KR20190105029A - 동축 샤프트들을 구비하는 다중 속도 전기 트랜스액슬 유닛 - Google Patents

동축 샤프트들을 구비하는 다중 속도 전기 트랜스액슬 유닛 Download PDF

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KR20190105029A
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clutch
planetary gear
shaft
engaged
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KR1020197022595A
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니콜라스 더블유. 라포스
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데이나 헤비 비히클 시스템즈 그룹 엘엘씨
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Abstract

다중 속도 변속기가 제시되며, 차축 하우징 내에 배치된 중공 로터 샤프트를 가지는 전기 모터, 제1 유성 기어 세트, 제2 유성 기어 세트, 제3 유성 기어 세트를 포함한다. 제1 유성 기어 세트는 로터 샤프트 및 제1 전달 샤프트에 구동하게 연결된다. 제2 유성 기어 세트는 제1 전달 샤프트 및 제2 전달 샤프트에 구동하게 연결되고 차축 하우징에 선택적으로 고정되는 링 기어를 가진다. 제3 유성 기어 세트는 제1 전달 샤프트 및 출력 샤프트에 구동하게 연결되고 차축 하우징에 선택적으로 고정되는 링 기어를 가진다. 클러치들은 링 기어들을 차축 하우징에 회전하게 고정시키기 위해 선택적으로 체결된다. 로터 샤프트와 제1 전달 샤프트는 서로에 대하여 그리고 트랜스액슬의 차축 절반 샤프트들에 대하여 동축방향을 가진다.

Description

동축 샤프트들을 구비하는 다중 속도 전기 트랜스액슬 유닛
본 개시 내용은 모터 차량들을 위한 전기 트랜스액슬 유닛에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 전기 및 하이브리드 차량들을 위한 다중 속도 전기 트랜스액슬 유닛에 관한 것이다.
본 출원은 출원번호가 15/421,124이고 출원일이 2017년 1월 31일인 미국 가출원에 대한 우선권을 주장하며, 상기 미국 가출원은 전체로서 여기에 참조로 통합된다.
내연 기관("ICE")의 사용은 지난 세기 동안 자동차 산업을 지배해왔다. 그러나 환경에 대한 우려, 석유에 대한 의존, 정부가 시행하는 규제 및 향상된 연비에 대한 강력한 요구는 자동차 제조업체로 하여금 보다 효율적이고 환경 친화적인 솔루션들을 개발하도록 요구하고 있다. ICE에 대한 대안적인 동력원들이 차량 구동라인을 추진(propel)시키기 위해 사용됨을 의미하는 대안적인 파워트레인들은 해당 산업에서 일반적인 솔루션들 중 하나이다. 대안적인 파워트레인들은, 다른 것들 중에서, 터보 차저들, 연료 셀 시스템들, 전기 차량들, 하이브리드 전기 차량들, 플러그-인 전기 하이브리드들, 유압 하이브리드들, 기계적 하이브리드 등을 포함한다.
종래에, 하이브리드 전기 차량들은 이러한 차량을 구동하기 위해 함께 또는 독립적으로 사용될 수 있는 ICE 및 전기 모터를 포함한다. 차동 장치(differential)들은 종래 기술로 잘 알려져 있으며 모터 차량의 동력 전달 시스템에 배치되어, 입력 샤프트에 작동되도록 결합된 한 쌍의 출력 차축 샤프트들이 상이한 속도들로 회전할 수 있게 함으로써, 각 출력 샤프트와 연관된 휠이 차량이 선회하는 동안 도로와 견인력(traction)을 유지하게 할 수 있다.
현재의 전기 및 하이브리드 전기 차량들은 일반적으로 카운터샤프트 설계를 사용한다. 카운터샤프트 설계는 다중 속도 변속기를 제공하기 위해 차동 어셈블리를 갖는 차축 이외에 자신과 구동하게 연결된 나선형 및 유성 기어 배치(arrangement)들의 조합을 갖는 적어도 하나의 카운터샤프트의 사용을 포함한다. 이러한 배치들은 차량의 비용을 증가시키는 특수 패키징 및 추가 컴포넌트들을 필요로 한다.
그러므로, 서브 프레임, 인테리어 공간, 연료 셀 또는 배터리 팩들과 같은 그러나 이에 한정되지는 않는 다른 차량 컴포넌트들과 간섭하는 카운터 샤프트에 의해 야기되어 발생하는 비용 및 클리어런스(clearance)를 감소시킬 수 있는 단순화된 트랜스액슬 배치에 대한 필요성이 존재한다.
차축 하우징 내부에 배치된 중공 로터 샤프트(hollow rotor shaft)를 갖는 전기 모터, 제1 유성 기어 세트, 제2 유성 기어 세트 및 제3 유성 기어 세트를 포함하는 다중-속도 변속기가 본 명세서에 의해 제공된다. 상기 제1 유성 기어 세트는, 상기 로터 샤프트에 구동하게 연결된(drivingly connected) 제1 태양 기어, 상기 차축 하우징에 회전하게 고정된(rotationally fixed) 제1 링 기어, 상기 제1 태양 기어 및 상기 제1 링 기어에 구동하게 체결된 제1 유성 기어 및 상기 제1 유성 기어를 지지하고 제1 전달 샤프트에 구동하게 연결된 제1 유성 캐리어를 포함한다. 상기 제2 유성 기어 세트는 상기 제1 전달 샤프트에 구동하게 연결된 제2 태양 기어, 상기 차축 하우징에 선택적으로 고정된(selectively fixed) 제2 링 기어, 상기 제2 태양 기어 및 상기 제2 링 기어에 구동하게 체결된 제2 유성 기어 및 상기 제2 유성 기어를 지지하는 제2 유성 캐리어를 포함한다. 상기 제3 유성 기어 세트는, 상기 제1 전달 샤프트에 구동하게 연결된 제3 태양 기어, 상기 제2 유성 캐리어에 구동하게 연결되고 상기 차축 하우징에 선택적으로 고정된 제3 링 기어, 상기 제3 태양 기어 및 상기 제3 링 기어에 구동하게 체결된 제3 유성 기어 및 출력 기어에 구동하게 연결된 제3 유성 캐리어를 포함한다. 변속기는 상기 제2 링 기어를 회전하게 고정시키기 위해 선택적으로 체결된 제1 클러치 및 상기 제3 링 기어를 회전하게 고정시키기 위해 선택적으로 체결된 제2 클러치를 더 포함한다. 상기 로터 샤프트 및 상기 제1 전달 샤프트는 서로에 대해 동축(coaxially)방향이다. 몇몇 실시예들에서, 상기 변속기는 상기 제1 클러치가 체결해제(disengage)되고 상기 제2 클러치가 체결되는 경우 제1 속도 비를 제공하고, 상기 제2 클러치가 체결해제되고 상기 제1 클러치가 체결되는 경우 제2 속도 비를 제공한다. 몇몇 실시예들에서, 상기 제1 클러치 및 상기 제2 클러치는 유압식 마찰 클러치들이다. 몇몇 실시예들에서, 제1 속도 비는 제2 속도 비보다 더 크다. 몇몇 실시예들에서, 변속기는 전기 트랜스액슬 유닛의 일부이며, 전기 트랜스액슬 유닛은, 상기 차축 하우징을 통하여 연장되는 2개의 차축 절반(half) 샤프트들 및 상기 2개의 차축 절반(half) 샤프트들에 구동하게 연결된 차동 기어 배치 및 상기 차동 기어 배치를 하우징하는 차동 케이스를 포함하는 차동 어셈블리를 포함하며, 상기 전기 모터, 상기 차동 어셈블리, 상기 제1 유성 기어 세트, 상기 제2 유성 기어 세트 및 상기 제3 유성 기어 세트는 상기 차축 하우징 내부에 배치되고, 상기 출력 기어는 상기 차동 케이스에 연결된다. 몇몇 실시예들에서, 상기 2개의 차축 절반(half) 샤프트들, 상기 로터 샤프트 및 상기 전달 샤프트들은 서로에 대해 동축방향이다. 몇몇 실시예들에서, 상기 제1 클러치는 선택적으로 상기 제2 링 기어를 상기 차축 하우징에 고정시키고 상기 제2 클러치는 선택적으로 상기 제3 링 기어를 상기 차축 하우징에 고정시킨다. 몇몇 실시예들에서, 상기 로터 샤프트 및 일 차축 절반 샤프트는 동축방향 스플라인들에 의해 서로에 대하여 결합되고 상기 제1 전달 샤프트 및 일 차축 절반 샤프트는 동축방향 스플라인들에 의해 서로에 대하여 결합된다.
중공 로터 샤프트를 갖는 전기 모터, 연속 가변 유성 변속기(CVP), 제1 유성 기어 세트 및 제2 유성 기어 세트를 포함하는 다중 속도 변속기가 본 명세서에 의해 제공된다. CVP는 상기 로터 샤프트와 결합된 제1 링 어셈블리, 상기 제1 링 어셈블리와 구동하게 체결된 다수의 기울일 수 있는 배리에이터 볼(variator ball)들을 가지는 캐리어 어셈블리 및 상기 다수의 기울일 수 있는 배리에이터 볼들 및 제1 전달 샤프트와 구동하게 체결된 제2 링 어셈블리를 포함한다. 상기 제1 유성 기어 세트는, 상기 전달 샤프트에 구동하게 연결된 제1 태양 기어, 상기 차축 하우징에 선택적으로 고정된 제1 링 기어, 상기 제1 태양 기어 및 상기 제1 링 기어에 구동하게 체결된 제1 유성 기어 및 상기 제1 유성 기어를 지지하는 제1 유성 캐리어를 포함한다. 상기 제2 유성 기어 세트는, 상기 제1 전달 샤프트에 구동하게 연결된 제2 태양 기어, 상기 차축 하우징에 선택적으로 고정되고 상기 제1 유성 캐리어와 구동하게 체결된 제2 링 기어, 상기 제2 태양 기어 및 상기 제2 링 기어에 구동하게 연결된 제2 유성 기어 및 출력 기어에 구동하게 연결되는 제2 유성 캐리어를 포함한다. 변속기는 상기 제1 링 기어를 회전하게 고정시키기 위해 선택적으로 체결된 제1 클러치 및 상기 제2 링 기어를 회전하게 고정시키기 위해 선택적으로 체결된 제2 클러치를 더 포함한다. 상기 로터 샤프트와 상기 제1 전달 샤프트는 서로에 대해 동축방향이다. 몇몇 실시예들에서, 상기 변속기는, 상기 제1 클러치가 체결해제되고 상기 제2 클러치가 체결되는 경우 제1 속도 비를 제공하고, 상기 제2 클러치가 체결해제되고 상기 제1 클러치가 체결되는 경우 제2 속도 비를 제공한다. 몇몇 실시예들에서, 상기 제1 클러치 및 상기 제2 클러치는 유압식 마찰 클러치들이다. 몇몇 실시예들에서, 변속기는 전기 트랜스액슬 유닛의 일부이며, 전기 트랜스액슬 유닛은, 상기 차축 하우징을 통하여 연장되는 2개의 차축 절반(half) 샤프트들 및 상기 2개의 차축 절반(half) 샤프트들에 구동하게 연결된 차동 기어 배치 및 상기 차동 기어 배치를 하우징하는 차동 케이스를 포함하는 차동 어셈블리를 포함하며, 상기 전기 모터, 상기 차동 어셈블리, 상기 CVP, 상기 제1 유성 기어 세트 및 상기 제2 유성 기어 세트는 상기 차축 하우징 내부에 배치되고, 상기 출력 기어는 상기 차동 케이스에 연결된다. 몇몇 실시예들에서, 상기 2개의 차축 절반(half) 샤프트들, 상기 로터 샤프트 및 상기 제1 전달 샤프트는 서로에 대해 동축방향이다. 몇몇 실시예들에서, 상기 로터 샤프트 및 일 차축 절반 샤프트는 동축방향 스플라인들에 의해 서로에 대하여 결합되고 상기 제1 전달 샤프트 및 일 차축 절반 샤프트는 동축방향 스플라인들에 의해 서로에 대하여 결합된다. 몇몇 실시예들에서, 상기 제1 클러치는 선택적으로 상기 제1 링 기어를 상기 차축 하우징에 고정시키고 상기 제2 클러치는 선택적으로 상기 제2 링 기어를 상기 차축 하우징에 고정시킨다.
본 발명의 신규한 특징들은 첨부된 청구항들에서 상세하게 설명된다. 본 발명의 특징들 및 장점들에 대한 보다 양호한 이해는 본 발명의 원리들이 이용되는 예시적인 실시예들을 설명하는 다음의 상세한 설명 및 첨부된 도면들을 참조함으로써 획득될 수 있을 것이다.
도 1은 전기 트랜스액슬 유닛의 선호되는 실시예의 개략도이다.
도 2는 제1 속도 비에서의 도 1의 전기 트랜스액슬 유닛을 통한 동력 플로우를 나타낸 개략도이다.
도 3은 제2 속도 비에서의 도 1의 전기 트랜스액슬 유닛을 통한 동력 플로우를 나타낸 개략도이다.
도 4는 전기 트랜스액슬 유닛의 다른 선호되는 실시예의 개략도이다.
도 5는 전기 트랜스액슬 유닛의 다른 선호되는 실시예의 개략도이다.
선호되는 실시예들은 그와 다르게 명시적으로 특정되는 경우를 제외하고, 다양한 대안적인 지향(orientation)들 및 단계 시퀀스들을 가정할 수 있다는 것을 이해해야 할 것이다. 또한, 첨부된 도면들에서 도시되고 다음의 명세서에서 설명되는 특정한 어셈블리들, 물품들 및 특징들이 단지 첨부된 청구항들에서 정의되는 본 발명의 개념들의 예시적인 실시예들임을 이해해야 할 것이다. 그리하여, 제시되는 다양한 실시예들과 관련되는 특정한 치수(dimension)들, 방향들 또는 다른 물리적 특성들은, 다르게 명시적으로 기술되지 않는다면, 한정하는 것으로서 간주되지 않아야 한다. 또한, 그렇지 않을 수 있더라도, 다양한 실시예들에 있는 유사한 엘리먼트들은 본 출원의 이러한 섹션 내에서 일반적으로 유사한 참조 번호들로 지칭될 수 있다.
이제 도 1을 참조하면, 전기 트랜스액슬 유닛(10)이 도시된다. 전기 트랜스액슬 유닛(10)은 전기를 기계 동력으로 변환하기 위한 전기-기계 에너지 컨버터로서 동작하는 전기 모터(12)를 포함한다.
몇몇 실시예들에서, 전기 트랜스액슬 유닛(10)은 모터 차량에 포함된다.
몇몇 실시예들에서, 전기 트랜스액슬 유닛(10)은 전기 모터(12)를 가지는 모터 차량으로 구현된다; 그러나, 전기 트랜스액슬 유닛(10)은 또한 다른 장비 또는 차량들에 적용될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 전기 트랜스액슬 유닛(10)은 하이브리드 차량들 및 전기차량에서 이용되며 HEV, EV 및 연료 셀 전기 및 하이브리드 전기 시스템들에 적용될 수 있다. 여기에서 제시되는 하이브리드 아키텍처들의 실시예들을 통합하는 전기 또는 하이브리드 전기 차량들은, 다른 것들 중에서, 회전 운동들을 출력하는 프라임 무버(Prime Mover)들을 가지는, 배터리 관리 시스템 또는 울트라 커패피터를 구비한 고-전력 배터리 팩, 온 보드 충전기, DC-DC 컨버터들, 다양한 센서들, 액추에이터들 및 제어기들과 같은, 그러나 이에 한정되지는 않는, 다수의 다른 파워트레인 컴포넌트들을 포함할 수 있음을 이해해야 할 것이다.
몇몇 실시예들에서, 전기 모터(12)는 그로부터 연장된 중공 로터 샤프트(hollow rotor shaft)(12a)를 갖는 중공 로터 전기 모터(12)이다. 로터 샤프트(12a)는 중심 축 A를 정의한다.
몇몇 실시예들에서, 전기 모터(12)는 전기에 의해 에너지를 공급하고 그리고 토크 및 회전 운동을 출력한다. 몇몇 실시예들에서, 전기는 배터리에 의해 공급된다.
몇몇 실시예들에서, 전기 모터(12)는 제동력을 전기로 변환시키기 위한 전기 차량의 브레이크 동작동안 전기 제너레이터로서 동작한다. 전기 모터(12)는 바람직하게는 차축 하우징(13)에 고정되거나 그리고 차축 하우징(13)에 의해 하우징된다.
휠들의 쌍(14, 16)은 각각 차축 절반 샤프트(axle half shaft)들(18a, 18b)중 일 단부에 구동하게 연결된다. 차축 절반 샤프트들(18a, 18b)은 모터 차량의 차축을 형성 한다. 전기 모터(12)의 로터 샤프트(12)는 차축 절반 샤프트(18a)와 동축방향(coaxial)일 수 있다. 휠들의 쌍(14, 16)이 모터 차량에 대한 구동 휠들의 쌍을 형성함을 이해할 수 있을 것이다.
몇몇 실시예들에서, 차량은 전방 구동 휠들의 쌍, 후방 구동 휠들의 쌍 또는 전방 및 후방 구동 휠들의 2개의 쌍을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 변속기(20)는 차축 샤프트(18a) 상의 하나의 휠(16) 및 전기 모터(12) 사이에 축 방향으로 배치된다. 차동 어셈블리(22)는 변속기(20) 및 휠(16) 사이에 배치된다.
몇몇 실시예들에서, 차동 어셈블리(22)는 회전 동력을 전달하도록 구현되는 공통적인 차동 기어 세트이다.
몇몇 실시예들에서, 차동 어셈블리(22)는 차동 케이스(22a) 및 자신으로부터 축방향으로 맞은편 방향들로 연장하는 2개의 차축 절반 샤프트들(18a, 18b)과 함께 차동 케이스(22a) 내에 배치된 차동 기어 배치(22b)를 포함한다. 차동 기어 배치(22b)는 차축 절반 샤프트들(18a, 18b) 각각에 구동하게 연결된다. 차례로, 차축 절반 샤프트들(18a, 18b)은 적절한 결합 수단을 통해 휠들(14, 16)에 구동하게 결합된다.
몇몇 실시예들에서, 차동 기어 배치(22b)는 차동 케이스(22a)로 고정된 피니언 샤프트(22d) 상에서 회전가능하게 지지되는 피니언 기어들(22c)의 세트를 포함한다. 피니언 기어들(22c)은 차축 절반 샤프트들(18a, 18b)에 의해 정의된 차축 주위를 회전하도록 적응되는(adapted) 반대편 사이드 기어들(22e, 22f)의 쌍을 체결시킨다. 사이드 기어들(22e, 22f)은 차축 절반 샤프트들(18a, 18b)에 각각 스플라인된다.
몇몇 실시예들에서, 사이드 기어들(22e, 22f)은 서로에 대하여 공동-선형(co-linear)이고 피니언 기어들(22c)의 축에 수직한 중심 축들을 가진다.
차동 어셈블리(22)는 차동 케이스(22a) 및 차동 기어 배치(22b)를 통해 휠들의 쌍(14, 16)으로 회전 운동을 배분한다. 몇몇 실시예들에서, 사이드 기어들(22e, 22f)은 차동 케이스(22a)에 대해 반대 방향들로 회전하여, 2개의 휠들(14, 16)이 상이한 속도로 회전하도록 허용한다.
몇몇 실시예들에서, 변속기(20)는 태양 기어(24a), 링 기어(24b), 및 태양 기어(24a) 및 링 기어(24b)와 메쉬 체결되는(meshingly engaged) 적어도 하나의 유성 기어(24c)를 포함하는 제1 유성 기어 세트(24)를 포함한다. 유성 기어(24c)는 전달 샤프트(26)에 구동하게 연결되고 그리고 태양 기어(24a)와 동일한 축 주변을 회전할 수 있는 유성 캐리어(24d) 상에 배치될 수 있다. 태양 기어(24b)는 로터 샤프트(12a)에 스플라인된다. 차축 절반 샤프트들(18a, 18b)은 태양 기어(24a)의 중심 축을 정의하고 그리고 태양 기어(24a)에 연결된다. 전달 샤프트(26)는 차축 절반 샤프트(18a)의 일부 주위에서 동축방향으로 연장되며, 예를 들어, 스플라이닝에 의해 유성 캐리어(24d)와 구동하게 연결된다. 링 기어(24b)는 차축 하우징(13)에 회전가능하게 고정된다.
몇몇 실시예들에서, 전달 샤프트(26)는 로터 샤프트(12a)와 동축방향인 중공 샤프트이다.
또한, 변속기(20)는 태양 기어(28a), 링 기어(28b), 및 태양 기어(28a) 및 링 기어(28b)와 메쉬 체결되는 적어도 하나의 유성 기어(28c)를 포함하는 제2 유성 기어 세트(28)를 포함한다. 유성 기어(28c)는 태양 기어(28a)와 동일한 축 주변을 회전할 수 있는 유성 캐리어 상(28d)에 배치되고 전달 샤프트(30)로 부착된다. 태양 기어(28a)는, 예를 들어, 스플라인들에 의해 전달 샤프트(26)와 구동하게 체결된다. 링 기어(28b)는 제1 클러치(32)를 사용하여 차축 하우징(13)과 선택적으로 체결된다.
몇몇 실시예들에서, 전달 샤프트(30)는 로터 샤프트(12a)와 동축방향인 중공 샤프트이다.
몇몇 실시예들에서, 클러치(32)는 유압식 마찰 클러치 팩이다; 그러나 다른 알려진 클러칭 디바이스들의 사용이 가능하다.
또한, 변속기(20)는 태양 기어(34a), 링 기어(34b) 및 태양 기어(34a) 및 링 기어(34b)와 메쉬 체결되는 적어도 하나의 유성 기어(34c)를 포함하는 제3 유성 기어 세트(34)를 포함할 수 있다. 유성 기어(34c)는 태양 기어(34a)와 동일한 축 주변을 회전할 수 있는 유성 캐리어(34d) 상에 배치되고 유성 캐리어(34d)를 통해 차동 케이스(22a)로 구동하게 부착된다. 또한, 유성 기어(34c)는 전달 샤프트(30)에 구동하게 연결된다. 태양 기어(34a)는 전달 샤프트(26)에 스플라인된다. 링 기어(34b)는 제2 클러치를 사용하여 차축 하우징(13)과 선택적으로 체결된다. 추가적으로, 링 기어(34b)는 전달 샤프트(30)를 통해 유성 기어(28c)와 위상 고정(phase lock)된다.
몇몇 실시예들에서, 샤프트(34)는 로터 샤프트(12a) 및 차축 샤프트(18a)와 둥축인 중공 샤프트이다.
몇몇 실시예들에서, 클러치(38)는 유압식 마찰 클러치 팩이다; 그러나, 다른 클러칭 디바이스들의 사용이 가능하다.
몇몇 실시예들에서, 제1 클러치 및 제2 클러치(32, 38)는 클러치 스프링과 함께 교번하게(alternatively) 배치된 클러치 플레이트들 및 클러치 디스크들과 클러치 하우징 내의 클러치 피스톤을 포함한다. 클러치 플레이트들 및 디스크들의 수는 가변할 수 있다. 미리 결정된 특정한 압력과 동일하거나 또는 그보다 더 큰 압력이, 동력이 인가되고 있는, 클러치 피스톤에 가해지면, 교번하게 배치된 클러치 디스크들 및 클러치 플레이트들은 클러치를 체결하도록 서로에 대항하여 압축될 수 있다. 마찰 클러치에 가해진 유압이 미리 결정된 압력 미만으로 감소하면, 마찰 클러치 디스크들 및 플레이트들는 슬라이딩(slide)되고 그리고 마찰 클러치에 가해진 유압이 추가적으로 감소하면, 마찰 클러치는 체결해제(disengage)된다. 유압식 마찰 클러치들(32, 38)은, 부드럽게 그리고 빠르게, 체결 및 체결해제 상태들 사이에서 스위칭 될 수 있으며, 그리하여 부드러운 기어 변경들을 제공한다.
클러치들(32, 38)은 임의의 적합한 액추에이터(미도시)에 의해 작동될 수 있다. 액추에이터는 대안적으로 전기식, 전자기식, 공압식 또는 유압식 모터, 솔레노이드 또는 선형 및 회전 운동을 출력할 수 있는 임의의 다른 액추에이터들일 수 있음을 이해하도록 한다.
또한, 유압 마찰 클러치들(32, 38)은 클러칭 엘리먼트들의 다른 형태들에 의해 대체될 수 있다.
전기 트랜스액슬 유닛(10)은 선택적으로 클러치들(32, 38)을 체결 및 체결해제함으로써 다수의 동작 속도들을 제공한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 동작 모드 또는 제1 기어 비에서 동작하기 위해, 전기 모터(12)의 회전은 로터 샤프트(12a)를 통해 제1 태양 기어(24a)에 전달되고 고정된 속도 비에서 유성 기어 세트(24)를 통해 유성 캐리어(24d)로 전달된다. 그 다음에 회전은 전달 샤프트(26)를 통해 전달된다. 제1 동작 모드에서는, 제1 클러치(32)는 체결되지 않고, 제2 링 기어(28b)는 차축 하우징과 체결되지 않으며, 회전 운동은 전달 샤프트(26)를 통해 제3 유성 기어 세트(34)로 전달된다. 추가적으로, 제3 링 기어(34c)를 차축 하우징(13)과 연결시키는 제2 클러치(38)가 체결되며, 회전 에너지는 제3 태양 기어(34a) 및 제3 유성 캐리어(34d)를 통해 차동 케이스(22a)를 통해 차동 어셈블리(22)로 전달된다. 그리하여, 변속기(20)의 제1 속도 비는 유성 기어 세트(24)의 구조에 의해 결정되며, 특히, 태양 기어(24a) 및 링 기어(24b)의 톱니 개수들에 의해 결정된다. 임의의 미리결정된 속도 비는 태양 기어(24a) 및 링 기어(24b)의 톱니 개수들을 변경함으로써 선택될 수 있다. 제1 속도 비는 변속기(20)에 의해 제공되는 최대 속도 비이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제2 동작 모드 또는 제2 기어비에서 동작하기 위해, 전기 모터(12)의 회전은 로터 샤프트(12a)를 통해 제1 태양 기어(24a)로 전달되고 고정된 속도 비에서 유성 기어 세트(24)를 통해 유성 캐리어(24d)로 전달된다. 그 다음에 회전 운동은 전달 샤프트(26)를 통해 전달된다. 제1 클러치(32)가 체결되고 제2 링 기어(28b)는 차축 하우징(13)과 회전하게 고정(rotationally lock)된다. 제2 유성 기어 세트(28)는 전달 샤프트(26) 및 제3 유성 기어 세트(34) 모두에 구동하게 연결된다. 회전 에너지는 전달 샤프트(26) 및 태양 기어(34a)를 통해 제3 유성 기어 세트(34)로 전달되고 그리고 추가적으로 태양 기어(34a)는 제2 태양 기어(28a) 및 유성 캐리어(28d)를 통해 제3 링 기어(34c)로 전달되어, 제2 속도 비를 제공한다.
몇몇 실시예들에서, 제2 속도 비는 제1 속도 비보다 낮다.
제3 유성 캐리어(34d)는 출력 기어(34e) 및 차동 케이스(22a)를 통해 차동 어셈블리(22)에 구동하게 연결된다. 차동 케이스(22a) 및 차동 기어 배치(22b)는 상이한 속도들로 2개의 휠들(14, 16)에 회전 운동을 배분한다.
전기 트랜스액슬 유닛(10)을 위한 콤팩트 패키징은 단일 차축 하우징(13)내에 전기 모터(12)의 동축 배치, 전달 샤프트(26)를 구비하는 변속기(20) 및 차축 절반 샤프트들(18a, 18b)을 구비하는 차동 어셈블리(22)에 의해 제공된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 다른 실시예에서, 제1 유성 기어 세트는 연속 가변 유성(CVP) 변속기(124)로 교체될 수 있다. CVP(124)는 US 20060084549에 기재된 바와 같을 수 있으며, US 20060084549는 전체로서 여기에 참조로 통합된다. 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, CVP(124)는 제1 링 어셈블리(140) 및 제2 링 어셈블리(142)를 포함할 수 있고 그리고 제1 링 어셈블리(140) 및 제2 링 어셈블리(142) 사이에 배치된 캐리어 어셈블리(144)(또한, "배리에이터(variator) 캐리어 어셈블리" 또는 "배리에이터 캐리어"로 지칭됨)를 포함한다. 전형적으로, 캐리어 어셈블리(144)는 본 명세서에 기재된 바와 같이 기울일 수 있는 차축 샤프트들을 갖는 복수의 배리에이터 볼들(146)을 포함한다.
몇몇 실시예들에서, 제1 링 어셈블리(140)는 캐리어 어셈블리(144)의 복수의 배리에이터 볼들(146)과 구동하게 결합되는 제1 배리에이터 볼 체결 표면(148a)을 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 제1 링 어셈블리(140)는 입력 샤프트(152)에 구동하게 체결될 수 있다. 제2 링 어셈블리(142)는 캐리어 어셈블리(144)의 복수의 배리에이터 볼들(146)과 구동하게 결합되는 제2 배리에이터 볼 체결 표면(148b)을 포함한다. 제2 링 어셈블리(142)는 출력 샤프트(154)에 구동하게 체결된다.
회전 운동은 전기 모터(12)로부터 로터 샤프트(12a)를 통해 CVP(124)의 입력 샤프트(152)로 전달된다. CVP(124)의 출력 샤프트(154)는 전달 샤프트(26)에 구동하게 연결된다. CVP(124)는 동력 전달의 임의의 방해 없이 속도 비를 최소에서 최대 비율로 변경할 수 있는 다중 속도 변속기(20)를 제공한다. 전달 샤프트(26)는 차축 절반 샤프트(18a)의 일부 주위에서 동축방향으로 연장되며, 예를 들어, 스플라이닝에 의해 CVP(124)의 출력 샤프트(154)에 구동하게 연결된다.
몇몇 실시예들에서, 전달 샤프트(26)는 로터 샤프트(12a)와 동축방향인 중공 샤프트이다.
위에서 논의된 바와 같이 전송 샤프트(26)는 회전 운동을 제2 및 제3 유성 기어 세트들(28, 34)에 전달하고 제1 및 제2 클러치들(32, 38)은 속도 비를 변경하기 위해 선택적으로 차축 하우징(13)을 체결한다. 회전 동력은 변속기(20)를 통해 전달되어 그 결과 시스템 상의 축 방향 스러스트(thrust)가 없으며 축 방향으로 로딩된 베어링 지지들을 요구하지 않는다.
변속기(20)를 통해 전달되는 운동은 가역적일 수 있다. 그리하여, 차량의 정상적인 전진 주행 동작 동안, 전기 모터(12)는 정상적으로 한다. 차량의 기어 시프트가 역방향 위치 또는 동작에 들어가게 되면, 전기 모터(12)는 역방향으로 회전할 것이다. 그 결과, 두 휠들(14, 16)은 역방향으로 구동된다.
몇몇 실시예들에서, 전기 모터(12)의 동작은 자신과 연결된 제어기(미도시)에 의해 제어된다. 제어기는 차량 ECU(전자 제어 유닛), 차량 ECU 내의 서브 모듈, 차량 ECU와 통신하는 개별 제어기 등일 수 있다. 제어기는 기어 시프트, 가속 페달 및 다른 페달들로의 동작들에 관한 정보뿐만 아니라 다른 관련 정보를 포함하는 모터 차량의 오퍼레이터로부터의 명령들을 수신할 수 있고, 그 다음에 원하는 속도에서 원하는 방향으로 회전하도록 전기 모터(12)를 제어한다. 추가적으로, 클러치들(32, 38)의 작동은 모터 차량의 오퍼레이터로부터의 명령들 및 휠 속도들 등을 포함하지만 이에 한정되지는 않는 적어도 하나의 차량 파라미터에 따른 차량 주행 조건들에 응답하여 ECU에 의해 제어된다.
시프팅 프로세스 동안, ECU는 전기 모터(12) 및 클러치들(32, 38)을 제어한다. ECU는 시프팅 명령을 수신하거나 또는 속도 비 시프팅을 자동적으로 개시할 것인지를 결정하고, ECU는 전기 모터(12)의 토크를 제어한다. 추가적으로, ECU는 원하는 속도 비를 달성하기 위해, 액추에이터를 이용하여 클러치들(32, 38)을 선택적으로 체결하거나 또는 체결해제한다.
상기 설명은 예시적이며 한정하도록 의도되지 않음을 이해해야 할 것이다. 많은 실시예들은 상기 설명을 통해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다. 그러나, 실시예들의 범위는 위의 설명과 관련하여서가 아니라 첨부된 청구항들 및 청구항들이 법에 의해 인정받는 동등물(equivalent)들의 전체 범위와 관련하여 결정되어야 한다.

Claims (15)

  1. 다중 속도 변속기(multi-speed transmission)로서,
    자신으로 구동하게 연결되고 차축 하우징 내부에 배치된 중심축을 정의(define)하는 중공 로터 샤프트(hollow rotor shaft)를 가지는 전기 모터;
    제1 유성 기어 세트 ­ 상기 제1 유성 기어 세트는, 상기 중심 축 주위에서 회전가능하며 상기 로터 샤프트에 구동하게 연결된 제1 태양 기어;
    상기 차축 하우징에 회전하게 고정된(rotationally fixed)제1 링 기어;
    상기 제1 태양 기어 및 상기 제1 링 기어에 구동하게 체결된 제1 유성 기어; 및
    상기 제1 유성 기어를 지지하고 제1 전달 샤프트에 구동하게 연결된 제1 유성 캐리어를 포함함 ­ ;
    제2 유성 기어 세트 ­ 상기 제2 유성 기어 세트는, 상기 중심 축 주위에서 회전가능하며 상기 제1 전달 샤프트에 구동하게 연결된 제2 태양 기어;
    상기 차축 하우징에 선택적으로 고정된(selectively fixed) 제2 링 기어;
    상기 제2 태양 기어 및 상기 제2 링 기어에 구동하게 체결된 제2 유성 기어; 및
    상기 제2 유성 기어를 지지하는 제2 유성 캐리어를 포함함 ­ ;
    제3 유성 기어 세트 ­ 상기 제3 유성 기어 세트는, 상기 중심 축 주위에서 회전가능하며 상기 제1 전달 샤프트에 구동하게 연결된 제3 태양 기어;
    상기 제2 유성 캐리어에 구동하게 연결되고 상기 차축 하우징에 선택적으로 고정된 제3 링 기어;
    상기 제3 태양 기어 및 상기 제3 링 기어에 구동하게 체결된 제3 유성 기어; 및
    출력 기어에 구동하게 연결된 제3 유성 캐리어를 포함함­;
    상기 제2 링 기어를 회전하게 고정시키기 위해 선택적으로 체결된 제1 클러치; 및
    상기 제3 링 기어를 회전하게 고정시키기 위해 선택적으로 체결된 제2 클러치를 포함하고,
    상기 로터 샤프트 및 상기 제1 전달 샤프트는 서로에 대해 동축방향(coaxial)인, 다중 속도 변속기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 변속기는 상기 제1 클러치가 체결해제(disengage)되고 상기 제2 클러치가 체결되는 경우 제1 속도 비를 제공하고, 상기 제2 클러치가 체결해제되고 상기 제1 클러치가 체결되는 경우 제2 속도 비를 제공하는, 다중 속도 변속기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 클러치 및 상기 제2 클러치는 유압식 마찰 클러치들인, 다중 속도 변속기.
  4. 제1항에 있어서,
    제1 속도 비는 제2 속도 비보다 더 큰, 다중 속도 변속기.
  5. 전기 트랜스액슬 유닛(electric transaxle unit)으로서,
    제1항의 다중 속도 변속기;
    상기 차축 하우징을 통하여 연장되는 2개의 차축 절반(half) 샤프트들; 및
    상기 2개의 차축 절반(half) 샤프트들에 구동하게 연결된 차동 기어 배치 및 상기 차동 기어 배치를 하우징하는 차동 케이스를 포함하는 차동 어셈블리를 포함하며,
    상기 전기 모터, 상기 차동 어셈블리, 상기 제1 유성 기어 세트, 상기 제2 유성 기어 세트 및 상기 제3 유성 기어 세트는 상기 차축 하우징 내부에 배치되고, 그리고 상기 출력 기어는 상기 차동 케이스에 연결되는 전기 트랜스액슬 유닛.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 2개의 차축 절반(half) 샤프트들, 상기 로터 샤프트 및 상기 전달 샤프트들은 서로에 대해 동축방향인, 전기 트랜스액슬 유닛.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 클러치는 선택적으로 상기 제2 링 기어를 상기 차축 하우징에 고정시키고 상기 제2 클러치는 선택적으로 상기 제3 링 기어를 상기 차축 하우징에 고정시키는, 전기 트랜스액슬 유닛.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 로터 샤프트 및 일 차축 절반 샤프트는 동축방향 스플라인들에 의해 서로에 대하여 결합되고 상기 제1 전달 샤프트 및 일 차축 절반 샤프트는 동축방향 스플라인들에 의해 서로에 대하여 결합되는, 전기 트랜스액슬 유닛.
  9. 다중 속도 변속기로서, 자신으로 구동하게 연결되고 차축 하우징 내부에 배치된 중심 축을 정의하는 중공 로터 샤프트를 가지는 전기 모터;
    상기 로터 샤프트와 결합된 제1 링 어셈블리, 상기 제1 링 어셈블리와 구동하게 체결된 다수의 기울일 수 있는 배리에이터 볼(variator ball)들을 포함하는 캐리어 어셈블리 및 상기 다수의 기울일 수 있는 배리에이터 볼들 및 제1 전달 샤프트와 구동하게 체결된 제2 링 어셈블리를 포함하는 CVP;
    제1 유성 기어 세트 - 상기 제1 유성 기어 세트는, 상기 중심 축 주위에서 회전가능하며 상기 제1 전달 샤프트에 구동하게 연결된 제1 태양 기어;
    상기 차축 하우징에 선택적으로 고정된 제1 링 기어;
    상기 제1 태양 기어 및 상기 제1 링 기어에 구동하게 체결된 제1 유성 기어; 및
    상기 제1 유성 기어를 지지하는 제1 유성 캐리어를 포함함 - ;
    제2 유성 기어 세트 - 상기 제2 유성 기어 세트는, 상기 중심 축 주위에서 회전가능하며 상기 제1 전달 샤프트에 구동하게 연결된 제2 태양 기어;
    상기 차축 하우징에 선택적으로 고정되고 상기 제1 유성 캐리어와 구동하게 체결된 제2 링 기어;
    상기 제2 태양 기어 및 상기 제2 링 기어에 구동하게 체결된 제2 유성 기어; 및
    출력 기어에 구동하게 연결되는 제2 유성 캐리어를 포함함 - ;
    상기 제1 링 기어를 회전하게 고정시키기 위해 선택적으로 체결된 제1 클러치; 및
    상기 제2 링 기어를 회전하게 고정시키기 위해 선택적으로 체결된 제2 클러치를 포함하고,
    상기 로터 샤프트와 상기 제1 전달 샤프트는 서로에 대해 동축방향인, 다중 속도 변속기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 변속기는 상기 제1 클러치가 체결해제되고 상기 제2 클러치가 체결되는 경우 제1 속도 비를 제공하고, 상기 제2 클러치가 체결해제되고 상기 제1 클러치가 체결되는 경우 제2 속도 비를 제공하는, 다중 속도 변속기.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제1 클러치 및 상기 제2 클러치가 유압식 마찰 클러치인, 다중 속도 변속기.
  12. 전기 트랜스액슬 유닛으로서,
    제9항의 다중 속도 변속기;
    상기 차축 하우징을 통하여 연장되는 2개의 차축 절반(half) 샤프트들; 및
    상기 2개의 차축 절반(half) 샤프트들에 구동하게 연결된 차동 기어 배치 및 상기 차동 기어 배치를 하우징하는 차동 케이스를 포함하는 차동 어셈블리를 포함하며,
    상기 전기 모터, 상기 차동 어셈블리, 상기 CVP, 상기 제1 유성 기어 세트 및 상기 제2 유성 기어 세트는 상기 차축 하우징 내부에 배치되고,
    상기 출력 기어는 상기 차동 케이스에 연결되는, 전기 트랜스액슬 유닛.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 2개의 차축 절반 샤프트들, 상기 로터 샤프트 및 상기 제1 전달 샤프트는 서로에 대해 동축방향인, 전기 트랜스액슬 유닛.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 로터 샤프트 및 일 차축 절반 샤프트는 동축방향 스플라인들에 의해 서로에 대하여 결합되고 상기 제1 전달 샤프트 및 일 차축 절반 샤프트는 동축방향 스플라인들에 의해 서로에 대하여 결합되는, 전기 트랜스액슬 유닛.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 제1 클러치는 선택적으로 상기 제1 링 기어를 상기 차축 하우징에 고정시키고 상기 제2 클러치는 선택적으로 상기 제2 링 기어를 상기 차축 하우징에 고정시키는, 전기 트랜스액슬 유닛.

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