KR20120024600A - 자동 동기화 - Google Patents

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KR20120024600A KR1020117026861A KR20117026861A KR20120024600A KR 20120024600 A KR20120024600 A KR 20120024600A KR 1020117026861 A KR1020117026861 A KR 1020117026861A KR 20117026861 A KR20117026861 A KR 20117026861A KR 20120024600 A KR20120024600 A KR 20120024600A
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Abstract

본 발명은 자동 변속기에서 동기화 과정을 더 견고하게 구성하고, 이와 동시에 소음 쾌적성을 고려해서 상기 과정을 단축하기 위한 방법에 관한 것이다.

Description

자동 동기화{AUTOMATED SYNCHRONIZATION}
본 발명은 제1항의 전제부에 따른 특징을 갖는 방법과, 제11항의 전제부에 따른 특징을 갖는 장치에 관한 것이다.
차량 관련 기술에는 예컨대 자동 변속기(ASG) 및 병렬형 변속기(PSG)와 같은 자동 변속기 시스템이 공지되어 있으며, 이들은 단일 샤프트 또는 다중 샤프트 보조 변속기를 포함한다. 기어비 교체를 위해 또는 시프팅 과정 시, 변속기 시스템에서 체결된 기어단 또는 실제 기어단의 아이들러 기어는 변속기 입력 샤프트로부터 분리되고, 체결될 기어단 또는 목표 기어단의 아이들러 기어는 변속기 입력 샤프트에 형태 결합식으로 연결된다. 그러나, 기어비 불연속에 의해, 아이들러 기어의 변속기 입력 샤프트와 시프팅될 아이들러 기어 사이에 회전수 차가 나타나므로, 변속기 소음(예를 들어, 소위 칙칙거림)이 발생하지 않는 형태 결합식 연결은 가능하지 않다. 쾌적성의 이유로, 아이들러 기어와 아이들러 기어 샤프트의 회전수 차를 동기화하기 위해 동기화 장치(예를 들어, 로킹 동기화 장치)가 사용된다.
동기화 장치의 작동 방식은 동기화 과정의 예컨대 5개의 단계로 분할될 수 있다.
제1 단계에서, 회전 불가능하지만 축방향으로 변위될 수 있도록 아이들러 샤프트에 연결된 동기화 슬리브의 운동에 의해 동기화 링이 압력 부재를 통해 아이들러 기어 커플링 본체의 마찰 콘에 압착되는 동기화가 개시된다. 커플링 본체와 동기화 슬리브 사이의 회전수 차에 의해, 동기화 링이 정지부 내로 회전한다.
제2 단계에서, 실제 동기화가 실행된다. 이 경우, 동기화 슬리브의 시프팅 기어 톱니는 동기력에 의해 루프 피치(roof pitch)가 동기화링의 루프 피치에 가압된다. 이러한 방식으로, 발생하는 마찰 토크에 의해 아이들러 기어가 가속되거나 제동된다. 회전수 차이가 존재하는 한, 마찰 토크가 톱니 기어 토크보다 항상 더 크므로, 동기화 장치는 로킹된다.
제3 단계에서, 동기화 링이 복귀하므로 동기화 장치는 릴리스된다.
제4 단계에서, 커플링 본체가 회전하며 이때 아이들러 기어는 동기화 슬리브가 맞물릴 수 있도록 회전한다.
마지막으로 제5 단계에서는, 시프팅 기어 톱니가 커플링 본체 내에 완전히 맞물림으로써 톱니들 사이에 형태 결합이 형성된다.
최적의 동기화가 가능하려면, 한편으로 제한된 동기력에 의한 특히 유연한 동기화와 적절한 속도가 필요한데, 이는 마찰 토크가 급격하게 형성되는 것과, 동기화 링이 정지부에 심하게 충돌하는 것을 방지하기 위함이다. 이외의 경우, 특히 회전수 차가 작을 때 동기화로 인한 시프팅 소음이 발생해서 출력에 영향을 미친다.
또한, 동기화될 회전수 차에 따라 상응하게 짧은 동기화 지속시간에 도달하기 위해서는 충분히 높은 동기력이 제공되어야 한다. 동기화 지속 시간이 증가하면, 특히 자동 변속기 시스템의 경우 견인력 중단이 길어지므로 쾌적성이 저하된다. 또한, 에너지 도입 증가로 인해 동기화 장치가 손상될 수 있다.
더욱이, 효율적인 릴리스 및 맞물림이 가능하도록, 충분히 높은 동기력이 제공되어야 한다. 이외의 경우, 회전수 차가 새로이 형성될 수 있으며 이는 다시 맞물림 소음을 야기할 수 있다.
자동 변속기 시스템에서 이러한 요건들을 충족하기 위해서는, 동기화 과정의 개별 단계들, 특히 동기화 장치의 로킹과 릴리스 단계를 반드시 인지해야 한다. 전동식으로 작동되는 변속기 시스템의 경우, 변속기 입력 회전수와 시프팅 핑거력을 센서로 측정하는 것은 비용의 이유로 일반적으로 생략된다. 이로써, 체결될 기어단에서 차속 및 총 기어비로부터 산출된 목표 입력 회전수에 대한 변속기 입력 회전수를 토대로 또는, 시프팅력 그래프를 토대로 동기화의 시작(로킹) 뿐만 아니라 동기화의 종료(릴리스)를 센서를 이용하여 검출하는 것은 가능하지 않다.
계속해서 차량 관련 기술에는, 변속기 액추에이터의 운동 상태가 시프팅 방향으로 변동함으로써 상기의 단계들이 검출되는 것이 공지되어 있다. 이를 위해, 동기화 슬리브는 설정 동기력 및 제한된 동기력에 따라 특정 속도로 동기화 방향으로 운동한다. 액추에이터의 운동 상태에서 시프팅 핑거에 대한 관성이 저장된 운동 에너지가 로킹 상태에서는 위치 에너지로서 즉, 스프링 상수를 가지며 시프팅 핑거에서 감소한 강성으로 완전히 전환된다는 전제 하에, 기능적인 연관 관계가 제시될 수 있다. 동기화 슬리브가 소정의 값만큼 감속되면, 로킹이 인지되고 동기력이 정적으로 제공될 수 있다. 이와 마찬가지로, 동기화 슬리브가 소정의 값만큼 가속됨으로써 릴리스가 인지될 수 있다.
DE 10 2005 054 623 A1호에는 가속 페달, 기어단 및, 시프팅 시작 시 회전수 차에 따라 선택되는 일정한 동기력에 의한 동기화 과정이 공개되어 있다. 이러한 동기력은 낮은 부하 상황에서 매우 낮게 선택되므로, 동기화 유닛의 시동 시 소음 발생은 쾌적하게 유지될 수 있다. 더 높은 부하에서는, 현재 상황에서 동기화 과정이 불쾌한 저킹으로 인지되지 않는 동시에 동기화 시간은 가급적 짧아지도록 동기력이 선택된다.
동기화 유닛은, 적용된 일정한 동기력이 동기화 유닛에 대한 충돌 시 구현되도록 하는 시프팅 액추에이터 속도로, 속도 조절 방식으로 시동된다. 회전수가 동기화되는 동안, 시프팅 액추에이터는 힘 제어 방식으로 전류에 의해 작동한다. 그러나, 형성된 동기력은 시스템의 마찰로 인해 감소한다. 따라서, 상황에 따라 실제 동기력이 매우 낮게 감소하므로, 동기화 지속 시간은 매우 길어지게 된다.
매우 높은 동기력은 동기화 과정의 시작 시 바람직하지 못한 소음을 야기하며, 매우 낮은 동기력은 동기화 과정들이 매우 길어지게끔 한다.
동기화를 보장하기 위해 일반적으로, 공칭 동기력, 동기화될 회전수 차 및 기어단에 따른 매개 변수로부터 예상 동기화 지속 시간이 계산되며 상기 시간이 경과된 후 동기력은 증가한다. 그러나 이는, 상기 동기력을 늦게서야, 경우에 따라서는 불필요하게 심하게 증가시키는 비상 전략을 의미한다.
따라서, 동기화의 시작 시 동기력이 매우 낮을 수 있고, 동기화 과정이 적절한 시간 내에 확실히 종료되며, 불쾌하지 않을 정도로 동기력이 높도록, 동기화 과정을 변동시킬 가능성을 찾아야 한다.
이와 동시에, 동기화 지속 시간을 시간적으로 예측하며 이러한 지속 시간의 초과 시 동기력을 증가시키는 비상 전략이 유지되어야 한다.
이러한 과제는 제1항에 따른 특징을 갖는 방법과, 제11항에 따른 특징을 갖는 장치에 의해 해결된다.
이는 자동 변속기에서 동기화 과정을 더 견고하게 구성하고, 이와 동시에 소음 쾌적성을 고려해서 상기 과정을 단축하기 위한 방법과 관련된다.
본 발명에 따른 방법의 경우, 자동차의 자동 변속기에서 시프팅 과정 중 동기화 장치가 제어된다. 이 경우 동기화 지속 시간이 산출되고, 동기화 유닛에 대한 충돌 시점에서 설정 동기력이 사전 설정된 임계값(F Min )보다 작으면 설정 동기력은 사전 설정된 임계값(F Min )에 도달할 때까지 동기화 유닛에 대한 충돌 시점부터 사전 설정된 기울기(g)로 증가한다.
이때, 동기화 유닛에 대한 충돌 시점에서 설정 동기력은 적용된 동기력과 동일하다.
사전 설정된 임계값은 최대 예상 마찰력을 상회하지만 동기화 저킹으로 인한 쾌적성 상실은 아직 예상되지 않는다.
동기화 유닛에 대한 충돌 시점에서 설정 동기력이 사전 설정된 임계값보다 크면, 설정 동기력이 일정하게 유지된다.
이 경우, 동기화 유닛에 대한 충돌 시점은 동기화를 위해 제공된 2개의 마찰면들이 서로 충돌하는 시점이다.
바람직한 실시예에서, 동기화 유닛에 대한 충돌 시점은 동기화 링의 마찰면이 시프팅 기어의 마찰면에 충돌하는 시점이다.
동기화 유닛에 대한 충돌 시점부터 시작해서 동기화 지속 시간이 경과된 후, 동기화가 아직 종료되지 않으면 비상 조치가 개시된다.
이러한 비상 조치에서는 설정 동기력이 추가로 증가한다.
적용된 동기력(F Sync )이 사전 설정된 임계값(F Min )보다 작으면, 다음 식에 따라 동기화 지속 시간이 산출된다:
Figure pct00001
이때, Δn은 동기화될 회전수 차이고, F Sync 는 적용된 동기력이며, F Reib는 마찰력이고, c Gang 는 기어단에 따르는 계수이며, g는 시간에 따른 기울기이다.
적용된 동기력(F Sync )이 사전 설정된 임계값(F Min )보다 크면, 다음 식에 따라 동기화 지속 시간이 산출된다:
Figure pct00002
이때, Δn은 동기화될 회전수 차이고, F Sync 는 적용된 동기력이며, c Gang 는 기어단에 따르는 계수이다.
본 발명에 따라, 컴퓨터 프로그램이 컴퓨터에서 실행될 때 전술한 방법을 구현하기 위해 소프트웨어 수단을 포함하는 컴퓨터 프로그램을 구비한 컴퓨터 프로그램 제품도 제안된다. 이러한 컴퓨터는 제어 장치의 부품일 수 있다.
본 발명에 따라, 자동차의 자동 변속기에서 시프팅 과정 중 동기화 장치를 제어하기 위한 제어 장치를 구비한 장치도 제안된다. 상기 제어 장치는, 동기화 지속 시간이 산출되고, 동기화 유닛에 대한 충돌 시점에서 설정 동기력이 사전 설정된 임계값(F Min )보다 작으면 사전 설정된 임계값(F Min )에 도달할 때까지 설정 동기력이 동기화 유닛에 대한 충돌 시점부터 사전 설정된 기울기(g)로 증가하도록 제공된다.
전술한 방법에 따르면, 동기화 과정을 위해 매우 낮은 초기 동기력이 가능하므로, 동기화의 시작 시 소음은 바람직하게 최소화될 수 있다.
바람직하게, 동기력이 동적으로 선형 증가함으로써 확실하고 신속하며 적절한 동기화 과정이 가능해진다.
이러한 동적 증가는, 낮은 부하 시프팅의 경우에도 쾌적성을 상실(예를 들어, 저킹)시키지 않는 값으로 제한된다.
마찰 및 선형 증가를 고려함으로써 동기화 지속 시간이 정확하게 예측되므로, 비상 전략은 적절하게 기능한다.
본 발명의 추가의 장점들과 바람직한 실시예들은 하기의 도면 및 그 상세한 설명의 대상이다.
도 1은 동기화 과정의 그래프이다.
도 1에는 상이한 높이로 적용된 2개의 초기 동기력(FSync1, FSync2)에 대한 동기력(F)의 그래프와, 이러한 두 경우들에 대해 질적으로 예상되는 회전수 차 그래프(Δn1, Δn2)가 도시되어 있다.
또한, 동기화는 적용된 동기력에 상응하는 속도로 시작된다. 동기력은 주행 조정 시 정해지고 이로써 사전 설정된다. 설정 동기력은, 동기화 유닛에 대한 충돌이 검출되었고 힘 제어 방식으로 동기화가 구현되는 시점부터, 최대 예상 마찰력을 훨씬 상회하지만 동기화 저킹으로 인한 쾌적성 상실은 아직 예상되지 않고 마찬가지로 주행 조정 시 정해지거나 사전에 이미 공지되어 있는 값에 상기 설정 동기력이 도달할 때까지 적용된 동기력으로 시작해서 사전 설정된 기울기로 증가한다.
상기 방법에는 시프팅 핑거를 구동하는 전동기의 신호(예컨대, 전압 및 상대적 위치 신호)가 제공된다. 동기화 유닛에 대한 충돌 즉, 동기화를 위해 제공된 2개의 마찰면들이 서로 충돌할 경우 (예를 들어, 동기화 링의 마찰면이 시프팅 기어의 마찰면에 충돌할 경우), 저항이 심하게 증가하게 된다. 동기화의 시작은, 마찰면들이 서로 충돌하고 저항이 발생할 때 사전 설정된 적용된 힘을 형성하기 위해 시프팅 액추에이터가 속도 조절 방식으로 이동하는 그러한 단계이다. 이러한 단계는 상기 저항이 아직은 예상되지 않는 액추에이터 위치에서 시작된다.
상기 방법에 따르면 더 이상 동기력이 일정하기 않기 때문에, 동기화 지속 시간에 대한 예측 모델은, 동기화 지속 시간이 적절하게 고려되고 비상 전략이 유용하게 기능하도록 확대되어야 한다. 또한, 종래까지 상기 모델에서 고려하지 않았던 통상적인 마찰을 고려하는 것도 중요하다.
동기화 시간의 예측을 위한 종래의 모델은, 동기화 지속 시간(Δt[s])이 기어단에 따르는 계수 (
Figure pct00003
)와 함께, 동기화될 회전수 차(Δn[rpm])에 비례하고 적용된 동기력(F Sync [N])의 특성값에 비례하며 이 경우 다음의 식이 적용된다는 사실에 기초한다.
Figure pct00004
마찰력(F Reib[N])과, 값(F Min [N])까지의 동기력의 선형 증가가 시간에 따른 기울기(
Figure pct00005
)로서 고려되면, 완전한 해석법도 가능하지만, 상기 해석법은 제어 장치에서 비교적 높은 연산 비용으로 구현되는 루트 함수를 포함한다. 동기화 과정 내에서 동기력의 선형 증가가 값(F Min )에 도달하고 동기력(F Sync )이 마찰력(F Reib)을 상회하는 것으로 추정되면, 이러한 연산은 훨씬 간단해진다. 적용된 동기력(F Sync )이 이미 값(F Min )을 상회하면, 상기 방정식과 유사한 간단한 식을 마찰력(F Reib)의 고려 하에 다음과 같이 얻게 된다:
Figure pct00006
적용된 동기력(F Sync )이 값(F Min )을 하회하면, 다음의 식을 얻게 된다:
Figure pct00007
회전수 차와 동기력이 매우 작을 경우, 동기화 종료 시 동기력이 힘(F Min )에 도달한다는 추정은 맞지 않고, 대략적으로 매우 긴 동기화 지속 시간을 상기의 식을 이용하여 얻게 된다. 그러나, 이러한 편차는 비상 전략의 목적에 비추어 볼 때 중요하지는 않다.
일정한 동기력을 사용하는 종래 기술에 따른 방법과 비교하여 예측 가능성을 상실하지 않으면서도, 동기화 시작을 위해 낮은 동기력을, 확실한 동기화를 위해서는 높은 동기력을 사용하는 상충되는 요건들을 서로 연관지어 유지시킬 방법이 공개되어 있다. 추가로, 동기력의 새로운 동적 증가 및 마찰을 고려함으로써 특히 동기력이 낮을 경우에 대한 동기화 지속 시간의 예측이 개선되었다.

Claims (11)

  1. 자동차의 자동 변속기에서 시프팅 과정 중 동기화 장치를 제어하기 위한 방법에 있어서,
    동기화 지속 시간이 산출되고, 동기화 유닛에 대한 충돌 시점에서 설정 동기력이 사전 설정된 임계값(F Min )보다 작으면, 설정 동기력은 사전 설정된 임계값(F Min )에 도달할 때까지 동기화 유닛에 대한 충돌 시점부터 사전 설정된 기울기(g)로 증가하는 것을 특징으로 하는, 동기화 장치 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서, 동기화 유닛에 대한 충돌 시점에서 설정 동기력은 적용된 동기력과 동일한 것을 특징으로 하는, 동기화 장치 제어 방법.
  3. 제1항에 있어서, 사전 설정된 임계값은 최대 예상 마찰력을 상회하지만 동기화 저킹으로 인한 쾌적성 상실은 아직 예상되지 않는 것을 특징으로 하는, 동기화 장치 제어 방법.
  4. 제1항에 있어서, 동기화 유닛에 대한 충돌 시점에서 설정 동기력이 사전 설정된 임계값보다 크면 설정 동기력이 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는, 동기화 장치 제어 방법.
  5. 제1항에 있어서, 동기화 유닛에 대한 충돌 시점은 동기화를 위해 제공된 2개의 마찰면들이 서로 충돌하는 시점인 것을 특징으로 하는, 동기화 장치 제어 방법.
  6. 제1항 또는 제5항에 있어서, 동기화 유닛에 대한 충돌 시점은 동기화 링의 마찰면이 시프팅 기어의 마찰면에 충돌하는 시점인 것을 특징으로 하는, 동기화 장치 제어 방법.
  7. 제1항에 있어서, 동기화 유닛에 대한 충돌 시점부터 시작해서 동기화 지속 시간이 경과된 후, 동기화가 아직 종료되지 않으면 비상 조치가 개시되는 것을 특징으로 하는, 동기화 장치 제어 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 비상 조치에서는 설정 동기력이 추가로 증가하는 것을 특징으로 하는, 동기화 장치 제어 방법.
  9. 제2항에 있어서, 적용된 동기력(F Sync )이 사전 설정된 임계값(F Min )보다 작으면, 다음 식에 따라 동기화 지속 시간이 산출되며,
    Figure pct00008

    이때, Δn은 동기화될 회전수 차이고, F Sync 는 적용된 동기력이며, F Reib는 마찰력이고, c Gang 는 기어단에 따르는 계수이며, g는 시간에 따른 기울기인 것을 특징으로 하는, 동기화 장치 제어 방법.
  10. 제2항 또는 제4항에 있어서, 적용된 동기력(F Sync )이 사전 설정된 임계값(F Min )보다 크면, 다음 식에 따라 동기화 지속 시간이 산출되며,
    Figure pct00009

    이때, Δn은 동기화될 회전수 차이고, F Sync 는 적용된 동기력이며, c Gang 는 기어단에 따르는 계수인 것을 특징으로 하는, 동기화 장치 제어 방법.
  11. 자동차의 자동 변속기에서 시프팅 과정 중 동기화 장치를 제어하기 위한 제어 장치를 구비한 장치에 있어서,
    상기 제어 장치는, 동기화 지속 시간이 산출되고, 동기화 유닛에 대한 충돌 시점에서 설정 동기력이 사전 설정된 임계값(F Min )보다 작으면 사전 설정된 임계값(F Min )에 도달할 때까지 설정 동기력이 동기화 유닛에 대한 충돌 시점부터 사전 설정된 기울기(g)로 증가하도록 제공되는 것을 특징으로 하는, 동기화 장치 제어용 제어 장치를 구비한 장치.
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