JP2000006877A - 電動車両用動力ユニット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 動力ユニットの小型化、軽量化、低価格化を
図りながら、動力ユニットに変速機を内蔵させる。 【解決手段】 人力とモータ７の動力の合力で回転する
合力軸３に変速機２１の入力軸２１ａを接続する。前記
合力軸３と変速機２１の出力軸２１ｂとを遊星歯車機構
２２を介して後輪駆動用の筒状回転軸２９に接続する。
遊星歯車機構２２を、前記合力軸３および変速機出力軸
２１ｂの回転が合成されて筒状回転軸２９に伝達される
ように形成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電動自転車や電動
車椅子などに搭載する電動車両用動力ユニットに関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば電動自転車に搭載する動力
ユニットとしては、車体フレームのハンガー部に搭載す
るものがある。この種の動力ユニットは、ペダルクラン
ク軸の近傍にモータを配設し、このモータの動力と、ペ
ダルを踏込むときの踏力（人力）とをペダルクランク軸
と同軸状に設けた合力軸で合成してこの合力によって後
輪を駆動する構造を採っている。この動力ユニットを搭
載した電動自転車は、前記合力軸にチェーンスプロケッ
トを取付け、このチェーンスプロケットに巻掛けたチェ
ーンと後輪ハブに内装された変速機とを介して動力が後
輪に伝達されるように構成している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】発明者らは、上述した
ように構成した動力ユニットに後輪駆動用の回転部材
（前記チェーンスプロケット）の回転を変速する変速機
を設けることを考えている。しかるに、動力ユニットに
単に変速機を内蔵させたのでは、動力ユニットが大型化
してしまい、電動自転車や電動車椅子などの電動車両で
の要請、すなわち動力ユニットを更に小型化、軽量化す
るという要請に応えることができなくなる。なお、変速
機を追加しても製造コストが著しく高くなるようなこと
は避けなければならない。

【０００４】本発明はこのような問題を解消するために
なされたもので、動力ユニットの小型化、軽量化、低価
格化を図りながら、動力ユニットに変速機を内蔵させる
ことを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明に係る電動車両用
動力ユニットは、人力とモータの動力の合力で回転する
合力軸に変速機の入力軸を接続するとともに、前記合力
軸と前記変速機の出力軸とを遊星歯車機構を介して接続
し、この遊星歯車機構を、前記合力軸および変速機の出
力軸の回転が合成されて車輪駆動用回転部材に伝達され
る構成としたものである。

【０００６】本発明によれば、人力とモータの動力の合
力は合力軸と変速機とに分配され、遊星歯車機構で合成
されて車輪駆動用回転部材に伝達される。したがって、
変速機には前記合力の一部が伝達されるようになるか
ら、合力の全てが変速機に伝達される場合に較べて変速
機に加えられる荷重が低減し、変速機としては相対的に
強度が小さく小型のものを使用することができる。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る電動車両用動
力ユニットの一実施の形態を図１によって詳細に説明す
る。

【０００８】図１は本発明に係る電動車両用動力ユニッ
トを簡略化して示す構成図である。同図において、符号
１で示すものは、この実施の形態による動力ユニットで
ある。この動力ユニット１は、電動自転車のハンガー部
に搭載して後輪を駆動するもので、ペダルクランク軸２
を筒状の合力軸３に貫通させ、これら両軸を圧縮コイル
ばねやトーションばねなどの弾性体４を介して互いに連
結するとともに、前記合力軸３に減速機５および一方向
クラッチ６を介してモータ７を接続している。

【０００９】前記一方向クラッチ６は、動力が伝達され
る方向がモータ７から合力軸３に向かう方向のみになる
構造を採っている。なお、ペダルクランク軸２と前記弾
性体４との間にも、動力の伝達方向がペダルクランク軸
２から合力軸３に向かう方向の一方向クラッチ８を介装
している。モータ７から合力軸３に動力を伝達するモー
タ駆動系は、ペダルクランク軸２を車体が前進するよう
に回転させたときのペダルクランク軸２の回転方向と、
合力軸３の回転方向とが一致するように構成している。

【００１０】前記ペダルクランク軸２は、図示していな
い動力ユニット用ハウジングに回転自在に支持させ、両
端部にペダル９を有するクランク１０を取付けている。
この実施の形態では、ペダルクランク軸２から後輪まで
の一連の人力伝動経路が人力駆動系を構成している。す
なわち、この動力ユニット１は、人力駆動系のペダルク
ランク軸２と合力軸３とを弾性体４を介して互いに連結
し、その合力軸３にモータ駆動系を接続することによっ
て、人力（ペダル９を踏込むときの踏力）とモータ７の
動力とが合成され、この合力によって合力軸３が回転す
る。

【００１１】前記モータ７の動力は人力に応じて制御し
ている。この実施の形態では、人力を後述する人力検出
手段１１によって検出し、人力に応じた電流をモータ７
に供給する構成を採っている。ここで、人力検出手段１
１の構成について説明する。

【００１２】人力検出手段１１は、一対の遊星歯車機構
１２，１３と回転検出センサ１４とから構成している。
前記一対の遊星歯車機構１２，１３は、太陽歯車１２
ａ，１３ａの歯数と、遊星歯車１２ｂ，１３ｂの歯数お
よび個数と、外周歯車１２ｃ，１３ｃの歯数がそれぞれ
等しくなるように形成しており、ペダルクランク軸２や
合力軸３に対して軸線方向が平行になるとともに、軸線
方向と直交する方向に離間するように配設している。ま
た、外周歯車１２ｃ，１３ｃをペダルクランク軸２およ
び合力軸３に歯車結合させている。なお、これらの遊星
歯車機構１２，１３の構成部材、すなわち歯車、支軸、
遊星歯車支持用キャリア１２ｄ，１３ｄは、プラスチッ
クなどの軽量、安価な材料によって形成している。

【００１３】前記第１の遊星歯車機構１２の遊星歯車支
持用キャリア１２ｄの回転軸に回転角検出センサ１４を
接続するとともに、第２の遊星歯車機構１３の遊星歯車
支持用キャリア１３ｄを動力ユニットハウジングに接続
して回転することがないように固定している。また、第
１および第２の遊星歯車機構１２，１３の太陽歯車１２
ａ，１３ａは、これら両者の回転が一致するように連結
軸によって互いに接続している。

【００１４】外周歯車１２ｃ，１３ｃをペダルクランク
軸２および合力軸３に歯車結合させる歯車のうち外周歯
車１２ｃ，１３ｃに設けた歯車１６，１８は歯数が同一
になるように形成し、これらの歯車１２ｃ，１３ｃに噛
合する歯車１５，１７も歯数が同一になるように形成し
ている。すなわち、ペダルクランク軸２と合力軸３との
回転が一致するときに外周歯車１２ｃ，１３ｃどうしの
回転が一致するように歯数を設定している。ペダルクラ
ンク軸２と前記歯車１５との間に、前記一方向クラッチ
８を介装している。

【００１５】前記回転角検出センサ１４は、遊星歯車支
持用キャリア１２ｄの回転を検出するポテンショメータ
によって構成し、動力ユニットハウジングに支持させて
図示していないコントローラに接続している。また、こ
の回転角検出センサ１４は、捩りコイルばねからなるリ
ターンスプリング１４ａを備えている。このリターンス
プリング１４ａは、前記キャリア１２ｄを一方向に回転
付勢するように回転角検出センサ１４の回転軸とボディ
との間に弾装している。

【００１６】前記コントローラは、人力に応じてモータ
７の動力を制御するためのもので、回転角検出センサ１
４が検出した遊星歯車支持用キャリア１２ｄの回転角度
から人力の大きさを求め、この人力の大きさに応じた電
流をモータ６に出力する構成を採っている。

【００１７】次に人力検出手段１１の動作について説明
する。第１および第２の遊星歯車機構１２，１３の外周
歯車１２ｃ，１３ｃの回転は、ペダルクランク軸２と合
力軸３の回転が一致するときに一致する。このときに
は、第１の遊星歯車機構１２の遊星歯車支持用キャリア
１２ｄは停止した状態になり、回転角検出センサ１４が
回転を検出することはない。このときにはモータ７への
給電が絶たれる。

【００１８】登り坂を走行するときや加速するときある
いは定速走行でもペダルクランク軸２が踏力が作用して
弾性体４を変形させ両軸間に位相差が生じると、二つの
遊星歯車機構１２，１３が回転するときの平衡状態が解
消されて第１の遊星歯車機構１２の外周歯車１２ｃの位
相が他方の外周歯車１３ｃより進み、その分だけ遊星歯
車１２ｂが公転して遊星歯車支持用キャリア１２ｄが回
動する。このキャリア１２ｄの回動を回転角検出センサ
１４が検出し、コントローラが人力の大きさに比例した
電流をモータ６に供給する。この結果、モータ７の動力
が人力増加分だけ増大し、合力軸３にモータ７の動力が
加えられる。

【００１９】前記合力軸３は、一端側に符号２１で示す
変速機の入力軸２１ａを歯車結合させるとともに、他端
側に後述する遊星歯車機構２２を接続している。合力軸
３と前記入力軸２１ａとを接続する歯車２３，２４は、
この実施の形態では歯数が同一になるように形成してい
る。

【００２０】前記遊星歯車機構２２は、合力軸３に接続
した外周歯車２５と、変速機２１の出力軸２１ｂに歯車
結合させた太陽歯車２６と、これら両歯車２５，２６の
間に介装した遊星歯車２７と、この遊星歯車２７を自転
自在かつ公転自在に支持するキャリア２８とから構成し
ている。このキャリア２８は、本発明に係る車輪駆動用
の回転部材を構成する筒状回転軸２９を備えている。こ
の筒状回転軸２９の一端部にチェーンスプロケット３０
を固定し、このチェーンスプロケット３０に動力ユニッ
ト１から動力を図示していない後輪に伝達するためのチ
ェーン３１を巻き掛けている。なお、太陽歯車２６と変
速機２１の出力軸２１ｂとを接続する歯車３２，３３
は、この実施の形態では歯数が同一になるように形成し
ている。

【００２１】上述したように構成した動力ユニット１
は、ペダル９を踏込むことによってペダルクランク軸２
が回転し、人力が弾性体４を介して合力軸３に伝達され
る。一方、合力軸３には、人力に応じて制御されたモー
タ７の動力がモータ駆動系から伝達される。このため、
合力軸３は人力とモータ７の動力との合力によって回転
する。

【００２２】合力軸３の回転は、歯車２３，２４を介し
て変速機２１に伝達されるとともに、遊星歯車機構２２
の外周歯車２５に伝達される。これとともに、変速機２
１の出力軸２１ｂの回転が歯車３２，３３を介して遊星
歯車機構２２の太陽歯車２６に伝達される。そして、外
周歯車２５の回転と太陽歯車２６の回転が合成されてキ
ャリア２８が筒状回転軸２９およびチェーンスプロケッ
ト３０とともに回転する。すなわち、合力軸３の回転
と、変速機２１の出力軸２１ｂの回転とが合成されてキ
ャリア２８の筒状回転軸２９に伝達され、この回転がチ
ェーンスプロケット３０からチェーン３１を介して後輪
に伝達される。

【００２３】例えば、この実施の形態で示す動力ユニッ
ト１において外周歯車２５の歯数を６０に設定し、太陽
歯車２６の歯数を３０に設定し、遊星歯車２７の歯数を
１５に設定し、変速機２１の変速比を１：４、すなわち
入力軸２１ａの回転に対して出力軸２１ｂの回転が４倍
に増速されるように設定することにより、筒状回転軸２
９およびチェーンスプロケット３０の回転数は合力軸３
の回転数の２倍になる。

【００２４】上記の条件で動力ユニット１を形成した場
合、チェーン３１側からみた負荷トルクは、遊星歯車機
構２２によって合力軸３側と変速機２１側とに分配され
る。各歯車の歯数を上述したように設定した遊星歯車機
構２２は、太陽歯車２６を回転しないように固定した状
態で外周歯車２５を１回転させるとキャリア２８が２／
３回転だけ回り、外周歯車２５を固定した状態で太陽歯
車２６を１回転させるとキャリア２８が１／３回転だけ
回る。このため、前記負荷トルクが分配される割合は、
図１中に示すように、総負荷トルクをＴとすると外周歯
車２５に分配される負荷トルクは（２／３）Ｔになり、
太陽歯車２６に分配される負荷トルクは（１／３）Ｔに
なる。

【００２５】太陽歯車２６と変速機２１の出力軸２１ｂ
とを接続する歯車３２，３３は同一歯数で変速をしない
ため、前記出力軸２１ｂにも（１／３）Ｔの負荷トルク
が作用する。変速機２１を上述したように４倍の変速比
で増速するように形成する場合には、変速機２１の入力
軸２１ａには出力側から見て４倍の負荷トルクが作用す
る。すなわち、入力軸２１ａに作用する負荷トルクは
（４／３）Ｔになる。入力軸２１ａと合力軸３とを接続
する歯車２３，２４も同一歯数で変速をしないため、合
力軸３に入力軸２１ａ側から（４／３）Ｔの負荷トルク
が作用する。

【００２６】この結果、合力軸３には遊星歯車機構２２
側から伝達される（２／３）Ｔの負荷トルクと、変速機
２１側から伝達される（４／３）Ｔの負荷トルクとが作
用し、チェーンスプロケット３０に作用する負荷トルク
Ｔの２倍の負荷トルクが作用する。すなわち、チェーン
スプロケット３０を合力軸３の２倍の回転数で回転する
ように設定する場合には、合力軸３には２Ｔの負荷トル
クが作用することになる。

【００２７】前記総負荷トルクＴと、人力とモータ７の
動力との合力で合力軸３が回転するときに合力軸３に作
用するトルクとは釣合うことから、この実施の形態によ
る動力ユニット１によれば、変速機２１で変速を行わな
い場合（入力：出力＝１：１の場合）には前記合力の１
／３が変速機に加えられ、変速機２１の変速比を４倍に
する場合（入力：出力＝１：４の場合）には前記合力の
４／３が加えられる。

【００２８】これに対して、遊星歯車機構２２を用いる
ことなく単に合力軸３とチェーンスプロケット３０との
間に変速機を介装する構造を採ると、変速を行わない場
合には前記合力に等しい荷重が変速機に加えられ、変速
機で変速してチェーンスプロケットの回転を合力軸の２
倍にする場合には変速機には合力軸の２倍の荷重が加え
られる。すなわち、遊星歯車機構を用いない前記構造を
採る場合に較べると、この実施の形態で示す変速機２１
は走行時に加えられる荷重が小さくなる。

【００２９】したがって、上述したように構成した動力
ユニット１は、走行時に回転する合力軸３のトルクの一
部（合力の一部）が変速機２１に伝達されるようになる
から、合力の全てが変速機に伝達される場合に較べて変
速機に加えられる荷重を低減させることができる。この
ため、変速機としては相対的に強度が小さいもの、すな
わち、小型、軽量でしかも安価なものを使用することが
できる。

【００３０】なお、遊星歯車機構２２の各歯車の歯数は
上述した歯数に限定されることはなく、適宜変更するこ
とができる。また、変速機２１の変速比も同様に適宜変
更することができるし、変速機２１は無段変速機でもよ
い。また、この実施の形態では電動自転車のハンガー部
に搭載する動力ユニットを示したが、本発明に係る動力
ユニットは、電動自転車の後輪のハブに設けることもで
きる。この構成を採る場合には、人力駆動系の後輪側の
回転軸を入力軸とし、ハブ内のモータを接続した合力軸
と前記入力軸とを同一軸線上に配設してこれらを弾性体
を介して互いに接続する。これとともに、この合力軸に
変速機と遊星歯車機構を接続し、後輪とともに回転する
部材に遊星歯車機構を接続する。さらに、上述した実施
の形態では本発明を電動自転車用動力ユニットに適用す
る例を示したが、本発明は電動車椅子などの他の電動車
両の動力ユニットにも適用することができる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、人
力とモータの動力の合力は合力軸と変速機とに分配さ
れ、遊星歯車機構で合成されて車輪駆動用回転部材に伝
達される。このため、変速機には前記合力の一部が伝達
されるようになるから、合力の全てが変速機に伝達され
る場合に較べて変速機に加えられる荷重が低減し、変速
機としては相対的に強度が小さいものを使用することが
できる。すなわち、小型、軽量でしかも安価な変速機を
使用することができる。

【００３２】したがって、変速機を内蔵しながら小型
化、軽量化、低価格化を図ることができる電動車両用動
力ユニットを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る電動車両用動力ユニットを簡略
化して示す構成図である。

【符号の説明】

１…動力ユニット、２…ペダルクランク軸、３…合力
軸、７…モータ、２１…変速機、２１ａ…入力軸、２１
ｂ…出力軸、２２…遊星歯車機構、２５…外周歯車、２
６…太陽歯車、２７…遊星歯車、２８…キャリア、２９
…筒状回転軸、３０…チェーンスプロケット。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 人力とモータの動力の合力によって回転
   する合力軸に変速機の入力軸を接続するとともに、前記
   合力軸と前記変速機の出力軸とを遊星歯車機構を介して
   車輪駆動用の回転部材に接続し、この遊星歯車機構を、
   前記合力軸および変速機の出力軸の回転が合成されて車
   輪駆動用回転部材に伝達される構成としたことを特徴と
   する電動車両用動力ユニット。