JP2015092099A - インホイールモータ駆動装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】耐久性を確保し、小型かつ軽量で、ＮＶＨ特性の良好なインホイールモータ駆動装置を提供する。
【解決手段】偏心部２５ａ，２５ｂを有する減速機入力軸２５をモータ部Ａで回転駆動し、減速機入力軸の回転を減速部Ｂで減速して減速機出力軸２８に伝達するインホイールモータ駆動装置２１において、減速部Ｂは、減速機入力軸と、この減速機入力軸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曲線板２６ａ，２６ｂと、この曲線板の自転運動を生じさせる外ピン２７と、減速機出力軸に保持された内ピン３１を、曲線板の貫通孔に挿入して針状ころ軸受３１ａを介して曲線板に係合させることにより、曲線板の自転運動を、減速機入力軸の回転運動に変換して減速機出力軸に伝達する機構とを備え、内ピン３１は、浸炭窒化処理を施し、かつ、表層部の残留オーステナイト量を２０〜３５％とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、電動モータの出力軸と車輪用軸受とを減速機を介して連結したインホイールモータ駆動装置に関する。
従来のインホイールモータ駆動装置は、例えば、特許文献１に開示された構造のものがある。この特許文献１に開示されたインホイールモータ駆動装置１０１は、図１２に示すように、懸架装置（サスペンション）を介して車体に取り付けられるケーシング１０２の内部で駆動力を発生させるモータ部１０３と、車輪に接続される車輪用軸受部１０４と、モータ部１０３の回転を減速して車輪用軸受部１０４に伝達する減速部１０５とで主要部が構成されている。
前述の構成からなるインホイールモータ駆動装置１０１において、装置のコンパクト化の観点から、モータ部１０３には、低トルクで高回転型のモータが採用されている。一方、車輪用軸受部１０４には、車輪を駆動するために大きなトルクが必要となる。そのため、減速部１０５には、コンパクトで高い減速比が得られるサイクロイド減速機が採用されている。
このサイクロイド減速機を採用した減速部１０５は、偏心部１０６ａ，１０６ｂを有する減速機入力軸１０６と、その減速機入力軸１０６の偏心部１０６ａ，１０６ｂに配置される曲線板１０７ａ，１０７ｂと、その曲線板１０７ａ，１０７ｂの外周面に係合して曲線板１０７ａ，１０７ｂに自転運動を生じさせる複数の外ピン１０９と、曲線板１０７ａ，１０７ｂの貫通孔１１５ａ，１１５ｂの内径面に針状ころ軸受１１４を介して係合して曲線板１０７ａ，１０７ｂの自転運動を減速機出力軸１１０に伝達する複数の内ピン１１１とで主要部が構成されている。
減速機入力軸１０６は、ケーシング１０２および減速機出力軸１１０に玉軸受１１２ａ，１１２ｂによって回転自在に支持されている。曲線板１０７ａ，１０７ｂは、減速機入力軸１０６の偏心部１０６ａ，１０６ｂに玉軸受１０８ａ，１０８ｂによって回転自在に支持されている。曲線板１０７ａ，１０７ｂの外周面に係合する複数の外ピン１０９は、その両端部が針状ころ軸受１１３ａ，１１３ｂによってケーシング１０２に回転自在に支持されている。減速機出力軸１１０に保持された内ピン１１１は、外輪および針状ころで構成されて内輪がないタイプの針状ころ軸受１１４が組み込まれており、この針状ころ軸受１１４を介して曲線板１０７ａ，１０７ｂと転がり接触している。
特開２００８−４４５３７号公報
ところで、前述した従来のインホイールモータ駆動装置１０１は、ホイールの内部にユニットを収めなければならず、また、ばね下重量を押さえる必要があり、さらに、広い客室スペースを確保するために、小型化が必須の要件となる。そのため、モータ部１０３は小型のものを使用する必要があり、小型低トルクのモータ部１０３から必要な出力を得るために１５，０００ｍｉｎ-1以上の高速回転が要求される。このような過酷な使用環境やサイクロイド減速機の機構的な特殊性およびばね下重量となるインホイールモータ駆動装置１０１の特性が絡んで、減速部１０５の内部に組み込まれる内ピン１１１には改善すべき点を残している。
そこで、本発明は前述の改善点に鑑みて提案されたもので、その目的とするところは、耐久性を確保し、小型かつ軽量で、ＮＶＨ（Noise Vibration Harshness）特性の良好なインホイールモータ駆動装置を提供することにある。
本発明は、前述の目的を達成するために、インホイールモータ駆動装置の内部の潤滑機構や冷却機構を含めて種々検討した結果、減速部内に組み込まれる内ピンについて見出された以下の知見に基づいている。
減速部では、減速機出力軸に保持された内ピンと、その内ピンに組み込まれて曲線板と転がり接触する針状ころ軸受には、ミスアライメントが発生することがある。また、減速部に設けられた潤滑機構の一部として、内ピンの内部に潤滑油路が形成されている。このような減速部の内ピンは、針状ころ軸受を介して曲線板から大きな荷重を受けることになるため、ラジアル荷重やモーメント荷重が負荷されて過大応力が発生し易い状況下におかれていることが判明した。また、減速部では、曲線板の振れ回りによる振動や、その曲線板と外ピンおよび内ピンの当たりによる音および振動が発生することが判明した。
前述したラジアル荷重やモーメント荷重の負荷状態に加えて、ばね下重量となるインホイールモータ駆動装置という特殊条件が重畳することにより、ＮＶＨ特性に悪影響を及ぼし、運転者および搭乗者に不快感を与えることが判明した。さらに、減速部では内ピンが高速回転で駆動されるため、その内ピンも小型化しなければ、減速部の径方向寸法をモータ部の径方向寸法内に収めることができず、インホールモータ駆動装置として成立しないことが判明した。
前述の目的を達成するための技術的手段として、本発明は、モータ部、減速部および車輪用軸受部を保持するケーシングを備え、モータ部が偏心部を有する減速機入力軸を回転駆動し、減速部が減速機入力軸の回転を減速して減速機出力軸に伝達し、車輪用軸受部が減速機出力軸に連結されたインホイールモータ駆動装置であって、減速部は、減速機入力軸と、この減速機入力軸の偏心部に回転自在に保持されて、減速機入力軸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、この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ピンと、公転部材の自転運動を、減速機入力軸の回転軸心を中心とする回転運動に変換して減速機出力軸に伝達する運動変換機構と、減速部に潤滑油を供給する減速部潤滑機構とを備え、運動変換機構は、減速機出力軸に保持された内ピンを、公転部材に形成された貫通孔に挿入してころ軸受を介して公転部材に係合させた構造を備え、内ピンは、浸炭窒化処理を施し、かつ、表層部の残留オーステナイト量が２０〜３５％であることを特徴とする。
本発明において、内ピンは、浸炭窒化処理を施し、かつ、表層部の残留オーステナイト量を２０〜３５％としたことにより、ラジアル荷重やモーメント荷重が負荷されて過大応力が発生し易い状況下にあっても、転動疲労寿命を向上させることができると共に、残留オーステナイトによってクラックの発生および進展を抑制することができる。その結果、耐久性を確保しつつ、小型かつ軽量で、ＮＶＨ特性の良好なインホイールモータ駆動装置を実現することができる。
本発明における内ピンは、その内部に潤滑油を流通させるための潤滑油路を形成し、かつ、転走面に直接給油するための穴を設けていることが望ましい。このようにすれば、潤滑油路を流通する潤滑油により、高速回転で駆動される内ピンの温度上昇を抑制することができる。ところが、内ピンに潤滑油路および穴が形成されていると、潤滑油路および穴周辺を起点とするクラックが発生することがある。そこで、浸炭窒化処理を施し、かつ、表層部の残留オーステナイト量を２０〜３５％とすることにより、潤滑油路および穴周辺を起点とするクラックの発生および進展を抑制することができる。
本発明によれば、内ピンにおいて、浸炭窒化処理を施し、かつ、表層部の残留オーステナイト量を２０〜３５％としたことにより、ラジアル荷重やモーメント荷重が負荷されて過大応力が発生し易い状況下にあっても、転動疲労寿命を向上させることができると共に、残留オーステナイトによってクラックの発生および進展を抑制することができる。その結果、耐久性を確保しつつ、小型かつ軽量で、ＮＶＨ特性の良好なインホイールモータ駆動装置を実現することができる。
本発明の実施形態で、インホイールモータ駆動装置の全体構成を示す断面図である。 図１のＯ−Ｏ線に沿う断面図である。 図１の減速部を示す要部拡大断面図である。 図１の減速部の内ピンに組み込まれた針状ころ軸受を示す断面図である。 図１の曲線板に作用する荷重を示す説明図である。 図１のＰ−Ｐ線に沿う断面図である。 図１のＱ−Ｑ線に沿う断面図である。 図１のＲ−Ｒ線に沿う断面図である。 図１の回転ポンプを示す断面図である。 インホイールモータ駆動装置を搭載した電気自動車の概略構成を示す平面図である。 図１０の電気自動車を示す後方断面図である。 従来のインホイールモータ駆動装置の全体構成を示す断面図である。
本発明に係るインホイールモータ駆動装置２１の実施形態を、図１〜図１１を参照しながら以下に詳述する。
図１０は、インホイールモータ駆動装置２１を搭載した電気自動車１１の概略構成を示す平面図で、図１１は、電気自動車１１を後方から見たものである。図１０に示すように、電気自動車１１は、シャーシ１２と、操舵輪としての前輪１３と、駆動輪としての後輪１４と、その後輪１４に駆動力を伝達するインホイールモータ駆動装置２１とを装備する。図１１に示すように、後輪１４は、シャーシ１２のホイールハウジング１２ａの内部に収容され、懸架装置（サスペンション）１２ｂを介してシャーシ１２の下部に固定されている。
懸架装置１２ｂは、左右に延びるサスペンションアームによって後輪１４を支持すると共に、コイルスプリングとショックアブソーバとを含むストラットによって、後輪１４が地面から受ける振動を吸収してシャーシ１２の振動を抑制する。さらに、左右のサスペンションアームの連結部分には、旋回時などの車体の傾きを抑制するスタビライザが設けられている。懸架装置１２ｂは、路面の凹凸に対する追従性を向上させ、駆動輪の駆動力を効率よく路面に伝達するために、左右の車輪を独立して上下させることができる独立懸架式としている。
電気自動車１１は、ホイールハウジング１２ａの内部に、左右それぞれの後輪１４を駆動するインホイールモータ駆動装置２１を設けることによって、シャーシ１２上にモータ、ドライブシャフトおよびデファレンシャルギヤ機構などを設ける必要がなくなるので、客室スペースを広く確保でき、かつ、左右の後輪１４の回転をそれぞれ制御することができるという利点を有する。電気自動車１１の走行安定性およびＮＶＨ特性を向上させるためにばね下重量を抑える必要があり、さらに、広い客室スペースを確保するためにインホイールモータ駆動装置２１の小型化が求められる。
そこで、図１〜図９に示す構造のインホイールモータ駆動装置２１を採用している。なお、図１はインホイールモータ駆動装置２１の概略構成を示す断面図、図２は図１のＯ−Ｏ線に沿う断面図、図３は図１の減速部を示す拡大断面図、図４は図１の減速部の内ピンに組み込まれた針状ころ軸受を示す断面図、図５は曲線板に作用する荷重を示す説明図、図６は図１のＰ−Ｐ線に沿う断面図、図７は図１のＱ−Ｑ線に沿う断面図、図８は図１のＲ−Ｒ線に沿う断面図、図９は図１の回転ポンプを示す断面図である。
図１に示すように、インホイールモータ駆動装置２１は、駆動力を発生させるモータ部Ａと、モータ部Ａの回転を減速して出力する減速部Ｂと、減速部Ｂからの出力を駆動輪１４（図１０および図１１参照）に伝達する車輪用軸受部Ｃとを備え、モータ部Ａと減速部Ｂはケーシング２２に収納されて、図１０に示すように、電気自動車１１のホイールハウジング１２ａ内に取り付けられる。
モータ部Ａは、ケーシング２２に固定されているステータ２３ａと、ステータ２３ａの内側に径方向の隙間をもって対向する位置に配置されたロータ２３ｂと、ロータ２３ｂの内側に連結固定されてロータ２３ｂと一体回転するモータ回転軸２４ａとを備えたラジアルギャップモータである。中空構造のモータ回転軸２４ａは、ロータ２３ｂの内径面に嵌合固定されて一体回転すると共に、モータ部Ａ内で軸方向一方側端部（図１の右側）を転がり軸受３６ａに、軸方向他方側端部（図１の左側）を転がり軸受３６ｂによって回転自在に支持されている。
減速機入力軸２５は、図３に示すように、その軸方向一方側略中央部（図１の右側）が転がり軸受３７ａに、軸方向他方側端部（図１の左側）を転がり軸受３７ｂによって、減速機出力軸２８に対して回転自在に支持されている。一方の転がり軸受３７ａは、減速機出力軸２８に固定された内ピン３１の軸端部に連結固定されたスタビライザ３１ｂの円筒部３１ｄの内径面に嵌合されている。他方の転がり軸受３７ｂは、減速機出力軸２８のフランジ部２８ａの内径面に嵌合されている。
減速機入力軸２５は、減速部Ｂ内に偏心部２５ａ，２５ｂを有する。２つの偏心部２５ａ，２５ｂは、偏心運動による遠心力を互いに打ち消し合うために、１８０°位相をずらして設けられている。この減速機入力軸２５は、転がり軸受３７ａ，３７ｂによって減速機出力軸２８に対して回転自在に支持されている。モータ回転軸２４ａと減速機入力軸２５とは、図１に示すように、セレーション嵌合によって連結され、モータ部Ａの駆動力が減速部Ｂに伝達される。このセレーション嵌合部は、減速機入力軸２５がある程度傾いても、モータ回転軸２４ａへの影響を抑制するように構成されている。
減速部Ｂは、偏心部２５ａ、２５ｂに回転自在に保持される公転部材としての曲線板２６ａ，２６ｂと、ケーシング２２上の固定位置に保持され、曲線板２６ａ，２６ｂの外周部に係合する複数の外ピン２７と、曲線板２６ａ，２６ｂの自転運動を減速機出力軸２８に伝達する運動変換機構と、偏心部２５ａ，２５ｂに隣接する位置にカウンタウェイト２９とを備える。また、減速部Ｂには、潤滑油を供給するための減速部潤滑機構が設けられている。減速機出力軸２８は、フランジ部２８ａと軸部２８ｂとを有する。フランジ部２８ａには、減速機出力軸２８の回転軸心を中心とする円周上に複数の内ピン３１が等間隔に固定されている。また、軸部２８ｂはハブ輪３２に嵌合連結され、減速部Ｂの出力を車輪１４に伝達する。
図２および図３に示すように、曲線板２６ａ，２６ｂは、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貫通孔３０ａ，３０ｂを有する。貫通孔３０ａは、曲線板２６ａ，２６ｂの自転軸心を中心とする円周上に等間隔に複数個設けられており、内ピン３１を受け入れる。また、貫通孔３０ｂは、曲線板２６ａ，２６ｂの中心に設けられており、偏心部２５ａ，２５ｂに嵌合する。曲線板２６ａ，２６ｂは、転がり軸受４１によって偏心部２５ａ，２５ｂに対して回転自在に支持されている。
転がり軸受４１は、偏心部２５ａ，２５ｂの外径面に嵌合し、その外径面に内側軌道面４２ａを有する内輪４２と、曲線板２６ａ，２６ｂの貫通孔３０ｂの内径面に直接形成された外側軌道面４３と、内側軌道面４２ａと外側軌道面４３の間に配置される複数の円筒ころ４４と、円筒ころ４４を保持する保持器４５とを備える円筒ころ軸受である。また、内輪４２は、内側軌道面４２ａの軸方向両端部から径方向外側に突出する鍔部４２ｂを有する。ここで、転がり軸受４１は、内輪４２を別体で形成したものを例示したが、これに限ることなく、外側軌道面４３と同様に、偏心部２５ａの外径面に内側軌道面を直接形成してもよい。
外ピン２７は、減速機入力軸２５の回転軸心を中心とする円周上に等間隔に設けられている。曲線板２６ａ，２６ｂが公転運動すると、曲線形状の波形と外ピン２７とが係合して、曲線板２６ａ，２６ｂに自転運動を生じさせる。外ピン２７は、針状ころ軸受２７ａを介して回転自在に外ピンハウジング６０に保持され、この外ピンハウジング６０がケーシング２２（図１参照）に回り止め状態（図示省略）で取り付けられている。これにより、曲線板２６ａ，２６ｂとの間の接触抵抗を低減することができる。なお、外ピン２７は針状ころ軸受２７ａを介してケーシング２２に直接保持する構造にしてもよい。
カウンタウェイト２９は、略扇形状で、減速機入力軸２５と嵌合する貫通孔を有し、曲線板２６ａ，２６ｂの回転によって生じる不釣合い慣性偶力を打ち消すために、偏心部２５ａ，２５ｂと隣接する位置に偏心部２５ａ，２５ｂと１８０°位相をずらして配置される。図３に示すように、２枚の曲線板２６ａ，２６ｂ間の回転軸心方向の中心点をＧとすると、その中心点Ｇの右側について、中心点Ｇと曲線板２６ａの中心との距離をＬ1、曲線板２６ａ、転がり軸受４１および偏心部２５ａの質量の和をｍ1、曲線板２６ａの重心の回転軸心からの偏心量をε1とし、中心点Ｇとカウンタウェイト２９との距離をＬ2、カウンタウェイト２９の質量をｍ2、カウンタウェイト２９の重心の回転軸心からの偏心量をε2とすると、Ｌ1×ｍ1×ε1＝Ｌ2×ｍ2×ε2を満たす関係となっている。Ｌ1×ｍ1×ε1＝Ｌ2×ｍ2×ε2の関係は、不可避的に生じる誤差を許容する。中心点Ｇの左側の曲線板２６ｂとカウンタウェイト２９との間にも同様の関係が成立する。
運動変換機構は、減速機出力軸２８に保持された内ピン３１を、曲線板２６ａ，２６ｂに設けられた貫通孔３０ａに挿入してころ軸受としての針状ころ軸受３１ａを介して曲線板２６ａ，２６ｂに係合させた構造を備えている。なお、この実施形態では、針状ころ軸受３１ａを例示するが、円筒ころ軸受などの他のころ軸受であってもよい。貫通孔３０ａは、複数の内ピン３１それぞれに対応する位置に設けられ、貫通孔３０ａの内径寸法は、内ピン３１の外径寸法（針状ころ軸受３１ａを含む最大外径）より所定寸法大きく設定されている。内ピン３１は、減速機出力軸２８の回転軸心を中心とする円周上に等間隔に設けられており、その軸方向一方側端部が減速機出力軸２８に固定されている。減速機出力軸２８は減速機入力軸２５と同軸上に配置されているので、曲線板２６ａ，２６ｂの自転運動を、減速機入力軸２５の回転軸心を中心とする回転運動に変換して減速機出力軸２８に伝達する。内ピン３１に組み込まれた針状ころ軸受３１ａが、曲線板２６ａ，２６ｂの貫通孔３０ａの内壁面に当接することにより、曲線板２６ａ，２６ｂとの摩擦抵抗を低減する。
内ピン３１の軸方向他方側端部には、スタビライザ３１ｂが設けられている。スタビライザ３１ｂは、円環形状の円環部３１ｃと、円環部３１ｃの内径面から軸方向に延びる円筒部３１ｄとを含む。複数の内ピン３１の軸方向他方側端部は、スタビライザ３１ｂの円環部３１ｃに固定されている。曲線板２６ａ，２６ｂから一部の内ピン３１に負荷される荷重はスタビライザ３１ｂを介して全ての内ピン３１によって支持されるため、内ピン３１に作用する応力を低減させ、耐久性を向上させることができる。また、内ピン３１の軸方向一方側端部が減速機出力軸２８に保持され、その軸方向他方側端部がスタビライザ３１ｂに保持された両端支持構造となっていることから、剛性の向上とモーメント荷重の低減が図れる。
この内ピン３１に組み込まれた針状ころ軸受３１ａは、図４に示すように、曲線板２６ａ，２６ｂの貫通孔３０ａ（図３参照）の内壁面に係合し、内径面に外側軌道面３８ａを有する外輪３８と、内ピン３１の外径面に直接形成された内側軌道面３８ｃと、内側軌道面３８ｃと外側軌道面３８ａの間に配置される複数の針状ころ３９とで構成されている。複数の針状ころ３９は、保持器のない、いわゆる単列総ころ状態で配設されている。なお、内ピン３１の軸方向に沿って並設された二つの針状ころ軸受３１ａは、減速機出力軸２８のフランジ部２８ａとスタビライザ３１ｂの円環部３１ｃとの間でスペーサ４０ａ，４０ｂを介在させることにより、内ピン３１に対する軸方向位置が規制されている。
このように、ころ軸受に針状ころ軸受３１ａを採用することにより、内ピン３１に組み込まれるころ軸受自体も小型化でき、インホイールモータ駆動装置２１の小型化および軽量化に寄与する。また、針状ころ軸受３１ａに内輪がないタイプを採用することにより、針状ころ軸受３１ａ自体もさらに小型化でき、インホイールモータ駆動装置２１の小型化および軽量化により一層好適である。
曲線板２６ａ，２６ｂに作用する荷重の状態を図５に基づいて説明する。偏心部２５ａの軸心Ｏ2は減速機入力軸２５の軸心Ｏから偏心量ｅだけ偏心している。偏心部２５ａの外周には、曲線板２６ａが取り付けられ、偏心部２５ａは曲線板２６ａを回転自在に支持するので、軸心Ｏ2は曲線板２６ａの軸心でもある。曲線板２６ａの外周は波形曲線で形成され、径方向に窪んだ波形の凹部３３を周方向等間隔に有する。曲線板２６ａの周囲には、凹部３３と係合する外ピン２７が、軸心Ｏを中心として周方向に複数配設されている。
図５において、減速機入力軸２５と共に偏心部２５ａが紙面上で反時計周りに回転すると、偏心部２５ａは軸心Ｏを中心とする公転運動を行うので、曲線板２６ａの凹部３３が、外ピン２７と周方向に順次当接する。この結果、矢印で示すように、曲線板２６ａは、複数の外ピン２７から荷重Ｆｉを受けて、時計回りに自転する。
また、曲線板２６ａには貫通孔３０ａが軸心Ｏ2を中心として周方向に複数配設されている。各貫通孔３０ａには、軸心Ｏと同軸に配置された減速機出力軸２８と結合する内ピン３１が挿通する。貫通孔３０ａの内径は、内ピン３１の外径よりも所定寸法大きいため、内ピン３１は曲線板２６ａの公転運動の障害とはならず、内ピン３１は曲線板２６ａの自転運動を取り出して減速機出力軸２８を回転させる。このとき、減速機出力軸２８は、減速機入力軸２５よりも高トルクかつ低回転数になり、図５に矢印で示すように、曲線板２６ａは、複数の内ピン３１から荷重Ｆｊを受ける。これらの複数の荷重Ｆｉ，Ｆｊの合力Ｆｓが減速機入力軸２５にかかる。
合力Ｆｓの方向は、曲線板２６ａの波形形状、凹部３３の数などの幾何学的条件や遠心力の影響により変化する。具体的には、自転軸心Ｏ2と軸心Ｏとを結ぶ直線Ｙと直角であって自転軸心Ｏ2を通過する基準線Ｘと、合力Ｆｓとの角度αは概ね３０°〜６０°で変動する。上記の複数の荷重Ｆｉ、Ｆｊは、減速機入力軸２５が１回転（３６０°）する間に荷重の方向や大きさが変り、その結果、減速機入力軸２５に作用する合力Ｆｓも荷重の方向や大きさが変動する。そして、減速機入力軸２５が１回転すると、曲線板２６ａの波形の凹部３３が減速されて１ピッチ時計回りに回転し、図５の状態になり、これを繰り返す。
このため、内ピン３１は、荷重の方向と大きさが変動するラジアル荷重およびモーメント荷重が負荷されることになる。その結果、軸受温度の上昇や内側軌道面と外側軌道面の温度差が予想以上に大きくなることを検証した。そこで、内ピン３１の材料および熱処理の面において、内ピン３１を軸受鋼または浸炭鋼とし、さらに、内ピン３１に浸炭窒化処理を施し、かつ、表層部に窒素を拡散してオーステナイトの安定性（マルテンサイト変態し難い性質）を向上させることにより、焼入れ後に２０〜３５％の残留オーステナイトを保持させる。
このように、浸炭窒化処理を施し、かつ、表層部の残留オーステナイト量を２０〜３５％とすることにより、転動疲労寿命を向上させることができると共に、残留オーステナイトによってクラックの発生および進展を抑制することができ、修正定格寿命（ＩＳＯ２８１）を向上させることができ長寿命となる。その結果、曲線板２６ａ，２６ｂとの間にミスアライメントが発生した場合、針状ころ軸受３１ａを介して内ピン３１に局所的な荷重が加わっても、クラックの発生および進展を抑制することができ、インホイールモータ駆動装置２１の耐久性向上が図れる。また、この内ピン３１は、その内部に潤滑油を流通させるための潤滑油路３１ｆを形成し、かつ、転走面に直接給油するための穴３１ｇを設けていることから（図３参照）、浸炭窒化処理を施し、かつ、表層部の残留オーステナイト量を２０〜３５％とすることにより、潤滑油路３１ｆおよび穴３１ｇ周辺を起点とするクラックの発生および進展を抑制することができる。なお、内ピン３１の表層部の残留オーステナイト量が２０％よりも少ないと、クラックの発生および進展を抑制する効果が不十分となり、残留オーステナイト量が３５％よりも多いと、硬度が低下して転動疲労寿命が満足できなくなる。
以上のように、内ピン３１と曲線板２６ａ，２６ｂにミスアライメントが発生した場合、内ピン３１に組み込まれた針状ころ軸受３１ａも曲線板２６ａ，２６ｂから大きな荷重を受けることになる。そのため、内ピン３１だけでなく針状ころ軸受３１ａも、ラジアル荷重やモーメント荷重が負荷されて過大応力が発生し易い状況下におかれている。そこで、針状ころ軸受３１ａの構成部材の材料および熱処理の面において、外輪３８を軸受鋼または浸炭鋼で製作すると共に、針状ころ３９を軸受鋼とし、さらに、外輪３８および針状ころ３９に浸炭窒化処理を施し、かつ、表層部に窒素を拡散してオーステナイトの安定性を向上させることにより、焼入れ後に２０〜３５％の残留オーステナイトを保持させる。
このように、内ピン３１だけでなく、針状ころ軸受３１ａについても、浸炭窒化処理を施し、かつ、表層部の残留オーステナイト量を２０〜３５％とすることにより、転動疲労寿命を向上させることができると共に、残留オーステナイトによってクラックの発生および進展を抑制することができ、修正定格寿命（ＩＳＯ２８１）を向上させることができ長寿命となる。その結果、同等の寿命をもつ針状ころ軸受３１ａを小型化することができ、耐久性のある小型で軽量なインホイールモータ駆動装置２１を実現することができる。なお、針状ころ軸受３１ａの表層部の残留オーステナイト量が２０％よりも少ないと、クラックの発生および進展を抑制する効果が不十分となり、残留オーステナイト量が３５％よりも多いと、硬度が低下して転動疲労寿命が満足できなくなる。
図１に示すように、車輪用軸受部Ｃは、減速機出力軸２８に連結されたハブ輪３２と、ハブ輪３２をケーシング２２に対して回転自在に支持する車輪用軸受３３とを備える。ハブ輪３２は、円筒形状の中空部３２ａとフランジ部３２ｂとを有する。フランジ部３２ｂにはボルト３２ｃによって駆動輪１４（図１０および図１１参照）が連結固定される。減速機出力軸２８の軸部２８ｂの外径面にはスプラインが形成されており、このスプラインをハブ輪３２の中空部３２ａの内径面に形成されたスプライン穴に嵌合させてトルク伝達可能に連結されている。
車輪用軸受３３は、ハブ輪３２およびそのハブ輪３２の小径段部に嵌合された内輪３３ａからなる内側軸受部材と、ケーシング２２の内径面に嵌合固定された外側軸受部材３３ｂと、ハブ輪３２および内輪３３ａの外径面に形成された内側軌道面３３ｆ，３３ｇと外側軸受部材３３ｂの内径面に形成された外側軌道面３３ｈ，３３ｉとの間に配置された転動体としての複数の玉３３ｃと、隣接する玉３３ｃの間隔を保持する保持器３３ｄと、車輪用軸受３３の軸方向両端部を密封するシール部材３３ｅとを備えた複列アンギュラ玉軸受である。
次に減速部潤滑機構を説明する。減速部潤滑機構は、減速部Ｂに潤滑油を供給するものであって、図１および図３に示す潤滑油路２５ｃ、潤滑油供給口２５ｄ，２５ｅ，２５ｆ、スタビライザ３１ｂ内の潤滑油路３１ｅ、内ピン３１内の潤滑油路３１ｆ、潤滑油排出口２２ｂ、潤滑油貯留部２２ｄ、潤滑油路２２ｅ、回転ポンプ５１および循環油路４５とで主要部が構成されている。なお、減速部潤滑機構内に付した白抜き矢印は潤滑油の流れる方向を示す。
潤滑油路２５ｃは、減速機入力軸２５の内部を軸線方向に沿って延びている。潤滑油供給口２５ｄ，２５ｅは、潤滑油路２５ｃから減速機入力軸２５の外径面に向って延び、潤滑油供給口２５ｆは、減速機入力軸２５の軸端部から回転軸心方向に軸端面に向って延びている。減速部Ｂの位置におけるケーシング２２の少なくとも１箇所には、減速部Ｂ内部の潤滑油を排出する潤滑油排出口２２ｂが設けられている。そして、潤滑油排出口２２ｂと潤滑油路２５ｃとを接続する循環油路４５がケーシング２２の内部に設けられている。潤滑油排出口２２ｂから排出された潤滑油は、循環油路４５を経由して潤滑油路２５ｃに還流する。
図１および図６〜図８に示すように、循環油路４５は、ケーシング２２の内部を軸方向に延びる軸方向油路４５ａと、軸方向油路４５ａの軸方向一端部（図１の右側）に接続されて径方向に延びる径方向油路４５ｃと、軸方向油路４５ａの軸方向他端部（図１の左側）に接続されて径方向に延びる径方向油路４５ｂとで構成される。径方向油路４５ｂは回転ポンプ５１から圧送された潤滑油を軸方向油路４５ａに供給し、軸方向油路４５ａから径方向油路４５ｃを経て潤滑油を潤滑油路２５ｃに供給する。
潤滑油貯留部２２ｄに接続する潤滑油路２２ｅと循環油路４５との間には、回転ポンプ５１が設けられており、潤滑油を強制的に循環させている。図９に示すように、回転ポンプ５１は、減速機出力軸２８（図１参照）の回転を利用して回転するインナーロータ５２と、インナーロータ５２の回転に伴って従動回転するアウターロータ５３と、ポンプ室５４と、潤滑油路２２ｅに連通する吸入口５５と、循環油路４５の径方向油路４５ｂに連通する吐出口５６とを備えるサイクロイドポンプである。
インナーロータ５２は、外径面にサイクロイド曲線で構成される歯形を有する。具体的には、歯先部分５２ａの形状がエピサイクロイド曲線、歯溝部分５２ｂの形状がハイポサイクロイド曲線となっている。インナーロータ５２は、スタビライザ３１ｂの円筒部３１ｄ（図１および図３参照）の外径面に嵌合して内ピン３１（減速機出力軸２８）と一体回転する。
アウターロータ５３は、内径面にサイクロイド曲線で構成される歯形を有する。具体的には、歯先部分５３ａの形状がハイポサイクロイド曲線、歯溝部分５３ｂの形状がエピサイクロイド曲線となっている。アウターロータ５３は、ケーシング２２に回転自在に支持されている。インナーロータ５２は、回転中心ｃ1を中心として回転する。一方、アウターロータ５３は、インナーロータ５２の回転中心ｃ1と異なる回転中心ｃ2を中心として回転する。インナーロータ５２の歯数をｎとすると、アウターロータ５３の歯数は（ｎ＋１）となる。なお、この実施形態においては、ｎ＝５としている。
インナーロータ５２とアウターロータ５３との間の空間には、複数のポンプ室５４が設けられている。そして、インナーロータ５２が減速機出力軸２８の回転を利用して回転すると、アウターロータ５３は従動回転する。このとき、インナーロータ５２およびアウターロータ５３はそれぞれ異なる回転中心ｃ1，ｃ2を中心として回転するので、ポンプ室５４の容積は連続的に変化する。これにより、吸入口５５から流入した潤滑油が吐出口５６から径方向油路４５ｂに圧送される。
なお、前述の構成からなる回転ポンプ５１の回転中にインナーロータ５２が傾くと、ポンプ室５４の容積が変化して潤滑油を適切に圧送することができなかったり、インナーロータ５２とアウターロータ５３とが接触してスムーズな回転を阻害するおそれがある。そこで、図１に示すように、インナーロータ５２には、段付部５２ｃが設けられている。この段付部５２ｃは、その外径面（案内面）がケーシング２２の内径面に当接して、車輪１４からのラジアル荷重によってインナーロータ５２が傾くのを防止している。
潤滑油排出口２２ｂと回転ポンプ５１との間には、潤滑油を一時的に貯留する潤滑油貯留部２２ｄが設けられている。これにより、高速回転時においては、回転ポンプ５１によって圧送しきれない潤滑油を一時的に潤滑油貯留部２２ｄに貯留しておくことができる。その結果、減速部Ｂのトルク損失の増加を防止することができる。一方、低速回転時においては、潤滑油排出口２２ｂに到達する潤滑油量が少なくなっても、潤滑油貯留部２２ｄに貯留されている潤滑油を潤滑油路２５ｃに還流することができる。その結果、減速部Ｂに安定して潤滑油を供給することができる。なお、減速部Ｂ内部の潤滑油は、遠心力に加えて重力によって外側に移動する。従って、潤滑油貯留部２２ｄがインホイールモータ駆動装置２１の下部に位置するように、電気自動車１１に取り付けるのが望ましい。
前述の構成からなる減速部Ｂにおける潤滑油の流れを説明する。まず、潤滑油路２５ｃを流れる潤滑油は、減速機入力軸２５の回転に伴う遠心力および圧力によって潤滑油供給口２５ｄ、２５ｅ，２５ｆから減速部Ｂに流出する。その後、減速部Ｂ内の各転がり軸受へ潤滑油が次のように流れてゆく。
潤滑油供給口２５ｅ，２５ｆから流出した潤滑油は、遠心力の作用により、減速機入力軸２５を支持する転がり軸受（深溝玉軸受）３７ａ，３７ｂに供給される。さらに、潤滑油供給口２５ｅから流出した潤滑油は、スタビライザ３１ｂ内の潤滑油路３１ｅへ導かれて内ピン３１内の潤滑油路３１ｆへ至り、この潤滑油路３１ｆから針状ころ軸受３１ａに供給される。さらに、潤滑油は、遠心力により、曲線板２６ａ，２６ｂと内ピン３１との当接部分や曲線板２６ａ，２６ｂと外ピン２７との当接部分、外ピン２７を支持する針状ころ軸受２７ａ、減速機出力軸２８（スタビライザ３１ｂ）を支持する転がり軸受４６などを潤滑しながら径方向外側に移動する。
一方、潤滑油供給口２５ｄから流出した潤滑油は、曲線板２６ａ，２６ｂを支持する転がり軸受（円筒ころ軸受）４１の内輪４２に設けた供給孔４２ｃ（図３参照）から軸受内部へ供給される。これにより、円筒ころ４４、内側軌道面４２ａおよび外側軌道面４３が潤滑される。さらに、潤滑油は、潤滑油供給口２５ｅ，２５ｆから流出した潤滑油と同様に、遠心力により、曲線板２６ａ，２６ｂと内ピン３１との当接部分および曲線板２６ａ，２６ｂと外ピン２７との当接部分等を潤滑しながら径方向外側に移動する。
前述のような潤滑油の流れによって、減速部Ｂ内の各転がり軸受が潤滑される。ケーシング２２の内壁面に到達した潤滑油は、潤滑油排出口２２ｂから排出されて潤滑油貯留部２２ｄに貯留される。潤滑油貯留部２２ｄに貯留された潤滑油は、潤滑油路２２ｅを通って吸入口５５から回転ポンプ５１に供給され、吐出口５６から循環油路４５に圧送される。これにより、潤滑油は、循環油路４５の径方向油路４５ｂから軸方向油路４５ａ、径方向油路４５ｃを経由して潤滑油路２５ｃに還流する。循環油路４５を流れる潤滑油の一部は、ケーシング２２とモータ回転軸２４ａとの間から転がり軸受３６ａを潤滑する。転がり軸受３６ｂは、回転ポンプ５１の段付部５２ｃとケーシング２２の間からの潤滑油により潤滑される。
潤滑油排出口２２ｂからの潤滑油の排出量は、減速機入力軸２５の回転数に比例して多くなる。一方、インナーロータ５２は減速機出力軸２８と一体回転するので、回転ポンプ５１の吐出量は、減速機出力軸２８の回転数に比例して多くなる。そして、潤滑油排出口２２ｂから減速部Ｂに供給される潤滑油量は、回転ポンプ５１の吐出量に比例して多くなる。すなわち、減速部Ｂへの潤滑油の供給量および排出量は、いずれもインホイールモータ駆動装置２１の回転数によって変化するので、常にスムーズに潤滑油を循環させることができる。
このように、減速機入力軸２５から減速部Ｂに潤滑油を供給することにより、減速機入力軸２５周辺の潤滑油不足を解消することができる。また、回転ポンプ５１をケーシング２２内に配置することによって、インホイールモータ駆動装置２１全体としての大型化を防止することができる。
前述の構成からなるインホイールモータ駆動装置２１の全体的な作動原理を説明する。
モータ部Ａは、例えば、ステータ２３ａのコイルに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、永久磁石又は磁性体によって構成されるロータ２３ｂが回転する。これにより、モータ回転軸２４ａに連結された減速機入力軸２５が回転すると、曲線板２６ａ，２６ｂは減速機入力軸２５の回転軸心を中心として公転運動する。このとき、外ピン２７が、曲線板２６ａ，２６ｂの曲線形状の波形と係合して、曲線板２６ａ，２６ｂを減速機入力軸２５の回転とは逆向きに自転回転させる。
貫通孔３０ａに挿通する内ピン３１は、曲線板２６ａ，２６ｂの自転運動に伴って貫通孔３０ａの内壁面と当接する。これにより、曲線板２６ａ，２６ｂの公転運動が内ピン３１に伝わらず、曲線板２６ａ，２６ｂの自転運動のみが減速機出力軸２８を介して車輪用軸受部Ｃに伝達される。このとき、減速機入力軸２５の回転が減速部Ｂによって減速されて減速機出力軸２８に伝達されるので、低トルク、高回転型のモータ部Ａを採用した場合でも、駆動輪１４に必要なトルクを伝達することが可能となる。
この減速部Ｂの減速比は、外ピン２７の数をＺA、曲線板２６ａ、２６ｂの波形の数をＺBとすると、（ＺA−ＺB）／ＺBで算出される。図２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部Ｂを採用することにより、コンパクトで高減速比のインホイールモータ駆動装置２１を得ることができる。また、外ピン２７および内ピン３１に針状ころ軸受２７ａ，３１ａ（図３参照）を設けたことにより、曲線板２６ａ，２６ｂとの間の摩擦抵抗が低減されるので、減速部Ｂの伝達効率が向上する。
この実施形態においては、潤滑油供給口２５ｄを偏心部２５ａ，２５ｂに設け、潤滑油供給口２５ｅ，２５ｆを減速機入力軸２５の途中位置および軸端に設けた例を示したが、これに限ることなく、減速機入力軸２５の任意の位置に設けることができる。ただし、転がり軸受４１，３７ａ，３７ｂに安定して潤滑油を供給する観点からは、潤滑油供給口２５ｄは偏心部２５ａ，２５ｂに、潤滑油供給口２５ｅ，２５ｆは、減速機入力軸２５の途中位置および軸端に設けるのが望ましい。
また、回転ポンプ５１を減速機出力軸２８の回転を利用して駆動した例を示したが、回転ポンプ５１は減速機入力軸２５の回転を利用して駆動することもできる。しかし、減速機入力軸２５の回転数は減速機出力軸２８と比較して大きい（この実施形態では１１倍）ので、回転ポンプ５１の耐久性が低下するおそれがある。また、減速された減速機出力軸２８に接続しても十分な排出量を確保することができる。これらの観点から、回転ポンプ５１は減速機出力軸２８の回転を利用して駆動することが望ましい。回転ポンプ５１としてサイクロイドポンプの例を示したが、これに限ることなく、減速機出力軸２８の回転を利用して駆動するあらゆる回転型ポンプを採用することができる。さらには、回転ポンプ５１を省略して、遠心力のみによって潤滑油を循環させるようにしてもよい。
減速部Ｂの曲線板２６ａ，２６ｂを１８０°位相をずらして２枚設けた例を示したが、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°位相をずらして設けるとよい。運動変換機構は、減速機出力軸２８に固定された内ピン３１と、曲線板２６ａ，２６ｂに設けられた貫通孔３０ａとで構成された例を示したが、これに限ることなく、減速部Ｂの回転をハブ輪３２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２６ａ，２６ｂに固定された内ピンと減速機出力軸２８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。
この実施形態における作動の説明は、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モータ部Ａから駆動輪１４に伝達される。したがって、前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、モータ部Ａに電力を供給してモータ部を駆動させ、モータ部Ａからの動力を駆動輪１４に伝達させる場合を示したが、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、駆動輪１４側からの動力を減速部Ｂで高回転低トルクの回転に変換してモータ部Ａに伝達し、モータ部Ａで発電してもよい。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、後でモータ部Ａを駆動させたり、車両に備えられた他の電動機器などの作動に用いてもよい。
この実施形態の構成にブレーキを加えることもできる。例えば、図１の構成において、ケーシング２２を軸方向に延長してロータ２３ｂの図中右側に空間を形成し、ロータ２３ｂと一体的に回転する回転部材と、ケーシング２２に回転不能にかつ軸方向に移動可能なピストンとこのピストンを作動させるシリンダとを配置して、車両停止時にピストンと回転部材とによってロータ２３ｂをロックするパーキングブレーキとしてもよい。また、ロータ２３ｂと一体的に回転する回転部材の一部に形成されたフランジおよびケーシング２２側に設置された摩擦板をケーシング２２側に設置されたシリンダで挟むディスクブレーキであってもよい。さらに、この回転部材の一部にドラムを形成すると共に、ケーシング２２側にブレーキシューを固定し、摩擦係合およびセルフエンゲージ作用で回転部材をロックするドラムブレーキを用いることができる。
この実施形態においては、モータ部Ａにラジアルギャップモータを採用した例を示したが、これに限ることなく、任意の構成のモータを適用可能である。例えば、ケーシングに固定されるステータと、ステータの内側の軸方向の隙間を開けて対向する位置に配置されるロータとを備えるアキシャルギャップモータであってもよい。さらに、図１０および図１１に示した電気自動車１１は、後輪１４を駆動輪とした例を示したが、これに限ることなく、前輪１３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。
本発明は前述した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、さらに種々なる形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。
２１ インホイールモータ駆動装置
２２ ケーシング
２５ 減速機入力軸
２５ａ，２５ｂ 偏心部
２６ａ，２６ｂ 公転部材（曲線板）
２８ 減速機出力軸
３０ａ 貫通孔
３１ 運動変換機構（内ピン）
３１ａ ころ軸受（針状ころ軸受）
３１ｆ 潤滑油路
３１ｇ 穴
Ａ モータ部
Ｂ 減速部
Ｃ 車輪用軸受部

Claims (2)

  1. モータ部、減速部および車輪用軸受部を保持するケーシングを備え、前記モータ部が偏心部を有する減速機入力軸を回転駆動し、前記減速部が前記減速機入力軸の回転を減速して減速機出力軸に伝達し、前記車輪用軸受部が前記減速機出力軸に連結されたインホイールモータ駆動装置であって、
    前記減速部は、前記減速機入力軸と、この減速機入力軸の偏心部に回転自在に保持されて、前記減速機入力軸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、この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ピンと、前記公転部材の自転運動を、前記減速機入力軸の回転軸心を中心とする回転運動に変換して前記減速機出力軸に伝達する運動変換機構と、減速部に潤滑油を供給する減速部潤滑機構とを備え、
    前記運動変換機構は、減速機出力軸に保持された内ピンを、前記公転部材に形成された貫通孔に挿入してころ軸受を介して前記公転部材に係合させた構造を備え、前記内ピンは、浸炭窒化処理を施し、かつ、表層部の残留オーステナイト量が２０〜３５％であることを特徴とするインホイールモータ駆動装置。
  2. 前記内ピンは、その内部に潤滑油を流通させるための潤滑油路を形成し、かつ、転走面に直接給油するための穴を設けている請求項１に記載のインホイールモータ駆動装置。
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