KR101028400B1 - 하이브리드 구동의 무단변속장치와 이를 갖춘 하이브리드자동차 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 엔진과 모터로부터 각각 발생하는 구동력을 적절하게 이용하여 차량을 구동하는 하이브리드 자동차에 있어, 엔진과 모터로부터 각각 발생된 구동력을 무단의 변속비로 출력하여 이를 매개로 좌/우측 구동 차륜을 각각 독립적으로 구동하고, 변속의 과정에서 동력 전달의 효율 저하를 방지함과 더불어 구동 계통에서의 불필요한 마찰에 의한 내구의 저하 문제를 해소할 수 있도록 하는 데 그 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 연료의 연소에 의해 구동력을 생성하는 엔진과; 배터리의 충전 전원에 의해 구동됨과 더불어 상기 배터리의 충전을 도모하는 제1,제2 모터&발전기유닛; 상기 엔진과 상기 제1,제2 모터&발전기유닛으로부터 각각 구동력을 개별적으로 입력받아 이를 출력하는 유성기어세트 및; 상기 유성기어세트로부터 입력되는 구동력을 개별적으로 출력하는 구동측 제1,제2 출력기어를 갖추고; 상기 유성기어세트는 상기 엔진의 출력측과 연결되는 입력축에 설치되는 선기어와, 상기 선기어를 공유하도록 치합되는 다수의 제1,제2 피니언기어, 상기 다수의 제1,제2 피니언기어를 각각 연결하여 구동력을 개별적으로 분산하여 출력하는 제1,제2 캐리어 및, 상기 제1,제2 피니언기어와 각각 외접하는 제1,제2 링기어를 구비하며; 상기 제1,제2 링기어에는 상기 제1,제2 모터&발전기유닛이 각각 개별적으로 연결되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.
하이브리드, 무단, 변속, 독립, 구동
Description
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 구동의 무단변속장치를 갖춘 하이브리드 자동차의 구성을 개략적으로 도시한 도식도.
도 2는 도 1에 도시된 하이브리드 구동의 무단변속장치를 갖춘 차량에 있어, 기동시 동력의 전달 관계를 설명하는 도면.
도 3은 도 1에 도시된 하이브리드 구동의 무단변속장치를 갖춘 차량에 있어, 엔진의 시동시 동력의 전달 관계를 설명하는 도면.
도 4는 도 1에 도시된 하이브리드 구동의 무단변속장치를 갖춘 차량에 있어, 엔진 구동에 따른 정속 주행시 동력의 전달 관계를 설명하는 도면.
도 5는 도 1에 도시된 하이브리드 구동의 무단변속장치를 갖춘 차량에 있어, 고속 및 등판로 주행시 동력의 전달 관계를 설명하는 도면.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
1-엔진 3-배터리
5,7-모터&발전기유닛 9-유성기어세트
11,13-구동측 출력기어 12-입력축
15-엔진제어유닛 17-모터제어유닛
19-시스템제어유닛 21-입력유닛
23-인버터 24-브레이크 장치
25-중공축 27-중실축
29,31-차동측 입력기어 33,35-차동측 출력기어
37,39-차동축 41,43-체인
45,47-종감속 중간기어 49,51-종감속축
본 발명은 무단변속장치를 갖춘 하이브리드 자동차에 관한 것으로, 보다 상세하게는 엔진과 모터로부터 발생된 구동력을 무단의 변속비로 출력하여 좌/우측 구동 차륜을 독립적으로 구동할 수 있도록 하는 하이브리드 자동차에 적용되는 무단변속장치에 관한 것이다.
일반적으로 무단변속장치(stepless speed change gear system)는 구동축에 전달된 구동력과 회전속도를 종동축에 단계가 없이 연속적으로 변화시켜 전달할 수 있도록 하는 변속장치인 바, 대표적 무단변속장치의 일례로는 벨트와 가변 풀리를 이용하는 방식의 무단변속기(CVT;continuously variable transmission)와, 금속 롤러와 레이스를 사용하여 금속 롤러와 레이스 사이의 동력전달에 도모하는 방식의 토로이달 변속기(toroidal transmission) 및, 정유압 장치를 이용하는 방식의 기계-유압식의 변속기(hydro-mechanical transmission) 등이 있다.
그 중에서 무단변속기의 기계적 구성은 고정측과 가동측으로 구분되면서 상호 마주 보는 형태인 한 쌍의 쉬브(sheave)를 각각 구동 풀리와 종동 풀리로 설치하고, 이들 사이에 금속재의 벨트를 걸어 구동 풀리와 종동 풀리 사이에 대한 유효 직경에 변화를 주어 임의의 회전비를 얻도록 한 것이다.
그런데, 종래 무단변속기의 경우에는 고속/고토오크로의 동력 전달시 풀리와 벨트 사이의 마찰면에서 슬립이 발생하게 되어 동력 전달의 효율이 저하되는 문제가 있었으며, 이를 개선하기 위해서는 풀리와 벨트 사이의 접촉 압력를 증대시켜야 하나, 이는 접촉 부위에 대한 마모를 초래하여 내구성을 저하시키게 되는 문제로 귀결되어 왔다. 이러한 문제는 상기 토로이달 변속기에도 동일하게 발생되는 것이다.
따라서, 고속/고 토오크로의 동력 전달시 마찰의 의한 동력 전달의 효율 저하에 대한 문제와 그에 따른 부품의 내구 문제를 동시에 해결할 수 있도록 하는 새로운 형태의 무단변속장치에 대한 개발이 요구되는 실정이다.
한편, 연료의 연소에 의해 기관의 구동이 이루어져 구동력을 발생시키는 기 존의 내연기관에서는 연소후 배출되는 배기가스중 포함된 유해성분에 의해 환경이 오염되는 문제가 있어 왔다.
이에 따라, 최근에는 상기와 같은 환경 문제를 해결함과 더불어, 연비의 향상 등을 위해 연소의 연소에 의한 구동력의 생성과 함께 전기적 에너지에 의한 구동력의 생성을 동시에 구현할 수 있도록 하는 이른 바 하이브리드 자동차(hybrid vehicle)의 개발이 있어 왔다.
그런데, 하이브리드 자동차의 경우에 있어 변속장치로 채택되는 무단변속장치는 주로 풀리와 벨트 사이의 유효 직경의 변화에 따라 무단의 변속비를 구현하는 무단변속기를 채택하고 있는 바, 이러한 무단변속기의 경우에는 상기 언급한 바와 같이, 동력의 전달시 풀리와 벨트 사이의 마찰면에서 발생하는 슬립에 의한 동력 전달의 효율 저하와 접촉 부위에서 발생되는 마찰에 따른 부품의 마모에 의한 내구의 저하 등이 문제로 대두되고 있다.
이에 본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 엔진과 모터로부터 각각 발생하는 구동력을 적절하게 이용하여 차량을 구동하는 하이브리드 자동차에 있어, 엔진과 모터로부터 각각 발생된 구동력을 무단의 변속비로 출력하여 이를 매개로 좌/우측 차륜을 각각 독립적으로 구동하고, 변속의 과정에서 동력 전달의 효율 저하를 방지함과 더불어 구동 계통에서의 불필요한 마찰에 의한 내구의 저하 문제를 해소할 수 있도록 하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 연료의 연소에 의해 구동력을 생성하는 엔진과;
배터리의 충전 전원에 의해 구동됨과 더불어 상기 배터리의 충전을 도모하는 제1,제2 모터&발전기유닛;
상기 엔진과 상기 제1,제2 모터&발전기유닛으로부터 각각 구동력을 개별적으로 입력받아 이를 출력하는 유성기어세트 및;
상기 유성기어세트로부터 입력되는 구동력을 개별적으로 출력하는 구동측 제1,제2 출력기어를 갖추고;
상기 유성기어세트는 상기 엔진의 출력측과 연결되는 입력축에 설치되는 선기어와, 상기 선기어를 공유하도록 치합되는 다수의 제1,제2 피니언기어, 상기 다수의 제1,제2 피니언기어를 각각 연결하여 구동력을 개별적으로 분산하여 출력하는 제1,제2 캐리어 및, 상기 제1,제2 피니언기어와 각각 외접하는 제1,제2 링기어를 구비하며;
상기 제1,제2 링기어에는 상기 제1,제2 모터&발전기유닛이 각각 개별적으로 연결되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 연료의 연소에 의해 구동력을 생성하는 엔진과;
배터리의 충전 전원에 의해 구동됨과 더불어 상기 배터리의 충전을 도모하는 제1,제2 모터&발전기유닛;
상기 엔진의 출력측과 연결되는 입력축에 설치되는 선기어와, 상기 선기어를 공유하도록 치합되는 다수의 제1,제2 피니언기어, 상기 제1,제2 피니언기어를 각각 연결하여 구동력을 개별적으로 분산하여 출력하는 제1,제2 캐리어 및, 상기 제1,제2 피니언기어와 각각 외접하면서 상기 제1,제2 모터&발전기유닛과 개별적으로 연결되는 제1,제2 링기어를 갖추고서, 상기 엔진과 상기 제1,제2 모터&발전기유닛으로부터 각각 구동력을 개별적으로 입력받아 이를 출력하는 유성기어세트;
상기 유성기어세트로부터 입력되는 구동력을 개별적으로 출력하는 구동측 제1,제2 출력기어;
상기 구동측 제1,제2 출력기어와 연동하는 차동측 제1,제2 입력기어;
상기 차동측 제1,제2 입력기어와 연동하는 차동측 제1,제2 출력기어;
상기 차동측 제1,제2 출력기어와 연동하면서 좌/우측 차륜을 각각 구동하는 제1,제2 차동축;
상기 엔진의 구동을 제어하는 엔진제어유닛;
상기 제1,제2 모터&발전기유닛의 정/역 및 중립의 구동을 제어함과 더불어 인버터를 매개로 상기 제1,제2 모터&발전기유닛과 상기 배터리 사이의 충/방전을 각각 제어하는 모터제어유닛;
상기 엔진제어유닛과 상기 모터제어유닛을 각각 제어하는 시스템제어유닛 및;
상기 시스템제어유닛에 운전자에 의한 변속 레인지의 선택 정보와 가속과 제동 및 조향 그리고 차속 및 노면의 경사도에 의한 등판 주행 또는 강판 주행 등의 주행 정보를 각각 입력하는 입력유닛을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명한다.
본 발명의 제1실시예에 해당하는 하이브리드 구동의 무단변속장치는 본 발명의 전체 구성을 나타낸 도 1에 도시된 전체의 구성중 일부에 해당하는 것으로, 이에 대한 상세한 구성은 다음과 같다.
즉, 하이브리드 구동의 무단변속장치는 연료의 연소에 의해 구동력을 생성하는 엔진(1)과, 배터리(3)의 충전 전원에 의해 구동되고 상기 배터리(3)의 방전시 충전을 도모하는 제1,제2 모터&발전기유닛(5,7), 상기 엔진(1)으로부터 발생된 구동력과 상기 제1,제2 모터&발전기유닛(5,7)으로부터 발생된 구동력을 선택적이면서 개별적으로 입력받아 이를 출력하는 유성기어세트(9) 및, 상기 엔진(1)과 상기 제1,제2 모터&발전기유닛(5,7)으로부터 각각 상기 유성기어세트(9)에 입력되는 구동력을 받아 이를 개별적으로 출력하는 구동측 제1,제2 출력기어(11,13)로 이루어진다.
여기서, 상기 유성기어세트(9)는 상기 엔진(1)의 출력측인 크랭크 축(도시안됨)과 연결되어 구동되는 입력축(12)에 설치되는 선기어(9a)와, 상기 선기어(9a)를 공유하도록 치합되는 다수의 제1,제2 피니언기어(9b,9b'), 상기 다수의 제1,제2 피니언기어(9b,9b')를 각각 연결하여 구동력을 개별적으로 분산하여 출력하는 제1,제2 캐리어(9c,9c') 및, 상기 제1,제2 피니언기어(9b,9b')와 각각 외접하는 제1,제2 링기어(9d,9d')를 구비하고 있다.
이 경우, 상기 제1,제2 피니언기어(9b,9b')는 상기 선기어(9a)의 외주면 전 둘레에 걸쳐 형성된 기어부의 전체 부위에 대해 좌/우로 균등 분할하여 외접하도록 치합되는 바, 즉 상기 선기어(9a)의 기어부 폭길이는 상기 제1,제2 피니언기어(9b,9b')의 기어부 폭길이를 합한 길이 보다 크거나, 적어도 같게 설정되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 제1,제2 링기어(9d,9d')에는 상기 제1,제2 모터&발전기유닛(5,7)이 각각 개별적으로 연결되어 있어, 상기 제1,제2 링기어(9d,9d')는 상기 제1,제2 모터&발전기유닛(5,7)의 구동에 의해 각각 개별적인 회전수로 회전되어 독립적인 토오크의 외부 출력이 가능하도록 되어 있다.
또한, 상기 엔진(1)의 구동 제어는 엔진제어유닛(15)에 의해 이루어지고, 상기 제1,제2 모터&발전기유닛(5,7)의 정/역 및 중립(정지에 해당)의 구동 제어는 모터제어유닛(17)에 의해 이루어지며, 상기 엔진제어유닛(15)과 상기 모터제어유닛(17)의 제어는 각각 시스템제어유닛(19)에 의해 이루어지는 한편, 상기 시스템제어유닛(19)은 입력유닛(21)을 통해 주행중 각종 정보를 입력받도록 되어 있다.
이 경우, 상기 입력유닛(21)에는 주행중인 차량에 있어, 운전자에 의한 변속 레인지의 선택 정보와, 가속과 제동 및 조향 그리고 주행 차속 및 노면의 경사도에 의한 등판 주행 또는 강판 주행 등에 따른 각종 주행 정보가 각각 입력되고, 이에 따라 상기 시스템제어유닛(19)은 상기 입력유닛(21)을 통해 입력되는 각종 주행 정보를 근거로 상기 엔진제어유닛(15)과 상기 모터제어유닛(17)을 각각 최적의 상태로 제어할 수 있게 된다.
그리고, 상기 모터제어유닛(17)은 인버터(23)를 매개로 상기 제1,제2 모터&발전기유닛(5,7)과 상기 배터리(3) 사이의 충/방전을 각각 제어하게 되는 바, 즉, 상기 모터제어유닛(17)은 상기 배터리(3)의 충전시 배터리(3)의 전원이 상기 제1,제2 모터&발전기유닛(5,7)으로 인가되어 상기 제1,제2 링기어(9d,9d')를 통해 상기 구동측 제1,제2 출력기어(11,13)로 모터의 구동력이 출력될 수 있도록 상기 인버터(23)를 제어하고, 상기 배터리(3)의 방전시 상기 제1,제2 모터&발전기유닛(5,7)의 구동에 따라 유도되는 전원이 상기 배터리(3)로 인가되어 이를 충전시킬 수 있도록 상기 인버터(23)를 제어한다.
한편, 상기 입력축(12)에는 상기 유성기어세트(9)의 상기 선기어(9a)의 회전을 선택적으로 구속할 수 있도록 상기 시스템제어유닛(19)에 의해 작동을 제어받도록 된 브레이크 장치(24)가 부가적으로 설치되어 있는 바, 이는 상기 선기어(9a)의 구속 내지 자유 회전의 상태에 대한 적절한 조절을 매개로 하여, 상기 엔진(1)과 상기 제1,제2 모터&발전기유닛(5,7)을 통해 각각 상기 유성기어세트(9)에 가변적인 크기로 입력되는 구동력에 의해 적정의 출력 토오크 또는 회전수가 조합되어 생성되는 것을 가능하게 하기 위함인 것이다.
그리고, 상기 제1 캐리어(9c)와 상기 제1 출력기어(11)는 상기 입력축(12)과 동축상으로 배치되는 중공축(25)을 매개로 연결되고, 상기 제1 링기어(9d)는 상기 중공축(25)의 외주에서 베어링 부재를 매개로 공회전이 자유롭도록 배치되어 있다.
또한, 상기 제2 캐리어(9c')와 상기 제2 출력기어(13)는 상기 입력축(12)과 동축상으로 이격되어 배치되는 중실축(27)을 매개로 연결되고, 상기 제2 링기어 (9d')는 상기 중실축(27)의 외주에서 베어링 부재를 매개로 공회전이 자유롭도록 배치되어 있다.
아울러, 상기 입력축(12)과 상기 중공축(25) 및 상기 중실축(27)도 각각 베어링 부재를 매개로 축 지지되어 있음은 물론이다.
이 경우, 상기에서 언급한 다수의 베어링 부재들은 각각 구름 저항을 회소화하고 하중의 지지가 용이한 니들 롤러 베어링을 채택하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 제2실시예에 해당하는 무단변속장치를 갖춘 하이브리드 자동차는 본 발명의 제1실시예에 해당하는 하이브리드 구동의 무단변속장치의 구성인 제1실시예를 실제의 자동차에 적용하여 구현한 것인 바, 이에 대한 상세한 구성은 다음과 같다.
즉, 무단변속장치를 갖춘 하이브리드자동차는 연료의 연소에 의해 구동력을 생성하는 엔진(1)과; 배터리(3)의 충전 전원에 의해 구동되고 상기 배터리(3)의 방전시 충전을 도모하는 제1,제2 모터&발전기유닛(5,7); 상기 엔진(1)의 출력측인 크랭크 축(도시안됨)과 연결되어 구동되는 입력축(12)에 설치되는 선기어(9a)와, 상기 선기어(9a)를 공유하도록 치합되는 다수의 제1,제2 피니언기어(9b,9b'), 상기 다수의 제1,제2 피니언기어(9b,9b')를 각각 연결하여 구동력을 개별적으로 분산하여 출력하는 제1,제2 캐리어(9c,9c') 및, 상기 제1,제2 피니언기어(9b,9b')와 각각 외접하면서 상기 제1,제2 모터&발전기유닛(5,7)과 개별적으로 연결되는 제1,제2 링기어(9d,9d')를 갖추고서, 상기 엔진(1)과 상기 제1,제2 모터&발전기유닛(5,7)으로 부터 각각 구동력을 개별적으로 입력받아 이를 출력하는 유성기어세트(9) 및; 상기 유성기어세트(9)로부터 입력되는 구동력을 개별적으로 출력하는 구동측 제1,제2 출력기어(11,13)를 구비하고 있다.
또한, 본 발명의 무단변속장치를 갖춘 하이브리드 자동차는 상기 구동측 제1,제2 출력기어(11,13)와 연동하는 차동측 제1,제2 입력기어(29,31)와, 상기 차동측 제1,제2 입력기어(29,31)와 연동하는 차동측 제1,제2 출력기어(33,35), 상기 차동측 제1,제2 출력기어(33,35)와 연동하면서 좌/우측 차륜(W)을 각각 구동하는 제1,제2 차동축(37,39), 상기 엔진(1)의 구동을 제어하는 엔진제어유닛(15), 상기 제1,제2 모터&발전기유닛(5,7)의 정/역 및 중립의 구동을 제어하는 모터제어유닛(17), 상기 엔진제어유닛(15)과 상기 모터제어유닛(17)을 각각 제어하는 시스템제어유닛(19) 및, 상기 시스템제어유닛(19)에 가속과 제동 그리고 차속 및 노면의 경사도에 의한 등판 주행 또는 강판 주행 등의 주행 정보를 각각 입력하는 입력유닛(21)을 부가적으로 구비하고 있다.
이 경우, 상기 입력유닛(21)에는 주행중인 차량에 있어, 운전자에 의한 변속 레인지의 선택 정보와, 가속과 제동 및 조향 그리고 주행 차속 및 노면의 경사도에 의한 등판 주행 또는 강판 주행 등에 따른 각종 주행 정보가 각각 입력되고, 이에 따라 상기 시스템제어유닛(19)은 상기 입력유닛(21)을 통해 입력되는 각종 주행 정보를 근거로 상기 엔진제어유닛(15)과 상기 모터제어유닛(17)을 각각 최적의 상태로 제어할 수 있게 된다.
그리고, 상기 모터제어유닛(17)은 인버터(23)를 매개로 상기 제1,제2 모터& 발전기유닛(5,7)과 상기 배터리(3) 사이의 충/방전을 각각 제어하게 되는 바, 즉, 상기 모터제어유닛(17)은 상기 배터리(3)의 충전시 배터리(3)의 전원이 상기 제1,제2 모터&발전기유닛(5,7)으로 인가되어 상기 제1,제2 링기어(9d,9d')를 통해 상기 구동측 제1,제2 출력기어(11,13)로 모터의 구동력이 출력될 수 있도록 상기 인버터(23)를 제어하고, 상기 배터리(3)의 방전시 상기 제1,제2 모터&발전기유닛(5,7)의 구동에 따라 유도되는 전원이 상기 배터리(3)로 인가되어 이를 충전시킬 수 있도록 상기 인버터(23)를 제어한다.
한편, 상기 입력축(12)에는 상기 유성기어세트(9)의 상기 선기어(9a)의 회전을 선택적으로 구속할 수 있도록 상기 시스템제어유닛(19)에 의해 작동을 제어받도록 된 브레이크 장치(24)가 부가적으로 설치되어 있는 바, 이는 상기 선기어(9a)의 구속 내지 자유 회전의 상태에 대한 적절한 조절을 매개로 하여, 상기 엔진(1)과 상기 제1,제2 모터&발전기유닛(5,7)을 통해 각각 상기 유성기어세트(9)에 가변적인 크기로 입력되는 구동력에 의해 적정의 출력 토오크 또는 회전수가 생성되는 것을 가능하게 하기 위함인 것이다.
그리고, 상기 제1 캐리어(9c)와 상기 제1 출력기어(11)는 상기 입력축(12)과 동축상으로 배치되는 중공축(25)을 매개로 연결되고, 상기 제1 링기어(9d)는 상기 중공축(25)의 외주에서 베어링 부재를 매개로 공회전이 자유롭도록 배치되어 있다.
또한, 상기 제2 캐리어(9c')와 상기 제2 출력기어(13)는 상기 입력축(12)과 동축상으로 이격되어 배치되는 중실축(27)을 매개로 연결되고, 상기 제2 링기어(9d')는 상기 중실축(27)의 외주에서 베어링 부재를 매개로 공회전이 자유롭도록 배치되어 있다.
아울러, 상기 입력축(12)과 상기 중공축(25) 및 상기 중실축(27)도 각각 베어링 부재를 매개로 축 지지되어 있음은 물론이다.
한편, 상기 구동측 제1,제2 출력기어(11,13)와 상기 차동측 제1,제2 입력기어(29,31) 사이에는 각각 제1,제2 체인(41,43)이 설치되어 있어, 상기 구동측 제1,제2 출력기어(11,13)와 상기 차동측 제1,제2 입력기어(29,31) 사이의 동력전달은 각각 상기 제1,제2 체인(41,43)을 매개로 이루어진다.
이 경우, 상기 제1,제2 체인(41,43)은 고 토오크의 전달을 가능하게 하면서 소음을 최소화시킬 수 있는 하이보 체인을 채택하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 차동측 제1,제2 입력기어(29,31)와 상기 차동측 제1,제2 출력기어(33,35) 사이에는 각각 제1,제2 종감속 중간기어(45,47)가 설치되어 있는 바, 즉 상기 차동측 제1,제2 입력기어(29,31)는 제1,제2 종감속축(49,51)의 일측에 각각 설치되고, 상기 제1,제2 종감속축(49,51)의 타측에는 상기 차동측 제1,제2 출력기어(33,35)와 치합되는 상기 제1,제2 종감속 중간기어(45,47)가 각각 설치되어 있다.
또한, 상기 제1,제2 차동축(37,39)과 상기 제1,제2 종감속축(49,51)도 역시 베어링 부재를 매개로 축 지지되어 있음은 물론이다.
이 경우, 상기에서 언급한 다수의 베어링 부재들은 각각 구름 저항을 회소화하고 하중의 지지가 용이한 니들 롤러 베어링을 채택하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명에 따른 하이브리드 구동의 무단변속장치와 무단변속장치를 갖춘 하이브리드 자동차에 있어, 구성에 따른 작동 관계를 보다 상세히 설명한다. 각각의 경우에 있어 구동력의 전달 경로는 이해의 편의를 위해 도면에서 각각 굵은 선으로 표시하기로 한다.
[1] 모터&발전기유닛에 의한 구동 모드(통상, 전기자동차 모드라고도 함)
도 2에 도시된 바와 같이, 차량이 정지 상태에서 운전자에 의한 가속 페달의 답입이 이루어지면, 이에 대한 정보가 상기 입력유닛(21)을 통해 상기 시스템제어유닛(19)에 입력되고, 상기 시스템제어유닛(19)은 상기 배터리(3)의 충전 상태를 점검한 다음, 충전 상태가 충분할 경우, 상기 배터리(3)의 전원을 이용하여 제1,제2 모터&발전기유닛(5,7)을 구동시켜 초기 차량의 발진에 필요한 구동력을 발생시키게 된다.
이 경우, 상기 시스템제어유닛(19)은 상기 인버터(23)의 제어를 통해 상기 배터리(3)의 전원이 상기 제1,제2 모터&발전기유닛(5,7)으로 공급될 수 있도록 하는 것이다.
이때, 상기 유성기어세트(9)의 입력축(12)에 설치된 선기어(9a)는 상기 시스템제어유닛(19)의 제어에 의해 동작되는 브레이크 장치(24)에 의해 회전이 구속되는 바, 이 경우 상기 제1,제2 모터&발전기유닛(5,7)의 구동력이 충분하다면 상기 브레이크 장치(24)의 동작은 불필요하게 된다. 그러나, 초기 발진시 상기 제1,제2 모터&발전기유닛(5,7)의 구동에 소요되는 전원의 불필요한 소비를 줄이기 위해서는 상기 브레이크 장치(24)의 작동을 매개로 상기 선기어(9a)의 회전을 구속하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 초기 발진의 과정을 보다 상세하게 살펴보면 다음과 같다. 즉, 상기 제1,제2 모터&발전기유닛(5,7)의 구동이 이루어지면, 상기 제1,제2 링기어(9d,9d')의 구동이 이루어지고, 상기 제1,제2 링기어(9d,9d')의 구동에 따라 상기 제1,제2 피니언기어(9b,9b')를 연결하는 제1,제2 캐리어(9c,9c')가 구동하게 되며, 상기 제1,제2 캐리어(9c,9c')에 전달된 구동력은 상기 구동측 제1,제2 출력기어(11,13)로 각각 개별적으로 전달된다.
이어, 상기 구동측 제1,제2 출력기어(11,13)로 전달된 구동력은 제1,제2 체인(41,43)을 매개로 차동측 제1,제2 입력기어(29,31)로 각각 전달되고, 상기 차동측 제1,제2 입력기어(29,31)로 전달된 구동력은 제1,제2 종감속 중간기어(45,47)를 거쳐 차동측 제1,제2 출력기어(33,35)에 각각 전달되며, 상기 차동측 제1,제2 출력기어(33,35)에 전달된 구동력은 차동측 제1,제2 차동축(37,39)을 매개로 이에 설치된 차륜(W)을 각각 구동시키게 된다.
그리고, 상기와 같은 전기 구동 모드는 일정한 설정 속도(대략 40KPH)까지 또는 3단 변속 이전의 시점까지 지속되는 데, 이는 상기 제1,제2 모터&발전기유닛(5,7)에 의한 초기 구동력이 상기 엔진(1)에 의한 초기 구동력 보다 훨씬 크다는 이유와, 초기 응답성이 뛰어나기 때문이다. 이 경우에 있어, 설정 속도값과 변속단은 각각 설계 사양에 따른 설정값이므로 차종이나 주행 상황에 따라 적정의 값으로 변경될 수 있음은 물론이다.
한편, 상기와 같은 일련의 구동 과정에서 상기 시스템제어유닛(19)은 상기 제1,제2 모터&발전기유닛(5,7)에 대한 출력 구동력의 적절한 제어를 하게 되고, 이를 매개로 상기 유성기어세트(9)의 제1,제2 캐리어(9c,9c')를 통해 상기 구동측 제1,제2 출력기어(11,13)로 각각 출력되는 회전수는 무단의 상태로 변화될 수 있게 된다.
또한, 상기의 과정에서 상기 구동측 제1,제2 출력기어(11,13)에 의해 각각 출력되는 구동력은 상기 시스템제어유닛(19)에 의한 상기 제1,제2 모터&발전기유닛(5,7)의 개별적인 제어가 가능하므로, 상기 구동측 제1,제2 출력기어(11,13)를 통해 출력되는 구동력은 개별적으로 차동측 제1,제2 입력기어(29,31)로 입력되어 최종적으로 제1,제2 차동축(37,39)을 통해 좌/우측 차륜(W)에 각각 전달된다.
이때 상기 시스템제어유닛(19)은 상기 모터제어유닛(17)의 제어를 통해 상기 제1,제2 모터&발전기유닛(5,7)의 회전수를 각각 개별적으로 제어할 수 있다.
이 결과, 본 발명에 따른 무단변속장치를 갖춘 하이브리드 자동차에서는 별도의 차동 장치에 대한 구성이 필요하지 않게 됨은 물론이고, 상기 유성기어세트(9)를 통해 개별적으로 출력되는 구동력은 기어 사이의 치합 관계를 통해 전달되는 것이므로, 구동력의 불필요한 손실을 배제시킬 수 있게 된다.
[2] 엔진에 의한 구동 모드
상기와 같은 일련의 조기 발진을 통해 하이브리드 자동차의 구동이 이루어진 다음, 차속 또는 변속단이 설정된 값에 도달하면, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 시스템제어유닛(19)은 상기 브레이크 장치(24)의 작동을 해제하여 엔진(1)을 시동 시키게 된다.
이어, 상기 엔진(1)의 시동이 이루어진 다음, 상기 시스템제어유닛(19)은 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 모터제어유닛(17)을 매개로 상기 제1,제2 모터&발전기유닛(5,7)의 동작을 멈추게 하고, 상기 엔진(1)의 구동에 따라 발생된 구동력만이 상기 유성기어세트(9)에 입력되도록 한다.
이때, 상기 엔진(1)의 구동에 따라 발생된 구동력은 역시 상기와 같은 일련의 과정을 통해 좌/우측 차륜(W)으로 개별적으로 출력되어 차량의 정속 주행을 지속시키게 되는 것이다.
이 경우, 상기 유성기어세트(9)의 상기 제1,제2 캐리어(9c,9c')를 통해 상기 구동측 제1,제2 출력기어(11,13)로 각각 출력되는 회전수는 상기 엔진(1)으로부터 발생된 구동력의 정도에 따라 무단의 변속 상태로 변환되어 출력된다.
아울러, 주행중 선회와 같은 차동의 상황이 초래되면, 상기 시스템제어유닛(19)은 상기 모터제어유닛(17)의 제어를 통해 상기 제1,제2 모터&발전기유닛(5,7)의 회전수를 각각 개별적으로 제어하여, 차동의 상황에 효과적으로 대응할 수 있게 한다.
[3] 모터&발전기유닛과 엔진에 의한 구동 모드(통상, 하이브리드 모드라고도 함)
상기와 같은 제어를 통해 하이브리드 자동차가 정속의 주행을 하다가, 운전자에 의한 가속 의지에 따라 차속이 고속의 영역에 진입하거나 등판로의 주행과 같 은 상황 등이 발생되면, 상기 시스템제어유닛(19)은 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 엔진제어유닛(15)과 상기 모터제어유닛(17)을 동시에 제어하여, 상기 엔진(1)의 가속 구동은 물론 상기 제1,제2 모터&발전기유닛(5,7)의 구동을 통해 상기 유성기어세트(9)의 선기어(9a)와 제1,제2 링기어(9d,9d')로 동시에 구동력을 입력하게 된다.
이때, 상기 유성기어세트(9)를 통해 구동측 제1,제2 출력기어(11,13)로 출력되는 구동력은 크게 증가되는 것은 물론이고, 이때 증가되는 정도는 상기 엔진(1)의 회전수와 상기 제1,제2 모터&발전기유닛(5,7)의 회전수에 의해 무단으로 결정되는 것이므로, 결국 상기 구동측 제1,제2 출력기어(11,13)를 통해 상기 차동측 제1,제2 입력기어(29,31)로 출력되는 구동력은 무단의 변속 상태에서 전달된다.
이 경우에도, 상기 엔진(1)의 구동과 상기 제1,제2 모터&발전기유닛(5,7)의 구동에 따라 발생된 구동력은 역시 상기와 같은 일련의 과정을 통해 좌/우측 차륜(W)으로 개별적으로 출력되어 차량의 주행을 지속시킬 수 있음과 더불어 차동의 상황에도 효과적으로 대응할 수 있게 된다.
[4] 회생 제동 모드
상기와 같이, 엔진(1)에 의한 구동 내지 제1,제2 모터&발전기유닛(5,7)에 의한 구동중 감속을 위한 제동이나 경사로의 강판 주행 등과 같이 관성에 의한 타력 주행의 상황이 발생되면, 상기 차륜(W)으로부터 역으로 전달되는 구동력에 의해 상기 제1,제2 모터&발전기유닛(5,7)이 발전기로 전환 작동하게 되고, 이 결과 차량이 가지고 있던 운동 에너지는 상기 배터리(3)에 전기 에너지로 변환되어 충전되어진다.
특히, 제동시에는 상기 엔진(1)과 상기 제1,제2 모터&발전기유닛(5,7)은 각각 일종의 부하로 작용하기 때문에 보조 제동장치로서의 역할을 하기 때문에 제동 성능에도 많은 이점이 있게 된다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 하이브리드 구동의 무단변속장치에서는 유성기어세트의 선기어와 링기어에 각각 엔진과 제1,제2 모터&발전기유닛으로 발생된 구동력이 개별적으로 전달되고, 이때 전달되는 구동력의 정도에 따라 상기 유성기어세트의 제1,제2 캐리어를 통해 출력되는 구동력은 무단의 상태로 변화된다.
이 결과, 고속/고토오크로의 동력 전달시 벨트 구동의 무단변속기(CVT)에서와 같이 풀리와 벨트 사이의 마찰면에서 슬립의 발생에 의한 구동력의 손실과 같은 문제가 초래되지 않게 되고, 아울러 마찰 부위에서 발생되는 마모와 같은 내구성의 저하 문제도 발생되지 않게 된다.
또한, 주행중 상당 부분의 가동 영역에서 모터에 의한 구동이 가능하므로, 환경 오염에 대한 문제를 해소할 수 있게 된다.
그리고, 본 발명에 따른 무단변속장치를 갖춘 하이브리드 자동차에서는 엔진과 제1,제2 모터&발전기유닛을 통해 유성기어세트에 입력된 구동력이 제1,제2 캐리 어를 통해 개별적으로 출력되어 좌/우측 구동 차륜을 각각 독립적으로 구동할 수 있으므로, 구동 차륜에 대한 속도의 차이를 구현하는 차동 장치가 별도로 필요하지 않게 되어 차량을 보다 컴팩트한 형태로 제작할 수 있게 됨은 물론, 부품의 폐지에 의한 비용 저감을 통한 경제적인 이점도 추구할 수 있게 된다.
또한, 엔진의 토오크 특성이 중/고속의 속도 영역에서 최대가 되고, 모터의 토오크 특성이 저속의 속도 영역에서 최대가 되므로, 이를 매개로 엔진과 모터의 구동을 각각 적절하게 제어하여 이로부터 출력되는 토오크 특성을 상호 보완적으로 이용할 수 있어 차량의 이상 토오크 출력에 대한 기능을 구현할 수 있게 된다.
Claims (15)
- 연료의 연소에 의해 구동력을 생성하는 엔진과;배터리의 충전 전원에 의해 구동됨과 더불어 상기 배터리의 충전을 도모하는 제1,제2 모터&발전기유닛;상기 엔진과 상기 제1,제2 모터&발전기유닛으로부터 각각 구동력을 개별적으로 입력받아 이를 출력하는 유성기어세트 및;상기 유성기어세트로부터 입력되는 구동력을 개별적으로 출력하는 구동측 제1,제2 출력기어를 갖추고;상기 유성기어세트는 상기 엔진의 출력측과 연결되는 입력축에 설치되는 선기어와, 상기 선기어를 공유하도록 치합되는 다수의 제1,제2 피니언기어, 상기 다수의 제1,제2 피니언기어를 각각 연결하여 구동력을 개별적으로 분산하여 출력하는 제1,제2 캐리어 및, 상기 제1,제2 피니언기어와 각각 외접하는 제1,제2 링기어를 구비하며;상기 제1,제2 링기어에는 상기 제1,제2 모터&발전기유닛이 각각 개별적으로 연결되어 이루어지는 하이브리드 구동의 무단변속장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 엔진의 구동 제어는 엔진제어유닛에 의해 이루어지고,상기 제1,제2 모터&발전기유닛의 정/역 및 중립의 구동 제어는 모터제어유닛 에 의해 이루어지며,상기 엔진제어유닛과 상기 모터제어유닛의 제어는 각각 시스템제어유닛에 의해 이루어지는 한편,상기 시스템제어유닛은 운전자에 의한 변속 레인지의 선택 정보와 가속과 제동 및 조향 그리고 차속 및 노면의 경사도에 의한 등판 주행 또는 강판 주행 등의 주행 정보를 각각 입력유닛으로부터 전달받도록 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 구동의 무단변속장치.
- 제 2 항에 있어서,상기 모터제어유닛은 인버터를 매개로 상기 제1,제2 모터&발전기유닛과 상기 배터리 사이의 충/방전을 각각 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 구동의 무단변속장치.
- 제 2 항에 있어서,상기 입력축에는 상기 유성기어세트의 상기 선기어의 회전을 선택적으로 구속하는 브레이크 장치가 부가적으로 설치된 것을 특징으로 하는 하이브리드 구동의 무단변속장치.
- 제 4 항에 있어서,상기 브레이크 장치는 상기 시스템제어유닛에 의해 작동을 제어받도록 구성 된 것을 특징으로 하는 하이브리드 구동의 무단변속장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 제1 캐리어와 상기 제1 출력기어는 상기 입력축과 동축상으로 배치되는 중공축을 매개로 연결된 것을 특징으로 하는 하이브리드 구동의 무단변속장치.
- 제 6 항에 있어서,상기 제1 링기어는 상기 중공축의 외주에서 베어링 부재를 매개로 공회전이 자유롭도록 배치된 것을 특징으로 하는 하이브리드 구동의 무단변속장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 제2 캐리어와 상기 제2 출력기어는 상기 입력축과 동축상으로 이격되어 배치되는 중실축을 매개로 연결된 것을 특징으로 하는 하이브리드 구동의 무단변속장치.
- 제 8 항에 있어서,상기 제2 링기어는 상기 중실축의 외주에서 베어링 부재를 매개로 공회전이 자유롭도록 배치된 것을 특징으로 하는 하이브리드 구동의 무단변속장치.
- 연료의 연소에 의해 구동력을 생성하는 엔진과;배터리의 충전 전원에 의해 구동됨과 더불어 상기 배터리의 충전을 도모하는 제1,제2 모터&발전기유닛;상기 엔진의 출력측과 연결되는 입력축에 설치되는 선기어와, 상기 선기어를 공유하도록 치합되는 다수의 제1,제2 피니언기어, 상기 제1,제2 피니언기어를 각각 연결하여 구동력을 개별적으로 분산하여 출력하는 제1,제2 캐리어 및, 상기 제1,제2 피니언기어와 각각 외접하면서 상기 제1,제2 모터&발전기유닛과 개별적으로 연결되는 제1,제2 링기어를 갖추고서, 상기 엔진과 상기 제1,제2 모터&발전기유닛으로부터 각각 구동력을 개별적으로 입력받아 이를 출력하는 유성기어세트;상기 유성기어세트로부터 입력되는 구동력을 개별적으로 출력하는 구동측 제1,제2 출력기어;상기 구동측 제1,제2 출력기어와 연동하는 차동측 제1,제2 입력기어;상기 차동측 제1,제2 입력기어와 연동하는 차동측 제1,제2 출력기어;상기 차동측 제1,제2 출력기어와 연동하면서 좌/우측 차륜을 각각 구동하는 제1,제2 차동축;상기 엔진의 구동을 제어하는 엔진제어유닛;상기 제1,제2 모터&발전기유닛의 정/역 및 중립의 구동을 제어함과 더불어 인버터를 매개로 상기 제1,제2 모터&발전기유닛과 상기 배터리 사이의 충/방전을 각각 제어하는 모터제어유닛;상기 엔진제어유닛과 상기 모터제어유닛을 각각 제어하는 시스템제어유닛 및;상기 시스템제어유닛에 운전자에 의한 변속 레인지의 선택 정보와 가속과 제동 및 조향 그리고 차속 및 노면의 경사도에 의한 등판 주행 또는 강판 주행 등의 주행 정보를 각각 입력하는 입력유닛을 포함하여 구성되는 무단변속장치를 갖춘 하이브리드 자동차.
- 제 10 항에 있어서,상기 입력축에는 상기 유성기어세트의 상기 선기어의 회전을 선택적으로 구속하는 브레이크 장치가 부가적으로 설치된 것을 특징으로 하는 무단변속장치를 갖춘 하이브리드 자동차.
- 제 11 항에 있어서,상기 브레이크 장치는 상기 시스템제어유닛에 의해 작동을 제어받도록 구성된 것을 특징으로 하는 무단변속장치를 갖춘 하이브리드 자동차.
- 제 10 항에 있어서,상기 구동측 제1,제2 출력기어와 상기 차동측 제1,제2 입력기어 사이에는 각각 제1,제2 체인이 설치된 것을 특징으로 하는 무단변속장치를 갖춘 하이브리드 자동차.
- 제 10 항에 있어서,상기 차동측 제1,제2 입력기어와 상기 차동측 제1,제2 출력기어 사이에는 각각 제1,제2 종감속 중간기어가 설치된 것을 특징으로 하는 무단변속장치를 갖춘 하이브리드 자동차.
- 제 14 항에 있어서,상기 차동측 제1,제2 입력기어는 제1,제2 종감속축의 일측에 각각 설치되고, 상기 제1,제2 종감속축의 타측에는 상기 차동측 제1,제2 출력기어와 치합되는 상기 제1,제2 종감속 중간기어가 각각 설치된 것을 특징으로 하는 무단변속장치를 갖춘 하이브리드 자동차.
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