JP2007224979A - 電気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部を組み込んだ電気自動車駆動ユニットを提供する。
【解決手段】 電気自動車駆動ユニット20は、ケーシング内に配置されたモータ側回転部材30を回転駆動するモータ部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に伝達する減速部31とを有する第1駆動装置20aと、第1駆動装置と同一形状の第2駆動装置20bとを備える。第1駆動装置20aおよび第2駆動装置20bの減速部31は、偏心部32a,32bを有する減速部入力軸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、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】 電気自動車駆動ユニット20は、ケーシング内に配置されたモータ側回転部材30を回転駆動するモータ部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に伝達する減速部31とを有する第1駆動装置20aと、第1駆動装置と同一形状の第2駆動装置20bとを備える。第1駆動装置20aおよび第2駆動装置20bの減速部31は、偏心部32a,32bを有する減速部入力軸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、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、電気自動車等の駆動輪を回転駆動する電気自動車駆動ユニットに関するものである。
従来の電気自動車駆動ユニットは、例えば、特開2005−7914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電気自動車駆動ユニットは、駆動力を発生させるモータと、タイヤを接続するホイールハブと、モータおよびホイールハブの間に、モータのロータの回転を減速してタイヤに伝達する減速機とを備える。この減速機は、歯数の異なる複数の歯車を組み合わせてなる平行軸歯車機構を採用している。
このような電動モータの出力軸と車輪のハブとを減速機を介して同軸上に連結した電気自動車駆動ユニットは、プロペラシャフトやデファレンシャル等の大がかりな動力伝達機構が不要となるので、車両の軽量化やコンパクト化等の面から注目されている。しかしながら、車両のばね下に取り付けられる電気自動車駆動ユニットは、ばね下重量の増加によって乗り心地が悪くなる難点があり、未だ実用化には至っていない。
電動モータの出力トルクとモータ容積(重量)はほぼ比例関係にあり、小さなモータ容積で車両の車輪を駆動するのに足る大きな出力を得るためには、高速回転化が避けられず、電動モータの出力軸とハブとの間に減速機を組み込む必要がある。このため、組み込む減速機の重量が大きくなっては意味がないので、電気自動車駆動ユニットでは、コンパクトで大きな減速比の得られる減速機が求められている。
また、電気自動車用減速装置として、電動モータの出力軸と車輪のハブとの間に減速機として遊星歯車減速機を組み込んだものがある(例えば、特許文献2参照)。特許文献2に記載されたものは、電動モータと減速機がばね下に取り付けられる電気自動車駆動ユニットではないが、遊星歯車減速機を2段に設け、2段目の遊星歯車減速機からの出力をドライブシャフトを介してばね下の左右の車輪に分配している。
特開2005−7914号公報
特開平5−332401号公報(第1−3図)
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、電気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電気自動車駆動ユニットには不適切である。
また、特許文献2に記載された遊星歯車減速機は平行軸歯車と比較すると大きな減速比を得ることができるが、遊星歯車減速機はサンギヤ、リングギヤ、ピニオンギヤおよびピニオンギヤのキャリヤとで構成されるので、部品点数が多くコンパクト化が難しいという問題がある。
そこで、この発明の目的は、コンパクトで高減速比が得られる減速部を採用した電気自動車駆動ユニットを提供することである。
この発明に係る電気自動車駆動ユニットは、左右の車輪をそれぞれ回転駆動する第1および第2駆動装置を備える。各駆動装置は、モータ側回転部材を回転駆動するモータ部と、モータ側回転部材の回転を減速して車輪ハブに固定連結された車輪側回転部材に伝達する減速部とを有する。そして、モータ側回転部材は偏心部を含み、減速部は、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。さらに、第1駆動装置のモータ側回転部材と、第2駆動装置のモータ側回転部材とは、同軸上に配置される。また、公転部材は、例えばその外周部に複数の波形を有する。
好ましくは、公転部材の偏心運動による慣性モーメントを打消す位相でモータ側回転部材に装着したカウンタウェイトをさらに備える。偏心部は、偏った遠心力と共に慣性モーメントを発生させる。そこで、公転部材の慣性モーメントを打ち消す位相でカウンタウェイトを配置することにより、インホイールモータ駆動装置の振動を抑制することができる。
運動変換機構は、例えば、公転部材と車輪側回転部材とを連結する内ピンと、内ピンの外径より所定分だけ径が大きい内ピンを受入れる穴とを有する。例えば、穴は公転部材に設けられ、内ピンは車輪側回転部材に保持されている。上記構成の運動変換機構とすることにより、公転部材の自転運動を車輪側回転部材に伝達することができる。
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部入力軸とを含む。そして、モータ回転軸と減速部入力軸とは、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部入力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部を組み込んだ電気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電気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電気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電気自動車駆動ユニット20を採用する。
図1を参照して、電気自動車駆動ユニット20は、ケーシング内に配置されたモータ側回転部材30を回転駆動するモータ部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に伝達する減速部31とを有する第1駆動装置20aと、第1駆動装置と同一形状の第2駆動装置20bとを備え、第1駆動装置20aは駆動軸15aを、第2駆動装置20bは駆動軸15bをそれぞれ回転駆動する。また、第1駆動装置20aのモータ側回転部材30と、第2駆動装置20bのモータ側回転部材30とは、同軸上に配置されている。
次に、図3を参照して、第1駆動装置20aの構造について説明する。なお、第2駆動装置20bは第1駆動装置20aと同一形状であるので、説明は省略する。
第1駆動装置20aのモータ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。
減速部31は、偏心部32a,32bを有する減速部入力軸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部入力軸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の両端と減速部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5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部入力軸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、駆動軸15bと嵌合する円筒形状の軸部とを有し、ケーシングおよび減速部入力軸32に転がり軸受38a,30cによって回転自在に支持されている。
上記構成の第1駆動装置20a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の内壁面に当接し、曲線板33,34の公転運動が車輪側回転部材38を介して駆動軸15aに伝達される。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。
なお、上記構成の減速部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5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21を採用することにより、コンパクトで高減速比の電気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、減速部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。
上記構成の電気自動車駆動ユニット20は、モータ21の回転が減速部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、電気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。
上記の各実施形態では、減速部の曲線板を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、減速部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、電気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部入力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電気自動車駆動ユニットに有利に利用される。
1,20 自動車駆動ユニット、2,21 モータ、3a,3b,15a,15b 駆動軸、11 電気自動車、12 シャーシ、13a,13b 前輪、14a,14b 後輪、22 モータ出力軸、23 ロータ、24 ステータ、30 モータ側回転部材、30a,30b,30c,33a,34a,38a 転がり軸受、31 減速部、32 減速部入力軸、33,34 曲線板、33b,34b 貫通孔、35 外ピン、36a,36b カウンタウェイト、37 内ピン、35a,37a 針状ころ軸受、38 車輪側回転部材。
Claims (5)
- 左右の車輪をそれぞれ回転駆動する第1および第2駆動装置を備え、
前記各駆動装置は、
モータ側回転部材を回転駆動するモータ部と、
前記モータ側回転部材の回転を減速して車輪ハブに固定連結される車輪側回転部材に伝達する減速部とを有し、
前記モータ側回転部材は偏心部を含み、
前記減速部は、
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み、
前記第1駆動装置のモータ側回転部材と、前記第2駆動装置のモータ側回転部材とは、同軸上に配置される、電気自動車駆動ユニット。 - 前記公転部材は、その外周部に複数の波形を有し、
前記外周係合部材は、前記公転部材の公転軌道上に配置された複数の外ピンを有する、請求項1に記載の電気自動車駆動ユニット。 - 前記公転部材の偏心運動による慣性モーメントを打消す位相で前記モータ側回転部材に装着したカウンタウェイトをさらに備える、請求項1または2に記載の電気自動車駆動ユニット。
- 前記運動変換機構は、前記公転部材と前記車輪側回転部材とを連結する内ピンと、前記内ピンの外径より所定分だけ径が大きい前記内ピンを受入れる穴とを有する、請求項1〜3のいずれかに記載の電気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部入力軸とを含み、
前記モータ回転軸と前記減速部入力軸とは、スプライン嵌合する、請求項1〜4のいずれかに記載の電気自動車駆動ユニット。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2006045192A JP2007224979A (ja) | 2006-02-22 | 2006-02-22 | 電気自動車駆動ユニット |
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