KR20040111338A - 차량 구동용 변속 시스템 및 방법 - Google Patents

차량 구동용 변속 시스템 및 방법 Download PDF

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KR20040111338A
KR20040111338A KR10-2004-7008754A KR20047008754A KR20040111338A KR 20040111338 A KR20040111338 A KR 20040111338A KR 20047008754 A KR20047008754 A KR 20047008754A KR 20040111338 A KR20040111338 A KR 20040111338A
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드루텐 로엘 마리 반
바스 게라르트 브뢰멘
알렉산더 프란치스쿠스 아니타 제라렌스
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디티아이 그룹 비.브이.
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Abstract

차량(1)은 3개의 회전 부재(5, 7, 9)를 갖는 유성 기어 장치(3)를 포함한다. 회전 부재(9)는 차량의 바퀴(17)로 이루어진 로드에 연결되어 있다. 회전 부재(5)는 플라이휠(11)에 연결되어 있고, 회전 부재(7)는 엔진(13)에 연결되어 있다. 차량(1)은 2개의 입/출력부(21, 23)를 갖는 변속기 유닛(19)을 더 포함하며, 이 변속기 유닛은 종래의 변속기 또는 자동 변속식 수동 변속기 유닛으로서 구현되어 있다. 입/출력부(21)는 회전 부재(7)에 연결되며, 입/출력부(23)는 제3 회전 부재(9)에 연결된다. 슬립의 가능성을 갖는 포스 클로즈드 클러치(force-closed clutch)(25)가 입/출력부(21)와 회전 부재(7) 사이에 배치되어 있다. 이러한 변속 시스템에서, 바퀴(17)는 클러치(25)가 물림 해제된 동안에도 엔진(13)에 의해 여전히 구동된다.

Description

차량 구동용 변속 시스템 및 방법{TRANSMISSION SYSTEM AND METHOD FOR DRIVING A VEHICLE}
그러한 변속 시스템은 유럽 특허 출원 공개 공보 EP-A-0 952 023을 통해 공지되어 있다. 이러한 공지의 변속 시스템은 차량에서 에너지를 절약하는 데에 특히 적합하다. 상기 변속 시스템에 플라이휠을 사용함으로써, 소형 엔진을 사용하더라도, 보드 큰(보다 강력한) 엔진이지만 그러한 변속 시스템이 없는 차량의 가속 응답을 갖게 하려는 시도가 있어 왔다.
본 발명은 소정 로드(load)용 변속 시스템에 관한 것으로, 이 변속 시스템은 3개의 회전 부재를 갖는 유성 기어 장치를 포함하며, 상기 3개의 회전 부재 중 제1 회전 부재는 제1 노드를 통해 변속 시스템의 일부를 이루는 관성체에 연결되며, 제2 및 제3 회전 부재는 제2 및 제3 노드를 통해 구동원 및 로드에 의해 형성된 2개의 추가적인 관성체에 각각 연결되며, 상기 변속 시스템은 2개의 입/출력부를 갖는 변속기 유닛을 더 포함하며, 제1 입/출력부는 상기 노드들 중 하나의 노드에 연결되며, 제2 입/출력부는 상기 노드들 중 다른 하나의 노드에 연결된다. 보다 구체적으로, 본 발명은, 상기 로드가 차량의 구동 바퀴로 주로 이루어지는 차량용, 특히 승용차 또는 경트럭(light-duty truck)용 변속 시스템에 관한 것이다.
관성체는 플라이휠일 수 있지만, 전기모터(electromotor)/제너레이터 또는 유압모터/펌프 또는 이들의 둘 또는 그 이상의 조합일 수도 있다. 유성 기어 장치는, 가능하다면 이중 선 기어, 링 기어 및 유성-캐리어-휠을 갖거나 단차 유성 기어(stepped planet)를 갖는 유성 기어 열(planetary stage)일 수 있지만, 차동 기어 또는 크라운 기어와 같은 다른 유성 기어 장치를 고려할 수도 있다.
노드는, 변속 시스템이 장착되어 있는 대형 조립체 내에의 다른 노드에 연결하기 위한 예를 들면 플랜지 또는 치형 샤프트 단부와 같은 연결 요소일 수 있다. 게다가, 노드는 연속 샤프트 상의 임의의 지점일 수 있으며, 변속 시스템이 대형 조립체에 장착되는 경우, 예를 들면 대형 조립체의 소정 샤프트는 변속 시스템의 샤프트에 의해 대체되거나, 변속 시스템의 샤프트가 대형 조립체의 샤프트에 의해 대체될 수 있다. 이러한 경우, 그 노드에는 어떠한 분리 가능한 연결이 존재하지 않게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 변속 시스템을 포함하는 차량의 제1 실시예를 나타내는 도면이고,
도 2는 도 1의 차량을 선도(diagram)로 나타내는 도면이며,
도 3은 본 발명에 따른 차량의 제2 실시예를 개략적으로 나타내는 도면이고,
도 4는 본 발명에 따른 차량의 제3 실시예를 개략적으로 나타내는 도면이며,
도 5는 본 발명에 따른 변속 시스템의 구체적인 실시 형태를 나타내는 도면이고,
도 6은 본 발명에 따른 변속 시스템의 다른 구체적인 실시 형태를 나타내는 도면이며,
도 7 내지 도 10은 본 발명에 따른 전륜 구동식 차량의 몇 가지 구성을 개략적으로 나타내는 도면이고,
도 11 및 도 12는 본 발명에 따른 후륜 구동식 차량의 몇 가지 구성을 개략적으로 나타내는 도면이며,
도 13은 본 발명의 변속 시스템을 포함하는 차량의 또 다른 실시예를 나타내는 도면이고,
도 14 내지 도 17은 도 13에 도시된 전기모터/제너레이터 유닛의 몇 가지 구성의 변형례를 모듈로서 나타내는 도면이다.
본 발명의 목적은, 도입부에 기재한 바와 같은 변속 시스템을 개선하는 것이다. 이를 위해, 본 발명에 따른 변속 시스템은, 변속기 유닛의 입/출력부들 중 하나의 입/출력부와 이 입/출력부에 연결되는 노드 사이에, 및/또는 유성 기어 장치의 회전 부재들 중 적어도 하나의 회전 부재와 이 회전 부재에 연결된 노드 사이에, 및/또는 상기 유성 기어 장치의 회전 부재들 중 적어도 2개의 회전 부재들 사이에, 클러치가 존재하는 것을 특징으로 한다. 이 클러치는 포스 클로즈드 클러치(force-closed clutch) 또는 폼 클로즈드 클러치(form-closed clutch)일 수있는 한편, 상기 변속기 유닛은 자동 변속식 수동 변속기(Automated Manual Transmission, AMT), 무단 변속기(Continuously Variable Transmission, CVT), 수동 변속기(Manual Transmission, MT), 자동 변속기(Automatic Transmission, AT), 또는 듀얼 클러치 변속기(Dual Clutch Transmission, DCT)일 수 있다. 차량에 적용하는 경우, 변속기 유닛은 엔진과 관성체 사이에, 엔진과 로드 사이에, 또는 관성체와 로드 사이에 배치될 수 있다. 앞서 언급한 에너지 절약 외에도, 변속기 유닛에 하나 또는 그 이상의 클러치를 사용함으로써, 클러치의 위치 및 클러치의 작동 방법에 따라 추가적인 이점을 얻을 수 있다.
주요 이점 중 하나는, 제2 회전 부재가 제2 노드를 통해 구동원에 연결되고, 제3 노드가 로드에 연결되며, 변속기 유닛이 제2 노드와 제3 노드 사이에 위치하고, 그리고 클러치가 변속기 유닛과 제2 노드 사이에 위치하는 구성에 의해 달성된다. 이러한 구성에 있어서, 구동원에서 로드로 토크의 전달은 변속비의 변경을 위해 변속기 유닛을 차단하는 동안에도 지속된다.
클러치가 분리되어 있는 짧은 기간 동안에도 토크를 구동원에서 로드(바퀴)로 전달할 수 있는 주된 이유는 관성체 때문이다. 이러한 이점 외에도, 본 발명에 따른 변속 시스템은 클러치의 개수 및 위치에 따른 몇 가지 다른 이점을 갖는다.
추가적인 이점은, 관성체가 플라이휠로 구현될 경우 엔진 토크의 변동을 감쇠킬 수 있고, 이에 따라 엔진이 내연기관인 경우에는 소형 엔진-플라이휠의 조합을 허용할 수 있다는 것이다. 관성체가 전기모터/제너레이터로서 구현될 경우, 엔진 토크의 진동은 전기모터 토크의 능동 제어(active control)에 의해 감쇠시킬수 있다.
본 발명에 따른 변속 시스템의 또 다른 실시예는, 상기 노드들 중 적어도 하나의 노드는 샤프트에 위치하고, 그 샤프트 상에는 또는 브레이크가 존재하는 것을 특징으로 한다. 바람직하게는, 브레이크는 구동원에 연결될 샤프트 상에 위치한다. 상기 브레이크를 작동시킴으로써, 엔진이 정지할 것이다. 이러한 상황에서, 관성체가 유성 기어 장치를 통해 로드를 구동할 것이다. 그래서, 바람직하게는, 관성체가 모터 또는 제너레이터로서 기능을 할 수 있는 기기를, 바람직하게는 전기모터/제너레이터를 포함한다. 이러한 경우, 브레이크를 사용함으로써, 순수한 전기적 구동이 가능하다.
또한, 브레이크는 관성체에 연결된 샤프트 상에 존재하는 것이 바람직하다. 또한, 브레이크는 포스 클로즈드형이 바람직하며, 변속기 유닛과 유성 기어 장치 사이의 클러치와 협력하여 이점을 가져온다. 클러치를 개방한 중에 브레이크를 작동시킴으로써, 제2 노드에 연결된 엔진으로부터의 토크는 유성 기어 장치를 통해 제3 노드에 연결된 로드로 전달되며, 이에 의해, 변속기 유닛의 변속비 외에도 하나의 추가적인 기어비가 얻어진다. 이러한 방식에서, 5가지의 기어비를 갖는 변속기 유닛을 사용하는 경우, 6가지 기어비를 갖는 변속 시스템이 얻어질 수 있거나, 5가지의 총 기어비를 유지한다면 변속기 유닛에는 하나의 기어비를 덜 설치할 수 있다. 게다가, 브레이크를 작동시키면, 통상 1단 기어에서 2단 기어로, 그리고 2단 기어에서 3단 기어로의 변속기 유닛의 고속 기어 변속 중에 이점을 갖게 되는 데, 이는 브레이크를 폐쇄하고 클러치를 개방함으로써 구동 토크는 유성 기어 장치를 통해 단지 단시간에 전송되며, 이는 승차감에 이점이 있다. 브레이크를 사용하여 얻어진 기어비가 3단 기어와 일치하게 되면, 3단에서 4단으로의 고속 기어 변속이, 4단 기어가 먼저 선택된 동안에 브레이크를 개방한 상태로 점진적으로 클러치를 폐쇄함으로써 개선될 수 있다.
본 발명에 따른 변속 시스템의 또 다른 바람직한 실시예는, 모든 클러치가 폐쇄되고, 관성체에 연결된 제1 회전 부재의 속도가 모든 상황하에서 0인 경우에, 상기 변속기 유닛의 입/출력부의 속도비는 다른 2개의 회전 부재의 가능한 최저 변속비와 최고 변속비의 사이의 값, 바람직하게는 이들 두 변속비의 중간값인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 변속 시스템의 또 다른 바람직한 실시예는, 상기 변속기 유닛은 상시 물림식(constant-mesh type)이며, 어떠한 동기식 물림(synchro-mesh)을 갖지 않는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 또한 구동원 및 본 발명에 따른 변속 시스템을 포함하며, 상기 구동원은 2개의 추가적 노드 중 하나에 연결되어 있는 구동 유닛에 관한 것이다. 구동원은 예를 들면 연소기관(combustion engine) 또는 전기모터일 수 있다. 본 발명에 따른 구동 유닛의 유리한 실시예는, 구동원이 연소기관뿐만 아니라 그에 연결된 전기모터/제너레이터를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 구동 유닛의 다른 유리한 실시예는, 상기 구동원은 비교적 작고 경량의 고속 연소기관인 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 구동 유닛의 또 다른 유리한 실시예는, 상기 관성체의 동적 에너지의 최대값과, 상기 구동원의 동적 에너지의 최대값은 5배 이하만큼 차이가 나는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 또한 구동 바퀴 및 본 발명에 따른 구동 유닛을 포함하며, 구동 바퀴는 다른 추가적인 노드에 연결되어 있는 차량에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 동력 차량의 바퀴에서의 구동 토크를 보존 또는 바람직하게는 단계적으로 증가시키기 위한 방법으로, 상기 차량은 1차 구동원과, 변속기 유닛과, 3개의 회전 부재가 있는 유성 기어 장치를 포함하며, 상기 회전 부재들 중 제1 회전 부재는 플라이휠 및/또는 차량의 2차 구동원과 같은 관성체에 연결되어 있고, 상기 변속기 유닛의 입/출력부는 구동원 및 유성 기어 장치의 제2 회전 부재에 연결되며, 상기 변속기 유닛의 다른 입/출력부는 바퀴 및 유성 기어 장치의 제3 회전 부재에 연결되어 있고, 1차 구동원의 토크를 유지 또는 증가시키는 방법에 관한 것이다.
상기 방법과 관련하여, 본 발명은, 변속기 유닛을 차단, 예를 들면 변속기 유닛에 연결된 클러치를 물림 해제시킴으로써 바퀴에서의 구동 토크를 보존 또는 증가시키는 것을 특징으로 한다. 유럽 특허 출원 공개 공보 EP-A-0 952 023를 통해 공지된 변속 시스템에 있어서, 이 변속 시스템은 차단될 수 없는 데, 그 이유는 그러한 목적을 위한 클러치가 존재하지 않기 때문이다. 고작해야, 클러치가 구동원으로서의 연소기관의 출력 샤프트에 직접 연결된 상태로 있지만, 클러치를 개방하면 변속기 유닛 및 유성 기어 장치가 모두 구동원에서 분리되고, 이에 의해 구동 토크를 차단하게 된다. 작동 방법과 관련하여, 본 발명은, 변속기 유닛을 차단하는 것에 의해, 구동원에서 로드로 전달되는 토크가, 관성체에 의해 반력토크(reaction torque)가 제공되는 유성 기어 장치를 지나는 전달 경로를 갖게 함으로써 보존되거나 심지어는 증가될 수 있다는 식견을 기초로 한 것이다. 이러한 식견은 새롭고 놀라운 것이다.
본 발명에 따른 방법에 있어서, 바퀴에서의 토크의 변경은, 공지의 변속 시스템에서 행해지는 것과 같이 변속비를 (점진적으로) 변경하는 것이 아니라 클러치를 개방(변속기를 차단)함으로써 달성될 수 있다. 이는 시스템에서 근본적으로 상이한 토크비를 갖는 상이한 변속 원리이다. 한 가지 이점은, 바퀴에서 (원하는 방향으로) 매우 신속한 즉각적인 토크 변경을 그 순간에 변속기 유닛에 부하를 가하지 않고 행한다는 것이다. 변속기 유닛이 CVT라면, 추가적인 클러치는 훨씬 더 큰 이점을 갖는다. 공지의 변속 시스템에서의 가속 페달의 "탄력성"은 CVT의 변속 속도에 주로 의존하며, 이는 실제로 유압식 또는 전기식 작동 시스템의 크기에 의해 한계가 있다. 본 발명에 따른 작동 방법에 있어서 새로운 사항은, 유성 기어 장치의 변속비가 마지막으로 선택된 기어의 변속비와 다르기 때문에 클러치를 개방한 후 즉시 발생하게 되는, 토크 변경의 개시에 의해 주로 구성된다.
반력 토크를 제공할 가능성을 향상시키기 위해, 본 발명에 따른 방법의 하나의 실시예는, 차량이 유성 기어 장치의 제1 회전 부재에 연결된 브레이크를 포함하며, 제1 회전 부재 자체가 관성체에 연결되고, 상기 브레이크를 변속기 유닛의 고속 기어 변속 중에 작동시켜 구동원으로부터 바퀴로의 전달 토크의 증가를 가져오는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 바람직한 실시예는, 차량이 유성 기어 장치의 제1 회전 부재에 연결된 브레이크를 포함하며, 상기 제1 회전 부재 자체는 관성체에 연결되고, 모든 클러치를 폐쇄하고 관성체에 연결된 제1 회전 부재의 속도가 모든 상황하에서 0인 경우에, 상기 변속기 유닛의 입/출력부의 속도비보다 큰 변속비를 향한 변속기 유닛의 저속 기어 변속 중에 상기 브레이크를 작동하여, 보다 신속한 저속 기어 변속을 용이하게 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 바람직한 실시예는, 상기 구동원과 바퀴 사이의 추가적인 변속비를 상기 관성체에 연결된 유성 기어 장치의 제1 회전 부재를 정지시킴으로써 얻는 것을 특징으로 한다. 그러한 경우, 유성 기어 장치는 변속기 유닛이 제공하는 변속비 외에 추가적인 변속비를 생성하는 데에 사용된다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 바람직한 실시예는, 상기 구동원과 바퀴 사이의 추가적인 변속비를 상기 유성 기어 장치의 3개의 회전 부재 중 2개의 회전 부재를 연결함으로써 얻는 것을 특징으로 한다. 이러한 경우에도 또한, 앞서 언급한 변속비 외에 하나 또는 그 이상의 추가적인 변속비를 생성하는 데에 유성 기어 장치가 사용된다.
전술한 방법은 토크의 차단 없이 고속 기어 변속을 생성하는 데에 유리하게 사용될 수 있다. 이를 위해, 본 발명에 따른 방법의 또 다른 실시예는, 상기 관성체에 연결된 유성 기어 장치의 제1 회전 부재를 정지시키거나 대안적으로 3개의 회전 부재 중 2개의 회전 부재를 서로 연결하여, 고정된 변속비를 1차 구동원과 바퀴 사이에 생성하고, 상기 변속기 유닛에 연결된 클러치를 개방한 동안에 상기 변속기 유닛을 보다 고속의 기어단으로 변속하고, 그 후에 상기 클러치를 폐쇄하여 3개의회전 부재 모두를 떼어놓음으로써, 상기 1차 구동원과 상기 바퀴 간의 구동 라인을 차단하지 않고도 보다 고속의 기어단에 대응하는 상기 1차 구동원과 바퀴 간의 변속비를 향한 변화가 발생하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 바람직한 실시예는, 상기 차량이 1차 구동원에 연결된 브레이크를 포함하며, 상기 관성체가 전기모터로서 구현된 제2 구동원을 포함하며, 상기 1차 구동원이 브레이크에 의해 정지되어 있는 동안에 상기 차량을 전기모터를 사용하여 전방 및 후방으로 구동하는 것을 특징으로 한다. 이 실시예의 이점은, 후진기어를 변속기 유닛에서 뺄 수 있고, 이에 의해 덜 복잡한 변속기 유닛의 용례를 가능하게 한다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 바람직한 실시예는, 상기 차량이 변속기 유닛과 구동원 사이에 배치된 제1 클러치와, 제2 회전 부재와 구동원 사이에 배치된 제2 클러치 및 브레이크를 포함하고, 관성체는 모터 또는 제너레이터로서 기능을 할 수 있는 기기를 포함하며, 상기 제2 클러치를 개방하고 상기 브레이크를 분리한 후에, 상기 기기를 독립적으로 가속함으로써, 그 후에 상기 차량이 발진될 수 있거나 상기 변속기 유닛이 전체 부하 하에서 고속 기어 변속할 수 있게 하는 것을 특징으로 한다.
이하에서, 본 발명은 본 발명에 따른 변속 시스템이 있는 차량의 구성 중 몇 가지 예를 도시하는 도면에 의해 훨씬 더 명확해질 것이다.
도 1에는 본 발명에 따른 변속 시스템을 갖는 차량이 개략적으로 도시되어 있다. 차량(1)은 유성 기어 장치(3)를 구비하고 있으며, 이 유성 기어 장치는 3개의 회전 부재(5, 7, 9)를 갖는 유성 기어열(planetary stage)로서 구현되어 있으며, 이 유성 기어열은 본 실시예에서는 선 기어, 링 기어, 그리고 유성 기어 캐리어에 의해 형성되고, 이 유성 기어 캐리어는 유성 기어를 지지하고 있다. 이하에서, 전술한 기어들 중 어느 하나가 각각 제1 회전 부재, 제2 회전 부재, 제3 회전 부재이다.
제1 회전 부재(5)는 제1 노드(Ⅰ)를 통해 관성체에 연결되어 있으며, 이 관성체는 플라이휠(11)로 구현되어 있다. 제2 회전 부재(7)는 제2 노드(Ⅱ)를 통해 엔진(13)에 연결되어 있으며, 이 엔진은 연소기관으로서 구현되어 있지만, 기본적으로는 전기모터와 같은 임의의 형태의 모터가 사용될 수도 있다. 제3 회전 부재(9)는 제3 노드(Ⅲ), 그리고 최종 감속 및 차동 기어(15)를 통해 차량의 바퀴(17)에 연결되어 있으며, 이 경우에 바퀴가 로드를 구성하게 된다.
또한, 차량(1)은 2개의 입/출력부(21, 23)가 있는 변속기 유닛(19)을 포함하며, 이 변속기 유닛은 종래의 변속기 유닛이나 자동 변속식 수동 변속기로 구현되어 있지만, 무단 변속기 유닛과 같은 임의의 다른 생각할 수 있는 변속기 유닛이 사용될 수도 있다. 상기 입/출력부들 중 하나의 입/출력부(21)는 제2 회전 부재(7)에 연결되어 있고, 다른 입/출력부(23)는 제3 회전 부재(9)에 연결되어 있다.
클러치(25)가 변속기 유닛(19)의 입/출력부(21)와 유성 기어 장치(3)의 제2 회전 부재(7) 사이에 존재한다. 이 클러치(25)는 슬립(slip)의 가능성을 갖는 포스 크로즈드 클러치이다. 클러치(25)가 개방되어 있을 때, 동력은 클러치(25)가 폐쇄된 경우 변속기 유닛(19)을 통해 전달되는 것과 달리, 유성 기어 장치(3)를 통해 바퀴(17)로 전달된다.
유성 기어 장치, 변속기 유닛, 플라이휠, 그리고 클러치들은 함께 차량(1)의 변속 시스템(27)을 구성하는 한편, 변속 시스템(27)은 엔진(13)과 함께 차량의 구동 유닛을 형성한다.
구동 시스템의 구성 및 작동 방법이 명확해지도록, 도 2에는 도 1의 차량(1)이 선도로 개략적으로 도시되어 있다. 이 도면에서, 유성 기어 장치(3)는 회전 부재(5, 7, 9)와의 연결을 나타내는 3개의 반경 방향 돌출선이 있는 원으로서 도시되어 있다. 엔진, 로드, 그리고 관성체는 E, L, F로 각각 표시되어 있고, 그리고 변속기 유닛은 T로, 클러치는 C로 표시되어 있다. 여기서, 로드는 차동 기어와 바퀴의 조합이다.
도 3에는 본 발명에 따른 차량(31)의 제2 실시예가 개략적으로 도시되어 있다. 이 제2 실시예는, 관성체가 전기모터(G)로 이루어지며, 브레이크(35)가 엔진(E)과 유성 기어 장치(33) 사이에 위치하고 있다는 점에서 도 1 및 도 2에 도시한 제1 실시예와 차이가 있다. 이는 순수 전기적 추진을 가능하게 한다. 브레이크(35)를 작동시키게 되면, 엔진(E)이 정지한다. 이러한 상황에서, 전기모터(G)는 유성 기어 장치(33)를 통해 로드(L)를 구동한다. 브레이크(35)는 예를 들면 포스 클로즈드 또는 폼 클로즈드 브레이크, 또는 잠금 발톱이 설치된 일방향 클러치일 수 있다.
도 4에는 본 발명에 따른 차량(37)의 제3 실시예가 개략적으로 도시되어 있다. 이 제3 실시예는, 추가적인 브레이크(39)가 플라이휠(F)과 유성 기어장치(38) 사이에 위치하고 있다는 점에서 도 1 및 도 2에 도시된 제1 실시예와 차이가 있다. 상기 추가적인 브레이크(39)는 포스 클로즈드 브레이크이다. 클러치를 개방한 동안 브레이크를 작동시킴으로써, 엔진 토크는 유성 기어 장치를 통해 바퀴로 전달되며, 이에 따라, 회전 부재를 정지시킴으로써 하나의 추가적인 변속비를 생성하게 되는 것 외에도 변속을 보다 유리하게 한다.
도 5 및 도 6에는 변속 시스템의 2가지 구체적인 실시 형태가 도시되어 있다. 도 5는 횡방향으로 장착된 엔진에 대해 특히 적합한 변속 시스템(41)을 도시하고 있다. 변속 시스템의 입력 샤프트(43)는 엔진에, 그리고 출력 샤프트(45)는 차동 기어에 연결되어 있다. 최고 및 최저 변속비의 기어(53, 55)를 지지하는 변속기 유닛(47)의 샤프트(49, 51)만이 도시되어 있다. 변속기 유닛의 2차 샤프트(51)는 변속 시스템의 출력 샤프트(45)에 연결되어 있다. 변속기 유닛의 1차 샤프트(49)는 클러치(69)를 통해 변속 시스템의 입력 샤프트(43)에 연결될 수 있다.
유성 기어열(57)은 입력 샤프트(43)와 1차 샤프트(49) 사이에 위치하고 있다. 유성 기어 캐리어(59)는 감속 기어(61)를 통해 변속기 유닛의 2차 샤프트(51)에 연결되어 있다. 링 기어(63)는 입력 샤프트(43)에 연결되어 있고, 선 기어(65)는 플라이휠(67)에 연결되어 있다. 클러치(69)는 유성 기어열(57)과 입력 샤프트(43) 사이에 배치되어 있다.
도 6에는 종방향으로 장착된 엔진에 대해 특히 적합한 다른 변속 시스템(71)이 도시되어 있다. 여기서, 유성 기어열(75)의 유성 캐리어(73)는 보조샤프트(77)를 통해 변속 시스템의 출력 샤프트(79)에 연결되어 있고, 이 출력 샤프트(79)는 또한 변속기 유닛(81)의 2차 샤프트이다. 변속기 유닛의 1차 샤프트(83)는 클러치(87)의 클러치 절반부를 지지하는 또 다른 보조 샤프트(85)에 연결되어 있다.
도 7 내지 도 10에는 본 발명에 따른 다양한 차량의 구성이 도시되어 있으며, 그 차량은 전륜 구동식이다. 차량은 전기모터/제너레이터 유닛(EM/G)으로서 구현되어 있는 관성체를 포함하며, 이 관성체는 도 7 및 도 9에 도시한 바와 같이 연소기관(VM)으로서 구현된 구동원과 변속기 유닛(T)(AMT 또는 CVT)의 사이에 배치되거나, 도 8 및 도 10에 도시한 바와 같이 변속기 유닛(T) 뒤에 배치된다. 전기모터/제너레이터(EM/G)는 연소기관(VM) 및 변속기 유닛(T)으로 이루어진 통상의 구동 라인에 별도의 모듈로서 추가될 수 있다. 그러면, 시동 모터 및 제너레이터(알터네이터)는 그들의 기능을 EM/G 유닛이 수행할 수 있기 때문에 생략할 수 있다.
도 11 및 도 12에는, 전술한 전륜 구동식 차량과 동일한 전기모터/제너레이터 유닛(EM/G)을 사용하고 있는 후륜 구동식 차량에 대한 두 가지 개념이 개략적으로 도시되어 있다.
도 13은 본 발명에 따른 변속 시스템을 포함하는 차량의 또 다른 실시예를 도시하고 있다. 이 실시예에는 모터 및 제너레이터로서 사용할 수 있는 기기(EM/G)가 포함되어 있다. EM/G는 전기 화학적 배터리 형태의 에너지 축적기에 연결되어 있다. 이러한 점에 있어서, 바람직한 실시예에서는 EM/G가 전기적 기기이지만, 예를 들면 유압 모터/펌프의 조합일 수도 있다는 것은 이미 앞서 언급하였다. EM/G는 유성 기어 장치(P)의 회전 부재(c)에 연결되어 있고, 유성 기어 장치(P)의 나머지 2개의 회전 부재(a, b)는 변속기 유닛(T)의 입력 샤프트(i1) 및 출력 샤프트(i2)에 각각 연결되어 있다. 회전 부재(b)는 또한 피구동 로드(L) 또는 이에 직접 연결된 물체에 연결되어 있다. 회전 부재(a)는 클러치(K2)를 통해 크랭크샤프트로부터 분리될 수 있고, 및/또는 브레이크(R)를 통해 고정 부분(변속기 하우징)에 연결될 수 있다. 클러치(K1)는 엔진의 크랭크샤프트와 변속기 유닛의 입력 샤프트(i1) 사이의 클러치이거나, 변속기 유닛의 출력 샤프트(i2)와 피구동 로드(L) 사이의 클러치일 수 있다. 클러치(K1, K2) 모두는 임의의 포스 클로즈드 클러치에 통상적인 바와 같은 슬립이 발생하는 동안에도 토크를 전달할 수 있어야 한다. 브레이크(R)는 그러한 기능을 수행할 수 없어야하며, 그래서 폼 클로즈드 클러치일 수 있다. 본 발명에 따른 차량의 본 실시예에서, 브레이크(R)는 심지어 작동을 단순화시키기 위해 폼 클로즈드 클러치 및 일방향 클러치의 조합으로 이해할 수도 있다. 이러한 조합도 여전히 브레이크(R)로 지칭할 것이다.
도 14 내지 도 17에는, 도 13에 도시한 전기모터/제너레이터 유닛의 몇 가지 다양한 구성이 모듈로서 도시되어 있다. 전기모터/제너레이터에는 전기적 권선을 갖는 고정자(101), 2차 기어(102), 2차 샤프트(103), 클러치(R)의 브레이크(104), 유성 기어 장치(P)의 회전 부재(105), 추가적인 클러치(K2)의 클러치 본체(106), 일방향 베어링(107), 유성 기어 장치(P)의 기어(108), 유성 기어 장치(P)의 캐리어본체(109), 전기모터/제너레이터의 회전자(110), 유성 기어 장치(P)의 기어(111), 1차 샤프트(112), 그리고 바람직하게는 유성 기어 장치(P)의 3개의 유성 기어(113)가 있다. 1차 기어(112)는 추가적인 클러치(K2)의 클러치 본체(106)에 연결되어 있다. 클러치(R)의 브레이크(104)는 유성 기어 장치(P)의 회전 부재(105)에 작용한다. 유성 기어(113)는 캐리어 본체(109) 상의 베어링에 의해 지지되어 있다. 캐리어 본체(109)는 2차 기어(102)에 연결된 치형 기어를 지지하고 있다. 회전자(110)는 유성 기어 장치(P)의 자유 기어(111)에 직접 연결되어 있다. 유성 기어(113) 상에서 이동하는 기어(108, 111)의 주행 반경은 동일하며, 이는 도 14 내지 도 17에 도시한 바와 같은 유성 기어 장치에 차동 기어에서와 같은 1의 유성 기어 변속비(z)를 제공한다. 기어(108, 111)는 바람직하게는 모두 소위 "크라운 기어"로 구현되어 있다. 차동 기어용 통상의 베벨 기어 장치에 비한 크라운 기어 장치의 이점은 한편으로는 변속 효율이 높고(>98%), 다른 한편으로는 유성 기어 장치(P)의 기어(108, 111, 113) 및 캐리어 본체(109)의 정렬(alignment)에 대한 요구 사항이 덜 중요하다는 것이다.
도 14 내지 도 17에 도시한 구성은 모두 동일한 구성 요소(101 내지 113)를 갖지만, 클러치(K2, R)에 대한 회전자의 위치(도면에서 좌측 또는 우측) 및 클러치(K2및 R)의 위치(도면에서 좌측 또는 우측)와 관련한 구조에서 차이가 있다.
도 14 내지 도 17에는 유사해 보일 수 있는 전기모터/제너레이터의 구성이 도시되어 있는 데, 이러한 구성은 아직까지 어떠한 바람직한 실시 형태도 확인되지는 않았지만, 세부적인 구조적 구성에 기초해야 하며 도 7 내지 도 12에 나타낸 차량에 그 장치를 어떻게 장착할 것인 가에 달려있다.
앞서 도면들을 사용함으로써 본 발명이 명확해졌다하더라도, 본 발명이 어떤 방식으로든지 그러한 도면에 도시된 실시예에 한정되지 않음을 유념해야 한다. 본 발명은 또한 첨부된 청구 범위에 의해 한정되는 범위 내에서 도면에 도시한 실시예로부터 유추되는 모든 실시예로 확장될 수도 있다.
예로서, 제1 실시예, 제2 실시예, 및 제3 실시예에서, 클러치(C)는 그러한 실시예에 대해 도시한 것과는 달리 변속 시스템 내의 임의의 위치에 배치될 수 있다. 또, 이들 실시예에서, 브레이크가 제3 노드에 연결될 수 있다.
또한, 그러한 에너지 공급원이 연소기관인 그러한 실시예에서, 전기모터/제너레이터가 연소기관을 보조하도록 연소기관의 출력 샤프트에 연결될 수 있다.
또, 도시한 실시예에서, 추가적인 클러치가 3개의 회전 부재 중 2개의 회전 부재 사이에 배치되어, 유성 기어 장치를 일정한 감속으로 설정할 수 있다.

Claims (19)

  1. 로드(load)를 위한 변속 시스템으로서, 3개의 회전 부재를 갖는 유성 기어 장치를 포함하며, 3개의 회전 부재 중 제1 회전 부재는 제1 노드를 통해 변속 시스템의 일부를 이루는 관성체에 연결되고, 제2 회전 부재 및 제3 회전 부재는 제2 노드 및 제3 노드를 통해 구동원 및 로드로 이루어진 2개의 추가적인 관성체에 연결될 수 있으며, 상기 변속 시스템은 2개의 입/출력부를 갖는 변속기 유닛을 더 포함하며, 상기 2개의 입/출력부 중 제1 입/출력부는 상기 노드들 중 하나의 노드에 연결되고 제2 입/출력부는 상기 노드들의 다른 하나의 노드에 연결되어 있는 변속 시스템에 있어서,
    상기 변속기 유닛의 입/출력부들 중 하나의 입/출력부와 이 입/출력부에 연결되는 노드 사이에, 및/또는 상기 유성 기어 장치의 회전 부재들 중 적어도 하나의 회전 부재와 이 회전 부재에 연결된 노드 사이에, 및/또는 상기 유성 기어 장치의 회전 부재들 중 적어도 2개의 회전 부재들 사이에, 클러치가 존재하는 것을 특징으로 하는 변속 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 회전 부재는 상기 제2 노드를 통해 구동원에 연결되며, 상기 제3 회전 부재는 상기 제3 노드를 통해 로드에 연결되고, 상기 변속기 유닛은 상기 제2 노드와 상기 제3 노드 사이에 배치되며, 상기 클러치는 상기 변속기 유닛과 상기 제2 노드 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 변속 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 노드들 중 적어도 하나의 노드는 샤프트에 위치하며, 이 샤프트 상에는 또한 브레이크가 배치되는 것을 특징으로 하는 변속 시스템.
  4. 제1항, 제2항, 또는 제3항에 있어서, 상기 관성체는 모터 또는 제너레이터로서 기능을 할 수 있는 기기를 포함하며, 상기 변속 시스템이 상기 기기와 에너지를 교환할 수 있는 에너지 축적기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 변속 시스템.
  5. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 모든 클러치가 폐쇄되고 상기 관성체에 연결된 상기 제1 회전 부재의 속도가 모든 상황하에서 0인 경우에, 상기 변속기 유닛의 입/출력부의 속도비는, 다른 2개의 회전 부재의 가능한 최저 변속비와 최고 변속비의 사이의 값, 그리고 바람직하게는 이들 두 변속비의 중간값인 것을 특징으로 하는 변속 시스템.
  6. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 변속기 유닛은 상시 물림식(constant-mesh type)이며, 어떠한 동기식 물림(synchro-mesh)을 갖지 않는 것을 특징으로 하는 변속 시스템.
  7. 구동원과, 선행하는 항들 중 어느 한 항에 따른 변속 시스템을 포함하는 구동 유닛에서, 상기 구동원은 2개의 추가적인 노드 중 하나에 연결되는 것인 구동 유닛.
  8. 제7항에 있어서, 상기 구동원은 연소기관 및 이에 연결된 전기모터/제너레이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 구동 유닛.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 관성체의 동적 에너지의 최대값과 상기 구동원의 동적 에너지의 최대값은 5배 이하 만큼 차이가 나는 것을 특징으로 하는 구동 유닛.
  10. 제7항, 제8항, 또는 제9항에 있어서, 상기 구동원은 비교적 작고 경량의 고속 연소기관인 것을 특징으로 하는 구동 유닛.
  11. 구동 바퀴와, 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 구동 유닛을 포함하는 차량으로서, 상기 구동 바퀴는 다른 추가적 노드에 연결되는 것인 차량.
  12. 동력 차량의 바퀴에서의 구동 토크를 보존 또는 바람직하게는 단계적으로 증가시키기 위한 방법으로서, 상기 차량은 1차 구동원과, 변속기 유닛과, 3개의 회전 부재가 있는 유성 기어 장치를 포함하며, 3개의 회전 부재 중 제1 회전 부재는 플라이휠 및/또는 차량의 2차 구동원과 같은 관성체에 연결되어 있고, 상기 변속기유닛의 하나의 입/출력부는 상기 구동원 및 상기 유성 기어 장치의 제2 회전 부재에 연결되며, 상기 변속기 유닛의 다른 입/출력부는 상기 바퀴 및 상기 유성 기어 장치의 제3 회전 부재에 연결되어 있고, 상기 1차 구동원의 토크를 유지 또는 증가시키는 방법에 있어서,
    상기 변속기 유닛을 차단, 예를 들면 상기 변속기 유닛에 연결된 클러치를 물림 해제시킴으로써 상기 바퀴에서의 구동 토크를 보존 또는 증가시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 차량은 상기 유성 기어 장치의 제1 회전 부재에 연결된 브레이크를 포함하고, 상기 제1 회전 부재 자체는 상기 관성체에 연결되어 있으며,
    상기 브레이크를 상기 변속기 유닛의 고속 기어 변속 중에 작동시켜 상기 구동원으로부터 상기 바퀴로의 전달 토크의 증가를 가져오는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 차량은 상기 유성 기어 장치의 제1 회전 부재에 연결된 브레이크를 포함하고, 상기 제1 회전 부재 자체는 관성체에 연결되어 있으며,
    모든 클러치를 폐쇄하고 상기 관성체에 연결된 제1 회전 부재의 속도가 모든 상황하에서 0인 경우에 상기 변속기 유닛의 입/출력부의 속도비보다 큰 변속비를향해 상기 변속기 유닛의 저속 기어 변속 중에 상기 브레이크를 작동시켜, 보다 신속한 저속 기어 변속을 용이하게 하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제12항, 제13항, 또는 제14항에 있어서, 상기 구동원과 상기 바퀴 사이의 추가적인 변속비를 상기 관성체에 연결된 상기 유성 기어 장치의 제1 회전 부재를 정지시킴으로써 얻는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제12항, 제13항, 또는 제14항에 있어서, 상기 구동원과 상기 바퀴 사이의 추가적인 변속비를 상기 유성 기어 장치의 3개의 회전 부재 중 2개의 회전 부재를 연결함으로써 얻는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서, 상기 관성체에 연결된 상기 유성 기어 장치의 제1 회전 부재를 정지시키거나, 대안적으로 상기 3개의 회전 부재 중 2개의 회전 부재를 서로 연결하여, 고정된 변속비를 상기 1차 구동원과 상기 바퀴 사이에 생성하며,
    상기 변속기 유닛에 연결된 클러치가 개방된 동안에 상기 변속기 유닛을 보다 고속의 기어단으로 변속하고, 그 후에 상기 클러치를 폐쇄하여 상기 3개의 회전 부재 모두를 떼어놓음으로써, 상기 1차 구동원과 상기 바퀴 간의 구동 라인을 차단하지 않고도 보다 고속의 기어단에 대응하는 상기 1차 구동원과 상기 바퀴 간의 변속비를 향한 변화가 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제12항 내지 제17항에 있어서, 상기 차량은 상기 1차 구동원에 연결된 브레이크를 포함하며, 상기 관성체는 전기모터로서 구현된 제2 구동원을 포함하며,
    상기 1차 구동원이 상기 브레이크에 의해 정지되어 있는 동안에 상기 차량을 전기모터를 사용하여 전방 및 후방으로 구동하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제12항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 차량은 상기 변속기 유닛과 상기 구동원 사이에 배치된 제1 클러치와, 상기 제2 회전 부재와 상기 구동원 사이에 배치된 제2 클러치 및 브레이크를 포함하고, 상기 관성체는 모터 또는 제너레이터로서 기능을 할 수 있는 기기를 포함하며,
    상기 제2 클러치를 개방하고 상기 브레이크를 해제한 후에, 상기 기기를 독립적으로 가속함으로써, 이어서 상기 차량이 발진될 수 있거나 상기 변속기 유닛이 전체 부하 하에서 고속 기어 변속할 수 있게 하는 것을 특징으로 하는 방법.
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