KR100992770B1 - 하이브리드 전기 자동차용 이중 클러치 변속기의 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 엔진과 모터로부터 발생된 동력을 이용한 하이브리드 전기 자동차를 구성함에 있어, 엔진과 변속기 사이의 동력 전달 경로와 별도로 모터와 변속기 사이의 동력 전달 경로를 마련함으로써, 모터의 설치에 따른 공간적 제약 조건을 해소함과 더불어 이를 통해 모터의 용량 증대 등 적용 가능한 모터의 종류에 대한 제한을 회피할 수 있도록 하는 데 그 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 엔진으로부터 발생된 구동력을 변속기로 전달하는 제1동력 전달 경로와; 상기 제1동력 전달 경로와는 이격되어 별도로 형성됨과 더불어, 모터로부터 발생된 구동력을 상기 변속기로 전달하는 제2동력 전달 경로; 상기 제1동력 전달 경로상에 설치되어 동력의 전달 및 차단을 도모하는 클러치 수단 및; 상기 제2동력 전달 경로상에 설치되어 동력의 전달을 행하는 동력 연결 수단을 포함하되; 상기 제1,제2동력 전달 경로는 동력 전달축을 공유하도록 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

하이브리드 전기 자동차용 이중 클러치 변속기의 구조{dual clutch transmission structure for hybrid electric vehicle}

도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 전기 자동차용 이중 클러치 변속기를 도시한 스틱 다이어그램.

도 2는 본 발명의 요부를 도시한 단면도.

도 3은 종래 하이브리드 전기 자동차용 이중 클러치 변속기를 도시한 스틱 다이어그램.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10-엔진 12-모터

14-기어열 16-체인

18-동력 전달축 20-구동 스프라켓

22-제1하우징 24-제1트러스트 베어링

26-레이디얼 베어링 28-추가 클러치

30-리테이너 32-제2하우징

34-제2트러스트 베어링 36-비틀림 댐퍼

38-이중 클러치

본 발명은 하이브리드 전기 자동차용 이중 클러치 변속기의 구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 변속기의 입력축으로 구동력을 전달하는 엔진과 모터를 각각 병렬로 설치하여, 모터의 탑재 공간에 대한 제약 조건으로부터 자유로울 수 있도록 하는 하이브리드 전기 자동차용 이중 클러치 변속기의 구조에 관한 것이다.

일반적으로 이중 클러치 변속기(dual clutch transmission)는 변속 메커니즘이 수동 변속기와 동일한 유단의 변속기인 바, 수동 변속기는 변속시 엔진과 변속기 사이의 토오크 단절 현상이 발생하여 부드러운 변속감을 확보하기가 매우 곤란한 반면에, 이중 클러치 변속기는 변속시 클러치의 슬립 제어를 통해 엔진으로부터 전달되는 토오크를 일정한 수준으로 유지하여 부드러운 변속감을 확보할 수 있다.

즉, 이중 클러치 변속기는 효율의 측면에서 기존의 수동 변속기와 거의 동등한 수준이며, 변속감의 측면에서는 기존의 자동 변속기와 유사한 부드러운 변속감을 얻을 수 있도록 구성된 것이다.

따라서, 고효율의 변속기인 이중 클러치 변속기를 이용하여 순수 저기 자동차 모드의 구현이 가능한 하이브리드 시스템을 구성한다면 우수한 연비의 성능을 구현할 수 있게 된다.

그러나, 이중 클러치 변속기를 채택하여 하이브리드 전기 자동차를 구성하는 경우에는 엔진과 모터의 설치 위치에 따른 동력의 전달 경로에 따라, 변속시 부드 러운 변속감의 상실 및 하이브리드 전기 자동차의 기능 제한 등과 같은 문제가 발생할 수 있다.

여기서, 변속시 변속감의 상실은 다음과 같은 상황에서 연출될 수 있을 것이다. 즉, 주행중 특정의 변속단으로 변속을 위해 동작되는 싱크로 기구의 이동시, 상기 싱크로 기구는 어느 단의 기어와도 치합이 되지 않는 중립점을 지날 수 있게 되는 데, 이때 엔진 및 모터로부터 발생된 토오크는 변속기의 출력축으로 전달되지 못하고서, 변속기의 출력축은 소위 무부하의 상태로 공회전을 하게 된다. 이러한, 무부하 상태에서의 주행은 운전자로 하여금 변속감을 상실하게 하는 것이다.

이를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 엔진측 크랭크 축(1)과 복수의 클러치(C1,C2)를 매개로 구동력을 전달받음과 더불어 모터(M)에 의해 구동력을 전달받는 이중 클러치 변속기에서, 기어열 중 2단 기어(G2)와 모터(M)가 연결되어 하이브리드 구동 시스템을 생각해 보자. 그리고 현재 3단 기어(G3)로 주행 상황이라 가정하자.

이때, 엔진 동력은 3단 기어(G3)로 출력되지만, 모터(M)의 동력은 2단 기어(G2)로 출력되어야 한다. 이후 4단 변속이 필요한 시점에 이르면, 이중 클러치 변속기의 변속 메커니즘에 의하여, 2단 기어(G2)의 연결을 해제하고 4단 기어(G4)로 먼저 기어 선택을 한 후, 3-4단 변속이 이루어지게 된다.

이때, 2-4단 기어 선택을 위한 선택기구(싱크로 기구;S1)가 이동할 경우, 중립점(2,4단 어느 기어와도 연결이 안된 상태)을 지나게 되고, 이때 모터(M)는 무부 하 상태가 되어 공회전을 하게 된다.

이를 방지하기 위해서는 모터(M)의 토크를 줄이고 엔진 토크를 높이는 등 통합 제어를 수행하여야 하나, 정밀한 제어가 수행되지 않으면, 운전감 상실 등의 문제를 초래하게 된다. 즉, 주행중 상기와 같은 통합 제어를 시행함에 있어, 정밀한 제어가 수행되지 못하면, 운전감의 상실과 같은 문제의 발생이 된다.

이에 따라, 이중 클러치 변속기를 이용하여 하이브리드 전기 자동차를 구성함에 있어, 변속시 토오크의 단절 현상과 같은 문제를 회피하기 위해 다양한 대안이 제시되었는 바, 그 중에 하나의 방법이 모터를 이중 클러치 변속기의 바로 앞에서 직결시켜 장착하는 구조인 것이다.

그러나, 상기와 같은 구조는 일체화의 설계가 가능한 고효율의 구조임에도 불구하고, 모터가 변속기 클러치 하우징에 탑재되어야 하는 구조이므로 인해 탑재 공간에 있어 제약 조건이 수반되는 문제가 있어 왔다.

즉, 클러치 하우징의 크기에 따라, 적용가능한 모터의 용량과 형태가 종속될 수 밖에 없으므로, 설계의 자유도가 떨어지는 것이다.

이에 본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 엔진과 모터로부터 발생된 동력을 이용한 하이브리드 전기 자동차를 구성함에 있어, 엔진과 변속기 사이의 동력 전달 경로와 별도로 모터와 변속기 사이의 동력 전달 경로를 마련함으로써, 모터의 설치에 따른 공간적 제약 조건을 해소함과 더불어 이를 통해 모터의 용량 증대 등 적용 가능한 모터의 종류에 대한 제한을 회피할 수 있도록 하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 엔진으로부터 발생된 구동력을 변속기로 전달하는 제1동력 전달 경로와; 상기 제1동력 전달 경로와는 이격되어 별도로 형성됨과 더불어, 모터로부터 발생된 구동력을 상기 변속기로 전달하는 제2동력 전달 경로; 상기 제1동력 전달 경로상에 설치되어 동력의 전달 및 차단을 도모하는 클러치 수단 및; 상기 제2동력 전달 경로상에 설치되어 동력의 전달을 행하는 동력 연결 수단을 포함하되; 상기 제1,제2동력 전달 경로는 동력 전달축을 공유하도록 구성된 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명한다.

본 발명은 도면에 도시된 바와 같이, 엔진(10)과 모터(12)로부터 각각 발생된 구동력을 개별적인 경로를 통해 이중 클러치 변속기의 기어열(14)로 전달하도록 구성된다.

이를 위해, 본 발명은 제1동력 전달 경로와 제2동력 전달 경로를 갖추고 있는 바, 먼저 상기 제1동력 전달 경로는 상기 엔진(10)으로부터 발생된 구동력을 상기 이중 클러치 변속기의 기어열(14)로 입력하도록 구성되고, 상기 제2동력 전달 경로는 상기 제1동력 전달 경로와는 이격되어 별도로 형성되는, 즉 병렬의 구조로 형성됨과 더불어, 상기 모터(12)로부터 발생된 구동력을 상기 이중 클러치 변속기 의 기어열(14)로 전달하도록 구성된다.

그리고, 상기 제1동력 전달 경로상에는 상기 엔진(10)으로부터 발생된 구동력을 상기 기어열(14)에 전달 내지 차단시키는 클러치 수단이 구비되고, 상기 제2동력 전달 경로상에는 상기 모터(12)로부터 발생된 구동력을 상기 기어열(14)에 전달하기 위한 동력 연결 수단이 구비되는 바, 상기 동력 연결 수단은 체인(16)으로 이루어진다.

여기서, 상기 제1,제2동력 전달 경로는 각각 중공축 형상의 동력 전달축(18)을 공유하도록 구성된다.

또한, 상기 동력 전달축(18)에는 상기 모터(12)와의 체인(16)을 매개로 하는 동력의 전달을 위해 구동 스프라켓(20)이 설치된다.

그리고, 상기 구동 스프라켓(20)은 상기 체인(16)과 함께 제1하우징(22)내에 수용되며, 상기 제1하우징(22)에는 상기 구동 스프라켓(20)의 허브(20a)를 지지하는 제1트러스트 베어링(24)이 설치되어 있다.

또한, 상기 동력 전달축(18)은 상기 변속기의 기어열(14)측의 중실 입력축(14a)의 일측 선단에서 레이디얼 베어링(26)을 매개로 지지되어 있으며, 상기 중실 입력축(14a)의 외주에는 중공 입력축(14b)이 설치되어 있어, 상기 중실 입력축(14a)과 상기 중공 입력축(14b)은 각각 상기 변속기의 기어열(14)에 상기 엔진(10) 내지 상기 모터(12)로부터 발생된 구동력을 전달하게 된다.

그리고, 상기 엔진(10)과 상기 동력 전달축(18) 사이에는 동력의 단속을 도모하는 추가 클러치(28)가 설치되어 있다.

또한, 상기 동력 전달축(18)의 외주에는 상기 추가 클러치(28)의 내륜을 구성하는 리테이너(30)가 스플라인 결합되어 설치되고, 상기 리테이너(30)의 일측에는 내부에 유로를 갖춘 제2하우징(32)이 설치되며, 상기 리테이너(30)와 상기 제2하우징(32) 사이에는 제2트러스트 베어링(34)이 설치되어 있다.

그리고, 상기 엔진(10)과 상기 추가 클러치(28) 사이에는 급격한 동력의 변화시 이를 완충시켜 주는 비틀림 댐퍼(36)가 설치되어 있다.

또한, 상기 동력 전달축(18)과 상기 변속기의 기어열(14) 사이에는 동력의 단속을 도모하는 이중 클러치(38)가 설치되어 있다.

즉, 본 발명에 따른 하이브리드 전기 자동차용 이중 클러치 변속기는 전술한 바의 제1,제2동력 전달 경로를 가지는 바, 먼저 상기 제1동력 전달 경로는 상기 엔진(10)으로부터 발생된 구동력이 상기 비틀림 댐퍼(36)를 거쳐 상기 추가 클러치(28)로 전달되고, 상기 추가 클러치(28)로 전달된 구동력은 다시 상기 동력 전달축(18)과 상기 이중 클러치(38)를 거쳐 상기 변속기의 기어열(14)로 입력되는 것이다.

또한, 제2동력 전달 경로는 상기 모터(12)로부터 발생된 구동력이 상기 체인(16)을 거쳐 상기 구동 스프라켓(20)으로 전달되고, 상기 구동 스프라켓(20)으로 전달된 구동력은 다시 상기 동력 전달축(18)과 상기 이중 클러치(38)를 거쳐 상기 변속기의 기어열(14)로 입력되는 것이다.

이 경우에 있어, 상기 모터(12)로부터 상기 변속기의 기어열(14)로 입력되는 제2동력 전달 경로는 상기 엔진(10)으로부터 상기 변속기의 기어열(14)로 입력되는 제1동력 전달 경로와 나란한 형태의 병렬 구조를 갖게 된다.

이 결과, 상기 모터(12)는 종래와 같이 탑재 공간의 제약 조건으로 인해 구동 성능의 확보에 있어 한계를 극복할 수 있게 되고, 이로 인해 설계의 자유도를 높일 수 있게 된다.

또한, 상기 모터(12)가 차량의 동력 전달축(18)상에 1축으로 연결되어 있지 않고, 별도의 축상에 설치되어 체인(16)을 통해 구동력을 전달하는 구조이므로, 차량의 동력 전달축(18)상에 존재하는 회전 관성(엔진과 다수의 클러치류 및 변속기의 기어열 등이 가지는 회전 관성임)과 별도의 회전 관성(모터와 체인이 가지는 회전 관성임)에 의해 발생되는 진동 등에 의해 동력 전달축(18)상의 반경 방향으로 부하를 증가시켜 차량의 진동 특성의 악화와 엔진의 시동 성능의 저하를 초래하게 된다.

그러나, 본 발명에서는 추가 클러치(28)와 이중 클러치(38) 및 체인(16)을 매개로 하는 구동 시스템을 적용하고 있기 때문에 이를 능히 극복할 수 있게 된다.

즉, 상기 이중 클러치(38)에는 동력 전달축(18)이 연결되어 있고, 상기 동력 전달축(18)에는 체인(16)의 설치를 위한 구동 스프라켓(20)과 추가 클러치(28)의 내륜이 장착되어 있으며, 상기 추가 클러치(28)의 외륜은 상기 비틀림 댐퍼(36)를 통해 엔진(10)과 연결되어 있다.

이에 따라, 상기 추가 클러치(28)가 해제인 경우에는 상기 엔진(10)과 상기 변속기의 기어열(14)은 연결되어 있지 않은 상태가 되며, 직결인 경우에는 상기 엔진(10)의 동력은 상기 동력 전달축(18)을 통해 상기 변속기의 기어열(14)로 전달되 어진다.

또한, 상기 제1하우징(22)에는 상기 구동 스프라켓(20)의 허브(20a)를 축방향으로 지지하는 제1트러스트 베어링(24)이 설치되어 있고, 상기 동력 전달축(18)의 내부에는 상기 중실 입력축(14a)이 상기 레이디얼 베어링(26)을 매개로 지지되며, 상기 추가 클러치(28)의 리테이너(30)는 상기 제2하우징(32)에 대해 축방향으로 설치된 제2트러스트 베어링(34)을 매개로 지지되어 있어, 2축 구조의 동력 전달 방식에서 초래될 수 있는 차량의 진동 특성의 악화와 엔진의 시동 성능의 저하를 줄일 수 있도록 되어 있다.

아울러, 상기 제2하우징(32)은 내부에 유로(도시안됨)의 형성을 통해 상기 추가 클러치(28)의 액츄에이터(피스톤에 해당)를 구동시키기 위한 유압의 공급 경로로도 활용할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 하이브리드 전기 자동차용 이중 클러치 변속기의 구조에 의하면, 변속기의 기어열(14)에 구동력을 전달하는 동력 전달 경로가 엔진(10)과 동력 전달축(18) 및 기어열(14)이 형성하는 하나의 축선과, 이로부터 이격된 위치에서 모터(12)와 체인(16) 및 동력 전달축(18) 그리고 기어열(14)로 이어지는 다른 하나의 축선으로 이루어짐에 따라, 상기 모터(12)의 설치시 탑재 공간의 제약 조건으로부터 자유로울 수 있으므로, 안정된 성능 확보를 도모할 수 있게 된다.

또한, 상기 모터(12)와 동력 전달축(18) 사이에서 동력의 전달을 도모하는 체인(16)이 구동 스프라켓(20)을 축방향으로 지지하는 제1트러스트 베어링(24)과 함께 제1하우징(22)내에 설치되고, 추가 클러치(28)의 리테이너(30)도 제2하우징(32)에 설치되는 제2트러스트 베어링(34)을 매개로 축방향에 대한 지지력을 부여받을 수 있어, 차량의 진동 특성의 악화 및 엔진의 시동 성능의 저해 요인을 배제할 수 있게 된다.

Claims (9)

1. 엔진으로부터 발생된 구동력을 변속기로 전달하는 제1동력 전달 경로와;

   상기 제1동력 전달 경로와는 이격되어 별도로 형성됨과 더불어, 모터로부터 발생된 구동력을 상기 변속기로 전달하는 제2동력 전달 경로;

   상기 제1동력 전달 경로상에 설치되어 동력의 전달 및 차단을 도모하는 클러치 수단 및;

   상기 제2동력 전달 경로상에 설치되어 동력의 전달을 행하는 동력 연결 수단을 포함하되;

   상기 제1,제2동력 전달 경로는 동력 전달축을 공유하도록 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차용 이중 클러치 변속기의 구조.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 동력 연결 수단은 체인으로 이루어진 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차용 이중 클러치 변속기의 구조.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 동력 전달축에는 상기 모터와의 동력 전달을 위해 구동 스프라켓이 설치된 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차용 이중 클러치 변속기의 구조.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 구동 스프라켓은 상기 체인과 함께 제1하우징내에 수용되며, 상기 제1하우징에는 상기 구동 스프라켓의 허브를 지지하는 제1트러스트 베어링이 설치된 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차용 이중 클러치 변속기의 구조.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 동력 전달축은 상기 변속기의 중실 입력축의 일측 선단에서 레이디얼 베어링을 매개로 지지된 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차용 이중 클러치 변속기의 구조.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 엔진과 상기 동력 전달축 사이에는 동력의 단속을 도모하는 추가 클러치가 설치된 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차용 이중 클러치 변속기의 구조.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 동력 전달축의 외주에는 상기 추가 클러치의 내륜을 구성하는 리테이너가 스플라인 결합되어 설치되고, 상기 리테이너의 일측에는 내부에 유로를 갖춘 제2하우징이 설치되며, 상기 리테이너와 상기 제2하우징 사이에는 제2트러스트 베어링이 설치된 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차용 이중 클러치 변속기의 구조.
8. 제 6 항에 있어서,

   상기 엔진과 상기 추가 클러치 사이에는 급격한 동력의 변화시 이를 완충시켜 주는 비틀림 댐퍼가 설치된 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차용 이중 클러치 변속기의 구조.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 동력 전달축과 상기 변속기 사이에는 동력의 단속을 도모하는 이중 클러치가 설치된 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차용 이중 클러치 변속기의 구조.

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