JP3900142B2 - 車両駆動装置 - Google Patents

Description

この発明は、エンジンとモータとを備える車両駆動装置に関するものである。

従来、エンジンに動力配分機構を介してモータ・ジェネレータを連結した構成のものが例えば特許文献１として知られている。そして、エコランモードで車両の停止時には燃料消費量を低減するためにエンジンヘの燃料の供給を停止し、モータ・ジェネレータによってエンジンをアイドル回転に維持するようにしている。エンジンをアイドル回転に維持するのはエンジンに連結されたエアコン用コンプレッサやパワーステアリング用のポンプ等の補機類を車両停止中でも動作させておきたいからである。
特開平９−３９６１３号公報

上記の従来技術の構成によれば、エアコン用コンプレッサやパワーステアリング用ポンプ等の補機類をそれぞれ駆動するための電動モータが不要になり、エコランシステムの構成としては省スペース化を図ることができる。

しかしながら、上記従来技術ではエンジンの回転数をモータ・ジェネレータでアイドル回転数に維持し、そして補機類を動作させているので、エンジンを回転させる分、モータ・ジェネレータの消費電力は大きくなりがちである。モータ・ジェネレータは通常車両に搭載されたバッテリーの電力源を用いて駆動されるため、車両停止が頻繁になるとバッテリーの消費量も多くなるのでその分容量の大きいバッテリーを車両に搭載する必要が生じてくることになる。

したがって、本発明は上記の問題点に鑑み、車両停止時のモータ・ジェネレータによる補機類の駆動を従来よりも少電力で行うことを技術的課題とする。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、エンジンと、エンジン駆動軸に連結されるモータとを備えた車両駆動装置において、前記モータの回転軸と前記エンジンの駆動軸との間に、前記モータに連結されたサンギヤと、選択的に固定されるリングギヤと、これらサンギヤとリングギヤとに噛み合っているピニオンギヤを回転自在に保持しかつ前記エンジンに連結されたキャリアとを備えている遊星歯車装置からなり、かつ前記リングギヤを回転許容状態と回転不能状態とに切り換える手段を有する変速機構が設けられ、前記モータの回転軸に補機が機械的に連結され、エンジン停止状態で前記モータによって補機を駆動する場合に、前記モータの回転軸と前記エンジンの駆動軸との間のトルクの伝達を前記変速機構のリングギヤを回転許容状態に切り換えることによって遮断するようにしたことを特徴とする車両駆動装置である。

また、請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記モータは電気エネルギー源の電気エネルギーにより作動する回転機能と、エンジンの機械エネルギーにより作動する発電機能を備えたモータ・ジェネレータであることを特徴とする車両駆動装置である。

そして、請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記リングギヤとモータ回転軸との間に一方向クラッチが設けられていることを特徴とする車両駆動装置である。

そしてまた、請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記一方向クラッチは、前記リングギヤから前記モータ回転軸への方向にのみトルクの伝達を可能としていることを特徴とする車両駆動装置である。

なお、請求項１に記載の車両駆動装置はモータの他に、さらに別体の発電機をエンジン駆動軸に連結したものでもよく、また請求項２に記載のようにモータが発電機能をも備えた一体のいわゆるモータ・ジェネレータである場合でもよく何れの形態のものも含まれる。また、エンジンとモータとの連結はプーリ・ベルトを用いるものの他、チェーン・スプロケット、ギヤによる連結などが考えられる。もちろんその他の連結方法であってもよい。

本発明によれば、モータによってエンジンを始動する場合には、モータ回転軸の回転速度が遊星歯車装置からなる変速機構により変速されて、その回転により生じるトルクがエンジン駆動軸に伝達されるため、モータから十分なトルクを取り出すことができ、モータ自体を小型にすることができる。そして、エンジンの停止時にモータによって補機を駆動する場合は、遊星歯車装置からなる変速機構の作動により、エンジン駆動軸にはモータ回転軸の回転により生じるトルクが伝達されないようになっており、補機のみをモータで駆動するようにしてエンジンは駆動しないから、少電力で補機を駆動することができる。また、モータをいわゆるモータ・ジェネレータとすることによって発電機としても利用可能である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明の第１の実施形態を示す車両駆動装置のシステム構成図である。

図１において、１は車両に搭載されるエンジンであり、２はオートマチックトランスミッション（Ａ／Ｔと記す）、３はモータおよび発電機として機能するモータ・ジェネレータ（以下Ｍ／Ｇと記す）であって、エンジン１のクランク軸にプーリ２３、ベルト８、プーリ２２を介して連結されている。プーリ２３とエンジンクランク軸の間にはトルクの伝達・非伝達が可能な電磁クラッチ２６が設けられている。またさらに、Ｍ／Ｇ３はＡ／Ｔ２用のオイルポンプ１９と電磁クラッチ２７を介して連結されている。なお、２４はオイルポンプ１９のオイル入口配管、２５はオイルポンプ１９のオイル出口配管である。１１、１６は補機類で、例えばそれぞれパワーステアリング用のポンプ、エアコン用のコンプレッサであり、エンジン１のクランク軸およびＭ／Ｇ３とはプーリ９、１４とベルト８によって連結されている。なお、図１には図示していないが、補機類としては前記の他にエンジンオイルポンプ、エンジンウォータポンプ等も連結されている。４はＭ／Ｇ３に電気的に接続されるインバータである。インバータ４はスイッチングにより電力源であるバッテリー５からＭ／Ｇ３への電気エネルギーの供給を可変にしてＭ／Ｇ３の回転数を可変にする。また、Ｍ／Ｇ３からバッテリー５への電気エネルギーの充電をおこなうように切替える。７は電磁クラッチ２６、２７の断続の制御、およびインバータ４のスイッチング制御をおこなうためのコントローラである。コントローラヘは入力信号としてＭ／Ｇ３の回転数、エコランモードのスイッチ信号、エアコン作動のスイッチ信号が入力される。図１中の矢印線は各信号線を示している。

Ｍ／Ｇ３とプーリ２３の間には、減速機構３３、３４、３５とブレーキ３１、クラッチ３２が設けられている。なお、３３はサンギヤ、３４はキャリア、３５はリングギヤである。Ｍ／Ｇ３がエンジン１をクランキング（駆動）する際には、ブレーキ３１をＯＮにし、クラッチ３２をＯＦＦすることで、Ｍ／Ｇ３の回転はサンギヤ３３からキャリア３４の間で回転速度が減速されて、その回転によるトルクがサンギヤ３３からキャリア３４へ伝達される。これによりＭ／Ｇ３とインバータ４の体格を小さくしてもエンジン１をクランキングするのに必要な駆動力は確保できる。

次に、エンジン１の停止時にＭ／Ｇ３を使って補機類であるパワーステアリング用ポンプ１１、エアコン用コンプレッサ１６を駆動する際は、ブレーキ３１をＯＦＦにし、クラッチ３２をＯＮにする。この時、電磁クラッチ２７はＯＮ状態、電磁クラッチ２６はＯＦＦ状態にしておく。こうすればＭ／Ｇ３とプーリ２３は直結状態となり、補機類１１、１６を駆動するのに必要な回転数を確保することができる。

エンジン１が運転されている際に、Ｍ／Ｇ３を発電機として使用したり、補機類１１、１６を駆動するにはブレーキ３１をＯＦＦにし、クラッチ３２をＯＮにする。この時、電磁クラッチ２７はＯＦＦ状態とし、電磁クラッチ２６はＯＮ状態としておく。こうするとＭ／Ｇ３とプーリ２３が直結状態となり、エンジン１の回転数が高回転域になってもＭ／Ｇ３や他の補機類が許容回転数を超えるのを防止することができる。

図２は本発明の第２の実施形態を示す説明図である。図１の第１の実施形態と異なるのは、プーリ２９をプーリ２３と同軸に配置し、電磁クラッチ２６に換えて、プーリ２３とプーリ２９との間に、エンジン１とＭ／Ｇ３とのトルクの伝達を断続する電磁クラッチ２８を設け、ベルト３０をエンジン１側のプーリ２２とプーリ２９に掛け渡した点である。

エコランモードでエンジン停止中の補機類の駆動に関しては第１の実施形態と同じである。このように、Ｍ／Ｇ３側に電磁クラッチ２８を設けた方が第１の実施形態に比べ、電磁クラッチ２８自体の体格、重量、コストを抑えることが可能である。また、トルクの伝達容量も小さくて済む。

図３、図４、図５は本発明の第３の実施の形態についての説明図である。図３は第３実施形態のシステム構成を示しており、図４はモータ・ジェネレータ３および減速機１５の詳細断面図を示している。図５は減速機１５を軸方向から見たときの要部断面図である。

図３において、１はエンジン、２はオートマチックトランスミッション、３はモータおよび発電機として作用するモータ・ジェネレータである。エンジン１の駆動軸であるクランク軸１７とＭ／Ｇ３の回転軸は互いに離間して平行に配置されている。Ｍ／Ｇ３とクランク軸１７との間には減速機１５が介在し、Ｍ／Ｇ３の回転軸の回転速度が減速されて、その回転によるトルクがクランク軸１７に伝達可能となっている。１２はクランク軸１７に連結固定されたクランク側スプロケットであり、１３は後述する減速機１５の回転要素に連結固定されるＭ／Ｇ側スプロケットである。クランク側スプロケット１２とＭ／Ｇ側スプロケット１３にはチェーン１８が掛け渡されている。

図３中１１、１６はそれぞれ補機であるパワステポンプ、エアコンコンプレッサ、１０はＭ／Ｇ３の回転軸に直結されたプーリであり、それぞれのプーリ９、１０、１４にはベルト８が掛け渡されている。これらプーリ９、１０、１４およびベルト８が、Ｍ／Ｇ３の回転軸のトルクを補機１１、１６に伝達するための動力伝達手段に該当する。なお、図３では先程のＭ／Ｇ側スプロケット１３とプーリ１０とがＭ／Ｇ回転軸に同軸で一体的に連結されているように見えるが、後述するようにＭ／Ｇ側スプロケット１３と、プーリ１０は必ず同速回転するとは限らず、トルクの伝達としては独立となっている。

４はＭ／Ｇ３に電気的に接続されたインバータであって、スイッチングにより電力源であるバッテリー５からＭ／Ｇ３への電気エネルギーの供給を可変にしてＭ／Ｇ３の回転数を可変にする。また、Ｍ／Ｇ３からバッテリー５への電気エネルギーの充電をおこなうように切替える。

また、Ｍ／Ｇ３は、Ａ／Ｔ２用のオイルポンプ１９と電磁クラッチ２７を介して連結されている。なお、２４はオイルポンプ１９のオイル入口配管、２５はオイルポンプ１９のオイル出口配管である。これは、例えばエコランモードでエンジン停止時に電磁クラッチ２７をＯＮにしてＭ／Ｇ３でオイルポンプ１９を駆動可能状態とし、エンジン再始動時に車両が速やかに発進できるようにＡ／Ｔ２内の発進クラッチ（図示略）が直ちに係合できるようにするためのものである。

図３中、７はインバータ４に対してスイッチングの制御信号を出力したり、電磁クラッチ２７にＯＮ−ＯＦＦの制御信号を出力したり、あるいは後述する減速機１５の電磁コイルにＯＮ−ＯＦＦの制御信号を出力したりするためのコントローラである。コントローラ７にはＭ／Ｇ３の回転数信号、エコランモードのスイッチ信号、エアコン作動のスイッチ信号の他、エンジン回転数などのエンジン状態信号、車速などの車両状態信号、シフトレバーが今どのレンジに入っているかなどのＡ／Ｔ２の状態信号が入力可能となっている。そして、これらの入力信号の情報に基づいて各制御機器である減速機１５、インバータ４、電磁クラッチ２７などに適宜の制御信号を出力するようになっている。コントローラ７は周知のＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、バス、インターフェイス、付属メモリなどを備える、いわゆるコンピュータシステムを採用することができる。

次に、Ｍ／Ｇ３および減速機１５の詳細構造について図４に基づいて説明する。Ｍ／Ｇ３はケーシング３６がエンジン１のシリンダブロック３７のフランジ３８にＭ／Ｇ３の回転軸３９がクランク軸に平行になるようにボルト４０によって固定されている。ケーシング３６内にはステータ４１が配置され、ステータ４１に対向してロータ４２が設けられ、回転軸３９はロータ４２に一体的に設けられてロータ４２と共に一体回転する。４３は回転軸３９を回転自在に支持するためのラジアルベアリングである。

回転軸３９には遊星歯車装置４４のサンギヤ４５が一体に形成されており、その外周には３つのピニオンギヤ４６が１２０°の等間隔で配置されサンギヤ４５に噛合している。３つのピニオンギヤ４６は、それらピニオンギヤ相対位置は不変とされて、所定の条件の下でサンギヤ４５の周りを公転可能かつ自転可能となっている。さらにピニオンギヤ４６の外周にはリングギヤ４７の内周がピニオンギヤ４６に噛合うように回転可能に配置されている。リングギヤ４７の外周にはリングギヤ４７と相対回転不能にスプライン嵌合されたプレート４８が設けられ、そのプレート４８に対向するように電磁クラッチ４９が設けられている。電磁クラッチ４９は内部にコイル５０を有し、コイル５０の通電によってプレート４８を電磁力で吸着することによってリングギヤ４７の回転を禁止する。また、回転軸３９のサンギヤ４５よりロータ４２側とリングギヤ４７との間にはワンウエイクラッチ５１が設けられ、このワンウエイクラッチ５１によって、リングギヤ４７が回転を許可されている状態で、リングギヤ４７から回転軸３９へのトルクの伝達を可能とし、その逆の回転軸３９からリングギヤ４７へのトルクの伝達を不可とされる。つまり、リングギヤ４７が回転を許可されている状態で回転軸３９の回転速度がリングギヤ４７の回転速度を超えないようになっている。

ケーシング３６内は仕切部５２によって２つの領域に分割されており、一方の空間には前記ステー夕４１、ロータ４２が収容され、他方の空間には前記遊星歯車装置４４、ワンウエイクラッチ５１、電磁クラッチ４９、プレート４８が収容されている。電磁クラッチ４９のコイル５０は仕切部５２に固定され、コイル５０への通電信号は前記コントローラ７より送信される。なお、図４中５３はシール部材である。

前記遊星歯車装置４４のピニオンギヤ４６にはニードルベアリング５４を介してキャリア５５がそれぞれに挿通され、それぞれのキャリア５５はピニオンギヤ４６内で回転自在となっている。そして、それぞれのキャリア５５は中空の回転部材５６に連結され、中空回転部材５６と一体的にサンギヤ４５の周りを公転可能で、かつそれらの相対位置が変わることはない。中空回転部材５６は回転軸３９の軸方向（図中左方向）に延設され、その外周にスプラインを形成してＭ／Ｇ側スプロケット１３に嵌合されている。Ｍ／Ｇ側スプロケット１３はエンジン１のクランク側スプロケット１２にチェーン１８を介して連結され、これによってクランク軸１７とＭ／Ｇ３の回転軸３９との間のトルクの伝達が可能となっている。

回転軸３９は前記中空回転部材５６の中を貫通して外部まで突出しており、その先端には補機駆動用のプーリ１０がスプライン嵌合によって一体回転可能となっている。チェーン１８はケース５７とケース５８とによって形成される空間５９に収容され、その収容空間５９内には潤滑油が供給され、その潤滑油は遊星歯車装置４４が収容される空間にも供給されている。図４中６０は中空回転部材５６を回転自在に支持するラジアルベアリング、６１はシール部材、６２は各ケースを一体的に結合するためのボルトである。図５には遊星歯車装置４４を回転軸３９の軸方向から見たときの概略断面図が書かれており、サンギヤ４５、ピニオンギヤ４６、リングギヤ４７、キャリア５５の相対位置関係がよく理解される。

つづいて、第３の実施形態の作用を説明する。まず、エコランスイッチのＯＮ信号が入力されエコランモードに入っていると、車両が停止したらエンジン１への燃料供給が停止されエンジンは停止する。このとき電磁クラッチ２７へはＯＮ信号がコントローラから出力され、電磁クラッチ２７はＯＮ状態である。エンジン１が停止していても補機であるパワステポンプ１１やエアコンコンプレッサ１６は動作させたいので、Ｍ／Ｇ３にバッテリー５の電気エネルギーを供給してＭ／Ｇ３を回転させる。Ｍ／Ｇ３の回転制御はコントローラ７、インバータ４によって行われる。またこのとき、コントローラ７は減速機１５内の電磁クラッチ４９にＯＦＦ信号を出力しており、これによって遊星歯車装置４４のリングギヤ４７は回転が許容されている。

図４に示すようにＭ／Ｇ３の回転軸３９が回転すると、もちろんプーリ１０は回転軸３９と一体に回転する。また、ワンウエイクラッチ５１によって回転軸３９のトルクはリングギヤ４７には伝達されない。そして、リングギヤ４７が回転を許容されている状態ではキャリア５５がエンジン１の摺動抵抗により停止しているため、サンギヤ４５が回転してもピニオンギヤ４６はその位置で自転するのみでサンギヤ４５の周りを公転しない。（リングギヤ４７はピニオンギヤ４６の回転に伴って回転する。）これによりＭ／Ｇ３によって補機のみが駆動され、エンジン１を駆動しない分、従来に比べ少電力で補機が駆動できる。

次に、エコランモードでエンジン１の再始動時においては、コントローラ７は減速機１５の電磁クラッチ４９にＯＮ信号を出力しリングギヤ４７を回転不能にしておく。この状態でＭ／Ｇ３の回転軸３９を回転させるとサンギヤ４５のトルクはピニオンギヤ４６に伝達され、リングギヤ４７がロックされているのでピニオンギヤ４６は自転しながらサンギヤ４５の周りを公転する。よってピニオンギヤ４６内のキャリア５５もサンギヤ４５の周りを公転し、中空回転部材５６、Ｍ／Ｇ３側スプロケット１３は回転軸３９と同軸で回転する。このときのＭ／Ｇ３側スプロケット１３の回転速度はサンギヤ４５、ピニオンギヤ４６の歯数によって決まる減速比で回転軸３９の回転速度が減速されたものとなる。よってＭ／Ｇ３からエンジン１へ始動に十分なトルクが伝達され、エンジンが再始動される。これはＭ／Ｇ３を小型にできるという効果につながる。なお、回転軸３９が回転するので同時に補機もＭ／Ｇ３によって駆動される。

Ｍ／Ｇ３による発電時においては、クランク軸１７のトルクがＭ／Ｇ側スプロケットに伝達され、キャリア５５が回転させられる。このときリングギヤ４７は回転可能状態となっており、キャリア５５の回転によってリングギヤ４７が回転させられ、ワンウエイクラッチ５１によってリングギヤ４７のトルクが回転軸３９に伝達される。キャリア５５、リングギヤ４７は一体でサンギヤ４５の周りを回転するため、クランク軸１７のトルクはスプロケット１３と回転軸３９に等回転速度で伝達される。このとき、回転軸３９が回転させられるので、補機が駆動されると共にＭ／Ｇ３による発電作業がなされる。

この第３の実施形態では、第１の実施形態１および第２の実施形態に比べ、クラッチ２６や２８に相当する部分を減速機１５内部に有しているから、そのクラッチ２６、２８の分全体の体積を小さくすることができる。

従来技術および、第１の実施形態ないし第３の実施形態においては、エンジン１停止時にＭ／Ｇ３によってエアコンの駆動を行うようにすれば、車両停止中のエンジンアイドル状態（燃費が悪い領域での回転）でエンジン１によってエアコンコンプレッサを回転させなくてもよく、エコラン時、エンジンが停止しているときＭ／Ｇ３でエアコンコンプレッサを回転させ、バッテリー５から持ち出された電気エネルギーをエンジン１が動作して燃費の良いエンジン回転領域でＭ／Ｇ３を発電機として機能させて回収することで車両の燃費をより向上させることができる。

さらに、第１の実施形態１ないし第３の実施形態は、従来技術に対してエンジン１の停止時にＭ／Ｇ３でエンジン１を駆動しないから、その分バッテリー５の消費電力が少なくて済むという利点がある。

本発明の第１の実施形態を示す車両駆動装置のシステム構成図である。 本発明の第２の実施形態を示す車両駆動装置のシステム構成図である。 本発明の第３の実施形態を示す車両駆動装置のシステム構成図である。 本発明の第３の実施形態のモータ／ジェネレータと減速機の詳細な構成を示す説明図である。 本発明の第３の実施形態の遊星歯車装置を示す概略図である。

符号の説明

１…エンジン、 ２…オートマチックトランスミッション（Ａ／Ｔ）、 ３…モータ・ジェネレータ（Ｍ／Ｇ）、 ４…インバータ、 ５…バッテリー、 ７…コントローラ、 １５…減速機、 ２６、２７、２８…電磁クラッチ、 ３１…ブレーキ、 ３２…クラッチ、 ３３、４５…サンギヤ、 ３４、５５…キャリア、 ３５、４７…リングギヤ、 ３９…回転軸、 ４４…遊星歯車装置、 ４６…ピニオンギヤ、 ５１…ワンウエイクラッチ。

Claims (4)

1. エンジンと、エンジン駆動軸に連結されるモータとを備えた車両駆動装置において、
   前記モータの回転軸と前記エンジンの駆動軸との間に、前記モータに連結されたサンギヤと、選択的に固定されるリングギヤと、これらサンギヤとリングギヤとに噛み合っているピニオンギヤを回転自在に保持しかつ前記エンジンに連結されたキャリアとを備えている遊星歯車装置からなり、かつ前記リングギヤを回転許容状態と回転不能状態とに切り換える手段を有する変速機構が設けられ、
   前記モータの回転軸に補機が機械的に連結され、
   エンジン停止状態で前記モータによって補機を駆動する場合に、前記モータの回転軸と前記エンジンの駆動軸との間のトルクの伝達を前記変速機構のリングギヤを回転許容状態に切り換えることによって遮断するようにしたことを特徴とする車両駆動装置。
2. 前記モータは電気エネルギー源の電気エネルギーにより作動する回転機能と、エンジンの機械エネルギーにより作動する発電機能を備えたモータ・ジェネレータである請求項１に記載の車両駆動装置。
3. 前記リングギヤとモータ回転軸との間に一方向クラッチが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の車両駆動装置。
4. 前記一方向クラッチは、前記リングギヤから前記モータ回転軸への方向にのみトルクの伝達を可能としていることを特徴とする請求項３に記載の車両駆動装置。

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