JP6403471B2 - ハイブリッド自動車の動力伝達装置 - Google Patents
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Description
これにより、各自動車メーカーは、電気自動車(EV:Electric Vehicle)、ハイブリッド電気自動車(HEV:Hybrid Electric Vehicle)、燃料電池自動車(FCEV:Fuel Cell Electric Vehicle)等を未来型自動車技術として開発している。
これにより、ハイブリッド自動車は、低速区間でエンジンの作動を停止してモータ/ゼネレータを使用するため、燃費改善と排気ガスの低減に優れた効果がある。
単一モード方式は、変速制御のためのクラッチおよびブレーキのようなトルク伝達機構が不要であるという長所はあるが、高速走行時に効率が低下して燃費が低く、大型自動車に適用するためには、付加的なトルク増倍装置が必要であるという短所がある。
これにより、最近は、単一モード方式よりは多重モード方式が主に採択しており、それに伴う研究が活発に行われている。
また、多重モード方式の動力伝達装置は、その連結構成により、耐久性、動力伝達効率、大きさなどが異なる特性があるため、ハイブリッド自動車の動力伝達の分野では、より堅固で、動力損失が少なく、コンパクトな動力伝達装置を具現するための研究開発が続けられている。
一つの様相において、本発明の動力伝達装置は、エンジンの動力の伝達を受ける入力軸と、入力軸に所定の間隔をおいて平行に配置される中間軸と、中間軸に相対回転可能に配置される出力軸と、第1モータ/ゼネレータと連結する第1回転要素、出力軸と連結する第2回転要素、および入力軸と直接連結する第3回転要素を含む第1遊星ギヤセットと、中間軸を通じて第2モータ/ゼネレータと連結する第4回転要素、出力軸と直接連結する第5回転要素、および入力軸または第1回転要素に選択的に連結するかまたは変速機ハウジングに選択的に連結する第6回転要素を含む第2遊星ギヤセットと、第2回転要素と出力軸とを連結する第1トランスファギヤと、入力軸または第1回転要素を第6回転要素に連結する第2トランスファギヤと、第2遊星ギヤセットの3個の回転要素のうち2個の回転要素を選択的に連結する第1クラッチと、を含むことができる。
また本発明は、HEVモードの加速能力がエンジンモードの加速能力より大きいので、発進時にエンジンモードへの変換が不要であり、システムの構成が簡単になる。
また、高速走行時は、4個のエンジンモードのいずれか一つを利用し、第1、第2モータ/ゼネレータの電気負荷なしに走行して、燃費を向上させることができる。
但し、本発明の実施例の説明を明確にするために、説明上不必要な部分は省略し、明細書全体にわたって同一または類似の構成要素については同一の符号を付して説明する。
また、下記の説明において、構成の名称を第1、第2などと区分したのは、その構成の名称が同一である場合にこれらを区別するためのものであって、必ずしもその順序を示すものではない。
図1に示すように、本発明の第1実施例に係るハイブリッド自動車の動力伝達装置は、入力軸ISを通じて伝達されるエンジンENGの回転動力を、車両の走行状態により変速し、変速された回転動力を、出力ギヤOGを通じて出力する。
出力軸OSは、中間軸CSに隣接して配置され、出力軸OS上には、出力ギヤOGが固定的に配置される。
第1トランスファドライブギヤTF1aは、第2回転要素N2と連結し、第1トランスファドライブギヤTF1aとギヤ連結する第1トランスファドリブンギヤTF1bは、出力軸OSと連結する。
そして、第1トランスファギヤTF1と第2トランスファギヤTF2とのギヤ比は、所望の速度比により設定してもよい。
第1モータ/ゼネレータMG1は、第1遊星ギヤセットPG1の第1回転要素N1と連結して第1回転要素N1に回転動力を供給するモータとして作動するか、または第1回転要素N1の回転動力によって電気を生成する発電機の役割をする。
第2、第3クラッチCL2、CL3及び第1ブレーキBK1は、可変連結手段である。第2クラッチCL2は、第1遊星ギヤセットPG1の第1回転要素N1と第2トランスファギヤTF2の第2トランスファドライブギヤTF2aとを選択的に連結し、第3クラッチCL3は、入力軸ISと第2トランスファギヤTF2の第2トランスファドライブギヤTF2aとを選択的に連結する。
第1、第2、第3クラッチCL1、CL2、CL3は、回転要素と回転要素とを選択的に連結する摩擦要素であり、第1ブレーキBK1は、回転要素と固定要素(変速機ハウジング)とを選択的に連結する摩擦要素である。各摩擦要素は、油圧によって摩擦結合する多板式油圧摩擦要素で構成される。
第1遊星ギヤセットPG1は、シングルピニオン遊星ギヤセットであって、第1サンギヤS1からなる第1回転要素N1と、第1サンギヤS1と外接で噛み合う第1ピニオンP1を回転可能に支持する第1遊星キャリアPC1からなる第2回転要素N2と、第1ピニオンP1と内接で噛み合う第1リングギヤR1からなる第3回転要素N3と、を含む。
第1サンギヤS1は、第1モータ/ゼネレータMG1と連結し、第1遊星キャリアPC1は、第1トランスファギヤTF1を通じて出力軸OSと連結し、第1リングギヤR1は、入力軸ISと直接連結する。
第1、第2トランスファギヤTF1、TF2は、それぞれ互いに外接ギヤ連結する第1、第2トランスファドライブギヤTF1a、TF2aと、第1、第2トランスファドリブンギヤTF1b、TF2bとを含んで構成される。
第2トランスファドライブギヤTF2aは、入力軸ISまたは第1サンギヤS1と選択的に連結し、第2トランスファドリブンギヤTF2bは、第2リングギヤR2と連結する。
第2モータ/ゼネレータMG2は、第2サンギヤS2と連結して第2サンギヤS2に回転動力を供給するモータとして作動するか、または第2サンギヤS2の回転動力によって回転しながら電気を生成する発電機の役割をする。
第1クラッチCL1は、第2サンギヤS2と第2遊星キャリアPC2とを選択的に連結する。
また、第1ブレーキBK1は、第2リングギヤR2を変速機ハウジングHと選択的に連結するように配置される。
図2を参照して、各作動モードで作用する摩擦要素について説明する。
第1EVモードでは、第1ブレーキBK1が作動し、第2EVモードでは第1クラッチCL1が作動し、EVモード急加速では第3クラッチCL3と第1ブレーキBK1とが作動する。
また、第1エンジンモードでは第1クラッチCL1と第3クラッチCL3とが作動し、第2エンジンモードでは第2クラッチCL2と第1ブレーキBK1とが作動し、第3エンジンモードでは第2クラッチCL2と第3クラッチCL3とが作動し、第4エンジンモードでは第1クラッチCL1と第2クラッチCL2とが作動する。
図3乃至図13は、本発明の第1実施例に係る動力伝達装置の各モード別の作動を可視的に説明するための図面である。図3乃至図13を参照し、各モードの作動原理を説明すると、以下の通りである。
図3は、本発明の第1実施例に係る動力伝達装置の第1EVモードにおける作動を可視的に説明するための図面である。
EVモードは、エンジンを停止した状態で、バッテリーの電源をモータ/ゼネレータに供給してモータ/ゼネレータの動力で車両を走行させるモードである。
図4は、本発明の第1実施例に係る動力伝達装置の第2EVモードにおける作動を可視的に説明するための図面である。
モータ/ゼネレータは、回転速度およびトルクによりその効率が変わる特性を有する。これは、同一の電流を供給しても回転速度とトルクにより電気エネルギーが機械的エネルギーに変換する比率が異なることを意味する。
このような理由で、最近では、電気自動車でも2個の変速段を具現する変速機を装着する傾向があり、ハイブリッド自動車のEVモードでも、2個以上の変速段を有することが有利である。従って本発明の実施例では、第2EVモードが具現可能になっている。
この時、第1遊星ギヤセットPG1は、変速には関与しないが、第3回転要素N3がエンジンと共に停止した状態を維持し、第1、第2回転要素N1、N2が空転する。
図5は、本発明の第1実施例に係る動力伝達装置のEVモードの急加速における作動を可視的に説明するための図面である。
運転者がEVモードにおいて急加速を望む場合には、第1、第2モータ/ゼネレータMG1、MG2を同時に作動させて高い駆動力を提供することができる。
この状態で、第1、第2モータ/ゼネレータMG1、MG2を同時に作動させれば、第1、第2モータ/ゼネレータMG1、MG2の回転動力が合わせられ、合わせられた回転動力が出力ギヤOGを通じて出力される。従って、高い駆動力を得ることができる。
図6は、本発明の第1実施例に係る動力伝達装置の第1HEV入力分岐モードにおける作動を可視的に説明するための図面である。
HEVモードでは、エンジンの動力が機械的経路と電気的経路とを通じて出力部材に伝達される。このようなエンジンの動力分配は、遊星ギヤセットによって行われる。遊星ギヤセットに連結されたエンジンとモータ/ゼネレータとは、車速と関係なく回転速度を任意に調節することができるため、HEVモードでは、動力伝達装置は電子式無段変速機の役割をする。
第1HEV入力分岐モードでは、第2回転要素N2が第5回転要素N5と共に出力ギヤOGに拘束されているが、第1、第3回転要素N1、N3は回転が自由である。
この時、第1モータ/ゼネレータMG1のトルクは、エンジンENGのトルクと合わせられるので、高い駆動力を出力することができる。
このように、第1HEV入力分岐モードでは、エンジンENGと第1モータ/ゼネレータMG1とをそれぞれ独立して制御することができるので、燃費と動力性能の側面で非常に優れている。
図7は、本発明の第1実施例に係る動力伝達装置の第2HEV入力分岐モードにおける作動を可視的に説明するための図面である。
第1HEV入力分岐モードで走行中に車速が増加すれば、第1遊星ギヤセットPG1の回転要素の回転速度を全体的に低下させるために第1ブレーキBK1の作動を解除し、第1クラッチCL1を作動させる。これにより、第2HEV入力分岐モードが始まる。
この時、第1遊星ギヤセットPG1の第2回転要素N2が第2遊星ギヤセットPG2の第5回転要素N5と共に出力ギヤOGに連結されているが、第1、第3回転要素N1、N3は自由に回転することができる。
従って、車速と関係なくエンジンENGと第1モータ/ゼネレータMG1の速度を独立して制御することができる。
このように、第2HEV入力分岐モードでは、エンジンENGと第1モータ/ゼネレータMG1とをそれぞれ独立して制御することができるので、燃費と動力性能の側面で非常に優れている。
図8は、本発明の第1実施例に係る動力伝達装置の第1HEV複合分岐モードにおける作動を可視的に説明するための図面である。
第1HEV入力分岐モードでは、出力部材に連結されたモータ/ゼネレータの回転速度が車速に拘束されており、モータ/ゼネレータの効率的な運用が難しいだけでなく、モータ/ゼネレータの容量も減らし難い。
特に、車速が高く、車速に拘束されたモータ/ゼネレータの回転速度が高い時は、モータ/ゼネレータの効率が悪化するため、最適の燃費を具現することができない。
また、第2回転要素N2と第5回転要素N5とが出力ギヤOGに連結されているので、第1、第2遊星ギヤセットPG1、PG2の回転要素は互いに一定のギヤ比を有して回転する。
そして、第1、第2モータ/ゼネレータMG1、MG2の電気エネルギーが平衡にならなければならないので、第1HEV複合分岐モードでは、第1、第2遊星ギヤセットPG1、PG2の全ての回転要素の速度とトルクとが相互に連関を有し、動力伝達装置は電子式無段変速機の役割をする。
図9は、本発明の第1実施例に係る動力伝達装置の第2HEV複合分岐モードにおける作動を可視的に説明するための図面である。
第1HEV複合分岐モードで作動した第2クラッチCL2を解除して第3クラッチCL3を作動させれば、第3回転要素N3と第6回転要素N6が連結される。この時、第3回転要素N3と第6回転要素N6とは、第2トランスファギヤTF2により一定の速度比を有して反対方向に回転する。
従って、動力伝達装置は、第1HEV複合分岐モードとは異なる速度/トルク関係を有し、電子式無段変速機の役割をする。
図10は、本発明の第1実施例に係る動力伝達装置の第1エンジンモードにおける作動を可視的に説明するための図面である。
ハイブリッド自動車の燃費向上のための核心技術は、制動エネルギーの回収および再使用と、エンジン運転点の自由な制御であるといえる。
このようなエネルギー変換過程では、入力した全てのエネルギーが出力されずに途中で損失が発生することがある。従って、ある運転条件では、ハイブリッド運転モードよりむしろエンジンだけで駆動するエンジンモードの方が燃費が優れることがある。
図11は、本発明の第1実施例に係る動力伝達装置の第2エンジンモードにおける作動を可視的に説明するための図面である。
第2エンジンモードでは、第2クラッチCL2と第1ブレーキBK1とを作動させる。この場合、第1回転要素N1と第6回転要素N6とが停止する。
第1エンジンモードでは、第1回転要素N1が反時計回り方向に回転して減速した変速比を形成したが、第2エンジンモードでは、第1回転要素N1が停止して減速した変速比を形成する。
図12は、本発明の第1実施例に係る動力伝達装置の第3エンジンモードにおける作動を可視的に説明するための図面である。
第3エンジンモードでは、第2クラッチCL2と第3クラッチCL3とを作動させる。この場合、第6回転要素N6に第1回転要素N1と第3回転要素N3とが同時に連結される。
これにより、第1遊星ギヤセットPG1の全ての回転要素が同一の速度で回転する。従って、エンジンENGの回転速度が第1トランスファギヤTF1のギヤ比により変化し、変化された回転速度が出力される。
図13は、本発明の第1実施例に係る動力伝達装置の第4エンジンモードにおける作動を可視的に説明するための図面である。
第4エンジンモードでは、第1クラッチCL1と第2クラッチCL2とが作動する。第1クラッチCL1の作動により第2遊星ギヤセットPG2の全ての回転要素が同一の速度で回転し、第2クラッチCL2の作動により第1回転要素N1が第2トランスファギヤTF2を通じて第6回転要素N6に連結される。
本発明の第1実施例によると、2個の遊星ギヤセットPG1、PG2と、4個の摩擦要素CL1、CL2、CL3、BK1と、2個のモータ/ゼネレータMG1、MG2の組み合わせによって、3個のEVモードと、4個のHEVモードと、4個のエンジンモードと、を具現することができる。
また本発明は、HEV(ハイブリッド)モードの加速力がエンジンモードの加速力より大きいため、発進時にエンジンモードへの変換が不要であり、システムの構成が簡単になる。
また、高速走行時は、エンジンモードを利用して第1、第2モータ/ゼネレータMG1、MG2の電気負荷なしに走行を可能にして、燃費を向上させることができる。
図14に示すように、第1実施例では、第1遊星ギヤセットPG1をシングルピニオン遊星ギヤセットで構成しているが、第2実施例では、第1遊星ギヤセットPG1をダブルピニオン遊星ギヤセットで構成した点に相違点がある。
これにより、第1回転要素N1が第1サンギヤS1であり、第2回転要素N2が第1リングギヤR1であり、第3回転要素N3が第1遊星キャリアPC1である。
このような第2実施例の場合は、第1実施例と比較して、第2、第3回転要素N2、N3を構成する回転要素のみが異なるだけで、作動効果は同一であるので、詳細な説明は省略する。
図15に示すように、第1実施例では、第1遊星ギヤセットPG1と第2遊星ギヤセットPG2を全てシングルピニオン遊星ギヤセットで構成しているが、第3実施例では、第1遊星ギヤセットPG1と第2遊星ギヤセットPG2とを、全てダブルピニオン遊星ギヤセットで構成した点に相違がある。
これにより、第1回転要素N1が第1サンギヤS1であり、第2回転要素N2が第1リングギヤR1であり、第3回転要素N3が第1遊星キャリアPC1となる。
このような第3実施例の場合、第1実施例と比較して第2、第3、第5、第6回転要素N2、N3、N5、N6を構成する回転要素のみが異なるだけで、作動効果が同一であるので、詳細な説明は省略する。
CL1、CL2、CL3 第1、第2、第3クラッチ
IS 入力軸
OS 出力軸
CS 中間軸
OG 出力ギヤ
MG1、MG2 第1、第2モータ/ゼネレータ
PG1、PG2 第1、第2遊星ギヤセット
S1、S2 第1、第2サンギヤ
PC1、PC2 第1、第2遊星キャリア
R1、R2 第1、第2リングギヤ
TF1、TF2 第1、第2トランスファギヤ
Claims (13)
- エンジンと第1、第2モータ/ゼネレータを動力源として使用するハイブリッド自動車の動力伝達装置において、
前記エンジンの動力の伝達を受ける入力軸と、
前記入力軸に所定の間隔をおいて平行に配置される中間軸と、
前記中間軸に相対回転可能に配置される出力軸と、
前記第1モータ/ゼネレータと連結する第1回転要素と、前記出力軸と連結する第2回転要素と、前記入力軸と直接連結する第3回転要素と、を含む第1遊星ギヤセットと、
前記中間軸を通じて前記第2モータ/ゼネレータと連結する第4回転要素と、前記出力軸と直接連結する第5回転要素と、前記入力軸または前記第1回転要素に選択的に連結するかまたは変速機ハウジングに選択的に連結する第6回転要素と、を含む第2遊星ギヤセットと、
前記第2回転要素と前記出力軸とを連結する第1トランスファギヤと、
前記入力軸または前記第1回転要素を、前記第6回転要素に連結する第2トランスファギヤと、
前記第2遊星ギヤセットの3個の回転要素のうち2個の回転要素を選択的に連結する第1クラッチと、
を含むことを特徴とするハイブリッド自動車の動力伝達装置。 - 前記第1遊星ギヤセットは、シングルピニオン遊星ギヤセットであって、第1回転要素が第1サンギヤ、第2回転要素が第1遊星キャリア、第3回転要素が第1リングギヤからなり、
前記第2遊星ギヤセットは、シングルピニオン遊星ギヤセットであって、第4回転要素が第2サンギヤ、第5回転要素が第2遊星キャリア、第6回転要素が第2リングギヤからなることを特徴とする請求項1に記載のハイブリッド自動車の動力伝達装置。 - 前記第1遊星ギヤセットは、ダブルピニオン遊星ギヤセットであって、第1回転要素が第1サンギヤ、第2回転要素が第1リングギヤ、第3回転要素が第1遊星キャリアからなり、
前記第2遊星ギヤセットは、シングルピニオン遊星ギヤセットであって、第4回転要素が第2サンギヤ、第5回転要素が第2遊星キャリア、第6回転要素が第2リングギヤからなることを特徴とする請求項1に記載のハイブリッド自動車の動力伝達装置。 - 前記第1遊星ギヤセットは、ダブルピニオン遊星ギヤセットであって、第1回転要素が第1サンギヤ、第2回転要素が第1リングギヤ、第3回転要素が第1遊星キャリアからなり、
前記第2遊星ギヤセットは、ダブルピニオン遊星ギヤセットであって、第4回転要素が第2サンギヤ、第5回転要素が第2リングギヤ、第6回転要素が第2遊星キャリアからなることを特徴とする請求項1に記載のハイブリッド自動車の動力伝達装置。 - 前記第1回転要素を前記第2トランスファギヤに選択的に連結する第2クラッチと、
前記入力軸を前記第2トランスファギヤに選択的に連結する第3クラッチと、
前記第6回転要素を変速機ハウジングに選択的に連結する第1ブレーキと、
をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載のハイブリッド自動車の動力伝達装置。 - 第1EVモードで第1ブレーキが作動し、
第2EVモードで第1クラッチが作動し、
EVモードの急加速で第3クラッチと第1ブレーキが作動し、
第1HEV入力分岐モードで第1ブレーキが作動し、
第2HEV入力分岐モードで第1クラッチが作動し、
第1HEV複合分岐モードで第2クラッチが作動し、
第2HEV複合分岐モードで第3クラッチが作動し、
第1エンジンモードで第1クラッチと第3クラッチが作動し、
第2エンジンモードで第2クラッチと第1ブレーキが作動し、
第3エンジンモードで第2クラッチと第3クラッチが作動し、
第4エンジンモードで第1クラッチと第2クラッチが作動することを特徴とする請求項5に記載のハイブリッド自動車の動力伝達装置。 - エンジンと第1、第2モータ/ゼネレータを動力源とするハイブリッド自動車の動力伝達装置において、
前記第1モータ/ゼネレータに連結する第1回転要素と、出力ギヤに連結する第2回転要素と、前記エンジンに連結する第3回転要素と、を含む第1遊星ギヤセットと、
前記第2モータ/ゼネレータに連結する第4回転要素と、前記出力ギヤに連結する第5回転要素と、入力軸または前記第1回転要素に選択的に連結するかまたは変速機ハウジングに選択的に連結する第6回転要素と、を含む第2遊星ギヤセットと、
前記第2回転要素と前記出力ギヤとを連結する第1トランスファギヤと、
前記入力軸または前記第1回転要素を前記第6回転要素に連結する第2トランスファギヤと、
前記第2遊星ギヤセットを選択的に直結させる第1クラッチと、
前記第1回転要素と第2トランスファギヤを選択的に連結する第2クラッチと、 前記入力軸と第2トランスファギヤを選択的に連結する第3クラッチと、
前記第6回転要素と変速機ハウジングを選択的に連結する第1ブレーキと、
を含むことを特徴とするハイブリッド自動車の動力伝達装置。
- 前記第1遊星ギヤセットは、シングルピニオン遊星ギヤセットであって、第1回転要素が第1サンギヤ、第2回転要素が第1遊星キャリア、および第3回転要素が第1リングギヤからなり、
前記第2遊星ギヤセットは、シングルピニオン遊星ギヤセットであって、第4回転要素が第2サンギヤ、第5回転要素が第2遊星キャリア、および第6回転要素が第2リングギヤからなることを特徴とする請求項7に記載のハイブリッド自動車の動力伝達装置。 - 前記第1遊星ギヤセットは、ダブルピニオン遊星ギヤセットであって、第1回転要素が第1サンギヤ、第2回転要素が第1リングギヤ、および第3回転要素が第1遊星キャリアからなり、
前記第2遊星ギヤセットは、シングルピニオン遊星ギヤセットであって、第4回転要素が第2サンギヤ、第5回転要素が第2遊星キャリア、および第6回転要素が第2リングギヤからなることを特徴とする請求項7に記載のハイブリッド自動車の動力伝達装置。 - 前記第1遊星ギヤセットは、ダブルピニオン遊星ギヤセットであって、第1回転要素が第1サンギヤ、第2回転要素が第1リングギヤ、および第3回転要素が第1遊星キャリアからなり、
前記第2遊星ギヤセットは、ダブルピニオン遊星ギヤセットであって、第4回転要素が第2サンギヤ、第5回転要素が第2リングギヤ、および第6回転要素が第2遊星キャリアからなることを特徴とする請求項7に記載のハイブリッド自動車の動力伝達装置。 - 前記第1クラッチは、第4回転要素と第5回転要素との間に介在することを特徴とする請求項7に記載のハイブリッド自動車の動力伝達装置。
- 前記第1クラッチは、第4回転要素と第6回転要素との間に介在することを特徴とする請求項7に記載のハイブリッド自動車の動力伝達装置。
- 前記第1クラッチは、第5回転要素と第6回転要素との間に介在することを特徴とする請求項7に記載のハイブリッド自動車の動力伝達装置。
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