(57)【要約】【課題】変速機自体を大型化することなく、２段変速による前進走行と後退走行とを行ない、制動時には回生制動を可能とする電気自動車用変速機を提供することにある。【解決手段】モータ１１により駆動される入力軸１２には太陽歯車１５が常時連結される。この太陽歯車１５の外側には環状歯車１６が配置され、その環状歯車１６には環状歯車１６の正逆回転を許容または阻止する２方向クラッチ２３が組み込まれている。太陽歯車１５と環状歯車１６との間にはこれらと噛み合う遊星歯車１７が配置され、その遊星歯車１７には出力軸１３と連結したキャリア１９が装着されている。入力軸１２と２方向クラッチ２３との間には、２方向クラッチの切り換え作業を行なう摩擦要素２４が配置されている。【選択図】    図１
2005030430.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電電動機に連結される入力軸と、駆動輪に連結される出力軸と、該入力軸と該出力軸とを収容するケース体とを備えた電気自動車用変速機であって、
前記入力軸に連結される太陽歯車と、該太陽歯車の外側に配置される環状歯車と、前記出力軸に連結されるキャリアに回転自在に装着され前記太陽歯車と前記環状歯車とに噛み合う遊星歯車とを備えた遊星歯車機構と、
前記入力軸と前記環状歯車との間に設けられ、前記入力軸と前記環状歯車とを締結する締結状態と締結を解放する解放状態とに切り換える変速クラッチと、
前記入力軸に連結され、前記入力軸と一体で回転する摩擦要素と、
前記環状歯車と前記ケース体との間に組み込まれ、前記摩擦要素の回転と同一方向への前記環状歯車の回転を許容し、前記摩擦要素の回転と逆回転方向への前記環状歯車の回転を阻止する２方向クラッチとを有することを特徴とする電気自動車用変速機。
【請求項２】
請求項１記載の電気自動車用変速機において、車両走行中に回生制動を行なう場合には、前記変速クラッチを締結状態とすることを特徴とする電気自動車用変速機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は発電電動機を搭載した電気自動車の動力伝達装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気自動車は電力を蓄えるバッテリと駆動輪を駆動するモータとを備えており、充電されたバッテリからの電力によって走行することができる。電気自動車は走行時に排出ガスを発生せずエネルギー効率が良いこと、モータ逆回転により後退走行ができることなどの利点がある。このような電気自動車には、モータに加えてガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどを搭載し充電走行距離を改良したハイブリッド型のものがあり、特にこれらエンジンを発電機としてバッテリを充電し、モータにより車両を駆動するようにしたものはシリーズ方式のハイブリッド電気自動車と呼ばれている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−２８５７０８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
電気自動車やシリーズ方式のハイブリッド電気自動車は回転数域の広いモータで回転するため変速機は必ずしも必要とならないが、２段変速程度の変速機を設けることで広い車速範囲と大きな発進駆動力とを兼ね備えることが可能となる。しかしながら、シングルピニオン式遊星歯車機構とワンウエイクラッチの組合せにより２段変速機を構成する場合にはモータの逆回転による後退走行が不可能となってしまう。また、後退用遊星歯車を備えたダブルピニオン式遊星歯車機構と複数の摩擦クラッチの組合せにより後退走行が可能な２段変速機を構成する場合には、変速機自体の構造が大型化、複雑化してしまう。
【０００５】
本発明の目的は、変速機自体を大型化することなく、２段変速による前進走行と後退走行とを行ない、制動時には回生制動を可能とする電気自動車用変速機を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の電気自動車用変速機は、発電電動機に連結される入力軸と、駆動輪に連結される出力軸と、該入力軸と該出力軸とを収容するケース体とを備えた電気自動車用変速機であって、前記入力軸に連結される太陽歯車と、該太陽歯車の外側に配置される環状歯車と、前記出力軸に連結されるキャリアに回転自在に装着され前記太陽歯車と前記環状歯車とに噛み合う遊星歯車とを備えた遊星歯車機構と、前記入力軸と前記環状歯車との間に設けられ、前記入力軸と前記環状歯車とを締結する締結状態と締結を解放する解放状態とに切り換える変速クラッチと、前記入力軸に連結され、前記入力軸と一体で回転する摩擦要素と、前記環状歯車と前記ケース体との間に組み込まれ、前記摩擦要素の回転と同一方向への前記環状歯車の回転を許容し、前記摩擦要素の回転と逆回転方向への前記環状歯車の回転を阻止する２方向クラッチとを有することを特徴とする。
【０００７】
本発明の電気自動車用変速機は、車両走行中に回生制動を行なう場合には、前記変速クラッチを締結状態とすることを特徴とする。
【０００８】
本発明の電気自動車用変速機にあっては、環状歯車の正逆回転を許容または阻止する２方向クラッチを遊星歯車機構に組み込むことで、モータ正転による前進走行と逆回転による後進走行とを可能とする。また、入力軸と環状歯車とを締結または解除する変速クラッチを遊星歯車機構に組み込むことで、２段変速による走行を可能とする。また、所定の速度以上で走行中に回生制動を行なう場合に、変速機を強制的に２速へ変速することで、モータによるエネルギー回生を可能とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の一実施の形態である電気自動車用変速機を示すスケルトン図である。
【００１０】
図１に示すように、電気自動車用変速機１０は、発電電動機であるモータ１１により駆動される入力軸１２と、入力軸１２と同心上に配置され回転中心が入力軸１２の回転中心に一致する出力軸１３とを備えており、出力軸１３は図示しない駆動輪に連結されてこれに動力を伝達する。発電電動機であるモータ１１は、バッテリに充電された電力により駆動されて入力軸１２を正逆いずれの方向にも回転させることができ、車両の後退移動時には、モータ１１の回転方向を反転させることで出力軸１３に伝達される回転方向を反転させることができる。また、発電機として入力軸１２の回転力を電気エネルギーに変換することができ、車両を制動する際には、このモータ１１を利用することで回生制動を行うことができる。
【００１１】
入力軸１２および出力軸１３は、ケース体１４内に回転自在に収容されている。このケース体１４内には内周円筒状の収容空間が形成されており、入力軸１２に固定されるサンギヤつまり太陽歯車１５と、その太陽歯車１５の外側に配置されるリングギヤつまり環状歯車１６と、出力軸１３に取り付けられるキャリア１９に回転自在に装着され太陽歯車１５と環状歯車１６とに噛み合うプラネタリギヤつまり遊星歯車１７とからなる遊星歯車機構１８が収容されている。つまり、入力軸１２と出力軸１３とは遊星歯車機構１８に常時連結されており、入力軸１２と出力軸１３とは常に連動して回転するようになっている。
【００１２】
入力軸１２と環状歯車１６との間には、入力軸１２と環状歯車１６とを締結する締結状態と締結を解放する解放状態とに切り換えるための変速クラッチ２０が設けられている。この変速クラッチ２０は、入力軸１２に装着されるクラッチプレート２１と環状歯車１６に装着されるクラッチプレート２２とを有している。入力軸１２側のクラッチプレート２１は入力軸１２に一体のクラッチハブに装着され、環状歯車１６側のクラッチプレート２２は環状歯車１６に一体のクラッチドラムに装着されており、作動油を供給するとそれぞれのクラッチプレートは相互に締結されて変速クラッチ２０は締結状態となる。この変速クラッチ２０は湿式多板クラッチであるが、単板式のクラッチを用いるようにしても良い。
【００１３】
環状歯車１６の外周とケース体１４との間には２方向クラッチ２３が設けられ、環状歯車１６の回転はその回転方向が２方向クラッチ２３のスプラグ３７の傾き方向に応じて許容または阻止される。スプラグ３７は摩擦要素２４を介して入力軸１２に連結された外側保持部材３０により保持されているので、入力軸１２と環状歯車１６との相対回転方向により傾きが切り換えられる。
【００１４】
変速クラッチ２０を解放し、モータ１１を正転させると、２方向クラッチ２３により環状歯車１６の回転は阻止され、遊星歯車機構１８が作動し、キャリア１９を介して出力軸１３には入力軸１２の回転が減速されて伝達される。これにより、変速段は第１速に設定される。これに対して、変速クラッチ２０を締結状態とすると、入力軸１２の回転は、入力軸１２に取り付けられている太陽歯車１５と変速クラッチ２０を介して連結される環状歯車１６とに伝達され、環状歯車１６の回転が許容されるので、太陽歯車１５と環状歯車１６とは同一の回転数で回転することになり、第２速状態となる。
【００１５】
この摩擦要素２４は、皿バネ等を用いて入力軸１２に装着されるプレート２５を外側保持部材３０に押し付けることにより、外側保持部材３０に対して所定の低トルクを伝達する。この摩擦要素２４により、入力軸１２の回転と同一方向の低トルクの回転力が外側保持部材３０に伝達される。
【００１６】
図２は図１に示すＩＩ−ＩＩ線に沿う方向の断面図であり、図１に示す部材と同じ部材には同一の番号が付されている。環状歯車１６の外周円筒面３２には、所定の間隔でポケット２９が複数形成された円筒状の内側保持部材２６が圧入等の方法より固設されている。なお、図示する場合にあっては、内側保持部材２６は固定ピン３１により環状歯車１６に固設されている。
【００１７】
ケース体１４の内周円筒面２８と内側保持部材２６との間には、円筒状の外側保持部材３０が円周方向に摺動可能に挿入されている。この外側保持部材３０にはストッパ３４が突設されており、内側保持部材２６にはストッパ３４に対応させて、ストッパ３４の円周方向の両側面に対して間隙を持った角穴３５が設けられている。これより、外側保持部材３０はストッパ３４が角穴３５に接するまで、即ち角穴３５とストッパ３４の間の隙間分だけ円周方向に内側保持部材２６に対して移動する。外側保持部材３０には、内側保持部材２６に形成された複数のポケット２９に対応させて複数のポケット３３が形成されており、外側保持部材３０におけるポケット２９の周方向の側面間寸法Ａは、内側保持部材２６におけるポケット３３の周方向の側面間寸法Ｂより大きくなっている。
【００１８】
図３（ａ）はスプラグ３７単体の横断面図、（ｂ）は外側保持部材３０の要部拡大図である。複数設けられるポケット２９，３３内のそれぞれには特定形状のスプラグ３７が格納されている。外側保持部材３０におけるポケット２９の周方向で対向する側面の中央部には凹部２９ａが形成され、その凹部２９ａ内に一対の弾性体３６が組み込まれている。弾性体３６は、このスプラグ３７の外径側端部３７ｃ，３７ｄを両側から押圧し、図２に示すように、スプラグ３７を中立状態に保持する方向にばね力を加えている。スプラグ３７の外径側円弧面３７ａおよび内径側円弧面３７ｂは、それぞれの曲率半径が半径Ｒ１およびＲ２の円弧面である。この半径Ｒ１およびＲ２は何れもケース体１４の内周円筒面２８と環状歯車１６の外周円筒面３２間の間隔δの１／２より大きく設定されている。
【００１９】
また、それぞれの半径Ｒ１およびＲ２は、距離Ｌだけオーバーラップしており、それぞれの曲率半径の中心点Ｏ１，Ｏ２を通る中立線Ｎにおける円弧面３７ａと円弧面３７ｂの間の距離は最小高さｈとなっており、上記間隔δよりも若干小さく設定されている。さらに、それぞれの円弧面３７ａ，３７ｂが中立線Ｎの位置から離れると、スプラグ中心Ｏを介して対向する部分、たとえば傾斜線Ｍで示すように、円弧面３７ａ，３７ｂの間の距離は、中立線Ｎの位置から離れるに従って大きくなり、所定の距離離れると間隔δよりも大きくなる。このため、スプラグ３７はその中立線Ｎの延長線が環状歯車１６の回転中心を通るように、円筒面２８，３２間に環状歯車１６の径方向に起立する中立状態となると、スプラグ３７の円弧面３７ａ，３７ｂと円筒面２８，３２間にラジアル隙間が形成される。そして、中立状態から円筒面２８，３２の周方向に倒れると、傾斜線Ｍで示すように、外径側円弧面３７ａおよび内径側円弧面３７ｂが対向する円筒面２８，３２に対して係合する。
【００２０】
弾性体３６としては、板バネ、コイルスプリング等を用いることができる。図３に示すように、本実施例では外側保持部材３０の外径部２６ｂから弾性体３６として金属製板バネを取り付けた例を示しているが、外側保持部材３０の内径側から取り付けるようにしても良い。
【００２１】
次に、２方向クラッチ２３の作動について説明する。図４（ａ）はモータ正転時の作動状態説明図であり、（ｂ）はモータ逆転時の作動状態説明図である。摩擦要素２４を介し、モータ１１により駆動される入力軸１２の回転と同一方向の回転力が２方向クラッチ２３の外側保持部材３０に伝達される。よって、モータ１１を正転駆動させると外側保持部材３０は正転方向に、モータ１１を逆転駆動させると外側保持部材３０は逆回転方向に低トルクで回転力が加えられる。
【００２２】
モータ正転時における太陽歯車１５の回転方向を図４（ａ）中矢印で示す右回転方向とすると、外側保持部材３０に設けられたストッパ３４が角穴３５の図示右側面に当接するまで正転方向に相対回転する。このとき、外側保持部材３０のポケット２９に格納されたスプラグ３７は、外側保持部材３０により押されて傾動する。これより、スプラグ３７の外径側円弧面３７ａおよび内径側円弧面３７ｂが対向する円筒面２８，３２の中立線Ｍから離れた部分にそれぞれ係合し、環状歯車１６は締結状態となる。入力軸１２が正転方向に回転する場合、太陽歯車１５には常時正転方向の回転力が伝達され、太陽歯車１５と遊星歯車１７を介して連結される環状歯車１６にはこれと逆方向の反力が伝達される。図４（ａ）に示すモータ正転時にあっては、環状歯車１６には左回転方向の反力が伝達されるが、環状歯車１６は左回転方向にはスプラグ３７により回転が阻止される。
【００２３】
一方、モータ逆転時にあっては、図４（ｂ）に示すように、外側保持部材３０に設けられたストッパ３４が角穴３５の図示左側面に当接するまで逆転方向に相対回転する。このとき、外側保持部材３０のポケット２９に格納されたスプラグ３７は、外側保持部材３０により押されて図４（ａ）に示す場合とは逆の方向に傾動する。これより、スプラグ３７の外径側円弧面３７ａおよび内径側円弧面３７ｂが対向する円筒面２８，３２の中立線Ｍから離れた部分にそれぞれ係合し、環状歯車１６は締結状態となる。図４（ｂ）に示すモータ逆転時にあっては、環状歯車１６には右回転方向の反力が伝達されるが、環状歯車１６は右回転方向にはスプラグ３７により回転が阻止される。
【００２４】
このように、摩擦要素２４のクラッチプレート２５が滑りスプラグ３７により２方向クラッチ２３が締結状態となると、環状歯車１６がモータ１１の回転方向とは逆方向に回転するのを阻止することができ、遊星歯車機構１８は第１速の動力伝達状態になる。
【００２５】
次いで、本発明の電気自動車用変速機１０の作動について説明する。
【００２６】
図５は変速クラッチ２０の切換状態説明図である。前進発進時のような第１速走行時には、モータ１１により駆動される入力軸１２の正転回転を減速して出力軸１３に伝達するようにする。このとき、図５に示すように、変速クラッチ２０は解放状態とする。２方向クラッチ２３は環状歯車１６が入力軸１２の回転方向とは逆方向に回転するのを阻止する。そうすると、入力軸１２の回転力が太陽歯車１５を介して伝達される遊星歯車１７は、自転しながら太陽歯車１５の周りを正転方向に公転する。これより、出力軸１３は、遊星歯車１７に連結されたキャリア１９を介することで、入力軸１２の回転方向と同じく正転方向に回転することになる。このときの出力軸１３の回転数は、太陽歯車１５と環状歯車１６の歯数に応じて減少して伝達される。
【００２７】
車両が所定速度以上に達した時には第２速にシフトアップするため、変速クラッチ２０を締結状態とする。変速クラッチ２０を締結することで、環状歯車１６は入力軸１２の回転数、即ち太陽歯車１５の回転数と同一の回転数で回転し始める。このとき、２方向クラッチ２３は環状歯車１６が正転することを阻止しない。そうすると、遊星歯車１７は自転することなく、環状歯車１６と遊星歯車１７は太陽歯車１５の周りを一体として回転移動することになる。このときの出力軸１３の回転数は、遊星歯車１７の自転が阻止されることによって、入力軸１２と同一の回転数で伝えられる。
【００２８】
後進走行時には、モータ１１を正転方向とは逆方向に回転させる。このとき、図５に示すように、変速クラッチ２０は解放状態とする。摩擦要素２４がトルクを伝達することで、２方向クラッチ２３は環状歯車１６が入力軸１２の回転方向とは逆方向に回転するのを阻止する。これより、出力軸１３には、遊星歯車１７を介することで減速された回転が、入力軸１２の回転方向と同じ逆転方向の回転力として伝達されることになり、結果、車両は第１速相当のギヤ比で後退する。
【００２９】
図６は電気自動車用変速機の作動を制御する制御回路を示すブロック図である。メインコントローラ３８にはアクセルペダルの開度を検出するアクセル開度センサ３９、車両の走行速度を検出する車速検出手段としての車速センサ４０、車両の走行負荷を検出する負荷検出手段としてブレーキセンサ４１、およびモータ１１の回転数を検出するモータ回転数センサ４２からの検出信号が送られるようになっている。メインコントローラ３８からはモータ１１の作動を制御するモータ制御手段としてのモータコントローラ４３、変速クラッチ２０による入力軸１２と環状歯車１６との締結を制御する変速制御手段としての変速クラッチコントローラ４４に対してそれぞれ制御信号が送られるようになっている。
【００３０】
上述の通り、変速クラッチ２０は、油圧室に対して供給される油圧を制御することでクラッチの切り換えが行なわれるようになっている。これらの切り換えは、変速クラッチコントローラ４４からの信号により油圧室に対して供給される油圧を制御することで行なわれ、切り換えのタイミングは車速センサ４０で検出される車速とアクセル開度センサ３９で検出されるアクセル開度センサからの信号に基づいて決定される。
【００３１】
車両の制動時には、モータ１１を発電機として機能させて充電しながら制動する回生制動を行なうことができる。ただし、第１速走行中に回生制動を行なう場合にはクラッチ２０の切り換えを行なう必要がある。なぜなら、図４（ａ）に示すように、環状歯車１６は入力軸１２および出力軸１３と同一の回転方向にはクラッチ作動可能状態となっているが、これと逆方向の回転力に対しては空転してしまうからである。つまり、出力軸１３の回転方向とは逆方向の制動力はモータ１１に伝達されず、このままではエネルギー回生ができない。そこで、第１速走行中に回生制動を行なう場合には、図７に示すフローチャートに従って変速クラッチ２０の切り換え作業を行なう。なお、それぞれの処理は所定時間毎、例えば１０ｍｓｅｃ毎に実行される。
【００３２】
図示するように、ステップＳ１ではブレーキセンサ４１によってブレーキングの有無を検出する。次いで、ステップＳ２ではブレーキング時に変速機１０が第１速か否かの判断を行なう。ステップＳ３では、車速センサ４０により検出された車速とメインコントローラ３８のメモリに格納された判定しきい値との比較を行ない、エネルギー回生が必要な所定の車速以上であると判断したら、ステップＳ４にて変速機１０を強制的に第２速の状態とする。回生制動時に既に第２速走行を行なっている場合には、ステップＳ２で分岐される通り、そのままのクラッチ状態でステップＳ５の回生制動が行なわれる。２速状態とすることで、駆動力とは逆回転の制動力を出力軸１３から入力軸１２に伝達することができ、モータ１１にて発電を行なってバッテリを充電することができる。
【００３３】
本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。たとえば、モータ１１に加えてエンジンを設け、エンジンの出力軸をシリーズに入力軸１２に連結するようにしても良い。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、環状歯車の正逆回転を許容または阻止する２方向クラッチを遊星歯車機構に組み込むことで、変速機自体を大型化することなく、モータ正転による前進走行と逆回転による後進走行とを行なうことができる。
【００３５】
入力軸と環状歯車とを締結または解除する変速クラッチを遊星歯車機構に組み込むことで、変速機自体を大型化することなく、２段変速による走行を行なうことができる。
【００３６】
所定の速度以上で走行中に回生制動を行なう場合に、変速機を強制的に第２速へ変速することで、出力軸から入力軸へと制動力を伝達することができ、モータによるエネルギー回生を効率的に行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態である電気自動車用変速機を示すスケルトン図である。
【図２】図１に示すＩＩ−ＩＩ線に沿う方向の断面図である。
【図３】（ａ）はスプラグ単体の横断面図、（ｂ）は外側保持部材の要部拡大図である。
【図４】（ａ）はモータ正転時の作動状態説明図であり、（ｂ）はモータ逆転時の作動状態説明図である。
【図５】変速クラッチの切換状態説明図である。
【図６】電気自動車用変速機の作動を制御する制御回路を示すブロック図である。
【図７】回生制動時の変速クラッチを制御する切換制御手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１１  モータ
１２  入力軸
１３  出力軸
１４  ケース体
１５  太陽歯車
１６  環状歯車
１７  遊星歯車
２０  変速クラッチ
２３  ２方向クラッチ
２４  摩擦要素
２６  内側保持部材
２９  ポケット
３０  外側保持部材
３３  ポケット
３４  ストッパ
３５  角穴
３６  弾性体
３７  スプラグ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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