KR102654455B1 - 토크 벡터링 장치 - Google Patents

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KR102654455B1
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현대자동차 주식회사
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Abstract

토크 벡터링 장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 토크 벡터링 장치는 모터/제너레이터를 구동원으로 하며, 상기 모터/제너레이터의 회전동력을 감속하는 감속기구, 좌우측 바퀴의 회전수 차이를 흡수하면서 상기 감속기구로부터 전달되는 회전동력을 전달하는 차동기구, 및 상기 좌우측 바퀴로 배분되는 토크 비율을 조절하는 토크 벡터링 기구를 포함하며, 상기 차동기구와 동력 연결되는 좌우측 출력축 선상에 배치되는 토크 벡터링 장치에 있어서, 상기 토크 벡터링 기구는 토크 벡터링 제어모터; 제1 회전요소를 공유하면제1 회전요소를 공유하면서 제1, 제2 회전요소를 보유하는 제1 유성기어세트와, 제1, 제3 회전요소를 보유하는 제2 유성기어세트의 조합으로 이루어지며, 상기 제2 회전요소가 상기 차동기구에 동력 전달 가능하게 연결되고, 상기 제3 회전요소가 하우징에 연결되는 제1 복합유성기어세트; 및 제4 회전요소를 공유하면서 제4, 제5 회전요소를 보유하는 제3 유성기어세트와, 제4, 제6 회전요소를 보유하는 제4 유성기어세트의 조합으로 이루어지며, 상기 제4 회전요소가 상기 제1 복합유성기어세트의 제1 회전요소와 연결되고, 상기 제5 회전요소가 상기 토크 벡터링 제어모터와 기어 연결되고, 상기 제6 회전요소가 상기 좌우측 출력축 중, 하나의 출력축과 고정 연결되는 제2 복합유성기어세트를 포함하며, 1모터 e-AWD(All Wheel Drive)와 같은 고성능 환경차에 적용되어 동력 손실을 최소화하여 연비 성능을 향상시키고, 선회 주행 성능을 향상시킨다.

Description

토크 벡터링 장치{Device for torque vectoring}
본 발명은 토크 벡터링 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 1모터 e-AWD(All Wheel Drive) 등의 고성능 환경차에 적용되어 선회 성능을 향상시키는 토크 벡터링 장치에 관한 것이다.
일반적으로 토크 벡터링 장치는 차량의 민첩한 운동성능 및 핸들링 성능을 향상시기 위하여 좌우측 바퀴에 전달되는 토크의 크기를 독립적이면서 자유롭게 조절하기 위한 장치이다.
여기서, 토크 벡터링(torque vectoring)이라 함은 자동차에서 바퀴로 전달되는 엔진의 출력 또는 구동력에 대하여 크기와 방향 모두를 표현하기 위한 것으로, 바퀴에 전달되는 토크의 크기와 방향, 그 중에서도 같은 차축선상의 양측 바퀴로 각각 전달되는 토크에 변화를 주기 위한 기술을 의미한다.
즉, 토크 벡터링은 양측 바퀴로 전달되는 토크의 크기와 방향을 달리하는 것으로, 바퀴에 걸리는 부하에 따라 좌우측 바퀴로 배분되는 토크 비율이 달라지는 디퍼렌셜에 부가적인 기능으로 적용된다.
이러한 기능을 위한 토크 벡터링 장치는 운전자의 주행의도가 반영되도록 하여 능동적으로 디퍼렌셜의 기능을 제어함으로써 좌우 바퀴로 배분되는 토크의 비율을 조절하게 된다.
이에 따라, 운전자는 구동력을 더 적극적으로 활용할 수 있고 핸들링 특성의 향상도 기대할 수 있다.
그러나 토크 벡터링 장치는 디퍼렌셜의 기본적인 기능은 그대로 유지하면서, 필요한 상황에 따라 적절한 수준의 토크를 필요한 바퀴로 필요한 만큼 전달하는 기능이 더해져야 하기 때문에 기술적으로 구현하는 것은 쉽지 않다.
최근, 토크 벡터링 장치는 내연기관을 사용하는 구동계보다 모터의 배치와 제어에 따라 토크 벡터링을 휠씬 정확하게 구현할 수 있는 전기자동차 기술이 발전하면서 연구개발이 활발하게 진행되고 있다. 특히, 환경차의 고성능화가 진행되면서, 전기자동차(EV) 등의 AWD(All Wheel Drive)의 후방 디퍼렌셜에 적용되어 고성능 환경차의 선회 성능 향상을 위한 요소 기술로의 연구개발이 활발하다.
이러한 환경차의 경우, 일반 내연기관 자동차와 다르게 트랜스퍼 샤프트와 같은 기계요소가 필요 없고, 2모터 e-AWD(All Wheel Drive) 및 전기자동차(EV)의 경우, 모터 제어 기술의 적용만으로 토크 벡터링의 구현이 가능하나, 1모터 e-AWD(All Wheel Drive)의 경우, 최적화된 후륜 동력 분배에 의한 선회 성능 향상의 실현을 위한 다양한 토크 벡터링 기술 개발이 요구된다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래 기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예는 1모터 e-AWD(All Wheel Drive)와 같은 고성능 환경차에 적용되어 동력 손실을 최소화하여 연비 성능을 향상시키고, 선회 주행 성능을 향상시키는 토크 벡터링 장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 토크 벡터링 장치는 감속기구를 통해 구동원의 동력 연결 상태를 단절할 수 있도록 하여 구동원의 내구성을 보존함과 동시에, 동력 손실을 저감하는 토크 벡터링 장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 토크 벡터링 장치는 토크 벡터링 기능을 위해 각각의 선기어 없이, 유성캐리어를 공유하면서 기어비가 동일한 2개의 복합유성기어세트를 양측에 적용하여 직진주행 또는 토크 벡터링 제어가 불필요한 경우에 토크 벡터링 제어모터(TVCM)의 구동 손실을 저감할 수 있는 토크 벡터링 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시 예에서는 모터/제너레이터를 구동원으로 하며, 상기 모터/제너레이터의 회전동력을 감속하는 감속기구, 좌우측 바퀴의 회전수 차이를 흡수하면서 상기 감속기구로부터 전달되는 회전동력을 전달하는 차동기구, 및 상기 좌우측 바퀴로 배분되는 토크 비율을 조절하는 토크 벡터링 기구를 포함하며, 상기 차동기구와 동력 연결되는 좌우측 출력축 선상에 배치되는 토크 벡터링 장치에 있어서, 상기 토크 벡터링 기구는 토크 벡터링 제어모터; 제1 회전요소를 공유하면서 제1, 제2 회전요소를 보유하는 제1 유성기어세트와, 제1, 제3 회전요소를 보유하는 제2 유성기어세트의 조합으로 이루어지며, 상기 제2 회전요소가 상기 차동기구에 동력 전달 가능하게 연결되고, 상기 제3 회전요소가 하우징에 연결되는 제1 복합유성기어세트; 및 제4 회전요소를 공유하면서 제4, 제5 회전요소를 보유하는 제3 유성기어세트와, 제4, 제6 회전요소를 보유하는 제4 유성기어세트의 조합으로 이루어지며, 상기 제4 회전요소가 상기 제1 복합유성기어세트의 제1 회전요소와 연결되고, 상기 제5 회전요소가 상기 토크 벡터링 제어모터와 기어 연결되고, 상기 제6 회전요소가 상기 좌우측 출력축 중, 하나의 출력축과 고정 연결되는 제2 복합유성기어세트를 포함하는 토크 벡터링 장치가 제공될 수 있다.
상기 토크 벡터링 제어모터는 모터축 상에 구성되는 출력기어가 상기 제5 회전요소의 외주에 고정 연결된 입력기어와 외접 기어 연결될 수 있다.
또한, 상기 토크 벡터링 제어모터는 회전수 및 회전방향 제어가 가능한 모터로 이루어질 수 있다.
상기 제1 복합유성기어세트는 상기 제1, 제2, 제3 회전요소가 제1 공유 유성캐리어, 제1 링기어, 제2 링기어로 이루어지고, 상기 제2 복합유성기어세트는 상기 제4, 제5, 제6 회전요소가 제2 공유 유성캐리어, 제3 링기어, 제4 링기어로 이루어질 수 있다.
상기 차동기구는 제7, 제8, 제9 회전요소를 보유하며, 상기 제7 회전요소가 상기 좌우측 출력축 중, 상기 제6 회전요소와 연결되는 하나의 출력축과 고정 연결되고, 상기 제8 회전요소가 상기 제2 회전요소, 및 상기 좌우측 출력축 중, 다른 하나의 출력축과 고정 연결되고, 상기 제9 회전요소가 상기 감속기구와 동력 연결되는 제5 유성기어세트로 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 제5 유성기어세트는 더블 피니언 유성기어세트로 이루어져, 상기 제7, 제8, 제9 회전요소가 제5 선기어, 제5 유성캐리어, 제5 링기어로 이루어질 수 있다.
상기 감속기구는 상기 모터/제너레이터의 로터에 허브를 통하여 연결되는 구동기어; 상기 차동기구의 상기 제9 회전요소의 외주에 형성되는 피동기어; 및 상기 모터/제너레이터의 회전동력을 상기 차동기구에 감속하여 전달하도록 상기 구동기어와 상기 피동기어 사이에 아이들 축을 통하여 동력 전달하도록 구성되는 아이들 기어유닛을 포함할 수 있다.
상기 아이들 기어유닛은 상기 차동기구의 외주 측에서, 상기 좌우측 출력축에 평행하게 배치되는 아이들 축; 상기 아이들 축 상에 구성되어 상기 구동기어와 외접 기어 연결되는 아이들 입력기어; 및 상기 아이들 축 상에 고정 연결되어 상기 피동기어와 외접 기어 연결되는 아이들 출력기어를 포함할 수 있다.
또한, 상기 아이들 기어유닛은 상기 아이들 입력기어를 상기 아이들 축에 회전 가능하게 배치한 상태로, 상기 아이들 입력기어를 상기 아이들 축에 선택적으로 동기 연결하도록 상기 아이들 입력기어와 상기 아이들 축 사이에 구성되는 싱크로나이저를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 토크 벡터링 장치는 1모터 e-AWD(All Wheel Drive)와 같은 고성능 환경차에 적용되어 선회 주행 등의 운전조건에 따른 토크 벡터링을 통해 차량의 선회 주행 성능을 향상시킨다.
또한, 주행 중, 차속의 증가로, 모터/제너레이터(MG)의 최대 허용 RPM을 초과하는 경우, 상기 감속기구에 구성되는 싱크로나이저의 비동기 작동에 의해 구동원의 부하를 차단하여 내구성을 보존할 수 있으며, 불필요한 구동원의 동력 손실을 저감할 수 있다.
이러한 구동원의 회전동력 단절기능은 하이브리드 전기자동차(HEV)나 플러그인 하이브리드 전기자동차(PHEV) 등의 엔진 구동시에 전기 구동원의 회전동력을 단절하기 위해 유용하게 적용될 수 있다.
또한, 각각의 선기어 없이, 유성캐리어를 공유하면서 토크 벡터링 기구에 적용되는 2개의 복합유성기어세트를 양측에 배치하고, 각 회전요소의 기어비를 동일하게 설계하여 차량의 직진주행 또는 토크 벡터링 제어가 불필요한 경우에 토크 벡터링 제어모터(TVCM)의 회전수를 '0' RPM으로 제어하는 것으로, 회전동력의 회전수 및 토크 배분을 동일하게 할 수 있으며, 이에 따라 토크 벡터링 제어모터(TVCM)의 구동 손실을 저감할 수 있으며, 토크 벡터링 제어모터(TVCM)의 제어 효율 측면에서도 유리하다.
그 외에 본 발명의 실시 예로 인해 얻을 수 있거나 예측되는 효과에 대해서는 본 발명의 실시 예에 대한 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시하도록 한다. 즉 본 발명의 실시 예에 따라 예측되는 다양한 효과에 대해서는 후술될 상세한 설명 내에서 개시될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 토크 벡터링 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 토크 벡터링 장치의 토크 벡터링 작동을 설명하기 위한 레버선도이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면을 통하여 상세하게 설명한다.
단, 본 발명의 실시 예를 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하여 설명한다.
하기의 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성의 명칭이 동일하여 이를 구분하기 위한 것으로, 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 토크 벡터링 장치의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 토크 벡터링 장치는 구동원인 모터/제너레이터(MG)와 함께, 좌우측 출력축(OS1)(OS2) 선상에 배치되는 감속기구(10), 차동기구(20), 토크 벡터링 기구(30)로 구성된다.
즉, 상기 토크 벡터링 장치는 모터/제너레이터(MG)의 회전동력을 감속기구(10)에서 감속하여 차동기구(20)로 전달하고, 차동기구(20)는 좌우측 바퀴(미도시)의 회전수 차이를 흡수하면서 감속기구(10)로부터 전달된 회전동력을 좌우측 바퀴로 전달한다.
이때, 토크 벡터링 기구(30)는 선회 주행 등의 운전조건에 따라 상기 좌우측 바퀴로 배분되는 토크 비율을 조절하여 선회 주행 성능 등의 운전성을 향상시키게 된다.
상기 좌우측 출력축(OS1)(OS2)은 차동기구(20)와 좌우측 바퀴(미도시) 사이에 구성되는 동력 전달축으로, 통상의 좌우측 구동축을 의미할 수 있다.
상기 모터/제너레이터(MG)는 하우징(H) 일측에 고정되는 스테이터(ST)와 감속기구(10)와 동력 연결되는 로터(RT)로 구성되며, 로터(RT)를 통하여 감속기구(10)에 회전동력을 공급하는 모터의 기능과, 좌우측 바퀴로부터 전달되는 회전력에 의하여 회전하면서 전기를 생성하는 제너레이터의 기능을 동시에 수행할 수 있다.
상기 감속기구(10)는 모터/제너레이터(MG)로부터 전달되는 회전동력을 감속하여 차동기구(20)로 전달한다.
상기 감속기구(10)는 구동기어(DG)와 피동기어(PG), 및 아이들 기어유닛(IDGU)을 포함한다. 즉, 상기 구동기어(DG)를 통해 전달되는 모터/제너레이터(MG)의 회전동력을 아이들 기어유닛(IDGU)를 통해 감속하여 피동기어(PG)를 통해 차동기구(20)로 전달한다.
상기 구동기어(DG)는 모터/제너레이터(MG)의 로터(RT)에 허브(3)를 통하여 고정 연결된다.
상기 피동기어(PG)는 상기 차동기구(20)의 회전하는 요소에 형성되어 모터/제너레이터(MG)의 회전동력을 차동기구(20)에 전달한다.
상기 아이들 기어유닛(IDGU)은 구동기어(DG)와 피동기어(PG) 사이에 동력 전달 가능하도록 아이들 축(IDS) 상에 구성되는 2개의 아이들 기어를 통하여 상기 모터/제너레이터(MG)의 회전동력을 감속하여 상기 차동기구(20)에 전달한다.
즉, 상기 아이들 축(IDS)은 차동기구(10)의 외주 측에서, 상기 좌우측 출력축(OS1)(OS2)에 평행하게 배치된다.
상기 아이들 축(IDS) 상에 구성되는 2개의 아이들 기어는 아이들 입력기어(IDG1)와 아이들 출력기어(IDG2)로 이루어진다.
상기 아이들 입력기어(IDG1)는 상기 아이들 축(IDS) 상에 구성되어 상기 구동기어(DG)와 외접 기어 연결된다.
상기 아이들 출력기어(IDG2)는 상기 아이들 축(IDS) 상에 고정 연결되어 상기 피동기어(PG)와 외접 기어 연결된다.
이때, 상기 아이들 기어유닛(IDGU)은 아이들 축(IDS) 상에 싱크로나이저(SL)를 구성하여 아이들 입력기어(IDG1)를 아이들 축(IDS)에 선택적으로 동기 연결하여 상기 차동기구(20)에 전달되는 모터/제너레이터(MG)의 회전동력을 연결 또는 단절하도록 한다.
즉, 상기 싱크로나이저(SL)는 상기 아이들 입력기어(IDG1)를 아이들 축(IDS)에 회전 가능하게 배치한 상태로, 상기 아이들 입력기어(IDG1)를 상기 아이들 축(IDS)에 선택적으로 동기 연결하도록 상기 아이들 입력기어(IDG1)와 상기 아이들 축(IDS) 사이에 구성된다.
여기서, 상기 싱크로나이저(SL)는 공지의 구성이므로 상세한 설명은 생략하며, 싱크로나이저(SL)에 적용되는 슬리이브(SLE)는 공지와 같이 별도의 액추에이터(미도시)를 구비하며, 상기 액추에이터는 제어유닛에 의하여 제어될 수 있다.
한편, 상기 차동기구(20)는 좌우측 바퀴의 회전수 차이를 흡수하면서 상기 감속기구(10)로부터 전달되는 회전동력을 좌우측 출력축(OS1)(OS2)에 전달한다.
상기 차동기구(20)는 제7, 제8, 제9 회전요소(N7)(N8)(N9)를 보유하는 제5 유성기어세트(PG5)로 구성된다.
즉, 상기 제5 유성기어세트(PG5)는 더블 피니언 유성기어세트로 이루어지며, 제7 회전요소(N7)인 제5 선기어(S5)와, 상기 제5 선기어(S5)의 외주 측에 방사상 등간격으로 외접 치합되는 복수의 제5 피니언 기어(P5)를 자전 및 공전이 가능하게 회전 지지하는 제8 회전요소(N8)인 제5 유성캐리어(PC5)와, 상기 복수의 제5 피니언 기어(P5)와 내접으로 치합되어 상기 제5 선기어(S5)와 동력 연결되는 제9 회전요소(N9)인 제5 링기어(R5)를 포함한다.
상기 제7 회전요소(N7)는 우측 출력축(OS2)과 고정 연결되고, 상기 제8 회전요소(N8)는 좌측 출력축(OS1)과 고정 연결된다. 또한, 상기 제9 회전요소(N9)는 상기 감속기구(10)의 피동기어(PG)와 고정 연결된다.
여기서, 상기 피동기어(PG)는 상기 제9 회전요소(N9)인 제5 링기어(R5)의 외주에 일체로 형성될 수 있다.
상기 토크 벡터링 기구(30)는 상기 좌우측 바퀴로 배분되는 토크 비율을 조절하기 위한 기구로, 하나의 토크 벡터링 제어모터(TVCM)와 2개의 복합유성기어세트(CPG1)(CPG2)의 조합으로 구성된다.
상기 토크 벡터링 제어모터(TVCM)는 하우징(H)의 일측에 고정되며, 회전수 및 회전방향 제어가 가능한 모터로 이루어지고, 모터축 상에는 출력기어(OG)가 구성된다.
상기 2개의 복합유성기어세트(CPG1)(CPG2)는 서로 이웃하여 대칭으로 배치되며, 각각의 선기어가 없이, 각각의 유성캐리어를 공유 유성캐리어로 공유하는 2개씩의 유성기어세트의 조합으로 이루어진다.
상기 제1 복합유성기어세트(CPG1)는 제1 회전요소(N1)를 공유하는 제1, 제2 유성기어세트(PG1)(PG2)의 조합으로 이루어진다.
상기 제1 유성기어세트(PG1)는 선기어가 없으며, 제1, 제2 회전요소(N1)(N2)를 보유하는 싱글 피니언 유성기어세트로서, 복수의 제1 피니언 기어(P1)를 자전 및 공전이 가능하게 회전 지지하는 제1 회전요소(N1)인 제1 공유 유성캐리어(CPC1)와, 상기 복수의 제1 피니언 기어(P1)와 내접 치합되는 제2 회전요소(N2)인 제1 링기어(R1)를 포함한다.
상기 제2 유성기어세트(PG2)는 선기어가 없으며, 제1, 제3 회전요소(N1)(N3)를 보유하는 싱글 피니언 유성기어세트로서, 복수의 제2 피니언 기어(P2)를 자전 및 공전이 가능하게 회전 지지하는 제1 회전요소(N1)인 제1 공유 유성캐리어(CPC1)와, 상기 복수의 제2 피니언 기어(P2)와 내접 치합되는 제3 회전요소(N3)인 제2 링기어(R2)를 포함한다.
여기서, 상기 제3 회전요소(N3)가 제2 연결부재(CN2)를 통해 하우징(H)에 고정 연결되고, 상기 제2 회전요소(N2)가 상기 차동기구(20)에 동력 전달 가능하도록 제1 연결부재(CN1)를 통해 상기 제5 유성기어세트(PG5)의 제8 회전요소(N8)와 고정 연결된다.
그리고 상기 제2 복합유성기어세트(CPG2)는 제4 회전요소(N4)를 공유하는 제3, 제4 유성기어세트(PG3)(PG4)의 조합으로 이루어진다.
상기 제3 유성기어세트(PG3)는 선기어가 없으며, 제4, 제5 회전요소(N4)(N5)를 보유하는 싱글 피니언 유성기어세트로서, 복수의 제3 피니언 기어(P3)를 자전 및 공전이 가능하게 회전 지지하는 제4 회전요소(N4)인 제2 공유 유성캐리어(CPC2)와, 상기 복수의 제3 피니언 기어(P3)와 내접 치합되는 제5 회전요소(N5)인 제3 링기어(R3)를 포함한다.
상기 제4 유성기어세트(PG4)는 선기어가 없으며, 제4, 제6 회전요소(N4)(N6)를 보유하는 싱글 피니언 유성기어세트로서, 복수의 제4 피니언 기어(P4)를 자전 및 공전이 가능하게 회전 지지하는 제4 회전요소(N4)인 제2 공유 유성캐리어(CPC2)와, 상기 복수의 제4 피니언 기어(P4)와 내접 치합되는 제6 회전요소(N6)인 제4 링기어(R4)를 포함한다.
여기서, 상기 제4 회전요소(N4)가 제3 연결부재(CN3)를 통해 상기 제1 회전요소(N1)와 고정 연결되고, 상기 제6 회전요소(N6)가 제4 연결부재(CN4)를 통해 상기 우측 출력축(OS2)과 고정 연결된다.
또한, 상기 제5 회전요소(N5)는 제3 링기어(R3)의 외주 측에 입력기어(IG)가 일체로 형성되고, 상기 입력기어(IG)는 상기 토크 벡터링 제어모터(TVCM)의 모터축 상의 출력기어(OG)와 외접 치합되어 동력 연결된다.
이때, 상기 제1, 제2 유성기어세트(PG1)(PG2)의 각 회전요소는 상기 제3, 제4 유성기어세트(PG3)(PG4)에 각각 대응하는 회전요소와 기어비를 동일하게 설계할 수 있다.
여기서, 상기한 4개의 연결부재(CN1 ~ CN4)는 상기 유성기어세트들(PG1)(PG2)(PG3)(PG4)(PG5)의 회전요소 중, 복수의 회전요소를 고정적으로 연결하여 회전요소와 함께 회전하면서 동력을 전달하는 회전부재일 수 있으며, 상기 회전요소를 하우징(H)과 선택적으로 연결하는 회전부재이거나, 또는 상기 회전요소를 하우징(H)과 직접 연결하여 고정하는 고정부재일 수 있다.
또한, 상기의 기재에서, 고정 연결(Fixedly connected) 또는 이와 유사한 용어는 좌우측 출력축(OS1)(OS2)을 포함하여 해당 연결부재를 통하여 연결된 복수의 회전요소와 해당 연결부재가 서로 회전수의 차이 없이 회전하도록 연결되는 것을 의미한다. 즉, 고정 연결된 복수의 회전요소와 해당 연결부재는 동일한 회전방향 및 회전수로 회전한다.
이러한 구성을 갖는 토크 벡터링 기구(30)는 토크 벡터링 제어모터(TVCM)의 회전수 및 회전방향 제어에 따라, 도 2에 도시된 레버선도와 같이, 좌우측 바퀴로 전달되는 토크에 대하여 토크 벡터링 제어를 이루게 된다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 토크 벡터링 장치의 토크 벡터링 작동을 설명하기 위한 레버선도이다.
도 2의 (A)(B)(C)를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 토크 벡터링 장치는 직진주행, 좌우선회 등의 운전조건에 따라 토크 벡터링 제어모터(TVCM)의 회전수 및 회전방향이 제어되어 좌우측 바퀴로 전달되는 토크의 배분 비율을 조절한다.
즉, 도 2를 참조하면, 세로선은 차동기구(20)의 제5 유성기어세트(PG5)의 3개의 회전요소(N7 ~ N9)와 토크 벡터링 기구(30)의 제1, 제2 복합유성기어세트(CPG1)(CPG2)의 6개의 회전요소(N1 ~ N6)에 대한 회전수로 설정되고, 가로선은 각 회전요소(N1 ~ N9)의 각 기어비(선기어의 잇수/링기어의 잇수)를 나타낸다.
상기 세로선과 가로선의 설정은 유성기어트레인의 당업자라면 당연히 알 수 있는 공지의 내용이므로 상세한 설명은 생략한다.
이러한 토크 벡터링 장치의 운전조건에 따른 토크 벡터링 작동을 도 2의 레버선도를 통해 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 도 2를 참조하면, 제1 회전요소(N1)는 제4 회전요소(N4)와 고정 연결되고, 제2 회전요소(N2)는 제8 회전요소(N8)와 고정 연결되고, 제3 회전요소(N3)는 하우징(H)에 고정된다.
또한, 제5 회전요소(N5)는 토크 벡터링 제어모터(TVCM)에 의해 회전수와 회전방향이 제어되고, 제6 회전요소(N6)는 제7 회전요소(N7)와 고정 연결되고, 제9 회전요소(N9)는 모터/제너레이터(MG)의 회전동력이 감속기구(10)에 의해 감속되어 전달된다.
[전진주행]
도 2의 (A)를 참조하면, 직진주행은 토크 벡터링 제어모터(TVCM)가 정지(회전수 : '0' RPM)한 상태로 이루어진다.
즉, 상기 제1, 제2 복합유성기어세트(CPG1)(CPG2)는 각 회전요소(N1 ~ N6)의 기어비가 서로 동일하게 설계되어 상기 토크 벡터링 제어모터(TVCM)의 회전수를 '0' RPM으로 제어하여 회전수 및 토크 배분을 동일하게 할 수 있다.
이에 따라, 모터/제너레이터(MG)로부터 감속기구(10)를 통하여 차동기구(20)인 제5 유성기어세트(PG5)의 제9 회전요소(N9)로 감속되어 입력되는 회전동력은 제8, 제7 회전요소(N8)(N7)에 동일한 회전수와 토크로 작용하여 좌우측 출력축(OS1)(OS2)으로 출력되며, 이때, 토크는 좌우측 출력축(OS1)(OS2)에 50:50으로 반반씩 배분되어 직진주행을 가능하게 한다.
[좌선회 주행]
도 2의 (B)를 참조하면, 좌선회 주행은 토크 벡터링 제어모터(TVCM)가 정회전(회전수 : '+' RPM)하는 상태로 이루어진다.
이에 따라, 모터/제너레이터(MG)로부터 감속기구(10)를 통하여 차동기구(20)인 제5 유성기어세트(PG5)의 제9 회전요소(N9)로 감속되어 입력되는 회전동력은 제8 회전요소(N8)에 비하여 제7 회전요소(N7)에 더 큰 회전수와 토크로 작용하여 좌우측 출력축(OS1)(OS2)으로 출력되며, 이때, 토크는 선회 외측인 우측 바퀴로 회전동력을 전달하는 우측 출력축(OS2)이 좌측 출력축(OS1)에 비하여 더 크게 배분되어 좌선회 주행을 가능하게 한다.
[우선회 주행]
도 2의 (C)를 참조하면, 우선회 주행은 토크 벡터링 제어모터(TVCM)가 역회전(회전수 : '-' RPM)하는 상태로 이루어진다.
이에 따라, 모터/제너레이터(MG)로부터 감속기구(10)를 통하여 차동기구(20)인 제5 유성기어세트(PG5)의 제9 회전요소(N9)로 감속되어 입력되는 회전동력은 제7 회전요소(N7)에 비하여 제8 회전요소(N8)에 더 큰 회전수와 토크로 작용하여 좌우측 출력축(OS1)(OS2)으로 출력되며, 이때, 토크는 선회 외측인 좌측 바퀴로 회전동력을 전달하는 좌측 출력축(OS1)이 우측 출력축(OS2)에 비하여 더 크게 배분되어 우선회 주행을 가능하게 한다.
한편, 주행 중, 차속의 증가로, 모터/제너레이터(MG)의 회전수가 하드웨어적으로 허용되는 최대 RPM을 초과하는 경우, 상기 감속기구(10)에 구성되는 싱크로나이저(SL)의 비동기 작동에 의해 모터/제너레이터(MG)의 회전동력이 단절되도록 하여 모터/제너레이터(MG)를 무부하로 운행할 수 있다.
상기와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 토크 벡터링 장치는 1모터 e-AWD(All Wheel Drive)와 같은 고성능 환경차에 적용되어 선회 주행 등의 운전조건에 따른 토크 벡터링을 통해 차량의 선회 주행 성능 등의 운정성을 향상시킬 수 있다.
또한, 주행 중, 차속의 증가로, 모터/제너레이터(MG)의 회전수가 하드웨어적으로 허용되는 최대 RPM을 초과하는 경우, 상기 감속기구(10)에 구성되는 싱크로나이저(SL)의 비동기 작동에 의해 구동원인 모터/제너레이터(MG)를 무부하로 운행하여 내구성을 보존할 수 있으며, 모터/제너레이터(MG)의 동력 연결 상태를 단절함으로써, 불필요한 동력의 손실을 저감하여 연비를 향상시킬 수 있다.
또한, 모터/제너레이터(MG)의 회전동력 단절기능은 하이브리드 전기자동차(HEV)나, 플러그인 하이브리드 전기자동차(PHEV) 등의 엔진 구동시에 구동모터의 회전동력을 단절하기 위해 유용하게 적용될 수 있다.
또한, 토크 벡터링 기구(30)에 적용되는 토크 벡터링 제어모터(TVCM)를 사용하여 토크 벡터링 기능을 제어할 수 있어, 동력 손실을 최소화하여 연비 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 토크 벡터링 기구(30)에 적용되는 제1, 제2 복합유성기어세트(CPG1)(CPG2)의 각 회전요소(N1 ~ N6)의 기어비를 서로 동일하게 설계하여 차량의 직진주행 또는 토크 벡터링 제어가 불필요한 경우에 상기 토크 벡터링 제어모터(TVCM)의 회전수를 '0' RPM으로 제어하는 것으로, 회전동력의 회전수 및 토크 배분을 동일하게 할 수 있으며, 이로 인해 토크 벡터링 제어모터(TVCM)의 구동 손실을 저감할 수 있으며, 토크 벡터링 제어모터(TVCM)의 제어 효율 측면에서도 유리하다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
3... 허브
10... 감속기구
20... 차동기구
30... 토크 벡터링 기구
OS1,OS2... 좌,우측 출력축
MG... 모터/제너레이터
H... 하우징
CPG1,CPG2... 제1, 제2 복합유성기어세트
PG1,PG2,PG3,PG4,PG5... 제1, 제2, 제3, 제4, 제5 유성기어세트
S5... 제5 선기어
CPC1,CPC2... 제1, 제2 공유 유성캐리어
PC5... 제5 유성캐리어
R1,R2,R3,R4,R5... 제1, 제2, 제3, 제4, 제5 링기어
DG... 구동기어
PG... 피동기어
IG... 입력기어
OG... 출력기어
CN1,CN2,CN3,CN4...제1, 제2, 제3, 제4 연결부재
IDGU... 아이들 기어유닛
IDG1... 아이들 입력기어
IDG2...아이들 출력기어
IDS... 아이들 축
SL... 싱크로나이저
TVCM... 토크 벡터링 제어모터

Claims (9)

  1. 모터/제너레이터를 구동원으로 하며, 상기 모터/제너레이터의 회전동력을 감속하는 감속기구, 좌우측 바퀴의 회전수 차이를 흡수하면서 상기 감속기구로부터 전달되는 회전동력을 전달하는 차동기구, 및 상기 좌우측 바퀴로 배분되는 토크 비율을 조절하는 토크 벡터링 기구를 포함하며, 상기 차동기구와 동력 연결되는 좌우측 출력축 선상에 배치되는 토크 벡터링 장치에 있어서,
    상기 토크 벡터링 기구는
    토크 벡터링 제어모터;
    제1 회전요소를 공유하면서 제1, 제2 회전요소를 보유하는 제1 유성기어세트와, 제1, 제3 회전요소를 보유하는 제2 유성기어세트의 조합으로 이루어지며, 상기 제2 회전요소가 상기 차동기구에 동력 전달 가능하게 연결되고, 상기 제3 회전요소가 하우징에 연결되는 제1 복합유성기어세트; 및
    제4 회전요소를 공유하면서 제4, 제5 회전요소를 보유하는 제3 유성기어세트와, 제4, 제6 회전요소를 보유하는 제4 유성기어세트의 조합으로 이루어지며, 상기 제4 회전요소가 상기 제1 복합유성기어세트의 제1 회전요소와 연결되고, 상기 제5 회전요소가 상기 토크 벡터링 제어모터와 기어 연결되고, 상기 제6 회전요소가 상기 좌우측 출력축 중, 하나의 출력축과 고정 연결되는 제2 복합유성기어세트;
    를 포함하는 토크 벡터링 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 토크 벡터링 제어모터는
    모터축 상에 구성되는 출력기어가 상기 제5 회전요소의 외주에 고정 연결된 입력기어와 외접 기어 연결되는 토크 벡터링 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 토크 벡터링 제어모터는
    회전수 및 회전방향 제어가 가능한 모터로 이루어지는 토크 벡터링 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 복합유성기어세트는 상기 제1, 제2, 제3 회전요소가 제1 공유 유성캐리어, 제1 링기어, 제2 링기어로 이루어지고,
    상기 제2 복합유성기어세트는 상기 제4, 제5, 제6 회전요소가 제2 공유 유성캐리어, 제3 링기어, 제4 링기어로 이루어지는 토크 벡터링 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 차동기구는
    제7, 제8, 제9 회전요소를 보유하며, 상기 제7 회전요소가 상기 좌우측 출력축 중, 상기 제6 회전요소와 연결되는 하나의 출력축과 고정 연결되고, 상기 제8 회전요소가 상기 제2 회전요소, 및 상기 좌우측 출력축 중, 다른 하나의 출력축과 고정 연결되고, 상기 제9 회전요소가 상기 감속기구와 동력 연결되는 제5 유성기어세트로 이루어지는 토크 벡터링 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제5 유성기어세트는 더블 피니언 유성기어세트로 이루어져, 상기 제7, 제8, 제9 회전요소가 제5 선기어, 제5 유성캐리어, 제5 링기어로 이루어지는 토크 벡터링 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 감속기구는
    상기 모터/제너레이터의 로터에 허브를 통하여 연결되는 구동기어;
    상기 차동기구의 상기 제9 회전요소의 외주에 형성되는 피동기어; 및
    상기 모터/제너레이터의 회전동력을 상기 차동기구에 감속하여 전달하도록 상기 구동기어와 상기 피동기어 사이에 아이들 축을 통하여 동력 전달하도록 구성되는 아이들 기어유닛;
    을 포함하는 토크 벡터링 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 아이들 기어유닛은
    상기 차동기구의 외주 측에서, 상기 좌우측 출력축에 평행하게 배치되는 아이들 축;
    상기 아이들 축 상에 구성되어 상기 구동기어와 외접 기어 연결되는 아이들 입력기어; 및
    상기 아이들 축 상에 고정 연결되어 상기 피동기어와 외접 기어 연결되는 아이들 출력기어;
    를 포함하는 토크 벡터링 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 아이들 기어유닛은
    상기 아이들 입력기어를 상기 아이들 축에 회전 가능하게 배치한 상태로, 상기 아이들 입력기어를 상기 아이들 축에 선택적으로 동기 연결하도록 상기 아이들 입력기어와 상기 아이들 축 사이에 구성되는 싱크로나이저;
    를 더 포함하는 토크 벡터링 장치.
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