KR100802712B1 - 하이브리드 전기 차량용 듀얼 클러치 변속기 - Google Patents

하이브리드 전기 차량용 듀얼 클러치 변속기 Download PDF

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KR100802712B1 KR1020060101449A KR20060101449A KR100802712B1 KR 100802712 B1 KR100802712 B1 KR 100802712B1 KR 1020060101449 A KR1020060101449 A KR 1020060101449A KR 20060101449 A KR20060101449 A KR 20060101449A KR 100802712 B1 KR100802712 B1 KR 100802712B1
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김완수
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Abstract

본 발명은 듀얼 클러치를 이용함과 함께 2단 입력기어에 후진 및 모터 트랜스퍼 기어가 동시에 물리게 하는 등의 기어 조합을 통하여 엔진과 모터의 회전 구동력을 최적으로 변속할 수 있도록 한 하이브리드 전기 차량용 듀얼 클러치 변속기를 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 본 발명의 목적 달성에 의하여, 두 개의 입력축중 제1입력축상의 2단 입력을 위한 구동기어에 후진기어 및 모터와 연결된 모터 트랜스퍼 기어가 동시에 물리게 함으로써, 엔진과 모터의 회전 구동력을 최적으로 변속할 수 있는 하이브리드 변속기를 제공함과 더불어, HV/HEV/회생제동 등의 모드별 작동방법을 제공함으로써, 종래의 무단 변속기에 비하여 하이브리드용 변속기로 유용하게 적용될 수 있고; 듀얼 클러치 변속기를 적용함에 따른 엔진과 모터의 동력을 다양한 작동 패턴을 갖는 모드별로 운용이 가능하고, 기존 수동변속기에 2개의 클러치 및 변속 자동화 기구를 장착하여 수동변속기의 우수한 효율을 거의 유지하면서도 자동변속기의 편리함을 제공할 수 있다.
하이브리드, 전기 차량, 듀얼 클러치, 변속기, 모터

Description

하이브리드 전기 차량용 듀얼 클러치 변속기{DUAL CLUTCH TRANSMISSION FOR HEV}

도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 전기 차량용 듀얼 클러치 변속기의 구성을 나타내는 다이어그램,

도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 전기 차량용 듀얼 클러치 변속기의 제1,2입력축, 제1,2출력축, 후진용 아이들 축, 디프렌셜 기어 및 모터 트랜스퍼 기어 등의 배치 조합 관계를 설명하는 도면,

도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 전기 차량용 듀얼 클러치 변속기의 제1단 작동 상태를 설명하는 다이어그램,

도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 전기 차량용 듀얼 클러치 변속기의 제2단 작동 상태를 설명하는 다이어그램,

도 5는 본 발명에 따른 하이브리드 전기 차량용 듀얼 클러치 변속기의 제3단 작동 상태를 설명하는 다이어그램,

도 6은 본 발명에 따른 하이브리드 전기 차량용 듀얼 클러치 변속기의 제4단 작동 상태를 설명하는 다이어그램,

도 7은 본 발명에 따른 하이브리드 전기 차량용 듀얼 클러치 변속기의 제5단 작동 상태를 설명하는 다이어그램,

도 8은 본 발명에 따른 하이브리드 전기 차량용 듀얼 클러치 변속기의 제6단 작동 상태를 설명하는 다이어그램.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 듀얼 클러치 101 : 제1입력축

102 : 제2입력축 201 : 제1출력축

202 : 제2출력축 203 : 제1출력기어

204 : 제2출력기어 206 : 디프렌셜 기어

208 : 파킹기어 210 : 후진 아이들축

212 : 후진 피동기어 214 : 제1후진용 매개기어

216 : 제2후진용 매개기어 300 : 모터

302 : 워터자켓 C1 : 제1클러치

C2 : 제2클러치 G1 : 제1구동기어

G2 : 제2구동기어 G3 : 제3구동기어

G4 : 제4구동기어 G5 : 제5구동기어

D1 : 제1피동기어 D2 : 제2피동기어

D3 : 제3피동기어 D4 : 제4피동기어

D5 : 제5피동기어 D6 : 제6피동기어

S1 : 제1싱크로 기구 S2 : 제2싱크로 기구

S3 : 제3싱크로 기구 S4 : 제4싱크로 기구

본 발명은 하이브리드 전기 차량용 듀얼 클러치 변속기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 듀얼 클러치를 이용함과 함께 2단 입력기어에 후진 및 모터 트랜스퍼 기어가 동시에 물리게 하는 등의 기어 조합을 통하여 엔진과 모터의 회전 구동력을 최적으로 변속할 수 있도록 한 하이브리드 전기 차량용 듀얼 클러치 변속기에 관한 것이다.

통상적으로서, 2개 이상의 동력원을 사용하는 하이브리드 전기 자동차는 엔진과 모터를 동력원으로 하여 다양한 동력 전달 구조를 구성할 수 있으며, 현재 하이브리드 차량의 대부분은 병렬형이나 직렬형의 동력전달 구성중 하나를 채택하고 있다.

직렬형은 엔진과 모터가 직결된 형태로서 병렬형에 비하여 상대적으로 구조가 간단하고, 제어로직이 간단하다는 장점은 있으나, 엔진으로부터의 기계적 에너지를 배터리에 저장하였다 다시 모터를 이용하여 차량을 구동하여야 하기 때문에 에너지 변환시의 효율 측면에서 불리하다는 문제점이 있으며, 반면에 병렬형 구조가 직렬형보다 상대적으로 복잡하고, 제어로직이 복잡하다는 단점은 있지만, 엔진의 기계적 에너지와 배터리의 전기 에너지를 동시에 사용할 수 있어 에너지를 효율적 사용할 수 있다는 장점이 있기 때문에 승용차등에 채택되고 있는 추세에 있다.

최근에는 엔진의 속도를 변속비 범위 내에서 차량의 속도에 관계없이 제어할 수 있도록 한 무단 변속기(CVT)가 하이브리드 전기 차량(HEV)용 변속기로서 주목을 받고 있다.

그러나, 금속벨트가 적용된 무단 변속기(CVT)는 다른 변속기에 비하여 상대적으로 큰 유압을 사용하기 때문에 무단 변속기의 우수한 기능적 장점에도 불구하고, 그 효율의 측면에서는 그리 좋지 못한 단점이 있다.

반면에, 듀얼 클러치 변속기(DCT; Dual Clutch Transmission)는 엔진으로부터 입력되는 회전력을 두 개의 클러치를 이용하여 두 개의 입력축에 선택적으로 전달하고, 이 두 개의 입력축 상에 배치되는 기어의 회전력을 이용하여 변속후 출력할 수 있도록 한 것으로서, 기존 수동변속기에 2개의 클러치 및 변속 자동화 조합 기구를 장착하여 수동변속기의 우수한 효율을 거의 유지하면서 자동변속기의 편리함을 제공하고 있다.

따라서, 상기한 무단 변속기(CVT)의 효율 문제를 극복하고자, 상기 듀얼 클러치 변속기(DCT)를 이용하여 상기 하이브리드 전기 차량의 변속 시스템을 최적으로 구성하는 것도 바람직하다 할 것이다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 연구된 결과로서, 엔진으로부터 입력되는 회전력을 두 개의 클러치를 이용하여 두 개의 입력축에 선택적으로 전달하고, 두 개의 입력축중 제1입력축상의 2단 입력을 위한 구동기어에 후진기어 및 모터와 연결된 모터 트랜스퍼 기어가 동시에 물리게 함으로써, 2개의 입력축 상에 배치되는 각 기어들의 회전력에 의거 엔진과 모터의 회전 구동력을 최적으로 변속할 수 있도록 한 전진 6속의 하이브리드 전기 차량용 듀얼 클러치 변속기를 제공하는데 주된 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 하이브리드 전기 차량용 듀얼 클러치 변속기에 있어서, 엔진의 회전력을 듀얼 매스 플라이 휠을 통하여 수신하는 제1 및 제2클러치로 이루어진 듀얼 클러치와; 상기 듀얼 클러치의 제1클러치와 연결되어 선택 회전하는 제1입력축과; 상기 제1입력축의 전단부 내경에 배치되면서 상기 듀얼 클러치의 제2클러치와 연결되어 선택 회전하는 제2입력축과; 상기 제1 및 제2입력축 각각에 적어도 2개 이상의 구동기어를 형성하여 구성되는 구동기어유닛과; 상기 제1 및 제2입력축으로부터 미리 설정된 거리로 이격되면서 평행하게 배열된 제1출력축과, 제1출력축상에 배열되는 복수개의 피동기어 및 제1출력기어으로 구성되어, 상기 제1 및 제2입력축 상의 각 구동기어의 회전력을 선택적으로 변속하여 전진 출력하는 제1출력장치와; 상기 제1,2입력축과 제1출력축으로부터 미리 설정된 거리로 이격되면서 평행하게 배열된 제2출력축 및 후진 아이들 축과, 상기 제2출력축상에 배열되는 복수개의 피동기어 및 제2출력기어와, 상기 후진 아이들축상에 배열된 후진용 매개기어로 구성되어, 상기 제1 및 제2입력축 상의 각 구동기어의 회전력을 선택적으로 변속하여 전진 및 후진 출력하는 제2출력장치와; 상기 제 1출력기어 및 제2출력기어에 공통적으로 연결되는 디프렌셜 기어와; 상기 제1입력축상의 구동기어들중 어느 하나와 트랜스퍼 기어로 연결되는 모터를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 차량용 듀얼 클러치 변속기를 제공한다.

바람직한 일 구현예로서, 상기 구동기어유닛은 제1입력축에 형성되는 제2,4구동기어와, 제2입력축에 형성되는 제1,3,5구동기어로 이루어진 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직한 일 구현예로서, 상기 제1,2,3,4,5구동기어는 엔진으로부터 제2구동기어, 제4구동기어, 제5구동기어, 제3구동기어, 제1구동기어의 순서로 배열되는 것을 특징으로 한다.

바람직한 다른 구현예로서, 상기 제1출력장치는:

상기 제1출력축과; 상기 제1출력축에 배치되어 제1입력축상의 제2,4구동기어에 각각 치합되는 제2 및 제4피동기어와; 상기 제2 및 제4피동기어 중 어느 하나의 회전력을 상기 제1출력축에 선택적으로 전달하기 위한 제2싱크로 기구와; 상기 제1출력축에 배치되어 제2입력축상의 제1,3구동기어에 각각 치합되는 제1,3피동기어와; 상기 제1,3피동기어 중 어느 하나의 회전력을 상기 제1출력축에 선택적으로 전달하기 위한 제1싱크로 기구와; 상기 디프렌셜 기어와 치합되면서 상기 제1출력축의 일끝에 형성되는 제1출력기어로 구성된 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직한 다른 구현예로서, 상기 제1출력장치의 제1출력축에는 자동변속기에 적용되는 파킹기어가 장착된 것을 특징으로 한다.

바람직한 또 다른 구현예로서, 상기 제2출력장치는:

상기 제2출력축 및 후진 아이들축과; 상기 제2출력축상에 배치되어 상기 제1입력축상의 제2구동기어에 치합되는 상기 후진 아이들축 상의 제1후진용 매개기어와; 상기 후진 아이들축상에 상기 제1후진용 매개기어와 이격 배치되는 제2후진용 매개기어와; 상기 제2후진용 매개기어에 치합되면서 상기 제2출력축에 배치되는 후진 피동기어; 상기 제2출력축상에 배치되어 상기 제1입력축상의 제4구동기어에 치합되는 제6피동기어와; 상기 제2출력축상에 배치되어 상기 제2입력축상의 제5구동기어와 치합되는 제5피동기어와; 상기 제5피동기어의 회전력을 상기 제2출력축에 선택적으로 전달하기 위한 제3싱크로 기구; 상기 제6피동기어 및 상기 후진 피동기어 중 어느 하나의 회전력을 상기 제2출력축에 선택적으로 전달하기 위한 제4싱크로 기구; 및 상기 디프렌셜 기어와 치합되어 상기 제2출력축의 일끝에 형성되는 제2출력기어로 구성된 것을 특징으로 한다.

바람직한 또 다른 구현예로서, 상기 제1입력축상의 구동기어들중 제2구동기어가 트랜스퍼 기어에 의하여 모터와 연결된 것을 특징으로 한다.

바람직한 또 다른 구현예로서, 상기 모터의 저부쪽 외경부에 모터 열방출을 위한 강제수냉용 워터 자켓이 형성된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

잘 알려진 바와 같이, 듀얼 클러치 변속기는 수동변속기 내에 두 개의 클러치 기구(clutch device)를 포함하는 변속기를 말하며, 엔진으로부터 입력되는 회전력을 두 개의 클러치를 이용하여 두 개의 입력축으로 선택적으로 전달하고, 이 두 개의 입력축 상에 배치되는 기어의 회전력을 이용하여 변속 후 출력한다.

본 발명은 따른 듀얼 클러치 변속기는 엔진과 모터로 이루어지는 2개의 구동원을 갖는 하이브리드 전기 차량에 탑재할 수 있도록 개발된 것이다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 전기 차량용 듀얼 클러치 변속기의 구성을 나타내는 다이어그램이고, 도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 전기 차량용 듀얼 클러치 변속기의 제1,2입력축, 제1,2출력축, 후진용 아이들 축, 디프렌셜기어 및 모터 트랜스퍼 기어 등의 배치 및 치합 관계의 궤적을 설명하는 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 엔진의 회전력을 듀얼 매스 플라이 휠(DMF)을 통하여 수신하는 듀얼 클러치(100)가 엔진측에 배치된다.

상기 듀얼 클러치(100)로부터 제1입력축(101) 및 제2입력축(102)이 서로 평행을 이루며 연장되는 바, 제1입력축(101)이 보다 짧게 연장되고, 보다 긴 길이를 갖는 제2입력축(102)은 제1입력축(101)의 전단부 내경에 배치된다.

상기 듀얼 클러치(100)중 제1클러치(C1)가 작동되면 엔진의 회전력이 상기 제1입력축(101)에 전달되고, 제2클러치(C2)가 작동되면 엔진의 회전력이 제2입력축(102)에 전달된다.

상기 제1입력축(101) 및 제2입력축(102)에는 각각 적어도 2개 이상의 구동기어가 장착되는 바, 상기 제1입력축(101)에는 제2,4구동기어(G2,G4)가, 상기 제2입력축(102)에는 제1,3,5구동기어(G1,G3,G5)가 장착된다.

이러한 구동기어들의 배열 관계를 보면, 본 발명의 바람직한 실시예로서 상기 제1,2,3,4,5구동기어가 엔진으로부터 순서대로 배열되되, 상기 제2구동기 어(G2), 제4구동기어(G4), 제5구동기어(G5), 제3구동기어(G3), 제1구동기어(G1)의 순서로 배열된다.

즉, 상기 제1입력축(101)에는 제2구동기어(G2)와 제4구동기어(G4)가 엔진으로부터 순서대로 장착되고, 상기 제2입력축(102)에는 제5구동기어(G5) 및 제3구동기어(G3), 제1구동기어(G1)의 순서로 장착된다.

이때, 상기 제1입력축(101)상의 구동기어들중 제2구동기어(G2)가 한 쌍의 트랜스퍼 기어(TG)에 의하여 모터(103)와 연결된다.

여기서, 본 발명에 따른 듀얼 클러치 변속기의 제1 및 제2입력축의 각 구동기어의 회전력을 선택적으로 출력하는 제1출력장치를 설명하면 다음과 같다.

상기 제1출력장치는 제1 및 제2입력축(101,102)으로부터 미리 설정된 거리로 이격되면서 제1 및 제2입력축(101,102)과 평행하게 배치되는 제1출력축(201)과, 이 제1출력축(201)상에 배열되는 복수개의 피동기어 및 제1출력기어(203) 등으로 구성된다.

상기 복수개의 피동기어중 상기 제1출력축(201)에 제2 및 제4피동기어(D2,D4)가 배치되며, 이 제2 및 제4피동기어(D2,D4)는 각각 제1입력축(101)상의 제2,4구동기어(G2,G4)에 치합된다.

상기 제1출력장치는 상기 제1입력축(101)상의 제2 및 제4피동기어(D2,D4) 중 어느 하나의 회전력을 상기 제1출력축(201)에 선택적으로 전달하기 위한 제2싱크로 기구(S2)를 포함한다.

또한, 상기 제1출력장치의 일 구성으로서, 제1 및 제3피동기어(D1,D3)가 상 기 제1출력축(201)에 배치됨과 함께 상기 제2입력축(102)상의 제1,3구동기어(D1,D3)에 각각 치합되고, 제1싱크로 기구(S1)가 상기 제1,3피동기어(D1,D3) 중 어느 하나의 회전력을 상기 제1출력축(201)에 선택적으로 전달하기 위한 구성으로 포함된다.

이때, 상기 제1출력장치의 일 구성으로서, 제1출력축(201)의 일끝에 제1출력기어(203)가 장착되는 바, 이 제1출력기어(203)는 후술하는 제2출력기어(204)와 함께 디프렌셜 기어(206)에 치합되는 상태가 되고, 상기 제1,2,3,4피동기어(D1,D2,D3,D4)에서 선택 변속된 상기 제1,2,3,4구동기어(G1,G2,G3.G4)의 회전력을 디프렌션 기어(206)로 출력하게 된다.

한편, 상기 제1출력장치의 제1출력축(201)의 소정 위치에는 자동변속기에 적용되는 파킹기어(208)가 장착되어, 파킹 위치에서 시동을 걸 수 있도록 한 자동변속기의 시동 온/오프 등과 관련된 기능을 동일하게 수행하게 된다.

여기서, 본 발명에 따른 듀얼 클러치 변속기의 제1 및 제2입력축의 각 구동기어의 회전력을 선택적으로 출력하는 제2출력장치를 설명하면 다음과 같다.

상기 제2출력장치는 제2출력축(202) 및 후진 아이들 축(210)과, 이 제2출력축(202)상에 배열되는 피동기어들 및 제2출력기어(204)와, 후진 작동을 위한 기구들로 구성된다.

상기 제2출력축(202) 및 후진 아이들 축(210)은 상기 제1,2입력축(101,102)과 제1출력축(201)으로부터 미리 설정된 거리로 이격되면서 서로 평행하게 배열된다.

상기 제2출력축(202)상에는 엔진쪽으로부터 후진 피동기어(212)와, 제6피동기어(D6)와, 제5피동기어(D5)가 순서대로 배열되며, 상기 후진 아이들축(210)에는 제 1 및 제2후진용 매개기어(214,216)가 이격 배치된다.

이때, 상기 후진 아이들축(210)상의 제1후진용 매개기어(214)는 상기 제1입력축(101)상의 제2구동기어(G2)와 치합되고, 상기 제2후진용 매개기어(216)는 제2출력축(202)상의 후진 피동기어(212)와 치합된다.

특히, 상기 제2출력축(202)상의 제6피동기어(D6)는 상기 제1입력축(101)상의 제4구동기어(G4)에 치합되며, 전술한 바와 같이 제4구동기어(G4)는 제1출력축(201)상의 제4피동기어(D4)와도 치합된 상태가 된다.

또한, 상기 제2출력축(202)상의 제5피동기어(D5)는 상기 제2입력축(102)상의 제5구동기어(G5)와 치합된다.

상기 제2출력장치의 일 구성으로서, 제2출력축(202)의 일끝에 제2출력기어(204)가 장착되는 바, 이 제2출력기어(204)는 전술한 제1출력기어(203)와 함께 디프렌셜 기어(206)에 치합되는 상태가 되고, 상기 제5,6 피동기어(D5,D6) 및 후진 피동기어(212)에서 선택 변속된 상기 제2,4,5구동기어(G2,G4,G5)의 회전력을 디프렌션 기어(206)로 출력하게 된다.

또한, 상기 제5피동기어(D5)의 일측에는 그 회전력을 상기 제2출력축(202)에 선택적으로 전달하기 위한 제3싱크로 기구(S3)가 배치되고, 상기 후진 피동기어(212) 및 제6피동기어(D6)의 사이에는 제6피동기어(D6) 또는 후진 피동기어(212) 중 어느 하나의 회전력을 상기 제2출력축(202)에 선택적으로 전달하기 위한 제4싱 크로 기구(S4)가 배치된다.

여기서, 상기 제1,2,3,4싱크로 기구(S1,S2,S3,S4)의 구체적인 구조 및 동작은 통상적인 수동변속기의 포크에 의해 작동되는 싱크로 기구로부터 당업자가 자명하게 이해할 수 있을 것이다.

본 발명의 주된 특징으로서, 상기 제1입력축(101)상의 구동기어들중 제2구동기어(G2)가 모터 트랜스퍼 기어(TG)를 매개로 모터(300)와 연결되며, 이 제2구동기어(G2)는 제1입력축(101)에 리지드(rigid)하게 결합되어 엔진 및 모터로부터의 동력을 동시에 받게 된다.

결국, 상기 제2구동기어(G2), 즉 2단 입력(INPUT) 기어는 제2피동기어(D2) 와 후진 피동기어(212: REVERSE GEAR)와, 모터 트랜스퍼 기어(TG)와 동시에 물려서 작동하게 된다.

한편, 상기 모터(200)는 차량의 패키지 구성의 용이성을 위하여 프론트(FRONT)방향 및 변속기 중심에서 상향 방향에 위치하게 되며, 상기 모터(300)의 저부쪽 외경부에는 모터 열방출을 위한 강제수냉용 워터 자켓(302)을 형성하여, 모터 구동에 따른 열이 강제 수냉에 의하여 방출될 수 있도록 한다.

이와 같은 본 발명의 하이브리드 전기 차량용 듀얼 클러치 변속기는 2개의 입력축상의 총 5개의 구동기어로 전진 6속 및 후진 1속을 포함하여 총 7속의 변속을 구현할 수 있다.

이하, 상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 하이브리드 차량용 듀얼 클러치 변속기의 각 변속 동작을 설명하기로 한다.

첨부한 도 3 내지 도 9는 본 발명에 따른 하이브리드 전기 차량용 듀얼 클러치 변속기의 각 단별 작동 상태를 설명하는 다이어그램으로서, 아래쪽에서 바라본 것으로 도시된 도 1의 동력전달계통도와 반대로 위에서 바라 본 것으로 이해해야 할 것이다.

- 엔진의 회전력만 이용하는 제1속 -

엔진의 회전력을 이용하는 제1속으로의 변속은, 상기 제1싱크로 기구(S1)를 도 3에서 보듯이 우측으로 작동(ON)되게 하여, 상기 제1피동기어(D1)와 제1출력축(201)을 동기 속도로 체결함과 함께, 상기 제2클러치(C2)가 동작하여 제1속을 이루게 된다.

이에, 상기 제2입력축(102)의 회전력이 서로 치합된 제1구동기어(G1) 및 제1피동기어(D1)를 통해 제1출력축(201)에 전달됨과 함께 제1출력기어(203)를 통해 디프렌셜 기어(206)로 출력된다.

- 엔진의 회전력만 이용하는 제2속 -

엔진의 회전력을 이용하는 제2속은, 상기 제2싱크로 기구(S2)가 도 4의 좌측으로 작동(ON)되게 하여, 상기 제2피동기어(D2)와 제1출력축(201)을 동기 속도로 체결한 다음, 제2클러치(C2)가 해제되면서 제1클러치(C1)가 동작하여 제2속을 이루게 된다.

물론, 상기 제1싱크로 기구(S1)는 중립(OFF)으로 이동하여 상기 제1피동기어(D1)와 제1출력축(201)의 체결 상태가 해제된다.

이에, 상기 제1입력축(101)의 회전력이 서로 치합된 제2구동기어(G2) 및 제2 피동기어(D2)를 통해 제1출력축(201)에 전달됨과 함께 제1출력기어(203)를 통해 디프렌셜 기어(206)로 출력된다.

- 엔진의 회전력만 이용하는 제3속 -

엔진의 회전력을 이용하는 제3속은, 상기 제1싱크로 기구(S1)가 도 5의 좌측으로 작동(ON)되게 하여, 상기 제3피동기어(D3)와 제1출력축(201)을 동기 속도로 체결하고, 제1클러치(C1)가 해제되면서 제2클러치(C2)가 동작하여 제3속을 이루게 된다.

이에, 상기 제2입력축(102)의 회전력이 서로 치합된 제3구동기어(G3) 및 제3피동기어(D3)를 통해 제1출력축(201)에 전달됨과 함께 제1출력기어(203)를 통해 디프렌셜 기어(206)로 출력된다.

- 엔진의 회전력만 이용하는 제4속 -

엔진의 회전력을 이용하는 제4속은, 상기 제2싱크로 기구(S2)가 도 6의 우측으로 작동(ON)되게 하여, 상기 제4피동기어(D4)와 제1출력축(201)을 동기 속도로 체결하고, 제2클러치(C2)가 해제되면서 제1클러치(C1)가 동작하여 제4속을 이루게 된다.

물론, 상기 제1싱크로 기구(S1)는 중립(OFF)으로 이동하여 상기 제3피동기어(D3)와 제1출력축(201)의 체결 상태가 해제된다.

이에, 상기 제1입력축(101)의 회전력이 서로 치합된 제4구동기어(G4) 및 제4피동기어(D4)를 통해 제1출력축(201)에 전달됨과 함께 제1출력기어(203)를 통해 디프렌셜 기어(206)로 출력된다.

- 엔진의 회전력만 이용하는 제5속 -

엔진의 회전력을 이용하는 제5속은, 상기 제3싱크로 기구(S3)가 도 7의 좌측으로 작동(ON)되게 하여, 상기 제5피동기어(D5)와 제2출력축(202)을 동기 속도로 체결하면서, 제1클러치(C1)가 해제되면서 제2클러치(C2)가 동작하여 제5속을 이루게 된다.

이에, 상기 제2입력축(102)의 회전력이 서로 치합된 제5구동기어(G5) 및 제5피동기어(D5)를 통해 제2출력축(202)에 전달됨과 함께 제2출력기어(204)를 통해 디프렌셜 기어(206)로 출력된다.

- 엔진의 회전력만 이용하는 제6속 -

엔진의 회전력을 이용하는 제6속은, 상기 제4싱크로 기구(S4)가 도 8의 우측으로 작동(ON)되게 하여, 상기 제6피동기어(D6)와 제2출력축(202)을 동기 속도로 체결하면서, 제2클러치(C2)가 해제되면서 제1클러치(C1)가 동작하여 제4속을 이루게 된다.

물론, 상기 제3싱크로 기구(S3)는 중립(OFF)으로 이동하여 상기 제5피동기어(D5)와 제2출력축(202)의 체결 상태가 해제된다.

이에, 상기 제1입력축(101)의 회전력이 서로 치합된 제4구동기어(G4) 및 제6피동기어(G6)를 통해 제2출력축(202)에 전달됨과 함께 제2출력기어(204)를 통해 디프렌셜 기어(206)로 출력된다.

- 후진 -

상기 제4싱크로 기구(S4)가 도 8의 좌측으로 작동(ON)되게 하여, 상기 후진 피동기어(R6)와 제2출력축(202)을 동기 속도로 체결하고, 제2클러치(C2)가 해제되면서 제1클러치(C1)가 동작하여 이루어지게 된다.

즉, 제1클러치(C1)의 작동으로 제1입력축(101이 회전하고, 동시에 제1입력축(101)상의 제2구동기어(G2)가 회전을 하게 되는 바, 도 1에 도시된 바와 같이 상기 제2구동기어(G2)의 회전력이 제2구동기어(G2)와 치합된 상기 후진 아이들축(201) 상의 제1후진용 매개기어(214) 및 이 제1후진용 매개기어(214)와 이격 배치되는 제2후진용 매개기어(216)를 통하여 상기 후진 피동기어(212) 및 제2출력축(202)으로 전달되어, 결국 제2출력기어(204)를 통해 디프렌셜 기어(206)로 출력된다.

이와 같이, 엔진동력만을 전달하는 제1,2,3,4,5,6 및 R단으로의 변속 과정은 해당 싱크로 기구가 해당 변속단의 피동기어를 해당 출력축에 연결하고, 제1,2클러치(C1,C2)를 서로 교번 작동시키면서, 유단의 변속과정을 이루게 되는 것이다.

이에, 인접한 변속단으로의 변속 과정에서 해제될 클러치의 해제 타이밍과, 결합된 클러치의 결합 타이밍을 조절함으로써, 반클러치 상태 등 수동변속기에서 운전자가 조작할 수 있는 각종의 조작 형태를 구현할 수 있게 된다.

이하, 본 발명에 따른 하이브리드 전기 차량용 듀얼 클러치 변속기의 주요 모드별 작동방법을 설명하기로 한다.

하이브리드 전기 차량용 듀얼 클러치 변속기의 주요 주행모드는 주지된 바와 같이, 모터 동력만을 이용하는 순수 전기자동차 모드인 EV(electric vehicle)모드와, 엔진의 회전력을 주동력으로 하면서 상기 모터의 회전력을 보조 동력으로 이용 하는 보조모드인 HEV(hybrid electric vehicle)모드와, 차량의 제동 혹은 관성에 의한 주행시 차량의 제동 및 관성 에너지를 상기 모터에서 발전을 통하여 회수하여 배터리(미도시)에 충전하는 회생제동(RB: Regenerative Braking)모드로 이루어진다.

- EV(electric vehicle)모드 -

상기 EV(Electric Vehicle)모드는, 도 10에 도시된 바와 같이 차량 및 엔진이 정지되고 제1,2클러치(C1,C2)가 해제된 상태에서 이루어지며, 특히 본 발명에 따른 듀얼 클러치 변속기는 2단/4단/6단으로 선택하여 사용할 수 있다.

2단의 경우, 제2싱크로 기구(S2)에 의하여 제2피동기어(D2)와 제1출력축(201)이 체결되고, 배터리 전원으로 모터(300)가 구동하게 되면, 모터(300)의 동력이 제2구동기어(G2) 및 제2피동기어(D2)를 통해 제1출력축(201)으로 전달됨과 함께 제1출력기어(204)를 통해 디프렌셜 기어(206)로 출력된다.

4단 및 6단의 경우에도 도 10에 화살표로 지시된 경로를 따라 모터(300)의 동력이 각각 제1 또는 제2출력축(201,202)으로 전달될 수 있으나, 차량 및 엔진이 정지된 상태에서 초기 차량의 구동이 모터(300)에 의해 이루어지기 때문에 2단 변속단까지 모터(300)에 의하여 차량이 구동되는 작동 패턴을 유지하는 것이 바람직하고, 또한 4단 및 6단에 따른 모터 동력은 후술하는 HEV모드에서 엔진 동력과 병합하여 사용하는 것이 바람직하다.

한편, 차량의 초기 출발시, 배터리의 충전상태(SOC)가 충분하지 않을 경우에는, 모터(300)는 차량을 구동시키지 않고, 바로 엔진을 시동시키고 엔진에 의하여 출발 및 주행하게 된다.

- HEV(hybrid electric vehicle)모드 -

본 발명에 따른 하이브리드 차량용 듀얼 클러치 변속기의 HEV 모드는 엔진 구동을 메인으로 하고, 많이 사용하는 단에서 보조 개념으로 사용하는 것이 바람직하고, 짝수단 변속시에는 토크 변동이 없도록 잠시 모터를 정지시킨 다음 변속을 해야 한다.

첨부한 도 3 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 각 변속단마다 모터 동력을 보조로 사용할 수 있으나, 본 발명에 따른 HEV 모드의 이해를 돕기 위하여 HEV모드 3단 주행시를 예로 들어 설명하면 다음과 같다.

상기 EV모드 주행 상태로 차량이 주행하는 중, 변속이 3단 변속단으로 결정되면, 첨부한 도 3에 도시된 바와 같이 상기 제1클러치(C1)는 해제, 제2클러치(C2)는 작동인 상태가 되면서 상기 제1싱크로 기구(S1)가 제3피동기어(D3)와 연결되고, 제2싱크로 기구(S2)는 제4피동기어(D4)와 연결된 상태로 된다.

이때, 상기 엔진의 동력은 제2입력축(202)상의 제3구동기어(G3) 및 이와 맞물린 제3피동기어(D3)로 전달된 다음, 제1출력축(101)의 제1출력기어(203)를 통해 디프렌셜 기어(206)로 출력되고, 상기 모터(300)의 동력은 트랜스퍼 기어(TG)를 통하여 제2구동기어(G2)를 통해 제1입력축(101)으로 전달된 다음, 제1입력축(101)상의 제4구동기어(G4) 및 이와 맞물린 제4피동기어(D4)로 전달되어, 제1출력축(201)의 제1출력기어(203)를 통해 디프렌셜 기어(206)로 출력된다.

이와 같이, 차량이 엔진의 회전력과 모터의 보조 회전력에 의해 구동되는데, 상기 엔진의 회전력을 주동력으로 하여, 운전자의 엑셀 페달 가압량 및 현재 차속에서의 변속단에 따라 상기 모터의 동력 보조를 결정하는 작동 패턴을 갖는다.

상기 모터(300)에 의한 동력 보조의 구체적 제어는 운전자의 엑셀 페달 가압량 및 현재 차속에서의 변속단 등에 의하여 달라질 수 있으며, 이는 컨트롤러(미도시)의 제어로직으로 구체화될 수 있을 것이나, 그 구체적인 제어로직은 생략하기로 한다.

- 회생제동(RB: Regenerative Braking) 모드 -

상기 회생제동 모드는 차량이 제동에 의한 감속 혹은 관성에 의하여 타력 주행을 하는 경우에 모든 단에서 이루어질 수 있다.

즉, 현재 차속에서의 변속단에 따라 상기 모터에서 발전을 통하여 차량의 제동 및 관성 에너지를 회수하여 배터리에 충전하는 작동 패턴을 갖는다.

이때, 상기 모터(300)의 발전 효율이 가장 좋은 영역에서 발전이 되도록 모터의 구동점을 제어해 줄 필요가 있는데, 현재 차속에서의 변속단에 의하여 결정되도록 컨트롤러(미도시)의 제어로직으로 구체화될 수 있다.

상기 RB(회생제동; Regenerative Braking)모드의 일례로서, 상기 모터(300)로의 제동 및 관성 에너지의 입력은 차륜(미도시)으로부터의 회전력이 디프렌셜 기어(206), 제1출력기어(203), 제1출력축(201), 제1출력축(201)상의 제2피동기어(D2), 제1입력축(101)상의 제2구동기어(G2), 모터 트랜스퍼 기어(TG) 순으로 이루어진다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 하이브리드 전기 차량용 듀얼 클러치 변속기 및 그 모드별 구동 방법은 다음과 같은 효과를 제공한다.

1) 두 개의 입력축중 제1입력축상의 2단 입력을 위한 구동기어에 후진기어 및 모터와 연결된 모터 트랜스퍼 기어가 동시에 물리게 함으로써, 엔진과 모터의 회전 구동력을 최적으로 변속할 수 있는 하이브리드 변속기를 제공함과 더불어, HV/HEV/회생제동 등의 모드별 작동방법을 제공함으로써, 종래의 무단 변속기에 비하여 하이브리드용 변속기로 유용하게 적용될 수 있다.

2) 듀얼 클러치 변속기를 적용함에 따른 엔진과 모터의 동력을 다양한 작동 패턴을 갖는 모드별로 운용이 가능하고, 기존 수동변속기에 2개의 클러치 및 변속 자동화 기구를 장착하여 수동변속기의 우수한 효율을 거의 유지하면서도 자동변속기의 편리함을 제공할 수 있다.

Claims (8)

  1. 하이브리드 전기 차량용 듀얼 클러치 변속기에 있어서,
    엔진의 회전력을 듀얼 매스 플라이 휠을 통하여 수신하는 제1 및 제2클러치로 이루어진 듀얼 클러치와;
    상기 듀얼 클러치의 제1클러치와 연결되어 선택 회전하는 제1입력축과;
    상기 제1입력축의 전단부 내경에 배치되면서 상기 듀얼 클러치의 제2클러치와 연결되어 선택 회전하는 제2입력축과;
    상기 제1 및 제2입력축 각각에 적어도 2개 이상의 구동기어를 형성하여 구성되는 구동기어유닛과;
    상기 제1 및 제2입력축으로부터 미리 설정된 거리로 이격되면서 평행하게 배열된 제1출력축과, 제1출력축상에 배열되는 복수개의 피동기어 및 제1출력기어으로 구성되어, 상기 제1 및 제2입력축 상의 각 구동기어의 회전력을 선택적으로 변속하여 전진 출력하는 제1출력장치와;
    상기 제1,2입력축과 제1출력축으로부터 미리 설정된 거리로 이격되면서 평행하게 배열된 제2출력축 및 후진 아이들 축과, 상기 제2출력축상에 배열되는 복수개의 피동기어 및 제2출력기어와, 상기 후진 아이들축상에 배열된 후진용 매개기어로 구성되어, 상기 제1 및 제2입력축 상의 각 구동기어의 회전력을 선택적으로 변속하여 전진 및 후진 출력하는 제2출력장치와;
    상기 제1출력기어 및 제2출력기어에 공통적으로 연결되는 디프렌셜 기어와;
    상기 제1입력축상의 구동기어들중 어느 하나와 트랜스퍼 기어로 연결되는 모터;
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 차량용 듀얼 클러치 변속기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 구동기어유닛은 제1입력축에 형성되는 제2,4구동기어와, 제2입력축에 형성되는 제1,3,5구동기어로 이루어진 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 차량용 듀얼 클러치 변속기.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제1,2,3,4,5구동기어는 엔진으로부터 제2구동기어, 제4구동기어, 제5구동기어, 제3구동기어, 제1구동기어의 순서로 배열되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 차량용 듀얼 클러치 변속기.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제1입력축상의 구동기어들중 제2구동기어가 트랜스퍼 기어에 의하여 모 터와 연결된 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 차량용 듀얼 클러치 변속기.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1출력장치는:
    상기 제1출력축과;
    상기 제1출력축에 배치되어 제1입력축상의 제2,4구동기어에 각각 치합되는 제2 및 제4피동기어와;
    상기 제2 및 제4피동기어 중 어느 하나의 회전력을 상기 제1출력축에 선택적으로 전달하기 위한 제2싱크로 기구와;
    상기 제1출력축에 배치되어 제2입력축상의 제1,3구동기어에 각각 치합되는 제1,3피동기어와;
    상기 제1,3피동기어 중 어느 하나의 회전력을 상기 제1출력축에 선택적으로 전달하기 위한 제1싱크로 기구와;
    상기 디프렌셜 기어와 치합되면서 상기 제1출력축의 일끝에 형성되는 제1출력기어로 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 차량용 듀얼 클러치 변속기.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1출력장치의 제1출력축에는 자동변속기에 적용되는 파킹기어가 장착 된 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 차량용 듀얼 클러치 변속기.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2출력장치는:
    상기 제2출력축 및 후진 아이들축과;
    상기 제2출력축상에 배치되어 상기 제1입력축상의 제2구동기어에 치합되는 상기 후진 아이들축 상의 제1후진용 매개기어와;
    상기 후진 아이들축상에 상기 제1후진용 매개기어와 이격 배치되는 제2후진용 매개기어;
    상기 제2후진용 매개기어에 치합되면서 상기 제2출력축에 배치되는 후진 피동기어;
    상기 제2출력축상에 배치되어 상기 제1입력축상의 제4구동기어에 치합되는 제6피동기어와;
    상기 제2출력축상에 배치되어 상기 제2입력축상의 제5구동기어와 치합되는 제5피동기어와;
    상기 제5피동기어의 회전력을 상기 제2출력축에 선택적으로 전달하기 위한 제3싱크로 기구;
    상기 제6피동기어 및 상기 후진 피동기어 중 어느 하나의 회전력을 상기 제2출력축에 선택적으로 전달하기 위한 제4싱크로 기구; 및
    상기 디프렌셜 기어와 치합되어 상기 제2출력축의 일끝에 형성되는 제2출력기어로 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 차량용 듀얼 클러치 변속기.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 모터의 저부쪽 외경부에 모터 열방출을 위한 강제수냉용 워터 자켓이 형성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 차량용 듀얼 클러치 변속기.
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