KR20190039303A - 기어박스 샤프트에 아이들러 기어를 동기화하기 위한 방법 - Google Patents

Abstract

평행-샤프트 기어박스의 이차 샤프트에 아이들러 기어(idler gear)의 결합 전에 아이들러 기어를 동기화하기 위한 방법으로서, 상기 평행-샤프트 기어박스는, 차량의 구동원(drive source)에 연결된 적어도 하나의 일차 샤프트(primary shaft), 상기 구동원으로부터 차량의 바퀴들로 변속비(transmission ratio)로 토크를 전달하기 위한 아이들러 기어(idler gear)를 지닌 적어도 하나의 이차 샤프트(secondary shaft), 및 상기 아이들러 기어를 기계적 동기화 부재들을 가지지 않은 아이들러 기어의 샤프트에 결합하는 적어도 하나의 결합 수단을 포함하며, 상기 구동원은, 결합 전에, 상기 구동원의 동기화 속도에 대한 차동 속도(differential speed)를 부과하는 속도로 제어되고, 이 차동은, 차동의 사라짐에 응답하여 결합할 때 차량에 의해 흡수되는 에너지의 양의 함수로서 결정된다.

Description

기어박스 샤프트에 아이들러 기어를 동기화하기 위한 방법

본 발명은 기어박스 내의 기어 변속(gearshift)의 제어 분야에 관한 것이다.

더욱 정확하게는, 본 발명의 대상은, 차량의 구동원(drive source)에 연결된 적어도 하나의 일차 샤프트(primary shaft)와, 상기 구동원으로부터 차량의 바퀴들로 변속비(transmission ratio)로 토크를 전달하기 위한 아이들러 기어(idler gear)를 지닌 적어도 하나의 이차 샤프트(secondary shaft)와, 아이들러 기어를 그것의 샤프트에 기계적 동기화 부재들 없이 결합하는 적어도 하나의 수단을 포함하는 평행-샤프트 기어박스의 이차 샤프트에 아이들러 기어의 결합 전에 아이들러 기어를 동기화하기 위한 방법이다.

본 발명은, 차량의 바퀴들에 연결된 샤프트 상에서 자유롭게 회전할 수 있는 기어 휠들(gear wheels)의 동기화가 견인(traction) 전원 또는 열원(thermal source)의 토크 또는 속도에 대한 제어에 의해 보장되는, 평행 샤프트들을 가진 임의의 하이브리드 또는 전기 변속기에 적용될 수 있다. 본 발명은, 비제한적이지만, 바람직하게는, 평평한 면을 가진 도깅 톱니들(dogging teeth) 또는 도그들(dogs)을 갖춘 아이들러 기어의 기계적 연결을 보장하기 위해 결합 수단이 샤프트 상에서 변위될 때에 적용된다.

본 발명은 특히 토크를 상이한 변속비들로 바퀴들로 전달할 수 있는 제1 기어박스 입력 샤프트에 연결된 열 엔진과, 제2 입력 샤프트에 연결된 제1 전기 기계와, 기어박스의 제1 또는 제2 입력 샤프트에 번갈아 연결되는 제2 전기 기계로 구성된 하이브리드 파워 트레인에 대해 이점이 있다.

아이들러 기어를 그것의 샤프트에 결합하기 위한 부재가 결합 전에 속도 차동(speed differential)이 감소되도록 허용하는 기계적 동기화 부재와 연관되지 않을 때, 그리고 견인 구동원이 기어박스의 일차 샤프트에 연결된 상태로 유지될 때, 아이들러 기어를 그것의 샤프트에 동기화하는 것은 견인 구동원을 작동 중에 제어함으로써 수행된다.

공개특허 FR 2 988 799호로부터 알려진 기어박스 샤프트에 기어를 동기화하는 방법에서, 일차 속도와 감속비(reduction ratio)로 곱해진 이차 속도 사이의 차이를 최소화하기 위해, 최소 전달 가능한 토크와 동일한 기준 토크를 제어하기 위한 신호를 생성하기 위해 에너지원이 제어된다.

도그(dog)와 아이들러 기어의 동기화를 제어함으로써 감속비를 적용할 수 있도록 하기 위해, 이러한 요소들 사이의 속도 차동을 설정할 필요가 있으며, 이는, 아이들러의 도그들이 아이들러 기어의 두 개의 톱니들 사이에 삽입되도록 허용하기 위해, 일반적으로 톱니-대-톱니 차단(tooth-against-tooth blocking)의 지속 기간(duration)을 제한하는 방법으로 고정된다. 속도 차동은, 예를 들어, 대략 50rpm으로 조절될 수 있다. 결합 중에, 견인 구동원의 속도가 이차 샤프트에 의해 새로운 감속비로 부과된 값으로 즉각적으로 변하기 때문에, 속도 차동은 즉각적으로 사라진다. 제어된 견인 구동원은 충격을 받으며, 충격 에너지는 차량에 의해 흡수된다. 흡수된 에너지가 어떤 양을 넘게 되면, 차량의 승객들이 그 충격을 불편하게 감지하게 된다.

본 발명의 목적은 결합 속도들의 제어된 동기화와 관련된 이러한 단점들을 방지하는 것이다.

이러한 목적을 위해, 본 발명은, 결합 전에, 적용될 변속비(transmission ratio)에서 구동원(drive source)의 동기화 속도에 대한 특정한 차동(differential)을 상기 구동원에 부과하는 속도로 상기 구동원을 제어하는 것을 제안한다. 상기 속도 차동은, 차동의 사라짐에 응답하여 결합할 때 차량에 의해 흡수되는 에너지의 양의 함수로서 결정된다.

바람직하게는, 상기 속도 차동은 차량에 의해 흡수되는 에너지의 양을 허용 임계값 아래로 유지하도록 계산된다.

본 발명은 아래의 첨부된 도면들을 참조한 특정 실시예의 설명을 정독함으로써 더욱 쉽게 이해될 것이다.
- 도 1은 하이브리드 기어박스의 구성 도표이며,
- 도 2는 기어의 결합을 도시하며,
- 도 3은 변속 중 위치와 속도에 대한 곡선들을 재현한 것이며,
- 도 4, 5 및 6은 기어박스의 이차 샤프트의 속도의 함수로서 차동 속도에 대한 곡선들을 재현한 것들이다.

도 1의 기어박스(1)는 "로봇화된(robotized)" 유형이며, 예를 들어, 다시 말해서 비록 기어 변속은 자동화되었지만 그 기능은 수동 박스(manual box)의 기능이다. 도표에는 HSG(하이브리드 시동기-발전기)(5)로 지칭되는 전기 기계(electrical machine)와, 중실형 일차 샤프트(solid primary shaft) 상의 열 엔진(thermal engine)(3)이 나타나 있다. ME로 지칭되는 또 다른 전기 기계(2)는 HSG보다 더 강력하며 중공형 일차 샤프트(hollow primary shaft)(6)에 장착된다. 상기 박스의 이차 샤프트(secondary shaft)(7)는 차동장치(differential)(미도시)에 연결되며 그 다음에 차량의 바퀴들에 연결된다.

상기 이차 샤프트(7) 상에 위치한 제1 결합 수단(8)은, 이용 가능한 두 개의 전기적 비율들(electrical ratios) [EV1] 및 [EV2]를 가지기 위해, 상기 박스의 나머지와는 독립적인 방식으로 상기 전기 기계(ME)(2)의 비율의 변경을 허용한다. 상기 중실형 일차 샤프트(4) 상에 위치한 제2 결합 수단(9)은, 전기적 비율들과는 독립적으로 두 개의 열적 비율들(thermal ratios) [Th2] 및 [Th4]를 설정하기 위해, 전기적 비율들과는 독립적인 방식으로 상기 열 엔진(3)의 비율의 변경을 허용한다. 전달 샤프트(transfer shaft)(10) 상에 위치한 제3 결합 수단(11)은 도표 내에서 우측을 향해 이동할 때 제3 열적 비율 [Th3]의 설정을 허용한다. 상기 제1 전기 기계(2)(ME)에서 원하는 비율을 그리고 상기 열 엔진(3)(Mth)과 제2 전기 기계(5)(HSG)에서 원하는 비율을 독립적인 방식으로 선택하는 것은 항상 가능하다. 상기 열적 비율들과 전기적 비율들의 조합은 하이브리드 비율들이 성취되도록 허용한다.

도 1의 기어박스(1)는 하이브리드 기어박스이며, 도 2에 도시된 바와 같이, 하이브리드 기어박스의 결합 부재들은 어떠한 기계적 동기화 수단(동기장치)을 가지지 않고 평평한 도깅 톱니들(dogging teeth)(12)을 가지며, 상기 도깅 톱니들(12)은 일반적으로 "도그들(dogs)"로서 지칭되며, 마찬가지로 기어들의 평평한 결합 톱니들(13)과 맞물리게 된다. 상기 도그 시스템은 통합된 동기화 장치를 가지지 않는다. 그러나, 비율의 적용은 오직 기어와 그 샤프트 사이의 속도의 차이가 기어의 "도깅(dogging)" 또는 "도그 클러칭(dog-clutching)"을 허용하는 제어된 차동(controlled differential)까지 감소한 후에 일어날 수 있다. 도 2에서, 결합 수단(9, 10 또는 11)은 중립이며, 중심 위치에 있고, 평평한 톱니들(13)을 가진 두 개의 기어 휠들(미도시)로부터 동일한 거리에 있다.

도 3은 도 1의 기어박스에서 제1 전기적 비율(EV1)(낮은 비율)로부터 제2 비율(EV2)(높은 비율)을 향한 변속(shift)에 관한 것이다. 도 3은 변속의 상이한 단계들을 보여준다. 제1 곡선들(A와 B)은 도그의 설정 위치(A)와 도그의 측정 위치(B)를 보여준다. 5mm를 넘으면, 제1 비율(EV1)이 적용된다. -5mm 아래에서, 제2 비율(EV2)이 적용된다. EV1과 EV2 사이에서 비율을 변경하기 위해, 도그를 0mm에 있는 중립 위치에 배치함으로써 비율(EV1)은 포기된다(비율이 적용되지 않음). 그 다음에, ME는 비율(EV2)의 적용을 허용하는 속도(곡선 C)로 회전하도록 제어되며, 그 속도는 6000rpm으로부터 대략 2200rpm으로 변경된다. ME가 도그에서 정확한 속도 차동을 보장하는 속도에서 안정화되었을 때, 도그가 맞물릴 수 있다. 위에서 지적한 바와 같이, 도깅의 시점에서, ME는 도그에서 차동을 보장하는 속도로부터 동기 속도로 갑작스럽게 움직인다.

기어는 기어박스의 이차 샤프트와 동기화되고 결합되며, 상기 기어박스는, 차량의 구동원(drive source)에 연결된 적어도 하나의 일차 샤프트와, 상기 구동원으로부터 차량의 바퀴들로 변속비(transmission ratio)로 토크를 전달하기 위한 아이들러 기어(idler gear)(14)를 지닌 적어도 하나의 이차 샤프트(secondary shaft)와, 기어를 결합하는 적어도 하나의 수단을 포함하는 평행 샤프트 박스이다. 상기 결합 수단은 어떠한 기계적 동기화 부재들도 가지지 않는다. 결합 중에, 제어를 책임지는 상기 구동원은, 이 경우에 상기 전기 기계(ME)는, 상기 이차 샤프트에 의해 부과된 속도가 급등하는 것을 경험한다. 상기 ME에 의해 흡수된 에너지는 차량에 의해 흡수된다. 이 예에서, 기어들 EV1의 감속 비율(demultiplication ratio)은 2.26이고 EV2의 비율은 0.87이기 때문에, EV1으로부터 EV2를 향한 가속변속(upshift)의 경우에 상기 전기 기계의 속도는 감소한다. 만약, 비율의 변경 바로 전에, 상기 전기 기계가 6000rpm으로 회전하였다면, 상기 이차 샤프트는 비율 EV1으로 (6000/2.26), 또는 ω2 = 대략 2650rpm으로 회전하고 있었다. 가장 가능한 조건하에서 도깅(dogging)을 보장하기 위해, 다시 말해서 상기 기어(14)의 톱니들 사이에 도그들이 확실하게 도깅되도록 하기 위해, 상기 ME는, 정확한 동기화 속도가 아니라, 도깅 중에 도그들과 기어 사이에 있도록 대략 50rpm의 속도 차동을 위해 제어된다. 이 값은 도그들과 기어(14) 사이의 "톱니-대-톱니(tooth-on-tooth)" 도깅을 방지하는 최대 시간의 함수로서 결정된다. 여기서 설명된 예에서, 예를 들어, 도깅 중에 도그들과 기어 사이에 50rpm의 차동을 제안하는 방식으로, 2700rpm의 아이들러 기어에서의 속도에 대응되는 ME의 속도에서 도깅이 일어나는 것이 제안된다. 상기 ME는 도깅의 순간에 2700 X 0.87 = 2349rpm(ω1)으로부터 2650 X 0.87 = 2305rpm(ω2)으로 갑작스럽게 움직인다. 모터가 0.05kg/㎡의 관성력을 가진 것으로 고려하면, 비율 EV2에서 도깅 시에 차량에 의해 흡수되는 에너지(E)는 아래와 같다:

EV2로부터 EV1으로의 감속변속(downshift)에 있어서, 2650rpm의 동일한 이차 속도에서, ME의 속도 ω = 6102 rpm을 위해 EV1의 아이들러 기어의 속도는 2700rpm의 속도로 조절되어야 한다. ME의 속도는 도깅 시에 6000 rpm으로 갑작스럽게 움직인다. 차량은 아래와 같은 에너지(E)를 흡수한다:

도깅 시에 흡수되는 에너지의 양은 이전보다 대략 6배 많다. 이는 충격을 발생시키며, 이 충격은 특히 높은 속도에서 EV1으로 변속하는 경우에 인식된다. 이러한 인식을 피하기 위해, 본 발명은 도그의 레벨에서 속도 차동을 특정한 방식으로: "톱니-대-톱니(tooth-on-tooth)"의 최대 가능 시간의 함수로서, 그리고 도깅할 때 차량에 의해 흡수되는 에너지의 함수로서 조절하는 것을 제안한다. 따라서, 상기 구동원은, 결합 전에, 적용될 변속비(transmission ratio)에서 구동원의 동기화 속도에 대한 차동 속도를 상기 구동원에 부과하는 속도로 제어된다. 따라서, 상기 차동은, 급격한 차동이 사라짐에 응답하여 결합할 때 차량에 의해 흡수되는 에너지의 양의 함수로서 결정된다.

특정한 이차 속도로부터 출발하는 속도 차동에 있어서의 감소는 흡수되는 에너지(E)의 양을 제한하기 위해 선택된다. 그 다음에, 속도 차동은, 차동이 사라진 때 차량에 의해 흡수되는 에너지의 양을 허용 임계값(tolerance threshold) 아래로 유지하도록 계산된다.

흡수되는 에너지(E)는 차동의 함수로서, 그리고 이차 샤프트의 속도의 함수로서 아래와 같이 기재될 수 있다.

여기서:

* E는 도깅 시에 흡수되는 에너지이며,

* J는 직접 접촉된 전기 기계와 기어들의 관성이며,

* α는 목표 비율의 감속 비율(demultiplication ratio)이며,

* ω는 이차 속도이며,

* δ는 도그에서 속도 차동(speed differential)이다.

주어진 이차 속도(ω)에서 흡수되는 에너지(E)의 레벨을 제안하기 위해, 속도 차동은 아래와 동일하여야 한다.

ME의 속도의 함수로서 EV2로의 변속을 위해 이용 가능한 에너지 200줄(Joule)을 가지기 위한 속도 차동에 대한 곡선(D)은 도 4에 도시되어 있다. 이 곡선 아래에서는, 200줄의 임계값에 도달되지 않는다. 5000 rpm까지, 상기 곡선(D)은 50 rpm 이상이다. 200줄의 목표를 충족하기 위해 차동을 증가시킬 필요는 없다. 5000 회전수로부터, 상기 곡선(D)은 50 rpm의 임계값(곡선 (E)) 아래를 지나가기 때문에, 더 이상 그렇지 않다. 50 rpm의 값은 이미 톱니-대-톱니에서의 최대 시간 제한을 충족하기 때문에, 차동을 5000 rpm까지 증가시킬 필요는 없다. 따라서, 도 4의 청색 곡선(D)과 녹색 곡선(E) 사이에서 최소값을 취함으로써, EV2로의 변속을 위한 차동 맵(map)을 생성하는 것이 가능하다.

본 발명은, 흡수된 에너지의 허용 임계값을 충족하도록 하기 위해, 특히 2차 샤프트의 속도 임계값까지 속도 차동을 일정한 기준값으로 유지할 것을 제안하며, 이차 샤프트의 속도 임계값을 넘어서 속도 차동은 이차 샤프트의 속도의 함수로서 감소한다. EV2로부터 EV1로의 변속의 경우에, 소멸되는 에너지는 더 많아지게 되며, 도 6의 맵은, 정보 목적을 위해 위에서 나타낸 값들의 함수로서 얻어진다. 동일한 목표에 충족되도록 하기 위해, 그리고 변속의 편안함을 보존하기 위해, 이 변속은 600 rpm으로부터 속도 차동의 감소를 도입한다.

위에서 설명된 예와 같이, 속도 차동의 기준값은 유리하게는 50 rpm이다.

가장 가능한 조건하에서 이 방법을 시행하기 위해, 본 발명은 또한 아래의 실제적인 조치들을 채택할 것을 제안한다.

- 결합 수단의 요소들과 아이들러 기어의 결합을 보장하기 위해 이들 사이에서 충족될 맞물림 시간 제한(meshing time constraint)의 함수로서 속도 차동의 일정한 값을 결정하며, 및/또는

- 아이들러 기어를 향한 결합 수단의 진행 중에 상기 아이들러 기어의 결합 톱니들과 접촉하게 되는 상기 결합 수단의 도그들의 표면의 함수로서 상기 맞물림 시간 제한을 결정한다.

위에서 고려된 기어변속은 전기적 비율들의 변속들이다. 그럼에도 불구하고, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고서, 동일한 유형의 분석이 열적 비율들의 변속을 위해 수행될 수 있으며, 과정 중에 차량에 의해 흡수되는 에너지를 제어하기 위해 적용되는 방법도 동일하다.

마지막으로, 예를 들어 "킥다운(kick down)" 유형의 가속 페달의 눌림에 응답한 "감속 변속(down-shifting)"의 경우에, 상기 맵이 더 낮은 차동의 값을 주는 경우에도, 차동을 50 rpm으로 강제하는 것이 필요할 수 있다. 사실, 속도 차동의 감소는 도깅 중에 인지되는 충격이 사라지도록 하지만, 도깅 중에 더 긴 톱니-대-톱니 차단으로 이어질 수 있다. 그러나, 기어 변속은 약간 더 길어질 수 있다. 운전자에 의한 차량의 가속 페달의 눌림에 응답한 감속 변속의 어떤 경우에, 속도 차동은 기준값으로 유지될 수 있으나, 반면에 흡수된 에너지의 허용 임계값은 초과된다. 50 rpm에서의 차동에 대해 도깅은 평균적으로 150 ms가 걸린다. 차동을 2로 나눔으로써, 변속 시간은 두 배가 된다. 운전자가 강한 가속을 원하는 경우에, 충분히 신속한 도깅을 유지하기 위해 차동은 50 rpm으로 강제된다. 발을 바닥에 내려 놓은 가속의 경우에 충격은 더 용인될 수 있다.

본 발명은, 도깅을 위한 속도 차동의 계산에 새로운 치수를 통합함으로써, 도 1과 같은 기어박스 내의 하이브리드 비율들의 변속의 질이 현저하게 향상된다. 본 발명의 실행은 오직 차동의 계산에 대한 소프트웨어 수정만 요구하며, 이후에 예를 들어, "킥 다운(kick down)"의 경우들을 확인하기 위해 이차 샤프트의 속도와 가속 페달의 위치의 변화 속도에 의존한다.

본 발명의 범위 내에서, 다수의 구동원들을 가진 하이브리드 변속기의 작동 모드에 따라 차량의 전기 견인 기계, 차량의 열 견인 엔진, 또는 다수의 구동원들 중 어느 것을 작동시킴으로써 속도 차동이 설정된다.

Claims (10)

1. 평행-샤프트 기어박스의 이차 샤프트에 아이들러 기어(idler gear)(14)의 결합 전에 아이들러 기어(14)를 동기화하기 위한 방법으로서,
   상기 평행-샤프트 기어박스는, 차량의 구동원(drive source)(2)에 연결된 적어도 하나의 일차 샤프트(primary shaft)(6), 상기 구동원으로부터 차량의 바퀴들로 변속비(transmission ratio)로 토크를 전달하기 위한 아이들러 기어를 지닌 적어도 하나의 이차 샤프트(secondary shaft)(7), 및 기계적 동기화 부재들을 갖지 않고 아이들러 기어를 아이들러 기어의 샤프트에 결합하는 적어도 하나의 결합 수단(8)을 포함하며,
   상기 구동원은, 결합 전에, 적용될 변속비(transmission ratio)에서 구동원의 동기화 속도에 대한 차동 속도(differential speed)를 구동원에 부과하는 속도로 제어되고, 이 차동은, 차동의 사라짐에 응답하여 결합할 때 차량에 의해 흡수되는 에너지(E)의 양의 함수로서 결정되는 것을 특징으로 하는, 아이들러 기어를 동기화하기 위한 방법.
2. 제1항에 있어서,
   속도 차동은, 차동이 사라질 때 차량에 의해 흡수되는 에너지의 양을 허용 임계값(tolerance threshold) 아래로 유지하도록 계산되는 것을 특징으로 하는, 아이들러 기어를 동기화하기 위한 방법.
3. 제2항에 있어서,
   흡수된 에너지의 허용 임계값을 충족하기 위해, 속도 차동은 상기 이차 샤프트의 속도 임계값(speed threshold)까지 일정한 기준값으로 유지되며, 상기 이차 샤프트의 속도 임계값을 넘어서 상기 이차 샤프트의 속도의 함수로서 감소하는 것을 특징으로 하는, 아이들러 기어를 동기화하기 위한 방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 차동의 기준값은, 상기 결합 수단(8)의 요소들과 상기 아이들러 기어(14)의 결합을 보장하기 위해 상기 결합 수단(8)의 요소들과 상기 아이들러 기어(14) 사이에서 충족될 맞물림 시간 제한(meshing time constraint)의 함수로서 결정되는 것을 특징으로 하는, 아이들러 기어를 동기화하기 위한 방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 맞물림 시간 제한은, 상기 결합 수단이 상기 아이들러 기어를 향해 진행하는 중에 상기 아이들러 기어(14)의 결합 톱니들(13)과 접촉하게 되는 상기 결합 수단의 도그들(dogs)(12)의 표면에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는, 아이들러 기어를 동기화하기 위한 방법.
6. 제3항, 제4항, 또는 제5항에 있어서,
   속도 차동은 기준값으로 유지되며, 반면에, 감속-변속(down-shifting)의 특정한 경우에, 운전자에 의한 차량의 가속 페달의 누름에 응답하여, 흡수된 에너지의 허용 임계값은 초과되는 것을 특징으로 하는, 아이들러 기어를 동기화하기 위한 방법.
7. 전기한 항들 중 한 항에 있어서,
   속도 차동의 기준값은 50 rpm 정도인 것을 특징으로 하는, 아이들러 기어를 동기화하기 위한 방법.
8. 전기한 항들 중 한 항에 있어서,
   속도 차동은 차량의 전기 견인 기계(electrical traction machine)(ME)를 작동시킴으로써 설정되는 것을 특징으로 하는, 아이들러 기어를 동기화하기 위한 방법.
9. 전기한 항들 중 한 항에 있어서,
   속도 차동은 차량의 열 견인 엔진(thermal traction engine)(Mth)을 작동시킴으로써 설정되는 것을 특징으로 하는, 아이들러 기어를 동기화하기 위한 방법.
10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    속도 차동은, 다수의 구동원들을 가진 하이브리드 변속기의 작동 모드에 따라 다수의 구동원들 중 어느 하나를 제어함으로써 설정되는 것을 특징으로 하는, 아이들러 기어를 동기화하기 위한 방법.

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