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KR101637740B1 - 하이브리드 차량용 파워트레인 - Google Patents

하이브리드 차량용 파워트레인 Download PDF

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KR101637740B1
KR101637740B1 KR1020140163709A KR20140163709A KR101637740B1 KR 101637740 B1 KR101637740 B1 KR 101637740B1 KR 1020140163709 A KR1020140163709 A KR 1020140163709A KR 20140163709 A KR20140163709 A KR 20140163709A KR 101637740 B1 KR101637740 B1 KR 101637740B1
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현대자동차주식회사
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Abstract

차량의 주행 중에는 모터에서 제공되는 동력이 구동축에 전달되도록 형성되고, 엔진의 동력이 입력되는 제1변속기구의 변속기 입력축과 평행한 복수의 샤프트 및 샤프트에 결합된 복수의 기어가 마련되며, 기어 중 하나는 피동기어로서 차량의 주행 시 상시동기기구에 의해 상시 치합되어 회전되는 제2변속기구;를 포함하는 하이브리드 차량용 파워트레인이 소개된다.

Description

하이브리드 차량용 파워트레인{POWERTRAIN FOR HYBRID VEHICLE}
본 발명은 하이브리드 차량의 파워트레인에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전륜의 구동축에 모터를 연결하여 효율이 높고 변속감이 향상되며, 추가적인 고속단의 기어비를 구현 가능하도록 한 하이브리드 차량용 파워트레인에 관한 것이다.
자동화 수동변속기는 차량의 운전중 액츄에이터에 의해 자동적으로 변속이 이루어져서 자동변속기와 유사한 운전 편의성을 제공하고, 자동변속기보다 우수한 동력 전달 효율로 차량의 연비향상에 기여할 수 있다.
그러나, 동기치합식 변속메커니즘을 기반으로 하는 AMT(Automated Manual Transmission)의 경우, 액츄에이터에 의해 자동적으로 변속이 이루어지는 중간에도 기어의 변속 중에는 엔진의 동력이 단절되는 순간이 필연적으로 존재하게 되며, 이에 따라 발생되는 토크 저하에 의해 마치 차량을 후방으로 끌어당기는 듯한 변속감 저하현상이 수반되는 문제점이 있다.
따라서, 차량의 주행 중 변속 시 엔진의 동력이 단절되더라도 변속충격이 발생하지 않고 변속감이 저하되지 않는 하이브리드 차량용 파워트레인이 필요한 것이다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2013-0115618 A JP 2012-0245877 A
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 차량의 주행 중 변속 시 엔진의 동력이 단절되더라도 변속충격이 발생하지 않고 변속감이 저하되지 않는 하이브리드 차량용 파워트레인을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 하이브리드 차량용 파워트레인은 차량의 주행 중에는 모터에서 제공되는 동력이 구동축에 전달되도록 형성되고, 엔진의 동력이 입력되는 제1변속기구의 변속기 입력축과 평행한 복수의 샤프트 및 샤프트에 결합된 복수의 기어가 마련되며, 기어 중 하나는 피동기어로서 차량의 주행 시 상시동기기구에 의해 상시 치합되어 회전되는 제2변속기구;를 포함한다.
상기 제1변속기구와 제2변속기구에는 기어의 선택적인 치합을 위해 변속단을 선택할 수 있는 시프팅레일이 배열되고, 상기 시프팅레일에는 모터단이 마련되며, 차량의 주행 시에는 차량의 주행속도에 해당하는 기어단이 선택되고, 상기 상시동기기구가 피동기어에 상시 치합되도록 구성될 수 있다.
상기 제1변속기구와 제2변속기구에는 기어의 선택적인 치합을 위해 변속단을 선택할 수 있는 시프팅레일이 배열되고, 변속단의 중립 시 상기 상시동기기구가 피동기어에 상시 치합되도록 구성될 수 있다.
상기 제1변속기구와 제2변속기구에는 기어의 선택적인 치합을 위해 변속단을 선택할 수 있는 시프팅레일이 배열되고, 모터단의 선택 시 상기 피동기어로부터 상시동기기구의 치합이 해제될 수 있다.
상기 제2변속기구에는 제1샤프트와 제2샤프트가 마련되고, 제1샤프트에는 구동기어가 마련되며, 제2샤프트에는 피동기어 및 출력기어가 마련되되, 상기 피동기어는 상시동기기구와 치합 또는 해제됨으로써, 상기 모터로부터 제공되는 동력이 구동축으로 전달될 수 있다.
상기 모터는 상기 제1샤프트에 직결될 수 있다.
상기 제1샤프트에는 후진기어와 후진기어에 치합 또는 해제되는 후진동기기구가 마련될 수 있다.
상기 후진기어는 상기 제1변속기구의 변속기 입력축에 마련된 구동기어와 치합될 수 있다.
상기 제2변속기구는 차량의 아이들 시에는 상기 피동기어와 상시동기기구의 치합이 해제되도록 하되, 상기 후진기어와 후진동기기구를 치합함으로써, 엔진으로부터 제공되는 구동력을 모터로 입력시켜 배터리를 충전시킬 수 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 하이브리드 차량용 파워트레인에 따르면 종래의 AMT나 DCI에서 시프터/셀렉터의 부품을 추가하지 않더라도 모터를 구동축과 직결 가능하게 된다. 또한, 아이들 시에는 모터를 해제하여 아이들 차지가 가능하기 때문에 HSG를 삭제할 수 있는 장점이 있다. 또한, 주행 시 모터가 구동축과 항상 직결되어 있기 때문에 변속 시에도 모터에 의해 엔진의 단절된 동력을 보조하기 때문에 변속충격이 발생하지 않고 변속감이 향상되는 효과가 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 차량용 파워트레인의 구조도.
도 2는 도 1의 주행 시의 동력의 흐름을 도시한 도면.
도 3은 도 1의 모터의 아이들 차지 시를 도시한 도면.
도 4는 도 1의 후진 시를 도시한 도면.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 하이브리드 차량용 파워트레인에 대하여 살펴본다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 차량용 파워트레인의 구조도이고, 도 2는 도 1의 주행 시의 동력의 흐름을 도시한 도면이며, 도 3은 도 1의 모터의 아이들 차지 시를 도시한 도면이다. 또한, 도 4는 도 1의 후진 시를 도시한 도면이다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 하이브리드 차량용 파워트레인은 차량의 주행 중에는 모터(200)에서 제공되는 동력이 구동축(300)에 전달되도록 형성되고, 엔진(100)의 동력이 입력되는 제1변속기구(500)의 변속기 입력축(510)과 평행한 복수의 샤프트(610,620) 및 샤프트(610,620)에 결합된 복수의 기어(630,650,660,670)가 마련되며, 기어 중 하나는 피동기어(630)로서 차량의 주행 시 상시동기기구(640)에 의해 상시 치합되어 회전되는 제2변속기구(600);를 포함한다.
본 발명은 하이브리드 차량용 파워트레인에 관련된 것으로서, 차량에 모터(200)와 엔진(100)이 동시에 결합되고, 모터(200)와 엔진(100)에 각각 변속기구(500,600)가 포함된다. 상기 엔진(100)에 결합되는 상기 제1변속기구(500)는 변속기 입력축(510)과 변속기 입력축(510)에 마련된 복수의 구동기어(530a,530b), 변속기 출력축(550) 및 변속기 출력축(550)에 상대회전하도록 마련된 피동기어(540)와 변속단에 따라 선택적으로 피동기어(540)를 동기화시키는 복수의 동기기구(560)로 구성된다. 본 명세서에서 도시한 제1변속기구(500)의 구성 및 배치 등은 통상의 기술자가 필요에 따라 얼마든지 설계변경 가능함을 밝힌다.
또한, 상기 모터(200)에는 제2변속기구(600)가 마련되고, 모터(200)에서 제공되는 동력이 구동축(300)으로 전달되어 차량의 주행 시 엔진(100)에서 제공되는 구동력과 합쳐지게 된다. 또한, 변속을 위해 엔진(100)의 동력이 클러치(700)에 의해 단절되더라도 모터(200)에서 제공되는 동력은 항상 구동축(300)에 전달되기 때문에 변속 시 동력단절이 발생하지 않아 변속충격이 제거되고, 변속감이 향상되는 효과가 있게 된다.
본 발명의 구성에 대해 좀 더 상세하게 살펴보면, 상기 제2변속기구(600)에는 제1샤프트(610)와 제2샤프트(620)가 마련되고, 제1샤프트(610)에는 구동기어(650)가 마련되며, 제2샤프트(620)에는 피동기어(630) 및 출력기어(660)가 마련된다. 상기 제1샤프트(610)는 구동기어(650) 및 모터(200) 직결되어 모터(200)에서 제공되는 동력에 의해 항상 함께 회전한다. 상기 출력기어(660)는 제2샤프트(620)와 직결되어 항상 함께 회전되며, 상기 피동기어(630)는 제2샤프트(620)에 상대회전 가능하도록 연결된다. 그러므로, 상기 피동기어(630)는 상기 상시동기기구(640)에 의해 치합 또는 해제됨으로써, 상기 모터(200)로부터 제공되는 동력을 구동축(300)에 전달 또는 단절할 수 있게 된다.
또한, 상기 제1샤프트(610)에는 후진기어(670) 및 후진기어(670)와 치합 또는 해제되는 후진동기기구(680)가 마련된다. 상기 후진기어(670)는 상기 제1변속기구(500)의 변속기 입력축(510)에 마련된 구동기어(530b) 중 하나와 치합된다. 따라서, 후진기어(670)가 후진동기기구(680)에 의해 치합되면, 제1변속기구(500)의 구동기어(530b)로부터 엔진(100)의 동력이 구동축(300)으로 전달되어 차량의 후진이 가능하게 되는 것이다. 물론, 모터(200)에서 제공되는 동력 역시 후진기어(670)와 후진동기기구(680)에 의해 구동축(300)으로 전달되게 된다. 본 실시예에서는 상기 제1샤프트(610)에는 후진기어(670), 후진동기기구(680) 및 구동기어(650)의 순으로 형성된 것을 도시하였으나, 이러한 내용은 설계나 환경에 따라 얼마든지 변경가능할 것이다.
그리고, 상기 제2샤프트(620)에는 제2샤프트(620)와 상대회전 가능하도록 형성된 피동기어(630)가 마련된다. 상기 피동기어(630)는 상기 제1샤프트(610)의 구동기어(650)에 의해 구동되나, 제2샤프트(620)에 상대회전 되도록 마련되어 있으므로, 상기 상시동기기구(640)에 의해 치합됨으로써, 제2샤프트(620)와 함께 회전하게 된다. 더불어, 제2샤프트(620)에는 출력기어(660)가 마련되어 모터(200)로부터 제공받은 동력이 최종적으로 구동기어(650), 피동기어(630) 및 출력기어(660)를 통해 구동축(300)에 전달되게 되는 구조인 것이다.
상기 모터(200)는 상기 제1샤프트에 직결되므로, 모터(200)에서 제공되는 동력을 제1샤프트(610)의 구동기어(650)와 제2샤프트(620)의 피동기어(630) 및 출력기어(660)를 통해 구동축(300)에 전달하고, 차량의 아이들 시에는 엔진(100)으로부터 제공되는 동력이 모터(200)로 유입되어 배터리(미도시)가 충전되게 된다.
상기 제1변속기구(500)와 제2변속기구(600)에는 기어의 선택적인 치합을 위해 변속단을 선택할 수 있는 시프팅레일(400)이 배열된다. 상기 시프팅레일(400)에는 모터단이 마련되며 차량의 주행 시에는 차량의 주행속도에 해당하는 기어단이 선택되고, 상기 상시동기기구(640)가 피동기어(630)에 상시 치합되도록 구성된다.
또한, 상기 시프팅레일(400)에는 변속단의 중립 시에도 상기 상시동기기구(640)가 피동기어(630)에 상시 치합되도록 구성되어 변속 시에도 모터(200)에서 제공되는 동력이 지속적으로 구동축(300)으로 전달되게 된다. 따라서, 변속 시 클러치(700)에 의해 엔진(100)에서 제공되는 동력이 단절되더라도 구동축(300)으로는 모터(200)의 구동력이 항시 전달되기 때문에 변속충격이 발생하지 않아 부드러운 변속이 가능하고, 변속감이 증대되는 효과가 있는 것이다.
마지막으로, 상기 시프팅레일(400)에는 모터단이 마련되고, 모터단을 선택하기 위해 모터단으로의 시프팅 시 상기 피동기어(630)로부터 상시동기기구(640)의 치합이 해제되어 모터(200)에서 제공되는 동력이 구동축(300)으로 전달되지 않게 된다. 따라서, 차량의 아이들 시 후진기어(670)와 후진동기기구(680)를 활용하여 엔진(100)에서 제공되는 동력을 이용하여 모터(200)를 역회전시킴으로써 배터리를 충전할 수 있게 된다.
도 2 내지 도 4를 통해 차량의 주행 시, 아이들 시 및 후진 시 동력의 흐름을 설명한다.
도 2는 도 1의 주행 시의 동력의 흐름을 도시한 도면으로서, 변속단이 1단일 경우를 예를 들어 도시하고 설명한다. 먼저 엔진(100)의 제1변속기구(500)를 확인하면, 변속기 출력축(550)에는 1단 피동기어(540a)와 2단 피동기어(540b)가 마련된다. 상기 1단 피동기어(540a)와 2단 피동기어(540b) 사이의 동기기구(560)가 1단 피동기어(540a)와 치합되어 엔진(100)으로부터 제공되는 동력이 변속기 입력축(510)의 1단 구동기어(530a)를 통해 변속기 출력축(550)의 1단 피동기어(540a)와 치합되어 전달된다. 따라서, 엔진(100)에서 제공된 동력이 변속기 입력축(510)에서 변속기 출력축(550)의 출력기어(570)를 통해 구동축(300)으로 전달되는 구조인 것이다.
또한, 모터(200)의 제2변속기구(600)를 확인하면, 제2샤프트(620)의 피동기어(630)가 상시동기기구(640)에 의해 치합되어 모터(200)로부터 제공되는 동력이 제1샤프트(610)의 구동기어(650)를 통해 피동기어(630)로 전달되고, 피동기어(630)에 의해 제2샤프트(620)가 회전되어 제2샤프트(620)의 출력기어(660)를 통해 구동축(300)으로 전달되어 엔진(100)의 동력과 합쳐지게 되는 것이다. 따라서, 변속단의 변경 시에도 모터(100)에서 제공되는 동력이 구동축(300)으로 연속적으로 제공되고 있기 때문에 변속 시 클러치(700)에 의해 엔진(100)으로부터 제공되는 동력이 단절되더라도 구동축(300)으로는 구동력이 계속하여 제공됨으로써, 변속충격이 제거되고, 변속감이 증대되는 효과가 있는 것이다.
도 3은 모터(200)의 아이들 차지 시를 도시한 도면으로서, 변속단이 시프팅레일(400)의 모터단에 시프팅된 것을 볼 수 있다. 차량의 아이들 시에는 엔진(100)에서 제공되는 구동력이 구동축(300)을 회전시키지 않아도 되기 때문에, 모터(200)를 역회전 시켜 배터리를 충전시키게 된다.
따라서, 상기 제1변속기구(500)와 제2변속기구(600)에 마련된 시프팅레일(400)에서 변속단이 모터단에 시프팅되면, 상시동기기구(640)와 피동기어(630)와의 치합이 해제되게 되는 것이다. 상기 상시동기기구(640)와 피동기어(630)의 치합이 해제되면, 모터(100)에 의해 제1샤프트(610)의 구동기어(650)가 회전되더라도 제2샤프트(620)의 피동기어(630)가 제2샤프트(620)를 회전시키지 못해 구동축(300)으로 동력이 전달되지 않게 되는 구조인 것이다. 그러므로, 차량의 아이들 시에는 엔진(100)의 동력을 이용하여 모터(200)를 역회전시켜 배터리를 충전할 수 있게됨으로써, HSG(Hybrid Starter Generator)와 같은 부품의 생략이 가능하여 원가가 절감되는 효과가 발생한다.
모터(200)에 의해 배터리가 충전되는 과정을 보다 상세하게 살펴보면, 상기 상기 제2변속기구(600)는 차량의 아이들 시 피동기어(630)와 상시동기기구(640)의 치합을 해제하되, 상기 후진기어(670)와 후진동기기구(680)를 치합함으로써, 엔진(100)으로부터 제공되는 구동력이 변속기 입력축(510)의 후진구동기어(530b)를 통해 후진기어(670)로 입력된다. 이 때 후진기어(670)는 후진동기기구(680)와 치합된 상태이므로, 제1샤프트(610)를 주행 시와는 반대방향으로 회전시켜 엔진(100)의 구동력을 모터(200)로 입력시켜 배터리를 충전시키게 되는 것이다. 그러나, 피동기어(630)가 상시동기기구(640)와 해제되어있으므로, 아이들 시 클러치(700)를 해제하지 않더라도 엔진(100)의 구동력을 통해 모터(200)를 역회전하여 배터리를 충전할 수 있으면서도 구동축(300)으로는 동력이 전달되지 않게 되는 잇점이 있는 것이다.
도 4는 차량의 후진 시를 도시한 도면으로서, 시프팅레일(400)의 후진단이 선택된 것을 볼 수 있다. 이 때, 제2변속기구(600)를 살펴보면, 제2샤프트(620)의 피동기어(630)는 상시동기기구(640)에 의해 치합된다. 차량의 후진 시에는 엔진(100)으로부터 제공되는 동력이 변속기 입력축(510)을 통해 후진기어(670)와 치합된 구동기어(530b)를 통해 후진기어(670)로 제공된다. 이 때, 후진기어(670)는 후진동기기구(680)에 의해 치합되어 차량의 주행 시와는 반대방향으로 제1샤프트(610)와 함께 회전하게 된다. 후진기어(670)로 입력된 동력은 다시 제1샤프트(610)의 구동기어(650)와 제2샤프트(620)의 피동기어(630)를 통해 출력기어(660)를 지나 구동축(300)에 전달된다.
또한, 모터(200)로부터 제공되는 동력은 상기와 마찬가지로, 기어단이 후진단으로 선택됨에 따라, 엔진(100)으로부터 제공되어 후진기어(670)로 전달된 동력과 같은 방향으로 전달되어 구동축(300)으로 전달되게 된다. 이 때, 후진기어(670)에 의해 구동축(300)이 역회전되어 차량이 후진하게 되는 것이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면 종래의 AMT는 6단 기어비를 구성하기 위해 1단부터 후진까지 셀렉팅레일에 총 4열의 셀렉터가 필요하게 된다. 본 발명에서는 모터단도 필요하기 때문에 1열의 셀렉터가 추가로 필요하게 된다. 이에 따라 부품이 추가되는데, 부품이 추가되는 것을 방지하기 위하여 후진기어단은 전기식 시프터/셀렉터에 연결하지 않고, P단처럼 기어레버에 와이어(로드)를 연결하여, 운전자의 조작에 의해 작동되도록 구성할 수도 있다. 이렇게 하면 기존의 AMT와 동일한 시프터/셀렉터 작동 개수를 갖기 때문에 비용이 추가되지 않고도 적용될 수 있게 된다.
본 발명의 하이브리드 차량용 파워트레인에 따르면 종래의 AMT나 DCI에서 시프터/셀렉터의 부품을 추가하지 않더라도 모터를 구동축과 직결 가능하게 된다. 또한, 아이들 시에는 모터를 해제하여 아이들 차지가 가능하기 때문에 HSG를 삭제할 수 있는 장점이 있다. 또한, 주행 시 모터가 구동축과 항상 직결되어 있기 때문에 변속 시에도 모터에 의해 엔진의 단절된 동력을 보조하기 때문에 변속충격이 발생하지 않고 변속감이 향상되는 효과가 있게 된다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
100 : 엔진 200 : 모터
300 : 구동축 400 : 시프팅레일
410 : 모터단 500 : 제1변속기구
510 : 변속기 입력축 530a : 1단 구동기어
530b : 후진구동기어 540a : 1단 피동기어
540b : 2단 구동기어 550 : 변속기 출력축
560 : 동기기구 570 : 출력기어
600 : 제2변속기구 610 : 제1샤프트
620 : 제2샤프트 630 : 피동기어
640 : 상시동기기구 650 : 구동기어
660 : 출력기어 670 : 후진기어
680 : 후진동기기구 700 : 클러치

Claims (9)

  1. 차량의 주행 중에는 모터에서 제공되는 동력이 구동축에 전달되도록 형성되고, 엔진의 동력이 입력되는 제1변속기구의 변속기 입력축과 평행한 복수의 샤프트 및 샤프트에 결합된 복수의 기어가 마련되며, 기어 중 하나는 피동기어로서 차량의 주행 시 상시동기기구에 의해 상시 치합되어 회전되는 제2변속기구;를 포함하고,
    상기 제1변속기구와 제2변속기구에는 기어의 선택적인 치합을 위해 변속단을 선택할 수 있는 시프팅레일이 배열되고, 상기 시프팅레일에는 모터단이 마련되며, 차량의 주행 시에는 차량의 주행속도에 해당하는 기어단이 선택되고, 상기 상시동기기구가 피동기어에 상시 치합되도록 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 파워트레인.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1변속기구와 제2변속기구에는 기어의 선택적인 치합을 위해 변속단을 선택할 수 있는 시프팅레일이 배열되고, 변속단의 중립 시 상기 상시동기기구가 피동기어에 상시 치합되도록 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 파워트레인.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1변속기구와 제2변속기구에는 기어의 선택적인 치합을 위해 변속단을 선택할 수 있는 시프팅레일이 배열되고, 모터단의 선택 시 상기 피동기어로부터 상시동기기구의 치합이 해제되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 파워트레인.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2변속기구에는 제1샤프트와 제2샤프트가 마련되고, 제1샤프트에는 구동기어가 마련되며, 제2샤프트에는 피동기어 및 출력기어가 마련되되, 상기 피동기어는 상시동기기구와 치합 또는 해제됨으로써, 상기 모터로부터 제공되는 동력이 구동축으로 전달되도록 하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 파워트레인.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 모터는 상기 제1샤프트에 직결된 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 파워트레인.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1샤프트에는 후진기어와 후진기어에 치합 또는 해제되는 후진동기기구가 마련된 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 파워트레인.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 후진기어는 상기 제1변속기구의 변속기 입력축에 마련된 구동기어와 치합된 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 파워트레인.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제2변속기구는 차량의 아이들 시에는 상기 피동기어와 상시동기기구의 치합이 해제되도록 하되, 상기 후진기어와 후진동기기구를 치합함으로써, 엔진으로부터 제공되는 구동력을 모터로 입력시켜 배터리를 충전시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 파워트레인.
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