リミテッドスリップデファレンシャル

コーン型LSD

リミテッドスリップ デファレンシャル( LSD ) は差動ギア トレインの一種で、オンロードで使用する場合、2 つの出力シャフトが異なる速度で回転することを許可しますが、2 つのシャフト間の最大差を制限して、最低限のトラクションを強制します。これは、1 つの車輪が静止し、もう 1 つの車輪が 2 倍の速度で回転してすべてのパワーが無駄になる一般的なオープン デファレンシャルや、主にオフロードでの使用で単に車輪をロックするだけの ロッキング デファレンシャルとは異なります。

リミテッド・スリップ・デファレンシャルは、ゼネラルモーターズが所有し、もともとシボレーブランドの車両に使用されていたブランド名であるポジトラクションという一般商標 でよく知られています。[ 1 ]

自動車では、このようなリミテッド・スリップ・ディファレンシャルは標準的なオープン・ディファレンシャルの代わりに使用され、複雑さは増すものの、特定の動的利点をもたらします。

初期の歴史

1932年、フェルディナント・ポルシェはPワーゲン・グランプリ・レーシングカーを設計し、後にアウトウニオンのレーシングカーにも採用されました。過給V16エンジンの高出力により、時速160km（100mph）以下の速度域では後輪の片方が過度のホイールスピンを起こしていました。1935年、ポルシェは性能向上のため、エンジニアリング会社ZFにリミテッド・スリップ・デファレンシャルの設計を依頼しました。ZFの「スライディング・ピン・アンド・カム」が実用化され、[ 2 ]その一例が第二次世界大戦中に軍用VW（キューベルワーゲンとシュビムワーゲン）に使用されたタイプB-70です。ただし、技術的にはこれはリミテッド・スリップ・デファレンシャルではなく、2つのフリーホイールで構成されるシステムで、エンジン出力のすべてを2つの低速輪に送りました。[ 3 ]

リミテッド・スリップ・デファレンシャルは1950年代後半に米国の自動車メーカーにより広く導入され、様々な商標名で販売された。1956年初頭、パッカードはクラッチ式リミテッド・スリップ・デファレンシャルをツイン・トラクションの商標で導入し、厳しい冬の天候での運転を補助するものとして宣伝した。[ 4 ] 1957年、ゼネラル・モーターズ（GM）はシボレー・ブランドの車向けにポジトラクションの商標で競合システムを導入した。数年のうちに、他のアメリカの自動車ブランドもGMのポンティアック・ブランド向けにセーフ・T・トラック、オールズモビル・ブランド向けにアンチ・スピンなど、様々な名前で同様のシステムを導入した。またフォード・モーター・カンパニーはフォード車向けにトラクション・ロック、リンカーン車向けにディレクテッド・パワーを導入した。[ 1 ]クライスラーは、ダナ・インコーポレーテッドからパワーロックユニットを、ボルグワーナーからスピン抵抗ユニットを購入し、どちらもシュアグリップの名称で販売した[ 5 ] 。クライスラー、ダッジ、プリムスの車種に搭載された。リミテッドスリップデファレンシャルは、1960年代から1970年代のマッスルカー時代に非常に人気を博し、需要が高まった。 [ 1 ]競合ブランドが無数のマーケティング名称を使用していたにもかかわらず、シボレー車の人気により、ポジトラクションは米国でリミテッドスリップデファレンシャル全般の一般的な商標となった。 [ 1 ]

特徴

リミテッド・スリップ・デファレンシャルの主な利点は、オフロード走行や雪道において、片方の車輪が滑り始めた場合の標準（または「オープン」）デファレンシャルのケースを例に挙げることで明らかになります。標準デファレンシャルの場合、滑っている車輪、つまり接地していない車輪が（低トルク、高回転という形で）ほとんどの動力を受け取り、接地している車輪は地面に対して静止したままになります。オープンデファレンシャルによって伝達されるトルクは常に両輪で等しくなります。片方のタイヤが滑りやすい路面にある場合、供給されるトルクはごくわずかなトラクションで容易に上回ります。例えば、右タイヤは凍結路面にあるため、70 N⋅m（50 lb⋅ft）のトルクが加わるとすぐに空転し始める可能性があります。両輪の回転速度に関わらず、常に同じ量のトルクが両輪に作用するため、トラクションのかかっている車輪も70 N⋅m（50 lb⋅ft）以上のトルクを受けることができず、これは車両を動かすのに必要なトルクをはるかに下回る。一方、滑りやすい路面では、両輪に同じ（非常に低い）トルクが与えられているにもかかわらず、タイヤは単に空転し、実際の出力（回転中に供給されるトルクの関数）のすべてを吸収する。このような状況では、リミテッド・スリップ・デファレンシャルが片方の車輪に過剰な動力が配分されるのを防ぎ、両車輪の回転を駆動し続ける。[ 6 ]

高出力後輪駆動車におけるLSDの利点は、1960年代半ばから1970年代初頭にかけてのアメリカの「マッスルカー」時代に実証されました。この時代の車は通常後輪駆動で、後輪に独立懸架装置を備えていませんでした（代わりにライブアクスルが採用されていました）。ライブアクスルでは、デファレンシャルを介して高トルクが加えられると、ドライブシャフトのねじれによってアクスルが自然に回転しようとするため（車体フレームに固定されているため固定されています）、右後輪のトラクションが低下します。この現象は「ワンホイールピール」や「ワンタイヤファイア」と呼ばれるようになりました。このように、LSD、つまり「ポジ」（ポジトラクション）を搭載した「マッスルカー」は、ホイールスピンするマッスルカーに対して明確な利点を持っていました。

機械式のリミテッドスリップデファレンシャルは、適切なドリフトを行うために不可欠であると考えられている。[ 7 ]

動作の基本原理

リミテッド スリップ デファレンシャルとオープン デファレンシャルの両方に、出力シャフトを異なる速度で回転させながら、その速度の合計を入力シャフトの速度に比例させるギア トレインがあります。

自動車用リミテッド・スリップ・デファレンシャルには、出力軸の相対運動に抵抗するトルク（デファレンシャル内部）を加える何らかの機構が備わっています。簡単に言えば、これは、2つの出力間、または出力とデファレンシャルハウジングの間に抵抗トルクを発生させることで、出力間の速度差に抵抗する何らかの機構を備えていることを意味します。この抵抗トルクを発生させる機構は数多く存在します。リミテッド・スリップ・デファレンシャルの種類は、通常、抵抗機構の種類に基づいて命名されます。例としては、粘性LSDやクラッチ式LSDなどがあります。これらの機構によって提供される制限トルクの量は、設計によって異なります。

リミテッドスリップデファレンシャルはより複雑なトルク分配を行うため、出力が同じ速度で回転している場合と異なる速度で回転している場合の両方を考慮する必要があります。2つの車軸間のトルク差はTrq dと呼ばれます。[ 8 ]（この研究では、トルク摩擦の略でTrq fと呼ばれています[ 9 ]）。Trq dは、左右の車輪に伝達されるトルクの差です。Trq dの大きさは、デファレンシャルのスリップ制限機構によって決まり、入力トルクの関数（ギアデファレンシャルの場合）または出力速度の差（粘性デファレンシャルの場合）の場合があります。

出力に伝達されるトルクは次のとおりです。

  • Trq 1 = ½ Trq in + ½ Trq d（遅い出力の場合）
  • Trq 2 = ½ Trq in – ½ Trq d（より高速な出力の場合）

直線走行中に、1 つの車輪が滑り始め（トラクションのある車輪よりも速く回転し）、滑り始めている車輪（Trq 2）へのトルクが減少し、遅い車輪（Trq 1）に供給されます。

車両が旋回している際にどちらの車輪もスリップしていない場合、内輪は外輪よりも遅く回転します。この場合、内輪は外輪よりも大きなトルクを受け、アンダーステア​​が発生する可能性があります。[ 9 ]

両方の車輪が同じ速度で回転している場合、各車輪へのトルクの配分は次のようになります。

  • Trq (1 または 2) = 1/2 Trq in ± (1/2 Trq d )
  • Trq 1 +Trq 2 =Trq in。

これは、どちらかの車輪への最大トルクが静的に不確定であるが、 ½ Trq in ±( ½ Trq d )の範囲内であることを意味します。

種類

乗用車ではいくつかのタイプの LSD が一般的に使用されています。

  • 固定値
  • トルクに敏感
  • 速度に敏感
  • 電子制御

固定値

この差動装置では、2つの出力間の最大トルク差（Trq d）は、差動装置へのトルク入力や2つの出力間の速度差に関わらず、常に一定値となります。通常、この差動装置にはスプリング式クラッチアセンブリが用いられます。

トルク感度（HLSD）

これらのリミテッド スリップ デファレンシャルは、ヘリカル ギア、クラッチ、またはコーン (クラッチの代替タイプ) を使用します。ギアまたはクラッチの接続力は、デファレンシャルに加えられる入力トルクの関数です (エンジンがより大きなトルクを加えると、ギアまたはクラッチが強くグリップし、Trq dが増加します)。

ZF LSD – 左側にクラッチスタックが見える
ZF LSD – スパイダーピニオンシャフトランプが見える

トルクセンシングLSDはドライブシャフトのトルクに反応します。ドライブシャフトへの入力トルクが大きいほど、クラッチ、コーン、またはギアがより強く押し付けられ、駆動輪同士の連結がより緊密になります。一部のLSDにはスプリングローディングが組み込まれており、わずかなトルクを発生させます。これにより、入力トルクがほとんどまたは全くない場合（スロットルを下げている／ギアボックスがニュートラル／メインクラッチを踏んでいる）でも、駆動輪は最小限の連結となります。クラッチまたはコーンへのプリロード量（つまり静的連結量）は、全体的な状態（摩耗）と、それらの負荷の強さによって影響を受けます。

クラッチ式、コーン式、またはプレート式LSD

クラッチタイプは、薄いクラッチディスクを積み重ねた構造で、その半分は一方のドライブシャフトに、もう半分はスパイダーギアキャリアに連結されています。クラッチスタックは両方のドライブシャフトに、または片方のドライブシャフトにのみ配置できます。片方のみに配置されている場合は、もう一方のドライブシャフトがスパイダーギアを介してクラッチが接続されたドライブシャフトに連結されます。コーンタイプでは、クラッチの代わりに一対のコーンが配置され、これらを押し合わせることで同じ効果が得られます。

クランプ力を発生させる方法の一つとして、ソールズベリー/ランプ型LSDに用いられるようなカムランプアセンブリの使用があります。スパイダーギアはピニオンクロスシャフトに取り付けられ、ピニオンクロスシャフトはカムランプを形成する角度付き切欠きに収まります。カムランプは必ずしも対称ではありません。ランプが対称の場合、LSDは2ウェイです。ランプが鋸歯状（つまり、ランプの片側が垂直）の場合、LSDは1ウェイです。両側が傾斜しているが非対称の場合、LSDは1.5ウェイです。

もう一つの方法は、ギアの歯の自然な分離力を利用してクラッチに負荷をかけることです。例としては、2011年式アウディ・クワトロRS 5のセンターデフが挙げられます。[ 10 ]

ドライブシャフトの入力トルクがデファレンシャルセンターを回転させようとすると、ピニオンクロスシャフトがランプを登ろうとすることで、クラッチスタックに隣接する内部のプレッシャーリングが横方向に押し出され、クラッチスタックが圧縮されます。クラッチスタックの圧縮が大きくなるほど、車輪の連結が強くなります。ワンウェイLSDでは、オーバーラン時に垂直ランプ（実際にはチッピングを防ぐため80～85°）の接触面がカム効果によってクラッチスタックに圧縮されることはありません。

2ウェイ、1ウェイ、1.5ウェイ

大まかに言えば、入力トルクには負荷、無負荷、オーバーランの3つの状態があります。前述の通り、負荷状態ではカップリングは入力トルクに比例します。無負荷状態では、カップリングは静的カップリングに低下します。オーバーラン時（特に急激なスロットルリリース時）の挙動によって、LSDの1ウェイ、1.5ウェイ、または2ウェイのいずれになるかが決まります。

2ウェイデファレンシャルは、前進方向と後進方向の両方で同じ制限トルクTrq dを持ちます。つまり、エンジンブレーキ時にデファレンシャルはある程度の制限作用を発揮します。初期のパッカード・ツイントラクションユニットは、この方法で動作するように設計されており、これは別の利点をもたらすために宣伝されていました。デファレンシャルに負荷がかかった状態で後輪の片方が路面に衝突し、一時的に地面から離れた場合、浮いた車輪は空転せず、空転した車輪が再び路面に接触すると、車両のトラクションが切れるのです。[ 4 ]

1ウェイデファレンシャルは、一方向のみに制限作用を及ぼします。反対方向にトルクが加えられると、オープンデファレンシャルのように動作します。前輪駆動車の場合、2ウェイデファレンシャルよりも安全であると主張されています。[ 11 ] オーバーラン時に追加のカップリングがない場合、つまり1ウェイLSDの場合、ドライバーがスロットルを離すとすぐにLSDがロック解除され、従来のオープンデファレンシャルのように動作します。これは前輪駆動車にも最適で、スロットルを離すと車が前進するのではなく、内側に旋回します。[ 11 ]

1.5ウェイデファレンシャルとは、前進と後進の制限トルク（Trq d_fwd, d_rev）が異なるものの、1ウェイLSDのようにどちらもゼロではないデファレンシャルを指します。このタイプのデファレンシャルは、エンジンブレーキ時の安定性を高めるために、強い制限トルクを必要とするレーシングカーでよく使用されます。

ギア付きLSD

アウディクワトロトルセンディファレンシャル

ギア付きでトルク感応型の機械式リミテッド・スリップ・デファレンシャルは、ウォームギアとスパーギアを用いて、入力動力を2つの駆動輪または前後の車軸に分配・差動させます。これは、ほとんどの自動車用途で見られる最も一般的なベベル・スパイダーギア設計とは全く異なる設計です。ギアにトルクが加えられると、ギアはデファレンシャルハウジングの壁に押し付けられ、摩擦が生じます。この摩擦​​が出力の相対的な動きに抵抗し、制限トルクTrq dを生み出します。

他の摩擦ベースのLSD設計は、一般的なスパイダーギアの「オープン」デフと、差動を阻害するスプリング式摩擦部品を組み合わせたものですが、トルクバイアスセンシング設計は設計に組み込まれており、追加機能としてではなく、LSDタイプ（非効率なギアリング設計を選択）です。その結果、一部のLSDタイプやロック式LSDのように固着することなく、様々な路面状況で高いパワーデリバリーを実現します。

例:

  • トルセンT-1は、1949年頃にヴァーノン・グリースマン が発明したオリジナルのグリースマン・デファレンシャルのブランド名です（米国特許2,559,916、1949年出願、1951年取得）。[ 12 ] オリジナルのグリースマン設計はグリーソン・ワークス（後のグリーソン・コーポレーション）に売却され、同社は1982年に販売を開始しました。オリジナルのT-1モデルはCクリップ・ドライブ・アクスルと互換性がなかったため、当時の多くの乗用車やピックアップトラックでの使用が制限されていました。しかし、オリジナルのトルセン・デファレンシャルは、マリオ・アンドレッティとポール・ニューマンのレースで使用され、大きな成功を収めました。[ 13 ] 後のウォームギアLSD設計はすべて、オリジナルのグリースマン・デファレンシャルから派生したものです。T-1は、アウディ・クワトロ、スバル・インプレッサWRX STI、トヨタ・メガクルーザー、AMゼネラルHMMWV「ハンヴィー」のオリジナル装備です。[ 14 ]
  • トルセンT-2は、1984年頃にグリースマン社が開発した新しい設計（米国特許出願 WO1984003745 A1）[ 15 ]で、Cクリップ式アクスルと互換性があります。この新しい設計と、ゼクセル・グリーソンUSAの合併により、トルセンはOEMおよびアフターマーケット市場向けに供給可能となりました。その派生型には、レース用にプリロードを与えるポジトラクション式クラッチパックを備えたT-2Rと、AWD用途向けのデュアルデファレンシャルであるT-3があります。T-2は、多くの高性能車やピックアップトラックの純正装備となっています。[ 14 ]
  • Quaife製デファレンシャルは、自動トルクバイアス差動装置（ATB Differential®️）の名称で販売され、欧州特許第130806A2号を取得しています。Quaifeバージョンは、米国を除く欧州市場において最も定着しており、欧州車および日本車、特に前輪駆動車および四輪駆動車向けに幅広いアフターマーケットサポートを提供しています。フォード・フォーカスRSのMk1およびMk2（後のMk3ではオプション）には、Quaife ATB Differential®️が標準装備されていました。[ 16 ] [ 17 ]
  • イートン社は、長年にわたり生産されているTruetracデファレンシャルの最新所有者です。その設計はTorsen T-2（やや低めのトルクバイアス）に類似しており、後輪駆動車や4x4ピックアップトラック向けの多くの人気の米国製ソリッドアクスルのアフターマーケット部品として採用されています。Truetracは、オフロード走行を目的とした4x4ピックアップトラックのフロントアクスルに、センターロック式およびリアロック式デファレンシャルと組み合わせて使用​​されることが最も多いです。すべてのギア付きLSD設計と同様に、Truetracは、他のLSDや「ロッカー」設計にありがちなステアリングへの悪影響を一切与えません。

速度感度

速度感応型ディファレンシャルは、2つの出力軸間の速度差に基づいて、出力間のトルク差（Trq d ）を制限します。そのため、出力速度差が小さい場合、ディファレンシャルの挙動はオープンディファレンシャルに非常に近くなります。速度差が大きくなるにつれて、制限トルクも大きくなります。その結果、トルク感応型ディファレンシャルとは異なる動的挙動を示します。

粘性（VLSD）

日産 240SXビスカスLSD

粘性タイプは一般に、高粘度の流体による流体摩擦を利用するため、より単純です。シリコンベースのオイルがよく使用されます。このタイプでは、多孔ディスクのスタックで満たされた円筒形の流体チャンバーが、出力シャフトの通常の動きとともに回転します。チャンバーの内面はドライブシャフトの 1 つに結合され、外面は差動キャリアに結合されます。ディスクの半分は内側に、もう半分は外側に接続され、スタック内で内側と外側が交互になります。差動運動により、交互に配置されたディスクは流体中を互いに押し付けられて移動します。一部の粘性カップリングでは、速度が維持されているときに、摩擦により流体に熱が蓄積されます。この熱によって流体が膨張し、カップラーが膨張してディスクが引き寄せられ、結果としてプレート間の非粘性摩擦が発生し、速度差が大幅に減少します。これはハンプ現象として知られており、カップラーの側面が緩やかにロックできるようにします。機械式とは対照的に、リミッティング動作ははるかにソフトで、スリップ量に比例するため、平均的なドライバーにとって扱いやすいです。ニュープロセスギアは、AMCイーグルを含むいくつかのトランスファーケースに、ファーガソン式のビスカスカップリングを採用しました。

ビスカスLSDは機械式よりも効率が低く、つまりパワーが「失われる」という欠点があります。特に、シリコンが過熱するような持続的な負荷がかかると、差動効果が突然永久的に失われます。[ 18 ]ビスカスLSDには、徐々に故障し、セミオープンデフの動作に戻るという利点があります。通常、60,000マイル（97,000 km）以上走行したビスカスLSDは、ほぼオープンデフとして機能します。シリコンオイルは、デフの残りの部分を囲むギアオイルとは別のチャンバーに工場で密封されています。これは修理不可能であり、デフの動作が悪化した場合は、VLSDセンターを交換する必要があります。

ジェロータポンプ

このタイプのリミテッド スリップ デファレンシャルは、ジェロータポンプを使用してクラッチを油圧で圧縮し、回転速度が低い方の車輪にトルクを伝達します。ジェロータ ポンプは、デファレンシャル キャリアまたはケージを使用してポンプの外側のローターを駆動し、1 つの車軸を使用して内側のローターを駆動します。左右の車輪の速度に差がある場合、ポンプが油圧液を加圧してクラッチを圧縮し、回転速度が低い方の車輪にトルクを伝達します。これらのポンプベースのシステムには、適用される圧力に下限と上限があり、左右の車輪の速度差が大きくなるほど、従来のデファレンシャルまたはオープン デファレンシャルのように機能します。また、ヒステリシスを回避するために内部ダンピングが行われます。最新のジェロータ ポンプ ベース システムは、コンピューター制御の出力を備えているため、汎用性が高く、振動がありません。

電子

電子制御リミテッドスリップデファレンシャルは、通常、オープンデファレンシャルと同様の遊星ギアセットまたはベベルギアセットと、トルク感応式またはジェロータポンプ式デファレンシャルと同様のクラッチパックを備えています。電子ユニットでは、クラッチのクランプ力がコンピュータまたはその他のコントローラによって外部から制御されます。これにより、デファレンシャルの制限トルクTrq dを、シャーシ管理システム全体の一部として制御できます。このタイプのデファレンシャルの例として、スバル WRX STi に使用されているスバルの DCCD があります。[ 19 ] 2005年以降に生産されたJeep Quadra-Drive II四輪駆動システムは、このタイプのデファレンシャルを使用しています。[ 20 ]もう1つの例として、ポルシェ 928 に使用されているポルシェ PSD システムがあります 。もう一つの例は、 eLSDを搭載したSAAB XWD（Haldex第4世代）で、共通の（車両コンピュータネットワークを介して電子制御される）油圧パワーパックを使用して、XWDシステムの縦方向と横方向の両方のトルク伝達を制御します。[ 21 ]同じHaldexシステムは、キャデラックSRXなど、他のいくつかのGMイプシロンベースの車両にも使用されています。

電子システム：ブレーキベース

これらのシステムは、従来のリミテッド・スリップ・デファレンシャルの代替となるものです。これらのシステムは、速度センサー、アンチロック・ブレーキ・システム（ABS）センサー、加速度計、マイクロコンピューターなど、様々なシャーシセンサーを活用し、車輪のスリップと車両の動きを電子的に監視します。シャーシ制御システムが車輪のスリップを検知すると、コンピューターはその車輪にブレーキをかけます。上記のリミテッド・スリップ・デファレンシャルシステムとこのブレーキベースのシステムとの大きな違いは、ブレーキベースのシステムは、本来、回転速度の遅い車輪に大きなトルクを送るわけではないこと、そして、ブレーキベースのシステムが定期的に作動するような環境で車両を運転した場合、ブレーキ摩擦材の摩耗が大きくなることです。

BMWのF10 5シリーズに搭載されている電子制御リミテッド・スリップ・デファレンシャルは、そのようなシステムの一例です。もう一つの例は、スタイリングを一新し、新型4.6L V8オーバーヘッドカムエンジンを搭載したフォード・クラウン・ビクトリアの初年度（1992年）に導入され、オプションでアンチロックブレーキ（ABS）が装備されました。このオプションは1992年式クラウン・ビクトリア以降、ABS搭載車で選択可能でした。

参考文献

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