JP5291414B2 - 軌道車両用駆動システム及び軌道車両 - Google Patents

Description

この発明は、エンジンの回転出力を変速して出力する変速機を備えた軌道車両用駆動システム及びそれを用いた軌道車両に関する。

既存の気動車の駆動システムは、ディーゼルエンジンのようなエンジンの出力を変速機（トランスミッション）に入力し、変速機の出力をドライブシャフトを介して車輪に伝達するシステムとして構成されているものがある。このシステムでは、変速はすべて変速機で行われる。一方、別の形態の駆動システムとして、エンジンの出力をすべて発電機に入力し、発電機が出力した電気エネルギーをインバータに入力し、周波数変換して台車に備わるモータを電気的に駆動するシステムが提案されている。エンジンが停止していても、バッテリからの電力によって、モータを運転することができる。この形態の駆動システムでは、減速回生時にインバータからは、フルに又は車両の運転状態に応じて余剰となった電力がバッテリに充電される。

二つの中間軸を持つブリッジ型変速機で入力軸と中間軸の間に後進ギアを設けているものがある（特許文献１参照）。この変速機は、エンジンに接続された変速機入力軸と、変速機出力軸の間に第一，第二の中間軸を設け、該中間軸と入力軸および該中間軸と出力軸の間に変速ギアを配置して、二組の変速ギア比の積で変速比が決まるようにし、さらに両中間軸間に差動装置を接続し、該差動装置の第三軸に電動機を接続して、エンジントルクを一時的にモータに担持させることでアクティブ変速を行うアクティブシフト変速機である。噛合いクラッチの数を増やすことなく、入力軸の変速ギアを解放すれば、エンジンを切り離し可能であり、回生制動時のエンジン連れ回し損失を無くすことを図っている。しかしながら、このアクティブシフト変速機は、自動車用のものであるので、後進ギアは一つ（片方）だけである。

また、ツインクラッチ式自動変速機の両クラッチ軸間に電動機を挿入し、電動機のトルクと回転数を制御して滑らかで効率的な変速制御を行うとともに、クリープ制御、アイドルストップ発進制御、Ｒ→Ｄ、Ｄ→Ｒセレクト制御等を実現可能な変速機が提案されている（特許文献２参照）。この提案において、中間軸の片方に固定ブレーキ又は固定クラッチが設けられているものが含まれているが、その目的はエンジン始動用に限られている。
特開２００５−７６８７５号公報 ＷＯ０１／６６９７１

気動車のような軌道車両では、自動車（前進第１〜４速、後進Ｒ）とは異なり、前進と後進とは同じ変速環境で作動しなければならない。即ち、気動車は、車両の編成は変わらずに、上りを走行するときと下りを走行するときとでは、前進・後進を同じ速度段で変速できなければならないという要請がある。そこで、電動機でアシストをする軌道車両用の駆動システムにおいては、変速機として、前進と後進とで、速度段数と各速度段でのギア比とを等しくするためのギア配列を得るとともに電動機と組み合わせ可能とするとともに、ブレーキ時には回生ブレーキによって効率よくエネルギーを回生して省エネルギーを図り、且つ回生ブレーキによって最大限のブレーキ力を得て機械ブレーキの負担を軽減し、省メンテナンスを図る点で解決すべき課題がある。

この発明による軌道車両用駆動システムは、エンジン、及び当該エンジンの回転出力が入力される入力軸と当該回転出力を変速して出力する出力軸とを有する変速機を備え、当該変速機の前記出力軸の回転が軌道車両の駆動輪に伝達される軌道車両用駆動システムにおいて、前記変速機は、前記入力軸と並列に設けられた第１中間軸及び第２中間軸、前記入力軸と前記両中間軸との間に設けられていて前記入力軸の回転を選択的に伝達する前進用ギア列及び後進用ギア列、及び前記第１中間軸又は第２中間軸と前記出力軸との間に噛み合って設けられており選択的に動力伝達が行われる複数組の変速ギア段、を備えていて、前記前進用ギア列又は前記後進用ギア列の選択と複数組の前記変速ギア段の選択との組合せで得られる速度段数が前進と後進とで等しくなっており、更に、インバータを介してバッテリとの間で電力を出し入れし前記変速機に備わる前記第１中間軸及び／又は前記第２中間軸との間で回転力を授受する発電電動機、前記発電電動機と前記第１中間軸及び前記第２中間軸との間に介在されており、差動出力軸に前記発電電動機が接続されている差動機構、並びに前記差動機構と前記第１中間軸及び前記第２中間軸の少なくとも一方との間に直列配置されている複数のギアから成る接続ギア列を備え、回生ブレーキ時には、前記変速ギア段を前記軌道車両の速度が低下するに応じて減速比が小さくなるよう選択的に切り換えて締結し、前記出力軸の回転を前記差動機構を介して前記発電電動機に伝達して発電し、前記変速機は、更に、前記接続ギア列の当該ギアの回転を拘束する固定クラッチを備え、前記回生ブレーキ時には、前記固定クラッチを締結し、前記軌道車両の速度が低下するに応じて前記減速比が小さくなるよう選択的に切り換えて締結する前記変速ギア段を、前記接続ギア列が直接接続されていない方の前記中間軸に配置された前記変速ギア段とすることを特徴とする。
ここでいう回生ブレーキ時の減速比とは、「前記変速機の前記出力軸を入力軸とし前記差動機構の前記差動出力軸を出力軸とするときの減速比」のことを意味する。

この発明による軌道車両用駆動システムによれば、変速機が出力軸との間に相異なる変速ギア段を有する二つの中間軸と、前進用ギア列及び後進用ギア列とを組み合わせているので、軌道車両の前進と後進とによらず、同じ速度段数とギア比とが得られる。しかも、発電電動機によるアシスト回転力は、変速機を通じて出力軸に与えられる。更に、変速機の出力の一部又は全部の入力を受けて発電する発電電動機を備えることで、当該駆動システムは、鉄道車両の駆動輪にはエンジンからの動力と発電電動機からの電動機出力とが選択的に伝達されるハイブリッド駆動システムに構成され、エンジンの余剰動力を発電に用いて電気エネルギーとして貯えることができる。

差動機構によれば、発電電動機によるアシスト回転力が第１中間軸又は第２中間軸を通じて出力軸に与えることができ、第１中間軸と第２中間軸との間に速度差が生じるときには吸収することができる。
差動機構に係合された接続ギア列の当該ギアの回転を拘束する固定クラッチを設けているので、固定クラッチの締結によって両中間軸のうち差動機構を介さないで接続される一方の中間軸の回転が停止され、発電電動機を電動機として作動させて発進するときのモータ発進や、発電電動機を発電機として作動させるときの発電時に、制御の容易さと発電効率を高めることができる。

また、軌道車両の制動時に発電することで運動エネルギーを回生エネルギーとして回収することができ、省エネルギーに貢献することができる。即ち、接続ギア列が直接接続されていない方の中間軸に配置された変速ギア段のいずれか一つが締結されて走行中に、接続ギア列が直接接続されている方の中間軸に配置された変速ギア段のすべてを開放するとともに、固定クラッチを締結するときには、軌道車両の慣性による出力軸から取り込まれる回転力は、締結されている変速ギア段を介しての一方の中間軸を回転させ、固定クラッチの締結によって回転が停止されている他方の中間軸との回転差が差動機構を介して発電電動機に伝達されるので、軌道車両の運動エネルギーを発電電動機における発電に変えて回生することでブレーキをかける回生制動を行うことができる。特に、接続ギア列が直接接続されていない方の中間軸に配置された変速ギア段を軌道車両の速度に応じて選択的に切り替えて締結することで、ブレーキ力を回生に対して効率上最も好ましい回転速度で発電電動機に入力することができ、最大限の回生ブレーキを得ることができる。

この発明は、この軌道車両用駆動システムを備え、当該軌道車両用駆動システムの出力で駆動輪を駆動し、当該軌道車両用駆動システムによって回生ブレーキ時に発電することを特徴とする軌道車両とすることができる。

この発明による軌道車両用駆動システムは上記のように構成されているので、次のような効果を奏する。即ち、この軌道車両用駆動システムは、変速機が出力軸との間に相異なる変速ギア段を有する二つの中間軸と、前進用ギア列及び後進用ギア列とを組み合わせており、軌道車両の前進と後進とによらず、同じ速度段数とギア比とが得られる。しかも、発電電動機によるアシスト回転力は、変速機を通じて出力軸に与えられる。更に、変速機の出力の一部又は全部の入力を受けて発電する発電電動機を備えることで、当該駆動システムは、鉄道車両の駆動輪にはエンジンからの動力と発電電動機からの電動機出力とが選択的に伝達されるハイブリッド駆動システムに構成される。その結果、エンジンの余剰動力を発電電動機における発電によって電気エネルギーに変えてバッテリに蓄え、また制動時には制動エネルギーを電気エネルギーとして回生してバッテリに蓄え、蓄えた電気エネルギーを駆動力として使用できることから、従来の気動車よりも駆動性能及び燃費を向上させることができる。また、電動機として発電電動機を用いることで、更にエネルギーを回収する発電機と動力を発生する電動機が共用できることから、イニシャルコストを低減することができる。
特に、回生ブレーキ時には、変速ギア段を軌道車両の速度が低下するに応じて減速比が小さく、即ち発電電動機の回転速度が低下しないよう増速側へと選択的に切り換えて締結し発電することから、差動機構を介して伝達される出力軸の回転を、効率上より好ましい回転速度で発電電動機に入力することができ、効率よく回生エネルギーを得ることとなり、省エネルギーが図られ、且つ、それにより軌道車両は、最大限の回生ブレーキ力を得ることとなり、機械ブレーキの負担を軽減し、省メンテナンスが図られる。
また、中間軸と差動機構とを接続する接続ギア列のギアの回転を拘束する固定クラッチを設け、回生ブレーキ時に、固定クラッチを締結し、接続ギア列が直接接続されていない方の中間軸に配置された変速ギア段を軌道車両の速度が低下するのに応じて減速比が小さくなるよう選択的に切り換えて締結し発電することから、差動機構を介して伝達される出力軸の回転を、効率上より好ましい回転速度で発電電動機に入力することができ、加えて、接続ギア列が直接接続されている中間軸を固定させることができ、固定クラッチを設けない場合（両中間軸の回転速度差が差動機構を介して発電電動機に入力される）に比べ、中間軸の回転によるエネルギーの損失を避けて更に効率よく回生エネルギーを得ることとなり、更に省エネルギーが図られる。また、切り換えに要する手順がシンプルになり切り換え時間が短縮されるメリットがある。

図１は、この発明による軌道車両用駆動システムが適用される軌道車両、特に鉄道車両の一例を示す模式図であり、（ａ）は屋根上を示す平面図、（ｂ）は床下の下面に沿った平面で下方を見た図を示す。図１（ａ）に示すように、鉄道車両１の屋根２の上には、駆動用バッテリ１０と駆動用バッテリリアクトル１１とが設けられている。

図１（ｂ）に示すように、鉄道車両１を支えるとともに、軌道（線路）を走行可能な車輪５と減速機６とを備えた台車４，４が配置されており、鉄道車両１の床３下には、以下に掲げる各種機器が吊り下げる態様で設けられている。即ち、軽油等の燃料を貯蔵して供給源となっている燃料タンク１３、燃料タンク１３から燃料の供給を受けて駆動されるディーゼルエンジンのような内燃機関からなるエンジン１４、エンジン１４に近接配置されておりエンジン１４の回転出力を受けて当該回転出力をプロペラシャフト１６に変速して出力する変速機（アクティブシフトトランスミッション）１５、屋根２上の駆動用バッテリ１０からの電力が入力されるインバータ１７、インバータ１７で周波数変換された交流電力の供給を受け且つ場合によってはエンジン１４からの動力を受けて発電機として機能する発電電動機１８が、床３の下に吊り下げ支持されている。図１（ｂ）に示すように、鉄道車両１の床３上には、駆動用バッテリ１０と後述する発電電動機１８との間で電流の流れを断つ断流器１２が設置されている。

変速機１５の変速出力は、一方の台車（駆動台車）４に設けられている減速機６に推進軸（プロペラシャフト）１６を介して伝達される。床３の下面には、更に、エンジン制御器１９、変速機制御器２０、制御用バッテリ２１、ラジエータ２２が吊り下げ支持されている。

図２は、図１に示す軌道車両の軌道車両用駆動システムにおける発電電動機及び変速機と両者間の接続構造の一例を示す上面図（ａ）と側面図（ｂ）である。発電電動機１８と変速機１５とのメンテナンス周期のずれによって、発電電動機１８と変速機１５とを車両本体から取り外す時期が異なるので、発電電動機１８と変速機１５の接続軸（後述する）とは撓み継ぎ手２５を介して連結されている。撓み継ぎ手２５を用いて両者を連結しているので、発電電動機１８と変速機１５との一方のみを車体から取り外す場合、及び再び車体に取り付ける場合に、接続する軸間で傾斜が許容されて完全にアライメントしていなくてもよくなるので、取り外し・取り付け作業を容易に且つ効率的に行うことが可能になる。なお、撓み継ぎ手２５に代えてユニバーサルジョイントを用いることも可能である。

図３は、図１に示す軌道車両の軌道車両用駆動システムにおける変速機の構造を模式的に示す図である。変速機１５には、エンジン１４の出力軸２９は、変速機１５の入力軸３０に直結されており、エンジン１４からの回転出力が直接に変速機に入力される。入力軸３０には、前進用ギア列３１と後進用ギア列３２が並列に配置されており、入力軸３０が回転駆動されている状態では、両ギア列３１，３２は常に駆動されている。前進用ギア列３１は、入力軸３０に連結された入力ギア３３、入力ギア３３と噛み合う第１ギア３４及び第２ギア３５を備えている。後進用ギア列３２は、入力軸３０に連結された入力ギア３６、入力ギア３６にそれぞれ噛み合う仕様が同じな反転ギア３７，３８、反転ギア３７，３８にそれぞれ噛み合う第３ギア３９及び第４ギア４０を備えている。

入力軸３０に並行に、第１中間軸４１と第２中間軸４２とが配置されている。第１ギア３４と第３ギア３９とは第１中間軸４１に相対回転可能に嵌合しており、第２ギア３５と第４ギア４０とは第２中間軸４２に相対回転可能に嵌合している。第１中間軸４１と第２中間軸４２とには、前進用ギア列３１と後進用ギア列３２との間において、それぞれ、選択的にシフト可能な第１クラッチ４３と第２クラッチ４４とが配設されている。したがって、第１中間軸４１には第１クラッチ４３の選択的なシフトによって当該クラッチ４３が締結した側のギア（３４又は３９）から前進回転又は後進回転が与えられ、第２中間軸４２には第２クラッチ４４の選択的なシフトによって当該クラッチ４４が締結した側のギア（３５又は４０）から前進回転又は後進回転が与えられる。

第１中間軸４１と第２中間軸４２と並行に、出力軸４５が配置されている。第１中間軸４１と出力軸４５との間には第１変速ギア段５１と第３変速ギア段５３が配設されており、第２中間軸４２と出力軸４５との間には第２変速ギア段５２と第４変速ギア段５４が配設されている。各変速ギア段５１〜５４においては、予め定められた変速比で出力軸４５に回転出力を生じさせるために、相異なるギア径（歯数）が定められている。また、各変速ギア段５１〜５４において、中間軸４１，４２上に配置されているギアは中間軸４１，４２に対して相対回転自在であるが、出力軸４５に配置されているギアは出力軸４５に固定されている。

第１中間軸４１上において、第１変速ギア段５１と第３変速ギア段５３との間には選択的にシフト可能な第３クラッチ４６が配設されている。また、第２中間軸４２上において、第２変速ギア段５２と第４変速ギア段５４との間には選択的にシフト可能な第４クラッチ４７が配設されている。

上記の変速ギア段の構成によって、第１クラッチ４３を前進用ギア列３１側にシフトした状態で、第３クラッチ４６を第１変速ギア段５１側にシフトするときには入力軸３０の回転は第１中間軸４１及び第１変速ギア段５１を介して出力軸４５に第１変速段で出力され、第３クラッチ４６を第３変速ギア段５３側にシフトするときには入力軸３０の回転は第１中間軸４１及び第３変速ギア段５３を介して出力軸４５に第３変速段で出力される。このとき、第２クラッチ４４は中立位置に置かれる。また、第２クラッチ４４を前進用ギア列３１側にシフトした状態で、第４クラッチ４７を第２変速ギア段５２側にシフトするときには入力軸３０の回転は第２中間軸４２及び第２変速ギア段５２を介して出力軸４５に第２変速段で出力され、第４クラッチ４７を第４変速ギア段５４側にシフトするときには入力軸３０の回転は第２中間軸４２及び第４変速ギア段５４を介して出力軸４５に第４変速段で出力される。このとき、第１クラッチ４３は中立位置に置かれる。

第１クラッチ４３、第２クラッチ４４、第３クラッチ４６及び第４クラッチ４７は、ドグクラッチとして構成されている。各中間軸とスプライン係合しているスリーブをシフタによって中間軸の軸線と並行な方向にシフトさせることにより、各ギアに設けられているドグ歯への締結が可能である。

第１クラッチ４３又は第２クラッチ４４を後進用ギア列３２側にシフトしたときには、第３クラッチ４６又は第４クラッチ４７の選択的なシフトによって、後進の場合でも同じ変速段が得られる。軌道車両の場合には、進行方向が前進と後進の場合があるが、自動車の場合のような後進１速のみというような制約はなく、どちらの進行方向であっても、同じ変速段が要求されるので、本変速機１５はこうした要求に応えることができる。また、各変速ギア段で走行中に機関ブレーキ信号が入力された際に、エンジン１４をアイドル状態として機関ブレーキをかけることができる。

第２中間軸４２の端部には差動機構５５が配設されており、差動機構５５のリングギア５６と噛み合う取り出しギア５７の取り出し軸５８は発電電動機１８に接続されている。第１中間軸４１と差動機構５５との間には接続ギア列６０と固定クラッチ６１とが配設されている。接続ギア列６０は、第１中間軸４１側に直接接続されている接続ギア列部６０ａと、第２中間軸４２に直接接続されてはいないが差動機構５５を介して間接的に接続されている接続ギア列部６０ｂとを備えている。

車両の運転モードに応じた変速機１５の使用状態について、以下説明する。
［停車状態］ 停車状態では、第３クラッチ４６を第１変速ギア段５１に係合させるのみとし、他のクラッチは開放する。発電電動機１８の出力は無しとされる。エンジン１４は、補機の必要性に応じてのみ運転する。

［惰行状態］ 惰行状態では、第１クラッチ４３及び第２クラッチ４４を共に前進用ギア列３１（又は車両の走行方向が後進であるときには、後進用ギア列３２）側にシフトする。発電電動機１８の出力は無しとされる。エンジン１４はアイドル状態である。

停車時における発電及びバッテリ暖機運転並びに惰行時における発電について図４を参照して説明する。
［停車発電］ 停車発電では、第１クラッチ４３を中立位置とし、第２クラッチ４４を前進（又は後進）用ギア列３１（又は３２）側にシフトする。各変速ギア段５１〜５４は中立位置を占める。固定クラッチ６１を締結状態とすることで、差動機構５５の反第２中間軸側（即ち、第１中間軸４１）が回転しないようにして、エンジン１４の出力を、第２中間軸４２、差動機構５５の取り出しギア５７及び取り出し軸５８を介して発電電動機１８に出力する。惰行発電についても同等の状態である。また、バッテリ１０、２１等の温度が０℃以下のような場合において、バッテリを加温する暖機運転の場合も同等の状態である。

力行時における発電について図５を参照して説明する。
［力行発電］ 車両がエンジン１４の出力で力行をしつつその出力の一部で発電を行うモードである。第１変速段〜第４変速段については、上記のとおり第３クラッチ４６又は第４クラッチ４７による各変速ギア段５１〜５４の選択的なシフト・締結が行われる。第１変速段又は第３変速段で走行する場合には第１中間軸４１が動力伝達経路として用いられている。固定クラッチ６１は開放されているので、第１中間軸４１の回転が接続ギア列６０を介して差動機構５５に入力される。出力軸４５からいずれかの方向にシフトされた第４クラッチ４７を介して第２中間軸４２を回転させることで、差動機構５５における第１中間軸４１側からの入力と第２中間軸４２からの入力との差動として、取り出し軸５８から発電電動機１８に発電トルクが掛けられる。第２変速段又は第４変速段で走行する場合には、第２中間軸４２が既に動力伝達経路となっている。出力軸４５からいずれかの方向にシフトされた第３クラッチ４６を介して第１中間軸４１を回転させ、第１中間軸４１の回転を、固定クラッチ６１が開放された接続ギア列６０を介して差動機構５５に入力する。差動機構５５における第１中間軸４１側からの入力と第２中間軸４２からの入力との差動として取り出し軸５８から発電電動機１８に発電トルクが掛けられる。図５は一例として第１変速段で走行中に第４変速段を締結して発電する場合を示す。

回生時の動作について図６、図７を参照して説明する。
［回生］ 固定クラッチを使用する場合の回生時の動作について図６を参照して説明する。モータの回転数を高くするため、例えば第４変速段又は第２変速段での走行時に行う回生では、出力軸４５の回転を第４クラッチ４７のいずれかの方向へのシフト・締結によって第２中間軸４２を回転させることができる。差動機構５５において、固定クラッチ６１を締結することによって第１中間軸４１を停止させることができるので、第２中間軸４２の回転を差動機構５５における両入力の差動として取り出し軸５８から発電電動機１８に発電トルクが掛けられ、回生動作を得ることができる。第１変速段又は第３変速段での走行時に固定クラッチ６１を締結して回生を行うには、先ず第３クラッチ４６を中立にし、第４クラッチ４７を車速に応じて第２変速段又は第４変速段に締結すると共に固定クラッチ６１を締結して回生する。
固定クラッチを使用しない場合の回生を第１変速段又は第３変速段走行時を例に取り、図７を参照して説明する。固定クラッチ６１は開放されているので、出力軸４５の回転を第３クラッチ４６のいずれかの方向へのシフト・締結によって第１中間軸４１を回転させると共に、出力軸４５の回転を第４クラッチのいずれかの方向へのシフト・締結によって第２中間軸４２を回転させ、差動機構５５における両入力の差動として取出し軸５８から発電電動機１８に発電トルクが掛けられ、回生動作を得ることができる。
車両の走行速度に応じて変速段を切り換えて、より効率的に行う回生動作については後述する。

第１変速段を用いる電動機発進について図８を参照して説明する。
［電動機発進（第１変速段発進）］ エンジン１４が停止しているときに、第３クラッチ４６を第１変速ギア段５１側にシフト・締結し、同時に第４クラッチ４７を第４変速ギア段５４側にシフト・締結する。第１及び第２のクラッチ４３，４４並びに固定クラッチ６１は開放状態とされる。モータとして作動する発電電動機１８の出力は、差動機構５５を介して、更に一方では第４変速ギア段５４を介して出力軸４５に、また他方では接続ギア列６０、第１中間軸４１及び第１変速ギア段５１を介して出力軸４５に伝達される。両経路の回転差は、差動機構５５が吸収する。車両速度が例えば２０ｋｍ／ｈに加速したときに、エンジン１４が始動される。エンジン１４の始動後、エンジン回転数を制御して第１クラッチ４３を同期させて締結すると、エンジン動力は第１中間軸４１、第１変速ギア段５１を介して出力軸４５に伝達され、エンジン走行モードに移行する。

第２変速段を用いる電動機発進について図９を用いて説明する。
［電動機発進（第２変速段発進）］ エンジン１４が停止しているときに、第３クラッチ４６を開放状態とし、第４クラッチ４７を第２変速ギア段５２側にシフト・締結する。第１及び第２のクラッチ４３，４４は開放状態とされるが、固定クラッチ６１は締結される。モータとして作動する発電電動機１８の出力は、差動機構５５、第２中間軸４２、第２変速ギア段５２及び出力軸４５の経路で伝達される。固定クラッチ６１が締結されることで、差動機構５５は発電電動機１８の出力と固定クラッチ６１側との差を第２中間軸４２に出力する。この発進モードでは、第２変速ギア段５２で発進が行われ、車両速度が例えば４５ｋｍ／ｈに加速したときに、エンジン１４が始動される。エンジン１４の始動後、エンジン回転数を制御して第２クラッチ４４を同期させて締結すると、エンジン動力は第２中間軸４２、第２変速ギア段５２を介して出力軸４５に伝達され、エンジン走行モードに移行する。この発進モードは、駅構内では４５ｋｍ／ｈに加速されるまでモータ発進・走行となり騒音低減に効果的であるので、ターミナル駅のような利用客の多い大きな駅での発進に適している。

エンジン発進について、図１０を用いて説明する。
［エンジン発進］ 駆動用バッテリ１０の充電率が低下している場合などに、エンジン１４を起動後、発電電動機１８の回転数を制御して第２クラッチ４４を同期させて締結し、発電電動機１８にトルクをかける。停車状態では第３クラッチ４６が第１変速ギア段５１に締結されているので、エンジン１４の出力は第２中間軸４２、差動機構５５、接続ギア列６０側、第１中間軸４１及び第１変速ギア段５１を介して出力軸４５に伝達される。この時、第２中間軸４２の回転数と差動機構５５の接続ギア列６０側に連結された軸との回転数差は差動機構５５が吸収し、両回転軸の差の出力によって、取り出しギア５７及び取り出し軸５８を介して発電電動機１８が発電する。

図６を参照して固定クラッチを使用する場合の回生時の動作について既に説明したが、軌道車両の走行速度に応じた効率の良い回生動作について、以下に説明する。
図６は、本発明による軌道車両用駆動システムにおいて、固定クラッチを締結し、変速ギア段を２速としたときの、回生時の発電トルク伝達経路を示す説明図であり、図１１は、本発明による軌道車両用駆動システムにおいて、固定クラッチを締結し、変速ギア段を４速としたときの、回生時の発電トルク伝達経路を示す説明図である。
軌道車両が高速（例えば、５５ｋｍ／ｈから１１０ｋｍ／ｈ）で走行している場合において、制動をかけるときには、第４クラッチ４７を第４変速ギア段５４側にシフト・締結することによって出力軸４５の回転は第２中間軸４２に伝達される。固定クラッチ６１を締結することによって、第１中間軸４１は停止されるので、第２中間軸４２の回転が差動機構５５における差動として取り出し軸５８から発電電動機１８に発電トルクが掛けられ、４速における回生動作が得られる（図１１参照）。回生ブレーキ（及び機械ブレーキ）の作用によって軌道車両の走行速度が低下した場合（例えば、５５ｋｍ／ｈ以下になった場合）には、取り出し軸５８から発電電動機１８に入力される回転速度が低下し発電電動機１８の発電効率も低下する。この事態に対処するため減速比が小さくなるよう変速ギア段を切り換える。即ち、第４クラッチ４７の第４変速ギア段５４との締結を一旦解除し、発電電動機１８を電動機モードで作動させることで差動機構５５を介しての第２中間軸４２の回転速度を、出力軸４５からの第２変速ギア段５２の回転速度に同期させる。固定クラッチ６１は締結状態が維持される。この状態で発電電動機１８を発電モードに復帰させるとともに第４クラッチ４７を第２変速ギア段５２側にシフト・締結することで、図６に示すような変速ギア段を２速とした回生動作が得られる。発電電動機１８に入力される回転速度は上昇し、効率の良い回生動作、即ち、最大限の回生ブレーキが得られる。
なお、ここでいう回生ブレーキ時の減速比とは、「変速機１５のプロペラシャフト１６を入力軸とし差動機構５５の取り出し軸５８を出力軸とするときの減速比」のことを意味する。

図７を参照して固定クラッチを使用しない場合の回生時の動作について既に説明したが、軌道車両の走行速度に応じた効率の良い回生動作について、以下に説明する。
図７は、本発明による軌道車両用駆動システムにおいて、変速ギア段の２速と３速を締結したときの、回生時の発電トルク伝達経路を示す説明図であり、図１２は、本発明による軌道車両用駆動システムにおいて、変速ギア段の１速と４速を締結したときの、回生時の発電トルク伝達経路を示す説明図である。
軌道車両が高速（例えば、５５ｋｍ／ｈから１１０ｋｍ／ｈ）で走行している場合において、制動をかけるときには、第３クラッチ４６を第３変速ギア段５３側に、第４クラッチ４７を第２変速ギア段５２側にシフト・締結することによって出力軸４５の回転は第１中間軸４１及び第２中間軸４２に伝達される。よって、第１中間軸４１及び第２中間軸４２の回転が差動機構５５における差動として取り出し軸５８から発電電動機１８に発電トルクが掛けられ、２速及び３速締結における回生動作が得られる（図７参照）。この場合、第１中間軸４１の回転速度をｎ４１、第２中間軸４２の回転速度をｎ４２、差動機構５５のリングギア５６の回転速度をｎ５６とすれば、この３つの回転速度の関係式は差動機構の特性から、ｎ５６＝（ｎ４２−ｎ４１）／２となる。
回生ブレーキ（及び機械ブレーキ）の作用によって軌道車両の走行速度が低下した場合（例えば、５５ｋｍ／ｈ以下になった場合）には、取り出し軸５８から発電電動機１８に入力される回転速度が低下し発電電動機１８の発電効率も低下する。この事態に対処するため減速比が小さくなるよう変速ギア段を切り換える。即ち、第３クラッチ４６の第３変速ギア段５３との締結及び第４クラッチ４７の第２変速ギア段５２との締結を一旦解除し、第３クラッチ４６を第１変速ギア段５１側にシフト・締結し、第４クラッチ４７を第４変速ギア段５４側にシフト・締結することで、図１２に示すような１速及び４速締結における回生動作が得られる。差動機構５５において第１中間軸４１及び第２中間軸４２の差動として取り出し軸５８に取り出されて発電電動機１８に入力される回転速度の絶対値は前記関係式により上昇し、効率の良い回生動作、即ち、最大限の回生ブレーキが得られる。
なお、ここでは、高速で走行している場合に、図７に示すような２速及び３速を締結した状態から回生ブレーキの動作を開始する場合について説明したが、１速及び２速を締結した状態、３速及び４速を締結した状態から回生ブレーキの動作を開始するよう構成しても良い。

なお、以上の実施の形態においては、第１中間軸４１及び第２中間軸４２にそれぞれ変速ギア段を２つずつ備える４速の軌道車両用駆動システムについて説明したが、変速ギア段を３つずつ備えるなど、変速ギア段の数が上記とは異なる軌道車両用駆動システムとして構成しても良い。

この発明による軌道車両用駆動システムが適用される軌道車両、特に鉄道車両の一例を示す模式図である。 図１に示す軌道車両用駆動システムにおける発電電動機及び変速機と、両者間の接続構造の一例を示す上面図である。 図１に示す軌道車両用駆動システムにおける変速機の構造を模式的に示す図である。 本発明による軌道車両用駆動システムにおいて、停車時と惰行時の発電トルク伝達経路を示す説明図である。 本発明による軌道車両用駆動システムにおいて、力行時の発電トルク伝達経路を示す説明図である。 本発明による軌道車両用駆動システムにおいて、固定クラッチを締結し、変速ギア段を２速としたときの、回生時の発電トルク伝達経路を示す説明図である。 本発明による軌道車両用駆動システムにおいて、変速ギア段の２速と３速を締結したときの、回生時の発電トルク伝達経路を示す説明図である。 本発明による軌道車両用駆動システムにおいて、第１変速段を用いる電動機発進時のモータトルク伝達経路を示す説明図である。 本発明による軌道車両用駆動システムにおいて、第２変速段を用いる電動機発進時のモータトルク伝達経路を示す説明図である。 本発明による軌道車両用駆動システムにおいて、エンジン発進時のエンジン出力トルク伝達経路を示す説明図である。 本発明による軌道車両用駆動システムにおいて、固定クラッチを締結し、変速ギア段を４速としたときの、回生時の発電トルク伝達経路を示す説明図である。 本発明による軌道車両用駆動システムにおいて、変速ギア段の１速と４速を締結したときの、回生時の発電トルク伝達経路を示す説明図である。

符号の説明

１ 鉄道車両 ２ 屋根
３ 床 ４，４ 台車
５ 車輪 ６ 減速機
１０ 駆動用バッテリ １１ 駆動用バッテリリアクトル
１２ 断流器 １３ 燃料タンク
１４ エンジン １５ 変速機（アクティブシフトトランスミッション）
１６ プロペラシャフト １７ インバータ
１８ 発電電動機 １９ エンジン制御器
２０ 変速機制御器 ２１ 制御用バッテリ
２２ ラジエータ
２５ 撓み継ぎ手
２９ 出力軸（エンジンの） ３０ 入力軸（変速機１５の）
３１ 前進用ギア列 ３２ 後進用ギア列
３３ 入力ギア
３４ 第１ギア ３５ 第２ギア
３６ 入力ギア ３７，３８ 反転ギア
３９ 第３ギア ４０ 第４ギア
４１ 第１中間軸 ４２ 第２中間軸
４３ 第１クラッチ ４４ 第２クラッチ
４５ 出力軸（変速機１５の）
４６ 第３クラッチ ４７ 第４クラッチ
５１ 第１変速ギア段 ５２ 第２変速ギア段
５３ 第３変速ギア段 ５４ 第４変速ギア段
５５ 差動機構 ５７ 取り出しギア
５８ 取り出し軸 ６０ 接続ギア列
６１ 固定クラッチ

Claims (2)

1. エンジン、及び当該エンジンの回転出力が入力される入力軸と当該回転出力を変速して出力する出力軸とを有する変速機を備え、当該変速機の前記出力軸の回転が軌道車両の駆動輪に伝達される軌道車両用駆動システムにおいて、
   前記変速機は、前記入力軸と並列に設けられた第１中間軸及び第２中間軸、前記入力軸と前記両中間軸との間に設けられていて前記入力軸の回転を選択的に伝達する前進用ギア列及び後進用ギア列、及び前記第１中間軸又は第２中間軸と前記出力軸との間に噛み合って設けられており選択的に動力伝達が行われる複数組の変速ギア段、を備えていて、前記前進用ギア列又は前記後進用ギア列の選択と複数組の前記変速ギア段の選択との組合せで得られる速度段数が前進と後進とで等しくなっており、
   更に、インバータを介してバッテリとの間で電力を出し入れし前記変速機に備わる前記第１中間軸及び／又は前記第２中間軸との間で回転力を授受する発電電動機、
   前記発電電動機と前記第１中間軸及び前記第２中間軸との間に介在されており、差動出力軸に前記発電電動機が接続されている差動機構、並びに
   前記差動機構と前記第１中間軸及び前記第２中間軸の少なくとも一方との間に直列配置されている複数のギアから成る接続ギア列を備え、
   回生ブレーキ時には、前記変速ギア段を前記軌道車両の速度が低下するに応じて減速比が小さくなるよう選択的に切り換えて締結し、前記出力軸の回転を前記差動機構を介して前記発電電動機に伝達して発電し、
   前記変速機は、更に、
   前記接続ギア列の当該ギアの回転を拘束する固定クラッチを備え、
   前記回生ブレーキ時には、前記固定クラッチを締結し、前記軌道車両の速度が低下するに応じて前記減速比が小さくなるよう選択的に切り換えて締結する前記変速ギア段を、前記接続ギア列が直接接続されていない方の前記中間軸に配置された前記変速ギア段とする
   ことを特徴とする軌道車両用駆動システム。
2. 請求項１に記載の軌道車両用駆動システムを備え、当該軌道車両用駆動システムによって回生ブレーキ時に発電する
   ことを特徴とする軌道車両。

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