JP5182398B2 - ハイブリッド駆動装置 - Google Patents

Description

この発明は、車両の走行のための動力源として複数種類の動力装置を備えているハイブリッド駆動装置に関し、特に内燃機関などの原動機とモータ・ジェネレータなどの発電機もしくは電動機ならびに出力部材との間でのトルクの分配や合成あるいは伝達を、複数組の遊星歯車機構を介して行うように構成されたハイブリッド駆動装置に関するものである。

この種の駆動装置の一例が特許文献１に記載されている。この特許文献１に記載された駆動装置は、エンジンと第１モータ・ジェネレータとが遊星歯車機構に連結され、エンジンから入力される動力に対して第１モータ・ジェネレータで反力を与え、これらの動力を合成した動力を出力要素から出力するようになっている。また、その出力要素には第２のモータ・ジェネレータが連結されるとともに、増減速を行う遊星歯車機構における所定の回転要素に連結されている。この遊星歯車機構は、一組の遊星歯車機構もしくは複数組の遊星歯車機構を組み合わせた複合遊星歯車機構あるいはラビニョ型遊星歯車機構などによって構成されており、前記出力要素もしくは第２モータ・ジェネレータに加えて、エンジンが連結されている。

したがって、特許文献１に記載されたハイブリッド駆動装置では、エンジンおよび第１モータ・ジェネレータが連結された遊星歯車機構は差動作用を行うから、第１モータ・ジェネレータによってエンジンの回転数を制御でき、エンジンを最適燃費点もしくはその近傍で運転し、燃費を向上させることができる。また、第１モータ・ジェネレータがエンジントルクに対して反力トルクを与えることにより、エンジントルクが増幅されて出力要素から出力され、その際に発生した電力が第２モータ・ジェネレータに供給され、これがモータとして機能し、そのトルクが増減速用の遊星歯車機構に伝達される。

増減速用の遊星歯車機構は、クラッチやブレーキなどの係合機構によってトルクの伝達経路もしくは変速比を変更できるように構成されており、したがって車速に対するエンジンの回転数もしくは第１モータ・ジェネレータでの発電量などを変更できるようになっている。すなわち、複数の駆動モードを設定できるようになっている。したがって、特許文献１に記載されたハイブリッド駆動装置は、第２モータ・ジェネレータによるいわゆるトルクアシストを十分に行って大きい駆動力を得ることができ、また電力変換を伴わない動力の伝達の割合を多くして動力の伝達効率を向上させることができるように構成されている。

また一方、特許文献２には、エンジンと共に遊星歯車機構に連結されているモータ・ジェネレータを選択的に固定するブレーキを有し、そのブレーキによってモータ・ジェネレータを制動することにより、オーバードライブ状態を設定するように構成されたハイブリッド変速機が記載されている。さらに、特許文献３には、エンジンによって駆動される発電機と、出力軸に連結された電動機とを備え、エンジントルクと発電機による反力トルクとを合成して出力軸に伝達し、その発電機で発電した電力によって電動機を駆動し、そのトルクを出力軸に伝達するパラレルハイブリッドと、出力軸とエンジンおよび発電機との連結を解除し、エンジンで発電機を駆動して得られた電力で電動機を駆動することにより、走行のための駆動トルクを発生させるシリーズハイブリッドとの二つの駆動形態を選択できる装置が記載されている。

特開２００５−１１２０１９号公報 特開２００４−１８３８０１号公報 特開２０００−２０９７０６号公報

上記の特許文献１に記載された装置では、低速用の作動モードと高速用の作動モードとを設定できるから、低車速で大きい駆動力を必要とする場合に低速用作動モードを設定することにより、エンジン回転数の増大を抑制して必要とする駆動力を得ることができる。また、車速がある程度高くなった場合には、高速用の作動モードを設定することにより、エンジン回転数が高くなることを抑制することができる。

しかしながら、例えば、エンジン回転数が燃費の最適となる回転数から高回転数側に大きく外れるような高車速走行の場合、高速用の作動モードにおいて各モータ／発電機の回転数を制御することにより、エンジン回転数を相対的に低下させることができるが、特許文献１に記載された構成では、エンジンから出力軸に向けたトルクの伝達方向で出力側に連結されている第２モータ／発電機を発電機として機能させ、その電力を入力側に連結されている第１モータ／発電機に供給してこれをモータとして機能させることになる。そのため、高車速時にエンジン回転数の上昇を抑制しようとすると、エンジンの動力で発電を行い、その電力でモータを駆動してそのモータによる動力を、エンジンの出力した動力に加えることになる。

これは、電力を媒介とした動力の循環の状態であり、エネルギーの変換に伴う損失などの動力損失が増大し、結局は、動力の伝達効率が低く、燃費が悪化する可能性がある。また、動力循環に伴って、歯車に作用するトルクが増大するので、それに起因して動力の伝達効率が低下することに加えて、歯車機構の耐久性が低下し、あるいは歯車機構の強度を十分なものとするために歯車機構が大型化するなどの可能性があった。

また、特許文献１に記載された構成のハイブリッド駆動装置では、エンジンによって第１モータ・ジェネレータを駆動して発電させ、その電力で第２モータ・ジェネレータを逆転力行させると、すなわち前進時の回転方向とは反対方向に回転するようにモータとして機能させると、上記の場合と同様に、動力循環が生じて動力の伝達効率が悪化する。これに加えて、エンジンから増減速用遊星歯車機構にトルクが伝達され、これが、第２モータ・ジェネレータによる後進方向のトルクを減じるように作用するので、駆動トルクが低下してしまう。

この発明は上記の技術的課題に着目して成されたものであり、動力の伝達効率を向上させて燃費の向上を図ることのできるハイブリッド駆動装置を提供することを目的とするものである。

上記の目標を達成するために、請求項１の発明は、原動機が出力した動力を発電機が連結された反力要素と出力要素とに分配する動力分配遊星歯車機構と、前記出力要素に連結された電動機と、前記出力要素から伝達された動力を増減速する増減速遊星歯車機構と、これらの遊星歯車機構における所定の回転要素を他の所定の部材に選択的に連結する係合機構とを備え、その係合機構を係合させ、また解放させることにより複数の駆動モードを設定するように構成されたハイブリッド駆動装置において、前記係合機構は、前記原動機の回転数が相対的に低回転数になる最高速モードを設定するために係合する最高速用係合機構と、他の駆動モードを設定するために係合する非最高速用係合機構とを含み、前記最高速用係合機構は、噛み合い式係合機構によって構成され、かつ前記非最高速用係合機構は、摩擦式係合機構によって構成されており、前記噛み合い式係合機構は、前記電動機に対してその軸線方向で隣接する位置に配置されるとともに、軸線方向に前後動して前記噛み合い式係合機構の係合解放状態を切り換えるアクチュエータを備え、かつ前記電動機は、軸線方向の少なくとも一方側に突出したステータコイルを備え、そのステータコイルの内周側に、前記アクチュエータの少なくとも一部が配置されてこれらステータコイルとアクチュエータとの少なくとも一部が軸線方向でオーバーラップしていることを特徴とするものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記噛み合い式係合機構と並列に配置された他の摩擦式係合機構を更に備え、前記高速モードもしくは最高速モードと他の駆動モードとの間でモードの切り換えを行う場合には前記噛み合い式係合機構を解放状態に維持しかつ前記他の摩擦式係合機構の係合解放状態を切り換え、前記高速モードもしくは最高速モードを設定する場合には前記噛み合い式係合機構を係合させかつ前記他の摩擦式係合機構を解放状態にするように構成されていることを特徴とするハイブリッド駆動装置である。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記アクチュエータは、前記電動機の回転中心軸線に対して同心円上に配置された円筒部を備え、その円筒部によって、前記電動機の回転部材を支持する軸受が保持されていることを特徴とするハイブリッド駆動装置である。

この発明によれば、原動機から出力された動力が動力分配遊星歯車機構によって発電機と出力要素とに分配される。言い換えれば、エンジントルクと発電機による反力トルクとが合成されて出力要素から出力される。そして、その出力要素に対して電動機からトルクが付加される。出力トルクは増減速遊星歯車機構に連結されているので、出力要素の動力が、増減され、もしくはそのまま出力される。上記の各遊星歯車機構は、係合機構によって相互に連結され、あるいは所定の回転要素が固定され、したがってその連結状態あるいは固定状態に応じて複数の駆動モードが設定される。この駆動モードは、出力回転数もしくは車速に対する原動機の回転数あるいは発電の状態が互いに異なる駆動状態であって、その駆動状態には高速モードが含まれる。その高速モードは、各遊星歯車機構の所定の回転要素が係合機構によって互いに連結されて各遊星歯車機構が所定の複合遊星歯車機構を構成することにより設定される駆動モードであって、その複合遊星歯車機構についての共線図で、前記発電機が連結された回転要素および出力部材が連結された回転要素ならびに前記原動機が連結された回転要素および前記電動機が連結された回転要素の順に並ぶ駆動状態である。そして、その電動機およびこれが連結されている出力要素をブレーキ機構によって固定することができる。したがってこの高速モードで電動機をブレーキ機構によって固定した状態では、原動機を駆動させ、かつ発電機で発電を行って反力トルクを生じさせることにより、出力回転数に対して原動機の回転数が低回転数となるオーバードライブ状態を設定することができる。この高速モードは、低負荷高速状態で設定され、しかも動力循環が生じず、しかも電力変換を伴わない動力伝達が可能であるから、動力の伝達効率が向上し、またその使用頻度が高いことにより、燃費の向上効果が優れる。

また、この発明によれば、複数の駆動モードを設定することができる。そのうちの最高速モードを設定する係合機構は噛み合い式係合機構によって構成されているので、使用頻度の高い最高速モードを維持するために動力を殆ど消費せず、したがって最高速モードでの動力伝達効率や燃費を向上させることができる。さらに、発電機の一部とこれに隣接する噛み合い式係合機構の一部とが軸線方向でオーバーラップして配置されるから、スペースを有効に使用して全長を短縮し、ひいては小型化を図ることができる。

請求項２の発明によれば、使用頻度の高い高速モードもしくは最高速モードを設定している状態では、そのモードを設定するための係合機構を係合状態に維持するために動力を殆ど消費することがなく、また駆動モードの切り換えは摩擦式の係合機構を動作させて実行できるので、動力伝達効率や燃費の向上とモード切り換えの際のショックの防止とを両立させることができる。

請求項３の発明によれば、噛み合い式係合機構を動作させるアクチュエータの一部が、発電機における回転部材を支持する軸受の保持部材を兼ねるので、部品の共用化および部品数の削減によって装置の全体としての構造を小型化することができる。

この発明に係る駆動装置の参考例を模式的に示すスケルトン図である。 その駆動装置で第１モードと第２モードとを設定するための各クラッチの係合・解放状態を示す図表である。 その第１モードにおける運転状態を示す共線図である。 その第２モードにおける運転状態を示す共線図である。 この発明に係る駆動装置の一例を模式的に示すスケルトン図である。 その駆動装置で第１モードと第２モードと第３モードとを設定するための各クラッチの係合・解放状態を示す図表である。 その第３モードにおける運転状態を示す共線図である。 この発明に係る駆動装置の他の例を模式的に示すスケルトン図である。 この発明に係る駆動装置の他の参考例を模式的に示すスケルトン図である。 その係合機構の動作位置を模式的に示す図である。 その後進状態を説明するための共線図である。 図１に示す第２ブレーキのアクチュエータの一例を示す断面図である。 図５に示す第２クラッチのアクチュエータの一例を示す断面図である。

つぎにこの発明を具体例に基づいて説明する。図１はこの発明の参考例を示す図であって、ここに示す例では、原動機（エンジン：ＥＮＧ）１と、発電機あるいは電動機として二つのモータ・ジェネレータ（ＭＧ１、ＭＧ２）２，３とが動力装置として設けられ、また、三組の遊星歯車機構４，５，６が用いられている。その原動機１は、要は内燃機関であって、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン、あるいは天然ガスエンジンなどの燃料を燃焼して動力を出力する動力装置である。好ましくはスロットル開度などの負荷を電気的に制御でき、また所定の負荷に対して回転数を制御することにより燃費が最も良好な最適運転点に設定できる内燃機関である。以下の説明では、原動機１をエンジン１と記す。

このエンジン１が第１の遊星歯車機構４に連結されている。第１遊星歯車機構４は、動力の合成もしくは分配の機能を有する三要素の差動歯車機構であり、この発明の動力分配遊星歯車機構に相当する。したがって第１遊星歯車機構４は、シングルピニオン型遊星歯車機構やダブルピニオン型遊星歯車機構を用いて構成することができ、図１に示す例では、キャリヤ（以下、仮に第１キャリヤと記すことがある。）Ｃfを入力要素、サンギヤ（以下、仮に第１サンギヤと記すことがある。）Ｓfを反力要素、リングギヤ（以下、仮に第１リングギヤと記すことがある。）Ｒfを出力要素としたシングルピニオン型遊星歯車機構によって構成されている。すなわち、外歯歯車であるサンギヤＳfの外周側に、内歯歯車であるリングギヤＲfがサンギヤＳfに対して同心円上に配置され、これらのサンギヤＳfとリングギヤＲfとに噛み合っているピニオンギヤがキャリヤＣfによって自転自在および公転自在に保持されている。そして、そのキャリヤＣfにエンジン１のクランクシャフトなどの出力用の部材が連結されている。なお、エンジン１とキャリヤＣfとの間に、発進用のクラッチやトルクコンバータ（ロックアップクラッチ付のトルクコンバータ）などの動力伝達機構を適宜に設けてもよいことは勿論である。したがってキャリヤＣfが入力要素となっている。

また、第１遊星歯車機構４のサンギヤＳfに第１モータ・ジェネレータ（ＭＧ１）２が連結されている。この第１モータ・ジェネレータ２は、この発明の発電機に相当し、一例として、ロータに永久磁石を備えた同期電動機によって構成され、発電機および電動機として機能するように構成されている。そして、そのロータがサンギヤＳfに連結され、ステータがケーシング（図示せず）などに固定されている。したがってサンギヤＳfが反力要素となっている。

さらに、リングギヤＲfが出力要素となっており、このリングギヤＲfに第２モータ・ジェネレータ（ＭＧ２）３が連結されている。この第２モータ・ジェネレータ３は、この発明の電動機に相当し、一例として、上述した第１モータ・ジェネレータ２と同様に、永久磁石式同期電動機によって構成されており、そのロータがリングギヤＲfに連結され、かつステータがケーシングに固定されている。

上記の第２モータ・ジェネレータ３を挟んで前記エンジン１とは反対側に増減速遊星歯車機構が配置されている。この増減速遊星歯車機構は、一組の遊星歯車機構や、複数組の遊星歯車機構を組み合わせて構成した複合遊星歯車機構によって構成することができ、さらにはラビニョ型遊星歯車機構などによって構成することができる。図１に示す例では、第２および第３の遊星歯車機構５，６によって構成されている。これらの遊星歯車機構５，６はいずれもシングルピニオン型の遊星歯車機構であり、したがって第２遊星歯車機構５は、外歯歯車であるサンギヤ（以下、仮に第２サンギヤと記すことがある。）Ｓmと、そのサンギヤＳmに対して同心円上に配置された内歯歯車であるリングギヤ（以下、仮に第２リングギヤと記すことがある。）Ｒmと、これらのサンギヤＳmとリングギヤＲmとに噛み合っているピニオンギヤを自転自在および公転自在に保持しているキャリヤ（以下、仮に第２キャリヤと記すことがある。）Ｃmとを回転要素として有している。また同様に、第３遊星歯車機構６は、外歯歯車であるサンギヤ（以下、仮に第３サンギヤと記すことがある。）Ｓrと、そのサンギヤＳrに対して同心円上に配置された内歯歯車であるリングギヤ（以下、仮に第３リングギヤと記すことがある。）Ｒr、これらのサンギヤＳrとリングギヤＲrとに噛み合っているピニオンギヤを自転自在および公転自在に保持しているキャリヤ（以下、仮に第３キャリヤと記すことがある。）Ｃrとを回転要素として有している。

そして、第２サンギヤＳmと第３サンギヤＳrとが一体となって回転するように連結され、また第２キャリヤＣmと第３リングギヤＲrとが一体となって回転するように連結されている。この互いに連結されている第２キャリヤＣmと第３リングギヤＲrとに出力部材７が連結されている。この出力部材７は、回転軸あるいは歯車あるいはプーリなどの適宜の部材であり、前記各遊星歯車機構４，５，６の中心軸線の延長上に配置され、エンジン１とは反対側の端部で動力を他の部材（図示せず）に対して出力するようになっている。

さらに、複数の動力伝達形態（すなわち駆動モード）を設定するための係合機構が設けられている。具体的には、第２リングギヤＲmを選択的に固定するブレーキ機構（以下、第１ブレーキと記す。）Ｂ１が設けられている。この第１ブレーキＢ１は、湿式多板ブレーキあるいはバンドブレーキによって構成され、電気信号に基づいて動作するアクチュエータ（図示せず）によって係合・解放動作するように構成されている。

また、第２モータ・ジェネレータ３の回転を選択的に止めるブレーキ機構（以下、第２ブレーキと記す）Ｂ２が設けられている。この第２ブレーキＢ２は、スプラインや凹凸部などの互いに噛み合う部分を有するドグクラッチあるいは噛み合いクラッチなどの噛み合い係合機構から構成されている。具体的には、第２モータ・ジェネレータ３と前記各サンギヤＳm，Ｓrとを連結している円筒軸にハブ８が一体化され、その外周部に形成されたスプラインにスリーブ９が軸線方向に移動自在に嵌合している。そのハブ８に軸線方向で隣接した位置に、トランスミッションケース１０に一体化されているスプライン１１が設けられ、前記スリーブ９がこのスプライン１１に係合するようになっている。このスリーブ９を軸線方向に前後動させるアクチュエータについては後に説明する。なお、図１に示す例では、出力要素である前記第１遊星歯車機構４のリングギヤＲfと第２モータ・ジェネレータ３と各サンギヤＳm，Ｓrとが互いに連結されているので、第２ブレーキＢ２によって第２モータ・ジェネレータ３を固定することにより、前記リングギヤＲfと各サンギヤＳm，Ｓrとが固定される。

さらに、第１キャリヤＣfもしくはエンジン１と第３キャリヤＣrとを選択的に連結するクラッチ機構（以下、単にクラッチもしくは第１クラッチと記す。）Ｃ１が設けられている。このクラッチＣ１は、一例として湿式多板クラッチなどの摩擦係合機構によって構成され、電気信号に基づいて動作するアクチュエータ（図示せず）によって係合・解放動作するように構成されている。したがって、トランスミッションケース１０やキャリヤなどの回転要素がこの発明における「他の所定の部材」に相当している。

上記の各モータ・ジェネレータ２，３は、それぞれに対応して設けたインバータ１２，１３を介してバッテリあるいはキャパシタなどの蓄電装置１４に接続されている。したがって、一方のモータ・ジェネレータ２（もしくは３）を発電機として機能させ、その発電された電力を他方のモータ・ジェネレータ３（もしくは２）に与えてこれをモータとして機能させるように構成されている。また、蓄電装置１４からいずれかのモータ・ジェネレータ２，３に電力を供給して、そのモータ・ジェネレータ２，３をモータとして機能させるようになっている。

そして、上記の各インバータ１２，１３やブレーキＢ１，Ｂ２およびクラッチＣ１などを制御する電子制御装置（ＥＣＵ）１５が設けられている。この電子制御装置１５は、マイクロコンピュータを主体として構成され、各モータ・ジェネレータ２，３による発電やモータとしての出力トルクあるいはブレーキＢ１，Ｂ２およびクラッチＣ１の係合・解放などの各制御を行う制御信号を出力するように構成されている。なお、この電子制御装置１５には、車速やアクセル開度、蓄電装置１４における蓄電容量（ＳＯＣ：State Of Charge）などの各種の信号が入力されている。

つぎに上述した構成のハイブリッド駆動装置の作用について説明する。上記のハイブリッド駆動装置では、前進走行するための駆動モードとして二種類のモードを設定することができる。ここで駆動モードとは、エンジン１から出力部材７にトルクを伝達する形態もしくは動力伝達経路であり、あるいは各モータ・ジェネレータ２，３の動作状態の組み合わせである。具体的には、これらの駆動モードは、この発明における低速モードに相当する第１モードＬoとこの発明における高速モードに相当する第２モードＭidとであり、上記のブレーキＢ１，Ｂ２およびクラッチＣ１の係合・解放状態に応じて設定される。

図２に、各駆動モードとブレーキＢ１，Ｂ２およびクラッチＣ１の係合・解放の状態との関係をまとめて示してある。なお、図２で「〇」印は係合状態を示し、「×」印は解放状態を示す。先ず、第１モードＬoは、第１ブレーキＢ１を係合させ、かつクラッチＣ１および第２ブレーキＢ２を解放させて設定される。したがって、第１遊星歯車機構４は、第２および第３の遊星歯車機構５，６に対してリングギヤＲfのみが連結されているので、単独で増減速作用もしくはトルクの合成・分配作用を行い、その出力トルクを第２もしくは第３の遊星歯車機構５，６に伝達する。これに対して、第２遊星歯車機構５は、リングギヤＲmが第１ブレーキＢ１によって固定され、その状態でサンギヤＳmに第１遊星歯車機構４からトルクが伝達されるので、そのサンギヤＳmが入力要素、リングギヤＲmが固定要素（もしくは反力要素）、キャリヤＣmが出力要素となる。したがって、第２遊星歯車機構５が減速機として機能する。さらに、第３遊星歯車機構６は、そのキャリヤＣrが他のいずれの部材とも連結されておらず、自由に回転できるので、トルクの伝達もしくは変速機として特に機能しない。

この状態における共線図を図３に示してあり、第１キャリヤＣfにエンジン１から動力を入力するとともに、第１モータ・ジェネレータ２を発電機として機能させて第１サンギヤＳfに反力トルクを与えると、第１リングギヤＲfにこれらのトルクを合成したトルクが現れる。言い換えれば、エンジントルクが第１モータ・ジェネレータ２と第１リングギヤＲfとに分配される。またその第１リングギヤＲfが第１キャリヤＣfおよび第１サンギヤＳfの回転数に対して第１遊星歯車機構４のギヤ比（第１サンギヤＳfと第１リングギヤＲfとの歯数の比）で定まる回転数で回転する。

これは、図３のほぼ左半分に示す状態であり、第１リングギヤＲfの回転数を一定とした場合、第１モータ・ジェネレータ２の回転数に応じて第１キャリヤＣfの回転数すなわちエンジン回転数が変化する。したがって、例えば車両が停止していることにより第１リングギヤＲfが停止している場合であっても、第１モータ・ジェネレータ２の回転数を大きくすることにより、エンジン１をアイドリング状態に維持できる。また、このような場合、第１リングギヤＲfに現れるトルクは、エンジン１の出力したトルクより小さくなる。

一方、第２遊星歯車機構５は、そのリングギヤＲmが第１ブレーキＢ１によって固定された状態で、そのサンギヤＳmに第１リングギヤＲfからトルクが入力され、さらにキャリヤＣmが出力部材７に連結されているので、サンギヤＳmを入力要素、キャリヤＣmを出力要素、リングギヤＲmを固定要素（もしくは反力要素）とした減速機として機能する。これは図３のほぼ右半分に示す状態であり、出力要素である第２キャリヤＣmもしくはこれと一体の出力部材７の回転数は、入力要素であるサンギヤＳmの回転数より小さくなり、またトルクは増幅されて出力部材７に伝達される。

したがって、この第１モードＬoでは、エンジン回転数に対して出力部材７の回転数を低下させ、エンジントルクに対して出力部材７のトルクを大きくすることができる。そのため、高負荷低車速状態でエンジン回転数を低下させたり、それに伴うトルクの不足を第２モータ・ジェネレータ３で大きく補うなどの事態を回避できる。その結果、電力への変換を伴う動力伝達の割合を少なくして動力伝達損失を防止もしくは抑制し、燃費を向上させることができる。また、上述したように、第１遊星歯車機構４から出力したトルクを第２遊星歯車機構５を介して出力部材７に出力するから、動力循環が生じることがなく、そのため、歯車に係る荷重を低下させて歯車の耐久性を向上させることができるとともに、ギヤノイズを低減でき、さらには摩擦による動力損失を低減して燃費の向上の点で有利になる。

車速がある程度増大した後に、第２モードＭidに切り替えられる。この第２モードＭidは、図２に示すように、第１クラッチＣ１および第２ブレーキＢ２を係合させて設定される。すなわち、第１モードＬoを設定していた第１ブレーキＢ１を解放するとともに、第１クラッチＣ１および第２ブレーキＢ２を係合させることになる。その第１クラッチＣ１は、エンジン１と第３キャリヤＣrとを連結するものであるから、駆動モードの切り替えに伴うショックを防止するために、いわゆる同期切替を実行することが好ましい。その同期切替とは、第１クラッチＣ１の係合・解放の状態の変更に伴っていずれかの回転部材の回転数に変化を生じさせない切替制御であり、具体的には、エンジン回転数もしくは第１キャリヤＣfの回転数と、第３キャリヤＣrとの回転数を一致させた状態で、第１クラッチＣ１を係合もしくは解放させる。

このようにして設定される第２モードＭidでは、第１遊星歯車機構４のリングギヤＲfと第３遊星歯車機構６のサンギヤＳr、および第１遊星歯車機構４のキャリヤＣfと第３遊星歯車機構６のキャリヤＣrとがそれぞれ連結されるから、第１および第３の遊星歯車機構４，６が、四つの回転要素を有する複合遊星歯車機構を構成する。すなわち、第１キャリヤＣfが入力要素、第１サンギヤＳfが他の入力要素、第１リングギヤＲfおよびこれと一体の第３サンギヤＳrが反力要素、第３リングギヤＲrが出力要素となる。この複合遊星歯車機構についての共線図を図４に示してある。図４の共線図に示すように、第２モードＭidでは、第１モータ・ジェネレータ２が連結された回転要素（第１サンギヤＳf）、出力部材７が連結された回転要素（第２キャリヤＣm、第３リングギヤＲr）、エンジン１が連結された回転要素（第３キャリヤＣr、第１キャリヤＣf）、第２モータ・ジェネレータ３が連結された回転要素（第１リングギヤＲf、第２および第３のサンギヤＳm，Ｓr）が、ここに挙げた順に配列される。

この第２モードＭidでは、サンギヤＳrが固定されている第３遊星歯車機構６のキャリヤＣrにエンジン１から動力を入力し、そのリングギヤＲrから出力することになる。したがって、第３遊星歯車機構６が増速機構（オーバードライブ機構）として機能する。その場合、第１遊星歯車機構４のサンギヤＳfおよびこれに連結されている第１モータ・ジェネレータ２が正回転するが、第２モータ・ジェネレータ３が固定されているので、第１モータ・ジェネレータ２で特に発電する必要はなく、また蓄電装置１４でのＳＯＣが十分であれば、この点でも第１モータ・ジェネレータ２で発電する必要はなく、したがって第１モータ・ジェネレータ２を空転させておくことができる。すなわち、電力を介した動力の伝達が生じない。

このように、第２モードＭidでは、第３遊星歯車機構６を増速機構として機能させて、いわゆる機械的伝達のみによってエンジン１から出力部材７に動力を伝達することができる。そのため、低負荷高速走行時にエンジン回転数を相対的に低く抑えて燃費の良い運転を行うことができる。また、電力損失が殆ど皆無であり、また当然に動力循環が生じないから、その点での動力損失を防止できる。さらに、第２モードＭidを設定するために係合している第２ブレーキＢ２は、噛み合い係合機構であって係合状態を維持するために油圧を発生させるなどのエネルギーを消費しないから、この点での動力損失を防止できる。結局、第２モードＭidでは、動力損失を防止もしくは抑制して動力の伝達効率を向上させることができる。また、第２モードＭidは、車両が走行する際に比較的、高頻度で設定されるから、第２モードＭidを上記のように構成することにより、車両の燃費を向上させることができる。

なお、噛み合い式係合機構は、解放状態と係合状態とでトルクの伝達容量が０％と１００％とに切り替わる。しかしながら、上述したハイブリッド駆動装置では、噛み合い式係合機構である第２ブレーキＢ２を、第２モードＭidを設定する際にのみ係合させるように構成され、第１モードＬoでは摩擦式係合機構である第１ブレーキＢ１を係合させるように構成されており、しかも第２モードＭidを設定する際の第２ブレーキＢ２の係合制御は、車速がある程度高車速になっており、またトルクが比較的低トルクであるために容易である。したがって、噛み合い式係合機構である第２ブレーキＢ２を使用するとしても、駆動モードの切り換えに伴うショックを防止もしくは抑制することができる。

上述したように、第１ブレーキＢ１を係合させることにより第１モードＬoが設定されるから、この第１ブレーキＢ１がこの発明における「低速モードを設定する機構」もしくは「非最高速用係合機構」に相当する。また、第１クラッチＣ１および第２ブレーキＢ２を係合させることにより第２モードＭidが設定されるから、この第１クラッチＣ１および第２ブレーキＢ２がこの発明における「高速モードを設定する機構」もしくは「最高速用係合機構」に相当する。

つぎにこの発明の一具体例について説明する。上述した参考例は、二つの駆動モードを設定できるように構成した例であるが、上記のギヤトレーンの構成を僅かに変更することにより三つの駆動モードを設定可能なハイブリッド駆動装置を得ることができる。その例を図５に示してある。ここに示す例は、上述した第２遊星歯車機構５におけるリングギヤＲmとサンギヤＳmとを選択的に連結する他のクラッチ機構（以下、仮に第２クラッチと記すことがある。）Ｃ２を設け、かつこの第２クラッチＣ２を噛み合い式係合機構によって構成した例である。すなわち、この第２クラッチＣ２は、前述した第２ブレーキＢ２と同様に、ハブ８とスリーブ９とスプライン１１とからなり、そのスプライン１１が第２リングギヤＲmと一体化されている。なお、この第２クラッチＣ２は、要は、第２遊星歯車機構５もしくは第３遊星歯車機構６の全体を一体化させるためのものであるから、第２遊星歯車機構５における少なくともいずれか二つの回転要素もしくは第３遊星歯車機構６における少なくともいずれか二つの回転要素を連結するものであればよい。他の構成は図１に示す構成と同様であるから、図５に図１と同様の符号を付してその説明を省略する。

したがって図５に示す構成のハイブリッド駆動装置では、上述した二つの駆動モードＬo，Ｍidに加えて、より高速で走行する場合に適した第３モードＨiを設定することができる。図６に、図５に示すハイブリッド駆動装置で各駆動モードを設定するための係合装置の係合・解放の状態をまとめて示してあり、第３モードＨiは、第２クラッチＣ２を係合させることにより設定される。この場合、第１クラッチＣ１および第１ブレーキＢ１は、解放状態とされるから、第１遊星歯車機構４は前述した第１モードＬoの場合と同様の状態になる。すなわち、キャリヤＣfに入力されたエンジントルクに対して、第１モータ・ジェネレータ２を発電機として駆動するトルクがサンギヤＳfに反力トルクとして作用し、これらのトルクを合成したトルクが出力要素である第１リングギヤＲfに生じる。

これに対して、第２遊星歯車機構５では、そのサンギヤＳmとリングギヤＲmとが第２クラッチＣ２によって連結されるので、第２遊星歯車機構５の全体が一体となって回転する。さらに、この第２遊星歯車機構５に対して第３遊星歯車機構６のサンギヤＳrとキャリヤＣrとが連結されているので、第２遊星歯車機構５の全体が一体となって回転することに伴って第３遊星歯車機構６もその全体が一体となって回転する。すなわち、第２および第３遊星歯車機構５，６は、それらの全体が一体回転し、特に変速作用は生じない。

この状態を図７に共線図で示してあり、エンジン１による駆動トルクと第１モータ・ジェネレータ２による反力トルクとを合成したトルクが、第１リングギヤＲfからそのまま出力部材７に出力される。したがってこの場合は、第１モータ・ジェネレータ２が発電機として機能し、その電力が第２モータ・ジェネレータ３に供給されてこれがモータとして機能する。この各モータ・ジェネレータ２，３を介した動力の伝達方向は、エンジントルクをそのまま伝達する方向（いわゆる直達トルクの方向）と同じであるから、動力循環は生じない。そのため、歯車に係る荷重を低下させて歯車の耐久性を向上させることができるとともに、ギヤノイズを低減でき、さらには摩擦による動力損失を低減して燃費の向上の点で有利になる。

この第３モードＨiでは、エンジン回転数に対して第１モータ・ジェネレータ２の回転数を僅かに低回転数とするだけで、出力部材７の回転数（すなわち出力回転数）をエンジン回転数（すなわち入力回転数）より高回転数とすることができる。これは、いわゆるオーバードライブ状態であって、高車速時にエンジン回転数を相対的に低くして効率の良い運転を行い、燃費を向上させることができる。特に第２クラッチＣ２は噛み合い式の係合機構であるから、係合状態を維持するために油圧を発生させるなどの動力もしくはエネルギーを特には必要としないので、この点での動力損失がほぼ皆無となる。そして、第３モードＨiはこの発明における最高速モードに相当し、車両の巡航の際に設定される頻度が高いから、動力損失が少なく、動力伝達効率が良好であることにより、燃費の向上効果に優れている。そして、図５に示す構成では、噛み合い式係合機構である第２クラッチＣ２を最高速モードである第３モードＨiで係合させるように構成されているので、第２クラッチＣ２の係合・解放の制御が比較的容易であり、したがってモードの切り換えによるショックを防止もしくは低減と燃費の向上とを両立させることができる。

上述したように、第２クラッチＣ２を係合させることにより第３モードＨiが設定されるから、この第２クラッチＣ２がこの発明における「最高速用係合機構」に相当する。

上述した図５に示す例では、単一の噛み合い式係合機構によって第２クラッチＣ２が構成されているが、その噛み合い式係合機構と並列に摩擦式係合機構（すなわち摩擦クラッチ）Ｃ２０を設けることもできる。その例を図８に示してある。この摩擦クラッチＣ２０は、たとえば油圧が供給されて係合するように構成されたクラッチであって、第３モードＨiを設定する場合に油圧が次第に高くなることによりトルク容量が徐々に増大するようになっている。そして、この摩擦クラッチＣ２０が完全に係合した後、もしくはこれとほぼ同時に噛み合い式の第２クラッチＣ２が係合させられ、かつ摩擦クラッチＣ２０が解放させられる。すなわち、第２リングギヤＲmと第２サンギヤＳmとを連結するクラッチが、摩擦クラッチＣ２０から噛み合い式の第２クラッチＣ２に切り換えられる。なお、第３モードＨiから他の駆動モードに切り換える場合には、摩擦クラッチＣ２０を係合させるとともに第２クラッチＣ２を解放した後、摩擦クラッチＣ２０が次第に解放させられる。

したがって、図８に示すように構成した場合には、駆動モードの切り替え時に摩擦クラッチＣ２０に滑りを生じさせてトルクの変化を滑らかにすることができるので、駆動モードの切り換えに伴うショックを、より確実に防止もしくは抑制することができる。なお、第３モードＨiの状態を維持するために特に動力を消費しないことにより燃費を向上できることは、上述した図５に示す例と同様である。

さらに、この発明の他の参考例を説明する。図９は、図１を参照して説明した第１モードＬoの動力伝達状態と、第２モータ・ジェネレータ３を固定する状態と、後進走行時の動力伝達状態とを、一つの係合機構で設定するように構成した例である。すなわち、図１を参照して説明した第２ブレーキＢ２が、第１リングギヤＲfとトランスミッションケース１０との間に設けられ、さらに連結部材であるスリーブ９によって、第１リングギヤＲfと第２モータ・ジェネレータ３および第２ならびに第３のサンギヤＳm，Ｓrとが選択的に連結されるように構成されている。具体的に説明すると、スリーブ９がスプライン嵌合したハブ８が、第１リングギヤＲfに一体化して設けられており、そのハブ８を挟んで第２モータ・ジェネレータ３とは反対側に、トランスミッションケース１０に一体化したスプライン１１が配置されている。また、前記ハブ８を挟んで前記スプライン１１とは反対側に、第２モータ・ジェネレータ３のロータと第２および第３のサンギヤＳm，Ｓrとを連結している円筒軸に一体化されたハブ１６が設けられ、そのハブ１６の外周部に、前記スリーブ９が係合するスプラインが形成されている。

そして、そのスリーブ９の長さ（軸長）は、スプライン１１とハブ８とハブ１６との三者に同時に係合することのできる長さに設定されている。また、スリーブ９は、これら三者に同時に係合する位置（電動機ロック位置）と、各ハブ８，１６に係合する位置すなわち第１リングギヤＲfと第２モータ・ジェネレータ３とを連結する通常位置と、ハブ８とスプライン１１とに係合する位置すなわち第１リングギヤＲfを固定する後進位置との三つの位置に移動できるように構成されている。これらの位置を図１０に模式的に示してある。なお、その移動は、図示しないアクチュエータによって行うようになっている。

図９に示すハイブリッド駆動装置において、スリーブ９を上記の通常位置に移動させれば、第１リングギヤＲfと第２モータ・ジェネレータ３とが連結されるので、これに加えて第１ブレーキＢ１を係合させれば、図１に示す例と同様に、低速モードに相当する第１モードＬoを設定することができる。したがって、この場合は、第２ブレーキＢ２がクラッチ機構として機能する。また、スリーブ９を電動機ロック位置に移動させれば、第１リングギヤＲfと第２モータ・ジェネレータ３とを連結した状態でその第２モータ・ジェネレータ３を固定することができる。すなわち、第２ブレーキＢ２がブレーキ機構として機能する。したがってこの状態で前記第１クラッチＣ１を係合させれば、図１に示す例と同様に、高速モードに相当する第２モードＭidを設定することができる。

さらに、スリーブ９を後進位置に移動させると、出力要素である第１リングギヤＲfと第２モータ・ジェネレータ３との連結が解除されるとともに、第１リングギヤＲfが固定される。したがって、第１遊星歯車機構４と第２および第３の遊星歯車機構５，６との間での動力の伝達が行われなくなるので、走行のための駆動力は第２モータ・ジェネレータ３で発生させることになる。すなわち、エンジン１の動力が第１遊星歯車機構４のキャリヤＣfに入力されるが、その遊星歯車機構４におけるリングギヤＲfが固定されているので、サンギヤＳfおよびこれに連結されている第１モータ・ジェネレータ２が、エンジン１あるいはこれが連結されているキャリヤＣfより高速で正回転する。したがって、第１モータ・ジェネレータ２を発電機として機能させて電力を得ることができる。

一方、第２モータ・ジェネレータ３に前記蓄電装置１４あるいは第１モータ・ジェネレータ２から電力を供給してこれをモータとして機能させると、その動力が第２サンギヤＳmに伝達される。第２遊星歯車機構５では、そのリングギヤＲmを第１ブレーキＢ１で固定しておくことにより、キャリヤＣmがサンギヤＳmに対して減速されて回転する。すなわち、第２遊星歯車機構５が減速機として機能し、そのキャリヤＣmから出力部材７に動力が出力される。したがって、いわゆるシリーズハイブリッドと称される駆動形態となる。

このように、スリーブ９を後進位置に設定した状態では、第２モータ・ジェネレータ３が電動機として機能することによる動力によって走行することになるから、第２モータ・ジェネレータ３の回転方向を前進走行時とは反対方向にすることにより、後進走行することができる。この状態における各遊星歯車機構４，５，６の動作状態を図１１に共線図によって示してある。なお、シリーズハイブリッドの駆動状態では、蓄電装置１４から第２モータ・ジェネレータ３に電力を供給して走行し、蓄電装置１４のＳＯＣが低下した場合に、エンジン１で第１モータ・ジェネレータ２を駆動して発電し、その電力を第２モータ・ジェネレータ３に供給することとしてもよい。いずれの場合であっても、第１遊星歯車機構４と他の遊星歯車機構５，６との機械的な連結が解かれているので、第２モータ・ジェネレータ３の逆回転方向のトルクとエンジン１の正回転方向のトルクとが干渉することがなく、その結果、後進走行時の駆動力を大きくすることができ、また動力の伝達効率が良好になる。なお、動力循環が生じないので、この点でも動力の伝達効率が良好になる。

さらに、図９および図１０に示す構成では、通常の動力伝達状態と、通常の動力伝達状態に加えて第２モータ・ジェネレータ３を固定した動力伝達状態と、第１リングギヤＲfと第２モータ・ジェネレータ３との連結を解除しかつ第１リングギヤＲfを固定した動力伝達状態とを設定することができ、しかもこれらの駆動状態を一つの係合機構によって切り換えて設定することができる。そのため、構成部品点数を少なくして、装置の全体としての構成を小型化することができる。

ここで、前述した噛み合い式係合機構のスリーブを駆動するためのアクチュエータについて説明する。図１２は前記第２ブレーキＢ２のスリーブ９を軸線方向に移動させるためのアクチュエータ２０を示しており、第２モータ・ジェネレータ３と第２遊星歯車機構５との間に、センターサポート２１が設けられている。このセンターサポート２１は、中心部に軸貫通孔を形成した板状の部材であって、トランスミッションケース１０の内周面に固定されている。このセンターサポート２１の中心側の部分には、軸線方向に延びた円筒状の部分が一体に形成されており、その円筒状部分における第２モータ・ジェネレータ３側の端部が閉じられ、したがってここにシリンダー部２２が形成されている。一方、第２モータ・ジェネレータ３におけるステータコイル２３は、図１２に示すように軸線方向に突出している。そして、このシリンダー部２２の端部が、ステータコイル２３の内周側に入り込み、両者が軸線方向でオーバーラップしている。

シリンダー部２２の内部には、油圧によって軸線方向に前後動するピストン２４が液密状態を維持して収容されており、このピストン２４にスリーブ９が一体化されている。このスリーブ９は、センターサポート２１を貫通して第２遊星歯車機構５側に突出しており、そのセンターサポート２１を貫通している部分でセンターサポート２１にスプライン嵌合している。すなわち、センターサポート２１の内周側の端部にスプライン１１が形成され、スリーブ９はこのスプライン１１に係合して廻り止めされるとともに、軸線方向に前後動自在となっている。

さらに、スリーブ９の先端側すなわち第２遊星歯車機構５側の端部内周面にスプラインが形成されており、そのスプラインが係合する前記ハブ８が、スリーブ９の先端側に配置されている。したがって、シリンダー部２２の内部に図示しない油路を介して油圧を供給すると、ピストン２４が図１２の右方向に前進し、その先端部が前記ハブ８にスプライン嵌合する。その結果、ハブ８がスリーブ９を介してセンターサポート２１に連結されるので、ハブ８およびこれが一体化されているロータ軸２６が固定されるようになっている。すなわち、ここに第２ブレーキＢ２が形成されている。また一方、シリンダー部２２における後端側（図１２の左側）の内周部に軸受２５が挿入されて取り付けられている。そして、この軸受２５によって第２モータ・ジェネレータ３のロータ軸２６が回転自在に支持されている。他の構成は、図１を参照して説明した構成となっているので、図１２に図１と同様の符号を付してその説明を省略する。

したがって図１２に示すように構成した場合には、前記シリンダー部２２とステータコイル２３とを軸線方向で一部オーバーラップさせてあるため、軸線方向でのスペースを有効に使用でき、その結果、装置の全体としての軸長を短縮し、ひいては小型化を図ることができる。また、アクチュエータ２０のケースであるシリンダー部２２が軸受２５を介した軸支持部を兼ねるので、この点でも部品点数を少なくして装置の全体としての構成を小型化することができる。

図１３は、上記のアクチュエータ２０を、図５に示す第２クラッチＣ２のスリーブ９を移動させるためのアクチュエータとした例を示している。ここに示すハブ８は、第２リングギヤＲmとほぼ等しい外径のドラム状の部材として構成され、その内周部でロータ軸２６にスプライン嵌合している。また、第２リングギヤＲmの外周部にスプライン１１が形成され、このスプライン１１に選択的に係合するスリーブ９が、ハブ８にスプライン嵌合するとともに、ピストン２４に連結され、ピストン２４と共に軸線方向に前後動するように構成されている。他の構成は、図５あるいは図１２に示す構成と同様であるから、図１３に図５もしくは図１２と同様の符号を付してその説明を省略する。

したがって、図１３に示すように構成した場合であっても、軸長の短縮化や装置の全体としての構成の小型化を図ることができる。

なお、この発明は上述した各例に限定されないのであって、各遊星歯車機構は、シングルピニオン型のものに限らず、ダブルピニオン型のものやラビニョ型などの他の構成の遊星歯車機構に置き換えることができる。その場合、各回転要素の連結関係やその機能が互いに入れ替わることになるが、それらの回転要素の連結関係が特許請求の範囲に記載した関係になっていればよい。

１…原動機（エンジン）、 ２…第１モータ・ジェネレータ、 ３…第２モータ・ジェネレータ、 ４，５，６…遊星歯車機構、 ７…出力部材、 ８，１６…ハブ、 １０…トランスミッションケース、 １１…スプライン、 ２０…アクチュエータ、 ２２…シリンダー部、 ２３…ステータコイル、 ２４…ピストン、 ２５…軸受、 ２６…ロータ軸、 Ｃf，Ｃm，Ｃr…キャリヤ、 Ｓf，Ｓm，Ｓr…サンギヤ、 Ｒf，Ｒm，Ｒr…リングギヤ、 Ｂ１，Ｂ２…ブレーキ機構、 Ｃ１，Ｃ２…クラッチ機構、 Ｃ２０…摩擦クラッチ。

Claims (3)

1. 原動機が出力した動力を発電機が連結された反力要素と出力要素とに分配する動力分配遊星歯車機構と、前記出力要素に連結された電動機と、前記出力要素から伝達された動力を増減速する増減速遊星歯車機構と、これらの遊星歯車機構における所定の回転要素を他の所定の部材に選択的に連結する係合機構とを備え、その係合機構を係合させ、また解放させることにより複数の駆動モードを設定するように構成されたハイブリッド駆動装置において、
   前記係合機構は、前記原動機の回転数が相対的に低回転数になる最高速モードを設定するために係合する最高速用係合機構と、他の駆動モードを設定するために係合する非最高速用係合機構とを含み、
   前記最高速用係合機構は、噛み合い式係合機構によって構成され、かつ前記非最高速用係合機構は、摩擦式係合機構によって構成されており、
   前記噛み合い式係合機構は、前記電動機に対してその軸線方向で隣接する位置に配置されるとともに、軸線方向に前後動して前記噛み合い式係合機構の係合解放状態を切り換えるアクチュエータを備え、かつ前記電動機は、軸線方向の少なくとも一方側に突出したステータコイルを備え、
   そのステータコイルの内周側に、前記アクチュエータの少なくとも一部が配置されてこれらステータコイルとアクチュエータとの少なくとも一部が軸線方向でオーバーラップしている
   ことを特徴とするハイブリッド駆動装置。
2. 前記噛み合い式係合機構と並列に配置された他の摩擦式係合機構を更に備え、
   前記高速モードもしくは最高速モードと他の駆動モードとの間でモードの切り換えを行う場合には前記噛み合い式係合機構を解放状態に維持しかつ前記他の摩擦式係合機構の係合解放状態を切り換え、前記高速モードもしくは最高速モードを設定する場合には前記噛み合い式係合機構を係合させかつ前記他の摩擦式係合機構を解放状態にするように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド駆動装置。
3. 前記アクチュエータは、前記電動機の回転中心軸線に対して同心円上に配置された円筒部を備え、その円筒部によって、前記電動機の回転部材を支持する軸受が保持されていることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド駆動装置。

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