ＩＨＩ-ＥＤドライブ 38

ここで取り上げる変速機構（ＩＨＩ-ＥＤドライブ）は、船舶の発電機を主機関と結合す ることで省エネルギ化を計ることを目的として開発されたものである。その機構の概念図 を図7.3-1示す。

主機関歯車 内歯歯車

遊星歯車

油圧モータ 差動遊星歯車機構

発電機

太陽歯車 キャリア

油圧ポンプ

主軸

図7.3-1 IHI-EDドライブの概念図

従来、船舶用発電機は電源の質を確保することから定速運転が要求されるので、推進用 の原動機とは別に、発電機専用の機関で運転するのが普通であった。しかし省エネルギ的 観点からみるとこのような専用発電機方式は無駄が多く問題があった。これに対してここ で開発されたものは閉路型遊星歯車機構を構成した変速機構を主機関と結合し、主機関の 回転数に関係なく発電機を定速で回転することを狙ったものである。

(1) 構成

この機構のスケルトンは図7.3-2のようになる。図7.3-1では主軸と油圧ポンプＰを結合 する歯車は一段歯車で表されているが、実体図ではここに中間歯車があるのでスケルトン 図ではそのようにして表してある。

図7.3-2のスケルトン図からわかるように、主機関からの入力は端子ｉから入る。そして この動力のうち途中で枝分かれする歯車列Ｂを通った部分は、遊星歯車機構πのキャリア 軸Ｈに入る。一方、歯車列で別れた動力は端子④を通って油圧ポンプＰに与えられる。さ らにポンプからの油圧は油圧回路を通って油圧モータＭに供給されているので、モータを 遊星歯車機構πの内歯歯車ｒにつなぐことによって、ポンプからの動力は遊星歯車機構に も与えられる。ここで遊星歯車機構の出力は太陽歯車ｓである。これはまたこのシステム の出力でもある。

油圧ポンプと油圧モータはその役割を可逆的に使うことができるので、このポンプモー

38 宇都宮正時、森隆雄、長谷川文彦、三浦稔：ＳＳＧマークIIIおよびＩＨＩＥＤｰDriveの開発 石川島 播磨技報、２５（Ｓ６０）３ 172-17

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タ一組を一つの無段変速機Ｒとみなすことができる。ここでの油圧ポンプは一方向のみの 回転であるが、油圧モータは逆転することができる。そのためポンプからモータの回転を 見た場合、静止点を挟んだ正逆転運動をする。したがってこの無段変速機は正逆転可能な 変速機能を持っている。

ｓ Ｈ

ｒ

① ③

④

Ｒ

ｉ

π

=3.00

②

P M

Ｂ

z z

^s_r

z

s

z

r

主軸 発電機

図7.3-2 IHI-EDドライブのスケルトン図

（2) 特性図

この機構の歯数、変速比などの詳細は不明であるので、次のような条件にあるものと考 えて解析する。

i) 遊星歯車機構の基準伝達比ｊ^H_{rs ：}

ｊ^H_rs＝ｊ¹₂₃＝－Ｚ_s／Ｚ_r＝－１／３ ii) ④－Ｒー②間の速度比ｒ（＝ω₄／ω₂）：

変速機ｒは静止状態を挟んで正逆回転して変速するので静止点がω₂＝０であることより、

その変化範囲は正の有限値Ｒnorから無限大点を通って負の有限値Ｒrevまで変化する。

∞＞ ｒ＞ Ｒnor 、 Ｒmin ＞ ｒ＞－∞

iii) 減速比ｊ₁₄＝（ω₁／ω₄） ：

歯車列Ｂには中間歯車があり、減速しているので次の関係で表される。

１＞ｊ₁₄＞０

これらの条件をもとに特性図を求めるにはまずＪ直線を定める必要がある。Ｊ直線は座標

（１、１）Ⅰ点を通り、縦軸上のｊ¹₂₃の点を通る。ここでｊ¹₂₃は-1/3であることより、図

7.3-3に示す(1､1)､(0､-1/3)点を通るＪ直線がえられる。

以上の条件を用いて特性図を描く（図7.3-3）。まず速度比の範囲Ｒを縦軸上にとる。上 下の網模様の領域がそれを示すが、ｒの値は無限遠点（モータＭが静止している状態）か ら有限域におよぶ領域にある。さらに端子①－④－②の回路部分の伝達比の関係ｔ線を求 めるために、ｊ₁₄線（一点鎖線）を決定する必要がある。ここでｊ₁₄線を決定する順序は次

166

の通りである。すなわち横座標Ｘ上に歯車列Ｂの伝達比ｊ₁₄をとり、そこから立てた垂線と 参照線との交点Ⅱ点と原点を通る直線（一点鎖線）がｊ₁₄線を表わす。

-1 1 2

-2 2

1 Ａ

1 3

U

-1 Ｂ

J 直線

v

rev i

R

nor

R

14

ｔ

_max

ｊ　線

ｊ

₁₄

Ｃ

V

ｔ

_min

u

参照線

Ⅱ Ⅰ

X Y

図7.3-3 IHI-EDドライブの特性図

さらにｔ線を求めるためには、ｊ₁₄線が速度比の正転最大変速点Ｒnorと、逆転最大変速点 Ｒrevと交わる点Ｕ、Ｖを求め、これらの点から立てた垂線が参照線と交わる点ｕ、ｖを定め る。このｕ，ｖ点と原点を結ぶ直線がｔ線の限界を定める。それらをｔ_max線、ｔ_min線とす る。そしてこの２本のｔ線とＪ直線が交わる点がこの機構の限界動作点となる。ここでは Ａ点と、Ｂ点がその点を示す。そしてｒの変化に伴ってｔ線はｔ_maxとｔ_minの間の範囲で原 点を通る直線群として表される。

（3) 動作状態

変速機Ｒを正転最大変速状態からモータが静止状態に至るまで変速すると、U点はｊ₁₄線 上を右上に移動するのでｕ点も参照線上を右方に移動する。その結果ｔ線もｔ_maxから時計 方向に回転し、動作点はＡ点からＪ直線上をＢ点に向かう。そしてＣ点において内歯歯車 は静止する。さらに変速機を静止状態から逆転方向に変速させると、内歯歯車は逆転をは じめ変速機Ｒの逆転変速最大点Ｒ_revでＢ点の状態に至る。

ここでＡ点からＢ点にいたる系の動作状態はＪ直線上のＸ、Ｙ座標をω₁／ω_3、ω₂／ω₃ で表すことで求められる。さらにＡ－Ｂ線上の動力状態は動力流分類図（6章2.3）より、Ａ

－Ｃ領域はγ型（動力循環型）、Ｃ－Ｂ領域はα型（動力分流型）であることがわかる（図 7.3-4）。

167 1

1

ωω¹

3

Ａ

Ｂ ω3²

ω

Ｃ O

γ-1

α-4

ｖ ｕ

１

２ ３

(γ)v

ｖ ｕ

１

２ ３

(α)v ｔ

J 直線

図7.3-4 動作状態での動力流の状態

この変速機は主機関の回転数ω₁が変動しても、発電機の回転を一定（ω₃＝const）にす ることを目的としている。この状態は特性図の上ではＡ－Ｂ線の横座標上をω_１が動くこと を意味する。したがって主機関の回転数ω₁が変動しても発電機の回転ω₃が一定であるため には、内歯車の回転ω₂をＡ－Ｂ線の縦座標に相当する値に変化すればよい。つまり主機関 の回転変動に伴う内歯車の回転制御は（図7.3-5）に示す関係で行えばよい。

1 1

ω ω₃¹ Ａ ｔ

Ｂ ω3²

ω

Ｃ O

ω2の変化範囲

の変化範囲

ω1

ω ω

1 3

Ａ

Ｂ ω3

ω2

Ｃ O

Ｐ ∞

Ｐ

１ 2

＝

図7.3-5 それぞれの角速度の変化状態 図7.3-6 速度の変化範囲と分岐動力 ここでＪ直線上の値はｊ³_v21v で表されこの値は分岐動力の比（Ｐ₁／Ｐ_{2）も表している（６}

章2.3）。すなわちＣ点ではｊ³_v21v ＝Ｐ₁／Ｐ₂＝∞、つまりＰ₂＝０の状態である（図7.3-6）。

したがってこのときは変速機Ｒに動力は流れず、動力は直接遊星歯車機構のキャリアに流 れ込むので、効率は最もよい状態になることが想定される。

以上をまとめるとこの系の動力状態は次のようになる。すなわち主機関の回転がω1max

168

とω1minの間で変化しても、発電機への出力回転を一定にするためにはJ線上に沿って端子

②の回転速度をω2maxとω2minの間で変化させることで実現できる。このときω2＝０のとこ ろで効率がもっとも大きくなる。

3.2 フライホイール／電気ハイブリッド変速機

³⁹

電気自動車はエネルギ問題が起る度に注目されてきた歴史がある。1970年代もそのよう な時代であった。そのころの電池は鉛電池が主体であったが、この電池の性能が十分でな いために、加速時のパワー不足を解決する必要があったが、これをフライホイールで支援 しようとする発想があった。図7.3-7に示すフライホイール／電気ハイブリッド変速機はそ の様な試みの一例である。そのスケルトン図は図7.3-8に示す通りで、閉路型遊星歯車機構 を採用している。

ここで通常の電池のみによる走行はフライホイールＦＷを機械的に切り離してモータＭ によって車輪Ｗを駆動するが、制動時は車輪のエネルギーをフライホイールに戻し、加速 状態においてフライホイールのエネルギーを取り出すことを狙っている。

電動機

ﾀｲﾐﾝｸﾞﾍﾞﾙﾄ ﾌﾗｲﾎｲｰﾙ

発電機 遊星歯車機構 ｱｸｾﾙ ﾌﾞﾚｰｷ

電池 制御装置

図7.3-7 フライホイールﾙ／電気ハイブリッド変速機の概念図

39 Rowelt､B｡H､ Near-tearm ElectricVehicle Program (SAN/1213-1),(1977),NTIS

169

ｓ Ｈ

ｒ

① ③

④

Ｒ

ｉ

π

=3.00

②

FW

W

M G

z z_r^s

z

z

r

s

図7.3-8 ﾌﾗｲﾎｲｰﾙ／電気ハイブリッド変速機のスケルトン

（1) 動作条件と特性図

制動時と加速時の車輪とフライホイールの間の動力伝達について考える。ここで遊星歯 車機構は先の例（3.1節）と同じ歯数関係を持つものとする。また無段変速機ＲはモータＭ と発電機Ｇからなり、発電機で発生した電力はモータに供給することで、機械的な動力を 電気を仲介にして変速する。さらにモータと発電機は相互に可逆的で、モータと発電機は 簡単にその役割を交代することができるので、無段変速機Ｒの動力の流れは一方向のみに 流れるのではなく、逆方向にも流すことができる。ただし動力が一方向に流れている最中 にモータを逆転させることはできず、端子②の軸すなわち発電機Ｇの軸は停止することは できるものとする。

これらの条件から変速機Rの速度比ｒは先の例と同じように次のような条件で表される と考える。

∞＞ ｒ＞ Ｒnor 、 Ｒrev＞ ｒ＞－∞

また図7.3-8よりわかるように一対の外歯歯車で結合されているのでｊ₁₄は負の値を持ち次 のように定める。

０＞ｊ₁₄＞－1

これらの条件を使って前と同じ要領で特性図を描いたのが図7.3-9である。

ここでの応用例が自動車であることを考えると、端子①の回転方向（車輪の回転方向）

は変わらない。またフライホイールの回転方向もここでは変化がないものと考えられるの で、ω₁／ω₃の符号は正負いずれかの領域のみであり、符号の変化はない。ここでは正の領 域を考える。

変速機の速度比がＲnorの時、この機構の動作状態は図7.3-9のＡ点である。このとき端子

②と端子③の回転方向はＡ点が第４象限にあることからω₂／ω₃は負である。したがってそ の回転方向は互いに逆向きであることがわかる。

ドキュメント内 Microsoft Word - E-1-15ｖ3.1.doc (ページ 172-181)