KR101459474B1 - 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치 - Google Patents

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generator
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최금림
김경주
조진국
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현대자동차 주식회사
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Abstract

4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치는 엔진의 출력축과 연결됨과 동시에 전륜측 변속기 하우징과 선택적으로 연결되는 입력축; 모터와 제너레이터 기능을 가지며, 전륜측 변속기 하우징에 구성되는 제1모터/제너레이터; 모터와 제너레이터 기능을 가지며, 후륜 출력기어와 연결되어 후륜측 변속기 하우징에 구성되는 제2모터/제너레이터; 상기 입력축 상에 배치되며, 3개의 회전요소 중, 제1회전요소가 상기 제1모터/제너레이터와 직접 연결됨과 동시에 상기 입력축에 선택적으로 연결되고, 제2회전요소가 상기 입력축과 직접 연결되며, 제3회전요소가 전륜 출력기어와 선택적으로 연결되는 유성기어세트; 상기 선택적 연결부에 구성되는 연결수단을 포함한다.

Description

4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치{TRANSMISSION SYSTEM OF FOUR WHEEL DRIVE HYBRID ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 저속주행 효율이 좋은 동력분기모드 및 고속주행 효율이 좋은 병렬모드 운행이 가능하도록 하여 연비 향상을 극대화 할 수 있도록 한 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치에 관한 것이다.
일반적으로 하이브리드 차량은 서로 다른 두 종류 이상의 동력원을 효율적으로 조합하여 구동하는 차량이다.
이러한 하이브리드 차량은 통상적으로 엔진과 모터/제너레이터를 사용하는데, 저속에서는 상대적으로 저속토크특성이 좋은 모터/제너레이터를 주 동력원으로 사용하고, 고속에서는 상대적으로 고속토크특성이 좋은 엔진을 주 동력원으로 사용한다.
이에 따라 하이브리드 차량은 저속구간에서 화석 연료를 사용하는 엔진의 작동이 정지되고 모터/제너레이터를 사용하기 때문에 연비 개선과 배기가스의 저감에 우수한 효과가 있다.
그리고 상기와 같은 하이브리드 차량용 변속장치는 단일모드 방식과 다중모드 방식으로 분류된다.
상기 단일모드 방식은 변속제어를 위한 클러치 및 브레이크와 같은 연결수단이 필요하지 않다는 장점은 있으나, 고속 주행 시, 효율이 저하되어 연비가 낮고 대형 차량에 적용하기 위해서는 부가적인 토크 증배 장치가 필요하다는 단점이 있다.
상기 다중모드 방식은 고속 주행 시, 효율이 높고 자체적으로 토크 증배가 가능하도록 설계할 수 있어 중대형 차량에 적용이 가능하다는 장점이 있다.
이에 따라 최근에는 단일모드 방식보다는 다중모드 방식을 주로 채택하고 있으며, 그에 따른 연구가 활발하게 진행되고 있다.
상기 다중모드 방식의 변속장치는 유성기어세트, 모터 및 발전기로 사용되는 복수의 모터/제너레이터, 상기 유성기어세트의 회전요소를 제어할 수 있는 연결수단, 및 상기 모터/제너레이터의 동력원으로 사용되는 배터리 등을 포함하여 이루어진다.
이러한 다중모드 방식의 변속장치는 상기의 유성기어세트, 모터/제너레이터, 및 연결수단의 연결 구성에 따라 상이한 작동 메커니즘을 갖는다.
또한, 상기 다중모드 방식의 변속장치는 그 연결 구성에 따라 내구성, 동력전달효율, 크기 등이 달라지는 특성이 있기 때문에 하이브리드 차량용 변속장치 분야에서는 보다 견고하고, 동력손실이 적으며, 콤팩트한 동력전달 메카니즘을 구현하기 위한 연구 개발이 지속되고 있다.
이러한 하이브리드 차량은 구동방식에 따라 2륜 구동(TWO WHEEL DRIVE: 이하, 2WD라고 칭함) 방식과 4륜 구동(FOUR WHEEL DRIVE: 이하, 4WD로 칭함) 방식으로 분류할 수 있다.
상기 2WD 하이브리드 차량은 통상적으로 2개의 모터/제너레이터와 유성기어세트를 이용하여 전륜을 구동하도록 구성하고 있다.
상기 4WD 하이브리드 차량은 2개의 모터/제너레이터와 유성기어세트를 이용하여 전륜을 구동하도록 구성하고, 1개의 모터/제너레이터를 이용하여 후륜 구동을 할 수 있도록 구성하고 있다.
그러나 본 발명이 관계하는 4WD 하이브리드 차량은 전륜을 구동하기 위하여 2개의 모터/제너레이터와 유성기어세트를 사용함으로써, 엔진 동력의 일부분이 항상 전기 에너지로 변환되기 때문에 고속 영역에서 연비가 나쁘다는 단점을 보유하고 하고 있다.
이에 따라 상기 문제점을 보완하기 위하여 유성기어세트의 숫자를 늘리고, 이에 동반하여 클러치 및 브레이크가 증가함으로써, 동력 전달 효율이 낮아지고 생산원가가 상승된다는 문제점을 내포하고 있다.
본 발명의 실시 예는 기존에 비하여 1개의 모터/제너레이터를 줄임으로써, 생산원가를 절감할 수 있는 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치를 제공하고자 한다.
또한, 저속주행 효율이 좋은 동력분기모드 및 고속주행 효율이 좋은 병렬모드의 운행이 가능하도록 하여 연비 향상을 극대화 할 수 있도록 한 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치를 제공하고자 한다.
또한, 동력분기모드를 통하여 발전용 모터/제너레이터의 용량을 줄여 생산원가를 절감할 수 있는 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시 예에서는 엔진의 출력축과 연결됨과 동시에 전륜측 변속기 하우징과 선택적으로 연결되는 입력축; 모터와 제너레이터 기능을 가지며, 전륜측 변속기 하우징에 구성되는 제1모터/제너레이터; 모터와 제너레이터 기능을 가지며, 후륜 출력기어와 연결되어 후륜측 변속기 하우징에 구성되는 제2모터/제너레이터; 상기 입력축 상에 배치되며, 3개의 회전요소 중, 제1회전요소가 상기 제1모터/제너레이터와 직접 연결됨과 동시에 상기 입력축에 선택적으로 연결되고, 제2회전요소가 상기 입력축과 직접 연결되며, 제3회전요소가 전륜 출력기어와 선택적으로 연결되는 유성기어세트; 상기 선택적 연결부에 구성되는 연결수단을 포함하는 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치를 제공할 수 있다.
또한, 상기 입력축과 평행하게 배치된 전륜 중간축 상에 구성되어 상기 전륜 출력기어로부터 전달되는 회전동력을 전륜 디프렌셜에 감속 전달하는 전륜 감속기어수단; 상기 제2모터/제너레이터의 후륜 출력기어로부터 전달되는 회전동력을 후륜 디프렌셜에 감속 전달하는 후륜 감속기어수단을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 전륜 감속기어수단은 상기 입력축과 전륜 디프렌셜 사이에서 상기 입력축에 평행하게 배치된 전륜 중간축; 상기 전륜 중간축 상에 구성되어 상기 전륜 출력기어와 외접 기어 연결된 전륜 제1중간기어; 상기 전륜 중간축 상에 구성되어 상기 전륜 디프렌셜의 전륜 종감속기어와 외접 기어 연결된 전륜 제2중간기어를 포함할 수 있다.
또한, 상기 후륜 감속기어수단은 상기 후륜 출력기어와 후륜 디프렌셜 사이에 배치된 후륜 중간축; 상기 후륜 중간축 상에 구성되어 상기 후륜 출력기어와 후륜 디프렌셜의 후륜 종감속기어 사이에 각각 내접 및 외접 기어 연결된 후륜 중간기어를 포함할 수 있다.
또한, 상기 유성기어세트는 싱글 피니언 유성기어세트로서, 제1회전요소가 선기어, 제2회전요소가 유성캐리어, 제3회전요소가 링기어로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 연결수단은 상기 유성기어세트의 제3회전요소와 전륜 출력기어 사이에 구성되는 제1클러치; 상기 유성기어세트의 제1회전요소와 입력축 사이에 구성되는 제2클러치; 상기 입력축과 전륜측 변속기 하우징 사이에 구성되는 브레이크를 포함할 수 있다.
또한, 상기 연결수단은 EV모드에서 제1, 제2클러치와 브레이크의 작동이 모두 해제되고, 엔진의 시동, 연속모드에서 제2클러치만 작동되고, 병렬모드에서 제1, 제2클러치가 작동되고, 동력분기모드에서 제1클러치만 작동되고, 회생제동모드에서 제1클러치와 브레이크가 작동될 수 있다.
또한, 상기 엔진의 출력축과 입력축 사이에는 토션 댐퍼가 구성될 수 있다.
또한, 상기 제1모터/제너레이터는 발전용이고, 제2모터/제너레이터는 구동용일 수 있다.
본 발명의 실시 예는 엔진의 구동력을 이용하여 전륜을 구동하고, 구동용 모터/제너레이터를 이용하여 후륜을 구동할 수 있도록 함으로써, 기존 4륜 구동 하이브리드 차량의 변속장치보다 1개의 모터/제너레이터를 적게 사용함으로써, 생산원가를 낮출 수 있다.
또한, 저속주행 효율이 좋은 동력분기모드 및 고속주행 효율이 좋은 병렬모드 운행이 가능하도록 하여 연비 향상을 극대화하며, 동력분기모드, 병렬모드, 연속모드를 통하여 엔진 운전점 자유도를 높일 수 있다.
또한, 동력분기모드를 구현하여 발전용 모터/제너레이터의 용량을 줄임으로써 생산원가를 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치에 적용되는 연결수단의 각 구동모드별 작동표이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치의 EV모드에서의 동력전달 계통도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치의 엔진 시동에서의 동력전달 계통도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치의 연속모드에서의 동력전달 계통도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치의 동력분기모드에서의 동력전달 계통도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치의 병렬모드의 직결구동에서의 동력전달 계통도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치의 회생제동모드에서의 동력전달 계통도이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면을 통하여 상세하게 설명한다.
단, 본 발명의 실시 예를 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 적용하여 설명한다.
하기의 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2등으로 구분한 것은 그 구성의 명칭이 동일하여 이를 구분하기 위한 것으로, 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치는 전륜 구동부(A)와 후륜 구동부(B)로 구분하여 설명한다.
상기 전륜 구동부(A)는 입력축(IS), 유성기어세트(PG), 제1모터/제너레이터(MG1), 연결수단(CL1)(CL2)(BK), 전륜 감속기어수단(FCGU)를 포함한다.
상기 입력축(IS)은 동력원인 엔진(ENG)의 구동력을 전달받을 수 있도록 배치되며, 상기 엔진(ENG)의 출력축(OS)과 입력축(IS) 사이에는 토션 댐퍼(DP)가 구성된다.
상기 토션 댐퍼(DP)는 엔진(ENG)의 출력축(OS)과 입력축(IS) 사이에 발생되는 비틀림 진동을 감쇠 또는 저감시킨다.
상기 토션 댐퍼(DP)는 비틀림 충격을 흡수할 수 있는 고무 또는 비틀림 스프링 등으로 구성할 수 있으나, 어느 하나의 구성에 한정되는 것은 아니고, 엔진의 출력축(OS)과 입력축(IS) 사이에 발생되는 비틀림 진동을 흡수할 수 있으면 어느 것이라도 관계없다.
상기 유성기어세트(PG)는 싱글 피니언 유성기어세트로서, 선기어(S: 제1회전요소), 상기 선기어(S)와 외접으로 맞물리는 피니언(P)을 회전 지지하는 유성캐리어(PC: 제2회전요소), 상기 피니언(P)과 내접으로 맞물리는 링기어(R: 제3회전요소)를 회전요소로 포함한다.
상기 선기어(S: 제1회전요소)는 입력축(IS) 또는 유성캐리어(PC: 제2회전요소)와 선택적으로 연결되며, 상기 유성 캐리어(PC: 제2회전요소)는 상기 입력축(IS)과 직접 연결되며, 상기 링기어(R: 제3회전요소)는 전륜 출력기어(FOG)와 선택적으로 연결된다.
상기 제1모터/제너레이터(MG1)는 독립적인 동력원으로서, 모터와 제너레이터 기능을 갖는데, 본 발명에서는 주로 발전기로 사용되며, 엔진의 시동 시에는 전동기로 작동한다.
또한, 상기 제1모터/제너레이터(MG1)는 제1로터(RT1)와 제1스테이터(ST1)를 포함하여 이루어지며, 상기 제1로터(RT1)는 상기 유성기어세트(PG)의 선기어(S: 제1회전요소)와 직접 연결되고, 상기 제1스테이터(ST1)는 전륜측 변속기 하우징(FH)에 직접 고정된다.
상기 연결수단은 제1, 제2클러치(CL1)(CL2)와, 브레이크(BK)를 포함하여 이루어진다.
상기 제1클러치(CL1)는 유성기어세트(PG)의 링기어(R: 제3회전요소)와 전륜 출력기어(FOG) 사이에 구성되고, 상기 제2클러치(CL2)는 유성기어세트(PG)의 선기어(S: 제1회전요소)와 입력축(IS) 또는 유성캐리어(PC: 제2회전요소) 사이에 구성되고, 상기 브레이크(BK)는 상기 입력축(IS)과 전륜측 변속기 하우징(FH) 사이에 구성된다.
상기 제1클러치(CL1)는 유성기어세트(PG)의 링기어(R: 제3회전요소)로부터 출력되는 회전동력을 선택적으로 전륜 출력기어(FOG)에 전달하거나, 상기 전륜 출력기어(FOG)로부터 전달되는 회전동력을 선택적으로 링기어(R: 제3회전요소)에 전달한다.
상기 제2클러치(CL2)는 유성기어세트(PG)의 전체가 하나의 회전체가 될 수 있도록 하는 직결수단의 기능을 한다.
상기 브레이크(BK)는 회생제동모드에서 제1클러치(CL1)와 함께 작동하면서 입력축(IS)을 고정하고, 전륜 감속기어수단(FCGU)을 통하여 입력되는 제동 회생력을 유성기어세트(PG)에서 증속하여 제1모터/제너레이터(MG)에 전달하여 발전 구동할 수 있도록 한다.
상기에서 제1, 제2클러치(CL1)(CL2) 및 브레이크(BK)는 유압에 의하여 마찰 결합되는 다판식 유압마찰결합유닛으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 전륜 감속기어수단(FCGU)은 상기 입력축(IS)과 전륜 디프렌셜(FDIFF) 사이에서 상기 입력축(IS)과 평행하게 전륜 중간축(FCS)이 구성되고, 상기 전륜 중간축(FCS) 상의 일측에 전륜 제1중간기어(FCG1)가 구성되어 상기 전륜 출력기어(FOG)와 외접 치합된다.
또한, 상기 전륜 중간축(FCS) 상의 타측에는 전륜 제2중간기어(FCG2)가 구성되어 상기 전륜 디프렌셜(FDIFF)의 전륜 종감속기어(FFG)와 외접 치합된다.
이때, 상기 전륜 감속기어수단(FCGU)은 전륜 제1중간기어(FCG1)가 전륜 제2중간기어(FCG2)에 비하여 직경이 큰 대직경 기어로 구성되어 상기 전륜 출력기어(FOG)의 회전동력을 감속하여 전륜 종감속기어(FFG)에 전달한다.
상기 전륜 디프렌셜(FDIFF)는 공지에서와 같이 상기 전륜 제2중간기어(FCG2)와 전륜 종감속기어(FFG)의 기어비에 의하여 감속되어 입력되는 회전동력을 도로조건에 따라 입력 그대로 또는 차동시켜 전륜 구동축(FDS)을 통해 전륜(FW)으로 전달한다.
한편, 상기 후륜 구동부(B)는 제2모터/제너레이터(MG2), 후륜 감속기어수단(RCGU)을 포함한다.
상기 제2모터/제너레이터(MG2)는 독립적인 동력원으로서, 모터와 제너레이터 기능을 갖는데, 본 발명에서는 주로 전동기로 사용된다.
또한, 상기 제2모터/제너레이터(MG2)는 제2 로터(RT2)와 제2 스테이터(ST2)를 포함하여 이루어지며, 상기 제2 로터(RT2)는 후륜 출력기어(ROG)와 직접 연결되고, 상기 제2 스테이터(ST2)는 변속기 하우징(H)에 직접 고정된다.
또한, 상기 제2모터/제너레이터(MG2)는 제2로터(RT2)와 제2스테이터(ST2)를 포함하여 이루어지며, 상기 제2로터(RT2)는 상기 후륜 출력기어(ROG)와 직접 연결되고, 상기 제2스테이터(ST2)는 후륜 변속기 하우징(RH)에 직접 고정된다.
상기 후륜 감속기어수단(RCGU)은 상기 후륜 출력기어(ROG)와 후륜 디프렌셜(RDIFF) 사이에 후륜 중간축(RCS)가 배치되고, 상기 후륜 중간축(RCS) 상에는 상기 후륜 출력기어(ROG)와 후륜 디프렌셜(RDIFF)의 후륜 종감속기어(RFG) 사이에 각각 내접 및 외접 기어 연결된 후륜 중간기어(RCG)가 구성된다.
상기 후륜 디프렌셜(RDIFF)는 공지에서와 같이 상기 후륜 중간기어(RCG)와 후륜 종감속기어(RFG)의 기어비에 의하여 감속되어 입력되는 회전동력을 도로조건에 따라 입력 그대로 또는 차동시켜 후륜 구동축(RDS)을 통해 후륜(RW)으로 전달한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치에 적용되는 연결수단의 각 구동모드별 작동표이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치는 EV모드, 엔진의 시동, 연속모드, 동력분기모드, 병렬모드의 직결 구동, 및 회생제동모드를 구현할 수 있다.
즉, EV모드에서는 제1, 제2클러치(CL1,CL2)와 브레이크(BK)의 작동이 모두 해제되고, 엔진의 시동 및 연속모드에서는 제2클러치(CL2)만 작동되고, 동력분기모드에서는 제1클러치(CL1)만 작동되고, 병렬모드에서는 제1, 제2클러치(CL1,CL2)가 작동되고, 회생제동모드에서 제1클러치(CL1)와 브레이크(BK)가 작동된다.
여기서, 상기 병렬모드의 직결 구동은 제2클러치(CL)의 작동에 따라 유성기어세트(PG)가 직결상태가 되어 유성기어세트(PG)에 대한 입력과 출력이 1:1이 되는 상징적 표현으로, 전체적인 변속장치의 측면에서 상기 병렬모드의 직결 구동의 의미는 상기 전륜 출력기어(FOG)에 치합되는 전륜 감속기어수단(FCGU)의 전륜 제1중간기어(FCG1)와 전륜 제2중간기어(FCG2)의 기어비에 따라 구현되는 언더 드라이브(UD; UNDER DRIVE), 1:1, 및 오버 드라이버(OD: OVER DRIVE)를 포함한다.
이하, 도 3 내지 도 8을 통하여 본 발명의 실시 예에 따른 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치의 각 구동모드별 동력전달 계통을 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치의 EV모드에서의 동력전달 계통도이다.
도 3을 참조하면, EV모드에서는 제1, 제2클러치(CL1,CL2) 및 브레이크(BK)가 모두 작동하지 않는 상태로 이루어진다.
EV모드에서는 엔진(ENG)이 작동 정지된 상태를 유지하고, 상기 제2모터/제너레이터(MG2)의 출력 제어가 이루어진다.
즉, 제2모터/제너레이터(MG2)의 구동으로 회전동력이 후륜 출력기어(ROG)와 후륜 중간기어(RCG)을 통해 후륜 디프렌셜(RDIFF)로 후륜 종감속기어(RFG)로 전달되며, 상기 후륜 종감속기어(RFG)를 통해 후륜 디프렌셜(RDIFF)로 전달된 제2모터/제너레이터(MG2)의 회전동력은 도로조건에 따라 입력 그대로 또는 차동되면서 후륜 구동축(RDS)을 통해 후륜(RW)을 구동시킨다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치의 엔진 시동에서의 동력전달 계통도이다.
도 4를 참조하면, 상기와 같은 EV모드 상태에서 차량의 속도가 설정치 이상이면, 엔진(ENG)의 시동이 이루어지는데, 이때에는 제2클러치(CL2)가 작동 제어된다.
그러면 제1모터/제너레이터(MG1)가 작동 제어되면서 제1모터/제너레이터(MG1)의 회전동력이 유성기어세트(PG)의 선기어(S)와 제2클러치(CL2), 그리고 입력축(IS)을 통해 엔진(ENG)으로 전달되어 엔진(ENG)의 시동이 이루어지도록 한다.
그리고 엔진(ENG)의 시동이 이루어진 후에는 제2클러치(CL2)의 작동이 해제되며, 이때 유성기어세트(PG)는 엔진 시동에 직접적으로 관여하지는 않는다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치의 연속모드에서의 동력전달 계통도이다.
도 5를 참조하면, 연속모드에서는 엔진(ENG)이 시동된 상태에서 제2클러치(CL2)가 작동 제어된다.
그러면 차량은 EV모드로 주행하면서 엔진(ENG)의 회전동력이 입력축(IS), 제2클러치(CL2), 유성기어세트(PG)의 선기어(S)를 통해 제1모터/제너레이터(MG1)를 구동시킴으로써, 제1모터/제너레이터(MG1)에서 발전이 이루어지며, 상기 제1모터/제너레이터(MG1)에서 생성된 발전전기는 모두 제2모터/제너레이터(MG2)로 구동전원으로 공급되어 제2모터/제너레이터(MG2)의 구동력으로 차량의 운행이 이루어진다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치의 동력분기모드에서의 동력전달 계통도이다.
도 6을 참조하면, 동력분기모드에서는 제1클러치(CL1)가 작동 제어된다.
동력분기모드에서는 엔진(ENG)의 회전동력이 주동력으로 적용되고, 제2모터/제너레이터(MG2)의 회전동력이 보조동력으로 적용된다.
즉, 엔진(ENG)의 회전동력이 입력축(IS)과 유성캐리어(PC)를 통해 유성기어세트(PG)로 입력되고, 상기 유성기어세트(PG)에 입력된 회전동력은 유성기어세트(PG)의 각 회전요소의 상호 보완 작동에 의하여 일부는 선기어(S)를 통해 제1모터/제너레이터(MG1)로 전달되고, 일부는 제1클러치(CL1)를 통해 전륜 출력기어(FOG)로 전달된다.
이때, 상기 엔진(ENG)의 회전동력은 토크가 남는 동안, 제1모터/제너레이터(MG1)의 발전에 관여할 수 있다. 즉, 상기 제1모터/제너레이터(MG1)에서는 유성기어세트(PG)를 통하여 전달되는 엔진(ENG)의 회전동력에 의하여 발전이 이루어지며, 발전된 전기는 제2모터/제너레이터(MG2)에 구동전원으로 공급되며, 남는 전기는 배터리에 충전된다.
이와 같은 동력분기모드에서는 주동력으로 링기어(R)를 통하여 전륜 출력기어(FOG)로 전달되는 엔진(ENG)의 출력과 함께, 보조동력으로 상기 후륜 출력기어(ROG)에 전달되는 제2모터/제너레이터(MG2)의 출력 제어에 의해 전자적 무단변속이 이루어진다.
즉, 상기 전륜 출력기어(FOG)로 입력된 엔진(ENG)의 회전동력은 전륜 감속기어유닛(FCGU)을 통해 전륜 디프렌셜(FDIFF)로 전달되며, 상기 전륜 디프렌셜(FDIFF)에 전달된 엔진(ENG)의 회전동력은 도로조건에 따라 입력 그대로 또는 차동되면서 전륜 구동축(FDS)을 통해 전륜(FW)을 구동시킨다.
또한, 상기 후륜 출력기어(ROG)로 입력된 제2모터/제너레이터(MG2)의 회전동력은 보조동력으로, 후륜 출력기어(ROG)와 후륜 중간기어(RCG)을 통해 후륜 디프렌셜(RDIFF)로 전달되며, 도로조건에 따라 입력 그대로 또는 차동되면서 후륜 구동축(RDS)을 통해 후륜(RW)을 구동시킨다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치의 병렬모드의 직결구동에서의 동력전달 계통도이다.
도 7을 참조하면, 병렬모드(즉, 직결 구동)는 제1, 제2클러치(CL1,CL2)가 작동 제어된다.
병렬모드(직결 구동)에서는 엔진(ENG)의 회전동력이 주동력으로 적용되고, 제2모터/제너레이터(MG2)의 회전동력이 보조동력으로 적용된다.
즉, 제2클러치(CL2)의 작동으로 유성기어세트(PG)가 직결된 상태에서 엔진(ENG)의 회전동력이 입력축(IS)과 유성기어세트(PG), 및 상기 제2클러치(CL2)의 작동에 의해 상기 유성기어세트(PG)의 링기어(R)와 동력 연결된 전륜 출력기어(FOG)에 동속의 주동력으로 전달되며, 동시에 제2모터/제너레이터(MG2)의 회전동력이 후륜 출력기어(ROG)에 보조동력으로 전달된다.
이때, 상기 엔진(ENG)의 회전동력은 일정부분 제1모터/제너레이터(MG1)의 발전에 관여한다. 즉, 상기 제1모터/제너레이터(MG1)에서는 직결된 유성기어세트(PG)를 통하여 전달되는 엔진(ENG)의 회전동력에 의하여 발전이 이루어지며, 발전된 전기는 제2모터/제너레이터(MG2)에 구동전원으로 공급되며, 남는 전기는 배터리에 충전된다.
이와 같은 병렬모드에서는 주동력으로 입력축(IS)과 직결 상태의 유성기어세트(PG)를 통하여 전륜 출력기어(FOG)로 전달되는 엔진(ENG)의 직결 출력과 함께, 보조동력으로 후륜 출력기어(ROG)에 전달되는 제2모터/제너레이터(MG2)의 출력 제어가 이루어진다.
즉, 상기 전륜 출력기어(FOG)로 입력된 엔진(ENG)의 회전동력은 전륜 감속기어유닛(FCGU)을 통해 전륜 디프렌셜(FDIFF)로 전달되며, 상기 전륜 디프렌셜(FDIFF)에 전달된 엔진(ENG)의 회전동력은 도로조건에 따라 입력 그대로 또는 차동되면서 전륜 구동축(FDS)을 통해 전륜(FW)을 구동시킨다.
또한, 상기 후륜 출력기어(ROG)로 입력된 제2모터/제너레이터(MG2)의 회전동력은 보조동력으로, 후륜 출력기어(ROG)와 후륜 중간기어(RCG)을 통해 후륜 디프렌셜(RDIFF)로 전달되며, 도로조건에 따라 입력 그대로 또는 차동되면서 후륜 구동축(RDS)을 통해 후륜(RW)을 구동시킨다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치의 회생제동모드에서의 동력전달 계통도이다.
도 8을 참조하면, 회생제동모드에서는 제1클러치(CL1)와 브레이크(BK)가 작동 제어된다.
회생 제동 모드는 차량의 타력 주행이나 제동 시 작동되며, 브레이크(BK)의 작동으로 유성캐리어(PC)가 고정요소로 작동하는 상태에서, 전륜(FW)으로부터의 제동 회생력이 제1클러치(CL1)와 유성기어세트(PG)를 통해 제1모터/제너레이터(MG1)로 입력됨으로써, 제1모터/제너레이터(MG1)가 발전 구동한다.
또한, 후륜(RW)으로부터의 제동 회생력은 제2모터/제너레이터(MG2)에 바로 입력됨으로써, 제2모터/제너레이터(MG2)가 발전기로 작동하여 발전 구동한다.
즉, 회생제동모드에서는 전륜(FW) 및 후륜(RW)으로부터 역경로로 입력되는 회전동력에 의하여 제1, 제2 모터/ 제너레이터(MG1)(MG2)가 모두 발전기로 작동한다.
이때, 전륜측의 제1모터/제너레이터(MG1)를 통한 회생제동을 구현하지 않을 경우에는 상기 브레이크(BK)의 구성을 배제할 수 있으며, 이로 인해 변속장치를 더욱 간소화하여 구성할 수 있다.
상기와 같이 구성 동작되는 본 발명의 실시 예에 따른 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치는 기존의 변속장치와 비교하여 1개의 모터/제너레이터가 적게 사용함으로써, 생산원가를 낮출 수 있다.
또한, 저속주행 효율이 좋은 동력분기모드 및 고속주행 효율이 좋은 병렬모드의 운행이 가능하도록 하여 연비 향상을 극대화할 수 있고, EV모드, 동력분기모드, 병렬모드, 연속모드 등의 구현 가능한 다양한 구동모드를 통하여 엔진 운전점 자유도를 높일 수 있다.
또한, 동력분기모드의 구현으로 발전용 모터/제너레이터의 용량을 줄여 생산원가를 절감할 수 있다.
이상으로 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시 예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
IS... 입력축 DP... 토션 댐퍼
FCS... 전륜 중간축 RCS... 후륜 중간축
FDIFF... 전륜 감속기어수단 RDIFF... 후륜 감속기어수단
FOG... 전륜 출력기어 ROG... 후륜 출력기어
CL1,CL2... 제1, 제2클러치 PG... 유성기어세트
S... 선기어 PC... 유성캐리어
R... 링기어 MG1,MG2... 제1, 제2모터/제너레이터
BK... 브레이크 FW.. 전륜
RW... 후륜

Claims (32)

  1. 엔진의 출력축과 연결됨과 동시에 전륜측 변속기 하우징과 선택적으로 연결되는 입력축;
    모터와 제너레이터 기능을 가지며, 전륜측 변속기 하우징에 구성되는 제1모터/제너레이터;
    모터와 제너레이터 기능을 가지며, 후륜 출력기어와 연결되어 후륜측 변속기 하우징에 구성되는 제2모터/제너레이터;
    상기 입력축 상에 배치되며, 3개의 회전요소 중, 제1회전요소가 상기 제1모터/제너레이터와 직접 연결됨과 동시에 상기 입력축에 선택적으로 연결되고, 제2회전요소가 상기 입력축과 직접 연결되며, 제3회전요소가 전륜 출력기어와 선택적으로 연결되는 유성기어세트;
    상기 선택적 연결부에 구성되는 연결수단;
    을 포함하는 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 입력축과 평행하게 배치된 전륜 중간축 상에 구성되어 상기 전륜 출력기어로부터 전달되는 회전동력을 전륜 디프렌셜에 감속 전달하는 전륜 감속기어수단;
    상기 제2모터/제너레이터의 후륜 출력기어로부터 전달되는 회전동력을 후륜 디프렌셜에 감속 전달하는 후륜 감속기어수단:
    을 더 포함하는 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전륜 감속기어수단은
    상기 입력축과 전륜 디프렌셜 사이에서 상기 입력축에 평행하게 배치된 전륜 중간축;
    상기 전륜 중간축 상에 구성되어 상기 전륜 출력기어와 외접 기어 연결된 전륜 제1중간기어;
    상기 전륜 중간축 상에 구성되어 상기 전륜 디프렌셜의 전륜 종감속기어와 외접 기어 연결된 전륜 제2중간기어;
    를 포함하는 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 후륜 감속기어수단은
    상기 후륜 출력기어와 후륜 디프렌셜 사이에 배치된 후륜 중간축;
    상기 후륜 중간축 상에 구성되어 상기 후륜 출력기어와 후륜 디프렌셜의 후륜 종감속기어 사이에 각각 내접 및 외접 기어 연결된 후륜 중간기어;
    를 포함하는 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 유성기어세트는
    싱글 피니언 유성기어세트로서, 제1회전요소가 선기어, 제2회전요소가 유성캐리어, 제3회전요소가 링기어로 이루어지는 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 연결수단은
    상기 유성기어세트의 제3회전요소와 전륜 출력기어 사이에 구성되는 제1클러치;
    상기 유성기어세트의 제1회전요소와 입력축 사이에 구성되는 제2클러치;
    상기 입력축과 전륜측 변속기 하우징 사이에 구성되는 브레이크;
    를 포함하는 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 연결수단은
    EV모드에서 제1, 제2클러치와 브레이크의 작동이 모두 해제되고,
    엔진의 시동, 연속모드에서 제2클러치만 작동되고,
    병렬모드에서 제1, 제2클러치가 작동되고,
    동력분기모드에서 제1클러치만 작동되고,
    회생제동모드에서 제1클러치와 브레이크가 작동되는 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 엔진의 출력축과 입력축 사이에는
    토션 댐퍼가 구성되는 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1모터/제너레이터는 발전용이고, 제2모터/제너레이터는 구동용인 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치.
  10. 엔진의 출력축과 연결됨과 동시에 전륜측 변속기 하우징과 선택적으로 연결되는 입력축;
    모터와 제너레이터 기능을 가지며, 전륜측 변속기 하우징에 구성되는 제1모터/제너레이터;
    모터와 제너레이터 기능을 가지며, 후륜 출력기어와 연결되어 후륜측 변속기 하우징에 구성되는 제2모터/제너레이터;
    상기 입력축 상에 배치되며, 선기어가 상기 제1모터/제너레이터와 직접 연결됨과 동시에 상기 입력축에 선택적으로 연결되고, 유성캐리어가 상기 입력축과 직접 연결되며, 링기어가 전륜 출력기어와 선택적으로 연결되는 유성기어세트;
    상기 선택적 연결부에 구성되는 연결수단;
    을 포함하는 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 입력축과 평행하게 배치된 전륜 중간축 상에 구성되어 상기 전륜 출력기어로부터 전달되는 회전동력을 전륜 디프렌셜에 감속 전달하는 전륜 감속기어수단;
    상기 제2모터/제너레이터의 후륜 출력기어로부터 전달되는 회전동력을 후륜 디프렌셜에 감속 전달하는 후륜 감속기어수단:
    을 더 포함하는 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전륜 감속기어수단은
    상기 입력축과 전륜 디프렌셜 사이에서 상기 입력축에 평행하게 배치된 전륜 중간축;
    상기 전륜 중간축 상에 구성되어 상기 전륜 출력기어와 외접 기어 연결된 전륜 제1중간기어;
    상기 전륜 중간축 상에 구성되어 상기 전륜 디프렌셜의 전륜 종감속기어와 외접 기어 연결된 전륜 제2중간기어;
    를 포함하는 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 후륜 감속기어수단은
    상기 후륜 출력기어와 후륜 디프렌셜 사이에 배치된 후륜 중간축;
    상기 후륜 중간축 상에 구성되어 상기 후륜 출력기어와 후륜 디프렌셜의 후륜 종감속기어 사이에 각각 내접 및 외접 기어 연결된 후륜 중간기어;
    를 포함하는 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치.
  14. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 유성기어세트는 싱글 피니언 유성기어세트로 이루어지는 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치.
  15. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 연결수단은
    상기 유성기어세트의 링기어와 전륜 출력기어 사이에 구성되는 제1클러치;
    상기 유성기어세트의 선기어와 유성캐리어 사이에 구성되는 제2클러치;
    상기 입력축과 전륜측 변속기 하우징 사이에 구성되는 브레이크;
    를 포함하는 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 연결수단은
    EV모드에서 제1, 제2클러치와 브레이크의 작동이 모두 해제되고,
    엔진의 시동, 연속모드에서 제2클러치만 작동되고,
    병렬모드에서 제1, 제2클러치가 작동되고,
    동력분기모드에서 제1클러치만 작동되고,
    회생제동모드에서 제1클러치와 브레이크가 작동되는 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치.
  17. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 엔진의 출력축과 입력축 사이에는
    토션 댐퍼가 구성되는 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치.
  18. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 제1모터/제너레이터는 발전용이고, 제2모터/제너레이터는 구동용인 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치.
  19. 엔진의 출력축과 연결됨과 동시에 전륜측 변속기 하우징과 선택적으로 연결되는 입력축;
    모터와 제너레이터 기능을 가지며, 전륜측 변속기 하우징에 구성되는 제1모터/제너레이터;
    모터와 제너레이터 기능을 가지며, 후륜 출력기어와 연결되어 후륜측 변속기 하우징에 구성되는 제2모터/제너레이터;
    상기 입력축 상에 배치되며, 선기어가 상기 제1모터/제너레이터와 직접 연결됨과 동시에 상기 입력축에 선택적으로 연결되고, 유성캐리어가 상기 입력축과 직접 연결되며, 링기어가 전륜 출력기어와 선택적으로 연결되는 유성기어세트;
    상기 유성기어세트의 링기어와 전륜 출력기어 사이에 구성되는 제1클러치;
    상기 유성기어세트의 선기어와 유성캐리어 사이에 구성되는 제2클러치;
    상기 입력축과 전륜측 변속기 하우징 사이에 구성되는 브레이크;
    상기 입력축과 평행하게 배치된 전륜 중간축 상에 구성되어 상기 전륜 출력기어로부터 전달되는 회전동력을 전륜 디프렌셜에 감속 전달하는 전륜 감속기어수단;
    상기 제2모터/제너레이터의 후륜 출력기어로부터 전달되는 회전동력을 후륜 디프렌셜에 감속 전달하는 후륜 감속기어수단:
    을 포함하여 EV모드, 엔진의 시동, 연속모드, 동력분기모드, 병렬모드, 및 회생제동모드로 이루어지는 구동모드를 구현하는 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 전륜 감속기어수단은
    상기 입력축과 전륜 디프렌셜 사이에서 상기 입력축에 평행하게 배치된 전륜 중간축;
    상기 전륜 중간축 상에 구성되어 상기 전륜 출력기어와 외접 기어 연결된 전륜 제1중간기어;
    상기 전륜 중간축 상에 구성되어 상기 전륜 디프렌셜의 전륜 종감속기어와 외접 기어 연결된 전륜 제2중간기어;
    를 포함하는 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치.
  21. 제19항 또는 제20항에 있어서,
    상기 후륜 감속기어수단은
    상기 후륜 출력기어와 후륜 디프렌셜 사이에 배치된 후륜 중간축;
    상기 후륜 중간축 상에 구성되어 상기 후륜 출력기어와 후륜 디프렌셜의 후륜 종감속기어 사이에 각각 내접 및 외접 기어 연결된 후륜 중간기어;
    를 포함하는 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치.
  22. 제19항 또는 제20항에 있어서,
    상기 유성기어세트는 싱글 피니언 유성기어세트로 이루어지는 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치.
  23. 제19항 또는 제20항에 있어서,
    상기 EV모드에서는 제1, 제2클러치와 브레이크의 작동이 모두 해제되고,
    상기 엔진의 시동, 연속모드에서는 제2클러치만 작동되고,
    상기 병렬모드에서는 제1, 제2클러치가 작동되고,
    상기 동력분기모드에서는 제1클러치만 작동되고,
    상기 회생제동모드에서는 제1클러치와 브레이크가 작동되는 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치.
  24. 제19항 또는 제20항에 있어서,
    상기 엔진의 출력축과 입력축 사이에는
    토션 댐퍼가 구성되는 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치.
  25. 제19항 또는 제20항에 있어서,
    상기 제1모터/제너레이터는 발전용이고, 제2모터/제너레이터는 구동용인 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치.
  26. 엔진의 출력축과 연결되는 입력축;
    모터와 제너레이터 기능을 가지며, 전륜측 변속기 하우징에 구성되는 제1모터/제너레이터;
    모터와 제너레이터 기능을 가지며, 후륜 출력기어와 연결되어 후륜측 변속기 하우징에 구성되는 제2모터/제너레이터;
    상기 입력축 상에 배치되며, 선기어가 상기 제1모터/제너레이터와 직접 연결됨과 동시에 상기 입력축에 선택적으로 연결되고, 유성캐리어가 상기 입력축과 직접 연결되며, 링기어가 전륜 출력기어와 선택적으로 연결되는 유성기어세트;
    상기 유성기어세트의 링기어와 전륜 출력기어 사이에 구성되는 제1클러치;
    상기 유성기어세트의 선기어와 유성캐리어 사이에 구성되는 제2클러치;
    상기 입력축과 평행하게 배치된 전륜 중간축 상에 구성되어 상기 전륜 출력기어로부터 전달되는 회전동력을 전륜 디프렌셜에 감속 전달하는 전륜 감속기어수단;
    상기 제2모터/제너레이터의 후륜 출력기어로부터 전달되는 회전동력을 후륜 디프렌셜에 감속 전달하는 후륜 감속기어수단:
    을 포함하여 EV모드, 엔진의 시동, 연속모드, 동력분기모드, 병렬모드, 및 회생제동모드로 이루어지는 구동모드를 구현하는 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 전륜 감속기어수단은
    상기 입력축과 전륜 디프렌셜 사이에서 상기 입력축에 평행하게 배치된 전륜 중간축;
    상기 전륜 중간축 상에 구성되어 상기 전륜 출력기어와 외접 기어 연결된 전륜 제1중간기어;
    상기 전륜 중간축 상에 구성되어 상기 전륜 디프렌셜의 전륜 종감속기어와 외접 기어 연결된 전륜 제2중간기어;
    를 포함하는 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치.
  28. 제26항 또는 제27항에 있어서,
    상기 후륜 감속기어수단은
    상기 후륜 출력기어와 후륜 디프렌셜 사이에 배치된 후륜 중간축;
    상기 후륜 중간축 상에 구성되어 상기 후륜 출력기어와 후륜 디프렌셜의 후륜 종감속기어 사이에 각각 내접 및 외접 기어 연결된 후륜 중간기어;
    를 포함하는 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치.
  29. 제26항 또는 제27항에 있어서,
    상기 유성기어세트는 싱글 피니언 유성기어세트로 이루어지는 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치.
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    상기 EV모드와 회생제동모드에서는 제1, 제2클러치와 브레이크의 작동이 모두 해제되고,
    상기 엔진의 시동, 연속모드에서는 제2클러치만 작동되고,
    상기 병렬모드에서는 제1, 제2클러치가 작동되고,
    상기 동력분기모드에서는 제1클러치만 작동되는 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치.
  31. 제26항 또는 제27항에 있어서,
    상기 엔진의 출력축과 입력축 사이에는
    토션 댐퍼가 구성되는 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치.
  32. 제26항 또는 제27항에 있어서,
    상기 제1모터/제너레이터는 발전용이고, 제2모터/제너레이터는 구동용인 4륜 구동 하이브리드 차량용 변속장치.
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