JP5429665B2 - 動力源切り替え装置 - Google Patents

Description

本発明は、動力源となる原動機を複数搭載したハイブリッド車両に用いられ、車両を駆動する動力源の切り替え及び結合を行なう動力源切り替え装置に関する。

従来、例えば内燃機関及び電動機などの複数の原動機を搭載したハイブリッド車両に用いられる動力源切り替え装置として、内燃機関の出力軸をクラッチ及び遊星歯車機構を介して駆動軸に間接的に接続させると共に、電動機の出力軸を歯車を介して駆動軸に直接的に接続させる構成を備え、電動機のみの動力により車両を発進させた後（Ｍモード）、クラッチを接続させることにより内燃機関の動力を結合させて加速させ（Ｍ−Ｅモード）、その後、内燃機関の回転速度の上昇に伴って電動機が自由回転することにより、内燃機関のみの動力（Ｅモード）により車両を駆動させるものが知られている（特許文献１）。

特開昭５０−３０２２３号公報

しかしながら、特許文献１の切り替え装置は、内燃機関のみの動力により車両を駆動させる際においても電動機が常時回転しているため、電動機の不要な回転が負荷となり、内燃機関の動力伝達効率を低下させるという問題がある。

本発明は、以上の目的を達成するため、複数の原動機の動力を切り替え又は結合させて車両の車輪に効率良く伝達することができると共に、各原動機の回転を比較的低速回転で高速度を維持することができる動力源切り替え装置を提供することを目的とする。

以上の目的を達成するため、本発明に係る動力源切り替え装置は、装置本体に軸回転可能に支持され、一端がクラッチを介して第１原動機の出力軸と接続及び解放可能に設けられた駆動軸と、前記駆動軸上に固定して設けられた第１太陽歯車と、前記駆動軸上に前記第１太陽歯車と所定の間隔をおいて設けられ、該駆動軸に対して相対回転可能な第２太陽歯車と、一端に前記第１太陽歯車と噛合する第１遊星歯車が回転可能に設けられ、他端に前記第２太陽歯車と噛合する第２遊星歯車が回転可能に設けられた遊星歯車軸と、前記装置本体に固定して設けられ、前記第１遊星歯車と噛合する第１内面歯車と、前記第２遊星歯車と噛合する第２内面歯車と、前記第２内面歯車と一体として形成され、第２原動機と連動可能に接続された加速歯車と、前記第２太陽歯車と連動可能に接続され、車両の車輪に動力を伝達可能な推進軸とを備えることを特徴とする。

以上のように、本発明に係る動力源切り替え装置によれば、第１太陽歯車が駆動軸上に固定され、それぞれ第１及び第２太陽歯車と噛合する第１及び第２遊星歯車が同一の遊星歯車軸に回転可能に取り付けられると共に、第２太陽歯車が推進軸と連動可能に接続されているため、第１原動機の動力を推進軸に伝達することができる。一方、加速歯車が第２原動機と連動可能に接続されると共に、該加速歯車が第２遊星歯車と噛合する第２内面歯車と一体として形成されているため、第２原動機の動力を独立して、又は第１原動機の動力と結合して推進軸に伝達することができる。このように、本発明に係る動力源切り替え装置によれば、第１若しくは第２原動機の動力を独立して、又は結合して推進軸に伝達可能であるため、各原動機の回転が比較的低速回転であっても、高速度を維持することができる。
また、第１内面歯車が装置本体に固定されていることにより、第１原動機のみの動力により車両を駆動させる際に、特別な操作を要することなく、第２内面歯車の回転を停止させ、これに伴って第２原動機の回転を停止させることができるため、第２原動機の不要な回転による負荷等を無くし、第１原動機の動力伝達効率を向上させることができる。

本発明に係る動力源切り替え装置は、前記駆動軸上に設けられ、前記遊星歯車軸を支持する遊星歯車キャリアと、装置本体に軸回転可能に支持され、一端が発電機と接続された伝導軸と、該伝導軸に固定された歯車とを更に備え、前記遊星歯車キャリアには、外周に前記歯車と噛合する歯が形成されても良い。このように、遊星歯車キャリアの外周に形成された歯が歯車を介して伝導軸と接続されることにより、第１原動機の動力の一部を発電機に伝達し、発電機において発電を行なうことが可能となる。

また、本発明に係る動力源切り替え装置は、前記第２原動機と接続された伝導軸に固定された第１減速歯車と、前記第１減速歯車と噛合し、該第１減速歯車よりも大きな外径を有する第２減速歯車と、前記第２減速歯車と一体的に形成され、該第２減速歯車よりも小さな外径を有する第３減速歯車とを更に備え、前記第３減速歯車は、前記加速歯車と噛合するとしても良い。このように、第２原動機の出力を第１減速歯車、第２減速歯車及び第３減速歯車を介して伝達することにより、第２原動機の動力を増大させて推進軸に伝達することができるため、高回転の第２原動機を用いることが可能となる。

本発明によれば、複数の原動機の動力を切り替え又は結合させて車両の車輪に効率良く伝達することができると共に、各原動機の回転を比較的低速回転で高速度を維持することができる動力源切り替え装置を提供することができる。

本発明に係る動力源切り替え装置の構成を示す断面図である。 図１のＡ−Ａ´線に沿った断面図である。

次に、本発明に係る動力源切り替え装置の好適な実施態様について、図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態に係る動力源切り替え装置の構成を示す断面図、図２は、図１のＡ−Ａ´線に沿った断面図である。本実施形態に係る動力源切り替え装置１は、内燃機関３（第１原動機）の動力と電動機４（第２原動機）の動力とを切り替え又は結合させる動力源切り替え装置であり、図１に示すように、外側面にそれぞれ内燃機関３、電動機４及び発電機７を取付け可能に形成された装置本体２と、装置本体２に軸回転可能に設けられた駆動軸１０と、駆動軸１０上に所定の間隔をおいて設けられた第１太陽歯車３２及び第２太陽歯車４２と、一端に第１太陽歯車３２と噛合する第１遊星歯車３６が設けられ、他端に第２太陽歯車４２と噛合する第２遊星歯車４６が設けられた遊星歯車軸５２と、第１遊星歯車３６と噛合する第１内面歯車３４と、第２遊星歯車４６と噛合する第２内面歯車４４ａと、第２内面歯車４４ａと一体として形成され、減速歯車機構６０と噛合する加速歯車４４ｂと、遊星歯車軸５２を支持する遊星歯車キャリア５０と、差動装置５を介して車両の車輪６、６に動力を伝達可能な推進軸７０と、装置本体２に軸回転可能に設けられ、発電機７と接続された伝導軸８０とを備えている。

装置本体２は、密閉された空間を有し、一の側面２ａ（図１中、下側）に駆動軸１０を貫通させるための孔２ｃが形成され、この一の側面２ａと対向する他の側面２ｂ（図１中、上側）に、後述する第２太陽歯車軸４８を貫通させるための孔２ｄが形成されている。また、装置本体２の他の側面２ｂには、電動機４に接続された伝導軸２０を貫通させるための孔２ｅと、発電機７に接続された伝導軸８０を貫通させるための孔２ｆとがそれぞれ所定の位置に形成されている。装置本体２の孔２ｃには、駆動軸１０を軸回転可能に支持すると共に、駆動軸１０の逆回転を規制するワンウェイクラッチ１４が設けられており、装置本体２の孔２ｄ、２ｅ、２ｆには、それぞれ後述する第２太陽歯車軸４８、電動機４に接続された伝導軸２０及び発電機７に接続された伝導軸８０を軸回転可能に支持するベアリング１５、１７ａ、１８ａが設けられている。

駆動軸１０は、一端１０ａが装置本体２の外部に位置し、他端１０ｂが装置本体２の内部に設けられた後述する第２太陽歯車軸４８の中心中空部に挿入され、その中途部がワンウェイクラッチ１４を介して装置本体２の孔２ｃに支持されている。この一端１０ａには、内燃機関３の出力軸３ａと接続及び解放可能なクラッチ１２が装着されている。

第１太陽歯車３２及び第２太陽歯車４２は、同形同大に形成されており、第１太陽歯車３２は、駆動軸１０上に固定して設けられ、第２太陽歯車４２は、ベアリング１３を介して駆動軸１０上に相対回転可能に設けられている。この第２太陽歯車４２には、第２太陽歯車４２の背面側から推進軸７０側（図１中、上側）に延びて装置本体２の孔２ｄから装置本体２の外部に突出する第２太陽歯車軸４８が一体的に形成されている。この第２太陽歯車軸４８は、第２太陽歯車４２側（図１中、下側）から駆動軸１０を挿入可能な中心中空部を有し、該中心中空部と駆動軸１０との間にベアリング１３が設けられることにより、駆動軸１０を相対回転可能な状態で支持している。この第２太陽歯車軸４８は、ベアリング１５を介して装置本体２の孔２ｄに支持され、装置本体２の外部において推進軸７０と連結されている。

第１遊星歯車３６及び第２遊星歯車４６は、同形同大に形成されており、第１遊星歯車３６が遊星歯車軸５２の一端にベアリング４７ａを介して回転可能に設けられると共に、第２遊星歯車４６が遊星歯車軸５２の他端にベアリング４７ｂを介して回転可能に設けられることにより、それぞれ独立して自転すると共に、第１太陽歯車３２及び第２太陽歯車４２を中心として一体として公転するように、連結されている。このように連結された第１遊星歯車３６及び第２遊星歯車４６は、図１及び図２に示すように、第１太陽歯車３２及び第２太陽歯車４２の外周上に等間隔に４つ設けられ、遊星歯車軸５２は、遊星歯車キャリア５０にその中途部が固定されて設けられている。

第１内面歯車３４及び第２内面歯車４４ａは、同形同大に形成されており、この第１内面歯車３４は、第１太陽歯車３２及び第１遊星歯車３６と同心円上に位置するように、装置本体２の内壁面に固定して設けられている。第２内面歯車４４ａは、その外周面に後述する第３減速歯車６６と噛合可能な加速歯車４４ｂが一体として形成されており、電動機４と連動して回転するように形成されている。この第２内面歯車４４ａには、その背面から第２太陽歯車軸４８まで延びると共に、推進軸７０側（図１中、上側）に屈折して延びる加速歯車軸４９が一体的に形成されている。この加速歯車軸４９は、第２内面歯車４４ａが第２太陽歯車４２及び第２遊星歯車４６と同心円上に位置するように、第２太陽歯車軸４８の外周面上にベアリング１９を介して相対回転可能に設けられている。

遊星歯車キャリア５０は、図１に示すように、駆動軸１０上に設けられた第１太陽歯車３２と第２太陽歯車４２との間において、遊星歯車軸５２を支持した状態で、逆転防止用のワンウェイクラッチ１６を介して駆動軸１０上に設けられている。この遊星歯車キャリア５０は、遊星歯車軸５２を支持すると共に、ワンウェイクラッチ１６を介して駆動軸１０上に設けられることにより、第１遊星歯車３６及び第２遊星歯車４６の正方向の公転に伴って回転し、第１遊星歯車３６及び第２遊星歯車４６の逆方向の公転を規制する。また、この遊星歯車キャリア５０には、その外周面上に後述する歯車８２と噛合可能な歯５４が形成されている。

減速歯車機構６０は、図１及び図２に示すように、伝導軸２０に固定された第１減速歯車６２と、第１減速歯車６２と噛合し、第１減速歯車６２よりも大きな外径を有する第２減速歯車６４と、第２減速歯車６４と一体的に形成され、第２減速歯車６４よりも小さな外径を有し、加速歯車４４ｂと噛合する第３減速歯車６６とから構成されている。この伝導軸２０は、一端２０ａが装置本体２の孔２ｅから突出して電動機４と接続し、他端２０ｂが装置本体２の一の側面２ａの内壁にベアリング１７ｂを介して嵌合すると共に、その中途部がベアリング１７ａを介して装置本体２の孔２ｅに軸回転可能に支持されている。第２減速歯車６４及び第３減速歯車６６は、装置本体２の一の側面２ａから他の側面２ｂに亘って掛け渡された固定軸６８上に、ベアリング６９を介して回転可能に設けられている。これら第１減速歯車６２と、第２減速歯車６４及び第３減速歯車６６と、加速歯車４４ｂとは、それぞれ噛合して連結されており、電動機４に接続された伝導軸２０が回転すると連動して回転し、電動機４に接続された伝導軸２０が停止すると回転が停止されるように構成されている。

推進軸７０は、図１に示すように、一端が第２太陽歯車軸４８と連結され、他端が差動装置５の入力軸と連結されており、推進軸７０の回転が差動装置５を介して車両の車輪６、６に伝達されるように構成されている。

伝導軸８０は、一端８０ａが装置本体２の孔２ｆから突出して発電機７と接続し、他端８０ｂが装置本体２の一の側面２ａの内壁にベアリング１８ｂを介して嵌合すると共に、その中途部がベアリング１８ａを介して装置本体２の孔２ｆに軸回転可能に支持されている。この伝導軸８０には、遊星歯車キャリア５０の歯５４と噛合する歯車８２が固定して設けられており、遊星歯車キャリア５０の回転に連動して伝導軸８０が回転し、発電機７を起動させるように構成されている。

次に、本実施形態に係る動力源切り替え装置１の作動例について説明する。
まず、駆動軸１０に装着されたクラッチ１２を解放した状態において、図示しない操作スイッチを操作して電動機４を起動させる。これにより、電動機４の動力が伝導軸２０→減速歯車機構６０→加速歯車４４ｂ→第２内面歯車４４ａ→第２遊星歯車４６→第２太陽歯車４２→第２太陽歯車軸４８→推進軸７０→差動装置５→車輪６、６の順に伝達され、車両が発進する。

次に、車両が所要の速度、例えば３０ｋｍ／ｈ程度に達した場合には、車両を駆動する動力源を電動機４から内燃機関３に切り替える。この動力源の切り替えは、内燃機関３と駆動軸１０とをクラッチ１２により接続させて内燃機関３を起動させた後、図示しない操作スイッチを操作して電動機４を停止させ、内燃機関３を更に加速させることにより行なわれる。これにより、内燃機関３のみの動力によって車両を所要の速度、例えば６０ｋｍ／ｈ程度に到達させることができる。このように、電動機４の動力を利用して内燃機関３を起動させることにより、内燃機関３の起動専用のスタータ等が不要となり、部品点数を少なくすることができるため、車両の小型化及び低価格化に貢献することができる。

内燃機関３の動力は、駆動軸１０→第１太陽歯車３２→第１遊星歯車３６→第２遊星歯車４６→第２太陽歯車４２→第２太陽歯車軸４８→推進軸７０→差動装置５→車輪６、６の順に伝達されると共に、第１遊星歯車３６の公転に伴って遊星歯車キャリア５０が回転することにより、内燃機関３の動力の一部が分配されて、駆動軸１０→第１太陽歯車３２→第１遊星歯車３６→遊星歯車キャリア５０→歯車８２→伝導軸８０→発電機７の順に伝達され、発電機７が起動される。発電機７において発電された発電電力は、図示しない蓄電器に蓄えられ、電動機４に供給される。

ここで、内燃機関３のみの動力により車両を駆動させる場合には、電動機４の停止に伴い、伝導軸２０、第１減速歯車６２、第２減速歯車６４、第３減速歯車６６、加速歯車４４ｂ及び第２内面歯車４４ａの回転が必然的に停止される。すなわち、駆動軸１０が回転すると、第１太陽歯車３２が同一回転で回転し、これと噛合している第１遊星歯車３６が自転しながら第１太陽歯車３２を中心として公転する。また、第１遊星歯車３６の公転に伴って遊星歯車キャリア５０が回転し、これにより第２遊星歯車４６が自転しながら第２太陽歯車４２を中心として公転すると共に、第２太陽歯車４２を回転させる。この際、第１及び第２太陽歯車３２、４２、第１及び第２遊星歯車３６、４６、並びに第１及び第２内面歯車３４、４４は、それぞれ同形同大に形成されているため、それぞれ同一の回転動作をする。すなわち、駆動軸１０の回転は、同一の回転数で第２太陽歯車４２及び第２太陽歯車軸４８を回転させると共に、この第２太陽歯車軸４８と連結されている推進軸７０を回転させ、この推進軸７０の回転が車輪６、６に伝達される。一方、第１内面歯車３４は、装置本体２に固定されて静止しているため、第２内面歯車４４ａも同様に静止して回転が規制され、第２内面歯車４４ａと一体な加速歯車４４ｂの回転、並びに、この加速歯車４４ｂと連動する減速歯車機構６０及び伝導軸２０の回転が必然的に停止される。このように、本実施形態に係る動力源切り替え装置１においては、内燃機関３のみの動力により車両を駆動させる際に、特別な操作を要することなく、電動機４の自由回転を停止させることができるため、電動機４の不要な回転による負荷等を無くし、内燃機関３の動力伝達効率を向上させることができる。

次に、車両を急加速させる場合には、内燃機関３による出力を維持した状態で電動機４を再起動させ、内燃機関３の動力と電動機４の動力とを合成させる。これにより、例えば電動機４の回転数が３０ｋｍ／ｈに応じた回転数であり、内燃機関３の回転数が６０ｋｍ／ｈに応じた回転数である場合には、電動機４のみの動力により９０ｋｍ／ｈ程度に到達させることができる。このように、本実施形態に係る動力源切り替え装置１においては、内燃機関３の動力と電動機４の動力とを、走行状況に応じて適宜切り替えたり、結合したりすることができるため、内燃機関３及び電動機４の各原動機の回転が比較的低速回転であっても、高速度を維持することができる。

また、車両を後退させる場合には、図示しない操作スイッチを操作して、電動機４を逆回転させることにより行なうことができる。具体的には、電動機４を逆回転させることにより、伝導軸２０、減速歯車機構６０、加速歯車４４ｂ、第２内面歯車４４ａ、第２遊星歯車４６、第２太陽歯車４２、第２太陽歯車軸４８及び推進軸７０を逆回転させ、この推進軸７０の逆回転を差動装置５を介して車両の車輪６、６に伝達させることで、車両を後退させることができる。この際、遊星歯車キャリア５０は、駆動軸１０上にワンウェイクラッチ１６を介して設けられ、駆動軸１０は、装置本体２にワンウェイクラッチ１４を介して設けられているため、駆動軸１０及び遊星歯車キャリア５０は逆回転せずに静止している。このように、遊星歯車キャリア５０が静止していることにより、第２遊星歯車４６の公転が規制され、自転のみによって第２太陽歯車４２を回転させるため、電動機４の動力を効率良く車両の車輪６、６に伝達することができる。

本実施形態に係る動力源切り替え装置１の作動例においては、電動機４による動力を利用して発進し、その後、電動機４の動力を利用して内燃機関３を起動させると共に、電動機４の駆動を停止させ、内燃機関３のみの動力を利用して加速し、その後、再度電動機４を起動させ、電動機４のみの動力を利用して更に加速させるとしたが、これに限定されず、内燃機関３を駆動させるタイミング及び電動機４を駆動させるタイミングは、走行状況等に応じて適宜変更することができる。

本実施形態に係る動力源切り替え装置１において、電動機４の出力を加速歯車４４ｂに伝達させるために減速歯車機構６０を設けたが、これに限定されず、例えば、電動機４に接続された伝導軸２０に歯車を固定させ、該歯車と加速歯車４４ｂとを直接噛合させる構成や、電動機４と加速歯車４４ｂとを環状ベルトなどにより接続し、電動機４の出力に連動して加速歯車４４ｂが回転する構成としても良い。

また、本実施形態に係る動力源切り替え装置１においては、遊星歯車キャリア５０、伝導軸８０及び歯車８２を利用して内燃機関３の動力を分割し、発電機７を起動させる構成としたが、これに限定されず、例えば外部の供給源から充電可能な供給部をハイブリッド車両に設けることにより、伝導軸８０及び歯車８２を有しない動力源切り替え装置としても良い。

さらに、本実施形態に係る動力源切り替え装置１において、内燃機関３の回転数及び電動機４の回転数をそれぞれ規制する回転数制御装置を更に備える構成としても良く、このように、内燃機関３の回転数及び電動機４の回転数を制御することにより、内燃機関３及び電動機４の動力源の切り替えをより精度良く行なうことができる。また、従来のハイブリッド車両においては、走行中にどの動力源を利用して走行しているかを運転者が把握することが困難であったが、回転数制御装置を用いて内燃機関３及び電動機４の回転数を規制することにより、走行中の回転数から現在駆動している動力源を容易に把握することができる。

またさらに、本実施形態に係る動力源切り替え装置１において、第１原動機を内燃機関３、第２原動機を電動機４とし、これら内燃機関３と電動機４の動力の切り替え又は結合を行なう動力源切り替え装置としたが、これに限定されず、第１原動機及び第２原動機は、いかなる動力源であっても良く、例えば、第１原動機及び第２原動機のいずれも電動機であるとしても良い。

１ 動力源切り替え装置、２ 装置本体、３ 内燃機関、４ 電動機、５ 差動装置、６ 車輪、７ 発電機、１０ 駆動軸、２０、８０ 伝導軸、３２ 第１太陽歯車、３４ 第１内面歯車、３６ 第１遊星歯車、４２ 第２太陽歯車、４４ａ 第２内面歯車、４４ｂ 加速歯車、４６ 第２遊星歯車、５０ 遊星歯車キャリア、５２ 遊星歯車軸、６０ 減速歯車機構、８２ 歯車

Claims (2)

1. 装置本体（２）に軸回転可能に支持され、一端（１０ａ）がクラッチ（１２）を介して第１原動機の出力軸と接続及び解放可能に設けられた駆動軸（１０）と、
   前記駆動軸（１０）上に固定して設けられた第１太陽歯車（３２）と、
   前記駆動軸（１０）上に前記第１太陽歯車（３２）と所定の間隔をおいて設けられ、該駆動軸（１０）に対して相対回転可能な第２太陽歯車（４２）と、
   一端に前記第１太陽歯車（３２）と噛合する第１遊星歯車（３６）が回転可能に設けられ、他端に前記第２太陽歯車（４２）と噛合する第２遊星歯車（４６）が回転可能に設けられた遊星歯車軸（５２）と、
   前記装置本体（２）に固定して設けられ、前記第１遊星歯車（３６）と噛合する第１内面歯車（３４）と、
   前記第２遊星歯車（４６）と噛合する第２内面歯車（４４ａ）と、
   前記第２内面歯車（４４ａ）と一体として形成され、第２原動機と連動可能に接続された加速歯車（４４ｂ）と、
   前記第２太陽歯車（４２）と連動可能に接続され、車両の車輪（６）に動力を伝達可能な推進軸（７０）と、
   前記駆動軸（１０）上に設けられ、前記遊星歯車軸（５２）を支持する遊星歯車キャリア（５０）と、
   装置本体（２）に軸回転可能に支持され、一端（８０ａ）が発電機（７）と接続された伝導軸（８０）と、
   該伝導軸（８０）に固定された歯車（８２）と
   を備え、
   前記遊星歯車キャリア（５０）には、外周に前記歯車（８２）と噛合する歯（５４）が形成されている
   ことを特徴とする動力源切り替え装置。
2. 前記第２原動機と接続された伝導軸（２０）に固定された第１減速歯車（６２）と、
   前記第１減速歯車（６２）と噛合し、該第１減速歯車（６２）よりも大きな外径を有する第２減速歯車（６４）と、
   前記第２減速歯車（６４）と一体的に形成され、該第２減速歯車（６４）よりも小さな外径を有する第３減速歯車（６６）とを更に備え、
   前記第３減速歯車（６６）は、前記加速歯車（４４ｂ）と噛合することを特徴とする請求項１記載の動力源切り替え装置。

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