JP6656369B2

JP6656369B2 - 車両のパワートレイン

Info

Publication number: JP6656369B2
Application number: JP2018521619A
Authority: JP
Inventors: ロード，ジョン
Original assignee: Volvo Truck Corp
Current assignee: Volvo Truck Corp
Priority date: 2015-11-09
Filing date: 2015-11-09
Publication date: 2020-03-04
Anticipated expiration: 2035-11-09
Also published as: CN108349361B; EP3374219A1; WO2017080571A1; US11065948B2; EP3374219B1; JP2019502060A; CN108349361A; US20200215894A1

Description

本発明は、２つの電気機械及び異なる変速比を有する変速機を備えた、車両のパワートレインに関する。本発明は、トラック、バス及び建設機械などの大型車両、乗用車などの小型車両に適用することができる。バスについて本発明を説明するが、本発明は、この特定車両に限らず、トラック、建設機械及び乗用車などの他の車両でも使用することができる。

電気自動車のパワートレインは、多くの異なる構成を有することができる。電気自動車のパワートレインは、推進トルク（propulsive torque）及び復帰トルク（recuperative torque）を大型車両に供給する、単一の電気機械又はいくつかの電気機械を備えることができる。２つの電気機械がある場合、２つの電気機械は、変速機を介して、同じ一対の駆動輪に駆動連結することができる。電動パワートレインの一例が、国際公開第２０１４／１７３５１７号パンフレットに開示されている。そこでは、２つの電気機械を使用して一対の車輪を駆動すると共に、第１の電気機械と一対の駆動輪との間に、係合及び切り離し可能な２つの異なる変速比（歯車）が配置されている。第２の電気機械は、第１の電気機械の低速歯車と同じ変速比を使用する係合及び切り離し可能な歯車のみを介して、同じ一対の車輪に駆動連結することができる。

本発明の目的は、電気大型車両のための代わりのパワートレインを提供することである。

本発明の目的は、共通の出力軸に合流する出力流れを持つ２つの電気機械を有し、さらに、パワートレインの変速機における変速中にトルク遮断を減少させることで、パワートレインからの牽引トルク及び出力を増加させることである。

本発明の第１の態様によれば、この目的は、添付の特許請求の範囲に記載された車両のパワートレインによって達成される。本発明は、
第１の電気機械と、
第２の電気機械と、
第１の電気機械及び第２の電気機械から車両の一対の駆動輪にトルクを伝達するように配置され、第１の電気機械が変速機の第１の入力軸に駆動連結され、第２の電気機械が変速機の第２の入力軸に駆動連結された変速機と、
変速機の第１の入力軸と出力軸との間に１つの変速比のみを含むトルクを伝達する第１のトルク経路と、
変速機の第２の入力軸と出力軸との間に選択可能かつ個別に係合可能な２つの変速比を含むトルクを伝達する第２のトルク経路と、を備え、
第１のトルク経路及び第２のトルク経路の３つの変速比が相互に異なっている、
車両のパワートレインに関する。

第１のトルク経路は、トルクが第１の電気機械から出力軸へと伝達される、１つの変速比のみを有している。第２のトルク経路については、２つの変速比の一方は、第２の電気機械から第１の電気機械と同じ出力軸へとトルクを伝達するように選択及び係合させることができる。

３つの変速比は相互に異なっており、これは３つの異なる歯車がパワートレインで使用され、各歯車が他の２つの歯車と比べて異なる変速比を有していることを意味している。第１のトルク経路は、１つの歯車のみを有している。第２のトルク経路は、一度に１つずつ選択及び係合が可能な２つの異なる歯車を有している。

第１の電気機械及び第２の電気機械から１つの出力軸へと出力を合流させる変速機によって、高い総出力を提供することができる。この変速機によってまた、２つの選択可能かつ個別に係合可能な変速比の一方から他方へと第２の電気機械の変速比を変速しながら、第１の電気機械が駆動輪にトルクを与えることができる。本発明に係るパワートレインは、これによって、牽引トルク及び総出力を向上させることができる。本発明は、第１の電気機械の変速比が第２の電気機械の変速比から独立している、変速機の構成を提供する。

本発明が有する他の利点は、電気機械の動力が十分であれば、部分負荷で電気機械を作動させる方が効果的であることである。相互に異なる３つの変速比によって、作動中の電気機械のより良い動作点が得られる。その結果、よりエネルギー効率が良い車両となる。

第１の代替的な実施例によれば、車両のパワートレインは、第１の電気機械が第１の入力軸に永続的に駆動連結され、第２の電気機械が第２の入力軸に永続的に駆動連結されている。これによって、シンプル、ロバスト及び費用効果の高い解決策が提供される。

第２の代替的な実施例によれば、第１の電気機械が、選択的に係合可能な第１の入力軸クラッチを介して、第１経路入力歯車に駆動結合され、第２の電気機械が、第２の入力軸に永続的に駆動連結されている。この代替例では、第１の電気機械からのトルクが必要でなければ、第１の電気機械を変速機から切り離すことができる。従って、１つの電気機械のみ、この場合第２の電気機械のみで牽引トルク及び出力を提供するのに十分である作動状態が発生したとき、第１の電気機械が切り離されることによって、第１の電気機械を空回りさせるのに使用されるエネルギーが不要となる（係合している場合）。

２つの上記代替例の更なる発展によれば、第１のトルク経路の変速比は固定されている。この代替例の更なる発展では、第１のトルク経路は、トルクを伝達するように配置され、かつ、第１の入力軸と出力軸との間に配置された歯車セットを備えた、駆動連結部を含んでいる。第１のトルク経路及び歯車セットは、第１の入力軸に回転可能に固定された第１経路入力歯車を含んでおり、第１経路入力歯車が、出力軸に回転可能に固定された出力軸歯車に駆動連結されている。

代替的な展開によれば、第１のトルク経路における歯車セットは、第１の入力軸に回転可能に固定された第１経路入力歯車を含んでおり、第１経路入力歯車が、出力軸に選択的に係合可能なクラッチを介して、出力軸に駆動連結された出力軸歯車に駆動連結され、第２の電気機械が、第２の入力軸に永続的に駆動連結されている。代替例として上述したような、選択的に係合可能な第１の入力軸クラッチを有することと比較して、この代替例は、通常、クラッチの係合をより容易にするクラッチにおいて、より低速な回転速度を有している。また、この代替例では、第１の電気機械からのトルクが不要であれば、第１の電気機械を変速機から切り離すことができる。さらに、第１の入力軸、第１経路入力歯車、アイドラ歯車及び出力軸歯車は、第１の電気機械と一緒に切り離される。従って、１つの電気機械のみ、この場合第２の電気機械のみで牽引トルク及び出力を提供するのに十分である作動状態が発生したとき、第１の電気機械が上述の複数の歯車と一緒に切り離されることによって、エネルギー消費をさらに低減することができる。

代替的な展開によれば、第１のトルク経路における歯車セットは、第１経路入力歯車がアイドラ軸に対して遊転可能なアイドラ歯車と噛み合っており、アイドラ歯車が出力軸歯車と噛み合っている。これによって、第１のトルク経路に対してさらに高速な変速比をもたらすことができる。

さらなる代替例によれば、第２のトルク経路は、第２の入力軸に回転可能に固定された第２経路入力歯車を含んでおり、第２経路入力歯車が主軸に回転可能に固定された第１の主軸歯車と噛み合い、第２の主軸歯車が主軸に回転可能に固定され、第２の主軸歯車が副軸に回転可能に固定された第１の副軸歯車と噛み合い、第２の副軸歯車が出力軸に対して遊転可能な出力軸遊転歯車と噛み合っている。

上述の代替例のさらなる展開によれば、選択的に係合可能な出力軸クラッチは、第１の位置において、出力軸遊転歯車を出力軸に駆動連結するように配置されている。さらなる代替例では、選択的に係合可能な出力軸クラッチは、第２の位置において、第２の主軸歯車又は主軸を出力軸に駆動連結するように配置されている。これによって、第２のトルク経路において利用可能な２つの変速比のいずれか一方を選択して係合することができる。

上述の代替例のさらなる展開によれば、３つの変速比は、次のような異なる方法の１つとして構成することができる。
第１のトルク経路の固定変速比は、第２のトルク経路の他の２つの変速比の間とすることができる。これによって、比較的広い車速範囲で第１の電気機械及び第２の電気機械の両方を駆動させることができる。
第１のトルク経路の固定変速比は、第２のトルク経路の他の２つの変速比と比べて低くすることができる。これによって、非常に広い車速範囲で駆動させる可能性を与えるが、より狭い車速範囲のみで第１の電気機械及び第２の電気機械の両方を駆動させることができる。
第１のトルク経路の固定変速比は、第２のトルク経路の他の２つの変速比と比べて高い。これによってまた、非常に広い車速範囲で駆動させる可能性を与えるが、より狭い車速範囲のみで第１の電気機械及び第２の電気機械の両方を駆動させることができる。

上述の代替例のさらなる展開によれば、出力軸が、主軸の内部に同軸に配置されている。また、変速機並びに第１の電気機械及び第２の電気機械の複数の軸の回転軸が平行に配置されている。さらに、第１の電気機械及び第２の電気機械は、軸方向の同じ位置で相互に近接して配置されている。上述した各特徴は、コンパクトで効率的なパワートレインの解決策に貢献する。

上述の第１の代替例（主代替例）のさらなる展開、又は、第１のトルク経路の固定変速比が第２のトルク経路の他の２つの変速比と比べて高い代替例によれば、第１の電気機械及び第２の電気機械は、異なる型式及び／又は異なるサイズのものである。異なる組み合わせが可能である。１つの例示的な組み合わせでは、第１の電気機械が非同期型の電気機械であり、第２の電気機械が同期型の電気機械である。別の実施例では、第１の電気機械がリラクタンス型の電気機械であり、第２の電気機械が同期型の電気機械である。非同期型及びリラクタンス型の電気機械の両方は安価（同期型の電気機械と比べて）であり、かつ、それらの両方は高回転速度で（高変速比）でより効果的であるので、これらの代替例は、依然として十分なパワートレイン性能をもってコスト面の優位性をもたらすことができる。「駆動連結」という用語は、一般的に、第１のコンポーネントから第２のコンポーネントへと回転運動及び／又は回転トルクの伝達が可能となるように、第１のコンポーネントを第２のコンポーネントに連結することを意味する。従って、この用語は、２つのコンポーネントが連結される機能的構成を含んでおり、第１のコンポーネントの回転速度が第２のコンポーネントの回転速度と一致する。しかしながら、この用語はまた、第１のコンポーネントの回転運動と第２のコンポーネントの回転運動との間の比、即ち、第２のコンポーネントの回転速度が第１のコンポーネントの回転速度に比例する、機能的構成を含んでいる。

本発明のさらなる特徴及び利点は、添付の特許請求の範囲及び以下の説明を検討すれば明確になるであろう。当業者であれば、本発明の範囲を逸脱することなく、本発明の異なる特徴を組み合わせて、以下に説明する実施形態以外の実施形態を生み出すことができることを理解するであろう。

添付の図面を参照して、複数の例として挙げられた本発明の実施形態のより詳細な説明を以下に示す。

本発明の実施形態に係る車両のパワートレインを備えた車両の概要を示す。本発明の異なる実施形態に係るパワートレインを示す。本発明の異なる実施形態に係るパワートレインを示す。本発明の異なる実施形態に係るパワートレインを示す。本発明の異なる実施形態に係るパワートレインを示す。

本開示は、電気自動車におけるパワートレインに関する。図１を参照すると、パワートレインは、例えば、一対の前輪２及び駆動輪として機能する一対の後輪３を有し、駆動輪がパワートレインによって駆動される、大型又は小型のバス１に搭載することができる。

図２は、第１の電気機械５及び第２の電気機械６を備えた、車両のパワートレイン４の簡略化された例示的な実施形態の概略図を示す。第１の電気機械５及び第２の電気機械６は、パワーエレクトロニクス１１を介して、蓄電システム１２に電気的に接続されている。蓄電システム、パワーエレクトロニクス及び電気機械は、当該技術分野で公知であるので、これ以上説明しない。第１の電気機械５及び第２の電気機械６は、同じ仕様及び構成、即ち、同じ型式及び性能を有することができる。同じ仕様の電気機械を有することは、体積及びコストの利点をもたらすことができる。２つの異なる電気機械、例えば、１つの安価な非同期型の電気機械及び１つの同期型の電気機械を有することも可能であり、又は、第１の電気機械がリラクタンス型の電気機械、第２の電気機械が同期型の電気機械とすることができる。非同期型又はリラクタンス型の電気機械は、高回転速度では比較的有効である。従って、第１のトルク経路に比較的高い変速比と非同期型若しくはリラクタンス型の電気機械が設けられ、かつ、第２のトルク経路に同期型の電気機械が設けられていれば、これは依然として十分なパワートレイン性能を有する、コスト面で利点をもたらす。異なる電気機械の他の組み合わせも可能であることに留意されたい。第１の電気機械５及び第２の電気機械６は、第１の電気機械５及び第２の電気機械６から一対の駆動輪３にトルクを伝達するように配置された変速機７に駆動連結されている。第１の電気機械５は、変速機７の第１の入力軸８に駆動連結され、第２の電気機械６は、変速機７の第２の入力軸９に駆動連結されている。

トルクを伝達する第１のトルク経路は、変速機７の第１の入力軸８と出力軸１０との間で１つの変速比のみを含んでいる。出力軸１０は、公知の方法（図示せず）で一対の駆動輪３に駆動連結されている。第２のトルク経路は、変速機７の第２の入力軸９と出力軸１０との間で選択可能かつ個別に係合可能な２つの変速比を含んでいる。第１のトルク経路及び第２のトルク経路の歯車セットの構成は、夫々、第１のトルク経路及び第２のトルク経路の３つの変速比が相互に異なるように構成されている。

図２に示すように、第１のトルク経路の歯車セットは、第１の入力軸８に回転可能に固定された、第１経路入力歯車１３を含んでいる。第１経路入力歯車１３は、アイドラ軸に対して遊転可能に配置されたアイドラ歯車１４と噛み合っている。その代わりに、アイドラ歯車をアイドラ軸に回転可能に固定することができ、又は、変速機ハウジング（図示せず）に配置された複数の軸受にアイドラ軸を回転可能に配置することができる。変速機における最後の段階として、アイドラ歯車１４は、出力軸１０に回転可能に固定された、出力軸歯車１５と噛み合っている。

第２のトルク経路の歯車セットは、第２の入力軸９に回転可能に固定された第２経路入力歯車１６を含んでいる。第２経路入力歯車１６は、主軸１８に回転可能に固定された、第１の主軸歯車１７と噛み合っている。第２の主軸歯車１９は、主軸１８に回転可能に固定されている。第２の主軸歯車１９は、副軸２１に回転可能に固定された、第１の副軸歯車２０と噛み合っている。第２の副軸歯車２２は、副軸２１に回転可能に固定されており、第２の副軸歯車２２は、出力軸１０に対して遊転可能な出力軸遊転歯車２３と噛み合っている。選択的に係合可能な出力軸クラッチ２５は、第１の位置２４において、出力軸遊転歯車２３を出力軸１０に駆動連結するように配置され、第２の位置２６において、主軸１８を出力軸１０に駆動連結するように配置されている。また、出力軸クラッチ２５は、第２の主軸歯車１９を出力軸１０に駆動連結するように構成することができる。選択的に係合可能な出力軸クラッチ２５はまた、図示の例において、クラッチがニュートラルになるように配置された第３の位置を有している。ニュートラルのとき、第２のトルク伝達経路が非作動になって、第１の電気機械５からのトルクだけを一対の駆動輪３に伝達することができる。さらに、出力軸１０は、主軸１８の内部に同軸に配置されている。出力軸１０は、主軸１８より長く、かつ、主軸１８の両軸端の外方に延びて、出力軸歯車１５、出力軸遊転歯車２３及び出力軸クラッチ２５のためのスペースを有している。図２に示すように、変速機７並びに第１の電気機械５及び第２の電気機械６の複数の軸の回転軸は、平行に配置されている。第１の電気機械５及び第２の電気機械６はまた、軸方向の同じ位置かつ相互に隣接して配置されている。

従って、図２に開示された構成では、第１の電気機械５が第１の入力軸８に永続的に駆動連結され、第２の電気機械６が第２の入力軸９に永続的に駆動連結されている。第１のトルク経路の変速比は固定されており、これは１つの変速比のみがあることを意味している。これによって、シンプルでロバストな解決策が与えられる。

２つのトルク経路のための歯車セットは、３つの変速比が相互にすべて異なるように選択されている。第１のトルク経路の固定変速比は、第２のトルク経路の他の２つの変速比の間で選択されるか、第２のトルク経路の他の２つの変速比と比べて低くなるように選択されるか、第２のトルク経路の他の２つの変速比と比べて高くなるように選択されるか、のいずれかとすることができる。変速比の選択は、パワートレインの要求性能に依存している。

図３は、図２のパワートレイン４と同様な代替的なパワートレイン３０を開示している。図３の実施形態は、選択的に係合可能な第１の入力軸クラッチ３１を介して第１の電気機械３５が第１経路入力歯車３１３に駆動連結されていることのみが、図２の実施形態と異なっている。従って、図３に示すように、第１経路入力歯車３１３は、第１の入力軸３８に対して遊転可能である。図示の第１の入力軸クラッチ３１は、係合位置３２及び切り離し位置（図示せず）という、２つの位置を有している。

図４は、図２のパワートレイン４と同様な代替的なパワートレイン４０を開示している。図４の実施形態は、選択的に係合可能なクラッチ４１を介して出力軸歯車４１５が出力軸４１０に駆動連結されることのみが、図２の実施形態と異なっている。また、出力軸歯車４１５は、出力軸４１０に対して遊転可能である。開示のクラッチ４１は、係合位置４２及び切り離し位置（図示せず）という、２つの位置を有している。

図５は、図４のパワートレイン４０と同様な代替的なパワートレイン５０を開示している。図５の実施形態と図４の実施形態との間の唯一の相違点は、図５において、アイドラ軸を備えたアイドラ歯車がないことである。その代わりに、第１経路入力歯車５１３が、出力軸歯車５１５に直接噛み合っている。

図５におけるパワートレインの代替的な実施形態では、出力軸歯車５１５を出力軸５１０に駆動連結するクラッチ５１を取り外すか（図２のように）、入力軸歯車５１３を第１の入力軸５８に駆動連結するようにクラッチ５１を配置するか（図３のように）、のいずれかとすることができる。

出力軸クラッチ２５，第１の入力軸クラッチ３１及びクラッチ４１は、図においてドグクラッチとして開示されているが、その代わりに、摩擦クラッチの少なくとも１つ又はいくつかとすることができる。

特許請求の範囲に記載された参照符号は、特許請求の範囲によって保護される事項の範囲を限定するものと見做すべきではなく、それらの唯一の機能は、特許請求の範囲を理解し易くすることである。パワートレインは、２つの電気機械の一方又は両方からの推進トルク及び復帰トルクの両方を与えることができることが理解されるべきである。本発明は、上述及び図示の実施形態に限定されないことを理解されたい。むしろ、当業者であれば、添付の特許請求の範囲内で様々な変更及び修正がなされることを認識するであろう。

Claims

第１の電気機械（５）と、
第２の電気機械（６）と、
前記第１の電気機械及び前記第２の電気機械から車両（１）の一対の駆動輪（３）へとトルクを伝達するように配置された変速機（７）であって、前記第１の電気機械が前記変速機の第１の入力軸（８）に永続的に駆動連結され、前記第２の電気機械が前記変速機の第２の入力軸（９）に永続的に駆動連結された変速機と、
を備えた車両のパワートレイン（４）であって、
トルクを伝達する第１のトルク経路は、前記変速機（７）の前記第１の入力軸（８，３８，５８）と出力軸（１０，４１０，５１０）との間に１つの変速比のみを含み、
トルクを伝達する第２のトルク経路は、前記変速機の前記第２の入力軸（９）と前記出力軸（１０）との間に選択可能かつ個別に係合可能な２つの変速比を含み、
前記第１のトルク経路及び前記第２のトルク経路の前記３つの変速比が相互に異なっており、
前記第２のトルク経路は、前記第２の入力軸に回転可能に固定された第２経路入力歯車（１６）を含んでおり、前記第２経路入力歯車が主軸（１８）に回転可能に固定された第１の主軸歯車（１７）と噛み合い、第２の主軸歯車（１９）が前記主軸に回転可能に固定され、前記第２の主軸歯車が副軸（２１）に回転可能に固定された第１の副軸歯車（２０）と噛み合い、前記副軸に回転可能に固定された第２の副軸歯車（２２）が前記出力軸（１０）に対して遊転可能な出力軸遊転歯車（２３）と噛み合っている、
ことを特徴とする車両のパワートレイン。
前記第１の電気機械（３５）が、選択的に係合可能な第１の入力軸クラッチ（３１）を介して、第１経路入力歯車（３１３）に駆動連結され、前記第２の電気機械が前記第２の入力軸に永続的に駆動連結された、
ことを特徴とする請求項１に記載の車両のパワートレイン。
前記第１のトルク経路の変速比が固定された、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の車両のパワートレイン。
前記第１のトルク経路は、トルクを伝達するように配置され、かつ、前記第１の入力軸（８，３８，５８）と前記出力軸（１０，４１０，５１０）との間に配置された歯車セット（１３，１４，１５）を含んだ駆動連結部を備えた、
ことを特徴とする請求項３に記載の車両のパワートレイン。
前記第１のトルク経路は、前記第１の入力軸に回転可能に固定された第１経路入力歯車（１３，３１３，５１３）を含んでおり、前記第１経路入力歯車が、前記出力軸に回転可能に固定された出力軸歯車（１５，４１０，５１０）に駆動連結された、
ことを特徴とする請求項４に記載の車両のパワートレイン。
前記第１のトルク経路は、前記第１の入力軸に回転可能に固定された第１経路入力歯車を含んでおり、前記第１経路入力歯車が、前記出力軸に対して選択的に係合可能なクラッチ（４１）を介して、前記出力軸に駆動連結された出力軸歯車（４１５）に駆動連結され、前記第２の電気機械が前記第２の入力軸に永続的に駆動連結された、
ことを特徴とする請求項４に記載の車両のパワートレイン。
前記第１経路入力歯車（１３，３１３）がアイドラ軸に対して遊転可能なアイドラ歯車（１４）に噛み合っており、前記アイドラ歯車（１４）が前記出力軸歯車（１５，４１５）と噛み合っている、
ことを特徴とする請求項５又は６に記載の車両のパワートレイン。
選択的に係合可能な出力軸クラッチ（２５）が、第１の位置（２４）において、前記出力軸遊転歯車（２３）を前記出力軸（１０）に駆動連結するように配置された、
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の車両のパワートレイン。
前記選択的に係合可能な出力軸クラッチ（２５）が、第２の位置（２６）において、前記第２の主軸歯車（１９）又は前記主軸（１８）を前記出力軸（１０）に駆動連結するように配置された、
ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の車両のパワートレイン。
前記第１のトルク経路の固定変速比が、前記第２のトルク経路の他の２つの変速比の間にある、
ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の車両のパワートレイン。
前記第１のトルク経路の固定変速比が、前記第２のトルク経路の他の２つの変速比と比べて低い、
ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の車両のパワートレイン。
前記第１のトルク経路の固定変速比が、前記第２のトルク経路の他の２つの変速比と比べて高い、
ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の車両のパワートレイン。
前記出力軸（１０）が、前記主軸（１８）の内部で同軸に配置された、
ことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１つに記載の車両のパワートレイン。
前記変速機（７，３７，４７）並びに前記第１の電気機械及び前記第２の電気機械の両方の複数の軸の回転軸が平行に配置された、
ことを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１つに記載の車両のパワートレイン。
前記第１の電気機械及び前記第２の電気機械が、軸方向の同位置及び相互に近接して配置された、
ことを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１つに記載の車両のパワートレイン。
前記第１の電気機械及び前記第２の電気機械が、異なる型式のものか、異なるサイズのものか、又は、これらの双方のものである、
ことを特徴とする請求項１２又は１に記載の車両のパワートレイン。
前記第１の電気機械が非同期型の電気機械又はリラクタンス型の電気機械であり、前記第２の電気機械が同期型の電気機械である、
ことを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１つに記載の車両のパワートレイン。