JP3873065B2 - 自動変速システムおよび自動車 - Google Patents

Description

本発明は自動変速機，自動変速機の制御装置，自動変速機の制御方法，自動変速システム、及びそれを用いた自動車に関する。

従来の自動変速機は遊星歯車式あるいは平行軸式変速機構が用いられ、変速比の異なるギア段に個別に設けられたクラッチを選択的に締結して変速する方法が一般的である（例えば特許文献１参照）。

特開平１０−８９４５６号公報

上記従来技術を解析した結果は以下の通りである。この解析結果は従来技術をそのまま述べたものではなく、あくまで解析結果である。

シフトアップする場合は、次段クラッチを締結開始して部分締結状態でトルク伝達力を次第に増していくと、前段クラッチの伝達トルクが次第に減少するいわゆるトルクフェーズのトルク遷移が起こり、全トルクが次段クラッチに遷移した時に前段クラッチを解放すると、エンジン回転数が次段ギアの入力回転数に向けて減少するいわゆるイナーシャフェーズの回転数遷移が起こる。

シフトダウンする場合は、次段クラッチの伝達トルクを増加させても、エネルギポテンシャルの低いハイギアからエネルギポテンシャルの高いローギアへのトルク遷移を行うことは原理的にできないので、初めに前段クラッチを滑らせてエンジン回転数を上昇させる回転数遷移を行い、次段クラッチが同期したところでクラッチを掛け変えてトルク遷移を行う。

このように従来の変速制御においては、クラッチの摩擦制御によりトルクフェーズにおけるトルク遷移や、イナーシャフェーズにおける慣性エネルギの放出を行っていた。しかしこの方法ではクラッチ板の摩擦による損傷が生じて寿命が短くなるという不都合があった。またこの方法によればトルク伝達力の加減を摩擦力の調整によって行うが、摩擦力は滑り速度に対して負性抵抗特性を有しているので、トルク伝達力を所定の値に安定して制御することは極めて難しく、ジャダが発生して変速ショックを生じたり、ひどい場合にはクラッチ板が波状に摩耗して損傷することさえあった。

特にアクセルペダルを踏み込んで加速しようとするときのダウンシフトにおいては、原理的に初めにトルク遷移を行うことができないので、仕方なく回転数合わせを先に行って低速段のクラッチを接続してからトルク遷移を行うため、踏み込んでからトルクが出てくるまでの応答が遅く、かつトルク遷移が急激に生じるのでショックが大きく運転性が悪い。

本発明の目的はかかる不都合をなくし、摩擦に頼らない滑らかで応答性のよい変速制御を行いながら、電動走行および回生制動も可能にする自動車用変速制御システムを提供することである。

本発明は、内燃機関の動力を第１の変速ギアを介して駆動軸に伝達する第１の動力伝達経路と、前記内燃機関の動力を前記第１の変速ギアとは変速比の異なる第２の変速ギアを介して駆動軸に伝達する第２の動力伝達経路と、第１の動力伝達経路および前記第２の動力伝達経路の軸間に、それぞれ相対的にトルクを伝達するモータとを設け、変速時のトルク遷移をモータの発生トルクにより、またイナーシャフェーズの回転数遷移をモータの回転数制御により行うことで、クラッチの摩擦制御に頼らない滑らかで応答性のよい変速制御を行うものである。上記モータは、その回転数が、前記第１の入力軸の回転数と、前記第２の入力軸の回転数との差の回転数になるようにする。

本発明の方法によれば、０.５ 速刻みの中間段ギアを設けることにより、コストの高いモータの容量を約半分に低減することが出来るので、大きな経済的効果が得られる。

従来の変速機では不可能であったパワーオン状態での飛び越し変速を可能にするので、運転性が向上する。

１回の変速ごとに充放電が完結するので、バッテリ容量を小さく設計できて経済的効果が大きい。

クラッチが必要ないので不安定な摩擦制御がなくなり、制御性運転性が大幅に向上すると共に、大きな経済的効果が得られる。

出力ギア列を共通とせず別個の軸を設けるならば、全く同じ変速ギアセットを二組用いて本方式を構成できるので、開発費を大幅に低減できる。

変速時間を積極的に長くして殆どの時間をモータで制御すると、連続的な変速比が得られて運転性の向上を図ることが出来る。また中間段付近の変速比で走行するとバッテリの充放電制御を容易にすると共に、次段への変速にすばやく対応できるので応答性を向上することが出来る。

図１は本発明の第１の実施形態を示す構成図である。自動車のエンジン１には変速機２が接続され、その出力軸３はデファレンシャルギアを介してタイヤ４を駆動する。変速機２の中にはモータ５が内蔵されている。該モータ５にはモータ制御装置７が接続され、該モータ制御装置７の電源としてバッテリ６が搭載されている。

エンジン１には電子制御スロットル弁１０が設けられており要求信号でエンジン出力を制御することが出来る。

変速制御装置８はモータ制御装置７を介してモータ５のトルクや回転数を制御すると共に、エンジン制御装置９および電子制御スロットル弁１０を介してエンジン１の出力を制御する。また後述するシフトアクチュエータ２１〜２３，３５〜３７に対して動作を指令する。

図２に変速機２の構成を示す。エンジン１の出力軸はシャフト１１に接続されている。

シャフト１１には１速ギア１２，２速ギア１３，３速ギア１４，４速ギア１５，５速ギア１６および後退ギア１７が回転自在に取り付けられている。変速ギア１２，１３，１４，１５，１６，１７には噛合いクラッチ１８，１９，２０が付いており、いずれかの変速ギアをシャフト１１に結合するようになっている。

これらの変速ギア１２，１３，１４，１５，１６，１７に噛み合っている各段の従動ギアは、出力軸３上に配置されている。

本実施形態においてはさらに第２のシャフト２５を設けている。該シャフト８には0.5速ギア２６，１.５ 速ギア２７，２.５ 速ギア２８，３.５ 速ギア２９，４.５ 速ギア
３０および後退ギア３１が回転自在に取り付けられている。変速ギア２６，２７，２８，２９，３０，３１には噛合いクラッチ３２，３３，３４が付いており、変速ギア２６，
２７，２８，２９，３０，３１をシャフト２５に結合するようになっている。

これらの変速ギア１２，１３，１４，１５，１６，１７に噛み合っている各段の従動ギアは、出力軸３上に配置されている。

これらの噛合いクラッチ１８，１９，２０，３２，３３，３４はそれぞれシフトフォークにより目的のギアの方にスライドして噛み合い、シフトフォークはシフトアクチュエータ２１〜２３，３５〜３７により駆動される。

シフトアクチュエータは各噛合いクラッチを個別に駆動しても良いし、切換リンク機構により目的のシフトフォークを選択して１個のシフトアクチュエータによりスライドさせても良い。

本実施形態においてはシャフト１１と２５の間にモータ５を接続し、モータ５の発生トルクをシャフト１１，２５に相対的に加えるのが特徴である。傘歯車を用いてモータのロータとステータを各々シャフト１１と２５に接続している。

図３にモータ制御系を示す。モータ５は例えば永久磁石同期電動機であり、モータ制御装置７により３相交流Ｕ，Ｖ，Ｗを供給される。モータ制御装置７のインバータの各相アームには高速スイッチング素子３９が設けられ、バッテリ６の直流電圧を可変周波数の３相交流に変換する。インバータ制御装置３８は、変速制御装置８からのトルク指令および回転数指令を受けてインバータの通流率を制御すると共に、各アームの電流センサ４０の出力および回転子の角度検出用位置センサ４１の出力をフィードバックして、モータ５のトルクと回転数を指令通りになるように制御する。このような制御はパワーエレクトロニクスの分野で公知の技術であるので詳しい説明は省略する。

図４にモータのトルクと回転数の関係を示す。モータ制御装置７によりいわゆる４象限制御される。

以下の説明においてモータトルクの向きは、図２のモータの上向きトルクすなわちエンジントルクを助ける方向を正とする。

エンジントルクで加速しながらアップシフトするいわゆるパワーオンアップシフトの場合、トルクフェーズでモータトルクを発生させると、動作点はＡ点からＢ点に移動し、さらにイナーシャフェーズでＣ点に、変速終了時にはＤ点に移動する。

エンジントルクを出していながら坂道に掛かって減速するためにダウンシフトするいわゆるパワーオンダウンシフトの場合は、変速前にはシャフト１１の回転数Ｎ１の方がシャフト２５の回転数Ｎ２より大きいので差の回転数は負の値であり、動作点は図４のＤ点からスタートして、トルクフェーズでＣ点に、イナーシャフェーズでＢ点に移動し、Ａ点で変速を終了する。

走行中にアクセルペダルを戻したときに生じるアップシフトいわゆる足戻しアップシフトの場合、動作点はＡ点からスタートするが、エンジンブレーキになるのでトルクの向きが逆であり、トルクフェーズで動作点はＡ点からＦ点に移動し、さらにイナーシャフェーズでＥ点に、変速終了時にはＤ点に移動する。

高速走行からエンジンブレーキによる車速の低下に伴ってダウンシフトするいわゆるコーストダウンの場合には、動作点は図４のＤ点からスタートするが、トルクの向きが逆であるのでトルクフェーズでＥ点に、さらにイナーシャフェーズでＦ点に移動し、Ａ点で変速を終了する。

なお、ここでモータとは回転電機であり、このような４象限制御を行うことができるものであれば、モータの種類は永久磁石同期電動機に限られたものではなく誘導電動機や直流電動機であってもよいことは言うまでもない。

このモータを使って変速制御を行う方法について説明する。モータトルクＴｍはエンジントルクＴｅ以上の値を発生可能であるとする。シャフト１１に結合した変速ギアのギア比をＧ（１軸）、シャフト２５に結合した変速ギアのギア比をＧ（２軸）とし、シャフト１１のトルクをＴ１、シャフト２５のトルクをＴ２とすると、変速機出力軸３のトルク
Ｔｏは（式１）で表される。
Ｔｏ＝Ｇ（１軸）×Ｔ１＋Ｇ（２軸）×Ｔ２ …（式１）
モータ５のトルクがシャフト１１を付勢する方向を正とすると下式が成り立つ。
Ｔ１＝Ｔｅ＋Ｔｍ …（式２）
Ｔ２＝−Ｔｍ …（式３）
（式２），（式３）を（式１）に代入して出力軸トルクＴｏを求めると下式が得られる。
Ｔｏ＝Ｇ（１軸）×Ｔｅ＋［Ｇ（１軸）−Ｇ（２軸）］×Ｔｍ …（式４）
図５はアップシフトにおける制御システムのフローチャートである。１→２パワーオンアップシフトを例に、ギアの切換状況とトルク遷移の状況を示す。図６にトルク伝達経路の変化と噛合いクラッチ動作の状況を図５のStepに対応させて示す。図７に各部のトルクと回転数のタイムチャートを示す。

１速ギアが結合して走行中に、Step１でモータ回転数を制御してStep２で１.５ 速ギアの同期状態を判定するまでモータ回転数を変化させる。

Step３で１.５ 速ギア２７を結合すると、モータ５は（Ｎ１−Ｎ２）の回転数で空回りする。

アップシフトの場合、変速直前にはモータの動作点は図４のＡ点にある。すなわち
Ｎ２＝Ｇ１.５×Ｎｏ …（式５）
Ｎ１＝Ｇ１×Ｎｏ …（式６）
であるからＮ１＞Ｎ２であり、（Ｎ１−Ｎ２）は正の値である。ここでＧ１.５は１.５速ギアのギア比、Ｇ１は１速ギアのギア比である。

Step４で負の方向(出力軸に対しては駆動力となりエンジンに対しては負荷となる方向)にモータトルクを増加すると、１.５ 速ギアの入力トルクが増加し、１速ギアの入力トルクが減少する。これはトルクフェーズと呼ばれるトルク遷移過程である。

シャフト１１からシャフト２５へのトルク遷移であり、モータトルクＴｍを負の値にするので、モータ動作点は図４のＢ点へ移動する。このとき（式３）により１.５ 速ギア
２７の入力トルクＴ２が増加し、（式２）により１速ギア１２の入力トルクＴ１が減少し、Ｂ点においてＴｍ＝−Ｔｅに達するとＴ１＝０，Ｔ２＝Ｔｅとなる。

Step５で変速制御装置８はトルクフェーズの終了判定を行う。１速ギア１２の入力トルクが０になったことを判定するものであるが、ギアの入力トルクを直接検出することが出来ない場合が多いので、モータの実トルクがエンジントルクの絶対値と等しくなったとき（Ｔｍ＝｜Ｔｅ｜）にギアの入力トルク＝０と看做すことができる。このためにはエンジントルクＴｅを検出あるいは計算によって求めておく必要があるが、その具体的方法は例えば本出願人によって出願された特開平５−２４００７３号，特開平６−３１７２４２号等に示したのでここでは省略する。

Step６で変速制御装置８がシフトアクチュエータ２１を動作させて１速ギア１２を解放する。Ｔ１＝０の状態であるから容易に解放でき、変速機の動作には何の変化も生じない。

１速ギアが解放されるとエンジン回転数は変化できるようになる。

Step７で変速制御装置８がモータ回転数変化指令を発生すると、エンジン回転数が２速ギアの入力回転数に向かって変化する。これはイナーシャフェーズと呼ばれる回転数遷移過程である。

１→２アップシフトの場合、Ｔｍ＝−Ｔｅに保ったままモータ回転数を低減すると、シャフト１１の回転数が下がり、Ｇ点で回転方向が反転してＣ点まで負の方向に上昇する。

Step８で変速制御装置８はイナーシャフェーズ終了判定を行うが、エンジン回転数が次段ギアの入力回転数に同期したことにより判定する。

Step９で変速制御装置８がシフトアクチュエータ２１を動作させて２速ギア１３の噛合いクラッチを締結する。同期状態であるから容易に締結でき、変速機の動作には何の変化も生じない。

Step１０で変速制御装置８がモータトルク低減指令を発生して、モータトルクを０にすると、モータ５を介して１.５ 速ギア２７に伝達していたエンジントルクＴｅが、２速ギア１３に移動する。このとき図４のモータ動作点はＣ点からＤ点に移動する。

Step１１で変速制御装置８はモータトルクＴｍ＝０になったことにより第２トルクフェーズの終了を判定する。

Step１２で変速制御装置８がシフトアクチュエータ３５を動作させ、１.５ 速ギア２７を解放して変速を終了する。Ｔｍ＝０の状態であるから容易に解放でき、変速機の動作には何の変化も生じない。

足戻しアップシフトの場合も図５のアルゴリズムがそのまま使える。図８にトルク伝達経路の変化と噛合いクラッチ動作の状況を図５のStepに対応させて示す。

図９に各部のトルクと回転数のタイムチャートを示す。

Step１からStep３はパワーオンアップシフトと全く同じである。

Step４で正の方向（出力軸に対しては制動力となりエンジン出力を助ける方向）にモータトルクを増加すると、１.５ 速ギアの負のトルクが増加し、１速ギアの負のトルクが減少する。これはトルクフェーズと呼ばれるトルク遷移過程である。モータ動作点は図４のＡ点からＦ点へ移動する。

シャフト１１からシャフト２５へのトルク遷移であり、モータトルクＴｍを負の値にするので、このとき（式３）により１.５ 速ギア２７の入力トルクＴ２が増加し、（式２）により１速ギア１２の入力トルクＴ１が減少し、Ｆ点においてＴｍ＝−Ｔｅに達すると
Ｔ１＝０，Ｔ２＝Ｔｅとなる。

Step５で変速制御装置８はトルクフェーズの終了判定を行う。

Step６でシフトアクチュエータ２１を動作させて１速ギア１２を解放する。Ｔ１＝０の状態であるから容易に解放でき、変速機の動作には何の変化も生じない。

１速ギアが解放されるとエンジン回転数は変化できるようになる。

Step７でモータ回転数変化指令を発生すると、エンジン回転数が２速ギアの入力回転数に向かって変化する。これはイナーシャフェーズと呼ばれる回転数遷移過程である。

１→２足離しアップシフトの場合モータ回転数を低減すると、シャフト１１の回転数が下がり、Ｈ点で回転方向が反転してＥ点まで負の方向に上昇する。

Step８で変速制御装置８はイナーシャフェーズ終了判定を行うが、エンジン回転数が次段ギアの入力回転数に同期したことにより判定する。

Step９でシフトアクチュエータ２１を動作させて２速ギア１３の噛合いクラッチを締結する。同期状態であるから容易に締結でき、変速機の動作には何の変化も生じない。

Step１０でモータトルク低減指令を発生して、モータトルクを０にすると、モータ５を介して１.５ 速ギア２７に伝達していたエンジントルクＴｅが、２速ギア１３に移動する。このとき図４のモータ動作点はＥ点からＤ点に移動する。

Step１１でモータトルクＴｍ＝０になったことにより第２トルクフェーズの終了を判定する。

Step１２でシフトアクチュエータ３５を動作させ、１.５ 速ギア２７を解放して変速を終了する。Ｔｍ＝０の状態であるから容易に解放でき、変速機の動作には何の変化も生じない。

以上から分かる通り図７に比べてトルクの向きが逆になっているだけであり、回転数の関係は全く同じである。

ダウンシフトも同じ手順で制御することが出来、図１０にダウンシフトにおける制御システムのフローチャートを示す。図１１に２→１踏み込みダウンシフトを例に、トルク伝達経路の変化と噛合いクラッチ動作の状況を示す。図１２に各部のトルクと回転数のタイムチャートを示す。ダウンシフトの動作はアップシフトの動作を、回転数の方向を対称的に変化させたものである。

２速ギアが結合して走行中に、Step１でモータ回転数を制御してStep２で１.５ 速ギアの同期状態を判定するまでモータ回転数を変化させる。

Step３で１.５ 速ギア２７を結合すると、モータ５は（Ｎ１−Ｎ２）の回転数で空回りする。

ダウンシフトの場合、変速直前にはモータの動作点は図４のＤ点にある。すなわち
Ｎ２＝Ｇ１.５×Ｎｏ …（式７）
Ｎ１＝Ｇ２×Ｎｏ …（式８）
であるからＮ１＜Ｎ２であり、（Ｎ１−Ｎ２）は負の値である。

Step４で負の方向(出力軸に対しては駆動力となりエンジンに対しては負荷となる方向)にモータトルクを増加すると、１.５ 速ギアの入力トルクが増加し、２速ギアの入力トルクが減少する。これはトルクフェーズと呼ばれるトルク遷移過程である。

シャフト１１からシャフト２５へのトルク遷移であるから、モータトルクを負の方向に増加させることになり、モータ動作点は図４のＤ点からＣ点へ移動する。このとき(式３)により１.５ 速ギア２７の入力トルクＴ２が増加し、（式２）により２速ギア１３の入力トルクＴ１が減少し、Ｃ点においてＴｍ＝−Ｔｅに達するとＴ１＝０，Ｔ２＝Ｔｅとなる。

Step５で変速制御装置８はトルクフェーズの終了判定を行う。２速ギア１３の入力トルクが０になったことを判定するものであるが、ギアの入力トルクを直接検出することが出来ない場合には、モータの実トルクがエンジントルクの絶対値と等しくなったこと（Ｔｍ＝｜Ｔｅ｜）により判断できる。

Step６で変速制御装置８がシフトアクチュエータ２１を動作させて２速ギア１３を解放する。Ｔ１＝０の状態であるから容易に解放でき、変速機の動作には何の変化も生じない。

２速ギアが解放されるとエンジン回転数は変化できるようになる。

Step７で変速制御装置８がモータ回転数変化指令を発生すると、エンジン回転数が１速ギアの入力回転数に向かって変化する。これはイナーシャフェーズと呼ばれる回転数遷移過程である。

２→１ダウンシフトの場合、Ｔｍ＝−Ｔｅに保ったままモータ回転数を増加すると、シャフト１１の回転数が上がり、Ｇ点で回転方向が反転してＢ点まで正の方向に上昇する。

Step８で変速制御装置８はイナーシャフェーズ終了判定を行うが、エンジン回転数が次段ギアの入力回転数に同期したことにより判定する。

Step９で変速制御装置８がシフトアクチュエータ２１を動作させて１速ギア１２の噛合いクラッチを締結する。同期状態であるから容易に締結でき、変速機の動作には何の変化も生じない。

Step１０で変速制御装置８がモータトルク低減指令を発生して、モータトルクを０にすると、モータ５を介して１.５ 速ギア２７に伝達していたエンジントルクＴｅが、１速ギア１２に移動する。このとき図４のモータ動作点はＢ点からＡ点に移動する。

Step１１で変速制御装置８はモータトルクＴｍ＝０になったことにより第２トルクフェーズの終了を判定する。

Step１２で変速制御装置８がシフトアクチュエータ３５を動作させ、１.５ 速ギア２７を解放して変速を終了する。Ｔｍ＝０の状態であるから容易に解放でき、変速機の動作には何の変化も生じない。

コーストダウンシフトの場合も図１０のアルゴリズムがそのまま使える。図１３にトルク伝達経路の変化と噛合いクラッチ動作の状況を図１０のStepに対応させて示す。

図１４に各部のトルクと回転数のタイムチャートを示す。

Step１からStep３は踏み込みダウンシフトと全く同じである。

Step４で正の方向(出力軸に対しては制動力となりエンジン出力を助ける方向)にモータトルクを増加すると、１.５ 速ギアの負のトルクが増加し、２速ギアの負のトルクが減少する。これはトルクフェーズと呼ばれるトルク遷移過程である。モータ動作点は図４のＤ点からＣ点へ移動する。

シャフト１１からシャフト２５へのトルク遷移であり、モータトルクＴｍを負の値にするので、このとき（式３）により１.５ 速ギア２７の入力トルクＴ２が増加し、（式２）により２速ギア１３の入力トルクＴ１が減少し、Ｅ点においてＴｍ＝−Ｔｅに達すると
Ｔ１＝０，Ｔ２＝Ｔｅとなる。

Step５で変速制御装置８はトルクフェーズの終了判定を行う。

Step６でシフトアクチュエータ２１を動作させて２速ギア１３を解放する。Ｔ１＝０の状態であるから容易に解放でき、変速機の動作には何の変化も生じない。

２速ギアが解放されるとエンジン回転数は変化できるようになる。

Step７でモータ回転数変化指令を発生すると、エンジン回転数が１速ギアの入力回転数に向かって変化する。これはイナーシャフェーズと呼ばれる回転数遷移過程である。

２→１コーストダウンシフトの場合モータ回転数を増加すると、シャフト１１の回転数が上がり、Ｈ点で回転方向が反転してＦ点まで正の方向に上昇する。

Step８で変速制御装置８はイナーシャフェーズ終了判定を行うが、エンジン回転数が次段ギアの入力回転数に同期したことにより判定する。

Step９でシフトアクチュエータ２１を動作させて１速ギア１２の噛合いクラッチを締結する。同期状態であるから容易に締結でき、変速機の動作には何の変化も生じない。

Step１０でモータトルク低減指令を発生して、モータトルクを０にすると、モータ５を介して１.５ 速ギア２７に伝達していたエンジントルクＴｅが、１速ギア１２に移動する。このとき図４のモータ動作点はＦ点からＡ点に移動する。

Step１１でモータトルクＴｍ＝０になったことにより第２トルクフェーズの終了を判定する。

Step１２でシフトアクチュエータ３５を動作させ、１.５ 速ギア２７を解放して変速を終了する。Ｔｍ＝０の状態であるから容易に解放でき、変速機の動作には何の変化も生じない。

以上から分かる通り図１２に比べてトルクの向きが逆になっているだけであり、回転数の関係は全く同じである。

図５から図１４は隣の変速段への変速方法を例に説明したが、本方式によれば飛び越し変速も可能である。図１５は４→２踏み込みダウンシフトの場合を例に、トルク伝達経路の変化と噛合いクラッチ動作の状況を示したものである。変速先のギア段が２速と４速のように離れていても、間にある中間段ギア（この場合は２.５ 速）を用いると、隣の変速段への変速と全く同様に変速出来ることが分かる。トルクと回転数のタイムチャートは、用いるギアが異なるだけで図１２と全く同じ波形となる。

従来の例えばツインクラッチ変速機などでは、飛び越し変速のときはパワーオンシフトすることが出来ないためトルク中断して変速するしかなかったが、本方式によれば完全な方法で変速できるので、運転性が向上する。

本実施形態の方法によると下記のように大きな効果が得られる。

変速時に必要なモータ出力は、図４のＢ点あるいはＣ点で動作するときが最大で、
Ｐｍ＝｜Ｎ１−Ｎ２｜×Ｔｅ …（式９）
で表される。

変速に必要なエネルギは図４の（点ＡＢＣＤで囲まれた面積）×時間で表されるが、原点とＡ点，Ｂ点，Ｇ点で囲まれる面積で表される部分は第４象限にあるので、回生領域でありバッテリに充電され、原点とＤ点，Ｃ点，Ｇ点で囲まれる面積で表される部分は第３象限にあるので、バッテリから供給される。すなわちパワーオンアップシフトの場合は変速の前半ではバッテリは充電され、後半ではバッテリは放電することになる。踏み込みダウンシフトの場合は反対に、変速の前半ではバッテリから放電され、後半ではバッテリに充電されることになる。足戻しアップシフトおよびコーストダウンシフトの場合には第１象限と第２象限で動作するが、同様に一変速中に充電と放電が行われる。このように１回の変速が終わるとバッテリは元の状態に戻るので、変速に必要なバッテリ容量は、面積
ＡＢＧ０のエネルギを充放電できるだけあればよいことになる。

従来の類似の電動変速方式では、全体の面積ＡＢＣＤがアップシフトでは充電領域にあり、ダウンシフトでは放電領域にある。このため５速までアップシフトして１速までダウンシフトさせると、５回分の充電を続けた後５回分の放電を続けることになり、バッテリ容量は面積ＡＢＣＤの５倍が必要で、これに比べれば本方式は１／１０のバッテリ容量で済むため、大きな経済効果が得られる。

図１６は本発明の第２の実施形態を示す変速機の構成図である。シャフト１１とシャフト２５の変速ギア列は全く同じ物である。したがって符合も同じ符号にダッシュ（′）を付けたものとした。これらに従動する出力軸３，３′のギア列も全く同じ物である。出力軸３と追加した出力軸３′は異なるギア比のギア４２，４３によりファイナルギア４４に接続してある。出力軸３′のファイナルギア比を出力軸３のファイナルギア比より大きな値に選定することにより、変速ギア１３′は１.５ 速相当のギア比に、変速ギア１４′，１５′，１６′はそれぞれ２.５ 速，３.５ 速，４.５ 速相当のギア比になる。

変速制御は図２の変速機と全く同様に行うことが出来る。

本方式によれば１.５ 速〜４.５ 速の変速ギアを新設計することなく、従来の変速ギア列を２組設けるだけで良いので開発費が大幅に削減でき、新しいギア列のための工作機械を新設する必要もないのでコスト削減の効果が大きい。

なお、図２では全ての噛合いクラッチをシャフト１１およびシャフト２５に設けたが、出力軸を３と３′に分けたことにより全ての噛合いクラッチを入力側に設ける必要がなくなる。例えば１−２速切り換え用の噛合いクラッチ１８を出力軸３側に設ければ、シフトフォークの配置を無理なく設計することが出来、設計の自由度が上がる。

図１７は本発明の第３の実施形態を示す変速機の構成図である。本実施形態では遊星歯車４５を用いてそのリングギアをシャフト１１の結合歯車４６に、サンギアをシャフト
２５の結合歯車４７に接続し、キャリアをモータ５に接続してある。ファイナルギアへの結合は、第２の実施形態と同様に出力軸３′のファイナルギア比を出力軸３のファイナルギア比より大きな値に選定してある。

このようにすると、モータ５のトルクによりシャフト１１とシャフト２５は互いに逆方向に捻られる。各結合歯車のギア比を下式のように設定すると、モータ回転数はシャフト１１と２５の差の回転数となる。

遊星歯車４５のサンギアの歯数をＺｓ、リングギアの歯数をＺｒとすれば、一般的に遊星歯車のキャリヤ回転数Ｎｃは（式１０）で表される。

Ｎｃ＝Ｎｓ＊Ｚｓ／（Ｚｓ＋Ｚｒ）＋Ｎｒ＊Ｚｒ／（Ｚｓ＋Ｚｒ） …（式１０）
リングギアと結合歯車４６の結合比を（−ｋ１）とするとＮｒ＝−ｋ１Ｎ１である。サンギアと結合歯車４７の結合比を（Ｚｒ／Ｚｓ）ｋ１に設定するとＮｓ＝（Ｚｒ／Ｚｓ）ｋ１Ｎ２である。キャリヤは−｛Ｚｒ／（Ｚｓ＋Ｚｒ）｝ｋ１倍の減速比でモータと反転結合させるとＮｃ＝−Ｎｍ＊Ｚｒ／（Ｚｓ＋Ｚｒ）ｋ１である。これらの関係を(式１０)に代入すると
−Ｎｍ＊Ｚｒ／（Ｚｓ＋Ｚｒ）ｋ１＝Ｎ２＊Ｚｒ／（Ｚｓ＋Ｚｒ）ｋ１−Ｎ１＊Ｚｒ
／（Ｚｓ＋Ｚｒ）ｋ１ …（式１１）
したがってＮｍ＝Ｎ１−Ｎ２となり、モータ回転数がシャフト１１と２５の差の回転数となる様に接続されたことになるから、動作としては図２と全く等価である。

本方式によればモータ５は、ロータとステータの両方が回転する必要がないので構造が簡単になり、かつ回転部への給電を行う必要がないのでスリップリングが不要になって、経済的効果が大きい。

なお、ファイナルギアへの結合を、出力軸３と同じギア比のギア４２′によりファイナルギア４４に接続し、その分サンギアと結合歯車４７の結合比を（Ｚｒ／Ｚｓ）ｋ１より大きくしても、図２と全く等価の動作特性が得られる。本方式によれば変速ギア列として全く同じものを二組用いるので、開発費が大幅に削減できるだけでなく、量産効果も得られてコストダウン効果が大きい。

図１８は本発明の第４の実施形態を示す変速機の動作説明図である。従来の自動変速機はギアの切替時間を出来るだけ短く制御するので、例えば２速から３速にかけて走行する場合、破線で示すように２速でｔ２時間走行したのち、短い変速時間ｔｓで３速に変速していた。本実施形態では実線で示すように、２速の走行時間ｔ２を短くし変速時間ｔｓを長くするものである。

このように制御するとレシオの変化が全体として双曲線に近付くので、運転し易い駆動力特性が得られると共に、無段変速を行うことになるので変速ショックのない滑らかな変速特性が得られる。

図１９は本発明の第５の実施形態を示す変速機の動作説明図である。図１８と異なるのは変速時間ｔ２におけるレシオの変化特性を変えたことである。例えば２速から３速にかけて走行する場合、短時間ｔ２で２速走行するとすぐ２.５ 速ギア２８を用いてモータ５でレシオを制御しながら走行する。このとき図１７のように徐々に３速レシオに向かって変化させるのではなく、一気に２.５ 速のレシオとして走行し、車速が３速に見合うまで上昇したら一気に３速相当のレシオに変化させて、３速ギア１４を結合するものである。

このように制御すると殆どの時間を中間段ギアで走行することになり、レシオの変化は破線で示す従来の自動変速機と変わらないが、次のような利点がある。

丁度ぴったりの中間段レシオで走行中はモータ回転数はゼロであり、モータはエンジントルクを伝達するものの力行でも回生でもない状態になり、バッテリ電流は流れない。中間段レシオより大きなレシオに制御すると回生状態になってバッテリを充電し、中間段レシオより小さなレシオに制御すると力行状態になってバッテリから電流を取り出す。したがってバッテリ制御が容易であり、バッテリ状態を良好に管理制御しながら走行できると共に、常に中間段にあるのでアップシフト側にもダウンシフト側にもすばやく移行できて、変速応答性が格段に向上する。

本発明になる変速機を搭載した自動車の構成を示す概念図。 本発明の第１の実施形態における変速機構成を示す構造図。 本発明に用いるモータ制御の構成を示すブロック図。 図３のモータ制御におけるモータの動作点の変化を示すモータ特性図。 本発明になるモータ変速制御システムの１→２アップシフト時のソフト構成を示すフローチャート。 図５の変速制御システムにおいて、パワーオンアップシフトする場合のトルク伝達経路の変化と噛合いクラッチ動作の状況を示す説明図。 図５の変速制御システムにおいて、パワーオンアップシフトする場合のトルクと回転数の変化を示すタイムチャート。 図５の変速制御システムにおいて、足離しアップシフトする場合のトルク伝達経路の変化と噛合いクラッチ動作の状況を示す説明図。 図５の変速制御システムにおいて、足離しアップシフトする場合のトルクと回転数の変化を示すタイムチャート。 本発明になるモータ変速制御システムの２→１ダウンシフト時のソフト構成を示すフローチャート。 図１０の変速制御システムにおいて、踏み込みダウンシフトする場合のトルク伝達経路の変化と噛合いクラッチ動作の状況を示す説明図。 図１０の変速制御システムにおいて、踏み込みダウンシフトする場合のトルクと回転数の変化を示すタイムチャート。 図１０の変速制御システムにおいて、コーストダウンシフトする場合のトルク伝達経路の変化と噛合いクラッチ動作の状況を示す説明図。 図１０の変速制御システムにおいて、コーストダウンシフトする場合のトルクと回転数の変化を示すタイムチャート。 図１０の変速制御システムにおいて、４→２飛び越し変速する場合のトルク伝達経路の変化と噛合いクラッチ動作の状況を示す説明図。 本発明の第２の実施形態における変速機の構成を示す原理モデル。 本発明の第３の実施形態における変速機の構成を示す原理モデル。 本発明の第４の実施形態における、レシオの変化を示す特性図。 本発明の第５の実施形態における、レシオの変化を示す特性図。

符号の説明

１…エンジン、２…変速機、３…出力軸、４…タイヤ、５…モータ、６…バッテリ、７…モータ制御装置、８…変速制御装置、９…エンジン制御装置、１０…電子制御スロットル弁、１１，２５…シャフト、１２…１速ギア、１３…２速ギア、１４…３速ギア、１５…４速ギア、１６…５速ギア、１７，３１…後退ギア、１８，１９，２０，３２，３３，３４…噛合いクラッチ、２１，２２，２３，３５，３６，３７…シフトアクチュエータ、２６…０.５ 速ギア、２７…１.５ 速ギア、２８…２.５ 速ギア、２９…３.５ 速ギア、３０…４.５ 速ギア、３８…インバータ制御装置、３９…高速スイッチング素子、４０…電流センサ、４１…角度検出用位置センサ、４２，４３…ファイナルギア接続ギア、４４…ファイナルギア、４５…遊星歯車、４６…シャフト１１の結合歯車、４７…シャフト
２５の結合歯車。

Claims (10)

1. 内燃機関に接続された第１の入力軸と、
   該第１の入力軸に設けられた第１の変速ギア列と、
   第２の入力軸と、
   該第２の入力軸に設けられた第２変速ギア列と、
   前記第１の変速ギア列および第２の変速ギア列の変速ギア列に結合する従動ギア列を設けた出力軸と、
   前記第１の入力軸と前記第２の入力軸との間に相対的にトルクを印加するモータであって、その回転数が、前記第１の入力軸の回転数と前記第２の入力軸の回転数との差の回転数になるように設けられたモータと、
   該モータのトルクと回転数を制御するとともに、前記第１第２の入力軸と前記出力軸との間のトルク伝達経路を、当該トルク伝達経路上に設けられた噛合いクラッチの締結／解放を制御することによって変化させる制御装置とを有する自動変速システム。
2. 請求項１に記載の自動変速システムであって、
   前記第１の入力軸と前記第２の入力軸との間に差動歯車を有し、
   該差動歯車の第３軸に前記モータが接続されている自動変速システム。
3. 請求項１または２のいずれかに記載の自動変速システムであって、
   遊星歯車を有し、
   該遊星歯車の第１軸が前記第１の入力軸に接続され、
   該遊星歯車の第２軸が前記第２の入力軸に接続され、
   該遊星歯車の第３軸が前記モータに接続されている自動変速システム。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の自動変速システムであって、
   前記第２の変速ギア列のギア比が、前記第１の変速ギア列のギア比の中間段をなすように設定されている自動変速システム。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の自動変速システムであって、
   前記制御装置は、
   前記第１の変速ギア列の中の第１の変速ギアによって構成される第１のトルク伝達経路により駆動中に、前記第２の変速ギア列の中の第２の変速ギアによって構成される第２のトルク伝達経路上の噛合いクラッチを締結し、
   前記モータにより前記第２の入力軸トルクを増加することにより、前記第１のトルク伝達経路の伝達トルクを低減し、
   前記第１のトルク伝達経路の伝達トルクがほぼ０になったところで前記第１のトルク伝達経路上の噛合いクラッチを解放し、
   前記モータにより前記第２の入力軸トルクを保持しながら、前記第１の入力軸回転数を制御して前記第１の変速ギア列の中の第３の変速ギアによって構成される第３のトルク伝達経路上の噛合いクラッチの入出力回転数を同期させ、
   当該入出力回転数が同期したところで、前記第３のトルク伝達経路上の噛合いクラッチを締結すると共に、前記モータの発生トルクを０にして前記第２のトルク伝達経路上の噛合いクラッチを解放する自動変速システム。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の自動変速システムであって、
   前記第１の変速ギア列の中の第１の変速ギアによって構成される第１のトルク伝達経路により駆動中に、前記第２の変速ギア列の中の第２の変速ギアによって構成される第２のトルク伝達経路上の噛合いクラッチが締結され、
   前記モータにより前記第２の入力軸トルクが増加することにより、前記第１のトルク伝達経路の伝達トルクが低減され、
   前記第１のトルク伝達経路の伝達トルクがほぼ０になったところで前記第１のトルク伝達経路上の噛合いクラッチが解放され、
   前記モータにより前記第２の入力軸トルクを保持しながら、前記第１の変速ギア列の中の第３の変速ギアによって構成される第３のトルク伝達経路上の噛合いクラッチの入出力回転数が同期し、
   当該入出力回転数が同期したところで、前記第３のトルク伝達経路上の噛合いクラッチが締結されると共に、前記モータの発生トルクが０になった状態で前記第２のトルク伝達経路上の噛合いクラッチが解放される自動変速システム。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の自動変速システムであって、
   前記第１の変速ギア列の中の第１の変速ギアによって構成される第１のトルク伝達経路により駆動中に、前記第２の変速ギア列の中の第２の変速ギアによって構成される第２のトルク伝達経路上の噛合いクラッチを締結し、
   前記モータにより前記第２の入力軸トルクを増加することにより、前記第１のトルク伝達経路の伝達トルクを低減し、
   前記第１のトルク伝達経路の伝達トルクがほぼ０になったところで前記第１のトルク伝達経路上の噛合いクラッチを解放し、
   前記モータにより前記第２の入力軸トルクを保持しながら、前記第１の入力軸回転数を車速に応じて連続的に変化させて走行し、
   前記第１の変速ギア列の中の第３の変速ギアによって構成される第３のトルク伝達経路上の噛合いクラッチの入出力回転数が同期したところで、前記第３のトルク伝達経路上の噛合いクラッチを締結すると共に、前記モータの発生トルクを０にして前記第２のトルク伝達経路上の噛合いクラッチを解放する自動変速システム。
8. 内燃機関と、自動変速機と、前記内燃機関と前記自動変速機とを制御する制御装置とを有する自動車であって、
   前記自動変速機は、
   前記内燃機関に接続された第１の入力軸と、
   該第１の入力軸に設けられた第１の変速ギア列と、
   第２の入力軸と、
   該第２の入力軸に設けられた第２の変速ギア列と、
   前記第１の変速ギア列および第２の変速ギア列の変速ギア列に結合する従動ギア列を設けた出力軸と、
   前記第１の入力軸と前記第２の入力軸との間に相対的にトルクを印加するモータと、を有し、
   前記制御装置は、
   前記第１の変速ギア列の中の第１の変速ギアによって構成される第１のトルク伝達経路により駆動中に、前記第２の変速ギア列の中の第２の変速ギアによって構成される第２のトルク伝達経路上の噛合いクラッチを締結し、
   前記モータにより前記第２の入力軸トルクを増加することにより、前記第１のトルク伝達経路の伝達トルクを低減し、
   前記第１のトルク伝達経路の伝達トルクがほぼ０になったところで前記第１のトルク伝達経路上の噛合いクラッチを解放し、
   前記モータにより前記第２の入力軸トルクを保持しながら、前記第１の入力軸回転数を制御して前記第１の変速ギア列の中の第３の変速ギアによって構成される第３のトルク伝達経路上の噛合いクラッチの入出力回転数を同期させ、
   当該入出力回転数が同期したところで、前記第３トルク伝達経路上の噛合いクラッチを締結すると共に、前記モータの発生トルクを０にして前記第２のトルク伝達経路上の噛合いクラッチを解放する自動車。
9. 内燃機関に接続された第１の入力軸、
   該第１の入力軸に設けられた第１の変速ギア列、
   第２の入力軸、
   該第２の入力軸に設けられた第２の変速ギア列、
   前記第１の変速ギア列および第２の変速ギア列の変速ギア列に結合する従動ギア列を設けた出力軸、
   前記第１の入力軸と前記第２の入力軸との間に相対的にトルクを印加するモータ、よりなる自動変速システムであって、
   前記第１の変速ギア列の中の第１の変速ギアによって構成される第１のトルク伝達経路により駆動中に、前記第２の変速ギア列の中の第２の変速ギアによって構成される第２のトルク伝達経路上の噛合いクラッチを締結し、
   前記モータにより前記第２の入力軸トルクを増加することにより、前記第１のトルク伝達経路の伝達トルクを低減し、
   前記第１のトルク伝達経路の伝達トルクがほぼ０になったところで前記第１のトルク伝達経路上の噛合いクラッチを解放し、
   前記モータにより前記第２の入力軸トルクを保持しながら、前記第１の入力軸回転数を制御して前記第１の変速ギア列の中の第３の変速ギアによって構成される第３のトルク伝達経路上の噛合いクラッチの入出力回転数を同期させ、
   当該入出力回転数が同期したところで、前記第３のトルク伝達経路上の噛合いクラッチを締結すると共に、前記モータの発生トルクを０にして前記第２のトルク伝達経路上の噛合いクラッチを解放する自動変速システム。
10. 請求項１記載の自動変速システムであって、
    前記第１の入力軸と前記第２の入力軸との間に差動歯車を有し、
    該差動歯車の第３軸に前記モータが接続されており、
    前記差動歯車は、回転方向を反転させる歯車を介して前記第２の入力軸と接続されている自動変速システム。
    
    

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