KR101543086B1

KR101543086B1 - 차량의 하이브리드 파워트레인

Info

Publication number: KR101543086B1
Application number: KR1020130129291A
Authority: KR
Inventors: 박종윤; 최재영
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2013-10-29
Filing date: 2013-10-29
Publication date: 2015-08-07
Also published as: KR20150049133A; US9109675B2; US20150119177A1

Abstract

본 발명은 수동변속기 메커니즘을 기반으로 하는 차량의 하이브리드 파워트레인에 있어서, 컴팩트한 구성이 가능하면서도, 구현할 수 있는 전체 변속단의 범위에서 단간비를 보다 좁게 형성할 수 있는 자유도를 확보할 수 있고, 변속시 토크 단절감을 방지할 수 있도록 하여 우수한 변속품질을 제공하고 차량의 연비를 향상시킬 수 있도록 한다.

Description

차량의 하이브리드 파워트레인{HYBRID POWER TRAIN FOR VEHICLE}

본 발명은 차량의 하이브리드 파워트레인에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 동기 치합식 수동변속기의 메커니즘을 기반으로 한 하이브리드 파워트레인의 구성에 관한 기술이다.

내연기관인 엔진으로부터 발생되는 동력과 전기로 구동되는 모터에서 발생되는 동력을 적절히 조화롭게 운용하여 차량을 구동할 수 있도록 하는 하이브리드 파워트레인은, 기본적으로 엔진이 가지고 있는 토크 특성과 모터가 가지고 있는 토크 특성의 상호 보완적인 측면을 활용하여 차량 운행의 효율성을 향상시키도록 한다.

따라서, 종래의 하이브리드 파워트레인은 차량의 출발시나 저속의 상황에서 주로 모터에 의해 차량이 구동되도록 함으로써, 저속 토크특성이 우수한 모터의 특성을 활용하는 EV모드를 구현하고, 중속이나 고속의 상황에서는 상대적으로 토크 특성이 우수한 엔진으로 차량을 구동할 수 있도록 하는 엔진모드를 구현하며, 높은 토크가 요구되는 운전 상황에서는 엔진과 모터의 토크를 모두 사용할 수 있는 하이브리드 모드를 구현할 수 있도록 한다.

종래 수동변속기를 기반으로 하는 하이브리드 파워트레인은 AMT(AUTOMATED MANUAL TRANSMISSION)로 구성하여, 모터의 제어와 함께 AMT의 제어가 이루어지도록 하고 있으며, 차량의 변속기가 차지하는 크기와 궁극적인 연비를 고려하여, 모터의 동력은 주로 감속기어를 사용하여 차량의 저속 구동토크를 담당하도록 하고, 엔진의 동력은 주로 증속기어를 사용하여 차량의 고속 구동토크를 담당하도록 구성되어 있어서, 변속단 사이의 단간비가 큰 구간에서는 변속감을 좋게 확보하기 어려우며, AMT 자체가 기본적으로 가지고 있는 변속시의 토크 단절감 현상에 의해 전반적인 변속감이 떨어지는 문제가 있다.

상기의 발명의 배경이 되는 기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

KR

1020120019855

A

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 수동변속기 메커니즘을 기반으로 하는 차량의 하이브리드 파워트레인에 있어서, 컴팩트한 구성이 가능하면서도, 구현할 수 있는 전체 변속단의 범위에서 단간비를 보다 좁게 형성할 수 있는 자유도를 확보할 수 있고, 변속시 토크 단절감을 방지할 수 있도록 하여 우수한 변속품질을 제공하고 차량의 연비를 향상시킬 수 있도록 한 차량의 하이브리드 파워트레인을 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 차량의 하이브리드 파워트레인은

서로 평행한 제1입력축과 출력축에 동기치합 방식의 다수의 변속단을 구비한 변속모듈과;

모터에 의해 구동되며 상기 제1입력축과 동심축을 이루어 배치된 제2입력축과;

상기 제2입력축과 상기 제1입력축을 연결하거나 차단할 수 있도록 구비된 클러치수단과;

상기 제2입력축의 회전력을 상기 출력축에 하나의 외접기어쌍을 통해 선택적으로 서로 다른 2개의 변속비로 전달할 수 있도록 구비된 가변변속비제공수단;

을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 차량의 하이브리드 파워트레인의 실시예를 도시한 도면,
도 2는 도 1의 실시예가 1단에서 2단으로 변속하는 과정을 설명한 도면,
도 3은 도 1의 실시예가 2단에서 3단으로 변속하는 과정을 설명한 도면,
도 4는 도 1의 실시예가 3단에서 4단으로 변속하는 과정을 설명한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명 차량의 하이브리드 파워트레인의 실시예는, 서로 평행한 제1입력축(1)과 출력축(3)에 동기치합 방식의 다수의 변속단을 구비한 변속모듈(5)과; 모터(7)에 의해 구동되며 상기 제1입력축(1)과 동심축을 이루어 배치된 제2입력축(9)과; 상기 제2입력축(9)과 상기 제1입력축(1)을 연결하거나 차단할 수 있도록 구비된 클러치수단(11)과; 상기 제2입력축(9)의 회전력을 상기 출력축(3)에 하나의 외접기어쌍(13)을 통해 선택적으로 서로 다른 2개의 변속비로 전달할 수 있도록 구비된 가변변속비제공수단(15)을 포함하여 구성된다.

상기 가변변속비제공수단(15)은 상기 변속모듈(5)이 구현하는 변속단들과 함께 유효한 단간비를 가지는 일련의 변속비를 형성하도록 구성된다.

즉, 종래의 통상적인 동기치합식 수동 변속기 메커니즘으로 이루어진 상기 변속모듈(5)과, 상기 제2입력축(9)과 출력축(3)에 구비되는 상기 외접기어쌍(13) 및 상기 가변변속비제공수단(15)에 의해, 차량에 필요한 일련의 유효하고 적절한 변속비들을 구현할 수 있도록 한 것이다.

예컨대, 상기 변속모듈(5)은 적어도 전진 1단과 4단의 변속비를 가지는 변속단들을 구비하며, 가변변속비제공수단(15)은 2단과 3단의 변속비를 형성하는 것이다. 따라서, 상기 파워트레인은 1단 내지 4단의 적절한 단간비를 갖는 일련의 유효한 변속비를 구현할 수 있도록 구성되며, 본 실시예에서는 6단까지 구현할 수 있는 구성이다.

여기서, 상기 적절한 단간비를 갖는 유효한 변속비라는 의미는, 상기 가변변속비제공수단(15)에서 제공하는 두 변속비가, 상기 변속모듈(5)이 구비한 변속단들의 변속비와 이루는 관계가, 너무 큰 단간비를 형성하지도 않고 너무 작은 단간비를 형성하지도 않는 적절한 수준의 단간비를 형성하여 실질적인 유효한 변속비라는 의미이다.

즉, 상기 변속모듈(5)을 종래의 일반적인 수동변속기에 비유하면, 상기 변속모듈(5)에서 구현해야 할 2단과 3단의 변속단을 상기 가변변속비제공수단(15)에 의해 형성하도록 한 것이다.

따라서, 적절하고 유효한 단간비를 가진 일련의 변속비를 구현할 수 있게 됨으로써, 변속감을 우수하게 확보할 수 있게 된다.

상기 클러치수단(11)은 상기 제2입력축(9)에 허브가 설치된 동기장치로 이루어져 있어서, 상기 동기장치의 슬리브를 상기 제1입력축(1)쪽으로 직선 슬라이딩시키는 동작에 의해 상기 제1입력축(1)과 제2입력축(9)이 일체로 연결되어 회전되도록 하고, 반대로 상기 슬리브를 제2입력축(9) 쪽으로 슬라이딩시키면 상기 제1입력축(1)과 제2입력축(9)은 서로 분리되는 구성이다.

상기 가변변속비제공수단(15)은, 3개의 회전요소들 중 하나는 상기 제2입력축(9)에 직결되고, 다른 하나는 상기 외접기어쌍(13) 중의 한 외접기어(13-1)에 직결되며, 나머지 하나는 회전을 구속할 수 있는 브레이크(17)에 직결된 유성기어장치(19)를 포함하여 구성된다.

상기 유성기어장치(19)가 연결된 외접기어는 상기 제2입력축(9)에 동심축으로 설치되고, 상기 외접기어와 제2입력축(9) 사이에는 상기 제2입력축(9)으로부터 상기 외접기어를 향한 한 방향의 동력만 전달하도록 하는 원웨이클러치(21)를 구비하고 있다.

보다 구체적으로 상기 유성기어장치(19)는 선기어(19-S), 캐리어(19-C) 및 링기어(19-R)의 3개의 회전요소를 구비하고, 상기 캐리어(19-C)는 상기 제2입력축(9)에 직결되고, 상기 링기어(19-R)는 상기 외접기어(13-1)에 직결되며, 상기 선기어(19-S)는 상기 브레이크(17)에 연결되는 구성이다.

한편, 상기 변속모듈(5)의 제1입력축(1)은 엔진클러치(23)를 통해 엔진에 연결되는 구성이다.

도 2는 상기한 바와 같이 구성된 본 발명 실시예가 1단에서 2단으로 변속하는 과정을 설명한 것으로서, A상태는 엔진으로부터 상기 엔진클러치(23)를 통해 입력되는 동력이 상기 변속모듈(5)의 1단 변속단을 통하여 출력축(3)으로 인출되는 상태로서, 1＆4단동기장치의 슬리브가 1단 변속기어쪽으로 연결되어, 상기 엔진클러치(23)를 통해 제1입력축(1)으로 입력된 엔진으로부터의 동력이 상기 1＆4단동기장치(25)를 통해 1단 변속기어로 전달되어 출력축(3)으로 인출되는 상태이며, 이때 상기 제1입력축(1)과 제2입력축(9) 사이를 단속하는 클러치수단(11)은 해제되어 있고, 모터(7)는 정지한 상태이어서 상기 제2입력축(9)은 회전하지 않는 상태이다.

도 2의 B상태는 A상태로부터 모터(7)를 구동하여, 제2입력축(9)의 회전력이 원웨이클러치(21)와 외접기어를 통해 상기 출력축(3)으로 전달되는 상태이며, 이때 상기 브레이크(17)는 해제되어 선기어(19-S)가 자유롭게 회전되어 캐리어(19-C)는 링기어(19-R)와 무관하게 회전되며, 모터(7)의 속도는 상기 엔진에 의해 구동되는 출력축(3)의 회전속도에 맞춰지도록 제어한다.

이어, 도 2의 C상태와 같이 엔진클러치(23)를 해제하고 상기 1＆4단동기장치를 해제하면, 상기 출력축(3)은 엔진의 동력이 아니라 모터(7)의 동력에 의해 1속 상태를 유지하게 된다.

즉, 종래의 일반적인 AMT에서는 이와 같이 엔진클러치(23)가 해제되면 출력축(3)으로의 동력전달이 단절되어 토크 저하 현상이 발생하는데, 본 발명에서는 이 상황에서도 지속적으로 출력축(3)으로 모터(7)로부터의 토크가 제공되어 부드러운 변속감을 확보할 수 있게 되는 것이다.

또한, C의 상태에서는 상기 클러치수단(11)으로 상기 제1입력축(1)과 제2입력축(9)을 연결시켜서 상기 제1입력축(1)이 제2입력축(9)과 함께 일체로 회전되도록 한다.

상기와 같은 상태에서, D와 같이 상기 엔진클러치(23)를 결합하면, 상기 외접기어쌍(13)은 엔진과 모터(7)에 의해 제공되는 회전력으로 2단의 변속단을 형성하여 출력축(3)을 구동하는 상태가 되며, 이어 E상태와 같이 모터(7)의 구동을 멈추면, 엔진만에 의해 2단 변속단이 형성되는 것이다.

즉, 1단에서 2단으로의 변속과정 중에 엔진클러치(23)가 해제되어 엔진으로부터의 동력이 출력축(3)으로 전달되지 못하는 상황에서도 지속적으로 모터(7)로부터 출력축(3)으로 토크가 전달되어 토크 단절 현상이 방지되어 변속감을 향상시킬 수 있게 되는 것이며, 2단의 상태를 엔진만에 의해 구현하거나 모터(7)만에 의해 구현하거나 둘 다에 의해 구현할 수 있도록 함으로써, 차량의 운전 상태에 따라 적절한 조합으로 2단을 구현함에 따라 차량의 보다 적절한 운행으로 연비를 향상시킬 수 있게 되는 것이다.

도 3은 2단에서 3단으로 변속하는 과정을 설명한 것으로서, 도 3의 A상태는 도 2의 E와 동일한 것으로서, 엔진만에 의해 2단으로 구동되고 있는 상태이며, 엔진의 동력은 제1입력축(1), 클러치수단(11), 제2입력축(9) 및 원웨이클러치(21)를 통해 상기 외접기어쌍(13)으로 전달되어 2단의 변속단을 형성하며, 상기 브레이크(17)는 해제되어 상기 제2입력축(9) 및 캐리어(19-C)의 회전은 링기어(19-R) 및 외접기어의 회전과 무관하게 이루어지고 있는 상태이다.

상기와 같은 상태로부터 상기 브레이크(17)를 체결하여 상기 선기어(19-S)를 고정시키면, 상기 제2입력축(9)과 일체로 연결된 캐리어(19-C)의 회전력은 증속되어 상기 링기어(19-R)를 통해 상기 외접기어쌍(13)으로 전달됨으로써 3단의 변속비를 형성하게 되는 것이다.

즉, 상기 브레이크(17)를 체결하는 것만으로 2단으로부터 3단으로의 변속이 완료되는 것이며, 물론 이와 같은 변속 도중에는 토크 저하 현상은 발생하지 않는다.

도 4는 3단에서 4단으로의 변속과정을 설명한 것으로서, 도 4의 A는 도 3의 B와 동일한 상태이며, 이 상태로부터 도 4의 B와 같이 상기 모터(7)를 현재의 출력축(3) 속도에 상응하게 제어하여 모터(7)와 엔진에 의해 출력축(3)이 동시에 구동되는 상태로 전환한다.

이어, 도 4의 C와 같이 엔진클러치(23)를 해제함과 아울러 상기 클러치수단(11)을 해제하여 상기 출력축(3)은 모터(7)에 의해 3속의 구동상태를 유지하고 상기 제1입력축(1)은 자유회전상태가 되도록 한다.

상기와 같은 상태에서 1＆4단동기장치를 이용하여 4단 변속기어를 제1입력축(1)과 연결하고 엔진클러치(23)를 결합하여 D와 같이 4단으로의 변속이 이루어지도록 하며, 이때 모터(7)는 출력축(3)의 회전속도 변화에 추종하도록 적절히 제어할 수도 있고, 모터(7)의 회전속도가 상대적으로 느린 경우에도 상기 원웨이클러치(21)에 의해 속도차가 해소되므로 문제되지 않는다.

이어, 도 4의 E와 같이 모터(7)를 정지시키면 엔진만에 의해 구동되는 4단으로의 변속이 완료되게 된다.

이후 4단 내지 6단의 변속과정도 상기한 바와 거의 동일한 방법으로 변속중에 모터(7)에 의해 지속적으로 토크를 출력축(3)으로 제공하도록 제어할 수 있으며, 이 경우 가급적이면 상기 브레이크(17)를 체결하여, 모터(7)의 구동 회전수를 상대적으로 낮게 제어할 수 있도록 하는 것이 바람직할 것이다.

이상과 같이 본 발명은 상기 모터(7)의 동력을 제공하는 가변변속비제공수단(15)이 변속모듈(5)과 함께 일련의 적절한 단간비를 가지는 유효한 변속비들을 형성할 수 있도록 함으로써, 컴팩트한 구성이 가능하면서도, 구현할 수 있는 전체 변속단의 범위에서 단간비를 보다 좁게 형성할 수 있는 자유도를 확보할 수 있고, 변속시 토크 단절감을 방지할 수 있도록 하여 우수한 변속품질을 제공하고 차량의 연비를 향상시킬 수 있도록 한다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

1; 제1입력축
3; 출력축
5; 변속모듈
7; 모터
9; 제2입력축
11; 클러치수단
13; 외접기어쌍
13-1; 외접기어
15; 가변변속비제공수단
17; 브레이크
19; 유성기어장치
19-S; 선기어
19-C; 캐리어
19-R; 링기어
21; 원웨이클러치
23; 엔진클러치
25; 1＆4단동기장치

Claims

서로 평행한 제1입력축(1)과 출력축(3)에 동기치합 방식의 다수의 변속단을 구비한 변속모듈(5)과;
모터(7)에 의해 구동되며 상기 제1입력축(1)과 동심축을 이루어 배치된 제2입력축(9)과;
상기 제2입력축(9)과 상기 제1입력축(1)을 연결하거나 차단할 수 있도록 구비된 클러치수단(11)과;
상기 제2입력축(9)의 회전력을 상기 출력축(3)에 하나의 외접기어쌍(13)을 통해 선택적으로 서로 다른 2개의 변속비로 전달할 수 있도록 구비된 가변변속비제공수단(15); 을 포함하되,
상기 가변변속비제공수단(15)은 3개의 회전요소들 중 하나는 상기 제2입력축(9)에 직결되고, 다른 하나는 상기 외접기어쌍(13) 중의 한 외접기어(13-1)에 직결되며, 나머지 하나는 회전을 구속할 수 있는 브레이크(17)에 직결된 유성기어장치(19)를 포함하여 구성된 것
을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 파워트레인.
청구항 1에 있어서,
상기 가변변속비제공수단(15)은 상기 변속모듈(5)이 구현하는 변속단들과 함께 유효한 단간비를 가지는 일련의 변속비를 형성하도록 구성된 것
을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 파워트레인.
청구항 2에 있어서,
상기 변속모듈(5)은 적어도 전진 1단과 4단의 변속비를 가지는 변속단들을 구비하며;
가변변속비제공수단(15)은 2단과 3단의 변속비를 형성하는 것
을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 파워트레인.
청구항 1에 있어서,
상기 클러치수단(11)은 상기 제2입력축(9)에 허브가 설치된 동기장치로 이루어진 것
을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 파워트레인.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 유성기어장치(19)가 연결된 외접기어는 상기 제2입력축(9)에 동심축으로 설치되고; 상기 외접기어와 제2입력축(9) 사이에는 상기 제2입력축(9)으로부터 상기 외접기어를 향한 한 방향의 동력만 전달하도록 하는 원웨이클러치(21)를 구비한 것
을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 파워트레인.
청구항 6에 있어서,
상기 유성기어장치(19)는 선기어(19-S), 캐리어(19-C) 및 링기어(19-R)의 3개의 회전요소를 구비하고;
상기 캐리어(19-C)는 상기 제2입력축(9)에 직결되고, 상기 링기어(19-R)는 상기 외접기어에 직결되며, 상기 선기어(19-S)는 상기 브레이크(17)에 연결되는 것
을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 파워트레인.