KR20210109627A - 로크 플레이트를 갖는 클러치 팩 - Google Patents

Abstract

케이스(5), 사이드 기어(100,200), 제1 측 및 치형성된 측을 갖는 제1 로크 플레이트(1000), 및 케이스에 대면하는 제1 측 및 제1 로크 플레이트(1000)의 치형성된 측에 대면하는 치형성된 제2 측을 갖는 제2 로크 플레이트(2000)를 포함하는 차동장치. 차동장치는 사이드 기어(100, 200)와 제1 로크 플레이트(1000) 사이의 캠 플레이트(300) 및 캠 플레이트(300)와 제1 로크 플레이트(1000) 사이의 클러치 팩(40)을 추가로 포함한다. 캠 플레이트(300)는 제1 로크 플레이트(1000)를 향해 연장되는 스플라인된 목부(330)를 포함할 수 있고, 클러치 팩(40)은 스플라인된 목부(330)에 내부적으로 스플라인된 적어도 하나의 활성 클러치 디스크(20)를 포함한다.

Description

로크 플레이트를 갖는 클러치 팩

본 출원은 2019년 1월 10일자로 출원된 인도 특허 출원 제201911001157호의 우선권의 이익을 주장하며, 이는 전체적으로 본 명세서에 참조로서 포함된다.

기술분야

본 출원은 클러치 팩에 관한 것이며, 더 구체적으로는, 예를 들어 기계적 차동 잠금장치(mechanical locking differential)에 사용하기 위한 로크 플레이트(lock plate)를 갖는 클러치 팩(clutch pack)에 관한 것이다.

기계적 차동 잠금장치는 미리결정된 견인 조건에 직면할 때(예컨대, 미리결정된 밸브를 초과하는 휠 속도의 차이) 차동장치를 자동으로 로킹한다. 기계적 차동 잠금장치는 전형적으로 링 기어로부터 휠들로 필요한 토크 용량을 제공하고 로킹 작용을 매끄럽게 하기 위해 다수의 클러치 디스크들을 갖는 활성 클러치 팩을 사용한다. 이러한 많은 수의 클러치 디스크들은 연장된 베어링 스팬을 생성할 수 있다.

소정 응용들에서, 더 작은 축방향 폭으로 베어링 스팬을 감소시키는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 클러치 디스크들의 수를 감소시키는 것은, 토크 용량을 감소시키고 이에 의해 매끄러운 로킹 작용을 방지할 수 있기 때문에 바람직하지 않을 수 있다.

본 명세서에 개시된 장치 및 관련 방법은 위에서 논의된 단점들 중 하나 이상을 극복하고 클러치 팩과 한 쌍의 로크 플레이트들의 조합에 의해 본 기술 분야를 개선할 수 있다.

본 명세서에 구현되고 광범위하게 기술된 바와 같은, 이점들을 달성하기 위해 그리고 본 개시내용의 목적에 따라, 본 개시내용의 일 양태는, 케이스, 사이드 기어, 제1 측 및 치형성된 측을 포함하는 제1 로크 플레이트, 및 케이스에 대면하는 제1 측 및 제1 로크 플레이트의 치형성된 측에 대면하는 치형성된 제2 측을 포함하는 제2 로크 플레이트를 포함하는 차동장치를 제공할 수 있다. 차동장치는 사이드 기어와 제1 로크 플레이트 사이의 캠 플레이트(cam plate) 및 캠 플레이트와 제1 로크 플레이트 사이의 클러치 팩을 추가로 포함할 수 있다. 캠 플레이트는 제1 로크 플레이트를 향해 연장되는 스플라인된 목부(splined neck)를 포함할 수 있고, 클러치 팩은 스플라인된 목부에 내부적으로 스플라인된 적어도 하나의 활성 클러치 디스크를 포함할 수 있다.

다른 예시적인 양태는 가이드 홈을 포함하는 케이스, 외부 스플라인들을 포함하는 사이드 기어, 사이드 기어의 외부 스플라인들과 맞물리도록 구성된 내부 스플라인들을 포함하는 제1 로크 플레이트, 및 제1 로크 플레이트와 정합하도록 구성된 제2 로크 플레이트를 포함하는 차동장치를 제공할 수 있다. 차동장치는 또한 제1 로크 플레이트에 대면하는 측 표면으로부터 연장되는 목부를 포함하는 캠 플레이트를 포함할 수 있다. 목부는 외부 스플라인들을 포함할 수 있다. 차동장치는 캠 플레이트와 제1 로크 플레이트 사이의 클러치 팩을 추가로 포함할 수 있으며, 여기서 클러치 팩은 케이스의 가이드 홈 내로 끼워지도록 구성된 이어부(ear)를 갖는 적어도 하나의 제1 클러치 디스크 및 목부의 외부 스플라인들에 내부적으로 스플라인된 제2 클러치 디스크를 포함할 수 있다.

또 다른 예시적인 양태에 따르면, 차동장치는 제1 단부 및 제1 단부에 대향하는 제2 단부를 포함하는 케이스, 외부 스플라인들을 포함하는 제1 사이드 기어, 및 외부 스플라인들을 포함하는 제2 사이드 기어를 포함할 수 있다. 차동장치는 또한 제1 측 및 치형성된 측을 포함하는 제1 로크 플레이트, 케이스의 제2 단부에 대면하는 제1 측 및 제1 로크 플레이트의 치형성된 측에 대면하는 치형성된 제2 측을 포함하는 제2 로크 플레이트, 및 사이드 기어와 제1 로크 플레이트 사이의 캠 플레이트를 포함할 수 있다. 캠 플레이트는 제1 로크 플레이트를 향해 연장되는 스플라인된 목부를 포함할 수 있다. 차동장치는 캠 플레이트와 제1 로크 플레이트 사이의 제1 클러치 팩, 및 제1 사이드 기어와 케이스의 제1 단부 사이의 제2 클러치 팩을 추가로 포함할 수 있다. 제1 클러치 팩은 스플라인된 목부에 내부적으로 스플라인된 적어도 하나의 활성 클러치 디스크를 포함할 수 있고, 제2 클러치 팩은 제1 사이드 기어의 외부 스플라인들에 내부적으로 스플라인된 적어도 하나의 활성 클러치 디스크를 포함할 수 있다.

추가의 목적들 및 이점들이 부분적으로 하기의 설명에서 제시될 것이며, 이는 부분적으로는 이러한 설명으로부터 명백해질 것이거나, 또는 본 개시내용의 실시에 의해 학습될 수 있다. 목적들 및 이점들은 또한 첨부된 청구범위에서 특히 지적된 요소들 및 조합들에 의해 실현되고 달성될 것이다.

전술한 일반적인 설명 및 하기의 상세한 설명 둘 모두는 단지 예시적이고 설명적이며, 청구된 발명을 제한하는 것이 아님을 이해하여야 한다.

본 명세서에 포함되고 그의 일부를 구성하는 첨부 도면은 본 발명의 예시적인 실시예를 예시하며, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리들을 설명하는 역할을 한다.
도 1은 기계적 차동장치의 사시도이다.
도 2은 도 1의 기계적 차동장치의 단면도이다.
도 3은 도 2의 기계적 차동장치의 로크업 메커니즘(lockup mechanism)의 사시도이다.
도 4a는 캠 플레이트의 제1 측의 평면도이다.
도 4b는 도 4a의 캠 플레이트의 측면도이다.
도 4c는 도 4a의 캠 플레이트의, 제1 측에 대향하는, 제2 측의 평면도이다.
도 5는 마찰 표면들을 갖는 비활성 디스크의 평면도이다.
도 6은 내부 스플라인된 활성 디스크의 평면도이다.
도 7a는 제1 로크 플레이트의 제1 측의 평면도이다.
도 7b는 도 7a의 제1 로크 플레이트의, 제1 측에 대향하는, 제2 측의 평면도이다.
도 8a는 제2 로크 플레이트의 제1 측의 평면도이다.
도 8b는 도 8a의 제2 로크 플레이트의, 제1 측에 대향하는, 제2 측의 평면도이다.
도 9a는 예시적인 반응 블록(reaction block)을 도시하는, 기계적 차동장치의 단면도이다.
도 9b는 평면 9C를 따른 도 9a의 평면도이다.
도 9c는 도 9a의 반응 블록의 사시도이다.

이제, 첨부 도면들에 도시된 예시적인 실시예들이 상세히 참조될 것이다. 가능한 경우, 동일한 도면 부호가 도면 전체에 걸쳐 동일하거나 유사한 부품을 지칭하기 위해 사용될 것이다. "좌측" 및 "우측"과 같은 방향 참조들은 도면들에 대한 참조의 용이함을 위한 것이다.

본 발명의 예시적인 실시예가 특정 기계적 차동 잠금장치와 관련하여 설명될 것이지만, 본 발명은 클러치 팩을 이용하는 임의의 다른 유형의 차동 잠금장치들 또는 임의의 다른 적합한 기계적 디바이스들에 적용되거나 그와 관련하여 사용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.

도 1 및 도 2는 자동차 상의 2개의 휠들이 상이한 속도들로 동작하고 자유 차동 작용(즉, 언로킹된 모드)을 유지할 수 있도록 구성된 기계적 차동 잠금장치(1)의 예를 도시한다. 그러나, 하나의 휠이 미끄러지기 시작하면, 구동 액슬은 자동으로 그리고 완전히 측부에서 측부로(side to side) 로킹되어, 휠들이 동일한 속도로 회전하게 하고, 이에 의해 휠들(즉, 로킹된 모드) 둘 모두에 최대 동력을 제공할 수 있다. 그러한 기계적 차동 잠금장치는, 로킹된 모드와 언로킹된 모드 사이에서 이동하기 위해, 전기 또는 유압 디바이스와는 대조적으로, 기계적 디바이스를 사용한다. 다양한 예시적인 실시예들에서, 본 개시내용에 따른 기계적 디바이스는 이턴 코포레이션(Eaton Corporation)에 양도되고 본 명세서에 전체적으로 참고로 포함된 미국 특허 제6,319,166호, 제7,438,661호, 제8,167,763호, 및 제9,400,044호에 기술된 하나 이상의 컴포넌트들을 포함할 수 있다.

차동장치(1)는 차동장치(1)의 다양한 컴포넌트들을 수용하도록 구성된 케이스(5)를 포함할 수 있다. 차량 구동라인으로부터의 토크는 입력 기어(예컨대, 링 기어)(도시되지 않음)를 통해 차동장치(1)로 전달될 수 있다. 입력 기어는 적합한 부착 메커니즘들(예컨대, 볼트들)에 의해 케이스(5)와 일체로 형성되거나 그에 부착될 수 있다. 입력 기어는 차량 구동라인으로부터의 입력 구동 토크를 수용하는 입력 피니언 기어(도시되지 않음)와 치형 맞물림 상태에 있을 수 있다.

차동장치(1)는 케이스(5) 내부에 배치된 차동 기어 세트를 추가로 포함할 수 있다. 특히, 차동장치(1)는 2개의 사이드 기어들(100, 200)(즉, 이하에서 개별적으로 우측 사이드 기어(100) 및 좌측 사이드 기어(200)로 지칭됨), 피니언 샤프트(60), 및 피니언 샤프트(60) 상에 회전가능하게 장착된 하나 이상의 피니언 기어들(62, 68)을 포함할 수 있다. 피니언 샤프트(60)는 케이스(5)에 부착되고 입력 피니언 기어에 연결될 수 있다. 피니언 샤프트(60)는 원통형 로드(cylindrical rod)일 수 있거나, 도 9a 내지 도 9c에 도시된 바와 같이, 피니언 샤프트(160) 상에 장착된 피니언 기어들(162)의 수에 대응하는 수의 아암들(175)을 갖는 크로스-샤프트(160)일 수 있다. 당업계에 공지된 임의의 다른 적합한 피니언 샤프트 구성이 추가적으로 또는 대안적으로 사용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.

사이드 기어들(100, 200)은 자동차의 한 쌍의 액슬 샤프트들(도시되지 않음)과 스플라인된 맞물림 상태에 있을 수 있다. 예를 들어, 사이드 기어들(100, 200) 각각은 내부 스플라인(120, 220)을 가질 수 있고, 각자의 액슬 샤프트는 대응하는 외부 스플라인(도시되지 않음)을 포함할 수 있어서, 사이드 기어들(100, 200)의 토크가 각자의 액슬 샤프트들에 전달될 수 있다.

피니언 기어들(62, 68)은 사이드 기어들(100, 200)과 치합될(meshed) 수 있어서, 엔진으로부터 피니언 샤프트(60)로 전달되는 동력이 좌측 및 우측 액슬 샤프트들로 흐를 수 있게 한다. 예를 들어, 피니언 샤프트(60)가 회전함에 따라, 피니언 기어들(62, 68)은 차동화된(differentiated) 또는 비-차동화된(undifferentiated) 토크를 치합된 사이드 기어들(100, 200)로 전달할 수 있다. 이어서, 토크는 그들 사이의 스플라인된 맞물림을 통해 각자의 액슬 샤프트들로 그리고 액슬 샤프트들과 연관된 휠들로 전달될 수 있다. 이러한 토크 경로뿐만 아니라 후륜 구동(rear wheel drive, RWD) 및 전륜 구동(all-wheel drive, AWD 또는 4WD) 토크 경로들이 알려져 있기 때문에, 차량 구동라인은 도시되지 않는다. FWD, RWD, 및 AWD 시스템들에 대한 특정 언급에도 불구하고, 본 개시내용의 차동장치(1)는 2개의 액슬 샤프트들에 대한 차동 회전을 필요로 하는 임의의 적합한 환경에서 사용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.

자동차의 정상, 직진 동작 동안에, 좌측 및 우측 액슬 샤프트들 사이에 발생할 수 있는 제한된 차동 작용이 있을 수 있고(예컨대, 실질적으로 차동 작용이 없음), 피니언 기어들(62, 68)은 피니언 샤프트들(60)에 대해 회전하지 않을 수 있다. 따라서, 케이스(5), 피니언 기어들(62, 68), 사이드 기어들(100, 200), 및 액슬 샤프트들은 모두 단일 솔리드 유닛으로서 액슬 샤프트들의 동일한 회전축을 중심으로 회전한다. 차량이 회전하고 있을 때와 같은 소정 동작 조건들 하에서, 소정 양의 차동 작용이 사이드 기어들(100, 200) 사이에서, 미리결정된 레벨의 속도 차이(예컨대, 우측 사이드 기어(100)와 좌측 사이드 기어(200) 사이의 약 100 RPM의 차이)까지 발생할 수 있다. 그 미리결정된 레벨 초과에서, 액슬 샤프트들 사이의 과도한 차동 작용을 방지하기 위해 사이드 기어들(100, 200) 사이의 상대 회전을 지연시키는 것이 바람직할 수 있다.

액슬 샤프트들 사이의 차동 작용을 지연시키기 위해, 차동장치(1)는 차동 기어 세트를 로킹업하기 위한 로크업 메커니즘 및 로크업 메커니즘을 작동시키기 위한 액추에이터를 포함할 수 있다. 로크업 메커니즘은 클러치 팩(40)과, 캠 플레이트(300)와 이동가능하게 연관된 한 쌍의 로크 플레이트들(1000, 2000)의 조합을 포함할 수 있다. 도 4a 내지 도 4c에 도시된 바와 같이, 캠 플레이트(300)는 그의 방사상 외측 표면으로부터 연장되는 외부 치형부들(310)의 세트를 한정할 수 있다. 캠 플레이트(34)는 또한 좌측 사이드 기어(200)에 대면하는 캠 표면 상에 복수의 램프(ramp)들(360) 및 복수의 멈춤쇠(detent)들(370)(예컨대, 돌출부들)을 한정할 수 있다. 좌측 사이드 기어(200)는 또한 복수의 대응하는 램프들(260) 및 캠 표면 내로 기계가공된 복수의 대응하는 멈춤쇠-수용 구멍들(도시되지 않음)을 갖는 캠 표면(즉, 좌측 사이드 기어(200)의 배면)을 한정할 수 있다. 좌측 사이드 기어(200) 상의 램프들(260)은 캠 플레이트(300) 상의 대응하는 램프들(360) 사이에서 정합할 수 있다. 좌측 사이드 기어(200)의 캠 표면 상의 구멍들은 캠 플레이트(300)의 외부 치형부들(310)에 미리결정된 토크가 가해질 때까지 캠 플레이트(300)가 램핑되는 것을 방지할 수 있다.

일부 예시적인 실시예들에서, 캠 플레이트(300)의 멈춤쇠들(370) 및 좌측 사이드 기어(200)의 대응하는 구멍들은 상호교환될 수 있다. 예를 들어, 멈춤쇠들(370)이 좌측 사이드 기어(200)의 캠 표면 상에 형성될 수 있고, 대응하는 구멍들이 캠 플레이트(300)의 캠 표면 상에 형성될 수 있다.

캠 플레이트(300)는 또한 캠 표면에 대향하는 측 표면으로부터 연장되는 목부(330)를 포함할 수 있다. 목부(330)는, 도 4b 및 도 4c에 가장 잘 도시된 바와 같이, (예컨대, 목부(330)의 외측 표면으로부터 방사상 외향으로 연장되는 치형부들을 포함하는) 외부 스플라인들을 포함할 수 있다. 캠 플레이트(300)의 램프들(360) 및 좌측 사이드 기어(200)의 램프들(260) 중 하나 또는 둘 모두는 계단형 전이부들 또는 매끄러운 전이부들을 포함할 수 있다. 또한, 4개의 램프들(360, 260)이 도 4a 및 도 4b에 도시되어 있지만, 더 많거나 더 적은 램프들이 사용될 수 있다. 유사하게, 캠 플레이트(300)의 멈춤쇠들(370) 및/또는 사이드 기어(200)의 대응하는 구멍들은 도면들에 도시된 4개보다 많거나 적을 수 있다. 캠 플레이트(300) 및 사이드 기어(200)의 구성들 및 이들의 관계는 예를 들어 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된 미국 특허 제3,606,803호, 제3,831,462호, 제5,484,347호, 제6,319,166호, RE 28,004호, 제8,167,763호 및 제9,400,044호에 기술된 예들로부터 또한 이해될 수 있다.

차동장치(1)를 로킹하기 위한 로크업 메커니즘을 작동시키기 위해, 미국 특허 제8,167,763호 및 제9,400,044호에 기술된 것들과 같은, 당업계에 공지된 임의의 적합한 액추에이터가 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 액추에이터(500)는 맞물림 메커니즘(520)과 로크아웃 메커니즘(lockout mechanism)(540)의 조합을 포함할 수 있다. 맞물림 메커니즘(520)은 캠 플레이트(300)의 외부 치형부들(310)과 치합되고 그와 함께 회전하는 제1 샤프트 상에 스프링-로딩된 한 쌍의 플라이웨이트(flyweight)들(525)을 포함할 수 있다. 제1 샤프트가 차동 작용으로 인해 회전하고 회전 속도가 미리결정된 값을 초과할 때(예를 들어, 약 100 RPM의 차이), 플라이웨이트들(525)의 원심력은 스프링력을 극복하고, 이들로 하여금 스윙아웃하여(swing out) 제2 샤프트 상의 로크아웃 메커니즘(540)의 폴(pawl)(545)과 맞물리게 한다. 하나의 플라이웨이트(525)는 하나의 회전 방향으로 폴(545)과 맞물리도록 구성될 수 있는 반면, 다른 플라이웨이트(525)는 반대 방향으로 폴(545)과 맞물리도록 구성될 수 있다. 플라이웨이트들(525)과 폴(545) 사이의 로킹은 캠 플레이트(300)가 멈춤쇠 위치를 벗어나 그리고 램핑 위치로 회전하게 하는 캠 플레이트(300)의 외부 치형부들(310) 상에 가해지는 힘을 생성하여, 로킹 모드를 개시할 수 있다. 차동장치(1)가 미리결정된 속도(예컨대, 20 mph) 초과에서 로킹되지 않을 수 있기 때문에, 로크아웃 메커니즘(540)은 차량이 미리결정된 속도 초과로 이동할 때 폴(545)이 맞물림 메커니즘(520)으로부터 멀어지게 회전하게 하도록 구성될 수 있다. 본 개시내용의 액추에이터(500)는 전술된 참고 문헌에 기술된 것들과 실질적으로 유사할 수 있기 때문에, 그의 임의의 추가의 상세 사항은 본 명세서에서 생략된다.

이제 도 5, 도 6, 도 7a와 도 7b, 및 도 8a와 도 8b를 참조하면, 예를 들어, 기계적 차동 잠금장치에 사용하기 위한 클러치 팩(40)과 한 쌍의 로크 플레이트들(1000, 2000)의 조합을 채용하는 로크업 메커니즘이 본 명세서에 기술된다. 도 2에 가장 잘 도시된 바와 같이, 차동장치(1)의 로크업 메커니즘은 좌측 사이드 기어(2000)와 연관된 한 쌍의 제1 로크 플레이트(1000) 및 제2 로크 플레이트(2000), 및 제1 로크 플레이트(1000)와 캠 플레이트(300) 사이에 배치된 클러치 팩(40)을 포함할 수 있다. 로크업 메커니즘은 또한 우측 사이드 기어(100)와 연관된 다른 클러치 팩(50)을 포함할 수 있다.

기계적 차동 잠금장치 내의 클러치 팩들은 2개의 주요 기능들을 갖는다: (1) 차동장치가 로킹될 때 입력 기어(예컨대, 링 기어)로부터의 전체 토크를 자동차의 휠들로 전달하는 것; 및 (2) 클러치 자체의 미끄러짐에 의해 로킹 작용을 매끄럽게 하는 것. 하기의 설명으로부터 명백해지는 바와 같이, 로크 플레이트들(1000, 2000)이 본 개시내용에 따른 클러치 팩들(40, 50)과 함께 사용될 때, 토크 용량을 유지하는 데 필요한 클러치 디스크들의 전체 수는 감소될 수 있으며, 이는 이어서 베어링 스팬을 감소시킬 수 있다. 따라서, 종래의 클러치 팩들은 베어링 스팬을 감소시키기 위해 축소된-크기의 클러치 팩들(40, 50)과 로킹 플레이트들(1000, 2000)의 조합으로 대체될 수 있다.

도 7a 및 도 7b를 참조하면, 제1 로크 플레이트(1000)는 좌측 사이드 기어(200)의 외부 스플라인들과 맞물리도록 구성된 내부 스플라인들(1050)(예컨대, 내측 방사상 표면 상의 치형부들을 포함함)을 포함할 수 있다. 제1 로크 플레이트(1000)는 또한 제2 로크 플레이트(2000)에 대면하는 측 표면의 주연부로부터 축방향으로 연장되는 복수의 면 치형부들(face teeth)(1020)을 포함할 수 있다.

도 8a 및 도 8b를 참조하면, 제2 로크 플레이트(2000)는 제1 로크 플레이트(1000)에 대면하는 측 표면으로부터 축방향으로 연장되는 복수의 면 치형부들(2010)을 갖는 링을 포함할 수 있다. 제2 로크 플레이트(2000)의 면 치형부들(2010)은 제1 로크 플레이트(1000)의 면 치형부들(1020)과 정합하도록 크기설정되고 구성될 수 있다. 제2 로크 플레이트(2000)는 또한 그의 외측 방사상 표면으로부터 방사상 외향으로 연장되는 복수의 이어부들(2080)을 포함할 수 있다. 이어부들(2080)은 비활성 클러치 디스크들(10, 30)의 이어부들(12)(도 5 참조)과 함께 케이스(5) 내에 형성된 가이드 홈들(3) 내로 끼워질 수 있어서, 제2 로크 플레이트(2000)는 비활성 클러치 디스크들(10, 30) 및 케이스(5)에 대해 회전하는 것으로부터 로킹될 수 있다. 제1 로크 플레이트(1000)와 제2 로크 플레이트(2000) 사이의 공간은 캠 플레이트(300)의 램프들(360)이 언로킹된 모드(예컨대, 개방 모드)에서 좌측 사이드 기어(200)의 램프들(260) 사이의 골(valley)들에 놓일 수 있도록 크기설정될 수 있다. 간격은 캠 플레이트(300)가 로킹될 때 캠프 플레이트(300)의 램프들(360)이 좌측 사이드 기어(200)의 램프(260)들을 통과하지 않도록 선택될 수 있다. 이러한 설계는 차동장치(1)가 완전 로킹된 모드 또는 언로킹된 모드 중 어느 하나로 동작할 수 있도록 포지티브 로킹을 가능하게 할 수 있다.

로크 플레이트들(1000, 2000)은 포지티브 로킹 요소로서의 역할을 하며, 그의 토크 전달 용량은 더 낮은 축방향 폭으로 인해 높다. 그러나, 로크 플레이트들(1000, 2000)이 단독으로 사용되는 경우, 차동장치(1)는 충격 하중을 겪을 수 있고, 자동차는 로킹 저크(locking jerk)를 겪을 수 있다. 그러한 로킹 저크를 방지하고 매끄러운 로킹 작용을 가능하게 하기 위해, 로크업 메커니즘은 클러치 팩들(40, 50) 및 디스크 스프링(400)을 포함하는 동기화 메커니즘을 채용할 수 있다. 활성 클러치 디스크는 클러치 팩 상에 작용하는 축방향 힘을 지수적으로 증가시키기 때문에, 활성 클러치 디스크(80, 20)는 우측 사이드 기어(100) 및 좌측 사이드 기어(200)를 위한 클러치 팩(50) 및 클러치 팩(40)에 각각 사용될 수 있고, 클러치 팩들(40, 50) 각각은 비활성 클러치 디스크들로서 한 쌍의 외부적으로 이어부-스플라인된 클러치 디스크들(10, 30 및 70, 90)을 각각 사용한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 각각의 비활성 클러치 디스크(10, 30, 70, 90)는 그의 외측 방사상 표면으로부터 방사상 외향으로 연장되는 복수의 이어부들(12)을 포함할 수 있다. 이어부들(12)은 선택적인 가이드 클립들(도시되지 않음)로 케이스(5) 내에 형성된 가이드 홈들(7) 내로 끼워질 수 있어서, 비활성 클러치 디스크들(10, 30, 70, 90)이 케이스(5)와 함께 회전할 수 있다. 일부 예시적인 실시예들에서, 로크 플레이트(2000)의 이어부들(2080)을 수용하기 위한 가이드 홈들(3) 및 비활성 클러치 디스크들(10, 30)의 이어부들(12)을 수용하기 위한 가이드 홈들(7)은 치수의 차이를 수용하기 위한 계단 전이부들과 함께 또는 없이 인접할 수 있다. 대안적으로, 가이드 홈들(3) 및 가이드 홈들(7)은 별개로 제공될 수 있다.

활성 클러치 디스크(20)는 캠 플레이트(300)의 목부(330) 상의 외부 스플라인들과 맞물리도록 구성된 스플라인들(25)(예를 들어, 내부 방사상 표면 상의 치형부들을 포함함)을 포함할 수 있어서, 활성 클러치 디스크(20)는 캠 플레이트(300)와 함께 회전할 수 있다. 유사하게, 활성 클러치 디스크(80)는 우측 사이드 기어(100)의 외부 스플라인들에 내부적으로 스플라인될 수 있어서, 활성 클러치 디스크(80)는 우측 사이드 기어(100)와 함께 회전할 수 있다. 따라서, 차동장치(1)의 우측에서, 비활성 클러치 디스크(90)는 제1 측 상에서 케이스(5)와 맞물리고, 제2 측 상에서 활성 클러치 디스크(80)와 맞물린다. 비활성 클러치 디스크(70)는 제1 측 상에서 우측 사이드 기어(100)와 맞물리고 제2 측 상에서 활성 클러치 디스크(80)와 맞물린다. 차동장치(1)의 좌측에서, 비활성 클러치 디스크(30)는 제1 측 상에서 캠 플레이트(300)와 맞물리고, 제2 측 상에서 활성 클러치 디스크(20)와 맞물린다. 비활성 클러치 디스크(10)는 제1 측 상에서 활성 클러치 디스크(20)와 맞물리고, 제2 측 상에서 제1 로크 플레이트(1000)의 비-치형성된 측과 맞물린다. 차동장치(1)의 로킹 동안, 활성 클러치 디스크(20)는 캠 플레이트(300)의 목부(330)의 외부 스플라인들을 따라 이동하여 비활성 클러치 디스크들(10, 30)과 접촉하고, 활성 클러치 디스크(80)는 우측 사이드 기어(100)의 외부 스플라인들을 따라 이동하여 비활성 클러치 디스크들(70, 90)과 접촉할 수 있다. 적어도 비활성 디스크들(30, 70)은 이어부들(12)이 케이스(5)의 가이드 홈들(3) 내에서 활주할 수 있도록 이동할 수 있다. 이어서, 사이드 기어들(100, 200) 둘 모두는 클러치 팩들(50, 40)에 의해 각각 맞물린다.

예시적인 일 양태에 따르면, 도 9a 내지 도 9c에 도시된 바와 같이, 차동장치(2)는 우측 사이드 기어(100)와 좌측 사이드 기어(200) 사이에서 힘을 전달하도록 구성된 반응 블록(600)을 포함할 수 있다. 반응 블록(600)은 또한 클러치 팩들(40, 50)을 맞물림 및 맞물림해제하도록 도 2의 차동장치(1)에 포함될 수 있다. 개시된 예시적인 실시예에서, 차동장치(2)는 허브(170)로부터 방사상으로 연장된 3개의 균일하게-이격된 아암들(175)을 갖는 크로스-샤프트(160)를 사용할 수 있다. 허브(170)는 도 9b에 가장 잘 도시된 바와 같이, 반응 블록(600)을 수용하도록 구성된 중심 구멍(165)을 한정하는 환형 링일 수 있다.

반응 블록(600)은 동일한 스러스트 디스크(thrust disc)(610)의 2-피스 구성일 수 있다. 예를 들어, 도 9c에 도시된 바와 같이, 스러스트 디스크(610)는, 그의 중심 부분이 외향으로 돌출되어 더 좁은 목부 부분(620)을 형성하는, 곡선형 디스크의 형상을 가질 수 있다. 목부 부분(620)은 크로스-샤프트(160)의 중심 구멍(165) 내부에 안착되도록 크기설정 및 구성될 수 있고, 그의 중심에 관통-구멍(650)을 한정할 수 있다. 도 9a에 가장 잘 도시된 바와 같이, 2개의 스러스트 디스크들(610)이 우측 사이드 기어(100)와 좌측 사이드 기어(200) 사이에 배열될 수 있으며, 이때 그들의 목부 부분들(620)은 크로스-샤프트(160)의 중심 구멍(165) 내부에 안착되고 서로에 맞닿고, 그들의 더 넓은 플랜지 부분들(690)은 각자의 사이드 기어들(100, 2000)에 맞닿아 있다.

미국 특허 제8,167,763호에 기술된 반응 블록과 같은 당업계에 알려진 임의의 다른 적합한 반응 블록이 대안적으로 차동장치(1) 또는 차동장치(2)의 우측 사이드 기어(100)와 좌측 사이드 기어(200) 사이에서 힘을 통과시키는 데 사용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 예를 들어, 반응 블록은 우측 사이드 기어(100)와 좌측 사이드 기어(200) 사이에 축방향 링크를 제공하도록 구성될 수 있다. 차동장치(1)에서, 좌측 사이드 기어(200)로부터의 힘은 반응 블록을 통해 우측 사이드 기어(100)로 전달될 수 있으며, 이는 힘을 클러치 팩(50)으로 전달한다. 유사하게, 우측 사이드 기어(100)로부터의 힘은 반응 블록을 통해 좌측 사이드 기어(200)로 전달될 수 있으며, 이는 힘을 클러치 팩(40)으로 전달한다. 따라서, 반응 블록은 제한된 미끄러짐 작용을 가능하게 할 수 있다.

일부 예시적인 실시예들에서, 반응 블록은 차동장치(2)로부터 생략될 수 있다. 예를 들어, 차동장치(2)의 치수는 우측 사이드 기어(100) 상의 클러치 팩(50)으로부터 좌측 사이드 기어(200) 상의 클러치 팩(40)으로 비활성 클러치 디스크들을 배치하는 것을 허용할 수 있다. 이는 클러치 팩(40)과 클러치 팩(50)의 조합을 야기한다. 활성 클러치 디스크들(20, 80)의 총 수를 동일하게 유지하면서, 비활성 디스크들(30, 70) 중 하나는 생략될 수 있다. 이들 경우에, 조합된 클러치 팩(40 + 50)은 차동장치(2)의 하나의 측 상에 있고, 우측 클러치 팩은 사용되지 않으며, 반응 블록은 생략될 수 있다. 이는 더 작고 가벼운 차동장치를 제공한다.

로크 플레이트(2000)의 비-치형성된 측이 비활성 클러치 디스크(10)와 맞물리기 때문에, 추가의 마찰 표면이 캠 플레이트(300)와 로크 플레이트들(1000, 2000) 사이에 제공될 수 있다. 마찬가지로, 추가의 마찰 표면이 캠 플레이트(300)와 비활성 클러치 디스크(30) 사이에 제공될 수 있다. 하나의 예시적인 실시예에서, 마찰 표면들은 로크 플레이트(1000)의 비-치형성된 측 및 비활성 클러치 디스크(30)에 대면하는 측 상의 캠 플레이트(300) 중 하나 또는 둘 모두 상에 제공될 수 있다. 마찰 표면은 예를 들어 금속 표면 상의 널링된 패턴(knurled pattern)을 포함할 수 있다. 대안적인 실시예에서, 마찰 표면은 표면을 처리함으로써 또는 마찰 재료를 적용함으로써 제공될 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 비활성 클러치 디스크들(10, 30, 70, 90)에는 금속 표면에 적용되는 탄소 마찰 재료가 제공될 수 있다. 활성 클러치 디스크들(20, 80)은 또한 응용에 따라 비처리되거나, 마찰 표면을 구비할 수 있다. 마찰을 통한 전체 토크의 전달 및 차동 로킹은 작은 풋프린트에서 원활한 방식으로 향상될 수 있다.

동기화 메커니즘은 로크 플레이트들(1000, 2000)과 케이스(5)의 내부 벽 사이에 배치된, 예를 들어, 벨빌 와셔(Belleville washer)와 같은 디스크 스프링(400)을 추가로 포함할 수 있다. 로크 플레이트들(1000, 2000)의 맞물림은 이들이 축방향으로 이동할 것을 요구하므로, 캠 플레이트(300)의 램핑에 대해 반력이 발생될 필요가 있다. 디스크 스프링(400)은 편향되고, 캠 플레이트(300)의 램핑에 대항하여 로크 플레이트들(1000, 2000)을 향해 작은 또는 제한된 편향으로 스프링 반력을 생성할 수 있다.

로크 플레이트들(1000, 2000)을 갖는 클러치 팩들(40, 50)의 다양한 동작 특성들이 상기 설명으로부터 명백하지만, 소정의 예시적인 동작 특성들이 본 명세서에서 간략하게 기술될 것이다. 자동차의 정상, 직진 동작 동안(예컨대, 차동 작용이 거의 또는 전혀 발생하지 않음), 좌측 사이드 기어(200)의 캠 표면 및 캠 플레이트(300)의 캠 표면은 중립 위치(즉, 램핑 없음)로 유지되며, 이때 캠 플레이트(300)는 동일한 회전 속도로 사이드 기어(200)와 함께 회전한다.

소정 동작 조건(예컨대, 약 100 RPM 초과를 초과하는 사이드 기어(100)와 사이드 기어(200) 사이의 회전 속도의 차이) 하에서, 액추에이터(500)는 캠 플레이트(300)의 외부 치형부들(310)에 토크를 인가할 수 있다. 미리결정된 레벨을 초과하는 외부 치형부들(310)에 대한 토크의 인가는 좌측 사이드 기어(200)에 대한 캠 플레이트(300)의 회전을 지연시키고, 캠 플레이트(300)의 캠 표면 및 좌측 사이드 기어(200)의 캠 표면의 램핑을 야기한다.

캠 플레이트(300)의 램핑은 캠 플레이트(300)가 좌측 사이드 기어(200)로부터 멀어지게 그리고 클러치 팩(40) 및 로크 플레이트들(1000, 2000)을 향해 축방향으로 이동하게 한다. 동시에, 캠 플레이트(300)의 램핑에 응답하여, 디스크 스프링(400)은 편향되고, 캠 플레이트(300)에 의해 가해지는 힘에 대항하여 매우 높은 축방향 반력을 생성한다. 축방향 반력으로 인해, 캠 플레이트(300)의 축방향 이동은 클러치 팩(40)에 압력을 가할 수 있다. 클러치 팩(40)에 가해진 압력은 활성 디스크(20)와 비활성 디스크들(10, 30) 사이의 맞물림(예를 들어, "로딩된" 조건)을 야기한다. 활성 디스크(20)가 캠 플레이트(300)의 목부(330) 상의 외측 스플라인들과 스플라인 맞물림되기 때문에, 로딩된 조건의 클러치 팩(40)은 좌측 사이드 기어(200)와 케이스(5) 사이의 속도 차이가 감소되게 한다.

디스크 스프링(400)이 소정 양만큼 편향됨에 따라, 디스크 스프링(400)은 제1 로크 플레이트(1000)와 제2 로크 플레이트(2000) 사이의 속도 차이를, 그들이 서로 맞물릴 수 있는 레벨로 감소시키기에 충분한 축방향 힘을 생성하여, 차동장치(1)의 완전한 로킹을 생성할 수 있다. 예를 들어, 축방향 힘은 제1 로크 플레이트(1000) 및 제2 로크 플레이트(2000)가 서로를 향해 축방향으로 이동하게 하여, 제1 로크 플레이트(1000)의 면 치형부들(1020)이 제2 로크 플레이트(2000)의 면 치형부들(2010)과 정합하고 로킹되게 한다. 제1 로크 플레이트(1000)가 사이드 기어(200)의 외측 스플라인들과 스플라인 맞물림 상태에 있고, 제2 로크 플레이트(2000)는 케이스(5)의 가이드 홈들(3) 내에 끼워진 이어부들(2080)을 통해 케이스(5)와 로킹되기 때문에, 제1 로크 플레이트(1000)와 제2 로크 플레이트(2000) 사이의 로킹은 케이스(5)와 사이드 기어(2000) 사이의 상대 회전을 효과적으로 방지하여, 사이드 기어들(100, 200) 사이의 차동 작용을 지연시킨다.

언로킹을 위해, 좌측 사이드 기어(200)가 좌측 사이드 기어(200)에 대해 클러치 팩(40) 및 로크 플레이트(1000)가 가지는 래시(lash) 때문에 토크 역전을 겪을 때, 사이드 기어(200)는 로킹 방향과는 반대 방향으로 회전한다. 동시에, 캠 플레이트(300)는 좌측 사이드 기어(200)와 함께 회전한다. 이는 디스크 스프링(400)에 의해 제공된 축방향 힘을 감소시킬 것이고, 로크 플레이트들(1000, 2000)이 서로 맞물림해제되게 한다.

다른 구현예들이 본 명세서에 개시된 예들의 명세서 및 실시를 고려하여 당업자에게 명백할 것이다.

Claims (20)

1. 차동장치(differential)로서,
   케이스;
   사이드 기어;
   제1 측 및 치형성된(toothed) 측을 포함하는 제1 로크 플레이트(lock plate);
   상기 케이스에 대면하는 제1 측 및 상기 제1 로크 플레이트의 상기 치형성된 측에 대면하는 치형성된 제2 측을 포함하는 제2 로크 플레이트;
   상기 사이드 기어와 상기 제1 로크 플레이트 사이의 캠 플레이트(cam plate) - 상기 캠 플레이트는 상기 제1 로크 플레이트를 향해 연장되는 스플라인된 목부(splined neck)를 포함함 -; 및
   상기 캠 플레이트와 상기 제1 로크 플레이트 사이의 클러치 팩(clutch pack)을 포함하며, 상기 클러치 팩은 상기 스플라인된 목부에 내부적으로 스플라인된 적어도 하나의 활성 클러치 디스크를 포함하는, 차동장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 사이드 기어는 외부 스플라인들을 포함하고, 상기 제1 로크 플레이트는 상기 사이드 기어의 상기 외부 스플라인들에 내부적으로 스플라인되는, 차동장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 케이스는 가이드 홈들을 추가로 포함하고, 상기 제2 로크 플레이트는 방사상으로 이격된 외부 이어부(ear)들을 포함하고, 상기 이어부들은 상기 케이스 내에 형성된 상기 가이드 홈들 내에 안착되도록 구성되는, 차동장치.
4. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 케이스는 가이드 홈들을 추가로 포함하고, 상기 클러치 팩은 방사상으로 이격된 외부 이어부들을 포함하는 적어도 하나의 이어형 클러치 디스크(eared clutch disc)를 추가로 포함하고, 상기 적어도 하나의 이어형 클러치 디스크의 상기 이어부들은 상기 케이스 내에 형성된 상기 가이드 홈들 내에 안착되도록 구성되는, 차동장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 적어도 하나의 이어형 클러치 디스크는 2개의 이어형 클러치 디스크들을 포함하고, 상기 적어도 하나의 활성 클러치 디스크는 상기 2개의 이어형 클러치 디스크들 사이에 배치되는, 차동장치.
6. 제4항에 있어서, 상기 적어도 하나의 이어형 클러치 디스크는 상기 제1 로크 플레이트의 상기 제1 측을 파지하기 위한 마찰 재료를 포함하는, 차동장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 캠 플레이트는 외부 스플라인들을 포함하고, 상기 캠 플레이트는 상기 외부 스플라인들을 통해 액추에이터에 결합되도록 구성되는, 차동장치.
8. 제1항에 있어서, 상기 제1 로크 플레이트와 상기 케이스의 내부 벽 사이에 배치된 디스크 스프링을 추가로 포함하는, 차동장치.
9. 차동장치로서,
   가이드 홈을 포함하는 케이스;
   외부 스플라인들을 포함하는 사이드 기어;
   상기 사이드 기어의 상기 외부 스플라인들과 맞물리도록 구성된 내부 스플라인들을 포함하는 제1 로크 플레이트;
   상기 제1 로크 플레이트와 정합하도록 구성된 제2 로크 플레이트;
   상기 제1 로크 플레이트에 대면하는 측 표면으로부터 연장되는 목부를 포함하는 캠 플레이트 - 상기 목부는 외부 스플라인들을 포함함 -; 및
   상기 캠 플레이트와 상기 제1 로크 플레이트 사이의 클러치 팩을 포함하며, 상기 클러치 팩은 상기 케이스의 상기 가이드 홈 내로 끼워지도록 구성된 이어부를 갖는 적어도 하나의 제1 클러치 디스크 및 상기 목부의 상기 외부 스플라인들에 내부적으로 스플라인된 제2 클러치 디스크를 포함하는, 차동장치.
10. 제9항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제1 클러치 디스크는 한 쌍의 제1 클러치 디스크들을 포함하고, 상기 제2 클러치 디스크는 상기 한 쌍의 제1 클러치 디스크들 사이에 배치되는, 차동장치.
11. 제9항에 있어서, 상기 제1 로크 플레이트는 상기 제2 로크 플레이트에 대면하는 측 표면 상에 복수의 면 치형부들(face teeth)을 포함하고, 상기 제2 로크 플레이트는 상기 제1 로크 플레이트에 대면하는 측 표면 상에 복수의 면 치형부들을 포함하고, 상기 제1 로크 플레이트의 상기 면 치형부들은 상기 제1 로크 플레이트의 상기 면 치형부들과 정합하도록 구성되는, 차동장치.
12. 제9항에 있어서, 상기 제2 로크 플레이트는 복수의 방사상으로 이격된 외부 이어부들을 포함하고, 상기 이어부들은 상기 케이스 내에 형성된 가이드 홈들 내에 안착되도록 구성되는, 차동장치.
13. 제9항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제1 클러치 디스크는 상기 제1 로크 플레이트를 파지하기 위한 마찰 재료를 포함하는, 차동장치.
14. 제9항에 있어서, 상기 캠 플레이트는 외부 스플라인들을 포함하고, 상기 캠 플레이트는 상기 외부 스플라인들을 통해 액추에이터에 결합되도록 구성되는, 차동장치.
15. 제9항에 있어서, 상기 제1 로크 플레이트와 상기 케이스의 내부 벽 사이에 배치된 디스크 스프링을 추가로 포함하는, 차동장치.
16. 차동장치로서,
    제1 단부 및 상기 제1 단부에 대향하는 제2 단부를 포함하는 케이스;
    외부 스플라인들을 포함하는 제1 사이드 기어;
    외부 스플라인들을 포함하는 제2 사이드 기어;
    제1 측 및 치형성된 측을 포함하는 제1 로크 플레이트;
    상기 케이스의 상기 제2 단부에 대면하는 제1 측 및 상기 제1 로크 플레이트의 상기 치형성된 측에 대면하는 치형성된 제2 측을 포함하는 제2 로크 플레이트;
    상기 사이드 기어와 상기 제1 로크 플레이트 사이의 캠 플레이트 - 상기 캠 플레이트는 상기 제1 로크 플레이트를 향해 연장되는 스플라인된 목부를 포함함 -;
    상기 캠 플레이트와 상기 제1 로크 플레이트 사이의 제1 클러치 팩 - 상기 제1 클러치 팩은 상기 스플라인된 목부에 내부적으로 스플라인된 적어도 하나의 활성 클러치 디스크를 포함함 -; 및
    상기 제1 사이드 기어와 상기 케이스의 상기 제1 단부 사이의 제2 클러치 팩을 포함하며, 상기 제2 클러치 팩은 상기 제1 사이드 기어의 상기 외부 스플라인들에 내부적으로 스플라인된 적어도 하나의 활성 클러치 디스크를 포함하는, 차동장치.
17. 제16항에 있어서, 상기 제1 로크 플레이트는 상기 제1 사이드 기어의 상기 외부 스플라인들에 내부적으로 스플라인되는, 차동장치.
18. 제1항에 있어서, 상기 케이스는 가이드 홈들을 포함하고, 상기 제2 로크 플레이트는 방사상으로 이격된 외부 이어부들을 포함하고, 상기 이어부들은 상기 케이스 내에 형성된 상기 가이드 홈들 내에 안착되도록 구성되는, 차동장치.
19. 제1항에 있어서, 상기 클러치 팩은 방사상으로 이격된 외부 이어부들을 포함하는 적어도 하나의 이어형 클러치 디스크를 추가로 포함하고, 상기 이어부들은 상기 케이스 내에 형성된 가이드 홈들 내에 안착되도록 구성되는, 차동장치.
20. 제4항에 있어서, 상기 적어도 하나의 이어형 클러치 디스크는 2개의 이어형 클러치 디스크들을 포함하고, 상기 적어도 하나의 활성 클러치 디스크는 상기 2개의 이어형 클러치 디스크들 사이에 배치되는, 차동장치.

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