KR102474801B1 - 전기 자동차용 2단 변속기 - Google Patents

전기 자동차용 2단 변속기 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 전기 차량용 2단 변속기에 관한 것으로서, 모터 토크가 입력되는 입력축; 제1 선기어와, 제1 캐리어와, 제1 링기어를 구비하며, 상기 모터 토크를 미리 정해진 제1 변속비로 변속 가능한 제1 유성기어세트; 제2 선기어와, 제2 캐리어와, 제2 링기어를 구비하며, 상기 모터 토크를 미리 정해진 제2 변속비로 변속 가능한 제2 유성기어세트; 상기 제1 선기어와, 상기 제1 캐리어와, 상기 제1 링기어 중 어느 하나를 변속기 케이스에 가변적으로 연결하는 제1 브레이크; 상기 제2 선기어와, 상기 제2 캐리어와, 상기 제2 링기어 중 어느 하나를 변속기 케이스에 가변적으로 연결하는 제2 브레이크; 및 상기 제1 유성기어세트와 상기 제2 유성기어세트 중 어느 하나에 의해 선택적으로 변속된 모터 토크를 전달받는 출력축을 포함한다.

Description

전기 자동차용 2단 변속기{TWO-SPEED TRANSMISSION FOR ELECTRIC VEHICEL}
본 발명은 전기 자동차용 2단 변속기에 관한 것이다.
일반적으로 전기 차량에는 차량의 주행 환경에 맞는 속도와 토크 제어를 위하여 전기 차량용 감속기를 장착한다. 이러한 전기 차량용 감속기는, 구동 모터와 배터리의 용량이 커야 한다는 문제점과, 감속기만으로는 등판 능력 및 가속성이 낮다는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 개선하기 위하여 최근에는 전기 차량에 2단 변속기를 장착하고 있다. 종래의 전기 차량용 2단 변속기는, 2단 변속을 달성하기 위하여, 싱크로나이저, 원웨이 클러치 등이 주로 적용되었다.
그런데, 싱크로나이저가 적용된 종래의 전기 차량용 2단 변속기는, 변속 시 토크 단절이 발생하는 문제점이 있다. 또한, 원웨이 클러치가 적용된 종래의 전기 차량용 2단 변속기는, 차량의 2단 주행 시 원웨이 클러치가 항상 상대 속도를 갖고 자유 회전하게 됨으로써 동력 손실이 발생한다는 문제점과, 구동 모터에 비해 높은 용량을 갖는 마찰 요소(마찰 클러치)가 필수적으로 요구된다는 문제점이 있다.
본 발명은, 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 변속 시 토크 단절이 발생하지 않도록 구조를 개선한 전기 차량용 2단 변속기를 제공하는데 그 목적이 있다.
나아가, 본 발명은, 2단 주행 시 동력 손실이 발생하지 않도록 구조를 개선한 전기 차량용 2단 변속기를 제공하는데 그 목적이 있다.
나아가, 본 발명은, 구동 모터에 비해 낮은 용량을 갖는 마찰 요소를 적용 가능하도록 구조를 개선한 전기 차량용 2단 변속기를 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기 자동차용 2단 변속기는, 모터 토크가 입력되는 입력축; 제1 선기어와, 제1 캐리어와, 제1 링기어를 구비하며, 상기 모터 토크를 미리 정해진 제1 변속비로 변속 가능한 제1 유성기어세트; 제2 선기어와, 제2 캐리어와, 제2 링기어를 구비하며, 상기 모터 토크를 미리 정해진 제2 변속비로 변속 가능한 제2 유성기어세트; 상기 제1 선기어와, 상기 제1 캐리어와, 상기 제1 링기어 중 어느 하나를 변속기 케이스에 가변적으로 연결하는 제1 브레이크; 상기 제2 선기어와, 상기 제2 캐리어와, 상기 제2 링기어 중 어느 하나를 변속기 케이스에 가변적으로 연결하는 제2 브레이크; 및 상기 제1 유성기어세트와 상기 제2 유성기어세트 중 어느 하나에 의해 선택적으로 변속된 모터 토크를 전달받는 출력축을 포함한다.
바람직하게, 상기 제1 선기어와, 상기 제1 캐리어와, 상기 제1 링기어 중 다른 하나는 상기 입력축 상에 배치되고, 상기 제1 선기어와, 상기 제1 캐리어와, 상기 제1 링기어 중 나머지 하나는 상기 출력축 상에 배치되며, 상기 제2 선기어와, 상기 제2 캐리어와, 상기 제2 링기어 중 다른 하나는 상기 입력축 상에 배치되고, 상기 제2 선기어와, 상기 제2 캐리어와, 상기 제2 링기어 중 나머지 하나는 상기 출력축 상에 배치된다.
바람직하게, 상기 제1 선기어와, 상기 제2 캐리어는 각각, 상기 입력축 상에 배치되고, 상기 제1 링기어와, 상기 제2 링기어는 각각, 상기 출력축 상에 배치되며, 상기 제1 브레이크는 상기 제1 캐리어와 변속기 케이스를 가변적으로 연결하고, 상기 제2 브레이크는 상기 제2 선기어와 변속기 케이스를 가변적으로 연결한다.
바람직하게, 상기 제1 브레이크는 도그 브레이크이다.
바람직하게, 상기 제2 브레이크는 마찰 브레이크이다.
바람직하게, 1단은 상기 제1 브레이크를 작동하고 상기 제2 브레이크를 작동 해제하여 형성하고, 2단은 상기 제1 브레이크를 작동 해제하고 상기 제1 브레이크를 작동하여 형성한다.
본 발명에 따른 전지 차량용 2단 변속기는 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 본 발명은, 브레이크들의 상호 협조 제어를 통해 변속 시 토크 단절이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
둘째, 본 발명은, 유압 펌프, 밸브 바디 시스템 등이 필요한 습식 마찰 클러치와는 달리 모터 타입 엑츄에이터의 사용이 가능한 건식 마찰 브레이크로 브레이크를 구성할 수 있다.
셋째, 본 발명은, 브레이크를 구동 모터에 비해 작은 용량을 갖는 마찰 브레이크로 구성 가능하므로, 제조 원가와 차량 무게를 줄이고, 구동 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기 차량용 2단 변속기의 개략적인 구성을 나타내는 도면.
도 2는 도 1에 도시된 브레이크들의 각 변속단별 작동도.
도 3은 도 1에 도시된 전기 차량용 2단 변속기에 있어서, 제1 유성기어세트에 의해 모터 토크가 변속되는 양상을 나타내는 도면.
도 4는 도 1에 도시된 전기 차량용 2단 변속기의 1단 변속선도.
도 5는 도 1에 도시된 전기 차량용 2단 변속기에 있어서, 제2 유성기어세트에 의해 모터 토크가 변속되는 양상을 나타내는 도면.
도 6은 도 1에 도시된 전기 차량용 2단 변속기의 2단 변속선도.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과하고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도면에서 각 구성요소 또는 그 구성요소를 이루는 특정 부분의 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 따라서, 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그러한 설명은 생략하도록 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기 차량용 2단 변속기의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기 자동차용 2단 변속기(이하, '전기 차량용 2단 변속기(1)'라고 함)는, 모터 토크가 입력되는 입력축(IS)과, 모터 토크를 변속하는 제1 유성기어세트(PG1) 및 제2 유성기어세트(PG2)와, 제1 유성기어세트(PG1)를 변속기 케이스(C)와 가변적으로 연결하는 제1 브레이크(DB)와, 제2 유성기어세트(PG2)를 변속기 케이스(C)와 가변적으로 연결하는 제2 브레이크(FB)와, 제1 유성기어세트(PG1)와 제2 유성기어세트(PG2) 중 어느 하나에 의해 선택적으로 변속된 모터 토크를 전달 받는 출력축(OS) 등을 포함할 수 있다.
먼저, 입력축(IS)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 구동 모터(M)와 축 결합되어 구동 모터(M)로부터 제공된 모터 토크가 입력된다.
다음으로, 제1 유성기어세트(PG1)와 제2 유성기어세트(PG2)는, 더블피니언 유성기어세트로 구성되고, 상호 보완 작동하여 모터 토크를 미리 정해진 1단 변속비 또는 2단 변속비로 변속 가능하도록 마련된다.
제1 유성기어세트(PG1)는, 모터 토크를 미리 정해진 제1 변속비로 변속 가능하도록 마련된다. 제1 유성기어세트(PG1)는, 제1 선기어(S1)와, 제1 캐리어(C1)와, 제1 링기어(R1) 등을 구비할 수 있다. 제1 선기어(S1)와, 제1 캐리어(C1)와, 제1 링기어(R1) 중 어느 하나는 입력축(IS) 상에 배치되고 다른 하나는 제1 브레이크(DB)에 의해 변속기 케이스(C)에 가변적으로 연결되고 나머지 하나는 출력축(OS) 상에 배치된다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 선기어(S1)는 입력축(IS) 상에 배치될 수 있고, 제1 캐리어(C1)는 제1 브레이크(DB)에 의해 변속기 케이스(C)와 가변적으로 연결될 수 있고, 제1 링기어(R1)는 출력축(OS) 상에 배치될 수 있다.
제2 유성기어세트(PG2)는, 모터 토크를 미리 정해진 제2 변속비로 변속 가능하도록 마련된다. 제2 유성기어세트(PG2)는, 제2 선기어(S2)와, 제2 캐리어(C2)와, 제2 링기어(R2) 등을 구비할 수 있다. 제2 선기어(S2)와, 제2 캐리어(C2)와, 제2 링기어(R2) 중 어느 하나는 입력축(IS) 상에 배치되고 다른 하나는 제2 브레이크(FB)에 의해 변속기 케이스(C)에 가변적으로 연결되고 나머지 하나는 출력축(OS) 상에 배치된다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 제2 선기어(S2)는 제2 브레이크(FB)에 의해 변속기 케이스(C)와 가변적으로 연결될 수 있고, 제2 캐리어(C2)는 입력축(IS) 상에 배치될 수 있고, 제2 링기어(R2)는 출력축(OS) 상에 배치될 수 있다.
이처럼 유성 기어 세트들(PG1, PG2)은, 제1 선기어(S1)와 제2 캐리어(C2)로 이루어지는 제1 회전 요소(N1)와, 제1 링기어(R1)와 제2 링기어(R2)로 이루어지는 제2 회전 요소(N2)와, 제1 캐리어(C1)로 이루어지는 제3 회전 요소(N3)와, 제2 캐리어(C2)로 이루어지는 제4 회전 요소(N4) 등 총 4개의 회전 요소들을 보유한다. 또한, 제1 회전 요소(N1)인 제1 선기어(S1)와 제2 캐리어(C2)는 입력축(IS) 상에 배치되어 항상 입력 요소로 작동하게 되고, 제2 회전 요소(N2)인 제1 링기어(R1)와 제2 링기어(R2)는 출력축(OS)과 직접 연결되어 항상 출력 요소로 작동하게 된다.
다음으로, 제1 브레이크(DB)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 캐리어(C1)와 변속기 케이스(C) 사이에 개재되며, 제1 캐리어(C1)와 변속기 케이스(C)를 가변적으로 연결 가능하도록 마련된다. 제1 브레이크(DB)에 의해 제1 캐리어(C1)와 변속기 케이스(C)가 연결된 경우에, 제3 회전 요소(N3)인 제1 캐리어(C1)는 고정 요소로 작동된다. 이러한 제1 브레이크(DB)는 도그 브레이크로 구성되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 제2 브레이크(FB)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 선기어(S1)와 변속기 케이스(C) 사이에 개재되며, 제2 선기어(S2)를 변속기 케이스(C)와 가변적으로 연결 가능하도록 마련된다. 제2 브레이크(FB)에 의해 제2 선기어(S2)와 변속기 케이스(C)가 연결된 경우에, 제4 회전 요소(N4)인 제2 선기어(S2)는 고정 요소로 작동된다. 이러한 제2 브레이크(FB)는 마찰 브레이크로 구성되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 출력축(OS)은, 유성기어세트들(PG1, PG2) 중 어느 하나에 의해 선택적으로 변속된 모터 토크를 출력 요소인 제1 링기어(R1) 또는 제2 링기어(R2)를 통해 전달 받도록 마련된다. 이러한 출력축(OS)은 차량의 구동륜과 치합되는 파이널 기어(FGR)를 구비할 수 있다. 따라서, 유성기어세트들(PG1, PG2)에 의해 변속된 모터 토크는 파이널 기어(FGR)를 통해 차량의 구동륜에 전달될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 브레이크들의 각 변속단별 작동도이며, 도 3은 도 1에 도시된 전기 차량용 2단 변속기에 있어서, 제1 유성기어세트에 의해 모터 토크가 변속되는 양상을 나타내는 도면이며, 도 4는 도 1에 도시된 전기 차량용 2단 변속기의 1단 변속선도이다.
또한, 도 5는 도 1에 도시된 전기 차량용 2단 변속기에 있어서, 제2 유성기어세트에 의해 모터 토크가 변속되는 양상을 나타내는 도면이며, 도 6은 도 1에 도시된 전기 차량용 2단 변속기의 2단 변속선도이다. 참고로, 도 4 및 도 6에서 각속도는 점선으로 표시되고 토크는 실선으로 표시된다.
전기 차량용 2단 변속기는, 브레이크들(DB, FB)을 선택적으로 작동 또는 작동 해제하여 1단과 2단 등 두 단계의 변속단을 형성할 수 있다.
예를 들어, 1단은, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 브레이크(DB)를 작동하고 제2 브레이크(FB)를 작동 해제하여 형성할 수 있다.
입력 요소인 제1 선기어(S1)를 통해 각속도 Wm을 갖는 모터 토크 Tm의 입력이 이루어지는 상태에서 제1 브레이크(DB)가 선택적으로 작동되는 경우에, 제3 회전 요소(N3)인 제1 캐리어(C1)가 고정 요소로서 작동된다. 그러면, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 모터 토크 Tm은 제1 유성기어세트(PG1)만에 의해 변속되고, 제1 회전 요소(N1)와 제3 회전 요소(N3)를 연결하는 1단 변속선(SP1)이 형성된다. 이로 인해, 도 4에 도시된 바와 같이, 출력 요소인 제1 링기어(R1)를 통해 각속도 W1을 갖는 토크 T1이 출력축(OS)에 전달된다. 이러한 각속도 W1 및 토크 T1은 각각, 아래의 수학식 1 및 2를 통해 산출할 수 있다.
Figure 112016123937321-pat00001
WR1 : 제1 링기어 출력 각속도 / ZS1 : 제1 선기어 잇수 / ZR1 : 제1 링기어 잇수
Figure 112016123937321-pat00002
TR1 : 제1 링기어 출력 토크
예를 들어, 2단은, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 브레이크(DB)를 작동 해제하고 제2 브레이크(FB)를 작동하여 형성할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 입력 요소인 제2 캐리어(C2)를 통해 각속도 Wm을 갖는 모터 토크 Tm의 입력이 이루어지는 상태에서 제2 브레이크(FB)가 선택적으로 작동되는 경우에, 제4 회전 요소(N4)인 제2 선기어(S2)가 고정 요소로서 작동된다. 그러면, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 모터 토크 Tm은 제2 유성기어세트(PG2)만에 의해 변속되고, 제1 회전 요소(N1)와 제4 회전 요소(N4)를 연결하는 2단 변속선(SP2)이 형성된다. 이로 인해, 출력 요소인 제2 링기어(R2)를 통해 각속도 W2를 갖는 토크 T2가 출력축(OS)에 전달된다. 한편, 제2 브레이크(FB)에는 모터 토크 TM에 비해 작은 크기를 갖는 토크 TFB가 제2 선기어(S2)를 통해 전달된다. 이러한 각속도 W2, 토크 T2 및 토크 TFB은 각각, 아래의 수학식 3 내지 5를 통해 산출할 수 있다.
Figure 112016123937321-pat00003
WR2 : 제2 링기어 각속도 / ZS2 : 제2 선기어 잇수 / ZR2 : 제2 링기어 잇수
Figure 112016123937321-pat00004
TR2 : 제2 링기어 토크
Figure 112016123937321-pat00005
TS2 : 제2 선기어 토크
이러한 전지 차량용 2단 변속기(1)는, 제1 브레이크(DB)와 제2 브레이크(FB)의 상호 협조 제어를 통해 변속을 실시하므로, 변속 시 토크 단절이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 전지 차량용 2단 변속기(1)는, 마찰 브레이크로 구성된 제2 브레이크(FB)가 유성 기어 세트들(PG1, PG2)의 외곽에 위치하도록 제2 선기어(S2)와 변속기 케이스(C) 사이에 개재된다. 따라서, 전지 차량용 2단 변속기(1)는, 유압 펌프, 밸브 바디 시스템 등이 필요한 습식 마찰 클러치와는 달리 모터 타입 엑츄에이터의 사용이 가능한 건식 마찰 브레이크로 제2 브레이크(FB)를 구성할 수 있다.
또한, 전지 차량용 2단 변속기(1)는, 구동 모터(M)에서 출력되는 모터 토크(TM)에 비해 제2 브레이크(FB)에 전달되는 토크(TFB)가 작으므로, 제2 브레이크(FB)를 구동 모터(M)에 비해 작은 용량을 갖는 마찰 브레이크로 구성 가능하다. 따라서, 전지 차량용 2단 변속기(1)는, 제조 원가와 차량 무게를 줄이고, 구동 효율을 향상시킬 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
1 : 전기 차량용 2단 변속기
M : 구동 모터
C : 변속기 케이스
PG1 : 제1 유성기어세트
S1 : 제1 선기어
C1 : 제1 캐리어
R1 : 제1 링기어
PG2 : 제2 유성기어세트
S2 : 제2 선기어
C2 : 제2 캐리어
R2 : 제2 링기어
DB : 제1 브레이크
FB : 제2 브레이크
IS : 입력축
OS : 출력축
SP1 : 1단 변속선
SP2 : 2단 변속선
FGR : 파이널 기어

Claims (6)

  1. 모터 토크가 입력되는 입력축;
    제1 선기어와, 제1 캐리어와, 제1 링기어를 구비하며, 상기 모터 토크를 미리 정해진 제1 변속비로 변속 가능한 제1 유성기어세트;
    제2 선기어와, 제2 캐리어와, 제2 링기어를 구비하며, 상기 모터 토크를 미리 정해진 제2 변속비로 변속 가능한 제2 유성기어세트;
    상기 제1 선기어와, 상기 제1 캐리어와, 상기 제1 링기어 중 어느 하나를 변속기 케이스에 가변적으로 연결하는 제1 브레이크;
    상기 제2 선기어와, 상기 제2 캐리어와, 상기 제2 링기어 중 어느 하나를 변속기 케이스에 가변적으로 연결하는 제2 브레이크; 및
    상기 제1 유성기어세트와 상기 제2 유성기어세트 중 어느 하나에 의해 선택적으로 변속된 모터 토크를 전달받는 출력축을 포함하되,
    상기 제1 선기어와, 상기 제1 캐리어와, 상기 제1 링기어 중 다른 하나는 상기 입력축 상에 배치되고,
    상기 제1 선기어와, 상기 제1 캐리어와, 상기 제1 링기어 중 나머지 하나는 상기 출력축 상에 배치되며,
    상기 제2 선기어와, 상기 제2 캐리어와, 상기 제2 링기어 중 다른 하나는 상기 입력축 상에 배치되고,
    상기 제2 선기어와, 상기 제2 캐리어와, 상기 제2 링기어 중 나머지 하나는 상기 출력축 상에 배치되며,
    상기 제1 선기어와, 상기 제2 캐리어는 각각, 상기 입력축 상에 배치되고,
    상기 제1 링기어와, 상기 제2 링기어는 각각, 상기 출력축 상에 배치되며,
    상기 제1 브레이크는 상기 제1 캐리어와 변속기 케이스를 가변적으로 연결하고,
    상기 제2 브레이크는 상기 제2 선기어와 변속기 케이스를 가변적으로 연결하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 2단 변속기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 브레이크는 도그 브레이크인 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 2단 변속기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 브레이크는 마찰 브레이크인 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 2단 변속기.
  6. 제1항에 있어서,
    1단은 상기 제1 브레이크를 작동하고 상기 제2 브레이크를 작동 해제하여 형성하고,
    2단은 상기 제1 브레이크를 작동 해제하고 상기 제1 브레이크를 작동하여 형성하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 2단 변속기.
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