JP4207908B2

JP4207908B2 - ハイブリッド駆動装置

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Publication number: JP4207908B2
Application number: JP2005073673A
Authority: JP
Inventors: 英明駒田; 正隆杉山; 隆史太田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-03-15
Filing date: 2005-03-15
Publication date: 2009-01-14
Anticipated expiration: 2025-03-15
Also published as: JP2006258140A

Description

この発明は、車両の走行のための動力源として複数種類の動力装置を備えているハイブリッド駆動装置に関し、特に内燃機関などの原動機とモータ・ジェネレータなどの電動動力源ならびに出力部材との間でのトルクの分配や合成あるいは伝達を、複数組の遊星歯車機構を介して行うように構成されたハイブリッド駆動装置に関するものである。

この種の駆動装置の一例が特許文献１に記載されている。この特許文献１に記載された駆動装置では、エンジンの出力トルクが、二組の遊星歯車機構を組み合わせて構成された歯車機構もしくはラビニョ型遊星歯車機構を介して第１モータ／発電機とシャフトならびにスリーブシャフトとに分配されるとともに、第１モータ／発電機によって生じた電力で駆動される第２モータ／発電機がスリーブシャフトに連結されている。さらにそのスリーブシャフトと第３の遊星歯車機構におけるサンギヤとが連結されるとともに、その第３の遊星歯車機構におけるキャリヤが出力部材に連結され、その出力部材と前記シャフトとの間にクラッチが設けられ、かつ第３遊星歯車機構のリングギヤを選択的に固定するブレーキが設けられている。

この特許文献１に記載された装置では、第１モータ／発電機の回転数を制御することによりエンジンの回転数を燃費が最適となる回転数に設定することができ、その際に第１モータ／発電機が発電をおこない、その電力で第２モータ／発電機を駆動することにより、装置全体としての出力軸トルクを必要十分なトルクとすることができる。また、第１モータ／発電機もしくは第２モータ／発電機の回転数がゼロとなるメカニカルポイントでは、エンジンの動力の一部を電力に変換して出力側に伝達することがないので、動力の伝達効率が良好になる。

また、この特許文献１に記載された装置によれば、ブレーキやクラッチの係合の組み合わせを切り換えることにより遊星歯車機構の係合状態が変更され、作動モードが切り換えられる。これらの作動モードは２種類用意され、車両の走行状態に合わせて切り換えることで動力伝達効率が最適となるように作動モードを設定することができる。
特開２０００−６２４８３号公報

上記の特許文献１に記載された装置では、低速用の作動モードと高速用の作動モードを設定できるから、低車速で大きい駆動力を必要とする場合に低速用作動モードを設定することにより、エンジン回転数の増大を抑制して必要とする駆動力を得ることができる。また、車速がある程度高くなった場合には、高速用の作動モードを設定することにより、エンジン回転数が高くなることを抑制することができる。

しかしながら、例えば、エンジン回転数が燃費の最適となる回転数から高回転数側に大きく外れるような高車速走行の場合、高速用の作動モードにおいて各モータ／発電機の回転数を制御することにより、エンジン回転数を相対的に低下させることができるが、特許文献１に記載された構成では、エンジンから出力軸に向けたトルクの伝達方向で出力側に連結されている第２モータ／発電機を発電機として機能させ、その電力を入力側に連結されている第１モータ／発電機に供給してこれをモータとして機能させることになる。そのため、高車速時にエンジン回転数の上昇を抑制しようとすると、エンジンの動力で発電を行い、その電力でモータを駆動してそのモータによる動力を、エンジンの出力した動力に加えることになる。

これは、電力を媒介とした動力の循環の状態であり、エネルギーの変換に伴う損失などの動力損失が増大し、結局は、動力の伝達効率が低く、燃費が悪化する可能性がある。また、動力循環に伴って、歯車に作用するトルクが増大するので、それに起因して動力の伝達効率が低下することに加えて、歯車機構の耐久性が低下し、あるいは歯車機構の強度を十分なものとするために歯車機構が大型化するなどの可能性があった。

この発明は上記の技術的課題に着目して成されたものであり、動力循環を回避もしくは抑制して燃費の向上を図ることのできるハイブリッド駆動装置を提供することを目的とするものである。

上記の目標を達成するために、請求項１の発明は、原動機と発電機能のある二つの電動機とを動力源として備え、前記原動機の出力したトルクと各電動機による駆動トルクもしくは反力トルクとを合成して出力部材から出力するハイブリッド駆動装置において、前記原動機の出力したトルクが入力される入力要素といずれかの前記電動機に連結された反力要素とこれら原動機および電動機によるトルクを合成して出力する出力要素とを有する第１の遊星歯車機構と、他の二組の遊星歯車機構と、これら三組の遊星歯車機構における回転要素を選択的に連結もしくは固定して複数の動力伝達形態を設定する複数の係合装置とを備え、前記複数の動力伝達形態は、前記第１の遊星歯車機構が前記原動機の出力したトルクと前記第１の電動機による駆動トルクもしくは反力トルクとを合成して出力するとともに、前記他の二組の遊星歯車機構の内のいずれか一方が減速機構として機能して前記第１の遊星歯車機構の出力したトルクを前記出力部材に出力する第１の形態と、前記第１の遊星歯車機構の出力要素と入力要素とが前記他の二組の遊星歯車機構の内の他方の遊星歯車機構におけるいずれかの回転要素に前記係合装置によって個別に連結されて前記第１の遊星歯車機構と前記他方の遊星歯車機構との二組の遊星歯車機構によって全体として四つの回転要素を持つ複合遊星歯車機構を形成する第２の形態とを含むことを特徴とするものである。

さらに、請求項２の発明は、請求項１の発明における前記複数の動力伝達形態が、前記第１の遊星歯車機構が前記原動機の出力したトルクと前記いずれかの電動機による駆動トルクもしくは反力トルクとを合成して出力するとともに、前記他の二組の遊星歯車機構の全体が一体となって回転して前記出力部材にトルクを出力する第３の形態を更に含むことを特徴とするハイブリッド駆動装置である。

またさらに、請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記原動機が内燃機関を含み、前記他の二組の遊星歯車機構のそれぞれが、外歯歯車であるサンギヤとそのサンギヤに噛み合っているピニオンギヤを自転自在および公転自在に保持するキャリヤと前記ピニオンギヤに噛み合いかつ前記サンギヤに対して同心円上に配置された内歯歯車であるリングギヤとを回転要素としたシングルピニオン型遊星歯車機構からなり、これらのシングルピニオン型遊星歯車機構における各サンギヤ同士が連結されるとともにこれらのサンギヤが前記第１の遊星歯車機構における出力要素に連結され、かつこれら互いに連結された前記サンギヤおよび前記出力要素に前記いずれかの電動機が連結され、また、一方のシングルピニオン型遊星歯車機構におけるキャリヤと他方のシングルピニオン型遊星歯車機構におけるリングギヤが互いに連結されるとともに、これらのキャリヤおよびリングギヤに前記出力部材が連結され、前記出力部材にキャリヤが連結されている前記シングルピニオン型遊星歯車機構におけるリングギヤの回転を選択的に止めるブレーキ機構と、リングギヤが前記出力部材に連結されている前記シングルピニオン型遊星歯車機構におけるキャリヤを前記第１の遊星歯車機構における入力要素に選択的に連結するクラッチ機構とを更に備えていることを特徴とするハイブリッド駆動装置である。

これに対して、請求項４の発明は、請求項２の発明において、前記原動機が内燃機関を含み、前記他の二組の遊星歯車機構のそれぞれが、外歯歯車であるサンギヤとそのサンギヤに噛み合っているピニオンギヤを自転自在および公転自在に保持するキャリヤと前記ピニオンギヤに噛み合いかつ前記サンギヤに対して同心円上に配置された内歯歯車であるリングギヤとを回転要素としたシングルピニオン型遊星歯車機構からなり、これらのシングルピニオン型遊星歯車機構における各サンギヤ同士が連結されるとともにこれらのサンギヤが前記第１の遊星歯車機構における出力要素に連結され、かつこれら互いに連結された前記サンギヤおよび前記出力要素に前記いずれかの電動機が連結され、また、一方のシングルピニオン型遊星歯車機構におけるキャリヤと他方のシングルピニオン型遊星歯車機構におけるリングギヤが互いに連結されるとともに、これらのキャリヤおよびリングギヤに前記出力部材が連結され、前記出力部材にキャリヤが連結されている前記シングルピニオン型遊星歯車機構におけるリングギヤの回転を選択的に止めるブレーキ機構と、リングギヤが前記出力部材に連結されている前記シングルピニオン型遊星歯車機構におけるキャリヤを前記第１の遊星歯車機構における入力要素に選択的に連結するクラッチ機構と、少なくともいずれか一方のシングルピニオン型遊星歯車機構における少なくとも二つの回転要素同士を選択的に連結する他のクラッチ機構とを更に備えていることを特徴とするハイブリッド駆動装置である。

一方、請求項５の発明は、内燃機関と発電機能のある二つの電動機とを動力源として備え、前記内燃機関の出力したトルクと前記各電動機による駆動トルクもしくは反力トルクとを、外歯歯車であるサンギヤとそのサンギヤに噛み合っているピニオンギヤを自転自在および公転自在に保持するキャリヤと前記ピニオンギヤに噛み合いかつ前記サンギヤに対して同心円上に配置された内歯歯車であるリングギヤとを回転要素とした複数組のシングルピニオン型遊星歯車機構を含む歯車機構によって合成して出力部材から出力するハイブリッド駆動装置において、第１遊星歯車機構におけるサンギヤに第１の電動機が連結され、第１遊星歯車機構におけるキャリヤに前記内燃機関が連結され、第１遊星歯車機構のリングギヤに第２の電動機が連結されるとともに該リングギヤに第２遊星歯車機構におけるサンギヤおよび第３遊星歯車機構におけるサンギヤが連結され、第２遊星歯車機構におけるキャリヤと第３遊星歯車機構におけるリングギヤとが連結されるとともに、これらキャリヤとリングギヤとが前記出力部材に連結され、前記第２遊星歯車機構におけるリングギヤの回転を選択的に止めるブレーキ機構と、前記第１遊星歯車機構におけるキャリヤと前記第３遊星歯車機構におけるキャリヤとを選択的に連結するクラッチ機構とを更に備えていることを特徴とするものである。

そして、請求項６の発明は、請求項５の発明において、第２遊星歯車機構と第３遊星歯車機構とにおける少なくとも二つの回転要素同士を選択的に連結して第２遊星歯車機構と第３遊星歯車機構との全体を一体化する他のクラッチ機構を更に備えていることを特徴とするハイブリッド駆動装置である。

またそして、請求項７の発明は、請求項１ないし６のいずれかの発明において、前記各電動機および各遊星歯車機構ならびに出力部材が前記原動機もしくは内燃機関の出力側に同一軸線上に並んで配置されるとともに、前記出力部材が連結されている二組の遊星歯車機構よりも原動機側もしくは内燃機関側に前記各電動機が配置されていることを特徴とするハイブリッド駆動装置である。

請求項１の発明によれば、第１の遊星歯車機構において、原動機の出力したトルクに対していずれかの電動機の反力トルクが作用し、こうして出力要素から出力されたトルクが他の二組の遊星歯車機構に伝達され、あるいは三組の遊星歯車機構における回転要素が適宜に連結されて全体として複合した遊星歯車機構を構成し、その複合遊星歯車機構によって原動機の出力したトルクと各電動機によるトルクとが合成されて出力部材から出力される。このように、動力の伝達形態が複数種類となり、しかも電力への変換を伴う動力循環が生じず、もしくは動力循環が抑制されるから、動力の伝達効率が向上して車両の燃費を向上させることができ、また動力循環が生じず、もしくは抑制されることによって歯車に作用する荷重が相対的に小さくなるため、いわゆるギヤノイズを抑制できるとともに、耐久性を向上させることができる。また、動力の伝達の形態として上述した二種類の形態を設定することができるので、動力の伝達効率が向上して車両の燃費を向上させることができ、また動力循環が生じず、もしくは抑制されることによって歯車に作用する荷重が相対的に小さくなるため、いわゆるギヤノイズを抑制できるとともに、耐久性を向上させることができる。

さらに、請求項２の発明によれば、動力の伝達の形態として三種類の形態を設定することができるうえに、第３の形態では、前記他の二組の遊星歯車機構の全体が一体となって回転するので、摩擦の生じる箇所および摩擦による損失が少なくなり、その結果、上記の請求項１の発明による効果と同様の効果に加えて、動力の伝達効率を更に向上させることができる。

またさらに、請求項３の発明によれば、二組のシングルピニオン型遊星歯車機構を含む三組の遊星歯車機構と、ブレーキ機構およびクラッチ機構とによって二種類の動力伝達の形態を設定できるので、上述した請求項１の発明と同様に、動力の伝達効率が向上して車両の燃費を向上させることができ、また動力循環が生じず、もしくは抑制されることによって歯車に作用する荷重が相対的に小さくなるため、いわゆるギヤノイズを抑制できるとともに、耐久性を向上させることができる。

これに対して請求項４の発明によれば、二組のシングルピニオン型遊星歯車機構を含む三組の遊星歯車機構と、ブレーキ機構および二つのクラッチ機構とによって三種類の動力伝達の形態を設定でき、しかも所定の動力伝達形態では、前記他の二組の遊星歯車機構が一体となって回転するので、上述した請求項２の発明と同様の効果を得ることができる。

他方、請求項５の発明によれば、三組のシングルピニオン型遊星歯車機構と、ブレーキ機構およびクラッチ機構とによって二種類の動力伝達の形態を設定できるので、上述した請求項１あるいは請求項３の発明と同様に、動力の伝達効率が向上して車両の燃費を向上させることができ、また動力循環が生じず、もしくは抑制されることによって歯車に作用する荷重が相対的に小さくなるため、いわゆるギヤノイズを抑制できるとともに、耐久性を向上させることができる。

さらに、請求項６の発明によれば、上記の請求項５の構成に加えて他のクラッチ機構を備えていることにより、三種類の動力伝達形態を設定できるとともに、所定の動力伝達形態では、前記他の二組の遊星歯車機構が一体となって回転するので、請求項５の発明と同様の効果を得られるとともに、動力の伝達効率を更に向上させることができる。

そして、請求項７の発明によれば、外径の大きい各電動機が、原動機側もしくは内燃機関側に集中して配置されるので、出力部材側の外径を相対的に小さくでき、その結果、車両の前後方向に向けて搭載する場合の車載性が向上し、また重量の大きい各電動機の間隔が短くなるために、動力の伝達に伴う共振が生じにくく、車両の振動や騒音の抑制に有利になる。

つぎにこの発明を具体例に基づいて説明する。図１はこの発明の第１の具体例を示す図であって、ここに示す具体例では、内燃機関（エンジン：ＥＮＧ）１と、発電機能のある電動機として二つのモータ・ジェネレータ（ＭＧ１、ＭＧ２）２，３とが動力源として設けられ、また、三組の遊星歯車機構４，５，６が用いられている。そのエンジン１は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン、あるいは天然ガスエンジンなどの燃料を燃焼して動力を出力する動力機関であり、好ましくはスロットル開度などの負荷を電気的に制御でき、また所定の負荷に対して回転数を制御することにより燃費が最も良好な最適運転点に設定できる内燃機関である。

このエンジン１が第１の遊星歯車機構４に連結されている。第１遊星歯車機構４は、動力の合成もしくは分配の機能を有する三要素の差動歯車機構であり、したがってシングルピニオン型遊星歯車機構やダブルピニオン型遊星歯車機構を用いて構成することができ、図１に示す例では、キャリヤ（以下、仮に第１キャリヤと記すことがある。）７を入力要素、サンギヤ（以下、仮に第１サンギヤと記すことがある。）８を反力要素、リングギヤ（以下、仮に第１リングギヤと記すことがある。）９を出力要素としたシングルピニオン型遊星歯車機構によって構成されている。すなわち、外歯歯車であるサンギヤ８の外周側に、内歯歯車であるリングギヤ９がサンギヤ８に対して同心円上に配置され、これらのサンギヤ８とリングギヤ９とに噛み合っているピニオンギヤがキャリヤ７によって自転自在および公転自在に保持されている。そして、そのキャリヤ７にエンジン１のクランクシャフトなどの出力部材が連結されている。なお、エンジン１とキャリヤ７との間に、発進用のクラッチやトルクコンバータ（ロックアップクラッチ付のトルクコンバータ）などの動力伝達機構を適宜に設けてもよいことは勿論である。したがってキャリヤ７が入力要素となっている。

また、第１遊星歯車機構４のサンギヤ８に第１モータ・ジェネレータ（ＭＧ１）２が連結されている。この第１モータ・ジェネレータ２は、一例として、ロータに永久磁石を備えた同期電動機によって構成されており、発電機および電動機として機能するように構成されている。そして、そのロータがサンギヤ８に連結され、ステータがケーシング（図示せず）などに固定されている。したがってサンギヤ８が反力要素となっている。

さらに、リングギヤ９が出力要素となっており、このリングギヤ９に第２モータ・ジェネレータ３が連結されている。この第２モータ・ジェネレータ３は、一例として、上述した第１モータ・ジェネレータ２と同様に、永久磁石式同期電動機によって構成されており、そのロータがリングギヤ９に連結され、かつステータがケーシングに固定されている。

したがって、図１に示す構成では、各モータ・ジェネレータ２，３および各遊星歯車機構４，５，６が、エンジン１の出力側に同一軸線上に並んで配置されているが、その内の外径および重量の大きいモータ・ジェネレータ２，３がエンジン１側に集中して配置されている。そのため、ハイブリッド駆動装置の全体としては、エンジン１に近いいわゆる入力側の外径が大きく、これとは反対側のいわゆる出力側の外径が相対的に小さくなっている。そのため、エンジン１と併せて車両の前後方向に向けて搭載するハイブリッド駆動装置として構成する場合には、車載性の良好なものとすることができる。そして、重量が相対的に大きいモータ・ジェネレータ２，３の間隔が短くなっており、そのために比較的低い周波数では共振しにくく、車両の搭乗者が体感しやすい騒音や振動が生じにくくなっている。

上記の第２モータ・ジェネレータ３を挟んで前記エンジン１とは反対側に第２および第３の遊星歯車機構５，６が配置されている。これらの遊星歯車機構５，６はいずれもシングルピニオン型の遊星歯車機構であり、したがって第２遊星歯車機構５は、外歯歯車であるサンギヤ（以下、仮に第２サンギヤと記すことがある。）１０と、そのサンギヤ１０に対して同心円上に配置された内歯歯車であるリングギヤ（以下、仮に第２リングギヤと記すことがある。）１１と、これらのサンギヤ１０とリングギヤ１１とに噛み合っているピニオンギヤを自転自在および公転自在に保持しているキャリヤ（以下、仮に第２キャリヤと記すことがある。）１２とを回転要素として有している。また同様に、第３遊星歯車機構６は、外歯歯車であるサンギヤ（以下、仮に第３サンギヤと記すことがある。）１３と、そのサンギヤ１３に対して同心円上に配置された内歯歯車であるリングギヤ（以下、仮に第３リングギヤと記すことがある。）１４と、これらのサンギヤ１３とリングギヤ１４とに噛み合っているピニオンギヤを自転自在および公転自在に保持しているキャリヤ（以下、仮に第３キャリヤと記すことがある。）１５とを回転要素として有している。

そして、第２サンギヤ１０と第３サンギヤ１３とが一体となって回転するように連結され、また第２キャリヤ１２と第３リングギヤ１４とが一体となって回転するように連結されている。この互いに連結されている第２キャリヤ１２と第３リングギヤ１４とに出力部材１６が連結されている。この出力部材１６は、回転軸あるいは歯車あるいはプーリなどの適宜の部材であり、前記各遊星歯車機構４，５，６の中心軸線の延長上に配置され、エンジン１とは反対側の端部で動力を他の部材（図示せず）に対して出力するようになっている。

さらに、複数の動力伝達形態（すなわち運転モード）を設定するための係合装置が設けられている。具体的には、第２リングギヤ１１を選択的に固定するブレーキ機構（以下、単にブレーキと記す。）Ｂ１が設けられている。このブレーキＢ１は、湿式多板ブレーキあるいはバンドブレーキによって構成され、電気信号に基づいて動作するアクチュエータ（図示せず）によって係合・解放動作するように構成されている。また、第１キャリヤ７もしくはエンジン１と第３キャリヤ１５とを選択的に連結するクラッチ機構（以下、単にクラッチもしくは第１クラッチ記す。）Ｃ１が設けられている。このクラッチＣ１は、一例として湿式多板クラッチによって構成され、電気信号に基づいて動作するアクチュエータ（図示せず）によって係合・解放動作するように構成されている。

上記の各モータ・ジェネレータ２，３は、それぞれに対応して設けたインバータ１７，１８を介してバッテリあるいはキャパシタなどの蓄電装置１９に接続されている。したがって、一方のモータ・ジェネレータ２（もしくは３）を発電機として機能させ、その発電された電力を他方のモータ・ジェネレータ３（もしくは２）に与えてこれをモータとして機能させるように構成されている。また、蓄電装置１９からいずれかのモータ・ジェネレータ２，３に電力を供給して、そのモータ・ジェネレータ２，３をモータとして機能させるようになっている。

そして、上記の各インバータ１７，１８やブレーキＢ１およびクラッチＣ１などを制御する電子制御装置（ＥＣＵ）２０が設けられている。この電子制御装置２０は、マイクロコンピュータを主体として構成され、各モータ・ジェネレータ２，３による発電やモータとしての出力トルクあるいはブレーキＢ１およびクラッチＣ１の係合・解放などの各制御を行う制御信号を出力するように構成されている。なお、この電子制御装置２０には、車速やアクセル開度、蓄電装置１９における蓄電容量（ＳＯＣ：State Of Charge）などの各種の信号が入力されている。

つぎに上述した構成のハイブリッド駆動装置の作用について説明する。上記のハイブリッド駆動装置では、前進走行するための運転モードとして二種類のモードを設定することができる。ここで運転モードとは、エンジン１から出力部材１６にトルクを伝達する形態もしくは動力伝達経路であり、あるいは各モータ・ジェネレータ２，３の動作状態の組み合わせである。具体的には、これらの運転モードは、第１モードＬoと第２モードＭidとであり、上記のブレーキＢ１およびクラッチＣ１の係合・解放状態に応じて設定される。

図２には、各運転モードとブレーキＢ１およびクラッチＣ１の係合・解放の状態との関係をまとめて示してある。なお、図２で「〇」印は係合状態を示し、「×」印は解放状態を示す。先ず、第１モードＬoは、ブレーキＢ１を係合させ、かつクラッチＣ１を解放させて設定される。したがって、第１遊星歯車機構４は、第２および第３の遊星歯車機構５，６に対してリングギヤ９のみが連結されているので、単独で増減速作用もしくはトルクの合成・分配作用を行い、その出力トルクを第２もしくは第３の遊星歯車機構５，６に伝達する。これに対して、第２遊星歯車機構５は、リングギヤ１１がブレーキＢ１によって固定され、その状態でサンギヤ１０に第１遊星歯車機構４からトルクが伝達されるので、そのサンギヤ１０が入力要素、リングギヤ１１が固定要素（もしくは反力要素）、キャリヤ１２が出力要素となる。したがって、第２遊星歯車機構５が減速機として機能する。さらに、第３遊星歯車機構６は、そのキャリヤ１５が他のいずれの部材とも連結されておらず、自由に回転できるので、トルクの伝達もしくは変速機として特に機能しない。

この状態における共線図を図３に示してあり、第１キャリヤ７にエンジン１から動力を入力するとともに、第１モータ・ジェネレータ２を発電機として機能させて第１サンギヤ８に反力トルクを与えると、第１リングギヤ９にこれらのトルクを合成したトルクが現れる。言い換えれば、エンジントルクが第１モータ・ジェネレータ２と第１リングギヤ９とに分配される。またその第１リングギヤ９が第１キャリヤ７および第１サンギヤ８の回転数に対して第１遊星歯車機構４のギヤ比（第１サンギヤ８と第１リングギヤ９との歯数の比）で定まる回転数で回転する。

これは、図３のほぼ左半分に示す状態であり、第１リングギヤ９の回転数を一定とした場合、第１モータ・ジェネレータ２の回転数に応じて第１キャリヤ７の回転数すなわちエンジン回転数が変化する。したがって、例えば車両が停止していることにより第１リングギヤ９が停止している場合であっても、第１モータ・ジェネレータ２の回転数を大きくすることにより、エンジン１をアイドリング状態に維持できる。また、このような場合、第１リングギヤ９に現れるトルクは、エンジン１の出力したトルクより小さくなる。

一方、第２遊星歯車機構５は、そのリングギヤ１１がブレーキＢ１によって固定された状態で、そのサンギヤ１０に第１リングギヤ９からトルクが入力され、さらにキャリヤ１２が出力部材１６に連結されているので、サンギヤ１０を入力要素、キャリヤ１２を出力要素、リングギヤ１１を固定要素（もしくは反力要素）とした減速機として機能する。これは図３のほぼ右半分に示す状態であり、出力要素である第２キャリヤ１２もしくはこれと一体の出力部材１６の回転数は、入力要素であるサンギヤ１０の回転数より小さくなり、またトルクは増幅されて出力部材１６に伝達される。

したがって、この第１モードＬoでは、エンジン回転数に対して出力部材１６の回転数を低下させ、エンジントルクに対して出力部材１６のトルクを大きくすることができる。そのため、高負荷低車速状態でエンジン回転数を低下させたり、それに伴うトルクの不足を第２モータ・ジェネレータ３で大きく補うなどの事態を回避できる。その結果、電力への変換を伴う動力伝達の割合を少なくして動力伝達損失を防止もしくは抑制し、燃費を向上させることができる。また、上述したように、第１遊星歯車機構４から出力したトルクを第２遊星歯車機構５を介して出力部材１６に出力するから、動力循環が生じることがなく、そのため、歯車に係る荷重を低下させて歯車の耐久性を向上させることができるとともに、ギヤノイズを低減でき、さらには摩擦による動力損失を低減して燃費の向上の点で有利になる。

ここで、上述したこの発明の係るハイブリッド駆動装置と前述した特許文献１に記載された装置とを対比すると、この発明に係るハイブリッド駆動装置の第１モードＬoでは、第１遊星歯車機構４における第１キャリヤ７にエンジン１からトルクが入力され、これが第１サンギヤ８と第１リングギヤ９とに分配されるから、第１サンギヤ８と第１リングギヤ９とに掛かるトルクは第１キャリヤ７に掛かるトルクより小さくなる。これに対して特許文献１に記載されている装置では、エンジン側に配置されている二つの遊星歯車機構によって構成された複合遊星歯車機構のリングギヤにエンジンからトルクが入力され、この複合遊星歯車機構において動力循環が生じるから、前記リングギヤにおけるトルクに対して、このリングギヤに噛み合うピニオンギヤを保持しているキャリヤのトルクが大きくなる。このような状況は、複合遊星歯車機構を構成している他の遊星歯車機構においても同様である。結局、特許文献１に記載されている装置では、低車速時に設定されるモードで遊星歯車機構に作用するトルクが大きくなって強度もしくは耐久性の点で不利であるのに対して、この発明に係るハイブリッド駆動装置では、遊星歯車機構に掛かるトルクが小さくなって強度や耐久性の点で有利になる。

言い換えれば、特許文献１の装置で低速用の第１の作動モードを設定している状態では、三つの全ての遊星歯車機構を介してトルクを伝達するので、遊星歯車機構に掛かるトルクが上記のように大きくなることに加えて、歯車の噛み合い数が増え、その結果、動力の伝達効率が低下したり、ギヤノイズが大きくなったりする。これに対してこの発明に係るハイブリッド駆動装置によれば、第１モードＬoでは出力部材１６側の第３の遊星歯車機構６がトルクの伝達に関与せず、その結果、遊星歯車機構に掛かるトルクが上述したように相対的に小さいことに加えて、歯車の噛み合い数が少なくなるので、動力の伝達効率が向上し、またギヤノイズの低下に有利になる。

さらに、特許文献１に記載された装置では、所望の変速比を得るためには、いずれかの遊星歯車機構のギヤ比（サンギヤの歯数とリングギヤの歯数との比）を大きくする必要があり、それに伴ってその遊星歯車機構におけるピニオンギヤの径が小さくなるので、そのピニオンギヤを支持するピニオンピンやニードルベアリングが小径のものとなり、強度上、不利になり、またピニオンギヤのキャリヤに対する相対回転数が制限されるなどの不都合が考えられる。これに対してこの発明に係るハイブリッド駆動装置では、いずれかの遊星歯車機構４，５，６のギヤ比を大きくする特別な要因がないから、このような不都合を回避できる。

車速がある程度増大した後に、第２モードＭidに切り替えられる。この第２モードＭidは、図２に示すように、第１クラッチＣ１を係合させて設定される。すなわち、第１モードＬoを設定していたブレーキＢ１を解放するとともに、第１クラッチＣ１を係合させることになる。その第１クラッチＣ１は、エンジン１と第３キャリヤ１５とを連結するものであるから、運転モードの切り替えに伴うショックを防止するために、いわゆる同期切替を実行することが好ましい。その同期切替とは、第１クラッチＣ１の係合・解放の状態の変更に伴っていずれかの回転部材の回転数に変化を生じさせない切替制御であり、具体的には、エンジン回転数もしくは第１キャリヤ７の回転数と、第３キャリヤ１５との回転数を一致させた状態で、第１クラッチＣ１を係合もしくは解放させる。

図４は、その同期状態での共線図であって、第１モータ・ジェネレータ２の回転数を低下させ、さらには逆転力行（逆回転方向にモータとして駆動）させると、エンジン１を連結してある第１キャリヤ７の回転数が低下し、ついには第３キャリヤ１５の回転数と一致する。これが同期状態であり、この状態で第１クラッチＣ１を係合させれば、回転変動やそれに起因するショックを生じさせることなく、第１モードＬoから第２モードＭidに切り替えることができ、あるいは反対に第２モードＭidから第１モードＬoに切り替えることができる。

このようにして設定される第２モードＭidでは、第１遊星歯車機構４のリングギヤ９と第３遊星歯車機構６のサンギヤ１３、および第１遊星歯車機構４のキャリヤ７と第３遊星歯車機構６のキャリヤ１５とがそれぞれ連結されるから、第１および第３の遊星歯車機構４，６が、四つの回転要素を有する複合遊星歯車機構を構成する。すなわち、第１キャリヤ９が入力要素、第１サンギヤ８が他の入力要素、第１リングギヤ９およびこれと一体の第３サンギヤ１３が反力要素、第３リングギヤ１４が出力要素となる。この複合遊星歯車機構についての共線図を図５に示してある。

この第２モードＭidでは、エンジン１を駆動している状態で、主として、第２モータ・ジェネレータ３を発電機として機能させ、また第１モータ・ジェネレータ２をモータとして機能させ、これらのモータ・ジェネレータ２，３の回転数を制御することにより、エンジン回転数を適宜に設定することができる。その場合、図５に示すように、エンジン１を示す線と出力部材１６を示す線とが互いに隣接しており、各モータ・ジェネレータ２，３の回転数を特に高回転数とすることなく、“１”に近い変速比を設定することができる。すなわち、中高速状態でエンジン回転数を最適燃費点に近い回転数に設定しても電力への変換を伴う動力伝達の割合や動力循環の程度が少なくなり、したがってエンジン１を効率良く運転できるとともに、動力損失を抑制し、その結果、全体として燃費を向上させることができる。また、歯車に係る荷重を低下させて歯車の耐久性を向上させることができるとともに、ギヤノイズを低減でき、さらには摩擦による動力損失を低減して燃費の向上の点で有利になる。

上述した具体例は、二つの運転モードを設定できるように構成した例であるが、上記のギヤトレーンの構成を僅か変更することにより三つの運転モードを設定可能なハイブリッド駆動装置を得ることができる。その例を図６に示してある。ここに示す例は、上述した第２遊星歯車機構５におけるリングギヤ１１とサンギヤ１０とを選択的に連結する他のクラッチ機構（以下、仮に第２クラッチと記すことがある。）Ｃ２を設けた例である。なお、この第２クラッチＣ２は、要は、第２遊星歯車機構５もしくは第３遊星歯車機構６の全体を一体化させるためのものであるから、第２遊星歯車機構５における少なくともいずれか二つの回転要素もしくは第３遊星歯車機構６における少なくともいずれか二つの回転要素を連結するものであればよい。

したがって図６に示す構成のハイブリッド駆動装置では、上述した二つの運転モードＬo，Ｍidに加えて、より高速で走行する場合に適した第３モードＨiを設定することができる。図７には、図６に示すハイブリッド駆動装置で各運転モードを設定するための係合装置の係合・解放の状態をまとめて示してあり、第３モードＨiは、第２クラッチＣ２を係合させることにより設定される。この場合、第１クラッチＣ１および第１ブレーキＢ１は、解放状態とされるから、第１遊星歯車機構４は前述した第１モードＬoの場合と同様の状態になる。すなわち、キャリヤ７に入力されたエンジントルクに対して、第１モータ・ジェネレータ２を発電機として駆動するトルクがサンギヤ８に反力トルクとして作用し、これらのトルクを合成したトルクが出力要素である第１リングギヤ９に生じる。

これに対して、第２遊星歯車機構５では、そのサンギヤ１０とリングギヤ１１とが第２クラッチＣ２によって連結されるので、第２遊星歯車機構５の全体が一体となって回転する。さらに、この第２遊星歯車機構５に対して第３遊星歯車機構６のサンギヤ１３とキャリヤ１５とが連結されているので、第２遊星歯車機構５の全体が一体となって回転することに伴って第３遊星歯車機構６もその全体が一体となって回転する。すなわち、第２および第３遊星歯車機構５，６は、それらの全体が一体回転し、特に変速作用は生じない。

この状態を図８に共線図で示してあり、エンジン１による駆動トルクと第１モータ・ジェネレータ２による反力トルクとを合成したトルクが、第１リングギヤ９からそのまま出力部材１６に出力される。したがってこの場合は、第１モータ・ジェネレータ２が発電機として機能し、その電力が第２モータ・ジェネレータ３に供給されてこれがモータとして機能する。この各モータ・ジェネレータ２，３を介した動力の伝達方向は、エンジントルクをそのまま伝達する方向（いわゆる直達トルクの方向）と同じであるから、動力循環は生じない。そのため、歯車に係る荷重を低下させて歯車の耐久性を向上させることができるとともに、ギヤノイズを低減でき、さらには摩擦による動力損失を低減して燃費の向上の点で有利になる。

この第３モードＨiでは、エンジン回転数に対して第１モータ・ジェネレータ２の回転数を僅かに低回転数とするだけで、出力部材１６の回転数（すなわち出力回転数）をエンジン回転数（すなわち入力回転数）より高回転数とすることができる。これは、いわゆるオーバードライブ状態であって、高車速時にエンジン回転数を相対的に低くして効率の良い運転を行い、燃費を向上させることができる。

なお、第２モードＭidと第３モードＨiとの切り替えの場合もいわゆる同期切替を行うことが好ましい。第２モードＭidと第３モードＨiとの切り替えは、各クラッチＣ１，Ｃ２の係合・解放の状態を変更することにより実行されるのに対して第３モードＨiでは、第２および第３の遊星歯車機構５，６の全体が一体となって回転し、かつその第２リングギヤ１１と第１リングギヤ９とを第２クラッチＣ２で連結するから、結局、第１ないし第３の各遊星歯車機構４，５，６の各回転要素が同一の回転数となった状態が同期状態である。これを図９に共線図で示してある。

この同期状態は、第１モータ・ジェネレータ２の回転数を制御することにより設定することができ、この状態で、各クラッチＣ１，Ｃ２の係合・解放の状態を変更すれば、第２モードＭidと第３モードＨiとの間の切り替えに伴う回転変動が生じないので、ショックを悪化させることなく、運転モードの切り替えを行うことができる。

この発明に係る駆動装置の一例を模式的に示すスケルトン図である。その駆動装置で第１モードと第２モードとを設定するための各クラッチの係合・解放状態を示す図表である。その第１モードにおける運転状態を示す共線図である。その第１モードと第２モードとの切り替えのための同期状態を示す共線図である。その第２モードにおける運転状態を示す共線図である。この発明に係る駆動装置の他の例を模式的に示すスケルトン図である。その駆動装置で第１モードと第２モードと第３モードとを設定するための各クラッチの係合・解放状態を示す図表である。その第３モードにおける運転状態を示す共線図である。その第２モードと第３モードとの切り替えのための同期状態を示す共線図である。

符号の説明

１…内燃機関（エンジン）、２…第１モータ・ジェネレータ、３…第２モータ・ジェネレータ、４，５，６…遊星歯車機構、７，１２，１５…キャリヤ、８，１０，１３…サンギヤ、９，１１，１４…リングギヤ、１６…出力部材、Ｂ１…ブレーキ機構、Ｃ１，Ｃ２…クラッチ機構。

Claims

原動機と発電機能のある二つの電動機とを動力源として備え、前記原動機の出力したトルクと各電動機による駆動トルクもしくは反力トルクとを合成して出力部材から出力するハイブリッド駆動装置において、
前記原動機の出力したトルクが入力される入力要素と第１の電動機に連結された反力要素とこれら原動機および第１の電動機によるトルクを合成して出力するとともに第２の電動機が連結されている出力要素とを有する第１の遊星歯車機構と、
他の二組の遊星歯車機構と、
これら三組の遊星歯車機構における回転要素を選択的に連結もしくは固定して複数の動力伝達形態を設定する複数の係合装置と
を備え、
前記複数の動力伝達形態は、前記第１の遊星歯車機構が前記原動機の出力したトルクと前記第１の電動機による駆動トルクもしくは反力トルクとを合成して出力するとともに、前記他の二組の遊星歯車機構の内のいずれか一方が減速機構として機能して前記第１の遊星歯車機構の出力したトルクを前記出力部材に出力する第１の形態と、前記第１の遊星歯車機構の出力要素と入力要素とが前記他の二組の遊星歯車機構の内の他方の遊星歯車機構におけるいずれかの回転要素に前記係合装置によって個別に連結されて前記第１の遊星歯車機構と前記他方の遊星歯車機構との二組の遊星歯車機構によって全体として四つの回転要素を持つ複合遊星歯車機構を形成する第２の形態とを含む
ことを特徴とするハイブリッド駆動装置。
前記複数の動力伝達形態は、前記第１の遊星歯車機構が前記原動機の出力したトルクと前記第１の電動機による駆動トルクもしくは反力トルクとを合成して出力するとともに、前記他の二組の遊星歯車機構の全体が一体となって回転して前記出力部材にトルクを出力する第３の形態を更に含むことを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド駆動装置。
前記原動機は内燃機関を含み、
前記他の二組の遊星歯車機構のそれぞれが、外歯歯車であるサンギヤとそのサンギヤに噛み合っているピニオンギヤを自転自在および公転自在に保持するキャリヤと前記ピニオンギヤに噛み合いかつ前記サンギヤに対して同心円上に配置された内歯歯車であるリングギヤとを回転要素としたシングルピニオン型遊星歯車機構からなり、
これらのシングルピニオン型遊星歯車機構における各サンギヤ同士が連結されるとともにこれらのサンギヤが前記第１の遊星歯車機構における出力要素に連結され、かつこれら互いに連結された前記サンギヤおよび前記出力要素に前記いずれかの電動機が連結され、
また、一方のシングルピニオン型遊星歯車機構におけるキャリヤと他方のシングルピニオン型遊星歯車機構におけるリングギヤが互いに連結されるとともに、これらのキャリヤおよびリングギヤに前記出力部材が連結され、
前記出力部材にキャリヤが連結されている前記シングルピニオン型遊星歯車機構におけるリングギヤの回転を選択的に止めるブレーキ機構と、リングギヤが前記出力部材に連結されている前記シングルピニオン型遊星歯車機構におけるキャリヤを前記第１の遊星歯車機構における入力要素に選択的に連結するクラッチ機構とを更に備えていること
を特徴とする請求項１に記載のハイブリッド駆動装置。
前記原動機は内燃機関を含み、
前記他の二組の遊星歯車機構のそれぞれが、外歯歯車であるサンギヤとそのサンギヤに噛み合っているピニオンギヤを自転自在および公転自在に保持するキャリヤと前記ピニオンギヤに噛み合いかつ前記サンギヤに対して同心円上に配置された内歯歯車であるリングギヤとを回転要素としたシングルピニオン型遊星歯車機構からなり、
これらのシングルピニオン型遊星歯車機構における各サンギヤ同士が連結されるとともにこれらのサンギヤが前記第１の遊星歯車機構における出力要素に連結され、かつこれら互いに連結された前記サンギヤおよび前記出力要素に前記いずれかの電動機が連結され、
また、一方のシングルピニオン型遊星歯車機構におけるキャリヤと他方のシングルピニオン型遊星歯車機構におけるリングギヤが互いに連結されるとともに、これらのキャリヤおよびリングギヤに前記出力部材が連結され、
前記出力部材にキャリヤが連結されている前記シングルピニオン型遊星歯車機構におけるリングギヤの回転を選択的に止めるブレーキ機構と、リングギヤが前記出力部材に連結されている前記シングルピニオン型遊星歯車機構におけるキャリヤを前記第１の遊星歯車機構における入力要素に選択的に連結するクラッチ機構と、少なくともいずれか一方のシングルピニオン型遊星歯車機構における少なくとも二つの回転要素同士を選択的に連結する他のクラッチ機構とを更に備えていること
を特徴とする請求項２に記載のハイブリッド駆動装置。
内燃機関と発電機能のある二つの電動機とを動力源として備え、前記内燃機関の出力したトルクと前記各電動機による駆動トルクもしくは反力トルクとを、外歯歯車であるサンギヤとそのサンギヤに噛み合っているピニオンギヤを自転自在および公転自在に保持するキャリヤと前記ピニオンギヤに噛み合いかつ前記サンギヤに対して同心円上に配置された内歯歯車であるリングギヤとを回転要素とした複数組のシングルピニオン型遊星歯車機構を含む歯車機構によって合成して出力部材から出力するハイブリッド駆動装置において、
第１遊星歯車機構におけるサンギヤに第１の電動機が連結され、第１遊星歯車機構におけるキャリヤに前記内燃機関が連結され、第１遊星歯車機構のリングギヤに第２の電動機が連結されるとともに該リングギヤに第２遊星歯車機構におけるサンギヤおよび第３遊星歯車機構におけるサンギヤが連結され、
第２遊星歯車機構におけるキャリヤと第３遊星歯車機構におけるリングギヤとが連結されるとともに、これらキャリヤとリングギヤとが前記出力部材に連結され、
前記第２遊星歯車機構におけるリングギヤの回転を選択的に止めるブレーキ機構と、前記第１遊星歯車機構におけるキャリヤと前記第３遊星歯車機構におけるキャリヤとを選択的に連結するクラッチ機構とを更に備えていること
を特徴とするハイブリッド駆動装置。
前記第２遊星歯車機構と第３遊星歯車機構とにおける少なくとも二つの回転要素同士を選択的に連結して第２遊星歯車機構と第３遊星歯車機構との全体を一体化する他のクラッチ機構を更に備えていることを特徴とする請求項５に記載のハイブリッド駆動装置。
前記各電動機および各遊星歯車機構ならびに出力部材が前記原動機もしくは内燃機関の出力側に同一軸線上に並んで配置されるとともに、前記出力部材が連結されている二組の遊星歯車機構よりも前記原動機側もしくは内燃機関側に前記各電動機が配置されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載のハイブリッド駆動装置。