JP6046977B2 - ハイブリッドシステム - Google Patents

Description

本発明は、エンジン及びモータジェネレータの駆動力を変速機構に伝達するパラレル式のハイブリッドシステムに関する。

トラクタ、バックホー、多目的作業車、乗用自動車等の走行可能な作業機に搭載可能であって、エンジン及びモータジェネレータの駆動力をベルト式無段変速機構（ＣＶＴ）に伝達するハイブリッドシステムとして、特許文献１、２に開示されているものがある。
特許文献１の技術は、エンジンのクランク軸を多板式のクラッチの入力部材に連結し、クラッチの出力部材をベルト式無段変速機構のドライブ軸に連結しており、前記クラッチのクラッチハウジングの外周側にロータを一体回転可能に取り付けた電動機とを有し、エンジンで駆動する通常モードと、エンジン及び電動機で駆動するアシストモードと、電動機で駆動するＥＶモードと、電動機を回生制動する回生モードとを備えている。

また、特許文献２においては、エンジンのクランク軸を多板式のクラッチの入力部材に連結し、クラッチの出力部材をベルト式無段変速機構のドライブ軸の一端に連結し、ドライブ軸の他端を電動機と連結している。

特開２０１０-２６１５４４号公報 特開２００３-３０７２７０号公報

前記特許文献１の技術においては、電動機はクラッチハウジングの外周側に配置されているので、装置がクランク軸の径方向に大型になり、車両走行時の走行風によって外部空冷できるが、内部空冷が無いため、走行速度の低い車両には適用し難くなっている。
前記特許文献２の技術においては、電動機は無段変速機構を挟んでクラッチと独立して配置されているので、装置がクランク軸の軸方向に大型になり、車両走行時の走行風によって外部空冷できるが、内部空冷が無いため、走行速度の低い車両には適用し難くなっている。

本発明は、このような従来技術の問題点を解決できるようにしたハイブリッドシステムを提供することを目的とする。
本発明は、クラッチと変速機構との間にモータジェネレータを配置して装置を小型化しながらモータジェネレータを内部空冷できるようにしたハイブリッドシステムを提供することを目的とする。

本発明における課題解決のための具体的手段は、次の通りである。
第１に、エンジンＥのクランク軸３をクラッチ４の入力部材４Ａに連結し、クラッチ４の出力部材４Ｂを変速機構５のドライブ軸６に連結し、変速機構５のドライブ部材７とクラッチ４の出力部材４Ｂとの間のドライブ軸６上にモータジェネレータ８のロータ９を連結しており、
前記クラッチ４は、風流入空間２５を内部に有するクラッチケーシング４ａを備え、このクラッチケーシング４ａに、外気を風流入空間２５に取り入れる風取入口２６を形成するとともにモータジェネレータ８のステータ１０を取り付けたモータケース８ａを固定し、前記モータジェネレータ８に、前記風流入空間２５と前記変速機構５の変速ケース１９内の空間とを連通する冷却風挿通孔１５を設け、前記変速ケース１９内の空気を外部に排出する排出部４２を設け、
前記風取入口２６から風流入空間２５、冷却風挿通孔１５及び変速ケース１９内を通って排出部４２に至る通路は、冷却風路１４を形成していることを特徴とする。

第２に、前記変速機構５はベルト式無段変速機構であり、
前記クラッチ４の出力部材４Ｂと前記ベルト式無段変速機構５のドライブ軸６とを同芯で一体的に連結し、ドライブ軸６にロータ９を嵌合固定し、モータケース８ａをベルト式無段変速機構５の変速ケース１９に固定していることを特徴とする。
第３に、前記ロータ９及びステータ１０に前記冷却風挿通孔１５を形成していることを特徴とする。

本発明によれば、クラッチと変速機構との間にモータジェネレータを配置して装置を小型化しながらモータジェネレータを内部空冷できる。
即ち、変速機構５のドライブ部材７とクラッチ４の出力部材４Ｂとの間のドライブ軸６上にモータジェネレータ８のロータ９を連結しているので、装置をクランク軸３の径方向にコンパクトでかつ軸方向に余り大きくすることなく小型化でき、その上で、クラッチ４のクラッチケーシング４ａに、外気をクラッチケーシング４ａ内部の風流入空間２５に取り入れる風取入口２６を形成するとともに、モータジェネレータ８に、風流入空間２５と変速機構５の変速ケース１９内の空間とを連通する冷却風挿通孔１５を設け、且つ変速ケース１９内の空気を外部に排出する排出部４２を設け、風取入口２６から風流入空間２５、冷却風挿通孔１５及び変速ケース１９内を通って排出部４２に至る通路を、冷却風路１４としているので、モータジェネレータ８の内部空冷も効率よくできる。

また、クラッチケーシング４ａとベルト式無段変速機構５の変速ケース１９との間にモータケース８ａを固定して、装置を小型化しながらモータジェネレータ８及びベルト式無
端ベルト３５の内部空冷を確実にできる。
また、ロータ９及びステータ１０に冷却風挿通孔１５を形成することにより、内部空冷効率を高くできる。

本発明の実施の形態を示す全体断面正面図である。 同全体断面側面図である。 同要部の拡大断面正面図である。 モータジェネレータの断面図である。 ハイブリッドシステムのトルク・パワー関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１〜４において、４輪駆動型作業車の荷台の下部に搭載される原動部として適用可能なハイブリッドシステム１を例示している。
このハイブリッドシステム１は、エンジンＥ及びモータジェネレータ８の動力を無段変速機構５を介してトランスミッションＭへ伝達する動力伝達装置になっている。

エンジンＥのクランク軸３を突出している側面にオイルポンプ２０のボディ２０ａとクラッチ４のクラッチケーシング４ａとを連結し、このクラッチケーシング４ａにモータジェネレータ８のモータケース８ａを固定し、このモータケース８ａに無段変速機構５の変速ケース１９の入力側を固定している。
エンジンＥはＯＨＣ形式の単気筒空冷エンジンを例示しており、そのクランク軸３はオイルポンプ２０を貫通してクラッチ４のクラッチケーシング４ａ内まで延設され、クラッチ４の入力部材４Ａが嵌合し、出力部材４Ｂを回転自在に支持している。

前記オイルポンプ２０のボディ２０ａは、エンジンＥとクラッチ４とを仕切る隔壁を構成し、かつクランク軸３を支持する軸受ケースを兼ねている。
クラッチ４はクランク軸３の回転動力を一方向には自動伝達に伝達するが、逆方向からの動力は伝達しない動力一方向自動伝達式のクラッチであり、例えば、クランク軸３が一定回転数以上になったときにクラッチ入りとなる遠心クラッチ、又はクランク軸３の回転を常に伝達するが逆方向はフリーとなるワンウエイクラッチ（フリーホイール）が採用できる。

実施形態においては、クラッチ４に遠心湿式クラッチが採用されており、クランク軸３の回転数に応じて高まる遠心力に基づいてクランク軸３の回転駆動力を下流側に伝達する。
クラッチ４はクラッチケーシング４ａで包囲されたクラッチ室内に入力部材４Ａと出力部材４Ｂとが配置され、入力部材４Ａはクランク軸３に嵌合固定されていて複数枚のクラッチ板２１を揺動自在に有しており、出力部材４Ｂはクラッチ板２１を覆うカップ形状であって、クランク軸３の端部に軸受２２を介して相対回転自在に支持され、同時にクラッチケーシング４ａに軸受２３を介して回転自在に支持されている。

クラッチ４はクランク軸３で入力部材４Ａを駆動し、入力部材４Ａの回転によりクラッ
チ板２１が遠心力によって揺動して出力部材４Ｂに当接し、その摩擦で出力部材４Ｂが回転することにより動力が伝達される。
前記出力部材４Ｂは無段変速機構５のドライブ軸６と一体成形されている。ドライブ軸６はクラッチ４側の端部にロータ軸部６Ａを有し、このロータ軸部６Ａが出力部材４Ｂと接続されており、出力部材４Ｂ、ロータ軸部６Ａ及びドライブ軸６は軸心がクランク軸３の軸心と同芯である。

前記ロータ軸部６Ａは、出力部材４Ｂ及び／又はドライブ軸６と別個に形成してスプライン等で嵌合連結することも可能であるが、鍛造等で一体成形する方が、強度もコストも有利になる。
クラッチ４のクラッチケーシング４ａは、出力部材４Ｂと同芯にしてその径外側を覆う内ケース部４ａＡと、その外側を覆う外ケース部４ａＢとを有し、内外ケース部４ａＡ、４ａＢは周囲部の一部で共通となり、オイルポンプ２０のボディ２０ａ側で繋がっている。

クラッチケーシング４ａの前部は内ケース部４ａＡから外ケース部４ａＢが作業車前後方向で前方へ離れており、その間に風流入空間２５を形成しており、外ケース部４ａＢは前部に風流入空間２５と連通する風取入口２６を有し、この風取入口２６は吸気用エアークリーナ（図示せず）とダクトを介して接続されており、作業車走行中にエアークリーナから風取入口２６を通って風流入空間２５に外気を取り入れ、クラッチ４の内部を空冷可能になっている。

前記内外ケース部４ａＡ、４ａＢはエンジンＥ側の端部がボディ２０ａにボルト固定され、外ケース部４ａＢの無段変速機構５側の端部がモータケース８ａとボルト固定されている。
モータジェネレータ８はクラッチ４と無段変速機構５との間に配置されていて両者を連結しており、ロータ９がドライブ軸６のロータ軸部６Ａに嵌合固定され、ステータ１０がモータケース８ａの内周に焼きバメにて固定されている。

このモータジェネレータ８はロータ９に永久磁石を固定した同期モータ（ＰＭＳＭ）、例えば、永久磁石埋込式集中巻同期モータ（ＩＰＭモータ）が用いられており、コイルを集中巻したステータ１０への通電によって永久磁石を埋め込んだロータ９が駆動されてモータとして機能する。
モータジェネレータ８は、エンジンＥの高速回転時にロータ９が駆動されることにより、又は、制動時等に無段変速機構５からの動力によってロータ９が被駆動されることによって、ステータ１０から電力を取り出すジェネレータとして機能し、電力、回生エネルギを取り出せる。

図４において、モータジェネレータ８のロータ９は、例えば、薄いけい素鋼板を複数枚積層した回転子鉄心の外周に周方向間隔をおいて開口を形成し、その開口に永久磁石９ａを埋設しており、永久磁石９ａの配置位置の径外側に弓形膨出部９ｂを有し、永久磁石９ａの配置位置間で弓形膨出部９ｂを繋ぐ円弧凹部９ｃを形成していて、ステータ１０の内周面と僅少間隙を介して対面する。

ロータ９は回転子鉄心内に複数の冷却風挿通孔１５を形成しており、クラッチケーシング４ａの風流入空間２５からの風を軸心方向に流通可能にしている。前記ロータ９とステータ１０との間の間隙も冷却風挿通孔１５となっている。
ステータ１０は、薄い電極鋼板１０ａを複数枚積層した固定子鉄心に、固定子巻線１０ｂを所定の巻数で直接巻き付けて集中巻にしたものであり、円筒形状になっている。このステータ１０は固定子巻線１０ｂ間に隙間が形成され、この隙間がクラッチケーシング４ａの風流入空間２５からの風を軸心方向に流通可能にする冷却風挿通孔１５となっている。

モータジェネレータ８はモータケース８ａの外周面に多数のフィン８ｂが形成されており、作業車走行時の風によって外部から空冷可能になっている。
従って、モータジェネレータ８は、フィン８ｂを介して外部空冷され、ロータ９の冷却風挿通孔１５及びステータ１０の冷却風挿通孔１５を流れる風流入空間２５からの風によ
って内部空冷されている。

ベルト式無段変速機構５は、互いに平行なドライブ軸６及びドリブン軸３３と、ドライブ軸６上のドライブ部材７としてのドライブプーリ及びドリブン軸３３上のドリブンプーリ３４と、両プーリ７、３４間に巻き掛けられた無端ベルト３５と、これらを包囲する変速ケース１９とを有する。
ドライブ軸６はロータ軸部６Ａと反対側の端部に端軸３６が嵌合固定され、この端軸３６がモータケース８ａ及び変速ケース１９に固定された支持部材３７に軸受３８を介して支持されている。

ドライブ軸６上のドライブプーリ７は、端軸３６側が軸方向摺動可能であり、モータジェネレータ８側は軸方向不動になっている。
ドリブン軸３３はトランスミッションＭの入力軸３９と一体成形又は別個に形成して連結しており、ドリブン軸３３上のドリブンプーリ３４は軸先端側が軸方向摺動可能であり、トランスミッションＭ側は軸方向不動になっている。

変速ケース１９は最中形状に合わされた基部ケース１９Ａと外ケース１９Ｂとを有し、基部ケース１９Ａの入力側は支持部材３７とともにモータケース８ａに固定され、出力側はトランスミッションＭのミッションケースＭａに連結部材４０を介して連結されており、外ケース１９Ｂは入力側が支持部材３７を覆い、出力側はドリブンプーリ３４を覆っている。

前記モータジェネレータ８の冷却風挿通孔１５を通ってきた冷却風は、変速ケース１９内に入ってベルト式無段変速機構５の内部構成部材を冷却する。
基部ケース１９Ａ（又は外ケース１９Ｂ）の後部には、内外を連通する排出部４２を有し、前記ベルト式無段変速機構５を冷却した冷却風を外部に排出するように構成されている。

前記クラッチケーシング４ａの風取入口２６から風流入空間２５、モータジェネレータ８の冷却風挿通孔１５、変速ケース１９内の空間、さらに排出部４２に至る通路は、クラッチケーシング４ａからモータジェネレータ８内を通って介して変速機構５内に至る冷却風の流動を可能にする冷却風路１４を形成している。
前記エンジンＥ及びモータジェネレータ８は制御手段１１に接続されており、エンジンＥの始動及び回転、モータジェネレータ８のモータ駆動及びジェネレータ回生動作等が制御されている。

図１〜４及び図５に基づいて、ハイブリッドシステム１を作業車に搭載して運転を行うときの、制御手段１１による制御動作を説明する。なお、図５のにおいて、右下３本の曲線がパワーを示し、右上３本の曲線がトルクを示している。
エンジンＥを単独運転する場合（図５に２点鎖線Ａ１で示す。）、エンジンＥを始動した２０００回転未満のアイドリング状態では、クランク軸３の回転は遠心クラッチ４を入り状態にすることはなく、ベルト式無段変速機構５は停止し、作業車は停止状態を維持する。

エンジンＥの回転を高めて、略２０００回転になると遠心クラッチ４が入り始め、回転が上昇するにつれてクラッチ滑りが減少し、略３０００回転（例えば、２９４０回転）になるまで急激にトルクが上昇し（最大トルク：２６Ｎｍ）、略３０００回転で遠心クラッチ４が結合してベルト式無段変速機構５へエンジンパワー（図５に２点鎖線Ａ２で示す。）を供給する。

車速を約１０ｋｍ／ｈへ加速（最大トルク：２６Ｎｍ）になると、その後は無段変速機構５で変速されて、４０ｋｍ／ｈ走行に達する。
前記エンジンＥを単独運転する場合には、モータジェネレータ８はモータ機能をせずにジェネレータ機能をすることができる。例えば、エンジンＥが略２０００回転以上の中高速回転になった時、遠心クラッチ４が入ってロータ９が回転するので、ステータ１０から電力を回収することができ、作業車の微速走行と発電とが同時にできる。

エンジンＥ及びモータジェネレータ８のハイブリッド運転をする場合、モータジェネレータ８のモータ出力は定格運転時のトルク略１５Ｎｍから最大トルク略３０Ｎｍまで変更
できる。
定格運転する場合（図５に実線Ｂ１で示す。）、モータジェネレータ８はロータ９の回転数が０〜２０００回転でも、遠心クラッチ４の入り切りに関係なく無段変速機構５のドライブ軸６を駆動でき、ロータ９の回転数が２０００回転（遠心クラッチ４の出力部材４Ｂの回転数も同じ）でも、モータパワーを３〜４ｋＷ発生する。

このモータジェネレータ８のモータ駆動はエンジンＥの回転を補強することになり、モータジェネレータ８のトルクにエンジン単独トルクが加わると、単独運転のエンジンパワーより３〜８割増しのハイブリッドパワー（図５に実線Ｂ２で示す。）を無段変速機構５へ供給できる。
最大運転する場合（図５に点線Ｃ１で示す。）、モータジェネレータ８は車速０ｋｍ／ｈからエンジン単独トルクを越える３０Ｎｍまで加速することが可能であり、ロータ９の回転数が２０００回転でも、トルクを６〜８Ｎｍ発生し、エンジンＥの回転を強力に補強する（ハイブリッド機能）。このハイブリッド機能により、単独運転時のエンジンパワーより２倍程度の最大ハイブリッドパワー（図５に点線Ｃ２で示す。）を無段変速機構５へ供給でき、車速の急加速が可能になる。

モータジェネレータ８をモータ機能だけで単独運転する場合、即ち、モータジェネレータ８はエンジンＥを停止又はアイドリング状態でも使用可能であり、ドライブ軸６に定格トルク１５Ｎｍから最大トルク３０Ｎｍまで供給でき、モータパワーを３〜８ｋＷ発生して作業車を走行でき、無段変速機構５による変速も行われる。
モータジェネレータ８のモータ機能のみの駆動では、クラッチ４の出力部材４Ｂを駆動しても入力部材４Ａは駆動されないので、クランク軸３が回転することはなく、モータパワーがエンジンＥで浪費されることはない。

作業車を減速するとき又は制動するとき、無段変速機構５からの回転力はロータ９を駆動し、モータジェネレータ８はジェネレータ機能の状態、即ち、制動エネルギ回生状態になり、ステータ１０から電力が回収される。
クラッチ４にワンウエイクラッチを使用する場合は、トランスミッションＭに摩擦クラッチ等の動力を断接できるクラッチを設けておく。エンジンＥの回転中はロータ９及びドライブ軸６は駆動され、ベルト式無段変速機構５へ動力を伝達する。このとき、モータジェネレータ８をモータとして機能させると、ハイブリッドパワーが得られる。また、モータジェネレータ８をジェネレータとして機能させると、電力を得ることができる。

減速時又は制動時に、クランク軸３よりロータ９の回転速度が高い場合には、モータジェネレータ８はエネルギを回収でき、ロータ９の回転速度が低下するとワンウエイクラッチを介してクランク軸３に回転抵抗を与える。このとき、エンジンＥのアイドリングを停止してもよい。
エンジンＥを始動させずにモータジェネレータ８をモータとして機能させると、ワンウエイクラッチによりクランク軸３を駆動することなく、作業機を発進、微速走行させることが可能になる。

以上のごとく、ハイブリッドシステム１は制御手段１１でエンジンＥ及びモータジェネレータ８を制御することにより、エンジンＥの停止時、低速回転時又は高速回転時に、モータジェネレータ８に対してロータ９をモータ駆動させるモータ機能を発揮させ、エンジン代用駆動源、エンジン補助駆動源となり、エンジンＥの中高速回転時に、モータジェネレータ８に対してエンジンＥからの動力でロータ９をジェネレータ駆動させるジェネレータ機能を発揮させ、エンジン駆動の発電機となり、エンジンＥの減速、制動等の回転速度低下時に、モータジェネレータ８に対して無段変速機構５からの動力でロータ９をジェネレータ駆動させてジェネレータ機能を発揮させ、エンジン駆動の発電機、回生ブレーキとなることができる。

なお、本発明は前記実施形態における各部材の形状及びそれぞれの前後・左右・上下の位置関係は、図１〜５に示すように構成することが最良である。しかし、前記実施形態に限定されるものではなく、部材、構成を種々変形したり、組み合わせを変更したりすることもできる。
例えば、ベルト式無段変速機構５の代わりに、遊星歯車式無段変速機構又はその他の無段変速機構でもよい。

１ ハイブリッドシステム
３ クランク軸
４ クラッチ
４Ａ 入力部材
４Ｂ 出力部材
４ａ クラッチケーシング
５ ベルト式無段変速機構
６ ドライブ軸
６Ａ ロータ軸部
７ ドライブ部材（ドライブプーリ）
８ モータジェネレータ
８ａ モータケース
８ｂ フィン
９ ロータ
１０ ステータ
１１ 制御手段
１４ 冷却風路
１５ 冷却風挿通孔
１９ 変速ケース
２５ 風流入空間
２６ 風取入口
Ｅ エンジン
Ｍ トランスミッション

Claims (3)

1. エンジン（Ｅ）のクランク軸（３）をクラッチ（４）の入力部材（４Ａ）に連結し、クラッチ（４）の出力部材（４Ｂ）を変速機構（５）のドライブ軸（６）に連結し、変速機構（５）のドライブ部材（７）とクラッチ（４）の出力部材（４Ｂ）との間のドライブ軸（６）上にモータジェネレータ（８）のロータ（９）を連結しており、
   前記クラッチ（４）は、風流入空間（２５）を内部に有するクラッチケーシング（４ａ）を備え、このクラッチケーシング（４ａ）に、外気を風流入空間（２５）に取り入れる風取入口（２６）を形成するとともにモータジェネレータ（８）のステータ（１０）を取り付けたモータケース（８ａ）を固定し、前記モータジェネレータ（８）に、前記風流入空間（２５）と前記変速機構（５）の変速ケース（１９）内の空間とを連通する冷却風挿通孔（１５）を設け、前記変速ケース（１９）内の空気を外部に排出する排出部（４２）を設け、
   前記風取入口（２６）から風流入空間（２５）、冷却風挿通孔（１５）及び変速ケース（１９）内を通って排出部（４２）に至る通路は、冷却風路（１４）を形成していることを特徴とするハイブリッドシステム。
2. 前記変速機構（５）はベルト式無段変速機構であり、
   前記クラッチ（４）の出力部材（４Ｂ）と前記ベルト式無段変速機構（５）のドライブ軸（６）とを同芯で一体的に連結し、ドライブ軸（６）にロータ（９）を嵌合固定し、モータケース（８ａ）をベルト式無段変速機構（５）の変速ケース（１９）に固定し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システム。
3. 前記ロータ（９）及びステータ（１０）に前記冷却風挿通孔（１５）を形成していることを特徴とする請求項１又は２に記載のハイブリッドシステム。

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