JP4593090B2 - 車輪と一体化されたギア比変更機構を有する駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は電気駆動の自動車に関するものである。
本発明は全てが電気駆動の自動車だけでなく、ハイブリッドタイプの車両、特に、直列ハイブリッドタイプの車両にも関するものである。

上記形式の車両の中には車両の駆動車輪を電気モータだけで駆動するものがある。その場合には電気駆動モータを車両のシャシに取り付けるのではなく、電気駆動モータを車輪と直接一体化することが考えられている。そうすることによって伝動シャフトを省略することができる。電気駆動方式には電気モータが出すトルクを全ての回転速度レンジで一定にできるという利点もある。
上記形式にすることによって得られる利点（車輪に電気モータを組み込むことによって得られる利点）を十分に活かすためには、地面との連結組立体をできる限り小型、軽量化することが必要である。特に、電気モータから車輪までの駆動系は各部品が非懸垂重量であるため、できる限り軽量かつ小型にするのが望ましい。

全ての回転速度レンジで大きな一定トルクを出すことができる電気モータは既に開発されているが、電気モータの寸法は電気モータが出せるトルクの大きさにほぼ比例する。従って、電気駆動モータを大幅に小型化すると同時に、車輪へのトルクをできる限り大きくするには、電気モータのシャフトと車輪の車軸との間の全減速比を最大にするのが望ましい。

電気モータのシャフトと車輪の車軸との間の全減速比を大きくする場合には、電気モータの速度も車両の最高速度に上昇させるが、電気モータに加わる機械的および電気的な制約は回転速度の上昇とともに大きく増加する。電気モータの最大制限回転速度値にセットした場合に電気モータと車輪との間の全減速比の所定値となるようにするのが望ましい。従って、車輪で大きなトルクが得られるか、車両の最高速度が得られるようなギア比の変更機構を車輪内部に一体化する必要がある。

その場合には、電気モータとギア比の変更機構とを加えたギア比変更機構の全体を可能な限り小型にするとともに、直接噛合式の電気モータの場合よりも大型化したり重くなったりせず、しかも、最終減速比に上げた時に所望最大トルクが車輪の車軸で得られるような寸法に設計しなければならないという問題が生じる。さらに、1つのギア比から別のギア比への変更ができるだけ簡単かつ迅速にできるような制御系に設計する必要もある。しかも、1つのギア比から別のギア比へ変更する手段が駆動系全体の重量を増加させてはならない。

本発明が解決しようとする課題は上記の要求に答える駆動系（トラクションチェーン）を提供することにある。

本発明は、下記（ａ）〜（ｃ）から成ることを特徴とする自動車用駆動装置を提供する：
（ａ）駆動車輪が取り付けられる回転ハブを支持し且つ駆動車輪の回転軸線を規定する車輪支持体、
（ｂ）駆動車輪の回転軸線と同じ軸線を有し且つ回転ハブと直接に歯車係合した回転歯車、
（ｃ）電気モータのシャフトに連結される入力シャフトを有し且つ上記の回転歯車と常に噛合った少なくとも２つのピニオンを有する配列であって、この配列はギア比変更機構を有し、このギア比変更機構は所定ギア比位置の間にニュートラル位置を有し、上記入力シャフトと1方のピニオンのとの間で直接噛合い、上記入力シャフトと他方のピニオンとの間で上記の直接噛合いとは異なる減速比を有する少なくとも一つの他の機械的伝動路を有する配列。

本発明の特に好ましい実施例で提案される本発明のギア比変更機構は一方または他方のギア比を選択するための噛合いクラッチを有している。このギア比変更は摩擦クラッチを全く有していないのが好ましい。換言すれば積極的に機械的に噛合う手段のみから成る。さらに、本発明はヤラシレスの同期自動調整タイプの電気モータを使用するのが好ましい。この電気モータはその性質上、ロータ位置センサを有している。本発明ではこの電気モータのロータ位置センサと、ギア比変更機構と組み合わされたセンサ組立体のみを使用して所定の車輪の回転速度を求め、必要な全てのギア比変更を行う。上記配列は２つのギア比のみを有するのが好ましい。

以下、添付図面を参照して本発明を説明する。
［図１］および［図２］はタイヤＴを装着した車輪Ｗを示している。この車輪Ｗは車輪支持体Ｋに回転自在に取り付けられている。車輪支持体Ｋの回転軸線はＸ−Ｘである。図にはハウジング１が示してある。このハウジング１はカバー２と、電気駆動モータＭの固定子部分Ｓとによって覆われている。ハウジング１は上側延長部10と、下側延長部11とを有し、車輪Ｗを車両のシャシまたはボデーに懸架する懸架系はこの延長部10、11の端部に取り付けられる。図には自動車の接地装置（ground contact system）の非懸架部材のみが示してある。

ハウジング１、カバー２および電気モータＭは一緒になって閉空間を規定している。この閉空間の内部にオイルを収容して、内部の機械要素を潤滑することができる。
ハウジング１の内部には回転する歯車３（［図1］と［図３］参照）が見える。この歯車３は車輪Ｗに直接結合し、上記軸線Ｘ−Ｘの周りを回転する。

［図３Ａ］に示すように、歯車３は第１ピニオン31と噛合っている。この第１ピニオン31はそれと同軸な補助ピニオン310と一体で、この補助ピニオン310の直径は第１ピニオン31の直径より大きい。第１ピニオン31および補助ピニオン310は回転可能な同一モノブロックの機構部品を形成している（［図４Ａ］を参照）。補助ピニオン310は中間ピニオン６と噛合っている。この中間ピニオン６を用いることによって任意の歯車比において電気モータと同じ方向への回転が維持できる。

歯車3は第２ピニオン53とも噛合っている。この第２ピニオン53はクラッチ制御ピニオン530（このピニオン530は後で説明する噛合いクラッチ（dog clutch）によって制御される）と同軸でかつそれ一体である（［図3A］と［図4A］を参照）。第２ピニオン53およびクラッチ制御ピニオン530は回転可能な同一モノブロックの機構部品を形成している。この機構部品はクラッチ制御ピニオン530の隣りに歯の無い外周部532を有している（［図４Ａ］を参照）。この機構部品は平滑な中間支持部531をさらに有し、この中間支持部531上にはクラッチ制御される遊びピニオン42が、第２ピニオン53に対して自由に回転できる状態で、第２ピニオン53と同心状に取り付けられている。

ギア変更機構はギア比を選択するための噛合いクラッチ46を有している。図示した実施例ではこの噛合いクラッチ46はこの噛合いクラッチで制御されるクラッチ制御ピニオン530および遊びピニオン42（外歯）と同じ数の内歯を有している。噛合いクラッチ46は減速時には遊びピニオン42（［図3A］、［図4A］）と噛み合い、直接駆動の場合にはピニオン530と噛み合う（［図3C］、［図4C］）。さらに、噛合いクラッチ46を上記のどちらとも噛合わない位置に移動させることもできる。この位置では噛合いクラッチ46の内歯は全ての歯車から解放される非噛合い区域532に来る（［図3B］、［図4B］）。

噛合いクラッチ46は外周溝460と、切欠き461（［図5］）とを有する。図４には電気モータＭのローターのシャフトＡの端部が見える。シャフトＡの回転軸線はＹＹである。電気モータＭのシャフトＡにはクラッチバスケット38が一体化されており、このクラッチバスケット38は噛合いクラッチ46と同心である。噛合いクラッチ46に形成された外周溝部460の中にはフォーク16が放射方向外側から係合している。クラッチバスケット38はフィンガー380を有し、このフィンガー380は噛合いクラッチ46の切欠き461と係合する。クラッチ46はクラッチバスケット38と一緒に回転しながらそれに対して軸線方向に滑動することができる。

フォーク16は電気モータ12によって駆動される。フォーク16には位置決め検出器21が接続されている。噛合いクラッチ46は下記の3つの位置を取ることができる：
（１） 噛合いクラッチ46が中間ピニオン６を介して歯車を駆動して回転ギアを逆転させる位置、すなわち、噛合いクラッチ46が遊びピニオン42と噛み合い、従って、中間ピニオン6および補助ピニオン310を介して第１ピニオン31と噛合う位置（図3A、4Aを参照）（これが上記の他の機械的伝動路である）、
（２）補助ピニオン530と噛合い、従って、第2ピニオン53と噛合う位置（図3C、4Cを参照）、
（３）中間のニュートラル位置（図3B、4B）

第１ピニオン31および第2ピニオン53は常に歯車3によって駆動される。これらの歯車は全く同じ歯数を有するので、両方とも同じ角速度で回転する。第2ピニオン53が補助ピニオン530、噛合いクラッチ46およびクラッチバスケット38を介して電気モータＭのローターのシャフトＡに連結されたときには、第2ピニオン53は電気モータＭと直結する。逆に、第１ピニオン31、クラッチバスケット38、噛合いクラッチ46、遊びピニオン42、中間ピニオン6および補助ピニオン310を介してトラクショントルクが伝送されるときには、電気モータＭと第１ピニオン31のローターのシャフトＡとの間で歯車比が減速される。この減速比は補助ピニオン310の歯数と遊びピニオン42の歯数と比Ｒに対応する。

上記の他の機械的伝動路では、噛合いクラッチが中間ピニオン6を介して歯車3を駆動し、回転速度を逆転させるという点に注目されたい。すなわち、中間ピニオン6によって直接噛合いでも、上記の他の機械的伝動路でも、噛合い状態とは無関係に電気モータの回転方向を同じ方向に維持することができる。変形例（図示せず）では、1つのギア比と別のギア比で回転方向が逆になるように電気モータをパイロットすることもできる。この変形例の場合には、上記の他の機械的伝動路中に回転方向を逆にするための中間ピニオンはいらない。
ギアを変えると駆動用電気モータの速度がほぼ瞬間的且つ大きく変更される。車両が複数の駆動車輪を備え、その各々に本発明の電気モータ／歯車装置を組込んだ場合には、例えば車両の少なくとも同じ車軸の車輪で同期させて変更することができる。

［図6］に示したクロノグラムは操作順序を図示したものである。
変速機の方向とは無関係に、そして、変速経路とは無関係に、ギア比を変更するとモータトルクが無効になり（帯域１）、変速装置はニュートラル位置（帯域２）へ移動し、その後、電気モータの回転速度は選択したギア比に対応するレベル（帯域３）に調整されて、上記のギア比で機械的に係合し、電気モータは再度所望トルクへ案内される。
［図6］は本発明の好ましいクロノグラムであるが、本発明がこの具体例に限定されるものではない。

ギア比の変更を容易にするために、電気モータのトルクを細かく制御して速度を小さく振動させることができる（帯域４）。この操作の目的は次のギア比のクラッチの噛合いを容易にすることにある。なお、トルクの変化および速度の変化は極めて小さい点に注意されたい。すなわち、帯域４に示すトルクの変化は電気モータＭの慣性に逆らって電気モータＭのローターを加速するだけで、その結果生じる速度の変化は極めて小さく、噛合いクラッチの噛合が開始されると同時に直ちに制限される（機能上のクリアランスの吸収）。帯域４に図示したトルクの変化および速度の変化の大きさは概念的なもので、他の区域に示した変化の大きさと比較してはならない。

駆動条件が許される場合には、一つのギア比を外す前と別のギア比で噛合った直後とで車輪上のトルクが基本的に等しくなるように電気駆動モータのトルクが制御されるのが好ましい。全減速比を大きくしたい場合（セカントからファーストへ変える場合）には、ギア比変更操作の直後に電気モータのトルクを自発的に制限する。トルクは基本的にギア比Ｒで低下する。全減速比を小さくしたい場合（ファーストからセカントへ変える場合）には、ギア比変更操作の直後に電気モータのトルクを自発的に増加させる。トルクは基本的にギア比Ｒで増加する。モータの可能トルクは必然的に値Cmaxに制限される。所望のトルク増加がCmaxより高い値になった場合には、ギア比変更操作の前にトルクをCmax／R以下の値に低下させて、ギア比変更操作後に加えられるトルクがCmaxを超えないようにするのが好ましい。

また、低い全減速比であるギア比へギアシフトする間に、ギアボックスがニュートラル位置になると同時にできるだけ速く電気モータは低速度に変わらなければならない。従って、電気モータは電気的にブレーキをかけて他の方法（例えば抵抗中での発散または蓄電素子の充電）で電気エネルギーを吸収できることが必要である。

本発明によって下記が可能になる：
（１）第1ギア比（高減速比）では、車輪で大きいトルクが得られ、従って、高い動的パフォーマンスが得られる。
（２）第2ギア比（低減速比）では、車両の設計最大速度にすることができる。
（３）四輪駆動でなく二輪駆動車輪を有する車両では、始動トルクが増加する（使用材料が減り、従って、重量およびコストが減る）。

以下、本発明のいくらかの実施例を説明する。以下では四輪駆動車両で本発明のトラクションチェーンを使用した場合を考える（しかし、これに限定されるものではない）。その場合、車両は少なくとも2つの駆動車輪を有し、従って、2つのトラクションチェーンと2つの電気駆動モータとを有し、すると考えられる。各電気駆動モータは各トラクションチェーンの入力シャフトに接続されている。本発明の目的は上記のセンサのみを用いてギア比変更操作を実行することである。すなわち、この実施例の目的はギア変更機構から下流に車輪の速度センサを入れないようにすることである。

車両は2つまたは4つの駆動車輪を有する。車両のオーバーオール制御は「ＣＵ」とよばれる中央計算装置で行われる。この計算装置は本発明の目的では知られていないが、当業者に知られたアルゴリズムを用いて、ギアチェンジを実行するのに適した瞬間を決めることができる。中央計算装置では下記の情報が利用できる：
（１）センサ：アクセルペダル位置、ブレーキペダル位置または圧力、ハンドル位置、ガス弁位置およびエンジン加熱量（車両が燃焼エンジンを備えている場合）；
（２）電子トラクションからの情報：エンジン速度、現在のギア比、これらの情報はＣＡＮ（登録商標）Ｒバスまたはそれと同様なバスを介してを定期的にアップデートされる（例えば10ミリ秒毎）。計算装置はこれらの情報から各車輪の速度を計算することができる。

ギア変更自体は単一の電子的集合体（電子装置）によって実施され、一つの車軸上の２つの電気駆動モータを制御し、その車軸上の両輪のギア変更機構を制御する（駆動車軸が２つの場合には、２つの電子的集合体で一つの車軸上の各要素を制御する）。この電子的集合体は上記ＣＵからギア比変更コマンドを受け取り、実行後に、確認情報を送り返す。
車輪の所に速度センサを用いないで、ギア比変更中の車輪の速度を知ることが望まれているということを思い出す必要がある。一つのギア比にあるときには、車輪の速度は対応する駆動モータによって与えられる。しかし、ギア比変更機構がニュートラルにあるときには車輪の速度を知る必要がある。この期間中は電気モータの速度情報から車輪の速度を知ることができない。

ギア比を変える操作順序では、ニュートラルに変った後に、選択したギア比をトラクションチェーンが利用できる車輪速度に合ったレベルへ駆動モータの回転速度を調節するのが好ましい。そのためにはギア比変更期間中でも車輪の速度を知ることが必要である。
あるギア比に噛合での車両速度は下記のセンサを組み合わせて用いて求めることができる：
（１）ブラシレス同期電気モータと一体化された位置センサ、
（２）ギア比変更装置（直接噛合い式または減速歯車装置）に取付けられた位置センサ。

上記のギア比変更を実行するための時間は瞬間で、約300msである。本発明の第１変形例ではこの時間を考慮に入れ、ギア比変更中の車両速度は一定であるとみなす。従って、ギア比変更中に考慮すべき車両速度はギア比変更操作開始前に計算した最後の値である。この近似が許容範囲内にあることを証明するために実際の速度変化を平均的な3m/s2の加速（または減速）と仮定する。ギア変更操作の時間が300 m秒の場合、速度変動は3×0.3＝0.9m/sすなわち約3km/hになる。この近似は平均的な加速または減速として妥当なもので、上記のギア比変更時間は適当であることがわかる。

ギア比変更制御系は、例えば第1ギア比から第２ギア比へ変わる場合、以下の操作を実行する：
（１）第1ギア比に入っていることを管理する。
（２）「駆動モータの速度」および「第1ギア比に入っていること」から車輪速度を計算する。
（３）モータトルクをゼロにする。
（４）ニュートラルへ移動
（５）上記で計算した車輪速度をベースにとして電気モータ速度を再度調節する。
（６）第2ギア比にする。
（７）第2ギア比に入っていることを管理する。
（８）モータトルクを回復させる。

上記の特定な変形例とは異なる別の変形例では、上記の「速度一定」の近似が良くない場合に有効なギア比変更制御系を提供する。
４輪すべてが駆動車輪である車両の場合には、２つの車軸でのギア比変更時間をズラすことができる。すなわち、ギア比変更を第1の車軸で行い、次に第２の車軸でギア比変更を行う。第1の車軸でギア比変更を行う間にギア比変更に関係する車輪速度を駆動モータの速度と他の車軸の現在のギア比とから計算装置で計算する。他の車軸の車輪はいわゆる「センサ車輪」の役目をする。上記のギア比変更に関係する車輪速度は上記のＣＡＮ（登録商標）バスを介して第1の車軸（「操作車輪」とよばれる）の電子制御装置へ伝られる。センサ車輪と操作車輪の役割を車軸を変えて繰り返す。

信頼できる車両速度情報を得ることが重要である。ギア比変更コマンドを出す直前またはギア比変更中に計算装置が２つの車輪センサの1つの異常な状況（ブロッキングまたはスキッド）を検出した場合には、同じ車軸の他の車輪から車両速度情報を得る。ギア比変更コマンドを出す前に、車輪センサを備えた車軸の両方の車輪が異常な状況（ブロッキングまたはスキッド）を検出した場合には、正常な状況へ戻るまでギア比変更コマンドは出されない。車輪センサを備えた車軸の両方の車輪に異常（ブロッキングまたはスキッド）が発生した場合には、ギア比変更操作を他方の車軸で行い、計算装置は「車両速度」として信頼できると思われる最後の計算値情報を出す。他の方法としては、センサ付き車輪が与える速度が再び信頼できるまで、ギア比変更を受けている車輪をニュートラルに維持することである。

２つの駆動車輪を有する車両では２つの車輪でのギア比変更を時間的にズラすことができる。例えば、左車輪で最初にギア比変更を行い、次に、右車輪でギア比変更を行う。左車輪（操作車輪）のギア比変更中に駆動モータ速度および右車輪（センサ付き車輪）の現在のギア比から車両速度をトラクション電子装置によって局部的に計算する。この逆も同じ。

上記の説明と同様に、ギア比変更コマンドが出される直前に、計算装置は、センサ付き車輪が異常な状況（ブロッキングまたはスキッド）にあることを検出した場合には正常な状況に回復するまでギア比変更コマンドを出さない。ギア比変更操作が他方の車輪で行われている時にセンサ付き車輪に異常な状況（ブロッキングまたはスキッド）が生じた場合に車両速度のために使用するデータは前回の信頼できる最後のデータである。ここでも使用可能な他の方法は、センサ付き車輪が与える車両速度が再び信頼できるようになるまでギア比変更をする車輪をニュートラルに維持することである。

いずれの場合でも、ギア比変更時、特にギアボックスがニュートラルにあるときに車輪がロック（非常に激しいブロッキング）を起こした場合には、駆動モータと車輪速度とを比較して新しいギア比に噛合わせることは不可能になる。この場合、車輪は電気モータから機械的に連結していないので、この状況を検出することはできず、システムに機械的故障がおきる危険がある。こうした状況は、非常に激しいブロッキング（これ自体は制動圧力、制動ペダルの窪み速度または縦加速度の測定から検出できる）の場合には、ギア比変更操作をブロックすることで避けることができる。

要約すると、本発明が提供する少なくとも２つの駆動車輪を有する車両のギア比変更方法は、駆動車輪の各々が上記のようなトラクションチェーンを備え、２つの駆動車輪でのギア比変更は時間的にズレており、最初のギア比変更は「操作車輪」とよばれる車輪で行い、車両速度を駆動モータの速度および他方の車輪（「センサ付き車輪」）の現在のギア比の情報から電子トラクション装置で計算する。次のフェーズで上記の他方の車輪でギア比変更を行う。２つの車軸上に少なくとも４つの駆動車輪を有する車両の場合には、上記の最初のフェーズで少なくとも1つのセンサ付き車輪を1つの車軸上に配置し、操作車輪を他方の車軸上に配置する。そして次のフェーズで「センサ付き車輪」と「操作車輪」の位置を逆にする。

本発明の電気駆動系を一体化した車両の車輪を示し、［図２］のＣ／Ｃ断面を表す。 ［図１］の矢印方向Ａから見た図。 電気機械伝動系を示す部分斜視図。 電気機械伝動系を示す部分斜視図。 電気機械伝動系を示す部分斜視図。 ［図２］の４／４に沿った断面図で、２つの歯車比を有するギア比変更機構の必須部材を示す図。 ［図２］の４／４に沿った断面図で、２つの歯車比を有するギア比変更機構の必須部材を示す図。 ［図２］の４／４に沿った断面図で、２つの歯車比を有するギア比変更機構の必須部材を示す図。 電気機械式動力伝動系の部分図。 ギア変更時の制御フォークの位置、駆動モータ速度および駆動モータトルクの変化のクロノグラム。

Claims (8)

1. 自動車用駆動装置であって、
   駆動ホイール（Ｗ）を受け入れるように設計され該駆動ホイール用の回転軸を有する回転ハブを支持するホイール支持体（Ｋ）と、
   前記駆動ホイールの回転軸と同じ回転軸をする回転歯車（３）であって、前記ハブと直接かみ合う回転歯車（３）と、
   前記駆動ホイールの内部に配置され前記回転歯車を収容する内部空間を有するハウジングと、
   前記回転歯車と常時かみ合った少なくとも２つの歯車（３１、５３）と、電気モータ（Ｍ）のシャフトと連結するように設計された入力シャフトと、ギア比変更機構と、を備えた機構であって、
   該ギア比変更機構は、
   前記シフト機構が前記入力シャフトを前記歯車の一方と直接連結し、前記一方の歯車が前記入力シャフトの共通軸を中心に回転できるようにする第１駆動位置と、
   前記シフト機構が前記入力シャフトを、前記歯車の他方と機械的伝達経路を介して間接的に連結する第２駆動位置であって、前記機械的伝達経路が前記第１駆動位置で達成されるギア比とは異なるギア減速比を達成する第２駆動位置と、
   非駆動ニュートラル位置と、の間で切り替え可能である、
   ことを特徴とする自動車用駆動装置。
2. 上記ギア比変更機構が、前記入力シャフトと前記一方の歯車の共通軸線に沿って摺動可能なかみ合いクラッチ（４６）を備えている、
   請求項１に記載の自動車用駆動装置。
3. 前記第２駆動位置において、前記かみ合いクラッチが、中間歯車（６）を介して前記他方の歯車を回転させる、
   請求項２に記載の自動車用駆動装置。
4. 前記第１駆動位置において、前記かみ合いクラッチ（４６）が中間歯車を介さずに、１：１の比率で、前記一方の歯車を直接回転させる、
   請求項２に記載の自動車用駆動装置。
5. 前記自動車用駆動装置が摩擦クラッチを有しない、
   請求項１に記載の自動車用駆動装置。
6. 前記ギア比変更機構が、２つのギア比の間のみをシフト可能である、
   請求項１に記載の自動車用駆動装置。
7. 前記電気モータ（Ｍ）が同期電気モータであり、該同期電気モータが、該モータの制御に使用される、少なくとも１つの一体化されたロータ位置センサを有している、
   請求項１に記載の自動車用駆動装置。
8. ホイール回転速度を決定するために使用されるセンサは、前記電気モータと一体化された位置センサと前記ギア比変更機構に関連した位置センサだけである、
   請求項７に記載の自動車用駆動装置。

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