KR101809257B1 - 차동기어를 이용한 회생제동 하이브리드 변속기 및 이의 작동방법 - Google Patents

차동기어를 이용한 회생제동 하이브리드 변속기 및 이의 작동방법 Download PDF

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KR101809257B1
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motor
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이철우
조용찬
박찬희
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한국지질자원연구원
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Abstract

본 발명은 내연기관 및 전동모터에서 발생하는 동력을 전달하는 하이브리드 변속기로서, 상기 내연기관의 동력을 전달하거나 차단하는 클러치; 상기 클러치를 통해 상기 내연기관에 연결되어 동력에 의해 회전하는 엔진샤프트; 상기 엔진샤프트와 분리된 상태를 이루며, 상기 전동모터에 연결되어 전동에 의해 회전하는 모터샤프트; 상기 엔진샤프트에 연결되거나 상기 모터샤프트에 연결되어 차륜으로 인출되면서 회전력을 출력하고, 상기 차륜의 관성회전에 의해 회전하는 출력샤프트; 상기 엔진샤프트와 상기 내연기관을 기어식으로 연결하면서 설정된 기어비로 연결하여 상기 엔진샤프트의 회전속도를 가변시키는 변속기어유닛; 상기 엔진샤프트 및 상기 모터샤프트를 상기 출력샤프트와 차동기어식으로 연결하면서 상기 출력샤프트를 회전시키는 차동기어유닛; 동력전달방향에 따라 상기 엔진샤프트의 회전을 정지시키는 엔진샤프트 제동기; 동력전달방향에 따라 상기 모터샤프트의 회전을 정지시키는 모터샤프트 제동기; 및 상기 엔진샤프트 제동기 및 상기 모터샤프트 제동기의 작동을 각각 제어하면서 동력전달방향을 제어하고, 상기 차륜의 관성회전에 의해 회전하는 상기 출력샤프트의 회전력을 상기 모터샤프트에 전달하면서 상기 전동모터의 회생제동을 수행하여 전기를 발전시키는 컨트롤러;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

차동기어를 이용한 회생제동 하이브리드 변속기 및 이의 작동방법{REGENERATIVE BREAKING HYBRID TRANSMISSION USING DIFFERENTIAL-GEAR AND OPERATING METHOD THEREOF}
본 발명은 변속기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기어식 및 전동식의 하이브리드 방식을 이루면서 차동기어를 이용하여 동력을 전달하는 동시에 출력축의 제동력을 통해 전동모터를 발전시킴으로써 전기에너지를 회수할 수 있는 차동기어를 이용한 회생제동 하이브리드 변속기에 관한 것이다.
변속기(Transmission)는 알려진 바와 같이 내연기관의 동력을 속도에 따라 필요한 회전력으로 바꾸어 전달하는 변속장치이다.
차량이나 굴착기, 기계식 펌프와 같은 장치들은 내연기관에서 발생한 동력을 이용하여 작동하는 것으로 저속에서는 더 강한 토크와 낮은 회전을 필요로 하며, 속도가 빨라짐에 따라 토크보다는 고속의 회전이 필요하게 되는데, 이와 같은 역할을 수행하는 것이 변속기이다.
예컨대, 일반적인 자동차 변속기는 1단에서 5단까지의 변속단계로 이루어져 있다. 1단과 2단 기어에서는 힘을 세게 발휘하도록 감속비가 크게 설정되어 있고, 3단과 4단 기어에서는 중속과 고속에서 속도를 유지하거나 가속할 수 있도록 내연기관 회전수와 비슷한 기어비로 되어 있다. 5단은 오버드라이브(Over Drive)라고 하여 고속에서의 주행을 위한 내연기관 회전수보다 낮은 기어비로 이루어져 있다.
이러한 변속기는 사람의 클러치(Clutch) 조작 여부에 따라서 직접 조작하는 수동(Manual)방식과 유압으로 미션이 속도에 따라 맞는 변속을 직접 해주는 자동(Auto)방식이 있으며, 기어 대신에 벨트를 사용하여 연속적인 변속비를 얻을 수 있는 무단변속기(CVT : Continuously Variable Transmission)가 있다.
과거에는 수동방식이 주로 사용되었으나 조작방식의 번거로움으로 인하여 근래에는 자동변속기나 무단변속기가 주로 사용되고 있다.
이 중, 자동변속기는 구조가 복잡하고 가격이 비싸며, 특히 수동방식에 비해 연료소비율이 높은 단점이 있으며, 무단변속기는 기어비가 연속적으로 변하기 때문에 가장 높은 힘을 내는 특정 rpm을 계속적으로 사용할 수 있으므로 연비가 개선되는 장점이 있으나, 큰 힘을 전달하기에는 한계가 있어서 특히 출발 시나 저속에서 동력을 제대로 전달하지 못하고 내구성이 약한 단점이 있어서 경차에 주로 사용되는 한계가 있다.
한편, 과거에는 내연기관의 동력만을 이용한 장치들이 주를 이뤘으나, 최근에는 에너지절감 및 환경보호를 위하여 내연기관과 배터리에 의한 전동모터를 동시에 장착함으로써 복합적인 동력을 이용하는 하이브리드 동력장치가 사용되고 있다.
즉, 하이브리드 동력장치는 큰 회전력이 요구되는 저속에서는 내연기관의 동력을 사용하고, 빠른 회전속도가 요구되는 고속에서는 전동모터의 동력을 사용함으로써 연비 향상 및 유해가스 배출량을 획기적으로 감소시키고 있다.
이에 따라, 상기와 같은 하이브리드 동력장치에 적용되어 내연기관이나 전동모터의 동력 특성에 부합되는 토크나 회전수를 원활하게 전달할 수 있는 새로운 복합변속기가 요구되고 있다.
한편, 상기와 같은 하이브리드 동력장치는 굴착기나 수중펌프에도 적용되어 샤프트를 회전시키면서 시추 또는 지하수의 양수를 수행하는데, 이때에도 양수율의 유량변화나 시추성능을 변화시키기 위해서는 샤프트의 회전수나 토크를 내연기관이나 전동모터의 동력 특성에 맞게 가변시켜야 하므로 새로운 복합변속기가 필요하다.
대한민국 공개특허공보 제10-2012-0063339호
본 발명은 상기와 같은 선행기술의 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 내연기관 및 전동모터의 동력을 구비하여 기어식 또는 전동식의 하이브리드 방식을 이루면서 차동기어를 이용하여 동력을 전달하는 동시에, 차륜의 관성회전을 통해 전동모터를 발전시킴으로써 전기에너지를 회수할 수 있는 차동기어를 이용한 회생제동 하이브리드 변속기를 제공하는 것이 그 목적이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 차동기어를 이용한 회생제동 하이브리드 변속기는, 내연기관 및 전동모터에서 발생하는 동력을 전달하는 하이브리드 변속기로서, 상기 내연기관의 동력을 전달하거나 차단하는 클러치; 상기 클러치를 통해 상기 내연기관에 연결되어 동력에 의해 회전하는 엔진샤프트; 상기 엔진샤프트와 분리된 상태를 이루며, 상기 전동모터에 연결되어 전동에 의해 회전하는 모터샤프트; 상기 엔진샤프트에 연결되거나 상기 모터샤프트에 연결되어 차륜으로 인출되면서 회전력을 출력하고, 상기 차륜의 관성회전에 의해 회전하는 출력샤프트; 상기 엔진샤프트와 상기 내연기관을 기어식으로 연결하면서 설정된 기어비로 연결하여 상기 엔진샤프트의 회전속도를 가변시키는 변속기어유닛; 상기 엔진샤프트 및 상기 모터샤프트를 상기 출력샤프트와 차동기어식으로 연결하면서 상기 출력샤프트를 회전시키는 차동기어유닛; 동력전달방향에 따라 상기 엔진샤프트의 회전을 정지시키는 엔진샤프트 제동기; 동력전달방향에 따라 상기 모터샤프트의 회전을 정지시키는 모터샤프트 제동기; 및 상기 엔진샤프트 제동기 및 상기 모터샤프트 제동기의 작동을 각각 제어하면서 동력전달방향을 제어하고, 상기 차륜의 관성회전에 의해 회전하는 상기 출력샤프트의 회전력을 상기 모터샤프트에 전달하면서 상기 전동모터의 회생제동을 수행하여 전기를 발전시키는 컨트롤러;를 포함하여 구성될 수 있다.
예컨대, 상기 차동기어유닛은, 상기 엔진샤프트에 결합된 상태로 상기 엔진샤프트와 함께 회전하는 엔진샤프트기어; 상기 출력샤프트에 동일체로 고정되어 상기 출력샤프트와 함께 회전하고, 원추형의 베벨기어로 이루어진 출력사이드기어; 상기 모터샤프트에 동일체로 고정되어 상기 모터샤프트와 함께 회전하고, 상기 출력사이드기어와 대칭상태를 이루면서 대면하는 모터사이드기어; 상기 출력사이드기어 및 상기 모터사이드기어에 치합된 상태로 상기 출력사이드기어와 상기 모터사이드기어의 둘레를 공전하면서 상기 출력사이드기어를 회전시키고, 상기 모터샤프트의 회전에 의한 상기 모터사이드기어의 회전에 의해 자전하면서 상기 출력사이드기어를 회전시키는 한 쌍의 피니언기어; 상기 모터샤프트와 동축을 이루면서 공회전가능하게 결합된 상태로 상기 엔진샤프트기어와 치합되어 상기 엔진샤프트기어에 의해 회전하고, 상기 피니언기어들과 연결되어 상기 출력사이드기어와 상기 모터사이드기어의 둘레를 따라 상기 피니언기어들을 공전시키는 링기어; 및 상기 피니언기어들이 각각 공회전가능하게 결합된 상태로 상기 링기어에 동일체로 고정되어 상기 링기어와 함께 회전하는 차동기어케이스;를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 엔진샤프트기어는, 상기 엔진샤프트에 동일체로 고정되어 상기 클러치를 통해 상기 내연기관의 동력에 연결되면서 상기 엔진샤프트와 함께 회전할 수 있다.
또, 상기 컨트롤러는, 상기 내연기관과 상기 전동모터 중 하나로만 동력을 전달할 경우, 상기 엔진샤프트 제동기 및 상기 모터샤프트 제동기를 제어하여 상기 엔진샤프트 상기 모터샤프트 중 하나를 정지시킬 수 있다.
또한, 상기 변속기어유닛은, 자동변속기로 구성되고, 상기 클러치는, 유체를 이용하여 상기 내연기관의 동력을 상기 자동변속기로 전달하는 토크컨버터로 구성될 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 차동기어를 이용한 하이브리드 변속기의 작동방법은, 상기 컨트롤러가 상기 엔진샤프트 제동기를 제어하여 상기 내연기관의 동력을 상기 클러치 유닛 및 상기 변속기어 유닛을 통해 상기 엔진샤프트 및 상기 엔진샤프트기어에 전달하고, 상기 링기어 및 상기 피니언기어를 통해 상기 출력사이드기어 및 상기 출력샤프트를 회전시키면서, 상기 모터샤프트 제동기를 제어하여 상기 모터샤프트를 정지시키는 엔진동력단계; 상기 컨트롤러가 상기 엔진샤프트 제동기를 제어하여 상기 엔진샤프트를 정지시키고, 상기 모터샤프트 제동기를 제어하여 상기 모터샤프트를 회전시키면서 상기 모터사이드기어 및 상기 피니언기어를 통해 상기 출력사이드기어 및 상기 출력샤프트를 회전시키는 모터동력단계; 상기 차륜의 관성회전 시, 상기 컨트롤러가 상기 모터샤프트 제동기를 제어하여 상기 출력샤프트의 회전력을 통해 상기 모터샤프트를 회전시키면서 상기 전동모터의 회생제동을 수행하여 전기를 발전시키는 회생제동단계;를 포함하여 수행될 수 있다.
예컨대, 상기 회생제동단계는, 상기 컨트롤러가 상기 내연기관이나 상기 전동모터의 부하를 감지하여 상기 차륜의 관성회전을 판단하는 관성운전 판단단계; 및 상기 컨트롤러가 상기 엔진샤프트 제동기를 제어하여 상기 엔진샤프트를 정지시키는 동시에 상기 모터샤프트 제동기를 제어하여 상기 모터샤프트의 회전을 허용하면서 상기 모터샤프트를 회전시켜 상기 전동모터를 발전시키는 발전단계;를 포함하여 수행될 수 있다.
전술한 바와 같은 본 발명에 따른 차동기어를 이용한 회생제동 하이브리드 변속기는, 내연기관과 전동모터의 동력을 선택적으로 이용함으로써 연비개선 및 에너지 절감을 도모할 수 있으며, 특히 내연기관과 전동모터의 동력 모두를 출력샤프트에 전달할 경우에는 모터의 회전수에 비례하여 변속기어유닛의 기어비 범위가 커지므로 출력샤프트의 회전수가 증가될 수 있다.
특히, 본 발명은 차륜의 관성회전시 출력샤프트의 회전력으로 모터샤프트를 회전시켜 전동모터를 통한 회생제동을 수행하므로 관성주행구간에서 소모되는 회전력을 통해 전기에너지를 회수할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 차동기어를 이용한 회생제동 하이브리드 변속기의 실시예를 나타내는 구성도.
도 2는 본 발명의 내연기관에 의한 동력전달을 나타내는 작동상태도.
도 3은 본 발명의 전동모터에 의한 동력전달을 나타내는 작동상태도.
도 4는 본 발명의 내연기관과 전동모터에 의한 동력전달을 나타내는 작동상태도.
도 5는 본 발명의 출력샤프트의 관성회전에 의한 회생제동 상태를 나타내는 작동상태도.
이하에서 첨부 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대해서 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지의 범용적인 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 실시예에 의한 차동기어를 이용한 회생제동 하이브리드 변속기는 도 1에 도시된 바와 같이 클러치(5), 엔진샤프트(10), 모터샤프트(20), 출력샤프트(30), 변속기어유닛(100), 차동기어유닛(300), 엔진샤프트 제동기(400) 및 모터샤프트 제동기(500)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 본 발명의 복합변속기는 통상적인 하이브리드 차량과 같은 동력수행부재에 적용되어 차륜을 회전시킬 수 있으며, 또한 굴착기나 수중펌프 등과 같이 내연기관 및 전동모터의 동력으로 작동하면서 변속기가 필요한 모든 동력수행부재에 적용될 수 있다.
클러치(5)는 동력을 차단하거나 접속하는 통상의 축이음 장치이다.
이러한 클러치는 도 1에 도시된 바와 같이 내연기관(E)과 변속기어유닛(100)의 사이에 설치되어 내연기관(E)의 동력을 변속기어유닛(100)에 접속시키거나 차단한다.
엔진샤프트(10)는 내연기관(E)의 동력에 의해 회전하는 것으로, 도 1에 도시된 바와 같이 클러치(5)를 통해 내연기관(E)에 연결되며, 후술되는 변속기어유닛(100)에 의해 회전속도가 변속된다.
이러한 엔진샤프트(10)는 후술되는 차동기어유닛(300)을 통해 출력샤프트(30)에 연결되어 내연기관(E)의 동력을 출력샤프트(30)에 제공한다.
모터샤프트(20)는 전동모터(M)의 회전력을 전달하는 것으로, 도 1에 도시된 바와 같이 엔진샤프트(10)와 분리된 상태를 이루면서 평행하게 배치되어 전동모터(M)에 의해 회전하며, 후술되는 차동기어유닛(300)을 통해 출력샤프트(30)에 연결되어 전동모터(M)의 동력을 출력샤프트(30)에 제공한다.
출력샤프트(30)는 후술되는 차동기어유닛(300)을 통해 엔진샤프트(10) 또는 모터샤프트(20)에 연결되어 동력을 출력하면서 동력수행부재를 회전시키는 부재이다.
여기서, 동력수행부재는 적용대상이 차량일 경우에는 회전력을 통해 차체를 이동시키는 차륜이고, 적용대상이 굴착기나 수중펌프일 경우에는 시추나 펌핑을 수행하는 샤프트이다.
이러한 출력샤프트(30)는 후술되는 변속기어유닛(100)이나 차동기어유닛(300)을 통해 엔진샤프트(10) 및 모터샤프트(20)에 연결되며, 동력전달방향에 따라 엔진샤프트(10)에 직접 연결되거나 모터샤프트(20)에 연결되어 정회전 또는 역회전하면서 동력수행부재를 작동시킨다.
변속기어유닛(100)은 엔진샤프트(10)와 내연기관(E)을 연결하여 엔진샤프트(10)를 회전시키면서 엔진샤프트(10)의 회전속도를 변속시키는 구성요소이다.
즉, 변속기어유닛(100)은 통상의 수동식 변속기에 구성되는 기계식 변속부재로 구성될 수 있으며, 이와 달리 자동변속기로 구성될 수 있다.
이러한, 변속기어유닛(100)은 알려진 바와 같이 다수의 기어트레인으로 구성되어 기어비를 통해 변속을 수행하는 구성이므로 더 이상의 상세한 설명을 생략한다.
여기서, 전술한 클러치(5)는 변속기어유닛(100)이 자동변속기로 구성될 경우에는 유체를 이용하여 내연기관(E)의 동력을 자동변속기로 전달하는 토크컨버터로 구성될 수 있다.
차동기어유닛(300)은 출력샤프트(30)를 엔진샤프트(10) 또는 모터샤프트(20)와 연결하여 내연기관(E)에 의한 엔진샤프트(10)의 회전력이나 전동모터(M)에 의한 모터샤프트(20)의 회전력을 출력샤프트(30)에 전달하는 구성요소이다.
차동기어(Differential Gear)는 알려진 바와 같이 자동차 양쪽바퀴의 회전수를 적절히 분배하여 구동시키는 장치로서, 좌우차륜에 연결된 한 쌍의 사이드기어에 치합되는 한 쌍의 피니언기어가 링기어에 의해 사이드기어의 둘레를 공전하면서 사이드기어를 회전시키며, 어느 한 쪽 차륜에 저항이 걸림에 따라 피니언기어가 자전하면서 다른 한 쪽의 사이드기어의 회전수를 증가시키는 장치이다.
예컨대, 차동기어유닛(300)은 도 1에 도시된 바와 같이 출력사이드기어(310), 모터사이드기어(320), 한 쌍의 피니언기어(330), 링기어(340), 차동기어케이스(350) 및 엔진샤프트기어(360)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 출력사이드기어(310), 모터사이드기어(320) 및 한 쌍의 피니언기어(330)는 도 1에 도시된 바와 같이 서로 동일한 형태에 베벨기어로 구성되어 대칭상태로 치합된다.
출력사이드기어(310)는 출력샤프트(30)에 동일체로 고정되어 출력샤프트(30)와 함께 회전한다.
모터사이드기어(320)는 모터샤프트(20)와 동축을 이루면서 모터샤프트(20)와 함께 회전한다.
한 쌍의 피니언기어(330)는 도 1에 도시된 바와 같이 출력사이드기어(310) 및 모터사이드기어(320)에 수직상태로 치합되어 후술되는 링기어(340)에 의해 출력사이드기어(310) 및 모터사이드기어(320)의 둘레를 공전하면서 출력사이드기어(310)를 회전시키고, 모터샤프트(20)에 의한 모터사이드기어(110)의 회전에 의해 자전하면서 출력사이드기어(310)를 회전시킨다.
링기어(340)는 도 1에 도시된 바와 같이 모터샤프트(20)에 베어링을 통해 공회전가능하게 결합된 상태로 후술되는 엔진샤프트기어(360)에 치합되며, 엔진샤프트기어(360)의 회전에 의해 회전하면서 후술되는 차동기어케이스(350)를 통해 피니언기어(330)들과 연결되어 회전을 통해 피니언기어(330)들을 공전시킴으로써 출력사이드기어(310)를 회전시킨다.
차동기어케이스(350)는 도 1에 도시된 바와 같이 한 쌍을 이루면서 링기어(340)에 동일체로 고정되어 링기어(340)와 함께 회전하며, 각각의 단부에 피니언기어(330)들이 공회전가능하게 결합된다.
즉, 피니언기어(330)들은 차동기어케이스(350)에 의해 링기어(340)와 함께 회전하며, 출력사이드기어(310) 및 모터사이드기어(320)의 둘레를 공전하면서 출력사이드기어(310)를 회전시킨다.
엔진샤프트기어(360)는 도 1에 도시된 바와 같이 엔진샤프트(10)에 결합된 상태로 링기어(340)에 치합되며, 클러치(5) 및 변속기어유닛(100)에 의한 엔진샤프트(10)의 회전시 함께 엔진샤프트(10)와 함께 회전하면서 내연기관(E)의 동력을 링기어(340)에 전달한다.
이러한 엔진샤프트기어(360)는 도 1에 도시된 바와 같이 엔진샤프트(10)와 동일체로 결합되어 엔진샤프트(10)와 함께 회전할 수 있으며, 이와 달리 엔진샤프트(10)에 베어링을 통해 공회전가능하게 결합된 상태로 미도시된 록킹장치에 의해 엔진샤프트(10)에 선택적으로 록킹되어 회전할 수도 있다.
엔진샤프트 제동기(400)는 도 1에 도시된 바와 같이 엔진샤프트(10)에 구비되어 컨트롤러(C)의 제어에 의해 작동하면서 엔진샤프트(10)의 회전을 제어하는 구성요소이다.
즉, 엔진샤프트 제동기(400)는 내연기관(E)에 의한 동력전달시에 엔진샤프트(10)의 회전을 허용하고, 전동모터(M)에 의한 동력전달시에는 엔진샤프트(10)를 정지시킨다.
모터샤프트 제동기(500)는 도 1에 도시된 바와 같이 모터샤프트(20)에 구비되어 컨트롤러의 제어에 의해 작동하면서 모터샤프트(20)의 회전을 제어하는 구성요소이다.
즉, 모터샤프트 제동기(500)는 내연기관(E)에 의한 동력전달시에 모터샤프트(20)의 회전을 정지시키고, 전동모터(M)에 의한 동력전달시에는 모터샤프트(20)를 회전시킨다.
컨트롤러(C)는 동력전달방향을 제어하기 위한 것으로, 차량의 경우에는 ECU로 구성되어 엔진샤프트 제동기(400) 및 모터샤프트 제동기(500)의 작동을 각각 제어하여 동력전달방향을 제어할 수 있다.
여기서, 컨트롤러(C)는 엔진샤프트 제동기(400) 및 모터샤프트 제동기(500)의 제어를 통해 내연기관(E)과 전동모터(M)의 동력 모두를 출력샤프트(30)에 전달할 경우에는 전동모터(M)의 회전수에 비례하여 변속기어유닛(100)의 기어비 범위가 커지므로 출력샤프트(30)의 회전수가 증가될 수 있다.
종합하면, 차동기어유닛(300)은 클러치(5)를 통한 내연기관(E)의 동력제공 시, 컨트롤러(C)의 제어에 의해 엔진샤프트(10)의 회전만이 허용되어 엔진샤프트(10)가 변속기어유닛(100)에 의해 회전함에 따라 엔진샤프트기어(360)가 회전하고, 엔진샤프트기어(360)가 링기어(340) 및 차동기어케이스(350)를 회전시켜 피니언기어(330)들을 회전시키며, 피니언기어(330)들이 출력사이드기어(310)를 회전시킴으로써 출력샤프트(30)가 회전한다.
그리고, 차동기어유닛(300)은 모터샤프트(20)를 통한 전동모터(M)의 동력제공 시, 컨트롤러(C)의 제어에 의해 모터샤프트(20)의 회전만이 허용되어 모터샤프트(20)가 회전함에 따라 모터사이드기어(320)가 피니언기어(330)들만 자전시키며, 피니언기어(330)들이 출력사이드기어(310)를 회전시킴으로써 출력샤프트(30)가 회전한다.
상기와 같은 구성요소를 포함하는 본 발명에 따른 회생제동 하이브리드 변속기의 상황별 작동을 도 2 내지 도 5를 참조하여 설명한다.
내연기관(E)은 도 2에 도시된 바와 같이 컨트롤러(C)에 의해 엔진동력모드에서 작동하면서 엔진샤프트 제동기(400)에 의한 엔진샤프트(10)의 회전이 허용된 후, 클러치(5) 및 변속기어유닛(100)을 통해 엔진샤프트유닛(10)을 회전시켜 엔진샤프트기어(360)를 회전시킨다.
이때, 엔진샤프트기어(360)는 도 2에 도시된 바와 같이 엔진샤프트(10)와 함께 회전하면서 링기어(340) 및 차동기어케이스(350)를 회전시킨다.
이에 따라, 출력사이드기어(310)는 도 2에 도시된 바와 같이 차동기어케이스(350)와 함께 회전하는 피니언기어(330)의 공전 및 자전에 의해 회전하면서 출력샤프트(30)를 회전시켜 내연기관(E)의 동력을 출력한다.
전동모터(M)는 도 3에 도시된 바와 같이 컨트롤러(C)에 의해 모터동력모드에서 작동하면서 모터샤프트 제동기(500)에 의한 모터샤프트(20)의 회전이 허용된 후, 모터샤프트(20) 및 모터사이드기어(320)를 회전시킨다.
이에 따라, 출력사이드기어(310)는 피니언기어(330)의 자전에 의해 회전하면서 출력샤프트(30)를 회전시켜 전동모터(M)의 동력을 출력한다.
또한, 내연기관(E) 및 전동모터(M)는 도 4에 도시된 바와 같이 엔진/모터동력모드에서 컨트롤러(C)에 의해 동시에 작동한다.
이때, 컨트롤러(C)는 엔진샤프트 제동기(400) 및 모터샤프트 제동기(500)를 제어하여 엔진샤프트(10) 및 모터샤프트(20)의 회전을 동시에 회전시키며, 이에 따라 피니언기어들(330)은 도 3의 모터동력모드보다 자전속도가 증가하게 되고, 출력사이드기어(310) 및 출력샤프트(30) 또한 모터동력모드나 엔진동력모드보다 증가된 회전속도로 회전하게 된다.
한편, 본 발명의 하이브리드 변속기는, 차륜이 관성회전할 경우 도 5에 도시된 바와 같이 회생제동모드를 수행한다.
이때, 컨트롤러(C)는 내연기관(E) 및 전동모터(M)에 가해지는 부하를 감지하여 차륜의 관성운전을 판단하고, 관성운전으로 판단된 경우 엔진샤프트 제동기(400)를 제어하여 엔진샤프트(400)의 회전을 정지시킴과 아울러 모터샤프트 제동기(500)를 제어하여 모터샤프트(20)의 회전을 허용한다.
이에 따라, 출력사이드기어(310)는 출력샤프트(30)와 함께 회전하면서 피니언기어(330)들을 자전시키고, 피니언기어(330)들은 모터사이드기어(320)를 통해 모터샤프트(20)를 회전시켜 전동모터(M)를 발전시킴으로써 전기에너지를 생산한다.
상기에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 하이브리드 변속기는, 내연기관(E)과 전동모터(M)의 동력을 선택적으로 이용함으로써 연비개선 및 에너지 절감을 도모할 수 있다
이상에서 본 발명의 구체적인 실시예를 예로 들어 설명하였으나, 이들은 단지 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명의 보호 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
5 : 클러치 10 : 엔진샤프트
20 : 모터샤프트 30 : 출력샤프트
100 : 변속기어유닛
300 : 차동기어유닛 310 : 출력사이드기어
320 : 모터사이드기어 330 : 피니언기어
340 : 링기어 350 : 차동기어케이스
360 : 엔진샤프트기어
400 : 엔진샤프트 제동기
500 : 모터샤프트 제동기
E : 내연기관 M : 전동모터
C :컨트롤러

Claims (7)

  1. 내연기관 및 전동모터에서 발생하는 동력을 전달하는 하이브리드 변속기로서,
    상기 내연기관의 동력을 전달하거나 차단하는 클러치;
    상기 클러치를 통해 상기 내연기관에 연결되어 동력에 의해 회전하는 엔진샤프트;
    상기 엔진샤프트와 분리된 상태를 이루며, 상기 전동모터에 연결되어 전동에 의해 회전하는 모터샤프트;
    상기 엔진샤프트에 연결되거나 상기 모터샤프트에 연결되어 차륜으로 인출되면서 회전력을 출력하고, 상기 차륜의 관성회전에 의해 회전하는 출력샤프트;
    상기 엔진샤프트와 상기 내연기관을 기어식으로 연결하면서 설정된 기어비로 연결하여 상기 엔진샤프트의 회전속도를 가변시키는 변속기어유닛;
    상기 엔진샤프트 및 상기 모터샤프트를 상기 출력샤프트와 차동기어식으로 연결하면서 상기 출력샤프트를 회전시키는 차동기어유닛;
    동력전달방향에 따라 상기 엔진샤프트의 회전을 정지시키는 엔진샤프트 제동기;
    동력전달방향에 따라 상기 모터샤프트의 회전을 정지시키는 모터샤프트 제동기; 및
    상기 엔진샤프트 제동기 및 상기 모터샤프트 제동기의 작동을 각각 제어하면서 동력전달방향을 제어하고, 상기 차륜의 관성회전에 의해 회전하는 상기 출력샤프트의 회전력을 상기 모터샤프트에 전달하면서 상기 전동모터의 회생제동을 수행하여 전기를 발전시키는 컨트롤러;를 포함하는 것을 특징으로 하는 차동기어를 이용한 회생제동 하이브리드 변속기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 차동기어유닛은,
    상기 엔진샤프트에 결합된 상태로 상기 엔진샤프트와 함께 회전하는 엔진샤프트기어;
    상기 출력샤프트에 동일체로 고정되어 상기 출력샤프트와 함께 회전하고, 원추형의 베벨기어로 이루어진 출력사이드기어;
    상기 모터샤프트에 동일체로 고정되어 상기 모터샤프트와 함께 회전하고, 상기 출력사이드기어와 대칭상태를 이루면서 대면하는 모터사이드기어;
    상기 출력사이드기어 및 상기 모터사이드기어에 치합된 상태로 상기 출력사이드기어와 상기 모터사이드기어의 둘레를 공전하면서 상기 출력사이드기어를 회전시키고, 상기 모터샤프트의 회전에 의한 상기 모터사이드기어의 회전에 의해 자전하면서 상기 출력사이드기어를 회전시키는 한 쌍의 피니언기어;
    상기 모터샤프트와 동축을 이루면서 공회전가능하게 결합된 상태로 상기 엔진샤프트기어와 치합되어 상기 엔진샤프트기어에 의해 회전하고, 상기 피니언기어들과 연결되어 상기 출력사이드기어와 상기 모터사이드기어의 둘레를 따라 상기 피니언기어들을 공전시키는 링기어; 및
    상기 피니언기어들이 각각 공회전가능하게 결합된 상태로 상기 링기어에 동일체로 고정되어 상기 링기어와 함께 회전하는 차동기어케이스;를 포함하는 것을 특징으로 하는 차동기어를 이용한 회생제동 하이브리드 변속기.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 엔진샤프트기어는,
    상기 엔진샤프트에 동일체로 고정되어 상기 클러치를 통해 상기 내연기관의 동력에 연결되면서 상기 엔진샤프트와 함께 회전하는 것을 특징으로 하는 차동기어를 이용한 회생제동 하이브리드 변속기.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 내연기관과 상기 전동모터 중 하나로만 동력을 전달할 경우, 상기 엔진샤프트 제동기 및 상기 모터샤프트 제동기를 제어하여 상기 엔진샤프트 상기 모터샤프트 중 하나를 정지시키는 것을 특징으로 하는 차동기어를 이용한 회생제동 하이브리드 변속기.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 변속기어유닛은, 자동변속기로 구성되고,
    상기 클러치는, 유체를 이용하여 상기 내연기관의 동력을 상기 자동변속기로 전달하는 토크컨버터로 구성되는 것을 특징으로 하는 차동기어를 이용한 회생제동 하이브리드 변속기.
  6. 내연기관의 동력을 전달하거나 차단하는 클러치; 상기 클러치를 통해 상기 내연기관에 연결되어 동력에 의해 회전하는 엔진샤프트; 상기 엔진샤프트와 분리된 상태를 이루며, 전동모터에 연결되어 전동에 의해 회전하는 모터샤프트; 상기 엔진샤프트에 연결되거나 상기 모터샤프트에 연결되어 차륜으로 인출되면서 회전력을 출력하고, 상기 차륜의 관성회전에 의해 회전하는 출력샤프트; 상기 엔진샤프트와 상기 내연기관을 기어식으로 연결하면서 설정된 기어비로 연결하여 상기 엔진샤프트의 회전속도를 가변시키는 변속기어유닛; 상기 엔진샤프트 및 상기 모터샤프트를 상기 출력샤프트와 차동기어식으로 연결하면서 상기 출력샤프트를 회전시키는 차동기어유닛; 동력전달방향에 따라 상기 엔진샤프트의 회전을 정지시키는 엔진샤프트 제동기; 동력전달방향에 따라 상기 모터샤프트의 회전을 정지시키는 모터샤프트 제동기; 및 상기 엔진샤프트 제동기 및 상기 모터샤프트 제동기의 작동을 각각 제어하면서 동력전달방향을 제어하고, 상기 차륜의 관성회전에 의해 회전하는 상기 출력샤프트의 회전력을 상기 모터샤프트에 전달하면서 상기 전동모터의 회생제동을 수행하여 전기를 발전시키는 컨트롤러;를 포함하고, 상기 차동기어유닛은, 상기 엔진샤프트에 결합된 상태로 상기 엔진샤프트와 함께 회전하는 엔진샤프트기어; 상기 출력샤프트에 동일체로 고정되어 상기 출력샤프트와 함께 회전하고, 원추형의 베벨기어로 이루어진 출력사이드기어; 상기 모터샤프트에 동일체로 고정되어 상기 모터샤프트와 함께 회전하고, 상기 출력사이드기어와 대칭상태를 이루면서 대면하는 모터사이드기어; 상기 출력사이드기어 및 상기 모터사이드기어에 치합된 상태로 상기 출력사이드기어와 상기 모터사이드기어의 둘레를 공전하면서 상기 출력사이드기어를 회전시키고, 상기 모터샤프트의 회전에 의한 상기 모터사이드기어의 회전에 의해 자전하면서 상기 출력사이드기어를 회전시키는 한 쌍의 피니언기어; 상기 모터샤프트와 동축을 이루면서 공회전가능하게 결합된 상태로 상기 엔진샤프트기어와 치합되어 상기 엔진샤프트기어에 의해 회전하고, 상기 피니언기어들과 연결되어 상기 출력사이드기어와 상기 모터사이드기어의 둘레를 따라 상기 피니언기어들을 공전시키는 링기어; 및 상기 피니언기어들이 각각 공회전가능하게 결합된 상태로 상기 링기어에 동일체로 고정되어 상기 링기어와 함께 회전하는 차동기어케이스;를 포함하는 하이브리드 변속기를 이용하여 동력전달 및 회생제동을 수행하는 작동방법으로서,
    상기 컨트롤러가 상기 엔진샤프트 제동기를 제어하여 상기 내연기관의 동력을 상기 클러치 및 상기 변속기어 유닛을 통해 상기 엔진샤프트 및 상기 엔진샤프트기어에 전달하고, 상기 링기어 및 상기 피니언기어를 통해 상기 출력사이드기어 및 상기 출력샤프트를 회전시키면서, 상기 모터샤프트 제동기를 제어하여 상기 모터샤프트를 정지시키는 엔진동력단계;
    상기 컨트롤러가 상기 엔진샤프트 제동기를 제어하여 상기 엔진샤프트를 정지시키고, 상기 모터샤프트 제동기를 제어하여 상기 모터샤프트를 회전시키면서 상기 모터사이드기어 및 상기 피니언기어를 통해 상기 출력사이드기어 및 상기 출력샤프트를 회전시키는 모터동력단계;
    상기 차륜의 관성회전 시, 상기 컨트롤러가 상기 모터샤프트 제동기를 제어하여 상기 출력샤프트의 회전력을 통해 상기 모터샤프트를 회전시키면서 상기 전동모터의 회생제동을 수행하여 전기를 발전시키는 회생제동단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 차동기어를 이용한 회생제동 하이브리드 변속기의 작동방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 회생제동단계는,
    상기 컨트롤러가 상기 내연기관이나 상기 전동모터의 부하를 감지하여 상기 차륜의 관성회전을 판단하는 관성운전 판단단계; 및
    상기 컨트롤러가 상기 엔진샤프트 제동기를 제어하여 상기 엔진샤프트를 정지시키는 동시에 상기 모터샤프트 제동기를 제어하여 상기 모터샤프트의 회전을 허용하면서 상기 모터샤프트를 회전시켜 상기 전동모터를 발전시키는 발전단계;를 포함하는 차동기어를 이용한 하이브리드 변속기의 작동방법.
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