JP6633696B2 - 車両駆動装置 - Google Patents
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Description
本発明は、電動機の動力により車両を走行駆動する車両駆動装置に関する。
この種の装置として、従来、電動機の回転軸線を上下方向に向けて電動機を車両のシートの下方に配置するとともに、電動機のトルクを一対の傘歯車を介して水平方向に延在するシャフトに伝達するようにした装置が知られている(例えば特許文献1参照)。この特許文献1記載の装置では、電動機のロータの中心部に嵌合されたシャフトの上端部に傘歯車が設けられ、この傘歯車に、水平方向のシャフトの先端部に設けられた傘歯車が噛合される。
しかしながら、上記特許文献1記載の装置では、一対の傘歯車を介して電動機の動力を水平方向のシャフトに伝達するため、水平方向のシャフトに大トルクを伝達するためには傘歯車の径を大きくする必要がある。その結果、車両駆動装置が高さ方向に大型化し、高さ方向が限られた車両の所定空間に、大トルクを伝達可能な車両駆動装置を配置することが困難である。
本発明の一態様である車両駆動装置は、上下方向の第1軸線を中心に回転するロータと、ロータの周囲に配置されたステータと、を有する電動機と、第1軸線に沿って延在し、先端部に第1ギアを有するとともに、ロータと一体に回転可能に設けられた第1回転軸と、第1軸線と平行な左右一対の第2軸線に沿って左右方向に互いに離間してそれぞれ立設され、先端部に第1ギアに噛合する第2ギアをそれぞれ有するとともに、第2軸線を中心に回転するウォームがそれぞれ一体に設けられた左右一対の第2回転軸と、左右一対の第2回転軸のウォームにそれぞれ噛合し、左右方向の第3軸線を中心に回転可能に設けられた左右一対のウォームホイールと、左右一対のウォームホイールからのトルクがそれぞれ入力される左右一対の駆動軸と、を備える。
本発明によれば、電動機の動力により車両を走行駆動する車両駆動装置を、高さ方向が限られた車両の所定空間に容易に配置することができる。
以下、図1〜図5Bを参照して本発明の一実施形態について説明する。図1は、本発明の実施形態に係る車両駆動装置100の要部構成を示す斜視図である。この車両駆動装置100は、例えば車両が前輪駆動車両として構成されるとき、左右の前輪の間に配置される。なお、例えば車両が後輪駆動車両として構成されるとき、左右の後輪の間に配置される。以下では、車両駆動装置100を車両に搭載した状態における車両の前後方向(車両長さ方向)、上下方向(車両高さ方向)および左右方向(車幅方向)を用いて、車両駆動装置100の各部の構成を説明する。前後方向、上下方向、左右方向は、図1に示すように定義される。
図2は、車両駆動装置100のスケルトン図である。図1,2に示すように、車両駆動装置100は、回転電機の一例である電動機1を有し、電動機1を駆動源とした走行駆動トルクを駆動輪(前輪または降臨)に出力する。したがって、車両駆動装置100は、電気自動車やハイブリッド車両等、走行駆動源としての電動機1を有する車両に搭載される。なお、電動機1は発電機として用いることもできる。
電動機1は、上下方向の軸線CL1を中心に回転するロータ11と、ロータ11の周囲に配置されたステータ12とを有する。電動機1は、例えば埋込磁石同期モータであり、ロータ11(ロータコア)には、周方向複数の永久磁石が埋め込まれる。なお、磁石を有しない同期リラクタンスモータやスイッチドリラクタンスモータ等を電動機1として用いることもできる。
ステータ12は、ロータ11(ロータコア)の外周面から径方向所定長さのギャップを介して配置された、軸線CL1を中心とした略円筒形状のステータコアを有する。ステータコアは固定子鉄心であり、その内周面には径方向外側に向けて周方向複数のスロットが設けられ、各スロットに、集中巻または分布巻により巻線(コイル)が配置される。巻線に三相交流電流を流すことにより回転磁界が発生し、ロータ11が回転する。
ロータ11の内部には、軸線CL1に沿って第1回転軸13が配置される。第1回転軸13は、例えばスプライン結合によりロータ11に連結され、ロータ11と一体に回転する。第1回転軸13の上端部はロータ11の上端面から突出し、その上端部に、ロータ11よりも小径の第1ギア14が設けられる。第1ギア14は、例えばスプライン結合により第1回転軸13に連結され、第1回転軸13と一体に回転する。第1ギア14は平歯車により構成される。
電動機1の側方(右前方、左前方)には、上下方向の軸線CL2を中心にして回転可能に左右一対の第2回転軸21が設けられる。一対の第2回転軸21の上端部にはそれぞれ第2ギア22が設けられる。各第2ギア22は、例えばスプライン結合により第2回転軸21に連結され、第2回転軸21と一体に回転する。左右の第2ギア22は互いに同一構成であり、それぞれ平歯車により構成される。第1ギア14と一対の第2ギアとは同一高さに位置し、ロータ11の上方(ステータ12の内周面よりも内径側)において、両者は互いに噛合する。
左右の第2回転軸21には、第2ギア22の下方かつ電動機1の側方に、それぞれウォームギアを構成するウォーム23が設けられる。左右のウォーム23は互いに同一構成であり、螺旋状に連続的に歯が形成されたねじ状の歯車である。各ウォーム23は、例えばスプライン結合により第2回転軸21に連結され、第2回転軸21と一体に回転する。なお、第2回転軸21の外周面にウォーム23を加工することもできる。
左右のウォーム23の前方には、左右方向の軸線CL3を中心として回転可能な左右一対のウォームホイール(斜歯歯車)31が互いに同軸に配置される。各ウォーム23は各ウォームホイール31にそれぞれ噛合する。左右のウォームホイール31は互いに同一構成であり、全体が略円筒形状を呈する。ウォームホイール31は、第2ギア22よりも下方に位置する。軸線CL3は、電動機1の高さ方向中央部に位置し、ウォームホイール31の外径は、電動機1の高さとほぼ等しい。
左右のウォームホイール31の内部に、互いに同一構成のシングルピニオン式の第1遊星歯車機構4がそれぞれ収容される。第1遊星歯車機構4は、サンギア41と、サンギア41を包囲するリングギア42と、サンギア41とリングギア42とにそれぞれ噛合する周方向複数(例えば3個)のピニオン43と、複数のピニオン43を回転可能に支持するキャリア44とを有する。サンギア41、リングギア42およびキャリア44は、それぞれ軸線CL3を中心に回転する。リングギア42は、ウォームホイール31の内周面に固定され、または内周面に形成され、ウォームホイール31と一体に回転する。
左右のキャリア44は、軸線CL3に沿ってそれぞれ左右方向外側に延在する。すなわち、左側の第1遊星歯車機構4のキャリア44は左方に延在し、右側の第1遊星歯車機構4のキャリア44は右方に延在する。各キャリア44の左右方向端部には、それぞれ左右一対の駆動軸45がスプライン結合等により連結され、キャリア44と駆動軸45とは一体に回転する。駆動軸45の端部には図示しない車輪(駆動輪)が連結され、駆動軸45と車輪とは一体に回転する。
左右のサンギア41には、軸線CL3に沿ってそれぞれ左右方向内側に延在する回転軸46がスプライン結合等により連結され、サンギア41と回転軸46とは一体に回転する。左右一対の回転軸46の間には、電動機5とダブルピニオン式の第2遊星歯車機構6とが直列に介装される。なお、電動機1を第1電動機と呼び、電動機5を第2電動機と呼ぶ場合もある。
電動機5は、軸線CL3を中心に回転するロータ51と、ロータ51の周囲に配置されたステータ52とを有する。電動機5は、例えば埋込磁石同期モータであり、ロータ51(ロータコア)には、周方向複数の永久磁石が埋め込まれる。なお、磁石を有しない同期リラクタンスモータやスイッチドリラクタンスモータ等を電動機5として用いることもできる。
ステータ52は、ロータ51(ロータコア)の外周面から径方向所定長さのギャップを介して配置された、軸線CL3を中心とした略円筒形状のステータコアを有する。ステータコアは固定子鉄心であり、その内周面には径方向外側に向けて周方向複数のスロットが設けられ、各スロットに、集中巻または分布巻により巻線(コイル)が配置される。巻線に三相交流電流を流すことにより回転磁界が発生し、ロータ51が回転する。左側の駆動軸45の右端部には、電動機5のロータ51の回転軸51aがスプライン結合等により連結され、駆動軸45はロータ51と一体に回転する。
第2遊星歯車機構6は、サンギア61と、サンギア61を包囲するリングギア62と、サンギア61とリングギア62との間に配置され、サンギア61およびリングギア62にそれぞれ噛合するとともに、互いに噛合する周方向複数の第1ピニオン63および第2ピニオン64と、複数の第1ピニオン63および第2ピニオン64を回転可能に支持するキャリア65とを有する。サンギア61およびキャリア65は、それぞれ軸線CL3を中心に回転する。リングギア62はケース等に固定され、回転不能である。リングギア62の歯数はサンギア61の歯数の2倍である。
キャリア65は、軸線CL3に沿って右方に延在する。キャリア65の右端部には、右側の回転軸46の左端部がスプライン結合等により連結され、キャリア65は回転軸46と一体に回転する。ロータ51の回転軸51aの右端部は、スプライン結合等によりサンギア61に連結され、ロータ51はサンギア61と一体に回転する。
電動機5は、電力制御ユニット(PCU)7を介してコントローラ(ECU)8からの指令により制御される。すなわち、電力制御ユニット7はインバータを含んで構成され、コントローラ8からの指令によりインバータが制御されることにより、電動機5の回転(回転速度、回転方向)が制御される。
より詳しくは、コントローラ8には、車速を検出する車速センサ9aと、ステアリングホイールの操舵角を検出する舵角センサ9からの信号が入力され、電動機5は、これらの信号に応じて制御される。なお、電動機1も同様に、電力制御ユニット7を介してコントローラ8からの指令により制御される。例えば電動機1は、アクセルペダルの操作量等に応じて制御される。電動機5と第2遊星歯車機構6とコントローラ8などは、車両の旋回時の左右の駆動軸45の速度差を吸収する速度差吸収装置101を構成する。
図3は、予めコントローラ8のメモリに記憶された、左右の駆動輪の目標差回転ΔNと電動機5の目標回転数Nmとの関係を示す図である。図3の特性は、0を通る比例の特性である。目標差回転ΔNは、車両が直進走行されるときに0で、車両が左に旋回されるときに例えばプラス、右に旋回されるときに例えばマイナスになる。目標差回転ΔNの大きさ(絶対値)が大きいほど目標回転数Nm(絶対値)は大きくなる。
コントローラ8は、車速センサ9aと舵角センサ9bとからの信号に基づいて目標差回転ΔNを演算するとともに、図3の特性に従い目標差回転ΔNに応じた目標回転数Nmを演算する。そして、電動機5の回転数が目標回転数Nmとなるように電力制御ユニット7に制御信号を出力する。
以上のように構成された車両駆動装置100の主要な動作について説明する。図4A,4Bは、それぞれ直進走行時および旋回走行時におけるトルクの伝達径路を示す図であり、図5A,5Bは、それぞれ直進走行時および旋回走行時の車両駆動装置100の共線図の一例を示す図である。なお、図5A,5Bにおいて、左右の第1遊星歯車機構4のサンギア41、リングギア42およびキャリア44をそれぞれ1S,1R,1Cで示し、第2遊星歯車機構6のサンギア61、リングギア62およびキャリア65をそれぞれ2S,2R,2Cで示す。車両が前進するときの回転方向を正方向と定義し、正方向を+で示す。
図4Aの矢印A1,A2に示すように、直進走行時において、電動機1のトルクは、ロータ11と一体に回転する第1回転軸13、第1ギア14、左右一対の第2ギア22、左右一対の第2回転軸21、左右一対のウォームギア23を介して左右一対のウォームホイール31に伝達される。第2ギア22からウォームホイール31までの構成は左右で同一であり、左右のウォームホイール31は互いに等速で回転する。左右のウォームホイール31のトルクは、第1遊星歯車機構4を介して左右の駆動軸45に伝達され、これにより車両が走行する。
このとき、電動機5の回転が停止される。したがって、図5Aに示すように、左右の第1遊星歯車機構4のサンギア41(1S)がともに停止し、左右の第1遊星歯車機構4のキャリア44(1C)は同一速度N1で回転する。これにより車両が直進走行する。
図4Bの矢印B1,B2に示すように、旋回走行時においても、電動機1のトルクは、直進走行時と同様に左右一対のウォームホイール31に伝達され、さらに左右のウォームホイール31のトルクは第1遊星歯車機構4を介して左右の駆動軸45に伝達される。このとき、図5Bに示すように、電動機5が車速と操舵角とにより定まる目標回転数Nm(例えば−N2)で回転する。したがって、第2遊星歯車機構6のサンギア61(2S)の回転数は−N2であるのに対し、キャリア65(2C)の回転数は+N2となる。
すなわち、図4Bの矢印B3,B4に示すように、左側の第1遊星歯車機構4のサンギア41には電動機5のトルクがそのまま入力されるのに対し、右側の第1遊星歯車機構4のサンギア41には電動機5のトルクが第2遊星歯車機構6を介して変速されて入力され、左右のサンギア41の回転数に差が生じる。これにより図5Bに示すように、左側の第1遊星歯車機構4のキャリア44(1C)の回転数N3は、右側の第1遊星歯車機構4のキャリア44(1C)の回転数N4よりも遅くなる。
このように本実施形態では、直進走行時および旋回走行時のいずれにおいても、電動機1のトルクが左右一対のウォームギア23を介して左右一対のウォームホイール31に伝達される。これにより、左右の駆動軸45に容易に大トルクを伝達することができる。すなわち、例えば単一のウォームギアを介して単一のウォームホイールに電動機1のトルクを伝達する場合、伝達トルクが大きくなるとウォームホイールを大径化する必要があり、第2ギア22の下方にウォームホイール31を配置することが困難となる。これに対し、本実施形態のように電動機1のトルクを左右一対のウォームホイール31に分配することで、ウォームホイール31を大径化する必要がなく、第2ギア22の下方にウォームホイール31を容易に配置することができる。その結果、車両駆動装置100が高さ方向に大型化することを防止できる。
本実施形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
(1)車両駆動装置100は、上下方向の軸線(第1軸線)CL1を中心に回転するロータ11と、ロータ11の周囲に配置されたステータ12と、を有する電動機1と、軸線CL1に沿って延在し、先端部に第1ギア14を有するとともに、ロータ11と一体に回転可能に設けられた第1回転軸13と、軸線CL1と平行な左右一対の軸線(第2軸線)CL2に沿って左右方向に互いに離間してそれぞれ立設され、先端部に第1ギア14に噛合する第2ギア22をそれぞれ有するとともに、軸線CL2を中心に回転するウォーム23がそれぞれ一体に設けられた左右一対の第2回転軸21と、左右一対の第2回転軸21のウォーム23にそれぞれ噛合し、左右方向の軸線(第3軸線)CL3を中心に回転可能に設けられた左右一対のウォームホイール31と、左右一対のウォームホイール31からのトルクがそれぞれ入力される左右一対の駆動軸45と、を備える(図1,2)。
(1)車両駆動装置100は、上下方向の軸線(第1軸線)CL1を中心に回転するロータ11と、ロータ11の周囲に配置されたステータ12と、を有する電動機1と、軸線CL1に沿って延在し、先端部に第1ギア14を有するとともに、ロータ11と一体に回転可能に設けられた第1回転軸13と、軸線CL1と平行な左右一対の軸線(第2軸線)CL2に沿って左右方向に互いに離間してそれぞれ立設され、先端部に第1ギア14に噛合する第2ギア22をそれぞれ有するとともに、軸線CL2を中心に回転するウォーム23がそれぞれ一体に設けられた左右一対の第2回転軸21と、左右一対の第2回転軸21のウォーム23にそれぞれ噛合し、左右方向の軸線(第3軸線)CL3を中心に回転可能に設けられた左右一対のウォームホイール31と、左右一対のウォームホイール31からのトルクがそれぞれ入力される左右一対の駆動軸45と、を備える(図1,2)。
この構成により、車両駆動装置100を高さ方向に大型化することなく、上下方向の軸線CL1を中心に回転する電動機1のトルクを、十分な減速比を得ながら左右方向の軸線CL3を中心に回転するウォームホイール31に伝達することができ、車両を大トルクで走行させることができる。したがって、高さ方向が限られた車両の所定空間に、車両駆動装置100を容易に配置することができる。すなわち、電動機1のトルクを、第2回転軸21の先端部に設けた第2ギア22およびウォームギア23を介してウォームホイール31に伝達するため、車両駆動装置100を高さ方向に拡大せずに第2ギア22を大径化することができ、大トルクを容易に伝達できる。また、電動機1のトルクをウォームギア23を介して左右のウォームホイール31に分配するため、ウォームホイール31を大径化することなく、大トルクを容易に伝達できる。
(2)車両駆動装置100は、左右一対のウォームホイール31にそれぞれ内蔵され、左右一対のウォームホイール31からの動力をそれぞれ左右一対の駆動軸45に伝達する左右一対の第1遊星歯車機構4と、車両の旋回時における左右一対の駆動軸45の速度差を吸収する速度差吸収装置101と、をさらに備える(図2)。これによりウォームホイール31の回転を変速して駆動軸45に伝達することができるとともに、良好な旋回走行を実現できる。
(3)左右一対の第1遊星歯車機構4は、左右一対のウォームホイール31にそれぞれ接続された左右一対のリングギア42と、左右一対の駆動軸45にそれぞれ接続された左右一対のキャリア44と、左右一対のサンギア41と、を有する(図2)。速度差吸収装置101は、左右一対のサンギア41の間に直列に介装された電動機5およびダブルピニオン式の第2遊星歯車機構6と、電動機5を制御するコントローラ8と、を有する。これにより電動機5の駆動に応じて左右の駆動軸45に適切に回転数差を生じさせることができる。また、ダブルピニオン式の第2遊星歯車機構6を用いることで、左右一対のサイドギアや一対のピニオンギア等を有する差動機構を用いる場合に比べ、装置全体を小型化できる。
(4)第2遊星歯車機構6は、回転不能に設けられたリングギア62と、左右一対のサンギア41のいずれか一方に接続されたキャリア65と、電動機5の回転軸51aに接続されたサンギア61と、を有する(図2)。第2遊星歯車機構6のリングギア62の歯数は、第2遊星歯車機構6のサンギア61の歯数の2倍である。これにより、第2遊星歯車機構6の左右の回転軸(サンギア61、キャリア65)の回転数を互いに等しく、かつ、回転方向を互いに反対にすることができる。したがって、左右の旋回特性に差を生じさせることなく、良好な旋回特性が得られる。
なお、上記実施形態では、第1ギア14を電動機1の上方に配置したが、電動機の下方に第1ギアを配置してもよい。この場合、第2回転軸21の下端部に第1ギアに噛合するように左右一対の第2ギアを設ければよい。上記実施形態では、第1回転軸13の斜め前方に左右一対の第2回転軸21を配置したが、第1回転軸の斜め後方に第2回転軸を配置するようにしてもよい。したがって、ウォームホイール31の配置も上述したものに限らない。上記実施形態では、電動機5と第2遊星歯車機構6とコントローラ(制御部)8等により速度差吸収装置101を構成したが、車両の旋回時における左右一対の駆動軸の速度差を吸収するのであれば、速度差吸収装置の構成は上述したものに限らない。
上記実施形態では、電動機5の右側に第2遊星歯車機構6を配置したが、電動機の左側に第2遊星歯車機構を配置してもよい。第2遊星歯車機構6のサンギア61とキャリア65の配置を左右反転するようにしてもよい。上記実施形態では、電動機5の回転軸5aに第1遊星歯車機構4のサンギア41を接続するようにしたが、電動機5に減速機を取り付け、減速機を介して第1遊星歯車機構に接続するようにしてもよい。第2遊星歯車機構6のサンギア61またはキャリア65にクラッチを設け、旋回走行中にクラッチを接続し、直進走行中にクラッチを切断するようにしてもよい。これにより直進走行中における電動機5の発熱を低減することができる。
以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、上述した実施形態および変形例により本発明が限定されるものではない。上記実施形態と変形例の1つまたは複数を任意に組み合わせることも可能であり、変形例同士を組み合わせることも可能である。
1 電動機、4 第1遊星歯車機構、5 電動機、6 第2遊星歯車機構、8 コントローラ、11 ロータ、12 ステータ、13 第1回転軸、14 第1ギア、21 第2回転軸、22 第2ギア、23 ウォーム、31 ウォームホイール、41 サンギア、42 リングギア、44 キャリア、61 サンギア、62 リングギア、65 キャリア、100 車両駆動装置、101 速度差吸収装置
Claims (4)
- 上下方向の第1軸線を中心に回転するロータと、該ロータの周囲に配置されたステータと、を有する電動機と、
前記第1軸線に沿って延在し、先端部に第1ギアを有するとともに、前記ロータと一体に回転可能に設けられた第1回転軸と、
前記第1軸線と平行な左右一対の第2軸線に沿って左右方向に互いに離間してそれぞれ立設され、先端部に前記第1ギアに噛合する第2ギアをそれぞれ有するとともに、前記第2軸線を中心に回転するウォームがそれぞれ一体に設けられた左右一対の第2回転軸と、
前記左右一対の第2回転軸の前記ウォームにそれぞれ噛合し、左右方向の第3軸線を中心に回転可能に設けられた左右一対のウォームホイールと、
前記左右一対のウォームホイールからのトルクがそれぞれ入力される左右一対の駆動軸と、を備えることを特徴とする車両駆動装置。 - 請求項1に記載の車両駆動装置において、
前記左右一対のウォームホイールにそれぞれ内蔵され、前記左右一対のウォームホイールからの動力をそれぞれ前記左右一対の駆動軸に伝達する左右一対の遊星歯車機構と、
車両の旋回時における前記左右一対の駆動軸の速度差を吸収する速度差吸収装置と、をさらに備えることを特徴とする車両駆動装置。 - 請求項2に記載の車両駆動装置において、
前記電動機は第1電動機であり、
前記左右一対の遊星歯車機構は、前記左右一対のウォームホイールにそれぞれ接続された左右一対のリングギアと、前記左右一対の駆動軸にそれぞれ接続された左右一対のキャリアと、左右一対のサンギアと、を有する左右一対のシングルピニオン式の第1遊星歯車機構であり、
前記速度差吸収装置は、前記左右一対のサンギアの間に直列に介装された第2電動機およびダブルピニオン式の第2遊星歯車機構と、前記第2電動機を制御する制御部と、を有することを特徴とする車両駆動装置。 - 請求項3に記載の車両駆動装置において、
前記第2遊星歯車機構は、回転不能に設けられたリングギアと、前記左右一対のサンギアのいずれか一方に接続されたキャリアと、前記第2電動機の回転軸に接続されたサンギアと、を有し、
前記第2遊星歯車機構の前記リングギアの歯数は、前記第2遊星歯車機構の前記サンギアの歯数の2倍であることを特徴とする車両駆動装置。
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