JP2015504390A - 車両用フライホイールモジュール及びその操作方法 - Google Patents

車両用フライホイールモジュール及びその操作方法 Download PDF

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Abstract

フライホイールモジュール３は、３つの回転部材を有するバイパストランスミッションＰと、回転部材のうちの第１の回転部材ｒ１に接続されたフライホイールＦとを含む。回転部材のうちの第２の回転部材ｒ２は入出力部９に接続されている。フライホイールモジュールはさらに、モーター及び発電機の双方として機能でき且つ回転部材のうちの第３の回転部材ｒ３に接続された電気機械ＭＧと、電気機械を作動するためのバッテリーＡで構成された作動手段とをさらに含む。フライホイールモジュールはさらに、作動手段を駆動するための制御手段と、ブレーキ及びクラッチを操作する操作手段とを含む。これらの操作手段は、クラッチ及びブレーキの双方を制御するためのアクチュエータを１つしか含んでいない。アクチュエータは、アクチュエータがクラッチを開放し且つブレーキを閉鎖するように又はクラッチを閉鎖し且つブレーキを開放するようにクラッチ及びブレーキに接続されている。

Description

本発明は、少なくとも３つの回転部材を含むバイパストランスミッション；フライホイール；モーター及び発電機の双方として動作可能な電気機械；電気機械を作動させ、例えばバッテリーを含む作動手段；作動手段を制御する制御部；クラッチ；ブレーキ；クラッチ及びブレーキを操作する操作手段を含むフライホイールモジュールに関する。フライホイールは３つの回転部材のうちの第１の回転部材に接続される一方、回転部材のうちの第２の回転部材はフライホイールモジュールの入出力部（input/output）に接続され、電気機械は回転部材のうちの第３の回転部材に接続され、クラッチは第１の回転部材とフライホイールとの間に位置し且つ２つのクラッチ部位を含み、２つのクラッチ部位のうちの第１のクラッチ部位は第１の回転部材に接続され、第２のクラッチ部位はフライホイールに接続され、ブレーキはクラッチと第１の回転部材との間に位置し且つ２つのブレーキ部位を含み、２つのブレーキ部位のうちの第１のブレーキ部位は第１の回転部材に接続され、第２のブレーキ部位は、例えば車両の差動装置の筐体で構成される硬固な物体（firm object）に接続されている。
同様のフライホイールモジュールが国際出願公開第２０１０／０５９０４１号から知られている。この周知のフライホイールの構成では、フライホイールにエネルギーを蓄え、そのエネルギーを比較的コスト効率のよい構成によって簡単にフライホイールから放出させることができる。
本発明は、冒頭の段落で定義した種類のフライホイールモジュールを提供することを目的とし、提供されるフライホイールモジュールは周知のフライホイールモジュールよりもさらに簡素である。
上記の目的のために、本発明に係るフライホイールモジュールは、操作手段がクラッチ及びブレーキの双方を操作するためのアクチュエータを１つだけ含むことを特徴とする。
アクチュエータは、アクチュエータがクラッチ及びブレーキを実質的に同時に操作するように、クラッチ及びブレーキに接続されていることが好ましい。
さらに、アクチュエータは、アクチュエータがクラッチを開放し且つブレーキを閉鎖するように又はクラッチを閉鎖し且つブレーキを開放して、クラッチ及びブレーキを同時に開放又は閉鎖しないように、クラッチ及びブレーキに接続されていることが好ましい。
本発明に係るフライホイールモジュールの有利な実施形態は、第１のブレーキ部位と第１のクラッチ部位とが、好ましくはスプラインによって第１の回転部材に接続された可動のスイッチ要素の一部を形成し、該スイッチ要素は、該スイッチ要素が硬固な物体に連結されるブレーキ位置（break position）と、該スイッチ要素がフライホイールに連結される連結位置（coupling position）とを行き来できることを特徴とする。
本発明に係るフライホイールモジュールのさらに有利な実施形態は、スイッチ要素が硬固な物体又はフライホイールのいずれにも接続されない中間位置（intermediate position）をスイッチ要素が取ることもできることを特徴とする。
クラッチ部位及び／又はブレーキ部位は、連結状態又は制動状態のそれぞれにおいて互いにロックアップされていることが好ましい。換言すれば、クラッチがロックアップクラッチであり及び／又はブレーキがロックアップブレーキである。
ブレーキは、爪クラッチ又はシンクロメッシュとして配置されていることが好ましい。同様に、クラッチは、爪クラッチ又はシンクロメッシュとして配置されていることが好ましい。
第１の回転部材とフライホイールとの間にトランスミッションが位置していることが好ましい。
フライホイールモジュールはさらに、入出力部と第２の回転部材との間に又は回転部材のうちの２つの間に位置するさらなるクラッチを含むことが好ましい。
同様に、本発明は、ドライブシャフトを備えた駆動源；ドライブラインを介してドライブシャフトに接続された車輪；ドライブライン内に位置し、ドライブシャフトに接続された主クラッチ；及びドライブライン内で主クラッチと車輪との間に位置するトランスミッションを含む車両に関する。当該車両はさらに本発明に係るフライホイールモジュールを含み、該フライホイールモジュールの入出力部は駆動源、トランスミッション、車輪、ドライブライン又は車両のさらなる車輪に接続されている。駆動源は燃焼機関であることが好ましい。
本発明に係る車両の有利な実施形態は、駆動源を始動させるために車両のスターターモーターが連結されたバッテリーを作動手段が含むことを特徴とする。
本発明に係る車両のさらに有利な実施形態は、車両がさらに、入出力部、フライホイール、駆動源、ドライブライン又はさらなる車輪のうちの１つ以上に接続されたさらなる電気機械を含むことを特徴とする。
他の有利な実施形態では、駆動源がさらなる電気機械で構成されている。
制御部は、電気機械のうちの一方が電気機器のうちの他方の駆動又は制動を行うようにするパワーエレクトロニクスを含むことが好ましい。
さらに、フライホイールモジュールの入出力部は、マルチＶプーリー（multi-V pulley）によって駆動源に接続され、駆動源の補助装置も該マルチＶプーリーによって駆動されることが好ましい。
本発明はさらに、本発明に係る車両を駆動又は制動する方法に関する。この方法は、ブレーキが閉鎖され且つクラッチが開放された時に、電気機械の作動によって車両が駆動又は制動されることを特徴とする。
本発明はさらに、本発明に係る車両においてエネルギーを生成する方法に関する。この方法は、ブレーキが閉鎖され且つクラッチが開放された時に、電気機械がオルタネーターとして用いられることを特徴とする。
本発明はさらに、本発明に係る車両の駆動源を始動させる方法に関する。この方法は、駆動源を始動させるスターターモーターとして電気機械が用いられることを特徴とする。
本発明はさらに、本発明に係る車両のフライホイールモジュールのクラッチを操作する方法に関する。この方法は、クラッチを実質的にトルクがかかっていない状態で開放できるか又は実質的に同期して閉鎖できるように電気機械が作動されることを特徴とする。
以下、車両の駆動機構にあるか否かに関わらず本発明に係るフライホイールモジュールの例示の実施形態に基づき、本発明を添付の図面を参照しながらさらに詳細に説明する。
図１は、本発明に係るフライホイールモジュールを含む車両の駆動機構の配置図を示す。 図２は、駆動機構の一実施形態の概略図である。 図３は、駆動機構の第１のさらなる実施形態を示す。 図４は、駆動機構の第２のさらなる実施形態を示す。 図５は、ブレーキ及びクラッチならびにそれらの駆動機構の第１の実施形態の詳細を示す。 図６は、ブレーキ及びクラッチならびにそれらの操作機構の第２の実施形態の詳細を示す。 図７は、本発明に係るフライホイールモジュールの第１の実施形態を示す。 図８は、本発明に係るフライホイールモジュールの第２の実施形態を示す。 図９は、本発明に係るフライホイールモジュールの第３の実施形態を示す。
図１は、車両１の駆動機構の配置図を示す。車両１は、ドライブライン３によって車輪Ｗ１を駆動させる駆動源Ｅを含む。主クラッチＣ１とトランスミッションＴとがこのドライブラインの一部を形成する。車両は、フライホイールモジュール５をさらに含む。フライホイールモジュール５は、トランスミッションＴに接続され得るか、トランスミッションＴの一次側又は二次側でドライブライン３に接続され得るか又は車両の車輪Ｗ２の一方又は双方に接続される。これらの代替位置を破線で示す。後者の場合、フライホイールモジュールは、さらにドライブライン３にも接続され得る。これを接続ライン（connecting line）６で図示する。
図２は、上記駆動機構の一実施形態の概略図である。ここでは、駆動源Ｅは燃焼機関として構成されており、マルチＶプーリー７によりフライホイールモジュール３の入出力部９に接続されている。燃焼機関の補助装置もこのマルチＶプーリーにより駆動される。
フライホイールモジュール３は、３つの回転部材を有する遊星ギアセットＰとして配置されたバイパストランスミッションと、３つの回転部材のうちの第１の回転部材ｒ１に接続されたフライホイールＦとを有する。回転部材のうちの第２の回転部材ｒ２は入出力部９に接続されている。フライホイールモジュールはさらに、モーター及び発電機の双方として機能でき且つ回転部材のうちの第３の回転部材ｒ３に接続された電気機械ＭＧと、該電気機械を作動させるバッテリーＡで構成された作動手段とを含む。
さらに、フライホイールモジュールは、作動手段を制御する制御部を含む。この制御部は、差動手段を制御するためのパワーエレクトロニクスＰＥを有する。制御部は短期間（briefly）だけ作動手段を制御する。その結果、ドライブライン及び／又はさらなる車輪の１つ以上の制動又は駆動が短期間だけ起きる。電気機械は、フライホイールモジュールの第２の入出力部での速度よりも遅い速度で駆動される。モーター及び／又は発電機は、対地速度を制限するために正の回転方向及び負の回転方向の双方に駆動される。
電気機械は、モーター及び発電機の双方として動作可能な、インナーローター若しくはアウターローター、クローポールモーター又はスイッチリラクタンスモーターを有する永久磁石機であり得る。制御電子回路（control electronics）はモーターの筐体と一体化されていてもよいし又はその近傍に設置されていてもよい。電気機械に接続されたバッテリーは、補助装置に電力を供給する車両の既存の１２Ｖバッテリーであり得るか又は既存の１２Ｖバッテリーに電気的に連結されているか又はされていない別のバッテリー（１２Ｖ、２４Ｖ、３６Ｖ、４８Ｖ又はそれ以上）であり得る。
バイパストランスミッションに対して電気機械による負のトルクをかけることにより、フライホイールは加速し、バイパストランスミッションに対して電気機械による正のトルクをかけることにより、フライホイールは減速する。フライホイールモジュールは車両を一時的に駆動するために、車輪にかかるトルクを中断させることなく焼機関は速度を変更することができる。車両の速度に応じてクラッチを開放するか閉鎖するかの判断が行われる。
フライホイールモジュール３はさらに、第１の回転部材とフライホイールとの間に位置するクラッチＣ２と、該クラッチと第１の回転部材との間に位置するブレーキＢと、クラッチとフライホイールとの間に位置するギアトランスミッションとして配置された低減機構（reducing mechanism）Ｒとを含む。
図３は、フライホイールモジュール１１の第１のさらなる実施形態を示す。この実施形態では、フライホイールＦと電気機械ＭＧとが同軸上にあり且つ互いに同心円状に配置されており、それらは遊星ギアセットＰの第１の回転部材ｒ１及び第２の回転部材ｒ２に直接接続されている。第３の回転部材ｒ３は、２つのギアトランスミッションＲ１及びＲ２を介して作動装置Ｄに接続される一方、さらに別の補助クラッチＣ３はこれらのギアトランスミッションの間に位置している。この補助クラッチは、爪クラッチ及び／又はシンクロメッシュとして配置されている。作動装置は、車両の前輪又は後輪に接続され得る。
図４は、フライホイールモジュール１３の第２のさらなる実施形態を示す。この実施形態では、フライホイールＦと電気機械ＭＧとが互いに平行に配置されている。この構成における第２の回転部材ｒ２は、チェーントランスミッション１４を介して電気機械ＭＧに接続されている。
図５は、ブレーキ及びクラッチならびにそれらの駆動機構の第１の実施形態の詳細を示す。ここでは、ブレーキＢ及びクラッチＣ２がそれぞれ摩擦ブレーキ、摩擦クラッチとして配置されている。操作手段は操作要素１５を１つしか有していない。操作要素１５は、アクチュエータ１７（操作要素上に位置する歯付きバー（toothed bar）とかみ合ったギアを出力シャフト上に有する電気モーターで構成される）によりシフトさせることができ、ブレーキＢとクラッチＣ２とを同時に操作する。その場合、このアクチュエータはクラッチを開放し且つブレーキを閉鎖するか又はクラッチを閉鎖し且つブレーキを開放するように構成されており、クラッチ及びブレーキを同時に開放又は閉鎖しない。
クラッチＣ２は２つのクラッチ部位Ｃ２，１及びＣ２，２を含む。これらのクラッチ部位のうち第１のクラッチ部位Ｃ２，１は第１の回転部材ｒ１に接続され、第２のクラッチ部位Ｃ２，２はフライホイールＦに接続されている。ブレーキＢは２つのブレーキ部位Ｂ１及びＢ２を含む。これらのブレーキ部位のうち第１のブレーキ部位Ｂ１は第１の回転部材ｒ１に接続され、第２のブレーキ部位Ｂ２は硬固な物体１９、例えば車両の作動装置の筐体に接続される。
図６は、ブレーキ及びクラッチならびにそれらの操作機構の第２の実施形態の詳細を示す。この構成では、ブレーキＢ及びクラッチＣ２はロックアップ型の爪クラッチ（lock-up claw clutch）として配置されており、部位Ｃ２，２及びＢ２が、外歯を有するシャフトの端部として配置され、部位Ｃ２，１及びＢ１が、内歯を有するスリーブ２１の端部を形成している。スリーブ２１は、アクチュエータ１７（ここでも、スリーブ上に位置する歯付きシャフトとかみ合ったギアを出力シャフト上に有する電気モーターで構成される）により軸方向に動かすことができる。スリーブ２１はスプライン接続部２３を介して第１の回転部材ｒ１に摺動可能に連結されている。スリーブ２１は、スリーブが硬固な物体１９又はフライホイールＦのいずれにも接続されない中間位置（図６に示す位置）も取り得る。
図７は、本発明に係るフライホイールモジュールの第１の実施形態の概略図である。この実施形態では、スイッチ要素Ｓは２つの位置、即ち、遊星ギアセットＰの第１の回転部材ｒ１がフライホイールＦに連結される位置と、第１の回転部材が硬固な物体１９に連結される位置とを行き来できる。
図８は、本発明に係るフライホイールモジュールの第２の実施形態の概略図である。この第２の実施形態では、スイッチ要素Ｓは３つの位置、即ち、上記の２つの位置に加えて、遊星ギアセットの第１の回転部材ｒ１が第２の回転部材ｒ２に連結される第３の位置を行き来できる。
図９は、本発明に係るフライホイールモジュールの第３の実施形態の概略図を示す。この第３の実施形態では、スイッチ要素Ｓは３つの位置を行き来できるが、第３の位置では遊星ギアセットの第１の回転部材ｒ１が第３の回転部材ｒ３に連結されている。
スイッチ要素は、電気油圧的、電空的（空気圧又は真空により）、電気機械的又は電磁的に操作され得る。
車両及び／又は車輪が静止状態（standstill）にある場合、フライホイールが自由にアイドリングでき、電気機械の１分当たりの回転数を０にできるように、クラッチシステムをニュートラル位置に入れることができる（このようにして、アイドリング時の車両の損失が最低限に留められる）。
さらに、車両及び／又は車輪が静止状態にある場合、第１の回転部材が硬固な物体に連結されるブレーキ位置にスイッチ要素を入れることができる。そのため、正又は負の方向に電気機械を作動させることで、車両を前方又は後方に駆動させることができる（フライホイールは自由にアイドリングを続けることができる）。
スイッチ要素を、ニュートラル位置からフライホイール位置（第１の回転部材がフライホイールに連結される位置）に入れることができる。これは、先ず、スイッチ要素との連結が得られるように、電気機械により第１の回転部材の回転数をフライホイールの回転数に同期させることで得られる。
さらに、スイッチ素子をニュートラル位置からブレーキ位置に入れることができる。これは、先ず、スイッチ要素との連結が得られるように、電気機械により第１の回転部材の回転数を硬固な物体に同期させることで得られる。
スイッチ素子をニュートラル位置からロック位置（第１の回転部材が第２／第３の回転部材に連結されている位置）に入れることができる。これは、先ず、スイッチ要素との連結が得られるように、電気機械により第１の回転部材の回転数を第２／第３の回転部材に同期させることで得られる。
一実施形態では、第２の回転部材は被駆動車輪（driven wheels）に連結され得る。それらの車輪は燃焼機関によって駆動させることができない。
車両をブレーキ位置で駆動させることの利点は、フライホイールモジュールの性能がフライホイールの回転数によってではなく、電気機械及び電気機械に連結されたバッテリーの性能によって決まることである。
車両をロック位置で駆動させることの利点は、ブレーキ位置にあるよりもロック位置にある方が電気機械の回転数が少ないため、車両速度がより速くなっても電気機械が車輪に継続して連結され得る点である（故に第２の回転部材を車輪から分離する必要がない）。
上記で図面を参照しながら本発明を説明してきたが、本発明は決して図面に示した実施形態に限定されるものではないことを理解すべきである。図面に示した実施形態から逸脱する全ての実施形態も、請求項に規定の範囲において本発明に含まれる。

Claims (21)

  1. 少なくとも３つの回転部材を含むバイパストランスミッション；
    フライホイール；
    モーター及び発電機の双方として動作可能な電気機械；
    前記電気機械を作動させる作動手段；
    前記作動手段を制御する制御部；
    ２つのクラッチ部位を含むクラッチ；
    ２つのブレーキ部位を含むブレーキ；及び
    前記ブレーキ及び前記クラッチを操作する操作手段；
    を含むフライホイールモジュールであって、
    前記フライホイールは前記３つの回転部材のうちの第１の回転部材に接続される一方、前記回転部材のうちの第２の回転部材は前記フライホイールモジュールの入出力部に接続され、
    前記電気機械は前記回転部材のうちの第３の回転部材に接続され、
    前記２つのクラッチ部位のうちの第１のクラッチ部位は前記第１の回転部材に接続され、第２のクラッチ部位は前記フライホイールに接続され、
    前記２つのブレーキ部位のうちの第１のブレーキ部位は前記第１の回転部材に接続され、第２のブレーキ部位は硬固な物体に接続され、
    前記操作手段は、前記クラッチ及び前記ブレーキの双方を操作するためのアクチュエータを１つだけ含む、フライホイールモジュール。
  2. 前記アクチュエータは、前記アクチュエータが前記クラッチ及び前記ブレーキを同時に又は実質的に同時に操作するように、前記クラッチ及び前記ブレーキに接続されている、請求項１に記載のフライホイールモジュール。
  3. 前記アクチュエータは、前記アクチュエータが前記クラッチを開放し且つ前記ブレーキを閉鎖するように又は前記クラッチを閉鎖し且つ前記ブレーキを開放するように、前記クラッチ及び前記ブレーキに接続されている、請求項１又は２に記載のフライホイールモジュール。
  4. 前記第１のブレーキ部位と前記第１のクラッチ部位とが、前記第１の回転部材に接続された可動のスイッチ要素の一部を形成し、該スイッチ要素は、該スイッチ要素が前記硬固な物体に連結されるブレーキ位置と、該スイッチ要素が前記フライホイールに連結される連結位置とを行き来できる、請求項３に記載のフライホイールモジュール。
  5. 前記スイッチ要素は、前記スイッチ要素が前記硬固な物体又は前記フライホイールのいずれにも接続されない中間位置を取ることもできる、請求項４に記載のフライホイールモジュール。
  6. 前記クラッチ部位及び／又は前記ブレーキ部位は、連結状態又は制動状態のそれぞれにおいて互いにロックアップされている、請求項１〜５のいずれか１項に記載のフライホイールモジュール。
  7. 前記ブレーキは、爪クラッチ又はシンクロメッシュとして配置されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載のフライホイールモジュール。
  8. 前記クラッチは、爪クラッチ又はシンクロメッシュとして配置されている、請求項１〜７のいずれか１項に記載のフライホイールモジュール。
  9. 前記第１の回転部材と前記フライホイールとの間にトランスミッションが位置している、請求項１〜８のいずれか１項に記載のフライホイールモジュール。
  10. 前記フライホイールモジュールはさらに、前記入出力部と前記第２の回転部材との間に又は前記回転部材のうちの２つの間に位置するさらなるクラッチを含む、請求項１〜９のいずれか１項に記載のフライホイールモジュール。
  11. ドライブシャフトを備えた駆動源；
    ドライブラインを介して前記ドライブシャフトに接続された車輪；
    前記ドライブライン内に位置し、前記ドライブシャフトに接続された主クラッチ；及び
    前記ドライブライン内で前記主クラッチと前記車輪との間に位置するトランスミッションを含む車両であって、
    当該車両はさらに請求項１〜１０のいずれか１項に記載のフライホイールモジュールを含み、前記入出力部は前記駆動源、前記トランスミッション、前記車輪、前記ドライブライン又は前記車両のさらなる車輪に接続されている、車両。
  12. 前記駆動源は燃焼機関である、請求項１１に記載の車両。
  13. 前記作動手段は、前記駆動源を始動させるために前記車両のスターターモーターが連結されたバッテリーを含む、請求項１２に記載の車両。
  14. 前記車両はさらに、前記入出力部、前記フライホイール、前記駆動源、前記ドライブライン又は前記さらなる車輪のうちの１つ以上に接続されたさらなる電気機械を含む、請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の車両。
  15. 前記駆動源はさらなる電気機械で構成されている、請求項１１に記載の車両。
  16. 前記制御部は、前記電気機械のうちの一方が前記電気機器のうちの他方の駆動又は制動を行うようにするパワーエレクトロニクスを含む、請求項１４又は１５に記載の車両。
  17. 前記フライホイールモジュールの入出力部は、マルチＶプーリーによって前記駆動源に接続され、前記駆動源の補助装置も該マルチＶプーリーによって駆動される、請求項１１〜１６のいずれか１項に記載の車両。
  18. 請求項１１〜１７のいずれか１項に記載の車両を駆動又は制動する方法であって、前記車両は、前記ブレーキが閉鎖され且つ前記クラッチが開放され時に、前記電気機械の作動によって駆動又は制動される、方法。
  19. 請求項１１〜１７のいずれか１項に記載の車両においてエネルギーを生成する方法であって、前記ブレーキが閉鎖され且つ前記クラッチが開放された時に、前記電気機械がオルタネーターとして用いられる、方法。
  20. 請求項１１〜１７のいずれか１項に記載の車両の駆動源を始動させる方法であって、前記駆動源を始動させるスターターモーターとして前記電気機械が用いられる、方法。
  21. 請求項１１〜１７のいずれか１項に記載の車両のフライホイールモジュールのクラッチを操作する方法であって、前記クラッチを実質的にトルクがかかっていない状態で開放できるか又は実質的に同期して閉鎖できるように前記電気機械が作動される、方法。
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