KR20080016582A - 차량용 동력 인출 장치 - Google Patents

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KR20080016582A
KR20080016582A KR1020077027714A KR20077027714A KR20080016582A KR 20080016582 A KR20080016582 A KR 20080016582A KR 1020077027714 A KR1020077027714 A KR 1020077027714A KR 20077027714 A KR20077027714 A KR 20077027714A KR 20080016582 A KR20080016582 A KR 20080016582A
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pto
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drive
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KR1020077027714A
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로버트 앤드류 올리버
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토로트랙 (디벨로프먼트) 리미티드
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Abstract

모터 차량 동력 인출(PTO)을 위한 드라이브 장치가 개시된다. 그 장치는 동력 피동 설비로 커플링하기 위한 공지된 타입의 PTO 샤프트(104, 158, 207)를 포함한다. 연속 가변 트랜스미션(10)이 입력부 샤프트와 PTO 샤프트 사이에 커플링되어 그 사이에서 연속 가변 비율로 드라이브를 전달한다. 본 발명에 따라, 드라이브 비율의 변화를 통해 PTO 샤프트에서의 속도 변화를 자동적으로 수용하도록 그리고 토르크를 조정하도록 연속 가변 트랜스미션이 구성되고 정렬된다.

Description

차량용 동력 인출 장치{POWER TAKE OFF ARRANGEMENT FOR A MOTOR VEHICLE}
본 발명은 차량용 동력 인출 장치에 관한 것이다.
본 명세서에서, "동력 인출 장치"는 차량의 엔진(또는 기타 전기 모터와 같은 회전 드라이버(driver))으로부터 차량의 피동(driven) 휘일 이외의 다른 동력 사용 지점으로 회전 드라이브(drive)를 전달하기 위한 장치를 나타내며, 이를 "PTO"로 약칭한다. 통상적으로, 트랙터와 같은 농업용 차량은 수확 장치, 잔디 깎기, 피동-휘일 트레일러 등과 같은 동력 피동 부착물에 연결하기 위한 PTO를 구비한다. 통상적으로, PTO는 소정 형태의 트랜스미션(transmission)을 통해 엔진에 커플링되고(coupled) 부착물의 샤프트로의 착탈가능한 커플링을 형성하는 수단을 구비하는 드라이브 샤프트를 포함한다. PTO는 단지 농업용 차량에서만 사용되는 것이 아니다. 군용 차량도 피동-휘일 트레일러 및 기타 장치를 구동(drive)하기 위해서 PTO를 이용하며, 이외에도 PTO가 실제로 사용되거나 또는 사용될 수 있는 다른 분야도 있을 것이다.
통상적으로, 종래의 농업용 PTO들은 일정한 속도로 주행하도록 의도된다. 통상적으로 차량의 트랜스미션과 별개인 일정한 비율의 기어 박스가 하나 또는 한 세트(set)의 드라이브 비율을 제공하며, 차량의 속도-제어(speed-governed) 디젤 엔진이 필요한 PTO 출력 속도를 제공하도록 일정한 속도로 셋팅된다. PTO에서 드라이브를 필요로 하지 않을 때 엔진과 PTO를 커플링-해제(de-couple)시키기 위한 클러치가 엔진과 PTO 사이에서 요구된다.
이러한 종래의 PTO 기술은 몇 가지 단점을 가진다. 그 중 하나는 "론칭(launch)"시에 - 즉, PTO를 정지상태로부터 원하는 작동 속도로 가속하기 위해 PTO 출력부에 드라이브를 인가할 때 발생한다. 피동 장치는 종종 큰 관성을 가지며, 이는 작동 속도에 도달하기 위해 상당한 시간에 걸쳐 가속되어야 할 필요가 있다. 먼저, 클러치가 결합되었을 때, 엔진과 PTO 샤프트 사이의 속도 불일치는 급격하고 바람직하지 못한 충격을 초래하며, 이는 엔진을 정지시킬 수도 있다. 운전자는 효과적인 런칭을 위해 클러치의 결합 및 해제를 반복하는 것을 학습하고, 미숙한 조작은 장비 손상을 초래할 수도 있을 것이다. 보다 제어된 런칭이 요구된다.
다른 문제는, 피동 휘일 트레일러와의 연결에서 발생된다. 많은 농업용 및 군사용 차량은 동력 인출 장치를 통해 트레일러의 휘일로 드라이브를 인출하여, 예를 들어 차량이 험한 지형을 이동할 수 있게 돕는다. 트레일러 휘일이 지면을 지나는 속도는 피동 차량 휘일의 속도와 항상 같지는 않다. 예를 들어, 회전시에, 서로 다른 바퀴들이 서로 다른 반경의 경로를 따르게 되고, 그에 따라 서로 다른 속도로 지면을 이동하게 된다. 그러나, 휘일의 상대적인 회전 속도는 그 휘일들을 구동하는 트랜스미션에 의해 제공되는 비율로 인해 일정하게 유지되며, 일반적으로 차동기어는 제공되지 않는다. 결과적으로, 휘일 슬립(slip)이 불가피하나, 트랜스 미션을 통한 매우 크고 바람직하지 못한 동력 재순환이 수반된다. 농업용 차량의 견고한 구성에도 불구하고, 결과적으로 고비용의 고장이 발생하게 된다. 이러한 문제는 회전으로 인해 발생할 뿐만 아니라, 휘일 크기의 불일치, 평탄하지 못한 치형 등에 의해서도 발생된다. 필요한 트레일러 휘일 토르크를 제공하면서도 차량 피동 휘일의 속도와 PTO의 속도를 매칭(match)시킬 수 있는 PTO 구동 수단이 요구되고 있다.
공지된 PTO와 관련한 또 다른 문제점은 에너지 효율에 관한 것이다. 일반적으로, 엔진이 피크(peak) 동력을 제공할 수 있는 속도나 그 속도에 근접하여 엔진이 작동되는 것을 기초로 하여 고정된 드라이브 비율이 선택된다. 이는, 필요로 하는 드라이브 속도로부터 출발하지 않고 필요한 높은 동력을 피동 장비로 제공할 수 있는 경우에 그러하다. 결과적으로, 설비가 요구하는 동력이 상대적으로 작은 경우에도, 엔진은 동일한 일정 고소으로 가동되어야 하며, 이는 연료를 불필요하게 연소시킨다.
마지막으로, PTO에 대한 로드(load; 부하)가 변화될 때 문제가 발생된다. 그 예를 들면, 마초(forage) 수확장치가 이용될 때, 그리고 절단된 물질을 수집하기 위해 차량에 장착되고 많은 동력을 소비하는 장비가 이용될 때이다. 마초 수확장치가 특히 물질이 밀집된 영역과 만났을 때, 드라이브에 필요한 토르크가 증대된다. PTO 속도를 유지하기 위해 필요한 동력은 엔진으로부터 이용할 수 있는 동력을 초과하게 될 것이다. 이러한 상황에서, 엔진을 정지시키는 것 보다, PTO를 감속을 허용하는 것이 바람직할 것이다. 그렇게 하는 경우에, 높은 엔진 동력을 제 공하기 위해 높은 엔진 속도가 유지되어야 하는 것이 바람직하다.
PTO 구동을 위해 연속 가변 트랜스미션(continuously variable transmission) - 즉, 드라이브 비율의 무단(stepless) 변경을 제공할 수 있는 트랜스미션을 이용하는 것이 제안되었었다. 이와 관련된 Hrazdera 명의의 미국특허출원 제 10/236589 호의 공개된 국제특허출원 제 US2003/0070819 호를 참조할 수 있다. 여기에는, 개선된 론칭 및 구동 엔진 속도의 탄력성을 포함하는 CVT의 이용에 따른 이점이 개시되어 있다. 제어 문제가 여전히 남는다. 예를 들어, 종래의 CVT 자체는 로드에 의해 발생되는 과다 로드에 응답한 엔진의 정지로부터 엔진을 보호하지 못한다.
본원 발명에 대한 유럽특허청의 조사내용에는 EP1106870(Kawasaki Jukogu Kabushiki Kaisha)가 포함되어 있다. 여기에는, 일정한 속도의 제트 엔진으로부터 항공기용 발전기를 구동시키기 위한 장치가 개시되어 있다. 상기 장치는 발전기 속도를 조정하기 위해 전체적인 또는 부분적인-환형 배리에이터(full or part-toroidal variator)를 이용하나, 이는 비율 제어 장치라는 것이 분명하다. 이와 관련하여 문단 55의 관련 설명에서는 도 10을 참조하고 있다. 상기 조사는 또한 US4186616(Sharpe)에 관심을 두고 있으며, 그 문헌 역시 항공기의 교류발전기를 구동하기 위한 트랜스미션에 관한 것이다. 여기서에서는, 환형 타입 배리에이터를 이용하나, 그것이 토르크 제어식인지의 여부는 명확하게 기재되어 있지 않다. 물론, 본 명세서에서 사용되는 문구의 의미에서, 항공기용 교류발전기 드라이브는 차량용 동력 인출 장치가 아니다.
본 발명의 제 1 측면에 따라, 모터 차량 동력 인출을 위한 드라이브 장치로서, 동력 피동 설비로 커플링되도록 정렬되고 구성되는 PTO 샤프트, 로터리 드라이버로 커플링되도록 정렬되고 구성되는 입력부 샤프트, 그리고 상기 입력부와 PTO 샤프트 사이에 커플링되어 드라이브를 연속 가변 드라이브 비율로 그 사이에서 전달하는 연속 가변 트랜스미션을 포함하는 드라이브 장치에 있어서, 상기 연속 가변 트랜스미션은 드라이브 비율의 변화에 의해 트랜스미션 응답 토르크를 조정하도록 그리고 PTO 샤프트에서의 속도 변화를 자동적으로 수용하도록 구성되고 정렬되는 것을 특징으로 한다.
로터리 드라이버는 내연 기관, 특히 디젤 엔진일 수 있으나, 본 발명은 그 이외에도 전기 모터, 외부 연소형 기관 등을 이용하여 로터리 드라이브를 전달하는 차량에도 개념적으로 적용될 수 있다.
트랜스미션이 비율 변화 유닛("배리에이터")를 포함하는 것이 특히 바람직하며, 상기 비율 변화 유닛은 로터리 배리에이터 입력부 및 로터리 배리에이터 출력부를 구비하고 입력부 및 출력부에서의 토르크의 합으로서 규정되는 응답 토르크를 조정하도록 구성되고 정렬된다. 이러한 타입의 기능은 환상형-레이스 롤링 트랙션(toroidal-race rolling-traction) 타입에 의해서 제공될 수 있다.
정상 운전중에 일정한 PTO 속도를 제공하도록 배리에이터가 배리에이터 응답 토르크를 제어하기 위한 제어부와 연관되는 것이 바람직하다. 본 명세서에서 "정상(normal)"은 론칭을 제외하며, 물론 PTO 속도가 반드시 점진적으로 변화되어야 하는 경우에, PTO 로드가 과다하게 되는 상태를 제외한다. 응답 토르크의 제어는 PTO 샤프트 속도의 피드백을 기초로 할 것이다.
공지된 PTO 장치에서 엔진을 오버로드할 수 있고 정지시킬 수 있는 PTO 로드가 과다한 경우에 대한 대처와 관련될 때 본 발명은 특히 바람직하다. 토르크를 조정하는 트랜스미션의 오버로드에 대한 자연스런 응답은, 드라이브 비율의 변화에 의해 PTO 샤프트가 감속(slow down)될 수 있게 허용하는 것이고, 이는 (엔진 동력이 유지될 수 있도록, 속도를 변화를 강제하지 않고) 엔진의 동력 요구를 감소시키고 PTO 샤프트가 이용할 수 있는 토르크를 증대시킨다. 사실상, 트랜스미션의 응답은 PTO-피동 장비 및 엔진 모두를 적절하게 기능시키는데 필요한 것이다. 이러한 상황은, 예를 들어, PTO 샤프트 속도를 유지하고자 하는 제어부가 제공되는 경우에 약간 복잡해진다. 본원 명세서에서, 제어부 방식은 잠재적인 오버로드에 응답하여 다소 개선되는 것이 바람직하다.
바람직하게, PTO 샤프트에 인가되는 과다 로드에 응답하여, 응답 토르크가 제어부에 의해서 제어되도록 그리고 인가되는 로드로 인해 배리에이터 비율의 변화를 통해 PTO 샤프트의 감속이 자동적으로 수용되도록, 제어부는 응답 토르크를 제한하여 과다한 엔진 로딩을 방지한다.
특히 바람직하게, 트랜스미션은 배리에이터 및 PTO에 작동적으로(operably) 커플링된 외륜 사이크론 션트 기어(epicyclic shunt gear)를 더 포함한다.
그러한 일 실시예에서, 션트 기어의 각 입력부는 배리에이터를 통해서 그리고 고정 비율 기어 체인을 통해서 입력부 샤프트로 커플링되며, 그에 따라 특정 배리에이터 비율에서 두 개의 션트 입력부들이 서로를 상쇄시키고 기어링된(geared) 중립 상태를 제공하며, 그러한 중립 상태에서 PTO 샤프트는 이동하는 입력 샤프트에 기계적으로 커플링되었음에도 불구하고 정지상태가 된다. 그러한 일부 실시예에서, 입력부 샤프트로부터 PTO를 해제하기 위한 클러치가 불필요할 수도 있다.
클러치가 없는 경우에, 몇가지 방식으로 "중립" 상태를 제공하는 것이 바람직하며, 그러한 중립 상태에서는 PTO 샤프트가 자유회전(freewheel)될 수 있다. 이것 역시 본 발명에 의해 제공될 수 있다. 바람직한 실시예는 배리에이터 응답 토르크를 제로로 셋팅하고 그에 따라 준-중립 상태를 제공하기 위한 수단을 구비하며, 상기 준-중립 상태에서는 입력부 샤프트로의 기계적인 커플링에도 불구하고 PTO 샤프트가 자유회전될 수 있다.
바람직하게, 배리에이터 응답 토르크를 상승시켜 PTO 샤프트에서 구동 토르크를 생성함으로써, 드라이브 비율의 변화를 통해 PTO 샤프트의 후속 가속을 배리에이터가 자동적으로 수용하면서, 준-중립 상태로부터의 PTO 론칭을 제어하기 위한 수단이 제공된다.
본 발명의 제 2 측면에 따라, 모터 차량 동력 인출부를 제어하는 방법이 제공되며, 상기 동력 인출부는 동력 피동 설비로 커플링되도록 정렬되고 구성되는 PTO 샤프트, 로터리 드라이버로 커플링되도록 정렬되고 구성되는 입력부 샤프트, 그리고 상기 입력부 샤프트와 PTO 샤프트 사이에 커플링되어 드라이브를 연속 가변 드라이브 비율로 그 사이에서 전달하는 연속 가변 트랜스미션을 포함하며, 상기 방법은 결과적인 트랜스미션 출력부 토르크를 PTO 샤프트에 관한 관성 로드로 인가함으로서 초래되는 출력 속도의 변화에 따라서 트랜스미션 응답 토르크를 조정하고 트랜스미션 비율이 변화되도록 허용하는 단계를 포함한다.
이하에서는, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 특정 실시예들을 예로서 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에서 이용되는 환상형-레이스 롤링 트랙션 타입의 배리에이터의 일부를 단순화하여 도시한 개략도이다.
도 2는 동일한 타입의 배리에이터를 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 동력 인출 장치를 구동하는 트랜스미션의 개략도이다.
도 4는, 본 발명을 구현한, PTO를 구동하기 위한 트랜스미션의 개략도이다.
도 5는, 본 발명을 구현한, PTO를 구동하기 위한 다른 트랜스미션의 개략도이다.
도 6은, 본 발명을 구현한, PTO를 구동하기 위한 또 다른 트랜스미션의 개략도이다.
이하에서 설명하는 본 발명의 실시예에서, 동력 인출 장치는 트랜스미션을 통해서, 그리고 보다 구체적으로는 비율 보다는 토르크를 조정하도록 작동되는 연속 가변 비율 장치("배리에이터")를 통해서 로터리 드라이버(통상적으로 모터 차량의 디젤 엔진이다)에 의해서 구동된다. 이하에서, 그러한 트랜스미션을 "토르크- 제어" 타입이라 한다. 이러한 개념은 본 출원인 등이 출원한 다른 특허 문헌(제 1606135 호로 공개된 제 EP04723989 호를 포함한다)으로부터 공지되어 있으나, 보다 통상적인 트랜스미션에 익숙한 사람들에게는 반직관적(counterintuitive)일 것이며, 환상형-레이스 롤링 트랙션 타입의 예시적인 트랜스미션을 참조하여 이하에서 설명한다. 그러나, 예를 들어 유럽특허공보 제 0736153 호(토로트랙 (디벨로프먼트) 리미티드)에서 볼 수 있는 바와 같이 토르크 제어에 의해 작동되는 다른 타입의 트랜스미션도 구성될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
도 1 및 도 2에 도시된 배리에이터(10)는 그 자체가 신규한 것은 아니다. 도면들은 매우 개략적으로 도시되었으며, 단순히 작동 원리를 설명하기 위한 것이다. 보다 상세한 구조적 사항은 예를 들어 유럽 공개특허 제 0894210 호 및 제 1071891 호(토로트랙 (디벨로프먼트) 리미티드)를 포함하는 본 출원인의 전술한 공보에 기재되어 있다. 도 1은 배리에이터 입력부 샤프트(12) 및 배리에이터 출력부 샤프트(14)를 도시하고 있으며, 상기 입력부 샤프트(12)와 출력부 샤프트(14) 사이에서는 입력부 레이스(16), 출력부 레이스(18), 및 롤러 세트(20)를 포함하는 장치에 의해서 드라이브가 전달되며, 상기 롤러 세트들 중 하나의 롤러만이 도시되어 있다. 입력부 및 출력부 레이스들은 공통 축선(배리에이터 축선(21))을 중심으로 회전되도록 장착되며, 롤러(20)를 포함하는 전체적으로 환형인 공동(26)을 함께 형성하도록 성형된 페이싱(facing) 표면들(22, 24)을 구비한다. 상기 롤러(20)들은 양 레이스의 성형된 페이스상에서 주행되고 드라이브를 하나의 레이스로부터 다른 레이스로 전달하는 역할을 한다. "트랙션 유체"의 필름이 롤러들과 레이스들 사이 에서 유지되어 계면에서의 마모를 최소화하며, 이러한 필름에서의 전단(shear)에 의해 드라이브가 전달된다. 통상적으로 유압식 액츄에이터(도시 하지 않음)에 의해 레이스들이 서로를 향해 편향되어 이러한 드라이브의 전달에 필요한 계면에서의 압력을 제공한다.
다음과 같은 3차원의 자유도가 가능하도록 하는 방식으로 각 롤러(20)가 장착된다: 즉, (1) 레이스들에 의해 구동될 때, 자체의 축선을 중심으로 회전될 수 있고; (2) 배리에이터 축선(21)을 중심으로 둘레방향 경로(27)를 따라 전후로 이동될 수 있으며; (3) "전진운동(process)"될 수 있으며, 즉 롤러 축선 및 배리에이터 축선 모두에 대해 평행하지 않는 전진운동(precession) 축선(28)을 중심으로 회전되어 롤러의 경사를 변경할 수 있다. 이는, 피스톤 로드(32) 및 피스톤(34)를 통해 커플링된 캐리지(30)내에서의 롤러의 저널링(journaling)에 의해, 도시된 배리에이터에서 달성된다. 피스톤(34)은 원통(36)내에 수용되어, 둘레의 이동 방향(27)을 따라 부품과 함께 롤러에 대해 제어된 편향력을 인가하기 위한 유압 액츄에이터를 형성한다.
전진운동 축선(28)은 배리에이터 축선(21)에 대해 수직이지 않고, 캐스터 각도(CA) 만큼 수직선에 대해 경사진다. 또한, 롤러는 레이스(상기 롤러가 주행하는 레이스)들에 의한 조향 영향(steering effect)을 받으며, 그에 따라 롤러 및 인접 레이스의 이동이 그들의 계면에서 평행하게 보장하는 경향이 있다. 이는, 조향 영향이 롤러의 축선을 배리에이터 축선(21)과 교차하게 유지하는 경향이 있다는 것과 같은 말이다. 결과적으로, 롤러의 둘레방향 위치와 그 경사 사이에는 상호관계가 있다. 롤러가 전후로 이동함에 따라, 롤러가 전진운동되고, 즉 경사도가 변화된다.
롤러들은 함께 이동하는 경향이 있고, 롤러 경사도는 배리에이터 드라이브 비율에 대응한다. 롤러들의 경사도가 변화됨에 따라, 하나의 레이스 상에서 추적하게 되는 경로의 반경이 감소되는 한편, 다른 레이스 상에서 추적하게 되는 경로의 반경은 증대되며, 그에 따라 두 레이스들의 상대적인 속도가 변화되며, - 즉 드라이브 비율이 변경된다.
배리에이터 축선(21)을 중심으로 작용하는 토르크를 살펴보면 다음과 같다. 엔진은 입력부 레이스(16)를 구동시켜, 그 레이스에 입력부 토르크(Tin)를 인가한다. 롤러는 입력부 레이스(16)에 의해 구동되고, 다시 출력부 레이스(18)를 구동시켜, 출력부 토르크(Tout)를 그 레이스에 인가한다. 롤러 자체는 응답 토르크를 받아, 둘레방향 경로를 따라 가압하며, 상기 응답 토르크는 입력부 토르크 및 출력부 토르크(서로 반대 방향으로 작용한다)의 합에 의해 결정된다. 또한, 응답 토르크는 현재 롤러의 경사도에 의존한다. 롤러를 정위치에 유지하기 위해, 이러한 응답 토르크는 반드시 반대되어야 하며, 도시된 실시예에서는 대향 토르크가 유압 액츄에이터(8, 34, 36)에 의해 인가된다.
비록 하나의 롤러만을 설명하였지만, 전체 롤러 세트에도 동일한 내용이 적용될 수 있을 것이다. 레이스들은 배리에이터 축선 둘레의 원을 따라 롤러들을 구동시킬 것이다. 이는 각 액츄에이터에 의해 롤러들로 인가되는 순수 토르크에 의 해 저향을 받는다. 롤러 조립체를 가속하는 어떠한 토르크도 무시한다면, 응답 토르크(Tin+Tout)는 액츄에이터에 의해 인가되는 순수 토르크와 같아야 한다. 액츄에이터 토르크(또는 각 액츄에이터에 의해 인가되는 둘레방향 힘이라 할 수도 있을 것이다)를 제어함으로써, 응답 토르크가 제어된다. 도시된 예에서, 유압 액츄에이터를 이용하여, 공통 유압이 각 액츄에이터의 대향 측부들에 인가되고, 두 유체 압력의 편차가 배리에이터 응답 토르크를 결정한다.
도 1이 하나의 환형 공동을 형성하는 한 쌍의 레이스만을 도시하고 있으나, 실질적으로 배리에이터는 각 롤러 세트를 각각 포함하는 두 개의 공동을 형성하는 두 쌍의 레이스를 통상적으로 구비한다. 도 2는 그러한 구성을 도시하며, 대부분의 부품들이 도 1 버전의 직접적인 대응 부분(counterpart)이며 동일한 참조부호로 표시되어 있으나, 추가적인 입력부 및 출력부 레이스들에 대해서는 16a 및 18a로 각각 표시하였다. 출력부 샤프트(14)가 두 개의 출력부 레이스(18, 18a) 사이에 위치된다. 공지된 바와 같이, 이러한 샤프트로부터의 드라이브는 체인을 통해서 레이샤프트(layshaft)로, 또는 일부 공동-축선 장치를 통해서 인출될 수 있다.
특정 드라이브 비율을 제공하도록 트랜스미션이 셋팅될 것이고, 그에 따라 그 자체를 조정할 것임을 알 수 있을 것이며, 그러한 작동 모드를 "비율 제어"라고 한다. 이는 전술한 토르크-제어 배리에이터를 이용하는 트랜스미션에서와 다른 경우이다. 그 대신에, 배리에이터는 토르크(특히, 응답 토르크)를 조정하고 그 자체를 자동적으로 조절하여 드라이브 비율의 후속 변화를 수용한다. 도 3은 그러한 원리를 설명하기 위한 것이다. 하나 이상의 배리에이터(10)가 개략적인 형태로 도시되어 있으며, 단지 입력부 및 출력부 레이스(16, 18) 및 하나의 롤러(20)만이 도시되어 있다. 배리에이터의 입력부가 기어링을 통해 엔진으로 커플링되고, 도면에서 기어링 및 엔진이 단지 박스(50)로 간단히 표시되어 있으며, 이는 관성 모멘트(Je)(엔진, 기어링에 기인하고, 배리에이터 자체의 부분들에 기인한다)를 가지며 배리에이터에 대해 구동 엔진 토르크(Te)를 작용한다. 배리에이터의 출력부는 기어링을 통해 동력 인출 샤프트에 커플링되고 또 일부 외부 장비에 커플링된다. 박스(52)는 배리에이터 출력부와 관련한 관성 모멘트(Jv)(기어링, 배리에이터의 부분들, 및 장비의 이동 부분들의 관성에 기인한다) 및 마찰 손실 뿐만 아니라 장비에 의해 이루어지는 작업으로 인해 배리에이터 출력부에 작용하는 지연 토르크(Tv) 모두를 나타낸다. 응답 토르크(Tin+Tout)가 배리에이터에 의해 조정된다는 것을 기억할 것이다. Tin/Tout 의 비율은 현재의 배리에이터 비율에 의해 결정된다. 그에 따라, Tin 및 Tout 의 값은 배리에이터 응답 토르크 및 현재의 배리에이터 비율에 의해서 결정된다(배리에이터의 비효율성은 무시한다). 배리에이터 출력부에서, 출력부 관성(Jv)을 가속하는데 있어서 순수 토르크(Tout - Tin)가 이용될 수 있다. 만약, 순수 토르크가 제로가 아니라면, 출력부 속도가 변화될 것이다. 배리에이터는 드라이브 비율의 변화(롤러의 병진운동 및 전진운동에 기인한다)에 의해 자동적으로 이러한 변화를 수용하며, Tout 이 Tin과 같아지는 평형에 도달할 때까지 출력부 속도 및 배리에이터 비율의 변화가 계속된다. 원칙적으로, 필요한 변경을 가하여, 동일한 내용을 배리에이터의 입력부측에도 적용할 수 있을 것이며: 입력부에서 배리에이터에 의해 생성되는 토르크(Tin)와 엔진 토르크(Te) 사이의 어떠한 불균형도 배리에이터 입력부 속도의 변화를 초래할 것이고 이는 평형을 회복하게 할 것이다. 그러나, PTO들은 종종 속도 제어형 디젤 엔진에 의해 구동되며, 그 디젤 엔진은 출력 토르크를 자동적으로 조정하여 선택된 엔진 속도를 유지하며, 그에 따라 실질적으로 엔진 자체가 토르크(Te)를 조정하여 배리에이터 입력부에서 실질적으로 일정한 속도를 달성할 수 있을 것이다.
드라이브 비율을 조정(대부분의 다른 CVT에서는 실시된다)하는 대신에 그리고 그 비율 달성에 필요한 입력부 및 출력부에서의 토르크를 생성하는 대신에, 배리에이터들은 입력부 및 출력부 토르크를 조정하고, 입력부 및 출력부 관성에 대한 그들의 토르크의 작용으로부터 초래되는 비율에 맞춰 자동적으로 자신을 조절한다.
전술한 바와 같이, 엔진과 동력 인출 샤프트 사이에 배리에이터를 커플링하기 위해 기어링이 제공된다. 도 4는 매우 단순한 장치를 나타내며, 여기에서 배리에이터(10)는 일정 비율 기어링(R1)을 통해 엔진(100)에 의해 구동되고, 클러치(102) 및 기어링(R2)을 통해 동력 인출 장치(104)로 커플링된다. 필요한 경우에 PTO(104)로부터 엔진을 분리하기 위해서, 그리고 론칭을 실시하기 위해서, 클러치(102)를 이용한다.
보다 복잡한 장치가 도 5에 도시되어 있으며, 그 장치는 이하에서 "션트"(150)라 칭하는 외륜 사이크론 기어 장치를 이용한다. 이러한 일반적인 타입 의 장치는 모터 차량 휘일의 구동을 위한 트랜스미션 분야에서 공지되어 있다. 외륜 사이크론 기어의 일반적인 구성은 잘 알려져 있으며, 따라서 여기에서 구체적으로 설명하지 않는다. 각각 (1) 선 기어; (2) 링 기어; 및 (3) 상기 선 기어 및 링 기어와 결합된 캐리어 장착 유성 기어에 각각 연결되는 3개의 입력부 샤프트가 제공된다. 도시된 구성에서, 션트의 샤프트들 중 하나의 샤프트(152)가 기어링(R1)을 통해 엔진(153)에 커플링된다. 다른 션트의 샤프트(154)는 배리에이터 및 기어링(R2, R3)을 통해서 엔진에 커플링된다. 션트의 3번째 샤프트(156)는 마지막 기어링(R4)을 통해서 PTO(158)에 커플링된다. 이러한 타입의 구성은 "동력-재순환" 타입이라고도 하는데, 이는 동력이 션트 및 배리에이터에 의해 형성된 루프(loop)내에서 순환되기 때문이다. 무한 감속 또는 "중립 기어(geared neutral)"를 위한 수단을 제공한다는 중요한 이점을 가진다. 특정 배리에이터 비율에서, 션트로의 입력부(152, 154)는 서로를 상쇄시키고, 그에 따라 작동 엔진에 물리적으로 커플링되었음에도 불구하고 출력부(156)가 정지상태가 된다. 이러한 중립 기어 수단 때문에, 엔진으로부터 PTO를 분리하기 위한 클러치가 필요치 않게 된다.
물론, 사용자는 PTO가 자유회전하는 "중립" 상태를 얻기 위해 그러한 클러치를 분리하는 작업에 숙달될 수 있을 것이다. 그러나, 제로 응답 토르크를 제공하도록 배리에이터를 셋팅함으로써, 토르크-제어형 배리에이터의 이용에 의해 상기 장치에서 그와 같은 상태를 용이하게 달성할 수 있다. 이러한 경우에, 마찰 손실을 무시하면, 배리에이터의 입력부 및 출력부 토르크가 제로가 된다. 결과적인 PTO 속도의 변화를 수용하기 위해 필요에 따라 배리에이터 비율이 변화되는 동안에 도, 출력부는 자유회전한다. 그에 따라, 예를 들어, PTO가 건초(baling) 장치와 같은 이동 로드에 연결된 동안에 상기 장치가 준-중립 상태에 위치된다면, 배리에이터 비율이 중립 기어 비율로 자동적으로 이동되는 동안에, 드라이브가 로드로부터 제거되며 이는 자연적인 중단(natural halt)이 될 것이며, 그에 따라 엔진이 계속적으로 회저될 수 있게 허용한다. 전술한 바와 같이 유압식으로 제어되는 배리에이터에서, 피스톤(34)의 두 측부에서의 압력을 같게함으로써, 준-중립 상태가 간단히 달성된다.
도 6에 도시된 대안적인 장치는 중립 기어를 제공하지 않으며, 결과적으로 클러치(200)를 필요로 한다. 배리에이터를 통한 총 동력의 비율을 감소시킬 수 있다는 이점이 있다. PTO로 전달되는 토르크 및 동력을 증대시킬 수 있다. 기어링을 통해서 가능한 한 큰 동력을 전달하고 배리에이터 자체를 통해서 가능한 한 적게 전달하는 것이 바람직하며, 이들 두가지는 효율을 개선하고 배리에이터의 중량 및 크기를 감소시킬 수 있게 한다. 이러한 장치에서, 션트(201)가 기어링(R1)을 통해서 엔진(203)에 커플링되는 제 1 샤프트(202); 기어링(R2)을 통해서 배리에이터(10)의 입력부 측에 커플링되는 제 2 샤프트(204); 그리고 기어링(R3)을 통해서 PTO(207)에 커플링되는 제 3 샤프트(206)를 구비한다. 제 3 샤프트(206)는 클러치(200)의 결합에 의해서 배리에이터의 출력부 측에 추가적으로 커플링될 수 있다. 클러치(200)가 분리되었을 때, 배리에이터 및 제 2 샤프트(204)가 자유회전된다. 결과적으로, 션트가 전체로서 유사하게 자유회전될 수 있다. 제 1 샤프트(202)로부터 제 3 샤프트(206)로 드라이브가 전달되지 않으며, 그에 따라 장치는 중립이 된다. 클러치가 결합되었을 때, 배리에이터는 전체 드라이브 비율을 지시하고, 일부 동력이 필수적으로 배리에이터를 통해 재순환되나, 이는, 적절한 기어 비율의 선택에 의해, 전체 전달 동력 중 작은 부분만이 되도록 할 수 있을 것이다.
PTO 장치의 제어는 순수한 기계/유압 장치를 통해서도 개념적으로 이루어질 수 있을 것이나, 바람직한 제어 모드는 실시간 입력부 및 출력부 속도, 그리고 기타 작동 변수들을 나타내는 입력을 수신하고 배리에이터를 제어하는 유압 밸브로 출력을 제공하는 마이크로프로세서를 이용하는 것이며, 필요한 경우에 클러치와 연관되기도 한다. 배리에이터 제어 밸브들은 배리에이터 피스톤(34)의 두 측부에 인가되는 압력을 조정하고, 배리에이터 응답 토르크를 결정한다.
사용자에게 제공되는 제어는 단순할 수 있다. 통상적인 실시예는 온/오프 제어를 이용하여 중립과 드라이브 상태 사이에서 전환하며, 배리에이터(및, 클러치가 있는 경우에 그 클러치)는 마이크로프로세서에 의해 대응하여 제어된다. 농업용 PTO는 대부분 일정한 속도, 예를 들어 1000 rpm의 속도로 작동될 것을 필요로 한다. 사용자-작동가능형 제어가 제공되어 소정 범위로서 또는 그 대신에 단속적인(discrete) 셋트로서 속도를 선택하게 할 수 있을 것이다. 마지막으로, 사용자가 론칭시의 출력 토르크의 레벨을 조정하여, 론칭을 얼마나 빨리할 것인지를 효과적으로 제어할 수 있도록 허용하는 제어 기능이 제공될 수 있을 것이다.
전술한 바와 같이, PTO를 구동시키기 위해 사용되는 엔진은 많은 경우에 속도가 제어될 것이며, 즉, 셋팅된 속도를 유지할 수 있을 것이다. 또한, 많은 경우에 일정한 출력부 속도가 PTO에서 요구될 것이다. 종래의 트랜스미션을 이용할 때, 요구되는 출력부 속도는 입력부 속도 및 드라이브 비율의 선택으로부터 결정된다. 그러나, 전술한 타입의 토르크-제어 배리에이터는 비율을 직접적으로 제어하지 않는다는 것을 주지하여야 한다. 그에 따라, 필요한 출력부 속도를 유지하기 위해서는, 필요에 따라 PTO 출력부 속도를 유지하기 위해 배리에이터 응답 토르크를 조절하기 위한 제어부가 필요할 것이다. 이는, 예를 들어, 원심력 통제장치에 의해 달성될 수 있을 것이나, 바람직한 해결책은 다시 마이크로프로세서에 의해 이러한 기능을 실행하게 하는 것이다. 가장 단순한 해결책은, 예를 들어 비례 미분 적분 제어기(PID)를 이용하여, 출력부 속도의 피드백을 기초로하여 응답 토르크를 조정하는 것이다. 일정한 PTO 속도를 제어하기 위한 일반적인 대안으로서, PTO 속도를 차량 지면 속도(ground speed)에 링크(link)시키는 것이다. 이는, 차량 지면 속도를 제어부로 공급함으로써, 또는 PTO 및 차량 휘일을 동일한 트랜스미션으로부터 구동시킴으로써 달성될 수 있을 것이다.
토르크-제어 배리에이터의 이용을 통해서, PTO의 론칭에 대한 유리한 전략을 새울 수 있다. 도 5에 도시된 타입의 장치를 제어하기 위한 단순한 전략은, 론칭시에, 제로 응답 토르크로부터 약간의 일정한 응답 토르크 값으로 스위칭시키고, 배리에이터 제어 밸브를 이용하여 셋팅하는 것이다. 이는, 종래의 PTO 장치에서 클러치의 급격한 결합과 같지 않다는 것을 주지하여야 하며, 그러한 급격한 결합에서는 엔진과 PTO 속도의 불일치로 인한 엔진 정지의 위험이 있을 것이다. 응답 토르크를 높이면, PTO 출력부에서 토르크가 생성되고 엔진으로 인가될 응답 토르크를 유발하게 되나, 드라이브 비율의 즉각적인 변화를 필요로 하지는 않는다. 그 대신 에, PTO 로드가 관성에 의해 정해지는 비율의 휴지상태(rest)로부터 가속될 수 있으며, 엔진이 셋팅된 속도로 계속 작동되는 동안에, 배리에이터는 드라이브 비율의 결과적이고 점진적인 변화를 자동적으로 수용한다. 또한, 도 5의 장치는 "부드러운 시동(soft start)"을 자동적으로 제공하며, 이때 엔진으로 인가되는 로드는 점짐적으로 증가된다. 왜 그러한지는, 중립 기어가 사실상 엔진으로부터 PTO까지 무한 감속이라는 것을 회상하면 이해될 것이다. 중립 기어(마찰 영향을 무시함)에서, 엔진에 인가되는 로드는 PTO 출력부에서 생성되는 토르크와 관계 없이 제로이다. 출력부 속도가 증대됨에 따라, 배리에이터는 응답 토르크의 일정 값을 유지하나, 엔진 로드 토르크 대 PTO 출력부 토르크의 비율은 점차적으로 커진다. 그에 따라, 엔진 정지의 문제 없이, 큰 토르크가 인가되어 초기에 로드를 가속할 수 있다. 로드 가속을 포함하는 보다 복잡한 론칭 전략은 마이크로프로세서를 이용하여 용이하게 실시될 수 있을 것이다. PTO 장치가 클러치를 포함한다면, 독립적인 유압장치들이 제공되어 클러치 인가 압력 및 배리에이터 제어 압력을 제어할 것이다. 그 대신에, 동일한 유압이 배리에이터 및 클러치 모두에 인가될 수 있을 것이고, 론칭시에 점차적으로 증대되어 부드러운 시동을 제공할 수도 있을 것이다.
론칭과 대조적으로, 정상 작동중의 엔진 정치 문제는 본 발명에 의해 용이하게 해결될 수 있다. PTO 피동 설비에 대한 로드는, 예를 들어, 프로세싱되는 물질의 성질 변화로 인해, 배우 크게 달라질 수 있다. 특히, 마초 수확기가 직면하는 잔디의 젖은 또는 두꺼운 영역은, 예를 들어, (일정 드라이브 비율을 이용하는 종래의 PTO 장치에서) 엔진을 오버로드시킬 것이며, 이는 그 속도를 유지하기 위한 동력을 부족하게 하여 엔진을 정지시킬 것이다. 토르크 제어 PTO 장치가 동일한 상황에 처했을 때 일어날 수 있는 일에 대해 설명한다. PTO상의 로드가 증대된다. 만약, 배리에이터 응답 토르크가 조정되지 않는다면, 이는 PTO 로드가 구동에 필요한 토르크를 초과하게 만들 것이다. 결과적으로, PTO가 감속되고, 배리에이터는 셋팅된 응답 토르크를 유지하면서 드라이브 비율의 결과적인 변화를 자동적으로 수용할 것이다. 엔진 속도는 유지될 수 있다. 드라이브 비율의 감소는 PTO 출력 토르크의 증가를 초래하며, 그에 따라 일부 지점들에서 평형에 도달할 수 있을 것이며, 그러한 평형에서는 엔진이 비록 감속된 것이지만 일정한 속도로 PTO를 구동시킬 수 있다. 이러한 상황은 일정한 PTO 출력을 유지하고자 하는 제어부가 제공된다면 약간 복잡해지겠지만, 본 명세서에서 엔진에 인가될 수 있는 최대 로드를 기초로 응답 토르크를 간단히 제한하는 전략을 실시할 수 있다는 것이 분명하며, 그에 따라 필요한 경우에 배리에이터가 전술한 바와 같이 작동될 수 있다.
휘일 속도의 불일치를 포함하는 트레일러 또는 농업용 차량의 휘일을 구동하는데 이용되는 PTO와 관련한 문제점들을 이상에서 설명하였다. 이러한 문제점들은 본 명세서에 기재된 PTO 타입으로 용이하게 극복될 수 있는데, 이는 PTO의 속도 및 구동 휘일을 셋팅할 필요가 없기 때문이다. 그 대신에, 응답 토르크의 셋팅은 (주어진 드라이브 비율에서) 휘일에 인가되는 토르크를 결정한다. 전체 차량 속도와 매칭시키기 위해 필요에 따라 그들의 속도는 자유롭게 변화되며, 결과적인 드라이브 비율의 변화는 배리에이터에 의해 자동적으로 수용된다. 지형 및 운전자 요구 등에 따라 휘일 토르크를 조정하는 것을 포함하는 복잡한 전략이 실행될 수도 있을 것이다.
엔진 효율과 관련하여, 종래의 PTO 구동 장치와 비교할 때의 개선점은, PTO를 구동하는 트랜스미션과 엔진의 조화로운 제어에 의해, 달성될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 동력 요구가 작을 때 엔진 속도가 감속될 수 있고, 배리에이터는 출력부 속도를 유지하도록 조정되어 연료 소모를 감소시킬 수 있다.

Claims (18)

  1. 모터 차량 동력 인출(PTO)을 위한 드라이브 장치로서, 동력 피동 설비로 커플링되도록 정렬되고 구성되는 PTO 샤프트, 로터리 드라이버로 커플링되도록 정렬되고 구성되는 입력부 샤프트, 그리고 상기 입력부 샤프트 및 PTO 샤프트 사이에 커플링되어 드라이브를 연속 가변 드라이브 비율로 그 사이에서 전달하는 연속 가변 트랜스미션을 포함하는 드라이브 장치에 있어서,
    상기 연속 가변 트랜스미션은 드라이브 비율의 변화에 의해 토르크를 조정하도록 그리고 PTO 샤프트에서의 속도 변화를 자동적으로 수용하도록 구성되고 정렬되는 것을 특징으로 하는 드라이브 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 트랜스미션이 비율 변화 유닛("배리에이터")을 포함하며, 상기 비율 변화 유닛은 로터리 배리에이터 입력부 및 로터리 배리에이터 출력부를 포함하고 배리에이터 응답 토르크를 조정하도록 정렬되고 구성되는 것을 특징으로 하는 드라이브 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 배리에이터가 환형 레이스 타입인 것을 특징으로 하는 드라이브 장치.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    정상 작동 중에 일정한 PTO 속도를 제공하기 위해 배리에이터 응답 토르크를 제어하기 위한 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 드라이브 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 응답 토르크가 동력 인출 샤프트 속도의 피드백을 기초로 제어되는 것을 특징으로 하는 드라이브 장치.
  6. 제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    동력 인출 샤프트로 인가되는 과다 로드에 응답하여, 응답 토르크가 제어부에 의해서 제어되도록 그리고 인가되는 로드로 인한 PTO 샤프트의 감속이 배리에이터 비율의 변화를 통해 자동적으로 수용되도록, 제어부는 응답 토르크를 제한하여 과다한 엔진 로딩을 방지하는 것을 특징으로 하는 드라이브 장치.
  7. 제 2 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배리에이터 및 PTO에 작동적으로 커플링된 외륜 사이크론 션트 기어를 포함하는 것을 특징으로 하는 드라이브 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    특정 배리에이터 비율에서 두 개의 션트 입력부들이 서로 상쇄되도록 그리고 기어링된 중립 상태를 제공하도록 상기 션트 기어의 각 입력부가 배리에이터를 통해서 그리고 고정 비율 기어 체인을 통해서 입력부 샤프트로 커플링되며,
    상기 중립 상태에서, 상기 PTO 샤프트는 이동하는 입력 샤프트에 기계적으로 커플링됨에도 불구하고 정지상태인 것을 특징으로 하는 드라이브 장치.
  9. 제 2 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배리에이터 응답 토르크를 제로로 셋팅하고 그에 따라 준-중립 상태를 제공하기 위한 수단을 구비하며,
    상기 준-중립 상태에서는 입력부 샤프트로의 기계적인 커플링에도 불구하고 PTO 샤프트가 자유회전될 수 있는 것을 특징으로 하는 드라이브 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 배리에이터 응답 토르크를 상승시켜 PTO 샤프트에서 구동 토르크를 생성함으로써 준-중립 상태로부터의 PTO 론칭을 제어하기 위한 수단을 포함하며,
    상기 배리에이터는 드라이브 비율의 변화에 의해 PTO 샤프트의 후속 가속을 자동적으로 수용하는 것을 특징으로 하는 드라이브 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    주어진 응답 토르크 및 엔진 속도에서, 출력부 토르크가 출력부 속도 증가에 따라 감소되도록 구성되고 정렬되는 것을 특징으로 하는 드라이브 장치.
  12. 제 2 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입력부 샤프트와 PTO 샤프트 사이의 작동적 커플링을 형성하고 차단하도록 정렬된 클러치를 포함하는 것을 특징으로 하는 드라이브 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 배리에이터 응답 토르크 및 클러치 양자 모두가 유압적으로 제어되고, 상기 양자 모두로 동일한 유압을 제공하는 수단이 제공되는 것을 특징으로 하는 드 라이브 장치.
  14. 모터 차량 동력 인출부를 제어하는 방법으로서:
    상기 모터 차량 동력 인출부는 동력 피동 설비로 커플링되도록 정렬되고 구성되는 PTO 샤프트, 로터리 드라이버로 커플링되도록 정렬되고 구성되는 입력부 샤프트, 그리고 상기 입력부 샤프트와 PTO 샤프트 사이에 커플링되어 그 사이에서 드라이브를 전달하는 연속 가변 트랜스미션을 포함하며,
    상기 방법은 결과적인 트랜스미션 출력부 토르크를 PTO 샤프트에 관한 관성 로드로 인가함으로서 초래되는 출력 속도의 변화에 따라서 트랜스미션 응답 토르크를 조정하고 트랜스미션 비율이 변화되도록 허용하는 단계를 포함하는
    모터 차량 동력 인출부 제어 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    로터리 배리에이터 입력부 및 로터리 배리에이터 출력부를 포함하고 자신의 입력부 및 출력부에서의 토르크의 합으로서 규정되는 응답 토르크를 조정하도록 정렬되고 구성되는 비율 변화 유닛("배리에이터")을 상기 트랜스미션에 통합하는 단계를 포함하는
    모터 차량 동력 인출부 제어 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 배리에이터 응답 토르크를 제로로 셋팅함으로써 준-중립 상태를 제공하는 단계를 포함하는
    모터 차량 동력 인출부 제어 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 준-중립 상태가 사용자 요구에 응답하여 제공되는
    모터 차량 동력 인출부 제어 방법.
  18. 제 14 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    응답 토르크를 상승시켜 PTO 샤프트에서 구동 토르크를 생성함으로써 그리고 PTO 샤프트의 후속 가속을 수용하도록 배리에이터 드라이브 비율이 자동적으로 변화될 수 있게 허용함으로써, 응답 토르크가 제로로 셋팅된 정지 상태로부터 상기 PTO에 커플링된 설비를 론칭시키는 단계를 포함하는
    모터 차량 동력 인출부 제어 방법.
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