KR19980071369A - 자동차 다단 변속기어용 개폐장치 - Google Patents

자동차 다단 변속기어용 개폐장치 Download PDF

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KR19980071369A
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미카엘 블라일레
안드레아스 프랭크
크리스티안 슈비엔테크
토마스 마이어
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랄프 홀거 베렌스
로베르트 보쉬 게엠베하
에뒨 쇄프
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Abstract

본 발명은 다단 변속기어(15)에서 변속과정을 자동화하는 개폐장치(14; 14b)에 관한 것이다. 개폐장치(14; 14b)는 캠 플레이트(18; 18b)를 포함하고, 상기 캠 플레이트(18; 18b)는 저널(32)과 두 개의 기어휘일 세그먼트(33, 40)를 거쳐 개폐 소자(41, 43; 41a, 43; 41b, 43; 41c, 43)가 회전운동을 하도록 함으로써 다단 변속기어(15)에 설치된 변속 포크(46 내지 48)의 개폐위치(A, B 내지 Amin, Amax, Bmin, Bmax, N)를 조정한다. 캠 플레이트(18; 18b)와 결합된 리프팅 장치(53; 53a; 71)에 의해 개폐 소자(41, 43; 41a, 43; 41b, 43)는 변속 포크(46 내지 48)를 교체한다. 본 발명에 의한 개폐장치(14; 14b)는 구조가 비교적 간단하고, 적은 수의 부품만 교환해도 다양한 용도로 사용할 수 있다.

Description

자동차 다단 변속기어용 개폐장치
본 발명은 자동차용 다단 변속기어를 위한 개폐장치(switch gear)에 관한 것이다. 상기 종류의 개폐장치는 수동 변속레버에 사용된다. 기어의 어느 한 단계에서 다른 단계로 변속할 때 H형의 개폐 레인(switch lane)으로 이어지는 변속레버를 이용한다는 것은 공지된 사실이다. 다단 변속기어의 특징은 효과가 크고, 디자인이 소형이라는 것이다. 또한 특히, 유성 기어장치(sun-and-planet gear)를 이용해서 전자동 기어변속을 가능하게 한, 소위 반자동 혹은 전자동 기어에 관해서도 알려져 있다.
본 발명의 과제는 지금까지 일반적으로 사용되던, H형의 개폐 레인으로 이어지는 변속레버를 사용하지 않고도 수동으로 작동가능한 다단 변속기어를 가능하게 하는 개폐장치를 제작하는 것이다. 부가적으로 개폐장치는 다단 변속기어와 함께 반자동 혹은 전자동 기어의 구성요소로서의 역할을 한다. 이 과제는 청구범위 제 1 항에 제시된 특징들을 통해 해결된다. 그밖에 본 발명에 의한, 자동차용 다단 변속기어를 위한 개폐장치의 장점 및 응용에 관해서는 하위 청구범위와 설명 부분을 참조한다.
본 발명의 한 실시예가 도면에 나타나 있으며, 다음 설명 부분에서 보다 자세히 설명된다.
도 1은 기어 제어기의 블록선도.
도 2는 개폐장치의 개략적인 정면도.
도 3은 도 2에 따른 개폐장치의 측면도.
도 4는 개폐장치의 일부를 도시하는 투시도.
도 5는 편심판(eccentric disc)의 평면도.
도 6은 일람표.
도 7은 변형된 편심판과 변형된 시작축을 도시하는 개략적인 측면도.
도 8은 캠 플레이트와 시작축이 변형된 도 3의 부분 단면도.
도 9는 개폐 곡선 경로(switch curved path)와 기어 휘일 세그먼트가 변형된 개폐장치의 도식적인 정면도.
도 10은 변형된 개폐 곡선 경로를 도시하는 도면.
*도면 주요 부분에 대한 부호의 설명*
11 : 개폐 조정봉 13 : 제어장치
14a, 14b : 개폐장치 16 : 클러치
18, 18b : 캠 플레이트 22 : 전동기
41, 41a, 41b, 41c, 43 : 개폐소자 46, 47, 48 : 변속포크
51 : 캠 52 : 캠 레인
53, 53a, 71 : 제 1 리프팅 장치
도 1에 도시된 기어 제어기(10)에는 개폐 조정봉(switch control column; 11)이 있는데, 이 개폐 조정봉(11)은 회전가능하게 놓여지고, 양쪽의 최종 위치에서 접점(17a 또는 17b)에 영향을 미친다. 양쪽 접점(17a, 17b)은 전기 제어장치(13)와 연결되어 있다. 제어장치(13)는 개폐장치(14)를 거쳐 본문에서 기어(15)로 표시된 다단 변속기어와 연결된다. 제어장치(13)는 클러치(16)와도 접속되어 있다. 개폐 조정봉(11)으로 개폐 접점(switching contact; 17a)을 1회 작동시키면 한 단계 낮은 기어로 변속된다. 개폐 조정봉(11)으로 개폐 접점(17b)을 1회 작동시키면 한 단계 높은 기어로 변속된다. 제어장치(13)는 적절한 전기 신호를 클러치(16)와 개폐장치(14)에 발신하고, 클러치(16)와 개폐장치(14)는 다시 기계적으로 기어(15)에 영향을 미쳐서 원하는 기어가 넣어지도록 한다. 대신 전자동으로 작동시킬 수도 있다. 이 경우 자동차의 전송기를 통해 가령 속도 혹은 엔진 회전속도, 브레이크 페달이나 가속 페달의 위치 등이 파악된다. 전송기의 신호로 제어장치(13)는 전자동 기어변속을 시행한다. 운전자는 더 이상 기어를 정하지 않으며, 개폐 조정봉(11)을 통해 예를 들어 스포티한 주행을 할 것인지 아니면 경제적인 주행을 할 것인지 등 적절한 자동모드를 단지 선택할 뿐이다.
도 2 내지 도 6을 참조로하여 개폐장치(14)의 구조와 기능이 설명된다. 캠 플레이트(18)는 중심축(center axle; 19)에 회전이 가능하게 배치된다. 캠 플레이트(18)의 외경에는 크라운 기어(20)가 있다. 크라운 기어(20)는 전동기(22)의 모터 피니언 기어(21)와 맞물려 있다. 캠 플레이트(18)의 정면(24)에는 끝없는 개폐 곡선 경로(25)가 네 개의 부분으로 이루어진 슬릿의 형태로 형성되어 있다. 제 1 및 제 2 기초원 부분(base circle section; 26 및 27)은 기초원(28) 위에 서로 마주 보고 있다. 그 사이에 제 1 및 제 2 개폐 부분(switching section; 29 및 30)이 놓인다. 제 1 개폐 부분(29)과 캠 플레이트(18)의 중심축(19) 간의 평균 거리는 기초원(28)의 반지름보다 항상 작거나 같다. 제 1 개폐 부분(29)은 αk1으로 표시된 각도에서 중심축(19)과의 평균 거리가 가장 작다. 제 2 개폐 부분(30)도 캠 플레이트(18)의 중심축(19)과의 평균 거리가 가변적이지만, 항상 기초원(28)의 반지름보다 크거나 같다. 제 2 개폐 부분(30)은 αgr로 표시된 각도에서 중심축(19)과의 평균 거리가 가장 크다.
저널(32)은 개폐 곡선 경로(25)의 내부로 이어진다. 저널(32)은 중간 기어휘일 세그먼트(33)에 고정되어 있는데, 중간 기어휘일 세그먼트(33)의 정면 위로 저널(32)이 솟아있다. 저널(32)은 중간 기어휘일 세그먼트(33)의 회전축(34)의 외부에 배치된다. 본체(35) 내부의 중간 기어휘일 세그먼트(33)와 간격을 두고 저널(32)과 일렬로 저널(32)을 수용하기 위한 고정구(arresting hole; 36)가 형성되어 있다. 중간 기어휘일 세그먼트(33)의 회전축(34)은 본체(35) 내부에 배치되어 있는 리프팅 마그넷(38)의 회전자로서의 역할을 한다.
시작 기어휘일 세그먼트(40)가 중간 기어휘일 세그먼트(33)와 맞물려 있다. 시작 기어휘일 세그먼트(40)는 비틀림 강도가 크게 시작축(41)과 연결되어 있다. 시작축(41)은 본체(35) 안에 회전과 이동이 가능하도록 놓인다. 시작축(41) 위로 시작 기어휘일 세그먼트(40)와 본체(35) 사이에 판 코일 스프링(flat coil spring; 42)이 배치되어 있다. 시작축(41)은 본체(35)에서 캠 플레이트(18)와 반대쪽을 향하는 면으로 솟아나와 있다. 시작축(41)의 끝은 종축과 수직으로 작동핀(actuating pin; 43)과 연결되어 있다(도 4). 시작축(41)과 반대쪽을 향한 작동핀(43)의 끝은 중간 변속 포크(gearshift fork; 47)의 슬릿에 맞물린다. 총 세 개의 변속 포크(46, 47, 48)가 기어(15)의 구성요소로서 서로 일렬로 배치되어 있다. 각 변속 포크(46, 47, 48)는 중립의 개폐위치(N)로부터 개폐위치(A) 내지 개폐위치(B)로 이동이 가능하다. 변속 포크(46, 47, 48)를 개폐위치(N)에서 개폐위치(A 또는 B)로 이동시킴으로써 종래와 마찬가지 방법으로 예를 들어 기어(15)의 액슬 구동 샤프트(axle drive shaft) 위에 비틀 수 있게끔 배치된 커플링 슬리브가 축이동을 통해 마찬가지로 액슬 구동 샤프트 위에 회전이 가능하도록 놓여진 기어휘일과 맞물리게 된다. 액슬 구동 샤프트의 기어휘일과 상시물림(constant mesh) 위치에 있는 피동축(driven shaft)의 기어휘일은 피동축 위에 비틀림 강도가 크게 배치되어 있다. 따라서 회전 모먼트를 액슬 구동 샤프트로부터 커플링 슬리브와 액슬 구동 샤프트의 기어휘일, 피동축의 기어휘일을 거쳐 피동축으로 전달할 수 있다. 그 결과 작동핀(43)과 맞물려 있는 변속 포크(46, 47, 48) 및 이들의 개폐위치(A 내지 B)에 따라 여섯 개의 위치를 구현할 수 있다. 이 위치들은 개폐장치(14)의 다섯 전진속도와 하나의 후진속도에 해당한다.
작동핀(43)과 마주 보고 있는 시작축(41)의 끝은 캠 플레이트(18) 위로 솟아서, 구형의 캡(spherical cap; 51)을 이룬다. 캡(51)은 판 코일 스프링(42)의 탄력으로 캠 레인(cam lane; 52) 위로 밀린다. 캠 레인(52)은 회전이 가능하도록 놓여진 편심판(53)의 정면에 놓여 있다. 캠 레인(52)에는 높이가 서로 다른, 세 개의 평면 세그먼트(plane segment; 54, 55, 56)가 시작축(41)의 종축에 수직으로 배치되어 있다. 평면 세그먼트(54)와 평면 세그먼트(55) 간의 높이차는 작동핀(43)이 변속 포크들(46 및 47) 사이를 이동하는 경로와 일치한다. 평면 세그먼트(55)와 평면 세그먼트(56) 간의 높이차는 작동핀(43)이 변속 포크들(47 및 48) 사이를 이동하는 경로와 일치한다. 평면 세그먼트(56)와 평면 세그먼트(54) 간의 높이차는 작동핀(43)이 변속 포크(48 및 46) 사이를 이동하는 경로와 일치한다. 각 평면 세그먼트(54 내지 56) 간의 접점들은 짧고 경사가 큰 사면(斜面; 57)으로 이루어진다. 이는 각 평면 세그먼트(54, 55, 56)가 거의 120。에 가까운 각도를 포괄한다는 것을 의미한다. 편심판(53)에는 톱니가 있는 외경(60)이 있어서, 구동 피니언 기어(driving pinion gear; 61)와 맞물려 있다. 구동 피니언 기어(61)와 톱니가 있는 외경(60) 간의 전동비는 3:1이다. 즉, 구동 피니언 기어(61)가 3회 회전할 때 편심판(53)은 1회 회전한다. 구동 피니언 기어(61)는 중심축(19) 위에 비틀림 강도가 크게 설치된다. 대신 구동 피니언 기어(61)를 캠 플레이트(18) 자체에 설치할 수도 있다.
도 5는 시작축(41)에서 보았을 때 변속 포크들(46 내지 48)이 평면 세그먼트(54 내지 56)와 개폐위치(A, N, B), 사면(57)에 할당된 상태를 보여준다. 각 기어 단계 및 개폐장치(14)의 개폐위치가 할당된 상태는 도 6에 그려져 있다. 도 4에 따르면 개폐장치(14)와, 개폐장치(14)와 연결된 기어(15)에 2단 기어가 넣어져 있다.
다음은 변속시 개폐장치(14)의 작동방법에 관한 설명이다. 본문에서는 이때 기어(15)에서 일어나는 변속비의 변화에 관해서는 이미 알려져 있는 것으로 전제한다.
우선 2단에서 3단 기어로의 기어변속에 관한 설명이다. 2단에서 3단 기어로 변속하려면 변속 포크(47)가 개폐위치(A)에서 개폐위치(B)로 이동해야 한다. 캠 플레이트(18)는 우선 개폐 곡선 경로(25)로 이어진 저널(32)이 중심축(19)과 가장 멀리 떨어지도록 회전된다. 저널(32)이 αgr로 표시된 각도와 일렬로 정렬되면 저널(32)은 중심축(19)으로부터 가장 멀리 떨어지게 된다. 그 결과 중간 기어휘일 세그먼트(33)와 시작 기어휘일 세그먼트(40), 시작축(41), 작동핀(43)이 회전해서 2단 기어가 넣어진다. 그러면 제어장치(13)는 개폐 조정봉(11)과 개폐 접점(17b)을 거쳐 전달된 임펄스에 따라 전동기(22)에 신호를 발신해서, 모터 피니언 기어(21)와 크라운 기어(20)로 캠 플레이트(18)를 시계방향으로 회전시킴으로써 저널(32)이 개폐 곡선 경로(25)에서 αk1으로 표시된 각도에 위치하도록 한다. 이로써 중간 기어휘일 세그먼트(33)와 시작 기어휘일 세그먼트(40), 시작축(41), 작동핀(43)이 회전해서, 변속 포크(47)가 위치(N)를 거쳐 3단 기어에 해당하는 개폐위치(B)로 이동하게 된다. 저널(32)이 제 1 또는 제 2 기초원 부분(26 또는 27)에 놓이면 변속 포크(46, 47, 48)는 항상 개폐위치(N)에 있게 된다. 캠 플레이트(18)가 회전할 때 편심판(53)도 반드시 함께 회전한다. 이때 캡(51)이 판 코일 스프링(42)의 탄성으로 제 2 평면 세그먼트(55)를 향해 밀린다. 도 5에서 알 수 있듯이 2단 기어에서 3단 기어로 변속되기 전에는 캡(51)이 평면 세그먼트(55)에서 A로 표시된 위치에 놓여 있다. 변속한 다음에는 캡(51)이 평면 세그먼트(55)에서 B로 표시된 위치에 놓이게 된다. 2단 기어에서 3단 기어로 변속될 때 편심판(53)은 캡(51) 아래에서 도 5에 58로 표시된 기준원 부분(reference circle section)에 따라 시계반대 방향으로 회전한다.
다음은 3단 기어에서 4단 기어로 변속하는 과정을 기술한 것이다. 이를 위해서는 캠 플레이트(18)가 전동기(22)를 이용해서 시계방향으로 계속 회전된다. 이때 캡(51)은 평면 세그먼트(55)로부터 사면(57)을 거쳐 평면 세그먼트(56)에 도달함으로써, 평면 세그먼트들(55 및 56) 간의 높이차로 인해 시작축(41)의 축이동이 야기된다. 이같은 과정은 시작축(41)과 작동핀(43)이 개폐위치(N)에 위치하게 되는 순간에 일어난다.
지금까지의 모델은 하나의 기어 단계에서 다음으로 높은 단계로 변속될 때의 변속 과정에 관한 것이었다. 하나의 단계에서 바로 아래 단계로 변속할 때는 캠 플레이트(18)와 편심판(53)이 반대방향으로 회전하면서 동일한 과정이 일어나고, 그 결과 시작축(41)이 반대방향으로 축이동하게 된다.
주행시 기어 단계를 건너뛰어서 변속하는 경우도 발생할 수 있다. 일례로 자동차가 신호등 앞에서 3단 기어를 넣고 거의 정지상태가 되는 경우를 들 수 있다. 그러면 출발하기 위해서는 3단 기어에서 직접 1단 기어로 변속해야 한다. 캠 플레이트(18)가 계속 회전되는 경우에서와 같이 2단 기어를 거치지 않고 변속하기 위해서는 시작축(41)의 회전운동을 저지해서, 사전에 2단 기어를 넣지 않은 상태에서 제 2 변속 포크(47)로부터 제 1 변속 포크(46)로 전환해야 한다. 리프팅 마그넷(38)이 이 역할을 한다. 개폐위치(N)에 도달하는 즉시 기초원(28) 위에서 저널(32)은 기초원 부분(27)에 위치하게 된다. 그런 다음 제어장치(13)에서 발신되는 적절한 트리거링 신호를 리프팅 마그넷(38)에 전달하면 중간 기어휘일 세그먼트(33)와 저널(32)이 축방향으로 이동함으로써 저널(32)이 더 이상 개폐 곡선 경로(25)와 맞물리지 않게 된다. 동시에 중간 기어휘일 세그먼트(33)는 고정구(36) 안에 삽입되어 있는 저널(32)을 통해 비틀리지 않도록 보호된다. 시작 기어휘일 세그먼트(40)와 중간 기어휘일 세그먼트(33)의 기어휘일이 서로 맞물리기 때문에 시작축(41)도 비틀리지 않게 된다. 그러면 캠 플레이트(18)와 편심판(53)을 제 1 평면 세그먼트(54)가 캡(51) 아래에 놓이게 될 때까지 계속 회전할 수 있게 된다. 판 코일 스프링(42)은 시작축(41)과 개폐위치(N)에 놓인 작동핀(43)을 제 1 변속 포크(46) 안으로 밀어 넣는다. 그러면 리프팅 마그넷(38)을 전원으로부터 차단함으로써 저널(32)이 다시 기초원(28)과 맞물리게 된다. 따라서 캠 플레이트(18)를 계속 회전시키면 시작축(41)과 작동핀(43)이 개폐위치(B)로 회전되고, 1단 기어가 넣어진다.
다른 기어 단계들을 건너뛰는 경우에도 유사한 과정이 적용된다. 이때 주의해야 할 것은 저널(32)이 기초원(28)의 반지름과 일치하는 간격을 두고 중심축(19)과 떨어져 있는 경우에만 리프팅 마그넷(38)을 작동시킬 수 있다는 점이다. 이는 예를 들어 도면에는 표시되지 않은 전송기에 의해 감시되는데, 이 전송기는 시작축(41)의 상대 위치를 제어장치(13)에 알려주는 역할을 한다.
평면 세그먼트의 수 및 구동 피니언 기어와 편심판의 (느린 속도로의) 전동비는 기어에 설치되는 변속 포크의 수와 일치해야 한다. 구체적으로 말하면 두 개의 변속 포크에는 두 개의 평면 세그먼트와 2:1의 전동비가 필요한 반면, 네 개의 변속 포크에는 네 개의 평면 세그먼트와 4:1의 전동비가 필요하다. 그리고 전동비는 구조적인 조건에 따라 좌우된다.
도 7은 편심판(53a)과 시작축(41a)이 변형된 실시예를 보여준다. 정면에 형성된 캠 레인(52) 대신 편심판(53a)의 외경에 기어휘일(60)의 바깥으로, 기어휘일(60)로부터 떨어진 부분에 끝없는 회전 슬릿(63)이 형성되어 있다. 슬릿(63)은 캠 레인(52)과 비슷하게 세 개의 축이동된 영역(66, 67, 68)으로 이루어지는데, 이 영역들이 서로를 향해 움직이는 경로는 변속 포크(46 내지 48)의 이동 경로와 일치한다. 시작축(41a)의 한 쪽 끝에는 칼라(collar) 내지 비드(bead; 64)가 있어서, 원통형으로 된 부분(65)을 통해 시작축(41a)과 연결되어 있다. 슬릿(63)은 비드(64)를 수용할 수 있도록 제작된다. 영역들(66, 67, 68)간의 전이 영역(transmission region; 69)에서는 슬릿(63)의 단면이 약간 더 넓게 제작되어서, 슬릿(63)에서 비드(64)가 하나의 영역에서 다른 영역으로 넘어갈 때 필요한 축이동을 시행할 수 있게 된다. 변속 포크의 수가 다른 기어의 경우 영역들(66, 67, 68)의 수에 캠 레인(52)의 경우와 유사한 원리가 적용된다. 두 번째 실시예의 경우 비드(64)가 슬릿(63) 안으로 이어지게 함으로써 판 코일 스프링(42)을 설치하지 않아도 된다. 편심판(53a)은 도면에 표시된 것처럼 한 부분으로 이루어지거나 크라운 기어 혹은 기어휘일 및 그 위에 고정되고 슬릿(63)이 있는 플레이트 등의 두 부분으로 구성될 수도 있다.
도 8은 편심판(53)이 없는 개폐장치(14b)를 나타낸 것이다. 그 대신 캠 플레이트(18a)의 외경에 시작축(41b)이 이동할 수 있도록 나선형의 슬릿(71)이 넣어져 있다. 슬릿(71)에는 서로 평행하게 배치된, 세 개의 기어 단계(73, 74, 75)가 있는데, 이들간의 거리는 변속 포크들(46, 47, 48)간의 거리와 일치한다. 기어 단계들(73, 74)은 전이 영역(77)을 거쳐, 그리고 기어 단계들(74, 75)은 전이 영역(78)을 거쳐 서로 연결되어 있다. 슬릿(71)에는 부분(65b)을 거쳐 시작축(41b)과 연결되는 비드(64b)가 맞물려 있고, 시작축(41b)은 시작 기어휘일 세그먼트(40)를 거쳐 중간 기어휘일 세그먼트(33)와 맞물려 있다. 중간 기어휘일 세그먼트(33)는 저널(32)에 의해 캠 플레이트(18b)로 이어진다. 캠 플레이트(18b)에는 크라운 기어(20)가 있는데, 크라운 기어(20)를 거쳐 캠 플레이트(18b)가 전동기(22)에 의해 피니언 기어(21)로 구동된다. 캠 플레이트(18b)를 중심축(19b)을 거쳐 감속 기어가 있는 모터에 조립해서 같은 방법으로 구동시킬 수도 있다.
지금까지의 모델은 개폐위치(A, B)의 허용된 공차(公差) 범위가 매우 협소한 기어(15)에 관한 것이었다. 그러나 실제에서는 개폐위치(A, B)의 공차 범위가 몇 밀리미터인 경우도 빈번하다. 도 9는 도식적으로 그려진 개폐장치(14c)를 이용해서 이같은 경우를 보여준다.
개폐위치가 중립(N)에 있을 경우를 상정하면 작동핀(43)은 Amin과 Amax내지 Bmin과 Bmax사이의 위치에 놓이게 된다. 이 범위가 변속 포크들(46, 47, 48)이 실제 개폐위치를 갖게 되는 범위이다. Amin과 Bmin은 개폐위치(N)의 경우 더 가깝게 놓이고, Amax와 Bmax는 더 멀리 떨어지게 된다. Amin과 Amax내지 Bmin과 Bmax간의 거리는 기어(15)에 설치된 변속 포크(46, 47, 48)의 개폐위치에서 예상되는 최대의 공차와 일치한다.
작동핀(43)의 시작축(41c)은 시작 기어휘일 세그먼트(40c)에 넣어진 구멍(80)의 중앙에 배치되어 있다. 구멍(80)의 직경은 시작축(41c)보다 크다. 그 결과 생겨난 고리 모양의 공간은 같은 크기를 가진, 네 개의 링 세그먼트(82, 83, 84, 85)로 채워진다. 서로 마주 보도록 배치된 링 세그먼트(82, 84)는 시작축(41c)에 고정되어 있다. 마찬가지로 마주 보도록 배치된 나머지 링 세그먼트들(83, 85)은 구멍(80)에 고정되어 있다. 링 세그먼트(82, 83, 84, 85)는 탄력적인 소재로 이루어지고, 조립되지 않은 상태에서는 각각 90°이상의 각을 포괄함으로써, 조립된 링 세그먼트들(82, 83, 84, 85) 간에 초기 장력(initial tension)이 발생한다. 도면에는 그려지지 않은, 두 개의 로킹 링 또는 로크 와셔에 의해 시작 기어휘일 세그먼트(40c)와 시작축(41c)이 축방향으로 미끄러지는 현상이 방지된다.
개폐 곡선 경로(25c)의 내벽(87)에는 회로 부분(30c)에서 αgr로 표시된 지점에 제 1 형판(型板; 88)이 있는데, 형판(88)과 회전축(19) 간의 최소 거리는 amin으로 표시되어 있다. 제 1 형판(88)의 좌우로 회전축(19)과의 거리가 amax인 두 개의 지점(89, 90)이 있는데, 여기서 이 거리는 회로 부분(30c)에서 내벽(87)과 회전축(19) 간의 최대 거리를 나타낸다. 개폐 곡선 경로(25c)의 외벽(92)에는 회로 부분(29c)에서 αkl으로 표시된 지점에 제 2 형판(93)이 있다. 제 2 형판(93)은 개폐 곡선 경로(25c)의 중심으로부터 멀리 떨어져 있으며, 최대 거리는 bmin이다. 개폐 부분(29c)에는 제 2 형판(93) 외에 회전축과의 거리는 bmax인 두 개의 지점(94, 95)도 있다. 거리 bmax는 회로 부분(29c)의 외벽(92)과 회전축(19)간의 최소 거리를 나타낸다.
중간 기어휘일 세그먼트(33)의 저널(32)은 기초원 부분(27)에 표시된 위치에 놓여있다. 그렇기 때문에 작동핀(43)도 중립 개폐위치(N)에 놓인다. 작동핀(43)이 개폐위치(A)로 전환되면 개폐 곡선 경로(25c)가 시계반대 방향으로 회전해야 한다. 저널(32)이 회로 부분(30c)에 도달하면 회로 부분(30c)과 회전축(19) 간의 거리가 커지기 때문에 저널(32)이 틀어진다. 그러므로 중간 기어휘일 세그먼트(33)도 시계반대 방향으로 회전된다. 중간 기어휘일 세그먼트(33)와 시작 기어휘일 세그먼트(40c)의 기어휘일 때문에 시작 기어휘일 세그먼트(40c)가 시계방향으로 회전된다. 이 회전운동은 서로 영향을 미치도록 맞물려있는 탄력적인 링 세그먼트(82 내지 85)에 의해 시작축(41c)과 작동핀(43c)에 전달된다.
다음은 작동핀(43)의 서로 다른 두 개의 위치에 관한 설명이다. 첫 번째 경우 변속 포크(46, 47, 48)의 개폐위치가 작동핀(43)의 지점(Amax)에서야 비로소 도달되는 반면, 두 번째 경우 지점(Amin)에서 이미 도달된다.
첫 번째 경우에서 저널(32)은 지점(89)에서 외부 쪽으로 가장 멀리 틀어진다. 회전축(19)과의 거리(amax)와 탄력적인 링 세그먼트(82 내지 85)의 초기 장력은 개폐위치(Amax)에 반드시 도달할 수 있도록 정해진다. 개폐위치(Amax)에 도달하면 작동핀(43)에 의해 스위치가 켜진 변속 포크(46, 47, 48)가 기어(15)의 이 개폐위치에서 종래의 방식대로 고정(arrest)된다. 가이드 레인(25c)은 저널(32)이 αgr로 표시된 지점에 도달할 때까지 조금 더 회전한다. 그러면 탄력적인 링 세그먼트(82 내지 85)에서 상승된 장력이 완화되고, 저널(32)은 회전축(19)에 약간 더 가까운 위치에 놓이게 된다.
이번에는 최대로 틀어진 저널이 회로 부분(30c)의 지점(89)에 도달하기 전에 이미 개폐위치(Amin)에 도달한 경우에 관한 설명이다. 개폐위치(Amin)에 도달하면 변속 포크(46, 47, 48)가 고정된다. 중간 기어휘일 세그먼트(33)와 시작 기어휘일 세그먼트(40c)는 계속 틀어지지만, 작동핀(43)과 시작축(41c)은 링 세그먼트(82 내지 85)가 탄력적인 반응을 보이기 때문에 더 이상 회전하지 않는다. 저널(32)이 αgr로 표시된 지점에 도달하면 저널은 제 1 형판(88)의 영역에 진입하게 된다. 거리(amin)은 개폐위치(Amin)에서 장치 전체가 기계적인 장력을 받지 않도록 정해진다. 개폐위치(Amin및 Amax)에 따라 작동핀(43)이 위치(Bmin, Bmax)에 도달하는 경우에도 유사한 과정이 일어난다. 다만, 저널(32)이 회로 부분(29c)에 진입한다는 차이가 있다.
링 세그먼트(82 내지 85)에 탄성 소자를 사용하는 대신 저널(32)을 중간 기어휘일 세그먼트(33) 안에 형성된 세로 구멍 안에 배치하는 방법도 있다. 그러면 저널(32)의 어느 면이든지 세로 구멍에서 초기장력을 받는, 탄성 소자들에 의해 떠받쳐진다. 작동핀(43)을 스프링 강(spring steel) 등으로 제작해서 작동핀(43)의 형태와 배치를 통해 탄성이 주어지도록 하는 방법도 생각해볼 수 있다.
상기 모델에서 중요한 것은 탄성 소자가 초기장력을 받음으로써 발생할 것으로 예상되는 가장 큰 힘이 변속 포크(46 내지 48)에 스위치를 넣을 때 전달되도록 할 수 있다는 것이다. 또한 거리(amax와 bmax)는 개폐위치(Amax와 Bmax)에 반드시 도달할 수 있도록 정해져야 한다. 이밖에 형판(88, 93)의 거리(amin와 bmin)도 작동핀(43)이 개폐위치에 도달했을 때 변속 포크(46 내지 48)에 어떠한 힘도 가하지 않거나 적은 힘만을 가하도록 정해져야 한다. 과한 힘이 가해지면 변속 포크(46 내지 48)가 끊임없이 이 힘을 동기 장치에 전달할 것이고, 그러면 마모 정도가 심해질 것이다. 그러나 이 힘이 그리 크지 않으면 거리가 amin과 bmin인 형판(88, 93)을 사용하지 않아도 된다.
도 10은 변형된 개폐 곡선 경로(25d)를 나타낸 것으로, 개폐 곡선 경로(25d)와 함께 개폐장치(14)를 개폐위치(A, B)의 공차가 큰 기어(15)에 사용할 수 있다. 개폐 곡선 경로(25d)는 두 개의 곡선 세그먼트(98, 99)로 갈라지는 궤도(97)로 이루어진다. 제 1 곡선 세그먼트(98)는 바깥쪽을 향하며, 반경(r1)이 항상 궤도(97)의 반경(R)보다 크거나 같다. 제 2 곡선 세그먼트(99)는 안쪽을 향하며, 반경(r2)이 항상 궤도(97)의 반경(R)보다 작거나 같다. 궤도(97)의 평균 직경은 기초원(28)의 직경과 일치한다. 곡선 세그먼트(98)는 αgr로 표시된 위치에서 끝난다. 곡선 세그먼트(99)는 αkl으로 표시된 위치에서 끝난다. 곡선 세그먼트(98, 99)과 이들에 의해 둘러싸인 궤도 부분(100)은 축방향으로 나머지 궤도 부분(101)보다 더 깊숙히 들어가 있다.
기어(15)를 조립할 때 우선 변속 포크(46, 47, 48)의 정확한 개폐위치(A, B)를 파악한다. 개폐위치(A, B)는 예를 들어 기어(15)의 조립 라인에 통합되어 있는 자동 측정소에서 파악할 수 있다. 그런 다음 파악된 수치들을 기어 제어기(10)의 제어장치(13)에 저장한다. 개폐위치(A)를 위해 파악된 수치들은 곡선 세그먼트(98)에 PAmin과 PAmax로 표시된 지점 사이에 놓인다. 개폐위치(B)를 위해 파악된 수치들은 곡선 세그먼트(99)에 PBmin과 PBmax로 표시된 지점 사이에 놓인다.
작동핀(43)이 예를 들어 변속 포크(47)의 개폐위치(A)에 위치하면, 저널(32)도 곡선 세그먼트(98)에서 PAmin과 PAmax사이에서 이에 해당하는 위치에 놓이게 된다. 그리고 변속 포크(47)가 개폐위치(B)로 전환되면 개폐 곡선 경로(25d)는 시계반대 방향으로 회전하고, 저널(32)은 기어(15) 조립시 파악되어 제어장치(13)에 저장되었던, 곡선 세그먼트(99)의 PBmin과 PBmax사이의 위치에 도달할 때까지 개폐 곡선 경로(25d)를 따른다.
변속 포크(47)의 개폐위치(B)로부터 변속 포크(48)의 개폐위치(A)로 변속이 이루어지면 개폐 곡선 경로(25d)가 시계방향으로 회전한다. 저널(32)은 곡선 세그먼트(99)를 떠나 우선 궤도 부분(100)에 도달한다. 여기서 리프팅 마그넷(38)이 저널(32)을 중간 기어휘일 세그먼트(33)와 함께 조금 더 끌어 올린다. 저널(32)은 본체(35)의 고정구(36)에 고정되어 있기 때문에 개폐 곡선 경로(25d)가 계속 회전하면 저널(32)은 궤도 부분(101)에 남게 된다. 그러면 작동핀(43)은 변속 포크(47)의 개폐위치(N)에 놓이게 된다. 그런 다음 편심판(53) 등을 통해 시작축(41)을 변속 포크(48)의 슬릿(44) 안으로 밀어 넣는다. 그러면 저널(32)은 궤도 부분(100)에 도달하게 되고, 리프팅 마그넷(38)에 의해 다시 내려진다. 저널(32)이 곡선 세그먼트(98)에 도달하면 즉시 작동핀(43)도 개폐위치(A)의 방향으로 이동하기 시작한다. 개폐 곡선 경로(25d)의 회전은 기어(15) 제작시 파악된 곡선 세그먼트(98)의 지점에서 끝나는데, 이 지점은 개폐위치(A)에서 변속 포크(48)의 정확한 위치와 일치한다.
덧붙여 말하자면 상기 경우에서 궤도 부분(100)과 고정구(36)는 공동으로 사용된다. 이 경우 리프팅 마그넷(38)을 저널(32)이 축 위치에서 벗어나지 않게 하기 위해 높은 가속을 내도록 제작하지 않아도 된다는 장점이 있다. 반대로 리프팅 마그넷(38)을 적절히 강하게 제작하면 고정구(36)나 궤도 부분(101)을 생략할 수 있다.
다단 변속기어에서 변속을 하기 전에 상호작용하는, 두 개의 기어휘일의 원주 속도(circumferential speed)를 동기 장치를 이용해서 조절해야 한다. 수동 변속기어의 경우 변속레버를 움직임으로써 수동으로 기어가 넣어지기 때문에 기어변속으로 구현되는 속도 및 이 속도로 발생되는 힘이 매우 다양할 수 있다. 그렇기 때문에 동기 장치를 견고하게 제작해야 큰 힘에도 견디어낼 수 있는데, 이는 동시에 중량이 증가하고, 보다 큰 설치공간이 필요해짐을 의미한다. 그러나 개폐 곡선 경로(25)의 형태와 기어(15)의 동기 장치들을 조화시킴으로써 종래의 변속기어에 비해 중량과 설치공간을 줄일 수 있다.
상기 실시예들의 경우 시작축(41)과 작동핀(43)의 축이동에 의해 변속 포크(46, 47, 48) 간의 교체가 이루어지고, 시작축(41)과 작동핀(43)을 회전운동시킴으로써 기어가 넣어진다. 그러나 자동차 안의 공간이 협소한 경우 등 필요하면 개폐장치(14)를 90°옮겨서 배치할 수도 있다. 이 경우 시작축(41)과 작동핀(43)을 회전운동시킴으로써 변속 포크(46, 47, 48) 간의 교체가 이루어지고, 시작축(41)과 작동핀(43)의 축이동을 통해 기어가 넣어진다. 이 경우에도 앞서 언급한 것과 마찬가지로 개폐위치의 공차에 적응시키기 위해 탄성 소자를 설치해야 한다면, 두 부분으로 이루어진 시작축 등에 의해 이를 구현할 수 있으며, 이때 두 개의 각 축은 탄성 소자와 연결되어 있게 된다. 이 경우 주의할 것은 적절히 조절된 각 축의 베어링이나 강성을 가진, 탄성 소자가 설치되어야 한다는 것이다.
기어 제어기(10)의 경우 변속과정을 위해 클러치 페달이 불필요하지만, 클러치 페달을 설치하면 일반적인 수동 변속기어에서와 같이 변속을 할 수 있다.
개폐 조정봉(11)을 스위치의 형태로 제작하는 등 다른 방법으로 제작할 수도 있다.
리프팅 마그넷(38) 대신 소위 스핀들 모터(spindle motor)를 사용할 수도 있다. 스핀들 모터는 회전자의 회전 운동을 샤프트의 직선 운동으로 전환한다. 도면에서 이에 해당하는 부분은 달라지지 않는다.
또한 상황에 따라 리프팅 마그넷(38)이나 스핀들 모터로 저널(32)을 들어 올리는 과정도 생략할 수 있다. 예를 들어 3단 기어에서 1단 기어로 변속하는 과정에서 2단 기어를 거쳐 변속이 이루어지도록 할 수 있다. 이때 변속 과정이 완료될 때까지 제어장치(13)로만 클러치(16)를 작동시켜야 한다.
다른 위치에서 가령 지렛대비(lever transmission) 등이 개선된다면 저널(32)도 중간 기어휘일 세그먼트(33)의 기어휘일과 그 회전축(34) 사이에 배치할 필요는 없다.
개폐 곡선 경로(25, 25c, 25d)로부터 저널(32)로 전달되는 힘은 다양하다. 이 힘들은 다시 저널(32)과 개폐 곡선 경로(25, 25c, 25d) 사이에 작용하는 표면 압력(surface pressure)을 생성시키는데, 이 역시 다양하다. 개폐 곡선 경로(25, 25c, 25d)의 한 부위에서 발생할 것으로 예상되는 최대의 표면 압력이 자재를 손상시킬 위험이 있는 경우, 저널(32)의 형태를 이 부위에서 개폐 곡선 경로(25, 25c, 25d)의 형태에 맞게 조절할 수 있다. 이로써 가장 큰, 효과적인 표면이 만들어지고, 그 결과 표면 압력이 강하된다. 기어(15)가 다양하면 최대의 표면 압력도 그때그때마다 다양한 부위에 작용할 수 있다. 개폐 곡선 경로(25, 25c, 25d)로 이어지는 저널(32)의 끝을, 분리할 수 있고, 경우에 따라서는 회전도 할 수 있도록 설치된 슬라이드 링 또는 가이드 슈우로 대체하는 경우, 저널(32)을 조절하기 위해 슬라이드 링의 형태만 그때그때 기어(15)에 맞게 제작하면 된다.
본 발명에 따라 지금까지 일반적으로 사용되던, H형의 개폐 레인으로 이어지는 변속레버를 사용하지 않고도 수동으로 작동가능한 다단 변속기어를 가능하게 하는 개폐장치를 제작 할 수 있다.

Claims (12)

  1. 자동차용 다단 변속기어(15)를 위한 개폐장치(14; 14b)에 있어서,
    구동장치(22)와 결합되고, 회전 가능하게 배치된 캠 플레이트(18; 18b)와,
    톱니가 있는 단면을 구비하고, 상기 캠 플레이트(18; 18b)의 가이드 레인(25; 25c 25d)에 배치되고 회전 소자(33)와 연결된 가이드 소자(32)에 의해 회전 가능하게 결합된 회전 소자(33)와,
    상기 회전 소자(33)와 맞물려 있는 기어휘일 세그먼트(40, 40c)와,
    상기 기어휘일 세그먼트(40, 40c)와 결합되고 다단 변속기어(15)의 변속 포크(46, 47, 48)에 영향을 미치는 개폐 소자(41, 43; 41a, 43; 41b, 43; 41c, 43)를 포함하고,
    상기 개폐 소자(41, 43; 41a, 43; 41b, 43; 41c, 43)가 회전축에 대해 수직으로 축이동을 하기 위한 제 1 리프팅 장치(53; 53a; 71)를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차 다단 변속기어용 개폐장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 제 2 리프팅 장치(38)가 회전 소자(33)와 가이드 소자(32)의 축이동을 위해 캠 플레이트(18; 18b)와 관련하여 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 자동차 다단 변속기어용 개폐장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 리프팅 장치는 리프팅 마그넷(38) 혹은 스핀들 모터인 것을 특징으로 하는 자동차 다단 변속기어용 개폐장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 리프팅 장치(53; 53a; 71)가 캠 플레이트(18; 18b)와 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 자동차 다단 변속기어용 개폐장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 캠 플레이트(18; 18b)를 위한 구동장치는 전동기(22)인 것을 특징으로 하는 자동차 다단 변속기어용 개폐장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 캠 플레이트(18; 18b)의 가이드 레인(25, 25c)에서 최소한 제 1 부분(26, 27)이 다단 변속기어(15)의 중립 개페위치(N)에 해당하는 것을 특징으로 하는 자동차 다단 변속기어용 개폐장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 캠 플레이트(18; 18b)의 가이드 레인(25, 25c)에서 두 개의 제 2 부분(29, 30; 29c, 30c)이 변속 포크(46 내지 48)의 두 개폐위치(A, B; Amin, Amax, Bmin, Bmax)에 해당하는 것을 특징으로 하는 자동차 다단 변속기어용 개폐장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 캠 플레이트(18; 18b)의 가이드 레인(25c)에서 두 개의 제 2 부분(29c, 30c)은 변속 포크(46, 47, 48)가 개폐위치(A, B; Amin, Amax, Bmin, Bmax)에 도달할 때 기계적인 장력이 없도록 하는 형판(88, 93)을 구비하는 것을 특징으로 하는 자동차 다단 변속기어용 개폐장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캠 플레이트(18, 18b)의 가이드 레인(25, 25c)과 변속 포크(46 내지 48) 사이에 하나 이상의 탄성 소자(82 내지 85)가 개폐위치(Amin, Amax, Bmin, Bmax)의 공차를 상쇄하기 위해 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 자동차 다단 변속기어용 개폐장치.
  10. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가이드 레인(25d)이 적어도 일부가 궤도(97)와, 궤도(97)로부터 분기되는 두 개의 곡선 세그먼트(98, 99)로 구성되고,
    상기 궤도(97)가 변속 포크(46, 47, 48)의 중립 개폐위치(N)에 해당하며,
    상기 두 개의 곡선 세그먼트(98, 99)는 변속 포크(A, B)의 두 개폐위치에 해당하는 것을 특징으로 하는 자동차 다단 변속기어용 개폐장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 궤도(97)의 일부(101)가 곡선 세그먼트(98, 99)의 반대편으로 축이동되어 있는 것을 특징으로 하는 자동차 다단 변속기어용 개폐장치.
  12. 제 1 항 내지 제 8 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 변속 포크(46 내지 48) 및 개폐위치(A, B, N; Amin, Amax, Bmin, Bmax, N)가 작동 소자(11) 또는 전기 제어기(13)에 의해 규정되는 것을 특징으로 하는 자동차 다단 변속기어용 개폐장치.
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