KR20010051063A - 일체화된 시프트 모터 및 전자 제어기 - Google Patents

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Abstract

일체화된 시프트 모터(integrated shift motor) 및 전자 제어기는 중량을 줄이며, 개선된 성능을 제공한다. 시프트 제어 모터는 모터의 회전 및 회전 방향에 관한 신호를 제공하는 제 1 센서 휠(first sensor wheel) 및 이에 인접한 센서를 구비하는 출력 샤프트를 포함한다. 모터는 시프트 레일에 연결되어 이를 회전시키는 출력 부재를 구비하는 기어 열을 구동시킨다. 감지 휠은 출력 부재 상에 배치되며, 인접한 센서는 출력 부재의 위치에 관한 각 위치를 제공한다. 센서는 다음에 시프트 제어 모터를 구동시키는 마이크로컨트롤러를 구동시킨다. 센서, 구동 모터, 기어 열, 및 마이크로컨트롤러는 모두 하우징 내에 배치되는 것이 바람직하다. 회전하는 시프트 레일(shift rail)은 다수의 위치 클러치 또는 시프트 칼라(shift collar)와 연결된 시프트 포크를 양방향으로 위치 지정하는 캠 부재와 맞물리는 일정 간격 떨어진 한 쌍의 종동자를 포함한다.

Description

일체화된 시프트 모터 및 전자 제어기{INTEGRATED SHIFT MOTOR AND ELECTRONIC CONTROLLER}
본 발명은 일반적으로 자동차 구동라인 구성 요소의 클러치 변환 장치에 관한 것이며, 특히 하우징(housing) 내에 배치된 시프트 모터(shift motor) 및 전자 제어기를 구비하는 일체화된 장치에 관한 것이다.
자동 변속기 및 동력 분배 장치(transfer case)와 같은 자동차 구성 요소의 기어 또는 속도 범위의 선택은 많은 형태를 취한다. 자동 변속기에서, 압력 센서, 유압 액추에이터(hydraulic actuator), 및 밴드 클러치(band clutch)는 속도, 가속도, 및 다른 변수와 관련된 세심하게 개발된 프로그램에 따라 시프트(shift)를 달성한다. 자동차의 동력 분배 장치에서, 기어 선택은 일반적으로 자동차 오퍼레이터(operator)에 의해 이루어지며, 그 결과 상기 동력 분배 장치는 덜 복잡해지는 경향이 있으며, 적절한 연동장치에 의해 다양한 위치의 클러치 부재를 이동시키는 시프트 포크(shift fork)에 연결된 유압 오퍼레이터 또는 전기 오퍼레이터를 포함한다. 클러치 부재의 위치를 나타내는 제어기에 피드백(feedback)을 제공하도록 다양한 센서는 이동 구성 요소 상에 또는 그 근처에 배치된다.
특정 작동 조건은 이러한 시프트 장치(shift arrangement)에 있어서 어려움이 있다. 큰 토크 하중을 전달할 때, 이러한 토크 하중이 감소될 때까지, 기어 치형의 외력(circumferential force)은 기어 치형의 맞물림 해제를 어렵게 하거나 불가능하게 할 수 있다. 이러한 상태는 흔히 토크 블록(torque block)이라고 지칭된다. 맞물림 상태에서와 유사한 문제는 다른 상태로부터도 발생된다. 맞물림이 시도되는 동안, 기어의 치형면이 서로 부딪친다면, 맞물림은 마찬가지로 어렵거나 불가능할 것이다. 또한 이러한 상태는 스플라인 블록(spline block)이라고 지칭된다. 이러한 두 종류의 상태는 유도되는 시프트 또는 명령에 의한 시프트를 완료하는 것을 불가능하게 한다.
시프트 연동 장치(shift linkage)로 이러한 상태를 해결하는 방법은 다양하게 다루어져 왔다. 매우 보편적인 해결책 중의 하나는 오퍼레이터와 클러치 사이에 스프링과 같은 에너지 저장 및 힘 발생장치를 제공하는 것이다. 토크 블록 또는 스플라인 블록이 생길 때, 오퍼레이터(일반적으로 전기 모터)는 최종 위치로 이동하며, 스프링은 에너지를 저장하며, 시프트 억제 상태가 완화된 후 시프트는 완료된다. 그러나, 이러한 해결책은 다른 방법에서 안전하게 정지될 수 있는 필요한 모터보다 상당히 큰 모터를 필요로 할 수 있으며, 시프트가 상대적으로 긴 기간 동안 지연될 경우 작동 이상 상태를 발생시킬 수 있다.
선행 기술의 시프트 제어 조립체에 있어서의 다른 문제점은 작동 환경에 관한 것이다. 대체로, 전기 구동 모터는 동력 분배 장치의 외측에 장착되며, 시프트 연동 장치에 의해 클러치에 연결된다. 흔히 동력 분배 장치 내에 배치된 센서는 시프트 연동 장치의 현재 상태에 관한 정보를 케이블 및 커넥터를 통해 멀리 장착된 제어기에 제공하며, 제어기는 구동 신호를 다시 케이블 및 커넥터를 통해 전기 시프트 모터에 제공한다. 설치 및 점검(installation and service)을 용이하게 하는 케이블 및 커넥터를 통한 상기 구성 요소의 분리 및 상호 연결은 빈번하게 작동 이상 상태의 원인이 된다.
본 명세서에서 개시되며 청구되는 본 발명은 이러한 문제점 및 많은 다른 설계 상의 문제점을 다룬다.
그러므로, 본 발명의 목적은 일체화된 시프트 모터와, 시프트 메커니즘을 감지하고 제어하는 전자 제어기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적 및 이점은 단일 하우징 내에 포함되는 시프트 제어 모터와 전자 제어기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 시프트 모터와, 선행 설계와 비교해 배선 설비와 전기 커넥터의 수를 줄이는 전자 제어기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 시프트 제어 모터와, 모터 및 기어 열 출력부와 연결된 위치 감지 조립체를 구비하는 전자 제어기를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 일체화된 시프트 제어 조립체(shift control assembly)를 병합하는 동력 분배 장치를 구비하는 4륜 구동 자동차를 개략적으로 도시하는 평면도.
도 2는 본 발명에 따른 일체화된 시프트 제어 조립체를 병합하는 동력 분배 장치를 도시하는 전체 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 일체화된 시프트 제어 조립체를 도시하는 확대 부분 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 일체화된 시프트 제어 조립체의 구동 모터 출력 샤프트 상에 있는 마그네트 링(magnet ring)을 도시하는 확대 평면도.
도 5는 본 발명에 따른 일체화된 시프트 제어 조립체의 시프트 레일(shift rail) 위치 인코딩 조립체(encoding assembly)를 도시하는 평면 확대도.
도 6은 본 발명에 따른 시프트 포크 조립체를 도시하는 확대 사시도.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
14: 변속기 16: 자동 분배 장치
48: 운전자 제어 스위치(driver controlled switch)
100: 클러치 112: 하우징
120: 센서 구동 부재(sensor drive motor)
122: 제 1 센서
124, 132, 140: 스퍼 기어(spur gear)
118, 130, 138: 피니언 기어(pinion gear)
150: 출력 부재 162: 마이크로컨트롤러
160A, 160B: 센서 164: 회로 기판
172: 컨덕터 커넥터 180: 시프트 레일(shift rail)
200: 시프트 포크(shift fork)
일체화된 시프트 모터 및 전기 제어기는 중량을 감소시키며, 개선된 성능을 제공한다. 시프트 제어 모터는 제 1 센서 휠과, 모터의 회전 및 회전 방향에 관한 신호를 제공하는 인접 센서를 구비하는 출력 샤프트(output shaft)를 포함한다. 모터는 시프트 레일(shift rail)에 연결되어 상기 시프트 레일을 회전시키는 출력 부재를 구비하는 기어 열을 구동시킨다. 제 2 감지 휠은 출력 부재 상에 배치되며, 인접 센서는 출력 부재의 각 위치(angular position)에 관한 정보를 제공한다. 센서는 차례로 시프트 제어 모터를 구동시키는 마이크로컨트롤러를 구동시킨다. 센서, 구동 모터, 기어 열, 및 마이크로컨트롤러는 모두 하우징 내에 배치되는 것이 바람직하다. 회전 시프트 레일은 다양한 위치의 클러치, 또는 시프트 칼라(shift collar)와 연결된 시프트 포크를 양방향으로 위치시키는 캠 부재와 맞물리는 일정 간격 떨어진 한 쌍의 종동자(follower)를 포함한다.
또한, 본 발명의 목적 및 이점은 다음의 선호되는 실시예의 설명과 첨부된 도면을 참조로 하여 자명해질 것이며, 동일한 도면 번호는 동일한 구성 요소, 요소, 또는 특징부를 언급한다.
〈실시예〉
이제 도 1을 참조하면, 4륜 자동차 구동 열이 개략적으로 도시되며, 도면 번호 10으로 표시된다. 4륜 자동차 구동 열(10)은 변속기(14)에 연결되어 상기 변속기를 직접 구동시키는 원동기(prime mover)(12)를 포함한다. 변속기(14)는 자동형 또는 수동형일 수 있다. 변속기(14)의 출력은 제 1(primary) 또는 후측 지지 샤프트(22), 제 1 또는 후측 차동 장치(24), 한 쌍의 동적인 제 1 또는 후측 액슬(axel)(26), 및 액슬 각각에 대한 한 쌍의 제 1 또는 후측 타이어 및 휠 조립체(28)를 포함하는 제 1 또는 후측 구동라인(20)에 모티브 파워(motive power)를 제공하는 동력 분배 장치(16)를 직접 구동시킨다.
또한, 동력 분배 장치(16)는 제 2(secondary) 또는 전측 지지 샤프트(32), 제 2 또는 전측 차동 조립체(34), 한 쌍의 동적인 제 2 또는 전측 액슬(36), 및 액슬 각각에 대한 한 쌍의 제 2 또는 전측 타이어 및 휠 조립체(38)를 포함하는 제 2 또는 전측 구동 라인에 모티브 파워를 선택적으로 제공한다. 전측 타이어 및 휠 조립체(38)는 한 쌍의 전측 액슬(36)에 각각 하나씩 직접 연결될 수 있으며, 또는 원한다면, 수동 또는 원격으로 작동 가능한 잠금 허브(locking hub)(42)가 한 쌍의 전측 액슬(36)과, 이에 대한 각각 하나의 타이어 및 휠 조립체(38) 사이에 작동 가능하게 배치되어 선택적으로 한 쌍의 전측 액슬과 타이어 및 휠 조립체를 선택적으로 연결한다. 마지막으로, 모든 제 1 구동라인(주 구동라인)(20)과 제 2 구동라인(보조 구동라인)(30)은 적절하면서 알맞게 배치된 유니버설 조인트(44)를 포함할 수 있는데, 상기 유니버설 조인트는 다른 샤프트 및 구성 요소 사이에서 정적이고 동적인 오프셋(offset) 및 미스얼라인먼트(misalignment)를 종래의 방법으로 허용한다. 자동차 운전자의 접근이 용이하도록 바람직하게 배치된 제어 컨솔(control console)(46)은 아래에서 더 설명될 동력 분배 장치 조립체(16)의 작동 모드의 선택을 용이하게 하는 스위치 또는 다수의 개별 스위치 또는 푸시 버튼(48)을 포함한다.
앞선 설명과 이하의 설명은 자동차에 관한 것이며, 후측 구동 라인(20)은 제 1 구동라인으로서 기능을 하며, 즉 후측 구동 라인(20)은 거의 항상 맞물려진 채 작동하며, 동시에 전측 구동 라인(30)은 제 2 구동 라인으로서 기능을 하며, 즉 전측 구동 라인(30)은 오직 파트-타임으로 작동하거나 제 2 또는 보조적인 방법으로 작동하며, 이러한 자동차는 보통 후륜 구동 자동차라고 지칭된다.
본 명세서에서 개시되고 청구되는 본 발명이 변속기와 동력 분배 장치로 쉽게 이용되며 제 1 구동라인(20)이 자동차의 전측에 배치되고 제 2 구동 라인(30)이 자동차의 후측에 배치되는 한, 본 명세서에서는 "전측" 및 "후측" 이라는 명칭보다는 "제 1" 및 "제 2" 라는 명칭이 사용된다. 그러므로, 이러한 "제 1" 및 "제 2"의 명칭은 구동라인의 특정 위치보다는 개개의 구동라인 기능의 특성을 나타낸다.
이제 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명을 병합하는 동력 분배 장치(16)는 동력 분배 장치(16)의 다양한 구성 요소 및 조립체를 수용하기 위해 평면 및 원형의 밀봉 표면, 샤프트 및 베어링을 위한 개구부, 및 다양한 오목부, 숄더(shoulder), 플랜지(flange), 카운터보어(counterbore), 및 이와 유사한 것을 구비하는, 다수의 부품으로 이루어진 전형적으로 주물로 된, 하우징 조립체(50)를 포함한다. 입력 샤프트(52)는 도 1에 도시된 변속기(14)의 출력을 입력 샤프트(52)에 구동 연결하는 암 스플라인(female spline)이나 내측 스플라인 또는 기어 치형(54) 이나 다른 적절한 구조를 포함한다. 입력 샤프트(52)는 볼 베어링 조립체(56)와 같은 마찰 방지 베어링에 의해 바깥쪽으로 회전 가능하게 지지되며, 구름 베어링 조립체(58)와 같은 마찰 방지 베어링에 의해 안쪽으로 회전 가능하게 지지된다. 구름 베어링 조립체(58)는 출력 샤프트(60)의 직경 감소부 상에 배치된다. 입력 샤프트(52)와 하우징 조립체(50) 사이에 위치된 오일 실(oil seal)(62)은 상기 입력 샤프트와 상기 하우징 조립체 사이에서 적절히 빈틈없는 유체 밀봉을 제공한다. 출력 샤프트(60)의 맞은편 단부는 볼 베어링 조립체(64)와 같은 마찰 방지 베어링에 의해 지지된다. 단부 캡(end cap) 또는 실(seal)(66)은 출력 샤프트(60) 내에 있는 축 방향 통로(68)의 단부를 막는다. 제로터 펌프(gerotor pump)(p)는 대체로 윤활 및 냉각 유체의 흐름을 축방향 통로(68)에 제공하는데 사용될 것이며, 상기 윤활 및 냉각 유체 흐름은 축방향 통로로부터 출력 샤프트(60)에 있는 다수의 반지름 방향 포트를 통해 동력 분배 장치(16)의 구성 요소에 분배된다.
또한, 동력 분배 장치(16)는 일반적으로 입력 샤프트(52)를 중심으로 배치된 2 단 변속의 유성 기어 조립체(70)를 포함한다. 유성 기어 조립체(70)는 다수의 외측 기어 치형(74) 및 다수의 내측 스플라인 또는 내측 기어 치형(76)을 구비하는 선 기어 칼라(sun gear collar)(72)를 포함한다. 내측 스플라인 또는 내측 기어 치형(76)은 입력 샤프트(52)에 형성된 보완적인 외측 스플라인 또는 외측 기어 치형(78)에 의해 맞물려진다. 내측 기어 치형(82)을 구비하는 링 기어(ring gear)(80)는 선 기어(72) 및 그 치형(74)과 반지름 방향으로 배열된다. 링 기어(80)는 하우징 조립체(50) 내에 형성된 돌출부 또는 립(lip)(84) 및 이와 공동 작용하는 스냅 링(86)과 같은 임의의 적절한 유지 구조에 의해 하우징 조립체(50) 내에 고정 유지된다. 다수의 피니언 기어(pinion gear)(88)는 동 수의 스터브 샤프트(stub shaft)(92)에 의해 차례로 지지되며 위치되는 구름 베어링(90)과 같은 동 수의 마찰 방지 베어링 상에 회전 가능하게 수용된다. 다수의 스터브 샤프트(92)는 유성 캐리어(94) 내에 장착된 채 고정된다. 유성 캐리어(94)는 다수의 내측 스플라인 또는 내측 기어 치형(96)을 포함한다. 유성 기어 조립체(70)는 참조로 본 발명에 병합된 공동 소유의 미국 특허 제 4,440,042호에 더욱 명백하게 설명된다.
또한, 유성 기어 조립체(70)는 길고 가느다란 내측 스플라인 또는 내측 기어 치형(102)을 한정하는 도그 클러치(dog clutch) 또는 클러치 칼라(100)를 포함한다. 클러치 칼라(100)의 내측 스플라인 또는 내측 기어 치형(102)은 출력 샤프트(60) 상에 있는 상호 보완적인 다수의 외측 스플라인 또는 외측 기어 치형(104) 상에서 미끄러짐 가능하게 수용된다. 그 결과, 클러치 칼라(100)는 출력 샤프트(60)와 함께 회전하지만, 그 부분을 따라 양방향으로 병진할 수도 있다. 클러치 칼라(100)는 모든 점에서 유성 캐리어(94)에 있는 내측 스플라인 또는 내측 기어 치형(96)과 상호 보완적인 관계에 있는 외측 스플라인 또는 외측 기어 치형(106)을 일 단부에 포함한다. 기어 치형(96)의 맞은편에 있는 클러치 칼라(100)의 단부는 원주 방향으로 및 반지름 방향으로 이어지는 플랜지(108)를 한정한다.
클러치 칼라(100)는 세군데의 위치 및 세가지 작동 모드를 갖는다. 도 2에서 하부 부분의 클러치 칼라(100)는 최좌측(leftmost) 위치 또는 직접 구동 위치로 도시된다. 클러치 칼라(100)의 내측 스플라인 또는 내측 기어 치형(102)이 입력 샤프트(52) 상에 있는 외측 스플라인 또는 외측 기어 치형(78)과 맞물릴 때, 직접 구동은 달성되며, 이로써 입력 샤프트(52)를 출력 샤프트(60)에 연결시켜서 입력 샤프트와 출력 샤프트 사이에서 직접 또는 고속 기어 구동을 제공한다.
클러치 칼라(100)가 도 2에서 하부 부분으로 도시된 위치로부터 오른쪽으로 도 2에서 상단 부분으로 표시된 위치까지 이동될 때, 유성 기어 조립체(70)에 의해 달성되는 감속은 클러치 칼라(100)에 있는 외측 스플라인 또는 외측 기어 치형(106)과 유성 캐리어(94)에 있는 내측 스플라인 또는 내측 기어 치형(96)과의 맞물림에 의해 이루어진다. 이렇게 맞물리면, 유성 기어 조립체(70)가 작동하여, 입력 샤프트(52)와 출력 샤프트(60) 사이에서 대체로 3:1 내지 4:1의 범위로 감속을 제공한다. 중립 위치는 이러한 두 위치 사이에 있다. 중앙의 중립 위치에서, 입력 샤프트(52)와 유성 캐리어(94)는 출력 샤프트(60)로부터 분리되며, 그들 사이에 어떤 힘도 전달되지 않는다.
이제 도 2, 도 3, 및 도 4를 참조하면, 클러치 칼라(100)의 위치는 일체화된 전기 시프트 제어 조립체(110)에 의해 명령을 받아 제어된다. 일체화된 시프트 제어 조립체(110)는 두 부분의 보조 하우징(112)을 포함한다. 두 부분의 보조 하우징(112)은 일체화된 시프트 제어 조립체(110)의 구성 요소를 수용하면서 이러한 구성 요소를 또한 보호하는 다양한 개구부와 카운터보어를 포함한다. 보조 하우징(112)은 알루미늄, 또는 적절한 강도를 가지면서 비교적 경량인 재료의 다이 캐스트(die cast) 주물인 것이 바람직하다.
제 1 구동 피니언(118)에 연결된 출력 샤프트(116)를 구비하는 전기 구동 모터(114)는 보조 하우징(112) 내에 장착된다. 또한, 마그네트 링 또는 센서 구동 부재(120)는 출력 샤프트(116)에 고정되어서, 출력 샤프트(116)와 함께 회전한다. 마그네트 링(120)은 교류의 자성 폴(magnetcic pole)을 갖는 4분원으로 분할되는 것이 바람직하다. 마그네트 링(120)이 회전할 때, 인접한 센서(122)는 자극성의 변화를 탐지하여, 회전 및 회전 방향 모두를 나타내는 출력 신호를 제공한다. 마그네트 링(120)이 4분원을 가지므로, 회전 당 4 펄스가 생성된다. 센서(122)는 알레그로(Allegro) 모델 3422 인 홀 효과 센서(Hall effect sensor), 또는 광 센서 또는 가변 자기 저항 센서와 기능적으로 유사한 장치일 수 있다.
위에서 언급된 바와 같이, 제 1 구동 피니언(118)은 보조 하우징(112)에 형성된 채 적절하게 배치된 카운터보어(128) 내에 안착하는 스터브 샤프트(126) 상에 수용되는 제 1 스퍼 기어(spur gear)(124)의 치형과 일정한 맞물림 상태에 있다. 제 1 스퍼 기어(124)는 제 2 스퍼 기어(132)에 의해 2 차 감속을 달성하는 제 2 피니언 기어(130)에 연결되거나 상기 제 2 피니언 기어(130)와 일체로 형성된다. 유사하게, 제 2 스퍼 기어(132)는 보조 하우징(112)에 형성된, 적절하게 배열된 카운터 보어(136)에 수용된 스터브 샤프트(134)에 고정된다. 제 3 피니언 기어(138)가 제 3 스퍼 기어(140)를 구동시키는 동안, 제 3 피니언 기어(138)는 제 2 스퍼 기어(132)와 일체로 형성되거나, 상기 제 2 스퍼 기어(132)에 고정되어 3차 감속을 달성한다. 제 3 스퍼 기어(140)는 출력 샤프트 조립체(142)에 단단히 고정되어 출력 샤프트 조립체(142)와 함께 회전하다. 출력 샤프트 조립체(142)는 카운터보어(148) 내에 수용된 출력 샤프트(146)에 고정되거나 출력 샤프트(146)와 일체로 형성된 원형 디스크 또는 원형 플레이트(144)를 포함한다. 슬리브(sleeve)(152) 내에 수용된 출력 부재(150)는 제 3 스퍼 기어(140)의 맞은편에 있다. 출력 부재(150)는 키홈이 달린 카운터보어(154)를 한정한다.
이제 도 3 및 도 5를 참조하면, 두 개인 것이 선호되는 복수의 비접촉 센서(160A, 160B)를 지나서 원형 플레이트(144)가 회전하기 때문에 그레이 코드 데이터(gray code data)와 아날로그적이며 그레이 코드 데이터를 발생시키는 구조에서, 원형 플레이트(144)는 트랙(158A, 158b)에 배치된 만곡된 자성 영역(156)의 배열을 포함하는 것이 바람직하다. 센서(160A, 160B) 각각은 원형 플레이트(144)에 있는 자성 영역(156)의 트랙(158A, 158B) 중 하나와 정렬된다. 광 센서 또는 가변 자기 저항 센서와 같은, 다른 유형의 센서가 사용될 수 있지만, 센서(160A, 160B)는 홀 효과 센서인 것이 바람직하다. 자성 영역(156)은 홀 효과 센서(160A, 160B)와 상호 작용한다. 하지만, 원형 플레이트(144)는 다른 재료로 만들어질 수 있으며, 또는 이용되는 특정 유형의 센서(160A, 160B)와 적절하게 상호 작용하는 구멍(aperture)을 포함한다.
도 5 및 다음의 테이블로부터 확실해지는 것처럼, 원형 플레이트(144)의 증가 회전은, 원형 플레이트(144)의 특정 각 위치를 설명하는 센서(160A, 160B)로부터의 신호의 많은 고유 조합을, 하우징(112) 내에 포함된 회로 기판(164)에 장착된 채 연결된 마이크로컨트롤러(162)에 제공한다. 다음의 테이블Ⅰ에서, 작동 중인 각 위치 및 그에 대한 각 호(angular arc)가 묘사되며, 두 개의 홀 효과 센서(160A, 160B)의 출력 상태가 제공되다.
위치 위치 각도(。) 센서 160A 센서 160B
고속의 좌측/좌측 정지 327 내지 0 1 0
고속 0 내지 12 1 0
고속 우측 12 내지 22 0 0
영역 1 22 내지 94 0 0
중립 94 내지 110 0 0
영역 2 110 내지 282 0 0
하부 282 내지 294 0 1
저속 우측/ 우측 정지 294 내지 327 0 1
마그네트 링(120)과 원형 플레이트(144)는 보조 하우징(112) 내에 있는 인쇄 회로 기판(164)에 배치된 마이크로컨트롤러(162)에 매우 정밀한 위치 정보를 제공하도록 상호 작용한다. 즉, 원형 플레이트(144)는 두 단부 위치(end positoion)의 확실한 표시를 제공하며, 0。와 12。 사이의 제 1 단부 위치는 고속 기어를 표시하며, 282。에서 시작해서 294。까지 회전하는 제 2 단부 위치는 저속 기어를 표시한다. 이러한 두 영역과 홀 효과 센서(160A, 160B)에 의해 확실하게 확인되는 단부 인접 영역 사이에서, 현재의 구동 모터(114)의 운동, 즉 구동 모터의 작동 및 방향을 결정할 뿐만 아니라 출력 샤프트(146)와 출력 부재(150)의 위치를 계산하는 마이크로컨트롤러(162)에, 마그네트 링(122)은 90。 회전 당 1 펄스(1회전 당 4 펄스)를 제공한다. 물론, 기어 열 조립체가 구동 모터(114)의 출력 샤프트(116)와 시프트 제어 조립체(110)의 출력 샤프트(146) 및 출력 부재(150) 사이에서 불변의 공지된 반복 위치와 감속을 제공하므로, 이것은 가능하다. 선호되는 실시예에서, 기어열을 통한 기어 감속비는 246.81:1.00이다. 그 결과 마그네트 링(120)의 회전에 의해 발생되는 센서(122)로부터의 펄스는 홀 효과 센서(160A, 160B)로부터 암호화 된 신호가 위치 정보를 제공하지 않는, 다시 말해 12。 이상 282。 이하에 있는 원형 플레이트(144)의 위치를 결정하도록 계산된다. 예를 들면, 공지된 시작 위치로부터, 출력 샤프트(146)의 위치는 센서(122)로부터 나온 펄스 수를 987.24(246.81×4)로 나눔으로써 계산될 수 있다,
필요한 감응도(definition)에 따라, 즉 마이크로컨트롤러(162) 및 그 소프트웨어는 물론 원형 플레이트(144) 고유의 탐지 및 암호화된 위치가 얼마나 필요하느냐에 따라, 세 개의 트랙 및 세 개의 센서, 또는 네 개의 트랙 및 네 개의 센서를 갖는 원형 플레이트(144)가 또한 이용될 수 있다.
언급된 회로 기판(164)은 일체화된 시프트 제어 조립체(110)의 보조 하우징(112) 내에 전체적으로 포함될 수 있다. 이와 같이, 회로 기판(164)은 일체화된 시프트 제어 조립체(110)의 기계적 구성 요소를 보호하고 위치시키는 상대적으로 튼튼한 하우징에 의해 대기 환경으로부터 보호된다. 많은 다른 전자 및 반도체 장치(미도시됨)가 그러한 것처럼, 센서(122, 160A, 160B)는 회로 기판(164)에 직접 장착된다. 가스켓(gasket)(166)은 보조 하우징(112)의 두 개의 절반 부분을 밀봉하며, 하우징(112)의 내측에서 구동 모터(114), 기어 열, 인쇄 회로 기판(164) 상의 구성 요소가 작동하기에 적당한 상태를 유지시킨다. 전기 컨덕터(electrical conductor)(168)는 구동 모터(114)를 인쇄 회로 기판 (164) 상의 적절한 단자에 인쇄 회로 기판(164)에 접속시킨다. 컨덕터 커넥터(172)는 보조 하우징(112)에 밀봉되어 고정되며, 전기 에너지 및 다양한 제어 신호{예를 들면, 운전자가 스위치 또는 푸시 버튼(48)을 제어할 때 발생하는}를 마이크로컨트롤러(162) 및 모터(114)에 제공하는 다수의 전기 단자(174)를 포함한다. 일체화된 시프트 제어 조립체(110)의 하우징(112) 내에 마이크로컨트롤러(162) 및 이와 연결된 전기 장치를 배치하는 것은 인쇄 회로 기판(164)으로부터 전기 모터(114)까지 컨덕터와 같은 많은 전기 도선을 짧게 할뿐만 아니라, 전기 단자의 수 및 하우징(112)을 통과해 인쇄 회로 기판(164)에 연결되는 배선을 최소화한다.
출력 부재(150)의 키홈 달린 카운터보어(154)는 회전 가능한 시프트 레일(180) 상에 상호 보완적으로 구성된 수 스플라인 또는 외측 스플라인을 수용한다. 오일 실(184)은 시프트 레일(180)과 하우징 부재(50) 사이에 적절히 빈틈없는 유체밀봉을 제공한다.
도 2 및 도 6을 참조하면, 회전 가능 시프트 레일(180)은 하우징 조립체(50)를 가로질러 이어지며, 시프트 레일(180)의 맞은편 단부는 하우징 조립체(50)에 형성된 적절한 카운터보어(186) 내에 안착된다. 일정 간격 떨어져 반지름 방향으로 배치된 한 쌍의 지주 또는 스터브 샤프트(190)는 시프트 레일(180)에 있는 반지름 방향의 통로(192) 내에 고정 부착된다. 스터브 샤프트(190)는 그 위에서 자유롭게 회전 가능한 캠 종동자 또는 롤러(194)를 유지하는 확대 헤드(enlarged head)를 포함한다. 시프트 포크 조립체(200)는 일정 간격 떨어진 지주 또는 스터브 샤프트(190)와 롤러(194) 사이에 배치된다.
시프트 포크 조립체(200)는 시프트 레일(180)을 자유로이 회전 가능하게 수용하기에 딱 맞는 크기로 된 관통 통로(204)를 구비하는 몸체(202)를 포함한다. 헬리컬 캠(helical cam)(206)은 시프트 포크 몸체(202)의 각 단부에 있다. 헬리컬 캠(206)의 각은 중립 위치에 있는 자동 변속기(14)의 드래그(drag)로부터 야기되는 힘의 균형을 맞추도록 선택된다. 동시에, 헬리컬 캠(206) 표면 상의 상응하는 점에서의 축간 거리가 롤러(194) 표면의 내측간의 측간 거리보다 약간 작도록, 헬리컬 캠(206)은 배치된다. 헬리컬 캠(206)의 비연속성을 나타내는 축으로 이어지는 표면 또는 숄더(208)는 롤러(194) 중 하나와 맞물린 채로 일 회전 방향에서 확실한 정지부로서 작용한다.
또한, 시프트 포크 조립체(200)는 비연속적인 반원 채널(semi-circular channel) 또는 그루브(214)를 한정하는 이어부(ear)를 구비하는 시프트 요크(212)에서 끝나는, 비스듬하게 이어지는 웨브(210)를 포함한다. 반원 채널 또는 그루브(214)는 클러치 칼라(100)의 플랜지(108)를 수용하면서 이와 맞물린다. 이러한 맞물림은 시프트 포크 조립체(200)의 회전을 억제한다. 따라서, 시프트 레일(180)과 캠 종동자 또는 롤러(194)가 회전할 때, 시프트 포크 조립체(yoke)(200)와 특히 요크(212)(yoke) 및 클러치 칼라(100)는 축방향 및 쌍방향으로 이동한다. 이러한 요크(212)의 이동은 선택적인 클러치 칼라(100)의 맞물림과 이전에 설명된 것과 같은 고속 기어, 중립, 또는 저속 기어의 선택에 영향을 준다.
다시 도 2를 참조하면, 동력 분배 장치 조립체(16)는 전자기적으로 작동하는 팩 유형의 클러치 조립체(220)를 포함한다. 또한 클러치 조립체(220)는 출력 샤프트(60)를 중심으로 배치되며, 예를 들면, 키홈 달린 연결 수단에 의해 출력 샤프트(60)에 연결된 원형 구동 부재(222)를 포함한다. 원형 구동 부재(222)는 헬리컬 원환체(helicaol torus)의 경사 부분의 형상으로 원주 방향으로 일정 간격 떨어져 있는 다수의 오목부(226)를 포함한다. 오목부(226) 각각은 동 수의 하중 전달 볼(load transferring ball)(228) 중 하나를 수용한다.
원형 피동 부재(232)는 원형 구동 부재(222) 근처에 배치되며, 오목부(226)와 같은 형상을 한정하는 동 수의 대향 오목부(234)를 포함한다. 오목부(226, 234)의 경사진 측벽은 램프(ramp) 또는 캠으로서 기능을 하며, 상기 볼 사이의 상대 회전에 응답하여 원형 부재(222, 232)를 떨어지게 구동시키도록 볼(228)과 상호 작용한다. 오목부(226, 234) 및 하중 전달 볼(228)은 상기 볼 사이의 상대 회전에 응답하여 원형 부재(222, 232)의 축방향 변위를 야기하는 다른 유사한 기계 요소로 대체될 수 있다. 예를 들면, 상호 보완적으로 구성된 원뿔형의 나선(conical helices)에 배치된 테이퍼진 롤러(tapered roller)가 이용될 수 있다.
원형 피동 부재(232)는 반지름 방향 바깥쪽으로 연장되며, 연철 로터(236)에 고정된다. 전기자(242)는 로터(rotor)(236)의 면에 인접하게 위치된다. 로터(236)는 세 측부에서 전자기 코일(244)을 둘러싼다.
전자기 코일(244)에는 전기 컨덕터(246)를 통해 펄스 폭 조정(PWM:Pulse Width Modulation) 제어로부터 바람직하게 전기 에너지가 제공된다. 아래에서 더 명확하게 기술될 바와 같이, 구동 신호의 온 타임(on time){듀티 사이클(duty cycle)}을 증가 또는 감소시킴으로써, 펄스 폭 조정 방법은 전자기 클러치 조립체(220)의 전자기 코일(244)의 평균 전류 세기를 증가 또는 감소시키며, 그 결과 디스크 팩 유형의 클러치 조립체(220)의 토크 출력량(torque throughput)을 증가 또는 감소시킨다. 전자기 디스크 팩 유형의 클러치 조립체(220)의 맞물림 및 맞물림 해제를 달성하기 위해, 다른 조정 제어 방법이 사용될 수 있다는 것이 인식되어질 것이다.
전자기 코일(244)에 전기 에너지를 제공함으로써, 로터(236)를 갖는 전기자(246)에는 자력이 생긴다. 이러한 자력은 전기자(242)가 로터(236)에 마찰 접촉하게 만든다. 출력 샤프트(60)가 전기자(242)와 다른 속도로 회전할 때, 이러한 마찰 접촉은 출력 샤프트(60)로부터 원형 구동부재(222)와 하중 전달 볼(228)을 통해 원형 피동 부재(232)에 전달되는 마찰 토크를 생기게 한다. 초래된 마찰 토크는 볼(228)이 오목부(226, 234)에 올라타도록 하며(ride up), 원형 구동 부재(222)의 축방향 변위를 생기게 한다. 원형 구동 부재(222)의 축방향 변위는 어플라이 플레이트(apply plate)(248)를 디스크 팩 클러치 조립체(250) 쪽으로 축방향 이동시킨다. 한 모음의 벨레빌 와셔(belleville washer)를 포함할 수 있는 압축 스프링(252)은 원형 구동 부재(222)를 원형 피동 부재(232)로 치우치게 하는 복원력을 제공하며, 상기 압축 스프링이 해제될 때, 전자기 클러치 조립체(220)의 구성 요소 사이에 최대의 틈 및 최소의 마찰을 제공하도록 하중 전달 볼(228)을 원형 오목부(226, 234)에 있는 중앙 위치로 복귀시킨다. 오목부 및 볼 설계와 압축 스프링(252)의 설계상의 기하학적 구조와 디스크 팩 조립체(250) 내의 틈은 전자기 클러치 조립체(220)가 자동 잠김(self-locking)이 발생하지 않는다는 것을 보장하는 것이 오목부(226, 234) 및 볼(228)의 중요한 설계상의 고려 사항이다. 전자기 클러치 조립체(220)는 자동으로 맞물려서는 안되며, 오히려 조정 제어 출력에 응답하여 직접 비례 맞물림 및 비례 토크 전달의 제어 능력을 가져야 한다.
디스크 팩 클러치 조립체(250)는 다수의 제 1 소형 마찰 플레이트 또는 디스크(254)를 포함한다. 다수의 제 1 디스크(254)는 상기 플레이트 또는 디스크와 출력 샤프트 사이에서의 회전을 위해 서로 맞물리게 하는 스플라인에 의해 출력 샤프트(60)에 연결된 클러치 허브(clutch hub)(256)에 연결된다. 다수의 제 2 대형 마찰 플레이트 또는 디스크(258)는 상기 플레이트 또는 디스크와 함께 회전을 위해 서로 맞물리게 하는 스플라인에 의해 환형 하우징(260)에 연결되며, 상기 플레이트 또는 디스크에는 다수의 제 1 마찰 디스크(254)가 끼워진다.
환형 하우징(260)은 출력 샤프트(60)에 대해 동심으로 배치되며, 다수의 서로 맞물리게 하는 스플라인 또는 러그 및 오목부(264)에 의해 체인 구동 스프로킷(chain drive sprocket)(262)에 연결된다. 체인 구동 스프로킷(262)은 출력 샤프트(60) 상에 자유로이 회전 가능하게 배치되며, 저널 또는 니들 베어링 조립체(journal or needle bearing assembly)(266)에 의해 지지된다. 클러치 조립체(220)가 맞물릴 때, 클러치 조립체(220)는 출력 샤프트(60)로부터 체인 구동 스프로킷(262)에 에너지를 전달한다. 구동 체인(268)은 체인 구동 스프로킷(262) 위로 수용된 채 맞물려서, 회전 에너지를 피동 체인 스프로킷(270)에 전달한다. 피동 체인 스프로킷(270)은 서로 맞물리게 하는 스플라인(274)에 의해 동력 분배 장치 조립체(16)의 전측(제 2) 출력 샤프트(272)에 연결된다.
또한, 동력 분배 장치 조립체(16)는 후측(제 1) 출력 샤프트(60)에 연결되어 이와 함께 회전하는 제 1 톤 휠(first tone wheel)(286)의 다수의 치형과의 관계를 감지하면서 그 근처에 배치된, 출력라인(282)을 구비하는, 제 1홀 효과 센서(280)를 포함한다. 제 2 홀 효과 센서(290)는 출력라인(292)을 구비하며, 전측 출력 샤프트(272) 상의 피동 스프로킷(270) 근처에 배치된 제 2 톤 휠(296)의 다수의 치형과의 관계를 감지하면서 그 근처에 배치된다. 상기 샤프트 속도가 홀 효과 센서(280, 290)로부터의 단위 시간 당 펄스 수와 같게 되도록, 톤 휠(286)의 치형 수는 제 2 톤 휠(296)의 치형 수와 일치되는 것이 바람직하다. 이것은 샤프트 속도에 관한 계산을 단순화시키며, 이러한 데이터 및 계산에 근거한 모든 논리적 결정의 정확성을 개선한다. 제 1 톤 휠(286)의 실제 치형 수 및 제 2 톤 휠 치형 수에 있어서, 상기 치형 수는 회전 속도 및 센서 구성에 따라 30개 내지 40개, 또는 그 이상, 또는 그 이하로 변할 수 있다.
제 1 및 제 2 홀 효과 센서(280, 290)는 각각의 인접하는 치형을 감지하며, 당연히 후측 구동 샤프트(22) 및 전측 구동 샤프트(32)의 회전 속도에 각각 상응하는 후측 출력 샤프트(60) 및 전측 출력 샤프트(272)의 순간 회전속도를 계산하는데 각각 이용될 수 있는 입력라인(282) 및 출력라인(292)에 있는 연속적인 펄스를 제공한다.
본 발명에 따라 일체화된 전기 시프트 제어 조립체(110)를 병합하는 동력 분배 장치 조립체(16)는 클러치 칼라(100)와 같은 클러치 칼라의 개선된 작동 제어 및 위치 지정과, 이러한 클러치 칼라(100)의 위치 표시를 제공한다. 이러한 개선된 작용은 본 조립체의 몇몇 특징에 의한 결과이다. 무엇보다도, 원형 플레이트(144)가 시프트 레일(180)과 함께 회전하여, 그 결과 항상 시프트 레일(180)의 위치를 나타내고, 그 결과 시프트 포크 조립체(200)의 위치를 나타내도록 원형 플레이트(144)를 부착하는 것은 임의의 마이크로컨트롤러(162) 또는 마이크로프로세서(microprocessor)가 상기 구성 요소의 위치에 관한 정확한 정보를 수신하는 것을 보장한다. 비접촉 홀 효과 센서(122, 160A, 160B)는 개선된 신뢰성뿐만 아니라 시프트 포크 조립체(200)의 위치에 대해 높은 감응성을 제공한다.
클러치 칼라(100)의 맞물림이 시도될 때 토크 블록(toque block) 또는 스플라인 블록(spline block)이 생길 수 있으므로, 그리고 전기 구동 모터(114)가 효과적으로 직접 클러치 칼라(100)를 구동시키므로, 즉 시프트 제어 조립체(110)에는 어떠한 탄성 커플링 또는 에너지 저장 장치가 없으므로, 토크 블록 또는 스플라인 블록에 의해 완전히 완료될 수 없는 변환은 센서(160A, 160B)에 탐지될 것이며, 이러한 변환 명령은 일시적으로 철회되며, 다시 마이크로컨트롤러(162) 또는 마이크로프로세서의 소프트웨어에 의해 반복된다.
앞선 개시는 본 발명에 의해 본 발명을 실행하기 위한 최상의 모드이다. 하지만, 변형 및 변경을 병합하는 상기 장치가 시프트 제어 메커니즘 분야의 당업자에게 자명할 것이다. 앞선 개시가 본 발명을 수행하도록 발명자에 의해 생각된 최상의 모드를 제공하며, 당업자가 본 발명을 실행하는 것이 가능하도록 의도되는 한, 본 발명은 앞선 개시에 의해 제한되어져서는 안되며, 이러한 위에서 언급된 명백한 변경을 포함하지만, 청구항의 사상 및 범주에 의해서만 제한될 수 있다.

Claims (9)

  1. 동력 변속 장치용 일체화된 시프트 제어 조립체(shift control assembly)에 있어서,
    하우징(housing)(112)과,
    상기 하우징에 배치되며, 출력 샤프트(116)를 구비하는 구동 모터(114)와,
    상기 전기 구동 모터의 상기 출력 샤프트 상에 회전하도록 배치된 센서 구동 부재(sensor drive member)(120)와,
    상기 센서 구동 부재와의 관계를 감지하도록 배치된 제 1 센서(122)와,
    상기 하우징에 배치되며, 상기 구동 모터의 상기 출력 샤프트에 작동 가능하게 연결되며, 출력부재(150)를 구비하는 기어 열(124, 132, 140)과,
    상기 출력 부재와 함께 회전하도록 배치된 부재로서, 별개의 신호 발생 영역(158A, 158B)을 한정하는 플레이트 부재(144)와,
    상기 부재와의 관계를 감지하도록 배치된 다수의 센서(160A, 160B)와, 및
    상기 하우징에 배치되며 상기 센서 및 상기 구동 모터에 작동 가능하게 연결된 마이크로컨트롤러(162)를 구비하는 회로 기판(164)을 조합하여 포함하는 동력 변속 장치용 시프트 제어 조립체.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 센서(160A, 160B)는 홀 효과 센서(Hall effect sensor)인 것을 특징으로 하는 동력 변속 장치용 시프트 제어 조립체.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 마이크로컨트롤러에 연결된 상기 출력 샤프트를 구비하는 운전자 제어 스위치(48)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 동력 변속 장치용 시프트 제어 조립체.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 출력 부재에 연결된 시프트 레일(shift rail)(180)과 상기 시프트 레일에서 축방향으로 이동하도록 배치된 시프트 포크(200)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 동력 변속 장치용 시프트 제어 조립체.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 센서(122)는 회전의 방향 및 회전의 속도를 모두 감지하는 것을 특징으로 하는 동력 변속 장치용 시프트 제어 조립체.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 기어 열은 상기 구동 모터의 속도를 감소시키고 상기 구동 모터의 토크를 증가시키는 다수의 피니언 기어(pinion gear)(118, 130, 138)와 스퍼 기어(spur gear)(124, 132, 140)를 포함하는 것을 특징으로 하는 동력 변속 장치용 시프트 제어 조립체.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 하우징을 통해 이어지는 다수의 컨덕터 커넥터(conductor connector)(172)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 동력 변속 장치용 시프트 제어 조립체.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 마이크로컨트롤러는 상기 전기 구동 모터를 작동 가능하게 제어하는 것을 특징으로 하는 동력 변속 장치용 시프트 제어 조립체.
  9. 제 1항에 있어서, 2단의 속도 중 하나를 선택하기 위한 클러치(100)와 상기 클러치의 위치 지정을 위해 상기 출력 부재에 의해 작동 가능하게 구동되는 시프트 포크(200)를 구비하는 2단 동력 분배장치(16)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 동력 속 장치용 시프트 제어 조립체.
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