JP5213575B2 - ハイブリッド車両用動力伝達システムの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関と電動機とを備えたハイブリッド車両に係り、特に電動機の回転出力を有段ギア変速機により変速させるハイブリッド車両用動力伝達システムの制御方法に関する。

従来から周知の気動車の駆動システムとしては、ディーゼルエンジンのような内燃機関の出力を、トルクコンバータ付の変速機に入力し、該変速機の出力をドライブシャフトを介して車輪に伝達するシステムがある（非特許文献１参照）。この変速機は、変速ギア段を切り替えるために湿式多板クラッチを備えており、クラッチを滑らせることで変速時の回転数変化を吸収しながら、変速ギア段間においてギアからギアへエンジンの駆動力を移し変えるものである。湿式多板クラッチは摩擦クラッチの一種であるので、この方式においては、湿式多板クラッチは、変速時に回転数変化を吸収する際に発熱し、クラッチ開放時においてもクラッチ板の連れ回りによる損失がある。また、摩擦クラッチは温度による特性変化や、磨耗による経年変化の影響を受けやすいので、クラッチの制御にはこれらを補正するために学習補正等の複雑な制御を必要とする。

このような問題を解決するため、二つの中間軸を持つとともにこれらを接続する差動装置及び発電電動機を設けたブリッジ型変速機を用い、両中間軸に電動機から互いに逆向きのトルクを印加することで変速動作を行うと共に、加速アシスト・回生制動などのハイブリッド制御機能を有するアクティブシフト変速機が開発されている（特許文献１，２参照）。この変速機においては、摩擦クラッチの代わりに噛み合いクラッチが用いられており、変速時の回転数変化や駆動力の移し変えは電動機の制御により行われるので、摩擦発熱の無い高効率変速を行うことができるとともに、摩擦クラッチに伴う経年変化や温度変化の影響を受けることが無い。
エンジンテクノロジー、Ｍａｙ２０００、ｐｐ２８−２９ 特開２００５−７６８７５号公報 国際公開第０１／０６６９７１号パンフレット

アクティブシフト変速機は、摩擦部材が無く経年変化や劣化部材の少ない構成であるが、噛み合いクラッチの係合／開放を行うためのクラッチアクチュエータを備えている。クラッチアクチュエータは可動部分を含むので、可動部分に故障の可能性が残る。軌条車両は交通機関として高い信頼性が要求されており、１箇所の故障で走行不能になることは避けなければならないので、従来は故障しにくい高信頼性部品を用いていた。しかしこのような高信頼性部品は高価でありコスト高を招く。

そこで、エンジン出力及び電動機により変速動作を行う有段ギア変速機を備えたハイブリッド車両用動力伝達システムにおいて、１箇所のクラッチアクチュエータが故障したときであっても、故障したクラッチを回避して他の正常なクラッチを経由してエンジン駆動力を車輪に伝達させる走行可能なモードを確立する点で解決すべき課題がある。

本発明の目的は、たとえ１箇所のクラッチアクチュエータが故障したとしても他のクラッチを用いて走行可能なモードをあらかじめ用意しておくことにより、高価な高信頼性部品を用いることなく安価で信頼性の高いシステムを提供することである。

上記課題を解決し、目的を達成するため、この発明による車両用動力伝達システムの制御方法は、エンジン、該エンジンの出力が入力軸に入力される変速機、該変速機に接続された発電電動機、及び前記変速機の出力軸により駆動される車輪を備えており、前記変速機は、前記変速機の前記入力軸と並列に設けられた第１中間軸及び第２中間軸、前記入力軸に噛み合って設けられた入力ギア列、前記入力ギア列と前記第１中間軸とを選択的に連結する第１クラッチ、前記入力ギア列と前記第２中間軸とを選択的に連結する第２クラッチ、前記第１中間軸又は前記第２中間軸と前記出力軸との間に噛み合って設けられた複数組の変速ギア段、記第１中間軸又は前記第２中間軸と前記複数組の変速ギア段とを選択的に連結する複数の変速用クラッチ、及び前記第１中間軸及び前記第２中間軸に接続されると共に前記両中間軸の回転数の差に応じた回転数で回転する回転部を備えた差動装置、を有しており、前記発電電動機は、前記変速機の前記回転部に接続されていることから成る、
車両用動力伝達システムにおいて、前記第１クラッチ、前記第２クラッチ、複数の前記変速用クラッチのいずれか一つが開放不能に陥った場合、前記エンジンの出力を締結可能な二つのクラッチを介して前記出力軸に伝達することを特徴とする。

この変速機は二つの中間軸を備えており、電動機の反力を利用して一方の中間軸から他方の中間軸にエンジンからのトルクを伝達することができる。この特徴を活かし、一方の中間軸に関して設けられているクラッチが開放不能に陥った場合には、他方の中間軸と差動装置を介してエンジンの出力トルクを伝達することで、故障したクラッチが開放できなくても、これを回避して他の正常なクラッチにエンジン駆動力を伝達させることで、正常に近い変速動作をさせることができる。

本発明の方法によれば、１箇所のクラッチアクチュエータが故障したとしても他のクラッチを用いて走行可能になり、車両の運休を回避することができ、交通機関としての信頼性を損なうことなく車両のコストを低減することができるので産業上極めて有益である。

以下、添付図面を参照して、この発明によるハイブリッド車両用動力伝達システムの制御方法の実施例を説明する。

本発明の第１の実施例を図１〜図９により説明する。まず本発明に用いる変速機の構成を図１により説明する。図１は二つの中間軸を持つアクティブシフト変速機の構成を模式的に示したスケルトン図である。エンジン１の出力軸は変速機２の入力軸３に接続されている。入力軸３には前進用ギア列４と後進用ギア列５が並列に配置されており、入力軸３が回転駆動されている状態では、両ギア列４，５は常に駆動されている。前進用ギア列４は、入力軸３に固着された入力ギア６、該入力ギア６と噛み合う第１ギア７及び第２ギア８を備えている。後進用ギア列５は、入力軸３に固定嵌合された入力ギア９、該入力ギア９にそれぞれ噛み合う同じ仕様の反転ギア１０，１１、該反転ギア１０，１１にそれぞれ噛み合う第３ギア１２及び第４ギア１３を備えている。

入力軸３に並行に、第１中間軸１４と第２中間軸１５とが配置されている。第１ギア７と第３ギア１２とは第１中間軸１４に相対回転可能に嵌合しており、第２ギア８と第４ギア１３とは第２中間軸１５に相対回転可能に嵌合している。第１中間軸１４と第２中間軸１５とには、前進用ギア列４と後進用ギア列５との間において、それぞれ、選択的に係合可能な第１クラッチ１６と第２クラッチ１７とが配設されている。第１クラッチ１６及び第２クラッチ１７は、それぞれの軸に設けられたスプライン上をシフトするスリーブの爪が、前記第１〜第４ギアに設けられた爪に噛み合うことで係合／開放するものである。したがって、第１中間軸１４には第１クラッチ１６の選択的なシフトによって係合した側のギア７又は１２から前進回転又は後進回転が与えられ、第２中間軸１５には第２クラッチ１７の選択的なシフトによって係合した側のギア８又は１３から前進回転又は後進回転が与えられる。これらのクラッチスリーブは、クラッチアクチュエータ（ＡＣＴ１〜ＡＣＴ２）とリンク機構で結ばれ、係合する方向に推力を与えられる。

第１中間軸１４と第２中間軸１５と並行に、出力軸１８が配置されている。第１中間軸１４と出力軸１８との間には第１変速ギア段１９と第３変速ギア段２１が配置されており、第２中間軸１５と出力軸１８との間には第２変速ギア段２０と第４変速ギア段２２が配置されている。各変速ギア段１９〜２２においては、予め定められた変速比で出力軸１８に回転出力を生じさせるために、相異なるギア径（歯数）が定められている。また、各変速ギア段１９〜２２において、中間軸１４、１５上に配置されているギアは中間軸１４，１５に対して相対回転自在であるが、出力軸１８に配置されているギアは出力軸１８に固定嵌合されている。

第１中間軸１４において、第１変速ギア段１９と第３変速ギア段２１との間には選択的に係合可能な第３クラッチ２３が配設されている。また、第２中間軸１５において、第２変速ギア段２０と第４変速ギア段２２との間には選択的に係合可能な第４クラッチ２４が配設されている。第３クラッチ２３及び第４クラッチ２４は、それぞれの軸に設けられたスプライン上をシフトするスリーブの爪が、第１〜第４変速ギアに設けられた爪に噛み合うことで係合／開放する。これらのクラッチスリーブは、クラッチアクチュエータ（ＡＣＴ３〜ＡＣＴ４）とリンク機構で結ばれ、係合する方向に推力を与えられる。

上記の変速ギア段の構成によって、第１クラッチ１６を前進用ギア列４側にシフトした状態で、第３クラッチ２３を第１変速ギア段１９側にシフトしたときには、入力軸３の回転は第１中間軸１４及び第１変速ギア段１９を介して出力軸１８に前進第１変速段で出力され、第３クラッチ２３を第３変速ギア段２１側にシフトしたときには、入力軸３の回転は第１中間軸１４及び第３変速ギア段２１を介して出力軸１８に前進第３変速段で出力される。このとき、第２クラッチ１７は中立位置に置かれる。また、第２クラッチ１７を前進用ギア列８側にシフトした状態で、第４クラッチ２４を第２変速ギア段２０側にシフトしたときには、入力軸３の回転は第２中間軸１５及び第２変速ギア段２０を介して出力軸１８に前進第２変速段で出力され、第４クラッチ２４を第４変速ギア段２２側にシフトしたときには、入力軸３の回転は第２中間軸１５及び第４変速ギア段２２を介して出力軸１８に前進第４変速段で出力される。このとき、第１クラッチ１６は中立位置に置かれる。

第１クラッチ１６又は第２クラッチ１７を後進側に係合した場合は、それぞれ後進方向に各変速段で出力される。このように、第１クラッチ１６又は第２クラッチ１７を前進用ギア列４側或いは後進用ギア列５側との係合を切り換えることで、車両には、前進・後進のいずれの進行方向にも同じ段数の変速段を与えることができる。
なお、本実施例では後進用ギア列５を入力軸３に設けたが、前後進切替を出力軸１８の後で行うことも当然可能であり、その場合は入力軸３に設けられるのは前進用ギア列４のみであるが、前進用ギア列４と呼ぶ代わりに入力ギア列４と呼ぶものとする。

第２中間軸１５の端部には差動装置２５が配設されており、差動装置２５のリングギア２６と噛み合う取り出しギア２７の取り出し軸２８は発電電動機２９に接続されている。第１中間軸１４と差動装置２５との間には接続ギア列３０が配設され、差動装置２５のリングギア回転数が、第１中間軸１４の回転数と第２中間軸１５の回転数の差の２分の１となるように接続されている。

このような構造の変速機に対して、変速制御装置が設けられており、クラッチアクチュエータ（ＡＣＴ１〜ＡＣＴ４）への動作指令を発生すると共に、発電電動機２９およびエンジンに対してそれぞれトルク指令を発生する。

図１の変速機において故障の可能性があるのは各クラッチの可動部である。アクチュエータ（ＡＣＴ１〜ＡＣＴ４）の故障も含めて、各クラッチスリーブがスライド不能になった場合の救済制御方法を以下に説明する。

第１クラッチ１６が係合したまま固着して開放不能になった場合について、図２〜図９を用いて説明する。
図２は停車状態から発進する方法態様について示したものである。１速側の第１中間軸１４に設けられた第１クラッチ１６が係合したまま固着したものとし、図ではクラッチを黒塗りで示す。第１クラッチ１６が係合したままであるので、１速で発進することはできず、２速発進を行う。停車状態において第４クラッチ２４を第２変速ギア段２０側にシフトして噛み合わせる。図では噛み合い状態にあるクラッチをハッチングで示す。停車状態では出力軸１８は停止しているので、第４クラッチ２４を介して出力軸１８と接続される第２中間軸１５も停止している。エンジン１のアイドル回転が第１中間軸１４から接続ギア列３０及び差動装置２５を介して、発電電動機２９に伝えられている。エンジン１の出力を上昇させつつ発電電動機２９の発電負荷を増加させると、発電トルクの反力が差動装置２５を介して第２中間軸１５及び第２変速ギア段２０に伝わり、出力軸１８に出力されて発進する。

車速が上昇し１速ギアを接続できる車速に達すると、発電電動機２９の回転数を調整することで、第１中間軸１４上の第３クラッチ２３と第１変速ギア段１９の回転を同期させることができる。この状態で図３に示すように第３クラッチ２３を第１変速ギア段１９側にシフトさせて噛み合わせ、発電電動機２９のトルクを０にすると、エンジン１の出力は直接第１変速ギア段１９を通して出力軸１８に出力されて１速走行状態になる。

１→２変速すべき車速に達したとき、図４に示すように再び発電電動機２９の発電負荷を増加させ、全エンジントルクが差動装置２５を介して第２中間軸１５に伝達されると、第３クラッチ２３を伝達するトルクが０になり、第３クラッチ２３を開放することができ、図２と同じモードになる。
発電電動機２９に負荷をかけたまま回転数を０にすると、第２中間軸１５の回転が第２ギア８の回転と同期するので、図５に示すように第２クラッチ１７を係合することができる。発電電動機２９のトルクを０にすると、エンジン１の出力は直接第２変速ギア段２０を通して出力軸１８に出力されて２速走行状態になる。

２→３変速すべき車速に達したとき、図６に示すように再び発電電動機２９の発電負荷を増加させ、全エンジントルクが差動装置２５を介して第２中間軸１５に伝達されると、第２クラッチ１７を伝達するトルクが０になり、第２クラッチ１７を開放することができ、図２と同じモードになる。発電電動機２９の回転数を調整することで、第３クラッチ２３と第３変速ギア段２１の回転を同期させることができる。図７に示すように第３クラッチ２３を第３変速ギア段２１側にシフトさせて、発電電動機２９のトルクを０にすると、エンジン１の出力は直接第３変速ギア段２１を通して出力軸１８に出力されて３速走行状態になる。
３速走行中に４速へのアップシフトに備え第４クラッチ２４を開放し、さらに発電電動機２９の回転数を調整して、第４クラッチ２４と第４変速ギア段２２の回転を同期係合させておく。

３→４変速すべき車速に達したとき、図８に示すように再び発電電動機２９の発電負荷を増加させ、全エンジントルクが差動装置２５を介して第２中間軸１５に伝達されると、第３クラッチ２３を伝達するトルクが０になり、第３クラッチ２３を開放することができ、図２と同じモードになる。ただし図８が図２と異なるのは第２変速ギア段２０ではなく第４変速ギア段２２が係合されていることである。
発電電動機２９に負荷をかけたまま回転数を０にすると、第２中間軸１５の回転が第２ギア８の回転と同期するので、図９に示すように第２クラッチ１７を係合することができる。発電電動機２９のトルクを０にすると、エンジン１の出力は第２中間軸１５から直接第４変速ギア段２２を通して出力軸１８に出力されて４速走行状態になる。

以上の図２〜図９に説明した動作を本発明者等が試作した装置について計算した結果を図１０に示す。発進から最高車速まで、中断することなく充分な駆動力が得られることが分かる。発進は２速ギアを使って行うので起動駆動力は１速発進より小さくなるが、それでも１０９９９Ｎが得られるので充分に起動できる。また１速→２速の変速中は駆動力が１３２５９Ｎに落ちるが、これでも充分な駆動力である。
以上のように本発明の第１の実施例の方法によれば、第１クラッチ１６が係合したまま固着して開放不能になったとしても、発進時には２速発進するので駆動力が落ちるものの、１速から４速まで正常時と変わりなく変速して走行できるので、運休を回避することができ、交通機関の信頼性を損なうことが無い。

なお、第２クラッチ１７が係合したまま固着して開放不能になった場合については、第１中間軸１４と第２中間軸１５、および第３クラッチ２３と第４クラッチ２４の関係が逆になるだけで、まったく対称的に動作させることができるので説明を省略するが、同様の効果が得られる。発進から最高車速まで計算した結果を図１１に示す。この場合も中断することなく、充分な駆動力が得られることが分かる。発進は１速ギアを使って行うので起動駆動力は１５７３４Ｎが得られ、充分に起動できる。また１速→２速の変速中の駆動力としては１９９６５Ｎが得られる。

本発明の第２の実施例は第３クラッチ２３が第１変速ギア段１９側にシフトしたまま固着し開放不能になった場合の救済制御方法であり、図１２〜１７を用いて説明する。図１２に停車状態からの発進方法を示す。この場合は１速が係合されているので１速発進が可能である。停車状態においては、出力軸１８は停止しているので、第１変速ギア段１９が係合された状態では、第１変速ギア段１９を介して出力軸１８と接続された第１中間軸１４も停止しており、第２クラッチ１７を係合すると、エンジン１のアイドル回転が第２中間軸１５から差動装置２５を介して発電電動機２９に伝えられている。エンジン１の出力を上昇させつつ発電電動機２９の発電負荷を増加させると、発電トルクの反力が差動装置２５から接続ギア列３０を介して第１中間軸１４及び第１変速ギア段１９に伝わり、出力軸１８に出力されて発進する。
車速が上昇し１速走行車速に達すると、発電電動機２９の回転数を０にすることで、第１中間軸１４の回転数が第２中間軸１５の回転数と等しくなり、第１クラッチ１６が同期する。図１３に示すように第１クラッチ１６を係合させて、発電電動機２９のトルクを０にすると、エンジン１の出力は直接第１変速ギア段１９を通して出力軸１８に出力されて１速走行状態になる。

１→２変速すべき車速に達したとき、図１４に示すように再び発電電動機２９の発電負荷を増加させ、全エンジントルクが第２中間軸１５から差動装置２５及び接続ギア列３０を介して第１中間軸１４に伝達されると、第１クラッチ１６を伝達するトルクが０になり、第１クラッチ１６を開放することができ、図１２と同じモードになる。
発電電動機２９の回転数を調整して、第４クラッチ２４と第２変速ギア段２０の回転を同期させると、図１５に示すように第４クラッチ２４を第２変速ギア段２０側にシフトさせて係合することができる。発電電動機２９のトルクを０にすると、エンジン１の出力は直接第２変速ギア段２０を通して出力軸１８に出力されて２速走行状態になる。

２→３変速すべき車速に達したとき、エンジン回転数は最大値に近づいている。しかし第３クラッチ２３は、第１変速ギア段１９に係合したまま固着しているので、３速にアップシフトすることはできない。そこで図１６に示すように再び発電電動機２９の発電負荷を増加させ、全エンジントルクを差動装置２５を介して第１中間軸１４に伝達させると、第４クラッチ２４を伝達するトルクが０になり、第４クラッチ２４を開放することができ、図１２と同じモードになる。ただし図１２の場合と異なるのは、車速が高いので発電電動機２９の回転数が高いことである。本出願人において試作した装置の例では、２→３変速すべき車速に達したときのエンジン回転数は２０９２ｒｐｍであるが、そのときの発電電動機２９の回転数は７１２ｒｐｍである。発電電動機２９の回転数を８６５ｒｐｍまで上げるとエンジン回転数が１９００ｒｐｍに下がるので、１速ギアを使いながら過回転にはならずさらに加速を続けることができる。

４速へアップシフトすべき車速に達したとき、第４クラッチ２４と第４変速ギア段２２の回転が同期するので、図１７に示すように第４クラッチ２４を第４変速ギア段２２側にシフトさせて係合し、発電電動機２９のトルクを０にすると、エンジン１の出力は直接第４変速ギア段２２を通して出力軸１８に出力されて４速走行状態になる。

以上の図１２〜図１７に説明した動作を本発明者等が試作した装置について計算した結果を図１８に示す。発進から最高車速まで、中断することなく充分な駆動力が得られることが分かる。２速エンジン走行までは図１１の場合とほぼ同じ特性が得られる。３速走行できないので、５７ｋｍ／ｈ〜８２ｋｍ／ｈの間は１速ギアを用いて走行するものの、エンジン回転数は過回転になることなく１９００ｒｐｍから１２５３ｒｐｍの間であり、モータ回転数は８６５ｒｐｍから２４１５ｒｐｍの間で、駆動力は２０１３１Ｎから４０２１Ｎが得られている。
以上のように本発明の第２の実施例の方法によれば、第３クラッチ２３が第１変速ギア段１９側にシフトしたまま固着し開放不能になったとしても、正常の発進駆動力で発進でき、また３速には変速できないものの、１速から４速まで変速して走行できるので、車両の運休を回避できて、交通機関の信頼性を損なうことが無い。

本発明の第３の実施例は第３クラッチ２３が第３変速ギア段２１側にシフトしたまま固着し開放不能になった場合の救済制御方法であり、図１９〜２４を用いて説明する。図１９に停車状態からの発進方法を示す。この場合は３速が係合されているので３速発進を行う必要がある。停車状態において出力軸１８は停止しており、第３変速ギア段２１が係合された状態では、第３変速ギア段２１を介して出力軸１８と接続された第１中間軸１４も停止しており、第２クラッチ１７を係合すると、エンジン１のアイドル回転が第２中間軸１５から差動装置２５を介して発電電動機２９に伝えられている。エンジン１の出力を上昇させつつ発電電動機２９の発電負荷を増加させると、発電トルクの反力が差動装置２５から接続ギア列３０を介して第１中間軸１４及び第３変速ギア段２１に伝わり、出力軸１８に出力されて発進する。

車速が上昇し２速ギアを接続できる車速に達すると、発電電動機２９の回転数を調整することで、第２中間軸１５の回転を第２変速ギア段２０の回転に同期させ、係合することができる。図２０に示すように第２変速ギア段２０を係合させて、発電電動機２９のトルクを０にすると、エンジン１の出力は直接第２変速ギア段２０を通して出力軸１８に出力されて２速走行状態になる。

２→３変速すべき車速に達したとき、エンジン回転数は最大値に近づいている。図２１に示すように再び発電電動機２９の発電負荷を増加させ、全エンジントルクが差動装置２５を介して第１中間軸１４に伝達されると、第２変速ギア段２０を伝達するトルクが０になり、第２変速ギア段２０を開放することができ、図１９と同じモードになる。発電電動機２９の回転数を０にすることで、第１クラッチ１６を第１ギア７の回転に同期させることができる。図２２に示すように第１クラッチ１６を係合して、発電電動機２９のトルクを０にすると、エンジン１の出力は直接第３変速ギア段２１を通して出力軸１８に出力されて３速走行状態になる。

３→４変速すべき車速に達したとき、図２３に示すように再び発電電動機２９の発電負荷を増加させ、全エンジントルクが差動装置２５を介して第１中間軸１４に伝達されると、第１クラッチ１６を伝達するトルクが０になり、第１クラッチ１６を開放することができ、図１９および図２１と同じモードになる。
発電電動機２９に負荷をかけたまま回転数を調整すると、第２中間軸１５の回転が第４変速ギア段２２の回転と同期するので、図２４に示すように第４変速ギア段２２を係合することができ、発電電動機２９のトルクを０にすると、エンジン１の出力は直接第４変速ギア段２２を通して出力軸１８に出力されて４速走行状態になる。

以上の図１９〜図２４に説明した動作を本発明者等が試作した装置について計算した結果を図２５に示す。発進から最高車速まで、中断することなく充分な駆動力が得られることが分かる。この場合は３速発進せざるを得ないが、それでも起動駆動力は７６２７Ｎが得られるので発進可能である。その後は４速エンジン走行まで充分な駆動力が得られている。
以上のように本発明の第３の実施例の方法によれば、第３クラッチ２３が第３変速ギア段２１側にシフトしたまま固着し開放不能になった場合には、発進時に３速で発進するので駆動力が小さくなり、また１速には変速できないものの、２速から４速までは通常通り変速して走行できるので、車両の運休を回避できて、交通機関の信頼性を損なうことが無い。

本発明の第４の実施例は第４クラッチ２４が第２変速ギア段２０側にシフトしたまま固着し開放不能になった場合の救済制御方法であり、図２６〜３２を用いて説明する。図２６に停車状態からの発進方法を示す。この場合は２速が係合されているので２速発進を行う必要がある。停車状態においては、出力軸１８は停止しており、第２変速ギア段２０が係合された状態では、第２変速ギア段２０を介して出力軸１８と接続されている第２中間軸１５も停止しており、第１クラッチ１６を係合すると、エンジン１のアイドル回転が第１中間軸１４から差動装置２５を介して発電電動機２９に伝えられている。エンジン１の出力を上昇させつつ発電電動機２９の発電負荷を増加させると、発電トルクの反力が差動装置２５から第２中間軸１５及び第２変速ギア段２０に伝わり、出力軸１８に出力されて発進する。

車速が上昇し１速ギアを接続できる車速に達すると、発電電動機２９の回転数を調整することで、第３クラッチ２３と第１変速ギア段１９の回転を同期させることができる。図２７に示すように第３クラッチ２３を第１変速ギア段１９側にシフトさせて噛み合わせ、発電電動機２９のトルクを０にすると、エンジン１の出力は直接第１変速ギア段１９を通して出力軸１８に出力されて１速走行状態になる。

１→２変速すべき車速に達したとき、図２８に示すように再び発電電動機２９の発電負荷を増加させ、全エンジントルクが第１中間軸１４から差動装置２５を介して第２中間軸１５に伝達されると、第３クラッチ２３を伝達するトルクが０になり、第３クラッチ２３を開放することができ、図２６と同じモードになる。
発電電動機２９に負荷をかけたまま回転数を０にすると、第２中間軸１５の回転を第１中間軸１４の回転と同期させることができる。図２９に示すように第２クラッチ１７を係合して、発電電動機２９のトルクを０にすると、エンジン１の出力は直接第２変速ギア段２０を通して出力軸１８に出力されて２速走行状態になる。

２→３変速すべき車速に達したとき、図３０に示すように再び発電電動機２９の発電負荷を増加させ、全エンジントルクが差動装置２５を介して第２中間軸１５に伝達されると、第２クラッチ１７を伝達するトルクが０になり、第２クラッチ１７を開放することができ、図２６、図２８と同じモードになる。発電電動機２９の回転数を調整することで、第３クラッチ２３と第３変速ギア段２１の回転を同期させることができる。図３１に示すように第３クラッチ２３を第３変速ギア段２１側にシフトさせて、発電電動機２９のトルクを０にすると、エンジン１の出力は直接第３変速ギア段２１を通して出力軸１８に出力されて３速走行状態になる。

３→４変速すべき車速に達しても第４クラッチが２速側に固着しているので４速にはできない。しかしエンジン回転数は最高回転数に近付いているので、このまま加速するわけには行かない。そこで図３２に示すように再び発電電動機２９のトルクを増やして第３クラッチ２３を開放し、図２６、図２８、図３０と同じモードにする。２速ギアでエンジン回転数を上げずに走行するには、発電電動機２９の回転数を上げる必要があり、発電電動機２９のトルクは小さくなるものの、最高車速まで駆動することはできる。

以上の図２６〜図３２に説明した動作を本発明者等が試作した装置について計算した結果を図３３に示す。発進から最高車速まで、中断することなく充分な駆動力が得られることが分かる。発進から３速エンジン走行までは図１０と同じであるが、その後は４速走行の代わりに２速モータ反力走行するので、発電電動機２９の回転数が高くなり、最高車速時の駆動力は２７０５Ｎと４速エンジン走行の場合の半分以下になる。しかしエンジンを過回転させることなく加速できることが分かる。
本実施例の方法によれば、第４クラッチ２４が第２変速ギア段２０側にシフトしたまま固着し開放不能になった場合には、発進時に２速で発進するので駆動力が小さくなり、また４速にはできないものの、１速から３速までは通常通り変速して走行できるので、車両の運休を回避できて、交通機関の信頼性を損なうことが無い。

本発明の第５の実施例は、第４クラッチ２４が第４変速ギア段２２側にシフトしたまま固着し開放不能になった場合の救済制御方法であり、図３４〜３９を用いて説明する。
この場合は４速が係合されているのでエンジンで発進するには４速発進を行う必要があり、ギア比が小さいので発進駆動力が小さくなってしまう。しかしこのシステムはハイブリッド駆動システムであるので、モータによる発進が可能である。
図３４に停車状態からの発進方法を示す。停車状態において第４変速ギア段２２が係合された状態において、第１変速ギア段１９を係合して、発電電動機２９の電動トルクを増加させると、電動トルクの一部は差動装置２５から第１中間軸１４を介して、第１変速ギア段１９から出力軸１８に伝達されると共に、電動トルクの残りは差動装置２５から第２中間軸１５を介して、第４変速ギア段２２から出力軸１８に出力されて発進する。第１中間軸１４に伝えられるトルクをＴ１とすると、その反力が第２中間軸１５に伝えられるので、第１変速ギア段１９のギア比をＧ１、第４変速ギア段２２のギア比をＧ４とすれば、出力軸トルクは、Ｔｏ＝（Ｇ１−Ｇ４）Ｔ１ となり、差動装置２５と出力軸１８は、第１変速ギア段１９と第４変速ギア段２２のギア比の差で結合されていることになる。

車速が上昇し１速ギアを接続できる車速に達すると、エンジン１の回転数制御により、第１ギア７の回転数を第１中間軸１４の回転数に同期させることができる。図３５に示すように第１クラッチ１６を噛み合わせ、エンジン１の出力を高めながら発電電動機２９のトルクを０にすると、エンジン１の出力は直接第１変速ギア段１９を通して出力軸１８に出力されて１速走行状態になる。

１→２変速すべき車速に達したとき、エンジンは最高回転数近くに達しているから２速にアップシフトしたいが、第４クラッチ２４が固着しているので第２変速ギア段２０を係合できない。そこで第４変速ギア段２２を用いて、発電電動機２９によるトルク伝達走行を行う。すなわち図３６に示すように、発電電動機２９の発電負荷を増加させると、全エンジントルクが第１中間軸１４から差動装置２５、第２中間軸１５、第４変速ギア段２２を介して出力軸１８に伝達されるので、第３クラッチ２３を伝達するトルクが０になり、第３クラッチ２３を開放することができる。

第３クラッチ２３が開放されるとエンジン回転数を変えることができるから、例えば効率の良いエンジン回転数に下げて、その分発電電動機２９の回転数を上げて走行すれば、さらに高車速まで加速することができる。

３速に変速すべき車速に達したとき、発電電動機２９の回転数を調整することで、第３クラッチ２３と第３変速ギア段２１の回転を同期させることができる。図３７に示すように第３クラッチ２３を第３変速ギア段２１側にシフトさせて、発電電動機２９のトルクを０にすると、エンジン１の出力は直接第３変速ギア段２１を通して出力軸１８に出力されて３速走行状態になる。

３→４変速すべき車速に達したとき、図３８に示すように再び発電電動機２９の発電負荷を増加させ、全エンジントルクが第１中間軸１４から差動装置２５を介して第２中間軸１５に伝達されると、第３クラッチ２３を伝達するトルクが０になり、第３クラッチ２３を開放することができ、図３６と同じモードになる。
発電電動機２９の回転数を０にすると、第２クラッチ１７が同期するので、図３９に示すように第２クラッチ１７を係合して、発電電動機２９のトルクを０にすると、エンジン１の出力は直接、固着状態にある第４変速ギア段２２を通して出力軸１８に出力されて４速走行状態になる。

以上の図３４〜図３９に説明した動作を本発明者等が試作した装置について計算した結果を図４０に示す。発進から最高車速まで、中断することなく充分な駆動力が得られることが分かる。発進はモータで行うので充分な起動駆動力が得られる。２速走行できないので、１速から３速へ飛び越し変速せざるを得ず、変速過程において発電電動機２９は高い回転数となるので受け持てるトルクが小さくなり、駆動力は5518Nまで低下する。これによりトルク変動が生じて乗り心地が多少低下するものの、充分な駆動力が得られることが分かる。
本実施例の方法によれば、第４クラッチ２４が第４変速ギア段２２側にシフトしたまま固着し開放不能になっても、モータ発進したのち１速、３速、４速と変速して走行できるので、運休を回避できて、交通機関の信頼性を損なうことが無い。

本発明の各実施例においては、クラッチのアクチュエータなどの可動部分が故障した場合として説明したが、本発明は、タイミング等に起因した故障までには至らない一時的な作動不良に対しても適用可能である。例えば、所定の短い時間内にクラッチの作動が確認されない場合には直ちに当該クラッチを回避した駆動経路に自動的に切り換えて、あたかも正常に作動したのと同等の運転走行を行わせることができる。

本発明は軌条車両に適用する場合について説明したが、同様のアクティブシフト変速機を用いるハイブリッドシステムであれば軌条車両に限定されるものではなく、自動車に適用する場合にも同様に実施することができる。

本発明の制御に用いるアクティブ変速機の構成を示すスケルトン図および制御システム図。 本発明の第１実施例における発進方法を示すトルク伝達経路説明図。 本発明の第１実施例における１速エンジン走行方法を示すトルク伝達経路説明図。 本発明の第１実施例における１速から２速への変速過程を示すトルク伝達経路説明図。 本発明の第１実施例における２速エンジン走行方法を示すトルク伝達経路説明図。 本発明の第１実施例における２速から３速への変速過程を示すトルク伝達経路説明図。 本発明の第１実施例における３速エンジン走行方法を示すトルク伝達経路説明図。 本発明の第１実施例における３速から４速への変速過程を示すトルク伝達経路説明図。 本発明の第１実施例における４速エンジン走行方法を示すトルク伝達経路説明図。 本発明の第１実施例における発進から４速までの走行状態を示すタイムチャート。 本発明の第２クラッチが固着した場合における発進から４速までの走行状態を示すタイムチャート。 本発明の第２実施例における発進方法を示すトルク伝達経路説明図。 本発明の第２実施例における１速エンジン走行方法を示すトルク伝達経路説明図。 本発明の第２実施例における１速から２速への変速過程を示すトルク伝達経路説明図。 本発明の第２実施例における２速エンジン走行方法を示すトルク伝達経路説明図。 本発明の第２実施例における２速から４速への変速過程を示すトルク伝達経路説明図。 本発明の第２実施例における４速エンジン走行方法を示すトルク伝達経路説明図。 本発明の第２実施例における発進から４速までの走行状態を示すタイムチャート。 本発明の第３実施例における発進方法を示すトルク伝達経路説明図。 本発明の第３実施例における２速エンジン走行方法を示すトルク伝達経路説明図。 本発明の第３実施例における２速から３速への変速過程を示すトルク伝達経路説明図。 本発明の第３実施例における３速エンジン走行方法を示すトルク伝達経路説明図。 本発明の第３実施例における３速から４速への変速過程を示すトルク伝達経路説明図。 本発明の第３実施例における４速エンジン走行方法を示すトルク伝達経路説明図。 本発明の第３実施例における発進から４速までの走行状態を示すタイムチャート。 本発明の第４実施例における発進方法を示すトルク伝達経路説明図。 本発明の第４実施例における１速エンジン走行方法を示すトルク伝達経路説明図。 本発明の第４実施例における１速から２速への変速過程を示すトルク伝達経路説明図。 本発明の第４実施例における２速エンジン走行方法を示すトルク伝達経路説明図。 本発明の第４実施例における２速から３速への変速過程を示すトルク伝達経路説明図。 本発明の第４実施例における３速エンジン走行方法を示すトルク伝達経路説明図。 本発明の第４実施例における２速モータ反力走行方法を示すトルク伝達経路説明図。 本発明の第４実施例における発進から最高車速までの走行状態を示すタイムチャート。 本発明の第５実施例における発進方法を示すトルク伝達経路説明図。 本発明の第５実施例における１速エンジン走行方法を示すトルク伝達経路説明図。 本発明の第５実施例における１速から３速への変速過程を示すトルク伝達経路説明図。 本発明の第５実施例における３速エンジン走行方法を示すトルク伝達経路説明図。 本発明の第５実施例における３速から４速への変速過程を示すトルク伝達経路説明図。 本発明の第５実施例における４速エンジン走行方法を示すトルク伝達経路説明図。 本発明の第５実施例における発進から４速までの走行状態を示すタイムチャート。

符号の説明

１：エンジン、２：変速機、３：入力軸、４：前進用ギア列、５：後進用ギア列、１４：第１中間軸、１５：第２中間軸、１６：第１クラッチ、１７：第２クラッチ、１８：出力軸、１９〜２２：変速ギア段、２３〜２４：変速用クラッチ、２５：差動装置、２９：発電電動機

Claims (1)

1. エンジン、該エンジンの出力が入力軸に入力される変速機、該変速機に接続された発電電動機、及び前記変速機の出力軸により駆動される車輪を備えており、前記変速機は、
   前記変速機の前記入力軸と並列に設けられた第１中間軸及び第２中間軸、
   前記入力軸に噛み合って設けられた入力ギア列、
   前記入力ギア列と前記第１中間軸とを選択的に連結する第１クラッチ、
   前記入力ギア列と前記第２中間軸とを選択的に連結する第２クラッチ、
   前記第１中間軸又は前記第２中間軸と前記出力軸との間に噛み合って設けられた複数組の変速ギア段、
   前記第１中間軸又は前記第２中間軸と前記複数組の変速ギア段とを選択的に連結する複数の変速用クラッチ、及び
   前記第１中間軸及び前記第２中間軸に接続されると共に前記両中間軸の回転数の差に応じた回転数で回転する回転部を備えた差動装置、を有しており、
   前記発電電動機は、前記変速機の前記回転部に接続されていることから成る、
   車両用動力伝達システムにおいて、
   前記第１クラッチ、前記第２クラッチ、複数の前記変速用クラッチのいずれか一つが開放不能に陥った場合、前記エンジンの出力を締結可能な二つのクラッチを介して前記出力軸に伝達するものであり、
   前記第１クラッチ、前記第２クラッチ、複数の前記変速用クラッチのうち、前記第１クラッチと前記第２クラッチの一方のクラッチが開放不能に陥った場合には、前記車両が発進する発進過程又は前記変速ギア段切換えの変速過程において、開放不能に陥った前記一方のクラッチ、当該一方のクラッチに関連する前記第１中間軸と前記第２中間軸のうち一方の中間軸、及び前記差動装置を介して前記エンジンの出力を前記発電電動機に伝達するとともに、前記差動装置により前記発電電動機から他方の中間軸に伝達されるトルク反力を前記他方の中間軸に設けられた複数組の前記変速ギア段の一つを介して前記出力軸に伝達し、
   前記第１クラッチ、前記第２クラッチ、複数の前記変速用クラッチのうち、前記変速クラッチの一つが開放不能に陥った場合には、前記車両が発進する発進過程又は前記変速ギア段切換えの変速過程において、当該開放不能の変速クラッチが設置されている方の前記中間軸に設置されている前記第１クラッチ又は前記第２クラッチを開放すると共に、前記開放不能の変速クラッチが設置されていない方の前記中間軸に設置されている前記第１クラッチ又は前記第２クラッチを係合し、係合した当該クラッチと前記差動装置を介して前記エンジンの出力を前記発電電動機に伝達するとともに、前記差動装置により前記発電電動機からのトルク反力を前記開放不能の変速クラッチを介して前記出力軸に伝達する
   ことを特徴とする車両用動力伝達システムの制御方法。
   

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