JP2014500456A - 電気車両および燃料電池ハイブリッド車両用の油圧フリー多段速度変速機ならびに多段速度変速機のギアチェンジのためのシステム - Google Patents

Abstract

多段速度変速機は、太陽歯車と、太陽歯車および高速リングギアと常時噛み合っている高速遊星ギアであって、前記太陽歯車の周りを周回する高速遊星ギアとを含む。多段速度変速機は、さらに、高速遊星ギアに結合され且つ低速リングギアと常時噛み合っている少なくとも一つの低速遊星ギアと、キャリアであって、高速遊星ギアまたは低速遊星ギアのいずれかによりキャリアの回転が制御されるように高速遊星ギアおよび低速遊星ギアと回転可能に係合されるキャリアとを含む。多段速度変速機は、さらに、高速リングギアおよび低速リングギアを取り囲む変速機ケースと、高速リングギアおよび低速リングギアに近接して位置するクラッチであって、高速リングギアまたは低速リングギアを変速機ケースと選択的に結合するクラッチとを含む。

Description

本明細書は、概して車両用変速機に関し、より具体的には油圧フリー多段速度変速機（hydraulic-free multispeed transmission）に関する。

電気モータにより駆動されるモータ車両においては、高い効率で電気モータを作動させるために多段速度変速機を使用したいという要望がある。電気モータを高い効率で作動させることで、車両の重量、加速度、または走行距離における性能の利点を得ることができる。

電気モータを有する車両において多段速度変速機を使用するという以前の試みは、油圧作動クラッチ部材を使用してギアチェンジする変速機を使用することを当然必要としていた。油圧作動クラッチの使用は典型的には、クラッチ要素を収容するために変速機のサイズを増大することを必要とする。更に、クラッチ部材を作動させるために必要とされる油圧ポンプに関連付けられたエンジンについて重大な寄生損失がある。これら寄生損失は、典型的には、車両の燃料の経済性を削減する結果となる。

従って、電気モータを有する車両用の油圧フリー多段速度変速機と、この変速機のギアチェンジをするためのシステムとを可能にする歯車列構造に対する必要性が存在する。

１つの実施形態においては、多段速度変速機は、太陽歯車と、太陽歯車と常時噛み合っている少なくとも１つの高速遊星ギアと、高速リングギアとを備え、高速遊星ギアは、太陽歯車の周りを周回する。多段速度変速機は、また、高速遊星ギアに結合され、低速リングギアと常時噛み合っている少なくとも１つの低速遊星ギアと、高速遊星ギアまたは低速遊星ギアのいずれかによりキャリアの回転が制御されるように高速遊星ギアおよび低速遊星ギアと回転可能に係合しているキャリアとを備える。多段速度変速機は、さらに、高速リングギアおよび低速リングギアを取り囲む変速機ケースと、高速リングギアおよび低速リングギアに近接して位置するクラッチであって、高速リングギアまたは低速リングギアを変速機ケースに選択的に結合するクラッチとを備える。

他の実施形態においては、電動車両用パワートレインシステムは電気モータおよび多段速度変速機を備える。多段速度変速機は、電気モータに接続された変速機ケースと、変速機ケース内に位置し、電気モータに結合されている太陽歯車と、太陽歯車と常時噛み合っている高速ギアセットと、高速ギアセットに接続されている低速ギアセットと、多段速度変速機の作動モードを、１つの作動モードから他の作動モードに選択的に変更するように配置され且つ構成されているクラッチとを備える。作動モードは高速モードと低速モードとニュートラル状態とを含むことができる。クラッチは、低速ギアセットを変速機ケースと係合させて、多段速度変速機を低速モードにする。

他の実施形態においては、多段速度変速機を有する電動車両用パワートレインシステムは、電気モータと、電気モータに接続されている変速機ケースと、変速機ケース内に位置し、電気モータに結合されている太陽歯車とを備える。パワートレインシステムは、さらに、太陽歯車と常時噛み合っている高速ギアセットと、高速ギアセットに接続されている低速ギアセットと、車両の出力シャフトに作動可能に接続されているキャリアの制御を変更するために、高速ギアセットおよび低速ギアセットを変速機ケースに選択的に結合するように配置され且つ構成されているクラッチとを備える。

本明細書において開示される実施形態により提供されるこれら特徴および追加の特徴は、図面と共に下記の詳細な記述を考慮すれば、より深く理解されよう。

図に示される実施形態は、本質的に例であり、請求項で定義される主題を限定するものではない。例としての実施形態の下記の詳細な記述は、下記の図面と共に読めば理解できよう。類似の構造は類似の参照番号によって示されている。

本明細書において示され且つ記述される１つ以上の実施形態に係る車両用パワートレインシステムの模式図を示している。 本明細書において示され且つ記述される１つ以上の実施形態に係る車両用パワートレインシステムの模式図を示している。 本明細書において示され且つ記述される１つ以上の実施形態に係る変速機の速度図の模式図を示している。 本明細書において示され且つ記述される１つ以上の実施形態に係るモータ効率マップの模式図を示している。 本明細書において示され且つ記述される１つ以上の実施形態に係る車両用パワートレインシステムの模式図を示している。 本明細書において示され且つ記述される１つ以上の実施形態に係る車両用電磁ドッグクラッチを有するパワートレインシステムの模式図を示している。 本明細書において示され且つ記述される１つ以上の実施形態に係るクラッチの模式図を示している。 本明細書において示され且つ記述される１つ以上の実施形態に係る車両用ボールランプドッグクラッチを有するパワートレインシステムの模式図を示している。 本明細書において示され且つ記述される１つ以上の実施形態に係るクラッチの模式図を示している。 本明細書において示され且つ記述される１つ以上の実施形態に係る車両用選択可能一方向クラッチを有するパワートレイン機構システムの模式図を示している。

図１は、電気車両または燃料電池ハイブリッド車両のような電動車両の多段速度変速機のギアチェンジのためのシステムの１つの実施形態の概略を示している。システムは一般的に、電気モータと、モータと常時噛み合っている１組の高速遊星ギアおよび低速遊星ギアと、を備えている。遊星ギアは、１組の出力シャフトを通して、車両の車輪にトルクを提供する差動装置に結合されているキャリア上に搭載されている。高速リングギアおよび低速リングギアが高速遊星ギアおよび低速遊星ギアとそれぞれ常時噛み合って配置されている。クラッチが、リングギアと変速機ケースとの間に配置されている。本明細書において使用されているように、クラッチとは、２つの要素を結合して、摩擦によってではなく、締り嵌め（interference）によりその２つの要素が互いに対して回転することを禁止する機械的装置を意味している。クラッチの例としては、それに制限されるわけではないが、インターロッキングスプラインドッグクラッチ、機械的シンクロナイザ（同期装置）、および選択可能一方向クラッチ（ＳＯＷＣ）がある。本明細書において使用されているように、クラッチは、互いに対して回転する２つの要素を結合するために摩擦板を使用する装置を含んでいない。

選択された速度モードで作動するとき、クラッチは、リングギアを変速機ケースと係合させて、リングギアの回転速度をゼロに保持する。ギアチェンジが指令されると、クラッチは、それまで選択されていたリングギアとの結合を解除する。そして電気モータは、新たに選択されたリングギアの回転速度がゼロに近づくように加速または減速する。新たに選択されたリングギアがゼロ速度に近づくと、クラッチは、新たに選択されたリングギアと係合して、それを変速機ケースに結合し、それにより、多段速度変速機を第２速モードで作動させる。本明細書において使用されているように、係合するということは、多段速度変速機が、係合されたギアセットに関連付けられた特定の作動モードで作動するように、記述されたギアセットの少なくとも１つの部材を変速機ケースに結合することで、ギアセットの回転を機械的に禁止することを意味している。電気モータを使用して、適切なリングギアの回転速度を減じることにより、変速機は摩擦クラッチを使用することなくスムーズにギアチェンジができるようになる。電気車両および燃料電池ハイブリッド車両用の多段速度変速機のギアチェンジのためのシステムおよび方法の種々の実施形態を、添付図面を参照して、以下、より詳細に記述する。

図１を参照すると、電気車両または燃料電池ハイブリッド車両との使用のためのパワートレインシステム１００の１つの実施形態が模式的に示されている。パワートレインシステム１００は一般的に、電気モータ１１０と、多段速度変速機１２０とを備えている。電気モータ１１０は多段速度変速機１２０の太陽歯車１３０に結合されている。太陽歯車１３０は、少なくとも１つの高速遊星ギア１４０を備える高速ギアセット１３５と常時噛み合っている。高速遊星ギア１４０は、少なくとも１つの低速遊星ギア１４２を備えている低速ギアセット１３７に結合されている。高速遊星ギア１４０および低速遊星ギア１４２は同じ速度で回転する。図１の実施形態においては、高速遊星ギア１４０および低速遊星ギア１４２は共に同じピニオンギア構成要素の一部である。本実施形態においては、高速遊星ギア１４０および低速遊星ギア１４２は、キャリア１６０上に搭載され、太陽歯車１３０の周りを周回する。キャリア１６０は、少なくとも１つの出力シャフト１８０にトルクを提供する差動装置１７０に接続されている。高速遊星ギア１４０は、高速ギアセット１３５の一部である高速リングギア１５０と常時噛み合っている。低速遊星ギア１４２は、低速ギアセット１３７の一部である低速リングギア１５２と常時噛み合っている。

クラッチ２００は変速機ケース３００に近接して位置してもよく、それにより、クラッチ２００は、高速リングギア１５０または低速リングギア１５２を変速機ケース３００と選択的に係合できる。定常状態の作動においては、高速リングギア１５０および低速リングギア１５２の１つが変速機ケース３００と係合されているときは、高速リングギア１５０および低速リングギア１５２の他方は制約なく回転する。例えば、クラッチ２００が高速リングギア１５０を変速機ケース３００と係合させたときは、低速リングギア１５２は低速遊星ギア１４２の周りを制約なく回転する。クラッチ２００が低速リングギア１５２を変速機ケース３００と係合させたときは、高速リングギア１５０は高速遊星ギア１４０の周りを制約なく回転する。

高速遊星ギア１４０および低速遊星ギア１４２は、互いに結合されてキャリア１６０上に搭載されているので、出力シャフト１８０が回転するときにほぼ同じ速度で太陽歯車１３０の周りを周回する。出力シャフト１８０の回転速度は車両の速度と相関する。一定の車両速度においては、キャリア１６０と、高速遊星ギア１４０および低速遊星ギア１４２とは一定の回転速度で回転できる。

多段速度変速機１２０が低速モードで作動していれば、クラッチ２００は、低速ギアセット１３７がキャリア１６０の回転を制御するように、低速リングギア１５２を変速機ケース３００に結合する。多段速度変速機１２０を低速モードの作動から高速モードの作動に変更するように高速ギアへのチェンジを指令できる。クラッチ２００は、低速リングギア１５２が変速機ケース３００と係合されていない状態にするために、低速リングギア１５２との係合を解除する。低速リングギア１５２も高速リングギア１５０も変速機ケース３００と係合されていないときは、電気モータ１１０はキャリア１６０および出力シャフト１８０にトルクを提供せず、パワートレインシステム１００は、「ニュートラル」状態、または電気モータ１１０がトルクを出力シャフト１８０に伝達できない作動条件になる。このニュートラル状態の間、電気モータ１１０を、高速リングギア１５０の回転速度がゼロに近づくように、高速リングギア１５０の速度を下げるように制御できる。電気モータ１１０は、電気モータ１１０および太陽歯車１３０の回転速度を下げることにより、高速リングギア１５０の回転速度を下げる。高速リングギア１５０がいったん適切な速度に下げられると、クラッチ２００は、高速ギアセット１３５が、キャリア１６０の回転を制御し、それにより変速機を高速モードで作動させるように、高速リングギア１５０と係合して高速リングギア１５０を変速機ケース３００に結合できる。

多段速度変速機１２０が高速モードで作動していれば、クラッチ２００は、高速ギアセット１３５がキャリア１６０の回転を制御するように、高速リングギア１５０を変速機ケース３００に結合する。多段速度変速機１２０を高速モードの作動から低速モードの作動へ変更するように低速ギアへのチェンジを指令できる。クラッチ２００は、高速リングギア１５０が変速機ケース３００に結合されていない状態にするために、高速リングギア１５０との係合を解除する。低速リングギア１５２も高速リングギア１５０も変速機ケース３００と係合されていないときは、電気モータ１１０はキャリア１６０および出力シャフト１８０にトルクを提供せず、パワートレインシステム１００は再びニュートラル状態になる。このニュートラル状態の間、電気モータ１１０を、低速リングギア１５２の回転速度がゼロに近づくように、低速リングギア１５２の速度を下げるように制御できる。電気モータ１１０は、電気モータ１１０および太陽歯車１３０の回転速度を上げることにより、低速リングギア１５２の回転速度を下げる。低速リングギア１５２がいったん適切な速度に下げられると、クラッチ２００は、低速ギアセット１３７が、キャリア１６０の回転を制御して、それにより変速機を低速モードで作動させるように、低速リングギア１５２と係合して低速リングギア１５２を変速機ケース３００に結合できる。

車両がニュートラル状態のときは、高速リングギア１５０および低速リングギア１５２が、高速遊星ギア１４０と低速遊星ギア１４２と太陽歯車１３０とに常時噛み合っているので、電気モータ１１０は、高速リングギア１５０および低速リングギア１５２の両方の回転速度を変更できる。パワートレインシステム１００がニュートラル状態の間は、キャリア１６０は、高速遊星ギア１４０および低速遊星ギア１４２を、所与の出力シャフト１８０の回転速度に対して一定の速度で、太陽歯車１３０の周りを周回させる。このため、キャリア１６０の回転速度が与えられれば、パワートレインシステム１００がニュートラル状態のときは、電気モータ１１０は、高速リングギア１５０および低速リングギア１５２の両方の回転速度を制御できる。

高速リングギア１５０および低速リングギア１５２の回転速度を制御できるということにより、摩擦クラッチを使用することなく、多段速度変速機１２０の低速モードから高速モードへの選択が可能となる。これは、摩擦クラッチが典型的には油圧により作動されるので、車両全体の効率に対して重要な利点となり得る。クラッチアクチュエータに油圧を提供するためには、車両のモータは、動力を油圧ポンプに提供して、油圧の最小限レベルを維持しなければならない。この動力は、モータに対する寄生損失となり、パワートレインシステム１００の効率低下にもなり得る。運転手は、この寄生損失を、エネルギーの使用量の増加として知ることができる。油圧システムの使用は、停止中は、そのような車両の駆動モータも典型的には停止するので、電気車両および燃料電池ハイブリッド車両にとっては特別な問題となり得る。動力を油圧ポンプに提供するためには、車両に第２の電気モータを追加することもあり得るので、車両のコストと複雑さとを増すことになる。

図１に模式的に示されているように、パワートレインシステム１００は、「単一軸」配置において車両に統合されてもよい。電気モータ１１０および太陽歯車１３０は出力シャフト１８０と同軸に配置されてもよい。パワートレインシステム１００のこの配置は、例えば、パワートレインシステム１００が電気モータ１００を出力シャフト１８０に沿って搭載することを可能にする前輪駆動車両において使用できる。図２に模式的に示されているように、パワートレインシステム１００は、出力シャフト１８０が、トルクの向きを決めることで、電気モータ１１０から離れた場所において車輪を駆動するように構成されてもよい。パワートレインシステム１００のこの配置は、例えば、後輪駆動車両に使用できる。

上述の遊星ギア装置は、種々の適用およびパッケージングの制限に適合するように変形可能である。多段速度変速機１２０の１つの実施形態においては、低速遊星ギア１４２は太陽歯車１３０と直接噛み合うように構成されてもよい。他の実施形態においては、多段速度変速機１２０は、リングギアと等価な数の作動速度を有することができるように、複数のリングギアと共に配置されてもよい。

図３は、２速遊星ギアセットを有する車両用のパワートレインシステム１００の１つの実施形態の速度図の模式図を示している。速度グラフは、種々の作動点におけるパワートレインシステム１００の作動を図示している。ここで描かれているように、垂直線は、遊星ギアセットの速度比に対応する垂直線１３０Ａから距離を置いて描かれている。「Ａ」、「Ｂ」、および「Ｃ」として示されている線と垂直線との交点は、遊星ギアセットの構成要素の回転速度を表している。

図３に示されている速度図は、定常状態での作動の間に、多段速度変速機１２０の内部構成要素がどのように振る舞うかを例示している。例えば、多段速度変速機１２０の１つの実施形態においては、低速リングギア１５２は、変速機ケース３００と係合されることなどにより、回転が禁止されてもよい。速度線「Ａ」は、低速リングギア１５２を表している線１５２Ａと、ゼロ速度線、つまり０で示されている水平線との交点を通るように描かれうる。この点、つまり図３で「作動点１」として示されている点は、低速リングギア１５２がゼロの回転速度を有していることを反映している。電気モータ１１０の回転速度が増大するにつれ、速度線は、依然として作動点１を通りながら、線１３０Ａに沿って、正のｙ方向に増大するように描かれる。この速度線と、他のギアを表している垂直線との交点はこれらギアの回転速度を反映している。特に、キャリア１６０の回転速度、従って、差動装置１７０および出力シャフト１８０の回転速度は１６０Ａとして示されている垂直線により表わされている。この交点は、多段速度変速機１２０が高速モードであっても低速モードであってもそれとは関係なく、車両の速度に直接相関がある。電気モータ１１０の回転速度が増大し、且つ速度線が作動点１を通過し続けると、キャリア１６０の回転速度、従って、車両の速度は一定の率で増大する。

速度図はまた、ギアチェンジの作動の間に、多段速度変速機１２０の内部構成要素がどのように振る舞うのかを反映するためにも使用されることができる。ギアチェンジの１つの実施形態が図３に示されている。多段速度変速機１２０は、最初は低速モードで作動している。この実施形態においては、低速リングギア１５２は低速モードでの回転が禁止され、速度線は作動点１を通る。電気モータ１１０が最高回転速度で作動しているときに（線Ａ）、ギアチェンジが指令される。クラッチ２００は低速リングギア１５２との係合を解除し、それにより、低速リングギア１５２と変速機ケース３００との結合が解除され、低速リングギア１５２は回転が可能になり、パワートレインシステム１００はニュートラル状態になる。図３で示されている実施形態においては、車両は、パワートレインシステム１００がニュートラル状態の間、一定の速度で進行し続けると仮定されている。車両が一定の慣性で移動し続けるので、線１６０Ａで表わされているキャリア１６０は、「シフト点」により示されているように一定の回転速度で回転し続ける。そして、電気モータ１１０はその回転速度を低下させる。電気モータ１１０がその回転速度を低下させるにつれ、速度線は、高速リングギア１５０を表している線１５０Ａと、ゼロ速度線の交点である「作動点２」を速度線が通過するような点まで、シフト点を通って「旋回する（pivot）」（線Ｂとして示されている）。いったん高速リングギア１５０の回転速度がほぼゼロになると、高速リングギア１５０は、高速リングギア１５０の回転が禁止されるように、クラッチ２００により係合され、これにより変速機ケース３００に結合される。これで、多段速度変速機１２０は高速モードで作動されることになる。電気モータ１１０は、その最大モータ回転速度に到達するまで（線Ｃで示されているように）、その回転速度を増大できる。電気モータ１１０の所与の回転速度に対しては、キャリア１６０の回転速度は、変速機が高速モードで作動しているときは、変速機が低速モードで作動しているときよりも大きくてもよい（つまり、線ＡおよびＣの線１６０Ａとの交点を比較されたい）。

多段速度変速機１２０を電気モータ１１０と共に使用することは、電気モータ１１０を、単一速度変速機と共に使用するときよりもより効率よく作動させることが可能になる。図４の例としてのモータ効率マップに示されているように、電気モータ１１０は、ある作動条件においては他の作動条件よりも、より効率的であり得る。より効率的であるということにより、電気モータ１１０が、より少ない電気エネルギーを使用して、同じ動力（トルクと速度との積）を出力することが可能になる。ここで記述されるように、車両に多段速度変速機１２０を設けることは、電気モータ１１０を単一速度変速機と共に設けた場合よりも、より低速の回転速度と、より高いトルクでの作動とを可能にする。１つの実施形態においては、パワートレインシステム１００の高められた効率は、車両の同じ性能特性において、より小さいバッテリまたはより小さい電気モータ１１０の使用を可能にする。他の実施形態においては、パワートレインシステム１００の高められた効率は、同じ電気モータ１１０を使用する車両の高められた加速性能および／または車両走行距離を可能にする。

パワートレインシステム１００の模式図が図５に示されている。パワートレインシステム１００は、ギアチェンジが指令されたときに、電気モータ１１０および多段速度変速機１２０を制御する論理を有しているコントローラ４００を備えている。コントローラ４００は、電気モータ１１０に命令を送って回転速度を変更し、且つ多段速度変速機１２０に命令を送って低速モードまたは高速モードで作動させる。ギアチェンジが指令されると、コントローラ４００は、高速ギアセット１３５または低速ギアセット１３７の現在選択されているリングギアと変速機ケース３００との係合を解除するようにクラッチ２００に命令する。高速リングギア１５０および低速リングギア１５２の両方と変速機ケース３００との係合が解除されると、パワートレインシステム１００はニュートラル状態になる。コントローラ４００は、電気モータ１１０にその回転速度を変更するように命令して、高速ギアセット１３５または低速ギアセット１３７の新たに選択されているリングギアの回転速度がゼロに近づくようにする。コントローラ４００は、少なくとも１つの速度センサ４０２からの入力に基づいて、新たに選択されているリングギアの回転速度を決定できる。コントローラ４００は、新たに選択されたリングギアの回転速度がゼロに近づいていると判別すると、新たに選択されたリングギアを変速機ケース３００と係合するようにクラッチ２００に指令する。このようにして、多段速度変速機１２０は新しい速度モードで作動するようになる。

１つの実施形態においては、コントローラ４００は、多段速度変速機１２０のギアチェンジ性能を改良すべく電気モータ１１０の制御を可能にする。コントローラ４００は、多段速度変速機１２０における「シフトショック」の発生、またはパワートレインシステム１００全体におけるトルクの断絶を削減しまたは最小限にするために、電気モータ１１０の回転速度を制御可能であってもよい。新たに選択されたリングギアの回転速度を精度よく決定できることにより、コントローラ４００は、クラッチ２００が新たに選択されたリングギアを変速機ケース３００に結合している間、新たに選択されたリングギアをゼロに近づいている回転速度に保持することが可能である。そうすることにより、クラッチ２００は、パワートレインシステム１００を介してのトルクの流れを断絶することなく新たに選択されたリングギアを変速機ケース３００に結合することが可能であり、それゆえ、多段速度変速機１２０のシフトショックを削減できる。

他の実施形態においては、コントローラ４００は、クラッチ２００が今まで選択されていたリングギアとの係合を解除することを支援できてもよい。ある作動条件では、例えば車両が平坦な道路上を一定の速度で進行しているようなときは、多段速度変速機１２０の伝動装置にかかる負荷を軽くすることができる。このような作動条件に対しては、クラッチ２００は、今まで選択されていたリングギアとの係合を容易に解除して、多段速度変速機１２０のギアチェンジを行うことができる。コントローラ４００は、車両の慣性により車両が前進している間に、車両の作動条件を評価して、クラッチ２００に、今まで選択されていたリングギアとの係合を解除するように命令できる。多段速度変速機１２０の伝動装置に高い負荷がかかるような作動条件（例えば、車両の最大加速時または減速時）に対しては、クラッチ２００は、伝動装置の負荷条件に打ち勝つために十分な力を有していなくてもよい。これらの作動条件に対しては、コントローラ４００は、電気モータ１１０の回転速度を少し変更してもよい。電気モータ１１０の回転速度のこの変更は、慣性により車両が前進するので、伝動装置の負荷を少なくとも部分的になくすべく車両の慣性を使用することを支援できる。

１つの実施形態においては、コントローラ４００は、所与の車両速度に基づいて、多段速度変速機１２０を高速ギアにチェンジしまたは低速ギアにチェンジするように指令するように構成されてもよい。コントローラ４００は、最も効率的な作動条件において電気モータ１１０が最大の時間を消費するようにパワートレインシステム１００を作動してもよい。他の実施形態においては、コントローラ４００は、共通の車両速度における速度モードのギアチェンジを回避するために、既知の駆動条件に基づいて、多段速度変速機１２０を高速ギアにチェンジしまたは低速ギアにチェンジするように指令するように構成されてもよい。例えば、コントローラ４００は、高速道路での速度よりも少し遅い車両速度において高速ギアへのチェンジまたは低速ギアへのチェンジを指令することで、車両がこれら速度で作動している間、高速ギアへのチェンジまたは低速ギアへのチェンジを最小にして、これら条件における車両の応答性を改良するように構成されてもよい。

１つの実施形態においては、コントローラ４００は、多段速度変速機１２０の作動の管理専用のスタンドアロンの制御装置であってもよい。他の実施形態においては、コントローラ４００はエンジン制御装置に統合されてもよい。他の実施形態においては、コントローラ４００は車体制御モジュールに統合されてもよい。

１つの実施形態においては、パワートレインシステム１００は、各リングギアの回転速度を計算するために使用される少なくとも１つの速度センサを備えてもよい。１つの実施形態においては、パワートレインシステム１００は、太陽歯車１３０およびキャリア１６０の回転速度を決定する速度センサを備えてもよい。太陽歯車１３０の回転速度を測定する速度センサ４０２は、太陽歯車１３０に結合されている電気モータ１１０の回転速度を測定できる。キャリア１６０の回転速度を測定する速度センサ４０２は、共にキャリア１６０に結合されている差動装置１７０または出力シャフト１８０の回転速度を測定できる。これら構成要素の回転速度を測定することにより、高速リングギア１５０および低速リングギア１５２の回転速度を計算できる。

図６に模式的に示されているパワートレインシステム１００の実施形態を参照すると、パワートレインシステム１００は、変速機ケース３００に結合されている電気モータ１１０を備えている。電気モータ１１０は、自身が太陽歯車１３０を介して多段速度変速機１２０に結合されている出力シャフト１１２に結合されている。太陽歯車１３０上の伝動装置は高速ギアセット１３５の高速遊星ギア１４０上の伝動装置と噛み合わされており、高速ギアセット１３５は低速ギアセット１３７の低速遊星ギア１４２に結合されている。高速遊星ギア１４０および低速遊星ギア１４２は高速リングギア１５０および低速リングギア１５２とそれぞれ常時噛み合っている。高速遊星ギア１４０および低速遊星ギア１４２は、キャリア１６０上に搭載され且つジャーナルベアリングのようなベアリング１４６の上方に設置されて、キャリア１６０上での高速遊星ギア１４０および低速遊星ギア１４２の回転を可能にする。キャリア１６０は、少なくとも１つの出力シャフト１８０にトルクを提供する差動装置１７０に結合されている。

クラッチ２００は高速リングギア１５０または低速リングギア１５２を変速機ケース３００に結合でき、変速機ケース３００は多段速度変速機１２０の種々の速度モードと係合する。図６に示されているクラッチ２００は、アーマチャ２０２の軸方向の位置を変更するために電磁アクチュエータ２２０を使用する。アーマチャ２０２上の外部スプライン２０４は変速機ケース３００内の一連の内部スプライン３０４と係合している。噛み合っている外部スプライン２０４および内部スプライン３０４により、アーマチャ２０２は軸方向に平行移動が可能になるが、アーマチャ２０２の回転は禁じられている。他の実施形態においては、キー溝に置かれた少なくとも１つのキーにより、変速機ケース３００内でのアーマチャ２０２の回転を制約できる。アーマチャ２０２が正しい位置にあるときは（図６に示されているように）、アーマチャ２０２上の右側スプライン要素２０６は高速リングギア１５０上のスプライン要素１５１と係合する。アーマチャ２０２は変速機ケース３００内の内部スプライン３０４により回転が禁止されているので、高速リングギア１５０もまた回転が禁止されている。アーマチャ２０２がこの位置にあるときは、高速ギアセット１３５はキャリア１６０の回転を制御し、多段速度変速機１２０は高速モードで作動する。この作動モードにおいては、電気モータ１１０からのトルクが太陽歯車１３０に加えられ、それにより、高速遊星ギア１４０が回転し且つ周回する。この周回運動により、キャリア１６０を回転させ、それにより、差動装置１７０を回転させ、トルクが出力シャフト１８０に加えられる。

アーマチャ２０２が左側の位置（図示せず）のときは、アーマチャ２０２上の左側スプライン要素２０８は低速リングギア１５２上のスプライン要素１５８と係合する。アーマチャ２０２がこの位置のときに、低速ギアセット１３７はキャリア１６０の回転を制御し、多段速度変速機１２０は低速モードで作動する。この作動モードにおいては、電気モータ１１０からのトルクが太陽歯車１３０に加えられ、それにより、高速遊星ギア１４０を回転させる。低速遊星ギア１４２は高速遊星ギア１４０と同じ速度で回転する。低速リングギア１５２は変速機ケース３００に結合されているので、低速遊星ギア１４２は太陽歯車１３０の周りを周回する。この周回運動により、キャリア１６０を回転させ、それにより、差動装置１７０を回転させ、トルクが出力シャフト１８０に加えられる。

図７に示されているように、電磁アクチュエータ２２０はアーマチャ２０２を左側に向かう方向にシフトさせる。電磁アクチュエータ２２０が通電されている間は、電磁アクチュエータ２２０は、引力をアーマチャ２０２に加え、アーマチャ２０２を矢印「Ｌ」の方向に左側に引き付ける。電磁アクチュエータ２２０は「経路Ｍ」で示されている磁束経路を作成する。電磁アクチュエータ２２０が通電されなくなると、戻りバネはアーマチャ２０２を右側にシフトさせる。

図８および９に模式的に示されているパワートレインシステム１００の実施形態を参照すると、多段速度変速機１２０は、ボールランプ連結器２４０をクラッチ２００として使用できる。ボールランプ連結器２４０は回転式アクチュエータ２４４を使用して、駆動ランププレート２４２の回転方向を変更する。駆動ランププレート２４２は、部分的螺旋形状を有する複数のウィンドウを有することができる。複数のボール２４６がこれらウィンドウに挿入されてセレクタプレート２４１と接触する。セレクタプレート２４１上の外部スプライン２０４は変速機ケース３００上の内部スプライン３０４と噛み合わされている。噛み合っている外部スプライン２０４および内部スプライン３０４により、セレクタプレート２４１は軸方向に平行移動が可能になるが、回転は制約される。回転式アクチュエータ２４４が駆動ランププレート２４２を一方向に回転すると、ボール２４６は、駆動ランププレート２４２内で位置を変え、螺旋ウィンドウ内でより浅く移動する。ボール２４６が駆動ランププレート２４２の螺旋ウィンドウ内で浅く位置すると、セレクタプレート２４１は正しい場所になる。この位置において、セレクタプレート２４１上の右側スプライン要素２０６は高速リングギア１５０上のスプライン要素１５１と係合できる。この向きにおいて、セレクタプレート２４１は、多段速度変速機１２０を高速モードで作動させ、それにより高速ギアセット１３５にキャリア１６０の回転を制御させるようにする。

回転式アクチュエータ２４４が、駆動ランププレート２４２を反対方向に回転すると、ボール２４６は螺旋ウィンドウ内のより深い部分へ移動する。ボール２４６が駆動ランププレート２４２の螺旋ウィンドウ内の深くに位置すると、戻りバネ３０５はセレクタプレート２４１を左に向けてスライドさせ、それにより、セレクタプレート２４１は左側の位置になる。この位置において、セレクタプレート２４１上の左側スプライン要素２０８は低速リングギア１５２上のスプライン要素１５８と係合できる。この向きにおいて、セレクタプレート２４１は、多段速度変速機１２０を低速モードで作動させ、低速ギアセット１３７にキャリア１６０の回転を制御させるようにする。

図１０に模式的に示されているパワートレインシステム１００の実施形態を参照すると、多段速度変速機１２０はＳＯＷＣ２７０をクラッチ２００として使用してもよい。一方向クラッチは、隣接する部品を互いに対して一方向のみに進行させる機械的ダイオードとして考えることができる。ＳＯＷＣは、隣接する部品間の進行を許可または禁止するように制御可能な一方向クラッチである。ここで記述されたパワートレインシステム１００に対しては、ＳＯＷＣの例は、ミシガン州のＳａｇｉｎａｗにある、Ｍｅａｎｓ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓから入手可能な制御可能機械的ダイオード（Ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｄｉｏｄｅ）である。ＳＯＷＣは、ポケットプレートから延伸し、ノッチプレートと係合してノッチプレートの回転を禁止する一連のセレクタロックを使用できる。セレクタロックの動きはセレクタプレートにより制御される。セレクタプレートは、セレクタロックが延伸してそれによりポケットプレートをノッチプレートに結合できるかを制御する一連のウィンドウを有することができる。セレクタロックを後退させると、ノッチプレートは自由に回転できる。

図１０に示されているように、ＳＯＷＣ２７０は、ポケットプレート２８０と、高速セレクタプレート２７６と、高速ノッチプレート２７４と、低速セレクタプレート２９６と、低速ノッチプレート２９４とを備えている。高速ノッチプレート２７４は、高速ギアセット１３５の高速リングギア１５０上のスプライン要素１５１と噛み合わされている一連のスプライン２７２を有している。低速ノッチプレート２９４は、低速ギアセット１３７の低速リングギア１５２上のスプライン要素１５８と噛み合わされている一連のスプライン２９２を有している。複数のセレクタロックはポケットプレート２８０内の凹部２８２から延伸できる。ポケットプレート２８０は、変速機ケース３００上の一連の内部スプライン３０４と噛み合っている一連の外部スプライン２８４を有している。噛み合っている外部スプライン２８４および内部スプライン２８４により、ポケットプレート２８０は回転が禁止される。

図１０に示されている多段速度変速機１２０を低速モードで作動して、それにより低速ギアセット１３７にキャリア１６０の回転を制御させるようにするときは、低速セレクタプレート２９６は「開」位置にあってもよく、それにより、セレクタロックは、ポケットプレート２８０内の凹部２８２から低速スプライン２９２に通過可能となる。高速セレクタプレート２７６は「閉」位置にあってもよく、それにより、セレクタロックは、ポケットプレート２８０から高速ノッチプレート２７４へ通過できない。従って、高速ノッチプレート２７４および高速リングギア１５０は自由に回転できる。

多段速度変速機１２０の高速ギアへのチェンジが指令されると、低速セレクタプレート２９６は、「閉」位置へ回転し、セレクタロックの低速ノッチプレート２９４との係合を強制的に解除させる。そして、電気モータ１１０はその回転速度を減少させ、それにより、高速ギアセット１３５の高速リングギア１５０と、高速ノッチプレート２７４とはゼロ速度に近づく。高速リングギア１５０および高速ノッチプレート２７４がゼロ速度に近づくと、高速セレクタプレート２７６は、「開」位置に回転して、複数のセレクタロックの延伸を可能にして、それにより、ポケットプレート２８０と高速ノッチプレート２７４とを結合して、高速ノッチプレート２７４および高速リングギア１５０の回転を禁止する。その後、多段速度変速機１２０は、高速ギアセット１３５がキャリア１６０の回転を制御するように、高速モードで作動する。

１つの実施形態においては、ＳＯＷＣ２７０はサーボ機構により作動されてもよい。他の実施形態においては、ＳＯＷＣ２７０は電磁アクチュエータにより作動されてもよい。更に他の実施形態においては、ＳＯＷＣ２７０は油圧アクチュエータにより作動されてもよい。

ＳＯＷＣ２７０の使用によって、パワートレインシステム１００は、対応する遊星ギアと、リングギアと、ＳＯＷＣ構成要素とを追加することにより、複数の速度モードで作動することができる。

電気車両および燃料電池ハイブリッド車両用の油圧フリー多段速度変速機は、高速ギアセットおよび低速ギアセットの１つを変速機ケースと選択的に係合させるためのクラッチを備えてもよいことは理解されよう。ニュートラル状態で作動している多段速度変速機では、電気モータの回転速度を増大または減少させることが可能で、それにより、新たに選択されたギアセットのリングギアの回転速度はゼロに近づく。リングギアの回転速度を減少させることにより、クラッチを使用して、また摩擦部材を使用するクラッチを使用せずに、スムーズなギアチェンジが達成できる。パワートレインシステムは、電気モータの回転速度を増大または減少させて適切なリングギアの回転速度を減少できるコントローラを備えてもよい。

「実質的に」と「ほぼ」という用語を、ここでは、任意の量的比較、値、測定値、または他の表現に帰着可能な不確定性の固有な程度を表現するために使用できるということは留意されたい。また、これら用語を、本明細書において、本主題の基本的な機能における変更という結果にならずに、量的表現が、明白に規定された基準から変化してもよい程度を表現するためにも使用できる。

特別な実施形態が本明細書において例示され且つ記述されたが、種々の他の変更および変形が、請求の範囲に記載されている主題の思想および範囲を逸脱することなく可能であることが理解されるべきである。更に、請求の範囲に記載されている主題の種々の形態が本明細書において記述されたが、そのような形態は、組み合わせて使用される必要はない。従って、付随する請求項は、請求の範囲に記載されている主題の範囲内のそのような変更および変形のすべてを含むものである。

Claims (20)

1. 多段速度変速機であって、
   太陽歯車と、
   前記太陽歯車および高速リングギアと常時噛み合っている高速遊星ギアであって、前記太陽歯車の周りを周回する高速遊星ギアと、
   前記高速遊星ギアに結合され且つ低速リングギアと常時噛み合っている低速遊星ギアと、
   キャリアであって、前記高速遊星ギアまたは前記低速遊星ギアのいずれかにより該キャリアの回転が制御されるように前記高速遊星ギアおよび前記低速遊星ギアと回転可能に係合されるキャリアと、
   前記高速リングギアおよび前記低速リングギアを取り囲む変速機ケースと、
   前記高速リングギアおよび前記低速リングギアに近接して位置するクラッチであって、前記高速リングギアまたは前記低速リングギアを前記変速機ケースと選択的に結合するクラッチと
   を備える、多段速度変速機。
2. 差動ギアセットと、少なくとも１つの出力シャフトとを更に備え、
   前記キャリアは前記差動ギアセットに結合され、該差動ギアセットは前記少なくとも１つの出力シャフトに結合されている、請求項１に記載の多段速度変速機。
3. 出力シャフトを更に備え、
   前記キャリアは前記少なくとも１つの出力シャフトに結合されている、請求項１に記載の多段速度変速機。
4. コントローラと、該コントローラに電子的に接続されている第１速度センサおよび第２速度センサとを更に備え、
   前記コントローラは、前記第１速度センサおよび前記第２速度センサの測定値に基づいて、前記高速リングギアおよび前記低速リングギアの回転速度を決定する、請求項１に記載の多段速度変速機。
5. 当該多段速度変速機は、前記クラッチが前記低速リングギアを前記変速機ケースに結合しているときは低速モードで作動し、且つ、前記クラッチが前記高速リングギアを前記変速機ケースに結合しているときは高速モードで作動する、請求項１に記載の多段速度変速機。
6. 当該多段速度変速機が前記低速モードから前記高速モードへ変化するとき、前記クラッチは前記低速リングギアとの係合を解除して当該多段速度変速機をニュートラル状態にし、前記高速リングギアの回転速度はゼロに近づくように減少され、前記クラッチは前記高速リングギアと係合し、
   当該多段速度変速機が前記高速モードから前記低速モードへ変化するとき、前記クラッチは前記高速リングギアとの係合を解除して当該多段速度変速機を前記ニュートラル状態にし、前記低速リングギアの回転速度はゼロに近づくように減少され、前記クラッチは前記低速リングギアと係合する、請求項５に記載の多段速度変速機。
7. 前記クラッチは前記高速リングギアおよび前記低速リングギアを締り嵌めにより前記変速機ケースに結合する、請求項１に記載の多段速度変速機。
8. 前記クラッチは、アーマチャおよび電磁アクチュエータと、ボールランプ連結器と、選択可能一方向クラッチとのうちのいずれか１つを備える、請求項７に記載の多段速度変速機。
9. 電動車両用パワートレインシステムであって、
   電気モータおよび多段速度変速機を備え、
   前記多段速度変速機は、
   前記電気モータに接続された変速機ケースと、
   前記変速機ケース内に位置し、前記電気モータに結合されている太陽歯車と、
   前記太陽歯車と常時噛み合っている高速ギアセットと、
   前記高速ギアセットに接続されている低速ギアセットと、
   前記多段速度変速機の作動モードを、１つの作動モードから、高速モードと低速モードとニュートラル状態とを含む異なる作動モードに選択的に変更するように配置され且つ構成されているクラッチであって、前記多段速度変速機を前記低速モードにすべく前記低速ギアセットを前記変速機ケースと係合させるクラッチと
   を備える、パワートレインシステム。
10. 前記クラッチは、前記多段速度変速機を前記高速モードにすべく、前記高速ギアセットを前記変速機ケースと係合させる、請求項９に記載のパワートレインシステム。
11. 前記クラッチは、前記多段速度変速機を前記ニュートラル状態にすべく、前記高速ギアセットおよび前記低速ギアセットの両方と前記変速機ケースとの係合を解除する、請求項１０に記載のパワートレインシステム。
12. 前記高速ギアセットは、
    前記太陽歯車と常時噛み合っている高速遊星ギアと、
    前記高速遊星ギアと常時噛み合っている高速リングギアと
    を備え、
    前記低速ギアセットは、
    前記高速遊星ギアに結合されている低速遊星ギアと、
    前記低速遊星ギアと常時噛み合っている低速リングギアと
    を備える、請求項１１に記載のパワートレインシステム。
13. 前記多段速度変速機が前記ニュートラル状態の間、前記電気モータの回転速度によって前記高速リングギアの回転速度および前記低速リングギアの回転速度が制御される、請求項１２に記載のパワートレインシステム。
14. 前記多段速度変速機が前記高速モードへ変化するように選択されると、前記高速リングギアの回転速度は、前記クラッチが前記高速ギアセットと係合する前にゼロに近づき、前記多段速度変速機が前記低速モードへ変化するように選択されると、前記低速リングギアの回転速度は、前記クラッチが前記低速ギアセットと係合する前にゼロに近づく、請求項１３に記載のパワートレインシステム。
15. 前記多段速度変速機が前記低速モードから前記高速モードへ変化するように選択されると、前記電気モータの回転速度は、前記多段速度変速機が前記ニュートラル状態にある間に減少され、前記多段速度変速機が前記高速モードから前記低速モードへ変化するように選択されると、前記電気モータの回転速度は、前記多段速度変速機が前記ニュートラル状態にある間に増大される、請求項１４に記載のパワートレインシステム。
16. 多段速度変速機を有する電動車両用パワートレインシステムであって、
    電気モータと、
    前記電気モータに結合されている変速機ケースと、
    前記変速機ケース内に位置し、前記電気モータに結合されている太陽歯車と、
    前記太陽歯車と常時噛み合っている高速ギアセットと、
    前記高速ギアセットに接続されている低速ギアセットと、
    前記車両の出力シャフトに作動可能に接続されているキャリアの制御を変更するために、前記高速ギアセットおよび前記低速ギアセットを前記変速機ケースと選択的に係合させように配置され且つ構成されているクラッチと
    を備える、パワートレインシステム。
17. 前記高速ギアセットは
    前記太陽歯車と常時噛み合っている高速遊星ギアと、
    前記高速遊星ギアと常時噛み合っている高速リングギアと
    を備え、
    前記低速ギアセットは
    前記高速遊星ギアに結合されている低速遊星ギアと、
    前記低速遊星ギアと常時噛み合っている低速リングギアと
    を備える、請求項１６に記載のパワートレインシステム。
18. 前記電気モータおよび前記クラッチの作動を制御するコントローラを更に備え、
    前記コントローラは、
    前記クラッチに、前記低速リングギアと前記変速機ケースとの係合を解除して前記多段速度変速機をニュートラル状態にするように命令し、
    前記電気モータに、回転速度を変更して前記高速リングギアの回転速度をゼロに近づけるように命令し、
    前記高速リングギアの回転速度がゼロに近づいているかを判別し、且つ
    前記クラッチに、前記高速リングギアを前記変速機ケースと係合させて前記多段速度変速機を高速モードにするように命令する論理を含む、請求項１７に記載のパワートレインシステム。
19. 前記コントローラは、
    前記クラッチに、前記高速リングギアと前記変速機ケースとの係合を解除して前記多段速度変速機を前記ニュートラル状態にするように命令し、
    前記電気モータに、回転速度を変更して前記低速リングギアの回転速度をゼロに近づけるように命令し、
    前記低速リングギアの回転速度がゼロに近づいているかを判別し、且つ
    前記クラッチに、前記低速リングギアを前記変速機ケースと係合させて前記多段速度変速機を低速モードで作動させるように命令する論理を更に含む、請求項１８に記載のパワートレインシステム。
20. 少なくとも２つの速度センサを更に備え、
    前記速度センサはそれぞれ電子信号を前記コントローラに送り、該コントローラは、前記電子信号を解釈して、前記低速リングギアおよび前記高速リングギアの回転速度を決定する、請求項１９に記載のパワートレインシステム。

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