JP5230874B2 - 車載動力伝達装置 - Google Patents
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Description
請求項2記載の発明は、駆動源および駆動輪間の動力分割のための回転体であって且つ互いに連動して回転する複数の動力分割用回転体と、該動力分割用回転体に機械的に連結されて変速比を可変とする変速装置とを備える車載動力伝達装置において、前記駆動源から出力される動力が、前記変速装置を介して前記駆動輪に伝達される変速モードと、前記駆動源から出力される動力が前記変速装置を介すことなく前記駆動輪に伝達される直達モードとを切り替える切替手段を備え、前記動力分割用回転体は、前記駆動輪に機械的に連結される第1の回転体と、該第1の回転体とは別の第2の回転体および第3の回転体とを備え、前記第1の回転体および前記第2の回転体を前記変速装置を介して機械的に連結する駆動輪側経路と、前記変速装置の一対の回転軸のうち前記第2の回転体に機械的に連結される側と前記駆動源との間の動力の伝達および遮断を切り替える変速用動力伝達規制手段と、前記変速装置の一対の軸のうちの前記第1の回転体に機械的に連結される側と前記駆動源との間の動力の伝達および遮断を切り替える直達用動力伝達規制手段とを備えることを特徴とする。
以下、本発明にかかる車載動力伝達装置の第1の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
「モード1」
図2に、本実施形態にかかるモータジェネレータ10による車両の発進処理について説明する。ここで、図2(a)に、発進時における動力伝達経路を示し、図2(b)に、このときの動力分割機構20の共線図を、エンジン12の回転速度とともに示す。なお、図2(b)において、リングギアRの回転速度の負方向を前進と定義しているが、これは、ギアG5がカウンタギアであるためである。また、共線図において、矢印は、トルクの向きを示すものである。
「モード2」
図3(a)に、モード2において、特にモータジェネレータ10のみによって車両を走行させるいわゆるEV走行時の動力伝達経路を示し、図3(b)に、その際の共線図を示す。なお、この際、クラッチC4は、解除状態とされている。
「モード1からモード2への切替」
図6(a)に、エンジン12から駆動輪14までのトータルのギア比と、CVT22のギア比との関係を示し、図6(b)に、モータジェネレータ10から駆動輪14までのトータルのギア比と、CVT22のギア比との関係を示す。ここで、aからbまでのトータルのギア比とは、「(bの回転速度)/(aの回転速度)」のことであり、変速比の逆数である。
「モード3」
上記モード2においては、トータルのギア比は、エンジン12のエネルギ利用効率が最も高くなるように操作される。ここで、モータジェネレータ10については、トータルのギア比を可変させないのは、モータジェネレータ10によるエネルギ利用効率を向上させるための設定である。すなわち、モータジェネレータ10のエネルギ利用効率が、動作点(トルクおよび回転速度によって定まる点)によって変化する率は、極低速回転領域を除くとエンジン12と比較して非常に小さい。一方、CVT22を介して動力を伝達させる場合、CVT22による動力伝達ロスが生じる。そしてこのロスは、通常のギア等と比較して大きなものとなっている。このため、モータジェネレータ10については、トータルのギア比を最適化すべくCVT22を介して動力伝達を行うと、少なくともモード2においては、エネルギ利用効率が低下する懸念がある。これに対し、エンジン12については、動作点毎のエネルギ利用効率の変化が大きいため、トータルのギア比を操作することによって動作点を最適化することで、CVT22による動力伝達ロスを上回るエネルギ利用効率の向上効果が見込める。
<第2の実施形態>
以下、第2の実施形態について、先の第1の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
<第3の実施形態>
以下、第3の実施形態について、先の第1の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
<第4の実施形態>
以下、第4の実施形態について、先の第3の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
<第5の実施形態>
以下、第5の実施形態について、先の第1の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
<第6の実施形態>
以下、第6の実施形態について、先の第1の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
<第7の実施形態>
以下、第7の実施形態について、先の第1の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
<第8の実施形態>
以下、第8の実施形態について、先の第1の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
<第9の実施形態>
以下、第9の実施形態について、先の第1の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
<その他の実施形態>
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
モード3への切替条件としては、車速についての条件に限らない。要は、クラッチC3の両側の回転軸の回転速度が一致する条件であればよい。もっとも、クラッチC3の解除状態から締結状態への切り替えに際して半クラッチ状態を利用するなら、この条件も必須ではない。
モード3への切り替えギア比としては、例えば図18(a)に例示するように、トータルのギア比がモード1とモード2とで同一となるギア比としてもよい。この場合、クラッチC1,C2,C3を同時に締結状態とすることもできる。なぜなら、図18(a)の点Pにおいては、クラッチC1によって連結される一対の回転体の回転速度と、クラッチC2によって連結される一対の回転体の回転速度と、クラッチC3によって連結される一対の回転体の回転速度とがそれぞれ互いに等しくなるからである。このため、モード2とモード3との切替のみならず、モード1とモード3との切り替えをもトルク抜けを生じることなく行うことができる。ただし、この場合には、点PがCVTのギア比の上限値や下限値とならないようにする必要がある。なぜなら、点Pに対してギア比をずらさない限りエンジン12の動力がCVT22の両側に出力されることとなるからである。
例えば、図10、図11に示した構成に代えて、モータジェネレータ10とCVT22との間にコンプレッサ50を機械的に連結してもよい。この構成は、モータジェネレータ10からコンプレッサ50への動力伝達効率を向上させるうえで優れている。すなわち、CVT22を介して動力伝達を行う場合、その効率が低下しやすいのに対し、CVT22を介在させないようにすることで、伝達効率を向上させることができる。
動力分割用回転体の回転力やモータジェネレータ10、エンジン12の動力を用いる補機としては、車載空調装置のコンプレッサ50に限らない。例えば駆動輪14等に制動力を付与するための油圧を生成するブレーキポンプや、エンジン12の冷却水用のウォータポンプ、冷却ファン等であってもよい。
エンジン12を起動すべくエンジン12と動力分割機構20の起動用回転体との間のトルクの伝達および遮断を行う起動用動力伝達規制手段としては、クラッチC4およびワンウェイベアリング26を備えて構成されるものに限らない。例えば、クラッチC4のみを備えるものであってもよい。この場合、例えばエンジン12の回転軸12aに初期回転を付与した後、エンジン12の燃焼開始に先立ちクラッチC4を遮断するなら、エンジン12における燃焼開始時に急増するトルクが動力分割機構20に伝達されることを好適に回避することができる。また例えばワンウェイベアリング26のみを備えるものであってもよい。
エンジン12のトルクを駆動輪14に付与すべく出力側(動力分割機構20の伝達用回転体側)の回転速度に対する入力側(エンジン12側)の相対回転速度が負でないことを条件に動力を伝達する一方向伝達機構としては、ワンウェイベアリング28に限らず、例えばワンウェイクラッチであってもよい。また、入力側によって出力側が滑ることなくつれまわされるものに限らず、滑りつつも動力が付与されるものであってもよい。
エンジン12の動力をCVT22を迂回して駆動輪14に付与すべく出力側(駆動輪14側)に対する入力側(エンジン12側)の相対回転速度が負でないことを条件に動力を伝達する一方向伝達機構としては、ワンウェイベアリング60に限らず、例えばワンウェイクラッチであってもよい。また、入力側によって出力側が滑ることなくつれまわされるものに限らず、滑りつつも動力が付与されるものであってもよい。
上記第2の実施形態において、ワンウェイベアリング28をクラッチC5に変更してもよい。特に第2の実施形態では、エンジン起動直後においてモード3となると考えられるため、エンジン12における燃焼開始時のトルクが動力分割機構20に伝達することを回避するうえではワンウェイベアリング28を用いなくてもよい。
上記各実施形態では、駆動源(モータジェネレータ10等)の回転速度の符号を固定しつつ駆動輪14の回転速度を正、ゼロ、負に切り替えるために動力循環を利用したが、これに限らない。例えば、駆動源の回転速度の符号を一定に保った状態における駆動輪14の回転速度をゼロを境とする一方向の領域に限ってもよい。この場合、モータジェネレータ10を反転させることで駆動輪14の回転速度の符号を反転させることができる。もっともこれに代えて、動力分割用回転体と駆動源や駆動輪14との機械的な連結態様を変更することでモータジェネレータ10の回転速度の符号を反転させること無く駆動輪14の回転速度の符号を反転させてもよい。これは例えば、先の図1に示した構成において、サンギアSとCVT22との間にクラッチを設けるとともに、サンギアSを固定する手段を備えることで行うことができる。
クラッチC1〜C3の締結条件としては、上記各実施形態において例示したものに限らない。例えば停車時、牽引時においては、クラッチC1,C2,C3を解除状態とすればよい。これにより、牽引によってCVT22が回転されることを回避することが可能となり、CVT22として金属ベルトを備えるもの等を利用する場合であってもCVT22の劣化を抑制することができる。これは、例えば先の図1の構成の場合、クラッチC1,C2,C3の双方を解除状態とすることで、モータジェネレータ10の負荷等によってCVT22が回転することなくクラッチC1,C2,C3が空転する状態を実現可能であるためである。
上記各実施形態では、エンジン12の回転速度がエンジン12を安定して稼動状態に保つための最小回転速度以下である場合であって且つエンジン12の始動要求が生じた場合にクラッチC4を締結状態としたがこれに限らない。例えば車両の制動力が要求されることを条件としてもよい。これは、モータジェネレータ10を小型化しても、発進トルクを確保することができる上記各実施形態の構成にとって特に有効である。すなわち、モータジェネレータ10を小型化(例えば十数kW)すると、モータジェネレータ10の回生運転によって生成される車両の制動力を大きくすることができなくなる懸念がある。しかし、こうした場合であっても、クラッチC4を締結状態として動力分割機構20にエンジン12の負荷トルクを付与してエンジンブレーキを利用することで、制動力を大きくすることができる。
動力分割機構としては、上記各実施形態に例示したものに限らない。例えば、先の図1や、図15、図16、図17に例示した構成において、サンギアS、キャリアCおよびリングギアRを入れ替えてもよい。この場合であっても、遊星歯車機構とモータジェネレータ10、エンジン12、駆動輪14との間に介在するギアの設定によって、上記各実施形態と同様の効果を奏することが可能となる。
上記実施形態では、動力分割用回転体を構成する遊星歯車機構として、サンギアSとリングギアRの回転速度の符号が互いに相違する場合にキャリアCの回転速度がゼロとなりうるものを採用したが、これに限らない。例えば、サンギアSとリングギアRとの回転速度の符号が同一である場合にキャリアCの回転速度がゼロとなり得るものを用いてもよい。この遊星歯車機構は、いわゆるダブルピニオンを有する遊星歯車機構(例えば特開2001−108073号公報参照)によって実現できる。
機械式の無段変速装置としては、ベルト式のものに限らず、例えばトラクションドライブ式のものであってもよい。また、機械式のものに限らず、油圧式のものであってもよい。更に、無段変速装置にも限らず、有段変速装置であっても、これを介在させた場合の動力伝達効率が直達モードと比較して低下するなら、直達モードを設けることは有効である。もっとも、動力伝達効率の低下の有無にかかわらず、変速装置の異常時におけるフェールセーフ処理として、直達モードを利用することは有効である。
・車両としては、ハイブリッド車や電気自動車に限らず、例えば車載主機としてエンジン12のみを備える車両であってもよい。これは、例えば先の図1に示した構成において、モータジェネレータ10や、ワンウェイベアリング26、クラッチC4を削除することで実現することができる。
<備考>
上記第1の実施形態に記載の構成について、様々な関係を導出する場合、図19に示す一般的な構成において導出すれば足りる。ここで、ギアG1は、CVT22に対応している。ちなみに、図19に示す構成と第1の実施形態に示す構成との相違は、第1の実施形態にはギアG4が無く、ギアG2a、G2bを有する点である。図の構成は、第1の実施形態の構成を一般化したものであるにもかかわらず、ギアG2a,G2bをギアG2にまとめることとしたのは、クラッチC1およびキャリアC間に介在するギアをギアG2として一般化することができるためである。すなわち、この図の構成から第1の構成にいたるには、第1の実施形態のギアG2a,G2bのトータルのギア比を図19の構成のギアG2のギア比r2として且つ、ギアG4のギア比r4を「1」とすればよい。なお、ギア比ri(i=1〜6)は、図中、aの回転速度に対するbの回転速度の比である。
Ts=−ρTc/(1+ρ) …(c2)
ρwS−(1+ρ)wC+wR=0 …(c3)
「モード1における高トルクの生成について」
モータジェネレータ10を駆動源とする場合、図中、IN2が供給動力となる。今、モータジェネレータ10のトルクをトルクTmとし、先の図2(c)に示した関係からエネルギ保存則を立てると、以下の式が成立する(ただし、ギアG1、G2の質量を無視する理想化を行っている)。
上記の式(c1)および式(c2)を用いて上記式(c4)からトルクTs,Tcを消去することで、下記の式(c5)を得る。
上記の式(c5)によれば、比「wS/wC」を「(1+ρ)/ρ」に近似させることで、リングギアRのトルクTrは、非常に大きなものとなり得ることがわかる。換言すれば、駆動輪14に伝達されるトルクが非常に大きなものとなり得ることがわかる。
1.駆動源がエンジンの場合
モード1においては、サンギアSの回転速度wSと、キャリアCの回転速度wCとの間には、以下の式(c6)にて表現される関係がある。
一方、ギアG6の出力側の回転速度wG6bは、以下の式(c7)にて表現できる。
上記の式(c6)、(c7)を上記の式(c3)に代入することで以下の式(c8)を得る。
したがって、トータルのギア比は、以下の式(c9)となる。
2.駆動源がモータジェネレータ10の場合
この場合、入力軸がギアG1の出力側となるため、上記の式(c8)の右辺のwSをギア比r1で除算したものを用いることで、以下の式が導出できる。
「モード2のトータルギア比について」
モード2においては、駆動源がエンジンの場合、ギアG1,G4,G6の経路を考えることで、トータルギア比は、以下の式(c11)となる。
「トルク抜けの生じない切替条件」
ギアG1の回転速度wG1bが、ギアG2の回転速度wG2aとギアG4の回転速度wG4aとの双方と一致することが条件となる。これは、以下の式にて表現することができる。
上記の式(c12)において、例えばサンギアSおよびリングギアRの回転速度wS,wRをキャリアCの回転速度wCで表現して且つ、上記の式(c3)に代入することで以下の式(c13)を得る。
すなわち、CVT22(ギアG1)のギア比r1が上記の式(c13)の右辺の値をとりうる設定とすれば、上記(c13)の条件成立時においてトルク抜けを回避した切替を行うことができる。
これは、トータルのギア比を従属変数としギア比r1を独立変数とする関数をギア比r1によって微分した値についてのモード1とモード2との積が負であることを条件とすればよい。
すなわち、r5・r4・r2<0 …(c14)
ちなみに、上記第1の実施形態では、ギアG5やギアG2a、G2bをカウンタギアとしたため、ギア比r2>0、ギア比r5<0であり、またギアG4を除いたため、ギア比r4=1であり、この条件を満たす。
Claims (15)
- 駆動源および駆動輪間の動力分割のための回転体であって且つ互いに連動して回転する複数の動力分割用回転体と、該動力分割用回転体に機械的に連結されて変速比を可変とする変速装置とを備える車載動力伝達装置において、
前記駆動源から出力される動力が、前記変速装置を介して前記駆動輪に伝達される変速モードと、前記駆動源から出力される動力が前記変速装置を介すことなく前記駆動輪に伝達される直達モードとを切り替える切替手段を備え、
前記動力分割用回転体は、前記駆動輪に機械的に連結される第1の回転体と、該第1の回転体とは別の第2の回転体および第3の回転体とを備え、
前記変速モードにおいて、前記第2の回転体および前記第3の回転体を前記変速装置を介して機械的に連結することで前記駆動源の動力を前記第2の回転体および前記第3の回転体の少なくとも一方を介して前記第1の回転体に伝達させるに際し前記第2の回転体および前記第3の回転体のいずれか一方から他方へと動力が流動する動力循環が生じる循環用経路を備え、
前記第1の回転体および前記第2の回転体を前記変速装置を介して機械的に連結する駆動輪側経路と、
前記変速装置の一対の回転軸のうち前記第2の回転体に機械的に連結される側と前記駆動源との間の動力の伝達および遮断を切り替える変速用動力伝達規制手段と、
前記変速装置の一対の軸のうちの前記第1の回転体に機械的に連結される側と前記駆動源との間の動力の伝達および遮断を切り替える直達用動力伝達規制手段とをさらに備えることを特徴とする車載動力伝達装置。 - 駆動源および駆動輪間の動力分割のための回転体であって且つ互いに連動して回転する複数の動力分割用回転体と、該動力分割用回転体に機械的に連結されて変速比を可変とする変速装置とを備える車載動力伝達装置において、
前記駆動源から出力される動力が、前記変速装置を介して前記駆動輪に伝達される変速モードと、前記駆動源から出力される動力が前記変速装置を介すことなく前記駆動輪に伝達される直達モードとを切り替える切替手段を備え、
前記動力分割用回転体は、前記駆動輪に機械的に連結される第1の回転体と、該第1の回転体とは別の第2の回転体および第3の回転体とを備え、
前記第1の回転体および前記第2の回転体を前記変速装置を介して機械的に連結する駆動輪側経路と、
前記変速装置の一対の回転軸のうち前記第2の回転体に機械的に連結される側と前記駆動源との間の動力の伝達および遮断を切り替える変速用動力伝達規制手段と、
前記変速装置の一対の軸のうちの前記第1の回転体に機械的に連結される側と前記駆動源との間の動力の伝達および遮断を切り替える直達用動力伝達規制手段とを備えることを特徴とする車載動力伝達装置。 - 前記直達用動力伝達規制手段は、前記駆動源側の軸と前記変速装置側の軸との締結および解除を行う電子制御式の締結手段を備えることを特徴とする請求項1または2記載の車載動力伝達装置。
- 前記直達用動力伝達規制手段は、出力側である前記変速装置側に対する入力側である前記駆動源側の相対回転速度が負でないことを条件に動力を伝達させる一方向伝達機構を備えることを特徴とする請求項1または2記載の車載動力伝達装置。
- 前記直達用動力伝達規制手段が、前記駆動源側の軸と前記変速装置側の軸との締結および解除を行う電子制御式の締結手段であって且つ前記変速用動力伝達規制手段が、出力側である前記変速装置側に対する前記駆動源側である入力側の相対回転速度が負でないことを条件に動力を伝達させる一方向伝達機構である、または前記直達用動力伝達規制手段が、出力側である前記変速装置側に対する入力側である前記駆動源側の相対回転速度が負でないことを条件に動力を伝達させる一方向伝達機構であって且つ前記変速用動力伝達規制手段が、前記駆動源側の軸と前記変速装置側の軸との締結および解除を行う電子制御式の締結手段であり、
前記直達モードが選択されている状況下、前記変速装置の変速比の操作を、前記一方向伝達機構の出力側の回転速度が入力側の回転速度以下とならないように制限する制限手段を備えることを特徴とする請求項1または2記載の車載動力伝達装置。 - 前記直達用動力伝達規制手段が、出力側である前記変速装置側に対する入力側である前記駆動源側の相対回転速度が負でないことを条件に動力を伝達させる一方向伝達機構であって且つ、前記変速用動力伝達規制手段が、出力側である前記変速装置側に対する前記駆動源側である入力側の相対回転速度が負でないことを条件に動力を伝達させる一方向伝達機構であることを特徴とする請求項1または2記載の車載動力伝達装置。
- 前記第2の回転体および前記第3の回転体を前記変速装置を介して機械的に連結することで前記駆動源の動力を前記第2の回転体および前記第3の回転体の少なくとも一方を介して前記第1の回転体に伝達させるに際し前記第2の回転体および前記第3の回転体のいずれか一方から他方へと動力が流動する動力循環が生じる循環用経路と、
前記循環用経路を介した前記第2の回転体と前記第3の回転体との動力の伝達および遮断を切り替える循環用動力伝達規制手段と、
前記駆動輪側経路に介在して且つ、前記変速装置の一対の軸のうちの前記第1の回転体に機械的に連結される側と前記第1の回転体との間の動力の伝達および遮断を切り替える駆動輪側動力伝達規制手段とをさらに備えることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の車載動力伝達装置。 - 前記変速用動力伝達規制手段および前記直達用動力伝達規制手段によって動力の伝達および遮断の切り替えがなされる前記駆動源が内燃機関であり、
前記第2の回転体には、回転電機がさらに機械的に連結されていることを特徴とする請求項7記載の車載動力伝達装置。 - 前記第3の回転体と前記内燃機関との間の動力の伝達および遮断を切り替える起動用動力伝達規制手段をさらに備えることを特徴とする請求項8記載の車載動力伝達装置。
- 前記起動用動力伝達規制手段は、前記3の回転体と前記内燃機関の回転軸との締結および解除を行う電子制御式の締結手段を備えることを特徴とする請求項9記載の車載動力伝達装置。
- 前記起動用動力伝達規制手段は、前記内燃機関側である出力側に対する前記3の回転体側である入力側の相対回転速度が負でないことを条件に動力を伝達させる一方向伝達機構を備えることを特徴とする請求項9または10記載の車載動力伝達装置。
- 前記循環用動力伝達規制手段が遮断状態とされて且つ前記駆動輪側動力伝達規制手段が伝達状態とされる状況下、前記起動用動力伝達規制手段が伝達状態となる場合、前記駆動輪側動力伝達規制手段を介して前記第1の回転体および前記第2の回転体の一方から他方へと動力が流動する動力循環が生じることを特徴とする請求項9〜11のいずれか1項に記載の車載動力伝達装置。
- 前記駆動輪の回転速度が所定の速度領域となることを条件に前記直達モードに切り替える直達制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項1〜12のいずれか1項に記載の車載動力伝達装置。
- 前記変速装置は、ベルト式の無段変速装置であり、
前記無段変速装置の異常の有無を判断する判断手段と、
前記判断手段によって前記無段変速装置に異常があると判断される場合、前記直達モードに切り替える直達制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項1〜12のいずれか1項に記載の車載動力伝達装置。 - 前記回転電機は、前記変速装置を介して前記第2の回転体に機械的に連結されており、
前記駆動輪の回転が停止される状況下、前記循環用動力伝達規制手段および前記駆動輪側動力伝達規制手段の双方を遮断状態として且つ前記直達用動力伝達規制手段を伝達状態とすることで前記内燃機関の動力を前記回転電機によって電気エネルギに変換する処理を行う発電制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項9〜12のいずれか1項に記載の車載動力伝達装置。
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