JP2008057575A - マニュアルトランスミッションの自動変速用アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】構成を複雑化ないし肥大化させることなく又コストを抑制しながら、マニュアルトランスミッションの空走時間を短縮できるマニュアルトランスミッションの自動変速用アクチュエータを提供すること。
【解決手段】車両のマニュアルトランスミッションを自動的に動作させる自動変速用アクチュエータであって、アクチュエータを駆動する電磁石界磁型モータである分巻モータ３と、前記マニュアルトランスミッションの状態に応じて分巻モータ３の界磁の強度を可変に制御するＥＣＵ部（制御手段）１とを有し、ＥＣＵ部１は、分巻モータ３の回転速度を制御する一個の第１種のスイッチング素子（大容量ＦＥＴ）ＳＷ０と、分巻モータ３の回転方向切替用且つ界磁制御用の複数個の第２種のスイッチング素子（低容量ＦＥＴ）ＳＷ１〜ＳＷ４と、を有している。
【選択図】図２

Description

本発明は、マニュアルトランスミッションの自動変速用アクチュエータに関し、特に、モータで駆動されるマニュアルトランスミッションの自動変速用アクチュエータに関する。

非特許文献１を参照すると、マニュアルトランスミッションの自動変速用アクチュエータとは、自動車のクラッチ機構及び手動式変速機構をモータ駆動式アクチュエータを使って動作させ、クラッチの断・係合動作及び手動式変速機構の変速をおこなうものである。従来、このシステムのアクチュエータを駆動するモータとしては、永久磁石界磁型のＤＣモータが使用されている。

非特許文献１を参照すると、上記ＤＣモータの特性の特徴は、トルクの変化に対して、回転数、電流が比例して変化することである。

Ｄ＆Ｍ（日経メカニカル） ２００３ ＡＵＧ Ｎｏ．５８７ ｐ８４−８７ 小形モータ（電気学会 精密小形電動機調査委員会編、コロナ社発行） ｐ２２−２５

車両走行中、マニュアルトランスミッションの自動変速用アクチュエータの変速動作は、クラッチ断→セレクトないしシフト→クラッチ係合である。例えば、クラッチ機構において、クラッチ断からクラッチ係合直前の間、すなわち、クラッチ機構の空走期間は、エンジンからタイヤへのトルク伝達が遮断されている状態であり、この時間が長いと変速中の空走時間が長くなり、フィーリングが悪くなる。このため、空走時間の短縮による応答性向上が求められる。

また、搭載されるエンジンが大きいほど上記アクチュエータを駆動するための必要な出力が大きくなるため、アクチュエータを駆動するためのモータは高トルクかつ高回転が求められる。

上記ＤＣモータは、入力として電圧×電流を与えると、トルク×回転数として出力される。つまり、効率＝出力／入力＝（トルク×回転教）／（電圧×電流）という関係がある。ＤＣモータの効率は一般的に６０〜８０％程度であるため、電圧及び電流に制限があり、入力を大きくできない場合、出力＝トルク×回転数も大きくするには制限がかかり、必要トルクが大きい場合、回転数を下げる必要があり、また、必要回転数を高くしたい場合、トルクを下げる必要がある。損失を減らして、効率を上げたとしても、効率１００％以上にすることは不可能であるため、トルクと回転数の両方を同時に上げることには限界がある。

従来、マニュアルトランスミッションの自動変速用アクチュエータを駆動する永久磁石界磁型のＤＣモータの速度制御、回転方向切替にはＦＥＴ４個のＨブリッジ回路を使用するが、各ＦＥＴにはモータへ流す電流がそのまま流れるため、４個とも大容量のＦＥＴが必要となる。

上記ＤＣモータへの入力を上げるために昇圧、電流増加という手段もあるが、昇圧の場合、システムが高コストであり、また、電流増加の場合、発熱低減、電圧降下低減のため、ワイヤーハーネス（Ｗ／Ｈ）を太くする必要があるが、必要スペース増加、重量増加という問題がある。

本発明の目的は、構成を複雑化ないし肥大化させることなく又コストを抑制しながら、マニュアルトランスミッションの空走時間を短縮できるマニュアルトランスミッションの自動変速用アクチュエータを提供することである。

本発明は、第１の視点において、車両のマニュアルトランスミッションを自動的に動作させる自動変速用アクチュエータであって、前記アクチュエータを駆動する電磁石界磁型モータと、前記マニュアルトランスミッションの状態に応じて前記電磁石界磁型モータの界磁の強度を可変に制御する制御手段と、を有する、ことを特徴とするマニュアルトランスミッションの自動変速用アクチュエータを提供する。

なお、電磁石界磁型モータにおいては、例えば、分巻モータの場合、電機子巻線と、界磁巻線が並列に接続され、界磁巻線に直列に挿入されたスイッチング素子で電流を可変とすることにより、界磁を変化させることができる。後述する図２及び図３のユニバーサルモータは、分巻モータであり、さらに、電機子側がアマーチュア（回転子、ロータ）、界磁側が固定子（ステータ）となっている。しかし、本発明に適用される電磁石界磁型モータはこれに限定されるものではなく、界磁が可変にできるものであれば種種のもの、例えば、直巻モータ、複巻モータ、他励磁モータも用いることができる。また、電機子電流の整流は、アマチュアに設けたコミュテータとそれに摺接するブラシによって行うことができるが、他の方式を用いてもよい。

なお、制御手段は、前記マニュアルトランスミッションの状態を、前記アクチュエータに付随するセンサやスイッチが出力する検知信号に把握することができ、或いは、アクチュエータに送信する自らの指令信号に基づいて、把握してもよい。

本発明によれば、従来、マニュアルトランスミッションの自動変速用アクチュエータの駆動に使用している永久磁石界磁型のＤＣモータに替えて、電磁石界磁型モータ（例えば、ユニバーサルモータ、分巻モータ）を使用する。そして、本発明によれば、界磁電流を調整することにより界磁を強くしたり弱くしたりすることができ、界磁を強くした場合、高トルク（低回転）となり、界磁を弱くした場合、高回転（低トルク）が得られる。

このため、本発明によれば、前記界磁を可変に制御することにより、モータ特性（トルク−回転数）を可変にできる。

したがって、本発明によれば、マニュアルトランスミッションの状態に応じて、アクチュエータにおいて高トルクが必要な場合は、界磁を強くして前記電磁石界磁型モータの特性を高トルク−低回転の特性とし、アクチュエータにおいて高トルクが必要ない場合、例えば、クラッチ機構においてはクラッチ機構用アクチュエータに対し低負荷期間であるクラッチ機構の係合期間や、変速機構のスリーブがボーク点から他のボーク点へ移動させられる期間に対応するシフトフォークヘッドのセレクト時又はシフト時の空走期間は界磁を弱くして前記電磁石界磁型モータの特性を低トルク−高回転の特性とすることができる。これによって、本発明によれば、電磁石界磁型モータ、それに駆動されるアクチュエータ、さらに、それにクラッチ機構ないし変速機構の応答性が向上し、マニュアルトランスミッションの空走時間を短縮し、変速のフィーリングを良くすることができる。

さらに、本発明によれば、界磁の強度を可変にすることによりトルクを増大させることができるため、モータを大型化したり、モータ制御用のスイッチング素子を高容量としたり、電流増加のためワイヤーハーネス（Ｗ／Ｈ）径を太くしたり、高コストな昇圧回路を使用したりすることなく、応答性を確保しながら必要なトルクも得ることができる。

以上より、本発明によれば、構成を複雑化ないし肥大化させることなく又コストを抑制しながら、マニュアルトランスミッションの空走時間を短縮できるマニュアルトランスミッションが提供される。

本発明の好ましい実施の形態において、前記マニュアルトランスミッションはクラッチ機構及び変速機構を含み、前記アクチュエータは、前記クラッチ機構を自動的に動作させるクラッチ機構用アクチュエータと、前記変速機構を自動的に動作させる変速機構用アクチュエータと、から構成され、前記制御手段は、前記クラッチ機構及び／又は前記変速機構における所定の動作期間において、他の期間よりも前記界磁を相対的に弱く制御する、ことを特徴とする。
本発明の好ましい実施の形態においては、前記電磁石界磁型モータが分巻モータであることを特徴とする。
本発明の好ましい実施の形態において、前記所定の動作期間とは、前記クラッチ機構用アクチュエータが前記クラッチ機構を係合動作させる期間であることを特徴とする。
本発明の好ましい実施の形態において、前記変速機構は変速比を切換えるためのスリーブを有しており、前記所定の動作期間とは、前記変速機構用アクチュエータが前記変速機構において前記スリーブをボーク点から他のボーク点に動作させる期間であることを特徴とする。

本発明の好ましい実施の形態において、前記制御手段は、前記分巻モータの回転速度を制御する一個の第１種のスイッチング素子と、前記分巻モータの回転方向切替用且つ前記界磁制御用の複数個の第２種のスイッチング素子と、を有し、前記第２種のスイッチング素子は前記第１種のスイッチング素子に比べて低容量であることを特徴とする。この形態によれば、従来、使用していたモータ制御・回転方向切替兼用の高容量スイッチング素子（第１種のスイッチング素子、例えばＦＥＴ）に４個に替えて、分巻モータの速度制御には高容量の第１種のスイッチング素子（例えばＦＥＴ）を１個、回転方向切替には界磁電流切替用の小容量で安価な第２種のスイッチング素子（例えばＦＥＴ）４個を使用する。さらに、制御手段（ＥＣＵ）からモータへのワイヤーハーネス（Ｗ／Ｈ）は、従来、正逆回転を切り替えるためにモータ用のワイヤーハーネスが２本必要であったが、分巻モータは別回路で正逆回転を切り替えるので、制御手段（ＥＣＵ）からモータへのＷ／Ｈを１本に低減できる。以上より、この形態によれば、従来に比べて大容量で高価なＦＥＴの数が減少してコストが低減され、又制御手段（ＥＣＵ）とモータを接続するワイヤーハーネスの重量及びコストが低減される。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記分巻モータのマイナス側をグランドに接続することを特徴とする。これによって、ワイヤーハーネスの量が削減される。

図１は、本発明の実施例１に係る車両のマニュアルトランスミッションを自動的に動作させる自動変速用アクチュエータが適用されるマニュアルトランスミッションのシステム図である。

図１を参照すると、このマニュアルトランスミッション１０は、クラッチ機構１１及び変速機構１２を含む。クラッチ機構１１は、第１のアクチュエータ２ａによって自動的に動作され、変速機構１２はセレクト用の第２のアクチュエータ２ｂと、シフト用の第３のアクチュエータ２ｃとによって自動的に動作される。

第１〜第３のアクチュエータ２ａ，２ｂ，２ｃは、電磁石界磁型モータであるそれぞれ第１〜第３の分巻モータ３ａ，３ｂ，３ｃによって駆動され、第１〜第３の分巻モータ３ａ，３ｂ，３ｃは制御手段（ＥＣＵ部）１によってそれぞれ制御される。

制御手段１は、マニュアルトランスミッション１０の状態、例えば、前記所定要素であるクラッチ板、シフトフォークヘッド又は同期装置のハブスリーブの位置に応じて、分巻モータ３ａ，３ｂ，３ｃの界磁の強度を可変に制御することができる。例えば、クラッチ板のストロークセンサ、シフトフォークヘッドの位置センサ又はハブスリーブの位置センサの検知信号が制御手段１に入力され、該検知信号に基づいて、制御手段１は、マニュアルトランスミッションの状態を把握し、第１〜第３のアクチュエータ２ａ，２ｂ，２ｃ及び第１〜第３の分巻モータ３ａ，３ｂ，３ｃを制御することができる。

第１のアクチュエータ２ａはクラッチ用であり、クラッチ板を移動させて、エンジンからの動力が伝達されるフライホイールに対して押し付ける。

第２のアクチュエータ２ｂは、セレクト用であって、シフトアンドセレクトシャフトを回動させて、数本のフォークシャフトの内の一本のフォークシャフトのシフトヘッドと係合させる。

第３のアクチュエータ２ｃは、シフト用であって、スリーブが一体的に設けられたフォークシャフトをシフトアンドセレクトシャフトの軸方向に移動させ、スリーブとギヤピースの間に配置されたシンクロ機構によりスリーブとギヤピースを摩擦係合によって同期回転させ、最終的にスリーブとギヤピースをスプライン係合させ、一体回転させる。

第１のアクチュエータ２ａに関して、制御手段１は、クラッチ機構を動作させる際に第１のアクチュエータ２ａが出力すべき荷重が相対的に小さい期間に相当するクラッチ機構を係合動作させる期間や、モータ起動後でモータ回転数が上昇している期間は、界磁電流の大きさを相対的に小さくして界磁の強度を相対的に弱めに制御してモータの回転速度を上昇させてフォークシャフトの移動速度を高くして応答性を向上させる。一方、クラッチ機構を動作させる際に第１のアクチュエータ２ａが出力すべき荷重が相対的に大きい期間に相当するクラッチ機構を切断動作させる期間や、切断動作の準備段階にあたるクラッチ機構の係合の期間は、界磁電流の大きさを相対的に大きくして界磁の強度を相対的に強めに制御して第１のアクチュエータ２ａの推力を上昇させる。

第２のアクチュエータ２ｂに関して、制御手段１は、シフトフォークヘッドの回動方向であるセレクト方向の空走期間、すなわち、シフトアンドセレクトシャフトがフォークシャフト上のシフトヘッドと係合していない期間、界磁電流の大きさを相対的に小さくして界磁の強度を相対的に弱めに制御して回転速度を上昇させてフォークシャフトの移動速度を高くして応答性を向上させる。一方、係合している期間は、界磁電流の大きさを相対的に大きくして界磁を相対的に強めに制御して第２のアクチュエータ２ｂの推力を上昇させ、係合をより確実なものとするとともに係合すべき部材とは他の部材との干渉の影響を少なくする。

第３のアクチュエータ２ｃに関して、制御手段１は、フォークシャフトのシフト方向への空走期間、すなわち、フォークシャフトと一体的に形成されたスリーブがシンクロ機構の働きによりギヤピースと摩擦係合し、同期動作を開始する（ボーク点）前の期間、つまりスリーブをボーク点から他のボーク点に動作させる期間、界磁電流の大きさを相対的に小さくして界磁の強度を相対的に弱めに制御して回転速度を上昇させてフォークシャフトの移動速度を高くして応答性を向上させる。一方、ボーク点以降の同期動作中および同期動作後は、界磁電流の大きさを相対的に大きくして界磁を相対的に強めに制御して第３のアクチュエータ２ｃの推力を上昇させ、係合をより確実なものとするとともに次回のギヤピースの非係合動作に備えることができる。

次に、以上説明したシステムに適用される分巻モータ及びその回路について説明する。

図２は、本発明の実施例１に係る自動変速用アクチュエータを駆動する分巻モータの回路図である。図３（Ａ）は図２の分巻モータの断面図、図３（Ｂ）及び図３（Ｃ）は、分巻モータの回転原理の説明図である。図４は、図２の分巻モータの特性線図である。図５は、比較例に係る自動変速用アクチュエータを駆動する永久磁石界磁型のＤＣモータの回路図である。

図２及び図３（Ａ）〜（Ｃ）を参照すると、分巻モータ３は、インナーにアマーチュア（電機子巻線、ロータ、回転子）３１、アウターにステータ（固定子、界磁巻線）３２が配置され、電機子電流の整流は、アマーチュア３１上に設けられた不図示のコミュテータとそれに摺接するブラシ３３によって行われる。ステータ３２が発生する界磁の強さは、界磁電流の制御により、可変に調整される。なお、図３（Ｂ）及び図３（Ｃ）に示すように、電機子電流Ｉａの方向を反対にすることにより回転方向を変換させてもよい。

図２を参照すると、ＥＣＵ部（制御手段）１は、分巻モータ３の回転速度を制御する一個の第１種のスイッチング素子（大容量ＦＥＴ）ＳＷ０と、分巻モータ３の回転方向切替用且つ界磁制御用の複数個の第２種のスイッチング素子（低容量ＦＥＴ）ＳＷ１〜ＳＷ４と、を有している。

４個の第２種のスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４は、Ｈブリッジ回路を構成して分巻モータ３に接続され、一個の第１種のスイッチング素子ＳＷ０はこのＨブリッジ回路と分巻モータ３の間かつ電源Ｖと分巻モータ３のプラス側との間に接続されている。

分巻モータ３のマイナス側はグランドＧＮＤに接続されている。ＥＣＵ部（制御手段）１〜モータ間のＷ／Ｈを２本から１本に変更することにより、Ｗ／Ｈ重量、コストが低減される。

数十Ａの電機子電流Ｉａが流れる一個の第１種のスイッチング素子ＳＷ０のみに、大容量ＦＥＴが用いられている。数Ａの界磁電流しか流れない第２種のスイッチング素子（低容量ＦＥＴ）ＳＷ１〜ＳＷ４には低容量ＦＥＴが用いられ、さらに、分巻モータ３との接続には、第１種のスイッチング素子ＳＷ０と分巻モータ３を接続するモータ用Ｗ／Ｈに比べて、細い、界磁回路用Ｗ／Ｈで十分である。

界磁電流Ｉｆは、分巻モータ３の正転時にはＳＷ１−分巻モータ３−ＳＷ４の方向に流れ、逆転時にはＳＷ２−分巻モータ３−ＳＷ３の方向に流れる。

界磁電流Ｉｆは、ＥＣＵ部（制御手段）１が、マニュアルトランスミッションの状態に応じて、第１種のスイッチング素子ＳＷ０により電圧をデューティ制御することにより制御される。

図４を参照すると、本発明の実施例１のように分巻モータを用いた場合、界磁電流を１００％にして界磁を強くした場合、高トルク（低回転）の特性が得られ、界磁電流を５０％にして界磁を弱くした場合、高回転（低トルク）の特性が得られることが分かる。したがって、本発明の実施例１によれば、高トルクが必要ない場合、例えば、クラッチの空走期間やシフトフォークヘッドのセレクト時又はシフト時の空走期間は界磁を弱くして分巻モータを低トルク−高回転の特性とすることにより、モータの応答性が向上し、マニュアルトランスミッションの空走時間を短縮し、変速のフィーリングを良くすることができる。

図５は、比較例に係る自動変速用アクチュエータを駆動する永久磁石界磁型のＤＣモータの回路図である。

図５を参照すると、比較例のように、永久磁石界磁型のＤＣモータ４０を用いた場合、その回転方向切替には、ＳＷ１〜ＳＷ４からなるＦＥＴ４個のＨブリッジ回路を使用され、各ＦＥＴ（ＳＷ１〜ＳＷ４）にはＤＣモータ４０へ流す電機子電流Ｉａがそのまま流れるため、４個とも大容量のＦＥＴが必要となる。そのため、太いワイヤーハーネスが必要な箇所も増加する。また、永久磁石で界磁を行っているため、マニュアルトランスミッションの状態に応じて、モータ特性を変えることができない。

図６は、本発明の実施例２に係る自動変速用アクチュエータを駆動する分巻モータの回路図である。

本実施例については、上記実施例１との相違点のみについて説明し、同様の点については、上記実施例１の記載を参照するものとする。

図６を参照すると、本発明の実施例２に係る自動変速用アクチュエータを駆動する分巻モータの回路においては、分巻モータ３のマイナス側が電源Ｖのマイナス側に接続されている。

本発明は、マニュアルトランスミッションの自動変速用アクチュエータに適用され、特に、モータで駆動されるマニュアルトランスミッションの自動変速用アクチュエータに適用される。

本発明の実施例１に係る車両のマニュアルトランスミッションを自動的に動作させる自動変速用アクチュエータが適用されるマニュアルトランスミッションのシステム図である。 本発明の実施例１に係る自動変速用アクチュエータを駆動する分巻モータの回路図である。 （Ａ）は図２の分巻モータの断面図、（Ｂ）及び（Ｃ）は分巻モータの回転原理の説明図である。 図２の分巻モータの特性線図である。 比較例に係る自動変速用アクチュエータを駆動する永久磁石界磁型のＤＣモータの回路図である。 本発明の実施例２に係る自動変速用アクチュエータを駆動する分巻モータの回路図である。

符号の説明

１ 制御手段、ＥＣＵ部
２ａ 第１のアクチュエータ
２ｂ 第２のアクチュエータ
２ｃ 第３のアクチュエータ
３ 分巻モータ
３ａ 第１の分巻モータ（電磁石界磁型モータ）
３ｂ 第２の分巻モータ（電磁石界磁型モータ）
３ｃ 第３の分巻モータ（電磁石界磁型モータ）
１０ マニュアルトランスミッション
１１ クラッチ機構
１２ 変速機構
３１ アマーチュア（電機子巻線、ロータ、回転子）
３２ ステータ（固定子、界磁巻線）
３３ ブラシ
４０ 永久磁石界磁型のＤＣモータ
ＳＷ０ 第１種のスイッチング素子（大容量ＦＥＴ）
ＳＷ１〜ＳＷ４ 第２種のスイッチング素子（低容量ＦＥＴ）
ＧＮＤ グランド
Ｖ 電源
Ｗ／Ｈ ワイヤーハーネス
Ｉａ 電機子電流
Ｉｆ 界磁電流

Claims (5)

1. 車両のマニュアルトランスミッションを自動的に動作させる自動変速用アクチュエータであって、
   前記アクチュエータを駆動する電磁石界磁型モータと、前記マニュアルトランスミッションの状態に応じて前記電磁石界磁型モータの界磁の強度を可変に制御する制御手段と、を有する、ことを特徴とするマニュアルトランスミッションの自動変速用アクチュエータ。
2. 前記マニュアルトランスミッションはクラッチ機構及び変速機構を含み、
   前記アクチュエータは、前記クラッチ機構を自動的に動作させるクラッチ機構用アクチュエータと、前記変速機構を自動的に動作させる変速機構用アクチュエータと、から構成され、
   前記制御手段は、前記クラッチ機構及び／又は前記変速機構における所定の動作期間において、他の期間よりも前記界磁を相対的に弱く制御する、ことを特徴とする請求項１記載のマニュアルトランスミッションの自動変速用アクチュエータ。
3. 前記電磁石界磁型モータが分巻モータであることを特徴とする請求項１記載のマニュアルトランスミッションの自動変速用アクチュエータ。
4. 前記所定の動作期間とは、前記クラッチ機構用アクチュエータが前記クラッチ機構を係合動作させる期間である、ことを特徴とする請求項２記載のマニュアルトランスミッションの自動変速用アクチュエータ。
5. 前記変速機構は変速比を切換えるためのスリーブを有しており、
   前記所定の動作期間とは、前記変速機構用アクチュエータが前記変速機構において前記スリーブをボーク点から他のボーク点に動作させる期間である、ことを特徴とする請求項２記載のマニュアルトランスミッションの自動変速用アクチュエータ。

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