JP2017165315A

JP2017165315A - インホイールモータ駆動装置

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Publication number: JP2017165315A
Application number: JP2016053640A
Authority: JP
Inventors: 四郎田村; Shiro Tamura; 直哉竹内; Naoya Takeuchi
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2016-03-17
Filing date: 2016-03-17
Publication date: 2017-09-21

Abstract

【課題】電動モータを大型化することなく、バッテリーの搭載量に起因する巡航距離の不足を解消する。【解決手段】電動モータ２１と、複数の歯車３２〜３５からなる平行軸歯車減速機２２と、車輪用軸受２３と、電動モータ２１および平行軸歯車減速機２２を収容するケーシング２４とを備え、電動モータ２１の駆動力を平行軸歯車減速機２２で減速して車輪用軸受２３に伝達すると共に、外部駆動源の駆動力をドライブシャフト２６の等速自在継手２８を介して車輪用軸受２３に伝達可能としたインホイールモータ駆動装置１１であって、等速自在継手２８のステム軸５１と電動モータ２１の出力軸３１とをオフセット配置でケーシング２４に設け、等速自在継手２８のステム軸５１に出力歯車５５を設け、等速自在継手２８の出力歯車５５と平行歯車減速機２２の出力歯車３５とをトルク伝達可能に結合させる。【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のインホイールモータ駆動装置は、駆動力を発生させる電動モータと、その電動モータの回転を減速して出力する平行軸歯車減速機と、その平行軸歯車減速機からの出力を車輪に伝達する車輪ハブとで構成されている。

このインホイールモータ駆動装置は、電動モータと平行軸歯車減速機との間に中間プレートを設け、その中間プレートのインボード側に、電動モータを収容するモータハウジングを設けると共に、中間プレートのアウトボード側に、平行軸歯車減速機を収容するギヤハウジングを設けた構造を具備する。

電動モータは、モータハウジングに固定されたステータと、そのステータの内側でモータハウジングに回転自在に支持されたロータ軸とで構成されている。

平行軸歯車減速機は、電動モータのロータ軸に同軸的に連結されたモータ入力歯車と、中間プレートおよびギヤハウジングに回転自在に支持されてモータ入力歯車と噛合する第１カウンタ歯車と、第１カウンタ歯車と同軸的に支持された第２カウンタ歯車と、車輪ハブの車軸に設けられて第２カウンタ歯車と噛合する出力歯車とで構成されている。

このインホイールモータ駆動装置では、平行軸歯車減速機の出力歯車と車輪ハブの車軸とをトルク伝達可能に連結することにより、電動モータの出力を平行軸歯車減速機で減速し、その平行軸歯車減速機からの出力を車輪ハブに伝達するようにしている。

特開２０１４−４６７４２号公報

ところで、特許文献１で開示されたインホイールモータ駆動装置では、最高速度および最大出力トルクの両立が困難である。つまり、平行軸歯車減速機での減速比を大きくすると、最大出力トルクは増加するが最高速度は電動モータの回転数上限により抑えられてしまう。逆に、平行軸歯車減速機での減速比を小さくすると、最高速度は増加するが最大出力トルクが減少して車両の加速が悪化してしまう。

この最高速度と最大出力トルクとを両立させるためには、電動モータの容量を大きくする必要がある。しかしながら、このインホイールモータ駆動装置は、電気自動車のホイールハウジング内に収容されることから、その収容空間が制限されている。このことから、大型の電動モータを備えたインホイールモータ駆動装置をホイールハウジング内に収容することが困難となる。

また、サスペンション装置のばね下に電動モータを配置するインホイールモータ駆動装置では、電動モータの大型化により、サスペンション装置のばね下荷重が増加し、サスペンション装置の追従性が悪化することになる。

さらに、電動モータの大型化により、インホイールモータ駆動装置のユニットサイズが大きくなると、サスペンション装置および車体の改造範囲が広くなり、コスト高になってしまう。

また、インホイールモータ駆動装置のみを搭載した電気自動車は、バッテリーの搭載量が少ないために巡航距離が不十分であるという問題があった。

そこで、本発明は前述の課題に鑑みて提案されたもので、その目的とするところは、電動モータを大型化することなく、バッテリーの搭載量に起因する巡航距離の不足を解消し得るコンパクトなインホイールモータ駆動装置を提供することにある。

本発明に係るインホイールモータ駆動装置は、電動モータと、複数の歯車からなる平行軸歯車減速機と、車輪用軸受と、電動モータおよび平行軸歯車減速機を収容するケーシングとを備えた構造を具備する。

本発明のインホイールモータ駆動装置は、電動モータの駆動力を平行軸歯車減速機で減速して車輪用軸受に伝達すると共に、外部駆動源の駆動力をドライブシャフトの等速自在継手を介して車輪用軸受に伝達可能としたハイブリッド構造を具備する。

これにより、インホイールモータ駆動装置だけでは不足する駆動力を、ドライブシャフトの等速自在継手から付加される外部駆動源により補うことで、インホイールモータ駆動装置の電動モータを大型化することなく、バッテリーの搭載量に起因する巡航距離の不足を解消することができる。

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、等速自在継手のステム軸と電動モータの出力軸とをオフセット配置でケーシングに設け、等速自在継手のステム軸に出力歯車を設け、等速自在継手の出力歯車と平行歯車減速機の出力歯車とをトルク伝達可能に結合させたことを特徴とする。

本発明では、等速自在継手のステム軸に出力歯車を設けて平行軸歯車減速機の出力歯車とトルク伝達可能に結合させたことにより、外部駆動源の駆動力を車輪用軸受に伝達可能としている。その上で、等速自在継手のステム軸と電動モータの出力軸とをオフセット配置でケーシングに設けたことにより、外部駆動源と連結された等速自在継手を電動モータに対して軸方向でコンパクトに配置することができる。

本発明において、平行軸歯車減速機の出力歯車は、その軸方向インボード側に凹部を有する断面コ字状をなし、等速自在継手の出力歯車を平行軸歯車減速機の出力歯車の凹部に収容した状態で平行軸歯車減速機の出力歯車とトルク伝達可能に結合させた構造が望ましい。このような構造を採用すれば、転舵軸と等速自在継手の継手中心とを近接させることができる点で有効である。

本発明において、等速自在継手の出力歯車は、ステム軸と一体的に形成されている構造が望ましい。このような構造を採用すれば、等速自在継手のステム軸と出力歯車とをコンパクトに連結することができ、装置全体のコンパクト化に寄与する。

本発明において、等速自在継手は、外側継手部材がケーシングに対して軸受を介して回転自在に支持され、外側継手部材と軸受とが一体的に形成されている構造が望ましい。このような構造を採用すれば、等速自在継手を簡易に組み付けることができ、ハイブリッド化に寄与する。

本発明において、等速自在継手の外側継手部材の外周面に、軸受の内輪が一体的に形成されている構造が望ましい。このような構造を採用すれば、等速自在継手の組み付けがより一層簡易となり、ハイブリッド化に寄与する点で有効である。

本発明によれば、インホイールモータ駆動装置だけでは不足する駆動力を、ドライブシャフトの等速自在継手から付加される外部駆動源により補うことで、インホイールモータ駆動装置の電動モータを大型化することなく、バッテリーの搭載量に起因する巡航距離の不足を解消することができる。

この場合、等速自在継手のステム軸と電動モータの出力軸とをオフセット配置でケーシングに設けたことにより、外部駆動源と連結された等速自在継手を電動モータに対して軸方向でコンパクトに配置することができる。

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。本発明の他の実施形態で、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。等速自在継手の組み付け構造の一例を示す要部拡大断面図である。等速自在継手の組み付け構造の他例を示す要部拡大断面図である。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５の電気自動車を示す後方断面図である。

本発明に係るインホイールモータ駆動装置の実施形態を図面に基づいて詳述する。

この実施形態のインホイールモータ駆動装置１１が搭載される電気自動車１２は、図５に示すように、車体１３と、操舵輪としての前輪１４と、駆動輪としての後輪１５とを装備する。後輪１５は、図６に示すように、独立懸架式のサスペンション装置１６を介して車体１３の下部に固定されている。

図１は、後輪１５のホイールハウジング１７の内部空間に収容配置されたインホイールモータ駆動装置１１を示す。以下の説明では、インホイールモータ駆動装置１１を車体１３（図５および図６参照）に搭載した状態で、車体１３の外側寄りとなる側をアウトボード側（図面左側）と称し、中央寄りとなる側をインボード側（図面右側）と称する。

この実施形態のインホイールモータ駆動装置１１は、図１に示すように、駆動力を発生させる電動モータ２１と、電動モータ２１の回転を減速して出力する複数の歯車３２〜３５からなる平行軸歯車減速機２２と、平行軸歯車減速機２２からの出力を後輪１５に伝達する車輪用軸受２３と、電動モータ２１および平行軸歯車減速機２２を収容するケーシング２４とを備えた構造を具備する。

このインホイールモータ駆動装置１１では、電動モータ２１の駆動力を平行軸歯車減速機２２で減速し、車輪用軸受２３を介して後輪１５（図５および図６参照）に伝達する。

一方、このインホイールモータ駆動装置１１は、電動モータ２１の駆動力を平行軸歯車減速機２２で減速して車輪用軸受２３に伝達すると共に、外部駆動源２５（図５および図６参照）の駆動力をドライブシャフト２６の等速自在継手２８を介して車輪用軸受２３に伝達可能としたハイブリッド構造を具備する。

このインホイールモータ駆動装置１１のハイブリッド構造は、後輪１５（図５および図６参照）のホイールハウジング１７内に配置された電動モータ２１と、車体１３の下部に配置された外部駆動源２５（図５および図６参照）とを具備することを意味する。

この実施形態では、図５および図６に示すように、車体１３の下部に電動モータおよび平行軸歯車減速機（図示せず）からなる外部駆動源２５を設け、この外部駆動源２５をドライブシャフト２６を介してインホイールモータ駆動装置１１の車輪用軸受２３にトルク伝達可能に連結している。この外部駆動源２５は、内蔵されたクラッチ（図示せず）により回転トルクの伝達を断接可能としている。

なお、この実施形態では、電動モータおよび平行軸歯車減速機からなる外部駆動源２５を具備したオンボードタイプのモータ駆動装置を例示しているが、ガソリン車の内燃機関などの他の外部駆動源であってもよい。

ドライブシャフト２６は、外部駆動源２５の出力側（インボード側）に設けられた摺動式等速自在継手２７と、インホイールモータ駆動装置１１の入力側（アウトボード側）に設けられた固定式等速自在継手２８と、両等速自在継手２７，２８をトルク伝達可能に連結する中間シャフト２９とで構成されている。

このハイブリッド構造により、インホイールモータ駆動装置１１に内蔵された電動モータ２１だけでは不足する駆動力を、ドライブシャフト２６の等速自在継手２８から付加される外部駆動源２５の駆動力により補うことができる。これにより、インホイールモータ駆動装置１１に内蔵された電動モータ２１を大型化することなく、バッテリーの搭載量に起因する巡航距離の不足を解消することができる。

前述の電動モータ２１は、ステータおよびロータ（図示せず）とで構成されたラジアルギャップ型あるいはアキシャルギャップ型など任意の構成のモータが適用可能である。電動モータ２１は、図１に示すように、ロータと一体回転する出力軸３１が平行軸歯車減速機２２に向けてケーシング２４から導出されている。この出力軸３１は、例えば毎分一万数千回転程度で高速回転可能である。

平行軸歯車減速機２２は、図１に示すように、入力歯車である第１歯車３２と、中間歯車である第２歯車３３および第３歯車３４と、出力歯車である第４歯車３５とで構成されている。この平行軸歯車減速機２２では、第１歯車３２と第２歯車３３とが噛合し、第３歯車３４と第４歯車３５とが噛合することにより、電動モータ２１の出力軸３１の回転運動を２段で減速する。

第１歯車３２と第２歯車３３からなる第１段の減速比は２〜４程度とし、第３歯車３４と第４歯車３５からなる第２段の減速比は３〜５程度とすることが好ましい。例えば、第１歯車３２と第２歯車３３の第１段での減速比を１／２．５、第３歯車３４と第４歯車３５の第２段での減速比を１／４．５とすれば、平行軸歯車減速機２２の減速比は約１／１１となる。

このように、大きな減速比を持つ平行軸歯車減速機２２を用いた場合、毎分一万数千回転程度の高速回転の電動モータ２１と組み合わせることで電動モータ２１の小型化が図れ、コンパクトで高減速比のインホイールモータ駆動装置１１を実現できる。

第１歯車３２は、電動モータ２１の出力軸３１にスプライン嵌合などにより同軸的に取り付け固定されている。第２歯車３３および第３歯車３４は、中間軸３６に一体的に形成されている。この中間軸３６は、転がり軸受３７，３８によってケーシング２４に対して回転自在に支持されている。第４歯車３５は、車輪用軸受２３に連結される平行軸歯車減速機２２の出力軸４４に一体的に形成されている。

第１歯車３２〜第４歯車３５には、同時に噛合う歯数が増え、歯当たりが分散されるので音が静かで、トルク変動が少ない点で有効なはすば歯車を使用することが好ましい。歯車のかみあい率や限界の回転数などを考慮して、モジュールは１〜３程度がよい。平行軸歯車減速機２２にはすば歯車を用いることで、製造が容易でコストの低減が図れ、性能面でも静粛かつ効率のよいインホイールモータ駆動装置１１を実現できる。

車輪用軸受２３は、図１に示すように、ケーシング２４に固定された外輪３９と、外輪３９の内側に配置されたハブ輪４０およびハブ輪４０に圧入された内輪４１と、ハブ輪４０および内輪４１と外輪３９との間に配置された複数の転動体４２と、転動体４２を保持する保持器４３とを備えた複列アンギュラ玉軸受である。この車輪用軸受２３のハブ輪４０の軸孔に平行軸歯車減速機２２の出力軸４４がスプライン嵌合によりトルク伝達可能に結合されている。

車輪用軸受４８の軸方向両端部には、泥水などの侵入防止およびグリースの漏洩防止のためにシール部材４５，４６が設けられている。なお、外輪３９のアウトボード側にはフランジ４７が一体的に形成され、このフランジ４７にハブボルト４８でブレーキロータ４９および後輪１５（図５および図６参照）が連結される。

以上の構成からなるインホイールモータ駆動装置１１では、図１に示すように、電動モータ２１の出力軸３１の回転が平行軸歯車減速機２２の第１歯車３２〜第４歯車３５によって減速され、車輪用軸受２３に伝達される。このように、電動モータ２１の出力軸３１の回転が平行軸歯車減速機２２により減速されて車輪用軸受２３に伝達されるので、低トルク、高速回転型の電動モータ２１を採用した場合でも、後輪１５（図５および図６参照）に必要なトルクを伝達することが可能となる。

一方、インホイールモータ駆動装置１１では、電気自動車１２の急発進時など、インホイールモータ駆動装置１１に内蔵された電動モータ２１だけでは不足する駆動力を補うため、図５および図６に示すように、ドライブシャフト２６の等速自在継手２８から付加される外部駆動源２５の駆動力を利用するハイブリッド構造としている。

ドライブシャフト２６の中間シャフト２９のアウトボード側に位置する等速自在継手２８は、図１に示すように、外側継手部材５０から延びるステム軸５１と電動モータ２１の出力軸３１とをオフセット配置でケーシング２４に設けている。等速自在継手２８の外側継手部材５０は、転がり軸受５２によってケーシング２４に対して回転自在に支持されている。

このように、外側継手部材５０のステム軸５１と電動モータ２１の出力軸３１とをオフセット配置でケーシング２４に設けたことにより、外部駆動源２５と連結された等速自在継手２８を電動モータ２１に対して軸方向でコンパクトに配置することができる。これにより、転舵軸と等速自在継手２８の継手中心とを近接させることができる。

なお、転がり軸受５２のインボード側には、泥水などの侵入防止および潤滑材の漏洩防止のためにシール部材５３が設けられている。また、継手外部からの泥水などの侵入や継手内部に封入されたグリースの漏洩を防止するため、等速自在継手２８の外側継手部材５０と中間シャフト２９との間に、ゴム製または樹脂製のブーツ５４が装着されている。

一方、外側継手部材５０のステム軸５１に出力歯車５５を同軸的に設け、この外側継手部材５０の出力歯車５５と平行歯車減速機２２の第４歯車３５とをトルク伝達可能に結合させている。このように、外側継手部材５０の出力歯車５５と平行軸歯車減速機２２の第４歯車３５とをトルク伝達可能に結合させることにより、外部駆動源２５の駆動力を車輪用軸受２３に伝達可能としている。

この外側継手部材５０の出力歯車５５は、溶接、圧入および加締めなどの適宜の手段により、ステム軸５１と一体的に形成されている。このように、外側継手部材５０のステム軸５１に出力歯車５５を一体的に形成することにより、外側継手部材５０のステム軸５１に別体の出力歯車を連結するための固定手段（ボルト等）を省略することができるので、ステム軸５１と出力歯車５５とをコンパクトに連結することができ、装置全体のコンパクト化に寄与する。

ここで、外側継手部材５０のステム軸５１と電動モータ２１の出力軸３１とをオフセットさせていることから、平行軸歯車減速機２２の第４歯車３５と外側継手部材５０の出力歯車５５とをトルク伝達可能に結合させるため、以下の構造を採用している。

つまり、図１に示すように、平行軸歯車減速機２２の第４歯車３５は、その軸方向インボード側に凹部５６を有する断面コ字状をなし、外側継手部材５０の出力歯車５５を平行軸歯車減速機２２の第４歯車３５の凹部５６に収容した状態でその第４歯車３５とトルク伝達可能に結合させた構造としている。

平行軸歯車減速機２２の第４歯車３５と外側継手部材５０の出力歯車５５とをトルク伝達可能に結合させるため、第４歯車３５から延びる平行軸歯車減速機２２の出力軸４４と同軸的に中間歯車５７を、第４歯車３５のインボード側に一体的に設けて第４歯車３５の凹部５６に配置し、その中間歯車５７と外側継手部材５０の出力歯車５５とを噛合させている。

このように、平行軸歯車減速機２２の第４歯車３５に凹部５６を形成し、その凹部５６に配置された中間歯車５７と等速自在継手２８の出力歯車５５とを噛合させた構造を採用することにより、平行軸歯車減速機２２の第４歯車３５と等速自在継手２８の出力歯車５５とを軸方向でオーバーラップさせることができる。

その結果、平行軸歯車減速機２２の第４歯車３５と等速自在継手２８の出力歯車５５とを合わせた軸方向寸法を小さくすることができるので、転舵軸（図示せず）と等速自在継手２８の継手中心とをより一層近接させることができ、外部駆動源２５と連結された等速自在継手２８を電動モータ２１に対して軸方向でより一層コンパクトに配置することができる。

前述のように、転舵軸と等速自在継手２８の継手中心とを近接させることができるので、必要な等速自在継手２８の作動角が小さくなり、転舵角やホイールストローク量の減少を防止することができる。また、ホイールハウジング１７からインボード側への等速自在継手２８の食み出し量を抑えることができるので、飛び石などによる等速自在継手２８のブーツ５４の破損を防止することができる。

以上の実施形態では、平行軸歯車減速機２２の第３歯車３４と第４歯車３５とをトルク伝達可能に結合させるに際して、第４歯車３５の外周面に形成された歯部５８（外歯）に第３歯車３４を噛合させた構造を例示したが、本発明はこれに限定されることなく、図２に示す構造であってもよい。なお、図２において、図１と同一部分には同一参照符号を付して重複説明は省略する。

この実施形態では、図２に示すように、第４歯車３５の凹部５６の内周面に歯部５９（内歯）を形成し、その歯部５９に第３歯車３４を噛合させた構造としている。この構造の場合、第３歯車３４が一体的に形成された中間軸３６は、転がり軸受３８によってケーシング２４に対して片持ち支持されている。

このように、第４歯車３５の凹部５６の内周面に形成された歯部５９（内歯）に第３歯車３４を噛合させた構造とすることにより、第４歯車３５の外周面に形成された歯部５８（外歯）に第３歯車３４を噛合させた構造（図１参照）よりも平行軸歯車減速機２２での減速比を大きくすることができるので、電動モータ２１の小型化が容易に図れる。

また、図３に示す実施形態は、等速自在継手２８の外側継手部材５０に転がり軸受５２を圧入することにより、外側継手部材５０と転がり軸受５２とを一体化した構造を例示する。一体化された外側継手部材５０および転がり軸受５２をケーシング２４に組み付ける。なお、図３において、図１および図２と同一部分には同一参照符号を付して重複説明は省略する。

このように、外側継手部材５０と転がり軸受５２とを一体化することにより、等速自在継手２８を簡易に組み付けることができ、組み付け工数の削減によりコスト低減が図れてハイブリッド化に寄与する。

さらに、図４に示す実施形態は、等速自在継手２８の外側継手部材５０の外周面に転がり軸受６０の内輪６１を一体的に形成した構造を例示する。つまり、外側継手部材５０の外周面に転動体６２の内側軌道面６３を直接的に形成する。なお、図４において、図１および図２と同一部分には同一参照符号を付して重複説明は省略する。

このように、外側継手部材５０の外周面に転がり軸受６０の内輪６１を一体的に形成することにより、等速自在継手２８の組み付けがより一層簡易となり、部品点数の削減によりコスト低減が図れてハイブリッド化に寄与する点で有効である。

以上の実施形態では、図５および図６に示すように、後輪１５を駆動輪とした電気自動車１２を例示したが、前輪１４を駆動輪としてもよい。また、前輪１４および後輪１５に電動モータ２１および外部駆動源２５を搭載した４輪駆動車であってもよく、さらに、前輪１４および後輪１５のいずれか一方に電動モータ２１および外部駆動源２５を搭載し、他方に電動モータ２１のみあるいは外部駆動源２５のみを搭載した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も含むものである。

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。

１１インホイールモータ駆動装置
２１電動モータ
２２平行軸歯車減速機
２３車輪用軸受
２４ケーシング
２５外部駆動源
２６ドライブシャフト
２８等速自在継手
３１出力軸
３５出力歯車
５０外側継手部材
５１ステム軸
５２軸受
５５出力歯車
５６凹部
６０軸受
６１内輪

Claims

電動モータと、複数の歯車からなる平行軸歯車減速機と、車輪用軸受と、前記電動モータおよび平行軸歯車減速機を収容するケーシングとを備え、前記電動モータの駆動力を平行軸歯車減速機で減速して車輪用軸受に伝達すると共に、外部駆動源の駆動力をドライブシャフトの等速自在継手を介して前記車輪用軸受に伝達可能としたインホイールモータ駆動装置であって、
前記等速自在継手のステム軸と前記電動モータの出力軸とをオフセット配置で前記ケーシングに設け、等速自在継手のステム軸に出力歯車を設け、前記等速自在継手の出力歯車と平行歯車減速機の出力歯車とをトルク伝達可能に結合させたことを特徴とするインホイールモータ駆動装置。
前記平行軸歯車減速機の出力歯車は、その軸方向インボード側に凹部を有する断面コ字状をなし、前記等速自在継手の出力歯車を平行軸歯車減速機の出力歯車の凹部に収容した状態で平行軸歯車減速機の出力歯車とトルク伝達可能に結合させた請求項１に記載のインホイールモータ駆動装置。
前記等速自在継手の出力歯車は、ステム軸と一体的に形成されている請求項１又は２に記載のインホイールモータ駆動装置。
前記等速自在継手は、外側継手部材がケーシングに対して軸受を介して回転自在に支持され、前記外側継手部材と前記軸受とが一体的に形成されている請求項１〜３のいずれか一項に記載のインホイールモータ駆動装置。
前記等速自在継手の外側継手部材の外周面に、前記軸受の内輪が一体的に形成されている請求項４に記載のインホイールモータ駆動装置。