JP6964937B2 - モータ付変速機 - Google Patents

Description

本発明は、車両に搭載されるモータ付変速機に関する。

従来、エンジンおよびモータを走行用の駆動源として搭載したハイブリッド車（ＨＶ：Hybrid Vehicle）が知られている。ハイブリッド車では、エンジンの駆動力およびモータの駆動力は、変速機に入力されて変速され、変速機からディファレンシャルギヤに伝達されて、デファレンシャルギヤから左右のを介してそれぞれ左右の駆動輪に伝達される。

特開２０１３−１６３４０６号公報

ところが、無段変速機（ＣＶＴ：Continuously Variable Transmission）の構成（無段変速機構）が変速機に採用される場合、変速機の入力側にモータの駆動力が入力される構成では、モータの駆動（力行）および回生の効率が無段変速機構の伝達効率の影響を受けて低下する。

本発明の目的は、モータの駆動および回生の効率の向上を図ることができる、モータ付変速機を提供することである。

前記の目的を達成するため、本発明に係る車両は、インプット軸と、サンギヤ、キャリアおよびリングギヤを含む遊星歯車機構と、リングギヤと一体的に回転するアウトプット軸と、インプット軸の動力を無段階に変速してサンギヤに伝達する無段変速機構と、インプット軸の動力をキャリアに伝達するギヤ変速機構と、サンギヤとリングギヤとを一体回転可能に結合／分離するために係合／解放される第１係合要素と、ギヤ変速機構による動力の伝達／遮断を切り替えるために係合／解放される第２係合要素と、サンギヤの回転を制動／許容するために係合／解放される第３係合要素と、キャリアに動力を入力するモータとを含む。

この構成によれば、無段変速機構とアウトプット軸との間に介在される遊星歯車機構のキャリアにモータの動力が入力され、また、モータでキャリアの回転が電力に回生される。モータの力行および回生時に動力が無段変速機構を経由しないので、モータの力行および回生の効率が無段変速機構の伝達効率の影響を受けることを抑制できる。その結果、モータの駆動および回生の効率の向上を図ることができる。

本発明によれば、モータの駆動および回生の効率の向上を図ることができる。

モータ付変速機１が搭載された車両３の駆動系の構成を示すスケルトン図であり、「停車：エンジン始動」の状態を図解的に示す。 モータ付変速機１が搭載された車両３の駆動系の構成を示すスケルトン図であり、「前進：ＥＶ走行」の状態を図解的に示す。 モータ付変速機１が搭載された車両３の駆動系の構成を示すスケルトン図であり、「前進：エンジン始動」の状態を図解的に示す。 モータ付変速機１が搭載された車両３の駆動系の構成を示すスケルトン図であり、「前進：ベルトＨＶモード」の状態を図解的に示す。 モータ付変速機１が搭載された車両３の駆動系の構成を示すスケルトン図であり、「前進：スプリットＨＶモード」の状態を図解的に示す。 モータ付変速機１が搭載された車両３の駆動系の構成を示すスケルトン図であり、「前進：ベルトＨＶモード２」の状態を図解的に示す。

以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

＜モータ付変速機の構成＞
図１〜図６は、モータ付変速機１が搭載された車両３の駆動系の構成を示すスケルトン図である。

モータ付変速機１は、エンジン２を駆動源とする車両３に搭載されて、エンジン２およびモータジェネレータ４を走行用の駆動源とするハイブリッド車を構成する。

エンジン２には、エンジン２の燃焼室への吸気量を調整するための電子スロットルバルブ、燃料を吸入空気に噴射するインジェクタ（燃料噴射装置）および燃焼室内に電気放電を生じさせる点火プラグなどが設けられている。

また、エンジン２には、クランキングのためのスタータＳが付随して設けられている。さらに、エンジン２には、オルタネータＡＬＴが付随して設けられている。オルタネータＡＬＴは、エンジン２のクランクシャフトの回転に伴って発電し、直流電力を発電電力として出力する。この発電電力が１２Ｖ（ボルト）の鉛電池に供給されることにより、鉛電池が充電される。スタータＳには、鉛電池から電力が供給される。

エンジン２の駆動力は、トルクコンバータ５を介してモータ付変速機１（インプット軸３１）に入力され、モータ付変速機１からデファレンシャルギヤ６に伝達され、デファレンシャルギヤ６から左右のドライブシャフト７Ｌ，７Ｒを介してそれぞれ左右の駆動輪８Ｌ，８Ｒに伝達される。

モータ付変速機１は、インプット軸３１およびアウトプット軸３２を備え、インプット軸３１に入力される動力を２系統に分割してアウトプット軸３２に伝達可能に構成された、いわゆる動力分割式（トルクスプリット式）変速機の構成を有している。２系統の動力伝達経路を構成するため、モータ付変速機１は、無段変速機構３３、逆転ギヤ機構３４、遊星歯車機構３５およびスプリット変速機構３６を備えている。

インプット軸３１は、エンジン２と同一の回転軸線を中心に回転可能に設けられている。

アウトプット軸３２は、インプット軸３１と平行に設けられている。アウトプット軸３２には、出力ギヤ３７が相対回転不能に支持されている。出力ギヤ３７は、デファレンシャルギヤ６（デファレンシャルギヤ６のリングギヤ）と噛合している。

無段変速機構３３は、公知のベルト式の無段変速機（ＣＶＴ：Continuously Variable Transmission）と同様の構成を有している。具体的には、無段変速機構３３は、プライマリ軸４１と、プライマリ軸４１と平行に設けられたセカンダリ軸４２と、プライマリ軸４１に相対回転不能に支持されたプライマリプーリ４３と、セカンダリ軸４２に相対回転不能に支持されたセカンダリプーリ４４と、プライマリプーリ４３とセカンダリプーリ４４とに巻き掛けられたベルト４５とを備えている。

無段変速機構３３では、プライマリプーリ４３およびセカンダリプーリ４４に供給される油圧が制御されて、プライマリプーリ４３およびセカンダリプーリ４４の各溝幅が変更されることにより、プライマリプーリ４３とセカンダリプーリ４４とのプーリ比が連続的に無段階で変更される。

逆転ギヤ機構３４は、インプット軸３１に入力される動力を逆転かつ減速させてプライマリ軸４１に伝達する構成である。具体的には、逆転ギヤ機構３４は、インプット軸３１に相対回転不能に支持されるインプット軸ギヤ６１と、インプット軸ギヤ６１よりも大径で歯数が多く、プライマリ軸４１にスプライン嵌合により相対回転不能に支持されて、インプット軸ギヤ６１と噛合するプライマリ軸ギヤ６２とを含む。

遊星歯車機構３５は、サンギヤ７１、キャリア７２およびリングギヤ７３を備えている。サンギヤ７１は、セカンダリ軸４２にスプライン嵌合により相対回転不能に支持されている。キャリア７２は、アウトプット軸３２に相対回転可能に外嵌されている。キャリア７２は、複数個のピニオンギヤ７４を回転可能に支持している。複数個のピニオンギヤ７４は、円周上に配置され、サンギヤ７１と噛合している。リングギヤ７３は、複数個のピニオンギヤ７４を一括して取り囲む円環状を有し、各ピニオンギヤ７４にセカンダリ軸４２の回転径方向の外側から噛合している。また、リングギヤ７３には、アウトプット軸３２が接続され、リングギヤ７３は、アウトプット軸３２と同一の回転軸線を中心に一体的に回転可能に設けられている。

スプリット変速機構３６は、スプリットドライブギヤ８１と、スプリットドライブギヤ８１と噛合するスプリットドリブンギヤ８２とを含む。

スプリットドライブギヤ８１は、インプット軸３１に相対回転可能に外嵌されている。

スプリットドリブンギヤ８２は、遊星歯車機構３５のキャリア７２と同一の回転軸線を中心に一体的に回転可能に設けられている。スプリットドリブンギヤ８２は、スプリットドライブギヤ８１よりも小径に形成され、スプリットドライブギヤ８１よりも少ない歯数を有している。

また、スプリットドリブンギヤ８２には、モータジェネレータ４の回転軸に相対回転不能に設けられた出力ギヤ９１が噛合している。モータジェネレータ４には、インバータ９２が接続されている。インバータ９２には、電池９３が接続されている。電池９３は、たとえば、複数の二次電池を組み合わせた組電池からなる。モータジェネレータ４がモータとして機能するときには、電池９３から出力される電力がインバータ９２に供給され、インバータ９２で直流電力が交流電力に変換されて、交流電力がインバータ９２からモータジェネレータ４に供給される。モータジェネレータ４が発電機（ジェネレータ）として機能するときには、モータジェネレータ４でスプリットドリブンギヤ８２の回転が交流電力に回生されて、その交流電力がインバータ９２で直流電力に変換されて、直流電力が電池９３に入力されることにより電池９３が充電される。

また、モータ付変速機１は、クラッチＣ１，Ｃ２およびブレーキＢ１を備えている。

クラッチＣ１は、インプット軸３１とスプリットドライブギヤ８１とを直結（一体回転可能に結合）する係合状態と、その直結を解除する解放状態とに切り替えられる。

クラッチＣ２は、遊星歯車機構３５のサンギヤ７１とリングギヤ７３とを直結（一体回転可能に結合）する係合状態と、その直結を解除する解放状態とに切り替えられる。

ブレーキＢ１は、遊星歯車機構３５のサンギヤ７１（セカンダリ軸４２）を制動する係合状態と、サンギヤ７１の回転を許容する解放状態とに切り替えられる。

＜停車：エンジン始動＆発電＞
車両３が停車した状態でのエンジン２の始動時には、クラッチＣ１，Ｃ２およびブレーキＢ１が解放される。そして、エンジン２の始動のため、モータジェネレータ４がモータとして駆動される。

エンジン２の始動は、車両３の車室内に設けられているシフトレバー（セレクトレバー）がＰ（パーキング）ポジションに位置する状態で行われる。シフトレバーがＰポジションに位置する状態では、パーキングロックにより、遊星歯車機構３５のリングギヤ７３の回転が阻止されている。そのため、モータジェネレータ４の駆動力は、図１に薄い太線で示されるように、スプリットドリブンギヤ８２を介して遊星歯車機構３５のキャリア７２からサンギヤ７１に伝達され、無段変速機構３３および逆転ギヤ機構３４を介してインプット軸３１に伝達され、インプット軸３１からトルクコンバータ５を介してエンジン２に伝達される。これにより、エンジン２がクランキングされる。そして、エンジン２がクランキングされながら点火プラグがスパークされることにより、エンジン２が始動する。

エンジン２の始動後、モータジェネレータ４が発電機として制御されることにより、エンジン２からの駆動力がモータジェネレータ４で電力に回生され、その電力により電池９３が充電される。

なお、エンジン２の始動時に電池９３の容量が十分でない場合、あるいは、低温で電池９３の出力が十分でない場合には、スタータＳの駆動力によりエンジン２がクランキングされる。

＜前進：ＥＶ走行＞
電池９３の容量（充電量）が十分である場合、通常は、モータジェネレータ４の駆動力により車両３が発進する。また、車両３の発進後、電池９３の容量の低下などによるエンジン２の始動要求が発生するまで、モータジェネレータ４の駆動力による車両３の走行（ＥＶ走行）が続く。

ＥＶ走行（発進）の際には、クラッチＣ１，Ｃ２が解放され、ブレーキＢ１が係合される。ブレーキＢ１の係合により、遊星歯車機構３５のサンギヤ７１が制動される。そのため、モータジェネレータ４の駆動力は、図２に薄い太線で示されるように、スプリットドリブンギヤ８２を介して遊星歯車機構３５のキャリア７２からリングギヤ７３に伝達され、リングギヤ７３と一体に、アウトプット軸３２が回転する。アウトプット軸３２の回転は、出力ギヤ３７を介して、デファレンシャルギヤ６に伝達される。これにより、車両３のドライブシャフト７Ｌ，７Ｒおよび駆動輪８Ｌ，８Ｒが回転する。

＜前進：エンジン始動＞
車両３のＥＶ走行中にエンジン２の始動要求が発生すると、クラッチＣ１，Ｃ２が解放されたまま、係合中のブレーキＢ１が解放される。ＥＶ走行中は、パーキングロックが解除されているので、ブレーキＢ１の解放により、モータジェネレータ４の駆動力は、スプリットドリブンギヤ８２を介して遊星歯車機構３５のキャリア７２からサンギヤ７１およびリングギヤ７３に伝達される。そのため、図３に薄い太線で示されるように、ＥＶ走行を継続しながら、モータジェネレータ４の駆動力をエンジン２に伝達することができる。このとき、エンジン２の回転数が所定の回転数範囲内に収まるように、無段変速機構３３のベルト変速比（プーリ比）が制御される。

＜前進：ベルトＨＶモード＞
車両３の走行中のエンジン２の始動後は、クラッチＣ１およびブレーキＢ１が解放されたまま、クラッチＣ２が係合される。これにより、遊星歯車機構３５のキャリア７２の制動が解除され、遊星歯車機構３５のサンギヤ７１とリングギヤ７３とが直結される。

インプット軸３１に入力されるエンジン２の駆動力は、図４に薄い太線で示されるように、逆転ギヤ機構３４により逆転かつ減速されて無段変速機構３３に伝達され、無段変速機構３３からサンギヤ７１に伝達される。また、モータジェネレータ４の駆動力は、スプリットドリブンギヤ８２を介して遊星歯車機構３５のキャリア７２に伝達される。サンギヤ７１とリングギヤ７３とが直結されているので、サンギヤ７１、リングギヤ７３およびアウトプット軸３２が一体となって、エンジン２の駆動力およびモータジェネレータ４の駆動力により回転する。

そして、アウトプット軸３２の回転は、出力ギヤ３７を介して、デファレンシャルギヤ６に伝達される。これにより、車両３のドライブシャフト７Ｌ，７Ｒおよび駆動輪８Ｌ，８Ｒが回転する。

＜前進：スプリットＨＶモード＞
クラッチＣ１およびブレーキＢ１が解放され、クラッチＣ２が係合された状態では、無段変速機構３３のベルト変速比の変速により、モータ付変速機１全体の変速比（ユニット変速比）が変速する。

ベルト変速比がスプリット変速機構３６の変速比（ギヤ比）と一致するスプリット点までハイ側に変速され、さらにハイ側へのユニット変速比の変速が要求される場合、モータ付変速機１の動力伝達モードがベルトモードからスプリットモードに切り替えられる。

このモードの切り替えのため、係合状態のクラッチＣ２が解放されて、解放状態のクラッチＣ１が係合される。クラッチＣ１，Ｃ２の係合の切り替えにより、インプット軸３１とスプリットドライブギヤ８１とが直結されて、インプット軸３１の回転がスプリットドライブギヤ８１およびスプリットドリブンギヤ８２を介して遊星歯車機構３５のキャリア７２に伝達可能になり、遊星歯車機構３５のサンギヤ７１とリングギヤ７３とが切り離される。

インプット軸３１に入力されるエンジン２の駆動力は、図５に薄い太線で示されるように、逆転ギヤ機構３４により逆転かつ減速されて無段変速機構３３からサンギヤ７１に伝達される。一方、エンジン２の駆動力は、インプット軸３１からスプリットドライブギヤ８１を介してスプリットドリブンギヤ８２に増速されて伝達され、スプリットドリブンギヤ８２から遊星歯車機構３５のキャリア７２に伝達される。また、モータジェネレータ４の駆動力は、スプリットドリブンギヤ８２を介して遊星歯車機構３５のキャリア７２に伝達される。

そのため、無段変速機構３３のベルト変速比がロー側に変速されると、遊星歯車機構３５のサンギヤ７１の回転数が下がり、リングギヤ７３（アウトプット軸３２）の回転数が上がる。したがって、スプリットモードでは、無段変速機構３３のベルト変速比が大きいほど、モータ付変速機１のユニット変速比が小さくなり、ユニット変速比がスプリット点をハイ側に超えて変速可能である。

リングギヤ７３と一体にアウトプット軸３２が回転し、アウトプット軸３２の回転が出力ギヤ３７を介してデファレンシャルギヤ６に伝達される。これにより、車両３のドライブシャフト７Ｌ，７Ｒおよび駆動輪８Ｌ，８Ｒが回転する。

なお、ベルト変速比がスプリット点以外の変速比である状態でモードの切り替えが行われる場合、モータジェネレータ４のトルクを制御して、係合側のクラッチＣ１，Ｃ２に入力されるトルクを小さくすることにより、変速ショックの発生を抑制することが可能である。

＜前進：ベルトＨＶモード２＞
動力伝達経路にスプリット変速機構３６を含まないベルトモードは、クラッチＣ１，Ｃ２およびブレーキＢ１をすべて解放することによっても構成できる。

このベルトモードでは、インプット軸３１に入力されるエンジン２の駆動力は、図６に薄い太線で示されるように、逆転ギヤ機構３４により逆転かつ減速されて無段変速機構３３に伝達され、無段変速機構３３からサンギヤ７１に伝達される。また、モータジェネレータ４の駆動力は、スプリットドリブンギヤ８２を介して遊星歯車機構３５のキャリア７２に伝達される。このとき、サンギヤ７１とリングギヤ７３とが切り離されているので、サンギヤ７１の回転が増速されてリングギヤ７３に伝達される。

そして、リングギヤ７３およびアウトプット軸３２が一体となって回転し、アウトプット軸３２の回転が出力ギヤ３７を介してデファレンシャルギヤ６に伝達される。これにより、車両３のドライブシャフト７Ｌ，７Ｒおよび駆動輪８Ｌ，８Ｒが回転する。

＜後進＞
車両３の後進時には、クラッチＣ１，Ｃ２およびブレーキＢ１のすべてが解放される。そして、モータジェネレータ４が制御されて、モータジェネレータ４の回転が０に保持される。

これにより、インプット軸３１に入力されるエンジン２の駆動力が遊星歯車機構３５のサンギヤ７１に伝達されると、リングギヤ７３が逆方向に回転する。このリングギヤ７３の回転方向は、前進時におけるリングギヤ７３の回転方向と逆方向となる。そして、リングギヤ７３と一体にアウトプット軸３２が回転し、アウトプット軸３２の回転が出力ギヤ３７を介してデファレンシャルギヤ６に伝達される。これにより、車両３のドライブシャフト７Ｌ，７Ｒおよび駆動輪８Ｌ，８Ｒが後進方向に回転する。

なお、クラッチＣ１，Ｃ２およびＢ１をすべて解放した状態で、モータジェネレータ４を前進走行時と逆回転させることによっても、車両３を後進走行させることができる。

＜作用効果＞
以上のように、スプリットドリブンギヤ８２が遊星歯車機構３５のキャリア７２と同一の回転軸線を中心に一体的に回転可能に設けられ、スプリットドリブンギヤ８２にモータジェネレータ４の出力ギヤ９１が噛合している。

ＥＶ走行の際には、クラッチＣ１，Ｃ２が解放され、ブレーキＢ１が係合される。ブレーキＢ１の係合により、遊星歯車機構３５のサンギヤ７１が制動される。そのため、モータジェネレータ４の駆動力は、キャリア７２からリングギヤ７３を介してアウトプット軸３２に伝達され、駆動輪８Ｌ，８Ｒからの動力は、アウトプット軸３２からリングギヤ７３を介してキャリア７２に伝達される。そのため、モータジェネレータ４の力行および回生の効率が無段変速機構３３の伝達効率の影響を受けることを抑制できる。その結果、モータジェネレータ４の駆動および回生の効率の向上を図ることができる。

また、遊星歯車機構３５のサンギヤ７１に無段変速機構３３のセカンダリ軸４２が接続され、キャリア７２にモータジェネレータ４の回転軸が接続され、リングギヤ７３にアウトプット軸３２が接続されている。モータジェネレータ４の回転数がキャリア７２の回転数であり、アウトプット軸３２の回転数がリングギヤ７３の回転数であり、アウトプット軸３２の回転数はモータ付変速機１が搭載される車両３の車速から求めることができ、遊星歯車機構３５のギヤ比は既知であるから、サンギヤ７１の回転数を演算により求めることができる。そのため、無段変速機構３３のセカンダリ軸４２の回転数を検出する回転センサが不要になる。その結果、無段変速機構３３の変速比の制御に必要な回転センサの数を削減することができる。

＜変形例＞
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、他の形態で実施することもでき、前述の構成には、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

その他、前述の構成には、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１：モータ付変速機
４：モータジェネレータ
３１：インプット軸
３２：アウトプット軸
３３：無段変速機構
３５：遊星歯車機構
３６：スプリット変速機構（ギヤ変速機構）
７１：サンギヤ
７２：キャリア
７３：リングギヤ
Ｂ１：ブレーキ（第３係合要素）
Ｃ１：クラッチ（第２係合要素）
Ｃ２：クラッチ（第１係合要素）

Claims (1)

1. インプット軸と、
   サンギヤ、キャリアおよびリングギヤを含む遊星歯車機構と、
   前記リングギヤと一体的に回転するアウトプット軸と、
   前記インプット軸の動力を無段階に変速して前記サンギヤに伝達する無段変速機構と、
   前記インプット軸の動力を前記キャリアに伝達するギヤ変速機構と、
   前記サンギヤと前記リングギヤとを一体回転可能に結合／分離するために係合／解放される第１係合要素と、
   前記ギヤ変速機構による動力の伝達／遮断を切り替えるために係合／解放される第２係合要素と、
   前記サンギヤの回転を制動／許容するために係合／解放される第３係合要素と、
   前記キャリアに動力を入力するモータとを含み、
   前記ギヤ変速機構は、前記キャリアと同一の回転軸線を中心に一体的に回転可能に設けられたスプリットドリブンギヤを含み、
   前記モータの回転軸に相対回転不能に設けられた出力ギヤが前記スプリットドリブンギヤと噛合している、モータ付変速機。

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