JP2011525160A - 駆動トルクを発生及び伝達する装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータの出力を常に一定とするとともに、ロータのステータへの接触を回避すること。
【解決手段】出力側でパワートレインの複数の部材３，１３に結合されたシャフト２と、該シャフト２を回転可能に支持する第１の軸受４及び第２の軸受５と、伝達すべき駆動トルクを発生させるモータ１とを備えて成り、該モータ１が、位置固定されたステータ９と、シャフト２にこれに対して相対回転しないよう固定されたロータ７とで構成されて成る駆動トルクを発生及び伝達する装置装置において、シャフト２の長手軸方向に対して垂直な少なくとも１つの力を受ける状態で駆動トルクを複数の部材３，１３へ伝達する手段１２をシャフト２に配置するとともに、モータ１のロータ７を、シャフト２に作用する力によって生じるたわみの最高点１５の近傍に配置されるようシャフト２上に設けた。

Description

本発明は、請求項１の前提部分に記載した、駆動トルクを発生させこれを複数の部材へ伝達する、原動機付き車両（以下単に「車両」という。）のパワートレイン用の装置に関するものである。

上記のような装置は、パワートレインにおいて、モータ（場合によっては更に第２の原動機）の駆動トルクを例えばメイン変速機やトランスファギヤ等のパワートレインにおける複数の部材へ伝達するために用いられている。ここで、第２の原動機をパラレル型のハイブリッドパワートレインとして機械的に上記装置に結合させることが可能であるとともに、モータと共にパワートレインにおける複数の部材を駆動することができるようになっている。

あるいは、第２の原動機を、シリーズ型のハイブリッドパワートレインとして、単独でパワートレインにおける複数の部材を駆動するモータに電気的に接続し、かつ、発電機に接続することも可能である。

上記２つのパワートレインの様式のいずれにおいても、通常は、モータが繰り返し充電可能なバッテリに接続されるようになっているとともに、該モータは、バッテリに受電するよう発電機として駆動されるか、又はバッテリからの電気エネルギーを消費してパワートレインにおける複数の部材を駆動するようモータとして駆動されるようになっている。

特許文献１の図１及び明細書には、駆動トルクを発生させ、入力側がクラッチを介して駆動源に接続可能となっているとともに出力側がパワートレインにおける複数の部材（ここでは変速機）に接続されたシャフト（ここでは変速機入力軸）を備えたパワートレインにおける複数の部材へ駆動トルクを伝達する、車両のパワートレイン用の装置が開示されている。

この装置は、更に第１及び第２の軸受を備えており、これら第１及び第２の軸受は、ケーシング内でシャフトを支持するとともに、固設されたステータと前記シャフトにこれに対して相対回転しないよう設けられたロータで構成されつつ当該第１の軸受と第２の軸受の間に配置されたモータを支持するものとなっている。ロータの相対回転不能なシャフトへの取付はシャフトにおける歯車状の外形によってなされ、ロータにおける複数の設置面がこの外形面に接することになる。

独国特許出願公開第１００３３４２４号明細書

上記のような装置においては、駆動トルクをシャフトからパワートレインにおける複数の部材へ伝達することにより、例えばシャフトが歯車を介して変速機のカウンタシャフトへ接続されおりモータが駆動されてその駆動トルクがシャフトに伝達されている場合に、シャフトの長手方向に対して垂直な力が当該シャフトに作用することがある。このような力によりシャフトのたわみが発生し、そのため、ロータのステータに対する位置及び角度が変化してしまう。なお、上記のような力の大きさは、特に伝達される駆動トルク及び変速機のシフトチェンジに依存する。

しかして、ロータの載置面におけるたわみ角によりロータがステータに対して傾斜すると、モータの動作中に発生する電界が適当な角度でコンスタントにロータ及びステータを通過しないため、モータの出力に悪影響が出てしまう。

さらに、ロータの長さが非常に長い場合には、上記のような傾斜によってロータとステータが接触してしまい、モータの損傷を招くこともある。

本発明は上記問題にかんがみてなされたもので、その目的とするところは、常に一定の出力を有するモータを備えた、冒頭に記載したような装置を提供することにある。そして、ロータのステータへの接触を回避する必要もある。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、駆動トルクを発生させこれを複数の部材へ伝達する、原動機付き車両のパワートレイン用の装置であって、出力側で前記パワートレインの前記複数の部材に結合されつつ一部材又は複数部材から成るシャフトと、該シャフトを回転可能に支持する少なくとも１つの第１の軸受及び第２の軸受と、伝達すべき駆動トルクの少なくとも一部を発生させるモータとを備えて成り、前記モータが、少なくとも１つの位置固定されたステータと、前記シャフトにこれに対して相対回転しないよう固定されたロータとで構成され、該ロータが前記シャフトにおける少なくとも１つの載置面で該シャフトに接している前記装置において、前記シャフトの長手軸方向に対して垂直な少なくとも１つの力を受ける状態で駆動トルクを前記複数の部材へ伝達する手段を前記シャフトに配置するとともに、前記モータの前記ロータを、前記載置面が前記シャフトに作用する力によって生じるたわみの最高点の近傍に配置されるよう前記シャフト上に設けたことを特徴としている。

本発明の基本思想は、シャフトのたわみ角がたわみの最高点近傍において非常に小さいこと、及びこの最高点においてたわみ角がほぼゼロとなることにある。すなわち、本発明によれば、ステータに対するロータの位置が変化したとしても、小さなたわみ角により、ロータの傾斜が最小限に抑えられる。理想的には、ロータの傾斜が全く生じない。したがって、モータの駆動中に発生する電界が適当な角度でほぼコンスタントにステータ及びロータを通過するため、モータの出力に変化が生じないか、生じても無視できるほど小さなものとなる。さらに、上記のような傾斜によるロータとステータの接触も回避されることになる。また、ステータに対するロータの変位は、ロータとステータの間の空隙によって補償される。

また、本発明の一実施形態は、前記ロータを、前記たわみの最高点が前記載置面の前記シャフトの長手方向の長さの半分の長さにわたって位置していることを特徴としている。

すなわち、シャフトの長手方向に延びる載置面の中央がたわみの最高点に位置することを意味している。最高点近傍においてはシャフトのたわみがほぼ対称であるので、載置面の半部におけるロータの傾斜は、載置面の他の半部におけるロータの傾斜によって大部分が相殺されることになる。そのため、ロータ全体には全く傾斜が生じないか、生じても無視できるほど小さなものとなる。

また、本発明の一実施形態は、前記手段を、前記シャフトの一端に配置するとともに、前記シャフトに結合されるか又は着脱自在に結合される少なくとも１つの歯車を含んで構成し、前記第１の軸受を前記シャフトの他端に配置するとともに、前記第２の軸受を前記手段と前記第１の軸受の間に配置したことを特徴としている。

上記歯車は、メイン変速機における他の歯車に噛合しており、この歯車には、シャフトへの力の作用の下でシャフトに作用する駆動トルクが伝達される。また、このメイン変速機は、少なくとも１つのカウンタシャフトを有する例えばダブルクラッチトランスミッション又はオートマチックトランスミッションである。また、シャフトは特に変速機入力軸であり、この変速機入力軸は、第１の軸受を介して第２の原動機の出力軸（例えばクランクシャフト）に対して回転可能に支持されているとともに、第２の軸受を介してケーシング（例えばメイン変速機のケーシング）に対して回転可能に支持されている。なお、原動機の出力軸は、クラッチ（例えば発進用の摩擦クラッチ）を介してシャフトと断接可能に構成されている。

また、本発明の一実施形態においては、シャフト（特に変速機入力軸）が第１の軸受を介して中間ケーシング（特にベル状接続部材）上で回転可能に支持されているとともに第２の軸受を介して変速機ケーシングに対して回転可能に支持されている。また、第３の軸受が設けられており、この第３の軸受は、第２の原動機の出力軸（特にクランクシャフト）に対してシャフトを回転可能に支持するものとなっている。ここで、この原動機の出力軸は、クラッチ（特に発進用の摩擦クラッチ）を介してシャフトと断接可能に構成されている。

シャフトを３点以上で支持することで該シャフトのたわみを大幅に減少させることが可能であるとともに、ロータをたわみの最高点近傍に配置することでロータの傾斜も減少させることができる。したがって、駆動トルクをパワートレインにおける複数の部材に伝達する際に、ロータのステータに対する変位及びロータの傾斜を減少させることができる。そして、これにより駆動トルク伝達時のステータに対するロータの変位及び傾斜がわずかにしか変化しないため、モータの出力が増大するようロータとステータの寸法を調整することが可能である。さらに、軸受の１つが故障しても、少なくとも迅速に損傷していない軸受が故障した軸受の代替を果たすことができるため、本発明による装置の不具合発生時の特性を改善することが可能である。

さらに、本発明の一実施形態は、前記ステータを、中間ケーシング（特にベル状接続部材）と変速機ケーシングの間に配置されたステータケーシングにこれに対して相対変位しないよう配置したことを特徴としている。これにより、本発明による装置の取付、特にステータの組付を容易にすることが可能である。

ところで、軸受として、あらゆる公知の種類の軸受を使用することができる。特に、ころがり軸受又はスライドベアリングは、汎用性を有しかつ安価なため望ましい。なお、軸受は、自己潤滑性を有するものであっても、外部から潤滑されるものであってもよい。

また、ロータのシャフトへの結合は、例えばくさび型の歯又はインボリュート型の歯などの公知のシャフト−ハブ結合方法又は円筒状若しくは円すい状の嵌着方法によってなされる。このとき、ロータの載置面とシャフトの間には、ロータをシャフトに強固に結合するとともに載置面とシャフトの間にフレッティング腐食等の腐食が起こらないようプレスばめがなされている。

さらに、本発明による装置を容易に車両用パワートレインに取り付けるため、又は同装置の容易な取付のために、シャフトを多部材で構成してもよい。すなわち、例えば多角形の形状を互いに勘合したりフランジ結合することで互いに相対回転しないよう結合される複数のシャフトセグメントでシャフトを構成することが考えられる。

本発明によれば、モータの出力を常に一定とすることができるとともに、ロータのステータへの接触を回避することも可能である。

取付状態における本発明による装置の断面を半分のみ示す図である。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図示の本発明の一実施形態において、モータ１に結合された一部材から成るシャフト２は、車両用メイン変速機の入力軸を形成しているとともに、その入力側において第２の原動機としての不図示の内燃エンジンが断接可能に接続されており、その出力側において車両用メイン変速機のカウンタシャフト３に接続されている。

ここで、シャフト２は、不図示の原動機出力軸において第１の軸受４を介して回転自在に支持されているとともに、変速機ケーシング６において第２の軸受５を介して回転自在に支持されている。また、前記モータ１のロータ７が載置面８においてシャフト２にこれと相対回転しないよう固定されている一方、前記モータ１のステータ９は、ステータケーシング１０にこれに対して相対変位しないよう固定されている。

このステータケーシング１０は、中間ケーシング１１でありつつシャフト２を前記内燃エンジンと接続するためのクラッチを収容するベル状接続部材１１を、内部においてカウンタシャフト３に伝達される駆動トルクが増減処理（変速）される変速機ケーシング６に接続するものとなっている。

シャフト２からパワートレインの一構成部材であるカウンタシャフト３へモータ１及び／又は第２の原動機の駆動トルクを伝達するために、シャフト２の出力側の端部には歯車１２が形成されており、この歯車１２は、カウンタシャフト３にこれと相対回転しないよう設けられた歯車１３と噛合するようになっている。これにより、シャフト２の長手方向に対して垂直な方向の力が駆動トルク伝達時に該シャフト２へ作用し、この力によってシャフト２のたわみが生じることになる。なお、このシャフト２の長手方向に沿ったたわみ変化が図中においてたわみ線１４によって示されている。なお、このたわみ線１４は、公知のように、上記力の作用点又は作用範囲、第１及び第２の軸受４，５の位置及び種類並びにシャフト２の形状から導出されるものである。

しかして、カウンタシャフト３あるいはパワートレインの一構成部材への駆動トルクの伝達は、ここでは例えばチェーン式トランスミッション又はベルト式トランスミッションを介してなされる。また、メイン変速機を、駆動トルクが伝達される複数のカウンタシャフトを含むように構成してもよく、さらに、シャフト２が、駆動トルクを少なくとも１つのカウンタシャフトへ伝達するための複数の歯車を有するように構成してもよい。ここで、これら歯車をシャフト２上における第１の軸受４と第２の軸受５の間の配置するのが好ましく、シャフト２は、単に変速機ケーシング６に対してのみ支持されることになる。

さらに、例えばメイン変速機におけるギヤ段間のシフトチェンジを可能とするために、歯車１２あるいはシャフト２上に配置された複数の歯車を、クラッチによってシャフト２と断接可能に構成してもよい。

ところで、本発明において、モータ１のロータ７は、該ロータ７の載置面８がたわみにおける最高点１５すなわち図中に矢印で示すたわみ線１４上の点に位置するように配置されている。そして、ロータ７のステータ９に対する傾斜を最小限にとどめるよう、シャフト２の長手方向における載置面８の中央がたわみにおける最高点１５に正確に位置するようなっている。また、ロータ７とステータ９の間の空隙１６は、シャフト２がたわんでロータ７のステータ９に対する位置が変化したときに、これらロータ７とステータ９が接触しないよう採寸されている。

また、図示の実施形態において、モータ１は永久磁石によって励磁されつつ内部ロータ構造を有する同期機であり、そのロータ７は、ロータ支持部材１７と、該ロータ支持部材１７上に固定された少なくとも１つの積層シート１８とで構成されている。ここで、特に、回転のスムーズさを改善するとともにモータ１の起動時のトルクショックを回避するために、ロータ支持部材１７を、互いにねじりダンパ又はねじりバネを介して結合された２つ以上の部材で構成することが考えられる。

なお、モータ１を他の適当な構造とすることもでき、例えば、外部ロータ型やディスクアーマチュア型などが考えられる。さらに、モータ１の作動原理についても、例えば非同期式やリラクタンス型などが考えられる。

また、モータは、電気エネルギーをシャフト２の駆動トルクあるいは機械的なエネルギーへ変換する原動機として機能するとともに、シャフト２の機械的なエネルギーを電気エネルギーへ変換する発電機としても機能する。ここで、駆動に必要な電気エネルギーは、例えば蓄電池であるバッテリに蓄えられるが、シリーズ型のハイブリッド駆動機構として第２の原動機に接続された発電機から供給されるようにしてもよい。なお、この発電機は、第２の原動機の機械的な駆動力をモータ１で使用できる電気エネルギーに変換するものである。

また、本発明による装置を第２の原動機への接続を可能にする発進用のクラッチと車両用メイン変速機の間に配置し、本発明による装置が発進用のクラッチの第２の原動機との接続操作時にパラレル型のハイブリッド駆動機構を形成するのが好ましい。このとき、本発明による装置は、第２の原動機により発生した駆動トルクとモータ１により発生したトルクをパワートレインの構成部材へ伝達するようになっている。

さらに、本発明による装置を２つのクラッチの間に設けるとともにメイン変速機の前方に接続することも可能であり、このとき、第１のクラッチはシャフト２を第２の原動機と断接可能であり、第２のクラッチはシャフト２をメイン変速機と断接可能となっている。

また、本発明の装置をメイン変速機の後方側に接続することも可能である。この場合、シャフト２は、例えばその入力側でメイン変速機の出力軸に接続され、その出力側でトランスファギヤ又はディファレンシャルギヤに接続される。さらに、本発明による装置をインホイールモータとして使用することも可能であり、この場合、シャフト２はその入力側で車両のディファレンシャルギヤに接続され、かつ、その出力側でホイールハブに接続されるのが好ましい。

シャフト２のたわみが例えば該シャフト２の適当な形状又は該シャフト２を２つより多くの軸受によって支持することにより複数の最高点を有する場合には、ロータ７を最小の振幅を有する最高点すなわちロータ７がステータ９に対して最小の変位となる位置に配置するのが望ましい。こうすることで、ロータ７とステータ９の間の空隙を小さくすることができ、モータ１の駆動時にロータ７及びステータ９を間の磁束密度が高められて発生する駆動トルクを増大させることが可能である。

１ モータ
２ シャフト
３ カウンタシャフト
４ 第１の軸受
５ 第２の軸受
６ 変速機ケーシング
７ ロータ
８ 設置面
９ ステータ
１０ ステータケーシング
１１ ベル状接続部材
１２ 歯車
１３ 歯車
１４ たわみ線
１５ たわみにおける最高点
１６ 空隙
１７ ロータ支持部材
１８ 積層シート

Claims (6)

1. 駆動トルクを発生させこれを複数の部材（３，１３）へ伝達する、原動機付き車両のパワートレイン用の装置であって、
   出力側で前記パワートレインの前記複数の部材（３，１３）に結合されつつ一部材又は複数部材から成るシャフト（２）と、
   該シャフト（２）を回転可能に支持する少なくとも１つの第１の軸受（４）及び第２の軸受（５）と、
   伝達すべき駆動トルクの少なくとも一部を発生させるモータ（１）と
   を備えて成り、前記モータ（１）が、少なくとも１つの位置固定されたステータ（９）と、前記シャフト（２）にこれに対して相対回転しないよう固定されたロータ（７）とで構成され、該ロータ（７）が前記シャフト（２）における少なくとも１つの載置面（８）で該シャフト（２）に接している前記装置において、
   前記シャフト（２）の長手軸方向に対して垂直な少なくとも１つの力を受ける状態で駆動トルクを前記複数の部材（３，１３）へ伝達する手段（１２）を前記シャフト（２）に配置するとともに、前記モータ（１）の前記ロータ（７）を、前記載置面（８）が前記シャフト（２）に作用する力によって生じるたわみの最高点（１５）の近傍に配置されるよう前記シャフト（２）上に設けたことを特徴とする装置。
2. 前記ロータ（７）を、前記たわみの最高点（１５）が前記載置面（８）の前記シャフト（２）の長手方向の長さの半分の長さにわたって位置していることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 前記手段（１２）を、前記シャフト（２）の一端に配置するとともに、前記シャフト（２）に結合されるか又は着脱自在に結合される少なくとも１つの歯車を含んで構成し、
   前記第１の軸受（４）を前記シャフト（２）の他端に配置するとともに、前記第２の軸受（５）を前記手段（１２）と前記第１の軸受（４）の間に配置した
   ことを特徴とする請求項１記載の装置。
4. 前記シャフト（２）を、前記第１の軸受（４）を介して第２の原動機の出力軸に対して回転可能に支持するとともに、前記第２の軸受（５）を介して変速機ケーシング（６）に対して回転可能に支持し、前記出力軸を、クラッチを介して前記シャフト（２）に断接可能に構成したことを特徴とする請求項１記載の装置。
5. 第２の原動機の出力軸に対して前記シャフト（２）を回転可能に支持する第３の軸受を設け、
   前記第１の軸受（４）によって前記シャフト（２）を中間ケーシング（１１）に対して回転可能に支持し、
   前記第２の軸受（５）によって前記シャフト（２）を変速機ケーシング（６）に対して回転可能に支持し、
   前記出力軸を、クラッチを介して前記シャフト（２）に断接可能に構成した
   ことを特徴とする請求項１記載の装置。
6. 前記ステータ（９）を、中間ケーシング（１１）と変速機ケーシング（６）の間に配置されたステータケーシング（１０）にこれに対して相対変位しないよう配置したことを特徴とする請求項１記載の装置。

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