JPH1179060A - 電動アシスト自転車の駆動ユニット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 機械的な動力損失を減らし、充電の区間をで
きるだけ長くして、１回の充電の走行距離を延ばす。 【解決手段】 モータ３１のモータ室と遊星ローラ減速
機４０の減速機室とを仕切る中壁７４と、太陽ローラ軸
３５とのシール部を隙間シールとして軸受及びシールの
摩擦抵抗による動力損失を低減し、遊星ローラ減速機４
０の減速機室と２段歯車減速機５０側との間を仕切り部
材４６により仕切り、シールによる動力損失を低減して
機械的な動力損失を大幅に低減し、電池の寿命を長くし
て、１充電当たりの走行距離を延ばす。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電動アシスト自転
車の駆動ユニットに関し、機械的動力損失を低減するよ
うに企図したものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、電動アシスト自転車の駆動ユニッ
トとして、足踏みペダルのクランク軸等と同心にモータ
を設け、中空のモータ出力軸にクランク軸を通し最終減
速軸をクランク軸等に結合する形式のモータ付減速装置
が設けられたものが一般的である。この場合は、出力軸
にラジアルとスラストの両負荷がかかることを考慮し、
モータの出力軸の軸受支持は通常ケーシングと一体に続
く非回転部において軸受を介して支えるのが普通であ
る。

【０００３】モータの出力軸を支える軸受をクランク軸
上に設けた構造が、特開平９−２３６９号公報で提案さ
れているが、潤滑油シールについては、何も具体的に開
示されていない。

【０００４】また、同じケーシング内において、潤滑油
を使用しないモータ室と潤滑油を使用する減速機構室と
の間を間仕切りし、間仕切り部に弾力性のある軸締め付
け用環状のリップを有するシールを取付け、両側の室を
油密にするのが通常の手段となっている。例えば、特願
平７−３２６８０２号公報には、モータと遊星ローラ減
速機及び歯車減速機を組合わせた構造が提案されてい
る。また、特願平３−２１２３７８号公報には、モータ
と遊星ローラ減速機を組合わせた回転ドラムの構造が提
案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】電動アシスト自転車
は、入力による動力の約半分の動力を電動モータにより
補助するもので、その電源は充電可能なバッテリに依存
している。バッテリの持っている電力量は限られてお
り、この電力量を有効に利用するためには、駆動ユニッ
トの機械的な動力損失をできるだけ少なくする必要があ
る。

【０００６】しかし、従来の固定部材においてモータの
中空出力軸の軸受を支持する方式は軸受の径が大きくな
り、動力損失はそれなりの値を持たざるを得ないものと
なり、また、モータ室と潤滑油を使用する減速機構室と
の間を間仕切に取付けられたシールも径が大きくなるた
め、その摩擦による動力損失もかなりなものとなる。

【０００７】本発明は軸受の動力損失の低減、シールに
よる動力損失の低減により、このような機械的な動力損
失を減らし、充電の区間をできるだけ長くして、１回の
充電の走行距離を延ばすことを目的とする。

【０００８】また、駆動ユニットは足踏みクランクの間
隔の制限から幅が抑制され、遊星ローラ減速機において
も十分の幅を確保することができず、その結果ローラ幅
が小さくなると、僅かなローラ間の傾きにより、太陽ロ
ーラと遊星ローラ間にこじれを生じる可能性がある。特
に、なんらかの弾みで逆方向の駆動がなされた場合には
セルフロックを起こしてしまう。これを解決するために
は、各ローラ及び取付けの精度を厳しくしなければなら
ないが、コスト高の要因となる。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の構成は、足踏みペダルのクランク軸と同心の
モータと、前記モータの出力軸を太陽ローラとする遊星
ローラ減速機と、前記遊星ローラ減速機の減速軸回転を
更に減速する２段歯車減速機と、前記２段歯車減速機の
動力伝達経路に介在している第１の一方向クラッチと、
前記２段歯車減速機の出力軸に噛み合い前記クランク軸
と同心の第１の歯車を有する駆動側チェンスプロケット
と、前記クランク軸に軸受を介して支持され前記クラン
ク軸の回転を前記駆動側チェンスプロケットに伝える第
２の一方向クラッチを有すると共に前記第１の歯車と同
一噛合いピッチ径を有する第２の歯車と、前記第１の歯
車に備えられた弾性体及びこの弾性体に係合する第２の
歯車の突出部材により構成され足踏みトルクの大きさを
前記弾性体の変形に伴う角度変位で表す角度変位機構
と、前記角度変位機構で発生した角度変位を検出する角
度変位検出機構とを備え、足踏みトルクの大きさに対応
して電動駆動の出力トルクを制御する電動アシスト自転
車の駆動ユニットにおいて、前記モータの出力軸を支え
る軸受を前記クランク軸に設け、前記遊星ローラ減速機
のキャリアと前記クランク軸の間にスラスト軸受を設
け、前記モータのモータ室と前記遊星ローラ減速機の遊
星ローラ減速機室との間に仕切り用の中壁を設け、前記
仕切り用の中壁と前記出力軸側とのシール部を隙間シー
ルとして軸受及び隙間シールの摩擦抵抗による動力損失
を低減すると同時に、前記遊星ローラ減速機室と前記２
段歯車減速機側との間を仕切って各減速機がそれぞれ独
自の潤滑剤を使用可能とすると共に、少なくとも高速側
である前記遊星ローラ減速機側に低粘性の潤滑剤を使用
するように構成したことを特徴とする。

【００１０】そして、前記モータの出力軸と一体の前記
遊星ローラ減速機の太陽ローラの端部に遊星ローラを挟
むようにフランジを設け、前記太陽ローラと前記遊星ロ
ーラとの間にこじれが生じないようにしたことを特徴と
する。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態を図面に
基づき説明する。図１には本発明の一実施形態例に係る
駆動ユニットを取付けた電動アシスト自転車の側面を示
してある。

【００１２】本発明は自転車の駆動動力において、人力
ペダルによる動力に携帯バッテリより供給される電流に
より駆動するモータの補助動力を適当な割合で加えて駆
動動力とし、少ない人力で自転車の走行駆動を容易にす
る補助駆動としての電動アシスト自転車の駆動ユニット
である。

【００１３】図に示すように電動アシスト自転車（以下
自転車と称する）１には、そのクランクハブの位置に駆
動ユニット２０が取付けられている。チエン５は、自転
車１の後輪７の軸にワンウェイクラッチを介して取付け
られた従動側チエンスプロケット２と、駆動ユニット２
０の駆動側チエンスプロケット４とを懸架してあり、チ
エン５は人力又は駆動ユニット２０の回転力を自転車１
の後輪７の軸に伝達するようになっている。図中、２５
は充電可能な電池ユニット、２１は駆動ユニット２０に
組込まれたコントローラを示してある。

【００１４】図２には自転車１の駆動ユニット２０の側
面断面、図３には図２の駆動ユニット２０を取付けた自
転車１の動力伝達系統の制御ブロックを示してある。

【００１５】図２に示すように、モータ３１はモータケ
ーシング３８と中壁７４で囲んで形成する空間内に配置
してある。このモータ３１はインダクションモータの構
成であり、回転速度の制御はインバータによる周波数制
御により行い、トルクは電流制御により行う。

【００１６】モータ３１のロータ３４は中壁７４を通し
て減速機側に突き出して遊星ローラ減速機４０の太陽ロ
ーラ３５ａを形成する中空の太陽ローラ軸３５に固設し
てある。太陽ローラ軸３５はモータ側軸端を軸受３６を
介してクランク軸３９に支えられ、ローラ側はニードル
軸受３３を介して同じくクランク軸３９に支えられてい
る。軸受３６、ニードル軸受３３とも潤滑用グリース内
蔵型である。

【００１７】モータ室内には潤滑油は不要であり、ここ
に減速機側の潤滑油が入るとモータロータ回転の抵抗と
なり、大きな動力損失を伴うので、中壁７４と太陽ロー
ラ軸３５との間に隙間シール部を設けている。即ち、図
２に示した太陽ローラ軸３５に固設した仕切り板４７
は、中壁７４の部位７４ａとの小さい隙間Ｅを設けるよ
うに取付けられ、太陽ローラ軸３５が回転するとき、こ
の隙間Ｅに入ろうとする潤滑油を遠心力の作用で円周方
向にはじき出すシールの働きをする。

【００１８】減速機構ケーシング４１の片側は中壁７４
を挟んでモータケーシング３８と一体に結合され、これ
と反対側はケーシング蓋５２に一体に結合されて閉鎖さ
れた動力機構ケーシングを形成している。中壁７４に
は、これに固設された内ローラ９０と、この内ローラ９
０に内接するとともに太陽ローラ３５ａに外接する複数
の遊星ローラ４２が、遊星ローラキャリア４５によって
支えられた遊星ローラ軸により回転自在に支えられ、遊
星ローラ減速機４０を構成している。太陽ローラ軸３５
の端部に遊星ローラ４２に挟んでフランジ３５ｂを設
け、太陽ローラ３５ａと遊星ローラ４２間にこじれを生
じないようにしてある。

【００１９】遊星ローラキャリア４５は、その中空の出
力軸がクランク軸３９に軸受Ｘを介して回転自在に支え
られ、軸端はピニオン４５ａを形成している。ピニオン
４５ａと噛み合う大歯車５３は、軸受と第１の一方向ク
ラッチ５５を介して歯車軸５４に支えられ、モータ３１
側からの動力のみが歯車軸５４に伝えられるようになっ
ている。

【００２０】歯車軸５４には一体の歯車５４ａを有する
とともに、減速機構ケーシング４１とケーシング蓋５２
とに軸受Ｙを介して回転自由に支えられている。歯車５
４ａにはクランク軸３９と同心の最終段の第１の歯車５
６が噛み合っている。かくしてピニオン４５ａ、大歯車
５３、歯車５４ａ及び歯車５６の組み合わせで２段歯車
減速機構５０を構成している。キャリア４５の端部とク
ランク軸３９の間にスラスト軸受９１を介在して、動力
損失を低減することも可能である。

【００２１】遊星ローラ減速機４０が収納される室と２
段歯車減速機構５０が収納される室とは、仕切り部材４
６により隔てられている。仕切り部材４６の内周と遊星
ローラキャリア４５の外周間には小さい隙間Ｃが設けて
あり、隙間シールを構成している。遊星ローラ減速機４
０はローラ間の摩擦力を生かして駆動力としているた
め、独自の潤滑油を使用する必要があり、２段歯車減速
機構５０側の潤滑油と区別するためである。即ち、高速
側である遊星ローラ減速機側に低粘性の潤滑剤を使用す
る。

【００２２】第１の歯車５６には駆動側チエンスプロケ
ット４がセレーションを介して固設されている。また、
第１の歯車５６は軸受４９を介してケーシング蓋５２に
回転可能に支えられ、且つクランク軸３９の一端部を軸
受４８を介して回転可能に支えている。クランク軸３９
の他端部は軸受３７を介してモータケーシング３８に支
えられている。

【００２３】第２の歯車５７はクランク軸３９に一方向
クラッチ５８を介して支えてあり、第１の歯車５６と同
じ噛合いピッチ径を有する歯車である。この第２の歯車
５７にはクランク軸３９の回転が第２の一方向クラッチ
５８により伝達される。一方向クラッチ５８はクランク
軸３９に加わるペダルクランク１５による力が前進方向
に入力されるとき係合するようにクラッチの爪の方向を
構成してある。

【００２４】図に示すように、第１の歯車５６の側面に
は複数等分に配置した円周方向の突抜け長孔が設けら
れ、この長孔に複数の圧縮ばね５９収納され、圧縮ばね
５９に回転の一方向だけに、第２の歯車５７に取付けら
れた突出部材６９が係合して角度変位機構６０を構成し
ている。

【００２５】この角度変位機構６０は、第２の歯車５７
から突出部材６９を介して伝えられる足踏みトルクを、
第１の歯車５６に備えられた圧縮ばね５９が受けて足踏
みトルクに比例して圧縮ばね５９が短縮し、第１の歯車
５６及び第２の歯車５７の間に足踏みトルクの大きさに
対応する相対的な角度変位が生じるように構成したもの
である。足踏みトルクは角度変位機構６０を経由して、
駆動側チエンスプロケット４に伝えられる。

【００２６】角度変位機構６０において生じた第１の歯
車５６及び第２の歯車５７の間の角度変位は角度変位検
出機構１３０により検出され、角度変位検出センサ８５
は角度変位を電気信号として取出す。

【００２７】減速機構ケーシング４１に取付けてある回
転速度検出センサ８９は、歯車の歯の接近を検出する近
接型センサであり、運転中の自転車の駆動ユニット２０
の出力回転速度を、単位時間中に回転速度検出センサ８
９の感知部を通過する角度変位検出機構１３０の歯車の
歯の検出数に置き換えて計測する方式である。

【００２８】上述した電動自転車の駆動ユニット２０の
作用を図３に基づいて説明する。

【００２９】ペダルクランク１５を踏んでクランク軸３
９を駆動するとき、足踏みトルクは一方向クラッチ５８
において第２の歯車５７に伝えられ、第２の歯車５７と
第１の歯車５６とで構成する角度変位機構６０を経由し
て、駆動側チエンスプロケット４を回し、駆動側チエン
スプロケット４に駆動されたチエン５が後輪ハブに設け
られた従動スプロケット２及び一方向クラッチ５８を介
して自転車の後輪７を回す。クランク軸３９が止まって
いて、駆動チエンスプロケット４が進行方向に回される
ときには、一方向クラッチ５８が入らず空回りする。

【００３０】足踏みトルクが働いたとき、角度変位機構
６０の第２の歯車５７と第１の歯車５６がここを経由す
るトルクに比例した相対的な角度変位を生じ、この角度
変位量を角度変位検出機構１３０に伝え、角度変位検出
計８５により角度変位（足踏みトルク）に比例した電気
信号として取出し、コントローラ２１に送る。

【００３１】コントローラ２１において、足踏みトルク
に対する補助率（１以下）を演算し、電力回路に指令
し、必要なモータ出力が出せるように、バッテリ２５か
ら供給される電力を制御してモータ３１に送る。モータ
３１の出力軸に直結した遊星ローラ減速機４０と２段歯
車減速機構５０によって所要の回転まで減速し、必要な
トルクを出力し、一方向クラッチ５５を介して駆動側チ
エンスプロケット４を回す。このようにしてモータ３１
側の駆動機構により、足踏みトルクの補助をすることが
できる。

【００３２】モータ３１への供給電力が無くなり、自転
車１を足踏みだけで走行する場合には、一方向クラッチ
５５において回転が断たれてモータ３１側へは伝わらな
い。また、補助駆動中の自転車が決められた速度以上と
なった場合には、速度検出センサ８９の信号によりコン
トローラ２１が動作して、モータ３１を停止する。

【００３３】上記駆動ユニット２０は前段の高速部に遊
星ローラ減速機４０を使用しているので、振動、騒音が
少なくすることができ、モータ３１と減速機構の組合わ
せ全体の長さも外径もコンパクトとなっている。モータ
３１のロータ回転を出力する太陽ローラ軸３５は軸受３
６とニードル軸受３３を介して動力系の中で最小径のク
ランク軸３９に支えられるので、モータ３１のロータが
高速で回転しても、軸受の摩擦による動力エネルギ損失
は最小に抑えられる。

【００３４】また、太陽ローラ軸３５が回転するとき、
太陽ローラ軸３５と中壁７４の部位７４ａとは小さい隙
間Ｅによりシールされるので、通常のシール部材のよう
な摩擦による機械的エネルギ損失は生じない。更に、遊
星ローラ減速機４０が収納される室と２段歯車減速機構
５０が収納される室とは、仕切り部材４６により隔てら
れているが、ここでも仕切り部材４６の内周と遊星ロー
ラキャリア４５の外周間には小さい隙間Ｃが設けてあ
り、隙間シールが構成されているので、遊星ローラキャ
リア４５が回転するとき、摩擦による機械的エネルギ損
失は生じない。

【００３５】駆動ユニット２０は足踏みクランク１５の
間隔の制限から幅が抑制され、遊星ローラ減速機４０に
おいても十分の幅を確保することができず、その結果、
ローラ幅が小さくなると、僅かなローラ間の傾きによ
り、太陽ローラ３５ａと遊星ローラ４２間にこじれを生
じる可能性がある。特に、なんらかの弾みで逆方向の駆
動がなされた場合には、ローラがこじれ噛み込んでセル
フロックを起こしてしまう。しかし、太陽ローラ軸３５
の端部に遊星ローラ４２を挟んでフランジ３５ｂを設け
ることにより、太陽ローラ３５ａと遊星ローラ４２間に
こじれを生じることがなくなる。

【００３６】

【発明の効果】本発明の電動自転車の駆動ユニットは、
足踏みペダルのクランク軸と同心のモータと、前記モー
タの出力軸を太陽ローラとする遊星ローラ減速機と、前
記遊星ローラ減速機の減速軸回転を更に減速する２段歯
車減速機と、前記２段歯車減速機の動力伝達経路に介在
している第１の一方向クラッチと、前記２段歯車減速機
の出力軸に噛み合い前記クランク軸と同心の第１の歯車
を有する駆動側チェンスプロケットと、前記クランク軸
に軸受を介して支持され前記クランク軸の回転を前記駆
動側チェンスプロケットに伝える第２の一方向クラッチ
を有すると共に前記第１の歯車と同一噛合いピッチ径を
有する第２の歯車と、前記第１の歯車に備えられた弾性
体及びこの弾性体に係合する第２の歯車の突出部材によ
り構成され足踏みトルクの大きさを前記弾性体の変形に
伴う角度変位で表す角度変位機構と、前記角度変位機構
で発生した角度変位を検出する角度変位検出機構とを備
え、足踏みトルクの大きさに対応して電動駆動の出力ト
ルクを制御する電動アシスト自転車の駆動ユニットにお
いて、前記モータの出力軸を支える軸受を前記クランク
軸に設け、前記遊星ローラ減速機のキャリアと前記クラ
ンク軸の間にスラスト軸受を設け、前記モータのモータ
室と前記遊星ローラ減速機の遊星ローラ減速機室との間
に仕切り用の中壁を設け、前記仕切り用の中壁と前記出
力軸側とのシール部を隙間シールとして軸受及び隙間シ
ールの摩擦抵抗による動力損失を低減すると同時に、前
記遊星ローラ減速機室と前記２段歯車減速機側との間を
仕切って各減速機がそれぞれ独自の潤滑剤を使用可能と
すると共に、少なくとも高速側である前記遊星ローラ減
速機側に低粘性の潤滑剤を使用するように構成したの
で、高速の電動モータ出力軸の軸受径を小さくし、これ
に対応してメカロスも大幅に軽減できる。また、モータ
軸は高速で回転するので、これを支持する軸受を小径化
すること（ニードル軸受を併用）、及び隙間シール方式
を採用することにより機械的な動力損失を大幅に低減す
ることができ、電池の寿命が長くなり、１充電当たりの
走行距離が延び、充電回数が減り、充電コストが安くな
る。

【００３７】また、前記モータの出力軸と一体の前記遊
星ローラ減速機の太陽ローラの端部に遊星ローラを挟む
ようにフランジを設け、前記太陽ローラと前記遊星ロー
ラとの間にこじれが生じないようにしたので、遊星ロー
ラ減速機のローラ幅が小さくてもローラ間の傾きによる
ローラ間のこじれを生じないようになり、なんらかの弾
みで逆方向の駆動がなされた場合にもセルフロックを起
こすことがなくなる。従って、各ローラ及び取付けの精
度を特別に厳しくする必要がなくなり、コスト高になら
ない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態例に係る駆動ユニットを取
付けた電動アシスト自転車の側面図。

【図２】本発明の一実施形態例に係る駆動ユニットの側
面断面図。

【図３】電動アシスト自転車の動力伝達系統の制御ブロ
ック図。

【符号の説明】

１ 電動アシスト自転車 ４ 駆動側チエンスプロケット ５ チエン ２０ 電動自転車用駆動ユニット ３１ モータ ３３ 軸受 ３５ 太陽ローラ軸 ３６ ニードル軸受 ３８ モータケーシング ３９ クランク軸 ４０ 遊星ローラ減速機 ４１ 減速機構ケーシング ４２ 遊星ローラ ４６ 仕切り部材 ４７ 仕切り板 ５０ ２段減速機構 ５５ 一方向クラッチ ５６ 第１の歯車 ５７ 第２の歯車 ５８ 一方向クラッチ ６０ 角度変位機構 ６１ 角度変位検出機構 ８５ 角度変位検出センサ ８９ 速度センサ １３０ 角度変位検出機構 Ｃ，Ｅ 隙間

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 阿部 政則 愛知県名古屋市中村区岩塚町字高道１番地 三菱重工業株式会社名古屋研究所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 足踏みペダルのクランク軸と同心のモー
   タと、前記モータの出力軸を太陽ローラとする遊星ロー
   ラ減速機と、前記遊星ローラ減速機の減速軸回転を更に
   減速する２段歯車減速機と、前記２段歯車減速機の動力
   伝達経路に介在している第１の一方向クラッチと、前記
   ２段歯車減速機の出力軸に噛み合い前記クランク軸と同
   心の第１の歯車を有する駆動側チェンスプロケットと、
   前記クランク軸に軸受を介して支持され前記クランク軸
   の回転を前記駆動側チェンスプロケットに伝える第２の
   一方向クラッチを有すると共に前記第１の歯車と同一噛
   合いピッチ径を有する第２の歯車と、前記第１の歯車に
   備えられた弾性体及びこの弾性体に係合する第２の歯車
   の突出部材により構成され足踏みトルクの大きさを前記
   弾性体の変形に伴う角度変位で表す角度変位機構と、前
   記角度変位機構で発生した角度変位を検出する角度変位
   検出機構とを備え、足踏みトルクの大きさに対応して電
   動駆動の出力トルクを制御する電動アシスト自転車の駆
   動ユニットにおいて、 前記モータの出力軸を支える軸受を前記クランク軸に設
   け、前記遊星ローラ減速機のキャリアと前記クランク軸
   の間にスラスト軸受を設け、前記モータのモータ室と前
   記遊星ローラ減速機の遊星ローラ減速機室との間に仕切
   り用の中壁を設け、前記仕切り用の中壁と前記出力軸側
   とのシール部を隙間シールとして軸受及び隙間シールの
   摩擦抵抗による動力損失を低減すると同時に、前記遊星
   ローラ減速機室と前記２段歯車減速機側との間を仕切っ
   て各減速機がそれぞれ独自の潤滑剤を使用可能とすると
   共に、少なくとも高速側である前記遊星ローラ減速機側
   に低粘性の潤滑剤を使用するように構成したことを特徴
   とする電動アシスト自転車の駆動ユニット。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記モータの出力軸
   と一体の前記遊星ローラ減速機の太陽ローラの端部に遊
   星ローラを挟むようにフランジを設け、前記太陽ローラ
   と前記遊星ローラとの間にこじれが生じないようにした
   ことを特徴とする電動アシスト自転車の駆動ユニット。