JP2004034929A

JP2004034929A - 動力伝達装置、及び四輪駆動車

Info

Publication number: JP2004034929A
Application number: JP2002198495A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Shibata; 柴田　由之
Original assignee: Toyoda Koki KK
Current assignee: Toyoda Koki KK
Priority date: 2002-07-08
Filing date: 2002-07-08
Publication date: 2004-02-05

Abstract

【課題】複数軸駆動装置、特に四輪駆動車等に有用で、副駆動軸の変速制御（速度制御）が比較的容易な動力伝達装置を従来より安価に構成可能とする。
【解決手段】発電機６から出力され、三相強電ライン１２により送電される電力により、巻線型の誘導モータ８の１次電流が通電される。この１次電流の周波数ｆ_Ｇは、エンジン回転数Ｎ_ｅに比例するので、エンジン回転数Ｎ_ｅから求めることができる。したがって、前輪１の回転数Ｎ_ｖＦと、上記のエンジン回転数Ｎ_ｅに基づいて、インバータのゲート制御角βを次式（５）を満たす様に決定することができ、これにより、前輪１（主駆動軸２）と後輪７（副駆動軸１０）の回転数を積極的に一致させることができる。Ｐ_Ｍは誘導モータ８の極対数、Ｐ_Ｇは発電機６の極対数である。
（Ｖ_１／Ｖ_２）ｃｏｓβ＝（１−Ｎ_ＶＦＰ_Ｍ／ａＰ_ＧＮ_ｅｂ）　　…（５）
【選択図】　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両等が有する複数軸駆動装置に有用な動力伝達装置、並びに、四輪駆動車に関し、特に、四輪駆動車等の分野で小型化、軽量化、低コスト化等が期待される複数軸駆動装置に有用である。
【０００２】
【従来の技術】
主駆動軸と副駆動軸とを有する複数軸駆動装置に有用な動力伝達装置としては、例えば、公開特許公報「特開２０００−２６４０８６：四輪駆動装置」に記載されている装置等が一般に広く知られている。
図６は、これらの従来の動力伝達装置を用いた複数軸駆動装置を例示するシステム構成図である。
【０００３】
上記の動力伝達装置には、以下の特徴がある。
（１）車輪速（主駆動軸の回転数）に比例した回転数の回転駆動力に基づいて発電された交流電力により、副駆動軸を回転駆動するモータを駆動している。
（２）発電機は、主駆動軸と、それを変速駆動するための変速機との間に配設されている。
（３）副駆動軸を回転駆動するモータは、前輪の回転数と後輪の回転数との間に速度偏差が生じた場合に、トルクを出力する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
これらの従来装置には、以下の様な問題があった。
（問題点１）無段変速化及び高速応答化
従来装置の様に副駆動軸の回転駆動用の変速機（後輪駆動用変速装置）を用いた場合、機械的な変速制御手段が必要となるため、十分安価な後輪駆動用変速装置で、無段変速化したり高速応答化したりすることは、現在の技術水準では容易でない。
【０００５】
（問題点２）設置スペース
従来装置では、主駆動輪の回転と同期した回転で発電機を駆動する必要がある。このため、主駆動軸付近に発電機を取り付ける必要が生じるが、主駆動軸付近には、その様なスペースを確保することは容易でない場合が多く、特に、四輪駆動車等ではこの様な問題が顕著に成らざるを得ない。
【０００６】
（問題点３）接続インターフェイス
また、主駆動軸に発電機を取り付ける場合には、主駆動軸周辺、特に主駆動軸を駆動するギヤ等に大きな変更が必要となる。
【０００７】
（問題点４）装置構成、及び制御手段
従来装置では、次の装置及びこれらの装置を制御する手段が必要となる。
（ａ）後輪駆動電力制御装置
（ｂ）後輪駆動用変速装置
これらの装置並びにこれらの装置の制御手段は安価ではなく、したがって、これらによる動力伝達装置全体への価格影響は無視できない。
【０００８】
（問題点５）副駆動軸の駆動条件
主駆動軸と副駆動軸との間に、回転速度の差異（車輪速偏差）が生じてからしか、副駆動軸が回転駆動されない。このため、この従来の動力伝達装置を例えば四輪駆動車等に応用した場合、主駆動軸がスリップを起こしてからでないと副駆動軸が回転駆動されない等の不具合が生じ、事前の積極的な動作によりスリップ等を未然に回避することができない。
【０００９】
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、複数軸駆動装置に有用で、副駆動軸の変速制御（速度制御）が比較的容易な動力伝達装置を、従来より安価に構成可能とすることである。
また、本発明の更なる目的は、一般的な車種に対する構造的な差異が比較的小さく、よって、既存の一般車種をも含めて、搭載対象となり得る適用範囲の比較的広い四輪駆動車用の動力伝達装置を、従来より安価に構成可能とすることである。
【００１０】
【課題を解決するための手段、並びに、作用及び発明の効果】
上記の課題を解決するためには、以下の手段が有効である。
即ち、本発明の第１の手段は、主駆動軸と副駆動軸とを有する複数軸駆動装置に有用な動力伝達装置において、原動機が出力する回転駆動力を主駆動軸に伝達する主伝達装置と、原動機が出力する回転駆動力によって作動する発電機と、この発電機が出力する交流電流を一次電流として回転駆動される誘導モータと、この誘導モータが出力する回転駆動力を副駆動軸に伝達する副伝達装置と、主駆動軸の回転角速度ω又はその関連値ｘを入力する入力インターフェイスと、誘導モータのロータ回転数Ｎ_Ｍを変化させるロータ回転数可変手段とを設け、このロータ回転数可変手段により、回転角速度ω又は関連値ｘに基づいて、ロータ回転数Ｎ_Ｍを決定することである。
【００１１】
上記の構成に従えば、副駆動軸の速度制御は、上記のロータ回転数可変手段により容易に実施することができる。より具体的には、上記の構成による副駆動軸の速度制御では、ＰＷＭ変換を実行する電子制御等により、変速が連続的で高レスポンスに実施できる。また、機械的な多段変速機や、或いは、副駆動軸の駆動電力制御装置等が不要となるため、装置を従来よりも安価に構成することができる。また、この様な速度制御は、上記の電子制御等により、容易かつ簡潔に構成することができる。
また、上記の構成に従えば、機械的な変速機が不要となるため、装置を従来よりも安価に構成することができる。
【００１２】
また、本発明の第２の手段は、上記の第１の手段において、誘導モータに入力された電力の内の余剰電力を回生する電力回生手段を設けることである。
【００１３】
この様な構成に従えば、余剰電力を電気抵抗で消費する際の発熱の問題が回避できると共に、一旦バッテリーに回生された電力を、後からその他の用途に再利用することも可能となる。
【００１４】
また、本発明の第３の手段は、上記の何れか１つの動力伝達装置を有する四輪駆動車において、前輪を主駆動軸により駆動し、後輪を副駆動軸により駆動し、上記のロータ回転数可変手段により、前輪と後輪の単位時間当たりの各路面送り長が等しくなる様にロータ回転数Ｎ_Ｍを決定することである。
【００１５】
ただし、ここで、単位時間当たりの路面送り長とは、単位時間当たりに車輪が路面を蹴る距離のことであり、車輪の半径をρ、回転数をＮとすれば、２πρＮで表される。したがって、前輪と後輪とで車輪半径（ρ）が等しい場合には、前輪と後輪の各回転数が一致する様にロータ回転数Ｎ_Ｍを決定すれば良い。
【００１６】
この様な構成に従えば、エンジンの回転数と同期した回転駆動力により発電機を駆動できるため、普通の一般車両に具備されている通常の発電装置と略同様の位置に、上記の発電機をも配設することが可能となる。このため、上記の発電機の配設が容易となり、前述の設置スペースの問題や、更には、接続インターフェイスの問題も解消される。
また、上記の構成において、前輪と後輪とは可換である。
【００１７】
即ち、本発明の第４の手段は、上記の何れか１つの動力伝達装置を有する四輪駆動車において、前輪を副駆動軸により駆動し、後輪を主駆動軸により駆動し、上記のロータ回転数可変手段により、前輪と後輪の単位時間当たりの各路面送り長が等しくなる様にロータ回転数Ｎ_Ｍを決定することである。
以上の本発明の手段により、前記の課題を効果的、或いは合理的に解決することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。ただし、本発明は以下に示す実施例に限定されるものではない。
〔第１実施例〕
図１に、本発明に係わる動力伝達装置を用いた複数軸駆動装置１００のシステム構成図を示す。この複数軸駆動装置１００の駆動対象物は、主駆動軸２と副駆動軸１０の２つの駆動軸であり、主駆動軸２の両端には四輪駆動車の主駆動輪（前輪）１がそれぞれ固定されている。また、副駆動軸１０の両端には四輪駆動車の副駆動輪（後輪）７がそれぞれ固定されている。
【００１９】
この複数軸駆動装置１００は、原動機（エンジン）３と、本発明に係わる動力伝達装置とから構成されている。言い換えれば、この動力伝達装置は、図１の複数軸駆動装置１００から原動機（エンジン）３を差し引いた部分から構成されており、よって、この動力伝達装置は、変速機（トランスミッション）４と差動装置（ディファレンシャル・ギヤ）５等から成る主伝達装置の部分と、減速機９と差動装置（ディファレンシャル・ギヤ）１１等から成る副伝達装置の部分と、発電機６と、巻線型の誘導モータ８と、三相強電ライン１２と、車輪速センサ１３の検出信号を入力する入力インターフェイス部と、ＥＣＵ（電子制御装置）１４と、バッテリー１５と、電圧センサ１６等から構成されている。
【００２０】
以上の本発明に係わる動力伝達装置の構成においては、特に、巻線型の誘導モータ８を駆動制御する制御方式、即ち、副駆動軸１０の速度制御方式に、以下の特徴がある。
（１）発電機６から出力され、三相強電ライン１２により送電される電力により、巻線型の誘導モータ８の１次電流が通電されるが、この１次電流の周波数ｆ_Ｇ〔Ｈｚ〕は、エンジン回転数Ｎ_ｅ〔回転／分〕に比例するので、周波数ｆ_Ｇ〔Ｈｚ〕はエンジン回転数Ｎ_ｅから求めることができる。
【００２１】
（２）したがって、前輪１の回転数Ｎ_ＶＦ〔回転／分〕、即ち、主駆動軸２の回転角速度ω〔　ｒａｄ／ｓｅｃ　〕の関連値Ｎ_ＶＦ（＝６０×ω／２π〔回転／分〕）と、上記のエンジン回転数Ｎ_ｅに基づいて、誘導モータ８のロータ回転数Ｎ_Ｍ〔回転／分〕を適当に決定することができる。これにより、前輪１（主駆動軸２）と後輪７（副駆動軸１０）の回転数を積極的に一致させることができる。
【００２２】
以下、その様な副駆動軸１０の速度制御方式について、詳細に説明する。
図２は、本発明に係わる動力伝達装置における誘導モータ８の駆動形態を説明する説明図である。減速機９のギヤ比をａとする。また、原動機３と発電機６のプーリー比をｂとする。また、以下、次の記号を用いるものとする。
（記号）
Ｎ_ＶＢ　…　後輪の回転数〔回転／分〕
Ｐ_Ｇ　…　発電機６の極対数
Ｐ_Ｍ　…　誘導モータ８の極対数
Ｎ_Ｍ　…　誘導モータ８の回転数〔回転／分〕
Ｎ_１　…　誘導モータ８の１次側の回転磁界の回転数〔回転／分〕
Ｓ　　…　誘導モータ８のすべり
Ｖ_１　…　誘導モータ８の１次側の電圧（線間電圧実効値）
Ｖ_２　…　誘導モータ８のＮ_Ｍ＝０の時の２次側の誘起電圧（線間電圧実効値）
【００２３】
ただし、ここで、図２に示される関係より次式（１）が成り立ち、また、誘導モータ８の性質等から次式（２）、（３）が成り立つ。
【数１】

【数２】
Ｎ_Ｍ＝（１−Ｓ）Ｎ_１　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…（２）
【数３】
Ｓ＝（Ｖ_１／Ｖ_２）ｃｏｓβ　　　　　　　　　　　　　　　　　…（３）
ただし、上記の角度βは、後述のインバータ（図３のＩＮＶ．）のゲート制御角を表すものとする。
【００２４】
したがって、次式（４）が成り立つ様に、誘導モータ８の回転数Ｎ_Ｍを制御すれば、前輪１（主駆動軸２）と後輪７（副駆動軸１０）の回転数Ｎ_ＶＦ，Ｎ_ＶＢを積極的に一致させることができる。
【数４】

【００２５】
言い換えれば、上記の定数ａ，ｂ，Ｐ_Ｇ，Ｐ_Ｍと変数Ｎ_ＶＦ，Ｎ_ｅ等に基づいて、次式（５）が成り立つ様にゲート制御角βを随時決定し、その値に基づいて誘導モータ８の回転数Ｎ_Ｍを制御すれば、前輪１（主駆動軸２）と後輪７（副駆動軸１０）の両回転数を積極的に一致させることができる。
【数５】
（Ｖ_１／Ｖ_２）ｃｏｓβ＝（１−Ｎ_ＶＦＰ_Ｍ／ａＰ_ＧＮ_ｅｂ）　　　…（５）
【００２６】
以下、より具体的な回路に照らして、本実施例を詳細に説明する。
図３は、本第１実施例における、誘導モータ８のロータ回転数の制御方式を例示する回路図であり、本回路は、上記の式（５）を用いて制御される。
ただし、符号Ｌ_ｄは直流リアクトルを表しており、また、本回路において、整流回路（ＲＥＣ．）の直流側電圧Ｅ_ｄは次式（６）を満たし、かつ、インバータ（ＩＮＶ．）の直流側電圧Ｅ_ｉは次式（７）を満たしている。
【数６】
Ｖ_１＝πＥ_ｉ／（３・２^１／２ｃｏｓβ）　　　　　　　　　　　　…（６）
【数７】
Ｖ_２＝πＥ_ｄ／（３・２^１／２Ｓ）　　　　　　　　　　　　　　　…（７）
【００２７】
例えばこの様に、トランジスタＴｒｎ（ｎ＝１，２，．．，６）を有する３相駆動型のインバータ（ＩＮＶ．）を用いて直流側電圧Ｅ_ｉ，Ｅ_ｄを制御することができる。言い換えれば、前記のＥＣＵ１４は、インバータのゲート制御角βを随時制御することにより誘導モータ８の２次電流を制御し、これにより、式（４）が成り立つ様に、誘導モータ８の回転数Ｎ_Ｍを制御するものである。
【００２８】
図４は、上記の回路（図３）を用いて誘導モータ８のロータ回転数を制御する際の制御方式を例示するフローチャートである。即ち、この制御手順は、本発明のロータ回転数可変手段を具現する制御手順を具体的に例示するものである。
本制御手順では、まず最初に、ステップ４１０，４２０において、下記の発電機６の起動条件（発電実行条件）を判定し、これらが共に成立する場合には、ステップ４３０に進む。定数Ｖ０の適当な値としては、例えば１０Ｋｍ／ｈ程度が良い。
【００２９】
＜発電機６の起動条件＞
（ａ）アクセルＯＮ，
かつ、
（ｂ）車速Ｖ≦定数Ｖ０．
或いは、その他にも、前輪と後輪との間における車輪速偏差や、エンジン回転数等を加味しても差し支えない。
また、車両の加速度や、或いは、アクセル・ペダル、ブレーキ・ペダル等の操作量（踏み込み量）等を加味して、発電機６の起動条件を規定しても良い。
【００３０】
ステップ４３０では、発電機６の起動スイッチＧｓｗをＯＮにして、発電機６を起動する。ただし、元来、Ｇｓｗ＝ＯＮだった場合には、本ステップ４３０では何もしなくとも良い。
ステップ４４０では、一次電圧Ｖ_１、エンジン回転数Ｎ_ｅ、及び主駆動軸２の回転数Ｎ_ＶＦの各測定値を入力する。
【００３１】
ステップ４５０では、前述の式（５）を用いて、インバータのゲート制御角βを算出し、更にこの値に基づいて、図３の各トランジスタＴｒｎに対する各出力信号Ｓｎ（ｎ＝１，２，．．，６）の値を決定する。
ステップ４６０では、この出力信号Ｓｎを各トランジスタＴｒｎに対して出力する。
【００３２】
ただし、上記の発電機６の起動条件が成立しなかった場合には、ステップ４７０にて発電機６を停止して（Ｇｓｗ＝ＯＦＦ）、更に、ステップ４８０にて、各出力信号Ｓｎ（ｎ＝１，２，．．，６）の値をすべてＯＦＦにする。尚、元来、Ｇｓｗ＝ＯＦＦである場合には、本ステップ４７０、４８０においては何もしなくとも良い。
【００３３】
ロータ回転数Ｎ_Ｍに関する以上の制御により、誘導モータ８の二次電流が前述の式（４）を満たす様に制御することができる。したがって、例えば以上の様な制御方式に従えば、前輪１（主駆動軸２）と後輪７（副駆動軸１０）の回転数を積極的に一致させることができる。
【００３４】
また、以上の構成によれば、副駆動軸の変速制御（速度制御）が比較的容易な動力伝達装置を、従来より安価に製造することができる。
また、以上の構成に従えば、一般的な車種に対する構造的な差異が比較的小さく、よって、既存の一般車種をも含めて、搭載対象となり得る適用範囲の比較的広い四輪駆動車用の動力伝達装置を、従来より安価に製造することができる。
【００３５】
また、上記の発電機６の起動条件（（ａ）かつ（ｂ））に従えば、車速Ｖの低速領域において、前後輪間の車輪速偏差が生じる前から副駆動軸が駆動されるため、車輪速偏差が生じてから副駆動軸の駆動を開始する従来の動力伝達装置よりも、特に、車両発進時等における走行安定性に優れた装置を提供することができる。
【００３６】
〔第２実施例〕
図５は、本発明の第２実施例に係わる誘導モータ８のロータ回転数の制御方式を例示する回路図である。例えばこの様な昇降圧回路を用いれば、ＦＥＴ（Ｔｒ７，Ｔｒ８）のスイッチング・デューティーを変化させることにより、電圧Ｅ_ｕを自在に制御することができるので、この様な制御方式によっても、ロータ回転数Ｎ_Ｍを所望の値に制御することができる。
また、この方式では、誘導モータの２次側から給電される電力を回生して、図中のバッテリーに蓄電することも可能である。
【００３７】
〔その他の変形例〕
尚、上記の各実施例では、主駆動輪の半径ρ_１と副駆動輪の半径ρ_２とが等しい場合について例示したが、主駆動輪の半径ρ_１と副駆動輪の半径ρ_２とが相異なる場合には、両駆動輪の単位時間当たりの各路面送り長が等しくなる様に制御すれば、主駆動輪のスリップを回避又は緩和することができる。即ち、その様な場合には、次式（８）が成り立つ様に制御すれば良い。
【数８】
２πρ_２ａＮ_Ｍ＝２πρ_１Ｎ_ＶＦ　　　　　　　　　　　　　　　　…（８）
【００３８】
したがって、上記の様な場合には、前述のギヤ比ａの代わりに、次式（９）の定数αを用いれば、上記の実施例と同様の作用・効果を得ることができる。
【数９】
α＝ａ×ρ_２／ρ_１　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…（９）
【００３９】
また、上記の各実施例では、ＦＦベースの４ＷＤシステムを本発明の動力伝達装置の適用対象システムと仮定し、前輪を主駆動輪としたが、本発明の動力伝達装置の適用対象システムとしては、後輪を主駆動輪とし、前輪を副駆動輪としても良い。即ち、本発明は、ＦＲベースの４ＷＤシステムや、或いはＲＲベースの４ＷＤシステム等にも適用することが可能である。
【００４０】
また、上記の各実施例では、整流器とインバータ、或いは、整流器と昇降圧回路を用いて、誘導モータの速度を制御する方式を例示したが、これらの誘導モータの速度制御には、サイクロコンバータを用いても良い。
【００４１】
また、上記の各実施例では、３相の巻線型の誘導モータを使用した例を示したが、例えば２相の誘導モータ等を使用しても、上記の実施例と略同等の作用・効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係わる動力伝達装置を用いた複数軸駆動装置１００のシステム構成図。
【図２】本発明の実施例に係わる動力伝達装置の誘導モータ８の駆動形態を説明する説明図。
【図３】本発明の第１実施例に係わる誘導モータ８のロータ回転数の制御方式を例示する回路図。
【図４】本発明の第１実施例に係わる誘導モータ８のロータ回転数の制御方式を例示するフローチャート。
【図５】本発明の第２実施例に係わる誘導モータ８のロータ回転数の制御方式を例示する回路図。
【図６】従来の動力伝達装置を用いた複数軸駆動装置のシステム構成図。
【符号の説明】
１００　…　複数軸駆動装置
１　…　主駆動輪（前輪）
２　…　主駆動軸
３　…　原動機（エンジン）
４　…　変速機（トランスミッション）
５　…　差動装置（ディファレンシャル・ギヤ）
６　…　発電機
７　…　副駆動輪（後輪）
８　…　誘導モータ
９　…　減速機
１０　…　副駆動軸
１１　…　差動装置（ディファレンシャル・ギヤ）
１２　…　三相強電ライン
１３　…　車輪速センサ
１４　…　ＥＣＵ（電子制御装置）
１６　…　電圧センサ
１９　…　変速機（トランスミッション）
ω　　…　主駆動軸の回転角速度
ｘ　　…　ωの関連値（１例：車輪速Ｎ_ＶＦ）
ａ　　…　減速機９のギヤ比
ｂ　　…　原動機３と発電機６のプーリー比
ｆ_Ｇ　…　発電機６が出力する電力の周波数
Ｐ_Ｇ　…　発電機６の極対数
Ｎ_ｅ　…　原動機３のエンジン回転数〔回転／分〕
Ｎ_ＶＦ　…　車輪速（主駆動輪１の回転数）〔回転／分〕
Ｎ_ＶＢ　…　車輪速（副駆動輪７の回転数）〔回転／分〕
Ｎ_Ｍ　…　誘導モータ８の回転数〔回転／分〕
Ｎ_１　…　誘導モータ８の１次側の回転磁界の回転数〔回転／分〕
Ｐ_Ｍ　…　誘導モータ８の極対数
Ｓ　　…　誘導モータ８のすべり
Ｖ_１　…　誘導モータ８の１次側の電圧（線間電圧実効値）
Ｖ_２　…　誘導モータ８のＮ_Ｍ＝０の時の２次側の誘起電圧（線間電圧実効値）

Claims

主駆動軸と副駆動軸とを有する複数軸駆動装置に有用な動力伝達装置であって、
原動機が出力する回転駆動力を前記主駆動軸に伝達する主伝達装置と、
前記原動機が出力する回転駆動力によって作動する発電機と、
前記発電機が出力する交流電流を一次電流として回転駆動される誘導モータと、
前記誘導モータが出力する回転駆動力を副駆動軸に伝達する副伝達装置と、
前記主駆動軸の回転角速度ω又はその関連値ｘを入力する入力インターフェイスと、
前記誘導モータのロータ回転数Ｎ_Ｍを変化させるロータ回転数可変手段と
を有し、
前記ロータ回転数可変手段は、前記回転角速度ω又は前記関連値ｘに基づいて、前記ロータ回転数Ｎ_Ｍを決定する
ことを特徴とする動力伝達装置。
前記誘導モータに入力された電力の内の余剰電力を回生する電力回生手段を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の動力伝達装置。
請求項１又は請求項２に記載の動力伝達装置を有し、
前輪を前記主駆動軸により駆動し、
後輪を前記副駆動軸により駆動し、
前記ロータ回転数可変手段は、前記前輪と前記後輪の単位時間当たりの各路面送り長が等しくなる様に、前記ロータ回転数Ｎ_Ｍを決定する
ことを特徴とする四輪駆動車。
請求項１又は請求項２に記載の動力伝達装置を有し、
前輪を前記副駆動軸により駆動し、
後輪を前記主駆動軸により駆動し、
前記ロータ回転数可変手段は、前記前輪と前記後輪の単位時間当たりの各路面送り長が等しくなる様に、前記ロータ回転数Ｎ_Ｍを決定する
ことを特徴とする四輪駆動車。