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JP6781608B2 - インホイールモータ駆動装置 - Google Patents

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Description

本発明は、例えば、電動モータと車輪用軸受とを減速機を介して連結したインホイールモータ駆動装置に関する。
インホイールモータ駆動装置は、ホイールの内部に搭載されるため、該駆動装置の重量増加は車両のばね下荷重の増加につながる。ばね下荷重の増加は走行安定性やNVH特性を悪化させるため、該駆動装置の小型化や軽量化は重要である。電動モータの出力トルクはモータサイズ及び重量に比例するため、モータ単体で車両の駆動に必要なトルクを発生させようとすると、大型のモータが必要となる。そのため、インホイールモータ駆動装置では、電動モータの回転を、減速機構を介してホイールに伝達することで、モータの小型化が図られている。
ところで、車両のホイール内に配置したインホイールモータ駆動装置は、例えば特許文献1(特開2015−214273号公報)に開示されるように、ロアアーム等の懸架装置に連結される。そのため、車両のホイール内には、インホイールモータ駆動装置以外にも懸架装置の設置スペースを確保する必要がある。また、図示は省略するが、ホイール内には、ブレーキキャリパも配置されるので、その設置スペースも確保する必要がある。従って、インホイールモータ駆動装置は、その半径方向寸法を極力小さくすることが望まれる。
この要請に応えるべく、軸方向(車幅方向)の寸法を犠牲にして半径方向の寸法を削減したとしても、軸方向寸法が増加することでインホイールモータ駆動装置のホイールからのインボード側への張り出し量が大きくなるため、車両の転舵時や上下動時に、車体とインホイールモータ駆動装置とが干渉するおそれがある。
インホイールモータ駆動装置の軸方向および半径方向の寸法を削減した構造の一例として、例えば特許文献2(特開2012−214202号公報)には、減速機をホイール中心と同軸に配置すると共に、減速機とモータを同じ半径方向断面上に配置する手法が開示されている。
特開2013−147177号公報 特開2012−214202号公報
特許文献2では、モータの出力を、モータの外径側に配置した減速機(遊星ギヤ)にアイドラギヤを介して伝達している。そのため、インホイールモータ駆動装置を小型化できたとしても、アイドラギヤの分だけ部品点数が増加して重量が嵩むことになり、NVH特性が低下すると考えられる。このようにインホイールモータ駆動装置の小型化を検討する場合、それとは別の新たな課題がトレードオフとして生じるのが通例である。従って、新たな課題による影響が最小限となるよう十分な検討を要する。
本発明は、以上の検証を踏まえ、インホイールモータ駆動装置の半径方向の寸法を小型化することを目的とする。
前述の目的を達成するための技術的手段として、本発明は、電動モータ部と、車輪用軸受部と、入力軸、中間軸、および出力軸を有する平行軸歯車機構で構成され、入力軸に入力された電動モータ部の出力トルクを、中間軸および出力軸を介して車輪用軸受部に伝達する減速機部とを備え、中間軸に大歯車および小歯車を設けると共に、出力軸に中間軸の前記小歯車と噛み合う最終出力歯車を設け、出力軸のインボード側とアウトボード側をそれぞれ軸受で支持したインホイールモータ駆動装置において、前記出力軸のインボート側を支持する軸受と出力軸の最終出力歯車との間に中間軸の大歯車が配置され、軸方向から見て、中間軸の大歯車の歯先円と出力軸のインボード側を支持する前記軸受の外径円とが交点を有することを特徴とするものである。
以上の構成により、中間軸の大歯車の半径方向寸法を大きくすることができる。従って、必要とされる減速比を確保しつつ、ケース内の空間に各歯車が効率的に収めることができ、そのためにインホイールモータ駆動装置の半径方向寸法を小さくすることが可能となる。かかる構成を採用することで、インホイールモータ駆動装置の組み立て作業性が低下する場合もあるが、この問題は、治具を工夫する等の対策で容易に解消することができる。また、インホイールモータ駆動装置の機能や性能には何ら悪影響を与えない。
さらに中間軸のインボード側とアウトボード側をそれぞれ軸受で支持し、前記中間軸のアウトボード側を支持する軸受と中間軸の大歯車との間に出力軸の最終出力歯車が配置され、軸方向から見て、出力軸の最終出力歯車の歯先円と中間軸のアウトボード側を支持する前記軸受の外径円とが交点を有するように構成するのが望ましい。これにより、最終出力歯車の半径方向寸法を大きくすることができ、上記と同様の効果が得られる。
本発明によれば、インホイールモータ駆動装置の半径方向の寸法を小型化することができる。そのため、ホイール内にサスペンションアームやブレーキキャリパ等の収容スペースを十分に確保することが可能となる。従って、インホイールモータ駆動装置の電気自動車等への搭載に際し、既存の懸架装置や制動装置を活用することができ、開発コストを低廉化することが可能となる。
インホイールモータ駆動装置を図2中のP−P線で矢視した時の縦断面図である。 インホイールモータ駆動装置を図1中のQ−Q線で矢視した時の横断面図である。 インホイールモータ駆動装置を図1中のR−R線で矢視した時の横断面図である。 比較例としてのインホイールモータ駆動装置を示す縦断面図である。 インホイールモータ駆動装置の組み立て工程を示す縦断面図である。 インホイールモータ駆動装置を搭載した電気自動車の概略構成を示す平面図である。 図6の電気自動車を示す後方断面図である。
本発明に係るインホイールモータ駆動装置の実施形態を図面に基づいて詳述する。
図6は、インホイールモータ駆動装置21を搭載した電気自動車11の概略平面図、図7は、電気自動車11を後方から見た概略断面図である。
電気自動車11は、図6に示すように、シャシー12と、操舵輪としての前輪13と、駆動輪としての後輪14と、後輪14に駆動力を伝達するインホイールモータ駆動装置21とを装備する。後輪14は、図7に示すように、シャシー12のホイールハウジング15の内部に収容され、懸架装置(サスペンション)16を介してシャシー12の下部に固定されている。
懸架装置16は、左右に延びるサスペンションアームにより後輪14を支持すると共に、コイルスプリングとショックアブソーバとを含むストラットにより、後輪14が地面から受ける振動を吸収してシャシー12の振動を抑制する。左右のサスペンションアームの連結部分には、旋回時などの車体の傾きを抑制するスタビライザが設けられている。懸架装置16は、路面の凹凸に対する追従性を向上させ、後輪14の駆動力を効率よく路面に伝達するために、左右の車輪を独立して上下させる独立懸架式としている。
電気自動車11は、ホイールハウジング15の内部に、左右それぞれの後輪14を駆動するインホイールモータ駆動装置21を設けることによって、シャシー12上にモータ、ドライブシャフトおよびデファレンシャルギヤ機構などを設ける必要がなくなるので、客室スペースを広く確保でき、かつ、左右の後輪14の回転をそれぞれ制御することができるという利点を有する。
この実施形態の特徴的な構成を説明する前にインホイールモータ駆動装置21の全体構成を図1〜図3に基づいて説明する。以下の説明では、インホイールモータ駆動装置21を車両に搭載した状態で、車両の車幅方向の外側寄りとなる側をアウトボード側と称し、中央寄りとなる側をインボード側と称する。
図1は、図2のP−P線で矢視したインホイールモータ駆動装置の縦断面図であり、図2は、図1のQ−Q線で矢視したインホイールモータ駆動装置の横断面図、図3は、図1のR−R線で矢視したインホイールモータ駆動装置の横断面図である。
図1に示すように、インホイールモータ駆動装置21は、駆動力を発生させる電動モータ部Aと、電動モータ部Aの回転を減速して出力する減速機部Bと、減速機部Bからの出力を駆動輪としての後輪14に伝達する車輪用軸受部Cとを備えている。電動モータ部A、減速機部B、および車輪用軸受部Cは、それぞれケーシング22に収容される。ケーシング22は、電動モータ部A、減速機部B、あるいは車輪用軸受部Cを組み付ける際の作業性を考慮し、分割可能な構造にする(図5参照)。
電動モータ部Aは、ケーシング22に固定されたステータ23と、ステータ23の径方向内側に隙間をもって対向するように配置されたロータ24と、ロータ24の径方向内側に配置されてロータ24と一体回転するモータ回転軸25とを備えたラジアルギャップ型の電動モータ26で構成されている。モータ回転軸25は、毎分一万数千回転程度で高速回転可能である。ステータ23は磁性体コアにコイルを巻回することによって構成され、ロータ24は永久磁石等で構成されている。
モータ回転軸25は、その軸方向一方側の端部(図1の左側)が転がり軸受40により、軸方向他方側の端部(図1の右側)が転がり軸受41により、ケーシング22に対してそれぞれ回転自在に支持されている。
減速機部Bは、入力歯車30と、中間歯車としての入力側中間歯車31(大歯車)および出力側中間歯車32(小歯車)と、最終出力歯車35とを有する。入力歯車30は入力軸30aと一体に形成され、この入力軸30aはスプライン嵌合(セレーション嵌合を含む。以下、同じ)によってモータ回転軸25と同軸に連結されている。入力側中間歯車31および出力側中間歯車32を備える中間軸S1は、両中間歯車31,32と一体に形成されている。最終出力歯車35を備える出力軸36は、最終出力歯車35と一体に形成されている。各歯車30,31,32,35のうちの何れか一つあるいは二つ以上を、対応する軸とは別部材で形成し、当該軸にスプライン嵌合等により結合してもよい。
入力軸30a、中間軸S1、および出力軸36は互いに平行に配置されている。入力軸30aの入力歯車30の軸方向両側に転がり軸受42,43が配置され、この転がり軸受42,43によって入力軸30aがケーシング22に対して回転自在に支持される。中間軸S1は、入力側中間歯車31をインボード側に配置し、出力側中間歯車32をアウトボード側に配置した状態で、二つの転がり軸受44,45によってケーシング22に対して回転自在に支持される。また、出力軸36の最終出力歯車35の軸方向両側に転がり軸受48,49が配置され、この転がり軸受48,49によって出力軸36がケーシング22に対して回転自在に支持されている。以上に述べた各転がり軸受40〜45,48,49としては、ラジアル荷重とスラスト荷重の双方を受けることができる軸受、例えば深溝玉軸受が使用される。
中間軸S1のインボード側およびアウトボード側を支持する軸受44,45では、インボード側となる入力側中間歯車31側の転がり軸受44の方が、他方の転がり軸受45よりも大径である。インボート側の転がり軸受44の内径寸法はアウトボード側の転がり軸受45の外径寸法よりも大きい。また、出力軸36のインボード側およびアウトボード側を支持する軸受48,49では、アウトボード側となる最終出力歯車35側の転がり軸受49の方が他方の転がり軸受48よりも大径である。アウトボード側の転がり軸受49の内径寸法はインボード側の転がり軸受48の外径寸法よりも小さく、アウトボード側の転がり軸受49の外径寸法は、後述する車輪用軸受部Cの外輪53の外径寸法よりも大きい。
図2および図3に示すように、減速機部Bの入力軸30aの中心O1(モータ回転軸25の中心でもある)と車輪用軸受部Cの中心O3との間に、中間軸S1の中心2が配置される。各中心O1、O2およびO3を、これらを結ぶ直線が三角形をなすように配置することで、インホイールモータ駆動装置21の外周輪郭の小型化を図っている。これにより、既存の内燃機関の後輪のホイール70内にインホイールモータ駆動装置21を装着することができる。電動モータ部Aの外径寸法(図3に一点鎖線で示す)は、軸方向から見て、電動モータ部Aが出力軸36のアウトボード側を支持する転がり軸受48と重なるように設定される。
図2は、図1のQ−Q線で矢視した、アウトボード側から見た横断面図であるが、出力軸36のアウトボード側を支持する転がり軸受49が、最終出力歯車35の内径側凹部47に配置されている。出力軸36のアウトボード側を支持する転がり軸受49と中間軸S1のアウトボード側を支持する転がり軸受45の双方の軸受幅は、軸方向に重ならない位置に配置されている。また、図3は、図1のR−R線で矢視した、インボード側から見た横断面図であるが、中間軸S1のインボード側を支持する転がり軸受44が、入力側中間歯車31の内径側凹部33に配置されている。
図1に示すように、減速機部Bでは、入力歯車30と入力側中間歯車31とが噛合し、出力側中間歯車32と最終出力歯車35とが噛合している。入力側中間歯車31の歯数は、入力歯車30および出力側中間歯車32の歯数よりも多く、最終出力歯車35の歯数は出力側中間歯車32の歯数よりも多い。以上の構成から、モータ回転軸25の回転運動を2段階に減速する平行軸歯車減速機39が構成される。
本実施形態では、平行軸歯車減速機39を構成する入力歯車30、入力側中間歯車31、出力側中間歯車32および最終出力歯車35として、はすば歯車を用いている。はすば歯車は、同時に噛合う歯数が増え、歯当たりが分散されるので音が静かで、トルク変動が少ない点で有効である。歯車のかみあい率や限界の回転数などを考慮して、各ギヤのモジュールは1〜3程度に設定するのが好ましい。
車輪用軸受部Cは、内輪回転タイプの車輪用軸受50で構成される。車輪用軸受50は、ハブ輪60と内輪52とからなる内方部材61と、外輪53と、玉56および保持器(図示省略)を主な構成とする複列アンギュラ玉軸受である。ハブ輪60のアウトボード側の外周に車輪取り付け用のフランジ部60aが形成される。ハブ輪60のインボード側の小径段部に内輪52が嵌合され、その後、ハブ輪60のインボード側端部が加締められる。加締め部60bは、車輪用軸受50の組み立て後、内輪52の軸方向の位置決めを行うと共に車輪用軸受50に予圧を付与する機能を有する。ハブ輪60の外周にアウトボード側の内側軌道面54が形成され、内輪52の外周にインボード側の内側軌道面54が形成されている。図示は省略するが、車輪取り付け用のフランジ部60aには、ブレーキディスクおよびホイールが取り付けられる。
外輪53の内周には、ハブ輪60の内側軌道面54および内輪52の内側軌道面54に対応して複列の外側軌道面55が形成されている。外輪53の外周にフランジ部が形成され、このフランジ部はアタッチメント46を介してケーシング22にボルト71で締結固定されている。また、外輪53は懸架装置への取り付け部72にボルトにより締結固定されている。出力軸36は、ハブ輪60の内周にスプライン嵌合し、ハブ輪60とトルク伝達可能に連結されている。
インホイールモータ駆動装置21では、電動モータ26の冷却や減速機39の潤滑および冷却のため、図示しない回転ポンプで潤滑油が各部に供給される。車輪用軸受50の軸受内部はグリースにより潤滑される。
インホイールモータ駆動装置21は、ホイールハウジング15(図6参照)の内部に収められ、ばね下荷重となるため、小型軽量化が必須である。前述した構成の平行軸歯車減速機39を電動モータ26と組み合わせることで、低トルクかつ高回転型の小型電動モータ26を使用することが可能となる。例えば、減速比11の平行軸歯車減速機39を用いた場合、毎分一万数千回転程度の高速回転の電動モータ26を使用することにより電動モータ26を小型化することができる。これにより、コンパクトなインホイールモータ駆動装置21を実現することができ、ばね下重量を抑えて走行安定性およびNVH特性に優れた電気自動車11を得ることができる。
本実施形態のインホイールモータ駆動装置21の全体構成は以上のとおりである。次に特徴的な構成を説明する。
図1に示すように、本実施形態のインホイールモータ駆動装置21では、中間軸S1の入力側歯車31(大歯車)は、出力軸36のインボード側に配置した転がり軸受48と出力軸36の最終出力歯車35との間に配置される。また、軸方向から見た時、図3に示すように、中間軸S1の入力側中間歯車31の歯先円X1と、出力軸36のインボード側を支持する軸受48の外径円Y1(一点鎖線で示す)とは二つの交点を有する。
これに加えて、出力軸36の最終出力歯車35は、中間軸S1のアウトボード側を支持する転がり軸受45と中間軸S1の入力側中間歯車(大歯車)31との間に配置される。軸方向から見た時、図2に示すように、最終出力歯車35の歯先円X2と、中間軸S1のアウトボード側を支持する軸受45の外径円Y2(一点鎖線で示す)とが二つの交点を有する。
なお、図2に示すように、中間軸S1の入力側中間歯車31の歯先円X1と、出力軸36のアウトボード側を支持する軸受49の外径円Y3も軸方向から見て二つの交点を有する。また、図3に示すように、最終出力歯車の歯先円X2と、中間軸S1のインボード側を支持する軸受44の外径円Y4も軸方向から見て二つの交点を有する。
なお、以上に述べた軸受の「外径円」は、転がり軸受45,48の構成要素である外輪の外周面45a,48aを軸方向から見た時に描かれる円を意味する。
入力軸30a、中間軸S1、および出力軸36の支持に用いられる各転がり軸受42〜45,48,49の軸受サイズは、各軸30a,S1,36で伝達すべきトルクや各軸受に作用する最大荷重(ラジアル荷重およびスラスト荷重)の大きさ等から定まる。従って、各転がり軸受42〜45,48,49の外径寸法も同様にトルクや荷重から定まる。そのため、図3に示すように、軸方向から見た時、入力側中間歯車31の歯先円X1と出力軸36のインボード側を支持する軸受48の外径円Y1とを交差させた状態にすることにより、減速機39に必要とされる減速比を確保しつつインホイールモータ駆動装置21全体の半径方向寸法を小さくすることができる。
この効果を説明するため、比較例として、図4に示すように、中間軸S1の入力側中間歯車31の歯先円と、出力軸36のインボード側を支持する軸受48の外径円とが交点を持たない構成を想定する。この場合、大歯車である入力側中間歯車31の半径方向寸法が小さくなるため、各軸の中心O1,O2,O3の位置を変えなければ、噛み合いのために入力軸30aの入力歯車30の半径方向寸法を大きくする必要があり、減速機39全体で必要な減速比が得られなくなる。適正な減速比を得ようとすれば、各軸間距離(O1−2間、O2−O3間)をそれぞれ増大する必要があるため、インホイールモータ駆動装置21の半径方向寸法が増大することになる。この傾向は、図4に示すように、最終出力歯車35の歯先円と中間軸S1のアウトボード側を支持する軸受45の外径面も交点を持たない構成とすることでさらに強まる。
これに対し、図1の構成であれば、入力側中間歯車31の半径方向寸法が大きくなる。従って、必要とされる減速比を確保しつつ、ケース22内の空間に各歯車が効率的に収めることができ、そのためにインホイールモータ駆動装置21の半径方向寸法を小さくすることが可能となる。これにより、ホイール70内にサスペンションアームやブレーキキャリパの収容スペースを十分に確保することが可能となる。従って、インホイールモータ駆動装置21の電気自動車11への搭載に際し、既存の懸架装置や制動装置を活用することができ、開発コストを低廉化することが可能となる。なお、以上の説明では、それぞれ二つの円が二つの交点で交わる場合を例示したが、交点の数は一つ(二つの円が接する状態)であってもよい。
以上に述べた平行軸減速機39の組み立てに際し、入力軸30a,中間軸S1,出力軸36は、クリープ防止のため、回転側となるそれぞれの外周面に各転がり軸受42〜45,48,49を予め圧入した状態(図5参照)でケーシング22内に組み付けられる。図4に示す比較例のように、軸方向から見て、入力側中間歯車31の歯先円と第二軸受48の外径円とが交点を持たず、かつ最終出力歯車35の歯先円と第一軸受45の外径面とが交点を持たない構成であれば、歯車を一体に有する各軸30a,S1,36を、入力軸30a,中間軸S1,出力軸36の順でケーシング22に順番に組み込むことができる。これに対し、図1に示す構成では、ケーシング22に入力軸30aと中間軸S1を組み込んだ後は、第一軸受45と最終出力歯車35が干渉し、第2軸受48と入力側中間歯車31が干渉するため、出力軸36をケーシング22に組み込むことが不可能となる。
この点を考慮し、図1に示す構成の平行軸減速機39を採用した場合の組み付けは、図5に示すように、平行軸減速機39の入力軸30a、中間軸S1、および出力軸36を、それぞれの歯車同士を噛み合わせたアセンブリの状態に保持し、同時にケーシング22に組み込むことで可能となる。インホイールモータ駆動装置21の量産時には、三つの軸30a,S1,36をアセンブリの状態に保持する治具を用いることで、特段の不都合なく、平行軸減速機39のケーシング22への組み付けを行うことができる。
一般的な平行軸減速機では、上述した組み付け時の作業性を考慮し、図4に示す比較例のように、軸方向から見て、入力側中間歯車31の歯先円と第二軸受48の外径円とが交点を持たず、かつ最終出力歯車35の歯先円と第一軸受45の外径面とが交点を持たない構成を採用するのが通例である。本発明は、組み付け作業性が多少犠牲になっても、その弊害は容易に解消できることに着目し、上記構成を採用することで、インホイールモータ駆動装置21の半径方向寸法の小型化を達成するものである。インホイールモータ駆動装置21の小型化を達成するに当たり、トレードオフとなる対象を組み付け作業性とした点で、本発明は既存の小型化のための手段とは異なる新規な発想であるといえる。
以上の実施形態の説明では、モータ部Aとしてラジアルギャップ型の電動モータ26を例示したが、任意の構成のモータを採用することができる。例えば、ケーシングに固定されたステータと、ステータの軸方向内側に隙間をもって対向するように配置されたロータとを備えるアキシャルギャップ型の電動モータであってもよい。また、2段減速の平行軸減速機39を使用する場合を例示したが、本発明の適用対象はこれに限定されるものではなく、3段以上の減速を行う減速機にも同様に適用することができる。
また、以上の説明では、モータ部Aに電力を供給してモータ部を駆動させ、モータ部Aからの動力を後輪14に伝達させる場合を示したが、これとは逆に、車両が減速したり坂を下ったりするようなときは、後輪14側からの動力を減速機部Bで高回転低トルクの回転に変換してモータ部Aに伝達し、モータ部Aで発電してもよい。さらに、ここで発電した電力は、バッテリーに蓄電しておき、後でモータ部Aを駆動させることや、車両に備えられた他の電動機器などの作動に用いてもよい。
この実施形態では、図6および図7に示すように、後輪14を駆動輪とした電気自動車11を例示したが、前輪13を駆動輪としてもよく、4輪駆動車であってもよい。なお、本明細書中で「電気自動車」とは、電力から駆動力を得る全ての自動車を含む概念であり、例えば、ハイブリッドカー等も含むものである。
本発明は前述した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、さらに種々なる形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。
21 インホイールモータ駆動装置
25 モータ回転軸
30 入力歯車
30a 入力軸
31 入力側中間歯車(大歯車)
32 出力側中間歯車(小歯車)
35 最終出力歯車
36 出力軸
39 平行軸歯車減速機
45 転がり軸受
48 転がり軸受
A 電動モータ部
B 減速機部
C 車輪用軸受部
S1 中間軸

Claims (2)

  1. 電動モータ部と、車輪用軸受部と、入力軸、中間軸、および出力軸を有する平行軸歯車機構で構成され、入力軸に入力された電動モータ部の出力トルクを、中間軸および出力軸を介して車輪用軸受部に伝達する減速機部とを備え、中間軸に大歯車および小歯車を設けると共に、出力軸に中間軸の前記小歯車と噛み合う最終出力歯車を設け、出力軸のインボード側とアウトボード側をそれぞれ軸受で支持したインホイールモータ駆動装置において、
    前記入力軸、中間軸、および出力軸の各中心O1,O2,O3をそれぞれ異なる位置に設け、
    前記出力軸のインボート側を支持する軸受と出力軸の最終出力歯車との間に中間軸の大歯車が配置され、
    前記出力軸のインボード側を支持する前記軸受のインボード側が、前記中間軸および出力軸の各インボード側を支持する一体のケーシングによって覆われており、
    軸方向から見て、前記中間軸の大歯車の歯先円と前記出力軸のインボード側を支持する前記軸受の外径円とが交点を有することを特徴とするインホイールモータ駆動装置。
  2. 中間軸のインボード側とアウトボード側をそれぞれ軸受で支持し、前記中間軸のアウトボード側を支持する軸受と中間軸の大歯車との間に出力軸の最終出力歯車が配置され、軸方向から見て、出力軸の最終出力歯車の歯先円と中間軸のアウトボード側を支持する前記軸受の外径円とが交点を有することを特徴とする請求項1に記載のインホイールモータ駆動装置。
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