KR100477515B1 - 마찰판식 자동차용 차동 제한 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마찰판식 자동차용 변속기 차동 제한 장치에 관한 것이다.

일반적인 차량의 선회시 또는 직진시 일지라도 한쪽의 바퀴가 평탄로를 주행하고 다른 한쪽의 바퀴가 요철로 주행하는 경우, 또는 양 바퀴의 노면간 마찰계수, 노면상태 및 동하중 반경의 차이가 발생하는 경우, 좌우 구동 바퀴는 회전 속도 차가 발생하는 데, 이 회전 속도차를 흡수하여 구동 바퀴 양단에 균등한 토오크를 분배함으로써 원활한 주행이 가능하도록 하는 장치가 자동차의 차동 장치이다.

그러나 이러한 차동 장치는 좌우 구동륜에 균등하게 토오크를 분배하기 때문에 한쪽 바퀴가 진흙 등에 빠져 헛돌면 다른 바퀴에도 토오크가 전달되지 않아 주행 불능 상태를 초래할 수 있으며, 급선회시에는 외측 바퀴로의 하중 이동으로 내측바퀴에 토오크가 전달되지 않아 차량 가속성이 감소되며 정상 노면에서의 급발진시에도 직진 안정성이 저하되는 등의 단점이 있다.

특히, 급발진, 급가속 및 급선회 등이 반복되는 모터 스포츠용 차량에서의 직진 안정성 향상 또는 선회시 가속성 향상 및 비포장 또는 험로에서의 주행이 요구되는 차량들은 가속성 직진성 향상을 위하여 좌우 바퀴에 알맞은 토크를 배분하는 차동 제한 장치가 필수적이다.

따라서, 본 발명의 목적은 차동 장치에 차동 제한 토오크를 발생시켜 회전축의 전달 토오크를 증대시키는 것으로서, 마찰판식 자동차용 변속기 차동 제한 장치 구조를 제공하는 데 있다.

본 발명의 구조는 좌우 분리형 디프렌셜 케이스와, 같은 토오크 분배를 갖는 차동 기어의 양쪽 사이드 기어와, 디프렌셜 케이스와 양쪽 사이드 기어 사이에서 마찰력에 차동 제한 토오크를 발생 시키는 다수의 클러치 플레이트 및 프레셔 플레이트와, 4개의 피니언 기어 및 피니언 기어를 지지하는 캠 샤프트와, 양쪽 프레셔 플레이트와 클러치 플레이트에 차동 제한 토오크를 전달하는 캠과, 차동 제한이 발생하는 최소 토오크 크기를 결정하는 코일 스프링을 포함한다.

본 발명은 자동차의 급발진 또는 선회시 차량의 직진 안정성 및 가속성 향상을 위해 좌우 바퀴에 알맞은 토크를 배분하는 마찰판식 자동차용 차동 제한 장치 구조에 관한 것이다.

Description

마찰판식 자동차용 차동 제한 장치 {Friction Plate Type Limited Slip Differential for Vehicle}

본 발명은 급발진, 급가속 및 급선회 등이 반복되어 차량의 직진 안정성 향상 또는 선회시 가속성 향상 등의 조건이 요구되는 모터 스포츠 차량이나, 비포장 주행 또는 험로 탈출 등 구동력 증대가 요구되는 차량 운전시 차동을 제한함으로써 좌우 구동 바퀴에 적절한 구동력을 배분하는 자동차 변속기용 마찰판식 차동 제한 장치에 관한 것이다.

종래 마찰판식 차동 제한 장치에 관한 기술은 마찰판의 마찰 특성이 불안정하고, 토오크 배분을 일정하게 유지하기 위하여, 마찰판의 마모에 따라 마찰판 간극을 주기적으로 재조정 해야 하는 문제점이 있었다

또한 접시 스프링은 도 10에서와 같이 변위에 대한 스프링의 하중 특성이 비선형적이어서 하중 조절이 곤란하고, 스프링 상수 변경이 어렵워 미세 차동 토오크 조정이 어려운 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 상기 종래 기술의 문제점 해결을 위한 것으로서, 마찰판의 마찰 특성을 안정화 시키고, 마찰판의 마모량에 따른 토오크 재조정이 불필요할 뿐만 아니라 정교한 토오크 조정이 가능한 마찰판식 차동 제한 장치 구조를 제공하는 데 있다.

상기 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 마찰판의 안정된 특성을 얻로록 마찰판 표면의 윤활홈 형상을 개선하여 마찰계수 설정을 적정화 하였다. 차동 토오크의 재조정 및 정교한 토오크 조정을 위하여 기존의 변위에 대한 하중 특성이 비선형적인 접시 스프링 대신 변위에 대한 하중 특성이 선형적인 복수의 코일 스프링을 적용하였다.

본 발명의 실시 예에 대하여 첨부된 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.

차량 변속기에서 차동 제한 장치의 장착 상태는 도 2 와 같다. 본 발명의 차동 제한 장치는 도 1과 도 3에서와 같이 케이스, 마찰판, 차동부 및 스프링 등으로 구성되어 있다.

케이스(1),(2)는 그 내부에 기어류 , 플레이트류 및 코일 스프링을 내장할 수 있도록 하며, 조립의 용이성을 위하여 전후 분리형 즉, 프런트 케이스(1)와 리어 케이스(2)로 구성 되며, 프런트 케이스(1)와 리어 케이스(2)는 연결 부재(14)로 결합된다. 상기 케이스(1),(2) 양단은 베어링(13)에 의해 변속기 케이스(17)에 지지 되고, 종래의 기술과 같이 구동원에 구동 되는 디프 드라이브 기어(16)에 연결되어 회전하여 드라이브 샤프트(18)를 통하여 차량 바퀴에 구동력을 전달한다.

마찰판은 케이스 플레이트(3)와 클러치 플레이트(4)로 구성되며, 케이스 플레이트(3)는 플레이트 외측 원주 방향으로 다수의 돌기(3a)가 형성되어 케이스 내측 스플라인(1a),(2a)을 따라 케이스(1),(2)에 적층 고정된다. 클러치 플레이트(4)는 적층된 케이스 플레이트(3) 사이에 위치하고, 클러치 플레이트(4) 내측 원주부에 다수의 돌기부(4a)가 형성되어 사이드 기어의 외측 원주 스플라인(6a)을 따라 고정되고 사이드 기어(6)에 작용하는 토오크를 전달하며, 적층된 케이스 플레이트(3)와 클러치 플레이트(4)는 피니언 샤프트(10)를 기준으로 캠(7).(8)과 케이스(1),(2) 사이 양단에 대칭으로 구성된다. 케이스 플레이트(3)와 클러치 플레이트(4)의 마찰 특성은 차동 제한 성능에 직접적인 영향을 미치기 때문에 원활한 윤활 작용으로 마찰 특성 및 마찰계수 변화가 안정하도록 케이스 플레이트(3)와 클러치 플레이트(4) 양 표면에 도 7, 도 8과 같이 윤활 홈(3b),(4b)을 설치하였다. 케이스 플레이트(3) 양 표면에 플레이트 중심으로부터 임의의 각도로 원주를 등분하여 설치한 오일 홈(3a) 형상은 케이스(1),(2)에 고정되어 회전하는 상태에서 비산에 의한 윤활 작용을 가장 극대화할 수 있는 구조로 고안하였으며, 클러치 플레이트(4)에 플레이트 중심으로부터 임의의 거리 만큼 편심된 중심을 갖는 나선 형상의 윤활 홈(4b) 형상은 사이드 기어(6)에 고정되어 회전 운동 상태에서 오일의 유입 및 유출을 가장 극대화 할 수 있는 형상으로 고안함으로써, 플레이트 간의 안정된 윤활막을 유지하여 플레이트 소착 방지 및 안정된 마찰 특성을 얻을 수 있도록 하였다.

차동 제한 장치의 차동부는 한 쌍의 사이드 기어(6)와 4개의 피이언 기어(9) 및 피니언 기어(9)를 지지하는 十자형 피니언 샤프트(10) 및 피니언 샤프트(10)를 지지하는 프론트 캠(7) 및 리어 캠(8)으로 구성 되어 있다. 사이드 기어 내측 스플라인(6b)은 드라이브 샤프트(18)와 연결되어 차량 바퀴에 구동력을 전달하며 사이드 기어(6) 양 끝단은 스페이서(11)로 케이스(1),(2)에 지지된다. 피니언 기어(9)는 十자형 피니언 샤프트(10) 각 단에 조립되어 피니언 샤프트(10)를 중심으로 자전하며, 사이드 기어(6)에 치합되어 사이드 기어(6) 주위를 공전한다. 또한 피니언 기어(9)는 기존 차량 변속기 내부의 구조 변경 없이 적용 가능하도록 소형 고용량화를 위하여 4 피니언 구조를 채택하였다. 프론트 캠(7)과 리어 캠(8)은 도 6에서와 같이 서로 대칭 형상이며, 외측 원주에 케이스 플레이트(3)와 동일한 형상의 돌기(8a)가 형성되어 피니언 기어(6) 및 피니언 샤프트(10)의 원주 방향의 운동을 지지하도록 케이스 스플라인(1a),(2a)에 고정된다. 캠(7),(8) 외측 원주에는 피니언 샤프트(10)를 지지할 수 있도록 4개의 홈(19)이 형성되어 있다. 캠 홈(19) 형상은 차량의 가속시에 피니언 샤프트(10)가 캠 홈(19)의 경사면을 따라 이동하여 프런트 캠(7)과 리어 캠(8) 간의 간격이 커지고 케이스 플레이트(3)와 클러치 플레이트(4)가 서로 압착되어 차동이 제한되며, 감속시에는 피니언 샤프트의 운동이 제한되어 차동을 허용할 수 있는 구조로 되어있다

스프링은 여러 개의 코일 스프링(5)으로 구성되어 케이스의 스프링 장착 홈(1b),(2b)에 설치 되며, 케이스 플레이트(3)와 클러치 플레이트(4)에 예압을 가하여 차동 제한 토오크를 발생시키며, 차량의 목적에 따라 코일 스프링(5) 수만을 가감하거나 스프링 상수가 다른 스프링 선택이 가능한 구조로 고안함으로써 차동 제한 토오크를 조절하기 용이한 구조이다.

본 발명의 차동 제한 장치의 작동 원리는 다음과 같다.노면의 조건이나 차량의 회전 운동에 의하여 좌우 구동바퀴에 크기가 서로 다른 반력이 작용하여 양 사이드 기어(6)에 토오크 차이가 발생하면 양 사이드 기어(6)와 치합되어 있는 피니언 기어(9)에 회전 토오크가 전달되고, 피니언 기어(9)와 피니언 샤프트(10)를 사이드 기어(6) 회전축 중심으로 회전시킨다. 피니언 샤프트(10)의 회전 운동에 의해 캠 홈(19)에서 피니언 샤프트(10)와 경사면으로 접촉하고 있는 프런트 캠(7)과 리어 캠(8)의 경사면에는 도 6에서와 같이 경사면과 수직 방향의 반력(Fn)이 발생한다. 경사면에 수직 방향의 힘(Fn)은 원주 방향의 힘(Fr)과 축 방향의 힘(Fx)으로 나뉜다. 원주 방향의 힘(Fr)은 캠(7),(8)을 회전시키려고 하지만 리어 케이스 스플라인(2a)에 의해 고정되어 원주 방향의 운동이 허용되지 않는다. 축 방향의 힘(Fx)은 캠(7).(8)을 케이스 스플라인을 따라 케이스 플레이트(3)와 클러치 플레이트(4)에 압착 시키는 방향으로 작용한다

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프론트 캠(7) 과 리어 캠(8)이 코일 스프링(5) 예압을 이기고 케이스 스플라인(1a),(2a) 을 따라 이동하면 두 캠(7).(8) 사이의 간격이 커져 케이스 플레이트(3)와 클러치 플레이트(4)를 압착 시킨다. 캠(7).(8)에 의해 케이스 플레이트(3)와 클러치 플레이트(4)가 압착되면, 케이스 스플라인(1a),(2a)에 의해 고정되어 있는 케이스 플레이트(3)와 사이드 기어(6)의 회전 토오크에 의해 회전하려는 클러치 플레이트(4) 사이에는 상대 운동이 발생하여 마찰 토오크가 발생한다. 이 때 케이스 플레이트(3)와 클러치 플레이트(4) 사이에서 발생하는 마찰력에 의한 토오크의 크기가 사이드 기어(6)에 작용하는 토오크 차이 보다 크면 차동이 제한되며, 사이드 기어(6)에 작용하는 토오크 차이가 점점 증가하여 마찰 토오크 보다 커지면 비로소 차동이 발생하기 시작한다.

따라서, 차동 토오크의 크기, 즉 구동 바퀴 양단에 발생하는 토오크 차이가 차동 제한 토오크 보다 작으면, 케이스 플레이트(3)와 클러치 플레이트(4) 사이에는 상대 운동 없고 내부 부품은 케이스(1),(2)와 일체로 회전하여 바퀴 양단에 같은 크기의 구동력이 전달된다. 바퀴 양단의 토오크 차이가 점점 증가하여 마찰 토오크 보다 커지면 케이스 플레이트(3)와 클러치 플레이트(4) 사이에 상대 운동이 발생하게 되고 비로소 차동을 허용하게 된다. 따라서, 차동 제한 토오크는 코일 스프링(5) 예압의 크기와 두 캠(7),(8)의 압착에 의한 케이스 플레이트(3)와 클러치 플레이트(4)의 마찰 토오크에 따라 결정이 된다.

차량은 험로 탈출 등의 운전 조건 하에서는 구동력을 충분히 활용할 수 있도록 적절한 차동 제한이 이루어져야 하며, 동시에 선회 및 일반적인 주행 조건 하에서는 원활한 주행을 위하여 차동을 허용해야 하므로 차동 제한 토오크의 크기는 차량의 사용 목적 또는 운전 조건에 따라 달라진다. 따라서, 차동 장치의 차동 제한 토오크 크기 설정이 중요하다. 본 발명은 차량의 구동력을 충분히 활용하고, 원활한 차동을 허용하는 마찰판식 차동 제한 장치로서, 내구 진행에 따른 차동 제한 토오크 변화가 작고, 코일 스프링(5) 수 만을 조절하거나 임의의 다른 스프링 상수의 코일 스프링을 적용함으로써, 구조 변경 없이 차량의 용도에 맞는 차동 제한 토오크 조정이 용이하며, 도 7과 도 8에서와 같이 원활한 윤활 작용으로써 소착 방지, 안정된 마찰 특성 및 마찰계수 유지를 위한 케이스 플레이트(3)와 클러치 플레이트(4) 표면의 윤활홈 형상(3b),(4b)을 그 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 마찰판식 차동 제한 장치의 구조로서 접시 스프링 대신 코일 스프링 채용으로 사용 중 마찰판 마모에 의한 간극 재조정의 번거로움이 없고, 4 피니언 기어의 채용으로 차동 장치의 소형 고용량화가 가능하며 마찰판의 마찰 특성 안정화로 마찰판의 슬립에 의한 고착 및 이음 발생을 방지할 수 있다

도 1은 본 발명 차동 제한 장치의 분리 사시도이다.

도 2는 본 발명 자동 제한 장치의 변속기 장착 형상이다.

도 3은 본 발명 차동 장치의 정면도이다.

도 4는 본 발명 자동 제한 장치 단면 C-C 이다.

도 5는 본 발명 자동 제한 장치 단면 D-D 이다.

도 6은 본 캠 홈에 작용하는 분력을 나타낸다.

도 7은 본 발명 차동 제한 장치에 적용되는 케이스 플레이트 형상과 그 윤활 홈 형상을 나타낸다.

도 8은 본 발명 차동 제한 장치에 적용되는 클러치 플레이트 형상과 그 윤활 홈 형상을 나타낸다.

도 9는 리어 케이스 스플라인 형상과 코일 스프링 장착 홈 형상을 나타낸다.

도 10은 종래의 차동 제한 장치에 적용되는 접시 스프링 특성 곡선을 나타낸다. 1 : 프론트 케이스 1a : 프론트 케이스 스플라인 1b : 프론트 케이스 코일 스프링 장착 홈 2 : 리어 케이스 2a : 리어 케이스 스플라인 2b : 리어 케이스 코일 스프링 장착 홈 3 : 케이스 플레이트 3a : 케이스 플레이트 돌기 3b : 케이스 플레이트 오일 홈 4 : 클러치 플레이트 4a : 클러치 플레이트 돌기 4b : 클러치 플레이트 오일 홈 5 : 코일 스프링 6 : 사이드 기어 6a : 사이드 기어 외측 스플라인 6b : 사이드 기어 내측 스플라인 7 : 프론트 캠 8 : 리어 캠 8a : 캠 돌기 9 : 피니언 기어 10 : 피니언 샤프트 11 : 스페이서 12 : 스피도 메타 드라이브 기어 13 : 베어링 14 : 연결 부재 15 : 차동 제한 장치 어셈블리 16 : 디프 드라이브 기어 17 : 변속기 케이스

18 : 드라이브 샤프트 19 : 캠 홈

Claims (3)

1. 플레이트 외측 원주 방향으로 다수의 돌기(4a)가 형성되어 케이스 내측 스플라인(1a),(2a)을 따라 케이스(1),(2)에 적층 고정되는 케이스 플레이트(3)와, 케이스 플레이트(3) 사이에 위치하며 플레이트 내측 원주부에 다수의 돌기부(3a)가 형성되어 사이드 기어(6)의 외측 원주 스플라인(6a)에 의해 사이드 기어(6)에 작용하여 토오크를 전달하는 클러치 플레이트(4)와, 한 쌍의 사이드 기어(6)와, 고용량 및 소형화를 위하여 4개로 구성된 피니언 기어(9) 및 피니언 기어를 지지하는 十자형 피니언 샤프트(10)와, 피니언 샤프트(10)를 지지하며 원주에 형성된 경사면을 따라 토오크를 케이스 플레이트(3)와 클러치 플레이트(4)에 전달하는 프론트 캠(7) 및 리어 캠(8)과, 상기 케이스 플레이트(3)와 클러치 플레이트(4)에 예압을 가하여 차동 제한 토오크를 발생시키는 코일 스프링(5)과 상기 코일 스프링(5)을 수용하는 케이스 스프링 장착 홈(1b),(2b)과 상기 케이스 플레이트의 돌기(3a)를 수용하는 스플라인(1a),(2a)을 내측에 형성시킨 전후 분리형의 케이스(1),(2)로 이루어 진 것을 특징으로 하는 자동차용 마찰판식 차동 제한 장치.
2. 청구항 제 1항에 있어서, 상기 케이스 플레이트(3)는 플레이트 중심으로부터 임의의 각도로 원주를 등분하는 오일 홈 형상(3b)을 특징으로 하는 자동차용 마찰판식 차동 제한 장치.
3. 청구항 제 1항 또는 2항에 있어서, 상기 클러치 플레이트(4)는 플레이트 중심으로부터 임의의 거리 만큼 편심된 중심을 갖는 나선 형상의 윤활 홈(4b) 형상을 특징으로 하는 자동차용 마찰판식 차동 제한 장치.