特許 7569535 車輪モジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-10-09

(45)【発行日】2024-10-18

(54)【発明の名称】車輪モジュール

(51)【国際特許分類】

   B60G 3/02 20060101AFI20241010BHJP

   B62D 7/14 20060101ALI20241010BHJP

   B62D 7/08 20060101ALI20241010BHJP

   B62D 5/04 20060101ALI20241010BHJP

【ＦＩ】

B60G3/02

B62D7/14 Z

B62D7/08 Z

B62D5/04

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2021055592

(22)【出願日】2021-03-29

(65)【公開番号】P2022152722

(43)【公開日】2022-10-12

【審査請求日】2023-09-07

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】594168665

【氏名又は名称】株式会社戸田レーシング

(73)【特許権者】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(74)【代理人】

【識別番号】110003214

【氏名又は名称】弁理士法人服部国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】戸田 幸夫

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 雄大

【審査官】久保田 信也

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－２１０５５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１１／０５２０７６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／００８３７８５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００３－２６１２９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２３０２９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－１３６９３０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ６０Ｇ ３／０２

Ｂ６２Ｄ ７／１４

Ｂ６２Ｄ ７／０８

Ｂ６２Ｄ ５／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

独立して転舵可能な独立転舵輪を二つ以上含む車両（９０）に用いられ、前記独立転舵輪を構成する車輪モジュールであって、
サイドウォールを有する面が側面と定義され、車両の前方を向くトレッド面が前面と定義されるタイヤ（２）と、
前記タイヤを転舵させる転舵力を出力する転舵部（３）と、
前記転舵部と前記タイヤとを接続するアーム（４）と、
前記タイヤを駆動する駆動力を出力する駆動部（５）と、
前記タイヤを制動する制動力を出力する制動部（６）と、
棒状の緩衝部材であるダンパー（７１）、及び、前記ダンパーに外挿されたコイル状のスプリング（７２）を含み、上端側支点（ＳＵ）及び下端側支点（ＳＬ）で支持され、路面から伝わる振動又は衝撃を緩衝するサスペンション機構（７）と、
を備え、
前記タイヤの径方向の中心及び幅方向の中心を通る天地方向の仮想直線をタイヤ中心軸（Ｚｔ）と定義すると、前記タイヤの側面から見たとき、前記サスペンション機構の前記下端側支点は、前記タイヤ中心軸から離れた位置に配置されており、
前記転舵部によって出力された転舵力は、前記アームを介して前記タイヤに伝達され、
前記アームは、前記転舵部側のアッパーアーム（４１）と前記タイヤ側のロッカーアーム（４５）とが水平方向のアーム連結軸を中心として回転可能に連結されており、前記タイヤの側面から見たとき、前記アーム連結軸は、前記タイヤの径方向の中心よりも下方、且つ、前記タイヤ中心軸に対し前記サスペンション機構の前記下端側支点とは反対側において前記タイヤ中心軸から離れており、
前記サスペンション機構の前記上端側支点は前記アッパーアームに回転可能に支持され、且つ、前記下端側支点は前記ロッカーアームに回転可能に支持されており、
前記サスペンション機構の前記下端側支点は、前記アーム連結軸を中心として前記タイヤの側面に平行な平面内で回転可能である車輪モジュール。

【請求項2】

前記タイヤの側面から見たとき、前記サスペンション機構は、前記タイヤ中心軸に対して傾斜している請求項１に記載の車輪モジュール。

【請求項3】

前記タイヤが転舵したとき、前記タイヤと前記サスペンション機構との位置関係は維持される請求項１または２に記載の車輪モジュール。

【請求項4】

前記タイヤの前面から見たとき、キングピン軸と前記タイヤ中心軸とが一致している請求項１～３のいずれか一項に記載の車輪モジュール。

【請求項5】

前記転舵部は、トルクを出力する転舵モータ（３１）、及び、前記転舵モータの回転を減速して前記アームに伝達する減速機（３２）を含む請求項１～４のいずれか一項に記載の車輪モジュール。

【請求項6】

前記転舵モータは、複数の巻線組を冗長的に有する多重巻線モータで構成されている請求項５に記載の車輪モジュール。

【請求項7】

車両の一つ以上の前輪及び一つ以上の後輪においてそれぞれ前記独立転舵輪を構成する複数の車輪モジュールであって、
前輪用の車輪モジュールは、前記サスペンション機構が前記タイヤ中心軸に対して車両の前方側に設けられており、
後輪用の車輪モジュールは、前記サスペンション機構が前記タイヤ中心軸に対して車両の後方側に設けられている請求項１～６のいずれか一項に記載の車輪モジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、車輪モジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、独立して転舵可能な独立転舵輪を含む車両において、タイヤから車体側に伝わる振動や衝撃を緩衝する緩衝装置の改善に関する技術が知られている。

【0003】

例えば特許文献１に開示されたインホイールモータ車両の操舵装置は、ダンパーを追加しても必要以上に大型化することが避けられ、しかも十分大きい回転トルクを伝達することを課題としている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１２－１０６５２４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１の操舵装置において、緩衝装置が収容された外軸はインホイールモータユニットの中心軸上に配置されていると解される。つまり、ホイール側を正面として見たとき、緩衝装置のスプリングは、タイヤの天地方向の中心軸上に垂直に配置されている。そのため、路面からの衝撃がスプリングに直に伝わり、乗り心地を悪化させる。

【0006】

本発明は上述の点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、車両の独立転舵輪を構成する車輪モジュールにおいて、乗り心地を向上させる車輪モジュールを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の車輪モジュールは、独立して転舵可能な独立転舵輪を二つ以上含む車両（９０）に用いられ、独立転舵輪を構成する。この車輪モジュールは、タイヤ（２）と、転舵部（３）と、駆動部（５）と、制動部（６）と、サスペンション機構（７）と、を備える。

【0008】

タイヤは、サイドウォールを有する面が側面と定義され、車両の前方を向くトレッド面が前面と定義される。転舵部は、タイヤを転舵させる転舵力を出力する。駆動部は、タイヤを駆動する駆動力を出力する。制動部は、タイヤを制動する制動力を出力する。サスペンション機構は、棒状の緩衝部材であるダンパー（７１）、及び、ダンパーに外挿されたコイル状のスプリング（７２）を含み、上端側支点（ＳＵ）及び下端側支点（ＳＬ）で支持され、路面から伝わる振動又は衝撃を緩衝する。タイヤの径方向の中心及び幅方向の中心を通る天地方向の仮想直線をタイヤ中心軸（Ｚｔ）と定義する。タイヤの側面から見たとき、サスペンション機構の下端側支点は、タイヤ中心軸から離れた位置に配置されている。

【0009】

本発明の車輪モジュールは、転舵部とタイヤとを接続するアーム（４）をさらに備える。転舵部によって出力された転舵力は、アームを介してタイヤに伝達される。アームは、転舵部側のアッパーアーム（４１）とタイヤ側のロッカーアーム（４５）とが水平方向のアーム連結軸を中心として回転可能に連結されており、タイヤの側面から見たとき、アーム連結軸は、タイヤの径方向の中心よりも下方、且つ、タイヤ中心軸に対しサスペンション機構の下端側支点とは反対側においてタイヤ中心軸から離れている。サスペンション機構の上端側支点はアッパーアームに回転可能に支持され、且つ、下端側支点はロッカーアームに回転可能に支持されている。サスペンション機構の下端側支点は、アーム連結軸を中心としてタイヤの側面に平行な平面内で回転可能である。

【0010】

なお、参考態様の車輪モジュールでは、駆動部は、インホイールモータで構成される。制動部は、タイヤの側面から見たときインホイールモータの径方向内側に配置される。

【0011】

これにより、路面からの衝撃がスプリングに直接伝わりにくくなる。したがって、路面の段差や石等による上下方向の外乱を受けたときの不快な振動の発生を抑制し、乗り心地を向上させることができる。好ましくは、タイヤの側面から見たとき、サスペンション機構は、タイヤ中心軸に対して傾斜している。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】一実施形態の車輪モジュールが用いられた独立転舵車両の平面図。

【図2】図１の独立転舵車両の側面図。

【図3】一実施形態の車輪モジュールの斜視図。

【図4】図３のＩＶ方向矢視図（タイヤの内側面から見た図）。

【図5】図３のＶ方向矢視図（タイヤの前面から見た図）。

【図6】図３のＶＩ方向矢視図。

【図7】転舵モータにおける多重巻線モータの構成を示す図。

【図8】アーム連結軸を中心とする回転動作を説明する図。

【図9】上方回転時におけるサスペンション機構の圧縮動作を説明する模式図。

【図10】下方回転時におけるサスペンション機構の伸長動作を説明する模式図。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の一実施形態による車輪モジュールを図面に基づいて説明する。本発明の車輪モジュールは、独立して転舵可能な独立転舵輪を二つ以上含む車両に用いられ、独立転舵輪を構成する。一実施形態では、全ての車輪が独立転舵輪である四輪車両において、四つの車輪モジュールが用いられる構成例を示す。また一実施形態では、転舵や制駆動の指令に関し、ドライバによる手動運転を想定して説明する。

【0014】

（一実施形態）
図１に、四輪独立転舵車両９０における車体９９と四つの車輪９１、９２、９３、９４との配置構成を上方から視た状態を模式的に示す。四つの車輪は、それぞれ左前輪９１、右前輪９２、左後輪９３及び右後輪９４である。各車輪９１－９４は独立して転舵可能な独立転舵輪であり、車輪モジュール１０で構成されている。各車輪モジュール１０の中心の点はタイヤ中心軸Ｚｔを表す。タイヤ中心軸Ｚｔの詳しい定義については後述する。

【0015】

図２に、車両９０の右側面から前輪９２及び後輪９４を視た状態を模式的に示す。図２では、前輪９２用の車輪モジュールの符号を「１０Ｆ」、後輪９４用の車輪モジュールの符号を「１０Ｒ」と区別して記す。左輪用も含めた車輪モジュール１０Ｆ、１０Ｒは、車両９０の前輪９１、９２及び後輪９３、９４において独立転舵輪を構成する

【0016】

車輪モジュール１０Ｆ、１０Ｒの詳しい構成は後述するが、外観として、前輪９２用の車輪モジュール１０Ｆと後輪９４用の車輪モジュール１０Ｒとは、タイヤ中心軸Ｚｔに対し前後方向に対称の形状を呈している。つまり、前輪９２用の車輪モジュール１０Ｆは、サスペンション機構７がタイヤ中心軸Ｚｔに対して車両９０の前方側に設けられている。後輪９４用の車輪モジュール１０Ｒは、サスペンション機構７がタイヤ中心軸Ｚｔに対して車両９０の後方側に設けられている。

【0017】

サスペンション機構７は、上端側がタイヤ中心軸Ｚｔに近づき、下端側がタイヤ中心軸Ｚｔから離れるように傾斜している。そのため、前後輪９２、９４のサスペンション機構７は、上から下に向かって間隔が広がるように配置されている。

【0018】

左右一対の車輪がラックバーで連結された一般的な車両に対し、各車輪が独立に転舵可能な車両では、ラックバーのスペースが不要となるため、車室内空間が拡大する。また、一般的な車両では不可能な「その場回転」や「横移動」が可能であるため、狭路への進入や旋回、狭いスペースでの駐車等の移動自由度が向上する。

【0019】

独立転舵車両では、各独立転舵輪が、転舵機構、駆動機構であるインホイールモータ、及び、制動機構である電動ブレーキ等を搭載した車輪モジュールとして構成される。車輪モジュールの構成によっては、車室内の有効空間を狭めてしまったり、ばね下重量の増加により乗り心地の悪化を招いたりする可能性もある。

【0020】

そこで本実施形態では、主に乗り心地の向上を目的とし、さらに車室空間の拡大や耐外乱性向上にも有利な車輪モジュールを提供する。図２を参照して上述したように、前輪用の車輪モジュール１０Ｆと後輪用の車輪モジュール１０Ｒとはタイヤ中心軸Ｚｔに対して対称形状であるという点を除き、どの独立転舵輪に適用される車輪モジュールも基本構成は同じである。以下では、前輪用と後輪用とを区別せず、一つの形態の「車輪モジュール１０」として説明する。

【0021】

図３～図６に一実施形態の車輪モジュール１０の構成を示す。以下、タイヤ２のサイドウォール２４を有する面を側面と定義し、車両の前方を向くトレッド面２５を前面と定義する。例えば図４は、図１の左前輪９１を構成する車輪モジュール１０を内側面から見た図である。

【0022】

直進時における車両の左右方向をＸ方向、前後方向をＹ方向、高さ方向をＺ方向としてタイヤ２の三次元の軸を定義する。タイヤ２の径方向の中心を通る仮想直線を車輪軸Ｘｔと定義する。タイヤ２の径方向の中心を通り水平方向且つ車両前後方向の仮想直線を前後軸Ｙｔと定義する。タイヤ２の径方向の中心及び幅方向の中心を通る天地方向の仮想直線をタイヤ中心軸Ｚｔと定義する。

【0023】

車輪モジュール１０は、タイヤ２、転舵部３、アーム４、駆動部５、制動部６、及び、サスペンション機構７を備える。

【0024】

転舵部３は、ドライバのハンドル操作等に応じて、タイヤ２を転舵させる転舵力を出力する。転舵部３は、トルクを出力する転舵モータ３１、及び、転舵モータ３１の回転を減速してアーム４に伝達する減速機３２を含む。転舵モータ３１及び減速機３２は、タイヤ中心軸Ｚｔ上に積み重なって配置されている。減速機３２の減速比を大きくすることで、転舵部３がコンパクト化される。

【0025】

例えば図７に示すように、一実施形態の転舵モータ３１は、二組の三相巻線組３１１、３１２を冗長的に有する二重巻線モータで構成されている。これにより、一方の巻線組や対応する駆動回路に異常が生じたときでも他方の巻線組に通電可能であるため、信頼性が向上する。

【0026】

アーム４は、転舵部３とタイヤ２とを接続する。転舵部３によって出力された転舵力は、アーム４を介してタイヤ２に伝達される。アーム４は、転舵部３側のアッパーアーム４１とタイヤ２側のロッカーアーム４５とを含む。

【0027】

アッパーアーム４１は、天板部４２、本体部４３、及び、天板延長部４４を含む。天板部４２は、タイヤ中心軸Ｚｔにおいてタイヤ２の直上に設けられ、転舵部３に接続されている。本体部４３は、タイヤ中心軸Ｚｔの一方側（図４の左側）においてタイヤ２の上部から前後軸Ｙｔの下にまで延びる。天板延長部４４は、天板部４２から本体部４３とは反対方向に延長し、サスペンション機構７の上端側支点ＳＵを支持する。アッパーアーム４１とロッカーアーム４５とは、水平方向のアーム連結軸Ｘａを中心として回転可能に連結されている。図４に示すように、タイヤ２の側面から見たとき、アーム連結軸Ｘａは、タイヤ中心軸Ｚｔから離れている。

【0028】

ロッカーアーム４５は、アーム連結軸Ｘａの周囲に設けられた連結端部４６、車輪軸Ｘｔの周囲に設けられた中心部４７、及び、中心部４７に対し連結端部４６とは反対側に設けられた自由端部４８を含む。自由端部４８は、サスペンション機構７の下端側支点ＳＬを支持する。

【0029】

駆動部５は、インホイールモータで構成され、ドライバのアクセル操作等に応じて、タイヤ２を駆動する駆動力を出力する。制動部６は、電動又は油圧ブレーキで構成され、ドライバのブレーキ操作等に応じて、タイヤ２を制動する制動力を出力する。

【0030】

サスペンション機構７は、上端側支点ＳＵ及び下端側支点ＳＬで支持され、路面から伝わる振動又は衝撃を緩衝する。サスペンション機構７は、棒状の緩衝部材であるダンパー７１、及び、ダンパー７１に外挿されたコイル状のスプリング７２を含む。ダンパー７１及びスプリング７２の中心軸をサスペンション機構軸ＹＺｓと定義する。記号「ＹＺｓ」は、タイヤ２の前後軸Ｙｔ及びタイヤ中心軸Ｚｔを含むＹＺ平面に平行な軸であることを意味する。

【0031】

図４に示すように、サスペンション機構７は、軸長方向の７割程度の部分がタイヤ２の径方向外縁の内側に配置されている。例えば特開２０１９－１８２３３６号公報の図２に開示された操舵装置では、サスペンション機構がタイヤの径方向外縁の外側に設けられているため、軸長が長くなり、車室空間が減少する。それに対し本実施形態では、サスペンション機構７の軸長方向の大部分がタイヤ２の径方向外縁の内側に配置されているため、車室空間を拡大することができる。

【0032】

図４に示すように、タイヤ２の側面から見たとき、サスペンション機構７の下端側支点ＳＬは、タイヤ中心軸Ｚｔから離れた位置に配置されている。また、サスペンション機構軸ＹＺｓは、タイヤ中心軸Ｚｔに対して傾斜している。

【0033】

例えば特許文献１（特開２０１２－１０６５２４号公報）に開示された操舵装置では、緩衝装置のスプリングは、タイヤの天地方向の中心軸上に垂直に配置されているため、路面からの衝撃がスプリングに直に伝わり、乗り心地を悪化させる。それに対し本実施形態では、サスペンション機構７をタイヤ中心軸Ｚｔから離して傾斜させることで、路面からの衝撃がスプリング７２に直接伝わりにくくなる。したがって、路面の段差や石等による上下方向の外乱を受けたときの不快な振動の発生を抑制し、乗り心地を向上させることができる。

【0034】

サスペンション機構７の上端側支点ＳＵは、アッパーアーム４１の天板延長部４４に回転可能に支持されている。且つ、下端側支点ＳＬは、ロッカーアーム４５の自由端部４８に回転可能に支持されている。サスペンション機構７の下端側支点ＳＬは、アーム連結軸Ｘａを中心としてタイヤ２の側面に平行な平面内で回転可能である。図４に示す初期状態では、車輪軸Ｘｔと下端側支点ＳＬとは同じ高さであって、且つ、アーム連結軸Ｘａよりも高い位置に配置されている。

【0035】

ここで図８～図１０を参照し、アーム連結軸Ｘａを中心とする回転動作の詳細について説明する。図８には、タイヤ２が実線で示す初期状態からアーム連結軸Ｘａを中心として上方に回転した上昇状態、及び、下方に回転した下降状態を示す。なお図８では、説明のため、回転量を実際よりも大きく示す。このとき車輪軸Ｘｔは、半径ｒ１の円弧の軌跡に沿って移動する。タイヤ２の上昇状態では車体を引き下げる動きとなり、タイヤ２の下降状態では車体を持ち上げる動きとなる。これに伴って、サスペンション機構７の下端側支点ＳＬは、半径ｒ２の円弧の軌跡に沿って移動する。

【0036】

図９、図１０に、タイヤ２、アッパーアーム４１、ロッカーアーム４５、及びサスペンション機構７の位置関係を模式的に示す。アッパーアーム４１及びサスペンション機構７の上端側支持部ＳＵの位置は変化しない。図９に示すように、タイヤ２が路面から上向きの力を受け、車輪軸Ｘｔが上方に回転すると、下端側支持部ＳＬの位置が高くなり、サスペンション機構７のスプリング７２が圧縮される。図１０に示すように、タイヤ２が路面から下向きの力を受け、車輪軸Ｘｔが下方に回転すると、下端側支持部ＳＬの位置が低くなり、サスペンション機構７のスプリング７２が伸長する。

【0037】

このように、サスペンション機構７は、タイヤ２が路面から受ける力に応じて、ロッカーアーム４５に支持された下端側支点ＳＬがアーム連結軸Ｘａを中心として回転することで、路面から伝わる振動又は衝撃を緩衝する。サスペンション機構７の下端側支点ＳＬがタイヤ中心軸Ｚｔから離れた位置に配置されているため、車輪軸Ｘｔの回転半径ｒ１と下端側支点ＳＬの回転半径ｒ２との比により、路面から直接伝わる力が減衰されてサスペンション機構７に伝わる。したがって上述のように、路面からの外乱を受けたときの不快な振動の発生を抑制し、乗り心地を向上させることができる。

【0038】

次に転舵動作に関し、図５に示すように、タイヤ２の前面から見たとき、キングピン軸Ｚｋとタイヤ中心軸Ｚｔとが一致している。また、図６に示すように、タイヤ２が転舵したとき、タイヤ２とサスペンション機構７との位置関係は維持される。

【0039】

特許文献１に開示された操舵装置では、タイヤの転舵中心であるキングピン軸がタイヤの幅方向の中心軸からオフセットしている。そのため、障害物、段差等の外乱や制駆動時のトルクステア等が発生し、「走る／曲がる／止まる」の動作が干渉するおそれがある。

【0040】

それに対し本実施形態では、キングピン軸Ｚｋとタイヤ中心軸Ｚｔとを一致させ、オフセセットをゼロにすることでトルクステアがゼロになる。つまり、図５において（＊１）の矢印で示すように、制駆動力による実転舵トルクへの影響が無くなるため、「走る／曲がる／止まる」の動作の干渉を防止することができる。また、（＊２）の衝撃マークで示すように、段差や石等の外乱による実転舵トルクへの影響が無くなる。したがって、耐外乱性が向上する。

【0041】

（その他の実施形態）
（ａ）車輪モジュール１０が用いられる独立転舵車両は、四輪車両に限らず、二輪車や三輪車でもよい。二輪車や三輪車においても、前輪用の車輪モジュール１０Ｆは、サスペンション機構７がタイヤ中心軸Ｚｔに対して車両の前方側に設けられており、後輪用の車輪モジュール１０Ｒは、サスペンション機構７がタイヤ中心軸Ｚｔに対して車両の後方側に設けられていることが好ましい。また、四輪車両の場合、全輪が独立転舵輪であるとは限らず、例えば左右の前輪は独立転舵輪であり、左右の後輪はラックバーで接続されていてもよい。このように、独立転舵輪を二つ以上含む車両であれば、車輪モジュール１０が用いられる対象車両となり得る。

【0042】

（ｂ）転舵部３、駆動部５、制動部６の具体的構成は、上記実施形態に限らず、それぞれの機能が実現される構成であればよい。転舵モータ３１は、二重巻線モータに限らず、三組以上の複数の巻線組を冗長的に有する多重巻線モータで構成されてもよい。或いは、一組の巻線組からなるモータで構成されてもよい。

【0043】

（ｃ）アーム４は、アッパーアーム４１とロッカーアーム４５とが連結された構成に限らず、一体で転舵部３とタイヤ２とを接続するものであってもよい。

【0044】

（ｄ）車輪モジュール１０は自動運転車両に適用されてもよい。その場合、上記実施形態の転舵部３、駆動部５、制動部６の説明における「ドライバの操作に応じて」を「自動運転の指令に応じて」と読み替えればよい。

【0045】

以上、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。

【符号の説明】

【0046】

２・・・タイヤ、
３・・・転舵部、
４・・・アーム、
５・・・駆動部、
６・・・制動部、
７・・・サスペンション機構、
１０・・・車輪モジュール、
９０・・・車両。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】