KR20210047734A - 전기 자동차 구동 장치 - Google Patents

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KR20210047734A
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bypass
electric vehicle
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KR1020190131676A
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김윤욱
안영찬
성창우
이정구
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엘지전자 주식회사
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Abstract

다양한 실시예에 따르면, 전기 자동차 구동 장치는, 구동 모터, 복수의 샤프트들, 유성기어세트를 포함하는 복수의 기어들, 동기장치, 및 클러치를 포함할 수 있다. 상기 전기 자동차 구동 장치는, 구동 모터와 연결된 입력 샤프트와 차륜과 연결된 출력 샤프트가 동축 방향으로 배치되는 co-axial 구조를 가질 수 있으며, 동기장치 및 클러치의 제어에 기반하여, 변속 시 동력 우회 경로를 통해 연속적으로 차륜에 동력을 전달할 수 있다. 상기 전기 자동차 구동 장치는 공간 활용도가 개선될 뿐 아니라, 변속 충격을 최소화하여 변속감을 향상시킬 수 있다.

Description

전기 자동차 구동 장치{DRIVING APPARATUS FOR ELECTRIC VEHICLE}
본 개시의 다양한 실시예는, 전기 자동차의 구동 장치에 관한 것이다.
최근 공해를 유발하는 석유를 동력원으로 하는 자동차를 대체하여, 전력를 동력원으로 이용하거나, 또는 전력과 석유를 함께 동력원으로 이용하는, 전기 자동차에 대한 수요가 증가하고 있다.
이러한 전기 자동차는, 내부에 구비된 배터리를 통해 제공받는 전력을 이용하여 차륜을 구동할 수 있으므로, 전기 자동차의 무게 및 부피를 최소화하여 주행가능거리를 극대화하고자 하는 다양한 개발들이 수행되고 있다.
종래의 전기 자동차에서는 구동 모터에서 발생하는 동력을 단순한 감속기로 감속하는 방식으로 차륜을 구동하는 방식이 적용되었으나, 근래에는 고속 주행 상황 등에서도 고성능 주행이 가능한 전기 자동차가 요구됨에 따라 2속 이상의 변속 기능을 제공할 것이 요구받는 추세이다. 이와 관련하여 아래와 같은 선행문헌이 공개된 바 있다.
1. 공개번호: 제10-2013-013283호 (공개일: 2013년 02월 06일)
2. 발명의 명칭: 전기자동차용 2단 변속기
상기 선행문헌에서는 1개의 마찰클러치와 2개의 원웨이 클러치 또는 1개의 마찰클러치와 1개의 양방향 클러치를 이용하여 2단 변속 구현이 가능하도록 하는 전기자동차용 2단 변속장치를 개시한다.
상기 선행문헌을 포함한 종래의 전기자동차용 2단 변속장치는, 입력샤프트, 동력전달샤프트, 및 출력샤프트의 3개의 샤프트가 오프셋 방식으로서 각각 서로 다른 선 상에 배치되도록 고안되었으며, 이 경우 입력 샤프트와 연결되는 모터를 기준으로, 출력 샤프트가 위치하는 영역까지 변속장치가 상당한 부피를 차지하기 되어, 전기 자동차의 공간 활용이 어려워지는 문제가 있을 수 있다.
또한, 상기 선행문헌을 포함한 종래의 전기자동차용 2단 변속장치는, 2개 이상의 마찰 클러치를 포함하거나, 1개의 마찰 클러치와 2개의 원웨이 클러치를 포함하거나, 1개의 마찰 클러치와 1개의 양방향 클러치를 포함함으로써 상기 2단 변속을 구현하는 바, 구성이 복잡하고, 제조 원가가 증가하는 등의 다양한 문제가 있을 수 있다.
또한, 상기 선행문헌을 포함한 종래의 전기자동차용 2단 변속장치는, 차륜에 전달되어야 할 동력이 변속 도중 차단되게 되어, 사용자에게 변속 충격이 가해지는 문제를 고려하지 않은 문제가 있으며, 이를 고려하여 추가적인 설계를 고안할 경우 종래의 변속장치보다 부피가 더 커지고, 구성이 더 복잡해지며, 더욱 무거워지고, 제조 원가는 더욱 증가할 수 있다.
본 명세서의 다양한 실시예들은, 전기 자동차의 내부 구성에 대한 공간 활용도를 개선하고, 최소한의 부품 활용을 통해 다단 변속 기능을 제공하며, 변속 충격을 최소화할 수 있는 기능을 제공하는 전기 자동차 구동 장치를 개시하고자 한다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 다양한 실시예에 따른 전기 자동차 구동 장치는, 구동 모터, 복수의 샤프트들, 유성기어세트를 포함하는 복수의 기어들, 동기장치, 및 클러치를 포함할 수 있다. 상기 전기 자동차 구동 장치는, 구동 모터와 연결되는 입력 샤프트와 차륜과 연결되는 출력 샤프트가 동축 방향으로 배치될 수 있으며, 동기장치 및 클러치의 제어에 기반하여, 변속 시 동력 우회 경로를 통해 연속적으로 차륜에 동력을 전달할 수 있다.
예를 들어, 다양한 실시예에 따른 전기 자동차 구동 장치는, 구동 모터와 연결된 입력 샤프트 및 상기 입력 샤프트와 동축 방향으로 배치된 출력 샤프트; 상기 입력 샤프트 외측에 배치된 모터기어와 외접하여 맞물리고, 우회 샤프트의 외측에 배치되는 우회기어; 상기 우회 샤프트 외측에 배치된 유성기어세트; 상기 우회 샤프트와 동축 방향으로 배치된 출력 샤프트의 외측에 배치된 제1출력기어 및 제2출력기어; 및 상기 유성기어세트의 캐리어 또는 상기 우회 샤프트에 선택적으로 결합되어, 상기 캐리어 또는 상기 우회 샤프트 중 어느 하나로부터 상기 제1출력기어에 동력을 선택적으로 전달하는 동기장치; 및, 상기 우회 샤프트로부터의 동력을 상기 제2출력기어에 선택적으로 전달하는 클러치를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 입력 샤프트 및 상기 변속 샤프트는 중공축으로 구성되고, 상기 출력 샤프트 및 상기 우회 샤프트는 중실축으로 구성될 수 있다.
예를 들어, 상기 클러치는, 상기 동기장치가 상기 캐리어 또는 상기 우회 샤프트 중 어느 하나와 상기 변속 샤프트를 결합한 경우, 상기 우회 샤프트와 상기 제2출력기어 간의 동력 전달을 제한하고, 상기 동기장치가 상기 캐리어 또는 상기 우회 샤프트 중 어느 하나와 상기 변속 샤프트와의 결합을 해제한 경우, 상기 우회 샤프트와 상기 제2출력기어 간 동력을 전달하도록 작동할 수 있다.
예를 들어, 상기 동기장치는, 상기 우회 샤프트의 축 방향을 따라 상대 이동하는 슬리브를 포함하고, 상기 슬리브가 상기 캐리어 또는 상기 우회 샤프트 중 어느 하나의 구성와 접합되는 것에 기반하여, 상기 슬리브와 접합된 구성과 상기 변속 샤프트를 결합할 수 있다.
예를 들어, 상기 유성기어세트는, 선기어, 상기 선기어를 둘러싸도록 배치된 링기어, 및 상기 선기어의 외주면 및 상기 링기어의 내주면에 각각 외접하여 맞물리도록 배치된 피니언기어들을 포함하고, 상기 링기어는 상기 전기 자동차 구동 장치의 하우징에 고정되어 구동이 제한될 수 있다.
예를 들어, 상기 우회 샤프트 및 상기 제2출력기어를 따라 전달되는 동력의 제3속 기어비는, 상기 캐리어 및 상기 제1출력기어를 따라 전달되는 동력의 제1속 기어비와, 상기 우회 샤프트 및 상기 제1출력기어를 따라 전달되는 동력의 제2속 기어비 사이의 크기를 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 클러치는, 마찰 클러치를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 출력 샤프트의 외측에 배치되고, 상기 제1출력기어 또는 상기 제2출력기어로부터 선택적으로 동력을 전달받는 차동기어를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 동기장치 및 상기 클러치와 전기적으로 연결된 프로세서를 더 포함하고, 상기 프로세서는, 전기적 신호에 기반하여 상기 동기장치 및 상기 클러치의 작동을 제어할 수 있다.
예를 들어, 상기 프로세서는, 제1신호에 기반하여, 상기 캐리어 또는 상기 우회 샤프트 중 어느 하나와 상기 변속 샤프트 간의 결합을 해제하도록 상기 동기장치를 제어하고, 상기 우회 샤프트와 상기 제2출력기어 간 동력을 전달하도록 상기 클러치를 접합하며, 제2신호에 기반하여, 상기 우회 샤프트와 상기 제2출력기어 간 동력 전달을 제한하도록 상기 클러치의 접합을 해제하고, 상기 캐리어 또는 상기 우회 샤프트 중 어느 하나와 상기 변속 샤프트를 결합하도록 상기 동기장치를 제어할 수 있다.
예를 들어, 상기 차동기어는, 상기 제1신호에 기반하여 상기 동기장치 및 상기 클러치가 제어된 경우, 상기 제1출력기어를 통해 상기 구동 모터의 동력을 전달받고, 상기 제2신호에 기반하여 상기 동기장치 및 상기 클러치가 제어된 경우, 상기 제2출력기어를 통해 상기 구동 모터의 동력을 전달받을 수 있다.
예를 들어, 상기 클러치는, 상기 우회 샤프트의 끝단부에 배치될 수 있다.
예를 들어, 상기 입력 샤프트는 상기 구동 모터에 연결되어 상기 구동 모터에서 발생하는 동력에 따라 회전할 수 있다.
예를 들어, 상기 출력 샤프트는, 상기 동기장치가 상기 캐리어와 상기 변속 샤프트를 결합한 경우, 상기 캐리어가 상기 우회 샤프트를 중심으로 회전하는 것에 기반하여 상기 캐리어와 일체로 회전할 수 있다.
예를 들어, 상기 차동기어는, 상기 제1출력기어 및 상기 제2출력기어와 각각 외접하여 맞물리도록 배치될 수 있다.
다양한 실시예에 다른 전기 자동차 구동 장치는, 구동 모터; 입력 샤프트, 상기 입력 샤프트와 동축 방향으로 배치된 출력 샤프트, 상기 입력 샤프트와 이격 배치된 우회 샤프트, 및 상기 우회 샤프트와 동축 방향으로 배치된 변속 샤프트를 포함하는, 복수의 샤프트들; 상기 입력 샤프트의 외주면에 결합된, 모터기어; 상기 우회 샤프트의 외주면에 결합되며, 상기 모터기어와 외접하여 맞물리는, 우회기어; 상기 우회 샤프트의 외주면에 결합된 선기어, 상기 선기어를 둘러싸도록 고정 배치된 링기어, 상기 선기어의 외주면 및 상기 링기어의 내주면에 각각 외접하여 맞물리도록 배치된 피니언기어들, 및 상기 피니언기어들 각각의 회전 샤프트들과 결합된 캐리어를 포함하는, 유성기어세트; 상기 변속 샤프트의 외주면에 결합된, 제1출력기어 및 상기 제1출력기어와 이격된 제2출력기어를 포함하는, 복수의 출력기어들; 상기 캐리어 또는 상기 우회 샤프트 중 어느 하나를 상기 변속 샤프트에 선택적으로 결합하는 동기장치; 및 상기 우회 샤프트와 상기 제2출력기어 간 동력 전달을 선택적으로 제어하는 클러치를 포함할 수 있다.
다양한 실시예에 따른 전기 자동차 구동 장치에 따르면, 2속 이상의 변속 기능을 제공하는 변속장치를co-axial 타입으로 구현하여, 전기 자동차 내부의 공간 활용성을 개선할 수 있다. 특히 유성기어세트를 통해 변속장치가 차지하는 공간이 최소화된 구조를 제공할 수 있으며, 충분한 감속비를 구현할 수 있다.
또한, 변속 도중에도 차륜에 연속적인 동력 전달이 가능하도록, 변속 시 동력의 우회 경로를 형성함으로써, 사용자가 느끼는 변속 충격을 최소화할 수 있으며, 이를 통해 주행 성능이 개선된 전기 자동차를 제공할 수 있다.
도 1은 본 개시의 다양한 실시예에 따른 전기 자동차 구동 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 본 개시의 일 실시예에 따른 전기 자동차 구동 장치의 일 동작 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 본 개시의 일 실시예에 따른 전기 자동차 구동 장치의 일 동작 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 본 개시의 일 실시예에 따른 전기 자동차 구동 장치의 일 동작 상태를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함 만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 다양한 실시예에 따른 전기 자동차 구동 장치는, 구동 모터(50) 및 상기 구동 모터(50)로부터 동력을 전달받아 차륜으로 제공하는 변속장치(또는 기어박스)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 구동 모터(50)는, 전기 자동차에 구비된 배터리를 이용하여 동력(예: 회전력)을 발생시킬 수 있는 장치를 포함할 수 있다. 상기 배터리는, 전기 자동차에 전력을 공급하기 위한 구성으로, 반복적인 충전과 방전이 가능한 2차 전지 또는 연료 전지를 포함할 수 있다. 즉, 구동 모터(50)는 상기 배터리로부터의 전기 에너지를 운동 에너지로 전환하여 동력을 제공할 수 있다.
상기 구동 모터(50)로부터 발생된 동력은, 변속장치에서 감속 또는 변속되어 차륜으로 제공될 수 있다.
상기 변속장치는, 복수의 샤프트들 및 복수의 기어들, 그리고 이들 구성 중 적어도 하나를 선택적으로 연결할 수 있는 동기장치(250) 및 클러치(350)를 포함할 수 있다.
예컨대, 복수의 샤프트들은, 구동 모터(50)와 직접적으로 연결되는 입력 샤프트(100), 그리고 기어를 통해 상기 구동 모터(50)와 간접적으로 연결되는 우회 샤프트(300), 변속 샤프트(200, 200'), 및 출력 샤프트(400)를 포함할 수 있다.
입력 샤프트(100)는 구동 모터(50)에 직접 연결되어 구동 모터(50)와 일체로 구동될 수 있다.
우회 샤프트(300)는 상기 입력 샤프트(100)와 이격 배치되어 축 방향을 따라 연장될 수 있다.
변속 샤프트(200, 200')는 상기 우회 샤프트(300)와 동축 방향(coaxial)으로 배치될 수 있다. 예컨대 변속 샤프트(200, 200')는 중공축으로 구성되고, 우회 샤프트(300)는 중실축으로 구성되어, 하나의 축 상에 배치될 수 있다.
출력 샤프트(400)는, 상기 입력 샤프트(100)와 동축 방향으로 배치될 수 있다. 출력 샤프트(400)는 전기 자동차의 차륜(예: 전륜 및/또는 후륜)과 연결될 수 있으며, 상기 변속 샤프트(200, 200') 또는 우회 샤프트(300)로부터 동력을 전달받아 상기 차륜에 동력을 제공할 수 있다. 예컨대, 입력 샤프트(100) 및 출력 샤프트(400)는 구동 모터(50) 및 차륜(미도시)과 함께 동축 방향으로 배치될 수 있다. 예컨대, 입력 샤프트(100)는 중공축으로 구성되고, 출력 샤프트(400)는 중실축으로 구성되어 하나의 축 상에 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 다양한 실시예에 따른 전기 자동차 구동 장치는, 입력 샤프트(100)와 출력 샤프트(400)가 동축 상에 배치되어, 전기 자동차 내부의 다른 구성요소들과의 배치 관계에 있어서 보다 용이한 설계 구현이 가능하도록 할 수 있다.
비교 예로서, 전기 자동차 구동 장치에서 입력 샤프트(100)와 출력 샤프트(400)가 오프셋 방식으로서 서로 다른 축 상에 배치되는 경우, 전술한 coaxial 방식의 전기 자동차 구동 장치보다, 입력 샤프트(100)의 반경 방향으로 상대적으로 큰 부피를 차지할 수 있고, 다른 구성요소들을 배치할 수 있는 위치가 상대적으로 제한될 수 있다. 즉, 본 개시의 다양한 실시예에 따른 전기 자동차 구동 장치는, 전기 자동차의 공간 활용성을 극대화할 수 있다.
더욱이 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전기 자동차 구동 장치는, 실질적으로 입력 샤프트(100)와 출력 샤프트(400), 그리고 변속 샤프트(200, 200')와 우회 샤프트(300)의 2개 축 방향으로 샤프트들이 구비되어, 보다 컴팩트한 크기의 변속장치로서 변속 기능을 제공할 수 있다.
일 실시예에서 상기 입력 샤프트(100)와 상기 우회 샤프트(300)는 평행하게 이격 배치될 수 있다. 다만 이러한 배치 구조에 한정되는 것은 아니며, 전기 자동차의 다른 구성요소들 간의 배치 위치에 따라 다양한 설계 변형이 가능할 수 있다. 예를 들어, 다른 실시예로서 입력 샤프트(100)와 우회 샤프트(300)는 상호 간에 소정의 간격을 갖도록 평행하지 않게 배치될 수도 있다.
복수의 기어들은, 모터기어(110), 우회기어(210), 유성기어세트, 복수의 출력기어들, 및 차동기어(500)를 포함할 수 있다.
모터기어(110)는, 입력 샤프트(100)의 외주면에 상기 입력 샤프트(100)와 일체로 결합되어, 구동 모터(50)의 구동에 따라, 입력 샤프트(100)의 회전 축을 중심으로 회전할 수 있다.
우회기어(210)는, 모터기어(110)와 외접하여 맞물리며, 우회 샤프트(300)의 외주면에 결합되어 상기 우회 샤프트(300)와 일체로 구동될 수 있다. 우회기어(210)는 모터기어(110)의 구동에 따라 상기 우회 샤프트(300)의 회전 축을 중심으로 회전할 수 있다.
유성기어세트는, 선기어(310), 복수의 피니언기어들(320), 링기어(330), 및 캐리어(340)를 포함할 수 있다.
선기어(310)는, 우회 샤프트(300)의 외주면에 결합될 수 있으며, 상기 우회기어(210)의 구동에 따라 상기 우회 샤프트(300)가 일체로 회전할 때, 상기 우회 샤프트(300)의 회전 축을 중심으로 함께 회전할 수 있다.
링기어(330)는, 선기어(310)의 외주면과 이격되되 상기 선기어(310)를 둘러싸는 형태로 배치될 수 있다. 상기 이격된 공간에는 복수의 피니언기어들(320)이 위치할 수 있다. 상기 링기어(330)는 변속장치의 하우징에 일체로 고정되어 구동이 제한될 수 있다.
피니언기어들(320)은, 선기어(310)의 외주면과 링기어(330)의 내주면에 각각 외접하여 맞물릴 수 있다. 상기 피니언기어들(320)은 일정 간격을 두고 상호 이격되어 복수개로 구비될 수 있으며, 상기 선기어(310)의 구동에 따라 우회 샤프트(300)의 회전 축을 중심으로 공전 운동함과 동시에 상기 피니언기어들(320) 각각의 회전 샤프트들을 중심으로 자전 운동할 수 있다. 상기 각각의 피니언기어들(320)의 회전 샤프트들은 캐리어(340)에 연결될 수 있다.
캐리어(340)는, 상기 피니언기어들(320)의 공전 운동에 따라, 상기 우회 샤프트(300)의 회전 축을 중심으로 회전할 수 있다.
상기 캐리어(340)는, 동기장치(예: 싱크로나이저)(250)의 작동에 따라 선택적으로 변속 샤프트(예: 제1변속 샤프트(200))에 결합될 수 있다.
예를 들어, 동기장치(250)는, 상기 제1변속 샤프트(200)의 축 방향을 따라 상대 이동하는 슬리브를 포함할 수 있다. 슬리브는 상기 상대 이동에 따라 상기 캐리어(340)와 결합(또는 접합)하거나 또는 우회 샤프트(300)에 결합(또는 접합)할 수 있다. 동기장치(250)는 상기 슬리브를 이용하여 캐리어(340) 또는 우회 샤프트(300)를 상기 제1변속 샤프트(200)에 선택적으로 결합할 수 있다.
예컨대 동기장치(250)가 상기 캐리어(340)와 상기 제1변속 샤프트(200)를 결합할 경우, 제1변속 샤프트(200)는 캐리어(340)와 일체로 구동될 수 있으며, 캐리어(340)로부터의 동력을 제1출력기어(410)에 전달할 수 있다.
예컨대 상기 동기장치(250)가, 상기 우회 샤프트(300)와 상기 제1변속 샤프트(200)를 결합할 경우, 제1변속 샤프트(200)는 상기 우회 샤프트(300)와 일체로 구동되어, 우회 샤프트(300)의 동력을 상기 제1출력기어(410)에 전달할 수 있다.
상기 우회 샤프트(300)의 끝단부에는 클러치(350)가 배치될 수 있다.
전기 자동차 구동 장치는, 상기 클러치(350)의 작동에 기반하여, (예컨대, 클러치(350)의 접합 또는 접합 해제에 기반하여) 우회기어(210)와 제2출력기어(420) 간 동력 전달을 선택적으로 제한할 수 있다.
예를 들어, 클러치(350)가 접합될 경우, 우회기어(210)의 동력은 우회 샤프트(300)를 통해 제2출력기어(420)로 전달될 수 있다. 반면, 클러치(350)가 접합 해제될 경우, 상기 우회기어(210)의 동력이 상기 우회 샤프트(300)를 통해 상기 제2출력기어(420)로 전달되지 않도록, 상기 우회 샤프트(300)와 상기 제2출력기어(420) 간 동력 전달이 제한될 수 있다.
클러치(350)는, 다양한 종류의 마찰 클러치 중 어느 하나가 사용될 수 있으며, 기계식, 유압식, 또는 전자식 방식 중 어느 하나의 방식을 통해 작동 가능할 수 있다.
복수의 출력기어들은, 제1출력기어(410) 및 제2출력기어(420)를 포함할 수 있다. 예컨대, 제1출력기어(410)는 제1변속 샤프트(200)의 외주면에 결합되어 상기 제1변속 샤프트(200)와 함께 회전할 수 있다. 예컨대, 제2출력기어(420)는 제2변속 샤프트(200')의 외주면에 결합되어, 상기 제2변속 샤프트(200')와 함께 회전할 수 있다.
예를 들어, 제1출력기어(410)는 동기장치(250)의 작동에 따라, 상기 제1변속 샤프트(200)와 결합된 캐리어(340) 또는 우회 샤프트(300) 중 어느 하나로부터 선택적으로 동력을 전달받을 수 있다. 또한, 제2출력기어(420)는 캐리어(340)의 작동에 따라, 상기 우회 샤프트(300)로부터 동력을 전달받을 수 있다.
복수의 출력기어들은 상호 이격되되 각각 차동기어(500)와 외접하여 맞물리도록 배치될 수 있다.
차동(differential)기어(500)는, 차륜과 연결되는 출력 샤프트(400)의 회전 축을 중심으로 회전 가능하도록 배치될 수 있다.
상기 차동기어(500)는 제1출력기어(410) 또는 제2출력기어(420)를 통해 동력을 전달받을 수 있으며, 상기 전달받은 동력을 통해 출력 샤프트(400)에 연결된 차륜을 구동할 수 있다.
차동기어(500)는 상기 제1출력기어(410) 또는 제2출력기어(420)로부터 연속적으로 구동 모터(50)의 동력을 전달받을 수 있다. 예를 들어, 차동기어(500)는, 제1출력기어(410) 또는 제2출력기어(420) 중 적어도 하나와 치합되어 상기 제1출력기어(410) 또는 제2출력기어(420)의 회전에 따라 구동될 수 있다.
예를 들어, 본 개시의 다양한 실시예에 따른 전기 자동차 구동 장치에서, 구동 모터(50)가 동력을 제공하는 동안에는, 상기 동기장치(250) 및 클러치(350)의 작동에 따라, 제1출력기어(410) 또는 제2출력기어(420)가 선택적으로 구동될 수 있다.
예를 들어, 제1출력기어(410)가 구동되는 동안에는 제2출력기어(42)는 구동되지 않고, 제2출력기어(420)가 구동되는 동안에는 제1출력기어(410)는 구동되지 않도록 제어될 수 있다.
전기 자동차 구동 장치에서, 제1속 기어비에서 제2속 기어비로 변경하거나 제2속 기어비에서 제1속 기어비로 변경하기 위해서는, 상기 제1출력 샤프트(200)와 상기 제1출력기어(410) 간의 동력 전달이 일시적으로 단절되어야 할 수 있다. 본 개시의 다양한 실시예에 따른 전기 자동차 구동 장치는, 이 경우에도 상기 제2출력 샤프트(200') 및 제2출력기어(420)를 통해 차동기어(500)에 연속적으로 동력을 전달할 수 있다.
이하 도 2a 내지 도 4b를 참조하여, 전기 자동차 구동 장치의 동작을 설명하도록 한다.
도 2a 및 도 2b는, 본 개시의 일 실시예에 따른 전기 자동차 구동 장치의 동력 전달 흐름을 설명하기 위한 개략적인 도면이다. 예컨대, 도 2a 및 도 2b는, 상기 전기 자동차 구동 장치가 제1속 기어비로 구동되는 경우의 동력 전달 흐름을 도시한 도면이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 일 실시예에 따른 전기 자동차 구동 장치는, 동기장치(250) 및 클러치(350)의 작동에 따라, 구동 모터(50)의 동력을, 입력 샤프트(100), 모터기어(110), 우회기어(210), 우회 샤프트(300), 선기어(310), 피니언기어들(320), 캐리어(340), 제1출력 샤프트(200), 및 제1출력기어(410)를 따라 순차적으로 전달하여, 차동기어(500)를 따라 차륜으로 제공할 수 있다.
상기 차륜은, 제1속 기어비로 구동될 수 있다. 상기 전기 자동차 구동 장치는, 제1속 기어비로 구동하기 위하여 적어도 3회의 감속 단계를 거칠 수 있는 구조로서 충분한 크기의 감속비를 확보할 수 있다.
상기와 같이, 차륜을 제1속 기어비로 구동하기 위하여, 동기장치(250)는, 도 2a 및 도 2b에 도시된 것과 같이, 캐리어(340)와 제1출력 샤프트(200)를 결합할 수 있다.
예를 들어, 동기장치(250)에 구비된 슬리브가 상기 캐리어(340)와 체결됨에 따라, 동기장치(250)는 상기 캐리어(340)와 상기 제1출력 샤프트(200)를 결합할 수 있고, 이에 따라 캐리어(340)의 구동 시 제1출력 샤프트(200)가 함께 구동될 수 있다.
이 경우, 클러치(350)는, 상기 우회 샤프트(300)와 제2출력 샤프트(200')(또는, 제2출력기어(420)) 간의 동력 전달이 차단되도록, 접합이 해제된 상태일 수 있다. 예를 들어, 클러치(350)가 접합 해제된 경우, 상기 우회기어(210)와 결합된 우회 샤프트(300)와, 상기 제2출력기어(420)와 결합된 제2출력 샤프트(200') 간의 동력 전달이 차단되고, 상기 우회 샤프트(300)와 상기 제2출력기어(420)는 상호 독립적으로 동작할 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 개시의 일 실시예에 따른 전기 자동차 구동 장치의 변속 상태에서의 동력 전달 흐름을 도시한 도면이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하여 설명하기에 앞서, 먼저 도 4a 및 도 4b를 참조하여 설명하기로 한다.
도 4a 및 도 4b는 본 개시의 일 실시예에 따른 전기 자동차 구동 장치의 동력 전달 흐름을 도시한 도면으로, 예컨대 제2속 기어비로 구동되는 상태에서의 동력 전달 흐름을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 일 실시예에 따른 전기 자동차 구동 장치는, 동기장치(250) 및 클러치(350)의 작동에 따라, 구동 모터(50)로부터의 동력이, 입력 샤프트(100), 모터기어(110), 우회기어(210), 우회 샤프트(300), 및 제1출력 샤프트(200)를 따라 전달되어 제1출력기어(410)를 구동하고, 상기 동력은 제1출력기어(410)의 구동에 따라 차동기어(500)에 전달되어 차륜으로 제공될 수 있다.
상기 차륜은 제2속 기어비로 구동될 수 있다. 상기 전기 자동차 구동 장치는, 상기 제2속 기어비로의 구동을 위해 적어도 2회의 감속 단계를 거칠 수 있어 충분한 감속비를 확보할 수 있다.
상기 차륜을 제2속 기어비로 구동하기 위하여, 동기장치(250)는, 제1변속 샤프트(200)와 우회 샤프트(300)를 결합시킬 수 있다. 예컨대 상기 동기장치(250)에 구비된 슬리브는 제1변속 샤프트(200)의 축 방향을 따라 상대 이동하여 상기 우회 샤프트(300)와 연결된 구성과 체결될 수 있으며, 상기 제1변속 샤프트(200)는 상기 우회 샤프트(300)의 회전에 따라 일체로 구동될 수 있다.
클러치(350)는, 상기 도 2a 및 도 2b를 참조하여 설명한 제1속 기어비의 구동 상태와 마찬가지로, 접합 해제된 상태로서, 우회 샤프트(300)의 동력이 제2출력 샤프트(200')를 통해 전달되지 않도록 동력 전달을 제한할 수 있다.
전술한 전기 자동차가 제1속 기어비로 구동되는 상태(도 2a 및 도 2b 참조)에서, 제2속 기어비로 구동되는 상태(도 4a 및 도 4b 참조)로 전환되기 위해서는, 동기장치(250)의 슬리브가 캐리어(340)와의 접합을 해제하고 우회 샤프트(300)와 연결된 구성에 접합되어야 할 수 있다.
이와 반대로 상기 전기 자동차가 제2속 기어비로 구동되는 상태(도 4a 및 도 4b 참조)에서 제1속 기어비로 구동되는 상태(도 2a 및 도 2b 참조)로 전환되기 위해서는, 즉 전기 자동차가 변속을 수행하기 위해서는, 동기장치(250)의 슬리브가 상기 우회 샤프트(300)의 접합을 해제하고 캐리어(340)와 접합되도록 상대 이동 해야할 수 있다.
이처럼, 전기 자동차는 변속을 수행하기 위해 일시적으로 동기장치(250)에 의한 결합이 해제되어야 하고, 이에 따라 제1출력 샤프트(200) 및 제1출력기어(410)를 통한 동력 전달이 일시적으로 제한될 수 있다.
그러나 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 전기 자동차는 변속 시 상기 제1출력 샤프트(200) 및 상기 제1출력기어(410)를 통한 차륜으로의 동력 전달이 제한된 상태에서도, 도 3a 및 도 3b에 도시된 흐름에 따라 차륜에 동력을 연속적으로 전달할 수 있다.
도 3a 및 도 3b를 살펴보면, 본 개시의 일 실시예에 따른 전기 자동차 구동 장치는, 동기장치(250) 및 클러치(350)의 작동에 따라, 구동 모터(50)로부터의 동력을, 입력 샤프트(100), 모터기어(110), 우회기어(210), 및 우회 샤프트(300), 상기 우회 샤프트(300)와 연결된 제2출력 샤프트(200'), 제2출력기어(420), 및 차동기어(500)을 따라 순차적으로 차륜에 전달할 수 있다.
상기 차륜은 제3속 기어비에 따라 구동될 수 있다. 일 실시예에서 상기 제3속 구동비는, 제1속 기어비와 제2속 기어비 사이의 크기를 가지도록 구성될 수 있다.
상기 전기 자동차 구동 장치는, 제1속 기어비에서 제2속 기어비로 변속하거나 또는 제2속 기어비에서 제1속 기어비로 변속하고자 할 경우, 구동 모터(50)의 속도를 각 기어단에 대응하도록 동기화를 수행해야할 수 있다. 전기 자동차 구동 장치는, 변속 시 상기 도 3a 및 도 3b의 동력 흐름 경로에 따라 차륜에 상기 제3속 기어비에 대응하는 동력을 전달할 수 있으며, 이에 따라 상기 동기화에 소요되는 시간을 단축하거나 보다 효율적인 변속을 수행할 수 있다.
도 3a 및 도 3b에서, 동기장치(250)는, 상기 제1출력 샤프트(200)에 캐리어(340) 또는 우회 샤프트(300) 중 어느 구성도 결합하지 않을 수 있다. 이에 따라, 상기 캐리어(340)의 동력 또는 상기 우회 샤프트(300)의 동력은, 상기 제1출력 샤프트(200)에 직접 전달되지 않을 수 있다.
한편, 도 3a 및 도 3b에서, 클러치(350)는, 접합된 상태로서, 상기 우회 샤프트(300)의 동력을 제2출력 샤프트(200')에 전달할 수 있다. 예를 들어, 상기 클러치(350)가 접합된 경우 우회기어(210)와 결합된 우회 샤프트(300)와, 제2출력기어(420)에 결합된 제2출력 샤프트(200')는 상기 클러치(350)의 접합에 따라 연결될 수 있다.
전술한 것과 같이, 본 개시의 다양한 실시예들에 따르면, 전기 자동차 구동 장치는, 제1속 기어비 또는 제2속 기어비로 구동되는 동기 상태에서는, 동기장치(250)(예: 동기장치(250)의 슬리브)를 일 구성과 접합하고, 클러치(350)를 접합 해제하며, 상기 제1속 기어비에서 제2속 기어비로 변속하거나 제2속 기어비에서 제1속 기어비로 변속되는 과정에서의 변속 상태에서는, 상기 동기장치(250)의 접합을 해제하고, 상기 클러치(350)를 접합하여, 연속적으로 차륜에 동력이 전달될 수 있는 구조를 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 전기 자동차 구동 장치는, 동기장치(250) 및 클러치(350)와 전기적으로 연결된 프로세서(미도시)를 더 포함할 수 있다.
상기 전기 자동차 구동 장치는, 상기 프로세서를 통해 동기장치(250) 및 클러치(350)의 작동을 전기적으로 제어할 수 있다.
예를 들어, 전기 자동차 구동 장치에 구비된 프로세서는, 상기 전기 자동차가 제1속 기어비 또는 제2속 기어비로 구동 중인 동기 상태에서, 제1신호(예: 변속 요청 신호)가 감지될 경우, 상기 제1신호에 기반하여 동기장치(250)의 일 구성과의 접합을 해제하고 상기 클러치(350)를 접합하도록, 동기장치(250)와 클러치(350)를 제어하여 전기 자동차를 변속 상태로 작동시킬 수 있다.
이에 따라, 변속 샤프트(200)와, 캐리어(340) 또는 우회 샤프트(300) 중 어느 하나 간의 결합이 해제되며, 우회샤 프트(300)로부터의 동력은 제2출력 샤프트(200')(또는 제2출력기어(420))로 전달될 수 있다. 상기 전기 자동차는, 상기 우회 샤프트(300), 제2출력 샤프트(200'), 제2출력기어(420), 및 차동기어(500)를 따라 전달된 동력에 의해, 제1속 기어비와 제2속 기어비 사이의 크기인 제3속 기어비로 구동될 수 있다.
예를 들어, 전기 자동차 구동 장치의 상기 프로세서는, 상기 전기 자동차가 변속 상태에서, 제2신호(예: 변속 완료 신호)가 감지될 경우, 상기 제2신호에 기반하여 동기장치(250)를 캐리어(340) 또는 우회 샤프트(300) 중 어느 하나와 결합하고 클러치(350)를 접합 해제하도록 상기 동기장치(250)와 클러치(350)를 제어할 수 있다.
이를 통해, 제1출력 샤프트(200)는 상기 캐리어(340) 또는 상기 우회 샤프트(300) 중 어느 하나와 결합되며, 우회 샤프트(300)와 제2출력 샤프트(200')(또는, 제2출력기어(420)) 간 동력은 전달이 제한될 수 있다. 이에 따라, 전기 자동차는, 상기 동기장치(250)가 결합된 구성에 대응하는 기어비에 따라 구동될 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 동기장치(250) 및 클러치(350)는, 상기와 같은 프로세서에 의한 제어 대신, 기계적인 체결 방식에 따라 작동될 수 있음은 물론이다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 해당 기술 분야의 통상의 기술자에게 자명하다.
상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함될 수 있다.
50: 구동 모터
100: 입력 샤프트
200: 변속 샤프트
300: 우회 샤프트
400: 출력 샤프트
250: 동기장치
350: 클러치

Claims (15)

  1. 구동 모터와 연결된 입력 샤프트 및 상기 입력 샤프트와 동축 방향으로 배치된 출력 샤프트;
    상기 입력 샤프트 외측에 배치된 모터기어와 외접하여 맞물리고, 우회 샤프트의 외측에 배치되는 우회기어;
    상기 우회 샤프트 외측에 배치된 유성기어세트;
    상기 우회 샤프트와 동축 방향으로 배치된 출력 샤프트의 외측에 배치된 제1출력기어 및 제2출력기어; 및
    상기 유성기어세트의 캐리어 또는 상기 우회 샤프트에 선택적으로 결합되어, 상기 캐리어 또는 상기 우회 샤프트 중 어느 하나로부터 상기 제1출력기어에 동력을 선택적으로 전달하는 동기장치; 및,
    상기 우회 샤프트로부터의 동력을 상기 제2출력기어에 선택적으로 전달하는 클러치를 포함하는, 전기 자동차 구동 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 입력 샤프트 및 상기 변속 샤프트는 중공축으로 구성되고, 상기 출력 샤프트 및 상기 우회 샤프트는 중실축으로 구성되는, 전기 자동차 구동 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 클러치는, 상기 동기장치가 상기 캐리어 또는 상기 우회 샤프트 중 어느 하나와 결합된 상태일 경우, 상기 우회 샤프트와 상기 제2출력기어 간 동력 전달을 제한하고,
    상기 동기장치가 상기 캐리어 또는 상기 우회 샤프트 중 어느 하나와 결합되지 않은 상태인 경우, 상기 우회 샤프트로부터의 동력을 상기 제2출력기어에 전달하는, 전기 자동차 구동 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 동기장치는, 상기 우회 샤프트의 축 방향을 따라 상대 이동하는 슬리브를 포함하고, 상기 슬리브가 상기 캐리어 또는 상기 우회 샤프트 중 어느 하나의 구성과 접합되는 것에 기반하여, 상기 슬리브와 접합된 어느 하나의 구성과 상기 변속 샤프트를 결합하는, 전기 자동차 구동 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 유성기어세트는, 선기어, 상기 선기어를 둘러싸도록 배치된 링기어, 및 상기 선기어의 외주면 및 상기 링기어의 내주면에 각각 외접하여 맞물리도록 배치된 피니언기어들을 포함하고,
    상기 링기어는 상기 전기 자동차 구동 장치의 하우징에 고정되어 구동이 제한되는, 전기 자동차 구동 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 우회 샤프트 및 상기 제2출력기어를 따라 전달되는 동력의 제3속 기어비는,
    상기 캐리어 및 상기 제1출력기어를 따라 전달되는 동력의 제1속 기어비와, 상기 우회 샤프트 및 상기 제1출력기어를 따라 전달되는 동력의 제2속 기어비 사이의 크기를 갖는, 전기 자동차 구동 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 클러치는, 마찰 클러치를 포함하는, 전기 자동차 구동 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력 샤프트의 외측에 배치되고, 상기 제1출력기어 또는 상기 제2출력기어로부터 동력을 전달받는 차동기어를 더 포함하는, 전기 자동차 구동 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 동기장치 및 상기 클러치와 전기적으로 연결된 프로세서를 더 포함하고, 상기 프로세서는,
    전기적 신호에 기반하여 상기 동기장치 및 상기 클러치의 작동을 제어하는, 전기 자동차 구동 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    제1신호에 기반하여, 상기 캐리어 또는 상기 우회 샤프트 중 어느 하나와 상기 변속 샤프트 간의 결합을 해제하도록 상기 동기장치를 제어하고, 상기 우회 샤프트와 상기 제2출력기어 간 동력을 전달하도록 상기 클러치를 접합하며,
    제2신호에 기반하여, 상기 우회 샤프트와 상기 제2출력기어 간 동력 전달을 제한하도록 상기 클러치의 접합을 해제하고, 상기 캐리어 또는 상기 우회 샤프트 중 어느 하나와 상기 변속 샤프트를 결합하도록 상기 동기장치를 제어하는, 전기 자동차 구동 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 차동기어는,
    상기 제1신호에 기반하여 상기 동기장치 및 상기 클러치가 제어된 경우, 상기 제1출력기어를 통해 상기 구동 모터의 동력을 전달받고,
    상기 제2신호에 기반하여 상기 동기장치 및 상기 클러치가 제어된 경우, 상기 제2출력기어를 통해 상기 구동 모터의 동력을 전달받는, 전기 자동차 구동 장치.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 차동기어는, 상기 제1출력기어 및 상기 제2출력기어와 각각 외접하여 맞물리도록 배치된, 전기 자동차 구동 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 클러치는, 상기 우회 샤프트의 끝단부에 배치되는, 전기 자동차 구동 장치.
  14. 구동 모터;
    입력 샤프트, 상기 입력 샤프트와 동축 방향으로 배치된 출력 샤프트, 상기 입력 샤프트와 이격 배치된 우회 샤프트, 및 상기 우회 샤프트와 동축 방향으로 배치된 변속 샤프트를 포함하는, 복수의 샤프트들;
    상기 입력 샤프트의 외주면에 결합된, 모터기어;
    상기 우회 샤프트의 외주면에 결합되며, 상기 모터기어와 외접하여 맞물리는, 우회기어;
    상기 우회 샤프트의 외주면에 결합된 선기어, 상기 선기어를 둘러싸도록 고정 배치된 링기어, 상기 선기어의 외주면 및 상기 링기어의 내주면에 각각 외접하여 맞물리도록 배치된 피니언기어들, 및 상기 피니언기어들 각각의 회전 샤프트들과 결합된 캐리어를 포함하는, 유성기어세트;
    상기 변속 샤프트의 외주면에 결합된, 제1출력기어 및 상기 제1출력기어와 이격된 제2출력기어를 포함하는, 복수의 출력기어들;
    상기 캐리어 또는 상기 우회 샤프트 중 어느 하나를 상기 변속 샤프트에 선택적으로 결합하는 동기장치; 및
    상기 우회 샤프트와 상기 제2출력기어 간 동력 전달을 선택적으로 제어하는 클러치를 포함하는, 전기 자동차 구동 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 클러치는,
    상기 동기장치가 상기 캐리어 또는 상기 우회 샤프트 중 어느 하나와 상기 변속 샤프트를 결합한 경우, 상기 우회 샤프트와 상기 제2출력기어 간의 동력 전달을 제한하고,
    상기 동기장치가 상기 캐리어 또는 상기 우회 샤프트 중 어느 하나와 상기 변속 샤프트와의 결합을 해제한 경우, 상기 우회 샤프트와 상기 제2출력기어 간 동력을 전달하도록 작동하는, 전기 자동차 구동 장치.
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