KR101795154B1 - 엔진 시동 및 밸런스샤프트 구동용 모터 조립체 및 그 제어방법 - Google Patents

엔진 시동 및 밸런스샤프트 구동용 모터 조립체 및 그 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 엔진 시동 및 밸런스샤프트 구동용 모터 조립체 및 그 제어방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 엔진 시동 및 밸런스샤프트 구동용 모터 조립체는 축방향으로 이동가능한 모터샤프트(110)를 회전시키는 모터(100); 상기 모터샤프트(110)의 일단에 부착되어, 상기 모터샤프트의(110)의 회전력을 전달하거나 차단하는 클러치(200); 상기 클러치(200)를 통해 전달받은 상기 모터샤프트(110)의 회전력에 의해 회전하여, 엔진(1)에 의해 발생한 진동을 저감시키는 밸런스샤프트(300); 상기 모터샤프트(110)의 타단에 부착된 스타트기어(400); 및 상기 모터샤프트(110)를 축방향으로 전진 또는 후진시키는 액추에이터(500);를 포함한다. 본 발명에 따르면, 밸런스샤프트의 구동을 위한 별도의 모터를 생략하여, 차량의 원가를 절감시키고 중량을 감소시킬 수 있다.

Description

엔진 시동 및 밸런스샤프트 구동용 모터 조립체 및 그 제어방법{MOTOR ASSEMBLY FOR ENGINE START-UP AND BALANCE SHAFT DRIVE AND CONTROL METHOD THE SAME}
본 발명은 엔진 시동 및 밸런스샤프트 구동용 모터 조립체 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 밸런스샤프트의 구동을 위한 별도의 모터를 생략한 엔진 시동 및 밸런스샤프트 구동용 모터 조립체 및 그 제어방법에 관한 것이다.
밸런스샤프트는 엔진의 회전시 피스톤의 왕복운동 및 크랭크샤프트의 회전운동에 의해 발생하는 진동 및 소음을 저감시키는 장치이다. 즉, 밸런스샤프트는 크랭크샤프트와 반대방향으로 회전하여, 크랭크샤프트의 회전운동에 의해 발생하는 진동 및 소음을 상쇄시키는 것이다. 상기와 같은 밸런스샤프트에는 기계식 밸런스샤프트와 모터구동식 밸런스샤프트가 있다.
기계식 밸런스샤프트는 체인 또는 기어 등에 의해 엔진의 크랭크샤프트와 연결되므로, 엔진의 회전수와 관계없이 상시 구동된다. 그러나 밸런스샤프트가 필요한 엔진의 회전수는 피스톤 등 엔진의 왕복질량의 관성력이 급격히 증가하는 4000 RPM 이상의 고속구간이다. 따라서, 밸런스샤프트를 상시 구동하는 것은 연비 측면에서 큰 손실이 있는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 방지하기 위해, 모터의 구동을 제어하여 엔진 고속구간에서만 밸런스샤프트를 구동하는 모터구동식 밸런스샤프트가 개발되었다. 그러나 모터구동식 밸런스샤프트는 별도의 모터, 모터제어장치 및 전원장치가 필요하다. 따라서, 원가 및 중량이 상승하며, 엔진 룸 내부에 별도의 공간을 확보해야 하는 문제점이 있다.
또한, ISG(IDLE STOP AND GO) 시스템용 스타터모터는 엔진의 시동 또는 재시동시에만 사용되므로, 활용도가 낮은 문제점이 있다.
등록특허공보 제10-0589214호 (2006.06.05)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 엔진의 왕복질량에 의한 관성력을 저감시키는 밸런스샤프트와 ISG(IDLE STOP AND GO)기능을 수행하는 스타터 모터를 하나의 시스템으로 통합한 엔진 시동 및 밸런스샤프트 구동용 모터 조립체 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 엔진 시동 및 밸런스샤프트 구동용 모터 조립체는 축방향으로 이동가능한 모터샤프트(110)를 회전시키는 모터(100); 상기 모터샤프트(110)의 일단에 부착되어, 상기 모터샤프트의(110)의 회전력을 전달하거나 차단하는 클러치(200); 상기 클러치(200)를 통해 전달받은 상기 모터샤프트(110)의 회전력에 의해 회전하여, 엔진(1)에 의해 발생한 진동을 저감시키는 밸런스샤프트(300); 상기 모터샤프트(110)의 타단에 부착된 스타트기어(400); 및 상기 모터샤프트(110)를 축방향으로 전진 또는 후진시키는 액추에이터(500);를 포함한다.
상기 모터(100)는 벡터제어가 가능한 영구자석형 교류모터인 것을 특징으로 한다.
상기 밸런스샤프트(300)는 상기 엔진(1)의 크랭크샤프트와 연결되지 않는 것을 특징으로 한다.
상기 액추에이터(500)는 시프트 액추에이터인 것을 특징으로 한다.
상기 액추에이터(500)는 상기 모터샤프트(110)를 축방향으로 전진 또는 후진시켜, 상기 스타트기어(400)의 전진 또는 후진과 상기 클러치(200)의 해제 또는 체결을 동시에 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 스타트기어(400)의 전진에 의해 상기 스타트기어(400)에 체결되어, 상기 모터샤프트(110)의 회전력을 상기 엔진(1)에 전달하는 링기어(600);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 링기어(600)는 변속기(3) 내부에 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 엔진 시동 및 밸런스샤프트 구동용 모터 조립체의 제어방법은 엔진(1)의 시동 또는 재시동의 필요 여부를 판단하는 제 1 판단단계(S100); 상기 엔진(1)의 시동 또는 재시동이 필요한 경우에는, 상기 모터샤프트(110)가 전진하도록 액추에이터(500)를 작동시키는 제 1 작동단계(S200); 및 상기 제 1 작동 단계(S200) 후, 모터(100)를 회전시켜 상기 스타트기어(400)를 구동시키는 엔진 시동 또는 재시동 단계(S300);를 포함한다.
상기 제 1 작동단계(S200)에서 클러치(200)가 해제됨과 동시에 스타트기어(400)와 링기어(600)가 체결되는 것을 특징으로 한다.
상기 엔진(1)의 시동 및 재시동이 필요하지 않은 경우에는, 상기 모터샤프트(110)가 후진하도록, 상기 액추에이터(500)의 작동을 정지시키는 제 2 작동단계(S400);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 2 작동단계(S400)에서는 상기 클러치(200)가 체결됨과 동시에 상기 스타트기어(400)가 상기 링기어(600)에서 해제되는 것을 특징으로 한다.
상기 제 2 작동단계(S400) 후, 상기 엔진(1)의 RPM이 기 설정된 목표 RPM 미만인지 판단하는 제 2 판단단계(S500);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 엔진(1)의 RPM이 기 설정된 목표 RPM 이상인 경우에는 상기 모터(100)를 회전시켜 상기 밸런스샤프트(300)를 구동시키는 단계(S600);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따르면, 밸런스샤프트의 구동을 위한 별도의 모터를 생략하여, 차량의 원가를 절감시키고 중량을 감소시킬 수 있다.
엔진의 RPM이 낮은 경우에는 밸런스샤프트의 구동을 정지시켜 연비를 향상시킬 수 있고, 엔진의 RPM이 높은 경우에는 밸런스샤프트의 구동시켜 우수한 NVH(NOISE, VIBRATION AND HARSHNESS) 성능을 유지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 엔진 시동 및 밸런스샤프트 구동용 모터 조립체의 블록도.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 엔진 시동 및 밸런스샤프트 구동용 모터 조립체의 작동상태도.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 엔진 시동 및 밸런스샤프트 구동용 모터 조립체의 제어방법의 순서도.
본 명세서 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 엔진 시동 및 밸런스샤프트 구동용 모터 조립체의 블록도이다. 도 1을 참조할 때, 본 발명의 일 실시 예에 따른 엔진 시동 및 밸런스샤프트 구동용 모터 조립체는 모터(100), 클러치(200), 밸런스샤프트(300), 스타트기어(400), 액추에이터(500) 및 링기어(600)를 포함한다.
모터(100)는 축방향으로 이동가능한 모터샤프트(110)를 회전시키는 역할을 한다. 상기 모터샤프트(110)의 일단은 클러치(200)를 통해 밸런스샤프트(300)를 구동(회전)시킬 수 있고, 타단은 스타트기어(400)에 연결되어 엔진(1)의 시동기능을 수행할 수 있다. 또한, 상기 모터(100)는 벡터제어가 가능한 영구자석형 교류모터인 것을 특징으로 하는 한다. 이는 밸런스샤프트(300)의 정확한 회전속도 및 위상을 제어하기 위함이다.
클러치(200)는 상기 모터샤프트(110)의 일단에 부착되어, 상기 모터샤프트의(110)의 회전력을 밸런스샤프트(300)에 전달하거나 차단하는 역할을 한다.
밸런스샤프트(300)는 상기 클러치(200)를 통해 전달받은 상기 모터샤프트(110)의 회전력에 의해 회전하여, 엔진(1)에 의해 발생한 진동을 저감시키는 역할을 한다. 또한, 상기 밸런스샤프트(300)는 상기 엔진(1)의 크랭크샤프트와 연결되지 않는 것을 특징으로 한다. 즉, 체인 또는 기어 등에 의해 엔진의 크랭크샤프트와 연결되어 엔진의 회전수와 관계없이 상시 구동되는 종래의 기계식 밸런스샤프트와 달리, 엔진(1)의 RPM이 기 설정된 목표 RPM 미만인 경우에는 밸런스샤프트(300)를 구동시키지 않을 수 있는 것이다. 이에 따라, 차량의 연비를 향상시킬 수 있다.
스타트기어(400)는 상기 모터샤프트(110)의 타단에 부착된다. 또한, 상기 스타트기어(400)는 링기어(600)에 체결되거나 링기어(600)로부터 해제될 수 있다.
링기어(600)는 상기 스타트기어(400)의 전진에 의해 상기 스타트기어(400)에 체결되어, 상기 모터샤프트(110)의 회전력을 상기 엔진(1)에 전달한다. 또한, 상기 링기어(600)는 변속기(3) 내부에 배치될 수 있다.
액추에이터(500)는 상기 모터샤프트(110)를 축방향으로 전진 또는 후진시키는 역할을 한다. 또한, 상기 액추에이터(500)는 시프트 액추에이터(특히, 양방향 시프트 포크 액추에이터)일 수 있다. 상기 액추에이터(500)는 상기 모터샤프트(110)를 축방향으로 전진 또는 후진시켜, 상기 스타트기어(400)의 전진 또는 후진과 상기 클러치(200)의 해제 또는 체결을 동시에 제어하는 것을 특징으로 한다. 즉, 액추에이터(500)를 작동시키면 모터샤프트(110)가 축방향으로 전진하고, 이에 따라 스타트기어(400) 역시 전진하며, 이와 동시에 클러치(200)는 해제된다. 또한, 액추에이터(500)의 작동을 정지시키면 모터샤프트(110)가 축방향으로 후진하고(즉, 원상태로 복귀하고), 이에 따라 스타트기어(400) 역시 후진하며, 이와 동시에 클러치(200)는 체결된다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 엔진 시동 및 밸런스샤프트 구동용 모터 조립체의 작동상태도이다. 도 2를 참조할 때, 엔진의 시동 또는 재시동시에는, 우선 모터샤프트(100)가 전진하도록 액추에이터(500)를 작동시킨다. 이에 따라 스타트기어(400)와 링기어(600)가 체결됨과 동시에, 클러치(200)는 해제된다. 이후, 모터(100)의 회전력이 링기어(600)로 전달되어, 엔진(1)이 시동 또는 재시동되는 것이다.
도 3을 참조할 때, 엔진(1)의 RPM이 기 설정된 목표 RPM 미만인 경우에는, 모터샤프트(100)가 후진하도록 액추에이터(500)가 작동된다. 이에 따라, 스타트기어(400)와 링기어(600)가 해제됨과 동시에, 클러치(200)는 체결된다. 이와 동시에, 모터(100)는 정지되므로, 링기어(600)와 밸런스샤프트(300) 모두 구동되지 않는다.
도 4를 참조할 때, 엔진(1)의 RPM이 기 설정된 목표 RPM 이상인 경우에도, 모터샤프트(100)가 후진하도록 액추에이터(500)가 작동된다. 이에 따라, 스타트기어(400)와 링기어(600)가 해제됨과 동시에, 클러치(200)는 체결된다. 이후, 모터(100)가 회전하며, 모터(100)의 회전력이 클러치(200)를 통해 밸런스샤프트(300)로 전달되어, 밸런스샤프트(300)가 구동되는 것이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 엔진 시동 및 밸런스샤프트 구동용 모터 조립체의 제어방법의 순서도이다. 도 5를 참조할 때, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 엔진 시동 및 밸런스샤프트 구동용 모터 조립체의 제어방법은 엔진(1)의 시동 또는 재시동의 필요 여부를 판단하는 제 1 판단단계(S100); 상기 엔진(1)의 시동 또는 재시동이 필요한 경우에는, 상기 모터샤프트(110)가 전진하도록 액추에이터(500)를 작동시키는 제 1 작동단계(S200); 및 상기 제 1 작동 단계(S200) 후, 모터(100)를 회전시켜 상기 스타트기어(400)를 구동시키는 엔진 시동 또는 재시동 단계(S300);를 포함한다. 이때, 상기 제 1 작동단계(S200)에서 클러치(200)가 해제됨과 동시에 스타트기어(400)와 링기어(600)가 체결되는 것을 특징으로 한다. (도 2 참조)
즉, 엔진(1)의 시동 또는 재시동을 위해 ISG 시스템의 스타터모터의 역할을 수행하는 것이다. 또한, 이 경우에는 엔진(1)의 RPM이 높지 않은 상태이므로 밸런스샤프트(300)를 구동시킬 필요가 없다. 따라서, 클러치(200)를 해제하여, 모터(100)의 회전력이 밸런스샤프트(300)로 전달되는 것을 차단한다. 이에 따라, 불필요한 에너지 소모를 방지하여, 차량의 연비를 향상시킬 수 있다.
상기 엔진 시동 및 밸런스샤프트 구동용 모터 조립체의 제어방법은 상기 엔진(1)의 시동 및 재시동이 필요하지 않은 경우에는, 상기 모터샤프트(110)가 후진하도록, 상기 액추에이터(500)의 작동을 정지시키는 제 2 작동단계(S400);를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 제 2 작동단계(S400)에서는 상기 클러치(200)가 체결됨과 동시에 상기 스타트기어(400)가 상기 링기어(600)에서 해제되는 것을 특징으로 한다. (도 3 및 도 4 참조)
즉, 더이상 엔진(1)의 시동 또는 재시동을 요하지 않으므로, ISG 시스템의 스타터모터의 역할을 수행하지 않고, 밸런스샤프트(300) 구동용 모터로서의 역할을 수행할 수 있도록 준비하는 것이다. 이때, 밸런스샤프트(300)의 언밸런스 웨이트는 중력에 의해 항상 하방을 향하고 있으므로, 상기와 같이 클러치(200)의 체결시 언밸런스 웨이트의 회전각 위상은 항상 일정하다. 따라서, 엔진의 불평형력에 대한 역위상 제어를 안정적으로 수행할 수 있다.
상기 엔진 시동 및 밸런스샤프트 구동용 모터 조립체의 제어방법은 상기 제 2 작동단계(S400) 후, 상기 엔진(1)의 RPM이 기 설정된 목표 RPM 미만인지 판단하는 제 2 판단단계(S500);를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 엔진(1)의 RPM이 기 설정된 목표 RPM 이상인 경우에는 상기 모터(100)를 회전시켜 상기 밸런스샤프트(300)를 구동시키는 단계(S600);를 포함하는 것을 특징으로 한다. (도 4 참조)
즉, 엔진(1)의 RPM이 기 설정된 목표 RPM 이상인 경우에는 엔진의 불평형 관성력을 상쇄시키기 위해, 밸런스샤프트(300)를 구동시키는 것이다. 이때, 기 설정된 목표 RPM은 차량의 종류 등에 따라 달리 설정될 수 있다(EX: 3500 RPM으로 설정 가능).
또한, 엔진(1)의 RPM이 기 설정된 목표 RPM 미만인 경우에는 상기 모터(100)를 정지시킨다. 이에 따라 밸런스샤프트(300) 역시 정지한다. 즉, 이러한 경우에는 차량의 소음(부밍 소음) 및 진동이 크지 않으므로 밸런스샤프트(300)를 구동시킬 필요가 없기 때문이다. 따라서, 불필요한 에너지 소모를 방지하여 차량의 연비를 향상시킬 수 있다. (도 3 참조)
앞서 살펴본 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(이하 '당업자'라 한다)가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하는 바람직한 실시 예일 뿐, 전술한 실시 예 및 첨부한 도면에 한정되는 것은 아니므로 이로 인해 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 당업자에게 있어 명백할 것이며, 당업자에 의해 용이하게 변경 가능한 부분도 본 발명의 권리범위에 포함됨은 자명하다.
1 엔진
2 오일팬
3 변속기
100 모터
110 모터샤프트
200 클러치
300 밸런스샤프트
400 스타트기어
500 액추에이터
600 링기어

Claims (13)

  1. 축방향으로 이동가능한 모터샤프트(110)를 회전시키는 모터(100);
    상기 모터샤프트(110)의 일단에 부착되어, 상기 모터샤프트(110)의 회전력을 전달하거나 차단하는 클러치(200);
    상기 클러치(200)를 통해 전달받은 상기 모터샤프트(110)의 회전력에 의해 회전하여, 엔진(1)에 의해 발생한 진동을 저감시키는 밸런스샤프트(300);
    상기 모터샤프트(110)의 타단에 부착된 스타트기어(400); 및
    상기 모터샤프트(110)를 축방향으로 전진 또는 후진시키는 액추에이터(500);
    를 포함하는 엔진 시동 및 밸런스샤프트 구동용 모터 조립체.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 모터(100)는 벡터제어가 가능한 영구자석형 교류모터인 것을 특징으로 하는 엔진 시동 및 밸런스샤프트 구동용 모터 조립체.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 밸런스샤프트(300)는 상기 엔진(1)의 크랭크샤프트와 연결되지 않는 것을 특징으로 하는 엔진 시동 및 밸런스샤프트 구동용 모터 조립체.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 액추에이터(500)는 시프트 액추에이터인 것을 특징으로 하는 엔진 시동 및 밸런스샤프트 구동용 모터 조립체.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 액추에이터(500)는 상기 모터샤프트(110)를 축방향으로 전진 또는 후진시켜, 상기 스타트기어(400)의 전진 또는 후진과 상기 클러치(200)의 해제 또는 체결을 동시에 제어하는 것을 특징으로 하는 엔진 시동 및 밸런스샤프트 구동용 모터 조립체.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 스타트기어(400)의 전진에 의해 상기 스타트기어(400)에 체결되어, 상기 모터샤프트(110)의 회전력을 상기 엔진(1)에 전달하는 링기어(600);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 시동 및 밸런스샤프트 구동용 모터 조립체.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 링기어(600)는 변속기(3) 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는 엔진 시동 및 밸런스샤프트 구동용 모터 조립체.
  8. 엔진(1)의 시동 또는 재시동의 필요 여부를 판단하는 제 1 판단단계(S100);
    상기 엔진(1)의 시동 또는 재시동이 필요한 경우에는, 모터샤프트(110)가 전진하도록 액추에이터(500)를 작동시키는 제 1 작동단계(S200); 및
    상기 제 1 작동 단계(S200) 후, 모터(100)를 회전시켜 스타트기어(400)를 구동시키는 엔진 시동 또는 재시동 단계(S300);를 포함하고,
    상기 제 1 작동단계(S200)에서 클러치(200)가 해제됨과 동시에 스타트기어(400)와 링기어(600)가 체결되는 것을 특징으로 하는 엔진 시동 및 밸런스샤프트 구동용 모터 조립체의 제어방법.
  9. 삭제
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 엔진(1)의 시동 및 재시동이 필요하지 않은 경우에는, 상기 모터샤프트(110)가 후진하도록 상기 액추에이터(500)의 작동을 정지시키는 제 2 작동단계(S400);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 시동 및 밸런스샤프트 구동용 모터 조립체의 제어방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 제 2 작동단계(S400)에서는 클러치(200)가 체결됨과 동시에 상기 스타트기어(400)가 링기어(600)에서 해제되는 것을 특징으로 하는 엔진 시동 및 밸런스샤프트 구동용 모터 조립체의 제어방법.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 제 2 작동단계(S400) 후, 상기 엔진(1)의 RPM이 기 설정된 목표 RPM 미만인지 판단하는 제 2 판단단계(S500);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 시동 및 밸런스샤프트 구동용 모터 조립체의 제어방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 엔진(1)의 RPM이 기 설정된 목표 RPM 이상인 경우에는 상기 모터(100)를 회전시켜 밸런스샤프트(300)를 구동시키는 단계(S600);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 시동 및 밸런스샤프트 구동용 모터 조립체의 제어방법.
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