KR100669164B1 - 하이브리드 자동차를 위한 수동변속기 장착용 동력모터와일체로 형성된 전자석 클러치 - Google Patents

하이브리드 자동차를 위한 수동변속기 장착용 동력모터와일체로 형성된 전자석 클러치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하이브리드 자동차를 위한 수동변속기 장착용 동력모터와 일체로 형성된 전자석 클러치에 관한 것으로, 전자석에 의한 동력모터로터와 엔진로터의 접합과, 라이닝암의 회전에 따라 라이닝암이 라이닝 내측에 밀착되는 2단의 접합 구성으로 이루어짐으로써 변속 충격을 최소화하고, 전원을 동력모터스테이터에 공급하여 동력모터로터를 회전시킴으로써 엔진의 동력과는 별개로 변속기에 동력을 전달하며, 동력모터로터에 전원을 공급하여 발생하는 유도전류를 축전하는 데 목적이 있다.
이를 위해 엔진크랭크축(711)에 연결되는 엔진로터(710);와 상기 엔진로터의 내측에 위치하면서 변속축연결부재(722)에 의해 변속동력축(721)과 연결되는 라이닝드럼(720);와 상기 라이닝드럼의 내측에서 라이닝드럼에 밀착되거나 이탈되는 라이닝(730);와 암구동수단(741)에 의해 회전되어 상기 라이닝을 라이닝드럼에 밀착시키거나 이탈시키는 라이닝암(740);과 상기 엔진로터의 외측에 위치하면서 변속축연결부재에 연결되는 동력모터로터(750);와 상기 동력모터로터의 외측에 위치하여 자기력에 의해 동력모터로터를 회전시키는 동력모터스테이터(760)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

하이브리드 자동차를 위한 수동변속기 장착용 동력모터와 일체로 형성된 전자석 클러치{ELECTROMAGNETIC CLUTCH TOGETHER WITH ELECTRIC MOTOR FOR FITTING MANUAL TRANSMISSION FOR HYBRID CAR}
도 1은 종래의 전자석을 이용한 클러치의 단면도.
도 2는 본 발명자가 개발한 하이브리드 자동차를 위한 수동변속기 장착용 동력모터와 일체로 형성된 전자석 클러치의 전체 단면도.
도 3은 본 발명자가 개발한 스테이터, 클러치로터 및 라이닝드럼과 라이닝 및 라이닝암의 결합관계를 나타낸 분해 사시도.
도 4는 본 발명자가 개발한 라이닝과 라이닝암의 결합상태 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 하이브리드 자동차를 위한 수동변속기 장착용 동력모터와 일체로 형성된 전자석 클러치의 전체 횡단면도.
도 6은 본 발명에 따른 하이브리드 자동차를 위한 수동변속기 장착용 동력모터와 일체로 형성된 전자석 클러치의 전체 종단면도.
도 7은 본 발명에 따른 하이브리드 자동차를 위한 수동변속기 장착용 동력모터와 일체로 형성된 전자석 클러치의 암구동수단의 구성상태도.
도 8은 본 발명에 따른 하이브리드 자동차를 위한 수동변속기 장착용 동력모 터와 일체로 형성된 전자석 클러치에 연결되는 자동변속기 분해 사시도.
도 9는 본 발명에서 하이브리드 자동차를 위한 수동변속기 장착용 동력모터와 일체로 형성된 전자석 클러치에 연결되는 자동변속기의 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10. 엔진로터 20. 라이닝드럼
30. 라이닝 40. 라이닝암
50. 동력모터로터 60. 동력모터스테이터
본 발명은 하이브리드 자동차를 위한 수동변속기 장착용 동력모터와 일체로 형성된 전자석 클러치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전자석에 의한 동력모터로터와 엔진로터의 접합과, 라이닝암의 회전에 따라 라이닝암이 라이닝 내측에 밀착되는 2단의 접합 구성으로 이루어짐으로써 엔진의 동력을 변속기에 전달하고, 동력모터스테이터에 전원을 공급하여 동력모터로터를 회전시킴으로써 모터의 동력을 변속기에 전달하며, 동력모터로터에 전원을 공급하여 발생하는 유도전류를 축전하는 하이브리드 자동차를 위한 수동변속기 장착용 동력모터와 일체로 형성된 전자석 클러치에 관한 것이다.
기존의 수동변속기 방식은 클러치를 밟은 상태에서 기어레버를 조작하여 변 속하는 방식으로서, 주행 중 속도에 따라 계속적으로 수동변속 조작해 주어야 하는 번거로움이 있었다.
이에 따라 최근에는 운전자의 편리함을 도모하기 위해 차량의 변속과정을 기계가 자동으로 수행하는 자동변속기에 관한 기술개발이 증가하고 있으나, 기존 수동변속기를 채택한 차량의 장점인 가격, 중량, 연비와 가속성능에서의 만족을 기대하기 어렵다.
이와 같은 문제점으로 인해 수동변속기 차량의 기존 변속방식을 그대로 채용하고 전자석(59)을 이용함으로써 클러치를 자동화한 장치가 일본공개특허 평16-232835에 공지되어 있는데, 그 구성은 도1에 도시된 바와 같이 고정부착된 전자석(59)과，상기 전자석에 대응되는 아마추어(61)와，상기 전자석의 자력에 의해 이동되는 상기 아마추어에 일체로 형성된 마찰 클러치(63)를 구비한 전자석 마찰 클러치(1)로 구성된다.
이와 같이 구성되는 종래기술은 전자석의 자력에 의해 아마추어를 당기고 이 아마추어의 이동에 의해 다수의 마찰클러치가 서로 접촉 회동함으로써 엔진의 동력을 변속기 측에 선택적으로 전달하는 구조를 갖는다.
그러나 상기한 종래의 전자석 클러치장치에서는 마찰클러치의 접촉회동을 위한 마찰력을 전자석의 자력에만 의존하여 동력전달이 충분하지 못함으로 인해 자동차 출발 또는 변속 시점에서 변속충격이 과대하여 운전자에게 불쾌감을 유발시키고, 연료소모량이 과다하며 복잡한 장치와 구조를 수반하는 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 보완하기 위해 본 발명의 발명자가 개발한 대한민국특허청 특허-2005-0029106호의 수동변속기 장착용 전자석 클러치는 다음과 같다.
도 2 내지 도 4에서 보는 바와 같이 플라이휠(300)을 통해 엔진크랭크축(300a)에 연결되면서 자기력을 발생하는 스테이터(400)와, 상기 스테이터(400)의 자기력에 의해 엔진크랭크축(300a)의 동력을 변속동력축(400a)으로 전달시키는 클러치로터(500)와, 상기 스테이터(400)의 일측면에서 스테이터(400)에 밀착되거나 또는 이탈되는 라이닝(610)과, 암구동수단(620)에 의해 회전되어 상기 라이닝(610)을 스테이터에 밀착시키거나 또는 이탈시키는 라이닝암(600)을 포함하여 이루어진다.
스테이터(400)의 일측면은 플라이휠에 연결되고 타측면은 개방된 중공실린더형상이며, 외주연에는 전원이 공급되는 전자석(410)이 구비되며, 내부 공간에는 라이닝드럼(420)이 일측면으로부터 돌출 형성되고, 상기 클러치로터와의 연결부에는 베어링(430)이 형성된다.
클러치로터(500)는 디스크형상이며, 상기 스테이터의 자기력이 작용되도록 일측면에 외주단부가 돌출 형성되고, 중심축은 변속동력축(400a)과 결합 형성된다.
라이닝(610)은 라이닝드럼(420) 내측과 클러치로터(500) 내측 사이에 일측에서 타측으로 점점 두꺼워지는 폭을 지닌 상하부반원이 이격되어 원형상으로 형성되고 얇은 폭 단부가 라이닝핀(611)에 의해 클러치로터 일측에 부착되고, 라이닝폭의 두꺼운 양측이 탄성구(650)에 의해 연결된다.
라이닝암의 중심축이 클러치로터(500)의 중심축에 베어링(630)으로 지지되며, 라이닝암(600)은 암구동수단(620)의 구동에 의해 회전 가능하게 형성된다.
한편 요즘에 하이브리드 자동차가 개발되고 있는 시점에서, 상기와 같은 전자석 클러치에 하이브리드 자동차의 모터에 의한 동력전달방법을 적용하여 전자석 클러치의 효과를 살리면서 하이브리드 자동차의 모터에 의한 동력전달체계를 결합할 수 있는 연구가 요구되는 실정이다. 따라서 본 발명의 발명자는 상기와 같은 전자석 클러치를 구비한 엔진에 의한 동력체계와 모터에 의한 동력체계가 결합되어 각기 다른 동력체계를 동일한 축 상에서 구현시킬 수 있는 단순화된 구조를 개발하게 되었다.
따라서 본 발명은 이러한 사정을 감안하여 개발된 것으로, 전자석에 의한 동력모터로터와 엔진로터의 접합과, 라이닝암의 회전에 따라 라이닝암이 라이닝 내측에 밀착되는 2단의 접합 구성으로 이루어짐으로써 변속 충격을 최소화하여 사용수명을 향상시킨 하이브리드 자동차를 위한 수동변속기 장착용 동력모터와 일체로 형성된 전자석 클러치를 제공함에 그 목적이 있다.
동력모터스테이터에 전원을 공급하여 동력모터로터를 회전시킴으로써 엔진의 동력과는 별개로 변속기에 동력을 전달하고, 동력모터로터에 전원을 공급하여 발생하는 유도전류를 축전하는 하이브리드 자동차를 위한 수동변속기 장착용 동력모터와 일체로 형성된 전자석 클러치를 제공함에 또 다른 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하이브리드 자동차를 위한 수동변속기 장착용 동력모터와 일체로 형성된 전자석 클러치는, 하이브리드자동차용 수동변속기에 장착되어 자동차의 주행상태에 따라 동력의 전달과 차단을 자동으로 실행시키며, 자동으로 변속되도록 조절되는 수동변속기장착용 자동변속장치의 클러치에 있어서, 엔진크랭크축(711)에 연결되는 엔진로터(710);와 상기 엔진로터의 내측에 위치하면서 변속축연결부재(722)에 의해 변속동력축(721)과 연결되는 라이닝드럼(720);와 상기 라이닝드럼의 내측에서 라이닝드럼에 밀착되거나 이탈되는 라이닝(730);와 암구동수단(741)에 의해 회전되어 상기 라이닝을 라이닝드럼에 밀착시키거나 이탈시키는 라이닝암(740);과 상기 엔진로터의 외측에 위치하면서 변속축연결부재에 연결되는 동력모터로터(750);와 상기 동력모터로터의 외측에 위치하여 자기력에 의해 동력모터로터를 회전시키는 동력모터스테이터(760)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
엔진로터의 일측면은 엔진축연결부재에 의해 엔진크랭크축에 연결되고 타측면은 개방된 중공실린더형상이며, 상기 변속축연결부재와의 접촉부위에 베어링(713)이 형성되고, 엔진로터와 연결되는 엔진크랭크축과 동력모터로터의 사이에 베어링(724)이 설치되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차를 위한 수동변속기 장착용 동력모터와 일체로 형성된 전자석 클러치를 제공한다.
라이닝은 일측에서 타측으로 점점 두꺼워지는 폭을 지닌 상하부반원이 이격되어 원형상으로 형성되고, 얇은 폭 단부가 라이닝핀(731)에 의해 변속축연결부재의 일측에 부착되며, 라이닝 폭의 두꺼운 양측이 탄성구(732)에 의해 연결되는 것 을 특징으로 하는 하이브리드 자동차를 위한 수동변속기 장착용 동력모터와 일체로 형성된 전자석 클러치를 제공한다.
암구동수단은 라이닝암에 연결되는 랙기어(745)와, 상기 랙기어와 치합되는 웜기어(743)와, 상기 웜기어에 동력을 전달하는 암탈착모터(744)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차를 위한 수동변속기 장착용 동력모터와 일체로 형성된 전자석 클러치를 제공한다.
동력모터로터는 코일이 감기고, 동력모터로터의 내측에는 하나 이상의 전자석(751)이 설치되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차를 위한 수동변속기 장착용 동력모터와 일체로 형성된 전자석 클러치를 제공한다.
동력모터스테이터는 코일이 감기고, 양단부에는 동력모터로터와의 회전이 용이하도록 베어링(761a)이 형성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차를 위한 수동변속기 장착용 동력모터와 일체로 형성된 전자석 클러치를 제공한다.
동력모터로터는 전원공급롤러(725)에 접촉되어 회전되면서 전원이 공급되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차를 위한 수동변속기 장착용 동력모터와 일체로 형성된 전자석 클러치를 제공한다.
동력모터로터는 동력모터스테이터에 전원의 공급시 전동기의 원리(플레밍의 왼손법칙)에 의해 회전하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차를 위한 수동변속기 장착용 동력모터와 일체로 형성된 전자석 클러치를 제공한다.
동력모터스테이터는 동력모터로터에 전원의 공급시 발전기의 원리(플레밍의 오른손법칙)에 의해 유도전류가 발생하여 축전할 수 있는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차를 위한 수동변속기 장착용 동력모터와 일체로 형성된 전자석 클러치를 제공한다.
동력모터로터에 전원이 공급될 시 전원의 세기가 점진적인 3단계로 차차 세지면서 전원이 공급되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차를 위한 수동변속기 장착용 동력모터와 일체로 형성된 전자석 클러치를 제공한다.
동력모터로터의 내측에는 엔진의 동력이 변속기에 전달되기 위해 엔진로터와의 접촉이 용이하도록 영구자석이 형성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차를 위한 수동변속기 장착용 동력모터와 일체로 형성된 전자석 클러치를 제공한다.
라이닝암의 단부에는 위치감지센서(742)가 부착 형성되어 엔진 rpm에 따라 라이닝암이 움직이고 라이닝암의 밀착과 이탈을 감지하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차를 위한 수동변속기 장착용 동력모터와 일체로 형성된 전자석 클러치를 제공한다.
라이닝암이 변속 후 작동되기 직전에 제어부의 연료차단신호에 의해 연료가 차단되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차를 위한 수동변속기 장착용 동력모터와 일체로 형성된 전자석 클러치를 제공한다.
자동변속장치는 장방형 구멍(24)이 있는 연결판(22)을 가진 링형상의 이송구(20,20a)가 구비되고, 셀렉터 레버(2)의 고정핀(2a)이 상기 연결판(22)의 장방형 구멍(24)에서 회동 및 이동 가능하게 연결되며, 시프트 레버(3)의 고정핀(3a)이 상 기 연결판(22)의 장방형 구멍(24)에 회동 및 이동 가능하게 연결되고, 상기 이송구(20,20a)는 제1 샤프트(10)와 제2 샤프트(10a)의 회전에 따라 이동가능하도록 상기 이송구(20,20a)의 내주와 상기 제1 샤프트(10)와 제2 샤프트(10a)의 외주에 이송수단이 형성되며, 각각의 제1 샤프트(10)와 제2 샤프트(10a) 일단부에는 모타(18)가 설치된 포스트(19)가 변속기 케이스의 외측에 고정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차를 위한 수동변속기 장착용 동력모터와 일체로 형성된 전자석 클러치를 제공한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 예시도면을 참고하여 상세히 설명하고자 한다.
도 5는 본 발명에 따른 하이브리드 자동차를 위한 수동변속기 장착용 동력모터와 일체로 형성된 전자석 클러치의 전체 횡단면도를 나타내고, 도 6은 본 발명에 따른 하이브리드 자동차를 위한 수동변속기 장착용 동력모터와 일체로 형성된 전자석 클러치의 전체 종단면도를 나타낸다.
도 5 및 도 6에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 하이브리드 자동차를 위한 수동변속기 장착용 동력모터와 일체로 형성된 전자석 클러치는 자동차의 주행상태에 따라 동력의 전달과 차단을 자동으로 실행시키며, 컨트롤 샤프트에 설치된 셀렉터레버와 시프트레버를 자동으로 조작하기 위한 자동변속기에 연결되는 장치이다.
다시 말해서 본 발명은 하이브리드자동차용 수동변속기에 장착되어 자동차의 주행상태에 따라 동력의 전달과 차단을 자동으로 실행시키며, 자동으로 변속되도록 조절되는 수동변속기장착용 자동변속장치의 클러치이다.
동력모터로터의 영구자석과 전자석에 의해 엔진크랭크축과 변속동력축이 접합되면서 엔진의 동력이 변속기로 약하게 전달되고, 라이닝이 라이닝드럼에 밀착됨에 따라 엔진크랭크축과 변속동력축이 접합되면서 엔진의 동력이 변속기로 전달된다. 또한 동력모터스테이터의 코일에 전원을 공급하면 전동기의 원리에 의해 동력모터로터가 회전함에 따라 엔진의 동력이 변속기로 전달된다.
동력이 변속기로 차단되는 경우 동력모터로터의 코일에 전원을 공급하여 발전기의 원리에 따라 전류를 발생시켜 이 전류를 축전지에 저장한다. 이때 동력모터스테이터의 자기장에 의해 동력모터로터의 회전력을 감쇠시켜 엔진브레이크의 기능을 한다.
엔진크랭크축(711)에 엔진로터(710)가 연결된다. 엔진로터의 일측면은 엔진축연결부재(722)에 의해 엔진크랭크축에 연결되고 타측면은 개방된 중공실린더형상이며, 상기 변속축연결부재와의 접촉부위에는 베어링(713)이 형성된다.
라이닝드럼(720)은 엔진로터의 내측에 위치하면서 변속축연결부재(722)에 의해 변속동력축(721)과 연결된다.
라이닝(730)은 라이닝드럼의 내측에서 라이닝드럼에 밀착되거나 이탈된다. 라이닝은 일측에서 타측으로 점점 두꺼워지는 폭을 지닌 상하부반원이 이격되어 원형상으로 형성된다. 얇은 폭의 상부반원 일측은 상대적으로 두꺼운 폭의 하부반원 타측과 맞대어지고, 얇은 폭의 상부반원 타측은 상대적으로 두꺼운 폭의 하부반원 타측과 맞대어져 형성된다.
라이닝의 얇은 폭 단부가 라이닝핀(731)에 의해 변속축연결부재의 일측에 부착되며, 라이닝 폭의 두꺼운 양측이 탄성구(732)에 의해 연결된다. 여기서 탄성구는 스프링이 사용됨이 바람직하나 암구동수단에 의해 회전된 라이닝암이 다시 복원되도록 하는 탄성구라면 다른 수단이 사용되어도 됨은 물론이다. 라이닝암이 구동되어 라이닝암의 두꺼운 부분이 라이닝과 라이닝드럼을 밀착한다. 다시 라이닝암이 원위치로 복귀되면 라이닝과 라이닝드럼은 탈착되며 탄성구에 의해 라이닝이 원위치로 복귀된다.
라이닝암(740)은 암구동수단(41)에 의해 회전되어 상기 라이닝을 라이닝드럼에 밀착시키거나 이탈시킨다. 암구동수단의 일실시예로서 도 7에서 보는 바와 같이 라이닝암(740)에 랙기어(745)가 연결되고, 상기 랙기어에 웜기어(743)가 치합되며, 상기 웜기어에 동력을 전달하는 암탈착모터(744)가 연결된다. 암탈착모터의 동력을 전달받은 웜기어의 회전운동은 랙기어에 의해 직선운동으로 전환되어 라이닝암을 일정한 반경 내에서 회전시킴으로써, 라이닝을 라이닝드럼에 밀착시키거나 이탈시킨다. 도 7은 본 발명에 따른 하이브리드 자동차를 위한 수동변속기 장착용 동력모터와 일체로 형성된 전자석 클러치의 암구동수단의 구성상태를 나타낸다.
라이닝암의 단부에는 엔진 rpm에 따라 라이닝암이 움직이도록 하며, 라이닝이 라이닝드럼에 탈착되었는지의 여부를 판단하는 위치감지센서(742)가 클러치로터의 일측면에 부착 형성되어 라이닝암의 위치를 감지한다.
동력모터로터(750)는 엔진로터의 외측에 위치하고, 그 일측면은 마감휠(23) 에 의해 엔진축연결부재와 함께 감싸지며 그 타측면은 변속축연결부재과 일체 연결된다. 마감휠의 단부는 베어링(724)에 의해 엔진크랭크축과 연결된다.
마감휠 단부의 베어링(724)은 앞서 설명한 엔진로터와 변속축연결부재 사이에 형성된 베어링(713)과 힘의 균형을 이룬다. 베어링(713,724)은 동력모터로터의 회전에 의해 변속동력축에 동력이 전달될 경우 동력모터로터의 회전이 엔진크랭크축과는 무관하게 회전하도록 한다. 따라서 베어링은 동력이 전달, 혹은 차단되어 상대 회전운동을 할 수 있도록 한다.
동력모터로터는 코일이 감기고, 동력모터로터의 내측에는 전원이 공급되는 하나 이상의 전자석(751)이 설치된다.
전자석은 엔진의 동력과 동력모터의 동력이 서로 차이가 발생하기 때문에 이 변속기에 동일한 동력을 맞추어 주고, 엔진동력을 전달 할 때 변속기의 충격을 흡수하며, 또한 엔진 및 동력모터의 변속기과의 변속 충격을 완화시킨다.
전자석은 엔진과 동력모터의 동력이 동일한 경우 라이닝모터가 작동 밀착할 수 있어 수동변속기를 자동화하는 데 필수적이다.
동력모터로터는 전원이 공급되는 전원공급롤러에 접촉되어 회전되면서 전원이 공급된다. 동력모터로터에 전원이 공급될 시 전원의 세기가 점진적인 3단계로 차차 세지면서 전원이 공급된다.
동력모터로터의 내측에는 엔진의 동력이 변속기에 전달되기 위해 동력모터로터와 엔진로터의 접촉이 용이하도록 영구자석이 형성된다. 영구자석은 전자석 자력에 의한 동력모터로터와 엔진로터를 접합시켜 1차적인 회전 전달력을 제공하기 위 한 것이다.
동력모터스테이터(760)는 동력모터로터의 외측에 위치하여 자기력에 의해 동력모터로터를 회전시킨다. 동력모터스테이터는 코일이 감기고, 양단부에는 동력모터로터와의 회전이 용이하도록 베어링(761a)이 형성된다.
동력모터스테이터와 변속축연결부재의 외측에는 변속기하우징이 감싸진다. 변속기하우징의 일측에는 동력모터로터의 회전상태을 감지하여 라이닝암의 회전시기가 정해질 수 있도록 회전감지센서(도시 생략)가 형성된다. 라이닝암의 회전시기는 동력모터로터와 엔진로터의 상대회전으로부터 결정된다.
주행 중 라이닝암이 라이닝 내측에서 이탈되고 변속이 이루어진 직후 0.5초 정도 동안 다시 라이닝암이 라이닝 내측에 밀착되기 직전까지 변속 충격을 저감시키면서 가솔린 등의 연료를 절약하도록 엔진제어부(ECU)에서 엔진에 연료 차단 신호를 보내게 된다. 이는 본 발명에 따른 하이브리드 자동차를 위한 수동변속기 장착용 동력모터와 일체로 형성된 전자석 클러치의 제어모듈(TCM, 미도시)에서 엔진제어부로 신호를 보냄으로써 이루어지는데, 여기서 제어모듈은 본 발명에 따른 변속기에 장착된 각종센서로부터 신호를 받고 모터를 비롯한 작동부에 제어명령을 보내는 장치이다. 엔진제어부와 변속기에 장착된 제어모듈은 자동차 분야에서 일반적으로 적용되는 중앙제어장치로서 본 발명에서 자세한 설명은 생략한다.
한편, 도 8은 본 발명에 따른 하이브리드 자동차를 위한 수동변속기 장착용 동력모터와 일체로 형성된 전자석 클러치에 연결되는 자동변속기 분해 사시도를 나 타내고, 도 9는 본 발명에서 하이브리드 자동차를 위한 수동변속기 장착용 동력모터와 일체로 형성된 전자석 클러치에 연결되는 자동변속기의 단면도를 나타낸다.
도 8 및 도 9에서 보는 바와 같이 본 발명에 따른 하이브리드 자동차를 위한 수동변속기 장착용 동력모터와 일체로 형성된 전자석 클러치와 연계되어 동력을 전달시킬 수 있는 자동변속기는 변속기 내부는 본 발명의 출원인에 의해 등록된 대한민국 특허등록 10-4469890000호에 잘 나타나 있다. 기어의 이중결합을 방지하는 인터록 플레이트(4)와 상기 인터록 플레이트 내측으로 배치된 컨트롤 핑거(7), 그리고 상기 컨트롤 핑거와 맞물려서 함께 동작하는 시프트 러그(5), 상기 시프트 러그가 고정된 시프트 레일(6)을 구비하고 있으며, 인터록 플레이트에 조립된 컨트롤샤프트(1)가 변속기의 하우징(9) 외부로 노출된다.
컨트롤 샤프트의 외측 끝에는 상기 컨트롤 샤프트를 상하로 움직이기 위한 셀렉터 레버(2), 그리고 상기 컨트롤 핑거를 회동시키기 위한 시프트 레버(3)를 구비하고 있다. 따라서 수동변속시 엔진의 동력을 클러치에 의해 단속한 후 셀렉트 레버에 의해 결합할 기어축을 선택하면서 컨트롤핑거를 회동시켜 기어단이 결정된다.
다시 설명하면 본 발명에서는 전술한 셀렉터 레버(2)와 시프트 레버(3)를 변속레버와 케이블에 의하지 않고 자동으로 조작할 수 있는 작동장치를 제공하게 된다.
먼저, 컨트롤 샤프트(1)와 근접한 위치에 변속기의 하우징(9)에서 소정의 포스트(19)가 설치된다. 그리고 상기 포스트에 의해서 같은 방향의 양측으로 모터 (18)가 장착되고 상기 모터의 회전축으로서 나란하게 제1 샤프트(10)와 제2 샤프트(10a)가 각각 형성된다. 여기서 제1 샤프트(10)는 셀릭터레버(2)를 작동하기 위한 것이고 제2 샤트프(10a)는 시프트레버(3)를 작동하기 위한 것이다.
이때 모터의 구동에 따라 회전하는 제1 샤트프와 제2 샤프트 외주면 상에는 전후이동이 가능하도록 이송수단이 구비되는 데, 상기 이송수단으로서 상기 제1 샤프트(10)와 제2 샤프트(10a)에는 전진이동방향으로 나선형의 전진 안내홈(12)과 그 반대의 후진이동방향으로 나선형의 후진 안내홈(14)이 형성된다.
그리고 이송수단으로서 내측으로 이동돌기(23)가 있는 이송구(20,20a)가 구비되고, 상기 제1, 제2 샤프트의 전후진 안내홈(12,14)에 상기 이송구의 이동돌기(23)가 각각 맞물림되며, 이러한 이송수단의 돌기가 전후진 안내홈(12,14)을 따라 이동하게 된다.
이송구(20,20a)에는 외측으로 연결핀(22)이 부착되어 있으며 상기 연결핀(22)의 중앙에는 셀렉터 레버(2)나 시프트 레버(3)의 회전시 셀렉트레버와 시프트레버에 각각 구비된 고정핀(2a,3a)이 여유있게 유동가능하도록 장방형 구멍(24)이 형성된다.
위에서, 제1 샤프트(10)에 조립된 이송구(20)는 컨트롤 샤프트의 셀렉터 레버(2)와 조립되면서 모터의 구동력으로 제1 샤프트가 회전할 때 셀렉터 레버(2)를 회동시켜 컨트롤 샤프트를 수직으로 이동시키는 셀렉터레버 작동장치(100)를 구성하게 된다.
제2 샤프트(10a)에 조립된 이송구(20a)는 시프트 레버(3)와 조립되면서 모터 의 구동력으로 제2 샤프트가 회전할 때 시프트 레버를 통해 컨트롤 샤프트를 회전시키는 시프트 레버 작동장치(200)를 구성하게 된다.
전술한 각 이송구(20,20a)에는 장방형 구멍(24)을 두게 됨에 따라 셀렉터 레버(2)와 시프트 레버(3)에 구비된 고정핀(2a,3a)을 유동성 있게 고정시킨다.
즉, 각 장방형 구멍(24)으로 끼워지고 소정의 와셔(26)와 스냅링 혹은 볼트 등의 고정체(28)에 의해 고정되는 양측의 고정핀(2a,3a)은 상기 장방형 구멍을 따라 수직과 수평으로 유동할 수 있게 되며 이는 셀렉터 레버(2)와 샤프트 레버(3)가 회동할 때의 중심거리가 이동되는 간격을 유지시킬 수 있게 된다.
한편, 상기 셀렉터레버 작동장치(100)와 시프트레버 작동장치(200)의 각 모터(18)는 자동차의 축전지에서 전원을 공급 받을 수 있게 연결되며, 자동차의 주행상태에 따라 상기 셀렉터레버 작동장치와 시프트레버 작동장치를 조작하기 위한 제어부(도면에 미도시)를 두게 된다. 주행상태에 따른 자동변속장치의 제어는 일반적인 주지관용기술이므로 본 발명에서는 생략한다.
상기와 같이 이루어진 본 발명에 따른 하이브리드 자동차를 위한 수동변속기 장착용 동력모터와 일체로 형성된 전자석 클러치의 작용을 살펴보면 다음과 같다.
변속기에 동력을 전달하는 방법은 엔진에 의한 동력전달방법과, 동력모터스테이터와 동력모터로터를 이용한 동력모터에 의한 동력전달방법이 있다.
먼저 엔진에 의한 동력전달방법을 살펴보면 다음과 같다.
운전자가 시동을 걸고 브레이크페달을 밟은 상태에서 1단(전진)기어로 변속 을 할 경우 운전자가 브레이크페달에서 발을 서서히 떼면서 전원공급롤러에 전원을 공급하면 전자석에 전원이 공급되고, 전자석에 작용하는 인력에 의해 엔진로터로부터 동력모터로터로 영구자석에 이은 2차적인 회전력이 전달되고 엔진의 회전과 함께 엔진로터가 회전하며 변속동력축으로 회전력이 전달된다.
이때 전자석에 전원이 공급되는 경우 0초 내지 0.5초 사이에는 약한 전압의 전원이 공급되고, 0.5초 내지 1.0초 사이에는 중간 세기의 전압의 전원이 공급되며, 1.0초 내지 1.5초 사이에는 강한 전압의 전원이 공급되는 방식으로 3단계로 서서히 전압의 세기를 높여 전원을 공급하여 동력이 전달되는 데 있어 갑자기 발생될 수 있는 충격을 완화시키게 된다.
상기의 전자석에 전원을 공급하기 전에, 동력모터로터의 내측에 형성된 영구자석에 의해 엔진로터와 동력모터로터 사이에는 인력이 작용하여 엔진의 회전력을 받아 엔진로터와 동력모터가 함께 회전하기 시작할 수 있다. 다만, 이때는 영구자석의 인력에 의해서만 회전력이 전달되므로 그 전달되는 회전력은 상대적으로 매우 작아 엔진로터와 동력모터로터 사이에는 슬립이 발생할 수 있다.
전자석의 인력에 의해 엔진의 회전력이 동력모터로터에 전달되어 동력모터로터가 회전하면 운전자가 가속페달을 밟기 전에 회전감지센서가 동력모터로터의 회전을 감지하여 제어부(도면 도시 생략)에 신호를 전달하게 된다.
제어부에서는 암구동수단에 전원을 공급하게 되면서 전자석에 공급되던 전원을 차단하게 되고, 암탈착모터의 동력을 전달받은 웜기어의 회전운동은 랙기어에 의해 직선운동으로 전환되어 라이닝암을 일정한 반경 내에서 회전시킴으로써 라이 닝암이 우회전(도 6 상)하게 되며, 상기 라이닝암의 단부가 양측 두꺼운 폭의 라이닝으로 밀착하게 된다.
이때 위치감지센서에 의해 라이닝암의 단부가 라이닝 내측에 밀착되는 것을 감지하여 제어부에 신호를 전달시키면 제어부는 암구동수단의 전원 공급을 차단시키게 된다.
따라서 라이닝 내측에 라이닝암이 밀착되어 엔진크랭크축, 엔진로터, 라이닝, 라이닝암, 라이닝드럼 그리고 변속동력축이 일체가 됨으로써 엔진의 회전력이 엔진크랭크축을 따라 변속동력축에 전달된다. 여기서 라이닝은 라이닝핀에 의해 엔진로터에 연결되어 동력이 전달된다.
한편, 변속이 필요한 경우 제어부의 신호에 의해 전극이 반대로 된 전원이 공급되면 라이닝암이 좌회전하게 되면 탄성구에 의해 복원력을 받아 좌회전된 라이닝암의 상태가 고정되어 동력모터로터와 라이닝이 느슨한 상태로 동력이 차단된다.
아울러 주행 중 라이닝암이 라이닝 내측에서 이탈되고 변속이 이루어진 직후 0.5초 정도 동안 다시 라이닝암이 라이닝 내측에 밀착되기 직전까지 매 변속시기마다 변속 충격을 저감시키면서 가솔린 등의 연료를 절약하도록 제어부에서 엔진에 연료 차단 신호를 보내게 된다.
따라서 변속동력축에 동력이 차단된 사이에 제어부의 신호에 의해 변속이 이루어지면 제어부의 신호에 의해 다시 암구동수단에 전원이 공급되어 라이닝암이 라이닝을 밀착시켜 동력모터로터와 일체 상태가 되어 동력이 변속동력축에 전달된다.
다음으로 동력모터에 의한 동력전달방법을 살펴보면 다음과 같다. 여기서 동력모터는 동력모터스테이터와 동력모터로터를 이용한 모터구조이다.
동력모터스테이터에 전원(63)을 공급하면 전류의 흐름이 발생하여 전동기의 원리(플레밍의 왼손법칙)에 따라 자기장이 유도되면서 동력모터로터가 회전한다. 여기서 전원은 하이브리드 자동차에서 생산되는 수소전지로부터 공급되는 전원이다.
동력모터로터가 회전하면 동력모터로터와 일체로 연결된 변속축연결부재에 의해 변속동력축이 회전한다. 따라서 동력모터의 동력이 변속기에 전달된다. 이러한 동력모터의 동력은 엔진의 동력에 비해 약하므로 약 30 km/h 이하(상황에 따른 변수임)와 같은 저속에 이용되며, 일정한 속력 이상을 내기 위해서는 엔진에 의한 동력전달방법을 이용한다.
동력모터를 이용해서 변속기에 동력을 전달하려면, 먼저 엔진에 의한 동력전달방법으로 자동차를 출발한 후에 동력모터를 이용하는 것이 바람직하다.
한편, 상기와 같은 동력모터에서 동력모터로터의 회전 중 동력모터로터에 전원공급롤러(725)를 통해 전원을 공급하면 발전기의 원리(플레밍의 오른손법칙)에 따라 자기장의 변화가 생겨 유도전류가 발생함으로써 축전지에 전류를 저장할 수 있다.
예를 들어 엔진 또는 동력모터에 의해 변속기에 동력이 전달되어 자동차의 속도가 120km/h 이상(변수)이 되고 운전자가 엑셀을 밟지 않은 경우, 동력모터로터에 전원을 공급함으로써 잔여회전 중인 동력모터로터의 동력에너지를 유도전류에 의한 전기에너지로 전환하여 축전지에 저장할 수 있다. 이러한 발전과정에서 발전용량은 자동차의 속도와 운전자가 엑셀레이터를 밟는 량에 따라 결정된다.
아울러 동력모터로터에 전원을 공급하면 동력모터로터에도 자기장이 형성되어 동력모터스테이터의 자기장과 인력이 발생함으로써 동력모터로터의 회전력이 감쇠된다. 이러한 동력모터로터의 회전력이 감쇠는 엔진브레이크 역할을 한다.
자동차 속도가 120km/h이하(변수)인 경우에는, 운전자의 선택에 따라 다시 동력모터스테이터에 전원을 공급하여 운전 상태에 따라 동력모터에 의한 동력을 변속기에 전달하거나, 엔진에 의한 동력을 변속기에 전달할 수 있다.
다른 한편, 가속페달에 의해 자동차의 속도가 증가 혹은 감속될 때 제어부에서는 그 속도에 적당한 변속상태의 전기적 신호를 각 작동장치에 보내게 되며 이에 따라 각 모터가 구동하면서 레버를 움직이게 된다.
즉, 제1 샤프트(10)가 회전됨에 따라 이송구가 이동하게 되면서 셀렉터 레버(2)를 상하로 회동시키게 되고 이는 컨트롤 샤프트(1)를 통해 컨트롤 핑거(7)가 상중하에 위치한 3개의 시프트 러그(5) 중 1단-2단 또는 3단-4단 또는 5단-후진의 시프트 러그(5)를 선택하게 되고, 제2 샤프트가 회전하면서 시프트 레버(3)를 통해 컨트롤 샤프트를 좌우로 회전시키면 상기 컨트롤 핑거가 1단-2단에서 1단 또는 2단, 3단-4단에서 3단 또는 4단 및 중립, 5단-후진에서 5단 또는 후진쪽으로 상기 시프트 러그(5)를 수평방향의 좌우로 움직이게 된다.
이후, 상기 시프트 러그는 시프트 레일(6)에 시프트 포크(도시 생략)와 함께 고정되어 있기 때문에 결국 시프트 포크가 나이저 슬리브(도시 생략)를 움직여 변속이 이루어진다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 하이브리드 자동차를 위한 수동변속기 장착용 동력모터와 일체로 형성된 전자석 클러치는 엔진에 의한 동력전달방법으로, 전자석에 의한 동력모터로터와 엔진로터의 접합과, 라이닝암의 회전에 따라 라이닝암이 라이닝 내측에 밀착되는 2단의 접합 구성으로 이루어짐으로써, 엔진에서 변속기로 전달되는 동력을 전자기력과 기계적 마찰력의 점진적인 증가를 통해 자동차 출발 또는 변속 시점에 발생하는 변속충격을 크게 감소시키고, 연료절감 및 사용수명 연장의 효과를 제공할 수 있다.
동력모터에 의한 동력전달방법으로, 수소전지의 전원을 동력모터스테이터에 공급하여 동력모터로터를 회전시킴으로써, 엔진의 동력과는 별개로 변속기에 동력을 전달할 수 있다. 동력모터로터에 전원을 공급하면 유도전류가 발생하여 전류를 축전할 수 있다.
따라서 전자석 클러치를 구비한 엔진에 의한 동력체계와 모터에 의한 동력체계가 결합되어 각기 다른 동력체계를 동일한 축 상에서 구현시킬 수 있고, 기존 수동변속기에서의 경제성과 변속 순발력 등의 장점과 자동 변속기의 편리함을 동시에 만족시키는 하이브리드 자동차를 위한 수동변속기 장착용 동력모터와 일체로 형성된 전자석 클러치의 구현이 가능하다.

Claims (14)

  1. 하이브리드자동차용 수동변속기에 장착되어 자동차의 주행상태에 따라 동력의 전달과 차단을 자동으로 실행시키며, 자동으로 변속되도록 조절되는 수동변속기장착용 자동변속장치의 클러치에 있어서,
    엔진크랭크축(711)에 연결되는 엔진로터(710);
    상기 엔진로터의 내측에 위치하면서 변속축연결부재(722)에 의해 변속동력축(721)과 연결되는 라이닝드럼(720);
    상기 라이닝드럼의 내측에서 라이닝드럼에 밀착되거나 이탈되는 라이닝(730);
    암구동수단(741)에 의해 회전되어 상기 라이닝을 라이닝드럼에 밀착시키거나 이탈시키는 라이닝암(740);
    상기 엔진로터의 외측에 위치하면서 변속축연결부재에 연결되는 동력모터로터(750); 및
    상기 동력모터로터의 외측에 위치하여 자기력에 의해 동력모터로터를 회전시키는 동력모터스테이터(760)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차를 위한 수동변속기 장착용 동력모터와 일체로 형성된 전자석 클러치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 엔진로터의 일측면은 엔진축연결부재에 의해 엔진크랭크축에 연결되고 타측면은 개방된 중공실린더형상이며, 상기 변속축연결부재와의 접촉부위에 베어링(713)이 형성되고, 엔진로터와 연결되는 엔진크랭크축과 동력모터로터의 사이에 베어링(724)이 설치되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차를 위한 수동변속기 장착용 동력모터와 일체로 형성된 전자석 클러치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 라이닝은 일측에서 타측으로 점점 두꺼워지는 폭을 지닌 상하부반원이 이격되어 원형상으로 형성되고, 얇은 폭 단부가 라이닝핀(731)에 의해 변속축연결부재의 일측에 부착되며, 라이닝 폭의 두꺼운 양측이 탄성구(732)에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차를 위한 수동변속기 장착용 동력모터와 일체로 형성된 전자석 클러치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 암구동수단은 라이닝암에 연결되는 랙기어(745)와, 상기 랙기어와 치합되는 웜기어(743)와, 상기 웜기어에 동력을 전달하는 암탈착모터(744)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차를 위한 수동변속기 장착용 동력모터와 일체로 형성된 전자석 클러치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 동력모터로터는 코일이 감기고, 동력모터로터의 내측에는 하나 이상의 전자석(751)이 설치되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차를 위한 수동변속기 장착용 동력모터와 일체로 형성된 전자석 클러치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 동력모터스테이터는 코일이 감기고, 양단부에는 동력모터로터와의 회전이 용이하도록 베어링(761a)이 형성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차를 위한 수동변속기 장착용 동력모터와 일체로 형성된 전자석 클러치.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 동력모터로터는 전원공급롤러(725)에 접촉되어 회전되면서 전원이 공급되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차를 위한 수동변속기 장착용 동력모터와 일체로 형성된 전자석 클러치.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 동력모터로터는 동력모터스테이터에 전원의 공급시 전동기의 원리(플레밍의 왼손법칙)에 의해 회전하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차를 위한 수동변속기 장착용 동력모터와 일체로 형성된 전자석 클러치.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 동력모터스테이터는 동력모터로터에 전원의 공급시 발전기의 원리(플레밍의 오른손법칙)에 의해 유도전류가 발생하여 축전할 수 있는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차를 위한 수동변속기 장착용 동력모터와 일체로 형성된 전자석 클러치.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 동력모터로터에 전원이 공급될 시 전원의 세기가 점진적인 3단계로 차차 세지면서 전원이 공급되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차를 위한 수동변속기 장착용 동력모터와 일체로 형성된 전자석 클러치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 동력모터로터의 내측에는 엔진의 동력이 변속기에 전달되기 위해 엔진로터와의 접촉이 용이하도록 영구자석이 형성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차를 위한 수동변속기 장착용 동력모터와 일체로 형성된 전자석 클러치.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 라이닝암의 단부에는 위치감지센서(742)가 부착 형성되어 엔진 rpm에 따라 라이닝암이 움직이고 라이닝암의 밀착과 이탈을 감지하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차를 위한 수동변속기 장착용 동력모터와 일체로 형성된 전자석 클러치.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 라이닝암이 변속 후 작동되기 직전에 제어부의 연료차단신호에 의해 연료가 차단되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차를 위한 수동변속기 장착용 동력모터와 일체로 형성된 전자석 클러치.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 자동변속장치는 장방형 구멍(24)이 있는 연결판(22)을 가진 링형상의 이송구(20,20a)가 구비되고, 셀렉터 레버(2)의 고정핀(2a)이 상기 연결판(22)의 장방형 구멍(24)에서 회동 및 이동 가능하게 연결되며, 시프트 레버(3)의 고정핀(3a)이 상기 연결판(22)의 장방형 구멍(24)에 회동 및 이동 가능하게 연결되고, 상기 이송구(20,20a)는 제1 샤프트(10)와 제2 샤프트(10a)의 회전에 따라 이동가능하도록 상기 이송구(20,20a)의 내주와 상기 제1 샤프트(10)와 제2 샤프트(10a)의 외주에 이송수단이 형성되며, 각각의 제1 샤프트(10)와 제2 샤프트(10a) 일단부에는 모타(18)가 설치된 포스트(19)가 변속기 케이스의 외측에 고정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차를 위한 수동변속기 장착용 동력모터와 일체로 형성된 전자석 클러치.
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