KR20190025937A - 토크 전달 및 감쇠 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차의 파워트레인을 위한 토크 전달 장치(1) 내에서, 중첩된 교번 토크(Mw)를 포함한 평균 토크(Mm)를 전달하고 감쇠하기 위한 방법에 관한 것이며, 토크 전달 장치는 회전축(A)을 중심으로 회전 가능한 입력 영역(25)과 회전축(B)을 중심으로 회전 가능한 출력 영역(35)을 포함하며, 중첩된 교번 토크(Mw)를 포함한 평균 토크(Mm)는 토크 경로(M)를 따라서 입력 영역(25)에서부터 출력 영역(35)으로 전달되며, 토크 전달 장치(1)의 입력 영역(25)은 입력 속도(ne)로 회전축(A)을 중심으로 회전하고 토크 전달 장치의 출력 영역(35)은 출력 속도(na)로 회전축(B)을 중심으로 회전하며, 적어도 입력 속도(ne)는 평균 속도(nem) 및 중첩된 교번 성분(newp)으로 구성되며, 교번 성분(new)은 거의 주기적 속도 진동들(newp_i)의 중첩을 통해 표현될 수 있고, 주기적 속도 진동들의 주파수들(f)은 점화 주파수(Zf)에 대해 실질적으로 정수비(i)이며, 상기 주기적 진동들(newp_i) 각각은 최솟값(newp_i_Min)과 최댓값(newp_i_Max)을 가지며, 슬립 장치(30)는 토크 경로(M) 내에서 입력 영역(25)과 출력 영역(35) 사이에서, 중첩된 교번 토크(Mw)를 포함한 평균 토크(Mm)의 전달을 위해, 그리고 토크 경로(M) 내에서 속도(ne)와 속도(na) 간의 속도 슬립(ns)의 생성을 위해 제공되며, 슬립 장치(30)는 교번 성분(newp)의 적어도 하나의 주기적 진동 성분(newp_i)의 최댓값들(newpi_i_Max)의 범위에서 속도 슬립(ns)의 외부 활성화(40)의 최댓값을, 그리고 교번 성분(new)의 적어도 하나의 주기적 진동 성분(newp_i)의 최솟값들(newpi_i_Min)의 범위에서는 속도 슬립(ns)의 외부 활성화(45)의 최솟값을 제공한다.

Description

토크 전달 및 감쇠 방법

본 발명은, 입력 영역과 후속하는 출력 영역을 포함하는 자동차 파워트레인용 토크 전달 장치(torque transmission arrangement) 내에서, 중첩된 교번 토크(superimposed alternating torque)를 포함한 평균 토크를 전달하고 감쇠하기 위한 토크 전달 및 감쇠 방법에 관한 것이다.

DE 10 2008 009 135 A1호의 종래 기술로부터는, 엔진과 수동 변속기 사이에 마찰 클러치가 제공되어 있는 자동차 파워트레인을 위한 토크 전달 장치에서의 상기 방법이 공지되어 있으며, 마찰 클러치는, 제어가 없는 경우와 비교하여, 출발 시 마찰 클러치에 인가된 공진 속도 범위의 속도 차가 감소되도록 제어된다.

그러나 종래 기술에서 상기 방법의 단점은, 상기 방법에 의해 단지 출발 과정 및 이 출발 과정을 통한 기지(known)의 저더(judder)만이 감소된다고 하는 점에 있다. 그리고 상기 방법에는, 엔진을 통해 야기되어 지속적인 주행 상태에서 발생하는 비틀림 진동을 감쇠시키는 성능이 없다.

그러므로 본 발명의 과제는, 특히 출발 과정 후에 바람직한 비틀림 진동 감소를 실현하는, 토크 전달 장치의 비틀림 진동 감소를 위한 방법을 제공하는 것에 있다.

상기 과제는 특허 독립 청구항 제1항의 특징들을 통해 해결된다.

본원의 방법은, 자동차의 파워트레인을 위한 토크 전달 장치 내에서, 중첩된 교번 토크를 포함한 평균 토크를 전달하고 감쇠하기 위한 토크 전달 및 감쇠 방법으로서, 토크 전달 장치는 회전축(A)을 중심으로 회전 가능한 입력 영역과 회전축(B)을 중심으로 회전 가능한 출력 영역을 포함하며, 중첩된 교번 토크를 포함한 평균 토크는 토크 경로를 따라서 입력 영역에서부터 출력 영역으로 전달되며, 토크 전달 장치의 입력 영역은 입력 속도로 회전축(A)을 중심으로 회전하고 토크 전달 장치의 출력 영역은 출력 속도로 회전축(B)을 중심으로 회전하며, 적어도 입력 속도는 평균 속도 및 중첩된 교번 성분으로 구성되며, 교번 성분은 거의 주기적 속도 진동들의 중첩을 통해 표현될 수 있고, 주기적 속도 진동들의 주파수들은 점화 주파수에 대해 실질적으로 정수비이며, 상기 주기적 진동들 각각은 최솟값과 최댓값을 가지며, 슬립 장치(slip arrangement)는 토크 경로 내에서 입력 영역과 출력 영역 사이에서, 중첩된 교번 토크를 포함한 평균 토크의 전달을 위해, 그리고 토크 경로 내에서 속도(ne)와 속도(na) 간의 속도 슬립의 생성을 위해 제공되며, 슬립 장치는 교번 성분의 적어도 하나의 주기적 진동 성분의 최댓값들의 범위에서 속도 슬립의 외부 활성화의 최댓값을, 그리고 교번 성분의 적어도 하나의 주기적 진동 성분의 최솟값들의 범위에서는 속도 슬립의 외부 활성화의 최솟값을 제공하는 것인, 상기 토크 전달 및 감쇠 방법이다. 이 경우, 입력 범위와 출력 범위 사이에, 그리고 슬립 장치의 상류에 예컨대 제1 및/또는 제2 스프링 세트 및 댐퍼 유닛과 같은 추가 비틀림 진동 댐핑 유닛들이 연결될 수 있다. 이는, 입력 영역, 예컨대 엔진에서 기인하는 교번 토크들이 예비 필터링되기 때문에 특히 바람직하다. 이 경우, 슬립 장치는, 잔존하는 잔여 교번 토크들을 감소시키며, 최적의 경우에는 심지어 "영(0)"으로 설정하는 것을 목표로 한다. 이를 달성하기 위해, 본 발명에 따른 방법에 따라서, 중첩된 교번 토크의 주기적 진동의 최댓값의 범위에서 슬립 장치의 최대 외부 활성화가 수행되는 경우 더 많은 슬립을 허용하고, 중첩된 교번 토크의 주기적 진동의 최솟값의 범위에서 슬립 장치의 최소 외부 활성화가 수행되는 경우에는 더 적은 슬립을 허용한다. 이는, 예컨대 슬립 클러치, 예컨대 다판 클러치에 의해 형성될 수 있는 슬립 장치가 외부 활성화로부터 상대적으로 더 낮은 유압 압력의 형태로 유압 신호를 수신받고, 이는 다판 클러치에 작용하는 압착력의 감소를 야기할 수 있고, 그에 따라 슬립 증가, 말하자면 속도 차의 증대가 발생하게 된다는 점을 의미한다. 슬립 감소의 경우, 외부 활성화는, 여기서 유압 압력이 증가되고 그에 따라 슬립 클러치에 작용하는 압착력도 마찬가지로 증가되는 형태로 슬립 클러치에 유압 신호를 제공해야 하며, 이는 슬립 클러치 내에서 슬립 감소를 야기한다. 이로써, 중첩된 교번 토크 내에서 최댓값은 상쇄될 수 있다. 또한, 슬립 감소 또는 슬립 증가의 달성을 위한 외부 활성화는 슬립 변조(slip modulation)로서도 지칭될 수 있다. 이 경우, 슬립 변조의 주파수는 구동 유닛, 예컨대 엔진의 이용에 따라서 결정된다. 4행정 엔진의 이용 시에 23헤르츠 내지 60헤르츠의 주파수 범위가 바람직하며, 4기통 4행정 엔진의 이용 시에 약 33 내지 66헤르츠의 주파수 범위의 이용이 바람직하며, 6기통 4행정 엔진의 이용 시에는 50 내지 100헤르츠의 주파수 범위의 이용이 바람직하다.

또 다른 바람직한 실시형태에 따라서, 슬립 장치의 외부 활성화는 유압 유닛에 의해 수행된다. 이런 경우, 예컨대 슬립 장치가 마찰 디스크 클러치로서 구현되는 경우, 이를 위해 유압 릴리스 시스템이 이용될 수 있으며, 이는 비용 효과적이다.

또한, 바람직하게는, 슬립 장치의 외부 활성화는 전기 유닛에 의해 수행될 수 있다. 이 경우, 이는 오로지 전기로만 수행될 수 있거나, 또는 전자기로도 수행될 수 있다.

또 다른 바람직한 변형예에 따라서, 외부 활성화는, 슬립 장치에 23 내지 50Hz의 변조 범위, 또는 33 내지 66Hz의 범위, 또는 50 내지 100Hz의 범위를 제공하기에 적합하다.

또한, 바람직하게는, 슬립 장치는 스타팅 부재로서 이용될 수 있다. 이는 추가 부품들을 절약하고 그에 따라 원가를 절약한다.

그러나 슬립 장치에 추가로도 스타팅 부재가 제공될 수 있다. 이런 경우, 슬립 장치는 명백하게 최적의 슬립의 기능에 부합하게 구성될 수 있으며, 이때 스타팅 상황들은 슬립 클러치에 의해 수행되지 않아도 된다.

또 다른 바람직한 구현예에 따라서, 슬립 장치 및/또는 스타팅 부재는 마찰 클러치로서, 또는 다판 클러치로서, 또는 유체역학 클러치로서, 또는 하이브리드 구동장치 내의 분리형 클러치로서, 또는 더블 클러치로서, 또는 트리플 클러치로서 구현되거나, 또는 유성기어 변속기와 관련된 클러치 또는 브레이크로서 구현된다.

또한, 회전축(A) 및 회전축(B)은 동축으로 연장될 수 있거나, 또는 상호 간에 오프셋 되어 연장될 수 있다. 특히 후륜 구동형이면서 종방향으로 설치된 전방 엔진을 탑재한 차량의 경우, 두 회전축[(A) 및 (B)]은 상호 간에 동축으로 위치한다. 횡방향으로 설치된 엔진을 포함한 전륜 구동 방식의 경우, 대개 회전축(A)은 회전축(B)에 대해 오프셋 되어 위치한다.

하기에서, 본 발명은 도면들에 따라서 더 상세하게 설명된다. 여기서 도면들에 도시된 실시예들은 오직 바람직한 유형들을 나타낼 뿐, 본 발명의 범위를 결정하는 것이 아니다. 상기 범위는 단지 종속 청구항들을 통해서만 정의된다.

도 1은 종래 기술로서의 파워트레인의 개략도이다.
도 2는 파워트레인의 바람직한 개략도이다.
도 3은 편향 토크 특성곡선의 그래프이다.
도 4는 파워트레인의 바람직한 개략도이다.
도 5는 우선 토폴러지(preferred topology)의 개략도이다.
도 6은 슬립 클러치의 기본 회로도이다.
도 7은 편향 토크 특성곡선의 그래프이다.
도 8은 시간에 걸친 슬립 속도의 그래프이다.
도 9는 슬립 속도에 걸친 마찰 계수의 그래프이다.
도 10은 시간에 걸친 마찰 계수의 그래프이다.
도 11은 Fa의 사인 파형의 그래프이다.
도 12는 Fa의 사다리꼴 파형의 그래프이다.
도 13은 상위 차수를 갖는 Fa의 사인 파형의 그래프이다.
도 14는 또 다른 그래프들이다.
도 15는 작동점에서 슬립 장치에서의 입력 속도의 그래프이다.
도 16은 슬립에 걸친 마찰 계수 특성곡선의 그래프이다.

하기에서 동일하거나 기능상 동일하게 작용하는 부품들은 동일한 도면부호들로 표시된다.

먼저, 도 1에 대해 언급할 사항은, 승용차를 위한 오늘날의 비틀림 진동 디커플링 시스템들은, 스프링-질량 어셈블리, 예컨대 ZMS에 추가로, 속도 적응형 댐퍼 역시도 제공한다는 점이다. 또한, 적어도 습식 스타팅 부재를 포함하는 파워트레인에서, 스타팅 부재 내의 슬립을 통해 엔진의 토크 변동의 감소가 실행될 수 있고 실행된다. 슬립 컨트롤러가 기설정 평균 슬립 속도를 설정하는 것인 여기서 이용되는 기술은 하기에서 "능동 슬립 모드(active slip mode) 1"로서 지칭된다. 하기에서는, 승용차 파워트레인에서 클러치의 제어를 위한 방법이 제안되며, 이 방법은 "능동 슬립 모드 2"로서 지칭되며, 그리고 특히 평균 슬립 속도가 동일하고 그에 따라 마찰 손실들도 동일한 조건에서, 종래 기술에 따른 슬립 클러치의 경우에서보다 훨씬 더 우수한 디커플링이 달성될 수 있게 하거나, 또는 적어도 사전 디커플링을 위한 상대적으로 더 가볍고 더 비용 효과적인 구성요소들, 예컨대 스프링 세트들 및 댐퍼의 이용 시에는 종래 시스템들과 대등한 디커플링 레벨이 달성될 수 있게 한다.

도 1에는, 속도 적응형 댐퍼(6)를 구비한 비틀림 진동 댐핑 유닛(15)을 포함하는 종래 기술에 따른 자동차의 자동화 파워트레인 내 토크 전달 장치(1)가 도시되어 있다. 이 경우, 관련된 질량부들, 강성부들(stiffness) 및 스타팅 부재는 하기와 같이 배치되며, 도해는 단지 변속기를 포함하는 정도까지만 이루어져 있다. 잔여 파워트레인은 도시되어 있지 않다. 토크 컨버터 로크업 클러치(72)는 비틀림 진동 댐핑 유닛(15)의 입력 영역(25)에 배치된다.

속도 적응형 댐퍼(6)는 제1 스프링 세트(10)와 제2 스프링 세트(20) 사이의 중간 질량부(3) 상에 배치된다. 이런 토폴러지는 비틀림 진동 디커플링과 관련하여 하기 단점들을 나타낸다.

토크 컨버터 로크업 클러치(72)가 클러치 슬립을 갖도록 작동된다면, 이는 토크 전달 장치(1) 내로 유입되는 토크 변동을 감소시킨다. 토크 컨버터 로크업 클러치(72)의 출력 측에서 구성요소들의 속도, 그리고 그에 따라 댐퍼(6)의 속도 역시도, 예컨대 구동 유닛(50)의 엔진 속도보다, 조정되는 슬립 속도만큼 더 낮은 것을 통해, 엔진 차수(engine order)에 대한 댐퍼(6)의 매칭은 더 이상 조화를 이루지 않으며, 그럼으로써 상기 댐퍼는 증가하는 슬립과 더불어 더욱 부적합하게 작동하게 된다. 제2 스프링 세트(20)의 임무는, 댐퍼(6)의 상대적으로 높은 질량 관성과, 마찬가지로 상대적으로 무거운 변속기(33) 사이의 스프링 강성을 나타내는 것에 있다. 댐퍼(6)가 변속기 입력 샤프트(100)에 직접 결합된다면, 이는, 관성 모멘트 및 샤프트 강성이 통상적으로 존재하는 경우, 소위 진동 노드점들(nodal point of vibration)이 형성되게 할 수도 있다. 이는, 속도가 정해지고 변속단에 따르기도 하는 경우, 진동 시스템 내의 댐퍼가 가진되지 않고 그에 따라 반동 토크(reaction torque)를 설정하지 않으며 결과적으로 회전 불규칙성 디커플링에 기여할 수 없다는 점을 의미한다. 그런 다음, 이는, 상응하는 속도에서, 잔존하는 회전 불규칙성의 분명한 증가를 통해 나타난다(도 3에서 상한 속도 범위에서의 파선 역시도 참조). 이는 기존 토폴러지에 의해 비록 방지되기는 하지만, 그러나 스프링 세트들(10 및 20)의 강성들과 상호작용하면서 중간 질량부(3) 및 댐퍼(6)의 상대적으로 높은 질량 관성 모멘트를 통해, 회전 불규칙성 디커플링과 관련하여 바람직하지 못한 중간 질량 공진(intermediate mass resonance)이 형성될 수 있다.

도 2에는, 도 1에도 도시된 구성요소들의 상대적으로 더 바람직한 토폴러지가 도시되어 있다. 상기 토폴러지는, 제2 스프링 세트(20)가 댐퍼(6)의 일차 측에 배치됨으로써 하기 장점들이 달성되는 것을 특징으로 한다. 한편으로, 직렬로 연결된 두 스프링 세트(10 및 20)의 감소된 강성 합을 통해, 댐퍼(6) 전방에서의 사전 디커플링이 향상되며, 그럼으로써 상기 댐퍼는 더 작게 형성될 수 있고 시스템은 이미 속도가 더 낮은 경우에 초임계 상태로 작동하게 되며, 이는 도 3에서 파선 및 점선으로 잘 알 수 있다. 또한, 중간 질량부(3)는 댐퍼(6)에 대한 결합 없이 훨씬 더 작은 상태가 되며, 그럼으로써 작동 영역에서 간섭하는 중간 질량 공진은 발생하지 않게 된다. 또한, 토크 컨버터 로크업 클러치(72)는 토크 전달 장치(1)의 출력 측에서 댐퍼(6)와 변속기(33) 사이에 배치된다. 이는, 클러치 슬립을 통해 댐퍼(6)의 차수 매칭(order matching)이 손상되지 않기 때문에 바람직하다. 또한, 토크 컨버터 로크업 클러치(72)의 클러치 슬립을 통해, 도 3에서 점선으로 도시된 것처럼, 앞에서 기재한 진동 노드점들의 형성은 감소되거나 방지된다.

도 2에 도시된 장치는, 더 나은 비교를 이유로, 원칙상 도 1에 기재한 것과 동일한, 하위 어셈블리들, 특히 스프링 세트들의 개략적 유형 및 개수를 이용한다.

그러나 이는 예시적인 것으로만 해석되어야 한다. 기능상, 예컨대 토션 댐퍼(10, 20)의 다른 유형들, 특히 단일 또는 다중 열 ZMS로서의 유형들도 가능하다. 댐퍼(6) 역시도 상이한 유형들로 형성될 수 있으며, Sarrazin, Salomon 또는 DFTvar의 원리에 따르는 속도 적응형 댐퍼로서의 구성들이 특히 바람직하다.

도 3에는, 종래 기술에 따른 토크 전달 시스템의 속도에 걸친 편향 토크, 슬립이 없는 변형예, 및 슬립 모드 2를 이용한 변형예가 도시되어 있다.

도 4에는, 이미 도 1 및 도 2에서 기재한 것과 같지만, 그러나 여기서는 단일 열 스프링 세트를 포함하는 이중질량 플라이휠로서 단지 하나의 스프링 세트(10)만을 포함하는 또 다른 토폴러지 장치가 도시되어 있다.

도 5에는, 파워트레인 내에서의 비틀림 진동 감소를 위한 바람직한 토폴러지가 도시되어 있다. 이런 의미에서 회전 불규칙성 사전 디커플링은, 슬립형 클러치(30) 전방에서의 회전 불규칙성을 감소시키는 시스템을 지칭한다. 상기 시스템은 구체적인 상술한 예에서처럼 토션 스프링들, 질량부들 및 댐퍼들로 이루어진 장치로 구성될 수 있다. 그러나 예컨대 2개의 평행한 토크 전달 경로들 및 하나의 커플링 어셈블리를 이용한 회전 불규칙성 디커플링; 가스 스프링-토션 댐퍼; 또는 원심력 스프링들을 포함한 장치;와 같은 다른 원리들 역시도 가능하다.

요구되는 슬립형 클러치(30)는 동시에 스타팅 클러치일 수도 있다. 그러나 이는 반드시 필요한 것은 아니다. 그렇지 않으면, 스타팅 클러치는 파워트레인의 다른 임의의 위치에 배치될 수 있다. 그러나 동일한 방식으로, 슬립형 클러치는, 각각의 변속단마다 슬립을 통해 변속기 변속 및/또는 회전 불규칙성 디커플링 시 문제들을 해결하는 변속기의 하나의 클러치 또는 복수의 클러치일 수도 있다. 예컨대 자동 변속기(AT), 더블 클러치 변속기(DCT), 자동화 수동 변속기(ASG), 연속 가변 변속기 또는 수동 변속기(MT)로서의 변속기 유형, 및 전륜, 후륜 또는 총륜(all wheel) 구동 장치로서의 파워트레인의 유형은 임의로 선택될 수 있으며, 그리고 하이브리드화 구조 유형에서도 역시 임의로 선택될 수 있다. 특히 MT 또는 DCT 변속기들의 경우, 기재한 토폴러지는 이미 표준이지만, 그러나 AT 변속기들과 조합되는 경우에는 그렇지 않다. 그러나 특히 MT 변속기들에서, 그리고 건식 DCT 변속기들에서도, 그곳에서 이용되는 스타팅 클러치는, 영구히 슬립을 통해 회전 불규칙성 디커플링을 위한 기능을 취하기에는 적합하지 않다. 이런 점에서, 상기 파워트레인들에 대해서도, 제안되는 구성은 신규성이 있는 것이다.

도 6에는, 향상된 방법, 즉 클러치 슬립 모드 2에 따르는 슬립형 클러치(30)의 기본 회로도가 간소화되어 도시되어 있다.

이미 기재한 토폴러지에 의해서는, 스프링 세트(10, 20)의 강성 값들이 동일한 조건에서 이미 낮은 속도에서도 훨씬 향상된 디커플링이 달성될 수 있으며, 그리고 이미 클러치 슬립 모드 1은 디커플링의 추가 향상을 위해, 또는 진동 노드점들의 방지를 위해 효과적으로 작용한다. 그러나 클러치 슬립은 일반적으로 높은 엔진 토크 및 높은 슬립 속도 조건에서 허용할 수 없는 값들을 취할 수 있는 마찰 손실들을 야기한다. 여기서 상승하는 연료 소모량 및 그에 따른 CO2 배출량 그리고 소산되어야만 하는 생성된 마찰 열들은 제한적으로 작용한다.

본 발명의 목적은, 낮은 슬립 속도 조건에서 슬립의 디커플링 작용을 증가시키는 것에 있다.

이는, 클러치에 의해 전달 가능한 토크가 능동 변조되는 것을 통해 달성된다. 그러므로 이런 방법은 능동 슬립 모드 2로 지칭된다.

이 경우, F0은, 슬립 장치(30)의 입력 측(31)과 슬립 장치(30)의 출력 측(32) 사이의 결정된 평균 속도 차를 달성하기 위해, 슬립 컨트롤러에 의해 조정되는 힘이다. 정상 작동점(stationary operation point)에서, F0은 상수로서 간주될 수 있다.

따라서 슬립 클러치(30)의 전달 가능 토크는 하기와 같이 계산된다.

M_tr = F_0·r·μ(n_slip),

위의 식에서,

r = 평균 마찰 반경이고,

μ = 슬립 속도(n_slip)에 따라 결정되는 클러치 라이닝들의 마찰 계수이다.

Fa(α,)는, 자신의 진폭이 기준 각도(α) 및 위상 변위(β)에 따라서 연장되는 추가적인 힘이다. 이런 의존성은 예컨대 사인 함수를 통해 정해질 수 있다. 기준 각도로서는 예컨대 크랭크 샤프트 위치가 고려된다. 이는, 4기통 4행정 엔진의 경우 주요 엔진 차수(main engine order)에 대한 매칭의 경우, 하기와 같은 의미일 수도 있다.

그에 따라, 전달 가능 토크는 하기와 같이 계산된다.

도 7에서는, 클러치 토크의 변조가 엔진의 주요 차수의 비틀림 진동 디커플링에 대해 어떠한 효과를 실현하는지를 확인할 수 있다. 슬립 모드 1과 비교하여, 슬립 모드 2를 통해서는 회전 불규칙성이 한번 더 분명하게 감소되며, 그리고 평균 슬립 속도가 동일하고 그에 상응하게 마찰 손실도 동일한 조건에서도 마찬가지이다.

도 8, 9 및 10에서는, 능동 슬립 모드 2의 기능 원리의 도출이 명료하게 설명된다. 실제 파워트레인 내에서의 비선형 관계들 및 비조화 가진(nonharmonic excitation)으로 인해, 회전 불규칙성 디커플링과 관련하여 전달 가능 클러치 토크의 변조의 작용 원리는 단지 매우 간소화된 조건들 하에서만 뚜렷하게 도출된다.

이를 위해, 주요 차수, 여기서는 제1 엔진 차수로, 클러치의 입력 측에서 오직 사인파인 회전 불규칙성이 상정된다. 그런 다음, 본 예에서, 일정한 클러치 힘(F0)에 의해, 평균값을 중심으로 4rpm의 진폭으로 진동하는 5rpm의 평균 슬립이 설정된다(도 8 참조).

이러한 범위 내에서, 슬립에 걸친 슬립 클러치의 마찰 계수의 특성곡선은 선형화되며, 이는 도 9에 실선으로 도시되어 있다.

그에 따라, 마찰 계수에 대해서도 시간에 걸친 사인파형 특성곡선이 구해지며, 이는 도 10에서 확인된다. 여기서 평균 마찰 계수는 μ_0 = 0.105이며, 그리고 진폭은 μ_a = 0.012이다.

전달 가능 토크에 대해, 주요 차수로 변조 시에, 다시금 하기 공식이 적용된다.

.

이런 경우, 각도(α)는

로 계산되며, 식에서 n = 속도이고, t = 시간이다.

최적의 위상 변위(

)에 의해서는, 하기 M_tr의 전개를 통해

가 구해진다.

.

에 의해서는 하기 식이 구해진다.

.

상기 항의 대괄호에서 합의 항들(summands)은 하기의 상이한 차수들에 할당된다.

제0 차수:

평균 토크.

동일한 평균 전달 가능 토크를 획득하기 위해, 상이한 감수들(

)(subtrahends)에 대해 상이한 힘들(F_0)이 필요하다(슬립 컨트롤러를 통해 재조정된다).

제1 차수:

본 예에서 주요 차수.

이 주요 차수는 간소화된 상정들 하에서

의 선택 시에 완전하게 삭제된다! 이 점에서 본 발명의 효과가 설명된다!

제2 차수:

.

변조를 통해, 배가된 변조 주파수를 갖는 신규 차수가 생성된다.

그러나 상기 차수의 진폭은 비교적 적으며, 그리고 그 외에 파워트레인의 더 상위의 차수들은 낮은 차수보다 더 적합하게 감쇠되며, 그럼으로써 주요 차수의 감소의 긍정적인 효과가 우세해지게 된다.

상기 도출은 매우 간소화된 모델이다. 실제에서의 상이한 조건들로 인해, 상기 방법에 의해 비록 실제로 주요 엔진 차수의 완전한 삭제가 불가능하기는 하지만, 그러나 도 7에서 확인되는 것처럼 분명한 감소는 가능하다.

이 경우, 능동 변조를 이용한 클러치 슬립의 기능, 다시 말해 클러치 슬립 모드 2는 하기 매개변수들을 통해 결정된다.

한편으로, 매개변수는 진동 형태이다. 시간에 걸친 전달 가능 클러치 토크의 최적의 특성곡선은 클러치 입력부에서 주요 차수의 회전 불규칙성의 특성곡선에 따라서 결정된다. 선례에서, 상정된 가진은 오직 사인파일 뿐이었으며, 그리고 변조된 클러치 힘의 최적의 특성곡선도 마찬가지로 사인파였다. 실제 파워트레인에서는, 클러치 입력부에서 교번 토크의 이미 사전 디커플링된 주요 차수는 적어도 거의 사인파인 파형을 가지며, 그럼으로써 여기서도, 도 11에서 확인되는 우수한 결과들을 달성하기 위해, 클러치 토크의 변조는 사인 함수를 통해 표현될 수 있게 된다. 그러나 예컨대 도 12에서 확인되는 사다리꼴형 파형과 같은 다른 조화 및 비조화 함수들 역시도 기초가 될 수 있다. 동일한 방식으로, 진동 형태는 다수의 엔진 차수를 감소시키는 점에 대해 최적화될 수 있다. 이는, 단순한 경우에, 변조가 2개의 사인 진동들의 중첩을 통해 표현되되, 일측 사인 진동은 예컨대 점화 주파수를 포함하고 타측 사인 진동은 배가된 점화 주파수를 포함하는 것을 통해 가능하다.

그러나 슬립 컨트롤러를 통해 기설정되어 정상 작동점에서 일정한 상수 힘(F0)과, 전달 가능 토크의 변조를 위한 동적 힘(Fa)으로의 클러치의 작동력의 분할은 특히 본 발명의 작용 원리의 기재를 위한 개념 모델(conceptual model)이다. 구조적인 구현의 핵심은 실제로 2개의 힘들이 중첩되는지 그 여부이며, 예컨대 2개의 분리된 액추에이터들의 문맥에서는 개별 액추에이터가 클러치에 인가하는 힘이 그에 상응하게 가변되는지 그 여부, 또는 혼합 형태들이 이용되는지 그 여부이다.

본원의 방법에 대한 관건은 오직, 클러치의 전달 가능 토크가 적합한 형태로, 그리고 적합한 매개변수들에 의해 동적으로 변동된다는 점일 뿐이다. 주요 엔진 차수에 대한 매칭을 위해, 변조 주파수는 엔진의 점화 주파수에 상응해야 한다. 그에 따라, 변조 주파수는 엔진 속도에 따라서 상승한다. 3기통 4행정 엔진의 경우, 예컨대 1000 내지 2000rpm의 속도 범위에 대해 25 내지 50Hz의 필요한 변조 주파수가 달성된다. 실린더 차단식 엔진들의 경우, 특히 바람직하게는 슬립 작동의 제어는 전체 작동 모드(full operation) 및 차단 작동 모드(cutout operation)의 차수들 간의 전환을 가능하게 한다. 동일한 방식으로, 상위의 차수들에 부합하는 구성 또는 다수의 차수들에 부합하는 조합식 구성도 가능하다.

변조의 최적의 위상 위치는, 이미 함수의 이론상 도출에서 앞에서 기재한 것처럼, 슬립 장치의 입력 속도의 진동과 관련하여 180°이다.

특히 바람직하게는, 위상 변위는 180°±45°의 범위 이내이다.

위상 변위가 너무 적은 경우, 동위상 조건에서 최대가 되는 회전 불규칙성의 증대가 발생한다.

도 14에는, 하기 3가지 사례에 대해 도 4에 따른 자동차의 파워트레인 내에서의 다양한 변수들이 도시되어 있다.

제1 열: 슬립 모드 1;

제2 열: 슬립 모드 2 - 바람직한 범위에서의 위상 위치;

제3 열: 슬립 모드 2 - 바람직하지 못한 범위에서의 위상 위치.

최상위의 행에는, 슬립 클러치(30)의 입력 영역(31)에서의 속도가 각각 도시되어 있다. 엔진의 회전 불규칙성으로 인해, 예컨대 ZMS 및 속도 적응형 댐퍼(6)를 통한 사전 디커플링에도 불구하고 속도는 평균 속도, 여기서는 ~ 1205 U/min 안팎으로 변동되며, 이와 관련한 장치에 대해서는 도 5 및 6에서의 상술내용이 참조된다. 명확성을 위해, 미가공 신호에 추가로, 엔진-점화 차수로 속도의 진동 역시 표시되어 있다. 상기 엔진-점화 차수는 급속 푸리에 변환에 의해 전체 진동의 시간 특성곡선에서 산출될 수 있다.

제2 행에는, 슬립 클러치(30)의 입력 측(31)과 출력 측(32) 사이의 슬립 속도(ns), 및 능동 토크(Ma)가 도시되어 있다. 능동 토크(Ma)는 앞에서 제시한 능동 힘 성분(Fa)에 정비례하고, M_a = F_a·r·μ로 계산된다.

제1 열에서 능동 슬립 모드 1의 경우, 힘(Fa) 및 그에 따른 토크(Ma) 역시도 영(0)과 같다. 그에 따라, 슬립의 설정되는 특성곡선은, 평균 슬립(여기서는 5 l/min)을 획득하기 위해, 슬립 컨트롤러에 의해 설정된 작동력(F0)의 결과이며, 클러치에서의 가진, 다시 말해 속도 또는 토크 변동의 특성곡선; 및 슬립 속도에 걸친 클러치의 마찰 계수의 특성곡선;이다.

제2 및 제3 열에서 능동 슬립 모드 2의 경우, 힘 성분(Fa) 또는 능동 토크(Ma)의 사인파형 특성곡선은 정해진 진폭에 의해, 그리고 엔진의 점화 주파수에 의해 기설정된다.

제2 열에서, 점화 차수에서 클러치 전방의 속도의 특성곡선에 상대적인 능동 토크(Ma)의 특성곡선의 위상 위치는 그에 대한 그래프에서 약 180°이다. 달리 표현하면, 점화 차수에서 속도 변동이 최솟값들을 나타내는 시간 범위들에서, 능동 토크(Ma)는 최댓값들을 가지며, 그리고 그 반대의 경우에도 동일하다. 이는 능동 슬립 모드 2의 최적화된 매칭을 나타낸다.

제3 열에는, 능동 토크가 클러치의 입력 영역에서의 속도에 대해 대략 동위상에서 연장되는 것인 바람직하지 않은 사례가 도시되어 있다.

제3 행에서의 그래프에는, 클러치에 의해 전달된 토크가 다시금 초기 미가공 신호로서, 그리고 엔진-점화 차수에서 상기 미가공 신호의 성분으로서 도시되어 있다. 그리고 최적화된 위상 위치를 갖는 능동 슬립 모드(2)(열 2 참조)에 의해, 엔진 주요 차수에서 토크의 불규칙성은 거의 완전하게 평활화되는 점도 확인된다. 바람직하지 않은 위상 위치(열 3 참조)에 의해, 토크 불규칙성의 진폭은 능동 슬립 모드 1(열 1 참조)에 비해 심지어는 더욱더 증가된다.

변조의 위상 위치는 긍정적인 작용을 달성하기 위해 슬립 장치의 입력부에서의 속도와 관련하여 정확하게 180°가 되지 않아도 된다. 그러나 능동 슬립 모드 1에 대한 향상을 달성하기 위해, 바람직하게는 위상 변위는 180°±45° 범위 이내이다.

도 15에는, 정적 작동점에 대해, 도 14에서도 중간 열 및 상부 행에 도시된 것처럼, 슬립 장치(30)의 입력 영역(31)에서의 속도의 특성곡선이 도시되어 있다.

입력 속도(ne)는, 여기서는 ne의 특성곡선과 일치하기 때문에 별도로 도시되어 있지 않은 교번 성분(new)이 진동하는 정도에 해당하는 평균값(nem), 여기서는 1205 l/min을 갖는다. 교번 성분의 특성곡선은 실질적으로 엔진(50)의 특성, 특히 실린더들의 개수 및 사전 디커플링에 따라서 결정된다. 교번 성분은 급속 푸리에 변환(FFT)에 의해 거의 사인파형 진동들(newp_i)의 중첩으로서 표현될 수 있다. 교번 성분의 상기 주기적 부분 진동의 최저 주파수는 엔진의 점화 주파수이다. 추가 조화 진동들의 주파수들은 점화 차수에 대해 정수비이다. 실제 파워트레인에서, 점화 주파수에 대해 비정수 관계를 갖는 진동 성분들 역시도 발생할 수 있지만, 그러나 이 진동 성분들은 여기서는 무시된다. 도 15에는, 예시로 엔진 주요 차수(newp_1)로, 그리고 배가된 엔진 주요 차수(newp_2)로 주기적 교번 성분들이 도시되어 있다. 교번 성분들의 진폭들은 최솟값(newp_i_Min)과 최댓값(newp_i_Max) 사이에서 변동된다. 상기 교번 성분의 특성곡선은, 상응하는 엔진 차수에서 회전 불규칙성의 감소를 달성하기 위해, 슬립 장치의 활성화의 변조의 위상 변위(β)에 대한 기준 크기이다.

능동 토크(Ma)의 최적의 진폭이 존재하는데, 이 최적의 진폭은 현저하게 제0 차수의 평균 엔진 토크 및 평균 슬립 속도에 따라 결정된다. 다양한 부하 상태들에서 최적의 진폭과 평균 토크 사이에는 거의 선형인 관계가 존재한다.

특히 적합하게는, 슬립 장치에 의해 전달 가능한 토크의 변조의 진폭들은 평균 엔진 토크의 5와 15% 사이이다.

특히 통상 자동차 파워트레인들에서 이용되는 것과 같은 습식 마찰 클러치의 효과적으로 작용하는 마찰 계수는 클러치의 구동부와 출력부 사이의 순간 속도 차에 따라서 결정된다. 통상적으로, 특성곡선은, 슬립 속도에 걸쳐서 점감적 기울기(degressive gradient)가 형성되도록, 결정적으로 오일 내의 첨가제, 라이닝들의 재료 및 기하구조를 통해 매칭된다. 통상적인 마찰 계수 특성곡선은 도 16에 도시되어 있다.

본원에서 제안되는 슬립 클러치의 경우, 특히 바람직하게는, 마찰 계수는 0.05와 0.15 사이의 범위이며, 그리고 최대한 높은 슬립 속도까지 급상승한다. 30rpm까지의 슬립 범위에서 0.001/rpm과 0.005/rpm 사이의 속도에 걸친 마찰 계수의 기울기들이 특히 바람직하다. 평균 슬립 속도는 슬립 컨트롤러에 의해 조정된다. 슬립은 일반적으로 열 에너지의 형태로 소산되어야 하는 마찰 손실들을 야기하기 때문에, 최대한 낮은 평균 슬립 속도가 의도된다. 능동 변조된 슬립의 경우, 30rpm보다 작거나 같은, 특히 바람직하게는 10rpm보다 작거나 같은 평균 슬립 속도들이 바람직하다.

능동 슬립 모드 2는, 공지된 슬립 모드 1과 비교하여, 특히 낮은 속도 범위에서, 그리고 평균 속도 범위까지에서 디커플링의 분명한 향상을 가져온다. 상기 능동 슬립 모드 2에는, 슬립 클러치의 제어 및 작동 시에 복잡성이 상대적으로 더 적다는 장점이 있다. 특히 높은 속도에서, 그리고 파워트레인의 진동 거동에 따라서, 정해진 작동 상태들에서 회전 불규칙성 디커플링을 위해 슬립 역시 필요하지 않을 수 있다.

그에 따라 수요 기반 작동 전략을 구현하는 것이 중요하다. 상기 작동 전략은 하기 패턴에 맞춰질 수 있다.

	저속도	평균 속도	고속도
고부하	슬립 모드 2	슬립 모드 2	슬립 모드 1
중간 부하	슬립 모드 2	슬립 모드 1	슬립 없음
저부하	슬립 모드 1	슬립 없음	슬립 없음

이 경우, 변속단에 따라서 발생하는 진동 노드점들 또는 출발 또는 공진과 같은 특별한 작동 상태들도 마찬가지로 고려된다.

1: 토크 전달 장치
2: 일차 질량부
3: 중간 질량부
4: 이차 질량부
6: 댐퍼 유닛 / 속도 적응형 댐퍼 유닛 / 가변 속도고정형 댐퍼 유닛 / 댐퍼
7: 변속기 입력 샤프트
10: 제1 스프링 세트 / 토션 댐퍼 / 이중질량 플라이휠
15: 비틀림 진동 댐핑 유닛
20: 제2 스프링 세트 / 토션 댐퍼 / 이중질량 플라이휠
25: 입력 영역
30: 슬립 장치 / 슬립 클러치 / 슬립형 클러치
31: 슬립 장치의 입력부
32: 슬립 장치의 출력부
33: 변속기 유닛
35: 출력 영역
40: 외부 활성화
45: 외부 활성화
72: 토크 컨버터 로크업 클러치
100: 변속기 입력 샤프트
M: 토크 경로
Mm: 평균 토크
Mw: 중첩된 교번 토크
ne: 입력 속도
na: 출력 속도
nm: 평균 속도
ns: 속도 슬립
newp: 중첩된 교번 성분
newp_i: 주기적 진동
newp_i_Min: 주기적 진동의 최솟값
newp_i_Max: 주기적 진동의 최댓값
A: 회전축
B: 회전축

Claims (8)

1. 자동차의 파워트레인을 위한 토크 전달 장치(1) 내에서, 중첩된 교번 토크(Mw)를 포함한 평균 토크(Mm)를 전달하고 감쇠하기 위한 방법이며, 토크 전달 장치는 회전축(A)을 중심으로 회전 가능한 입력 영역(25)과 회전축(B)을 중심으로 회전 가능한 출력 영역(35)을 포함하며, 중첩된 교번 토크(Mw)를 포함한 평균 토크(Mm)는 토크 경로(M)를 따라서 입력 영역(25)에서부터 출력 영역(35)으로 전달되며, 토크 전달 장치(1)의 입력 영역(25)은 입력 속도(ne)로 회전축(A)을 중심으로 회전하고 토크 전달 장치의 출력 영역(35)은 출력 속도(na)로 회전축(B)을 중심으로 회전하며, 적어도 입력 속도(ne)는 평균 속도(nem) 및 중첩된 교번 성분(newp)으로 구성되며, 교번 성분(new)은 거의 주기적 속도 진동들(newp_i)의 중첩을 통해 표현될 수 있고, 주기적 속도 진동들의 주파수들(f)은 점화 주파수(Zf)에 대해 실질적으로 정수비(i)이며, 상기 주기적 진동들(newp_i) 각각은 최솟값(newp_i_Min)과 최댓값(newp_i_Max)을 가지며, 슬립 장치(30)는 토크 경로(M) 내에서 입력 영역(25)과 출력 영역(35) 사이에서, 중첩된 교번 토크(Mw)를 포함한 평균 토크(Mm)의 전달을 위해, 그리고 토크 경로(M) 내에서 속도(ne)와 속도(na) 간의 속도 슬립(ns)의 생성을 위해 제공되는 것인, 상기 토크 전달 및 감쇠 방법에 있어서,
   슬립 장치(30)는 상기 교번 성분(newp)의 적어도 하나의 주기적 진동 성분(newp_i)의 최댓값들(newp_i_Max)의 범위에서 상기 속도 슬립(ns)의 외부 활성화(40)의 최댓값을, 그리고 상기 교번 성분(newp)의 적어도 하나의 주기적 진동 성분(newp_i)의 최솟값들(newp_i_Min)의 범위에서는 상기 속도 슬립(ns)의 외부 활성화(45)의 최솟값을 제공하는 것을 특징으로 하는, 토크 전달 및 감쇠 방법.
2. 제1항에 있어서, 슬립 장치(30)의 외부 활성화(40; 45)는 유압 유닛에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는, 토크 전달 및 감쇠 방법.
3. 제1항에 있어서, 슬립 장치(30)의 외부 활성화(40; 45)는 전기 유닛에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는, 토크 전달 및 감쇠 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외부 활성화(40; 45)는, 슬립 장치(30)에 23 내지 50Hz의 변조 범위, 또는 33 내지 66Hz의 범위, 또는 50 내지 100Hz의 범위를 제공하기에 적합한 것을 특징으로 하는, 토크 전달 및 감쇠 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 슬립 장치(30)는 스타팅 부재로서 이용되는 것을 특징으로 하는, 토크 전달 및 감쇠 방법.
6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 슬립 장치(30)에 추가로 스타팅 부재가 제공되는 것을 특징으로 하는, 토크 전달 및 감쇠 방법.
7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 슬립 장치(30) 및/또는 상기 스타팅 부재는 마찰 클러치로서, 또는 다판 클러치로서, 또는 유체역학 클러치로서, 또는 하이브리드 구동장치 내의 분리형 클러치로서, 또는 더블 클러치로서, 또는 트리플 클러치로서 구현되거나, 또는 유성기어 변속기와 관련된 클러치 또는 브레이크로서 구현되는 것을 특징으로 하는, 토크 전달 및 감쇠 방법.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회전축(A) 및 상기 회전축(B)은 동축으로 연장되거나, 또는 상기 회전축(A) 및 상기 회전축(B)은 오프셋 되어 연장되는 것을 특징으로 하는, 토크 전달 및 감쇠 방법.

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