KR101400877B1 - 자동차용 2단 동력전달장치 및 이를 이용한 다단 동력전달장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차용 2단 동력전달장치 및 이를 이용한 다단 동력전달장치에 관한 것으로서, 외부의 구동력을 전달 받는 입력축과 연결되는 선기어 샤프트, 상기 선기어 샤프트에 고정되어 일체로 회동하는 제1단 선기어 및 상기 제1단 선기어와 소정 간격 이격된 제2단 선기어, 상기 제1단 선기어에 치합하는 제1단 유성기어세트 및 상기 제2단 선기어에 치합하는 제2단 유성기어세트, 상기 제1단 유성기어세트 및 상기 제2단 유성기어세트와 동시에 내주면에 치합하여 출력하는 링기어, 상기 제1단 유성기어세트와 연결된 제1단 유성기어 캐리어의 회전방향을 제어하는 원웨이 베어링 및 상기 제2단 유성기어세트와 연결된 제2단 유성기어 캐리어의 회전 또는 정지의 2가지 조건을 제어하는 브레이크 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

자동차용 2단 동력전달장치 및 이를 이용한 다단 동력전달장치{Two stage power transmitter for cars and Multistage power transmitter using the same}

본 발명은 자동차용 2단 동력전달장치 및 이를 이용한 다단 동력전달장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 변속 시 변속 기어의 충격이 없이 변속 가능하고 수동은 물론 자동이 가능하고, 자동일 경우 변속인자를 컨트롤러의 프로그램에 의해 제어함으로써 변속시기를 쉽게 조절할 수 있는 동력전달장치에 관한 것이다.

일반적으로 오토 미션(automatic transmission) 자동차는 엔진이 항시 구동하여 엔진의 동력으로 유압을 발생시켜 오토 미션 작동에 사용되기 때문에 동력 손실이 발생한다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 수동 변속방식을 사용하거나 기어방식의 오토 미션이 개발되었으나, 기어방식의 오토 미션은 클러치를 포함하여 복잡한 구조로 전자제어장치(ECU)의 오류와 고장 시 수리비가 많이 드는 문제점이 있다.

또한, 오토 미션을 전기 자동차에 적용할 때 전기자동차의 모터가 항시 작동하지 않기 때문에, 별도로 유압을 발생시키기 위한 장치가 필요하고, 유압 발생장치를 구동하기 위하여 배터리를 사용하므로 배터리의 사용시간이 짧아지고, 수동 변속방식을 사용하는 경우에는 조작이 번거로워 운전자에게 불편을 주게 된다. 현재 전기 자동차에는 변속기 탑재 없이 감속기를 사용하여 모터의 동력을 단일 고정비로 바퀴에 전달시켜 도로를 주행하게 되는데 감속기의 조작이 민감하여 운전자의 작은 실수에도 큰 사고를 유발시킬 수 있다. 또한, 도로 상황에 따라 모터의 동력을 적절한 기어비로 변환하여 바퀴에 전달시켜 주행하여야 하나, 단일 고정비로만 주행하면 배터리와 모터의 효율이 현저히 낮아 에너지 낭비를 초래하며, 모터 등 전기장치의 사용 수명을 단축시키는 문제점이 있다. 따라서 단일 고정비에 의한 에너지 손실을 보전하기 위해서는 대용량 배터리의 사용과 모터 및 전기 장치의 유지보수 비용이 증가하여 소비자의 비용부담을 증가시켜 소비자로부터 외면당하는 현실을 초래하고 있다.

또한, 수동미션을 장착한 전기 자동차는 수동 변속에 의한 기어 맞물림 충격을 완화하기 위하여 클러치로 모터의 동력을 차단시켜야 하는 운전자의 번거로움과 불편함이 있어 운전자가 시야확보 및 운전의 집중력을 떨어뜨려 간접적 사고 유발요인이 된다. 또한, 기존 전기 자동차는 차량의 외부환경 즉, 도로의 경사도, 대기 습도 및 대기 풍속 등에 의해 적절한 조치 없이 고정비 및 변동비로만 주행하고 변속시기도 일정하여 모터는 물론 배터리의 효율성 향상에 한계를 가지고 있다. 기존 전기 자동차는 일반 자동차와 동일하게 악셀 페달을 끝까지 밟으면 모터는 구동될 수 있는 한계까지 동력을 내고, 전기 자동차의 특성상 가속력이 높기 때문에 이로 인하여 번잡한 시장 길이나 골목길 및 지체 도로에서 악셀 페달 조작의 작은 실수에도 크게 작용하여 안전사고에 노출되어 있다.

전기 자동차의 변속기에 관한 종래기술로서 특허문헌 1에 1개의 선기어, 2개의 유성기어, 2개의 링기어 및 다판 브레이크로 구성된 2단 변속기가 제안되어 있다. 특허문헌 1의 2단변속기는 유압식 다판 브레이크의 사용하기 때문에 다판 브레이크를 작동시키기 위한 별도의 유압장치가 필요하다. 따라서 위에서 상술한바와 같이 특허문헌 1의 기술은 유압장치 구동을 위한 동력으로 배터리가 사용되어 배터리의 사용시간을 단축하므로 배터리의 용량을 늘려야 하는 문제점이 있다.

1. 한국 공개특허 제2013-0012821호(2013. 02. 05. 공개)

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 저속(1단) 및 고속(2단)에서 모드 변속 시 변속기어의 충격 없이 동력전달이 가능한 2단 동력전달장치를 제공하고자 한다.

또한, 상기 2단 동력전달장치를 조합하여 다단으로 동력전달장치가 가능한 자동차의 2단 또는 다단 동력전달장치를 제공하고자 한다.

또한, 브레이크 장치는 오토 미션 기능을 가지는 전자식, 유압식 브레이크가 가능하고, 원가절감을 위한 수동 브레이크를 포함한 수동변속장치로도 가능함으로써 배터리, 모터 및 전기장치의 효율과 내구성이 향상시킬 수 있는 2단 또는 다단 동력전달장치를 제공하고자 한다.

또한, 도로상황, 외부환경 및 안전을 고려하여 프로그램에 의하여 설정된 기준값에 대하여 센서 등을 통하여 기준 값에 도달하였을 때 컨트롤러가 자동으로 변속 시기를 결정하도록 하여 안전하면서 최적의 조건으로 운행할 수 있는 전기 자동차의 2단 또는 다단 동력전달장치를 제공하고자 한다.

또한, 회생변속 시스템을 안출하여 발전과 동시에 변속에 영향을 주어 무한변속이 가능하게 하여 최적의 조건으로 변속 비를 갖게 하며 배터리의 사용시간을 연장할 수 있는 전기 자동차의 2단 무한 또는 다단 무한 동력전달장치를 제공하고자 한다.

상기의 해결하고자 하는 과제를 위한 본 발명에 따른 2단 동력전달장치(100)는, 외부의 구동력을 전달 받는 입력 축과 연결되는 선기어 샤프트(20); 상기 선기어 샤프트(20)에 고정되어 일체로 회동하는 제1단 선기어(21) 및 상기 제1단 선기어(21)와 소정 간격 이격된 제2단 선기어(22); 상기 제1단 선기어(21)에 치합하는 제1단 유성기어세트 및 상기 제2단 선기어(22)에 치합하는 제2단 유성기어세트; 상기 제1단 유성기어세트 및 상기 제2단 유성기어세트와 치합하여 출력하는 단일 또는 개별로 구성된 링기어(50); 상기 제1단 유성기어세트와 연결된 제1단 유성기어 캐리어(31)의 회전방향을 제어하는 원웨이 베어링(32); 및 상기 제2단 유성기어세트와 연결된 제2단 유성기어 캐리어(41)의 회전 또는 정지의 2가지 조건을 제어하는 브레이크 장치를 포함한다.

본 발명의 바람직한 실시예로서, 상기 브레이크 장치는 속도센서(61)의 신호에 따라 컨트롤러(60)에 의해 작동되는 전자식 브레이크 장치이거나, on/off 수동 레버 작동에 의하여 동작하는 유압식 브레이크 장치인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예로서, 2단 동력전달장치를 이용하여 전단의 2단 동력전달장치의 출력을 후단의 2단 동력전달장치가 입력받도록 복수로 직렬 연결하여 다단으로 변속하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시예로서, 상기 제2단 유성기어 캐리어(41)에 발전기(70)를 연결하여 상기 발전기(70)의 회전저항에 따라 상기 제2단 유성기어 캐리어(41)의 회전을 감소시켜 무한변속을 할 수 있고, 상기 발전기(70)의 회전저항이 소정의 변속비를 벗어나도록 과도한 경우 상기 브레이크 장치를 작동하여 무한변속에서 2단 변속으로 변경할 수 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시예로서, 상기 컨트롤러(60)는 속도센서(61)로부터 순간 속도를 전송받아 가속도를 구하여 변속시점을 결정하거나, 상기 컨트롤러(60)는 수평레벨센서(62)로부터 도로의 경사도, 풍속센서(63)로부터 바람의 세기 및 레인드롭센서(64)로부터 습도 및 우량 등의 외부환경 데이터를 기초로 변속시점을 결정하거나, 상기 컨트롤러(60)는 각 레벨에 따라 최고 RPM이 설정된 저속모드 스위치(67) 및 전자식 악셀 페달(65)과 연동되어 저속 주행을 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 자동 변속기는 물론 수동 변속기에도 적용될 수 있고, 변속 시 변속기어의 연결로 인한 기어 충격 발생이 없어 사용이 편리하면서 정숙성이 유지될 수 있으며, 아울러 기기의 내구성과 신뢰성이 향상될 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 모터의 구동력을 이용하는 전기 자동차뿐만 아니라 엔진 자동차 또는 인력에 의한 자전거 등에 적용할 수 있으며, 자동차는 2륜, 3륜, 4륜 등 모든 종류의 운송수단을 포함하는 총칭이다.

또한, 전기 자동차의 변속기로 일반 자동차의 변속기를 사용할 수 없었으나 본 발명으로 인해 전기 자동차 전용 최상의 변속기로 적용될 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 자동차용 2단 동력전달장치의 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 자동차 2단 동력전달장치의 1단 모드에서 각 기어의 회전방향 및 회전량을 나타내는 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 자동차 2단 동력전달장치의 2단에서 각 기어의 회전방향 및 회전량을 나타내는 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 기본 2단 동력전달장치에 감속장치를 조합한 구성도.
도 5는 본 발명에 따른 기본 2단 동력전달장치 조합한 8단 동력전달장치의 구성도.
도 6은 8단 동력전달장치의 각 단에 따른 기어 비를 예를 들어 표현한 도표.
도 7은 2단 동력전달장치에 자동화 장치인 속도센서와 컨트롤러를 부가한 자동 2단의 실시 예.
도 8은 8단 변속 동력전달장치에 자동화 장치를 결합하여 평지에서 주행 시 의 변속 실시 예.
도 9는 2단 동력전달장치를 기본으로 하는 다단 동력전달장치에 속도센서, 수평레벨센서, 레인드롭스센서, 풍속센서로부터 주행상황 및 외부환경 정보를 받아 컨트롤러로 자동 변속하는 구성도
도 10은 8단 변속 동력전달장치에 도 9의 자동화 장치를 결합한 예시도.
도 11은 8단 변속 동력전달장치에 도 7의 자동화 장치를 결합한 예시도. 도 12는 8단 변속 동력전달장치에 도 9의 자동화 장치를 결합한 예시도.
도 13은 후진 운행에 있어서 모터의 오버 토오크와 악셀 페달 조작 미숙으로 인한 안전사고에 대비하기 위한 전기 자동차의 2단 또는 다단 동력전달장치의 구성도.
도 14는 저속구간 운행에 있어서 모터의 오버 토오크와 악셀 페달 조작 미숙으로 인한 급출발 안전사고에 대비하기 위한 전기 자동차의 2단 또는 다단 동력전달장치의 구성도.
도 15는 본 발명에 의한 여러 가지 자동화 장치를 복합 적용한 시스템.
도 16은 2단 동력전달장치의 브레이크 장치 대신에 발전기를 장착하여 발전에 의한 회전저항으로 무한변속을 이루어지는 전기 자동차의 자동 2단 또는 다단 무한변속 동력전달장치의 구성도.
도 17은 도 16의 회생변속 장치에 브레이크 장치를 추가하여 구간 무한변속을 하는 전기 자동차의 자동 2단 또는 다단 구간 무한변속 동력전달장치의 구성도.
도 18은 도 17의 구현 예.
도 19는 제2단 유성기어 캐리어에 브레이크 장치 대신 유체저항 모듈을 부가한 구성도.
도 20은 유체저항 모듈과 브레이크 장치를 복합한 구간 무한변속 전기 자동차의 자동 2단 또는 다단 구간 무한변속 동력전달장치의 구성도.

이하 본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시 예를 도면을 참고하여 설명한다. 본 발명의 실시 예는 하나의 발명을 설명하기 위한 것으로서 권리범위는 예시된 실시 예에 한정되지 아니하고, 예시된 도면은 발명의 명확성을 위하여 핵심적인 내용만 확대 도시하고 부수적인 것을 생략하였으므로 도면에 한정하여 해석하여서는 아니 된다.

도 1은 본 발명에 따른 2단 동력전달장치의 구성도로서, 외부의 구동력(10)을 전달 받는 입력 축과 연결되는 선기어 샤프트(20), 상기 선기어 샤프트(20)에 고정되어 일체로 회동하는 제1단 선기어(21) 및 상기 제1단 선기어(21)와 소정 간격 이격된 제2단 선기어(22), 상기 제1단 선기어(21)에 치합하는 제1단 유성기어세트 및 상기 제2단 선기어(22)에 치합하는 제2단 유성기어세트, 상기 제1단 유성기어세트 및 상기 제2단 유성기어세트와 동시에 내주면에 치합하여 출력하는 링기어(50), 상기 제1단 유성기어세트와 연결된 제1단 유성기어 캐리어(31)의 회전방향을 제어하는 원웨이(one way) 베어링(32) 및 상기 제2단 유성기어세트와 연결된 제2단 유성기어 캐리어(41)의 회전 또는 정지의 2가지 조건을 제어하는 브레이크 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 선기어(sun gear)들(21,22)은 외부의 구동력을 전달 받는 입력축과 연결되는 선기어 샤프트(20)에 고정되어 일체로 회동되며 제1단 선기어(21)와 제2단 선기어(22)는 소정의 간격으로 이격되어 형성된다. 외부의 구동력은 모터 또는 엔진(10) 등 회전력을 발생시키는 장치들이다.

상기 유성기어(planetary gear)세트들은 선기어와 치합하여 외부의 구동력을 전달받는 기어들로서 복수의 피니어 기어들로 구성되어 선기어의 둘레에 위치하면서 자전 및/또는 공전을 한다. 유성기어의 개수는 3개가 바람직하나 이에 한정하지는 않으며 등간격으로 배치된다. 제1단 유성기어세트와 제2단 유성기어세트의 각 기어 잇수를 다르게 하여 변속 비율을 결정할 수 있다.

상기 유성기어 캐리어(31,41)들은 캐리어 핀에 의해 유성기어(30,40)와 연결되며 유성기어(30,40)가 회전함에 따라 캐리어(31,41)도 회전하게 된다. 본 발명의 특징 중 하나는 제1단 유성기어 캐리어(31)를 원웨이(one way) 베어링(32)에 의하여 회전을 구속하고, 제2단 유성기어 캐리어(41)는 브레이크 장치에 의하여 구속한다. 원웨이 베어링(32)은 일반 볼 베어링과는 달이 축이 한쪽 방향으로만 회전하기 때문에 1단의 유성기어 캐리어(31)는 한 방향으로만 회전을 하게 된다.

상기 브레이크 장치는 전기/전자식(이하'전자식'이라 함) 브레이크장치, 유압식 브레이크장치 또는 수동식 레버 등이 있고, 마찰 디스크와 가동되는 제동자로 구성된다. 제동자는 브레이크슈(brake shoe), 브레이크 블록(block), 플레이트 등이 될 수 있으며 가동하는 동력이 전자력에 의하면 전자식 브레이크장치가 되고, 유압에 의하면 유압식 브레이크장치가 된다.

상기 링기어(ring gear)(50)는 내주면에 치차열이 형성된 중공의 원통형 기어로서 유성기어세트들과 내치합되고 출력축과 연결되는 출력 요소이다. 링기어(50)는 제1단 유성기어세트와 제2단 유성기어세트를 공용 또는 개별로 사용할 수 있으며, 제1단 링기어와 제2단 링기어로 하여 기어 잇수를 같거나 다르게 하여 다양한 기어비를 구성할 수 있다. 링기어는 링기어 하우징에 의해 묶여져 있고, 하우징에 출력기어가 부착되어 링기어와 동일한 회전으로 출력을 전달한다.

도 2는 1단으로 동력전달되는 기어간의 회전방향 및 회전량을 표현하기 위한 도면이다.

링기어의 회전각(Rθ), 유성기어 캐리어의 회전각(Pθ) 및 선기어의 회전각(Sθ)는 다음 수학식 1과 같이 계산된다.

여기서, A는 기어비로 링기어의 잇수(Rz)를 선기어의 잇수(Sz)로 나눈 값이고, 시계방향을 +θ, 반시계방향을 -θ로 하고, Rz는 링기어의 잇수, Sz는 선기어의 잇수, Pz는 유성기어의 잇수이다.

입력축으로부터 선기어 샤프트(20)와 제1단 선기어(21) 및 제2단 선기어(22)는 동시에 같은 회전량(Sθ)을 가진다. 제1단 유성기어 캐리어(31)는 원웨이 베어링(32)과 링기어(50)에 작용하는 저항력에 의해 회전 방향이 제어되어 정지되어 있고, 제2단 유성기어 캐리어(41)는 브레이크 장치의 OFF로 무부하 자유 회전을 하고 있어, 링기어(50)는 제1단 유성기어(30)가 제1단 선기어(21)의 회전량에 따라 반대방향으로 제1단 선기어(21)의 회전 기어 피치만큼 회전량(-1P'θ)을 가지고 이로 인해 1단 유성기어(30)의 회전 기어 피치만큼 회전량(-Sθ/A1)을 가지면서 1단의 출력축을 이룬다. 이 때, 모터 또는 엔진(10)의 출력축 방향은 시계방향으로 하며 차량의 전진상태를 의미한다. 이를 요약하면 표 1과 같다.

예를 들면 선기어(21)의 잇수(Sz)를 18, 유성기어(31)의 잇수(Pz)를 24, 링기어(50)의 잇수(Rz)를 66으로 하면, 링기어(50)의 회전량은 -98.2˚이며 기어비(A)는 3.666이다.

도 3은 2단으로 동력전달되는 기어간의 회전방향 및 회전량을 나타내기 위한 것으로서, 모터 또는 엔진(10)의 입력축으로부터 선기어 샤프트(20)와 제1단 선기어(21) 및 2단 선기어(22)는 동시에 같은 회전량(Sθ)을 가지며 제2단 유성기어 캐리어(41)는 브레이크 장치의 ON으로 정지되어 있어 링기어(50)는 제2단 유성기어세트(40)가 제2단 선기어(22)의 회전 피치만큼 반대방향으로 회전량(-2P'θ)을 가지며, 이로 인해 제2단 유성기어(40)의 회전 피치만큼 회전량(-Sθ/A2)을 가지면서 2단의 출력축을 이룬다. 이때, 제1단 유성기어 캐리어(31)는 원웨이 베어링(32)에 의해 -Pθ 방향으로만 회전이 가능하며 그 회전량은 (RθA1+Sθ)/(A1+1)이고 무부하 회전으로 2단 변속에 영향을 주지 않는다. 이를 요약하면 표 2와 같다.

예를 들면 선기어(21)의 잇수(Sz)를 24, 유성기어(31)의 잇수(Pz)를 18, 링기어(50)의 잇수(Rz)를 60으로 하면, 링기어(50)의 회전량은 -144˚이며 기어비(A)는 2.5이다.

도 4는 본 발명의 일실시예로서 2단 동력전달장치(100)에 입력 감속장치를 추가한 것으로서 입력축에 모터 감속기어 또는 풀리(11)와 선기어 샤프트 감속기어 또는 풀리(23)을 조합하여 초기 속도를 감속하기 위한 것이다. 이는 각 기어와 출력축의 회전량을 낮추어 구성부품의 내구를 높이기 위한 것으로 모터의 최고 RPM과 자동차의 최고속도 및 등판능력 등을 고려하여 감속한다. 필요에 따라 출력축 이후에도 이와 같은 감속장치를 추가할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예로서 전단의 2단 동력전달장치(100-1)의 출력을 후단의 2단 동력전달장치(100-2,3,...)가 입력받도록 2단 동력전달장치를 복수로 직렬 연결하여 다단으로 변속할 수 있다. 도 5는 8단의 동력전달장치를 예시한 구성도로서, 제1의 2단 동력전달모듈(100-1)의 출력축을 다시 입력축으로 받는 제2의 2단 동력전달모듈(100-2)와 상기 제2의 2단 동력전달장치 모듈(100-2)의 출력축을 다시 입력축으로 받은 제3의 2단 동력전달모듈(100-3)을 조합한 것이다.

표 3은 도 5의 8단 동력전달장치의 구성도에 따라 각 브레이크 장치(43-1, 43-2, 43-3)의 작동에 의해 변속되는 결과를 정리한 것으로서, 모든 브레이크 장치를 OFF시 1단, 43-1 브레이크 장치만 ON시 2단, 43-2 브레이크 장치만 ON시 3단, 43-1과 43-2 브레이크 장치가 ON시 4단, 43-3 브레이크 장치만 ON시 5단, 43-1과 43-3 브레이크 장치가 ON시 6단, 43-2와 43-3 브레이크 장치가 ON시 7단 및 모든 브레이크 장치가 ON시 8단이 된다.

도 6은 8단 동력전달장치의 각 단에 따른 기어비를 예를 들어 도표화한 것으로서 기어비가 부드럽게 변하는 것을 볼 수 있으며, 2단 동력장치를 더 추가하면 2ⁿ으로 변속이 되어 곡선에 가까운 무한변속을 할 수 있다. 일례로 도 6을 살펴보면 제1의 2단 동력전달모듈(100-1)의 1단 기어비를 3.000, 2단 기어비를 2.800으로 하고, 제2의 2단 동력전달모듈(100-2)의 1단 기어비를 3.000, 2단 기어비를 2.500으로 하고, 제3의 2단 동력전달모듈(100-3)의 1단 기어비를 3.000, 2단 기어비를 2.100으로 하였을 때, 1단은 27.000, 2단은 25.200, 3단은 22.500, 4단은 21.000, 5단은 18.900, 6단은 17.640, 7단은 15.750, 8단은 14.700의 기어비를 갖게 되며, 각 2단 동력전달모듈의 1단 기어비와 2단 기어비에 따라서 그래프와 같이 순차적인 기어비를 갖기도 하지만 불규칙적인 기어비를 갖게 할 수도 있어 자동차의 목표성능에 따라 다양한 기어비의 적용이 용이하다.

본 발명의 다른 실시예로서 도로상황과 주변환경에 따라 컨트롤러(60)의 제어에 의하여 자동으로 변속을 할 수 있다.

도 7은 2단 동력전달장치에 자동화 장치인 속도센서(61)와 컨트롤러(60)를 부가한 자동 2단의 일실시예이며 이는 다단에도 적용할 수 있다. 프로그램에 의하여 컨트롤러(60)에 각 단수별 변속 시점(속도)을 설정한다. 예시적으로 1단으로 달리는 자동차는 속도센서(61)로부터 자동차의 속도값을 수신받아 컨트롤러(60)에 기 설정한 속도값에 도달하였을 때, 전자식 브레이크 장치의 전원을 OFF에서 ON으로 하여 브레이크 디스크(42)를 잡아, 제2단 유성기어 캐리어(41)을 정지시키게 되어 2단으로 변속하게 된다.

도 8은 8단 변속 동력전달장치에 도 7의 자동화 장치를 결합하여 평지에서 주행 시 컨트롤러(60)에 변속 예시를 보여 준다. 예를 들면 각 변속단수별 변속 시기 속도값을 2단은 30, 3단은 70, 4단은 120, 5단은 160, 6단은 190, 7단은 210, 8단은 220 km/h로 설정하였을 때, 자동차가 3단으로 주행하여 자동차의 속도가 120km/h가 되면, 속도센서(61)로부터 그 값을 읽어 컨트롤러(60)는 변속 브레이크 장치(43-1, 43-2)를 ON하여 4단으로 변속시킨다.

도 9는 2단 동력전달장치를 기본으로 하는 다단 동력전달장치에 속도센서(61), 수평레벨센서(62), 레인드롭스센서(63), 풍속센서(64)로부터 주행상황 및 외부환경 정보를 받아 컨트롤러(60)로 자동 변속하는 구성도이다. 프로그램으로 컨트롤러(60)에 각 조건별 단수별 변속 시점(속도)의 속도값, 도로의 경사도값, 대기의 습도값, 풍속값을 설정하고, 속도센서(61), 수평레벨센서(62), 레인드롭스센서(63), 풍속센서(64)로부터 신호를 받아 컨트롤러(60)는 기설정한 값과 비교하여 일치하면, 전자식 브레이크 장치를 작동시켜 설정한 변속으로 변속시키게 한다.

도 10은 8단 변속 동력전달장치에 도 9의 자동화 장치를 결합한 예시도로서, 오르막 경사도로 주행 시 컨트롤러(60)에 각 경사도별, 변속단수별 변속 시기 속도 설정한 값과 자동차의 속도가 속도센서(61)에 의해 그 값이 컨트롤러(60)에 보내지면 컨트롤러(60)는 변속 브레이크 장치(43-1, 43-2, 43-3)를 작동시켜 설정한 변속으로 변속시키는 것을 예시한 것이다.

도 11은 8단 변속 동력전달장치에 도 7의 자동화 장치를 결합한 예시도로서, 주행시 컨트롤러(60)에 각 대기상태(대기습도와 풍속)별, 변속 단수별 변속 시기 속도 설정한 값과 속도센서(61)의 값이 컨트롤러(60)에 보내지면 컨트롤러(60)는 변속 브레이크 장치(43-1, 43-2, 43-3)를 작동시켜 설정한 변속으로 변속시키는 것을 예시한 것이다.

도 12는 8단 변속 동력전달장치에 도 9의 자동화 장치를 결합하여 가속 주행시 컨트롤러(60)에 속도센서(61)가 일정한 시간 간격으로 자동차의 속도를 컨트롤러(60)에 보내지면 컨트롤러(60)는 가속도를 계산하여 각 가속도별 변속 시기 속도 설정한 값에 따라 컨트롤러(60)는 변속 브레이크 장치(43-1, 43-2, 43-3)를 작동시켜 설정한 변속으로 변속시키는 것을 예시한 것이다.

도 13은 2단 동력전달장치의 후진 운행에 있어서 모터(10)의 오버 토오크(over torque)와 악셀 페달(65) 조작 미숙으로 인한 안전사고에 대비하기 위한 전기 자동차의 2단 또는 다단 동력전달장치의 구성도이다. 자동차의 후진 운행시 저속모드로 전환하기 위하여 기어변속레버(66)의 각 모드 즉, D 드라이브, N 중립, R 후진 신호와 악셀 페달(65)의 센서가 컨트롤러(60)에 연동된다. D 모드 시에는 악셀 페달(65)의 조작 범위가 모터(10)의 최고 RPM으로 유지되며, N 모드 시에는 악셀 페달(65)의 전원이 OFF되고, R 모드 시에는 악셀 페달(65)의 조작 범위가 모터(10)의 저RPM 예를 들면, 2,000RPM이 모터(10)의 최고 RPM이 되도록 설정하여 후진 운행 시 고속주행을 억제하여 안전사고에 대비한 것이다.

도 14는 2단 동력전달장치의 저속구간 운행에 있어서 모터(10)의 오버 토오크와 악셀 페달(65) 조작 미숙으로 인한 급출발 안전사고에 대비하기 위한 전기 자동차의 2단 또는 다단 동력전달장치의 구성도이다. 자동차의 저속구간 운행 시 저속모드 스위치(67)을 눌러 저속모드로 전환한다. 저속모드 스위치(67)에는 여러 레벨로 분할되어 있어 각 레벨에는 악셀 페달(65)과 연동되어 악셀 페달(65)을 끝까지 밟아 작동하였을 때 모터(10)의 최고 RPM까지만 동작하는 기능이다. 이러한 기능은 운전자가 도로 외부환경을 즉시 판단하여 저속모드를 설정할 수 있어 복잡한 도로, 지체도로, 골목길 및 스쿨존과 같이 저속으로 운행해야 하는 곳에서 안전사고를 대비한 것이다.

도 15는 본 발명에 의한 여러 가지 자동화 장치를 복합 적용한 시스템으로 전기 자동차의 자동 2단 또는 다단 동력전달장치의 구성도이다.

일반적으로 전기 자동차의 회생제동 시스템은 제동 시 또는 내리막 도로 주행 시에 자동차의 가속력을 이용하여 발전기를 구동한다. 그러나 본 발명에서는 발전기에 의한 회생변속의 개념을 도입하여 회생제동은 물론 발전에 의한 무한변속이 가능하도록 한다.

도 16은 2단 동력전달장치의 브레이크 장치 대신에 발전기(70)를 장착하여 발전에 의한 회전저항으로 무한변속을 이루어지는 전기 자동차의 자동 2단 또는 다단 무한변속 동력전달장치의 구성도이다. 모터(10)의 동력원이 선기어 샤프트(20)에 의해 제1단 선기어(21)로 전달되어 1단의 기어비로 링기어(50)가 회전하면, 제2단 유성기어 캐리어(41)는 1단의 기어비에 따른 자유회전을 한다. 제2단 유성기어 캐리어(41)의 자유회전을 구동력으로 하는 발전기(70)를 연결하면 발전기(70)의 샤프트가 회전하면서 발전을 한다. 발전기(70)의 회전저항은 즉시 제2단 유성기어 캐리어(41)의 회전량을 감소시키게 되어 감소된 회전량만큼 무한변속을 하게 된다. 무한변속은 일정한 변속비로 변속하는 것이 아니고 자유변속을 말하며 처음 1단부터 끝까지 자유변속을 하면 무한변속이라 하고, 특정 변속구간에서 자유변속을 하면 구간 무한변속이라 한다. 발전기(70)는 동력전달장치의 무한변속을 갖게 하는 주요 인자이면서 발전에 의한 전기 에너지를 배터리로 충전하면서 회생변속을 한다.

발전기(70)의 회전저항이 소정의 변속비를 벗어나도록 과도한 경우 브레이크 장치를 추가하여 무한변속에서 2단 변속으로 변경할 수 있다. 도 17은 도 16의 회생변속 장치에 브레이크 장치를 추가하여 구간 무한변속을 하는 전기 자동차의 자동 2단 또는 다단 구간 무한변속 동력전달장치의 구성도이다. 1단에서 시작하는 무한변속 중에 2단 유성기어 캐리어(41)를 브레이크 장치로 제동하여 무한변속에서 2단으로 변속할 수 있다. 도 18은 도 17의 구현 예이다.

도 19는 동력전달장치에 있어서 제2단 유성기어 캐리어(41)에 브레이크 장치 대신 유체저항 모듈(71) 즉, 토오크 컨버터 또는 유체 클러치등을 장착하여 회전에 의한 회전저항으로 무한변속을 이루어지는 전기 자동차의 자동 2단 또는 다단 무한변속 동력전달장치의 구성도이다. 모터(10)의 동력이 1단 기어 구성을 통해 1단의 기어비로 링기어(50)가 회전하므로, 제2단 유성기어 캐리어(41)도 1단의 기어비에 따른 자유회전을 한다. 제2단 유성기어 캐리어의 자유회전을 구동력으로 하는 유체저항 모듈(71)을 연결한다. 유체저항 모듈(71)은 유체 속에 회전체 날개가 있어 구동력에 의한 회전체 날개부분이 유체와의 마찰로 회전저항이 발생하다. 이러한 회전저항은 즉시 제2단 유성기어 캐리어(41)의 회전량을 감소시키게 되어 감소된 회전량만큼 1단에서 시작하는 무한변속을 하게 된다. 아주 낮은 rpm에서는 유체에 의한 회전저항이 적어 무한변속이 되지 못하므로 1단으로 구동되다가 rpm이 증가되어 회전저항 역시 증가되어 1단의 기어비를 극복하는 시점에서 무한변속이 이루어진다.

도 20은 유체저항 모듈(71)과 브레이크 장치를 복합한 구간 무한변속 전기 자동차의 자동 2단 또는 다단 구간 무한변속 동력전달장치의 구성도이다. 1단에서 시작하는 무한변속 중에 2단 유성기어 캐리어(41)의 브레이크 장치로 인하여 무한변속에서 2단으로 변속된다.

10: 모터 또는 엔진 11: 모터 또는 엔진 감속기어 또는 풀리
20: 선기어 샤프트 21: 제1단 선기어
22: 제2단 선기어 23: 선기어 샤프트 감속기어 또는 풀리
30: 제1단 유성기어 31: 제1단 유성기어 캐리어
32: 원 웨이 베어링 40: 제2단 유성기어
41: 제2단 유성기어 캐리어 42: 브레이크 디스크
43: 브레이크 장치 43-1: 전단 브레이크 장치
43-2,3, ...: 후단 브레이크 장치 50: 링기어
60: 컨트롤러 61: 속도센서
62: 수평레벨센서 63: 풍속센서
64: 레인드롭센서 65: 악셀 페달
66: 기어 변속 레버 67: 저속모드 스위치
70: 발전기 71: 유체저항 모듈
100: 2단 동력전달장치 100-1: 전단의 2단 동력전달장치
100-2,3, ...: 후단의 2단 동력전달장치

Claims (9)

1. 외부의 구동력을 전달 받는 입력축과 연결되는 선기어 샤프트(20);
   상기 선기어 샤프트(20)에 고정되어 일체로 회동하는 제1단 선기어(21) 및 상기 제1단 선기어(21)와 소정 간격 이격된 제2단 선기어(22);
   상기 제1단 선기어(21)에 치합하는 제1단 유성기어세트 및 상기 제2단 선기어(22)에 치합하는 제2단 유성기어세트;
   상기 제1단 유성기어세트 및 상기 제2단 유성기어세트와 치합하여 출력하는 적어도 하나의 링기어(50);
   상기 제1단 유성기어세트와 연결된 제1단 유성기어 캐리어(31)의 회전방향을 제어하는 원웨이 베어링(32); 및
   상기 제2단 유성기어세트와 연결된 제2단 유성기어 캐리어(41)의 회전 또는 정지의 2가지 조건을 제어하기 위하여, 속도센서(61)의 신호에 따라 컨트롤러(60)에 의해 전자식으로 작동되거나, on/off 수동 레버 작동에 의하여 유압식으로 작동되는 브레이크 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 2단 동력전달장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항의 2단 동력전달장치를 이용하여 전단의 2단 동력전달장치의 출력을 후단의 2단 동력전달장치가 입력받도록 복수로 직렬 연결하여 다단으로 변속하는 것을 특징으로 하는 다단 동력전달장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 제2단 유성기어 캐리어에 발전기(70)를 연결하여 상기 발전기(70)의 회전저항에 따라 상기 제2단 유성기어 캐리어(41)의 회전을 감소시켜 무한변속을 하는 것을 특징으로 하는 다단 동력전달장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 발전기(70)의 회전저항이 소정의 변속비를 벗어나도록 과도한 경우 상기 브레이크 장치를 작동하여 무한변속에서 2단 변속으로 변경할 수 있는 것을 특징으로 하는 다단 동력전달장치.
7. 제4항에 있어서,
   상기 컨트롤러(60)는 속도센서(61)로부터 순간 속도를 전송받아 가속도를 구하여 변속시점을 결정하는 것을 특징으로 하는 다단 동력전달장치.
8. 제4항에 있어서,
   상기 컨트롤러(60)는 수평레벨센서(62)로부터 도로의 경사도, 풍속센서(63)로부터 바람의 세기 및 레인드롭센서(64)로부터 습도 및 우량 등의 외부환경 데이터를 기초로 변속시점을 결정하는 것을 특징으로 하는 다단 동력전달장치.
9. 제4항에 있어서,
   상기 컨트롤러는 각 레벨에 따라 최고 RPM이 설정된 저속모드 스위치(67) 및 전자식 악셀 페달(65)과 연동되어 저속 주행을 제어하는 것을 특징으로 하는 다단 동력전달장치.

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