KR101655674B1 - 하이브리드 차량용 변속기 - Google Patents

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KR101655674B1
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KR
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planetary gear
gear set
shaft
rotary element
rotation
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안철민
김석준
하준영
김백유
변성곤
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현대자동차주식회사
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    • B60K2006/381—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs characterised by apparatus, components or means specially adapted for HEVs characterised by the driveline clutches characterized by driveline brakes
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Abstract

본 발명은 엔진의 동력이 입력되는 입력축과, 상기 입력축과 동심축을 이루는 출력축과, 상기 입력축과 출력축 사이에 회전력을 전달할 수 있도록 구비되고, 각각 3개의 회전요소를 구비한 제1유성기어장치, 제2유성기어장치 및 제3유성기어장치와, 상기 유성기어장치들의 회전요소들에 각각 연결되는 제1모터제너레이터 및 제2모터제너레이터와, 상기 유성기어장치들의 회전요소들에 각각 연결되는 적어도 3개의 변속요소를 포함하여 구성된다.

Description

하이브리드 차량용 변속기{TRANSMISSION FOR HYBRID VEHICLE}
본 발명은 하이브리드 차량용 변속기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 Power split parallel type의 하이브리드 변속기의 구조에 관한 기술이다.
Power split parallel type의 하이브리드 변속기는 엔진의 동력을 분기하여 유성기어와 같은 기계적동력 흐름과 모터-제너레이터 및 배터리와 같은 전기적 동력 흐름을 구현할 수 있도록 되어 있으며, 엔진이 출력축과 독립적으로 작동이 가능하고, 주행 중 엔진을 자유롭게 on-off 할 수 있으며, 전기차 모드의 구현이 가능하다. 또한, 별도의 동력단절 기구 없이 2개의 모터제너레이터에 의한 전기적 무단 변속기(electrically variable transmission : EVT) 효과로 엔진을 효율적으로 운전시킬 수 있는 장점을 가지고 있다.
하이브리드 차량용 변속기는 충분한 감속 기어비의 확보로, 보다 작은 모터를 사용하면서도 충분한 구동력을 확보할 수 있도록 하여, 중량 저감 및 에너지의 효율성을 증대시켜서 연비를 향상시킬 수 있도록 하고, 고속에서도 원활하고 효율적인 동력성능을 구현할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
상기 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 1020140080638 A
본 발명은 충분한 감속 기어비의 확보로, 보다 작은 모터를 사용하면서도 충분한 구동력을 확보할 수 있도록 하여, 중량 저감 및 에너지의 효율성을 증대시켜서 차량의 연비를 향상시킬 수 있도록 하고, 고속에서도 원활하고 효율적인 동력성능을 구현할 수 있도록 한 하이브리드 차량용 변속기를 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 하이브리드 차량용 변속기는
엔진의 동력이 입력되는 입력축과;
상기 입력축과 동심축을 이루는 출력축과;
상기 입력축과 출력축 사이에 회전력을 전달할 수 있도록 구비되고, 각각 3개의 회전요소를 구비한 제1유성기어장치, 제2유성기어장치 및 제3유성기어장치와;
상기 유성기어장치들의 회전요소들에 각각 연결되는 제1모터제너레이터 및 제2모터제너레이터와;
상기 유성기어장치들의 회전요소들에 각각 연결되는 적어도 3개의 변속요소를 포함하여 구성되며;
상기 제1유성기어장치의 제1회전요소는 상기 제1모터제너레이터에 영구 연결됨과 아울러 상기 변속요소들 중 어느 하나에 의해 고정 가능하게 설치되고, 제2회전요소는 상기 입력축에 영구 연결되며, 제3회전요소는 상기 제2유성기어장치의 제3회전요소와 제3유성기어장치의 제2회전요소 및 상기 출력축에 영구연결되고;
상기 제2유성기어장치의 제1회전요소는 상기 변속요소들 중 다른 어느 하나에 의해 고정 가능하게 설치되며, 제2회전요소는 상기 변속요소들 중 또 다른 어느 하나에 의해 고정 가능하게 설치됨과 아울러 상기 제3유성기어장치의 제3회전요소에 영구연결되고;
상기 제3유성기어장치의 제1회전요소는 상기 제2모터제너레이터에 영구 연결된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1유성기어장치와 제2유성기어장치 및 제3유성기어장치는 상기 입력축과 출력축의 축방향을 따라 차례로 배치될 수 있다.
또한, 상기 제2유성기어장치의 제2회전요소를 고정 가능하게 하는 변속요소는 상기 제2유성기어장치의 제2회전요소와 변속기케이스 사이에 설치되는 제1브레이크이고;
상기 제2유성기어장치의 제1회전요소를 고정 가능하게 하는 변속요소는 상기 제2유성기어장치의 제1회전요소와 변속기케이스 사이에 설치되는 제2브레이크이며;
상기 제1유성기어장치의 제1회전요소를 고정 가능하게 하는 변속요소는 상기 제1유성기어장치의 제1회전요소와 변속기케이스 사이에 설치되는 오버드라이브브레이크일 수 있다.
또한, 상기 입력축에는 입력축의 회전을 구속할 수 있는 회전구속요소가 더 구비될 수 있다.
상기 회전구속요소는 상기 입력축과 변속기케이스 사이에 구비되어, 상기 입력축의 일방향 회전만 허용하는 원웨이클러치로 구성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 하이브리드 차량용 변속기는,
각각 3개의 회전요소를 가지는 제1유성기어장치, 제2유성기어장치 및 제3유성기어장치와;
가변적으로 마찰력을 제공할 수 있도록 구비된 3개의 변속요소와;
제1모터제너레이터 및 제2모터제너레이터와;
상기 유성기어장치들의 회전요소들에 연결되는 6개의 회전축을 포함하여 구성되며;
제1회전축은 상기 제1유성기어장치의 제2회전요소에 직결되는 입력축이고;
제2회전축은 상기 제1유성기어장치의 제1회전요소와 제1모터제너레이터에 직결되며;
제3회전축은 상기 제2유성기어장치의 제1회전요소에 직결되고;
제4회전축은 상기 제2유성기어장치의 제2회전요소 및 제3유성기어장치의 제3회전요소에 직결되며;
제5회전축은 상기 제3유성기어장치의 제1회전요소와 상기 제2모터제너레이터에 직결되고;
제6회전축은 상기 제1유성기어장치의 제1회전요소와 제2유성기어장치의 제3회전요소 및 제3유성기어장치의 제2회전요소에 직결되는 출력축이며;
상기 3개의 변속요소들 중 제1브레이크는 상기 제4회전축과 변속기케이스 사이에 설치되고, 제2브레이크는 상기 제3회전축과 변속기케이스 사이에 설치되며; 오버드라이브브레이크는 상기 제2회전축과 변속기케이스 사이에 설치된 것
을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제1유성기어장치와 제2유성기어장치 및 제3유성기어장치는 상기 입력축과 출력축의 축방향을 따라 차례로 배치될 수 있다.
본 발명은 충분한 감속 기어비의 확보로, 보다 작은 모터를 사용하면서도 충분한 구동력을 확보할 수 있도록 하여, 중량 저감 및 에너지의 효율성을 증대시켜서 차량의 연비를 향상시킬 수 있도록 하고, 고속에서도 원활하고 효율적인 동력성능을 구현할 수 있도록 하여 하이브리드 차량의 상품성을 크게 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 차량용 변속기의 구성을 도시한 구성도,
도 2는 도 1의 변속기로 구현할 수 있는 작동 모드를 정리한 작동 모드표,
도 3은 도 1의 변속기가 EV1모드를 구현하는 상태를 설명한 도면,
도 4는 도 3의 상태를 레버로 표현한 레버다이어그램,
도 5는 도 1의 변속기가 EV2모드를 구현하는 상태를 설명한 도면,
도 6은 도 5의 상태를 레버로 표현한 레버다이어그램,
도 7은 도 1의 변속기가 HEV1모드를 구현하는 상태를 설명한 도면,
도 8은 도 1의 변속기가 HEV2모드를 구현하는 상태를 설명한 도면,
도 9는 도 1의 변속기가 오버드라이브(OD)1모드를 구현하는 상태를 설명한 도면,
도 10은 도 1의 변속기가 오버드라이브(OD)2모드를 구현하는 상태를 설명한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명 하이브리드 차량용 변속기의 실시예는, 엔진(ENG)의 동력이 입력되는 입력축(IN)과; 상기 입력축과 동심축을 이루는 출력축(OUT)과; 상기 입력축과 출력축 사이에 회전력을 전달할 수 있도록 구비되고, 각각 3개의 회전요소를 구비한 제1유성기어장치(PG1), 제2유성기어장치(PG2) 및 제3유성기어장치(PG3)와; 상기 유성기어장치들의 회전요소들에 각각 연결되는 제1모터제너레이터(MG1) 및 제2모터제너레이터(MG2)와; 상기 유성기어장치들의 회전요소들에 각각 연결되는 적어도 3개의 변속요소를 포함하여 구성된다.
상기 제1유성기어장치의 제1회전요소는 상기 제1모터제너레이터에 영구 연결됨과 아울러 상기 변속요소들 중 어느 하나에 의해 고정 가능하게 설치되고, 제2회전요소는 상기 입력축에 영구 연결되며, 제3회전요소는 상기 제2유성기어장치의 제3회전요소와 제3유성기어장치의 제2회전요소 및 상기 출력축에 영구연결된다.
상기 제2유성기어장치의 제1회전요소는 상기 변속요소들 중 다른 어느 하나에 의해 고정 가능하게 설치되며, 제2회전요소는 상기 변속요소들 중 또 다른 어느 하나에 의해 고정 가능하게 설치됨과 아울러 상기 제3유성기어장치의 제3회전요소에 영구연결되고, 상기 제3유성기어장치의 제1회전요소는 상기 제2모터제너레이터에 영구 연결된 구성이다.
상기 제1유성기어장치와 제2유성기어장치 및 제3유성기어장치는 상기 입력축과 출력축의 축방향을 따라 차례로 배치되어 있다.
상기 제2유성기어장치의 제2회전요소를 고정 가능하게 하는 변속요소는 상기 제2유성기어장치의 제2회전요소와 변속기케이스(CS) 사이에 설치되는 제1브레이크(BK1)이고; 상기 제2유성기어장치의 제1회전요소를 고정 가능하게 하는 변속요소는 상기 제2유성기어장치의 제1회전요소와 변속기케이스 사이에 설치되는 제2브레이크(BK2)이며; 상기 제1유성기어장치의 제1회전요소를 고정 가능하게 하는 변속요소는 상기 제1유성기어장치의 제1회전요소와 변속기케이스 사이에 설치되는 오버드라이브브레이크(OD/B)이다.
상기 입력축에는 입력축의 회전을 구속할 수 있는 회전구속요소가 더 구비될 수 있다.
예컨대, 상기 회전구속요소는 상기 입력축과 변속기케이스 사이에 구비되어, 상기 입력축의 일방향 회전만 허용하는 원웨이클러치(OWC)로 구성될 수 있으며, 이외에 투웨이클러치 또는 브레이크로 구성될 수도 있고, 엔진이 작동되지 않는 상황에서 엔진의 역회전을 방지하는 기능을 수행한다.
본 실시예에서, 상기 제1유성기어장치(PG1)의 제1회전요소, 제2회전요소 및 제3회전요소는 각각 제1선기어(S1), 제1캐리어(C1), 제1링기어(R1)이며, 상기 제2유성기어장치(PG2)의 제1회전요소, 제2회전요소 및 제3회전요소는 각각 제2선기어(S2), 제2캐리어(C2), 제2링기어(R2)이고; 상기 제3유성기어장치(PG3)의 제1회전요소, 제2회전요소 및 제3회전요소는 각각 제3선기어(S3), 제3캐리어(C3), 제3링기어(R3)이다.
상기한 바와 같은 본 발명은 다음과 같이 표현할 수도 있다.
즉, 본 발명 하이브리드 차량용 변속기는, 각각 3개의 회전요소를 가지는 제1유성기어장치(PG1), 제2유성기어장치(PG2) 및 제3유성기어장치(PG3)와; 가변적으로 마찰력을 제공할 수 있도록 구비된 3개의 변속요소와; 제1모터제너레이터(MG1) 및 제2모터제너레이터(MG2)와; 상기 유성기어장치들의 회전요소들에 연결되는 6개의 회전축을 포함하여 구성된다.
여기서, 제1회전축(RS1)은 상기 제1유성기어장치의 제2회전요소에 직결되는 입력축이고; 제2회전축(RS2)은 상기 제1유성기어장치의 제1회전요소와 제1모터제너레이터에 직결되며; 제3회전축(RS3)은 상기 제2유성기어장치의 제1회전요소에 직결되고; 제4회전축(RS4)은 상기 제2유성기어장치의 제2회전요소 및 제3유성기어장치의 제3회전요소에 직결되며; 제5회전축(RS5)은 상기 제3유성기어장치의 제1회전요소와 상기 제2모터제너레이터에 직결되고; 제6회전축(RS6)은 상기 제1유성기어장치의 제3회전요소와 제2유성기어장치의 제3회전요소 및 제3유성기어장치의 제2회전요소에 직결되는 출력축(OUT)이다.
상기 3개의 변속요소들 중 제1브레이크(BK1)는 상기 제4회전축과 변속기케이스(CS) 사이에 설치되고, 제2브레이크(BK2)는 상기 제3회전축과 변속기케이스 사이에 설치되며; 오버드라이브브레이크(OD/B)는 상기 제2회전축과 변속기케이스 사이에 설치된 구성이다.
물론, 상기 제1유성기어장치와 제2유성기어장치 및 제3유성기어장치는 상기 입력축과 출력축의 축방향을 따라 차례로 배치되어 있는 구성이다.
상기한 바와 같이 구성된 본 발명 실시예의 작용을 도 2 내지 도 10을 통해 살펴본다.
도 3과 도 4는 본 발명의 변속기가 EV1모드를 구현하는 상태를 설명한 것으로서, 엔진은 정지한 상태이고, 이때 상기 회전구속요소가 엔진의 역회전을 방지하도록 작용할 수 있으며, 상기 변속요소들 중 제1브레이크만이 체결되어 상기 제4회전축을 고정하므로, 제2선기어와 제3링기어가 고정되어, 제2모터제너레이터에서 제공되는 동력은 제2링기어 및 제3캐리어로 감속되어 출력축으로 인출되는 상태이다.
도 5와 도 6은 EV2모드를 구현하는 상태를 도시한 것으로서, 역시 엔진은 정지상태이고, 상기 변속요소들 중 제2브레이크만을 체결하여 상기 제3회전축 및 제2선기어를 고정하여, 제2모터제너레이터에서 발생된 동력이 상대적으로 EV1모드보다는 작은 감속비로 감속되어 상대적으로는 높은 속도의 출력이 상기 출력축으로 인출되는 상태이다.
이와 같이, 본 발명에서는 상기 제2모터제너레이터에서 발생된 동력을 2단의 기어비로 감속한 출력을 발생시킬 수 있도록 구성됨으로써, 상대적으로 제2모터제너레이터의 크기를 작게 구성할 수 있으면서도 원하는 차량의 출력성능의 확보가 가능하도로 함으로써, 차량의 중량 저감 및 에너지 효율성의 증대로 차량의 연비를 크게 개선시킬 수 있다.
도 7은 HEV1모드를 구현하는 상태를 도시한 것으로서, 제1브레이크만을 체결한 상태에서 제2모터제너레이터에서 동력을 발생시키는 상황은 도 3과 동일하고, 여기에 엔진이 동력을 발생시켜서, 엔진의 동력이 상기 출력축으로 일부 전달됨과 아울러 상기 제1모터제너레이터로 공급되어 발전이 동시에 이루어지는 상태이다.
도 8은 HEV2모드의 상태를 도시한 것으로서, 제2브레이크만을 체결한 상태에서 제2모터제너레이터에서 동력을 발생시켜 전달하는 상황은 도 5와 동일하고, 엔진이 동시에 제공하는 동력이 상기 출력축과 제1모터제너레이터로 분기되는 상태이다.
도 9는 오버드라이브 1모드인 OD1모드를 표현한 것으로서, 상기 제1브레이크와 오버드라이브브레이크를 동시에 체결하고 있어서, 상기 제2모터제너레이터에서 발생된 동력은 도 3의 경우와 동일한 경로로 출력축으로 감속되어 전달되고, 엔진에서 발생된 동력은 제1선기어가 고정되어 있으므로, 제1링기어로 증속되어 출력축으로 직접 인출되는 상태이다.
도 10은 OD2모드를 설명한 것으로서, 상기 제2브레이크와 오버드라이브브레이크를 체결한 상태로서, 상기 제2모터제너레이터에서 발생된 동력은 도 5의 경우와 마찬가지의 경로로 출력축으로 감속되어 전달되고, 엔진에서 발생된 동력은 상기 제1링기어로 증속되어 출력축으로 직접 전달되는 상태이다.
즉, 도 9와 도 10의 상태는 차량이 고속으로 주행하는 상황에서, 엔진의 동력을 제1모터제너레이터로 분기시키지 않고 전량을 출력축으로 고속으로 전달하도록 하여, 차량의 고속 주행 성능 및 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 것이다.
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.
PG1; 제1유성기어장치
PG2; 제2유성기어장치
PG3; 제3유성기어장치
MG1; 제1모터제너레이터
MG2; 제2모터제너레이터
BK1; 제1브레이크
BK2: 제2브레이크
OD/B; 오버드라이브브레이크
RS1; 제1회전축
RS2; 제2회전축
RS3; 제3회전축
RS4; 제4회전축
RS5; 제5회전축
RS6; 제6회전축

Claims (7)

  1. 엔진의 동력이 입력되는 입력축과;
    상기 입력축과 동심축을 이루는 출력축과;
    상기 입력축과 출력축 사이에 회전력을 전달할 수 있도록 구비되고, 각각 3개의 회전요소를 구비한 제1유성기어장치, 제2유성기어장치 및 제3유성기어장치와;
    상기 유성기어장치들의 회전요소들에 각각 연결되는 제1모터제너레이터 및 제2모터제너레이터와;
    상기 유성기어장치들의 회전요소들에 각각 연결되는 적어도 3개의 변속요소를 포함하여 구성되며;
    상기 제1유성기어장치의 제1회전요소는 상기 제1모터제너레이터에 영구 연결됨과 아울러 상기 변속요소들 중 어느 하나에 의해 고정 가능하게 설치되고, 제2회전요소는 상기 입력축에 영구 연결되며, 제3회전요소는 상기 제2유성기어장치의 제3회전요소와 제3유성기어장치의 제2회전요소 및 상기 출력축에 영구연결되고;
    상기 제2유성기어장치의 제1회전요소는 상기 변속요소들 중 다른 어느 하나에 의해 고정 가능하게 설치되며, 제2회전요소는 상기 변속요소들 중 또 다른 어느 하나에 의해 고정 가능하게 설치됨과 아울러 상기 제3유성기어장치의 제3회전요소에 영구연결되고;
    상기 제3유성기어장치의 제1회전요소는 상기 제2모터제너레이터에 영구 연결된 것
    을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 변속기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1유성기어장치와 제2유성기어장치 및 제3유성기어장치는 상기 입력축과 출력축의 축방향을 따라 차례로 배치되는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 변속기.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제2유성기어장치의 제2회전요소를 고정 가능하게 하는 변속요소는 상기 제2유성기어장치의 제2회전요소와 변속기케이스 사이에 설치되는 제1브레이크이고;
    상기 제2유성기어장치의 제1회전요소를 고정 가능하게 하는 변속요소는 상기 제2유성기어장치의 제1회전요소와 변속기케이스 사이에 설치되는 제2브레이크이며;
    상기 제1유성기어장치의 제1회전요소를 고정 가능하게 하는 변속요소는 상기 제1유성기어장치의 제1회전요소와 변속기케이스 사이에 설치되는 오버드라이브브레이크인 것
    을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 변속기.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 입력축에는 입력축의 회전을 구속할 수 있는 회전구속요소가 더 구비된 것
    을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 변속기.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 회전구속요소는 상기 입력축과 변속기케이스 사이에 구비되어, 상기 입력축의 일방향 회전만 허용하는 원웨이클러치로 구성된 것
    을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 변속기.
  6. 각각 3개의 회전요소를 가지는 제1유성기어장치, 제2유성기어장치 및 제3유성기어장치와;
    가변적으로 마찰력을 제공할 수 있도록 구비된 3개의 변속요소와;
    제1모터제너레이터 및 제2모터제너레이터와;
    상기 유성기어장치들의 회전요소들에 연결되는 6개의 회전축을 포함하여 구성되며;
    제1회전축은 상기 제1유성기어장치의 제2회전요소에 직결되는 입력축이고;
    제2회전축은 상기 제1유성기어장치의 제1회전요소와 제1모터제너레이터에 직결되며;
    제3회전축은 상기 제2유성기어장치의 제1회전요소에 직결되고;
    제4회전축은 상기 제2유성기어장치의 제2회전요소 및 제3유성기어장치의 제3회전요소에 직결되며;
    제5회전축은 상기 제3유성기어장치의 제1회전요소와 상기 제2모터제너레이터에 직결되고;
    제6회전축은 상기 제1유성기어장치의 제3회전요소와 제2유성기어장치의 제3회전요소 및 제3유성기어장치의 제2회전요소에 직결되는 출력축이며;
    상기 3개의 변속요소들 중 제1브레이크는 상기 제4회전축과 변속기케이스 사이에 설치되고, 제2브레이크는 상기 제3회전축과 변속기케이스 사이에 설치되며; 오버드라이브브레이크는 상기 제2회전축과 변속기케이스 사이에 설치된 것
    을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 변속기.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1유성기어장치와 제2유성기어장치 및 제3유성기어장치는 상기 입력축과 출력축의 축방향을 따라 차례로 배치되는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 변속기.
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