KR20170026348A - 토크 벡터링 장치 - Google Patents

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KR20170026348A
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KR
South Korea
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torque vectoring
mode
torque
electric motor
planetary gear
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Application number
KR1020167033726A
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English (en)
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라르스 세베린손
크리스토퍼 닐손
구스타프 라구노프
Original Assignee
보그워너 토크트랜스퍼 시스템즈 아베
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Abstract

차량용 토크 벡터링 장치가 제공되고, 그러한 토크 벡터링 장치는 변속기(120)를 통해서 차동장치 메커니즘(20)에 연결되는 전기 모터(110)를 포함하고, 토크 벡터링 장치는 제1 모드와 제2 모드 사이에서 변속기(120)의 토크 경로를 변화시키기 위한 적어도 하나의 제어 수단(130, 150)을 더 포함하고, 제1 모드에서는 하이브리드 구동 모드를 위해서 변속기가 전기 모터(110)를 차동장치 메커니즘(20)의 입력 샤프트로 연결시키고, 제2 모드에서는 토크 벡터링 모드를 위해서 변속기가 전기 모터(110)를 차동장치 메커니즘(20)의 출력 샤프트에 연결시킨다.

Description

토크 벡터링 장치{A TORQUE VECTORING DEVICE}
본 발명은 토크 벡터링 장치에 관한 것이다. 보다 특히, 본 발명은 적어도 제1 모드뿐만 아니라 제2 모드에서 동작되도록 제어될 수 있는 토크 벡터링 장치에 관한 것이다.
자동차와 같은, 현대의 4륜 구동형 차량에서, 전기 모터는 통상적인 내연 기관에 대한 대안을 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 소위 토크 벡터링에 의한 구동 토크 분배의 부가적인 제어를 제공할 수 있다.
전기 모터가 구동 토크를 제공하는 경우에, 그러한 전기 추진 모터가 차량의 유일한 구동 유닛으로서 배열되거나, 내연 기관과 직렬 또는 병렬로 배열되어 소위 하이브리드 차량을 형성할 수 있다.
전기 구동 모터뿐만 아니라 토크 벡터링 모터를 포함하는 구동 구성의 하나의 예가 본원과 동일한 출원인에 의한 WO2010101506에서 설명되어 있다.
오늘날의 승용차의 전기적 파워(power) 시스템은 12V를 기초로 한다. 비교적 낮은 전압으로 인해서, 전기 파워형 추진 유닛과 같은 큰 전기적 파워 설비를 위한 제시된 해결책은 부가적인 파워 공급부 및 큰 파워의 전자기기를 필요로 한다. 이는 큰 전류를 초래하여, 큰 손실 및 증가된 케이블 치수를 유발한다.
최근 몇 년 동안, 기존의 12V 시스템에 48V 전기 파워 시스템을 부가하는 경향이 있다. 전기적 파워가 증가됨에 따라 새롭고 개선된 해결책이 적용될 수 있고 부가적인 큰 파워 전자기기를 필요로 하는 이전의 해결책을 대체할 수 있다.
하나의 그러한 예는 하이브리드 기술 즉, 기존의 내연 기관 구동부에 전기적 구동부를 부가하고, 차량이 전기적으로, 내연 기관에 의해서, 또는 양자 모두에 의해서 구동될 수 있게 하는 기술이다. 본원 출원인은, 예를 들어, WO2010101506 또는 WO2012066035에서 설명된 바와 같은, 하이브리드 구동부를 위한 몇 가지 해결책을 이미 제시하였다. 이러한 시스템은 추진 목적을 위한 고파워 전기 모터, 및 토크 벡터링 목적을 위한 작은 전기 모터를 포함한다. 48V를 이용할 수 있다면, 제1 모드와 제2 모드 사이에서 전환되도록 구성되는 변속기뿐만 아니라, 단일 전기 모터만을 이용하는 하이브리드 구동부를 위한 디자인을 개발할 수 있을 것이며, 그러한 제1 모드에서는 전기 모터가 추진을 위한 이차적인 구동 공급원으로서 이용되고, 제2 모드에서는 전기 모터가 (즉, 일차적인 구동부로부터) 구동 토크를 재분배하기 위해서 이용된다.
추진, 토크 벡터링, 또는 양자 모두를 위해서 이용되는 전기 모터가, 예를 들어 토크 출력 및 회전 속력과 관련하여, 전기 모터의 더 넓은 범위의 동작 매개변수를 제공하기 위해서, 유압식으로 작동되는 기어를 구비할 수 있다.
이에 더하여, 전기 기계를 또한 냉각할 필요가 있다. 냉각은 전기 기계로 오일을 공급하는 것에 의해서 이루어질 수 있고, 여기에서 냉각 오일이 전기 기계의 회전 부분 주위로 순환된다.
추진, 토크 벡터링, 또는 양자 모두를 위한 전기 모터뿐만 아니라, 기어 스위치를 작동시키기 위한 전환 메커니즘의 이용은 2개의 유압 시스템을 필요로 한다. 그에 따라, 복잡성 및 비용을 줄이기 위해서, 냉각뿐만 아니라 기어 변환을 제공할 수 있는 단일 유압 시스템이 유리할 수 있을 것이다.
본 발명의 목적은, 이중 모드 동작 즉, 하이브리드 구동 및 토크 벡터링을 위해서 용이하게 구성될 수 있는, 토크 벡터링 장치, 또는 하이브리드 구동 장치를 제공하는 것이다. 토크 벡터링 장치는, 비록 하이브리드 기술을 위한 기존의 고전압 시스템(예를 들어, 300V)보다 상당히 낮지만, 중간 전압 내지 48V와 같은 높은 전압에서 동작하도록 구성된다.
추가적인 양태에 따라서, 토크 벡터링 장치가 제공된다.
구체적인 양태에 따라서, 독립항에 따른 토크 벡터링 장치가 제공된다. 바람직한 실시예가 첨부된 종속항에서 규정되어 있다.
첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더 구체적으로 설명할 것이다.
도 1은 실시예에 따른 토크 벡터링 장치의 개략적인 횡단면도이다.
도 2a는 실시예에 따른 토크 벡터링 장치의 개략적인 횡단면도이다.
도 2b는 도 2a에 도시된 장치의 횡단면도이다.
도 3은 실시예에 따른 토크 벡터링 장치의 개략적인 횡단면도이다.
도 4는 실시예에 따른 토크 벡터링 장치의 개략적인 횡단면도이다.
도 5는 실시예에 따른 토크 벡터링 장치의 개략적인 횡단면도이다.
도 6은 실시예에 따른 토크 벡터링 장치의 개략적인 횡단면도이다.
도 7은 실시예에 따른 토크 벡터링 장치의 개략적인 횡단면도이다.
도 8은 실시예에 따른 토크 벡터링 장치의 개략적인 횡단면도이다.
도 9a는 실시예에 따른 토크 벡터링 장치의 개략적인 횡단면도이다.
도 9b는 도 9a에 도시된 장치의 횡단면도이다.
도 9c는 도 9a에 도시된 장치의 등각도이다.
도 10a는, 토크 벡터링을 제공하도록 제어될 때의, 실시예에 따른 토크 벡터링 장치의 개략적인 횡단면도이다.
도 10b는, 중립의 또는 분리된 상태에서 제어될 때의, 도 10a에 도시된 장치의 개략적인 횡단면도이다.
도 10c는, 구동 상태에서 제어될 때의, 도 10a에 도시된 장치의 개략적인 횡단면도이다.
도 10d는, 제2 기어 구동 상태에서 제어될 때의, 도 10a에 도시된 장치의 개략적인 횡단면도이다.
도 10e는 도 10a에 도시된 장치의 횡단면도이다.
도 10f는 도 10a에 도시된 장치의 등각도이다.
도 11a는 실시예에 따른 토크 벡터링 장치의 개략적인 횡단면도이다.
도 11b는 도 11a에 도시된 장치의 횡단면도이다.
도 11c는 도 11a에 도시된 장치의 등각도이다.
도 12a는 실시예에 따른 토크 벡터링 장치의 횡단면도이다.
도 12b는 도 12a에 도시된 장치의 등각도이다.
도 13은 실시예에 따른 토크 벡터링 장치의 개략적인 횡단면도이다.
도 14a는 토크 벡터링을 제공하도록 제어될 때의, 실시예에 따른 토크 벡터링 장치의 개략적인 횡단면도이다.
도 14b는, 중립의 또는 분리된 상태에서 제어될 때의, 도 14a에 도시된 장치의 개략적인 횡단면도이다.
도 14c는, 구동 상태에서 제어될 때의, 도 14a에 도시된 장치의 개략적인 횡단면도이다.
도 14d는 도 14a에 도시된 장치의 횡단면도이다.
도 14e는 도 14a에 도시된 장치의 등각도이다.
도 15는 실시예에 따른 토크 벡터링 장치의 횡단면도이다.
도 16a는 실시예에 따른 토크 벡터링 장치의 횡단면도이다.
도 16b는 도 16a에 도시된 토크 벡터링 장치의 개략도이다.
도 17은 실시예에 따른 토크 벡터링 장치의 횡단면도이다.
도 18은 실시예에 따른 토크 벡터링 장치의 횡단면도이다.
도 19는 실시예에 따른 토크 벡터링 장치를 포함하는 트랜스퍼 케이스(transfer case)의 개략도이다.
도 20은 실시예에 따른 토크 벡터링 장치의 개략도이다.
도 21a는 도 20에 도시된 토크 벡터링 장치의 등각도이다.
도 21b는 도 20 및 도 21a에 도시된 토크 벡터링 장치의 횡단면도이다.
도 22는 일 실시예에 따른 변속기 레이아웃의 개략도이다.
도 23은 일 실시예에 따른 변속기 레이아웃의 개략도이다.
도 24는 일 실시예에 따른 변속기 레이아웃의 개략도이다.
도 25는 일 실시예에 따른 변속기 레이아웃의 등각도이다.
도 26은 일 실시예에 따른 변속기 레이아웃의 개략도이다.
도 27은 일 실시예에 따른 변속기 레이아웃의 개략도이다.
도 27은 일 실시예에 따른 변속기 레이아웃의 개략도이다.
도 29는 일 실시예에 따른 변속기 레이아웃의 개략도이다.
도 30은 일 실시예에 따른 변속기 레이아웃의 개략도이다.
도 31은 일 실시예에 따른 변속기 레이아웃의 개략도이다.
도 32는 일 실시예에 따른 변속기 레이아웃의 개략도이다.
도 33은 일 실시예에 따른 변속기 레이아웃의 개략도이다.
도 34는 일 실시예에 따른 변속기 레이아웃의 개략도이다.
도 35는 일 실시예에 따른 변속기 레이아웃의 개략도이다.
도 36은 일 실시예에 따른 변속기 레이아웃의 개략도이다.
도 37은 일 실시예에 따른 변속기 레이아웃의 개략도이다.
도 38은 일 실시예에 따른 변속기 레이아웃의 개략도이다.
도 39는 일 실시예에 따른 변속기 레이아웃의 개략도이다.
도 40은 일 실시예에 따른 변속기 레이아웃의 개략도이다.
도 41은 일 실시예에 따른 변속기 레이아웃의 개략도이다.
도 42는 일 실시예에 따른 변속기 레이아웃의 개략도이다.
도 43은 일 실시예에 따른 변속기 레이아웃의 개략도이다.
도 44는 일 실시예에 따른 변속기 레이아웃의 개략도이다.
도 45는 일 실시예에 따른 변속기 레이아웃의 개략도이다.
도 46은 일 실시예에 따른 변속기 레이아웃의 개략도이다.
도 47은 일 실시예에 따른 변속기 레이아웃의 개략도이다.
도 48은 일 실시예에 따른 변속기 레이아웃의 개략도이다.
도 49는 일 실시예에 따른 변속기 레이아웃의 개략도이다.
도 50은 일 실시예에 따른 변속기 레이아웃의 개략도이다.
도 51a 내지 도 51c는 일 실시예에 따른 변속기 레이아웃의 개략도이다.
도 50은 토크 벡터링 장치의 일 실시예에 따른 변속기 레이아웃의 개략도이다.
도 51은 토크 벡터링 장치의 일 실시예에 따른 변속기 레이아웃의 개략도이다.
이하에서, 토크 벡터링 장치의 여러 실시예를 설명할 것이다. 도 1 내지 도 49를 참조하여 설명된 모든 실시예의 경우에, 토크 벡터링 장치가 많은 수의 구체적인 특징부를 공유하고, 다시 말해서
i) 토크 벡터링 장치가, 하나의 모드가 토크 벡터링 모드에 상응하고 하나의 모드가 구동 모드에 상응하는, 적어도 2개의 모드로 동작될 수 있고;
ii) 토크 벡터링 장치는, 변속기를 통해서 차동장치 메커니즘으로 연결될 수 있는 단일 모터를 포함하고, 전기 모터가 상이한 모드들에 상응하는 둘 이상의 방식으로 변속기로 결합될 수 있으며;
iii) 토크 벡터링 장치가 승용차와 같은 차량 내에서, 많은 상이한 유형들의 구동 구성들뿐만 아니라 많은 상이한 방식들로 구현될 수 있다.
도 50 내지 도 51에 도시된 실시예에서, 토크 벡터링 장치는, 단지 하나의 모드에서, 즉 토크 벡터링 모드에서 차량 차축에 연결된다.
토크 벡터링 장치를 구체적으로 설명하기에 앞서서, 일부 일반적인 언급을 제공할 것이다. 하이브리드 구동부가 일반적으로 승용차 또는 다른 4륜형 차량을 위해서 일반적으로 요구된다. 하이브리드 구동부는 내연 기관으로부터 전기 모터로 또는 그 반대로 구동 공급원을 변화시킬 수 있는 가능성, 또는 모든 바퀴의 구동을 제공하기 위해서, 전방 또는 후방 차축을 구동하는 전기 모터, 그리고 또한 전방 또는 후방 차축 중 다른 하나를 구동하는 내연 기관을 이용할 수 있는 가능성을 나타낼 수 있다.
토크 벡터링 장치가 특별히 적용될 수 있는 구동라인 구성의 하나의 전형적인 예를 들면, 전방 차축을 구동하는 내연 기관 및 전기적으로 구동되는 후방 차축을 가지는, 승용차와 같은 4륜형 차량이 있다. 후방 차축이 본원에서 설명된 실시예 중 임의의 실시예에 따른 토크 벡터링 장치에 의해서 구동되고, 차량은 내연 기관 만에 의해서(즉, 전방 바퀴 구동), 토크 벡터링 장치만에 의해서(즉, 후방 바퀴 구동), 또는 토크 벡터링 장치와 조합된 내연 기관(즉, 모든 바퀴 구동)에 의해서 구동될 수 있다. 이하로부터 이해될 수 있는 바와 같이, 내연 기관이 차량을 구동할 때, 토크 벡터링 장치가 토크 벡터링을 제공할 수 있다.
이에 더하여, 내연 기관(또는 전방 차축을 일반적으로 구동하는 임의의 다른 추진 유닛)에 의한 모든 바퀴 구동을 허용하기 위해서, 전방 차축이 일부 실시예에서 후방 차축과 연결될 수 있다. 그러한 연결이 예를 들어 제한된 슬립 커플링(limited slip coupling) 및 카르단 샤프트(cardan shaft)에 의해서 구현될 수 있고, 그에 의해서, 토크 벡터링 장치는, 토크 벡터링 모드로 동작될 때, 후방 바퀴들 사이의 토크 전달을 제공한다.
다양한 구동라인 구성이 본원의 토크 벡터링 장치에 대해서 적용될 수 있다는 것; 예를 들어 토크 벡터링 장치가 모든-전기 차량과 함께 이용될 수 있고, 이는 후방 차축 대신에 전방 차축 상에 배열될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 이에 더하여, 토크 벡터링 장치가 또한, 도 19를 참조하여 설명되는 바와 같이, 트랜스퍼 케이스와 함께 이용될 수 있다.
제시된 실시예는 미리 결정된 조건에 대한 해결책으로서 개발되었고 발명되었다. 48V에서 동작되는 전형적인 승용차의 경우에, 최대 바퀴 속력을 약 2000 rpm으로 가정하며, 이는 250 km/h의 차량 속력에 상응한다. 하이브리드 구동이 100 km/h로 제한되고, 토크 벡터링 장치의 전기 모터의 최대 속력이 16000 rpm인 것을 추가적으로 가정한다. 토크 벡터링을 위한 최대 토크가 1200 Nm인 것으로 가정되고, 토크 벡터링을 위한 희망 기어 감속이 20인 것으로 가정된다. 전체 변속기(기어 및 차동장치)의 효율이 90%인 한편, 기어만의 효율은 95%이고, 전기 모터의 최대 토크가 약 67 Nm로 계산된다는 것을 추가적으로 가정한다. 바퀴로 인가되는 최대 토크가 하이브리드 동작 중에 약 1250 Nm로 상응하게 계산된다.
이제 도 1을 참조하여, 토크 벡터링 장치(100)의 실시예를 설명할 것이다. 토크 벡터링 장치(100)가 차량(1)의 차축(10) 상에 배열된다. 차축(10)은 차동장치 메커니즘(20)을 포함한다. 토크 벡터링 장치(100)는 차동장치 메커니즘(20)의 일 측면 상에 배열되고, 전기 모터(110) 및 전기 모터(110)를 적어도 2개의 상이한 방식으로 차동장치(20)와 연결하기 위한 변속기(120)를 포함한다.
토크 벡터링 장치는 2개의 클러치(130a, 130b) 및 2개의 유성 기어 세트(140a, 140b)를 포함한다. 전기 모터(110)가 제1 유성 기어 세트(140a)의 태양 기어를 구동한다. 제1 클러치(130a)가 제1 유성 기어 세트(140a)의 링 기어를 제동하도록 작동될 때, 전기 모터(110)로부터의 입력 토크가 제1 유성 기어 세트(140a)의 유성 캐리어를 통해서 차동장치 메커니즘(20)의 입력 샤프트로 제공된다.
그에 따라, 토크 벡터링 장치(100)가 차축(10)을 구동한다. 제1 클러치(130a)가 개방되는 한편, 제2 클러치(130b)가 결합된다면, 전기 모터(110)로부터의 토크가, 차동장치의 오른쪽 측면 상의 이미 존재하는 구동 토크에 대해서 부가되거나 그로부터 차감될 것이다. 그에 따라, 토크 벡터링이 달성된다. 클러치(130a, 130b)는 당업계에 공지된 임의 종류의 적합한 클러치일 수 있다. 감속(전기 모터 대 차동장치)은 5:1의 범위일 수 있다.
도 2a 및 도 2b에서, 토크 벡터링 장치(100)의 다른 실시예가 도시되어 있다. 그러한 해결책은 도 1에 도시된 것과 유사하나, 또 다른 추가적인 유성 기어 세트(140c)가 감속 증가를 위해서 부가된다. 만약 각각의 유성 기어 세트가 5:1의 감속을 제공한다면, 토크 벡터링 장치(100)의 변속기(120)의 총 감속은 25:1이 될 것이다.
도 3은 토크 벡터링 장치(100)의 추가적인 실시예를 도시한다. 도 2의 유성 기어(140a 내지 140c)가 유성 기어(140a, 140b)에 의해서 대체되고, 그러한 유성 기어(140a, 140b)를 위해서 유성 캐리어는 2개의 기어를 가지며, 그에 의해서, 전기 모터에 의해서 구동되는, 제1 유성 기어 세트(140a)의 제1 태양 기어가 유성 캐리어의 제1 기어와 맞물리고, 제2 유성 기어(140b)와 연결된 태양 기어가 유성 캐리어의 제2 기어와 맞물린다. 제1 클러치(130a)가 결합될 때, 전기 모터(110)는 하이브리드 구동에 상응하는 차동장치의 입력 샤프트 만을 구동할 것이다. 제2 클러치(130b)가 결합될 때, 도 12a 및 도 12b를 참조하여 이하에서 설명되는 원리에 따른 토크 벡터링 모드에 상응하여, 전기 모터(110)가 차동장치의 입력 샤프트 및 출력 샤프트와 연결될 것이다.
도 4는 도 2a 및 도 2b에 도시된 실시예와 유사한 토크 벡터링 장치(100)의 추가적인 실시예를 도시한다. 그러나, 부가적인 유성 기어(140c)가 제1 유성 기어(140a)와 차동장치(20) 사이에 배열되고; 즉, 전기 모터(110)가 차동장치 메커니즘(20)의 입력 샤프트에 연결될 때, 그에 따라 부가적인 유성 기어(140c)는 단지 전기 모터(110)와 연결될 것이다.
도 5에서, 도 3의 실시예에 비교되는 유사한 구성을 가지는, 토크 벡터링 장치(100)의 또 다른 추가적인 실시예가 도시되어 있다. 제1 클러치(130a)가 결합될 때, 전기 모터(110)는 하이브리드 구동 모드를 위해서 차동장치 메커니즘(20)의 입력 샤프트와 연결될 것이다. 제2 클러치(130b)가 결합될 때, 전기 모터(110)는 차동장치(20)의 출력 샤프트와 연결될 것이고, 그에 따라 토크 벡터링 모드에서 동작된다.
도 6은 토크 벡터링 장치(100)의 추가적인 실시예를 도시한다. 제1 클러치(130a)가 결합될 때, 전기 모터(110)는 하이브리드 구동을 위해서 차동장치 메커니즘(20)의 입력 샤프트와 연결될 것이다. 제2 클러치(130b)가 결합될 때, 전기 모터(110)는 차동장치(20)의 출력 샤프트와 연결될 것이다.
도 7에서, 토크 벡터링 장치(100)의 실시예가 도시되어 있다. 도 2a에 도시된 것과 유사하게, 토크 벡터링 장치(100)는 3개의 유성 기어(140a, 140b, 140c)를 갖는다.
제1 및 제2 클러치(130a, 130b)에 더하여, 토크 벡터링 장치(100)가 2-속력 하이브리드 모드로 동작될 수 있게 하기 위해서, 제3 클러치(130c)가 제공된다. 제2 클러치(130b)를 폐쇄하는 한편, 제1 및 제3 클러치(130a, 130c)를 개방하는 것에 의해서, 토크 벡터링이 달성된다. 제1 클러치(130a)를 폐쇄하고, 제2 및 제3 클러치(130b, 130c)를 개방되게 유지하는 것에 의해서, 저속 하이브리드 구동이 달성된다. 기어 감속은 약 25:1이다. 제3 클러치(130c)를 폐쇄하고, 제1 및 제2 클러치(130a, 130b)를 개방되게 유지하는 것에 의해서, 고속 하이브리드 구동이 달성된다. 제1, 제2, 및 제3 클러치(130a, 130b, 130c)를 개방하는 것에 의해서, 중립의, 또는 분리된 모드가 달성된다.
도 8은, 도 7을 참조하여 설명한 것에 대비하여 제1 클러치(130a)가 생략된, 수정된 토크 벡터링 장치(100)를 도시한다. 따라서, 저속 하이브리드 구동을 더 이상 이용할 수 없고; 제2 클러치(130b)를 개방하고, 제3 클러치(130c)를 폐쇄하는 것에 의해서, 하이브리드 구동이 달성된다. 제2 클러치(130b)를 폐쇄하고 제3 클러치(130c)를 개방되게 유지하는 것에 의해서, 토크 벡터링이 달성된다.
도 9a 내지 도 9c는, 비록 전기 모터(110)와 제1 유성 기어(140a)의 태양 기어 사이에 배열된 부가적인 감속을 또한 포함하지만, 도 1에 도시된 실시예와 유사한 토크 벡터링 장치(100)를 도시한다. 그러한 감속은 예를 들어 3 내지 4: 1의 범위일 수 있다.
도 10a 내지 도 10f는 도 9a 내지 도 9c에 도시된 토크 벡터링 장치(100)의 구체적인 실시예를 도시하고, 그러한 경우에 하이브리드 모드와 토크 벡터링 모드 사이의 변경은, 전기 모터(110)를 변속기(120)와 연결하는, 작동 슬리브(151)를 포함하는 액추에이터(150)에 의해서 달성된다. 변속기(120)는 제1 감속 기어, 및 2개의 유성 기어(140a, 140b)를 포함한다. 도 10a로부터 시작하면, 토크 벡터링 모드가 도시되어 있다. 이를 위해서, 액추에이터(150)가 제1 및 제2 유성 기어(140a, 140b)의 링 바퀴를 연결한다. 도 10b에 도시된 중립 모드는, 링 바퀴들을 서로로부터 분리하는 것에 의해서 달성된다. 입력 토크가 제1 유성 기어(140a)의 유성 캐리어를 통해서 차동장치(20)로 제공되도록 제1 유성 기어의 링 바퀴를 제동하는 것에 의해서, 하이브리드 구동 모드가 달성된다. 도 10d는 선택적인 실시예를 도시하며, 그러한 실시예에서 액추에이터(150)가 제1 유성 기어(140a)의 유성 캐리어를 제1 유성 기어의 링 바퀴와 연결할 수 있다. 그러한 연결은 제2 기어 하이브리드 구동 모드를 달성한다.
도 11a 내지 도 11c는 도 9에 도시된 실시예와 유사한; 추가적인 실시예에 따른 토크 벡터링 장치(100)를 도시하나, 전기 모터(110)는 변속기(120)가 배열되는 측면에 반대되는 차동장치(20)의 하나의 측면 상에서 차축 상에 동축적으로 배열된다. 이에 더하여, 부가적인 감속 기어가 전기 모터(110)와 제1 유성 기어 세트(140a) 사이에 제공되어, 바람직하게 3 내지 6 : 1 범위의 감속을 제공한다.
도 12a 및 도 12b는 추가적인 실시예에 따른 토크 벡터링 장치(100)를 도시한다. 토크 벡터링 모드에서, 차동장치의 입력 샤프트(21)가 차동장치(20)의 출력 샤프트(22)와 동일한 속력으로 회전될 때 전기 모터(110)가 정적으로 유지되도록 전기 모터(110)가 차동장치(20)와 연결된다. 출력 샤프트(22)가 예를 들어 플랜지를 통해서 차량의 제1 구동 절반-차축(미도시)에 연결된다. 차동장치의 입력 샤프트(21)가 중공형 샤프트를 형성하고, 그러한 중공형 샤프트를 통해서 출력 샤프트(22)가 연장된다.
출력 샤프트(22)는 유성 기어 세트(140a)의 링 바퀴 또는 유성 캐리어와 결합되는 한편, 입력 샤프트(21)는 유성 기어 세트(140a)의 링 바퀴 또는 유성 캐리어 중 다른 하나와 결합된다.
입력 샤프트(21) 및/또는 출력 샤프트(22)는 하나 이상의 기어를 통해서 유성 기어 세트로 연결될 수 있다. 전기 모터(110)는 바람직하게 감속 기어링을 통해서, 유성 기어 세트(140a)의 태양 기어를 구동한다.
입력 샤프트(21) 및 출력 샤프트(22)가 동일한 속력으로 회전될 때, 즉 차량의 좌측 바퀴와 우측 바퀴가 동일한 속력으로 회전될 때, 전기 모터(110)가 동작하지 않도록 또는 회전하지 않도록, 유성 기어링(140a)과 입력 샤프트(21) 및 출력 샤프트(22)를 유성 기어 세트(140a)에 연결하기 위한 선택적인 기어의 상이한 기어비들이 계산된다. 이어서, 2개의 바퀴들 사이의 그에 따라 샤프트들(21, 22) 사이의 회전 속력 차이가, 전기 모터(110)에 의해서 토크를 인가하는 것에 의해서 반대로 작용될 수 있다. 대안적으로, 2개의 바퀴들 사이의 임의의 희망하는 회전 속력 차이를 생성하기 위해서 전기 모터(110)가 이용될 수 있다.
도 12a 및 도 12b의 실시예는, 출력 샤프트(22)를 변속기(120)로부터 분리하도록 구성된 액추에이터(150)를 더 포함한다. 그에 따라, 토크 벡터링 장치(100)가 하이브리드 구동을 제공하도록 제어될 때, 액추에이터(150)는 출력 샤프트(22)를 분리하도록 제어되고, 그에 의해서 전기 모터(110)는 입력 샤프트(21) 만을 구동한다. 토크 벡터링 모드에서 이용될 때, 이러한 실시예의 추가적인 상세 내용이 WO2012/082059에서 설명되어 있다.
도 13은 토크 벡터링 장치(100)의 추가적인 실시예를 도시한다. 전기 모터(110)가 제1 유성 기어 세트(140a)의 태양 기어를 구동하는 한편, 차동장치(케이지)의 입력 샤프트가 유성 캐리어에 연결된다. 차동장치의 출력 샤프트가 링 바퀴에 연결된다. 액추에이터(150)는 링 바퀴의 제동을 제어하기 위해서, 그리고 토크 벡터링 또는 하이브리드 구동을 위해 링 바퀴를 차동장치 출력 샤프트와 연결 또는 분리하기 위해서 제공된다. 그에 따라, 도 13에 도시된 실시예는 도 12a 및 도 12b에 도시된 실시예와 유사하게 동작하지만, 액추에이터(150)가 차동장치의 출력 샤프트 대신 유성 기어 세트에 배열된다.
도 14a 내지 도 14e는 도 12a 및 도 12b에서와 같은 원리를 기초로 하는 구체적인 실시예에 따른 토크 벡터링 장치(100)를 도시한다. 전기 모터(110)가 유성 기어 세트(140a)를 통해서 차동장치에 연결된다. 차동장치(20)의 입력 샤프트가 링 기어에 연결되는 한편, 차동장치의 출력 샤프트는 감속 기어를 통해서 유성 캐리어에 연결된다. 결과적으로, 전기 모터(110)가 태양 기어를 구동시킨다. 단순히 유성 캐리어를 제동하는 것에 의해서 또는 유성 캐리어를 감속 기어에 연결하거나 그로부터 분리시키는 것에 의해서; 액추에이터(150)가 장치(100)의 모드를 변화시키기 위해서 제공된다.
도 14a에서, 토크 벡터링은 유성 캐리어를 차동장치의 출력 샤프트와 연결시키는 것에 의해서 달성된다. 도 14b에서, 중립 모드는 유성 캐리어를 차동장치의 출력 샤프트로부터 분리시키는 것에 의해서 달성된다. 도 14c에서, 유성 캐리어를 제동하는 것에 의해서 하이브리드 구동이 달성된다.
도 15 및 도 16은, 차동장치 메커니즘이 하나 이상의 유성 기어 세트에 의해서 달성되는 토크 벡터링 장치(100)의 실시예를 도시한다. 그에 따라, 이러한 실시예는, 차량 차축의 기계적 입력 구동이 없는 경우에 특히 유리할 수 있다.
도 15에서, 차동장치 메커니즘이 유성 기어 차동장치이며, 그에 의해서 전기 모터(110)는, 토크 벡터링 모드로 동작될 때, 차동장치 메커니즘(20)의 2개의 출력 샤프트에 연결된다. 변속기(120)는 도 1의 변속기(120)와 유사하다.
도 16a 및 도 16b에서, 토크 벡터링 장치(100)의 추가적인 실시예가 도시되어 있고, 여기에서 전기 모터(110)는 WO2006/068607에서 설명된 것과 동일한 원리를 기초로 이중 클러치 패키지(130)와 연결된다. 이중 클러치 패키지의 작동은 동작 모드, 즉 하이브리드 구동 또는 토크 벡터링 모드를 결정할 것이다.
도 17에서, 도 1에 도시된 실시예와 유사하나, 2개의 클러치(130a 및 130b)가 스플라인형 전환 슬리브(splined shifting sleeve) 형태의 액추에이터(150)에 의해서 대체되는, 토크 벡터링 장치(100)의 실시예가 도시되어 있다. 바람직하게, 액추에이터(150)는 DC 모터, 또는 가역 펌프에 의해서 제어된다. 액추에이터가 중립 위치를 향해서 편향되도록, 그리고 또한 전기 모터(110)로부터의 토크가 있을 때, 액추에이터가 토크 벡터링 모드 또는 하이브리드 모드로부터 분리될 수 있도록, 예를 들어 도그 클러치(dog clutch) 형태의 액추에이터(150)가 바람직하게 설계된다. 이는, ESP 또는 ABS와 같은 동적 이벤트에서, 전기 모터(110)가 분리될 수 있고 그에 따라 과속으로부터 보호될 수 있다는 점에서 유리하다. 또한, 전기 모터로부터 너무 큰 토크를 초래하는 고장 모드(failure mode)의 경우에, 토크 하에서의 분리가 또한 이용되어 차량 및 운전자의 안전을 보장할 수 있다.
도 18은 스플라인형 전환 슬리브, 및 토크 벡터링을 달성하기 위한 (예를 들어, 디스크, 원뿔 등을 이용하는) 마찰 유형 클러치를 포함하는 액추에이터(150)의 다른 실시예를 도시한다. 스플라인형 전환 슬리브는 바람직하게 중립 위치로 스프링 부하된다. 클러치의 이용은 클러치 압력 제어에 의한 부가적인 토크 제한 및 모니터링 기능을 가능하게 하는데, 이는 토크 벡터링 중의 토크가 인가된 압력보다 결코 더 커질 수 없기 때문이다. 이에 더하여, 제시된 실시예는 단순화된 기능적 안전을 위한 2개의 분리된 제어 경로를 제공한다. 마찰 클러치는 또한, ESP 또는 ABS 중의 경우일 수 있는, 너무 빠른 바퀴 차동장치 속력으로 인한 과속의 경우에 전기 모터의 분리를 가능하게 한다. 액추에이터(150)가 예를 들어 가역적 펌프에 의해서 작동될 수 있다.
도 19는 토크 벡터링 장치(100)를 포함하는 트랜스퍼 케이스(200)를 도시한다. 트랜스퍼 케이스는 차동장치 메커니즘(20)을 구동시키는 입력 샤프트(210)를 갖는다. 차동장치 메커니즘(20)은 후방 차축(220)인 제1 출력, 및 전방 차축(230)인 제2 출력을 갖는다. 전방 차축(230)이 후방 차축(220)에 대해서 비-동축적으로 배열되고, 이는 차동장치 출력으로부터 전방 차축(230)으로 회전을 전달하기 위해서 체인 구동부(240)가 제공되는 이유가 된다. 토크 벡터링 장치(100)는 도 1에 도시된 토크 벡터링 장치와 유사하고; 토크 벡터링 장치(100)는 차동장치 메커니즘(20)의 일 출력 측면 상에 배열되고, 전기 모터(110) 및 전기 모터(110)를 적어도 2개의 상이한 방식으로 차동장치(20)와 연결하기 위한 변속기(120)를 포함한다.
토크 벡터링 장치는 2개의 클러치(130a, 130b) 및 2개의 유성 기어 세트(140a, 140b)를 포함한다. 전기 모터(110)가 제1 유성 기어 세트(140a)의 태양 기어를 구동한다. 제1 클러치(130a)가 제1 유성 기어 세트(140a)의 링 기어를 제동하도록 작동될 때, 전기 모터(110)로부터의 입력 토크가 제1 유성 기어 세트(140a)의 유성 캐리어를 통해서 차동장치 메커니즘(20)의 입력 샤프트로 제공된다. 그에 따라, 토크 벡터링 장치(100)가 구동 토크를 제공한다. 제1 클러치(130a)가 개방되는 한편, 제2 클러치(130b)가 결합된다면, 전기 모터(110)로부터의 토크가, 차동장치의 이미 존재하는 구동 토크에 대해서 부가되거나 그로부터 차감될 것이다. 그에 따라, 전방 차축과 후방 차축 사이의 토크 벡터링이 달성된다. 클러치(130a, 130b)가 당업계에 공지된 임의 종류의 적합한 클러치일 수 있고, 감속(전기 모터 대 차동장치)이 5:1의 범위일 수 있다.
도 19에서, 도 1의 토크 벡터링 장치(100)가 트랜스퍼 케이스 적용예를 위해서 이용될 수 있고, 적은 수정 만이 요구된다는 것이 도시되어 있다. 또한, 토크 벡터링 기능성을 트랜스퍼 케이스에 제공하기 위해서 도 2 내지 도 18에 대해서 도시된 토크 벡터링 장치가 또한 유사한 방식으로 수정될 수 있다는 것이 이해된다.
도 20에서, 토크 벡터링 장치(100)의 추가적인 실시예가 도시되어 있다. 토크 벡터링 장치(100)는 도 9a에 도시된 토크 벡터링 장치와 약간의 유사성을 보여준다. 토크 벡터링 장치(100)가 차량(1)의 차축(10) 상에 배열된다. 차축(10)은 차동장치 메커니즘(20)을 포함한다. 토크 벡터링 장치(100)는 차동장치 메커니즘(20)의 일 측면 상에 배열되고, 전기 모터(110) 및 전기 모터(110)를 적어도 2개의 상이한 방식으로 차동장치(20)와 연결하기 위한 변속기(120)를 포함한다.
토크 벡터링 장치는 2개의 클러치(130a, 130b) 및 2개의 유성 기어 세트(140a, 140b)를 포함한다. 전기 모터(110)는 제1 유성 기어 세트(140a)의 태양 기어, 또는 제1 유성 기어 세트(140a)의 유성 캐리어를 구동시킨다. 전기 모터(110)가 제1 유성 기어 세트(140a)의 유성 캐리어를 구동시키도록 제1 클러치(130a)가 작동될 때, 전기 모터(110)로부터의 입력 토크가 제1 유성 기어 세트(140a)의 유성 캐리어를 통해서 차동장치 메커니즘(20)의 입력 샤프트로 제공된다.
그에 따라, 토크 벡터링 장치(100)가 하이브리드 모드에서 차축(10)을 구동한다. 제1 클러치(130a)가 개방되는 한편, 제2 클러치(130b)가 결합된다면, 전기 모터(110)로부터의 토크가 제2 유성 기어 세트(140b)의 유성 캐리어를 통해서 차동장치의 오른쪽 측면 상의 이미 존재하는 구동 토크에 대해서 부가되거나 그로부터 차감될 것이다. 그러한 방식에서, 토크가 차동장치 메커니즘(20)을 통해서 동시에 좌측 측면에서 부가되거나 그로부터 차감될 것이다. 그에 따라, 토크 벡터링이 달성된다. 제1 및 제2 클러치(130a, 130b)가 개방되어 유지되는 경우에, 즉 분리된 경우에, 중립이 달성된다. 클러치(130a, 130b)가 당업계에 공지된 임의 종류의 적합한 클러치일 수 있다.
제1 감속이 전기 모터(110)와 차동장치(20) 사이에서, 즉 제2 유성 기어 세트(140b)에 의해서 제공된다. 그러한 감속은 예를 들어 4:1의 범위일 수 있다. 부가적인 감속이 전기 모터(110)와 제1 유성 기어(140a) 사이에 배열된다. 그러한 감속은 2-단계 감속이고, 각각의 단계가 예를 들어 3 내지 4: 1의 범위일 수 있다.
도 21a 및 도 21b는 토크 벡터링 장치의 기계적 구성을 도시한다.
트랜스퍼 케이스(200)의 또 다른 추가적인 실시예에서, 2개의 클러치(130a, 130b)는 프리휠 클러치(freewheel clutch)와 같은 일방향 클러치일 수 있다. 토크 벡터링 장치(100)는, 그러한 실시예에서, 전기 모터가 구동 토크를 제공하는 모드로 동작될 수 있다. 그러한 모드에서, 토크 벡터링이 달성될 수 있고, 그에 의해서 증가된 토크가 후방 출력 차축(220)으로 전달된다. 제동 토크를 제공하기 위해서 전기 모터가 제어된다면, 하이브리드 구동이 회생(regeneration)의 의미에서 제공된다.
도 22는, 모터(110) 및 중립 위치에서 도시된 도그 클러치(111)를 포함하는 일 실시예에 따른 토크 벡터링 시스템(100)의 개략적인 변속기 레이아웃을 도시한다. 클러치(111)가 제1 위치(도면에서 좌측 연결)에 있을 때, 모터(110)가 좌측 샤프트(112)를 구동시킨다. 클러치(111)가 제2 위치(도면에서 우측 연결)에 있을 때, 모터(110)가 유성 기어 세트(140)를 그에 따라 우측 출력 샤프트(114)를 구동시킨다. 좌측 및 우측 출력 샤프트들이 반대 방향들로 회전되고, 그에 따라 토크 벡터링이 달성된다.
도 23에서, 일 실시예에 따른 토크 벡터링 시스템(100)의 개략적인 변속기 레이아웃이 도시되어 있다. 시스템(100)은 모터(110) 및 중립 위치에서 도시된 도그 클러치(111)를 포함한다. 모터가 유성 기어의 제1 세트(140a)를 구동시키고, 클러치(111)가 제1 위치(도면에서 우측)에 있을 때, 클러치는 유성 기어 세트(140a)와 연결된다. 클러치(111)가 제2 위치(도면에서 좌측 연결)에 있을 때, 클러치는 유성 기어 세트(140)에 연결되지 않고 차동장치에 연결된다.
도 24에 도시된 변속기는 도 23에 도시된 것과 실질적으로 동일한 레이아웃을 가지나, 모터를 위한 감속 기어가 상이한 방식으로 배열되어 있다.
도 25에서, 도 24의 변속기가 차량 차축을 위해서 구현되어 도시되어 있다.
도 26에서, 다른 변속기 레이아웃(100)이 도시되어 있다. 모터(110)가 유성 기어의 제1 세트(140a) 및 차동장치의 케이지를 구동시킨다. 제1 유성 기어 세트(140a)에 의해서, 차동장치의 입력 샤프트 뿐만 아니라 샤프트(174)가 구동된다. 샤프트(174)가 다시 제2 유성 기어 세트(140b)를 구동시키고, 제2 유성 기어 세트는 차동장치의 출력 샤프트를 구동시킨다. 그에 의해서, 토크 벡터링이 달성된다.
도 27의 변속기 레이아웃(100)은, 유성 캐리어를 구동시키는 제1 유성 기어 세트(140a)의 링 바퀴를 구동시키는 모터(110)를 포함하고, 유성 캐리어는 다시 차동장치의 케이지를 구동시키고, 그리고, 태양 바퀴를 통해서, 제2 유성 기어 세트(140b)를 구동시킨다. 제2 유성 기어 세트(140b)가 도그 클러치(111)에 연결된다. 이러한 클러치(111)가 제1 위치(도면에서 우측 연결)에 있을 때, 이는 연결되지 않는다. 클러치(111)가 제2 위치(도면에서 좌측 연결)에 있을 때, 이는 제2 유성 기어 세트(140b)에 연결된다.
다른 변속기 레이아웃(100)이 도 28에 도시되어 있다. 이러한 변속기 레이아웃(100)은 모터(110), 제1 및 제2 유성 기어 세트(140a, 140b), 차동장치 및 도그 클러치(111)를 포함한다. 도그 클러치(111)가 제1 위치(도면에서 좌측으로)에 있을 때, 모터(110)가 차동장치의 케이지 뿐만 아니라 제1 유성 기어 세트(140a)를 구동시킨다. 도그 클러치(111)가 제2 위치(도면에서 우측)에 있을 때, 이는 토크 벡터링을 제공하기 위해서 제2 유성 기어 세트(140b)에 연결된다.
도 29, 도 30, 도 31, 및 도 32에서, 토크 벡터링 시스템의 제1 경로의 4개의 실시예가 도시되어 있다. 모든 실시예가 모터(110), 도그 클러치(111) 그리고 제1 및 제2 유성 기어 세트(140a, 140b)를 포함한다. 이러한 시스템은 선택기를 피트(fit)하기 위해서 패키지화된다. 이러한 구조를 가지는 것의 장점은, 생산이 용이하고 그에 따라 연속 생산에 적합하다는 것이다. 이러한 실시예에서, 차동장치 베어링이 측면에 대한 오프셋으로 인해서 증가된 부하를 가질 수 있다.
도 33 내지 도 34는 토크 벡터링 시스템(100)의 제2 경로의 2개의 실시예를 도시하고, 여기에서 모터(110)는 제1 유성 기어 세트(140a)의 태양이 아니라 환형체 내로 구동된다. 이러한 실시예에서, 유성 비율을 변화시킬 수 있다. 도 33에서, 도그 클러치(111)가 제1 유성 기어 세트(140a) 상의 유성을 구동하고, 이는 유성으로부터의 비율로 인해서 성분의 감속을 허용한다. 도 34에서, 도그 클러치(111)가 환형체에 대신 연결된다.
도 35에서, 차동장치의 외측부 주위의, 샤프트들 사이의 밸런싱 샤프트를 형성하는, 링크 구동부(174)를 가지는 분할 토크 벡터링 유성 시스템(100)이 도시되어 있다. 그에 따라, 2개의 유성 기어 세트(140a, 140b)가 샤프트(174)를 이용하여 연결된다. 제1 유성 기어 세트(140a)는 외부 기어링을 가지는 링 바퀴를 포함한다. 도그 클러치(111)는 모터 샤프트를 기어에 연결하거나 중립을 위해서 어디에도 연결하지 않는다. 이러한 실시예는 분할 유성 토크 벡터링을 포함한다. 유성 시스템이 샤프트(174)에 의해서 연결되기 때문에, 시스템은 토크의 이등분으로 인해서 토크 벡터링 유성 시스템 상에서 개선된 부하 등급(load rating)을 갖는다. 이러한 실시예는, 기어들 사이의 비율이 어떻게 링크 샤프트의 속력을 줄일 수 있는지에 관한 이해를 요구한다.
도 36 및 도 37에는, 차동장치 레벨 기어 내로 직접적으로 구동하는 토크 벡터링 시스템이 도시되어 있다. 토크 벡터링이 차동장치 내부의 베벨 기어로 직접적으로 인가된다. 모터 속력이 바퀴 속력에 연관된다. 이는 고속에서 벡터링 토크를 여전히 인가하기 위한 큰 모터를 필요로 한다. 동일한 모터를 이용하기 위해서, 기능성이 느린 속력으로 제한될 수 있다.
도 38에서, 제2 내부 베벨 세트를 통한 링크 구동부를 포함하는 분할 토크 벡터링 시스템이 도시되어 있다. 토크 벡터링 유성 시스템이 차동장치의 각각의 측면에 대해서 분할되는 한편, 태양들은 제2 베벨 세트를 통해서 함께 연결된다. 이는 토크 분할로 인한 개선된 축방향 패키지 및 유성 상에서의 개선된 부하를 가지는 시스템을 제공한다. 그러나, 이는 부품의 수 및 시스템의 복잡성을 증가시킨다. 이러한 시스템은 또한 외부 베벨 세트에 걸친 방향 변화를 교정하기 위해서 일 측면 상에서 아이들러(302)를 필요로 한다.
도 39 내지 도 43에서, 유성 차동장치의 중간을 통한 링크 구동부를 가지는 분할 토크 벡터링 유성 시스템이 도시되어 있다. 이러한 실시예에서, 유성 차동장치가 이용된다. 도 39에서, 동일한 차축 상의 유성 기어(303)가 단순함을 위해서 도시되어 있다. 모터에 대한 기어 트레인(304)이 도 39에 도시되어 있다. 일 실시예에서, 이러한 기어 트레인(304)은 유성 기어 트레인이다.
이러한 시스템에서, 토크 벡터링 유성 시스템이 차동장치의 각각의 측면으로 분할되는 한편, 차동장치 유성 캐리어를 통한 링크 샤프트를 이용하여 공통 구성요소에 연결된다. 이는 유성 차동장치의 이용을 필요로 한다. 이러한 실시예가 가지는 장점은, 양호한 축방향 패키지를 시스템에 제공한다는 것이다.
도 44 및 도 45에서, 베벨 차동장치의 중간을 통한 링크 구동부를 가지는 분할 토크 벡터링 시스템이 도시되어 있다. 이러한 실시예에서, 토크 벡터링 유성 시스템이 차동장치의 각각의 측면으로 분할되는 한편, 유성 캐리어를 통한 링크 샤프트를 이용하여 공통 구성요소에 연결된다. 기어 트레인(304)이 도 44에 도시되어 있다. 일 실시예에서, 이러한 기어 트레인은 유성 기어 트레인(304)이다. 도 45에서, 태양 기어(306)를 연결하는 유성들이 포개진 베벨 차동장치(305)가 도시되어 있다. 이러한 시스템은 도 39 내지 도 43과 관련하여 설명된 것과 유사하나, 이는 유성 차동장치 용량 염려를 방지하기 위해서, 베벨 차동장치를 포함한다.
도 46 및 도 47에서, 이중 유성 차동장치를 포함하는 시스템이 도시되어 있다. 이중 유성 차동장치에 의해서, 태양 및 유성 캐리어를 이용하는 양 구동 샤프트에 대한 접근이 허용된다. 토크 벡터링을 위해서, 시스템은 2 스테이지 주전원(epicyclical) 시스템을 이용하여 이러한 경로의 각각으로 부가적인 토크를 인가한다. 이러한 실시예의 장점은 개선된 축방향 패키지이다. 도 46에서, 모터에 대한 기어 트레인(307)이 도시되어 있다. 일 실시예에서, 기어 트레인이 유성 기어 트레인(307)이다. 도 47에서, 하이브리드 선택기(309)뿐만 아니라, 이중 유성 주전원 차동장치(308)가 도시되어 있다.
도 48에서, 2개의 속력 개념이 도시되어 있다. 도 49a 내지 도 49c에서, 도그 클러치의 상이한 위치들이 도시되어 있다. 도 49a에서, 도그 클러치가 토크 벡터링 모드에 있고, 도 49b에서, 도그 클러치가 제2 속력 모드에 있으며, 도 49c에서, 도그 클러치가 제1 속력 모드에 있다.
본 발명의 다른 양태가 도 50 및 도 51에 도시되어 있고, 하이브리드 구동부의 부가적인 기능성이 없이 토크 벡터링을 구현한다. 도 50은 토크 벡터링 장치(350)의 변속기 레이아웃을 도시한다. 이는 전기 모터(360) 그리고 내부 및 외부 기어 모두를 포함하는 링 바퀴(361)를 포함한다. 모터(360)는 링 바퀴(361)의 외부 기어를 구동시키는 반면, 내부 기어는 제1 유성 기어 세트의 유성 캐리어(373a)를 구동시킨다. 유성 캐리어(373a)는 제2 유성 기어 세트의 유성 캐리어(373b)뿐만 아니라 좌측 출력 샤프트(374a) 모두를 구동시켜, 우측 출력 샤프트(374b)를 구동시킨다.
도 51은 토크 벡터링 장치(300)의 변속기 레이아웃을 도시한다. 전기 모터(310)는 제1 유성 기어 세트(340a)의 환형체 또는 링 바퀴(341)를 구동시키고, 이는 다시 유성 기어(342)를 구동시킨다. 링 바퀴(341)는 부가적인 외부 기어링을 포함한다. 유성 기어(342)가 차동장치(344)의 우측 출력 샤프트(343a)를 구동시킨다. 유성(342)은 또한, 제2 유성 기어 세트(340b)를 구동시키는 샤프트(345)를 구동시켜, 제1 출력 샤프트(343a)에 비해서 반대되는 방향으로 제2 출력 샤프트(343b)를 구동시킨다. 그에 따라, 토크 벡터링이 달성된다.
이제까지 설명된 모든 실시예에 대해서, 성능 개선을 위해서 일부 일반적인 개념이 구현될 수 있다. 이하에서, 이러한 공통 개념의 일부가 설명될 것이다.
냉각
실시예에서, 토크 벡터링 장치의 전기 모터로부터 과다 열을 제거하기 위해서, 공기 냉각이 이용된다. 냉각 플랜지 및/또는 핀(fin)을 전기 모터의 외부에 제공하는 것에 의해서, 공기 냉각이 실현될 수 있다. 이러한 방식으로, 플랜지 또는 핀에 의해서 전기 모터로부터 과다 열을 제거하기 위해서 주위 공기가 이용된다.
다른 실시예에서, 공기 냉각을 제공하기 위해서 내부 팬(미도시)이 전기 모터 케이싱 내에 배열된다. 또한 토크 벡터링 장치의 다른 구성요소가 공기 냉각을 제공하기 위한 내부 팬을 구비할 수 있다.
실시예에서, 전기 모터로 공기 냉각을 제공하기 위해서 외부 팬(미도시)이 배열된다.
대안적으로, 내부 및/또는 외부 팬 대신에, 공기 유동을 제공하는 임의 수단을 이용하여 토크 벡터링 장치의 전기 모터 및/또는 다른 구성요소를 냉각시킬 수 있다.
실시예에서, 파워 전자기기 및/또는 전기 모터의 냉각이 냉각 유압 오일을 펌핑하는 오일 펌프에 의해서 실시된다. 오일 펌프가 변속기 샤프트 속력에 의해서 또는 전기 모터에 의해서 구동될 수 있다. 오일 펌프의 오일 유동이 속력 변조 및/또는 전기 모터가 연결되는 유동 라인 내의 상이한 위치들에 배치되는 전기적 또는 기계적 밸브에 의해서 제어될 수 있다.
대안적인 실시예에서, 토크 벡터링 장치의 고정자, 권선, 및/또는 회전자가 오일을 상부에 분무하는 것에 의해서 직접적으로 냉각될 수 있다. 대안적으로, 오일 자켓 또는 오일 채널이 이와 관련하여 이용될 수 있다.
실시예에서, 토크 벡터링 장치는 오일/공기 또는 오일/물 열교환기를 포함한다. 열교환기가 토크 벡터링 장치의 하우징 또는 다른 구성요소와 일체일 수 있거나 토크 벡터링 장치에 동작적으로 결합된 분리된 유닛으로서 제공될 수 있다.
실시예에서, 변속기 및/또는 하이포이드 기어(hypoid gear)가 오일 냉각 회로의 일부를 형성한다.
실시예에서, 토크 벡터링 장치가 피동적 오일 냉각 회로를 구비한다. 여기에서, 토크 벡터링 시스템의 회전 부품들의 적어도 일부를 이용하여, 피동적 오일 냉각 회로를 통해서 시스템 주위로 냉각 오일을 펌핑한다. 오일 저장용기를 이용하여, 피동적인 오일 냉각 회로로부터의 유입 오일을 수용할 수 있다. 오일 저장용기를 이용하는 것에 의해서, 예를 들어 폐쇄된 연속적인 유동 공기 도관을 통해서 저장용기로부터 과다한 열을 외부로 분출할 수 있음에 따라, 오일이 보다 더 냉각될 수 있다. 저장용기의 오일 배출구가, 냉각하고자 하는 구성요소의 수직 위쪽에 배치되도록, 오일 저장용기가 배열될 수 있다. 그러한 실시예에서, 배출구를 빠져 나가는 오일에 중력이 영향을 미칠 것이고, 그에 의해서 분리된 펌프를 필요로 하지 않으면서, 냉각하고자 하는 구성요소로 오일을 공급한다.
실시예에서, 토크 벡터링 장치가 액체 냉각 회로를 포함한다. 액체 냉각 매체는 물 또는 다른 액체 매체일 수 있다. 이러한 실시예에서, 토크 벡터링 장치가, 파워 전자기가 및/또는 전기 모터를 둘러싸는 자켓 또는 채널을 구비할 수 있고, 그러한 자켓 또는 채널을 통해서 냉각 액체가 유동한다. 열 전달 재료, 예를 들어 에폭시를 이용할 때, 열이 회전자/권선으로부터 자켓으로 운반될 수 있다. 자켓이 하우징 또는 고정자 자체와 일체로 제조될 수 있다.
실시예에서, 몇 개의 액체 냉각 회로가 토크 벡터링 장치 내에 제공되고, 각각의 액체 냉각 회로가 상이한 온도에서 동작된다.
실시예에서, 냉각은, 예를 들어 PE로부터 주변 또는 공기 또는 오일로 열을 전달하기 위한 히트 파이프를 이용하여, 상 변화 열 전달에 의해서 제공된다.
실시예에서, 공조 유닛에 연결된 냉각 매체를 이용하여 파워 전자기기 또는 전기 모터를 냉각시킨다. 공조 유닛이 예를 들어 피크 또는 충격적인 부하 중에만 또는 환경이 극단적일 때 잠재적으로 활성화될 수 있다. 공조 유닛이, 정상 동작을 위한 전술한 바와 같은 다른 냉각 해결책과 함께 보완책으로서 이용될 수 있다.
모드 전환의 작동
실시예에서, 제1, 제2, 또는 제3 모드 사이의 전환이 여러 가지 원리에 따라서 동작되는 제어 수단에 의해서 실행될 수 있다.
전기-유압식 작동
실시예에서, 제1, 제2, 또는 제3 모드 중 어느 것 사이의 모드 전환이 전기-수압식 작동 장치(미도시)에 의해서 작동된다. 여기에서, 전기적 또는 기계적으로 구동되는 펌프가 제공된다.
실시예에서, 전기적으로 또는 기계적으로 구동되는 펌프는 회전 유형 또는 선형 유형이다.
실시예에서, 전기적으로 또는 기계적으로 구동되는 펌프는 또한 정수적 또는 유체역학적 펌프 유형(hydrostatic or hydrodynamic pump type)일 수 있다.
실시예에서, 전기적으로 또는 기계적으로 구동되는 펌프는 압력 제어 펌프이다.
실시예에서, 전기적으로 또는 기계적으로 구동되는 펌프는 전기적으로, 기계적으로 또는 유압적으로 작동되는 밸브에 의해서 제어된다.
실시예에서, 전기적으로 또는 기계적으로 구동되는 펌프는 유동 제어 펌프이다.
전기-기계적 작동
실시예에서, 전기 모터 및/또는 회전 솔레노이드가 직접적으로 작용하거나, 볼 램프, 유성 기어, 편심체, 나사, 감속 기어, 웜 기어, 캠, 유성 나사, 볼 나사, 전환 포크(shift fork), 레버, 및/또는 롤러 램프와 같은 변속기를 이용하여 작용한다.
공압식 작동
실시예에서, 제1, 제2, 또는 제3 모드 중 어느 것 사이의 모드 전환은 진공 또는 유체 압력에 의해서 작동된다.
전기-자기적
실시예에서, 제1, 제2, 또는 제3 모드 중 어느 것 사이의 모드 전환은, 직접적으로 작용하는 솔레노이드 또는 메커니즘을 통해서 작용하는 솔레노이드에 의해서 작동된다.
기계적 작동
실시예에서, 제1, 제2, 또는 제3 모드 중 어느 것 사이의 모드 전환은, 예를 들어 속력, 힘, 또는 토크에 의해서 제어되는, 직접적인 기계적 작동에 의해서 작동된다.
압력 작동
실시예에서, 제1, 제2, 또는 제3 모드 중 어느 것 사이의 모드 전환은 압력 작동에 의해서 작동된다.
상 변화 재료 작동
실시예에서, 제1, 제2, 또는 제3 모드 중 어느 것 사이의 모드 전환은 메모리 재료를 이용한 상 변화 재료 작동에 의해서 작동된다.
능동 모드의 검출
모드 작동 장치의 유형과 관계없이, 전기 모터의 능동적 모드 또는 현재 모드가 모드 검출 장치에 의해서 검출될 수 있다.
실시예에서, 모드 검출 장치가 분리된 센서, 예를 들어, 전기 모터의 능동적 모드를 검출하기 위한 홀(hall), 리졸버(resolver), 인코더, 전위차계(potentiometer), GMR, MR, 또는 PLCD를 포함한다.
실시예에서, 모드 검출 장치는 전기 모터의 능동적 모드를 검출하기 위한 압력 센서를 포함한다.
실시예에서, 모드 검출 장치는 전기 모터의 능동적 모드를 검출하기 위한 모터 전류/전압/속력 모니터링 유닛을 포함한다.
전기 모터
실시예에서, 전기 모터가 전환형 릴럭턴스 모터(switched reluctance motor)(SRM)이다. 그러한 모터는 원칙적으로, 결함 회전자 위치 신호에서, 요청된 것 보다 작은 토크만을 공급할 수 있다. 하나 이상의 상도체(phase conductor)의 단절부에서, 제어 전자기기의 전체적인 손실, 또는 단락(shortcut), SRM 모터는 어떠한 토크도 결코 공급하지 않을 것이고, 이는 안전을 위해서 매우 유리하다.
실시예에서, 전기 모터는, 예를 들어 농형 유도 모터(Squirrel-Cage Induction Motor)(SCIM) 또는 권선형 유도 모터(Wound-Rotor Induction Motor)(WRIM)와 같은, 유도 모터이다.
실시예에서, 전기 모터는, 권선형 로터 동기식 모터(wound rotor synchronous motor)(WRSM)로서 또한 지칭되는, 분리식으로 여기되는 동기식 모터이다.
실시예에서, 전기 모터는 가변 릴럭턴스 모터 또는 동기식 릴럭턴스 모터이다.
실시예에서, 전기 모터는 영구자석 모터이다.
실시예에서, 전기 모터는 무브러시 DC 모터이다.
실시예에서, 전기 모터가 DC 모터이다.
실시예에서, 전기 모터는 회전자 위치 센서 피드백을 가지거나 없이 배열된다.
전체적인 양태
실시예에서, 공통적인 유압 유체, 예를 들어 오일이 전기 모터의 냉각 및 모드 활성화 모두를 위해서 이용된다.
실시예에서, 제1 유형의 유압 유체가 모드 활성화를 위해서 이용되고, 제2 유형의 제2 유압 유체가 냉각을 위해서 이용된다.
실시예에서, 제1 유형의 유압 유체가 모드 활성화를 위해서 이용되고, 제1 유형의 제2 유압 유체가 냉각을 위해서 이용된다.
실시예에서, 차동장치는 베벨 유형, 유성 유형, 크로넨라드 유형(kronenrad type)이다.
실시예에서, 토크 벡터링 장치는 TV가 없는 RDM(후방 구동 모듈), 기계적 TV를 가지는 RDM, 차동장치 브레이크를 가지는 RDM을 포함하는 차축 조합, 또는 전기적 구동부 및 기계적 파워 입력을 가지거나 가지지 않는 차축을 위해서 모듈형 디자인으로 제공된다.
실시예에서, 토크 벡터링 장치가 2개의 전기 모터, 즉 토크 벡터링 모드를 동작시키기 위한 하나의 모터 및 하이브리드 모드를 동작시키기 위한 하나의 모터를 포함한다.
실시예에서, 토크 벡터링 장치는, 정상 동작 중에 손실이 감소되는 방식으로 배열되는 베어링을 포함한다. 또한, 나선형 기어들로부터의 축방향 힘들이 상쇄된다.
실시예에서, 변속기 및/또는 하이포이드 기어 및/또는 피니언 베어링이, 윤활 장치에 의해서, 능동적으로 윤활된다.
실시예에서, 윤활 장치의 활성화는 모드 전환 액추에이터에 의해서 제어된다.
실시예에서, 윤활 장치의 활성화는 차축 토크 레벨에 의해서 기계적으로 제어된다.
실시예에서, 윤활 장치의 활성화는 차축 속력에 의해서 기계적으로 제어된다.
실시예에서, 윤활 장치의 활성화는 분리된 액추에이터에 의해서 제어된다.
기능적 안전성(FuSi)
실시예에서, 파워의 손실의 이벤트에서 제1 모드를 활성화시키도록 모드 전환 액추에이터가 배열된다. 그에 따라, 이러한 방식에서 FuSi 분류(classification)가 감소된다.
실시예에서, 전기 모터는 안전 상태에서 토크를 제공하지 않도록 배열된다. 실시예에서, 예를 들어 SRM 또는 WRSM 유형인 전기 모터가 안전 상태에서 단락된다. 그에 따라, 이러한 방식에서 FuSi 분류가 감소된다.
실시예에서, 원심 클러치, 점성 브레이크, 마찰 브레이크 또는 유압식 브레이크에 의해서 전기 모터를 과속으로부터 보호하기 위해서, 토크 벡터링 장치가 차동장치 속력 제한을 구비한다. 그에 따라, 이러한 방식에서 FuSi 분류가 감소된다.
실시예에서, 토크 센서 또는 토크를 개산하기 위한 다른 센서를 이용한 토크 측정/추정에 의해서 FuSi 분류가 감소된다.
실시예에서, FuSi 분류가, 예를 들어, ESP/ABS-시스템과 같은 부가적인 내부 마이크로제어기 또는 외부 ECU에 의한, 병렬 제어 경로들로의 기능적 분해에 의해서 감소된다.
실시예에서, 차량 동적 모델에 대한 타당성 체크에 의해서, FuSi 분류가 감소된다.
파워 전자기기
실시예에서, 비용이 많이 소요되는 케이블 및 콘택을 방지하기 위해서, 파워 전자기기가 전기 모터 내로 통합된다.
실시예에서, 비용이 많이 소요되는 케이블 및 콘택을 방지하기 위해서, 파워 전자기기가 차축 내로 통합된다.
실시예에서, 파워 전자기기는, 단순화된 차축 패키징을 위해서 그리고 승객실 내에 배치되는 경우에 감소된 환경적 요건을 위해서 독립형 파워 전자기기 유닛 내에 수용된다.

Claims (14)

  1. 차량용 토크 벡터링 장치이며, 제1 유성 기어 세트(140a) 및 제2 유성 기어 세트(140b)를 포함하는 변속기(120)를 통해서 차동장치 메커니즘(20)에 연결되는 전기 모터(110)를 포함하고, 상기 토크 벡터링 장치는 제1 모드와 제2 모드 사이에서 상기 변속기(120)의 토크 경로를 변화시키기 위한 적어도 하나의 제어 수단(130, 150)을 더 포함하고, 상기 제1 모드에서는 상기 전기 모터(110)가 하이브리드 구동 모드를 위해서 차동장치 메커니즘(20)의 입력 샤프트에만 연결되고, 상기 제2 모드에서는 상기 전기 모터(110)가 토크 벡터링 모드를 위해서 차동장치 메커니즘(20)의 입력 샤프트 및 출력 샤프트에 연결되는, 토크 벡터링 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전기 모터(110)가 상기 제1 유성 기어 세트(140a)의 태양 기어를 구동시키고, 상기 차동장치 메커니즘(20)의 입력 샤프트가 상기 제1 유성 기어 세트(140a)의 유성 캐리어에 연결되는, 토크 벡터링 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 유성 기어 세트(140a)의 링 기어가 클러치(130b)를 통해서 상기 제2 유성 기어 세트(140b)의 링 기어에 연결되는, 토크 벡터링 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 유성 기어 세트(140a)의 링 기어를 제동하기 위한 클러치(130a)를 더 포함하는, 토크 벡터링 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 차동장치 메커니즘(20)의 출력 샤프트가 상기 제2 유성 기어 세트(140b)의 유성 캐리어에 연결되는, 토크 벡터링 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 모터(110)와 상기 차동장치 메커니즘(20) 사이에 배열되는 감속 기어(140c)를 더 포함하는, 토크 벡터링 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제어 수단(130, 150)이 상기 변속기(120)의 토크 경로를 제3 모드로 변화시키도록 추가적으로 구성되고, 상기 제3 모드에서 상기 전기 모터(110)가 상기 제1 모드보다 낮은 감속으로 상기 차동장치 메커니즘(20)의 입력 샤프트에 연결되는, 토크 벡터링 장치.
  8. 차량용 토크 벡터링 장치이며, 제1 유성 기어 세트(140a) 및 2개의 부가적인 기어링을 포함하는 변속기(120)를 통해서 차동장치 메커니즘(20)에 연결되는 전기 모터(110)를 포함하고, 상기 토크 벡터링 장치는 제1 모드와 제2 모드 사이에서 상기 변속기(120)의 토크 경로를 변화시키기 위한 하나 이상의 제어 수단(130, 150)을 더 포함하고, 상기 제1 모드에서는 상기 전기 모터(110)가 하이브리드 구동 모드를 위해서 상기 유성 기어 세트 및 상기 부가적인 기어링 중 하나를 통해서 상기 차동장치 메커니즘(20)의 입력 샤프트에만 연결되고, 상기 제2 모드에서는 상기 전기 모터(110)가, 토크 벡터링 모드를 위해서, 상기 유성 기어 세트 및 상기 부가적인 기어링 중 하나를 통해서 입력 샤프트에, 그리고 상기 부가적인 기어링 중 다른 하나를 통해서 상기 차동장치 메커니즘(20)의 출력 샤프트에 연결되는, 토크 벡터링 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 수단(150)은, 또한 전기 모터(110)로부터의 토크가 있을 때, 토크 벡터링 모드 또는 하이브리드 모드 중 어느 하나로부터 분리될 수 있도록, 중립 위치를 향해서 편향되는 도그 클러치를 형성하는, 토크 벡터링 장치.
  10. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 수단(150)은 스플라인형 전환 슬리브 및 마찰 유형 클러치를 포함하고, 상기 스플라인형 전환 슬리브가 중립 위치로 스프링 부하되고, 토크 벡터링 중의 토크가 인가된 압력보다 결코 더 높을 수 없기 때문에, 상기 클러치는 클러치 압력 제어에 의해 부가적인 토크 제한 및 모니터링 기능을 가능하게 하는, 토크 벡터링 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 토크 벡터링 장치(100)를 포함하는, 차량 차축.
  12. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 토크 벡터링 장치(100)를 포함하는, 트랜스퍼 케이스.
  13. 제12항에 있어서,
    입력 차축(), 전방 출력 차축(), 및 후방 출력 차축()을 포함하고, 상기 토크 벡터링 장치(100)가 상기 후방 출력 차축()에 배열되는, 트랜스퍼 케이스.
  14. 제11항에 따른 차량 차축 및/또는 제12항 또는 제13항에 따른 트랜스퍼 케이스를 포함하는, 차량.
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