KR101766161B1 - 하이브리드 차량용 변속기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차량 주행시 엔진 및 모터의 구동효율을 향상시켜 연비를 개선하는 기술에 관한 것으로, 엔진과 상시 연결되는 엔진입력축; 엔진입력축과 나란하게 배치된 출력축; 엔진입력축 및 출력축에 기어비를 달리하는 복수의 기어짝이 치합 결합되어, 주행속도에 적합한 기어짝을 선택하는 엔진측 변속장치; 제1모터제너레이터와 상시 연결되는 제1모터입력축; 제1모터입력축 및 출력축에 기어비를 달리하는 복수의 기어짝이 치합 결합되어, 주행속도에 적합한 기어짝을 선택하는 모터측 변속장치; 및 제2모터제너레이터와 연결되고, 클러치를 매개로 엔진입력축과 선택적으로 연결되는 제2모터입력축;을 포함하여 구성되는 하이브리드 차량용 변속기가 소개된다.

Description

하이브리드 차량용 변속기{TRANSMISSION FOR HYBRID VEHICLES}
본 발명은 차량 주행시 엔진 및 모터의 구동효율을 향상시켜 연비를 개선하는 하이브리드 차량용 변속기에 관한 것이다.
하이브리드 자동차는 전기의 동력과 내연기관의 동력을 조합하여 구동하는 자동차로서, 엔진과 전기 모터가 시스템의 효율이 높은 지점에서 동작되도록 제어하여 효율이 우수하면서 배기가스를 효과적으로 줄일 수 있는바, 친환경 자동차의 대안으로 실용화되고 있는 실정에 있다.
이러한, 하이브리드 자동차는 엔진의 동력을 출력축으로 직접 전달하는 기계적 흐름과, 엔진의 동력을 이용하여 제너레이터를 발전하고, 이 발전된 동력을 이용하여 배터리를 충전하거나 충전된 배터리의 에너지로 모터를 구동하는 전기적 흐름으로 구성될 수 있다.
이 같은 하이브리드 시스템은 엔진이 출력축과 독립적으로 작동이 가능하고 주행 중 엔진을 자유롭게 온/오프할 수 있으며 전기차 모드(EV모드)의 구현이 가능한 장점이 있다.
그러나, EV모드로 주행시, 어느 하나의 모터제너레이터 동력이 출력축 뿐만 아니라, 다수의 기어짝과 나머지 모터제너레이터까지도 함께 전달됨으로써, 구동 모터의 전기적 동력 손실이 커지게 되는바, 변속기 효율(연비)이 저하되는 문제가 있다.
또한, 엔진과 제너레이터가 함께 활용되는 다른 주행모드에서도, 차량 주행에 필수적인 기어짝 외에 다른 기어짝의 회전이 동반됨으로써, 엔진의 동력손실이 커지게 되고, 이로 인해 변속기의 효율(연비)이 저하되는 문제가 있는 것이다.
상기의 배경기술로서 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 10-2014-0080638 A
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 차량 주행시 엔진 및 모터의 구동효율을 극대화하여 연비를 향상시키는 하이브리드 차량용 변속기를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 엔진과 상시 연결되는 엔진입력축; 엔진입력축과 나란하게 배치된 출력축; 상기 엔진입력축 및 출력축에 기어비를 달리하는 복수의 기어짝이 치합 결합되어, 단속장치에 의해 주행속도에 적합한 기어짝을 선택하는 엔진측 변속장치; 제1모터제너레이터와 상시 연결되는 제1모터입력축; 상기 제1모터입력축 및 출력축에 기어비를 달리하는 복수의 기어짝이 치합 결합되어, 단속장치에 의해 주행속도에 적합한 기어짝을 선택하는 모터측 변속장치; 및 제2모터제너레이터와 연결되고, 클러치를 매개로 엔진입력축과 선택적으로 연결되는 제2모터입력축;을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 엔진측 변속장치는, 제1저단기어짝; 상기 제1저단기어짝보다 기어비가 작은 제1고단기어짝; 상기 제1저단기어짝의 입력기어와 제1고단기어짝의 입력기어 사이에 마련된 제1단속장치;를 포함하고, 상기 모터측 변속장치는, 제2저단기어짝; 상기 제2저단기어짝보다 기어비가 작은 제2고단기어짝; 상기 제2저단기어짝의 입력기어와 제2고단기어짝의 입력기어 사이에 마련된 제1단속장치;를 포함할 수 있다.
상기 엔진측 변속장치 및 모터측 변속장치에 마련된 제1저단기어짝 및 제2저단기어짝과, 제1고단기어짝 및 제2고단기어짝은 각각 출력기어를 공유할 수 있다.
상기 제1모터입력축은 제1-1모터입력축 및 제1-2모터입력축을 포함하되, 상기 제1-1모터입력축과 제1-2모터입력축 사이에 제1동력전달기어짝이 치합 구조로 연결되고; 상기 클러치와 엔진입력축 사이에 제2동력전달기어짝이 치합 구조로 연결될 수 있다.
상기 제1모터제너레이터와 제2모터제너레이터는 배터리와 연결될 수 있다.
상기한 과제 해결수단을 통해 본 발명은, 엔진과 제1,2모터제너레이터의 연결 구조 개선을 통해 차량의 주행시 구동 드래그를 최소화함으로써, 차량의 동력 손실을 줄여 구동효율을 향상시키고, 연비를 개선하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 차량용 변속기의 구조를 예시하여 나타낸 개략 도면.
도 2는 본 발명에 따른 EV모드시의 동력 흐름을 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 엔진모드시의 동력 흐름을 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 시리즈모드시의 동력 흐름을 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 부스트모드시의 동력 흐름을 설명하기 위한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 회생제동모드시의 동력 흐름을 설명하기 위한 도면.
도 7은 본 발명에 따른 배터리 충전모드시의 동력 흐름을 설명하기 위한 도면.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 하이브리드 차량용 변속기는, 엔진(E)과, 엔진입력축(IP_E)과, 출력축(OP)과, 엔진측 변속장치(1)와, 제1,2모터제너레이터와, 제1,2모터입력축 및 모터측 변속장치(3)를 포함하여 구성될 수 있다.
도 1을 참조하여, 본 발명을 구체적으로 살펴보면, 회전동력을 제공하는 엔진(E)이 마련되고, 상기 엔진(E)으로부터 상시 회전동력을 제공받아 회전되도록 엔진입력축(IP_E)이 직결 설치되고, 상기 엔진입력축(IP_E)과 평행한 상태로 출력축(OP)이 나란하게 배치된다.
그리고, 상기 엔진입력축(IP_E) 및 출력축(OP)에 엔진측 변속장치(1)가 설치될 수 있다.
예컨대, 상기 엔진입력축(IP_E) 및 출력축(OP)에 기어비를 달리하는 복수의 기어짝이 치합 결합되어, 단속장치에 의해 주행속도에 적합한 기어짝을 선택하도록 구성될 수 있다. 이때에, 상기 단속장치는 동기치합식 싱크로기구일 수 있다.
아울러, 제1모터제너레이터(MG1)가 제1모터입력축(IP_M1)에 연결되어 설치될 수 있는데, 이때에 상기 제1모터제너레이터(MG1)는 제1모터입력축(IP_M1)과 상시 연결되는 구조로 설치될 수 있다.
그리고, 상기 제1모터입력축(IP_M1) 및 출력축(OP)에 모터측 변속장치(3)가 설치될 수 있다.
예컨대, 상기 제1모터입력축(IP_M1) 및 출력축(OP)에 기어비를 달리하는 복수의 기어짝이 치합 결합되어, 단속장치에 의해 주행속도에 적합한 기어짝을 선택하도록 구성될 수 있다. 이때에, 상기 단속장치는 동기치합식 싱크로기구일 수 있다.
더불어, 제2모터제너레이터(MG2)가 제2모터입력축(IP_M2)에 연결될 수 있고, 제2모터입력축(IP_M2)은 엔진입력축(IP_E)에 연결될 수 있다.
예컨대, 상기 제2모터입력축(IP_M2)은 제2모터제너레이터(MG2)와 연결되고, 클러치(C)를 매개로 엔진입력축(IP_E)과 선택적으로 연결될 수 있다.
상기한 구성에 따르면, 제1모터제너레이터(MG1)에 의한 EV모드 주행시, 현재 변속단 형성에 불필요한 기어짝과 제2모터제너레이터(MG2)에 회전동력이 전달되지 않아 전기적 동력 손실을 줄이게 되는바, 구동효율을 극대화하여 연비를 향상시키게 된다.
또한, 엔진(E)에 의한 주행시에도 회전동력이 현재 변속단 형성에 불필요한 기어짝과 제1,2모터제너레이터에 전달되지 않으므로, 구동효율을 향상시키게 된다.
한편, 본 발명의 상기 엔진측 변속장치(1)에는, 제1저단기어짝(GL1)과, 상기 제1저단기어짝(GL1)보다 상대적으로 기어비가 작은 제1고단기어짝(GH1)이 구비되어 2단으로 구성된다. 그리고, 상기 제1저단기어짝(GL1)의 입력기어와 제1고단기어짝(GH1)의 입력기어가 엔진입력축(IP_E)에 상대 회전 가능하게 설치되고, 두 입력기어 사이에 제1단속장치(S1)가 마련되어, 제1저단기어짝(GL1)과 제1고단기어짝(GH1) 중 하나를 선택하거나 중립상태로 전환시킬 수 있게 된다.
더불어, 본 발명의 상기 모터측 변속장치(3)는, 제2저단기어짝(GL2)과, 상기 제2저단기어짝(GL2)보다 상대적으로 기어비가 작은 제2고단기어짝(GH2)이 구비되어 2단으로 구성된다. 그리고, 상기 제2저단기어짝(GL2)의 입력기어와 제2고단기어짝(GH2)의 입력기어가 제1모터입력축(IP_M1)에 상대 회전 가능하게 설치되고, 두 입력기어 사이에 제2단속장치(S2)가 마련되어, 제2저단기어짝(GL2)과 제2고단기어짝(GH2) 중 하나를 선택하거나 중립상태로 전환시킬 수 있게 된다.
이때에, 상기 엔진측 변속장치(1)와, 모터측 변속장치(3)에 마련된 제1저단기어짝(GL1) 및 제1고단기어짝(GH1)과, 제2저단기어짝(GL2) 및 제2고단기어짝(GH2)은 각각 출력기어를 공유하도록 구성할 수 있다.
즉, 엔진측 변속장치(1)를 구성하는 제1저단기어짝(GL1)과, 모터측 변속장치(3)를 구성하는 제2저단기어짝(GL2)이 출력기어를 서로 공유하고, 또한 엔진측 변속장치(1)를 구성하는 제1고단기어짝(GH1)과, 모터측 변속장치(3)를 구성하는 제2고단기어짝(GH2)이 출력기어를 서로 공유하게 된다.
더불어, 상기 제1모터입력축(IP_M1)은 제1-1모터입력축(M1-1) 및 제1-2모터입력축(M1-2)을 포함하되, 상기 제1-1모터입력축(M1-1)과 제1-2모터입력축(M1-2) 사이에 제1동력전달기어짝(Gt1)이 치합 구조로 연결될 수 있다.
예컨대, 상기 제1-1모터입력축(M1-1)의 일단에 제1모터제너레이터(MG1)가 직결되고, 상기 제1-1모터입력축(M1-1)의 타단에 제1동력전달기어짝(Gt1)의 입력기어가 직결된다. 그리고, 상기 제1동력전달기어의 출력기어에 제1-2모터입력축(M1-2)의 일단이 직결되고, 상기 제1-2모터입력축(M1-2)의 타단측에는 모터측 변속장치(3)를 이루는 기어짝의 입력기어와 단속장치가 구비될 수 있다.
이때에, 상기 제1동력전달기어짝(Gt1)은 제1모터제너레이터(MG1)에서 제공되는 회전속도가 감속되어 제공될 수 있는 기어비를 갖도록 구성될 수 있다.
아울러, 상기 클러치(C)와 엔진입력축(IP_E) 사이에는 제2동력전달기어짝(Gt2)이 치합 구조로 연결될 수 있다.
예컨대, 상기 제2모터입력축(IP_M2) 상에 클러치(C)가 구비되는바, 상기 클러치(C)와 이어지는 제2모터입력축(IP_M2)의 단부에 제2동력전달기어짝(Gt2)의 입력기어가 직결되고, 상기 제2동력전달기어짝(Gt2)의 출력기어는 엔진입력축(IP_E)에 고정 설치될 수 있다.
이때에, 상기 제2동력전달기어짝(Gt2)은 제2모터제너레이터(MG2)에서 제공되는 회전속도가 감속되어 제공될 수 있는 기어비를 갖도록 구성될 수 있다.
더불어, 상기 제1모터제너레이터(MG1)와 제2모터제너레이터(MG2)는 배터리(B)와 각각 연결될 수 있다.
즉, 상기 배터리(B)가 갖는 전기에너지를 상기 제1모터제너레이터(MG1) 및 제2모터제너레이터(MG2)에 제공하여 제1모터제너레이터(MG1) 및 제2모터제너레이터(MG2)를 구동할 수 있고, 제1모터제너레이터(MG1) 및 제2모터제너레이터(MG2)의 발전을 통해 배터리(B)를 충전할 수 있다.
이하에서는, 본 발명에 의해 구현 가능한 주행모드별로 동력의 흐름을 살펴보기로 한다.
먼저 도 2는 모터의 동력만으로 차량의 주행이 이루어지는 EV모드시의 동력 흐름을 나타낸 것으로, 제1모터제너레이터(MG1)에서 제공되는 회전동력이 모터측 변속장치(3)에 마련된 제2저단기어짝(GL2) 또는 제2고단기어짝(GH2) 중 어느 하나를 통해 전달되고, 이와 동시에 출력축(OP)에 출력됨으로써, EV모드의 주행이 가능하게 된다. 이때에, 배터리(B)가 갖는 전기에너지를 제1모터제너레이터(MG1)에 제공하면서 차량의 주행이 이루어질 수 있다.
도 3은 엔진(E)의 동력만으로 차량의 주행이 이루어지는 엔진모드시의 동력 흐름을 나타낸 것으로, 엔진(E)에서 제공되는 회전동력이 엔진측 변속장치(1)에 마련된 제1저단기어짝(GL1) 또는 제1고단기어짝(GH1) 중 어느 하나를 통해 전달되고, 이와 동시에 출력축(OP)에 출력됨으로써, 엔진모드의 주행이 가능하게 된다.
도 4는 엔진(E)의 동력으로 배터리(B)를 충전하면서 모터의 동력을 이용하여 차량의 주행이 이루어지는 시리즈모드시의 동력 흐름을 나타낸 것으로, 제1모터제너레이터(MG1)에서 제공되는 회전동력이 모터측 변속장치(3)에 마련된 제2저단기어짝(GL2) 또는 제2고단기어짝(GH2) 중 어느 하나를 통해 전달되고, 이와 동시에 출력축(OP)에 출력됨으로써, 주행이 가능하게 된다.
이때에, 클러치(C)가 체결되고 엔진(E)이 구동상태에 있어, 엔진(E)의 회전동력에 의해 제2모터제너레이터(MG2)가 발전되어 배터리(B)를 충전시키게 되고, 이에 배터리(B)를 통해 제1모터제너레이터(MG1)에 전기에너지를 제공하면서 차량을 주행할 수 있게 된다.
도 5는 엔진(E)의 동력과 모터의 동력을 함께 이용하여 차량의 주행이 이루어지는 부스트모드시의 동력 흐름을 나타낸 것으로, 엔진(E)에서 제공되는 회전동력과 함께 제2모터제너레이터(MG2)에서 제공되는 회전동력이 엔진측 변속장치(1)에 마련된 제1저단기어짝(GL1) 또는 제1고단기어짝(GH1) 중 어느 하나를 통해 전달되고, 이와 동시에 출력축(OP)에 출력됨으로써, 주행이 가능하게 된다. 이때에, 배터리(B)가 갖는 전기에너지를 제1모터제너레이터(MG1)에 제공하면서 차량의 주행이 이루어질 수 있다.
도 6은 회생제동시의 동력 흐름을 나타낸 것으로, 브레이킹을 통한 감속주행시, 출력축(OP)으로부터 역입력되는 힘이 모터측 변속장치(3)의 제2저단기어짝(GL2)을 통해 제1모터제너레이터(MG1)에 전달되고, 이에 제1모터제너레이터(MG1)가 발전되어 배터리(B)를 충전시킬 수 있게 된다.
도 7은 엔진(E)의 동력으로 차량을 주행하면서 배터리(B)를 충전하는 배터리(B) 충전모드시의 동력 흐름을 나타낸 것으로, 엔진(E)에서 제공되는 회전동력이 엔진측 변속장치(1)에 마련된 제1저단기어짝(GL1) 또는 제1고단기어짝(GH1) 중 어느 하나를 통해 전달되고, 이와 동시에 출력축(OP)에 출력됨으로써, 차량의 주행이 가능하게 된다.
이와 함께, 클러치(C)가 체결되고 엔진(E)이 구동상태에 있어, 엔진(E)의 동력에 의해 제2모터제너레이터(MG2)가 발전되어 배터리(B)를 충전시킬 수 있게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 엔진(E)과 제1,2모터제너레이터의 연결 구조 개선을 통해 차량의 주행시 구동 드래그를 최소화함으로써, 차량의 동력 손실을 줄여 구동효율을 향상시키게 된다.
한편, 본 발명은 상기한 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
1 : 엔진측 변속장치 3 : 모터측 변속장치
E : 엔진 MG1 : 제1모터제너레이터
MG2 : 제2모터제너레이터 IP_E : 엔진입력축
IP_M1 : 제1모터입력축 IP_M2 : 제2모터입력축
OP : 출력축 GL1 : 제1저단기어짝
GH1 : 제1고단기어짝 GL2 : 제2저단기어짝
GH2 : 제2고단기어짝 S1 : 제1단속장치
S2 : 제2단속장치 C : 클러치
B : 배터리 Gt1 : 제1동력전달기어짝
Gt2 : 제2동력전달기어짝

Claims (5)

  1. 엔진과 상시 연결되는 엔진입력축;
    엔진입력축과 나란하게 배치된 출력축;
    상기 엔진입력축 및 출력축에 기어비를 달리하는 복수의 기어짝이 치합 결합되어, 단속장치에 의해 주행속도에 적합한 기어짝을 선택하는 엔진측 변속장치;
    제1모터제너레이터와 상시 연결되는 제1모터입력축;
    상기 제1모터입력축 및 출력축에 기어비를 달리하는 복수의 기어짝이 치합 결합되어, 단속장치에 의해 주행속도에 적합한 기어짝을 선택하는 모터측 변속장치; 및
    제2모터제너레이터와 연결되고, 클러치를 매개로 엔진입력축과 선택적으로 연결되는 제2모터입력축;을 포함하는 하이브리드 차량용 변속기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 엔진측 변속장치는,
    제1저단기어짝;
    상기 제1저단기어짝보다 기어비가 작은 제1고단기어짝;
    상기 제1저단기어짝의 입력기어와 제1고단기어짝의 입력기어 사이에 마련된 제1단속장치;를 포함하고,
    상기 모터측 변속장치는,
    제2저단기어짝;
    상기 제2저단기어짝보다 기어비가 작은 제2고단기어짝;
    상기 제2저단기어짝의 입력기어와 제2고단기어짝의 입력기어 사이에 마련된 제2단속장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 변속기.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 엔진측 변속장치 및 모터측 변속장치에 마련된 제1저단기어짝 및 제2저단기어짝과, 제1고단기어짝 및 제2고단기어짝은 각각 출력기어를 공유하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 변속기.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1모터입력축은 제1-1모터입력축 및 제1-2모터입력축을 포함하되,
    상기 제1-1모터입력축과 제1-2모터입력축 사이에 제1동력전달기어짝이 치합 구조로 연결되고;
    상기 클러치와 엔진입력축 사이에 제2동력전달기어짝이 치합 구조로 연결된 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 변속기.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1모터제너레이터와 제2모터제너레이터는 배터리와 연결된 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 변속기.
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