KR100671295B1 - 차량용 차동제한장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량용 차동제한장치에 관한 것으로서, 그 목적은 기존 차동장치의 사이드기어인 베벨기어에 헬리컬기어를 함께 마련하고 상기 베벨기어에 맞물리는 베벨기어피니언과, 헬리컬기어에 맞물리는 헬리컬기어피니언을 하나의 유닛으로 마련하여 차량주행시 안정성 및 운동성이 우수한 차동제한장치를 구현함으로써, 차량주행 시에 주행상태에 알맞게 좌, 우측 구동바퀴에 필요한 구동력을 확보할 수 있도록 한 것이다.

본 발명은 드라이브샤프트에 스플라인을 통해 결합된 2개의 사이드기어(110)와, 이 사이드기어(110)에 서로 맞물리는 피니언(120)과, 이 사이드기어(110)와 피니언(120)을 둘러싸고 있는 차동케이스(100)와, 이 차동케이스(100)와 일체로 형성된 링 기어(103)를 포함하여 구성된 차동장치에 있어서, 상기 사이드기어(110)는 베벨기어(111,112)와 헬리컬기어(113,114)가 함께 마련되며 상기 사이드기어(110)의 베벨기어(111,112)엔 베벨기어피니언(121,122)이 맞물려있고 상기 사이드기어(110)의 헬리컬기어(113,114)엔 한 쌍을 이루는 2개의 헬리컬기어피니언(123,124)이 서로 맞물리면서 헬리컬기어(113,114)의 외면에 그 중심선방향으로 맞물려 설치된 것을 특징으로 한다.

차동제한장치, 베벨기어, 헬리컬기어

Description

차량용 차동제한장치{Limited Slip Differential System for the Vehicle}

도 1은 종래의 차량용 차동장치를 나타낸 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예의 차량용 차동제한장치를 나타낸 구성도,

도 3은 도 2의 A-A선에서 잘라 본 상태의 단면도,

도 4는 본 발명에 따른 차동제한장치에서 직진시의 토크분배도이다.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

100: 차동케이스 101: 전면커버

102: 후면커버 103: 링기어

104: 인너케이스 105: 피니언 축

106: 기어설치 홈 110: 사이드기어

111,112: 베벨기어 113,114: 헬리컬기어

120: 피니언 121,122: 베벨기어피니언

123,124: 헬리컬기어피니언

본 발명은 차량용 차동제한장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 기존 차동장치의 베벨기어에 헬리컬기어를 갖는 사이드기어로 마련하고 상기 베벨기어에 맞물리는 피니언기어와, 헬리컬기어에 맞물리는 헬리컬기어피니언을 마련하여 차량주행시 안정성 및 운동성이 우수하게 차동 및 차동제한이 이뤄지는 차량용 차동제한장치에 관한 것이다.

일반적으로, 차량의 차동기어장치(Open Differential)는 자동 및 수동 변속기뿐만 아니라 후륜구동의 리어액슬 내에 장착되어 차량주행 시에 엔진의 구동력을 전달하고 차량선회 등의 회전을 가능케 하는 장치이다.

이러한 종래의 차동기어장치는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 드라이브샤프트(15a,15b)에 스플라인을 통해 결합된 2개의 사이드기어인 베벨기어(14a,14b)와, 이 베벨기어(14a,14b)에 서로 맞물리고 피니언 축(12)에 결합된 2개의 베벨기어피니언(13)과, 이 베벨기어(14a,14b)와 베벨기어피니언(13)을 둘러싸고 있는 차동케이스(10)와, 이 차동케이스(10)와 일체로 형성된 링 기어(11)를 포함하여 구성된다.

상기와 같이 구성된 자동차용 차동장치에서는, 먼저 추진축을 통해 엔진의 동력이 링 기어(11)와 결합되어 있는 구동피니언에 전달되면 구동피니언의 회전력이 링 기어(11)를 통해 상기 차동케이스(10)로 전달된다. 상기 차동케이스(10)가 회전하면 차동케이스(10)에 고정된 피니언 축(12)을 통해 그 회전력이 전달되어 상기 베벨기어피니언(13)이 공전하게 된다.

상기 베벨기어피니언(13)이 공전되면 베벨기어피니언(13)과 맞물려있는 베벨 기어(14a,14b)가 구동되어 상기 베벨기어(14a,14b)와 스플라인 결합된 드라이브샤프트(15a,15b)가 회전된다. 따라서 상기 드라이브샤프트(15a,15b)를 통해 엔진의 동력이 구동바퀴로 전달된다.

상기와 같이 구성된 차동기어장치는, 자동차가 직진하는 경우, 좌우 구동바퀴의 회전저항이 같으므로 베벨기어피니언(13)의 공전에 따라 상기 베벨기어(14a,14b) 및 차동케이스(10)가 같은 회전수로 구동되어 결국 전체 시스템이 하나의 블록이 되어 회전된다.

이와는 달리, 자동차가 선회하는 경우에는 좌우 구동바퀴가 받는 회전저항이 변하여 좌우의 베벨기어(14a,14b)의 회전수가 서로 달라지므로 베벨기어피니언(13)이 공전됨과 동시에 자전을 시작하여 저항이 낮은 쪽의 베벨기어(14a,14b)는 저항이 높은 쪽보다 가속되어 더 빠른 속도로 구동된다.

즉, 구동바퀴는 통과하는 노면의 길이에 따라 회전하므로 커브를 돌 때의 내측 구동바퀴는 외측 구동바퀴보다 저항이 커져서 회전수가 감소하고, 그 만큼 반대쪽의 구동바퀴를 가속하게 된다.

상기와 같이 구성된 종래의 차동장치는 선회가 가능한 차동기능만 보유하고 있으므로 차량이 빗길 혹은 눈길 등의 좌, 우측 구동바퀴에 걸리는 마찰계수가 다른 노면을 주행할 때는 구동바퀴가 구동력을 상실하게 되고 이로 인하여 사고를 유발하는 주행상태가 된다.

부언하면, 기존의 차동장치는 좌, 우측 구동바퀴에 항상 동일한 구동력을 전달하기 때문에 어느 한쪽이 구동력을 상실하게 되면 마찰계수가 높아 많은 구동력 을 전달할 수 있음에도 불구하고, 슬립이 일어나는 구동바퀴 쪽과 동일한 구동력 밖에 전달하기 못한다.

따라서 전체적인 동력손실이 발생하기 때문에, 한쪽의 구동바퀴가 웅덩이에 빠졌을 때, 차량이 탈출을 못하는 이유이고, 경사가 심한 언덕을 가속으로 올라갈 때에 구동바퀴에 슬립이 생기는 원인이다. 또한 눈길에서 제동 시에도 구동바퀴의 구동력 상실로 차량이 미끄러지며 차량의 제어가 불가능해지는 원인으로 사고를 유발하기도 한다.

상기와 같은 기존 차동기어장치의 단점을 보완하여 차량운동성 및 주행안정성을 향상시킨 차동제한장치가 전 세계에 걸쳐 다양하게 개발되어져 왔다. 이러한 차동제한장치의 대표적인 것으로서, 다판클러치식(Multi Clutch) 차동제한장치와, 비스커스커플링식(Viscous Coupling) 등이 있으나, 이러한 차동제한장치는 특정차량에 알맞게 고유한 시스템으로 개발되어져 왔다. 또한 구동력을 유압으로 제어하는 전자제어식 차동제한장치와, 볼에 의한 캠방식의 차동제한장치 등이 있다.

그리고 이외에도 헬리컬기어방식의 차동제한장치가 제안되어 있는데, 이들중 두어 개만을 발췌하여 본다. 먼저, 대한민국 공개특허공보 제2002-0017452호에는 사이드기어와 이에 맞물리는 피니언기어가 헬리컬기어로 된 헬리컬기어방식의 차동제한장치에 있어서, 상기 피니언기어가 차동기어케이스 내부에 서로 비대칭적으로 배치되도록 마련함으로써 대칭형으로 분배되어 있던 피니언기어 쌍들을 비대칭형으로 배치하여 불균형한 동력분배에 따른 피니언기어의 치선과 차동기어케이스의 기어홈 사이의 내경표면접촉면적을 증대시켜 차동제한성능을 향상시킨 것이었다.

또한, 대한민국 특허 제0103683호(공고번호: 특1996-0007058)에는, 사이드기어인 양쪽의 헬리컬기어에 각각 대응되어 맞물려 마찰작용이 이루어지는 헬리컬기어피니언을 갖춘 헬리컬기어형식의 차동제한장치에 있어서, 상기 헬리컬기어피니언을 서로 이웃하여 대향되게 마주보도록 설치하면서 이 헬리컬기어피니언의 일부분이 서로 직접 치합된 것으로써 동력전달방식을 단순화시키고 종래의 장치에 비해 구조의 단순화로 콤팩트하고 경량화하여 가공비를 낮추는 것이었다.

위의 헬리컬기어방식의 차동제한장치들은 모두 사이드기어인 양쪽의 헬리컬기어에 그 회전방향을 맞추기 위해 헬리컬기어피니언이 서로 이중으로 맞물리고 상기 헬리컬기어에서 발생하는 축방향의 분력에 의해 이들이 맞물린 기어들 사이는 물론이고 차동케이스 사이에서 마찰이 생겨 차동제한작용이 이루어지는 것이었다.

그러나 상기와 같은 헬리컬기어방식의 차동제한장치에 있어서는, 사이드기어인 헬리컬기어의 외측에 각각 2개가 한 쌍을 이루는 여러 개의 헬리컬기어피니언과 맞물리는 구성인바, 구조상 강도가 취약하고 구조적으로 취약한 강도를 갖음에도 불구하고 양쪽의 사이드기어인 헬리컬기어에 전체 구동력의 절반(50%)이 걸리기 때문에 강도보강을 위해 기어모듈이 커짐은 물론 차동케이스가 커지며, 각각의 헬리컬기어피니언은 차동케이스 내면과의 마찰을 통해서 차동제한작용이 이뤄질 때, 맞물린 기어 상호간은 물론 차동케이스와의 마찰로 인한 트러블에 의해서 발열과 쇳가루 등이 계속적으로 발생하게 된다는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위하여 연구 개발한 것으로서, 기존 차동장치의 사이드기어인 베벨기어에 헬리컬기어를 함께 마련하고 상기 베벨기어에 맞물리는 베벨기어피니언과, 헬리컬기어에 맞물리는 헬리컬기어피니언을 하나의 유닛으로 마련하여 차량주행시 안정성 및 운동성이 우수한 차동제한장치를 구현함으로써, 차량주행 시에 주행상태에 알맞게 좌우측 구동바퀴에 필요한 구동력을 확보할 수 있도록 한 차량용 차동제한장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 사이드기어인 베벨기어와 헬리컬기어에서 각각 양분되어 구동력을 전달함으로써 강도상 유리하고 동일한 기어모듈을 전제로 할 때 더 큰 구동력을 전달할 수 있으며 이로 인하여 작고 콤팩트(compact)한 차량용 차동제한장치를 제공하는데 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 드라이브샤프트에 스플라인을 통해 결합된 2개의 사이드기어와, 이 사이드기어에 서로 맞물리는 피니언과, 이 사이드기어와 피니언을 둘러싸고 있는 차동케이스와, 이 차동케이스와 일체로 형성된 링기어를 포함하여 구성된 차동장치에 있어서, 상기 사이드기어는 베벨기어와 헬리컬기어가 함께 마련되며 상기 사이드기어의 베벨기어엔 베벨기어피니언이 맞물려있고 상기 사이드기어의 헬리컬기어엔 한 쌍을 이루는 2개의 헬리컬기어피니언이 서로 맞물리면서 헬리컬기어의 외면에 그 중심선방향으로 맞물리게 설치되고, 상기 차동케이스에 오목한 구조의 기어 설치홈이 형성되어, 그 안에 상기 한 쌍의 헬리컬기어피니언이 삽입되어 위치된 것을 특징으로 한다.

상기 헬리컬기어피니언은 한쪽의 헬리컬기어와 맞물리고 다른 한쪽에서 한 쌍을 이루는 헬리컬기어피니언과 맞물리도록 한쪽으로부터 길게 혹은 양쪽부분에만 헬리컬기어치가 마련될 수 있다.

또한 상기 헬리컬기어피니언은 베벨기어피니언과 서로 간섭이 발생되지 않도록 고려하여 서로 대칭되게 마련되며, 상기 사이드기어인 베벨기어와 헬리컬기어를 각각 별도로 마련하여 장착하거나 일체형으로 마련할 수 있다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 차량용 차동제한장치에 대한 실시 예를 설명하고자 한다.

도 2 내지 도 4는 본 발명에 따른 차량용 차동제한장치를 설명하기 위해 나타낸 도면들이다.

도면에 나타낸 바와 같이, 차동케이스(100)는 그 양쪽에 전/후면커버(101,102)가 장착되어 있고 상기 후면커버(102)측의 외부에 구동력을 전달받는 링 기어(103)가 장착되어 있다. 상기 차동케이스(100)의 내부에는 양쪽으로부터 삽입되는 드라이브샤프트(15a,15b)와 스플라인 결합이 이뤄지는 사이드기어(110)가 마련되어 있고 이 사이드기어(110)엔 이와 서로 맞물려 구동력을 전달하는 피니언(120)이 설치되어 있다.

상기 사이드기어(110)는 차동케이스(100)의 중앙에 베벨기어(111,112)가 위치되도록 베벨기어(111,112)와 헬리컬기어(113,114)가 하나의 유닛을 이루면서 대향되게 마련된다. 상기 사이드기어인 베벨기어(111,112)와 헬리컬기어(113,114)는 작업여건 혹은 주문자의 요구에 따라 각각 별도로 마련되어 장착될 수 있고 일체형으로 마련될 수도 있다.

상기 차동케이스(100)내에 인너케이스(104)가 설치되고 이 인너케이스(104)엔 이를 횡단하여 피니언 축(105)이 고정되어 있으며, 이 피니언 축(105)에는 회전 가능하게 설치되되 피니언(120)을 이루는 2개의 베벨기어피니언(121)(122)이 사이드 기어의 베벨기어(111,112)와 맞물려있고 상기 사이드기어(110)의 헬리컬기어(113,114)엔 한 쌍을 이루는 2개의 헬리컬기어피니언(123,124)이 서로 맞물리면서 헬리컬기어(113,114)의 외면에 그 중심선방향으로 맞물리게 설치되어 있다.

또한 상기 헬리컬기어피니언(123,124)은 도 3을 참고하면, 헬리컬기어(113,114)의 외면에 설치할 수 있도록 차동케이스(100)의 내부에 오목한 구조의 기어설치 홈(106)이 형성되되 이 기어설치 홈(106)은 좌우양쪽에 대향되게 배치되어 있다. 이와 같이 헬리컬기어피니언(123,124)을 대향되게 마련한 이유는 기존 차동장치의 피니언인 베벨기어피니언(121,122)과 간섭이 발생되지 않도록 공간상 여유 있는 부분에 효과적인 배치하기 위해서이다.

그리고 상기 헬리컬기어피니언(123,124)은 사이드기어(110)인 한쪽의 헬리컬기어(113,114)와 맞물리고 다른 한쪽에서 한 쌍을 이루는 헬리컬기어피니언(123,124)과 맞물리도록 마련된다. 또한 상기 헬리컬기어피니언(123,124)은 위에서 언급한 바와 같이, 한쪽의 헬리컬기어(113,114)와 한 쌍을 이루는 헬리컬기어피니언(123,124)이 맞물리는 조건이면 족하므로 한쪽으로부터 길게 마련하거나 양쪽부 분에만 헬리컬기어피니언의 기어치를 마련할 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 차량용 차동제한장치는, 차동케이스(100)의 링 기어(103)를 통해 구동력을 전달받아 차동케이스(100)가 회전되게 되고 이때 차동케이스(100)의 내부에 인너케이스(104)를 통해 고정된 피니언축(105) 또한 회전되게 된다. 이와 같이 차동케이스(100)가 회전될 때, 피니언축(105)에 회전 가능하게 설치된 베벨기어피니언(121,122)과 사이드기어인 베벨기어(111,112)가 맞물려 있으므로 드라이브샤프트(15a,15b)를 통해 좌우측 구동바퀴로 동력이 전달되는 것이다.

이와 같은 상태에서, 좌우 구동바퀴가 받는 회전저항이 변하게 되면, 자동차가 선회하는 경우와 같이, 사이드기어(110)인 좌우의 베벨기어(111,112)의 회전수가 서로 달라지므로 베벨기어피니언(121,122)이 공전됨과 동시에 자전을 시작하여 저항이 낮은 쪽의 베벨기어(111,112)는 저항이 높은 쪽보다 가속되어 더 빠른 속도로 구동된다.

즉, 좌우 구동바퀴는 통과하는 노면의 길이에 따라 회전하므로 커브를 돌 때의 내측 구동바퀴는 외측 구동바퀴보다 저항이 커져서 회전수가 감소하고, 그 만큼 반대쪽의 구동바퀴를 가속함과 같이 차동기능을 발휘한다.

한편, 상기 차동케이스(100)로 입력된 동력은 인너케이스(104)외에 서로 맞물려있는 2개가 한 쌍을 이루는 헬리컬기어피니언(123,124)으로도 동력이 전달되게 되고 이 헬리컬기어피니언(123,124)과 맞물려있는 사이드기어(110)인 헬리컬기어(113,114)로 전달되게 된다.

부언하면, 도 4와 같이, 차동케이스(100)가 받은 동력을 100%라 할 때, 베벨기어피니언(121,122)과 헬리컬기어피니언(123,124)을 통해 각각 50%씩 분기되었다가 사이드기어(110)인 베벨기어(111,112)와 헬리컬기어(113,114)로 25%씩 전달받아 50%로 합쳐진 상태로 전달되어 드라이브샤프트를 통해 좌우 구동바퀴로 구동력을 전달한다.

그러므로 기존의 차동장치나 차동제한장치는 베벨기어피니언 혹은 헬리컬기어피니언인 하나의 피니언기어를 통해 원래의 구동력을 전달하지만 본원발명은 베벨기어피니언(121,122)과 헬리컬기어피니언(123,124)에 의해 각각의 구동력을 동시에 전달하므로 베벨기어(111,112)와 헬리컬기어(113,114)에 걸리는 부하가 작아 강도상 유리하며, 이로 인하여 동일한 기어모듈이라 할 때 더 큰 구동력을 전달할 수 있고 작고 콤팩트하게 된다.

위에서 언급하였듯이, 차동케이스(100)내부의 인너케이스(104)에 고정된 피니언축(105)의 베벨기어피니언(121,122)은 오로지 차동장치만의 역할을 하는 것을 설명하였으나, 차동케이스(100)를 통해 헬리컬기어피니언(123,124)로 전달된 구동력은 차동장치뿐만 아니라 차동제한장치로서의 역할을 한다.

본 발명의 차량용 차동제한장치는 좌우 구동바퀴의 회전저항이 같은 자동차가 직진하는 경우, 베벨기어피니언(121,122)만이 있는 기존의 차동장치와 동일하게 피니언기어인 베벨기어피니언(121,122)과 헬리컬기어피니언(123,124)이 공전되고, 이에 따라 사이드기어(110)인 베벨기어(111,112)와 헬리컬기어(113,114)는 물론이고 차동케이스(100)가 같은 회전수로 구동되어 결국 전체 시스템이 하나의 블록이 되어 회전되게 된다.

이와는 달리, 자동차가 선회하는 경우라든가, 좌우측 구동바퀴에 걸리는 마찰계수가 다른 노면을 주행하는 경우에는 헬리컬기어피니언(123,124)이 차동제한장치로서의 역할을 수행한다.

다시 말해서, 좌우측 구동바퀴가 받는 회전저항이 변하여 사이드기어인 좌우의 베벨기어(111,112)의 회전수가 서로 달라지면 베벨기어피니언(121,122)이 공전됨과 동시에 자전을 시작하여 저항이 낮은 쪽의 베벨기어(111 또는 112)는 저항이 높은 쪽보다 가속되어 더 빠른 속도로 구동된다. 이와 동시에 헬리컬기어피니언(123,124) 또한 공전과 자전을 시작하므로 2개가 한 쌍을 이루는 헬리컬기어피니언(123,124)으로부터 발생되는 축방향 하중(분력)과, 한 쌍을 이루는 헬리컬기어피니언(123,124)과의 마찰력 및 상기 헬리컬기어피니언(123,124)과 이를 감싸고 차동케이스(100)와의 사이에서 발생하는 마찰력에 의해 차동제한력이 발생되는 것이다.

본 발명에 따른 차량용 차동제한장치는 전술한 실시 예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시하여도 본 발명의 기술 범주에 속하는 것임을 밝혀두고자 한다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 차량용 차동제한장치는, 기존 차동장치의 사이드기어인 베벨기어에 헬리컬기어를 함께 마련하고 상기 베벨기어에 맞물리는 베벨기어피니언과, 헬리컬기어에 맞물리는 헬리컬기어피니언을 하나의 유 닛으로 마련하여 차량주행시 안정성 및 운동성이 우수한 차동제한장치를 구현할 수 있으며, 차량주행 시에 주행상태에 알맞게 좌우측 구동바퀴에 필요한 구동력을 확보할 수 있는 유용한 발명이다.

또한 본 발명은 사이드기어인 베벨기어와 헬리컬기어에서 각각 양분되어 구동력을 전달함으로써 강도상 유리하고 동일한 기어모듈을 전제로 할 때 더 큰 구동력을 전달할 수 있으며 이로 인하여 작고 콤팩트(compact)하게 되는 효과도 기대할 수 있다.

Claims (3)

1. 드라이브샤프트에 스플라인을 통해 결합된 2개의 사이드기어(110)와, 이 사이드기어(110)에 서로 맞물리는 피니언(120)과, 이 사이드기어(110)와 피니언(120)을 둘러싸고 있는 차동케이스(100)와, 이 차동케이스(100)와 일체로 형성된 링 기어(103)를 포함하여 구성된 차동장치에 있어서,

   상기 사이드기어(110)는 베벨기어(111,112)와 헬리컬기어(113,114)가 함께 마련되며, 상기 사이드기어(110)의 베벨기어(111,112)엔 베벨기어피니언(121,122)이 맞물려있고, 상기 사이드기어(110)의 헬리컬기어(113,114)엔 한 쌍을 이루는 2개의 헬리컬기어피니언(123,124)이 서로 맞물리면서 헬리컬기어(113,114)의 외면에 그 중심선방향으로 맞물려 설치되고;

   상기 차동케이스(100)에 오목한 구조의 기어 설치홈(106)이 형성되어, 그 안에 상기 한 쌍의 헬리컬기어피니언(123,124)이 삽입되어 위치된 것을 특징으로 하는 차량용 차동제한장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 헬리컬기어피니언(123,124)은 베벨기어피니언(121,122)과의 간섭이 발생되지 않도록 대칭되게 마련된 것을 특징으로 하는 차량용 차동제한장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 사이드기어(110)인 베벨기어(111,112)와 헬리컬기어(113,114)가 일체형으로 마련된 것을 특징으로 하는 차량용 차동제한장치.

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