JP2007218407A - 自動車駆動ユニット - Google Patents
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Abstract
【課題】コンパクトで大きな減速比が得られる減速機構を組み込んだ自動車駆動ユニットを提供する。
【解決手段】自動車駆動ユニット20は、モータ側回転部材30を回転駆動するモータ21と、モータ側回転部材30の回転を減速して車輪側回転部材38に伝達する減速機構31と、車輪側回転部材38の回転を左右の駆動軸15a,15bに分配するデファレンシャルギヤ機構41とを備える。減速機構31は、偏心部32a,32bを有する減速機回転軸32と、偏心部32a,32bに回転自在に保持される公転部材としての曲線板33,34と、ケーシング上の固定位置に保持され、曲線板33,34の外周部に係合する外周係合部材としての複数の外ピン35と、曲線板33,34の自転運動を車輪側回転部材38に伝達する運動変換機構とを備える。
【選択図】図1
【解決手段】自動車駆動ユニット20は、モータ側回転部材30を回転駆動するモータ21と、モータ側回転部材30の回転を減速して車輪側回転部材38に伝達する減速機構31と、車輪側回転部材38の回転を左右の駆動軸15a,15bに分配するデファレンシャルギヤ機構41とを備える。減速機構31は、偏心部32a,32bを有する減速機回転軸32と、偏心部32a,32bに回転自在に保持される公転部材としての曲線板33,34と、ケーシング上の固定位置に保持され、曲線板33,34の外周部に係合する外周係合部材としての複数の外ピン35と、曲線板33,34の自転運動を車輪側回転部材38に伝達する運動変換機構とを備える。
【選択図】図1
Description
本発明は、自動車駆動ユニット、特に電気自動車等に利用される自動車駆動ユニットに関するものである。
電気自動車等に利用される従来の自動車駆動ユニットは、モータと、モータから出力される回転を左右の駆動輪に分配するデファレンシャルギヤ機構とを備える。このような自動車駆動ユニットは、客室スペースの拡大および燃費向上のため、小型で軽量であることが求められる。
一般的に自動車駆動ユニットのサイズおよび重量に占めるモータ部分の割合は大きいので、上記目的を達成するためには、モータの小型軽量化が有効である。一方、モータトルクはコイルの体積と密接な関係があり、近年の要求トルクの増大に対応するためには、モータのサイズおよび重量を増加する必要がある。
そこで、モータを小型軽量化しつつ必要なトルクを得ることができる自動車駆動ユニットが、例えば、特開2004−260898号公報(特許文献1)に記載されている。同公報に記載されている自動車駆動ユニット1は、図6に示すように、電力の供給により動作するモータ2と、モータ2のロータの回転を駆動軸3a,3bに分配するデファレンシャルギヤ機構4と、モータ2とデファレンシャルギヤ機構4との間に位置し、モータ2のロータの回転を減速してデファレンシャルギヤ機構4に伝達する減速機5とを備える。
この減速機5は、モータ2の出力軸2aに接続された太陽歯車5aと、太陽歯車5aの外側に位置し、ハウジングに固定される内歯車5bと、太陽歯車5aおよび内歯車5bの間に位置し、遊星キャリア5cに回転自在に支持される遊星歯車5dとを備える遊星歯車減速機である。
さらに、減速機を有する自動車駆動ユニットの他の例として、特許第3620560号公報(特許文献2)に、モータと、デファレンシャルギヤ機構と、平行軸歯車減速機とを備える自動車駆動ユニットが記載されている。
上記の各公報に記載されている自動車駆動ユニットは、モータから出力される回転を減速して駆動輪に伝達するので、低トルクで高回転出力モータであっても駆動輪に十分なトルクを伝達することが可能であると記載されている。これにより、モータを小型軽量化することが可能となる。
特開2004−260898号公報
特許第3620560号公報
上記の各公報に記載された減速機に採用されている平行軸歯車機構や遊星歯車機構の減速比は、歯車の強度等の観点から前者が1/2〜1/3、後者が1/3〜1/6程度に設定されるのが一般的である。
これは、自動車駆動ユニットに搭載する減速機の減速比としては不十分であり、十分な減速比を得るためには、減速機を多段構成とする必要がある。これは、減速機の重量およびサイズの増大を招き、コンパクト化が必要な自動車駆動ユニットには不適切である。
そこで、本発明の目的は、コンパクトで大きな減速比が得られる減速機を組み込んだ自動車駆動ユニットを提供することである。
この発明に係る自動車駆動ユニットは、モータ側回転部材を回転駆動するモータと、モータ側回転部材の回転を減速して車輪側回転部材に伝達する減速機構と、車輪側回転部材の回転を左右の駆動軸に分配するデファレンシャルギヤ機構とを備え、モータ側回転部材は偏心部を有する。そして、減速機構は、偏心部に回転自在に保持されて、モータ側回転部材の回転に伴ってその回転軸心を中心とする公転運動を行う公転部材と、公転部材の外周部に係合して公転部材の自転運動を生じさせる外周係合部材と、公転部材の自転運動を、モータ側回転部材の回転軸心を中心とする回転運動に変換して車輪側回転部材に伝達する運動変換機構とを含む。
上記構成を有する減速機構は、コンパクトで高減速比が得られるので、モータ部を小型、軽量化することができる。その結果、軽量で、駆動輪に十分なトルクを供給することができる自動車駆動ユニットを得ることができる。
例えば、モータ側回転部材は円筒形状であって、一方の駆動軸は、円筒形状のモータ側回転部材の内部に回転可能に支持され、車輪側回転部材の回転軸心と駆動軸の回転軸心とは、同軸上に設けられている。
上記構成とすることにより、モータ、減速機構、およびデファレンシャルギヤ機構が駆動軸を取り囲むように配置されることとなるので、コンパクトな自動車駆動ユニットを得ることができる。その結果、この自動車駆動ユニットを採用した電気自動車の客室スペースを広くすることが可能となる。
例えば、車輪側回転部材の回転軸心と前記駆動軸の回転軸心とは、互いに異なる位置に設けられ、車輪側回転部材の回転は、平行軸歯車機構によってデファレンシャルギヤ機構に伝達される。上記構成とすることにより、自動車駆動ユニットは多少大型化するものの、構成を簡素化することができるので、製造コストおよび組立てコストを低減することができる。
好ましくは、モータ側回転部材は、モータによって回転駆動される円筒形状のモータ回転軸と、モータ回転軸の内径面に嵌まり込む外径面を有する減速機回転軸とを含む。そして、モータ回転軸と減速機回転軸とは、スプライン嵌合する。
上記構成のように、モータ側回転部材をモータ回転軸と減速機回転軸とで構成することにより、各部材の形状を簡素化することができる。また、両部材をスプライン嵌合することにより、モータ側回転部材の組立て性が向上する。
この発明により、コンパクトで大きな減速比が得られる減速機構を組み込んだ自動車駆動ユニットを得ることができる。
図1および図2を参照して、この発明の一実施形態に係る自動車駆動ユニット20を説明する。
図2を参照して、電気自動車11は、シャーシ12と、操舵輪としての前輪13a,13bと、駆動輪としての後輪14a,14bと、左右の駆動軸15a,15bに駆動力を伝達する自動車駆動ユニット20とを備える。一般に駆動軸15a,15bは等速継手と軸部とで構成され、自動車駆動ユニット20および駆動輪14a,14bとスプライン嵌合する。ここで、電気自動車11の軽量化や客室スペースを拡大するために、図1に示すようなこの発明の一実施形態に係る自動車駆動ユニット20を採用する。
図1を参照して、自動車駆動ユニット20は、モータ側回転部材30を回転駆動するモータ21と、モータ側回転部材30の回転を減速して車輪側回転部材38に伝達する減速機構31と、車輪側回転部材38の回転を左右の駆動軸15a,15bに分配するデファレンシャルギヤ機構41とを備える。
モータ21は、ケーシングに固定されるステータ24と、ステータの内側に径方向に隙間を設けて配置されるロータ23と、ロータ23の内側に嵌合してロータ23と一体回転するモータ回転軸22とを備えるラジアルギャップモータである。
減速機構31は、偏心部32a,32bを有する減速機回転軸32と、偏心部32a,32bに転がり軸受33a,34aによって回転自在に保持される公転部材としての曲線板33,34と、ケーシング上の固定位置に保持され、曲線板33,34の外周部に係合する外周係合部材としての複数の外ピン35と、曲線板33,34の自転運動を車輪側回転部材38に伝達する運動変換機構と、カウンタウェイト36a,36bとを備える。
ここで、モータ側回転部材30は、モータ21によって回転駆動される円筒形状のモータ回転軸22と、モータ回転軸22の内径面に嵌まり込む外径面を有する減速機回転軸32とをスプライン嵌合することによって構成される。また、モータ側回転部材30は、モータ21の両端と減速機構31の左端で転がり軸受30a,30b,30cによって回転自在に支持されている。
曲線板33は、図3に示すように、外周部にエピトロコイド等のトロコイド系曲線で構成される複数の波形を有し、一方側端面から他方側端面に貫通する複数の貫通孔33bが曲線板33の自転軸心を中心とする円周軌道上に等間隔に設けられている。なお、曲線板34は、曲線板33と同じ形状である。
外ピン35は、モータ側回転部材30の回転軸心を中心とする円周軌道上に等間隔に設けられる。これは、曲線板33,34の公転軌道と一致するので、曲線板33,34が公転運動すると、曲線形状の波形と外ピン35とが係合して、曲線板33,34に自転運動を生じさせる。また、曲線板33,34との接触抵抗を低減するために、曲線板33,34の外周面に当接する位置に針状ころ軸受35aを有する。
カウンタウェイト36a,36bは、円板状で、中心から外れた位置に減速機回転軸32と嵌合する貫通孔を有し、曲線板33,34の回転によって生じる慣性モーメントを打ち消すために、各偏心部32a,32bの外側に偏心部と180°位相を変えて配置される。
ここで、曲線板33,34とカウンタウェイト36a,36bとは、図4に示すように、2枚の曲線板33、34間の中心点をGとし、中心点Gと各曲線板33、34中心との距離をL1、中心点Gと各カウンタウェイト36a,36bとの距離をL2とし、中心点Gより右側の曲線板33およびカウンタウェイト36aの質量をm1、中心点Gより左側の曲線板34およびカウンタウェイト36bの質量をm2とし、これらの重心の回転軸心からの偏心量をそれぞれε1、ε2とすると、L1×m1×ε1=L2×m2×ε2を満たす関係となっている。
運動変換機構は、車輪側回転部材38に保持された複数の内ピン37と曲線板33,34に設けられた貫通孔33b,34bとで構成される。内ピン37は、車輪側回転部材38の回転軸心を中心とする円周軌道上に等間隔に設けられる。また、曲線板33,34との接触抵抗を低減するために、曲線板33,34の貫通孔33b,34bの内壁面に当接する位置に針状ころ軸受37aが設けられている。一方、貫通孔33b,34bは、複数の内ピン37それぞれに対応する位置に設けられ、貫通孔33b,34bの内径寸法は、内ピン37の外径寸法(針状ころ軸受37aを含む最大外径)より所定分大きく設定されている。
車輪側回転部材38は、端面に内ピン37を保持する穴を有するフランジ部と、減速機構31の出力をデファレンシャルギヤ機構41に伝達する歯車39を保持する軸部とを有し、ケーシングおよび減速機回転軸32に転がり軸受38a,38b,30cによって回転自在に支持されている。
デファレンシャルギヤ機構41は、ギヤキャリア42と、ギヤキャリア42内部に固定された軸43と、軸43に回転自在に支持された一対のピニオンギヤ44,45と、左右の駆動軸15a,15bに固定され、ピニオンギヤ44,45と噛み合う一対のサイドギヤ46,47とを備える。
ギヤキャリア42は、円筒形状の外径面に歯車42aを有し、ケーシングに転がり軸受42b,42cによって回転自在に支持されている。歯車42aは、ボルトによってギヤキャリア42に固定され、歯車39と噛み合うことによって、車輪側回転部材38の回転をデファレンシャルギヤ機構41に伝達する。
ピニオンギヤ44,45は軸43の周りを回転し、サイドギヤ46,47は左右の駆動軸15a,15bそれぞれと一体回転する。また、一対のピニオンギヤ44,45と一対のサイドギヤ46,47とは、互いに90°角度を変えて配置されるので、それぞれかさ歯車で構成される。
上記構成の自動車駆動ユニット20は、モータ側回転部材30の回転軸心と、車輪側回転部材38の回転軸心とは、同軸上に配置される。一方、モータ側回転部材30および車輪側回転部材38の回転軸心と、左右の駆動軸15a,15bの回転軸心とは互いに異なる位置に配置される。
上記構成の自動車駆動ユニット20の作動原理を詳しく説明する。
モータ21は、例えば、ステータ24のコイルに外部から交流電流を供給することによって生じる電磁力を受けて、永久磁石または直流電磁石によって構成されるロータ23が回転する。このとき、コイルに高周波数の電圧を印加する程、ロータ23は高速回転する。
これにより、ロータ23に接続されたモータ側回転部材30が回転すると、曲線板33,34はモータ側回転部材30の回転軸心を中心として公転運動する。このとき、外ピン35が、曲線板33,34の曲線形状の波形と係合して、曲線板33,34をモータ側回転部材30の回転とは逆向きに自転運動させる。
貫通孔33b,34bに挿通する内ピン37は、曲線板33,34の自転運動に伴って貫通孔33b,34bの内壁面と当接する。このとき、貫通孔33b,34bの内径寸法は、内ピン37の外径寸法より大きく設定されているので、内ピン37と貫通孔33b,34bの内壁面とは、接触状態と非接触状態とを繰り返しながら相互に運動する。これにより、曲線板33,34の公転運動が内ピン37に伝わらず、曲線板33,34の自転運動のみが車輪側回転部材38に伝達される。そして、車輪側回転部材38の歯車39とギヤキャリア42の歯車42aとで構成される平行軸歯車機構によってデファレンシャルギヤ機構41に伝達される。
次に、デファレンシャルギヤ機構41の作動原理について説明する。このデファレンシャルギヤ機構41は、減速機構31からの回転が平行軸歯車機構を介して伝達されると、ギヤキャリア42全体が回転する。
ここで、電気自動車11が直進する場合には、ギヤキャリア42内部のピニオンギヤ44,45およびサイドギヤ46,47も一体として回転する。このとき、一対のピニオンギヤ44,45は自転せず、一対のサイドギヤ46,47はギヤキャリア42と同一方向に同一速度で回転する。その結果、駆動輪15a,15bも同一方向に同一速度で回転するので、電気自動車11は直進する。
一方、電気自動車11が旋回する場合、例えば、右旋回する場合には、右側駆動輪14aに大きな抵抗が負荷されるので、右側駆動軸15aに連結された右側のサイドギヤ46の回転速度は、ギヤキャリア42の回転速度と比較して遅くなる。これにより、右側のサイドギヤ46が一対のピニオンギヤ44,45を回転させ、左側のサイドギヤ47にギヤキャリア42と同一方向の回転力を与える。その結果、左側のサイドギヤ47の回転速度は、ギヤキャリア42の回転速度と比較して速くなる。これにより、左側駆動輪14bは右側駆動輪14aと比較して高速回転し、スムーズに右旋回が可能となる。なお、左旋回する場合も同様に考えることができる。
なお、上記構成の減速機構31の減速比は、外ピン35の数をZA、曲線板33,34の波形の数をZBとすると、(ZA−ZB)/ZBで算出される。図3に示す実施形態では、ZA=12、ZB=11であるので、減速比は1/11と、平行軸歯車減速機や遊星歯車減速機と比較して非常に大きな減速比を得ることができる。
このように、多段構成とすることなく大きな減速比を得ることができる減速機構31を採用することにより、コンパクトで高減速比の自動車駆動ユニットを得ることができる。また、外ピン35および内ピン37の曲線板33,34に当接する位置に針状ころ軸受35a,37aを設けたことにより、接触抵抗が低減されるので、減速機構31の伝達効率が向上する。
上述の作動の説明は、各部材の回転に着目して行ったが、実際にはトルクを含む動力が電動モータ21から後輪14a,14bに伝達される。したがって、上述のように減速された動力は高トルクに変換されたものとなっている。
また、上述の作動の説明では、電動モータ21に電力を供給して電動モータ21を駆動させ、電動モータ21からの動力を後輪14a,14bに伝達させたが、これとは逆に、車両が減速したり坂を下ったりするようなときは、後輪14a,14b側からの動力を減速機構31で高回転低トルクの回転に変換して電動モータ21に伝達し、電動モータ21で発電しても良い。さらに、ここで発電した電力は、バッテリーに蓄電しておき、後で電動モータ21を駆動させたり、車両に備えられた他の電動機器等の作動に用いてもよい。
上記構成の自動車駆動ユニット20は、モータ21の回転が減速機構31に減速されて駆動輪14a,14bに伝達されるので、低トルク、高回転型のモータ21を採用した場合でも、駆動輪14a,14bに必要なトルクを伝達することが可能となる。その結果、自動車駆動ユニット20を小型、軽量化できるので、客室スペースが広く低燃費の電気自動車11を得ることができる。
ところで、内ピン37の外径寸法は貫通孔33bの内径寸法より小さく、内ピン37と貫通孔33bの内壁面とは接触状態と非接触状態とを繰り返しながら回転するので、モータ21の回転を円滑に駆動輪14a,14bに伝達する観点からは、内ピン37を複数設けることが望ましい。
次に、図5を参照して、この発明の他の実施形態に係る自動車駆動ユニット50を説明する。
自動車駆動ユニット50は、モータ51と、減速機構61と、デファレンシャルギヤ機構71とを備え、その基本構成は図1に示した自動車駆動ユニット20と同様であるので、相違点を中心に説明する。
モータ側回転部材60を構成するモータ回転軸52および減速機回転軸62は、互いに円筒形状であってスプライン嵌合する。そして、右側駆動輪15aは、円筒形状のモータ側回転部材60の内側に挿通し、針状ころ軸受15d,15eおよび転がり軸受15cによって回転自在に支持されている。
車輪側回転部材68は、端面に内ピン67を保持する穴を有するフランジ部と、内側に軸73、一対のピニオンギヤ74,75、および一対のサイドギヤ76,77を収容するギヤキャリアとして機能する中空の軸部とを有する。なお、組立て性の観点から、軸部の後端には、別体の蓋72がボルトで固定されている。
上記構成の自動車駆動ユニット50は、モータ側回転部材60、車輪側回転部材68、および左右の駆動軸15a,15bの回転軸心が同軸上に配置されているので、モータ51、減速機構61、およびデファレンシャルギヤ機構71を同軸上に配置することができる。その結果、図1に示したような自動車駆動ユニット20と比較して、電気自動車11の客室スペースを広くすることが可能となる。
上記の各実施形態では、減速機構の曲線板を180°位相を変えて2枚設けたが、この曲線板の枚数は任意に設定することができ、例えば、曲線板を3枚設ける場合は、120°位相を変えて設けるとよい。
また、上記の実施形態における運動変換機構は、車輪側回転部材に固定された内ピンと、曲線板に設けられた貫通孔とで構成される例を示したが、これに限ることなく、減速機構の回転を駆動輪に伝達可能な任意の構成とすることができる。例えば、曲線板に固定された内ピンと、車輪側回転部材に形成された穴とで構成される運動変換機構であってもよい。
また、上記の各実施形態において、外ピンおよび内ピンに設けた軸受は、径方向の厚み寸法を小さくする観点から針状ころ軸受とした例を示したが、これに限ることなく、例えば、円筒ころ軸受、円錐ころ軸受、アンギュラ玉軸受、4点接触玉軸受、自動調心ころ軸受等、転動体がころであるか玉であるかを問わず、あらゆる転がり軸受を適用することができる。同様に、モータ側回転部材、車輪側回転部材、およびギヤキャリア等を支持する軸受としても、任意の形式の転がり軸受を適用することができる。
また、上記の各実施形態において、ステータとロータとの間に径方向の隙間を設けたラジアルギャップモータを使用した例を示したが、これに限ることなく、任意の形式のモータを適用することができる。例えば、ステータとロータとの間に軸方向の隙間を設けたアキシアルギャップモータを適用することにより、自動車駆動ユニットを軸方向にコンパクト化することができる。
また、図2に示した電気自動車11は、後輪14a,14bを駆動輪とした例を示したが、これに限ることなく、前輪13a,13bを駆動輪としてもよく、4輪駆動車であってもよい。なお、本明細書中で「電気自動車」とは、電力から駆動力を得る全ての自動車を含む概念であり、例えば、ハイブリッドカー等をも含むものとして理解すべきである。
さらに、上記の各実施形態に示したモータ側回転部材は、モータ回転軸と減速機回転軸とをスプライン嵌合することにより、各部材の形状を簡素化することができ、かつ組立て性が向上する。ただし、これに限ることなく、一体型のモータ側回転部材としてもよい。
以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示した実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。
この発明は、電気自動車等に採用される自動車駆動ユニットに有利に利用される。
1,20,50 自動車駆動ユニット、2,21,51 モータ、3a,3b,15a,15b 駆動軸、4,41,71 デファレンシャルギヤ機構、5,31,61 減速機構、5a 太陽歯車、5b 内歯車、5c 遊星キャリア、5d 遊星歯車、11 電気自動車、12 シャーシ、13a,13b 前輪、14a,14b 後輪、22,52 モータ出力軸、23,53 ロータ、24,54 ステータ、30,60 モータ側回転部材、30a,30b,30c,33a,34a,38a,38b,42b,42c,60a,60b,60c,63a,64a,68a 転がり軸受、32,62 減速機回転軸、33,34,63,64 曲線板、33b,34b,63b,64b 貫通孔、35,65 外ピン、15d,15e,35a,65a,37a,67a 針状ころ軸受、36a,36b,66a,66b カウンタウェイト、37,67 内ピン、38,68 車輪側回転部材、39,42a 歯車、42 ギヤキャリア、43,73 軸、44,45,74,75 ピニオンギヤ、46,47,76,77 サイドギヤ。
Claims (4)
- モータ側回転部材を回転駆動するモータと、
前記モータ側回転部材の回転を減速して車輪側回転部材に伝達する減速機構と、
車輪側回転部材の回転を左右の駆動軸に分配するデファレンシャルギヤ機構とを備え、
前記モータ側回転部材は偏心部を有し、
前記減速機構は、
前記偏心部に回転自在に保持されて、前記モータ側回転部材の回転に伴ってその回転軸心を中心とする公転運動を行う公転部材と、
前記公転部材の外周部に係合して公転部材の自転運動を生じさせる外周係合部材と、
前記公転部材の自転運動を、前記モータ側回転部材の回転軸心を中心とする回転運動に変換して前記車輪側回転部材に伝達する運動変換機構とを含む、自動車駆動ユニット。 - 前記モータ側回転部材は、円筒形状であって、
一方の前記駆動軸は、円筒形状の前記モータ側回転部材の内部に回転可能に支持され、
前記車輪側回転部材の回転軸心と、前記駆動軸の回転軸心とは、同軸上に設けられている、請求項1に記載の自動車駆動ユニット。 - 前記車輪側回転部材の回転軸心と、前記駆動軸の回転軸心とは、互いに異なる位置に設けられ、
前記車輪側回転部材の回転は、平行軸歯車機構によって前記デファレンシャルギヤ機構に伝達される、請求項1に記載の自動車駆動ユニット。 - 前記モータ側回転部材は、前記モータによって回転駆動される円筒形状のモータ回転軸と、前記モータ回転軸の内径面に嵌まり込む外径面を有する減速機回転軸とを含み、
前記モータ回転軸と前記減速機回転軸とは、スプライン嵌合する、請求項1〜3のいずれかに記載の自動車駆動ユニット。
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