수동 변속기로 엔진속도를 차량속도에 정합하기 위한 시스템 및 방법 document_id A220623026007

자동차와 같은, 모터가 장착된 통상적인 차량들은 전형적으로 상당히 좁은 범위의 높은 엔진 속도에 대해 낮은 토크를 발생하는 엔진들을 갖는다. 그러나, 자동차를 구동하기 위해서는 구동 차륜(drive wheel)에서 높은 토크와 넓은 범위의 저속이 요구된다. 따라서 고속의 낮은 엔진 토크는 자동차의 다단계 구동렬(multi-speed drivetrain)에 의해 다양한 구동 조건에 적합한 저속의 높은 차륜 토크로 변환된다. 이러한 통상적인 구동렬의 전형적인 구성요소로는 가변형 속도비(variable-speed-ratio) 변속장치와 한 쌍의 최종 구동 기어들이 있다. 변속장치의 하나의 주요한 형태는 수동 변속기인데, 이것은 그 이름이 의미하듯이, 자동차 운전자가 수동 기어 선택기를 이용하여 다수의 속도비로부터 선택을 해야만 한다. 상기 기어 선택기는 승용차나 트럭에서 전형적으로 보는 바와 같이 스틱의 모양을 닮은 손으로 조작하는 레버이거나 모터사이클에서 전형적으로 보는 것과 같이 발로 조작하는 페달일 수도 있다. 통상적인 수동 변속기는 전형적으로 엔진에 의해 구동되는 입력 축(input shaft), 입력 축에 의해 구동되는 부축(layshaft), 및 부축에 의해 구동되는 하나 또는 다수의 주축(mainshaft)을 구비하고 있다. 상기 부축 및 주축에는 상시물림식(constant mesh)의 다수의 쌍의 차동 기어들이 장착되어 있다. 각 쌍의 입력 기어는 부축에 견고하게 부착된다. 이러한 기어 쌍들은 전진 속도비를 제공한다. 부축에 의해 구동되고 주축을 선택적으로 구동하는 한 세트의 세 개의 기어들은 후진 속도비를 제공한다. 각 쌍에 있는 출력 기어는 상기 주축에 대해 자유 회전한다. 속도비(speed ratio) 또는 "기어(gear)"는 출력 기어들 중의 하나를 기어 선택기에 의해 위치되는 톱니 모양의 칼러(toothed collar)로써 주축에 고정함으로써 선택된다. 만일 더 높은 기어의 주축 속도에 대한 입력 속도의 수치비(numeric ratio)가 더 낮은 기어에 대해서 그보다 더 낮으면 하나의 기어는 다른 기어보다 "더 높은" 것이 된다. 기어들은 숫자 순서대로 지칭된다. 가장 낮은 기어가 1단 기어이고, 다음으로 낮은 것이 2단 기어이며, 모든 전진 기어들은 이와 같다. 자동차는 전형적으로 다수의 기어들을 구비한다. 예를 들면, 수동 변속기를 구비하는 승용차, 경트럭, 및 모터사이클은 5단 또는 6단의 전진 기어들을 갖는다. 자동차의 수동 변속기는 승용차 및 경트럭의 경우와 같이 동기화되거나 또는 모터사이클, 경주용차 및 중량급 트럭의 경우와 같이 비동기화될 수도 있다. 동기형 수동 변속기에서 기어가 선택될 때에는 상기한 칼라가 고정되기 전에 기어 속도를 주축 속도와 일치시키기 위하여 동기장치(synchronizer)라 지칭되는 일종의 부가장치가 그 기어와 엔진 출력 축 사이에서 마찰을 일으킨다. 기어들이 변경되는 동안 엔진과 변속장치의 입력 축을 분리하기 위해 클러치조립체(이하, "클러치"라 칭함)가 사용된다. 운전자는 승용차나 트럭에서 보통 볼수 있는 발조작 페달이나, 또는 보통 모터사이클에서 볼수 있는 손조작 페달에 힘을 가함으로써 클러치를 풀어준다(릴리스). 클러치는 전형적으로 엔진에 부착된 압력 판(플레이트)와 플라이휠, 그리고 변속장치의 입력 축에 부착된 클러치 판(플레이트)를 구비하고 있다. 상기 클러치는 클러치 판에 대해 압력판에 힘을 가하는 스프링에 의해 맞물려지는데, 이 클러치 판은 차례로 플라이휠에 대해 클러치 판에 힘을 가하게 된다. 상기 플라이휠과 클러치 판 간의 마찰은 엔진 토크가 구동렬(drivetrain)의 나머지로 전달되도록 한다. 상기 클러치는 클러치 판으로부터 벗어나게끔 압력 판을 잡아당기도록 스프링에 대해 작용하는 쓰로우아웃 베어링(throw-out bearing)에 의해 풀려지는데, 이로써 변속장치에 대한 엔진 토크의 흐름과 플라이휠 마찰력 사이의 마찰력을 제거하고 구동렬에 대한 토크의 흐름을 효과적으로 차단하게 된다. 통상적으로, 차량의 운전 중에 기어를 변속(시프트)하는 과정은 다음과 같다. 차량의 운전자가 상향변속(upshift), 즉 낮은 기어에서 더 높은 기어로 변속하는 과정은 엔진 토크를 줄이기 위해 쓰로틀(throttle) 입력을 감소시켜(예를 들면, 차량의 액셀러레이터 페달(gas pedal)을 릴리스하여) 구동렬로 향한 엔진 토크의 흐름을 감소시키도록 클러치를 풀어줌으로써(예를 들어, 차량의 클러치 페달에 힘을 가함) 개시된다. 다음으로, 운전자는 기어 선택기를 중립 위치에 놓는다. 그 다음, 운전자는 상향 변속으로부터 초래할 더 낮은 변속기 입력 축 속도에 정합하도록 쓰로틀 입력을 더욱 감소시켜 엔진 속도를 낮춘다. 상기한 더 낮은 변속기 입력 축 속도는 구동 휠들의 회전 속도, 최종 구동비(drive ratio), 및 다음 변속기 기어를 곱함(multiplying)으로써 얻을 수 있다. 운전자는 계속해서 기어 선택기를 중립 위치로부터 더 높은 기어, 즉 더 낮은 속도비로 이동시키게 되고, 이로써 칼라가 새로 선택된 기어를 출력 축에 고정하도록 해준다. 마지막으로, 운전자는 클러치를 다시 맞물림 상태로 한다(예를 들면, 차량의 클러치 페달을 릴리스함). 운전자는 하향변속(downshift), 즉 높은 기어에서 더 낮은 기어로의 변속을 다음과 같은 두 과정들 중의 하나로 시작할 수가 있다. 더 자주 이용되는 과정을 기술하면, 운전자는 엔진 토크가 감소하도록 쓰로틀 입력을 다시 감소시키고 구동렬에 대한 엔진 토크의 흐름을 감소시키기 위해 클러치를 해제시킴으로써 상기한 하향 조작을 착수한다. 다음, 운전자는 기어 선택기를 중립 위치에 놓는다. 다음으로, 운전자는 하향 변속으로부터 초래하게 되는 더 높은 변속기 입력 축 속도에 정합하도록 쓰로틀 입력을 더 증가시켜 엔진 속도를 높인다. 마찬가지로, 상기한 더 높은 변속기 입력 축 속도는 구동 휠들의 회전 속도, 최종 구동비(drive ratio), 및 다음 변속기 기어를 곱함(multiplying)으로써 얻을 수 있다. 운전자는 계속해서 기어 선택기를 중립 위치로부터 더 낮은 기어, 즉 더 높은 속도비로 이동시키게 되고, 이로써 칼라가 새로 선택된 기어를 출력 축에 고정시켜준다. 마지막으로, 운전자는 클러치를 다시 맞물림 상태로 한다. 이러한 방법은 "단일 클러칭(single-clutching)" 기법으로 알려져 있는데, 그 이유는 클러치가 일 시프트 당 한 번씩 해제되기 때문이다. 두 번째 하향변속(downshift) 방법은 클러치가 두 번 해제되는 것을 필요로 하는데, 따라서 이것은 "이중-클러칭(double-clutching)" 또는 "이중-디클러칭(double-declutching)" 기법으로 알려져 있다. 이 방법을 기술하면, 운전자는 쓰로틀 입력을 감소시켜 엔진 토크를 줄이고 클러치를 해제시켜 구동렬에 대한 엔진 토크의 흐름을 차단함으로써 하향변속을 개시하게 된다. 다음으로, 차량 운전자는 하향변속으로부터 초래하게 되는 더 높은 변속기 입력 축 속도에 정합하도록 쓰로틀 입력을 증가시켜 엔진 속도를 높인다. 마찬가지로, 상기한 입력 축 속도는 구동 휠들의 회전 속도, 최종 구동비(drive ratio), 및 다음 변속기 기어를 곱함으로써 얻게 된다. 동시에, 운전자는 중립 위치로 시프트하고, 클러치를 일시적으로 다시 맞물림 상태로 한 다음 다시 클러치를 해방시킨다. 클러치를 유연하게 맞물림 상태로 하기 위해 요구되는 엔진 속도는, 일단 시프트가 완료되면, 기어 칼라들을 부드럽게 고정하기 위하여 주축 속도와 출력 기어 속도를 정합하는 변속기 입력 축 속도이다. 중립 위치에서 그리고 더 높은 엔진 속도로써 변속기와의 클러치의 맞물림은 그것이 출력 축에 고정되기 전에 출력 기어의 속도를 증가시킨다. 다음으로, 운전자는 기어 선택기를 중립으로부터 더 낮은 기어 위치로 이동시키고 클러치는 다시 해방된다. 전술한 단일-클러칭 방법과 비교해, 이러한 이중-클러칭 기법은 새로 선택된 기어의 칼라들이 출력 축에 고정되는 과정을 용이하게 해준다. 전술한 바와 같이, 클러치 플레이트는 변속기 입력 축에 결합되고, 플라이휠과 압력 플레이트는 엔진 출력 축에 결합된다. 클러치가 해제되어 기어가 선택되는 동안, 변속기 입력 축 속도는 구동 휠들의 회전 속도에 의해 결정된다. 클러치 조립체에서의 두 개의 반쪽들의 속도는 각각 휠들의 속도와 엔진의 속도에 의해 결정되기 때문에, 그 과정은 "도로 속도에 대한 엔진 속도 정합" 또는 "회전수 정합(matching revs.)"으로 알려져 있다. 이상적으로는, 플라이휠과 압력 플레이트의 속도는 클러치가 다시 맞물려질 때 클러치 플레이트 속도와 같은 것으로 되어 있다. 그러나, 운전자가 그러한 동일화(equalization)를 달성할 수 있는 경우는 드물고, 대신에 플라이휠과 클러치 플레이트 속도를 동등하게 하기 위해서는 실제적인 클러치 맞물림(engagement)에 의존하게 되는데, 이것은 플라이휠과 클러치 플레이트를 마모시키고 구동렬에 충격을 주게 된다. 차례로, 그러한 충격은 차량 탑승자들의 승차감을 저하시키게 되고, 구동렬로 하여금 견인력을 상실하게 할 수도 있으며, 회전시 차량의 조작을 불가능하게 할 수도 있다. 승용차나 트럭을 제동(브레이크)하는 동안에 변속기의 하향변속 과정을 실행하는 것은 특히 어려운데, 이는 쓰로틀 페달, 클러치 페달 및 브레이크 페달의 동시적인 작동이 필요하기 때문이다. 미국 특허 제5,569,115호(Desautels et al.에게 허여됨)는 수동 변속기를 위한 엔진 속도 동기화 시스템을 개시하고 있는데, 이것은 대형트럭에 있어서 수동 변속기의 클러치 없는 변속(시프팅)을 보조하는 기술에 관한 것이다. 상기 특허는 변속기 레버 상의 시프트 목적 스위치와, 변속 레버가 중립 위치로 이동된 시점을 결정하기 위한 변속기의 위치 센서와, 변속기 출력 축 상의 속도 센서를 활용하고 있다. 상기한 시프트 목적 스위치와 변속기 위치 센서는 경차량에서는 볼 수 없음이 통상적이다. 따라서, 그것들을 일체화하는 것은 제조비용을 추가하게 되고 운전자가 시프트하는 방법을 다시 배워야할 필요가 있을 것이다. 더욱이, 상기 특허는 2단 하향변속을 위한 방법은 제공하지 않으며, 또한 그것의 엔진 속도 동기화 과정은 변속기가 중립에 위치할 때까지 시작되지 않는데, 이는 동기화를 위해 필요한 시간을 증가시키게 된다.