KR101999876B1 - 하이브리드 차량에 동력을 전달하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

하이브리드 차량에 동력을 전달하기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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야체크 그로맛즈키
니콜라스 부숑
마틴 알렉산더 스트레인지
빅터 우
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지이 하이브리드 테크놀로지스, 엘엘씨
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    • B60K6/22—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs characterised by apparatus, components or means specially adapted for HEVs
    • B60K6/26—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs characterised by apparatus, components or means specially adapted for HEVs characterised by the motors or the generators
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Abstract

엔진을 포함하고 동력 인출 장치를 갖는 파워 트레인을 포함하는 하이브리드 차량에 동력을 전달하기 위한 장치 및 방법이 개시된다. 장치는 토크를 생성하도록 동작가능한 전기 모터를 포함하고, 모터는 엔진에 시동을 걸기 위하여 파워 트레인의 동력 인출 장치를 통해 시동 토크를 전달하도록 결합된다.

Description

하이브리드 차량에 동력을 전달하기 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DELIVERING POWER IN A HYBRID VEHICLE}
본 발명은 일반적으로는 하이브리드 차량에 그리고 더욱 구체적으로는 동력 인출(PTO) 결합을 갖는 파워 트레인(powertrain)을 포함하는 하이브리드 차량에 동력을 전달하기 위한 장치에 관한 것이다.
내연 기관과 차량에 구동력을 공급하기 위한 전기 모터를 갖는 하이브리드 차량은 일반적으로 종래의 차량보다 더 많은 구동 효율을 제공하고, 여기서, 구동력은 엔진에 단독으로 공급된다. 그러나, 현존하는 차량에 하이브리드 구동 구성요소를 통합하는 것에 관련하여 상당한 비용 및 복잡성이 존재하며 차량의 실질적인 재설계가 일반적으로 요구된다.
따라서, 차량에서 하이브리드 기능을 구현하기 위한 방법 및 장치가 요구된다.
특정 실시예에 따르면, 하이브리드 차량에 동력을 전달하기 위한 장치가 제공되고, 하이브리드 차량은 엔진을 포함하고 동력 인출 장치(power take-off)를 갖는 파워 트레인을 포함한다. 상기 장치는 토크(torque)를 생성하도록 동작가능한 전기 모터를 갖고, 모터는 엔진을 구동하기 위해 파워 트레인의 동력 인출 장치를 통해 시동 토크를 전달하도록 결합된다.
파워 트레인은 변속기(transmission)를 더 포함할 수 있고, 동력 인출 장치는 상기 시동 토크를 상기 엔진 및 상기 변속기 중 하나에 결합시킬 수 있다.
파워 트레인은 변속기를 더 포함할 수 있고 상기 변속기는 엔진 출력 샤프트로부터 상기 엔진에 의해 생성된 토크를 받도록 결합된 입력부를 갖는 토크 컨버터를 포함하고; 상기 동력 인출 장치는 상기 엔진 출력 샤프트에 시동 토크를 전달하도록 결합될 수 있다.
파워 트레인은 변속기를 더 포함할 수 있고 변속기는 상기 엔진 출력 샤프트로부터 상기 엔진에 의해 생성되는 토크를 받도록 결합되는 입력부를 갖는 토크 컨버터를 포함하고, 상기 토크 컨버터는 출력부에 대한 유체 결합에 의해 코트를 전달하도록 동작가능하고; 상기 동력 인출 장치는 상기 토크 컨버터의 출력부에 시동 토크를 전달하도록 결합되며; 상기 토크 컨버터는, 상기 토크 컨버터를 통해 시동 토크를 상기 엔진에 전달하기 위하여 상기 토크 컨버터의 출력부에 상기 토크 컨버터의 입력부를 기계적으로 결합하기 위한 락-업 클러치를 더 포함한다.
락-업 클러치는 엔진 동력을 사용하여 동작되는 유체 펌프에 의해 제공되는 유압유 압력에 의해 작동되고, 상기 엔진에 시동을 걸기 전에 상기 락-업 클러치를 작동시키기 위한 유압유 압력을 제공하도록 동작가능하게 구성된 유압 어큐뮬레이터(accumulator); 및 상기 엔진에 시동을 걸기 전에 상기 락-업 클러치를 작동시키기 위한 유압유 압력을 제공하도록 동작가능하게 구성된 전동 유압 펌프 중 하나를 더 포함할 수 있다.
동력 인출 장치는 상기 동력 인출 장치를 통해 상기 엔진 시동 토크를 상기 엔진에 전달하도록 인게이지될 때 동작가능한 동력 인출 장치를 포함할 수 있다.
동력 인출 클러치는 유체 펌프에 의해 제공되는 유압유 압력에 의해 작동되고, 상기 엔진에 시동을 걸기 전에 상기 동력 인출 클러치를 작동시키기 위한 유압유 압력을 제공하도록 동작가능하게 구성된 유압 어큐뮬레이터; 및 상기 엔진에 시동을 걸기 전에 상기 동력 인출 클러치를 작동시키기 위한 유압유 압력을 제공하도록 동작가능하게 구성된 전동 유압 펌프 중 하나를 더 포함할 수 있다.
동력 인출 클러치는: 전동 클러치; 및 기계 작동 클러치 - 상기 클러치의 작동을 위한 동력은 엔진 외의 다른 전원으로부터 제공됨 - 중 하나를 포함할 수 있다.
장치는 모터에 의해 생성되는 토크를 받도록 동작가능하고 상기 동력 인출 결합부를 통해 상기 시동 토크를 상기 엔진에 전달하도록 선택적으로 구성가능한 유성 기어 시스템을 더 포함할 수 있다.
장치는 엔진과 상기 차량의 드라이브 라인 사이에서 선택적으로 토크를 전달하도록 배치된 클러치를 더 포함하고, 상기 클러치는 인게이지시 상기 드라이브 라인에 엔진 구동 토크를 전달하도록 동작가능하고 엔진에 시동이 걸리는 동안 상기 드라이브 라인으로부터 엔진을 디스인게이지하도록 동작가능하다.
클러치는 드라이브 라인의 회전 속도가 상기 엔진의 회전 속도보다 높을 때 상기 엔진으로부터 상기 드라이브 라인을 디스인게이지하도록 동작가능한 오버러닝 클러치를 포함할 수 있다.
파워 트레인은 유성 기어 세트를 포함하는 변속기를 더 포함하고, 상기 오버러닝 클러치는 상기 변속기 내에 배치되고 상기 유성 기어 세트와 상기 드라이브 라인 사이에 결합되는 오버러닝 클러치를 포함할 수 있다.
유성 기어 시스템은 태양 기어, 링 기어, 상기 태양 기어와 상기 링 기어 사이에 결합된 위성 기어 및 상기 위성 기어에 결합된 유성 캐리어를 포함하고, 모터는 상기 태양 기어게 결합되고, 상기 링 기어 및 상기 유성 기어 중 하나는 상기 엔진의 동력 인출 결합부에 결합되며, 상기 링 기어 및 상기 유성 캐리어 중 다른 하나는 상기 드라이브 라인에 결합되고; 유성 기어 시스템은, 상기 유성 기어 시스템이 상기 링 기어 및 상기 유성 캐리어 중 하나를 통해 상기 엔진에 상기 엔진 시동 토크를 전달하도록 구성함으로써 상기 엔진에 상기 시동 토크를 전달하면서 상기 링 기어 및 상기 유성 캐리어 중 다른 하나의 회전을 금지하도록 구성가능하다.
장치는 링 기어 및 상기 유성 캐리어 중 다른 하나의 회전을 금지하도록 작동되게 동작가능한 브레이크를 더 포함할 수 있다.
클러치는 디스인게이지 상태, 상기 엔진과 상기 드라이브 라인 사이에서 토크를 전달하기 위한 인게이지 상태 및 브레이크가 상기 드라이브 라인의 회전을 금지하도록 작동되는 제동 상태를 포함하는 3방향 클러치를 포함할 수 있다.
파워 트레인은 상기 변속기의 출력 샤프트의 회전을 금지하도록 동작가능한 변속기 락-업을 갖는 변속기를 더 포함하고, 상기 변속기 락-업은 상기 링 기어 및 상기 유성 캐리어 중 다른 하나의 회전을 금지하도록 인게이지되게 동작가능하게 구성된다.
링 기어는 상기 엔진의 상기 동력 인출 결합부에 결합되고 상기 유성 캐리어는 상기 드라이브 라인에 결합되며 상기 링 기어의 회전을 금지하도록 동작가능한 링 기어 브레이크를 더 포함할 수 있다.
유성 기어 시스템은 상기 드라이브 라인으로부터 토크를 받도록, 그리고 상기 모터가 발전기로서 동작하도록 구성될 때에는 상기 유성 기어 시스템을 통해 발전용 토크(generating torque)를 상기 모터에 전달하여 상기 모터에 의한 전력의 생성을 가능하게 하도록 선택적으로 구성가능하다.
발전용 토크는 상기 엔진에 의해 생성된 토크 및 상기 차량의 휠을 통해 상기 드라이브 라인에 결합된 회생 토크 중 적어도 하나를 포함한다.
유성 기어 시스템은 태양 기어, 링 기어, 상기 태양 기어와 상기 링 기어 사이에서 결합된 유성 기어, 및 상기 유성 기어에 결합된 유성 캐리어를 포함할 수 있고; 상기 모터는 상기 태양 기어에 결합되고 상기 링 기어 및 상기 유성 캐리어 중 하나는 상기 드라이브 라인에 결합될 수 있으며; 상기 유성 기어 시스템은 상기 링 기어 및 상기 유성 캐리어 중 다른 하나의 회전을 금지하여 상기 발전용 토크가 상기 태양 기어를 통해 상기 드라이브 라인으로부터 상기 모터에 전달되게 함으로써 상기 발전용 토크를 전달하도록 구성가능하다.
유성 기어 시스템은 모터 구동 토크로서 모터에 의해 생성된 토크의 일부를 상기 드라이브 라인에 전달하도록 선택적으로 구성가능하다.
유성 기어 시스템은 상기 드라이브 라인에 상기 모터 구동 코트를 전달하고, 상기 엔진에 시동을 걸기 위하여 상기 동력 인출 결합부를 통해 상기 시동 토크를 동시에 전달하도록 선택적으로 구성가능하다.
유성 기어 시스템은 태양 기어, 링 기어, 상기 태양 기어와 상기 링 기어 사이에 결합된 유성 기어 및 상기 유성 기어에 결합된 유성 캐리어를 포함하고, 상기 모터는 상기 태양 기어게 결합되고, 상기 링 기어 및 상기 유성 기어 중 하나는 상기 엔진의 동력 인출 결합부에 결합되며, 상기 링 기어 및 상기 유성 캐리어 중 다른 하나는 상기 드라이브 라인에 결합되고; 상기 유성 기어 시스템은, 상기 동력 인출 결합부를 통해 시동 토크를 상기 엔진에 전달하고 상기 모터 구동 토크를 상기 드라이브 라인에 동시에 전달하기 위한 상기 링 기어와 상기 유성 캐리어의 모두의 회전을 허용하도록 구성될 수 있다.
장치는 보조 장비를 동작하기 위하여 동력을 전달하기 위한 보조 동력 출력부를 더 포함하고, 상기 유성 기어 시스템은 상기 모터에 의해 생성된 토크를 받고 상기 보조 동력 출력부에 토크를 전달하기 위하여 선택적으로 구성가능하다.
유성 기어 시스템은 태양 기어, 링 기어, 상기 태양 기어와 상기 링 기어 사이에 결합된 유성 기어 및 상기 유성 기어에 결합된 유성 캐리어를 포함하고, 상기 모터는 상기 태양 기어에 결합되고, 상기 링 기어 및 상기 유성 기어 중 하나는 상기 보조 동력 출력부에 결합되고; 상기 유성 기어 시스템은, 상기 유성 기어 시스템이 상기 링 기어 및 상기 보조 동력 출력부에 결합된 상기 유성 캐리어 중 하나를 통해 토크를 전달하도록 구성함으로써 상기 모터로부터 상기 보조 동력 출력부로 받은 토크를 전달하면서 상기 링 기어 및 상기 유성 캐리어 중 다른 하나의 회전을 금지하도록 구성가능하다.
장치는 보조 장비를 동작하기 위한 전력을 전달하기 위한 보조 동력 출력부를 더 포함하고, 상기 엔진의 상기 동력 인출 결합부는 엔진에 시동이 걸리면 상기 보조 동력 출력부에 토크를 전달하도록 선택적으로 결합되도록 동작가능하다.
유성 기어 시스템은 상기 엔진의 상기 동력 인출 결합부로부터 상기 엔진에 의해 생성되는 토크를 받고 상기 모터가 발전기로서 동작하도록 구성될 때 전력을 생성하기 위해 상기 유성 기어 시스템을 통해 상기 토크의 적어도 일부를 상기 모터로 전달하도록 구성가능하다.
유성 기어 시스템은 태양 기어, 링 기어, 상기 태양 기어와 상기 링 기어 사이에 결합된 유성 기어 및 상기 유성 기어에 결합된 유성 캐리어를 포함하고, 상기 모터는 상기 태양 기어게 결합되고, 상기 링 기어 및 상기 유성 기어 중 하나는 상기 엔진의 동력 인출 결합부로부터 상기 엔진에 의해 생성된 토크를 받도록 결합되고; 상기 유성 기어 시스템은, 상기 링 기어와 상기 유성 캐리어 중 다른 하나의 회전을 금지함으로써 상기 태양 기어를 통해 상기 링 기어와 상기 유성 캐리어 중 하나로부터 상기 모터에 토크를 전달하도록 선택적으로 구성가능하다.
또 다른 실시예에 따르면, 하이브리드 차량에서의 동력 전달을 위한 방법이 제공되고 상기 하이브리드 장치는 상기 엔진을 포함하고 동력 인출 장치를 갖는 파워 트레인을 포함한다. 상기 방법은 전기 모터가 토크를 생성하도록 하는 단계; 및 상기 엔진에 시동을 걸기 위한 상기 파워 트레인의 상기 동력 인출 장치를 통해 상기 토크의 적어도 일부를 결합하는 단계를 포함한다.
파워 트레인은 변속기를 더 포함하고 상기 결합하는 단계는 상기 엔진과 상기 변속기 중 하나의 일부를 결합하는 단계를 포함한다.
동력 인출 장치를 통한 토크의 일부를 결합하는 단계는 상기 동력 인출 장치를 통한 토크의 일부를 상기 엔진에 전달하도록 동작가능한 동력 인출 클러치를 인게이지하는 단계를 포함한다.
상기 방법은 동력 인출 클러치는 유체 펌프에 의해 제공된 유압유 압력에 의해 작동되고, 상기 엔진에 시동을 걸기 전에 상기 동력 인출 클러치를 작동시키기 위한 유압유 압력을 축적하는 단계; 및 상기 엔진에 시동을 걸기 전에 상기 동력 인출 클러치를 작동시키기 위한 유압유 압력을 제공하도록 동작가능하게 구성된 전동 유압 펌프를 작동시키는 단계를 더 포함한다.
상기 방법은 차량의 드라이브 라인으로부터 토크를 받는 단계, 및 상기 모터가 발전기로서 동작하도록 구성될 때에는 상기 모터에 의한 전력의 생성을 가능하게 하도록 상기 모터에 발전용 토크를 전달하는 단계를 더 포함한다.
발전용 토크를 전달하는 단계는 상기 엔진에 의해 생성된 토크; 및 상기 차량의 휠을 통해 상기 드라이브 라인에 결합된 회생 토크 중 적어도 하나를 전달하는 단계를 포함한다.
상기 방법은 모터에 의해 생성된 토크를 받는 단계와 상기 보조 장비를 작동시키기 위한 동력을 전달하기 위한 보조 동력 출력부에 상기 토크를 전달하는 단계를 더 포함한다.
발명의 또 다른 측면에 있어서, 하이브리드 차량의 동력을 전달하기 위한 장치가 제공되며, 상기 하이브리드 차량은 드라이브 라인과 파워 트레인을 포함하고, 상기 파워 트레인은 엔진을 포함하고 동력 인출 장치를 가지며, 상기 장치는: 전기 모터, 기어박스를 포함하며, 상기 기어박스는: 상기 엔진에 시동을 걸기 위한 상기 파워 트레인의 상기 동력 인출 장치를 통해 상기 모터에 의해 생성된 시동 토크를 결합하고; 상기 차량을 구동하기 위한 드라이브 라인에 상기 모터에 의해 생성된 구동 토크를 전달하도록 선택적으로 구성가능하다.
기어박스는 상기 드라이브 라인으로부터 토크를 받도록, 그리고 상기 모터가 발전기로서 동작하도록 구성될 때에는 상기 모터에 의한 전력의 생성을 용이하게 하기 위해 상기 모터에 발전용 토크를 전달하도록 선택적으로 더 구성가능하다.
기어박스는 상기 모터에 의해 생성되는 토크를 받고 보조 장비를 작동시키기 위해 동력을 전달하기 위한 보조 동력 출력부에 토크를 전달하도록 선택적으로 더 구성가능하다.
하이브리드 차량 장치는: 엔진을 포함하고 동력 인출 장치를 갖는 파워 트레인 - 상기 파워 트레인은 상기 파워 트레인의 출력 샤프트에서 토크를 생성하도록 동작가능함 - ;
상기 차량의 휠에 구동 동력을 전달하도록 동작가능한 드라이브 라인 샤프트를 갖는 드라이브 라인; 상기 파워 트레인의 출력부와 상기 드라이브 라인 샤프트 사이의 토크를 결합하기 위한 적어도 하나의 클러치; 및 토크를 생성하도록 동작가능한 전기 모터 - 상기 모터는 상기 엔진에 시동을 걸기 위한 상기 파워 트레인의 상기 동력 인출 장치를 통해 시동 토크를 전달하도록 동작가능함 - 를 포함한다.
파워 트레인은 상기 엔진과 상기 파워 트레인 사이에 결합된 변속기를 포함하고, 상기 동력 인출 장치는 상기 변속기를 통해 상기 엔진에 상기 시동 토크를 전달하도록 결합된다.
차량 파워 트레인의 동력 인출 장치에 엔진 시동 토크를 결합하기 위한 장치로서, 상기 동력 인출 장치는 상기 동력 인출 장치를 통해 동력을 결합하도록 선택적으로 동작가능한 동력 인출 장치를 갖고, 상기 장치는: 시동 토크를 생성하도록 동작가능한 전기 모터; 및 동력 인출 클러치가 상기 동력 인출 장치를 통해 시동 토크를 엔진으로 전달하도록 인게이지되게 하도록 동작가능한 액추에이터를 포함한다.
클러치는 유압유 압력에 의해 작동되고, 엔진에 시동을 걸기 전에 상기 클러치를 작동시키기 위한 유압유 압력을 제공하도록 동작가능하게 구성된 유압 어큐뮬레이터; 및 상기 엔진에 시동을 걸기 전에 상기 클러치를 작동시키기 위한 유압유 압력을 제공하도록 동작가능하게 구성된 전동 유압 펌프 중 하나를 더 포함할 수 있다.
전기 모터는 모터 구동 토크로서 드라이브 라인에 상기 모터에 의해 생성된 토크의 일부를 전달하도록 더 동작가능하다.
본 발명의 다른 측면 및 특징은 동반하는 도면과 관련하여 본 발명의 특정 실시예의 이하의 기재를 검토하면 당업자에게 명백해질 것이다.
본 발명의 실시예는 첨부된 도면을 참조하여 오직 예시에 의해 기재될 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 기어박스 및 모터 장치를 포함하는 하이브리드 차량의 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시된 기어박스 및 모터 장치의 개략도이다.
도 3은 도 2에 도시된 기어박스에 사용된 유성 기어 시스템의 투시도이다.
도 4는 엔진 구동 모드에서 구성된 도 2의 장치의 개략도이다.
도 5는 전기 구동 모드에서 구성된 도 2의 장치의 개략도이다.
도 6은 하이브리드 구동 모드에서 구성된 도 2의 장치의 개략도이다.
도 7은 차량의 이동 동안 하이브리드 차량의 엔진에 시동을 걸도록 구성되는 도 2의 장치의 개략도이다.
도 8은 차량이 정지하는 동안 엔진에 시동을 걸도록 구성되는 도 2의 장치의 개략도이다.
도 9는 차량이 정지하는 동안 엔진으로부터 보조 전력을 공급하도록 구성된 도 2의 장치의 개략도이다.
도 10은 차량이 움직이는 동안 엔진으로부터 보조 전력을 공급하도록 구성되는 도 2의 장치의 개략도이다.
도 11은 차량이 정지하는 동안 모터로부터 보조 전력을 공급하도록 구성되는 도 2의 장치의 개략도이다.
도 12는 본 발명의 대안적인 실시예에 따른 장치의 대안적인 실시예의 개략도이다.
도 13은 본 발명의 대안적인 실시예에 따른 변속기의 개략도이다.
도 14는 본 발명의 대안적인 실시예에 따른 기어박스 및 모터 장치를 포함하는 하이브리드 차량의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 하이브리드 차량은 100에서 개략적으로 도시된다. 하이브리드 차량(100)은 엔진 출력 샤프트(104)에서 토크를 생성할 수 있는 내연 기관과 같은 엔진(102)을 포함한 파워 트레인(101)을 포함한다. 파워 트레인(101)은 또한 엔진 출력 샤프트(104)에 결합되는 변속기(106)를 포함한다. 변속기(106)는 변속기 출력 샤프트(108)를 포함하고 차량(100)을 작동시키기 위하여 엔진 출력 샤프트(104)에서 엔진(102)에 의해 생성되는 출력 속도 및 토크를 변속기 출력 샤프트(108)에서의 적절한 속도 및 토크 범위로 변환하도록 동작가능한 기어링(gearing; 도 1에 미도시)을 더 포함한다. 변속기(106)는 수동 변속기 또는 자동 변속기로서 구현될 수 있다.
차량(100)은 기어박스(112) 및 전기 모터(114)를 포함하는, 제 1 실시예에 따른 장치(110)를 더 포함한다. 기어박스(112)는 엔진(102)에 의해 생성되고 변속기를 통해 변속기 출력 샤프트(108)로 전달되는 토크를 받기 위한 입력부(116)를 포함한다. 기어박스(112)는 또한 이러한 실시예에서 드라이브 라인 샤프트(118)를 포함하는 드라이브 라인에 결합된다.
모터(114)는 토크를 생성하도록 모터를 작동시키기 위하여 전력을 받기 위한 전기 입력부(120)를 포함한다. 이러한 실시예에서, 모터(114)는 교류(AC) 모터이며 AC 전력은 입력부(120)에 받은다. 차량(100)은 또한 직류(DC) 전력을 받기 위한 입력부(164) 및 AC 전력을 생성하기 위한 출력부(166)를 갖는 DC-AC 인버터(124)를 또한 포함한다. 출력(166)은 AC 전력 버스(126)를 통해 모터(144)의 입력부(120)에 연결된다. 모터를 동작하기 위한 전력은 DC 전력 버스(128)를 통해 인버터(124)의 입력부(164)에 연결되는 단말(168)을 갖는 에너지 저장 소자(122)에 의해 제공된다. 인버터(124)는 에너지 저장 소자(122)로부터 입력부(164)에서 받은 DC 전력을 출력부(166)에서의 AC 전력으로 전환시킨다. 다른 실시예에서, 모터(114)는 DC 모터가 될 수 있고, 이러한 경우에, 통상적으로 인버터(124)는 저장 소자 전압(통상적으로 24V, 48V 또는 그 이상)에서 받은 저장 소자(122)로부터 DC 전력을 전환하고 DC 모터를 동작시키기 위해 적절한 전압에서 DC 전력을 생성하도록 동작가능한 DC/DC 컨버터에 의해 통상적으로 대체될 수 있다.
차량(100)은 한 쌍의 구동 휠(130, 132) 및 차동(differential)(134)을 더 포함한다. 휠(103, 132)은 액슬(136)에 의해 차동(134)에 결합되고 드라이브 라인 샤프트(118)는 차동(134)을 통해 휠(130 및 132)에 구동력을 전달한다.
도 1에 도시된 실시예에서, 파워 트레인(101)은 동력 인출 장치(PTO)(140)를 더 포함하며, 동력 인출 장치(PTO)(140)는 엔진(102)에 의해 생성되는 토크를 받기 위하여 보조 장비를 결합하기 위한 PTO 결합부(141)를 갖는다. 종래의 산업상 그리고 상업적으로 이용가능한 다수의 차량은 워터 펌프, 기계 아암, 컴팩터, 덤프 트럭 베드 액추에이터 및 기타 응용과 같은 보조 장비를 위한 작동 전원을 제공하는 동력 인출 장치 출력부를 탑재한다. 차량의 PTO 출력부에서 제공되는 동작 전력은 출력 샤프트 결합에서 일반적으로 이용가능하고 예컨대 유압 펌프 또는 전기 발전기에 결합될 수 있다. 도 1에 도시된 실시예에서, PTO(140)는 변속기(106) 상에 장착하는 하우징(139)을 포함하되 다른 실시예에서, PTO는 엔진 상에 위치될 수 있다. PTO 결합부(141)는 통상적으로 보조 장비에 대한 결합을 가능하게 하는 스플라인 샤프트(splined shaft)의 형태를 취한다.
기어박스(112)는 또한 입/출력부(142)를 포함하고, 차량(100)은 PTO 결합부(141)와 입/출력부(142) 사이에서 결합하는 PTO 샤프트(144)를 더 포함한다. 입/출력부(142)는 PTO(144)에 대한 결합을 허용하는 샤프트를 포함할 수 있다. 이러한 실시예에서, 기어박스(112)는 또한 차량(100)으로부터 인출 동력을 받기 위하여 부대 설비를 결합하기 위한 보조 출력 샤프트(148)를 갖는 보조 출력부(46)를 포함한다.
차량(100)은 차량의 동작을 제어하기 위한 컨트롤러(150)를 더 포함하고, 컨트롤러(150)는 복수의 입/출력(I/O) 포트를 포함한다. 컨트롤러(150)는 엔진(102)의 동작과 관련된 센서로부터 신호를 받기 위하여 그리고 엔진 동작을 제어하기 위한 엔진에 신호를 전달하기 위하여 I/O 포트(152)를 포함한다. 컨트롤러(150)는 또한 변속기(106)로부터 신호를 받고 변속기의 동작을 제어하기 위한 신호를 전달하기 위해 I/O 포트(154)를 포함한다. 컨트롤러(150)는 PTO(140)로부터의 신호를 받고 PTO 동작을 제어하기 위하여 PTO에 신호를 전달하기 위한 I/O 포트(156) 및 기어박스(112)로부터 신호를 받고 동작을 제어하고 및/또는 기어박스를 구성하기 위하여 신호를 전달하기 위한 I/O 포트(158)를 포함한다. 컨트롤러(150)는 인버터(124)로부터 신호를 받고 제어 신호를 인버터에 전달하기 위한 I/O 포트(160)를 포함한다. 이러한 실시예에서, 인버터(124)는 또한 모터의 동작과 관련된 센서로부터 신호(예컨대 모터의 회전 속도를 나타내는 신호)를 받기 위하여 모터(114)와 직접 통신한다. 인버터(124)는 모터(114)로부터 센서 신호를 받고 입력부(120)에 제공되는 AC 전력을 제어함으로써 모터의 동작을 제어하여 모터가 원하는 토크를 생성하도록 한다. 컨트롤러(150)는 전하 신호의 상태, 전류 및 전압 금지 및/또는 전력 금지와 같은 저장 소자(122)로부터의 신호를 받기 위한 I/O 포트(162)를 더 포함한다.
이러한 실시예에서, 컨트롤러(150)는 단일 통합된 컨트롤러로서 도시되되, 일부 구현에서, 컨트롤러 기능은 복수의 상이한 컨트롤러 사이에서 분포될 수 있고, 이것은, 예컨대, 엔진(102), 모터(114), 변속기(106), 기어박스(112), PTO(140), 에너지 저장 소자(112) 및/또는 인버터(124) 중 임의의 하나에 위치될 수 있다.
도시된 실시예에서, 모터(114)는 발전기로서 역할을 하도록 구성될 수 있고, 여기서, 입력부(120)는 AC 전력 버스(126) 상에서 AC 전력을 생성하기 위하여 전력 출력부로서 역할을 할 수 있다. 이러한 실시예에서, 인버터(124)는 양방향 인버터로서 구현될 수 있고, 인버터가 출력부(166)에서 AC 입력 전원을 받고 입력부(164)에서 DC 전력을 생성하도록 구성하기 위하여 I/O 포트(160)에서 생성된 제어신호에 반응한다. DC 전력은 충전을 위하여 에너지 저장 소자(122)에 제공될 수 있거나 다른 장비를 동작하는데 이용가능하도록 만들어질 수 있다. 예컨대, 차량(100)은 전자 장치 또는 기타 기구에 전력을 공급하기 위하여 110V 또는 220V에서 AC 라인 전압 전력 출구를 제공하기 위하여 보조 전력 공급을 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 실시예에서, 장치(110)의 기어박스(112)는 유성 기어 시스템(138)을 포함한다. 모터(114)는 토크를 생성하도록 동작가능하고 유성 기어 시스템(138)은 모터에 의해 생성되는 토크를 받도록 동작가능하며 엔진(102)을 시작하기 위해 입/출력부(142) 및 샤프트(144)를 통해 시동 토크를 PTO(140)에 전달하는 것을 선택적으로 구성가능하다.
장치(110) 및 변속기(106)는 도 2에서 더욱 상세히 도시된다. 도 2를 참조하면, 기어박스(112)는 하우징(210)을 포함하고 유성 기어 시스템(138)은 하우징 내에 도시된다. 유성 기어 시스템(138)을 구성하는 기어 및 클러치는 도 2에서 개략적으로 표시되고 도 3에서 개략적으로 도시된다. 도 3을 참조하면, 유성 기어 시스템(138)은 태양 기어(222), 링 기어(224), 및 복수의 유성 기어(228)에 결합되는 유성 캐리어(226)를 포함한다. 이러한 실시예에서, 유성 기어 시스템(138)은 3개의 유성 기어(228)를 포함하되, 다른 실시예에서는, 더 많은 수의 유성 기어가 존재할 수 있거나 단일 또는 한 쌍의 유성 기어가 존재할 수 있다. 유성 기어(228)는 태양 기어(222)와 링 기어(224) 사이에 결합된다. 링 기어(224)는 브레이크 표면(230) 및 링 기어 브레이크(232)를 더 포함하고, 이러한 실시예에서 브레이크의 홀딩 능력(holding capacity)을 증가시키기 위하여 복수의 플레이트(220)를 갖는 멀티 플레이트 브레이크(multi-plate brake)로서 구현된다. 링 기어 브레이크(232)는, 예컨대 태양 기어(222)와 유성 캐리어(226) 사이에서 토크를 전달하기 위하여 링 기어의 회전을 금지하도록 제동 표면(230)을 인게이지하기 위하여 전기적으로 구동되거나 유압유 압력에 의해 구동되도록 동작가능하다. 컨트롤러(150)(도 1에 도시됨)는 링 기어 브레이크(232)의 인게이지 상태를 제어하기 위해 I/O 포트(158)에서 링 기어 브레이크 제어 신호를 생성하도록 동작가능하다.
도 2를 참조하면, 도시된 실시예에서, 유성 캐리어(226)는 드라이브 라인 샤프트(118)에 결합되고 기어박스(112)는 드라이브 라인 샤프트(118)의 회전을 금지하기 위하여 드라이브 라인 브레이크(234)를 더 포함한다. 드라이브 라인 브레이크(234)는 제동 표면(236) 및 드라이브 라인 샤프트(118)와 유성 캐리어(226)의 회전을 금지하도록 선택적으로 인게이지되게 동작가능한 브레이크(238)를 포함한다. 드라이브 라인 브레이크(234)가 제동 상태일 때, 유성 캐리어(226)의 회전이 금지되고 토크는 태양 기어(222)와 링 기어(224) 사이에서 전달된다. 컨트롤러(150)(도 1에 도시됨)는 또한 드라이브 라인 브레이크(234)의 인게이지 상태를 제어하기 위하여 I/O 포트(158)에서 드라이브 라인 브레이크 제어 신호를 생성하도록 동작가능하다. 드라이브 라인 브레이크(234)는 예컨대 유압유 압력에 의해 작동되거나 전기적으로 작동될 수 있다. 유압유 압력은 전동 유압 펌프, 기계식으로 작동되는 유압 펌프와 같은 유압 압력 발전기에 의해 또는 변속기에 생성된 유압유 압력을 받도록 변속기(106)에 연결함으로써 생성될 수 있다. 추가적으로, 유압유 발전기는 엔진이 동작하지 않을 시에 기어박스(112)에서 클러치 및 브레이크를 동작시키기 위하여 도 13과 관련하여 본 명세서의 이하에서 기재되는 바와 같은 어큐뮬레이터를 포함할 수 있다.
모터(114)는 모터 하우징(204)에 의해 둘러싸이는 로터(200) 및 스테이터(stator)(202)를 포함한다. 로터(200)는 중공 샤프트(206)에 결합되고, 이것은 드라이브 라인 샤프트(118)를 받기 위한 크기의 보어(208)를 포함한다. 스테이터(202)는 모터 하우징(204) 내에 회전식으로 고정된다. 일 실시예에서, 로터(200)는 영구적인 자석 로터가 될 수 있고 스테이터(202)는 권선 스테이터가 될 수 있으며, 이러한 경우에 로터(114)를 작동시키기 위한 전류는 AC 전력 버스(126)로부터 입력(120)에서 스테이터에 공급된다. 전기 발전기로서 모터(114)를 동작할 때, 토크는 로터(200)가 회전하게 하는 중공 샤프트(206)를 통해 받아지고 AC 출력 전류는 출력부로 역할을 하는 입력부(120)에서 스테이터(202)에 의해 생성된다. 다른 실시예에서, 모터(114)는 권선 스테이터 및 예컨대 전자기 유도를 통해 동작하는 로터를 갖는 유도 모터가 될 수 있다.
도시된 실시예에서 기어박스(112)의 하우징(210)은 모터 하우징(204)과 상호작용하므로 중공 샤프트(206)는 기어박스 하우징으로 연장하고 모터(114)와 태양 기어 사에서 토크를 전달하기 위한 태양 기어(222)에 결합된다. 모터(114)는 그러므로 유성 기어 시스템(138)의 태양 기어(222)에 토크를 공급하기 위하여 기계적으로 결합된다.
도 2에 도시된 실시예에 있어서, 변속기(106)는 자동 변속기이며, 엔진 출력 샤프트(104)와 변속기 유성 기어 세트(239) 사이에서 결합된 토크 컨버터(240)를 포함한다. 변속기 유성 기어 세트(239)는 엔진 출력 샤프트(104)에서 엔진(102)에 으해 생성된 출력 속도 및 토크를 차량(100)을 동작하기 위한 전력을 제공하기 위한 적절한 속도 및 토크 범위로 변환하도록 동작가능하다. 일반적으로, 변속기 유성 기어 세트(239)는 예컨대 특정 구현, 요구되는 성능 및 차량(100)의 질량에 따라 태양, 링 및 유성 기어의 다수의 구성의 하나 이상의 유성 기어 세트를 포함할 수 있다. 이러한 실시예에서, 변속기(106)는 또한 변속기 유성 기어 세트(239)의 출력과 변속기 출력 샤프트(108) 사이에서 결합된 스프래그형 클러치와 같은 적어도 하나의 오버러닝 클러치(241)를 포함한다. 변속기 출력 샤프트(108)의 최전 속도가 변속기 유성 기어 세트(239)의 출력에서의 회전 속도보다 클 때, 오버러닝 클러치(241)가 효과적으로 변속기 출력 샤프트로부터 유성 기어 세트를 디스인게이지한다. 차량(100)이 내리막을 주행하고 차량(100)의 휠(130, 132)이 드라이브 라인 샤프트(118) 및 그러므로 변속기 출력 샤프트(108)가 변속기 유성 기어 세트(239)의 출력부보다 더 빠르게 회전하게 할 때 이러한 조건이 발생할 것이다. 일반적으로 오버러닝 클러치는 예컨대 차량이 주행할 때 엔진 견인 토크를 제거함으로써 차량(100)의 주행가능성을 개선하기 위하여 변속기에서 구현된다. 변속기(106)는 또한 변속기 유체 펌프 및 다수의 다른 클러치와 같은 구성요소 및 변속기의 동작에 필수적인 밴드(도 2에서 미도시)를 또한 포함한다.
또 다른 실시예에서, 오버러닝 클러치(241)의 기능은 종래의 클러치에 의해 제공될 수 있거나 오버러닝 클러치 및 드라이브 라인 브레이크(234)의 기능은 드라이브 라인 브레이크를 대체하는 3방형 클러치(미도시)에 의해 제공될 수 있다. 3방향 클러치는 드라이브 라인 샤프트(118)에 토크를 전달하기 위하여 인게이지 상태에서 드라이브 라인 샤프트(118)와 변속기 출력 샤프트(108) 사이의 선택적인 결합을 용이하게 한다. 디스인게이지 상태에서, 3방향 클러치는 변속기 출력 샤프트(108)로부터 드라이브 라인(118)을 분리한다. 제 3 제동 상태에서, 3방향 클러치는 드라이브 라인 샤프트(118)와 유성 캐리어(226)의 회전을 금지하도록 드라이브 라인 브레이크(234)의 제동 기능을 구현한다.
이러한 실시예에서, PTO(140)는 복수의 PTO 기어(242)를 포함하고, 엔진 출력 토크를 받기 위하여 엔진 출력 샤프트(104)에 결합된다. 도시된 실시예에서, PTO(140)은 PTO 결합부(141)의 회전의 방향이 엔진 출력 샤프트(104)의 회전의 방향에 반대가 되도록 3개의 기어를 포함한다. 다른 실시예에서, 일부 기어 또는 추가적인 기어링은 PTO(140)를 통해 토크를 PTO 결합부(141)에 전달하기 위하여 포함될 수 있다. PTO(140)는 PTO 결합부(244)를 더 포함하고, 이것은 토크를 PTO 결합부(141)에 그러므로 PTO 샤프트(144)에 전달하기 위하여 인게이지되도록 동작가능하다. PTO 클러치(244)는 I/O 포트(156)에서의 컨트롤러(150)(도 1에 도시됨)에 의해 생성되는 PTO 클러치 제어 신호에 반응하여 유압식 또는 전기 구동될 수 있다.
종래의 PTO 구성의 다수에서, PTO 기어(242)는 PTO 클러치(244)를 통해 엔진(102)에 의해 생성되는 토크를 PTO(140)에 전달한다. 그러나, 도 2에 도시된 본 발명의 실시예에서, PTO(140)는 또한 PTO 결합부(141)에서 토크를 받아서 PTO 클러치(244) 및 PTO 기어(242)를 통해 엔진 출력 샤프트(104)에 토크를 전달하도록 동작가능하다. PTO 출력은 다수의 상용 및 상업용 차량에 제공되지만 그 구성 및 기어링은 도 2에서 140으로 도시된 것과 상이할 수 있다.
기어박스(112)의 입/출력(142)은 PTO(140)의 PTO 결합부(141)와 기어박스 사이의 PTO 샤프트(144)를 결합하기 위해 제공된다. 기어박스(112)는 링 기어(224)로부터 토크를 받고 링 기어에 토크를 결합하기 위하여 결합되는 스프로켓 기어(246)를 더 포함한다. 스프로켓 기어(246)는 스프로켓 샤프트(254)에 결합된다. 기어박스(112)의 보조 출력부(146)는 보조 출력 클러치(248)를 포함하고, 이것은 스프로켓 샤프트(254)로부터 보조 출력 샤프트(148)에 토크를 전달하도록 구성된다. 이러한 실시예에서, 스프로켓 기어(246)는 또한 스프로켓 샤프트 및 보조 출력 샤프트(148)가 드라이브 라인 샤프트(118)의 회전의 방향에 반대방향인 회전 방향을 갖게 하는 기능을 한다. 다른 실시예에서, 엔진 및 드라이브 라인 샤프트 회전이 다르게 구성될 수 있고 스프로켓 기어(246)는 보조 출력 샤프트(148)의 회전의 원하는 방향을 제공하는 복수의 기어로서 구현될 수 있다.
도 2에 도시된 실시예에서, 기어박스(112)는 스프로켓 샤프트(254)와 입/출력부(142) 사이에서 병렬로 결합된 오버러닝 클러치(250)와 바이패스 클러치(252)를 포함한다. 다른 형태의 클러치는 멀티 플레이트 클러치의 대용으로 구현될 수 있으므로 바이패스 클러치(252)는 멀티-플레이트 클러치로서 도 2에서 도시된다. 바이패스 클러치(252)가 디스인게이지될 때, 오버러닝 클러치(250)는 입/출력부(142)를 통해 스프로켓 샤프트(254)로부터 PTO 샤프트(144)에 토크 변속기를 제공하여 엔진(102)을 시작하게 하고, 오버러닝 클러치(241)와 관련하여 상기 기재된 동작과 유사하게 엔진으로부터 스프로켓 기어(246)로의 토크 전달을 방지한다. 바이패스 클러치(252)는 인게이지시에 이하에서 기재되는 바와 같이 입/출력부(142)와 스프로켓 샤프트(254) 사이에서 양방향으로 토크 전달을 제공한다.
동작 중에, 유성 기어 시스템(138), 링 기어 브레이크(232), 드라이브 라인 브레이크(234), PTO 클러치(244), 오버러닝 클러치(250) 및 바이패스 클러치(252)는 이하에서 더욱 상세히 기재되는 바와 같이 복수의 상이한 모드의 컨트롤러(150)에 의해 기어박스(112)의 선별적인 구성을 용이하게 한다.
엔진 구동 모드
도 4를 참조하면, 장치(110)가 도시되고 엔진 구동 모드에서 구성되고 기계적인 동력이 엔진(102)에 의해 생성된다. 이러한 동작 모드에서, 엔진 출력 샤프트(104)에서 엔진(102)에 의해 생성되는 토크는 토크 컨버터(240), 변속기 유성 기어 세트(239) 및 오버러닝 클러치(241)를 통해 선 및 화살표(400)에 의해 표시된 바와 같이 변속기 출력 샤프트(108)에 전달된다. 그러므로, 기어박스 입력(116)에서 받아지는 토크(400)는 선 및 화살표(402)에 의해 도시되는 바와 같이 차량(100)에 구동 동력을 제공하기 위한 드라이브 라인 샤프트(118) 상에서 기어박스(112)를 통해 전달된다.
도시된 실시예에서, 기어박스(112)의 유성 캐리어(226)는 드라이브 라인(118)에 결합되고 그러므로 드라이브 라인 샤프트에 제공되는 토크는 또한 복수의 유성 기어(228)가 회전하게 한다. 이러한 실시예에서, 컨트롤러(150)(도 1에 미도시)는 I/O 포트(158)에서 링 기어 브레이크 제어 신호를 더 생성하여, 링 기어 브레이크(232)가 링 기어(224)의 제동 표면(230)을 인게이지하게 하여 링 기어의 회전을 금지할 수 있다. 이러한 조건하에서, 드라이브 라인 샤프트(118)에서의 토크의 일부는 유성 캐리어(226) 및 복수의 유성 기어(228)에 전달되고 태양 기어(222)를 통해 중공 샤프트(206)에 전달되어서, 전력을 생성하기 위한 모터(114)에 발전용 토크를 제공한다. 발전용 토크는 엔진(102)에 의해 공급될 수 있거나 회생 제동을 통해 제공될 수 있고, 차량의 운동 에너지는 휠(130, 132), 액슬(136) 및 차동(134)(도 1에 도시됨)을 통해 드라이브 라인 샤프트(118)로 전달된다. 발전용 토크와 관련된 동력 흐름은 파선 및 화살표(404)에 의해 표시된다. 이러한 실시예에서, 모터(114)는 입력부(120)(발전기 출력부로서 역할을 함)에서의 전력을 생성하기 위한 발전기로서 동작한다. 생성된 전력은 에너지 저장 소자(122)를 충전하기 위하여 인버터(124)에 재공급된다. 영구적인 자석 로터(200)를 갖는 모터(114)에 있어서, 스테이터(202)는 전기 입력부(120)에서 AC 전류를 생성하고 인버터(124)는 인버터 출력(166)에서 AC 전력 버스(126) 상에서 전력을 받도록 구성된다. 모터(114)에 의해 전력의 생성하는 것을 중단하기 위하여, 인버터(124)는 AC 전력 버스(126)로부터 견인 전류를 중단하도록 구성되고 로터(200)의 회전으로 인한 임의의 로드는 편류 및 마찰 효과에서 멀어져서 효과적으로 제거된다.
모터(144)의 회전 속도는, 높은 회전 속도에서 모터에 의한 기계적 금지 및/또는 역전기력(EMF) 생성으로 인한 최대 회전 속도 금지의 대상이 될 수 있다. 높은 차량 속도 조건하에서, 드라이브 라인 샤프트(118)는 유성 캐리어(226) 및 그러므로 태양 기어(222) 및 로터(200)가 상응하게 높은 회전 속도로 회전하게 하고 이러한 모터 금지는 예컨대 AC 전력 버스(126) 상에서 전력을 끌도록 인버터(124)를 구성함으로써 모터(114)의 회전 속도를 금지하는데 필수적으로 만들고자 한다.
대안으로 또는 추가적으로, 전력을 생성하는 것이 요구되지 않는 실시예에서, 링 기어 브레이크(232)는 디스인게이지 상태에서 유지될 수 있으므로 태양 기어(222)와 링 기어(224) 양쪽의 회전을 허용한다. 이러한 조건 하에서, 유성 캐리어(226)의 회전 속도는 태양 기어(222)와 링 기어(224) 사이에서 디스인게이지되어서 모터(114)의 로터(200)가 이러한 기어가 존재하는 관성의, 마찰의 또는 다른 부하에 따라 감소된 회전 속도로 회전하게 한다.
전기 구동 모드
도 5를 참조하면, 장치(110)가 도시되고 전기 구동 모드에서 구성되고, 여기서 차량(100)을 동작하기 위한 전력은 모터(144)에 의해 제공된다. 이러한 동작 모드에서, 인버터(124)(도 1에 도시됨)는 AC 전력 버스(126) 상에 여기 전류를 제공하고, 이것은 모터(114)의 입력부(120)에서 받아져서 로터(220)가 회전하여 모터 토크를 생성하게 한다. 모터 토크는 중공 샤프트(206)를 통해 태양 기어(222)에 전달된다. 또한, 컨트롤러(150)(도 1에 미도시)는 I/O 포트(158)에서 링 기어 브레이크 제어 신호를 생성하여, 링 기어 브레이크(232)는 링 기어(224)의 제동 표면(230)을 인게이지하게 하여 링 기어의 회전을 금지한다. 링 기어(224)의 회전이 금지될 때, 중공 샤프트(206)를 통해 태양 기어(222)에 전달되는 모터 토크는 유성 캐리어(226) 및 그러므로 드라이브 라인 샤프트(118)에 복수의 유성 기어(228)를 통해 전달된다. 전기 구동 모드의 전력 흐름은 도 5에서 선 및 화살표(500)에 의해 표시된다. 이러한 조건 하에서, 모터(114)는 휠(130, 132)을 구동하기 위하여 드라이브 라인 샤프트(118) 및 차량(100)에 구동 전력을 전달하도록 구성된다.
차량(100)이 내리막에서 감속하거나 주행할 때, 드라이브 라인 샤프트(118) 상의 토크가 요구되지 않고, 이러한 경우에, 모터(114)는 회생 제동 모드에서 구성될 수 있다. 회생한 제동 모드에서, 모터(114)는 상기 기재된 바와 같이 발전기로서 역할을 하도록 구성된다. 차량의 운동 에너지는 휠(130, 132), 액슬(136) 및 차동(134)(도 1에 도시됨)을 통해 드라이브 라인 샤프트(118)에 전달되고, 발전용 토크는 유성 기어 시스템(138) 및 중공 샤프트(206)를 통해 로터(200)에서 받는다. 인버터(124)(도 1에 도시됨)는 AC 전력 버스(126)로부터 전류를 끌도록 구성되고 로터(200)가 차량(100)의 속도를 유지하거나 감소시키기 위하여 드라이브 라인 샤프트(118) 상에서 로드(load)로서 역할을 하게 하면서 DC 전력 버스(128) 상의 에너지 저장 소자(122)를 저장하기 위하여 전력을 제공한다.
도시된 실시예에서, 오버러닝 클러치(241)는 토크가 드라이브 라인 샤프트(118)로부터 변속기 유성 기어 세트(239) 및 변속기(106)의 토크 컨버터(240)로 로 다시 전달되는 것을 방지한다. 유사하게, 도 4에 도시된 엔진 구동 모드로부터 전기 구동 모드로의 전환시에, 컨트롤러(150)(도 1에 미도시)는 I/O 포트(152)에서의 엔진 제어 신호를 생성하여 엔진이 멈추게 하고, 오버러닝 클러치(241)는 토크가 드라이브 라인 샤프트(118)로부터 변속기 유성 기어 세트(239) 및 토크 컨버터(240)로 재전달되는 것을 방지한다. 가솔린 엔진에 있어서, I/O 포트(152)에서 생성된 엔진 제어 신호는 엔진과 관련된 점화 시스템을 사용하지 못하도록 하여 엔진을 멈추도록 하면서 디젤 엔진에 있어서 엔진 제어 신호가 엔진에 대한 연료의 흐름을 제어할 수 있다.
하이브리드 구동 모드
도 6을 참조하면, 장치(110)가 도시되고 하이브리드 구동 모드에서 구성되고, 여기서, 차량(100)을 동작하기 위한 전력은 엔진(102)과 모터(114) 양쪽에 의해서 제공된다. 엔진 출력 샤프트(104)에서 엔진(102)에 의해 생성된 토크는 토크 컨버터(240), 변속기 유성 기어 세트(239) 및 오버러닝 클러치(241)를 통해 선 및 화살표(600)로 표시된 바와 같이 변속기 출력 샤프트(108)에 전달된다. 기어박스 입력부(116)에서의 변속기 출력 샤프트(108)로부터 받은 토크(600)는 그러므로 선 및 화살표(602)로 도시되는 바와 같이 드라이브 전력의 제 1 부분을 차량(100)에 제공하기 위하여 드라이브 라인 샤프트(118) 상에서 기어박스(112)를 통해 전달된다.
인버터(124)는 또한 모터가 중공 샤프트(206)를 통해 태양 기어(222)에 전달되는 모터 토크(114)를 생성하게 하는 AC 전력 버스(126) 상에 여기 전류를 제공한다. 컨트롤러(150)(도 1에 도시됨)는 I/O 포트(158)에 링 기어 브레이크 제어 신호를 생성하여 링 기어 브레이크(232)가 링 기어(224)의 제동 표면(230)에 체결하도록 하여 링 기어의 회전을 금지하므로, 모터 토크는 복수의 유성 기어(228)를 통해 유성 캐리어(226) 및 그러므로 드라이브 라인 샤프트(118)에 전달된다. 모터(114)로부터 드라이브 라인 샤프트(118)로의 전력 흐름은 선 및 화살표(604)에 의해 도시되고, 모터(114) 및 엔진(102)에 의해 생성된 개별적인 토크로 인하여 결합된 전력 흐름은 선 및 화살표(606)에 의해 표시된다.
드라이브 라인 샤프트(118)에서 개별적으로 엔진(102) 및 모터(114)로부터 받은 구동 전력의 제 1 및 제 2 부분은 차량(100)을 구동하기 위하여 휠(130, 132)(도 1에 도시됨)에 전달된다. 컨트롤러(150)는 예컨대 차량 속도, 희망 가속, 횡단하는 지역의 등급 및 효율 및/또는 비용에 관한 연료 및 저장 소자와 같은 현재 차량 동작 조건과 관련하여 엔진(102)과 모터(114) 사이에서 차량(100)에 의해 요구되는 구동 전력을 배분하도록 더 구성된다. 전기 구동 모드에서와 마찬가지로, 차량(100)이 감속되거나 내리막을 주행할 때 모터(114)는 상기 기재된 바와 같이 회생 제동 모드에서 구성될 수 있다.
도 1에서 도시된 바와 같이 2륜 구동 차량에서, 상기 기재된 종래의, 전기 및 하이브리드 주행 모드의 각각에 있어서, 드라이브 라인 샤프트(118)로부터의 구동 토크는 구동 휠(130, 132)에 전달된다. 4륜 구동 차량의 실시예에서, 드라이브 라인 샤프트(118)에서의 토크의 일부는 차량의 휠의 나머지 쌍에 토크를 제공하기 위하여 전달 케이스(미도시)를 통해 전달된다. 그러므로, 4륜 구동 실시예는 또한 상기 개시된 구동 모드의 각각에 적용가능하다. 일 실시예에서, 장치(110)는 단일 전달 케이스/하이브리드 동력 전달 유닛에서 하이브리드 구동 및 4륜 구동 소자 모두를 제공하기 위하여 통합될 수 있다.
동작중 엔진 시동
상기 엔진 구동 모드 및 하이브리드 구동 모드에서, 엔진(102)이 작동하고 차량(100)을 동작하기 위하여 구동 토크의 적어도 일부를 생성하는 것이 가정된다. 별도의 스타터 모터는 다수의 차량 및 엔진에 시동을 걸기 위한 다수의 하이브리드 차량에 일반적으로 포함된다. 그러나, 도 1에 도시된 차량 실시예에서, 스타터 모터는 제공되지 않고 엔진(102)은 모터(114)에 의해 생성된 시동 토크를 사용하고 유성 기어 시스템(138), 드라이브 라인 브레이크(234), 링 기어 브레이크(232), 바이패스 클러치(252) 및 PTO 클러치(244)를 구성하여 시동 토크를 엔진(102)에 결합시키고 시작된다.
도 7을 참조하면, 장치(110)가 도시되고 이것은 시동을 걸기 위해 구성되며, 여기서, 차량(100)은 도 5와 관련되어 상기 기재된 바와 같이 전기 차량 모드에서 모터(114)에 의해 제공되는 전력 하에서 먼저 움직인다. 전기 구동 모드에서, 링 기어 브레이크(232)는 모터(114)에 의해 생성되는 토크가 복수의 유성 기어(228) 및 유성 캐리어(226)를 통해 드라이브 라인 샤프트(118)로 전달되는 것을 유발하도록 인게이지된다. 컨트롤러(150)(도 1에 도시됨)는 I/O 포트(156)에서 PTO 클러치 제어 신호를 생성함으로써 엔진 시동을 시작하여 PTO 클러치(244)가 인게이지되게 한다. 또한, 컨트롤러(150)는 바이패스 클러치(252)가 디스인게이지되게 하여 I/O 포트(158)를 생성한다. 컨트롤러(150)는 I/O 포트(158)에서 링 기어 브레이크 제어 신호를 생성하여 링 기어 브레이크(232)가 링 기어(224)의 제동 표면(230)을 디스인게이지하게 하여 링 기어의 회전을 허용한다. 이러한 조건 하에서, 유성 캐리어(226)는 모터(114)에 의해 생성된 토크의 구동 부분을 선 및 화살표(700)로 도시된 바와 같이 드라이브 라인 샤프트(118)에 전달하는 것을 지속한다. 그러나, 선 및 화살표(702)에 의해 도시된 모터 토크의 시동 토크는 또한 링 기어(224)로 전달되고, 스프로켓 기어(246) 및 오버러닝 클러치(250)를 통해 입/출력부(142)에 전달되고 PTO 샤프트(144)를 통해 PTO 결합부(141)에 전달된다. PTO 결합부(141)에서 받은 시동 토크는 엔진을 크랭킹하기 위하여 PTO 클러치(244) 및 복수의 PTO 기어(242)를 통해 엔진 출력 샤프트(104)로 전달된다. 유리하게, 이러한 실시예에서 변속기(106)의 구성은 엔진 출력 샤프트(104)에 결합된 PTO(140)를 갖고 그러므로 시동 토크는 토크 컨버터(240)를 통과하지 않는다. 일반적으로, 토크 컨버터는 한 방향으로(엔진 출력 샤프트(104)와 변속기 유성 기어 세트(239) 사이에서) 토크의 효율적인 결합을 제공하고 일반적으로 대향하는 방향으로 토크의 비효율적인 결합을 제공하며, 이것은 모터 토크의 시작 부분이 토크 컨버터(240)를 통해 엔진 출력 샤프트(104)에 결합될 경우에 상당한 기계적인 손실을 초래한다.
모터(114)에 의해 생성된 모터 토크는 그러므로 유성 기어 시스템(138)을 통해 링 기어(224) 및 유성 캐리어(226)에 전달된다. 충분한 시동 토크를 제공하기 위하여, 컨트롤러(150)는 I/O 포트(160)에서 인버터 제어 신호를 제공하여 모터(114)에 의한 상승된 토크 생성이 필수 시동 토크를 제공하게 할 수 있다. 일 실시예에서, 컨트롤러(150)(도 1에 도시됨)는, I/O 포트(152)를 통해 모니터되는 바와 같이 엔진(102)의 회전 속도가 엔진의 시동을 걸기에 충분한 것을 결정하면, 엔진 시동을 유도하기 위하여 I/O 포트(152)에서 엔진 제어 신호만을 생성하도록 구성될 수 있다.
엔진(102)이 발전용 토크를 시작할 때, 토크는 토크 컨버터(240), 변속기 유성 기어 세트(239) 및 오버러닝 클러치(241)를 통해 드라이브 라인 샤프트(118)에 결합된다. 엔진(102)은 시동시에 일시적인 과속을 경험할 수 있고, 오버러닝 클러치(250)는 PTO 결합부(141)를 통해 입/출력부(142)에 재공급되는 것으로부터 토크를 분리하는 역할을 하도록 기어박스(112)에 전달되는 높은 일시적 부하를 잠재적으로 감소시킨다. 일 실시예에서, 컨트롤러(150)는 일시적 과속 조건을 감지하기 위하여 I/O 포트(152)에서 엔진의 속도를 모니터링함으로써 엔진 시동을 감지할 수 있고, 그 이후, 컨트롤러(150)는 링 기어 브레이크(232)가 인게이지되게 하기 위하여 I/O 포트(158)에서 링 기어 브레이크 신호를 생성하므로 모터(114)로부터의 토크는 드라이브 라인 샤프트(118)에 다시 한번 전달된다. 다른 실시예에서, 엔진 시동은 예컨대 모터 속도와 같이 다른 동작 조건을 모니터링하는 컨트롤러(150)에 의해 결정될 수 있다. 또한, 컨트롤러(150)는 I/O 포트(156)에서 PTO 제어 신호를 생성하여 PTO 클러치(244)가 디스인게이지되게 한다.
그러므로, 차량(100)의 구동 모드는 도 4 및 도 6을 참조하여 상기 기재되는 바와 같이 각각 개별적인 모드에 따라 유성 기어 시스템(138), 드라이브 라인 브레이크(234), 링 기어 브레이크(232) 및 PTO 클러치(244)를 구성함으로써 엔진 구동 모드 또는 하이브리드 구동 모드로 변환될 수 있다.
정지중 엔진 시동
도 8을 참조하면, 장치(110)가 도시되고 고정 엔진에 시동을 걸도록 구성되며, 차량(100)은 시동 동안 움직이지 않고 시동 토크는 모터(114)에 의해 제공된다. 컨트롤러(150)(도 1에 도시됨)는 I/O 포트(158)에서 드라이브 라인 브레이크 제어 신호를 생성함으로써 시동을 걸어서 드라이브 라인 브레이크(234)의 브레이크(238)가 제동 표면(236)을 인게이지되게 하고 제동 상태에 드라이브 라인 브레이크(234)를 위치시켜서 드라이브 라인 샤프트(118) 및 유성 캐리어(226)의 회전이 금지된다. 이러한 조건 하에서, 차량(100)이 움직이는 것이 방지된다. 컨트롤러(150)는 또한 I/O 포트(156)에서 PTO 클러치 제어 신호를 생성하여 PTO 클러치(244)가 토크를 전달하기 위하여 인게이지되게 한다. 컨트롤러(150)는 그러므로 I/O 포트(158)에서 링 기어 브레이크 제어 신호를 생성하여, 링 기어 브레이크(232)가 링 기어(224)의 제동 표면(230)을 디스인게이지하게 하여 링 기어의 회전을 허용한다. 컨트롤러(150)는 또한 I/O 포트(160)에서 제어 신호를 생성하여 인버터(124)가 AC 전력 버스(126) 상에서 여기 전류를 제공하게 하여 시작 모터(144)가 시동 토크를 생성하도록 하고, 이것은 중공 샤프트(206)를 통해 태양 기어(222)에 전달된다. 이러한 조건 하에서, 모터(114)에 의해 생성된 시동 토크는 링 기어(224)를 통해 스프로켓 기어(246) 및 스프로켓 샤프트(254)로 전달된다. 스프로켓 샤프트(254) 상의 시동 토크는 오버러닝 클러치(250)를 통해 입/출력부(142)에 전달되고 PTO 샤프트(144)를 통해 PTO 결합부(141)에 전달된다. PTO 결합부(141)에서 받은 시동 토크는 엔진을 크랭킹하기 위하여 PTO 클러치(244) 및 복수의 PTO 기어(242)를 통해 엔진 출력 샤프트(104)에 전달된다. 드라이브 라인 샤프트(118)가 드라이브 라인 브레이크(234)에 의해 제동 상태에서 유지되므로, 모터(114)에 의해 생성된 풀 토크는 유성 기어 시스템(138)을 통해 PTO 샤프트(144) 및 그러므로 시동을 위한 엔진(102)에 결합된다.
최종적으로, 컨트롤러(150)는 또한 엔진 점화가 엔진의 시동을 걸기 위하여 활성화되게 하기 위하여 I/O 포트(152)에서 엔진 제어 신호를 생성하도록 구성된다. 도 8의 실시예에서, 컨트롤러(150)는, I/O 포트(152)를 통해 모니터링되는 바와 같이 엔진(102)의 회전 속도가 엔진을 시동걸기에 충분하다는 것이 결정되면, 엔진의 시동을 유도하기 위하여 I/O 포트(152)에서 엔진 제어 신호만을 생성하도록 구성될 수 있다. 엔진(102)이 시작되면, 엔진에 의해 생성된 토크는 토크 컨버터(240)와 PTO(140)에 결합된다. 드라이브 라인 브레이크(234)에 인게이지될 때, 변속기 출력 샤프트(108)의 회전이 금지되고 낮은 엔진 속도에서 토크 컨버터(240)에 제공된 토크는 토크 컨버터 내에서 소멸될 것이다. 그러나, 더 높은 엔진 속도에서, 엔진이 시동이 꺼질 수 있고 따라서 컨트롤러(150)는 I/O 포트(154)에서 제어 신호를 생성할 수 있어서 변속기 유성 기어 세트(239)가 중립 조건에서 구성되게 하며, 이 조건에서, 토크는 변속기 출력 사프트(108)에 전달될 수 없다. 컨트롤러(150)가 엔진(102)이 시작되는 것을 결정하면, 컨트롤러는 엔진의 크랭킹을 중단하도록 제어 신호를 생성한다.
대안적으로, 도 4와 관련하여 상기 기재된 바와 같은 엔진 구동 모드에 대한 변환이 요구되는 경우에, 컨트롤러(150)는 I/O 포트(156)에서 PTO 클러치 제어 신호를 생성하여, PTO 클러치(244)가 디스인게이지되게 하고 I/O 포트(158)에서 드라이브 라인 브레이크 신호를 생성하여 드라이브 라인 브레이크(234)가 디스인게이지되게 한다.
정지중인 차량의 시동은, 예컨대 엔진 토크가 보조 출력 동력을 제공하거나 저장 소자(122)를 충전하는 것과 같이 비구동 목적으로 사용되는 동작에 유용하다.
엔진 PTO 및 정지중 발전 모드
도 9를 참조하면, 엔진(102)에 시동을 걸 때, 도 8과 관련하여 상기 기재되는 바와 같이, 장치(110)의 기어박스(112)는 차량(100)이 정지중일 동안 보조 출력(146)에서 PTO 전력을 제공하도록 더 구성될 수 있다. 이러한 모드에서, 전력은 엔진(102)에 의해 제공되고, 컨트롤러(150)(도 1에 도시됨)는 I/O 포트(160)에서 제어 신호를 생성하여, 인버터가 전기 입력부(120)로부터 여기 전류를 제거함으로써 모터 토크를 생성하는 것을 중단하게 한다. PTO 하우징(139)의 PTO 클러치(244)는 인게이지되어 유지되고 드라이브 라인 브레이크(234)는 제동 상태에 유지되어서 드라이브 라인(118)의 회전이 금지되고 차량(100)은 정지 상태를 유지한다. 이러한 조건 하에서, 엔진(102)에 의해 생성되는 토크는 엔진 출력 샤프트(104)로부터, PTO 기어(242)를 통해. PTO 클러치(244)를 통해 PTO 결합부(141)에 전달되고 PTO 샤프트(144)를 통해 기어박스 입/출력부(142)로 전달된다. 컨트롤러(150)는 I/O 포트(158)에서 제어 신호를 생성하여 바이패스 클러치(252)가 인게이지하게 하므로 토크는 스프로켓 샤프트(254)에 전달되고 오버러닝 클러치(250)를 바이패스한다. 이러한 실시예에서, 컨트롤러(150)는 또한 I/O 포트(158)에서 클러치 제어 신호를 생성하여 보조 출력 클러치(248)가 인게이지되게 하며 토크는 그러므로 보조 출력부(146)의 보조 출력 샤프트(148)에 전달된다. 엔진(102)에 의해 제공되는 전력은 그러므로 선 및 화살표(900)에 의해 도시된 바와 같이 동작 부속품을 위하여 보조 출력부(146)에서 이용가능해진다.
도 9에 도시된 실시예에서, 링 기어 브레이크(232)가 링 기어(224)의 회전 을 금지하도록 구성되고 유성 캐리어(226)가 제동 상태에 있으므로, 파선 및 화살표(902)로 도시되는 토크의 일부는 복수의 유성 기어(228)를 통해 태양 기어(222)에 전달되어서 로터(200)가 회전하게 한다. 인버터(124)가 전기 입력부(120)로부터 AC 전력 버스(126) 상의 전류를 받도록 구성함으로써, 모터(114)는 에너지 저장 소자(122)를 충전하기 위한 또한 전기적 부속품 및/또는 장비에 동력을 전달하기 위한 발전기로서 구성될 수 있다. 대안적으로, 인버터에 의한 AC 전류 버스(126)로부터 전류가 유도되지 않을 때, 오직 샤프트(206) 상의 부하만 로터(200)의 편류 효과, 모터(114) 및 유성 기어 시스템(138)의 마찰 손실 및 장치(110)의 기타 기계적인 손실로 인한 것이다. 따라서, 엔진 PTO 모드에서, 고정 전력 생성 또한 발생할 수 있고 보조 출력 클러치(248)가 디스인게이지될 경우에 엔진에 의해 생성된 모든 토크는 전력 생성의 목적으로 모터(114)에 전달될 수 있다.
동작중 엔진 PTO
도 10을 참조하면, 변속기(106)는 PTO의 동시 동작을 가능하게 하면서, 차량(100)은 도 4에 도시된 엔진 구동 모드에서 움직인다. 이러한 모드에서, 전력은 엔진(102)에 의해 제공되고, 컨트롤러(150)(도 1에 도시됨)는 I/O 포트(160)에서 제어 신호를 생성하여 인버터(124)가 전기 입력부(120)로부터 여기 전류를 제거함으로써 모터 토크를 생성하는 것을 중단하게 한다. 컨트롤러(150)는 I/O 포트(156)에서 PTO 클러치 제어 신호를 생성하여 PTO 하우징(139)의 PTO 클러치(244)가 인게이지되게 하고 I/O 포트(158)에서 제어 신호를 생성하여 보조 출력 클러치(248)가 인게이지되게 한다. 드라이브 라인 브레이크(234)는 차량(100)이 움직이는 동안 드라이브 라인 샤프트(118)의 회전을 허용하기 위하여 디스인게이지된다.
이러한 조건 하에서, 엔진(102)에 의해 생성되는 토크는 엔진 출력 샤프트(104)로부터, PTO 기어(242)를 통해, PTO 클러치(244)를 통해 PTO 결합부(141)에 전달되고 PTO 샤프트(144)를 통해 기어박스 입/출력부(142)로 전달된다. 컨트롤러(150)는 I/O 포트(158)에서 제어 신호를 더 생성하여 바이패스 클러치(252)가 인게이지하여 오버러닝 클러치(250)를 바이패스하게 하므로, 토크는 스프로켓 샤프트(254)에 전달되고 보조 출력부 클러치(248)를 통해 선 및 화살표(1000)에 의해 도시된 바와 같이 보조 출력 샤프트(148)에 전달된다.
동시에, 엔진 토크는 선 및 화살표(1002)에 의해 도시된 바와 같이, 토크 컨버터(240), 변속기 유성 기어 세트(239) 및 오버러닝 클러치(241)를 통해 변속기 출력 샤프트(108)에 전달된다. 기어박스 입력부(116)에서 받은 토크는 그러므로 구동력을 차량(100)에 제공하기 위하여 드라이브 라인 샤프트(118) 상에서 기어박스(112)를 통해 전달된다.
이러한 모드에서, 모터(114)의 로터(200)는 태양 기어(222) 및 유성 캐리어(226)를 통하여 회전 드라이브 라인 샤프트(118)에 결합되며, 링 기어(224)는 회전 스프로켓 기어(246)에 결합되고, 이것은 로터가 최대 차량 속도에 제약을 가할 수 있다. 모터(114)는 또한 도 4 및 도 9와 관련되어 상기 기재된 바와 같이 발전용 토크를 받도록 구성될 수 있고 또한 모터는 도 6의 실시예와 관련하여 상기 기재된 바와 같이 구동 토크를 생성하도록 구성될 수 있다.
정지중 전기 PTO 모드
도 11을 참조하면, 대안적인 동작 실시예에서, 장치(110)는 로터(114)가 보조 출력부(146)에서 PTO 전력을 제공하게 하도록 구성될 수 있으며, 장치(100)는 정지상태이며 엔진(102)은 가동되지 않는다. 이러한 모드에서, 컨트롤러(150)(도 1에 도시됨)는 I/O 포트(156)에서 PTO 클러치 제어 신호를 생성하여 PTO 클러치(244)가 디스인게이지 상태에서 구성되게 한다. 컨트롤러(150)는 I/O 포트(158)에서 드라이브 라인 브레이크 제어 신호를 생성하여 드라이브 라인 브레이크(234)의 브레이크(238)가 제동 표면(236)을 인게이지하게 하여 드라이브 라인(118) 및 유성 캐리어(226)의 회전을 금지한다. 컨트롤러(150)는 또한 I/O 포트(158)에서 링 기어 브레이크 제어 신호를 생성하여 링 기어 제어 브레이크(232)에 링 기어(224)의 제동 표면(230)을 디스인게이지하게 하여 링 기어의 회전을 허용한다. 컨트롤러(150)는 또한 인버터 제어 신호를 생성하여 인버터(124)가 전기 입력부(120)에 여기 전류를 제공하게 하여 모터(114)가 토크를 생성하게 하며, 이것은 중공 샤프트(206)를 통해 태양 기어(222)에 전달된다. 유성 캐리어(226)의 회전이 금지당하므로 토크는 링 기어(224)에 전달되고, 결국 이것은 토크를 스프로켓 기어(246) 및 스프로켓 샤프트(254)에 그리고 선 및 화살표(1100)에 의해 도시된 바와 같이 보조 출력 클러치(248)를 통해 보조 출력부(146)에 전달된다. 컨트롤러(150)는 또한 I/O 포트(158)에서 바이패스 클러치 제어 신호를 생성하여 바이패스 클러치(252)가 디스인게이지되게 하여 PTO 샤프트(144)에 의한 로딩(loading)을 제거할 수 있다.
대안적인 위성 기어 구성
도 12를 참조하여, 기어박스 및 장치의 대안적인 실시예가 일반적으로 1200에서 도시된다. 이러한 실시예에서, 엔진(102), 변속기(106) 및 모터(114)는 도 2에 도시된 실시예에 유사하게 구성된다. 모터(114)는 또한 중공 샤프트(206)를 통해 태양 기어(222)에 결합되어 유지된다. 그러나, 이러한 실시예에서, 유성 기어 시스템(138)이 구성되어서 유성 캐리어(226)는 한 쌍의 스프로켓 기어(1204 및 1206)를 통해 중간 샤프트(1210)에 결합된다. 중간 샤프트(1210)는 오버러닝 클러치(1212) 및 바이패스 클러치(1214)를 통해 기어박스(112)의 입/출력부(1216)에 결합된다. 유성 캐리어(226)는 또한 도 2의 실시예와 같이 드라이브 라인 샤프트(118)에 결합되지 않고 그보다는 결합(1208)은 링 기어(224)와 드라이브 라인 샤프트 사이에서 토크를 전달한다. 스프로켓 기어(1206)는 중간 샤프트(1210)의 회전의 방향이 스프로켓 기어(1204)의 회전의 방향에 반전되도록 하기 위하여 포함된다.
다른 실시예에서, 유성 기어 시스템(138)이 대안적으로 구성될 수 있고 도 2 및 도 12에 도시된 더욱 복잡한 기어 구성이 포함될 수 있다.
도시된 실시예에서, 보조 출력부(1218)는 도 2에 도시된 것에 대하여 기어박스(112) 상의 대안적인 위치에서 도시된다. 보조 출력부(1218)는 입/출력부(1216)로서 기어박스(112)의 동일한 측 상에 있으며, 입/출력부에 결합된 제 1 체인 스프로켓(1220)을 포함한다. 또한, 보조 출력부(1218)는 제 2 체인 스프로켓(1222) 및 제 1 체인 스프로켓(1220)으로부터 코트를 제 2 체인 스프로켓에 전달하기 위한 체인(1224)을 포함한다. 제 2 체인 스프로켓(1222)은 보조 출력 클러치(1226)를 통해 토크를 보조 출력 샤프트(1228)에 전달하도록 결합된다. 보조 출력부(1218)의 동작은 일반적으로 도 4 내지 도 11에 도시된 실시예와 관련하여 상기 기재된 바와 같으며 이러한 실시예에서 보조 출력부(146)의 위치에서 수행될 수 있다.
대안적인 변속기 실시예
또 다른 실시예에서, 다른 실시예에서, 도 1에 도시된 파워 트레인(101)은 도 13에서 1300으로 도시되어 구성된 대안적인 변속기를 포함할 수 있다. 도 13을 참조하면, 변속기(1300)는 토크 컨버터(1302), 유체 펌프(1304), 변속기 유성 기어 세트(1306), 오버러닝 클러치(1308) 및 PTO(1310)을 포함한다.
토크 컨버터(1302)가 도 13에서 개략적으로 도시되고 토크 컨버터 하우징(1314)에 결합되는 임펠러(1312)를 포함하며, 하우징은 회전을 위해 엔진 출력 샤프트(104)에 결합된다/ 임펠러(1312)는 그러므로 엔진 출력 샤프트(104)로부터 토크를 받기 위한 입력부의 역할을 한다. 연료 펌프(1304)는 하우징(1314)에 결합되고 임펠러(1312)와 회전하면서 유체 펌프가 다수의 클러치 및 다른 유압 액추에이터를 변속기(1300) 내에서 작동시키기 위하여 유압유 압력을 생성하도록 한다. 토크 컨버터(1302)는 또한 터빈(1316)을 포함하고, 이것은 터빈으로부터 변속기 유성 기어 세트(1306)에 토크를 전달하는 토크 컨버터 출력 샤프트(1318)에 결합된다. 일반적으로, 토크 컨버터는 또한 스테이터(미도시)를 포함하고, 여기서, 토크를 증대시키기 위하여 임펠러(1312)와 터빈(1316) 사이의 유체 흐름을 다시 보낸다. 동작중에, 회전하는 임펠러(1312)에 의해 순환되는 변속기 유체는 임펠러와 터빈 사이에서 그러므로 엔진 출력 샤프트(104)와 토크 컨버터 출력 샤프트(1318) 사이에서 흐름 결합을 통해 토크를 전달하기 위하여 터빈(1316)을 통해 흐른다. 토크 컨버터(1302)는 또한 임펠러(1312)와 터빈(1316) 사이에 락-업 클러치(1320)를 포함한다. 락-업 클러치(1320)는 토크 컨버터를 통한 더욱 효율적인 토크 전달을 위하여 임펠러(1312)와 터빈(1316)의 개별적인 회전을 락킹하기 위하여 인게이지될 때 동작가능하다. 일반적으로, 락-업 클러치(1320)는 유체 펌프(1304)에 의해 제공되는 유압유 압력을 사용하여 유압식으로 구동되되, 다른 실시예에서, 락-업 클러치(1320)는 전기적으로 구동되거나 다르게 구동될 수 있다.
이러한 실시예에서, PTO(1310)는 토크 컨버터 출력 샤프트(1318)에 결합된 복수의 기어(1322)를 포함한다. PTO(1310)는 또한 PTO 클러치(1324)를 포함하고, 이러한 실시예에서 유체 펌프(1304)에 의해 제공되는 유압유 압력을 사용하여 유압식으로 구동된다. 다른 실시예에서 PTO 클러치(1324)는 전기적으로 또는 다르게 구동될 수 있다.
토크 컨버터(1302)와 같은 토크 컨버터는 일반적으로 한 방향으로, 즉, 엔진 출력 샤프트(104)와 토크 컨버터 출력 샤프트(1318) 사이에서 비교적 효율적인 토크 변속을 제공하도록 구성되고, 대향하는 방향의 토크 변속은 일반적으로 매우 비효율적이다. 샤프트(144)를 통한 PTO(1310)에 전달된 시동 토크가 토크 컨버터(1302)를 통해 엔진 출력 샤프트(104)에 결합되기 때문에, 유체 결합 조건 하의 시동 토크 전달이 비효율적일 수 있다. 유리하게, 락-업 클러치(1320)를 인게이지하는 것은 엔진 출력 샤프트(104)에 대한 시동 토크 변속의 효율을 상당히 증대시킨다. 그러나, 도 13에 도시된 실시예에서, 유체 펌프(1304)는 엔진(102)이 작동할 때 유압 압력을 생성하기 위해서만 동작하므로 클러치 가동은 샤프트(1318)가 회전할 때만 가능하다. 종래의 동작하에, 락-업 클러치(1320)가 일반적으로 유체 펌프(1304)가 정격 압력(rated pressure)에서 동작될 때 더 큰 엔진 속도로만 구동되기 때문에 문제가 되지 않는다. 일반적으로, PTO 클러치(1324)는 또한 유압 압력은 유체 펌프(1304)에 의해 생성될 때만 인게이지될 수 있고 그러므로 시동 토크는 유압 압력이 유체 펌프(1304)에 의해 제공되면 전달될 수 있다.
도 13에 도시된 실시예에서, 변속기(1300)는 유압유 입/출력 포트(1330)를 포함하고, 이것은 유체 펌프(1304)에 결합된다. 유압유 입/출력 포트(1330)는 유압유 어큐뮬레이터(1334)와 솔레노이드 작동식 밸브(1332)를 통해 교류한다. 체크 밸브(1333)는 또한 솔레노이드 작동식 밸브(1332)에 병렬로 제공된다. 솔레노이드 작동식 밸브(1332)는 먼저 폐쇄를 위하여 구동되고 체크 밸브(1333)는 가압된 유압유가 어큐뮬레이터(1334)에서 축적되는 것을 허용하면서 유체 펌프(1304)가 유압유 압력을 생성하기 위해 동작한다. 유압 어큐뮬레이터는 일반적으로 일반적으로 2개의 압축 챔버, 즉 비압축인 유압유를 받기 위한 제 1 챔버 및 에너지를 저장하기 위한 제 2 압축 챔버를 포함한다. 제 2 압축 챔버는 제 1 챔버에서 유압유를 압축하기 위하여 힘을 가하도록 스프링 또는 압축 가스를 포함할 수 있다. 유체 펌프(1304)에 의해 생성되는 유압유 압력은 어큐뮬레이터(1334)에서 유체 압력 이하로 감소할 때, 체크 밸브(1333)는 어큐뮬레이터에서 압력을 유지하기 위하여 폐쇄한다. 다른 실시예에서, 체크 밸브(1333)가 생략되고 유체 펌프(1304)에 의해 생성된 유압 압력 및 어큐뮬레이터(1334)의 유압 압력은 밸브(1332)는 어큐뮬레이터가 유압유를 받도록 작동되어야 할 때를 결정하기 위하여 모니터링할 수 있다.
유압유 입/출력 포트(1330)는 또한 솔레노이드 작동 밸브(1336)를 통해 락-업 클러치(1320)와 교류하고 솔레노이드 작동 밸브(1338)를 통해 PTO 클러치(1324)와 교류한다. 엔진에 시동을 거는 것이 요구될 때, 유체 펌프(1304)는 유압 압력을 생성하지 않고 밸브(1332)는 유압유 입/출력 포트(1330)에서 유압유 압력을 제공하기 위하여 동작되고, 이것은 유압 압력을 제공한다. 유압 압력 수요는 밸브(1338)를 구동하는데 반응하여 PTO(1310)을 통해 시동 토크를 전달하기 위하여 PTO 클러치(1324)를 인게이지하고 밸브(1336)의 구동에 반응하여, 토크 컨버터(1302)를 통해 엔진 출력 샤프트(104)에 시동 토크의 효율적인 전달을 제공하기 위하여 락-업 클러치(1320)를 인게이지하기에 충분하다.
엔진(102)이 시작되면, 유체 펌프(1304)는 유압유 압력을 생성하도록 동작가능하고 어큐뮬레이터(1334)는 다시 상기 기재된 바와 같이 다음 엔진 시작 사이클을 위하여 가압된 유압유를 축적한다.
다른 실시예에서, 전동 유압 펌프(미도시)는 유압유 어큐뮬레이터(1334)와 밸브(1332)를 대신하여 수행될 수 있다. 유압 펌프는 예컨대 도 1에 도시된 에너지 저장 소자(122)와 같은 차량 배터리 또는 종래의 12V 납축 전지에 의해 제공되는 DC 전력을 사용하여 전력이 공급된다. 전동 유압 펌프는 (예컨대 변속기(1300)로부터의) 유압유의 공급에 의해 제공되고 구동시에는 락-업 클러치(1320)와 PTO 클러치(1324)를 구동하기 위하여 유압유 입/출력 포트(1330)에서 가압된 유압유를 제공하기 위하여 동작한다.
도 13과 관련하여 상기 기재된 유압 어큐뮬레이터 실시예는, 다양한 클러치, 브레이크 및 차량(100)의 다른 유압식으로 구동된 시스템을 제공하기 위하여 도 1 내지 도 12의 상기 기재된 실시예 중 하나에 도시된 바와 같이 일반적으로 구현될 수 있다. 예컨대, 도 2에 도시된 실시예에서, 유압유 어큐뮬레이터(1334)는 엔진(102)이 동작하지 않을 때 PTO 클러치(244)를 작동하기 위하여 유압 동작 압력을 제공하도록 구현될 수 있다.
PTO 직결형 모터
대안적인 차량 실시예가 도 14에서 1400에서 일반적으로 도시된다. 도 14를 참조하면, 차량(1400)은 엔진 출력 샤프트(1406)에서 토크를 생성할 수 있는 내연 기관과 같은 엔진(1404)을 포함하는 파워 트레인(1402)를 포함한다. 파워 트레인(1402)는 또한 엔진 출력 샤프트(1406)에 결합된 변속기(1408)를 포함한다. 변속기(1408)는 출력 샤프트(1410) 및 PTO(1412)를 포함한다.
차량(1400)은 또한 변속기(1408)의 출력 샤프트(1410)에 결합된 전달 케이스(1414)를 포함한다. 전달 케이스(1414)는 드라이브 라인 샤프트(1420), 차동(1422) 및 액슬(1424)을 통한 한 쌍의 후방 휠(1416, 1418)에 구동력을 제공하기 위하여 동작가능하다. 전달 케이스(1414)는 또한 드라이브 샤프트(1430), 차동(1432) 및 액슬(1434)을 통해 한 쌍의 전방 휠(1426, 1428)에 선택적으로 동력을 주입할 수 있다.
차량(1400)은 또한 샤프트(1438)를 통해 PTO(1412)에 결합되는 모터(1436)를 더 포함한다. 이러한 실시예에서, 모터(1436)는 AC 전력 버스(1442)로부터 AC 구동 전류를 받기 위하여 동력 입력부(1440)를 포함하되, 다른 실시예에서 모터가 DC 모터로서 구현된다. 차량은 인버터(1444) 및 DC 전력 버스(1448)를 통해 연결되는 에너지 저장 소자(1446)를 더 포함한다.
일 실시예에서, 도 13에 도시된 변속기 구성(1300)은 유압유 입/출력 포트(1330), 솔레노이드 작동 밸브(1332) 및 유압유 어큐뮬레이터(1334)를 포함하는 변속기(1408)로서 구현될 수 있다. 모터(1436)는 도 13과 관련하여 상기 기재된 바와 같이 변속기(1408)를 통해 결합된 PTO(1412)를 통해 시동 토크를 제공하도록 동작가능하다. 추가적으로, 모터(1436)는 PTO(1412)를 통해 차량을 위한 구동 토크를 제공하기 위하여 사용될 수 있으며 저장 소자(1446)를 저장하기 위하여 휠로부터 엔진 토크 또는 회생 토크를 받도록 더 구성될 수 있다.
다른 실시예에서, 도 2에 도시된 변속기 구성(106)은 변속기(1408)로서 구현될 수 있고, 이러한 경우에, 유압유 어큐뮬레이터(1334)는 PTO 클러치(244)(도 2에 도시됨)를 동작시키기 위하여 유압유 압력을 제공하도록 요구된다. 이러한 실시예에서, 솔레노이드 작동 밸브(1332)가 생략될 수 있고 체크 밸브(1333)는 유압유 입/출력 포트(1330)와 유압 라인의 브랜치 사이에서 솔레노이드 작동 밸브(1338)로 이동될 수 있다. 이러한 경우에, 유압유 어큐뮬레이터(1334)는 유체 압력을 축적하고 유체 펌프(1304)가 동작하며, 이것은 PTO 클러치(1324)를 인게이지하기 위하여 솔레노이드 작동 밸브(1338)를 동작시키는데 실질적으로 이용가능하다.
유리하게, 도 14에 도시된 실시예는 차량 샤시(chassis) 레이아웃의 비교적 마이너한 재구성을 갖는 종래의 내연 기관을 갖는 차량에서 구현될 수 있다. 종래의 12V DC 스타터는 모터(1436)를 위해 생략될 수 있으며, 이것은 시동 토크, 구동 토크 및 전기 발전기 기능을 제공한다. 통상적인 상업용 및 산업용 차량 구성은 인-라인 모터를 받기 위하여 한정된 추가 공간을 제공한다. 그러나, 다수의 경우에서, PTO 출력의 영역에서의 타당한 접근이 제공되고 모터는 도 14에서 도시된 바와 같이 일반적으로 편리하게 장착될 수 있다.
상기 기재된 장치의 다수의 실시예는 하이브리드 차량 동작 특징을 제공하기 위하여 PTO 출력부를 갖는 종래의 차량의 개조를 가능하게 한다. 종래의 엔진/변속기의 변속기에 대한 PTO 출력부의 사용은 또한 고정 엔진 시동 및 이동 엔진 시동 양쪽을 가능하게 하고 또한 별도의 스타터 모터를 요구할 필요가 없다.

Claims (43)

  1. 하이브리드 차량에 동력을 전달하기 위한 장치에 있어서,
    파워 트레인(pwertrain)으로서,
    엔진; 및
    상기 엔진에 결합되고, 토크 컨버터(torque converter)를 포함하는 변속기(transmission)를 포함하는, 상기 파워 트레인;
    상기 파워트레인에 결합되고, 시동 토크를 생성하도록 동작가능한 전기 모터; 및
    상기 엔진에 시동을 걸기 위해, 상기 시동 토크를 통과시켜 전달하고 상기 토크 컨버터를 바이패스하기 위한 동력 인출 장치(power take-off)를 포함하는
    동력을 전달하기 위한 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 동력 인출 장치는, 상기 동력 인출 장치를 통해 상기 엔진 시동 토크를 상기 엔진에 전달하도록 인게이지(engage)될 때 동작가능한 동력 인출 클러치를 포함하는,
    동력을 전달하기 위한 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 동력 인출 클러치는 유체 펌프에 의해 제공되는 유압유 압력에 의해 작동되고,
    상기 엔진의 시동을 걸기 전에 상기 동력 인출 클러치를 작동시키기 위해 유압유 압력을 제공하도록 동작가능하게 구성된 유압 어큐뮬레이터; 및
    상기 엔진에 시동을 걸기 전에 상기 동력 인출 클러치를 작동시키기 위해 유압유 압력을 제공하도록 동작가능하게 구성된 전동 유압 펌프 중 하나를 더 포함하는,
    동력을 전달하기 위한 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 모터에 의해 생성된 토크를 받도록 동작가능하고, 상기 시동 토크를 동력 인출 결합부(power take-off coupling)를 통해 상기 엔진에 전달하도록 선택적으로 구성가능한 유성 기어 시스템을 더 포함하는,
    동력을 전달하기 위한 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 차량의 상기 엔진과 드라이브 라인(driveline) 사이에서 선택적으로 토크를 전달하도록 배치된 클러치를 더 포함하고,
    상기 클러치는 인게이지(engage)될 때 상기 드라이브 라인에 엔진 구동 토크를 전달하도록 동작가능하고, 엔진에 시동이 걸리는 동안에는 상기 드라이브 라인으로부터 엔진을 디스인게이지(disengage)하도록 동작가능한,
    동력을 전달하기 위한 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 유성 기어 시스템은 태양 기어, 링 기어, 상기 태양 기어와 상기 링 기어 사이에 결합된 유성 기어, 및 상기 유성 기어에 결합된 유성 캐리어를 포함하고,
    상기 모터는 상기 태양 기어에 결합되고, 상기 링 기어 및 상기 유성 캐리어 중 하나는 상기 엔진의 동력 인출 결합부에 결합되며, 상기 링 기어 및 상기 유성 캐리어 중 다른 하나는 상기 드라이브 라인에 결합되고;
    상기 유성 기어 시스템은, 상기 링 기어 및 상기 유성 캐리어 중 하나를 통해 상기 엔진에 엔진 시동 토크를 전달하면서 상기 링 기어 및 상기 유성 캐리어 중 다른 하나의 회전을 금지하도록 상기 유성 기어 시스템을 구성함으로써 상기 엔진에 상기 시동 토크를 전달하도록 구성가능한,
    동력을 전달하기 위한 장치.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 유성 기어 시스템은, 상기 드라이브 라인으로부터 토크를 받도록, 그리고 상기 모터가 발전기로서 동작하도록 구성될 때에는 상기 유성 기어 시스템을 통해 발전용 토크(generating torque)를 상기 모터에 전달하여 상기 모터에 의한 전력의 생성을 가능하게 하도록 선택적으로 구성가능한,
    동력을 전달하기 위한 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 발전용 토크는,
    상기 엔진에 의해 생성된 토크, 및
    상기 차량의 휠(wheel)을 통해 상기 드라이브 라인에 결합된 회생 토크(regenerative torque) 중 적어도 하나를 포함하는,
    동력을 전달하기 위한 장치.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 유성 기어 시스템은 태양 기어, 링 기어, 상기 태양 기어와 상기 링 기어 사이에 결합된 유성 기어, 및 상기 유성 기어에 결합된 유성 캐리어를 포함하고,
    상기 모터는 상기 태양 기어에 결합되고, 상기 링 기어 및 상기 유성 캐리어 중 하나는 상기 드라이브 라인에 결합되고;
    상기 유성 기어 시스템은, 상기 링 기어와 상기 유성 캐리어 중 다른 하나의 회전을 금지하여 상기 발전용 토크가 상기 태양 기어를 통해 상기 드라이브 라인으로부터 상기 모터에 전달되게 함으로써, 상기 발전용 토크를 전달하도록 구성가능한,
    동력을 전달하기 위한 장치.
  10. 청구항 5에 있어서,
    상기 유성 기어 시스템은 상기 모터에 의해 생성된 토크의 일부를 모터 구동 토크로서 상기 드라이브 라인에 전달하도록 선택적으로 구성가능한,
    동력을 전달하기 위한 장치.
  11. 청구항 4에 있어서,
    보조 장비를 동작하기 위한 동력을 전달하기 위해 보조 동력 출력부를 더 포함하고,
    상기 엔진의 상기 동력 인출 결합부는 엔진에 시동이 걸리면 상기 보조 동력 출력부에 토크를 전달하기 위해 선택적으로 결합되도록 동작가능한,
    동력을 전달하기 위한 장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 유성 기어 시스템은, 상기 엔진에 의해 생성된 토크를 상기 엔진의 상기 동력 인출 결합부로부터 받도록, 그리고 상기 모터가 발전기로서 동작하도록 구성될 때에는 전력을 생성하기 위해 상기 유성 기어 시스템을 통해 상기 토크의 적어도 일부를 상기 모터에 전달하도록 구성가능한,
    동력을 전달하기 위한 장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 유성 기어 시스템은 태양 기어, 링 기어, 상기 태양 기어와 상기 링 기어 사이에 결합된 유성 기어, 및 상기 유성 기어에 결합된 유성 캐리어를 포함하고,
    상기 모터는 상기 태양 기어에 결합되고, 상기 링 기어 및 상기 유성 캐리어 중 하나는 상기 엔진에 의해 생성된 토크를 상기 엔진의 동력 인출 결합부로부터 받도록 결합되고;
    상기 유성 기어 시스템은, 상기 링 기어 및 상기 유성 캐리어 중 다른 하나의 회전을 금지함으로써 상기 링 기어 및 상기 유성 캐리어 중 상기 하나로부터 상기 태양 기어를 통해 상기 모터에 토크를 전달하도록 선택적으로 구성가능한,
    동력을 전달하기 위한 장치.
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