KR100231550B1 - 전기자동차용 변속장치 - Google Patents

전기자동차용 변속장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 종래의 전기자동차용 수동변속장치에서는 클러치가 필요하여 장치가 복잡하고 또한 변속시 쉬프트레버를 조작하면 속도동기가 될 때까지는 어느정도 저항을 받으므로 쉬프트레버 조작시 많은 힘이 든다는 문제점이 있어서 이를 해결할 목적으로, 구동원인 모터와, 상기 모터에 커플링(영구축이음)으로 직결된 변속기와, 상기 변속기의 쉬프트포크에 연결되는 쉬프트로드와, 상기 쉬프트로드의 타단에 연결되는 쉬프트레버와, 상기 쉬프트레버의 위치를 감지하여 전기적신호로 변환하여 출력하는 쉬프트레버센서와, 상기 모터의 속도를 검출하여 전기적 신호로 변환하여 출력하는 모터스피드센서와, 자동차의 휠의 속도를 검출하여 전기적 신호로 변환하여 출력하는 휠스피드센서와, 상기 변속기의 쉬프트포크의 위치를 검출하여 전기적 신호로 변환하여 출력하는 쉬프트포크센서와, 상기 모터의 속도를 제어하는 인버터와, 상기 쉬프트레버센서로부터 입력되는 신호를 이용하여 변속여부를 감지하고 상기 모터스피드센서로부터의 입력값, 상기 휠스피드센서로부터의 입력값 및 상기 쉬프트포크센서로부터의 입력값을 이용하여 부축의 속도와 부축기어의 속도가 같아지게 상기 모터를 제어하는 신호를 상기 인버터로 출력하는 시스템 컨트롤러를 포함하는 전기자동차용 변속장치를 제공한다.

Description

전기자동차용 변속장치
본 발명은 전기자동차의 변속장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 클러치없이도 변속 조작을 가능하게함으로써 변속의 편의성을 향상시키고 또한 적은 조작력으로도 용이하게 변속이 가능한 전기자동차용 변속장치에 관한 것이다.
일반적으로 자동차용 원동기로 사용하는 가솔린기관, 디젤기관 등의 내연기관은 화석연료를 실린더 안에서 연소시켜 이때 발생하는 열에너지를 동력으로 사용하고 있다.
따라서 그 배기가스에는 연소에 따른 질소산화믈(Nox)와, 불완전연소로 인한 일산화탄소(CO) 또는 탄화수소(HC) 등 유해한 성분이 함유되어 있다. 이러한 성분은 차량의 증가와 더불어 대기를 오염시키고 인체에 해롭기 때문에 공해문제를 야기하고 있다.
이에 따라 내연기관을 이용하는 자동차는 유해성분을 감소시키기위하여 여러가지 배기가스대책이 강구되고 있으나, 배기가스에 함유된 유해성분을 완전히 제거할 수는 없다. 따라서 배기가스대책의 일환으로 주목되는 것이 소음이 적고 배기가스를 전혀 내지않는 전기자동차이다.
일반적으로 전기자동차의 구조는 축전지, 제어기, 전동기, 구동장치 등으로 구성되어 있다.
전기자동차는 내연기관 대신에 모터를 구동원으로 사용하기 때문에 냉각장치, 점화장치 등의 부수적인 시스템의 작동방식과 사양이 바뀌어야 하며, 특히 변속기는 동력을 회전운동형태로 출력하고 또한 속도제어가 용이하다는 모터의 특성에 맞는 최적화된 설계가 요구된다.
그러나 현재 전기자동차용 변속기의 개발은 많이 이루어지지 않았으며, 통상 기존의 내연기관용 4단 이상의 수동변속기나 자동변속기를 그대로 사용하여 왔다.
즉 전기자동차용 변속장치에서 서로 물리는 기어의 원주속도를 강제적으로 일치시켜 이의 물림을 쉽게하는 싱크로메시형식(동기믈림식)의 수동변속기가 통상 사용된다.
종래 전기자동차에서 싱크로메시형식의 2단 수동변속장치를 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
구동원인 모터(120)의 출력축인 모터축(20)의 일단에는 플라이휠(30)이 결합되며, 상기 플라이휠(30)에는 클러치(40)가 결합된다. 그리고 상기 클러치(40)의 축, 즉 주축(50)에는 1단주축기어(GP1)와 2단주축기어(GP2)가 일체로 결합된다.
그리고 상기 1단주축기어(GP1) 및 2단주축기어(GP2)에는 1단부축기어(GS1)와 2단부축기어(GS2)가 각각 물리게되며, 상기 1단부축기어(GS1) 및 2단부축기어(GS2)는 부축(60)에 공전가능하게 결합된다.
또한 상기 부축(60)의 1단부축기어(GS1)와 2단부축기어(GS2)의 사이에는 동기물림을 위한 싱크로메시기구(70)가 축방향으로 이동가능하게 장착되며, 상기 부축(60)의 일단은 미도시된 차동장치에 연결되고 차동장치는 휠에 연결되어 동력을 차량에 전달하게 된다.
한편 상기 싱크로메시기구(70)에는 쉬프크포크(72)가 설치되며, 상기 쉬프트포크(72)는 쉬프프로드(80)를 통하여 쉬프트레버(90)에 연결된다.
상기 싱크로메시기구(70)를 상세히 설명하면, 싱크로메시기구(70)는 부축(60)과 일체로 회전하며 또한 축방향으로 이동가능하도록 설치된다.
그리고 부축(60)에는 싱크로나이저 허브(74)가 끼워져 고정되며, 상기 싱크로나이저 허브(74)의 바깥둘레의 스플라인에는 싱크로나이저 슬리브(76)가 끼워지며, 상기 싱크로나이저 슬리브(76)의 바깥둘레에는 쉬프트포크(72)가 설치되며, 상기 쉬프트포크(72)는 변속레버(90)의 조작력에 의하여 축방향으로 미끄럼이동하여 기어클러치 역할을 한다.
한편 상기 주축기어(GP1, GP2)는 상기 주축(50)의 회전에 따라서 함께 회전하도록 일체로 결합되어 있으며, 상기 부축기어(GS1, GS2)는 중립시에는 부축(60)에서 공전하도록 결합되며, 상기 부축기어(GS1, GS2)의 측면에는 상기 싱크로나이저 허브(74)의 내측과 마찰력으로 밀착되는 싱크로나이저 콘(64) 및 물림부(62)가 형성되어 있다.
종래의 전기자동차용 수동변속장치의 작동을 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
변속을 하기위하여 운전자가 클러치 페달(미도시)을 밟으면 주축(50)과 모터축(20)간의 동력이 차단된다.
이때 쉬프트레버(90)를 예를 들어 2단으로 움직이면 이 조작력이 쉬프프로드(80)를 통하여 쉬프트포크(72)에 전달되고, 상기 쉬프프포크(72)는 싱크로메시기구(70)를 2단부축기어(GS2)쪽으로 이동시킨다.
그러면 부축(60)과 2단부축기어(GS2)가 마찰력에 의하여 속도동기가 이루어져서 싱크로메시기구(70)와 2단부축기어(GS2)가 결합되어서 부축(60)으로 동력이 전달되게 된다.
상세히 설명하면, 쉬프트포크(72)가 2단쪽으로 움직이면 2단부축기어(GS2)의 싱크로나이저 콘(64)과 싱크로나이저 허브(74)의 내면 사이에 마찰이 일어나고 이때의 마찰력으로 2단부축기어(GS2)의 속도가 부축(60)의 속도와 같아지게 되면 2단부축기어(GS2)의 물림부(62)와 싱크로나이저 슬리브(76)가 완전히 물리게 되어 변속이 완료된다.
즉 2단변속시는 동력이 모터(120)에서 2단주축기어(GP2), 2단주축기어(GP2)에서 2단부축기어(GS2), 2단부축기어(G2S)에서 싱크로메시기구(70)를 통하여 부축(60)으로 전달되고, 부축(60)에서 미도시된 차동장치를 경유하여 휠로 전달되어서 차량이 주행하게 된다.
그리고 1단변속에서는 동력이 모터(120)에서 1단주축기어(GS1), 1단주축기어(GS1)에서 1단부축기어(GS1), 1단부축기어(GS1)에서 싱크로메시기구(70)를 통하여 부축(60)으로 전달되고, 부축(60)에서 미도시된 차동장치를 경유하여 휠로 전달되어 차량이 주행하게 된다.
그러나, 앞에서 설명한 종래의 전기자동차용 변속장치에서는 내연기관용 변속기를 그대로 사용하므로 변속시 속도 동기를 위하여 모터로부터 동력을 차단하는 클러치가 필요하여 장치가 복잡하다는 문제점과 수동변속이기 때문에 변속시 쉬프트레버를 조작하면 속도동기가 될 때까지는 어느정도 저항을 받으므로 쉬프트레버 조작시 많은 힘이 든다는 문제점이 있었다.
또한 내연기관의 출력 토오크특성 때문에 사용되는 플라이휠을 모터구동시에도 그대로 사용하여 모터의 특성을 효율적으로 이용하지 못한다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은 모터의 속도제어특성을 효과적으로 이용하여 클러치없이도 변속이 가능하며 부드럽게 쉬프트레버를 조작할 수 있는 전기자동차용 변속장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 소형화, 경량화가 가능하고 또한 제조원가를 절감할 수 있는 전기자동차용 변속장치를 제공하는 데 있다.
도 1은 종래의 전기자동차용 변속장치를 나타낸 개략도이고,
도 2는 본 발명에 따른 전기자동차용 변속장치를 나타낸 개략도이고,
도 3는 본 발명에 따른 전기자동차용 변속장치에서 쉬프프레버의 조작을 나타낸 작동상태도이고,
도 4는 본 발명에 따른 전기자동차용 변속장치의 제어블록도이고,
도 5는 본 발명에 따른 전기자동차용 변속장치에서 속도동기방법을 나타낸 변속선도이고,
도 6은 본 발명에 따른 전기자동차용 변속장치에서 변속에 따른 쉬프트포크의 변위, 모터 토오크 및 모터속도의 관계를 나타내는 그래프이다.
(도면의 주요 부분에 대한 부호 설명)
100 : 배터리 110 : 인버터
120 : 모터 122 : 모터스피드센서
130 : 변속기 132 : 쉬프트포크센서
140 : 휠 142 : 휠스피드센서
150 : 시스템 컨트롤러 C : 커플링
170 : 쉬프트레버센서 84 : 스프링
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성을 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 전기자동차용 변속장치는 구동원인 모터와, 상기 모터에 커플링(영구축이음)으로 직결된 변속기와, 상기 변속기의 쉬프트포크에 연결되는 쉬프트로드와, 상기 쉬프트로드의 타단에 연결되는 쉬프트레버와, 상기 쉬프트레버의 위치를 감지하여 전기적신호로 변환하여 출력하는 쉬프트레버센서와, 상기 모터의 속도를 검출하여 전기적 신호로 변환하여 출력하는 모터스피드센서와, 자동차의 휠의 속도를 검출하여 전기적 신호로 변환하여 출력하는 휠스피드센서와, 상기 변속기의 쉬프트포크의 위치를 검출하여 전기적 신호로 변환하여 출력하는 쉬프트포크센서와, 상기 모터의 속도를 제어하는 인버터와, 상기 쉬프트레버센서로부터 입력되는 신호를 이용하여 변속여부를 감지하고 상기 모터스피드센서로부터의 입력값, 상기 휠스피드센서로부터의 입력값 및 상기 쉬프트포크센서로부터의 입력값을 이용하여 부축의 속도와 부축기어의 속도가 같아지게 상기 모터를 제어하는 신호를 상기 인버터로 출력하는 시스템 컨트롤러로 이루어진다.
또한 상기 쉬프트로드의 일단에는 스프링이 삽입설치되며, 상기 스프링에는 링크부재가 연결되며, 상기 링크부재에는 쉬프트레버가 회동가능하게 결합된다.
따라서 상기의 본 발명에 의한 전기자동차용 변속장치에 의하면 모터의 속도를 제어함으로써 속도동기가 가능하므로 클러치없이도 변속이 가능하게 되며, 또한 스프링의 탄성력을 이용하여 쉬프트레버를 조작하므로 부드럽게 변속조작할 수 있게 된다.
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면를 참조하여 설명한다.
본 실시예에서 종래기술과 동일한 구성은 동일 명칭 및 동일 부호를 병기하며 그에 대한 설명은 생략한다.
도 2, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 전기자동차용 변속장치를 설명하면 다음과 같다.
모터(120)는 변속기(130)에 직결되며, 상기 변속기(130)는 차동장치(400)에 연결되며, 상기 차동장치(400)는 휠(140)에 연결된다.
즉 종래의 클러치 및 플라이휠을 제거하고 모터축(20)과 주축(50)을 커플링(영구축이음)(C)으로 직결하고, 변속시 속도동기는 모터(120)의 속도제어를 통하여 행하게 한다.
그리고 상기 모터(120)는 인버터(110)로 제어되며, 상기 인버터(110)는 시스템 컨트롤러(150)에 의하여 제어된다.
한편 상기 시스템 컨트롤러(150)의 입력측에는 모터스피드센서(122), 쉬프트포크센서(132), 흴스피드센서(142), 액셀센서(160) 및 쉬프트레버센서(170)가 연결된다.
도 3을 참조하여 본 발명에 따른 전기자동차용 변속장치의 쉬프트레버부를 상세히 설명하면 다음과 같다.
쉬프트로드(80)와 쉬프트레버(90)는 스프링(84) 및 링크부재(94)를 매개로 하려 연결되며, 차체에는 상기 쉬프트레버(90)의 변속레인지를 감지하는 쉬프트레버센서(170), 즉 1단을 감지하는 1단센서(SW1), 중립을 감지하는 중립센서(SW2) 및 2단을 감지하는 2단센서(SW3)가 설치된다.
더욱 상세히 설명하면, 상기 쉬프트로드(80)의 일단의 중공부(82)에는 스프링(84)이 삽입설치되며, 상기 스프링(84)에는 링크부재(94)의 일단이 연결되며, 상기 링크부재(94)의 타단에는 회동가능하게 쉬프트레버(90)가 연결된다.
그리고 상기 쉬프트레버(90)의 상단부 내측에는 변속위치를 확실히 유지하도록 위치결정용 스프링(96)이 삽입설치된다.
상기에서 설명한 본 발명에 따른 실시예의 작용을 도 2, 도 3 및 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
운전자가 변속을 하려면 클러치조작없이 쉬프트레버(90)를 해당 변속레인지로 조작한다.
예를 들어서 2단으로 변속하는 경우에 운전자가 쉬프트레버(90)를 2단쪽으로 움직이면 이때 2단부축기어(GS2)와 부축(60)이 아직 속도동기가 되지 않은상태이므로 쉬프트로드(80)는 어느 정도 저항을 받아서 쉽게 움직이지않는다.
그러나 쉬프트로드(80)의 일단에 장착된 스프링(84)의 저항은 비교적 적으므로 쉬프트레버(90)는 스프링(84)을 압축하면서 2단위치로 이동되며, 이에 따라 2단센서(SW3)를 온시키게 된다.
그러면 2단센서(SW3)의 입력을 받은 시스템 컨트롤러(150)는 모터(120)를 제어하여 2단부축기어(GS2)와 부축(60)을 속도동기시키게 된다.
즉 상기 모터스피드센서(122)로부터 입력되는 값을 이용하여 2단부축기어(GS2)의 속도를 계산하고 상기 휠스피드센서(142)로부터 입력되는 값을 이용하여 부축(60)의 속도를 계산하여 부축(60)의 속도와 2단부축기어(GS2)의 속도가 같아지게 상기 모터(120)를 제어한다.
속도동기가 완료되면 스프링(84)에 축적된 탄성에너지가 쉬프트로드(80)를 2단쪽으로 밀고 이 힘을 받은 쉬프트포크(72)가 움직여서 2단부축기어(GS2)와 싱크로메시가구(70)가 물려서 변속이 완료된다.
1단에서 중립 또는 중립에서 1단으로 변속하는 경우도 상술한 바와 동일한 원리로 변속이 이루어진다.
도 5는 모터제어에 의한 속도동기방법을 나타낸 것으로서 이 그래프를 통하여 더욱 상세히 모터 토오크제어 방식을 알 수가 있을 것이다.
도 6은 변속에 따라서 쉬프트포크의 변위, 모터 토오크 및 모터 스피드의 관계를 나타낸 그래프이다.
상기에서 설명한 본 발명에 따른 실시예의 효과를 설명하면 다음과 같다.
이상에서와 같이 본 발명에 의하면, 클러치없이도 변속을 할 수 있으므로 변속이 용이하여 운전의 편의성이 증가한다는 잇점이 있다.
또한 운전자의 조작력을 스프링에 축적하여 쉬프트포크를 움직이므로 운전자는 적은 조작력으로도 변속이 가능하다는 잇점이 있다.
그리고 클러치 및 플라이휠을 사용하지않고도 변속장치를 구현할 수 있으므로 변속장치가 간단해지고 소형화되어 생산원가를 절감할 수 있다는 잇점이 있다.
상기에서 본 발명은 하나의 실시예만을 설명하였으나, 첨부된 청구범위에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명이 속한 분야의 통상의 지식을 가진자는 본 발명의 정신을 벗어나지 않고 변형이 가능하고 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다는 것을 이해할 것이다.

Claims (2)

  1. 구동원인 모터와, 상기 모터에 커플링(영구축이음)으로 직결된 변속기와, 상기 변속기의 쉬프트포크에 연결되는 쉬프트로드와, 상기 쉬프트로드의 타단에 연결되는 쉬프트레버와, 상기 쉬프트레버의 위치를 감지하여 전기적신호로 변환하여 출력하는 쉬프트레버센서와, 상기 모터의 속도를 검출하여 전기적 신호로 변환하여 출력하는 모터스피드센서와, 자동차의 휠의 속도를 검출하여 전기적 신호로 변환하여 출력하는 휠스피드센서와, 상기 변속기의 쉬프트포크의 위치를 검출하여 전기적 신호로 변환하여 출력하는 쉬프트포크센서와, 상기 모터의 속도를 제어하는 인버터와, 상기 쉬프트레버센서로부터 입력되는 신호를 이용하여 변속여부를 감지하고 상기 모터스피드센서로부터의 입력값 및 상기 휠스피드센서로부터의 입력값을 이용하여 부축의 속도와 부축기어의 속도가 같아지게 상기 모터를 제어하는 신호를 상기 인버터로 출력하는 시스템 컨트롤러를 포함하는 전기자동차용 변속장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 쉬프트로드의 일단에는 스프링이 삽입설치되며, 상기 스프링에는 링크부재의 일단이 연결되며, 상기 링크부재의 타단에는 쉬프트레버가 회동가능하게 결합되는 전기자동차용 변속장치.
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