KR20220161575A - 하이브리드 궤도차량용 전자기계식 변속기 - Google Patents

하이브리드 궤도차량용 전자기계식 변속기 Download PDF

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KR20220161575A
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Abstract

본 발명은 하이브리드 궤도차량용 전자기계식 변속기에 관한 것으로서, 특히 에너지발생장치나 에너지저장장치로부터 공급(전달)받은 전기에너지를 전기모터를 이용하여 기계에너지로 변환시켜 궤도에 추진력을 전달할 수 있도록 하는 하이브리드 궤도차량용 전자기계식 변속기에 관한 것이다. 구성은 하이브리드 궤도차량용 전자기계식 변속기로서, 공급되는 전기에너지를 기계에너지로 변환시켜 회전동력을 발생시키는 복수 개의 구동모터와; 상기 구동모터로부터 발생된 회전동력을 증대 또는 감속시키도록 복수 개의 기어와 복수 개의 클러치의 조합으로 구성되는 다단기어부와; 상기 다단기어부를 통하여 증대 또는 감속된 회전동력을 전달하는 주구동축과; 공급(전달)되는 전기에너지를 기계에너지로 변환시켜 조향동력을 발생시키는 조향모터와; 상기 조향모터로부터 발생된 회전동력(조향동력)을 전달하도록 구성되는 조향출력기어부, 조향중립축, 좌,우측 조향감속기어부와; 상기 주구동축으로부터 전달된 회전동력(구동력)과 조향중립축으로부터 전달된 회전동력(조향동력)이 합쳐진 동력을 출력하여 궤도차량이 구동 및 조향이 가능하도록 하는 출력기어부; 의 조합으로 이루어진다.

Description

하이브리드 궤도차량용 전자기계식 변속기{Electro Mechanical Transmission for Hybrid Tracked Vehicles}
본 발명은 하이브리드 궤도차량용 전자기계식 변속기에 관한 것으로서, 특히 에너지발생장치나 에너지저장장치로부터 공급(전달)받은 전기에너지를 전기모터를 이용하여 기계에너지로 변환시켜 궤도에 추진력을 전달할 수 있도록 하는 하이브리드 궤도차량용 전자기계식 변속기(EMT : Electro Mechanical Transmission)에 관한 것이다.
일반적으로 차량용 내연기관은 일정한 속도에서 토크가 최대가 되는 데 대하여 달리기 시작할 때에는 더 강한 토크와 낮은 회전을 필요로 하며, 속도가 빨라짐에 따라 토크보다도 회전속도가 필요하게 된다.
그러므로, 엔진의 회전을 일정하게 유지하기 위해 기어를 사용하여 출발할 때에는 회전속도를 줄임과 동시에 토크를 늘려 주고, 속도가 빨라짐에 따라 회전을 높이는 역할을 하는 변속기(transmission)가 사용된다.
이러한 변속기는 수동변속기와 자동변속기의 장점을 구현할 수 있도록 하는 기계구동방식 변속기와, 엔진에 비해 발생 동력이 작은 모터를 사용하게 되므로 큰 동력이 필요할 경우에 변속기를 사용하게 되는 전기 자동차 등에 사용되는 전자구동방식 변속기로 구분될 수 있다.
그러나, 종래의 궤도차량용 기계식구동방식 변속기는 전차(Tank)와 같은 궤도차량의 엔진에서 생성한 동력을 기어박스 또는 스플라인 축 등과 같은 부품을 통하여 기계에너지를 전달받아 궤도에 구동력을 전달하는 구조이므로, 반드시 엔진과 기계적으로 연결되어 있어야 하므로, 체계배치공간 설계의 유연성이 제한될 수 밖에 없는 문제점이 있었다.
또한, 궤도차량의 엔진에서 발생한 동력이 기계적으로 연결되다 보니 엔진의 저속회전속도에서는 고토크를 이용할 수 없어 순간적인 기동능력에서 불리하고, 궤도차량의 신속한 기동을 위해서는 반드시 엔진시동이 걸려있어야 하므로 무소음기동(Silent Move)이 원천적으로 불가하여 적에게 쉽게 노출될 수 있는 취약한 문제점을 가지고 있었다.
등록번호 제10-2108484호
이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 종래 기계식변속기가 가지고 있던 배치설계 및 기동성능 측면에서의 취약점을 개선한 전기에너지를 기계에너지로 변환시켜 궤도차량의 궤도에 추진력을 전달할 수 있도록 하는 하이브리드 궤도차량용 전자기계식 변속기를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 하이브리드 궤도차량용 전자기계식 변속기로서, 공급되는 전기에너지를 기계에너지로 변환시켜 회전동력을 발생시키는 복수 개의 구동모터와; 상기 구동모터로부터 발생된 회전동력을 증대 또는 감속시키도록 복수 개의 기어와 복수 개의 클러치의 조합으로 구성되는 다단기어부와; 상기 다단기어부를 통하여 증대 또는 감속된 회전동력을 전달하는 주구동축과; 공급(전달)되는 전기에너지를 기계에너지로 변환시켜 조향동력을 발생시키는 조향모터와; 상기 조향모터로부터 발생된 회전동력(조향동력)을 전달하도록 구성되는 조향출력기어부, 조향중립축, 좌,우측 조향감속기어부와; 상기 주구동축으로부터 전달된 회전동력(구동력)과 조향중립축으로부터 전달된 회전동력(조향동력)이 합쳐진 동력을 출력하여 궤도차량이 구동 및 조향이 가능하도록 하는 출력기어부; 의 조합으로 이루어진다.
본 발명은 하이브리드 궤도차량용 전자기계식 변속기에 있어서, 상기 복수 개의 구동모터는 1개의 축을 이용하여 각각의 회전동력을 상기 다단기어부에 전달하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 하이브리드 궤도차량용 전자기계식 변속기에 있어서, 상기 다단기어부(range)의 복수 개의 기어는 제1 기어와 제2 기어로 이루어지고, 복수 개의 클러치는 제1 클러치와, 제2 클러치와, 제3 클러치 및 제4 클러치의 조합으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 하이브리드 궤도차량용 전자기계식 변속기에 있어서, 상기 다단기어부는 구동모터의 출력부와 주구동축 사이에 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 하이브리드 궤도차량용 전자기계식 변속기에 있어서, 상기 조향중립축은 1개의 大 중공축과 2개의 小 중공축의 결합으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 하이브리드 궤도차량용 전자기계식 변속기에 있어서, 상기 출력기어부에는 브레이크가 장착되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 하이브리드 궤도차량용 전자기계식 변속기에 있어서, 상기 출력기어부는 유성 기어(Planetary Gear)로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 하이브리드 궤도차량용 전자기계식 변속기에 있어서, 상기 출력기어부와 조향중립축 사이에는 입출력 속도비를 조절할 수 있도록 좌,우측 출력기어부 선기어에 회전방향이 반대로 입력되게 하는 좌측 조향감속기어부와 우측 조향감속기어부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 하이브리드 궤도차량용 전자기계식 변속기에 있어서, 상기 제1 기어와 제2 기어는 서로 다른 2개의 선 기어를 1개의 유성 기어 장치에 조합한 라비뇨형 기어열(Ravigneaux-type Gear Train)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 하이브리드 궤도차량용 전자기계식 변속기에 있어서, 상기 제3 클러치와 제4 클러치는 다단기어부(Rangepack)에서의 브레이크 기능을 수행할 수 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 전자기계식 변속기를 구비하는 하이브리드 궤도차량을 더 제공할 수 있다.
이상에서와 같은 본 발명은 전기에너지를 기계에너지로 변환시켜 궤도차량의 기동이 가능토록 함으로써, 체계배치공간 설계의 유연성을 넓히는 효과가 있다.
또, 본 발명은 무소음 기동과 신속한 기동이 가능하므로 적으로부터 노출을 최소화하여 전투력 향상을 이루는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 하이브리드 궤도차량용 전자기계식 변속기의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 하이브리드 궤도차량용 전자기계식 변속기의 구성을 기어열로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 다단기어부의 개략적인 구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 다단기어부의 기어 개략도이다.
도 5는 본 발명에 따른 유성기어열로 구성된 출력기어부의 좌측 출력부를 통해 구동력과 조향력이 출력되는 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 전자기계식변속기 크로스 드라이브 방식에 대한 기본 개념도이다.
도 7은 본 발명에 따른 전자기계식변속기 크로스 드라이브 방식의 동력 재순환(Power Recirculation) 현상을 개략적으로 나타낸 개념도이다.
도 8은 본 발명에 따른 전자기계식변속기 크로스 드라이브 방식의 구동 및 조향을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 전자기계식변속기 크로스 드라이브 방식의 직진 구동을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 전자기계식변속기 크로스 드라이브 방식의 조향 구동(특히 제자리선회)을 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 보다 구체적으로 설명한다.
여기서, 하기의 모든 도면에서 동일한 기능을 갖는 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 반복적인 설명은 생략하며, 아울러 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이것은 고유의 통용되는 의미로 해석되어야 함을 명시한다.
도 1 내지 도 10에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 하이브리드 궤도차량용 전자기계식 변속기(100)는 구동모터(110)와 다단기어부(120)와, 주구동축(130)과, 출력기어부(140)와, 조향모터(150) 및 조향중립축(160)으로 대별되어 이루어진다.
상기 구동모터(Traction Motor)(110)는 하이브리드 궤도차량(미도시)의 에너지발생장치나 에너지저장장치(미도시)로부터 공급(전달)되는 전기에너지를 기계에너지로 변환시켜 회전동력을 발생시키는 역할을 한다.
그리고, 상기 구동모터(110)는 좌측 구동모터(111)와 우측 구동모터(112)로 형성될 수 있다.
즉, 상기 좌측 구동모터(111) 및 우측 구동모터(112)는 1개의 모터 출력축(113)을 이용하여 각각의 회전동력을 상기 다단기어부(120)에 전달하게 된다.
구체적으로, 상기 좌측 구동모터(111)와 우측 구동모터(112)에서 각각 발생되어 입력되는 회전동력을 1개의 모터 출력축(113)과 기어열을 통해 상기 다단기어부(120)에 전달한다.
이와 같이, 본 발명에 따른 구동모터(110)를 좌측 구동모터(111)와 우측 구동모터(112), 2개를 사용하는 이유는 고(高)중량인 궤도차량의 기동을 위해 필요한 구동력을 발생시킬 수 있고, 또 변속기의 콤팩트화로 공간배치 측면의 효율성을 고려하여 중(中)용량의 모터 2개로 형성하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 좌측 구동모터(111)와 우측 구동모터(112)의 배치는 출력축 없이 한쪽방향으로 배치가 가능하나, 배치측면에서의 효율성을 위해 1개의 모터 출력축(113)을 사용하여 상호 대칭으로 배치하는 것이 바람직하다.
또, 상기 좌측 구동모터(111)와 우측 구동모터(112)는 기본적으로 속도에 대한 동기화제어가 이루어지며, 만약 좌측 구동모터(111)와 우측 구동모터(112)에서 기준치 이상의 속도차가 발생하여 어느 한 개의 모터가 기능발휘가 제한이 되는 경우에는 나머지 한 개의 모터가 궤도차량이 최소한의 기동이 가능하도록 동력을 제공하게 된다.
즉, 상기 좌측 구동모터(111)와 우측 구동모터(112) 중, 어느 하나가 고장 나도 고장나지 않은 다른 하나를 통하여 기동이 가능하도록 하는 중복설계(Redundancy Design) 개념을 적용하였다.
또한, 본 발명에 따른 구동모터(110)는 좌측 구동모터(111)와 우측 구동모터(112) 2개로 형성되는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되지 않고 대(大)용량의 모터 1개로 형성할 수도 있다.
상기 다단기어부(120)는 상기 구동모터(110)로부터 발생된 회전동력을 증대 또는 감속시키는 역할을 하기 위해 복수 개의 기어(121)와 복수 개의 클러치(122)의 조합으로 구성되는 것이 바람직하다.
여기서, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 기어(121)는 제1 기어(121a)와 제2 기어(121b)로 이루어지고, 상기 클러치(122)는 제1 클러치(122a)와, 제2 클러치(122b)와, 제3 클러치(122c) 및 제4 클러치(122d)로 이루어진다.
즉, 상기 다단기어부(120)는 상기 구동모터(110)에서 발생된 동력을 궤도차량에서 필요한 최적의 구동력이 발생될 수 있도록 상기 기어(121)의 기어비를 조절(변속)하여 토크증대/속도감속 또는 토크감속/속도증대 등의 동력변환이 일어날 수 있도록 하는 것이다.
이와 같이 본 발명에 따른 기어(121)의 기어비 조절은 일반차량에서의 변속기의 변속기능이라고 간주할 수 있다.
또, 본 발명에 따른 다단기어부(120)는 표 1에 표시된 바와 같이 구동모터(110)의 토크/회전속도 특성을 고려하여, 궤도차량의 최고속도/등판능력 성능이 발휘될 수 있도록 기어비 영역대를 가지고자 4단의 기어비를 형성함과 동시에 컴팩트한 구조로 형성된다.
<다단기어박스의 단수와 클러치 작동>
구분 클러치 작동
C1 C2 C3 C4
1단 ○ ○
2단 ○ ○
3단 ○ ○
4단 ○ ○
즉, 상기 다단기어부(120)는 구동모터(110)의 토크/회전속도 특성을 고려하여, 궤도차량의 최고속도/등판능력 성능이 발휠될 수 있도록 다단기어비를 형성하는 것이 바람직하다.
이를 위해, 상기 제1 기어(121a)와 제2 기어(121b)는 서로 다른 2개의 선 기어를 1개의 유성 기어 장치에 조합한 라비뇨형 기어열(Ravigneaux-type Gear Train)로 이루어지는 것이 바람직하다.
여기서, 라비뇨형 기어열은 두 개의 유성기어장치로 이루어져 있는데, 캐리어와 링기어가 공통으로 사용되는 방식이다.
또, 상기 제1 클러치(122a)와, 제2 클러치(122b)와, 제3 클러치(122c) 및 제4 클러치(122d) 중, 제3 클러치(122c)와 제4 클러치(122d)는 다단기어부(Rangepack)(120)에서의 브레이크 기능을 수행할 수 있다.
즉, 상기 제3 클러치(122c)와 제4 클러치(122d)는 캐리어와 선기어 중 어느 한 기어요소가 회전하지 않도록 하는 기능을 수행할 수 있다.
이와 같은 구성의 상기 다단기어부(120)의 작동은, 예를들어 상기 제1 클러치(122a)와, 제3 클러치(122c)가 작동이 되면, 상기 제1 기어(121a)와 제2 기어(121b)의 조합에 의해 1단 기어비가 적용되는데 이는 토크는 증대되고, 속도는 감소되는 결과를 가져오게 된다.
즉, 궤도차량이 경사가 급한 언덕을 올라갈 때, 속도는 느리지만 충분한 토크(회전력 증대)를 제공하여 경사지 기동이 가능해주도록 구동력을 사용하게 한다.
반대로, 최고속도를 내고자 할 때는 토크보다는 회전속도가 중요하므로, 제2 클러치(122b)와, 제4 클러치(122d)가 작용하여 4단 기어비를 생성하여 토크는 감속시키고 속도는 증대시켜 차량이 최고속도로 기동을 가능하게 한다.
이는, 기어단수에 따라 속도/토크를 변화시켜, 차량의 요구성능을 충족시킬 수 있도록 속도/토크 영역대를 조절할 수 있다.
따라서, 상기 다단기어부(120)는 2개의 유성기어열인 제1 기어(121a)와 제2 기어(121b) 및 상기 제1 클러치(122a)와, 제2 클러치(122b)와, 제3 클러치(122c) 및 제4 클러치(122d)의 조합으로 이루어져 있으며, 상기 제1 클러치(122a)와, 제2 클러치(122b)와, 다단기어부(Rangepack)(120)에서의 브레이크 기능을 수행할 수 있는 제3 클러치(122c)와 제4 클러치(122d)의 작동조합에 의하여 4단의 변속범위를 구성하게 되어 최적의 회전력이 전달될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 상기 다단기어부(120)은 4단의 변속범위로 형성되는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되지 않고 궤도차량의 중량에 따라 1단, 1단~2단, 1단~3단의 변속범위를 가지는 기어박스로 형성할 수 있다.
상기 주구동축(130)은 상기 다단기어부(120)를 통하여 증대 또는 감속된 회전동력을 전달하는 역할을 한다.
즉, 상기 다단기어부(120)를 통하여 증대된 회전동력이 주구동축(130)에 입력되면 아래에서 설명할 좌,우측 출력기어부(141),(142)와 좌,우측 출력축(143),(144)으로 증대된 회전동력을 전달하고, 감속된 회전동력이 입력되면 좌,우측 출력기어부(141),(142)와 좌,우측 출력축(143),(144)으로 감속된 회전동력을 전달한다.
상기 출력기어부(140)는 상기 주구동축(130)으로부터 전달된 회전동력을 출력하도록 주구동축(130)의 좌측단부에 결합되는 좌측 출력기어부(141)와, 우측단부에 결합되는 우측 출력기어부(142)로 구성된다.
또, 상기 출력기어부(140)에는 브레이크(141a),(142a)가 장착되어 있다.
여기서, 상기 브레이크(141a),(142a)는 기동 중인 하이브리드 궤도차량의 감속 및 정지를 위해 사용된다.
또한, 상기 좌측 출력기어부(141)의 외측으로는 좌측 출력축(143)이 형성되고, 우측 출력기어부(142)의 외측으로는 우측 출력축(144)이 형성된다.
또, 상기 출력기어부(140)는 선기어, 링기어, 캐리어 3 요소로 이루어지는 유성기어열로 구성되며, 선기어, 링기어, 캐리어의 조합에 의해 증속/감속의 기능을 가지는 것이 바람직하다.
즉, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 출력기어부(140)는 주구동축(130)과 추후 설명할 조향중립축(150)을 통하여 전달되는 구동력과 조향력을 유성기어열을 통하여 힘을 조합하여 좌,우측 출력축(143),(144)으로 전달한다.
다시 말해, 상기 출력기어부(140)는 주구동축(130)으로부터 전달된 회전동력(구동력)과 조향중립축(150)으로부터 전달된 회전동력(조향동력)이 합쳐진 동력을 출력하여 궤도차량이 구동 및 조향이 가능하도록 한다.
여기서, 유성기어열로 형성되는 상기 출력기어부(140)는 선기어, 링기어, 캐리어의 3가지 요소로 구성되며, 3가지 구동요소의 조합에 의해 증속/감속의 기능을 가지게 된다.
즉, 선기어, 링기어, 캐리어, 3가지 요소사이의 기본적인 회전속도 관계식은 아래와 같다.
Figure pat00001
그리고, 본 발명에 따른 변속기(100)는 도 6에 도시된 바와 같이 출력기어부(140)가 주구동축(130)과 추후 설명할 조향중립축(160)을 통하여 전달되는 구동력과 조향력을 유성기어열을 통하여 힘을 조합하여 좌,우측 출력축(143),(144)으로 전달되는 크로스 드라이브(Cross Drive) 방식의 구조를 가지고 있으며, 스키드 조향(Skid Steering) 방식을 채택하고 있다.
즉, 궤도차량의 조향방식은 좌/우 출력부의 속도차이에 의해 궤도가 지면에서 미끄러지면서 조향이 이루어지는 스키드 조향방식이다.
그리고, 크로스 드라이브(Cross Drive) 방식에서는 도 8에 도시된 바와 같이 궤도차량이 구동/조향 시 조향력이 조향중립축(Neutral Shaft (or Zero Shaft, or Steering Link Shaft))에 의하여 조향되는 방향의 궤도 바깥쪽으로 전달되어 바깥쪽 출력축이 더 빨리 돌 수 있도록 한다.(동력재순환(Power Recirculation) 현상이 일어남.)
또, 크로스 드라이브(Cross Drive) 방식에서는 도 9에 도시된 바와 같이 조향중립축(160)이 정지 시에는 궤도차량은 구동력이 좌우측으로 50:50으로 배분되어 직진하게 된다.
이때, 조향모터(150)는 정지되어 조향중립축(160)은 회전되지 않고 토크 반력을 제공하게 된다.
또한, 크로스 드라이브(Cross Drive) 방식에서는 도 10에 도시된 바와 같이 주구동축(130)이 정시 시에는 궤도차량의 조향력이 좌우측으로 50:50으로 배분되지만 회전방향은 반대가 되어 제자리 선회하게 된다.
이때, 상기 구동모터(110)는 정지상태이며 주구동축(130)은 토크반력을 제공하게 된다.
만약, 크로스 드라이브(Cross Drive) 방식이 아닌 방법(좌/우 출력이 기계적으로 분리)의 경우에는 도 8에 도시된 바와 같이 동력재순환(Power Recirculation) 현상이 일어나지 않아, 회전을 위해서 좌/우측에 동일하게 더 큰 모터를 적용하여야 한다.
상기 조향모터(150)는 하이브리드 궤도차량(미도시)의 에너지발생장치나 에너지저장장치(미도시)로부터 공급(전달)되는 전기에너지를 기계에너지로 변환시켜 회전동력(조향동력)을 발생시키도록 축에는 조향출력기어부(151)가 형성된다.
즉, 상기 조향모터(150)는 에너지발생장치나 에너지저장장치(미도시)로부터 공급(전달)되는 전기에너지를 기계에너지로 변환시켜 상기 조향출력기어부(151)를 통해 조향중립축(160)에 조향동력을 전달하게 된다.
또한, 본 발명에 따른 조향모터(150)는 1개로 형성되는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되지 않고 조향력 증대를 위해 조향모터 2개로 형성할 수 도 있다.
상기 조향중립축(160)은 상기 조향모터(150)에 의해 발생된 조향회전동력을 받아 회전하는 역할을 한다.
또, 상기 조향중립축(160)은 중공축의 결합(1개의 大 중공축과 2개의 小 중공축)으로 이루어지는 것이 조향중립축(160) 지지를 위해 양끝단에 적용되는 베어링 크기 축소 가능 등 공간배치 측면에서 바람직하다.
즉, 본 발명에 따른 조향중립축(160)을 중공축을 사용하는 이유는 동일한 단면적의 경우 동일질량에 더 큰 동력 전달이 가능하므로, 중량감소 효율 극대화를 위해 중공축을 사용하는 것이 바람직하다.
또, 상기 주구동축(130)과 조향중립축(160)에는 조향장치에서 입출력 속도비를 조절할 수 있도록 좌측 출력기어부(141)와 우측 출력기어부(142) 각각의 선기어에 회전방향이 반대로 입력되게 하는 좌측 조향감속기어부(171)와 우측 조향감속기어부(172)가 형성된다.
여러 센서들로부터 발생된 전기적 신호가 TCU(미도시)에 전달되면, TCU는 조향모터(150)를 구동하게 되며, 조향모터(150)의 축에 연결된 조향출력기어부(151)와 좌,우측 조향감속기어부(171),(172)를 통해 입출력 속도비를 조절할 수 있도록 좌,우측 출력기어부(141),(142)의 선기어에 반대방향의 회전이 입력되면 주구동축(130)을 통하여 링기어로 입력된 회전과 유성기어 구성요소 조합에 의해 속도차가 발생된 회전력이 각각 좌,우측 출력축(143),(144)으로 전달할 수 있게 된다
이와 같이 상기 조향출력기어부(151)와, 조향중립축(160)과, 좌,우측 조향감속기어부(171),(172)는 조향모터(150)로부터 발생된 회전동력(조향동력)을 출력기어부(140))에 전달하게 된다.
한편, 본 발명은 상기 전자기계식 변속기(100)를 구비하는 하이브리드 궤도차량(미도시)을 더 제공할 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 작용 상태를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 본 발명에 따른 하이브리드 궤도차량용 전자기계식 변속기(100)를 구비한 하이브리드 궤도차량(미도시)을 운행하기 위해서는 하이브리드 궤도차량의 에너지발생장치 또는 에너지저장장치(미도시)로부터 전기에너지를 좌측 구동모터(111) 및 우측 구동모터(112)에 전달한다.
이에 따라, 상기 좌측 구동모터(111)와 우측 구동모터(112)는 전기에너지를 기계에너지로 변환시켜 회전동력을 발생시킨다.
다음, 상기 구동모터(110)에 의해 발생된 회전동력은 다단기어부(120)를 통하여 회전동력의 증대 또는 감속이 이루어진다.
예컨대, 궤도차량이 경사가 급한 언덕을 올라갈 때, 속도는 느리지만 충분한 토크(회전력 증대)를 제공하여 경사지 기동이 가능해주도록 구동력을 사용하게 한다.
반대로, 최고속도를 내고자 할 때는 토크보다는 회전속도가 중요하므로, 제2 클러치(122b)와, 제4 클러치(122d)가 작용하여 최고단(4단)의 기어비를 생성하여 토크는 감소시키고 속도는 증대시켜 차량이 최고속도로 기동을 가능하게 한다.
다음, 상기 다단기어부(120)를 통하여 전달된 회전동력은 주구동축(130)을 통하여 변속기(100)의 좌측 출력기어부(141)와 우측 출력기어부(142)로 전달된다.
상기 좌측 출력기어부(141)와 우측 출력기어부(142)로 전달된 회전동력은 좌,우측 조향감속기어부(171),(172)를 통하여 입력된 조향회전력과 가감이 되어 좌,우측 출력축(143),(144)을 통하여 변속기(100)의 회전력이 궤도차량의 궤도에 전달되어 기동을 할 수 있게 된다.
그리고, 상기 좌,우측 출력기어부(141),(142)에 형성된 브레이크(141a),(142a)에 의해 기동 중인 궤도차량을 감속 및 정지시킬 수 있다.
또한, 궤도차량은 감속 시 궤도회전 반대방향으로의 회전부하 생성(모터를 발전기로 사용하여 전력생성)을 할 수 있는 회생제동(Regenerative Braking) 기능을 구동모터를 통하여 형성할 수 있어, 동력을 효율적으로 사용할 수 있다.
또, 궤도차량이 조향을 하기 위해서는 전기에너지가 상기 조향모터(150)에 전달되면 조향회전력을 발생시키고, 조향출력기어부(151)를 통하여 조향중립축(160)에 전달되어 조향중립축(160)을 회전시킨다.
그리고, 상기 조향중립축(160)이 회전을 하게 되면 좌,우측 조향감속기어부(171),(172)를 통하여 회전방향이 반대인 회전동력을 좌,우측 출력기어부(141),(142)로 전달한다.
계속해서, 좌,우측 출력기어부(141),(142)로 전달된 회전동력은 주구동축(130)을 통하여 좌,우측 출력기어부(141),(142)에 입력된 회전동력과 조합을 이루게 되어 좌우가 상이한 회전동력이 좌,우측 출력축(143),(144)으로 각각 전달되게 된다.
이와 같이, 좌,우측 회전속도 차이에 의하여 궤도차량은 조향을 할 수 있게 된다.
즉, 상기 궤도차량이 조향 시에는 기계적으로 연결된 조향중립축(160)과 주구동축(130)을 통하여 속도가 느린 안쪽 궤도에서 속도가 빠른 바깥 궤도로 동력재순환(Power Recirculation) 현상이 발생하여 조향이 이루어지게 된다.
따라서 본 발명은 이와 같은 동작을 통해 엔진과 기계적으로 연결없이 전기에너지를 이용하여 궤도차량을 기동시킬 수 있으므로, 체계배치공간 설계의 유연성을 폭넓게 이룰 수 있다.
또, 본 발명은 무소음 기동과 신속한 기동이 가능하므로 적으로부터 노출을 최소화하여 전투력 향상을 이룰 수 있는 것이다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 치환, 변형 및 균등한 타 실시예로의 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.
100 : 전자기계식 변속기 110 : 구동모터
111 : 좌측 구동모터 112 : 우측 구동모터
113 : 모터출력축 120 : 다단기어부(Rangepack)
121 : 기어 121a : 제1 기어
121b : 제2 기어 122 : 클러치
122a : 제1 클러치 122b : 제2 클러치
122c : 제3 클러치 122d : 제4 클러치
130 : 주구동축 140 : 출력기어부
141 : 좌측 출력기어부 142 : 우측 출력기어부
141a : 좌측 브레이크 142a : 우측 브레이크
143 : 좌측 출력축 144 : 우측 출력축
150 : 조향모터 151 : 조향출력기어부
160 : 조향중립축(Neutral Shaft) 171 : 좌측 조향감속기어부
172 : 우측 조향감속기어부(Idler)

Claims (11)

  1. 하이브리드 궤도차량용 전자기계식 변속기로서,
    공급되는 전기에너지를 기계에너지로 변환시켜 회전동력을 발생시키는 복수 개의 구동모터와;
    상기 구동모터로부터 발생된 회전동력을 증대 또는 감속시키도록 복수 개의 기어와 복수 개의 클러치의 조합으로 구성되는 다단기어부와;
    상기 다단기어부를 통하여 증대 또는 감속된 회전동력을 전달하는 주구동축과;
    공급(전달)되는 전기에너지를 기계에너지로 변환시켜 조향동력을 발생시키는 조향모터와;
    상기 조향모터로부터 발생된 회전동력(조향동력)을 전달하도록 구성되는 조향출력기어부, 조향중립축, 좌,우측 조향감속기어부와;
    상기 주구동축으로부터 전달된 회전동력(구동력)과 조향중립축으로부터 전달된 회전동력(조향동력)이 합쳐진 동력을 출력하여 궤도차량이 구동 및 조향이 가능하도록 하는 출력기어부; 의 조합으로 이루어지는 하이브리드 궤도차량용 전자기계식 변속기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 구동모터는 1개의 축을 이용하여 각각의 회전동력을 상기 다단기어부에 전달하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 궤도차량용 전자기계식 변속기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다단기어부(Rangepack)의 복수 개의 기어는 제1 기어와 제2 기어로 이루어지고, 복수 개의 클러치는 제1 클러치와, 제2 클러치와, 제3 클러치 및 제4 클러치의 조합으로 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 궤도차량용 전자기계식 변속기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 다단기어부는 구동모터의 출력부와 주구동축 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 궤도차량용 전자기계식 변속기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 조향중립축은 1개의 大 중공축과 2개의 小 중공축의 결합으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 궤도차량용 전자기계식 변속기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 출력기어부에는 브레이크가 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 하이브리드 궤도차량용 전자기계식 변속기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 출력기어부는 유성 기어(Planetary Gear)로 형성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 궤도차량용 전자기계식 변속기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 출력기어부와 조향중립축 사이에는 입출력 속도비를 조절할 수 있도록 좌,우측 출력기어부의 선기어에 회전방향이 반대로 입력되게 하는 좌측 조향감속기어부와 우측 조향감속기어부가 형성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 궤도차량용 전자기계식 변속기.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 제1 기어와 제2 기어는 서로 다른 2개의 선 기어를 1개의 유성 기어 장치에 조합한 라비뇨형 기어열(Ravigneaux-type Gear Train)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 궤도차량용 전자기계식 변속기.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 제3 클러치와 제4 클러치는 다단기어부(Rangepack)에서의 브레이크 기능을 수행할 수 있는 것을 특징으로 하는 하이브리드 궤도차량용 전자기계식 변속기.
  11. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 전자기계식 변속기를 구비하는 하이브리드 궤도차량.
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