JP5733410B2 - 電気自動車用駆動装置 - Google Patents
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Description
本発明は、電動モータの出力を変速(減速)して駆動輪に伝達する、電気自動車用駆動装置に関する。
近年における化石燃料への依存を低減させる流れを受けて、電気自動車の研究が進み、電気自動車はすでに一部で実用化されている。電気自動車の動力源である電動モータは、化石燃料を直接燃焼させることにより動く内燃機関(エンジン)とは異なり、一般的に起動時に最大トルクを発生するなど、出力軸のトルクおよび回転速度の特性が自動車用として好ましいので、内燃機関を駆動源とする一般的な自動車で必要とされる変速機を必ずしも設ける必要はない。ただし、電気自動車の場合でも、変速機を設けることにより、加速性能および高速性能を改善することができる。具体的には、変速機を設けることで、車両の走行速度と加速度との関係を、動力伝達系統に変速機を設けたガソリンエンジン車に近い、滑らかなものにすることができる。この点について、図5を参照しつつ説明する。
たとえば、電気自動車の駆動源である電動モータの出力軸と、駆動輪につながるデファレンシャルギヤの入力部との間に、減速比の大きな動力伝達装置を設けた場合、電気自動車の加速度(G)と走行速度(km/h)との関係は、図5の実線aの左半部と鎖線bとを連続させたようになる。すなわち、低速時の加速性能は優れているが、高速走行はできなくなる。これに対して、前記出力軸と前記入力部との間に、減速比の小さな動力伝達装置を設けた場合、前記関係は、図5の鎖線cと実線aの右半部とを連続させたようになる。すなわち、高速走行は可能になるが、低速時の加速性能が損なわれる。これに対して、前記出力軸と前記入力部との間に変速機を設け、車速に応じてこの変速機の減速比を変えれば、実線aの左半部と右半部とを連続させたような特性を得ることが可能となる。この特性は、図5に破線dで示した、同程度の出力を有する一般的なガソリンエンジン車とほぼ同等となり、加速性能および高速性能に関して、変速機を設けることで、電気自動車においても、ガソリンエンジン車と同等の性能を得られることが理解される。
図6は、電動モータの出力軸と、駆動輪につながるデファレンシャルギヤの入力部との間に変速機を設けた電気自動車用駆動装置の従来構造の1例として、特開2006−22879号公報に開示された構造を示している。この電気自動車用駆動装置は、電動モータ1の出力軸の回転を、変速装置2を介して回転伝達装置3に伝達し、左右1対の駆動輪を回転駆動するように構成している。この変速装置2には、電動モータ1の出力軸と同心である、駆動側回転軸4と、従動側回転軸5との間に、減速比が互いに異なる、1対の歯車伝達機構6a、6bが設けられている。そして、1対のクラッチ機構7a、7bの切り換えにより、いずれか一方の歯車伝達機構6a(6b)のみを、動力の伝達を可能な状態として、駆動側回転軸4と従動側回転軸5との間の減速比を大小の2段階に切り換え可能としている。
すなわち、クラッチ機構7a、7bのうちの一方のクラッチ機構7aを、アクチュエータにより制御可能なものとし、他方のクラッチ機構7bを、回転速度が一定値以上となった場合に接続が外れるオーバランニングクラッチとしている。一方のクラッチ機構7aを接続した状態では、他方のクラッチ機構7bは切断され(空転して)、駆動側回転軸4の回転トルクは、歯車伝達機構6a、6bのうちの一方である、減速比の小さい歯車伝達機構6aを介して、従動側回転軸5に伝達される。一方のクラッチ機構7aを切断した状態では、他方のクラッチ機構7bが接続され、駆動側回転軸4の回転トルクは、減速比の大きい他方の歯車伝達機構6bを介して、従動側回転軸5に伝達される。従動側回転軸5の回転は、回転伝達装置3によりデファレンシャルギヤ8の入力部に伝達され、もって左右1対の駆動輪を支持した出力軸9a、9bが回転駆動される。
このような従来構造の場合、径方向に離隔した状態で、互いに平行に配置された駆動側回転軸4と従動側回転軸5との間に、1対の歯車伝達機構6a、6bを設けているため、電気自動車用駆動装置が大型化してしまうという問題がある。また、クラッチ機構7a、7bのうち、一方のクラッチ機構7aは、断接(係合)状態を切り換えるためのアクチュエータを備えることから、電気自動車用駆動装置の重量が嵩む可能性がある。一方、電気自動車の利便性を向上させるために、充電1回当たりの走行距離を長くするためには、電気自動車用駆動装置を小型かつ軽量にして、走行距離当たりの消費電力を少なくすることが重要である。
電気自動車用駆動装置を小型化するための技術として、特開2010−90947号公報および特開2010−223298号公報には、管状である電動モータの出力軸の内径側と外径側とに、この出力軸と同心で、互いに異なる減速比を有する変速機構に接続された回転軸をそれぞれ設け、1対のクラッチにより、これらの内径側回転軸と外径側両回転軸のうち、いずれか一方の回転軸を回転駆動する技術が開示されている。ただし、これらの文献に開示された構造においても、クラッチの断接状態を切り換えるために、重量の嵩むアクチュエータが必要とされており、電気自動車用駆動装置の軽量化の観点からは、さらなる改良の余地があるといえる。
本発明は、上述のような事情に鑑み、小型かつ軽量に構成でき、充電1回当たりの走行距離を長くして、電気自動車の利便性を向上することができる電気自動車用駆動装置を実現することを目的としている。
本発明の電気自動車用駆動装置は、1対の電動モータと、これらの電動モータの出力軸によりそれぞれ回転駆動される第一および第二の駆動側回転軸を有する遊星歯車式変速機と、この遊星歯車式変速機の従動側回転軸の回転を、左右1対の駆動輪に伝達するための回転伝達装置とを備える。
前記遊星歯車式変速機は、第一および第二の駆動側回転軸と、前記従動側回転軸と、軸方向に離隔した状態で、互いに同心に配置された第一および第二の遊星歯車機構と、クラッチ装置とを組み合わせて構成される。
具体的には、このうちの第一遊星歯車機構は、第一キャリアと、第一太陽歯車と、第一遊星歯車と、第一リング歯車とを備え、第一キャリアに回転可能に支持された第一遊星歯車を、第一太陽歯車に噛合させるとともに、第一リング歯車にも噛合させる、シングルピニオン式となっている。そして、第一太陽歯車は、第一駆動側回転軸の軸方向中間部に、第一駆動側回転軸により回転駆動する(第一駆動側回転軸と同期して回転する)状態で設けられており、かつ、第一リング歯車は、第二駆動側回転軸により回転駆動する状態で設けられている。
また、第二遊星歯車機構は、第二キャリアと、第二太陽歯車と、第二および第三遊星歯車と、第二リング歯車とを備え、第二キャリアに回転可能に支持されて対となる第二および第三の遊星歯車を互いに噛合させるとともに、このうちの内径寄りの第二遊星歯車を第二太陽歯車に、外径寄りの第三遊星歯車を第二リング歯車に、それぞれ噛合させる、ダブルピニオン式となっている。そして、第二太陽歯車は、第一駆動側回転軸の端部に、第一駆動側回転軸により回転駆動する状態で設けられており、第二キャリアは、第一リング歯車と同期して回転するように設けられており、かつ、第二リング歯車により従動側回転軸を回転駆動するようになっている。
前記クラッチ装置は、第一キャリアを車体に固定の部分に対し回転が阻止される状態と、第一キャリアの回転が許容される状態とを切り換えるものである。前記クラッチ装置は、減速比の大きい低速モード状態では、前記クラッチ装置により第一キャリアが前記車体に固定の部分に対し回転することを阻止することで、第一リング歯車に入力された動力を第一太陽歯車に伝達し、減速比の小さい高速モード状態では、前記クラッチ装置により第一キャリアが前記車体に固定の部分に対し回転することを許容することで、第一リング歯車に入力された動力を第一太陽歯車に伝達しないように構成されている。
代替的に、第一遊星歯車機構をダブルピニオン式とし、第二遊星歯車機構をシングルピニオン式とすることもできる。この場合、第一遊星歯車機構は、第一キャリアと、第一太陽歯車と、第一および第二の遊星歯車と、第一リング歯車とを備え、第一キャリアに回転可能に支持されて対となる第一および第二の遊星歯車を互いに噛合させるとともに、このうちの内径寄りの第一遊星歯車を第一太陽歯車に、外径寄りの第二遊星歯車を第一リング歯車に、それぞれ噛合させる。そして、第一太陽歯車は、第一駆動側回転軸の軸方向中間部に、第一駆動側回転軸により回転駆動する状態で設けられており、かつ、第一リング歯車は、第二駆動側回転軸により回転駆動する状態で設けられる。一方、第二遊星歯車機構は、第二キャリアと、第二太陽歯車と、第三遊星歯車と、第二リング歯車とを備え、第二キャリアに回転可能に支持された第三遊星歯車を、第二太陽歯車に噛合させるとともに、第二リング歯車にも噛合させる。そして、第二太陽歯車は、第一駆動側回転軸の端部に、第一駆動側回転軸により回転駆動する状態で設けられており、第二キャリアは、第一リング歯車と同期して回転するように設けられており、かつ、第二リング歯車により前記従動側回転軸を回転駆動するようになっている。
前記クラッチ装置が、第一キャリアと前記車体に固定の部分との間に設けられ、第一キャリアが、車両を前進させようとしている時に、前記従動側回転軸が回転する方向に回転する場合に、第一キャリアが前記車体に固定の部分に対して回転することを許容し、第一キャリアが、車両を前進させようとしている時に、前記従動側回転軸が回転する方向と逆方向に回転する傾向にある場合に、第一キャリアが前記車体に固定の部分に対して回転することを阻止する一方向クラッチであることが好ましい。この一方向クラッチがスプラグクラッチであることがさらに好ましい。
前記高速モード状態で車両が前方に走行している時に、第一および第二の電動モータの回転方向および回転速度を同じとすることが好ましい。また、前記遊星歯車式変速機の、前記低速モード状態での総合減速比を、前記高速モード状態での総合減速比で除した値である、段間比を、2もしくは2の近傍、具体的には、1.8〜2.2程度の範囲、さらに好ましくは2とすることが好ましい。
第一遊星歯車機構がシングルピニオン式で、第二遊星歯車機構がダブルピニオン式である構成においては、前記低速モード状態で車両が前方に一定速度で走行している時に、第一および第二の電動モータの回転方向を互いに逆方向とし、第一および第二の電動モータの回転トルクの大きさを同じとして、第一遊星歯車機構の遊星比を2.8以上、3.2以下とし、第二遊星歯車機構の遊星比を1.9以上、2.1以下とする。
一方、第一遊星歯車機構がダブルピニオン式で、第二遊星歯車機構がシングルピニオン式である構成においては、前記低速モード状態で車両が前方に一定速度で走行している時に、第一および第二の電動モータの回転方向を互いに逆方向とし、第一および第二の電動モータの回転トルクの大きさを同じとして、第一遊星歯車機構の遊星比を2.8以上、3.2以下とし、第二遊星歯車機構の遊星比を1.9以上、2.1以下とする。
上述の様に構成する本発明によれば、電気自動車用駆動装置を小型かつ軽量にできる。すなわち、変速機構として、1対の遊星歯車機構により構成される遊星歯車式変速機を用いているため、動力を複数の遊星歯車に分散し伝達することができて、前記1対の遊星歯車機構を構成する遊星歯車1個当たりのトルク伝達容量を低く抑え、一般的な歯車機構による変速機構を用いた場合と比較して、変速機構を小型かつ軽量にでき、もって、電気自動車用駆動装置を小型かつ軽量にする事が可能となる。さらに、クラッチ装置を一方向クラッチ、好ましくはスプラグクラッチとすることにより、減速比の異なる低速モードと高速モードとを、1対の電動モータの出力(回転方向および回転速度)を制御し、一方向クラッチにより第一遊星歯車機構を構成する第一太陽歯車と第一リング歯車との間の動力伝達の断接状態を切り換えることにより選択することが可能となる。このため、クラッチ装置を切り換えるためのアクチュエータが不要となり、電気自動車用駆動装置をより一層小型かつ軽量にできる。
[実施の形態の第1例]
図1〜図3は、本発明の実施の形態の第1例を示している。本例の電気自動車用駆動装置は、第一電動モータ10と、第二電動モータ11と、遊星歯車式変速機12と、回転伝達装置3aとを備える。このうちの第一電動モータ10と第二電動モータ11は、互いに同心に配置され、それぞれの出力軸を回転駆動することで、これらの出力軸と同心に設けられた、遊星歯車式変速機12の第一駆動側回転軸13と第二駆動側回転軸14をそれぞれ回転駆動する。
図1〜図3は、本発明の実施の形態の第1例を示している。本例の電気自動車用駆動装置は、第一電動モータ10と、第二電動モータ11と、遊星歯車式変速機12と、回転伝達装置3aとを備える。このうちの第一電動モータ10と第二電動モータ11は、互いに同心に配置され、それぞれの出力軸を回転駆動することで、これらの出力軸と同心に設けられた、遊星歯車式変速機12の第一駆動側回転軸13と第二駆動側回転軸14をそれぞれ回転駆動する。
遊星歯車式変速機12は、第一電動モータ10および第二電動モータ11と回転伝達装置3aとの間に設置され、これらの電動モータ10、11の動力を所望の変速比で変速してから、従動側回転軸15を介して、回転伝達装置3aに伝達する。遊星歯車式変速機12は、軸方向に離隔した状態で、第一電動モータ10および第二電動モータ11の出力軸とそれぞれ同心に配置された、第一駆動側回転軸13および第二駆動側回転軸14、従動側回転軸15、第一遊星歯車機構16および第二遊星歯車機構17、および、一方向クラッチ18から構成される。
このうちの第一遊星歯車機構16は、第一キャリア19と、第一太陽歯車20と、複数の第一遊星歯車21と、第一リング歯車22とを備える。第一遊星歯車機構16は、第一キャリア19に回転可能に支持された複数の第一遊星歯車21を、第一太陽歯車20に噛合させるとともに、第一リング歯車22にも噛合させる、シングルピニオン式としている。第一太陽歯車20は、第一電動モータ10の出力軸と一体に設けられた、第一駆動側回転軸13の軸方向中間部に設置され、この第一駆動側回転軸13により回転駆動される。すなわち、第一太陽歯車20は、第一駆動側回転軸13と同期して(同方向に同速度で)回転する。第一リング歯車22は、第二電動モータ11の出力軸と一体に設けられた、第二駆動側回転軸14により回転駆動するようにしている。また、第一太陽歯車20の歯数z20および第一リング歯車22の歯数z22は、第一遊星歯車伝達機構16の遊星比u1(=z22/z20)が、2.80≦u1≦3.20の範囲内となるように定められている。
第二遊星歯車機構17は、第二キャリア23と、第二太陽歯車24と、第二遊星歯車25a、25bと、第二リング歯車26とを備える。第二遊星歯車機構17は、第二キャリア23に回転可能に支持されて対となる第二遊星歯車25a、25bを、互いに噛合させるとともに、内径寄りの複数の第二遊星歯車25aを第二太陽歯車24に、外径寄りの複数の第二遊星歯車25bを第二リング歯車26に、それぞれ噛合させる、ダブルピニオン式としている。また、第二太陽歯車24は、第一駆動側回転軸13の端部(図1の左端部)に設けられており、第一駆動側回転軸13および第一太陽歯車20により回転駆動させられる。第二キャリア23は、第一リング歯車22および第二駆動側回転軸14と同期して回転する状態で支持されている。第二リング歯車26は、従動側回転軸15に動力を伝達するように支持されている。また、第二太陽歯車24の歯数z24および第二リング歯車26の歯数z26は、第二遊星歯車伝達機構17の遊星比u2(=z26/z24)が、1.90≦u2≦2.10の範囲内となるように定められている。
一方向クラッチ18は、第一キャリア19と、車体に固定の部分27との間に設置されている。そして、第一キャリア19が所定方向に回転する場合に切断され(係合が外れ)、この所定方向とは逆方向に回転する傾向の場合に接続(係合)される。すなわち、一方向クラッチ18は、第一キャリア19が、車両を前進させようとしている時に、従動側回転軸15が回転する方向と同じ方向に回転する場合に、第一キャリア19が回転することを許容し、第一キャリア19が従動側回転軸15とは逆方向に回転する傾向にある場合に、第一キャリア19が回転することを阻止するように構成されている。そして、第一キャリア19の回転方向を、第一および第二の電動モータ10、11の回転方向および回転速度を適切に制御して切り換え、一方向クラッチ18の断接(係合)状態を切り換える。なお、本明細書において、回転速度は回転の速度を意味し、回転方向を含まないものとする。
一方向クラッチ18の断接(係脱)に基づいて、第一キャリア19が所定方向とは逆方向に回転する傾向の場合には、第一太陽歯車20と第一リング歯車22との間で動力が伝達される状態となる。これに対して、第一キャリア19が所定方向に回転する場合には、第一太陽歯車20と第一リング歯車22との間で動力が伝達されない状態となる。このような一方向クラッチ18としては、カム式、ローラ式、ラチェット式などの種々のクラッチを使用することができるが、本例の場合、係合力の大きく、しかも空転時における騒音や振動の発生を抑えることが可能なスプラグクラッチとしている。
回転伝達装置3aは、複数の歯車を組み合わせた、一般的な歯車伝達機構であり、遊星歯車式変速機12の従動側回転軸15の回転をデファレンシャルギヤ8aの入力部に伝達し、このデファレンシャルギヤ8aの出力軸9c、9dにより、等速ジョイントを介して、左右一対の駆動輪を回転駆動するように構成されている。
このような構成の本例の電気自動車用駆動装置において、遊星歯車式変速機12は、一方向クラッチ18の断接(係合)状態(第一および第二の電動モータ10、11の回転方向および回転速度)の切り換えにより、第一太陽歯車20と第一リング歯車22との間で動力が伝達される状態(低速モードを実現する状態)と、第一太陽歯車20と第一リング歯車22との間で動力が伝達されない状態(高速モードを実現する状態)とのいずれか一方の状態で運転する。以下、それぞれの場合について説明する。
[一方向クラッチ18が接続される低速モード]
この低速モードでは、図2に示すように、第一太陽歯車20を回転駆動する第一電動モータ10の出力軸と、第一リング歯車22を回転駆動する第二電動モータ11の出力軸との回転方向および回転速度の差を適切に規制して、第一キャリア19を所定方向と逆方向に回転する傾向にすることで、一方向クラッチ18を接続する。そして、第一キャリア19を車体に固定の部分27に対し回転不能とする。この結果、第一太陽歯車20と第一リング歯車22との間で、第一遊星歯車21を介して動力が伝達される。このような低速モード状態における第一および第二の電動モータ10、11の動力の伝達経路は、次の通りである。
この低速モードでは、図2に示すように、第一太陽歯車20を回転駆動する第一電動モータ10の出力軸と、第一リング歯車22を回転駆動する第二電動モータ11の出力軸との回転方向および回転速度の差を適切に規制して、第一キャリア19を所定方向と逆方向に回転する傾向にすることで、一方向クラッチ18を接続する。そして、第一キャリア19を車体に固定の部分27に対し回転不能とする。この結果、第一太陽歯車20と第一リング歯車22との間で、第一遊星歯車21を介して動力が伝達される。このような低速モード状態における第一および第二の電動モータ10、11の動力の伝達経路は、次の通りである。
第一電動モータ10の動力は、第一駆動側回転軸13を介して、第二遊星歯車機構17を構成する第二太陽歯車24に入力される。第二太陽歯車24に入力された動力は次の(A)、(B)の2通りの経路を通って、従動側回転軸15と第一太陽歯車20とに、それぞれ伝達される。
(A)第一電動モータ10→第一駆動側回転軸13→第二太陽歯車24→第二遊星歯車25a、25b→第二リング歯車26→従動側回転軸15
(B)第一電動モータ10→第一駆動側回転軸13→第二太陽歯車24→第二遊星歯車25a、25b→第二キャリア23→第一リング歯車22→第一遊星歯車21→第一太陽歯車20
(A)第一電動モータ10→第一駆動側回転軸13→第二太陽歯車24→第二遊星歯車25a、25b→第二リング歯車26→従動側回転軸15
(B)第一電動モータ10→第一駆動側回転軸13→第二太陽歯車24→第二遊星歯車25a、25b→第二キャリア23→第一リング歯車22→第一遊星歯車21→第一太陽歯車20
第二電動モータ11の動力は、第二駆動側回転軸14を介して、第一遊星歯車機構16を構成する第一リング歯車22に入力される。第一リング歯車22に入力された動力は、次の(C)に示す経路を通って、第一太陽歯車20に伝達される。
(C)第二電動モータ11→第二駆動側回転軸14→第一リング歯車22→第一遊星歯車21、21→第一太陽歯車20
(C)第二電動モータ11→第二駆動側回転軸14→第一リング歯車22→第一遊星歯車21、21→第一太陽歯車20
低速モード状態では、第一および第二の電動モータ10、11の動力の一部が、遊星歯車式変速機12内で循環する。すなわち、経路(B)および(C)を通って、第一太陽歯車20に伝達された動力は、第一駆動側回転軸13を介して第二太陽歯車24に入力される。このように、第二太陽歯車24に入力された動力の一部は、経路(A)を通って従動側回転軸15に取り出されるが、残りは経路(B)を通り、第一太陽歯車20に再び伝達される。したがって、この低速モード状態では、動力の一部を循環させることにより、遊星歯車式変速機12の減速比を大きくすることができる。
低速モード状態で、車両が加速も減速もしない一定速度で走行している時(定常運転状態時)に、第一電動モータ10の出力トルクをτin1とし、第二電動モータ11の出力トルクをτin2とした場合、図2に矢印で示すような、第一駆動側回転軸13から第二太陽歯車24に入力されるトルクτ1、第一遊星歯車21から第一太陽歯車20に入力されるトルクτ2、第二キャリア23から第一リング歯車22に入力されるトルクτ3、前記従動側回転軸15の回転トルクτoutは、それぞれ次の(1)〜(4)式で表わされる。
[一方向クラッチ18が切断される高速モード]
この高速モードでは、図3に示すように、第一太陽歯車20を回転駆動する第一電動モータ10の出力軸と、第一リング歯車22を回転駆動する第二電動モータ11の出力軸との回転方向および回転速度を同じにして、第一キャリア19を所定方向に回転させることで、一方向クラッチ18を切断する。そして、第一キャリア19を車体に固定の部分27に対し回転させる。この結果、第一太陽歯車20と第一リング歯車22とが同じ角速度で同じ方向に回転する状態となり、これらの第一太陽歯車20と第一リング歯車22との間で動力が伝達されなくなる。このような高速モード状態での第一および第二の電動モータ10、11の動力伝達経路は、次の通りである。
この高速モードでは、図3に示すように、第一太陽歯車20を回転駆動する第一電動モータ10の出力軸と、第一リング歯車22を回転駆動する第二電動モータ11の出力軸との回転方向および回転速度を同じにして、第一キャリア19を所定方向に回転させることで、一方向クラッチ18を切断する。そして、第一キャリア19を車体に固定の部分27に対し回転させる。この結果、第一太陽歯車20と第一リング歯車22とが同じ角速度で同じ方向に回転する状態となり、これらの第一太陽歯車20と第一リング歯車22との間で動力が伝達されなくなる。このような高速モード状態での第一および第二の電動モータ10、11の動力伝達経路は、次の通りである。
第一電動モータ10の動力は、第一駆動側回転軸13を介して、第二遊星歯車機構17を構成する第二太陽歯車24に入力される。第二太陽歯車24に入力された動力は、次の(D)に示すように、低速モード状態の場合の経路(A)と同様の経路を通って、従動側回転軸15に伝達される。
(D)第一電動モータ10→第一駆動側回転軸13→第二太陽歯車24→第二遊星歯車25a、25b→第二リング歯車26→従動側回転軸15
(D)第一電動モータ10→第一駆動側回転軸13→第二太陽歯車24→第二遊星歯車25a、25b→第二リング歯車26→従動側回転軸15
第二電動モータ11の動力は、第二駆動側回転軸14により、第一遊星歯車機構16を構成する第一リング歯車22に入力される。第一リング歯車22に入力された動力は、次の(E)に示す経路を通って、従動側回転軸15に伝達される。
(E)第二電動モータ11→第二駆動側回転軸14→第一リング歯車22→第二キャリア23→第二遊星歯車25b→第二リング歯車26→従動側回転軸15
(E)第二電動モータ11→第二駆動側回転軸14→第一リング歯車22→第二キャリア23→第二遊星歯車25b→第二リング歯車26→従動側回転軸15
このように、第一太陽歯車20と第一リング歯車22との間で動力が伝達されず(遊星歯車式変速機12内で動力が循環されず)に、第一および第二の電動モータ10、11の動力は、第二遊星歯車機構17により合成されて、従動側回転軸15に伝達される。
このような高速モード状態においては、低速モード状態と高速モード状態との切り換え時を除き、第一および第二の電動モータ10、11の回転方向および回転速度を同じとする。この結果、第一遊星歯車機構16を構成する、第一キャリア19と第一太陽歯車20と第一リング歯車22との自転、および、それぞれの第一遊星歯車21の公転の回転方向および回転速度が同じとなって、これらの第一遊星歯車21が実質的に自転しない(1公転当たり1自転し、第一キャリア19に設けた遊星軸に対し回転しない)状態となり、第一遊星歯車機構16全体が一体となって回転する、いわゆるのり付け状態となる。同様に、第二遊星歯車機構17を構成する、第二キャリア23と第二太陽歯車24と第二リング歯車26との自転、および、第二遊星歯車25a、25bの公転の回転方向および回転速度が同じとなって、これらの第二遊星歯車25a、25bが実質的に自転しない状態となり、第二遊星歯車機構17全体が一体となって回転する。
なお、上述のように、第一および第二の遊星歯車機構16、17が、それぞれのり付け状態で回転している場合の第一および第二の電動モータ10、11の出力トルクτin1、τin2の関係は、次の(6)式で表わされる。
ここで、第一および第二の遊星歯車機構16、17の遊星比u1、u2を前述した範囲(2.80≦u1≦3.20、1.90≦u2≦2.10)に規制し、低速モードでの定常運転状態における第一および第二の電動モータ10、11の回転方向を互いに逆方向とし、これらの回転トルクの大きさを同じとしている。これにより、低速モード状態での、従動側回転軸15の回転トルクの絶対値を第一および第二の電動モータ10、11の出力トルクの絶対値の和で除した値である、総合減速比(摩擦損失のない、伝達効率=100%と仮定して算出)を、高速モード状態での総合減速比で除した値である、低速モードと高速モードとの間の段間比(低速モードにおける総合変速比/高速モードにおける総合変速比)を、2もしくは2の近傍(具体的には、1.8〜2.2程度)としている。すなわち、一般的な電気自動車用電動モータは、最大トルクを出力している状態での最高回転速度と、電動モータの最高回転速度との比は1:2程度である。一方、一般的な変速機を搭載したガソリンエンジン車と同程度の走行性能を得るためには、最大トルクを出力している状態での最高速度と、総合的な最高速度との比を1:4程度にすることが望まれる。したがって、一般的な電気自動車用電動モータを使用する場合、低速走行時の減速比と高速走行時の減速比との関係を2:1程度とすることで、図5に示した、実線aの左半部と右半部とを連続させたような特性を得られ、車両の加速性能および高速性能を、図5に破線dで示した、一般的な変速機を搭載したガソリンエンジン車に近い、滑らかなものにできる。
また、遊星歯車式変速機12の従動側回転軸15の回転速度は、第一駆動側回転軸13を介して、第一電動モータ10により回転駆動される、第二太陽歯車24の回転速度と、第二駆動側回転軸14を介して、第二電動モータ11により回転駆動される、第二キャリア23の回転速度とから決定される。したがって、従動側回転軸15の回転速度を一定値としたまま、第一および第二の電動モータ10、11の出力軸の回転速度および回転方向をそれぞれ制御しながら、第一太陽歯車20と第一リング歯車22との角速度を互いに一致させ、図2に示した低速モード状態から図3に示した高速モード状態への切り換えを滑らかに行うことができる。同様に、高速モード状態から低速モード状態への切り換えも滑らかに行うことができる。
上述のように構成される本例の電気自動車用駆動装置によれば、この電気自動車用駆動装置を小型かつ軽量にできるので、充電1回当たりの走行距離を長くし、電気自動車の利便性を向上させることができる。すなわち、遊星歯車式変速機12は、減速比の異なる低速モードと高速モードとを、第一および第二の電動モータ10、11の出力(回転方向および回転速度)を制御し、一方向クラッチ18により第一太陽歯車20と第一リング歯車22との間の動力伝達の断接状態を切り換えることにより選択する。本例の場合、第一太陽歯車20と第一リング歯車22の間の動力伝達を規制するクラッチとして、スプラグクラッチである一方向クラッチ18を使用しているので、クラッチの係合状態を切り換えるためのアクチュエータを設ける必要がない。したがって、低速モードと高速モードとを切り換えるための構造を簡単にできて、遊星歯車式変速機12を組み込んだ電気自動車用駆動装置の小型化および軽量化を図ることができる。
また、変速機構として遊星歯車式変速機12を用いているため、動力を複数の遊星歯車21、25a、25bに分散して伝達することができ、一般的な歯車機構による変速機構を用いた場合と比較して、変速機構を小型化できる。さらに、遊星歯車式変速機12を構成する第一および第二の遊星歯車機構16、17と、第一および第二の電動モータ10、11とを互いに同心に配置している。このため、これらの部材10、11、16、17の大きさや構造によっては、第一および第二の遊星歯車機構16、17を、第一および第二の電動モータ10、11の内径側に配置するなどして、遊星歯車式変速機12を組み込んだ電気自動車用駆動装置を小型化することが可能となる。
さらに、電気自動車が高速で走行する(従動側回転軸15の回転トルクが小さく回転速度が速い)高速モードでの運転状態で、第一および第二の電動モータ10、11の回転方向および回転速度を同じにして、第一および第二の遊星歯車機構16、17がのり付け状態となるようにしている。すなわち、第一遊星歯車機構16において、第一太陽歯車20と第一リング歯車22との間で、第一遊星歯車21を介して動力が伝達されないようにしている。同様に、第二遊星歯車機構17においても、第二太陽歯車24と第二リング歯車26との間で、第二遊星歯車25a、25bを介して動力が伝達されないようにしている。このため、電気自動車の走行中に多くの時間を占める高速モードでの運転状態で、第一および第二の遊星歯車機構16、17における歯車の噛み合いによるエネルギ損失を小さくできて、電気自動車用駆動装置の効率を向上させることができる。
また、第一および第二の遊星歯車機構16、17の遊星比u1、u2を前述した範囲(2.80≦u1≦3.20、1.90≦u2≦2.10)に規制し、低速モードでの定常運転状態における第一および第二の電動モータ10、11の出力(回転方向および回転トルクの大きさ)を調整することで、低速モードと高速モードとの間の段間比(=低速モードにおける総合減速比/高速モードに於ける総合減速比)を2もしくは2の近傍としている。この結果、第一および第二の電動モータ10、11を使用した電気自動車用駆動装置において、一般的な変速機を搭載したガソリンエンジン車と同等の性能が得られ、車両の加速性能および高速性能を改善できる。すなわち、低速モードでの定常運転状態における総合減速比(従動側回転軸15の回転トルクの絶対値/第一および第二の電動モータ10、11の出力トルクの絶対値の和)は、次の表1の通りである。
一方、高速モードでの運転状態(第一および第二の電動モータ10、11の回転方向および回転速度が同じ状態)での総合減速比は1である((5)式参照)から、前記段間比を2もしくは2の近傍とすることができる。なお、この時の第一および第二の電動モータ10、11の出力トルクは、(6)式の関係を満たす。
また、減速比の異なる低速モードと高速モードとの切り換えを、第一および第二の電動モータ10、11の回転速度および回転方向をそれぞれ制御しながら滑らかに行うことができるため、トルク変動に基づく変速ショックを低減することができて、運転者を始めとする電気自動車の乗員に違和感を与えることを防止できる。
[実施の形態の第2例]
図4は、本発明の実施の形態の第2例を示している。本例の遊星歯車式変速機12aは、第一および第二の電動モータ10、11の側に設けられた第一遊星歯車機構16aを、第一キャリア19aに回転可能に支持されて対となる第一遊星歯車21a、21bを互いに噛合させるとともに、内径寄りの複数の第一遊星歯車21aを第一太陽歯車20aに、外径寄りの複数の第一遊星歯車21bを第一リング歯車22aに、それぞれ噛合させる、ダブルピニオン式としている。また、従動側回転軸15の側に設けられた第二遊星歯車機構17aを、第二キャリア23aに回転可能に支持された複数の第二遊星歯車25cを、第二太陽歯車24aに噛合させるとともに、第二リング歯車26aにも噛合させる、シングルピニオン式としている。その他の部分の構成および作用は、実施の形態の第1例の場合と同様であるから、同等部分には同一符号を付して、重複する説明を省略する。
図4は、本発明の実施の形態の第2例を示している。本例の遊星歯車式変速機12aは、第一および第二の電動モータ10、11の側に設けられた第一遊星歯車機構16aを、第一キャリア19aに回転可能に支持されて対となる第一遊星歯車21a、21bを互いに噛合させるとともに、内径寄りの複数の第一遊星歯車21aを第一太陽歯車20aに、外径寄りの複数の第一遊星歯車21bを第一リング歯車22aに、それぞれ噛合させる、ダブルピニオン式としている。また、従動側回転軸15の側に設けられた第二遊星歯車機構17aを、第二キャリア23aに回転可能に支持された複数の第二遊星歯車25cを、第二太陽歯車24aに噛合させるとともに、第二リング歯車26aにも噛合させる、シングルピニオン式としている。その他の部分の構成および作用は、実施の形態の第1例の場合と同様であるから、同等部分には同一符号を付して、重複する説明を省略する。
図2に示す、低速モードでの定常運転状態における、各部のトルクに関して、具体的な値の1例を示す。まず、第一および第二の電動モータ10、11の出力トルクτin1、τin2、及び、第一遊星歯車機構16の第一太陽歯車20、第一リング歯車22の歯数z20、z22、第二遊星歯車機構17の第二太陽歯車24、第二リング歯車26の歯数z24、z26について、以下の様に規制する。
τin1=50(N/m)
τin2=−50(N/m)
z20=24
z22=76
z24=47
z26=97
ここで、(1)式〜(4)式より、各部のトルクは以下の通りとなる。
τ1=99.1(N/m)
τ2=49.1(N/m)
τ3=−105.4(N/m)
τout=204.5(N/m)
なお、トルクの符号が負(マイナス)となっているものは、トルクの向き(回転方向)が反対となっていることを示している。
τin2=−50(N/m)
z20=24
z22=76
z24=47
z26=97
ここで、(1)式〜(4)式より、各部のトルクは以下の通りとなる。
τ1=99.1(N/m)
τ2=49.1(N/m)
τ3=−105.4(N/m)
τout=204.5(N/m)
なお、トルクの符号が負(マイナス)となっているものは、トルクの向き(回転方向)が反対となっていることを示している。
本発明の電気自動車用駆動装置を実施する場合に、第一および第二の電動モータのいずれか一方あるいは双方と、遊星歯車式変速機の駆動側入力軸との間に、たとえば摩擦ローラ式減速機などの減速機を設けることもできる。
1 電動モータ
2 変速装置
3、3a 回転伝達装置
4 駆動側回転軸
5 従動側回転軸
6a、6b 歯車伝達機構
7a、7b クラッチ機構
8、8a デファレンシャルギヤ
9a〜9d 出力軸
10 第一電動モータ
11 第二電動モータ
12、12a 遊星歯車式変速機
13 第一駆動側回転軸
14 第二駆動側回転軸
15 従動側回転軸
16、16a 第一遊星歯車機構
17、17a 第二遊星歯車機構
18 一方向クラッチ
19、19a 第一キャリア
20、20a 第一太陽歯車
21、21a〜21b 第一遊星歯車
22、22a 第一リング歯車
23、23a 第二キャリア
24、24a 第二太陽歯車
25a〜25c 第二遊星歯車
26、26a 第二リング歯車
27 車体に固定の部分
2 変速装置
3、3a 回転伝達装置
4 駆動側回転軸
5 従動側回転軸
6a、6b 歯車伝達機構
7a、7b クラッチ機構
8、8a デファレンシャルギヤ
9a〜9d 出力軸
10 第一電動モータ
11 第二電動モータ
12、12a 遊星歯車式変速機
13 第一駆動側回転軸
14 第二駆動側回転軸
15 従動側回転軸
16、16a 第一遊星歯車機構
17、17a 第二遊星歯車機構
18 一方向クラッチ
19、19a 第一キャリア
20、20a 第一太陽歯車
21、21a〜21b 第一遊星歯車
22、22a 第一リング歯車
23、23a 第二キャリア
24、24a 第二太陽歯車
25a〜25c 第二遊星歯車
26、26a 第二リング歯車
27 車体に固定の部分
Claims (6)
- 1対の電動モータと、これらの電動モータの出力軸によりそれぞれ回転駆動される第一および第二の駆動側回転軸を有する遊星歯車式変速機と、この遊星歯車式変速機の従動側回転軸の回転を、左右1対の駆動輪に伝達するための回転伝達装置とを備え、
前記遊星歯車式変速機は、第一および第二の駆動側回転軸と、前記従動側回転軸と、軸方向に離隔した状態で、互いに同心に配置された第一および第二の遊星歯車機構と、クラッチ装置とを組み合わせて構成されており、
このうちの第一遊星歯車機構は、第一キャリアと、第一太陽歯車と、第一遊星歯車と、第一リング歯車とを備え、第一キャリアに回転可能に支持された第一遊星歯車を、第一太陽歯車に噛合させるとともに、第一リング歯車にも噛合させる、シングルピニオン式であり、第一太陽歯車は、第一駆動側回転軸の軸方向中間部に、第一駆動側回転軸により回転駆動する状態で設けられており、かつ、第一リング歯車は、第二駆動側回転軸により回転駆動する状態で設けられており、
第二遊星歯車機構は、第二キャリアと、第二太陽歯車と、第二および第三遊星歯車と、第二リング歯車とを備え、第二キャリアに回転可能に支持されて対となる第二および第三の遊星歯車を互いに噛合させるとともに、このうちの内径寄りの第二遊星歯車を第二太陽歯車に、外径寄りの第三遊星歯車を第二リング歯車に、それぞれ噛合させる、ダブルピニオン式であり、第二太陽歯車は、第一駆動側回転軸の端部に、第一駆動側回転軸により回転駆動する状態で設けられており、第二キャリアは、第一リング歯車と同期して回転するように設けられており、かつ、第二リング歯車により従動側回転軸を回転駆動するように構成されており、
前記クラッチ装置は、第一キャリアを車体に固定の部分に対し回転が阻止される状態と、第一キャリアの回転が許容される状態とを切り換えるものであり、
減速比の大きい低速モード状態では、前記クラッチ装置により第一キャリアが前記車体に固定の部分に対し回転することを阻止することで、第一リング歯車に入力された動力を第一太陽歯車に伝達し、減速比の小さい高速モード状態では、前記クラッチ装置により第一キャリアが前記車体に固定の部分に対し回転することを許容することで、第一リング歯車に入力された動力を第一太陽歯車に伝達しないようになっていることを特徴とする、電気自動車用駆動装置。 - 1対の電動モータと、これらの電動モータの出力軸によりそれぞれ回転駆動される第一および第二の駆動側回転軸を有する遊星歯車式変速機と、この遊星歯車式変速機の従動側回転軸の回転を、左右1対の駆動輪に伝達するための回転伝達装置とを備え、
前記遊星歯車式変速機は、第一および第二の駆動側回転軸と、前記従動側回転軸と、軸方向に離隔した状態で、互いに同心に配置された第一および第二の遊星歯車機構と、クラッチ装置とを組み合わせて構成されており、
このうちの第一遊星歯車機構は、第一キャリアと、第一太陽歯車と、第一および第二の遊星歯車と、第一リング歯車とを備え、第一キャリアに回転可能に支持されて対となる第一および第二の遊星歯車を互いに噛合させるとともに、このうちの内径寄りの第一遊星歯車を第一太陽歯車に、外径寄りの第二遊星歯車を第一リング歯車に、それぞれ噛合させる、ダブルピニオン式であり、第一太陽歯車は、第一駆動側回転軸の軸方向中間部に、第一駆動側回転軸により回転駆動する状態で設けられており、第一リング歯車は、第二駆動側回転軸により回転駆動する状態で設けられており、
第二遊星歯車機構は、第二キャリアと、第二太陽歯車と、第三遊星歯車と、第二リング歯車とを備え、第二キャリアに回転可能に支持された第三遊星歯車を、第二太陽歯車に噛合させるとともに、第二リング歯車にも噛合させる、シングルピニオン式であり、第二太陽歯車は、第一駆動側回転軸の端部に、第一駆動側回転軸により回転駆動する状態で設けられており、第二キャリアは、第一リング歯車と同期して回転するように設けられており、かつ、第二リング歯車により前記従動側回転軸を回転駆動するようにしており、
前記クラッチ装置は、第一キャリアを車体に固定の部分に対し回転が阻止される状態と、第一キャリアの回転が許容される状態とを切り換えるものであり、
減速比の大きい低速モード状態では、前記クラッチ装置により第一キャリアが前記車体に固定の部分に対し回転することを阻止することで、第一リング歯車に入力された動力を第一太陽歯車に伝達し、減速比の小さい高速モード状態では、前記クラッチ装置により第一キャリアが前記車体に固定の部分に対し回転することを許容することで、第一リング歯車に入力された動力を第一太陽歯車に伝達しないようになっていることを特徴とする、電気自動車用駆動装置。 - 前記高速モード状態で車両が前方に走行している時に、第一および第二の電動モータの回転方向および回転速度を同じとする、請求項1または2に記載の電気自動車用駆動装置。
- 前記遊星歯車式変速機の、前記低速モード状態での総合減速比を、前記高速モード状態での総合減速比で除した値である、段間比を、1.8〜2.2の範囲とする、請求項1〜3のうちいずれか1項に記載の電気自動車用駆動装置。
- 前記低速モード状態で車両が前方に一定速度で走行している時に、第一および第二の電動モータの回転方向を互いに逆方向とし、第一および第二の電動モータの回転トルクの大きさを同じとすることができ、第一遊星歯車機構の遊星比を2.8以上、3.2以下とし、第二遊星歯車機構の遊星比を1.9以上、2.1以下とする、請求項1および請求項3を引用した請求項4に記載の電気自動車用駆動装置。
- 前記低速モード状態で車両が前方に一定速度で走行している時に、第一および第二の電動モータの回転方向を互いに逆方向とし、第一および第二の電動モータの回転トルクの大きさを同じとすることができ、第一遊星歯車機構の遊星比を2.8以上、3.2以下とし、第二遊星歯車機構の遊星比を1.9以上、2.1以下とする、請求項2および請求項3を引用した請求項4に記載の電気自動車用駆動装置。
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