WO2022018820A1 - デファレンシャル装置 - Google Patents

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WO2022018820A1
WO2022018820A1 PCT/JP2020/028231 JP2020028231W WO2022018820A1 WO 2022018820 A1 WO2022018820 A1 WO 2022018820A1 JP 2020028231 W JP2020028231 W JP 2020028231W WO 2022018820 A1 WO2022018820 A1 WO 2022018820A1
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differential device
solenoid
armature
clutch
differential
Prior art date
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PCT/JP2020/028231
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政士 相川
健 土野
雅彦 朝日
Original Assignee
ジーケーエヌ オートモーティブ リミテッド
Ｇｋｎ ドライブライン ジャパン株式会社
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Publication date
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Priority to JP2022538525A priority patent/JP7431975B2/ja
Priority to DE112020007443.9T priority patent/DE112020007443T5/de
Priority to PCT/JP2020/028231 priority patent/WO2022018820A1/ja
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    • F16H48/24—Arrangements for suppressing or influencing the differential action, e.g. locking devices using positive clutches or brakes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16H2048/346—Arrangements for suppressing or influencing the differential action, e.g. locking devices using externally-actuatable means using electromagnetic or electric actuators using a linear motor
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Definitions

  • the following disclosure relates to a differential device, and more particularly to a differential device equipped with an actuator by a suction solenoid and capable of operating a clutch.
  • Geared motors, hydraulic pressures, solenoids, etc. can be used as actuators to drive the clutch, and solenoids are particularly excellent in terms of response.
  • the solenoid generates a magnetic flux so as to go around the core, and by detouring the magnetic flux to the plunger, a pressing force is generated in the plunger, thereby driving the clutch.
  • This type of solenoid can be operated with low power consumption while having a relatively small output.
  • the suction solenoid is more suitable for obtaining a larger output.
  • the viscosity of the lubricating oil becomes a resistance that hinders the disengagement of the clutch. Further, when torque is applied, the frictional force between the meshed clutch teeth strongly resists disengagement. Therefore, in order to ensure the disengagement of the clutch, the return spring must exert a corresponding elastic force.
  • the solenoid needs to exert sufficient thrust force to withstand such an enhanced return spring, so it is advantageous for the solenoid to suck the armature.
  • the armature tends to remain attached to the solenoid due to residual magnetization, so the return spring must exert greater resilience to pull it off. Therefore, the suction solenoid and the return spring synergistically require a strong one.
  • the differential is an input case that is rotatable around an axis, the input case having an end face oriented in the direction of the axis, and the first and first rotatable around the axis, respectively.
  • a differential gear set having two side gears and allowing the differential of the second side gear with respect to the first side gear, and an output case or the second side gear supporting the differential gear set on the end face.
  • a clutch structure that can engage with the dog teeth that are erected toward the dog teeth, and a clutch structure that engages the output case or the second side gear to the input case when engaged, and is movable in the direction of the axis.
  • a clutch member having an inner end in contact with the clutch structure and an outer end exposed to the outside of the input case through the end face, which is movable in the direction of the axis and is at least partially magnetic.
  • the armature made of a material and in contact with the outer end is supported away from the end surface in the direction of the shaft, a magnetic flux is generated in the direction of the shaft to attract the armcha, and the clutch structure is interposed via the clutch member. It comprises a solenoid that engages the dog tooth and a spring that urges the clutch structure to disengage from the dog tooth.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view taken along the axis of the differential device according to the embodiment.
  • FIG. 2A is an enlarged cross-sectional view of the actuator taken from FIG. 1 and its vicinity.
  • FIG. 2B is a modified example and is an enlarged cross-sectional view corresponding to FIG. 2A.
  • FIG. 3A is a partial elevation view of a structure for stopping the rotation of the actuator according to an example.
  • FIG. 3B is a partial cross-sectional view of a structure for preventing the actuator from rotating according to another example.
  • FIG. 4 is a partial cross-sectional view showing an example in which the actuator presses the clutch member via the plunger.
  • FIG. 5A is a partial cross-sectional view showing another example of the relationship between the sensor and the actuator.
  • FIG. 5A is a partial cross-sectional view showing another example of the relationship between the sensor and the actuator.
  • FIG. 5B is a partial cross-sectional view corresponding to FIG. 5A according to still another example.
  • FIG. 5C is a partial cross-sectional view corresponding to FIG. 5A showing an example using a contact sensor.
  • FIG. 6 is a partial cross-sectional view showing an example in which a combination with a side gear constitutes a clutch.
  • axis means the axis of rotation of the differential device, and axial means parallel to it and radial means orthogonal to it. ..
  • the right and left may be distinguished through the following explanation, but this is only for convenience of explanation, and an embodiment in which the left and right are reversed is possible.
  • the differential device can be used for the purpose of timely transmitting torque from the input shaft to the axle while allowing the differential between the two axles rotating around the axis C. Yes (can be called a free running differential, etc.).
  • a part-time AWD vehicle can be realized by such a differential device, but of course, the application is not limited to this.
  • the differential device generally includes an input case 1 that receives torque from the input shaft, a clutch 11 for operating the differential gear set 7, and an actuator 21 that drives the clutch 11.
  • the differential device can include an output case 5 that supports the differential gear set 7, and the output case 5 is rotatable relative to the input case 1.
  • the input case 1 and the output case 5 are coaxial and nested, and the former usually accommodates the latter, but accommodation is not essential.
  • the input case 1 is always drivenly connected to the input shaft, receives torque from the input shaft, and rotates around the shaft C.
  • the output case 5 includes dog teeth 13 to form a clutch 11. When the clutch 11 is disengaged, torque is not transmitted to the output case 5, and the output case 5 can freely rotate around the shaft C.
  • the actuator 21 engages the clutch 11, the input case 1 is drivenly connected to the output case 5, torque is transmitted, and the input case 1 rotates together.
  • one side gear 77 of the differential gear set 7 may have a dog tooth 13 on the back surface with respect to the gear tooth, thereby forming the clutch 11.
  • the differential gear set 7 is directly supported by the input case 1 without the output case 5.
  • the clutch 11 is engaged, the side gear 77 is engaged with the input case 1.
  • the other side gear 75 also cannot be differentially made. Therefore, in this example, the clutch 11 is used for the purpose of locking / unlocking the differential by the differential gear set 7.
  • the differential device according to this example can be referred to as a lockup differential or the like.
  • the input case 1 is generally cylindrical around the axis C, and the inside and the outside are semi-separated by the end faces that close both ends thereof.
  • the connection between the input case 1 and the input shaft can be made by, for example, a ring gear, and a flange protruding radially from the cylinder can be used for connecting the ring gear, but of course, other forms may be used.
  • the boss portion extends outward from both end faces of the input case 1 in the axial direction, and the input case 1 is supported by the carrier 81 by the boss portion.
  • a bearing 83 such as a roller bearing may be interposed between the input case 1 and the carrier 81, but a ball bearing or other bearing device may be used instead of the roller bearing.
  • the actuator 21 is arranged in the vicinity of one end surface 3.
  • the output case 5 is provided with a differential gear set 7, and can output torque to both axles while allowing differential.
  • the differential gear set 7 is a bevel gear type, and includes a pinion gear 71 rotatably supported by the pinion shaft 73, and side gears 75 and 77 meshed with the pinion gear 71.
  • other appropriate types such as face gear type and planetary gear type can be used.
  • the side gears 75 and 77 are respectively coupled to the axle, splines may be provided on the inner surface thereof, but the coupling may be in other forms.
  • the output case 5 is provided with dog teeth 13 at one end 9 thereof, and the dog teeth 13 are erected in the axial direction and toward the end surface 3 of the input case 1.
  • the dog tooth 13 constitutes the clutch 11, and as described above, the clutch 11 drives the output case 5 to the input case 1 when engaged.
  • the clutch structure for drivingly connecting the output case 5 to the input case 1 may be via a clutch member 15 as in the example shown in FIG. 1, or the input case 1 is provided with a corresponding dog tooth. It may constitute a dog tooth 13 and a clutch 11.
  • the clutch member 15 is a substantially ring-shaped member loosely fitted to the inner surface of the input case 1 and is movable in the direction of the axis C.
  • the inner end 17 is inside the input case 1 and communicates with the clutch structure.
  • a plurality of legs project outward in the axial direction from the opposite surface of the inner end 17, and each outer end 19 is exposed to the outside of the input case 1 through the end surface 3.
  • the inner end 17 can be provided with a second dog tooth 14, and the dog tooth 13 and the second dog tooth 14 are configured to mesh with each other, and are combined to form the clutch 11.
  • the clutch structure is integrated with the clutch member 15.
  • the outer end 19 can also be provided with a contact plate 27 for communication with the actuator 21.
  • the contact plate 27 is generally in the shape of a plate forming a continuous ring in the circumferential direction, and may be provided with a portion appropriately bent for fastening to the outer end 19, and may be appropriately bent for contact with the actuator 21. It may be provided with a protrusion.
  • the material applied to the contact plate 27 is not particularly limited, but a material different from the input case 1, the clutch member 15, the armature 23 and the core 53 described later can be used.
  • the actuator 21 generally includes an armature 23, a solenoid 25, and a return spring 31.
  • the armature 23 is at least partially made of a magnetic material and is attracted by the magnetic flux generated when the solenoid 25 is excited.
  • the armature 23 is also arranged so as to be in contact with the outer end 19, and can drive the clutch member 15 in the direction of the axis C.
  • the return spring 31 urges the clutch member 15 in the opposite direction.
  • the entire solenoid 25 is annular around the axis C, and includes a coil 51 that generates a magnetic flux in the axial direction and a core 53 that surrounds the coil 51 and guides the magnetic flux.
  • the coil 51 is wound with an electric wire made of a good conductor such as copper, and the winding direction is preferably the direction in which the strongest magnetic flux is generated in the direction of the axis C.
  • the core 53 may be made of a material having a high magnetic permeability such as ferrite, which efficiently guides the magnetic flux to increase the energy efficiency and reduces the adverse effect of leaking the magnetic flux to the surroundings.
  • the core 53 surrounds most of the coil 51, but only the surface facing the armature 23 is open in the axial direction, that is, the magnetic flux is efficiently directed to the core 53.
  • the armature 23 includes at least a radial surface 41 that should be attracted by receiving the above-mentioned magnetic flux, which can be a disk-shaped surface developed in the radial direction.
  • a slope 45 inclined toward the core 53 may be further provided in order to increase the area receiving the magnetic flux, and the slope 45 may be not only inside but also outside in the radial direction.
  • the core 53 may have a complementary shape.
  • the armature 23 further includes an axial portion 43 for transmitting a driving force in contact with the outer end 19 or the contact plate 27.
  • the axial portion 43 may be a cylindrical edge rising in the axial direction from the outer periphery of the radial surface 41, as illustrated in FIG. 3A in combination with FIGS. 2A and 2B, for example. Such edges pass outside the core 53 so as to at least partially cover it and reach the outer end 19 or the contact plate 27.
  • Such a shape can be integrally formed by pressing or drawing a flat plate, and is easy to manufacture. Of course, it may be manufactured by casting, forging, or the like, or the separate axial portion 43 may be joined to the flat radial surface 41. Such a shape is advantageous in that even if it is relatively thin, it is sufficient to drive the clutch member 15, and therefore the cross-sectional area of the core 53 does not have to be reduced.
  • the armature 23 may include a column 49 in place of or in addition to the cylindrical edge, as illustrated in FIG.
  • the column 49 extends axially through the solenoid 25, particularly through the core 53, and contacts the outer end 19 or the contact plate 27.
  • the column 49 may pass inside the coil 51 in the radial direction, or may pass outside. In such a form, the column 49 prevents the armature 23 from rotating, so that the notch described later can be eliminated. Further or the column 49 may extend so as to bypass the outer circumference of the core 53. In this case, the column 49 may be detented by engaging with the pin 85 described later, or may be individually detented.
  • the axial portion 43 to the column 49 are all made of the same material as the radial surface 41 and may be integrated, but may be made of, for example, a non-magnetic material and may be separate bodies. When it is made of a non-magnetic material, the leakage of magnetic flux can be reduced, and its adverse effect can be reduced.
  • a bush separate from these may be interposed between the axial portion 43 or the column 49 and the outer end 19 or the contact plate 27.
  • the bush is annular and keeps contact with both even if the input case 1 rotates.
  • Such a bush can also be made of a non-magnetic material, or can be made of, for example, a resin having a low coefficient of friction to reduce friction.
  • the entire actuator 21 is supported by fitting the inner circumference of the core 53 to the boss portion 57. Except for the inner circumference, the core 53 is separated from the input case 1, and in particular, a considerable gap is maintained between the back surface of the core 53 and the end surface 3 of the input case 1. This helps reduce the magnetic flux leaking from the core 53 towards the end face 3.
  • the boss portion 57 may be provided with a shoulder 59 slightly projecting outward in the radial direction. The shoulder 59 does not reach at least the back surface of the coil 51, that is, a gap is held at least radially outward of the inner circumference of the coil 51.
  • the inner peripheral portion of the core 53 may be extended in the axial direction in the direction opposite to that of the shoulder 59.
  • Such an extension may have a substantially cylindrical shape, and is usually integrated with the core 53, but may be a separate body and fixed to the core 53. Further, the end thereof may abut against the bearing 83 to prevent it from coming off.
  • the boss portion 57 may be provided with a dropout prevention member in order to prevent the core 53 from coming off.
  • a member is, for example, a ring that engages with the boss portion 57, which may be made of a non-magnetic material in order to reduce magnetic flux leakage.
  • the inner peripheral portion of the core 53 does not have to be in full contact with the boss portion 57.
  • the armature 23 may be fitted directly to the boss portion 57, or may be fitted to the extension portion on which the core 53 is applied. In any case, the fitting is slidable, and the armature 23 is movable in the axial direction. Fitting the armature 23 to the core 53, which is the same non-rotating member, is advantageous for smoothing axial movement.
  • a ring 33 engaged with the core 53 or the boss portion 57 can be used to prevent the armature 23 from falling off. Such a ring may also be made of a non-magnetic material in order to reduce the leakage of magnetic flux.
  • a support member 35 for supporting the core 53 and the armature 23 can be used.
  • the support member 35 may have a substantially cylindrical shape, for example, and one end thereof may abut against the bearing 83 to prevent it from coming off.
  • the support member 35 is a non-rotating member that abuts against the core 53 and can be prevented from coming off.
  • the support member 35 may be tightly fitted to the boss portion 57, or may have a structure that engages with the boss portion 57.
  • the armature 23 can be slidably fitted on the support member 35, which helps to suppress the leakage of magnetic flux from the armature 23 to the boss portion 57.
  • the support member 35 may be provided with a retaining structure, one example of which is a short flange whose end is bent outward as shown in the figure.
  • the support member 35 may also be made of a non-magnetic material in order to reduce the leakage of magnetic flux.
  • the return spring 31 can be arranged in the gap held between the back surface of the core 53 and the end surface 3 of the input case 1. In particular, it can be interposed between the contact plate 27 and the end face 3.
  • the return spring 31 can be slightly compressed in advance, and the clutch member 15 is urged in a direction that promotes disengagement of the clutch 11.
  • the return spring 31 is a member that rotates together with the contact plate 27 and the like, but the armature 23 and the solenoid 25 are non-rotating members, and it is desirable that they are stopped from rotating.
  • the core 53 may include a pin 85 projecting outward in the radial direction, and the pin 85 may be engaged with the carrier 81 to prevent the solenoid 25 from rotating.
  • the armature 23 may be provided with a structure that engages with the solenoid 25, for example the axial portion 43 thereof may be provided with a notch that engages with the pin 85.
  • a pin 87 extending axially from the core 53 and penetrating the armature 23 may be used.
  • both the armature 23 and the solenoid 25 can be stopped by the pins 85 and 87.
  • the pins 85 and 87 may be integrated with the core 53, but may be separate and made of a non-magnetic material. When it is made of a non-magnetic material, the leakage of magnetic flux can be reduced, and its adverse effect can be reduced.
  • the differential device is not essential, but can be provided with means for detecting whether or not the clutch 11 is engaged, one example of which is the non-contact sensor 91.
  • the non-contact sensor 91 include those that detect the proximity of a metal using high-frequency oscillation, those that detect changes in capacitance, electric field or magnetic field, and detection devices that use optical means, but are limited to these. No. According to these non-contact sensors, energy loss due to contact with a rotating body can be avoided.
  • the non-contact sensor 91 can be arranged at a position where it can detect whether or not the contact plate 27 is close to each other.
  • the contact plate 27 is exposed to the outer periphery in the differential device and moves axially in the gap between the core 53 and the input case 1, the non-contact sensor 91 is around. Accurate detection can be performed without being disturbed by the members of.
  • the contact plate 27 is a rotating member, it has an annular shape as described above, so that it always faces the non-contact sensor 91 during rotation and can be used for detecting the position in the axial direction. Further, as already described, any material can be applied to the contact plate 27, and therefore a material suitable for detection by the non-contact sensor 91 can be selected.
  • any part of the armature 23 may be the target. Since the armature 23 is a non-rotating member, it always faces the non-rotating non-contact sensor 91 and can be used for position detection. Further, an appropriate member convenient for detection may be added to these.
  • the non-contact sensor 91 approaches the member moving in the axial direction in the direction orthogonal to the member, but the non-contact sensor 91 may be oriented in the axial direction as in the example shown in FIG. 5B. ..
  • the target of detection may be the armature 23 or the contact plate 27 as shown in the illustrated example. In the latter case, these may be partially cut out in order to avoid interference by the armature 23 and the core 53. Since the armature 23 and the core 53 are non-rotating members, it is sufficient to cut out only the problematic part without cutting out the entire circumference.
  • the diameter of the contact plate 27 may be increased so as to project outward in the radial direction from the outer periphery of the armature 23 and the core 53.
  • the contact sensor 93 may be used as in the example shown in FIG. 5C.
  • the contact sensor 93 for example, a mechanical push switch or pull switch can be used. Of course, it may be a sensor that uses electrical, magnetic, or optical means.
  • the target of detection may be the armature 23 or the contact plate 27 as described above, or may target any other part of the clutch member 15.
  • the differential device can be provided with another detector such as a speed sensor in place of or in addition to any of the above sensors.
  • the contact plate 27 may be provided with a structure that causes the sensor to generate a pulse according to the velocity, such as a notch or a tooth formed on the peripheral edge of the contact plate 27. Since the contact plate 27 is a rotating member that rotates in synchronization with the input case 1, it can be used not only for whether or not the clutch 11 is engaged, but also for obtaining information on the rotation speed.
  • the leakage of magnetic flux from the solenoid to the input case especially the leakage of magnetic flux from the back surface of the core to the end face of the input case is reduced.
  • the magnetic flux in the applied direction is the largest, and the input case is strongly attracted. Therefore, if the back surface of the core and the end face of the input case are in contact with each other, the energy loss due to friction is remarkable. Further, since the input case rotates in a direction orthogonal to the magnetic flux, the energy loss due to the generation of the induced power becomes large enough to increase the magnetic force.
  • the differential device described herein suppresses any of these energy losses.
  • the device since it is not necessary to increase the cross-sectional area of the core in order to prevent the leakage of magnetic flux, the device can be made compact.
  • a relatively wide gap between the back of the core and the end face of the input case is available for the return spring, giving you a great deal of freedom in designing the return spring, providing ample elasticity and stretch length. It is advantageous to secure it.
  • the contact plate is exposed in the radial direction in such a gap, it is easy to detect the state of the clutch by using a sensor or the like.

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Abstract

デファレンシャル装置は、軸の周りに回転可能な入力ケースであって、前記軸の方向に向いた端面を有する入力ケースと、前記軸の周りにそれぞれ回転可能な第１および第２のサイドギアを備え、前記第１のサイドギアに対して前記第２のサイドギアの差動を許容するデファレンシャルギア組と、前記デファレンシャルギア組を支持する出力ケースまたは前記第２のサイドギアに、前記端面に向けて立てられたドッグ歯と、前記ドッグ歯と噛合可能なクラッチ構造であって、噛合すると前記出力ケースまたは前記第２のサイドギアを前記入力ケースに結合するクラッチ構造と、前記軸の方向に可動であり、前記クラッチ構造に連絡した内端と、前記端面を通って前記入力ケースの外に露出した外端とを備えたクラッチ部材と、前記軸の方向に可動であり、少なくとも部分的に磁性材よりなり前記外端に接したアーマチャと、前記端面から前記軸の方向に離れて支持され、前記軸の方向に磁束を発生して前記アーマチャを吸引し、前記クラッチ部材を介して前記クラッチ構造を前記ドッグ歯に噛合せしめる、ソレノイドと、前記クラッチ構造を前記ドッグ歯から脱噛合させる向きに付勢するスプリングと、を備える。

Description

デファレンシャル装置
　以下の開示は、デファレンシャル装置に関し、特に、吸引式ソレノイドによるアクチュエータを備えてクラッチを操作できるデファレンシャル装置に関する。
　四輪車が悪路を走行するには、前輪ないし後輪のみを駆動するよりも四輪の全てに駆動力を伝達するほうが、トラクションを確保するに有利である。一方、整備された舗装路を走行するときには、燃費等の観点から全輪駆動（ＡＷＤ）方式は不利である。そこで運転者の意図的な操作により二輪駆動と全輪駆動とを切り替えられる、パートタイムＡＷＤとも呼ばれる駆動方式がしばしば採用される。
　パートタイムＡＷＤを実現するドライブトレインには種々のものがあるが、例えば両車軸の間の差動を許容するデファレンシャルギア組と、入力シャフトを時限的にデファレンシャルギア組に連結するクラッチとの組み合わせが利用できる。かかる組み合わせを一体に備えたフリーランニングデフと呼ばれる装置が提案されている。特許文献１はフリーランニングデフの例を開示する。
　クラッチを駆動するアクチュエータにはギアードモータ、油圧、ソレノイド等を利用することができ、ソレノイドは特にレスポンスの点で優れる。特許文献１が開示する技術においては、ソレノイドはコアを周回するように磁束を生じ、かかる磁束をプランジャに迂回させることでプランジャに押圧力を発生し、以ってクラッチを駆動している。かかる形式のソレノイドは、比較的に小出力ながら低消費電力で運用することができる。一方、より大きな出力を得るには吸引式ソレノイドのほうが向いている。フリーランニングデフではなく、差動をロックアップする目的に利用した例だが、特許文献２，３に開示する技術においては、ソレノイドは励磁によりアーマチャを吸引し、リターンスプリングはこれを引き離す目的に利用されている。何れの例においても、ソレノイドは車体側に結線することを要するから、デファレンシャルが回転するのに対し、ソレノイドおよびこれに関連する諸部材は非回転部材である。
日本国特許出願公開２０１１－１１２１１４号 日本国特許出願公開平２－２８６９４４号 国際特許出願公開ＷＯ２０１７／１００５５０Ａ１
　デファレンシャルギア組を潤滑するための潤滑油にはクラッチも浸されるので、潤滑油の粘性がクラッチの脱噛合を妨げる抵抗となる。またトルクが印加されているときには噛合したクラッチ歯間の摩擦力は脱噛合に強く抵抗する。そこでクラッチの脱噛合を確実にするには、リターンスプリングは相応の弾発力を発揮せねばならない。そのように強化されたリターンスプリングに抗するためにソレノイドは十分なスラスト力を発揮する必要があり、そこでソレノイドにはアーマチャを吸引する形式のほうが有利である。一方アーマチャは残留磁化によりソレノイドに付着したままであろうとするので、これを引き剥がすにはリターンスプリングはより大きな弾発力を発揮せねばならない。それゆえ吸引式ソレノイドとリターンスプリングとは、相乗的に、何れも強力なものを必要とする。
　これらの力の反力をどのように負担するかは技術的な課題であるし、またクラッチにどのように力を伝えるかは設計的な熟慮を必要とする。また、より大きな磁力を生ずることとなれば、周囲に漏れる磁束による影響も考慮せねばならない。例えばコアの磁路断面積を増やすことで磁束の漏れを低減しようとすれば、装置は必然的に大型化してしまう。すなわち吸引式のソレノイドにおいて、関連部材をどのように配置して支持するかには、多くの技術的な課題が潜在している。以下に開示する装置は、これらの課題に鑑みて創造された。
　一局面によれば、デファレンシャル装置は、軸の周りに回転可能な入力ケースであって、前記軸の方向に向いた端面を有する入力ケースと、前記軸の周りにそれぞれ回転可能な第１および第２のサイドギアを備え、前記第１のサイドギアに対して前記第２のサイドギアの差動を許容するデファレンシャルギア組と、前記デファレンシャルギア組を支持する出力ケースまたは前記第２のサイドギアに、前記端面に向けて立てられたドッグ歯と、前記ドッグ歯と噛合可能なクラッチ構造であって、噛合すると前記出力ケースまたは前記第２のサイドギアを前記入力ケースに結合するクラッチ構造と、前記軸の方向に可動であり、前記クラッチ構造に連絡した内端と、前記端面を通って前記入力ケースの外に露出した外端とを備えたクラッチ部材と、前記軸の方向に可動であり、少なくとも部分的に磁性材よりなり前記外端に接したアーマチャと、前記端面から前記軸の方向に離れて支持され、前記軸の方向に磁束を発生して前記アーマチャを吸引し、前記クラッチ部材を介して前記クラッチ構造を前記ドッグ歯に噛合せしめる、ソレノイドと、前記クラッチ構造を前記ドッグ歯から脱噛合させる向きに付勢するスプリングと、を備える。
図１は、一実施形態によるデファレンシャル装置の軸に沿う断面図である。 図２Ａは、図１より取られたアクチュエータおよびその近傍の拡大断面図である。 図２Ｂは、変形例であって図２Ａに対応する拡大断面図である。 図３Ａは、一例によるアクチュエータを回り止めする構造の部分立面図である。 図３Ｂは、他の例によるアクチュエータを回り止めする構造の部分断面図である。 図４は、アクチュエータがプランジャを介してクラッチ部材を押圧する例を表す部分断面図である。 図５Ａは、センサとアクチュエータとの関係の他の例を表す部分断面図である。 図５Ｂは、さらに他の例による図５Ａに対応する部分断面図である。 図５Ｃは、接触センサによる例を表す図５Ａに対応する部分断面図である。 図６は、サイドギアとの組み合わせがクラッチを構成する例を示す部分断面図である。
　添付の図面を参照して以下に幾つかの例示的な実施形態を説明する。以下の説明および請求の範囲を通じて、特段の説明がなければ、軸はデファレンシャル装置の回転軸の意味であり、また軸方向はこれに平行な方向であり径方向はこれに直交する方向を意味する。また以下の説明を通じて、右と左を区別することがあるが、これは説明の便宜に過ぎず、左右を逆転した実施形態が可能である。
　主に図１を参照するに、デファレンシャル装置は、軸Ｃの周りに回転する両車軸の間の差動を許容しつつ、入力シャフトから車軸へトルクを時限的に伝達する目的に利用することができる（フリーランニングデフ等と呼称することができる）。かかるデファレンシャル装置により例えばパートタイムＡＷＤ車両が実現できるが、もちろん用途はこれに限られない。
　デファレンシャル装置は、概して、入力シャフトからトルクを受容する入力ケース１と、デファレンシャルギア組７を操作するためのクラッチ１１と、クラッチ１１を駆動するアクチュエータ２１と、よりなる。デファレンシャル装置は、デファレンシャルギア組７を支持する出力ケース５を備えることができ、かかる出力ケース５は入力ケース１に対して相対的に回転可能である。入力ケース１と出力ケース５とは同軸であって入れ子になっており、通常は前者が後者を収容するが、収容は必須ではない。
　入力ケース１は入力シャフトに常時駆動的に連結しており、入力シャフトからトルクを受容して軸Ｃ周りに回転する。出力ケース５はドッグ歯１３を備えてクラッチ１１を構成し、クラッチ１１が脱噛合しているときには出力ケース５へトルクは伝達されず、出力ケース５は軸Ｃ周りに自由に回転できる。アクチュエータ２１がクラッチ１１を噛合せしめると、入力ケース１が出力ケース５に駆動的に連結してトルクが伝達され、共に回転する。
　あるいは図６に示すごとく、デファレンシャルギア組７の一方のサイドギア７７は、ギア歯に対して背面にドッグ歯１３を備え、以ってクラッチ１１を構成してもよい。この例では、デファレンシャルギア組７は、出力ケース５なしに入力ケース１に直接に支持される。クラッチ１１が噛合するとサイドギア７７が入力ケース１に結合する。一方のサイドギア７７が固定されると他方のサイドギア７５も差動ができなくなるので、この例ではクラッチ１１はデファレンシャルギア組７による差動をロック／アンロックする目的で利用される。この例によるデファレンシャル装置は、ロックアップデフ等と呼称することができる。
　図１に戻って参照するに、入力ケース１は、概して軸Ｃの周りの円筒形であり、その両端を閉じる端面によって内部と外部とが半ば隔離される。入力ケース１と入力シャフトとの連結は例えばリングギアによることができ、円筒から径方向に突出したフランジがリングギアの結合に利用しうるが、もちろん他の形態であってもよい。
　入力ケース１の両端面からさらに軸方向に外方にそれぞれボス部が延び、ボス部によって入力ケース１はキャリア８１に支持される。入力ケース１とキャリア８１との間には、ローラベアリングのごときベアリング８３が介在することができるが、ローラベアリングに代えてボールベアリングやその他の軸受け装置であってもよい。一方の端面３の近傍にアクチュエータ２１が配置される。
　出力ケース５は、デファレンシャルギア組７を備え、差動を許容しつつ両車軸へトルクを出力することができる。図１に示した例によればデファレンシャルギア組７はベベルギア式であり、ピニオンシャフト７３にそれぞれ回転可能に支持されたピニオンギア７１と、これに噛合したサイドギア７５，７７と、よりなる。もちろんフェースギア式、プラネタリギア式等、他の適宜の形式を利用することができる。サイドギア７５，７７は、それぞれ車軸と結合するため、その内面にスプラインを備えることができるが、結合は他の形式によってもよい。
　出力ケース５は、その一端９にドッグ歯１３を備え、ドッグ歯１３は軸方向に、また入力ケース１の端面３に向いて、立てられている。ドッグ歯１３はクラッチ１１を構成し、クラッチ１１は既に述べた通り、噛合したときには出力ケース５を入力ケース１に駆動的に連結する。出力ケース５を入力ケース１に駆動的に連結するクラッチ構造は、図１に示した例の通り、クラッチ部材１５を介するものであってもよく、あるいは入力ケース１が対応するドッグ歯を備え、ドッグ歯１３とクラッチ１１を構成するものであってもよい。
　図１に組み合わせて例えば図２Ａを参照するに、クラッチ部材１５は、入力ケース１の内面に緩く嵌合した概ねリング状の部材であり、軸Ｃの方向に可動である。その内端１７は入力ケース１の内部にあってクラッチ構造に連絡している。内端１７の反対面からは複数の脚が軸方向に外方に突出し、各々の外端１９は端面３を通って入力ケース１の外に露出する。端面３に開いた孔とクラッチ部材１５の脚とが係合することにより、クラッチ部材１５は入力ケース１から出力ケース５へのトルクを伝達することができる。
　内端１７は第２のドッグ歯１４を備えることができ、ドッグ歯１３と第２のドッグ歯１４とは互いに噛合するように構成されており、組み合わせてクラッチ１１を構成する。この場合には既に述べた通り、クラッチ構造はクラッチ部材１５と一体である。
　外端１９は、また、アクチュエータ２１との連絡のために、コンタクトプレート２７を備えることができる。コンタクトプレート２７は概して周方向に連続した輪を成す板状であって、外端１９との締結のために適宜に曲げ起こされた部分を備えてもよく、またアクチュエータ２１と接するために適宜の突起を備えてもよい。コンタクトプレート２７に適用する素材は、特に限られるものではないが、入力ケース１やクラッチ部材１５、あるいは後述のアーマチャ２３やコア５３とは異なる素材を利用することができる。
　アクチュエータ２１は、概して、アーマチャ２３と、ソレノイド２５と、リターンスプリング３１と、よりなる。アーマチャ２３は少なくとも部分的には磁性材よりなり、ソレノイド２５が励磁されたときに生ずる磁束に吸引される。アーマチャ２３は、また外端１９に接するように配置されており、クラッチ部材１５を軸Ｃの方向に駆動することができる。リターンスプリング３１はそれと反対方向にクラッチ部材１５を付勢する。
　ソレノイド２５の全体は軸Ｃ周りに環状であって、軸方向に磁束を発生するコイル５１と、コイル５１を囲んで磁束を導くコア５３と、を備える。コイル５１は銅のごとき良導体よりなる電動線が巻かれたものであり、巻き方向は好ましくは軸Ｃの方向に最も強い磁束を生じる向きである。コア５３はフェライトのごとき高透磁率の素材よりなっていてもよく、磁束を効率よく導いてエネルギ効率を高めるとともに、周囲に磁束を漏洩することによる悪影響を低減する。コア５３はコイル５１の大半を囲むが、アーマチャ２３に向けた面のみ軸方向に開放しており、すなわちこれに磁束を効率よく向けるようになっている。
　アーマチャ２３は、少なくとも上述の磁束を受けて吸引されるべきラジアル面４１を備え、これは径方向に展開した円盤状の面にすることができる。磁束を受ける面積を広げるべく、図２Ｂに示すごとく、コア５３に向けて傾いた斜面４５をさらに備えてもよく、斜面４５は径方向に内側のみならず、外側にあってもよい。かかる斜面に応じて、コア５３はこれに相補的な形状であってもよい。
　アーマチャ２３は、さらに、外端１９ないしコンタクトプレート２７に接して駆動力を伝えるためのアクシアル部４３を備える。アクシアル部４３は、例えば図２Ａ，２Ｂに組み合わせて図３Ａに例示するごとく、ラジアル面４１の外周から軸方向に立ち上がった円筒状の縁であってもよい。かかる縁は、コア５３を少なくとも部分的に覆うようにその外側を通り外端１９ないしコンタクトプレート２７に達する。このような形状は平坦な板をプレスないし絞り加工により一体に形成することができ、製作が容易である。もちろん鋳造や鍛造等により製作してもよいし、別体のアクシアル部４３を平坦なラジアル面４１に接合してもよい。かかる形状は比較的に薄くてもクラッチ部材１５を駆動するに十分であり、従ってコア５３の断面積を減じなくてもよい点で有利である。
　あるいはアーマチャ２３は、円筒状の縁に代えて、または加えて、図４に例示するごとく、コラム４９を備えてもよい。コラム４９は、ソレノイド２５を、特にコア５３を、貫通して軸方向に延び、外端１９ないしコンタクトプレート２７に接する。コラム４９は図示の通りコイル５１より径方向に内側を通過してもよいし、あるいは外側を通過してもよい。これらのような形態ではコラム４９がアーマチャ２３を回り止めするので、後述の切欠きを不要にすることができる。さらにあるいはコラム４９はコア５３の外周を迂回するように延びていてもよい。この場合にはコラム４９は後述のピン８５に係合することにより回り止めされていてもよく、あるいは個別の回り止めの処置がされていてもよい。
　アクシアル部４３ないしコラム４９は、何れもラジアル面４１と同一の素材であって一体でもよいが、例えば非磁性材よりなり別体であってもよい。非磁性材よりなる場合には、磁束の漏れを低減することができ、その悪影響を低減することができる。
　さらにアクシアル部４３ないしコラム４９と外端１９ないしコンタクトプレート２７との間には、これらとは別体のブッシュが介在してもよい。かかるブッシュは環状であって入力ケース１が回転しても両者への接触を保つ。かかるブッシュも非磁性材よりなることができ、また例えば低摩擦係数の樹脂よりなり摩擦を低減することができる。
　コア５３の内周がボス部５７に嵌合することにより、アクチュエータ２１の全体が支持される。内周を除き、コア５３は入力ケース１からは離されており、特にコア５３の背面と入力ケース１の端面３との間には相当のギャップが保持される。これはコア５３から端面３に向けて漏れる磁束を低減するのに役立つ。コア５３を位置決めするべく、ボス部５７は僅かに径方向に外方に張り出したショルダ５９を備えてもよい。ショルダ５９は少なくともコイル５１の背面に届かない程度であり、すなわち少なくともコイル５１の内周よりも径方向に外側にはギャップが保持される。
　コア５３の内周部は、図２Ａ，４に示すごとく、ショルダ５９とは反対方向に軸方向に延長されていてもよい。かかる延長部は略円筒形をなしてもよく、通常にはコア５３と一体だが、別体であってコア５３に固定されていてもよい。またその端はベアリング８３に突き当たって抜け止めされていてもよい。あるいはコア５３の抜け止めのためにボス部５７は脱落防止部材を備えてもよい。かかる部材は例えばボス部５７に係合するリングであり、磁束の漏れを低減するべく、これは非磁性材料よりなっていてもよい。一方、コア５３の内周部はボス部５７に、その全面が接していなくてもよい。接触面積を減ずるべく、コア５３の内周面には溝ないし凹部があってもよい。これも磁束の漏れを低減するのに役立ち、またコア５３とボス部５７との摺動抵抗を減ずるのに役立つ。
　アーマチャ２３は、ボス部５７に直接に嵌合してもよいが、コア５３のかかる延長部に嵌合していてもよい。いずれにせよ摺動可能な嵌合であって、アーマチャ２３は軸方向に可動である。アーマチャ２３が同じ非回転部材であるコア５３に嵌合することは、軸方向の移動を滑らかにするに有利である。アーマチャ２３の脱落を防止するべく、コア５３またはボス部５７に係合したリング３３を利用することができる。かかるリングも、磁束の漏れを低減するべく、非磁性材料よりなっていてもよい。
　あるいは図２Ｂに示すごとく、コア５３およびアーマチャ２３を支持するためのサポート部材３５を利用することができる。サポート部材３５は例えば略円筒形であり、その一端はベアリング８３に突き当たって抜け止めされていてもよい。かかるサポート部材３５はコア５３に突き当たって共に非回転部材であり、またこれを抜け止めすることができる。あるいはサポート部材３５はボス部５７に締まり嵌合していてもよく、あるいはボス部５７に係合する構造を備えてもよい。またアーマチャ２３はサポート部材３５上に摺動可能に嵌合することができ、これはアーマチャ２３からボス部５７への磁束の漏れを抑制するのに役立つ。アーマチャ２３の脱落を防止するべく、サポート部材３５は抜け止め構造を備えてもよく、その一例は図示のごとくその端が外側に曲げられてできた短いフランジである。サポート部材３５も、磁束の漏れを低減するべく、非磁性材料よりなっていてもよい。
　リターンスプリング３１は、コア５３の背面と入力ケース１の端面３との間に保持されたギャップに配置することができる。特に、コンタクトプレート２７と端面３との間に介在することができる。リターンスプリング３１は予め僅かに圧縮しておくことができ、クラッチ１１の脱噛合を促す向きにクラッチ部材１５を付勢する。
　リターンスプリング３１はコンタクトプレート２７等と共に回転する部材だが、アーマチャ２３およびソレノイド２５は非回転部材であって、回り止めされることが望ましい。例えば図３Ａに示すごとく、コア５３は径方向に外方に突出したピン８５を備え、ピン８５がキャリア８１に係合することによりソレノイド２５の回り止めが実現していてもよい。アーマチャ２３は、ソレノイド２５に係合する構造を備えてもよく、例えばそのアクシアル部４３はピン８５と係合する切欠きを備えてもよい。あるいは図３Ｂに示すごとく、コア５３から軸方向に延びてアーマチャ２３を貫通するピン８７を利用してもよい。何れにせよアーマチャ２３とソレノイド２５とは共にピン８５，８７により回り止めすることができる。ピン８５，８７はコア５３と一体でもよいが、別体であって非磁性材よりなっていてもよい。非磁性材よりなる場合には、磁束の漏れを低減することができ、その悪影響を低減することができる。
　図１に戻って参照するに、デファレンシャル装置は、必須ではないが、クラッチ１１が噛合したか否かを検出する手段を備えることができ、その一例は非接触センサ９１である。非接触センサ９１としては、高周波発振を利用して金属の近接を検出するもの、静電容量、電場または磁場の変化を検出するもの、光学的手段による検出装置を例示できるが、これらに限られない。これらの非接触センサによれば、回転体との接触によるエネルギ損失を避けることができる。
　例えば非接触センサ９１は、コンタクトプレート２７が近接したか否かを検出しうる位置に配置することができる。これまでの説明から理解できる通り、コンタクトプレート２７はデファレンシャル装置において外周に露出しており、またコア５３と入力ケース１との間のギャップ中を軸方向に移動するので、非接触センサ９１は周囲の部材による撹乱を受けることなく正確な検出をすることができる。コンタクトプレート２７は回転部材だが既に述べた通り円環状であるので、回転の間、常に非接触センサ９１に面しており、軸方向の位置の検出に利用することができる。また既に述べた通り、コンタクトプレート２７には任意の素材を適用することができ、従って非接触センサ９１による検出に適した素材を選択することができる。もちろんコンタクトプレート２７に代えて、クラッチ部材１５の他の部分を検出対象とすることができるし、あるいは図５Ａに例示するごとく、アーマチャ２３の何れかの部分を対象としてもよい。アーマチャ２３は非回転部材であるので、同じく非回転の非接触センサ９１と常に相対し、位置の検出に利用することができる。またこれらには、検出に都合のよい適宜の部材を付加してもよい。
　上述の説明では、軸方向に移動する部材に対して、非接触センサ９１は直交する方向にアプローチするが、図５Ｂに示す例のごとく、非接触センサ９１は軸方向に向けられていてもよい。検出の対象はアーマチャ２３でもよいし、図示の例のごとく、コンタクトプレート２７であってもよい。後者の場合にアーマチャ２３やコア５３による干渉を避けるべく、これらを部分的に切り欠いてもよい。アーマチャ２３およびコア５３は非回転部材であるので、全周を切り欠くことなく、問題の箇所のみを切り欠くだけで足りる。もちろん切り欠くのに代えて、アーマチャ２３およびコア５３の外周よりも径方向に外方に張り出すよう、コンタクトプレート２７の径を拡大してもよい。
　あるいは非接触センサに代えて、図５Ｃに示す例のごとく、接触センサ９３を利用してもよい。接触センサ９３としては、例えばメカニカルなプッシュスイッチないしプルスイッチを利用することができる。もちろん電気的、磁気的あるいは光学的手段を利用するセンサであってもよい。検出の対象としては、上述と同様にアーマチャ２３ないしコンタクトプレート２７を対象とすることができ、あるいはクラッチ部材１５の何れかの他の部分を対象としてもよい。
　さらに、上述の何れかのセンサに代えて、あるいは加えて、速度センサ等の他の検出器をデファレンシャル装置は備えることができる。これに応じて、コンタクトプレート２７はその周縁上に形成されたノッチや歯のごとく、速度に応じたパルスをセンサに生ぜしめる構造を備えてもよい。コンタクトプレート２７は入力ケース１に同期して回転する回転部材であるから、クラッチ１１が噛合したか否かだけでなく、回転速度の情報を得ることにも利用できる。
　ここに説明されたデファレンシャル装置においては、ソレノイドから入力ケースへの磁束の漏れが、特にコアの背面から入力ケースの端面への磁束の漏れが低減されている。吸引式ソレノイドにおいてはかかる方向の磁束が最も大きく、入力ケースを強く引き付けるので、コアの背面と入力ケースの端面とが接していれば摩擦によるエネルギ損失が著しい。また入力ケースは磁束に直交する向きに回転するので、誘導電力の発生によるエネルギ損失も磁力を増そうとするほどに大きくなってしまう。ここに説明されたデファレンシャル装置は、これらのエネルギ損失をいずれも抑制する。また磁束の漏れに対策するためにコアの断面積を大きくする必要がないので、装置をコンパクトにすることができる。一方、コアの背面と入力ケースの端面との間の比較的に広いギャップをリターンスプリングのために利用できるので、リターンスプリングの設計に大きな自由度があり、十分な弾発力と伸縮長さを確保するのに有利である。さらにはかかるギャップにおいてコンタクトプレートが径方向に露出しているので、センサ等を用いてクラッチの状態を検出することが容易である。
　幾つかの実施形態を説明したが、上記開示内容に基づいて実施形態の修正ないし変形をすることが可能である。

Claims (13)

  1. 　軸の周りに回転可能な入力ケースであって、前記軸の方向に向いた端面を有する入力ケースと、
    　前記軸の周りにそれぞれ回転可能な第１および第２のサイドギアを備え、前記第１のサイドギアに対して前記第２のサイドギアの差動を許容するデファレンシャルギア組と、
    　前記デファレンシャルギア組を支持する出力ケースまたは前記第２のサイドギアに、前記端面に向けて立てられたドッグ歯と、
    　前記ドッグ歯と噛合可能なクラッチ構造であって、噛合すると前記出力ケースまたは前記第２のサイドギアを前記入力ケースに結合するクラッチ構造と、
    　前記軸の方向に可動であり、前記クラッチ構造に連絡した内端と、前記端面を通って前記入力ケースの外に露出した外端とを備えたクラッチ部材と、
    　前記軸の方向に可動であり、少なくとも部分的に磁性材よりなり前記外端に接したアーマチャと、
    　前記端面から前記軸の方向に離れて支持され、前記軸の方向に磁束を発生して前記アーマチャを吸引し、前記クラッチ部材を介して前記クラッチ構造を前記ドッグ歯に噛合せしめる、ソレノイドと、
    　前記クラッチ構造を前記ドッグ歯から脱噛合させる向きに付勢するスプリングと、
    　を備えたデファレンシャル装置。
  2. 　前記アーマチャは、前記磁束を受けるべく径方向に展開したラジアル面と、前記ラジアル面から前記外端に向けて軸方向に延びたアクシアル部とを備え、前記アクシアル部は前記外端に接する、請求項１のデファレンシャル装置。
  3. 　前記アクシアル部は前記ラジアル面とは別体であって非磁性材よりなる、請求項２のデファレンシャル装置。
  4. 　前記アクシアル部は、少なくとも部分的に前記ソレノイドの外周を覆い前記外端に接する円筒を備える、請求項２のデファレンシャル装置。
  5. 　前記アクシアル部は、前記ソレノイドを貫通して前記外端に接するコラムを備える、請求項２のデファレンシャル装置。
  6. 　前記入力ケースは前記端面から前記軸の方向に延びたボス部を備え、前記ソレノイドは、前記磁束を発生するコイルと、前記コイルを囲んで磁束を導くコアとを備え、前記コアが前記ボス部に摺動可能に嵌合することにより前記ソレノイドは前記入力ケースに支持される、請求項１ないし５の何れか１項のデファレンシャル装置。
  7. 　前記コアは、一体または別体に、前記ボス部に摺動可能に嵌合したサポート部を備え、前記ボス部を支持するベアリングに突き当たるべく軸方向に延びる、請求項６のデファレンシャル装置。
  8. 　前記アーマチャは、前記サポート部に嵌合することにより軸方向移動可能に支持されている、請求項７のデファレンシャル装置。
  9. 　前記コアは、前記ソレノイドを回り止めするピンであって径方向にまたは軸方向に延びたピンを備え、前記アーマチャは前記ピンに係合することにより共に回り止めされる、請求項６のデファレンシャル装置。
  10. 　前記クラッチ部材の前記外端は、前記軸の周りに連続した輪を成すコンタクトプレートを含み、前記コンタクトプレートは前記ソレノイドと前記端面との間であって前記アーマチャに接するべく配置されている、請求項１ないし５の何れか１項のデファレンシャル装置。
  11. 　前記スプリングは、前記端面と前記コンタクトプレートとの間に介在して前記コンタクトプレートを付勢する、請求項１０のデファレンシャル装置。
  12. 　前記コンタクトプレートは径方向に外方に露出しており、以ってセンサによる検出に利用できる、請求項１０のデファレンシャル装置。
  13. 　前記クラッチ構造は前記クラッチ部材と共に移動するべく前記クラッチ部材と一体をなし、前記ドッグ歯に噛合する第２のドッグ歯を備える、請求項１ないし５の何れか１項のデファレンシャル装置。
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