에 의하여 생성된 토크, 및 대응하는 파워를 정확하게 흡수하여야 한다. 다른 한편, 변속기의 출력 토크, 따라서 출력 파워는 차량의 저항 토크, 따라서 저항 파워보다 더 커야 하므로, 차량은 가속한다. 다른 한편, 연속으로 변할 수 있는 변속기의 출력 파워는 손실 없는 경우 구동 파워와 정확히 동일하다. 차량 속도, 따라서 변속기의 출력 회전 속도는 연속으로 변하므로, 변속기의 출력 토크는 연속으로 조정되어야 한다(출력 토크 = 출력 파워/출력 회전 속도이므로).

이러한 가속 과정 동안, 차량에 대한 저항 파워는, 예컨대, 공기 저항의 증가 또는 경사의 변동에 기인하여 연속으로 변할 수 있다. 따라서, 진행하는 차량 속도, 그리고 출력 회전 속도는 종래 알려져 있지 않았다. 그러므로, 변속기 제어 유닛은 연속으로 출력 회전 속도를 측정하고 출력 토크를 제어하여야 한다. 이와 같이 변속기 제어 유닛은 회전 속도들 사이의 비(외부 영향을 기초로 변동하는)를 직접 제어하지 않고, 토크 비를 제어한다.

이러한 예는 또한 유사하게 차량 감속에 적용된다. 물론, 이어서 저항 파워는 구동 파워보다 더 커야 한다.

작동 시나리오 3: 구동 속도를 변경하면서 일정한 이동

여기서 차량은 엔진 상태가 제1 지점으로부터 제2 작동 지점으로 이동되면서 일정한 속도에서 구동하려고 한다. 차량에 대한 저항력, 따라서 저항 파워가 일정하게 유지되는 것으로 상정된다. 따라서, 구동 파워(엔진 파워)는 이 작동의 시작과 종기에서 동일하여야 한다. 예컨대, 회전 속도가 작동의 종기에서 더 작으면, 엔진 토크는 상응하게 더 높아야 한다(그리고 역 또한 같다).

이러한 작동 동안, 변속기의 출력은 일정한 회전 속도에서 일정한 파워, 및 따라서 일정한 토크를 방출하여야 한다. 대응하는 파워는 변속기에 의하여 구동 샤프트(크랭크샤프트)로부터 흡수되어야 한다. 변속기 제어유닛은 이와 같이 연속으로 변할 수 있는 변속기를 안내하여야 하므로 연속으로 상승하는 토크는 구동 샤프트에 의하여 흡수되고, 구동 샤프트의 연속으로 하강하는 회전 속도로 조정되어야 한다.

엔진 제어유닛은 그 자체 엔진이 예컨대 회전 속도의 감소 동안 연속으로 변할 수 있는 변속기에 의하여 흡수되는 파워보다 다소 작은 파워(즉, 다소 작은 토크)를 생성하는 것을 보장한다. 단지 이러한 경우, 엔진의 크랭크샤프트(관성)는 그의 회전속도(각도 모멘트)를 감소시킨다.

이러한 작동 시나리오에서만, 변속기 제어 유닛은 물리적인 정지 지점으로부터 토크(구동 샤프트 상의 토크)를 제어(변경)하여야 한다. 위에서 설명된 바와 같은 작동 시나리오 2와 3의 결합으로서 입력 회전속도(엔진 속도, 구동 회전속도)와 출력 회전속도(차량 속도, 출력 회전속도) 양자의 변동이 중단될 수 있는 일반적인 비-고정 작동 시나리오들에서 생성된 토크 사이의 차이에 기인해서 크랭크샤프트의 감속(또는 가속)으로부터 엔진 회전 속도는 상승하며, 두 샤프트들에 대해 양측 부호들을 가진 가속들이 가능하다.

요약: 구동 (엔진) 및 출력(차량)용 관성 모멘트들이 모두 무시할 수 없으므로, 연속으로 변할 수 있는 변속기 또는 그 제어유닛은 직접 회전 속도 비율을 설정할 수 없다. 기어 비를 변경할 때, 엔진 또는 엔진 제어 유닛과 연관되어 연속으로 변할 수 있는 변속기는 토크 불균형을 제공하여야 하므로, 대응하는 관성 질량이 가속되거나 감속된다. 이러한 물리적인 사실에도 불구하고, 고유의 판단에 의하면 변속기가 그의 기어 비를 제어한다라고 잘못 알려져 있다.

이러한 전체적인 접근은 일반적으로 적용할 수 있는, 연속으로 변할 수 있는 변속기의 효과적인 레이아웃과는 별개이다.

작동 시나리오(1)에서 시간 순으로(chronologically) 일정하고 작동 시나리오(2 및 3)에서 시간 순으로 변동하는 토크를 연속으로 변할 수 있는 변속기가 흡수하거나 방출하는 것으로 이들 생각이 이전에 상정하였음이 추가로 고려되어야 한다. 그러나, 상세하게 검토하면, 기어박스들과 연속으로 변할 수 있는 변속기의 구체적인 변형예들은 구조에 기인하여 주기적으로 시간 순으로 빈번하게 변하는 토크를 생성한다. 예컨대, 이들 불규칙성은 톱니의 탄성이나 마모(구조적인 결함)에 의해 기어 휠에서 또는 링크들의 팽창에 의하여 체인 기어들(모터사이클)에서 발생한다.

각각의 새로운 톱니 치합은 작동 동안 일정한 토크 변동을 생성한다. 연속으로 변할 수 있는 체인 변속기(variator)에서도, 베벨 기어에 진입하는 링크들은 그러한 토크 변동을 유발할 수 있다.

디스크로부터 벨트 또는 체인으로 전달되는 힘은 이론상으로 선형이나, 팽창 현상에 의하여 둘레의 작은 영역으로 한정된다. 따라서, 이들 전달은 높은 접촉 압력을 생성하고 단지 한정된 영역에 신속한 전달 변동을 허용하는 마찰 기어, 구체적으로 점 모양의 마찰 결합과 대략 같은 단점을 가진다.

설명된 바와 같이, 단계적인 전달은 소정의 기어 비를 나타낼 수 없다. 모든 공지의 기계적인, 연속으로 변할 수 있는, 변속기는 부품에 대한 높은 접촉력, 따라서 높은 표면 하중으로 변형되는, 점 모양 또는 선 구간에서 마찰을 경유하여 힘이 전달되는 단점을 가진다. 후자의 경우, 기어 비는 추가적으로 운동에서, 그리고 단지 한정된 속도에서 변동될 수 있다.

특히, 도로 차량의 구동 트레인은 실제로 빈번하고 매우 신속하게 변하는 부하에 노출된다. 단지 연속으로 변할 수 있으며 신속하게 변하는 변속기에 의해서만, 구동 엔진은 항상 이들 하중 프로파일을 가진 최적의 작동 상태에서 작동할 수 있다. 이러한 최적성은 예컨대, 소비, 오염물 또는 마모 또는 다른 기준을 최소화할 수 있다.

공보 WO2012008245 A1 및 WO2013008624 A1은 4개-바의 아크를 가진 연속으로 변할 수 있는 변속기를 설명한다. 대응하는 선회체(swivel body)를 가진 여러 4-바 아크들이 구동 샤프트에 배치된다. 이들 모든 선회체들은 프리휠들을 거쳐 구동 샤프트에 연결될 수 있으므로, 일정 시간에서 가장 신속한 선회체는 항상 결합되어 에너지를 전달한다. 연속으로 변할 수 있는 변속기는 4-바 아크의 편심도를 변경함으로써 생성될 수 있다.

따라서 진동체의 진동 운동에 대해 최대 범위로 구성되므로, 구동 샤프트의 운동은 단지 정확하게 연속일 뿐이 아니라, 오히려 파형이다. 출력 샤프트의 운동(회전 속도)은 불가피하게 파형이므로, 이러한 솔루션은 위에서 설명된 바와 같이 토크들이 고-주파수 변동을 경험하는 때보다 완전히 다른 특징을 나타낸다. 특히, 상당히 더 큰 진동이 여기서 예측된다.

GB 2400422 A에는 또 다른 연속으로 변할 수 있는 변속기가 설명되고, 여기서 스프링이 단속적으로 구동 샤프트로부터의 에너지를 흡수하고 스프링에 동심으로 배치된 출력 샤프트에 에너지를 방출하고, 과정에서 진동하게 된다.

파워 변속기는 스프링 위의 돌기들에 의하여 관리되고 그 위에서 비임에 대해 단속적으로 작동한다. 설명된 변속기는 복잡한 구조적인 디자인을 가지며, 출력 샤프트가 제어된 방식으로 신뢰성 있게 구동될 수 있는 여부는 명확하지 않다.

미국 특허 공보 2,864,259는 균일한 회전 운동이 캠들에 의하여 왕복 운동으로 변환되고(4-바의 아크), 자유 회전하는 클러치(과잉 회전하는 클러치)를 통해 이러한 왕복 운동이 중간 샤프트를 전방으로 구동하는 연속으로 변할 수 있는 변속기를 설명하며, 전방 방향으로 가장 신속한 왕복 운동이 소정의 어느 시점에서 생성된다.

따라서, 이러한 중간 샤프트는 변동하는 전방 운동을 실행한다. 토션 바(토션 스프링)에 의하여 구동 샤프트에 연결된다. 중간 샤프트는 구동 샤프트를 구동하기 위하여 토션 바를 이용한다.

앞에서 설명된 바와 같이, 출력에 대한 부하, 즉, 부하 토크에 의존하는 회전 속도는 바람직하지 않은 구동 샤프트의 일정한 회전 속도에서 출력 샤프트에서 발생한다. 소정의 구동들은 어떠한 부하(작동 범위 내의)에서도 소정의 기어 비를 가능하게 하는 것이다. 미국 특허 공보 2,864,259호는 자유로이 선택가능한 시점에서 커플링을 허용하지 않는 수동적인 자유 회전 클러치를 사용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 목적은 단순하고 신뢰성 있는 구조적인 디자인을 가지는 서두에서 설명된 유형의 연속으로 변하며, 체인이나 벨트를 통한 연마된 커플링 또는 점 모양의 변속에 기인하여 발생하는 마찰 손실이나 마모가 없는 메카트로닉 변속기를 제공하는 것이다. 본 발명은 고 주파수 변동을 경험하고 구동(예컨대, 내연 기관의 크랭크샤프트) 및 출력(구동 트레인 및 차량)의 관성 질량에 작용하는 토크가 기본적으로, 고 주파수 변화를 경험하는 토크의 시간 순의 평균 값에 대응하는, 일정한 토크로서 동일한 효과를 가지는 상기 설명된 사실을 이용한다.

본 발명의 또 다른 목적은 그러한 메카트로닉 변속에 의하여 파워가 전달되는 방법을 설명하는 것이다.

이 목적은 독립 청구범위의 구별되는 특징에 의하여 달성된다. 바람직한 장치들은 종속 청구범위들에 표현된다.

이하 설명되는 본 발명의 사상은 단 시간(사이클) 내에서 변속기가 작동하는 방식을 설명한다.

변속기가 일정한 기어 비에서 작동하는 여부(작동 시나리오 1), 출력의 회전 속도의 변화(작동 시나리오 2), 구동의 회전 속도의 변화(시나리오 3), 또는 양자의 회전 속도의 변화(시나리오 2와 3의 결합) 여부는 이러한 유형의 하나 또는 여러 완전한 주기(사이클)에 걸친 구동 및 출력 샤프트의 토크 균형으로부터 도출된다.

본 발명에 따르면, 변속기는 1:x의 고정된 기어 비(여기서 x는 -10과 1 사이의 실수일 수 있다)에서 출력 샤프트에 연결되어 회전할 수 있는 지지 장치(예컨대, 링, 디스크 또는 중공 샤프트)를 포함한다. 더욱이, 본 발명에 따른 변속기는지지 장치와 커플링 휠 사이의 회전 고정되어, 압입-고정된 제2 커플링을 생성하고 해제하는 제2 커플링 수단을 포함한다.

본 발명의 배경이 되는 사상에서, 회전 부품들 사이의 커플링은 후자가 동일한 회전속도를 가지는 경우에만 생성된다. 이 경우, 마찰이 없고, 따라서, 커플링 과정에서 발생하는 에너지 손실이 없다. 이를 달성하기 위하여, 커플링 휠은 토션 스프링에 의하여 출력 샤프트에 연결되므로, 커플링 휠은 또한 토션 스프링에 저장된 에너지를 흡수함으로써 출력 샤프트보다 더 높은 속도, 특히 구동 샤프트의 더 높은 회전 속도에 도달할 수 있다.

각 작동 회로에서, 토션 스프링은 일단 그의 극한의 위치로 선회하고, 일방적으로 그에 고정된 커플링 휠을 가변적으로 가속하고 제동한다. 예컨대, 정지 순간에, 커플링 휠과 또한 공전하는 지지 장치 사이의 결합은 유연하게 형성될 수 있다.

신속하게 회전하는 구동 샤프트로부터 보다 서서히 회전하는 출력 샤프트로 파워 또는 토크를 전달하기 위한 본 발명에 따른 방법에서, 커플링 휠과 구동 샤프트가 정확히 동일한 회전 속도를 가지면 즉시 제1 커플링 수단에 의하여 커플링 휠은 구동 샤프트에 결합된다.

여기서 즉시 스프링에 에너지가 저장되는 것으로 상정되고, 이는 구동 샤프트의 (더 높은) 회전 속도로 커플링 휠을 가속하였다. 따라서, 이 에너지는 단순히 선행하는 작동 회로의 종기에 존재한 것으로 밝혀진다. 이하에서 기동 과정이 보다 상세하게 설명된다.

따라서, 토션 스프링은 압축되고, 에너지가 동시에 구동 샤프트로부터 토션 스프링을 거쳐 출력 샤프트로 전달된다. 토션 스프링의 높은 장력에서, 회전 속도가 하강함에 따라 커플링 휠이 자유 회전하고 계속 회전하도록, 커플링 휠은 구동 샤프트로부터 분리된다.

커플링 휠과 지지 장치가 정확히 동일한 회전 속도를 가지는 즉시, 커플링 휠은 토션 스프링으로부터의 에너지를 출력 샤프트로 전달하도록 제2 커플링 수단에 의하여 지지 장치로 결합된다.

최종적으로, 토션 스프링의 작은 장력에서, 커플링 휠이 자유 회전하면서 다시 상승하도록 커플링 휠이 다시 지지 장치로부터 분리된다. 이어서 과정이 초기로부터 다시 시작한다.

본 발명은 커플링의 어느 일 측면의 부품들이 동일한 회전 속도를 가질 때 커플링들이 각각 닫히므로 마모 발생을 방지하고, 동력손실이 최소화되며, 우수한 동력 전달 특성을 갖는다.

본 발명이 도면들을 참조하여 이하 보다 상세하게 설명될 것이며, 여기서:
도 1은 본 발명에 따른 변속기의 개략적인 도면인 사시도이며;
도 2는 특히, 시간의 함수로서의 2 사이클의 진행을 도시하며;
도 2a는 구동 및 출력 샤프트의 회전 속도를 도시하며;
도 2b는 토션 스프링의 비틀림 각도를 도시하며;
도 2c는 커플링 휠의 회전 속도를 도시하며;
도 2d는 출력 샤프트에 작용하는 토크를 도시하며;
도 2e는 전달된 에너지를 도시하는 도면이다.

도 1은 샤프트(A) 위에 축방향으로 장착될 수 있는 구동 샤프트(2)로부터 출력 샤프트(3)로 파워 또는 토크를 연속으로 변할 수 있도록 전달하기 위한 본 발명에 따른 메카트로닉(mechatronic) 변속기(1)의 개략적인 사시도를 도시한다. 변속기(1)는 커플링 휠(4)과 토션 스프링(5)을 포함하며, 커플링 휠(4)은 동일한 샤프트(A) 위에 회전가능하게 장착되고 토션 스프링(5)에 의하여 출력 샤프트(3)에 연결된다. 더욱이, 변속기(1)는 구동 샤프트(2)와 커플링 휠(4) 사이에 회전하도록 고정된, 평면의, 압입-고정된 제1 커플링을 생성하고 해제하기 위한 제1 커플링 수단(7)을 포함한다. 본 발명에 따르면, 변속기(1)는 또한 예컨대, 기어 드라이브(9)에 의하여 1: X의 고정된 기어 비에서 출력 샤프트(3)에 연결되고, 샤프트(A) 둘레에 회전가능하게 장착된 지지 장치(6)를 포함하고, 여기에서 X는 대략 -10과 1 사이의 실수일 수 있다. 특히, X는 제로일 수 있으므로, 지지 장치(6)는 예컨대 변속기의 하우징에 고정되게 연결된다. 기어 드라이브(9)는 이러한 특별한 경우 생략된다. 다른 경우들에서, 지지 장치(6)는 샤프트(A) 둘레에 회전가능하게 장착된, 중공 샤프트 또는 디스크, 링으로 구성될 수 있으며, 상기 구성은 1보다 작은 고정된 기어비에서 출력 샤프트(3)에 연결된다(예컨대, 기어들에 의하여).

추가로, 변속기(1)는 지지 장치(6)와 커플링 휠(4) 사이에 회전하도록 고정된, 평면의, 압입-고정된 제2 커플링을 생성하고 해제하기 위한 제2 커플링 수단(8)을 포함한다.

커플링 휠(4)은 바람직하게 출력 샤프트(3)에 동축으로 배치되므로, 구동 샤프트(2), 커플링 휠(4) 및 출력 샤프트(3)는 모두 동일한 샤프트(A)에 장착된다.

제1 및 제2 커플링 수단(7 및 8)은 바람직하게 각각 구동 샤프트(2) 또는 지지 장치(6) 및 커플링 휠(4) 사이에 가압 메카니즘 또는 다른 커플링을 구비하는 자기적인 또는 기계적인 커플링으로 구성된다.

본 발명에 따르면, 커플링의 어느 일 측면의 부품들이 동일한 회전 속도를 가질 때 커플링들은 각각 닫혀진다. 이로써 마모 발생을 방지하고 손실이 최소화된다.

제1 커플링 수단(7)이 작동되면, 커플링 휠(4)과 구동 샤프트(2)는 불가피하게 동일한 회전 속도에서 이동한다. 이러한 제1 커플링 수단(7)이 다시 분리되자마자, 커플링 휠(4)과 구동 샤프트(2)는 다시 다른 회전 속도에서 샤프트(A) 둘레로 다시 이동할 수 있다.

제2 커플링 수단(8)이 작동되면, 커플링 휠(4)과 지지 장치(6)는 불가피하게 같은 속도로 이동하거나, 또는 모두 정지한다. 이러한 회전 속도는 반대 방향으로 또한 회전할 수 있는, 출력 샤프트(3)의 회전 속도보다 더 작다. 출력 샤프트(3)에 대한 기어 비가 항상 일정하고, 1과 같거나 작다. 따라서, 토션 스프링(5)은 이완되고 커플링 수단(8)이 닫혀지는 단계들에서 출력 샤프트(3)에 에너지를 방출한다. 이러한 제2 커플링 수단(8)이 다시 분리되자마자, 커플링 휠(4)과 지지 장치(6)는 다시 한번 다른 회전 속도에서 샤프트(A) 둘레로 이동할 수 있다. 커플링 수단(7, 8)들은 구동 샤프트(2)와 커플링 휠(4) 사이 또는 지지 장치(6)와 커플링 휠(4) 사이에 위치되고, 도 1에서 단지 화살표로 표시된다.

특히, 본 발명에 따른 변속기는 센서(12)들을 가질 수 있다. 후자는 커플링 휠(4), 및 구동 샤프트(2), 출력 샤프트(3) 및/또는 지지 장치(6)의 절대 및/또는 상대 회전 속도를 결정하기 위하여 사용된다.

특히, 그러한 센서(12)들은 커플링 휠(4)과 각각의 구동 샤프트(2) 또는 지지 장치(6)가 동일한 회전 속도를 가질 때를 결정할 수 있도록 구성된다. 이 경우, 구동 샤프트(2) 또는 지지 장치(6)는 대응하는 커플링 수단(7 또는 8)에 의하거나 마찰 손실이 발생하지 않고 커플링 휠(4)에 결합될 수 있다. 예컨대, 센서(12)들은 커플링 휠(4), 구동 샤프트(2), 출력 샤프트(3) 및/또는 지지 장치(6)에 고정된 작은 그리드를 광학적으로 획득하는, 광학 센서들일 수 있다.

최종적으로, 제어 유닛은 획득된 회전 속도를 기초로 일정 시간에 적절한 지점에서 커플링 수단(7 또는 8)들을 폐쇄하고 해제할 수 있다. 제어 유닛(13)을 커플링 수단(7, 8)에 연결하는 대응하는 라인들은 도 1에 도시되지 않았다. 데이터는 원격 측정에 의하여 또한 센서(12)들로부터 제어 유닛(13)으로 그리고 후자로부터 커플링 수단(7 및 8)으로 전달될 수 있다. 제어 유닛(13)은 또한 사용자에게 그리고 통상적으로 구동 제어 유닛에 연결되어야 하는 데, 이는 각각 소정의 가속, 파워 또는 토크를 규정한다.

이들 연결들은 또한 도시되지 않는다. 제어 유닛은 사용자 또는 구동 제어 유닛에 의하여 특정된 정보를 기초로 커플링 수단(7 및 8)을 결합하고 분리하기 위한 적절한 지점들을 각각 일정 시간에 산출하고, 도 2 도시와 같이, 동작 단계(a) 내지 (d)들을 규정한다. 예컨대, 사용자 정보는 차량의 페달을 가동함으로써 전달될 수 있다.

특별한 경우, 본 발명에 따른 변속기(1)는 제1 지지 장치(6)와 다른 고정된 기어 장비(X')에서 출력 샤프트(3)에 연결되고 그 위에 회전가능하게 배치되는 적어도 하나의 제2 지지 장치(6')를 가질 수 있다.

상황에 따라, 이어서 각각의 제1 또는 제2지지 장치(6, 6')가 사용될 수 있다. 아니면 제2 지지 장치(6')는 제1 지지 장치(6)와 동일하도록 구성될 수 있으며, 도면에 표시되지 않는다. 다른 고정된 기어 장비(X')를 가지는 적어도 하나의 제2 지지 장치(6')의 사용에 의하여 변속기의 전개 및 파워 범위가 확장된다.

삭제

이하의 단계들은 본 발명에 따른 메카트로닉 변속기(1)를 사용하여 구동 샤프트(2)로부터 출력 샤프트(3)로 파워 또는 토크를 전달하기 위하여 본 발명에 따른 주기적인 방법에서 실행되고, 도 2에서 도면에 예시적으로 설명된다. 작동 사이클의 개별적인, 시간 순의 연속 단계[(a) 내지 (d)]들이 또한 도 2e의 아래에 표시된다.

도 2a는 구동 및 출력 샤프트(2 및 3)의 회전 속도(20 및 21)를 도시한다. 커플링 휠의 회전 속도(22)는 도 2c에 도시된다. 일정한 시간에서, 특히 후자가 같이 결합될 때, 이는 지지 장치(6)의 회전 속도(23)에 대응한다. 도 2b는 토션 스프링(5)의 비틀림 각도(24)를 도시한다. 도 2a 내지 2e의 각각의 하나는 청구된 방법의 두 개의 완전 사이클들을 예시하고, 각 사이클은 0.05s 동안 지속한다.

도 2d는 출력 샤프트(3)에 작용하는 토크(25)를 도시한다. 도 2e는 작동 사이클 동안 개별 부품들에 의하여 방출되거나 흡수되는 에너지를 도시한다. 구동 샤프트(2)에 의하여 방출된 에너지(26)(음으로 에너지 방출이 도시)는 여기서 에너지(27 및 28)의 합에 대응한다. 에너지(27)는 토션 스프링(5)과 커플링 휠(4)에 의하여 합동으로 흡수된다. 에너지(28)는 출력 샤프트(3)에 의하여 흡수된다.

구동 샤프트에 의하여 방출된 에너지(26)가 제로인 영역에서, 특히 단계(c)에서, 출력 샤프트(3)는 토션 스프링(5)과 커플링 휠(4)에 의하여 방출된 에너지(27)에 대응하고, 따라서 테이퍼된다.

사이클의 단계(a) 내지 (d)들은 이어서 도 2의 예를 기초해서 설명될 것이다:

이 명세서에서, 변속기는 이미 작동 중인 것으로 상정된다. 달리 말하면, 처음에 구동 샤프트(2)는 대략 310 rad/s(= 대략 3000RPM)의 회전 속도에서 회전하는 것으로 상정된다. 초기에서 출력 샤프트(3)는 대략 120 rad/s(= 대략 1150RPM)의 더 낮은 회전 속도에서 회전한다.

토션 스프링(5)은 전체 시스템을 기동하면서 사전 압축된다. 두 개의 커플링 수단(7 및 8)들이 분리되면, 토션 스프링(5)에 대한 이러한 사전 압축에 의하여 커플링 휠(4)은 이러한 스프링-질량 시스템의 고유 주파수와 함께 샤프트(A) 둘레로 회전하면서 선회하게 된다.

이러한 회전은 또한 자유 회전(freewheeling)으로 불린다. 출력 샤프트(3)로부터 볼 때, 커플링 휠(4)은 전후로 회전하여 선회한다. 관성 시스템으로부터 볼 때, 커플링 휠은 출력 샤프트(3)보다 더욱 느리게, 그리고 더욱 신속하게 회전한다. 이러한 진동(도 2c의 단계(23)) 동안, 커플링 휠(4)은 구동 샤프트(2)의 회전 속도를 초과하는 높은 회전 속도에 도달한다. 또한 이는 음의 회전 속도에 도달하며, 즉, 역으로 회전한다. 커플링 휠(4)의 평균 회전 속도는 출력 샤프트(3)의 회전 속도와 같다.

이제 파워 및 토크를 전달하기 위하여 네 개의 단계들이 진행한다:

커플링 휠(4)과 구동 샤프트(2)가 같은 회전 속도(22, 20)를 가지며 토션 스프링(5)이 전방으로 압축되는 시간의 시점에서, 단계(a)는 제1 커플링 수단을 거쳐 커플링 휠을 구동 샤프트(2)에 결합함으로써 시작한다. 전체 단계(a) 동안, 커플링 휠(4)은 구동 샤프트(2)와 같은 회전 속도에서(22 또는 20)에서 회전한다. 따라서, 토션 스프링(5)은 최대 비틀림 각도(24)로 압축되고, 에너지(26)는 동시에 구동 샤프트(2)로부터 토션 스프링(5)을 거쳐 에너지(28)로서 출력 샤프트(3)로 전달된다.

이 에너지(26)의 일부는 에너지(27)로서 토션 스프링(5)과 커플링 휠(4)에 의하여 흡수된다. 이들 에너지 전달의 결과로서 구동 샤프트(2)는 다소 감속된다. 예에서, 구동 샤프트의 회전 속도는 1% 보다 작게 감소한다. 동시에, 출력 샤프트는 다소 가속된다(1/1000보다 작게). 토션 스프링(5)에 대해 높은 장력이 주어지면, 높은 비틀림 각도(24)가 생성되고, 구동 샤프트(2)로부터 커플링 휠(4)을 분리시킴으로써 단계(b)가 진입된다. 따라서, 자유회전하는 커플링 휠(4)이 이제 계속되어 하강하는 회전 속도에서 회전한다. 이 단계(b)에서, 구동 샤프트(2)는 에너지를 전달하지 않는다. 커플링 휠(4)은 그의 자유 진동이 지연되고, 토션 스프링(5)의 추가적인 압축에서 그 에너지의 일부를 방출한다. 커플링 휠은 에너지의 또 다른 부분을 출력 샤프트(3)로 방출한다. 이러한 에너지 양은 비교적 작다. 따라서 출력 샤프트(3)는 단지 이 단계에서 최소 정도만큼 가속한다.

커플링 휠(4)과 지지 장치(6)가 정확히 같은 회전 속도(22, 23)를 가지면, 단계(c)는 제2 커플링 수단(8)을 거쳐 커플링 휠(4)을 지지 장치(6)에 결합함으로써 도입된다. 예에서, 지지 장치(6)는 단지 통상적으로 커플링 수단(8)용 커플링 휠(4)의 대응 부분으로서 작용하는 하우징의 통상적으로 원형 부분으로 구성된다. 달리 말하면, 커플링 휠(4)은 절대 회전 속도가 제로가 되는 순간에 압입-고정 방식으로 하우징에 연결된다.

일반적으로, 지지 장치(6)는 링, 디스크 또는 중공 샤프트로서 구성되는 것으로 보여질 수 있으며, 이는 샤프트(A) 둘레로 회전하고, 예컨대, 기어 드라이브(9)에 의하여 1보다 작은 고정된 기어 비를 가지는 변속기(9)를 거쳐 출력 샤프트(3)에 연결된다. 달리 말하면, 출력 샤프트(3)가 회전함에 따라, 지지 장치(6)가 회전하나, 보다 느리게 또는 후방으로 회전한다. 이러한 일반적인 경우, 커플링 수단(8)이 커플링 휠(4)과 지지 장치를 압입-고정 방식으로 연결하도록 지지 장치(6)는 구성될 수 있다.

전체 단계(c) 동안, 커플링 휠(4)은 지지 장치(6)와 동일한 회전 속도(23)에서 회전한다(양자는 모두 이 예에서 정지한다). 지지 장치(6)가 출력 샤프트(3)보다 느리게 회전하므로(또는 정지), 토션 스프링(5)은 이완되고, 단계(a)에서 토션 스프링(5)에 의하여 흡수된 에너지(27)는 다시 방출되고, 에너지(28)로서 다시 출력 샤프트(3)에 의하여 흡수된다. 이로써 출력 샤프트는 다소 가속된다. 예에서, 1%보다 작은 양만큼 가속된다.

토션 스프링(5)의 장력이 작은 경우, 단계(a)의 시작에서의 비틀림 각도(24)에 대략 대응하는, 토션 스프링(5)의 비틀림 각도(24)가 작은 경우, 최종 단계(d)는 다시 지지 장치(6)로부터 커플링 휠(4)을 분리함으로써 도입된다. 전체 단계(d) 동안 커플링 휠(4)은 자유 회전하고, 출력 샤프트(3)에 대해 계속해서 전후로 회전하여 진동한다. 이 단계에서, 커플링 휠(4)과 토션 스프링(5)은 주기적으로 운동 에너지와 위치 (스프링) 에너지를 교환한다(도시 없음). 작은 양의 에너지가 또한 출력 샤프트(3)와 교환되고, 에너지(27 및 28)는 여기서 반대 방향으로 진동한다.

회전 속도가 하강함에 따라 구동 샤프트(2)와 정확히 동일하게 커플링 휠(4)이 다시 회전하는 시점은 단계(d)의 종기를 표시하고, 이와 함께 단계(a) 내지 (d)들로 구성되는 전체 작동 사이클의 종기를 표시한다. 동시에, 단계(a)에 의하여 시작함으로써 새로운 사이클이 도입된다.

도 2 도시의 케이스는 작동 시나리오(1)에 대응한다. 구동 (엔진)이 구동 샤프트(2)에 일정한 파워(단위 시간당 에너지)를 공급하고, 출력 샤프트(3) 위의 저항은 정밀하게 동일한 일정한 파워를 흡수한다. 출력 샤프트(3)는 단계(a)에서 에너지를 방출함으로써 다소 감속된다. 단계(b) 내지 (d) 동안, 그로부터 추가적인 에너지가 방출되지는 않으며, 그러나 구동 (엔진)은 모든 단계들 동안 일정한 에너지를 출력 샤프트에 공급한다. 여기서 공급된 전체 에너지는 단계(a)에서 제거된 에너지와 같다. 따라서, 평균적으로 파워 균형이 존재하고, 이는 구동 샤프트(2)의 회전 속도가 전체 시퀀스의 시작과 종료에서 정확하게 동일하게 유지되는 이유이다.

출력 샤프트(3)에 대해서 유사한 생각이 진실이며, 출력 샤프트가 구동 샤프트(2)와 토션 스프링(5)으로부터 단계(a) 내지 (c)에서 에너지를 흡수하면서, 단계(d)에서 일부 에너지를 토션 스프링(5)에 복귀시킨다. 교환된 에너지 양의 합은 내마모의 결과로서 전 시간에 걸쳐 제거된 에너지와 정확하게 같다. 따라서, 출력 샤프트(3)는 전체 시퀀스의 시작과 종료에서 정확하게 동일한 회전 속도를 가진다. 이와 같이 전체 시퀀스는 고정 작동에 대응하는, 연장된 기간에 걸쳐 정확하게 반복할 수 있다.

이러한 시퀀스는 (기술적 범위 내에서) 소정의 기어 비에서 발생하고, 이는 본 발명이 연속으로 가변하는 변속기로서 작용하는 이유이다.

다른 평균 토크(다른 파워)는 구동 샤프트(2)와 출력 샤프트(3)에 대해 동일한 회전 속도에서 전달되어야 하면, 단계(a) 내지 (c)들의 기간은 대응해서 조정된다. 예컨대, 단계(a) 내지 (c)들은 더 작은 변속 파워에서 더 짧을 것이며, 토션 스프링(5)이 더 작은 에너지를 흡수하고 방출하게 한다.

이러한 변속이 작동 시나리오(2)에서 있었으면, 위와 동일한 도면이 구동 샤프트(2)로부터 발생할 것이다. 그러나 출력 샤프트(3)에서의 저항(저항 파워)은 변속기에서보다 작다. 따라서, 출력 샤프트(3)의 회전 속도는 각 사이클 후에 전보다 다소 높을 것이며, 이는 사이클에서 사이클에 걸쳐 제어 유닛에 의하여 커플링 수단(7)이 개폐되어야 하는 시간을 다소 조정하는 것이 필요하게 한다.

작동 시나리오(3)에서, 구동 (엔진)에 의하여 구동 샤프트(2)에 도입된 파워는 변속기에 의하여 흡수된 평균 파워(단위 시간당 에너지)보다 다소 작을 것이며, 그 결과 구동 샤프트(2)의 회전 속도는 시작보다 전체 사이클 후에 더 작을 것이며, 즉, 종합적으로 저하할 것이다. 작동 시나리오(1)에서와 같이, 출력 샤프트(3)에서 조건들은 일정하게 유지될 것이다. 커플링 수단(7 및 8)들이 개폐되는 시간은 여기서 또한 사이클에서 사이클에 결쳐 연속으로 조정되어야 할 것이다.

그러므로, 기어 비의 변화는 다른 연속으로 변하는 변속기들에서와 같이 부품(레버)에 기계적인 힘을 작용시킴으로써 시작되지 않고, 오히려 커플링의 절환 시간을 변경함으로써, 따라서 변속된 평균 파워의 절환 시간에 의하여 시작된다. 그러므로, 그들은 제어 유닛에 의하여 사전 산출되고 관리되며, 이것이 변속기가 “메카트로닉(mechatronic)"으로 불리는 이유이다.

바람직한 방법에서, 지지 장치(6)의 회전 속도(23)는 항상 제로이다. 따라서, 지지 장치는 고정되게 장착될 수 있고, 샤프트 위에 회전가능하게 장착될 필요가 없다.

특히, 단계(a)에서 다음 단계(a)까지의 완전한 사이클은 구동 트레인에서의 과도하게 낮은-주파수의 진동을 유발하지 않도록 통상적으로 자동차에 대해 최대 50ms 동안 지속하여야 한다. 그 결과, 사용자는 변동이 없는 변속기로서 인식한다. 변경된 제어 지령에 대한 시스템에 의한 반응은 가장 양호하게 그러한 사이클 두 개에서, 즉, 최대 100ms에서 발생한다. 그러한 반응 시간은 사용자에 의하여 즉시인 것으로 인식된다.

커플링 수단(7, 8)의 결합 및 분리를 위한 각각의 시간은, 예컨대, 커플링이 커플링 파트너들의 동일한 회전 속도에서 발생하는 상기 설명한 조건을 충족하기 위하여, 약 0.5 ms를 의미하는, 사이클 시간의 최대 약 1/100로 측정되어야 한다.

특히, 제어 유닛(13)은 단계(a) 내지 (d)들의 도입을 시작할 수 있다. 이러한 제어 유닛(13)은 또한 사용자 지령을 수신하고, 구동 제어 유닛에 의하여 파워 변속을 조화시킨다.

낮은 파워를 변속하기 위하여, 단계(a)로부터 다음 단계(a)까지의 완전한 사이클의 지속이 대기 위상에 의하여 연장되는 것이 바람직할 수 있다.

그러한 대기 위상은 출력 샤프트(3)와 커플링 휠(4) 사이에 추가적인 커플링 수단을 도입함으로써(도시되지 않음) 도입될 수 있다. 이러한 커플링 수단은, 또한 커플링 휠(4)과 출력 샤프트(3)가 동일한 회전 속도(22, 21)를 가지므로, 손실이 발생하지 않는 때, 단지 결합된다.

일정 시간 후에, 커플링 수단은 다시 분리된다. 이러한 커플링 수단이 작동되는 동안, 토션 스프링은 그의 사전 압축을 유지하고, 에너지를 방출하거나 흡수하지 않는다. 이러한 커플링은 통상적으로 단계(d)에서 가동된다. 따라서, 단계(a)에서 다음 단계(a)까지의 완전한 사이클의 주기는 연장될 수 있다.

특히, 이로써 모든 작동 시나리오들에 대한 완전한 사이클의 일정한 주기를 선택할 수 있으며, 이는 전체 구동 트레인의 공진을 피하기 위하여 효과적일 수 있다.

여기 설명된 완전한 사이클의 일부 단계들은 구동 회전속도와 출력 회전속도 사이의 소정의 비율이 주어지면 발생할 수 있다. 따라서, 동력 변속은 어느 소정의 기어 비들에서 발생할 수 있다. 변속은 연속으로 변하는 변속과 같이 거동한다.

소정 부품(레버)에 작용하는 힘과 그에 따라 생성된 토크 불균형의 결과로서 기어 비가 변하는 연속으로 변하는 변속기의 다른 실시예들과 반대로, 여기서의 제어 유닛은 단계(a ) 내지 (c)의 길이를 변경하므로, 변경된 토크가 (전체 사이클에 대한 평균에서) 전달되고, 이는 최종적으로 구동 및/또는 출력의 가속 또는 감속을 발생하고, 이로써 기어비 변경을 발생한다.

위에서 설명된 작동 시나리오(1)에서 이러한 변속이 존재하면, 변속 제어 유닛은 구동 (엔진)에 의한 구동 샤프트로 출력되는 평균 파워와 정확하게 동일한 구동 샤프트(사이클에 걸쳐)에 의하여 흡수되는 평균 파워를 유지하여야 한다. 따라서, 구동 샤프트의 평균 회전 속도는 사이클에 따라 변하지 않는다.

유사한 방식으로, 사이클에서의 출력 샤프트에 출력되는 평균 파워(손실을 무시하면 동일한)는 저항으로서의 파워에 같도록 유지되어야 하므로, 출력 샤프트의 평균 회전속도는 변하지 않는다. 위의 설명과 상관 없이, 구동 제어유닛(엔진 제어유닛)에 의하여 구동(엔진)에 의한 파워 출력이 역방향의 파워와 균형을 이룬다.

작동 시나리오(2)에서, 변속 제어 유닛은 구동 샤프트로 구동 (엔진)에 의하여 출력된 파워와 동일하게 변속기에 의하여 흡수된 평균 파워를 유지하여야 한다. 손실이 없는 경우, 출력으로 동일한 파워가 방출된다. 이러한 파워가 차량에 미치는 저항과 같은 파워보다 더 크므로, 출력은 가속한다.

이와 같이 출력 회전속도가 사이클에 따라 변동하므로, 변속 제어 유닛에 의하면 현재 출력 회전속도와 연관해서 방출된 평균 토크가 (일정한) 구동 파워를 발생한다.

작동 시나리오(3)에서, 변속 제어유닛은 변속에 의하여 출력된 평균 파워를 저항 파워와 동일하게 유지하여야 하므로, 출력 회전 속도가 일정하게 유지된다. 손실이 없는 경우, 동일한 파워가 구동 (엔진)에 의하여 흡수되어야 한다. 이러한 평균 파워는 구동 (엔진)에 의해 생성된 파워보다 더 크므로, 그 결과 구동 샤프트는 감속된다. 구동 회전 속도가 사이클에 따라 변하므로, 변속 제어 유닛에 의하면 흡수된 평균 토크가 구동 회전 속도와 연관되어 방출될 에너지를 생성하는 것을 보장한다. 동시에, 구동 제어 유닛(엔진 제어 유닛)에 의하면 구동에 의하여 생성된 파워는 방출될 파워보다 더 적은 것을 보장한다.

사이클 내에서 과정을 시험하기 위하여, 구동 및 출력의 회전 속도들이 큰 관성을 기초해서 대략 일정한 것으로 볼 수 있다. 회전 속도의 인식가능한 변화는 단지 파워 불균형(토크 불균형)이 발생하면 전체 또는 여러 사이클에 걸친 샤프트들의 하나에서 진행한다.

위에 설명한 것과 상관 없이, 변속된 파워가 하나의 사이클에서 다음 사이클로 변할 수 있으므로, 이러한 변속은 매우 신속하게 그러한 불균형을 생성할 수 있으며, 따라서 신속하게 샤프트(통상적으로 구동 샤프트)들의 하나를 가속하거나 감속하며, 즉, 기어 비를 신속하게 변경한다. 연속으로 변하는 마찰 및 연쇄 기어들과 반대로, 어떠한 증가된 변속 손실도 그러한 일시적인 과정 동안에는 발생하지 않는다.

더욱이, 이러한 연속으로 변하는 변속은, 모든 변속들과 같이, 최대 값에서 제로 값으로 그리고 각 기어비에서 음의 최대 값으로도 토크를 전달할 수 있다. 많은 변속들에서, 이러한 목적에 대해 영향이 미쳐지지는 않지만, 단계(a) 내지 (c)의 길이는 정확한 방식으로 동기되어 변해야 한다.

예컨대, 평평하지 않은 거리의 코스 위에서 일정한 속도로 이동할 때, 파워는 상향 경사면에 전달될 수 있으며, 하향 경사면에서는 팡워가 제로 또는 음의 값으로 복귀할 수 있다. 구동 (엔진)이 회전 속도를 일정하게 유지하거나 또는 회전 속도를 변경하는 여부는 차이가 없다. 이러한 연속으로 변하는 변속은 또한 기동을 위하여, 즉, 정지 상태로부터 출력 샤프트를 가속하기 위하여 사용될 수 있다.

엔진을 구동할 때, 토션 스프링(5) 위에서 자유로이 진동하면서 커플링 휠(4)이 엔진의 적어도 공전 속도에 도달하도록 토션 스프링(5)이 소정양의 에너지를 저장하기까지 커플링 수단(7)은 이러한 목적으로서 닫혀져야 한다. 이어서 커플링 수단(7)이 개방되고, 커플링 휠은 자유로이 진동할 수 있다.

이 과정에서, 출력 샤프트(3)는 감속되어야 한다. 공전 시간이 연장되면, 마찰로 손실된 에너지를 대체하기 위하여, 다시 커플링 수단(7)에 의하여 커플링 휠(4)을 구동 샤프트(2)에 연결하는 것이 필요할 수 있다. 기동 동안, 출력 샤프트(3)의 브레이크는 이완되고, 위에 설명된 바와 같이 직접 전환이 가동될 수 있다.

1: 변속기(Transmission)
2: 구동 샤프트
3: 출력 샤프트
4: 커플링 휠
5: 토션 스프링
6, 6':지지 장치
7: 제1 커플링 수단
8: 제2 커플링 수단
9: 출력 샤프트(3)와 지지 장치(6) 사이의 기어 구동, 감속 기어
12: 센서
13: 제어 유닛/변속기 제어유닛
20: 구동샤프트(2)의 회전속도
21: 출력 샤프트(3)의 회전속도
22: 커플링 휠(4)의 회전속도
23: 지지 장치(6)의 회전 속도
24: 토션 스프링(5)의 비틀림 각도
25: 출력샤프트에 작용하는 토크
26: 구동 샤프트(2)에 의해 방출된 에너지( = 토션 스프링(5)에 의해 흡수된 에너지)
27: 토션 스프링(5)에 의해 흡수된 에너지
28: 출력 샤프트(3)에 의해 흡수된 에너지
A: 구동 샤프트의 액슬
X, X’: 지지 장치와 출력 샤프트(3) 사이의 고정된 기어 비
(a): 커플링 휠과 구동 샤프트의 결합, 에너지 전달
(b): 커플링 휠의 분리, 자유 회전
(c): 지지장치와 커플링휠의 결합, 에너지 전달
(d): 커플링 휠의 분리, 자유 회전

Claims (13)

1. 샤프트(A) 위에 축방향으로 지지될 수 있는 구동 샤프트(2)로부터의 파워 또는 토크를 연속으로 변할 수 있는 변속비를 가지는 출력 샤프트(3)에 전달하기 위한 변속기(1)로서, 커플링 휠(4)과 토션 스프링(5)을 구비하며, 상기 커플링 휠(4)은, 상기 샤프트(A) 위에 회전가능하게 장착되고 상기 토션 스프링(5)에 의하여 상기 출력 샤프트(3)에 연결될 수 있으며, 또한 상기 구동 샤프트(2)와 커플링 휠(4) 사이에 회전하여 고정되는, 평면의, 압입-고정 제1 커플링을 생성하고 해제하기 위한 제1 커플링 수단(7)을 포함하고, 상기 변속기(1)는 1: X(X는 10과 1 사이의 실수일 수 있는)의 고정된 기어비에서 상기 출력 샤프트(3)에 연결되어 회전할 수 있으며, 지지 장치(6)와 상기 커플링 휠(4) 사이에 회전하여 고정되는, 평면의, 압입-고정하는 제2 커플링을 생성하고 해제하기 위한 제2 커플링 수단(8)을 포함하고, 지지 장치(6)를 포함하는 변속기(1)에 있어서,
   상기 변속기(1)는 제어 유닛(13)과 여러 개의 센서(12)들에 연결되고, 상기 센서(12)들은 상기 커플링 휠(4), 구동 샤프트(2), 출력 샤프트(3) 또는 지지 장치(6)의 절대 및 상대 회전 속도를 결정하기 위하여 사용되며, 상기 제어 유닛(13)은 소정의 시간에서 결정된 회전 속도에 기초해서 커플링 수단에 의하여 커플링의 생성 및 해제를 시작할 수 있도록, 상기 제1,2 커플링 수단(7, 8)은 선택된 시간에서 결합되거나 또는 분리될 수 있고,
   상기 지지장치(6)와 다른 고정된 기어비(X')에서 상기 출력 샤프트(3)에 대해 회전가능하게 배치된, 적어도 하나의 제2지지 장치(6')를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 변속기.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 커플링 휠(4)은 상기 출력 샤프트(3)에 동축으로 배치될 수 있는 것을 특징으로 하는 변속기.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 지지 장치(6)는 변속기 하우징에 고정되어 연결되는 것을 특징으로 하는 변속기.
4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1,2 커플링 수단(7, 8)의 하나 또는 모두는 상기 구동 샤프트(2) 또는 지지 장치(6)와 상기 커플링 휠(4) 사이의 자기적이거나 기계적인 커플링으로 구성되는 것을 특징으로 하는 변속기.
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7. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 출력 샤프트(3)와 상기 커플링 휠(4) 사이의 추가적인 커플링 수단을 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 변속기.
8. 변속기(1)를 이용하여 연속으로 변할 수 있는 변속 비를 가지는 출력 샤프트(3)에 구동 샤프트(2)로부터의 파워 또는 토크를 전달하기 위한 방법으로서:
   단계(a): 토션 스프링(5)을 긴장시키고 동시에 상기 구동 샤프트(2)로부터의 에너지를 상기 토션 스프링(5)을 거쳐 상기 출력 샤프트(3)에 전달하기 위하여 커플링 휠(4)과 상기 구동 샤프트(2)가 정확히 같은 회전 속도(22, 20)를 가지는 즉시 상기 커플링 휠(4)은 제1 커플링 수단(7)에 의하여 상기 구동 샤프트(2)에 결합되고;
   단계(b): 회전 속도(22)가 하강하자마자 상기 커플링 휠(4)이 자유회전하고 연속으로 회전할 수 있도록, 상기 토션 스프링(5)의 높은 비틀림 각도(24)에서 상기 커플링 휠(4)은 상기 구동 샤프트(2)로부터 분리되며;
   단계(c): 상기 토션 스프링(5)의 에너지를 상기 출력 샤프트(3)에 전달하도록, 상기 커플링 휠(4)과 지지 장치(6)가 정확히 같은 회전속도(22, 23)를 가지는 즉시 상기 커플링 휠(4)은 제2 커플링 수단(8)에 의하여 상기 지지 장치(6)에 결합되고;
   단계(d): 회전 속도(22)가 하강하는 즉시 상기 커플링 휠(4)이 다시 한 번 상기 구동 샤프트(2)와 정확히 같은 속도로 회전하기까지 상기 커플링 휠(4)이 자유회전하면서 다시 상승할 수 있도록 상기 토션 스프링(5)의 낮은 비틀림 각도(24)에서 상기 커플링 휠(4)은 상기 지지 장치(6)로부터 분리되며, 상기 출력 샤프트(3)와 커플링 휠(4)이 같은 회전 속도(21, 22)를 가지는 시간의 일 지점에서 추가적인 커플링 수단이 상기 출력 샤프트(3)와 커플링 휠(4) 사이에 결합되고, 일정 시간 후에 다시 분리되고, 상기 단계(a)부터 싸이클이 다시 시작되는 것을 특징으로 하는 파워 또는 토크를 전달하기 위한 변속기 작동 방법.
9. 청구항 8에 있어서, 상기 지지 장치(6)의 회전 속도는 항상 제로인 것을 특징으로 하는 변속기 작동 방법.
10. 청구항 8 또는 9에 있어서, (a)로부터 다음의 (a)까지의 완전 사이클은 최대 50ms 지속하는 것을 특징으로 하는 변속기 작동 방법.
11. 청구항 8 또는 9에 있어서, 결합 및 분리의 각각의 시간은 최대 0.5ms 지속하는 것을 특징으로 하는 변속기 작동 방법.
12. 청구항 8 또는 9에 있어서, 제어 유닛(13)이 단계(a) 내지 단계(d)의 진입을 개시하는 것을 특징으로 하는 변속기 작동 방법.
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