JP6952625B2 - 電動機用の変速装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動機の動力を互いに異なる減速比で変速し、出力する電動機用の変速装置に関する。

従来の電動機用の減速装置として、例えば特許文献１に開示されたものが知られている。図９に示すように、この減速装置は、モータＭＡの動力が入力される入力軸ＳＩＡと、入力軸ＳＩＡに直結された第１サンギヤＳ１Ａ及びこれと一体の第２サンギヤＳ２Ａと、第１及び第２サンギヤＳ１Ａ、ＳＡ２の外周側に配置され、互いに一体の第１リングギヤＲ１Ａ及び第２リングギヤＲ２Ａを有するリングギヤ部材ＲＡと、第１サンギヤＳ１Ａ及び第１リングギヤＲ１Ａに噛み合う複数の第１ピニオンギヤＰ１Ａを回転自在に支持する第１キャリアＣ１Ａと、第２サンギヤＳ２Ａ及び第２リングギヤＲ２Ａに噛み合う複数の第２ピニオンギヤＰ２Ａを回転自在に支持する第２キャリアＣ２Ａを備えている。

第１キャリアＣ１Ａは、ケースＣＡＡに回転不能に固定され、第２キャリアＣ２Ａは、出力軸ＳＯＡに直結されている。また、第１サンギヤＳ１Ａの径は、第２サンギヤＳ２Ａの径よりも小さく、第１及び第２リングギヤＲ１Ａ、Ｒ２Ａの径は互いに等しい。

上記の構成では、モータＭＡの動力は、入力軸ＳＩＡを介して入力され、所定の減速比で減速された状態で、出力軸ＳＯＡから出力される。この減速比は、リングギヤ部材ＲＡと第１サンギヤＳ１Ａとの歯数比、及びリングギヤ部材ＲＡと第２サンギヤＳ２Ａとの歯数比に応じて定まる。

特開２０１５−１４５７０８号公報

図９に示すように、この従来の減速装置では、モータＭＡは、入出力軸ＳＩＡ、ＳＯＡの軸線方向において、第１サンギヤＳ１Ａなどから成る歯車装置の外側に配置されている。このため、減速装置の軸線方向長さが大きくなり、減速装置をコンパクトに構成することができない。また、この減速装置では、リングギヤ部材ＲＡや第１及び第２サンギヤＳ１Ａ、Ｓ２Ａの歯数によって定まる一定の減速比で減速動作を行うだけであり、異なる減速比による変速動作を行うことができない。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、電動機の動力を互いに異なる減速比で変速できるとともに、装置全体の小型化を図ることができる電動機用の変速装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、請求項１に係る発明は、電動機２の動力を変速し、出力軸ＳＯから出力する電動機用の変速装置であって、電動機２は、環状のロータ２ｂを有する中空型の電動機で構成され、電動機２の内部空間に、出力軸ＳＯと同軸状にかつ軸線方向に互いに並んだ状態で配置された、入力用の遊星歯車機構ＰＧ０、出力用の第１遊星歯車機構ＰＧ１及び第２遊星歯車機構ＰＧ２を備え、入力用の遊星歯車機構ＰＧ０は、電動機２のロータ２ｂと一体のリングギヤＲと、不動部（実施形態における（以下、本項において同じ）ケースＣＡ）に連結されたキャリアＣと、リングギヤＲに噛み合い、キャリアＣに回転自在に支持された複数のピニオンギヤＰと、複数のピニオンギヤＰに噛み合うとともに、出力軸ＳＯと同軸状に延びる入力軸ＳＩに一体に連結されたサンギヤＳと、を有し、第１遊星歯車機構ＰＧ１は、ロータ２ｂと一体の第１リングギヤＲ１と、出力軸ＳＯに連結された第１キャリアＣ１と、第１リングギヤＲ１に噛み合い、第１キャリアＣ１に回転自在に支持された複数の第１ピニオンギヤＰ１と、複数の第１ピニオンギヤＰ１に噛み合う第１サンギヤＳ１と、を有し、第２遊星歯車機構ＰＧ２は、ロータ２ｂと一体の第２リングギヤＲ２と、第２リングギヤＲ２に噛み合い、第１キャリアＣ１に回転自在に支持された複数の第２ピニオンギヤＰ２と、複数の第２ピニオンギヤＰ２に噛み合う第２サンギヤＳ２と、を有し、リングギヤＲとサンギヤＳとの歯数比（入力側歯数比γ０）、第１リングギヤＲ１と第１サンギヤＳ２との歯数比（第１歯数比γ１）、及び第２リングギヤＲ２と第２サンギヤＳ２との歯数比（第２歯数比γ２）は、互いに異なるように設定されており、電動機２の内部空間に入力軸ＳＩと同軸状に配置され、入力軸ＳＩと第１サンギヤＳ１又は第２サンギヤＳ２との間を選択的に接続／遮断するクラッチ機構ＭＣＬと、クラッチ機構ＭＣＬによる接続／遮断を切り替えるための切替機構（位相同期機構ＭＣＣ）と、をさらに備えることを特徴とする。

この電動機用の変速装置は、出力軸と同軸状に配置された入力用の遊星歯車機構と出力用の第１及び第２遊星歯車機構を備える。これらの３つの遊星歯車機構は、上述したように構成されており、特に三者間でリングギヤとサンギヤとの歯数比が互いに異なるように設定されている。

この構成によれば、電動機が作動し、ロータが回転すると、電動機の動力は、ロータからそれと一体の各遊星歯車機構のリングギヤ、第１リングギヤ及び第２リングギヤにそれぞれ入力されるとともに、入力用の遊星歯車機構のサンギヤ及びそれと一体の入力軸に入力される。また、クラッチ機構による接続／遮断が切替機構によって切り替えられ、それにより、入力軸と第１遊星歯車機構の第１サンギヤ又は第２遊星歯車機構の第２サンギヤとの間が、クラッチ機構によって選択的に接続／遮断される。

入力軸が第１サンギヤに接続された場合、電動機の動力は、第１遊星歯車機構の第１リングギヤと第１サンギヤとの歯数比などに応じて定まる所定の第１減速比で減速された後、第１キャリアを介して出力軸に出力される。一方、入力軸が第２サンギヤに接続された場合、電動機の動力は、第２遊星歯車機構の第２リングギヤと第２サンギヤとの歯数比などに応じて定まる、第１減速比と異なる所定の第２減速比で減速された後、第１キャリアを介して出力軸に出力される。以上により、電動機の動力を互いに異なる２つの減速比で変速することができる。

また、電動機は中空型の電動機で構成されており、その内部空間に、入力用の遊星歯車機構、第１及び第２遊星歯車機構とクラッチ機構が配置され、収容されている。この構成により、モータと２列の遊星歯車機構が軸線方向に並列される従来の減速装置と比較して、軸線方向長さを短縮でき、その分、変速装置を小型化することができる。さらに、上記の３つの遊星歯車機構、入力軸及びクラッチ機構が同軸状に配置されているので、それらの噛合い部分に発生する噛合い反力が相殺され、軸受などの支持部に作用する荷重が軽減されることで、支持部を小型化することが可能になり、それにより、装置全体のさらなる小型化を図ることができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の電動機用の変速装置において、キャリアＣは、断続可能な油圧ブレーキ２１を介して不動部に連結されていることを特徴とする。

この構成によれば、通常時には、油圧ブレーキを接続状態にすることによって、キャリアを不動部に固定するとともに、クラッチ機構が断続するときに発生する衝撃トルクを油圧ブレーキを介して逃がすことができる。それにより、軸受などの支持部に作用する荷重が軽減されることで、支持部を小型化することが可能になり、装置全体のさらなる小型化を図ることができる。

また、例えば電動機が故障した場合には、油圧ブレーキを遮断することによって、キャリアを空回りさせ、変速装置からの動力の出力を停止させる。これにより、専用の切り離し機構を必要とすることなく、特に電動機が車両にインホイールモータとして設けられている場合において、電動機の故障時における車両の安全性を容易に確保することができる。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の電動機用の変速装置において、入力軸ＳＩは中空状に形成されており、入力軸ＳＩ内に同軸状に延び、入力軸ＳＩに対する周方向の角度である相対位相が変更可能に構成された制御軸（ドラムＳＣ）をさらに備え、クラッチ機構ＭＣＬは、相対位相が所定の第１位相のときに入力軸ＳＩと第１サンギヤＳ１の間を接続する第１クラッチＣＬ１と、相対位相が第１位相と異なる所定の第２位相のときに入力軸ＳＩと第２サンギヤＳ２の間を接続する第２クラッチＣＬ２と、を有し、切替機構は、電動機２の外部に配置され、入力軸ＳＩ及び制御軸を互いに同じ回転数で回転させるとともに、相対位相を第１位相又は第２位相に制御する位相同期機構ＭＣＣによって構成されていることを特徴とする。

この構成によれば、中空の入力軸内に制御軸が同軸状に延びるように設けられており、この制御軸は、入力軸に対する周方向の角度である相対位相が変更可能に構成されている。また、クラッチ機構は、相対位相が所定の第１位相のときに入力軸と第１サンギヤの間を接続する第１クラッチと、相対位相が所定の第２位相のときに入力軸と第２サンギヤの間を接続する第２クラッチを有する。そして、電動機の外部に配置された位相同期機構により、入力軸及び制御軸を互いに同じ回転数で回転させるとともに、相対位相を第１位相又は第２位相に制御する。これにより、第１クラッチ又は第２クラッチを選択的に接続することによって、変速動作を行うことができる。

請求項４に係る発明は、請求項３に記載の電動機用の変速装置において、位相同期機構ＭＣＣは、入力軸ＳＩ及び制御軸と同軸状にかつ軸線方向に互いに並んだ状態で配置された第３遊星歯車機構ＰＧ３及び第４遊星歯車機構ＰＧ４を有し、第３遊星歯車機構ＰＧ３は、入力軸ＳＩに連結された第３サンギヤＳ３と、回転自在の第３キャリアＣ３と、第３サンギヤＳ３に噛み合い、第３キャリアＣ３に回転自在に支持された複数の第３ピニオンギヤＰ３と、複数の第３ピニオンギヤＰ３に噛み合う回転不能の第３リングギヤＲ３と、を有し、第４遊星歯車機構ＰＧ４は、制御軸に連結された第４サンギヤＳ４と、第４サンギヤＳ４に噛み合い、第３キャリアＣ３に回転自在に支持された複数の第４ピニオンギヤＰ４と、複数の第４ピニオンギヤＰ４に噛み合い、操作部５１に連結された第４リングギヤＲ４と、を有し、第３サンギヤＳ３と第４サンギヤＳ４は互いに同じ歯数を有し、第３リングギヤＲ３と第４リングギヤＲ４は互いに同じ歯数を有しており、操作部５１は、停止時に第４リングギヤＲ４を固定し、作動時にその操作量に応じて第４リングギヤＲ４を回動させるように構成されていることを特徴とする。

この構成によれば、位相同期機構は、上述した構成の第３遊星歯車機構及び第４遊星歯車機構と操作部を有する。操作部の停止時には、第４リングギヤが固定されることによって、入力軸及び制御軸は相対位相を保ちながら同じ回転数で回転する。一方、操作部が作動すると、その操作量に応じて第４リングギヤが回動し、その回動量に応じて相対位相が変化する。入力軸及び制御軸は、変化した相対位相を保ちながら同じ回転数で回転する。したがって、電動機の外部において操作部を操作することによって、相対位相を第１位相又は第２位相に制御し、変速動作を行うことができる。

また、第３及び第４遊星歯車機構が軸線方向に並んだ状態で配置されているので、位相同期機構の軸線方向長さを抑制し、位相同期機構をコンパクトに構成することができる。

本発明の実施形態による電動機用の変速装置の全体構成を概略的に示す図である。 変速装置における回転要素間の回転数の関係を示す共線図である。 変速装置のクラッチ機構を部分的に拡大して示す図である。 変速装置が１速段のときのクラッチ機構の動作状態を示す図である。 １速段から２速段へのアップシフト中の第１段階、及び２速段から１速段へのダウンシフト中の第３段階におけるクラッチ機構の動作状態を示す図である。 １速段から２速段へのアップシフト中の第２段階、及び２速段から１速段へのダウンシフト中の第２段階におけるクラッチ機構の動作状態を示す図である。 １速段から２速段へのアップシフト中の第３段階、及び２速段から１速段へのダウンシフト中の第１段階におけるクラッチ機構の動作状態を示す図である。 変速装置が２速段のときのクラッチ機構の動作状態を示す図である。 従来の電動機用の減速装置を概略的に示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。図１に示す、本発明の実施形態による電動機用の変速装置１は、例えば四輪の車両（図示せず）に動力源として搭載された電動機（以下「モータ」という）２の動力を、１速（低速）又は２速（高速）の減速比で変速した後、出力軸ＳＯから出力するものである。出力軸ＳＯは、差動装置などを介して、左右の駆動輪（いずれも図示せず）に連結されている。

モータ２は、いわゆる偏平中空型の電動機で構成されており、径方向の内側に大きな内部空間を有する。モータ２は、出力軸ＳＯと同軸状に配置されており、環状のケーシング２ａ（一部のみ図示）、ステータ（図示せず）、及びロータ２ｂを有する。ステータは、複数の鉄芯やコイルなどで構成され、ケーシング２ａに固定されている。ロータ２ｂは、複数の磁石などで構成され、ステータに対向するように配置されており、ステータへの電力の供給によって回転駆動される。

変速装置１は、モータ２の動力の入力用の遊星歯車機構ＰＧ０、１速用の第１遊星歯車機構ＰＧ１、及び２速用の第２遊星歯車機構ＰＧ２を備えており、また、遊星歯車機構ＰＧ０と第１又は第２遊星歯車機構ＰＧ１、ＰＧ２の間を選択的に接続／遮断し、変速段を１速段又は２速段に設定するためのクラッチ機構ＭＣＬ及び位相同期機構ＭＣＣを備えている。

上記の遊星歯車機構ＰＧ０、ＰＧ１及びＰＧ２は、いずれもシングルピニオン式のものであり、モータ２の内部空間に収容され、出力軸ＳＯと同軸状に、かつ出力軸ＳＯの軸線方向（以下、単に「軸線方向」という）に互いに並んだ状態で配置されている。

遊星歯車機構ＰＧ０は、リングギヤＲ０、キャリアＣ０、複数のピニオンギヤＰ０、及びサンギヤＳ０などで構成されている。リングギヤＲ０は、モータ２のロータ２ｂに一体に設けられている。キャリアＣ０は、複数の支軸１１を一体に有し、これらの支軸１１の一端部が、油圧ブレーキ２１を介して不動のケースＣＡに連結されている。

この油圧ブレーキ２１は、アクチュエータ（図示せず）に連結されており、通常時には、アクチュエータが停止状態に維持されることで、キャリアＣ０をケースＣＡに固定し、モータ２の故障時などには、アクチュエータが作動することで、キャリアＣ０とケースＣＡの間を遮断するように構成されている。

複数のピニオンギヤＰ０は各支軸１１に回転自在に支持されるとともに、リングギヤＲ０に噛み合っている。サンギヤＳ０は、複数のピニオンギヤＰ０に噛み合っている。また、サンギヤＳ０は、中空の入力軸ＳＩに一体に連結されている。この入力軸ＳＩは、出力軸ＳＯと同軸状に配置され、軸受（図示せず）を介して回転自在に支持されている。入力軸ＳＩは、軸線方向に沿ってサンギヤＳ０の両側に延びており、一方の側では、第１及び第２遊星歯車機構ＰＧ１、ＰＧ２の後述する第１及び第２サンギヤＳ１、Ｓ２を通って延び、他方の側では、モータ２の外部に延びている。

第１遊星歯車機構ＰＧ１は、第１リングギヤＲ１、第１キャリアＣ１、複数の第１ピニオンギヤＰ１、及び第１サンギヤＳ１などで構成されている。第１リングギヤＲ１は、モータ２のロータ２ｂに一体に設けられている。第１キャリアＣ１は、複数の支軸１２を一体に有し、支軸１２を介して出力軸ＳＯに連結されている。複数の第１ピニオンギヤＰ１は、各支軸１２に回転自在に支持されるとともに、第１リングギヤＲ１に噛み合っている。第１サンギヤＳ１は、複数の第１ピニオンギヤＰ１に噛み合っている。前述したように、第１サンギヤＳ１には、サンギヤＳ０と一体の入力軸ＳＩが通されており、両者Ｓ１、ＳＩは、クラッチ機構ＭＣＬの第１クラッチＣＬ１によって接続／遮断される。

また、第１リングギヤＲ１の歯数ＺＲ１と第１サンギヤＳ１の歯数ＺＳ１との比（＝ＺＲ１／ＺＳ１、以下「第１歯数比」という）γ１は、遊星歯車機構ＰＧ０のリングギヤＲ０の歯数ＺＲ０とサンギヤＳ０の歯数ＺＳ０との比（＝ＺＲ０／ＺＳ０、以下「入力側歯数比」という）γ０よりも小さい関係になっている。

第２遊星歯車機構ＰＧ２は、第２リングギヤＲ２、前記第１キャリアＣ１、複数の第２ピニオンギヤＰ２、及び第２サンギヤＳ２などで構成されている。第２リングギヤＲ２は、モータ２のロータ２ｂに一体に設けられている。複数の第２ピニオンギヤＰ２は、第１キャリアＣ１の支軸１２に回転自在に支持されるとともに、第２リングギヤＲ２に噛み合っている。第２サンギヤＳ２は、複数の第２ピニオンギヤＰ１に噛み合っている。前述したように、第２サンギヤＳ２には入力軸ＳＩが通されており、両者Ｓ２、ＳＩは、クラッチ機構ＭＣＬの第２クラッチＣＬ２によって接続／遮断される。

また、第２リングギヤＲ２の歯数ＺＲ２と第２サンギヤＳ２の歯数ＺＳ２との比（＝ＺＲ２／ＺＳ２、以下「第２歯数比」という）γ２は、第１遊星歯車機構ＰＧ１の第１リングギヤＲ１と第１サンギヤＳ１との歯数比である第１歯数比γ１よりもさらに小さい関係になっている。

以上の３つの遊星歯車機構ＰＧ０、ＰＧ１及びＰＧ２の構成及び回転要素間の連結関係から、モータ２の作動時における回転要素間の回転数の関係は、例えば図２の共線図のように表される。すなわち、モータ２のロータ２ｂ（リングギヤＲ０、第１及び第２リングギヤＲ１、Ｒ２）、キャリアＣ０、出力軸ＳＯ（第１キャリアＣ１）、及び入力軸ＳＩ（サンギヤＳ０）（第１サンギヤＳ１又は第２サンギヤＳ２）によって、共線関係にある４つの回転要素が構成される。なお、出力軸ＳＯの左側及び右側の点は、それぞれ、第１サンギヤＳ１が入力軸ＳＩ（サンギヤＳ０）に接続された場合、及び第２サンギヤＳ２が入力軸ＳＩに接続された場合における出力軸ＳＯの回転数を表す。

これらの場合、速度比ＲＤ１、ＲＤ２（出力軸ＳＯの回転数とモータ２の回転数との比）は、入力側歯数比γ０、第１及び第２歯数比γ１、γ２を用い、次式（１）及び（２）でそれぞれ表される。
ＲＤ１ ＝ ｛（１＋γ０）／（１＋γ１）｝−１ ・・・（１）
ＲＤ２ ＝ ｛（１＋γ０）／（１＋γ２）｝−１ ・・・（２）
これらの式（１）（２）及び図２に示されるように、出力側の歯数比が入力側歯数比γ０に近いほど、速度比ＲＤは値０に近づき、減速比はより大きくなる。本実施形態では、第１歯数比γ１が第２歯数比γ２よりも入力側歯数比γ０に近い値に設定されているため、第１サンギヤＳ１が入力軸ＳＩに接続されたときに、より大きな減速比が得られ、変速段が低速の１速段に設定される一方、第２サンギヤＳ１が入力軸ＳＩに接続されたときに、より小さな減速比が得られ、変速段が高速の２速段に設定される。

クラッチ機構ＭＣＬ及び位相同期機構ＭＣＣは、このような変速段の設定のために、入力軸ＳＩと第１サンギヤＳ１又は第２サンギヤＳ２を選択的に接続／遮断するものである。以下、これらの構成について説明する。

図１に示すように、クラッチ機構ＭＣＬは、第１サンギヤＳ１を接続／遮断する第１クラッチＣＬ１と、第２サンギヤＳ２を接続／遮断する第２クラッチＣＬ２を有する。また、両クラッチＣＬ１、ＣＬ２の動作を制御するためにドラムＳＣが設けられている。

ドラムＳＣは、中実の軸状のものであり、中空の入力軸ＳＩの内部に同軸状に設けられ、一端部（図１の右端部）において、軸受（図示せず）に回転自在に支持されている。また、ドラムＳＣの他端部は、位相同期機構ＭＣＣに後述するように連結されており、それにより、モータ２の作動時、ドラムＳＣは、入力軸ＳＩと同じ方向（図３などの矢印方向）に同じ回転数で回転する。

図４（ａ）に示すように、第１クラッチＣＬ１は、入力軸ＳＩと第１サンギヤＳ１の内周面との間に配置されており、入力軸ＳＩと第１サンギヤＳ１の間を接続／遮断するための複数のストラット（３１Ａ、３１Ｂ）を有する。

これらのストラットは、２対の加速側ストラット３１Ａ及び減速側ストラット３１Ｂによって構成されている。各対の加速側ストラット３１Ａと減速側ストラット３１Ｂは、互いに同じ構成を有するとともに、周方向に対向し、互いに対称に設けられている。したがって、これらを代表し、以下、加速側ストラット３１Ａとそれに関連する構成についてまず説明する。

図３に示すように、入力軸ＳＩには、軸線方向に延びる支軸３５が設けられている。加速側ストラット３１Ａは、円弧状のもので、支軸３５に径方向の内側から係合し、回動自在に取り付けられており、入力軸ＳＩ及びドラムＳＣとほぼ同心状に設けられ、第１サンギヤＳ１の内周面３４に沿って延びている。

また、加速側ストラット３１Ａは、支軸３５から入力軸ＳＩの回転方向（図３の時計方向）に延びる係合部３１ａと、反対方向に延びる被駆動部３１ｂによって構成され、係合部３１ａの端面が係合面３１ｃになっている。一方、第１サンギヤＳ１の内周面３４には、内方に突出する複数の内歯３６が周方向に等間隔に設けられており、これらの内歯３６の１つに加速側ストラット３１Ａの係合面３１ｃが係合することによって、入力軸ＳＩが第１サンギヤＳ１に接続され、加速側がインギヤ状態になる。

なお、係合面３１ｃの角度は、内歯３６を介して作用する第１サンギヤＳ１からの反力（同図の矢印Ｘ）の延長線が、支軸３５の中心又は径方向外側（インギヤ側）を通るように設定されている。この設定により、加速側ストラット３１Ａは、作用するトルク（反力）が大きくなるほどインギヤ側に呼び込まれ、それにより、支軸３５から抜け出ないように確実に保持される。

入力軸ＳＩには、加速側ストラット３１Ａの係合部３１ａに対応する位置に、ばね収容溝３７が形成され、このばね収容溝３７にセットばね３２が収容されている。セットばね３２は、コイルばねで構成され、その両端部がばね収容溝３７の底部のばね受け部３７ａと係合部３１ａに当接しており、それにより、加速側ストラット３１Ａを図４の反時計方向（インギヤ側）に常時、付勢している。

また、入力軸ＳＩには、被駆動部３１ｂの端部付近に対応する位置に、径方向に貫通するボール収容孔３８が形成されている。このボール収容孔３８にボール３３が収容されるとともに、ボール３３は、ボール収容孔３８からドラムＳＣ側に部分的に突出している。ドラムＳＣの外周面には、ボール収容孔３８の付近に、ドラム溝３９が形成されている。このドラム溝３９は、周方向に所定長さで延びており、その両端部は、曲線状に形成され、隣接する外周面との移行部になっている。

以上の構成により、ドラムＳＣのドラム溝３９がボール収容孔３８の下側に位置する場合には、ボール収容孔３８に収容されたボール３３がドラム溝３９に落ち込む。この状態では、加速側ストラット３１Ａは、セットばね３２の付勢力によって、図３の反時計方向に回動し、係合面３１ｃが第１サンギヤＳ１の内歯３６に係合可能な係合位置（図３の位置）に位置する。

一方、ドラム溝３９がボール収容孔３８の下側に位置していない場合には、ボール３３は、ドラムＳＣの外周面により、セットばね３２の付勢力に抗して外方に押し上げられ、加速側ストラット３１Ａの被駆動部３１ｂを押圧する。これにより、加速側ストラット３１Ａは、同図の時計方向に回動し、係合面３１ｃが第１サンギヤＳ１の内歯３６に係合不能な係合解除位置（図示せず）に位置する。

一方、減速側ストラット３１Ｂは、上述した加速側ストラット３１Ａと同じ構成を有するとともに、セットばね３２やボール３３などの他の構成要素を含めて、加速側ストラット３１Ａと周方向に対称に設けられている。なお、ドラム溝３９については、加速側及び減速側ストラット３１Ａ、３１Ｂの間で共用されており、両ストラット３１Ａ、３１Ｂ用の２つのボール３３、３３が同時に収容可能になっている。

図４（ｂ）に示すように、第２クラッチＣＬ２は、上述した第１クラッチＣＬ１とまったく同じ構成を有し、２対の加速側ストラット４１Ａ及び減速側ストラット４１Ｂと、セットばね３２やボール３３、ドラム溝３９などが同様に設けられている。

一方、図４の（ａ）（ｂ）の比較から明らかなように、第１及び第２クラッチＣＬ１、ＣＬ２の間では、ドラムＳＣにおけるドラム溝３９の周方向の位置（角度）が異なり、ドラム溝３９とボール３３などとの位置関係が異なるように設定されている。この構成により、入力軸ＳＩに対するドラムＳＣの周方向の相対的な角度（以下、適宜「相対位相」という）を変更することによって、第１及び第２クラッチＣＬ１、ＣＬ２の一方を接続状態に制御すると同時に、他方を遮断状態に制御し、それにより、変速段を１速段又は２速段に切り替えて設定することが可能になる。

前記位相同期機構ＭＣＣは、この相対位相を同期させるとともに変速時に変更するものである。図１に示すように、位相同期機構ＭＣＣは、モータ２の外部に配置されており、第３遊星歯車機構ＰＧ３及び第４遊星歯車機構ＰＧ４を有する。これらの遊星歯車機構ＰＧ３、ＰＧ４は、いずれもシングルピニオン式のものであり、入力軸ＳＩ及びドラムＳＣと同軸状に、軸線方向に互いに並んだ状態で配置されている。

第３遊星歯車機構ＰＧ３は、入力軸ＳＩに連結された第３サンギヤＳ３と、第３サンギヤＳ３に噛み合い、第３キャリアＣ３に回転自在に支持された複数の第３ピニオンギヤＰ３と、複数の第３ピニオンギヤＰ３に噛み合う第３リングギヤＲ３を備えている。第３リングギヤＲ３は、不動のケースＣＡに固定されている。

第４遊星歯車機構ＰＧ４は、ドラムＳＣに連結された第４サンギヤＳ４と、第４サンギヤＳ４に噛み合いに、第３遊星歯車機構ＰＧ３と共通の第３キャリアＣ３に回転自在に支持された複数の第４ピニオンギヤＰ４と、複数の第４ピニオンギヤＰ４に噛み合う第４リングギヤＲ４を備えている。第４リングギヤＲ４は、アクチュエータなどで構成された操作部５１に連結されており、操作部５１の停止時には固定状態に保持され、操作部５１の作動時にはその操作量に応じて回動する。また、第３サンギヤＳ３と第４サンギヤＳ４の歯数ＺＳ３、ＺＳ４は互いに等しく、第３リングギヤＲ３と第４リングギヤＲ４の歯数ＺＲ３、ＺＲ４は互いに等しい。

以上の構成から、第４リングギヤＲ４が固定された状態では、ドラムＳＣは、入力軸ＳＩとの相対位相を保ちながら、同じ回転数で回転する。また、操作部５１の操作によって第４リングギヤＲ４が回動すると、その回動角度と歯数に応じ、ドラムＳＣが入力軸ＳＩに対して回動することで相対位相が変化する。ドラムＳＣと入力軸ＳＩは、変化した相対位相を保ちながら、同じ回転数で回転する。このように、位相同期機構ＭＣＣの操作部５１を操作することによって、相対位相が制御される。

以下、図４〜図８を参照しながら、変速装置１の動作を、１速段から２速段にアップシフトし、その後、２速段から１速段にダウンシフトする場合について、詳細に説明する。なお、図４は１速段状態、図８は２速段状態、図５〜図７は両変速段間のアップシフト中又はダウンシフト中の状態を、それぞれ示す。

図４に示す１速段状態（下段待機状態）では、相対位相は所定の第１位相に制御されており、第１クラッチＣＬ１では、加速側及び減速側の２つのボール３３、３３は、ドラム溝３９に周方向に若干の余裕をもって収容され、その中に落ち込んでいる。このため、加速側及び減速側ストラット３１Ａ、３１Ｂは、第１サンギヤＳ１の内歯３６に係合する係合位置に位置し、加速側も減速側もインギヤ状態になっており、第１サンギヤＳ１は入力軸ＳＩと同じ回転数で回転している。

一方、第２クラッチＣＬ２では、ドラム溝３９は減速側のボール３３から減速側（図４の反時計方向）に若干、外れた位置にあり、２つのボール３３、３３はドラムＳＣによって持ち上げられている。このため、加速側及び減速側ストラット４１Ａ、４１Ｂは、第２サンギヤＳ２の内歯３６から外れた係合解除位置に位置し、加速側も減速側もオフギヤ状態になっている。また、下段側の第１クラッチＣＬ１がインギヤ状態にあるため、第２サンギヤＳ２の回転数は入力軸ＳＩよりも低い状態になっている。

この下段待機状態から、アップシフトを行う場合には、位相同期機構ＭＣＣの操作部５１を所定方向に所定量、駆動し、第４リングギヤＲ４を回動させる。これにより、ドラムＳＣが入力軸ＳＩに対して、図４の位置から図８の位置まで、時計方向に所定角度、回動し、相対位相が第１位相から所定の第２位相に制御される。

図５は、ドラムＳＣが図４の位置から小さな角度、回動した初期状態を示す。第１クラッチＣＬ１では、ボール３３、３３が依然としてドラム溝３９内に留まっているため、その動作状態は図４の待機状態と変わらず、加速側及び減速側ストラット３１Ａ、３１Ｂは係合位置に保持され、加速側及び減速側のインギヤ状態が維持される。

このとき、第２クラッチＣＬ２では、減速側のボール３３がドラム溝３９に落ち込むことによって、減速側ストラット４１Ｂが係合位置に移動する。この場合、上述したように下段側がインギヤ状態にあることで、第２サンギヤＳ２の回転数が入力軸ＳＩよりも低く、第２サンギヤＳ２が入力軸ＳＩに追い越されている状態にあるため、減速側ストラット４１Ｂを介したトルク伝達は行われない。

ドラムＳＣが図５の位置から図６の位置まで回動すると、第１クラッチＣＬ１では、ドラム溝３９が減速側のボール３３から外れることで、ボール３３がドラムＳＣによって押し上げられる。その際、加速側に負荷が発生している場合には、減速側ストラット３１Ｂの解除（係合位置から係合解除位置への移動）がほぼ無負荷で行われる一方、第１サンギヤＳ１は、インギヤ状態にある加速側ストラット３１Ａによって駆動され、入力軸ＳＩと同じ回転数で回転するため、それ以上のアップシフト動作は行われない。

一方、減速側に負荷が発生している場合には、減速側ストラット３１Ｂの係合面３１ｃが第１サンギヤＳ１の内歯３６に押し付けられているため、減速側ストラット３１Ｂを解除するためには、この減速負荷に打ち勝つドラムＳＣのトルクが必要であり、ドラムＳＣのトルクが減速負荷に打ち勝った時点で、減速側ストラット３１Ｂが解除される。これに伴い、入力軸ＳＩが第１サンギヤＳ１に対してフリーになり、入力軸ＳＩの回転数が低下し始める。一方、第２クラッチＣＬ２では、低下した入力軸ＳＩの回転数が第２サンギヤＳ２の回転数に一致した時点で、係合位置にある減速側ストラット４１Ｂが内歯３６に係合することによって、減速側のインギヤが完了し、第２サンギヤＳ２の回転数が入力軸ＳＩの回転数に一致する。

以上のように、アップシフト時、加速負荷中であればアップシフト動作が進行せず、減速負荷中のときにアップシフト動作が進行するようにすることで、下段側における減速側のインギヤと上段側における加速側のインギヤが同時に発生するという事態を確実に阻止することができる。

ドラムＳＣが図６の位置から図７の位置まで回動すると、第２クラッチＣＬ２では、加速側のボール３３がドラム溝３９に落ち込むことで、加速側ストラット４１Ａが係合位置に移動する。その際、加速負荷が発生している場合には、加速側ストラット４１Ａの係合面が第２サンギヤＳ２の内歯３６に合致し次第、これに係合する。これにより、加速側のインギヤが完了し、この時点で、２速段へのアップシフトが実質的に完了する。

また、このように第２クラッチＣＬ２におけるインギヤが完了すると、第１クラッチＣＬ１では、入力軸ＳＩの回転数が第１サンギヤＳ１の回転数を下回り、入力軸ＳＩが第１サンギヤＳ１に追い越された状態になるため、加速側ストラット３１Ａを介したトルク伝達は行われない。

ドラムＳＣが図７の位置から図８の位置に回動し、相対位相が第２位相に達すると、第１クラッチＣＬ１では、ドラム溝３９が加速側のボール３３から外れることで、加速側ストラット３１Ａはほぼ無負荷で係合解除位置に移動し、それにより、２速段へのアップシフトが完了する。

図８に示す２速段状態（上段待機状態）において、第２クラッチＣＬ２では、加速側及び減速側のボール３３、３３は、ドラム溝３９に落ち込んでいる。このため、加速側及び減速側ストラット４１Ａ、４１Ｂは係合位置に位置し、加速側も減速側もインギヤ状態になっており、第２サンギヤＳ２は入力軸ＳＩと同じ回転数で回転している。

一方、第１クラッチＣＬ１では、ドラム溝３９は加速側のボール３３から加速側（図８の時計方向）に若干、外れた位置にあり、ボール３３、３３はドラムＳＣによって持ち上げられている。このため、加速側及び減速側ストラット３１Ａ、３１Ｂは係合解除位置に位置し、加速側も減速側もオフギヤ状態になっている。また、上段側の第２クラッチＣＬ２がインギヤ状態にあるため、第１サンギヤＳ１の回転数は入力軸ＳＩよりも高い状態になっている。

この上段待機状態から、ダウンシフトを行う場合には、位相同期機構ＭＣＣの操作部５１を、前述したアップシフトの場合と反対方向に同じ所定量、駆動し、第４リングギヤＲ４を回動させる。これにより、ドラムＳＣが入力軸ＳＩに対して、図８の位置から図４の位置まで、反時計方向に所定角度、回動し、相対位相が第２位相から第１位相に制御される。

ドラムＳＣが図８の位置から図７の位置まで回動すると、第２クラッチＣＬ２では、ボール３３、３３が依然としてドラム溝３９内に留まっているため、その動作状態は図８の待機状態と変わらず、加速側及び減速側ストラット４１Ａ、４１Ｂは係合位置に保持され、加速側及び減速側のインギヤ状態が維持される。

このとき、第１クラッチＣＬ１では、加速側のボール３３がドラム溝３９に落ち込むことで、加速側ストラット３１Ａが係合位置に移動する。この場合、上述したように上段側がインギヤ状態にあることで、第１サンギヤＳ１の回転数が入力軸ＳＩよりも高く、入力軸ＳＩが第１サンギヤＳ１に追い越されている状態にあるため、加速側ストラット３１Ａを介したトルク伝達は行われない。

ドラムＳＣが図７の位置から図６の位置まで回動すると、第２クラッチＣＬ２では、ドラム溝３９が加速側のボール３３から外れることで、ボール３３がドラムＳＣによって押し上げられる。その際、減速側に負荷が発生している場合には、加速側ストラット４１Ａの解除がほぼ無負荷で行われる一方、第２サンギヤＳ２は、インギヤ状態にある減速側ストラット４１Ｂによって駆動され、入力軸ＳＩと同じ回転数で回転するため、それ以上のダウンシフト動作は行われない。

一方、加速側に負荷が発生している場合には、加速側ストラット４１Ａの係合面が第２サンギヤＳ２の内歯３６に押し付けられているため、加速側ストラット４１Ａを解除するためには、この加速負荷に打ち勝つドラムＳＣのトルクが必要であり、ドラムＳＣのトルクが加速負荷に打ち勝った時点で、加速側ストラット４１Ａが解除される。これに伴い、入力軸ＳＩが第２サンギヤＳ２に対してフリーになり、入力軸ＳＩの回転数が上昇し始める。一方、第１クラッチＣＬ２では、上昇した入力軸ＳＩの回転数が第１サンギヤＳ１の回転数に一致した時点で、係合位置にある加速側ストラット３１Ａが内歯３６に係合することによって、加速側のインギヤが完了し、第１サンギヤＳ１の回転数が入力軸ＳＩの回転数に一致する。

以上のように、ダウンシフト時、減速負荷中であればダウンシフト動作が進行せず、加速負荷中のときにダウンシフト動作が進行するようにすることで、下段側における減速側のインギヤと上段側における加速側のインギヤが同時に発生するという事態を確実に阻止することができる。

ドラムＳＣが図６の位置から図５の位置まで回動すると、第１クラッチＣＬ１では、減速側のボール３３がドラム溝３９に落ち込むことで、減速側ストラット３１Ｂが係合位置に移動する。その際、減速負荷が発生している場合には、減速側ストラット３１Ｂの係合面が第１サンギヤＳ１の内歯３６に合致し次第、これに係合する。これにより、減速側のインギヤが完了し、この時点で、１速段へのダウンシフトが実質的に完了する。

また、このように第１クラッチＣＬ１におけるインギヤが完了すると、第２クラッチＣＬ２では、入力軸ＳＩの回転数が第２サンギヤＳ２の回転数を上回り、第２サンギヤＳ２が入力軸ＳＩに追い越された状態になるため、減速側ストラット４１Ｂを介したトルク伝達は行われない。

ドラムＳＣが図５の位置から図４の位置に回動し、相対位相が第１位相に達すると、第２クラッチＣＬ２では、ドラム溝３９が減速側のボール３３から外れることで、減速側ストラット４１Ｂはほぼ無負荷で非係合位置に移動し、それにより、１速段へのダウンシフトが完了する。

以上のように、本実施形態の電動機用の変速装置１によれば、位相同期機構ＭＣＣにより、入力軸ＳＩに対するドラムＳＣの相対位相を第１位相又は第２位相に制御し、第１クラッチＣＬ１又は第２クラッチＣＬ２を選択的に接続状態に制御することによって、モータ２の動力を互いに異なる２つの減速比で変速することができる。

また、変速段を１速段から２速段にアップシフトする場合には、相対位相が第１位相から第２位相に制御されるのに応じて、第１及び第２クラッチＣＬ１、ＣＬ２の４つのストラット、すなわち、減速側ストラット４１Ｂ、減速側ストラット３１Ｂ、加速側ストラット４１Ａ、及び加速側ストラット３１Ａが、前述したように１つずつ順に動作するので、アップシフトをシームレスで行うことができる。同様に、変速段を２速段から１速段にダウンシフトする場合には、相対位相が第２位相から第１位相に制御されるのに応じて、加速側ストラット３１Ａ、加速側ストラット４１Ａ、減速側ストラット３１Ｂ、及び減速側ストラット４１Ｂが、前述したように１つずつ順に動作するので、ダウンシフトをシームレスで行うことができる。

また、モータ２の内部空間に、遊星歯車機構ＰＧ０、第１及び第２遊星歯車機構ＰＧ１、ＰＧ２とクラッチ機構ＭＣＬが配置されるので、モータと２列の遊星歯車機構が軸線方向に並列される従来の減速装置と比較して、軸線方向長さを短縮でき、その分、変速装置を小型化することができる。さらに、３つの遊星歯車機構ＰＧ０〜ＰＧ２、入力軸ＳＩ、ドラムＳＣ及びクラッチ機構ＭＣＣなどが同軸状に配置されるので、それらの噛合い部分に発生する噛合い反力が相殺され、軸受などの支持部に作用する荷重が軽減されることによって、支持部を小型化することが可能になり、それにより、装置全体のさらなる小型化を図ることができる。

また、キャリアＣとケースＣＡの間に設けられた油圧ブレーキ２１によって、クラッチ機構が断続するときに発生する衝撃トルクを逃がすことができる。それにより、軸受などの支持部に作用する荷重が軽減されることで、支持部を小型化することが可能になり、装置全体のさらなる小型化を図ることができる。また、モータ２が故障した場合には、アクチュエータを作動させ、油圧ブレーキ２１を遮断することによって、キャリアＣを空回りさせ、変速装置１からの動力の出力を停止させることができる。これにより、専用の切り離し機構を必要とすることなく、特にモータ２が車両にインホイールモータとして設けられている場合において、モータ２の故障時における車両の安全性を容易に確保することができる。

なお、本発明は、説明した実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、実施形態では、クラッチ機構として、加速側及び減速側のストラットを有する第１及び第２クラッチを用いているが、これに限らず、電動機の内部空間に収容でき、入力軸ＳＩと第１サンギヤＳ１又は第２サンギヤＳ２との接続／遮断を選択的に行えるものである限り、他のタイプのクラッチ機構を用いることが可能である。

また、切替機構として、相対位相を第１位相又は第２位相に制御する位相同期機構を用いているが、これに限らず、クラッチ機構の構成に応じ、外部からの操作によってクラッチ機構による接続／遮断を切り替えることが可能である限り、他の適当な機構を採用することができる。

さらに、実施形態は、変速装置１を、車両の動力源としてのモータ２に適用した例であるが、本発明はこれに限らず、他の用途に広く適用することができる。その他、本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜、変更することが可能である。

１ 電動機用の変速装置
２ モータ（電動機）
２ｂ ロータ
２１ 油圧ブレーキ
５１ 操作部
ＳＯ 出力軸
ＳＩ 入力軸
ＳＣ ドラム（制御軸）
ＣＡ ケース（不動部）
ＰＧ０ 入力用の遊星歯車機構
Ｒ リングギヤ
Ｃ キャリア
Ｐ ピニオンギヤ
Ｓ サンギヤ
ＰＧ１ 第１遊星歯車機構
Ｒ１ 第１リングギヤ
Ｃ１ 第１キャリア
Ｐ１ 第１ピニオンギヤ
Ｓ１ 第１サンギヤ
ＰＧ２ 第２遊星歯車機構
Ｒ２ 第２リングギヤ
Ｐ２ 第２ピニオンギヤ
Ｓ２ 第２サンギヤ
ＭＣＬ クラッチ機構
ＣＬ１ 第１クラッチ
ＣＬ２ 第２クラッチ
ＭＣＣ 位相同期機構（切替機構）
ＰＧ３ 第３遊星歯車機構
Ｒ３ 第３リングギヤ
Ｃ３ 第３キャリア
Ｐ３ 第３ピニオンギヤ
Ｓ３ 第３サンギヤ
ＰＧ４ 第４遊星歯車機構
Ｒ４ 第４リングギヤ
Ｐ４ 第４ピニオンギヤ
Ｓ４ 第４サンギヤ
γ０ 入力側歯数比（リングギヤとサンギヤとの歯数比）
γ１ 第１歯数比（第１リングギヤと第１サンギヤとの歯数比）
γ２ 第２歯数比（第２リングギヤと第２サンギヤとの歯数比）

Claims (4)

1. 電動機の動力を変速し、出力軸から出力する電動機用の変速装置であって、
   前記電動機は、環状のロータを有する中空型の電動機で構成され、
   当該電動機の内部空間に、前記出力軸と同軸状にかつ軸線方向に互いに並んだ状態で配置された、入力用の遊星歯車機構、出力用の第１遊星歯車機構及び第２遊星歯車機構を備え、
   前記入力用の遊星歯車機構は、前記電動機の前記ロータと一体のリングギヤと、不動部に連結されたキャリアと、前記リングギヤに噛み合い、前記キャリアに回転自在に支持された複数のピニオンギヤと、当該複数のピニオンギヤに噛み合うとともに、前記出力軸と同軸状に延びる入力軸に一体に連結されたサンギヤと、を有し、
   前記第１遊星歯車機構は、前記ロータと一体の第１リングギヤと、前記出力軸に連結された第１キャリアと、前記第１リングギヤに噛み合い、前記第１キャリアに回転自在に支持された複数の第１ピニオンギヤと、当該複数の第１ピニオンギヤに噛み合う第１サンギヤと、を有し、
   前記第２遊星歯車機構は、前記ロータと一体の第２リングギヤと、当該第２リングギヤに噛み合い、前記第１キャリアに回転自在に支持された複数の第２ピニオンギヤと、当該複数の第２ピニオンギヤに噛み合う第２サンギヤと、を有し、
   前記リングギヤと前記サンギヤとの歯数比、前記第１リングギヤと前記第１サンギヤとの歯数比、及び前記第２リングギヤと前記第２サンギヤとの歯数比は、互いに異なるように設定されており、
   前記電動機の内部空間に前記入力軸と同軸状に配置され、前記入力軸と前記第１サンギヤ又は前記第２サンギヤとの間を選択的に接続／遮断するクラッチ機構と、
   前記クラッチ機構による接続／遮断を切り替えるための切替機構と、をさらに備えることを特徴とする電動機用の変速装置。
2. 前記キャリアは、断続可能な油圧ブレーキを介して前記不動部に連結されていることを特徴とする、請求項１に記載の電動機用の変速装置。
3. 前記入力軸は中空状に形成されており、
   前記入力軸内に同軸状に延び、当該入力軸に対する周方向の相対的な角度である相対位相が変更可能に構成された制御軸をさらに備え、
   前記クラッチ機構は、前記相対位相が所定の第１位相のときに前記入力軸と前記第１サンギヤの間を接続する第１クラッチと、前記相対位相が前記第１位相と異なる所定の第２位相のときに前記入力軸と前記第２サンギヤの間を接続する第２クラッチと、を有し、
   前記切替機構は、前記電動機の外部に配置され、前記入力軸及び前記制御軸を互いに同じ回転数で回転させるとともに、前記相対位相を前記第１位相又は前記第２位相に制御する位相同期機構によって構成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の電動機用の変速装置。
4. 前記位相同期機構は、前記入力軸及び前記制御軸と同軸状にかつ軸線方向に互いに並んだ状態で配置された第３遊星歯車機構及び第４遊星歯車機構を有し、
   前記第３遊星歯車機構は、前記入力軸に連結された第３サンギヤと、回転自在の第３キャリアと、前記第３サンギヤに噛み合い、前記第３キャリアに回転自在に支持された複数の第３ピニオンギヤと、当該複数の第３ピニオンギヤに噛み合う回転不能の第３リングギヤと、を有し、
   前記第４遊星歯車機構は、前記制御軸に連結された第４サンギヤと、当該第４サンギヤに噛み合い、前記第３キャリアに回転自在に支持された複数の第４ピニオンギヤと、当該複数の第４ピニオンギヤに噛み合い、操作部に連結された第４リングギヤと、を有し、
   前記第３サンギヤと前記第４サンギヤは互いに同じ歯数を有し、前記第３リングギヤと前記第４リングギヤは互いに同じ歯数を有しており、
   前記操作部は、停止時に前記第４リングギヤを固定し、作動時にその操作量に応じて前記第４リングギヤを回動させるように構成されていることを特徴とする、請求項３に記載の電動機用の変速装置。

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