JP2019515827A - 複数のギア比を有するシングル電動モータドライブアクスル - Google Patents

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Abstract

アクスルハウジングと、連結されたベベルピニオンギアによって直接駆動される出力シャフトを有する電動モータと、固定比のプラネタリーギア装置と、デフケース内に収容されるディファレンシャルギア装置を含むディファレンシャルユニットと、及び、ドライブアクスルが第1ギア比で動作するように、ドライブアクスルの静止部材にプラネタリーギアセットの一部分を結合するよう選択的に動作可能な第1クラッチとを含む、自動車用の電動ドライブアクスル。

Description

[関連出願の相互参照]
本出願は、2016年3月28日に出願された米国特許仮出願第62/314,023号明細書に基づく優先権を主張するものである。上記特許出願の内容は、参照によって完全に本明細書の詳細な説明に組み込まれている。
本明細書において、自動車用の電動ドライブアクスル、より具体的には、2速及び3速構成を提供するシングル電動モータを有する電動ドライブアクスルが提供される。
炭素排出の削減及び汚染の削減のため、ハイブリッド車両及び電動車両への関心が高まっている。自動車に用いられる電動モータの現在のテクノロジーは、トルク及び速度において拡張が制限されている。電動モータドライブトレインの使用については、低速において高トルクを、高速において低トルクを効率的に分配するよう最適化され得るが、その両方に対してではない。
電動ドライブアクスルの現在の設計は、追加のモータ、モータとアクスルとの間の多段速度ギアボックス、及びハブリダクションなどの追加の構成部品をドライブトレインに加え、全体の所望のアクスル比及び性能を実現することによって、性能を最適化する。しかしながら、この設計は、ドライブトレインに追加のコスト及び複雑性をもたらす。
したがって、コスト効果に優れ簡易に制御でき、高速および低速の両方で効率的に動作し得る電動車両用の電動ドライブアクスルを開発することは有益であろう。
本明細書においては、アクスルハウジングと、連結されたベベルピニオンギアによって直接駆動される出力シャフトを有する電動モータと、固定比のプラネタリーギア装置と、ディファレンシャルユニット及び第1クラッチとを含む、自動車用の電動ドライブアクスルが提供される。固定比のプラネタリーギア装置は、サンギアと、リングギアと、サンギア及びリングギアを結合するキャリアとを含む。ディファレンシャルユニットは、デフケース内に収容されるディファレンシャルギア装置を含む。第1クラッチは、ドライブアクスルの静止部材にサンギアを結合するよう選択的に動作可能である。更に、リングギアはベベルピニオンギアに駆動結合しており、キャリアはデフケースと駆動係合している。
本明細書においては、アクスルハウジングと、連結されたベベルピニオンギアによって直接駆動される出力シャフトを有する電動モータと、固定比のプラネタリーギア装置と、ディファレンシャルユニット及び第1クラッチとを含む、自動車用の電動ドライブアクスルが提供される。固定比のプラネタリーギア装置は、サンギアと、リングギアと、サンギア及びリングギアを結合するキャリアとを含む。ディファレンシャルユニットは、デフケース内に収容されるディファレンシャルギア装置を含む。第1クラッチは、電動アクスルの静止部材にリングギアを結合するよう選択的に動作可能である。更に、サンギアはベベルピニオンギアに駆動結合しており、キャリアはデフケースと駆動係合している。
上記、及び、本実施形態の他の複数の利点は、添付の図面を参照して考慮された場合、以下の詳細な説明から、当業者に容易に明らかになる。
好適な実施形態に係る電動ドライブアクスルの概略図である。 他の好適な実施形態に係る電動ドライブアクスルの概略図である。 他の好適な実施形態に係る電動ドライブアクスルの概略図である。 他の好適な実施形態に係る電動ドライブアクスルの概略図である。 他の好適な実施形態に係る電動ドライブアクスルの概略図である。 図5に示された電動ドライブアクスルのプラネタリーギアセットのレバー図(lever diagram)である。
好適な複数の実施形態は、そうではないと明示的に特定している場合を除き、様々な代替的方向性および段階順序を想定してもよいことが理解されるべきである。添付の図面において図示され、以下の明細書において説明されている、複数の特定の装置及びプロセスは、単なる複数の例示的な実施形態であることも、理解されるべきである。従って、開示される実施形態に関連した特定の寸法、方向、向き、または、その他の物理的な特性は、そうでないと明示的に述べられていない限り、限定であるとみなされるべきではない。
図1は、好適な実施形態に係る自動車用の電動ドライブアクスル10の概略図である。電動ドライブアクスル10は、モータージェネレータ12、減速プラネタリーギアセット14、ディファレンシャルユニット16、及び2つのアクスルハーフシャフト18、20を含む。図示されるように、電動ドライブアクスル10は5つのアセンブリ12、14、16、18、20を含むが、アクスル10はそれよりも少ない又は多いアセンブリを含んでよいことが理解されるであろう。
モータージェネレータ12は、アクスルハウジング(図示せず)に連結される。モータージェネレータ12は、コントローラ(図示せず)及びエネルギー貯蔵デバイス(図示せず)と電気通信している。いくつかの実施形態において、エネルギー貯蔵デバイスはバッテリーであり得る。コントローラを用いたモータージェネレータ12の電気的制御に応じて、モータージェネレータ12は、モータージェネレータ12が駆動係合している電動ドライブアクスル10の一部分に対して力を加えてよく、又はそれを減速させてよい。いくつかの実施形態において、モータージェネレータ12はアクスルハウジング内に配置される。バッテリーは、燃料電池電動車両ドライブトレイン(FCEV)用の燃料電池と入れ替え可能であることが理解されるべきである。
図1に示されるように、モータージェネレータ12は自動車のアクスルハーフシャフト18、20に対して横向きに配置され、出力シャフト22を直接駆動する。出力シャフト22は、ベベルピニオン24に駆動結合している。代替的に、ベベルピニオン24は出力シャフト22と共に一体的に形成され得る。ベベルピニオン24は、減速プラネタリーギアセット14と駆動係合しているベベルギア26と噛み合う。ベベルギア26は、ハイポイドギア、スパイラルベベルギア、ストレートベベルギア、又は、当業者に公知の他のギアのうちの1つであり得る。一実施形態において、ベベルピニオン24及びベベルギア26は、6.5:1のギア比を提供し得るが、これに限定されない。
ベベルギア26は、プラネタリーギアセット14と駆動係合している。一実施形態において、プラネタリーギアセット14は、電動ドライブアクスル10に統合され、ベベルギア26とアクスルハーフシャフト18、20との間に配置される。いくつかの実施形態において、プラネタリーギアセット14は固定比プラネタリーギアセットである。プラネタリーギアセット14は、ベベルギア26及びディファレンシャルユニット16と駆動係合している。プラネタリーギアセット14は、サンギア部28と、リングギア部30と、サンギア部28及びリングギア部30を結合するキャリア部32とを含む。
更なる実施形態において、プラネタリーギアセット14は、電動ドライブアクスル10が用いられる用途に応じて所望のギア減速を実現する、追加の減速ギアセットを含み得る。
図1に示されるように、リングギア部30はベベルギア26を介してモータージェネレータ12と駆動係合している。キャリア部32は、ディファレンシャルユニット16のディファレンシャルギア装置36を含むデフケース34と駆動係合している。
いくつかの実施形態において、ディファレンシャルギア装置36は、デフケース34において回転可能に支持される一対のピニオンギア38及びサイドギア40、42を含む。しかしながら、プラネタリーディファレンシャルギア装置(ただし、これに限定されない)を含む他のディファレンシャルギア装置もまた用いられ得る。デフケース34は、回転軸Zと同軸的で支持される2つのアクスルハーフシャフト18、20と共に、回転軸Zを中心に回転する。サイドギア40、42は、ピニオンギア38と噛み合い、それぞれアクスルハーフシャフト18、20を係合する。出力アクスルハーフシャフト18、20はホイールアセンブリ44、46に繋がっている。ピニオンギア38は、デフケース34に固定されたピニオンシャフト48に、回転可能に支持される。ホイールアセンブリ44、46はそれぞれ、電動ドライブアクスル10によって動力を与えられる左右のホイール44a、46aを含む。
サンギア部28は、自動車の静止部材49に取り外せないように固定され、プラネタリーギアセット14が減速プラネタリー固定プラネタリーギア比を生む結果となる。いくつかの実施形態において、静止部材49はアクスルハウジングであるが、これに限定されない。一実施形態において、静止部材49はプラネタリーギアセット14とホイールアセンブリ46との間に配置される。非限定的な例として、プラネタリーギアセットはギア比1.4:1を有してよい。しかしながら、他の減速ギア比が可能であることが理解されるであろう。プラネタリーギアセット14は、同様の動作を容易にするその他の構成を有し得ること、また、静止部材49の位置がプラネタリーギアセット14の装置に応じて決まり得ることが理解されるであろう。プラネタリーギアセット14によって提供される固定プラネタリーギア比により、電動モータ12のサイズを小さくすることが出来る。
加えて、図2に示されるように、他の好適な実施形態において、電動ドライブアクスル10は、2速電動ドライブアクスルを提供する静止部材49にサンギア部28を選択的に固定させる、クラッチ50を含み得る。サンギア部28が固定されている場合、電動ドライブアクスル10は第1プラネタリーギア比を提供し、サンギア部28が固定されていない場合、電動ドライブアクスル10は第2プラネタリーギア比又はダイレクトドライブ比を提供する。一実施形態において、第1プラネタリーギア比は1.4:1であるが、これに限定されない。プラネタリーギアセット14は、同様の動作を容易にするその他の構成を有し得ること、また、静止部材49の位置がプラネタリーギアセット14の装置に応じて決まり得ることが理解されるであろう。
図2に示されるように、クラッチ50は噛み合いクラッチである。しかしながら、他のトルク伝達デバイスも用いられ得る。いくつかの実施形態において、クラッチ50はアクチュエータと通信する。アクチュエータは、電磁アクチュエータ又は空圧式アクチュエータであり得るが、これに限定されない。アクチュエータは、コントローラ及び/又は車両監視制御システム(supervisory vehicle control system、SVC)により制御され得る。
いくつかの実施形態において、モータージェネレータ12と、ベベルギア24、26と、プラネタリーギアセット14と、ディファレンシャルユニット36とが、既存の自動車のシャシー及びサスペンションシステムに容易に適応可能な最小のパッケージングエンベロープを提供する自動車のアクスル上の単一のユニットに統合されている。
図3から6は、他の好適な実施形態に係る電動ドライブアクスルを示す。電動ドライブアクスルは電動ドライブアクスル10の変形形態であり、電動ドライブアクスル10と同様の特徴を有する。図3から5に示される実施形態は、電動ドライブアクスル10と同様の構成部品を含む。図3から5に示される実施形態の同様の特徴は、同様に連続して番号が付けられている。図3から5に示される変形形態の異なる及び追加の複数の特徴は、本明細書で後ほど説明される。これは、図1及び本開示で図示され説明された他の実施形態からみて、当業者によって理解されるだろう。
他の好適な実施形態において、図3に示されるように、電動ドライブアクスル110のプラネタリーギアセット114のサンギア部128は、ベベルピニオン124及びベベルギア126を介して、モータージェネレータ112と駆動係合している。ベベルピニオン124及びベベルギア126はベベルギア比5:1を有し得るが、これに限定されない。プラネタリーギアセット114のキャリア部132は、ディファレンシャルギア装置136を含むディファレンシャルハウジング134の一部分と駆動係合している。この装置において、リングギア部130は、静止部材149に取り外せないように固定され、固定プラネタリーギア比を生成する。一実施形態において、静止部材149はディファレンシャルユニット116とホイールアセンブリ144との間に配置される。非限定的な例として、固定プラネタリーギア比は4:1であり得る。プラネタリーギアセット114は、同様の動作を容易にするその他の構成を有し得ること、また、静止部材149の位置がプラネタリーギアセット114の装置に応じて決まり得ることが理解されるであろう。
他の好適な実施形態において、図4に示されるように、クラッチ150が電動ドライブアクスル110に含まれ得る。クラッチ150は、選択的に係合され、リング部130に固定し、2速電動ドライブアクスルを提供し得る。リングギア部130が固定されている場合は、電動ドライブアクスル110は第1プラネタリーギア比を提供し、リングギア部130が固定されていない場合、電動ドライブアクスル110は第2プラネタリーギア比又はダイレクトドライブ比を提供する。非限定的な例として、第1プラネタリーギア比は4:1であり得る。一実施形態において、図4に示されるように、クラッチ150は噛み合いクラッチである。しかしながら、他のトルク伝達デバイスも用いられ得る。
他の好適な実施形態において、図5に示されるように、プラネタリーギアセット214のリングギア部230及びサンギア部228の両方はそれぞれ、クラッチ250、251をそれぞれ用いて選択的に固定され、クラッチ250、251の位置に応じて、3つの動作モードを提供する3速オプションを提供し得る。
この実施形態において、サンギア部228は、ベベルギア226に選択的に連結される、又は第1クラッチ250によって静止部材247に固定される。一実施形態において、静止部材247はプラネタリーギアセット214とホイールアセンブリ246との間に配置される。リングギア部230はまた、第2クラッチ251によって、静止部材249に選択的に固定又は連結される。一実施形態において、静止部材249はディファレンシャルユニット216とホイールアセンブリ244との間に配置される。サンギア部228及びリングギア230の両方はそれぞれ、クラッチ250、251によってそれぞれ選択的に固定され得る。更なる実施形態において、図5に示されるように、クラッチ250、251は噛み合いクラッチである。しかしながら、他のトルク伝達デバイスが用いられ得る。プラネタリーギアセット214は、同様の動作を容易にするその他の構成を有し得ること、また、静止部材247、249の位置がプラネタリーギアセット214の装置に応じて決まり得ることが理解されるであろう。
一実施形態において、ベベルギア比は5:1である。しかしながら、これに限定されない。サンギア部228のみが選択的に固定されている場合、第1プラネタリーギア比が提供される。一実施形態において、第1プラネタリーギア比は1.4:1である。リングギア部230のみが選択的に固定されている場合、第2プラネタリーギア比が提供される。一実施形態において、第2プラネタリーギア比は4:1である。リングギア部230又はサンギア部228のいずれも固定されない場合、電動ドライブアクスル210は直接駆動モード、即ち、プラネタリーギア比1:1である。レバー図(lever diagram)は、図6に示されるように、図5に係るプラネタリーギアセット214の装置を表しており、これは当業者によって理解されるだろう。
電動ドライブアクスル10、110、210の動作において、電動モータージェネレータ12、112、212は、ベベルギア24、124、224を駆動する出力シャフト22、122、222を駆動する。ベベルギア24、124、224は、プラネタリーギアセット14、114、214を駆動するベベルピニオンギア26、126、226を駆動する。電動ドライブアクスル10、110、210を第1動作モード又は第1ギア比で動作させたいと所望する場合、第1クラッチ50、150、250は係合され、プラネタリーギアセット14、114、214の一部分に選択的に固定する。
電動ドライブアクスル10、110、210を第2動作モード又は第2ギア比で動作させるために、第1クラッチ50、150、250は係合されず、直接駆動モードが実現される。電動ドライブアクスル210を第3動作モード又は第3ギア比で動作させるために、第2クラッチ251は係合され、プラネタリーギアセット250の一部分に固定する。クラッチ50、150、250は、制御アセンブリ(図示せず)と通信している。クラッチ50、150、250は、個別の制御アセンブリを有し得て、及び/又はSVCを介して、全ての他の車両コントローラと通信し得る。通常、HEV/FCEV/EVシステムに対して、個別の監視コントローラが必要である。
トルクは、プラネタリーギアセット14、114、214から、ディファレンシャルユニット36、136、236、及びホイールアセンブリ44、144、244、46、146、246に伝達する。
クラッチ50、150、250、251は、所望の動作モード又はプラネタリーギア比における係合を可能にするため、モータージェネレータ12、112、212からはドライブライントルクの中断を、モータージェネレータ12、112、212からは同期速度の一致を必要とする。これは、コントローラ又はSVCに含まれる空圧式又は電気式のシフト機構又はアクチュエータを制御する電子制御ユニット(ECU)(図示せず)に、複数の信号を送信する車両センサ(図示せず)を用いて達成し得る。ECUは、モータ速度、車両速度、グレード、車両総重量、加速度、モータ効率マップ、シフト機構位置、並びに、最適なモータ速度及びトルク出力を決定し、必要なプラネタリー比を決定するための他のデータを組み込むアルゴリズムを用い得て、それにより、クラッチ50、150、250、251をそれぞれ係合し、所望のトルク出力を実現し得る。
モータージェネレータ12、112、212、プラネタリーギアセット14、114、214、及び、ディファレンシャルユニット16、116、216は、自動車のアクスルセンターセクションに配置され、それにより既存の車両のシャシー及びシステムに容易に適応し適合し得る最小パッケージエンベロープを必要とする電動ドライブアクスル10、110、210に統合されている。
モータージェネレータ12、112、212は追加的に、回生ブレーキの間、電気的エネルギーを提供する。モータージェネレータ12、112、212が電動ドライブアクスル10、110、210の一部分を減速させた場合、モータージェネレータ12、112、212内に電気エネルギーが生じる。回生ブレーキの間に提供された電気的エネルギーは、コントローラ(図示せず)を介して、モータージェネレータ12、112、212に結合されたバッテリー(図示せず)の充電に利用され得る。
電動ドライブアクスル10、110、210は、前輪駆動車両及び後輪駆動車両に用いられ得る。図示されないが、電動アクスル10、110、210は、無給電タグアクスル又はプッシャーアクスルと共に動作され、マルチアクスルドライブラインを形成し得ることが理解されるだろう。
本明細書において開示されるドライブアクスル10、110、210は、HEV、EV、及び燃料電池ハイブリッドシステムに適用される。本明細書に開示されている電動ドライブアクスル10、110、210の実施形態を組み込んでいる電気電動車両又はハイブリッド電動車両が、限定されないが、なかでも、バッテリー管理システム内の高電圧バッテリーパック又はウルトラキャパシタ、車載充電器、DC‐DCコンバータ、様々なセンサ、アクチュエータ、及びコントローラなどの、他の多数のパワートレイン構成部品を含むことが可能であることは理解されるべきである。
特許法の複数の規定に基づき、本開示はその好適な実施形態を表すものとして説明されてきたが、実施形態は、具体的に示され説明された方式とは別の方法で、本発明の範囲又は精神から逸脱することなく実施され得ることは留意されるべきである。

Claims (20)

  1. 自動車用の電動ドライブアクスルであって、
    アクスルハウジングと、
    出力シャフトに連結されたベベルピニオンギアによって直接駆動される、前記出力シャフトを有する電動モータと、
    サンギアと、リングギアと、前記サンギアと前記リングギアとを結合するキャリアとを含む、固定比のプラネタリーギア装置と、
    デフケース内に収容されたディファレンシャルギア装置を含むディファレンシャルユニットと、
    前記電動ドライブアクスルの静止部材に前記サンギアを結合するよう選択的に動作可能な第1クラッチと
    を備え、
    前記リングギアは前記ベベルピニオンギアに駆動結合され、
    前記キャリアは前記デフケースと駆動係合している、
    電動ドライブアクスル。
  2. 前記電動モータは前記アクスルハウジングに連結している、請求項1に記載の電動ドライブアクスル。
  3. 前記ディファレンシャルユニットは2つのアクスルハーフシャフトと駆動係合しており、前記電動モータは前記アクスルハーフシャフトに対して横向きに配置される、請求項1又は2に記載の電動ドライブアクスル。
  4. 前記プラネタリーギア装置は、減速プラネタリーギアセットである、請求項1から3のいずれか一項に記載の電動ドライブアクスル。
  5. 前記電動ドライブアクスルは、前記第1クラッチが係合する場合は第1ギア比で、第2クラッチが係合する場合は第2ギア比で動作するよう構成される、請求項1から4のいずれか一項に記載の電動ドライブアクスル。
  6. 前記静止部材は、前記プラネタリーギア装置と、前記ディファレンシャルギア装置に結合される一対のアクスルシャフトとの間に配置される、請求項1から5のいずれか一項に記載の電動ドライブアクスル。
  7. 前記静止部材は前記アクスルハウジングである、請求項1から6のいずれか一項に記載の電動ドライブアクスル。
  8. 前記クラッチは噛み合いクラッチである、請求項1から7のいずれか一項に記載の電動ドライブアクスル。
  9. 前記電動モータはモータージェネレータである、請求項1から8のいずれか一項に記載の電動ドライブアクスル。
  10. 自動車用の電動ドライブアクスルであって、
    アクスルハウジングと、
    出力シャフトに連結されたベベルピニオンギアによって直接駆動される、前記出力シャフトを有する電動モータと、
    サンギアと、リングギアと、前記サンギアと前記リングギアとを結合するキャリアとを含む、固定比のプラネタリーギア装置と、
    デフケース内に収容されたディファレンシャルギア装置を含むディファレンシャルユニットと、
    前記電動ドライブアクスルの静止部材に前記リングギアを結合するよう選択的に動作可能な第1クラッチと
    を備え、
    前記サンギアは前記ベベルピニオンギアに駆動結合され、
    前記キャリアは前記デフケースと駆動係合している、
    電動ドライブアクスル。
  11. 前記電動モータは前記アクスルハウジングに連結している、請求項10に記載の電動ドライブアクスル。
  12. 前記ディファレンシャルユニットは2つのアクスルハーフシャフトと駆動係合しており、前記電動モータは前記アクスルハーフシャフトに対して横向きに配置される、請求項10又は11に記載の電動ドライブアクスル。
  13. 前記プラネタリーギア装置は、減速プラネタリーギアセットである、請求項10から12のいずれか一項に記載の電動ドライブアクスル。
  14. 前記電動ドライブアクスルは、前記第1クラッチが係合する場合は第1ギア比で、第2クラッチが係合する場合は第2ギア比で動作するよう構成される、請求項10から13のいずれか一項に記載の電動ドライブアクスル。
  15. 前記静止部材は、前記プラネタリーギア装置と、前記ディファレンシャルギア装置に結合される一対のアクスルシャフトとの間に配置される、請求項10から14のいずれか一項に記載の電動ドライブアクスル。
  16. 前記静止部材は前記アクスルハウジングである、請求項10から15のいずれか一項に記載の電動ドライブアクスル。
  17. 前記電動ドライブアクスルの第2静止部材に前記サンギアを結合するよう選択的に動作可能である第2クラッチを更に備え、前記電動ドライブアクスルは、前記第2クラッチが係合する場合は第3ギア比で動作するよう構成される、請求項10から16のいずれか一項に記載の電動ドライブアクスル。
  18. 前記静止部材は、前記プラネタリーギア装置と前記ディファレンシャルギア装置に結合される第1アクスルハーフシャフトとの間に配置され、前記第2静止部材は、前記プラネタリーギア装置と前記ディファレンシャルギア装置に結合される第2アクスルハーフシャフトとの間に配置される、請求項17に記載の電動ドライブアクスル。
  19. 前記第1クラッチ及び前記第2クラッチが噛み合いクラッチである、請求項17に記載の電動ドライブアクスル。
  20. 前記電動モータはモータージェネレータである、請求項10に記載の電動ドライブアクスル。
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