JP2015058876A

JP2015058876A - 動力伝達装置

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Publication number: JP2015058876A
Application number: JP2013195079A
Authority: JP
Inventors: 忠男井上; Tadao Inoue; 勝司纓田; Katsuji Ouda
Original assignee: Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2013-09-20
Filing date: 2013-09-20
Publication date: 2015-03-30
Anticipated expiration: 2033-09-20
Also published as: JP6291198B2

Abstract

【課題】動力分割機構の各回転要素の回転数を抑制しつつ、出力トルクを確保することができる。
【解決手段】出力軸１３０を駆動するエンジン１０２と、第１モータジェネレータ１１０と、サンギヤ１０８ａ、リングギヤ１０８ｃ、キャリア１０８ｄの回転要素を有する遊星歯車で構成され、各回転要素がエンジン１０２、第１モータジェネレータ１１０および出力軸１３０とそれぞれ接続され、エンジン１０２の動力を出力軸１３０および第１モータジェネレータ１１０に分割して伝達する動力分割機構１０８と、エンジン１０２と動力分割機構１０８との間に設けられ、エンジン１０２の動力を動力分割機構１０８に、回転速度を減速させて伝達する減速ギヤ機構１０６と、動力分割機構１０８と出力軸１３０との間に設けられ、動力分割機構１０８から伝達される動力を出力軸１３０に、回転速度を増速させて伝達する増速ギヤ機構１１２と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、遊星歯車により無段変速を行う自動車の動力伝達装置に関する。

従来、自動車としては、エンジン、モータジェネレータ、出力軸がそれぞれキャリア、サンギヤ、リングギヤに接続された遊星歯車でなる動力分割機構が設けられ、エンジンの出力を動力分割機構によりモータジェネレータおよび出力軸に分割して伝達することで、動力分割機構が無段変速機として機能するようになされたものが提案されている（特許文献１参照）。

特開２０１２−１３１３８４号公報

ところで、自動車においては、出力軸に対して、低回転数であるにも拘わらず、大きな出力トルクが要求される場合がある。このような場合、エンジンを高回転数で駆動させて、エンジンのトルクを増加させることで、出力軸の出力トルクを大きくする。しかしながら、上述した自動車においては、エンジンの動力を動力分割機構のキャリアに直接伝達しているため、エンジンを高回転で駆動させると、キャリアの回転数が高くなり、それに伴って動力分割機構の各回転要素の回転数も高くなってしまうといった問題があった。

この問題の対応策として、動力分割機構のキャリアへの入力回転数に制限を設けたり、各回転要素に対して超高速回転対応のベアリングを採用することが考えられるが、作り出すことができる変速比が狭くなったり、高コスト化するといった別の問題が生じ得ることになる。

そこで、本発明は、動力分割機構の各回転要素の回転数を抑制しつつ、出力トルクを確保することができる制御装置を備える動力伝達装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の動力伝達装置は、出力軸を駆動するエンジンと、第１モータジェネレータと、サンギヤ、リングギヤ、キャリアの回転要素を有する遊星歯車で構成され、各回転要素が前記エンジン、前記第１モータジェネレータおよび前記出力軸とそれぞれ接続され、該エンジンの動力を該出力軸および該第１モータジェネレータに分割して伝達する動力分割機構と、前記エンジンと前記動力分割機構との間に設けられ、該エンジンの動力を該動力分割機構の一の回転要素に、回転速度を減速させて伝達する減速ギヤ機構と、前記動力分割機構と前記出力軸との間に設けられ、該動力分割機構の前記減速ギヤ機構に接続された回転要素以外の一の回転要素から伝達される動力を該出力軸に、回転速度を増速させて伝達する増速ギヤ機構と、を備える。

また、前記動力分割機構は、前記キャリアに前記エンジンが接続され、前記リングギヤに前記増速ギヤ機構が接続され、前記サンギヤに前記第１モータジェネレータが接続されるようにしてもよい。

また、前記出力軸に接続され、該出力軸を駆動する第２モータジェネレータを備えてもよい。

本発明によれば、動力分割機構の各要素の回転数を抑制しつつ、出力トルクを確保することができる。

自動車の駆動系の構成を示す図である。自動車の電気系および制御系の構成を示す図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、自動車１００の駆動系の構成を示す図である。図２は、自動車１００の電気系および制御系の構成を示す図である。図１に示すように、自動車１００は、駆動系として、エンジン１０２、ダンパ１０４、減速ギヤ機構１０６、動力分割機構１０８、第１モータジェネレータ１１０、増速ギヤ機構１１２、ギヤ機構１１４、トランスファークラッチ１１６、ギヤ機構１１８、車輪（前輪）１２０、第２モータジェネレータ１２２、回転軸１２４、入力軸１２６、平行軸１２８、出力軸１３０、後軸１３２を含んで構成される。

エンジン１０２は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等が適応され、燃焼室における爆発圧力でピストンを往復動させてクランクシャフト１０２ａを回転させる。クランクシャフト１０２ａには、ダンパ１０４が接続される。ダンパ１０４は、クランクシャフト１０２ａが振動しながら回転するので、振動を抑制してエンジン１０２からの動力を回転軸１２４に伝達する。

減速ギヤ機構１０６は、第１ギヤ１０６ａ、および、第１ギヤ１０６ａよりも歯数が多い第２ギヤ１０６ｂにより構成され、第１ギヤ１０６ａの歯数に対する第２ギヤ１０６ｂの歯数により示されるギヤ比が１よりも大きい。第１ギヤ１０６ａは、回転軸１２４に接続され、回転軸１２４と一体回転する。第２ギヤ１０６ｂは、入力軸１２６に接続され、入力軸１２６と一体回転する。減速ギヤ機構１０６は、第１ギヤ１０６ａと第２ギヤ１０６ｂとが噛み合って、ダンパ１０４を介して伝達されるエンジン１０２の動力を、回転数を減少させるとともにトルクを増大させて、入力軸１２６に伝達する。

動力分割機構１０８は、サンギヤ１０８ａ、プラネタリギヤ１０８ｂ、リングギヤ１０８ｃ、キャリア１０８ｄにより構成される。リングギヤ１０８ｃは、サンギヤ１０８ａと同軸上に配置され、かつサンギヤ１０８ａの径方向外側に配置される。プラネタリギヤ１０８ｂは、サンギヤ１０８ａとリングギヤ１０８ｃとの間に配置されており、サンギヤ１０８ａおよびプラネタリギヤ１０８ｂとそれぞれ噛み合っている。キャリア１０８ｄは、サンギヤ１０８ａと同軸上に回転自在に支持されており、プラネタリギヤ１０８ｂを回転自在に支持する。従って、プラネタリギヤ１０８ｂは、プラネタリギヤ１０８ｂの中心軸線周りに自転可能であるとともに、キャリア１０８ｄの中心軸線周りに公転可能である。

キャリア１０８ｄは、入力軸１２６に接続されており、入力軸１２６と一体回転する。すなわち、キャリア１０８ｄは、入力軸１２６、減速ギヤ機構１０６、回転軸１２４およびダンパ１０４を介してエンジン１０２と接続される。リングギヤ１０８ｃは、増速ギヤ機構１１２の第１ギヤ１１２ａに接続されており、第１ギヤ１１２ａと一体回転する。サンギヤ１０８ａは、第１モータジェネレータ１１０の回転軸１１０ａに接続されており、回転軸１１０ａと一体回転する。

このような構成でなる動力分割機構１０８は、エンジン１０２から入力される動力でキャリア１０８ｄが回転され、キャリア１０８ｄが回転することで公転するプラネタリギヤ１０８ｂによって、サンギヤ１０８ａおよびリングギヤ１０８ｃの一方または双方を回転させる。これにより、動力分割機構１０８は、エンジン１０２から入力される動力を、サンギヤ１０８ａを介して第１モータジェネレータ１１０に伝達し、また、リングギヤ１０８ｃを介して増速ギヤ機構１１２の第１ギヤ１１２ａに伝達する。

第１モータジェネレータ１１０は、例えば、交流同期型のモータジェネレータでなり、主に電動機として機能し、インバータ２１０（図２）を介してバッテリ２１４および第２モータジェネレータ１２２と接続される。第１モータジェネレータ１１０は、回転軸１１０ａを介して入力される動力によって駆動されて機械的な動力を電力に変換する。第１モータジェネレータ１１０によって発電された電力は、バッテリ２１４に蓄電され、また、第２モータジェネレータ１２２に直接供給される。

増速ギヤ機構１１２は、第１ギヤ１１２ａ、および、第１ギヤ１１２ａよりも歯数が少ない第２ギヤ１１２ｂにより構成され、第１ギヤ１１２ａの歯数に対する第２ギヤ１１２ｂの歯数により示されるギヤ比が１よりも小さい。第２ギヤ１１２ｂは、平行軸１２８に接続され、平行軸１２８と一体回転する。増速ギヤ機構１１２は、第１ギヤ１１２ａと第２ギヤ１１２ｂとが噛み合って、動力分割機構１０８のリングギヤ１０８ｃを介して伝達される動力を、回転数を増加させるとともにトルクを減少させて、平行軸１２８に伝達する。なお、減速ギヤ機構１０６のギヤ比と増速ギヤ機構１１２のギヤ比の積算値が１となるように減速ギヤ機構１０６のギヤ比と増速ギヤ機構１１２のギヤ比が設定される。

平行軸１２８は、増速ギヤ機構１１２の第２ギヤ１１２ｂが接続されるとともに、ギヤ機構１１４の第１ギヤ１１４ａが接続され、第２ギヤ１１２ｂおよび第１ギヤ１１４ａと一体回転する。また、平行軸１２８は、トランスファークラッチ１１６が接続される。平行軸１２８は、増速ギヤ機構１１２から伝達される動力により回転し、第２ギヤ１１４ｂが出力軸１３０に接続されたギヤ機構１１４を介して出力軸１３０に動力を伝達するとともに、トランスファークラッチ１１６が接続状態にある場合には、トランスファークラッチ１１６を介して後軸１３２に動力を伝達する。なお、後軸１３２には後輪（不図示）が接続され、トランスファークラッチ１１６が接続状態である場合には、後輪に動力が伝達され、トランスファークラッチ１１６が切断状態である場合には、後輪に動力が伝達されない。

出力軸１３０は、ギヤ機構１１４の第２ギヤ１１４ｂが接続されるとともに、ギヤ機構１１８の第２ギヤ１１８ｂ、および、車輪１２０が接続され、第２ギヤ１１４ｂ、第２ギヤ１１８ｂおよび車輪１２０と一体回転する。

ギヤ機構１１８は、第１ギヤ１１８ａおよび第２ギヤ１１８ｂにより構成される。第１ギヤ１１８ａは、第２モータジェネレータ１２２の回転軸１２２ａに接続され、回転軸１２２ａと一体回転する。

第２モータジェネレータ１２２は、例えば、交流同期型のモータジェネレータでなり、主にモータとして機能し、インバータ２１２（図２）を介してバッテリ２１４および第１モータジェネレータ１１０と接続される。第２モータジェネレータ１２２は、バッテリ２１４および第１モータジェネレータ１１０から入力される電力により回転軸１２２ａが回転され、ギヤ機構１１８を介して動力を出力軸１３０に伝達する。

出力軸１３０は、ギヤ機構１１４を介して伝達されるエンジン１０２の動力、および、ギヤ機構１１８を介して伝達される第２モータジェネレータ１２２の動力により回転することで車輪１２０を回転させる。

このような構成でなる自動車１００は、エンジン１０２および第２モータジェネレータ１２２の一方または双方で走行する。具体的には、自動車１００は、第２モータジェネレータ１２２のみで走行するモータ走行と、第２モータジェネレータ１２２を空転させたり、発電機として機能させることで、エンジン１０２のみで走行するエンジン走行と、エンジン１０２および第２モータジェネレータ１２２を駆動することで、エンジン１０２および第２モータジェネレータ１２２の双方で走行するハイブリッド走行とが切り替え可能である。

図２に示すように、自動車１００は、制御部２００として、ＨＥＶＣＵ（Hybrid and Electric Vehicles Control Units）２０２、ＥＣＵ（Engine Control Unit）２０４、ＭＣＵ（Motor Control Unit）２０６が設けられる。また、自動車１００は、インバータ２１０、２１２およびバッテリ２１４が設けられ、インバータ２１０が第１モータジェネレータ１１０およびバッテリ２１４と接続され、インバータ２１２が第２モータジェネレータ１２２およびバッテリ２１４と接続される。

ＨＥＶＣＵ２０２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）を含むマイクロコンピュータでなり、自動車１００の各部を統括制御する。

ＨＥＶＣＵ２０２は、アクセルペダルの踏込み量、ブレーキペダルの踏み込み量、シフトレバーのシフト位置、車速センサから入力される車速等に基づいて、エンジン１０２、第１モータジェネレータ１１０、第２モータジェネレータ１２２の駆動をＥＣＵ２０４およびＭＣＵ２０６を介して適宜制御する。

ＥＣＵ２０４は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭを含むマイクロコンピュータでなり、ＨＥＶＣＵ２０２の制御に基づいて、エンジン１０２を駆動させる。ＭＣＵ２０６は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭを含むマイクロコンピュータでなり、ＨＥＶＣＵ２０２の制御に基づいて、インバータ２１０、２１２を介して、第１モータジェネレータ１１０および第２モータジェネレータ１２２を制御する。

ＨＥＶＣＵ２０２は、第１モータジェネレータ１１０の運転状態を制御し、第１モータジェネレータ１１０に入力されるトルクを、インバータ２１０を介して調整することによって、動力分割機構１０８のキャリア１０８ｄとリングギヤ１０８ｃとの差動状態を制御する。例えば、出力軸１３０の回転速度が一定である場合（自動車１００の速度が一定である場合）には、第１モータジェネレータ１１０の回転速度を増減させることによりエンジン１０２の回転速度を連続的に（無段階に）変化させる。すなわち、ＨＥＶＣＵ２０２は、例えば燃費が最もよい高効率運転状態のエンジン１０２の回転速度に設定することを、第１モータジェネレータ１１０を制御することによって実行する。

また、ＨＥＶＣＵ２０２は、サンギヤ１０８ａとリングギヤ１０８ｃとが相対回転可能な差動状態においてエンジン１０２の動力を第１モータジェネレータ１１０と出力軸１３０とに分配し、その分配したエンジン１０２の動力の一部により第１モータジェネレータ１１０で発電させ、発電することにより得られた電力を、インバータ２１０を通してバッテリ２１４や第２モータジェネレータ１２２へ供給させる。

このように、ＨＥＶＣＵ２０２は、エンジン１０２の動力の主要部を機械的に出力軸１３０へ伝達させる一方で、エンジン１０２の動力の一部を第１モータジェネレータ１１０へ伝達させて発電させる。

したがって、動力分割機構１０８は、第１モータジェネレータ１１０の運転状態が制御されることでエンジン１０２と出力軸１３０との回転速度比を連続的に変化させる電気的無段変速機として機能する。

ところで、自動車１００では、例えば発進時や低速走行時などは、出力軸１３０から出力される出力トルクを大きくする必要があるが、回転数は０または低い状態である。このような場合、自動車１００では、出力軸１３０から出力される出力トルクを大きくするために、エンジン１０２の回転数を高くしてトルクを増大させる必要がある。このとき、自動車１００では、エンジン１０２の動力（トルク）を、減速ギヤ機構１０６により回転数を減少させて、すなわち回転速度を減速させて動力分割機構１０８に伝達する。したがって、動力分割機構１０８は、サンギヤ１０８ａ、プラネタリギヤ１０８ｂ、リングギヤ１０８ｃ、キャリア１０８ｄといった各回転要素の回転数が低い状態で第１モータジェネレータ１１０および増速ギヤ機構１１２に動力（トルク）を分割して伝達することができる。そして、増速ギヤ機構１１２は、動力分割機構１０８から伝達された動力（トルク）を、回転数を増大させて、すなわち回転速度を増速させて出力軸１３０に伝達する。

このように、自動車１００では、動力分割機構１０８の前段および後段に減速ギヤ機構１０６および増速ギヤ機構１１２が設けられるといった簡易な構成で、エンジン１０２の回転数が高い場合であっても、動力分割機構１０８の各回転要素の回転数を抑制しながらも、必要とされる動力（トルク）を伝達することができるとともに、ベアリング等の耐久スペックを抑えることで低コスト化することができる。

これに対して、従来の自動車では、自動車１００のように減速ギヤ機構１０６および増速ギヤ機構１１２が動力分割機構の前後段に設けられていないため、エンジンの動力が動力分割機構に直接伝達される。従って、従来の自動車では、エンジンが高回転数である場合、動力分割機構の各回転要素の回転数も高くなってしまうので、動力分割機構の入力回転数に制限を設けたり、高回転数に対応するベアリング等を設ける必要があり、構成が複雑になったり、高コスト化してしまうことになる。

また、遊星歯車を用いた動力分割機構１０８の場合、作り出せる変速比はキャリア１０８ｄの許容回転数で決まる。自動車１００では、減速ギヤ機構１０６によりエンジン１０２の回転数を減少させて動力分割機構１０８に動力が入力されるため、動力分割機構１０８においては、幅広い変速比を作り出すことができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

なお、上記の実施形態においては、動力分割機構１０８のキャリア１０８ｄが入力軸１２６に接続され、サンギヤ１０８ａが第１モータジェネレータ１１０に接続され、リングギヤ１０８ｃが増速ギヤ機構１１２の第１ギヤ１１２ａに接続されるようにした。しかしながら、動力分割機構１０８のサンギヤ１０８ａ、リングギヤ１０８ｃ、キャリア１０８ｄが入力軸１２６、第１モータジェネレータ１１０、増速ギヤ機構１１２の第１ギヤ１１２ａのいずれかにそれぞれ接続されていれば、その接続関係は問わない。

また、上記の実施形態においては、減速ギヤ機構１０６のギヤ比と増速ギヤ機構１１２のギヤ比の積算値が１となるように減速ギヤ機構１０６のギヤ比と増速ギヤ機構１１２のギヤ比が設定されるようにした。しかしながら、エンジン１０２と動力分割機構１０８との間にギヤ比が１より大きい減速ギヤ機構が設けられ、動力分割機構１０８と出力軸１３０との間にギヤ比が１より小さい増速ギヤ機構が設けられていれば、それぞれのギヤ比は任意に設定されていてもよい。

本発明は、自動車の動力伝達装置に利用できる。

１００ …自動車（動力伝達装置）
１０２ …エンジン
１０６ …減速ギヤ機構
１０８ …動力分割機構
１０８ａ …サンギヤ
１０８ｂ …プラネタリギヤ
１０８ｃ …リングギヤ
１０８ｄ …キャリア
１１０ …第１モータジェネレータ
１１２ …増速ギヤ機構
１２２ …第２モータジェネレータ
１３０ …出力軸

Claims

出力軸を駆動するエンジンと、
第１モータジェネレータと、
サンギヤ、リングギヤ、キャリアの回転要素を有する遊星歯車で構成され、各回転要素が前記エンジン、前記第１モータジェネレータおよび前記出力軸とそれぞれ接続され、該エンジンの動力を該出力軸および該第１モータジェネレータに分割して伝達する動力分割機構と、
前記エンジンと前記動力分割機構との間に設けられ、該エンジンの動力を該動力分割機構の一の回転要素に、回転速度を減速させて伝達する減速ギヤ機構と、
前記動力分割機構と前記出力軸との間に設けられ、該動力分割機構の前記減速ギヤ機構に接続された回転要素以外の一の回転要素から伝達される動力を該出力軸に、回転速度を増速させて伝達する増速ギヤ機構と、
を備えることを特徴とする動力伝達装置。
前記動力分割機構は、
前記キャリアに前記エンジンが接続され、前記リングギヤに前記増速ギヤ機構が接続され、前記サンギヤに前記第１モータジェネレータが接続されることを特徴とする請求項１に記載の動力伝達装置。
前記出力軸に接続され、該出力軸を駆動する第２モータジェネレータを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の動力伝達装置。