JP6535414B2 - マルチモード電気機械式無段変速機装置及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、パワートレインにおけるマルチモード電気機械式無段変速機装置及びその操作方法に関する。様々な車両や動力装置に幅広く適用可能である。

燃料消費と排出を低減するために、ハイブリッド車両は、電気駆動と伝統的な内燃機関（エンジンとも呼ばれる）駆動との二種類のエネルギー駆動形式を組み合わせている。内燃機関は、所定の速度及びパワー範囲で動作し、その中において極めて小さな範囲内に最適な動作状態に達する。しかし、駆動輪の速度や駆動輪に求められるトルクなどに反映される実際の運転条件は大きく変動する。従って、内燃機関の回転速度とトルク、すなわち、内燃機関の動力状態と駆動輪の動力状態とのマッチングは変速機の主要な課題の一つである。

近年、電気機械式ハイブリッド技術の誕生は、内燃機関と動力輪との理想的な動力マッチングを実現するための新たな道を開くこととなった。様々なパワートレインアーキテクチャの中で、ＴＨＳと略称されるトヨタのハイブリッドシステムが良く知られている。ＴＨＳは、分流原理を利用して、入力動力を二つのパスに分割する。一方は、歯車と軸からなる機械的動力パスを通過し、他方は、電機とインバータからなる電力パスを通過する。分流装置は、簡単な遊星歯車セットである。ＴＨＳは一種類の分流モードでしか動作できない。それは、一つの出力対入力速度比節点ＳＲを有し、変速機の出力対入力速度比がこの節点より高くなると、システムは内部動力循環が生じて動力伝達効率が低下してしまう。これは変速機の有効動作速度比範囲を大きく制限する。高動力要求の車両にＴＨＳを適用することを可能にするために、電機のパワーには非常に高い要求がある。電気駆動モードでは、その中の一つの電機のみから動力を提供する。従って、ＴＨＳは、高パワーでの全電気駆動に適用できない。プラグインハイブリッドシステムは、高パワーの全電気駆動を求める典型的な応用例であり、オール電力走行（ＡＥＲ）が求められる。車両はバッテリ残量が所定閾値になるまで全電動モードで動作する。

本発明が解決しようとする技術的課題は、上記従来技術の欠陥に対して、新型マルチモード電気機械式無段変速機を提供することである。少なくとも二種類の異なる分流モードで動作でき、内部動力循環を効果的に克服し、動力伝達効率が高く、より広い範囲において出力対入力速度比と動力を連続的且つ独立に調整でき、それにより変速機の有効速度比範囲を大幅に広げることができる。また、二つの全電気駆動及び二つの固定変速比のモードで動作できる。全電動モードは加速性能を大幅に向上させることができ、固定変速比モードは最大な伝達効率を実現することができる。

本発明は、上記目的を達成するために、以下の技術案を提供する。

新型マルチモード電気機械式無段変速機は、一つの歯車システム、一つの固定部材、一つの入力軸、一つの出力システム、少なくとも一つのクラッチ、二つの電機及びそのドライバとコントローラを備える。前記歯車システムは二つの遊星歯車セットをさらに備え、各遊星歯車セットは少なくとも三つの同軸回転部材を有する。

当業者であれば、一つの遊星歯車セットを一つのレバー図形式で説明し理解することができる。レバー図は、レバー又はバー、及び複数のノットを含む。レバー図は、遊星歯車セットの部材を模式的に示し、且つ要素間の運動と動力上の関係を定義する。レバー図の中に、一つのノットは、一つのブランチに対応し、遊星歯車セット中の一つの同軸回転部材を代表する。ノット間の距離は遊星歯車セットの歯車部材間の歯数比によって決められる。レバーの一端から他端まで、順に歯車システムの第１ノット、第２ノット、及び第３ノット等と呼ばれる。遊星歯車セットの同軸回転部材の回転速度は対応するノット上のレバーに垂直なベクトルで表される。一つのマルチノットレバー図は、二つの回転自由度を有し、任意の二つのノットの回転速度だけで該歯車システムのほかのノットの回転速度を完全に決定できる。各ノット回転速度ベクトルの終点が常に一本の直線上にある。

三ノットレバーは、一つの三軸遊星歯車セット、すなわち三つの同軸回転部材を有する三ブランチ歯車セットを代表する。図１は三ノットレバー図を示す。左側から右側までの三つのノットは、それぞれ第１（ＫＮ_１１）、第２（ＫＮ_１２）、及び第３（ＫＮ_１３）ノットと呼ばれる。一つのノットは、一つのブランチに対応し、遊星歯車セットの一つの同軸回転部材を代表する。ブランチに対応するノットに応じて、三つのブランチは、それぞれ第１、第２、及び第３遊星歯車セットブランチと呼ばれる。第１ノットと第２ノットの距離を１単位とすると、第２ノットと第３ノットの距離がＫ_Ａ単位である。簡単な遊星歯車セットにおいて、Ｋ_Ａはリングギヤと太陽歯車の歯数比（遊星歯車セットの固有速度比とも呼ばれる）である。

四ノットレバーは、一つの四軸遊星歯車セット、すなわち四つの同軸回転部材を有する四ブランチ歯車セットを代表する。図２は四ノットレバー図を示す。左側から右側までの四つのノットは、それぞれ第１（ＫＮ_２１）、第２（ＫＮ_２２）、第３（ＫＮ_２３）、及び第４（ＫＮ_２４）ノットと呼ばれる。一つのノットは、一つのブランチ又は遊星歯車セットの同軸回転部材に対応する。ブランチに対応するノットに応じて、四つのブランチは、それぞれ第１、第２、第３、及び第４遊星歯車セットブランチと呼ばれる。第３ノットと第４ノットの距離を１単位とすると、第２ノットと第３ノットの距離がＫ_Ａ単位で、第１ノットと第３ノットの距離がＫ_Ｂ単位である。ここで、Ｋ_ＡとＫ_Ｂは四ブランチ遊星歯車セットの固有ギヤ比である。

前記歯車システムにおいて、第１遊星歯車セットは第１の三ノットレバーで示され、第２遊星歯車セットは第２の四ノットレバーで示される。第１レバーの第１ノットが固定部材に結合され、第２ノットが第２レバーの第２ノットに結合される。前記歯車システムと入力軸、出力システム及び第１、第２電機との接続（図３参照）について、第１レバーの第３ノットに少なくとも一つのクラッチを介して第２電機が選択的に接続又は遮断され、第２レバーの第１ノットに第１電機が接続され、第１及び第２レバーの第２ノットに出力システムが接続され、第２レバーの第３ノットに入力軸が接続され、第４ノットに少なくとも一つのクラッチを介して第２電機が選択的に接続又は遮断される。

前記歯車システムは両方とも三ノットレバーである第１、第２三ノットレバーからなってもよい。第１レバーは、その第１ノットが固定部材に結合され、第２ノットが第２レバーの第２ノットに結合される。前記歯車システムと入力軸、出力システム及び第１、第２電機との接続について、第１レバーの第３ノットに少なくとも一つのクラッチを介して第２電機が選択的に接続又は遮断され、第２レバーの第１ノットに第１電機が接続され、第１及び第２レバーの第２ノットが出力システムに接続され、第２レバーの第３ノットには、入力軸が接続されるとともに、クラッチを介して第２電機が選択的に接続又は遮断される。

前記マルチモード電気機械式無段変速機は一つの中間軸をさらに備えてもよい。前記中間軸は、歯車システムと出力システムとを回転可能に連結する役割を果たす。

前記マルチモード電気機械式無段変速機は、一方向に係合して逆方向に分離される一つの一方向クラッチをさらに備えてもよく、それにより接続部材が一方向のみにトルクを別の接続部材に伝達することができる。一般に、クラッチと一方向クラッチはトルク伝達装置と総称される。前記トルク伝達装置と電機を協調させることで、変速機は複数の操作モードで動作できる。前記複数の操作モードは、一つの電機が動力を提供する第１電気駆動モードと、二つの電機が協働してより強力またはより効率的な動力を提供する第２電気駆動モードと、エンジンが動作状態で且つ無段変速機が低い出力対入力速度比で動作する第１ハイブリッド駆動モードと、エンジンが動作状態且つ無段変速機が高い出力対入力速度比で動作する第２ハイブリッド駆動モードと、変速機の出力対入力速度比が一定である少なくとも一つの固定変速比駆動モードとを含める。固定速度比での動作は、特定の特殊用途に望ましいことがある。

前記マルチモード電気機械式無段変速機は、エンジンをオフにした状態で全電気駆動方式で動作して、求められる全電気駆動での距離範囲を満たすことができる。全電動モードで動作する場合、前記少なくとも一つのクラッチは選択的に第２電機を第１レバーの第３ノットに接続し、第２電機を第２レバーの第４ノットから遮断する。第２電機は、出力システムに駆動トルクと動力を提供して車両を駆動する。第１電機は、エンジンからの抵抗トルクを釣り合せるようにトルクを提供し、エンジンをゼロ回転速度又は所定速度に維持する。第２レバーの第３ノット又は入力軸に一方向クラッチが配置された場合、変速機は同時に第１と第２電機によって出力システムに駆動トルクと動力を提供して車両を駆動し、加速と動力性能を改善することができる。前記一方向クラッチによって、エンジンの逆方向回転を防止し、第１電機からの駆動トルクを釣り合せるように抵抗トルクを提供する。これにより第１と第２電機は並行して車両に駆動トルクと動力を提供する。プラグインハイブリッド車両は全電気駆動が要求される場合、この操作モードが必要となることがある。

動作中、前記マルチモード電気機械式無段変速機は、各動作モードを切り替えることができる。２種類のハイブリッド動作モードを切り替える時、第２電機が選択的に第１レバーに結合され、又はクラッチを介して第２レバーに結合され、２種類の異なる動力分流システムアーキテクチャを形成し、異なる動力分流モードを実現する。切り替えが同期されるため、第１レバーの第３ノットの回転速度と第２レバーの第４ノットの回転速度が切り替えの時に同じで、且つ第２電機の速度と同じである。第１レバーの第３ノットと第２レバーの第４ノットとの速度同期を確保するために、第１レバーの固有ギヤ比ＫＳと第２レバーの固有ギヤ比Ｋ_Ａ、Ｋ_Ｂは、所定の比例関係を満たさなければならない。この関係は以下の通りである。

モード切り替え点において、第２電機のトルクがゼロである。従って、クラッチにトルク衝撃が作用しない。これにより入力軸、出力システム、及び二つの電機等の回転部材の回転速度、トルクが連続的であり、且つ、動力中断が発生しない。

本発明は、前記マルチモード電気機械式無段変速機を設計、製造及び操作するための方法をさらに提供する。前記方法は以下を含む。

（１）第１遊星歯車セットを製造し、前記遊星歯車セットは、少なくとも三つの同軸回転部材を備え、一つの部材が三ノットレバー図上の一つのノットに対応し、第１と第２ノットの距離を１単位とし、第２と第３ノットの距離をＫ_Ｓ単位の長さとする。第２遊星歯車セットを製造し、前記遊星歯車セットは、少なくとも四つの同軸回転部材を備え、一つの部材が四ノットレバー図上の一つのノットに対応し、第１と第３ノットの距離をＫ_Ｂ単位の長さとし、第２と第３ノットの距離をＫ_Ａ単位の長さとし、第３と第４ノットの距離を１単位とする。二つの遊星歯車セットの歯車歯数比の設計が以下の関係を満たす。

（２）第１、第２電機の二つの電機を製造し、各電機の最大連続動作パワーがＰ_ＥＭ以上である。

（３）最大伝達パワーがＰ_ＩＮ以上の入力軸を設計して製造する。

（４）少なくとも一つの駆動軸を備える一つの出力システムを設計して製造する。

（５）一つ以上の噛合ポジションを有する少なくとも一つのトルク伝達装置を設計して製造する。

（６）第１遊星歯車セットの第１同軸回転部材を変速機の固定部材に接続し、第１遊星歯車セットの第２同軸回転部材を第２遊星歯車セットの第２同軸回転部材に接続する。

（７）第１電機を第２遊星歯車セットの第１同軸回転部材に接続し、出力システムを第２遊星歯車セットの第２同軸回転部材に接続し、入力軸を第２遊星歯車セットの第３同軸回転部材に接続し、第２電機をそれぞれ第１遊星歯車セットの第３同軸回転部材又は第２遊星歯車セットの第４同軸回転部材に選択的に接続する。

（８）少なくとも２種類のハイブリッド駆動モードで前記変速機を操作し、前記少なくとも一つのトルク伝達装置を介して選択的に、第２電機を第１遊星歯車セットに接続し且つ第２遊星歯車セットから遮断し、又は第２電機を第２遊星歯車セットに接続し且つ第１遊星歯車セットから遮断し、切り替え点において、遊星歯車セットの関連部材がトルク伝達装置を介して第２電機に接続される時、その速度が自動的に第２電機と同期し、切り替え点において、第２遊星歯車セットの第２ブランチと第３ブランチの回転速度の比がＳＲ_Ｂである。

（９）以下の関係を満たすように、第１遊星歯車セットの固有パラメータ又は固有歯数比Ｋ_Ｓ、及び第２遊星歯車セットの固有パラメータ又は固有歯数比Ｋ_Ａ、Ｋ_Ｂを選択する。

上記技術案の有益な効果について、この新型マルチモード電気機械式無段変速機によれば、電機に対する動力要求を下げ、変速機の構造が簡単でコンパクトであり、コストが低く、また、起動装置を必要とせずに、後退、停止から前進までの連続な無段変速を実現でき、車両の燃費を大幅に改善させることができる。

発明の明細書の一部を構成する図面では、
は、三つの同軸回転部材の回転速度関係を説明する、一つの三ブランチ遊星歯車セットを示す三ノットレバー図である。 は、四つの同軸回転部材の回転速度関係を説明する、一つの四ブランチ遊星歯車セットを示す四ノットレバー図である。 は、変速機が第１動力分流モードで動作する本発明のマルチモード電気機械式無段変速機の好適な実施形態（実施形態１）のレバー模式図である。 は、変速機が第２動力分流モードで動作する本発明のマルチモード電気機械式無段変速機の好適な実施形態（実施形態１）のレバー模式図である。 は、第２レバーの第３ノットに選択可能なトルク伝達装置を有する本発明のマルチモード電気機械式無段変速機の好適な実施形態（実施形態１）の一変形例のレバー模式図である。 は、本発明のマルチモード電気機械式無段変速機の好適な実施形態（実施形態１）の別の変形例のレバー模式図である。 は、本発明のマルチモード電気機械式無段変速機の好適な実施形態（実施形態１）のコンポーネント模式図である。 は、トルク伝達装置の第１噛合ポジションを示すコンポーネント模式図である。 は、トルク伝達装置の第２噛合ポジションを示すコンポーネント模式図である。 は、トルク伝達装置の第３噛合ポジションを示すコンポーネント模式図である。 は、トルク伝達装置の第４噛合ポジションを示すコンポーネント模式図である。 は、変速機が第１動力分流モードで動作する本発明のマルチモード電気機械式無段変速機の別の好適な実施形態（実施形態２）のレバー模式図である。 は、変速機が第２動力分流モードで動作する本発明のマルチモード電気機械式無段変速機の別の好適な実施形態（実施形態２）のレバー模式図である。

本発明の各実施形態、変形例、及びアーキテクチャは本発明の主旨を反映する。以下の具体的な実施例は、本発明を説明するためのものであって、本発明の範囲を限定するものではない。以下、図面を参照して、本発明のマルチモード電気機械式無段変速機の実施形態をさらに詳細に説明するが、本発明の保護範囲を限定するものではない。

図１は一つの三ブランチ遊星歯車セットを示す三ノットレバー図である。該歯車セットは、リング歯車、キャリア及び太陽歯車の三つの同軸回転部材を備え、それぞれ三ノットレバー図中の三つのノットで示される。これら三つのノットは、左から右まで（又は右から左まで）順に第１ノット、第２ノット、及び第３ノットである。第１ノットと第２ノットの距離を１単位とし、第２ノットと第３ノットの距離をＫ_Ｓ単位とし、Ｋ_Ｓがリングギヤと太陽歯車の歯数比である。三ノットレバーはその固有パラメータである歯数比Ｋ_Ｓに一意的に決定される。

図２は一つの四ブランチ遊星歯車セットを示す四ノットレバー図である。該歯車セットは四つの同軸回転部材を備え、それぞれ四ノットレバー図中の四つのノットで示される。これら四つのノットは、左から右まで（又は右から左まで）、順に第１ノット、第２ノット、第３ノット、及び第４ノットである。第１ノットと第３ノットの距離をＫ_Ｂ単位とし、第２ノットと第３ノットの距離をＫ_Ａ単位とし、第３ノットと第４ノットの距離を１単位とする。Ｋ_ＡとＫ_Ｂは四ブランチ歯車セットの固有パラメータであり、固有歯数比とも呼ばれ、四ノットレバーを一意的に決定する固有パラメータでもある。パラメータＫ_ＡとＫ_Ｂの具体的な値及び対応する関連歯車歯数との関係は遊星歯車セットの実際の構造に決定される。

なお、一つのレバー図は一つの遊星歯車セットの模式図であり、歯車セットの各同軸回転部材がレバー図の各ノットで示されることを理解すべきである。レバー図は図形方式で同軸回転部材間の回転速度関係を説明する。当業者であれば、一つのレバー図上のノットが、レバー図で示される対応した歯車セットの同軸回転部材に相当し、逆にも同様であると理解できる。当業者であれば、「結合」、「接続」及び「噛合」のような用語は二つ以上の機械部材間でトルクと機械的動力を伝達するための機械的固定接続又は回転可能な噛合（例えば一対の歯車を介する）を示す。これらの用語はさらに二つ以上の電子部材間で電力を伝送するための電気的接続を示す。各要素又は部材間の機械的結合又は接続は図中では実線で示される。

図３と図４は、本発明のマルチモード電気機械式無段変速機の一つの好適な実施形態（本発明の実施形態１）であり、レバー図形式で示される。マルチモード電気機械式無段変速機は一つの歯車システム、入力軸（ＩＮＰＵＴ）、出力システム（ＯＵＴＰＵＴ）、少なくとも一つのクラッチ（ＣＬ）、第１固定部材（ＦＭ１）、第１、第２電機（ＥＭ１、ＥＭ２）及びそれに関連付けられたドライバとコントローラ（図示せず）を備えて構成される。歯車システムは第１及び第２レバーで示される第１（ＰＧ１）及び第２（ＰＧ２）遊星歯車セットを備える。第１遊星歯車セットは、一つの三ブランチ歯車セットであり、第１、第２及び第３同軸回転部材を備え、それぞれ第１レバーの第１ノット（ＫＮ_１１）、第２ノット（ＫＮ_１２）及び第３ノット（ＫＮ_１３）で示される。第２遊星歯車セットは一つの四ブランチ歯車セットであり、第１、第２、第３及び第４同軸回転部材を有し、それぞれ第２レバーの第１、第２、第３及び第４ノット（ＫＮ_２１、ＫＮ_２２、ＫＮ_２３、ＫＮ_２４）で示される。第１レバー（ＰＧ１）の第１ノット（ＫＮ_１１）に第１固定部材（ＦＭ１）が接続され、第２ノット（ＫＮ_１２）に第２レバー（ＰＧ２）の第２ノット（ＫＮ_２２）が接続される。それにより、第１レバー（ＰＧ１）の第２ノット（ＫＮ_１２）と第２レバー（ＰＧ２）の第２ノット（ＫＮ_２２）の回転速度が同じである。

第１電機（ＥＭ１）は第１回転子及び第１固定子を備える。図３に示すように、第１電機（ＥＭ１）の回転子が直接第２遊星歯車セット（ＰＧ２）の第１ノット（ＫＮ_２１）に結合される。出力軸（ＯＵＴＰＵＴ）が第１歯車セット（ＰＧ１）の第２ノット（ＫＮ_１２）及び第２歯車セット（ＰＧ２）第２ノット（ＫＮ_２２）に結合される。入力軸（ＩＮＰＵＴ）が第２歯車セット（ＰＧ２）の第３ノット（ＫＮ_２３）に結合される。

第２電機（ＥＭ１）は第２回転子及び第２固定子を備える。第２電機（ＥＭ２）の回転子がクラッチ（ＣＬ）を介して選択的に第１歯車セット（ＰＧ１）の第３ノット（ＫＮ_１３）又は第２歯車セット（ＰＧ２）の第４ノット（ＫＮ_２４）に結合され、又は第１歯車セット（ＰＧ１）の第３ノット（ＫＮ_１３）及び第２歯車セット（ＰＧ２）の第４ノット（ＫＮ_２４）に結合される。換言すれば、第２電機（ＥＭ２）が選択的に直接第１固定速度比で第２歯車セット（ＰＧ２）の第４ノット（ＫＮ_２４）に結合され、又は間接的に第１歯車セット（ＰＧ１）を介して第２固定速度比で第２歯車セット（ＰＧ２）の第２ノット（ＫＮ_２２）に結合される。

第１及び第２電機（ＥＭ１、ＥＭ２）はそれぞれのドライバを有し、電気的に接続されて動力をお互いに伝達する。マルチモード電気機械式無段変速は、さらに、エネルギーを蓄積、回収するためのエネルギー蓄積装置、例えば一つのバッテリパック（ＢＴ、図示せず）を備えてもよい。エネルギー蓄積装置が第１、第２電機に接続され、動力を受け、又は一つ又は複数の電機に伝達する。

図３に示すように、第２電機（ＥＭ２）が第１歯車セット（ＰＧ１）に結合される時、少なくとも一つのクラッチ（ＣＬ）は、第２電機（ＥＭ２）を第１歯車セット（ＰＧ１）の第３ノット（ＫＮ_１３）に接続し、第２電機（ＥＭ２）を第２歯車セット（ＰＧ２）の第４ノット（ＫＮ_２４）から遮断する。変速機は第１動力分流モードで動作する。エンジンからの入力動力が二つの動力パスに分割されて出力システムに伝達される。その一方は、全機械動力パス（機械的パスと略称される）であり、入力軸から、第１及び第２歯車セット（ＰＧ１、ＰＧ２）の第２ノット（ＫＮ_１２、ＫＮ_２２）を経由して出力システム（ＯＵＴＰＵＴ）に到達する。他方は、電気機械式動力パス（電力パスと略称される）であり、入力軸から、第２歯車セット（ＰＧ２）、第１電機（ＥＭ１）、第２電機（ＥＭ２）、少なくとも一つのクラッチ（ＣＬ）、及び第１歯車セット（ＰＧ１）を経由して出力システム（ＯＵＴＰＵＴ）に到達する。

図４に示すように、第２電機（ＥＭ２）が第２歯車セット（ＰＧ２）に結合される時、少なくとも一つのクラッチ（ＣＬ）は、第２電機（ＥＭ２）を第１歯車セット（ＰＧ１）の第３ノット（ＫＮ_１３）から遮断して、第２電機（ＥＭ２）を第２歯車セット（ＰＧ２）の第４ノット（ＫＮ_２４）に接続する。変速機は第２動力分流モードで動作する。同様に、エンジンからの入力動力が二つの動力パスに分割されて出力システムに伝達される。全機械動力パスは、入力軸から、第２歯車セット（ＰＧ２）を経由して出力システム（ＯＵＴＰＵＴ）に到達する。電気機械式動力パスは、入力軸から、第２歯車セット（ＰＧ２）及び少なくとも一つのクラッチ（ＣＬ）を経由して、第２電機（ＥＭ２）、第１電機（ＥＭ１）に到達して、第２歯車セット（ＰＧ２）に戻り、最後に出力システム（ＯＵＴＰＵＴ）に到達する。

説明の便宜上、出力システム（ＯＵＴＰＵＴ）の回転速度と入力軸（ＩＮＰＵＴ）の回転速度との比を変速機の出力対入力速度比として定義し、変速機速度比と略称し、ＳＲで表す。

実施形態１では、一つの自然速度比節点ＳＲ０（すなわち出力システムがゼロ速度の変速機速度比）と二つの非自然速度比節点ＳＲ１、ＳＲ２を提供する。非自然速度比節点において、少なくとも一つの電機がゼロ速度である。自然速度比節点ＳＲ０は変速比領域全体を前進領域と後進領域に分割し、ＳＲ０より高いのは前進領域で、ＳＲ０より低いのは後進領域である。第１速度比節点ＳＲ１はさらに前進領域を低速領域と高速領域に分割し、ＳＲ１より低いのは低速領域で、ＳＲ１より高いのは高速領域である。

第１速度比節点ＳＲ１において、変速機とエネルギー蓄積装置との間で正味のエネルギー交換がない時、第２電機ＥＭ２のトルクがゼロである。従って、ＳＲ１を動力分流モードの切り替え点とすることで、変速機システムのトルク衝撃を軽減又は回避できる。速度比節点ＳＲ１以下の低速領域は出力動力分流方式（すなわち第１動力分流モード）を、ＳＲ１以上の高速領域は複合動力分流方式（すなわち第２動力分流モード）を、後進領域は全電気駆動を採用する。このようにして、機械的パスでも電力パスでも、伝達される動力は入力軸の伝達する動力未満である。マルチモード電気機械式無段変速機は各変速比領域で内部動力循環が発生しないため、変速機の有効速度比の範囲を有効に広げる。モード切り替え点ＳＲ１でのクラッチの速度の同期を確保するために、できるだけ、各遊星歯車セットの固有歯数比は以下の関係を満たす。

電気機械及び関連のドライバにおける可能な内部電力損失、及び歯車歯数の制約を考慮すると、変速比の実際切り替え点ＳＲ_ＢがＳＲ１付近にあってもいい。速度比節点ＳＲ１以下の低速領域は出力動力分流方式を、ＳＲ１以上の中速〜高速領域は複合動力分流方式を、後進領域は全電気動力伝達を採用することで、内部動力循環を効果的に回避する。切り替え速度比ＳＲ_Ｂでのクラッチの回転速度の同期を確保するために、各歯車の歯数比は以下の関係を満たす必要がある。

図５は、好適な実施形態の一変形例（実施形態１Ａ）であり、元のマルチモード電気機械式無段変速機に、一つの第２固定部材（ＦＭ２）及び第２トルク伝達装置が追加されている。第２トルク伝達装置は、簡単に言えば、一方向クラッチ（ＯＷＣ）であり、選択的に第２固定部材（ＦＭ２）を第２歯車セット（ＰＧ２）の第３ノット（ＫＮ_２３）に接続する。該一方向クラッチによって、入力軸（ＩＮＰＵＴ）の逆回転を防止し、その中の一つの全電気駆動モードで、モータである第１電機（ＥＭ１）で生じる駆動トルクを釣り合せるように、入力軸に一つの抵抗トルクを提供する。

図６は、好適な実施形態の別の変形例（実施形態１Ｂ）であり、上記マルチモード電気機械式無段変速機に、一つの第３固定部材（ＦＭ３）及び第３トルク伝達装置がさらに追加される。第３トルク伝達装置はブレーキ（ＢＲ）であり、選択的に第３固定部材（ＦＭ３）と第２歯車セット（ＰＧ２）の第４ノット（ＫＮ_２４）を接続又は遮断する。

図７は、図５のコンポーネント模式図であり、各レバー図中のノットがそれぞれ対応する歯車セットの実際コンポーネントに代替される。マルチモード電気機械式無段変速機は、三つの同軸回転部材を備える一つの第１遊星歯車セット（ＰＧ１）、四つの同軸回転部材を備える一つの第２遊星歯車セット（ＰＧ２）、一つの入力軸（ＩＮＰＵＴ）、一つの出力システム（ＯＵＴＰＵＴ）、第１トルク伝達装置又はクラッチ（ＣＬ）、第２トルク伝達装置、第１固定部材（ＦＭ１）、及び第１、第２電機（ＥＭ１、ＥＭ２）からなる。変速機は、入力軸（ＩＮＰＵＴ）とエンジン出力軸（ＥＮＧ）を接続するねじりダンパー（ＤＭＰ）、及び第１、第２歯車セットと出力システム（ＯＵＴＰＵＴ）を接続する中間軸システム（ＣＴＳ）をさらに備えてもよい。

第１歯車セット（ＰＧ１）は、一つの太陽歯車（Ｓ_Ｓ）、一つのリング歯車（Ｒ_Ｓ）、及び１組の遊星歯車（Ｐ）を支持する一つのキャリア（ＣＲ_Ｓ）を備える。遊星歯車（Ｐ）は太陽歯車（Ｓ_Ｓ）に周設され、太陽歯車に外噛合し、リング歯車（ＲＳ）に内噛合する。太陽歯車（Ｓ_Ｓ）、キャリア（ＣＲ_Ｓ）及びリング歯車（Ｒ_Ｓ）は第１歯車セット（ＰＧ１）の三つの同軸回転部材であり、それぞれ三ノットレバー図中の第１ノット（ＫＮ_１１）、第２ノット（ＫＮ_１２）及び第３ノット（ＫＮ_１３）で示される。第１歯車セット（ＰＧ１）の特徴は、三ノットレバー図中の第２と第３ノットの距離でリング歯車（Ｒ_Ｓ）と太陽歯車（Ｓ_Ｓ）の歯数比Ｋ_Ｓを表すことである。

Ｚ_ＳＳとＺ_ＲＳは、それぞれ第１歯車セット（ＰＧ１）の太陽歯車（Ｓ_Ｓ）とリング歯車（Ｒ_Ｓ）の歯数である。

第２歯車セットは、ラビニョー（ＲＡＶＩＧＮＥＡＵＸ）型遊星歯車セットである。第１太陽歯車（Ｓ１）、第２太陽歯車（Ｓ２）、リング歯車（Ｒ）、第１遊星歯車（ＰＳ）、第２遊星歯車（ＰＬ）、及び第１、第２遊星歯車（ＰＳ、ＰＬ）を支持するキャリア（ＣＲ）を備える。第１遊星歯車は短遊星歯車、第２遊星歯車は長遊星歯車である。長遊星歯車（ＰＬ）はそれぞれリング歯車（Ｒ）と第１太陽歯車（Ｓ１）に内噛合と外噛合をし、短遊星歯車（ＰＳ）はそれぞれ長遊星歯車（ＰＬ）と第２太陽歯車（Ｓ２）に外噛合をする。第２太陽歯車（Ｓ２）、リング歯車（Ｒ）、キャリア（ＣＲ）及び第１太陽歯車（Ｓ１）は第２歯車セットの四つの同軸回転部材であり、レバー図中ではそれぞれ四ノットレバー図中の第１ノット（ＫＮ_２１）、第２ノット（ＫＮ_２２）、第３ノット（ＫＮ_２３）及び第４ノット（ＫＮ_２４）で示される。第２行歯車セットの特徴は該歯車セットの二つの固有歯数比Ｋ_ＡとＫ_Ｂである。

Ｚ_Ｓ１、Ｚ_Ｓ２及びＺ_Ｒは、それぞれ第２歯車セット（ＰＧ２）中の第１太陽歯車（Ｓ１）、第２太陽歯車（Ｓ２）及びリング歯車（Ｒ）の歯数である。四ノットレバー図において、Ｋ_Ａ、Ｋ_Ｂは、それぞれ第２と第３ノットの距離、第１と第３ノットの距離を示す。

第１歯車セットと第２歯車セットが同軸に配置され、軸方向に隣接する。第１歯車セット（ＰＧ１）のリング歯車（Ｒ_Ｓ）が第１固定部材（ＦＭ１）に接続され、この点において、第１遊星歯車セットは固定速度比を有する減速歯車セットのみとして機能する。第１歯車セットのキャリア（ＣＲ_Ｓ）が第２歯車セット（ＰＧ２）のリング歯車（Ｒ）に固定して接続され、二者の回転速度が同じである。

出力システムは、少なくとも一つの駆動軸又は一つのディファレンシャル（ＤＩＦ）を備える。第１トルク伝達装置（ＣＬ）は少なくとも二つの噛合ポジションを有し、該トルク伝達装置は、第１、第２クラッチ（Ｃ１、Ｃ２）を組み合わせてなるようにしてもよく、各クラッチは係合と分離の状態（又はポジション）を有する。第１電機ＥＭ１は第１回転子（ＲＴ１）及び第１固定子（ＳＴ１）を備え、第２電機ＥＭ２は第２回転子（ＲＴ２）及び第２固定子（ＳＴ２）を備える。第２トルク伝達装置は第２固定部材（ＦＭ２）及び一つの一方向クラッチ（ＯＷＣ）を備える。中間軸システム（ＣＴＳ）は第１対の噛合歯車（Ｇ１Ａ、Ｇ１Ｂ）及び第２対の噛合歯車（Ｇ４Ａ、Ｇ４Ｂ）を備える。

マルチモード電気機械式無段変速機は、歯車システム（ＰＧ１、ＰＧ２）及び動力部材（ＩＮＰＵＴ、ＯＵＴＰＵＴ、ＥＭ１及びＥＭ２）の間の独特な接続によってマルチモード動作を実現する。図７に示すように、第１電機（ＥＭ１）の回転子（ＲＴ１）に第２歯車セット（ＰＧ２）の第２太陽歯車（Ｓ２）が接続される。出力システム（ＯＵＴＰＵＴ）には、中間軸システム（ＣＴＳ）の２対の噛合歯車（Ｇ４Ｂ、Ｇ４ＡとＧ１Ｂ、Ｇ１Ａ）を介して、第１歯車セット（ＰＧ１）のキャリア（ＣＲ_Ｓ）と第２歯車セット（ＰＧ２）のリング歯車（Ｒ）が接続され、ただし、ディファレンシャル（ＤＩＦ）には、中間軸システム（ＣＴＳ）の第２対の噛合歯車の受動歯車（Ｇ４Ｂ）が接続され、第１歯車セット（ＰＧ１）のキャリア（ＣＲ_Ｓ）及び第２歯車セット（ＰＧ２）のリング歯車（Ｒ）は、中間軸システム（ＣＴＳ）の第１対の噛合歯車の駆動歯車（Ｇ１Ａ）に接続される。エンジン（ＥＮＧ）がねじりダンパー（ＤＭＰ）を介して入力軸（ＩＮＰＵＴ）を駆動する。入力軸（ＩＮＰＵＴ）が第２歯車セットのキャリア（ＣＲ）と接続して駆動するとともに、第２トルク装置又は一方向クラッチ（ＯＷＣ）に結合される。なお、一方向クラッチが直接第２固定部材（ＦＭ２）に噛合して入力軸及びエンジンの逆回転を防止する。第２電機（ＥＭ２）の回転子（ＲＴ２）が第１トルク伝達装置（ＣＬ）を介して選択的に第１歯車セット（ＰＧ１）の太陽歯車（Ｓ_Ｓ）又は第２歯車セット（ＰＧ２）の第１太陽歯車（Ｓ１）に結合される。第２電機（ＥＭ２）が第１歯車セット（ＰＧ１）の太陽歯車（Ｓ_Ｓ）に結合される時、第１クラッチ（Ｃ１）が噛合し、第２クラッチ（Ｃ２）が分離する。第２電機（ＥＭ２）が第２歯車セット（ＰＧ２）の第１太陽歯車（Ｓ１）に結合される時、第１クラッチが分離し、第２クラッチ（Ｃ２）が噛合する。以上からわかるように、第２電機（ＥＭ２）は、選択的に第１固定速度比（速度比１：１）で第２歯車セット（ＰＧ２）の第１太陽歯車（Ｓ１）に結合され、又は第１歯車セット（ＰＧ１）を介して、第２固定速度比（速度比（Ｋ_Ｓ＋１）：１）で第２歯車セット（ＰＧ２）のリング歯車（Ｒ）に結合される。

第１、第２トルク伝達装置（ＣＬ、ＯＷＣ）は第１、第２遊星歯車セットとは同軸に配置される。つまり、第１歯車セット（ＰＧ１）、第２歯車セット（ＰＧ２）、第１トルク伝達装置（ＣＬ）、及び第２トルク伝達装置（ＯＷＣ）がいずれも同一の回転軸線上にある。また、第１トルク伝達装置（ＣＬ）は第１及び第２歯車セット（ＰＧ１、ＰＧ２）と同軸であり、且つ、二つの電機（ＥＭ１、ＥＭ２）の間に介在することで、実装サイズの低減に大きく寄与する。

第１トルク伝達装置（ＣＬ）は、さらにブレーキ（ＢＲ）及び第３固定部材（ＦＭ３）と一体化して、一体設計となるようにしてもよい。図８〜１１に示すように、このような一体型トルク伝達装置は、四つの噛合ポジションを有してもいい。一体型トルク伝達装置（ＣＬ）は、第１クラッチ部材（Ｃ１）、第２クラッチ部材（Ｃ２）、第３クラッチ部材（ＢＲ）、及び一つのスリーブリング（ＳＬ）から構成される。第１クラッチ部材（Ｃ１）が第１歯車セット（ＰＧ１）の太陽歯車（Ｓ_Ｓ）に固定して接続され、第２クラッチ部材（Ｃ２）が第２歯車セット（ＰＧ２）の第１太陽歯車（Ｓ１）に固定して接続され、第３クラッチ部材（ＢＲ）が第３固定部材（ＦＭ３）に固定される。スリーブリング（ＳＬ）が１対の噛合スプライン（ＳＰ_Ｉ、ＳＰ_Ｏ）を介して第２電機（ＥＭ２）の回転子軸（ＲＴＳ）に接続される。噛合スプラインの外スプライン（ＳＰ_Ｏ）が回転子軸（ＲＴＳ）に固定され、内スプライン（ＳＰ_Ｉ）がスリーブリング（ＳＬ）に固定される。指示により、アクチュエータ（図示せず）によって、内スプライン（ＳＰ_Ｉ）が軸方向に沿って外スプライン（ＳＰ_Ｏ）上を前後移動する。

図８は、第１トルク伝達装置の第１噛合ポジションであり、そのスリーブリング（ＳＬ）が第１クラッチ部材（Ｃ１）のみに噛合する。この場合に、回転子軸（ＲＴＳ）及び第２電機（ＥＭ２）の回転子（ＲＴ２）が第１歯車セット（ＰＧ１）の太陽歯車（Ｓ_Ｓ）に結合される。この時、変速機は第１動力分流モードで動作する。

図９は、第１トルク伝達装置の第２噛合ポジションであり、そのスリーブリング（ＳＬ）が第１及び第２クラッチ部材（Ｃ１、Ｃ２）に噛合する。この場合に、回転子軸（ＲＴＳ）と第２電機（ＥＭ２）の回転子（ＲＴ２）が第１歯車セット（ＰＧ１）の太陽歯車（Ｓ_Ｓ）及び第２歯車セット（ＰＧ２）の第１太陽歯車（Ｓ１）に噛合する。変速機は第１固定回転速度比モードで動作する。

図１０は、第１トルク伝達装置の第３噛合ポジションであり、そのスリーブリング（ＳＬ）が第２クラッチ部材（Ｃ２）のみに噛合する。この場合に、回転子軸（ＲＴＳ）と第２電機（ＥＭ２）の回転子（ＲＴ２）が第２歯車セット（ＰＧ２）の第１太陽歯車（Ｓ１）に噛合する。変速機は第２動力分流モードで動作する。

図１１は、第１トルク伝達装置の第４噛合ポジションであり、そのスリーブリング（ＳＬ）が第２及び第３クラッチ部材（Ｃ２、ＢＲ）に噛合する。この場合に、回転子軸（ＲＴＳ）、第２電機（ＥＭ２）の回転子（ＲＴ２）及び第２歯車セット（ＰＧ２）の第１太陽歯車（Ｓ１）が第３固定部材（ＦＭ３）に固定される。変速機が第２固定回転速度比モードで動作する。

第１トルク伝達装置の四つの噛合ポジションが軸方向に沿って隣接して配置される。噛合式クラッチ、例えばドグクラッチを使用することで、構造が非常にコンパクトになる。

以下、本発明のマルチモード電気機械式無段変速機の操作を説明する。

無段変速の操作

１．低速度比領域

車両起動前、変速機は低速領域で動作するように設定される。第２電機（ＥＭ２）は少なくとも一つのクラッチ（ＣＬ）を介して第１歯車セット（ＰＧ１）に結合されて、レバー作用を得てトルクを増幅して出力システム（ＯＵＴＰＵＴ）を駆動する。第１電機（ＥＭ１）は、空転状態であり、回転方向がエンジン出力軸（ＩＮＰＵＴ）とは反対である。第２電機（ＥＭ２）は、この時、回転速度がゼロである。車両の起動時、コントローラは指示を電機の駆動回路に伝送する。駆動回路は第２電機（ＥＭ２）に所要の電力を供給して駆動トルクを発生させる。発生した駆動トルクは第１歯車セット（ＰＧ１）を介して増幅されて出力システム（ＯＵＴＰＵＴ）まで伝達される。この時、無視できる内部パワー損失を除き、第２電機ＥＭ２が何の有効電力を機械的エネルギーに変換することがない。車両が停止状態であるため、駆動動力が不要であるが、駆動輪に駆動トルクが必要である。車両を起動する駆動トルクは主に第２電機（ＥＭ２）由来である。同時にエンジンは車両にゼロ起動トルクを提供するため、エンジンは動力の出力がない。電機（ＭＥ２）のトルクの増加につれて、車両は静止から移動し、加速して前進する。すると、第２電機（ＥＭ２）は回転し始め、電力を消費してそれを所要の機械的駆動力に変換する。同時に、エンジンは駆動輪に駆動トルクを提供し始める。そして、第１電機（ＥＭ１）は、エンジンからのトルクを釣り合わせるように抵抗トルクを提供し、また、増加する車速に合わせるように、第１電機（ＥＭ１）の回転速度が徐々に下がる。この過程では、第１電機（ＥＭ１）は発電機として機能し、機械的エネルギーを電力に変換する。第２電機（ＥＭ２）が消費する電力の全部又は一部は、第１電機（ＥＭ１）から、ドライバとコントローラ（ＣＴＲＬ、図示せず）を介して提供される。車両起動後、駆動輪の駆動トルクがエンジンと第２電機（ＥＭ２）に共同で分担されて、第２電機（ＥＭ２）のトルクが減少する。

車両速度が増加すると、第２電機（ＥＭ２）の回転速度が増加し、トルクが連続的に減少する。一方、第１電機（ＥＭ１）の回転速度がゼロになるまで連続的に下がる。第１電機（ＥＭ１）がゼロ速度点になる時、変速機が第１非自然速度比節点ＳＲ１に到達する。変速機とエネルギー蓄積装置の間に正味の電力交換がないと、第２電機（ＥＭ２）がゼロトルク点に到達する。つまり、第２電機（ＥＭ２）のゼロトルク点（ゼロトルクに対応する速度比節点）と第１電機（ＥＭ１）のゼロ速度点（ゼロ回転速度に対応する速度比節点）が一致する。

２．高速度比領域

第１速度比節点ＳＲ１は低速度比領域から高速度比領域への移行を意味し、逆に同様である。動作モード切り替え点において、第２電機（ＥＭ２）のトルクがゼロであり、第２電機（ＥＭ２）、第１歯車セット（ＰＧ１）の第３ノット（ＫＮ_１３）、及び第２歯車セット（ＰＧ２）の第４ノット（ＫＮ_２４）の速度が同期する。この時、少なくとも一つのクラッチ（ＣＬ）が第２電機（ＥＭ２）を第１歯車セット（ＰＧ１）の第３ノット（ＫＮ_１３）から分離し、第２電機（ＥＭ２）を第２歯車セット（ＰＧ２）の第４ノット（ＫＮ_２４）に接続し、変速機を複合動力分流モードで動作させる。

車両速度が増加すると、変速機の速度比が増加して第１非自然速度比節点ＳＲ１を超える。第１電機（ＥＭ１）の回転速度がゼロから、入力軸（ＩＮＰＵＴ）の回転方向に沿って連続的に上がる。第２電機（ＥＭ２）の回転速度が下がり始める。変速機とエネルギー蓄積装置の間に正味の電力交換がないと、第２電機（ＥＭ２）のトルクは、値がゼロから逆方向に増加する。この時、第２電機（ＥＭ２）は発電機として機能し、第１電機（ＥＭ１）又は／及びエネルギー蓄積装置に電力を供給する。第１電機（ＥＭ１）はモータとして機能し、電力を機械的エネルギーに変換する。

車両速度がさらに増加すると、第２電機（ＥＭ２）の回転速度がゼロ点まで連続的に下がる。変速機がその第２速度比節点ＳＲ２に到達する。この速度比節点において、電気機械式動力パスを経由して伝達される動力がゼロであり、すべての動力が全機械動力パスを経由して、入力軸（ＩＮＰＵＴ）から出力システム（ＯＵＴＰＵＴ）に伝達される。

変速機の第１速度比節点ＳＲ１と第２速度比節点ＳＲ２の間に、動力分流比がＰＲ（すなわち、電気機械式動力パスを経由して伝達される動と入力軸（ＩＮＰＵＴ）を経由して伝達される総エンジン動力との比）であり、一つのローカルの最大値を有する。最大値は四ブランチ遊星歯車セット（第２歯車セット）の固有歯数比によって決められる。変速機の最大入力パワーをＰ_ＩＮ、電機の最大連続定格パワーをＰ_ＥＭとすると、電機の最大連続定格パワーと変速機の最大入力パワーとのパワー比をＰＲ_ＭＡＸ＝Ｐ_ＥＭ／Ｐ_ＩＮで示す。電機のサイズと変速機構造とを適宜マッチングさせて、変速機を第１、第２非自然速度比節点の間に連続的に適宜動作させるために、四ブランチ遊星歯車セットの固有パラメータは以下の関係を満たす。

第２速度比節点ＳＲ２又はその付近では、第１電機（ＥＭ１）のトルクが方向を変更する。変速機の速度比が連続的に増加するにつれて、第１電機（ＥＭ１）の速度が連続的に増加するとともに、第２電機（ＥＭ２）の速度がゼロから逆方向に増加する。変速機の速度が第２速度比節点ＳＲ２より非常に高くなる時の、変速機に過剰な内部動力循環が生じることを回避するために、必要な時、変速機はブレーキで第２歯車セット（ＰＧ２）の第４ノット（ＫＮ_２４）を制動することができる。

３．後進領域

自然速度比節点ＳＲ０以下の領域は後進領域と呼ばれる。後進領域内にも出力動力分流モードを適用できる。少なくとも一つのクラッチ（ＣＬ）は第２電機（ＥＭ２）を第１歯車セット（ＰＧ１）に接続し、第２電機（ＥＭ２）を第２歯車セット（ＰＧ２）から分離する。動力は第１及び第２歯車セット上の第２ノット（ＫＮ_１２、ＫＮ_２２）を経由して出力システム（ＯＵＴＰＵＴ）に伝達される。

全電気駆動の操作

電力パスを経由して伝達される動力（パワー）と入力軸の入力パワーとのパワー比を制限し、内部動力循環を回避するために、後進領域は全電気駆動モードを採用する。全電気駆動モードでは、エンジンが停止する。コントローラ（ＣＴＲＬ）の制御の下で、第２電機（ＥＭ２）はエネルギー蓄積装置（ＢＴ）内の電力を機械的エネルギーに変換して、出力システム（ＯＵＴＰＵＴ）に駆動トルクを提供する。第２電機（ＥＭ２）からの駆動トルクが出力システム（ＯＵＴＰＵＴ）に伝達される前、先に第１歯車セット（ＰＧ１）を介して増幅される。

全電気駆動モードは前進領域にも適用できる。また、複数の全電気駆動モードが可能である。第１全電気駆動モードは、ほぼ上記モードと同様であり、全電気駆動モードの逆動作である。この電動モードでは、第１トルク伝達装置（ＣＬ）は、第２電機（ＥＭ２）を第１歯車セット（ＰＧ１）に接続し、第２電機（ＥＭ２）を第２歯車セット（ＰＧ２）から遮断する。第２電機（ＥＭ２）は第１歯車セット（ＰＧ１）を介して車両に駆動力を提供する。第１歯車セット（ＰＧ１）は第２電機（ＥＭ２）のトルクにＫ_Ｓ＋１のレバー増幅係数を提供する。

第２全電気駆動モードは、第１、第２の二つの電機の協働を要求し、急激に加速する又は急な坂に上るためのより大きな動力を提供する。第１全電気駆動モードと類似に、第１トルク伝達装置（ＣＬ）は、第２電機（ＥＭ２）を第１歯車セット（ＰＧ１）に接続し、第２電機（ＥＭ２）を第２歯車セット（ＰＧ２）から遮断する。動力の一部は第１電機（ＥＭ１）から第２歯車セット（ＰＧ２）を介して提供される。図５〜７に示すように、一方向クラッチ（ＯＷＣ）は、入力軸（ＩＮＰＵＴ）がエンジンの正常回転方向とは逆方向に回転することを防止する。従って、第１電機（ＥＭ１）からの駆動トルクを釣り合せるように抵抗トルクを提供する。第２歯車セット（ＰＧ２）は第１電機（ＥＭ１）のトルクにＫ_Ｂ／Ｋ_Ａのレバー増幅係数を提供する。他の動力は第２電機（ＥＭ２）から第１歯車セット（ＰＧ１）を介して提供される。第１歯車セット（ＰＧ１）は第２電機（ＥＭ２）のトルクにＫ_Ｓ＋１のレバー増幅係数を提供する。

ニュートラル及びパーキング

マルチモード電気機械式無段変速機は、ニュートラル及びパーキングを含むより多くの実用的な機能を提供できる。少なくとも一つのクラッチ（ＣＬ）が第１、第２歯車セットから分離し、第１電機（ＥＭ１）がオフされ又はアイドル状態である時、変速機がニュートラルにある。また、第１及び第２電機（ＥＭ１、ＥＭ２）が同時にオフされ又はアイドル状態である時でも、変速機がニュートラルにある。

パーキングは、少なくとも一つのクラッチ（ＣＬ）を第１、第２歯車セットに噛合するとともに、ブレーキ（ＢＲ）に噛合することで、実現できる。また、パーキングは、変速機内に取り付けられた伝統のパーキングポールシステム（ＰＢＲ、図示せず）によって、実現されてもよい。

固定速度比の操作

本発明のマルチモード電気機械式無段変速機は固定出力対入力速度比で動作できる。固定速度比動作モードは、牽引や登坂時の加速の特殊用途に応じて提供される。固定速度比操作は以下の表に示される。

上記第１、第２固定速度比は実際、変速機の第１、第２非自然速度比節点である。上記において、隣接する固定速度比点間の領域で安定した連続変速動作を如何に実現する方式を説明した。従って、第１と第２固定速度比点の間で切り替えを行う時、動力中断を回避できる。また、各固定速度比点において、一つ又は二つの電機（ＥＭ１、ＥＭ２）はモータ又は発電機として機能し、並列電気ハイブリッドシステムに動力補助又は回生制動機能を提供する。それにより車両システムの動力と性能を向上させる。

トルク伝達装置は、任意の種類の機械式、油圧式、又は電磁クラッチ、ブレーキ又はクラッチとブレーキの組み合わせであってもよい。トルク伝達装置の噛合と分離は自然同期条件（すなわち、すべての関連部材の回転速度がほぼ同じである）下で実現されるため、簡単なクラッチ、例えば噛合式クラッチ又はドグクラッチだけで済み、複雑かつ高価な摩擦式クラッチが不要である。これは、湿式摩擦クラッチに通常必要とされる油圧システムが油圧システムを省くことで、変速機の内部パワー損失を効果的に低減させる。

その他の操作状態

実施形態１及びその変形例（実施形態１Ａ、実施形態１Ｂ）はエンジン起動機能をさらに有する。エンジン起動は二つの電機のうちの一方によって独立に行ってもよく、二つの電機の協働によって行ってもよい。例えば、変速機がニュートラルである時、エンジンが二つの電機の協働によって起動される。変速機が全電気駆動操作モードである時、エンジンが第１電機（ＥＭ１）によって起動される。

エネルギー蓄積装置（ＢＴ）とマルチモード電気機械式無段変速機を組み合わせて使用する時、無段変速機は、変速機能だけでなく、動力調整機能をさらに提供でき、所謂ハイブリッド駆動を実現する。電気機械式ハイブリッド駆動動作状態では、二つの電機間で伝達される動力（電力）のバランスを図る必要がない。一方の電機で生じる電力は他方の電機の消費する電力より多い又は少ない可能性がある。この時、一方の電機の速度ゼロ点が他方の電機のトルクゼロ点に対応しない。電機のトルクゼロ点の対応する変速機速度比の位置は、二つの電機間で伝達される動力の不釣り合いによって変動するが、電機の速度ゼロ点の対応する変速機速度比節点の位置が、二つの電機間で伝達される動力の不釣り合いからの影響を受けずにそのまま維持される。

変速機の電力パスとエネルギー蓄積装置の間に正味の電力交換がない時、電機は速度比調整と動力調整の二つの機能を担う必要がある。従って、電機のパワー比を最大パワー分流比と変速機入力軸の定格パワーとの積以上にしなければならない。

図１２は、本発明のマルチモード電気機械式無段変速機の別の好適な実施形態（実施形態２）のレバー模式図である。図１２に示すように、マルチモード電気機械式無段変速機は一つの歯車システムからなり、該歯車システムは第１及び第２レバーで示される第１（ＰＧ１）及び第２（ＰＧ２）遊星歯車セット、入力軸（ＩＮＰＵＴ）、出力システム（ＯＵＴＰＵＴ）、少なくとも一つのクラッチ（ＣＬ）、第１固定部材（ＦＭ１）、並びに第１、第２電機（ＥＭ１、ＥＭ２）及びそれに関連するドライバとコントローラ（図示せず）を備える。第１遊星歯車セットは、三ブランチ歯車セットであり、第１、第２及び第３同軸回転部材を備え、それぞれ第１レバーの第１ノット（ＫＮ_１１）、第２ノット（ＫＮ_１２）及び第３ノット（ＫＮ_１３）で示される。第１レバーはその固有パラメータ、すなわち、対応する第１歯車セットの固有歯数比Ｋ_Ｓ１に一意的に決定される。第２遊星歯車セットも、三ブランチ歯車セットであり、第１、第２及び第３同軸回転部材を備え、それぞれ第２レバーの第１ノット（ＫＮ_２１）、第２ノット（ＫＮ_２２）及び第３ノット（ＫＮ_２３）で示される。第２レバーは、その固有パラメータ、すなわち、対応する第２歯車セットの固有歯数比Ｋ_Ｓ２に一意的に決定される。第１レバー（ＰＧ１）の第１ノット（ＫＮ_１１）に第１固定部材（ＦＭ１）が接続され、第２ノット（ＫＮ_１２）に第２レバー（ＰＧ２）の第２ノット（ＫＮ_２２）が接続される。それにより、第１レバー（ＰＧ１）の第２ノット（ＫＮ_１２）と第２レバー（ＰＧ２）の第２ノット（ＫＮ_２２）の回転速度が同じになる。

第１電機（ＥＭ１）は第１回転子及び第１固定子を備える。第１電機（ＥＭ１）の回転子が直接第２遊星歯車セット（ＰＧ２）の第１ノット（ＫＮ_２１）に結合される。出力軸（ＯＵＴＰＵＴ）が第１歯車セット（ＰＧ１）の第２ノット（ＫＮ_１２）及び第２歯車セット（ＰＧ２）の第２ノット（ＫＮ_２２）に結合される。入力軸（ＩＮＰＵＴ）が第２歯車セット（ＰＧ２）の第３ノット（ＫＮ_２３）に結合される。

第２電機（ＥＭ１）は第２回転子及び第２固定子を備える。第２電機（ＥＭ２）の回転子がクラッチ（ＣＬ）を介して選択的に第１歯車セット（ＰＧ１）の第３ノット（ＫＮ_１３）又は第２歯車セット（ＰＧ２）の第３ノット（ＫＮ_２３）に結合され、又は同時に第１歯車セット（ＰＧ１）の第３ノット（ＫＮ_１３）及び第２歯車セット（ＰＧ２）の第３ノット（ＫＮ_２３）に結合される。換言すれば、第２電機（ＥＭ２）が選択的に第１固定速度比（１：１）で第２歯車セットの第３ノット（ＫＮ_２３）に直接結合され、又は第１歯車セット（ＰＧ１）を介して第２固定速度比で第２歯車セットの第２ノット（ＫＮ_２２）に間接的に結合され、ここで、第１固定速度比が第２固定速度比と異なる。

第１、第２電機（ＥＭ１、ＥＭ２）は、それぞれの駆動装置又は電気電子駆動回路を有する。それらは、エネルギー蓄積装置、例えばバッテリパック（ＢＴ、図示せず）に電気的に接続され、エネルギーを受けてエネルギー蓄積装置に伝送する。

第２電機（ＥＭ２）が第１歯車セット（ＰＧ１）に結合される時、図１２に示すように、少なくとも一つのクラッチ（ＣＬ）は第２電機（ＥＭ２を第１歯車セット（ＰＧ１）の第３ノット（ＫＮ_１３）に接続し、第２電機（ＥＭ２）を第２歯車セット（ＰＧ２）の第３ノット（ＫＮ_２３）から遮断する。変速機は第１動力分流モードで動作する。エンジンからの入力動力は二つのパスに分割されて二つの動力パスを経由して出力システムに伝達される。一方は、全機械動力パスであり、入力軸から、第１及び第２歯車セット（ＰＧ１、ＰＧ２）の第２ノット（ＫＮ_１２、ＫＮ_２２）を経由して出力システム（ＯＵＴＰＵＴ）に到達する。他方は、電気機械式動力パスであり、入力軸から、第２歯車セット（ＰＧ２）、第１電機（ＥＭ１）、第２電機（ＥＭ２）、少なくとも一つのクラッチ（ＣＬ）及び第１歯車セット（ＰＧ１）を経由して出力システム（ＯＵＴＰＵＴ）に到達する。

第２電機（ＥＭ２）が第２歯車セット（ＰＧ２）に結合されると、図１３に示すように、少なくとも一つのクラッチ（ＣＬ）は、第２電機（ＥＭ２）を第１歯車セット（ＰＧ１）の第３ノット（ＫＮ_１３）から遮断して、第２電機（ＥＭ２）を第２歯車セット（ＰＧ２）の第３ノット（ＫＮ_２３）に接続する。変速機は別の動力分流モードで動作する。同様に、エンジンからの入力動力は二つのパスに分割されて二つの動力パスを経由して出力システム（ＯＵＴＰＵＴ）に伝達される。全機械動力パスは、入力軸（ＩＮＰＵＴ）から、第２歯車セット（ＰＧ２）を経由して、出力システム（ＯＵＴＰＵＴ）に到達し、電気機械式動力パスは、入力軸（ＩＮＰＵＴ）から、第２歯車セット（ＰＧ２）、少なくとも一つのクラッチ（ＣＬ）、第２電機（ＥＭ１）、第１電機（ＥＭ２）を経由して、第２歯車セット（ＰＧ２）に戻り、最後に出力システム（ＯＵＴＰＵＴ）に到達する。

第２実施形態（実施形態２）は、一つの自然速度比節点ＳＲ０、すなわち、出力システムの速度をゼロにする速度比節点、及び一つの非自然速度比節点ＳＲ１を提供する。非自然速度比節点において、少なくとも一つの電機の回転速度がゼロである。自然速度比節点ＳＲ０は、変速比領域全体を前進領域と後進領域に分割する。自然速度比節点より高いのは前進領域で、自然速度比節点より低いのは後進領域である。第１非自然速度比節点ＳＲ１は、第１速度比点とも略称され、さらに前進領域を低速領域と高速領域に分割する。第１速度比節点ＳＲ１より低いのは低速領域で、第１速度比点ＳＲ１より高いのは高速領域である。

第１速度比節点ＳＲ１において、変速機とエネルギー蓄積装置の間に正味のエネルギー交換がない時、第２電機（ＥＭ２）のトルクがゼロである。従って、ＳＲ１を動力分流モード切り替え点とすることで、変速機システムのトルク衝撃を軽減又は回避することに寄与する。速度比節点ＳＲ１以下の低速領域は出力動力分流方式を採用する。ＳＲ１以上の高速領域は入力動力分流方式を採用する。後進領域は全電気駆動を採用する。このようにして、機械的パスでも電力パスでも、伝達される動力はいずれも入力軸を介して出力システムに伝達される動力未満である。マルチモード変速機は各変速比領域に内部動力循環が生じないため、変速機の有効速度比の範囲を大幅に広げる。モード切り替え速度比ＳＲ１でのクラッチ（ＣＬ）の速度の同期を確保するために、各歯車セットの固有歯数比は以下の関係を満たす。

電機及び関連駆動装置の可能な内部電力損失、及び歯車歯数の制約を考慮すると、速度比の実際切り替え点ＳＲ_ＢがＳＲ１付近にある。モード切り替え速度比ＳＲ_Ｂでのクラッチの各関連部材の回転速度の同期を確保するために、各歯車セットの歯数比は以下の関係を満たす。

すべての実施形態及びその変形例の一つの基本的な特徴は、第１電機（ＥＭ１）、入力軸（ＩＮＰＵＴ）及び出力システム（ＯＵＴＰＵＴ）がそれぞれ固定速度比で第２歯車セット（ＰＧ２）の一つの異なるノットに結合されることである。すべての実施形態及びその変形例の別の基本的な特徴は、第１歯車セット（ＰＧ１）の一つのノットが変速機の一つの固定部材（ＦＭ１）に結合されることである。また、すべての実施形態及びその変形例のさらに別の基本的な特徴は、第２電機（ＥＭ２）に選択的にそれぞれ第１固定速度比で第２歯車セット（ＰＧ２）の一つのノットが接続され、又は第２固定速度比で第２歯車セット（ＰＧ２）の別のノットが接続されることである。また、すべての実施形態及びその変形例のさらに別の基本的な特徴は、第２電機（ＥＭ２）に選択的にそれぞれ第１歯車セット（ＰＧ１）と第２歯車セット（ＰＧ２）が接続されることである。

明らかなように、本発明の変速機は、二つの動力分流モード及び二つの固定速度比モードを含む複数のモードで動作できる。これらの動作モードは、第２電機（ＥＭ２）を変速機の異なる部材又は／又は要素に選択的に結合することで、簡単に実現できる。

本発明のマルチモード電気機械式無段変速機を設計して製造することは、少なくとも三つのブランチを有する一つの遊星歯車セットを構築するステップと、一つの入力軸、一つの出力システム、第１電機、及び第２電機を設計して製造するステップと、それぞれ遊星歯車セットの少なくとも三つのブランチを第１電機、出力システム及び入力軸に接続するステップと、選択的に第２電機を第１固定速度比で遊星歯車セットの一つのブランチに接続し、第２固定速度比で歯車セットの別のブランチに接続するステップと、を含む。

四ブランチ遊星歯車セットで歯車システムを構成する時、構成した歯車システムに実用性を付与し、マルチモード電気機械式無段変速機を構成し、所要の機能特性要求を満たすために、四ブランチ遊星歯車セットの固有パラメータを制約する必要がある。上記の式（８）は、電力マッチングの観点による電気機械動力の制約条件を示している。実際に、四ブランチ歯車セットの設計とパラメータの選択を行う時、固有パラメータが以下の関係を満たすことが望ましい。

また、電機の回転速度を制限する観点から、特に高速領域では、以下の関係を満たすことが望ましい。

なお、本発明の明細書における電機とは、モータと発電機の総称であり、モータであってもよく、発電機であってもよい。

上記実施例の各部品は、公知の工業的製造方法によって得られ、組み合わせてマルチモード電気機械式無段変速機を得ることができる。該変速機は少なくとも２種類の異なる分流モードで動作し、内部動力循環を効果的に克服し、動力伝達効率が高く、広い範囲内に出力対入力速度比と動力を連続的かつ独立に調整でき、それにより変速機の有効速度比範囲を極めて広げる。このような新型マルチモード電気機械式無段変速機は電機に対する動力要求を下げ、変速機の構造が簡単で、コンパクトであり、コストが低く、また、起動装置を必要とせずに、後退、停止から前進までの連続な無段変速を実現でき、車両の燃費を大幅に改善させることができる。

Claims (11)

1. 一つの歯車システム、一つの入力軸、一つの出力システム、第１、第２の二つの電機、及び少なくとも一つのトルク伝達装置を備えるマルチモード電気機械式無段変速機であって、
   前記歯車システムは、少なくとも一つの遊星歯車セットを備え、遊星歯車セットが少なくとも第１、第２、及び第３の三つの同軸回転部材を備え、
   前記出力システムは少なくとも一つの駆動軸を備え、
   前記第１電機は、固定速度比で前記少なくとも一つの遊星歯車セットの第１同軸回転部材に接続され、
   前記出力システムは、固定速度比で前記少なくとも一つの遊星歯車セットの第２同軸回転部材に接続され、
   前記入力軸は、固定速度比で前記少なくとも一つの遊星歯車セットの第３同軸回転部材に接続され、
   前記第２電機は、選択的に前記少なくとも一つのトルク伝達装置を介して第１固定速度比で前記少なくとも一つの遊星歯車セットの一つの同軸回転部材に接続され、第１固定速度比と異なる第２固定速度比で前記少なくとも一つの遊星歯車セットの別の同軸回転部材に接続され、
   前記少なくとも一つのトルク伝達装置は少なくとも四つの噛合ポジションを有し、前記噛合ポジションが軸方向に隣接して配置されることを特徴とするマルチモード電気機械式無段変速機。
2. 前記歯車システムは、さらに別の遊星歯車セットを備え、第２電機は選択的に第１固定速度比で前記少なくとも一つの遊星歯車セットの一つの同軸回転部材に直接結合され、又は前記第１固定速度比と異なる第２固定速度比で前記別の遊星歯車セットを介して前記少なくとも一つの遊星歯車セットの別の同軸回転部材に間接的に結合されることを特徴とする請求項１に記載のマルチモード電気機械式無段変速機。
3. 少なくとも一つの遊星歯車セットは、四ブランチ遊星歯車セットであり、一つの第１同軸回転部材、一つの第２同軸回転部材、一つの第３同軸回転部材、及び一つの第４同軸回転部材を備え、第２電機は、選択的に第１固定速度比で前記四ブランチ遊星歯車セットの第４同軸回転部材に直接結合され、又は前記第１固定速度比と異なる第２固定速度比で前記別の遊星歯車セットを介して前記四ブランチ遊星歯車セットの第２同軸回転部材に間接的に結合されることを特徴とする請求項２に記載のマルチモード電気機械式無段変速機。
4. 前記変速機はさらに一つの第１固定部材を備え、前記別の遊星歯車セットは、三ブランチ遊星歯車セットであり、一つの第１同軸回転部材、一つの第２同軸回転部材、及び一つの第３同軸回転部材を備え、前記三ブランチ遊星歯車セットの第１同軸回転部材が第１固定部材に結合され、三ブランチ遊星歯車セットの第２同軸回転部材が四ブランチ遊星歯車セットの第２同軸回転部材に結合され、第２電機が選択的にそれぞれ三ブランチ遊星歯車セットの第３同軸回転部材又は四ブランチ遊星歯車セットの第４同軸回転部材に結合されることを特徴とする請求項３に記載のマルチモード電気機械式無段変速機。
5. 前記変速機は一つの第２トルク伝達装置、及び一つの第２固定部材をさらに備え、第２トルク伝達装置は入力軸と四ブランチ遊星歯車セットの第３同軸回転部材を第２固定部材に選択的に結合することを特徴とする請求項４に記載のマルチモード電気機械式無段変速機。
6. 前記変速機はさらに一つの第３トルク伝達装置、及び一つの第３固定部材をさらに備え、第３トルク伝達装置が四ブランチ遊星歯車セットの第４同軸回転部材を第３固定部材に選択的に結合することを特徴とする請求項５に記載のマルチモード電気機械式無段変速機。
7. 第１トルク伝達装置は少なくとも二つの噛合ポジションを有する歯噛合式クラッチであり、第２トルク伝達装置は前記少なくとも一つの遊星歯車セットに抵抗トルクを提供し入力軸の逆回転を防止することが可能な一方向クラッチであることを特徴とする請求項５に記載のマルチモード電気機械式無段変速機。
8. 前記電機の最大連続パワーをＰ_ＥＭ、入力軸の最大入力パワーをＰ_ＩＮとし、前記四ブランチ遊星歯車セットは一つの四ノットレバー図で示され、レバー図中の第１ノットと第３ノットの距離をＫ_Ｂ単位、第２ノットと第３ノットの距離をＫ_Ａ単位、第３ノットと第４ノットの距離を１単位とし、前記四ブランチ遊星歯車セットの固有パラメータＫ_Ａ、Ｋ_Ｂが
   

   

   
   の関係を満たすことを特徴とする請求項３に記載のマルチモード電気機械式無段変速機。
9. 前記別の遊星歯車セットは、三ブランチ遊星歯車セットであり、一つの三ノットレバー図で示され、レバー図中の第１ノットと第２ノットの距離を１単位、第２ノットと第３ノットの距離をＫ_Ｓ単位とし、前記三ブランチ遊星歯車セットの固有パラメータＫ_Ｓと前記四ブランチ遊星歯車セットの固有パラメータＫ_Ａ、Ｋ_Ｂが
   

   

   
   の関係のいずれかを満たすことを特徴とする請求項８に記載のマルチモード電気機械式無段変速機。
10. 前記少なくとも一つの遊星歯車セット及び前記別の遊星歯車セットは同一軸線に配置され、且つ、軸方向に隣接することを特徴とする請求項２に記載のマルチモード電気機械式無段変速機。
11. 前記四ブランチ遊星歯車セットの固有パラメータＫ_ＡとＫ_Ｂは
    

    

    
    の関係を満たすことを特徴とする請求項９に記載のマルチモード電気機械式無段変速機。

Images