JP4427005B2 - 変速システム及びそれを備えた動力出力システム - Google Patents
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Description
図1は、本発明の実施形態に係る変速システムを備えた動力出力システムの概略構成を示す図である。本実施形態に係る動力出力システムは、ハイブリッド型の動力出力システムであり、以下に説明するエンジンENG、モータジェネレータMG1,MG2、変速機構SGM、動力断続機構CLT1,CLT2、回転拘束機構LCK、及びコントローラCONTを備えている。なお、本実施形態に係る動力出力システムの適用例としては、車両の駆動システムに適用する例が挙げられる。
次に、本実施形態に係る動力出力システムにおいて、コントローラCONTにより変速比を変更しながら負荷(車両)を駆動する制御を、図3〜6に示す共線図を用いて説明する。本実施形態においては、コントローラCONTは、動力断続機構CLT1,CLT2によりモータジェネレータMG1,MG2のトルクを加える回転要素の組み合わせを、以下に説明する複数通りの組み合わせの中で変更しながら変速機構SGMによる変速動作を実行する。
次に、車両(出力用ギアOUTの回転)が停止している状態でエンジンENGを始動する場合の動作について説明する。その場合、コントローラCONTは、図7(A)の共線図に示すように、動力断続機構CLT1により変換ギアTRG11(モータジェネレータMG1)と伝達ギアTRG1(出力用ギアOUT)を結合するとともに、動力断続機構CLT2により変換ギアTRG12(モータジェネレータMG2)と伝達ギアTRG2(リングギアRG2)を結合する。その状態で、コントローラCONTは、モータジェネレータMG2のトルク(図7(A)の共線図の矢印に示す方向)によりリングギアRG2を逆転方向に回転駆動する。それとともに、コントローラCONTは、リングギアRG2に作用するモータジェネレータMG2からのトルクに対する反力(図7(A)の共線図の矢印に示す方向)を、モータジェネレータMG1から出力用ギアOUTに作用させる。これによって、エンジンENGのクランキングを行う。なお、動力断続機構CLT2によりモータジェネレータMG2とキャリアCR1を結合し、モータジェネレータMG2のトルクによりキャリアCR1を逆転方向に回転駆動することによってもエンジンENGを始動することができる。ただし、モータジェネレータMG1,MG2を出力用ギアOUT及びリングギアRG2にそれぞれ結合した状態でエンジンENGを始動した方が、エンジンENGの始動後に速やかに大変速比モードに移行することができる。
図13に示す構成例においては、図1に示す構成例と比較して、変換ギアTRG11と変換ギアTRG12との結合状態を切り替えることで両者間における動力の断続を行う動力断続機構CLT3が設けられている。動力断続機構CLT3により変換ギアTRG11と変換ギアTRG12が結合されたときは、モータジェネレータMG1とモータジェネレータMG2が結合される。ここでの動力断続機構CLT3は、例えば噛合クラッチ(ドッグクラッチ)やシンクロメッシュ(同期噛合機構)により構成することができ、動力断続機構CLT3による結合及びその解除(動力の断続)は、例えばコントローラCONTからの動力断続制御信号CS_CLT3による電磁アクチュエータ(図示せず)の駆動制御により行うことができる。また、動力断続機構CLT1は、モータジェネレータMG1を出力用ギアOUTとキャリアCR2の両方に結合することが可能であり、動力断続機構CLT2は、モータジェネレータMG2をリングギアRG2とキャリアCR1の両方に結合することが可能である。その他の構成については、図1に示す構成例と同様である。
また、図16に示す構成例においては、図1に示す構成例と比較して、回転拘束機構LCKが省略されており、力行運転及び回生運転が可能なモータジェネレータMG3が出力用ギアOUTに結合されていることで、出力用ギアOUTにモータジェネレータMG3のトルクを加えることが可能である。その他の構成については、図1に示す構成例と同様である。
また、以上の説明においては、キャリアCR2の回転が停止したときに、動力断続機構CLT2によりモータジェネレータMG2を結合する回転要素を、リングギアRG2とキャリアCR1の間で切り替える場合について説明した。ただし、本実施形態においては、キャリアCR2が回転しているときに、動力断続機構CLT2によりモータジェネレータMG2を結合する回転要素を、リングギアRG2とキャリアCR1の間で切り替えることもできる。例えばキャリアCR2が逆転方向に回転するときに変換ギアTRG12の回転が伝達ギアTRG2の回転及び伝達ギアTRG4の回転の両方と同期するように、同期ギアSYG2による変換比(ギア比)を設定した場合を考える。その場合は、コントローラCONTは、図18の共線図に示すように、キャリアCR2が逆転方向に回転するときに、動力断続機構CLT2によりモータジェネレータMG2を結合する回転要素を、モータジェネレータMG2の回転速度Nmg2を変化させることなく、リングギアRG2とキャリアCR1の間で切り替えることができる。これによって、中変速比モードと小変速比モードとの間の切り替えを行うことができる。この場合は、図19に示すように、同期ギアSYG2による変換比(ギア比)の設定により、モータジェネレータMG2の回転速度Nmg2とエンジンENGの回転速度Neの比(Nmg2/Ne)が所定範囲内(例えば−3〜3)に制限されるように、変速比モードを切り替えることができる。ここで、図19は、上から順に、速度比(Ne/Nout)に対するモータジェネレータ出力/エンジン出力の特性、速度比に対するモータジェネレータトルク/エンジントルクの特性、及び速度比に対するモータジェネレータ回転速度/エンジン回転速度の特性を示す図である。ただし、この場合は、図19に示すように、中変速比モードと小変速比モードの切り替え時点において、モータジェネレータMG2のトルクが0でなく、モータジェネレータMG1とモータジェネレータMG2の間の電気パスが0でないため、回転要素の切り替えによるトルク変動が僅かながら発生する。さらに、本実施形態においては、リングギアRG2が回転しているときに、動力断続機構CLT1によりモータジェネレータMG1を結合する回転要素を、サンギアSG3とキャリアCR2の間で切り替えることもできる。この場合は、同期ギアSYG1による変換比(ギア比)の設定により、モータジェネレータMG1の回転速度Nmg1とエンジンENGの回転速度Neの比(Nmg1/Ne)が所定範囲内に制限されるように、変速比モードを切り替えることができる。ここでの同期ギアSYG1,SYG2については、例えば平歯車で構成することができるので、各変速比モードの設計自由度を高めることができる。
また、図20に示す構成例では、図1に示す構成例と比較して、変速機構SGMにおいて、サンギアSG1とキャリアCR1とリングギアRG1を回転要素として有する遊星歯車が省略されている。すなわち、変速機構SGMは、シングルピニオン遊星歯車とダブルピニオン遊星歯車とがキャリア及びリングギアを共用化した構成でサンギアSG2,SG3とキャリアCR2とリングギアRG2を回転要素として含むラビニヨ型遊星歯車を備えている。このラビニヨ型遊星歯車も、サンギアSG3、リングギアRG2、キャリアCR2、及びサンギアSG2の4つの回転要素の回転速度が図21の共線図に示す共線関係にあり、且つ2自由度の回転自由度を有する。図20に示す構成例では、リングギアRG2及びキャリアCR2が共線図上でサンギアSG3とサンギアSG2の間に配置されるようにラビニヨ型遊星歯車の各回転要素が組み合わされている。そして、サンギアSG2が同期ギアSYG2を介して伝達ギアTRG4と噛み合っている。そのため、動力断続機構CLT2により変換ギアTRG12と伝達ギアTRG4が結合されたときは、モータジェネレータMG2とエンジンENG(サンギアSG2)が同期ギアSYG2を介して結合される。その他の構成については、図1に示す構成例と同様である。
Claims (41)
- 複数の変速用回転要素が共線図上で入力側回転要素と出力側回転要素の間に配置されるように入力側回転要素と出力側回転要素と複数の変速用回転要素が組み合わされた機構であって、複数の変速用回転要素のいずれかにトルクが加えられた状態で入力側回転要素に入力されたエンジンからの動力を変速して出力側回転要素から出力可能な変速機構と、
第1及び第2モータジェネレータのトルクを入力側回転要素と出力側回転要素と複数の変速用回転要素の中のそれぞれ異なる回転要素に選択的に加えることが可能な切替機構と、
切替機構により第1及び第2モータジェネレータのトルクを加える回転要素の組み合わせを複数通りの組み合わせの中で変更しながら変速機構による変速動作を実行し、且つ該複数通りの組み合わせの中に第1及び第2モータジェネレータのトルクを2つの変速用回転要素にそれぞれ加える第1変速モードが含まれるように該回転要素の組み合わせを変更する制御装置と、
を備えることを特徴とする変速システム。 - 請求項1に記載の変速システムであって、
変速機構は、複数の変速用回転要素のいずれかにトルクが加えられた状態で、出力側回転要素と逆回転する入力側回転要素に入力されたエンジンからの動力を変速して出力側回転要素から出力する機構であり、
制御装置は、入力側回転要素と出力側回転要素と複数の変速用回転要素の中の互いに逆回転する2つの回転要素に第1及び第2モータジェネレータのトルクをそれぞれ加えるように切替機構により第1及び第2モータジェネレータのトルクを加える回転要素の組み合わせを複数通りの組み合わせの中で変更しながら変速機構による変速動作を実行し、且つ該複数通りの組み合わせの中に第1及び第2モータジェネレータのトルクを互いに逆回転する2つの変速用回転要素にそれぞれ加える第1変速モードが含まれるように該回転要素の組み合わせを変更することを特徴とする変速システム。 - 請求項1または2に記載の変速システムであって、
制御装置は、前記複数通りの組み合わせの中に第1及び第2モータジェネレータの一方のトルクを変速用回転要素に加え且つ第1及び第2モータジェネレータの他方のトルクを出力側回転要素に加える第2変速モードが含まれるように、前記回転要素の組み合わせを変更することを特徴とする変速システム。 - 請求項1〜3のいずれか1に記載の変速システムであって、
制御装置は、前記複数通りの組み合わせの中に第1及び第2モータジェネレータの一方のトルクを変速用回転要素に加え且つ第1及び第2モータジェネレータの他方のトルクを入力側回転要素に加える第3変速モードが含まれるように、前記回転要素の組み合わせを変更することを特徴とする変速システム。 - 請求項1〜4のいずれか1に記載の変速システムであって、
変速機構には3以上の変速用回転要素が設けられており、
制御装置は、前記複数通りの組み合わせの中に第1及び第2モータジェネレータのトルクを前記第1変速モードと異なる組み合わせの2つの変速用回転要素にそれぞれ加える第4変速モードが含まれるように、前記回転要素の組み合わせを変更することを特徴とする変速システム。 - 請求項1〜5のいずれか1に記載の変速システムであって、
切替機構は、第1モータジェネレータのトルクを加える回転要素を第1モータジェネレータの回転速度を変化させることなく変更することが可能であり、
制御装置は、第1モータジェネレータのトルクを加える回転要素の変更により前記回転要素の組み合わせを変更するときには、第1モータジェネレータの回転速度を変化させないように第1モータジェネレータのトルクを加える回転要素を変更することを特徴とする変速システム。 - 請求項6に記載の変速システムであって、
第1モータジェネレータの回転速度を変化させることなく切替機構により第1モータジェネレータのトルクを加える回転要素を入力側回転要素と出力側回転要素と複数の変速用回転要素の中の互いに逆回転する2つの第1変更用回転要素間で変更可能なように、第1モータジェネレータのトルクがその方向を反転させるための第1同期用回転要素を介して第1変更用回転要素のいずれかに加えられることを特徴とする変速システム。 - 請求項7に記載の変速システムであって、
第1同期用回転要素として第1モータジェネレータのトルクを加える方向を反転させるためのアイドラギアが設けられていることを特徴とする変速システム。 - 請求項1〜8のいずれか1に記載の変速システムであって、
切替機構は、第2モータジェネレータのトルクを加える回転要素を第2モータジェネレータの回転速度を変化させることなく変更することが可能であり、
制御装置は、第2モータジェネレータのトルクを加える回転要素の変更により前記回転要素の組み合わせを変更するときには、第2モータジェネレータの回転速度を変化させないように第2モータジェネレータのトルクを加える回転要素を変更することを特徴とする変速システム。 - 請求項9に記載の変速システムであって、
第2モータジェネレータの回転速度を変化させることなく切替機構により第2モータジェネレータのトルクを加える回転要素を入力側回転要素と出力側回転要素と複数の変速用回転要素の中の互いに逆回転する2つの第2変更用回転要素間で変更可能なように、第2モータジェネレータのトルクがその方向を反転させるための第2同期用回転要素を介して第2変更用回転要素のいずれかに加えられることを特徴とする変速システム。 - 請求項10に記載の変速システムであって、
第2同期用回転要素として第2モータジェネレータのトルクを加える方向を反転させるためのアイドラギアが設けられていることを特徴とする変速システム。 - 請求項1〜5のいずれか1に記載の変速システムであって、
切替機構は、入力側回転要素と出力側回転要素と複数の変速用回転要素の中で、第1モータジェネレータを結合する回転要素と第2モータジェネレータを結合する回転要素の少なくとも一方を選択的に切り替えることが可能であり、
制御装置は、切替機構により第1モータジェネレータを結合する回転要素と第2モータジェネレータを結合する回転要素の少なくとも一方を切り替えることで、前記回転要素の組み合わせを変更することを特徴とする変速システム。 - 請求項12に記載の変速システムであって、
制御装置は、切替機構により第1及び第2モータジェネレータを結合した回転要素がともに回転しているときに、第1及び第2モータジェネレータの一方を回生運転するとともに第1及び第2モータジェネレータの他方を力行運転する電気パスを行いながら変速機構による変速動作を実行することを特徴とする変速システム。 - 請求項13に記載の変速システムであって、
各変速用回転要素は、入力側回転要素の回転速度と出力側回転要素の回転速度の比がその各々に対応して設定された値を超えるときから、その回転方向が正転方向から逆転方向に反転する回転要素であり、
制御装置は、第1及び第2モータジェネレータの一方を、逆転方向に回転する変速用回転要素と入力用回転要素の中のいずれか1つに結合した状態で回生運転するとともに、第1及び第2モータジェネレータの他方を、正転方向に回転する変速用回転要素と出力用回転要素の中のいずれか1つに結合した状態で力行運転することを特徴とする変速システム。 - 請求項12〜14のいずれか1に記載の変速システムであって、
制御装置は、切替機構により第1及び第2モータジェネレータをそれぞれ異なる回転要素に結合した状態で、第1及び第2モータジェネレータの両方を回生運転することで、出力側回転要素に結合された負荷のエネルギーを回生する回生動作を実行することを特徴とする変速システム。 - 請求項15に記載の変速システムであって、
制御装置は、回生動作の実行時に、切替機構により第1及び第2モータジェネレータを結合する回転要素の組み合わせを変更することを特徴とする変速システム。 - 請求項12に記載の変速システムであって、
制御装置は、第1及び第2モータジェネレータの一方のトルクを変速用回転要素のいずれか1つに加えた状態で、切替機構により第1及び第2モータジェネレータの他方を結合する回転要素を切り替えることで、前記回転要素の組み合わせを変更することを特徴とする変速システム。 - 請求項17に記載の変速システムであって、
制御装置は、第1及び第2モータジェネレータの他方のトルクを略0に制御するときに、切替機構により第1及び第2モータジェネレータの他方を結合する回転要素を切り替えることを特徴とする変速システム。 - 請求項18に記載の変速システムであって、
制御装置は、第1及び第2モータジェネレータの一方のトルクを加えた回転要素の回転が略停止するときに、第1及び第2モータジェネレータの他方のトルクを0に制御することを特徴とする変速システム。 - 請求項17〜19のいずれか1に記載の変速システムであって、
各変速用回転要素は、入力側回転要素の回転速度と出力側回転要素の回転速度の比がその各々に対応して設定された値を超えるときから、その回転方向が正転方向から逆転方向に反転する回転要素であり、
制御装置は、切替機構により第1及び第2モータジェネレータの他方を結合する回転要素を切り替えるときに、
切り替え前の回転要素が正転方向に回転する変速用回転要素と出力用回転要素の中のいずれかである場合は、第1及び第2モータジェネレータの他方を、逆転方向に回転する変速用回転要素と入力用回転要素の中のいずれか1つに結合し、
切り替え前の回転要素が逆転方向に回転する変速用回転要素と入力用回転要素の中のいずれかである場合は、第1及び第2モータジェネレータの他方を、正転方向に回転する変速用回転要素と出力用回転要素の中のいずれか1つに結合することを特徴とする変速システム。 - 請求項19に係る請求項20に記載の変速システムであって、
制御装置は、
第1及び第2モータジェネレータの他方を、逆転方向に回転する変速用回転要素と入力用回転要素の中のいずれか1つに結合した場合は、第1及び第2モータジェネレータの一方及び他方をそれぞれ力行運転及び回生運転し、
第1及び第2モータジェネレータの他方を、正転方向に回転する変速用回転要素と出力用回転要素の中のいずれか1つに結合した場合は、第1及び第2モータジェネレータの一方及び他方をそれぞれ回生運転及び力行運転することを特徴とする変速システム。 - 請求項17〜21のいずれか1に記載の変速システムであって、
第1及び第2モータジェネレータの他方の回転速度を変化させることなく切替機構により第1及び第2モータジェネレータの他方を結合する回転要素を互いに逆回転する回転要素間で切り替え可能なように、第1及び第2モータジェネレータの他方がトルクの方向を反転させるための同期用回転要素を介して切り替え前の回転要素または切り替え後の回転要素に結合されることを特徴とする変速システム。 - 請求項12〜21のいずれか1に記載の変速システムであって、
切替機構は、第1モータジェネレータを入力側回転要素と出力側回転要素と複数の変速用回転要素の中の2つの第1結合用回転要素に結合することが可能であり、
制御装置は、切替機構により第1モータジェネレータを2つの第1結合用回転要素に結合することで変速比を固定することを特徴とする変速システム。 - 請求項23に記載の変速システムであって、
切替機構により第1モータジェネレータが回転速度の異なる2つの第1結合用回転要素に結合可能なように、第1モータジェネレータが第1同期用回転要素を介して第1結合用回転要素のいずれかに結合されることを特徴とする変速システム。 - 請求項12〜24のいずれか1に記載の変速システムであって、
切替機構は、第2モータジェネレータを入力側回転要素と出力側回転要素と複数の変速用回転要素の中の2つの第2結合用回転要素に結合することが可能であり、
制御装置は、切替機構により第2モータジェネレータを2つの第2結合用回転要素に結合することで変速比を固定することを特徴とする変速システム。 - 請求項25に記載の変速システムであって、
切替機構により第2モータジェネレータが回転速度の異なる2つの第2結合用回転要素に結合可能なように、第2モータジェネレータが第2同期用回転要素を介して第2結合用回転要素のいずれかに結合されることを特徴とする変速システム。 - 請求項12〜26のいずれか1に記載の変速システムであって、
第1モータジェネレータと第2モータジェネレータの結合状態を切り替える結合機構を備え、
制御装置は、切替機構により第1及び第2モータジェネレータをそれぞれ異なる回転要素に結合した状態で、結合機構により第1モータジェネレータと第2モータジェネレータを結合することで変速比を固定することを特徴とする変速システム。 - 請求項1〜27のいずれか1に記載の変速システムであって、
制御装置は、前記回転要素の組み合わせを、入力側回転要素の回転速度と出力側回転要素の回転速度の比に応じて変更しながら変速機構による変速動作を実行することを特徴とする変速システム。 - 請求項1〜28のいずれか1に記載の変速システムであって、
変速機構は、各々がサンギアとキャリアとリングギアを回転要素として含む複数の遊星歯車により構成された遊星歯車機構であって、該遊星歯車機構が2自由度の回転自由度を有するように各遊星歯車の回転要素のいずれかが他の遊星歯車の回転要素のいずれかと結合または共用化された遊星歯車機構を有し、
入力側回転要素と出力側回転要素と複数の変速用回転要素が、前記遊星歯車機構の回転要素により構成されていることを特徴とする変速システム。 - 変速用回転要素が共線図上で入力側回転要素と出力側回転要素の間に配置されるように入力側回転要素と出力側回転要素と変速用回転要素が組み合わされた機構であって、変速用回転要素に第1モータジェネレータのトルクが加えられた状態で入力側回転要素に入力されたエンジンからの動力を変速して出力側回転要素から出力可能な変速機構と、
第2モータジェネレータのトルクを入力側回転要素と出力側回転要素のいずれかに選択的に加えることが可能で、且つ第2モータジェネレータのトルクを加える回転要素を第2モータジェネレータの回転速度を変化させることなく変更することが可能な切替機構と、
切替機構により第2モータジェネレータのトルクを加える回転要素を変更しながら変速機構による変速動作を実行し、且つ該回転要素の変更時には第2モータジェネレータの回転速度を変化させないように該回転要素を変更する制御装置と、
を備えることを特徴とする変速システム。 - 請求項30に記載の変速システムであって、
変速機構は、変速用回転要素に第1モータジェネレータのトルクが加えられた状態で、出力側回転要素と逆回転する入力側回転要素に入力されたエンジンからの動力を変速して出力側回転要素から出力する機構であり、
制御装置は、入力側回転要素と出力側回転要素のうち変速用回転要素と逆回転する回転要素に第2モータジェネレータのトルクを加えるように切替機構により第2モータジェネレータのトルクを加える回転要素を変更しながら変速機構による変速動作を実行し、
第2モータジェネレータの回転速度を変化させることなく切替機構により第2モータジェネレータのトルクを加える回転要素を変更可能なように、第2モータジェネレータのトルクがその方向を反転させるための同期用回転要素を介して互いに逆回転する入力側回転要素と出力側回転要素のいずれかに加えられることを特徴とする変速システム。 - 請求項31に記載の変速システムであって、
同期用回転要素として第2モータジェネレータのトルクを加える方向を反転させるためのアイドラギアが設けられていることを特徴とする変速システム。 - 請求項30〜32のいずれか1に記載の変速システムであって、
切替機構は、入力側回転要素と出力側回転要素の中で、第2モータジェネレータを結合する回転要素を選択的に切り替えることが可能であり、
制御装置は、第1モータジェネレータのトルクを変速用回転要素に加えた状態で、切替機構により第2モータジェネレータを結合する回転要素を切り替えることで、第2モータジェネレータのトルクを加える回転要素を変更することを特徴とする変速システム。 - 請求項33に記載の変速システムであって、
制御装置は、変速用回転要素及び切替機構により第2モータジェネレータを結合した回転要素がともに回転しているときに、第1及び第2モータジェネレータの一方を回生運転するとともに第1及び第2モータジェネレータの他方を力行運転する電気パスを行いながら変速機構による変速動作を実行することを特徴とする変速システム。 - 請求項34に記載の変速システムであって、
制御装置は、
切替機構により第2モータジェネレータを出力側回転要素に結合した状態では、第1モータジェネレータを回生運転するとともに第2モータジェネレータを力行運転し、
切替機構により第2モータジェネレータを入力側回転要素に結合した状態では、第2モータジェネレータを回生運転するとともに第1モータジェネレータを力行運転することを特徴とする変速システム。 - 請求項33に記載の変速システムであって、
制御装置は、第2モータジェネレータのトルクを略0に制御するときに、切替機構により第2モータジェネレータを結合する回転要素を切り替えることを特徴とする変速システム。 - 請求項36に記載の変速システムであって、
制御装置は、第1モータジェネレータのトルクを加えた変速用回転要素の回転が略停止するときに、第2モータジェネレータのトルクを0に制御することを特徴とする変速システム。 - 動力を発生可能なエンジンと、
力行運転及び回生運転が可能な第1及び第2モータジェネレータと、
請求項1〜37のいずれか1に記載の変速システムと、
を備えた動力出力システム。 - 請求項38に記載の動力出力システムであって、
出力側回転要素に第3モータジェネレータのトルクを加えることが可能であることを特徴とする動力出力システム。 - 請求項39に記載の動力出力システムであって、
制御装置は、第3モータジェネレータを回生運転することで、出力側回転要素に結合された負荷のエネルギーを回生する回生動作を実行することを特徴とする動力出力システム。 - 請求項38〜40のいずれか1に記載の動力出力システムであって、
エンジンの回転を拘束することが可能な回転拘束機構を備え、
制御装置は、回転拘束機構によりエンジンの回転を拘束した状態で第1及び第2モータジェネレータのいずれかの動力により出力側回転要素を駆動するモータ駆動動作を実行することを特徴とする動力出力システム。
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