JP2015157622A - ハイブリッド自動車用のドライブトレイン - Google Patents

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Abstract

【課題】ハイブリッド自動車用のドライブトレインを提供する。【解決手段】出力シャフト１８を有する内燃機関１２と、ハイブリッド自動車を駆動させるためのトルクを提供するための電気機械３０とを有するハイブリッド自動車用のドライブトレインに関する。このドライブトレインにおいて、出力シャフト１８を、トランスミッションクラッチ１４を介して自動車トランスミッション１６に結合させて、トランスミッションギア１〜８をシフトさせることができ、自動車トランスミッション１６が、トランスミッション出力シャフト２８を有することが企図される。ハイブリッド自動車のディファレンシャルギア機構２９のリングギアをトランスミッション出力シャフト２８によって駆動させることができる。電気機械３０をクラッチＫ３によってドライブシャフト６０に結合させることができ、リングギア６２をドライブシャフト６０によって駆動させることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関および／または電気機械によって発生されるトルクを伝達することができる、ハイブリッド自動車用のドライブトレインに関する。
（特許文献１）が、ハイブリッド自動車用のドライブトレインであって、電気機械が回転子を有し、回転子が、遊星歯車機構の内歯車として構成されるドライブトレインを開示している。内歯車は、遊星歯車キャリアによって取り付けられた遊星歯車を介して太陽歯車に結合され、太陽歯車は、一体回転するように自動車トランスミッションのトランスミッション出力シャフトに固定接続されて、ハイブリッド自動車を電気駆動させることを可能にする。遊星歯車キャリアは、シャフトに接続され、このシャフトが、歯車システムを介して内燃機関の出力シャフトに接続されて、内燃機関を電気機械によって始動させることができるようにする。
ドライブトレインの設置スペース要件を軽減することが常に求められている。
米国特許出願公開第２０１０／０２１６５８４ Ａ１号明細書
本発明の目的は、設置スペース要件の小さいドライブトレインを実現する手段を提示することである。
本発明によれば、この目的は、請求項１に記載の特徴を有するドライブトレインによって実現される。本発明の好ましい改良形態は、従属請求項に記載されており、従属請求項は、それぞれ個別に、または組み合わせて、本発明の一態様を表すことができる。
本発明によれば、ハイブリッド自動車用のドライブトレインが、ハイブリッド自動車を駆動させるためのトルクを提供するための、出力シャフトを有する内燃機関と、ハイブリッド自動車を駆動させるためのトルクを提供するための電気機械とを有する。ここで、出力シャフトを、トランスミッションクラッチを介して自動車トランスミッションに結合させて、トランスミッションギアをシフトさせることができる。自動車トランスミッションは、トランスミッション出力シャフトを有し、トランスミッション出力シャフトによって、ハイブリッド自動車のディファレンシャルギア機構のリングギアを駆動させることができる。電気機械をクラッチによってドライブシャフトに結合させ、リングギアをこのドライブシャフトによって駆動させることができる。
したがって、電気機械の動作中、ドライブシャフトに割り当てられたクラッチが閉じられる場合、ディファレンシャルギア機構のリングギアが駆動ギアを介して駆動され、その結果、ハイブリッド自動車を駆動させるためのトルクが電動機によって提供される。したがって、電気機械は、自動車トランスミッションの出力側でドライブトレインに直接作用する。その結果、最小限の構造手段と、小さい設置スペース要件で、内燃機関および自動車トランスミッションに対する電気機械の取付けを行うことができる。
コンパクトな設計によって特徴付けられ、したがってわずかな設置スペースしか必要としない構造的に特に有利な一発展形態によれば、リング歯車が、接続ギアホイールと噛み合い、接続ギアホイールが、冠歯車機構を介してドライブシャフトと噛み合うことが企図される。したがって、接続ギアホイールは、リングギアとドライブシャフトの冠歯車との間の接続を成す。接続ギアホイールは、中間ギアの役割を果たし、したがって、その軸の領域内で、トルクを伝達するシャフトに接続されない。
好ましくは、冠歯車機構は、平歯車および冠歯車を有するように設計および構成され、平歯車が、ドライブシャフトに接続され、冠歯車が、接続ギアホイールの構成部品であり、接続ギアホイールが、リングギアの平歯車システムに係合するための平歯車システムを有する。したがって、接続ギアホイールは、電気駆動装置に割り当てられた冠歯車の役割と、平歯車の役割との両方を果たし、接続ギアホイールが、平歯車システムの領域内でリング歯車の平歯車システムと噛み合って、平歯車、接続ギアホイール、およびリングギアの間でのトルクの流れを可能にする。
ドライブトレインの１つの基本的な代替設計によれば、中間シャフトが、ドライブシャフトとリングギアとの間に配置され、中間シャフトがドライブシャフトと噛み合い、および／または中間シャフトが、冠歯車機構を介してリングギアと噛み合うことが企図される。
したがって、この基本設計では、接続ギアホイールが提供されず、中間シャフトが提供される。この設計は、電気駆動装置とディファレンシャルギア機構のリングギアとの間で運動を伝達するための要素の非常に省スペースの構成を可能にする。
好ましくは、この変形形態は、ドライブシャフト側の冠歯車機構に関して、ドライブシャフトが冠歯車に接続され、中間シャフトに接続された平歯車が冠歯車と噛み合うように改良される。さらに、有利には、リングギア側の冠歯車機構に関して、冠歯車がリングギアの構成部品であり、中間シャフトに接続された平歯車がこの冠歯車と噛み合うことが企図される。
中間シャフトの各端部または両端部に割り当てられた冠歯車機構により、最後に述べた２つの発展形態それぞれ、特に両方の発展形態の組合せが、電気駆動装置の領域、特にクラッチとディファレンシャルギア機構のリングギアとの間の領域で、ドライブトレインの特に省スペースの設計を可能にする。
好ましくは、上記の冠歯車機構それぞれの平歯車が、直歯平歯車として構成される。この設計は、平歯車の領域内での冠歯車機構の単純で安価な製造を可能にする。
本発明の１つの好ましい発展形態によれば、電気機械を出力シャフトに結合させて、特に、切換え可能な遊星歯車機構を介して内燃機関を始動させて、少なくとも２つの異なる変速比を提供することができ、電気機械によって駆動させることができる中間シャフトが、一体回転するように遊星歯車機構の太陽歯車に固定接続され、クラッチによってこの中間シャフトをドライブシャフトに結合させることができることが企図される。
遊星歯車機構、および遊星歯車機構に続く、例えばラダーチェーンまたはローラチェーンを介した出力シャフトへの取付けは、特に電気機械の回転速度を減少させる変速比を提供し、それにより、内燃機関を始動させるために、それに対応して大きなトルクを導入することができる。内燃機関の冷間始動のために、ここで、遊星歯車機構によって例えば１：３の変速比を提供することができる。電気機械が、遊星歯車機構に直接作用せず、まずトランスミッションギア機構を介して中間シャフトへの結合が行われる場合、トランスミッションギア機構によって追加の変速比を実現することができ、この追加の変速比は、特に、電気機械の回転速度をさらに減少させる。その結果、それに対応して高いトルクを、より低い回転速度で遊星歯車機構に導入することができる。それにより、遊星歯車機構を、より低い回転速度、したがってより低い遠心力負荷に合わせて設計することができ、その結果、遊星歯車機構に関する構造的要件を軽減することができ、製造コストを下げることができる。中間シャフトによって可能にされる、遊星歯車機構から離隔された電気機械の配置により、また、トランスミッションギア機構によって実現することができる電気機械の回転速度のさらなる減少により、電気機械は、より小さい寸法にすることができ、それにより、設置スペース要件の小さいドライブトレインが実現可能になる。
内燃機関の出力シャフトは、例えばクランクシャフトまたはカルダンシャフトでよく、クランクシャフトまたはカルダンシャフトは、内燃機関内での燃料混合物の燃焼によって直接または間接的に駆動させることができる。
電気機械を、補助シャフトを介してハイブリッド自動車の少なくとも１つの補助アセンブリに結合させることができ、補助シャフトが、電気機械の出力シャフトに対して半径方向に配置される場合に特に有利である。その結果、内燃機関が停止されるときでさえ、電気機械によって、補助アセンブリ、例えば給油ポンプ、給水ポンプ、空気調和システムの空気調和圧縮機などを機械的に、特にベルトドライブを介して駆動させることができる。さらに、内燃機関は、トルク出力機構、例えば出力シャフトに接続されたベルトプーリまたはチェーンスプロケットを有することができ、補助シャフトによっても使用される同じ機械的取付部を介して、補助アセンブリを機械的に駆動させる。特に、補助シャフトを介して駆動させることができる補助アセンブリを、自動車トランスミッションとは反対の内燃機関の側に位置決めすることができ、出力シャフトへの遊星歯車機構を介する電気機械の結合を、自動車トランスミッションに向いた側で提供することができる。出力シャフトへの取付けと、特にベルトドライブを介して行われる補助アセンブリへの取付けとの間の軸間隔は、補助シャフトおよび中間シャフトによって、好ましくは内燃機関の外部で容易に橋渡しすることができる。
好ましくは、電気機械は、内燃機関の軸高さ位置で、半径方向で内燃機関から離隔されて位置決めされ、中間シャフトおよび／または補助シャフトが、特に、半径方向で、内燃機関と電気機械との間に位置決めされる。その結果、電気機械を、半径方向で内燃機関に並べて位置決めすることができ、それにより、内燃機関と車両トランスミッションとの間に電気機械用の軸設置スペースを提供する必要はない。その結果、ドライブトレインの軸設置スペース要件を小さくすることができ、理想的な場合には、長さを変えずに済ませることができる。
以下の本文で、本発明を、２つの好ましい例示的実施形態を使用して、添付図面を参照しながら例として説明する。以下の本文で述べる特徴は、個別にも、組み合わせても、本発明の１つの態様を表すことができる。
ハイブリッド自動車用のドライブトレインの第１の例示的実施形態の概略図である。 ハイブリッド自動車用のドライブトレインの第２の例示的実施形態の概略図である。
ハイブリッド自動車用のドライブトレイン（図１に示される）が、内燃機関１２を有し、内燃機関１２は、ダブルクラッチとして構成されたトランスミッションクラッチ１４を介して自動車トランスミッション１６に結合させることができる。トランスミッションクラッチ１４は、内燃機関１２の出力シャフト１８を第１のトランスミッション入力シャフト２０（中実シャフトとして構成される）に結合させるための第１の部分クラッチＣ１と、出力シャフト１８を第２のトランスミッション入力シャフト２２（中空シャフトとして構成される）に結合させるための第２の部分クラッチＣ２とを有する。トランスミッション入力シャフト２０、２２は、自動車トランスミッション１６の内部で、シフト可能なトランスミッション速度段を介してトランスミッションギア３、４、７、および８用の第１のシフトシャフト２４、およびトランスミッションギア１、２、５、および６用の第２のシフトシャフト２６と噛み合う。第１のシフトシャフト２４は、出力ギアホイールＫｏ１を介してトランスミッション出力シャフト２８の入力ギアホイールＫと噛み合い、トランスミッション出力シャフト２８は、ディファレンシャルギア機構２９を介してハイブリッド自動車の駆動輪（図示せず）に結合されて、ハイブリッド自動車を移動させる。第２のシフトシャフト２６は、出力ギアホイールＫｏ２を介してトランスミッション出力シャフト２８の入力ギアホイールＫと噛み合い、トランスミッション出力シャフト２８は、ディファレンシャルギア機構２９を介してハイブリッド自動車の駆動輪（図示せず）に結合されて、ハイブリッド自動車を移動させる。第２のシフトシャフト２６に導入されるトルクは、破線で示されるように接続７８を介して入力ギアホイールＫおよびトランスミッション出力シャフト２８に案内される。
内燃機関１２は、電気機械３０によって始動させることができる。このために、内燃機関１２の出力シャフト１８は、ベルトプーリまたはチェーンスプロケット３２を有し、ベルトプーリまたはチェーンスプロケット３２は、第１のベルトドライブまたはチェーンドライブ３４を介して遊星歯車機構３８の遊星歯車キャリア３６に結合される。遊星歯車キャリア３６は、遊星歯車４０を支持し、遊星歯車４０は、太陽歯車４２および内歯車４４と噛み合う。太陽歯車４２は中間シャフト４６に接続され、中間シャフト４６によって、電気機械３０が、トランスミッションギア機構４８を介して、軸方向で遊星歯車機構３８から離隔されて取り付けられる。遊星歯車機構３８は、第１のクラッチＫ１を有し、第１のクラッチＫ１によって内歯車４４をハウジングに固定保持することができ、それにより、例えば内燃機関の冷間始動のために、１．０ではない変速比が設定され、この変速比によって、中間シャフト４６の回転速度を変えることができ、出力シャフト１８に対する対応するトルクを増加させることができる。第２のクラッチＫ２によって、内歯車４４を、一体回転するように中間シャフト４６に固定接続することができ、それにより、例えば内燃機関１２の温間始動のために、第１のクラッチＫ１が開いているときに、遊星歯車機構を介する変速比１．０が設定される。
同軸に延びる補助シャフト５０が、一体回転するように中間シャフト４６に固定接続され、特に一体となるように接続される。補助シャフト５０により、内燃機関１２が停止されているときに、補助アセンブリ、特に車両空気調和システムの空気調和圧縮機５４または給水ポンプ５６を、電気機械３０によって第２のベルトドライブ５２を介して駆動させることができる。さらに、給油ポンプ５８が提供され、給油ポンプ５８は、図示される例示的実施形態では出力シャフト１８に取り付けられ、または第２のベルトドライブ５２を介して駆動させることもできる。
ハイブリッド自動車の純電気駆動のために、中間シャフト４６に対して同軸に延びるドライブシャフト６０を、第３のクラッチＫ３によって、一体回転するように中間シャフト４６に固定結合させることができる。ドライブシャフト６０を介して、電気機械３０のトルクを、トランスミッションクラッチ１４およびトランスミッション入力シャフト２０、２２を通さずに、さらにまた、第１のクラッチＫ１と第２のクラッチＫ２がどちらも開いている場合には遊星歯車機構３８および出力シャフト１８も通さずに、ディファレンシャルギア機構２９のリングギア６２に直接導入することができる。このリングギア６２は、接続ギアホイール６４と噛み合い、接続ギアホイール６４は、冠歯車機構を介してドライブシャフト６０と噛み合う。冠歯車機構は、直歯平歯車として構成される平歯車６６と、冠歯車６８とを有する。平歯車６６は、ドライブシャフト６０に接続され、冠歯車６８は、接続ギアホイール６４の構成部品である。接続ギアホイール６４は、リングギア６２の平歯車システム７２に係合するための平歯車システム７０を有する。
トランスミッション出力シャフト２８とリングギア６２との間のトルクの伝達も、同様に冠歯車機構を介して行われる。冠歯車機構は、平歯車７４と、冠歯車７６とを有する。平歯車７４は、直歯平歯車として構成され、トランスミッション出力シャフト２８に接続される。冠歯車７６は、リングギア６２の構成部品である。
内燃機関１２の部分始動のためには、第１のクラッチＫ１を閉じることができ、第２のクラッチＫ２および第３のクラッチＫ３は開いており、それにより、遊星歯車機構３８の追加の変速比によって、高トルク要件の冷間始動を行うことができ、それと同時に補助アセンブリ５４、５６を駆動させることができる。内燃機関１２の始動後、クラッチＫ１、Ｋ２、Ｋ３のこの位置で電気機械３０を電動機として動作させることができ、追加の出力投入によりブーストおよび／またはアシスト機能を生じ、遊星歯車機構３８によって追加の変速比を提供することができる。また、電気機械３０は、発電機として動作させることもでき、それにより、内燃機関１２の出力の一部を、例えば自動車バッテリを充電するために電気機械３０に導入することができ、遊星歯車機構３８によって追加の変速比が提供される。この場合、補助アセンブリ５４、５６は、内燃機関１２によって、中間シャフト４６および補助シャフト５０を介して駆動される。
第１のクラッチＫ１および第３のクラッチＫ３が開いており、第２のクラッチＫ２が閉じている場合、遊星歯車機構３８で変速比１．０が設定され、この変速比の場合、特に内燃機関１２の温間始動を行うことができる。内燃機関１２の始動後、クラッチＫ１、Ｋ２、Ｋ３のこの位置で電気機械３０を電動機として動作させることができ、追加のパワー入力によりブーストおよび／またはアシスト機能を生じ、この場合には、遊星歯車機構３８によって追加の変速比が提供されない。また、電気機械３０は、発電機として動作させることもでき、それにより、内燃機関１２のパワーの一部を電気機械３０に導入することができ、この場合には、遊星歯車機構３８によって追加の変速比が提供されない。この場合、補助アセンブリ５４、５６は、内燃機関１２によって、中間シャフト４６および補助シャフト５０を介して駆動される。
純電気駆動のためには、第１のクラッチＫ１および第２のクラッチＫ２が開かれ、第３のクラッチＫ３が閉じられる。その結果、電気機械３０は、ディファレンシャルギア機構２９のリングギア６２を直接駆動させる。内燃機関１２は、純電気駆動では停止され、電気駆動中、第１のクラッチＫ１または第２のクラッチＫ２を閉じることによって簡単に始動させることができる。ここで、第３のクラッチＫ３は、内燃機関１２が始動されるまで、および／またはトランスミッションクラッチ１４が閉じられるまでは、閉じたままでよい。第１のクラッチＫ１、第２のクラッチＫ２、および第３のクラッチＫ３が開いている場合、電気機械３０から出力シャフト１８およびディファレンシャルギア２９のリングギア６２へのパワーの流れが中断され、それにより、補助アセンブリ５４、５６は、内燃機関１２が停止されるときでさえ、電気機械３０によって駆動させることができる。
したがって、補助アセンブリ５４、５６は、内燃機関の回転速度とは無関係に動作させることができる。したがって、低い回転速度では、補助アセンブリは、エンジンよりも速く回転することができ、高い回転速度では、エンジンよりもゆっくりと回転することができる。これは、補助アセンブリの設計および／または補助アセンブリの効率に好影響を及ぼすことがある。さらに、力の流れがハイブリッド自動車の車輪からリングギア６２を介して電気機械３０に案内されることによって、自動車トランスミッション１６を介さずに回生動作が可能である。
図２の例示による第２の例示的実施形態は、リングギア６２へのドライブシャフト６０の取付けのみが図１による例示的実施形態と異なる。この点で、ドライブトレインのどちらの実施形態に関しても、同一の要素は同一の参照符号によって表される。図２によるドライブトレインの動作様式に関しては、図１に関する上述の説明を参照されたい。
図２による例示的実施形態では、ドライブシャフト６０とリングギア６２との間に中間シャフト８０が配置される。この中間シャフト８０は、ドライブシャフト６０およびリングギア６２と、それぞれ冠歯車機構を介して噛み合う。ここで、ドライブシャフト６０は、冠歯車８２に接続される。直歯平歯車として構成され、中間シャフト８０に接続された平歯車８４が、冠歯車８２と噛み合う。冠歯車８６は、リングギア６２の構成部品である。直歯平歯車として構成され、中間シャフト８０に接続された平歯車８８が、この冠歯車８６と噛み合う。
１ トランスミッションギア
２ トランスミッションギア
３ トランスミッションギア
４ トランスミッションギア
５ トランスミッションギア
６ トランスミッションギア
７ トランスミッションギア
８ トランスミッションギア
１２ 内燃機関
１４ トランスミッションクラッチ
１６ 自動車トランスミッション
１８ 出力シャフト
２０ トランスミッション入力シャフト
２２ トランスミッション入力シャフト
２４ 第１のシフトシャフト
２６ 第２のシフトシャフト
２８ トランスミッション出力シャフト
２９ ディファレンシャルギア機構
３０ 電気機械
３２ チェーンスプロケット
３４ チェーンドライブ
３６ 遊星歯車キャリア
３８ 切換え可能な遊星歯車機構
４０ 遊星歯車
４２ 太陽歯車
４４ 内歯車
４６ 中間シャフト
４８ トランスミッションギア機構
５０ 補助シャフト
５２ 補助アセンブリ
５４ 補助アセンブリ
５６ 補助アセンブリ
５８ 補助アセンブリ
６０ ドライブシャフト
６２ リングギア
６４ 接続ギアホイール
６６ 平歯車
６８ 冠歯車
７０ 平歯車システム
７２ 平歯車システム
８０ 中間シャフト
８２ 冠歯車
８４ 平歯車
８６ 冠歯車
８８ 平歯車
Ｃ１ 第１の部分クラッチ
Ｃ２ 第２の部分クラッチ
Ｋ１ 第１のクラッチ
Ｋ２ 第２のクラッチ
Ｋ３ 第３のクラッチ
Ｋｏ１ 出力ギアホイール
Ｋｏ２ 出力ギアホイール

Claims (11)

  1. ハイブリッド自動車用のドライブトレインであって、前記ハイブリッド自動車を駆動させるためのトルクを提供するための、出力シャフト（１８）を有する内燃機関（１２）と、前記ハイブリッド自動車を駆動させるためのトルクを提供するための電気機械（３０）とを有し、前記出力シャフト（１８）を、トランスミッションクラッチ（１４）を介して自動車トランスミッション（１６）に結合させて、トランスミッションギア（１〜８）をシフトさせることができ、前記自動車トランスミッション（１６）が、トランスミッション出力シャフト（２８）を有し、前記ハイブリッド自動車のディファレンシャルギア機構（２９）のリングギア（６２）を前記トランスミッション出力シャフト（２８）によって駆動させることができ、前記電気機械（３０）をクラッチ（Ｋ３）によってドライブシャフト（６０）に結合させることができ、前記リングギア（６２）を前記ドライブシャフト（６０）によって駆動させることができるドライブトレイン。
  2. 前記リング歯車（６２）が、接続ギアホイール（６４）と噛み合い、前記接続ギアホイール（６４）が、冠歯車機構を介して前記ドライブシャフト（６０）と噛み合う請求項１に記載のドライブトレイン。
  3. 前記冠歯車機構が、平歯車（６６）および冠歯車（６８）を有し、前記平歯車（６６）が、前記ドライブシャフト（６０）に接続され、前記冠歯車（６８）が、前記接続ギアホイール（６４）の構成部品であり、前記接続ギアホイール（６４）が、前記リングギア（６２）の平歯車システム（７２）に係合するための平歯車システム（７０）を有する請求項２に記載のドライブトレイン。
  4. 中間シャフト（８０）が、前記ドライブシャフト（６０）と前記リングギア（６２）との間に配置され、前記中間シャフト（８０）が前記ドライブシャフト（６０）と噛み合い、および／または前記中間シャフト（８０）が、冠歯車機構を介して前記リングギア（６２）と噛み合う請求項１に記載のドライブトレイン。
  5. 前記ドライブシャフト側の冠歯車機構に関して、前記ドライブシャフト（６０）が冠歯車（８２）に接続され、前記中間シャフト（８０）に接続された平歯車（８４）が前記冠歯車（８２）と噛み合う請求項４に記載のドライブトレイン。
  6. 前記リングギア側の冠歯車機構に関して、冠歯車（８６）が前記リングギア（６２）の構成部品であり、前記中間シャフト（８０）に接続された平歯車（８８）が前記冠歯車（８６）と噛み合う請求項４または５に記載のドライブトレイン。
  7. 前記冠歯車機構それぞれの前記平歯車（６６、８４、８８）が、直歯平歯車として構成される請求項３、５、または６に記載のドライブトレイン。
  8. 前記電気機械（３０）を前記出力シャフト（１８）に結合させて、特に、切換え可能な遊星歯車機構（３８）を介して前記内燃機関（１２）を始動させて、少なくとも２つの異なる変速比を提供することができ、前記電気機械（３０）によって駆動させることができる中間シャフト（４６）が、一体回転するように前記遊星歯車機構（３８）の太陽歯車（４２）に固定接続され、前記クラッチによって前記中間シャフト（４６）を前記ドライブシャフト（６０）に結合させることができる請求項１〜７のいずれか一項に記載のドライブトレイン。
  9. 前記電気機械（３０）を、補助シャフト（５０）を介して前記ハイブリッド自動車の前記少なくとも１つの補助アセンブリ（５２、５４、５６、５８）に結合させることができ、前記補助シャフト（５０）が、前記電気機械（３０）の前記出力シャフトに対して半径方向に配置される請求項１〜８のいずれか一項に記載のドライブトレイン。
  10. 前記電気機械（３０）が、前記内燃機関（１２）の軸高さ位置で、半径方向で前記内燃機関（１２）から離隔されて位置決めされる請求項１〜９のいずれか一項に記載のドライブトレイン。
  11. 前記中間シャフト（８０）および／または前記補助シャフト（５０）が、半径方向で、前記内燃機関（１２）と前記電気機械（３０）との間に位置決めされる請求項１０に記載のドライブトレイン。
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