JP5950105B2 - 可変カム角を有するリミテッドスリップディファレンシャル装置 - Google Patents

Description

本発明は、単一の動力を２つの駆動輪に分配する差動機構を制限するリミテッドスリップディファレンシャル装置に関する。

現在の自動車の多くは、単一のエンジンが発生する駆動力を前または後の２つのタイヤに分配している。自動車が直線を走行する際は、左右のタイヤに均等の駆動力を分配すればよい。しかし、自動車がカーブを曲がる際、内側のタイヤが描く円と外側のタイヤが描く円の大きさが異なるため、エンジンの駆動力を左右のタイヤに対して均等の駆動力を分配すると、スムーズに曲がることができない。

通常では内側のタイヤと外側のタイヤを異なる速度で回転（差動）させるための差動ギヤを原理とするディファレンシャル装置を有している。前輪駆動車では前輪軸上に、後輪駆動車では後輪軸上に、ディファレンシャル装置が存在する。４輪駆動車では、前後にディファレンシャル装置を具備するのはもちろん、前後の回転差を吸収するセンターディファレンシャル装置を具備することもある。

自動車のカーブ走行をスムーズにするディファレンシャル装置には、２つの問題点がある。駆動軸の片方のタイヤが溝に落ちたり、氷に乗り上げたりして無負荷状態あるいは無負荷に近い状態になった場合、ディファレンシャル装置は、負荷の小さい側のタイヤにエンジンの駆動力をより多く伝達するため、もう一方の地面に接地しているタイヤには駆動力を伝えられない。つまり、ディファレンシャル装置があることにより、脱輪、氷上、ぬかるみによって、一方のタイヤが空回りすると、自動車は前進することができなくなる。これが一つ目の問題である。

もう一つの問題は、ディファレンシャル装置を具備するスポーツカーやモータースポーツ用の車がカーブを旋回する際の問題である。スポーツカーやモータースポーツ用の車が、速度の高い状態でカーブを旋回する際、遠心力によって車体が外側に傾き、内側のタイヤが浮き気味となって、接地荷重（抵抗）が減少する。この内側のタイヤの状態は、先の脱輪状態と同様な状態であり、ディファレンシャル装置によってエンジンの駆動力が多く伝達されるため、本来内側のタイヤより多くの駆動力を伝えるべき外側のタイヤには十分な駆動力を与えられないことになる。つまり、ディファレンシャル装置があることにより、スポーツカーやモータースポーツ用の車は、コーナリング中に一時的な推進力を失ってしまうことになる。これが二つ目の問題である。

上記の二つの問題を解決するため、ディファレンシャル装置の差動機能を制限する機構を組み込んだリミテッドスリップディファレンシャル装置（以下、「ＬＳＤ」と呼ぶ）が知られている。様々な原理のＬＳＤが存在しているが、ここでは、従来技術として一般的な機械式と呼ばれるＬＳＤについて、図１と図２にて原理と効果を説明する。

図１は、左後輪のみが滑りやすい路面にのって、発進しようとしているＬＳＤ付の後輪駆動車を描いてある。エンジンの駆動力は、プロペラシャフトによって、ＬＳＤに伝えられる。プロペラシャフトにつけられたファイナルピニオンギヤは、ＬＳＤのディファレンシャルケースにつけられたリングギヤと噛み合い、ＬＳＤ本体を回転させる。

通常のディファレンシャル装置では、左後輪のみが回転するため、車は発進できない。しかし、ＬＳＤの場合、サイドシャフトに固定されているプレッシャープレートとディファレンシャルケースに固定されているプレッシャープレートがギヤオイルを介して面接触による摩擦力を発生しており、左後輪を駆動するサイドシャフトの動作を制限する。この摩擦力をイニシャルトルクと呼ぶ。イニシャルトルクは、上記二種類のプレッシャープレートをコーンプレート（サラバネ）やスプリングによってあらかじめ圧着させて得られる摩擦力で発生させる。以上の原理により、ＬＳＤ付の自動車では後輪が滑りやすい路面に乗っても、ディファレンシャル装置の差動機能が制限されているため、ゆっくり発進することができる。これがＬＳＤによる一つ目の問題の解決である。

図２は、右方向に高速で旋回しようとしているＬＳＤ付の後輪駆動のスポーツカーまたはモータースポーツ用の車を描いてある。速度が高いほど、または旋回の回転半径が小さいほど、自動車全体には、円の中心から外側に向かう遠心力が働き、駆動輪である右後輪が浮き気味となり、右後輪の空回りによりエンジンの駆動力が逃げてしまう。ＬＳＤには、上述のイニシャルトルクがあるが、高速旋回中はエンジンからの駆動力はイニシャルトルク以上であり、右後輪の空回りを抑えきれない。

しかしながら、ＬＳＤは、ＬＳＤに加えられるエンジンの駆動力に比例して、ディファレンシャル装置の差動機能を制限することができる。ＬＳＤのプレッシャーリングにはカム穴が設けられており、エンジンから伝わる駆動力により、プレッシャーリングのカム穴をピニオンシャフトが押し広げようとする。カム穴が押し広げられると、プレッシャーリングとディファレンシャルケースの間にある、二種類のプレッシャープレート間の摩擦力を増加することができる。つまり、ＬＳＤは、ＬＳＤに加えられるエンジンの駆動力の増加に比例して、二種類のプレッシャープレート間の摩擦力を増加させることにより、ディファレンシャル装置の差動機能を制限している。

以上の原理により、ＬＳＤ付の自動車では、エンジンの駆動力が高い状態を維持しながら高速でカーブを旋回しようとするとき、失速することなく通過することができる。これがＬＳＤによる二つ目の問題の解決である。

発明が解決しようとする課題

図３に、ＬＳＤのカム穴構造を示す。ダイヤ型のカム穴に、丸の断面を有するピニオンシャフトが挟み込まれている。エンジンのスロットルを開けて加速するときと、エンジンブレーキをかけるときでは、ピニオンシャフトがプレッシャーリングに加える力の方向が１８０度異なる。つまり、一般的なＬＳＤでは、加速時もエンジンブレーキ時にも差動機能を制限することになる。

カーブに進入する自動車は、フットブレーキとエンジンブレーキを使用する。このときＬＳＤは差動ギヤの動作を制限し、左右のタイヤの回転数を合わせようとするため、曲がりにくくなる欠点がでてしまう。このため、エンジンのスロットルを開けて加速するときのカム角と、エンジンブレーキ時のカム角の角度を変える方法が提案されている（特許公開２００７−３１５５５５）。カム角が広いほど、ピニオンシャフトはプレッシャーリングを押し広げやすく、ＬＳＤの効きが良くなる。加速側とエンジンブレーキ側のカム角が同じＬＳＤを２Ｗａｙ、加速側に比べてエンジンブレーキ側のカム角が狭いＬＳＤを１．５Ｗａｙ、エンジンブレーキ側のカム角をゼロにし、加速時のみＬＳＤ機能が動作するＬＳＤを１Ｗａｙと呼ぶ。

図４に、ＬＳＤの特性を示す。横軸はＬＳＤに加えられるエンジン出力による駆動トルク、縦軸は、ＬＳＤの効きである、差動機能の制限率（ロック率）である。縦軸の１００％とは、ディファレンシャル装置のない状態、つまりデフロック状態である。低速走行時にＬＳＤが効きすぎると、交差点等の旋回など日常走行において扱いにくくなる。最低限のイニシャルトルクを確保し、広いカム角を設け、駆動トルクの増加にあわせてＬＳＤの効きが高まることが理想となる。一方、大きなカム角では、日常走行で多用する低速走行時にもＬＳＤが効き始めてしまう。反対に、カム角を狭くすると、低速走行時のＬＳＤの効きは抑えられるが、高速走行時に十分なＬＳＤの効きが得られなくなる。

低速走行時と高速走行時のＬＳＤ性能要求を満足するためには、図４の中に示した３９のような特性を満たす必要がある。

特開平７−２９３６６５

特許公開２００７−３１５５５５

課題を解決するための手段

この構成により、最小限の部品追加で図４の３９の特性を実現することは可能であるが、２つの課題が残る。Ｌ字状の弾性材は、イニシャルトルクによ り、プレッシャーリングとピニオンシャフトで挟まれている。このため、イニシャルトルクが大きければ、想定通りの動作が期待できるが、イニシャルトルクが小さいとき、Ｌ字状の弾性材のプレッシャーリングに接している面が“がたつき”を発生する。この場合、カム角の可変特性がエンジンから伝わる駆動力に比例せず、スムーズな動作が期待できない。可変カム角を有するＬＳＤは、低速走行時にＬＳＤのデメリットを全く感じさせないことが目標であり、イニシャルトルクが小さいことが前提である。このため、引用文献１によるＬ字状の弾性材を用いたＬＳＤ構成では、“がたつき“が課題となる。これが一つ目の課題である。二つ目の課題は、弾性材を直角に折り曲げているため、金属疲労により、折り曲げ部分が破断する可能性があることである。

本発明では、平面状の弾性材をプレッシャーリングに掘った保持溝に嵌め込む機構によりカム穴のカム角の可変機構を実現する。ピニオンシャフトの回転力より平面状の弾性材が板バネとして作用する力が強ければ、カム角は小さくなる。一方、エンジン出力に比例して、ピニオンシャフトの回転力が大きくなると、平面状の弾性材が板バネとして作用する力を押し負かして、カム角を広げることができる。本発明によれば、イニシャルトルクの大小により、平面状の弾性材が“がたつき“を発生することはない。また、折り曲げ加工をしていない平面状の弾性材であり、金属疲労が特定の箇所に集中することはない。

発明の効果

本発明のＬＳＤによれば、低速走行時にはＬＳＤのデメリットを全く感じることなく、エンジン出力が大きい高速走行時には、ＬＳＤの性能を十分に引き出すことができる。

本発明は、単一の動力を２つの駆動輪に分配する差動機構を制限するリミテッドスリップディファレンシャル装置に関する。

従来のＬＳＤを備えた自動車の原理と効果を示す図である（滑りやすい路面）。 従来のＬＳＤを備えた自動車の原理と効果を示す図である（高速の旋回時）。 従来のＬＳＤのカム穴構造と動作を示す説明図である。 ＬＳＤの特性図を示す説明図である。 本発明による実施例１のＬＳＤを示す説明図である。 従来技術による可変カム機構を有するＬＳＤを示す説明図である。

１ 後輪駆動の自動車
２ 左前輪
３ 右前輪
４ エンジン
５ プロペラシャフト
６ 左サイドシャフト
７ 右サイドシャフト
８ 左後輪
９ 右後輪
１０ リミテッドスリップディファレンシャル装置
１１ 滑りやすい路面
１２ 接地加重の減少した右後輪
１３ ファイナルピニオンギヤ
１４ プレッシャーリング
１５ａ ディファレンシャルケースに固定されたプレッシャープレート
１５ｂ サイドシャフトに固定されたプレッシャープレート
１６ コーンプレート（サラバネ）
１７ 左サイドギヤ
１８ 右サイドギヤ
１９ ピニオンシャフト
２０ ピニオンギヤ
２１ カム穴
２２ ディファレンシャルケース
２３ リングギヤ
２４ 加速時のピニオンシャフトの動き
２５ 減速時のピニオンシャフトの動き
２６ プレッシャープレートを押し付ける力
２７ 加速側のカム角
２８ 減速側のカム角
２９ １．５Ｗａｙ型カム穴
３０ １Ｗａｙ型カム穴
３１ 差動機能の制限率（ロック率）
３２ 駆動トルク
３３ 低速走行時の領域（網線の領域）
３４ １００％
３５ デフロックの特性
３６ カム角大の特性
３７ カム角小の特性
３８ イニシャルトルク
３９ 本発明の特性
４０ エンジン出力の小さい低速前進時の動作
４１ エンジン出力の大きい時の動作
４２ 減速時の動作
４３ 板バネ
４４ 板バネの保持溝
４５ スプリング
４６ 可変カム

本発明の実施例１を説明する。図５は、本発明による板バネを使ったカム穴の動作を示している。カム穴は、１Ｗａｙの場合を示している。加速側のカム角は大きくしており、その前に板バネを設置してある。加速時には、ピニオンシャフトが板バネを押し開くようになる。低速時には、板バネが少し開くため、カム角が小さい状態と等価となる。さらに、エンジン出力を上げて、ピニオンシャフトが板バネを押し開く力が板バネの力を超えた場合、板バネは本来のカム穴に押し付けられてしまうため、カム角は大きくなる。以上、本発明によれば、プレッシャーリングに板バネを追加するだけで、可変カム角を実現することができ、低速時にＬＳＤのデメリットがなく、高速のコーナリング性能を得ることのできるＬＳＤが実現できる。

実施例１のＬＳＤでは、板バネの強さによって、ＬＳＤの特性を調整できる。やわらかい板バネであれば、カム角が変化するポイントを低速側にすることができる。反対に、硬いバネであれば、カム角が変化するポイントを高速側にすることができる。

以上、１ＷａｙのＬＳＤの場合を例に本発明の実施例１を説明したが、１．５Ｗａｙまたは２ＷａｙのＬＳＤも実現することが可能である。

Claims (1)

1. エンジンの駆動力が伝達されて回転するディファレンシャルケース内に、プレッシャーリングとディファレンシャルケースとの間に複数のプレッシャープレートを有し、プレッシャーリングに加わる回転方向の駆動力の大きさによってピニオンシャフトがプレッシャーリングを押し広げるカム角が可変するリミテッドスリップディファレンシャル装置において、
   平面状の弾性材をプレッシャーリングに掘った保持溝に嵌め込む構造によりカム角可変機構を実現していることを特徴としたリミテッドスリップディファレンシャル装置。

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