JP4721021B2 - 差動歯車機構 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、差動装置、特に、差動歯車装置が電気入力信号に応答してロックされる形式の差動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明に関連する差動装置は、歯車室を区画する歯車ケースを有しており、この歯車室内には、少なくとも一つの入力ピニオン歯車と、一対の出力サイド歯車を含む差動歯車セットが配設されている。一般的に、クラッチパックは、少なくとも一方のサイド歯車と隣接する歯車ケース面との間に配設されており、歯車ケースと一方のサイド歯車との間の相対回転を制限するように作動する。この形式の差動装置では、種々の手法でクラッチパックを係合させることができる。
【０００３】
一つの手法として、「差動ロック」式の差動装置が、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第Ｒｅ２８、００４号に開示されている。この特許は参考として本説明に含まれる。この特許のクラッチパックは普通に連結解除されるが、車輪の一つが空転し始めると、速度感知機構により速度差を感知し、ランプ機構を介してクラッチパックを固くロックする。その後、差動装置の両出力軸は同じ速度で回転する。
【０００４】
また、本発明の譲受人に譲渡され、本説明に参考として含まれる米国特許第５、０１９、０２１号には、他の手法が示されている。この「差動制限装置」では、外部からの電気入力信号に応答してクラッチパック上の負荷を変化させて、即ち、クラッチパック内のスリップ量を変化させて、一方のサイド歯車から他方のサイド歯車に伝達されるトルク量を変化させる。当業者には周知のように、一般的に、差動制限装置では、車両が最適なトラクション状態にない場合には常に、両サイド歯車間には、一定の「スリップ」量、即ち、速度差が存在する。
【０００５】
本発明に関連する差動制限装置や差動ロック装置の性能は十分であるが、特定の車両に適用する場合にある種の設計上の不利が存在する。つまり、少なくとも一つのクラッチパック或は一般的に二つのクラッチパックを必要とするため、特に、連続するスリップ状態での温度上昇に耐えられるように、個々のクラッチディスク材として、より高性能の摩擦材を必要とする場合、差動装置の総コストが増加してしまう。
【０００６】
さらに、既存のオープン式差動装置(open differential)にかえてトラクション修正式差動装置(traction modifying differential)を車両に適用する場合、周囲の構造を改造することなく、オープン式差動装置のスペース内にトラクション修正式差動装置を装着しなければならない。この場合、既存の差動装置のケース内に、一つあるいは二つのクラッチパックを追加する場合、ピニオン歯車やサイド歯車を改造したり、或いはこれらの歯車のサイズを小さくする必要があるため、実行可能性が低くなる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、低コストで摩擦ディスク用のスペースを必要としない差動装置ロック機構を提供することにある。
【０００８】
また、本発明の他の目的は、外部の電気入力信号に応答して、素早く連結或いは連結解除される差動装置ロック機構を提供することにある。
【０００９】
さらに、本発明の他の目的は、上記目的を達成すると共に、最低限の構造改造を必要とするコンパクトな作動機構を備えた差動装置ロック機構を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述した本発明の目的は、回転軸を限定し、歯車室を区画する歯車ケースを備えた差動歯車機構を提供することにより達成される。差動歯車機構は歯車室内に配設されており、少なくとも一つの入力歯車と第一及び第二出力歯車を有している。差動歯車機構は、歯車ケースと共転する第一出力歯車の回転を制限する手段を有している。差動歯車機構は、回転制限手段の作動手段を備えており、該作動手段は、カム−ランプ式アクチュエータを構成する第一及び第二作動板を有している。第一及び第二作動板が非作動状態から作動状態に相対的に回転することにより、回転制限手段を係合状態に移動させる。非作動状態において、第二作動板は歯車ケースと一緒に回転するように配設されている。第二作動板に隣接して電磁アクチュエータが配設されており、該電磁アクチュエータは、電気入力信号に応答して第二作動板と摩擦係合する作動位置に移動する摩擦手段を有しており、第一及び第二作動板を作動状態へ相対的に回転させる。
【００１１】
改良された差動歯車機構は、第一作動板に隣接して配設されたロック部材を構成する回転制限手段を特徴としており、ロック部材は、歯車ケースに対して非回転可能に固定され、軸方向に移動可能である。被ロック部材は第一出力歯車と共転するように固定されている。ロック部材及び被ロック部材は、第一及び第二作動板が作動状態に回転されると、両部材の相対回転を互いにロックして、第一出力歯車を歯車ケースに対してロックする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明を限定するものではないが、図面を参照すると、図１には、本発明の差動装置ロック機構の軸方向断面が示されている。図１に示す形式の差動装置の構造及び作用は、上述した特許を参照することによりさらに良く理解できるであろう。
【００１３】
図１には、歯車室１３を区画する歯車ケース１１を有する差動歯車機構（差動装置ロック機構）が示されている。一般的に、差動装置には、歯車ケース１１のフランジ１５にボルト１６などの適宜の手段により取り付けられた入力リング歯車１４を介してトルクが入力される。
【００１４】
歯車室１３内には、ピニオンシャフト１９に回転可能に装着された一対の入力ピニオン歯車１７を含む差動歯車セットが配設されている。一般的に、ピニオンシャフト１９は、固定ピン（図示しない）などの適宜の手段を介して歯車ケース１１に固定されている。ピニオン歯車１７は、差動歯車セットの入力歯車を構成しており、一対のサイド歯車２３及び２５と噛み合っている。サイド歯車２３及び２５には、直線状の内側スプライン２７及び２９が形成されており、一対の出力軸（図示しない）の外側スプラインとスプライン結合されている。歯車ケース１１は、一対の軸受セット３５及び３７に装着される環状のハブ部３１、３３を有しており、差動歯車機構は一対の軸受セットを介して外側の差動装置ハウジング（Ｈ）に対して回転支持されている。図１に示す歯車ケース１１は、二部材から構成されているが、これは本発明の本質的な特徴を示すものではないことに注意すべきである。
【００１５】
当業者には周知であるように、車両の直進中には、左右のサイド歯車２３及び２５間に差動作用は起こらないため、ピニオン歯車１７はピニオンシャフト１９に関して回転しない。歯車ケース１１、ピニオン歯車１７、両サイド歯車２３及び２５は、一体のユニットとして回転軸Ａに関して回転する。
【００１６】
本発明の差動装置ロック機構は、種々のモードで作動できることを理解すべきである。差動装置は、ドライバーがロックモードを手動的に選択することにより手動的に操作可能であり、車両が動き始めると、差動装置は直ちにロックモードで作動される。また、差動装置ロック機構は、自動モードでも操作でき、例えば、車両のマイクロプロセッサが車輪スリップなどの作動状態を感知して、適宜の電気入力信号を差動装置ロック機構へ伝達し、サイド歯車２３を歯車ケース１１に対してロックして、さらなる差動作用を防止する。
【００１７】
差動装置ロック機構の自動作動モードの場合には、車両の旋回、タイヤサイズの違いなどのある特定の作動状態では、サイド歯車２３と２５の間に所定量の差動作用が生じることを理解すべきである。しかしながら、本発明の一つの重要な特徴によれば、図１に示す差動装置ロック機構は、クラッチパックや差動作用を単に遅らせたり制限する他の機構を含んでいない。
【００１８】
図２を参照すると、本発明の差動装置ロック機構は、歯車ケース１１内に配設された回転制限機構３９を有している（図５も参照）。また、差動装置ロック機構は、一部が歯車ケース１１の内部に、他の一部が歯車ケース１１の外側に配設された作動機構４１を備えている。
【００１９】
さらに図２を参照すると、回転制限機構３９は、歯車ケース１１の径方向内側で放射方向外側に延びる「被ロック部材」を構成する環状フランジ部４３を備えたサイド歯車２３を有している。好適には、被ロック部材４３は、部品数を減らし、製造コストを低減するように、サイド歯車２３と一体に形成されているが、被ロック部材４３がサイド歯車２３と一緒に回転するようにサイド歯車に固定されていることが重要である。フランジ部４３の「外側」表面、即ち、図２の左側には、歯車歯４５が環状に配列されている。歯車歯の形状や形式は本発明の本質的な特徴ではないが、好適には本発明の範囲に含まれるべきものであることを理解すべきである。歯車歯４５に直に隣接して対面するように環状のロック部材４７が配設されており、該環状のロック部材４７には、歯車歯４５と噛み合い連結される環状に配列された歯車歯４９が形成されている。図２には、歯車歯４５と歯車歯４９が噛み合っていない状態が示されている。本発明の本質的な特徴ではないが、好適には、歯車歯４５及び４９の列は、回転軸Ａにほぼ垂直なピッチ平面を画定している。しかしながら、歯車歯４５及び４９のフランクは、図５に示すように、数度の角度でわずかに傾斜して配置されることが有利であり、このようにすることにより、トルクを反転させることなく容易に歯車歯の連結を解除することができることに注意すべきである。
【００２０】
ロック部材４７には、一組の外側スプライン５１が形成されており、歯車ケース１１の左側の内径に形成された一組の内側スプライン５３とスプライン係合される。ロック部材４７は歯車ケース１１に対して固定されるが、図２に示す位置から歯車歯４５と４９が噛み合い連結される位置まで軸方向に移動可能である。歯車歯４５と４９が連結される位置が回転制限機構３９の連結位置である。ロック部材４７と歯車ケース１１の隣接面との間には、一組の波形スプリングが配設されており、ロック部材４７を図２に示す連結解除位置に向けて付勢している。
【００２１】
さらに図２を参照すると、二つのサブアセンブリ、即ち、ボール−ランプアクチュエータと電磁アクチュエータから構成される作動機構４１が示されている。ボール−ランプアクチュエータは、本発明の特徴の一つである環状の内側作動板５７を備えており、該内側作動板は環状のロック部材４７と一体に成形されている。また、ボール−ランプアクチュエータは環状の外側作動板５９を備えている（図３も参照）。この外側作動板５９は、スナップリング６１とスラスト軸受６３を介して歯車ケース１１に対して軸方向に保持されている。
【００２２】
内側作動板５７には複数のランプ面６５が、また、外側作動板５９には複数のランプ面６７が形成されている。この実施の形態では、３個のランプ面６５と３個のランプ面６７があり、図２に示す連結解除位置、即ち、中立位置では、各ランプ面６５は、いずれか一つのランプ面６７と周方向に整列されている。さらに、各ランプ面６５及び６７の最深部は、歯車ケース１１の端部壁７１に形成されたほぼ円筒状の開口６９と周方向に整列されている。各開口６９内には、隣接するランプ面６５及び６７と係合するカムボール７３が配設されている。本発明はカムボールに限定されるものではなく、種々の他形式のカム−ランプ配列を用いることができることを理解すべきである。好適には、前述した米国特許第５，０１９，０２１号に開示されているように、開口６９はカムボール７３よりもやや大きく形成されている。このように、作動板５７及び５９、ランプ面６５及び６７、開口６９及びカムボール７３によりボール−ランプアクチュエータが構成されており、外側作動板５９の回転を遅らせるように軸方向に比較的低いトルクを伝達して、ロック部材４７を連結位置へ移動させる。
【００２３】
作動機構４１は、ボール−ランプアクチュエータを作動させるために、外側作動板５９に所定の遅延トルクを発生させる電磁コイルアセンブリ７５を備えている。コイルアセンブリ７５はほぼ環状で、回転軸Ａに関して同心に形成され、ハウジングＨに固着されている。コイルアセンブリ７５は、電磁コイル７９を収容した環状のコイルハウジング７７を有しており、１対のリード線８１を介して電気入力信号を受信している。ここでは、非常にコンパクトであり、簡単に組付けることができるほぼ環状のコイルアセンブリ７５が示されている。好適には、コイルアセンブリ７５は、１９９８年１月２日に、David P.Godlew及びDavid M.Prestonの名前で出願された「差動歯車機構及びそのボールランプアクチュエーション」と題する米国特許出願第０９／００２、５２６号の開示内容にしたがって製造される。この特許出願は本発明の譲受人に譲渡されたものであり、参考として本説明に含まれる。
【００２４】
図２において、コイル７９の右側には、熱分解炭素(pyrolytic carbon)摩擦材などの適宜の摩擦材層を具備したステンレススチール製スペーサ８３が配設されている。熱分解炭素摩擦材は、本発明の譲受人に譲渡され、参考として本説明に含まれる米国特許第４，７００，８２３号の開示内容にしたがって製造される。スペーサ８３は非磁性材から構成する必要があるため、コイル７９の回りの磁束線はスペーサ８３を通過しないが、環状の駆動板８５を通過する。そのため、コイル７９が励磁されると、磁束線が駆動板８５を通過して、駆動板８５を引き付けて、スペーサ８３の摩擦材と摩擦係合させる。図３に示されると共に、前述した米国特許出願第０９／００２、５２６号に詳細に開示されているように、駆動板８５及び外側作動板５９は、複数の駆動ピン８７を介して相互に結合されている。駆動ピン８７は、駆動板８５及び外側作動板５９に形成された円形に配列された開口にプレス装着されているため、駆動板８５及び外側作動板５９は円周方向には実質的に移動しない。
【００２５】
作用
リード線８１に入力信号がなく、コイル７９が励磁されていない場合は、駆動板８５はコイルアセンブリ７５から離脱しており、ボール−ランプアクチュエータは、図２に示すように、中央位置即ち中立位置に留まっており、歯車歯４５及び４９の連結は解除された状態のままである。この連結解除状態においては、差動装置はオープン式差動装置のように作動され、各駆動軸は単独で自由に回転することができる。
【００２６】
従来技術で述べたように、本発明は手動モード及び自動モードのいずれでも作動させることができる。まず、手動モードについて考察すると、ドライバーは車両が停止している状態で「ロック」モードを選択すると、車両は移動していないのでロックアップは起こらない。しかしながら、コイル７９は励磁され、駆動板８５を引き寄せる。車両が動き始めると、サイド歯車２３と歯車ケース１１との間には如何なる差動作用も起こらないので、差動装置全体は一つのユニットとして回転を継続する。しかしながら、本発明の一つの重要な特徴によれば、差動装置がハウジングＨに関して回転し始めるや否や、実質的なスリップ速度が形成される前に、ボール−ランプアクチュエータが作動して、ロック部材４７は軸方向に移動され歯車歯４５及び４９が噛み合い連結される。ロック部材４７は歯車ケース１１にスプライン結合され、非ロック部材４３はサイド歯車２３と一体であるため、歯車歯４５及び４９が噛み合い連結されると、サイド歯車２３は歯車ケース１１に対して回転しないように固定され、その後、差動装置は、差動装置全体が一つのユニットとして回転するロックモードで作動される。
【００２７】
本発明が自動モードで作動される場合、車輪の空転或は他の車両パラメータが感知されるまで、差動装置は図２に示すような非連結状態で作動される。車両のマイクロプロセッサから所定の信号がリード線８１に送信されるとコイル７９が励磁される。コイル７９が励磁されるや否や、ボール−ランプアクチュエータが作動して、歯車歯４５及び４９が連結される。自動モードでは、作動が開始される時にロック部材４７と被ロック部材４３は相対的に回転している。しかしながら、歯車歯４５及び４９の損傷を防止するために、所定の作動状態が感知されたら直ちに連結させる方が好ましい。本発明の利点の一つは、特に、自動モードで作動されている場合に、機構は素早く反応できることである。つまり、本発明の機構は、「連結」が指令されると２００ミリセコンド以内に連結状態を達成し、また、「連結解除」が指令されると１５０ミリセコンド以内に連結解除状態を達成できることである。
【００２８】
さらに、本発明は、歯車歯を保護するために、車両のマイクロプロセッサからのブレーキ信号に応答して素早く連結解除させることができるため、差動機構が車両のＡＢＳシステム（アンチロックブレーキシステム）の作動を妨げることはない。差動装置が連結解除されると、各車輪には個々にブレーキが作用する。
【００２９】
以上、明細書において本発明を詳細に説明してきたが、明細書を読んで理解することにより、本発明を変更したり修正することは当業者であれば明らかであり、そのような変更や修正は、請求の範囲内にある限り本発明に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の差動装置ロック機構の非ロック状態を示す軸方向断面図である。
【図２】図２は、本発明の差動装置ロック機構の非ロック状態を示す図１の部分拡大図である。
【図３】図３は、本発明の特徴とする外側作動板を図１の右方から見た平面図である。
【図４】図４は、本発明の差動装置ロック機構のロック状態を示す図２と同様の部分拡大図である。
【図５】図５は、歯車ケースを取り除くと共に一部を切り欠いた本発明の差動装置ロック機構の斜視図である。
【符号の説明】
１１ 歯車ケース
１３ 歯車室
１７ 入力歯車
２３ 第一出力歯車（サイド歯車）
２５ 第二出力歯車（サイド歯車）
３９ 回転制限機構
４１ 作動機構
４３ 被ロック部材
４５、４９ 歯車歯
４７ ロック部材
５７ 内側作動板
５９ 外側作動板
６５、６７ ランプ面
６９ 開口
７１ 端部壁
７３ カムボール
７５ 電磁コイルアセンブリ
７９ 電磁コイル
８１ リード線
８３ スペーサ（摩擦手段）
８５ 駆動板
８７ 駆動ピン

Claims (11)

1. 回転軸（Ａ）を限定し、歯車室（１３）を区画する歯車ケース（１１）と；
   前記歯車室（１３）内に配置され、少なくとも一つの入力歯車（１７）と第一出力歯車（２３）及び第二出力歯車（２５）を含む差動歯車手段と；
   前記歯車ケース（１１）に対する前記第一出力歯車（２３）の回転を制限して、前記歯車ケース（１１）と共転するように作動可能な回転制限手段と；
   前記回転制限手段の作動手段であって、該作動手段はカム−ランプ式アクチュエータを構成する第一作動板（５７）及び第二作動板（５９）を有しており、第一作動板（５７）及び第二作動板（５９）が非作動状態から作動状態へ相対的に回転することにより、前記回転制限手段を連結状態に移動させる作動手段と；
   前記非作動状態において前記歯車ケース（１１）と共転するように配置された前記第二作動板（５９）と；
   前記第二作動板（５９）に隣接して配置され、電気入力信号（８１）に応答して前記第二作動板（５９）と摩擦係合して、前記両作動板（５７，５９）を相対的に回転させることにより、作動位置へ移動させるように作動可能な摩擦手段（８３）を有する電磁アクチュエータ（７５）と；を備えた差動歯車機構であって、
   前記回転制限手段は、前記第一作動板（５７）と一体に形成され、前記歯車ケース（１１）に対して非回転関係に装着されると共に前記歯車ケースに対して軸方向に移動可能なロック部材（４７）を有しており、
   被ロック部材（４３）が前記第一出力歯車（２３）と共転するように装着されており、また、
   前記ロック部材（４７）と前記被ロック部材（４３）には、前記作動板（５７、５９）が前記作動状態に回転された場合、共同して互いに非回転関係にロックするロック手段（４５、４９）が形成されており、前記作動状態において、前記第一出力歯車（２３）が前記歯車ケース（１１）にロックされる、ことを特徴とする差動歯車機構。
2. 前記第一作動板（５７）は前記歯車ケース（１１）の内側に配置されており、前記第二作動板（５９）は前記歯車ケース（１１）の外側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の差動歯車機構。
3. 前記歯車ケース（１１）は、前記歯車ケース（１１）に対して、前記第二作動板（５９）の軸方向の移動を制限するが、前記第二作動板（５９）の回転方向の移動は制限しないように作動可能な手段（６１、６３）を有することを特徴とする請求項２に記載の差動歯車機構。
4. 前記歯車ケース（１１）は、複数の開口（６９）が形成された端部壁（７１）を有しており、各開口（６９）は、非作動状態において、前記第一作動板（５７）に形成された第一ランプ面（６５）及び第二作動板（５９）に形成された第二ランプ面（６７）と共に周方向に整列されていることを特徴とする請求孔２に記載の差動歯車機構。
5. 前記作動手段は、さらに、前記第一ランプ面（６５）及び前記第二ランプ面（６７）に係合するカムボール（７３）を有しており、該カムボール（７３）は前記歯車ケース（１１）の前記端部壁（７１）に形成された前記開口（６９）に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の差動歯車機構。
6. 前記ロック部材（４７）は前記第一作動板（５７）と一体に形成されており、また、前記歯車ケース（１１）には内側スプライン（５３）が形成されると共に、前記第一作動板（５７）には前記内側スプライン(５３)と係合する外側スプライン（５１）が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の差動歯車機構。
7. 前記被ロック部材（４３）は前記第一出力歯車（２３）と一体に形成されており、また、前記ロック部材（４７）と前記被ロック部材（４３）は、互いに対面するように配置された環状部材であることを特徴とする請求項６に記載の差動歯車機構。
8. 前記ロック手段は、前記被ロック部材（４３）に環状に配列された第一歯（４５）と前記ロック部材（４７）に環状に配列された第二歯（４９）とから構成されており、これらの歯（４５、４９）は、前記作動板（５７、５９）が前記非作動状態にある場合は噛み合わないように、また、前記作動板（５７，５９）が前記作動状態にある場合は噛み合い連結されるように配設されていることを特徴とする請求項７に記載の差動歯車機構。
9. 前記第一歯（４５）及び前記第二歯（４９）は、前記回転軸（Ａ）とほぼ直交する方向のピッチ面に形成されていることを特徴とする請求項８に記載の差動歯車機構。
10. 前記電磁アクチュエータ（７５）は、ほぼ環状の電磁コイル（７９）を有しており、該電磁コイルは、前記第二作動板（５９）と軸方向に間隔を有して対面するように配設されていることを特徴とする請求項１に記載の差動歯車機構。
11. 前記第二作動板（５９）と前記電磁コイル（７９）との間の軸方向の隙間には環状駆動板（８５）が配設されており、また、前記第二作動板（５９）と前記環状駆動板（８５）を連結可能な手段（８７）を有し、該手段（８７）は、前記第二作動板（５９）及び前記環状駆動板（８５）を一体に回転させるが、前記駆動板（８５）を前記軸方向の隙間内で自由に移動させて、前記電磁コイル（７９）の摩擦面（８３）と係合させることを特徴とする請求項１０に記載の差動歯車機構。

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