KR20200106054A - 변속기 샤프트 상의 기어 휠들의 내부 커플러들의 해제를 제어하기 위한 방법, 변속기 및 파워트레인 - Google Patents

변속기 샤프트 상의 기어 휠들의 내부 커플러들의 해제를 제어하기 위한 방법, 변속기 및 파워트레인 Download PDF

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KR20200106054A
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세드릭 샹트렐
아드리앙 샤므르와
마오 루악 르
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르노 에스.아.에스.
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Abstract

분리 클러치가 없는 변속기의 입력부에 연결된 열 엔진에 의해 제공되는 토크에 또는 토크로부터의 변속비(transmission ratio)를 적용 또는 취소하기 위해 기어변속 액추에이터(gearshift actuator)(16)에 의해 제어되는 내부 변속기 커플러(internal transmission coupler)(8, 12)의 톱니들(teeth)의 해제를 제어하는 방법으로서, 상기 열 엔진이 맞물린 기어에서 감속 중에 스톨(stalling)의 위험이 있는 임계 상황(critical situation)으로 들어갈 때, 열 엔진의 속도에 따라, 스톨을 방지하기 위해 상기 액추에이터(16)가 맞물린 기어를 해제시키도록 강제되는 제1 임계 구역(critical zone)이 결정되며, 엔진 속도와 엔진의 감속(deceleration)에 따라, 연료의 분사를 방지함으로써 엔진의 스톨이 제어되는 제2 임계 구역이 결정되는 것을 특징으로 한다.

Description

변속기 샤프트 상의 기어 휠들의 내부 커플러들의 해제를 제어하기 위한 방법, 변속기 및 파워트레인
본 발명은 하이브리드 차량의 파워트레인(powertrain)의 제어에 관한 것이다.
보다 구체적으로, 본 발명의 주제는, 분리 클러치(decoupling clutch) 없이, 변속기의 입력부에 연결된 연소 엔진에 의해 공급된 토크의 전달을 위한 변속비(transmission ratio)의 맞물림 또는 맞물림 해제를 위해, 기어변속 액추에이터(gearshift actuator)의 제어하에 있는 내부 변속기 커플러(coupler)의 톱니의 맞물림 해제를 제어하는 제어 방법이다.
본 발명의 다른 주제는 분리 클러치 없이 제1 변속기 입력 샤프트에 연결된 연소 엔진, 제2 변속기 입력 샤프트에 연결된 전기 기계, 및 기어변속 액추에이터의 제어하에 있는 기어 휠에 결합되는 결합 톱니를 가진 적어도 하나의 커플러를 포함하는 하이브리드 파워트레인과 변속기이다.
대부분의 도로 주행 차량에서, 엔진으로부터 바퀴로의 동력의 전달은 다중 구성을 가진 기어박스를 통해 달성된다.
일부 하이브리드 차량은 연소 엔진과 기어박스 사이에 분리 클러치가 없는 죠오(jaw) 또는 "클로(claw)" 클러치 커플링들을 가진다.
연소 엔진과 적어도 하나의 전기 기계로부터의 토크들이 바퀴들의 방향으로 조합되는, 몇몇의 전기, 엔진 및 하이브리드 기어비들(gear ratios)을 가지는, 이러한 유형의 하이브리드 변속기는 특허공개 W0 2014/207332호로부터 알려져 있다.
연소 엔진에서 유래한 토크는 "엔진" 변속 기어비에서 바퀴들로 전달되며, 주된 전기 기계로부터의 토크는 "전기적" 기어비에서 전달된다.
연소 엔진들은 특정 속도 아래에서 작동이 불가능하다. 종래의 반자동 또는 자동 변속기에서, 제동(braking) 상태에서 바퀴들로부터 엔진을 분리하라는 요구가 클러치에 부과되며, 이는 엔진의 스톨(stall)을 초래하는 위험을 수반한다. 변속기의 입력 측에 분리 클러치가 없을 때, 제동은 엔진을 정상적으로 작동할 수 없도록 하는 상태 하에 놓을 수 있으며, 스톨을 초래할 수 있다.
위에서 언급된 하이브리드 파워트레인들(PTs)에서, 죠오 커플링(jaw coupling)의 맞물림(engagement) 및 맞물림 해제(disengagement)는, 변속기의 내부 액추에이터들의 관리와 차량의 토크 액추에이터들(내연 엔진과 전기 모터)의 관리 둘 다를 포함하는 전략(strategy)을 통해 달성된다.
기어박스 기어 휠들의 맞물림 해제를 보장하기 위해, 충분히 긴 시간 동안, 죠오 커플링에서의 잔류 토크를 결정된 임계값 아래로 감소시킬 필요가 있다. 급제동 상황에서, 관련된 액추에이터들은 엔진이 저하된 작동 범위에 들어가기 전에 이러한 목적들을 달성할 수 있는 능력을 항상 가지지는 않는다.
엔진 속도가 정상 작동을 허용하기에는 너무 낮은 속도 범위에 있을 때, 내연 엔진은 양의 토크(positive torque)를 발생시키기 쉬운 폭발을 일으켜 공전(idle)을 규제한다. 이러한 폭발은 구동 트레인을 통해 차량 전체에 충격을 주는 덜컥거림과 진동을 초래한다. 이는 사용자에 의해 매우 불쾌하게 느껴진다.
본 발명의 목적은 연소 엔진의 저하된 작동(downgraded operation)과 연소 엔진의 스톨에 의해 구동 트레인과 차량으로 전달되는 덜컥거림과 진동을 제한하는 것이다.
이 목적을 위해, 상기 연소 엔진이 맞물린 기어비(gear ratio)로 감속하에서 스톨(stalling)의 위험이 있는 임계 상황(critical situation)으로 들어갈 때,
- 스톨을 방지하기 위해 상기 액추에이터가 기어비를 맞물림 해제시키도록 강제되는 제1 임계 구역(critical zone)이 연소 엔진 속도의 함수로서 결정되며,
- 연료의 분사를 방지함으로써 엔진의 스톨이 관리되는 제2 임계 구역이 엔진 속도와 감속(deceleration)의 함수로서 결정된다.
바람직하게는, 상기 제1 임계 구역은, 상기 액추에이터가 상기 변속기의 회전 부품들에 의해 상기 커플러의 톱니들에 가해지는 합성 토크(resultant torque)의 함수로서 기어비를 맞물림 해제시키는 능력을 가지는 구역이다.
바람직하게는, 상기 제2 임계 구역은, 상기 액추에이터가 상기 변속기의 회전 부품들에 의해 상기 커플러의 톱니들에 가해지는 합성 토크(resultant torque)의 함수로서 기어비를 맞물림 해제시키는 능력을 가지지 않는 구역이다.
제안된 변속기와 하이브리드 파워트레인(PT)에서, 기어변속 액추에이터와 연소 엔진의 연료 분사는 이 전략에 따라 관리된다.
본 발명은 첨부된 도면들에 관련된 하나의 비제한적인 실시예의 아래의 설명으로부터 더 이해될 것이다.
- 도 1은 하이브리드 파워트레인(PT) 아키텍처를 도시하며,
- 도 2는 죠오 클러치 기어박스 커플러에 포함된 힘들을 보여주며,
- 도 3은 제안된 전략을 도시한다.
도 1의 기어박스(1)는, 예를 들어, "반자동(semiautomatic)" 유형이다. 그 작동은 수동 기어박스의 작동이지만, 기어 변속(gearshift)은 자동화된다. 도 1의 도면은 HSG(하이브리드 스타터 제너레이터)(2)로 지칭되는 전기 기계와, 중실형 일차 샤프트(solid primary shaft)(4) 상의 연소 엔진(3)을 도시한다. ME로 지칭되는 다른 전기 기계(5)는 HSG보다 더 강력하며 중공형 일차 샤프트(hollow primary shaft)(6)에 장착된다. 상기 기어박스의 이차 샤프트(secondary shaft)(7)는 차동장치(differential)(미도시)에 연결되고 그 다음에 차량의 바퀴들에 연결된다.
상기 이차 샤프트(7) 상에 위치하며 슬라이딩 기어와 죠오들(jaws)을 가진 제1 커플러(coupler)(8)는, 이용 가능한 두 개의 전기적 기어비들(electrical gear ratios)(EV1 및 EV2)를 가지기 위해, 상기 기어박스의 나머지와는 독립적으로, 상기 전기 기계(ME)(5)의 기어비의 변경을 가능하게 한다. 상기 중실형 일차 샤프트(4) 상에 위치하며 슬라이딩 기어와 죠오들을 가진 제2 커플러(9)는, 전기적 기어비와는 독립적인 두 개의 엔진 기어비들(Th2 및 Th4)을 설정하기 위해, 전기적 기어비들과는 별도로 연소 엔진(3)의 기어비를 변경할 수 있게 만든다. 레이 샤프트(lay shaft)(10) 상에 위치하며 슬라이딩 기어와 죠오들을 가진 제3 커플러(11)는, 도면에서 오른쪽으로 이동할 때 제3 엔진 기어비(Th3)를 설정할 수 있게 만든다. 각각의 경우에 상기 제1 전기 기계(ME)에서 원하는 기어비를 그리고 상기 연소 엔진 유닛(Mth)와 제2 전기 기계(HSG)(2)에서 원하는 기어비를 독립적으로 선택하는 것은 가능하다. 상기 엔진 기어비들과 전기적 기어비들의 조합은 하이브리드 기어비들을 성취할 수 있도록 만든다.
도 2는 도 1의 커플러들(8 및 11)과 유사한 기어박스의 직선 죠오들(클로(claw)로 지칭되기도 함)에 의한 결합 또는 톱니 결합을 개략적으로 도시한다. 상기 커플러(8, 11)는 샤프트(1a)(도면에서 점선으로 표시됨)에 회전 가능하게 연결된 슬라이딩 기어(14)에 고정된 결합 톱니들(coupling teeth)(12)을 가지며, 기어변속 액추에이터(16)(미도시)의 포크(fork)(15)의 제어하에서 샤프트(1a) 상에서 슬라이딩한다. 상기 슬라이딩 기어(14)의 축방향 이동은, 샤프트(1a) 상에서 회전하는 기어 휠(미도시)의 죠오들(13)에 대한 슬라이딩 기어(14)의 죠오들(12)의 결합/분리에 의해, 기어비의 맞물림 또는 맞물림 해제를 결정한다. 상기 슬라이딩 기어(14)는 회전의 면에서 상기 샤프트(1a)에 고정된다. 상기 슬라이딩 기어(14)의 축방향 이동은 기어변속 액추에이터(1a)의 제어하에 놓인 포크(15)의 작동하에서 달성된다. 직선 화살표(f)는 기어비를 맞물림 해제하기 위한 액추에이터(16)의 힘을 나타낸다. 회전 방향의 화살표(C1)는 슬라이딩 기어에 부과된 구동 샤프트에서의 토크를 도시한다. 회전 방향의 화살표(C2)는 아이들링 피니언에 부과된 전달 샤프트(미도시) 상의 토크를 도시한다. 아이들링 피니언의 죠오들 상의 토크들(C1 및 C2)의 합성력(resultant force)은 접선 방향의 성분(T)과 길이 방향의 성분을 가지며, 이는 죠오들(12 및 13) 사이에 마찰력(ℓ)을 초래한다. 마찰력(ℓ)은 액추에이터(16)의 힘에 대향하며 기어비의 맞물림 해제를 지연시키거나 느리게 할 수 있다. 죠오들의 맞물림 해제를 보장하기 위해, 상기 액추에이터(16)는 변속기 샤프트(1a)에 대하여 슬라이딩하는 자유도를 가진 슬라이딩 기어(14)에 힘을 가한다.
기어박스 액추에이터는 제한된 능력을 가지며, 이는 최선의 조건들 하에서 죠오들의 맞물림 해제를 보장하기 위해서는, 적용된 토크들(C1, C2)의 합성 토크를 가능한 한 제한하거나 또는, 더 좋은 것은, 이들을 제거하는 것이 필 요하다는 것을 의미한다. 그러나, 토크 설정값들을 달성하기 위한 파워트레인(PT)의 전기 기계들과 연소 엔진의 능력은 이 요소들의 내재적인 성능에 의해 크기(amplitude)의 면에서 스스로 제한된다. 마지막으로, 제품-승인 제약들과 동적 성능도 토크 설정값의 달성을 제한한다.
사정이 이러함으로, 죠오들의 맞물림 해제가 달성될 수 없는 상황들이 있다.
- 어떤 경우에, 토크들의 합성 토크는 슬라이딩 기어가 이동할 수 있도록 충분히 감소하지 않으며,
- 다른 경우에, 토크들의 합성 토크는 충분히 감소하지만, 토크가 반전되어 다시 반대 방향으로 증가하기 전에, 슬라이딩 기어를 이동하도록 허용하는 토크의 값을 위한 기간이 너무 짧다.
본 발명의 방법은, 분리 클러치가 없는 변속기의 입력부에 연결된 연소 엔진에 의해 공급된 토크를 전달하는 변속비(transmission ratio)를 맞물리게 하거나 맞물림 해제하기 위해, 기어변속 액추에이터(16)의 제어하에 있는 내부 변속기 커플러(8, 12)의 톱니의 맞물림 해제를 제어하는데 있다. 제안된 방법은 임계 상황(critical situation)의 검출에 기초한다. 검출은 엔진 속도의 관찰과 그 도함수(derivative)에 의존한다. 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고서, 위기 상황의 검출은 제동 시스템으로부터의 경고에 기초할 수 있다.
연소 엔진이, 맞물린 기어비로 감속하에서 스톨(stalling)의 위험이 있는 임계 상황으로 들어갈 때,
- 스톨을 방지하기 위해 액추에이터(16)가 기어비를 맞물림 해제하도록 힘을 받는 제1 임계 구역(critical zone)이 연소 엔진 속도(ω)의 함수로서 결정되며,
- 연료의 분사를 방지함으로써 엔진의 스톨이 관리되는 제2 임계 구역이 엔진 속도와 감속(deceleration)의 함수로서 결정된다.
엔진의 감속은 엔진 속도의 도함수(dω/dt)의 값에 의해 또는 차량 제동 시스템에 의해 결정될 수 있다.
일반적인 원리는 엔진 속도와 감속의 관찰의 함수로서 아래와 같이 두 개의 구별되는 임계 구역들을 검출하는 것이다:
- 스톨의 위험이 있으며 시스템이 바퀴들로부터 엔진을 분리시키는 능력을 가지는 제1 임계 구역, 및
- 스톨의 위험이 있으며 시스템이 바퀴들로부터 엔진을 분리시키는 능력을 가지지 않는 제2 임계 구역.
상기 제1 구역에서, 주어진 응답은 일반적인 구동 트레인 상태 설정값(status setpoint)을 도과(overstepping)함으로써 분리(decoupling)를 강제하는 것이며: 이 구역에서, 액추에이터(16)는, 변속기의 회전 부품들에 의해 커플러의 톱니에 가해진 합성 토크(resultant torque)의 함수로서, 기어비를 맞물림 해제시키는 능력을 가진다.
상기 제2 구역에서, 응답은 연료의 분사를 방지함으로써 연소 엔진의 스톨을 관리하는 것이며: 이 구역에서, 액추에이터는, 변속기의 회전 부품들에 의해 커플러의 톱니에 가해진 합성 토크(resultant torque)의 함수로서, 기어비를 맞물림 해제시키는 능력을 가지지 않는다.
도 1의 도면과 유사한, 변속기의 입력 측에 분리 클러치를 가지지 않는 하이브리드 파워트레인의 특정 경우에, 상기 변속기는 연소 엔진으로부터의 토크와 적어도 하나의 전기 기계의 토크를 다수의 구별되는 변속 기어비들로 조합한다. 이 경우에, 본 발명은 접하는 상태에 따라 설명된 이중의 전략; "스톨 방지 전략(antistall strategy)"으로 지칭되는 제1 전략, 및 "스톨 전략(stall strategy)"으로 지칭되는 제2 전략을 활성화시키는 것을 예상한다. 위에서 시사한 바와 같이, 이러한 두 개의 전략들의 적용 구역들은, 엔진 속도(ω)의 값들의 범위와, 바람직하게는 필터링된, 시간에 따른 엔진 속도의 변화에 의해 결정될 수 있다. 도 3에 도시된 바에 따르면, 아래와 같이, 연소 엔진 속도(ω)와 그 도함수(dω/dt)에 따른 세 개의 작동 구역들이 식별된다.
- 특정 전략이 적용되지 않는 정상 작동 또는 "정상 모드(normal mode)"의 제1 구역(A),
- "스톨 방지 전략"이 활성화되는 중간의 제2 구역(B), 및
- "스톨 전략"이 활성화되는 제3 구역(C).
도 1에 도시된 제안된 변속기는, 분리 클러치가 없는 변속기의 입력 측에 연결된 연소 엔진에 의해 공급되는 토크를 전달하는 변속비(transmission ratio)를 맞물리게 하거나 맞물림 해제하기 위해 기어변속 액추에이터(16)의 제어하에 있는 적어도 하나의 내부 커플러(8, 11)를 포함한다.
본 발명에 따르면, 상기 기어변속 액추에이터(16)와 연소 엔진의 연료 분사는 위에서 설명된 방법에 따라 관리된다.
하나의 특정 실시예에서, 관련된 커플러들(8, 11)은 슬라이딩 기어(14)와 죠오들(jaws)(12)을 가지는 유형이다.
제안된 하이브리드 파워트레인(PT)은 분리 클러치 없이 제1 변속기 입력 샤프트(4)에 연결된 연소 엔진, 제2 변속기 입력 샤프트에 연결된 전기 기계(ME), 및 기어변속 액추에이터의 제어하에 있는 기어 휠에 결합되는 결합 톱니를 가진 적어도 하나의 커플러(8, 11)를 포함한다. 본 발명에 따르면, 연소 엔진과 커플러 액추에이터들은 위에서 설명된 방법에 따라 관리된다.
이러한 하이브리드 PT는, 연소 엔진과 주된 전기 기계(ME)에 추가하여, 엔진 기어비 내에 토크를 제공하는 추가 전기 기계(HSG)를 포함할 수 있다. 설명된 전략은 아래의 상태들;
- 연소 엔진의 상태가 어떻든지, 특히, 연소 엔진이 분리된 때, Z1과 Z2 사이에서 기어변속 중에 토크의 구멍(hole)을 보상하기 위해 추가 전기 기계가 사용될 때, 연소 엔진이 변속비로 바퀴들에 기계적으로 결합된 것을 의미하는 "엔진 기어비(engine gear ratio)"가 맞물린 상태, 및
- 추가 전기 기계(HSG)의 속도의 도함수(dω/dt)가 제1 작동 구역 내에 있는 상태에서 적용될 수 있다.
상기 "스톨 전략"은:
- 연소 엔진의 상태가 어떻든지, 특히, 연소 엔진이 분리된 때, 두 개의 전기적 기어비들 사이에서 기어변속 중에 토크의 구멍(hole)을 보상하기 위해 추가 전기 기계가 사용될 때, "엔진 기어비(engine gear ratio)"가 맞물린 때, 즉 연소 엔진이 변속비로 바퀴들에 기계적으로 결합된 때, 및
- 추가 전기 기계(HSG)의 속도의 도함수(dω/dt)가 잠김방지 제동 시스템(ABS)이 활성화되는 제2 작동 구역 내에 있을 때, 적용될 수 있다.
본 발명은, 구동 트레인의 신뢰성에 영향을 줄 수 있는 구동 트레인에 충격을 주는 덜컥거림(jolts)을 제한 할 수 있으며, 이러한 덜컥거림에 의해 승객에게 초래되는 불편함을 제한할 수 있다.

Claims (10)

  1. 분리 클러치(decoupling clutch)가 없는 변속기의 입력부에 연결된 연소 엔진에 의해 공급되는 토크를 전달하는 변속비(transmission ratio)를 맞물리게 하거나 맞물림 해제시키기 위해 기어변속 액추에이터(gearshift actuator)(16)의 제어하에 있는 내부 변속기 커플러(internal transmission coupler)(8, 12)의 톱니들(teeth)의 맞물림 해제(disengagement)를 제어하는 제어 방법으로서,
    상기 연소 엔진이 맞물린 기어비(gear ratio)로 감속하에서 스톨(stalling)의 위험이 있는 임계 상황(critical situation)으로 들어갈 때,
    - 스톨을 방지하기 위해 상기 액추에이터(16)가 기어비를 맞물림 해제시키도록 강제되는 제1 임계 구역(critical zone)이 연소 엔진 속도(ω)의 함수로서 결정되며,
    - 연료의 분사를 방지함으로써 엔진의 스톨이 관리되는 제2 임계 구역이 엔진 속도와 감속(deceleration)의 함수로서 결정되는 것을 특징으로 하는, 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 임계 구역은, 상기 액추에이터(16)가 상기 변속기의 회전 부품들에 의해 상기 커플러의 톱니들에 가해지는 합성 토크(resultant torque)의 함수로서 기어비를 맞물림 해제시키는 능력을 가지는 구역인 것을 특징으로 하는, 제어 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제2 임계 구역은, 상기 액추에이터(16)가 상기 변속기의 회전 부품들에 의해 상기 커플러의 톱니들에 가해지는 합성 토크(resultant torque)의 함수로서 기어비를 맞물림 해제시키는 능력을 가지지 않는 구역인 것을 특징으로 하는, 제어 방법.
  4. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 엔진 감속은 엔진의 속도의 도함수(dω/dt)의 값에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는, 제어 방법.
  5. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 엔진의 감속은 차량 제동 시스템(braking system)에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는, 제어 방법.
  6. 제3항, 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 제2 임계 구역은, 상기 액추에이터(16)가 기어비를 맞물림 해제시키는 능력을 가지는 동안의 시간이 너무 짧은 구역인 것을 특징으로 하는, 제어 방법.
  7. 제4항 또는 제6항에 있어서,
    연소 엔진 속도(ω)와 연소 엔진 속도의 도함수(dω/dt)의 함수로서 하기의 세 개의 작동 구역들(operating zones):
    - 특정 전략이 적용되지 않는 제1 구역(A),
    - 스톨 방지 전략(antistall strategy)이 활성화되는 제2 구역(B), 및
    - 스톨 전략(stall strategy)이 활성화되는 제3 구역(C)이 식별되는 것을 특징으로 하는, 제어 방법.
  8. 분리 클러치가 없는 변속기의 입력부에 연결된 연소 엔진에 의해 공급되는 토크를 전달하는 변속비(transmission ratio)를 맞물리게 하거나 맞물림 해제시키기 위해 기어변속 액추에이터(gearshift actuator)(16)의 제어하에 있는 적어도 하나의 내부 변속기 커플러(internal transmission coupler)(8, 11)를 포함하는 하이브리드 파워트레인(powertrain)을 위한 변속기(transmission)로서,
    상기 기어변속 액추에이터(16)와 상기 연소 엔진의 연료 분사는 전기한 청구항들 중 한 항의 제어 방법에 따라 관리되는 것을 특징으로 하는, 변속기.
  9. 제8항에 있어서,
    관련된 커플러(8, 11)는 슬라이딩 기어(13)와 죠오들(jaws)(12)을 포함하는 커플러인 것을 특징으로 하는, 변속기.
  10. 분리 클러치(decoupling clutch) 없이 제1 변속기 입력 샤프트(4)에 연결된 연소 엔진(Mth), 제2 변속기 입력 샤프트에 연결된 전기 기계(ME), 및 기어변속 액추에이터의 제어하에 있는 기어 휠(gear wheel)에 결합되는 결합 톱니들(coupling teeth)을 가진 적어도 하나의 커플러(coupler)(8, 11)를 포함하는 하이브리드 파워트레인(hybrid powertrain)으로서,
    상기 연소 엔진과 커플러 액추에이터는 제1항 내지 제7항 중 한 항의 제어 방법에 따라 관리되는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 파워트레인.
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