KR101229321B1 - 모멘트 분배를 능동적으로 제어하는 차동 변속 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 토크 분배를 능동적으로 제어하는 차동 변속 장치에 관한 것이다. 상기 차동 변속 장치는, 상기 차동 변속 장치의 케이지(cage)(5)가 입력 부재를 형성하는 2개의 출력 샤프트(6, 7)를 가지는 차동 변속기(4)를 포함하고, 각각의 제어 가능한 마찰 클러치(22, 26)가 상기 출력 샤프트와 각각 결합되며, 상기 클러치의 제1 부분(22)은 상기 입력 부재(5)에 구동 가능하게 연결되고, 상기 클러치의 제2 부분(26)은 결합된 상기 출력 샤프트(6, 7)에 구동 가능하게 연결되며, 하나 이상의 구동 연결부는 스텝업 비율(step-up ratio) 또는 스텝다운 비율(step-down ratio)을 갖는다. 상기 클러치(22, 26)는 결합된 출력 샤프트(6, 7)를 둘러싸며 그 중심축(13)은 상기 결합된 출력 샤프트(6, 7)의 중심축(12)에 대하여 오프셋된다. 상기 결합된 출력 샤프트(6, 7)를 둘러싸는 상기 클러치의 제2 부분(26)은, 상기 결합된 출력 샤프트에 외측 치열을 가지는 기어(31)와 맞물리도록 내측 치열을 가지는 환형 기어(30)를 갖는다.

Description

모멘트 분배를 능동적으로 제어하는 차동 변속 장치 {DIFFERENTIAL TRANSMISSION UNIT FEATURING ACTIVE CONTROLLING OF THE MOMENT DISTRIBUTION}
본 발명은 토크 분배를 능동적으로 제어하는 차동 변속 장치에 관한 것으로, 그 케이지(cage)가 입력 부재를 형성하는 2개의 출력 샤프트를 가지는 차동 변속기를 포함하고, 각각의 제어 가능한 마찰 클러치가 상기 출력 샤프트와 각각 결합되며, 상기 클러치의 제1 부분은 상기 입력 부재에 구동 가능하게 연결되고, 상기 클러치의 제2 부분은 결합된 상기 출력 샤프트에 구동 가능하게 연결되며, 하나 이상의 구동 연결부는 스텝업 비율(step-up ratio) 또는 스텝다운 비율(step-down ratio)을 갖는다.
종래의 차동 변속기는 2개의 출력 샤프트 사이의 속도 차이를 보상하며, 기하학적 형상, 특히 차동 변속기의 기어의 잇수에 의해 발생되는 토크를 분배한다. 차동 변속 장치는 토크의 분배를 능동적으로 변화시켜서 토크의 분배에 직접적인 영향을 미칠 수 있다. 따라서 예를 들어 액슬 차동 장치로서 사용되는 경우, 보다 고속으로 회전하는 외측 코너 휠에 추가의 구동력이 공급될 수 있다. 따라서 차량의 구동 역학(driving dynamics)에 간섭이 발생한다. 이것을 "토크 벡터링(torque vectoring)"이라고도 한다.
이러한 차동 변속 장치는, 축방향(axial) 차동 장치(액슬의 휠 사이) 및 축간(interaxial) 차동 장치(2개의 구동 액슬 사이) 모두로서 배치될 수 있다. 축방향 차동 장치로서의 실시예는 DE 39 00 638 C2에 공지되어 있다. 클러치는 제1 구동 연결부를 통해 입력 부재에 의해 구동되는 레이 샤프트(lay shaft) 상에 배치된다. 각각의 제2 구동 연결부는 2개의 클러치 각각으로부터 축방향 샤프트 쪽으로 이어진다. 스텝업 비율이 낮은 기어들은 전체적으로 구동 연결을 위한 역할을 하고, 이를 통해 각각의 축방향 샤프트의 다소 폐쇄된 클러치에 의해 추가의 토크가 공급된다. 스텝업 비율이 작아지려면 기어들이 대략 동일한 치수로 될 필요가 있으며, 제1 구동 연결부는 토크가 매우 높도록 설계되어야 한다. 이러한 차동 변속 장치는 상기와 같은 이유 및 약간의 거리로 평행하게 배열되는 레이 샤프트로 인해 무겁고 부피가 커지게 된다. 따라서 자동차의 중량이 증가하게 되고 축방향 영역에서 치밀한 치수의 공간에 수용될 수 없게 된다.
본 발명의 목적은, 경량이며 공간을 적게 차지하는 차동 변속 장치를 설계하는 것이다. 이 목적은 청구범위 제1항의 특징부에 의해 달성된다.
출력 샤프트를 둘러싸 결합된 클러치는 명백하게 커다란 외경을 가지지만, 커다란 크라운 휠(crown wheel)과 대략 정렬되어 배치되기 때문에, 하우징이 커지는 것이 곤란하다. 또한 클러치 디스크의 마찰 표면은 반경의 제곱에 의해 증가하여, 디스크의 수가 적더라도 충분하다는 것이 확인되었다. 이들 디스크의 중심축이, 결합된 출력 샤프트의 중심축과 약간 어긋나더라도 큰 영향은 없다. 오히려, 이것은 내부 치열을 가지는 기어를 사용할 수 있도록 하며, 내부 치열은 적용범위가 크기 때문에 실질적으로 작게 설계될 수 있어서 다수의 치열이 동시에 맞물릴 수 있으며 또한 기어비가 1:1로부터 약간 벗어나는 경우에 보다 적합하다. 이 경우에는 기어가 내측으로 겹쳐지기 때문에 전체적인 구성 공간이 훨씬 작다. 따라서, 결합된 출력 샤프트를 둘러싸는 클러치의 제2 부분의 내경도 작게 유지될 수 있다.
클러치와 축방향 샤프트 사이의 (제2) 구동 연결부도 마찬가지이다. 본 발명의 범위 내에서 입력 부재와 클러치 사이에 배치되는 제1 구동 연결부는 여러 가지가 가능하다. 이들은 공통적으로 모두 동일한 축방향 오프셋을 허용하여야 한다.
제1 실시예에서, 이 구동 연결부는, 클러치의 제1 부분과 연결되는 중공 기어, 및 입력 부재와 연결되고 중공 기어와 맞물리는 외측 치열에 의해 이루어진다(청구항 2). 제2 실시예에서, 이 구동 연결부는, 클러치의 제1 부분과 연결되는 외측 치열을 가지는 기어, 및 입력 부재와 연결되고 외측 치열을 가지는 기어와 맞물리는 중공 기어에 의해 이루어진다(청구항 3). 내측 치열의 장점은 상기 양 실시예에 충분히 설명되어 있다. 이들 중 하나는 바람직하게 원하는 기어비 및 구성 환경에 좌우된다.
특히 바람직한 설계에서, 클러치의 제2 부분은 차동 변속 장치의 하우징에 지지되고, 제1 부분은 제2 부분과 동심이다(청구항 4). 이로 인해 공간이 절약되고 바람직한 지지 관계가 제공되며 허용공차 체인이 단축된다.
제3 실시예에서, 입력 부재와 클러치의 제1 부분 사이의 연결부인 제1 구동 연결부는 축방향의 동기화된 오프셋 클러치에 의해 이루어진다.(청구항 5). 이러한 실시예는 1:1에서 벗어나는 스텝업 비율을 허용하지 않지만, 내측 치열을 가지는 제2 구동 연결부에 이루어질 수 있다. 동기화된 축방향 오프셋 클러치는 바람직하게, 2개의 축방향 오프셋 디스크 및 3개의 반경에서 이들과 결합하는 3개 이상의 연결 플레이트를 포함하고, 제1 디스크는 입력 부재에 회전 가능하게 고정 연결되고 제2 디스크는 제1 부분에 회전 가능하게 고정 연결된다(청구항 6). 이것은, 반발력이 서로 상쇄되어 회전 부분의 베어링이 변형을 덜 받게 되는 장점을 갖는다.
다른 실시예에서, 동기화된 축방향 오프셋 클러치는 중간 디스크를 통해 올드햄(Oldham) 클러치 방식으로 협동하는 2개의 축방향으로 오프셋된 디스크를 포함한다(청구항 7).
전술한 클러치의 제2 부분은 바람직하게 클러치의 내측 부분이다. 또는, 특히 감속 비율이 일어나야 하는 경우에는 전술한 모든 실시예에서 클러치의 제2 부분이 외측 부분일 수도 있다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 차동 변속 장치의 개략도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱa 및 Ⅱb에 따른 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 차동 변속 장치의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 차동 변속 장치의 개략도이다.
도 5는 도 4의 Ⅴ에 따른 단면도이다.
도 6은 제2 실시예의 실질적인 설계를 나타내는 종단면도이다.
도 7은 도 6의 Ⅶ에 따른 단면도이다.
도 8은 도 1에 따른 제1 실시예의 변형을 나타내는 도면이다.
도 1에서, 차동 변속 장치의 하우징은 참조부호 1로 나타내었다. 여기서, 자동차의 축방향 차동 장치는 크라운 휠(3)과 맞물리는 피니언(2)을 가지는 하우징(1)까지 길이방향으로 연장되는 파워트레인(powertrain)을 갖는다. 가로방향으로 설치된 엔진을 가지는 차량이거나 차동 변속 장치가 축간 차동 장치인 경우, 피니언(2) 및 크라운 휠(3)은 스퍼 기어 스테이지로 대체될 수 있다.
크라운 휠(3)은 차동 변속기(4)를 둘러싸며 차동 케이지(5)에 회전 가능하게 고정 연결된다. 이것은 차동 변속 장치의 입력 부재를 형성한다. 하우징(1)의 양쪽에는 우측 축방향 샤프트(6) 및 좌측 축방향 샤프트(7)가 제공된다. 따라서 전체적인 차동 변속 장치는, 차동 변속기(4) 및 양쪽의 2개의 토크 중첩(superimposition) 장치(8, 9)로 구성된다. 이들 토크 중첩 장치(8, 9)는 거울대칭이므로 이하에서는 한쪽만을 설명한다.
차동 케이지(5)는, 베어링(11)에 의해 하우징(1) 내에 지지되며 축방향 샤프트(6) 또는 그 중심선(12)과 동심인 중공 샤프트(10)에 병합된다. 중공 샤프트는 제1 중공 기어(21)와 맞물리는 제1 기어(20)를 지지한다. 제1 중공 기어(21)는, 클러치의 제1 부분(22)에 고정 연결되고, 중심선(12)에 대하여 소정량(14) 오프셋된 축(13) 둘레를 회전한다. 클러치의 제1 부분(22)은 외측 부분이며 하우징(1) 내에서 베어링(23)에 의해 지지된다. 클러치의 제2 부분(26)은 내측 부분이며, 디스크 패키지(24)는 상호 교호하는 외측 디스크 및 내측 디스크를 포함하고, 클러치의 상기 내측 부분과 제1 부분(22) 사이에는 환형 링 윤곽이 위치된다. 클러치의 제2 부분(26)은 베어링(27)에 의해 외측 클러치 부분(22)에 회전 가능하게 지지되며 베어링(28)에 의해 하우징 내에 회전 가능하게 지지된다. 압력 플레이트(25)가 제공되어 클러치에 작용한다.
제2 중공 기어는, 클러치의 제2 부분(26)의 내부에 고정되며, 우측 축방향 샤프트(6)에 회전 가능하게 고정 연결되고 그 축이 중심선(12)에 있는 제2 기어(31)와 맞물리다. 축방향 샤프트(6)는 하우징(1)으로부터 돌출되며, 휠에 대한 구동 연결부를 제공하는 플랜지(32)(도 6)를 형성한다.
2개의 구동 연결부의 결합 상태를 도 2에 단면도로 나타내었다. 축(12) 둘레에서 회전하는 제1 기어(20)는 축(13) 둘레에서 회전하는 중공 기어(21)와 맞물리고, 축(13) 둘레에서 회전하는 제2 중공 기어(30)는 축(12) 둘레에서 회전하는 제2 기어(31)와 맞물린다. 이러한 방식에 의해, 단지 하나의 단일 기어의 외측 치수로, 1:1에 가까운 기어비가 용이하게 얻어질 수 있다. 외측 치열을 가지는 기어들은 이러한 기어비를 위해 대략 동일한 크기일 수 있으며, 이들의 축과 가로방향인 평면에서 2배의 구성 공간을 차지하게 된다.
도 3의 실시예는 제1 구동 연결부의 설계만이 도 1과 상이하다. 여기서, 차 동 케이지(5)에 회전 가능하게 고정 연결되는 중공 샤프트(10)는, 외측 치열을 가지는 기어 대신에, 제1 기어(41)와 맞물리는 제1 중공 기어(40)를 지지한다. 따라서 제1 중공 기어(40)는 제1 축(12) 둘레에서 회전하고, 제1 기어(41)는 소정량(14) 오프셋된 제2 축(13) 둘레에서 회전한다. 제2 중공 기어(30)와 제2 기어(31) 사이의 제2 구동 연결부는 변화되지 않는다.
도 4의 변형은, 마찬가지로 중공 샤프트(10)와 클러치의 제1 부분(22) 사이의 제1 구동 연결부만이 도 1과 상이하다. 제1 디스크(50)는 중공 샤프트(10)에 고정되고, 제2 디스크(51)는 클러치의 제1 부분(22)에 고정된다. 따라서 2개의 디스크는 마찬가지로 상호 소정량(14) 오프셋된 회전축을 갖는다. 회전 운동의 동기 변속을 위해 3개의 플레이트(52)가 제공되며, 플레이트의 일 단부는 제2 디스크의 피벗 스피것(spigot)(53) 둘레에서 피벗 가능하고, 타 단부는 제1 디스크(50)의 피벗 스피것(54) 둘레에서 피벗 가능하다. 도 5를 통해 운동역학 관계를 잘 이해할 수 있다.
도 6 및 도 7은 도 3의 변형의 바람직한 변형 실시예를 나타내며, 도 1의 설명과 상당 부분이 대응되므로 동일한 참조부호를 사용하였으며, 회전 부분의 지지의 실시예만이 상이하다. 따라서 휠 샤프트(6)는 하우징(1) 내에서 베어링(33)에 의해 지지되고 따라서 그 중심에 맞추어진다. 중공 샤프트와, 제2 기어(31)에 대하여 고정 연결되는 제1 중공 기어(40)의 센터링을 위해 설계된 니들 베어링(34)은, 상기 휠 샤프트에 회전 가능하게 고정 연결되는 제2 기어(31)와 제1 중공 기어(40)의 디스크(35) 사이에 있다. 회전축(13)을 가지는 제2 중공 기어(30)는 베 어링(28)에 의해 하우징(1) 내에 지지되며 니들 베어링(27)에 의해 클러치의 제1 부분(22)의 중심을 맞춘다. 유압식으로 부하를 받는 링 피스톤(36)은 압력 플레이트(25) 상의 니들 베어링(37)을 통해 상기 제1 부분에 작용하며, 한편으로는, 지지대(abutment)가 링 피스톤(36)에 의해 가해진 힘을 흡수한다.
도 8은 도 1에 따른 차동 변속 장치의 변형을 나타낸다(우측의 축방향 샤프트(6) 및 토크 중첩 장치(8)만을 도시함). 중공 샤프트(10)의 제1 기어(20)와 맞물리는 제1 중공 기어(21) 또한 클러치의 제1 부분(22)에 고정 연결된다. 제1 중공 기어(21)는, 중심선(12)에 대하여 오프셋된 축 둘레에서 클러치와 함께 회전한다. 제2 중공 기어(30)는, 클러치의 제2 부분에 고정되며, 축방향 샤프트(6)에 회전 가능하게 고정 연결되고 그 축이 중심선(12)에 있게 되는 제2 기어(31)와 맞물린다. 제1 중공 기어(21)(클러치의 제1 부분(22))는 베어링(60)에 의해 (클러치의 제2 부분(26)과 함께) 제2 중공 기어(30)에 회전 가능하게 지지되며, 상기 제2 부분은 다시 베어링(28)에 의해 하우징(1) 내에 회전 가능하게 지지된다.
전술한 실시예와는 달리, 도 8에 따른 변형에서는, 클러치의 제1 부분(22)은 내측 부분이고, 클러치의 제2 부분(26)은 외측 부분이다.
본 발명과 관련하여, 모든 실시예는 구형(spherical) 차동 변속기 대신에, 2개의 클러치 및 토크 중첩 장치가 차동 변속기의 한쪽에 비대칭으로 배치되고 차동 변속기의 케이지(하우징)가 입력 부재를 형성하는, 스퍼기어 차동 변속기가 사용될 수도 있다.

Claims (9)

  1. 토크 분배를 능동적으로 제어하는 차동 변속 장치에 있어서,
    2개의 출력 샤프트(6, 7)를 가지며, 케이지(cage)(5)가 입력 부재를 형성하는 차동 변속기(4)를 포함하고, 각각의 제어 가능한 마찰 클러치(22, 26)가 상기 출력 샤프트와 각각 연관되며, 상기 클러치의 제1 부분(22)은 상기 입력 부재(5)에 구동 가능하게 연결되고, 상기 클러치의 제2 부분(26)은 결합된 상기 출력 샤프트(6, 7)에 구동 가능하게 연결되며, 하나 이상의 구동 연결부는 스텝업 비율(step-up ratio) 또는 스텝다운 비율(step-down ratio)을 갖고,
    상기 클러치(22, 26)는 결합된 출력 샤프트(6, 7)를 둘러싸며 그 중심축(13)은 상기 결합된 출력 샤프트(6, 7)의 중심축(12)에 대하여 오프셋되고,
    상기 결합된 출력 샤프트(6, 7)를 둘러싸는 상기 클러치의 제2 부분(26)은, 상기 결합된 출력 샤프트에 외측 치열을 가지는 기어(31)와 맞물리도록 내측 치열을 가지는 환형 기어(30)를 갖는,
    차동 변속 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 입력 부재(5)와 상기 클러치의 제1 부분(22) 사이의 구동 연결은, 상기 제1 부분에 연결되는 제1 중공 기어(21), 및 상기 입력 부재(5)에 연결되는 외측 치열을 갖고 상기 중공 기어(21)와 맞물리는 제1 기어(20)에 의해 이루어지는, 차 동 변속 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 입력 부재(5)와 상기 클러치의 제1 부분(22) 사이의 구동 연결은, 상기 제1 부분에 연결되는 외측 치열을 가지는 제1 기어(41), 및 상기 입력 부재(5)에 연결되며 외측 치열을 가진 기어(41)와 맞물리는 제1 중공 기어(40)에 의해 이루어지는, 차동 변속 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 클러치의 제2 부분(26)은 상기 차동 변속 장치의 하우징(1) 내에 지지되고, 상기 제1 부분(22)은 상기 제2 부분(26)과 중심이 맞추어지는, 차동 변속 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 입력 부재(5)와 상기 클러치의 제1 부분(22) 사이의 구동 연결은, 동기화된 축방향 오프셋 클러치(50 내지 54)에 의해 이루어지는, 차동 변속 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 동기화된 축방향 오프셋 클러치(50 내지 54)는, 2개의 축방향으로 오프셋된 디스크(50, 51) 및 동일한 반경으로 상기 디스크(50, 51)에 결합하는 3개 이 상의 플레이트(52)를 포함하고, 제1 디스크(50)는 상기 입력 부재(5)에 회전 가능하게 고정되고, 제2 디스크(51)는 상기 클러치의 제1 부분(22)에 회전 가능하게 고정 연결되는, 차동 변속 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 동기화된 축방향 오프셋 클러치(50내지 54)는, 올드햄(Oldham) 클러치 방식으로 상호 작용하는, 2개의 축방향으로 오프셋된 디스크를 포함하는, 차동 변속 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 클러치의 제2 부분(26)은 상기 클러치의 내측 부분인, 차동 변속 장치.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 클러치의 제2 부분(26)은 상기 클러치의 외측 부분인, 차동 변속 장치.
KR1020077027606A 2005-04-28 2006-04-28 모멘트 분배를 능동적으로 제어하는 차동 변속 장치 KR101229321B1 (ko)

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