JP6355036B2

JP6355036B2 - 電気自動車の駆動装置

Info

Publication number: JP6355036B2
Application number: JP2012194525A
Authority: JP
Inventors: 正高野
Original assignee: 相原　雅彦; 相原雅彦
Priority date: 2012-08-17
Filing date: 2012-08-17
Publication date: 2018-07-11
Anticipated expiration: 2032-08-17
Also published as: JP2014039449A

Description

本発明は、電気モーターで車輪を駆動して走行する自動車、及び側車付きを含む二輪車の駆動装置に関する。

二輪や四輪または六輪以上の電気自動車やハイブリッド自動車では、限られたエネルギーを効率良く駆動輪に伝え、走行性能や航続距離の向上を図る数々の技術が利用されている。
その中には、ホイールの中にモーターを装着した、いわゆるインホイールモーターにより伝達効率を向上させる技術や、無段変速機を介してモーターの回転速度を最も効率の良い回転数に合わせる技術などがある。
しかし既存の技術は、それぞれ１つの課題を解決する為の技術であり、電気で動く全ての車両に対して、数々の課題を一括で解決可能な、高度な技術は存在しなかった。
即ち、昨今の技術は、それぞれの専門家が高度な技術を持って、目先の課題をピンポイントで解決しているが、マクロ的な発想を持って、車両全体の課題を総合的に解決する技術が無い。
従って、専門知識を有する技術者でも、本発明の課題を解決する発想は生まれない。

前述の背景技術で、インホイールモーターは、各車輪の回転速度をきめ細かく制御する事が可能で、伝達効率も極めて高いが、バネ下重量が増加して走行性能が低下する欠点や、発進から高速走行まで変速できないため、モーターの出力特性と必要なトルク特性を一致させるのが困難となり、色々な走行条件に対応できない欠点がある。
また、無段変速機を備えた構成では、各駆動輪の駆動力をきめ細かく制御する事が不可能であり、電気モーターの長所を十分に引き出す事ができず、結果として効率が悪くなる。また、ＣＶＴを使用した無段変速装置とモーターを組合せた電気自動車も存在するが、単純な組合せでは、電気自動車としてのメリットは全く発揮できない。なぜならＣＶＴを使用した無段変速装置では、大きなトルクを伝達するほど摩擦による抵抗が増加し、動力伝達効率が落ちる欠点がある。また、走行に必要なトルク特性と実際の出力特性が全く異なる内燃機関ではＣＶＴの効果を発揮できるが、元々、トルク特性が優れているモーターでは、ＣＶＴの効果をそのまま発揮する事ができない。
そこで、以下の全ての問題をまとめて解決する事が本発明の課題であり、１つでも解決できない問題が残れば、課題解決とは言えず、発明にならない。
１，インホイールモーターでは、バネ下重量が増え、走行性能が低下する。ホイール内に増減速装置を搭載した事例では、さらにバネ下重量が増加する。
２，インホイールモーターでは、モーターの防水・防塵対策が重要となり、さらに重量が増加する。
３，インホイールモーターで十分な防水・防塵対策を行うと、モーターの冷却ができなくなる。
４，発進時には低回転高トルクが必要で、高速走行時は高回転低トルクが必要となるなど、電気自動車のモーターには走行条件に応じて異なる出力特性が求められるが、インホイールモーターでは、全ての要求に対応できない。
５，インホイールモーターに遊星歯車による増減速装置を組合せた事例も存在するが、異なる特性のモーターを搭載したのと同じ事であり、前述の全ての要求には対応できない。
６，車種・車両の形態・重量・大きさなどに応じて、複数のモーターや増減速装置を用意しなければならず、生産性が悪い。その結果、車両のコストが増加する。
７，ＣＶＴは、変速装置としては高機能だが、ベルトの張力によって抵抗力が発生し、動力伝達効率が歯車やチェーンに比べて劣る。特に、変速操作を行わない定速走行時は、非常に無駄が多い。
８，ＣＶＴは、ベルトが切れるリスクがあり、歯車やチェーンと比較して信頼性が劣る。
また、ＣＶＴが故障すると走行不能になる。
９，ホイールを支えるスイングアームには、高い曲げ強度や捻り強度が必要であり、特にインホイールモーターでは、ホイールが重い為、さらにスイングアームの負担が増加し、高強度を確保しなければならない。
１０，ＣＶＴは摩擦によって動力を伝達する構造の為、摩擦力を発生させる装置もトルクに比例して大きくなり、その大きさや許容伝達トルクに限界がある。従って、大型車両では、ＣＶＴの無段変速機能を有効活用できない。
１１，単独のモーターであらゆる条件を満足させる為には、極めて高額なモーターや、極めて大きく、重たいモーターになってしまい、車両用として非現実的な物になる。
以上の問題を全て解決する事が、本発明の課題である。従って、過去に、いくつかの問題を解決可能な技術が存在したとしても、それは本発明の技術とは比較対象にならず、先願とは呼べない。あくまでも、上記の問題を全て一括で解決する事が、本発明の課題であり、その点が、新規性の高い高度な技術を有する発明と言える。

各駆動輪に対して１個のモーターを備え、モーターと駆動輪をＣＶＴで連結する。さらに、ＣＶＴのケースをスイングアームとして兼用し、モーターを駆動輪よりも高い位置に装置する事で、防水・防塵対策を容易にすると共に、バネ下重量の軽減を図る。

本発明の課題に列挙された問題に対して、一部のみを解決する個別技術は存在したが、全てをまとめて解決可能な既存技術は存在しないかった。
即ち、本発明によれば、前述の多数の課題を全て解決可能で、走行性能を犠牲にする事無く、廉価で効率の良い電気自動車用の駆動装置を提供する事ができる。

請求項１から請求項１０で詳述された構成の内、いずれかを採用する。具体的には、各駆動輪に対して１個のモーターを備え、モーターと駆動輪をＣＶＴで連結する。さらに、ＣＶＴのケースをスイングアームとして兼用し、モーターを駆動輪よりも高い位置に装置する事で、防水・防塵対策を容易にすると共に、バネ下重量の軽減を図る。また、各駆動輪を個別に、きめ細かく出力特性の制御を行う。

本発明の実施例は、請求項１から１０で詳述された通りである。その一例を次に示す。

図１は、本発明の駆動装置を搭載した電動四輪車１の模式図であり、上から見た平面図を表す。駆動輪７と操舵可能な駆動輪１０は、それぞれＣＶＴ収納ケース４と９で支えられて上下に揺動すると共に、駆動軸４及び５に取付けられたハブ６から駆動力を得ている。モーター２の出力は、動力伝達軸３を介してＣＶＴに伝えられるが、２と３は一直線上に配置され、この軸中心を揺動軸１２としてＣＶＴ収納ケース４と９は上下に揺動する。
以上の構成において、請求項１に詳述された制御を行えば、走行状態に応じて最適な変速比が得られ、廉価なモーターでも最適な出力特性を得る事ができる。尚、無段変速装置には、多種多様な構造が存在するが、本発明においては、ベルトとプーリーによるＣＶＴが最適である。以上が、請求項１及び２に記載の本発明の実施例である。

図２は、図１の右後輪部分だけを抜き出し、右側から見た状態の模式図であり、動力伝達方法を示す。ＣＶＴ収納ケース４の内部には、駆動側プーリー１４と被駆動側プーリー１５が収納され、動力伝達用のベルト１６で接続されており、ベルトは一般的にＶベルトが使用される。各プーリーは、左右からベルトを挟みながら回転し、ベルトを挟み込む内幅を可変する事によってベルトの回転半径が変わり、変速比が無段階に変化する装置がＣＶＴである。
このＣＶＴを収納したケースには、その揺動軸１２に、保持用フランジ１３が装置されているので、１３を介して車体フレーム等に取付ける事により、ＣＶＴ収納ケース４がスイングアームの機能を発揮し、車輪７を揺動自在に保持する事ができる。また、４には緩衝装置１８の取付け部１７が備えられている為、ここに緩衝装置を取付け、その他端１９を車体フレーム等に取付ければ、駆動装置として機能する。
通常、スイングアームは駆動輪を支え、路面からの衝撃を受ける為、高い強度が要求されるが、ＣＶＴ収納ケースは箱状なので、捻りや曲げに対して極めて高い剛性を有する形態であり、スイングアームと兼用にする事で、重量の増加を最小限に抑えながら、変速機能を追加する事ができる。即ち、通常のスイングアームを有する車両にＣＶＴを追加するよりも重量の軽減が可能で、変速幅や動力伝達効率を向上する事ができる。
以上の構成において、図２に示す様に、ＣＶＴ収納ケースの揺動中心１２、即ち、モーターの回転軸を、車輪の回転軸５よりも高い位置に装置する事により、モーターを水や埃から保護する事が容易となり、また、バネ下重量の増加も防ぐ事ができる。以上が請求項３及び４に記載の本発明の実施例である。

図３は、本発明の駆動装置に、クラッチ及びブレーキディスクを備えた構成を表す模式図であり、図１の右後輪部分を抜き出した状態である。
モーター２とＣＶＴ収納ケース４の間で駆動軸３上に、電磁クラッチ２０及びブレーキディスク２１を装置した構成により、例えば惰行する場合は、モーターと駆動装置を切り離して抵抗を減らす事が可能で、また、制動時に必要なブレーキディスクを揺動中心１２と同軸に配置した事により、バネ下重量を軽減する事ができる。以上が請求項５及び６に記載の本発明の実施例である。

図１の３６は、左右のモーターの回転軸を接続する、クラッチと等速ジョイントを示している。通常、各モーターは単独で制御されているが、片側のモーターに異常が発生した場合などは、このクラッチを接続し、等速ジョイントによって左右のモーターを直結すれば、１台のモーターで左右の車輪を駆動する構成と同様の状態が得られるので、走行不能に陥る事態を回避する事ができる。以上が請求項７に記載の本発明の実施例である。

図３の構成において、モーターやＣＶＴを収納したケースなどを全てユニット化し、セットで着脱可能に構成すれば、整備性が飛躍的に向上すると共に、数種類のユニットを用意しておくだけで、多種多様の車両に対応できる。既存技術の様に、モーターだけをユニット化した構成では、そのトルク特性に限界があるが、モーターとＣＶＴの組合せでユニット化する事により、あらゆる出力特性の要求にも対応できる様になり、大幅なコストダウンが可能で、電気自動車の普及に大きく貢献できる。
また、二輪車用としては、モーターの取付け位置を反転させ、図４に示す構成とすれば良い。図４では、モーター２２がタイヤ２６側に装置され、クラッチ２３とブレーキディスク２４がスイングアームを兼ねたＣＶＴ収納ケース２５との間に装置される。２９にはサスペンションが取付けられ、揺動中心１２を中心として、駆動軸２７とハブ２８に取付けられたタイヤ２６は上下に揺動する。以上が請求項８に記載の本発明の実施例である。

本発明の請求項１から８に記載された構成によれば、単純にモーターの出力を可変するだけでは無く、変速比の可変によって、出力トルクや回転速度をきめ細かく変更できると共に、その変更可能な幅が、従来技術と比べて飛躍的に広い。そこで、この構成の特徴を最大限に活用する為、各種の走行状態に応じて最適な変速比に制御を行えば良い。この制御によって車両の操縦性と安定性と安全性が飛躍的に高まり、電気自動車の長所を最大限に発揮できる。以上が請求項９に記載の本発明の実施例である。

図５は、ＣＶＴと並列に、チェーンによる駆動力伝達装置を備えた構成の模式図を示す。
ＣＶＴは、変速装置としては極めて優れているが、摩擦による駆動力伝達の為に、常にベルトに張力を与えなければならず、この抵抗によって動力伝達効率が低下してしまう欠点がある。そこで、ＣＶＴと並列にスプロケットとチェーンを装置し、変速が不要な走行状態ではチェーンを使用する事により、動力伝達効率を格段に上げる事ができる。
３０は、ＣＶＴの駆動側プーリーの回転軸３に取付けられたチェーン用のスプロケットであり、クラッチ３１を介して回転軸３に断続自在に装置する。ＣＶＴの被駆動側プーリーの回転軸５と一体で回転する回転軸３４には、チェーン用のスプロケット３２が取付けられ、チェーン３３から駆動力を得て、車輪に駆動力を伝達する。
チェーンは、ＣＶＴの最小減速比と略同一の変速比に設定しておき、最小減速比で連続的に走行する高速道路などでは、ＣＶＴからチェーン駆動に変更する。駆動装置の変更は、ＣＶＴの変速比がチェーンの変速比と略一致した時にクラッチを接続し、チェーンによる動力伝達を開始すると共に、ＣＶＴのベルトに張力を与えているプーリーの圧着圧力を解除すれば、ショックも無く、スムーズに変更ができる。以上が請求項１０に記載の本発明の実施例である。

本発明によれば、小型モーターでも高トルクが得られ、また、低回転型のモーターでも高速走行が可能など、少ない種類のモーターであらゆる出力特性が得られる事になり、電気自動車の開発効率向上とコストダウンが飛躍的に進む事になる。
また、ユニットとして数種類用意しておけば、色々な種類・用途の車両に対応できる為、費用面で駆動系の開発ができない中小企業などが、電気自動車業界へ参入する事が可能となり、電気自動車の多様化と発展に大きく貢献できる。

本発明の駆動装置を搭載した、四輪自動車を模式的に表した平面図である。四輪全てを駆動輪とし、各車輪にＣＶＴによる無段変速装置を備える。また、図の上部が前輪を表し、前輪は操舵輪の機能も兼ね備える。尚、本図は左右対称である。図１の右後輪の駆動装置を模式的に表した、右側面図である。図１の右後輪の駆動装置にブレーキ及びクラッチを設けた構成を、模式的に表した図である。図３駆動装置に対してモーターの位置を反転し、二輪車用とした場合の模式図である。図３の駆動装置に対して、チェーン駆動装置を備えた構成を模式的に表した図である。

１、本発明の駆動装置を搭載した車両であり、四輪自動車である
２、駆動用のモーター
３、モーターとＣＶＴを連結する、駆動軸
４、スイングアームの機能を兼ね備えた、ＣＶＴ収納ケース
５、車輪を支えて回転させる、駆動軸
６、駆動輪又はホイールを取り付ける、ハブ又はステー
７、タイヤを含む、車輪又はホイール
８、駆動用のモーター
９、スイングアームの機能を兼ね備えた、ＣＶＴ収納ケース
１０、タイヤを含む、車輪
１１、駆動輪の回転方向を変更する、等速ジョイント及び操舵装置
１２、スイングアームの機能を兼ね備えたＣＶＴ収納ケースの、揺動中心
１３、ＣＶＴ収納ケースを搖動自在に保持する、フランジ式保持装置
１４、ＣＶＴの、駆動側プーリー
１５、ＣＶＴの、被駆動側プーリー
１６、ＣＶＴの駆動ベルトであり、Ｖベルトである
１７、ＣＶＴ収納ケースに設けられた、緩衝装置取付け部
１８、液圧又は空圧ダンパーとスプリングによる、緩衝装置
１９、緩衝装置の、車体フレームへの取付け部
２０、クラッチ
２１、ブレーキディスク
２２、駆動用のモーター
２３、クラッチ
２４、ブレーキディスク
２５、スイングアームの機能を兼ね備えた、ＣＶＴ収納ケース
２６、タイヤを含む、車輪又はホイール
２７、車輪を支えて回転させる、駆動軸
２８、駆動輪又はホイールを取り付ける、ハブ又はステー
２９、ＣＶＴ収納ケースに設けられた、緩衝装置取付け部
３０、チェーンを掛ける、駆動側スプロケット
３１、電磁クラッチ
３２、チェーンを掛ける、被駆動側スプロケット
３３、チェーン
３４、被駆動側スプロケットを支えて、駆動輪に動力を伝える、駆動軸
３５、ブレーキディスク
３６、故障時等に左右のモーターを接続する、クラッチと等速ジョイント

Claims

４輪以上８輪以下の車輪を有する、電気自動車、又は、電気モーターと内燃機関によるハイブリッド自動車の１輪以上の車輪を駆動輪とし、各駆動輪にモーターと無段変速機を備え、車速、モーターの回転速度、駆動輪の回転速度、スロットル開度、ブレーキ操作力、モーター出力、加速度、減速度、コーナリング時の横加速度の、全て又はいずれかの検出手段を備え、その検出データに基づき演算手段で演算を行い、無段変速機の変速比を制御する制御装置を備え、無段変速機を、一対のプーリーと動力伝達用ベルトで構成されたＣＶＴとする電気自動車の駆動装置で、前記駆動装置は、ＣＶＴを収納したケースを、駆動輪を支えて揺動するスイングアームとし、駆動輪は、ＣＶＴの駆動側プーリーの回転軸を回転中心として上下に揺動する構成において、以下のいずれか、又は全ての特徴を有する電気自動車の駆動装置。
１、モーターとＣＶＴの駆動側プーリーとを貫く固定軸を備え、この固定軸の両端を保持する構成とした。モーターの回転部とＣＶＴの駆動側プーリーは、この回転軸に対して回転自在となるように、この固定軸の外周上で連結する。また、ＣＶＴ収納ケースもこの固定軸に揺動自在に保持する。
２、上記の構成において、摺動や往復や回転などの相対運動が発生する部分又は部位に、ラビリンスシール又はオイルシール又はダストシールを装置した。
４輪以上８輪以下の車輪を有する、電気自動車、又は、電気モーターと内燃機関によるハイブリッド自動車の１輪以上の車輪を駆動輪とし、各駆動輪にモーターと無段変速機を備え、車速、モーターの回転速度、駆動輪の回転速度、スロットル開度、ブレーキ操作力、モーター出力、加速度、減速度、コーナリング時の横加速度の、全て又はいずれかの検出手段を備え、その検出データに基づき演算手段で演算を行い、無段変速機の変速比を制御する制御装置を備え、無段変速機を、一対のプーリーと動力伝達用ベルトで構成されたＣＶＴとし、運転者によるアクセル操作を行う電気自動車の駆動装置において、運転者による操舵操作、ブレーキ操作、及び、各方向の加速度、モーターの回転速度と回転速度の変化、各車輪の回転速度と回転速度の変化、各車輪に加わる荷重、人工衛星を利用したＧＰＳシステムからの位置情報及び位置変位情報、スイングアームの揺動変位の、いずれか又は全てを検出し、演算によって車両が以下のいずれかの走行状態である事を判定し、その判定結果に基づき各無段変速機の変速比を、個別に制御する事を特徴とする電気自動車の駆動装置。
１、凹凸路面を走行している、又は深い水溜り又はぬかるみを走行している。
２、重心から離れた位置への重量物積載等により、車両の重量バランスが崩れている。
３、車両全体が横滑りしている。
４、車両が傾斜路を走行している。
５、一部のモーター又は駆動装置にトラブルが発生し、正常な駆動ができなくなっている。
６、強い横風、又は強い向かい風、又は強い追い風を受けている。
７、いずれかのタイヤがパンクしている、又はいずれかのタイヤの空気圧が極端に低い。
８、他車が衝突して異常な衝撃や負荷が加わっている、又は異常な挙動が発生している。
９、後進している。
４輪以上８輪以下の車輪を有する、電気自動車、又は、電気モーターと内燃機関によるハイブリッド自動車の１輪以上の車輪を駆動輪とし、各駆動輪にモーターと無段変速機を備え、車速、モーターの回転速度、駆動輪の回転速度、スロットル開度、ブレーキ操作力、モーター出力、加速度、減速度、コーナリング時の横加速度の、全て又はいずれかの検出手段を備え、その検出データに基づき演算手段で演算を行い、無段変速機の変速比を制御する制御装置を備え、無段変速機を、一対のプーリーと動力伝達用ベルトで構成されたＣＶＴとする電気自動車の駆動装置で、無段変速装置の駆動側回転軸と被駆動側回転軸との間を、以下のいずれかの動力伝達装置で接続する構成において、以下のいずれかの装置で動力を伝達する際は、ＣＶＴのプーリーの圧着圧力を下げて駆動ベルトの張力を落とし、ＣＶＴでの動力伝達機能を低下させる制御を行う、及び、無段変速装置から以下のいずれかの駆動装置への切り替え、及びその逆方向の切り替えを、双方の変速比の差が、一方の変速比の３０％以内の場合に限定する制御と、無段変速装置が故障した際、強制的に以下のいずれかの駆動装置に切り替える制御とを行う事を特徴とする電気自動車の駆動装置。
１、歯付きベルト又はコグドベルトと、各ベルト用の歯付きプーリーによる動力伝達装置。
２、ベベルギアで回転軸の方向を変換した、ドライブシャフトによる動力伝達装置。
３、駆動側回転軸と被駆動側回転軸の両方に歯車を装置し、両回転軸の間に、歯車を設けた中間回転軸を１軸以上備えた動力伝達装置。
４、上記１から３のいずれかの動力伝達装置において、同じ種類の装置を複数セット備えた動力伝達装置。
５、上記１から４のいずれかの動力伝達装置において、動力伝達経路に弾性部材を介在させた動力伝達装置であって、弾性部材の介在とは、回転するシャフトを捻り棒バネにする構成や、回転する２つの部品の間にスプリングを挿入する構成や、回転する２つの部品の間にゴムを焼付け又は接着又は充填して動力を伝達する構成を指す。