KR20190049061A - 차량용 변속장치 - Google Patents

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KR20190049061A
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    • B60K6/42—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 the architecture of the hybrid electric vehicle
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    • B60K6/20—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
    • B60K6/50—Architecture of the driveline characterised by arrangement or kind of transmission units
    • B60K6/54—Transmission for changing ratio
    • B60K6/547—Transmission for changing ratio the transmission being a stepped gearing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H3/00—Toothed gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio or for reversing rotary motion
    • F16H3/006—Toothed gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio or for reversing rotary motion power being selectively transmitted by either one of the parallel flow paths
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H3/00—Toothed gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio or for reversing rotary motion
    • F16H3/02—Toothed gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio or for reversing rotary motion without gears having orbital motion
    • F16H3/08—Toothed gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio or for reversing rotary motion without gears having orbital motion exclusively or essentially with continuously meshing gears, that can be disengaged from their shafts
    • F16H3/087—Toothed gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio or for reversing rotary motion without gears having orbital motion exclusively or essentially with continuously meshing gears, that can be disengaged from their shafts characterised by the disposition of the gears
    • F16H3/089—Toothed gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio or for reversing rotary motion without gears having orbital motion exclusively or essentially with continuously meshing gears, that can be disengaged from their shafts characterised by the disposition of the gears all of the meshing gears being supported by a pair of parallel shafts, one being the input shaft and the other the output shaft, there being no countershaft involved
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16H3/48—Gearings having only two central gears, connected by orbital gears with single orbital gears or pairs of rigidly-connected orbital gears
    • F16H3/52—Gearings having only two central gears, connected by orbital gears with single orbital gears or pairs of rigidly-connected orbital gears comprising orbital spur gears
    • F16H3/54—Gearings having only two central gears, connected by orbital gears with single orbital gears or pairs of rigidly-connected orbital gears comprising orbital spur gears one of the central gears being internally toothed and the other externally toothed
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16H3/44—Toothed gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio or for reversing rotary motion using gears having orbital motion
    • F16H3/72—Toothed gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio or for reversing rotary motion using gears having orbital motion with a secondary drive, e.g. regulating motor, in order to vary speed continuously
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

차량용 변속장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 변속장치는 싱크로나이저 없이 전진 5속의 고정 변속단을 구현하고, 보조 동력원에 의한 패러럴 모드와 전기자동차 모드 및 전자적 무단 변속 모드 주행이 가능하도록 하여 연비 및 가속 성능을 향상시키도록, 제1 클러치를 통해 엔진 출력축에 선택적으로 연결되는 제1 입력축; 중공축으로 이루어져 상기 제1 입력축의 외주 측에 회전 간섭 없이 중첩 배치되며, 제2 클러치를 통해 엔진 출력축에 선택적으로 연결되는 제2 입력축; 중공축으로 이루어져 상기 제2 입력축의 외주 측에 회전 간섭 없이 중첩 배치되며, 제3 클러치를 통해 엔진 출력축에 선택적으로 연결되는 제3 입력축; 상기 제1, 제2, 제3 입력축과 일정 간격을 두고 평행하게 배치되는 출력축; 중공축으로 이루어져 상기 출력축의 외주 측에 회전 간섭 없이 중첩 배치되어 클러치를 통해 상기 출력축과 선택적으로 연결되는 동력 전달축; 상기 제1 입력축을 구동시키는 모터/제너레이터; 상기 출력축 상에 배치되어 3개의 회전요소 중, 하나의 회전요소가 상기 동력 전달축과 고정 연결되고, 다른 하나의 회전요소가 상기 출력축과 고정 연결되는 유성기어세트; 및 상기 제1, 제2, 제3 입력축과, 상기 동력 전달축 및 상기 유성기어세트의 나머지 하나의 회전요소 사이에 각 구동기어와 각 피동기어가 상호 외접 기어 연결되어 배치되는 3개의 변속 기어열을 포함한다.

Description

차량용 변속장치{POWER TRANSMISSION APPARATUS FOR VEHICLE}
본 발명은 차량용 변속장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 싱크로나이저 없이 전진 5속의 고정 변속단을 구현하고, 보조 동력원에 의한 패러럴 모드와 전기자동차 모드 및 전자적 무단 변속 모드 주행이 가능하게 하는 차량용 변속장치에 관한 것이다.
차량에 있어서의 친환경 기술은 미래 자동차 산업의 생존이 달린 핵심 기술로서, 자동차 메이커들은 환경 및 연비 규제를 달성하기 위한 친환경 자동차 개발에 총력을 기울이고 있다.
상기 미래형 자동차 기술은 전기 에너지를 이용하는 전기 자동차(EV : Electric Vehicle), 하이브리드 전기 자동차(HEV : Hybrid Electric Vehicle), 효율과 편의성을 향상시킨 듀얼 클러치 변속기(DCT : Dual Clutch Transmission)를 예로 들 수 있다.
상기와 같은 미래형 자동차는 중량 및 원가 등 여러 가지 기술적인 제약이 있기 때문에 자동차 메이커에서는 배기가스 규제를 만족시키고, 연비 성능의 향상을 위한 현실적인 문제의 대안으로서 하이브리드 전기자동차에 주목하고 있으며, 이를 실용화하기 위해 치열한 경쟁을 벌이고 있다.
하이브리드 전기자동차는 2개 이상의 동력원(Power Source)을 사용하는 자동차로서, 여러 가지 방식으로 조합될 수 있으며, 동력원으로는 기존의 화석 연료를 사용하는 가솔린 엔진 또는 디젤 엔진과 전기 에너지에 의하여 구동되는 모터/제너레이터가 혼합되어 사용된다.
이러한 하이브리드 전기자동차는 저속에서 상대적으로 저속토크 특성이 좋은 모터/제너레이터를 주 동력원으로 사용하고, 고속에서는 상대적으로 고속토크 특성이 좋은 엔진을 주 동력원으로 사용한다.
이에 따라, 하이브리드 전기자동차는 저속구간에서 화석 연료를 사용하는 엔진의 작동이 정지되고, 모터/제너레이터를 사용하기 때문에 연비 개선과 배기가스의 저감에 우수한 효과가 있다.
또한, 상기와 같은 하이브리드 전기자동차에 적용될 수 있는 변속기로서는 듀얼 클러치 변속기(Dual Clutch Transmission)를 하나의 예로 들 수 있으며, 상기 DCT는 수동 변속기 구조에 2개의 클러치를 적용하여 효율을 높이고, 편의성을 향상시킬 수 있다.
즉, 상기 DCT는 클러치 2개를 적용하여 홀수단 및 짝수단을 번갈아 작동시키면서 변속이 이루어지는 변속기로서, 상기와 같이 홀수단 및 짝수단의 변속을 번갈아 작동시키는 매커니즘은 기존 MT(수동변속기) 및 AMT(자동화 수동 변속기)가 가지고 있는 변속 시, 토크 단절감을 개선할 수 있다.
그러나 상기 DCT는 발진 시, 클러치 슬립에 의한 클러치 소손 및 에너지 손실이 크고, 등판 발진 시, 클러치 슬립에 의한 후방 밀림이 과도하게 발생하여 안전상의 문제가 있으며, 클러치 열용량의 문제로 변속시간을 짧게 제어해야 하므로 자동 변속기에 비하여 변속 충격이 크다는 문제점을 내포하고 있다.
또한, 상기 DCT는 하이브리드 전기자동차에 적용하기 위하여 전기 동력원인 모터/제너레이터를 효과적으로 배치하여야 하는 과제가 있다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예는 싱크로나이저 없이 전진 5속의 고정 변속단을 구현하고, 보조 동력원에 의한 패러럴 모드와 전기자동차 모드 및 전자적 무단 변속 모드 주행이 가능하도록 하여 연비 및 가속 성능을 향상시키는 차량용 변속장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시 예에서는 제1 클러치를 통해 엔진 출력축에 선택적으로 연결되는 제1 입력축; 중공축으로 이루어져 상기 제1 입력축의 외주 측에 회전 간섭 없이 중첩 배치되며, 제2 클러치를 통해 엔진 출력축에 선택적으로 연결되는 제2 입력축; 중공축으로 이루어져 상기 제2 입력축의 외주 측에 회전 간섭 없이 중첩 배치되며, 제3 클러치를 통해 엔진 출력축에 선택적으로 연결되는 제3 입력축; 상기 제1, 제2, 제3 입력축과 일정 간격을 두고 평행하게 배치되는 출력축; 중공축으로 이루어져 상기 출력축의 외주 측에 회전 간섭 없이 중첩 배치되어 클러치를 통해 상기 출력축과 선택적으로 연결되는 동력 전달축; 상기 제1 입력축을 구동시키는 모터/제너레이터; 상기 출력축 상에 배치되어 3개의 회전요소 중, 하나의 회전요소가 상기 동력 전달축과 고정 연결되고, 다른 하나의 회전요소가 상기 출력축과 고정 연결되는 유성기어세트; 및 상기 제1, 제2, 제3 입력축과, 상기 동력 전달축 및 상기 유성기어세트의 나머지 하나의 회전요소 사이에 각 구동기어와 각 피동기어가 상호 외접 기어 연결되어 배치되는 3개의 변속 기어열을 포함하는 차량용 변속장치가 제공될 수 있다.
여기서, 상기 모터/제너레이터는 로터가 상기 제1 입력축과 고정 연결될 수있다.
또한, 상기 유성기어세트는 싱글 피니언 유성기어세트로 이루어지며, 선기어가 상기 동력 전달축과 고정 연결되고, 유성캐리어가 상기 3개의 변속 기어열 중, 하나의 변속 기어열의 피동기어와 고정 연결되고, 링기어가 동력전달부재를 통해 출력축과 고정 연결될 수 있다.
또한, 상기 3개의 변속 기어열은 상기 제1 입력축에 고정되는 제1 구동기어와, 상기 동력 전달축에 고정되어 상기 제1 구동기어와 외접 기어 연결되는 제1 피동기어로 이루어지는 제1 변속 기어열; 상기 제2 입력축에 고정되는 제2 구동기어와, 상기 동력 전달축에 고정되어 상기 제2 구동기어와 외접 기어 연결되는 제2 피동기어로 이루어지는 제2 변속 기어열; 및 상기 제3 입력축에 고정되는 제3 구동기어와, 상기 유성기어세트의 유성캐리어와 고정되어 상기 제3 구동기어와 외접 기어 연결되는 제3 피동기어로 이루어지는 제3 변속 기어열을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1 변속 기어열은 전진 1속을 위한 기어비로 이루어지고, 상기 제2 변속 기어열은 전진 2속을 위한 기어비로 이루어지고, 상기 제3 변속 기어열은 전진 3속을 위한 기어비로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 모터/제너레이터는 별도의 모터축을 구비하고, 상기 모터축 상에 고정된 모터축 기어가 상기 제1 입력축 상의 제1 구동기어와 외접 기어 연결될 수 있다.
또한, 상기 모터/제너레이터는 변도의 모터축을 구비하고, 상기 모터축 상에 고정된 모터축 기어가 상기 제1 입력축 상에 고정된 동력전달기어와 외접 기어 연결될 수 있다.
또한, 상기 제3 입력축은 브레이크를 통해 변속기 하우징에 선택적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의한 차량용 변속장치는 싱크로나이저 없이 3개의 변속 기어열과 유성기어세트에 의하여 전진 5속의 고정 변속단을 구현할 수 있도록 함으로써, 부품 감소로 내부 구성을 간단히 하고, 전장을 최소화할 수 있으며, 중량을 최소화하여 연비를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 실시 예에 의한 차량용 변속장치는 싱크로나이저 없이 3개의 변속 기어열과 유성기어세트, 그리고 모터/제너레이터를 적용하여 전진 5속의 고정 변속단에서 상기 모터/제너레이터에 의한 토크 어시스트 구동이 가능하므로 패러럴 하이브리드 모드로 주행할 수 있으며, 전기자동차 모드에서의 전,후진 주행이 가능하고, 전자적 무단 변속 모드 주행이 가능하여 연비를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 의한 차량용 변속장치는 유성기어세트의 3개의 회전요소 중, 하나의 회전요소가 고정요소로 작동되도록 함으로써, 전진 5속과 후진 2속의 엔진 모드와 패러럴 모드 운행이 가능하도록 하여 후진 성능을 향상시킬 수 있고, 전기자동차 모드에서의 전,후진 2속 주행이 가능하고, 전자적 무단 변속 모드 주행이 가능하여 연비를 향상시킬 수 있다.
그 외에 본 발명의 실시 예로 인해 얻을 수 있거나 예측되는 효과에 대해서는 본 발명의 실시 예에 대한 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시하도록 한다. 즉 본 발명의 실시 예에 따라 예측되는 다양한 효과에 대해서는 후술될 상세한 설명 내에서 개시될 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 차량용 변속장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 차량용 변속장치의 변속 작동표이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 모터/제너레이터의 배치도이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 모터/제너레이터의 배치도이다.
도 5는 본 발명의 제4 실시 예에 따른 차량용 변속장치의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 차량용 변속장치의 변속 작동표이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 적용하여 설명한다.
또한, 하기의 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성의 명칭이 동일하여 이를 구분하기 위한 것으로, 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 변속장치의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 변속장치는 3개의 클러치(CL1)(CL2)(CL3)를 통해 동력을 전달받는 제1, 제2, 제3 입력축(IS1)(IS2)(IS3), 동기용으로 적용되는 제4 클러치(CL4), 3개의 변속 기어열(G1)(G2)(G3), 유성기어세트(PG), 모터/제너레이터(MG), 동력 전달축(TFS), 출력축(OS)등을 포함하여 이루어진다.
이에 따라, 동력원인 엔진(ENG)의 회전동력을 전진 5속 고정 변속을 구현하고, 토크 어시스트에 의한 패러럴 모드와, 전기 자동차 주행 모드 및 전자적 무단 변속 모드 주행이 가능하도록 구성된다.
상기 동력원인 엔진(ENG)은 기존의 화석 연료를 사용하는 가솔린 엔진 또는 디젤 엔진 등의 공지된 각종 엔진이 이용될 수 있다.
상기의 각 구성은 상호 일정 간격을 두고 평행하게 배치되는 제1, 제2 축선(L1)(L2)상에 배치된다.
상기 제1 축선(L1)상에는 제1, 제2, 제3 입력축(IS1)(IS2)(IS3)과, 모터/제너레이터(MG)가 배치되고, 상기 제2 축선(L2) 상에는 출력축(OS)과, 동력 전달축(TFS), 그리고 유성기어세트(PG)가 배치된다.
또한, 상기 제1, 제2, 제3 입력축(IS1)(IS2)(IS3)과, 동력 전달축(TFS) 및 유성기어세트(PG) 사이에는 3개의 변속 기어열(G1)(G2)(G3)이 구성된다.
상기 제1 축선(L1)상에 배치되는 제1 입력축(IS1)은 엔진(ENG)의 엔진 출력축(EOS; 크랭크 축)과 제1 클러치(CL1)를 통하여 선택적으로 연결된다.
상기 제2 입력축(IS2)은 중공축으로 이루어져 상기 제1 입력축(IS1)의 외주 측에 회전 간섭 없이 배치되어 엔진(ENG)의 엔진 출력축(EOS)과 제2 클러치(CL2)를 통하여 선택적으로 연결된다.
상기 제3 입력축(IS3)은 중공축으로 이루어져 상기 제2 입력축(IS2)의 외주 측에 회전 간섭 없이 배치되어 엔진(ENG)의 엔진 출력축(EOS)과 제3 클러치(CL3)를 통하여 선택적으로 연결된다.
이때, 제2 입력축(IS2)이 제3 입력축(IS3)으로부터 엔진 반대측으로 일정 길이만큼 노출되고, 제1 입력축(IS1)이 제2 입력축(IS2)로부터 엔진 반대측으로 일정 길이만큼 노출될 수 있도록 구성된다.
또한, 상기 제1 축선(L1)상에 배치되는 모터/제너레이터(MG)는 전기보조구동유닛(Electric Supplementary Drive Unit)으로서, 공지와 같이 회전동력을 발생시키는 모터 및 반력을 발생시키는 제너레이터의 기능을 수행하며, 변속기 하우징(H)에 고정되는 스테이터(ST)와, 상기 스테이터(ST)의 반경방향 내측에서 회전 가능하게 지지되는 로터(RT)를 포함하여 이루어지며, 상기 로터(RT)는 상기 제1 입력축(IS1)에 고정 연결된다.
상기 제2 축선(L2)상에 배치되는 출력축(OS)은 전달되는 회전동력을 출력기어(OG)를 통해 디프렌셜(DIFF)의 종감속 기어(FSDG)로 전달한다.
상기 제2 축선(L2)상에 배치되는 동력 전달축(TFS)은 중공축으로 이루어져 상기 출력축(OS)의 외주 측에 회전 간섭 없이 배치되고, 상기 동력 전달축(TFS)은 동기용으로 적용되는 제4 클러치(CL4)에 의하여 상기 출력축(OS)과 선택적으로 연결된다.
상기 제2 축선(L2)상에 배치되는 유성기어세트(PG)는 싱글 피니언 유성기어세트로 이루어지며, 선기어(S)와, 상기 선기어(S)와 외접으로 치합되는 복수의 피니언 기어(P)를 자전 및 공전이 가능하게 회전 지지하는 유성캐리어(PC)와, 상기 복수의 피니언 기어(P)와 내접으로 치합되어 상기 선기어(S)와 동력 연결되는 링기어(R)를 포함한다.
또한, 상기 선기어(S)는 상기 동력 전달축(TFS)와 고정 연결되고, 상기 링기어(R)는 동력전달부재(TFM)를 통해 상기 출력축(OS)과 고정 연결된다.
그리고 상기 제1 변속 기어열(G1)은 상기 제1 입력축(IS1) 상에 일체로 고정 연결되는 제1 구동기어(D1)와, 상기 동력 전달축(TFS) 상에 일체로 고정 연결되어 상기 제1 구동기어(D1)와 외접 기어 연결되는 제1 피동기어(P1)로 이루어진다.
이때, 상기 제4 클러치(CL4)는 동력 전달축(TFS)와 출력축(OS) 사이에 배치되는 것으로 설명하고 있으나, 제1 피동기어(P1)가 동력 전달축(TFS)과 일체형으로 구성되므로, 상기 제1 피동기어(P1)와 출력축(OS) 사이에 배치할 수도 있다.
상기 제2 변속 기어열(G2)은 상기 제2 입력축(IS2) 상에 일체로 고정 연결되는 제2 구동기어(D2)와, 상기 동력 전달축(TFS) 상에 일체로 고정 연결되어 상기 제2 구동기어(D2)와 외접 기어 연결되는 제2 피동기어(P2)로 이루어진다.
상기 제3 변속 기어열(G3)은 상기 제3 입력축(IS3) 상에 일체로 고정 연결되는 제3 구동기어(D3)와, 상기 유성기어세트(PG)의 유성 캐리어(PC)와 일체로 고정 연결되어 상기 제3 구동기어(D3)와 외접 기어 연결되는 제3 피동기어(P3)로 이루어진다.
상기 3개의 변속 기어열(G1)(G2)(G3)을 형성하는 각각의 구동기어 및 피동기어에 대한 기어비는 해당 변속기의 설계 조건에 따라 달라질 수 있으며, 본 발명의 실시 예에서는 상기 제1 변속 기어열(G1)은 제1속, 상기 제2 변속 기어열(G2)은 제2속, 상기 제3 변속 기어열(G3)은 제3속 변속을 위한 기어비로 설정된다.
상기에서 결합요소인 상기 제1, 제2, 제3 클러치(CL1)(CL2)(CL3)와 동기용으로 적용되는 제4 클러치(CL4)는 유압제어장치로부터 공급되는 유압에 의하여 작동되는 유압마찰결합유닛으로서, 주로 습식 다판형 유압마찰결합유닛이 사용되지만, 도그 클러치, 전자식 클러치, 자분식 클러치 등과 같이 전자제어장치로부터 공급되는 전기적인 신호에 따라 작동될 수 있는 결합유닛으로 이루어질 수 있다.
도 1에서 미설명 부호 "DA"는 엔진(ENG)의 토크 변동을 흡수하는 토셔널 댐퍼를 지칭한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 변속장치의 변속 작동표로서, 변속과정을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 제1 실시 예에서는 엔진 모드에서 전진 1속부터 전진 5속까지 고정 변속단을 구현할 수 있다.
[전진 1속]
전진 1속(D1)에서는 도 2에서와 같이, 제1 클러치(CL1)와 제4 클러치(CL4)를 작동 제어한다.
그러면, 엔진(ENG)의 회전동력은 제1 클러치(CL1)의 작동에 의하여 제1 클러치(CL1), 제1 입력축(IS1), 제1 구동기어(D1), 제1 피동기어(P1), 동력 전달축(TFS), 제4 클러치(CL4), 출력축(OS), 출력기어(OG)의 순서로 전달되고, 상기 출력기어(OG)를 통해 디프렌셜(DIFF)의 종감속 기어(FSDG)로 전달되면서 전진 1속 주행이 이루어진다.
이때, 유성기어세트(PG)는 선기어(S)가 동력 전달축(TFS)과 연결되고, 링기어(R)가 동력전달부재(TFM)를 통해 출력축(OS)과 연결되어 양쪽으로 동일 회전수의 동력이 입력됨으로써, 유성기어세트(PG) 전체가 하나로 회전할 뿐 변속에는 아무런 영향을 미치지 않는다.
[전진 2속]
전진 2속(D2)에서는 도 2에서와 같이, 제2 클러치(CL2)와 제4 클러치(CL4)를 작동 제어한다.
그러면, 엔진(ENG)의 회전동력은 제2 클러치(CL2)의 작동에 의하여 제2 클러치(CL2), 제2 입력축(IS2), 제2 구동기어(D2), 제2 피동기어(P2), 동력 전달축(TFS), 제4 클러치(CL4), 출력축(OS), 출력기어(OG)의 순서로 전달되고, 상기 출력기어(OG)를 통해 디프렌셜(DIFF)의 종감속 기어(FSDG)로 전달되면서 전진 2속 주행이 이루어진다.
이때, 유성기어세트(PG)는 선기어(S)가 동력 전달축(TFS)와 연결되고, 링기어(R)가 동력전달부재(TFM)를 통해 출력축(OS)과 연결되어 양쪽으로 동일 회전수의 동력이 입력됨으로써, 유성기어세트(PG) 전체가 하나로 회전할 뿐 변속에는 아무런 영향을 미치지 않는다.
[전진 3속]
전진 3속(D3)에서는 도 2에서와 같이, 제3 클러치(CL3)와 제4 클러치(CL4)를 작동 제어한다.
그러면, 엔진(ENG)의 회전동력은 제3 클러치(CL3)의 작동에 의하여 제3 클러치(CL3), 제3 입력축(IS3), 제3 구동기어(D3), 제3 피동기어(P3)의 순서로 유성기어세트(PG)의 유성 캐리어(PC)에 전달된다.
이때, 유성기어세트(PG)는 선기어(S)가 동력 전달축(TFS)과 연결되고, 링기어(R)가 동력전달부재(TFM)를 통해 출력축(OS)과 연결된 상태에서, 제4 클러치(CL4)가 작동됨으로써, 하나로 회전하면서 유성 캐리어(PC)의 회전동력을 출력축(OS)을 통해 출력기어(OG)에 그대로 전달하고, 상기 출력기어(OG)를 통해 디프렌셜(DIFF)의 종감속 기어(FSDG)로 전달되면서 전진 3속 주행이 이루어진다.
[전진 4속]
전진 4속(D4)에서는 도 2에서와 같이, 제2 클러치(CL2)와 제3 클러치(CL3)를 작동 제어한다.
이에 따라, 엔진(ENG)의 회전동력은 제2 클러치(CL2)와 제3 클러치(CL3)의 작동에 의하여 제2, 제3 입력축(IS2)(IS3)로 전달된다.
이때, 제2 입력축(IS2)으로 전달된 회전동력은 제2 구동기어(D2), 제2 피동기어(P2), 동력 전달축(TFS)의 순서로 유성기어세트(PG)의 선기어(S)에 전달되고, 제3 입력축(IS3)으로 전달된 회전동력은 제3 구동기어(D3)와 제3 피동기어(P3)를 통해 유성기어세트(PG)의 유성 캐리어(PC)에 전달된다.
그러면 유성기어세트(PG)에서는 다른 회전수의 회전동력이 선기어(S)와 유성캐리어(PC)로 입력되기 때문에 회전수 차이에 의해 증속되어 링기어(R)를 통해 출력되며, 상기 링기어(R)를 통해 출력되는 회전동력은 동력전달부재(TFM), 출력축(OS), 출력기어(OG)의 순서로 전달되고, 상기 출력기어(OG)를 통해 디프렌셜(DIFF)의 종감속 기어(FSDG)로 전달되면서 전진 4속 주행이 이루어진다.
[전진 5속]
전진 5속(D5)에서는 도 2에서와 같이, 제1 클러치(CL1)와 제3 클러치(CL3)를 작동 제어한다.
이에 따라, 엔진(ENG)의 회전동력은 제1 클러치(CL1)와 제3 클러치(CL3)의 작동에 의하여 제1, 제3 입력축(IS1)(IS3)로 전달된다.
이때, 제1 입력축(IS1)으로 전달된 회전동력은 제1 구동기어(D1), 제1 피동기어(P1), 동력 전달축(TFS)의 순서로 유성기어세트(PG)의 선기어(S)에 전달되고, 제3 입력축(IS3)으로 전달된 회전동력은 제3 구동기어(D3)와 제3 피동기어(P3)를 통해 유성기어세트(PG)의 유성 캐리어(PC)에 전달된다.
그러면 유성기어세트(PG)에서는 다른 회전수의 회전동력이 선기어(S)와 유성캐리어(PC)로 입력되는데, 이때 선기어(S)로 입력되는 회전동력의 회전수가 상기 전진 4속의 회전수 보다 작게 입력되기 때문에 상기 제4속 보다 더 증속되어 링기어(R)를 통해 출력되며, 상기 링기어(R)를 통해 출력되는 회전동력은 동력전달부재(TFM), 출력축(OS), 출력기어(OG)의 순서로 전달되고, 상기 출력기어(OG)를 통해 디프렌셜(DIFF)의 종감속 기어(FSDG)로 전달되면서 전진 5속 주행이 이루어진다.
상기와 같은 전진 5속의 고정 변속단에서는 도 2에서와 같이, 상기 모터/제너레이터(MG)에 의한 토크 어시스트 구동이 가능하므로 패러럴 하이브리드 모드로 주행할 수 있다
또한, 전기 자동차 모드(EV)에서는 도 2에서와 같이, 동력원이 엔진(ENG)에서 모터/제너레이터(MG)로 변경되고, 제4 클러치(CL4)를 작동시킨 상태에서 상기 모터/제너레이터(MG)의 정/역회전에 의하여 전진(EV1)과 후진(REV)의 전기 자동차 모드 운행이 가능할 수 있다.
또한, 전자적 무단 변속(e-CVT) 모드 주행에서는 도 2에서와 같이, 제3 클러치(CL3)를 작동시킨 상태에서, 상기 모터/제너레이터(MG)의 회전수 제어에 따라 엔진(ENG)의 회전속도를 제어할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 모터/제너레이터의 배치도이다.
도 3을 참조하면, 상기 제1 실시 예에서는 모터/제너레이터(MG)의 로터(RT)를 제1 입력축(IS1)과 고정 연결하고 있으나, 제2 실시 예에서는 모터/제너레이터(MG)의 로터(RT)와 고정 연결되는 별도의 모터축(MS)을 구성하고, 상기 모터축(MS) 상에 고정 연결된 모터축 기어(MSG)를 상기 제1 입력축(IS1) 상의 제1 구동기어(D1)와 외접 기어 연결하였다.
상기 제2 실시 예의 경우에는 모터축(MS)과 모터축 기어(MSG)의 추가 배치로 인하여 모터/제너레이터(MG)의 회전 방향만 바뀔 뿐, 전진 5속의 변속 과정은 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
도 4는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 모터/제너레이터의 배치도이다.
도 4를 참조하면, 상기 제1 실시 예에서는 모터/제너레이터(MG)의 로터(RT)를 제1 입력축(IS1)과 고정 연결하고 있으나, 제3 실시 예에서는 모터/제너레이터(MG)의 로터(RT)와 고정 연결되는 별도의 모터축(MS)을 구성하고, 상기 모터축(MS) 상에 고정 연결된 모터축 기어(MSG)를 상기 제1 입력축(IS1) 상에 별도로 고정 연결된 동력전달기어(TFG)와 외접 기어 연결하였다.
상기 제3 실시 예의 경우에는 모터축(MS)과 모터축 기어(MSG) 및 동력전달기어(TFG)의 추가 배치로 인하여 모터/제너레이터(MG)의 회전 방향만 바뀔 뿐, 전진 5속의 변속 과정은 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
도 5는 본 발명의 제4 실시 예에 따른 차량용 변속장치의 구성도이다.
도 5를 참조하면, 제4 실시 예에서는 상기 제1 실시 예 상의 제3 입력축(IS3)이 브레이크(BK)를 통해 변속기 하우징(H)과 선택적으로 연결되는 차이점이 있다.
즉, 상기 제4 실시 예의 경우에는 제1 실시 예에서 브레이크(BK)를 추가 적용하였을 뿐, 다른 구성은 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
도 6은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 차량용 변속장치의 변속 작동표이다.
도 6을 참조하면, 제4 실시 예에 따른 변속장치는 엔진 및 패러럴 모드에서의 전진 5속 고정 변속단은 제1 실시 예와 동일하고, 후진 1속, 2속(REV1)(REV2)을 추가 구현할 수 있다.
또한, 전기자동차 모드(EV)에서 전진 2속(EV2)과 후진 2속(EV-REV2)을 추가 구현할 수 있다.
따라서 고정 변속단의 후진 1속, 2속(REV1)(REV2)과, 전기자동차 모드(EV)의 전,후진 2속(EV2)(EV-REV2)의 변속 과정만 설명하고, 제1 실시 예와 동일한 변속 과정의 설명은 생략한다,
[후진 1속]
후진 1속(REV1)에서는 도 6에서와 같이, 제1 클러치(CL1)와 브레이크(BK)를 작동 제어한다.
그러면, 엔진(ENG)의 회전동력이 제1 클러치(CL1)의 작동에 의하여 제1 클러치(CL1), 제1 입력축(IS1), 제1 구동기어(D1), 제1 피동기어(P1), 동력 전달축(TFS)의 순서로 유성기어세트(PG)의 선기어(S)에 입력되고 있는 상태에서, 유성캐리어(PC)가 브레이크(BK)의 작동에 의하여 고정요소로 작동된다.
이에 따라, 링기어(R)는 역회전하게 되며, 이의 역회전 출력은 동력전달부재(TFM), 출력축(OS), 출력기어(OG)의 순서로 전달되고, 상기 출력기어(OG)를 통해 디프렌셜(DIFF)의 종감속 기어(FSDG)로 전달되면서 후진 1속 주행이 이루어진다.
[후진 2속]
후진 2속(REV2)에서는 도 6에서와 같이, 제2 클러치(CL2)와 브레이크(BK)를 작동 제어한다.
그러면, 엔진(ENG)의 회전동력이 제2 클러치(CL2)의 작동에 의하여 제2 클러치(CL2), 제2 입력축(IS2), 제2 구동기어(D2), 제2 피동기어(P2), 동력 전달축(TFS)의 순서로 유성기어세트(PG)의 선기어(S)에 입력되고 있는 상태에서, 유성캐리어(PC)가 브레이크(BK)의 작동에 의하여 고정요소로 작동된다.
이에 따라, 선기어(S)로 입력되는 회전동력의 회전수는 상기 후진 1속(REV1) 보다 더 빠른 회전수로 입력되기 때문에 링기어(R)는 더 빠른 회전수로 역회전하게 되며, 이의 역회전 출력은 동력전달부재(TFM), 출력축(OS), 출력기어(OG)의 순서로 전달되고, 상기 출력기어(OG)를 통해 디프렌셜(DIFF)의 종감속 기어(FSDG)로 전달되면서 후진 2속 주행이 이루어진다.
그리고 전기자동차 모드(EV)에서의 전진 2속(EV2)과 후진 2속(EV-REV2)에서는, 도 6에서와 같이 브레이크(BK)가 작동 제어된다.
그러면, 모터/제너레이터(MG)의 정,역회전의 회전동력이 제1 입력축(IS1), 제1 구동기어(D1), 제1 피동기어(P1), 동력 전달축(TFS)의 순서로 유성기어세트(PG)의 선기어(S)에 입력되고 있는 상태에서, 유성캐리어(PC)가 브레이크(BK)의 작동에 의하여 고정요소로 작동되면서 전기자동차 모드(EV)에서의 전진 2속(EV2)과 후진 2속(EV-REV2)을 구현할 수 있다.
또한, 또한, 전자적 무단 변속(e-CVT) 모드 주행에서는 도 6에서와 같이, 제3 클러치(CL3)의 작동시킨 상태에서, 상기 모터/제너레이터(MG)의 회전수 제어에 따라 엔진(ENG)의 회전속도를 제어할 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명의 실시 예에 의한 변속장치는 싱크로나이저 없이 3개의 변속 기어열과 유성기어세트에 의하여, 전진 5속의 고정 변속단을 구현할 수 있도록 함으로써, 부품 감소로 내부 구성을 간단히 하고, 전장을 최소화할 수 있으며, 중량을 최소화하여 연비를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 실시 예에 의한 변속장치는 싱크로나이저 없이 3개의 변속 기어열과 유성기어세트, 그리고 모터/제너레이터를 적용하여 전진 5속의 고정 변속단에서 상기 모터/제너레이터에 의한 토크 어시스트 구동이 가능하므로 패러럴 하이브리드 모드로 주행할 수 있으며, 전기자동차 모드에서의 전,후진 주행이 가능하고, 전자적 무단 변속 모드 주행이 가능하여 연비를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 의한 변속장치는 유성기어세트의 3개의 회전요소 중, 하나의 회전요소가 고정요소로 작동되도록 함으로써, 전진 5속과 후진 2속의 엔진 모드와 패러럴 모드 운행이 가능하도록 하여 후진 성능을 향상시킬 수 있고, 전기자동차 모드에서의 전,후진 2속 주행이 가능하고, 전자적 무단 변속 모드 주행이 가능하여 연비를 향상시킬 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
CL1,CL2,CL3,CL4 ... 제1, 제2, 제3, 제4 클러치
D1,D2,D3... 제1, 제2, 제3 구동기어
G1,G2,G3... 제1, 제2, 제3 변속 기어열
EOS... 엔진 출력축(크랭크 축)
IS1,IS2,IS3... 제1, 제2, 제3 입력축
MG... 모터/제너레이터
OG... 출력기어
OS... 출력축
P1,P2,P3... 제1, 제2, 제3 피동기어
PG... 유성기어세트
TFM... 동력전달부재
TFS... 동력 전달축

Claims (8)

  1. 제1 클러치를 통해 엔진 출력축에 선택적으로 연결되는 제1 입력축;
    중공축으로 이루어져 상기 제1 입력축의 외주 측에 회전 간섭 없이 중첩 배치되며, 제2 클러치를 통해 엔진 출력축에 선택적으로 연결되는 제2 입력축;
    중공축으로 이루어져 상기 제2 입력축의 외주 측에 회전 간섭 없이 중첩 배치되며, 제3 클러치를 통해 엔진 출력축에 선택적으로 연결되는 제3 입력축;
    상기 제1, 제2, 제3 입력축과 일정 간격을 두고 평행하게 배치되는 출력축;
    중공축으로 이루어져 상기 출력축의 외주 측에 회전 간섭 없이 중첩 배치되어 클러치를 통해 상기 출력축과 선택적으로 연결되는 동력 전달축;
    상기 제1 입력축을 구동시키는 모터/제너레이터;
    상기 출력축 상에 배치되어 3개의 회전요소 중, 하나의 회전요소가 상기 동력 전달축과 고정 연결되고, 다른 하나의 회전요소가 상기 출력축과 고정 연결되는 유성기어세트; 및
    상기 제1, 제2, 제3 입력축과, 상기 동력 전달축 및 상기 유성기어세트의 나머지 하나의 회전요소 사이에 각 구동기어와 각 피동기어가 상호 외접 기어 연결되어 배치되는 3개의 변속 기어열:
    을 포함하는 차량용 변속장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 모터/제너레이터는
    로터가 상기 제1 입력축과 고정 연결되는 차량용 변속장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유성기어세트는
    싱글 피니언 유성기어세트로 이루어지며, 선기어가 상기 동력 전달축과 고정 연결되고, 유성캐리어가 상기 3개의 변속 기어열 중, 하나의 변속 기어열의 피동기어와 고정 연결되고, 링기어가 동력전달부재를 통해 출력축과 고정 연결되는 차량용 변속장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 3개의 변속 기어열은
    상기 제1 입력축에 고정되는 제1 구동기어와, 상기 동력 전달축에 고정되어 상기 제1 구동기어와 외접 기어 연결되는 제1 피동기어로 이루어지는 제1 변속 기어열;
    상기 제2 입력축에 고정되는 제2 구동기어와, 상기 동력 전달축에 고정되어 상기 제2 구동기어와 외접 기어 연결되는 제2 피동기어로 이루어지는 제2 변속 기어열; 및
    상기 제3 입력축에 고정되는 제3 구동기어와, 상기 유성기어세트의 유성캐리어와 고정되어 상기 제3 구동기어와 외접 기어 연결되는 제3 피동기어로 이루어지는 제3 변속 기어열;
    을 포함하는 차량용 변속장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 변속 기어열은 전진 1속을 위한 기어비로 이루어지고,
    상기 제2 변속 기어열은 전진 2속을 위한 기어비로 이루어지고,
    상기 제3 변속 기어열은 전진 3속을 위한 기어비로 이루어지는 차량용 변속장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 모터/제너레이터는
    별도의 모터축을 구비하고, 상기 모터축 상에 고정된 모터축 기어가 상기 제1 입력축 상의 제1 구동기어와 외접 기어 연결되는 차량용 변속장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 모터/제너레이터는
    변도의 모터축을 구비하고, 상기 모터축 상에 고정된 모터축 기어가 상기 제1 입력축 상에 고정된 동력전달기어와 외접 기어 연결되는 차량용 변속장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제3 입력축은
    브레이크를 통해 변속기 하우징에 선택적으로 연결되는 차량용 변속장치.
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