JP4312078B2 - 電動輪 - Google Patents

Description

この発明は、車両の乗り心地を向上させる電動輪に関するものである。

従来、モータをダンパのマスとして利用するインホイールモータ駆動ユニットとして、中空モータをモータサスペンションによって支持したものが知られている（非特許文献１）。中空モータは、車輪のホイールに連結されており、ホイールを回転させる。中空モータは、モータサスペンションによって車両の上下方向に振動可能に支持され、バネ下重量から切離される。そして、ホイールは、サスペンションアームによって車両に支持される。このインホイールモータ駆動方式においては、車輪が振動すると、中空モータは、ホイールを介して車輪の振動を受け、車両の上下方向に振動する。そして、中空モータの振動は、バネ下の振動を相殺する。この場合、モータと車輪の回転軸がずれてもモータで発生した動力がスムーズに車輪に伝わるようにフレキシブルカップリングが用いられている。
特開２００３−５３０２６３号公報 長屋 豪、他２名，「ダイナミックダンパ型インホイールモータの開発（２００２５５４４）」，学術講演会前刷集ＮＯ．８３−０２，社団法人自動車技術会，平成１４年１１月２６日，ｐ９−１２

しかし、従来のダイナミックダンパ型インホイールモータ駆動方式では、モータの出力トルクを増大させる減速機を備えておらず、車両走行に必要なトルクをモータに依存しているため、モータの体格が大きくなるという問題点があった。

このため、電動輪の全体のサイズが大きくなってしまうという問題があった。

そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、車両の乗り心地を向上させつつ、かつ小型で高出力の電動輪を提供することである。

この発明に係る電動輪は、車輪のホイールに対応して設けられたモータと、ホイールを回転可能に支持する回転支持部材と、モータと回転支持部材との間に取付けられ、車輪の振動と荷重部材の振動とを互いに減衰するように配置された弾性部材と、モータの出力軸に取付けられる等速ジョイントと、等速ジョイントによって伝達されるモータの回転を変速する減速機とを備える。

好ましくは、モータ、等速ジョイントおよび減速機は、車体側からホイール側に向けて、モータ、等速ジョイント、減速機の順に配置される。

好ましくは、減速機は、プラネタリギヤを含む。

より好ましくは、プラネタリギヤは、等速ジョイントによって回転が伝達されるサンギヤと、サンギヤに噛合う第１のギヤと、第１のギヤとは径が異なる第２のギヤとが結合された段付ピニオンギヤと、第２のギヤに噛合うリングギヤとを有する。

好ましくは、回転支持部材は、ホイールを回転自在に支持するナックルと、ナックルと一体として結合されている減速機を収容するケースとを含む。

好ましくは、車輪の振動が静止している状態におけるモータの重心位置を通る直線上をモータの重心が往復運動するようにモータの運動軌跡を規制する規制部材をさらに備える。

この発明によれば、動力を伝達する経路において、車体側からモータ、等速ジョイント、減速機、ホイールの順に配置するので、減速機の減速比を大きくしやすい。このため、トルクが同じモータを用いてもこれを高速回転させて大きな減速比の減速機で減速させることによりホイールの回転力を増大させることができるので、大型車両にインホイールモータを導入することが可能となる。また、減速比が大きければホイールのトルクが同じでもモータのトルクは小さくてすむので、モータの直径を細くでき、ハンドル回転時のサスペンションアームとの干渉がおこりにくくなる。

あわせて、荷重部材としてインホイールモータを用い、必要な装置の重量を有効に活用しながら、荷重部材の運動軌跡が規制されることにより車輪の振動が荷重部材の振動として好ましく伝達され、車両の乗り心地を向上させることができる。

また、減速比を大きくしているのでモータの軸も細くてすみ、等速ジョイントを小型にすることができる。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

図１は、この発明の実施の形態による電動輪の概略断面図である。

図１の全体的な構成についてまず説明する。電動輪１００は、ホイールディスク１０と、ホイールハブ２０と、ブレーキロータ４０と、ブレーキキャリパ５０と、インホイールモータＩＷＭと、ナックル１８０と、ダンパー１４０，１５０と、タイヤ２５０とを備える。

インホイールモータＩＷＭは、モータケース６０と、モータ７０と、シャフト１１０と、等速ジョイント３０と、減速機８０と、オイルポンプ９０とを含む。

また、電動輪１００を支持する車輪支持装置２００は、アッパーアーム２１０と、ロアアーム２２０と、ボールジョイント１６０，１７０とを含む。

モータ７０の動力はシャフト１１０から出力される。シャフト１１０は、等速ジョイント３０を介して減速機８０に接続されている。したがって、シャフト１１０の回転が減速機８０によって減速されホイールハブ２０に伝達されてホイールディスク１０が回転する。

次に、各個別の要素の構成について説明する。

ホイールディスク１０は、略カップ型形状を有し、ディスク部１０Ａとリム部１０Ｂとからなる。ホイールディスク１０は、ホイールハブ２０、ブレーキロータ４０、ブレーキキャリパ５０、およびインホイールモータＩＷＭを収納する。タイヤ２５０は、ホイールディスク１０のリム部１０Ｂの外縁に固定される。

ホイールディスク１０は、ディスク部１０Ａをホイールナット３，４によってホイールハブ２０に取付けられたボルト１，２と締結することにより、ホイールハブ２０と連結される。ホイールハブ２０にはハブスピンドル２１が差し込まれ、ハブナット２２によってホイールハブ２０とハブスピンドル２１が締結される。そして、ホイールハブ２０は、ハブベアリングケース２３に嵌め込まれたハブベアリング１１，１２によって回転自在に支持される。

ハブベアリングケース２３は、ねじ２４，２５によって、ナックル１８０に固定される。ナックル１８０は、減速機８０のケースと一体となっている。

ブレーキロータ４０は、内周端がボルト１，２およびホイールナット３，４によってホイールハブ２０の外周端に固定され、外周端がブレーキキャリパ５０内を通過するように配置される。ブレーキキャリパ５０は、ブレーキピストンの移動方向に可動にナックル１８０に固定される。ブレーキキャリパ５０は、ブレーキピストン５１と、ブレーキパッド５２，５３とを含む。ブレーキパッド５２，５３は、ブレーキロータ４０の外周端を間に挟み込む。

ブレーキオイルが供給されると、ブレーキピストン５１は、ブレーキパッド５２を押す。ブレーキパッド５２がブレーキピストン５１によってブレーキロータ４０の外周部に押し付けられると、その反力でブレーキキャリパ５０全体が車体側に向かって移動する。このため、ブレーキパッド５３が車体側に向かって移動する。これにより、ブレーキパッド５２，５３は、ブレーキロータ４０の外周端を間に挟み込み、電動輪１００にブレーキがかけられる。

ナックル１８０は、ホイールハブ２０の車体側に配置される。そして、ナックル１８０は、減速機８０と等速ジョイント３０とを収納するケースと一体となっている。

等速ジョイント３０は、ガイド３１と、ニードルベアリング３２とを含む。ガイド３１は、サンギヤ８２がその一方端に形成されているサンギヤ軸の他方端の内部の空隙の壁面に当接する。ニードルベアリング３２が、サンギヤ軸の他方端に設けられた溝中をシャフト１１０の回転軸に沿う方向に移動できるので、シャフト１１０は回転軸に沿う方向にスライド可能である。

ここで、シャフト１１０が軸方向に可動となっているので、等速ジョイント３０に対する回転軸に沿う方向の力を逃がすことができるので、等速ジョイント３０を小型にすることができる。

減速機８０は、ステップドピニオンギア（段付小歯車）８３ａ，８３ｂを用いたプラネタリギヤ（遊星歯車）である。ステップドピニオンギア８３ａ，８３ｂを用いることにより、リングギヤ８５の直径を小さく抑えつつ大きな減速比を実現することができる。

減速機８０は、サンギヤ軸と、サンギヤ８２と、ピニオンギヤ８３ａ，８３ｂと、プラネタリキャリア８４ａ，８４ｂと、リングギヤ８５と、ピン８６ａ，８６ｂとを含む。サンギヤ軸の一方端には、サンギヤ８２が形成されている。サンギヤ軸は、等速ジョイント３０を介してモータ７０のシャフト１１０に連結される。そして、サンギヤ軸は、ベアリング１７により回転自在に支持される。

ピニオンギヤ８３ａ，８３ｂは、サンギヤ８２と噛合い、ピン８６ａ，８６ｂによりそれぞれ回転自在に支持される。プラネタリキャリア８４ａ，８４ｂは、ピン８６ａ，８６ｂを両側から支持する。プラネタリキャリア８４ａは、ベアリング１６により回転自在に支持される。また、プラネタリキャリア８４ｂは、ホイール側がハブスピンドル２１となっており、ハブベアリング１１，１２によりホイールハブ２０とともに回転自在に支持される。

リングギヤ８５は、減速機８０のケースであるナックル１８０に固定される。リングギヤ８５は、ピニオンギヤ８３ａ，８３ｂと噛合う。ピニオンギヤ８３ａ，８３ｂの各々は、段付歯車であり、サンギヤ８２と噛合う部分の直径が大きく、その部分と比べてリングギヤ８５と噛合う部分の直径は小さい。段付ピニオンギヤを用いることによりリングギヤの径が小さくても減速比を大きくすることができる。ホイール内に減速機を収めるには、減速機８０の直径を小さくする必要があるが、この点においてステップドピニオンギアを用いたプラネタリギヤが有利である。

モータで大きなトルクを発生させるには、一般にロータの直径が大きくする必要がある。これは、コイルと磁石の斥力や引力が働く点が回転中心から遠いほど大きなトルクが発生できるからである。このため、パワーが必要な大型車にはモータの積載スペースが限定されるインホイールモータは採用しにくかった。しかし、モータ出力軸とホイールとの間の減速比を大きくすることができれば、小さなトルクのモータを用いても高速回転させることでホイールに大きな回転力を伝えることができるので、大型車にインホイールモータを使用することが可能となる。

また、同じトルクをホイールに発生させようとすると、減速比が大きな減速機を採用するほうが、モータの発生するトルクは小さくてよい。したがって、モータの径を小さくすることができる。モータの径を小さくできればナックル上部１８０ａおよびナックル下部１８０ｂをモータの軸に近づけることができる。これは、ハンドルを切ったときにキングピン２６を中心としてナックル１８０が回転する際に、アッパーアーム２１０とナックル上部１８０ａと干渉や、ロアアーム２２０とナックル下部１８０ｂと干渉が起こりにくくするために有効である。

モータ７０は、ステータコア７１と、ステータコイル７２と、ロータ７３とを含む。ステータコア７１は、モータケース６０に固定される。オイルポンプ９０は、モータケース６０の外側であってシャフト１１０の一方端側に設けられる。ステータコイル７２は、ステータコア７１に巻回される。モータ７０が三相モータである場合、ステータコイル７２は、Ｕ相コイル、Ｖ相コイルおよびＷ相コイルからなる。

ロータ７３は、ステータコア７１およびステータコイル７２の内周側に配置される。
シャフト１１０は、ベアリング１４，１５によって回転自在に支持される。

オイル通路１２１は、一方端がオイルポンプ９０に連結され、他方端がオイル溜１３０に挿入される。オイルポンプ９０は、オイル通路１２１を介してオイル溜１３０に溜まったオイルを汲み上げ、その汲み上げたオイルをシャフト１１０の端部へ供給する。

ダンパー１４０，１５０は、ゴムの中に油を封入した構成からなり、モータケース６０に取付けられる。より具体的には、ダンパー１４０，１５０は、車体の上下方向ＤＲ１からモータケース６０に取付けられる。ダンパー１４０，１５０は各々スプリング２６０，２７０の中心軸に配置されている。

かかるダンパーの配置は、限定されないが、荷重部材であるモータ７０の重心を通る車体の上下方向ＤＲ１と平行な軸上に配置されることが好ましい。そのようにすれば、２つのダンパー１４０，１５０の振動伝達および緩衝効果を好ましく引き出すことができる。

ナックル上部１８０ａは、ボールジョイント１６０に連結される。ナックル下部１８０ｂは、ボールジョイント１７０に連結される。

アッパーアーム２１０およびロアアーム２２０は、車体の上下方向ＤＲ１にインホイールモータＩＷＭを挟むように配置される。アッパーアーム２１０は、一方端がボールジョイント１６０に連結され、他方端が車体の上下方向ＤＲ１に回動可能に車体に固定される。ロアアーム２２０は、一方端がボールジョイント１７０に連結され、他方端が車体の上下方向ＤＲ１に回動可能に車体に固定される。また、ロアアーム２２０は、図示しないショックアブソーバを介して車体に連結される。これにより、電動輪１００は、車体に懸架される。

このように、アッパーアーム２１０およびロアアーム２２０は、それぞれボールジョイント１６０，１７０によってナックル１８０ａ，１８０ｂに接続される。ダンパー１４０はナックル１８０ａとモータケース６０の上部との間に設けられ、ダンパー１５０はナックル１８０ｂとモータケース６０の下部との間に設けられる。

そして、モータ７０の動きを上下方向に直線的な動きに制限するために、図１において破線で示されるトルクロッド３００が設けられる。トルクロッド３００は図１においては、モータ７０の重心を通る上下方向ＤＲ１と平行な直線上に配置される。

実際には、後に図２で説明するようにトルクロッド３００は、モータケース６０の両脇に２本配置されている。トルクロッドによって動きが制限されるので、荷重部材であるモータ７０は、車輪が振動するとモータ７０の重心を通る直線に沿うようにその重心が上下動する。規制部材としてトルクロッド３００を用いることにより、等速ジョイント３０に加わる荷重部材の振動による応力が軽減されるので、等速ジョイントを小型にすることができる。

アッパーアーム２１０およびロアアーム２２０は、車体の上下方向ＤＲ１に回動自在に車体に固定され、ロアアーム２２０は、図示しないショックアブソーバを介して車体に連結されるので、アッパーアーム２１０、ロアアーム２２０およびショックアブソーバは、サスペンションとして機能する。

車輪支持装置２００は、サスペンションアーム（アッパーアーム２１０およびロアアーム２２０）とボールジョイント１６０，１７０によってナックル１８０を支持し、ナックルに取付けられたダンパー１４０，１５０およびトルクロッドによってモータケース６０を支持することにより、電動輪１００を車体に支持する。

すなわち、車輪支持装置２００は、アッパーアーム２１０、ロアアーム２２０およびナックル１８０によってホイールディスク１０およびホイールハブ２０を回転可能に支持する。アッパーアーム２１０、ロアアーム２２０、ナックル１８０、ダンパー１４０，１５０およびトルクロッド３００によってモータ７０は車体の上下方向ＤＲ１に振動可能に支持される。

車両の走行中に、電動輪１００が路面状態等に応じて車体の上下方向ＤＲ１に振動を受けると、ダンパーマスとなるモータ７０によってダンパー１４０，１５０は、車体の上下方向ＤＲ１に変形し、電動輪１００が受けた振動と位相のずれたモータ７０の上下方向ＤＲ１の振動を発生させる。

つまり、ダンパー１４０，１５０は、電動輪１００の振動をモータ７０の振動に変換する。そして、ダンパー１４０，１５０は、電動輪１００が受けた振動をモータ７０に相殺させる。そうすると、電動輪１００の振動は、アッパーアーム２１０およびロアアーム２２０を介して車体に伝達されにくくなる。

これにより、タイヤ２５０からのバネ下入力が緩和される。すなわち、ショックアブソーバによって吸収し切れない振動が吸収される。その結果、車両の乗り心地が向上する。

車体に搭載されたスイッチング回路（図示せず）によりステータコイル７２に交流電流が供給されると、ロータ７３が回転し、モータ７０は、所定のトルクを出力する。そして、モータ７０の出力トルクは、シャフト１１０から等速ジョイント３０を介して減速機８０へ伝達される。

減速機８０は、サンギヤ軸を経由してサンギヤ８２に受けた出力トルクをサンギヤ８２およびピニオンギヤ８３ａ，８３ｂによって変更、つまり、変速（減速）してプラネタリキャリア８４ｂへ出力する。プラネタリキャリア８４ｂは、減速機８０の出力トルクをハブスピンドル２１に伝達し、ハブスピンドル２１は、所定の回転数でホイールハブ２０およびホイールディスク１０を回転する。これにより、電動輪１００は、所定の回転数で回転する。

図２は、図１に示した電動輪を図１の矢印Ａで示すように車体側から見た図である。なお、図が複雑になるのを避けるため、図２においてアッパーアーム２１０、ロアアーム２２０、タイヤ２５０、ホイールディスク１０、ブレーキキャリパ５０およびブレーキロータ４０は、図示していない。

図２を参照して、ナックル１８０ａとモータケース６０の上部との間にはダンパー１４０が配置されている。同様に、ナックル１８０ｂとモータケース６０の下部との間にはダンパー１５０が配置されている。

ナックル１８０ａからナックル１８０ｂに向けて、インホイールモータＩＷＭの両脇にそれぞれトルクロッド３００ａ，３００ｂが挿入されている。ナックル１８０ｂには雌螺子が切られている。トルクロッド３００ａ，３００ｂの先端には雄螺子が切られており、トルクロッド３００ａ，３００ｂはナックル１８０ａを貫通し、ナックル１８０ｂにねじ込まれている。

トルクロッド３００ａ，３００ｂには、それぞれアーム３１０ａ，３１０ｂが、トルクロッドに沿う方向に移動可能に取付けられている。アーム３１０ａ，３１０ｂには、それぞれベアリング３１２ａ，３１２ｂが取付けられ、ピン３１４ａ，３１４ｂを回転可能に支持している。ピン３１４ａ，３１４ｂはモータケース６０を挟んで支持している。

したがって、ピン３１４ａ，３１４ｂを結ぶ軸を中心として、モータケース６０は、回動可能である。

図３は、モータの上下方向の振動と動力伝達要素の配置とを説明するための概念図である。

図３を参照して、モータは荷重部材として、車輪の振動に応じて上下動して振動を相殺して車体に路面の振動が伝わりにくくする働きをする。図１、図２に示した構造とすることにより、荷重部材の重心位置は重心を通る直線である軸４０５に沿って位置４００、４０１、４０２に示すように上下動する。等速ジョイント３０にはニードルベアリング３２が設けられているのでこのような動きが可能となる。また、振動によって生じる力は、トルクロッドと上下のダンパーによって受け止められるので、等速ジョイントにかかる力が小さくなる。したがって、等速ジョイント３０を小型にすることができる。

なお、モータと減速機とを一体として荷重部材として構成し、減速機の出力を等速ジョイントに入力することも考えられるが、図３に示す構成のほうが荷重部材の重さを小さくできるので、この点において等速ジョイント３０を小型にできる。

また、車輪の上下動に対して荷重部材としてのモータも直線上を上下動するので振動の相殺の効果をいっそう大きくすることができる。

さらに、モータ（位置４００）、等速ジョイント３０、減速機８０、ハブスピンドル２１に接続されるホイールの順に配置すると、減速機の軸方向の長さが確保しやすく、ステップドピニオンを用いたプラネタリギヤを採用しやすい。したがって、減速機の減速比を大きくしやすい。このため、トルクが同じモータを用いてもこれを高速回転させて大きな減速比の減速機で減速させることによりホイールの回転力を増大させることができるので、大型車両にインホイールモータを導入することが可能となる。

また、減速比が大きければホイールの回転力が同じでもモータのトルクは小さくてすむので、図３のモータの直径Ｄを小さくでき、ハンドル回転時のサスペンションアームとの干渉がおこりにくくなる。

なお、この発明においては、図１のダンパー１４０，１５０に代えてブッシュ付スプリングまたは粘性物が封入されたダンパーが用いられてもよい。すなわち、この発明においては、インホイールモータＩＷＭは、弾性体またはダンパーによって振動可能に支持されていればよい。

本実施の形態においては、ホイールディスク１０およびホイールハブ２０は、「ホイール」を構成する。

また、ダンパー１４０，１５０は、「弾性部材」を構成する。そして、１対の弾性部材は、アッパーアーム２１０およびロアアーム２２０の両方に連結される。

さらに、ナックル１８０は、電動輪１００のホイール（ホイールディスク１０およびホイールハブ２０）を回転可能に支持する「回転支持部材」を構成する。

本発明によれば、車両の走行中に電動輪１００が路面状態等に応じて振動を受けると、「弾性部材」は、電動輪１００が受けた振動によって荷重部材であるモータ７０を車体の上下方向ＤＲ１に位相をずらせて振動させ、結果的にバネ上である車体に大きな振動を伝えない（相殺させる）。これにより、インホイールモータＩＷＭによって駆動される車輪を搭載した車両の乗り心地が向上する。

今回開示され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と考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の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。

この発明の実施の形態による電動輪の概略断面図である。 図１に示した電動輪を図１の矢印Ａで示すように車体側から見た図である。 モータの上下方向の振動と動力伝達要素の配置とを説明するための概念図である。

符号の説明

１，２ ボルト、 ３，４ ホイールナット、 １０ ホイールディスク、 １０Ａ ディスク部、 １０Ｂ リム部、 １１，１２ ハブベアリング、 １４〜１７ ベアリング、 ２０ ホイールハブ、 ２１ ハブスピンドル、 ２２ ハブナット、 ２３ ハブベアリングケース、 ２６ キングピン、 ３０ 等速ジョイント、 ３１ ガイド、 ３２ ニードルベアリング、 ４０ ブレーキロータ、 ５０ ブレーキキャリパ、 ５１ ブレーキピストン、 ５２，５３ ブレーキパッド、 ６０ モータケース、 ７０ モータ、 ７１ ステータコア、 ７２ ステータコイル、 ７３ ロータ、 ８０ 減速機、 ８２ サンギヤ、 ８３ａ，８３ｂ ステップドピニオンギア、 ８４ａ，８４ｂ プラネタリキャリア、 ８５ リングギヤ、 ８６ａ，８６ｂ ピン、 ９０ オイルポンプ、 １００ 電動輪、 １１０ シャフト、 １２１ オイル通路、 １３０ オイル溜、 １４０，１５０ ダンパー、 １６０，１７０ ボールジョイント、 １８０ ナックル、 １８０ａ ナックル上部、 １８０ｂ ナックル下部、 ２００ 車輪支持装置、 ２１０ アッパーアーム、 ２２０ ロアアーム、 ２５０ タイヤ、 ２６０，２７０ スプリング、 ３００ トルクロッド、 ３００ａ，３００ｂ トルクロッド、 ３１０ａ，３１０ｂ アーム、 ３１２ａ，３１２ｂ ベアリング、 ３１４ａ，３１４ｂ ピン、 ＩＷＭ インホイールモータ。

Claims (5)

1. 車輪のホイールに対応して設けられたモータと、
   前記ホイールを回転可能に支持する回転支持部材と、
   前記モータと前記回転支持部材との間に取付けられ、前記車輪の振動と前記モータの振動とを互いに減衰するように配置され、前記モータを前記回転支持部材に対して揺動可能に支持する弾性部材と、
   前記モータの出力軸に取付けられる等速ジョイントと、
   前記回転支持部材に対して一体化するように取付けられ、前記等速ジョイントによって伝達される前記モータの回転を変速する減速機とを備える、電動輪。
2. 前記モータ、前記等速ジョイントおよび前記減速機は、車体側からホイール側に向けて、前記モータ、前記等速ジョイント、前記減速機の順に配置される、請求項１に記載の電動輪。
3. 前記車輪の振動が静止している状態における前記モータの重心位置を通る直線上を前記モータの重心が往復運動するように前記モータの運動軌跡を規制する規制部材をさらに備える、請求項１または２に記載の電動輪。
4. 前記規制部材は、
   前記モータの両脇に前記直線と平行に設けられる一対のトルクロッドと、
   前記一対のトルクロッドにそれぞれ沿う方向に可動に取付けられた一対のアームとを含み、
   前記ケースは、前記モータの出力軸および前記モータの重心を通る直線の両方に直交する軸を中心として前記モータが回動可能に前記アームに対して取付けられる、請求項３に記載の電動輪。
5. 前記モータを両脇で支持する一対のピンと、
   前記一対のピンを回動可能に支持する前記一対のアームにそれぞれ取付けられた一対のベアリングとをさらに備える、請求項４に記載の電動輪。

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