JP2015169299A - インホイールモータ駆動装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】インホイールモータ駆動装置の低コスト化および耐久性向上を図る。【解決手段】減速部Bが、偏心部25a,25bを有し、モータ部Aにより回転駆動される減速機入力軸25と、偏心部25a,25bの外周に回転自在に保持された曲線板26a,26bと、曲線板26a,26bの外周部と係合して曲線板26a,26bに自転運動を生じさせる複数の外ピン27と、外ピン27を保持した外ピン保持部材60とを備え、外ピン保持部材60およびケーシング22で支持ピン70の一端および他端をそれぞれ支持することにより、外ピン保持部材60がケーシング22に対して回り止め状態で支持されたインホイールモータ駆動装置21において、支持ピン70が肌焼き鋼で形成され、浸炭焼入れ焼戻しが施されることにより形成された硬化層Hを有する。【選択図】図6

Description

本発明は、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が、例えば下記の特許文献1に開示されている。インホイールモータ駆動装置は、装置全体がホイールの内部に収容され、あるいはホイール近傍に配置される関係上、その重量や大きさが車両のばね下重量(走行性能)や客室スペースの広さに影響を及ぼす。このため、インホイールモータ駆動装置は、できるだけ軽量・コンパクト化する必要がある。そこで、特許文献1のインホイールモータ駆動装置では、駆動力を発生させるモータ部と、車輪が連結される車輪用軸受部との間に減速部を設けることにより、モータ部、ひいては装置全体の小型化を図るようにしている。モータ部、車輪用軸受部および減速部はケーシングに保持されており、ケーシングは図示しない懸架装置を介して車体に取り付けられる。
さらに、特許文献1のインホイールモータ駆動装置では、軽量・コンパクト化を推進しつつ、車輪用軸受部で必要とされる大きなトルクを得るために、モータ部に低トルクで高回転型(例えば15000min−1程度)のモータを採用すると共に、減速部に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を採用している。
サイクロイド減速機を適用した減速部は、主に、偏心部を有する減速機入力軸と、偏心部の外周に回転自在に保持され、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外歯車としての曲線板と、曲線板の外周部(外歯)と係合して曲線板に自転運動を生じさせる内歯として機能する複数の外ピンと、曲線板の自転運動を減速機出力軸の回転運動に変換する運動変換機構とを備える。複数の外ピンは外ピン保持部材に保持されており、この外ピン保持部材はケーシングに対して回り止め状態で支持されている。
外ピン保持部材をケーシングに対して回り止め状態で支持する支持手段(回り止め手段)は、主に、外ピン保持部材およびケーシングのそれぞれに設けた孔部と、一端および他端が外ピン保持部材およびケーシングの孔部にそれぞれ嵌合(支持)された支持ピンとで構成される。なお、特許文献1では、ケーシングの孔部又は外ピン保持部材の孔部に円筒状の弾性ブッシュが嵌合されており、支持ピンの一端又は他端は弾性ブッシュを介して支持されている。これは、モータ部の駆動時に減速部で発生する振動を弾性ブッシュで吸収し、インホイールモータ駆動装置の静粛性を向上するためである。
特開2013−148198号公報
上記の構成を有するインホイールモータ駆動装置の駆動時、外ピン保持部材をケーシングに対して回り止め状態で支持する支持ピンは、曲線板から外ピンに作用する荷重の反力を受けることから十分な強度(曲げ剛性)を具備している必要がある。また、支持ピンのうち、特に他部材(ケーシング、外ピン保持部材、弾性ブッシュ等)との嵌合部には、他部材への嵌合時やモータ部の駆動時における他部材との摺動・接触に伴う摩耗を可及的に防止できるだけの耐摩耗性も必要とされる。加えて、車両の運転走行時には、瞬間的な衝撃荷重が車輪用軸受部を介して減速部に入力される場合があることから、支持ピンは、瞬間的な衝撃荷重が入力された時に破断しないような高い靱性も具備している必要がある。
その一方、インホイールモータ駆動装置を普及させるためには、インホイールモータ駆動装置のコスト低減を推進する必要がある。このため、支持ピンは、できるだけ簡便に作製(加工)可能であることが望まれる。
以上のように、支持ピンは、種々の要求特性を同時に満足する必要がある。しかしながら、特許文献1のインホイールモータ駆動装置においては、以上のような種々の要求特性を同時に満足するための技術手段について何ら検討されていない。従って、特許文献1のインホイールモータ駆動装置には改善の余地が残されている。
上記の実情に鑑み、本発明の目的は、簡便に作製可能でありながら強度、耐摩耗性および靱性等に優れた支持ピンを実現し、これを通じて、低コストでかつ耐久性に優れた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、上記の目的を達成するために、支持ピンの材料面について検討し、その結果見出された以下の知見に基づいている。
強度および耐摩耗性を高いレベルで満足することのできる材料として、例えば、肌焼き鋼等の低炭素鋼に浸炭焼入れ焼戻しを施したもの、軸受鋼にずぶ焼入れを施したもの、高炭素鋼に高周波焼入れを施したもの、などを挙げることができる。しかしながら、ずぶ焼入れを施した場合には、表層部のみならず芯部の硬度も高まる。そのため、軸受鋼にずぶ焼入れを施したものでは、支持ピンに必要とされる靱性を確保することが難しいという問題がある。また、高炭素鋼は、低炭素鋼に比べて材料単価が高い上に熱処理前の加工性に劣るという問題があることに加え、これに高周波焼入れを適切に実施するためには、ワークの形状に応じた専用のコイルを設計・準備する必要がある。そのため、支持ピンの形成材料として高炭素鋼を選択した場合、支持ピンの形状変更に対する柔軟性に欠ける。
そこで、本発明では、モータ部、減速部および車輪用軸受部を保持したケーシングを備え、減速部が、偏心部を有し、モータ部により回転駆動される減速機入力軸と、偏心部の外周に回転自在に保持され、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と、曲線板の外周部と係合して曲線板に自転運動を生じさせる複数の外ピン、およびこれを保持した外ピン保持部材と、曲線板の自転運動を車輪用軸受部に連結された減速機出力軸の回転運動に変換する運動変換機構とを備え、外ピン保持部材およびケーシングにそれぞれ設けた孔部で支持ピンの一端および他端をそれぞれ支持することにより、外ピン保持部材がケーシングに対して回り止め状態で支持されたインホイールモータ駆動装置において、支持ピンが肌焼き鋼で形成され、浸炭焼入れ焼戻しが施されていることを特徴とするインホイールモータ駆動装置を提供する。
低炭素鋼の一種である肌焼き鋼は、未熱処理の状態(表面硬化層を有しない状態)では比較的軟質で加工性に優れるため、所定の形状を簡便かつ高精度に得ることができる。その一方、肌焼き鋼からなるワークに、熱処理として浸炭焼入れ焼戻しを施せば、表層部のみに硬化層を形成することができるので、芯部に必要とされる靱性を確保しつつ、強度および表面硬度(耐摩耗性)を効果的に高めることができる。しかも、浸炭焼入れ焼戻しは、形状変更に対する柔軟性を有するので、支持ピンの新規製作および設計変更の際に必要となるコストは少なくて済む。以上より、上記構成によれば、低コストに作製可能でありながら、強度および耐摩耗性が高められると共に芯部に必要とされる靱性が確保された支持ピンを得ることができる。従って、インホイールモータ駆動装置の低コスト化および耐久性の向上を同時に実現することができる。
減速部は、外ピンを軸方向に拘束する拘束部材をさらに有するものとすることができる。このようにすれば、外ピンの軸方向移動を規制して外ピンを軸方向の所定位置に保持することができるので、安定した動力伝達が実現される。この場合、拘束部材の固定方法に検討を要するが、外ピン保持部材の孔部に螺着されるねじ部と、拘束部材を外ピン保持部材との間に挟持固定する鍔部とを有する支持ピンを用いれば、支持ピンのねじ部を外ピン保持部材の孔部に螺着すると、支持ピンに設けた鍔部と外ピン保持部材とで拘束部材を挟持固定することができる。これにより、別途の締結部材(例えば、ボルト)等を用いることなく、拘束部材を位置決め固定することが可能となり、減速部の組立性が向上する。なお、この場合、ねじ部および鍔部を設ける分、支持ピンの形状が複雑化するが、支持ピンは加工性に富む肌焼き鋼で形成されているので、支持ピンの加工コスト増を可及的に抑制することができる。
ところで、ねじ部(および浸炭焼入れによる硬化層)を有する支持ピンを作製するにあたり、ねじ部の形成加工を熱処理としての浸炭焼入れ前に実施すると、熱処理による歪みでねじ部のねじ山が変形するおそれがある。そのため、ねじ部の形成加工は浸炭焼入れ後に実施するのが好ましい。しかしながら、支持ピン(最終的に支持ピンとなる中間加工品)のうち、ねじ部の被加工部位にも浸炭焼入れによる硬化層が形成されていると、ねじ部の形成加工が難加工となって支持ピンの製造コストが増大する。従って、ねじ部を有する支持ピンとしては、ねじ部に防炭処理が施されたもの、すなわち浸炭焼入れによる硬化層が、ねじ部の形成領域を避けて形成されたものを使用するのが好ましい。なお、浸炭焼入れは、通常、連続炉を用いて実施されるため、ワーク(熱処理対象物)の特定部位を避けて硬化層を形成することは容易ではないが、浸炭焼入れ前に防炭処理を施しておけば、ねじ部に硬化層が設けられていない支持ピンを容易に得ることができる。
支持ピンを嵌合・保持するケーシングの孔部又は外ピン保持部材の孔部の少なくとも一方には、径方向に弾性変形可能な弾性ブッシュを嵌合することができる。このようにすれば、モータ部の駆動時(減速機入力軸の回転時)に減速部内部で発生する振動を弾性ブッシュで吸収することができるので、インホイールモータ駆動装置の静粛性を向上することができる。弾性ブッシュとしては、例えば、同軸に配置された径の異なる2つの金属円筒体と、両円筒体の間に介在させた円筒状の弾性体と具備するものを使用することができる。
以上より、本発明によれば、簡便に作製可能でありながら強度、耐摩耗性および靱性等に優れた支持ピンを実現することができるので、低コストでありながら耐久性・信頼性に富むインホイールモータ駆動装置を実現することができる。
本発明の一実施形態に係るインホイールモータ駆動装置を示す図である。 図1の要部拡大図である。 図1のO−O線矢視概略断面図である 図1の曲線板に作用する荷重を示す説明図である。 図1の回転ポンプの横断面図である。 支持ピンの拡大断面図である。 電気自動車の概略平面図である。 図7の電気自動車を後方から見た概略断面図である。
図7および図8に基づいてインホイールモータ駆動装置を搭載した電気自動車11の概要を説明する。図7に示すように、電気自動車11は、シャシー12と、操舵輪として機能する一対の前輪13と、駆動輪として機能する一対の後輪14と、左右の後輪14のそれぞれを駆動するインホイールモータ駆動装置21とを備える。図8に示すように、後輪14は、シャシー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を介してシャシー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が路面から受ける振動を吸収してシャシー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、旋回時等の車体の傾きを抑制するスタビライザが設けられる。懸架装置12bは、路面の凹凸に対する追従性を向上し、後輪14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するのが望ましい。
この電気自動車11では、左右のホイールハウジング12aの内部に、左右の後輪14それぞれを回転駆動させるインホイールモータ駆動装置21が組み込まれるので、シャシー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等を設ける必要がなくなる。そのため、客室スペースを広く確保でき、しかも、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備えている。
電気自動車11の走行安定性およびNVH特性を向上するためには、ばね下重量を抑える必要がある。また、電気自動車11の客室スペースを拡大するためには、インホイールモータ駆動装置21を小型化する必要がある。そこで、図1に全体構造を示すインホイールモータ駆動装置21を採用する。
本発明の実施形態に係るインホイールモータ駆動装置21を図1〜図6に基づいて説明する。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からの出力を後輪14(図7、8参照)に伝達する車輪用軸受部Cとを備え、これらはケーシング22に保持されている。詳細は後述するが、このインホイールモータ駆動装置21は、モータ部Aおよび減速部Bの各所に潤滑油を供給する潤滑機構を有する。モータ部Aと減速部Bはケーシング22に収納された状態で電気自動車11のホイールハウジング12a(図8参照)内に取り付けられる。なお、本実施形態のケーシング22は、モータ部Aを収納した部分と、減速部Bを収納するとともに車輪用軸受部Cを保持した部分とをボルトで締結して構成されている。
モータ部Aは、ケーシング22に固定されたステータ23aと、ステータ23aの内側に径方向の隙間を介して対向配置されたロータ23bと、外周にロータ23bを装着した中空構造のモータ回転軸24とを備えるラジアルギャップモータである。モータ回転軸24は15000min−1程度の回転数で回転可能とされている。
モータ回転軸24は、その軸方向一方側(図1の右側であり、以下「インボード側」ともいう)および他方側(図1の左側であり、以下「アウトボード側」ともいう)の端部にそれぞれ配置された転がり軸受36,36によってケーシング22に対して回転自在に支持されている。転がり軸受36は、ケーシング22の内径面に嵌合固定された外輪と、モータ回転軸24の外径面に嵌合固定された内輪と、外輪と内輪との間に配置された複数のボールと、複数のボールを周方向に離間した状態で保持する保持器とを備えた深溝玉軸受である。
減速部Bは、モータ部Aにより回転駆動される減速機入力軸25と、減速機入力軸25と同軸に配置された減速機出力軸28と、減速機入力軸25の回転を減速した上で減速機出力軸28に伝達する減速機構とを備え、減速機出力軸28は、減速機構により減速された減速機入力軸25の回転を車輪用軸受部Cに伝達する。
図2にも示すように、減速機入力軸25は、軸方向二箇所に離間して配置された転がり軸受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。減速機入力軸25の軸方向二箇所には、軸心が減速機入力軸25の回転軸心に対して偏心した偏心部25a,25bが設けられており、これら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、位相を180°異ならせて設けられている。
減速機入力軸25は、そのインボード側の端部外周に形成したスプライン(セレーションを含む。以下同じ。)を、モータ回転軸24のアウトボード側の端部内周に形成したスプラインに嵌合する、いわゆるスプライン嵌合によってモータ回転軸24と連結されている。このように、減速機入力軸25はモータ回転軸24と連結されていることから、モータ部Aの駆動時には、減速機入力軸25もモータ回転軸24と同様に15000min−1程度で高速回転する。このとき、減速機入力軸25と転がり軸受37a,37bの内輪との嵌め合いがすきま嵌めであると、モータ回転軸24の回転時に無視できないような異音・振動が生じ、電気自動車11のNVH特性に悪影響が及ぶおそれがある。そのため、減速機入力軸25と転がり軸受37a,37bの内輪との嵌め合いはしまり嵌めとするのが好ましい。
図1に示すように、減速機出力軸28は、軸部28bと、軸部28bのインボード側の端部から径方向外向きに延びたフランジ部28aとを有する。フランジ部28aには、少なくともインボード側の端面に開口した孔部(図示例では両端面に開口した貫通孔)が形成されており、この孔部は、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で複数形成されている。各孔部には、後述する内ピン31のアウトボード側の端部が嵌合固定される。軸部28bは、車輪用軸受部Cを構成する中空構造のハブ輪32にスプライン嵌合によって連結されている。
減速機構は、減速機入力軸25の偏心部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て曲線板26a,26bの外周部と係合し、曲線板26a,26bに自転運動を生じさせる複数の外ピン27と、曲線板26a,26bの自転運動を減速機出力軸28の回転運動に変換する運動変換機構とを備える。
図3に示すように、曲線板26aは、その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すると共に、その両端面に開口する軸方向の貫通孔30a,30bを有する。貫通孔30aは、曲線板26aの自転軸心を中心とする円周上に等間隔で複数設けられており、後述する内ピン31が1本ずつ挿通される。貫通孔30bは、曲線板26aの中心に設けられており、減速機入力軸25の偏心部25a外周に嵌合される。
曲線板26aは、転がり軸受41によって偏心部25aに対して回転自在に支持されている。転がり軸受41は、外径面に内側軌道面42aを有し、偏心部25aの外径面に嵌合した内輪42と、曲線板26a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(図示せず)とを備える円筒ころ軸受である。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。本実施形態の転がり軸受41では、偏心部25aとは別体に設けた内輪42に内側軌道面42aを形成しているが、偏心部25aの外径面に内側軌道面を直接形成することで内輪42を省略してもよい。なお、詳細な図示は省略するが、曲線板26bは、曲線板26aと同様の構造を有して偏心部25bの外周に配置されており、曲線板26aを支持する転がり軸受41と同様の構造を有する転がり軸受によって偏心部25bに対して回転自在に支持されている。
図3に示すように、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で複数設けられており、減速機入力軸25が回転するのに伴って曲線板26a,26bが公転運動すると、曲線板26a,26bの外周部(外周部に設けた凹部34)と係合して曲線板26a,26bに自転運動を生じさせる。
図2にも示すように、外ピン27は、その軸方向両端部に配置された一対の転がり軸受61,61を介して略円筒状の外ピン保持部材60に対して回転自在に支持されている。これにより、外ピン27と曲線板26a,26bとの間の接触抵抗が低減される。各転がり軸受61は、外ピン27の外径面に直接形成した内側軌道面と、内径面に外側軌道面を有し、外ピン保持部材60の内周に嵌合された外輪と、内側軌道面と外側軌道面の間に配置された複数の針状ころとを備えた針状ころ軸受である。
外ピン保持部材60の一端面および他端面には円環状の拘束部材62,62がそれぞれ固定されている。これにより、外ピン27の軸方向移動を規制して外ピン27を軸方向の所定位置に保持することができるので、曲線板26a,26bと外ピン27の間で安定した動力伝達が実現される。
外ピン保持部材60は、その軸方向両側に設けた回り止め手段によってケーシング22に対して回り止め状態で支持されている。各回り止め手段は、外ピン保持部材60およびケーシング22の対向二面にそれぞれ設けた孔部73,75と、一端および他端が孔部73,75にそれぞれ嵌合・支持された支持ピン70とを備え、支持ピン70、並びにその一端および他端を嵌合・支持した孔部73,75は、図3に示すように、円周方向に所定間隔で複数設けられる。
本実施形態で用いる支持ピン70は、図6にも示すように、ねじ部71と、円環状の鍔部72とを一体に有する。そして、図2に示すように、ねじ部71は、外ピン保持部材60の孔部73の内壁面に螺着され、鍔部72は、拘束部材62の軸方向外側の端面と軸方向で係合して拘束部材62を外ピン保持部材60との間で挟持固定している。すなわち、本実施形態において、拘束部材62は、外ピン保持部材60に設けた孔部73と同軸配置される軸方向の貫通孔74を有しており、この貫通孔74および外ピン保持部材60の孔部73に、支持ピン70のうち、ねじ部71を有する側の端部70a(図6参照)を嵌合してねじ部71を外ピン保持部材60の孔部73に螺着することにより、拘束部材62が外ピン保持部材60に対して固定される。このように、本実施形態では、支持ピン70が、拘束部材62を外ピン保持部材60に対して固定する機能を兼ね備えているので、別途の締結部材(例えば、ボルト)等を用いることなく、拘束部材62を外ピン保持部材60に対して位置決め固定することができる。
ケーシング22の孔部75には、径方向に弾性変形可能な円筒状の弾性ブッシュ80が嵌合されている。従って、支持ピン70のうち、ねじ部71を有する側とは反対側の端部70b(図6参照)は、弾性ブッシュ80を介して孔部75に支持されている。このような構成を採用することにより、減速機入力軸25の回転時に減速部B内部で発生する振動を弾性ブッシュ80で吸収することができるので、インホイールモータ駆動装置21の静粛性を向上することができる。弾性ブッシュ80は、孔部75との嵌め合いがすきま嵌めとされる一方、支持ピン70との嵌め合いがしまり嵌めとされるものを用いても良いし、孔部75との嵌め合いがしまり嵌めとされる一方、支持ピン70の端部70bとの嵌め合いがすきま嵌めとされるものを用いても良い。これにより、弾性ブッシュ80が脱落等するのを可及的に防止しつつ、孔部75および支持ピン70の端部70bに対する嵌め合いが何れもしまり嵌めとされる弾性ブッシュ80を用いる際に懸念される組立性の低下を可及的に防止することができる。
図示例の弾性ブッシュ80は、それ自体の耐久性を確保するために、径の異なる一対の金属円筒体81,82と、両金属円筒体81,82間に介在する円筒状の弾性体83とで構成される。弾性体83は、例えば、ニトリルゴム、水素添加ニトリルゴム、アクリルゴム、フッ素ゴム等のゴム材料で形成されており、両金属円筒体81,82に対して加硫接着されている。
以上のような弾性支持機能を有する回り止め手段を採用すれば、外ピン27およびこれを保持した外ピン保持部材60がケーシング22に対して非接触の状態(フローティング状態)で支持されるので、車両の旋回や急加減速等によって生じる大きなラジアル荷重やモーメント荷重を回り止め手段で吸収することができる。これにより、曲線板26a,26bの自転運動を減速機出力軸28の回転運動に変換する運動変換機構の構成部品の破損が可及的に防止される。
偏心部25a,25bの軸方向外側には、図1に示すように、それぞれ、カウンタウェイト29が隣接配置されている。カウンタウェイト29は、例えば略扇形状とされ、減速機入力軸25の外周に嵌合固定されている。各カウンタウェイト29は、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、軸方向に隣接する偏心部25a(25b)と180°位相を変えて配置される。
図1〜3に示すように、運動変換機構は、主に、複数の内ピン31と、曲線板26a,26bに設けられた複数の貫通孔30aとで構成され、本実施形態の運動変換機構は、各貫通孔30aの内周に設けられた針状ころ軸受31aをさらに有する。このように、各貫通孔30aの内周に針状ころ軸受31aを配置したことにより、内ピン31と貫通孔30aの内壁面との摩擦抵抗が低減されるので、内ピン31の耐久性が向上すると共に動力伝達(変換)時におけるトルク損失を抑制することができる。
図2,3に示すように、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、そのアウトボード側の端部が減速機出力軸28のフランジ部28aに設けた孔部(貫通孔)に嵌合固定されている。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」を指す。以下同じ。)よりも所定寸法大きく設定されている。減速機出力軸28は減速機入力軸25と同軸に配置されているので、曲線板26a,26bの自転運動は、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された上で減速機出力軸28に伝達される。
図2にも示すように、減速部Bは、スタビライザ31bをさらに有する。スタビライザ31bは、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とを一体に有し、各内ピン31のインボード側の端部は、円環部31cに固定されている。これにより、モータ部Aの駆動時(減速機入力軸25の回転時)に曲線板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に作用する応力が低減される。この点からも、内ピン31の耐久性が向上する。
ここで、モータ部Aの駆動時に、曲線板26a、さらには減速機入力軸25に作用する荷重の状態を図4に基づいて説明する。なお、モータ部Aの駆動時には、曲線板26bにも以下に説明するのと同様にして荷重が作用する。
減速機入力軸25に設けられた偏心部25aの軸心Oは、減速機入力軸25の軸心(回転軸心)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Oは曲線板26aの軸心でもある。曲線板26aの外周部は波形曲線で形成され、径方向に窪んだ凹部34を周方向等間隔に有する。曲線板26aの周囲には、凹部34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4において、モータ部Aが駆動されて減速機入力軸25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の外周部に形成された凹部34が外ピン27と周方向に順次当接する。この結果、曲線板26aは、複数の外ピン27から図中矢印で示すような荷重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Oを中心として周方向に複数配設されており、各貫通孔30aには、軸心O(減速機入力軸25)と同軸に配置された減速機出力軸28に固定される内ピン31が挿通されている。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、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、曲線板26aは、複数の内ピン31から図中矢印で示すような荷重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の外周部の形状や凹部34の数などの幾何学的条件の他、遠心力の影響により変化する。具体的には、自転軸心Oと軸心Oとを結ぶ直線Yと直角であって自転軸心O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回転する間に荷重の方向や大きさが変化し、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の凹部34が減速されて1ピッチ時計回りに回転して図4の状態になり、これを繰り返す。
図1に示すように、車輪用軸受部Cは、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、減速機出力軸28の軸部28bに連結された円筒状の中空部32aと、中空部32aのアウトボード側の端部から径方向外向きに延びたフランジ部32bとを一体に有する。フランジ部32bにはボルト32cによって後輪14(図7,8参照)が連結固定されるので、ハブ輪32の回転時には後輪14がハブ輪32と一体回転する。
車輪用軸受33は、ハブ輪32の外径面に直接形成された内側軌道面33fおよび外径面の小径段部に嵌合された内輪33aを有する内方部材と、ケーシング22の内径面に嵌合固定された外輪33bと、内方部材と外輪33bの間に配置された複数の転動体(ボール)33cと、ボール33cを周方向に離間した状態で保持する保持器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。
次に潤滑機構を説明する。潤滑機構は、モータ部Aおよび減速部Bの各所に潤滑油を供給するものであって、図1,2に示すように、モータ回転軸24に設けた潤滑油路24a,24bと、減速機入力軸25に設けた潤滑油路25c,25d,25eと、スタビライザ31bの内部に設けた潤滑油路(図示せず)と、内ピン31の内部に設けた潤滑油路(図示せず)と、ケーシング22に設けた潤滑油排出口22b、潤滑油貯留部22d、潤滑油路22eおよび潤滑油路45(45a〜45c)と、ケーシング22内に配置され、潤滑油を循環油路45に圧送する回転ポンプ51とを主な構成とする。図1中に示した白抜き矢印は潤滑油の流れる方向を示している。
潤滑油路24aは、モータ回転軸24の内部を軸方向に沿って延びており、この潤滑油路24aには、減速機入力軸25の内部を軸方向に沿って延びた潤滑油路25cが接続されている。潤滑油路25dは、潤滑油路25cから減速機入力軸25の外径面に向かって径方向に延びており、本実施形態では偏心部25a,25bの外径面に開口している。潤滑油路25eは、潤滑油路25cのアウトボード側の端部から軸方向に延び、減速機入力軸25のアウトボード側の外端面に開口している。なお、特に径方向に延びる潤滑油路25dの形成位置はこれに限らず、減速機入力軸25の軸方向の任意の位置に設けることができる。
ケーシング22に設けられた潤滑油排出口22bは、減速部B内部(減速機構)の潤滑油を排出するものであって、ケーシング22のうち、減速部Bの範囲内に少なくとも1箇所に設けられている。潤滑油排出口22bとモータ回転軸24の潤滑油路24aとは、潤滑油貯留部22d、潤滑油路22eおよび潤滑油路45を介して接続されている。そのため、潤滑油排出口22bから排出された潤滑油は、潤滑油路22eや循環油路45等を経由してモータ回転軸24の潤滑油路24aに還流する。なお、潤滑油貯留部22dは、潤滑油を一時的に貯留する機能を有する。
図1に示すように、ケーシング22に設けた循環油路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のアウトボード側およびインボード側の端部にそれぞれ接続されて径方向に延びる径方向油路45b,45c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に供給された潤滑油は、径方向油路45cを介してモータ回転軸24の潤滑油路24a、さらには減速機入力軸25の潤滑油路25cに供給される。
回転ポンプ51は、潤滑油貯留部22dに接続された潤滑油路22eと循環油路45との間に設けられている。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が全体として大型化するのを防止することができる。
図5に示すように、回転ポンプ51は、減速機出力軸28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、両ロータ52,53間の空間に設けられた複数のポンプ室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、回転中心cを中心として回転し、アウターロータ53は、インナーロータ52の回転中心cと異なる回転中心cを中心として回転する。このように、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c、c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からポンプ室54に流入した潤滑油は吐出口56から循環油路45の径方向油路45bに圧送される。
潤滑機構は、主に以上の構成を有しており、以下のようにしてモータ部Aおよび減速部Bの各所を潤滑・冷却する。
図1を参照して説明すると、まず、モータ部Aのうち、ロータ23bおよびステータ23aへの潤滑油の供給は、主に、ケーシング22の循環油路45を介してモータ回転軸24の潤滑油路24aに供給された潤滑油の一部が、モータ回転軸24の回転に伴って生じる遠心力および回転ポンプ51の圧力の影響を受けて潤滑油路24bの外径側開口部から吐出されることにより行われる。すなわち、潤滑油路24bの外径側開口部から吐出された潤滑油はロータ23bに供給され、その後、ステータ23aに供給される。また、モータ回転軸24のインボード側の端部を支持する転がり軸受36は、主に、循環油路45を流れる潤滑油の一部がケーシング22とモータ回転軸24との間から滲み出ることにより潤滑される。さらに、モータ回転軸24のアウトボード側の端部を支持する転がり軸受36は、主に、潤滑油路24bの外径側開口部から吐出され、ケーシング22のうち、モータ部Aを収納した部分のアウトボード側の内壁面を伝い落ちてきた潤滑油により潤滑される。
次に、モータ回転軸24の潤滑油路24aを経由して減速機入力軸25の潤滑油路25cに流入した潤滑油は、減速機入力軸25の回転に伴う遠心力および回転ポンプ51の圧力の影響を受けて潤滑油路25d,25eの開口部から減速部Bの内部(減速機構)に向けて吐出される。吐出された潤滑油は、主に遠心力により減速部B内の各所に供給されて減速部B内の各所を潤滑・冷却する。そして、ケーシング22の内壁面に到達した潤滑油は、図1に示すように、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。このように、潤滑油排出口22bと回転ポンプ51に接続された潤滑油路22eとの間に潤滑油貯留部22dが設けられているので、特に高速回転時などに回転ポンプ51によって排出しきれない潤滑油が一時的に発生しても、その潤滑油を潤滑油貯留部22dに貯留しておくことができる。その結果、減速部Bの各所における発熱やトルク損失の増加を防止することができる。一方、特に低速回転時などには、潤滑油排出口22bに到達する潤滑油量が少なくなるが、このような場合であっても、潤滑油貯留部22dに貯留されている潤滑油を潤滑油路24a,25cに還流することができるので、モータ部Aおよび減速部Bの各所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、重力によっても外側に移動する。したがって、このインホイールモータ駆動装置21は、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。
インホイールモータ駆動装置21の全体構造は前述したとおりであり、本実施形態のインホイールモータ駆動装置21は、外ピン保持部材60をケーシング22に対して回り止め状態で支持する回り止め手段の構成部材として、ねじ部71および鍔部72を一体に有する支持ピン70を用いる以外に、以下に示すような特徴的な構成を有する。
支持ピン70は、SCM415、SCM420、SCr420等の肌焼き鋼からなり、図6に示すように、浸炭焼入れ焼戻しが施されることにより形成された硬化層H(同図中にクロスハッチングで示す)を有する。本実施形態では支持ピン70のうち、ねじ部71を除く部位全域に硬化層Hが形成されている。硬化層Hの硬度はビッカース硬さCスケール(HRC)で62〜66.5とされる一方、芯部(硬化層Hが形成されていない部分)の硬度はHRC29〜38程度である。
上述したとおり、支持ピン70は、外ピン保持部材60をケーシング22に対して回り止め状態で支持しているので、モータ部Aが駆動(減速機入力軸25が回転)するのに伴って曲線板26a,26bから外ピン27に作用する荷重の反力を受ける。また、支持ピン70は、その端部70a,70bが外ピン保持部材60の孔部73およびケーシング22の孔部75(本実施形態では弾性ブッシュ80の孔部)でそれぞれ支持されることから、組み付け時やモータ部Aの駆動時に外ピン保持部材60や弾性ブッシュ80と摺動接触する。そのため、支持ピン70は、上記反力の作用時にも破断等しないだけの十分な強度(曲げ剛性)と、組み付け時(減速部Bの組立時)やモータ部Aの駆動時における他部材との摺動接触によっても摩耗しないだけの表面硬度(耐摩耗性)を具備している必要がある。
このような要請に対し、支持ピン70の表層部には、ねじ部71を除いて浸炭焼入れ焼戻しによる硬化層Hが形成されて強度および表面硬度が高められているので、モータ部Aの駆動時や支持ピン70の組み付け時に、支持ピン70が破断したり、支持ピン70の表層部が摩耗・損傷したりするのを効果的に防止することができる。その一方、支持ピン70の芯部には硬化層Hが形成されていないので、支持ピン70は靱性を有する。これにより、例えば車両の運転走行時に車輪用軸受部Cを介して減速部Bに瞬間的な衝撃荷重が入力された場合でも、この衝撃荷重により支持ピン70が破損・破断等する可能性を効果的に減じることができる。
なお、上述のとおり、ねじ部71には硬化層Hが設けられておらず、これを実現するために、支持ピン70のねじ部71には防炭処理が施されている。これは、必要とされるねじ部71(特にねじ山)の形状精度を確保しつつ、支持ピン70の製造コストの増大を防止するためである。より詳しくは、ねじ部71が形成された支持ピン70に浸炭焼入れを施すと、ねじ山の形状が熱処理による歪みで変形してしまうため、ねじ部71の形成加工は支持ピン70(最終的に支持ピン70となる中間加工品)に浸炭焼入れを施した後に実施する必要がある。しかしながら、仮に、上記中間加工品のねじ部71の被加工部位に防炭処理を施さずに上記中間加工品に浸炭焼入れ焼戻しを施すと、ねじ部71の被加工部位にも硬化層Hが形成されてしまうため、ねじ部71の形成加工が難加工となって支持ピン70の製造コストが増大してしまう。以上を勘案し、ねじ部71を有する支持ピン70は、例えば、ねじ部71を除く部位が略完成品形状に形成された中間加工品を得る工程、この中間加工品のうち、ねじ部71の被加工部位に防炭処理を施す工程、防炭処理が施された中間加工品に浸炭焼入れ焼戻しを施す工程、および中間加工品のうち防炭処理が施された部位(硬化層Hが未形成の領域)に転造等でねじ部71を形成する工程を順に経て製造される。
また、支持ピン70の形成材料として、未熱処理の状態(硬化層Hを有しない状態)では比較的軟質で加工性に富む肌焼き鋼を選択しているので、ねじ部71および鍔部72を一体に有する支持ピン70を効率良く作製することができる。しかも、熱処理方法として選択した浸炭焼入れ焼戻しは、形状変更に対する柔軟性を有するので、支持ピン70の新規作製および設計変更の際に必要となるコストは少なくて済む。
以上より、本発明によれば、加工性に優れ、簡便に作製可能でありながら、耐摩耗性や曲げ荷重に対する強度が高く、さらには瞬間的な衝撃荷重に耐え得るだけの靱性を具備する支持ピン70を実現することができる。これにより、低コストでかつ耐久性に優れた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。
以上の構成を有す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、図1〜3を参照しながら説明する。
モータ部Aでは、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。これに伴って、モータ回転軸24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は、曲線板26a,26bの外周部に設けられた曲線形状の波形(凹部34)と係合し、曲線板26a、26bを減速機入力軸25の回転方向とは逆向きに自転回転させる。
貫通孔30aに挿通された内ピン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によって減速された上で減速機出力軸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(後輪)14に必要なトルクを伝達することが可能となる。
上記構成の減速部Bの減速比は、外ピン27の数をZ、曲線板26a,26bの外周部に設けた波形(凹部34)の数をZとすると、(Z−Z)/Zで算出される。図3に示す実施形態では、Z=12、Z=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を回転自在に支持する転がり軸受(針状ころ軸受)61,31aを設けたことにより、曲線板26a,26bと外ピン27および内ピン31との間の摩擦抵抗が低減されるので、減速部Bにおける動力伝達効率が向上する。
上述したように、本実施形態のインホイールモータ駆動装置21は、装置全体として軽量・コンパクト化が図られている。そのため、このインホイールモータ駆動装置21を電気自動車11に搭載すれば、ばね下重量を抑えることができるので、走行安定性およびNVH特性に優れた電気自動車11を実現することができる。
以上、本発明の一実施形態に係るインホイールモータ駆動装置21について説明を行ったが、インホイールモータ駆動装置21には、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を施すことが可能である。
例えば、以上では、弾性ブッシュ80をケーシング22に設けた孔部75に嵌合し、支持ピン70の端部70b(図6参照)を弾性ブッシュ80を介してケーシング22で支持するようにしたが、弾性ブッシュ80は、ケーシング22の孔部75に替えて、あるいは孔部75と共に、外ピン保持部材60の孔部73に嵌合しても良い(図示省略)。但し、支持ピン70としてねじ部71および鍔部72を有するものを使用し、支持ピン70の鍔部72と外ピン保持部材60とで拘束部材62を挟持固定する場合、外ピン保持部材60に対する拘束部材62の固定強度を確保等する観点から、弾性ブッシュ80は、支持ピン70のうち、ねじ部71と鍔部72の間の部分外周に配置されるように、外ピン保持部材60の孔部73に嵌合するのが好ましい。
また、図示は省略するが、拘束部材62は、支持ピン70とは別個に設けたボルト等の締結部材や、接着等の手段で外ピン保持部材60に固定しても良い。この場合、支持ピン70としては、ねじ部71や鍔部72を有しない単純形状の軸状部材を用いることができる。
また、以上では、回転ポンプ51としてサイクロイドポンプを採用したが、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。
また、以上では、減速機入力軸25の軸方向二箇所に偏心部25a,25bを設けたが、偏心部の設置個数は任意に設定することができる。例えば、偏心部は、減速機入力軸25の軸方向三箇所に設けることができ、この場合、各偏心部は、減速機入力軸25の回転に伴って生じる遠心力を打ち消し合うように120°位相を変えて設けるのが好ましい。
また、以上では、一端が減速機出力軸28のフランジ部28aに固定された内ピン31と、曲線板26a,26bに設けられ、内ピン31を挿通した貫通孔30aと、貫通孔30aの内周に配置した針状ころ軸受31aとを備えた運動変換機構を採用したが、運動変換機構は、減速部Bの回転を車輪用軸受部Cのハブ輪32に伝達可能な任意の構成とすることができる。
本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から後輪14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、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からの動力を後輪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、後輪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で発電するように構成することもできる。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、モータ部Aの駆動用電力や、車両に備えられた他の電動機器の作動用電力として活用することもできる。
また、以上では、モータ部Aにラジアルギャップモータを採用した構成に本発明を適用したが、本発明は、モータ部Aに、ステータとロータとを軸方向の隙間を介して対向させるアキシャルギャップモータを採用した場合にも好ましく適用できる。
さらに、本発明に係るインホイールモータ駆動装置21は、後輪14を駆動輪とした後輪駆動タイプの電気自動車11のみならず、前輪13を駆動輪とした前輪駆動タイプの電気自動車や、前輪13および後輪14を駆動輪とした4輪駆動タイプの電気自動車に適用することもできる。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。
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、さらに種々の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。
11 電気自動車
21 インホイールモータ駆動装置
22 ケーシング
24 モータ回転軸
25 減速機入力軸
25a 偏心部
25b 偏心部
26a 曲線板
26b 曲線板
27 外ピン
28 減速機出力軸
31 内ピン
60 外ピン保持部材
61 転がり軸受
62 拘束部材
70 支持ピン
71 ねじ部
72 鍔部
73 孔部
75 孔部
A モータ部
B 減速部
C 車輪用軸受部
H 硬化層

Claims (4)

  1. モータ部、減速部および車輪用軸受部を保持したケーシングを備え、
    前記減速部が、偏心部を有し、前記モータ部により回転駆動される減速機入力軸と、前記偏心部の外周に回転自在に保持され、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曲線板と、前記曲線板の外周部と係合して前記曲線板に自転運動を生じさせる複数の外ピン、およびこれを保持した外ピン保持部材と、前記曲線板の自転運動を前記車輪用軸受部に連結された減速機出力軸の回転運動に変換する運動変換機構とを備え、前記外ピン保持部材および前記ケーシングにそれぞれ設けた孔部で支持ピンの一端および他端をそれぞれ支持することにより、前記外ピン保持部材が前記ケーシングに対して回り止め状態で支持されたインホイールモータ駆動装置において、
    前記支持ピンが肌焼き鋼で形成され、浸炭焼入れ焼戻しが施されていることを特徴とするインホイールモータ駆動装置。
  2. 前記減速部は、前記外ピンを軸方向に拘束する拘束部材をさらに有し、
    前記支持ピンは、前記外ピン保持部材の孔部に螺着されるねじ部と、前記拘束部材を前記外ピン保持部材との間に挟持固定する鍔部とを有することを特徴とする請求項1に記載のインホイールモータ駆動装置。
  3. 前記支持ピンの前記ねじ部に防炭処理が施されていることを特徴とする請求項2に記載のインホイールモータ駆動装置。
  4. 前記外ピン保持部材の孔部又は前記ケーシングの孔部の少なくとも一方に、径方向に弾性変形可能な弾性ブッシュが嵌合されていることを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載のインホイールモータ駆動装置。
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