JP4548622B2 - ハイブリッドギアボックス - Google Patents

Description

本発明は、特許請求項１の前段によるハイブリッド自動車用のハイブリッドギアボックスに関する。本発明はさらに、この種類のハイブリッドギアボックスを有するハイブリッド自動車に関する。

複数のパワースプリット式駆動レンジ、別個のギア段及び内燃機関のほか、２つの電気駆動アセンブリを有する自動車用のハイブリッドギアボックスが、例えば、公報特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５、特許文献６、特許文献７、特許文献８、特許文献９及び本出願人の優先権主張していない特許出願、独国特許発明第１０２００４０５３０４４号明細書から知られている。

この種類のハイブリッドギアボックスによって、自動車を特に
−ギアードニュートラル駆動レンジによる始動機能、
−高始動トルク、
−異なる運転速度に対して、一定の回転速度での内燃機関の作動、
−電気駆動アセンブリによる、例えばオーバーラン時におけるエネルギーの回収、
−昇圧動作、
−消費量の低減、
−排気ガス値の低減、
−運転の始動／停止、
−個別のスタータ及び／又は始動要素が無いこと、
−前進から後退までの範囲の連続的な駆動レンジの変化
等の点で有利に操作することが可能となる。

米国特許第５，９０４，６３１号明細書 米国特許第６，４７８，７０５Ｂ１号明細書 米国特許第６，３５８，１７３Ｂ１号明細書 米国特許第６，０９０，００５号明細書 米国特許第６，７４３，１３５Ｂ２号明細書 米国特許第６，５５１，２０８Ｂ１号明細書 欧州特許第０ ９６７ １０２Ｂ１号明細書 米国特許第５，９３１，７５７号明細書 米国特許第６，０２２，２８７号明細書

このことから、本発明の目的は、組立スペース要件及び／又は運動及び運動力学条件の点で改良されるハイブリッドギアボックス、及びまたこの種のハイブリッドギアボックスを有する自動車を提案することにある。

本発明によれば、この目的は、請求項１の特徴によって達成される。それゆえ、３つのディファレンシャルを、ギアボックスインプットシャフトとギアボックスアウトプットシャフトとの間のトルクの伝達路に介在させて、複数の異なる駆動状態を有することが可能となる。電気駆動アセンブリは、互いに軸方向に隣接させて、３つのディファレンシャルと内燃機関との間に配置される。この形態は、電気駆動アセンブリによって生成された駆動トルクが電気駆動アセンブリのロータの直径に依存するという事実に基づく。それゆえ、高いトルクを生成するためには、電気駆動アセンブリは半径方向の範囲が比較的大きい必要がある。他方で、予め設定されたトルクの場合には、電気駆動アセンブリの半径の増大によって、必要な軸方向の範囲が小さくなる。他方で、半径の大きい電気駆動アセンブリが出力方向の比較的遠くに配置される場合の欠点は、内燃機関から離隔されたハイブリッドギアボックスが、特に車両空間部（ｖｅｈｉｃｌｅ ｔｕｎｎｅｌ）の領域及び／又は乗員室の領域において、大きな設置スペースを必要とすることである。

その代わりに、本発明によれば、多くの場合ハイブリッドギアボックスの入力側において、比較的長い半径範囲を有する内燃機関へのフランジをつける方法が使用される。従って、内燃機関から２つの電気駆動アセンブリへの移行部において、半径範囲は増大せず、特に、減少し得る。この後、ディファレンシャルを有するギアボックス構造によって半径範囲がさらに先細になることもあるので、内燃機関からの距離が増大すると、ドライブトレインはさらに先細になり得る。従来の可能な限り先細になる車両空間部の断面形態は、ハイブリッドギアボックスの領域における断面形態に対応する。

さらに、本発明は、従来技術のハイブリッドギアボックスでは、遊星歯車の回転速度が少なくとも部分的な動作レンジにおいて非常に高いことを認識した。これにより、例えば、
−望ましくない加熱、
−磨耗の増大、
−軸受応力の増大及び／又は
−騒音発生の増加
をもたらす。

本発明によれば、３つのディファレンシャルが互いに協働し、ギアボックスインプットシャフトが第１のディファレンシャルのギアボックス要素及び第２のディファレンシャルのギアボックス要素の両方を駆動し、第１の電気駆動アセンブリが第２のディファレンシャルのギアボックス要素を駆動し、かつ第２の電気駆動アセンブリが第１のディファレンシャル及び第３のディファレンシャルの両方に接続される又は接続可能であることにより、遊星歯車の回転速度が低減される。

好ましくは、第１のディファレンシャルでは、第１のギアボックス要素が、ギアボックスインプットシャフトに駆動接続され、その結果内燃機関に駆動接続され得る。第２のギアボックス要素は第１の電気駆動アセンブリによって直接駆動されないが、その代わりに、第２のディファレンシャルが介在する。さらに、第３のギアボックス要素は第２の電気駆動アセンブリに駆動接続される。例えば、第１のギアボックス要素はリングギアであり、第２のギアボックス要素はウェブであり、第３のギアボックス要素は太陽歯車である。本発明の意義の範囲内では、接続又は駆動は継続して又は一時的にのみ存在してもよいので、シフト要素を介在させてもよい。

本発明によるハイブリッドギアボックスの発展形態によれば、（少なくとも）１つのシフト要素が存在し、それによって第１のディファレンシャル及び第２のディファレンシャルを、いずれの場合も及び互いに遮断できる。これは、特に、起動状態において、いずれの場合も第１及び第２のディファレンシャルの６つのギアボックス要素のうちの２つを互いに接続する結合要素である。この種の結合では、内燃機関の第１の電気駆動アセンブリへのとりわけ単純な接続が可能となり、この場合は必然的に、効率を損ない得る回転するギアホイールの接続を介在させない。この種の結合を用いて、一方では、電気駆動アセンブリの駆動力と内燃機関の駆動力を合わせてもよい。他方で、内燃機関を始動させるための、電気駆動アセンブリを介した内燃機関の駆動が可能となる。さらに、電気駆動アセンブリを介する内燃機関の動力が必要とされない場合には、この駆動アセンブリ、他の駆動アセンブリ又は両方の駆動アセンブリのバッテリーへのエネルギーの帰還が、選択された運転フェーズにおいて生じてもよい。さらに、上述の遮断を、個別のギア段におけるハイブリッドギアボックスの操作に使用してもよい。

好ましくは、第２のディファレンシャルは、第１のディファレンシャルと電気駆動アセンブリとの間に軸方向に配置される。これは、第２の電気駆動アセンブリによって第３のギアボックス要素を駆動する場合に、駆動接続が第２のディファレンシャルにもたらされることを意味する。これは、好適なウェブ又はアームによって、又は閉じた鐘様の要素によって生じてもよく、それらを、駆動接続に加えて、ディファレンシャル又はギアボックス要素の収容、外部保護や取付などのさらなる機能に利用してもよい。

同期段階において、２つの隣接する連続的な駆動レンジ間の変更が生じる場合には、シフト回数の増加及び／又は磨耗の増大をもたらし得る、起動されたシフト要素の同期化時のパワーを低減又は回避できる。自動車の所望の運転によって、第１の連続的な駆動レンジから個別のギア段への変更は、ギア段に効力を及ぼすギアボックス要素の同期を伴わずに起こってもよい。

そこで、好ましくは、第１の連続的な駆動レンジからギア段又は第２の連続的な駆動レンジへ選択的に変更がなされ得る。個別のギア段が一時的にのみ起動され、続いて第２の連続的な駆動レンジへ変更されることも考えられる。

本発明のさらなる改良形態によれば、少なくとも４つの前進ギア段、２つの連続的な駆動レンジ、直列駆動レンジ及び電気駆動レンジを、３つのディファレンシャル、２つのブレーキ及び少なくとも２つのクラッチによって実行できる。

本発明の目的を達成するためのさらなる解決策が、請求項１０の特徴による自動車によって与えられる。この場合、上述の種類のハイブリッドギアボックスが、標準駆動を有するドライブトレインに組み込まれる。ドライブトレインの範囲が、内燃機関から始まり電気駆動アセンブリを通ってディファレンシャルまでのドライブトレインの長手方向軸に対して横方向に減少するので、ドライブトレインはこの領域において先細の形態である。この種類のドライブトレインを、電気駆動アセンブリとディファレンシャルとの間で先細になる車両空間部に場所をとらずに組み込むことができる。それにより、適切な場合には、本発明による形態のおかげでハイブリッドギアボックスを自動車の後部にさらにずらすことができるので、エンジンスペースにおける組立スペースが自由になることも可能となる。

有利な発展形態が、従属請求項、説明及び図面から明らかになる。図面、特に構成要素の図示の形状、同一又は異なる構成要素の数個の図示の寸法の相対的な寸法、互いに対する構成要素の相対的な配置及びそれらの互いに対する動作的な接続からさらなる特徴が明らかとなる。上述した、種々の図面に示すさまざまな実施形態の特徴、異なる請求項の特徴及び／又は従来技術の実施形態の特徴を有する上述の特徴の組み合わせは、同様に可能であり、かつここに提案される。

本発明によるハイブリッドギアボックスの好ましい例示された実施形態を、図面を参照して以下詳細に説明する。

本発明は、好ましくは標準駆動を有する自動車において使用され、車両長手方向に設置され、かつ車両空間部に少なくとも部分的に組み込まれたハイブリッドギアボックス３０に関する。

ハイブリッドギアボックス３０は、内燃機関に駆動接続されるギアボックスインプットシャフト３１と、自動車の車輪に駆動接続されるギアボックスアウトプットシャフト３２とを有する。

ハイブリッドギアボックス３０においては、
−第１の電気駆動アセンブリ３３、
−第２の電気駆動アセンブリ３４、
−第２のディファレンシャル３５、
−第１のディファレンシャル３６、
−クラッチ３７、３８、
−ブレーキ３９、４０、
−第３のディファレンシャル４１、及び
−クラッチ４２
が、ギアボックスインプットシャフト３１とギアボックスアウトプットシャフト３２との間に、上記の順番で、軸方向に連続的な平面内に、かつ互いに実質的に同軸に、介在する。

ギアボックスインプットシャフト３１は半径方向に内側に第２のディファレンシャル３５を通って導かれ、第２のディファレンシャル３５のウェブ４３及び第１のディファレンシャル３６のリングギア８に固定式に駆動接続される。ウェブ４３は、図１による例示された実施形態においてはダブルウェブとして設計され、２つのかみ合っている遊星歯車２、３を支持する。第１の設計変形例としては、図１において点線の円で示されるクラッチ４４が無いものであり、そのためリングギア８と第１のディファレンシャル３６のダブルウェブ４５との間に固定された接続がないか又は固定接続がなされ得ないものである。

第２のディファレンシャル３５の太陽歯車１が、第１の電気駆動アセンブリ３３によって直接駆動される。第２の電気駆動アセンブリ３４は、ウェブ又は鐘様ハウジングを通って、第２のディファレンシャル３５及び第１のディファレンシャル３６の周りを半径方向に外側に導かれ、かつクラッチ３８を経て第１のディファレンシャル３６の太陽歯車５に駆動接続され得る。第２のディファレンシャル３５のリングギア４は、ダブルウェブ４５に常に駆動接続され、ダブルウェブ４５は、クラッチ４４及び第１のディファレンシャル３６を通って半径方向に外側に導かれた駆動接続部を介して、２つの遊星歯車６、７を支持する。さらに、リングギア４を、クラッチ３７を介して太陽歯車５に駆動接続できる。ダブルウェブ４５は、中間シャフト４６に常に駆動接続され、中間シャフト４６は、第１のディファレンシャル３６、クラッチ３７、３８、ブレーキ３９、４０及び第３のディファレンシャル４１を通って導かれ、クラッチ４２を介してギアボックスアウトプットシャフト３２に選択的に駆動接続され得る。

クラッチ３７及び３８が閉鎖している間の第２のディファレンシャル３５のリングギア４、及びクラッチ３８が閉鎖している間の第１のディファレンシャル３６の太陽歯車５は、第３のディファレンシャル４１の太陽歯車９に接続され、ブレーキ３９を介してハウジングに接続され得る。図１による例示された実施形態においてダブルウェブとして設計され２つの遊星歯車１０、１１を支持する第３のディファレンシャル４１のウェブ４７が、ブレーキ４０を介してハウジングに接続され得る。第３のディファレンシャル４１のリングギア１２が、ギアボックスアウトプットシャフト３２に常に接続され、クラッチ４２を介して中間シャフト４６に接続され得る。クラッチ３７を省略してもよいので、この点でダブルウェブ４５と太陽歯車５との間に接続がないことも可能となる。この場合、クラッチ４４が設けられ、それを介してリングギア８をダブルウェブ４５に選択的に接続できる。

図２に示す、ハイブリッドギアボックス３０ａの変形例は、電動機及びクラッチの負荷に関してではなく、歯車の組み合わせ構造の構成の点で図１とは異なる。この場合、第１のディファレンシャル３６ａ及び第３のディファレンシャル４１ａは２つの遊星歯車２、３及び１０、１１を有しては設計されないが、その代わりに、個別の遊星歯車１４、２１を有して設計されるので、ウェブ４３ａ及び４７ａも単一のウェブとして設計される。それ以外は実質的に図１に対応する実施形態では、ギアボックスインプットシャフト３１ａが第２のディファレンシャル３５ａのリングギア１５を駆動する一方で、第２のディファレンシャル３５ａのウェブ４３ａがダブルウェブ４５ａに駆動接続される。この場合、ブレーキ４０ａを第３のディファレンシャル４１ａのリングギア２２に接続する一方で、ウェブ４７ａをギアボックスアウトプットシャフト３２ａに固定式に接続する。

ハイブリッドギアボックス３０、３０ａの異なる運転モードが、以下の表から明らかになる。

閉鎖した状態において、クラッチ３７又は４４は、第２のディファレンシャル３５及び第１のディファレンシャル３６の両方を一体となって回転させる効果を有する。クラッチ３７、４４の変形例は、閉鎖された状態では、発生するクラッチへのトルク荷重において互いに異なり、一方、開放された状態では、差動回転速度が異なる。

ブレーキ４０及びクラッチ３８が閉鎖している場合には、ハイブリッドギアボックス３０は、連続的なパワースプリット式駆動レンジ１で作動する。開始時の不定のステップアップから電動機を適切に制御することによって、ギアボックスをステップアップが小さい方向に調整できる。この場合、（開放している）クラッチ４２の差動回転速度がさらに落ちる。差動回転速度がゼロになると直ぐに、同期段階に到達する、すなわち、理想的には第１の駆動レンジから第２の連続的な駆動レンジへの変更が起きるステップアップである。この場合は、段付ギアボックスとは対照的に、関係のあるギアボックス要素はどれも回転速度の急な変更を行うことがない。そこでクラッチ４２を、２つのクラッチの半部が積極的に同期される必要なく閉鎖することができる。クラッチ４２のみが作動される場合には、ハイブリッドギアボックス３０は、クラッチ４２の差動回転速度がゼロに等しい場合のステップアップに常に対応するステップアップである第２のギア段に変更される。

次にクラッチ４０を開放することによって、第２の駆動レンジへ変更される。駆動レンジ１から駆動レンジ２へ変更するためには、逆の順番でシフト要素が作動する必要がある。この場合、２つのシフト要素４０、４２を同時に開閉することによって、シフトが直接連続的な駆動レンジ間を行き来してなされ得る。

車両が停止又はオーバーラン状態にある場合には内燃機関を完全に停止することができるので、出力の点で可能な限り無反応な状態にある内燃機関の再始動が可能となり得る。随意のクラッチ３８を使用することによって、ギアボックスを２つの完全に分離された半部に分割することができる（「直列」モード）。この場合、いずれの場合にも第１の電気駆動アセンブリ３３は、内燃機関に回転固定式に接続され、第２の電気駆動アセンブリ３４は、ギアボックスアウトプットシャフト３２に駆動接続される。それゆえ内燃機関を、停止又は（第２の電気駆動アセンブリ３４による）電気駆動のいずれかから、出力トルクに影響を及ぼす内燃機関の始動操作を伴わずに第１の電気駆動アセンブリ３３を用いて始動できる。

さらに、「直列」モードにおいては、内燃機関の運転中、第１の電気駆動アセンブリ３３を、例えばバッテリーが空の場合に第２の電気駆動アセンブリ３４に供給するジェネレータとして作動できるので、例えば、十分な牽引力で永久的に電気的な後退を確実とする。

費用又は組立スペースのために随意クラッチ３８を省略する場合には、上述の直列モードは達成できない。

そこで、固定されたステップアップのバックギア段が設けられていない限りでは、後退は以下のように起こる。

ブレーキ４０が閉鎖されて、第２の電気駆動アセンブリ３４が所望の駆動操作に必要な出力トルクを利用できるようにする。さらなる回転速度、特にゼロ回転速度が、電気駆動中に停止状態にあることが有利である内燃機関によって予め設定されているので、さらなる回転速度全てが固定される。それゆえ、第１の電気駆動アセンブリ３３は、発生する回転速度においてドラグ結合（ｄｒａｇ−ｃｏｕｐｌｅｄ）されるか、又は第１の電気駆動アセンブリ３３の引きずり抵抗が第２の電気駆動アセンブリ３４によってさらに補償される必要が丁度ない程度の電流を受ける。

蓄電池が空の場合には、動力が補償された駆動レンジ１において後退が生じる必要がある。しかしながら、この場合、利用できる出力トルクは、完全な電気作動中よりも低い。

図２に示す設計変形例では、ハイブリッドギアボックス３０ａに、図１に示すハイブリッドギアボックス３０よりもわずかに高い遊星歯車の回転速度が発生する。図１及び図２に従って示す構造間において、さらなる変更例が可能である。それゆえ、例えば、図１による第２のディファレンシャル３５及び第３のディファレンシャル４１を、図２による個別の解決策によって互いに独立的に置き換えてもよい。

本発明によるハイブリッドギアボックスの第１の例示された実施形態を概略的なギアホイール設計図で示す。 本発明によるハイブリッドギアボックスの第２の例示された実施形態を概略的なギアホイール設計図で示す。

Claims (9)

1. 少なくとも２つの連続的な駆動レンジ、
   少なくとも２つの個別のギア段の運転モードを有し、
   内燃機関に駆動接続される又はされ得るギアボックスインプットシャフト（３１）、及びギアボックスアウトプットシャフト（３２）、
   第１の電気駆動アセンブリ（３３）及び第２の電気駆動アセンブリ（３４）、
   を有するハイブリッド自動車用のハイブリッドギアボックスにおいて、
   前記ギアボックスインプットシャフト（３１）と前記ギアボックスアウトプットシャフト（３２）との間のトルクの伝達路に第２、第１及び第３のディファレンシャル（３５、３６、４１）を介在させ、互いに隣接する前記２つの電気駆動アセンブリ（３３、３４）の背後に軸方向に配置し、
   前記ギアボックスインプットシャフト（３１）が、前記第１のディファレンシャルのギアボックス要素（８；１９）及び前記第２のディファレンシャルのギアボックス要素（４３；１５）の両方を駆動し、
   前記ギアボックスアウトプットシャフト（３２）が、前記第３のディファレンシャル（４１）のギアボックス要素（１２；２１）に接続され
   、
   前記第１の電気駆動アセンブリ（３３）が、前記第２のディファレンシャル（３５）の他のギアボックス要素（１；１３）を駆動し、
   前記第２の電気駆動アセンブリ（３４）が、前記第３のディファレンシャルの他のギアボックス要素（９；２０）に駆動接続されるとともに、シフト要素（３８；３８ａ）を経て第１のディファレンシャル（３６）の他のギアボックス要素（５；１６）に駆動接続され、
   該シフト要素（３８；３８ａ）を解放することにより、ギアボックスを２つの分離された部分に分割することができ、前記第２の電気駆動アセンブリ（３４）が前記ギアボックスアウトプットシャフト（３２）に駆動接続され、前記第１の電気駆動アセンブリ（３３）が内燃機関と共に回転するように接続される、
   ことを特徴とするハイブリッドギアボックス。
2. 前記第１のディファレンシャル（３６）において、該第１のディファレンシャルの、
   前記ギアボックス要素（８）が前記ギアボックスインプットシャフト（３１）に駆動接続され、
   さらなるギアボックス要素（４５）が、前記第２のディファレンシャル（３５）を介在させて前記第１の電気駆動アセンブリ（３３）に駆動接続され、
   前記他のギアボックス要素（５）が前記第２の電気駆動アセンブリ（３４）に駆動接続されることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッドギアボックス。
3. 前記第１のディファレンシャル（３６）及び前記第２のディファレンシャル（３５）を一体回転させるための他のシフト要素（３７；４４）がそれらの間に存在することを特徴とする請求項１あるいは２に記載のハイブリッドギアボックス。
4. 前記第２のディファレンシャル（３５）が、前記第１のディファレンシャル（３６）と前記２つの電気駆動アセンブリ（３３、３４）との間に軸方向に配置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のハイブリッドギアボックス。
5. ４つの前進ギア段、２つの連続的な駆動レンジ、直列駆動レンジ及び電気駆動レンジの運転モードが、前記３つのディファレンシャル（３５、３６、４１）によって実施されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のハイブリッドギアボックス。
6. 同期段階において、連続的な駆動レンジ間の変更が可能であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のハイブリッドギアボックス。
7. 連続的な駆動レンジからギア段への変更が、前記ギア段に効力を及ぼすシフト要素の同期を伴わずに起こることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のハイブリッドギアボックス。
8. シフト要素として２つのブレーキ（３９、４０）及び少なくとも２つのクラッチ（３７、３８、４２）が設けられることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のハイブリッドギアボックス。
9. ドライブトレインの半径が、前記内燃機関から始まり前記電気駆動アセンブリ（３３、３４）を通って前記ディファレンシャル（３５、３６、４１）までの前記ドライブトレインの長手方向軸に対して減少し、
   前記ドライブトレインが、前記電気駆動アセンブリ（３３、３４）と前記ディファレンシャル（３５、３６、４１）との間で先細になる車両空間部に組み込まれることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載のハイブリッドギアボックス（３０）を有するドライブトレインを備えたハイブリッド自動車。