JP6292729B2 - トルクリミッティングディファレンシャル - Google Patents

Description

本出願は、トルク制限装置に関し、特に、トルク制限装置を含むロッキングディファレンシャルに関する。

車両の駆動系は、各車輪にトルクを分配するディファレンシャル装置を含み、走行中の各車輪のトラクションを調整する。しばしば、駆動系をフルロックすることは、差動されないトルクを伝達するために有効である。このフルロック状態は、リングギアで利用可能なトルクの１００％を伝達することができる。もし、この高トルクにアクスルシャフトが耐え得るように設計されていなければ、アクスルシャフトはフルロック状態におけるトルクを伝達することができない。これは、駆動系補助部品およびディファレンシャル自身がダメージを受けることになる。

この中で説明される方法および装置は、前述した不利益を克服するとともに選択的にロック可能なディファレンシャルを進歩させるものであり、複数本のトルク感応ピンと、アウタハウジングと、第１ギア歯とギアラグとを含む第１サイドギアと、第２ギア歯を含む第２サイドギアと、ピニオンシャフトと、ピニオンシャフトに回転連結され、各々が、第１ギア歯と第２ギア歯とに噛み合わされるピニオンギア歯を含む２個のピニオンギアと、第１サイドギアのギアラグに選択的に噛み合わされるカラー歯を含み、トルク感応ピンを介してアウタハウジングに動作可能に連結されるカラーと、を含む。

加えて、車両の駆動系は、エンジンから選択的にロック可能なディファレンシャルへトルクを伝達するために動作可能に連結されるトルク伝達システムを含む。選択的にロック可能なディファレンシャルは、複数本のトルク感応ピン、アウタハウジング、第１ギア歯とギアラグとを含む第１サイドギア、第２ギア歯を含む第２サイドギア、およびピニオンシャフトを含む。２個のピニオンギアは、ピニオンシャフトに回転可能に取り付けられる。各ピニオンギアは、第１ギア歯と第２ギア歯とに噛み合わされるピニオンギア歯を含む。カラーは、第１サイドギアのギアラグに選択的に噛み合わされるカラー歯を含む。カラーは、トルク感応ピンを介してアウタハウジングに動作可能に連結される。第１アクスルは第１サイドギアに動作可能に連結され、第２アクスルは第２サイドギアに動作可能に連結される。

付加的な目的および利点の一部が後述の説明に明記され、また一部は記述により明白であり、あるいは開示内容の実施により学ぶことができる。
目的および利点はまた、特に添付された請求項に示される要素および組み合わせにより理解されるとともに達成されるであろう。

前述の総括的説明と後述の詳細な説明との双方は、例示および説明のためのものであり、請求された発明を限定するものではないことが理解されるべきである。

車両の駆動系の概念図である。 第１実施形態のトルクリミッティングディファレンシャルの分解図である。 第１実施形態の第１平面による断面図である。 第１実施形態の第２平面による第２断面図である。 第１実施形態におけるカラーの斜視図である。 第１実施形態のトルク感応ピンの説明図である。 第１実施形態における左側のケースの内側の斜視図である。 第１実施形態における左側のケースの外側の斜視図である。 第１実施形態における左側のケースの断面図である。 第２実施形態におけるトルクリミッティングディファレンシャルの分解図である。 第２実施形態の第１平面による断面図である。 第２実施形態の第２平面による断面図である。 １３Ａは第２実施形態におけるカラーおよびカラーハウジングの第１斜視図であって、１３Ｂはカラーハウジングの第２斜視図である。 第２実施形態におけるトルク感応ピンの斜視図である。 第２実施形態における左側のケースの断面図である。 第２実施形態における左側のケースの内側の斜視図である。 第２実施形態における左側のケースの外側の斜視図である。 右側のケースの断面図である。 右側のケースの内側の斜視図である。 ロックカラーに連結されるトルク感応ピンの詳細図である。

本発明の実施形態を添付した図を参照して説明する。なお、同一または相当の構成には、可能な限り、図を通して同一の符号を付与する。「左」と「右」、また「前」と「後」のような方向に関する記載は、説明を容易にするためのものであって限定を意図するものではない。

図１は、車両の駆動系の一例を図解するものである。この例では、車両は、主な原動力がフロントドライブアクスルに接続される前輪駆動である。エンジン１０６、トランスミッション１０７、および動力分配ユニット１０８は、左フロントアクスル１００、および右フロントアクスル１０１にトルクをダイレクトに伝達するため、車両前部に動作可能に接続される。ホイール１０２および１０３には、車両にトラクションを付与するトルクが、ホイールハブ１１５および１１６を介して伝達される。ドライブシャフト１０９は、ハイポイドギアおよびピニオン等の動力分配ユニット１０８のメカニズムを経由して受け入れたトルクを、車両後部へ伝達する。選択可能な全輪駆動カップリング１２０は、ドライブシャフト１０９に接続され、後輪駆動ユニット１１０は、カップリング電子部品およびリアディファレンシャルを収容する。

リアディファレンシャルは、オープンモードあるいはロックモードで動作する。オープンモードにおいて、左後輪１１３は、ホイールハブ１１７および左リアアクスル１１１を経由することで、右後輪１１４に対して異なる速度で回転することができる。同様に、右後輪１１４は、ホイールハブ１１８および右リアアクスル１１２を経由することで、左後輪１１３に対して異なる速度で回転することができる。ロック状態において、左リアアクスル１１１および右リアアクスル１１２が、リアディファレンシャルの内部部品を経由してロックされると、左後輪１１３および右後輪１１４の双方には、同一トルクが配分される。

図１の駆動系は単に例示に過ぎず、また、この中で主張された原理を、後輪駆動車両、あるいは１個以上のディファレンシャル装置を有する車両に適用することが可能である点は、注目に値する。

エンジン１０６は、減速または増速ギアを介することにより、回転出力領域を減少または増大させることができる。エンジン出力は、車両のアクスルにおいてトルクとして受け取られ、また、アクスルが典型的に中空である場合、アクスルは限界に達するまでトルクを受け取るだけであり、その後、アクスルは、剪断または捩れ等の破損を受ける。そのため、アクスルは、アクスルトルクキャパシティ（ＡＴＣ）を踏まえて典型的に設計され、ＡＴＣは、最大エンジントルクと最高ギアレシオとの積であり、最高ギアレシオは、１速ギアとリバースギアとのいずれかの最高値と、ハイポイド／ドライブピニオンとリングギアとの間の最終ドライブレシオとの積である。オープンディファレンシャルモードにおいて、ＡＴＣは、各アクスルに５０：５０で配分される。すなわち、各アクスルには、０.５×ＡＴＣが伝達される。

しかしながら、もしディファレンシャルがロックされているのであれば、そのアクスルに１.０×ＡＴＣが伝達されるように、単一のアクスルに利用可能なトルクの１００％を伝達することができる。アクスルのアップグレードは、予想できない使用状況またはエンドユーザの酷使による破損を防ぐ上で不十分である。そして、エンドユーザは、ＣＡＦＥ要求、重量増、連結された部品の付加的な影響、および総運転コスト等の考慮すべきことの競合から判断し、より低容量のアクスルを選択する可能性がある。トレードオフ、費用、および典型的な運転領域で必要とされる強度に対してアクスルの強度を向上させるためのアップグレード関連が複雑化するため、ロックディファレンシャルモードにおけるアクスルの破損を完全に阻止することは困難である。アクスルがＡＴＣの１００％であるときでさえ、アクスルシャフトが過負荷になる可能性があり、結果として破損を招く。

この中で明らかにされるように、トルク制限装置は、高トルク状態におけるアクスルの健全性を維持することができる。すなわち、トルク制限装置は、アクスルシャフトに破損が発生する前に、自身が破損するように設計される。このような制限装置は、剪断によりディファレンシャルをオープンモードへ戻すことができ、アクスルに剪断または捩れが発生する前に、過剰なトルクからアクスルを守ることができる。トルク制限装置の剪断は、アクスル部品およびディファレンシャル自身に対するダメージをも防ぐことができる。例えば、セミフロートタイプのアクスルにおいて、ディファレンシャルが破損したときでさえ、アクスルはハウジング内に留まるべきである。もしトルク制限装置が剪断されると、車両は、オープンモードへ戻り、ディファレンシャルをロックモードへ戻すことができないにも拘わらず、運転を継続する。

ギアチャンバ２１３の内部には、一対のインプットピニオンギア２１７を含むディファレンシャルギアセットが収容される。ピニオンギア２１７は、ディファレンシャルギアセットのインプットギアを含み、一対のサイドギア２１９および２２１に噛み合うことで結合される。右側のケース２１１に固定されたリングギアが回転すると、連動してピニオンシャフト２１８が回転する。これにより、サイドギア２１９および２２１が回転する。サイドギア２１９および２２１は、各々、ストレートの内歯スプライン２２３および２２５のセットを含み、スプライン２２３および２２５は、各々、左リアアクスルシャフト１１１および右リアアクスルシャフト１１２に設けられる外歯スプラインにスプライン結合される。このようにして、リングギアが回転すると、リアアクスルが回転する。

ディファレンシャルがオープンモードで動作するとき、通常時、すなわち車両の直進時に、左右のアクスル１１１および１１２間、または左右のサイドギア２１９および２２１間に差動が発生しないため、ピニオンギア２１７は、ピニオンシャフト２１８に対して回転しない。その結果、左右のギアケース２１２および２１１、ピニオンギア２１７、ならびにサイドギア２１９および２２１は、全てが一体化されたかのように回転軸Ａを中心に回転する。一方、車両の旋回時、あるいは、後輪１１３および１１４が差動領域で回転して車両に乱れが生じると、ピニオンギア２１７は、ピニオンシャフト回転に対してサイドギア速度で回転することができるように、ピニオンシャフト２１８および２１６の回りを回転する。

しかしながら、左および右リアアクスルを同一速度で回転させる必要があるとき、左および右リアアクスルをロックさせることが時には有利である。このように、ロックモード中、サイドギアをピニオンシャフト２１８に対して回転させる必要があるとき、サイドギアは、ハウジングに対してロックされる。図２の例示において、左サイドギア２１９は、ロックされている。これは、噛み合いによる結合を経て、ピニオンギア２１７をサイドギア２１９に対してロックし、サイドギア２２１をもロックする。

前述したように、ロックモードは、アクスル、ギア、ホイールハブおよびロック機構を含む種々の部品に多大な歪みを生じさせる。歪みは、車両部品の破損、車両のコントロール性の低下、あるいは作動性の低下を招く。そして、図２のロック機構（カラー）には、他の駆動系部分の代わりに破損するように設計された、少なくとも１個、望ましくは６〜８個のトルク制限装置が、動作可能に設けられる。また、図１０のカラー（ロックプレート）には、周囲のカラーハウジングを介して、少なくとも１個、望ましくは６〜８個のトルク制限装置が、動作可能に設けられる。

トルク制限装置は、リアアクスル１１１あるいは１１２が破損およびロック機構自身が破損する前に剪断される。すなわち、トルク制限装置は、設計限界に達することで破損する。ディファレンシャルがロックされると、トルク制限装置は、純粋剪断状態下で使用される。すなわち、トルク負荷は、トルク制限装置に直接作用し、装置の漸次的あるいは壊滅的な破壊の代わりに、装置の純粋剪断を引き起こす。

数種類のディファレンシャルが存在し、その１つがＥ‐ロッカー、あるいは電子ロックディファレンシャルである。米国特許第７,２６４,５６９号等の先行技術において、カラーは、右側のケースの凹部に一致する耳部を有する。先行技術のカラーは、ケースとともに回転し、またロックモードとアンロックモードとの間を移動するためにケースに対してスライドする。カラーは、左側のサイドギアに対してロックさせるため、プッシュロッドにより押圧される。そして、カラーは、ロックモードにおいて、左側のケース、右側のケース、左右のロッカーギア、ならびにピニオンギアとともに回転する。オープンモードにおいて、カラーは、ケースとともに回転するが、サイドギアをピニオンギアにロックせず、また、アクスルは、異なる速度で回転することができる。

図２に例示される第１実施形態において、ロックカラー（ロックプレート）２１０は、右側のケース２１１あるいは左側のケース２１２に連結させるための耳部を有していない。代わりに、ロックカラーは、左側のケース２１２に動作可能に連結させるためのトルクリミッタピン（トルク感応ピン）２００を受ける。ロックカラーは、トルク感応ピン２００が破損していない限り、左側のケース２１２とともに回転する。ロックカラー２１２に予め定められた値を超えるトルクが作用すると、ロックカラー２１２は、回転力によりトルク感応ピン２００を剪断することができる。一度、トルク感応ピン２００が剪断されると、ロックカラー２１０は、右側のケース２１１内で自由に回転し、また、ロックカラー２１０は、ディファレンシャルのロックモードを維持することができなくなる。すなわち、一度、トルク感応ピン２００が剪断されると、ディファレンシャルは、オープンモードでのみで動作する。

ドライブシャフトから左右のリアアクスルに至るトルク伝達経路は、次のように構成される。ドライブシャフト１０９は、典型的に、リングギアに連結されるインプットピニオンで終結する。リングギアは、通常、ディファレンシャルケースの外周に設けられる。図２の例示において、リングギアは、右側のケース２１１の周囲に設けられ、また開口７１５および１８１５を介してフランジ２１５に連結される。インプットピニオンがリングギアを回転させると、図２のディファレンシャル全体が回転する。中央のピニオンシャフト２１８は、右側のケース２１１に挿通されるため、リングギアが回転することで回転する。ドライブシャフトのインプットピニオンとのリングギアによる接続は、図面を明瞭にするため示しておらず、同様にリングギアも示していない。さらに、ハウジングは、リングギアを取り囲むとともにリングギアをインプットピニオンに連結する。

左側のケース２１２は、左リアアクスル１１１に連結され、右側のケースは、右リアアクスル１１２に連結される。図示しないマウントを通して、左リアアクスル１１１は、左側のケース２１２に対して回転可能であり、右リアアクスル１１２は、右側のケース２１１に対して回転可能である。リングギアから伝達されたトルクは、中央のピニオンシャフト２１８に伝達され、それを回転させる。中央のピニオンシャフト２１８は、２個のピニオン２１７に挿通される。オープンモードにおいて、ピニオン２１７は、中央のピニオンシャフト２１８を中心に回転することができる。補助的な短いクロスシャフト２１６は、ピニオンシャフト（長いクロスシャフト）２１８に連結される。短いクロスシャフト２１６は、補助的なピニオン２１７がディファレンシャルの内部で回転できるように構成される。短いクロスシャフト２１６は、溝付スプリングピン２２０を介して左側のケース２１２に連結される。ディファレンシャルの中央のピニオン２１７は、球面座金２２２に補助的に連結される。

ピニオン２１７は、サイドギアに噛み合うことで結合される。右側のサイドギア２２１は、右リアアクスル１１２に連結される内歯スプライン２２３を有し、左側のサイドギア（ロッカーギア）は、左リアアクスル１１１に連結される内歯スプラインを有する。

そして、ピニオンシャフト２１８が回転すると、サイドギア２１９および２２１が回転し、これにより、リアアクスル１１１および１１２が回転する。アンロックモード、あるいはオープンモードにおいて、サイドギアは、異なる速度でピニオン２１７を回転させることができるため、各サイドギアは、他のサイドギアに対して異なる速度で回転することができる。ロックモードにおいて、ロッカーギア（左側のサイドギア）２１９は、トルク感応ピン２００を介して左側のケース２１２に連結されたロックカラー（ロックプレート）２１０に連結される。左側のケース２１２は、開口７１４および１８１４を通して固定ねじ２１４により右側のケース２１１に連結される。前述したように、右側のケース２１１は、ドライブシャフトピニオンに回転力が作用すると、回転するためにリングギアに連結される。ピニオンシャフト２１８と同一速度でケースとともに回転するため、ロッカーギア２１９がロックカラー２１０を介してロックされるので、右側のサイドギア２２１もまた、差動回転の状態からロックされるとともに、ロッカーギア２１９と同一速度で同様に回転する必要がある。このようにして、各リアアクスル１１１および１１２は、ロックされたディファレンシャルを介して同一速度で回転する。

ロックモードにおけるロック状態は、ロックカラー２１０に依存するので、トルク感応ピン２００の剪断による左側のケース２１２に対するアンロックは、オープンモードのみでディファレンシャルを強制的に動作させる。いずれかのオープンモードが選択されたとき、あるいは、トルク感応ピン２００が剪断されたとき、波形ばね２６１は、ロックカラー２１０をロッカーギア２１９から確実に解放する。波形ばねは、左側のケース２１２の波形ばね凹部７０８内に着座する。波形ばね凹部７０８は、ディファレンシャル使用中のばね振動を減衰あるいは抑止するためのサイズに形成される。

図７、図８、および図９を参照すると、図７は、左側のケース２１２の内側面を示し、図８は、左側のケース２１２の外側面を示し、図９は、左側のケース２１２の断面を示す。凹部７０８は、波形ばね２６１が着座するための波形ばね座７１１を有する。左側のケース２１２における他の開口は、本明細書の他のところで説明する。

右側のケースは、図１８および図１９でより詳細に図解される。図１８に示される断面には、右側のケースを左側のケースに固定するための開口１８１４が示される。同様に、スロット１８１６は、溝付スプリングピンのために利用される。右側のケースの他の開口は、トルク制限装置と関連のない種々の目的のためのものである。

ユーザあるいは自動電子制御システムは、ディファレンシャルの、オープンモードとロックモードとの間の切り替えを選択することができる。図２に、簡約された動作機構２３３を示す。電子リード２５９は、起動スイッチあるいはステータ２５７へ電力を供給するための他の制御手段に連結される。電力が供給あるいは遮断されたステータ２５７は、ランププレート２５３が「ランプアップ」であるか「ランプダウン」であるかを決定する。「ランプアップ」のとき、ランププレートは、ランププレート２５３上のピーク領域でプッシュロッド２４７の第２端２５１を押圧し、プッシュロッド２４７をロックプレート２１０の方へ推進する。第１端２４８は、ロックプレート２１０を押圧し、ロックプレート２１０は、右側のケースの凹部２５０内を軸線に沿ってスライドする。プッシュロッド２４７は、ロックプレート２１０を左側のケース２１２の方へ押圧し、ロックプレート２１０は、ロックプレート２１０の孔５１０に挿通されたトルク感応ピン２００上をスライドする。ロックプレートは、各々に、広い幅の端５０２と狭い幅の端５０３とが形成されたカラー歯５０４を有する。これらのカラー歯５０４は、ロッカーギア２１９に対してロックプレート２１０をロックさせるため、ラグ２２４に噛み合わされる。

「ランプダウン」位置において、ランププレート２５３は、プッシュロッドがランププレート２５３の谷部に位置することができるように回転する。波形ばね２６１は、ロックプレート２１０を押圧し、一方、ロックプレート２１０は、プッシュロッド２４７を谷部の中へ押し込む。カラー歯５０４は、ラグ２２４に噛み合っていない。

ロックカラー２１０は、トルク感応ピン２００を取り囲む隙間を有し、隙間は、ロックカラー２１０がピンボディ２０２に沿ってスライドすることを許容する。ディファレンシャルハウジング内部の潤滑液は、円滑な動作を補助する。加えて、図５に示されるロックカラー２１０の孔５０１は、ロックカラーの外側の境界に接近し、一方、孔５０１は、ロックカラーの最も厚い面の中央に位置し、あるいは、孔５０１は、図解された位置から半径方向内側へ別に配置される。

動作機構２３３は、リテーナリング２５８、ベアリング２５４、およびベアリングレース２５５をさらに含む。

ディファレンシャルはまた、右側のサイドギア２２１と右側のケース２１１との間にシム２２７を含む。同様のシムは、左側のサイドギア２１９と左側のケース２１２との間に使用される。

図２の例示では、６本のトルクリミッタピン（トルク感応ピン）２００が使用される。しかしながら、トルクリミッタピン２００の数量はこれに限定されるものではない。

図５に示されるように、ロックプレート２１０は、トルク感応ピン２００を受け入れる孔５０１を有する。図解されていないが、孔５０１は、ロックプレート２１０の中へより深く穿孔することができ、またロックプレート２１０に挿通することができる。カラー歯５０４は、抜き勾配を有する。すなわち、カラー歯は、広い幅の端５０２と狭い幅の端５０３とを有する。抜き勾配は、カラー歯５０４とラグ２２４との噛み合いを確実にする。サイドギアラグ２２４は、それら編成方式のための抜き勾配角を有する。噛み合いの不一致を回避するため、ロックカラー２１０にも抜き勾配角が形成される。カラー歯およびサイドギアラグにおける抜き勾配角は、円滑な噛み合い結合を確実にするのに相補的に作用する。

先行技術のロックカラーは、シート上にパターンを転造するためのダイを使用する衝撃押出しによる成形であるため、先行技術のカラー歯は、抜き勾配を持たない。カラー歯５０４の抜き勾配は、ロックカラー上に衝撃押出しされたパターンをマシニングにより機械加工して形成するため、非常に高価である。あるいは、カラー耳部を除去することでデザインが簡易化されるため、抜き勾配は、熱間鍛造法により成形することができる。ラグ２２４の抜き勾配と同じ角度でロックカラー歯５０４に抜き勾配を設けることは、カラー歯５０４とラグ２２４との噛み合いの容易性および確実性を向上させる。カラー歯５０４の抜き勾配角は、歯の角部のＲ形状および異常な負荷負担のためのロックカラーの破損を妨げることを補助し、あるいは、カラー歯の移動によりギアラグで発生する摩擦抵抗に起因する破損を防ぐことができる。

図６を参照すると、トルク感応ピン２００は、左側のケース２１２にトルク感応ピンヘッド２０１をねじ固定、あるいはねじ固定を解除するためのノッチ、あるいは溝パターン（フィリップス、「ストレートヘッド」、あるいはその他）が形成された端面２０４を有する。図解しないが、ピンヘッド２０１には、ねじが設けられ、また左側のケースの開口７１０には、定位置にピンヘッド２０１を連結するためのねじが設けられる。トルク感応ピン２００のボディ２０２は、面取りされた端２０５で終結する。剪断領域２０３、あるいはネック２０３は、ピンヘッド２０１とピンボディ２０２との間に位置する。剪断領域２０３は、ピンが剪断する位置を保証するための円環形の溝を含む。ネック２０３はまた、ピンボディと同一の直径を有する。

トルク感応ピン２００は、数量およびサイズを変更することができる。例えば、図６に図解される実施形態では、６本あるいは８本のトルク感応ピンが使用されているが、トルク感応ピンの数量を４〜１０本にすることができる。加えて、ピンヘッドとピンボディとの直径の比を変更することが可能であり、またピンヘッドとピンボディとの最大直径を変更することができる。ピンは、ピンヘッドとピンボディとの界面あるいはその近傍で剪断されるべきであり、もし、溝がボディに位置しているのであれば、剪断位置２０３における面積は、ピンボディの面積よりも小さく、これにより、剪断位置における直径が減少する。

ロックカラー２１０がロッカーギアに完全に噛み合わされる前に、ロックカラー２１０がトルク荷重を受けることがあるため、付加的な問題が発生する。これは、理想的な等分布荷重（ＵＤＬ）とは異なる曲げ応力を引き起こす可能性がある。そして、図２０は、オープンモードにおけるディファレンシャルを示す。カラー歯５０４は、ロッカーギア（サイドギア２１９）のラグにまだ噛み合わされていない。ロックプレート２１０は、トルク感応ピン２００に沿う方向に厚さＴＬを有する。トルク感応ピン２００は、ビーム厚さＴＢを有し、ビーム厚さＴＢは、オープンモード中に露出するピンの長さに一致する。

ピンの露出した部分は、ラグ２２４に対するカラーギア歯５０４の噛み合い比率に応じて変化する曲げ応力の影響を受ける。噛み合い比率が５％から１００％までの間で変化するとき、曲げ応力が変化し、また、ディファレンシャル内部のトルク感応ピンの数量が４〜１０本の間で変化するとき、曲げ応力は、ラグ２２４に対する歯５０４の噛み合い比率に応じて変化する。

もし、使用中にトルクピンが一方に偏向するのであれば、さらなる変更シナリオが生じる。もし、荷重が均等に分配されないのであれば、このシナリオが生じる。このようなシナリオでは、ロックカラー表面の始端でピン上に点荷重が作用することにより、トルク荷重分布および曲げ応力を調整する。ピンヘッドとピンボディとの界面領域のような、望ましい位置でトルク感応ピンが荷重により破断されることを保証するため、場合により、溝は、剪断位置２０３に含まれる。溝の直径は、ボディの直径よりも僅かに小さいべきである。

ロックカラー２１０とトルク感応ピン２００とがトルク伝達経路に存在することから、破片により他の内部部品がダメージを受けることがないように、破片をトルク伝達経路の外部に保持すべきことは、装置が故障したときに重要である。従って、左側のケース２１２とロックプレート２１０との間の隙間、ロックプレート２１０と右側のケース２１１との間の隙間、およびピンボディ２０２の全長は、トルク感応ピンの破片の移動を妨げるように選択すべきである。トルク感応ピンはまた、多数の細かい破片に破断あるいは粉砕されることが極力ないような寸法および材料に形成される。これは、設計の有用性をアシストする。すなわち、ディファレンシャルは、分解が可能であり、またトルク感応ピン２００は、交換可能である。設計は有用であり、トルク感応ピンの剪断によりディファレンシャル全体がいつも廃棄されることがないように構成する必要がある。しかしながら、保守を行うため、ディファレンシャルおよび駆動系の部分を分解可能に構成する必要がある。

第２実施形態において、アクスルシャフト、ベアリングキャップ、ベアリング、リアドライブアクスル等、を省いた図１０に示されるように、ディファレンシャルは、ピニオンギアおよびリングギアを囲うハウジングのみを取り外した後、トルクピンヘッドおよびトルクピンボディを取り外すことができるように設計される。この設計において、トルク感応ピンは、左側のケースをカラーハウジング（ロックプレートハウジング）に連結し、それにより、カラーハウジング内で耳状のカラーに動作可能に連結される。トルク感応ピンは、保守中、剪断されたピンボディを取り出すことができるようにするため、カラーハウジング内でばねに隣接する。トルク感応ピンは、ディファレンシャル全体を廃棄することなく、且つドライブアクスルおよびディファレンシャルを取り外すことなく、交換することができる。

第２実施形態における、第１実施形態と同一または相当する要素の重複する説明を省略する。

図１７ないし図１９を参照すると、左側のケース２７３は、開口１６１４および開口１８１４に挿通される固定ねじ２１４により右側のケース２１１に連結される。前述のように、連結には、ねじが使用される。開口１６１０は、各々、８本のトルクリミッタピン（トルク感応ピン）２７４を受け入れる。トルクリミッタピン２７４は、左側のケース２７３に挿通される。トルクリミッタピン２７４は、ロックプレートハウジング２７１に挿通され、ピンばね２７２に隣接する。ピンばね２７２は、トルクリミッタピン２７４に被さることがないように、トルクリミッタピン２７４の外径よりも小さいかあるいは等しい外径を有する。

ロックプレート２７０は、ディファレンシャルをロックおよびアンロックするため、ロックプレートハウジング２７１内で往復動する。すなわち、ロックプレート２７０は、ディファレンシャルがオープンモードで動作する第１ポジションから、ディファレンシャルがロックモードで動作する第２ポジションまでスライドする。前述のように、ランププレート２５３、プッシュロッド２４７、および波形ばね２６１は、ロックプレート２７０を移動させるために動作する。プッシュロッドの第１端２４９は、ロックプレート２７０に隣接する。

図１１は、ロックプレート２７０に隣接するプッシュロッド２４７を図解するものであり、第２実施形態のディファレンシャルを一平面に沿って示す図である。また、図１１は、ロックプレートがロックプレートハウジング２７１内を距離Ｄでスライドすることを図解する。図１２は、他の平面に沿った同一のディファレンシャルを示し、左側のケース２７３の開口１６１０に挿通されたトルクリミッタピン２７４を示す。トルクリミッタピン２７４は、隣接するピンばね２７２と一緒にロックプレートハウジング２７１内に挿通される。図１２の縮尺は実際とは異なるので、ピンばね２７２は、例えば、ロックプレートハウジング２７２に対して長いあるいは短い等、他の寸法とすることができ、また、トルクリミッタピン２７４は、より長いあるいはより短いボディ長を含む、他の寸法とすることができる。両図面は、左側のロッカーギア２１９のラグ２２４から外れた状態のロックプレート２７０を示す。

トルクリミッタピンの長さ、左側のケース２７３とロックプレートハウジング２７１との間の隙間、およびロックプレートハウジング２７１と右側のハウジング２１１との間の隙間は、ディファレンシャルの他の可動部品にダメージを与えない領域内に、剪断されたトルクリミッタピン２７４を封じ込めるように選択される。そして、トルクリミッタピン２７４は、望ましくは、破裂することがない、あるいは剪断による残骸が過度に生じることがないように設計される。

図１３Ａおよび図１３Ｂに、ロックプレート２７０とロックプレートハウジング２７１とをより詳細に示す。ロックプレート２７０は、ロックプレートハウジング２７１の凹部１３２０内をスライドする耳部１３０１を有する。凹部１３０２は、ロックプレートハウジング２７１の全長にわたって延ばす必要はなく、ストッパ１３０３を設けることが可能である。波形ばね２６１は、ストッパ１３０３の内側に位置するように、ロックプレートハウジング内に設けられた環状リム１３０４に隣接する。このように、波形ばねに隣接させることは、左側のケース内の必要とされる減衰幅が軽減され、それにより、波形ばね凹部１６０８をより浅くすることができる。波形ばねストッパ１６１１は、波形ばね２６１を着座させるための波形ばね凹部１６０８の底部を形成する。

波形ばね２６１は、リム１３０４に隣接することに加え、ロックプレート２７０を、ストッパ１３０３から離れる方向、左側のケース２７３から離れる方向、およびランププレート２５３に近づく方向へ付勢する。この付勢により、ディファレンシャルがオープンモードであるとき、ロックプレート歯１３０５は、サイドギアラグ２２４に噛み合わず、またロックプレート２７０は、プッシュロッド２４７をランププレート２５３の谷部の方へ押圧する。ロックモードにおいて、ロックプレート歯１３０５がサイドギアラグ２２４に噛み合うことができるように、波形ばね２６１は、圧縮され、ランププレート２５３のピークは、プッシュロッド２４７を押圧し、プッシュロッド２４７は、ロックプレート２７０を左側のケース２７３の方へ押圧する。

図１３のロックプレート２７０は、ロックプレート歯１３０５に抜き勾配が示されていないが、前述のように、抜き勾配を付与することができる。

そのうえ、ロックプレートハウジング２７１は、ピン孔１３０６を有する。ピン孔１３０６は、ロックプレートハウジング２７１を貫通し、これにより、ピンばね２７２は、右側のケース２１１に隣接する。しかしながら、ロックプレートハウジング２７１が自由に回転するときの摩擦の発生を防ぐため、ピンばね２７２が、ピン孔１３０６の底部とトルクリミッタピン２７４の端との間に架け渡されるように、ピン孔１３０６は、ロックプレートハウジング２７１内を部分的に延伸する。ピン孔１３０６は、トルクリミッタピン２７４とのスライド嵌合およびピン孔１３０６間のクリアランスの確保を可能とし、トルクリミッタピン２７４は、曲げ応力が発生するように設計される。前述のように、ディファレンシャル内の潤滑液は、部品間の円滑なスライド動作をアシストする。

図１３Ｂは、ロックプレートハウジング２７１の反対側を示す。ここには、ピン孔１３０６および各ピン孔間に間隔をあけて設けられる複数個の凹部１３１０が示される。凹部１３１０は、左側のケース２１２のインデックススロット１６１６に対して位置調整されている。トルクリミッタピン２７４が剪断すると、ロックプレートハウジング２７１は、右側のケース２１１内で自由に回転することができるようになる。もし、波形ばね２６１が、ロックプレート２７０をサイドギアラグ２２４から解放することができるとしても、この回転は可能である。この回転する能力のため、ロックプレートハウジング２７１のピン孔１３０６は、左側のケースのトルクピン孔１６１０に対してもはや位置が一致していない。このように、トルクリミッタピンヘッド１４１を左側のケース２１２から捩じって取り外すとき、ピンばね２７２が残骸を外へ排出しないことがある。そのため、ユーザーが手作業で、ロッド、スクリュドライバ、あるいは他の突き手段により、また、残骸の取り出しに適当な配列にロックプレートハウジングの向きを変えるための突き手段を使用することにより、ロックプレートハウジング２７１を利用可能な凹部１３１０の方へ向きを変える。この設計は、ディファレンシャルを分解することなく、ディファレンシャルの保守を可能にする。それは、ピニオンおよびリングギアを取り巻くハウジングから、潤滑液を排出後に、トルクリミッタピンを交換することを可能にし、またハウジングのパネルへのアクセスだけで、トルクリミッタピンを取り外すことを可能にする。

ロックプレート２７０は、ディファレンシャルのトルク伝達経路に設けられ、左側のケース２１２と同時に回転させるためにロッカーギア２１９をロックすること、またそれに伴い、左リアアクスル１１１の回転に対して右リアアクスル１１２の回転をロックすること、が不可欠である。それ故、もし、ロックプレートハウジング２７１がトルクリミッタピン２７４により補強され、またロックプレート２７０がロッカーギア２１９に噛み合わされているのであれば、ディファレンシャルは、ロックモードで動作するのみである。もし、予め定められた値を超える量のトルクがロックプレート２７０に入力されると、ロックプレートハウジング２７１は、回転およびトルクリミッタピン２７４を剪断することができる。ロックプレートハウジング２７１、延いてはロックプレート２７０は、右側のケース２１１で自由に回転する。波形ばねは、ロッカーギア２１９のラグ２２４との噛み合い位置から離れる方向へロックプレート２７０を押圧することができ、また、ディファレンシャルは、オープンモードで動作する。

トルクリミッタピン２７４は、システムのトルク容量に対応したサイズおよび数量に設計され、またトルクリミッタピンは、ドライブアクスルおよびディファレンシャル内の他の部品が捩れあるいは剪断により機能しなくなる前に、剪断されるように設計される。例えば、トルクリミッタピン２７４は、純粋剪断条件下で剪断される。すなわち、トルクリミッタピンは、剪断荷重あるいは剪断応力のみのために破断する。理想的には、曲げ、捩れ、衝撃等のような他の荷重がピンに作用しないように、ピンにおけるトルクに起因する荷重は、ピンの軸線に対して垂直をなす。トルク制限システムの極限強さは、アクスルシャフト材料の降伏強さ、あるいはロックカラー材料の降伏強さに一致する。換言すると、アクスルシャフトあるいはロックカラーが降伏点に達すれば、トルクリミッタピン２７４は、その代わりに剪断する。

トルクリミッタピン２７４は、溝あるいは左側のケース２７３に対するねじ込みによる連結を可能にするための他の凹部が形成された端面を有する。ピンヘッド１４１は、部分的あるいは全体に、左側のケース２７３に固定的に連結させるためのねじが形成される。ピンボディ１４２は、ピンボディ２０２より短くすることができるが、いずれにしても、傾斜した端１４５で終結する。剪断位置、あるいはネック１４３は、ピンヘッド１４１とピンボディ１４２との間に設けられる。剪断位置１４３は、環状に形成された溝を含み、溝は、トルクリミッタピン２７４の特定の平面に沿う剪断を容易にする。ネック１４３は、ピンボディと同一の直径を有する。

前述の実例に類似し、トルクリミッタピンにおける剪断応力を、ピンボディの直径、ピンの数量、および剪断応力の対比により特徴付けることができる。すなわち、トルク荷重は、使用されたピンの数量、ピンヘッド、ピンボディおよびまたはピンネック間の相対直径を変更することにより、ならびにピンヘッドとピンボディとの界面での溝の使用あるいは不使用により、適応させることができる。加えて、中心線（ＡあるいはＢ）からのピンの距離を変更することは、剪断する前の適応トルク荷重にも影響を及ぼす。

ロックプレートハウジング２７１は、剪断されていないトルクリミッタピンに対して動くべきでなく、またトルクリミッタピンの長さ方向に沿って移動すべきでないので、ピンについて曲げ応力および歪みを考慮することは、第１実施形態から不要となる。

一度、トルクリミッタピン２７４が剪断すると、ロックプレートハウジング２７１からボディ１４２を取り出すため、ピンヘッド１４１は、左側のケース２７３から捩じることで取り外される。剪断された残骸の開口１６１０に対する位置調整を容易にするため、前述のように、ロックプレートハウジング２７１は、ピン孔１３０６がトルクピン孔１６１０に対して位置調整することができるように、左側のケース２７３に対してインデックスされる。一度、位置調整されると、圧縮されたピンバネ２７２は、ピンボディ１４２を排出する。それから、新しいトルクリミッタピンは、ピニオンおよびリングギアからディファレンシャルを取り外すことなく、左側のケース２７３および右側のケース２１１に対してさらに調整することなく、また、アクスル、ベアリング等を取り外すことなく、取り付けることができる。

さらに、剪断されたトルクリミッタピンは、ピンヘッド１４１を通さずに、取り外しが可能である。その時、ディファレンシャルの回転を手動で制止するとともに、右側のアクスルシャフトの回転を制止する。次に、ランププレート２５３を両方向へ回転させ、まず、ランププレートの回転を制止するステータコイルを作動させ、それから、波形ばね２６１のばね力に打ち勝つため、手動で操作できるリングギアを回転させる。これは、左側のアクスルシャフトを回転させずに行うことができる。ランププレートがプッシュロッド２７４を押圧すると、ロックプレート２７０は、ラグ２２４に噛み合うことができる。左側のアクスルを回転させると、ロックプレート２７０とロックプレートハウジング２７１とを回転させるロッカーギアが回転する。それから、ピン孔１３０６は、空のトルクピン孔１６１０に対して整列し、また張りつめたピンばね２７２は、スライドにより嵌合され、剪断されたピンボディ１４２を排出することができる。

他の手段は、この中で開示された実例の記述および実施を考慮すれば当業者に明白であろう。記述および実例は単に模範であることを意図し、真の範疇および精神は、後述の特許請求の範囲に示す。

Claims (15)

1. 選択的にロック可能なディファレンシャルであって、
   アウタハウジングと、
   第１ギア歯とギアラグとを含む第１サイドギアと、
   第２ギア歯を含む第２サイドギアと、
   ピニオンシャフトと、
   ピニオンシャフトに回転可能に連結され、各々が、第１ギア歯および第２ギア歯に連結されるピニオンギア歯を含む２個のピニオンギアと、
   第１サイドギアのギアラグに選択的に噛み合わされるカラー歯を含むカラーと、
   アウタハウジングに挿通されて動作可能に連結され、第１サイドギアへのトルクが予め定められた値を超えたときに剪断されるように形成された複数個のトルク感応ピンと、
   を含むことを特徴とするディファレンシャル。
2. カラーは、連結耳部をさらに含み、ディファレンシャルは、トルク感応ピンに連結されるカラーハウジングをさらに含み、カラーハウジングは、連結耳部を受けるための連結凹部を含み、カラーハウジングは、カラーを少なくとも部分的に取り囲むことを特徴とする請求項１に記載のディファレンシャル。
3. アクチュエータとプッシュロッドとをさらに含み、アクチュエータは、プッシュロッドをカラーの方へ選択的に押圧し、また、プッシュロッドがカラーを押圧すると、連結耳部が連結凹部内でスライドするとともに、カラー歯がギアラグに噛み合わされることを特徴とする請求項２に記載のディファレンシャル。
4. アウタハウジングとカラーとの間に少なくとも１個のばねをさらに含み、少なくとも１個のばねは、カラー歯をギアラグから離れる方へ押圧するために付勢することを特徴とする請求項１に記載のディファレンシャル。
5. アクチュエータとプッシュロッドとをさらに含み、アクチュエータは、プッシュロッドをカラーの方へ選択的に押圧し、プッシュロッドがカラーの方へ押圧されると、カラーがアウタハウジング内でスライドするとともに、カラー歯がギアラグに噛み合わされることを特徴とする請求項１に記載のディファレンシャル。
6. 各トルク感応ピンは、ねじが形成された部分を有するヘッドと円滑な部分を有するボディとを含み、アウタハウジングは、ねじが形成された複数個の開口を含み、ねじが形成された複数個の開口は、各々、複数個のトルク感応ピンのうち、対応する１個のトルク感応ピンのねじが形成された部分を受け入れ、カラーは、複数個のカラー孔をさらに含み、複数個のカラー孔は、各々、複数個のトルク感応ピンのうち、対応する１個のトルク感応ピンの円滑な部分を受け入れ、カラーは、ギアラグとカラー歯とを選択的に噛み合わせる、および噛み合いを解除するため、円滑な部分上をスライド可能であることを特徴とする請求項１に記載のディファレンシャル。
7. カラーハウジングは、複数個の孔をさらに含み、各孔は、複数個のトルク感応ピンのうち、対応する１個のトルク感応ピンを受け入れ、ディファレンシャルは、複数個のピンばねをさらに含み、各孔は、対応するトルク感応ピンに隣接する複数個のピンばねのうち、対応する１個のピンばねを収容することを特徴とする請求項２に記載のディファレンシャル。
8. 各トルク感応ピンは、ねじが形成された部分を有するヘッドと円滑な部分を有するボディとを含み、アウタハウジングは、ねじが形成された複数個の開口を含み、ねじが形成された複数個の開口は、各々、複数個のトルク感応ピンのうち、対応する１個のトルク感応ピンのねじが形成された部分を受け入れ、各カラーハウジングは、複数個のトルク感応ピンのうち、対応する１個のトルク感応ピンの円滑な部分を受け入れ、ピンばねは、円滑な部分を孔の外へ押圧するために付勢することを特徴とする請求項７に記載のディファレンシャル。
9. アウタハウジングは、少なくとも１個のスロットを含み、
   カラーハウジングは、複数個の穴の各々の間に分配された複数個の凹部をさらに含み、
   カラーハウジングは、凹部が少なくとも１個のスロットを通してアクセスできるように、アウタハウジング内に着座し、また、カラーは、カラーハウジング内に着座することを特徴とする請求項７に記載のディファレンシャル。
10. 各トルク感応ピンは、ヘッド、ネック、およびボディを含み、ネックは、トルク感応ピンにおける他のいかなる位置で剪断する前にピンがネックで剪断されるような直径を有することを特徴とする請求項１に記載のディファレンシャル。
11. 各トルク感応ピンは、ボディとインターフェースで連続する少なくとも１個のヘッドを含み、アウタハウジングとカラーとの間の距離は、各トルク感応ピンがヘッドとボディとのインターフェース領域あるいはその近傍で剪断することが保証されるように選択され、トルク感応ピンが剪断されると、カラーは、アウタハウジング内で回転可能になることを特徴とする請求項１に記載のディファレンシャル。
12. 各トルク感応ピンは、ボディとインターフェースで連続する少なくとも１個のヘッドを含み、アウタハウジングとカラーハウジングとの間の距離は、各トルク感応ピンがヘッドとボディとのインターフェース領域あるいはその近傍で剪断されることを保証するように選択され、トルク感応ピンが剪断されると、カラーハウジングは、アウタハウジング内を回転可能になることを特徴とする請求項２に記載のディファレンシャル。
13. 各トルク感応ピンは、ディファレンシャルがトルクを受け入れると、カラー歯あるいは第１ギア歯が降伏点に達する前に剪断されるように形成されることを特徴とする請求項１に記載のディファレンシャル。
14. カラー歯は抜き勾配角を有し、ギアラグは抜き勾配角を有し、カラー歯抜き勾配角は、ギアラグ抜き勾配角に対して相補的であることを特徴とする請求項１に記載のディファレンシャル。
15. 請求項１の選択的にロック可能なディファレンシャルを含む車両の駆動系であって、
    トルクをエンジンから選択的にロック可能なディファレンシャルまで伝達するために動作可能に連結されるトルク伝達システムと、
    第１サイドギアに動作可能に連結される第１アクスルと、
    第２サイドギアに動作可能に連結される第２アクスルと、
    を含み、
    各トルク感応ピンは、ディファレンシャルが予め定められた値を超えるトルクを受けると、第１アクスルまたは第２アクスルが剪断される前に、あるいは第１アクスルまたは第２アクスルに捩れが発生する前に、剪断されることを特徴とする車両の駆動系。
    

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