KR20020007197A - 차량용 자동 변속기의 변속 샤프트용 액츄에이터 - Google Patents

차량용 자동 변속기의 변속 샤프트용 액츄에이터 Download PDF

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KR20020007197A
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테에르베 오토모티브 일렉트로닉스 운트 콤포넌츠 게엠베하 운트 코. 카게
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Abstract

차량용 자동 변속기의 변속 샤프트(12)용 액츄에이터는 하우징(10)과, 이 하우징(10)에 회전 가능하게 장착되어 있는 작동 샤프트(14)와, 전동기(22, 26)와, 이 전동기(22, 26)의 회전자(26)를 작동 샤프트(14)에 직접 연결하는 가역적인 저손실의 감속 전동장치와, 상기 전동기(22, 26)와 독립적으로 작동 샤프트(14)를 주차 위치로 구동할 수 있는 에너지 축적 수단(54)을 형성하는 예비 인장된 나선 스프링(54)과, 제어 신호에 따라서 전동기(22, 26)를 구동하는 전자 제어기와, 작동 샤프트(14)를 자동 변속기의 변속 샤프트(12)에 연결하는 커플링 수단(16)을 포함한다. 작동 샤프트(14)의 회전은 커플링 수단(16)을 통해 제어 신호에 대응하는 변속 샤프트(12)의 회전각으로 전환된다. 상기 액츄에이터는 자동 변속기에 있는 통상의 기어 변속 레버를 대체한다.

Description

차량용 자동 변속기의 변속 샤프트용 액츄에이터{ACTUATOR FOR THE CHANGE SPEED SHAFT OF A MOTOR VEHICLE AUTOMATIC TRANSMISSION}
본 발명은 차량용 자동 변속기의 변속 샤프트용 액츄에이터에 관한 것이다.
자동 변속기를 구비한 자동차에서, 주차 위치를 포함한 다양한 기어 박스 위치 사이에서의 변속은 통상적으로 차량의 변속기 터널 위에 배치된 기어 변속 레버에 의해 이루어진다. 이 기어 변속 레버는 견인 케이블 또는 링크 장치를 통해 변속기의 변속 샤프트에 연결되어 있다.
본 발명은 기어 변속 레버를 위해 차량에 통상적으로 마련되는 공간을 다른 용도로 사용할 수 있도록 수동으로 작동되는 어떠한 기어 변속 레버도 포함하지 않는 차량용 자동 변속기의 변속 샤프트용 액츄에이터를 제공하는 것이다.
도 1은 제1 기어 변속 위치에 있는 액츄에이터 하우징의 상부 측면의 평면도.
도 2는 제2 기어 변속 위치에서의 해석도.
도 3은 액츄에이터의 분해도.
도 4는 액츄에이터의 일부를 확대 도시한 사시도.
도 5는 액츄에이터의 상세 분해도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 하우징
12 : 변속 샤프트
14 : 작동 샤프트
16 : 레버식 링크장치
16a, 16b, 16c : 링크 부재
18 : 커버
20 : 밀봉 링
22 : 고정자
24 : 회로 기판
26 : 회전자
28 : 구동 벨트
30 : 벨트 풀리
32 : 피니언
34 : 유성기어 전동장치
36 : 제어 디스크
38 : 점화 스위치 자물쇠
40 : 지지판
42, 44, 46, 48 : 래칫 홈
50 : 래치
52 : 솔레노이드
54 : 나선 스프링
56, 58 : 입력 인터페이스
본 발명에 따른 액츄에이터는,
하우징과, 이 하우징에 회전 가능하게 장착되어 있는 작동 샤프트와, 회전자를 구비한 전동기와, 이 전동기의 회전자를 작동 샤프트에 직접 연결하는 가역적인 저손실의 감속 전동장치와, 이 전동기와 독립적으로 작동 샤프트를 구동시키기 위해 요구되는 양의 에너지를 저장하는 에너지 축적 수단과, 제어 신호에 반응하여 전동기를 구동하는 전자 제어기와, 작동 샤프트를 변속 샤프트에 연결하는 커플링 수단을 포함하며, 전동기에 의한 작동 샤프트의 회전은 커플링 수단을 통해 제어 신호에 대응하는 변속 샤프트의 회전각으로 전환된다.
본 발명에 따른 액츄에이터는 전기적 제어 신호에 의해 작동하는 전기 기계식 위치 결정 기구이다. 이 전기적 제어 신호는 차량 내에 요구되는 어떠한 곳, 예컨대 계기반 또는 스티어링 휠 등에 위치하여 수동으로 작동되는 스위치에 의해 발생될 수 있다.
본 발명의 목적은 점화 스위치 키(ignition key)가 차량의 정지와 동시에 제거될 때, 즉 운전자가 점화 스위치 키를 제거하기 전에 주차 위치를 선택할 것이 강요받지 않을 때, 자동 변속기가 주차 위치로 전환되는 것을 보장하는 것이다. 이러한 요구를 만족시키기 위해, 전동기의 전기 고장이 있을 때에도, 주차 위치를 선택할 수 있어야 한다. 이러한 경우를 위해서, 전동기와 독립적으로 작동 샤프트를 구동하기 위해 요구되는 양의 에너지를 저장하는 에너지 축적 수단이 마련된다. 따라서, 작동 샤프트는 정상적인 작동 중에는 감속 전동 장치를 통해 전동기에 의해, 응급 상황하의 작동 중에는 에너지 축적 수단을 매개로 하여 동력을 공급받는다. 그러나, 필요한 신뢰도를 거의 달성할 수 없는 기계적 선택 장치를 제거할 수 있도록, 본 발명에 있어서는 응급 상황하의 작동에서의 에너지 축적 수단과 정상적인 작동에서의 전동기 구동장치 모두가 작동 샤프트에 영구히 결합된다. 따라서, 전동기는 에너지 축적 수단, 예컨대 인장된 나선 스프링에 반대로 작동하며, 에너지 축적 수단은 응급 상황하의 작동 중에 보다 높은 속도로 변환하는 감속 전동장치를 통해 전동기를 구동한다. 이런 개념은 한편으로는 특별히 튼튼한 전동기와, 다른 한편으로는 감속 전동장치의 저손실 설계를 필요로 한다.
본 발명의 유익한 일실시예에 있어서, 무부러시의 외부 회전자형 모터(brushless external rotor motor)가 전동기로서 마련되며, 특히 28극 4상 외부 회전자형 모터가 적당하다. 위치 결정 제어를 가능하게 하기 위해, 회전자에 할당된 2개의 홀(Hall) 센서에 의해 이루어지는 회전식 샤프트 부호기(rotary shaft encoder)가 사용된다. 이런 회전식 샤프트 부호기로 인하여 회전자의 절대 회전각을 감지할 수 있다. 고정자 권선(stator winding)의 구동은 극도로 낮은 임피던스의 FET 형태의 파워 반도체에 의해 행해진다.
큰 토크를 전달하기 위해 알맞은 특히 저손실의 감속 전동 장치는 2단 구조에 의해 이루어진다. 제1단은 전동기의 회전자에 있는 작은 직경의 벨트 풀리가 벨트, 특히 V-벨트를 통해서 보다 큰 직경의 풀리에 연결되는 그러한 벨트 구동장치이다. 제2단은 유성기어 전동장치로서, 조인트 회전을 위해 큰 직경의 풀리에 연결된 태양 기어(sun gear)와 작동 샤프트에 연결된 유성 캐리어로 구성된다. 이러한 2단 구조의 감속 전동장치의 감속비는, 예컨대 약 40 : 1이다.
본 발명의 다른 목적은 제어기에 대한 명백한 위치 결정 명령이 없을 시에, 어떠한 변속 작용도 배제시키는 것을 확실히 하는 것이다.
이러한 목적은, 작동 샤프트가 비작동 상태에서 래치(latch)의 작용에 의해 다양한 독립적인 회전 위치에서 선택적으로 구속될 수 있고, 걸림 해제(unlatching)에는 래치를 해제 위치에서 일시적으로 유지하는 솔레노이드에서 전류 펄스를 필요로 한다는 점에서 본 발명의 다른 일실시예에 의해 달성된다. 상기 솔레노이드는 서로 독립된 2개의 여자기 권선(exciter winding)을 구비한다. 제1 여자기 권선은 위치 제어가 변환될 때, 정상적인 작동 중에 제어기에 의해 구동된다. 제2 여자기 권선은, 점화 스위치 키가 제거되고 차량이 정지상태일 때, 차량의 점화 스위치 자물쇠(ignition lock)에서 발생되는 신호에 의해 구동된다. 그러나, 이 신호를 위해서, 에너지는 차량 전압과 관계없이 사용할 수 있어야 하며, 이 에너지는 소량일 수 있고, 예컨대 감결합(decoupling) 다이오드를 통해 차량의 전기 장치에 연결된 저장 축전기에 의해 얻을 수 있다.
본 발명의 다른 특징과 이점은 바람직한 실시예에 관하여 후술하는 설명으로부터 이해할 수 있으며, 참조된 첨부 도면으로부터 분명해진다.
차량용 자동 변속기의 변속 샤프트용 액츄에이터는 변속기 블록으로부터 돌출된 변속 샤프트(12)에 인접하게 변속기 블록의 상부에 설치될 수 있는 슬림형(slim) 평행 6면체 하우징(10)에 수용된다. 회전 가능한 변속 샤프트(12)는 변속기의 구동 단계들과 일치하는 다양한 독립적인 기어 변속 위치를 취할 수 있다. 작동 샤프트(14)가 하우징(10)으로부터 돌출하며, 이것의 종방향 중심선은 변속 샤프트(12)의 종방향 중심선과 평행하다. 작동 샤프트(14)는 3개의 부재(16a, 16b, 16c)로 구성된 레버식 링크장치(16)에 의해 변속 샤프트(12)에 연결된다. 레버식 링크장치(16)는 어떤 기어 변속 위치에서 증가된 구동 토크를 제공하는 무릅 관절 효과(knee joint effect)가 이용되도록 구성된다. 이중 한곳의 위치가 도 1에 도시되어 있고, 이는 증가된 위치 결정 힘이 요구되는 자동 변속기의 주차 위치에 대응한다. 도 1 및 도 2로부터 명백한 바와 같이, 작동 샤프트(14)의 회전각 범위α는 레버식 링크장치에 의해 변속 샤프트(12)의 실질적으로 더 작은 회전각 범위β로 변환된다.
전자 제어기를 포함하는 전기 기계적 위치 결정 기구가 하우징(10)에 수용된다. 하우징(10)은 밀봉 링(20)에 의해 커버(18)와 기밀하게 밀봉된다.
위치 결정 기구는 회로 기판(24)에 장착된 고정자(22)를 이용하는 무브러시 외부 회전자형 모터로 구성된 전동기와, 구동 벨트(28)를 통해 풀리(30)에 연결된 외부 회전자(26)를 포함한다. 풀리(30)는 피니언(32)의 짧은 돌출부(stub)에 장착되며, 조인트 회전을 위해 그곳에 결합된다. 피니언(32)은 유성기어 전동장치의 태양 기어를 형성한다. 태양 기어로서의 피니언(32)은 유성기어 전동장치의 유성 캐리어를 형성하는 제어 디스크(36)에 장착된 3개의 유성기어(34)와 맞물린다. 유성기어(34)는 하우징에 고정된 점화 스위치 자물쇠(38) 내에서 회전한다. 유성기어(34)를 위한 추가적인 지지판(40)이 유성기어(34)와 풀리(30)의 사이에 마련된다.
제어 디스크(36)는 작동 샤프트(14)와 일체로 형성되어 있다. 도 4로부터 특히 명백한 바와 같이, 제어 디스크(36)의 외주에는 자동 변속기의 다양한 기어 변속 위치에 대응하여 래칫 홈(ratchet recesses)(42, 44, 46, 48)이 마련된다. 스프링식 래치(50)는 래칫 홈(42, 44, 46, 48)과 함께 작동된다. 비작동 상태에서, 작동 샤프트(14)를 구비한 제어 디스크(36)는 래칫 홈에 의해 지시된 기어 변속 위치 중 한 곳에서 래치(50)에 의해 구속된다. 래치(50)는 서로 독립된 2개의 여자기 권선을 구비한 솔레노이드(52)에 의해 작동된다. 에너지 축적 수단을 형성하는 나선 스프링(54)이 제어 디스크(36)의 측표면에 배치된다. 예비 인장된 나선 스프링(54)의 내측 단부는 작동 샤프트(14)에 결합되고, 외측 단부는 하우징에 고정된 부분에 부착된다.
전동기를 구동하기 위한 회로와 액츄에이터의 전자 제어기는 고정자(22)에 인접하게 회로 기판(24)에 형성된다. 회로 기판(24)의 2개의 연결 플러그(56, 58)가 하우징(10)으로부터 돌출된다.
액츄에이터의 작동은 다음과 같다.
정상적인 비작동 상태에서, 제어 디스크(36)를 구비한 작동 샤프트(14)는 각각의 경우에 유효한 대응 기어 변속 위치에서 래치(50)에 의해 구속된다. 변속 명령이, 예컨대 캔 버스(CAN bus)를 통해 전자 제어기에 도달할 때, 솔레노이드(52)의 제1 여자기 권선이 작동되며, 래치(50)는 해제 위치로 이동된다. 동시에, 전동기는 위치 제어되는 작동 샤프트(14)의 요망되는 회전 위치를 얻도록 전자 제어기에 의해 작동된다. 외부 회전자(26)의 회전은 벨트 구동장치에 의해, 예컨대 6 배수로 감속되며, 유성기어 전동장치에 의해 7 배수로 더 감속된다. 고성능 전동기의 큰 토크는 작동 샤프트(14)에서 이용 가능한 큰 작동 토크로 변환된다. 레버식 링크장치(16)에 의해서, 이용 가능한 작동 토크가 다시 증가되어, 예컨대 부하 상태의 주차 위치에서 변속 샤프트(12)를 이동시킬 수 있다.
액츄에이터가 큰 위치 결정 토크를 제공하지만, 저손실 구조의 액츄에이터 부품에는 어떠한 온도 상승도 어느 정도 배제되는데, 이는 특히 변속 작용이 매우 짧은 시간에 이루어지기 때문이다.
나선 스프링(54)에 의해 형성된 에너지 축적 수단은 전동기와 마찬가지로 작동 샤프트(14)에 영구히 결합된다. 점화 스위치 키가 차량의 정지와 동시에 제거될 때, 작동 신호가 점화 스위치 자물쇠로부터 솔레노이드(52)의 제2 여자기 권선으로 보내지며, 이에 의해서 래치(50)는 일시적으로 해제 위치로 이동된다. 이어서, 작동 샤프트(14)는 전동기 구동 장치와는 독립적으로 나선 스프링(54)에 의해 주차 위치에 해당하는 회전 위치로 이동되며, 상기 전동기 구동 장치는 매우 낮은 손실 및 가역적으로 형성되어, 가속 모드에 있는 감속 전동장치에 의해 외부 회전자(26)가 구동될 수 있다.
이 조건에서, 구동 회로는 전동기에서 단락되어, 회전자의 회전은 유도 전류에 의한 자력(magnetic force)에 의해 방해되지 않는다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 주차 위치는 점화 스위치가 꺼졌을 때, 차량의 전류 공급과 관계없이 자동적으로 취해진다. 상기 실시예에서, 래치(50)는 래치의 물림해제[해제(release)] 상태에 대응하는 제1 안정 위치를 갖는 쌍안정 솔레노이드(bistable solenoid)에 의해 작동된다. 쌍안정 솔레노이드는 두 안정 위치 사이에서 전환되도록 전류 펄스에 의해 구동된다. 요구되는 전기 에너지는 축전기에 저장된다. 상업적으로 이용할 수 있는 적당한 쌍안정 솔레노이드를 위해, 약 10 V의 전압에서 20000 ㎌ 정도의 전기 용량을 갖는 축전기가 차량의 전력 공급과 관계없는 구동 펄스를 위한 충분한 에너지를 제공한다.
다른 실시예에 따르면, 구동 벨트(28)의 뜻하지 않은 파손이 검출된다. 전동기는 회전자의 운동의 증분(increment)을 검출하는 증분 각도 리졸버(resolver)와 일체로 마련된다. 또 다른 증분 각도 리졸버는 풀리(30)와 연결된다. 구동 벨트(28)가 작동하는 한, 두 리졸버는 동기화(synchronized)된 증분 출력을 제공할 것으로 기대된다. 전자 제어기는 리졸버들의 출력 사이의 동기성에서의 어떠한 오차도 검출하여 구동 벨트의 파손을 검출한다.
본 발명의 차량용 자동 변속기의 변속 샤프트용 액츄에이터는 전기적 신호에 의해 작동되는 전기 기계적 위치 결정 기구로서, 변속기가 주차 위치로 변경되지않고 점화 스위치 키가 제거될 때, 또는 상기 전동기에 전기 고장이 발생될 때에, 자동적으로 주차 위치로 변경된다. 뿐만 아니라, 본 발명의 액츄에이터에 의해서, 통상적인 차량의 변속기에 배치된 수동으로 조작되는 기어 변속 레버를 제거하여, 그 공간을 다른 용도로 사용할 수 있다.

Claims (27)

  1. 차량용 자동 변속기의 변속 샤프트(12)용 액츄에이터로서,
    하우징(10)과,
    이 하우징(10)에 회전 가능하게 장착되는 작동 샤프트(14)와,
    회전자(26)를 구비한 전동기(22, 26)와,
    이 전동기(22, 26)의 회전자(26)를 상기 작동 샤프트(14)에 직접 연결하는 가역적인 저손실의 감속 전동장치와,
    상기 전동기(22, 26)와 독립적으로 상기 작동 샤프트(14)를 구동하기 위해 요구되는 양의 에너지를 저장하는 에너지 축적 수단(54)과,
    제어 신호에 따라서 상기 전동기(22, 26)를 구동하는 전자 제어기와,
    상기 작동 샤프트(14)를 변속 샤프트(12)에 연결하는 커플링 수단(16)을 포함하며,
    전동기(22, 26)에 의한 작동 샤프트(14)의 회전은 커플링 수단(16)을 통해 제어 신호에 대응하는 변속 샤프트(12)의 회전각으로 전환되는 것이 특징인 액츄에이터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 감속 전동장치는 2단 형태인 것이 특징인 액츄에이터.
  3. 제2항에 있어서, 상기 감속 전동장치의 제1단은 한 쌍의 벨트 풀리(30)와 구동 벨트(28)에 의해 형성되는 것이 특징인 액츄에이터.
  4. 제2항에 있어서, 상기 감속 전동장치의 제2단은 유성기어 전동장치(34)에 의해 형성되는 것이 특징인 액츄에이터.
  5. 제1항에 있어서, 상기 작동 샤프트(14)는 변속 샤프트(12)의 기어 변속 위치에 각각 대응하는 독립된 회전 위치에서 선택적으로 구속될 수 있는 것이 특징인 액츄에이터.
  6. 제5항에 있어서, 상기 작동 샤프트(14)의 회전 위치는 스프링에 의해 편향된 래치(50)에 의해 물림 상태로 구속되며, 이 래치(50)는 솔레노이드(52)에 의해 해제 위치로 이동 가능한 것이 특징인 액츄에이터.
  7. 제6항에 있어서, 상기 에너지 축적 수단(54)은 변속 샤프트(12)의 주차 위치에 대응하는 회전 위치로 작동 샤프트(14)를 영구적으로 압박하는 것이 특징인 액츄에이터.
  8. 제7항에 있어서, 상기 에너지 축적 수단(54)은 상기 래치(50)가 해제 위치에 있을 때, 변속 샤프트(12)의 주차 위치에 대응하는 회전 위치로 작동 샤프트(14)를 압박하며, 상기 전동기(22, 26)는 이 때에 가속 모드로 작동하는 감속 전동장치를통해 구동되는 것이 특징인 액츄에이터.
  9. 제8항에 있어서, 상기 솔레노이드(52)는 2개의 독립적인 여자기 권선을 구비하며, 제1 권선은 전자 제어기에 의해 구동되고, 제2 권선은 차량의 점화 스위치로부터 발생되는 신호에 의해 구동되는 것이 특징인 액츄에이터.
  10. 제6항에 있어서, 상기 작동 샤프트(14)는 조인트 회전을 위해 제어 디스크(36)에 연결되고, 이 제어 디스크(36)의 외주에는 기어 변속 위치에 대응하게 래칫 요소(42, 44, 46, 48)가 마련되며, 상기 래치(50)가 이 래칫 요소(42, 44, 46, 48) 중 하나와 선택적으로 맞물리는 것이 특징이 액츄에이터.
  11. 제1항에 있어서, 에너지 축적 수단(54)은 인장 스프링(54)에 의해 하우징(10)과 작동 샤프트(14)의 사이에서 유효하게 형성되는 것이 특징이 액츄에이터.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 인장 스프링(54)은 제어 디스크(36)에 배치된 나선 스프링인 것이 특징인 액츄에이터.
  13. 제1항에 있어서, 상기 커플링 수단(16)은 상기 작동 샤프트(14)의 소정의 회전각을 변속 샤프트(12)의 보다 작은 회전각으로 변환하는 레버식 링크장치를 포함하는 것이 특징인 액츄에이터.
  14. 제13항에 있어서, 상기 레버식 링크장치(16)는 힘의 증대 효과와 관련된 3개의 링크 부재(16a, 16b, 16c)를 포함하며, 변속 샤프트(12)의 주차 위치에 대응하는 기어 변속 위치에서 최대 작동력을 제공하는 것이 특징인 액츄에이터.
  15. 제14항에 있어서, 상기 링크 부재(16a, 16b, 16c)는 작동 샤프트(14)가 각도 공차 범위 내에서 대응 회전 위치를 취할 때, 소정의 기어 변속 위치에서 변속 샤프트(12)가 결합하는 것이 가능하도록 유연하게 연결되는 것이 특징인 액츄에이터.
  16. 제1항에 있어서, 상기 전동기(22, 26)는 무브러시의 다극 외부 회전자형 모터인 것이 특징인 액츄에이터.
  17. 제16항에 있어서, 상기 전동기(22, 26)는 전자 제어기가 장착되어 있는 인쇄 회로 기판(24) 위에 배치된 고정자(22)를 구비하는 것이 특징인 액츄에이터.
  18. 제1항에 있어서, 상기 하우징(10)은 슬림형 평행 6면체로 성형되는 것이 특징인 액츄에이터.
  19. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 전동기(22, 26)의 회전자(26)는 구동벨트(28)를 통해 벨트 풀리(30)에 연결되고, 이 벨트 풀리에는 유성기어 전동장치(34)의 태양 기어에 연결된 것이 특징인 액츄에이터.
  20. 제19항에 있어서, 상기 작동 샤프트(14)는 유성기어 전동장치(34)의 유성 캐리어에 연결되는 것이 특징인 액츄에이터.
  21. 제20항에 있어서, 상기 유성기어 전동장치(34)는 하우징(10)에 고정 가능하게 장착된 환형 기어 내에서 선회하는 유성기어를 구비한 것이 특징인 액츄에이터.
  22. 제10항 또는 제20항에 있어서, 상기 제어 디스크(36)는 유성기어 전동장치(34)의 유성 캐리어를 형성하는 것이 특징인 액츄에이터.
  23. 제1항에 있어서, 상기 전자 제어기는 에너지 축적 수단(54)에 저장된 에너지에 의해 회전자(26)의 회전이 가능한 비작동 상태에서, 전동기(22, 26)를 연결 해제하는 구동회로를 포함하는 것이 특징인 액츄에이터.
  24. 제1항에 있어서, 상기 전자 제어기는 버스 시스템(bus system)에 연결하기 위한 입력 인터페이스를 구비하는 것이 특징인 액츄에이터.
  25. 제6항에 있어서, 상기 솔레노이드(52)는 물림 상태에 대응하는 제1 안정 조건과, 해제 위치에 대응하는 제2 안정 조건을 갖는 쌍안정 솔레노이드인 것이 특징인 액츄에이터.
  26. 제25항에 있어서, 상기 쌍안정 솔레노이드(52)는 저장 축전기로부터 공급되는 전류 펄스에 의해 물림 상태에서 해제 위치로 구동되도록 되어있는 것이 특징인 액츄에이터.
  27. 제3항에 있어서, 상기 전동기(22, 26) 내의 제1 증분각 리졸버와, 벨트 풀리(30) 중 하나와 연결된 제2 증분각 리졸버와, 제1 및 제2 리졸버로부터의 신호들 사이에서 동기화의 오차에 따라서 구동 벨트(28)의 파손을 검출하는 검출 수단을 포함하는 것이 특징인 액츄에이터.
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