JP4103866B2 - ハイブリッド変速機 - Google Patents

Description

本発明は、２個のモータ／ジェネレータの制御により無段変速が可能なハイブリッド変速機に関し、特に、エンジンクラッチの解放でエンジンが切り離され、且つ、両モータ／ジェネレータの制御が停止された状態での減速時において、モータ／ジェネレータが過回転を生ずることのないよう構成したハイブリッド変速機に関するものである。

ハイブリッド変速機は、エンジンと、出力軸と、モータ／ジェネレータとの間を差動装置により相互に連結して構成され、車両を、モータ／ジェネレータからの動力のみにより電気走行させたり、エンジン動力および上記モータ／ジェネレータからの動力によりハイブリッド走行させることができ、何れの走行形態においてもモータ/ジェネレータの制御により無段変速を行わせることができる。

かようにモータ/ジェネレータの制御により変速比を作り出すハイブリッド変速機の変速制御装置にあっては従来、例えば特許文献１に記載のように、ハイブリッド走行中エンジン回転数が例えば最適燃費を実現する値に保たれるようハイブリッド変速機を変速制御するのが一般的である。
また減速に際しては、要求駆動力や車速といった走行状態に応じて目標変速比を決定し、実変速比がこれに追従するようハイブリッド変速機を変速制御しながら減速を行わせる。
特開２００３−０３４１５４号公報

ところでハイブリッド変速機は、前記差動装置を構成する回転要素のうち、エンジンに係わる回転要素とエンジンとを常時結合したままであると、電気走行中において、エンジンを用いないにもかかわらず、エンジンを引きずって走行することになるため、エネルギー損失が大きくなる。
そこで、エンジンに係わる回転要素とエンジンとの間にエンジンクラッチを介在させ、これらの間を適宜切り離し得るようになすのが一般的である。

一方で、急減速などのため上記モータ／ジェネレータの制御を停止させた状態で減速を行う必要が生じた場合、エンジンクラッチを締結させたままだと、ハイブリッド変速機を表す共線図上でのレバーのバランスによりモータ／ジェネレータの回転数が決まることから、そしてこの時、共線図上のレバーがイナーシャの大きなエンジン軸を中心として回動することから、モータ／ジェネレータの回転数が極めて高くなり、モータ／ジェネレータが過回転して耐久性を損なわれたり、運転者に違和感を与えるという問題がある。

そのため、モータ／ジェネレータの制御を停止させた状態で減速を行う場合は、エンジンクラッチを解放させてエンジンをハイブリッド変速機から切り離すことになる。
しかし、かようにモータ／ジェネレータの制御を停止させると共にエンジンクラッチを解放させた状態で減速を行うと、今度は、ハイブリッド変速機を表す共線図上のレバーが、制動操作に依らない自然減速時はイナーシャの最も大きな出力軸を中心として回動し、制動操作に依る制動減速時は、モータ／ジェネレータのうちイナーシャの大きい方のモータ／ジェネレータを中心として回動し、この場合もモータ／ジェネレータの過回転に関する問題を生ずる。

かといって、上記の減速時にモータ／ジェネレータが過回転しないようハイブリッド変速機の変速比を固定しようとすると、これによる回転数維持で出力回転数の低下、つまり減速度が、制動操作により期待した通りに得られず、減速不足を運転者が感じるようになって、運転性の低下を招く。
ちなみに、この時エンジンクラッチを締結したままだと、エンジン回転数を維持するために、ハイ側への変速が行われる可能性があり、この変速によっても運転者が減速不足を感じるようになる。

本発明は、上記の実情に鑑み、変速比を固定するなどの制御による対策に代え、エンジンクラッチを解放すると共に両モータ／ジェネレータの制御を停止した状態での減速でも、モータ／ジェネレータが過回転することのないようなハイブリッド変速機の構成として、モータ／ジェネレータの過回転に関する前記の問題を解消することを目的とする。

この目的のため、本発明によるハイブリッド変速機は、請求項１に記載した以下のごときものとする。
先ず前提となるハイブリッド変速機は、エンジンと、出力軸と、２個のモータ／ジェネレータとの間を差動装置により相互に連結して該モータ／ジェネレータの制御により変速可能に構成され、上記差動装置を構成する回転要素のうち、エンジンに係わる回転要素、およびエンジン間にエンジンクラッチを介在させたものである。

本発明においては、かかるハイブリッド変速機に対し以下の構成を付加する。
つまり、上記エンジンクラッチを解放すると共に上記両モータ／ジェネレータの制御を停止した状態での減速時に、これらモータ／ジェネレータの回転数が許容回転数を越えることのないよう、これらモータ／ジェネレータの制御停止状態でのフリクショントルクを定めて両モータ／ジェネレータを構成した点に特徴づけられる。

かかる本発明のハイブリッド変速機によれば、両モータ／ジェネレータを、これらモータ／ジェネレータの制御停止状態でのフリクショントルクが上記のものとなるよう構成したため、
上記の減速時でも、モータ／ジェネレータの回転数が許容回転数を越えることがなくなり、モータ／ジェネレータの過回転を防止してその耐久性が損なわれたり、運転者に違和感を与えるという問題を回避することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面に示す実施例に基づき詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施例になるハイブリッド変速機１を搭載する車両の駆動系を示す。
車両の駆動系は、ハイブリッド変速機１と、その入力側におけるエンジン２と、これら両者間に介在させたエンジンクラッチE/Cと、ハイブリッド変速機１の出力側におけるディファレンシャルギヤ装置３と、ハイブリッド変速機１からの出力をディファレンシャルギヤ装置３により分配されて伝達される左右駆動輪４Ｌ,４Ｒとで構成する。

ハイブリッド変速機１は、フロントエンジン・フロントホイール駆動車（FF車）用のトランスアクスルとして用いるのに有用な、図１に示すごとき以下の構成となし、ディファレンシャルギヤ装置３を内包するものとする。
ハイブリッド変速機１を図１に基づき詳述するに、これは、軸線方向（図の左右方向）に２個の単純遊星歯車組２１，２２を同軸に配して具える。
エンジン２に近い側における遊星歯車組２１を、リングギヤＲ１、サンギヤＳ１、および、これらギヤに噛合させたピニオンＰ１により構成し、
エンジン２から遠い側における遊星歯車組２２を、リングギヤＲ２、サンギヤＳ２、および、これらギヤに噛合させたピニオンＰ２により構成する。

ここで遊星歯車組２１のピニオンＰ１は、遊星歯車組２２まで延在する小径のロングピニオンとし、遊星歯車組２２のピニオンＰ２を大径のショートピニオンとし、小径のロングＰ１を大径のショートピニオンＰ２にも噛合させ、
これらピニオンＰ１，Ｐ２を共通なキャリアＣに回転自在に支持して、遊星歯車組２１，２２がラビニョオ型プラネタリギヤセットを構成するようになす。
このラビニョオ型プラネタリギヤセットが本発明における差動装置に相当する。

このラビニョオ型プラネタリギヤセットを挟んでエンジン２から遠い側に複合電流２層モータ２３を設け、これを、上記のラビニョオ型プラネタリギヤセットと共に変速機ケース２４内に収納する。
複合電流２層モータ２３は、内側ロータ23riと、これを包囲する環状の外側ロータ23roとを、変速機ケース２４内に同軸に回転自在に支持して具え、これら内側ロータ23riおよび外側ロータ23ro間における環状空間に同軸に配置した環状ステ-タ23ｓを変速機ケース１に固設して構成する。

複合電流２層モータ２３は、外側ロータ23roおよび環状ステ-タ23ｓで第１のモータ／ジェネレータMG1を構成し、環状ステ-タ23ｓおよび内側ロータ23riで第２のモータ／ジェネレータMG2を構成する。
第１のモータ／ジェネレータMG1（外側ロータ23ro）を、上記ラビニョオ型プラネタリギヤセットにおけるサンギヤＳ１に結合し、第２のモータ／ジェネレータMG2（内側ロータ23ri）を、上記ラビニョオ型プラネタリギヤセットにおけるサンギヤＳ２に結合する。

また、上記ラビニョオ型プラネタリギヤセットにおけるリングギヤＲ２を、ローブレーキL/Ｂにより適宜固定可能とし、サンギヤＳ２を、オーバードライブブレーキOD/Bにより適宜固定可能とする。
そしてリングギヤＲ１は入力要素とし、エンジンクラッチE/Cを介してエンジン２に結合可能とする。
更にキャリアＣは出力要素とし、これに出力歯車２５を同軸一体に結合して出力軸となし、出力歯車２５にカウンターギヤ２６を噛合させる。
カウンターギヤ２６はカウンターシャフト２７に結合して設け、このカウンターシャフト２７には更にファイナルドライブピニオン２８を結合して設ける。
そしてファイナルドライブピニオン２８を、ディファレンシャルギヤ装置３に結合されたファイナルドライブリングギヤ２９に噛合させる。

図１につき上述したハイブリッド変速機１は図２の共線図により表され、この共線図においてInは、エンジン２からの入力を示し、またOutは、車輪４Ｌ，４Ｒへの出力を示し、α，β，γはそれぞれ、遊星歯車組２１，２２の歯数比で決まる回転要素間の距離の比を意味する。
図２にレバーLBで示すように、ローブレーキL/Ｂを締結させてリングギヤＲ２を回転数０に固定した変速（LB）モードでは、共線図上のレバーLBがＡを支点として回動するため変速比固定モードとなり、そのレバー比でエンジン２（入力In）からのトルクおよびモータ／ジェネレータMG1,MG2からのトルクがそれぞれ増大されて出力Outに至るため、ローブレーキL/Ｂを解放している場合よりも大きな駆動力を車輪４Ｌ，４Ｒに向かわせることができる。
従って、この変速比固定のLBモードは大きな駆動力が要求される車両の発進時に用いる。

車輪４Ｌ，４Ｒに大きな駆動力が必要でなくなった中速走行時は、図２にレバーを示さなかったが、ローブレーキL/Ｂを解放させてリングギヤＲ２を自由に回転し得るようにする。
この時、オーバードライブブレーキOD/Ｂの解放と相まって、モータ／ジェネレータMG1,MG2の制御により無段変速が可能である。
なお、ローブレーキL/Ｂを締結させた変速比固定モードから当該無段変速モードへの切り替えに当たっては、モータ／ジェネレータMG1,MG2の適切な出力トルク制御により当該モード切り替え時における出力トルク変化を滑らかなものにし、モード切り替えショックを緩和することができる。

ちなみに、かかる無段変速モードにおいて、モータ／ジェネレータMG1,MG2およびエンジン２の回転速度限界により決まる高速側限界の変速状態は、図２にレバーMAXで示すごときものとなる。
ところで無段変速モードにおいては、第１モータ／ジェネレータMG1が後進回転している場合、この第１モータ／ジェネレータMG1で発電して得られた電力で第２モータ／ジェネレータMG2を駆動し、第１モータ／ジェネレータMG1が前進回転している場合、第２モータ／ジェネレータMG2で発電して得られた電力で第１モータ／ジェネレータMG1を駆動というように、電力収支が釣り合ってバッテリ持ち出し電力の少ない、若しくは０の状態での走行が可能である。
また必要であれば、発電中のモータ／ジェネレータを駆動出力が増大するよう制御したり、両モータ／ジェネレータMG1,MG2を共に駆動状態となるよう制御することにより、エンジン出力以上の大きなパワーで車両を走行させることもできる。

無段変速モードにおいては更に、モータ／ジェネレータMG1またはMG2の回転数が０となる時の入出力回転数比（変速比）が２種類存在し、これら変速比のもとでは電気的な動力を伝達することなく車両を走行させ得る。
またこれら変速比のもとでは、機械的な伝動効率よりも効率の低い電気的な伝動の割合を低いことから、ハイブリッド変速機の伝動効率を高めることができる。

車輪４Ｌ，４Ｒを更に高速回転で駆動することが要求される高速走行時は、図２にレバーODで示すように、オーバードライブブレーキOD/Ｂを締結させてサンギヤＳ１を回転数０に固定する。
このとき共線図上のレバーODがＢを支点として回動するため、この場合も変速比固定モードとなるが、ここではそのレバー比でエンジン２（入力In）の回転が増速されて出力Outに至るため、オーバードライブブレーキOD/Ｂを解放している場合よりも高速回転を車輪４Ｌ，４Ｒに向かわせることができる。
従って、この変速比固定のODモードは出力Outの高速回転が要求される車両の高速走行時に用いる。

上記はいずれも、エンジン動力とモータ／ジェネレータ動力との双方を用いたハイブリッド走行時の変速状態であるが、モータ／ジェネレータMG1,MG2のみにより車両を電気（EV）走行させるには、図２にレバーEVで示すごとく、エンジンに結合したリングギヤＲ１の回転数が０に保たれるようにしつつモータ／ジェネレータMG1を逆回転駆動させると共にモータ／ジェネレータMG2を正回転駆動させることで、モータ／ジェネレータMG1,MG2のみを動力源として出力Outから正回転を取り出すようになす。
そして電気走行中の変速制御に当たっては、モータ／ジェネレータMG1の逆回転速度およびモータ／ジェネレータMG2の正回転速度を制御することにより要求される変速を遂行することができる。
なお電気走行中に上記のごとく、エンジンに結合したリングギヤＲ１の回転数を０に保つ場合、エンジンクラッチE/Cの解放は必ずしも必要ではないが、本実施例では電気走行中にエンジンクラッチE/Cを解放するものとする。

車両を後退走行させるに際しては、図２にレバーREVで示すように、エンジンに結合したリングギヤＲ１の回転数が０に保たれるようにしつつモータ／ジェネレータMG1を正回転駆動させると共にモータ／ジェネレータMG2を逆回転駆動させることで、モータ／ジェネレータMG1,MG2のみを動力源として出力Outから逆回転を取り出すようになす。

上記のようなハイブリッド変速機１においては、急減速などのためモータ／ジェネレータMG1,MG2の上記制御を停止させた状態で車両の減速を行う必要が生じた場合、エンジンクラッチE/Cを締結させたままだと、図２に示す共線図上でのレバーのバランスによりモータ／ジェネレータMG1,MG2の回転数が決まることから、そしてこの時、共線図上においてレバーが、イナーシャの大きなエンジンからの入力Inを中心として回動することから、モータ／ジェネレータMG1,MG2が高くなり、モータ／ジェネレータが過回転して耐久性を損なわれたり、運転者に違和感を与えるという問題がある。

そのため、モータ／ジェネレータMG1,MG2の制御を停止させた状態で減速を行う場合は、エンジンクラッチE/Cを解放させてエンジン２をハイブリッド変速機１から切り離すことになる。
しかし、かようにモータ／ジェネレータMG1,MG2の制御を停止させると共にエンジンクラッチE/Cを解放させた状態で減速を行うと、今度は、図２に示す共線図上においてレバーが、制動操作に依らない自然減速時は図３に矢印で示すように、イナーシャの最も大きな車輪駆動系への出力Outを中心として回動し、制動操作に依る制動減速時は図４に矢印で示すように、モータ／ジェネレータMG1,MG2のうちイナーシャの大きい方のモータ／ジェネレータ（本実施例では、MG2とする）を中心として回動し、この場合もモータ／ジェネレータMG1,MG2の過回転に関する問題を生ずる。

かといって、上記の減速時にモータ／ジェネレータMG1,MG2が過回転しないようハイブリッド変速機の変速比を固定しようとすると、これによる回転数維持で出力回転数の低下、つまり減速度が、制動操作により期待した通りに得られず、減速不足を運転者が感じるようになって、運転性の低下を招く。
ちなみに、この時エンジンクラッチE/Cを締結したままだと、エンジン回転数を維持するために、ハイ側への変速が行われる可能性があり、この変速によっても運転者が減速不足を感じるようになる。

そこで本実施例においては、上記のような、変速比を固定するなどの制御による対策に代え、エンジンクラッチE/Cを解放すると共に両モータ／ジェネレータMG1,MG2の制御を停止した状態での減速でも、モータ／ジェネレータMG1,MG2が過回転することのないようハイブリッド変速機１を以下の構成とする。

先ず、エンジンクラッチE/Cを解放すると共に両モータ／ジェネレータMG1,MG2の制御を停止した状態での減速が、制動操作に依らない自然減速である場合を考察する。
この場合は、共線図上のレバーが図３に示すように、イナーシャの最も大きな車輪駆動系への出力OutにおけるＤ点を中心として、共線図上のフリクショントルクバランスの関係で例えば破線図示の状態から矢印で示す方向へ実線図示の状態へと回動し、モータ／ジェネレータMG1がX1で示すように回転数を低下され、モータ／ジェネレータMG2がX2で示すように回転数を上昇されることから、モータ／ジェネレータMG2の回転数がモータ／ジェネレータMG1の回転数よりも高い状態でトルクバランスする。

このため、かかる自然減速時はモータ／ジェネレータMG1,MG2のうち、回転数が上昇する方のモータ／ジェネレータMG2の回転数が、図３のＥ点における許容回転数を超えることのない変速比となるよう、つまり、共線図上のレバーが図３に実線で示す状態となるよりも前にトルクバランスして回動を停止するよう、モータ／ジェネレータMG1,MG2の制御停止状態でのフリクショントルクを定めて両モータ／ジェネレータを構成する。

ここで、図３のＤ点周りにおけるレバーのトルクバランスを考察するに、モータ／ジェネレータMG1,MG2の発生トルクをそれぞれT1,T2とすると、
（α＋1）T1＝β・T2
が成立し、
また、モータ／ジェネレータMG1,MG2の制御停止状態でのフリクショントルクをそれぞれT1r,T2rとすると、
（α＋1）T1r＝β・T2r
が成立し、
更に、モータ／ジェネレータMG1,MG2のフリクショントルク調整量をそれぞれTft1,Tft2とすると、
（α＋1）(T1r＋Tft1)＝β・(T2r＋Tft2)
が成立する。

よって、モータ／ジェネレータMG1,MG2のフリクショントルク調整量Tft1,Tft2を、上記の狙いが達成されるよう決定することで、所期の目的を達成することができる。
なおモータ／ジェネレータMG1,MG2のフリクショントルク調整量Tft1,Tft2を実現するには、モータ／ジェネレータMG1,MG2内における軸受などの回転部分の動摩擦係数を材質変更や構造変更などにより調整したり、コギングトルクを変更するなど、様々な手法を用いることができる。

次いで、エンジンクラッチE/Cを解放すると共に両モータ／ジェネレータMG1,MG2の制御を停止した状態での減速が、制動操作に依る制動減速である場合を考察する。
この場合は、共線図上のレバーが図４に示すように、制動操作に依る出力Outの矢印Y2で示す回転数低下により、イナーシャの大きい方のモータ／ジェネレータMG2におけるＦ点を中心として、例えば破線図示の状態から矢印で示す方向へ実線図示の状態へと回動し、出力Outの０への回転数低下につれ共線図上のフリクショントルクバランスの関係でモータ／ジェネレータMG1がY1で示すように回転数を一旦０にされた後、後進回転数を上昇されることから、モータ／ジェネレータMG1の回転数がモータ／ジェネレータMG2の回転数よりも高い状態でトルクバランスする。

このため、かかる制動減速時は、制動操作に依り出力Outの回転数が０になった状態で、モータ／ジェネレータMG1,MG2のうち、イナーシャの小さい方のモータ／ジェネレータMG1の回転数が、図４のＧ点における許容回転数を超えることのない変速比となるよう、つまり、共線図上のレバーが図４に実線で示す状態となるよりも前にトルクバランスして回動を停止するよう、モータ／ジェネレータMG1,MG2の制御停止状態でのフリクショントルクを定めて両モータ／ジェネレータを構成する。

ここで、図４の出力Out周りにおけるレバーのトルクバランスを考察するに、モータ／ジェネレータMG1,MG2の発生トルクをそれぞれT1,T2とすると、
（α＋1）T1＝β・T2
が成立し、
また、モータ／ジェネレータMG1,MG2の制御停止状態でのフリクショントルクをそれぞれT1r,T2rとすると、
（α＋1）T1r＝β・T2r
が成立し、
更に、モータ／ジェネレータMG1,MG2のフリクショントルク調整量をそれぞれTft1,Tft2とすると、
（α＋1）(T1r＋Tft1)＝β・(T2r＋Tft2)
が成立する。

よって、モータ／ジェネレータMG1,MG2のフリクショントルク調整量Tft1,Tft2を、上記の狙いが達成されるよう決定することで、所期の目的を達成することができる。
なおモータ／ジェネレータMG1,MG2のフリクショントルク調整量Tft1,Tft2を実現するには、モータ／ジェネレータMG1,MG2内における軸受などの回転部分の動摩擦係数を材質変更や構造変更などにより調整したり、コギングトルクを変更するなど、様々な手法を用いることができる。

以上の構成とした本実施例になるハイブリッド変速機によれば、エンジンクラッチE/Cを解放すると共に両モータ／ジェネレータMG1,MG2の制御を停止した状態での減速時に、回転数が高くなる方のモータ／ジェネレータの回転数が許容回転数を超えることのない変速比となるよう、これらモータ／ジェネレータMG1,MG2の制御停止状態でのフリクショントルクを定めたから、
前記のような自然減速時や制動減速時でも、モータ／ジェネレータMG1,MG2の回転数が許容回転数を越えることがなくなり、モータ／ジェネレータの過回転を防止してその耐久性が損なわれたり、運転者に違和感を与えるという問題を回避することができる。

本発明の一実施例になるハイブリッド変速機を示す線図的な縦断側面図である。 図１に示すハイブリッド変速機の共線図である。 図１に示すハイブリッド変速機を搭載した車両を、制動操作なしに自然減速させる時における、ハイブリッド変速機の動作説明に用いた、図２と同様な共線図である。 図１に示すハイブリッド変速機を搭載した車両を、制動操作に依り制動減速させる時における、ハイブリッド変速機の動作説明に用いた、図２と同様な共線図である。

符号の説明

１ ハイブリッド変速機
２ エンジン
E/C エンジンクラッチ
３ ディファレンシャルギヤ装置
4L 左駆動輪
4R 右駆動輪
21 単純遊星歯車組（差動装置）
22 単純遊星歯車組（差動装置）
25 出力歯車
27 カウンターシャフト
MG1,MG2 モータ／ジェネレータ

Claims (4)

1. エンジンと、出力軸と、２個のモータ／ジェネレータとの間を差動装置により相互に連結して該モータ／ジェネレータの制御により変速可能に構成され、前記差動装置を構成する回転要素のうち、前記エンジンに係わる回転要素、およびエンジン間にエンジンクラッチを介在させたハイブリッド変速機において、
   前記エンジンクラッチを解放すると共に前記両モータ／ジェネレータの制御を停止した状態での減速時に、これらモータ／ジェネレータの回転数が許容回転数を越えることのないよう、これらモータ／ジェネレータの制御停止状態でのフリクショントルクを定めて両モータ／ジェネレータを構成したことを特徴とするハイブリッド変速機。
2. 請求項１に記載のハイブリッド変速機において、
   前記エンジンクラッチを解放すると共に前記両モータ／ジェネレータの制御を停止した状態での前記減速時に回転数が高くなる方のモータ／ジェネレータの回転数が許容回転数を超えることのない変速比となるよう、これらモータ／ジェネレータの制御停止状態でのフリクショントルクを定めて両モータ／ジェネレータを構成したことを特徴とするハイブリッド変速機。
3. 請求項２に記載のハイブリッド変速機において、
   前記エンジンクラッチを解放すると共に前記両モータ／ジェネレータの制御を停止した状態での前記減速が、制動操作に依らない自然減速である場合、回転数が上昇する方のモータ／ジェネレータの回転数が許容回転数を超えることのない変速比となるよう、これらモータ／ジェネレータの制御停止状態でのフリクショントルクを定めて両モータ／ジェネレータを構成したことを特徴とするハイブリッド変速機。
4. 請求項２または３に記載のハイブリッド変速機において、
   前記エンジンクラッチを解放すると共に前記両モータ／ジェネレータの制御を停止した状態での前記減速が、制動操作に依る制動減速である場合、イナーシャが小さい方のモータ／ジェネレータの回転数が許容回転数を超えることのない変速比となるよう、これらモータ／ジェネレータの制御停止状態でのフリクショントルクを定めて両モータ／ジェネレータを構成したことを特徴とするハイブリッド変速機。

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