JP5383544B2 - ハイブリッド車両の自動変速装置 - Google Patents

Description

本発明は、動力源として内燃機関と電動機とを併用するハイブリッド車両の自動変速装置に関し、特にその電動機からの動力を伝達する部分の構造に関するものである。

従来、ハイブリッド車にはエンジンとトランスミッションとの間に１つのモータを配置し、エンジントルクをアシストする間座式と、従来のトランスミッションを廃して発電用と駆動用モータとを備え、主に駆動用モータで走行する２モータ式がある。

間座式は駆動と回生とをトルクコンバータを介して行うものが多く、その性能がトルクコンバータの効率に左右される。２モータ式は駆動用モータで走行を行うため、モータが大きく、重くまたコストも高くなる。

このような問題に解決するために、特許文献１では、エンジンにモータ装置を平行に配置するもので、トルクコンバータを駆動する第１モータ装置と、トルクコンバータを介さずに従来のトランスミッションのデフ機構を直接駆動する第２モータ装置とを備えてなり、第１モータ装置の入出力軸と第２モータ装置の入出力軸とが同芯上になるように、第１及び第２モータ装置を並べて配置することを提案している。

特開２００７‐２２１１２号公報

ところが、このような構成のものであると、２台のモータ装置を備えるために、構造が複雑になるのに加えて、エンジンとモータ装置とを合わせた動力源全体が大きくなってしまい、制御も複雑になり、かつコストも高くなるといった問題が生じる。

そこで本発明は、このような不具合を解消することを目的としている。

すなわち、本発明のハイブリッド車両の自動変速装置は、内燃機関と電動機とを備えるハイブリッド車両において、内燃機関のトルクを駆動輪に、トルクコンバータ、前後進クラッチ、自動変速機及び差動歯車を介して伝達するものであって、電動機のトルクを前後進クラッチよりも内燃機関側に伝達するための第１クラッチと、前後進クラッチよりも駆動輪側に伝達するための第２クラッチを備え、第１及び第２クラッチを電動機の出力軸の軸上に対向して配置してなり、第１及び第２クラッチを操作するための油圧ピストンを備えてなり、油圧ピストンが無作動の場合に第１クラッチを締結し、かつ油圧ピストンが油圧により作動する場合に第１クラッチを切断して第２クラッチを締結することを選択的に実施するクラッチ切り替え手段を備えることを特徴とする。

このような構成によれば、油圧ピストンとクラッチ切り替え手段とにより第１クラッチと第２クラッチとの断続を選択的に行える。この結果、第１クラッチと第２クラッチとが同時に接続されて、電動機の駆動力が自動変速装置内の二カ所に同時に伝達され駆動輪がロックされることを回避することが可能になる。

このようなクラッチ切り替え手段の作動をより確実にするためには、クラッチ切り替え手段は、直列に配置される第１及び第２油圧ピストンを備えてなり、第１油圧ピストンへ油圧を供給することにより第１クラッチを解除し、第１及び第２ピストンに油圧を供給することにより第２クラッチのみを締結するものが好ましい。

加えて、電動機の回生動作時の安全性を向上させるためには、自動変速機が、可変径の第１プーリ及び第２プーリと、第１プーリと第２プーリとの間の動力伝達をする伝達部材とを備える無段変速機であり、第２クラッチが、第１プーリの回転軸に電動機のトルクを伝達するものが好ましい。

本発明は、以上説明したような構成であり、一つの電動機で内燃機関の始動とトルクコンバータより後ろで駆動・回生を可能にして、トルクコンバータのロスを避け燃費を向上させることができる。さらに、第１クラッチと第２クラッチとが同時に係合されて、駆動輪がロックされることを回避することができる。

本発明の第１実施形態の全体構成を示す構成説明図。 同第１実施形態の要部を拡大して示す端面図。 本発明の第２実施形態の要部を拡大して示す端面図。 同第２実施形態の変形例を示す構成説明図。

以下、本発明の一実施形態を、図１〜４を参照して説明する。なお、同一の構成要素については、実施形態が異なっても同一の符号を付すものとする。

第１実施形態を適用するハイブリッド車両は、図１に示すように、車両走行のためのトルクを発生するエンジン１と、車両走行のためのトルクの発生及び余剰トルクの回生を行う電動機２とを動力源としている。このような動力源に対して、自動変速装置である無段変速装置３が接続される。

無段変速装置３は、入力軸４がエンジン１の出力軸に接続されるトルクコンバータ５と、エンジン１による回転の方向を切り換える前後進クラッチ６と、入力軸７が前後進クラッチ６によりトルクコンバータ５の出力軸８と選択的に接続される自動変速機たる無段変速機９と、電動機２の動力を所定の部分に伝達するためのクラッチ装置１０と、エンジン１の動力及び電動機２の動力を車軸ＷＳに伝達する差動歯車１１と、クラッチ装置１０を介しての電動機２の動力をトルクコンバータ５と結合したスプロケット１２に伝達するチェーン１３等を備えている。なお、無段変速機９と差動歯車１１、クラッチ装置１０と差動歯車１１等の動力伝達は、従来同様に、歯車によりなされる。クラッチ装置１０、スプロケット１２及びチェーン１３以外の構成については、この分野で知られているものを適用することができる。例えば、無段変速機９は、可変径の第１プーリ１４及び第２プーリ１５と、第１プーリ１４と第２プーリ１５との間の動力伝達をする伝達部材である例えばスチールベルトなどのベルト１６とを備えるものである。

クラッチ装置１０は、電動機２のトルクを伝達するための第１クラッチ１７と、前後進クラッチ６よりも駆動輪側に伝達するための第２クラッチ１８と、第１及び第２クラッチ１７、１８を操作するための油圧ピストン１９（図２に示す）とを備えてなり、油圧ピストン１９が無作動の場合に第１クラッチ１７を締結し、かつ油圧ピストン１９が油圧により作動する場合に第１クラッチ１７を切断して第２クラッチ１８を締結することを選択的に実施するクラッチ切り替え手段２０とを備えてなる。第１及び第２クラッチ１７、１８は、電動機２の出力軸２１の軸上に、クラッチ切り替え手段２０の作動により連動するように配置される。油圧ピストン１９は、後述するスプライン軸２２の電動機２と背向する端部近傍に、スプライン軸２２に一体に設けられるシリンダ２３内に、油密性を有して油圧により作動するように取り付けられる。シリンダ２３は、その縁部分が第１クラッチ１７の一方の端部に常時接触している。

クラッチ切り替え手段２０は、電動機２の出力軸２１に固定されるスプライン軸２２にスプライン係合する第１部材２４と第２部材２５、及び第１部材２４と第２部材２５との間に取り付けられて第１部材２４を第１クラッチ１７方向に付勢することで油圧ピストン１９が無作動の場合に第１クラッチ１７を締結させるスプリング２６を備えている。第１部材２４の外周には第１クラッチ１７がスプライン係合するとともに、第２部材２５の外周には第２クラッチ１８がスプライン係合する。

クラッチ装置１０はさらに、スプライン軸２２の第１部材２４側の端部に駆動スプロケット２７を、同じく第２部材２５側の端部に駆動歯車２８をそれぞれ備えている。そして、駆動スプロケット２７と第１クラッチ１７とは、駆動スプロケット２７に固定され第１クラッチ１７とはスプライン係合する第１接続部材２９により接続され、同様に、駆動歯車２８と第２クラッチ１８とは、駆動歯車２８に固定され第２クラッチ１８とはスプライン係合する第２接続部材３０により接続される。駆動スプロケット２７及び駆動歯車２８は、対応するクラッチが締結を解除されている間はそれぞれ、ニードル軸受３１を介してスプライン軸２２とは独立に回転するようにスプライン軸２２に取り付けてある。

このような構成において、いわゆるアイドルストップなどを含めてエンジン１が停止している状態では、無段変速装置３の図示しないオイルポンプが作動しないので作動油の油圧がない。したがって、油圧ピストン１９は無作動状態であり、スプリング２６が駆動スプロケット２７方向の付勢力により、第１部材２４を介して第１クラッチ１７を付勢することで第１クラッチ１７が締結している。一方、第２クラッチ１８は、第１部材２４により押圧されていないので、締結を解除されている。

この状態でエンジン１を始動するために、電動機２を作動させると、第１クラッチ１７が締結しているので、電動機２が回転するとスプライン軸２２が回転し、第１部材２４、第１クラッチ１７及び第１接続部材２９にその回転が伝達されて駆動スプロケット２７が回転する。駆動スプロケット２７が回転することで、電動機２の駆動力はチェーン１３を介してトルクコンバータ５のスプロケット１２に伝達され、トルクコンバータ５を介してエンジン１を回転させる。エンジン１が始動した時点で、電動機２の作動を停止させる。

この後、エンジン１が回転することで無段変速装置３内のオイルポンプが駆動されて作動油の油圧が上昇する。これによって、スプライン軸２２の高圧油路３２を介して作動油をシリンダ２３内に流入させると、供給される油圧により油圧ピストン１９が作動する。油圧ピストン１９が油圧により作動すると、スプリング２６の付勢力に抗して第１部材２４が第２部材２５の方向に移動する。これにより、第１部材２４が第１クラッチ１７を押圧しなくなり第１クラッチ１７の締結が解除される。この第１クラッチ１７が解除された状態において、作動油がさらにシリンダ２３に供給され第１部材２４が停止することなく移動し、第１部材２４が第２クラッチ１８を押圧することにより、第２クラッチ１８が締結される。

エンジン１始動後はこのようにして、シリンダ２３に作動油が供給されて油圧ピストン１９に油圧がかかっている状態では、第２クラッチ１８が締結している状態にある。したがって、電動機２を作動させることにより、走行時はその駆動力を駆動歯車２８及び伝達歯車体３３を介して差動歯車１１に伝達して、エンジン１の駆動力を補助するものである。これに対して、走行時にバッテリの充電率が低下していることが検出された場合や車両が減速走行する場合は、電動機２への通電を停止し、電動機２が車軸ＷＳから差動歯車１１を介して得られる駆動力により駆動されることにより発電機として機能する。

また、車両が停車してエンジン１がアイドリング運転状態である場合にバッテリを充電するには、油圧ピストン１９に対する油圧の供給を停止する。これにより、油圧ピストン１９の押圧力がなくなり、代わりにスプリング２６の付勢力により第１部材２４及び油圧ピストン１９がシリンダ２３の方向に押し戻される。この結果、第２クラッチ１８は解除され、代わってそれまで解除されていた第１クラッチ１７が締結される。第１クラッチ１７が締結されると、アイドリング運転中のエンジン１からの駆動力が、スプロケット１２、チェーン１３、駆動スプロケット２７、第１クラッチ１７及び第１部材２４を介して電動機２に伝達され、電動機２が発電機として機能する。

このように、エンジン１が停止している状態では、第１クラッチ１７がスプリング２６により締結されているので、電動機２を作動させることによりエンジン１を始動することができる。したがって、始動用の電動機あるいはスタータを装備する必要がなく、部品点数を削減することでコストダウンを図ることができる。

エンジン１の始動後は、油圧により油圧ピストン１９を作動させることにより、第１クラッチ１７が解除され、かつ第２クラッチ１８が締結されるので、第１クラッチ１７と第２クラッチ１８とが同時に締結する状態になることを防止することができる。そして車両の走行に際しては、第２クラッチ１８が締結していることにより、電動機２を選択的に発電機としても機能させることができる。すなわち、電動機２に通電することにより、電動機２の駆動力を差動歯車１１に伝達してエンジン１の駆動力を補助することができるとともに、差動歯車１１を介して駆動力を電動機２に供給することで電動機２を発電機として機能させることができる。

さらに、車両停止時にあっては、シリンダ２３への作動油の供給を停止して油圧ピストン１９の作動を停止することにより、第２クラッチ１８を解除するとともに第１クラッチ１７を締結して、第１クラッチ１７を介してエンジン１の駆動力を電動機２に伝達してバッテリを充電することができる。

次に、上述した第１実施形態とは、主としてクラッチ装置１０の構成が異なる第２実施形態を説明する。この第２実施形態にあっては、クラッチ装置１０以外は第１実施形態と同じ構成、すなわち第１クラッチ１７を締結している状態では電動機２の駆動力が駆動スプロケット２７、チェーン１３及びスプロケット１２を介してトルクコンバータ５に供給され、第１クラッチ１７を解除して第２クラッチ１８を締結する状態では電動機２の駆動力が駆動ギア２８を介して差動歯車１１に供給される構造であり、説明及び自動変速装置全体の構成の図示を省略する。

この第２実施形態では、第１実施形態における油圧ピストン１９が第１及び第２油圧ピストン３４、３５に分割されて、シリンダ２３の内部に配置されるものである。具体的には、第１油圧ピストン３４がシリンダ２３内に油密な状態に配置され、その第１油圧ピストン３４の内側に第２油圧ピストン３５が油密な状態に配置される構造である。第１油圧ピストン３４は、その第１クラッチ１７側の端部に押圧部３６を備えており、第１油圧ピストン３４に油圧がかかった場合に、押圧部３６が第１部材２４を押すものである。第２油圧ピストン３５は、第１油圧ピストン３４とは離れた状態で第１油圧ピストン３４内側に配置してあり、油圧で作動していない状態では、スプライン軸２２に設けられた段部３７に接触することで第１油圧ピストン３４方向に移動することを制限されている。加えて、第１実施形態と同様に、シリンダ２３の縁部分が第１クラッチ１７に常時接触している。

このような油圧ピストン構造に加えて、第１油圧ピストン３４に油圧が作用して移動した場合に、第１油圧ピストン３４の移動を停止させる停止部材３８が、シリンダ２３の内側の所定位置に取り付けてある。この停止部材３８は、油圧が第１油圧ピストン３４に作用した際に、第１油圧ピストン３４が第２油圧ピストン３５に接触することを制限している。

このような構成において、エンジン１が停止している状態では、無段変速装置３内の作動油の油圧がないので、第１及び第２油圧ピストン３４、３５は無作動状態であり、スプリング２６が第１部材２４を駆動スプロケット２７方向に付勢することにより、第１部材２４が第１クラッチ１７を押圧することで第１クラッチ１７が締結している。一方、第２クラッチ１８は、第１部材２４により押圧されていないので、締結を解除されている。

この状態でエンジン１を始動するために、電動機２を作動させると、スプライン軸２２が回転し、締結している第１クラッチ１７により電動機２の駆動力が、第１部材２４、第１クラッチ１７及び第１接続部材２９と伝達されて駆動スプロケット２７に伝達される。駆動スプロケット２７が回転することで、電動機２の駆動力はチェーン１３を介してトルクコンバータ５に結合したスプロケット１２に伝達され、トルクコンバータ５を介してエンジン１を回転させる。エンジン１が始動した時点で、電動機２の作動を停止させる。

この後、エンジン１が回転することで無段変速装置３内のオイルポンプが駆動されて作動油の油圧が上昇する。これによって、スプライン軸２２の第１高圧油路３９を介して作動油をシリンダ２３内に流入させると、供給される油圧により第１油圧ピストン３４が作動する。第１油圧ピストン３４が油圧により作動すると、押圧部３６で第１部材２４が押されて、スプリング２６の付勢力に抗して第１部材２４が第２部材２５の方向に移動する。これにより、第１部材２４が第１クラッチ１７を押圧しなくなり、第１クラッチ１７の締結が解除される。第１油圧ピストン３４は、油圧により第２油圧ピストン３５方向に移動するが、停止部材３８により第１油圧ピストン３４の押圧部３６が第１クラッチ１７に接触する前及び第１油圧ピストン３４が第２油圧ピストン３５に接触する前にその移動を制限される。したがって、第１クラッチ１７は解除されるが、この時点では第２クラッチ１８は締結されない。

エンジン１が始動して、第１油圧ピストン３４が停止部材３８により停止位置に停止している状態で、例えば発進あるいは加速するためにエンジン１の出力を電動機２が補助する場合は、第２高圧油路４０から第１油圧ピストン３４と第２油圧ピストン３５との間の空間に作動油を供給して第２油圧ピストン３５に油圧をかけると、第２油圧ピストン３５が停止している第１部材２４を押す。これにより、第１部材２４が第２クラッチ１８を押圧することにより、第２クラッチ１８が締結し、電動機２の駆動力が差動歯車１１に伝達される。また、減速走行時にバッテリを充電する場合は、このようにして第２クラッチ１８を締結して、電動機２を発電機として機能させればよい。

また、車両が停車してエンジン１がアイドリング運転状態である場合にバッテリの充電をするには、第１及び第２油圧ピストン３４、３５に対する油圧の供給を停止する。これにより、第１及び第２油圧ピストン３４、３５の押圧力がなくなり、第２クラッチ１８が解除されるとともに、スプリング２６の付勢力により第１部材２４及び第１油圧ピストン３４がシリンダ２３の方向に押し戻されて第１クラッチ１７が締結される。その結果、アイドリング運転中のエンジン１からの駆動力が、スプロケット１２、チェーン１３、駆動スプロケット２７、第１クラッチ１７及び第１部材２４を介して電動機２に伝達され、電動機２が発電機として機能する。

このように、この第２実施形態では第１実施形態において説明した油圧ピストン１９を２個に分割することにより、第１クラッチ１７と第２クラッチ１８との締結の際の速度を異ならせることができる。すなわち、第１クラッチ１７はその主たる作動がエンジン１の始動時にあり、エンジン１の始動後に速やかに解除することが望ましい。したがって、エンジン１が始動後に一気に油圧を第１油圧ピストン３４に加えて動かし、第１クラッチ１７を迅速に解除する。この場合、このような第１油圧ピストン３４の作動は、第２油圧ピストン３５とは完全に独立しているので、第２油圧ピストン３５の作動に何らの影響を及ぼさない。

これに対して、第２油圧ピストン３５は、第１油圧ピストン３４が停止している状態で、徐々に油圧を供給することにより、その作動速度を緩慢にすることができる。この結果、例えば電動機２が停止しており、発電機として機能させる場合に、第２クラッチ１８を急激に締結するとその締結時に衝撃が発生するが、第２油圧ピストン３５に供給する油圧の上昇を制御する、つまり徐々に高くすることにより、このような衝撃の発生を抑制することができる。

なお、この第二実施形態においては、第２クラッチ１８を締結した場合には、電動機２の駆動力を駆動歯車２８及び伝達歯車体３３を介して差動歯車１１に供給したが、図４に示すように、伝達歯車体３２の回転軸４１を延ばして、第１プーリ１４の回転４２に、スプロケット４３を設けるとともに、伝達歯車体３２のクラッチ装置１０の駆動歯車２８とは反対方向の端部にスプロケット４４を設け、両スプロケット４３、４４にチェーン４５を掛けることにより電動機２の駆動力を伝達するものであってもよい。

このような構成であれば、減速走行の際に、第２クラッチ１８を締結して、電動機２を回生運転する場合に、電動機２が過回転状態になることを抑制することができる。

また、上述の実施形態におけるチェーン１３は、歯車により置換されるものであってもよい。

さらに、無段変速機９に代えて、歯車による多段変速機を備えるものであってもよい。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明の活用例として、いわゆる内燃機関横置き型の前輪駆動ハイブリッド車両に適用することができる。

１…エンジン
２…電動機
５…トルクコンバータ
６…前後進
９…無段変速機
１１…差動歯車
１７…第１クラッチ
１８…第２クラッチ
１９…油圧ピストン
２０…クラッチ切り替え手段
２１…出力軸

Claims (3)

1. 内燃機関と電動機とを備えるハイブリッド車両において、内燃機関のトルクを駆動輪に、トルクコンバータ、前後進クラッチ、自動変速機及び差動歯車を介して伝達するものであって、
   電動機のトルクを前後進クラッチよりも内燃機関側に伝達するための第１クラッチと、前後進クラッチよりも駆動輪側に伝達するための第２クラッチを備え、第１及び第２クラッチを電動機の出力軸の軸上に対向して配置してなり、
   第１及び第２クラッチを操作するための油圧ピストンを備えてなり、油圧ピストンが無作動の場合に第１クラッチを締結し、かつ油圧ピストンが油圧により作動する場合に第１クラッチを切断して第２クラッチを締結することを選択的に実施するクラッチ切り替え手段を備えるハイブリッド車両の自動変速装置。
2. クラッチ切り替え手段は、直列に配置される第１及び第２油圧ピストンを備えてなり、第１油圧ピストンへ油圧を供給することにより第１クラッチを解除し、第１及び第２ピストンに油圧を供給することにより第２クラッチのみを締結する請求項１記載のハイブリッド車両の自動変速装置。
3. 自動変速機が、可変径の第１プーリ及び第２プーリと、第１プーリと第２プーリとの間の動力伝達をする伝達部材とを備える無段変速機であり、第２クラッチが、第１プーリの回転軸に電動機のトルクを伝達する請求項１記載のハイブリッド車両の自動変速装置。

Images