JP4355444B2 - ハイブリッド電気自動車用動力伝達装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はハイブリッド電気自動車用動力伝達装置に係り、詳しくは、差動装置とワンウェイクラッチとから構成できる簡単な構造の変速システムであり、全体の重量が軽く、エネルギー損失が少なくて出発時及び低速での加速性能が優れたハイブリッド電気自動車用動力伝達装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近、地球環境問題が汎世界的な関心事となっており、特に自動車に係る排気ガスの低減と燃費向上など、環境を考える自動車技術に関する研究が活発に進められているが、その代表的な例としてハイブリッド電気自動車に対する研究を挙げることができる。
【０００３】
前記ハイブリッド電気自動車は、クリーンであり効率は高いが走行可能距離が短い電気自動車（ＥＶ）と、小型でありながら高出力であり走行可能距離が長いが効率が低く有害物質を排出する内燃機関とを組合わせて、両者の欠点を互いに補完した自動車である。このようなハイブリッド電気自動車に採用される動力伝達系統のハイブリッドシステムとしては、大きく直列方式（Ｓｅｒｉｅｓ Ｈｙｂｒｉｄ ｓｙｓｔｅｍ）と並列方式（Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｈｙｂｒｉｄ ｓｙｓｔｅｍ）及びスプリット方式（Ｓｐｌｉｔ Ｈｙｂｒｉｄ ｓｙｓｔｅｍ）の３種類に分けることができる。
【０００４】
ここで前記直列方式は、一般的な電気自動車と類似した構造であり、駆動力はすべてモーターから得られ、エンジンは、走行距離が短い電気自動車の短所を補完するための発電用として搭載されるだけである。この直列方式はモーター走行を基本とし、動力／電力変換時と交流／直流変換時に発生する変換損失だけ燃費面では不利であるが、排気ガスがきれいであるなど、目的に応じた最適状況で動作させることが可能という長所がある。また、前記並列方式はエンジンによる走行を基本とし、エンジンの効率が低い低速運転時や加速時などにはモーターで駆動力を補助する。この並列方式は、ガソリンエンジンと電気モーターの最適作動領域を利用することにより駆動システム全体の燃費を向上させ、制動時には電気系に動力を回収、充電することにより燃費を向上させることができる。
【０００５】
一方、スプリット方式は、前記直列方式と並列方式とを組合わせて動力配分の最適化を図ったものである。これを、より詳細に見てみれば、図２に示したようにスプリット方式のハイブリッドシステムは、バッテリー１１２と、このバッテリーの直流を交流に変換する変換機１１４と、この変換機によって変換された交流が供給されるモーター１１６及び発電機１１８と、この発電機とモーターとの間に介されて動力分割（ｓｐｌｉｔ）器具の役割を果たす遊星ギヤ装置１２０と、この遊星ギヤ装置に連結されるエンジン１２２と、前記モーターと遊星ギヤ装置とによる駆動力を車輪１２６に伝達する従減速ギヤ１２４などを含んで構成される。ここで、前記遊星ギヤ装置１２０は中心にサンギヤ１２８が配置され、外部にはリングギヤ１３０が従減速ギヤ１２４に連結され、サンギヤ１２８とリングギヤ１３０との間には四つの遊星ピニオンギヤ１３２とキャリア１３４とが設置されている。
【０００６】
このシステムの作動について説明する。先ず、発進・低速時には燃料供給を中断させてモーター１１６だけで走行し、後進時にはモーター１１６を逆回転させて後退する。普通走行時には、エンジン１２２の動力を２経路に分割して車輪１２６を直接駆動したり、発電機１１８を駆動して発生した電力でモーター１１６を駆動することもある。加速時にはバッテリー１１２に保存された電力を活用したモーター１１６の駆動力にエンジン１２２の動力を追加し、減速及び制動時には回生制動による発電を行ってエネルギーをバッテリー１１２に蓄積する。また停止時には自動的にモーター１１６とエンジン１２２は全て停止する。
【０００７】
上記のようなハイブリッドシステムにおいて、直列方式と並列方式は、大部分Ｖ−ベルト式無段変速機（ＣＶＴ）を採択しているため、装置全体の重量が増大し、油圧生成のためのエネルギー損失が発生し、出発時や低速時にはエネルギー効率がよくないという問題点があった。
【０００８】
一方、遊星ギヤ装置を採択しているスプリット方式は、遊星ギヤ装置の構造的特性上、発電機とモーターを分割して採用しなければならないため全体の装置重量が増加し、原価が上がる。出発（発進）時や低速時には上記直列方式と並列方式のようにモーターがエンジンを共に駆動しなければならないため加速性能が減少し、出力が減少するという問題点があった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明は、上記問題点を解決するためのものであり、本発明の目的は、複雑な油圧回路の構成が不要であり、また、簡単な構造で全体の重量を削減するとともに、同時にエネルギー効率を向上させ、出発時や低速時の加速性能をより向上させることができるハイブリッド電気自動車用動力伝達装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のハイブリッド電気自動車用動力伝達装置は、ハイブリッド電気自動車用バッテリー（１２）に回生機能付インバータ（１４）を介して連結される発電機兼用第１モーター（１６）と；始動用のスターターを備えるハイブリッド電気自動車用エンジン（２０）と第１モーター（１６）との間に介在してエンジンと第１モーターとから選択的に駆動力の伝達を受ける傘歯車式の差動ギヤ部（２２）と；車軸（３０）の軸方向中間に配設され、差動ギヤ部の動力を受け最終減速し車輪に伝達する従減速ギヤ（２４）と；バッテリー（１２）にインバータ（１４）を介して連結され、車軸（３０）を直接駆動すると共に、減速及び制動時には発電機として機能する第２モーター（１８）と；差動ギヤ部（２２）とエンジン（２０）との間に介在される第１ワンウェイクラッチ（２６）と；差動ギヤ部内に設置される第２ワンウェイクラッチ（２８）とを備え；第１ワンウェイクラッチ（２６）は、エンジン（２０）の動力伝達軸から回転動力が伝達される回転伝達軸（２５）の軸方向中間位置に設けられ；第２ワンウェイクラッチ（２８）は、回転伝達軸（２５）と同軸をなして差動ギヤ部（２２）内に位置している差動ギヤ部内回転軸（２７）の軸方向中間位置に設けられ；差動ギヤ部（２２）は；回転伝達軸（２５）の先端に直接連結される第１駆動ピニオン傘歯車（３２）と；一側は差動ギヤ部内回転軸（２７）の軸方向先端に直接連結され、他側は第１モーター（１６）の入出力軸（１９）の先端に差動ギヤ部内回転軸（２７）と同軸を成すように直接連結され、且つ第１駆動ピニオン傘歯車（３２）に対して平行に対向するように設けられる第２駆動ピニオン傘歯車（３４）と；第１及び第２駆動ピニオン傘歯車（３２及び３４）に夫々噛み合って差動ギヤ部内回転軸（２７）に対して直交する回転中心線を有するように回転し作動する第１従動傘歯車（３６）と；第１従動傘歯車（３６）に対して平行に対向するように設けられ、第１及び第２駆動ピニオン傘歯車（３２及び３４）に夫々噛み合って第１従動傘歯車（３６）と同一の回転中心線を有するように回転し作動する第２従動傘歯車（３８）と；第１及び第２従動傘歯車（３６及び３８）を結合して第１及び第２駆動ピニオン傘歯車の動力を従減速ギヤ（２４）に伝達するキャリア（４０）と、を含んで構成され；第１ワンウェイクラッチ（２６）は、エンジンの動力伝達軸が時計回り方向に回転し第１駆動ピニオン傘歯車（３２）が動力伝達軸の回転方向に一致する方向へ回転する動力のみが伝達されるように形成され；第２ワンウェイクラッチ（２８）は、第２駆動ピニオン傘歯車（３４）の回転のうち第１駆動ピニオン傘歯車（３２）が時計回り方向へ回転する動力のみが伝達されるように形成されることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、上記の目的を具体的に実現することができる本発明の実施例を添付した図面に基づいて詳細に説明する。
【００１２】
図１は本発明によるハイブリッド電気自動車用動力伝達装置を適用したハイブリッドシステムを示したものである。図を参照して、全体システムは、バッテリー１２と、このバッテリーに保存された直流電力を交流に変換する回生機能付インバータ１４と、このインバータを通してバッテリーから電力の供給を受ける二つの発電機能付モーター１６，１８と、エンジン２０と、動力結合部としての差動ギヤ部２２と、この差動ギヤ部に噛み合って回転力を最終的に減速する従減速ギヤ２４と、摩擦要素としての第１，２ワンウエイクラッチ２６，２８とを含んで構成される。なお、従減速ギヤ２４の名称における‘従’とは、動力を受け取ることを意味している。
【００１３】
バッテリー１２は、ハイブリッド車両専用として使用できるバッテリーを用いるが、その種類としてはＮｉ−ＭＨ（Ｎｉ−Ｍｅｔａｌ Ｈｙｄｒｉｄｅ）バッテリーや、Ｌｉ−ｉｏｎバッテリーなど、現在開発中の多様な種類のバッテリーを適用することができる。
【００１４】
そして、二つのモーター１６，１８は、ハイブリッド自動車でエネルギーを変換するためのものであり、本発明では、正常な出発（発進）や加速走行時にバッテリー１２から伝達される電気エネルギーを機械エネルギーに変換して、第１モーター１６は差動ギヤ部２２を駆動し、第２モーター１８は車軸３０を駆動するようになる。反対に、減速及び制動時には、回生制動力によって第１モーター１６と第２モーター１８とは各々制動による機械エネルギーを電気エネルギーに変換してバッテリー１２を再充電させる発電機の役割を果たすようになる。このため、インバータには回生機能を付加する必要がある。
【００１５】
ハイブリッド電気自動車用モーター１６，１８として最も広く活用されているものは、永久磁石式同期モーターと交流誘導モーターの２種類を例に挙げることができる。
【００１６】
一方、本発明に適用されるエンジン２０は、必要時にはエンジン動力にモーターの駆動力を加え合わせるハイブリッドシステムの特性上高出力を実現し、優れた熱効率を有する低燃費エンジンを採択している。
【００１７】
エンジン２０から伝達される動力と第１モーター１６から伝達される動力とを結合させて従減速ギヤ２４を駆動する装置として、本発明は差動ギヤによる動力結合方式を提供する。このために、本発明は第１モーター１６とエンジン２０との間に差動ギヤ部２２を介在し、この差動ギヤ部２２とエンジン２０との間には第１ワンウェイクラッチ２６を配置し、差動ギヤ部２２内には第２ワンウェイクラッチ２８を配置する。より詳しく記すと、前記差動ギヤ部２２は、第１ワンウェイクラッチ２６を介在させてエンジン２０と連結される第１駆動ピニオン傘歯車３２と、一側が第２ワンウェイクラッチ２８を介在させてこの第１駆動ピニオン傘歯車３２と連結され他側は前記第１モーター１６に連結される第２駆動ピニオン傘歯車３４と、この第１，第２駆動ピニオン傘歯車３２，３４に噛み合って作動する第１，第２従動傘歯車３６，３８と、この第１，第２従動傘歯車３６，３８を結合して、第１，第２駆動ピニオン傘歯車３２，３４の動力を前記従減速ギヤ２４に伝達するキャリア４０とからなる。
【００１８】
第１ワンウェイクラッチ２６は、エンジン２０の回転のうち第１駆動ピニオン傘歯車３２が時計方向へ回転する動力のみが伝達されるように形成される。第２ワンウェイクラッチ２８は、第２駆動ピニオン傘歯車３４の回転のうち第１駆動ピニオン傘歯車３２が時計方向へ回転する動力のみが伝達されるように構成される。
【００１９】
これにより、自動車の発進時には第１モーター１６の駆動によって第２駆動ピニオン傘歯車３４が時計方向に回転するので、この動力は第１駆動ピニオン傘歯車３２までのみ伝達されるがエンジンには伝達されず、普通走行時のエンジン２０の動力伝達軸、例えばクランクシャフトが時計方向に回転するので、この動力は第１駆動ピニオン傘歯車３２までのみ伝達され第２駆動ピニオン傘歯車３４と第１モーター１６までは伝達されない。ここで普通走行時の第１モーター１６の回転は、エンジン２０の回転と第２モーター１８の回転とに相関して制御される。
【００２０】
上述のような本発明の動力伝達装置の動力伝達の流れを見てみると次の通りである。
【００２１】
まず、自動車の出発と低速走行のような時にはバッテリー１２によって第１，２モーター１６，１８のみが駆動され、第１モーター１６は差動ギヤ部２２を駆動し、第２モーター１８は車軸３０自体を駆動し、自動車の車速は第１モーター１６と第２モーター１８との関連制御内容によって左右される。この時、第１モーター１６を通した駆動力は第２ワンウェイクラッチ２８によって第２駆動ピニオン傘歯車３４に同期した第１駆動ピニオン傘歯車３２までのみ伝達され、エンジン２０までは伝達されない。ここでエンジン２０は、自体のスターターを用いて始動する。
【００２２】
自動車を一定の速度以上に加速させるためには、エンジン２０の回転数が第１モーター１６の回転数を超過する必要があり、この時はエンジン２０によって差動ギヤ部２２が駆動される。この時、車軸３０は引続き第２モーター１８によっても駆動されるようになる。ここで、第１モーター１６はエンジン２０の回転数と第２モーター１８の回転数とに相関して正方向に回転したり負（逆）方向に回転することができ、負方向に回転する時にバッテリー１２を充電させる発電機としての役割を果たすようになる。
【００２３】
自動車を制動するには、第２モーター１８に回生制動力を生じさせる必要があり、この第２モーター１８は、バッテリーを充電する発電機としての役割を果たす。
【００２４】
上記のような動力伝達装置の作動の内容は機械的な作動内容だけを説明したものであり、電子的なモーター及びエンジンの制御は本発明の領域外であるのでその説明は省略する。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したような本発明にかかるハイブリッド電気自動車用動力伝達装置は、複雑な油圧回路を備えるＶ−ベルト式無段変速機と遊星ギヤ装置とを採択したハイブリッドシステムに比べて、差動装置とワンウェイクラッチとにより動力を伝達する簡単な構造なので全体の重量が減少し、油圧作動時に発生するエネルギー損失が少なく、製作工程が単純である。
【００２６】
また、出発（発進）及び低速時にはモーターとエンジンが切り離されるのでエネルギー損失が少なく、更に二つのモーターによって駆動されるので加速性能がより向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による動力伝達装置を適用したハイブリッド電気自動車のハイブリッド系統図である。
【図２】 従来の技術によるハイブリッド電気自動車のハイブリッド系統図である。
【符号の説明】
１２，１１２ バッテリー
１４ インバータ
１６ 第１モーター
１８ 第２モーター
１９ （第１モーターの）入出力軸
２０，１２２ エンジン
２２ 差動ギヤ部
２４，１２４ 従減速ギヤ
２５ 回転伝達軸
２６ 第１ワンウエイクラッチ
２７ 差動ギヤ部内回転軸
２８ 第２ワンウエイクラッチ
３０ 車軸
３２ 第１駆動ピニオン傘歯車
３４ 第２駆動ピニオン傘歯車
３６ 第１従動傘歯車
３８ 第２従動傘歯車
４０，１３４ キャリア
１１４ 変換機
１１６ モーター
１１８ 発電機
１２０ 遊星ギヤ装置
１２６ 車輪
１２８ サンギヤ
１３０ リングギヤ
１３２ 遊星ピニオンギヤ

Claims (1)

1. ハイブリッド電気自動車用バッテリー（１２）に回生機能付インバータ（１４）を介して連結される発電機兼用第１モーター（１６）と、
   始動用のスターターを備えるハイブリッド電気自動車用エンジン（２０）と前記第１モーター（１６）との間に介在して前記エンジンと第１モーターとから選択的に駆動力の伝達を受ける傘歯車式の差動ギヤ部（２２）と、
   車軸（３０）の軸方向中間に配設され、前記差動ギヤ部の動力を受け最終減速し車輪に伝達する従減速ギヤ（２４）と、
   前記バッテリー（１２）に前記インバータ（１４）を介して連結され、車軸（３０）を直接駆動すると共に、減速及び制動時には発電機として機能する第２モーター（１８）と、
   前記差動ギヤ部（２２）と前記エンジン（２０）との間に介在される第１ワンウェイクラッチ（２６）と、
   前記差動ギヤ部内に設置される第２ワンウェイクラッチ（２８）とを備え、
   前記第１ワンウェイクラッチ（２６）は、前記エンジン（２０）の動力伝達軸から回転動力が伝達される回転伝達軸（２５）の軸方向中間位置に設けられ、
   前記第２ワンウェイクラッチ（２８）は、前記回転伝達軸（２５）と同軸をなして前記差動ギヤ部（２２）内に位置している差動ギヤ部内回転軸（２７）の軸方向中間位置に設けられ、
   前記差動ギヤ部（２２）は、
   前記回転伝達軸（２５）の先端に直接連結される第１駆動ピニオン傘歯車（３２）と、
   一側は前記差動ギヤ部内回転軸（２７）の軸方向先端に直接連結され、他側は前記第１モーター（１６）の入出力軸（１９）の先端に前記差動ギヤ部内回転軸（２７）と同軸を成すように直接連結され、且つ前記第１駆動ピニオン傘歯車（３２）に対して平行に対向するように設けられる第２駆動ピニオン傘歯車（３４）と、
   前記第１及び第２駆動ピニオン傘歯車（３２及び３４）に夫々噛み合って前記差動ギヤ部内回転軸（２７）に対して直交する回転中心線を有するように回転し作動する第１従動傘歯車（３６）と、
   前記第１従動傘歯車（３６）に対して平行に対向するように設けられ、第１及び第２駆動ピニオン傘歯車（３２及び３４）に夫々噛み合って前記第１従動傘歯車（３６）と同一の回転中心線を有するように回転し作動する第２従動傘歯車（３８）と、
   前記第１及び第２従動傘歯車（３６及び３８）を結合して前記第１及び第２駆動ピニオン傘歯車の動力を前記従減速ギヤ（２４）に伝達するキャリア（４０）と、を含んで構成され、
   前記第１ワンウェイクラッチ（２６）は、前記エンジンの動力伝達軸が時計回り方向に回転し第１駆動ピニオン傘歯車（３２）が前記動力伝達軸の回転方向に一致する方向へ回転する動力のみが伝達されるように形成され、
   前記第２ワンウェイクラッチ（２８）は、第２駆動ピニオン傘歯車（３４）の回転のうち第１駆動ピニオン傘歯車（３２）が時計回り方向へ回転する動力のみが伝達されるように形成されることを特徴とするハイブリッド電気自動車用動力伝達装置。

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