JP2009113673A - ハイブリッド車の駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両搭載性を向上でき、かつコスト増を抑えることができるハイブリッド車の駆動装置を提供する。
【解決手段】駆動装置２は、内燃機関３と、モータ・ジェネレータ４と、内燃機関３の動力を変速する変速機５と、車両１の駆動輪１０に動力を出力するための出力軸７と、サンギアＳ、リングギアＲ及びキャリアＣを有した遊星歯車機構として構成されて、サンギアＳにモータ・ジェネレータ４が、リングギアＲに変速機５を介して内燃機関３がそれぞれ接続される差動機構６とを備え、車両１を前進させるために出力軸７とリングギアＲとを連結する前進モードと、車両１を後進させるために出力軸７とキャリアＣとを連結する後進モードとを切り替える。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関及び電動機を走行用の駆動力源として備えるハイブリッド車の駆動装置に関する。

周知のように、ハイブリッド車は内燃機関を走行用の駆動力源として備えるとともに、電動機やモータ・ジェネレータを他の走行用の駆動力源として備えた車両である。そして、ハイブリッド車は、内燃機関をできるだけ効率の良い状態で運転する一方で、駆動力やエンジンブレーキ力の過不足を他の駆動力源にて補い、かつ車両減速時等にエネルギの回生を行うことにより、内燃機関のエミッション悪化の防止と燃費性能の向上とを実現できるように構成されている。

このようなハイブリッド車に適用される駆動装置として、エンジンから車両の駆動輪までの動力伝達経路にトロイダル式無段変速機を設け、その変速機を介して出力された内燃機関の動力に電動機の動力を付加するものが知られている（特許文献１）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２及び３が存在する。

特開２００５−１４５１４５号公報 特開平９−３７４１１号公報 特表２００７−５０２２３４号公報

特許文献１の駆動装置は、内燃機関の動力を変速機にて変速し、その動力に電動機の動力を付加して駆動輪に伝達することにより車両を前進させる一方で、内燃機関の動力を変速機で変速させずに電動機の動力を付加して駆動輪に伝達することにより車両を後進させている。つまり、後進時においては駆動輪への動力伝達経路が内燃機関と電動機との間で共通となっているため、後進時における電動機の変速比を独自に設定することができない。これにより、後進時に十分な出力を得るために低回転で高トルクの電動機が必要になるので、電動機が大型化して車両搭載性の悪化及びコスト増を招くおそれがある。

そこで、本発明は、車両搭載性を向上でき、かつコスト増を抑えることができるハイブリッド車の駆動装置を提供することを目的とする。

本発明の駆動装置は、内燃機関と、電動機と、前記内燃機関の動力を変速する変速機と、車両の駆動輪に動力を出力するための出力部材と、相互に差動回転可能な第１回転要素、第２回転要素及び第３回転要素を有し、前記第１回転要素に前記電動機が、前記第２回転要素に前記変速機を介して前記内燃機関がそれぞれ接続される差動機構と、前記車両を前進させるために前記出力部材と前記第２回転要素とを連結する前進モードと、前記車両を後進させるために前記出力部材と前記第３回転要素とを連結する後進モードとを切り替える切替手段と、を備えることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

この駆動装置によれば、内燃機関の動力は前進モード及び後進モードのいずれにおいても変速機を介して差動機構に入力される。そして、前進モードから後進モードへ切り替える際には出力部材に連結される差動機構の回転要素が第２回転要素から第３回転要素へ変更される。このため、差動機構の各回転要素の回転速度比を適宜設定することにより、後進時における電動機から出力部材への変速比を独自に設定できる。これにより、低回転で高トルクの電動機が不要となり電動機の大型化を防止できるため、駆動装置の車両搭載性を向上でき、かつコスト増を抑えることが可能になる。

本発明の一態様において、前記切替手段は、前記出力部材と前記第２回転要素とを連結又は解放する第１係合手段と、前記出力部材と前記第３回転要素とを連結又は解放する第２係合手段とを有し、前記第１係合手段にて前記出力部材と前記第２回転要素とを連結させる一方で前記第２係合手段にて前記出力部材と前記第３回転要素とを解放させることにより前記前進モードへ切り替えるとともに、前記第１係合手段にて前記出力部材と前記第２回転要素とを解放させる一方で前記第２係合手段にて前記出力部材と前記第３回転要素とを連結させることにより前記後進モードへ切り替えてもよい（請求項２）。この態様によれば、第１係合手段及び第２係合手段によって出力部材と第２回転要素又は第３回転要素との連結状態を変更できる。これにより、前進モードから後進モードへ切り替える際に出力部材に連結される回転要素を第２回転要素から第３回転要素へ変更することができる。

この態様において、前記切替手段は、前記内燃機関から前記差動機構の前記第２回転要素までの動力伝達経路に設けられ、前記第２回転要素に対する前記内燃機関の動力の伝達を許容又は禁止できる第３係合手段を更に有してもよい（請求項３）。この場合、第１係合手段及び第２係合手段の操作に連係して第３係合手段を操作することにより、前進モード及び後進モードのそれぞれを電動機を単独の駆動源として利用するモードと電動機及び内燃機関の両者を駆動源として利用するモードとに分けることができる。これにより、走行モードのバリエーションを拡大できるため多様な走行条件に対応させることができる。

差動機構は種々の態様で実現してよい。例えば、前記第１回転要素、前記第２回転要素及び前記第３回転要素の３つの回転要素として、サンギア、リングギア及びキャリアを有する遊星歯車機構として構成されてもよい（請求項４）。この場合、サンギア、リングギア及びキャリアのそれぞれと、第１回転要素、第２回転要素及び第３回転要素のそれぞれとの対応関係は任意である。例えば、第１回転要素としてサンギアが、第２回転要素としてリングギアが、第３回転要素としてキャリアがそれぞれ対応してもよい。

変速機も種々の態様で実現してよい。例えば、前記変速機はトロイダル式無段変速機として構成されてもよい（請求項５）。この場合、トロイダル式無段変速機は他形式の変速機に比べて小型化し易く駆動装置の小型化に貢献できるため、車両搭載性を更に向上できる。

以上説明したように、本発明によれば、内燃機関の動力は前進モード及び後進モードのいずれにおいても変速機を介して差動機構に入力され、前進モードから後進モードへ切り替える際には出力部材に連結される差動機構の回転要素が第２回転要素から第３回転要素へ変更される。このため、差動機構の各回転要素の回転速度比を適宜設定することにより、後進時における電動機から出力部材への変速比を独自に設定できる。これにより、低回転で高トルクの電動機が不要となり電動機の大型化を防止できるため、駆動装置の車両搭載性を向上でき、かつコスト増を抑えることが可能になる。

図１は本発明の一形態に係る駆動装置が適用された車両の概略を示している。この図に示すように、車両１はいわゆるハイブリッド車両として構成されている。車両１にはその走行のために駆動装置２が設けられている。駆動装置２は、内燃機関３と、電動機としてのモータ・ジェネレータ４と、内燃機関３の出力を変速する変速機５と、モータ・ジェネレータ４からの動力及び変速機５から出力された内燃機関３の動力がそれぞれ入力される差動機構６と、差動機構６から出力された動力を車両１の駆動輪１０へ伝達するための出力部材としての出力軸７とを備えている。なお、出力軸７と駆動輪１０の間には内外輪の回転差を許容するための差動装置９が介在している。

内燃機関３は火花点火型の多気筒内燃機関として構成されている。内燃機関３はスタータとしての機能と発電機としての機能とを持つスタータ・ジェネレータ１１にて始動される。モータ・ジェネレータ４は電動機としての機能と発電機としての機能とを生じるように構成されている。モータ・ジェネレータ４には不図示のインバータを介して不図示のバッテリーが電気的に接続されていて、そのインバータを制御することによりモータ・ジェネレータ４の出力トルク又は回生トルクを適宜設定するようになっている。

変速機５は周知のトロイダル式無段変速機として構成されている。即ち、変速機５は、発進クラッチ１２を介して内燃機関３に接続される一対の入力ディスク１３と、入力ディスク１３と同軸上に配置されて出力ギア１５と一体回転する一対の出力ディスク１４と、互いに向かい合う入力ディスク１３と出力ディスク１４との間に配置されたパワーローラ１６とを有し、各パワーローラ１６の角度を変化させることにより変速比を無段階に変更できる。

差動機構６はシングルピニオン型の遊星歯車機構として構成されており、外歯歯車であるサンギアＳと、そのサンギアＳに対して同軸的に配置された内歯歯車であるリングギアＲと、これらのギアＳ、Ｒに噛み合うピニオン１９を自転かつ公転自在に保持するキャリアＣとを有している。これらのサンギアＳ、リングギアＲ及びキャリアＣは所定の回転速度差にて相互に差動回転できるように構成されている。サンギアＳにはモータジェネレータ４が接続され、リングギアＲには変速機５を介して内燃機関３が接続される。この形態では、変速機５の出力ギア１５の回転をリングギアＲに伝達する伝達機構１８が設けられることにより、内燃機関３が変速機５を介してリングギアＲに接続される。図示のサンギアＳは本発明に係る第１回転要素に、リングギアＲは本発明に係る第２回転要素に、キャリアＣは本発明に係る第３回転要素にそれぞれ相当している。

駆動装置２には、出力軸７を差動機構６のキャリアＣ又はリングギアＲに選択的に連結するために切替手段としての切替機構２０が設けられている。その切替機構２０は出力軸７とリングギアＲとを連結又は解放する第１係合手段としての第１クラッチ２１と、出力軸７とキャリアＣとを連結又は解放する第２係合手段としての第２クラッチ２２とを備えている。第１クラッチ２１は出力軸７とリングギアＲとを連結する係合状態と、出力軸７とリングギアＲとを解放する解放状態との間で動作できるように構成されており、第２クラッチ２２も出力軸７とキャリアＣとを連結する係合状態と、出力軸７とキャリアＣとを解放する解放状態との間で動作できるように構成されている。更に、駆動装置２には、内燃機関３の動力を差動機構６に対して断続させる第３係合手段としての第３クラッチ２３が伝達機構１８に設けられており、その第３クラッチ２３はリングギアＲに対する内燃機関３の動力の伝達を許容する係合状態と、その伝達を禁止する解放状態との間で動作できるように構成されている。これらのクラッチ２１、２２、２３は上述した動作を実現できる噛み合い式クラッチとして構成されているが、これらを摩擦式等の他形式のクラッチとして構成することもできる。

また、駆動装置２には、各クラッチ２１、２２、２３に連係して動作する第１ブレーキ３１及び第２ブレーキ３２がそれぞれ設けられている。第１ブレーキ３１は車両１に取り付けられたケーシング８に対してリングギアＲを回転不能に固定する係合状態とリングギアＲの回転を許容する解放状態との間で動作できるように構成されている。第２ブレーキ３２はケーシング８に対してキャリアＣを回転不能に固定する係合状態とキャリアＣの回転を許容する解放状態との間で動作できるように構成されている。これらのブレーキ３１、３２は噛み合い式のブレーキとして構成されているが、これらを摩擦式等の他形式のブレーキとして構成してもよい。

以上の各クラッチ２１、２２、２３及び各ブレーキ３１、３２は、それぞれに対して設けられた不図示のアクチュエータにて駆動されるとともに、それらのアクチュエータは所定のプログラムを実行できるコンピュータとして構成された不図示の制御ユニットにて制御される。その制御ユニットは、各アクチュエータの他に、例えば内燃機関３、モータ・ジェネレータ４、スタータ・ジェネレータ１１等の駆動装置２の各部の動作を制御している。但し、制御ユニットが実行する制御は公知のものと同様であるので詳細な説明を省略する。

駆動装置２は各クラッチ２１、２２、２３及び各ブレーキ３１、３２が制御ユニットにてそれぞれ操作されることにより複数の走行モードを実現できる。図２は、駆動装置２が実施する走行モードと、各クラッチ２１、２２、２３及び各ブレーキ３１、３２の状態とが対応付けられた作動状態図である。なお、図２において、「ＯＮ」は各クラッチ２１、２２、２３及び各ブレーキ３１、３２の係合状態を、「ＯＦＦ」は各クラッチ２１、２２、２３及び各ブレーキ３１、３２の解放状態をそれぞれ示している。

図２に示すように、駆動装置２は車両１を前進させるための前進モードと、車両１を後進させるための後進モードとを実行できる。前進モード及び後進モードのそれぞれは、更にモータ・ジェネレータ４を単独の駆動源とする走行モードと、内燃機関３及びモータ・ジェネレータ４の両者を駆動源とする走行モードとに分けられている。つまり、駆動装置２は合計４つの走行モードを実行できる。なお、以下の説明では、これらの４つの走行モードを互いに区別するため、モータ・ジェネレータ４を単独の駆動源として車両１を前進させる走行モードを「前進ＭＧモード」、内燃機関３及びモータ・ジェネレータ４の両者を駆動源として車両１を前進させる走行モードを「前進ＭＧ・Ｅ／Ｇモード」、モータ・ジェネレータ４を単独の駆動源として車両１を後進させる走行モードを「後進ＭＧモード」、内燃機関３及びモータ・ジェネレータ４の両者を駆動源として車両１を後進させる走行モードを「後進ＭＧ・Ｅ／Ｇモード」とそれぞれ表示する。

図３〜図６は各走行モードにおける動力伝達経路を示した説明図であり、これらの図においては動力伝達経路が太線で示されている。図３は前進ＭＧモードにおける動力伝達経路を、図４は前進ＭＧ・Ｅ／Ｇモードにおける動力伝達経路を、図５は後進ＭＧモードにおける動力伝達経路を、図６は後進ＭＧ・Ｅ／Ｇモードにおける動力伝達経路をそれぞれ示している。

前進ＭＧモードは、図２及び図３に示すように、第１クラッチ２１が係合状態に、第２クラッチ２２が解放状態にそれぞれ操作されることにより出力軸７とリングギアＲとが連結され、かつ出力軸７とキャリアＣとが解放される。解放されたキャリアＣは第２ブレーキ３２が係合状態に操作されることによりケーシング８に対して回転不能に固定される。第１ブレーキ３１は解放状態に操作されることによりリングギアＲの回転を許容する。第３クラッチ２３は解放状態に操作されることにより差動機構６に対する内燃機関３の動力伝達を遮断する。これにより、前進ＭＧモードは、モータ・ジェネレータ４の動力をサンギアＳ、ピニオン１９、リングギアＲ及び第１クラッチ２１を経由させて出力軸７に伝達し、車両１を前進させる方向に駆動輪１０を回転させる。

前進ＭＧ・Ｅ／Ｇモードは、図２及び図４に示すように、第１クラッチ２１、第２クラッチ２２、第１ブレーキ３１及び第２ブレーキ３２のそれぞれが前進ＭＧモードと同様に操作され、かつ第３クラッチ２３が係合状態に操作されることにより、モータ・ジェネレータ４の動力をサンギアＳ及びピニオン１９を経由させてリングギアＲへ伝達するとともに、内燃機関３の動力を変速機５及び伝達機構１８を経由させてリングギアＲに伝達する。リングギアＲに伝達したモータ・ジェネレータ４及び内燃機関３の動力は第１クラッチ２１を経由して出力軸７に伝達される。これにより駆動輪１０は車両１を前進させる方向に回転する。

後進ＭＧモードは、図２及び図５に示すように、第１クラッチ２１が解放状態に、第２クラッチ２２が係合状態にそれぞれ操作されることにより出力軸７とキャリアＣとが連結され、かつ出力軸７とリングギアＲとが解放される。解放されたリングギアＲは第１ブレーキ３１が係合状態に操作されることによりケーシング８に対して回転不能に固定される。第３クラッチ２３は解放状態に操作されることにより差動機構６に対する内燃機関３の動力伝達を遮断する。これにより、後進ＭＧモードは、モータ・ジェネレータ４の動力をサンギアＳ、ピニオン１９、キャリアＣ及び第２クラッチ２２を経由させて出力軸７に伝達し、車両１を後進させる方向に駆動輪１０を回転させる。なお、差動機構６はシングルピニオン型の遊星歯車機構として構成されているため、キャリアＣを固定した際のリングギアＲの回転方向とリングギアＲを固定した際のキャリアＣの回転方向とは、サンギアＳの回転方向が同方向の場合に互いに反対方向となる。

後進ＭＧ・Ｅ／Ｇモードは、図２及び図６に示すように、第１クラッチ２１、第２クラッチ２２及び第２ブレーキ３２のそれぞれが後進ＭＧモードと同様に操作され、かつ第３クラッチ２３が係合状態に、第１ブレーキ３１が解放状態にそれぞれ操作されることにより、モータ・ジェネレータ４の動力をサンギアＳを経由させてピニオン１９へ伝達するとともに、内燃機関３の動力を変速機５、伝達機構１８及びリングギアＲを経由させてピニオン１９に伝達する。ピニオン１９に伝達したモータ・ジェネレータ４及び内燃機関３の動力はキャリアＣ及び第２クラッチ２２を経由して出力軸７に伝達される。これにより駆動輪１０は車両１を後進させる方向に回転する。

このように、駆動装置２は各クラッチ２１、２２、２３及び各ブレーキ３１、３２を適宜操作することにより、上記の複数の走行モードを相互に切り替えてそれぞれ実行することができる。例えば、車両１の発進時に前進ＭＧモード又は後進ＭＧモードを実行することにより、効率的な車両１の発進が可能になる。

内燃機関３の動力は前進ＭＧ・Ｅ／Ｇモード及び後進ＭＧ・Ｅ／Ｇモードのいずれにおいても変速機５を介して差動機構６に入力される。そして、前進ＭＧ・Ｅ／Ｇモードから後進ＭＧ・Ｅ／Ｇモードへ切り替える際には出力軸７に連結される差動機構６の回転要素がリングギアＲからキャリアＣへ変更される。このため、差動機構６の各回転要素の回転速度比を適宜設定することにより、後進時におけるモータ・ジェネレータ４から出力軸７への変速比を独自に設定できる。これにより、モータ・ジェネレータ４を低回転で高トルクのものにする必要がなくなるので、モータ・ジェネレータ４の大型化を防止できる。このため、駆動装置２の車両搭載性を向上でき、かつコスト増を抑えることが可能になる。

本発明は以上の形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の形態にて実施できる。例えば、本発明に係る変速機を、ベルト式無段変速機等の他形式の変速機に変更することもできる。また、上述した差動機構は一例にすぎず、これらを機構学上等価な別形態に変更することも可能である。また差動機構を遊星歯車機構により実現することは一例にすぎない。例えば、上述した差動機構を歯車ではない摩擦車（ローラ）を回転要素として持つ遊星ローラ機構として構成することもできる。

また、第１クラッチ２１を、車両１を後進させる出力軸７の回転方向の場合にキャリアＣ及び出力軸７間の動力伝達を許容し、これと反対方向の場合にその動力伝達を禁止する一方向クラッチとして構成することもできる。第３クラッチ２３も、内燃機関３から差動機構６への動力伝達を許容し、これと反対方向の動力伝達を禁止する一方向クラッチとして構成することもできる。これらの場合には、クラッチを差動させるためのアクチュエータ等の駆動手段が不要なので、コスト増の抑制効果を向上させることができる。

本発明の一形態に係る駆動装置が適用された車両の概略を示した図。 駆動装置が実施する走行モードと、各クラッチ及び各ブレーキの状態とが対応付けられた作動状態図。 前進ＭＧモードにおける動力伝達経路を示した説明図。 前進ＭＧ・Ｅ／Ｇモードにおける動力伝達経路を示した説明図。 後進ＭＧモードにおける動力伝達経路を示した説明図。 後進ＭＧ・Ｅ／Ｇモードにおける動力伝達経路を示した説明図。

符号の説明

１ 車両
２ 駆動装置
３ 内燃機関
４ モータ・ジェネレータ（電動機）
５ 変速機
６ 差動機構
７ 出力軸（出力部材）
１０ 駆動輪
２０ 切替機構（切替手段）
２１ 第１クラッチ（第１係合手段）
２２ 第２クラッチ（第２係合手段）
２３ 第３クラッチ（第３係合手段）
Ｓ サンギア（第１回転要素）
Ｒ リングギア（第２回転要素）
Ｃ キャリア（第３回転要素）

Claims (5)

1. 内燃機関と、電動機と、前記内燃機関の動力を変速する変速機と、車両の駆動輪に動力を出力するための出力部材と、相互に差動回転可能な第１回転要素、第２回転要素及び第３回転要素を有し、前記第１回転要素に前記電動機が、前記第２回転要素に前記変速機を介して前記内燃機関がそれぞれ接続される差動機構と、前記車両を前進させるために前記出力部材と前記第２回転要素とを連結する前進モードと、前記車両を後進させるために前記出力部材と前記第３回転要素とを連結する後進モードとを切り替える切替手段と、を備えることを特徴とするハイブリッド車の駆動装置。
2. 前記切替手段は、前記出力部材と前記第２回転要素とを連結又は解放する第１係合手段と、前記出力部材と前記第３回転要素とを連結又は解放する第２係合手段とを有し、前記第１係合手段にて前記出力部材と前記第２回転要素とを連結させる一方で前記第２係合手段にて前記出力部材と前記第３回転要素とを解放させることにより前記前進モードへ切り替えるとともに、前記第１係合手段にて前記出力部材と前記第２回転要素とを解放させる一方で前記第２係合手段にて前記出力部材と前記第３回転要素とを連結させることにより前記後進モードへ切り替える請求項１に記載の駆動装置。
3. 前記切替手段は、前記内燃機関から前記差動機構の前記第２回転要素までの動力伝達経路に設けられ、前記第２回転要素に対する前記内燃機関の動力の伝達を許容又は禁止できる第３係合手段を更に有する請求項２に記載の駆動装置。
4. 前記差動機構は、前記第１回転要素、前記第２回転要素及び前記第３回転要素の３つの回転要素として、サンギア、リングギア及びキャリアを有する遊星歯車機構として構成されている請求項１〜３のいずれか一項に記載の駆動装置。
5. 前記変速機はトロイダル式無段変速機として構成されている請求項１〜４のいずれか一項に記載の駆動装置。

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