JP2005081928A

JP2005081928A - 動力出力装置およびこれを搭載する自動車

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Publication number: JP2005081928A
Application number: JP2003314572A
Authority: JP
Inventors: Masashi Nakamura; 誠志中村; Yukihiro Minesawa; 幸弘峯澤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-09-05
Filing date: 2003-09-05
Publication date: 2005-03-31
Anticipated expiration: 2023-09-05
Also published as: JP4088572B2

Abstract

【課題】動力源から駆動軸へのトルクの伝達経路をスムースに切り替える。
【解決手段】二つのプラネタリギヤＰ１，Ｐ２により４つの回転要素を持つよう構成された動力分配統合機構３０の各回転要素に、エンジン２２とモータＭＧ１と駆動軸６５とをそれぞれ接続する。モータＭＧ２を、エンジン２２やモータＭＧ１や駆動軸６５が接続されていない第４の回転要素にクラッチＣ１を介して接続すると共に駆動軸６５にクラッチＣ２を介して接続する。クラッチＣ２をオンとしてモータＭＧ２を駆動軸６５に接続して動力分配統合機構３０を３要素タイプとして機能させたり、クラッチＣ１をオンとしてモータＭＧ２を第４の回転要素に接続して動力分配統合機構３０を４要素タイプとして機能させたりできる。エンジン２２とモータＭＧ１と駆動軸６５との接続関係は維持されるから、３要素タイプと４要素タイプとの切り替えをスムースにできる。
【選択図】図１

Description

本発明は、動力出力装置およびこれを搭載する自動車に関し、詳しくは、駆動軸に動力を出力する動力出力装置およびこれを搭載すると共に駆動軸に車軸が機械的に連結されてなる自動車に関する。

従来、この種の動力出力装置としては、第１プラネタリギヤのサンギヤとリングギヤとにそれぞれ第１モータジェネレータとエンジンとを接続し、第２プラネタリギヤのサンギヤとキャリアとリングギヤとにそれぞれ第２モータジェネレータと第１プラネタリギヤのキャリアと第１モータジェネレータとを接続し、出力軸（駆動軸）と第２プラネタリギヤのキャリアとの連結と出力軸と第２プラネタリギアのサンギヤとの連結とをクラッチにより切り替えてエンジンや第１，第２モータジェネレータからの動力を出力軸に出力するものが提案されている（特許文献１参照）。この動力出力装置では、エンジンや第１，第２モータジェネレータから出力軸への動力の伝達経路をクラッチにより切り替えることで装置を効率よく運転できる、とされている。
特開２０００−６２４８３号公報

上述の動力出力装置では、クラッチにより連結を切り替える際に動力源から出力軸に出力される動力が一旦遮断されてしまうから、出力軸に出力されるトルクに落ち込みが生じたりショックが生じたりする場合がある。また、こうした動力出力装置を自動車などに搭載した場合、出力軸には比較的大きなトルクが要求される場合があるから、かかる場合を考慮してクラッチの容量も大きくしなければならない。

本発明の動力出力装置およびこれを搭載する自動車は、こうした問題を解決し、内燃機関や第１，第２の電動機から駆動軸への動力伝達経路の切り替えをスムースに行なうことを目的の一つとする。また、本発明の動力出力装置およびこれを搭載する自動車は、内燃機関や第１，第２の電動機から駆動軸への動力伝達経路を切り替える際に駆動軸に出力される動力の落ち込みを抑制することを目的の一つとする。さらに、本発明の動力出力装置およびこれを搭載する自動車は、電動機の小型化を図ることを目的の一つとする。

本発明の動力出力装置およびこれを搭載する自動車は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。

本発明の動力出力装置は、
駆動軸に動力を出力する動力出力装置であって、
内燃機関と、
発電可能な第１の電動機と、
発電可能な第２の電動機と、
前記駆動軸に連結された第１の軸と前記内燃機関の出力軸に連結された第２の軸と前記第１の電動機の回転軸に連結された第３の軸と第４の軸の４軸以上の複数の軸を有し、該複数の軸のうちのいずれか２軸の回転数が決定されると残余の軸の回転数が決定されると共に前記複数の軸に入出力される動力の収支をもって前記駆動軸に動力を出力させ、前記第２の電動機の回転軸を前記駆動軸および前記内燃機関の出力軸のうちの一方か前記第４の軸かに切り替え可能に連結する連結手段を備える多軸式動力入出力手段と
を備えることを要旨とする。

この本発明の動力出力装置では、多軸式動力入出力手段は、駆動軸に連結された第１の軸と内燃機関の出力軸に連結された第２の軸と第１の電動機の回転軸に連結された第３の軸と第４の軸の４軸以上の複数の軸を有し、この複数の軸のうちのいずれか２軸の回転数が決定されると残余の軸の回転数が決定されると共に複数の軸に入出力される動力の収支をもって駆動軸に動力を出力させ、第２の電動機の回転軸を駆動軸および内燃機関の出力軸のうちの一方か第４の軸かに切り替え可能に連結する連結手段を備える。したがって、内燃機関と第１の電動機とにより駆動軸に動力を出力しながら第２の電動機の回転軸の連結を切り替えることができるから、動力伝達経路の切り替えを比較的スムースに行なうことができる。

こうした本発明の動力出力装置において、前記多軸式動力入出力手段は、前記第１の軸と前記第２の軸と前記第３の軸の３軸を有し該３軸のうちのいずれか２軸に入出力される動力に基づいて残余の１軸に動力が入出力される第１の３軸式動力入出力手段と、前記第４の軸と前記駆動軸に連結された第５の軸と前記内燃機関の出力軸に連結された第６の軸の３軸を有し該３軸のうちのいずれか２軸に入出力される動力に基づいて残余の１軸に動力が入出力される第２の３軸式動力入出力手段とを備える手段であるものとすることもできる。この場合、前記第１の３軸式動力入出力手段および／または前記第２の３軸式動力入出力手段は、遊星歯車機構により構成されてなるものとすることもできる。

また、本発明の動力出力装置において、前記連結手段は、前記第２の電動機の回転軸と前記駆動軸および前記内燃機関の出力軸のうちの一方との接続と該接続の解除とを行なう第１の接続解除手段と、前記第２の電動機の回転軸と第４の軸との接続と該接続の解除とを行なう第２の接続解除手段とを備える手段であるものとすることもできる。こうすれば、第２の電動機の回転軸に連結されている一方の軸の接続を一旦解除してから他の軸の接続を行なうことができるから、第２の電動機の回転軸の連結をよりスムースに切り替えることができる。

さらに、本発明の動力出力装置において、前記多軸式動力入出力手段は、前記第４の軸の回転停止と該回転停止の解除とを行なう回転停止解除手段を備える手段であるものとすることもできる。こうすれば、所定の変速比で内燃機関や第１，第２の電動機からの動力を駆動軸に出力することができる。

本発明の自動車は、
上述の各態様のいずれかの動力出力装置、即ち、基本的には駆動軸に動力を出力する動力出力装置であって、内燃機関と、発電可能な第１の電動機と、発電可能な第２の電動機と、前記駆動軸に連結された第１の軸と前記内燃機関の出力軸に連結された第２の軸と前記第１の電動機の回転軸に連結された第３の軸と第４の軸の４軸以上の複数の軸を有し、該複数の軸のうちのいずれか２軸の回転数が決定されると残余の軸の回転数が決定されると共に前記複数の軸に入出力される動力の収支をもって前記駆動軸に動力を出力させ、前記第２の電動機の回転軸を前記駆動軸および前記内燃機関の出力軸のうちの一方か前記第４の軸かに切り替え可能に連結する連結手段を備える多軸式動力入出力手段とを備える動力出力装置を搭載し、前記駆動軸に車軸が機械的に連結されてなることを要旨とする。

この本発明の自動車では、上述の各態様のいずれかの本発明の動力出力装置を搭載するから、本発明の動力出力装置が奏する効果、例えば、動力伝達経路の切り替えを比較的スムースに行なうことができるなどの効果を奏することができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の第１実施例としての動力出力装置を搭載するハイブリッド自動車２０の構成の概略を示す構成図である。実施例のハイブリッド自動車２０は、図示するように、エンジン２２と、エンジン２２のクランクシャフト２６にダンパ２８を介して接続されると共に駆動輪６９ａ，６９ｂにデファレンシャルギヤ６８とギヤ機構６６とを介して接続された４軸式の動力分配統合機構３０と、この動力分配統合機構３０に接続された発電可能なモータＭＧ１と、同じく動力分配統合機構３０に接続された発電可能なモータＭＧ２と、動力出力装置全体をコントロールするハイブリッド用電子制御ユニット７０とを備える。

エンジン２２は、ガソリンまたは軽油などの炭化水素系の燃料により動力を出力する内燃機関であり、エンジン２２の運転状態を検出する各種センサから信号を入力するエンジン用電子制御ユニット（以下、エンジンＥＣＵという）２４により燃料噴射制御や点火制御，吸入空気量調節制御などの運転制御を受けている。エンジンＥＣＵ２４は、ハイブリッド用電子制御ユニット７０と通信しており、ハイブリッド用電子制御ユニット７０からの制御信号によりエンジン２２を運転制御すると共に必要に応じてエンジン２２の運転状態に関するデータをハイブリッド用電子制御ユニット７０に出力する。

動力分配統合機構３０は、２つのプラネタリギヤＰ１，Ｐ２とクラッチＣ１，Ｃ２とブレーキＢ１とにより構成されている。第１プラネタリギヤＰ１のサンギヤ３１にはモータＭＧ１が、リングギヤ３２にはギヤ機構６６が、ピニオンギヤ３３を連結するキャリア３４にはエンジン２２のクランクシャフト２６が、それぞれ接続されている。第２プラネタリギヤＰ２のサンギヤ４１には第１プラネタリギヤＰ１のキャリア３４（エンジン２２のクランクシャフト２６）が、リングギヤ４２にはクラッチＣ１を介してモータＭＧ２が、ピニオンギヤ４３を連結するキャリア４４には第１プラネタリギヤＰ１のリングギヤ３２（ギヤ機構６６）とクラッチＣ２を介してモータＭＧ２とが、それぞれ接続されている。また、第２プラネタリギヤＰ２のリングギヤ４２はブレーキＢ１を介してケースに接続されている。ギヤ機構６６に接続された第２プラネタリギヤＰ２のキャリア４４（第１プラネタリギヤＰ１のリングギヤ３２）は、最終的には駆動輪６９ａ，６９ｂに接続されているから、その回転軸を説明の都合上、「駆動軸」６５と呼ぶことにする。

こうして構成された動力分配統合機構３０は、クラッチＣ１とクラッチＣ２とを共にオフとすることによりモータＭＧ２を切り離すことができる。また、動力分配統合機構３０は、クラッチＣ１をオフとすると共にクラッチＣ２をオンとしブレーキＢ１をオフとすることにより、第１プラネタリギヤＰ１のリングギヤ３２と第２プラネタリギヤＰ２のキャリア４４とに接続された駆動軸６５およびモータＭＧ２の回転軸と、第１プラネタリギヤＰ１キャリア３４と第２プラネタリギヤＰ２のサンギヤ４１とに接続されたエンジン２２のクランクシャフト２６と、第１プラネタリギヤＰ１のサンギヤ３１に接続されたモータＭＧ１の回転軸と、の３軸を回転要素とするいわゆる３要素タイプの動力分配統合機構として機能させることができる。さらに、動力分配統合機構３０は、クラッチＣ１をオンとすると共にクラッチＣ２をオフとしブレーキＢ１をオフとすることにより、第１プラネタリギヤＰ１のリングギヤ３２と第２プラネタリギヤＰ２のキャリア４４とに接続された駆動軸６５と、第１プラネタリギヤＰ１のキャリア３４と第２プラネタリギヤＰ２のサンギヤ４１とに接続されたエンジン２２のクランクシャフト２６と、第１プラネタリギヤＰ１のサンギヤ３１に接続されたモータＭＧ１の回転軸と、第２プラネタリギヤＰ２のリングギヤ４２に接続されたモータＭＧ２の回転軸と、の４軸を回転要素とするいわゆる４要素タイプの動力分配統合機構として機能させることができる。こうしたクラッチＣ１，Ｃ２やブレーキＢ１のオンオフにより３要素タイプの動力分配統合機構として機能する際の回転要素における回転数とトルクとの力学的な関係と４要素タイプの動力分配統合機構として機能する際の回転要素における回転数とトルクとの力学的な関係とを示す共線図を図２に示す。図中、左端のＲ２軸は、第２プラネタリギヤＰ２のリングギヤ４２の回転数を示し、動力分配統合機構３０が４要素タイプとして機能するとき（クラッチＣ１がオンであると共にクラッチＣ２がオフでありブレーキＢ１がオフであるとき）にはモータＭＧ２の回転数Ｎｍ２にもなる。また、Ｒ１，Ｃ２軸は、駆動軸６５の回転数Ｎｄである第１プラネタリギヤＰ１のリングギヤ３２の回転数を示すと共に第２プラネタリギヤＰ２のキャリア４４の回転数を示し、動力分配統合機構３０が３要素タイプとして機能するとき（クラッチＣ１がオフであると共にクラッチＣ２がオンでありブレーキＢ１がオフであるとき）にはモータＭＧ２の回転数Ｎｍ２にもなる。Ｃ１，Ｓ２軸は、エンジン２２のクランクシャフト２６の回転数Ｎｅである第１プラネタリギヤＰ１のキャリア３４の回転数を示すと共に第２プラネタリギヤＰ２のサンギヤ４１の回転数を示す。右端のＳ１軸は、モータＭＧ１の回転数Ｎｍ１である第１プラネタリギヤＰ１のサンギヤ３１の回転数を示す。この共線図は、各回転要素に作用するトルクを共線を梁に見立てたときにこの梁に作用する力と同一視することができるものである。したがって、各回転要素に作用するトルク或いは作用させるべきトルクを、同様の力が作用している梁の釣り合いを解くことにより計算することができる。なお、図中、ρ１は第１プラネタリギヤＰ１のギヤ比（サンギヤ３１の歯数／リングギヤ３２の歯数）であり、ρ２は第２プラネタリギヤＰ２のギヤ比（サンギヤ４１の歯数／リングギヤ４２の歯数）である。こうした図２の共線図により解るように、モータＭＧ２の回転軸の連結位置を切り替えることにより駆動軸６５とエンジン２２のクランクシャフト２６とモータＭＧ１の回転軸との接続関係はそのままに動力分配統合機構３０を３要素タイプとして機能させたり４要素タイプとして機能させたりすることができる。即ち、エンジン２２やモータＭＧ１を用いて駆動軸６５にトルクを出力させている状態のまま３要素タイプと４要素タイプとを切り替えることができるのである。この結果、３要素タイプと４要素タイプの切り替えを比較的スムースに行なうことができる。また、動力分配統合機構３０は、ブレーキＢ１をオンとすることにより、エンジン２２やモータＭＧ１から出力される動力を所定変速比で変速して駆動軸６５に伝達させることができる。この場合の共線図の一例を図３に示す。図示するように、ブレーキＢ１をオンとすることにより、第２プラネタリギヤＰ２のリングギヤ４２をケースに固定することができ、エンジン２２やモータＭＧ１からの動力を所定の減速比で減速して駆動軸６５に出力させることができる。さらに、動力分配統合機構３０は、クラッチＣ１，Ｃ２を共にオンとしブレーキＢ１をオフとすることにより、駆動軸６５の回転数Ｎｄとエンジン２２の回転数ＮｅとモータＭＧ１，ＭＧ２の回転数Ｎｍ１，Ｎｍ２とを同一の回転数、即ち、一体回転させることもできる。なお、こうしたクラッチＣ１，Ｃ２やブレーキＢ１のオンオフ制御はハイブリッド用電子制御ユニット７０により行なわれている。

モータＭＧ１およびモータＭＧ２は、いずれも発電機として駆動することができると共に電動機として駆動できる周知の同期発電電動機として構成されており、インバータ５１，５２を介してバッテリ６０と電力のやりとりを行なう。インバータ５１，５２とバッテリ６０とを接続する電力ライン６４は、各インバータ５１，５２が共用する正極母線および負極母線として構成されており、モータＭＧ１，ＭＧ２のいずれかで発電される電力を他のモータで消費することができるようになっている。したがって、バッテリ６０は、モータＭＧ１，ＭＧ２のいずれかから生じた電力や不足する電力により充放電されることになる。なお、モータＭＧ１，ＭＧ２により電力収支のバランスをとるものとすれば、バッテリ６０は充放電されない。モータＭＧ１，ＭＧ２は、いずれもモータ用電子制御ユニット（以下、モータＥＣＵという）５０により駆動制御されている。モータＥＣＵ５０には、モータＭＧ１，ＭＧ２を駆動制御するために必要な信号、例えばモータＭＧ１，ＭＧ２の回転子の回転位置を検出する回転位置検出センサ５３，５４からの信号や図示しない電流センサにより検出されるモータＭＧ１，ＭＧ２に印加される相電流などが入力されており、モータＥＣＵ５０からは、インバータ５１，５２へのスイッチング制御信号が出力されている。モータＥＣＵ５０は、ハイブリッド用電子制御ユニット７０と通信しており、ハイブリッド用電子制御ユニット７０からの制御信号によってモータＭＧ１，ＭＧ２を駆動制御すると共に必要に応じてモータＭＧ１，ＭＧ２の運転状態に関するデータをハイブリッド用電子制御ユニット７０に出力する。

バッテリ６０は、バッテリ用電子制御ユニット（以下、バッテリＥＣＵという）６２によって管理されている。バッテリＥＣＵ６２には、バッテリ６０を管理するのに必要な信号、例えば，バッテリ６０の端子間に設置された図示しない電圧センサからの端子間電圧，バッテリ６０の出力端子に接続された電力ライン６４に取り付けられた図示しない電流センサからの充放電電流，バッテリ６０に取り付けられた図示しない温度センサからの電池温度などが入力されており、必要に応じてバッテリ６０の状態に関するデータを通信によりハイブリッド用電子制御ユニット７０に出力する。なお、バッテリＥＣＵ６２では、バッテリ６０を管理するために電流センサにより検出された充放電電流の積算値に基づく残容量（ＳＯＣ）やこの残容量（ＳＯＣ）と電池温度とに基づく入出力制限Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔなども演算または設定している。

ハイブリッド用電子制御ユニット７０は、ＣＰＵ７２を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵ７２の他に処理プログラムを記憶するＲＯＭ７４と、データを一時的に記憶するＲＡＭ７６と、図示しない入出力ポートおよび通信ポートとを備える。ハイブリッド用電子制御ユニット７０には、イグニッションスイッチ８０からのイグニッション信号，シフトレバー８１の操作位置を検出するシフトポジションセンサ８２からのシフトポジションＳＰ，アクセルペダル８３の踏み込み量を検出するアクセルペダルポジションセンサ８４からのアクセル開度Ａｃｃ，ブレーキペダル８５の踏み込み量を検出するブレーキペダルポジションセンサ８６からのブレーキペダルポジションＢＰ，車速センサ８８からの車速Ｖなどが入力ポートを介して入力されている。ハイブリッド用電子制御ユニット７０は、前述したように、エンジンＥＣＵ２４やモータＥＣＵ５０，バッテリＥＣＵ６２と通信ポートを介して接続されており、エンジンＥＣＵ２４やモータＥＣＵ５０，バッテリＥＣＵ６２と各種制御信号やデータのやりとりを行なっている。

こうして構成された実施例のハイブリッド自動車２０は、運転者によるアクセルペダル８３の踏み込み量に対応するアクセル開度Ａｃｃと車速Ｖとに基づいて駆動軸６５に出力すべき駆動要求トルクＴｄ＊を計算し、この駆動要求トルクＴｄ＊に対応する要求動力が効率よく駆動軸６５に出力されるように、３要素タイプと４要素タイプの一方を選択してクラッチＣ１，Ｃ２やブレーキＢ１が駆動制御されると共にエンジン２２とモータＭＧ１とモータＭＧ２とが運転制御される。エンジン２２とモータＭＧ１とモータＭＧ２の運転制御としては、要求動力に見合う動力がエンジン２２から出力されるようにエンジン２２を運転制御すると共にエンジン２２から出力される動力のすべてが動力分配統合機構３０とモータＭＧ１とモータＭＧ２とによってトルク変換されて駆動軸６５に出力されるようモータＭＧ１およびモータＭＧ２を駆動制御するトルク変換運転モードや要求動力とバッテリ６０の充放電に必要な電力との和に見合う動力がエンジン２２から出力されるようにエンジン２２を運転制御すると共にバッテリ６０の充放電を伴ってエンジン２２から出力される動力の全部またはその一部が動力分配統合機構３０とモータＭＧ１とモータＭＧ２とによるトルク変換を伴って要求動力が駆動軸６５に出力されるようモータＭＧ１およびモータＭＧ２を駆動制御する充放電運転モード、エンジン２２の運転を停止してモータＭＧ１やモータＭＧ２から要求動力に見合う動力を駆動軸６５に出力するよう運転制御するモータ運転モードなどがある。なお、トルク変換運転モードと充放電運転モードはバッテリ６０の充放電を行なうか否かの差があるだけで実質的な制御における差違はない。

以上説明した第１実施例のハイブリッド自動車２０によれば、クラッチＣ１をオフとすると共にクラッチＣ２をオンとしブレーキＢ１をオフとすることにより動力分配統合機構３０を３要素タイプの動力分配統合機構として機能させてエンジン２２からの動力をトルク変換して駆動軸６５に出力することができ、クラッチＣ１をオンとすると共にクラッチＣ２をオフとしブレーキＢ１をオフとすることにより動力分配統合機構３０を４要素タイプの動力分配統合機構として機能させてエンジン２２からの動力をトルク変換して駆動軸６５に出力することができる。３要素タイプと４要素タイプとの切り替えは、駆動軸６５とエンジン２２のクランクシャフト２６とモータＭＧ１の回転軸との接続関係はそのままにモータＭＧ２の回転軸の接続関係を切り替えることにより行なうから、こうした切り替えをスムースに行なうことができると共に切り替えの際に駆動軸１６５に出力されるトルクの落ち込みを抑制できる。また、動力分配統合機構３０を４要素タイプの動力分配統合機構として機能させることができるから、いわゆる３要素タイプの動力分配統合機構として機能させるとモータＭＧ１やモータＭＧ２の負荷が大きくなる場合でも４要素タイプの動力分配統合機構として機能させることによりモータＭＧ１やモータＭＧ２の負荷を小さくすることができる。したがって、モータＭＧ１やモータＭＧ２として定格値の小さなものを用いることができる。この結果、車両のエネルギ効率を向上させることができると共に小型化を図ることができる。

第１実施例のハイブリッド自動車２０では、第１プラネタリギヤＰ１のサンギヤ３１にモータＭＧ１を接続し、第１プラネタリギヤＰ１のキャリア３４と第２プラネタリギヤＰ２のサンギヤ４１とにエンジン２２のクランクシャフト２６を接続し、第１プラネタリギヤＰ１のリングギヤ３２と第２プラネタリギヤＰ２のキャリア４４に駆動軸６５を接続し、第２プラネタリギヤＰ２のリングギヤ４２にクラッチＣ１を介してモータＭＧ２を接続すると共に第２プラネタリギヤＰ２のキャリア４４（第１プラネタリギヤＰ１のリングギヤ３２）にクラッチＣ２を介してモータＭＧ２を接続したが、接続関係はこれに限定されるものではなく、例えば、第１プラネタリギヤＰ１のサンギヤ３１の接続関係とリングギヤ３２の接続関係とを入れ替えるものとしたり、第２プラネタリギヤＰ２のサンギヤ４１の接続関係とリングギヤ４２の接続関係とを入れ替えるものとしたり、駆動軸６５の接続位置とエンジン２２のクランクシャフト２６の接続位置とを入れ替えるものとしたり、クラッチＣ２を介したモータＭＧ２の回転軸と駆動軸６５との接続をクラッチＣ２を介したモータＭＧ２の回転軸とエンジン２２のクランクシャフト２６との接続に替えるものとするなど、種々の接続としてもよい。

第１実施例のハイブリッド自動車２０では、駆動軸６５とエンジン２２のクランクシャフト２６とモータＭＧ１の回転軸（モータＭＧ２の回転軸）とを一体回転させることができるブレーキＢ１を備えるものとしたが、こうしたブレーキＢ１を備えないものとしてもよい。

第１実施例のハイブリッド自動車２０では、動力分配統合機構を、二つのプラネタリギヤＰ１，Ｐ２を用いて４つの軸を有するものとして構成したが、動力分配統合機構が有する軸のうちの２軸の回転数が決定されると残余の軸の回転数が決定されると共に各回転要素に入出力されるトルクの収支をもって駆動軸６５にトルクを出力できれば、動力分配統合機構が有する軸の数は４つに限られず、５つ以上の軸を有するものとして構成するものとしてもよい。

図４は、第２実施例としての動力出力装置を搭載するハイブリッド自動車１２０の構成の概略を示す構成図である。第２実施例のハイブリッド自動車１２０は、図示するように、エンジン２２と、エンジン２２のクランクシャフト２６にダンパ２８を介して接続されると共に駆動輪６９ａ，６９ｂにデファレンシャルギヤ６８とギヤ機構６６とを介して接続された４軸式の動力分配統合機構１３０と、この動力分配統合機構１３０に接続された発電可能なモータＭＧ１と、同じく動力分配統合機構１３０に接続された発電可能なモータＭＧ２と、動力出力装置全体をコントロールするハイブリッド用電子制御ユニット７０とを備える。第２実施例のハイブリッド自動車１２０では、動力分配統合機構１３０の構成が異なる点を除いて第１実施例のハイブリッド自動車２０と同一の構成をしている。したがって、第２実施例のハイブリッド自動車１２０の構成のうち第１実施例のハイブリッド自動車２０と同一の構成については同一の符号を付し、その説明は省略する。

動力分配統合機構１３０は、二つのプラネタリギヤＰ３，Ｐ４とクラッチＣ３，Ｃ４とブレーキＢ２とにより構成されている。第３プラネタリギヤＰ３のサンギヤ１３１にはモータＭＧ１の回転軸が、リングギヤ１３２にはエンジン２２のクランクシャフト２６が、ダブルピニオン式のピニオンギヤ１３３を連結するキャリア１３４にはギヤ機構６６が、それぞれ接続されている。また、第４プラネタリギヤＰ４のサンギヤ１４１にはクラッチＣ３を介してモータＭＧ２が、リングギヤ１４２には第３プラネタリギヤＰ３のリングギヤ１３２（エンジン２２のクランクシャフト２６）が、ピニオンギヤ１４３を連結するキャリア１４４には第３プラネタリギヤＰ３のキャリア１３４（ギヤ機構６６）とクラッチＣ４を介してモータＭＧ２の回転軸が、それぞれ接続されている。また、第４プラネタリギヤＰ４のサンギヤ１４１はブレーキＢ２を介してケースに接続されている。ギヤ機構６６に接続された第４プラネタリギヤＰ４のキャリア１４４（第３プラネタリギヤＰ３のキャリア１３４）は、最終的には駆動輪６９ａ，６９ｂに接続されているから、その回転軸を説明の都合上、「駆動軸」１６５と呼ぶことにする。

こうして構成された動力分配統合機構１３０は、クラッチＣ３とクラッチＣ４とを共にオフとすることによりモータＭＧ２を切り離すことができる。また、動力分配統合機構１３０は、クラッチＣ３をオフとすると共にクラッチＣ４をオンとしブレーキＢ２をオフとすることにより、第３プラネタリギヤＰ３のキャリア１３４と第４プラネタリギヤＰ４のキャリア１４４とに接続された駆動軸１６５およびモータＭＧ２の回転軸と、第３プラネタリギヤＰ３のリングギヤ１３２と第４プラネタリギヤＰ４のリングギヤ１４２とに接続されたエンジン２２のクランクシャフト２６と、第３プラネタリギヤＰ３のサンギヤ１３１に接続されたモータＭＧ１の回転軸と、の３軸を回転要素とするいわゆる３要素タイプの動力分配統合機構として機能させることができる。さらに、動力分配統合機構１３０は、クラッチＣ３をオンとすると共にクラッチＣ４をオフとしブレーキＢ２をオフとすることにより、第３プラネタリギヤＰ３のキャリア１３４と第４プラネタリギヤＰ４のキャリア１４４とに接続された駆動軸１６５と、第３プラネタリギヤＰ３のリングギヤ１３２と第４プラネタリギヤＰ４のリングギヤ１４２とに接続されたエンジン２２のクランクシャフト２６と、第３プラネタリギヤＰ３のサンギヤ１３１に接続されたモータＭＧ１の回転軸と、第４プラネタリギヤＰ４のサンギヤ１４１に接続されたモータＭＧ２の回転軸と、の４軸を回転要素とするいわゆる４要素タイプの動力分配統合機構として機能させることができる。こうしたクラッチＣ３，Ｃ４やブレーキＢ２のオンオフにより３要素タイプの動力分配統合機構として機能する際の回転要素における回転数とトルクとの力学的な関係と４要素タイプの動力分配統合機構として機能する際の回転要素における回転数とトルクとの力学的な関係とを示す共線図を図５に示す。図中、左端のＳ４軸は、第４プラネタリギヤＰ４のサンギヤ１４１の回転数を示し、動力分配統合機構１３０が４要素タイプとして機能するとき（クラッチＣ３がオンであると共にクラッチＣ４がオフでありブレーキＢ２がオフであるとき）にはモータＭＧ２の回転数Ｎｍ２にもなる。また、Ｃ３，Ｃ４軸は、駆動軸１６５の回転数Ｎｄである第３プラネタリギヤＰ３のキャリア１３４の回転数を示すと共に第４プラネタリギヤＰ４のキャリア１４４の回転数を示し、動力分配統合機構１３０が３要素タイプとして機能するとき（クラッチＣ３がオフであると共にクラッチＣ４がオンでありブレーキＢ２がオフであるとき）にはモータＭＧ２の回転数にもなる。Ｒ３，Ｒ４軸は、エンジン２２の回転数Ｎｅである第３プラネタリギヤＰ３のリングギヤ１３２の回転数を示すと共に第４プラネタリギヤＰ４のリングギヤ１４２の回転数を示す。右端のＳ３軸は、モータＭＧ１の回転数である第３プラネタリギヤＰ３のサンギヤ１３１の回転数を示す。この共線図は、各回転要素に作用するトルクを共線を梁に見立てたときにこの梁に作用する力と同一視することができるものである。したがって、各回転要素に作用するトルク或いは作用させるべきトルクを、同様の力が作用している梁の釣り合いを解くことにより計算することができる。なお、図中、ρ３は第３プラネタリギヤＰ３のギヤ比（サンギヤ１３１の歯数／リングギヤ１３２の歯数）であり、ρ４は第４プラネタリギヤＰ４のギヤ比（サンギヤ１４１の歯数／リングギヤ１４２の歯数）である。こうした図５の共線図により解るように、モータＭＧ２の回転軸の位置を切り替えることにより駆動軸６５とエンジン２２のクランクシャフト２６とモータＭＧ１の回転軸との接続関係はそのままに動力分配統合機構３０を３要素タイプとして機能させたり４要素タイプとして機能させたりすることができる。即ち、エンジン２２やモータＭＧ１を用いて駆動軸６５にトルクを出力させている状態のまま３要素タイプと４要素タイプとを切り替えることができるのである。この結果、３要素タイプと４要素タイプとの切り替えを比較的スムースに行なうことができる。また、動力分配統合機構１３０は、ブレーキＢ２をオンとすることにより、エンジン２２やモータＭＧ１から出力される動力を所定変速比で変速して駆動軸１６５に伝達させることができる。この場合の共線図の一例を図６に示す。図示するように、ブレーキＢ２をオンとすることにより、第４プラネタリギヤＰ４のキャリア１４４をケースに固定することができ、エンジン２２やモータＭＧ１からの動力を所定の減速比で減速して駆動軸１６５に出力させることができる。さらに、動力分配統合機構１３０は、クラッチＣ３，Ｃ４を共にオンとしブレーキＢ２をオフとすることにより、駆動軸１６５の回転数Ｎｄとエンジン２２の回転数ＮｅとモータＭＧ１，ＭＧ２の回転数Ｎｍ１，Ｎｍ２とを同一の回転数、即ち、一体回転させることもできる。なお、こうしたクラッチＣ３，Ｃ４やブレーキＢ２のオンオフ制御はハイブリッド用電子制御ユニット７０により行なわれている。

以上説明した第２実施例のハイブリッド自動車１２０によれば、クラッチＣ３をオフとすると共にクラッチＣ４をオンとしブレーキＢ２をオフとすることにより動力分配統合機構１３０を３要素タイプの動力分配統合機構として機能させてエンジン２２からの動力をトルク変換して駆動軸１６５に出力することができ、クラッチＣ３をオンとすると共にクラッチＣ４をオフとしブレーキＢ２をオフとすることにより動力分配統合機構１３０を４要素タイプの動力分配統合機構として機能させてエンジン２２からの動力をトルク変換して駆動軸１６５に出力することができる。３要素タイプと４要素タイプとの切り替えは、駆動軸１６５とエンジン２２のクランクシャフト２６とモータＭＧ１の回転軸との接続関係はそのままにモータＭＧ２の回転軸の接続関係を切り替えることにより行なうから、こうした切り替えをスムースに行なうことができると共に切り替えの際に駆動軸１６５に出力されるトルクの落ち込みを抑制できる。また、動力分配統合機構１３０を４要素タイプの動力分配統合機構として機能させることができるから、いわゆる３要素タイプの動力分配統合機構として機能させるとモータＭＧ１やモータＭＧ２の負荷が大きくなる場合でも４要素タイプの動力分配統合機構として機能させることによりモータＭＧ１やモータＭＧ２の負荷を小さくすることができる。したがって、モータＭＧ１やモータＭＧ２として定格値の小さなものを用いることができる。この結果、車両のエネルギ効率を向上させることができると共に小型化を図ることができる。

第２実施例のハイブリッド自動車１２０では、第３プラネタリギヤＰ３のサンギヤ１３１にモータＭＧ１を接続し、第３プラネタリギヤＰ３のリングギヤ１３２と第４プラネタリギヤＰ４のリングギヤ１４２とにエンジン２２のクランクシャフト２６を接続し、第３プラネタリギヤＰ３のキャリア１３４と第４プラネタリギヤＰ４のキャリア１４４に駆動軸１６５を接続し、第４プラネタリギヤＰ４のサンギヤ１４１にクラッチＣ３を介してモータＭＧ２を接続すると共に第４プラネタリギヤＰ４のキャリア１４４（第３プラネタリギヤＰ３のキャリア１３４）にクラッチＣ４を介してモータＭＧ２を接続したが、接続関係はこれに限定されるものではなく、例えば、第３プラネタリギヤＰ３のサンギヤ１３１の接続関係とキャリア１３４の接続関係とを入れ替えるものとしたり、第４プラネタリギヤＰ４のサンギヤ１４１の接続関係とリングギヤ１４２の接続関係とを入れ替えるものとしたり、駆動軸１６５の接続位置とエンジン２２のクランクシャフト２６の接続位置とを入れ替えるものとしたり、クラッチＣ２を介したモータＭＧ２の回転軸と駆動軸６５との接続をクラッチＣ２を介したモータＭＧ２の回転軸とエンジン２２のクランクシャフト２６との接続に替えるものとするなど、種々の接続としてもよい。

第２実施例のハイブリッド自動車１２０では、駆動軸１６５とエンジン２２のクランクシャフト２６とモータＭＧ１の回転軸（モータＭＧ２の回転軸）とを一体回転させることができるブレーキＢ２を備えるものとしたが、こうしたブレーキＢ２を備えないものとしてもよい。

第２実施例のハイブリッド自動車１２０では、動力分配統合機構を、二つのプラネタリギヤＰ３，Ｐ４を用いて４つの軸を有するものとして構成したが、動力分配統合機構が有する軸のうちの２軸の回転数が決定されると残余の軸の回転数が決定されると共に各回転要素に入出力されるトルクの収支をもって駆動軸１６５にトルクを出力できれば、動力分配統合機構が有する軸の数は４つに限られず、５つ以上の軸を有するものとして構成するものとしてもよい。

以上、本発明を実施するための最良の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、自動車産業に利用可能である。

本発明の一実施例である動力出力装置を搭載するハイブリッド自動車２０の構成の概略を示す構成図である。動力分配統合機構３０の回転要素を力学的に説明するための共線図である。動力分配統合機構３０の回転要素を力学的に説明するための共線図である。第２実施例である動力出力装置を搭載するハイブリッド自動車１２０の構成の概略を示す構成図である。動力分配統合機構１３０の回転要素を力学的に説明するための共線図である。動力分配統合機構１３０の回転要素を力学的に説明するための共線図である。

符号の説明

２０，１２０ハイブリッド自動車、２２エンジン、２４エンジン用電子制御ユニット（エンジンＥＣＵ）、２６クランクシャフト、２８ダンパ、３０動力分配統合機構、３１，４１，１３１，１４１サンギヤ、３２，４２，１３２，１４２リングギヤ、３３，４３，１３３，１４３ピニオンギヤ、３４，４４，１３４，１４４キャリア、５０モータ用電子制御ユニット（モータＥＣＵ）、５１，５２インバータ、５３，５４回転位置検出センサ、６０バッテリ、６２バッテリ用電子制御ユニット（バッテリＥＣＵ）、６４電力ライン、６６ギヤ機構、６８デファレンシャルギヤ、６９ａ，６９ｂ駆動輪、７０ハイブリッド用電子制御ユニット、７２ＣＰＵ、７４ＲＯＭ、７６ＲＡＭ、８０イグニッションスイッチ、８１シフトレバー、８２シフトポジションセンサ、８３アクセルペダル、８４アクセルペダルポジションセンサ、８５ブレーキペダル、８６ブレーキペダルポジションセンサ、８８車速センサ、Ｐ１〜Ｐ６プラネタリギヤ、ＭＧ１，ＭＧ２モータ、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４クラッチ、Ｂ１，Ｂ２ブレーキ。

Claims

駆動軸に動力を出力する動力出力装置であって、
内燃機関と、
発電可能な第１の電動機と、
発電可能な第２の電動機と、
前記駆動軸に連結された第１の軸と前記内燃機関の出力軸に連結された第２の軸と前記第１の電動機の回転軸に連結された第３の軸と第４の軸の４軸以上の複数の軸を有し、該複数の軸のうちのいずれか２軸の回転数が決定されると残余の軸の回転数が決定されると共に前記複数の軸に入出力される動力の収支をもって前記駆動軸に動力を出力させ、前記第２の電動機の回転軸を前記駆動軸および前記内燃機関の出力軸のうちの一方か前記第４の軸かに切り替え可能に連結する連結手段を備える多軸式動力入出力手段と
を備える動力出力装置。
前記多軸式動力入出力手段は、前記第１の軸と前記第２の軸と前記第３の軸の３軸を有し該３軸のうちのいずれか２軸に入出力される動力に基づいて残余の１軸に動力が入出力される第１の３軸式動力入出力手段と、前記第４の軸と前記駆動軸に連結された第５の軸と前記内燃機関の出力軸に連結された第６の軸の３軸を有し該３軸のうちのいずれか２軸に入出力される動力に基づいて残余の１軸に動力が入出力される第２の３軸式動力入出力手段とを備える手段である請求項１記載の動力出力装置。
前記第１の３軸式動力入出力手段および／または前記第２の３軸式動力入出力手段は、遊星歯車機構により構成されてなる請求項２記載の動力出力装置。
前記連結手段は、前記第２の電動機の回転軸と前記駆動軸および前記内燃機関の出力軸のうちの一方との接続と該接続の解除とを行なう第１の接続解除手段と、前記第２の電動機の回転軸と第４の軸との接続と該接続の解除とを行なう第２の接続解除手段とを備える手段である請求項１ないし３いずれか記載の動力出力装置。
前記多軸式動力入出力手段は、前記第４の軸の回転停止と該回転停止の解除とを行なう回転停止解除手段を備える手段である請求項１ないし４いずれか記載の動力出力装置。
請求項１ないし５いずれか記載の動力出力装置を搭載し、前記駆動軸に車軸が機械的に連結されてなる自動車。