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

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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