JP2011208681A - 車両用減速装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】サイズを大型化することなく、エネルギー効率の低下を防止できる減速機構を実現できる車両用減速装置を提供する。
【解決手段】サンギヤ(42)と、サンギヤ(42)と噛合する第1の歯車(43A)と、第1の歯車(43A)よりも歯数が少ない第2の歯車(43B)とが同軸上に結合された段付ピニオン(43)と、第1の歯車(43A)と噛合する第1のリングギヤ(45)と、第2の歯車(43B)と噛合する第2のリングギヤ(46)と、段付ピニオン(43)の公転運動を出力するキャリア(44)と、からなる遊星歯車機構(31)と、遊星歯車機構(31)を収容するケース(32)と、第1のブレーキ(33)と、第2のブレーキ(34)と、を備え、第1のブレーキ(33)及び第2のブレーキ(34)のいずれか一つを締結状態として、キャリア(44)の回転を出力する。
【選択図】図1

Description

本発明は、駆動力源からの駆動力を減速して車軸に伝達することで車両を駆動させる車両用減速装置に関する。
内燃機関やモータ等からなる駆動力源によって駆動される車両において、車両の発進時には、大きなトルクが必要となるため、このトルクを増大して車輪に作用させるために減速機構が必要である。
特に、駆動力源として電気エネルギーにより駆動するモータを用いたいわゆるEV(Electric Vehicle)では、車両の発進性を確保するために大きな減速比(10.0程度)が要求される。従来の減速機構では、この減速比を満足するために、歯車比を大きくして入力側と出力側との歯車の支持軸間距離を大きくするか、軸数を3軸以上とする構成が一般的であった。
しかしながら、このような構成では減速機構を含めたユニット全体の大きさが大きくなるため、重量の増加や車両への搭載性の悪化、コストアップ等の問題があった。
また、EVでは、高速走行時にモータが高速回転となるため、モータを駆動させるインバータの容量を大きくすることによるコストアップや、高速回転による効率の低下という問題が発生する。そのため、減速装置に減速比を変更できる仕組みが要求される。
このような問題に対して、遊星歯車機構を減速機構に用いることで、支持軸間距離を小さくすることができる。
遊星歯車機構を用いた減速機構として、サンギヤを一体形成したインプットシャフトと、キャリアが結合されたメインシャフトと、遊星歯車機構と、オフからオンに切り換えることにより高速にする第1クラッチと、該第1クラッチの外側に設けられるオフからオンに切り換えることにより低速にする第2クラッチと、前記第1クラッチおよび第2クラッチをオン、オフ制御する第1、第2油圧ピストンを備える2速歯車変速機が知られている(特許文献1参照。)。
実開平4−117950号公報
前述の従来技術に記載されているような遊星歯車機構では、入出力軸と、サンギヤ、キャリア、リングギヤとの組み合わせを、クラッチを断続することにより変更して変速段を切り換えている。
しかしながら、クラッチを断続するためには油圧が必要となる。特にEVでは油圧の供給源として油圧ポンプを駆動させる必要があるが、クラッチを締結するときには圧力を維持するために油圧ポンプを常時作動させておく必要がある。このため、電力の消費が大きくなり、エネルギー効率が低下するという問題がある。
また、油圧を用いず、モータやソレノイド等の機械式のアクチュエータによってクラッチを締結する方式も考えられる。しかしながら、回転体同士を締結させるクラッチを機械的に動作させるためにはカムやリンクなどの機構が複雑となり、サイズが大型化し、コストが上昇するという問題がある。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、サイズを大型化することなく、エネルギー効率の低下を防止できる減速機構を実現できる車両用減速装置を提供することを目的とする。
本発明の一実施態様によると、駆動力源からの駆動力が入力される入力軸に結合されたサンギヤと、サンギヤと噛合する第1の歯車と、第1の歯車よりも歯数が少ない第2の歯車とが同軸上に結合された段付ピニオンと、段付ピニオンの第1の歯車と噛合する第1のリングギヤと、段付ピニオンの第2の歯車と噛合する第2のリングギヤと、段付ピニオンに結合され、段付ピニオンの公転運動を出力するキャリアと、からなる遊星歯車機構と、遊星歯車機構を収容するケースと、第1のリングギヤの回転を停止させる第1のブレーキと、第2のリングギヤの回転を停止させる第2のブレーキと、を備え、第1のブレーキ及び第2のブレーキのいずれか一つを締結状態として、キャリアの回転を出力することを特徴とする。
本発明によると、遊星歯車機構による簡易な構成で、入力軸と出力軸とを一軸で構成しつつ減速段を2段とする減速機構を構成することができるので、車両用減速装置を小型化することができる。また、第1及び第2のリングギヤは、ケースとの相対回転を停止させる第1及び第2のブレーキによって締結状態を制御するので、油圧による制御によらずとも締結状態を制御することができ、車両のエネルギー効率の低下を防止することができる。
本発明の第1の実施形態の車両用減速装置の説明図である。 本発明の第1の実施形態の減速機構のLowモード時の説明図である。 本発明の第1の実施形態の減速機構のHighモード時の説明図である。 本発明の第2の実施形態の車両用減速装置の説明図である。
以下に、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態の車両用減速装置10の説明図である。
車両用減速装置10は、駆動力源である電動機20と、遊星歯車機構31を備える減速機構30と、減速された駆動力を車軸へと出力する最終減速機構50と、から構成される。
電動機(モータ)20は、制御装置21によって電力を供給されて回転し、駆動力を発生する。モータ20は、例えば三相を有するブラシレスモータによって構成される。制御装置21は、例えばインバータによるPWM制御によってモータ20に電力を供給することで、モータ20の駆動力を制御する。
また、制御装置21は、後述するLowブレーキ34及びHighブレーキ33の締結状態を制御する。
減速機構30は、ケース32に収容された遊星歯車機構31等によって構成される。減速機構30は、入力軸41に入力される駆動力を遊星歯車機構31によって減速し、出力軸48、出力側ギヤ49を介して、最終減速機構50へと伝達する。最終減速機構50では、左右車軸の作動を許容する差動機構52を備え、駆動力を左車軸53及び右車軸54に伝達する。
遊星歯車機構31は、入力軸41に結合されるサンギヤ42と、サンギヤ42と噛合するピニオン43と、ピニオン43に噛合する第1のリングギヤ45及び第2のリングギヤ46とから構成される。
サンギヤ42は、モータ20の駆動力が入力される入力軸41に結合され、入力軸41と一体に回転する。
ピニオン43は、サンギヤ42に噛合する第1の歯車43Aと、この第1の歯車43Aよりも歯数が小さい第2の歯車43Bと、が同軸に構成されたいわゆる段付ピニオンである。なお、ピニオン43は、モータ20側(フロント側)に第1の歯車43Aを備え、モータ20とは逆側(リア側)に第2の歯車43Bを備えている。
ピニオン43のフロント側には、ピニオン43の公転運動を出力軸48側へと伝達するキャリア44が備えられている。キャリア44は、出力軸48に結合されている。
出力軸48は、内部を入力軸41が貫通する中空軸として構成されており、出力側ギヤ49に結合される。入力軸41は軸受35によって支持されており、出力軸48は軸受36によって支持されている。
第1のリングギヤ45は、ピニオン43の第1の歯車43Aに噛合する。また、第2のリングギヤ46は、第1のリングギヤ45よりもリア側に備えられ、ピニオン43の第2の歯車43Bに噛合する。
ケース32には、第1のリングギヤ45とケース32との相対回転を停止させるHighブレーキ33が備えられている。また、第2のリングギヤ46とケース32との相対回転を停止させるLowブレーキ34が備えられている。
Highブレーキ33は、ケース32及び第1のリングギヤ45にそれぞれ結合された第1の摩擦要素33Aと、第1の摩擦要素33Aを押圧してHighブレーキ33を締結させる第1のアクチュエータ33Bとから構成される。
また、Lowブレーキ34も同様に、ケース32及び第2のリングギヤ46にそれぞれ結合された第2の摩擦要素34Aと、第2の摩擦要素34Aを押圧してLowブレーキ34を締結させる第2のアクチュエータ34Bとから構成される。
第1アクチュエータ33B及び第2のアクチュエータ34Bは、ケース32に固定され、モータやソレノイド等の電気エネルギーを機械動作に変換する機能部品によって構成される。
これら第1のアクチュエータ33B及び第2のアクチュエータ34Bは、制御装置21から出力された制御信号に基づいて、第1の摩擦要素33A又は第2の摩擦要素34Aを押圧又は解放することによって、Highブレーキ33又はLowブレーキ34を締結状態及び非締結状態とすることができる。
これにより、Highブレーキ33を締結した場合は、第1のリングギヤ45がケース32側に結合して、Highブレーキ33の回転が停止する。Lowブレーキ34を締結した場合は、第2のリングギヤ46がケース32側に結合して、Lowブレーキ34の回転が停止する。
出力側ギヤ49は、最終減速機構50のギヤ51に噛合する。このギヤ51の駆動力が差動機構52によって左車軸53及び右車軸54へと、差動を許容して伝達される。これら左車軸53及び右車軸54は、それぞれ軸受55及び56によって支持される。
このように構成された本発明の第1の実施形態の減速機構30の動作を説明する。
図2及び図3は、本発明の第1の実施形態の減速機構30の動作を示す説明図である。
本実施形態の減速機構30は、Highブレーキ33及びLowブレーキ34のいずれか一つを締結状態に制御することによって、減速比を変更することができるように構成した。
図2(A)は、Highブレーキ33を非締結状態とし、Lowブレーキ34を締結状態としたときの減速機構30の状態を示す。なお、本実施形態では、この状態を「Lowモード」と呼ぶ。
Lowモードでは、Lowブレーキ34を締結状態とすることによって、第2のリングギヤ46が非回転状態となる。
このとき、サンギヤ42に入力された駆動力は、第1の歯車43Aによりピニオン43に伝達される。ピニオン43は、非回転状態の第2のリングギヤ46に従って回転し、その公転運動がキャリア44へと伝達される。このキャリア44の駆動力が、出力軸48から最終減速機構50へと伝達される。
なお、Highブレーキ33は解放されており、第1のリングギヤ45は自在回転状態となっているので、第1のリングギヤ45は遊星歯車機構31における減速には関与しない。
図2(B)は、Lowモードにおける遊星歯車機構31の共線図を示す。なお、この図2(B)において、サンギヤ42をS、キャリア44をC、第1のリングギヤ45をR1、第2のリングギヤ46をR2、ピニオン43の第1の歯車43AをP1、ピニオン43の第2の歯車43BをP2と、それぞれ記載した。
Lowモードでは、第2のリングギヤ46の回転が固定されているので、入力軸41に入力された回転力と出力軸から出力される回転力との減速比は、サンギヤ42、第2のリングギヤ46及びピニオン43(第1の歯車43A及び第2の歯車43B)の歯数により求まる。
すなわち、このときの入力軸41と出力軸48との間の減速比は、1:(1+(第2のリングギヤ46の歯数÷第2の歯車43Bの歯数)×(第1の歯車43Aの歯数÷サンギヤ42の歯数)になる。この減速比によって減速された駆動力が、出力軸48に出力される。
図3(A)は、Highブレーキ33を締結状態とし、Lowブレーキ34を非締結状態としたときの減速機構30の状態を示す。なお、本実施形態では、この状態を「Highモード」と呼ぶ。
Highモードでは、Highブレーキ33を締結状態とすることによって、第1のリングギヤ45が非回転状態となる。
このとき、サンギヤ42に入力された駆動力は、第1の歯車43Aによりピニオン43に伝達される。ピニオン43は、非回転状態の第1のリングギヤ45に従って回転し、その公転運動がキャリア44へと伝達される。このキャリア44の駆動力が、出力軸48から最終減速機構50へと伝達される。
なお、Lowブレーキ34は解放されており、第2のリングギヤ46は回転自在状態となっているので、第2のリングギヤ46は遊星歯車機構31における減速には関与しない。
図3(B)は、Highモードにおける遊星歯車機構31の共線図を示す。
Highモードでは、第1のリングギヤ45の回転が固定されているので、入力軸41に入力された駆動力と出力軸から出力される駆動力との減速比は、サンギヤ42と第1のリングギヤ45との関係により求まる。
すなわち、このときの入力軸41と出力軸48との間の減速比は、1:(1+(第1のリングギヤ45の歯数÷サンギヤ42の歯数)になる。この減速比によって減速された駆動力が、出力軸48に出力される。
このように、Highブレーキ33及びLowブレーキ34のいずれか一つを選択的に締結することによって、異なる減速比へと切り換えることができる。
特に、第2のリングギヤ46を使用する場合はピニオン43の歯数を選定することにより、Lowモードにおける減速比をHighモードに比較して、より大きくすることが可能となる。
例えば、モータ20を駆動力源とする車両では、発進時にLowモードに切り換え、減速比を大きくして発進性を確保する。また、高速巡航時ではHighモードに切り換えて減速比をLowモードよりも小さくして、モータ20の回転速度の上昇を抑制し、エネルギー効率が低下しないように制御することができる。
具体的な一例として、Lowモードの減速比を10.0程度とし、Highモードの減速比を5.0として、これらLowモードとHighモードとの段間比を2.0程度とすることが好適である。
以上のように、本発明の第1の実施形態の車両用減速装置10では、サンギヤ42と、サンギヤ42に噛合する第1の歯車43Aと第1の歯車43Aよりも歯数の少ない第2の歯車43Bとが一軸に構成されたピニオン43と、第1の歯車43Aと噛合する第1のリングギヤ45と、第2の歯車43Bと噛合する第2のリングギヤ46と、からなる遊星歯車機構31を備えた。
また、第1のリングギヤ45のケース32に対する相対回転を停止させるHighブレーキ33と、第2のリングギヤ46のケース32に対する相対回転を停止させるLowブレーキ34とを備えた。
このような構成によって、駆動力源であるモータ20の出力を1軸で減速して出力することができるので、車両用減速装置10を小型化、軽量化できる。また、部品点数や組み立て工数を削減することができるので、製造コストを低減することができる。
また、Highブレーキ33及びLowブレーキ34によって第1のリングギヤ45及び第2のリングギヤ46のいずれか一つの回転を停止させて減速比を切り換えることができるので、車両の発進時と高速走行時とで減速比を切り換えることで、モータ20及び制御装置21の効率を高めることができ、車両のエネルギー効率を向上することができる。
また、遊星歯車機構31によって大きな減速比を設定できる。また、ピニオン43、第1のリングギヤ45及び第2のリングギヤ46の歯数を変更することにより段間比の自由度も増加するため、車両の駆動力性能を向上し、エネルギー効率を向上することができる。
また、Highブレーキ33及びLowブレーキ34は、それぞれ摩擦要素33A、34Aと、ケース32側に固定されたアクチュエータ33B、34Bとから構成したので、可動部を非回転式とすることができる。これにより、複雑な構成とならず部品点数を削減することができるので、製造コストを低減することができる。また、車両用減速装置10を軽量化できるので、車両のエネルギー効率を向上することができる。
また、従来、回転体同士の駆動力の断続に用いられるクラッチは、互いに回転体であるため、その締結力の制御に油圧を用いることが一般的である。しかしながら、モータ20を駆動力源とするEVでは、油圧を発生させるためにポンプやモータ等が必要となり、モータ20のフリクションの増大や使用電力量のロスを招く。
これに対して本実施形態の車両用減速装置10では、Highブレーキ33及びLowブレーキ34は油圧による動作を必要としないので、車両の使用電力量を削減でき、油圧ポンプの駆動によるフリクションが発生しないので、車両のエネルギー効率を向上することができる。
なお、本実施の形態の減速装置では、第1のリングギヤ45と第2のリングギヤ46の双方を、Highブレーキ33及びLowブレーキ34によって締結することによって出力軸を固定することができる。これにより、パーキングブレーキとして機能させることができる。
次に、本発明の第2実施形態について説明する。
図4は、本発明の第2の実施形態の車両用減速装置10の説明図である。なお、第1の実施の形態と同一の構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。
第2の実施形態では、ピニオン43に、第2の歯車43Bよりも更に歯数の少ない第3の歯車43Cを備えた。また、この第3の歯車43Cに噛合する第3のリングギヤ47を備えた。
また、ケース32には、第1のリングギヤ45とケース32との相対回転を停止させるHighブレーキ33(第1の摩擦要素)が備えられている。また、第2のリングギヤ46とケース32との相対回転を停止させるMidブレーキ37(第3の摩擦要素)が備えられている。また、第3のリングギヤ47とケース32との相対回転を停止させるLowブレーキ38(第2の摩擦要素)が備えられている。
なお、これらMidブレーキ37及びLowブレーキ38は、前述の第1の実施形態と同様に、ケース32側及びリングギヤ側にそれぞれ結合された摩擦要素37A、38Aと、この摩擦要素37A、38Aを押圧してMidブレーキ37又はLowブレーキ38を締結させるアクチュエータ37B、38Bとから構成される。
このように構成された本発明の第2の実施形態の減速機構30において、Highブレーキ33及びMidブレーキ37を非締結状態とし、Lowブレーキ38を締結状態としたときを「Lowモード」と呼ぶ。
Lowモードでは、Lowブレーキ38を締結状態とすることによって第3のリングギヤ47を非回転状態とする。このとき、ピニオン43が非回転状態の第3のリングギヤ47に従って回転し、その公転運動がキャリア44へと伝達される。このキャリア44の駆動力が、出力軸48から出力される。
また、Highブレーキ33及びLowブレーキ38を非締結状態とし、Midブレーキ37を締結状態としたときを「Midモード」と呼ぶ。
Midモードでは、Midブレーキ37を締結状態とすることによって第2のリングギヤ45を非回転状態とする。このとき、ピニオン43が非回転状態の第2のリングギヤ46に従って回転し、その公転運動がキャリア44へと伝達される。このキャリア44の駆動力が、出力軸48から出力される。
また、Midブレーキ37及びLowブレーキ38を非締結状態とし、Highブレーキ33を締結状態としたときを「Highモード」と呼ぶ。
Highモードでは、Highブレーキ33を締結状態とすることによって第1のリングギヤ45を非回転状態とする。このとき、ピニオン43が非回転状態の第1のリングギヤ45に従って回転し、その公転運動がキャリア44へと伝達される。このキャリア44の駆動力が、出力軸48から出力される。
このように、ピニオン43、リングギヤ(第1のリングギヤ45、第2のリングギヤ46及び第3のリングギヤ47)及びブレーキ(Highブレーキ33、Lowブレーキ34及びMidブレーキ37)の組み合わせによって、減速段を3段とした減速機構30を構成することができる。
このように構成された第2の実施形態では、前述の第1の実施形態と同様に、駆動力源であるモータ20の出力を、1軸で減速して出力することができるので、減速装置を小型化することができ、車両用減速装置10を軽量化できるので、車両のエネルギー効率を向上することができる。
また第2の実施形態では、減速機構30の減速段数を3段とすることができるので、車両の発進時、通常の走行時、高速走行時等、運転状態に応じて減速比を適宜切り換えることで、モータ20及び制御装置21の効率を高めることができ、車両のエネルギー効率を向上することができる。
なお、以上説明した本発明の実施形態では、駆動力源をモータ20とするEVとして説明したが、これに限られない。エンジン等の内燃機関を駆動力源とする車両にも同様に適用することができる。このような内燃機関を駆動力源とする車両においても、小型化、軽量化によって、燃費効率を高めることができ、低コストであるという利点がある。
また、本発明の実施形態では、ブレーキ(Highブレーキ33、Lowブレーキ34及びMidブレーキ37)を摩擦要素とアクチュエータとからなるいわゆる多板式のブレーキとして説明したが、リングギヤの外周に巻回したバンドの締結力によってリングギヤの回転を停止させるバンドブレーキであってもよい。また、アクチュエータは油圧によって動作するものであってもよい。
また、第1の実施形態では減速比を2段とし、第2の実施形態では減速比を3段とした例を示したが、さらに段数を増加させてもよい。
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。
10 車両用駆動装置
20 モーター(駆動力源)
21 制御装置
30 減速機構
31 遊星歯車機構
32 ケース
33 Highブレーキ
33A 第1の摩擦要素
33B 第1のアクチュエータ
34 Lowブレーキ
34A 第2の摩擦要素
34B 第2のアクチュエータ
37 Midブレーキ
37A 第3の摩擦要素
37B 第3のアクチュエータ
41 入力軸
42 サンギヤ
43 ピニオン(段付ピニオン)
43A 第1の歯車
43B 第2の歯車
43C 第3の歯車
44 キャリア
45 第1のリングギヤ
46 第2のリングギヤ
47 第3のリングギヤ
48 出力軸
50 最終減速機構

Claims (4)

  1. 駆動力源からの駆動力が入力される入力軸に結合されたサンギヤと、
    前記サンギヤと噛合する第1の歯車と、前記第1の歯車よりも歯数が少ない第2の歯車とが同軸上に結合された段付ピニオンと、
    前記段付ピニオンの第1の歯車と噛合する第1のリングギヤと、
    前記段付ピニオンの第2の歯車と噛合する第2のリングギヤと、
    前記段付ピニオンに結合され、前記段付ピニオンの公転運動を出力するキャリアと、
    からなる遊星歯車機構と、
    前記遊星歯車機構を収容するケースと、
    前記第1のリングギヤの回転を停止させる第1のブレーキと、
    前記第2のリングギヤの回転を停止させる第2のブレーキと、
    を備え、
    前記第1のブレーキ及び前記第2のブレーキのいずれか一つを締結状態として、前記キャリアの回転を出力することを特徴とする車両用減速装置。
  2. 前記第1のブレーキは、前記ケースと前記第1のリングギヤとの間に介在して前記ケースに対する前記第1のリングギヤの相対回転を停止させ、
    前記第2のブレーキは、前記ケースと前記第2のリングギヤとの間に介在して前記ケースに対する前記第2のリングギヤの相対回転を停止させることを特徴とする請求項1に記載の車両用減速装置。
  3. 前記第1のブレーキ及び前記第2のブレーキは、電力を機械エネルギーに変換するアクチュエータによって、締結状態が制御されることを特徴とする請求項1又は2に記載の車両用減速装置。
  4. 前記段付ピニオンは、前記第2の歯車よりも歯数の少ない第3の歯車が、前記第1の歯車及び前記第2の歯車と同軸上に結合され、
    前記段付ピニオンの第3の歯車と噛合する第3のリングギヤと、
    前記第3のリングギヤの回転を停止させる第3のブレーキと、
    を備え、
    前記第1のブレーキ、前記第2のブレーキ及び前記第3のブレーキのいずれか一つを締結状態として、前記キャリアの回転を出力することを特徴とする請求項1に記載の車両用減速装置。
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