KR100783941B1 - 토로이달을 이용한 하이브리드 차량의 파워트레인 구조 - Google Patents

토로이달을 이용한 하이브리드 차량의 파워트레인 구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 토로이달식 베리에이터를 구비하고, 엔진으로부터의 동력과 모터로부터의 동력을 적절히 조합하여 구동륜으로 출력할 수 있도록 구성됨으로써, 비교적 간단한 구성으로 정숙하게 작동하는 무단변속 특성을 가진 토로이달을 이용한 하이브리드 차량의 파워트레인 구조를 제공한다.

Description

토로이달을 이용한 하이브리드 차량의 파워트레인 구조{power train structure using a toroidal for a hybrid vehicle}
도 1은 본 발명에 의한 토로이달을 이용한 하이브리드 차량의 파워트레인 구조를 도시한 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>
1; 엔진 3; 입력디스크
5; 출력디스크 7; 토로이달 베리에이터
9; 모터 11; 엔진클러치
13; 베리에이터연결구동축 15; 모터연결구동축
17; 유성기어세트 19; 디퍼렌셜
21; 구동기어 23; 동력인출축
25; 제1클러치 27; 제2클러치
29; 제3클러치 31; 파워롤러
33; 모터용벨트 35; 베리에이터용벨트
본 발명은 하이브리드 차량의 파워트레인 구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 토로이달식 베리에이터(variator)를 사용하여 모터의 동력과 엔진의 동력을 조합하여 구동륜에 토크를 제공하도록 하는 파워트레인의 구조에 관한 기술이다.
토로이달식 베리에이터는 원환면상에 홈을 만드는 입력디스크와 출력디스크 사이에 배치된 수개의 파워롤러가 상기 입력디스크와 출력디스크를 상호 접촉시켜서 마찰력에 의해 동력을 전달하도록 되어 있다.
상기와 같은 토로이달식 베리에이터는 비교적 간단한 구조를 가지고 있고 진동 및 소음의 측면에서 매우 정숙하므로, 이를 이용하여 하이브리드 차량의 파워트레인을 구성하면, 비교적 간단한 구성으로 매우 정숙하게 작동하는 무단변속이 가능한 하이브리드 파워트레인의 구성이 가능하다.
본 발명은 토로이달식 베리에이터를 구비하고, 엔진으로부터의 동력과 모터로부터의 동력을 적절히 조합하여 구동륜으로 출력할 수 있도록 구성됨으로써, 비교적 간단한 구성으로 정숙하게 작동하는 무단변속 특성을 가진 토로이달을 이용한 하이브리드 차량의 파워트레인 구조를 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 토로이달을 이용한 하이브리드 차량의 파워트레인 구조는
엔진과;
상기 엔진의 출력축과 분리된 별도의 회전축을 가지고 배치된 입력디스크와 출력디스크를 구비한 토로이달 베리에이터와;
상기 엔진의 출력축과 토로이달 베리에이터의 회전축과 다른 별도의 회전축을 가지고 배치된 모터와;
상기 엔진의 출력축에 설치된 엔진클러치와;
상기 토로이달 베리에이터의 출력디스크로부터 동력을 전달받아 회전하도록 상기 엔진의 출력축과 동심축 상에 배치된 베리에이터연결구동축과;
상기 베리에이터연결구동축과 동심축을 이루어 배치되며 상기 모터의 동력을 전달받아 회전되는 모터연결구동축과;
상기 엔진클러치와 베리에이터연결구동축 및 모터연결구동축에 선기어와 캐리어 및 링기어 중 어느 하나가 각각 연결된 유성기어세트와;
상기 모터연결구동축과 동심축을 이루어 배치되고 디퍼렌셜의 링기어에 치합된 구동기어를 구비한 동력인출축과;
상기 동력인출축과 상기 베리에이터연결구동축 사이에 동력을 단속할 수 있도록 설치된 제1클러치와;
상기 토로이달 베리에이터의 입력디스크와 상기 모터연결구동축 사이에 동력을 단속할 수 있도록 설치된 제2클러치와;
상기 제2클러치를 통하여 상기 동력인출축을 상기 모터연결구동축에 연결 및 차단시킬 수 있도록 구비된 제3클러치;
를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음 과 같다.
도 1을 참조하면, 본 발명 실시예는 엔진(1)과; 상기 엔진(1)의 출력축과 분리된 별도의 회전축을 가지고 배치된 입력디스크(3)와 출력디스크(5)를 구비한 토로이달 베리에이터(7)와; 상기 엔진의 출력축과 토로이달 베리에이터(7)의 회전축과 다른 별도의 회전축을 가지고 배치된 모터(9)와; 상기 엔진(1)의 출력축에 설치된 엔진클러치(11)와; 상기 토로이달 베리에이터(7)의 출력디스크(5)로부터 동력을 전달받아 회전하도록 상기 엔진(1)의 출력축과 동심축 상에 배치된 베리에이터연결구동축(13)과; 상기 베리에이터연결구동축(13)과 동심축을 이루어 배치되며 상기 모터(9)의 동력을 전달받아 회전되는 모터연결구동축(15)과; 상기 엔진클러치(11)와 베리에이터연결구동축(13) 및 모터연결구동축(15)에 선기어와 캐리어 및 링기어 중 어느 하나가 각각 연결된 유성기어세트(17)와; 상기 모터연결구동축(15)과 동심축을 이루어 배치되고 디퍼렌셜(19)의 링기어에 치합된 구동기어(21)를 구비한 동력인출축(23)과; 상기 동력인출축(23)과 상기 베리에이터연결구동축(13) 사이에 동력을 단속할 수 있도록 설치된 제1클러치(25)와; 상기 토로이달 베리에이터(7)의 입력디스크(3)와 상기 모터연결구동축(15) 사이에 동력을 단속할 수 있도록 설치된 제2클러치(27)와; 상기 제2클러치(27)를 통하여 상기 동력인출축(23)을 상기 모터연결구동축(15)에 연결 및 차단시킬 수 있도록 구비된 제3클러치(29)를 포함하여 구성된다.
상기 토로이달 베리에이터(7)는 중앙에 입력디스크(3)가 있고, 그 양쪽에 출력디스크(5)가 배치되어 있으며, 이들 입력디스크(3)와 출력디스크(5)의 사이에 는 파워롤러(31)가 구비되어, 상기 파워롤러(31)의 각도변화에 의해 입력디스크(3)의 회전속도에 대한 출력디스크(5)의 회전속도를 무단으로 가변시킬 수 있도록 되어 있다.
상기 엔진(1)의 출력축과, 토로이달 베리에이터(7)의 회전축 및 모터(9)의 회전축은 각각 평행하게 배치되어 있고, 상기 모터(9)의 회전축과 상기 모터연결구동축(15)은 모터용벨트(33)에 의해 동력이 연결되며, 상기 토로이달 베리에이터(7)의 출력디스크(5)와 베리에이터연결구동축(13)은 베리에이터용벨트(35)에 의해 동력이 연결되도록 되어 있다.
상기 유성기어세트(17)의 선기어는 상기 모터연결구동축(15)에 연결되고, 링기어는 상기 엔진클러치(11)로 연결되며, 캐리어는 상기 베리에이터연결구동축에 연결된다.
본 실시예에서 상기 유성기어세트(17)는 더블피니언 방식으로 구현하여 캐리어를 고정했을 때, 링기어와 선기어의 회전방향이 일치하도록 하였다.
상기 베리에이터연결구동축(13)은 상기 엔진(1)의 출력축과 동심축을 이루어 상기 엔진클러치(11)의 옆에 배치되어 있고, 상기 모터연결구동축(15)은 상기 베리에이터연결구동축(13)의 외측에 위치한 중공축으로 이루어지고, 상기 동력인출축(23)은 상기 모터연결구동축(15)의 외측에 위치한 중공축으로 이루어진 구조이다.
상기한 바와 같이 구성된 본 발명 실시예의 작용을 다음의 표 1을 참조하여 살펴보면 다음과 같다.
모드 동력원 클러치
엔진 모터 엔진클러치 제1클러치 제2클러치 제3클러치
엔진시동 O O O
모터구동 O O O
엔진구동1 O O O O
엔진구동2 O O O 0
하이브리드구동1 O O O O O
하이브리드구동2 O O O O 0
엔진(1)의 시동시에는 상기 엔진클러치(11)와 제1클러치(25)가 동력을 전달하는 상태로 되어 있다. 따라서, 모터(9)가 구동하여 구동력을 제공하면, 상기 모터용벨트(33)를 통해 모터연결구동축(15)이 회동하면서 상기 유성기어세트(17)의 선기어를 구동시킨다.
상기 제1클러치(25)는 유성기어세트(17)의 캐리어를 상기 동력인출축(23)을 통해 구동륜으로 연결시켜서 고정시키는 역할을 한다.
상기 유성기어세트(17)의 링기어로 출력되는 회전력은 상기 엔진클러치(11)를 통해 엔진(1)으로 유입되어 엔진을 구동시키며, 이때 연료를 분사하고 점화시키면 엔진(1)이 시동되게 된다.
모터구동시에는 상기 제1클러치(25)와 제2클러치(27)만 동력을 연결하는 상태이다.
모터(9)에서 발생된 회전력은 상기 모터용벨트(33)를 통해 상기 모터연결구동축(15)을 회전시키고, 이 회전력은 상기 유성기어세트(17)의 선기어를 구동하며, 상기 제2클러치(27)를 통해 토로이달 베리에이터(7)의 입력디스크(3)로 전달된다.
토로이달 베리에이터(7)에서는 파워롤러(31)의 조작상태에 따라 적절한 변속비가 무단으로 얻어지며, 출력디스크(5)를 통해 출력된 회전력은 상기 베리에이터연결구동축(13)을 통해 상기 유성기어세트(17)의 캐리어로 전달된다.
결국, 상기 유성기어세트(17)의 캐리어에는 상기 선기어의 회전력이 더해져서 상기 제1클러치(25) 및 동력인출축(23)을 통해 디퍼렌셜(19)로 회전력이 전달되어 모터(9)만에 의한 차량 구동상태가 이루어진다.
물론, 이때 상기 엔진클러치(11)가 차단되어 있어서, 엔진(1)으로는 동력이 전달되지 않고 상기 유성기어세트(17)의 링기어는 자유상태가 된다.
엔진구동1의 상태는 엔진(1)만 구동하고 모터(9)는 구동하지 않는 상태이며, 상기 엔진클러치(11)와 제1클러치(25) 및 제2클러치(27)가 동력을 전달하는 상태이다.
엔진(1)에서 발생된 구동력은 상기 엔진클러치(11)를 통해 상기 유성기어세트(17)의 링기어로 입력된다.
상기 모터연결구동축(15)은 상기 유성기어세트(17)의 선기어에 연결되고 상기 모터(9)에 연결되므로, 상기 링기어가 캐리어를 구동할 수 있도록 하는 반력을 선기어를 통해 제공하며, 상기 제2클러치(27)가 토로이달 베리에이터(7)를 모터연결구동축(15)과 연결시키므로, 무단변속 또는 모터(9)를 이용하여 발전이 이루어지도록 할 수도 있다.
엔진구동2의 상태는 엔진(1)만 구동되고 모터(9)는 구동하지 않으며, 상기 엔진클러치(11)와 제2클러치(27) 및 제3클러치(29)만 동력을 전달할 수 있는 상태이다.
엔진에서 발생된 동력은 상기 엔진클러치(11)를 통해 유성기어세트(17)의 링기어로 전달되고, 상기 제2클러치(27)와 제3클러치(29)는 동일 속도로 회전되어 상기 유성기어세트(17)는 록상태가 되어 차량을 구동시키게 된다.
상기 하이브리드구동1의 상태는 상기 엔진구동1의 상태와 마찬가지로 엔진클러치(11)와 제1클러치(25) 및 제2클러치(27)가 연결되어 있고, 다만 엔진(1)과 함께 모터(9)도 구동력을 발생시키며, 기타의 동력전달경로는 엔진구동1의 경우와 같다.
상기 하이브리드구동2의 상태는 상기 엔진구동2의 상태와 마찬가지로 엔진클러치(11)와 제2클러치(27) 및 제3클러치(29)가 동력을 연결하고 있는 상태로서, 상기 모터(9)에서도 동력을 발생시켜서 상기 엔진(1)의 동력에 합해지는 것만 차이가 나고, 나머지 동력전달은 상기 엔진구동2의 경우와 같다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 토로이달식 베리에이터를 구비하고, 엔진으로부터의 동력과 모터로부터의 동력을 적절히 조합하여 구동륜으로 출력할 수 있도록 구성됨으로써, 비교적 간단한 구성으로 정숙하게 작동하는 무단변속 특성을 가 진 토로이달을 이용한 하이브리드 차량의 파워트레인 구조를 제공한다.
상기한 바와 같은 구조는 상기 토로이달 베리에이터로의 입력토크를 저감시키는 것이 가능하며 소형화가 가능하여 차량에의 탑재성을 향상시킬 수 있다.
물론, 상기 모터구동의 상태에서는 모터만의 발진이 가능하여 연비 및 배기가스의 측면에서 유리한 효과를 얻을 수 있으며, 모터와 엔진의 동력을 모두 이용하여 차량의 구동력으로 사용하는 하이브리드구동1 및 하이브리드구동2의 모드를 제공하여 차량의 고출력 주행이 가능하도록 한다.

Claims (4)

  1. 엔진과;
    상기 엔진의 출력축과 분리된 별도의 회전축을 가지고 배치된 입력디스크와 출력디스크를 구비한 토로이달 베리에이터와;
    상기 엔진의 출력축과 토로이달 베리에이터의 회전축과 다른 별도의 회전축을 가지고 배치된 모터와;
    상기 엔진의 출력축에 설치된 엔진클러치와;
    상기 토로이달 베리에이터의 출력디스크로부터 동력을 전달받아 회전하도록 상기 엔진의 출력축과 동심축 상에 배치된 베리에이터연결구동축과;
    상기 베리에이터연결구동축과 동심축을 이루어 배치되며 상기 모터의 동력을 전달받아 회전되는 모터연결구동축과;
    상기 엔진클러치와 베리에이터연결구동축 및 모터연결구동축에 선기어와 캐리어 및 링기어 중 어느 하나가 각각 연결된 유성기어세트와;
    상기 모터연결구동축과 동심축을 이루어 배치되고 디퍼렌셜의 링기어에 치합된 구동기어를 구비한 동력인출축과;
    상기 동력인출축과 상기 베리에이터연결구동축 사이에 동력을 단속할 수 있도록 설치된 제1클러치와;
    상기 토로이달 베리에이터의 입력디스크와 상기 모터연결구동축 사이에 동력을 단속할 수 있도록 설치된 제2클러치와;
    상기 제2클러치를 통하여 상기 동력인출축을 상기 모터연결구동축에 연결 및 차단시킬 수 있도록 구비된 제3클러치;
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 토로이달을 이용한 하이브리드 차량의 파워트레인 구조.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 엔진의 출력축과, 토로이달 베리에이터의 회전축 및 모터의 회전축은 각각 평행하게 배치되고;
    상기 모터의 회전축과 상기 모터연결구동축은 모터용벨트에 의해 동력이 연결되며;
    상기 토로이달 베리에이터의 출력디스크와 베리에이터연결구동축은 베리에이터용벨트에 의해 동력이 연결된 것
    을 특징으로 하는 토로이달을 이용한 하이브리드 차량의 파워트레인 구조.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 유성기어세트의 선기어는 상기 모터연결구동축에 연결되고, 링기어는 상기 엔진클러치로 연결되며, 캐리어는 상기 베리에이터연결구동축에 연결되는 것
    을 특징으로 하는 토로이달을 이용한 하이브리드 차량의 파워트레인 구조.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 모터연결구동축은 상기 베리에이터연결구동축의 외측에 위치한 중공축으로 이루어지고;
    상기 동력인출축은 상기 모터연결구동축의 외측에 위치한 중공축으로 이루어진 것
    을 특징으로 하는 토로이달을 이용한 하이브리드 차량의 파워트레인 구조.
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