JP2014061726A - ハイブリッド車両 - Google Patents

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啓 西牧
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Abstract

【課題】モータジェネレータの搭載の自由度を高めて、駆動輪とエンジンが近いような車両にも適用するとともに、エンジンに連結される変速機を不要にする。
【解決手段】ハイブリッド車両10は、エンジン12と、電動機あるいは発電機として機能するモータジェネレータ26と、それらの動力のいずれか一方又は双方を駆動輪13に伝達する動力混合装置20とを備える。動力混合装置20は、車体に固定されたケース21と、ケース21に内蔵されてモータジェネレータ26又はエンジン12により回転するサンギヤ31と、サンギヤ31と同軸に設けられエンジン12又はモータジェネレータ26により回転するリングギヤ32と、リングギヤ32とサンギヤ31の双方に歯合する複数のピニオンギヤ33と、複数のピニオンギヤ33が枢支され駆動輪13に連結されたプラネタリキャリア34とを備える。
【選択図】 図1

Description

本発明は、エンジンの他に、電動機あるいは発電機として機能するモータジェネレータを備え、状況に応じそれら2種類の駆動力を最適に組合せて走行するようにしたハイブリッド車両に関するものである。
近年、エンジンとモータジェネレータという特性の異なる2種類の動力源を備えたハイブリッド車両が開発されて実用化されている。このハイブリッド車両では、エンジンとモータジェネレータとを直接的に又はクラッチ装置を介して直列的に接続しており、そのモータジェネレータに変速機を連結している(例えば、特許文献1及び2参照。)。そして、変速機からプロペラシャフトを介して駆動輪を連結している。このようなハイブリッド車両では、エンジンとモータジェネレータという2種類の動力源の駆動力を状況に応じて最適に組合せることで、各動力源の長所を活かし短所を補うことにより、車両の動力性能を十分に確保しつつ、燃料消費率の大幅な改善を図るとしている。
特開2002−67705号公報 特開2004−116362号公報
しかし、エンジンが後部に搭載されるバスのような車両にあっては、駆動輪である後輪に対してエンジンが比較的近い位置に搭載されるので、駆動輪とエンジンの間にモータジェネレータを介装させることができなかった。このため、駆動輪とエンジンが近いような車両は、エンジンとモータジェネレータとを直列的に接続させる様な形で、ハイブリッド車両とすることはできないという未だ解決すべき課題が残存していた。
本発明の目的は、モータジェネレータの搭載の自由度を高めて、駆動輪とエンジンが近いような車両にも適用し得るハイブリッド車両を提供することにある。
本発明の別の目的は、エンジンに連結される変速機を不要にし得るハイブリッド車両を提供することにある。
本発明は、エンジンと、電動機あるいは発電機として機能するモータジェネレータと、エンジンで発生する動力とモータジェネレータで発生する動力のいずれか一方又は双方を駆動輪に伝達する動力混合装置とを備えたハイブリッド車両である。
この動力混合装置は、車体に固定されたケースと、ケースに内蔵されてモータジェネレータ又は前記エンジンにより回転するサンギヤと、サンギヤと同軸に設けられエンジン又はモータジェネレータにより回転するリングギヤと、リングギヤとサンギヤの双方に歯合する複数のピニオンギヤと、複数のピニオンギヤが枢支され駆動輪に連結されたプラネタリキャリアとを備える。
動力混合装置は、リングギヤをプラネタリキャリア又はケースのいずれか一方に連結可能に構成されたクラッチ装置を備えることが好ましく、そのクラッチ装置は、プラネタリキャリアの回転を停止可能に構成されたことが更に好ましい。
本発明のハイブリッド車両では、エンジンで発生する動力とモータジェネレータで発生する動力のいずれか一方又は双方を駆動輪に伝達する動力混合装置を備えるので、モータジェネレータをエンジンと別に独立して搭載することが可能になり、モータジェネレータの搭載の自由度は高まる。このため、例えば、駆動輪とエンジンの距離が比較的近いバスのような車両であっても、その動力混合装置とともにモータジェネレータをエンジンと別に独立して搭載し、エンジンの前方に位置する駆動輪の更に前方にモータジェネレータを搭載することによりハイブリッド車両とすることが可能となる。
また、動力混合装置では、リングギヤとサンギヤの双方に歯合する複数のピニオンギヤが枢支されたプラネタリキャリアを駆動輪に連結するので、リングギヤとサンギヤの双方の回転を調整することにより、駆動輪の回転数を変化させることができる。このため、従来から駆動輪の回転数を変化させるためにエンジンに連結された変速機を不要にすることができる。
本発明実施形態のモータジェネレータとエンジンの双方の駆動力により走行するハイブリッド車両の構成図である。 そのモータジェネレータの駆動力により走行するハイブリッド車両の図1に対応する構成図である。 そのエンジンの駆動力により走行するハイブリッド車両の図1に対応する構成図である。 そのモータジェネレータが発電するハイブリッド車両の図1に対応する構成図である。 そのエンジンとモータジェネレータの配置の関係を示す平面構成図である。 そのハイブリッド車両であるバスの側面図である。 そのハイブリッド車両であるトラックの上面図である。
次に、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
図5及び図6に示すように、この実施の形態におけるハイブリッド車両10は、エンジン12が後部に設けられ、その近傍に駆動輪13が設けられたバスである場合を示す。このバス10の底部はサイドメンバ11aとクロスメンバ11bからなるシャシフレーム11を有し、このシャシフレーム11後部には駆動輪である後輪13が両端に設けられたリヤアクスル14、そのアクスル14を支持するリヤサスペンション装置15が設けられる。ここで、リヤアクスル14は、幅方向に延びるハウジング14cと、そのハウジング14cの中央に内蔵されたデファレンシャル14aと、そのデファレンシャル14aから両側に延びるアクスルシャフト14bを備えるものである(図1)。
このバスであるハイブリッド車両10は、リヤアクスル14の後方のシャシフレーム11にエンジン12が搭載される。エンジン12の前部における出力端には、プロペラシャフト17の後端が接続される。プロペラシャフト17の前端はリヤアクスル14を越えて前方に延び、リヤアクスル14の前方に設けられた動力混合装置20に連結される。
図1に示すように、動力混合装置20は、シャシフレーム11(図5)に取付けられた装置ケース21と、その装置ケース21に車両10の前後方向に延びて設けられた第1シャフト22と、その第1シャフト22と車両10の上下方向に並んでその第1シャフト22に平行に設けられた第2シャフト23と、その第2シャフト23の後方にその第2シャフト23と同軸に設けられた第3シャフト24を備える。第3シャフト24は第2シャフト23と同軸に設けられるので、その第3シャフト24は第1シャフト22の下方に位置するものになる。けれども、図5では、便宜上、符号22で示す第一シャフト22と、符号24で示す第3シャフト24が車両10の幅方向にずれている状態で示すものとする。そして、第1シャフト22には、プロペラシャフト17の前端が接続され、この第1シャフト22はこのプロペラシャフト17を介してエンジン12に連結される。ここで、プロペラシャフト17は、エンジン12の出力を第1シャフト22に伝える軸である。
一方、第2シャフト23にはモータジェネレータ26が連結される。このモータジェネレータ26は、電動機あるいは発電機として機能するものであって、かつそれらの機能が状況に応じて切替え可能な電動機、例えば交流同期電動機によって構成される。具体的に、この実施の形態におけるモータジェネレータ26は、モータケース27と、そのモータケース27内部に収容されたステータ(固定子)28及びロータ(回転子)29を備える。ステータ28はモータケース27に固定され、ロータ29は、ステータ28に回転可能に挿通される。ステータ28の中心軸には回転軸26aが設けられ、このモータジェネレータ26では、ステータ28の図示しないコイルへの通電により、ロータ29が回転軸26aとともに回転するように構成される。そして、このモータジェネレータ26はインバータ52を介してバッテリ53に接続される。ここで、インバータ52は、バッテリ53の高電圧直流電流と、モータジェネレータ26の交流電流とを変換しながら電流を制御する装置である。
モータジェネレータ26は、その回転軸26aが第2シャフト23に同軸になるように、そのモータケース27が装置ケース21の前部に取付けられ、モータジェネレータ26の後方に延びる回転軸26aには、連結器26bを介して第2シャフト23に連結される。
第3シャフト24と第2シャフト23の間には遊星歯車機構30が設けられる。この遊星歯車機構30は、第3シャフト24に臨む第2シャフト23の後端に設けられたサンギヤ31と、そのサンギヤ31を包囲するようにそのサンギヤ31と同軸に設けられたリングギヤ32と、サンギヤ31とリングギヤ32の双方に歯合する複数のピニオンギヤ33と、中央が第3シャフト24に固定されてそのピニオンギヤ33が枢支されたプラネタリキャリア34と備える。
この遊星歯車機構30は、動力混合装置20における装置ケース21に内蔵され、第1シャフト22には第1円形ギヤ37が設けられる。この第1円形ギヤ37に歯合する第2円形ギヤ38がリングギヤ32の一方の面(前面)に同軸に設けられる。このため、エンジン12が駆動すると、第1シャフト22とともに第1円形ギヤ37は回転することになり、このエンジン12は、第1円形ギヤ37に歯合する第2円形ギヤ38とともにリングギヤ32を回転させるように構成される。
サンギヤ31が回転しない状態において、エンジン12が駆動してリングギヤ32が回転すると、サンギヤ31とリングギヤ32の双方に歯合する複数のピニオンギヤ33は、そのリングギヤ32の内周において転動し、そのピニオンギヤ33が枢支されたプラネタリキャリア34は、リングギヤ32の回転の半分の速度で回転することになる。
一方、この遊星歯車機構30では、リングギヤ32が回転しない状態において、モータジェネレータ26が駆動して第2シャフト23の回転によりサンギヤ31が回転すると、サンギヤ31とリングギヤ32の双方に歯合する複数のピニオンギヤ33は、そのサンギヤ31の周囲において転動し、そのピニオンギヤ33が枢支されたプラネタリキャリア34は、サンギヤ31の回転より小さい速度で回転することになる。
このため、プラネタリキャリア34の回転速度は、モータジェネレータ26により回転するサンギヤ31の回転速度と、エンジン12により回転するリングギヤ32の回転速度により変化することになり、リングギヤ32とサンギヤ31の双方の回転を調整することにより、プラネタリキャリア34が設けられた第3シャフト24の回転速度を変更調整可能に構成される。そして、第3シャフト24がリヤアクスル14のデファレンシャル14aに接続され、第3シャフト24が回転することにより、デファレンシャル14aを介して駆動輪である後輪13が回転するように構成される。ここで、第3シャフト24が連結されたデファレンシャル14aは、第3シャフト24の回転動力をリヤアクスル14における両アクスルシャフト14bに分けて伝える作動装置であり、各アクスルシャフト14bは、デファレンシャル14aによって分けられた動力を駆動輪13に伝える軸である。
また、この動力混合装置20は、リングギヤ32をプラネタリキャリア34又は装置ケース21のいずれか一方に連結可能に構成されたクラッチ装置40を備える。このクラッチ装置40は、リングギヤ32に一体的に設けられたシンクロナイザハブ41と、このシンクロナイザハブ41と同径であってそのシンクロナイザハブ41に後方から隣接するようにプラネタリキャリア34に設けられたドグ歯43と、そのシンクロナイザハブ41と同径であってそのシンクロナイザハブ41に前方から隣接するように装置ケース21に設けられた第1固定ギヤ44と、を備える。また、このクラッチ装置40は、シンクロナイザハブ41の外周に軸方向に移動可能であってかつ回転不能に取付けられたスリーブ42を備える。このスリーブ42は、シンクロナイザハブ41の外周に位置すると、そのシンクロナイザハブ41とともに回転するけれども、シンクロナイザハブ41の外周から後方に移動すると、その一部がドグ歯43に歯合してシンクロナイザハブ41とドグ歯43を連結し、シンクロナイザハブ41の外周から前方に移動すると、その一部が第1固定ギヤ44に歯合してシンクロナイザハブ41と第1固定ギヤ44を連結するように構成される。
スリーブ42には図示しないフォークの先端が係止される。そして、図示しないフォークの移動により、図1に示すように、そのスリーブ42がシンクロナイザハブ41の外周に位置することになると、シンクロナイザハブ41とドグ歯43の相対的な回転が許容される。すると、リングギヤ32及びプラネタリキャリア34の双方の自由な回転は許容されることになる。そして、モータジェネレータ26により回転するサンギヤ31の回転速度と、エンジン12により回転するリングギヤ32の回転速度を変更調整することにより、第3シャフト24の回転速度を調整して、駆動輪13の回転速度を変更調整することが可能な状態となるように構成される。
一方、図示しないフォークの軸方向の移動によりスリーブ42が移動し、そのスリーブ42がシンクロナイザハブ41の外周から前方に移動して、図2に示すように、そのシンクロナイザハブ41と第1固定ギヤ44の双方に歯合すると、シンクロナイザハブ41と第1固定ギヤ44の相対的な回転は禁止され、これによりリングギヤ32を装置ケース21に連結可能に構成される。すると、リングギヤ32の回転は禁止され、モータジェネレータ26が駆動してサンギヤ31が回転すると、プラネタリキャリア34とともに第3シャフト24が回転することになり、このモータジェネレータ26の駆動力により駆動輪13が回転するように構成される。
図3に示すように、図示しないフォークの前後方向の移動によりスリーブ42が更に移動し、そのスリーブ42がシンクロナイザハブ41の外周から後方に移動して、そのシンクロナイザハブ41とドグ歯43の双方に歯合すると、シンクロナイザハブ41とドグ歯43の相対的な回転は禁止され、これによりリングギヤ32をプラネタリキャリア34に連結可能に構成される。すると、リングギヤ32とともにプラネタリキャリア34は回転することになり、エンジン12により回転するリングギヤ32により、プラネタリキャリア34とともに第3シャフト24を直接的に回転させ、このエンジン12の駆動力により駆動輪13を回転させるように構成される。
また、このクラッチ装置40は、プラネタリキャリア34の回転を停止可能に構成される。具体的には、このクラッチ装置40は、プラネタリキャリア34に設けられたドグ歯43に後方から隣接するように装置ケース21に設けられ、ドグ歯43の外周から後方に移動するスリーブ42が歯合可能な第2固定ギヤ45を更に備える。そして、図4に示すように、そのスリーブ42がドグ歯43の外周から後方に移動して、そのドグ歯43と第2固定ギヤ45の双方に歯合すると、プラネタリキャリア34と第2固定ギヤ45の相対的な回転は禁止され、これによりプラネタリキャリア34を装置ケース21に連結して、その回転を停止可能に構成される。これにより、駆動輪13が回転して車両が走行するような事態を回避するように構成される。
このように、本発明のハイブリッド車両10では、動力混合装置20を用い、この動力混合装置20の第1シャフト22とエンジン12とをプロペラシャフト17により連結し、モータジェネレータ26を動力混合装置20の装置ケース21に取付けて一体化したので、エンジン12とプロペラシャフト17により連結し得る限り、そのモータジェネレータ26をエンジン12と別に独立して車両10のシャシフレーム11に搭載することが可能になる。このため、エンジン12に直接連結していた従来に比較して、モータジェネレータ26の搭載の自由度は高まり、図5及び図6に示すように、駆動輪である後輪13とエンジン12の距離が比較的近いバスのような車両10であっても、その動力混合装置20とともにモータジェネレータ26を、そのエンジン12ともに駆動輪である後輪13を挟むような位置に搭載して、ハイブリッド車両10とすることが可能になるのである。
次に、このように構成されたハイブリッド車両の動作を説明する。
図1に示すように、このハイブリッド車両10は、動力混合装置20におけるスリーブ42をシンクロナイザハブ41の外周に位置させて、リングギヤ32及びプラネタリキャリア34双方の自由な回転を許容することにより、電動機としてのモータジェネレータ26及びエンジン12の双方の回転駆動力により第3シャフト24を回転させることができる。この第3シャフト24の回転は、デファレンシャル14aを介して駆動輪である後輪13に伝達されるので、モータジェネレータ26及びエンジン12の双方の回転駆動力により車両10を走行させることが可能となる。そして、モータジェネレータ26により回転するサンギヤ31の回転速度と、エンジン12により回転するリングギヤ32の回転速度を変更調整することにより、駆動輪13の回転速度を変更調整し得ることから、従来から駆動輪の回転数を変化させるためにエンジンに連結された変速機を不要にすることができる。
一方、車両10の減速時や制動時には、駆動輪である後輪13の回転によってモータジェネレータ26が駆動されることになるので、モータジェネレータ26を発電機として機能させることにより、そのモータジェネレータ26により発電が行われ、車両10の減速時における運動エネルギを電気エネルギに変換してバッテリ53に回収(蓄電)することもできる。
一方、図2に示すように、スリーブ42をシンクロナイザハブ41と第1固定ギヤ44の双方に歯合させると、リングギヤ32の回転は禁止される。このため、モータジェネレータ26が駆動してサンギヤ31が回転すると、プラネタリキャリア34とともに第3シャフト24が回転することになる。即ち、第2シャフト23を回転させるモータジェネレータ26だけの回転駆動力により第3シャフト24を回転させることが可能になる。この場合、モータジェネレータ26だけの回転駆動力により車両10を走行させることになる。
特に、リングギヤ32の回転を禁止すると、第2シャフト23の回転速度の半分の速度で第3シャフト24が回転するので、モータジェネレータ26の回転軸26aを比較的高速で回転させることにより、第3シャフト24の回転トルクを高めることができる。これにより、発進時、低速走行時等、駆動輪である後輪13の回転が低速かつ高負荷となる様な走行状態であっても、モータジェネレータ26だけの回転駆動力により車両10を走行させることが可能となる。この場合において、エンジン12を停止することにより、燃料の無駄な消費を回避することができる。
また、図3に示すように、スリーブ42をシンクロナイザハブ41の外周から後方に移動させて、そのシンクロナイザハブ41とドグ歯43の双方に歯合させ、リングギヤ32をプラネタリキャリア34に連結すると、リングギヤ32とともにプラネタリキャリア34は回転することになる。このため、エンジン12により回転するリングギヤ32により、プラネタリキャリア34とともに第3シャフト24も回転し、このエンジン12の駆動力により駆動輪13を回転させて、車両10を走行させることができる。この場合、第2シャフト23も回転することになるので、モータジェネレータ26を発電機として用いれば、車両10が走行中に、そのモータジェネレータ26により電力が発生し、その電力をバッテリ53に充電させることもできる。また、このとき、モータジェネレータ26において発電させずに、ロータ29を空転させるようにすれば、エンジン12の駆動力のみで車両10を走行させることも可能になる。
更に、図4に示すように、スリーブ42をドグ歯43と第2固定ギヤ45の双方に歯合させると、プラネタリキャリア34の回転は禁止され、駆動輪13が回転しないので、車両10を停車状態に維持することができる。また、このように車両10を停車状態に維持した状態では、リングギヤ32が回転するとサンギヤ31が第2シャフト23とともに逆方向に回転することになる。このため、リングギヤ32を回転させるエンジン12の駆動力により第2シャフト23を回転させて、その発電機として機能するモータジェネレータ26により電力を発生させることもできる。このため、本発明のハイブリッド車両10にあっては、自走するとともに、停車して発電をする、例えば災害時における移動式の発電装置として使用することも可能となる。
なお、上述した実施の形態では、動力混合装置20の第1シャフト22と第3シャフト24を装置ケース21の後方から突出させてエンジン12と駆動輪13に連結し、ハイブリッド車両10であるバスに搭載させる場合を説明したけれども、バスである場合に限られない。例えば、図7に示すように、エンジン12がシャシフレーム11の前部に設けられるいわゆるトラックに適用しても良い。図7に示す動力混合装置20は、エンジン12と駆動輪である後輪13の間のシャシフレーム11にモータジェネレータ26とともに搭載され、第1シャフト22と第3シャフト24を装置ケース21の異なる方向から突出させている。そして、その前方に設けられたエンジン12からのプロペラシャフト17を前方に突出する第1シャフト22に連結し、後方に突出する第3シャフト24をリヤアクスル14のデファレンシャル14aに接続する場合を示す。
このように、本発明では、動力混合装置20を用いるので、モータジェネレータ26をエンジン12と別に独立して車両10のシャシフレーム11に搭載することが可能になる。このため、図7に示すように、エンジン12がシャシフレーム11の前部に搭載されるトラックであっても、従来から何も設けられていないシャシフレーム11の間にその動力混合装置20をモータジェネレータ26とともに設けることにより、大きな変更することなく、後から容易にハイブリッド車両10とすることができる。
また、上述した実施の形態では、モータジェネレータ26は電動機或いは発電機として機能するものとして、交流同期電動機を用いて説明したけれども、このモータジェネレータ26は、交流同期電動機に限られずに、VR型(可変リラクタンス型)同期電動機、バーニアモータ、直流電動機、誘導電動機、超電動モータ、ステップモータ等を用いることができる。
また、上述した実施の形態では、モータジェネレータにサンギヤ31が連結され、エンジン12にリングギヤ32を連結した場合を説明したけれども、図示しないが、エンジンにサンギヤ31を連結し、モータジェネレータにリングギヤ32を連結するようにしても良い。
また、上述した実施の形態では、図1に示すように、スリーブ42がシンクロナイザハブ41の外周に位置するときに、リングギヤ32及びプラネタリキャリア34双方の自由な回転が許容される場合を説明したけれども、図示しないが、そのスリーブ42が、第1固定ギヤ44、ドグ歯43又は第2固定ギヤ45のいずれかの外周に位置するときに、リングギヤ32及びプラネタリキャリア34の双方の自由な回転が許容されるようにしても良い。
更に、上述した実施の形態では、装置ケース21に第1及び第2固定ギヤ44,45設け、図2に示すように、スリーブ42が第1固定ギヤ44とシンクロナイザハブ41の双方に歯合したときにシンクロナイザハブ41の自由な回転を禁止し、図4に示すように、そのスリーブ42がドグ歯43と第2固定ギヤ45の双方に歯合したときにプラネタリキャリア34の自由な回転を禁止する場合を説明した。けれども、シンクロナイザハブ41の自由な回転や、プラネタリキャリア34の自由な回転を禁止しうる限り、これらの回転の禁止は、必ずしもスリーブ42を用いること無く、他の手段により禁止するようにしても良い。例えば、流体圧シリンダ等のアクチュエータにより、シンクロナイザハブ41や、プラネタリキャリア34の自由な回転を強制的に禁止するようにしても良い。
10 車両
12 エンジン
13 駆動輪
20 動力混合装置
21 ケース
26 モータジェネレータ
31 サンギヤ
32 リングギヤ
33 ピニオンギヤ
34 プラネタリキャリア
40 クラッチ装置

Claims (3)

  1. エンジン(12)と、
    電動機あるいは発電機として機能するモータジェネレータ(26)と、
    前記エンジン(12)で発生する動力と前記モータジェネレータ(26)で発生する動力のいずれか一方又は双方を駆動輪(13)に伝達する動力混合装置(20)と
    を備えたハイブリッド車両であって、
    前記動力混合装置(20)が、車体に固定されたケース(21)と、
    前記ケース(21)に内蔵されて前記モータジェネレータ(26)又は前記エンジン(12)により回転するサンギヤ(31)と、
    前記サンギヤ(31)と同軸に設けられ前記エンジン(12)又は前記モータジェネレータ(26)により回転するリングギヤ(32)と、
    前記リングギヤ(32)と前記サンギヤ(31)の双方に歯合する複数のピニオンギヤ(33)と、
    前記複数のピニオンギヤ(33)が枢支され駆動輪(13)に連結されたプラネタリキャリア(34)と
    を備えたことを特徴とするハイブリッド車両。
  2. 前記動力混合装置(20)が、リングギヤ(32)をプラネタリキャリア(34)又はケース(21)のいずれか一方に連結可能に構成されたクラッチ装置(40)を備える請求項1記載のハイブリッド車両。
  3. クラッチ装置(40)が、プラネタリキャリア(34)の回転を停止可能に構成された請求項2記載のハイブリッド車両。
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