KR20120041730A - 전기 기계를 구비한 포탈 액슬을 가진 차량용 구동 장치 - Google Patents

전기 기계를 구비한 포탈 액슬을 가진 차량용 구동 장치 Download PDF

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KR20120041730A
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슈테판 헨닝스
다니엘 아름브루스터
요헨 슈미트
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독터. 인제니어. 하.체. 에프. 포르쉐 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은, 2개의 전기 기계(4)를 수용하는 중공의 포탈 액슬(2)[각각의 경우 하나의 휠(12)이 포탈 액슬(2)의 양 단부 영역에 회전 가능하게 장착되고, 각각의 휠(12)이 상기 휠과 연관된 전기 기계(4)에 의해 구동될 수 있다]과, 각각의 전기 기계(4) 및 상기 전기 기계와 연관된 휠(12) 사이에 배치되는 감속 기어 기구(8, 9)를 갖는 차량용 구동 장치(1)에 관한 것이다. 본 발명의 목적은, 이러한 종류의 구동 장치에서, 휠이 비강성 방식으로 장착될 수 있도록 각각의 휠과 감속 기어 기구 사이에 별도의 연결을 제공하는 데에 있다. 본 발명에 따르면, 각각의 감속 기어 기구(8, 9)는 상기 감속 기어 기구(8, 9)와 연관된 휠(12)에 카던 샤프트(10)에 의해 연결될 수 있다.

Description

전기 기계를 구비한 포탈 액슬을 가진 차량용 구동 장치{PROPULSION DEVICE FOR AUTOMOBILE WITH PORTAL AXLE COMPRISING AN ELECTRICAL MACHINE}
본 발명은, 2개의 전기 기계를 수용하는 중공의 포탈 액슬(각각의 경우 하나의 휠이 포탈 액슬의 양 단부 영역에 회전 가능하게 장착되고, 각각의 휠이 상기 휠과 연관된 전기 기계에 의해서만 구동될 수 있다)과, 각각의 전기 기계 및 상기 전기 기계와 연관된 휠 사이에 배치되는 감속 기어 기구(step-down gear mechanism)를 갖는 차량용 구동 장치에 관한 것이다.
상용차에 사용되는 이러한 종류의 구동 장치는 DE 295 18 401 U1호에 기재되어 있다. 이러한 상용차는 사람들을 수송하기 위한 시내 버스이다. 시내 버스에서는, 특히 강성 액슬 형태의 리어 액슬의 영역에, 낮은 높이에 마련되며 전체 버스를 통해 형성되는 차량 케리지 바닥이 필요하다. 이를 달성하기 위해, 중공의 포탈 액슬에는, 상기 포탈 액슬에 의해 수용되며 전기 구동 모터의 형태로 이루어진 2개의 전기 기계가 제공된다. 스퍼 기어단 형태의 감속 기어 기구가 각각의 전기 기계 및 상기 전기 기계와 연관된 휠 사이에 배치된다.
도입부에 언급된 유형의 특징을 가진 구동 장치는 DE 296 11 867 U1호에도 기재되어 있다.
DE 44 34 237 A1호는 특히 농업용 차량을 위한 2개의 싱글-휠 전기 구동부를 구비한 차량 액슬을 개시한다. 2개의 싱글-휠 구동부는 클러치에 의해 억지 끼워맞춤 방식으로 연결되어, 차량 액슬의 구동 휠들에 불균일한 부하가 발생할 때 비교적 긴 시간에 걸쳐 하나의 싱글-휠 구동부에 대한 과부하를 방지할 수 있다. 각각의 싱글-휠 전기 구동부는 스퍼 기어단 형태의 감속 기어 기구에 연결되고, 상기 감속 기어 기구는 이러한 싱글-휠 구동부와 연관된 휠에 연결되어 있는 유성 기어 기구에 연결된다. 휠의 액슬은 전기 모터의 회전자의 회전축에 대해 반경방향으로 오프셋 배치된다. 각각의 전기 모터를 위한 입력 전기 에너지는, 특히 차량 자체의 내연기관에 의해 구동되는 발전기에 의해 발생된다.
DE 10 2004 003 634 A1호는 차량의 포탈 액슬 구동부를 개시하는데, 각각의 휠에 대한 토크 흐름이 유성 기어 기구로부터 출력 샤프트로 도입되고, 상기 출력 샤프트는 스퍼 기어단 형태의 감속 기어 기구를 통해 휠에 회전 불가능한 방식으로 연결된다.
DE 202 13 670 U1호는 공통의 하우징 내에 장착된 2개의 전기 구동 모터를 구비한 차량의 직접 구동형 구동 액슬을 기술한다.
전술한 구동 장치 또는 액슬 설계의 한가지 단점은, 특히 이러한 설계가 포탈 액슬에 관련된 경우, 강성 액슬의 형태를 취한다는 것이다. 그에 따라, 이러한 종류의 구동 장치는 진동 및 쾌적함을 이유로 상용차, 예를 들어 버스 또는 농업용 차량에서 사용되도록 마련된다.
본 발명의 목적은, 도입부에 언급된 유형의 구동 장치에서, 휠이 비강성 방식으로(non-rigid manner) 장착될 수 있도록 각각의 휠과 감속 기어 기구 사이에 별도의 연결을 제공하는 데에 있다.
상기 목적은, 각각의 감속 기어 기구가 카던 샤프트에 의해 상기 감속 기어 기구와 연관된 휠에 연결됨으로써 달성된다.
카던 샤프트에 의한 감속 기어 기구 및 상기 감속 기어 기구와 연관된 휠 사이의 억지 끼워맞춤 연결에 의해, 액슬이 강성일 필요 없이 토크가 전달될 수 있다. 그 결과로, 전술한 종래 기술에 따른 차량과 대조적으로, 상기 구동 장치가 구비된 차량에는 독립 현가 장치가 제공될 수 있다. 이는, 특히 운전상의 쾌적성 및 안전성을 이유로 각각의 휠이 스프링 압축 및 스프링 신장을 개별적으로, 즉 차량의 다른 휠들과 무관하게 수행할 수 있는 경우에 유리한 자동차에 이르기까지, 구동 장치의 적용 분야를 현저히 넓힌다.
각각의 카던 샤프트는 바람직하게 더블 카던 조인트로서 설계되고, 카던 샤프트의 양 단부 영역은 스퍼 기어단의 출력 샤프트 및 휠 허브에 억지 끼워맞춤 방식으로 연결된다.
포탈 액슬 및 휠 액슬의 반경방향 오프셋은 바람직하게 스퍼 기어단 형태의 감속 기어 기구에 의해 보상된다. 유성 기어 기구가 각각의 전기 기계 및 상기 전기 기계와 마주하는 스퍼 기어단 사이에 배치되는 경우 특히 유리한 것으로 여겨진다. 전기 기계 및 상기 전기 기계와 연관된 휠 사이의 이러한 기어 기구의 설계로 인해, 휠에 매우 높은 토크를 전달하는 것이 가능하지만, 도달 가능한 최대 속도는 감소한다.
스퍼 기어단 및/또는 유성 기어 기구는 바람직하게 포탈 액슬의 구성 부품이다. 포털 액슬은 특히 차량의 몸체 및 섀시 크로스 멤버에 견고하게 고정된다.
본 발명의 하나의 특정한 실시형태에 따르면, 포탈 액슬은 2개의 전기 기계를 수용하는 일체형 하우징이 제공된다.
따라서, 전기 기계들은 하우징 외부에 설치 공간을 필요로 하지 않고, 이러한 이유로, 포탈 액슬은 차량의 언더캐리지 영역에 공간 절약적으로 배치될 수 있다. 각각의 전기 기계의 하우징이 포탈 액슬의 하우징에 의해 형성된 경우 특히 유리할 것으로 여겨진다. 그에 따라, 각각의 전기 기계의 고정자는 일체형 하우징에 억지 끼워맞춤 및 회전 불가능한 방식으로 연결되며, 특히 결합 전에 일체형 하우징을 가열하고 각각의 전기 기계의 고정자를 냉각함으로써 수축 포장(shrink-wrapped)된다.
전기 기계들에 대해, 전기 기계의 회전자의 위치 또는 회전자의 회전 속도를 검출하기 위해 각각의 경우 회전각 센서 또는 회전 속도 센서가 바람직하게 구비된다. 이를 위해, 연관된 센서에 의해 위치가 검출되는 센서 메이팅 장치가 특히 전기 기계의 각각의 샤프트에 구비된다.
또한, 각각의 휠의 구동 트레인에서 토크를 검출하기 위해 토크 센서가 구비되는 경우 유리하다고 여겨진다. 그 결과로, 각각의 휠에 의해 도입될 원하는 토크에 따라 각각의 전기 구동부를 개별적으로 작동시키는 것이 가능하다.
또한, 본 발명은 프론트 액슬과 리어 액슬에 본 발명에 따른 전술한 구동 장치가 장착될 수 있고 독립 현가 장치를 가질 수 있는 프론트 액슬과 리어 액슬을 갖는 차량, 특히 자동차를 제안한다. 차량은 특히, 프론트 액슬에 본 발명에 따른 구동 장치가 장착되고 리어 액슬이 내연기관에 의해 구동되는 차량이다.
차량은 특히 에너지 저장 수단을 구비하고, 전기 기계들은 모터 모드 및 발전기 모드에서 작동한다.
그러므로, 본 발명에 따른 구동 장치는 특히 하이브리드 구동에 의해 구동될 수 있는 차량에 사용된다. 하이브리드 시스템은 추가적인 전기 구동 기계 및 에너지 저장 수단을 추가함으로써, 특히 스포츠 카에서 차량 출력을 증가시키고 소모를 줄이는 역할을 한다. 휠에 대해 특정되어 있는 양의 토크 또는 음의 토크가 2개의 전기 기계에 의해 차량의 프론트 액슬에서 구동 샤프트들에 인가될 수 있다. 차량은 전기 기계들을 작동시킴으로써 가속(모터 모드)되거나 감속(발전기 모드)된다. 에너지 저장 수단은 이러한 과정에서 방전되거나 충전된다. 전기 기계들의 토크 사이에 기계적 커플링이 없다는 점이 중요하다.
포탈 액슬의 기능은, 전기 기계에 의해 공급된 토크를 적절한 감속 수단에 의해 차량의 프론트 휠에 전달하는 것이다. 이를 위해, 유성 기어단 및 스퍼 기어단을 포함하는 2단 기어 기구가 각각의 경우 전기 기계의 출력 샤프트에 플랜지 연결된다. 기어 기구의 출력 샤프트는 카던 샤프트에 의해 휠에 직접 연결된다. 이 경우, 분리 가능한 클러치가 비상용으로 구비될 수 있다. 따라서, 환형 기어와 하우징 사이의 감속 기어 기구 내에 다판 클러치가 형성될 수 있다. 상기 클러치는 비작동 시에 폐쇄되고 유압 개방될 수 있다. 상기 클러치는 먼저 전기 기계들이 예를 들어 단락 시에 휠로부터 기계적으로 분리될 수 있도록 하는 안전 기능을 수행하고, 다음으로 부품 보호 수단으로서 작동한다. 높은 토크가 구동측에 인가되어 기어 기구 또는 구동 샤프트가 손상될 수 있는 경우, 과도한 토크를 줄이기 위해 클러치 슬립이 일어난다. 슬립 토크는 클러치에 소정의 사전 인장을 제공하는 접촉압력 스프링의 스프링 파라미터에 의해 설정된다. 기어 기구의 변속비는 포탈 액슬에 의해 전달될 수 있는 최대 토크의 상당한 증가를 가능하게 한다. 그에 따라, 각각의 휠에서 발생한 토크는, 예를 들어 6배 내지 8배로 용이하게 배가될 수 있다.
본 발명에 따른 차량에서, 전기 기계들을 포함하는 포탈 액슬은 특히 프론트 액슬에 대해 길이방향으로 배치된다. 포탈 액슬의 양 측의 감속 수단은 먼저 회전 속도를 매칭시키는 역할을 하고, 다음으로 높이를 Z 방향으로 조정하는 역할을 하여, 카던 샤프트와의 기계적 연결을 보장한다. 낮은 무게 중심을 달성하기 위해, 포탈 액슬은 차량의 언더캐리지에 가능한 한 가깝게 설치되어야 한다. 포탈 액슬은 바람직하게 차량의 조향 기어 기구 또는 조향 시스템 바로 뒤에 위치한다. 이 경우, 포탈 액슬은 "회전 가능"하기 때문에 보편적으로 사용될 수 있고, 그에 따라 수직 방향의 액슬 간격은 장착부 또는 고정 수단의 위치를 결정함으로써 다양한 차량 높이를 가진 다양한 차량에 맞게 매칭될 수 있다.
본 발명의 다른 특징들은 종속 청구항, 후술하는 도면의 설명, 및 도면 자체에 의해 이해될 것이다.
바람직한 예시적인 실시형태가 후술하는 설명에 보다 상세히 기술되고 첨부 도면에 도시된다.
도 1은 본 발명에 따른 구동 장치의 3차원 도면을 도시한다.
도 2는 포탈 액슬과 연관된 휠들을 포함하는 도 1에 도시된 구동 장치의 개략적인 설계도를 도시한다.
본 발명에 따른 구동 장치가 장착된 차량은 특히 레이싱에서 사용되기 위한 자동차로서, 리어 액슬과 연관된 개별 현가 휠들이 내연기관에 의해 구동되고, 프론트 액슬과 연관되며 마찬가지로 개별 현가된 휠들이 전기 모터에 의해 구동되어, 예를 들어 프론트 휠들에 의해 추가 구동 토크를 인가할 수 있는 자동차이다. 후술하는 설명은 이러한 측면에서 본 발명에 따라 형성된 구동 장치 및 프론트 액슬 영역에서의 차량 설계에 관한 것이다. 구동 장치(1)는 관 형태의 중앙 하우징(3)을 가진 포탈 액슬(2)을 구비한다. 상기 하우징은 2개의 전기 기계(4)를 수용하는 역할을 한다. 각각의 전기 기계(4)의 고정자(5)는 하우징(3) 내에 회전 불가능한 방식으로 장착되고, 이러한 하우징(3)은 전기 기계(4)의 하우징 기능을 한다. 각각의 전기 기계(4)의 고정자(5)는 전기 기계의 회전자(6)를 수용한다.
구동 장치(1)는 전기 기계들(4) 사이에 배치된 평면에 대해 대칭으로, 그리고 회전자(6)의 회전축에 대해 수직으로 설계된다. 각각의 회전자(6)의 회전각을 검출하는 역할을 하는 회전각 센서(7)가 이러한 대칭 평면에 배치된다. 또한 회전자들(6)의 회전 속도가 바람직하게 회전 속도 센서 형태의 센서에 의해 측정될 수 있으므로, 원하는 구동 상태에 따라 2개의 전기 기계(4)를 구동할 수 있다.
차량은 에너지 저장 수단을 구비하고, 그에 따라 전기 기계들(4)은 모터 모드 또는 발전기 모드에서 작동할 수 있다.
유성 기어 기구(8)가 하우징(3)의 각각의 단부에 플랜지 연결된다. 스퍼 기어단(9) 형태의 다른 감속 기어 기구가 토크 흐름에 대해 상기 유성 기어 기구(8)의 하류에 배치된다. 상기 스퍼 기어단은 유성 기어 기구(8)에 플랜지 연결된다.
이제까지 설명된 포탈 액슬(2)은 프론트 액슬 영역에서 전방 단부에 위치한다. 낮은 무게 중심을 얻기 위해, 포탈 액슬(2)은 차량의 언더캐리지에 가능한 한 가깝게 위치한다. 아울러, 포탈 액슬(2)은 차량의 조향 기어 기구에 가능한 한 가깝게 위치한다.
포탈 액슬(2)은 하우징에 의해 두 점에서 차량의 섀시 크로스 멤버에 고정된다. 또한, 2개의 홀더가 스퍼 기어단(9) 위의 기어 기구 상에 구비되어 차량의 몸체에 고정된다.
각각의 전기 기계(4)의 출력 샤프트는 연관된 유성 기어 기구(8)의 선 기어에 회전 불가능한 방식으로 연결된다. 유성 기어 기구(8)의 환형 기어는 정지 상태이다. 유성 기어들을 수용하는 유성 캐리어가 스퍼 기어단(9)의 피니언에 회전 불가능한 방식으로 연결되고, 상기 스퍼 기어단은 스퍼 기어단(9)의 더 큰 기어와 맞물린다.
양 단부 영역에 조인트(11)를 구비한 카던 샤프트(10)가 각각의 스퍼 기어단(9)의 출력에 회전 불가능한 방식으로 연결된다. 카던 샤프트 중 연관된 스퍼 기어단(9)의 반대 방향에 위치한 단부 영역에서, 카던 샤프트(10)는 차량의 연관된 프론트 휠(12)의 허브에 회전 불가능한 방식으로 연결되며, 이는 도 2에만 도시되어 있다. 이 도면은 각각의 프론트 휠(12)을 위한 스프렁(sprung) 베어링(13)을 추가로 도시한다. 이는 매우 간략화된 방식으로 휠(12)의 독립 현가 장치를 도시하기 위함이다.
도 2는, 구동 장치가 카던 샤프트들(10)을 구비하여 형성된 경우, 전기 기계들(4)과 하우징(3)이 휠들(12)의 회전축보다 더 낮은 높이에 배치된 상태에서 상기 구동 장치가 전기적으로 구동된다는 것을 분명하게 보여준다.
도 2에서, 화살표는 각각의 전기 기계(4)가 모터 모드인지 또는 발전기 모드인지와 무관하게 각각의 전기 기계(4) 및 상기 전기 기계와 연관된 카던 샤프트(10)의 영역에서의 토크를 나타내는 토크 화살표이다.

Claims (15)

  1. 2개의 전기 기계(4)를 수용하는 중공의 포탈 액슬(2)[각각의 경우 하나의 휠(12)이 포탈 액슬(2)의 양 단부 영역에 회전 가능하게 장착되고, 각각의 휠(12)이 상기 휠과 연관된 전기 기계(4)에 의해 구동될 수 있다]과, 각각의 전기 기계(4) 및 상기 전기 기계와 연관된 휠(12) 사이에 배치되는 감속 기어 기구(8, 9)를 갖는 차량용 구동 장치(1)에 있어서,
    각각의 감속 기어 기구(8, 9)는 상기 감속 기어 기구(8, 9)와 연관된 휠(12)에 카던 샤프트(10)에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 구동 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    감속 기어 기구(8, 9)는 스퍼 기어단(9)을 갖는 것을 특징으로 하는 구동 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    각각의 카던 샤프트(10)의 양 단부 영역은 스퍼 기어단(9)의 출력 샤프트 및 휠 허브에 억지 끼워맞춤 방식으로 연결되는 것을 특징으로 하는 구동 장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    감속 기어 기구(8, 9)는 유성 기어 기구(8)를 갖고, 유성 기어 기구(8)는 각각의 전기 기계(4) 및 상기 전기 기계와 연관된 스퍼 기어단(9) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 구동 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    스퍼 기어단(9) 및/또는 유성 기어 기구(8)는 포탈 액슬(2)의 구성 부품인 것을 특징으로 하는 구동 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    포탈 액슬(2)은 2개의 전기 기계(4)를 수용하기 위한 일체형 하우징(3)을 갖는 것을 특징으로 하는 구동 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    각각의 전기 기계(4)의 하우징은 포탈 액슬(2)의 하우징(3)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 구동 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    회전각 센서(7) 또는 회전 속도 센서가 각각의 전기 기계(4)의 회전자(6)의 회전각 또는 회전 속도를 검출하기 위해 구비되는 것을 특징으로 하는 구동 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    센서(7)는 전기 기계들(4) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 구동 장치.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    센서(7)는 포탈 액슬(2)의 하우징(3) 내에 장착되는 것을 특징으로 하는 구동 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    토크 센서가 각각의 휠(12)의 구동 트레인의 토크를 검출하기 위해 구비되는 것을 특징으로 하는 구동 장치.
  12. 프론트 액슬 및/또는 리어 액슬에 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 특징에 따른 구동 장치(1)가 장착되는 프론트 액슬과 리어 액슬, 그리고 독립 현가 장치를 갖는, 특히 자동차인 차량.
  13. 제12항에 있어서,
    프론트 액슬에는 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 특징에 따른 구동 장치가 장착되고, 리어 액슬은 내연기관에 의해 구동되는 차량.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    차량은 에너지 저장 수단을 갖고, 전기 기계들(4)은 모터 모드 및 발전기 모드에서 작동하는 차량.
  15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    포탈 액슬(2)은 차량의 언더캐리지 영역에서 차량의 조향 기어 기구의 바로 하류에 배치되는 차량.
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