(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
変速機（３８）の変速機入力軸（２０）と変速機出力軸（３６）との間で牽引力を変速ギヤ段の変換時に中断するために少なくとも１つのクラッチ（４２）を備え、牽引力が内燃機関（１２）から変速機（３８）に伝達され、変速機（３８）において牽引力がクラッチ（４２）を用いて中断された場合に変速機（３８）の変速機出力軸（３６）に変速機入力軸（２０）を橋絡して牽引力を伝達するための装置（２１，２１ａ，２１ｂ）が設けられている形式の自動車用の駆動機列において、牽引力を伝達するための装置（２１，２１ａ，２１ｂ）が電気機械（２２，２２ａ，２２ｂ）を有し、該電気機械（２２，２２ａ，２２ｂ）が、回転可能に支承された、変速機出力軸（３６）に作用する少なくとも１つの第１のステータ（２６）と、前記少なくとも第１のステータ（２６）と協働すると共に内燃機関（１２）により駆動される少なくとも１つの第１のロータ（２４）とを有しており、電気機械（２２）が、第２ステータ（３０）と、該第２ステータ（３０）と協働すると共に変速機入力軸（２０）に捩れ不能に固着結合された第２ロータ（２８）とを有し、しかも前記電気機械（２２）が、前記変速機入力軸（２０）の回転数の同期化のために使用可能であることを特徴とする、自動車用の駆動機列。
【請求項２】
少なくとも第１ロータ（２４）が、内燃機関（１２）の出力軸（１４）に捩れ不能に固着結合されている、請求項１記載の駆動機列。
【請求項３】
少なくとも第１ロータ（２４）が固定伝達比を介して、内燃機関（１２）の出力軸（１４）と結合されている、請求項１又は２記載の駆動機列。
【請求項４】
電気機械（２２）が、自動車の車内搭載電気回路網に給電するために使用される、請求項１から３までのいずれか１項記載の駆動機列。
【請求項５】
電気機械（２２）が内燃機関（１２）を始動するために使用される、請求項１から４までのいずれか１項記載の駆動機列。
【請求項６】
変速機出力軸（３６）の回転を防止するための位置固定装置（５０，７６）が設けられている、請求項１から５までのいずれか１項記載の駆動機列。
【請求項７】
電気機械（２２）が変速機入力軸（２０）の周りに配置されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の駆動機列。
【発明の詳細な説明】
背景技術
本発明は、請求項１に発明の上位概念して規定した形式の、自動車用の駆動機列に関する。
自動車用の駆動機列が変速機と内燃機関と、前記の変速機と内燃機関との間に配置されたクラッチとから成っている場合、前記クラッチは変速ギヤ段の変換時に、内燃機関によって発生されて変速機に伝達される牽引力を中断する。この原理に起因したトラクション損失は、走行安全性及び走行快適性に不都合な影響を及ぼす。
発明の効果
前記の背景技術に対して、請求項１の特徴部に記載した手段を備えた本発明の自動車用の駆動機列の利点は、内燃機関の牽引力が変速ギヤ段の変換のためにクラッチによって中断される場合に牽引力が１つの装置によって伝達されることである。これによって走行安全性と走行快適性が高められる。牽引力は電気機械を介して、特に回転可能に支承されたステータによって伝達するのが取り分け有利であり、しかも内燃機関によって駆動されるロータが回転運動させられる。この場合特に簡単な方式でこのプロセスを制御装置によって制御することが可能である。このステータを変速機出力軸と直結するのが特に効果的である。ロータが内燃機関の出力軸と捩れ不能に固着結合されている場合には、例えばベルトが万一スリップしても不利な効果が生じることはない。ロータが固定変速比を介して内燃機関の出力軸と結合されている場合には、駆動機列の特別の所与情況に適合された変速比を選択することが可能である。電気機械が、車内搭載電気回路網に給電するため及び／又は内燃機関を始動するために使用される場合、従来このために必要とされた慣用の構成要素を設ける必要はなくなる。電気機械内になお付加的なステータとロータが組込まれる場合には、この付加的なロータは一方では変速機入力軸の回転数の同期化のため、また他方では内燃機関始動を支援するために使用される。内燃機関を始動するためには、変速機出力軸を、位置固定装置を介してロックするのが有利である。電気機械を変速機入力軸の周りに配置すれば、半径方向の構造スペースが特に節減される。可変変速比を有する機械的な変速機は、牽引力を伝達する装置を格別堅牢に構成することができる。
図面
第１図は電気機械を備えた自動車用の駆動機列の概略的な構成図である。
第２図は第１変化態様の電気機械を備えた駆動機列の概略的な構成図である。
第３図は第１変化態様の電気機械を備えた駆動機列の種々異なった回転数の数値表である。
第４図は第２変化態様の電気機械を備えた駆動機列の概略的な構成図である。
実施例の説明
次に図面に基づいて本発明の実施例を詳説する。
第１図には自動車用の駆動機列１０が図示されており、該駆動機列は内燃機関１２を有している。内燃機関１２は出力軸１４を介して、ギヤ変速時に牽引力を中断するためのクラッチ１６と連結されている。クラッチ１６には、前記出力軸１４と軸心を整合して中空軸１８が接続している。該中空軸１８は、クラッチ１６の外側部分に固着結合されており、これによって中空軸１８は、内燃機関１２の出力軸１４と捩れ不能に結合されている。更に中空軸１８に対して同心的に変速機入力軸２０が配置されている。該変速機入力軸２０はクラッチ１６と作用結合されており、つまりクラッチ１６が閉じた場合には牽引力は内燃機関１２から変速機入力軸２０に伝達可能であり、またクラッチ１６が開いた場合には内燃機関１２によって発生された牽引力は中断されている。
更に変速機入力軸２０の周りには、電気機械２２を有する１つの装置が配置されている。電気機械２２は実質的に第１ロータ２４及び、該第１ロータと電磁式に協働する回転可能に支承された第１ステータ２６から成っている。第１ロータ２４は中空軸１８の外周に固着されている。従って第１ロータ２４は内燃機関１２の出力軸１４と捩れ不能に結合されており、その限りでは内燃機関１２によって駆動される。
電気機械２２の更なる構成部分が第２ロータ２８であり、該第２ロータは第１ロータ２４に接続しかつ変速機入力軸２０と捩れ不能に結合されている。第２ロータ２８の周りに第２ステータ３０が配置されており、該第２ステータは第２ロータ２８と電磁的に相互に作用し合う。第１ステータ２６と第２ステータ３０はこの場合、捩れ不能に相互にかつ別の中空軸３２とも結合されており、該中空軸は変速機入力軸２０の周りに配置されている。中空軸３２の外周には、有利には高速に変換する歯車対３４の第１歯車３３が配置されている。歯車対３４の第２歯車３５は、第１歯車３３よりも小さな直径を有し、かつ変速機入力軸２０に対して平行に配置された変速機出力軸３６の外周に配置されている。このようにして第１ステータ２６及び第２ステータ３０は変速機出力軸３６と連結されており、特に、より大きく形成された第１ステータ２６は変速機出力軸３６と協働する。変速機入力軸２０と変速機出力軸３６は、符号３８で総体的に示した変速機の主要な構成部分であり、しかも本実施例では自動変速装置が図示されている。従って該自動変速装置は、機能及び構造の点でそれ自体公知の複数のギヤ変速段を有する多段式変速装置であり、前記の各変速ギヤ段は、互いに噛合う歯車対４０によって形成される。その場合、互いに噛合う歯車対の一方の各歯車が、変速機入力軸２０又は変速機出力軸３６に固着結合されているのに対して、他方の各歯車は遊嵌歯車として変速機入力軸２０又は変速機出力軸３６に支承されている。個々の変速ギヤ段を切換えるために各遊嵌歯車は、変速機入力軸２０又は変速機出力軸３６上を軸平行に可動の切換えユニット４２を介して捩れ不能に結合される。その限りでは切換えユニット４２は、内燃機関１２によって発生された牽引力の伝達を中断することのできるクラッチである。この切換えユニット４２は例えば噛合いクラッチ、切換え爪又はシンクロナイジング・クラッチもしくはシンクロナイジング・スリーブである。各切換えユニット４２は夫々１つの変速ギヤ調整器４４によって作動されるが、図面では変速ギヤ調整器４４は１つしか図示されていない。また１つの変速ギヤ調整器４４との適当な機械的な作動結合を介して複数の切換えユニット４２を作動することも可能である。
変速機出力軸３６は自動車の１本の車軸４６と作動結合している。該車軸４６自体は２つの駆動車輪４８を駆動する。車軸４６の一方の側には、符号５０で略示したロッキング装置が図示されており、この場合のロッキング装置は所謂ヒル・ホルダー（後ずさり防止装置）である。
駆動機列１０を制御するために制御装置５２が設けられている。該制御装置５２は複数の入力点５４を有し、該入力点には、例えばエンジン回転数、伝達トルク、速度、アクセルペダル位置、ギヤ・シフト・レバー位置、クラッチ状態、車内搭載電気回路網のために消費されるエネルギー等のような信号が到来する。出力点５６を介して内燃機関１２、クラッチ１６、電気機械２２、変速ギヤ調整器４４、ロッキング装置５０等々が制御される。
変速ギヤが入れられて自動車が発進する場合、内燃機関１２から牽引力は出力軸１４、閉じたクラッチ１６及び変速機入力軸２０を経て変速機３８へ伝達される。互いに噛合う歯車対４０を介して牽引力は変速機出力軸３６へ伝達され、其処から車軸４６へ、かつ最終的に駆動車輪４８に伝達される。変速ギヤ段の変換時に先ずクラッチ１６が開かれる。これに伴って牽引力は中断される。これによって自動車の加速度が変化する。特に加速動作時において、変速ギヤ段変換中に生じる自動車の減速作用は持続的である。しかしながらこのような不都合な事態は、電気機械２２の使用によって防止される。クラッチ１６が開離されても内燃機関１２は更に第１ロータ２４を駆動し、該第１ロータ自体は、回転可能に支承された第１ステータ２６と電磁的に相互に作用し合う。第１ロータ２４及び第１ステータ２６の巻線は制御装置５２によってこの場合、動力を第１ロータ２４から第１ステータ２６へ伝達するように作動制御される。第１ステータ２６及び、該第１ステータと結合された第２ステータ３０は、変速機入力軸２０の軸線を中心として回転運動させられる。これによって中空軸３２及び互いに噛合う歯車対３４も回転する。従って変速機出力軸３６も駆動され、究極的には車軸４６を介して駆動車輪４８が駆動される。制御装置５２による電気機械２２の作動制御はその場合、変速ギヤ変換中に自動車の加速度の正負記号を変化させないように有利に行なわれる。変速ギヤ変換時に牽引力を中断するクラッチ１６を備えた自動車用のこの駆動機列１０では、要するに変速機３８の出力側へ牽引力を伝達するために、例えば電気機械２２と歯車対３４とを有する装置が設けられている。変速機３８の橋絡的な直結作用によって、変速ギヤ変換中における走行安全性及び走行快適性が著しく向上される。
前記の変速ギヤ変換中、第２ステータ３０と、変速機入力軸２０の外周に固着配置された第２ロータ２８は、該第２ロータ２８が変速機入力軸２０を、新たに入れられる変速ギヤの所要同期回転数に加速もしくは減速するように、制御装置５２によって作動制御される。このようにして切換えユニット４２は、シンクロナイザーを最早必要としないので、著しく単純に構成することができる。
自動車の走行中、変速機出力軸３６は回転する。歯車対３４は、第１ステータ２６から見れば高速に変換するので、このことは逆に、変速機出力軸３６から見れば低速に変換することを意味している。これによってステータ２６が、内燃機関１２と直結されたロータ２４の回転数よりも低い回転速度を有することが保証されている。この回転数差によって電気機械２２は、自動車の車内搭載電気回路網に給電するために使用される。この場合有利なことには、自動車が停車している場合にも給電が保証されていることである。それというのは第１ステータ２６の回転数は零に等しいのに、第１ロータ２４は、内燃機関１２によって発生された回転数で回転しているからである。それぞれ必要とされる電気エネルギーを充足させるために、このために第１ロータ２４は制御装置５２によって、例えば励磁電流で負荷される。
電気機械２２は内燃機関１２を始動するためにも使用される。先ずロッキング装置５０によって、変速機出力軸３６の回転が阻止される。その場合クラッチ１６が開離されているので、制御装置５２によって電気機械２２の第１ロータ２４は、内燃機関１２内に燃焼プロセスが始まるまで、回転運動させられる。付加的に内燃機関１２の始動を、第２ロータ２８によって発生されるインパルス始動によって支援することも可能である。このために第２ロータ２８によって変速機入力軸２０は、変速ギヤを入れることなしに加速される。いまクラッチ１６が閉じられると、変速機入力軸２０及び第２ロータ２８の回転インパルスが内燃機関１２の始動のために利用される。
電気機械２２の変化態様も当然考えられる。例えば第１ステータ２６と第２ステータ３０をただ１つのステータに纏めることも可能である。これによって２つの別体の巻線の必要がなくなる。しかし第２ステータ３０が使用される場合には、該第２ステータ３０を第１ステータ２６から減結合して、例えば回転不能に支承することも可能である。これによって例えば第２ロータ２８と第２ステータ３０との間の回転数差が大きくなり、それに伴って電気的効率も向上する。このために歯車対３４の一方の歯車の歯列を第１ステータ２６の外周に形成することもでき、これは前述の説明の場合も同然である。
切換えユニット４２がシンクロナイザを備えた形式の変速機３８が使用される場合、かつこのような構成が例えばスペース上の理由から必要である場合、第２ロータ２８及び第２ステータ３０を省くことも可能である。シンクロナイザの存在によって、変速機入力軸２０の回転数を、第２ロータ２８によってシンクロナイジング回転数に適合させる必要は無くなる。
変速機入力軸２０の周りに電気機械２２を配置することは無条件に必要という訳ではない。半径方向スペースが充分存在している場合には、電気機械２２の第１ロータ２４は、固定変速比を介して、例えばベルトとベルト車とによって、出力軸１４に連結されてもよい。従ってベルト車は、駆動機列１０の特別の所与事情に適合した変速比で選択することができる。また第１ステータ２６と変速機出力軸３６との連結を別の態様で実施することも可能である。例えばステータ２６の回転運動を、変速機出力軸３６と駆動車輪４８との間の何らかの構成部分上でベルトを介して行なうことも可能である。ただ重要な点は、電気機械２２による牽引力が変速機３８の出力側へ伝達されることであり、従って変速機３８が変速ギヤ変換中に橋絡され、更に牽引力が変速機の出力側へ伝達されることである。
変速機３８の出力側への牽引力の伝達機能は、また別の装置によって達成することもできる。内燃機関１２の出力軸１４によって変速機を、例えば二重円錐円盤形巻掛け式変速機の形式で無段階に可変の変速比で駆動し、該巻掛け式変速機も同じく出力側で変速機出力軸３６に作用するようにすることも考えられる。通常の走行運転中には、変速機が無段階に可変の変速比で、負荷を伝達することなく一緒に空転するように、変速比が制御装置５２によって調整される。これによって変速ギヤの変換時には変速機は、自動車が、その速度を不連続に変化させることなく、更に牽引力を受けるのに必要な変速比を、すでに有している。しかしながらこの場合、無段階に可変の変速比を有する変速機のために付加的なクラッチが必要である。さもないと停車時及び内燃機関１２の運転中に牽引力が伝達されるからである。
第２図には、変化態様による電気機械２２ａを備えた駆動機列１０ａが図示されている。電気機械２２ａのロータ５８は、変速機入力軸２０の周りに配置された中空軸６０を有している。電気機械２２ａのステータ６２は例えば変速機ケーシングに捩れ不能に固着されている。前記中空軸６０上には、遊星歯車装置６６として構成された分岐伝動装置の太陽歯車６４が配置されており、これによって電気機械２２ａのロータ５８は太陽歯車６４と結合されている。遊星歯車装置６６に代えて、別の循環式歯車伝動装置を分岐伝動装置として設けることも可能である。従って電気機械２２ａは遊星歯車装置６６と協働する。電気機械２２ａと遊星歯車装置６６は装置２１ａの構成部分である。太陽歯車６４は、遊星歯車装置６６の遊星キャリア７０に配置された複数の遊星歯車６８と噛合っている。遊星キャリア７０は変速機入力軸２０と捩れ不能に固着結合されている。或いは択一的に、遊星キャリア７０を内燃機関の出力軸１４と結合しておくことも可能である。遊星歯車６８が循環する、遊星歯車装置６６の中空歯車７２は、変速機入力軸２０の外周に配置された中空軸７４と結合されている。該中空軸７４の外周には、同じく歯車対３４の歯車３３も配置されている。従って中空歯車７２は変速機出力軸３６に作用する。更に駆動機列１０ａの変速機３８内にはパーキング・スプラグ７６も設けられている。
ロータ５８の回転数ｎＲについては次式が当て嵌まる：
ｎＲ＝（１＋ａ）×ｎＧｅ−ａ×ｎＨ
但し、式中
ｎＲはロータ５８の回転数、
ｎＧｅは変速機入力軸２０の回転数、
ｎＨは中空歯車７２の回転数、
ａは循環式歯車伝動装置として構成された分岐伝動装置の標準変速比である。
遊星歯車装置６６の標準変速比ａについては次式が当て嵌まる：
ａ＝ＺＨ／ＺＳ
但し、式中
ＺＨは中空歯車７２の歯数、
ＺＳは太陽歯車６４の歯数である。
従ってロータ２０の回転数は次式の通りになる。
ｎＲ＝（１＋ＺＨ／ＺＳ）×ｎＧｅ−ＺＨ／ＺＳ×ｎＨ
中空歯車７２の回転数ｎＨは、出力取出し段として働く歯車対３４の変速比に関連しており、その場合、歯車３３は歯数Ｚ３３、歯車３５は歯数Ｚ３５を有している。これから次の変速比ｉが生じる：
ｉ＝Ｚ３５／Ｚ３３
更に中空歯車７２の回転数ｎＨは車両速度に関連しており、該車両速度は、変速ギヤを入れた場合に回転数ｎＧｅに対して、変速ギヤに関連した固定的な関係にある。車両のモータライズ化に応じて歯車対３５の変速比ｉを選択することが可能である。
変速ギヤの変換時、内燃機関１２によって発生された牽引力は変速機３８において中断される。変速機３８内における切換えユニット４２と遊嵌歯車との捩れ不能な結合を変速ギヤ調整器４４による切換えユニット４２のシフトによって断つことによって、牽引力は中断される。ところで変速ギヤの変換時、牽引力は遊星キャリア７０を介して導かれる。このためにクラッチ１６は閉じられている。内燃機関１２からトルクとして作用する牽引力は遊星キャリア７０内へ導入される。同時に制御装置５２は電気機械２２ａを制御し、該電気機械は、トルクとして作用する牽引力も発生させる。内燃機関１２のトルクと電気機械２２ａのトルクと中空歯車７２に作用するトルクとの和は零である。これに伴って内燃機関１２のトルクは、電気機械２２ａによって支援されて変速機出力軸へ導かれる。従って変速機出力軸３６が駆動され、かつ究極的には車軸４６を介して駆動車輪４８も駆動される。ロータ５８、ひいては電気機械２２ａの回転数ｎＲは、変速ギヤの変換中に自動車の加速度が全く又は僅かしか変化しないように制御装置５２によって影響を受ける。特に加速度の正負記号は、駆動機列１０ａを弛緩させないために変化してはならない。駆動機列１０ａの緊張によって、内燃機関１２による振動及び衝撃が惹起されることはない。
電気機械２２ａが僅かな出力を得るように設計されている場合、内燃機関１２のトルクが著しく高いと、電気機械２２ａが全トルクを伝達できない事態が生じることがある。この場合、内燃機関１２のトルク制御装置５２によって減少される。第４図の表では、電気機械２２ａの回転数ｎＲ及び電気機械２２ａによって供給されるトルクが、慣用の駆動機列１０ａの具体的な変速比に基づいて例示されている。そのためのパラメータは、遊星歯車装置６６の標準変速比ａ、歯車対３４の変速比ｉ、変速機入力軸２０の回転数ｎＧｅを示した１欄、走行中の車両における変速ギヤ段１〜５の変速比を示した５欄、及び停車中の車両における変速機出力軸の回転数ｎＧａが零になることを示す１欄である。
変速ギヤ段１〜５の数値の下及び停車中の車両の下には夫々、電気機械２２ａに結果的に生じる回転数ｎＧが示されている。例えば変速機入力軸の回転数ｎＧｅが２４００ｒｐｍの場合に、第２速段から第３速段へ変速を行なおうとすれば、第２速段において電気機械２２ａは８７００ｒｐｍの回転数ｎＲで回転している。６ｋＷの出力を有する電気機械はその場合、内燃機関１２のトルク２１Ｎｍを支援することができる。内燃機関１２のトルクがそれ以上に大きい場合には、トルクを前記数値に減少する必要がある。電気機械２２ａはそのトルクをこの場合、内燃機関１２のトルクを支援するために役立てる。従って変速機３８は、第２速段を外せるように橋絡されている。内燃機関１２のトルクをやや低下することによって、変速機入力軸２０の回転数は適合される。電気機械２２ａは、変速機３８が切換えユニット４２又はクラッチによって切換えられた時点に、遊星歯車装置６６を介して、電気機械２２ａのトルクと内燃機関１２のトルクを変速機出力軸３６へ導く。従って牽引力の中断は切換え中には行なわれない。それというのは電気機械２２ａのトルクと内燃機関１２のトルクは切換え中には維持されたままだからである。
駆動機列１０ａを適当に設計した場合には、クラッチ１６を省くことも可能である。始動のために必要な牽引力は、内燃機関１２によって発生された牽引力を利用しつつ電気機械２２ａによって遊星歯車装置６６を介して変速機出力軸３６へ伝達される。但し、この伝達は少なくとも、第１速段の同期回転数に達するまでである。
第４図に示した駆動機列１０ｂの電気機械２２ｂでは、ロータ５８用の中空軸を省くことが可能である。このために装置２１ｂの電気機械２２ｂは、内燃機関１２から離隔した方の変速機入力軸２０の端部に配置されている。遊星歯車装置６６は、変速機３８と電気機械２２ｂとの間に配置されている。中空軸７８と切換えユニット４２とを介して遊星歯車装置６６の中空歯車７２は歯車対３４と連結可能である。変速ギヤ段の変速比間で電気機械２２ｂはその回転数を切換えることが可能である。これによって電気機械は、比較的狭い回転数範囲に設計することができるので有利である。内燃機関１２の始動時には、ロッキング装置５０又はパーキング・スプラグ７６によって位置を固定的に確保することを省くことが可能である。
以上述べた以外にも有利な実施形態を択一的に選択することが可能である。例えばロータ５８を遊星キャリア７０と結合し、内燃機関１２によって太陽歯車６４又は中空歯車７２を駆動することも可能である。その場合は遊星歯車装置６６のその他の構成要素が適当に交換されねばならない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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