KR20160068933A - Cvt 구동 클러치 - Google Patents

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KR20160068933A
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belt
sheave
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징 위안
제라드 카픽
칸찬 쿠마르 싱
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게이츠 코포레이션
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Abstract

CVT 구동 시스템은, 제1 샤프트를 따라 축방향으로 이동 가능하고 반경방향 연장 표면을 갖는 가동 활차, 제1 샤프트에 고정된 고정 활차로서, 고정 활차는 가동 활차와 협동적으로 배치되어 이들 활차 사이에 벨트가 맞물리도록 하고, 제1 샤프트는 엔진 출력과 결합 가능한 것인, 고정 활차, 제1 샤프트에 부착되고 반경방향 표면을 갖는 백플레이트로서, 백플레이트는 상대 축방향 이동을 허용하면서 회전 잠금을 위해 가동 활차와 결합되는 것인, 백플레이트, 가동 활차의 회전 시에 반경방향 연장 표면 및 반경방향 표면 상에서 반경방향으로 이동 가능한 관성 부재로서, 관성 부재는 반경방향 표면으로부터 그리고 반경방향 연장 표면으로부터 일시적으로 맞물림 해제 가능한 것인, 관성 부재, 제1 샤프트를 따라 고정 활차를 향한 가동 활차의 축방향 이동을 저지하는 제1 스프링, 및 가동 활차와 고정 활차 사이에 배치된 슬리브 부재로서, 슬리브 부재는 벨트와 함께 회전 가능한 것인, 슬리브 부재를 포함한다.

Description

CVT 구동 클러치{CVT DRIVE CLUTCH}
본 발명은, 백플레이트(back plate)와 가동 활차(moveable sheave) 사이에 배치된 관성 부재(inertia member)를 포함하는 CVT 클러치로서, 관성 부재는 가동 활차의 회전 시에 반경방향 연장 표면 상에서 반경방향으로 이동 가능한 것인 CVT 클러치에 관한 것이다.
통상의 CVT 변속기는 차량 엔진의 출력(종종 크랭크샤프트)에 연결된 분할 활차 1차 구동 클러치, 그리고 (종종 부가의 구동열 링크 장치를 통해) 차량 차축에 연결된 분할 활차 2차 종동 클러치로 구성된다. 무단형 가요성의 일반적으로 V형 구동 벨트가 클러치 둘레에 배치된다. 각각의 클러치는 한 쌍의 상보형 활차를 갖는 데, 활차들 중 하나는 다른 하나에 대해 이동 가능하다. 변속기의 유효 기어비는 각각의 클러치 내의 가동 활차의 위치에 의해 결정된다.
1차 구동 클러치는 (예를 들어, 압축 코일 스프링에 의해) 그 활차가 통상 이격 편향되어 있어, 엔진이 아이들 속도(idle speed)에 있을 때, 구동 벨트는 활차에 효과적으로 맞물리지 않게 되며, 이에 의해 2차 종동 클러치에 본질적으로 어떠한 구동력도 전달하지 않는다. 2차 종동 클러치는 (예를 들어, 후술되는 바와 같이, 나선형 캠과 조합하여 작동하는 압축 스프링 또는 비틀림 스프링에 의해) 그 활차가 통상 함께 편향되어 있어, 엔진이 아이들 속도에 있을 때 구동 벨트가 종동 클러치 활차의 외주부 부근에 걸리게 된다.
1차 구동 클러치 내의 활차의 축방향 간격은 일반적으로 원심 플라이웨이트(centrifugal flyweight)에 의해 제어된다. 원심 플라이웨이트는 엔진 샤프트에 작동 가능하게 연결되어 엔진 샤프트와 함께 회전하게 된다. 엔진 샤프트가 (증가된 엔진 속도에 응답하여) 더 고속으로 회전함에 따라, 플라이웨이트는 또한 더 고속으로 회전하고 외향으로 피벗하여, 가동 활차가 고정 활차를 향해 압박되도록 한다. 플라이웨이트가 더 많이 반경방향 외향으로 이동할수록, 가동 활차가 고정 활차를 향해 더 많이 축방향으로 이동된다. 이는 구동 벨트를 압착하여, 벨트가 구동 클러치와 함께 회전하기 시작하게 하는데, 여기서 벨트는 종동 클러치가 회전하기 시작하게 한다.
고정 활차를 향한 디바이스 클러치의 가동 활차의 추가의 이동은 벨트가 구동 클러치 활차 상에서 반경방향 외향으로 올라가도록 강제하여, 구동 클러치 주위의 구동 벨트 경로의 유효 직경을 증가시킨다. 따라서, 구동 클러치 내의 활차의 간격은 주로 엔진 속도에 기초하여 변화한다. 따라서, 구동 클러치는 속도 민감성이라고 일컬을 수 있고, 또한 조속기(speed governor)라 칭한다.
구동 클러치의 활차가 구동 벨트를 압착하고 구동 클러치 활차 상에서 벨트가 반경방향 외향으로 이동하도록 강제함에 따라, 벨트는 종동 클러치의 활차들 사이에서 반경방향 내향으로 잡아당겨져서, 종동 클러치 주위의 구동 벨트 경로의 유효 직경을 감소시킨다. 구동 클러치 및 종동 클러치 상에서의 벨트의 이러한 이동은 가변 증분으로 변속기의 유효 기어비를 원활하게 변화시킨다. 맞물림 속도의 조정은 압축 스프링의 예비 부하(pre-load)와 질량의 조합에 의해 성취된다. 디바이스는 완전 정지(full stop)로부터 차량을 위한 원활한 전이를 제공한다. 단점은, 추가의 비용 및 추가된 질량이다. 당 기술 분야의 대표적인 예는 미국 특허 제5,460,575호인데, 이 미국 특허는 고정 활차와, 후퇴 위치를 향해 가동 활차를 압박하기 위한 가변 속도 편향 시스템 또는 가변 속도 저항 시스템을 포함하는 엔진의 구동 샤프트와 함께 회전 가능한 가동 활차를 구비하는 구동 클러치 조립체로서, 편향 시스템은 초기에 고정 활차를 향해 이동함에 따라 가동 활차에 제1의 사전 결정된 저항을 인가하고, 가동 활차가 사전 결정된 축방향 위치에 도달할 때 가동 활차에 제2의 사전 결정된 저항을 인가하는 것인, 구동 클러치 조립체를 개시하고 있다.
백플레이트와 가동 활차 사이에 배치된 관성 부재를 포함하고, 관성 부재는 가동 활차의 회전 시에 반경방향 연장 표면 상에서 반경방향으로 이동 가능한 것인 CVT 클러치가 요구된다. 본 발명은 이 요구에 부합한다.
본 발명의 양태는 백플레이트와 가동 활차 사이에 배치된 관성 부재를 포함하는 CVT 클러치를 제공하는 것이고, 관성 부재는 가동 활차의 회전 시에 반경방향 연장 표면 상에서 반경방향으로 이동 가능하다.
본 발명의 다른 양태는 본 발명에 대한 이하의 상세한 설명 및 첨부 도면에 의해 지적되거나 또는 명백해질 것이다.
본 발명은, 제1 샤프트를 따라 축방향으로 이동 가능하고 반경방향 연장 표면을 갖는 가동 활차, 제1 샤프트에 고정된 고정 활차로서, 고정 활차는 가동 활차와 협동적으로 배치되어 이들 활차 사이에 벨트가 맞물리도록 하고, 제1 샤프트는 엔진 출력과 결합 가능한 것인, 고정 활차, 제1 샤프트에 부착되고 반경방향 표면을 갖는 백플레이트로서, 백플레이트는 상대 축방향 이동을 허용하면서 회전 잠금을 위해 가동 활차와 결합되는 것인, 백플레이트, 가동 활차의 회전 시에 반경방향 연장 표면 및 반경방향 표면 상에서 반경방향으로 이동 가능한 관성 부재로서, 관성 부재는 반경방향 표면으로부터 그리고 반경방향 연장 표면으로부터 일시적으로 맞물림 해제 가능한 것인, 관성 부재, 제1 샤프트를 따라 고정 활차를 향한 가동 활차의 축방향 이동을 저지하는 제1 스프링, 및 가동 활차와 고정 활차 사이에 배치된 슬리브 부재로서, 슬리브 부재는 벨트와 함께 회전 가능한 것인, 슬리브 부재를 포함하는 CVT 구동 시스템을 포함한다.
본 명세서에 합체되어 본 명세서의 일부를 형성하고 있는 첨부 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다.
도 1은 구동 기구(driver mechanism)의 분해도이다.
도 2는 종동 기구(driven mechanism)의 분해도이다.
도 3은 구동 기구의 단면 상세도이다.
도 4는 개방 위치에서 구동 기구의 단면도이다.
도 5는 폐쇄 위치에서 구동 기구의 단면도이다.
도 6은 구동 기구의 후면도이다.
도 7은 종동 기구의 단면도이다.
도 8은 시프트 곡선(shift curve)의 차트이다.
도 9는 WOT에서 시프트 곡선의 차트이다.
도 10은 연료 효율 차트이다.
도 11은 본 발명의 CVT 시스템 및 원심 클러치를 갖는 종래의 CVT에 대한 정속 연비를 비교하는 차트이다.
도 12는 가동 활차의 단면도이다.
도 13은 벨트 슬립(belt slip)을 도시하고 있는 차트이다.
도 1은 구동 기구의 분해도이다. 도 1에 도시되어 있는 바와 같은 구동 기구 또는 클러치는 고정 백플레이트(10)를 포함한다. 백플레이트(10)는 원통형 샤프트(30)에 고정되어 원통형 샤프트와 함께 회전한다. 백플레이트(10)는 엔진 출력 샤프트(도시 생략)에 고정 부착된다. 관성 부재(20)는 백플레이트(10)와 가동 활차(50) 사이에 포획된다. 관성 부재(20)는 구동 클러치의 회전 속도에 응답하여 반경방향 내향으로 또는 반경방향 외향으로 이동 가능하다. 관성 부재(20)는 단면도에서 원형으로서 도시되어 있지만, 임의의 적합한 형상을 가질 수도 있다. 가동 활차(50)는 샤프트(30)의 회전축을 따라 축방향으로 이동 가능하다. 각각의 반경방향 부재(54)가 협동 슬롯(13)에 맞물리게 되고, 이에 의해 가동 활차(50)가 상대 축방향 이동을 허용하면서 백플레이트(10)와 잠금 방식(locked fashion)으로 회전할 것이다.
가동 활차(50)는 부시(40) 및 샤프트(30)와 활주식 결합을 나타낸다. 부시(40)의 외경부에 있는 단차부(41)는 스프링 시트(spring seat)를 형성한다. 스프링(70)이 스프링 시트(41)와 스프링 컵(spring cup; 80) 사이에 배치된다. 스프링(70)은 활차(100)를 향한 가동 활차(50)의 이동을 저지한다. 슬리브(60)는 베어링(90)의 외부 레이스웨이(raceway)(91)에 맞물려 벨트(도시 생략)가 반경방향 내향 위치에 있을 때 벨트를 지지한다. 베어링(90)의 내부 레이스웨이(92)가 샤프트(30)와 맞물려 함께 회전한다. 슬리브(60)는 스프링(70)을 덮어 스프링(70)과 벨트의 맞물림을 방지한다. 또한, 스프링 컵(80)은 베어링(90)의 내부 레이스웨이(92)와 접촉하여 내부 레이스웨이와 함께 회전한다. 스프링 컵(80)은 스프링 시트(41)와 함께 기구 내에 스프링(70)을 위치설정한다. 활차(100)는 스플라인형 조인트(splined joint)에 의해 엔진 출력 샤프트(도시 생략)에 고정 부착된다.
시스템은 복수의 관성 부재(20)를 사용할 수도 있다. 본 실시예는 한정이 아니라 예로서 6개의 관성 부재(20)를 포함한다. 각각의 부재(20)는 질량을 포함한다. 각각의 부재의 질량은, 반경방향 힘이 클러치의 회전 속도의 함수로서 각각 발생하는 것을 결정한다. 각각의 부재에 사용된 질량의 양은 인서트(21)를 부재 또는 부재들에 추가함으로써 조정 가능하다(도 3 참조). 예로서, 각각의 관성 부재(20)의 질량은 본 실시예에서 14 그램이다.
소정의 질량(m) 및 관성 부재(20)의 개수에 대해, 클러치가 회전함에 따라 스프링(70)의 힘에 대해 인가될 합력을 결정할 수도 있다. 이는 부분적으로, 어느 속도에서 관성 부재(20)의 반경방향 외향 이동이 스프링력을 극복하여 발생하고 이에 의해 스프링(70)의 힘에 대항하여 활차(100)를 향한 가동 활차(50)의 축방향 이동을 유발하는지와 같은 시스템의 작동 특성을 결정한다. 달리 말하면, F=mrω2, 즉 반경방향 외향 방향으로 작용하는 총 원심력(F)은 백플레이트(10) 그리고 가동 활차(50) 양자 모두로부터의 반력에 의해 균형을 이루게 된다.
백플레이트(10)와 가동 활차(50)의 모두는 샤프트로부터 반경방향으로 연장되는 법선에 대해 경사진 표면(51, 11)을 갖는다. 각각의 관성 부재(20)와 가동 활차(50) 사이의 반력은 회전축(A-A)을 따라 축방향으로 투영되는 성분을 갖는다. 가동 활차(50) 상에 인가된 축방향 힘은 클러치 내에 사용된 관성 부재(20)의 개수 그리고 표면(51) 및 표면(11)의 프로파일에 따라 누적된다(도 12 및 도 3 참조).
관성 부재(20)는 저회전 속도 상태 중에 반경방향 내향 위치[회전축(A-A)으로부터 작은 반경]에 배치된다. 이는, 가동 활차(50)와 고정 활차(100) 사이의 최대 분리 위치를 표현한다. 회전 속도가 증가함에 따라, 관성 부재는 반경방향 외향으로 이동하고, 가동 활차(50)는 고정 활차(100)를 향해 이동한다.
도 2는 종동 클러치 기구의 분해도이다. 종동 클러치 기구는 너트(320)에 의해 샤프트(290)에 부착된 스프링 기부(200)를 포함한다. 스프링(210)은 스프링 기부(200)와 스프링 기부(220) 사이에 배치된다. O-링(230) 및 O-링(250)이 샤프트(290)를 밀봉한다. 오일 밀봉부(240) 및 오일 밀봉부(280)는 샤프트(290)에 대해 밀봉한다. 활차(270)는 활차(310)에 대해 샤프트(290)를 따라 축방향으로 이동 가능하다. 활차(310)는 샤프트(290)에 고정 부착된다. 가이드 부재(300)는 샤프트(290)로부터 반경방향으로 연장되고 샤프트(290)에 부착된다.
활차 칼라(sheave collar)(260)가 활차(270)에 부착된다. 활차 칼라(260)는 칼라(260) 둘레에 부분적으로 휘감겨진 하나 이상의 나선형 형상 슬롯(261)을 포함한다. 각각의 슬롯(261)은 축(A-A)에 평행한 축방향으로 연장된다. 각각의 가이드 부재(300)는 슬롯(261)에 구름식으로 또는 활주식으로 맞물린다. 슬롯(261)과 가이드 부재(300)의 맞물림은 작동 중에 활차(310)에 대한 활차(270)의 회전을 방지하지만, 슬롯(261)의 나선형 형태는 소량의 일부 상대 회전 이동을 허용한다.
가이드 부재(300)는 적어도 2가지 기능을 제공한다. 첫째로, 가이드 부재는 활차(270, 310)로부터 출력 샤프트(290)로 벨트 "견인"력을 전달하는 기능을 제공한다. 각각의 부재(300)는 또한 가동 활차(270) 내의 슬롯(261)으로부터의 하중 감지 피드백에 대한 반응점으로서 기능한다. 슬롯(261)은 종동 토크를 토크 변화에 응답하여 가동 활차(270)를 이동시키는 축방향 힘으로 변환하는 토크 반응 경사부(torque reactive ramp)라 또한 칭한다.
가이드 부재(300)는 슬롯(261) 내의 가이드 부재(300)의 이동을 용이하게 하는 외부 롤러부(301)를 더 포함한다. 너트(320)는 종동 클러치 조립체를 결합시킨다.
도 3은 구동 기구의 단면 상세도이다. 엔진 아이들 시에, 벨트(400)와 가동 활차(50) 사이에 초기 간극(G)이 존재한다. 간극(G)은 가동 활차(50)와 고정 활차(100) 사이에 "압착되지" 않기 때문에 벨트가 동력을 전달하는 것을 방지한다. 각각의 관성 부재(20)가 그 반경방향 최대 내향 위치에 있을 때 각각의 관성 부재(20)와 표면(51) 또는 표면(11) 사이에 공간("S")이 형성된다.
도 4는 개방 위치에서 구동 기구의 단면도이다. 가동 활차(50)는 아치형 경사 표면(51)을 포함한다. 각각의 표면(51)은 샤프트(30)로부터 반경방향으로 연장된다. 백플레이트(10)는 표면(51)과 협동적으로 배치되는 경사 표면(11)을 또한 포함한다(도 3 참조). 각각의 표면(11)은 샤프트(30)로부터 반경방향으로 연장된다. 각각의 관성 부재(20)는 표면(11)과 표면(51) 사이에서 이동하고, 이러한 이동은 가동 활차(50)가 활차(100)를 향해 또는 활차(100)로부터 멀리 샤프트(30)를 따라 축방향으로 이동하게 한다.
개시된 실시예에서, 표면(11)은 평면형 프로파일을 갖고, 표면(51)은 아치형 프로파일을 갖는다. 각각의 프로파일은, 엔진 작동 중에 관성 부재가 반경방향 내향으로 그리고 반경방향 외향으로 이동할 때 각각의 관성 부재(20)의 이동의 레이트(rate) 및 반경방향 범위를 조절한다. 각각의 표면 프로파일은 클러치의 원하는 회전 특성을 허용하도록 필요에 따라 조정될 수도 있다.
예를 들어, 표면(11) 및 표면(51)의 프로파일은 클러치 속도가 변함에 따라 각각의 관성 부재(20)의 반경방향 내향 이동 및 반경방향 외향 이동에 영향을 미칠 것이다. 즉, 프로파일에 따라, 각각의 관성 부재는 반경방향 외향으로 이동함에 따라 표면(51) 및 표면(11)을 위로 "올릴" 필요가 있을 수도 있는데, 이는 여기서 가동 활차(50)가 활차(100)를 향해 이동하는 레이트에 영향을 미칠 것이고, 또는 각각의 관성 부재(20)가 원하는 반경방향 위치에 배치되는 속도에 영향을 미칠 것인데, 이는 소정의 기어비에 대응할 것이다. 당 기술 분야의 숙련자는 표면(11) 프로파일 및 표면(51) 프로파일의 선택이 원하는 속도 범위에 걸친 클러치 거동에 영향을 미치는 데 사용될 수 있다는 것을 이해할 수 있다.
한정이 아니라 예로서, 표면(51)의 프로파일은 아치형 섹션, 포물선형 섹션, 평면형 섹션, 원형 섹션 등일 수 있다. 평면형 섹션의 경우에, 샤프트축(A-A)으로부터 반경방향으로 연장되는 법선에 대해 평면이 배치되는 각도는, 관성 부재(20)가 작동 중에 반경방향 외향으로 이동하는 레이트 또는 속도에 영향을 미치는 데 사용될 수 있다. 표면(11)의 프로파일은 아치형 섹션, 포물선형 섹션, 평면형 섹션, 원형 섹션 등일 수 있다. 평면형 섹션의 경우에, 샤프트축(A-A)으로부터 반경방향으로 연장되는 법선에 대해 평면이 배치되는 각도는, 관성 부재가 작동 중에 반경방향 외향으로 이동하는 레이트 또는 속도에 영향을 미치는 데 사용될 수 있다.
개방 위치에서, 각각의 관성 부재(20)는 백플레이트(10)와 가동 활차(50) 사이의 보다 반경방향 내향 위치에 배치된다. 반경방향 내향 위치에서, 각각의 관성 부재(20)가 표면(11), 표면(51) 및 표면(53)에 동시에 접촉하지 않기 때문에, 공간(S)이 존재하여, 관성 부재(20)가 백플레이트(10) 및 가동 활차(50)와 표면(53) 사이에 고정적으로 포획되지 않게 된다. 관성 부재(20)는 표면(51) 또는 표면(11)을 따라 반드시 구르지는 않는다. 대신에, 관성 부재(20)는 또한 표면(51) 및 표면(11)에 대해 활주할 수도 있고, 또는 관성 부재는 일 표면에 대해 활주하고 다른 표면을 가로질러 구를 수도 있다. 마찰 또는 마모에 기인하여 관성 부재(20) 상에 편평한 스폿(flat spot)이 발생하는 것을 방지하기 위해, 릴리프 숄더(relief shoulder; 12)가 표면(51)과 표면(11)에 의한 부재의 압착을 방지한다.
완전 개방된 활차 상태에서, 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 스프링(70)의 힘이, 릴리프 숄더(12)에 의해 활차(100)에 그리고 가동 활차(50)에 의해 각각의 관성 부재에 인가되는 것이 방지된다. 릴리프 숄더(12)는 반경방향 내향 위치에서 관성 부재(20)와 표면(51) 및 표면(11) 사이에 작은 공간(S)을 허용한다. 공간(S)은, 관성 부재(20)가 초기 위치로, 즉 반경방향 내향으로 복귀할 때마다 각각의 관성 부재(20)가 자유롭게 회전하게 한다(도 3 참고). 이는 각각의 관성 부재(20) 상의 동일한 스폿이 표면(51) 및/또는 표면(11)에 대해 반복적으로 활주하거나 구르는 것을 방지한다.
도 5는 폐쇄 위치에서 구동 기구의 단면도이다. 이 위치에서, 클러치는 회전한다. 완전 폐쇄 위치에서, 각각의 관성 부재(20)는 백플레이트(10)와 가동 활차(50) 사이에서 그 반경방향 최대 외향 위치에 배치된다. "폐쇄"라는 것은, 고정 활차(100)에 대한 가동 활차(50)의 폐쇄 관계를 칭한다. 원심력은, 각각의 관성 부재(20)가 반경방향 외향으로 이동하게 하고, 이에 의해 샤프트(30)를 따라 활차(100)를 향해 축방향으로 가동 활차(50)를 압박한다. 가동 활차(50)와 활차(100) 사이의 간격은 관성 부재(20)의 반경방향 위치의 함수인데, 이는 여기서 클러치의 회전 속도에 의존한다. 이 상태에서, 벨트는 그 반경방향 최대 외향 위치에 배치된다.
2가지 방법, 즉 변위 제어 및 힘 제어가 활차에 대한 완전 폐쇄 위치를 성취하기 위해 이용 가능하다. 도 5는 힘 제어를 설명하고 있다. 가동 활차(50)는 프로파일을 갖는 2개의 표면, 즉 표면(51) 및 표면(52)을 포함한다. 표면(51)은 본 명세서의 다른 부분에 설명되어 있다. 표면(52)은 통상적으로 회전축(A-A)에 평행하게 연장되는 원통형 표면이다. 표면(52)은 표면(51)에 접한다. 관성 부재(20)가 표면(52)에 접촉할 때, 원심력은 반경방향에서, 즉 회전축(A-A)에 수직으로, 100%인 반력에 의해 균형을 이루게 된다. 이는 각각의 관성 부재(20)의 반경방향 외향 이동을 정지시킨다. 관성 부재(20)는 표면(11), 표면(51) 및 표면(52)에 동시에 접촉하고, 따라서 가동 활차(50)를 축방향으로 이동시키는 어떠한 축방향 힘 성분도 발생하지 않는다. 이 상태에서, 활차를 폐쇄하기 위해 이용 가능한 어떠한 구동력도 존재하지 않는다.
대안으로, 표면(51) 및 백플레이트 표면(11)을 반경방향 외향으로 연장하고, 이에 의해 관성 부재(20)가 편평한 표면(52)에 접촉하는 것을 방지함으로써, 가동 활차(50)는 고정 활차(100)에 접촉할 때까지 축방향으로 이동한다. 이는 가동 활차(50)의 축방향 이동을 제한하고, 변위 제어라 칭한다. 변위 제어는, 속도비 변화의 범위를 연장하게 하기 때문에 힘 제어에 비해 장점을 갖는데, 이는 본 발명의 시스템을 사용하여 차량의 상한 속도를 향상시킬 수 있다.
도 6은 구동 기구의 후면도이다. 백플레이트(10)는 가동 활차(50)에 대해 관성 부재(20)를 포획한다. 가동 활차(50)는 협동 슬롯(13)과 각각의 부재(54)의 맞물림에 기인하여 백플레이트(10)와 함께 회전한다. 백플레이트(10)는 샤프트(30)와 함께 회전한다.
도 7은 종동 기구의 단면도이다. 종동 기구는 활차(270)가 활차(310)에 인접한 상태의 폐쇄 위치에 도시되어 있다.
작동 시에, 통상적으로 아이들 속도에서 엔진과의 결합 및 엔진과의 분리를 위해 종동 클러치 조립체 위치에 배치되는 공지의 원심 클러치를 사용하는 대신에, 본 발명의 클러치에서 CVT 벨트는 클러치 결합 기구로서 사용된다. 벨트 클러치를 사용하는 것의 장점은 비용 절약 및 향상된 연비를 포함한다.
특히, 본 발명의 클러치에 사용된 벨트는 공지의 원심 클러치 시스템을 위한 벨트보다 통상적으로 더 짧다. 더 짧은 벨트의 사용은 종동 클러치를 강제로 약간 개방하는데, 즉 활차(270) 및 활차(310)가 강제로 약간 이격된다. 벨트 상의 초기 장력은 도 2에서의 스프링(210)에 의해 발생된다. 예를 들어, 본 발명의 시스템에서, 종동 활차(270, 310)들 사이의 3.19 mm의 간극("간극")이 775 mm의 벨트 길이를 선택함으로써 발생된다(도 3 참조). 초기 간극("간극")은 활차(270, 310)를 스프링(210)에 대해 축방향으로 강제하는 활차(270, 310)들 사이의 벨트의 물리적 맞물림에 따라 좌우된다.
엔진 아이들 중에, CVT 벨트(400)는 슬리브(60) 및 구동 베어링(90) 상에 놓인다(도 3 참조). 초기 벨트 장력은 더 짧은 벨트, 종동 클러치 초기 간극(간극), 및 구동 클러치 베어링 슬리브(60) 상에 놓인 벨트의 조합에 의해 성취된다. 초기 벨트 장력은 차량 완전 정지 상태로부터 움직임으로의 원활한 전이를 유발한다. 예를 들어, 종래의 설상차(snowmobile) CVT 클러치는 통상적으로, 예를 들어 775 mm에 비교하여 780 mm와 같은 상당히 더 긴 벨트를 벨트 클러치 내에 사용할 것이다. 아이들 시에 종래의 시스템에는 초기 벨트 장력이 존재하지 않을 것이다. 종래의 시스템에서 벨트 내에 어떠한 초기 장력도 발생하지 않기 때문에, 활차가 벨트에 맞물리는 순간 벨트 장력이 서지(surge)할 것이다. 이는, 이동 개시 시에 저킹 결합(jerking engagement)을 유발할 수 있다. 저킹 결합은 본 발명의 시스템에서 초기 벨트 장력에 의해 제거된다.
종동 클러치에서의 초기 간극("간극")은, 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 심지어 벨트가 마모될 때에도 초기 장력을 유지하는 것을 또한 돕는다. 통상적인 CVT 벨트 마모는 벨트폭의 감소에 의해 나타내어질 수 있다. 종래 기술에서, 벨트는 벨트폭이 시간 경과에 따라 점진적으로 감소됨에 따라 다른 방식으로 점진적으로 반경방향 내향으로 안착할 것이다. 그러나, 스프링력에 저항하는 벨트에 의해 발생된 초기 간극("간극")에 의해, 벨트는 벨트 마모가 진행함에 따라 동일한 반경방향 위치에서 슬리브(60) 상에 여전히 안착되어 있을 것인데, 이는 벨트 수명을 향상시킨다.
스프링(70)은 구동 클러치에서 엔진 벨트 결합 속도를 제어하는 데 사용된다. 스프링(70)을 위한 압축 스프링율이 클수록, 스프링력을 극복하는 데 요구되는 엔진 속도가 더 높고, 이에 의해 가동 활차(50)가 활차(100)를 향해 이동하게 하며, 이에 의해 벨트와 맞물린다.
도 3을 참조하면, CVT 벨트는 아이들 중에 베어링 슬리브(60) 상에 놓인다. 이와 같이 함으로써, 벨트와 가동 활차(50) 사이에 간극(G)이 생성된다. 숄더(101)는 고정 활차(100)에서 베어링(90)의 내부 레이스웨이(92)를 지지한다. 스프링 컵(80)은, 숄더(101)에 대향하는 베어링(90)의 내부 레이스웨이 상에 놓인다. 스프링(70)은 스프링 컵(80)과 가동 활차(50) 사이에 배치된다. 슬리브(60) 상의 숄더(61)는 베어링(90)의 외부 레이스웨이(91)에 얹혀있다. 활차(100) 내의 리세스 절결부(102)는 활차(100)와 가동 활차(50) 사이의 접촉을 방지한다.
엔진 아이들 시에, 벨트는 스프링(70)이 구동 활차(50)와 함께 회전하는 동안 슬리브(60)에 얹혀있다. 간극(G)이 주어지면, 벨트는 회전하지 않는다. 엔진 회전 속도가 증가함에 따라, 원심력은 각각의 관성 부재의 질량에 따라 각각의 관성 부재(20)에 대해 발생된다. 원심력은, 각각의 관성 부재(20)를 표면(11) 및 표면(51)을 따라 반경방향 외향으로 압박하는데, 이 힘은 샤프트(30)를 따라 축방향으로 배향된 성분을 갖는다. 이는 가동 활차(50)를 벨트에 그리고 활차(100)에 더 근접하게 압박한다. 엔진 회전수가 맞물림 속도를 초과함에 따라, 가동 활차(50) 및 활차(100)는 벨트에 맞물리거나 "압착"된다. 엔진의 회전 운동 및 토크는 여기서 구동 클러치로부터 종동 클러치로 벨트에 의해 전달된다. 벨트가 종동 기구의 결합에 의해 예비 인장되기 때문에, 구동 활차가 벨트에 결합할 때 저크 움직임(jerk motion)이 존재하지 않는다. 엔진 결합 속도는 스프링(70)의 압축 스프링율을 변경함으로써, 또는 각각의 관성 부재(20)의 질량의 크기를 변경함으로써 조정될 수 있다.
본 발명의 시스템은 엔진 가속 시에 원활한 맞물림 전이를 성취한다. 벨트의 맞물림 후에 벨트가 종래의 원심 클러치보다 훨씬 덜 미끄러지기 때문에, 더 신속한 가속이 또한 성취될 수 있다. 맞물림 특성은 또한 각각의 롤러의 질량 및 개수에 기초하여 설정될 수 있다. 이는 또한 반경방향으로 연장되는 표면(51) 및 표면(11)의 프로파일에 따라 좌우된다. 예를 들어, 표면(11) 및 표면(51)의 더 가파른 프로파일은 관성 부재를 반경방향 외향으로 이동하기 위해 더 큰 원심력을 필요로 할 것이고, 그 반대도 마찬가지이다.
다운시프트(downshift) 중에, 즉 CVT 구동부가 오버드라이브(overdrive) 상태(낮은 속도비)로부터 언더드라이브(underdrive) 상태(높은 속도비)로 변속하는 동안, 엔진은 엔진 제동 효과를 이용하기 위해 차량 구동라인과 일정하게 결합되어 유지되는 것이 바람직하다. 엔진 제동은 구동 클러치 내의 적절한 압축 스프링(70)의 예비 하중을 선택함으로써 본 발명의 시스템에서 성취된다. 본 발명의 시스템에서, 예시적인 스프링 예비 하중은 100 N이다. 예를 들어, 스프링(70)의 예비 하중이 너무 높으면, 구동 클러치는 엔진 회전수가 감속함에 따라 조기에 개방될 것이다. 종동 클러치와 구동 클러치 모두가 동시에 개방되면, 벨트는 구동 클러치 및 종동 클러치와의 맞물림이 손실되어 장력을 손실할 수 있다. 이는, 벨트가 슬립(slip)하게 할 것이다. 이는, 여기서 엔진을 분리할 수 있어 엔진 제동이 손실되며, 이는 급발진(runaway) 상황을 초래할 수도 있다. 다른 한편으로, 스프링(70)의 예비 하중이 엔진 아이들 중에 간극(G)을 유지하도록 적절하게 선택되면, 구동 클러치는 주행 상태로부터 엔진 회전수가 강하함에 따라 조기에 개방되지 않을 것이다. 대신에, 종동 클러치 활차는 조기에 이동 이격하지 않을 것이며, 이에 의해 벨트를 반경방향 외향 위치에 맞물림 상태로 유지한다. 벨트는 여기서 다운시프트 중에 구동 클러치 활차를 강제 개방하도록 반경방향 내향으로 가압될 수 있다. 따라서, 벨트 장력은 다운시프트 중에 유지되어 CVT가 엔진 제동을 완전히 이용하게 한다.
도 8은 시간 도메인(time domain)에서 시프트 곡선의 차트이다. 곡선은 종래의 시스템을 본 발명의 시스템과 비교한다. 이는 출력 RPM과 엔진 RPM을 비교한다. 본 발명의 시스템은 "A"라 칭하고, 종래의 시스템은 "B"라 칭한다. 본 발명의 시스템은 전체 엔진 속도 범위를 가로질러 원활한 성능을 또한 제공하면서 더 신속한 가속을 제공한다.
도 9는 WOT(wide open throttle)에서 시프트 곡선의 차트이다. 본 발명의 시스템은 WOT에 대해 원활한 맞물림 성능을 제공한다. 본 발명의 시스템은 "A"라 칭하고, 종래의 시스템은 "B"라 칭한다. 본 발명의 시스템은, 종래의 시스템과 비교할 때 엔진 속도 범위를 가로질러 더 양호한 엔진 성능을 또한 보여주고 있다.
도 10은 연료 효율 차트이다. 본 발명의 시스템은 "A"라 칭하고, 종래의 시스템은 "B"라 칭한다. 차트는, 본 발명의 시스템이 종래의 시스템에 비해, 도시 사이클(city cycle)에 대해 32% 더 높은 주행거리를 제공하고 고속도로 사이클에 대해 11% 더 높은 주행거리를 제공한다는 것을 입증하고 있다. 이들 각각은 CVT 엔진 시스템에 대한 주행거리 성능의 상당한 향상을 표현하고 있다.
인도(India)로부터의 구동 사이클이 시험을 위해 사용된다. 이 시험은, 초기 차량 비용 및 연비가 최고 우선순위이고, 대부분의 차량에 대한 엔진 크기가 125 cc 미만이기 때문에 다른 국가에서 사용된 것과는 상이하다. 상기 시험은 이하의 파라미터를 포함한다.
Figure pct00001
도 11은 본 발명의 CVT 시스템 및 원심 클러치를 갖는 종래의 CVT에 대한 정속 연비를 비교하는 차트이다. 본 발명의 시스템은 "A"라 칭하고, 종래의 시스템은 "B"라 칭한다.
연비 시험이 섀시 동력계(chassis dynamometer) 상에서 수행되었다. 종래의 CVT 클러치를 장착한 스쿠터(scooter), 즉 종래의 시스템("B")이 시험되었다. 여기서 본 발명의 시스템("A")으로서 본 명세서에 설명된 바와 같은 본 발명의 CVT 클러치를 사용하여 동일한 스쿠터가 시험되었다. 동일한 엔진 및 연료가 양 시험을 위해 사용되었다.
시험된 모든 속도에서, 본 발명의 CVT 시스템("A")의 정속 연비는 종래의 원심 클러치 시스템("B")보다 상당히 더 크다. 연비 향상은 45 km/hr에 대해 상한 속도점 및 하한 속도점에서 11% 내지 최대 32%의 범위이다.
도 12는 가동 활차의 단면도이다. 가동 활차(50)는, 부재(20)가 그 위에서 구르는 표면(51)을 포함한다. 도 12는 표면(51)의 예시적인 프로파일을 도시하고 있다. 치수는 회전축 상에서의 "0"점 그리고 표면(51)의 기부에 대한 것이다. 도 12의 수치값은 본 발명의 범주를 한정하는 것은 아니고, 예로서 간단히 제공된 것이다. 표면(51)의 프로파일은, 관성 부재(20)가 변속기의 작동 요구를 수용하도록 이동하게 하는 임의의 형태로 지정될 수도 있다. 프로파일은 원형 섹션, 포물선 섹션, 타원형 섹션, 평면형 섹션 또는 이들 섹션의 조합을 포함할 수도 있다.
도 13은 벨트 슬립(belt slip)을 도시하고 있는 차트이다. 종래의 원심 클러치의 2개의 결함을 극복함으로써 향상된 연비가 성취된다. 종래의 원심 클러치가 종동 클러치에 배치되는 것으로 가정하면, CVT 구동부가 언더드라이브 상태에서 초기화됨에 따라, 통상의 종래 원심 클러치에 결합하기 위해 훨씬 더 높은 엔진 속도, 통상적으로 대략 3500 RPM의 스쿠터 엔진이 요구된다(도 13의 곡선 "B" 참조).
다른 한편으로, 본 발명의 시스템은 대략 2000 RPM의 범위의 훨씬 더 낮은 결합 엔진 속도를 성취한다(도 13의 곡선 "A" 참조). 급속 엔진 가속 및 급속 엔진 감속 중에, 도 13에 도시되어 있는 바와 같이, 연장된 구동 슬립의 기간이 종래의 원심 클러치 결합 및 분리 시에 검출된다. 그러나, 엔진 샤프트, 또는 고속 샤프트에 본 발명의 벨트 클러치를 배치함으로써, 시스템 슬립 시간이 상당히 감소된다. 구동 슬립의 감소는 연비를 개선시키고 벨트 수명을 향상시킨다.
본 발명의 일 형태가 본 명세서에 설명되었지만, 본 명세서에 설명된 발명의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않으면서 부품의 구성 및 관계에 변형이 행해질 수도 있다는 것은 당 기술 분야의 숙련자들에게 명백할 것이다.
10: 백플레이트 20: 관성 부재
30: 샤프트 40: 부시
50: 가동 활차 60: 슬리브
70: 스프링 80: 스프링 컵
90: 베어링 100: 활차

Claims (9)

  1. 제1 샤프트를 따라 축방향으로 이동 가능하고 반경방향 연장 표면을 갖는 가동 활차;
    상기 제1 샤프트에 고정된 고정 활차로서, 상기 고정 활차는 상기 가동 활차와 협동적으로 배치되어 이들 활차 사이에 벨트가 맞물리도록 하고, 상기 제1 샤프트는 엔진 출력과 결합 가능한 것인, 고정 활차;
    상기 제1 샤프트에 부착되고 반경방향 표면을 갖는 백플레이트(back plate)로서, 상기 백플레이트는 상대 축방향 이동을 허용하면서 회전 잠금을 위해 상기 가동 활차와 결합되는 것인, 백플레이트;
    상기 가동 활차의 회전 시에 상기 반경방향 연장 표면 및 상기 반경방향 표면 상에서 반경방향으로 이동 가능한 관성 부재로서, 상기 관성 부재는 상기 반경방향 표면으로부터 그리고 상기 반경방향 연장 표면으로부터 일시적으로 맞물림 해제 가능한 것인, 관성 부재;
    상기 제1 샤프트를 따라 상기 고정 활차를 향한 상기 가동 활차의 축방향 이동을 저지하는 제1 스프링; 및
    상기 가동 활차와 상기 고정 활차 사이에 배치된 슬리브 부재(sleeve member)로서, 상기 슬리브 부재는 상기 벨트와 함께 회전 가능한 것인, 슬리브 부재
    를 포함하는 CVT 구동 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 반경방향 연장 표면은 아치형 프로파일을 갖는 것인 CVT 구동 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 관성 부재는 조정 가능한 질량을 포함하는 것인 CVT 구동 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    종동 클러치
    를 더 포함하고,
    상기 종동 클러치는,
    회전 가능한 제2 샤프트에 고정된 제1 활차;
    상기 제2 샤프트를 따른 축방향 이동을 위해 상기 제2 샤프트와 결합되는 제2 활차;
    상기 제2 활차로부터 축방향으로 이격되도록 상기 제1 활차를 압박하는 제2 스프링; 및
    구동 클러치와 종동 클러치 사이에 결합된 벨트
    를 포함하며,
    상기 제1 활차는 나선형 슬롯을 갖는 부재를 포함하고, 상기 나선형 슬롯은 부재와 결합 가능하고, 상기 부재는 상기 제2 샤프트에 고정되는 것인 CVT 구동 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 엔진 아이들 상태(engine idle condition) 중에 상기 제1 스프링의 힘은 상기 고정 활차에 대해 사전 결정된 위치에 상기 가동 활차를 유지하여, 상기 가동 활차와 상기 벨트 사이 또는 상기 고정 활차와 상기 벨트 사이에 간극(G)이 유지되게 하는 것인 CVT 구동 시스템.
  6. 제4항에 있어서, 엔진 아이들 상태에서, 상기 벨트는 상기 슬리브 부재에 맞물리고, 상기 벨트는 사전 결정된 예비 하중(pre-load)을 갖는 것인 CVT 구동 시스템.
  7. 구동 클러치와,
    종동 클러치
    를 포함하는 CVT 구동 시스템으로서,
    상기 구동 클러치는,
    제1 샤프트를 따라 축방향으로 이동 가능하고 반경방향 연장 표면을 갖는 가동 활차;
    상기 제1 샤프트에 고정된 고정 활차로서, 상기 고정 활차는 상기 가동 활차와 협동적으로 배치되어 이들 활차 사이에 벨트가 맞물리도록 하고, 상기 제1 샤프트는 엔진 출력과 결합 가능한 것인, 고정 활차;
    상기 제1 샤프트에 부착되고 반경방향 표면을 갖는 백플레이트로서, 상기 백플레이트는 상대 축방향 이동을 허용하면서 회전 잠금을 위해 상기 가동 활차와 결합되는 것인, 백플레이트;
    상기 가동 활차의 회전 시에 상기 반경방향 연장 표면 및 상기 반경방향 표면 상에서 반경방향으로 이동 가능한 관성 부재로서, 상기 관성 부재는 상기 반경방향 표면으로부터 그리고 상기 반경방향 연장 표면으로부터 일시적으로 맞물림 해제 가능한 것인, 관성 부재;
    상기 제1 샤프트를 따라 상기 고정 활차를 향한 상기 가동 활차의 축방향 이동을 저지하는 제1 스프링;
    상기 가동 활차와 상기 고정 활차 사이에 배치된 슬리브 부재로서, 상기 슬리브 부재는 상기 벨트와 함께 회전 가능한 것인, 슬리브 부재
    를 포함하고,
    상기 종동 클러치는,
    회전 가능한 제2 샤프트에 고정된 제1 활차;
    상기 제2 샤프트를 따른 축방향 이동을 위해 상기 제2 샤프트와 결합되는 제2 활차;
    상기 제2 활차로부터 축방향으로 이격되도록 상기 제1 활차를 압박하는 제2 스프링;
    상기 구동 클러치와 상기 종동 클러치 사이에 결합된 벨트
    를 포함하고,
    상기 제1 활차는 나선형 슬롯을 갖는 부재를 포함하고, 상기 나선형 슬롯은 부재와 결합 가능하고, 상기 부재는 상기 제2 샤프트에 고정되는 것인 CVT 구동 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 엔진 아이들 상태 중에 상기 제1 스프링의 힘은, 상기 고정 활차에 대해 사전 결정된 위치에 상기 가동 활차를 유지하여, 상기 가동 활차와 상기 벨트 사이에 간극(G)이 유지되게 하는 것인 CVT 구동 시스템.
  9. 제7항에 있어서, 엔진 아이들 상태에서, 상기 벨트는 상기 슬리브 부재에 맞물리고, 상기 벨트는 사전 결정된 예비 하중을 갖는 것인 CVT 구동 시스템.
KR1020167012377A 2013-10-17 2014-01-09 Cvt 구동 클러치 KR20160068933A (ko)

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