JP6058622B2 - 自動車用のハイブリッド変速機および制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、一方に駆動用の内燃機関を備え、他方に電気機械を備える自動車用のハイブリッド変速機の分野に関する。

より詳細には、本発明は、駆動のために、内燃機関と電気機械とを装備した自動車用のハイブリッド変速機であって、自動車のホイールに接続されたセカンダリシャフトに伝動するための少なくとも１つのギヤを各々が担持している２つの同心プライマリシャフトを備える、自動車用のハイブリッド変速機に関する。

ハイブリッド変速機は、車両のドライブトレインに２つの動力源、燃焼および電気を提供するという重要な利益を有し、２つの動力源によって供給されるトルクは、ハイブリッドモードとして知られるモードで合成することができ、あるいは、電気機械がドライブトレインにトルクを供給しない「完全燃焼モード」または内燃機関がドライブトレインにトルクを提供しない「完全電気」モードのいずれかで、別々に使用することができる。また、スターターとして電気機械を使用して、静止状態からまたは動いているときに内燃機関を始動させることを可能にすること、あるいは、バッテリーをチャージするために電気機械を電流発生器として使用することを可能にすることのような他の機能が必要とされる。

その最も単純な設計では、上述したようなハイブリッド変速機は、必要とされる機能をすべて、ただ１つのステップダウンギヤ比で、すなわち、従来の変速機で見られるようないくつかの前進ギヤを享受するというオプションなしに実行する。

米国特許第５，４３３，２８２号公報は、基本的には単純なプラネタリギヤトレインから構成される自動車用のハイブリッド変速機を開示しており、その３つの出力、プラネットキャリア、サンギヤおよび内歯ギヤは、内燃機関と電気機械と車両のホイールとに接続される。内燃機関と電気機械とギヤトレインとは同軸である。内燃機関とギヤトレインのサンギヤとの間にフリーホイールが配置される。なお、それにより、車両を駆動するために電気機械からのコントリビューションと電気機械からのコントリビューションとを合成し、２つの変速ギヤ比を有することが可能になる。ただし、特定のタイプのドライビングに適した能力、たとえば、中速での完全電気モードにおける典型的にはアーバンドライビングおよび典型的にはハイウェイドライビング、ならびに、たとえば、完全燃焼モードにおける高速での典型的にはモーターウェイドライビングなどは制限される。

本発明は、電気モードおよびハイブリッドモードにおける少なくとも２つの別個のギヤ比と、燃焼モードにおける高速ドライビング専用のより高いギヤ比とを有するハイブリッド変速機を利用可能にしようと努めるものである。

このために、
− 内燃機関が、電気機械をホイールに接続するドライブトレインから結合解除されている、
− 内燃機関が、電気機械から独立してホイールを駆動する、
− ホイールに向かうそれぞれのトルクが合成されるように、内燃機関と電気機械とが結合されている、
３つの位置を占めることが可能な２つのプライマリシャフトの間に第１の結合手段が提供される。

１つの特定の実施形態によれば、本変速機は、中空のプライマリシャフトからセカンダリシャフトのアイドラギヤに伝動する２つの伝動ギヤと、これらの２つのアイドラギヤのうちの一方のまたは他方を当該セカンダリシャフトに結合する第２の手段を有する。

好ましくは、電気機械は、内燃機関がホイールに結合される速度しきい値まで、唯一の原動力源として使用される。

本発明のさらなる特徴および利点は、添付の図面を参照すると、その非限定的な実施形態に関する以下の説明からよりはっきりと明らかになるであろう。

提案された変速機の設計の図である。 ショートギヤ比の電気モードにおける始動および駆動を示す図である。 中間ギヤ比の電気モードにおける駆動を示す図である。 ロングギヤ比の燃焼モードにおける駆動を示す図である。 ショートギヤ比のハイブリッドモードにおける駆動を示す図である。 中間ギヤ比のハイブリッドモードにおける駆動を示す図である。 ロングギヤ比のハイブリッドモードにおける内燃機関の使用を示す図であり、中間ギヤ比の電気機械が介入している。 ニュートラル時の車両のバッテリーの回生を示す図である。 変速機の有利な使用を示す図である。

各図に示した変速機は、フィルタリングシステム（減衰ハブ、「ダンパー」、ダブルフライホイールなど）２を介して内燃機関（図示せず）のフライホイール３に直接的に接続された中実のプライマリシャフト１を備える。中実のシャフト１は、第１の結合システム５（ドグクラッチ、シンクロメッシュまたは任意のタイプの漸進カプラもしくは非漸進カプラ）によってそれに接続することができるアイドラギヤ４を担持する。中空のプライマリシャフト６は、電気機械７の、好ましくは（これに限定されるものではないが）円板軸タイプの機械のロータに接続される。本発明のコンテキストでは、他のタイプの電気機械、たとえば、ラジアル機械、励起コイルまたは磁石を備える機械、あるいはリラクタンス型機械を使用することもできる。中空のシャフト６は、２つの固定ギヤ８、９を担持する。中空のシャフト６は、結合システム５によって中実のプライマリシャフト１に接続することができる。セカンダリシャフト１０は、２つのアイドラギヤ１１および１、２を担持する。アイドラギヤ１１、１２は、第２の結合システム１３（ドグクラッチ、シンクロメッシュ、または何らかの他のタイプの漸進カプラもしくは非漸進カプラ）によって、プライマリシャフトに接続することができる。また、セカンダリシャフト１０は、固定ギヤ１４と車両のホイール（図示せず）に接続されたディファレンシャル１６に伝動する伝動ギヤ１５とを担持する。

第１の結合手段５は、
− 内燃機関が、電気機械７をホイールに接続するドライブトレインから結合解除されている（位置１）、
− 内燃機関が、電気機械からのトップアップの有無にかかわらずホイールを駆動する（位置２）、および
− ホイールに向かうそれぞれのトルクが合成されるように、内燃機関と電気機械７とが結合されている（位置３）、
の少なくとも３つの位置を占めることができる。

図２では、第１の結合システム５は開いている（位置１）が、第２の結合システム１３は、ショートギヤ比のアイドラギヤ１２をセカンダリシャフト１０に接続するために閉じている。変速機は、ショートギヤ比または第１の前進ギヤ比の電気モードである。電気機械によって中空のプライマリシャフト６に供給されるトルクは、第１の固定ギヤ８を介してアイドラギヤ１２に流れる。結合システム１３は、ギヤ１２とシャフト１０とを回転可能に接続する。トルクは、２次ラインからギヤ１５を介してディファレンシャル１６に流れる。

図３では、第１の結合システム５は依然として開いている（位置１）が、第２の結合システム１３は、中間ギヤ比のアイドラギヤ１１をセカンダリシャフト１０に接続するために閉じている。変速機は、中間ギヤ比または第２の前進ギヤ比の電気モードである。電気機械７によって中空のプライマリシャフト６に供給されるトルクは、第２の固定ギヤ９を介してアイドラギヤ１１４に流れる。結合システム１３は、ギヤ１１とシャフト１０とを回転可能に接続する。トルクは、２次ラインからギヤ１５を介してディファレンシャル１６に流れる。

図４では、第１の結合システム５は、中実のシャフト１によって担持されたアイドラギヤ４をそのシャフトに接続するように位置２で閉じているが、第２の結合手段１３は開いている。変速機は、ロングギヤ比、または第３のギヤ比である。電気機械は、トルクをまったく供給しない。内燃機関によって供給されたトルクは、ギヤ４とセカンダリシャフト１０の固定ギヤ１４とを介してセカンダリシャフト１０に流れる。以前のように、トルクは、２次ラインからギヤ１５を介してディファレンシャル１６に流れる。

図５では、第１の結合手段５は、中実のシャフト１を中空のシャフト６に接続するように位置３で閉じている。第２の結合システム１３は、ショートギヤ比のアイドラギヤ１２をセカンダリシャフト１０に接続するように閉じている。変速機は、ショートギヤ比のハイブリッドモードである。内燃機関および電気機械からのドライブトレインへのコントリビューションは合成される。合成されたコントリビューションは、ギヤ８、１２のトレインによって、中空のプライマリシャフト６からセカンダリシャフトに伝動される。

図６では、第１の結合手段５は依然として閉じており、図５と同様に位置３にある。したがって、中実のプライマリシャフト１は、中空のプライマリシャフト６に接続されている。第２の結合システム１３も閉じており、中間ギヤ比のアイドラギヤ１１は、セカンダリシャフト１０に接続されている。変速機は、中間ギヤ比のハイブリッドモードである。内燃機関および電気機械からドライブトレインへのコントリビューションは合成される。

図７では、第１の結合システム５は位置２で閉じており、第１の結合システム５は、中実のプライマリシャフト１によって担持されたアイドラギヤ４をそのシャフトに接続する。さらに、第２の結合手段１３は、中間ギヤ比のアイドラギヤ１１をセカンダリシャフト１０に接続するように閉じている。変速機は、ロングギヤ比のハイブリッドモードであり、内燃機関および電気機械からのコントリビューションが合成される。

図８では、第１の結合システムは、図５および図６と同様に位置３である、すなわち、第１の結合システムは、中実のプライマリシャフト１と中空のプライマリシャフト６とを回転可能に接続している。第２の結合システム１３は開いている。したがって、変速機は「ニュートラル」である。回転している内燃機関は電気機械を駆動することができ、電気機械は次いで、車両のバッテリー（図示せず）を再充電するための発電機として動作する。

第１の結合手段５の３つの位置および第２の結合手段１３の合成された介入は、変速機に少なくとも以下のモードを提供する。
− 位置１における２つのギヤ比（ショートギヤ比および中間ギヤ比）の電気モード（図２、図３参照）
− 位置２における１つのギヤ比（ロングギヤ比）の燃焼モード（図４参照）
− 位置３における、ショートギヤ比のトルクと中間ギヤ比のトルクとが合成されたハイブリッドモード（図５および図６参照）
− 位置２におけるロングギヤ比のハイブリッドモード（図７参照）
− 位置３におけるニュートラルのバッテリー回生モード（図８参照）

要約すれば、変速機は、３つのギヤ比と、以下のモード、すなわち、２つのギヤ比の電気モード、１つのギヤ比の燃焼モード、３つのギヤ比のハイブリッドモード、およびニュートラルの回生モードとを有する。

電気モードにおける第２のギヤ比と燃焼モードにおける第３のギヤ比との間で、以下のようにギヤシフトが起こり得る。
− ドライブトレインに接続することなく、内燃機関をその同期速度にすること（位置１）と、
− 内燃機関をドライブトレインに結合すること（第１の結合手段の位置２へのシフト）と、
− 電気機械をオフにし、第２の結合手段を開くこと。

ハイブリッドモードにおける第２のギヤ比と燃焼モードにおける第３のギヤ比との間のシフトは、
− 内燃機関をオフにすることと、
− 内燃機関を結合解除すること（位置３から位置１への第１の結合手段のシフト）と、
− 結合解除された内燃機関を第３のギヤ比と同期させることと、
− 内燃機関を結合すること（位置１から位置２への第１の結合手段のシフト）と、
− 電気機械をオフにすることと、
− 第２の結合手段を開くことと
によって遂行することができる。

図９に、提案された変速機の１つの特に有利であるが、非限定的な使用を示す。この例では、ユーザは、純粋な電気使用を最大にする「ウィークリー」動作として知られる動作を使用し、第１の電気ギヤ比は、最高約５０ｋｍ／ｈのタウンドライビングについてアクティブ化され、その速度では、ハイウェイドライビングに対応する第２の電気ギヤ比を超える。必要な動力が大きくなると（たとえば、９０ｋｍ／ｈを超えると）、電気機械によって提供される補助動力の有無にかかわらず、内燃機関が始動し、引き継ぐ。

バッテリー充電が低くなったとき、あるいは、ユーザの要求時に、システムは、「拡張レンジ」または「ロングレンジ」動作と呼ばれる動作状態に切り替わることができる。このモードでは、電気始動後、内燃機関は、接続可能な速度（１５００回転／分で、たとえば１６ｋｍ／ｈ）になると直ぐに接続される。第１の２つのギヤ比は次いで、ハイブリッドギヤ比になり、電気機械は、基本的には回生のために使用される。これらの２つの「タウン」ハイブリッドモードおよび「ハイウェイ」ハイブリッドモードは、高速道路上での内燃機関の使用によって補われる。（たとえば、３６００回転／分まで上昇する）高い回転速度と接続された内燃機関からのノイズを最小限に抑えるために、ギヤ比の変更はより少なくなる。最後に、バッテリーを再充電するために車両が長い時間期間にわたって駐車される場合、「ロードサイド再充電」をアクティブ化されることができる。

結論として、提案された変速機は、多数の考えられ得る動作モードを提供する。詳細には、タウンドライビングに適したショートギヤ比およびハイウェイドライビングに適した中間ギヤ比の唯一の原動力源として電気機械を使用することによって、３つのギヤ比を利用することができる。しきい値を上回った場合、モータ−ウェイドライビングに適したロングギヤ比にシフトすることが可能であり、内燃機関がホイールに結合される（燃焼モード）。燃焼モードでは、電気機械は、車両のバッテリーを再充電する発電機として使用することができる。

変速機を良好に使用する別の方法は、第２の速度しきい値まで唯一の原動力源として電気機械を使用することであり得、第２の速度しきい値を上回った場合、電気機械の原動力と内燃機関の原動力とがハイブリッドモードで合成される。

また、電気機械は、ハイブリッドモードにおける第１のギヤ比と第２のギヤ比との変更時に起こる内燃機関の一時的な結合解除中に変速機を同期させる際に介入することができる。

最終的には、ロングギヤ比の燃焼モードから、電気機械は、燃焼モードからのトップアップ原動力源としてか、または、燃焼モードにおける発電機として、変速機に結合することができる。

Claims (10)

1. 内燃機関と駆動用の電気機械（７）とを装備する自動車用のハイブリッド変速機であって、前記自動車のホイールに接続されたセカンダリシャフト（１０）にトルクを伝動するために各々が少なくとも１つのギヤを担持する２つの同心のプライマリシャフト（１、６）を備える、ハイブリッド変速機において、前記プライマリシャフト（１、６）が前記内燃機関に接続された中実のプライマリシャフト（１）および前記電気機械（７）に接続された中空のプライマリシャフト（６）を含み、前記中実のプライマリシャフト（１）が前記内燃機関のフライホイール（３）に直接接続され、第１の結合手段（５）により前記中実のプライマリシャフト（１）に直接接続可能なアイドラギヤ（４）を担持し、前記第１の結合手段（５）が、
   − 前記内燃機関が、前記電気機械（７）を前記ホイールに接続するドライブトレインから結合解除されている（位置１）、
   − 前記内燃機関が、前記電気機械からの補助動力の有無にかかわらず前記ホイールを駆動する（位置２）、および
   − 前記ホイールに向かうそれぞれのトルクが合成されるように、前記内燃機関と前記電気機械（７）とが結合されている（位置３）、
   少なくとも３つの位置を占めることが可能な前記２つのプライマリシャフト（１、６）間を結合することを特徴とする、ハイブリッド変速機。
2. 前記ハイブリッド変速機が、前記中空のプライマリシャフト（６）から前記セカンダリシャフト（１０）のアイドラギヤ（１２、１１）に伝動する２つの伝動ギヤ（８、９）と、前記セカンダリシャフト（１０）の前記アイドラギヤ（１２、１１）の一方または他方を前記セカンダリシャフト（１０）に結合する第２の結合手段（１３）とを有することを特徴とする、請求項１に記載のハイブリッド変速機。
3. 前記第１の結合手段（５）の前記３つの位置および前記第２の結合手段（１３）の組み合わせは、
   − 位置１における電気モードと、
   − 位置２における燃焼モードと、
   − 位置２および位置３における、トルクが合成されたハイブリッドモードと
   を前記ハイブリッド変速機に与えることを特徴とする、請求項２に記載のハイブリッド変速機。
4. 前記ハイブリッド変速機が、第１および第２のギヤ比の電気モード、第３のギヤ比の燃焼モード、３つのギヤ比のハイブリッドモードを有することを特徴とする、請求項３に記載のハイブリッド変速機。
5. 請求項４に記載のハイブリッド変速機を制御する方法において、前記電気機械（７）が、前記内燃機関が前記ホイールに結合される速度しきい値まで、唯一の原動力源として使用され、前記燃焼モードにおいて前記電気機械（７）が原動力源または発電機として使用されることを特徴とする、制御方法。
6. 前記電気機械（７）は、それを超えると前記自動車のバッテリーを再充電するための発電機になる速度しきい値まで、唯一の原動力源として使用されることを特徴とする、請求項５に記載の制御方法。
7. 前記電気機械（７）が、前記ハイブリッドモードでの前記第１のギヤ比と前記第２のギヤ比との変更における前記内燃機関の前記ドライブトレインからの一時的な結合解除中に前記アイドラギヤ（１２、１１）の一方を同期させるために、原動力源として動作することができることを特徴とする、請求項６に記載の制御方法。
8. 前記電気機械（７）が、それを超えると前記電気機械の原動力と前記内燃機関の原動力とが合成される速度しきい値まで、唯一の原動力源として使用されることを特徴とする、請求項５または６に記載の制御方法。
9. 前記電気モードにおける前記第２のギヤ比から前記燃焼モードにおける前記第３のギヤ比へのシフトは、
   前記ドライブトレインに接続することなく、前記内燃機関をその同期速度にするステップ（位置１）と、
   前記内燃機関を前記ドライブトレインに結合する（前記第１の結合手段の位置２へのシフト）ステップと、
   前記電気機械をオフにし、前記第２の結合手段を開くステップと
   を伴うことを特徴とする、請求項５から８のうち一項に記載の制御方法。
10. 前記ハイブリッドモードにおける前記第２のギヤ比から、前記燃焼モードにおける前記第３のギヤ比へのシフトが、
    前記内燃機関をオフにするステップと、
    前記内燃機関を前記電気機械（７）から結合解除する（位置３から位置１への前記第１の結合手段のシフト）ステップと、
    前記結合解除された内燃機関を前記アイドラギヤ（４）と同期させるステップと、
    前記内燃機関を前記ドライブトレインに結合する（位置１から位置２への前記第１の結合手段のシフト）ステップと、
    前記電気機械をオフにするステップと、
    前記第２の結合手段を開くステップと
    を伴うことを特徴とする、請求項９に記載の制御方法。

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