KR20020017452A - 헬리컬 기어 타입 차동제한장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 종래의 헬리컬 기어 타입 차동제한장치가 간단한 구조와 빠른 응답성 및 중량과 가격면에서 유리하지만 헬리컬 기어의 마찰력을 이용하는 시스템의 원리상 최대 구동력의 확보에 한계가 있기 때문에,

변속기에서 인출된 동력에 의해 회전되는 링기어가 일체로 연결된 차동기어 케이스와, 상기 차동기어 케이스의 양측에서 삽입되는 드라이브 샤프트에 스플라인으로 결합되어 드라이브 샤프트에 동력을 전달하는 사이드 기어와, 상기 사이드 기어의 외측에서 헬리컬 기어로 치합되며 상기 드라이브 샤프트와 평행하게 위치되도록 배치되는 복수의 피니언 기어를 포함하는 헬리컬 기어 타입 차동제한장치에 있어서, 상기 피니언 기어가 차동기어 케이스 내부에 서로 비대칭적으로 배치됨으로써,

전체적인 구성요소를 변경시키지 않고 단지 차동기어 케이스 내부에 설치되는 피니언 기어의 배열 구조를 변경하는 것만으로도 차동제한 기능을 결정하는 TBR을 향상시켜 오프로드 차량에도 적용할 수 있도록 하는 헬리컬 기어 타입 차동제한장치에 관한 것이다.

Description

헬리컬 기어 타입 차동제한장치 { The helical gear type limited slip differential }

본 발명은 자동차의 선회주행을 가능하게 하는 차동장치의 작동을 일시 중지시켜 정상적인 주행이 이루어 지도록 하는 차동제한장치에 관한 것으로서, 특히 헬리컬 형식의 피니언 기어에 발생되는 마찰력을 이용하여 차동작용을 제한하는 헬리컬 기어 타입 차동제한장치에 관한 것이다.

일반적으로 자동차에서는 엔진에서 발생된 동력을 바퀴에 적절히 전달하기 위해 클러치와 변속기를 사용하고 있으며, 변속기로부터 인출된 동력을 양측 바퀴에 알맞게 분배할 수 있도록 차동장치를 사용하고 있다. 따라서, 차동장치는 변속기에 연결되어 있으며, 전륜 구동형 자동차에서는 변속기로부터의 출력이 직접 차동장치에 전달되고 후륜 구동형 자동차에서는 변속기로부터의 출력이 추진축을 통해 차동장치에 전달된다.

상기한 차동장치는 자동차의 선회 주행시 내륜과 외륜의 속도차를 발생시켜 차량의 원활한 방향전환이 가능하도록 함과 아울러 노면이 고르지 못한 지형에서도 자동차의 주행 안정성이 확보되도록 한다. 즉, 자동차가 선회할 때 내륜보다 외륜의 회전량을 많게 함으로써 차량이 선회할 수 있도록 한다. 따라서, 차동장치는 자동차가 안전하게 선회하기 위해서는 팔수적인 장치라 할 수 있다.

그런데, 차동장치가 장착된 자동차에서는 양쪽 구동 바퀴가 접하고 있는 노면의 마찰력 사이에 큰 차이가 발생되면 차동장치에 의해 양측 바퀴 사이에 동력 전달이 발생된다. 그 결과로 마찰력이 적은 쪽의 바퀴는 헛돌게 되고 마찰력이 큰 쪽의 바퀴는 정지되어 차량의 정상적인 운행이 곤란하게 된다. 다시 말해서, 한쪽 바퀴만 수렁에 빠지는 경우 차동장치에 의해 수렁에 빠진 바퀴만이 회전되고 다른바퀴는 회전되지 않아 차량은 자력만으로는 수렁을 벗어나지 못하게 되는 상황이 발생되는 것이다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 오프로드 차량과 같이 험로 주행이 많은 차량의 경우에는 차동제한장치를 채용하고 있는데, 최근에는 거의 모든 차량에 차동제한장치가 설치된다. 차동제한장치에는 그 형식과 구조에 따라 여러 가지 종류가 있으며, 본 발명에서는 차동제한장치 중 헤리컬 기어 타입(Helical Gear Type)의 차동제한장치(LSD;Limited Slip Diffferential)에 대한 것이다.

도 1 내지 도 3에는 헬리컬 기어 타입 차동제한장치가 도시되어 있는 바, 차동제한장치는 변속기에서 인출된 동력에 의해 회전되는 링기어가 일체로 연결된 차동기어 케이스(51)와, 상기 차동기어 케이스(51)의 양측에 삽입되는 드라이브 샤프트(52)와, 상기 드라이브 샤프트(52)에 스플라인으로 체결되는 사이드 기어(53)와, 상기 사이드 기어(53)의 외측에 헬리컬 기어로 치합되며 상기 드라이브 샤프트(52)와 평행하게 위치하도록 상기 차동기어 케이스(51) 내측에 마련된 다수의 기어홈(54)에 설치되는 다수의 피니언 기어(55)와, 상기 다수의 피니언 기어(55)의 측면을 막아 일정공간에 구속하기 위해 차동기어 케이스(51)내부에 설치되는 두 개의 구속판(56)과 차동기어 케이스(51) 외측에 설치되는 두 개의 사이드 캡(57)으로 구성되어 있다.

상기한 바와 같이 구성된 헬리컬 기어 타입 차동제한장치는 양측 바퀴에 걸리는 저항력에 따라 차동작용을 함과 동시에 피니언 기어와 차동기어 케이스 사이에 걸리는 마찰력을 이용하여 차동작용을 제한하기도 한다.

양측 바퀴로부터 드라이브 샤프트(55)를 통해 전달되는 저항력이 동일한 경우에는 상기 차동기어 케이스(51)와 사이드 기어(53)가 일체가 되어 회전된다. 따라서, 상기 사이드 기어(53)가 스플라인 결합된 양측 드라이브 샤프트(55)는 동일한 속도로 회전하게 되며, 자동차는 안정적으로 전진 또는 후진하게 된다.

만약, 자동차가 선회하는 경우 내륜측에는 외륜측에 비해 더 큰 저항력이 걸리게 되고, 그에 따라 차동기어 케이스(51) 내부의 피니언 기어(55)가 공전과 동시에 자전을 하면서 내륜측의 동력을 외륜측으로 전달하여 내륜에 비해 외륜의 회전속도를 빠르게 한다. 이러한 기능을 차동작용이라 하며 양측 바퀴에 걸리는 저항력의 차이에 의해 피니언 기어(55)가 자전되면서 한쪽 바퀴는 차동기어 케이스(51)보다 빠르게 다른쪽 바퀴는 차동기어 케이스(51) 보다 느리게 회전되도록 한다.

여기서 상기 피니언 기어(55)들이 회전되는 것을 구체적으로 살펴보면 피니언 기어(55)의 회전에 따라 축방향의 추력이 발생됨을 알 수 있다. 즉, 상기 피니언 기어(55)들과 사이드 기어(53)가 서로 헬리컬 기어로 맞물려 있으므로 피니언 기어(55)가 회전될 때 회전축에 평행한 축방향의 추력이 발생된다. 이때, 상기 사이드 기어(53)와 피니언 기어(55)들은 모두 구속판(56)과 사이드 캡(57)에 의해 축방향 이동이 제한되어 있으므로, 피니언 기어(55)가 자전될 때 사이드 기어(53)의 단면과 구속판(56) 사이 및 피니언 기어(55)의 단면과 차동기어 케이스(51) 사이에 마찰력이 발생된다. 또, 피니언 기어(55)와 차동기어 케이스(51)에 형성된 기어홈(54) 사이에서도 마찰력이 발생되며 헬리컬 기어 사이에도 마찰력은 발생된다. 이렇게 발생된 마찰력이 차동작용을 제한하게 되며, 양측 드라이브 샤프트(52)의 회전수 차이가 클수록 마찰력이 커져 차동작용이 일어나지 않도록 한다.

즉, 양측 바퀴에 걸리는 저항력의 차이가 커질수록 피니언 기어(55)의 회전 속도는 빨라지게 되며, 그에 따라 차동기어 케이스(51)의 내부에서 발생되는 마찰력도 커지게 된다. 차동기어 케이스 내부의 마찰력이 커지면 피니언 기어의 회전에 제동이 걸리게 되고, 그에 따라 지나친 차동작용이 일어나지 않게 되는 것이다. 결과적으로 차동제한장치는 차동기어 케이스(51) 내부에서 발생되는 마찰력을 이용하여 차동기어 케이스(51)와 드라이브 샤프트(52)간의 회전수 차이가 일정 범위를 초과하지 않도록 함으로써 공회전이 일어나지 않게 한다.

상기한 헬리컬 기어 타입 차동제한장치는 구조가 간단하고 빠른 응답성을 보유하여 일반 승용차량이나 스포츠 차량에 매우 적합하며 다른 방식에 비해 중량 및 가격면에서 유리한 점은 있으나, 헬리컬 기어의 마찰력을 이용하는 시스템의 원리상 최대 구동력의 확보에 한계가 있어 고성능의 차동제한 기능을 요구하는 오프로드 차량에 적용하기 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 차동기어 케이스 내부에 설치되는 피니언 기어의 배열 구조를 변경하는 것만으로도 차동제한 기능을 결정하는 TBR(Torque Bias Ratio)을 향상시켜 오프로드 차량에도 적용할 수 있도록 한 헬리컬 타입 차동제한장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 헬리컬 기어 타입 차동제한장치가 도시된 분해 사시도,

도 2는 헬리컬 기어 타입 차동제한장치의 단면이 도시된 단면도,

도 3은 도 2의 A-A 선 단면도,

도 4는 본 발명에 의한 헬리컬 기어 타입 차동제한장치가 도시된 단면도,

도 5는 피니언 기어의 배열 각도에 따른 TBR 분포가 도시된 예시도,

도 6은 피니언 기어의 배열 각도에 따른 TBR의 변화가 도시된 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11 : 차동기어 케이스 12 : 드라이브 샤프트

13 : 사이드 기어 14 : 기어홈

15 : 피니언 기어 16 : 구속판

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 변속기에서 인출된 동력에 의해 회전되는 링기어가 일체로 연결된 차동기어 케이스와, 상기 차동기어 케이스의 양측에서 삽입되는 드라이브 샤프트에 스플라인으로 결합되어 드라이브 샤프트에 동력을 전달하는 사이드 기어와, 상기 사이드 기어의 외측에서 헬리컬 기어로 치합되며 상기 드라이브 샤프트와 평행하게 위치되도록 배치되는 복수의 피니언 기어를 포함하는 헬리컬 기어 타입 차동제한장치에 있어서, 상기 피니언 기어가 차동기어 케이스 내부에 서로 비대칭적으로 배치된 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 의한 헬리컬 기어 타입 차동제한장치는 도 4에 도시된 바와 같이 변속기에서 인출된 동력에 의해 회전되는 링기어가 일체로 연결된 차동기어 케이스(11)와, 상기 차동기어 케이스(11)의 양측에서 삽입되는 드라이브 샤프트(12)에 스플라인으로 결합되어 드라이브 샤프트(12)에 동력을 전달하는 사이드 기어(13)와, 상기 사이드 기어(13)의 외측에서 헬리컬 기어로 치합되며 상기 드라이브 샤프트(12)와 평행하게 위치하도록 상기 차동기어 케이스(11) 내측의 형성된 기어홈(14)에 배치되는 복수의 피니언 기어(15)를 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 피니언 기어(15)는 쌍을 이루어 배치되며, 피니언 기어(15) 사이의 배치 각도는 75도 이다. 따라서, 피니언 기어(15)는 차동기어 케이스(11) 내부에 비대칭적으로 배치되며, 피니언 기어(15) 사이의 배치 각도는 필요한 성능에 따라 변화시킬 수 있으나 비대칭을 이루도록 하기 위해서는 4쌍이 배치될 때 배치 각도를 90도로 해서는 안된다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 헬리컬 기어 타입 차동제한장치는 종래의 차동제한장치와 그 기능은 동일하며, 피니언 기어의 비대칭 배열로 인해 사이드 기어에 대한 반경 방향의 부하가 증대되어 차동제한 성능을 향상시키게 된다.

다시 말해서, 본 발명의 헬리컬 기어 타입 차동제한장치는 기본적으로 종래의 차동제한장치와 동일한 요소로 구성되어 동일한 기능을 수행하게 된다. 다만, 종래의 차동제한장치에서 피니언 기어가 대칭적으로 배분된 것에 비하여 비대칭을 이루도록 한쪽으로 치우치게 배분된 것이 다르다. 즉, 도면에 도시된 바와 같이 피니언 기어(15)를 4쌍으로 구성할 때 피니언 기어쌍 사이의 간격이 종래의 것은 90도로 전체 각도가 270도로 배분되나 본 발명의 것은 75도로 전체 각도가 225도에 불과하다.

따라서, 차동제한장치의 기본 작동원리에 대한 설명은 생략하고 본 발명과 직접적인 관련이 있는 차동제한기능 부분만을 언급하기로 한다. 차동제한장치 내에서 차동제한 기능을 발휘할 수 있도록 하는 마찰 토크의 종류 및 그것들을 발생시키는 주요 요소를 도 5를 참조하여 살펴보면 다음과 같다.

첫 번째는 피니언 기어(15)와 차동기어 케이스(11) 내부와의 마찰 토크이며, 이는 피니언 기어(15)의 압력각에 의한 기어 반력으로 발생된다. 따라서, 드라이브 샤프트(12)에 대하여 반경 방향으로 작용한다. 두 번째는 피니언 기어(15)와 사이드 기어(13)의 형상에 따른 요소로서, 피니언 기어(15)가 회전될 때 발생되는 추력에 의한 사이드 기어(13)와 구속판(16) 사이 및 피니언 기어(15)와 차동기어 케이스(11) 단면 사이의 마찰로 인한 토크이다. 따라서, 이 마찰 토크는 피니언 기어(15)와 사이드 기어(13)의 헬리컬 형상에 따른 비틀림각에 의해 결정된다.

종래의 차동제한장치에서는 상기한 두 가지가 차동제한 능력을 결정하는 주요소였으며, 피니언 기어(15)의 압력각과 비틀림각 및 각 마찰부재의 마찰계수를 변경함으로써 차동제한 성능을 개선해 왔다. 그러나, 헬리컬 기어 타입이라는 기본적인 구조 및 원리상 높은 TBR의 성능을 제어하지는 못했다. 즉, 피니언 기어(15)의 압력각 및 비틀림각이 높으면 차동제한장치의 성능도 높아지기는 하지만, 헬리컬 기어 자체의 제약으로 인해 원하는 수치만큼 기어의 요소를 변경할 수는 없기 때문이다.

따라서, 본 발명에서는 대칭형으로 분배되어 있던 피니언 기어쌍들을 비대칭형으로 배치하여 불균형한 동력분배에 따른 피니언 기어(15)의 치선과 차동기어 케이스(11)의 기어홈(14) 사이의 내경 표면 접촉 면적을 증대시켜 차동제한 성능을 향상시키게 된다. 이때, 발생되는 마찰력 또한 압력각에 의한 마찰력과 마찬가지로 반경 방향으로 작용된다.

도 6에는 피니언 기어(15)의 배열 각도를 변화시킴에 따라 TBR이 변화되는 것이 도시되어 있다. 피니언 기어쌍을 4쌍으로 할 때, 첫 번째 피니언 기어쌍으로부터 마지막 피니언 기어쌍 사이의 전체 각도가 270도인 종래 차동제한장치의 경우는 TBR이 차동제한장치의 여러 작동 요소에 의해 2.0 정도였으나, 전체 각도가 225도인 본 발명의 차동제한장치에서는 헬리컬 피니언 기어쌍의 편심작용에 의한 차동제한기능이 추가되어 TBR을 3.0 정도로 향상시킬 수 있다. 여기서, 피니언 기어쌍들 사이의 배열 각도를 작게 할수록 편심으로 인한 차동제한력이 증대되어 높은 TBR의 차동제한장치를 개발할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 헬리컬 기어 타입 차동제한장치는 전체적인 구성요소를 변경시키지 않고 단지 차동기어 케이스 내부에 설치되는 피니언 기어의 배열 구조를 변경하는 것만으로도 차동제한 기능을 결정하는 TBR을 향상시켜 오프로드 차량에도 적용할 수 있도록 하는 이점이 있다.

Claims (3)

1. 변속기에서 인출된 동력에 의해 회전되는 링기어가 일체로 연결된 차동기어 케이스와, 상기 차동기어 케이스의 양측에서 삽입되는 드라이브 샤프트에 스플라인으로 결합되어 드라이브 샤프트에 동력을 전달하는 사이드 기어와, 상기 사이드 기어의 외측에서 헬리컬 기어로 치합되며 상기 드라이브 샤프트와 평행하게 위치되도록 배치되는 복수의 피니언 기어를 포함하는 헬리컬 기어 타입 차동제한장치에 있어서,

   상기 피니언 기어가 차동기어 케이스 내부에 서로 비대칭적으로 배치된 것을 특징으로 하는 헬리컬 기어 타입 차동제한장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 피니언 기어는 쌍을 이루어 배치되며, 피니언 기어 사이의 배치 각도는 90도 미만인 것을 특징으로 하는 헬리컬 기어 타입 차동제한장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 피니언 기어의 배치 각도는 75도 인 것을 특징으로 하는 헬리컬 기어 타입 차동제한장치.