JP2003106389A - 電気機械式変速機 - Google Patents

電気機械式変速機

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JP2003106389A
JP2003106389A JP2002182937A JP2002182937A JP2003106389A JP 2003106389 A JP2003106389 A JP 2003106389A JP 2002182937 A JP2002182937 A JP 2002182937A JP 2002182937 A JP2002182937 A JP 2002182937A JP 2003106389 A JP2003106389 A JP 2003106389A
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planetary
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Bayerische Motoren Werke AG
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    • B60K2006/268—Electric drive motor starts the engine, i.e. used as starter motor
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H61/00—Control functions within control units of change-speed- or reversing-gearings for conveying rotary motion ; Control of exclusively fluid gearing, friction gearing, gearings with endless flexible members or other particular types of gearing
    • F16H61/04—Smoothing ratio shift
    • F16H61/0403—Synchronisation before shifting
    • F16H2061/0422—Synchronisation before shifting by an electric machine, e.g. by accelerating or braking the input shaft
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H2200/00—Transmissions for multiple ratios
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 推進力の遮断を伴うことなく自動シフトプロ
セスを可能とし、様々なシフト方式の幅広い多様性を可
能とする、自動車両のための変速機を創作する。 【解決手段】 遊星伝動装置（１３−１６）の入力シャ
フト（１２）が内燃機関のクランクシャフト（１１）と
接続されている。遊星伝動装置（１３−１６）の両方の
出力シャフト（１７、１８）は、シフト伝動装置の２つ
のカウンタシャフト（２８、２９）とも電気駆動部の２
つのロータ（２０、２１）とも接続されていて、これら
のロータはモータとして及びジェネレータとして作動し
得る。従ってこれらの両方のロータは、従来のスタータ
とジェネレータの機能を担い、接続されているシフト伝
動装置部分のシフトプロセスの制御を可能にする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、自動車両のための
電気機械式変速機に関する。
【０００２】
【従来の技術】走行快適性の向上のためには自動変速機
が知られていて、自動変速機ではギヤ段階の変更が運転
者の関与を伴うことなく自動的に行われる。この種の自
動変速機の短所は、高い製造コスト、重い重量、並びに
大きな構成体積にある。自動車両にとって目下のところ
通例である自動変速機に対する低コストのバリエーショ
ンとして所謂自動化シフト伝動装置が知られるようにな
った。しかしながら自動化シフト伝動装置は、シフトプ
ロセス中に、推進力の遮断、即ち動力伝達の遮断が発生
してしまうという短所を有する。推進力の遮断を伴わな
い選択肢として、別個の２つのカウンタシャフトを有す
るダブルクラッチ伝動装置が開発されている。この場合
の短所は、クラッチにおける高い機械負荷と高い熱負
荷、並びに、スムーズなシフトプロセスのための高価な
制御装置である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明の基礎を成す課
題は、推進力の遮断を伴うことなく自動シフトプロセス
を可能とし、様々なシフト方式の幅広い多様性を可能と
する、自動車両のための変速機を創作することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】それらの要求に対応する
電気機械式変速機は、特許請求項１において特徴付けら
れている。
【０００５】本発明による電気機械式変速機では、内燃
機関とシフト伝動装置との間で制御されるクラッチが無
くてもよく、シフトプロセスが推進力の遮断を伴うこと
なく実施され得る。遊星伝動装置の入力シャフトは内燃
機関のクランクシャフトと接続されている。遊星伝動装
置の両方の出力シャフトは、シフト伝動装置の２つのカ
ウンタシャフトとも電気駆動部の２つのロータとも接続
されていて、これらのロータはモータとして及びジェネ
レータとして作動し得る。従ってこれらの両方のロータ
は、従来のスタータとジェネレータの機能を担い、接続
されているシフト伝動装置部分のシフトプロセスの制御
を可能にする。本発明による電気機械式変速機は小さな
重量と小さな構成サイズにより傑出している。
【０００６】本発明の合目的な他の構成は、従属項に記
載されている。
【０００７】
【発明の実施の形態】図面には本発明の幾つかの有利な
実施形態が示されていて、次にそれらについて説明す
る。
【０００８】図１には、内燃機関と連結されている電気
機械式変速機の全体図が示されている。図２には、図１
に描かれた変速機と類似するがクラッチを有する変形例
が示されている。図３には、内燃機関とシフト伝動装置
の間に配設されている遊星伝動装置の２つの実施形態が
示されている。図４には、図２に従って可能なギヤ段を
有する電気機械式変速機の機能接続図が示されている。
図５には、より高い次のギヤ段に向かうシフトプロセス
を示す、遊星伝動装置のシャフトの回転数ノモグラムが
示されている。図６には、内燃機関のスタートプロセス
を示す、図５に類似するノモグラムが示されている。図
７には、自動車両の発進プロセスを示す、図５に類似す
るノモグラムが示されている。
【０００９】本発明による電気機械式変速機は、主とし
て、ロータを有する遊星伝動装置、シフト伝動装置、出
力制御部、蓄積部、及び、変速機制御装置から構成され
ている。図１からも見て取れるように、断続的な輪郭線
で示唆されている内燃機関においてフライホイール１０
の設けられているクランクシャフト１１は遊星伝動装置
の入力シャフト１２と接続されている。係合車としての
歯車、摩擦車などで実現化される遊星伝動装置は、入力
シャフト１２と接続されている第１中央車１３、ウェブ
１４、第２中央車１５を含む。遊星車１６は段階車とし
て形成されていて、これらの段階車は第１中央車１３及
び第２中央車１５と噛み合う。遊星伝動装置の第１出力
シャフト１７はウェブ１４と接続されていて、中空シャ
フトとして形成されている第２出力シャフト１８は第２
中央車１５と接続されている。第２出力シャフト１８に
はロータ２０の支持部１９が固定されている。ウェブ１
４には第２ロータ２１が固定されている。これらの両方
のロータは、共同で電気駆動部を形成する意味に即して
互いに配設されていて、この際、両方のロータのうちの
１つは電気的な作動フィールドを生成するためのエネル
ギー供給部を有する。図示されている実施形態のロータ
２０は、スリップリングロータとして形成されているフ
ィールドロータであり、それに対し、ロータ２１は永久
磁石又は篭形ロータである。この配置は同様の機能で交
換もされ得る。即ち、その場合にはロータ２１がフィー
ルドロータを形成し、ロータ２０が篭形ロータを形成す
る。図１に示されている実施形態においてロータ２０に
は出力制御部２２が付設されていて、この出力制御部２
２は所謂４クワドラント制御部である。ロータ２０には
更に蓄積部２３が付設されていて、この蓄積部２３は電
気エネルギーをロータ２０に提供する或いはロータ２０
内に生成された電気エネルギーを蓄積することができ
る。４クワドラント出力制御部２２には変速機制御装置
４３が付設されている。
【００１０】図示されている遊星伝動装置は分割伝動装
置であり、この分割伝動装置は２つの出力シャフト１７
及び１８に対して出力分岐を生じさせる。第１出力シャ
フト１７には２つの歯車２４及び２５が、第２出力シャ
フト１８には２つの歯車２６及び２７が相対回転不能に
夫々配設されている。同軸の両方の出力シャフト１７、
１８には２つの変速機シャフト２８及び２９が平行に配
設されている。両方の変速機シャフト２８、２９には夫
々に２つの歯車３０、３１或いは歯車３２、３３が回転
可能に備えられている。更に両方の変速機シャフト２
８、２９の夫々には、両方の歯車のうちの１つの歯車を
該当する変速機シャフトと相対回転不能に接続するため
に、シフトスリーブ３４、３５が軸方向に変位可能に備
えられている。更に両方の変速機シャフト２８及び２９
には歯車３６或いは３７が相対回転不能に配設されてい
る。両方の歯車３６及び３７は歯車３８と噛み合い、歯
車３８は従動シャフト３９と相対回転不能に接続されて
いる。遊星伝動装置を介して両方の出力シャフト１７、
１８に分割される内燃機関の駆動出力は歯車ペア３６、
３８及び３７、３８を介して従動シャフト３９に集約さ
れる。両方の出力シャフト１７、１８及び両方の変速機
シャフト２８、２９に配設されている歯車は４つの異な
る歯車ペアを形成し、これらの歯車ペアは、図２に示さ
れている実施形態のクラッチ４２と関連し、７段階に至
るまでの異なる変速機段階を可能とする（図４参照）。
また、前記のそれらの歯車は、係合車として、摩擦車な
どであってもよい。
【００１１】シフトのためには、変速機制御装置４３に
よってもたらされるシフトスリーブ３４又は３５の変位
により、所望の歯車ペアが該当する変速機シャフト２８
或いは２９と連結される。変速機制御装置４３は、入力
情報として、クランクシャフト１１の回転数、変速機出
力シャフト３９の回転数、内燃機関の実際の負荷、蓄積
部２３の実際の充電バランス、及び、運転者によって選
択されている変速機プログラムを処理する。変速機制御
装置４３はシフトプロセス中に要求される同期回転数を
計算し、４クワドランド出力制御部２２の稼動モード、
シフトスリーブ３４及び３５の機能、クラッチ４２、並
びに、内燃機関の要求される稼動負荷のための情報を制
御する。図示されている実施形態では４つの歯車ペアが
設けられているが、この種の変速機がより多くの歯車ペ
ア又はより少ない歯車ペアでも設計され得ることは当業
者にとって認識可能である。リバースギア段のための歯
車ペアは図面の簡素化のために省略されている。
【００１２】図１に示されている実施形態において、走
行稼動中には両方の出力シャフト１７、１８が２つの異
なる歯車ペアを介して変速機シャフト２８及び２９と連
結されている。内燃機関の出力は、変速機入力部におい
て遊星伝動装置を介して変速機シャフト２８、２９の歯
車ペアへと分岐され、変速機出力部において歯車ペア３
６、３８及び３７、３８を介して従動シャフト３９へと
再び集約される。シフト伝動装置の両方の歯車ペアの異
なる伝達比（歯車比）により、遊星伝動装置の出力シャ
フト１７、１８において従ってウェブ１４及びディスク
１９において異なる回転数が発生し、その結果、ロータ
２０、２１はジェネレータとして使用され得て、オルタ
ネータの形式で電気出力が生成される。
【００１３】図５は、遊星伝動装置のシャフト１２、１
７、１８の回転数ノモグラムであり、より高い次のギヤ
段に向かうシフトプロセスを具体的に示している。シフ
トのためには、遊星伝動装置の両方の出力シャフト１
７、１８のうちの１つの出力シャフトのモーメントが、
２つのロータ２０、２１によって形成されている電気駆
動部により次のように援助される。即ち、シャフトにお
いて噛合状態にある歯車ペア、例えば第１出力シャフト
１７において噛合状態にある歯車ペアが力のかからない
状態となり、シフトスリーブ３４を外すことによってギ
ヤ段が解除され得るようにである。電気駆動部２０、２
１は、今ではフリーの状態の出力シャフト１７の回転数
を、変速機シャフト２８においてより高い次の歯車ペア
の同期目標回転数へと制動して減少させるので、この歯
車ペアはシフトスリーブ３４と動力伝達状態にもたらさ
れ得る。このプロセス中には、内燃機関の負荷状態に依
存し、電気駆動部２０、２１が先ずはジェネレータ稼動
で作動し、引き続いてモータ稼動で作動する又はその逆
であるということが要求され得る。個々のギヤ段のシフ
トアップにおけるシフトステップは、変速機シャフト２
８−２９−２８−２９において交互に実施される。前述
したプロセスがより低い次のギヤ段に向かうシフトに対
しても同様に該当することが当業者には認識可能であ
る。
【００１４】この電気機械式変速機の本質的な長所は、
電気駆動部のロータ２０、２１の相対回転数が、内燃機
関の回転数には依存しないので、常に現在のギヤ段と次
のギヤ段との間の隔たりだけに対応するということであ
る。従って、シフトプロセス中の同期のために必要とさ
れる電気駆動部の出力は少なくて済む。全負荷における
シフトプロセスでは、内燃機関の半分のトルクと、以前
の伝達比と新たな伝達比との間の回転数の隔たりとの積
に出力が比例する。
【００１５】他の長所として、ほぼ同じ部分に対するシ
フトプロセス中には電気駆動部がジェネレータモード及
びモータモードで作動し、それにより、生成された電気
エネルギーを短期間の中間蓄積の後に引き続いてモータ
稼動に再び還元するということが挙げられる。それによ
り、蓄積部２３、例えばコンデンサバッテリは小さい容
量で済む。前述した電気機械式変速機は、変速機制御装
置４３を介し、運転者命令に応じ、又は異なるシフト特
性、例えば「快適性重視」又は「スポーティ」として自
動式で同期を制御する。更にこの電気機械式変速機は、
電気的な出力伝達及び中間蓄積における損失の他に損失
を伴うことはない。従ってこの電気機械式変速機は、ハ
イドロリックトルクコンバータを有する従来の段階式自
動変速機の全ての機能を満たすが、その損失を伴うこと
はなく、それ故、全効率の明らかな改善が果たされる。
【００１６】推進力の遮断を伴わないシフトプロセスは
ハイブリッド稼動状態を意味し、この稼動状態は、快適
なシフト動作に対する要求に応じ、異なる長さで持続し
得る。この状態は、変速機制御装置４３と蓄積部２３の
適切な設計により、各ギヤ段階において内燃機関と電気
駆動部のハイブリッド継続稼動として意識的に作動され
得て、この際、電気駆動部はジェネレータモードでもモ
ータモードでも稼動され得る。
【００１７】図６には内燃機関のスタートプロセスが描
かれている。機関スタートは、最も低いギヤ段が入れら
れていてブレーキのかけられている車両において行わ
れ、この際、両方の変速機シャフト２８、２９のうちの
１つの変速機シャフトだけ（図６では変速機シャフト２
８）が噛合状態にある。この際、両方のロータ２０、２
１によって形成されている電気駆動部は、内燃機関をア
イドリング回転数に作動させることにより、スタータの
機能を有する。引き続き、車両は、ブレーキのかけられ
た状態で機関アイドリング状態にあり、電気駆動部がジ
ェネレータとして使用される。
【００１８】図７には発進プロセスが描かれている。最
も低いギヤ段が入れられていてブレーキのかけられてい
る車両における機関アイドリング状態から出発し、発進
プロセスは、車両ブレーキの解除後、より高い次のギヤ
段に向かうシフトプロセスに対応する。この場合にも、
電気駆動部は、先ずはジェネレータ稼動で作動し、引き
続き、噛合状態にない変速機シャフト、例えば変速機シ
ャフト２９の歯車ペア、例えば歯車ペア２６／３２の同
期回転数が到達されるまで、モータ稼動で作動する。次
に、この変速機シャフトでは、付設されているシフトス
リーブを用い、対応する歯車ペアが噛合状態にもたらさ
れる。全負荷における発進プロセスでは損失を伴うこと
は殆どない。
【００１９】図２には、図１に示されている遊星伝動装
置の実施形態の変形例が描かれている。この変形例はク
ラッチ４２を有し、このクラッチ４２は、遊星伝動装置
が遮断されて無効とされることを可能にする。クラッチ
４２は有利には中央車１３とウェブ１４との間に配設さ
れている。クラッチ４２は、特に、推進力の遮断を伴わ
ないシフトプロセスの要求が無い場合に有利である。こ
の際、ロータ２０、２１によって形成されている電気駆
動部における始動モーメント及びモーメント特性曲線に
関する設計、並びに電気駆動部の出力制御部２２及び蓄
積部２３の設計は、内燃機関のスタートプロセス時に要
求されるトルクによって決定される。クラッチ４２は遊
星伝動装置の遮断をもたらし、クラッチ４２が電気駆動
部のジェネレータ制動モーメントに対して援助しながら
作用することにより、全負荷のもとの発進プロセスのた
めの発進補助部を表す。更に、クラッチ４２を閉じるこ
とにより、変速機シャフト２８か又は変速機シャフト２
９を介して１つのギヤ段階だけが噛合状態にあるという
伝達比が可能である。
【００２０】図３の左側の図面半分には、ポジティブの
停止伝達比(Standuebersetzung)を有する遊星伝動装置
が描かれていて、これは図２による実施形態に対応する
ものである。図３の右側の図面半分には、ネガティブの
停止伝達比を有する遊星伝動装置の構成形態が描かれて
いて、この遊星伝動装置は、機能においても効果におい
ても図３の左側の図面半分に描かれた遊星伝動装置と同
一である。これらの構成形態１及び２では停止伝達比が
反対であるにもかかわらず、回転方向状況は同一であ
る。それに対してトルク特性は同一ではない。構成形態
１では内燃機関のトルクは同じように両方の出力シャフ
ト上に分配されるが、構成形態２では同じではない分配
が行われる。構成形態２の実施形態において、入力シャ
フト１２は遊星伝動装置のウェブ１４’と接続されてい
る。ウェブ１４’に備えられている遊星車１６’は中央
車１３’及び中空車４１と噛み合う。中央車１３’は第
１出力シャフト１７’と接続されていて、中空車４１
は、中空シャフトとして形成されている第２出力シャフ
ト１８’と接続されている。第１出力シャフト１７’に
はディスク状の支持部４０が固定されていて、この支持
部４０は、篭形ロータとして形成されている電気駆動部
のロータ２１を支持している。ロータ２１に対して同軸
に配設されていてスリップリングロータとして形成され
ている電気駆動部のロータ２０は中空車４１に固定され
ている。両方のロータ２０及び２１によって形成されて
いる電気駆動部には４クワドラント出力制御部２２及び
蓄積部２３が付設されている。両方の出力シャフト１
７’及び１８’は、図１に示されている実施形態に応
じ、出力シャフト１７及び１８に対応する。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関と連結されている電気機械式変速機の
全体図を示す図である。
【図２】図１に描かれた変速機と類似するがクラッチを
有する変形例を示す図である。
【図３】内燃機関とシフト伝動装置の間に配設されてい
る遊星伝動装置の２つの実施形態を示す図である。
【図４】図２に従って可能なギヤ段を有する電気機械式
変速機の機能接続図を示す図である。
【図５】より高い次のギヤ段に向かうシフトプロセスを
示す、遊星伝動装置のシャフトの回転数ノモグラムを示
す図である。
【図６】内燃機関のスタートプロセスを示す、図５に類
似するノモグラムを示す図である。
【図７】自動車両の発進プロセスを示す、図５に類似す
るノモグラムを示す図である。
【符号の説明】
１０ フライホイール １１ クランクシャフト １２ 入力シャフト １３ 第１中央車（第１セントラルギヤ） １４ ウェブ（スパイダ） １５ 第２中央車（第２セントラルギヤ） １６ 遊星車（プラネタリギヤ） １７ 第１出力シャフト １８ 第２出力シャフト １９ 支持部 ２０ ロータ（スリップリングロータ） ２１ ロータ（篭形ロータ） ２２ 出力制御部 ２３ 蓄積部 ２４−２７ 歯車 ２８、２９ 変速機シャフト ３０−３３ 歯車 ３４、３５ シフトスリーブ ３６−３８ 歯車 ４０ 支持部 ４１ 中空車（リングギヤ） ４２ クラッチ ４３ 変速機制御装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｂ６０Ｋ 6/04 ７３３ Ｂ６０Ｋ 6/04 ７３３ 17/04 17/04 Ｇ Ｆ１６Ｈ 37/06 ＺＨＶ Ｆ１６Ｈ 37/06 ＺＨＶＺ (72)発明者 フーベルトゥス デプケ ドイツ連邦共和国 デー・82279 エヒン ク アム アマーゼー アム ロヒフェル ト ９ Ｆターム(参考） 3D039 AA02 AA04 AB27 AC37 AC39 3J028 EA25 EB37 FA06 FB03 FB13 FC13 FC23 FC33 FC42 FC64 GA02 3J062 AA02 AB06 AC02 BA12 CG01 CG03 CG13 CG67 CG82

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】自動車両のための電気機械式変速機におい
    て、以下の構成要件を有すること： ａ）遊星伝動装置（１３−１６）の入力シャフト（１
    ２）が内燃機関のクランクシャフト（１１）と連結され
    ていること、 ｂ）入力シャフト（１２）と、遊星伝動装置（１３−１
    ６）の両方の出力シャフト（１７、１８）のうちの１つ
    の出力シャフト又は両方の出力シャフトが、変速機ケー
    シングに依存しない、電気駆動部の２つのロータ（２
    ０、２１）と直接的な接続状態にあり、両方のロータの
    うちの１つのロータ（２０）が電気的な作動フィールド
    を生成するためのエネルギー供給部を有すること、 ｃ）前記のロータ（２０）には、生成される電磁的なフ
    ィールドを制御するための４クワドラント出力制御部
    （２２）が付設されていること、 ｄ）前記のロータ（２０）には、ジェネレータ稼動にお
    いて生成される電気的なエネルギーを蓄積するための蓄
    積部（２３）が付設されていること、 ｅ）４クワドラント出力制御部（２２）には変速機制御
    装置（４３）が付設されていること、 ｆ）遊星伝動装置（１３−１６）の両方の出力シャフト
    （１７、１８）には、シフト伝動装置の２つの変速機シ
    ャフト（２８、２９）が付設されていて、複数の歯車ペ
    ア（２６／３２、２７／３３、２４／３０、２５／３
    １）が同時に噛合状態にあり、歯車ペアにおいて一方の
    歯車が付属のシャフトに相対回転不能に接続されてい
    て、他方の歯車が付属のシャフトに回転可能に備えられ
    ていること、 ｇ）シフト手段（３４、３５）が、選択された歯車を付
    属のシャフトに相対回転不能に接続するために設けられ
    ていること、及び、 ｈ）従動シャフト（３９）が設けられていて、従動シャ
    フト（３９）が平車ステージ（３６−３８）を介して両
    方の変速機シャフト（２８、２９）と連結されているこ
    と。
  2. 【請求項２】遊星伝動装置の遊星車（１６）が段階車と
    して形成されていて、これらの段階車が、入力シャフト
    （１２）と連結されている第１中央車（１３）と噛み合
    い、遊星伝動装置の出力シャフトの一方の出力シャフト
    （１８）と連結されている第２中央車（１５）と噛み合
    うこと、及び、遊星伝動装置のウェブ（１４）が他方の
    出力シャフト（１７）と連結されていることを特徴とす
    る、請求項１に記載の変速機。
  3. 【請求項３】遊星伝動装置のウェブ（１４’）が入力シ
    ャフト（１２）と連結されていること、遊星伝動装置の
    中央車（１３’）が出力シャフトのうちの一方の出力シ
    ャフト（１７’）と連結されていて、遊星伝動装置の中
    空車（４１）が他方の出力シャフト（１８’）と連結さ
    れていることを特徴とする、請求項１に記載の変速機。
  4. 【請求項４】遊星伝動装置（１３−１６、１３’、１
    ４’、１６’、４１）を遮断するためのクラッチ（４
    ２）が設けられていることを特徴とする、請求項２又は
    ３に記載の変速機。
  5. 【請求項５】両方のロータ（２０、２１）の夫々が、デ
    ィスク形状の支持部（１９、４０）を介して遊星伝動装
    置の両方の出力シャフト（１７、１７’、１８、１
    ８’）のうちの１つの出力シャフトと相対回転不能に接
    続されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれ
    か一項に記載の変速機。
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