JP6071977B2

JP6071977B2 - 電動車両

Info

Publication number: JP6071977B2
Application number: JP2014226603A
Authority: JP
Inventors: 孝澄和田; 伊藤　哲嗣; 哲嗣伊藤
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2014-11-07
Filing date: 2014-11-07
Publication date: 2017-02-01
Anticipated expiration: 2034-11-07
Also published as: WO2016072141A1; US20170327000A1; JP2016093020A

Description

本発明は、電動車両に関し、詳細には、バッテリを有し電動モータを動力源とした自律走行に好適な電動車両に関する。

車両には、石油燃料の他、電気、水素やバイオ燃料などの代替燃料で走行可能に構成されるものがある。電気や水素などを用いれば、連続走行距離では石油燃料を用いた場合よりも劣るが、走行時のＣＯ₂排出量をなくすことができ、より利用範囲が広がるとともに、バッテリ駆動とすれば、水素などを用いた場合よりも車両の小型化を容易に達成できる。このため、バッテリ駆動の電動車両は、運搬車両、介護車両、監視車両などの種々の用途で需要が増している。

また、車両の方向転換のために前後輪の角度を変更するステアリング機構を設けることも可能であるが、複雑なステアリング機構を必要とするとともに、車両の大型化が避けらず、狭い場所でも旋回を求められる無人搬送車等には適していない。一方、同一の場所でも旋回できる方法として左右の車輪を互いに反対方向に回転させるスキッドステア方式が知られている。例えば、特許文献１には、１対の電動モータによって左右それぞれの駆動輪を個別に駆動することによって、車両を旋回させる方法が記載されている。また、４輪の場合には、例えば、特許文献２，３に開示されているように、左側の前後輪と右側の前後輪を独立して駆動させる技術を利用することも考えられる。

特開２００３−７０８４９号公報特開昭５５−７８７２９号公報特開２０１１−８４２２３号公報

特許文献１に開示された車両は駆動輪が左右一対の駆動輪のみであるために、同一の大きさの４輪の駆動には適用できない。また、バッテリ駆動の電動車両には、車輪を駆動させるモータ用の設置スペースや、電動モータと前輪との間や電動モータと後輪との間に配置されるギアボックス用の設置スペース、さらに、バッテリ用の設置スペースも必要になる。しかしながら、上記特許文献１、３には、電動モータの具体的配置やバッテリの搭載方法については何ら開示されていない。また、特許文献２に記載された車両は１つのエンジンを駆動源にして２つの油圧ポンプを駆動し、左右の駆動輪をそれぞれ油圧モータによって駆動するものであるため、電動モータを用いたものではない。

また、スキッドステア方式を採用しつつ、１つの電動モータからギアボックスを介して左右の車輪の回転速度の差を設けて駆動する方式は、ギアボックス自体の構造が複雑かつ大型化せざるを得ず、車両の小型化が難しかった。また、４輪のそれぞれに電動モータを設けて駆動する場合は、電動モータの回転制御が難しく、電動モータが４つ必要となるため広い設置スペースが必要となる。

本発明は、上述のような実情に鑑みてなされたもので、旋回性能を確保しつつ車台に設置した電動モータ等の駆動系の構成部材の設置スペースの小さい電動車両を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の技術手段は、電動車両であって、車台と、該車台の左右にそれぞれ設けられた前後一対の駆動輪および従動輪と、左右の前記駆動輪をそれぞれ駆動する２つの電動モータと、各前記電動モータと各前記駆動輪との間に設けたギアボックスと、左右の前記駆動輪から従動輪に動力を伝達する動力伝達部材と、前記電動モータに電力を供給するバッテリとを備え、２つの前記電動モータおよび前記ギアボックスは前記車台の底部面で前記駆動輪側に寄せて配設されるとともに、前記電動モータ、前記ギアボックス、および、前記駆動輪が直線状に配設され、左右の前記従動輪の車軸の端部を支持する軸受が、前記車台上で左右に離れて配設され、左右の前記従動輪の前記軸受の間の前記車台の底面部の空間を、前記バッテリを載置するための空間としたことを特徴とする電動車両ことを特徴としたものである。

第２の技術手段は、第１の技術手段において、前記バッテリは、前記車台の前記電動モータを配設した反対側から取り出すために、左右の前記従動輪の前記軸受の間の前記車台の底面部の空間でスライド可能に設けられていることを特徴としたものである。

第３の技術手段は、第１または２の技術手段において、前記バッテリは、前記車台の前記底面部の中央位置に載置されていることを特徴としたものである。

第４の技術手段は、第１から３のいずれか１の技術手段において、前記車台の左右にそれぞれ設けられた前記前後一対の駆動輪および従動輪は、それぞれが前記車台の外側で、該車台から外側に突出する車軸に軸支されているを特徴としたものである。

第５の技術手段は、第１から４のいずれか１の技術手段において、前記動力伝達部材は前記車台の外側に設けられていることを特徴としたものである。

第６の技術手段は、第１から５のいずれか１の技術手段において、前記ギアボックスに動力の伝達と切り離しが可能なクラッチを設けたことを特徴としたものである。

第７の技術手段は、第１から６のいずれか１の技術手段において、前記車台の左右にそれぞれ設けられた前記前後一対の駆動輪および従動論をそれぞれ同径で形成すると共に、前記前後一対の駆動輪と従動輪とを近接配置させたことを特徴としたものである。

本発明によれば、４輪を備えた電動車両において、左右に設けた前後の車輪をそれぞれ共通の電動モータによって駆動しているため、駆動輪の左右の回転差により進行方向を変えることができるとともに、左右の駆動輪の回転方向を反対にすることで車台中央部を中心とした旋回が可能になる。また、左右の前後輪をそれぞれ駆動する２つのモータは、前輪側あるいは後輪側に設けられるため、電動モータ等の駆動系の構成部材の設置スペースを小さくすることができ、搭載するバッテリの大型化が図れる。

本発明に係る電動車両の一例を示す斜視図である。本発明の第１の実施形態に係る電動車両を説明するための図である。本発明の第２の実施形態に係る電動車両を説明するための図である。本発明の第３の実施形態に係る電動車両を説明するための図である。

以下に図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する。以下の説明において、異なる図面においても同じ符号を付した構成は同様のものであるとして、その説明を省略する場合がある。図１は、本発明に係る電動車両の一例を示す斜視図であり、電動車両１は例えばカメラ等を搭載したロボットの走行部として機能できる。また、電動車両１には例えばコントローラ（図示省略）が内蔵されており、このコントローラが、外部からの信号やカメラの検知結果に基づいて、後述する電動モータの回転速度や回転方向、前後輪のブレーキ量やタイミングを制御する。

電動車両１は例えば矩形状に形成された車台１０を有し、矢印で示す進行方向に対向する前面１３と後面１４、および、進行方向に交わる方向に対向する右側面１２Ｒと左側面１２Ｌとを有している。電動車両は４つの車輪を有しており、右側面１２Ｒから突出した位置に右側の前輪２１および後輪２２を、また、左側面１２Ｌから突出した位置に左側の前輪３１および後輪３２を有している。

なお、右側面１２Ｒと左側面１２Ｌの長さ（車台の全長ともいう）は例えば１ｍ程度、前面１３や後面１４の長さ（車台の幅ともいう）は例えば０.８〜０.９ｍ程度である。また、右側の前輪２１と後輪２２あるいは左側の前輪３１と後輪３２の軸間距離（ホイールベースともいう）は例えば０.８ｍ程度のように短く設定されており、電動車両１は、狭い場所でも旋回できる機動性を備えている。なお、図１に示した前輪２６，３６および後輪２８，３８の外径は例えばいずれも同じφ０.４ｍ程度である。

（第１の実施形態）
図２は、本発明の第１の実施形態に係る電動車両を説明するための図である。図２（Ａ）は右側面図を示し、右側の前輪２１や後輪２２が仮想線で示されている。また、図２（Ｂ）は図２（Ａ）のＢ−Ｂ線矢視断面図を示し、後述するスプロケット２１ｂ，２２ｂ，３１ｂ，３２ｂが仮想線で示されている。車台１０の各側面１２Ｒ，１２Ｌには帯状のカバー１８が設置され、車台１０の前後方向に沿って延びている。カバー１８の下側には、前輪２１、３１および後輪２２、３２をそれぞれ回転支持する車軸２１ａ，３１ａおよび車軸２２ａ、３２ａが設けられている。各車軸２１ａ，３１ａ，２２ａ，３２ａは、動力伝達部材によって結合されない場合は、独立して回転可能となっている。

そして、左右のそれぞれ一対の前輪と後輪とには動力伝達部材が設けられている。具体的には、右側の前輪２１の車軸２１ａにはスプロケット２１ｂが設けられるとともに、後輪２２の車軸２２ａにはスプロケット２２ｂが設けられており、前輪のスプロケット２１ｂと後輪のスプロケット２２ｂとの間には、例えばスプロケットと歯合する突起を内面側に設けたベルト２３が掛け回されている。同様に、左側の前輪３１の車軸３１ａにはスプロケット３１ｂが設けられるとともに、後輪３２の車軸３２ａにはスプロケット３２ｂが設けられており、前輪のスプロケット３１ｂと後輪のスプロケット３２ｂとの間には、ベルト２３と同様のベルト３３が掛け回されている。

したがって、左右のそれぞれ一対の前輪と後輪とは一方の車輪を駆動輪とした場合に、他方の車輪が動力伝達部材であるベルトによってスリップすることなく駆動される従動輪として機能する。左右それぞれ一対の前輪と後輪とを結ぶ動力伝達部材としては、スプロケットとこのスプロケットに歯合する突起を設けたベルトを用いるほか、例えば、スプロケットとこのスプロケットに歯合するチェーンを用いてもよい。さらに、スリップが許容できる場合は、摩擦の大きなプーリーとベルトを動力伝達部材として用いてもよい。ただし、駆動輪と従動輪の回転数が同じとなるように動力伝達部材は構成される必要がある。

なお、本実施形態では、動力伝達部材である右側のスプロケット２１ｂ、２２ｂ、および、ベルト２３は、右側面１２Ｒの外側であってカバー１８の下側に配置しており、左側のスプロケット３１ｂ、３２ｂ、および、ベルト３３は、左側面１２Ｌの外側であってカバー１８の下側に配置しているが、カバー１８を省略して、動力伝達部材を車台１０の内部に配置してもよい。

車台１０の底面１５の前輪側には、右側の前後輪２１，２２を駆動するための電動モータ４１Ｒと、左側の前後輪３１，３２を駆動するための電動モータ４２Ｌの２つのモータが設けられている。そして、右側の電動モータ４１Ｒのモータ軸４２Ｒと右側の前輪２１の車軸２１ａとの間には、動力伝達機構としてギアボックス４３Ｒが設けられている。同様に、左側の電動モータ４１Ｌのモータ軸４２Ｌと左側の前輪３１の車軸３１ａとの間には、動力伝達機構としてギアボックス４３Ｌが設けられている。本実施形態では、２つの電動モータ４１Ｒ，４１Ｌは車台の進行方向の中心線に対して左右対称となるように並列配置されており、ギアボックス４３Ｒ，４３Ｌもそれぞれ電動モータ４１Ｒ，４１Ｌの左右外側に配設されている。

ギアボックス４３Ｒ，４３Ｌは、複数の歯車や軸などから構成され、電動モータからの動力をトルクや回転数、回転方向を変えて出力軸である車軸に伝達する組立部品であり、動力の伝達と遮断を切替えるクラッチを含んでいてもよい。なお、左右の後輪２２，３２はそれぞれ軸受４４Ｒ，４４Ｌによって軸支されており、軸受４４Ｒ，４４Ｌはそれぞれ基台１０の底面１５の右側面１２Ｒ、左側面１２Ｌに近接させて配設されている。

以上の構成により、本実施形態では、進行方向右側の一対の前後輪２１，２２と左側の前後輪３１，３２とは独立して駆動することが可能となっている。すなわち、右側の電動モータ４１Ｒの動力はモータ軸４２Ｒを介してギアボックス４３Ｒに伝わり、ギアボックス４３Ｒによって回転数、トルクあるいは回転方向が変更されて車軸２１ａに伝達される。そして、車軸２１ａの回転によって車輪２１が回転するとともに、車軸２１ａの回転は、スプロケット２１ｂ、ベルト２３、および、スプロケット２２ｂを介して後軸２２ｂに伝わり、後輪２２を回転させることになる。左側の電動モータ４１Ｌからの前輪３１および後輪３２への動力の伝達については上述した右側と同様であるので、その説明を省略する。

本実施形態では、電動車両１の駆動系の構成は、進行方向の中心線に対して左右の構成は同じであるため、バランスの良い車両となっている。また、電動モータ４１Ｒ，４１Ｌからの駆動力は全ての車輪に伝わる４輪駆動となっているため、不整地などの悪路での走行にも支障がない。なお、第１の実施形態では、前輪２１，３１が駆動輪に相当し、後輪２２，３２が従動輪に相当する。

そして、２つの電動モータ４１Ｒ，４１Ｌの回転数が同じである場合、各ギアボックス４３Ｒ，４３Ｌのギア比（減速比）を同じにすれば、電動車両１は前進あるいは後進を行うことになる。電動車両１の速度を変更する場合は、各ギアボックス４３Ｒ，４３Ｌのギア比を同じ値を維持しつつ変化させればよい。また、進行方向を変える場合は、各ギアボックス４３Ｒ，４３Ｌのギア比を変更して、右側の前輪２１および後輪２２の回転数と左側の前輪３１および後輪３２の回転数とに回転差を持たせることで可能となる。さらに、各ギアボックス４３Ｒ，４３Ｌからの出力の回転方向を変えることにより、左右の車輪の回転方向を反対にすることで車台中央部を中心とした定置旋回が可能になる。

電動車両１を定置旋回させる場合は、前後の車輪の角度を可変にするステアリング機構が設けられていないため、前後の車輪の間隔（ホイールベース）が大きいほど、車輪にかかる抵抗が大きくなり、旋回のために大きな駆動トルクが必要となる。しかし、本実施形態では、各ギアボックス４３Ｒ，４３Ｌ内のギア比は可変であるため、旋回時の車輪の回転数を下げるだけで車輪に大きなトルクを与えることができる。

例えば、ギアボックス４３Ｒ内のギア比として、モータ軸４２Ｒ側のギアの歯数を１０、中間ギアの歯数を２０、車軸２１ｂ側のギアの歯数を４０とした場合、車軸２１ｂの回転数はモータ軸４２Ｒの１／４の回転数となるが、４倍のトルクが得られる。そして、更に回転数が小さくなるようなギア比を選択することによって、より大きなトルクを得ることができるため、不整地や砂地などの車輪に係る抵抗が大きな路面であっても旋回が可能となる。

また、本実施形態では、モータ軸４２Ｒ，４１Ｌと車軸２１ａ、３１ａとの間にギアボックス４３Ｒ，４３Ｌを設けているため、車輪２１，３１からの振動が直接モータ軸に伝わることがない。さらに、ギアボックス４３Ｒ，４３Ｌに動力の伝達と切り離し（遮断）を行うクラッチを設けておき、電動モータ４１Ｒ，４１Ｌの非通電時には、電動モータ４１Ｒ，４１Ｌ側と駆動軸となる車軸２１ａ，３１ａとの間の動力伝達を遮断しておくことが望ましい。これにより、仮に停止時に車台１０に力が加わり車輪が回転しても、電動モータ４１Ｒ，４１Ｌには回転が伝わらないため、電動モータ４１Ｒ，４１Ｌに逆起電力が発生することはなく、電動モータ４１Ｒ，４１Ｌの回路を損傷するおそれもない。

このように、本実施形態では、左右のそれぞれ前後一対の前輪と後輪を動力伝達部材で連結し、前輪側に配置した２つの電動モータで駆動可能するようにして４輪を駆動しているため、後輪専用の電動モータ、さらに、この電動モータと後輪との間に必要な後輪専用のギアボックスを設ける必要がなく、後輪専用の電動モータやギアボックスのための設置スペースを削減することができる。そして、先述したように、基台１０の底面１５の前輪２１、３１側には２つの電動モータ３１Ｒ，４１Ｌを進行方向左右に配置し、さらに各電動モータ４１Ｒ，４１Ｌのそれぞれの左右側方にギアボックス４３Ｒ，４３Ｌを配置しているが、底面１５の後輪２２、３２側には軸受４４Ｒ，４４Ｌを配置しているだけであるため、車台１０の底面１５には、その中央位置から例えば後面１４の端までにわたって広い収容スペース１６が確保できる。

そして、各電動モータ４１Ｒ，４１Ｌは例えばリチウムイオン電池などのバッテリ４０を動力源としており、バッテリ４０を収容スペース１６に設置することができる。具体的には、バッテリ４０は、例えば直方体の外形をなし、図２（Ｂ）に示すように、底面１５の略中央位置に載置することが可能である。また、車台１０の後面１４は例えば上面１１あるいは底面１５に対して開閉可能に構成し、収容スペース１６へのバッテリ４０の出し入れを容易にすることが望ましい。これにより、長時間走行を実現させるための大容量のバッテリ４０を車台１０の収容スペース１６に搭載可能になり、また、バッテリ４０の交換、充電、点検などの作業は、後面１４から容易に実施可能になる。さらに、バッテリ４０を底面１５に配置することができるため、車台１０の重心が低く、安定した走行が可能な電動車両を得ることができる。また、第１の実施形態では、進行方向の前方側に発熱の大きな電動モータが配置しているため、空冷を容易に行うことが可能となる。

（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態に係る電動車両を説明するための図であり、図２（Ｂ）と同様に断面図を示している。第１の実施形態では、前輪２１，３１が駆動輪であり、後輪２２，３２が従動輪であったが、第２の実施形態では、後輪２２，３２が駆動輪となり、前輪２１，３１が従動輪となる。したがって、電動モータ４１Ｒ，４１Ｌ、ギアボックス４３Ｒ，４３Ｌは、車台１０の後輪２２，３２側に配設される。また、前輪２１，３１の車軸３１ａ，３２ａはそれぞれ軸受４４Ｒ、４４Ｌによって軸支される。

右側の電動モータ４１Ｒの動力はモータ軸４２Ｒを介してギアボックス４３Ｒに伝わり、ギアボックス４３Ｒによって回転数、トルクあるいは回転方向が変更されて車軸２２ａに伝達される。そして、車軸２２ａの回転によって後輪２２が回転するとともに、車軸２２ａの回転は、スプロケット２２ｂ、ベルト２３、および、スプロケット２１ｂを介して車軸２１ａに伝わり、前輪２１を回転させることになる。左側の電動モータ４１Ｌからの後輪３２および前輪３１への動力の伝達についても右側と同様である。第２の実施形態では、車台１０の底面１５には、その中央位置から例えば前面１３の端までに亘って広範囲の収容スペース１６を確保できるため、バッテリ４０をこの収容スペースに搭載可能である。なお、この場合、前面１３が例えば上面１１あるいは底面１５に対して開閉可能に構成される。

（第３の実施形態）
図４は、本発明の第３の実施形態に係る電動車両を説明するための図であり、図２（Ｂ）と同様に断面図を示している。第３の実施形態は、車輪の駆動機構の配置が第２の実施形態と同じであるが、収納スペース１６が、底面１５の中央位置から例えば前面１３に亘って第２の実施形態よりも一層広範囲に設けられている。このため、大容量のバッテリ４０を底面１５の中央位置に設置することが可能となり、車台１０の安定性を向上させることができる。また、第３の実施形態では、例えばバッテリ交換や充電などの作業が容易に実施できるように、底面１５に対するバッテリ４０を載置するためのスライドを許容するスライド許容域１７をさらに有している。

（第４の実施形態）
上記第１から第３の実施形態では、電動モータ４１Ｒ，４１Ｌからの動力をギアボックス４３Ｒ，４３Ｌを介して駆動輪の車軸まで伝達し、ギアボックス４３Ｒ，４３Ｌによって、電動モータ４１Ｒ，４１Ｌからの動力をトルクや回転数、回転方向を変えることによって、電動車両１の加減速、方向転換、旋回を行うようにしていた。これに対して、第４の実施形態では、電動モータ４１Ｒ，４１Ｌからの動力は単に固定比（所定の一定比）のギアを介するのみで駆動輪の車軸まで伝達し、電動モータへの駆動電圧の大きさや周波数を変更することによって、左右の駆動軸の回転方向と速度を変更している。これにより、複雑な機械機構であるギアボックス（トランスミッション）を設ける必要がなく、単にギアを介するだけであるので、機械的な故障やメンテナンスの負担が軽減されるとともに、ギアボックスを不要としたことによる電動車両の軽量化を図ることができる。

（第５の実施形態）
上記第１から第３の実施形態では、前後一対の前輪および後輪をスプロケットとベルトによって連結し、電動モータからの動力が前後の車輪に伝わるように構成したが、それぞれの車輪（前輪２１，３１、後輪２２，３２）と車軸２１ａ，３１ａ，２２ａ，３２ａとの結合部に、例えば、動力伝達部材として電磁クラッチを設けて、前輪２１，３１のみ、あるいは、後輪２２，３２のみを駆動したり、さらに、１つの車輪のみを駆動できるようにしてもよい。この場合、四輪の独立した回転制御が可能になり、電磁クラッチによって動力の伝達、遮断を高速で切換えることにより、凍結路面やぬかるみのような路面との摩擦係数が小さい状態であってもそれぞれの車輪の回転を制御することで安定した走行方向を保つことが可能となる。また、電磁クラッチに設けた回転ディスクを固定部材で保持することによってブレーキとして使用することも可能となる。

１…電動車両、１０…車台、１１…上面、１２Ｒ…右側面、１２Ｌ…左側面、１３…前面、１４…後面、１５…底面、１６…収容スペース、１７…スライド許容域、１８…カバー、２１，３１…前輪、２２，３２…後輪、２１ａ、２２ａ、３１ａ、３２ａ…車軸、２１ｂ、２２ｂ、３１ｂ、３２ｂ…スプロケット、２３，３３…ベルト、４０…バッテリ、４１Ｒ，４１Ｌ…電動モータ、４２Ｒ，４２Ｌ…モータ軸、４３Ｒ，４３Ｌ…ギアボックス、４４Ｒ，４４Ｌ…軸受。

Claims

車台と、該車台の左右にそれぞれ設けられた前後一対の駆動輪および従動輪と、左右の前記駆動輪をそれぞれ駆動する２つの電動モータと、各前記電動モータと各前記駆動輪との間に設けたギアボックスと、左右前記の駆動輪から従動輪に動力を伝達する動力伝達部材と、前記電動モータに電力を供給するバッテリとを備え、
２つの前記電動モータおよび前記ギアボックスは前記車台の底部面で前記駆動輪側に寄せて配設されるとともに、前記電動モータ、前記ギアボックス、および、前記駆動輪が直線状に配設され、
左右の前記従動輪の車軸の端部を支持する軸受が、前記車台上で左右に離れて配設され、
左右の前記従動輪の前記軸受の間の前記車台の底面部の空間を、前記バッテリを載置するための空間としたことを特徴とする電動車両。
前記バッテリは、前記車台の前記電動モータを配設した反対側から取り出すために、左右の前記従動輪の前記軸受の間の前記車台の底面部の空間でスライド可能に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電動車両。
前記バッテリは、前記車台の前記底面部の中央位置に載置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電動車両。
前記車台の左右にそれぞれ設けられた前記前後一対の駆動輪および従動輪は、それぞれが前記車台の外側で、該車台から外側に突出する車軸に軸支されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１に記載の電動車両。
前記動力伝達部材は前記車台の外側に設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１に記載の電動車両。
前記ギアボックスに動力の伝達と切り離しが可能なクラッチを設けたことを特徴とする請求項１から５のいずれか１に記載の電動車両。
前記車台の左右にそれぞれ設けられた前記前後一対の駆動輪および従動論をそれぞれ同径で形成すると共に、前記前後一対の駆動輪と従動輪とを近接配置させたことを特徴とする請求項１から６のいずれか１に記載の電動車両。