(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン（16）に連結された入力及び出力（34）を有する電気機械式トランスミッションであって、
第１モータ兼発電機（20）と；
第２モータ兼発電機（22）と；
それぞれサンギアと、プラネットギアを備えたキャリアと、リングギアとを有する第１、第２、第３プラネタリギアセット（100,102,104）を含んだプラネタリギア機構（30）と；
モータ兼発電機（20,22）の一方に連結されたプラネタリギア機構（30）の第１部材（50）と；
出力（34）に選択的に連結されるプラネタリギア機構（30）の第２部材（56）と；
出力（34）に選択的に連結されるプラネタリギア機構（30）の第３部材（60）と；
入力に連結されたプラネタリギア機構（30）の第４部材（64）と；
モータ兼発電機（20,22）の他方に連結され、出力（34）に選択的に連結されるプラネタリギア機構（30）の第５部材（70）と；
を具備したことを特徴とする電気機械式トランスミッション。
【請求項２】
第２、第３及び第５部材（56,60,70）を出力（34）に選択的に連結するギア変更機構（32）を含んでいる請求項１記載の電気機械式トランスミッション。
【請求項３】
第１部材（50）は第３プラネタリギアセット（104）のリングギア（104R）を含んでおり、第２部材（56）は第３プラネタリギアセット（104）のキャリア（104C）と第２プラネタリギアセット（102）のリングギア（102R）を含んでおり、第３部材（60）は第１プラネタリギアセット（100）のリングギア（100R）と第２プラネタリギアセット（102）のキャリア（102C）と第３プラネタリギアセット（104）のサンギア（104S）を含んでおり、第４部材（64）は第１プラネタリギアセット（100）のキャリア（100C）を含んでおり、第５部材（70）は第１及び第２プラネタリギアセット（100,102）のサンギア（100S,102S）を含んでいる請求項１記載の電気機械式トランスミッション。
【請求項４】
第２部材（56）、第３部材（60）、第５部材（70）を出力（34）に選択的に連結するギア変更機構（32）を含んでいる請求項３記載の電気機械式トランスミッション。
【請求項５】
第１部材（50）は第２及び第３プラネタリギアセット（102,104）のリングギア（102R,104R）を含んでおり、第２部材（56）は第３プラネタリギアセット（104）のキャリア（104C）を含んでおり、第３部材（60）は第１プラネタリギアセット（100）のリングギア（100R）と第２プラネタリギアセット（102）のキャリア（102C）と第３プラネタリギアセット（104）のサンギア（104S）を含んでおり、第４部材（64）は第１プラネタリギアセット（100）のキャリア（100C）を含んでおり、第５部材（70）は第１及び第２プラネタリギアセット（100,102）のサンギア（100S,102S）を含んでいる請求項１記載の電気機械式トランスミッション。
【請求項６】
第１部材（50）は第３プラネタリギアセット（104）のリングギア（104R）を含んでおり、第２部材（56）は第２及び第３プラネタリギアセット（102,104）のキャリア（102C,104C）を含んでおり、第３部材（60）は第１及び第２プラネタリギアセット（100,102）のリングギア（100R,102R）を含んでおり、第４部材（64）は第１プラネタリギアセット（100）のキャリア（100C）を含んでおり、第５部材（70）は第１、第２及び第３プラネタリギアセット（100,102,104）のサンギア（100S,102S,104S）を含んでいる請求項１記載の電気機械式トランスミッション。
【請求項７】
第１部材（50）は第１プラネタリギアセット（100）のリングギア（100R）を含んでおり、第２部材（56）は第１プラネタリギアセット（100）のキャリア（100C）と第２及び第３プラネタリギアセット（102,104）のリングギア（102R,104R）を含んでおり、第３部材（60）は第３プラネタリギアセット（104）のキャリア（104C）を含んでおり、第４部材（64）は第１プラネタリギアセット（100）のサンギア（100S）と第２プラネタリギアセット（102）のキャリア（102C）を含んでおり、第５部材（70）は第２及び第３プラネタリギアセット（102,104）のサンギア（102S,104S）を含んでいる請求項１記載の電気機械式トランスミッション。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は一般的に電気機械式トランスミッションに関し、特に、５つの部材と３つのプラネタリギアセットを有するプラネタリギア機構に関する。
背景技術
例えばホイールローダー又は履帯型トラクターのような機械においては、エンジンが機械を前進方向又は後進方向に推進するためのパワーを供給すると共に、機械の作業機器にもパワーを供給する。トランスミッションがエンジンに連結され、エンジンからのパワーを駆動トレーンに伝達して機械を推進する。連続可変トランスミッションを利用してトランスミッション比を管理し、作業機器のためにエンジンのパワーを節約すると共に、トランスミッションを通して連続的に可変なパワーの流れを提供して機械の生産性の向上を提供することが望ましい。機械は比較的低速で周期的作業ルーチンで作動するので、速度を正確に制御しトランスミッションのフルレンジに渡り速度を無限に調整可能な必要性がある。このような構造に関連した問題の１つは、広い様々な作動条件に渡り高効率で作動する電気機械式トランスミッションを提供することである。
本発明は上述した問題の１つあるいはそれ以上を克服せんとするものである。
発明の開示
本発明の１つの側面においては、入力及び出力を有する電気機械式トランスミッションが提供される。電気機械式トランスミッションは第１及び第２モータ／発電機と、プラネタリギア機構を含んでいる。プラネタリギア機構の第１部材はモータ／発電機の１つに連結されている。プラネタリギア機構の第２部材は出力に選択的に連結される。プラネタリギア機構の第３部材は出力に選択的に連結される。プラネタリギア機構の第４部材は入力に連結されている。プラネタリギア機構の第５部材はモータ／発電機の他方に連結されていると共に、出力に選択的に連結される。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明のプラネタリ機構の５つの部材を示すトランスミッションの概略図である。
図２は３つのプラネタリ機構の５つの部材を示すトランスミッションの概略図である。
図３は代替トランスミッションの概略図である。
図４は代替トランスミッションの概略図である。
図５は代替トランスミッションの概略図である。
図６は代替トランスミッションの概略図である。
図７は機械の速度に対する数多くの部品の変化を示すグラフである。
発明を実施するための最良の態様
図１を参照すると、電気機械式トランスミッション１０は図示されていない機械を推進するために電気部分（セクション）１２と、機械式トランスミッション１４を含んでいる。電気機械式トランスミッションは例えばエンジン１６等の動力源からのパワーを出力に分配する構造を提供する。電気部分１２は機械式トランスミッション１４に連結された第１モータ／発電機２０と、機械式トランスミッション１４に連結された第２モータ／発電機２２と、ケーブル２６，２８によりモータ／発電機２０，２２に電気的に接続されたコントローラ２４とを含んでいる。コントローラ２４はモータ／発電機２０，２２の速度及び方向を制御すると共に、モータを発電機にいつ変更するかを制御する。
機械式トランスミッション１４はプラネタリギア機構３０と、出力シャフト３４を有するギア変更機構３２を含んでいる。ギア変更機構は、各ギア４０，４２を出力シャフト３４に選択的に連結するために、第１クラッチ３６又は第２クラッチ３８を係合することによりトランスミッション比を制御する。プラネタリギア機構３０の第１部材５０は、第１モータ／発電機２０の出力シャフト５４に駆動連結されたギア５２を含んでいる。プラネタリギア機構３０の第２部材５６は、ギア４０に駆動連結されたギア５８を含んでいる。プラネタリギア機構３０の第３部材６０は、ギア４２に駆動連結されたギア６２を含んでいる。プラネタリギア機構３０の第４部材６４は、エンジン１６に駆動連結されたギア６６を含んでいる。プラネタリギア機構３０の第５部材７０は、第２モータ／発電機２２の出力シャフト７４に駆動連結されたギア７２を含んでいる。第５部材７０は更に、クラッチ７６及びギア７８，８０を係合することにより出力シャフト３４に選択的に連結される。出力シャフト３４は従来の方向機構８２に連結されて、機械の前進又は後進を許容する。部材５０，５６，６０，６４，７０はプラネタリギア機構３０及び相互に連結され１つの部材として機能する関連するギアの１つあるいは複数の要素を構成する。
上述した部品の参照符号は以下の図面において繰り返し使用される。
図２を参照すると、プラネタリギア機構３０は第１プラネタリギアセット１００と、第２プラネタリギアセット１０２と、第３プラネタリギアセット１０４を含んでいる。各プラネタリギアセット１００，１０２，１０４は、サンギア、プラネットギアを有するキャリア、リングギア等の要素を含んでいる。第１プラネタリギアセット１００はサンギア１００Ｓと、キャリア１００Ｃと、リングギア１００Ｒを含んでいる。第２プラネタリギアセット１０２はサンギア１０２Ｓと、キャリア１０２Ｃと、リングギア１０２Ｒを含んでいる。部材５０，５６，６０，６４，７０は１つの部材として機能するように連結されたプラネタリギアセット１００，１０２，１０４の１つあるいは複数の要素を構成する。第１部材５０はリングギア１０４Ｒを含んでおり、第１モータ／発電機２０に連結されている。第２部材５６はキャリア１０４Ｃとリングギア１０２Ｒを含んでおり、クラッチ１１０により減速プラネタリ１１４を介して第１ギア比で出力シャフト３４に選択的に係合可能である。第２部材５６はサンギア１１４Ｓを駆動するためにシャフト１１２に連結可能である。第１及び第２ギア比を達成するために、クラッチ１１６が係合されキャリア１１４Ｃが出力シャフト３４上のギア１１８を駆動する。第３部材６０はリングギア１００Ｒと、キャリア１０２Ｃと、サンギア１０４Ｓと、ギア１２０に駆動連結されたギア６２を含んでいる。ギア１２０はクラッチ１２２により出力シャフト３４に選択的に連結されて第３ギア比を達成する。第４部材６４はキャリア１００Ｃを含んでおり、ギア６６によりエンジン１６に連結されている。第５部材７０はサンギア１００Ｓ、１０２Ｓを含んでおり、ギア７２は第２モータ／発電機２２のシャフトに駆動連結されている。第５部材７０はまたクラッチ１２４により選択的に係合されて、減速プラネタリ１１４を駆動する。ギア変更機構３２はクラッチ１１０，１２４と、減速プラネタリ１１４を含んでいる。
図３を参照すると、第１部材５０はリングギア１０２Ｒ，１０４Ｒを含んでおり、第１モータ／発電機２０に連結されている。第２部材５６はキャリア１０４Ｃを含んでおり、出力シャフト３４に選択的に連結される。第３部材６０はリングギア１００Ｒと、キャリア１０２Ｃと、サンギア１０４Ｓを含んでおり、出力シャフト３４に選択的に連結される。第４部材６４はキャリア１００Ｃを含んでおり、エンジン１６に連結されている。第５部材７０はサンギア１００Ｓ，１０２Ｓを含んでおり、第２モータ／発電機２２に連結されており、更に出力シャフト３４に選択的に連結される。
図４を参照すると、第１部材５０はリングギヤ１０４Ｒを含んでおり、第２部材５６はキャリア１０４Ｃとリングギア１０２Ｒを含んでいる以外連結関係は図３と同様であるが、第４ギア比を達成するためにギア変更機構３２のクラッチ１３０が付加されている。クラッチ１３０が係合されると、シャフト１１２とサンギア１１４Ｓがリングギア１１４Ｒにロックされる。
図５を参照すると、第１部材５０はリングギア１０４Ｒを含んでおり、第１モータ／発電機２０に連結されている。第２部材５６はキャリア１０２Ｃ，１０４Ｃを含んでおり、クラッチ１３２により選択的に係合されて第１ギア比を達成する。クラッチ１３２が係合されると、第２部材５６はギア１３４及びギア１３６を介して出力シャフト３４に連結される。第３部材６０はリングギア１００Ｒ，１０２Ｒを含んでおり、クラッチ１２２により出力シャフト３４に選択的に連結されて第３ギア比を達成する。クラッチ１２２が係合されると、第３部材６０はギア４２，６２を介して出力シャフト３４に連結される。第４部材６４はキャリア１００Ｃを含んでおり、エンジン１６に連結されている。第５部材７０はサンギア１００Ｓ，１０２Ｓ，１０４Ｓを含んでおり、クラッチ１３８により出力シャフトに選択的に連結されて第３ギア比を達成する。クラッチ１３８が係合されると、第５部材はギア１４０及びギア１４２を介して出力シャフトに連結される。第５部材は更に第２モータ／発電機２２に連結されている。
図６を参照すると、第１部材５０はリングギア１００Ｒを含んでおり、第１モータ／発電機２０に連結されている。第２部材５６はキャリア１００Ｃ、リングギア１０２Ｒ，１０４Ｒを含んでおり、クラッチ１５０により出力シャフト３４に選択的に連結されて第１ギア比を達成する。クラッチ１５０が係合されると、第２部材５６はギア１５２及び１５４を介して出力シャフト３４に連結される。第３部材６０はキャリア１０４Ｃを含んでおり、クラッチ１６０により出力シャフト３４に選択的に連結されて第３ギア比を達成する。クラッチ１６０が係合されると、第３部材６０はギア１６２及びギア１６４を介して出力シャフト３４に連結される。
第４部材６４はサンギア１００Ｓ、キャリア１０２Ｃを含んでおり、エンジン１６に連結されている。第５部材７０はサンギア１０２Ｓ，１０４Ｓを含んでおり、クラッチ１６６により出力シャフト３４に選択的に連結されて第２ギア比を達成する。クラッチ１６６が係合されると、第５部材７０はギア１６８及びギア１７０を介して出力シャフト３４に連結される。第５部材７０はまた第２モータ／発電機２２に連結されている。
本発明の電気機械式トランスミッション１０においては、本発明を逸脱することなくエンジン１６及び第１及び第２モータ／発電機２０，２２は減速ギアを介してあるいは減速ギアを介さずに直接駆動されることに注意されたい。
図７を参照すると、機械が停止位置から前進方向及び後進方向の最大速度を達成するまでの部材及び関連する部品の変化を示すグラフ２００が示されている。グラフ２００は図１に示された一般的連結関係を例として数多くの部材の変化を示している。ライン２０２はクラッチ３６が係合され、クラッチ３８，７６の係合が解除されて、エンジン１６及びモータ／発電機２０，２２が機械を零速度に保持している零速度を示している。ライン２０２からライン２０４まではクラッチ３６は係合され、方向機構８２は前進方向で機械の速度は増加する。ライン２０４でクラッチ３６の係合が解除されてクラッチ７６が係合され、第１ギア比から第２ギア比にシフトする。ライン２０６でクラッチ７６の係合が解除されてクラッチ３８が係合され、第２ギア比から第３ギア比にシフトする。後進方向ではライン２０８及び２１０でギア比が変更される。グラフ２００上の複数のデータ線５０，５６，６０，６４，７０は５つの部材の参照符号に対応する。これらのデータ線は機械の速度が増加するときの数多くの部材の速度及び方向を示している。
産業上の利用可能性
本発明の電気機械式トランスミッション１０の使用において、電気部分１２及び機械式トランスミッション１４が相互に作用してエンジン１６をその最大効率で作動することを可能にする連続的に可変な効率のよい出力を提供する。
図１に示す電気機械式トランスミッション１０の作動において、エンジン１６及び第４部材６４が所定の一定速度レベルで回転し、クラッチ３６が係合されてクラッチ３８，７６の係合が解除され、エンジン及びモータ／発電機が機械の速度を零に維持している。オペレーターが機械を前進方向で、例えば時速約３〜５ｋｍで移動しようとすると、クラッチ３６は第１ギア比に係合したままであり、方向機構は前進方向にされ、第１部材５０及び第１モータ／発電機２０がその速度を増加し、第２部材５６の速度が増加されてクラッチ３６の係合により出力シャフト３４に連結され、第３部材６０の速度が増加され、第５部材７０及び第２モータ／発電機２２の速度が減少される。
概略時速３〜５ｋｍであるライン２０４で、クラッチ３６の係合が解除されて第２部材と出力との連結を断ち、クラッチ７６が係合されて第２ギア比を達成し、第５部材が出力に連結される。第１部材５０及び第１モータ／発電機２０の速度が減少し、第２部材５６の速度が減少し、第３部材６０の速度が減少し、第５部材７０及び第２モータ／発電機２２の速度が増加する。
時速約９．６ｋｍであるライン２０６で、クラッチ７６の係合が解除されて第５部材７０と出力との連結を断ち、クラッチ３８が係合されて第３ギア比を達成し、第３部材６０が出力に連結される。第１部材５０及び第１モータ／発電機２０の速度が増加し、第２部材５６の速度が増加し、第３部材６０の速度が増加し、第５部材７０及び第２モータ／発電機２２の速度が減少する。機械が最大速度に達するまで、部材５０，５６，６０の速度が増加し、部材７０の速度が減少する。
上述した記述は３段速度比の電気機械式トランスミッションに関連しているが、本発明の範囲を逸脱せずしてより高いギア比を達成するためにより多くのクラッチ又はシフトカラーが使用可能であることに注意されたい。機械の速度は零速度から所定の最大速度レベルに連続的な方法でスムーズに増加される。これはクラッチ又はシフトカラーを係合及び係合の解除をすることにより、モータ／発電機２０，２２と機械式トランスミッションとの相互作用により達成される。
本発明の構成においては、前進方向について上述したのと同一ギア比で後進方向に機械は作動される。後進方向に作動するためには、方向機構は後進方向に変更されなければならない。
上述したところより明らかなように、５つの部材及び３つのプラネタリギアセットを有する本発明の電気機械式トランスミッションは連続的に可変なトランスミッションを提供する。
本発明の他の側面、目的及び利益は図面、発明の詳細な説明及び添付請求の範囲を研究することにより得ることができる。
【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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