KR102088487B1

KR102088487B1 - 기어 시프트 액추에이터를 제어하는 방법 및 해당 시프트 액추에이터

Info

Publication number: KR102088487B1
Application number: KR1020167030604A
Authority: KR
Inventors: 루도빅 메리엔느
Original assignee: 르노 에스.아.에스.
Priority date: 2014-04-07
Filing date: 2015-03-12
Publication date: 2020-03-12
Anticipated expiration: 2035-03-12
Also published as: EP3129683B1; WO2015155429A1; US10520080B2; KR20170029406A; FR3019613B1; JP2017512289A; CN106471289B; EP3129683A1; FR3019613A1; JP6602314B2; CN106471289A; US20170051826A1

Abstract

차량의 전기 시스템에 의해 동력을 공급받는 트랙션 기구(traction machine)로부터의 토크를 수용하는, 기어박스의 샤프트 상의 기어들을 결합 및 결합해제하는 기능을 수행하는 시프트 포크(6)를 제어하기 위한 제어 요소(2)를 포함하는 기어박스용 슬라이딩 기어를 갖는 시프트 액추에이터를 제어하는 방법으로서, 상기 제어 요소는 기계적 스프링 보조 시스템 상부에 배치되며 상기 제어 요소(2)의 위치는 DC 작동용 전동기(1)에 의해 조정되는, 시프트 액추에이터의 제어 방법에 있어서, 상기 DC 작동용 전동기(1)에 인가되는 전압은 상기 기어들을 결합 및 결합해제하는 동작 동안 상기 전기 시스템의 기준 전압보다 높게 일시적으로 상승되는 것을 특징으로 하는, 시프트 액추에이터의 제어 방법.

Description

기어 시프트 액추에이터를 제어하는 방법 및 해당 시프트 액추에이터{Method for controlling a gear shift actuator and corresponding shift actuator}

본 발명은 액추에이터가 구비된 병렬 축 기어박스에서의 기어 시프트 제어에 관한 것이다.

본 발명은 기어박스용 슬라이딩 기어를 갖는 시프트 액추에이터를 제어하는 방법으로서, 상기 시프트 액추에이터는 시프트 포크를 제어하기 위한 제어 요소를 포함하며, 상기 시프트 포크는 상기 기어박스의 샤프트 상의 피니언들을 결합 및 결합해제하는 기능을 수행하고, 상기 샤프트는 차량의 온보드(on-board) 전기 시스템에 의해 동력을 공급받는 트랙션 기구(traction machine)로부터의 토크를 수용하는, 시프트 액추에이터의 제어 방법에 관한 것이다. 이러한 제어 요소는 기계적 스프링 보조 시스템 상부에 배치된다. 상기 제어 요소의 위치는 DC 작동용 전동기에 의해 조정된다.

본 발명은 또한 상기 기어박스의 샤프트 상의 피니언들의 결합 및 결합해제를 보장하는 시프트 포크를 제어하기 위한 제어 요소를 포함하는 시프트 액추에이터에 관한 것이다. 이러한 제어 요소의 위치는 전압 변조 요소가 장착된 차량의 온보드 전기 시스템에 의해 동력을 공급받는 DC 작동용 전동기에 의해 조정된다. 이러한 액추에이터에서는, 상기 제어 요소가 피니언의 치부들 사이에의 상기 슬라이딩 기어의 치부들의 결합을 용이하게 하도록 기계적 스프링-보조 시스템 상부에 배치된다.

본 발명은 피니언 동기화 메커니즘들을 지니지 않고, 자동 시프트 기능을 갖는 수동 기어박스로서 동작하는, "로봇" 타입 기어박스 상의 바람직하지만 비-제한적인 적용 방안을 마련한 것이다.

동기화 메커니즘들을 지니고 있지 않은 내부 기어 시프트 제어 시스템들에서는, 편평한 치부들 또는 "클로(claw)들"을 갖는 슬라이딩 기어들이 사용되며, 상기 편평한 치부들 또는 "클로(claw)들"은, 피니언의 치부들 사이에 결합할 수 있도록 피니언에 대해 약간 돌기 전에, 결합하게 될 기어 피니언의 치부들에 인접해 있다.

요구되는 쾌적한 시프트 레벨들을 획득하기 위해, 저항 스프링을 구현하며 동기화 단계 동안 저항 스프링이 압축될 때 에너지를 축적할 수 있고 이러한 단계의 종료시 에너지를 방출할 수 있는 시프트-보조 장치들이 피니언의 결합을 용이하게 하는데 사용될 수 있다.

공보 FR　2　988　800에는 제어 샤프트를 중심으로 결합된 2개의 아암이 구비되어 외부 요소의 제어 하에서 이러한 샤프트를 따른 자기 자신의 축 방향 변위를 허용하게 되는 고정 포크 변위 기구를 포함하는, 슬라이딩 클로 기어를 작동시키는 공지된 시스템이 개시되어 있다. 상기 시스템은, 상기 고정 기구의 2개의 아암 사이에서 상기 포크 샤프트를 중심으로 감긴 저항 스프링 및 상기 스프링의 단부들 및 상기 포크 샤프트를 따라 제한적인 움직임으로 슬라이딩할 수 있도록 상기 고정 기구의 아암들 사이에 인접해 있는 2개의 유지 컬러(retaining collar)를 부가적으로 포함한다. 상기 저항 스프링은 상기 피니언 및 상기 슬라이딩 기어의 치부들이 인접해 있을 때 상기 액추에이터에 의해 공급되는 에너지를 축적한다. 상기 저항 스프링은 포크를 가속화함으로써 결합이 이루어질 수 있을 때 에너지를 방출한다. 획득되는 가속화는 상기 저항 스프링의 압축, 결과적으로는 치부들이 인접해 있을 때 상기 동기화 단계 동안 전동기에 의해 전달되는 토크에 의존한다.

기어 전환 동안, 원활한 시프트에 요구되는 모든 필요한 동작들에 의해 소요되는 시간을 최소화하는 것이 중요하다.

본 발명은 조정 제어 매개변수들에 영향을 줌으로써 이러한 프로세스를 최적화하는 것을 그 목적으로 한다.

이러한 목적으로, 본 발명은 상기 DC 작동용 전동기에 인가되는 전압이 피니언의 결합 및 결합해제 동작 동안 일시적으로 상승하게 되는 것을 제안한다.

더 구체적으로 기술하면, 상기 DC 작동용 전동기의 전압 설정 값은 정상 공급 전압보다 큰 값으로 일시적으로 변조된다.

상기 액추에이터의 특정 실시 예에 의하면, 상기 온보드 전기 시스템의 전압 변환기는 피니언의 결합 및 결합해제 동작 동안 상기 DC 작동용 전동기의 전압을 상기 온보드 전기 시스템의 정상 공급 전압보다 큰 값으로 일시적으로 변조시킨다.

본 발명은 첨부도면들의 참조가 이루어진 이하 본 발명의 비-제한적인 실시 예의 설명에 대한 의미를 이해하면 더 양호하게 이해될 것이다.

도 1은 상기 액추에이터의 기계적 원리를 나타내는 도면이다.
도 2는 기어 전환 단계들을 보여주는 도면이다.
도 3은 종래의 온보드 전기 시스템의 전압이 12V인 조정을 예시하는 도면이다.
도 4는 이러한 전압을 변경함으로써 달성되는 성능 개선을 강조하는 도면이다.
도 5는 액추에이터 구동 전동기의 전압의 변경에 따른 새로운 시퀀스를 보여주는 도면이다.

도 1에 비-제한적인 방식으로 예시되어 있는 전기 기어 시프트 액추에이터는 전동기(1)의 제어 하에서 기어 시프트 핀(2)과 같은 제어 요소에 회전 가능한 방식으로 연결되어 있다. 상기 기어 시프트 핀(2)은 공보 FR　2　988　800에 기재되어 있는 바와 같이 고정 기구(3)의 그루브(groove; 3) 내에 결합되어 있으며 상기 고정 기기(3)에는 편평한 치부들 또는 "클로(claw)들"(8)을 갖는 슬라이딩 기어(7)를 제어하기 위한 제어 포크(6)의 제어 샤프트(4)를 중심으로 결합된 2개의 아암(3a)이 구비되어 있다. 상기 슬라이딩 기어는 상기 고정 기구의 2개의 아암(3a) 사이에서 상기 제어 샤프트(4)를 중심으로 감긴 저항 스프링(9) 및 위치 센서로부터의 위치 정보를 수신하는, 상기 전동기(1)의 제어하에서 변위된다. 2개의 컬러(collar; 11)는, 상기 제어 샤프트(4)에 고정된 핀(12)이 움직이게 되는 직사각형 슬롯(11a)들의 존재 때문에, 상기 제어 샤프트 상에서의 고정 기구의 움직임 및 상기 저항 스프링(9)의 최대 압축을 제한한다. 요약하면, 이러한 액추에이터는 상기 기어박스의 샤프트 상의 피니언들의 결합 및 결합해제를 보장하는 시프트 포크를 제어하기 위한 제어 요소를 포함한다. 이러한 제어 요소는 차량의 온보드 전기 시스템에 의해 동력을 공급받고 상기 피니언의 치부들 사이에의 상기 슬라이딩 기어의 치부들의 결합을 용이하게 하도록 기계적 스프링-보조 시스템 상부에 배치된다. 이는 다음과 같이 동작한다.

기어의 결합 시, 상기 고정 기구, 상기 저항 스프링, 상기 컬러들, 상기 제어 샤프트 및 상기 시프트 포크로 이루어져 있는 조립체는 상기 시프트 포크가 상기 피니언(13)의 치부들(13a)에 대한 상기 슬라이딩 기어의 치부들(8)의 배치에 관련된 저항을 충족시킬 때까지 모두 함께 움직인다. 상기 스프링(9)은 상기 피니언에 대한 상기 슬라이딩 기어의 배치 및 상기 피니언에 대한 상기 슬라이딩 기어의 결합, 다시 말하면 상기 피니언의 치부들 사이에의 상기 슬라이딩 기어의 결합 사이에의 스프링 하중 단계 시 상기 고정 기구(3)의 지속적인 움직임에 의해 상기 컬러들(11) 사이에서 압축된다. 그리고 나서, 상기 스프링은 상기 스프링이 축적한 에너지를 방출하도록 이완하여 상기 피니언에 대한 상기 슬라이딩 기어의 결합에 도움을 주게 된다.

상기 제어는 DC 기계인 것이 바람직한 상기 액추에이터의 전동기(1)에 인가된 전압으로 이루어진다. 상기 제어는 기어 시프트를 결정하는 상기 시프트 포크의 위치이지만, 이러한 조치는 조정에 이용 가능하지 않다. 상기 제어는 운동 제어 체인의 보조 수단 상부에 있는 상기 기어 시프트 핀(2)의 위치에 의해 조정된다. 상기 조정에 사용되고 측정되는 변수들은 상기 전동기의 공급 전류 및 상기 기어 시프트 핀(2)의 위치이다. 도 2의 3개의 곡선은 기어 시프트 핀의 위치(밀리미터 단위)의 변화, 트랙션 토크(뉴턴 미터 단위)의 변화, 및 트랙션 기구의 속도(rpm(revolutions per minutes) 단위)의 변화를 각각 보여준다. 도 2를 참조하면, 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이 상기 액추에이터의 제어는 기어 전환 동작 동안 이하의 단계들을 포함한다.

a) 상기 제어 샤프트를 구동시키도록 차량의 트랙션 기구(전기 또는 내연기관)에 의해 전달되는 토크의 제거,

b) 상기 기어 시프트 핀(2)의 위치를 조정함으로써 제1 기어(제1 기어 비(first gear ratio)의 아이들러의 결합해제: 구동 전동기가 이후 프리휠링 상태에 있음(또는 구동 전동기가 중립 위치에 있음)(단계 2),

c) 원하는 기어를 결합할 수 있도록 트랙션 기구에 의한 제2 기어(파이널 기어 비(final gear ratio))의 아이들러와의 상기 제어 샤프트의 동기화(단계 3),

d) 상기 기어 시프트 핀(2)의 위치를 조정함으로써 상기 제2 피니언의 결합(단계 4),

e) 상기 트랙션 기구에 대한 토크의 재적용(단계 5).

도 2에는 이러한 단계들 각각의 지속기간이 나타나 있다. 도 2의 두 번째 곡선상에서 볼 수 있는 바와 같이, 전기 트랙션 기구에 의해 제공되는 토크의 제거(단계 1)에는 대략 400㎳가 소요된다. 결합해제(단계 2)에는 대략 200㎳가 소요된다(두 번째 곡선). 그리고 나서, 동기화 단계(단계 3)에는 대략 150㎳가 소요된다. 동기화 후, 결합(단계 4)에는 다시 200㎳가 소요된다.

도 3에는 종래의 온보드 전기 시스템의 전압이 12V인 경우의 기어 시프트 핀 위치 조정의 성능이 예시되어 있다. 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 온보드 전기 시스템의 전압이 16V에 이르기까지 증가하게 되는 경우에, 상기 조정의 성능이 개선될 수 있다. 상기 결합에서의 이득은 10㎳ 정도이다. 상기 조정이 상기 피니언의 결합 및 결합해제 시 이루어짐을 고려해 볼 때, 전체 기어 전환 동작에 대한 시간 절약은 2배, 다시 말하면 기어 시프트 동작 시 대략 20㎳이다.

기어박스 액추에이터는 차량의 12V 배터리에 의해 동력을 공급받는 것이 일반적이다. 액추에이터 핀을 움직이는 것을 가능하게 하는 DC 전동기들은 이러한 정도의 전압 크기로 동작하도록 치수화되어 있다. 더군다나, 상기 핀 위치 조정의 성능은 기어박스 내에 장착된 전동기들의 동력에 의존한다. 이러한 동력은 상기 온보드 전기 시스템의 전압에 의해 제한된다. 현재, 전기 또는 하이브리드 차량들은 주로 차량의 트랙션 기구에 동력을 공급하는 것을 목적으로 하는 12V 온보드 배터리(LV 배터리) 및 상대적으로 강한 전압, 예컨대 400V의 배터리(HV 배터리)를 지니는 것이 전형적이다. 이때, 종래의 내연기관 차량의 발전기의 역할을 하는 것은 DC/DC(Direct Current/Direct Current) 전압 변환기이다. 상기 DC/DC 전압 변환기는 차량의 HV 배터리로부터의 에너지를 인출하여, 12V 배터리의 충전 상태를 유지하도록 상기 온보드 전기 시스템에 공급한다.

상기 DC/DC 전압 변환기를 사용하여, 상기 온보드 전기 시스템의 전압이 변조될 수 있는데, 특히 상기 12V 배터리를 재충전하도록 변조될 수 있다. 따라서, 상기 DC/DC 전압 변환기는 조정 성능을 개선할 목적으로 상기 제어 요소(2)의 상기 작동용 전동기의 전압을 변조하는데 사용될 수 있다. 이러한 목적은 기어 전환을 실질적으로 감지할 수 없게 하도록 상기 조정의 총 지속기간을 최소화함으로써 이루어지게 된다. 상기 해결수법은 상기 기어 시프트 액추에이터를 사용할 것을 예상하고 상기 온보드 전기 시스템의 전압을 일시적으로 증가시키는 데 있다. 상기 DC/DC 전압 변환기는 상기 피니언의 결합 및 결합해제 동작 동안 상기 온보드 전기 시스템의 정상 공급 전압보다 큰 값으로 상기 작동용 전동기(1)에 인가되는 전압을 일시적으로 변조한다.

상기 작동용 전동기(1)의 공급 전압의 증가는 각각의 기어 시프트 동작 개시시에 이루어지는 상기 차량의 트랙션 기구의 토크 제거 동안 상기 DC/DC 전압 변환기를 통해 활성화된다. 이러한 제거에는 반드시 일정 시간이 소요된다. 주행성능의 요구사항으로, 상기 토크가 급작스럽게 제거될 수 없으며, 그래서 상기 토크의 제거는 약 100㎳보다 길게 유지하는 것이 일반적이다. 이러한 시간은 상기 DC/DC 전압 변환기가 상기 DC/DC 전압 변환기의 전압 설정 값에 반응하여 상기 온보드 전기 시스템의 전압을 증가시키는 것을 허용하는데 충분하다. 상기 온보드 전기 시스템의 공급 전압은 일시적으로 상승된다. 이러한 전압 증가는 피니언이 결합해제되기 전에 트랙션 토크의 제거 동안 활성화된다. 이때, 상기 변환기는 새로운 피니언의 결합 후에 자신의 기본 설정 값으로 회복된다.

도 5에 예시되어 있는 새로운 기어 전환 시퀀스는 다음과 같이 이루어진다.

a) 차량의 트랙션 기구의 토크 제거 동안 제어 요소(6)의 상기 작동용 전동기에 상기 온보드 전기 시스템에 의해 인가되는 전압 설정 값의 일시적인 증가,

b) 제1 기어 상의 토크를 전달하는 피니언의 결합해제,

c) 제2 기어 상에 사용되는 피니언 및 상기 기어박스의 동기화,

d) 상기 제2 피니언의 결합,

e) 상기 트랙션 기구의 토크의 재적용 동안 상기 온보드 전기 시스템상의 기본 설정 값으로의 복귀.

결론적으로, 본 발명은 (토크 제거 및 재적용 시간의 감축과는 달리) 주행성능에 부정적인 영향을 미치지 않고 기어 전환 시간을 감축한다. 이는 차량 상에 이미 존재하는 시스템들의 특징들을 이용하고 단지 DC/DC 전압 변환기의 전압 설정 값을 변조하기 위한 소프트웨어 적응(software adaptation)만을 필요로 한다.

Claims

기어박스용 슬라이딩 기어를 갖는 시프트 액추에이터를 제어하는 방법으로서, 상기 시프트 액추에이터는 시프트 포크(6)를 제어하기 위한 제어 요소(2)를 포함하며, 상기 시프트 포크(6)는 상기 기어박스의 샤프트 상의 피니언들을 결합 및 결합해제하는 기능을 수행하고, 상기 샤프트는 차량의 고전압 온보드(on-board) 전기 시스템에 의해 동력을 공급받는 트랙션 기구(traction machine)로부터의 토크를 수용하며, 상기 제어 요소(2)는 기계적 스프링 보조 시스템 상부에 배치되며 상기 제어 요소(2)의 위치는 DC 작동용 전동기(1)에 의해 조정되는, 시프트 액추에이터의 제어 방법에 있어서, 상기 DC 작동용 전동기(1)에 인가되는 전압은 상기 피니언들을 결합 및 결합해제하는 동작 동안 차량의 저전압 온보드 전기 시스템의 기준 전압보다 높게 일시적으로 상승되는 것을 특징으로 하는, 시프트 액추에이터의 제어 방법.
제1항에 있어서, 상기 DC 작동용 전동기(1)의 공급 전압은 차량의 트랙션 기구의 토크 제거 동안 증가되는 것을 특징으로 하는, 시프트 액추에이터의 제어 방법.
제2항에 있어서, 상기 DC 작동용 전동기(1)의 공급 전압의 증가는 DC/DC 변환기(DC/DC)를 통해 활성화되는 것을 특징으로 하는, 시프트 액추에이터의 제어 방법.
제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 DC 작동용 전동기(1)의 공급 전압은 차량의 트랙션 기구에 공급하는 배터리 전압의 레벨로 증가하게 되는 것을 특징으로 하는, 시프트 액추에이터의 제어 방법.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 시프트 액추에이터의 제어 방법은,
a) 차량의 트랙션 기구의 토크 제거 동안 상기 DC 작동용 전동기(1)에 상기 온보드 전기 시스템에 의해 인가되는 전압 설정 값의 일시적인 증가 단계,
b) 제1 기어 상의 토크를 전달하는 피니언의 결합해제 단계,
c) 제2 기어 상에 사용되는 피니언 및 상기 기어박스 샤프트의 동기화 단계,
d) 상기 제2 피니언의 결합 단계,
e) 상기 트랙션 기구의 토크의 재적용 동안 상기 온보드 전기 시스템상의 기본 설정 값으로의 복귀 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는, 시프트 액추에이터의 제어 방법.
시프트 포크(6)를 제어하기 위한 제어 요소(2)를 포함하는 기어박스 시프트 액추에이터로서, 상기 제어 요소의 위치는 전압 변조 요소(DC/DC)가 장착된 차량의 고전압 온보드(on-board) 전기 시스템에 의해 동력을 공급받는 직류 작동용 전동기(1)에 의해 조정되고, 상기 제어 요소는 피니언의 치부들 사이에의 슬라이딩 기어의 치부들의 결합을 용이하게 하도록 기계적 스프링-보조 시스템 상부에 배치되는, 기어박스 시프트 액추에이터에 있어서, 상기 전압 변조 요소(DC/DC)는 상기 직류 작동용 전동기(1)의 전압을 차량의 저전압 온보드 전기 시스템의 정상 공급 전압보다 큰 값으로 일시적으로 변조하는 DC 변환기인 것을 특징으로 하는, 기어박스 시프트 액추에이터.
제6항에 있어서, 상기 직류 작동용 전동기(1)의 공급 전압의 설정 값 증가는 피니언의 결합해제 전에 차량의 트랙션 기구의 토크 제거 동안 활성화되는 것을 특징으로 하는, 기어박스 시프트 액추에이터.
제7항에 있어서, 차량의 온보드 전기 시스템의 공급 전압은 차량의 트랙션 기구의 공급 전압의 레벨로 일시적으로 상승되는 것을 특징으로 하는, 기어박스 시프트 액추에이터.
제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 변환기는 새로운 피니언의 결합 후에 자신의 기본 설정 값으로 복원되는 것을 특징으로 하는, 기어박스 시프트 액추에이터.