KR101047766B1

KR101047766B1 - 차동 장치의 자동 잠금 시스템 및 그의 자동 잠금 방법

Info

Publication number: KR101047766B1
Application number: KR1020040066184A
Authority: KR
Inventors: 강남기
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2004-08-21
Filing date: 2004-08-21
Publication date: 2011-07-07
Also published as: KR20060017717A

Abstract

본 발명은 차동 케이스의 양측에 삽입되는 좌측 리어액슬 샤프트 및 우측 리어액슬 샤프트상에 고정되는 좌측 사이드기어 및 우측 사이드기어와, 상기 좌측 및 우측 사이드기어에 각각 치합되는 한 쌍의 피니언 기어와, 상기 피니언 기어가 고정되는 피니언 샤프트를 구비한 차동 장치의 자동 잠금 시스템 및 그의 자동 잠금 방법에 관한 것이다. 본 차동 장치의 자동 잠금 시스템은, 좌측 및 우측 리어액슬허브에 접속되는 리어타이어의 회전수를 감지하는 회전수 센서를 구비하며, 시동 온시 상기 좌측 및 우측 리어타이어 회전수 센서의 감지값의 차가 소정치 이상이면 이상신호를 출력하는 리어타이어 회전수 이상 감지부와; 상기 피니언 샤프트에 돌기부를 형성하고 상기 차동 케이스 내에 내장되어 상기 피니언 샤프트를 상하로 구동시키는 구동부를 구비하며, 상기 리어타이어 회전수 이상 감지부로부터 이상신호를 수신하면 상기 피니언 기어의 자전운동을 정지시키기 위해 상기 구동부에 의해 상기 피니언 샤프트를 이동시켜 상기 피니언 샤프트의 돌기부가 상기 피니언 기어에 맞물리게 하는 제어부로 구성되는 피니언 기어 단속부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여, 소형차에 적용되는 차동 제한 장치의 구성부품의 내구력을 향상시키고, 중형차이상에 적용되는 차동 잠금 시스템에 본 발명을 적용할 경우 잠금 작동이 자동으로 정확하게 수행되므로 신뢰성이 향상되며, 구성부품의 수를 대폭 줄여서 단순화시킬 수 있다.

차동, 잠금, 시스템

Description

차동 장치의 자동 잠금 시스템 및 그의 자동 잠금 방법{system for automatical locking of differential apparatus and method therefor}

도 1은 종래의 차동 제한 장치의 분해 사시도,

도 2는 본 발명이 적용되는 차동 제한 장치의 구성도,

도 3은 도 2의 차동 케이스의 측단면도,

도 4는 도 2의 차동 제한 장치에 적용되는 자동 잠금 시스템의 제어블록도,

도 5는 도 2의 차동 제한 장치에 적용되는 자동 잠금 방법의 제어순서도,

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

1 : 차동 잠금 장치 4 : 사이드 기어

5 : 차동 피니언 기어 6 : 차동 피니언 샤프트

8 : 크로스 저널 10 : 리어액슬

11 : 스테핑 모터 12 : 내장 배터리

14, 24 : 리어액슬 제어부 15 : 수신기

21 : 배터리 22 : 이그니션 스위치

25 : 송신기 26 : 좌측 리어타이어 회전수센서

27 : 우측 리어타이어 회전수센서

본 발명은 차동 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 차동 케이스의 양측에 삽입되는 좌측 리어액슬 샤프트 및 우측 리어액슬 샤프트상에 고정되는 좌측 사이드기어 및 우측 사이드기어와, 상기 좌측 및 우측 사이드기어에 각각 치합되는 한 쌍의 피니언 기어와, 상기 피니언 기어가 고정되는 피니언 샤프트를 구비한 차동 장치의 자동 잠금 시스템 및 그의 자동 잠금 방법에 관한 것이다.

차량이 주행중 진흙길, 눈길 등에 바퀴가 빠졌을 경우, 바퀴는 슬립(SLIP)이 발생하게 되며, 회전력은 이 빠진 바퀴로 새어나가 주행 불능 또는 차량 후미가 흔들리는 피쉬 테일(FISH TAIL) 현상 등이 발생하게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 소형 차량의 경우 차동 제한 장치(LSD: Limited Slip Differential)가 사용되고, 중형 및 대형 차량의 경우 차동 잠금 시스템(Differential Locking System)이 적용되고 있다.

여기서, 차동 제한 장치(LSD: Limited Slip Differential)는 슬립으로 공전하고 있는 바퀴의 동력을 감소시키고 반대쪽의 저항이 큰 바퀴에 감소된 만큼의 동력이 더 전달되게 함으로써 슬립에 따른 공전 없이 주행할 수 있게 한다. 또한, 미끄러운 노면에서 출발을 용이하게 하고 타이어의 슬립을 방지하여 수명을 연장하며, 급가속할 때 안정성이 양호하다.

한편, 오토트랜스미션을 구비한 차량에서 차동 잠금 시스템(Differential Locking System)(미도시)은, 차동 잠금 스위치를 온시켜 차동 잠금 솔레노이드가 작동되면, 실린더에 에어가 공급되어 시프트 포크를 밀고, 이에 따라 슬라이딩 슬리브가 베벨기어를 밀어 차동기어에 맞물리도록 하므로써 차동 잠금이 체결된다.

그런데, 종래의 차동 제한 장치(LSD)(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, 다판 클러치(Clutch)(103, 104, 107)가 적용되고 있기 때문에 장기간 사용시 마모 등으로 인해 내구력 및 토크 복원력 저하 문제를 초래하고, 주행시 클러치 마찰 힘이 항시 작동되어 연비를 저하시킨다. 그리고, 타이어 조기 마모 및 액슬 샤프트 내구력을 저하시킨다.

또한, 종래의 중형차이상에 적용되는 차동 잠금 시스템(미도시)은 운전자가 수동으로 작동시키도록 되어 있기 때문에 사용이 불편하고, 휠 슬립 지역을 탈출 후 즉시 잠금 시스템을 해제하지 않으면 드라이브 기어 및 차동 기어와 액슬 샤프트 등의 구성부품에 심각한 충격을 가할 수 있다. 이에 따라 사용자 부주의로 인한 차동 기어 파손 문제가 간혹 발생된다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 소형차이하에 적용되는 차동 제한 장치의 구성부품의 내구력을 향상시키고, 중형차 이상에 적용되는 차동 잠금 시스템에서는 잠금 작동이 자동으로 정확하게 수행되므로 신뢰성이 향상되며, 구성부품의 수를 대폭 줄여서 단순화시키는 차동 장치의 자동 잠금 시스템 및 그의 자동 잠금 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 차동 케이스의 양측에 삽입되는 좌측 리어액슬 샤프트 및 우측 리어액슬 샤프트상에 고정되는 좌측 사이드기어 및 우측 사이드기어와, 상기 좌측 및 우측 사이드기어에 각각 치합되는 한 쌍의 피니언 기어와, 상기 피니언 기어가 고정되는 피니언 샤프트를 구비한 차동 장치의 자동 잠금 시스템에 있어서, 좌측 및 우측 리어액슬허브에 접속되는 리어타이어의 회전수를 감지하는 회전수 센서를 구비하며, 시동 온시 상기 좌측 및 우측 리어타이어 회전수 센서의 감지값의 차가 소정치 이상이면 이상신호를 출력하는 리어타이어 회전수 이상 감지부와; 상기 피니언 샤프트에 돌기부를 형성하고 상기 차동 케이스 내에 내장되어 상기 피니언 샤프트를 상하로 구동시키는 구동부를 구비하며, 상기 리어타이어 회전수 이상 감지부로부터 이상신호를 수신하면 상기 피니언 기어의 자전운동을 정지시키기 위해 상기 구동부에 의해 상기 피니언 샤프트를 이동시켜 상기 피니언 샤프트의 돌기부가 상기 피니언 기어에 맞물리게 하는 제어부로 구성되는 피니언 기어 단속부를 포함하는 것에 의해 달성된다.

여기서, 상기 피니언 샤프트 구동부는 스테핑 모터인 것이 바람직하다.

상기 리어타이어 회전수 이상 감지부는 상기 좌측 및 우측 리어타이어 회전수 센서의 감지값의 차이가 30% 이상인 경우 이상신호를 출력하는 것이 바람직하다.

상기 제어부는 상기 이상신호의 수신시 상기 스테핑 모터의 회전상태를 감지 하여 수직상태가 되도록 상기 스테핑 모터를 회전시키고, 상기 이상신호가 수신되지 않으면 상기 스테핑 모터의 회전상태를 감지하여 수평상태가 되도록 상기 스테핑 모터를 회전시키는 것이 바람직하다.

상기 리어타이어 회전수 이상 감지부와 상기 피니언 기어 단속부는 상기 이상신호를 무선으로 송수신하는 것이 효과적이다.

한편, 본 발명의 다른 견지에 따르면, 상기 목적은, 차동 케이스의 양측에 삽입되는 좌측 리어액슬 샤프트 및 우측 리어액슬 샤프트상에 고정되는 좌측 사이드기어 및 우측 사이드기어와, 상기 좌측 및 우측 사이드기어에 각각 치합되는 한 쌍의 피니언 기어와, 상기 피니언 기어가 고정되는 피니언 샤프트를 구비한 차동 장치의 자동 잠금 방법에 있어서, 상기 사이드 기어의 동작을 단속하는 구동부를 마련하는 과정과; 시동 온시 좌측 및 우측 리어액슬허브에 접속되는 리어타이어의 회전수를 감지하는 과정과; 상기 좌측 및 우측 리어타이어 회전수 센서의 감지값의 차가 소정치 이상이면 이상신호를 출력하는 과정과; 상기 리어타이어 회전수 이상 감지부로부터 이상신호를 수신시, 상기 구동부를 동작시켜 상기 피니언 기어의 회전을 단속하여 구동력을 복원하는 과정을 포함하는 것에 의해서도 달성될 수 있다.

상기 사이드 기어의 회전을 정지시키는 과정은, 상기 차동 케이스 내에 내장되어 상기 피니언 샤프트를 상하로 구동시키는 스테핑 모터를 회전시켜 상기 피니언 샤프트를 상승시킴으로써 상기 피니언 샤프트에 형성된 돌기부가 상기 피니언 기어와 맞물리도록 하는 과정을 포함하는 것이 바람직하다.

이하 본 발명을 첨부된 예시도면에 의거 상세히 설명한다. 도 2는 본 발명이 적용되는 차동 제한 장치의 구성도이고, 도 3은 도 2의 크로스 저널의 단면도이다. 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 차동 케이스(2)의 크로스 저널(8)내에 스테핑 모터(11)를 장착하고, 피니언 샤프트(6)에 돌기부를 형성한다. 도 2의 차동 장치의 자동 잠금 동작을 설명하면 다음과 같다. 스테핑 모터(11)가 ⓐ방향으로 회전하면, 피니언 샤프트(6)가 위로 상승하여 피니언 샤프트(6)에 형성된 돌기부(7)가 피니언 기어(5)와 맞물려서 잠금 상태가 된다. 피니언 기어(5)가 잠금 상태가 되면 공전만 가능하므로 사이드 기어(4)는 상대방 사이드 기어와 일체로 회전하게 됨으로써 구동력을 복원시키게 된다. 반면, 스테핑 모터(11)가 ⓑ방향으로 90도 회전하여 원위치에 위치하게 되면, 피니언 샤프트(6)의 돌기부(7)가 해제되어, 피니언 기어(5)가 자전 가능한 상태가 된다.

이때, 피니언 기어(5)를 잠금 상태로 하는 조건은, 좌측 리어액슬허브에 접속되는 리어타이어 회전수와 우측 리어액슬허브에 접속되는 리어타이어 회전수가 30%이상(또는 회전수가 50알피엠 이상) 차이가 발생한 경우이다.

도 2와 같이 차동 제한 장치를 구성하면, 종래(도 1 참조)에 비해 부품수가 현격히 줄어들게 된다.

도 4는 도 2의 차동 제한 장치에 적용되는 자동 잠금 시스템의 제어블록도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 차체에 마련되는 리어타이어 회전수 이상 감지부(23)는 제어부(24)와 송신기(25)로 구성되고, 차동 케이스(2)내에 마련되는 피니언 기어 단속부(13)는 제어부(14)와 수신기(15) 및 스테핑 모터(11)로 구성된다.

이그니션 스위치(22)가 온되면, 차체에 마련되는 리어타이어 회전수 이상 감지부(23)의 제어부(24)는 좌측 및 우측 리어타이어 회전수 센서(26, 27)에서 감지한다. 그리고, 제어부(24)는 수신한 리어타이어 회전수가 20알피엠 이상인 상태에서, 좌측 리어타이어 회전수와 우측 리어타이어 회전수가 30%이상 또는 회전수가 50알피엠 이상 차이가 발생하면 차동 케이스(2)에 내장되어 있는 피니언 기어 단속부(13)의 제어부(14)에 무선으로 이상신호를 전달한다.

차동 케이스(2)내에 내장된 피니언 기어 단속부(13)의 제어부(14)는 수신기(15)를 통해 리어타이어 회전수 이상 감지부(23)의 제어부(24)의 송신기(25)에서 송신된 무선신호에 기초하여, 피니언 샤프트(6)에 내장되어 있는 배터리(12)의 전원에 의해 스테핑 모터(11)를 작동시켜서 피니언 샤프트(6)를 상하로 구동하게 한다. 피니언 샤프트(6)에는 돌기부(7)가 형성되어 피니언 기어(5)에 물리도록 되어 있으므로, 피니언 기어(5)의 자전을 단속하게 되고, 공전만 가능하므로 사이드 기어(4)는 상대방 사이드 기어와 일체로 회전하게 됨으로써 바퀴의 구동력을 복원시키게 된다.

상기 리어타이어 회전수 이상 감지부(23)의 제어부(24)는 ABS ECU(Anti-lock Brake System Electronic Control Unit)를 이용하는 것이 바람직하다. ABS(Anti-lock Brake System)라는 장치는 주행중 급제동을 할 때 네 개의 바퀴에 휠 속도 센서가 각각 하나씩 장착되어 있어, 이 센서가 바퀴의 상태를 감지해 타이어가 잠기는 것을 방지하고, 지면과 타이어의 마찰을 계속 유지시켜 핸들 조작이 가능하도록 한 장치를 말한다. 따라서, 본 발명에서 좌측 및 우측 리어타이어 회전수 센서(26, 27)의 감지신호로서, 좌우 허브(hub)에 설치되어 있는 ABS(Anti-lock Brake System)용 휠 속도 센서에서 출력되는 펄스 링 신호를 이용할 수 있다.

이와 같이, ABS ECU는 좌측 및 우측 리어타이어 회전수 센서(26, 27)의 기능을 하는 ABS용 휠 속도센서의 감지신호에 기초하여, 좌측 리어타이어 회전수와 우측 리어타이어 회전수의 차이가 30%이상이면 피니언 기어의 자전운동을 정지시키고, 이로 인해 차동 사이드 기어는 차동 케이스와 함께 공전함으로써 토크를 복원한다.

도 5는 도 2의 차동 제한 장치에 적용되는 자동 잠금 방법의 제어순서도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, S1단계에서 리어타이어 회전수 이상 감지부(23)의 제어부(24)가 이그니션 스위치(22)의 온 신호를 감지한다. S2단계에서 좌측 및 우측 리어타이어 회전수 센서(26, 27)에서 회전수를 감지한다. S3단계에서 제어부(24)가 좌측 리어타이어 회전수와 우측 리어타이어 회전수가 각각 20알피엠 이상인지 판단한다. 제어부(24)는 좌측 및 우측 리어타이어 회전수가 20알피엠을 초과하면, S4단계에서 좌측 리어타이어 회전수와 우측 리어타이어 회전수를 비교하여 좌측 및 우측 리어타이어 회전수의 차이가 30%이상 발생하는지 판단한다. 제어부(24)는, S4단계의 판단결과 좌측 및 우측 리어타이어 회전수의 차이가 30%이상이면, 피니언 기어 단속부(13)로 이상신호를 송신기(25)를 통해 송신한다. 이에 대응하여 피니언 기어 단속부(13)의 제어부(14)는 S5단계에서 스테핑 모터(11)의 상태를 판단하여 수평상태이면 S7단계에서 스테핑 모터(11)를 90도 회전시킨다. 그리고, 스테핑 모터(11)가 수평상태가 아니면 S8단계에서 스테핑 모터(11)를 회전시키지 않 고 현재 상태를 유지한다. 한편, S4단계의 판단결과 좌측 및 우측 리어타이어 회전수의 차이가 30%미만인 경우에 피니언 기어 단속부(13)의 제어부(14)는 S6단계에서 스테핑 모터(11)가 수직상태인지 판단하여 수직상태이면 S9단계에서 스테핑 모터(11)를 90도 회전시키고, 수직상태가 아니면 S10단계에서 스테핑 모터(11)를 회전시키지 않고 현재 상태를 유지한다.

이와 같이, 리어액슬 회전수, 즉 타이어의 회전수 차가 30%이상시 자동으로 피니언 기어의 자전운동을 정지시켜서 사이드 기어와 차동 케이스가 함께 공전 운동하게 하여 토크를 복원시킬 수 있다. 종래의 차동 제한 장치에 사용되는 복원력 발생기구인 다수의 클러치 디스크가 불필요하게 되어 부품이 경량화된다. 또한 종래의 차동 잠금 시스템에 사용되는 피스톤과 실린더 및 리스 포크(Rease pork)등이 불필요하게 되어 부품이 단순화되고, 잠금 작동이 자동으로 정확히 작동되므로 운전자 편의성이 향상된다.

이러한 구성에 의하여, 차동 케이스에 내장된 스테핑 모터를 회전시켜서 피니언 샤프트를 상하로 구동시켜서 피니언 샤프트의 돌기부(7)가 피니언 기어를 잠금 및 해제하도록 구성하여, 좌측 및 우측 리어타이어 회전수의 차가 정상적인 도로 주행시 발생되지 않는 범위일 때, 스테핑 모터를 동작시켜 피니언 샤프트를 상승시켜 피니언 기어를 자동으로 잠근다. 이에 따라 피니언 기어의 자전을 단속하게 되고, 공전만 가능하므로 사이드 기어는 상대방 사이드 기어와 일체로 회전하게 됨으로써 구동력을 복원시킬 수 있게 된다.

전술한 실시예에서는 상세히 서술하지 않았으나, 본 발명을 중형차 이상에 사용되는 차동 잠금 시스템에 적용할 수도 있음은 물론이다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 소형차에 적용되는 차동 제한 장치의 구성부품의 내구력을 향상시키고, 중형차 이상에 적용되는 차동 잠금 시스템에 본 발명을 적용할 경우 잠금 작동이 자동으로 정확하게 수행되므로 신뢰성이 향상되며, 구성부품의 수를 줄여서 단순화시킬 수 있다.

Claims

차동 케이스의 양측에 삽입되는 좌측 리어액슬 샤프트 및 우측 리어액슬 샤프트상에 고정되는 좌측 사이드기어 및 우측 사이드기어와, 상기 좌측 및 우측 사이드기어에 각각 치합되는 한 쌍의 피니언 기어와, 상기 피니언 기어가 고정되는 피니언 샤프트를 구비한 차동 장치의 자동 잠금 시스템에 있어서,

좌측 및 우측 리어액슬허브에 접속되는 리어타이어의 회전수를 감지하는 회전수 센서를 구비하며, 시동 온시 상기 좌측 및 우측 리어타이어 회전수 센서의 감지값의 차가 소정치 이상이면 이상신호를 출력하는 리어타이어 회전수 이상 감지부와;

상기 피니언 샤프트에 돌기부를 형성하고 상기 차동 케이스 내에 내장되어 상기 피니언 샤프트를 상하로 구동시키는 구동부를 구비하며, 상기 리어타이어 회전수 이상 감지부로부터 이상신호를 수신하면 상기 피니언 기어의 자전운동을 정지시키기 위해 상기 구동부에 의해 상기 피니언 샤프트를 이동시켜 상기 피니언 샤프트의 돌기부가 상기 피니언 기어에 맞물리게 하는 제어부로 구성되는 피니언 기어 단속부를 포함하는 것을 특징으로 하는 차동 장치의 자동 잠금 시스템.
제1항에 있어서,

상기 피니언 샤프트 구동부는 스테핑 모터인 것을 특징으로 하는 차동 장치의 자동 잠금 시스템.
제2항에 있어서,

상기 리어타이어 회전수 이상 감지부는 상기 좌측 및 우측 리어타이어 회전수 센서의 감지값의 차이가 30% 이상인 경우 이상신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 차동 장치의 자동 잠금 시스템.
제3항에 있어서,

상기 제어부는 상기 이상신호의 수신시 상기 스테핑 모터의 회전상태를 감지하여 수직상태가 되도록 상기 스테핑 모터를 회전시키는 것을 특징으로 하는 차동 장치의 자동 잠금 시스템.
제3항에 있어서,

상기 제어부는 상기 이상신호가 수신되지 않으면 상기 스테핑 모터의 회전상태를 감지하여 수평상태가 되도록 상기 스테핑 모터를 회전시키는 것을 특징으로 하는 차동 장치의 자동 잠금 시스템.
제1항에 있어서,

상기 리어타이어 회전수 이상 감지부와 상기 피니언 기어 단속부는 상기 이상신호를 무선으로 송수신하는 것을 특징으로 하는 차동 장치의 자동 잠금 시스템.
차동 케이스의 양측에 삽입되는 좌측 리어액슬 샤프트 및 우측 리어액슬 샤프트상에 고정되는 좌측 사이드기어 및 우측 사이드기어와, 상기 좌측 및 우측 사이드기어에 각각 치합되는 한 쌍의 피니언 기어와, 상기 피니언 기어가 고정되는 피니언 샤프트를 구비한 차동 장치의 자동 잠금 방법에 있어서,

시동 온시 상기 좌측 및 우측 리어타이어의 회전수를 감지하는 과정과;

상기 좌측 및 우측 리어타이어 회전수 센서의 감지값의 차가 소정치 이상이면 이상신호를 출력하는 과정과;

상기 리어타이어 회전수 이상 감지부로부터 이상신호를 수신시, 상기 피니언 기어의 자전운동을 정지시킴으로써, 상기 사이드기어와 상기 차동 케이스를 공전시키는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 차동 장치의 자동 잠금 방법.
제7항에 있어서,

상기 피니언 기어의 자전운동을 정지시킴으로써, 상기 사이드기어와 상기 차동 케이스를 공전시키는 과정은,

상기 차동 케이스 내에 내장되어 상기 피니언 샤프트를 상하로 구동시키는 스테핑 모터를 회전시켜 상기 피니언 샤프트를 상승시킴으로써 상기 피니언 샤프트에 형성된 돌기부가 상기 피니언 기어와 맞물리도록 하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 차동 장치의 자동 잠금 방법.