JP2018052482A - 補助動力装置付き車輪用軸受装置およびその補助動力装置 - Google Patents

補助動力装置付き車輪用軸受装置およびその補助動力装置 Download PDF

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Abstract

【課題】一般的な車輪用軸受およびブレーキの構成を大きく変えることなく、簡素でかつコンパクトな構成で、リムの内径側の空間を効率的に活用して車輪内に全体を収めることができ、足回りフレーム部品の大きな設計も不要で、走行用の主駆動源と併用して駆動アシスト等による走行性能、制動性能、燃料消費量等を向上させる補助動力装置付き車輪用軸受装置を提供する。
【解決手段】車輪用軸受２と補助動力装置３とを備える。補助動力装置３は、車輪用軸受２の固定輪４に取付けられたステータ１８と、回転輪５に取付けられたモータロータ１９とを備えるダイレクト駆動形式である。補助動力装置３の全体が、ブレーキロータ１７におけるブレーキキャリパ１６で押し付けられる部分となる外周部１７ｂよりも小径であり、かつ軸方向は、車輪用軸受２のハブフランジ７と、車輪用軸受２の車体取り付け面４ａとの間に位置する。
【選択図】図１

Description

この発明は、前輪駆動または後輪駆動などの車両において、モータ、内燃機関、またはこれらを組合せたハイブリッド形式の主駆動源とは別に設けられて、車両の走行性能、制動性能、燃料消費量等の車両性能を向上させる補助動力装置付き車輪用軸受装置、およびその補助動力装置に関する。
従来、ダイレクトドライブ形式のインホイールモータシステムとして、ハブ部に中空円筒状のプレートを介してモータのロータを設置し、前記モータのステータを、緩衝機構を介して車両の足回りフレーム部品に取付けたものが提案されている（例えば、特許文献１）。前記モータのロータは、ブレーキディスクの外径側に離れて位置し、前記ブレーキディスクと前記緩衝機構とが軸方向に並んでいる。
従来のインホイールモータシステムは、いずれも、走行の主駆動源としてインホイールモータを使用する設計と考えられている。
一方、インホイールモータではないが、エンジン自動車における走行の補助駆動源として、モータを用いることが提案されている。
例えば、車両の前輪及び後輪の一方と機械的に接続される第１電動発電機と、他方と機械的に接続される第２電動発電機とを備えた車両用駆動装置が提案されている（特許文献２）。これによると、第１電動発電機と第２電動発電機とバッテリーとが制御装置を介して電気的に接続されているので、これらの間で相互にエネルギーの受け渡しが可能となっており、前輪及び後輪から制動時のエネルギーを回収することができる。そのため、エネルギー効率の改善が期待できる。
この他、複雑な制御を行うことなくエネルギー効率をより改善できる補助動力システムとして、車両に搭載された電動発電機が、主動力システムによって駆動されない後輪リアホイールとの間でのみ動力を伝達可能とされ、電源装置が電動発電機にのみ駆動電力を供給しかつ電動発電機からの回生電力のみ蓄えるように構成された提案がある（例えば特許文献３）。
図１１〜図１３は、従動輪の一般的な足回りを示す。同図において、実施形態と対応する部分は、実施形態と同一の符号を付してあり、その説明は省略する。
特開２００５−３３３７０６号公報 特許第５８９９００９号公報 特開２０１６−２５７８９号公報
前記ダイレクトドライブ形式のインホイールモータシステム（特許文献１）は、ブレーキディスクが環状のモータの内径側に位置するため、ブレーキキャリパがモータに干渉し、ブレーキの設置が困難である。
ダイレクトドライブ形式のインホイールモータシステムは、特許文献２の他に種々の形式のものが提案されているが、いずれも、タイヤの内周側の空間を効果的に利用できず、あるいは車輪用軸受につき、車輪の支持に十分な設計とすることは考慮されておらず、実現が難しいものとなっている。
減速機付きのインホイールモータシステムであれば、実用可能なものも提案されているが、大型のものとなり、足回りの構成が、一般的な車両とは全く異なる構成となる。
特許文献２に記載された構成では、例えば、車両の制動時に第１電動発電機と第２電動発電機とによって回生電力を発生させるところ、車両が異常な挙動を起こさず姿勢を安定させるために前後の回生ブレーキによる制動量を調整するので、制動中にそれぞれの回生電力が変動し、このような変動する回生電力を共通のバッテリーに蓄えるためには、制御が非常に複雑になってしまうという問題がある。
そこで、特許文献３では、従動輪との間でのみ動力を伝達可能に設けられた電動発電機にのみ駆動電力を供給し、かつ、電動発電機からの回生電力のみ蓄える電源装置を備えることによって、上記問題の解決を提案している。
しかし、特許文献３の構成によると、補助動力システムはバッテリーと電動発電機とが接続されており、前記電動発電機がクラッチ、動力配分機構、ドライブシャフトを介して従動輪（タイヤ）と動力伝達する機構となっている。そのため、補助動力システムを搭載することによって、上記の通り、４輪駆動車と同等な部品構成となり、構造が複雑化するとともに、車両重量も増加する。
この発明の目的は、一般的な車輪用軸受およびブレーキの構成を大きく変えることなく、簡素でかつコンパクトな構成で、タイヤの内径側の空間を効率的に活用して車輪内に全体を収めることができ、足回りフレーム部品の大きな設計も不要で、走行用の主駆動源と併用して駆動アシスト、回生制動、発電による走行性能、制動性能、燃料消費量等の車両性能を向上させることができる補助動力装置付き車輪用軸受装置を提供することである。
この発明における第１の発明の補助動力装置付き車輪用軸受装置は、固定輪、およびハブフランジを有し前記固定輪に転動体を介して回転自在に支持されて前記ハブフランジに車両の車輪およびブレーキロータが取付けられる回転輪を有する車輪用軸受と、補助動力装置とを備え、
前記補助動力装置は、前記固定輪に取付けられたステータと、前記回転輪に取付けられたモータロータとを備える電動発電機であって、前記補助動力装置の全体が、前記ブレーキロータにおけるブレーキキャリパが押し付けられる部分となる外周部よりも小径であり、かつ軸方向は、前記車輪用軸受の前記ハブフランジと、前記車輪用軸受の車体取り付け面との間に位置することを特徴とする。
前記主駆動源は内燃機関のみ、または内燃機関と電動モータとの併用であっても良く、電動モータのみであっても良い。
この構成によると、前記補助動力装置は車輪用軸受に搭載され、そのモータロータが車輪用軸受の回転側輪に直接に固定されたダイレクトドライブ形式であるため、減速機、クラッチ、動力配分機構、ドライブシャフト等が不要であって、補助動力を与えるための構成が簡易で省スペースで済み、車両重量の増加も抑えられる。特に、電動発電機からなる補助動力装置の全体が、ブレーキロータの外周部よりも小径であって、かつ車輪用軸受の軸方向範囲内に位置するため、一般的な車両において生じているブレーキロータの外周部と車輪用軸受との間の空間を効率的に利用して補助動力装置を設置することができる。ブレーキロータは補助動力装置の外周に位置するため、前記ブレーキロータに摩擦パッドを押し付けるブレーキキャリパが補助動力装置と干渉せず、補助動力装置の設置によってブレーキの設置が妨げられることもない。このように、車輪のタイヤおよびリムの内径側に生じている空間を効率的に利用し、ブレーキとの干渉を生じることなく補助動力装置を設置することができる。
ブレーキロータの外周部と車輪用軸受との間の空間は、限られた大きさであり、主駆動源とするモータを設置するには不十分であるが、この発明では補助動力装置として設けるため、ダイレクトドライブ形式としたことと相まって、上記空間を効率的に利用して設置でき、走行用の主駆動源と併用する駆動アシスト、回生制動、発電が行え、走行性能、制動性能、燃料消費量等の車両性能を向上させることができる。
例えば、車両の車速や走行抵抗等の走行状態に併せて電動発電機を駆動させることで、主駆動源を効率が良くなる回転数・トルクとなるように駆動でき、走行性能を向上させることができる。より具体的には、加速時に電動発電機の駆動力補助を行い、また定速走行やクルージング状態で電動発電機の駆動力の付加もしくは発電作用させることで、主駆動源を効率良く駆動でき、また適切な回生電力が得られる。特に、前記主駆動源が内燃機関（ガソリンエンジンやディーゼルエンジン）の場合、回転数やトルクによる効率の違いが大きく、前記電動発電機の駆動力補助を行うことによる主駆動源の効率向上の効果が大きい。
この発明の補助動力装置付き車輪用軸受装置において、前記車輪用軸受が、前記車両の主駆動源と機械的に非連結である従動輪を支持する軸受であっても良い。
上記のように一般的な車輪用軸受およびブレーキの構成を大きく変えることなく、簡素でかつコンパクトな構成であるため、従動輪に簡単に設置することができる。また、従動輪に設置されることで、今まで機械式ブレーキで熱変換していたエネルギーを、前記補助動力装置を発電機として、バッテリーに回生電力を蓄えることにより、制動力を発生させることができる。機械式ブレーキと併用や使い分けで、制動性能も向上させることができる。
この発明の補助動力装置付き車輪用軸受装置において、前記車輪用軸受が、前記車両の主駆動源と機械的に連結された駆動輪を支持する軸受であっても良い。
上記のように一般的な車輪用軸受およびブレーキの構成を大きく変えることなく、簡素でかつコンパクトな構成であるため、駆動輪に対しても簡単に設置することができる。駆動輪に設置されることで、今まで機械式ブレーキで熱変換していたエネルギーを、前記補助動力装置を発電機として、バッテリーに回生電力を蓄えることにより、制動力を発生させることができる。機械式ブレーキと併用や使い分けで、制動性能も向上させることができる。
駆動輪に補助動力装置を接続するには、通常は煩雑な構成が必要となるが、前記補助動力装置がダイレクトドライブ方式であるため、駆動輪へも容易に適用することができる。
この発明の補助動力装置付き車輪用軸受装置において、前記車輪用軸受の前記固定輪が外輪、前記回転輪が内輪であっても良い。
この発明の補助動力装置付き車輪用軸受装置は、回転輪が外輪である場合にも適用することができるが、回転輪が内輪であると、各構成部品を空間効率良く設置することができる。
内輪回転である場合に、前記補助動力装置の回転ケースが、前記内輪の前記ハブフランジの外径面に固定され、前記回転ケースの内周に前記モータロータが固定され、前記ステータが前記外輪の外周に固定されていても良い。
この構成の場合、アウターロータ形となるため、モーメント発生位置が外径側となり、インナーロータ形に比べて効率が良い。また、ハブフランジの外径面に回転ケースが固定される構成であるため、回転ケースの固定のために軸方向寸法が増えることがなく、外輪の外周における空間をより広く補助動力装置の設置に利用することができる。
この構成の場合に、前記内輪の前記外輪に対する回転速度を検出する回転検出器が、前記外輪における前記内輪の前記ハブフランジ側の端部と前記内輪との間に設けられていても良い。前記回転検出器は、例えばレゾルバや、ホールセンサ、または光電式，磁気式のセンサのいずれであっても良い。
回転検出器をこのような配置とすると、回転検出器を備える補助動力装置付き車輪用軸受装置の軸方向長さをコンパクト化できる。
内輪回転である場合に、前記補助動力装置の回転ケースが、前記内輪の前記ハブフランジにおける前記車輪の取付面とは反対側の側面に固定され、前記回転ケースの内周に前記モータロータが固定され、前記ステータが前記外輪の外周に固定されていても良い。 この構成の場合もアウターロータ形となって効率が良い。また、回転ケースが内輪のハブフランジに重なるととから、前記フランジの剛性が高まり、回転精度を向上させることができる。
この構成の場合に、前記内輪の前記外輪に対する回転速度を検出する回転検出器が、前記内輪の前記ハブフランジとは反対側の端部と前記外輪を固定する足回りフレーム部品または前記外輪との間に設けられていても良い。
この回転検出器の配置であると、車輪用軸受から回転検出器が軸方向に突出するが、配置空間を大きく得ることができる。
この発明における第１の発明の補助動力装置は、車輪用軸受に設置される電動発電機からなる補助動力装置であって、車輪用軸受の固定輪に取付けられるステータと、前記車輪用軸受の回転輪に取付けられるモータロータとを備え、全体が、ブレーキロータにおけるブレーキキャリパが押し付けられる部分となる外周部よりも小径であり、かつ軸方向は、前記車輪用軸受の前記ハブフランジと、前記車輪用軸受の車体取り付け面との間に位置することを特徴とする。
この構成であると、この発明の補助動力装置付き車輪用軸受装置ついて前述したと同様に、一般的な車輪用軸受およびブレーキの構成を大きく変えることなく、簡素でかつコンパクトな構成で、リムの内径側の空間を効率的に活用して車輪内に全体を収めることができ、足回りフレーム部品の大きな設計も不要で、走行用の主駆動源と併用して駆動アシスト、回生制動、発電による走行性能、制動性能、燃料消費量等の車両性能を向上させることができる。
この発明における第２の発明の補助動力装置は、車輪用軸受に設置される電動発電機からなる補助動力装置であって、前記車輪用軸受の固定輪に取付けられるステータと、前記車輪用軸受の回転輪に取付けられるモータロータとを備え、前記ステータにおける軸方向の幅βが、前記車輪用軸受における、複列の転動体の中心間の距離αよりも大きいことを特徴とする。
この構成によると、複列の転動体の中心間の距離αよりも、ステータにおける軸方向の幅βを大きくする（α＜βとする）ことで、一般的な車輪用軸受およびブレーキの構成を大きく変えることなく、ステータとモータロータとの対向面積を大きくすることができ、補助動力装置の出力を大きくすることが可能となる。
この発明における第２の発明の補助動力装置付き車輪用軸受装置は、前記第２の発明の補助動力装置と、前記車輪用軸受とを備える補助動力装置付き車輪用軸受装置であって、
前記車輪用軸受における複列の転動体の各中心が、前記ステータにおける軸方向の幅βの範囲内に配置されていることを特徴とする。この場合にも、一般的な車輪用軸受およびブレーキの構成を大きく変えることなく、ステータとモータロータとの対向面積を大きくすることが可能となり、補助動力装置の出力を大きくすることが可能となる。
この発明における第３の発明の補助動力装置付き車輪用軸受装置は、前記第２の発明の補助動力装置と、前記車輪用軸受とを備える補助動力装置付き車輪用軸受装置であって、前記車輪用軸受に予圧が付与されていることを特徴とする。
前述のように、α＜βとすると、電動発電機の軸方向端部に軸方向のモーメント荷重が生じた場合、軸受のミスアライメントが発生しやすくなり、車輪用軸受とタイヤとの間で傾きまたはガタが生じる場合がある。しかし、前記車輪用軸受に予圧が付与されていることで軸受の剛性を高め、電動発電機の軸方向端部に軸方向のモーメント荷重が生じても、軸受のミスアライメントを抑制することができる。これにより、車輪用軸受とタイヤとの間またはガタを未然に防止することができる。
この発明における第４の発明の補助動力装置付き車輪用軸受装置は、前記第２の発明の補助動力装置と、前記車輪用軸受とを備える補助動力装置付き車輪用軸受装置であって、前記回転輪は、車両の車輪およびブレーキロータが取付けられるハブフランジを有し、前記ステータのコイルエンド、結線および配線が、前記ハブフランジのインボード側端部から前記車輪用軸受におけるアウトボード側の車体取り付け面との間に配置されることを特徴とする。この場合、既存の車輪用軸受に対し、大きな設計変更を伴うことなく、ステータのコイルエンド、結線および配線を配置することができる。したがって、製造コストの低減を図れる。
この発明における第１の発明の補助動力装置付き車輪用軸受装置は、固定輪、およびハブフランジを有し前記固定輪に転動体を介して回転自在に支持されて前記ハブフランジに車両の車輪およびブレーキロータが取付けられる回転輪を有する車輪用軸受と、補助動力装置とを備え、前記補助動力装置は、前記固定輪に取付けられたステータと、前記回転輪に取付けられたモータロータとを備える電動発電機であって、前記補助動力装置の全体が、前記ブレーキロータにおけるブレーキキャリパが押し付けられる部分となる外周部よりも小径であり、かつ軸方向は、前記車輪用軸受の前記ハブフランジと、前記車輪用軸受の車体取り付け面との間に位置するため、一般的な車輪用軸受およびブレーキの構成を大きく変えることなく、簡素でかつコンパクトな構成で、リムの内径側の空間を効率的に活用して車輪内に全体を収めることができ、足回りフレーム部品の大きな設計も不要で、走行用の主駆動源と併用して駆動アシスト、回生制動、発電による走行性能、制動性能、燃料消費量等の車両性能を向上させることができる。
この発明における第１の発明の補助動力装置は、車輪用軸受に設置される電動発電機からなる補助動力装置であって、車輪用軸受の固定輪に取付けられるステータと、前記車輪用軸受の回転輪に取付けられるモータロータとを備え、全体が、ブレーキロータにおけるブレーキキャリパが押し付けられる部分となる外周部よりも小径であり、かつ軸方向は、前記車輪用軸受の前記ハブフランジと、前記車輪用軸受の車体取り付け面との間に位置するため、一般的な車輪用軸受およびブレーキの構成を大きく変えることなく、簡素でかつコンパクトな構成で、リムの内径側の空間を効率的に活用して車輪内に全体を収めることができ、足回りフレーム部品の大きな設計も不要で、走行用の主駆動源と併用して駆動アシスト、回生制動、発電による走行性能、制動性能、燃料消費量等の車両性能を向上させることができる。
この発明における第２の発明の補助動力装置は、車輪用軸受に設置される電動発電機からなる補助動力装置であって、前記車輪用軸受の固定輪に取付けられるステータと、前記車輪用軸受の回転輪に取付けられるモータロータとを備え、前記ステータにおける軸方向の幅βが、前記車輪用軸受における、複列の転動体の中心間の距離αよりも大きいため、一般的な車輪用軸受およびブレーキの構成を大きく変えることなく、簡素でかつコンパクトな構成で、リムの内径側の空間を効率的に活用して車輪内に全体を収めることができ、足回りフレーム部品の大きな設計も不要で、走行用の主駆動源と併用して駆動アシスト、回生制動、発電による走行性能、制動性能、燃料消費量等の車両性能を向上させることができる。
この発明における第２の発明の補助動力装置付き車輪用軸受装置は、第２の発明の補助動力装置と、前記車輪用軸受とを備える補助動力装置付き車輪用軸受装置であって、前記車輪用軸受における複列の転動体の各中心が、前記ステータにおける軸方向の幅βの範囲内に配置されているため、一般的な車輪用軸受およびブレーキの構成を大きく変えることなく、簡素でかつコンパクトな構成で、リムの内径側の空間を効率的に活用して車輪内に全体を収めることができ、足回りフレーム部品の大きな設計も不要で、走行用の主駆動源と併用して駆動アシスト、回生制動、発電による走行性能、制動性能、燃料消費量等の車両性能を向上させることができる。
この発明における第３の発明の補助動力装置付き車輪用軸受装置は、第２の発明の補助動力装置と、前記車輪用軸受とを備える補助動力装置付き車輪用軸受装置であって、
前記車輪用軸受に予圧が付与されているため、一般的な車輪用軸受およびブレーキの構成を大きく変えることなく、簡素でかつコンパクトな構成で、リムの内径側の空間を効率的に活用して車輪内に全体を収めることができ、足回りフレーム部品の大きな設計も不要で、走行用の主駆動源と併用して駆動アシスト、回生制動、発電による走行性能、制動性能、燃料消費量等の車両性能を向上させることができる。
この発明における第４の発明の補助動力装置付き車輪用軸受装置は、第２の発明の補助動力装置と、前記車輪用軸受とを備える補助動力装置付き車輪用軸受装置であって、前記回転輪は、車両の車輪およびブレーキロータが取付けられるハブフランジを有し、前記ステータのコイルエンド、結線および配線が、前記ハブフランジのインボード側端部から前記車輪用軸受におけるアウトボード側の車体取り付け面との間に配置されるため、一般的な車輪用軸受およびブレーキの構成を大きく変えることなく、簡素でかつコンパクトな構成で、リムの内径側の空間を効率的に活用して車輪内に全体を収めることができ、足回りフレーム部品の大きな設計も不要で、走行用の主駆動源と併用して駆動アシスト、回生制動、発電による走行性能、制動性能、燃料消費量等の車両性能を向上させることができる。
この発明の第１の実施形態に係る補助動力装置付き車輪用軸受装置の断面図である。 同補助動力装置付き車輪用軸受装置の破断斜視図である。 同補助動力装置付き車輪用軸受装置の分解斜視図である。 この発明の他の実施形態に係る補助動力装置付き車輪用軸受装置の断面図である。 同補助動力装置付き車輪用軸受装置の破断斜視図である。 同補助動力装置付き車輪用軸受装置の分解斜視図である。 同補助動力装置付き車輪用軸受装置を用いた車両動力補助システムの概念構成を示すブロック図である。 同車両動力補助システムを搭載した車両の一例となる電源系統図である。 同補助動力装置付き車輪用軸受装置を用いた他の車両動力補助システムの概念の説明図である。 この発明の第１の実施形態に係る補助動力装置付き車輪用軸受装置の部分断面図であり、図１の部分拡大図である。 従来の車輪用軸受装置およびその周辺の足回り構造の断面図である。 同足回り構造の破断斜視図である。 同足回り構造の分解斜視図である。
この発明の第１の実施形態を図１ないし図３と共に説明する。この補助動力装置付き車輪用軸受装置１は、車輪用軸受２と補助動力装置３とで構成される。
車輪用軸受２は、固定輪である外輪４と、この外輪４に複列の転動体６を介して回転自在に支持された内輪５とでなり、内輪５は外輪４から軸方向に突出した箇所にハブフランジ７を有している。外輪４は、ハブフランジ７とは反対側の端部である車体取り付け面４ａで、ナックル等の足回りフレーム部品８にボルト９で取付けられ、車体の重量を支持する。前記ハブフランジ７の外輪４と反対側の側面には、車輪１０のリム１１とブレーキロータ１２とが重なった状態で、ハブボルト１３により取付けられている。前記リム１１の外周にタイヤ１４が取付けられている。
ブレーキロータ１２は、ディスク状であって、ハブフランジ７に重なる平板状部１２ａと、この平板状部１２ａから外輪４の外周側へ延びる外周部１２ｂとを有し、この外周部１２ｂは、円筒状部１２ｂａと、この円筒状部１２ｂａの先端から外径側へ延びる外径側平板部１２ｂｂとでなる。前記ブレーキロータ１２と、このブレーキロータ１２を挟み付ける摩擦パッド１５を有するブレーキキャリパ１６とで、ブレーキ１７が構成される。ブレーキキャリパ１６は、前記足回りフレーム部品８に取付けられている。ブレーキキャリパ１６は、油圧式および機械式のいずれであっても良く、また電動モータ式であっても良い。
前記補助動力装置３は電動発電機であって、固定輪である外輪４の外周面に取付けられたステータ１８と、回転輪である内輪５のハブフランジ７に取付けられたモータロータ１９とを有する。図示の例の補助動力装置３は、同期モータ、具体的にはアウターロータ型のＩＰＭ同期モータであるが、ＳＲＭ同期モータであっても良く、またスイッチトリラクタンスモータ（ＳＲＭ）、インダクションモータ（ＩＭ）など各種形式が採用できる。同期モータにおいては、ステータの巻き線形式として分布巻、集中巻の各形式が採用できる。補助動力装置３は、インナーロータ型とすることも可能であるが、限られたスペース内でより大きなトルクを発生させるには、モーメント発生位置が外径側であるアウターロータ側が望ましい。
図示の補助動力装置３において、前記ステータ１８は、コア１８ａとコイル１８ｂ（図3参照）とでなる。モータロータ１９は、モータケースとなる回転ケース１９ａの内周に
取付けられており、回転ケース１９ａがハブフランジ７に取付けられることによって、ハブフランジ７に取付けられている。回転ケース１９ａのハブフランジ７への取付け位置は、この実施形態では図１のようにハブフランジ７の外周面とされ、例えば嵌合、溶接、または接着等により、ハブフランジ７に固定されている。モータロータ１９は、永久磁石からなり、または永久磁石と磁性体とでなる。回転ケース１９ａの一端は、ナックル等からなる足回りフレーム部品８側からの補助動力装置３内部への異物の侵入を防止するモータシールド２１により閉鎖されている。モータシールド２１は、ケース１９ａに取付けられている。
補助動力装置３は、その全体が、ブレーキロータ１２の前記外周部１２ｂよりも小径であって、軸方向には、車輪用軸受２の前記ハブフランジ７と車輪用軸受２の車体取り付け面４ａとの間に位置する。すなわち、補助動力装置３は、ブレーキロータ１２の前記外周部１２ｂと、車輪用軸受装置１の外輪４の外周との間に収められている。なお、軸方向については、ブレーキロータ１２の前記外周部１２ｂにおける円筒部１２ｂａに補助動力装置３の一部が入っている。
回転検出器２０は、電動発電機である補助動力装置３の回転を制御するために、内輪５の外輪４に対する回転速度を検出する機器であり、外輪４における内輪５のハブフランジ７側の端部と内輪５との間に設けられている。回転検出器２０は、内輪５に取付けられた被検出部２０ａと、外輪４に取付けられて前記被検出部２０ａを検出するセンサ部２０ｂとでなる。回転検出器２０としては、レゾルバまたはホールセンサ、または光電式や磁気式などが採用でき、これらの組み合わせであってもよい。
この構成の補助動力装置付き車輪用軸受装置によると、前記補助動力装置３は車輪用軸受２に搭載され、そのモータロータ１９が車輪用軸受２の回転輪である外輪４に直接に固定されたダイレクトドライブ形式であるため、減速機、クラッチ、動力配分機構、ドライブシャフト等が不要である。そのため、動力を与えるための構成が簡易で省スペースで済み、車両重量の増加も抑えられる。特に、電動発電機からなる補助動力装置３の全体が、ブレーキロータ１２の外周部１２ｂよりも小径であって、かつ車輪用軸受２の軸方向範囲内に位置するため、例えば図１１〜図１３に示した一般的な車両において生じているブレーキロータの外周部と車輪用軸受との間の空間を効率的に利用して補助動力装置３を設置することができる。
ブレーキロータ１２は補助動力装置３の外周に位置するため、前記ブレーキ１７のブレーキロータ１２やブレーキキャリパ１６が補助動力装置３と干渉せず、補助動力装置３の設置によってブレーキ１７の設置が妨げられることもない。このように、車輪１０のタイヤ１４およびリム１１の内径側に生じている空間を効率的に利用し、ブレーキ１７との干渉を生じることなく補助動力装置３を設置することができる。
ブレーキロータ１２の外周部１２ｂと車輪用軸受２との間の空間は、限られた大きさであり、主駆動源とするモータを設置するには不十分があるが、この実施形態は補助動力装置３を設けるため、ダイレクトドライブ形式としたことと相まって、上記空間を効率的に利用して設置でき、走行用の主駆動源と併用する駆動アシスト、回生制動、発電が行え、走行性能、制動性能、燃料消費量等の車両性能を向上させることができる。
例えば、車両の車速や走行抵抗等の走行状態に併せて電動発電機を駆動させることで、主駆動源を効率が良くなる回転数・トルクとなるように駆動でき、走行性能を向上させることができる。より具体的には、加速時に電動発電機の駆動力補助を行い、また定速走行やクルージング状態で電動発電機の駆動力の付加もしくは発電作用させることで、主駆動源を効率良く駆動でき、また適切な回生電力が得られる。特に、前記主駆動源が内燃機関（ガソリンエンジンやディーゼルエンジン）の場合、回転数やトルクによる効率の違いが大きく、前記電動発電機の駆動力補助を行うことによる主駆動源の効率向上の効果が大きい。
他の実施形態について説明する。
以下の説明においては、各実施の形態で先行して説明している事項に対応している部分には同一の参照符号を付し、重複する説明を略する。構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分は、特に記載のない限り先行して説明している形態と同様とする。同一の構成から同一の作用効果を奏する。実施の各形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施の形態同士を部分的に組合せることも可能である。
図４〜図６は、他の実施形態を示す。この実施形態において、特に説明する事項の他は図１〜図３に示した第１の実施形態と同様である。この実施形態では、回転ケース１９ａの取付位置が、内輪のハブフランジ７における前記リム１１の取付面とは反対側の側面とされている。この回転ケース１９ａの内周に前記モータロータ１９が固定されている。このようにハブフランジ７の側面に重ねて回転ケース１９ａを取付けることで、モータロータ１９とハブフランジ７の剛性が高まり、回転精度を向上させることができる。
また、この実施形態では、回転速度を検出する回転検出器２０が、内輪５のハブフランジ７とは反対側の端部と、足回りフレーム部品８との間に設けられている。回転検出器２０には第１の実施形態と同様にレゾルバまたは他の構成のセンサが用いられる。回転検出器２０は、被検出部２０ａとこの被検出部２０ａを検出するセンサ部２０ｂとでなり、これら被検出部２０ａおよびセンサ部２０ｂは、それぞれ回転側および固定側の検出器支持部品２５，２６によって前記足回りフレーム部品８に取付けられている。
図７，図８は、前記第１または他の実施形態に係る補助動力装置付き車輪用軸受装置１を用いた車両動力補助システムの概念構成を示すブロック図である。
この車両動力補助システムにおいて、前記補助動力装置付き車輪用軸受装置１は、前輪駆動または後輪駆動などの非駆動輪である従動輪１０Ｂを持つ車両２において、主駆動源３５とは、機械的に非連結である従動輪１０Ｂに対して搭載される。主駆動源３５は、ガソリンエンジンまたはディ ―ゼルエンジン等の内燃機関、または電動発電機（電動モー
タ）、または両者を組み合わせたハイブリッド型の駆動源である。なお、「電動発電機」は、回転付与による発電が可能な電動モータを称す。図示の例では、車両３０は、前輪が駆動輪１０Ａ、後輪が従動輪１０Ｂとなる前輪駆動車であって、主駆動源３５が内燃機関３５ａと駆動輪側の電動発電機３５ｂとでなるハイブッリド車（以下、「ＨＥＶ」と称することがある）である。具体的には、駆動輪側の電動発電機３５ｂが４８Ｖ等の中電圧で駆動されるマイルドハイブリッド形式である。ハイブリッドはストロングハイブリッドとマイルドハイブリッドとに大別されるが、マイルドハイブリッドは、主要駆動源が内燃機関であって、発進時や加速時等にモータで走行の補助を主に行う形式を言い、ＥＶ（電気自動車）モードでは通常の走行を暫くは行えても長時間行うことができないことでストロングハイブリッドと区別される。同図の例の内燃機関３５ａは、クラッチ３６および減速機３７をして駆動輪１０Ａのドライブシャフトに接続され、前記減速機３７に前記駆動輪側の電動発電機３５ｂが接続されている。
この車両動力補助システムは、従動輪１０Ｂの回転駆動を行う走行補助用の補助動力装置３と、この補助動力装置３の制御を行う個別制御手段３９と、上位ＥＣＵ４０に設けられて前記個別制御手段３９に駆動および回生の制御を行わせる指令を出力する個別電動発電機指令手段４５とを備える。前記補助動力装置３は、蓄電手段に接続されている。この蓄電手段は、バッテリー（蓄電池）やキャパシタ、コンデンサ等を用いることができ、その形式や車両３０への搭載位置は問わないが、この実施形態では、車両３０に搭載された低電圧バッテリー５０および中電圧バッテリー４９のうちの中電圧バッテリー４９とされている。
従動輪用の補助動力装置３は、図１または図４の実施形態に示す構成であり、前述のように、変速機を用いないダイレクトドライブモータである。補助動力装置３は、電力を供給することで電動機として作用し、また車両３０の運動エネルギーを電力に変換する発電機としても作用する。
前記補助動力装置３は、ハブ輪である内輪５にモータロータ１９が取付付けられているため、補助動力装置３に電流を印加すると内輪５が回転駆動され、逆に電力回生時には誘起電圧を負荷することで回生電力が得られる。
図７と共に、車両３０の制御系を説明する。上位ＥＣＵ４０は車両３０の統合制御を行う手段であり、これに、アクセルペダル等のアクセル操作手段５６およびブレーキペダル等のブレーキ操作手段５７からそれぞれ入力される操作量の信号に従ってトルク指令を生成するトルク指令生成手段４３が設けられている。この車両３０は、主駆動源３５として内燃機関３５ａおよび駆動輪側の電動発電機３５ｂを備え、また２つの従動輪１０Ｂ，１０Ｂをそれぞれ駆動する２つの補助動力装置３，３を備えるため、前記トルク指令を前記各駆動源３５ａ，３５ｂ，３，３に定められた規則によって分配するトルク指令分配手段４４が前記上位ＥＣＵ４０に設けられている。内燃機関３５ａに対するトルク指令は内燃機関制御手段４７に伝達され、内燃機関制御手段４７によるバルブ開度制御等に用いられる。駆動輪側の発電電動機３５ｂに対するトルク指令は、駆動輪側電動発電機制御手段４８に伝達されて実行される。従動輪側の補助動力装置３，３に対するトルク指令は、前記個別制御手段３９，３９に伝達される。前記トルク指令分配手段４４のうち、個別制御手段３９，３９へ出力する部分を個別電動発電機指令手段４５と称している。この個別電動発電機指令手段４５は、ブレーキ操作手段５７の操作量の信号に対して、補助動力装置３が回生制動により制動を分担する制動力の指令となるトルク指令を個別制御手段３９へ与える機能も備える。
個別制御手段３９はインバータ装置であり、中電圧バッテリー４９の直流電力を３相の交流電圧に変換するインバータ４１と、前記トルク指令等により前記インバータ４１の出力をＰＷＭ制御等で制御する制御部４２とを有する。前記インバータ４１は、半導体スイッチング素子等によるブリッジ回路（図示せず）と、補助動力装置３の回生電力を中電圧バッテリー４９に充電する充電回路（図示せず）とを備える。なお個別制御手段３９は、２つの補助動力装置３，３に対して個別に設けられるが、一つの筐体内に収められ、制御部４２を両個別制御手段３９，３９で共有する構成であっても良い。
図８は、図７に示したハイブリッド車の電気系統図である。同図の例では、バッテリーとして低電圧バッテリー５０と中電力バッテリー４９とが設けられ、両バッテリー４９，５０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１を介して接続されている。補助動力装置３は二つあるが、代表して一つで図示している。また、図７の駆動輪側の電動発電機３５ｂは、図８では図示を省略しているが、従動輪側の補助動力装置３と並列に中電力系統に接続されている。低電圧系統には低電圧負荷５２が接続され、中電圧系統には中電圧負荷５３が接続される。低電圧負荷５２および中電圧負荷５３は、それぞれ複数あるが、代表して一つで示している。
低電圧バッテリー５０は、制御系等の電源として各種の自動車一般に用いられているバッテリーであり、例えば１２Ｖまたは２４Ｖとされる。前記低電圧負荷５２としては、内燃機関３５ａのスタータモータや、灯火類、上位ＥＣＵ４０やその他のＥＣＵ（図示せず）等の基幹部品がある。低電圧バッテリー５０は電装補機類用補助バッテリー、中電圧バッテリー４９は電動システム用補助バッテリー等と称しても良い。
中電圧バッテリー４９は、低電圧バッテリー５０よりも電圧が高く、かつストロングハイブリッド車等に用いられる高圧バッテリー（１００Ｖ以上、例えば２００〜４００Ｖ程度）よりも低く、かつ作業時に感電による人体への影響が問題とならない程度の電圧であり、近年マイルドハイブリッドに用いられている４８Ｖバッテリーが好ましい。４８Ｖバッテリー等の中電圧バッテリー４９は、従来の内燃機関を搭載した車両に比較的容易に搭載することができ、マイルドハイブリッドとして電力による動力アシストや回生により、燃費低減することができる。
前記４８Ｖ系統の中電圧負荷５３は前記アクセサリー部品であり、前記駆動輪側の補助動力装置３である動力アシストモータや、この他に電動ポンプ、電動パワーステアリング、スーパーチャージャ、エアーコンプレッサなどである。アクセサリーによる負荷を４８Ｖ系統で構成することで、高電圧（１００Ｖ以上のストロングハイブリッド車など）よりも動力アシストの出力が低くなるものの、乗員やメンテナンス作業者への感電の危険性を低くすることができる。電線の絶縁被膜を薄くすることができるので、電線の重量や体積を減らすことができる。また、１２Ｖよりも小さな電流量で大きな電力量を入出力することができるため、電動機や発電機の体積を小さくすることができる。これらのことから、車両の燃費低減効果に寄与する。
この車両動力補助システムは、こうしたマイルドハイブリッド車のアクセサリー部品に好適であり、動力アシストや電力回生部品として適用される。なお、従来よりマイルドハイブリッド車において、ＣＭＧ、ＧＭＧ、ベルト駆動式スタータモータ（いずれも図示せず）などが採用されることがあるが、これらはいずれも、内燃機関や動力装置に対して動力アシストや回生するため、伝達装置や減速機などの効率の影響を受ける。これに対してこの実施形態の車両動力補助システムは従動輪１０Ｂに対して搭載されるため、内燃機関３５ａや電動モータ（図示せず）等の主駆動源とは切り離されており、電力回生の際には車体１の運動エネルギーを直接利用することができる。また、ＣＭＧ、ＧＭＧ、ベルト駆動式スタータモータなどを搭載する際には、車両３０の設計段階から考慮して組み込む必要があり、後付けすることが難しいが、従動輪１０Ｂ内に収まるこの車両動力補助システムの補助動力装置３は、完成車であっても部品交換と同等の工数で取り付けることができ、内燃機関３５ａのみの完成車に対しても４８Ｖのシステムを構成することができる。また、この実施形態の車両動力補助システムを搭載した車両に、図７の例のように別の補助駆動用の電動発電機３５ｂが搭載されていても構わない。その際は車両３０に対する動力アシスト量や回生電力量を増加させることができ、さらに燃費低減に寄与する。
上記構成の車両動力補助システム１の動作及び作用効果を整理して次に示す。
(1) 制動時
今まで機械式ブレーキで熱変換していたエネルギーを、補助動力装置３を発電機として、前記中電圧バッテリー４９に電力を蓄えることにより制動力を発生させることにより、今まで捨てられていたエネルギーを回収することができる。
(2) 加速、定常走行時
主駆動源３５に内燃機関（エンジン）３５ａを持つ車両３０の場合、車両３０の走行状態（車速、走行抵抗など）に併せて、エンジン効率が良くなる回転数・トルクとなるように補助動力装置３を駆動させる。これにより、エンジン効率がよくなり、燃費改善に貢献できる。例えば、加速時に補助動力装置３の駆動力補助や定速走行やクルージング状態で駆動力付加もしくは発電作用させることができる。
(3) 走行性能の向上
レーンチェンジのための加速時や旋回時において、補助動力装置３を個々に制御することにより、より安定した走行が可能となる。
(4) 低摩擦路面の走行
雨天時や雪道などの低摩擦路面での動き出しや停止の際、補助動力装置３によりタイヤのトラクションを制御し、安定した走行が可能となる。路面に近い車輪内に補助動力装置３を備えるため、応答性の良い操作性となる。回転検出装置４５（図３参照）を備えており、車載のブレーキセンサなどを省略できる。
(5) 取付性
従来形式の一般的な内燃機関駆動の自動車において、足回りフレーム部品３９の簡単な変更程の設計変更により、足回りフレーム部品３９に取付けるだけの簡単な取付方法が採れる。
図９は、前記第１または他の実施形態に係る補助動力装置付き車輪用軸受装置１を前輪である駆動輪１０Ａおよび後輪である従動輪１０Ｂに適用した例を示す。駆動輪１０Ａは内燃機関からなる主駆動源３５により、クラッチ３６および減速機７を介して駆動される。この前輪駆動車において、各駆動輪１０Ａおよび従動輪１０Ｂの支持および補助駆動に、補助動力装置付き車輪用軸受装置３が設置されている。このように駆動輪にこの補助動力装置付き車輪用軸受装置３を適用することも可能である。
図１０は、この発明の第１の実施形態に係る補助動力装置付き車輪用軸受装置１の部分断面図であり、図１の部分拡大図である。
上述したように、車輪用軸受２は、固定輪である外輪４と、回転輪である内輪５と、複列の転動体６とを有する。複列の転動体６は、車輪用軸受装置１が車両に取り付けられた場合において、インナー側に位置するインナー側転動体列６ａと、アウター側に位置するアウター側転等体列６ｂとを備える。
ここで、車輪用軸受２の回転軸を回転軸Ｏ、回転軸Ｏ方向における、複列の転動体６のインナー側転動体列６ａとアウター側転等体列６ｂとの中心間の軸方向距離を距離α、補助動力装置３のステータ１８の回転軸Ｏ方向の幅を幅βとすると、本実施形態に係る補助動力装置付き車輪用軸受装置１は、距離α＜幅βの関係が成り立つ。
このように、複列の転動体６の中心間の距離αよりも、回転軸Ｏ方向におけるステータの１８の軸方向の幅βを大きくすることで、ステータ１８とモータロータ１９との対向面積を大きくすることができ、補助動力装置３の出力を大きくすることが可能となる。
ただし、距離α＜幅βとすると、モータＯ軸方向端部に回転軸Ｏ方向のモーメント荷重が生じたとき、軸受のミスアライメントが発生しやすくなり、車輪用軸受とタイヤとの間で傾きやガタが生じる場合がある。しかし車輪用軸受２に適正な予圧を付与すれば解決できる。ただし、幅βは車輪用軸受２のハブフランジ７のインボード側端部から車輪用軸受２のアウトボード側の車体取り付け面４ａよりも小さく、ステータ１８のコイルエンド１８ｃ、結線および配線１８ｄが、ハブフランジ７のインボード側端部から車輪用軸受２のアウトボード側の車体取り付け面４ａとの間に構成される。前記コイルエンド１８ｃとは、コア１８ａよりも軸方向外側に突出するコイル１８ｂの突出部分である。
さらに、本実施形態においては、車輪用軸受２として、インナー側転動体列６ａのピッチ円直径と、アウター側転動体列６ｂのピッチ円直径とが等しいものを示したが、車輪用軸受２は、インナー側転動体列６ａのピッチ円直径と、アウター側転動体列６ｂのピッチ円直径とが異なるものであってもよい。そのような場合であっても、インナー側転動体列６ａの中心と、アウター側転動体列６ｂの中心間の回転軸Ｏ方向の距離αが、ステータ１８の幅βよりも大きくなっていればよい。
また、図１０に示すように、回転軸Ｏ方向において、複列の転動体６の各中心が、ステータ１８における軸方向の幅βの範囲内となるように配置されている。換言すれば、複列の転動体６の各中心は、ステータ１８のインナー側端面１８ａａと、ステータ１８のアウター側端面１８ａｂとの間に配置されている。
複列の転動体６において、インナー側転動体列６ａのインナー側端部が、ステータ１８のインナー側端面１８ａａよりも、インナー（インボード）側に位置する場合であっても、ステータ１８のインナー側端面１８ａａが、インナー側転動体列６ａの中心よりもインナー（インボード）側に位置していれば、本発明の範疇に含まれる。
なお、前記実施形態は、ハイブリッド車および主駆動源３５が内燃機関のみの車両に適用した場合につき説明したが、この発明は、主駆動源３５が電動モータのみの車両にも適用することができる。
以上、実施例に基づいて本発明を実施するための形態を説明したが、ここで開示した実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１…補助動力装置付き車輪用軸受装置
２…車輪用軸受
３…補助動力装置
４…外輪（固定輪）
４ａ…車体取り付け面
５…内輪（回転輪）
６…転動体
７…ハブフランジ
８…足回りフレーム部品
１０…車輪
１１…リム
１２…ブレーキロータ
１２ａ…平板状部
１２ｂ…外周部
１３…ハブボルト
１４…タイヤ
１６…ブレーキキャリパ
１７…ブレーキ
１８…ステータ
１９…モータロータ
１８ａ…コア
１８ｂ…コイル
１８ｃ…コイルエンド
２０…回転ケース
２０…回転検出器

Claims (13)

  1. 固定輪、およびハブフランジを有し前記固定輪に転動体を介して回転自在に支持されて前記ハブフランジに車両の車輪およびブレーキロータが取付けられる回転輪を有する車輪用軸受と、補助動力装置とを備え、
    前記補助動力装置は、前記固定輪に取付けられたステータと、前記回転輪に取付けられたモータロータとを備える電動発電機であって、前記補助動力装置の全体が、前記ブレーキロータにおけるブレーキキャリパが押し付けられる部分となる外周部よりも小径であり、かつ軸方向は、前記車輪用軸受の前記ハブフランジと、前記車輪用軸受の車体取り付け面との間に位置することを特徴とする補助動力装置付き車輪用軸受装置。
  2. 請求項１に記載の補助動力装置付き車輪用軸受装置において、前記車輪用軸受が、前記車両の主駆動源と機械的に非連結である従動輪を支持する軸受である補助動力装置付き車輪用軸受装置。
  3. 請求項１に記載の補助動力装置付き車輪用軸受装置において、前記車輪用軸受が、前記車両の主駆動源と機械的に連結された駆動輪を支持する軸受である補助動力装置付き車輪用軸受装置。
  4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の補助動力装置付き車輪用軸受装置において、前記車輪用軸受の前記固定輪が外輪、前記回転輪が内輪である補助動力装置付き車輪用軸受装置。
  5. 請求項４に記載の補助動力装置付き車輪用軸受装置において、前記補助動力装置の回転ケースが、前記内輪の前記ハブフランジの外径面に固定され、前記回転ケースの内周に前記モータロータが固定され、前記ステータが前記外輪の外周に固定された補助動力装置付き車輪用軸受装置。
  6. 請求項４に記載の補助動力装置付き車輪用軸受装置において、前記内輪の前記外輪に対する回転速度を検出する回転検出器が、前記外輪における前記内輪の前記ハブフランジ側の端部と前記内輪との間に設けられている補助動力装置付き車輪用軸受装置。
  7. 請求項４に記載の補助動力装置付き車輪用軸受装置において、前記補助動力装置の回転ケースが、前記内輪の前記ハブフランジにおける前記車輪の取付面とは反対側の側面に固定され、前記回転ケースの内周に前記モータロータが固定され、前記ステータが前記外輪の外周に固定された補助動力装置付き車輪用軸受装置。
  8. 請求項７に記載の補助動力装置付き車輪用軸受装置において、前記内輪の前記外輪に対する回転速度を検出する回転検出器が、前記内輪の前記ハブフランジとは反対側の端部と前記外輪を固定する足回りフレーム部品との間に設けられている補助動力装置付き車輪用軸受装置。
  9. 車輪用軸受に設置される電動発電機からなる補助動力装置であって、車輪用軸受の固定輪に取付けられるステータと、前記車輪用軸受の回転輪に取付けられるモータロータとを備え、全体が、ブレーキロータにおけるブレーキキャリパが押し付けられる部分となる外周部よりも小径であり、かつ軸方向は、前記車輪用軸受の前記ハブフランジと、前記車輪用軸受の車体取り付け面との間に位置することを特徴とする補助動力装置。
  10. 車輪用軸受に設置される電動発電機からなる補助動力装置であって、
    前記車輪用軸受の固定輪に取付けられるステータと、前記車輪用軸受の回転輪に取付けられるモータロータとを備え、
    前記ステータにおける軸方向の幅βが、前記車輪用軸受における、複列の転動体の中心間の距離αよりも大きいことを特徴とする補助動力装置。
  11. 請求項１０に記載の補助動力装置と、前記車輪用軸受とを備える補助動力装置付き車輪用軸受装置であって、
    前記車輪用軸受における複列の転動体の各中心が、前記ステータにおける軸方向の幅βの範囲内に配置されていることを特徴とする補助動力装置付き車輪用軸受装置。
  12. 請求項１０に記載の補助動力装置と、前記車輪用軸受とを備える補助動力装置付き車輪用軸受装置であって、
    前記車輪用軸受に予圧が付与されていることを特徴とする補助動力装置付き車輪用軸受装置。
  13. 請求項１０に記載の補助動力装置と、前記車輪用軸受とを備える補助動力装置付き車輪用軸受装置であって、
    前記回転輪は、車両の車輪およびブレーキロータが取付けられるハブフランジを有し、
    前記ステータのコイルエンド、結線および配線が、前記ハブフランジのインボード側端部から前記車輪用軸受におけるアウトボード側の車体取り付け面との間に配置されることを特徴とする補助動力装置付き車輪用軸受装置。
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