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JP2006316970A - 自動変速機 - Google Patents

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JP2006316970A JP2005142777A JP2005142777A JP2006316970A JP 2006316970 A JP2006316970 A JP 2006316970A JP 2005142777 A JP2005142777 A JP 2005142777A JP 2005142777 A JP2005142777 A JP 2005142777A JP 2006316970 A JP2006316970 A JP 2006316970A
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JP2005142777A
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Kazuhiko Ueda
和彦 上田
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Mazda Motor Corp
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Abstract

【課題】 機械的な自動変速機構と電動機とを組合せて、それぞれの長所の相乗効果を図ること。
【解決手段】 遊星歯車列31及び遊星歯車列32を含み、動力の伝達経路を切換えることで、複数段の機械的な変速を実現する自動変速機10であって、エンジンの回転を入力する入力軸27は、フォワードクラッチ41を介して第1遊星歯車列31のサンギヤ31aに連結し、第1遊星歯車列31のプラネタリーキャリア31cは、第2遊星歯車列32のリングギヤ32dに連結し、第2遊星歯車列32のサンギヤ32aは、リバースクラッチ43を介して、入力軸27に連結し、更に、入力軸27は3−4クラッチを介して第2遊星歯車列32のプラネタリキャリア32cに連結する。第2遊星歯車列32のサンギヤ32aは、電動機50によってトルクを制御される。
【選択図】 図1

Description

本発明は、自動変速機に関する。
従来から、2つの遊星歯車列を用いた自動変速機が知られている(特許文献1参照)。この種の自動変速機では、クラッチやブレーキ等を用いて、選択的に複数の回転要素の一部の回転・非回転を切り換えることにより、動力伝達経路を変更して変速を行うように構成されている。
一方、1つの遊星歯車列を用いて、エンジンの回転とモータの回転とを組み合わせて車両を駆動させる駆動装置について、特許文献2及び3に記載がある。
特開平11−351369号公報 特開平5−319110号公報 特開平8−197962号公報
しかしながら、上記従来技術には、変速段を補足するために、電動機を利用するという考え方はなかった。つまり、特許文献1にあるような、2つの遊星歯車列を用いた自動変速機では、歯車列のギヤ比によって機械的に決まる変速マップに応じた変速段しか実現できなかった。
一方、特許文献2、3に代表される、いわゆるハイブリッド駆動技術は、単にエンジンの回転にモータの回転を加えるために遊星歯車列を利用したものであって、変速マップに柔軟性を持たせるという考え方は無かった。
本発明は、上記従来技術の課題を解決するためになされたものであって、機械的な自動変速機構と電動機とを組合せて、それぞれの長所の相乗効果を図ることを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明に係る自動変速機は、連結した少なくとも2組の遊星歯車列を含み、動力の伝達経路を切換えることで、複数段の機械的な変速を実現する自動変速機であって、前記遊星歯車列に含まれる一部の回転要素を回転制御する電動機を更に有し、前記電動機を用いて、前記回転要素の回転トルクを制御することを特徴とする。
このように構成し制御することによって、1つの変速段で実現できるトルク幅を大きくすることができ、走行性を向上させることができる。
前記電動機は、前記遊星歯車列が機械的に実現できる最大変速から、それよりも1段低い変速段に変速する場合に、駆動することを特徴とする。これにより、最高速変速段よりも一段低い変速段、例えば3速での走行性を向上させることができる。
車両が加速する際に、前記電動機を駆動して、前記回転要素に対してトルクアシストすることを特徴とする。これにより、加速時の変速を少なくすることができ、シフトビジーを改善できる。
前記電動機を用いて、前記回転要素を、車両の走行状態に応じたトルクで回転させることを特徴とする。これにより、走行路の状況(登坂路、ワインディング等)に応じて、1つの変速段で実現できるトルク幅を大きくすることができ、走行性を向上させることができる。
車両が減速する際に、前記電動機を駆動して、前記回転要素の回転トルクを発電エネルギーに変えることを特徴とする。これにより、減速時に、車輪に対して、回転方向とは逆方向のトルクを与えることができる。つまり、1つの変速段で実現できるトルク幅を大きくすることができ、減速時の変速を少なくすることができ、エンジン騒音を低減できる。
車両の走行状態に応じて前記発電エネルギー量を制御することを特徴とする。これにより、走行路の状況など、例えば降坂路の勾配に応じて、所定の変速段の守備範囲を拡大でき、エンジンブレーキのフィーリングを改善できる。
本発明によれば、機械的な自動変速機構と電動機とを組合せて、それぞれの長所の相乗効果を図ることが可能となる。
以下に、図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成要素などはあくまで例示であり、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
(第1実施形態)
まず、図1により、本発明の実施形態に係る自動変速機10の機械的構成を説明する。
この自動変速機10は、主たる構成要素として、トルクコンバータ20と、トルクコンバータ20の出力により駆動される変速機構30と、変速機構30の動力伝達経路を切り換えるクラッチやブレーキ等の複数の回転制御要素41〜45およびワンウェイクラッチ46と、電動機としてのモータ50とを有し、これらによりD,S,Lレンジ等の前進レンジにおける1〜6速と、Rレンジにおける後退速とが得られるようになっている。
トルクコンバータ20は、エンジン出力軸1に連結され、ケース21内に固設されたポンプ22を備える。また、ポンプ22に対向する位置に配設され、ポンプ22により作動油を介して駆動されるタービン23を備える。更に、ポンプ22とタービン23との間に設けられ、変速機ケース11にワンウェイクラッチ24を介して固定されてトルク増大作用を行うステータ25を有する。トルクコンバータ20のケース21とタービン23との間には、ケース21を介してエンジン出力軸1とタービン23とを直結するロックアップクラッチ26が設けられている。そして、タービン23の回転がタービンシャフト27を介して変速機構30側に出力される。
ここで、このトルクコンバータ20を挟んでエンジンの逆側には、トルクコンバータ20のケース21を介してエンジン出力軸1に駆動されるオイルポンプ12が配置されている。
一方、変速機構30は、2組の遊星歯車列31、32から構成される。遊星歯車列は、それぞれ、サンギヤ31a,32aを有し、これらのサンギヤ31a,32aに噛み合った複数のピニオンギヤ31b,32bを有する。また、これらのピニオンギヤ31b,32bを支持するプラネタリキャリア31c,32cを有し、ピニオンギヤ31b,32bに噛み合ったリングギヤ31d,32dを有する。
そして、タービンシャフト27と遊星歯車列31のサンギヤ31aとの間にフォワードクラッチ(フォワードCL)41が配設されている。同じくタービンシャフト27と遊星歯車列32のサンギヤ32aとの間にリバースクラッチ(リバースCL)43が配設されている。また、タービンシャフト27と遊星歯車列32のプラネタリキャリア32cとの間に3−4クラッチ(3−4 CL)42が配設されている。また、遊星歯車列32のサンギヤ32aを固定するバンドブレーキ(2−4BR)44が配置されている。
更に、遊星歯車列32のサンギヤ32aは更にモータ50と接続されており、モータ50によってそのトルクを制御されている。
遊星歯車列31のリングギヤ31dと遊星歯車列32のプラネタリキャリア32cとが連結されて、これらと変速機ケース11との間にローリバースブレーキ(L&R BR)45とワンウェイクラッチ(OWC)46とが並列に配置されているとともに、遊星歯車列31のプラネタリキャリア31cと遊星歯車列32のリングギヤ32dとが連結されて、これらに出力ギヤ13が接続されている。そして、この出力ギヤ13の回転が伝動ギヤ2,3,4および差動機構5を介して左右の車軸6,7に伝達されるようになっている。
このように、本自動変速機10は、連結した少なくとも2組の遊星歯車列31、32を含み、動力の伝達経路を切換えることで、複数段の機械的な変速を実現する。さらに、遊星歯車列31、32に含まれる一部の回転要素32aの回転数を制御する電動機50を更に有する。この電動機50を用いて、回転要素32aを回転制御することによって、出力されるトルクを制御する。
図2Aは、本実施形態に係る自動変速機の構成を示す斜視図である。ここで示された矢印は、3速時にモータを駆動する場合の回転の伝達経路を示している。
加速時または減速時に4速から3速に変更する際には、フォワードクラッチ41と3−4クラッチ42が締結され、モータ50が駆動される場合がある。その他の回転制御要素は動作しない。加速時には、モータ50は、サンギヤ32aを、エンジンからの入力回転と同方向(図中下向き方向)に駆動させ、減速時には、その逆の方向に駆動させる。
3速では、フォワードクラッチ41と3−4クラッチ42が締結し、他の回転制御要素はフリーとなる。この状態では、タービンシャフト27の回転がフォワードクラッチ41によってサンギヤ31aに伝達される。また、タービンシャフト27の回転は、3−4クラッチ42を介してプラネタリキャリア32cにも伝達され、プラネタリキャリア32cはタービンシャフト27を中心に回転する。これに伴い、プラネタリキャリア32cに連結したリングギヤ31dも回転する。そして、回転するリングギヤ31dとサンギヤ31aとに挟まれたピニオンギヤ31bは、プラネタリキャリア31cを、サンギヤ31aを中心に回転させる。結果としてプラネタリキャリア31cと連結した出力ギヤ13がサンギヤ31aを中心に回転する。これにより、伝動ギヤ2〜4が回転し、車軸を回転させる。
図2Bは、本実施形態に係る自動変速機の構成を示す斜視図である。ここで示された矢印は、4速以上の高速時にモータを駆動する場合の回転の伝達経路を示している。
4速以上の高速時には、3−4クラッチ42が締結され、モータ50が駆動される。その他の回転制御要素は動作しない。モータ50は、サンギヤ32aを、エンジンからの入力回転と逆方向(図中矢印方向)に回転させる。その回転数は、エンジン回転数に比例する。
トルクコンバータ20から入力された回転は、タービンシャフト27から3−4クラッチ42を介してプラネタリキャリア32cをサンギヤ32aの周りに回転させる。このときサンギヤ32aは、モータ50により矢印方向に回転している。従って、サンギヤ32aがブレーキ44によって固定された状態(4速時)、に比べて高い回転数で、連結されたリングギヤ31d及びピニオンギヤ32bが矢印方向に回転する。この際、ピニオンギヤ32bに噛合するリングギヤ32dは矢印方向に回転する。
これに伴い、プラネタリキャリア31c及び出力ギヤ13がサンギヤ31aを中心に矢印方向に回転する。これにより、伝動ギヤ2〜4が矢印方向に回転し、車軸を回転させる。この車軸の回転数は、モータ50の回転数が高いほど高くなる。
ここで、各クラッチやブレーキ等の回転制御要素41〜45、ワンウェイクラッチ46及びモータ50の作動状態とギヤ段との関係を、図3に示す。なお、この図において、○は回転制御要素が回転要素を停止させる場合、または、モータを駆動させる場合を示す。
図3に示すように、1速では、フォワードクラッチ41とワンウェイクラッチ46が締結される。ローアンドリバースブレーキ45は、Lレンジの場合に締結される。この状態では、タービンシャフト27の回転がフォワードクラッチ41によってサンギヤ31aに伝達される。サンギヤ31aが回転すると、ピニオンギヤ31bも回転する。これに伴い、リングギヤ31dも回ろうとするが、ワンウェイクラッチ46またはローアンドリバースブレーキ45によってリングギヤ31dは固定されているため回転することはない。従って、固定されたリングギヤ31d内をピニオンギヤ31bが回転し、これに伴い、プラネタリキャリア31cが回転する。結果としてプラネタリキャリア31cと連結した出力ギヤ13がサンギヤ31aを中心に回転する。これにより、伝動ギヤ2〜4が回転し、車軸を回転させる。
2速では、フォワードクラッチ41とバンドブレーキ44が締結し、他の回転制御要素はフリーとなる。この状態では、タービンシャフト27の回転がフォワードクラッチ41によってサンギヤ31aに伝達される。サンギヤ31aが回転すると、ピニオンギヤ31bも回転する。これに伴い、リングギヤ31dも回転し、リングギヤ31dに連結したプラネタリキャリア32cも回転する。この時、バンドブレーキ44によってサンギヤ32aが固定されているので、リングギヤ32dが回転し、これに伴い、プラネタリキャリア31cが回転する。結果としてプラネタリキャリア31cと連結した出力ギヤ13がサンギヤ31aを中心に回転する。これにより、伝動ギヤ2〜4が回転し、車軸を回転させる。
3速では、図2Aを用いて説明したとおり、フォワードクラッチ41と3−4クラッチ42が締結され、モータ50が駆動される場合がある。
4速または高速域では、図2Bを用いて説明したとおり、3−4クラッチ42が締結され、バンドブレーキ44が締結される(4速)かモータ50が駆動される(5、6速)。
一方、後退では、リバースクラッチ43及びローアンドリバースブレーキ45を締結し、他の回転制御要素をフリーとする。この状態では、タービンシャフト27の回転がリバースクラッチ43によってサンギヤ32aに伝達される。これに伴い、ピニオンギヤ32bが回転し、リングギヤ32dも回転する。このためリングギヤ32dに連結したプラネタリキャリア31cもサンギヤ31aを中心に回転する。結果としてプラネタリキャリア31cと連結した出力ギヤ13がサンギヤ31aを中心に回転する。これにより、伝動ギヤ2〜4が回転し、車軸を回転させる。この場合、出力回転は、入力回転と逆方向になる。
次に、図4を用いて、モータ50の制御処理について説明する。図4は、モータ50の制御処理の流れを示すフローチャートである。具体的には、モータ50を制御するためのCPU(不図示)が車両内の制御基板に設けられており、そのCPUが定期的に特定のプログラムを実行することにより以下の処理が行なわれる。
まず、ステップS401において、バッテリーに蓄えられた電力が十分か否かを判定する。バッテリーが残存することがモータ50を駆動する上での最低条件だからである。バッテリーに十分な電力が残存していない場合には、モータ50を駆動することなく本処理を終了する。
次に、ステップS402において、現在4速か否かを判定する。本実施形態にかかる自動変速機では、4速時からキックダウンなどにより急加速する場合、或いは、4速時から急減速する場合に、モータ50を駆動するからである。3速以下の場合には、モータ50を駆動することなく本処理を終了する。
次にステップS403に進み、車速Vとスロットル開度TVOを取得する。そして、同時に、キックダウンなどにより急加速しようとしている状態か、或いは、ブレーキング中の減速時かを判定する。
そして、ステップS404では、加速時か、減速時かに応じて変速マップを選択し、参照する。具体的には、加速時には、図5に示すような変速マップを選択し、減速時には、図6に示すような変速マップを選択し、参照する。
加速時か、減速時かの判定は、スロットル開度とブレーキSWで行ない、具体的にはスロットル開度が0より大きいときには加速時、スロットル開度が0の時は減速時、更にブレーキSWがONの時は強い減速時と判断する。
ステップS405では、変速マップにおいて、モータの駆動領域に該当するか否かを判定する。例えば、図5の変速マップにおいては、501、502に示す領域がモータ駆動領域である。また、点線503は、モータを駆動しない場合の、3速から2速への遷移境界線である。
ここで、モータ駆動領域501は、モータ50を駆動しない状況では2速に変速すべき領域である。しかし、上述のS401〜404に示す条件をクリアした状況では、図2Aに示したような3速用の制御を回転制御要素に対して行ない、モータ50を駆動してトルクアシストを行なう。これにより、AからBへと、スロットル開度が変化した場合にでも、4速から3速へのシフトチェンジによって、4速から2速へシフトチェンジした場合と同様に大きなトルクを得ることができる。従って、4速から2速へ一気に変段した場合に比べて、エンジン騒音を抑えることができる。
また、モータ駆動領域502は、スロットル開度TVOが100%の状態を示す領域である。この領域は、モータ50を駆動しない状況であったとしても3速への変速を行なう領域である。スロットル開度TVOが100%であることから、大きなトルクが必要と判断し、図2Aに示したような3速用の制御を回転制御要素に対して行ない、モータ50を駆動してトルクアシストを行なう。これにより、モータを駆動しない場合に比して、より大きなトルクを得ることができ、ドライビングフィーリングを向上させることができる。
一方、図6の変速マップにおいては、601に示す領域がモータ駆動領域である。点線602は、モータを駆動しない場合の、3速から2速への遷移境界線である。
モータ駆動領域601は、スロットル開度TVOが0%の状態を示す領域である。4速からスロットル開度TVOが0%の状態で減速すると、通常、2速まで一気に変段されるが、ここでは、3速までの変段に抑えた上で、モータの発電機能を利用して、回転方向と逆方向のトルクを与え(トルクを吸収し)、エンジンブレーキによる減速をアシストする。つまり、車両が減速する際に、モータ50を駆動して、サンギヤ32aの回転トルクを発電エネルギーに変える。
また、ステップS406では、車両に設けられたセンサなどから道路勾配を判断し、道路勾配が所定範囲にあるか否かを判定する。例えば、加速時には、道路がある程度以上の下り坂(勾配がマイナス値)だと判断すると、モータ50によるトルクアシストを行なわずに処理を終了する。加速時において所定の下り坂以上の勾配であれば、ステップS407に進み、その勾配に応じた量のトルクをアシストする。例えば、険しい上り坂では大きくモータ50を駆動させ、大きな力でトルクアシストを行なう。また、図7に示すように、アシストするトルクは、スロットル開度TVOの変化量ΔTVOに比例した量とする。
一方、減速時には、勾配が大きいほど、モータ50の駆動量(発電圧)を小さくし、減速のアシスト量(制動力)を減らす。つまり、ステップS406において、所定以上の勾配と判断すると、十分に減速が行なわれるためモータ50を駆動せずに処理を終了する。
逆に、所定値より勾配の少ない上り坂や下り坂では、モータ50を駆動して、サンギヤ32aの回転トルクを発電エネルギーに変える。この時、図8に示すように、ブレーキペダルの踏み込み量PBに応じた量の減速アシストを行なう。ただし、ブレーキペダルが全く踏み込まれていない状態でも、微小電圧でモータ50を駆動する。
なおここでは、ステップS406で、モータ50を駆動するか否かの判断を勾配によって行なったが、勾配によらずモータ50を駆動する構成でもかまわない。
以上のような処理により、図9の901に示すように、単なる4速ATの場合(902)に比べて、加速時に減速比を下げながらも、903に示すように、駆動力を増すことができる。また、エンジン回転数も、904に示すように、単なる4速ATの場合(905)に比べて、下げることができる。
一方、減速時には、図10の1001に示すように、3速までの変速にとどめるので、1002に示すように、モータ50を駆動しない場合(1003)に比べて大きな制動力を働かせることができる。また、2速まで変速しないので、1004に示すように、エンジン回転数は上がることがない。
なお、本実施形態では、モータ50とバンドブレーキ44とを併設し、2速、及び4速では、バンドブレーキ44を用いてサンギヤ32aを停止することとしたが、モータ50のみを配設して、サンギヤ32aの停止をモータ50で行なっても良い。また、モータ50とバンドブレーキ44とを併設しつつ、サンギヤ32aの停止をモータ50で行ない、モータ50に不具合があった場合に、バンドブレーキ44を用いてサンギヤ32aを停止してもよい。
また、本実施形態では、モータ50を変速機構30の外側に設けたが、図1のバンドブレーキ44に置き換えるように変速器ケース11の内壁にステータを取付け、サンギヤ32aにロータを連結する構成でも良い。
更に、本実施形態では、遊星歯車列を2組備えた自動変速機について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、3組の遊星歯車列を備えていても良い。
以上説明したように、本実施形態に係る自動変速機によれば、遊星歯車列に含まれる一部の回転要素を回転制御する電動機を有し、電動機を用いて、出力トルクを制御する。これにより、1つの変速段で実現できるトルク幅を大きくすることができ、走行性を向上させることができる。特に、電動機は、遊星歯車列が機械的に実現できる最大変速から、それよりも1段低い変速段に変速する場合に、駆動することを特徴とする。これにより、最高速変速段よりも一段低い変速段、例えば3速での走行性を向上させることができる。車両が加速する際に、電動機を駆動して、トルクアシストすることを特徴とする。これにより、加速時の変速を少なくすることができ、シフトビジーを改善できる。
電動機を用いて、車両の走行状態に応じたトルクで走行させることを特徴とする。これにより、走行路の状況(登坂路、ワインディング等)に応じて、1つの変速段で実現できるトルク幅を大きくすることができ、走行性を向上させることができる。
車両が減速する際に、電動機を駆動して、減速トルクを発電エネルギーに変えることを特徴とする。これにより、減速時に、車輪に対して、回転方向とは逆方向のトルクを与えることができる。つまり、1つの変速段で実現できるトルク幅を大きくすることができ、減速時の変速を少なくすることができ、エンジン騒音を低減できる。
車両の走行状態に応じて減速トルクを制御することを特徴とする。これにより、走行路の状況など、例えば降坂路の勾配に応じて、所定の変速段の守備範囲を拡大でき、エンジンブレーキのフィーリングを改善できる。
本発明の実施形態としての自動変速機の構成を示すスケルトン図である。 本発明の実施形態としての自動変速機の構成を示す斜視図である。 本発明の実施形態としての自動変速機の構成を示す斜視図である。 本発明の実施形態としての自動変速機の制御を示す図である。 本発明の実施形態としての自動変速機のモータ制御を示すフローチャートである。 本発明の実施形態としての自動変速機のモータ制御を示す図である。 本発明の実施形態としての自動変速機のモータ制御を示す図である。 本発明の実施形態としての自動変速機のモータ制御を示す図である。 本発明の実施形態としての自動変速機のモータ制御を示す図である。 本発明の実施形態としての自動変速機の効果を示す図である。 本発明の実施形態としての自動変速機の効果を示す図である。
符号の説明
1 エンジン出力軸
2,3,4 伝動ギヤ
5 差動機構
6、7 車軸
10 自動変速機
11 変速機ケース
12 オイルポンプ
13 出力ギヤ
20 トルクコンバータ
21 ケース
22 ポンプ
23 タービン
24 ワンウェイクラッチ
25 ステータ
26 ロックアップクラッチ
27 タービンシャフト
30 変速機構
31、32 遊星歯車列
31a、32a サンギヤを有し、
31b、32b ピニオンギヤ
31c、32c プラネタリキャリア
31d、32d リングギヤ
41 フォワードクラッチ
42 3−4クラッチ
43 リバースクラッチ
44 バンドブレーキ
45 ローリバースブレーキ
46 ワンウェイクラッチ
50 モータ

Claims (6)

  1. 連結した少なくとも2組の遊星歯車列を含み、動力の伝達経路を切換えることで、複数段の機械的な変速を実現する自動変速機であって、
    前記遊星歯車列に含まれる一部の回転要素を回転制御する電動機を更に有し、
    前記電動機を用いて、前記回転要素を回転させるトルクを制御することを特徴とする自動変速機。
  2. 前記電動機は、前記遊星歯車列が機械的に実現できる最大変速から、それよりも1段低い変速段に変速する場合に、駆動することを特徴とする請求項1に記載の自動変速機。
  3. 車両が加速する際に、前記電動機を駆動して、前記回転要素に対してトルクアシストすることを特徴とする請求項1に記載の自動変速機。
  4. 前記電動機を用いて、前記回転要素を、車両の走行状態に応じたトルクで回転させることを特徴とする請求項2に記載の自動変速機。
  5. 車両が減速する際に、前記電動機を駆動して、前記回転要素の回転トルクを発電エネルギーに変えることを特徴とする請求項1に記載の自動変速機。
  6. 車両の走行状態に応じて前記発電エネルギー量を制御することを特徴とする請求項5に記載の自動変速機。
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Cited By (1)

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