JP3620501B2 - 複合動力伝達機構および車両 - Google Patents

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Description

技術分野
本発明は車両の動力伝達機構に係り、特に複数の動力発生装置より得る動力を合成または分配する用途に好適な動力伝達機構および前記動力伝達機構を備える車両に関する。
背景技術
近年、燃費の向上を目的として、内燃機関エンジンと電動機の双方を備えたハイブリッド車両が注目されている。ハイブリット車両の実現方法はいくつか存在するが、第１の公知例として、差動機構を一つ用いて内燃機関エンジンから発生する機械的動力を分配する方式がある。差動機構の一例として遊星歯車があるが、遊星歯車はサンギア，キャリア，リングギアの３入力を有し、これらのうち１軸の回転数は残り２軸の回転数の重み付け加算となる特性がある。車両速度はエンジン回転数と電動機回転数の一次結合により規定されるよう構成すれば、車速の如何にかかわらず、電動機回転数を調節することで、エンジンを常に最適回転数で動作させることが可能となる。この例については、例えば特開平７−３３６８１０号公報に記載されているものがある。この方式は機械的変速機を省略できるためにハイブリッド車としては小型化が図れるという利点がある。
上記とは別の第２の公知例として、例えば特開平１１−３０１２９１号公報に記載されている方法がある。これは、駆動源のエネルギーを複数の差動機構に分配し、前記複数の差動機構に接続された複数の電動機と前記複数の差動機構の出力エネルギーを合成する機構とを有する変速装置である。この構成では、前記第１の公知例と比較して、電動機体格が同じであれば変速範囲を大きくできる。このことにより、車両性能の向上といった利点がある。
しかし差動機構を複数用いるような車両駆動機構は、ギアの噛み合わせ回数が多くなり、機械的損失が大きいという問題がある。本発明の第１の目的は、差動機構を複数用いる車両の機械的損失を最小限に抑えることである。
また、遊星歯車は上記のようにハイブリッド車用途に適した特性を持っている。しかし、遊星歯車は成立条件が厳しく、常に所望のギア比を得られるとは限らない。本発明の第２の目的は、特に前記第２の公知例のように変速範囲の大きな電気変速機構を有するハイブリッド車用として、設計自由度が高く、所望のギア比を得やすい動力伝達機構を実現するものである。
発明の開示
本発明は、プラネタリギアにより回転する第１の軸と、前記プラネタリギアに直接嵌合するギアにより回転する第２の軸，第３の軸、および第４の軸とを有する複合動力伝達機構を有する車両であって、前記第１の軸は車両駆動軸に接続され、前記第２の軸はエンジンに接続され、前記第３の軸および前記第４の軸は回転電機に接続されている車両である。
車両駆動軸が複合動力伝達機構のプラネタリギアにより回転され、プラネタリギアは１回のギアの噛み合わせによりそれぞれの駆動源、すなわち回転電機およびエンジンと相互に伝達可能であるため、ギアの噛み合わせ数による機械損失を最低限に抑えられる。
また本発明は、少なくとも３つの機械的動力発生装置と出力軸とを有する車両の複合動力伝達機構であって、前記複合動力伝達機構は太陽歯車甲と太陽歯車乙と公転歯車甲と公転歯車乙と内歯歯車を有し、前記太陽歯車甲と前記公転歯車甲と前記内歯歯車甲は遊星歯車機構を構成し、前記公転歯車乙は自転速度および公転速度が前記公転歯車甲と同じくなるように前記公転歯車甲に接続され、前記公転歯車乙は前記太陽歯車乙に噛合し、前記太陽歯車甲と前記太陽歯車乙と前記内歯歯車はそれぞれ前記機械的動力発生装置に直接または機械的動力伝達要素を介して接続され、前記遊星歯車機構のキャリアと前記出力軸とは直接または機械的動力伝達要素を介して接続されている複合動力伝達機構である。
また、本発明の好ましくは、少なくとも３つの機械的動力発生装置と出力軸とを有する車両の複合動力伝達機構であって、前記複合動力伝達機構は太陽歯車甲と太陽歯車乙と太陽歯車丙と公転歯車甲と公転歯車乙と公転歯車丙とキャリアを有し、前記太陽歯車甲は前記公転歯車甲に噛合し、前記太陽歯車乙は前記公転歯車乙に噛合し、前記太陽歯車丙は前記公転歯車丙に噛合し、前記公転歯車甲と前記公転歯車乙と前記公転歯車丙は同一の自転速度を有するよう結合され、前記キャリアは前記公転歯車甲と前記公転歯車乙と前記公転歯車丙とが同一の公転速度となるよう保持し、前記太陽歯車甲と前記太陽歯車乙と前記太陽歯車丙とはそれぞれ前記機械的動力発生装置に接続され、前記キャリアは前記出力軸に直接または機械的動力伝達要素を介して接続されている複合動力伝達機構である。
また、本発明の好ましくは、少なくとも３つの機械的動力発生装置と出力軸とを有する車両の複合動力伝達機構であって、前記複合動力伝達機構は太陽歯車甲と太陽歯車乙と太陽歯車丙と公転歯車甲と公転歯車乙と公転歯車丙と介在公転歯車とキャリアを有し、前記太陽歯車甲は前記公転歯車甲に噛合し、前記太陽歯車乙は前記公転歯車乙に噛合し、前記太陽歯車丙は前記介在公転歯車を介して前記公転歯車丙に噛合し、前記公転歯車甲と前記公転歯車乙と前記公転歯車丙は同一の自転速度を有するよう結合され、前記キャリアは前記公転歯車甲と前記公転歯車乙と前記公転歯車丙と前記介在歯車が同一の公転速度となるよう保持し、前記太陽歯車甲と前記太陽歯車乙と前記太陽歯車丙とは前記機械的動力発生装置に直接または機械的動力伝達要素を介して接続され、前記キャリアは前記出力軸に直接または機械的動力伝達要素を介して接続された複合動力伝達機構である。
また、本発明の好ましくは、少なくとも３つの機械的動力発生装置と出力軸とを有する車両の複合動力伝達機構であって、前記複合動力伝達機構は太陽歯車甲と太陽歯車乙と公転歯車甲と公転歯車乙と介在公転歯車と内歯歯車を有し、前記太陽歯車甲と前記公転歯車甲と前記介在公転歯車と前記内歯歯車はダブルピニオン遊星歯車機構を構成し、前記複合動力伝達機構は自転速度および公転速度を前記公転歯車甲と同じくするよう前記公転歯車甲に結合された公転歯車乙を有し、前記公転歯車乙は前記太陽歯車乙に噛合し、前記太陽歯車甲と前記太陽歯車乙と前記内歯歯車とはそれぞれ前記機械的動力発生装置に直接または機械的動力伝達要素を介して接続され、前記ダブルピニオン遊星歯車機構のキャリアは前記出力軸に直接または機械的動力伝達要素を介して接続される複合動力伝達機構である。
また、本発明の好ましくは、少なくとも３つの機械的動力発生装置と出力軸とを有する複合動力伝達機構であって、前記複合動力伝達機構は太陽歯車甲と太陽歯車乙と公転歯車甲と公転歯車乙と介在公転歯車甲と介在公転歯車乙と内歯歯車を有し、前記太陽歯車甲と前記公転歯車甲と前記介在公転歯車と前記内歯歯車はダブルピニオン遊星歯車機構を構成し、前記複合動力伝達機構は自転速度および公転速度を前記公転歯車甲と同じくするよう前記公転歯車甲に結合された公転歯車乙を有し、前記公転歯車乙は前記介在歯車乙を介して前記太陽歯車乙に噛合し、前記太陽歯車甲と前記太陽歯車乙と前記内歯歯車とはそれぞれ前記機械的動力発生装置に直接または機械的動力伝達要素を介して接続され、前記ダブルピニオン遊星歯車機構のキャリアは前記出力軸に直接または機械的動力伝達要素を介して接続されている複合動力伝達機構である。
また、本発明の好ましくは、少なくとも３つの機械的動力発生装置と機械的出力軸とを有する複合動力伝達機構であって、前記機械的動力発生装置のそれぞれの回転速度ωｉ（ｉ＝１，２，…）は前記機械的動力発生装置の一つの回転速度ωｅと前記機械的出力軸の回転速度ωｖを用いてωｉ＝ｋｅｉ・ωｅ＋ｋｖｉ・ωｖ（ｉ＝１，２，…；ｋｅｉ≠０；ｋｖｉ≠０）と表される複合動力伝達機構において、前記複合動力伝達機構は太陽歯車甲と太陽歯車乙と公転歯車甲と公転歯車乙とキャリアを有し、前記公転歯車甲と前記公転歯車乙は同一自転速度を有し、前記公転歯車甲と前記公転歯車乙とは同一公転速度を有するようキャリアに接続され、前記公転歯車甲は前記太陽歯車甲に噛合し、前記公転歯車乙は前記太陽歯車乙に噛合する複合動力伝達機構である。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の一実施例をなす複合動力伝達装置である。
第２図は、差動遊星機構の説明図である。
第３図は、差動遊星機構の取りうるギア比のグラフである。
第４図は、四軸差動歯車の説明図である。
第５図は、有効なギアの構成を示した図である。
第６図は、本発明の別の実施例である。
発明を実施するための最良の形態
以下本発明の実施の形態を説明する。
第１図に本発明による複合動力伝達装置の一実施例を示す。なお、ギアの噛み合いなどをわかりやすく記述するため、スケルトン図表示を用いている。ここで、１０は複合動力伝達機構、１１はエンジンである。１２ａは電動機Ａのステータ、１２ｂは電動機Ａのロータ、１２ｃは電動機Ａのロータ位置検出器である。なお、電動機ＡとしてＤＣモータを用いる場合や、位置センサレス制御技術を適用する場合には電動機Ａのロータ位置検出器１２ｃは省略しても良い。１３ａは電動機Ｂのステータ、１３ｂは電動機Ｂのロータ、１３ｃは電動機Ｂのロータ位置検出器である。なお、電動機Ａと同様に電動機Ｂにおいても電動機Ｂのロータ位置検出器１３ｃは省略することも可能である。
複合動力伝達機構１０は車両に用いることを想定しており、エンジン１１が主動力源である。１４は出力軸であり、車輪（図示せず）に接続されて車両を駆動する。複合動力伝達機構１０は電動機Ａ１２，電動機Ｂ１３の回転数と駆動トルクを適当に制御することにより、変速動作，エンジン始動機能，トルクアシスト機能などを実現する。１５は遊星歯車部分、１６は差動遊星機構部分であり、本発明による複合動力伝達機構１０を実現する機械要素の構成要素である。遊星歯車部分１５，差動遊星機構部分１６の接続形態や作用については後述する。また、１７は減速ギアであり、遊星歯車機構により実現している。
第１図においては、小型化実現のため、径の小さな電動機Ｂのステータ１３ａが電動機Ａのステータ１２ａの内側に収まる形態となっている。また、同様の理由から、遊星歯車部分１５は電動機Ａのステータ１２ａの内側に、また電動機Ａの位置検出器１２ｃは電動機Ａのロータ１２ｂの内側に配置される。また、エンジン１１の回転軸が複合動力伝達機構１０を貫通する構成となっているが、これは強度、芯だし精度を確保するためである。
第２図（ａ）は差動遊星機構部分１６のスケルトン図であり第２図（ｂ）はその共線図表現である。なお、Ｓは太陽歯車甲、Ｑは太陽歯車乙、Ｃはキャリアを表す。また、Ｅはエンジン１１の回転軸、Ｖは出力軸１４、Ｂ′は減速機１７によって減速された電動機Ｂ１３の回転軸を表している。第２図（ａ）において、２１を太陽歯車甲、２２を公転歯車甲、２３を公転歯車乙、２４を公転歯車保持器、２５を太陽歯車乙とする。なお、公転歯車甲２２と公転歯車乙２３は同一の自転軸を持ち、前記自転軸は公転歯車保持器２４に取り付けられ、公転歯車保持器２４の回転軸周りに回転する。
太陽歯車甲２１の半径をｒｓ，公転歯車甲２２の半径をｒｐ１，公転歯車乙２３の半径をｒｐ２，公転歯車保持器２４の回転軸から公転歯車甲２２と公転歯車乙２３の自転軸との距離をｒｃ，太陽歯車乙２５の半径をｒｑとすると、太陽歯車甲２１の回転速度ωｓ，公転歯車保持器２４の回転速度をωｃ，太陽歯車乙２５の回転速度をωｑとすると、回転速度間には以下の関係が成り立つ。
ωｃ＝−βωｓ＋（１＋β）ωｑ …（１）
但し、
β＝ｒｓ・ｒｐ２／（ｒｑ・ｒｑ１−ｒｓ・ｒｐ２） …（２）
これを共線図表現すると第２図（ｂ）のようになる。
第２図（ｂ）に類似した共線図を実現する機械的手段として、遊星歯車が知られている。差動遊星機構との比較のため、各軸回転速度間の関係式を提示すると、以下のようになる。
ωｃ＝αωｓ＋（１−α）ωｒ …（３）
但し、
α＝ｒｓ／（ｒｓ＋ｒｒ） …（４）
なお、ここで太陽歯車の半径をｒｓ，リングギアの半径をｒｒ，太陽歯車回転数をωｓ，キャリア回転数をωｃ，リングギア回転数をωｒとした。
一般に遊星歯車は、大変速比を容易に実現でき、比較的コンパクトであるという長所を持つが、中心歯車条件，拘束噛み合い条件，外形干渉条件など幾何学的制約が多く、各回転軸間のギア比を自由に設定することが難しい。また、構造上ｒｓ＜ｒｒであるため、式（４）からわかるようにαは最大でも０〜０．５の範囲しか取り得ない。外径干渉条件を考慮すると、αの範囲はさらに小さくなる。
本発明による複合動力伝達機構１０は、上記問題点を緩和するために第２図（ａ）に示す差動遊星機構を含んでいる。この構成は遊星歯車より幾何学的拘束条件が少なく、より設計自由度が高い。例えば、式（２）において、下式（３）のように定義されるパラメータｋを用いると、式（１），（２）におけるβの取りうる範囲は第３図のようになる。
ｋ＝ｒｓ・ｒｐ２／（ｒｑ・ｒｐ１） …（５）
第３図からわかるように、第２図に示す差動遊星機構は、設計定数βの値を遊星歯車の設計定数αと比較して大きく変化させることができる。したがって、遊星歯車と差動遊星機構とを設計値に応じて使い分けて複合動力伝達機構を実現することで、最適なギア比を簡単な構成で作り出すことができる。このことは必要ギア枚数の低下につながり、機械的損失の軽減，機械系体格の小型化といった効果が期待できる。
本実施例の複合動力伝達機構を構成する機械要素を抽出したものが第４図（ａ）である。ここでは、エンジン１１，電動機Ａ１２，電動機 Ｂ１３，出力軸１４の四回転軸を有するため、遊星歯車部分１５，差動遊星機構部分１６とを組み合わせることによって四軸差動歯車１８を実現している。ここで、遊星歯車部分１５の公転歯車と差動遊星機構部分１６の公転歯車とは剛体接続されており、同一回転速度で自転する、また、これら公転歯車は共通のキャリアによって保持される。このときの遊星歯車部分１５の共線図を第４図（ｂ）に、差動遊星機構部分１６の共線図を第４図（ｃ）に、また第４図（ｂ）と（ｃ）をあわせた全体の共線図を第４図（ｄ）に示す。ここで、Ｒはリングギアを表し、Ａは電動機Ａ１２の回転軸を表す。
第４図（ｄ）からわかるように、本構成ではエンジン軸，出力軸，電動機Ａの回転軸，電動機Ｂの回転軸のうち、いずれか２つの回転数が決定されると、残りの２つも自動的に決定される。これを数式で表すと、式（６）のようになる。
ωｉ＝ｋｅｉ・ωｅ＋ｋｖｉ・ωｖ（ｉ＝１，２，…；ｋｅｉ≠０；ｋｖｉ≠０）…（６）
ここで、ωｅはエンジン軸回転数、ωｖは出力軸回転数、ωｉは残りの回転軸回転数である。なお、一般化するためｉは２以上の自然数と置いたが、第１図に示す複合動力伝達機構においてはｉは１、または２であり、それぞれ電動機Ａ１２，電動機Ｂ１３の回転軸の回転数である。なお、ここでｋｅｉ≠０，ｋｖｉ≠０なる条件を入れているが、これは本発明が遊星歯車や差動遊星機構の組み合わせを必要とする複合動力伝達機構を対象としていることから導入した。例えば、ここでｋｅ１＝０，ω１＝ωａ（電動機Ａ１２の回転軸回転数）とすると、ωａ＝ｋｖ１・ωｖとなり、電動機Ａの回転軸と出力軸とを平歯車により結合することで左式を実現できることになる。このとき、複合動力伝達機構は例えば遊星歯車１個で実現できるため、本発明のような差動機構の組み合わせは必要としない。
第１図のような構成は前述のように、エンジン１１，電動機Ａ１２，電動機Ｂ１３，出力軸１４のうち、２つの回転数を決定することにより、残る２つの回転数が定まる構成である。しかも、いずれの回転軸の回転数決定のためにも２つの異なる回転軸の回転速度が必要となる。これは、差動機構を二つ以上用いる構成とすることで実現可能となる。このような特性は、エンジン回転数および出力軸回転数とは大幅に異なる回転数で電動機を動作させることができるようになるため、電動機の回転数を上げて、トルクを下げ、より損失の少ない電動機を用いるのに都合が良い。しかし、その一方、ギア比の選択により車両性能が大幅に変わることになり、ギア比の説定自由度の大きな差動機構系が必須となっている。
本発明は上記要求に応えるため成されたものである。第３図にも示したように、差動遊星機構はギア比設定自由度が例えば遊星歯車によって実現される差動機構と比較して大きいため、車両や電動機の要求に応じて比較的自由にパラメータβを設定できる。また、遊星歯車は前述のようにギア比の大きな機構の実現に適しているため、車両特性によって使い分けて用いることが望ましい。
本発明の別の特徴は、出力軸を前記差動機構のキャリアと接続したことである。本発明による四軸差動機構は、どの回転軸からもただ一度の噛み合いによりキャリアに回転を伝達できる。これは、出力軸１４から動力を取り出す際、エンジン１１，電動機Ａ１２，電動機Ｂ１３のいずれが駆動力を供給した場合でも、歯車一度の噛み合い損失で出力軸１４に動力を供給できることを意味する。このことにより、機械損失の少ない複合動力伝達機構を実現できる。
これまで差動遊星機構を用いた構成について説明したが、ギア比設定自由度が大きいという点で、ダブルピニオン遊星歯車を使用する構成としても差し支えない。ダブルピニオン遊星歯車は、太陽歯車に噛合する第１の公転歯車と、内歯歯車に噛合する第２の公転歯車を有し、第１の公転歯車と第２の公転歯車が同じ公転速度で回転するよう保持器に取りつけられ、前記第１の公転歯車と第２の公転歯車とが噛合する機構である。この機構は半径方向に大きくなる問題はあるものの、差動遊星機構と類似した効果を得ることができる。本発明の意図を実現するギア構成をまとめたものが第５図である。ここで式（３），（４）によって特性が決定される機構部分をα型、式（１），（２）によって特性が決定される機構部分をβ型と称している。第５図（ａ）が第１図で用いた四軸差動機構である。上述のように、複合動力伝達機構においては設計自由度が高いことが要求されるので、第５図に示したようにβ型を含む機構が望ましい。
第６図は本発明による別の実施例である。ここでは第５図（ｃ）に示す四軸差動機構を用いた例を示した。本実施例の特徴は、四軸差動機構の径を小さくすることで通常の電動機を前記四軸差動機構と並列に配置しても良好な搭載性を確保できることにある。また、第６図においても電動機Ａ１２をエンジン１１の回転軸と同軸に配置し、電動機Ａ１２の内部に四軸差動機構を配置する構成なども可能である。
産業上の利用可能性
本発明は、少なくとも３つの機械的動力発生装置と出力軸とを有する車両の複合動力伝達機構に適用され、エンジンの回転数と車軸の回転数比を自由に変更させることのできる複合動力伝達機構を対象としたものである。
このような機構を通常のギアを組み合わせて実現すると、ギア噛み合い枚数が多くなり、機械損失の増加，体格の増加といった問題があった。しかし、本発明によれば基本となる機構部分が簡単に実現できるため、装置全体の小型化，機械損失の低減が図れる。

Claims (13)

  1. （削除）
  2. （削除）
  3. 少なくとも３つの機械的動力発生装置と出力軸とを有する車両の複合動力伝達機構であって、前記複合動力伝達機構は太陽歯車甲と太陽歯車乙と太陽歯車丙と公転歯車甲と公転歯車乙と公転歯車丙とキャリアを有し、前記太陽歯車甲は前記公転歯車甲に噛合し、前記太陽歯車乙は前記公転歯車乙に噛合し、前記太陽歯車丙は前記公転歯車丙に噛合し、前記公転歯車甲と前記公転歯車乙と前記公転歯車丙は同一の自転速度を有するよう結合され、前記キャリアは前記公転歯車甲と前記公転歯車乙と前記公転歯車丙とが同一の公転速度となるよう保持し、前記太陽歯車甲と前記太陽歯車乙と前記太陽歯車丙とはそれぞれ前記機械的動力発生装置に接続され、前記キャリアは前記出力軸に直接または機械的動力伝達要素を介して接続されている複合動力伝達機構。
  4. 少なくとも３つの機械的動力発生装置と出力軸とを有する車両の複合動力伝達機構であって、前記複合動力伝達機構は太陽歯車甲と太陽歯車乙と太陽歯車丙と公転歯車甲と公転歯車乙と公転歯車丙と介在公転歯車とキャリアを有し、前記太陽歯車甲は前記公転歯車甲に噛合し、前記太陽歯車乙は前記公転歯車乙に噛合し、前記太陽歯車丙は前記介在公転歯車を介して前記公転歯車丙に噛合し、前記公転歯車甲と前記公転歯車乙と前記公転歯車丙は同一の自転速度を有するよう結合され、前記キャリアは前記公転歯車甲と前記公転歯車乙と前記公転歯車丙と前記介在歯車が同一の公転速度となるよう保持し、前記太陽歯車甲と前記太陽歯車乙と前記太陽歯車丙とは前記機械的動力発生装置に直接または機械的動力伝達要素を介して接続され、前記キャリアは前記出力軸に直接または機械的動力伝達要素を介して接続された複合動力伝達機構。
  5. （削除）
  6. （削除）
  7. （削除）
  8. （削除）
  9. （補正後）請求の範囲第３項又は第４項の記載において、前記複合動力伝達機構は前記回転軸に電動機を有し、前記電動機は前記回転軸に接続され、前記複合動力伝達機構は前記電動機の内部に前記複合動力伝達機構を構成する歯車を有する複合動力伝達機構。
  10. （補正後）請求の範囲第３項又は第４項の記載において、前記電動機の内部に前記電動機の位置検出器を有する複合動力伝達機構。
  11. （補正後）請求の範囲第３項又は第４項の記載において、前記複合動力伝達機構は２つ以上の電動機を有し、前記電動機のうち直径の小さな小径電動機の一部は前記電動機のうち直径の大きな大径電動機の内部に配置される複合動力伝達機構。
  12. 請求の範囲第９項ないし第１１項のいずれかの記載において、前記機械的動力発生装置のうち最も発生トルクが大きい機械的動力発生装置に接続される回転軸が前記複合動力伝達機構を貫通する複合動力伝達機構。
  13. （補正後）請求の範囲第３項，第４項，第９項ないし第１２項のいずれかに記載の複合動力伝達機構を有する車両。
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