JP6343091B2 - デファレンシャル装置 - Google Patents

Description

本発明は、その連結および脱連結にソレノイドを利用するクラッチを備えたデファレンシャルギアに関し、より詳しくは二以上のスプリングをソレノイドと組み合わせて利用するデファレンシャルギアに関する。

周知の通り、自動車は一またはそれ以上のデファレンシャルギアを備え、そのそれぞれは、例えばデフケースに入力されたトルクを差動を許容しながら一対の出力軸へ伝達するために利用される。

幾つかのデファレンシャルギアは、適当な制御の下に差動を制限ないしロックするための手段を備え、以って何れかの車輪が路面との接触を失っても車輪がトラクションを失うことを防止している。これらは“ロックアップデフ”と呼ばれることがある。また他のデファレンシャルギアは、デファレンシャルギア組がデフケースから自由に回転可能であり、トルクをデフケースからデファレンシャルギア組に制御可能に伝達する手段を備えている。後者をしばしば“フリーランニングデフ”と呼び、所謂“パートタイム４ＷＤ”を実現する等の目的に利用される。

上述の各手段は、例えばデファレンシャルギアに組み込まれたクラッチと、これを連結および脱連結するアクチュエータとの組み合わせにより実現される。アクチュエータにはソレノイドが利用されることがある。

ソレノイドは往復方向に推力を発揮しうるが、その動作を単純化する等の目的で、ソレノイドに専ら一方向にのみ推力を発揮させる構成を採用し、これにリターンスプリングを組み合わせることがある。特許文献１，２は、関連技術を開示する。

日本国特許出願公開２０１１−０９９４６０号 日本国特許出願公開２０１１−１２２６５３号

上述の説明より理解できるように、ロックアップデフやフリーランニングデフとしての動作を実現するに、一のスプリングを利用すれば十分である。ところが本発明者らがさらに詳細に検討したところ、かかる構成にはさらに改善すべき問題が見出された。

例えばクラッチを連結する向きにスプリングを使用すると、トルクが印加されても連結を保持し得るに足るだけの強い弾発力が、かかるスプリングに必要である。ソレノイドをこれと逆方向の推力を発揮するように使用するときには、かかる強い弾発力に抗してクラッチを脱連結する大きな推力が必要になる。すなわち強力なソレノイドが必要であり、またその動作のために大きな電力を投入する必要がある。

本発明者らは上述の問題に鑑みて新たなアクチュエータの構造を検討し、本発明に想到した。

本発明の一局面によれば、デファレンシャル装置は、トルクを受容して軸周りに回転可能なアウタケースと、前記アウタケースに収容され、第１および第２の車軸に結合可能であって、前記第１および第２の車軸の間で差動を許容するべく噛合したデファレンシャルギア組と、前記デファレンシャルギア組を支持するインナケースと、前記アウタケースから前記トルクを伝達するべく前記アウタケースと駆動的に係合し、軸方向に移動して前記インナケースと脱連結可能に連結するクラッチリングであって、前記アウタケースの外に引き出された端部を有するクラッチリングと、よりなるクラッチと、前記クラッチリングを前記インナケースから脱連結する方向に弾発力を発揮する第１のスプリングと、前記クラッチリングを前記インナケースに連結する方向に弾発力を発揮する第２のスプリングと、前記クラッチリングの前記端部に軸方向に推力を及ぼすべく位置づけられたプランジャと、電力が投入されると前記クラッチリングを前記インナケースから脱連結する方向に、または前記クラッチリングを前記インナケースに連結する方向に、前記プランジャを駆動するソレノイドと、を備えたアクチュエータと、を備え、前記ソレノイドは、前記電力に応じて発生する磁束を導くべく少なくとも部分的に磁性を有する材料よりなり前記ソレノイドを囲むコアを備え、前記第２のスプリングは前記コアと前記プランジャとの間に弾発的に介在し、前記プランジャが前記コアに突き当たって停止するように、前記プランジャ、前記コア、および前記第２のスプリングは寸法づけられている。

図１は、本発明の一実施形態によるデファレンシャルギア装置の断面立面図である。 図２Ａは、そのアクチュエータおよびクラッチを拡大して見せる前記デファレンシャルギア装置の断面立面図であって、クラッチが連結した状態を表す。 図２Ｂは、そのアクチュエータおよびクラッチを拡大して見せる前記デファレンシャルギア装置の断面立面図であって、クラッチが脱連結した状態を表す。 図３は、他の実施形態によるデファレンシャルギア装置の断面立面図である。 図４は、一変形例によるソレノイドの断面立面図である。 図５は、他の変形例によるソレノイドの断面立面図である。 図６は、一例によるクラッチの連結・脱連結を感知するためのスイッチおよびプレッシャプレートの立面図である。 図７は、ストロークに対する弾発力および推力の変化を模式的に表すグラフである。

図１ないし７を参照して以下に本発明の幾つかの例示的な実施形態を説明する。

以下の説明および請求の範囲を通じて、軸方向の語は、特段の説明がなければ、デファレンシャル装置の回転軸に沿う方向を意味する。また説明の便宜のために左右を区別するが、左右を逆転しても以下の実施形態は実施できる。さらに「トルクを受容する」「トルクを出力する」等の表現を利用するが、これらは説明の便宜のために過ぎず、説明と逆向きにトルクが伝達されることがありうる。

以下の説明は専らフリーランニングデフに関するが、同様な構造はロックアップデフにも適用することができる。

図１を参照するに、本発明の一実施形態によれば、デファレンシャル装置は、概して、エンジンないし電動モータからトルクを受容して軸Ｃ周りに回転するアウタケース１と、右および左の車軸へトルクを差動的に分配するデファレンシャルギア組３と、アウタケース１とデファレンシャルギア組３とを脱連結可能に連結するクラッチ５と、クラッチ５を駆動するためのアクチュエータ７と、脱連結する方向にクラッチ５を付勢する第１のスプリング９と、連結する方向にクラッチ５を付勢する第２のスプリング１１と、を備える。従来の技術とは異なり、互いに逆方向に弾発力を発揮する２つのスプリング９，１１が利用されている。

デファレンシャルギア組３はインナケース３１に支持されており、インナケース３１はアウタケース１から独立して回転可能である。クラッチ５が連結すると、アウタケース１からインナケース３１を経由してデファレンシャルギア組３にトルクが伝達され、かかるトルクをデファレンシャルギア組３が右および左の車軸に差動的に分配する。クラッチ５が脱連結しているときにはトルクが伝達されずに両車軸は自由に回転できる。かかるデファレンシャル装置は例えばパートタイム４ＷＤを実現するのに利用できる。もちろん本実施形態は他の目的にも利用可能である。

アウタケース１は、軸Ｃに関して回転対称な形状であり、概して円筒形であって、その内部にデファレンシャルギア組３やその他の要素を収容できるようになっている。内部の要素を収める便宜のためにアウタケース１は２以上に分割可能であってもよく、図示の例ではそのフランジ部において本体からカバー体１３が分離可能である。カバー体１３を外した状態において内部の要素を収容した後、図外のリングギアとともにカバー体１３が本体にボルト等で締結される。リングギアはフランジ部に固定され、トルクを受容するのに利用される。

アウタケース１は、軸Ｃに沿う方向に突出したボス部１５，１７を備え、ボス部１５，１７によりキャリアに回転可能に支持され、以って軸Ｃ周りに回転可能である。一方のボス部１５は他方のボス部１７よりも長く、これにアクチュエータ７を嵌合せしめることができる。

デファレンシャルギア組３には、差動を許容するべく噛合した何れの型のギア組も適用できる。図示の例はベベルギア式であって、インナケース３１に支持された複数のピニオンシャフト３３と、その周りに回転可能なようにピニオンシャフト３３にそれぞれ支持された複数のピニオンギア３５と、それぞれピニオンギア３５と噛合して相互に差動が可能な右サイドギア３７と左サイドギア３９と、よりなる。通常、サイドギア３７，３９はスプライン３７Ｓ，３９Ｓのごとき結合装置を備え、以って右および左の車軸と結合する。

図１と組み合わせて図２Ａ，２Ｂを参照するに、アウタケース１からトルクを伝達するべく、これと係合したクラッチリング５１をデファレンシャル装置は備える。クラッチリング５１の全体は概してリング状であって、アウタケース１内に、インナケース３１に面するように、また例えばサイドギア３７の外側に同軸状に、配置され、軸方向に可動である。

クラッチリング５１において、インナケース３１に面する端は、クラッチ歯５３を備える。対応してインナケース３１の一端はクラッチ歯５５を備える。クラッチ歯５３とクラッチ歯５５とは互いに噛合するべく刻まれており、以ってクラッチ５を構成する。

クラッチリング５１は、インナケース３１に面した側とは反対方向に突出した複数の凸部５７を備える。かかる凸部５７は、周方向に並び、好ましくは軸Ｃに関して回転対称になるように配置される。アウタケース１は、凸部５７に対応した複数の貫通穴２１を備え、ここを通って凸部５７はアウタケース１の外に引き出されている。凸部５７の側壁と貫通穴２１の側壁とが当接することにより、クラッチリング５１はアウタケース１からトルクを受容する。トルクの一部を軸方向の力に変換するべく、凸部５７の側壁と貫通穴２１の側壁とは対応して周方向に傾斜していてもよい。これはクラッチ５の連結を維持する補助になりうる。

図２Ａに示すごとくクラッチ５が連結する（クラッチリング５１がインナケース３１に連結する）と、トルクはデファレンシャルギア組３に伝達され、図２Ｂに示すごとくクラッチ５が脱連結する（クラッチリング５１がインナケース３１から脱連結する）と、デファレンシャルギア組３はアウタケース１から解放されて自由に回転しうる。

凸部５７の一端には、後述のプランジャ８との当接の便宜のために、アウタケース１の外において、プレッシャプレート５９が結合していてもよい。プレッシャプレート５９は、少なくとも部分的には周方向に連続した円盤状である。凸部５７へのプレッシャプレート５９の結合は、例えばネジ止めによることができ、以ってクラッチリング５１をアウタケース１に収容した後にプレッシャプレート５９をこれに結合することができるが、これに限られない。

アクチュエータ７は、投入される電力に応じて磁束を発生するソレノイド７１と、かかる磁束により駆動されるプランジャ８と、を備える。ソレノイド７１は軸Ｃを囲むような形状にすることができ、プランジャ８はその外周、内周または何れかの部位に隣接し、磁束に応じて軸方向に駆動される。添付の図は、ソレノイド７１の内周に隣接する例を示す。

磁束を効率よく導くべく、磁性を有する材料よりなるコア７３がソレノイド７１を囲んでいてもよい。またコア７３は、プランジャ８に面した側においてギャップ７５を備えてもよく、この場合、プランジャ８はギャップ７５を跨ぐように配置される。磁束はギャップ７５を跳躍せずにプランジャ８に迂回するように流れ、かかる磁束がプランジャ８を駆動する。

コア７３は、その全体が磁性を有する材料よりなってもよいが、ソレノイド７１を囲む部分のみが磁性を有し、プランジャ８が突き当たる部分は非磁性材料よりなるものでもよい。またかかる部分から延長されたスリーブ７７を備えてもよく、これは好ましくは非磁性材料よりなる。スリーブ７７がボス部１５に嵌合することによ、りソレノイド７１およびコア７３は軸Ｃに対して同軸に位置決めされる。これらの部分が非磁性材料よりなることは、磁束の漏洩を防止することに寄与する。磁性部分と非磁性部分との結合は、例えば溶接によることができるが、ろう付け、ねじ締結、あるいは圧入等の他の手段によってもよい。

アクチュエータ７を抜け止めするべく、スリーブ７７に突き当たるようにリテーナ７９をボス部１５に嵌合せしめてもよい。リテーナ７９の固定のために、圧入、ろう付け、溶接等の手段を適用してもよい。

プランジャ８は、その全体が磁性を有する材料よりなってもよいが、コア７３に面した部分８１のみが磁性を有し、ボス部１５およびプレッシャプレート５９に面した部分８３は非磁性材料よりなるものでもよい。これは、磁束の利用効率を高め、また磁束の漏洩を防止することに寄与する。磁性部分８１と非磁性部分８３との結合は、例えば圧入によることができるが、接着、ろう付け、あるいは溶接等の他の手段によってもよい。

プランジャ８は（特にその磁性部分８１は）ギャップ７５の全体を覆うように配置されていてもよいが、部分的に覆うように配置されていてもよい。磁束が生ずる前の状態において、図２Ａに示すごとく、プランジャ８が部分的にギャップ７５を覆い、図２Bに示すごとく、磁束が生じてプランジャ８が終端に移動したときには、プランジャ８とギャップ７５との重複が大きくなる。あるいはこの状態において、プランジャ８がギャップ７５の実質的に全体を覆うように、プランジャ８とギャップ７５とを寸法づけることができる。このような構造によれば、図７において曲線Ｍが示すごとく、プランジャ８が当初の位置（図２Ａの位置）にあるときにはプランジャ８とギャップ７５との重複が少ないために推力が小さく、プランジャ８が終端の位置（図２Ｂの位置）に移動するにつれて重複が大きくなるために推力が急激に大きくなる。

これまでの説明より理解されるように、ソレノイド７１は、電力が投入されるとプランジャ８を各図中右方に、すなわちクラッチリング５１をインナケース３１から脱連結する方向に駆動する。あるいはこれに代えて、ソレノイド７１は、電力が投入されるとプランジャ８を各図中左方に、すなわちクラッチリング５１をインナケース３１に連結する方向に駆動してもよい。また図１乃至図２Ｂに示す例においては、ギャップ７５の位置（図中右寄り）は、クラッチ５が脱連結する方向にプランジャ８が移動するにつれて推力を大きくする。これに代えてクラッチ５が連結する方向にプランジャ８が移動するにつれて推力を大きくする位置（図中左寄り）にギャップ７５が位置してもよい。

図１乃至図２Ｂに戻って参照するに、第１のスプリング９は、例えばプレッシャプレート５９とアウタケース１との間に、弾発力を生ずるべく圧縮されて介在しており、クラッチリング５１をインナケース３１から脱連結する方向にプレッシャプレート５９を付勢する。

第２のスプリング１１は、例えばプランジャ８とコア７３との間に、弾発力を生ずるべく圧縮されて介在しており、クラッチリング５１をインナケース３１に連結する方向にプランジャ８を付勢する。プランジャ８は、第２のスプリング１１に対応した円筒状の空洞を備えることができ、その中に第２のスプリング１１が内装されていてもよい。

プランジャ８の形状および２つのスプリング９，１１の配置は、様々な変形がありうる。例えば図３に示すごとく、プランジャ８の一部分、例えばプレッシャプレート５９に接する端は、径方向外方にフランジ状に突出していてもよく、かかる部分とコア７３との間に第２のスプリング１１が介在していてもよい。

さらにあるいは、図示されていないが、かかるフランジ状部分はプレッシャプレート５９を越えてクラッチ５の方向に延び、かかる部分から径方向外方にフランジ状に突出して、プレッシャプレート５９の背面（クラッチ５に面した面）に係合していてもよい。この場合にはソレノイド７１は、その推力により、プランジャ８を引っ張ることになる。さらに、第１のスプリング９は、かかるフランジ状部分とプレッシャプレート５９の背面との間に弾発的に介在していてもよい。また第２のスプリング１１は、アウタケース１内であってクラッチリング５１の背面を付勢するように配置されていてもよい。

上述の何れかの実施形態のごとく、互いに逆方向に弾発力を発揮する２つのスプリング９，１１を組み合わせることにより、クラッチリング５１には図７に示すごとき弾発力が印加される。図７において、折れ線Ｄは、クラッチリング５１のストロークＳに対する弾発力Ｆを表す。両方のスプリングが伸縮限界に達しない範囲（図中破線より左側）においては、両方のスプリングの弾発力が打ち消し合うために、折れ線Ｄの傾きは比較的に小さい。一方のスプリングが伸縮限界に達すると（図中破線より右側）、他方のスプリングの弾発力のみがクラッチリング５１に作用し、折れ線Ｄの傾きは急激に大きくなる。

容易に理解できるように、折れ線Ｄの形状は、２つのスプリング９，１１のバネ係数および伸縮限界の長さにより、適宜に調整することができる。すなわち、両方のスプリングが伸縮限界に達しない範囲における傾きは、２つのスプリング９，１１のバネ係数の差に依存し、達した後の傾きは、他方のスプリングのバネ係数に依存する。折れ線Ｄの屈曲点は、両者の伸縮限界の長さの関係に依存する。

さらに、２つのスプリング９，１１およびアクチュエータ７の構成を適宜選択することにより、電力の投入に対するクラッチ５の応答を変更することができる。図７に示した例は、第２のスプリング１１のバネ係数の方がより大きく、クラッチ５が常時連結する形態に対応する。この場合は、アクチュエータ７は、電力を投入したときにソレノイド７１がクラッチ５を脱連結するよう構成される（電力ＯＮ−クラッチフリー）。これに代えて、第１のスプリング９のバネ係数をより大きくすれば、クラッチ５は常時脱連結する。この場合は、アクチュエータ７は、電力を投入したときにソレノイド７１がクラッチ５を連結するよう構成される（電力ＯＦＦ−クラッチフリー）。

いずれにせよ、電力を投入した当初、アクチュエータ７は比較的に小さな推力しか発揮せず、またその上昇も比較的に小さいが、２つのスプリング９，１１による抗力の上昇も比較的に小さいために、アクチュエータ７の推力は常にこれを上回ることができる。駆動の終端付近ではアクチュエータ７による推力は急上昇するので、２つのスプリング９，１１による抗力が急上昇しても、やはりアクチュエータ７の推力は常にこれを上回る。スプリングによる抗力に対するに、過大に強力なソレノイドを採用する必要や、大きな電力を投入する必要がない。またスプリング９，１１による抗力を差し引きする（図７において曲線Ｍと折れ線Ｄとの差）と、アクチュエータ７による推力は、ストロークによらずほぼ一定になる。これらは省電力化、安定した推力の発揮、あるいはプランジャに過大な衝撃が印加されることを防止するのに寄与する。

プランジャ８の可動域を制限するような構造を採用することができる。例えば図２Ｂに示したアクチュエータ７による駆動の終端において、プランジャ８がコア７３に突き当たるようにこれらを寸法づけることができる。このようにすればアクチュエータ７の推力が最大になる付近を利用することができるので、電力を効率的に利用しうる。またプランジャ８がアクチュエータ７のみにより正確に位置決めされるので、プランジャ８の位置を規定するために他の要素、例えばクラッチリング５１やプレッシャプレート５９の位置関係を精密に規定する必要がなく、加工や組み立てが著しく容易である。

またプランジャ８が終端にまで移動した時に、プランジャ８の先端がプレッシャプレート５９から僅かに離れるよう、プランジャ８を寸法づけてもよい。プレッシャプレート５９は回転系に属するがプランジャ８は静止系に属するので、また両者が接すると相互に摩擦が生じてエネルギ損失の原因となる。プランジャ８の先端がプレッシャプレート５９から僅かに離れることにより、かかるエネルギ損失が防止できる。

反対方向（クラッチ５を連結する方向）には可動域は自ずから制限される。例えばソレノイド７１に電力を投入しなければ、２つのスプリング９，１１の弾発力が拮抗する点においてプランジャ８が停止する。

もちろん可動域を能動的に制限する構造を採用することもできる。例えば図４に示すごとく、プランジャ８に、例えばその非磁性部分８３に、突き当て面８３Ｆを形成し、これに当接するようにストッパ８５を設けてもよい。ストッパ８５は、例えばスリーブ７７に固定することができる。あるいは図５に示すごとく、スリーブ７７を径方向外方に曲げ、かかる部分７７Ｐが突き当て面８３Ｆに当接することによりプランジャ８の可動域を制限してもよい。

上述のごとく可動域を制限することにより、例えばクラッチ歯５３の歯先がクラッチ歯５５の歯底に（あるいはクラッチ歯５５の歯先がクラッチ歯５３の歯底に）突き当たらないようにすることができる。歯先が歯底に突き当たった状態でトルクが印加されると、歯先には予想外に大きな集中応力が生じかねず、これはクラッチ歯５３，５５の寿命を短縮する要因である。可動域を制限することで歯先が歯底に突き当たらないようにすれば、クラッチ歯５３，５５の寿命を延長し、あるいは過酷な使用環境に対する耐久力を向上する。

デファレンシャル装置は、さらに、クラッチ５が連結しているか否かを検出する装置を備えていてもよい。例えば図６に示す電気的なスイッチ１９を利用することができる。スイッチ１９は、例えば、伸縮するロッド９１と、キャリアに固定するためのリテーナ９３と、外部に引き出されたケーブル９５とを備える。ロッド９１の先端は、例えばプレッシャプレート５９に当接し、プレッシャプレート５９の位置によりスイッチ１９がＯＮ／ＯＦＦし、ケーブル９５を経由して外部からクラッチ５が連結しているか否かを検出することができる。かかる装置は、プレッシャプレート５９の位置から直接的にクラッチ５の連結／脱連結を検出しており、アクチュエータに電力を投入しているか否かによって間接的に検出するのに比べ、より確実にクラッチ５の状態を検出している。

クラッチ５が連結しているか否かを直接的に検出することにより、デファレンシャル装置をより省電力に運用することができる。図７より理解されるように、アクチュエータ７による推力はスプリング９，１１による抗力を常に上回るが、クラッチ５の連結（または脱連結）が完了した後には、かかる推力は過大である。そこで連結（または脱連結）が検出された後には、投入電力を下げ、以って電力消費を抑制してもよい。

好適な実施形態により本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上記開示内容に基づき、当該技術分野の通常の技術を有する者が、実施形態の修正ないし変形により本発明を実施することが可能である。

省電力であって組立てが容易なデファレンシャル装置が提供される。

Claims (7)

1. トルクを受容して軸周りに回転可能なアウタケースと、
   前記アウタケースに収容され、第１および第２の車軸に結合可能であって、前記第１および第２の車軸の間で差動を許容するべく噛合したデファレンシャルギア組と、
   前記デファレンシャルギア組を支持するインナケースと、前記アウタケースから前記トルクを伝達するべく前記アウタケースと駆動的に係合し、軸方向に移動して前記インナケースと脱連結可能に連結するクラッチリングであって、前記アウタケースの外に引き出された端部を有するクラッチリングと、よりなるクラッチと、
   前記クラッチリングを前記インナケースから脱連結する方向に弾発力を発揮する第１のスプリングと、
   前記クラッチリングを前記インナケースに連結する方向に弾発力を発揮する第２のスプリングと、
   前記クラッチリングの前記端部に軸方向に推力を及ぼすべく位置づけられたプランジャと、電力が投入されると前記クラッチリングを前記インナケースから脱連結する方向に、または前記クラッチリングを前記インナケースに連結する方向に、前記プランジャを駆動するソレノイドと、を備えたアクチュエータと、
   を備えたデファレンシャル装置であって、
   前記ソレノイドは、前記電力に応じて発生する磁束を導くべく少なくとも部分的に磁性を有する材料よりなり前記ソレノイドを囲むコアを備え、前記第２のスプリングは前記コアと前記プランジャとの間に弾発的に介在し、
   前記プランジャが前記コアに突き当たって停止するように、前記プランジャ、前記コア、および前記第２のスプリングは寸法づけられている、デファレンシャル装置。
2. 請求項１のデファレンシャル装置であって、前記コアはギャップを備え、前記プランジャは前記ギャップに隣接し、前記ギャップを部分的に覆う位置から前記ギャップの全体を覆う位置まで移動可能なように配置されている、デファレンシャル装置。
3. 請求項１のデファレンシャル装置であって、前記クラッチリングは前記プランジャに当接可能なプレッシャプレートをさらに備えたデファレンシャル装置。
4. 請求項３のデファレンシャル装置であって、前記第１のスプリングは前記プレッシャプレートと前記アウタケースとの間に弾発的に介在する、デファレンシャル装置。
5. 請求項３のデファレンシャル装置であって、前記クラッチリングが前記インナケースに連結したときに前記プランジャが前記プレッシャプレートに接しないように、前記プランジャまたは前記第２のスプリングは寸法づけられている、デファレンシャル装置。
6. 請求項１のデファレンシャル装置であって、前記第２のスプリングは前記プランジャに弾発的に内装されている、デファレンシャル装置。
7. 請求項１のデファレンシャル装置であって、前記第２のスプリングは前記プランジャと前記コアの外面との間に弾発的に介在する、デファレンシャル装置。

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