KR20210127140A - 고 감속 변속기를 구비한 전기 구동 장치 - Google Patents

Abstract

구동 샤프트(11)를 갖는 전기 모터(16)를 포함하는 차량의 파워트레인으로서, 여기서 구동 샤프트는 파워트레인이 구동(즉, 회전)시키려고 하는 차륜들(18)의 공통 축(A_W)에 대해 수직으로 배향되는 것이 바람직하다. 전기 모터의 구동 샤프트는, 적어도 한 쌍의 정합 기어 중 한 기어는 오프셋 피니언(14)이고 변속기의 감속비는 약 6 내지 약 15의 범위에 있고 피니언은 2 내지 6개의 이를 갖는 것이 바람직한 적어도 한 쌍의 정합 기어(12, 14)를 갖는 변속기(10)를 통해, 공통 축과 정렬된 차륜의 차축(20, 22)에 기계식으로 연결된다.

Description

고 감속 변속기를 구비한 전기 구동 장치

본 발명은 전기차의 파워트레인에 관한 것으로, 특히 전기 모터 및 변속기의 배향에 관한 것이다.

전기 구동 차량이 수년 동안 알려져 왔다. 종래의 구동 설계는 각 피동륜 전용으로, 그 피동륜에 또는 그 피동륜에 바로 인접하여 위치된, 어떤 유형의 변속기 및 전기 모터를 포함한다. 이러한 구동 장치는 당해 기술 분야에 차륜-인접 모터 구성으로 알려져 있다. 이러한 설계의 예는 예를 들면 미국 특허 출원 공개 US 2010/0155168호; 미국 특허 출원 공개 US 2001/0011611호; 미국 특허 US 1,543,044호; 및 미국 특허 US 1,540,526호에 개시되어 있다. 이러한 유형의 설계는 차량에 복잡성, 중량, 및 비용을 더하는 한편, 이러한 설계는 일부 대형 트럭에는 적합할 수 있지만, 오늘날의 전기 승용차(예를 들어, 자동차, 경트럭 등)에 적용하기에는 일반적으로 적합하지 않다.

소형 전기차(예를 들어, 자동차, 경트럭 등)는 전기 모터와 변속기의 위치에 대해 비용 효율적이고 콤팩트한 해결책을 필요로 한다. 대부분의 주행 조건에서 가능한 최대 모터 효율을 사용할 수 있어야 하는 경우라면 소형 전기차도 변속기가 필요하다.

한 예로, 소형 차량용 80 KW 전기 모터의 토크 및 효율 최적 RPM은 6000 내지 10000 RPM이다. 공칭 주행 속도가 80 km/h이고 최적 모터 속도가 10,000 RPM인 경우, 모터와 차륜(410 mm의 차륜 직경을 사용하는 것) 사이의 최적 비는 하기 식에 따르면 1x9.66이다.

여기서

i: 변속비,

n_모터: 최적의 모터 RPM [1/분],

D: 타이어 외경 [m],

V: 평균 차량 속도 [m/분]이다.

다양한 전기 구동(즉, e구동) 개념이 개발되었다. 한 예가 도 1에 도시되어 있는데, 이 예에서는 모터와 변속기가 전륜들 사이에 배치되고, 모터 축은 그 전륜들의 축과 평행하고, 두 전륜을 구동하는 데 하나의 모터만 사용된다. "인라인 설계"로 알려진 이 설계는 아주 콤팩트하지만 다음과 같은 것을 포함하는 몇 가지 주요 장애를 보이고 있다:

ㆍ 구동 유닛에 사용되는 전륜들 사이의 폭이 넓다는 것,

ㆍ 비대칭 중량 분포,

ㆍ 전기 모터 측에서 차륜과 타이어로의 방열이 더 많다는 것.

"휠 사이 너비"(즉, 차륜들 사이의 모터와 변속기의 필요한 너비)가 크면 구동 샤프트는 짧아진다. 각 구동 샤프트에는 2개의 등속 조인트(예를 들어, CV 조인트)가 있는데, 이는 구동 샤프트가 짧은 경우에는 스티어링 경사와 컨트롤 암 스윙으로 인해 빠르게 마모된다. 이는 또한 효율 감소와 앞차축(front axle) 소음을 유발한다.

비대칭 중량 분포는 배터리와 같은 다른 비대칭 차량 구성요소들로 상쇄되어야 한다. 그러나 차량의 동적 거동에는 여전히 부정적인 영향이 있다.

도 1의 전기 모터의 영속적인 방열은 인접한 타이어의 온도를 10 내지 20℃까지 상승시킬 수 있다. 온도 절연 및 추가 냉각 팬이 뜨거운 타이어와 전기 모터(예를 들어, e-모터)의 온도를 낮출 수 있지만, 모터 열을 배출하기 위한 전기 에너지 소비가 있는 것은 제조업체들이 찾고 있는 어떤 전기차(예를 들어, EV 또는 e-차량)가 아니다.

본 발명은 구동 샤프트를 갖는 전기 모터를 포함하는 차량의 파워트레인에 관한 것으로, 여기서 구동 샤프트는 파워트레인이 구동(즉, 회전)시키려고 하는 차륜들의 공통 축에 대해 수직으로 배향되는 것이 바람직하다. 전기 모터의 구동 샤프트는, 적어도 한 쌍의 정합 기어 중 한 기어는 오프셋 피니언이고 변속기의 감속비는 약 6 내지 약 15의 범위에 있고 피니언은 2 내지 6개의 이를 갖는 것이 바람직한, 적어도 한 쌍의 정합 기어를 포함하는 변속기를 통해, 공통 축과 정렬된 차륜의 차축에 기계식으로 연결된다.

도 1은 종래의 전기 모터와 인라인 변속 장치를 예시하고 있다.
도 2는 베벨 링 기어와 하이포이드 피니언을 포함하는 베벨 하이포이드 기어세트를 도시하고 있다.
도 3은 1단 하이포이드(single stage hypoid) 변속기를 도시하고 있다.
도 4는 차량의 차륜들 사이에 배치된, 1단 하이포이드 감속기를 갖춘 전기 구동 유닛을 도시하고 있다.
도 5는 큰 피니언 나사선 각과 매우 큰 나사선 각을 보여주고 있다.
도 6은 2단 감속(dual stage reduction) 원통형-하이포이드 변속기를 예시하고 있다.
도 7은 2단 감속 원통형-하이포이드 변속기를 예시하고 있다.
도 8은 유성형 하이포이드 감속 변속기를 도시하고 있다.
도 9는 단일 속도 변속기의 경우에서의 속도 다이어그램을 보여주는 것이다.
도 10은 이중 속도 변속기의 경우에서의 속도 다이어그램을 보여주는 것이다.
도 11은 하이포이드 변속기를 차축 앞에 배향한 것을 도시하고 있다.
도 12는 하이포이드 변속기를 차축 앞에 소정의 각도로 배향한 것을 도시하고 있다.
도 13은 전륜 구동 차량의 경우에서의 하이포이드 변속기의 배향을 도시하고 있다.
도 14는 전차륜 구동(all-wheel drive) 차량의 경우에서의 하이포이드 변속기의 배향을 도시하고 있다.

본 명세서에 사용된 "발명", "그 발명", 및 "본 발명"이라는 용어는 본 명세서 및 그 아래의 임의의 특허 청구범위의 모든 특허대상을 광범위하게 지칭하려는 것이다. 이러한 용어를 포함하는 서술은 본원에 설명된 특허대상을 제한하거나 아래의 임의의 특허 청구범위의 의미 또는 범위를 제한하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서는 본 출원서의 특정 부분, 단락, 서술, 또는 도면에서 임의의 청구범위에 의해 보호되는 특허대상을 기술하거나 제한하려는 것이 아니다. 본 특허대상은 전체 명세서, 모든 도면, 및 아래의 임의의 청구범위를 참조하여 이해되어야 한다. 본 발명은 다른 구성이 가능하고, 다양한 방식으로 실시되거나 실행될 수 있다. 또한, 본원에 사용된 어법 및 용어는 설명을 위한 것이지 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다는 점을 이해해야 한다.

이제부터는 본 발명을 단지 예로서 예시하는 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 세부 사항을 논의한다. 도면에서, 유사한 특징 또는 구성요소는 유사한 도면 부호로 지칭될 것이다.

본원에서 "포함하는", "갖는", "포함하는"과 이들의 변형어의 사용은 그 앞에 열거된 항목들 및 그들의 등가물뿐만 아니라 추가 항목들도 포함한다는 것을 의미한다. 아래에서는 도면을 설명함에 있어서 상부, 하부, 상향, 하향, 후향, 하단, 상단, 전방, 후방 등과 같은 방향이 언급될 수 있지만, 이러한 것은 편의상 도면(법선 방향에서 보았을 때의 도면)과 관련하여 언급된다.

본 발명의 일 실시예에서, 차량의 전기 모터는 도 1의 종래의 인라인 배향으로부터 바람직하게는 90도만큼 재배향되며, 이는 전기 모터와 차륜 사이의 작동비를 1단 감속기에 의해서만 제공할 수 있는 대칭형 전기 구동 유닛을 확립할 수 있게 한다. 예를 들어, 도 2에 도시된 기어세트는 베벨 링 기어(4) 및 정합 하이포이드 피니언(6)을 포함하는 베벨 기어세트(2)이다. 이 예에서, 링 기어에는 55개의 이가 있고 피니언에는 7개의 이가 있고, 이에 의해 기어세트에 55/7 또는 7.86의 기어비(Z_G/Z_P)가 제공된다. 베벨 하이포이드 기어세트에서, 링 기어와 피니언은 각각 평행하지 않고 교차하지 않는 축 A_G와 축 A_P에서 작동하는데(도 2 참조), 이 경우에서, 한 평면은 링 기어 축 A_G를 포함하고 다른 평면은 피니언 축 A_P를 포함하는 평행한 평면들 사이의 거리 h는 일반적으로 오프셋, 피니언 오프셋, 또는 하이포이드 오프셋이라고 칭한다.

도 3은 베벨 링 기어(12) 및 정합 하이포이드 피니언(14)을 포함하는, 1단 감속기(10)를 갖는 변속기를 예시하고 있다. 이 변속기는 적어도 하나의 입력부와, 적어도 하나, 바람직하게는 적어도 2개의 출력부를 포함한다. 입력부 동력은 전기 모터(16)에 의해 제공된다. 변속기 하우징과 차동 장치(도면 부호 15에 배치됨)는 명료하게 보이기 위해 도시되지 않았다. 전기 모터(16)는, 이 전기 모터(16)의 구동 샤프트의 회전축 A_m이 바람직하게는 하이포이드 피니언(14)의 축 A_P와 일치하도록, 그리고 링 기어(12)가 변속기 내에서 회전하는 중심인 변속 출력 축 A_T에 대해 바람직하게는 실질적으로 수직이 되도록, 배향된다.

콤팩트하고 가격이 저렴한 전기차는 전기 모터와 전륜 또는 후륜 또는 모든 차륜들 사이에 간단하고 콤팩트하며 비용 효율적인 변속기를 필요로 한다. 전기 구동 장치를 갖춘 소형 콤팩트 차량은 대부분 90 km/h를 초과한 최고 속도를 필요로 하지 않는다. 이러한 차량의 주요 용도는 통근이나 쇼핑을 위한 시내 운전이다. 이러한 차량의 모든 중요한 목적은, 예를 들어 도 4에 도시된 바와 같이 한 쌍의 차륜 사이에, 바람직하게는 중간에 배치되는, 하나의 전기 모터와 하나의 1단 하이포이드 변속기로 달성될 수 있다.

도 4는 1단 감속기(10)(베벨 링 기어(12) 및 정합 하이포이드 피니언(14)) 및 전기 모터(16)를 포함하는 변속기를 예시하고 있는데, 여기서 전기 모터(16)는, 이 전기 모터(16)의 구동 샤프트의 회전축 A_m이 바람직하게는 하이포이드 피니언(14)의 축 A_P와 일치하도록 배향되고, 링 기어(12)가 회전하는 중심인 축 A_T에 대해 바람직하게는 실질적으로 수직이 되게 배향된다. 축 A_W는 차륜(18)이 회전하는 중심인 공통 축이다. 축 A_W는 바람직하게는 차량의 폭 방향으로 연장되고, 차륜 차축(20 및 22) 및 링 기어 축 A_T와 평행하게 정렬되는 것이, 바람직하게는 일치되게 정렬되는 것이, 바람직하다.

변속기의 작은 폭은 도 4의 차륜들 사이의 폭을 줄일 수 있게 하여, 최적의 패키징과 이상적인 차량 중량 분포를 이루어낼 수 있게 하는 콤팩트 차량 해결책을 만들어낸다. 기어세트 비는 1x15보다 클 필요가 없지만, 이보다 더 클 수 있다. 차량 속도를 전동 로터의 RPM에 맞추어 더 최적으로 조절하는 역할을 할 수 있는 제2 기어세트는 필요하지 않지만 포함될 수도 있다. 도 4의 1단 변속기는 7.86(7x55)의 비와, 코스팅 작동 중에 에너지 회복을 허용할 수 있는 약 0.3의 역구동(back driving) 계수를 갖는다.

전기 구동 감속기는 높은 효율과 우수한 역구동 능력을 필요로 한다. 역구동 능력은 모터에서 전원이 제거되었을 때에 모터가 그에 부여된 부하에 의해 쉽게 구동될 수 있는 정도이다. 역구동은 두 가지 점에서 중요하다. 그 첫 번째 이유는 차량 운전자가 가속 페달에서 발을 뗀 경우에 전기 에너지가 재생되는 것이다. 전기 모터가 발전기 작동으로 전환되어서, 차량의 운동 에너지가 단순히 브레이크를 사용함으로써 낭비되는 것이 아니라 배터리를 재충전하는 데 사용된다. 역구동 능력의 두 번째 이유는 가속 페달을 갑작스럽게 뗀 경우에 차륜 잠금을 피하는 것이다. 도 2의 기어세트는 이러한 두 요건을 아주 잘 충족시킨다. 바람직하게는, 링 기어는 브레이크인(break-in) 전의 기어세트의 효율을 높이고 비용이 드는 연마를 피하기 위해, 인산염 처리되거나 또는 이와 동등하게 코팅된다. 인 층이 분해될 때에 기어세트의 브레이크인이 완료되고 초기 효율이 유지될 것이다. 바람직하게는 기어세트의 두 부재는 열처리되고, 열처리 후에 연마된다.

도 4의 전기 구동 유닛은 대칭도가 높으며, 방열하는 전기 모터를, 도 1의 인라인 설계의 경우에서처럼 모터로부터 나오는 열에 노출되었던 타이어로부터 멀리 옮겨 놓은 것이다. 구동 샤프트 플랜지들(17) 사이의 거리는 모터의 매우 작은 "휠 사이 폭"을 나타내며, 이는 구동 샤프트를 다소 길게 할 수 있게 한다. 모터를 차량의 전방이나 또는 후방(즉, 차량의 길이 방향 기준)으로 향하게 할 수 있으므로, 특정 차량의 경우에서 이상적인 중량 분포 및 최적의 패키징을 달성할 수 있다. 2개의 기어와 2개의 샤프트만 있는 이러한 매우 콤팩트한 설계는 아주 비용 효율적으로 제조할 수 있으며, 소형 콤팩트 전기차를 위한 아주 우수한 전기 구동 해결책을 제공한다.

본 발명은 또한, 예를 들어 6개 이하의 이(예를 들어, 2, 3, 4, 5, 또는 6개의 이) 또는 바람직하게는 5개 이하의 이(예를 들어, 2, 3, 4, 또는 5개의 이)를 갖는 피니언뿐만 아니라 하이포이드 기어세트와 원통형 감속 기어세트의 조합을 활용함으로써, 1단 하이포이드 기어세트를 가지고도 위에서 언급한 기본적인 장점들은 여전히 유지하면서 더 높은 기어비를 기도한다.

고려할 수 있는 양태는 피니언의 하이포이드 오프셋에 의해 생성되는, 치합 시의 이 플랭크들 사이의 최대 미끄럼 속도이다. 자동차 및 트럭 응용 분야에 사용되는 일반적인 오프셋(예를 들어, 19 내지 38 mm)을 갖는 종래의 하이포이드 기어세트(예를 들어, 1x3 기어비)는 차량이 100 km/h의 속도로 주행하고 있을 때에 약 125 m/min의 상대 미끄럼 속도를 갖는다. 예를 들어 하이포이드 기어세트의 기어비가 1x9.66이고 모터 속도가 10,000 RPM인 전기 구동 장치는 333 m/min의 상대 미끄럼 속도를 일으킨다. 이는 위에서 언급한 종래의 하이포이드 기어세트의 상대 표면 미끄럼의 2배를 초과하는 것이다. 이러한 조건에서는, 이 표면 손상과 관련하여 필요한 기어 수명을 달성하기 위해서는 앞에서 논의된 바와 같이 고압 합성 하이포이드 오일과 이 표면 코팅을 사용하는 것이 바람직하다.

피니언의 잇수는 역구동 능력의 지표일 수 있지만, 하이포이드 기어세트의 역구동 능력을 나타내는 유일한 지표는 아니다. 피니언의 나사선 각(spiral angle)도 고려해야 한다. 일반적으로, 나사선 각이 클수록 역구동 능력은 낮아지게 된다. 다음 범주의 나사선 각을 정의할 수 있다.

작은 나사선 각: 0° 내지 20°

중간 나사선 각: 20° 내지 35°

큰 나사선 각: 35° 내지 65°

아주 큰 나사선 각: 65° 내지 90°

큰 나사선 각을 갖는 예와 아주 큰 나사선 각을 갖는 예인 두 가지 예가 도 5에 도시되어 있다. 작은 직경부 상의 특정 수의 이는 큰 직경부 상의 같은 수의 이에 비해 낮은 나사선 각을 생성한다. 대향 효과를 고려하기 위해, 올바른 기하 형태와 0.08의 가정된 마찰 계수를 고려함으로써 역구동 능력을 결정할 수 있다. 분율 T_br/T_dr(역구동 대향력 T_br/역구동력 T_dr)을 역구동 계수 C_BD라고 칭한다. C_BD = 1.0 이상의 값은 자동 잠금(self-locking) 상태를 나타낸다. C_BD = 0인 값은 얻을 수 없다. 아래의 표에 5개의 상이한 하이포이드 기어세트에 대한 C_BD 결과를 나타내었다.

잇수가 17개인 자동차 하이포이드 피니언의 C_BD는 0.091로 우수하지만, 잇수가 1개인 피니언의 예는 C_BD가 1.295로, 자동 잠금된다. 잇수가 2개인 피니언 내지 잇수가 5개인 피니언은 매우 유사한 계수를 가지며, 이 경우에서 잇수가 3개인 피니언의 계수는 의외로 낮은데, 이는 잇수가 5개인 피니언보다도 낮은 것이다. 또한, 이의 깊이, 피니언 직경, 및 면각(face angle) 등과 같은, 특정 링 기어 및/또는 피니언의 파라미터들에 대한 최적화는 역구동 능력을 추가로 향상시킬 수 있다.

예를 들어, 전기 구동 하이포이드 감속기의 이상적인 비가 15의 범위 내에 있는 경우, 한 가지 예는 4개의 피니언 이와 60개(헌팅 이 이점 때문에, 즉 링 기어와 정합 피니언의 잇수에 있어서 공약수(common factor)가 없기 때문에, 59개 또는 61개가 바람직)의 링 기어 이를 선택하는 것이다. 이러한 기어세트는 바람직하게는 역구동 계수 C_BD = 0.3 이하를 달성하기 위한 목표를 가지고 최적화되어야 한다.

전기 구동 변속기의 다른 실시예가 도 6에 도시되어 있다. 이 실시예는, 제1 원통형 감속기(30, 32)의 비가 2.33(21x49)이고 제2 하이포이드 감속기(34, 36)의 비가 4.4(11x51)이며 그 결과 전체 비가 10.27이 되는 2단 감속기이다. 2단 변속기의 구동 효율은, 도 4의 변속기에 비해 하이포이드 단(hypoid stage)에서의 비가 낮고 역구동 계수도 우수하게 약 0.15이기 때문에, 도 4의 변속기보다 높을 것이다.

전기 구동 변속기의 또 다른 실시예가 도 7에 도시되어 있는데, 여기에는 이중 감속 원통형-하이포이드 변속기가 도시되어 있다. 중형 또는 프리미엄 전기차는 이러한 유형의 변속기의 이점을 누릴 수 있다. 클러치 유닛(예를 들어, 전자기 작동식 또는 유압 작동식)은 비가 1.46(26x38)인 원통형 감속기(40, 42)나 혹은 비가 3(16x48)인 원통형 감속기(44, 46)를 작동시킬 수 있다. 하이포이드 감속기(47, 48)는 비가 3.85(13x50)이다. 저속(예를 들어, 최대 50 km/h)으로 전진 주행 시, 전체 비를 3ㆍ3.85 = 11.55로 전환시킬 수 있다. 속도가 50 km/h를 넘어 증가할 때, 전기 모터는 더 낮은 효율로 작동하게 될 것이고, 제2 원통형 기어 쌍(40, 42)이 작동될 수 있다. 전체 비가 1.46ㆍ3.85 = 5.62로 변경되고, 이는 모터가 그의 RPM을 더 효율적으로 작동하도록 줄일 수 있게 한다.

도 7의 변속기는, 모터를 발전기 모드로 전환시켜서 차량의 운동 에너지를 활용하여 배터리를 재충전시키도록 하는 때인, 코스팅 작동에서 특히 중요하다. 속도가 예를 들어 80 km/h(변속비 = 5.62)인 경우, 변 속기는 보다 효율적인 발전을 위해 발전기(모터)에 더 높은 RPM을 제공할 수 있도록 하기 위해 11.55의 더 높은 비로 전환된다. 이 실시예는 1단 변속기 및 2단 변속기와 관련하여 위에서 논의된 바와 같이 차륜들 중 한 차륜으로부터 멀리 방열하는 것뿐만 아니라 패키징, 양호한 중량 분포와 같은 이점을 유지하면서 유연성을 제공한다.

유성-하이포이드 감속 변속기를 포함하는 또 다른 실시예가 도 8에 도시되어 있다. 유성 기어 시스템(50)은 내부 링 기어(52), 하나 이상의 유성 기어(54), 선 기어(56), 및 케이지 또는 캐리어(58)를 포함한다. 모터 샤프트(19)는 선 기어(56)에 연결되고, 하이포이드 피니언(60)은 유성 출력부로서 케이지(58)에 연결되거나 그 케이지와 일체가 된다. 링 기어(62)는 구동되는 차륜의 회전축인 축 A_W를 중심으로 회전한다(도 4 참조).

유성 기어 시스템에서, 선 기어는 유성 기어와 다른 잇수를 가질 수 있다. 그러나, 다음 예에서, 유성 기어 각각은 선 기어의 잇수(29)와 동일한 잇수(예를 들어, 29)를 가지며, 내부 링 기어는 선 기어의 잇수의 3배의 잇수(예를 들어, 87)를 갖다. 선 기어가 유성 기어와 같은 수의 이를 가지고 있거나 혹은 다른 수의 이를 가지고 있는지와는 상관없이, 유성 시스템에서는 두 가지 비가 가능하다. 유성 하이포이드 변속기는, 내부 링 기어(52)를 (a) 선 기어에 연결(비: 1.0)할 수 있거나, 이 경우 링 기어는 유성 기어들과 선 기어와 동일한 속도로 회전함, 또는 (b) 고정된 변속기 하우징(도시되지 않은)에 연결(비: 4.0)할 수 있는, 이 경우 링 기어는 회전하지 않음, 클러치가 필요하다. 두 가지 가능한 비 중 한 가지 비는 항상 1.0이기 때문에, 유성 변속기의 유연성은 이중 감속 원통형 하이포이드 버전보다 낮다. 유성 하이포이드 변속기는 앞에서 논의된 바와 같이 낮은 역구동 능력을 제공하는 가능한 가장 높은 하이포이드 감속비를 필요로 한다. 도 8에서, 하이포이드 비는 5.18(11x57)이다. 제1 기어의 전체 비는 1.0*5.18 = 5.18이고, 제2 기어의 전체 비는 4.0*5.18 = 20.72이다.

단일 속도 변속기의 경우(도 4), 모터 RPM과 차량 속도 간의 관계는 물론 도 9에 나타낸 바와 같이 비례한다. 이는 전기 원동기가 모터 모드 또는 발전기 모드에 있는 경우에 적용된다. 최대 15,000 RPM으로 정격된 모터의 효율 최적 작동 RPM은 8,000 내지 10,000 RPM 부근이다. 이는 평균 부하인 경우에 효율이 높은 속도 범위이다. 부하가 낮으면 효율 최적 RPM이 낮아지고, 부하가 높으면 그 반대이다. 1단 변속기의 비는 대부분의 주행이 최적의 모터 효율 범위에 속하도록 한정되는 것이 바람직하다. 도 9는 또한 증가하는 속도 그래프가 최적의 모터 효율 범위 내에서 단기간 동안만 있음을 나타내고 있다. 운전자가 가속 페달을 밟을 때, 모터 발전기 제어기는 모터에서 리드를 떨어뜨리고(즉, 동력이 모터로 들어가거나 모터로부터 나오지 않음), 차량은 자연스럽게 코스팅한다. 브레이크 페달을 가볍게 밟으면, 제어기는 디스크 브레이크가 아직 결합되지 않은 상태에서 모터를 발전기 모드로 전환시킬 수 있다. 브레이크 페달을 세게 눌렀을 때에만 디스크 브레이크가 작동하여 발전기 브레이크를 지원한다.

이중 속도 변속기의 경우, 차량의 전자 제어 모듈은 두 가지 비 중 어느 것이 부하와 관련하여 더 나은 모터 효율을 제공하는지를 결정할 수 있다. 도 10은 제1 비가 제2 비보다 높은 전형적인 속도 다이어그램을 보여주고 있다. 제1 기어는 최대 모터 RPM에 도달할 때까지 작동된다. 그런 다음 클러치는 최대 모터 속도에 다시 도달할 때까지 작동 상태를 유지하고 있는 제2 기어로 전환된다. 도 10의 속도 그래프에는 최적의 모터 효율 범위를 통과하는 두 개의 구간이 있다. 차량의 듀티 사이클 여하에 따라, 이중 속도 변속기는 작동 시간을 최적의 효율 속도 범위 내에서 2배로 늘릴 수 있으며 차량의 에너지 소비를 현저하게 줄일 수 있다.

완전 정지(리드를 모터에서 떨어뜨림) 또는 약한 제동 또는 강한 제동에 따라, 차량의 전자 제어 모듈은 제동력이 최적화되고 배터리 재충전이 최대화되도록 다운시프트를 조절할 수 있다. 유연한 다운시프트는 도 10에서 점선으로 표시되어 있다. 다음과 같은 제동 조건을 고려할 수 있다:

ㆍ 가속 페달을 밟음 - 리드가 모터/발전기에서 떨어진 상태에서 코스팅;

ㆍ 브레이크 페달을 그의 행정의 최대 30%까지 누름 - 제어된 다운시프트에 의한 페달 가압력 및 제어된 발전기 충전 상태에 비례하는 제동력(ABS 기능은 여전히 발전기 펄스 충전에 의해 작동됨);

ㆍ 브레이크 페달을 그의 행정의 30%를 넘어 누르는 경우 - 발전기 브레이크에 더하여 기계식 브레이크가 적용됨.

일부 전기차, 심지어 대형 프리미엄 모델은 가속 페달을 해제함으로써 제동이 실현된다. 이 기술은 운전 편의성을 감소시키고, 직관에 반하며, 안전하지 않은 주행 상태를 유발할 수 있다. 이 기술은 한결같이 부자연스러운 발 위치를 필요하는데, 이는 가속 페달의 발뿐만 아니라 운전자를 피로하게 한다.

앞에서 언급한 바와 같이, 하이포이드 감속기는 전기 모터를 차륜들 사이의 앞차축 또는 뒷차축 중앙부에 배치할 수 있게 한다. 도 11 및 도 12의 소형 콤팩트 세단의 이미지는 전기 모터가 앞차축의 전방에 배치된 것을 보여주고 있다. 배터리 위치가 승객 객실 바닥 아래(전륜과 후륜 사이)인 상태에서, 도 11에 도시된 모터 배향은 양호한 중량 분포를 나타내며, 수동적 승객 충격 안전 개념의 일부가 될 수 있다. 하이포이드 오프셋의 방향을 바꿀 수 있으며(모터를 더 높이거나 낮출 수 있음), 도 12에 도시된 바와 같은 패키징 최적의 모터 배향 각도를 찾아낼 수 있다.

전기 모터는 구동 샤프트 회전축이 도 11에 도시된 바와 같이 지면과 수평 또는 평행하도록(예를 들어, 편평한 수평면에 서 있는 차량의 앞차축과 뒷차축을 포함하는 평면에 평행하도록) 배향되는 것이 바람직하지만, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 전기 모터는, 구동 샤프트 회전축이 도 12에 도시된 바와 같이 지면과 수평 또는 평행하게(예를 들어, 편평한 수평면에 서 있는 차량의 앞차축과 뒷차축을 포함하는 평면에 평행하게) 연장되지 않고 지면에 대해 소정의 각도를 이루도록, 각지게 배향될 수 있다.

전차륜 구동 승용차의 경우, 전륜을 추진하는 동일한 변속 유닛이 후륜을 추진하는 데에도 사용될 수 있다. 도 13 및 도 14는 모터 본체를 후방으로 향하게 한 전륜 구동 장치(front wheel drive)(도 13)와, 두 모터 본체 모두를 후방으로 향하게 한 전차륜 구동 장치(all-wheel drive arrangement)(도 14)를 도시하고 있다.

도 11 내지 도 14에 도시된 장치(arrangement)는 하이포이드 전기차 변속기(즉, e-변속기)가 얼마나 콤팩트하며 주어진 전체 차량 컨셉에서의 주어진 패키징 제약에 얼마나 잘 맞추어질 수 있는지를 보여주고 있다. 이미 존재하고 있는 모든 전기차 설계를 위한 맞춤형 해결책을 달성하는 그 밖의 다른 전기 변속기 배향도 가능하다.

차량의 전기 모터 또는 모터는, 모터 구동 샤프트를 차량의 전방이나 또는 후방을 향하게 한 상태에서 모터 구동 샤프트의 회전축이 차량의 길이 방향(종 방향)으로 연장되도록, 배치될 수 있다. 더욱이, 변속기의 링 기어는 구동되도록 한 차륜들 사이의 중간(즉, 차량의 폭 방향에서 중앙 위치)에 배치되는 것이 바람직하지만(예를 들어, 도 4 참조), 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 변속기의 링 기어는 한 쌍의 차륜들 사이의 중앙 위치로부터 어느 방향에서든지 소정의 거리 "d" 내에서 차륜 축을 따라 임의의 위치에 배치될 수 있다. 상기 소정의 거리 "d"는 중앙 위치로부터 각 개별 차륜까지의 거리의 50% 이하인 것이 바람직하다. 도 4는 상기 소정의 거리 "d"의 예를 보여주고 있다.

본 발명의 하이포이드 감속기는 다양한 이점을 가져다준다. 차륜과 배터리의 대칭적인 중량 분포와 방열에 대한 노출 감소가 아주 잘 달성될 수 있다. 하이포이드 감속기로 가능한 속도 강하는 원통형 기어세트의 경우에서 종래에 실현된 것의 몇 배나 된다(본 발명의 전기 구동 장치 개발의 경우에서는 6 내지 15의 감속비가 실현되었음). 이는 소형 콤팩트 차량에 있어서의 변속기를 하나의 고정된 큰 변속비로 제한할 수 있게 한다. 그 결과, 모터 샤프트가 피니언 샤프트이기도 하고 링 기어용으로는 단 하나의 추가 샤프트만 있는 간단하고 저렴한 변속기가 달성된다. 물론, 하이포이드 기어들이 있는 전차축 구동 장치(all axle drive)와 마찬가지로, 차동 케이지는 추가 공간 소비 없이 피니언-링 기어 윤곽부(도 3의 도면 부호 15 참조)의 내측에 쉽게 맞추어진다.

링 기어 및 하이포이드 피니언을 포함하는 베벨 기어세트를 참조하여 본 발명을 논의하였지만, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 웜 및 웜 휠 또는 페이스 기어 및 오프셋 원통형 피니언과 같은 기타 기어세트도 고려된다. 나선형 베벨 기어세트 및 직선형 베벨 기어세트도 또한 예를 들어 도 6, 도 7, 도 8에 도시된 바와 같이 특히 2단 또는 유성 감속기와 함께 사용될 수 있다.

전기 모터의 구동 샤프트 회전축 A_m과 차륜의 축 A_w는 예를 들어 도 4에 도시된 바와 같이 수직인 것이 바람직하지만, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 모터 구동 샤프트 축 A_m은 차륜 축 A_w에 대해 구동 샤프트 회전축 A_m의 수직 배향(예를 들어, 도 4)으로부터 최대 ±45도로 배향될 수 있다. 즉, 전기 모터의 구동 샤프트 축 A_m은 차륜 축 A_W에 대해 45도 내지 135도 범위 내의 임의의 각도로 배향될 수 있다. 구동 샤프트 축 배향에 있어서의 이와 같은 변경에는 링 기어와 피니언의 적합한 원뿔각 변경이 수반된다.

모터, 변속기 또는 기어박스, 차동 장치, 차축, 및 차륜을 포함하는 종래의 차량 동력 전달 장치(driveline)와 비교할 때, 본 발명은 별도의 변속기(또는 기어박스) 및 차동 부품의 필요성을 본질적으로 없앤다. 일반적으로, 본 발명의 변속기는 모터의 배치 및 배향에 자유도를 제공하므로 변속기와 차동 부품들을 전기차에 특히 유리한 단일 컴포넌트가 되게 효과적으로 결합시킨다. 이는 특히 1단 감속기를 갖는 본 발명의 변속기의 경우에서는 적은 잇수 및 높은 기어세트 비를 갖는 하이포이드 피니언을 활용하기 때문에 가능하다.

본 발명의 변속기의 바람직한 유용성은, 예컨대 일례로 자동차 또는 트럭을 구동하기 위해, 입력 동력을 전기 모터로부터 받도록 하는 것이지만, 본 발명의 변속기는 또한, 예컨대 하이브리드 차량 또는 연료 전지 구동 차량과 같이, 원동기가 전기 이외의 유형 또는 전기 전용의 유형인 차량에 사용하기 위해서도 고려된다.

바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명은 그 세부 사항에 제한되지 않음을 이해해야 한다. 본 발명은 첨부된 청구범위의 사상 및 범위를 벗어남이 없이 특허대상이 속하는 기술 분야의 숙련인에게 명백하게 되는 수정을 포함하도록 의도되어 있다.

Claims (15)

1. 차량 변속기로서,
   입력 회전축과 적어도 한 쌍의 정합 기어를 갖는 입력부를 포함하고, 출력 회전축을 갖는 적어도 하나의 출력부를 더 포함하며,
   상기 적어도 한 쌍의 정합 기어 중 한 기어는 상기 입력 회전축을 한정하는 회전축(A_P)을 갖는 오프셋 피니언이고, 상기 변속기는 약 6 내지 약 15 범위의 감속비를 가지며, 상기 오프셋 피니언은 2개 내지 6개의 이를 포함하는, 차량 변속기.
2. 제1항에 있어서, 상기 적어도 한 쌍의 정합 기어 중 다른 기어는 상기 출력 회전축을 한정하는 회전축(A_T)을 갖는 베벨 링 기어를 포함하고, 상기 오프셋 피니언은 하이포이드 베벨 피니언을 포함하는, 차량 변속기.
3. 제2항에 있어서, 상기 오프셋 피니언 축(A_P)은 링 기어 축(A_T)에 대해 수직으로 배향되거나, 또는 링 기어 축(A_T)에 대한 수직에 대해 ±45도로 배향된, 차량 변속기.
4. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 추가적인 감속 기어 쌍을 더 포함하는 차량 변속기.
5. 제1항에 있어서, 유성 기어 시스템을 포함하는 추가 감속 기어를 더 포함하는 차량 변속기.
6. 제1항에 있어서, 1단 변속기인 차량 변속기.
7. 구동 샤프트를 갖는 적어도 하나의 전기 모터에 의해 제공되는 동력에 의해 움직일 수 있는 차량으로서,
   당해 차량을 구동하는 적어도 하나의 회전 가능한 차륜을 구비하고, 제1항의 변속기를 더 포함하며,
   상기 적어도 하나의 회전 가능한 차륜은 상기 적어도 하나의 전기 모터에 의해 제공되는 동력에 의하여 회전 가능한, 차량.
8. 제7항에 있어서, 상기 적어도 하나의 전기 모터에 의해 제공되는 동력에 의해 회전 가능한 한 쌍의 회전 가능한 차륜을 포함하고, 상기 한 쌍의 회전 가능한 차륜은 공통 축(A_W)을 따라 차량의 폭 방향으로 이격되어 배치되고, 상기 변속기는 상기 한 쌍의 차륜들 사이의 중앙에 배치되거나 또는 그 중앙 위치로부터 소정의 거리(d)에 배치되고, 상기 거리(d)는 상기 중앙 위치에서부터 상기 한 쌍의 차륜의 각 개별 차륜까지의 거리의 50% 이하이고, 상기 변속기는 각각의 차축에 의해 상기 한 쌍의 차륜의 각 차륜에 회전 가능하게 연결된, 차량.
9. 제8항에 있어서, 링 기어 회전축(A_T)이 상기 공통 축(A_W)에 평행한, 차량.
10. 제8항에 있어서, 전방 차륜 쌍을 구동하기 위한 제1 전기 모터와, 후방 차륜 쌍을 구동하기 위한 제2 전기 모터를 포함하는 차량.
11. 제7항에 있어서, 상기 적어도 하나의 전기 모터의 구동 샤프트는 하이포이드 피니언에 회전 가능하게 연결되고, 상기 구동 샤프트는 구동 샤프트 회전축(A_m)을 포함하고, 상기 구동 샤프트 회전축(A_m)은 피니언 축(A_P)과 일치하는, 차량.
12. 제7항에 있어서, 당해 차량은 전방 및 후방을 가지며, 상기 전방과 상기 후방 사이에 길이 방향이 한정되고, 상기 적어도 하나의 전기 모터가 당해 차량에 배치되되 상기 구동 샤프트 회전축(A_m)이 상기 길이 방향으로 배향되도록 배치된, 차량.
13. 제1항에 있어서, 상기 적어도 한 쌍의 정합 기어는 페이스 기어 및 오프셋 정합 원통형 피니언을 포함하는, 변속기.
14. 제1항에 있어서, 상기 적어도 한 쌍의 정합 기어는 웜 및 웜 휠을 포함하는, 변속기.
15. 제7항에 있어서, 하나의 전기 모터와 하나의 1단 하이포이드 변속기를 포함하는 차량.

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