JP4986421B2

JP4986421B2 - 軸継手およびそれを用いたインホイールモータシステム

Info

Publication number: JP4986421B2
Application number: JP2005201461A
Authority: JP
Inventors: 勝巳田代; 聡宇都宮; 大路岡本
Original assignee: NTN Corp; Bridgestone Corp
Current assignee: NTN Corp; Bridgestone Corp
Priority date: 2005-07-11
Filing date: 2005-07-11
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2025-07-11
Also published as: EP1906039A1; JP2007016966A; US20090156318A1; EP1906039A4; WO2007007709A1

Description

本発明は、互いに平行な２軸を連結して２軸間で動力を伝達する軸継手と、それを用いたインホイールモータシステムに関する。

一般的な機械装置の２つの軸を連結して駆動側から従動側へ動力を伝達する軸継手は、連結する２軸の位置関係によって構造が異なり、２軸が１直線上にあるもの、交差するもの、互いに平行な（かつ同心でない）ものに大別される。

このうちの平行な２軸を連結する軸継手としては、オルダム継手がよく知られている。しかし、このオルダム継手は、大きな動力を伝達すると、２軸間に介装されるスライダどうしの摩擦面に潤滑不良が生じて動力伝達がスムーズに行われなくなる場合があるし、大きな偏心量（２軸の径方向のずれ量）を許容できない問題もある。

また、オルダム継手以外では、軸方向で対向する２つの回転部材（ディスク）間にプレートを挿入し、このプレートの表裏面の複数箇所に直動ガイドをその作動方向がプレートの表裏で互いに直交するように配し、プレートと直動ガイドを介して両回転部材間で動力を伝達する機構が提案されている（特許文献１参照。）。

この機構を採用すれば、直動ガイドの長さを変えるだけで必要な偏心量を得ることができるし、直動ガイド内の相対移動面に複数の鋼球を配することにより、大きな動力をスムーズに伝達することもできる。しかし、直動ガイドを多数使用するため、製造コストがかなり高くなるし、直動ガイドを精度よく組み付けることが難しく、組付作業に非常に手間がかかるようになる。

そこで、本出願人は、本発明より先に、平行な２軸間で互いに直交する案内溝の交差位置に配した転動体を介して動力を伝達する方式の軸継手を提案した（特願２００４−１８３５５９号）。

図８は、上述した方式の軸継手の一例を示す。この軸継手は、軸方向で対向する２つの回転部材５１、５２の対向面に、複数の案内溝５３、５４を相手側の案内溝と直交するように設けて、各案内溝交差位置に転動体５５を配するとともに、各転動体５５を保持器５６の長孔５７に収納したもので、各案内溝５３、５４は回転部材径方向と４５度をなす方向に直線状に延び、保持器５６の各長孔５７は対応する位置の案内溝５３、５４と４５度をなす方向に延びるように形成されている。なお、図８は、説明上、両回転部材５１、５２が同心の状態を示しているが、通常は両者の回転軸がずれた（偏心した）状態で使用される。

そして、各転動体５５が、保持器５６に回転部材径方向の移動を拘束された状態で駆動側の回転部材５１に押されることにより、案内溝５３、５４および保持器５６の長孔５７の内側を転動しながら従動側の回転部材５２を押して動力を伝達する。従って、動力伝達時の摩擦抵抗が少なく、大きな動力を伝達できるし、案内溝５３、５４および保持器５６の長孔５７の長さを変えるだけで必要な偏心量を得られる。また、両回転部材５１、５２間の部品が転動体５５と保持器５６だけのため、製造コストが安く、組付性も良い等、多くの特長を有している。

ところで、この軸継手では、図９（ａ）に示すように、転動体５５が保持器５６の長孔５７の長手方向中間位置にある状態で、駆動側回転部材５１が矢印の方向に駆動されて転動体５５を押したときには、図９（ｂ）に示すように、転動体５５に押された保持器５６が両回転部材５１、５２に対して相対回転することにより、転動体５５が従動側回転部材５２を押すことなく案内溝交差位置の変化に伴って移動することが可能となり、駆動側回転部材５１の従動側回転部材５２に対する相対回転が生じる。

上記両回転部材の相対回転は、保持器の両回転部材に対する相対回転が可能な範囲、すなわち転動体が保持器の長孔の長手方向中間位置から一端に達するまでの範囲でしか生じないので、その相対回転量はごくわずかであり、動力伝達の遅れはほとんど問題とならない。しかし、保持器の長孔内での転動体の相対位置がずれることにより、両回転部材の偏心量が変化するときに、転動体と長孔の相対移動距離が長くなる箇所ができて、両回転部材の相対的なスライドがスムーズに行われず、動力伝達特性が不安定になることがある。また、保持器が相対回転する際にその長孔の一端縁部が転動体に衝突することにより、異音が発生することも多い。

一方、最近の電気自動車等に採用されつつあるインホイールモータシステムでは、悪路走行時にもタイヤの接地性能や乗り心地を悪化させず、かつ車輪内部に組み込んだモータからホイールへ効率よく動力を伝達できるように、モータのステータを弾性体とダンパーの少なくとも一方を介して足回り部品で支持するとともに、モータのロータと車輪のホイールとを互いの軸の偏心を許容する動力伝達機構で連結することが提案されており（特許文献２参照。）、この動力伝達機構として、安価で組付性が良く動作の安定したものが求められている。
特開２００３−２６０９０２号公報国際公開第０２／８３４４６号パンフレット

本発明の課題は、平行な２軸間で互いに直交する案内溝の交差位置に配した転動体を介して動力を伝達する方式で、常に安定した動力伝達特性が得られる軸継手と、それを用いたインホイールモータシステムを提供することである。

上記の課題を解決するため、本発明の軸継手は、前記各案内溝を長手方向に直線状に形成するとともに、前記保持器を、前記各転動体を案内溝と所定の角度をなす直線状の長孔に収納するものとし、この保持器の１つの長孔およびこの長孔と交差する２つの案内溝を１組とする複数組の転動体案内機構のうち、少なくとも１組の転動体案内機構を同心状態の両回転部材の中心に対してその他の組と非回転対称に配置したのである。このようにすることにより、駆動側回転部材が転動体を押したときに、転動体が保持器を両回転部材に対して相対回転させ、従動側回転部材を押すことなく移動しようとしても、その転動体の移動を可能とする保持器の相対回転量が各転動体案内機構で異なり、実際には保持器の相対回転が生じないようにすることができる。

上記の構成において、前記各案内溝と保持器の長孔とのなす角度を４５度としたり、前記複数組の転動体案内機構のうち、少なくとも２組の隣り合う転動体案内機構を、前記保持器の１つの長孔を共用するものとすれば、長孔の設計や加工がしやすくなる。

また、前記複数組の転動体案内機構を、回転部材周方向に等間隔で配することにより、各回転部材と転動体との間に作用する力が各回転部材内で偏らないようにして、動力伝達時の挙動をよりスムーズにすることができる。

さらに、本発明のインホイールモータシステムは、車両の車輪内部に組み込んだモータのロータと車輪のホイールとを連結する動力伝達機構として、上述した本発明の軸継手を採用して、動力伝達機構の低コスト化、組付性の向上および動作の安定化を図ったのである。

本発明の軸継手は、上述したように、少なくとも１組の転動体案内機構を同心状態の両回転部材の中心に対してその他の組と非回転対称に配置して、保持器の両回転部材に対する相対回転が生じないようにしたものであるから、その長孔の一端縁部と転動体との衝突による異音をなくせるし、両回転部材の偏心量が変化するときの相対的なスライドをスムーズにして、動力伝達特性を安定させることができる。

また、本発明のインホイールモータシステムは、モータのロータと車輪のホイールとを連結する動力伝達機構として上述した軸継手を採用したものであるから、動力伝達機構が安価で組付性が良く動作も安定している。

以下、図１乃至図７に基づき、本発明の実施形態を説明する。図１乃至図４は、第１の実施形態を示す。この軸継手は、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、軸方向で対向し、回転軸が互いに平行な状態に保持される同径の入出力軸Ａ、Ｂのそれぞれの軸端部に嵌め込まれる回転部材としてのプレート１、２と、両プレート１、２間に配される複数の転動体としての鋼球３と、各鋼球３のプレート径方向の移動を拘束する保持器４とから成り、各鋼球３を介して両プレート１、２間で動力を伝達するものである。各プレート１、２および保持器４は金属材料で形成されており、これらに鋼球３を加えた各部材が、その表面に熱処理やショットピーニング等の硬化処理を施されている。なお、図１は、説明上、入出力軸Ａ、Ｂが同心の状態を示しているが、通常は後述するように入出力軸Ａ、Ｂの回転軸がずれた（偏心した）状態で使用される。

前記各プレート１、２は、それぞれドーナツ状の円盤で、内周に形成された筒部で入力軸Ａおよび出力軸Ｂの軸端部に嵌め込まれ、軸方向で対向する状態で固定されている。

各プレート１、２の対向面には、それぞれ１６個の案内溝５、６が、２つずつ近接して相手側のプレートの対応する位置の案内溝と直交し、かつ互いに近接する２つの案内溝交差位置の中点が周方向に等間隔となるように設けられている。

前記案内溝５、６は、図２にも示すように、同一プレート内で互いに近接する２つが、それぞれの交差位置の中点とプレート中心とを結ぶ基準線Ｘと４５度をなす方向に延びるように形成されている。また、各案内溝５、６の長さは、入出力軸Ａ、Ｂの回転軸がずれる際のプレート径方向の最大移動距離に鋼球３の直径を加えたものとなっている。

前記保持器４は、環状に形成され、互いに近接する２つの案内溝交差位置を結ぶ直線に沿って延びる長孔７が、周方向に等間隔で設けられている。すなわち、各長孔７は、４つの案内溝５、６と４５度をなすように形成されている。そして、その長さは、２つの案内溝交差位置の間の距離に上述した案内溝５、６長さを加えたものとなっている。

前記各鋼球３は、それぞれ前記案内溝交差位置に配され、保持器４の長孔７に収納された状態で、案内溝５、６に案内されて転動するようになっている。

ここで、保持器４の１つの長孔７およびこの長孔７と交差して１つの鋼球３を案内する２つの案内溝５、６を１組の転動体案内機構８とすると、各転動体案内機構８は、隣り合う２組で１つの長孔７を共用する形態となっている。そして、１つの長孔７を共用する任意の２組について見れば、同心状態の両プレート１、２の中心に対して互いに非回転対称に配置されており、このことが後述するように軸継手の挙動の改善に有効に作用する。

次に、この軸継手の動力伝達のメカニズムについて説明する。この軸継手の入力軸Ａが回転駆動されて、これに固定されたプレート１が回転すると、この入力側プレート１の案内溝５に周方向から押された鋼球３が、保持器４を両プレート１、２に対して相対回転させ、出力側プレート２を押すことなく移動しようとする。

ここで、図３に示すように、仮に鋼球３が出力側プレート２を押すことなく案内溝交差位置の変化に沿って移動したとすると、この鋼球３の移動を可能とする長孔７の相対回転後の位置は、図面右側の転動体案内機構８では実線で示した位置Ｙ、左側の転動体案内機構８では二点鎖線で示した位置Ｙ’となる。このように両転動体案内機構８、８で鋼球３の移動を可能とする保持器４の相対回転量が異なるのは、前述のように、互いに非回転対称に配置されているからである。

このため、実際には保持器４の相対回転は生じず、鋼球３が保持器４でプレート径方向の移動を拘束された状態で、出力軸Ｂに固定されたプレート２の案内溝６を押して出力側プレート２を回転させることにより、出力軸Ｂに動力が伝達される。なお、入力軸Ａの回転方向が変わったり、入出力軸Ａ、Ｂの駆動側と従動側が逆になったりしても、同じメカニズムで動力伝達が行われる。

上記動力伝達メカニズムは、図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように入出力軸Ａ、Ｂの回転軸がずれた通常の使用状態でも、基本的に同じである。図４（ａ）、（ｂ）の状態では、各プレート１、２の回転軸のずれにより、案内溝５、６の交差位置がプレート周方向で変化しており、各鋼球３が案内溝５、６および保持器４の長孔７内を転動しながら両プレート１、２間の動力伝達を行っている。

この軸継手では、上述したように保持器４の両プレート１、２に対する相対回転が生じないので、運転中に従来のような異音を生じることがないし、例えば図１（ａ）、（ｂ）の状態から図４（ａ）、（ｂ）の状態へ移行するときのように、両プレート１、２の偏心量が変化するときも、両プレート１、２の相対的なスライドがスムーズに行われ、常に安定した動力伝達特性が得られる。

図５は第２の実施形態を示す。この軸継手は、第１の実施形態をベースとして、その各基準線Ｘの両側の転動体案内機構８の片方だけを、基準線Ｘの右側のものと左側のものが周方向に交互に現れるように形成し、これに伴って保持器４の各長孔７を案内溝５、６と同じ長さにしたものである。

また、図６に示す第３の実施形態では、第２の実施形態をベースとして、各転動体案内機構８をその案内溝交差位置の中心が基準線Ｘに重なるように周方向にずらして形成している。すなわち、各転動体案内機構８は、案内溝５、６と基準線Ｘとのなす角度が４５度となる位置から案内溝交差位置の中心のまわりにわずかに左回転したものと、わずかに右回転したものとが、周方向に交互に現れるように形成されている。

上述した第２、第３の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、各転動体案内機構８は互いに非回転対称のものが混在しており、保持器４の両プレート１、２に対する相対回転が生じないので、常に安定した動力伝達特性が得られるし、運転中の異音の発生もない。さらに、第３の実施形態では、各転動体案内機構８がプレート周方向に等間隔で配されているため、各プレート１、２と鋼球３との間に作用する力が各プレート１、２内で偏らず、動力伝達時の挙動がよりスムーズになる。

図７は第１の実施形態の軸継手を変形して組み込んだインホイールモータシステムを示す。このインホイールモータシステムは、車両のタイヤ９とホイール１０とからなる車輪の内部に、車輪を駆動するアウターロータ型のダイレクトドライブモータ１１を組み込んだもので、モータ１１のステータ１２が取り付けられた固定ケース１３を、緩衝機構１４を介して車軸１５端の足回り部品であるナックル１６で支持することにより、悪路走行時にもタイヤの接地性能や乗り心地を悪化させないようにしている。ここで、緩衝機構１４は、モータ１１の固定ケース１３に取り付けた外側プレート１７と、ナックル１６に取り付けた内側プレート１８とを、両者の相対移動の方向を車両の上下方向に規制する直動ガイド１９、車両の上下方向に伸縮するばね２０およびダンパー２１を介して結合したものである。

また、モータ１１のロータ２２は、固定ケース１３の外周側に軸受２３を介して取り付けた回転ケース２４に固定されており、この回転ケース２４とホイール１０とが第１の実施形態を変形した軸継手２５で連結されて、モータ１１からホイール１０へ効率よく動力が伝達されるようになっている。

前記軸継手２５は、外周縁の筒状取付部２６ａでモータ１１の回転ケース２４に取り付けられる入力側プレート２６と、外周部でホイール１０に取り付けられる出力側プレート２７と、両プレート２６、２７間に配される複数の鋼球２８と、各鋼球２８のプレート径方向の移動を拘束する保持器２９とからなる。入力側プレート２６は、ナックル１６に回転自在に取り付けられてホイール１０と一体に回転するハブ部３０を、両プレート２６、２７の偏心量よりわずかに大きい隙間をもって貫通させており、出力側プレート２７はハブ部３０外周に嵌め込まれている。その他の部分の構成および機能は第１の実施形態と同じである。

第１の実施形態の軸継手の側面図（回転軸が同心）図１（ａ）のＩ−Ｉ線に沿った断面図図１の軸継手の要部の構成の説明図図１の軸継手の仮想的な挙動の説明図図１の軸継手の使用状態を示す側面図（回転軸が偏心）図４（ａ）のIV−IV線に沿った断面図第２の実施形態の軸継手の側面図（回転軸が同心）第３の実施形態の軸継手の側面図（回転軸が同心）第１の実施形態の軸継手を変形して組み込んだインホイールモータシステムの構成を示す縦断面図従来の軸継手の側面図（回転軸が同心）ａ、ｂはそれぞれ図８の軸継手の挙動の説明図

符号の説明

１、２プレート
３鋼球
４保持器
５、６案内溝
７長孔
８転動体案内機構
１０ホイール
１１モータ
１２ステータ
１３固定ケース
１４緩衝機構
１５車軸
１６ナックル
１９直動ガイド
２０ばね
２１ダンパー
２２ロータ
２４回転ケース
２５軸継手
２６、２７プレート
２８鋼球
２９保持器
３０ハブ部
Ａ入力軸
Ｂ出力軸

Claims

軸方向で対向し、回転軸が互いに平行でかつ同心でない状態に保持される２つの回転部材のそれぞれの対向面に、複数の案内溝を相手側の回転部材の対応する位置の案内溝と直交するように設け、前記両回転部材の案内溝が交差する位置に、各案内溝に案内されて転動する転動体を配し、これらの各転動体の回転部材径方向の移動を拘束する保持器を設けて、前記各転動体を介して前記両回転部材間で動力を伝達するようにした軸継手において、前記各案内溝を長手方向に直線状に形成するとともに、前記保持器を、前記各転動体を案内溝と所定の角度をなす直線状の長孔に収納するものとし、この保持器の１つの長孔およびこの長孔と交差する２つの案内溝を１組とする複数組の転動体案内機構のうち、少なくとも１組の転動体案内機構を同心状態の両回転部材の中心に対してその他の組と非回転対称に配置し、前記複数組の転動体案内機構を、回転部材周方向に等間隔で配したことを特徴とする軸継手。
前記各案内溝と保持器の長孔とのなす角度を４５度としたことを特徴とする請求項１に記載の軸継手。
前記複数組の転動体案内機構のうち、少なくとも２組の隣り合う転動体案内機構が前記保持器の１つの長孔を共用していることを特徴とする請求項１または２に記載の軸継手。
車両の車輪を駆動するモータを車輪内部に組み込み、モータのステータを弾性体とダンパーの少なくとも一方を介して足回り部品で支持するとともに、モータのロータと車輪のホイールとを互いの軸の偏心を許容する動力伝達機構で連結したインホイールモータシステムにおいて、前記動力伝達機構として、請求項１乃至３のいずれかに記載の軸継手を採用したことを特徴とするインホイールモータシステム。