KR102324755B1 - 하이브리드 차량의 변속기 - Google Patents

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김종수
양호림
장욱진
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Abstract

본 발명은 입력축과 평행하게 배치된 출력축과; 제1모터제너레이터 및 제2모터제너레이터와; 3개의 회전요소 중 하나는 상기 입력축과 연결되고 다른 하나는 상기 제1모터제너레이터와 연결되는 제1유성기어장치와; 3개의 회전요소 중 하나는 상기 출력축과 연결되고 다른 하나는 상기 제2모터제너레이터와 연결되는 제2유성기어장치와; 상기 제1유성기어장치의 나머지 한 회전요소와 연결되는 제1기어와 상기 제2유성기어장치의 나머지 한 회전요소와 연결되며 상기 제1기어와 외접치합된 제2기어로 이루어지고, 축방향을 기준으로 상기 제1유성기어장치와 제2유성기어장치 사이에 배치된 제1외접기어쌍과; 상기 입력축에 연결되는 제3기어와 상기 제2유성기어장치의 한 회전요소에 직결되고 상기 제3기어와 외접치합된 제4기어로 이루어지는 제2외접기어쌍을 포함하여 구성된다.

Description

하이브리드 차량의 변속기{TRANSMISSION FOR HYBRID VEHICLE}
본 발명은 하이브리드 차량의 변속기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 2개의 모터제너레이터를 사용하는 TWO MODE EVT(ELECTRICALLY VARIABLE TRANSMISSION)의 구조에 관한 기술이다.
하이브리드 전기자동차의 운전 모드는 엔진과 모터의 조합에 따라, 모터만으로 구동되는 EV 모드, 엔진과 모터를 동시에 사용하는 HEV 모드, 엔진만 사용하는 엔진 모드의 구현이 가능하며, 이러한 운전 모드의 조합에 따라 시스템 효율을 극대화하여 연비를 향상시킬 수 있다.
EVT(Electrically Variable Transmission)는 한 개 이상의 유성기어장치와 두 개의 모터제너레이터로 구성되어 CVT(Continuous Variable Transmission)처럼 무단변속기능을 하는 전기식 CVT라고 볼 수 있다.
EVT는 엔진이 최적 효율 운전점에서 작동할 수 있도록 제어가 가능하므로, 제어에 따라 엔진으로부터 입력된 동력이 유성기어장치를 통해 전기부분인 모터제너레이터와 기계부분인 출력축으로 분기하여 엔진의 에너지를 최대한 효율적으로 사용할 수 있는 큰 장점이 있다.
그러나 최근 널리 적용되고 있는 One Mode EVT의 경우, 초기 출발시나, 고속구간에서 전기부로 큰 동력이 전달되어, 큰 용량의 모터제너레이터가 필요하여 차량 가격을 증가시키는 단점이 있다.
이러한 단점을 극복하고자 두 개의 모터제너레이터를 사용한 Two Mode EVT에 대한 구조가 제시되고 있다.
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 10-2011-0050894 A
본 발명은 TWO MODE EVT를 구현하면서 변속기 내부의 공간 활용성을 극대화하여 차량에의 탑재성을 향상시키고, 사용되는 마찰요소의 유압공급을 위한 유로 확보에 유리한 하이브리드 차량의 변속기를 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 하이브리드 차량의 변속기는,
입력축과 평행하게 배치된 출력축과;
제1모터제너레이터 및 제2모터제너레이터와;
3개의 회전요소 중 제1회전요소는 상기 입력축과 연결되고 제2회전요소는 상기 제1모터제너레이터와 연결되는 제1유성기어장치와;
3개의 회전요소 중 제1회전요소는 상기 출력축과 연결되고 제2회전요소는 상기 제2모터제너레이터와 연결되는 제2유성기어장치와;
상기 제1유성기어장치의 제3회전요소와 연결되는 제1기어와, 상기 제2유성기어장치의 제1회전요소와 연결되며 상기 제1기어와 외접치합된 제2기어로 이루어지고, 축방향을 기준으로 상기 제1유성기어장치와 제2유성기어장치 사이에 배치된 제1외접기어쌍과;
상기 입력축에 선택적으로 연결되는 제3기어와 상기 제2유성기어장치의 3개의 회전요소들 중 어느 한 회전요소에 직결되고 상기 제3기어와 외접치합된 제4기어로 이루어지는 제2외접기어쌍을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
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상기 제1모터제너레이터는 축방향을 기준으로 상기 제1외접기어쌍과 제2외접기어쌍 사이에 위치할 수 있다.
상기 입력축과 연결된 상기 제1유성기어장치의 회전요소는 정방향 회전만 허용하는 원웨이클러치를 통해 변속기케이스에 연결될 수 있다.
상기 제2유성기어장치는 축방향을 기준으로 상기 제1외접기어쌍과 제2외접기어쌍 사이에 위치할 수 있다.
상기 제2모터제너레이터는 축방향을 기준으로 상기 제1외접기어쌍과 제2외접기어쌍 사이에 위치할 수 있다.
상기 제2모터제너레이터는 감속기어를 통해 상기 제2유성기어장치의 회전요소에 연결될 수 있다.
상기 제2모터제너레이터는 축방향을 기준으로 상기 제1외접기어쌍과 제2외접기어쌍 외측에 위치할 수 있다.
상기 제2모터제너레이터는 감속기어를 통해 상기 제2유성기어장치의 회전요소에 연결될 수 있다.
상기 제1유성기어장치는 제1선기어가 상기 제1모터제너레이터에 직결되고, 제1캐리어가 상기 제1기어에 직결되며, 제1링기어가 상기 입력축에 직결되고;
상기 제2기어는 상기 제2유성기어장치의 제2캐리어 및 출력축에 직결되며;
상기 제3기어는 제1클러치를 통해 상기 입력축에 연결되고;
상기 제2유성기어장치의 제2선기어와 제2캐리어를 직결시킬 수 있도록 제2선기어와 제2캐리어 사이에 제2클러치가 구비될 수 있다.
상기 제2유성기어장치는 제2선기어가 상기 제4기어에 직결되고, 제2링기어가 브레이크를 통해 변속기케이스에 연결되며;
상기 제2모터제너레이터는 상기 제2선기어에 직결될 수 있다.
상기 제2유성기어장치는 제2선기어가 상기 제4기어에 직결되고, 제2링기어가 브레이크를 통해 변속기케이스에 연결되며;
상기 제2모터제너레이터는 감속기어를 통해 상기 제2선기어에 연결될 수 있다.
상기 제2유성기어장치는 제2선기어가 브레이크를 통해 변속기케이스에 연결되고, 제2링기어가 상기 제4기어에 직결되며;
상기 제2모터제너레이터는 감속기어를 통해 상기 제2링기어에 연결될 수 있다.
상기 제2유성기어장치는 제2선기어가 상기 제4기어에 직결됨과 아울러 브레이크를 통해 변속기케이스에 연결되고;
상기 제2모터제너레이터는 감속기어를 통해 제2링기어에 연결될 수 있다.

상기 제2모터제너레이터는 축방향을 기준으로 상기 제1외접기어쌍과 제2외접기어쌍 외측에 위치하고;
상기 제2유성기어장치는 제2선기어가 브레이크를 통해 변속기케이스에 연결되고, 제2링기어가 상기 제4기어에 직결되며;
삭제
상기 제2모터제너레이터는 감속기어를 통해 상기 제2링기어에 연결될 수 있다.
본 발명은 TWO MODE EVT를 구현하면서 변속기 내부의 공간 활용성을 극대화하여 차량에의 탑재성을 향상시키고, 사용되는 마찰요소의 유압공급을 위한 유로 확보에 유리한 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 변속기의 제1실시예를 도시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 변속기의 제2실시예를 도시한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 변속기의 제3실시예를 도시한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 변속기의 제4실시예를 도시한 도면,
도 5는 본 발명에 따른 하이브리드 변속기의 제5실시예를 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명 하이브리드 변속기의 실시예들은 공통적으로, 입력축(IN)과 평행하게 배치된 출력축(OUT)과; 제1모터제너레이터(MG1) 및 제2모터제너레이터(MG2)와; 3개의 회전요소 중 제1회전요소는 상기 입력축(IN)과 연결되고 제2회전요소는 상기 제1모터제너레이터(MG1)와 연결되는 제1유성기어장치(PG1)와; 3개의 회전요소 중 제1회전요소는 상기 출력축(OUT)과 연결되고 제2회전요소는 상기 제2모터제너레이터(MG2)와 연결되는 제2유성기어장치(PG2)와; 상기 제1유성기어장치(PG1)의 제3회전요소와 연결되는 제1기어(G1)와, 상기 제2유성기어장치(PG2)의 제1회전요소와 연결되며 상기 제1기어(G1)와 외접치합된 제2기어(G2)로 이루어지고, 축방향을 기준으로 상기 제1유성기어장치(PG1)와 제2유성기어장치(PG2) 사이에 배치된 제1외접기어쌍(PA1)과; 상기 입력축(IN)에 선택적으로 연결되는 제3기어(G3)와, 상기 제2유성기어장치(PG2)의 3개의 회전요소들 중 어느 한 회전요소에 직결되고 상기 제3기어(G3)와 외접치합된 제4기어(G4)로 이루어지는 제2외접기어쌍(PA2)을 포함하여 구성된다.
상기 입력축(IN)과 연결된 상기 제1유성기어장치(PG1)의 회전요소는 정방향 회전만 허용하는 원웨이클러치(OWC)를 통해 변속기케이스(CS)에 연결된다.
참고로, 여기서 축방향이란 상기 입력축(IN) 및 출력축(OUT)의 길이방향을 의미하며, 상기 정방향이란 차량의 전진 구동을 위해 상기 입력축(IN)으로 입력되는 회전력의 방향을 말하며, 상기 입력축(IN)에는 엔진이 연결된다.
상기 제1모터제너레이터(MG1)와 제2유성기어장치(PG2)는 축방향을 기준으로 상기 제1외접기어쌍(PA1)과 제2외접기어쌍(PA2) 사이에 위치한다.
또한, 도 1 내지 도 4의 실시예들에서 상기 제2모터제너레이터(MG2)는 축방향을 기준으로 상기 제1외접기어쌍(PA1)과 제2외접기어쌍(PA2) 사이에 위치한다.
즉, 상기 제1모터제너레이터(MG1), 제2모터제너레이터(MG2) 및 제2유성기어장치(PG2)가 모두 상기 제1외접기어쌍(PA1)과 제2외접기어쌍(PA2) 사이에 배치되어, 상기 제1유성기어장치(PG1)와 상기 출력축(OUT) 사이에 공간이 확보되는 구성인 것이다.
상기와 같이 확보된 공간에는 차동장치가 상기 출력축(OUT)에 외접하여 설치될 수 있어서, 변속기의 전체 길이 축소에 유리하여 차량에의 탑재성을 향상시킬 수 있는 것이다.
한편, 도 5의 제5실시예의 경우에도 비록 상기 제2모터제너레이터(MG2)가 상기 제1외접기어쌍(PA1)과 제2외접기어쌍(PA2) 사이에 있지 않고 제1외접기어쌍(PA1)과 제2외접기어쌍(PA2) 외측에 배치되어 있지만, 여전히 상기 제1유성기어장치(PG1)와 출력축(OUT) 사이에 공간이 확보되므로, 상기한 바와 같은 변속기의 차량 탑재성 향상의 효과를 얻을 수 있다.
상기 제1실시예 내지 제5실시예는 모두 공통적으로, 상기 제1유성기어장치(PG1)는 제1선기어(S1)가 상기 제1모터제너레이터(MG1)에 직결되고, 제1캐리어(C1)가 상기 제1기어(G1)에 직결되며, 제1링기어(R1)가 상기 입력축(IN)에 직결되고; 상기 제2기어(G2)는 상기 제2유성기어장치(PG2)의 제2캐리어(C2) 및 출력축(OUT)에 직결되며; 상기 제3기어(G3)는 제1클러치(CL1)를 통해 상기 입력축(IN)에 연결되고; 상기 제2유성기어장치(PG2)의 제2선기어(S2)와 제2캐리어(C2)를 직결시킬 수 있도록 제2선기어(S2)와 제2캐리어(C2) 사이에 제2클러치(CL2)가 구비된 구성이다.
한편, 상기 제2모터제너레이터(MG2)는 상기 제2유성기어장치(PG2)의 회전요소에 직결되거나 감속기어(RD)를 통해 연결되는데, 제1실시예만 직결되고 나머지 실시예들은 상기 감속기어(RD)를 통해 제2유성기어장치(PG2)의 회전요소에 연결된 구성이다.
도 1의 제1실시예는 청구항 10에 한정된 바와 같이, 상기 제2유성기어장치(PG2)는 제2선기어(S2)가 상기 제4기어(G4)에 직결되고, 제2링기어(R2)가 브레이크(B1)를 통해 변속기케이스(CS)에 연결되며, 상기 제2모터제너레이터(MG2)는 상기 제2선기어(S2)에 직결된 구성이다.
도 2의 제2실시예는 청구항 11에 한정된 바와 같이, 상기 제2유성기어장치(PG2)는 제2선기어(S2)가 상기 제4기어(G4)에 직결되고, 제2링기어(R2)가 브레이크(B1)를 통해 변속기케이스(CS)에 연결되며, 상기 제2모터제너레이터(MG2)는 감속기어(RD)를 통해 상기 제2선기어(S2)에 연결된 구성이다.
도 3의 제3실시예는 청구항 12에 한정된 바와 같이, 상기 제2유성기어장치(PG2)는 제2선기어(S2)가 브레이크(B1)를 통해 변속기케이스(CS)에 연결되고, 제2링기어(R2)가 상기 제4기어(G4)에 직결되며, 상기 제2모터제너레이터(MG2)는 감속기어(RD)를 통해 상기 제2링기어(R2)에 연결된 구성이다.
도 4의 제4실시예는 청구항 13에 한정된 바와 같이, 상기 제2유성기어장치(PG2)는 제2선기어(S2)가 상기 제4기어(G4)에 직결됨과 아울러 브레이크(B1)를 통해 변속기케이스(CS)에 연결되고, 상기 제2모터제너레이터(MG2)는 감속기어(RD)를 통해 제2링기어(R2)에 연결된 구성이다.
도 5의 제5실시예는 청구항 14에 한정된 바와 같이, 상기 제2유성기어장치(PG2)는 제2선기어(S2)가 브레이크(B1)를 통해 변속기케이스(CS)에 연결되고, 제2링기어(R2)가 상기 제4기어(G4)에 직결되며, 상기 제2모터제너레이터(MG2)는 감속기어(RD)를 통해 상기 제2링기어(R2)에 연결된 구성이다.
상기한 바와 같은 본 발명의 실시예들은 상기 마찰요소인 제1클러치(CL1)와 제2클러치(CL2) 및 브레이크(B1)가 변속기케이스(CS)와 가까운 위치에 배치됨으로써, 그 작동에 필요한 유체의 공급을 위한 유로 형성에 유리한 장점이 있다.
본 발명의 실시예들은 상기 브레이크(B1)를 체결하고 제2모터제너레이터(MG2)를 구동하여 제2모터제너레이터(MG2)의 동력을 감속하는 제1EV모드 또는 제1HEV모드를 구현할 수 있고, 상기 브레이크(B1) 대신 상기 제2클러치(CL2)를 체결하여 제2모터제너레이터(MG2)의 동력을 1:1 변속비로 그대로 출력하는 제2EV모드 또는 제2HEV모드를 구현할 수 있다.
이때, 상기 제1EV모드 와 제2EV모드 사이의 단간비, 즉, 상기 제2유성기어장치(PG2)의 상기 제1EV모드 구현시의 변속비와 상기 제2EV모드 구현시의 변속비 차이가 너무 크면, 상기 제2클러치(CL2)는 작동시 이러한 단간비에 따라 비례하는 발열량을 감당해야 하므로, 제2클러치(CL2)의 용량 증대가 요구되지만, 이러한 제2클러치(CL2)의 용량 증대는 변속기의 크기, 부피, 중량을 증대시키고 효율을 저하시키는 원인이 되므로, 제2클러치(CL2)의 용량 증대 대신 제2유성기어장치(PG2)의 제1EV모드 구현시의 변속비를 작게 하여 제2EV모드 구현시의 변속비와의 단간비를 줄이는 것을 고려할 수 있다.
그러나, 상기와 같이 제2유성기어장치(PG2)의 단간비를 줄이게 되면, 상기 제2모터제너레이터(MG2)에 의한 EV발진 및 등판 성능이 저하되므로 동력성능이 불리해지는 측면이 있어서, 본 발명의 제2실시예 내지 제5실시예에서는 상기 감속기어(RD)를 통해 상기 제2모터제너레이터(MG2)가 제2유성기어장치(PG2)의 회전요소인 제2선기어(S2) 또는 제2링기어(R2)에 연결되도록 함으로써, 상기 제2모터제너레이터(MG2)에 의한 차량의 구동력 저하를 방지하도록 하였다.
즉, 본 발명 제2실시예 내지 제5실시예는, 상기 제2유성기어장치(PG2)의 단간비를 상대적으로 줄여서 상기 제2클러치(CL2)가 감당해야 할 발열량을 축소시킴으로써, 상기 제2클러치(CL2)를 소형으로 탑재할 수 있도록 하면서도, 제2모터제너레이터(MG2)에 의한 EV발진 및 등판 성능을 충분히 확보할 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.
IN; 입력축
OUT; 출력축
MG1; 제1모터제너레이터
MG2; 제2모터제너레이터
PG1; 제1유성기어장치
PG2; 제2유성기어장치
G1; 제1기어
G2; 제2기어
PA1; 제1외접기어쌍
G3; 제3기어
G4; 제4기어
PA2; 제2외접기어쌍
OWC; 원웨이클러치
CS; 변속기케이스
CL1; 제1클러치
CL2; 제2클러치
RD; 감속기어
R2; 제2링기어
B1; 브레이크

Claims (14)

  1. 입력축과 평행하게 배치된 출력축과;
    제1모터제너레이터 및 제2모터제너레이터와;
    3개의 회전요소 중 제1회전요소는 상기 입력축과 연결되고 제2회전요소는 상기 제1모터제너레이터와 연결되는 제1유성기어장치와;
    3개의 회전요소 중 제1회전요소는 상기 출력축과 연결되고 제2회전요소는 상기 제2모터제너레이터와 연결되는 제2유성기어장치와;
    상기 제1유성기어장치의 제3회전요소와 연결되는 제1기어와, 상기 제2유성기어장치의 제1회전요소와 연결되며 상기 제1기어와 외접치합된 제2기어로 이루어지고, 축방향을 기준으로 상기 제1유성기어장치와 제2유성기어장치 사이에 배치된 제1외접기어쌍과;
    상기 입력축에 선택적으로 연결되는 제3기어와 상기 제2유성기어장치의 3개의 회전요소들 중 어느 한 회전요소에 직결되고 상기 제3기어와 외접치합된 제4기어로 이루어지는 제2외접기어쌍;
    을 포함하여 구성되고,
    상기 제1모터제너레이터는 축방향을 기준으로 상기 제1외접기어쌍과 제2외접기어쌍 사이에 위치하며;
    상기 입력축과 연결된 상기 제1유성기어장치의 회전요소는 정방향 회전만 허용하는 원웨이클러치를 통해 변속기케이스에 연결되는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 변속기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2유성기어장치는 축방향을 기준으로 상기 제1외접기어쌍과 제2외접기어쌍 사이에 위치한 것
    을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 변속기.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제2모터제너레이터는 축방향을 기준으로 상기 제1외접기어쌍과 제2외접기어쌍 사이에 위치한 것
    을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 변속기.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제2모터제너레이터는 감속기어를 통해 상기 제2유성기어장치의 회전요소에 연결되는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 변속기.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 제2모터제너레이터는 축방향을 기준으로 상기 제1외접기어쌍과 제2외접기어쌍 외측에 위치한 것
    을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 변속기.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제2모터제너레이터는 감속기어를 통해 상기 제2유성기어장치의 회전요소에 연결되는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 변속기.
  9. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1유성기어장치는 제1선기어가 상기 제1모터제너레이터에 직결되고, 제1캐리어가 상기 제1기어에 직결되며, 제1링기어가 상기 입력축에 직결되고;
    상기 제2기어는 상기 제2유성기어장치의 제2캐리어 및 출력축에 직결되며;
    상기 제3기어는 제1클러치를 통해 상기 입력축에 연결되고;
    상기 제2유성기어장치의 제2선기어와 제2캐리어를 직결시킬 수 있도록 제2선기어와 제2캐리어 사이에 제2클러치가 구비된 것
    을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 변속기.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제2유성기어장치는 제2선기어가 상기 제4기어에 직결되고, 제2링기어가 브레이크를 통해 변속기케이스에 연결되며;
    상기 제2모터제너레이터는 상기 제2선기어에 직결된 것
    을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 변속기.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 제2유성기어장치는 제2선기어가 상기 제4기어에 직결되고, 제2링기어가 브레이크를 통해 변속기케이스에 연결되며;
    상기 제2모터제너레이터는 감속기어를 통해 상기 제2선기어에 연결된 것
    을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 변속기.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 제2유성기어장치는 제2선기어가 브레이크를 통해 변속기케이스에 연결되고, 제2링기어가 상기 제4기어에 직결되며;
    상기 제2모터제너레이터는 감속기어를 통해 상기 제2링기어에 연결된 것
    을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 변속기.
  13. 청구항 9에 있어서,
    상기 제2유성기어장치는 제2선기어가 상기 제4기어에 직결됨과 아울러 브레이크를 통해 변속기케이스에 연결되고;
    상기 제2모터제너레이터는 감속기어를 통해 제2링기어에 연결된 것
    을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 변속기.
  14. 청구항 9에 있어서,
    상기 제2모터제너레이터는 축방향을 기준으로 상기 제1외접기어쌍과 제2외접기어쌍 외측에 위치하고;
    상기 제2유성기어장치는 제2선기어가 브레이크를 통해 변속기케이스에 연결되고, 제2링기어가 상기 제4기어에 직결되며;
    상기 제2모터제너레이터는 감속기어를 통해 상기 제2링기어에 연결된 것
    을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 변속기.

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