KR20010020232A

KR20010020232A - 다중 레인지 벨트형 무단 변속기

Info

Publication number: KR20010020232A
Application number: KR1019997009822A
Authority: KR
Inventors: 라킨로버트프란시스
Original assignee: 데이비드 에이치 페레즈; 제너럴 다이내믹스 랜드 시스템즈, 아이엔시.
Priority date: 1997-04-25
Filing date: 1998-04-24
Publication date: 2001-03-15
Also published as: BR9809407A; DE69810917D1; EP0975901A1; KR100541292B1; US5980414A; DE69810917T2; CA2287310A1; WO1998049465A1; EP0975901B1; JP2001524194A; AU7155598A; JP4657389B2

Abstract

본 발명에 따른 다중 레인지 무단 변속기에서, 입력 엔진 동력은 벨트형 무단변속기 유닛 및 상호 연결된 유성 기어의 시스템 사이에서 분할된다. 차량이 다중 전진 레인지 및 하나의 후진 레인지-연속 가변 속도의 각 레인지는 변속기 유닛을 스트로킹함으로써 생성됨-에 놓이도록 변속기 출력을 생성하기 위해 이러한 기어 시스템은 엔진으로부터 수용된 분할 동력과 변속기 유닛 출력을 조합한다. 레인지들 사이의 동기 시프팅은 차량이 정지 상태에서 최대 속도까지 부드럽게 가속될 수 있도록 변속기 유닛의 적절한 스트로크 설정에서 유성 기어 세트의 요소를 선택적으로 클러칭 또는 브레이킹함으로써 이루어진다.

Description

다중 레인지 벨트형 무단 변속기 {MULTI-RANGE, BELT-TYPE, CONTINUOUSLY VARIABLE TRANSMISSION}

몇 년 이상, 많은 차량 변속기 시스템이 정지 상태에서 최대 주행 속도까지 차량을 가속하기 위해 엔진 토크를 증가시키기 위한 벨트형 무단 변속기(벨트형 CVT)를 사용하도록 설계되었다. 벨트형 CVT는 네덜란드의 닥터. 허브 밴 두른(Dr. Hub Van Doorne)에 의해 몇 년 전에 발명된 분할 금속 압축 벨트 발명에서 비롯되었고, 현재 경차 적용에 적용되고 있다. 그러나, 대부분의 벨트형 CVT는 약 100 kW 용량의 차량에만 적절한 단일-비율 레인지 변속기이다.

더욱이, 벨트형 CVT는 자동차 변속기 적용에 있어서 개조의 복잡성이 증가되는 다른 제한을 갖는다. 먼저, 벨트형 CVT는 최소 시브 요구로 인해 변속기 중립, 즉 0:1 속도비를 제공할 수 없다. 따라서, 중립 상태를 이루기 위해 클러치와 같은 연결 해제 장치가 엔진과 변속기 사이에 장착되어야 한다. 클러치는 정지 상태에서 차량을 부드럽게 가속하도록 점차 맞물린다. 또한, 토크 컨버터가 시동 토크를 증가시키기 위해 사용된 경우에, 그리고 시동 가속을 보장하기 위해 유체 커플링 장치가 엔진과 벨트형 CVT 사이에 장착될 수 있다.

둘째로, 벨트형 CVT는 후진 출력 능력을 갖지 못한다. 따라서, CVT에 대해 입력 회전 방향을 역전시켜서 CVT 출력 회전 방향을 역전시키기 위해 링 기어 브레이크를 구비한 복합 유성 기어 세트가 엔진과 CVT 사이에 설치된다. 또한, 벨트형 CVT는 대체로 높은 출력 속도비 능력을 갖는다. 예컨대, 벨트형 CVT의 출력 속도비는 약 1:0.4에서 1:2.5까지의 범위일 수 있다. 그러나, 차동차용 변속기 출력의 최대 속도비는 0.66:1 오버드라이브 속도비인 1:1.5를 좀처럼 초과하지 않는다. 벨트형 CVT의 전체 출력 속도비 포텐셜을 수용하고 사용하기 위해, 추가 속도 감소가 최적 성능을 위해 변속기 출력에 또는 차량 최종 구동에 적용될 필요가 있다.

본 발명은 다중 레인지 벨트형 무단 변속기에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 자동차 구동 라인 내에 적용하기에 적절한 다중 레인지 벨트형 무단 변속기에 관한 것이다.

도1은 자동차의 다중 레인지 벨트형 CVT의 측면도이다.

도2는 도1의 CVT의 개략도이다.

도3은 도1의 CVT 내에 사용되는 유성 기어 세트를 나타내는 레버 상사도이다.

도4 내지 도12는 각 변속기 레인지에서의 도1의 CVT의 속도 및 동력 공급 특성의 그래프 분석을 제공하는 레버 상사도이다.

도13은 각 변속기 레인지에서의 성능 변수와 함께, 각 변속기 레인지에서 도1의 CVT를 작동시키도록 다중 브레이크 및 클러치가 맞물리는 것을 나타내는 표이다.

도14는 상업적으로 입수 가능한 자동차 엔진에 적용된 도1의 CVT의 최대 토크 및 동력 능력의 그래프 분석을 제공하는 레버 상사도이다.

도15a 내지 도15c는 공지된 다른 자동차 구동 라인에 대해 도1의 CVT를 개조하는 다양한 구성을 도시한다.

본 발명의 목적은 전술한 제한을 포함하는 제한을 극복하고 벨트형 CVT의 소정 특성 성능을 이용하는 개량된 자동차 변속기를 제공하는 것이다. 본 발명의 벨트형 CVT는 정지 상태에서 최대 속도까지 차량 가속을 이루기 위해 엔진으로부터 구동 휠까지의 원활하고 방해받지 않는 동력 흐름과 함께, 동기 또는 거의 동기 레인지 시프팅(synchronous range shifting)을 이롭게 제공하는 다중 레인지 벨트형 CVT이다. 본 발명의 변속기의 추가 이점은 엔진이 변속기의 출력 속도와는 상관없이 연속으로 또는 거의 최대 효율 출력 속도로 작동될 수 있다는 것이다.

본 발명의 추가 목적 및 이점은 이하의 설명에서 일부가 설명되고 일부는 설명으로부터 명백할 것이며, 또는 본 발명의 실시에 의해 이해할 수 있다. 본 발명의 이점 및 목적은 특히 첨부된 청구의 범위에 지적된 요소 및 조합에 의해 이해되고 얻을 수 있다.

본 발명의 이점을 얻기 위해 그리고 본 발명이 목적에 따라, 본 명세서에 구체화되고 넓게 설명된 바와 같이 본 발명은 원동기로부터 종동 부하까지 동력을 전달하기 위한 다중 레인지 무단 변속기를 포함한다. 다중 레인지 무단 변속기는 엔진으로부터 입력 동력을 수용하도록 연결된 입력 샤프트와, 출력 동력을 부하에 전달하도록 연결된 출력 샤프트를 포함한다. 벨트형 변속기 유닛은 입력 샤프트에 연결된 입력부 및 속도비 상한과 하한 사이에서 변속기 유닛을 스트로킹함으로써 생성된 무단 속도비의 출력부를 갖는다. 기어 시스템은 입력 샤프트에 결합된 제1 입력부, 변속기 유닛의 출력부에 결합된 제2 입력부, 출력 샤프트에 결합된 출력부 및 제1 입력부와 제2 입력부 및 출력부 사이에서 기어 시스템을 통해 동력 흐름을 전달하기 위한 다수의 기어 세트를 포함한다. 시프트 수단은 기어 시스템과 변속기 유닛을 통한 동력 흐름을 변경하여 레인지들 사이에서 변속기를 시프트하도록 기어 세트들의 기어 요소 상에 선택적으로 작용하고, 각각 변속기 유닛의 스트로크에 반응하여 출력 샤프트 상에 연속 가변 속도를 생성할 수 있는 시프트 요소들을 포함한다.

전술한 설명과 이후의 설명이 단지 예시적이며 설명적인 것이고 본 발명을 제한하는 것이 아니라는 것을 알아야 한다.

본 명세서에 합체되어 있고 본 명세서의 일부를 형성하는 첨부된 도면은 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는데 도움을 주고 본 발명의 여러 실시예를 도시한다.

첨부된 도면에 도시된 본 발명의 양호한 실시예를 이제 상세히 참조할 것이다. 가능하면, 동일한 도면 부호가 동일한 또는 유사한 부분을 나타내는 도면 전체을 통해 사용될 것이다.

도1 및 도2에 도시된 본 발명의 실시예에서, 다중 레인지 CVT(20)는 원동기(도시 안됨)에 의해 구동되는 입력부(24)와 출력부(26)를 가지며 속도비 상한과 하한 사이에서 연속 또는 무한 가변 입력/유닛 속도비를 제공할 수 있다. 벨트형 변속기 유닛(22)은 당해 기술 분야에서 주지된 종래의 설계일 수 있고, 따라서 본 명세서에서는 상세한 구성이 설명될 필요가 없다. 동력 전달 기어 시스템(28)은 입력 커플러(39)를 통해 원동기에 의해 구동되는 제1 입력부(30)와, 변속기 유닛(22)의 출력부(26)에 의해 구동되는 제2 입력부(34)와, 부하(도시 안됨)에 연결된 변속기 출력부(36)를 포함하고 적어도 2개의 전진 레인지 사이에서 시프트될 수 있으며, 각각의 무한 가변 입력 대 출력 속도비가 변속기 유닛(22)을 변경(스트로킹)함으로써 생성된다. 도시된 바와 같이, 변속기 출력부(36)는 1:1 속도비 출력 커플러(50)를 통해 최종 변속기 출력 샤프트(52)로 연결된다. 이러한 출력 커플러는 스퍼 기어 세트, 벨트와 풀리 세트 또는 체인과 스프로켓 세트를 포함할 수 있다.

도1 및 도2를 상세히 참조하면, 본 발명의 다중 레인지 CVT(20)는 분할 입력 구성을 갖는다. 원동기에 의해 변속기 입력 샤프트(32)에 인가된 동력의 일부는 벨트형 변속기 유닛(22)을 통해 전달되고 입력 동력의 나머지는 동력 전달 기어 시스템(28)을 통해 전달된다. 변속기(20)가 적용 가능한 원동기는 자동차 내연 기관일 수 있다.

벨트형 변속기 유닛(22)은 2개의 가변 직경 풀리(22b, 22c)들 사이에서 운행하는 삼각형 단면의 벨트(22a)를 통상적으로 포함한다. 풀리(22b)는 변속기 입력 샤프트(38) 상에 고정되고 풀리(22c)는 변속기 유닛 출력부(26)가 생성되는 샤프트(40)에 고정된다. 각 풀리의 반부들 사이의 공간은 벨트(22a)가 운행하는 직경을 결정한다. 따라서, 입력/출력 속도비는 풀리 반부들 사이의 공간과 하나의 또는 2개의 풀리의 직경을 변경함으로써 연속으로 변경된다. 벨트형 변속기 유닛(22)의 입력/출력 속도비는, 예컨대 1:0.4에서 1:2.5까지 변화한다. 벨트형 변속기 유닛(22)은 중립 상태, 즉 1:0 유닛-입력/유닛-출력 속도비를 이룰 수 없지만 비교적 높은 오버드라이브 출력 속도비를 이룰 수 있다.

커플러(39)는 변속기 입력 샤프트(38)에 의해 구동되는 입력 구동 요소(39a)와, 구동 기어 시스템 입력부(30)에 연결된 출력 구동 요소(39b)를 포함한다. 이러한 구동 요소들은 상호 맞물림 스퍼 기어, 체인 연결 스프로켓 또는 벨트 연결 풀리일 수 있다. 본 발명의 특징에 따라, 이러한 구동 요소는 기어 시스템 입력부(30)에 인가된 것과 같이 약간 증가된 엔진 속도(Ne), 예컨대 1.1 Ne를 제공하도록 설계된다.

도1 및 도2에 도시된 바와 같이, 동력 전달 기어 시스템(28)은 3개의 유성 기어 세트(42, 44, 46)를 포함한다. 이러한 기어 시스템은 본 명세서에 참조되어 합체되었고 1998년 3월 24일자로 특허 허여되었고 발명의 명칭이 "자동차용 다중 레인지 유체 역학 변속기"인 미국 특허 제5,730,678호에 개시된 것과 유사하다. 유성 기어 세트는 레인지들 사이에서 동기 시프팅으로 3개의 전진 레인지 및 1개의 후진 레인지를 제공하는 방식으로 선택적으로 상호 연결된다. 본 발명에 의해, 다중 레인지 CVT(20)의 속도/토크 하우징은 다양한 자동차 구동 라인 적용에 대한 시동 토크 및 주행 속도 요구 사항을 수용하기 위해 연장될 수 있다.

기어 시스템(28)을 상세히 참조하면, 유성 기어 세트(42)는 선 기어(S1), 변속기 출력 샤프트(36)에 연결된 유성 기어 캐리어(C1) 및 링 기어(R1)를 포함한다. 유성 기어 세트(44)는 유성 기어 세트(42)의 유성 기어 캐리어(C1)에 연결된 링 기어(R2), 링 기어(R1)에 연결된 유성 기어 캐리어(C2) 및 샤프트(40) 상의 변속기 유닛 출력부(26)에 연결된 선 기어(S2)를 갖는다. 유성 기어 세트(46)는 링 기어(R3), 유성 기어 세트(42)의 링 기어(R1)와 유성 기어 세트(44)의 캐리어(C2)에 연결된 유성 기어 캐리어(C3) 및 기어 시스템 입력부(30)에 의해 구동되는 선 기어(S3)를 갖는다. 유성 기어 세트(42, 44, 46)를 위한 예시적인 기어비는 도2에 나타난다.

도2에 도시된 바와 같이, 제1 유성 기어 세트(42)는 캐리어(C1)가 링 기어(R1)에 의해 구동될 수 있도록 선 기어(S1)를 선택적으로 고정시키기 위한 브레이크(B1)를 양호하게 포함하여 시프팅 능력을 갖는다. 브레이크(B2)는 선 기어(S3)가 상호 연결된 캐리어(C3, C2)와 링 기어(R1)를 구동할 수 있도록 유성 기어 세트(46)의 링 기어(R3)를 선택적으로 고정시킨다. 최종적으로, 캐리어(C3)가 입력부(30) 속도로 구동될 수 있도록 제1 기어 시스템 입력부(30)를 링 기어(R3)에 연결하기 위해 클러치(CL1)가 제공된다.

다중 레인지 CVT(20)의 작동을 용이하게 설명하기 위해, 이하의 설명은 자동차 엔지니어회 제810102호(1981)의 벤포드 등의 기사 "레버 상사법-변속기 해석의 새로운 도구"에 설명된 분석 기술을 이용한다. 이러한 기술에 따라, 수직선 상에 점으로서 나타나는 선 기어, 링 기어 및 유성 기어 캐리어를 갖는 유성 기어 세트는 수직선(레버)에 의해 유추되어 나타날 수 있다. 이러한 점들은 선 기어 및 링 기어의 치의 수, 즉 기어비에 따라 상대적으로 위치된다.

도3은 이러한 레버 상사 기술에 따라 도2의 3개의 유성 기어 세트(42, 44, 46)를 3개의 수직 레버(42', 44', 46')로서 각각 나타낸 그래프이다. 이것은 변속기 성능의 계산에 대해 종종 사용되는 분석 형식이다. 도3에는, 유성 기어 세트(42, 44, 46)의 기어 요소들 사이의 상호 연결이 나타나 있다. 점(S1', C1', R1')은 제1 유성 기어 세트(42)의 선 기어(S1), 캐리어(C1) 및 링 기어(R1)를 각각 나타낸다. 점(S2', C2', R2')은 제2 유성 기어 세트(44)의 선 기어(S2), 캐리어(C2) 및 링 기어(R2)를 각각 나타낸다. 최종적으로, 점(S3', C3', R3')은 제3 유성 기어 세트(46)의 선 기어(S3), 캐리어(C3) 및 링 기어(R3)를 각각 나타낸다.

도4는 레버 상사법에 따라 유성 기어 세트(42, 44)들 사이의 상호 연결이 유성 기어 세트(42, 44)를 조합함으로써 단일 레버(42'44')에 의해 나타날 수 있도록 그래프가 단순화되게 하는 것을 도시한다. 점(C1'R2')은 상호 연결되어 항상 동일한 속도를 갖는 유성 캐리어(C1)와 링 기어(R2)를 나타낸다. 유사하게는, 점(C2'R1')은 항상 동일한 속도를 갖는 상호 연결 유성 캐리어(C2) 및 링 기어(R1)를 나타낸다. 또한, 다양한 변속기 구성 요소의 속도를 나타내는 벡터가 그 크기와 회전 방향에 대해 도식적으로 나타날 수 있는 도4는 도3의 레버 상사법의 개량이다.

도13의 표에 도시된 바와 같이, 브레이크(B1, 2B) 및 클러치(CL1)는 변속기(20)를 중립 상태로 시프트시키도록 적용되지 않는다. 이러한 중립 상태를 "롤링 중립(rolling neutral)"이라고 하며 종래 자동 변속기 상의 "중립" 기어 선택기 위치에 대응한다.

도4에 도시된 바와 같이, 상이한 종류의 변속기 중립 상태는 브레이크(B1)를 맞물림으로써 이루어질 수 있다. 이러한 중립 상태는 기어 선택기가 "구동" 위치 상에 놓이고 브레이크 페달을 밟은 종래의 자동 변속기를 장착한 자동차에 대응한다. 브레이크(B2)의 맞물림은 캐리어(C3)가 선 기어(S3)에 의해 구동되도록 유성 기어 세트(46)의 링 기어(R3)를 고정시킨다. 도2에 도시된 바와 같이, 선 기어(S3)는 항상 커플러(39)에 의해 엔진 속도(Ne)의 1.10 배로 구동된다. 도1에서 볼 수 있는 바와 같이, 선 기어(S3)가 1.10 Ne로 구동될 때 레버(46')는 도5에 도시된 수직 방향에서 각(경사진) 방향으로 고정된 링 기어 피벗점(R3')을 중심으로 반시계 방향으로 피벗된다. 유성 기어 세트(46)를 위한 예시적인 도시 기어비에 의해, 선 기어(S3)는 브레이크(B2)가 맞물릴 때 유성 캐리어(C2)를 0.325 Ne로 구동한다. 캐리어(C3)는 유성 캐리어(C2)와 링 기어(R2)를 동일한 속도로 구동한다. 후에, 유성 기어 세트(42, 44)를 위한 예시적인 도시 기어비를 사용함으로써, 벨트형 변속기 유닛(22)의 비(스트로크)가 1.241 Ne로 선 기어(S2)를 구동하도록 설정된 경우에 엔진 속도와는 관계없이 캐리어(C1)[ 및 변속기 출력부(36)] 상에서 출력 속도가 생성되지 않을 것이다. 이것은 엔진 예열을 위한 높은 아이들링과 같은 엔진 속도에서의 변경이 차량 이동을 야기하거나 변속기 내의 손실에 대한 보상을 요구하지 않고 이루어질 수 있게 한다. 더욱이, 이러한 중립 상태는 차량에 작용하는 외부력이 브레이크(B2)의 지지력으로 인해 차량의 이동을 야기하지 않으므로 "힐 홀드(hill hold)" 특성을 제공한다. 따라서, 2개의 상이한 변속기 중립 상태는 브레이크(B2)를 맞물리거나 해제함으로써 이루어질 수 있다.

도5에 도시된 바와 같이, 브레이크(B2)가 맞물릴 때 1.241 Ne로부터 선 기어(S2)의 속도를 감소시키는 변속기 유닛(22)의 하방 스트로킹은 차량이 제1 전진 속도 레인지에 있도록 한다. 이것은 캐리어(C3)를 통해 상호 연결된 캐리어(C2) 및 링 기어(R1)로 전달된 입력 구동은 변속기 유닛(22)이 선 기어(S2) 상의 전진 속도를 감소시키기 위해 하방 스트로킹될 때 레버(42'44')가 도6의 쇄선 위치에서 시계 방향으로 피벗되는 피벗점으로서 점(C2'R1')을 설정한다는 사실로부터 알 수 있다. 결과적으로, 캐리어(C1), 링 기어(R2) 및 변속기 출력 샤프트(36)의 전진 속도는 도5에 도시된 점(C1'R2')의 우향 시프트에 의해 나타난 바와 같이 증가된다.

변속기 유닛(22)이 선 기어(S2)의 속도를 0.624 Ne로 감소시키는 스트로크 설정으로 하방 스트로킹될 때 레버(42'44')는 도6에 도시된 실선 방향으로 피벗될 것이다. 선 기어(S1)가 정지하게 되고 변속기 입력부(36)의 속도가 제1 전진 레인지에서 0.218 Ne의 최대 속도를 이루는 것을 알 수 있다.

도13에 도시된 바와 같이, 제1 전진 레인지에서 제2 전진 레인지로 시프트시키기 위해, 브레이크(B1)는 브레이크(B2)가 해제될 때 맞물린다. 브레이크(B1)가 맞물릴 때 선 기어(S1)가 정지되기 때문에 제1 전진 레인지와 제2 전진 레인지 사이에서 시프팅될 때 임의의 기어 요소의 속도 변화가 없으며, 따라서 이것이 동기 시프트이다.

그러나, 진정한 동기 시프트를 이루기 위해, 이러한 레인지 시프트점에서의 동력 흐름은 변경되지 않은 채로 유지되어야 한다. 동력은 속도 및 토크의 함수이므로 시프트점에서의 속도를 동일하게 하는 것은 토크가 동일해지지 않는다면 동기 시프트를 이루지 않을 것이다. 따라서, 이러한 2개의 변수의 적(product)은 변경되지 않은 채로 유지되어야 한다. 이것을 동력 정합(match)이라고 한다.

제1 내지 제2 전진 레인지 시프트점에서의 동력 정합이 이루어지는 것이 도6에 도시되어 있다. 속도 및 토크의 적은 이하의 식에 의해 표현될 수 있는 동력과 동일하다.

(1.0 N)(1.0 T)=1.0 P, (N: 속도, T: 토크, P: 동력)

내부 손실은 없고 정의에 의해 입력 동력과 출력 동력이 항상 1과 동일하다고 가정한다.

도6에 나타난 바와 같이, 제1 내지 제2 전진 레인지 시프트점에서의 출력 동력은 이하의 식에 의해 양호하게 표현될 수 있고 반작용, 즉 점(C1'R2')에 작용하는 부하로서 도시된다.

(0.218 N)(4.59 T)=1.0 P

점(C2'R1') 둘레에서 제1 및 제2 유성 기어 세트 레버(42', 44')의 레버(42'44') 상에 작용하는 모멘트의 합을 취함으로써, 선 기어(S2)의 토크는 1.63 T가 되도록 계산될 수 있다. 따라서, 0.624 Ne의 속도에서 선 기어(S2)에서의 동력은 1.02 P이다. 그러나, 변속기 입력부(36)와 선 기어(S2)에서의 토크들은 동일한 방향이기 때문에 도6에 우향 토크 6.22 T로서 도시된 C2'R1'에서의 동일 크기의 반대 방향 토크에 의해 대항되어야 한다. 점(C2'R1') 속도가 0.325 Ne이기 때문에 동력은 2.02 P이다. 따라서, 레버(42'44')는 평형 상태이다.

C2'R1'에 작용하는 2.02 P는 유성 기어 세트(46)에 위해 반작용되어야 한다. 레버 상사법을 도6에 적용하는 것과 유사하게, 모든 기어 요소의 토크 크기 및 방향은 평형 상태에서 계산된다. 선 기어(S3)는 점(C2'R1') 상에서 2.02 P를 비교하기 위해 2.02 P를 수용해야 한다. 이러한 동력은 엔진으로부터 직접 수용된 1.0 P와 선 기어(S2)에 의해 생성되고 벨트형 변속기 유닛(22)을 통해 회생식으로 전달된 1.02 P를 더함으로써 얻어진다. 변속기 유닛(22)에 의해 CVT(20) 내에서 생성된 이러한 동력은 회생 동력으로서 간주될 수 있다.

CVT(20)가 제1 전진 레인지에서 제2 전진 레인지로 시프트될 때 브레이크(B2)의 해제와 브레이크(B1)의 작동이 동시에 수행된다. 시프팅 점에서, 기어 요소의 입력 및 출력 변수는 변경되지 않은 채로 유지된다. 그러나, 브레이크(B2)에서 유효한 토크 반작용이 없기 때문에 동력이 유성 기어 세트(46)에서 발생될 수 없고 동력이 점(C2'R1')으로 전달되지 않는다. 따라서, 모든 입력 동력은 벨트형 변속기 유닛(22)을 통해 선 기어(S2)로 전달되어야 한다. 레버(42'44') 상의 점(S1') 주위의 모멘트를 계산함으로써 선 기어(S2)의 토크 및 속도가 1.61 T와 0.624 Ne로서 각각 얻어진다. 유사하게, 선 기어(S1)에서의 반작용 토크는 2.91 T인 것이 결정될 수 있다.

제1 내지 제2 전진 레인지 시프트에서, 선 기어(S2)에서의 동력은 1.0 P에 대해 직접 회생식의 1.2 P로부터 변화된다. 시프트 점에서의 약 2 %의 동력 부정합이 발생한다. 그러나, 내부 변속기 손실이 대체로 제2 전진 레인지에서 약간 더 크기 때문에 이러한 경우와 같이 약간 불충분한 정합이 과도한 정합에 대해 대체로 양호하다. 따라서, 동력의 불충분한 정합은 그러한 손실을 보상할 것이다. 이러한 과도 상태의 정확한 결정은 주의 깊은 시뮬레이션을 요구하며 이러한 손실 효과를 제거하기 위해 기어비에 대해 변경할 수 있다.

제2 전진 레인지에서, 변속기 출력 샤프트(36) 상의 CVT(20) 출력 속도는 벨트형 변속기 유닛(22)이 상방 스트로크될 때 선 기어(S2) 상의 속도 증가에 비례하여 증가될 것이다. 따라서, 제2 전진 레인지도 CVT의 특성을 나타낸다.

도7은 제2 전진 레인지와 제3 전진 레인지 사이의 시프트 점에서의 도2의 변속기 레버 상사법에 따른 그래프이다. 브레이크(B1)는 선 기어(S1)를 고정시키고 점(S1')은 레버(42'44')에 대해 피벗점으로서 설정된다. 따라서, 선 기어(S2) 상의 증가된 속도는 레버(42'44')를 지점(S1')을 중심으로 도7의 점선 방향으로부터 실선 방향으로 반시계 방향으로 피벗시킨다. 지점(C1'R2') 상의 속도는 지점(C2'R1') 상의 속도처럼 선 기어(S2) 상에서의 속도 증가에 비례하여 증가한다. 제2 전진 레인지에서의 선 기어(S2)의 최대 속도는 2.11 Ne로 제한되고, 변속기 출력 샤프트(36)에서의 속도는 유성 기어 세트(42, 44)들의 비율들에 의해 제2 전진 레인지의 상단부에서 0.740 Ne에 도달하게 된다[도7의 레버(42'44')의 실선 방향]. 같은 이유로, 지점(C2'R1') 상의 속도는 1.10 Ne이다. 브레이크(B2)가 제2 전진 레인지에서 해제되기 때문에 선 기어(S3) 상의 1.10 Ne 입력에 대해서는 반응력이 없다. 그러나, 캐리어(C3)가 캐리어(C2) 및 링 기어(R1)에 결속되기 때문에, 캐리어(C3)도 1.10 Ne로 회전하게 된다. 따라서, 레버(46')는 링 기어(R3; 지점 R3')가 1.10 Ne로 회전되는 상태에서 도7에 도시된 수직 방향을 취하게 된다.

도13의 표에 도시된 것처럼, 브레이크(B1)는 클러치(CL1)가 변속기(20)를 제3 전진 레인지로 시프트시키도록 결합됨으로써 해제된다. 클러치(CL1)의 결합으로 기어 시스템 입력부(30)에서의 1.10 Ne 입력을 유성 기어 세트(46)의 링 기어(R3)에 인가하는 것을 알 수 있다. 링 기어(R3)의 속도는 제2 전진 레인지의 상단부에서 1.10 Ne가 된다. 따라서, 제3 전진 레인지로의 시프트가 동시에 일어난다.

선 기어(S3)도 1.10 Ne에서 구동되기 때문에, 레버(46')는 캐리어(C3)가 1.10 Ne에서 구동되는 상태에서 도9에 도시된 수직 방향에 고정된다. 이는 상호 연결 캐리어(C2) 및 링 기어(R1)를 1.10 Ne로 회전시키게 되어서 고정 피벗 지점으로서의 레버(42'44') 상에 프린트(C2'R1')를 형성하게 된다.

변속기 유닛(22)이 제2 전진 레인지의 상단부에서 2.11 Ne로부터 선 기어(S2) 상의 속도를 감속시키도록 하방 스트로크되면, 레버(42'44')가 지점(C2'R1')을 중심으로 도9의 점선 위치로부터 실선 위치로 피벗하게 된다. 따라서, 샤프트(36) 상의 변속기 출력은 선 기어(S2) 상의 속도가 0.45 Ne로 하방 스트로크될 때 제3 전진 레인지를 통해서 예를 들어 1.33 Ne인 최대 속도까지 가속된다.

도8에 도시된 것처럼, 변속기 출력은 다음 수학식으로 표현된다.

(0.740 N) (1.35 T) = 1.0 P

그리고, 선 기어(S2)에서 동력은 수학식 4로 표현된다.

(2.11 N) (0.473 T) = 1.0 P

제3 전진 레인지에서, 선 기어(S3)에서의 동력은 반대 방향을 취해야 하고, 지점(C1'R2')에서 요구된 동력의 영향에 기인하여 재생된다. 그러나, 선 기어(S2)에서의 재생 동력은 수학식 5로 표현된다.

(2.11 N) (0.479 T) = 1.01 P

이는 약 1 %의 동력이 과도한 것을 나타낸다. 그러나, 이러한 미세한 부정합은 차량의 관성에 기인하여 운전자가 느낄 수 없는 정도이다. 또한, 유성 기어 세트(46)는 링 기어(R3)와 선 기어(S3) 사이의 동력을 비례식으로 분리함으로써 2.01 P를 전달하게 된다. 도8에 도시된 것처럼, CVT(20)의 모든 요소는 평형 상태를 얻는다.

본 발명의 변속기(20)와 같은 재생 CVT의 독특한 특징은 소정의 작동 상태 하에서 벨트형 변속기 유닛에 부하를 작용시키지 않을 수 있다는 것이며, 이러한 특징은 도10에 명확하게 도시되어 있다. 변속기 출력 속도가 제3 전진 레인지에서 증가함으로써, 변속기 시스템을 평형시키는 데 필요한 재생 동력이 감소하게 된다. 도10에 도시된 것처럼, 선 기어(S2)에서 발생되어 벨트형 변속기 유닛(22)을 통해서 재생식으로 전달된 동력은 최대 변속기 출력 속도에서 단지 0.12 P로만 감소된다. 이러한 낮은 동력 레벨은 응력 레벨과 마모를 감소시키고, 벨트형 변속기 유닛(22) 및 CVT(20) 전체의 수명을 개선시켜 준다. 또한, 제3 전진 레인지의 높은 단부에서의 작동으로 인해서, 대부분의 자동차 작동 조건, 즉 고속 주행 시와 일치하는 최대 전체 변속 효율을 얻게 된다. 주행 속도에서 변속기 유닛(22)의 동력 레벨을 감소시킬 수 있는 능력은 항상 엔진 동력의 100 %를 전달해야 하는 기존의 단일 레인지 벨트형 CVT들에 비해 현저하게 개선된 것이다.

도11은 후진 레인지에서 작동하는 변속기(20)의 레버 상사법(Lever Analogy)에 따른 그래프이다. 도13에 도시된 것처럼, 브레이크(B2)는 후진 레인지로 시프트시키도록 결합된다. 앞에서 설명한 것처럼, 브레이크(B2)의 결합은 링 기어(R3)를 고정시키고, 중립 상태는 선 기어(S2)의 속도가 1.241 Ne인 한 유지된다. 앞에서 설명한 것처럼, 제1 전진 레인지를 통한 가속은 변속기 유닛(22)의 하방 스트로크를 수반하여 선 기어(S2) 상의 속도를 1.241 Ne로부터 하방으로 감소시키게 된다. 이와 달리, 후진 레인지를 통한 가속은 변속기 유닛(22)의 상방 스트로크를 수반하여 선 기어(S2) 상의 속도를 1.241 Ne로부터 상방으로 증가시키게 된다. 이 경우에, 레버(42'44')는 C1'R2'을 중심으로 도11의 점선 위치로부터 실선 위치로 반시계 방향으로 피벗된다. 지점(C2')에서 나타나는 변속기 출력 속도는 후진 방향을 선 기어(S2) 상의 속도가 1.241 Ne로부터 2.10 Ne로 상방 스트로크되었을 때 영(zero)에서 0.305 Ne의 최대 속도로 증가시킨다.

모든 전진 레인지에서처럼 후진 레인지에서의 출력 속도는 선 기어(S2)의 연속 가변 속도에 비례하며, 이로써 연속 가변이 이루어진다.

도13에 도시된 것처럼, 재생되는 동안의 후진 방향으로의 동력 흐름은 제1 또는 제3 전진 레인지에서와는 다르다. 지점(C1'R2')에서의 반전된 출력 부하는 지점(C2'R1')에서 재생 동력을 생성하고, 이 재생 동력은 지점(C3'), 즉 유성 기어 세트(46)의 캐리어(C3)에 전달된다. 1.43 P의 최대 크기를 갖는 상기 재생 동력은 1.0 P인 엔진 동력 출력에 부가되어 벨트형 변속기 유닛(22)을 통해서 선 기어(S2)에 2.43 P의 크기로 전달된다. 이러한 높은 동력 흐름은 벨트형 변속기 유닛(22)의 용량을 초과하는 것으로 보인다. 그러나, 동력이 속도와 토크의 함수이기 때문에 소정의 주어진 동력에서 토크는 속도에 반비례한다. 선 기어(S2)에서의 동력이 22.43 P이면, 선 기어(S2)의 속도가 2.10 Ne이기 때문에 선 기어(S2)의 토크는 단지 1.16 T이다. 토크 용량이 기어 톱니 강도 및 벨트형 변속기 유닛(22)의 용량에 의해 결정되기 때문에, CVT(20)에서 2.43 P의 동력을 얻을 수 있다. 반드시, 상기 재생 동력은 벨트형 변속기 유닛(22)의 절정 동력률에 도달하는데, 즉 최대 토크 용량과 최대 속도 용량의 곱은 절정 동력과 같다.

최대 토크는 2.43 P인 최대 동력이 벨트형 변속기 유닛(22)을 통해서 전달될 때에는 재생되지 않는다. 오히려, 최대 토크는 변속기 유닛(22)이 도4에 도시된 것처럼 전진 또는 후진 방향에서 결합된 중립 상태로부터 멀리 스트로크됨으로써 일어난다. 이는 출력 토크가 매우 낮은 출력 속도에서의 크기에 매우 근접하게 한다. 이는 차량 휠을 회전시켜 양호하지 못한 정지 시동 특성을 일으키는 수용할 수 없는 변속 상태가 되게 한다. 따라서, 정지시로부터 매끄럽고 예측할 수 있는 가속을 얻을 수 있는 제어식 슬립 능력을 제공하는 것이 바람직하다.

이러한 제어식 슬립 능력은 브레이크(B2)를 간단히 조정함으로써, 즉 드로틀 위치에 따른 차속의 함수로써 브레이크(B2)를 작용시킴으로써 변속기(20)에서 얻어진다. 차량이 일단 움직이기 시작하면, 브레이크(B2)는 완전히 작용하여 앞에서 설명한 것처럼 변속 성능을 얻게 된다. 따라서, 매끄러운 정지시 시동 성능 특성을 얻기 위해 현재 사용되고 있는 유체 커플링 또는 마그네틱 커플링 등의 추가의 벨트형 CVT 변속기 부품을 변속기(20)에 사용할 필요가 없다.

도14는 제어식 슬립 장치로서의 브레이크(B2)의 작동을 도시한다. 이러한 극도의 최대 정적 부하 상태에서, 브레이크(B2)는 입력 샤프트(32)에 인가된 엔진 동력 저부를 흡수하여 이를 열 에너지로 변환시켜야 한다. 그러나, 1,000 lb-ft를 초과하는 출력 토크는 변속기 출력부에서 여전히 얻어지며, 이는 대부분의 경차에 대하여 충분하다.

바람직하게는, 브레이크(B2)의 조정 및 변속기 유닛(22)의 스트로킹과 레인지 시프팅은 모두 전자 제어기(60)에 의해 제어된다. 제어기(60)는 입력 속도와 출력 속도 및 드로틀 위치 센서 등의 여러 공급원으로부터의 신호를 수신하는 디지탈 프로세서를 포함한다. 이들 신호의 처리에 기초하여 제어기(60)는 차량 시동시에 변속기 유닛을 스트로크시키고 동시에 레인지를 시프트시키고 브레이크(B2)를 조정하는 데 사용되는 여러 작동기(도시 생략)에 제어 신호를 발생시키고, 변속기 윤활을 제어한다. 엔진 용량 및 GVW 등의 차량 특성에 기초하여 제어기(60)는 적절한 디지털 프로세서 소프트웨어를 설치함으로써 차량 성능을 최적화시키도록 구성될 수 있다.

도15a 내지 도15c에 도시된 것처럼 본 발명의 다중 레인지 CVT(20)는 다양한 자동차에 맞게 개조할 수 있다. 도15a 내지 도15c는 대부분의 종류, 즉 후륜 구동, 전륜(all wheel) 구동 및 전륜(front wheel) 구동들 3가지 경우를 각각 도시한다. 이들 변속기의 융통성 및 성능 잠재력은 여러 용도에서 찾을 수 있다.

이 기술 분야에 숙련된 자는 본 발명의 본 발명의 범위 및 기술 사상 내에서 다중 레인지 벨트형 CVT에서 특정 기어비 등을 여러 형태로 변경 및 수정할 수 있다. 또한, 이 기술 분야에 숙련된 자는 본 명세서에 기재된 설명으로부터 본 발명을 다른 실시예로 실시할 수 있다는 것도 알 수 있다. 상기 명세서의 기재 내용 및 실시예는 단지 예시적인 것이며, 본 발명의 진정한 범위 및 기술 사상은 첨부된 청구범위에 의해서만 제한된다.

Claims

다중 레인지 무단 변속기에 있어서,

엔진으로부터의 입력 동력을 수용하도록 연결된 입력 샤프트와,

출력 동력을 부하에 전달하도록 연결된 출력 샤프트와,

입력 샤프트에 결합된 입력부 및 속도비 상한과 속도비 하한 사이에서 변속기 유닛을 스트로킹함으로써 생성된 무단 변속비의 출력부를 갖는 벨트형 변속기 유닛과,

입력 샤프트에 결합된 제1 입력부, 변속기 유닛의 출력부에 결합된 제2 입력부, 출력 샤프트에 결합된 출력부 및 상기 제1 입력부와 제2 입력부 및 출력부 사이에서 기어 시스템을 통해서 동력 흐름을 전달하기 위한 다수의 기어 세트를 구비한 기어 시스템과,

기어 시스템 및 변속기 유닛을 통한 동력 흐름을 변경하여 다중 레인지들 사이에서 변속기를 시프트하도록 기어 세트들의 기어 요소 상에 선택적으로 작용하고, 각각 변속기 유닛의 스트로크에 반응하여 출력 샤프트 상에 연속 가변 속도를 생성할 수 있는 시프트 요소들을 갖는 시프트 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 레인지 무단 변속기.
제1항에 있어서, 기어 세트들이 속도비 상한과 속도비 하한의 중간에서의 변속기 유닛의 중립 스트로크 설정에서 기어 시스템 출력부에 영(zero) 구동력을 생성하도록 선택된 기어비들을 갖는 것을 특징으로 하는 다중 레인지 무단 변속기.
제2항에 있어서, 시프트 수단은, 변속기 유닛이 중립 스트로크 설정으로부터 일방향으로 스트로크되었을 때 출력 샤프트 상에 증가된 전진 속도 구동을 생성하도록 그리고 변속기 유닛이 중립 스트로크 설정으로부터 멀리 반대 방향으로 스크로크되었을 때 출력 샤프트 상에 증가식으로 후진 속도 구동을 생성하도록 제1 기어 요소 상에 작용하는 제1 시프트 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 레인지 무단 변속기.
제1항에 있어서, 시프트 수단이 재생 주행 속도 레인지로 시프트시키도록 제1 기어 요소 상에 작용하는 제1 시프트 요소를 포함하고, 가속은 변속기 유닛을 속도비 하한 쪽으로 드럼 스트로킹함으로써 얻어지는 것을 특징으로 하는 다중 레인지 무단 변속기.
제1항에 있어서, 기어 세트들이 다수의 유성 기어 세트를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 레인지 무단 변속기.
제1항에 있어서, 기어 시스템이 제1, 제2 및 제3 유성 기어 세트를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 레인지 무단 변속기.
제1항에 있어서,

제1 유성 기어 세트가 제1 선 기어와, 기어 시스템 출력부에 연결된 제1 유성 기어 캐리어 및 제1 링 기어를 포함하고,

제2 유성 기어 세트가 제2 기어 시스템 입력부로서의 변속기 유닛 출력부에 연결된 제2 선 기어와, 제1 링 기어에 연결된 제2 유성 기어 캐리어 및 제1 유성 기어 캐리어에 연결된 제2 링 기어를 포함하고,

제3 유성 기어 세트가 제1 기어 시스템 입력부로서의 입력 샤프트에 결합된 제3 선 기어와, 제2 유성 기어 캐리어에 연결된 제3 유성 기어 캐리어 및 제3 링 기어를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 레인지 무단 변속기.
제7항에 있어서, 제1, 제2 및 제3 유성 기어 세트가 속도비 상한과 속도비 하한의 중간에서의 변속기 유닛의 중립 스트로크 설정에서 기어 시스템 출력부에 영(zero) 구동력을 생성하도록 선택된 기어비들을 갖는 것을 특징으로 하는 다중 레인지 무단 변속기.
제8항에 있어서, 시프트 수단은, 변속기 유닛이 중립 스트로크 설정으로부터 속도비 하한 쪽으로 하방 스트로크되었을 때 출력 샤프트 상에 제1 전진 레인지 연속 가변 속도 구동을 생성하도록 그리고 변속기 유닛이 중립 스트로크 설정으로부터 속도비 상한 쪽으로 상방 스트로크되었을 때 출력 샤프트 상에 후진 레인지 연속 가변 속도 구동을 생성하도록 제3 링 기어를 고정시키도록 작동할 수 있는 제1 브레이크를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 레인지 무단 변속기.
제9항에 있어서, 시프트 수단은, 변속기 유닛이 속도비 하한으로부터 속도비 상한 쪽으로 상방 스트로크되었을 때 출력 샤프트 상에 제2 전진 레인지 연속 가변 속도 구동을 생성하도록 제1 선 기어를 고정시키도록 작동할 수 있는 제2 브레이크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 레인지 무단 변속기.
제10항에 있어서, 시프트 수단은, 변속기 유닛이 속도비 상한으로부터 속도비 하한 쪽으로 하방 스트로크되었을 때 출력 샤프트 상에 제3 레인지 연속 가변 속도 구동을 생성하도록 제3 링을 입력 샤프트에 결합하도록 맞물릴 수 있는 클러치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 레인지 무단 변속기.
제11항에 있어서, 동기 레인지 시프팅을 이루도록 제1 브레이크, 제2 브레이크 및 클러치와 변속기 유닛의 스트로크 위치들과의 균형을 이룬 결합 및 분리를 제어하기 위한 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 레인지 무단 변속기.
제9항에 있어서, 부하가 차량이고, 상기 변속기가 제1 전진 및 후진 레인지로 매끄러운 정지 시동 차량 가속을 생성하는 방식으로 제1 브레이크의 고정을 조정하기 위한 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 레인지 무단 변속기.
제9항에 있어서, 입력 샤프트와 기어 시스템의 제1 입력부 사이에 연결된 증속 커플러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 레인지 무단 변속기.