KR20140060245A - 전달 토크 추정 장치 - Google Patents

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KR20140060245A
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side cam
clutch
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아리스 마루니안
쓰토무 다무라
로버트 후크스
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가부시키가이샤 제이텍트
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Abstract

본 발명의 전달 토크 추정 장치는, 외부 회전 부재의 회전 방향의 운동 방정식을 모델링한 제1 모델과, 지지측 캠 부재와 이너 파일럿 클러치 판을 일체로 한 회전 방향의 운동 방정식을 모델링한 제2 모델과, 아우터 메인 클러치 판의 회전 방향의 운동 방정식을 모델링한 제3 모델과, 내측 회전 부재의 회전 방향의 운동 방정식을 모델링한 제4 모델과, 축 방향의 점탄성 모델을 포함하고, 이너 메인 클러치 판과 이동측 캠 부재를 일체로 한 축 방향의 운동 방정식을 모델링한 제５ 모델에 기초하여, 제어 신호에 대하여 외부 회전 부재와 내측 회전 부재와의 사이에 전달 가능한 토크를 추정하는 것을 특징으로 한다.

Description

전달 토크 추정 장치{TRANSMISSION TORQUE ESTIMATION UNIT}
일본 특허 출원 번호 2012-247899호의 명세서, 도면 및 요약서를 포함하는 개시는, 그 전체가 참조에 의해 본 발명에 포함된다.
본 발명은, 구동력 전달 장치가 전달 가능한 토크를 추정하는 전달 토크 추정 장치에 관한 것이다.
구동력 전달 장치는, 예를 들면, 차량의 이륜 구동과 사륜 구동을 전환 가능한 커플링으로서 사용된다. 일본 특허 출원 공개번호 2012-072892호 공보에는, 메인 클러치와 전자 클러치의 사이에 캠 기구(機構)가 설치된 구성에 대하여 기재되어 있다. 이와 같은 구동력 전달 장치에서는, 제어 신호에 따라 동작하는 전자 클러치에 캠 기구가 연동하여, 메인 클러치의 걸어맞춤 상태를 변화시키고 있다. 이와 같은 구성에 의하여, 전달되는 토크를 제어 신호에 의해 조정 가능하도록 되어 있다.
구동력 전달 장치는, 예를 들면, 입력 토크와 제어 신호에 대하여, 목표로 하는 전달 토크가 출력되어 있는지의 여부에 기초하여, 제어나 설계의 적합성이 평가된다. 그러므로, 제어 신호 및 구동력 전달 장치의 상태에 따라 변동하는 전달 토크를 정확하게 파악할 필요가 있다. 이에 대하여, 예를 들면, 클러치가 2개의 클러치 판에 의해 구성되어 있는 것으로 가정하는 모델링이 알려져 있다. 이에 따르면, 각각의 클러치 판의 상대 속도에 따른 마찰 계수와, 각 클러치 판에 작용하는 압부력(押付力)에 기초하여, 전달 가능한 토크를 대략적으로 추정하는 것이 가능하도록 되어 있다.
그러나, 구동력 전달 장치에 있어서, 입력축과 출력축의 회전 각도에 대한 전달 토크를 실측하면, 일본 특허출원 공개번호 2012-072892호 공보의 도 6의 (b)에 나타낸 바와 같이, 각 부재의 영향에 의해 복잡한 히스테리시스 곡선에 의해 나타내어진다. 이와 같은 간이적인 모델에서는, 추정한 토크와 실제로 전달 가능한 토크에 큰 차이가 생길 우려가 있다.
일본 특허 출원 공개번호 2012-072892호 공보
본 발명의 목적 중 하나는, 구동력 전달 장치를 구성하는 각 부재에 대하여 효율적으로 모델링하여, 추정하는 전달 토크의 고정밀도화를 도모하는 전달 토크 추정 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 태양의 전달 토크 추정 장치의 구성 상의 특징은, 원통형상의 외측 회전 부재와,
상기 외측 회전 부재 내에 상대 회전 가능하게 동축(同軸) 상에 배치된 내측 회전 부재와,
상기 외측 회전 부재와 상기 내측 회전 부재와의 사이에 토크를 전달하는 메인 클러치와,
제어 신호에 따른 자력에 의해 전기자(amature)를 끌어들임으로써 상기 외측 회전 부재의 토크를 전달 가능한 파일럿 클러치를 가지는 전자 클러치 장치와,
상기 메인 클러치와 상기 파일럿 클러치와의 사이에 설치되고, 상기 파일럿 클러치를 통하여 전달되는 상기 외측 회전 부재의 회전과 상기 내측 회전 부재의 회전과의 회전 차이를 축 방향의 압부력으로 변환하여, 지지측 캠 부재에 대하여 이동측 캠 부재를 축 방향 이동시킴으로써 상기 메인 클러치를 가압하는 캠 기구
를 구비하는 구동력 전달 장치의 전달 토크 추정 장치로서,
상기 메인 클러치는,
상기 외측 회전 부재와의 상대 회전이 규제되고, 또한 축 방향 이동이 허용된 아우터 메인 클러치 판과,
상기 내측 회전 부재와의 상대 회전이 규제되고, 또한 축 방향 이동이 허용된 이너 메인 클러치 판에 의해 구성되며,
상기 파일럿 클러치는,
상기 외측 회전 부재와의 상대 회전이 규제되고, 또한 축 방향 이동이 허용된 아우터 파일럿 클러치 판과,
상기 지지측 캠 부재와의 상대 회전이 규제되고, 또한 축 방향 이동이 허용된 이너 파일럿 클러치 판에 의해 구성되며,
상기 전달 토크 추정 장치는,
상기 파일럿 클러치의 마찰 모델을 포함하고, 상기 외측 회전 부재의 회전 방향의 운동 방정식을 모델링한 제1 모델과,
상기 파일럿 클러치의 마찰 모델을 포함하고, 상기 지지측 캠 부재와 상기 이너 파일럿 클러치 판을 일체로 한 회전 방향의 운동 방정식을 모델링한 제2 모델과,
상기 메인 클러치의 마찰 모델을 포함하고, 상기 아우터 메인 클러치 판의 회전 방향의 운동 방정식을 모델링한 제3 모델과,
상기 메인 클러치의 마찰 모델을 포함하고, 상기 내측 회전 부재의 회전 방향의 운동 방정식을 모델링한 제4 모델과,
상기 지지측 캠 부재와 상기 이동측 캠 부재의 위상차에 대한 상기 이동측 캠 부재의 이동량을 나타내는 캠 동작 모델, 및 상기 메인 클러치와 상기 캠 기구의 축 방향의 점탄성 모델을 포함하고, 상기 이너 메인 클러치 판과 상기 이동측 캠 부재를 일체로 한 축 방향의 운동 방정식을 모델링한 제５ 모델
에 기초하여, 상기 제어 신호에 대하여 상기 외측 회전 부재와 상기 내측 회전 부재와의 사이에 전달 가능한 토크를 추정한다.
도 1은 실시예에서의 구동력 전달 장치의 축 방향 단면도이다.
도 2는 구동력 전달 장치의 모델 및 전달 토크 추정 장치의 개요를 나타낸 도면이다.
도 3은 아우터 케이스와 이너 케이스의 회전 각도와, 종래 모델에 캠 기구의 캠 동작 모델을 추가한 모델에 의해 추정된 전달 토크와의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 4는 도 3에 메인 클러치와 캠 기구의 클리어런스(clearance)를 추가한 그래프이다.
도 5는 도 4에 스플라인부의 마찰 모델을 추가한 그래프이다.
도 6은 도 5에 메인 클러치의 강성(剛性) 모델을 추가한 그래프이다.
도 7은 도 6에 스플라인부의 백래시를 추가한 그래프이다.
도 8은 아우터 케이스와 이너 케이스의 회전 각도와, 실측된 전달 토크와의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 9는 전류값과 전달 토크와의 관계를 나타낸 그래프로서, 종래 모델에, 제1 모델, 제2 모델, 제3 모델, 및 제4 모델을 추가한 그래프이다.
도 10은 도 9에 나타낸 그래프에, 구동력 전달 장치의 전자적 히스테리시스 특성(전류 히스테리시스 특성)을 더 추가한 그래프이다.
도 11은 도 10에 나타낸 그래프에, 구동력 전달 장치의 기계적 히스테리시스 특성(제５ 모델)을 또한 추가한 그래프이다.
본 발명의 전술한 특징 및 추가적인 특징 및 이점은, 요소와 전술한 바와 같이 표현하기 위해 사용된 부호, 첨부된 도면을 참조하여 예시적인 실시예의 하기의 설명에 의해 명백하게 될 것이다.
실시예의 구동력 전달 장치(1)의 전달 토크 추정 장치(70)에 대하여, 도면을 참조하여 설명한다. 전달 토크 추정 장치(70)는, 구동력 전달 장치(1)를 구성하는 각 부재를 모델링함으로써, 이 구동력 전달 장치(1)에 입력되는 제어 신호 및 구동력 전달 장치(1)의 상태, 즉 구동력의 입력 측의 아우터 케이스(10)의 회전 각속도와 구동력의 출력 측의 이너 샤프트(20)의 회전 각속도에 의해 변동하는 전달 토크를 추정하는 것이다.
구동력 전달 장치(1)는, 예를 들면, 4륜 구동차에 있어서, 차량의 주행 상태에 따라 구동력이 전달되는 보조 구동륜 측으로의 구동력 전달계에 적용된다. 더욱 상세하게는, 4륜 구동차에 있어서, 구동력 전달 장치(1)는, 엔진의 구동력이 전달되는 프로펠러 샤프트와 보조 구동륜으로서의 리어 디퍼렌셜과의 사이, 또는 리어 디퍼렌셜과 드라이브 샤프트와의 사이에 연결된다. 본 실시예에 있어서는, 전자의 경우로서 설명한다.
구동력 전달 장치(1)는, 보조 구동륜에 구동력을 전달하는 접속 상태와, 구동력을 전달하지 않는 절단 상태를 전환한다. 상기 접속 상태에 있어서는, 프로펠러 샤프트로부터 전달되는 구동력을, 전달 비율을 가변으로 하면서, 리어 디퍼렌셜에 전달하고 있다. 이 구동력 전달 장치(1)는, 예를 들면, 전륜과 후륜의 회전 차이가 생긴 경우에, 회전 차이를 저감하도록 작용한다. 이 구동력 전달 장치(1)는, 이른바 전자 제어 커플링으로 이루어진다. 이 구동력 전달 장치(1)는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 아우터 케이스(10)와, 이너 샤프트(20)와, 메인 클러치(30)와, 전자 클러치 장치(40)와, 캠 기구(50)를 구비하고 있다.
아우터 케이스(10)(본 발명의 "외측 회전 부재"에 상당함)는, 원통형상의 홀 커버(도시하지 않음)의 내주측에, 상기 홀 커버에 대하여 회전 가능하게 지지되어 있다. 이 아우터 케이스(10)는, 전체적으로 원통형상으로 형성되어 있고, 차량 앞쪽에 배치되는 프론트 하우징(11)과 차량 후방측(도 1의 우측)에 배치되는 리어 하우징(12)에 의해 형성되어 있다.
프론트 하우징(11)은, 예를 들면, 알루미늄을 주성분으로 하는 비자성 재료의 알루미늄 합금에 의해 형성되고, 바닥이 있는 통형으로 형성되어 있다. 프론트 하우징(11)의 원통부의 외주면이, 홀 커버의 내주면에 베어링을 통하여 회전 가능하게 지지되어 있다. 또한, 프론트 하우징(11)의 바닥부가, 프로펠러 샤프트(도시하지 않음)의 차량 후단 측에 연결되어 있다. 따라서, 프론트 하우징(11)의 바닥이 있는 통형의 개구 측이 차량 후방측을 향하도록 배치되어 있다. 프론트 하우징(11)의 내주면의 축 방향 중앙부에는, 암(雌)스플라인(11a)이 형성되어 있고, 상기 내주면의 개구 부근에는, 암나사가 형성되어 있다.
리어 하우징(12)은, 원환형으로 형성되어 있고, 프론트 하우징(11)의 개구 측의 직경 방향 내측에, 프론트 하우징(11)과 일체적으로 배치되어 있다. 리어 하우징(12)의 차량 후방 측에는, 전체 주위에 걸쳐 환형 홈이 형성되어 있다. 리어 하우징(12)의 외주면에는 수나사가 형성되고, 상기 수나사가 프론트 하우징(11)의 암나사에 나사 결합된다. 너트를 리어 하우징(12)의 수나사에 체결함으로써, 프론트 하우징(11)과 리어 하우징(12)을 고정하는 구성으로 되어 있다.
리어 하우징(12)은, 상기 환형 홈에 있어서의 홈 바닥의 일부분에, 비자성 재료로서, 예를 들면, 스테인레스강에 의해 형성된 환형 부재(12a)를 가지고 있다. 리어 하우징(12)의 환형 부재(12a) 이외의 부위는, 자기 회로를 형성하기 위해 자성 재료인 철을 주성분으로 하는 재료(이하, "철계 재료"라고 함)에 의해 형성되어 있다.
이너 샤프트(20)는, 외주면의 축 방향 중앙부에 수(雄)스플라인(20a)를 구비하는 축형으로 형성되어 있다. 이 이너 샤프트(20)는, 리어 하우징(12)의 축심의 관통공을 액밀적(液密的)으로 관통하고, 아우터 케이스(10)의 내부에 상대 회전 가능하도록 동축 상에 배치되어 있다. 이너 샤프트(20)는, 프론트 하우징(11) 및 리어 하우징(12)에 대한 축 방향 이동이 규제된 상태에서, 프론트 하우징(11) 및 리어 하우징(12)에 베어링을 통하여 회전 가능하게 지지되어 있다. 이너 샤프트(20)의 차량 후단측(도 1의 우측)은, 디퍼렌셜 기어(도시하지 않음)에 연결되어 있다. 아우터 케이스(10)와 이너 샤프트(20)에 의해 액밀적으로 구획되는 공간 내에는, 소정의 충전율로 윤활유가 충전되어 있다.
메인 클러치(30)는, 아우터 케이스(10)와 이너 샤프트(20)와의 사이에서 토크를 전달한다. 이 메인 클러치(30)는, 철계 재료에 의해 형성된 습식 다판식의 마찰클러치이다. 메인 클러치(30)는, 프론트 하우징(11)의 원통부 내주면과 이너 샤프트(20)의 외주면과의 직경 방향 사이에 배치되어 있다. 메인 클러치(30)는, 프론트 하우징(11)의 바닥부와 리어 하우징(12)의 차량 전방 단면과의 축 방향 사이에 배치되어 있다.
이 메인 클러치(30)는, 복수 개의 이너 메인 클러치 판(31)과, 복수 개의 아우터 메인 클러치 판(32)을 가지고, 이들이 축 방향으로 교대로 배치되어 구성되어 있다. 이너 메인 클러치 판(31)은, 내주측에 암스플라인(31a)(본 발명의 "스플라인부"에 상당함)가 형성되어 있고, 이너 샤프트(20)의 수스플라인(20a)에 스플라인 결합되어 있다. 아우터 메인 클러치 판(32)은, 외주측에 수스플라인(32a)(본 발명의 "스플라인부"에 상당함)이 형성되어 있고, 프론트 하우징(11)의 암스플라인(11a)에 스플라인 결합되어 있다.
메인 클러치(30)는, 전술한 바와 같이, 이너 메인 클러치 판(31)의 암스플라인(31a), 및 아우터 메인 클러치 판(32)의 수스플라인(32a)으로 이루어지는 스플라인부(31a, 32a)를 가진다. 이로써, 이너 메인 클러치 판(31)은, 이너 샤프트(20)와의 상대 회전이 규제되고, 또한 축 방향 이동이 허용되고 있다. 마찬가지로, 아우터 메인 클러치 판(32)은, 아우터 케이스(10)와의 상대 회전이 규제되고, 또한 축 방향 이동이 허용되고 있다. 스플라인부(31a, 32a)는, 각각 스플라인 결합되는 상대 부재에 대하여 소정의 백래시(회전 방향의 간극)가 설치되어 있다.
전자 클러치 장치(40)는, 제어 신호에 따른 자력에 의해 전기자(43)를 끌어들임으로써 파일럿 클러치(44)를 걸어맞춤시켜, 아우터 케이스(10)의 토크를 캠 기구(50)의 지지측 캠 부재(51)에 전달 가능하게 한다. 제어 신호는, 전자 코일(42)에 인가되는 전압, 또는 공급되는 전류에 상당한다. 이 전자 클러치 장치(40)는, 요크(41), 전자 코일(42), 전기자(43), 및 파일럿 클러치(44)에 의해 구성되어 있다.
요크(41)는, 환형으로 형성되어 있고, 리어 하우징(12)에 대하여 상대 회전 가능하도록 간극을 통하여 리어 하우징(12)의 환형 홈에 수용되어 있다. 요크(41)는, 홀 커버에 고정되고, 또한 내주측을 리어 하우징(12)에 베어링을 통하여 회전 가능하게 지지되어 있다. 전자 코일(42)은, 코일을 권취하여 원환형으로 형성되고, 요크(41)에 고정되어 있다.
전기자(43)는 철계 재료에 의해 형성되어 있다. 전기자(43)는 외주측에 수스플라인을 구비하는 원환형으로 형성되어 있다. 전기자(43)는 메인 클러치(30)와 리어 하우징(12)과의 축 방향 사이에 배치되어 있다. 전기자(43)의 수스플라인이, 프론트 하우징(11)의 암스플라인(11a)에 스플라인 결합되어 있다. 전기자(43)는, 전자 코일(42)에 전류가 공급되면, 전류값에 따른 자력에 의해 요크(41) 측으로 끌어들여진다.
파일럿 클러치(44)는, 아우터 케이스(10)와 지지측 캠 부재(51)와의 사이에서 토크를 전달한다. 이 파일럿 클러치(44)는, 철계 재료에 의해 형성되어 있다. 파일럿 클러치(44)는, 프론트 하우징(11)의 원통부 내주면과 지지측 캠 부재(51)의 외주면과의 직경 방향 사이에 배치되어 있다. 또한, 파일럿 클러치(44)는, 전기자(43)와 리어 하우징(12)의 차량 전방 단면과의 사이에 배치되어 있다.
이 파일럿 클러치(44)는, 이너 파일럿 클러치 판(44a)과 복수 개의 아우터 파일럿 클러치 판(44b)을 가지고, 이들이 축 방향으로 교대로 배치되어 구성되어 있다. 이너 파일럿 클러치 판(44a)은, 내주측에 암스플라인이 형성되어 있고, 지지측 캠 부재(51)의 수스플라인에 스플라인 결합되어 있다. 아우터 파일럿 클러치 판(44b)은, 외주측에 수스플라인이 형성되어 있고, 프론트 하우징(11)의 암스플라인(11a)에 스플라인 결합되어 있다.
전자 클러치 장치(40)에 제어 신호가 입력되어 전자 코일(42)이 통전(通電)하면, 요크(41), 리어 하우징(12)의 외주측, 파일럿 클러치(44)의 외주측, 전기자(43), 파일럿 클러치(44)의 내주측, 리어 하우징(12)의 내주측, 및 요크(41)를 통과하는 자기 회로가 형성된다. 그러면, 전기자(43)가 요크(41) 측으로 끌어당겨져, 이너 파일럿 클러치 판(44a)과 아우터 파일럿 클러치 판(44b)이 마찰 결합된다. 그리고, 아우터 케이스(10)의 토크가 지지측 캠 부재(51)로 전달된다.
한편, 전자 클러치 장치(40)에 제어 신호가 입력되지 않고 전자 코일(42)로의 전력 공급을 차단하면, 전기자(43)에 대한 자기적인 흡인력이 없어진다. 이로써, 이너 파일럿 클러치 판(44a)과 아우터 파일럿 클러치 판(44b)과의 마찰 결합이 해제되어, 파일럿 클러치(44)가 비결합 상태로 된다.
캠 기구(50)는 메인 클러치(30)와 파일럿 클러치(44)와의 사이에 설치되어 있다. 캠 기구(50)는 파일럿 클러치(44)를 통하여 전달되는 아우터 케이스(10)의 회전과 이너 샤프트(20)의 회전과의 회전 차이에 기초한 토크를 축 방향의 압부력으로 변환한다. 캠 기구(50)는, 지지측 캠 부재(51)에 대하여 이동측 캠 부재(52)를 축 방향으로 이동시킴으로써, 변환된 압부력을 가지고 메인 클러치(30)를 가압한다. 이 캠 기구(50)는, 지지측 캠 부재(51), 이동측 캠 부재(52), 및 캠 팔로워(53)로 구성되어 있다.
지지측 캠 부재(51)는, 원환형으로 형성되고, 이너 샤프트(20)의 외주면에 대하여 간극을 개재하여 설치되어 있다. 지지측 캠 부재(51)는, 리어 하우징(12)의 차량 전방 단면에 설치된 스러스트 베어링(60)에 의하여, 심(shim)(61)을 통하여 지지되어 있다. 이와 같은 구성에 의하여, 지지측 캠 부재(51)는, 이너 샤프트(20) 및 리어 하우징(12)에 대하여 상대 회전 가능하며, 축 방향 이동이 규제되어 있다. 지지측 캠 부재(51)는, 외주측에 수스플라인이 형성되어 있다. 이 지지측 캠 부재(51)의 수스플라인은, 이너 파일럿 클러치 판(44a)의 암스플라인에 스플라인 결합되어 있다. 또한, 지지측 캠 부재(51)의 차량 전방 단면에는, 복수 개의 캠 홈이 형성되어 있다.
이동측 캠 부재(52)는, 대부분이 철계 재료에 의해 원환형으로 형성되고, 지지측 캠 부재(51)의 차량 전방 측에 배치되어 있다. 이동측 캠 부재(52)는, 내주측에 암스플라인(52a)이 형성되어 있다. 이 이동측 캠 부재(52)의 암스플라인은, 이너 샤프트(20)의 수스플라인(20a)에 스플라인 결합되어 있다. 따라서, 이동측 캠 부재(52)는, 이너 샤프트(20)에 대한 상대 회전이 규제되고, 축 방향 이동이 허용되어 있다. 또한, 이동측 캠 부재(52)의 차량 후방 단면에는, 지지측 캠 부재(51)의 캠 홈에 대하여 축 방향으로 대향하도록, 복수 개의 캠 홈이 형성되어 있다.
이동측 캠 부재(52)의 차량 전방 단면은, 메인 클러치(30) 중 차량의 가장 후방에 배치되는 이너 메인 클러치 판(31)과 맞닿을 수 있는 상태로 되어 있다. 단, 지지측 캠 부재(51)와 이동측 캠 부재(52)에 위상차가 없는 중립 상태에 있어서, 메인 클러치(30)에 있어서의 상기의 이너 메인 클러치 판(31)과 이동측 캠 부재(52)와의 사이에는, 소정량의 클리어런스 Cl이 설치되어 있다. 이동측 캠 부재(52)는, 중립 상태로부터 클리어런스 Cl을 초과하여 차량 전방으로 이동하면, 이너 메인 클러치 판(31)과 맞닿아 이너 메인 클러치 판(31)을 차량 전방으로 가압하는 구성으로 되어 있다.
캠 팔로워(53)는, 볼형으로 이루어지고, 지지측 캠 부재(51)와 이동측 캠 부재(52)의 서로 대향하는 캠 홈에 개재되어 있다. 즉, 캠 팔로워(53) 및 각각의 캠 홈의 작용에 의하여, 지지측 캠 부재(51)와 이동측 캠 부재(52)와의 사이에 위상차(비틀림 각도)가 생겼을 때는, 이동측 캠 부재(52)가 지지측 캠 부재(51)에 대하여 축 방향으로 이격되는 방향(차량 전방)으로 이동한다. 지지측 캠 부재(51)에 대한 이동측 캠 부재(52)의 축 방향 이격량은, 지지측 캠 부재(51)와 이동측 캠 부재(52)와의 위상차가 클수록 커지게 된다.
다음으로, 전술한 구성으로 이루어지는 구동력 전달 장치(1)의 기본적인 동작에 대하여 설명한다. 먼저, 초기 상태로서, 전자 클러치 장치(40)의 전자 코일(42)에 전류가 공급되지 않고 있는 상태로 한다. 이 경우, 파일럿 클러치(44)가 걸어맞추어져 있지 않으므로, 아우터 케이스(10)와 지지측 캠 부재(51)는 상대 회전 가능한 상태로 된다. 또한, 이동측 캠 부재(52)는, 이너 샤프트(20)와 스플라인 결합되어 있으므로, 이너 샤프트(20)와 함께 회전한다. 이 때, 이동측 캠 부재(52)는, 탄성 부재 또는 윤활유의 원심 유압 등에 의해 차량 후방으로 가압된 상태로 되어 있다.
여기서, 지지측 캠 부재(51)는, 캠 팔로워(53)를 통하여 이동측 캠 부재(52)만에 의해 회전 규제되어 있으므로, 이동측 캠 부재(52)의 회전에 따라 회전한다. 그러므로, 지지측 캠 부재(51)와 이동측 캠 부재(52)와의 사이에는 위상차가 생기지 않는다. 그러므로, 캠 팔로워(53)는, 지지측 캠 부재(51) 및 이동측 캠 부재(52)에 있어서의 각 캠 홈의 가장 심부(深部)에 위치하게 된다. 따라서, 이동측 캠 부재(52)는, 지지측 캠 부재(51)에 가장 접근한 위치, 즉 메인 클러치(30)로부터 가장 먼 위치에 위치하고 있다.
이와 같이, 캠 기구(50)가 지지측 캠 부재(51)와 이동측 캠 부재(52)와의 사이에 위상차가 없는 중립 상태에 있는 경우에, 이동측 캠 부재(52)는, 차량 후방 측에 위치하므로, 메인 클러치(30)에 대하여 압부력을 발생하지 않는다. 즉, 메인 클러치(30)의 걸어맞춤이 확실하게 해제되어 있는 절단 상태로 된다. 또한, 이너 메인 클러치 판(31)의 일단과 이동측 캠 부재(52)는 소정의 클리어런스 Cl만큼 이격되어 있다.
이어서, 아우터 케이스(10)와 이너 샤프트(20)와의 사이에 회전 차이가 생기고 있는 상태로 한다. 전자 클러치 장치(40)에 제어 신호가 입력되어 전자 코일(42)에 전류가 공급되면, 전자 코일(42)을 기점으로 하여 요크(41), 리어 하우징(12), 전기자(43)를 순환하는 루프형의 자기 회로가 형성된다. 이와 같은 자기 회로가 형성됨으로써, 전기자(43)가 요크(41) 측, 즉 차량 후방을 향해 끌어 들여진다.
그 결과, 전기자(43)는, 파일럿 클러치(44)를 가압하여, 이너 파일럿 클러치 판(44a)과 아우터 파일럿 클러치 판(44b)이 마찰 결합된다. 이렇게 되면, 아우터 케이스(10)의 토크가, 파일럿 클러치(44)를 통하여 지지측 캠 부재(51)에 전달되어, 지지측 캠 부재(51)가 회전한다.
여기서, 이동측 캠 부재(52)는 이너 샤프트(20)와 스플라인 결합되어 있으므로, 이너 샤프트(20)와 함께 회전한다. 따라서, 지지측 캠 부재(51)와 이동측 캠 부재(52)와의 사이에 위상차가 생기게 된다. 그러면, 캠 팔로워(53) 및 각각의 캠 홈의 작용에 의하여, 지지측 캠 부재(51)에 대하여 이동측 캠 부재(52)가 축 방향(차량 앞쪽)으로 이동한다. 이로써, 이동측 캠 부재(52)가 메인 클러치(30)를 차량 앞쪽으로 가압게 된다.
그 결과, 이너 메인 클러치 판(31)과 아우터 메인 클러치 판(32)이 서로 맞닿아 마찰 결합 상태로 된다. 그러면, 아우터 케이스(10)의 토크가, 메인 클러치(30)의 마찰력에 따라 이너 샤프트(20)에 전달된다. 이 전달 토크에 의하여, 아우터 케이스(10)와 이너 샤프트(20)와의 사이의 회전 차이가 저감된다.
전자 클러치 장치(40)에 입력하는 제어 신호를 적절하게 제어함으로써, 전자 코일(42)에 공급되는 전류값이 변동되어, 메인 클러치(30)의 마찰 결합력을 제어할 수 있다. 즉, 구동력 전달 장치(1)는, 전자 클러치 장치(40)로의 제어 신호에 의하여, 구동력 전달 장치(1)의 접속 상태와 절단 상태를 전환하고, 또한 접속 상태에서의 구동력의 배분을 제어 가능한 구성으로 되어 있다.
이어서, 전달 토크 추정 장치(70)에 의한 구동력 전달 장치(1)를 구성하는 각 부재의 모델링에 대하여 설명한다. 구동력 전달 장치(1)는, 도 2와 같은 개념적인 모델로서 나타낸다. 그리고, 전달 토크 추정 장치(70)는, 하기 식 (1)∼(5)에 대응하는 제1 모델∼제５ 모델에 기초하여, 제어 신호에 대하여 아우터 케이스(10)와 이너 샤프트(20)와의 사이에서 전달 가능한 토크를 추정한다.
제1 모델은, 아우터 케이스(10)의 회전 방향의 운동 방정식을 모델링한 것으로서, 식(1)에 의해 나타낸다. 식(1)의 좌변은, 토크를 입력되는 아우터 케이스(10)의 관성 모멘트 Iin과, 각속도 ωin의 미분값와 곱으로 나타내는 아우터 케이스(10)의 각운동량이다. 이 각운동량은, 식(1)의 우변에서 나타낸 바와 같이, 아우터 케이스(10)로의 입력 토크 Tin과, 메인 클러치(30)의 스플라인 토크 Tm , s와, 파일럿 클러치(44)의 마찰 토크 Tf , pc와, 오일의 공전(空轉) 마찰 토크 Td와의 합에 상당한다.
Figure pat00001
더욱 상세하게는, 아우터 케이스(10)로의 입력 토크 Tin은, 프로펠러 샤프트를 통하여 입력되는 엔진의 회전 구동력이다. 메인 클러치(30)의 스플라인 토크 Tm , s는, 메인 클러치(30)에 있어서의 스플라인부(31a, 32a)와, 이것에 스플라인 결합되는 상대 부재와의 사이에 전달되는 토크이다. 따라서, 메인 클러치(30)의 스플라인 토크 Tm , s는, 아우터 케이스(10)에 대한 제1 모델, 및 아우터 메인 클러치 판(32)에 대한 제3 모델에 포함된다.
이 스플라인 토크 Tm , s에는, 스플라인부(31a, 32a)와 상대 부재의 회전 방향의 백래시를 각각 포함하도록 모델링되어 있다. 즉, 실제로는 스플라인부(31a, 32a) 각각이 상대 부재에 대하여 백래시가 설치되어 있는 바, 이너 메인 클러치 판(31)에 대하여 아우터 메인 클러치 판(32)이 회전 방향으로 상대 이동하는 것으로서, 각각의 백래시를 아우터 케이스(10)와 아우터 메인 클러치 판(32)과의 사이에만 발생하는 것으로서 모델링하고 있다.
파일럿 클러치(44)의 마찰 토크 Tf , pc는, 이너 파일럿 클러치 판(44a)과 아우터 파일럿 클러치 판(44b)과의 사이에서 전달 가능한 토크를 모델링한 파일럿 클러치(44)의 마찰 모델이다. 즉, 마찰 토크 Tf , pc는, 전자 클러치 장치(40)에 입력되고 있는 제어 신호, 및 이너 파일럿 클러치 판(44a)과 아우터 파일럿 클러치 판(44b)과의 상대적인 각속도 차이에 따라 변화하는 마찰 계수에 대하여 파일럿 클러치(44)가 캠 기구(50)의 지지측 캠 부재(51)에 전달 가능한 토크를 나타내고 있다. 따라서, 파일럿 클러치(44)의 마찰 토크 Tf , pc는, 아우터 케이스(10)에 대한 제1 모델, 및 지지측 캠 부재(51)와 이너 파일럿 클러치 판(44a)에 대한 제2 모델에 포함된다.
오일의 공전 마찰 토크 Td는, 아우터 케이스(10)와 이너 샤프트(20)에 의해 액밀적으로 구획되는 공간 내에 충전된 윤활유의 점성 등에 기인하여, 양 부재(10, 20)의 회전 차이에 따라 아우터 케이스(10) 측으로부터 이너 샤프트(20)로 윤활유를 통하여 전달되는 토크이다. 따라서, 오일의 공전 마찰 토크 Td는, 아우터 케이스(10)에 대한 제1 모델, 및 이너 샤프트(20)에 대한 제4 모델에 포함된다.
제2 모델은, 지지측 캠 부재(51)와 이너 파일럿 클러치 판(44a)을 일체로 한 회전 방향의 운동 방정식을 모델링한 것으로서, 식(2)에 의해 나타낸다. 식(2)의 좌변은, 지지측 캠 부재(51)와 이너 파일럿 클러치 판(44a)의 관성 모멘트 Ip와, 각속도 ωp의 미분값과의 곱으로 나타내는 이들 각운동량이다. 이 각운동량은, 식(2)의 우변에서 나타낸 바와 같이, 파일럿 클러치(44)의 마찰 토크 Tf , pc와, 지지측 캠 부재(51)의 캠 토크 TNp와, 지지측 캠 부재(51)의 하중 의존의 마찰 토크 TFf , p와의 합에 상당한다.
Figure pat00002
더욱 상세하게는, 파일럿 클러치(44)의 마찰 토크 Tf , pc는, 전술한 바와 같이, 제1 모델에도 포함되는 파일럿 클러치(44)의 마찰 모델이다. 지지측 캠 부재(51)의 캠 토크 TNp는, 캠 기구(50)의 유효 반경과 지지측 캠 부재(51)의 내부의 힘(이하, "내부력"이라고 함) Np에 의해 정의되는 캠 기구(50)의 동작 특성에 기초하여 모델링된 것이다. 여기서, 캠 기구(50)의 유효 반경은, 캠 기구(50)의 회전축으로부터 캠 팔로워(53)와 캠 홈의 접촉 위치까지의 직경 방향 거리에 상당한다. 즉, 지지측 캠 부재(51)의 캠 토크 TNp는, 지지측 캠 부재(51)가 캠 홈으로부터 캠 팔로워(53)에 부여하는 토크에 상당한다.
지지측 캠 부재(51)의 하중 의존의 마찰 토크 TFf , p는, 지지측 캠 부재(51)와 캠 팔로워(53)와의 접촉에 의해 발생하는 토크이다. 즉, 이 하중 의존의 마찰 토크 TFf, p는, 지지측 캠 부재(51)의 캠 홈에 대한 캠 팔로워(53)의 미끄러짐에 의한 마찰의 회전 방향 성분에 상당하며, 캠 기구(50)의 유효 반경, 지지측 캠 부재(51)의 캠 홈의 구배(勾配)(캠의 경사각) 등에 의해 정의되는 캠 기구(50)의 특성에 기초하여 모델링된 것이다.
제3 모델은, 아우터 메인 클러치 판(32)의 회전 방향의 운동 방정식을 모델링한 것으로서, 식(3)에 의해 나타낸다. 식(3)의 좌변은, 아우터 메인 클러치 판(32)의 관성 모멘트 Im과, 각속도 ωm의 미분값과의 곱으로 나타내는 각운동량이다. 이 각운동량은, 식(3)의 우변에서 나타낸 바와 같이, 메인 클러치(30)의 스플라인 토크 Tm , s와, 메인 클러치(30)의 마찰 토크 Tf , mc와의 합에 상당한다.
Figure pat00003
더욱 상세하게는, 메인 클러치(30)의 스플라인 토크 Tm , s는, 전술한 바와 같이, 제1 모델에도 포함되고, 스플라인부(31a, 32a)와 상대 부재와의 사이에 전달되는 토크이다. 메인 클러치(30)의 마찰 토크 Tf , mc는, 이너 메인 클러치 판(31)과 아우터 메인 클러치 판(32)과의 사이에서 전달 가능한 토크를 모델링한 메인 클러치(30)의 마찰 모델이다. 즉, 마찰 토크 Tf , mc는, 캠 기구(50)의 이동측 캠 부재(52)에 의해 압부력이 부여된 메인 클러치(30)에 있어서의 아우터 메인 클러치 판(32)이 이너 샤프트(20)에 전달 가능한 토크를 나타내고 있다.
따라서, 메인 클러치(30)의 마찰 토크 Tf , mc는, 아우터 메인 클러치 판(32)에 대한 제3 모델, 및 이너 샤프트(20)에 대한 제4 모델에 포함된다. 또한, 본 실시예에 있어서, 메인 클러치(30)의 마찰 모델은, 메인 클러치(30)에 부여되는 압부력에 대한 메인 클러치(30)의 축 방향의 변형량을 나타내는 강성 모델을 포함하고 있다.
제4 모델은, 이너 샤프트(20)의 회전 방향의 운동 방정식을 모델링한 것으로서, 식(4)에 의해 나타낸다. 식(4)의 좌변은, 토크를 출력하는 출력 부재(이너 샤프트(20), 이너 메인 클러치 판(31), 이동측 캠 부재(52))의 관성 모멘트 Iout과, 각속도 ωout의 미분값과의 곱으로 나타내는 각운동량이다. 이 각운동량은, 식(4)의 우변에서 나타낸 바와 같이, 이너 샤프트(20)의 출력 토크 Tout과, 메인 클러치(30)의 마찰 토크 Tf , mc와, 이동측 캠 부재(52)의 캠 토크 TNm과, 이동측 캠 부재(52)의 하중 의존의 마찰 토크 TFf , m과, 오일의 공전 마찰 토크 Td와의 합에 상당한다.
Figure pat00004
더욱 상세하게는, 이너 샤프트(20)의 출력 토크 Tout은, 구동력 전달 장치(1)가 보조 구동륜으로서의 리어 디퍼렌셜에 출력하는 토크이다. 메인 클러치(30)의 마찰 토크 Tf , mc는, 전술한 바와 같이, 제3 모델에도 포함되는 메인 클러치(30)의 마찰 모델이다. 이동측 캠 부재(52)의 캠 토크 TNm은, 캠 기구(50)의 유효 반경과 이동측 캠 부재(52)의 내부력 Np에 의해 정의되는 캠 기구(50)의 동작 특성에 기초하여 모델링된 것이다. 즉, 이동측 캠 부재(52)의 캠 토크 TNm은, 이동측 캠 부재(52)의 캠 홈이 캠 팔로워(53)로부터 부여하는 토크에 상당한다.
이동측 캠 부재(52)의 하중 의존의 마찰 토크 TFf , m은, 이동측 캠 부재(52)와 캠 팔로워(53)와의 접촉에 의해 발생하는 토크이다. 즉, 이 하중 의존의 마찰 토크 TFf, m은, 이동측 캠 부재(52)의 캠 홈에 대한 캠 팔로워(53)의 미끄러짐에 의한 마찰의 회전 방향 성분에 상당하며, 캠 기구(50)의 유효 반경, 이동측 캠 부재(52)의 캠 홈의 구배(캠의 경사각) 등에 의해 정의되는 캠 기구(50)의 특성에 기초하여 모델링된 것이다. 오일의 공전 마찰 토크 Td는, 전술한 바와 같이, 제1 모델에도 포함되는 윤활유를 통하여 전달되는 토크이다.
제５ 모델은, 이너 메인 클러치 판(31)과 이동측 캠 부재(52)를 일체로 한 축 방향의 운동 방정식을 모델한 것으로서, 식(5)에 의해 나타낸다. 식(5)의 좌변은, 이너 메인 클러치 판(31)과 이동측 캠 부재(52)의 질량 mm과, 축 방향 위치 ym의 2차 미분값과의 곱으로 나타내는 운동량이다. 이 운동량은, 식(5)의 우변에서 나타낸 바와 같이, 이동측 캠 부재(52)의 내부력 Nm과, 이동측 캠 부재(52)의 내부 마찰력 Ff, m과, 이너 메인 클러치 판(31)의 반력 Fc와, 스플라인부(31a, 32a)의 하중 의존의 마찰력 Ff , s와의 합에 상당한다.
Figure pat00005
더욱 상세하게는, 이동측 캠 부재(52)의 내부력 Nm은, 지지측 캠 부재(51)와 이동측 캠 부재(52)와의 위상차에 대한 이동측 캠 부재(52)의 이동량을 나타내는 캠 동작 모델, 및 캠 기구(50)의 축 방향의 점탄성 모델을 포함하는 모델에 의해 표시된다. 이 캠 동작 모델은, 예를 들면, 캠 기구(50)에 있어서의 캠 홈의 반경이나 구배 등의 요소에 의해 정해지는 캠 기구(50)의 동작 특성을 모델링한 것이다.
또한, 캠 기구(50)의 점탄성 모델은, 운동 방정식에 있어서의 댐퍼 및 스프링에 상당하는 점탄성 특성이다. 구체적으로는, 점탄성 모델은, 캠 기구(50)의 이동측 캠 부재(52)가 축 방향 이동할 때, 이동측 캠 부재(52)에 대한 점성 저항 계수 cp와 이동 속도 v(ym의 미분값)의 곱(cpv)과, 스프링 상수 kp와 변위량 x(ym－y0: y0는 초기 위치)의 곱(kpx)과의 합에 의해 나타낸다.
이동측 캠 부재(52)의 내부 마찰력 Ff , m은, 이동측 캠 부재(52)와 캠 팔로워(53)와의 접촉에 의해 발생하는 축 방향의 힘이다. 즉, 이 내부 마찰력 Ff , m은, 이동측 캠 부재(52)의 캠 홈에 대한 캠 팔로워(53)의 미끄러짐에 의한 마찰의 축 방향 성분에 상당하며, 캠 기구(50)의 유효 반경, 이동측 캠 부재(52)의 캠 홈의 구배(캠의 경사각) 등에 의해 정의되는 캠 기구(50)의 특성에 기초하여 모델링된 것이다.
이너 메인 클러치 판(31)의 반력 Fc는, 메인 클러치(30)의 점탄성 모델을 포함하는 모델에 의해 표시된다. 메인 클러치(30)의 점탄성 모델은, 메인 클러치(30)의 이너 메인 클러치 판(31)이 축 방향 이동할 때, 이너 메인 클러치 판(31)에 대한 점성 저항 계수 ci와 이동 속도 v(ym의 미분값)의 곱(civ)과, 스프링 상수 ki와 변위량 x(ym－y0: y0는 초기 위치)의 곱(kix)과의 합에 의해 나타낸다. 또한, 이너 메인 클러치 판(31)과 이동측 캠 부재(52)가 일체적으로 축 방향 이동하는 것으로 하여, 각 점탄성 모델에서는, 점성 저항 계수, 스프링 상수가 각각 같아도 된다(cp=ci, kp=ki).
스플라인부(31a, 32a)의 하중 의존의 마찰력 Ff , s는, 메인 클러치(30)에 있어서의 각각의 스플라인부(31a, 32a)와 상대 부재(아우터 케이스(10)의 암스플라인(11a), 이너 샤프트(20)의 수스플라인(20a))의 축 방향의 마찰 모델을 포함한다. 또한, 본 실시예에서는, 이 하중 의존의 마찰력 Ff , s에, 이동측 캠 부재(52)에 형성된 암스플라인과 이너 샤프트(20)의 수스플라인(20a)의 축 방향의 마찰 모델이 포함되어 있다.
여기서, 메인 클러치(30) 및 파일럿 클러치(44)의 마찰 모델에 대하여, 더욱 상세하게 설명한다. 전술한 바와 같이, 메인 클러치(30)의 마찰 모델인 마찰 토크 Tf, mc는 제3 모델 및 제4 모델에 포함되고, 파일럿 클러치(44)의 마찰 모델인 마찰 토크 Tf , pc는 제1 모델 및 제2 모델에 포함된다. 여기서, 파일럿 클러치(44)의 마찰 토크 Tf , pc 및 메인 클러치(30)의 마찰 토크 Tf , mc는, 하기 식(6)과 (7)에 의해 각각 나타낸다.
Figure pat00006
즉, 각 마찰 토크 Tf , pc, Tf , mc는, 각각의 마찰 계수 μp, μm과, 평균 반경 Rp, Rm과, 클러치 판의 수량 np, nm과, 압부력 Fn , p, Fn , m과의 합에 상당한다. 더욱 상세하게는, 파일럿 클러치(44)의 마찰 계수 μp 및 메인 클러치(30)의 마찰 계수 μm은, 각각의 이너 클러치 판과 아우터 클러치 판과의 사이의 마찰 계수이다. 이 마찰 계수(μp, μm)는, 예를 들면, 이동 속도(상대적인 각속도 차이)와 마찰 계수의 관계를 나타내고, 또한 정마찰로부터 동마찰로 이행하는 과도 상태나 동마찰로부터 정마찰로 이행하는 과도 상태를 표시할 수 있는 LuGre 모델에 의해 정의하도록 할 수도 있다. 평균 반경 Rp, Rm은 마찰 결합되는 클러치 판의 마찰면에 있어서의 반경이다. 클러치 판의 수량 np, nm은, 이너 클러치 판과 아우터 클러치 판의 총수이다.
파일럿 클러치(44)의 마찰 토크 Tf , pc에 있어서의 압부력 Fn , p는, 전자 클러치 장치(40)에 입력되어 있는 제어 신호에 따라 변동하는 모델로 하고 있다. 즉, 파일럿 클러치(44)에 대한 압부력 Fn , p는, 이너 파일럿 클러치 판(44a)에 대한 아우터 파일럿 클러치 판(44b)의 축 방향 위치에 의존하지 않고, 즉 각 클러치판(44a, 44b)의 축 방향 위치를 일정한 것으로 간주하여, 제어 신호에 의존하도록 모델링되어 있다.
한편, 메인 클러치(30)의 마찰 토크 Tf , mc에 있어서의 압부력 Fn , m은, 메인 클러치(30)가 캠 동작 특성에 영향을 받기 때문에, 이너 메인 클러치 판(31)에 대한 아우터 메인 클러치 판(32)의 축 방향의 이동량을 감안하여 모델링되어 있다. 보다 구체적으로는, 메인 클러치(30)에 대한 압부력 Fn , m은, 상기 이동량에 따른 축 방향의 비선형 점탄성 모델을 포함하는 모델에 의해 나타낸다.
이 점탄성 모델은, 제５ 모델에 포함되는 메인 클러치(30)의 비선형 점탄성 모델로서, 전술한 바와 같이, 이너 메인 클러치 판(31)에 대한 점성 저항 계수 ci와 이너 메인 클러치 판(31)의 축 방향의 누르는 양(이동량)에 의해 변화하는 스프링 상수 ki를 사용하여 표시된다. 또한, 이 점탄성 모델에서는, 이너 메인 클러치 판(31)과 이동측 캠 부재(52)의 축 방향 위치 ym이 변수로서 입력되지만, 이 축 방향 위치 ym의 초기 위치(y0)에 클리어런스 Cl이 포함되어 있다. 즉, 이동측 캠 부재(52)가 클리어런스 Cl을 초과하여 축 방향으로 이동하고, 이너 메인 클러치 판(31)과 맞닿는 축 방향 위치를 초기 위치(y0)로 설정하고 있다. 이와 같이, 메인 클러치(30)의 마찰 모델인 마찰 토크 Tf , mc는, 클리어런스 Cl을 포함하도록 모델링되어 있다.
전달 토크 추정 장치(70)는, 전술한 바와 같은 구동력 전달 장치(1)의 모델링을 행하여, 전달 가능한 토크를 추정한다. 여기서, 각각의 모델링에 의해 추정되는 전달 토크의 변화를 도 3∼도 8을 참조하여 설명한다. 그리고, 도 3∼도 7에서는, 전자 클러치 장치(40)에 소정의 제어 신호(전류)가 입력되어 있는 것으로 하고, 이 상태에서 아우터 케이스(10)에 대하여 이너 샤프트(20)를 상대 회전시켰을 경우에, 양 부재(10, 20)의 각도차에 대한 전달 토크의 추정값을 나타내고 있다.
먼저, 종래 모델에 캠 기구(50)의 캠 동작 모델을 추가하면, 도 3에 나타낸 바와 같은 그래프를 얻을 수 있다. 여기서, 종래 모델은, 아우터 케이스(10)에 대한 이너 샤프트(20)의 상대 속도와 압부력에 기초하여, 전달 토크를 추정하는 모델이다. 더욱 상세하게는, 종래 모델은, 먼저, 아우터 케이스(10)에 대한 이너 샤프트(20)의 상대 속도를, 이너 메인 클러치 판(31)과 아우터 메인 클러치 판(32)의 미끄러짐 속도로 하고, 상기 미끄러짐 속도에 대응하는 마찰 계수를 산출한다. 또한, 전류값에 대하여 일정한 압부력이 각 클러치판에 부가되어 있는 것으로 하고, 마찰 계수와 압부력에 기초하여, 전달 토크를 추정한다.
이와 같은 종래 모델에 대하여, 제５ 모델에 포함되는 캠 기구(50)의 캠 동작 모델이 추가되면, 지지측 캠 부재(51)에 대하여 이동측 캠 부재(52)의 회전 방향이 반전했을 때의 전달 토크의 변화가 추가된다. 즉, 회전 방향이 역전하면, 캠 기구(50)의 중립 상태를 경유하므로, 압부력의 감소와 증가에 따라 전달 토크가 변동되게 된다.
다음으로, 메인 클러치(30)의 이너 메인 클러치 판(31)과 이동측 캠 부재(52)와의 사이에 설치된 클리어런스 Cl 등의 기계적인 축 방향 반동(제５ 모델에 포함됨)을 추가하면, 도 4에 나타낸 바와 같은 그래프를 얻을 수 있다. 캠 기구(50)의 중립 상태로부터 이동측 캠 부재(52)가 클리어런스 Cl을 초과하여 이동할 때까지는, 이너 메인 클러치 판(31)에 압부력이 부가되지 않는다. 이로써, 이너 메인 클러치 판(31)에 이동측 캠 부재(52)가 맞닿을 때까지의 시간차 만큼 전달 토크가 0(제로)이 되는 기간이 발생하게 된다.
이어서, 제５ 모델에 포함되는 스플라인부(31a, 32a)의 축 방향의 마찰 모델을 추가하면, 도 5에 나타낸 바와 같은 그래프를 얻을 수 있다. 메인 클러치(30)의 스플라인부(31a, 32a)에 축 방향의 마찰력이 발생하면, 캠 기구(50)에 의한 압부력이 그만큼 감소하게 된다. 그러므로, 전달 토크의 최대값 및 최소값의 절대값이 감소한다.
또한, 제3 모델 및 제4 모델에 포함되는 메인 클러치(30)의 가변 강성 모델을 추가하면, 도 6에 나타낸 바와 같은 그래프를 얻을 수 있다. 종래와 같이, 메인 클러치(30)가 강체인 것으로 가정하면, 각 클러치판(31, 32)의 축 방향 위치의 변화에 대하여 전달 토크가 즉시 연동하는 결과가 된다. 이에 대하여, 메인 클러치(30)의 강성을 감안하면, 전달 토크는, 실측값과 마찬가지로, 곡선 상을 이동하도록 변화한다.
또한, 제1 모델 및 제3 모델에 포함되는 스플라인부(31a, 32a)의 축 방향의 백래시를 추가하면, 도 7에 나타낸 바와 같은 그래프를 얻을 수 있다. 아우터 케이스(10)에 대한 이너 샤프트(20)의 회전 방향이 반전했을 때는, 이너 메인 클러치 판(31)과 아우터 메인 클러치 판(32)이 걸어맞춤 상태에 있어도, 백래시 만큼 토크가 전달되지 않는다. 이로써, 스플라인부(31a, 32a)의 축 방향의 백래시가 메워질 때까지의 시간차 만큼 전달 토크가 대략 0이 되는 기간이 발생하게 된다.
여기서, 전자 클러치 장치(40)에 소정의 제어 신호(전류)를 입력한 상태에서, 아우터 케이스(10)에 대하여 이너 샤프트(20)를 상대 회전시키면, 도 8에 나타낸 바와 같이, 양 부재(10, 20) 사이에서의 전달 토크가 측정된다. 이것에 의해 밝혀진 바와 같이, 본 실시예의 전달 토크 추정 장치(70)의 모델링에 의해 얻어진 전달 토크의 추정값(도 7)과 실측값(도 8)이 근사한 것을 알 수 있다.
다음으로, 전달 토크 추정 장치(70)의 모델링을 사용한 제어 신호(전류)에 대한 전달 토크의 추정에 대하여, 도 9∼도 11을 참조하여 설명한다. 그리고, 도 9∼도 11에서는, 전자 클러치 장치(40)에 입력하는 제어 신호를 변화시킨 경우에, 아우터 케이스(10)와 이너 샤프트(20)와의 사이에서 전달 가능한 토크의 추정값을 나타내고 있다.
먼저, 종래 모델에 전류에 대한 구동력 전달 장치(1)의 토크 특성(제1 모델∼ 제4 모델)을 추가하면, 도 9에 나타낸 바와 같은 그래프를 얻을 수 있다. 여기서, 종래 모델이란, 전류값으로부터 메인 클러치(30)에 부여되는 압부력이 1차 직선적으로 변화하는 것으로 하고, 이 압부력의 증감에 따라 전달 토크도 1차 직선적으로 변화하는 것으로 한 모델이다.
또한, 상기 토크 특성은, 구동력 전달 장치(1)의 각 부재의 회전 방향의 운동 방정식을 모델링한 제1 모델∼제4 모델에 상당한다. 그리고, 종래 모델에 대하여 이 토크 특성이 추가되면 전류값의 변화에 대하여 전달 토크가 추종하도록 변화한다. 그러므로, 전달 토크는, 1차 직선적으로 변화되지는 않으며, 도 9에 나타낸 바와 같은 곡선형이 된다.
다음으로, 전자 클러치 장치(40)에 있어서의 전자적 히스테리시스 특성(전류 히스테리시스 특성)을 추가하면, 도 10에 나타낸 바와 같은 그래프를 얻을 수 있다. 이 전자적 히스테리시스 특성은, 전자 클러치 장치(40)에 의해 자기 회로가 형성되므로, 전자 클러치 장치(40) 및 주변 부재에 잔류되는 자기의 영향에 의한 것이다. 예를 들면, 전류값을 감소시켰을 경우에는, 잔류 자기의 영향에 의해 전달 토크의 저하가 지연되며, 전류값을 증가시킨 경우와 비교하여 전달 토크가 높아진다.
이어서, 구동력 전달 장치(1)에 있어서의 기계적 히스테리시스 특성(제５ 모델)을 추가하면, 도 11에 나타낸 바와 같은 그래프를 얻을 수 있다. 이 기계적 히스테리시스는, 제５ 모델에 나타낸 바와 같이, 이너 메인 클러치 판(31)과 이동측 캠 부재(52)와 같이 축 방향의 동작의 영향에 의한 것이다. 특히, 스플라인부(31a, 32a)의 하중 의존의 마찰력 Ff , s에 의한 영향이 크다. 그리고, 도 10과 도 11을 비교하면 알 수 있는 바와 같이, 이 기계적 히스테리시스에 의하여, 전류값을 감소시킨 경우와 증가시킨 경우에서의 전달 토크의 차이가 커지게 된다.
전술한 전달 토크 추정 장치(70)에 의하면, 제1 모델∼제５ 모델에 의해 구동력 전달 장치(1)를 구성하는 각 부재의 회전 방향 및 축 방향의 운동을 효율적으로 나타낼 수 있게 된다. 특히, 제2 모델에서는 지지측 캠 부재(51)와 이너 파일럿 클러치 판(44a)을 일체로 하여 모델링하고, 제５ 모델에서는 이너 메인 클러치 판(31)과 이동측 캠 부재(52)를 일체로 하여 모델링하였다. 이에 따라, 전달 토크 추정 장치(70)는, 구동력 전달 장치(1)에 있어서의 캠 기구(50) 특유의 동작 등을 감안하여, 고정밀도로 전달 토크를 추정할 수 있다. 따라서, 추정한 전달 토크의 특성을 반영하여, 구동력 전달 장치(1)의 제어나 설계를 더욱 바람직하게 행할 수 있다.
또한, 제1 모델 및 제2 모델에 포함되는 파일럿 클러치(44)의 마찰 모델(마찰 토크 Tf , pc)은, 각 클러치판(44a, 44b)의 상대적인 각속도 차이에 따른 마찰 계수 μp와, 파일럿 클러치(44)에 부여되는 압부력 Fn , p와의 곱을 포함하도록 모델링되어 있다. 즉, 파일럿 클러치(44)의 마찰 모델(마찰 토크 Tf , pc)은, 각각의 클러치판(44a, 44b)의 축 방향 이동에 의하지 않고, 제어 신호에 따라 마찰력이 변동하는 것으로 하였다. 이에 따라, 파일럿 클러치(44)의 토크 특성을 보다 효율적으로 모델링하여, 전달 가능한 토크를 보다 고정밀도로 추정할 수 있다.
한편, 제3 모델 및 제4 모델에 포함되는 메인 클러치(30)의 마찰 모델(마찰 토크 Tf , mc)은, 각각의 클러치판(31, 32)의 상대적인 각속도 차이에 따른 마찰 계수 μm과, 메인 클러치(30)에 부여되는 압부력 Fn , m와의 곱을 포함하도록 모델링되어 있다. 즉, 메인 클러치(30)의 마찰 모델(마찰 토크 Tf , mc)은, 각각의 클러치판(31, 32)의 축 방향 이동을 감안하여, 그 이동량에 따른 축 방향의 점탄성 모델을 포함하는 것으로 하였다. 이, 메인 클러치(30)의 토크 특성을 보다 효율적으로 모델링하여, 보다 고정밀의 전달 토크의 추정을 가능하게 하고 있다.
또한, 이너 메인 클러치 판(31) 및 이동측 캠 부재(52)의 축 방향의 운동 방정식을 모델링한 제５ 모델은, 각 스플라인부(31a, 32a)의 하중 의존의 마찰력 Ff , s에 있어서, 상대 부재와의 축 방향의 마찰 모델을 각각 포함하는 것으로 하였다. 이와 같이, 전달 토크에 영향을 주는 스플라인부(31a, 32a)에 있어서의 축 방향 마찰을 감안하여, 이너 메인 클러치 판(31)과 이동측 캠 부재(52)의 축 방향 마찰에 집약하여 모델링하고 있다. 이에 따라, 메인 클러치(30)에 작용하는 각 스플라인부(31a, 32a)의 축 방향 마찰을 효율적으로 모델링하고, 고정밀도의 전달 토크의 추정이 가능하게 된다.
아우터 케이스(10) 및 아우터 메인 클러치 판(32)의 회전 방향의 운동 방정식을 모델링한 제1 모델 및 제3 모델은, 메인 클러치(30)의 스플라인 토크 Tm , s에 스플라인부(31a, 32a)에 있어서의 백래시를 포함하는 것으로 하였다. 이와 같이, 백래시에 의한 전달 토크에 대한 영향을 감안하고, 스플라인부(31a, 32a)에 있어서의 백래시를 아우터 케이스(10)와 아우터 메인 클러치 판(32)과의 사이에만 발생하는 것으로서 모델링하고 있다. 이에 따라, 효율적으로 백래시를 포함하는 모델링을 가능하게 하여, 추정되는 전달 토크의 고정밀도화를 도모할 수 있다.
제3 모델과 제4 모델에 포함되는 메인 클러치(30)의 마찰 모델(마찰 토크 Tf, mc), 및 제５ 모델은, 이너 메인 클러치 판(31)과 이동측 캠 부재(52)와의 사이에 설치된 클리어런스 Cl을 포함하도록 모델링되는 것으로 하였다. 이에 따라, 클리어런스 Cl의 영향에 의해 토크가 전달되지 않는 기간을 감안한 모델링이 가능하게 되어, 추정되는 전달 토크의 고정밀도화를 도모할 수 있다.
또한, 제3 모델 및 제4 모델에 포함되는 메인 클러치(30)의 마찰 모델(마찰 토크 Tf , mc)은, 메인 클러치(30)의 축 방향의 변형량을 나타내는 강성 모델을 포함하는 것으로 하였다. 이에 따라, 메인 클러치(30)의 강성의 영향에 의하여, 압부력에 대하여 곡선적으로 변화하는 전달 토크를 고정밀도로 추정할 수 있다.
실시예에 있어서, 메인 클러치(30)의 마찰 모델(Tf , mc) 및 파일럿 클러치(44)의 마찰 모델(Tf , pc)은 마찰 계수(μp, μm)를 포함하고, 이 마찰 계수(μp, μm)는, 이동 속도와 마찰 계수의 관계를 나타낸 LuGre 모델에 의해 정의되는 것으로 하였다. 이에 대하여, 마찰 계수(μp, μm)는, 보다 간단한 모델로서 사전에 정해져 있는 동마찰 계수 및 정마찰 계수의 2개의 값을 이동 속도에 따라 설정할 수도 있다.
실시예에 있어서, 구동력 전달 장치(1)는, 차량의 이륜 구동과 사륜 구동을 전환하는 장치로서 적용되는 것으로 하였다. 이에 대하여, 구동력 전달 장치가 2종류의 클러치와 이들에 개재하는 캠 기구를 구비하는 구성이면, 전달 토크 추정 장치에 의한 모델링 대상으로 할 수 있다. 또한, 전달 토크 추정 장치에 의한 모델링을 차량의 드라이브 라인의 모델에 적용할 수도 있다. 이에 따라, 차량의 파워 트레인의 설계의 최적화 등에 이용할 수 있게 된다.

Claims (8)

  1. 원통형상의 외측 회전 부재;
    상기 외측 회전 부재 내에 상대 회전 가능하게 동축(同軸) 상에 배치된 내측 회전 부재;
    상기 외측 회전 부재와 상기 내측 회전 부재와의 사이에 토크를 전달하는 메인 클러치;
    제어 신호에 따른 자력에 의해 전기자(amature)를 끌어들임으로써 상기 외측 회전 부재의 토크를 전달 가능한 파일럿 클러치를 가지는 전자 클러치 장치; 및
    상기 메인 클러치와 상기 파일럿 클러치와의 사이에 설치되고, 상기 파일럿 클러치를 통하여 전달되는 상기 외측 회전 부재의 회전과 상기 내측 회전 부재의 회전과의 회전 차이를 축 방향의 압부력(押付力)으로 변환하여, 지지측 캠 부재에 대하여 이동측 캠 부재를 축 방향 이동시킴으로써 상기 메인 클러치를 가압하는 캠 기구;
    를 구비하는 구동력 전달 장치의, 전달 토크 추정 장치로서,
    상기 메인 클러치는,
    상기 내측 회전 부재와의 상대 회전이 규제되고, 또한 축 방향 이동이 허용된 이너 메인 클러치 판과, 상기 외측 회전 부재와의 상대 회전이 규제되고, 또한 축 방향 이동이 허용된 아우터 메인 클러치 판에 의해 구성되며,
    상기 파일럿 클러치는,
    상기 지지측 캠 부재와의 상대 회전이 규제되고, 또한 축 방향 이동이 허용된 이너 파일럿 클러치 판과, 상기 외측 회전 부재와의 상대 회전이 규제되고, 또한 축 방향 이동이 허용된 아우터 파일럿 클러치 판에 의해 구성되며,
    상기 전달 토크 추정 장치는,
    상기 파일럿 클러치의 마찰 모델을 포함하고, 상기 외측 회전 부재의 회전 방향의 운동 방정식을 모델링한 제1 모델;
    상기 파일럿 클러치의 마찰 모델을 포함하고, 상기 지지측 캠 부재와 상기 이너 파일럿 클러치 판을 일체로 한 회전 방향의 운동 방정식을 모델링한 제2 모델;
    상기 메인 클러치의 마찰 모델을 포함하고, 상기 아우터 메인 클러치 판의 회전 방향의 운동 방정식을 모델링한 제3 모델;
    상기 메인 클러치의 마찰 모델을 포함하고, 상기 내측 회전 부재의 회전 방향의 운동 방정식을 모델링한 제4 모델; 및
    상기 지지측 캠 부재와 상기 이동측 캠 부재의 위상차에 대한 상기 이동측 캠 부재의 이동량을 나타내는 캠 동작 모델, 및 상기 메인 클러치와 상기 캠 기구의 축 방향의 점탄성 모델을 포함하고, 상기 이너 메인 클러치 판과 상기 이동측 캠 부재를 일체로 한 축 방향의 운동 방정식을 모델링한 제５ 모델;
    에 기초하여, 상기 제어 신호에 대하여 상기 외측 회전 부재와 상기 내측 회전 부재와의 사이에 전달 가능한 토크를 추정하는,
    전달 토크 추정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 파일럿 클러치의 마찰 모델은, 상기 이너 파일럿 클러치 판과 상기 아우터 파일럿 클러치 판과의 상대적인 각속도 차이에 따른 마찰 계수와, 상기 제어 신호에 따른 자력에 의해 상기 파일럿 클러치에 부여되는 압부력과의 곱을 포함하고,
    상기 메인 클러치의 마찰 모델은, 상기 이너 메인 클러치 판과 상기 아우터 메인 클러치 판과의 상대적인 각속도 차이에 따른 마찰 계수와, 상기 메인 클러치에 부여되는 축 방향의 압부력과의 곱을 포함하는, 전달 토크 추정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 메인 클러치에 부여되는 축 방향의 압부력은, 상기 캠 동작 모델과, 상기 메인 클러치에 있어서의 축 방향의 점탄성 모델을 포함하는 모델에 의해 나타내는, 전달 토크 추정 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 메인 클러치에 있어서, 상기 아우터 메인 클러치 판에는 상기 외측 회전 부재와 스플라인 결합되는 스플라인부가 형성되고, 상기 이너 메인 클러치 판에는 상기 내측 회전 부재와 스플라인 결합되는 스플라인부가 형성되고,
    상기 제５ 모델은, 상기 메인 클러치에 있어서의 각 상기 스플라인부와 상대 부재의 축 방향의 마찰 모델을 각각 포함하는, 전달 토크 추정 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 메인 클러치에 있어서, 상기 아우터 메인 클러치 판에는 상기 외측 회전 부재와 스플라인 결합되는 스플라인부가 형성되고, 상기 이너 메인 클러치 판에는 상기 내측 회전 부재와 스플라인 결합되는 스플라인부가 형성되고,
    상기 제1 모델 및 상기 제3 모델은, 상기 메인 클러치에 있어서의 상기 스플라인부와 상대 부재의 회전 방향의 백래시(back lash)를 각각 포함하도록 모델링되어 있는, 전달 토크 추정 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지측 캠 부재와 상기 이동측 캠 부재와의 사이에 위상차가 없는 상태에 있어서, 상기 메인 클러치와 상기 이동측 캠 부재와의 사이에는 소정량의 클리어런스가 설치되고,
    상기 메인 클러치의 마찰 모델은, 상기 클리어런스를 포함하도록 모델링되어 있는, 전달 토크 추정 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지측 캠 부재와 상기 이동측 캠 부재와의 사이에 위상차가 없는 상태에 있어서, 상기 메인 클러치와 상기 이동측 캠 부재와의 사이에는 소정량의 클리어런스가 설치되고,
    상기 제５ 모델은, 상기 클리어런스를 포함하도록 모델링되어 있는, 전달 토크 추정 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 메인 클러치의 마찰 모델은, 상기 메인 클러치의 축 방향의 변형량을 나타내는 강성(剛性) 모델을 포함하는, 전달 토크 추정 장치.
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