リミテッドスリップデファレンシャル

リミテッド・スリップ・ディファレンシャル（LSD）は、 2つの出力軸が異なる速度で回転することを可能にするが、2つの軸間の最大差を制限する差動歯車列の一種である。リミテッド・スリップ・ディファレンシャルは、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 でよく知られている。^[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が標準のディファレンシャルの代わりに使用されることがあり、複雑さが増す代わりに、特定の動的利点をもたらします。

1932年、フェルディナント・ポルシェはアウトウニオン社のためにグランプリレーシングカーを設計した。この設計の高出力により、160 km/h (100 mph) までの速度で後輪の1つが過度のホイールスピンを起こした。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た。^[要出典] ZF の「スライディングピンとカム」が利用可能になり、^[2]その一例として、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 があるが、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たシステムで、エンジンパワーのすべてを2つの車輪の低速回転に送っていた。^[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って広く導入され、さまざまな商標名で販売された。1956年初頭、パッカードはクラッチタイプのリミテッド・スリップ・デファレンシャルをTwin Tractionの商標で導入し、厳しい冬の天候での運転を支援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Positractionの名称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が、 GMのポンティアック・ブランド向けにSafe-T-Track 、オールズモビル・ブランド向けにAnti Spinなど、さまざまな名前で同様のシステムを導入した。一方、フォード・モーター・カンパニーは、フォード車向けにTraction-Lok 、リンカーン車向けにDirected Powerを導入した。^[1]クライスラーは、Dana IncorporatedからPower-Lokユニットを、Borg-WarnerからSpin-Resistantユニットを購入し、どちらもSure-Grip ^[5]という名前でクライスラー、ダッジ、プリマスの車両に搭載して販売しました。リミテッドスリップデフは、1960年代から1970年代のマッスルカー時代に非常に人気が高まり、求められました。 ^[1]競合ブランドが無数のマーケティング名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、Positractionは米国でリミテッドスリップデフ全般の一般的な商標になりました。 ^[1]

リミテッド スリップ ディファレンシャルの主な利点は、オフロード走行や雪道で 1 つの車輪が滑り始める標準 (または「オープン」) ディファレンシャルの場合を考えればわかります。標準ディファレンシャルの場合、滑っている車輪または接触していない車輪が (低トルク、高回転の形で) 動力の大部分を受け取り、接触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 ディファレンシャルによって伝達されるトルクは常に両方の車輪で等しくなります。1 つ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、非常に低い数値で利用可能なトラクションを簡単に上回ります。たとえば、右のタイヤは、氷の路面にあるため、70 N⋅m (50 lb⋅ft) のトルクがかかるとすぐにスピンし始める可能性があります。両輪の回転速度に関係なく、常に同じ量のトルクが感じられるため、トラクションのある車輪は 70 N⋅m (50 lb⋅ft) 以上のトルクを受け取ることもできず、これは車両を動かすのに必要な量よりはるかに少ない。一方、滑りやすい路面にあるタイヤは、両輪に同じ量のトルク (非常に低い) が供給されているにもかかわらず、単に回転し、実際の出力(回転中に供給されるトルクの関数) のすべてを吸収します。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、過剰なパワーが一方の車輪に割り当てられるのを防ぎ、両方の車輪が動力回転状態を維持します。^[6]

高出力の後輪駆動車における LSD の利点は、1960 年代半ばから 1970 年代前半の米国の「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、後輪に独立したサスペンションを備えていませんでした(代わりにライブ アクスルが使用されていました)。ライブ アクスルでは、差動装置を介して高トルクが適用されると、アクスルがドライブ シャフトのねじれで自然に回転しようとするため (ただし、車体フレームに取り付けら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。このことから、「ワン ホイール ピール」または「ワン タイヤ ファイア」という用語が生まれました。このように、LSD または「ポジ」(ポジトラクション) を備えた「マッスルカー」は、ホイールが空転するマッスルカーに比べて明らかに有利でした。

機械式のリミテッド・スリップ・ディ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]

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ギア トレインがあり、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ます。

自動車のリミテッド 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) を加える何らかのメカニズムがあります。簡単に言えば、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生成することで、出力間の速度差に抵抗する何らかのメカニズムがあるということです。この抵抗トルクを生成するために使用されるメカニズムは多数あります。リミテッド スリップ デファレンシャルの種類は、通常、抵抗メカニズムの種類から名前が付けられます。例としては、粘性 LSD やクラッチ ベースの LSD などがあります。これらのメカニズム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割を持ち、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に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^[9]の略でTrq _fと呼ばれています）。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メカニズムから生じ、入力トルクの関数（ギアデファレンシャルの場合など）または出力速度の差（粘性デファレンシャルの場合など）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始める)、滑りのある車輪 ( Trq ₂ ) へのトルクが減少し、遅い車輪 ( Trq ₁ ) に供給されます。

車両が旋回していてどちらの車輪も滑っていない場合、内側の車輪は外側の車輪よりも遅く回転します。この場合、内側の車輪は外側の車輪よりも多くのトルクを受け取り、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 _d )_内の½ Trqの範囲内であることを意味します。

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

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係なく、常に固定値になります。通常、この差動装置ではスプリング式クラッチ アセンブリが使用されます。

これらのリミテッド スリップ ディファレンシャルは、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、ディファレンシャルに適用さ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適用すると、ギアまたはクラッチのグリップが強くなり、Trq _dが増加します)。

トルク感知 LSD はドライブシャフトのトルクに反応するため、ドライブシャフトの入力トルクが大きいほど、クラッチ、コーン、またはギアが強く押し付けられ、駆動輪同士がより密接に連結されます。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、小さなトルクを供給して、入力トルクがほとんどまたはまったくない場合 (トレーリング スロットル/ギアボックスがニュートラル/メイン クラッチが押されている)、駆動輪が最小限に連結されます。クラッチまたはコーンのプリロード量 (つまり静的連結) は、一般的な状態 (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 タイプには薄いクラッチ ディスクのスタックがあり、その半分はドライブ シャフトの 1 つに連結され、残りの半分はスパイダー ギア キャリアに連結されます。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。片方のみに配置する場合は、残りのドライブ シャフトがスパイダー ギアを介してクラッチ 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 1 組のコーンが使用され、これらが押し合わされて同じ効果が得られます。

クランプ力を生成する方法の 1 つは、ソールズベリー/ランプ スタイルの LSD で使用されるようなカム ランプ アセンブリを使用することです。スパイダー ギアは、カム ランプを形成する角度付きカットアウトに収まるピニオン クロス シャフトに取り付けられます。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 方向です。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 方向です。両側が傾斜しているが非対称の場合、LSD は 1.5 方向です。

代替案としては、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方法がある。例としては、2011年型アウディ・クワトロRS5のセンターデフが挙げられる。^[10]

ドライブシャフトの入力トルクが差動センターを回転させようとすると、ランプを登ろうとするピニオンクロスシャフトによって内部圧力リング（クラッチスタックに隣接）が横に押し出され、クラッチスタックが圧縮されます。クラッチスタックが圧縮されるほど、ホイールの連結が強化されます。オーバーラン時のワンウェイ LSD の垂直ランプ（実際には欠けを防ぐために 80～85°）面の噛み合いでは、カム効果や対応するクラッチスタックの圧縮は発生しません。

大まかに言えば、入力トルクの状態には、負荷、無負荷、オーバーランの 3 つがあります。負荷状態では、前述のように、カップリングは入力トルクに比例します。無負荷の場合、カップリングは静的カップリングに減少します。オーバーラン時の動作 (特に突然のスロットル解放) によって、LSD が 1 方向、1.5 方向、または 2 方向のいずれであるかが決まります。

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。これは、エンジンブレーキ時にデファレンシャルがある程度制限作用を発揮することを意味します。初期のパッカードツイントラクションユニットは、このように機能するように設計されており、別の利点を提供するために宣伝されました。負荷がかかったデファレンシャルで後輪の1つがバンプにぶつかって一瞬地面から離れると、浮いた車輪は自由に回転せず、回転した車輪が再び地面に接触したときに車両のトラクションが切れます。^[4]

1 ウェイ デファレンシャルは、一方向にのみ制限作用を発揮します。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。FWD 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 FWD 車にも最適で、スロットルを離すと車が前方に突き進むのではなく、内側に曲がることができます。^[11]

1.5 ウェイ ディ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 の場合のようにどちらもゼロではないディファレンシャルを指します。このタイプのディファレンシャルは、強力な制限トルクがエンジン ブレーキ時の安定性を高めることができるレーシング カーでよく使用されます。

ギア付きのトルク感応型機械式リミテッド スリップ ディファレンシャルは、ウォーム ギアと平歯車を使用して、2 つの駆動輪または前後の車軸間で入力パワーを分配および差別化します。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 ギア設計とはまったく異なる設計です。トルクがギアに加えられると、ギアはディファレンシャル 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​​により出力の相対的な動きが抑制され、制限トルクTrq _{d が}生成されます。

一般的なスパイダー ギアの「オープン」差動装置と、差動を阻止するスプリング式摩擦部品を組み合わせた他の摩擦ベースの LSD 設計とは異なり、トルク バイアス センシング設計は、アドオンではなく設計に内在していますが、それでも LSD タイプです。その結果、一部の LSD タイプやロック タイプのように固着しない差動装置が実現し、多くの道路状況でパワー供給が向上します。

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差動装置のブランド名である（米国特許2,559,916は1949年に申請され、1951年に認可された）。 ^[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（後にグリーソンコーポレーションと改名）に売却され、同社は1982年に販売を開始した。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いため、当時の多くの車やピックアップトラックでの使用が制限されていた。しかし、オリジナルのトルセン差動装置はマリオ・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、大きな成功を収めた。^[13] その後のウォームギアLSD設計はすべて、オリジナルのグリースマン差動装置から派生​​したものである。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「ハンビー」のオリジナル装備である。^[14]
• トルセンT-2は、1984年頃のグリースマン社の新設計（米国特許出願WO1984003745 A1）^{[15]で、Cクリップ車軸と互換性があります。この新設計と、}ゼクセル-グリーソンUSAの合併により、OEMおよびアフターマーケットアプリケーションでのトルセンの可用性が向上しました。バリエーションには、レース用にプリロードを与えるポジトラクションスタイルのクラッチパックを含むT-2Rと、AWDアプリケーション用のデュアルディ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オリジナル装備です。^[14]
• Quaifeディファレンシャルは、自動トルクバイアスディファレンシャル (ATB Differential®️) という名称で販売され、欧州特許番号 130806A2 で保護されています。Quaife バージョンは、ヨーロッパおよび米国以外の他の市場で最も定着しており、ヨーロッパおよび日本のブランド車、特に前輪駆動および全輪駆動アプリケーションに広範なアフターマーケットサポートを提供しています。Mk1 および Mk2 (後の Mk3 ではオプション) のFord Focus RS は、Quaife ATB Differential®️ をオリジナル機器として使用していました。^{[16] [17]}
• Eaton Corporation は、長年生産されている Truetrac デファレンシャルの最新の所有者です。その設計は Torsen T-2 (わずかに低いトルク バイアス) に似ており、後輪駆動および4x4ピックアップ トラック用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です。Truetrac は、オフロード用 4x4 ピックアップ トラックの前車軸に、ロック センターおよびリア 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 設計の場合と同様に、Truetrac は、他のほとんどの LSD および「ロッカー」設計で起こりがちなステアリングへの悪影響を一切与えません。

速度感応型差動装置は、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。したがって、出力速度差が小さい場合、差動装置の動作はオープン差動装置に非常に近くなる可能性があります。速度差が大きくなると、制限トルクが増加します。この結果、トルク感応型差動装置と比較して、動的動作が異なります。

粘性タイプは、高粘度の流体による流体摩擦を利用するため、一般的に単純です。シリコンベースのオイルがよく使用されます。ここでは、穴あき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に合わせて回転します。チャンバーの内側の表面はドライブシャフトの 1 つに結合され、外側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接続され、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が流体中を互いに移動するように強制されます。一部の粘性カップリングでは、速度が維持されると、流体が摩擦によって熱を蓄積します。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、結果として非粘性プレート間の摩擦が発生し、速度差が劇的に減少します。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ゆっくりとロックされます。機械式と対照的に、制限動作ははるかにソフトで、スリップに比例しているため、平均的なドライバーにとっては扱いやすいものとなっています。New Process Gear は、 AMC Eagleで使用されているものを含むいくつかのトランスファーケースに、Fergusonスタイルの粘性カップリングを採用しました。

粘性LSDは機械式よりも効率が悪く、つまりパワーが「失われる」。特に、シリコンを過熱させるような持続的な負荷がかかると、差動効果が突然永久に失われる。^[18]粘性LSDには、うまく機能しなくなり、セミオープン差動装置の動作に戻るという利点がある。通常、60,000マイル（97,000 km）以上走行した粘性差動装置は、主にオープン差動装置として機能する。シリコンオイルは、差動装置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る。これは修理不可能であり、差動装置の挙動が悪化した場合は、VLSDセンターを交換する必要がある。

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、回転速度が遅い車輪にトルクを伝達します。ジェロータ ポンプは、差動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 つの車軸シャフト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、ポンプが油圧流体を加圧してクラッチを圧縮し、回転速度が遅い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、適用される圧力の下限と上限があり、左右の車輪の速度差が大きくなるまで、差動装置は従来の差動装置またはオープン差動装置のように動作し、ヒステリシスを回避するための内部ダンピングがあります。最新のジェロータ ポンプ ベースのシステムは、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。^[要出典]

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歯車またはベベル・ギア・セットと、トルク感応式またはジェロータ・ポンプ・ベースのデファレンシャルと同様のクラッチ・パックを備えている。電子ユニットでは、クラッチの締め付け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る。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る。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 が挙げられる。[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る。 ^[20]もう 1 つの 例としては、ポルシェ 928に使用されているポルシェ PSD システムが挙げられる。^[21]同じハルデックスシステムは、キャデラックSRXなど、GMイプシロンベースの他の車両にも使用されています。

これらのシステムは、従来のリミテッド スリップ ディファレンシャルの代替です。このシステムは、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のさまざまなシャーシ センサーを利用して、ホイール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ホイールがスリップしていると判断すると、コンピューターはそのホイールにブレーキをかけます。上記のリミテッド スリップ ディファレンシャル システムとこのブレーキ ベースのシステムの大きな違いは、ブレーキ ベースのシステムは、本質的に、遅いホイールに大きなトルクを送らないことと、ブレーキ ベースのシステムが定期的に作動する環境で車両を運転すると、このようなシステムの使用によりブレーキ摩擦材の摩耗が増えることです。

BMWの F10 5 シリーズに使用されている電子式リミテッド スリップ ディファレンシャルは、このようなシステムの一例です。もう 1 つの例は、オプションのアンチロック ブレーキを備えた、スタイルが変更された新しい 4.6L V-8 オーバーヘッド カム フォードクラウン ビクトリアモデルの最初の年 (1992 年) の生産から始まりました。このオプションは、1992 年クラウン ビクトリア以降、アンチロック ブレーキを装備した車で利用可能でした。

• スプール
• ロック式差動装置

ビーチ・ボーイズの曲「409 」の歌詞には、リミテッド・スリップ・ディファレンシャルの存在が次のように記されています。「...僕の4速デュアル・クワッド、ポジトラクション4-0-9（4-0-9、4-0-9）」

1992年の映画『いとこのビニー』では、殺人罪で無実の容疑をかけられた2人の若者の無罪の証拠として、LSD（リミテッド・スリップ・デファレンシャル）を搭載した車のタイヤ痕の写真が大いに利用されているが、この車は（マリサ・トメイ演じる登場人物がオスカー受賞の演技で有名なセリフを発しているように）「被告らが運転していた1964年型ビュイック・スカイラークには装備されていなかった」^[22]。彼女は、証拠はむしろ逃走車が1963年型ポンティアック・テンペストであり、この車にはオプションでセーフ・T・トラック（ポンティアック版ポジトラクション）LSDが装備されていたことを証明していると主張している。