KR20190002046A - 유압동기 댐핑적용 디퍼렌셜 기어 및 차량 구동계 - Google Patents

유압동기 댐핑적용 디퍼렌셜 기어 및 차량 구동계 Download PDF

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Abstract

본 발명의 차량 구동계는 클러치 페달 조작에 의한 클러치 해제로 엔진과 연결이 차단되는 변속기에 이어진 드라이브 샤프트(120)와 연결된 디퍼렌셜 기어(1), 클러치를 해제시키는 유압을 댐핑 유압으로 공급받아 클러치의 해제 상태에서 댐핑 유압으로 디퍼렌셜 기어(1)에 댐핑 작용을 발생시키는 댐핑 기구(10)가 포함됨으로써 클러치 해제에 따른 반복적인 동력 단속 조건에서 충격성 진동 및 소음 저감이 이루어지고, 특히 클러치 해제 시에만 발생되는 댐핑 효과로 불필요한 연비손실도 예방되는 특징을 갖는다.

Description

유압동기 댐핑적용 디퍼렌셜 기어 및 차량 구동계{Hydraulic Synchronizing Damping type Differential Device and Vehicle Drive System thereby}
본 발명은 디퍼렌셜 기어에 관한 것으로, 특히 클러치와 연계된 유압동기화에 의한 댐핑 작용으로 동력 단속시 디퍼렌셜 기어의 충격성 진동 및 소음이 저감되는 차량 구동계에 관한 것이다.
일반적으로 차량용 구동계는 파워트레인(엔진 + 변속기)과 드라이브 샤프트 및 디퍼렌셜 기어(또는 차동장치)로 구성되고, 상기 디퍼렌셜 기어는 메인 피니언기어, 링기어, 피니언기어, 좌우 사이드기어 및 이들을 수용하여 외관을 형성하는 디퍼렌셜 케이스로 구성된다.
일례로, 상기 디퍼렌셜 기어에서는 파워트레인의 동력을 전달받은 메인 피니언기어와 링기어가 회전되어 피니언기어의 공전이 발생되고, 좌우 액슬을 각각 연결한 좌우 사이드기어가 피니언기어의 공전으로 회전된다.
그러므로 구동계는 파워트레인의 출력이 드라이브 샤프트를 통해 디퍼렌셜 기어에 전달되고, 상기 디퍼렌셜 기어는 불규칙 도로에서 좌우 바퀴의 회전수를 달리하여 액슬과 연결된 좌우 바퀴를 회전시킴으로써 안정적으로 차량을 주행시켜 준다.
국내 실용신안등록공개공보 20-1997-0004940(1997년02월19일)
하지만 구동계는 클러치 해제에 따른 반복적인 동력 단속으로 변속기 충격성 진동 및 소음에 더해 드라이브 샤프트 잔여 소음을 발생시킬 수밖에 없다.
일례로, 상기 변속기 충격성 진동 및 소음은 변속기 입력축의 회전방향 전환 시 변속기 케이스 진동으로 발생되고, 변속기 케이스 진동은 단주기이면서 소음 크기가 큰 DSI(Double Side Impact)성 충격성 소음과 장주기로 크게 느껴지는 운전자 불쾌감 영향으로 차량 고급감을 악화시키면서 소음 크기가 작으나 잔여 진동 및 소음 지속을 가져오는 SSI(Single Side Impact)성 충격성 소음으로 나타난다. 그리고 상기 드라이브 샤프트의 잔여 소음은 드라이브 샤프트가 특정 토크 이하로 감소하기 전까지 유지될 수밖에 없는 잔여 토크(즉 부(-) 토크))에 의한 잔여소음으로 나타난다.
더구나 구동계는 클러치 해제시 엔진 잔여 토크에 의한 구동계 가진으로 회전진동을 발생시키고, 회전진동은 드라이브 샤프트 및/또는 디퍼렌셜 기어의 백래쉬(backlash)(유격부)로 더욱 가중되는 충격소음으로 발전될 수밖에 없다.
이에 상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 클러치 유압에 동기화된 디퍼렌셜 기어를 통한 댐핑 효과로 클러치 해제에 따른 반복적인 동력 단속 조건에서 충격성 진동 및 소음 저감이 이루어지고, 특히 클러치 해제 시에만 댐핑 작용이 발생됨으로써 최소한의 댐핑 효과 구현으로 연비손실도 예방되는 유압동기 댐핑적용 디퍼렌셜 기어 및 차량 구동계의 제공에 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 디퍼렌셜 기어는 메인 피니언기어를 회전시키던 외부 동력의 차단 시 유압이 공급되고, 상기 유압으로 이동된 마찰부재가 상기 메인 피니언기어에 맞물린 링기어와 접촉되어 마찰 드래그를 형성시키는 댐핑 기구;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예로서, 상기 댐핑 기구에는 상기 메인 피니언기어와 상기 링기어를 내장한 디퍼렌셜 케이스에 결합되어 상기 유압으로 충진되는 내부공간을 형성한 챔버 하우징, 상기 유압으로 상기 챔버 하우징에서 밀려나 상기 마찰부재를 상기 링기어에 접촉시키는 피스톤으로 구성된다.
바람직한 실시예로서, 상기 챔버 하우징은 상기 디퍼렌셜 케이스의 안쪽 공간으로 구비되어 상기 유압이 흐르는 챔버 라인과 연결되고, 상기 챔버 라인은 상기 디퍼렌셜 케이스의 외부로 인출된다. 상기 피스톤은 상기 챔버 하우징의 밖으로 위치되는 피스톤 로드를 구비하고, 상기 피스톤 로드에는 상기 마찰부재가 부착된다.
그리고 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 차량 구동계는 클러치의 엔진과 변속기 연결 상태를 클러치 페달 조작에 의한 유압으로 해제시키는 유압 기구; 상기 클러치로 상기 엔진과 연결된 상기 변속기의 출력이 전달되는 드라이브 샤프트로 회전되어 좌우 휠을 회전시키는 디퍼렌셜 기어; 상기 유압의 일부를 댐핑 유압으로 공급받고, 상기 클러치의 해제 상태에서 상기 댐핑 유압이 상기 디퍼렌셜 기어에 댐핑 작용을 발생시키는 댐핑 기구;가 포함되는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예로서, 상기 댐핑 기구는 상기 유압 기구에 연결된 댐핑 라인으로 상기 댐핑 유압을 공급받고, 상기 댐핑 라인은 상기 클러치 페달과 연계된 CMC(Clutch Master Cylinder)에서 발생된 상기 유압이 흐르는 클러치 라인에서 분기된다.
바람직한 실시예로서, 상기 댐핑 기구는 상기 댐핑 라인에 연결된 챔버 하우징, 상기 챔버 하우징의 압력 상승으로 밀려나는 피스톤, 상기 피스톤에 구비되어 상기 댐핑 작용을 발생시키는 마찰부재로 구성된다. 상기 챔버 하우징은 상기 디퍼렌셜 기어의 디퍼렌셜 케이스에 결합되고, 상기 마찰부재는 상기 디퍼렌셜 케이스에 수용되어 상기 드라이브 샤프트로 회전되는 메인 피니언기어에 맞물린 링기어와 접촉으로 상기 댐핑 유압의 증가로 커지는 상기 댐핑 작용이 발생되는 마찰 드래그를 형성한다.
바람직한 실시예로서, 상기 디퍼렌셜 기어는 좌,우 액슬을 회전시키고, 상기 좌,우 액슬은 상기 좌,우 휠을 회전시킨다.
이러한 본 발명의 차량 구동계는 유압동기 댐핑 적용 디퍼렌셜 기어를 적용함으로써 하기와 같은 작용 및 효과가 구현된다.
첫째, 클러치 해제 시 나타나던 구동계의 충격성 진동/소음이 개선됨으로써 차량 고급감이 향상된다. 둘째, 회전수(Revolution Per Minute)변화에 따른 저크성 거동의 저감으로 운전성이 개선된다. 셋째, 클러치 해제에서만 유압동기화가 이루어짐으로써 NVH 개선이 이루어지면서도 연비손실이 예방된다. 넷째, 클러치 해제에 따른 회전 진동 해소로 볼팅타입(백래시 저감 적용 사양)대신 원가와 중량 및 조립공수 저감이 가능한 스템타입 디퍼렌셜 기어를 적용할 수 있다. 다섯째, 충격성 진동 및 소음을 줄이기 위해 백래쉬 저감이 불필요함으로써 드라이브 샤프트의 백래쉬 백래쉬 가공비와 불량률 저감으로 원가저감이 이루어진다.
도 1은 본 발명에 따른 유압동기 댐핑적용 디퍼렌셜 기어의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 유압동기 댐핑적용 디퍼렌셜 기어로 구성된 차량 구동계의 예이며, 도 3은 본 발명에 따른 클러치 해제 시 디퍼렌셜 기어가 유압 동기화로 댐핑 효과를 구현하는 동작 예이고, 도 4는 본 발명에 따른 클러치 해제 시 구동계의 충격성 진동 및 소음개선 효과의 예이며, 도 5는 본 발명에 따른 클러치 해제 시 구동계의 회전수 저크(jerk)성 거동 개선 효과의 예이다.
이하 본 발명의 실시 예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시 예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
도 1을 참조하면, 디퍼렌셜 기어(1)는 댐핑 기구(10)를 포함함으로써 외부에서 공급된 유압 작용으로 디퍼렌셜 기어(1)의 동작 중지에 따른 충격성 진동과 소음을 완화 및 제거한다.
구체적으로 상기 디퍼렌셜 기어(1)는 디퍼렌셜 케이스(8)로 외관 형상을 형성하고, 상기 디퍼렌셜 케이스(8)의 내부 공간에는 메인 피니언기어(3), 링기어(4), 피니언기어(5), 좌,우 사이드기어(6,7)가 구비된다.
일례로, 상기 메인 피니언기어(3)는 외부에서 전달되는 회전력으로 회전되고, 상기 링기어(4)는 메인 피니언기어(3)로 회전되며, 상기 피니언기어(5)는 링기어(4)와 함께 공전되고, 상기 좌,우 사이드기어(6,7)의 각각은 피니언기어(5)로 회전하여 외부로 회전력을 전달한다.
구체적으로 상기 댐핑 기구(10)는 챔버 하우징(11), 챔버 라인(13), 피스톤(15), 마찰부재(17)로 구성된다.
일례로, 상기 챔버 하우징(11)은 외부에서 공급된 유압으로 내장된 피스톤(15)이 밀려나는 내부공간을 형성하여 디퍼렌셜 케이스(8)와 결합된다. 상기 챔버 라인(13)은 챔버 하우징(11)의 내부공간과 연결된 상태에서 디퍼렌셜 케이스(8)에서 인출되고, 챔버 하우징(11)에 유압이 형성되도록 유압을 외부에서 내부공간으로 유입시켜주고 챔버 하우징(11)에 유압이 제거되도록 유압을 내부공간에서 외부로 빼내주는 통로로 작용한다. 상기 피스톤(15)은 챔버 하우징(11)의 내부공간에 수용되고, 내부공간으로 채워지는 유압으로 밀려나거나 내부공간에서 빠져나가는 유압으로 당겨진다. 상기 마찰부재(17)는 챔버 하우징(11)에서 빠져나온 피스톤로드에 결합되고, 피스톤(15)의 밀림시 피스톤(15)과 함께 밀려나 링기어(4)와 마찰 드래그를 형성하고 반면 피스톤(15)의 빠짐시 피스톤(15)과 함께 빠져 링기어(4)와 접촉되지 않는 소정 간격을 형성한다.
특히 상기 피스톤(15)은 챔버 하우징(11)의 내부공간에서 스프링(도시되지 않음)으로 탄발 지지됨으로써 피스톤(15)의 밀림시 압축되어 피스톤(15)의 빠짐시 탄성복원력을 피스톤(15)에 가해준다. 또한 상기 피스톤(15)은 챔버 하우징(11)의 외부로 위치된“ㅓ"형상의 피스톤로드를 구비하고, 상기 피스톤로드가 빠져나오는 챔버 하우징(11)에 기밀재가 구비되어 챔버 하우징(11)의 내부공간에 대한 기밀을 유지시킨다. 상기 마찰부재(17)는 피스톤로드의 “ㅓ"형상의 평면상에 부착되고, 마찰력을 발생시켜주는 폴리우레탄과 동등한 재질이 적용된다.
도 2를 참조하면, 구동계(100)는 디퍼렌셜 기어(1), 댐핑 기구(10), 파워트레인(110), 드라이브 샤프트(120)로 구성된다.
구체적으로 상기 디퍼렌셜 기어(1)는 메인 피니언기어(3), 링기어(4), 피니언기어(5), 좌,우 사이드기어(6,7) 및 디퍼렌셜 케이스(8)로 구성되므로 도 1과 동일하다. 다만, 상기 메인 피니언기어(3)는 드라이브 샤프트(120)에서 회전력을 전달받고, 상기 좌,우 사이드기어(6,7)는 좌,우 휠로 이어진 좌우 액슬(130-1,130-2)과 연결되는 차이가 있다.
일례로, 상기 드라이브 샤프트(120)는 파워트레인(110)과 연결된다. 상기 파워트레인(110)은 동력을 발생시켜 주는 엔진, 엔진의 동력을 전달받아 드라이브 샤프트(120)로 전달하는 변속기로 구성된다. 상기 변속기는 유압 기구(200)로 엔진과 연결된 변속기의 동력이 차단되는 수동 변속기이다.
구체적으로 상기 댐핑 기구(10)는 챔버 하우징(11), 챔버 라인(13), 피스톤(15), 마찰부재(17)로 구성되므로 도 1과 동일하다. 다만, 상기 챔버 라인(13)은 유압 기구(200)에 직접적으로 연결되는 차이가 있다.
일례로, 상기 유압 기구(200)는 클러치 페달 기구(210)와 클러치 기구(220)를 이어 클러치 페달 밟을 시 CMC(Clutch Master Cylinder)에서 발생한 유압을 클러치 기구(220)로 분기시켜줌으로써 변속기로 전달되던 엔진의 동력을 차단시켜 주는 클러치 라인(230-1), 클러치 페달 기구(210)와 댐핑 기구(10)를 이어 클러치 페달 밟을 시 CMC(Clutch Master Cylinder)에서 발생한 유압을 챔버 라인(13)으로 분기시켜줌으로써 챔버 라인(13)에 유압을 공급하는 댐핑 라인(230-2)으로 구성된다.
특히, 상기 댐핑 라인(230-2)은 한 쌍의 커넥터(230a,230b)를 구비하고, 상기 한 쌍의 커넥터(230a,230b)는 댐핑 라인(230-2)이 클러치 라인(230-1)과 연결되는 클러치측 커넥터(230a) 및 챔버 라인(13)과 연결되는 댐핑측 커넥터(230b)로 구분된다.
그러므로 상기 구동계(100)는 유압 기구(200)의 조작여부로 댐핑 기구(10)가 동작된다.
일례로, 상기 유압 기구(200)가 조작되지 않는 경우 클러치 페달 기구(210)의 CMC(Clutch Master Cylinder)에서 유압이 발생되지 않음으로써 클러치 라인(230-1)과 댐핑 라인(230-2)에는 유압 공급이 이루어지지 않는다, 그 결과 구동계(100)는 엔진과 변속기가 연결된 상태에서 파워트레인(110)의 동력이 드라이브 샤프트(120)로 나오고, 디퍼렌셜 기어(1)가 드라이브 샤프트(120)의 출력으로 동작하며, 디퍼렌셜 기어(1)의 동작은 좌우 액슬(130-1,130-2)을 회전시킴으로써 좌,우 휠이 구동된다.
반면 상기 유압 기구(200)가 조작되는 경우 클러치 페달 기구(210)의 CMC(Clutch Master Cylinder)에서 유압이 발생됨으로써 클러치 라인(230-1)과 댐핑 라인(230-2)에는 유압 공급이 동시에 이루어진다. 그러면 클러치 라인(230-1)의 유압은 파워트레인(110)의 엔진과 변속기 간 동력을 차단함으로써 드라이브 샤프트(120)에 엔진의 동력이 전달되지 않고, 댐핑 라인(230-2)의 유압은 댐핑 기구(10)로 전달된다. 그 결과 디퍼렌셜 기어(1)는 드라이브 샤프트(120)의 동력 전달이 없는 관성 동작으로 전환되고 동시에 댐핑 기구(10)는 유압을 형성한다.
도 3을 참조하면, 클러치 페달 기구(210)의 클러치 페달 조작으로 CMC(Clutch Master Cylinder)에서 발생된 유압이 클러치 라인(230-1)과 댐핑 라인(230-2)으로 동시에 분기되는 상태가 예시된다.
도시된 바와 같이, 상기 댐핑 라인(230-2)의 유압은 챔버 라인(13)을 통해 챔버 하우징(11)으로 공급됨으로써 챔버 하우징(11)의 내부공간에는 유압이 형성된다. 그러면 피스톤(15)은 챔버 하우징(11)의 유압 작용으로 챔버 하우징(11)에서 밀려남으로써 마찰부재(17)가 피스톤(15)과 함께 밀려나 링기어(4)에 접촉된다. 이어 챔버 하우징(11)의 압력은 댐핑 라인(230-2)에서 공급되는 유압 증가로 더욱 높아져 피스톤(15)을 더욱 밀어내고, 피스톤(15)의 밀림 증가는 마찰부재(17)를 더욱 밀어냄으로써 마찰부재(17)와 링기어(4) 간 접촉력이 더욱 증가된다.
그 결과 마찰부재(17)는 링기어(4)에 대한 마찰 드래그를 더욱 증가시키고, 상기 마찰 드래그의 증가는 링기어(4)의 회전과 떨림을 억제함으로써 클러치 해제에 따른 변속기 충격성 진동 및 소음에 더한 드라이브 샤프트(120)의 잔여 소음이 흡수 또는 억제된다.
도 4 및 도 5는 클러치 해제 시 구동계(100)에 작용하는 댐핑 기구(10)의 효과를 예시한다.
도 4를 참조하면, 클러치 해제 시 댐핑 기구(10)의 댐핑 작용이 없는 지속시간(Tlong) 대비 댐핑 기구(10)의 댐핑 작용이 있는 지속시간(Tshort)이 상대적으로 짧아짐으로써 변속기 충격성 진동 및 소음이 크게 약화됨이 실험적으로 증명된다. 또한 도 5를 참조하면, 클러치 해제 시 댐핑 기구(10)의 댐핑 작용이 없는 엔진의 RPM(Revolution Per Minute) 저크성 거동 대비 댐핑 기구(10)의 댐핑 작용이 있는 RPM 저크성 거동이 크게 약화됨이 실험적으로 증명된다.
전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 차량 구동계는 클러치 페달 조작에 의한 클러치 해제로 엔진과 연결이 차단되는 변속기에 이어진 드라이브 샤프트(120)와 연결된 디퍼렌셜 기어(1), 클러치를 해제시키는 유압을 댐핑 유압으로 공급받아 클러치의 해제 상태에서 댐핑 유압으로 디퍼렌셜 기어(1)에 댐핑 작용을 발생시키는 댐핑 기구(10)가 포함됨으로써 클러치 해제에 따른 반복적인 동력 단속 조건에서 충격성 진동 및 소음 저감이 이루어지고, 특히 클러치 해제 시에만 발생되는 댐핑 효과로 불필요한 연비손실도 예방된다.
1 : 디퍼렌셜 기어 3 : 메인 피니언기어
4 : 링기어 5 : 피니언기어
6,7 : 좌우 사이드기어 8 : 디퍼렌셜 케이스
10 : 댐핑 기구 11 : 챔버 하우징
13 : 챔버 라인 15 : 피스톤
17 : 마찰부재
100 : 구동계 110 : 파워트레인
120 : 드라이브 샤프트 130-1,130-2 : 좌우 액슬
200 : 유압 기구 210 : 클러치 페달 기구
220 : 클러치 기구 230-1 : 클러치 라인
230-2 : 댐핑 라인 230a,230b : 커넥터

Claims (13)

  1. 메인 피니언기어를 회전시키던 외부 동력의 차단 시 유압이 공급되고, 상기 유압으로 이동된 마찰부재가 상기 메인 피니언기어에 맞물린 링기어와 접촉되어 마찰 드래그를 형성시키는 댐핑 기구;
    가 포함되는 것을 특징으로 하는 디퍼렌셜 기어.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 댐핑 기구는 상기 메인 피니언기어와 상기 링기어를 내장한 디퍼렌셜 케이스에 결합되는 것을 특징으로 하는 디퍼렌셜 기어.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 댐핑 기구에는 상기 디퍼렌셜 케이스에 결합되어 상기 유압으로 충진되는 내부공간을 형성한 챔버 하우징, 상기 유압으로 상기 챔버 하우징에서 밀려나 상기 마찰부재를 상기 링기어에 접촉시키는 피스톤이 포함되는 것을 특징으로 하는 디퍼렌셜 기어.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 챔버 하우징은 상기 디퍼렌셜 케이스의 안쪽 공간으로 구비되어 상기 유압이 흐르는 챔버 라인과 연결되고, 상기 챔버 라인은 상기 디퍼렌셜 케이스의 외부로 인출되는 것을 특징으로 하는 디퍼렌셜 기어.
  5. 청구항 3에 있어서, 상기 챔버 하우징은 상기 디퍼렌셜 케이스의 안쪽 공간으로 구비되어 상기 유압이 흐르는 챔버 라인과 연결되고, 상기 챔버 라인은 상기 디퍼렌셜 케이스의 외부로 인출되는 것을 특징으로 하는 디퍼렌셜 기어,
  6. 클러치의 엔진과 변속기 연결 상태를 클러치 페달 조작에 의한 유압으로 해제시키는 유압 기구;
    상기 클러치로 상기 엔진과 연결된 상기 변속기의 출력이 전달되는 드라이브 샤프트로 회전되어 좌우 휠을 회전시키는 디퍼렌셜 기어;
    상기 유압의 일부를 댐핑 유압으로 공급받고, 상기 클러치의 해제 상태에서 상기 댐핑 유압이 상기 디퍼렌셜 기어에 댐핑 작용을 발생시키는 댐핑 기구;
    가 포함되는 것을 특징으로 하는 차량 구동계.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 댐핑 기구는 상기 유압 기구에 연결된 댐핑 라인으로 상기 댐핑 유압을 공급받는 것을 특징으로 하는 차량 구동계.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 댐핑 라인은 상기 유압이 흐르는 클러치 라인에서 상기 유압을 공급받는 것을 특징으로 하는 차량 구동계.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 클러치 라인은 상기 클러치 페달과 연계된 CMC(Clutch Master Cylinder)에서 발생된 상기 유압이 흐르는 것을 특징으로 하는 차량 구동계.
  10. 청구항 8에 있어서, 상기 댐핑 라인은 상기 클러치 라인에서 분기되는 것을 특징으로 하는 차량 구동계.
  11. 청구항 7에 있어서, 상기 댐핑 기구는 상기 댐핑 라인에 연결된 챔버 하우징, 상기 챔버 하우징의 압력 상승으로 밀려나는 피스톤, 상기 피스톤에 구비되어 상기 댐핑 작용을 발생시키는 마찰부재로 구성되는 것을 특징으로 하는 차량 구동계.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 챔버 하우징은 상기 디퍼렌셜 기어의 디퍼렌셜 케이스에 결합되고, 상기 마찰부재는 상기 디퍼렌셜 케이스에 수용되어 상기 드라이브 샤프트로 회전되는 메인 피니언기어와 맞물린 링기어와 접촉되어 상기 댐핑 작용을 발생시키는 것을 특징으로 하는 차량 구동계.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 댐핑 작용은 상기 마찰부재와 상기 링기어의 접촉에 따른 마찰 드래그로 이루어지고, 상기 마찰 드래그는 상기 댐핑 유압의 증가로 커지는 것을 특징으로 하는 차량 구동계.
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