| 【発明の名称】 |
運輸装置用ダイナミックダンパ |
| 【発明者】 |
【氏名】鈴木 善昭
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| 【要約】 |
【課題】複雑な振動系を構成する運輸装置の主振動を確実に低減し、運輸装置の操舵性、居住性を常に最良に保持する。
【解決手段】運輸装置用ダイナミックダンパ２０は、自動車ボディ側のクロスメンバ２２にスペアタイヤＳＴを２つの支持部材２６により支持する。この両支持部材２６は、車体幅方向に間隔をとった２点に設けられ、弾性係数（ばね定数）ｋのスプリング２６Ａと粘性減衰係数ｃのダンパ２６Ｂとを並列に接続して構成され、質量ｍのスペアタイヤＳＴと共に副振動系を構成する。よって、この運輸装置用ダイナミックダンパ２０では、支持部材２６におけるばね定数ｋと粘性減衰係数ｃをその設計段階等において適宜決定することで、その合成機械インピーダンスＺをローリング吸収に最適のものとすることができる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 車両や船舶などの運輸装置の運行に伴って発生する当該運輸装置の振動を、前記運輸装置に取り付けられた質量体の振動として吸収する運輸装置用ダイナミックダンパにおいて、前記質量体の取り付けに際し、異なる種類の機械インピーダンスを呈する複数の連結部材を直列および／または並列に用いたことを特徴とする運輸装置用ダイナミックダンパ。
【請求項２】 請求項１記載の運輸装置用ダイナミックダンパであって、前記質量体は、前記運輸装置の運行を補助するために当該運輸装置に取り付けられる補助装置である、運輸装置用ダイナミックダンパ。
【請求項３】 請求項１記載の運輸装置用ダイナミックダンパであって、前記複数の連結部材の少なくとも一つは、機械インピーダンスを可変とするアクチュエータを備える、運輸装置用ダイナミックダンパ。
【請求項４】 請求項３記載の運輸装置用ダイナミックダンパであって、運輸装置の振動を検出する振動検出手段と、該振動検出手段の検出結果に基づいて前記アクチュエータの駆動を制御する駆動量制御手段と、を備える、運輸装置用ダイナミックダンパ。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、自動車や電車などの車両あるいは船舶などの運輸装置の運行に伴って発生する振動（以下、主振動という）を、運輸装置に取り付けられた質量体の振動（副振動）として吸収することで、運輸装置の操舵性や居住性を向上させる運輸装置用ダイナミックダンパに関する。
【０００２】
【従来の技術】車両や船舶などの運輸装置の運行時に生じる主振動としては、運輸装置の重心を中心として前後に揺れるピッチング、左右に揺れるローリング、全体が上下に揺れるバウンシング等が知られている。そして、これら振動は単独あるいは同時に発生し、複雑な振動系を形成している。運輸装置に発生するこれらの振動は操舵性や居住性に悪影響を及ぼすため、振動低減は運輸装置設計上の課題となっている。しかし、このような振動は、外部的要因により、例えば運輸装置が様々な路面を走行したり、様々な波浪を受けて走行したりするため生じる。また、内部的要因としては、運輸装置自体が有する内燃機関や動力伝達機構などを挙げることができ、これらの運転或いは駆動に伴って振動が生じる。このため、運輸装置に発生するこれらの振動は、不可避的であるといえる。そこで従来より、サスペンションシステムの採用、ボディ剛性の向上、内燃機関の弾性マウントなどの改良が進められていが、これらの改良は生産工数の増大、生産ラインの変更、装置重量の増加などを招き、振動低減の効果には限度がある。
【０００３】そこで、上記の振動低減の改良に加えて、運輸装置の振動を運行のための補助装置、例えばスペアタイヤ、救命ボートなどの振動（副振動）として吸収する運輸装置用ダイナミックダンパが提案されている。例えば、特開昭５８−１１２８８３号公報、実開昭５６−１６８４８７号公報、実開昭５７−１２３７３号公報、実開昭５９−９１９７３号公報には、運輸装置である自動車に補助装置として搭載されるスペアタイヤを、弾性部材を介して取り付けることで副振動を積極的に利用する技術が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】従来の運輸装置用ダイナミックダンパは、何れも弾性体を介してスペアタイヤを取り付けるのみの構造であり、副振動系は単純な振動モードのみを有している。
【０００５】しかし、運輸装置の主振動系は極めて複雑で、上述の外部的要因、内部的要因の力によって各種の振動モードが常時発生している。このため、従来の運輸装置用ダイナミックダンパにより改善される主振動は、予め設計された所定の振動モードのみとなり、効果が極めて限定的であった。
【０００６】また、運輸装置の経年変化や搭載重量などにより振動モードが変化すると、従来の運輸装置用ダイナミックダンパはその限定的な振動抑制効果もを失ってしまったり、最悪の場合には主振動と共振することで却って振動を増幅するという問題があった。
【０００７】本発明は、上記問題点を解決するためになされ、複雑な振動系を構成する運輸装置の主振動を確実に低減する副振動系を構成し、運輸装置の操舵性、居住性を常に最良に保持する運輸装置用ダイナミックダンパを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】本発明の運輸装置用ダイナミックダンパは、車両や船舶などの運輸装置の運行に伴って発生する当該運輸装置の振動を、前記運輸装置に取り付けられた質量体の振動として吸収する運輸装置用ダイナミックダンパにおいて、前記質量体の取り付けに際し、異なる種類の機械インピーダンスを呈する複数の連結部材を直列および／または並列に用いたことを特徴とする。
【０００９】ここで、機械インピーダンスＺとは、振幅Ｆと振幅Ｆによって生じる速度Ｖとの比（Ｚ＝Ｆ／Ｖ）であり、例えば質量ｍの場合のＺ＝ｊωｍ、ダシュポットの場合のＺ＝ｃ（ｃは粘性減衰係数）、弾性体の場合のＺ＝ｋ／ｊω（ｋは弾性係数）をいう。ここで、ωとは角振動数である。また、異なる種類の機械インピーダンスＺを呈する連結部材とは、上述の様に複素数で表現したときにそれぞれが振幅Ｆに対して独自の位相をもって応答する連結部材をいう。
【００１０】そして、本発明の運輸装置用ダイナミックダンパは、このように異なる種類の機械インピーダンスを呈する連結部材を直列および／または並列に用いてこの運輸装置に取り付けられた質量体で副振動系を構成するので、異なる機械インピーダンスＺの組み合わせ、その機械インピーダンスの直並列接続などによりこの副振動系における振動に対しての設計の自由度が高まる。よって、複雑な振動系を構成する運輸装置の主振動が、単独の機械インピーダンスＺでは吸収し得ない或いは吸収するには非現実的となる振動モードであっても、運輸装置用ダイナミックダンパの呈する機械インピーダンスを、想定されるこの主振動の振動モードに合わせてその設計段階にて容易に決定できる。そして、このように運輸装置用ダイナミックダンパの呈する機械インピーダンスを決定並びに調整することで、運輸装置の主振動を、この副振動系で確実に低減し、運輸装置の操舵性、居住性を好適な状態に維持することができる。
【００１１】この場合、副振動系を構成する質量体を、運輸装置の運行を補助するために当該運輸装置に取り付けられる補助装置、具体的には車両におけるスペアタイヤ、船舶における救命ボート等とすることが好ましい。このようにすれば、運輸装置に不可欠なこれら補助装置を主振動低減に兼用することができ、主振動低減のためだけの特別な質量体が不要となり好ましい。
【００１２】また、本発明の運輸装置用ダイナミックダンパにおいては、複数の連結部材の少なくとも一つを、機械インピーダンスを可変とするアクチュエータを備えるものとすることが望ましい。この様に機械インピーダンスを可変とすれば、主振動に呼応して副振動系の振動モードをコントロールすることができ、ダイナミックダンパとしての主振動低減効果を一層顕著とすることができる。
【００１３】更に、本発明の運輸装置用ダイナミックダンパに、運輸装置の振動を検出する振動検出手段と、この振動検出手段の検出結果に基づいてアクチュエータの駆動を制御する駆動量制御手段と、を備えることがより望ましい。この様に運輸装置用ダイナミックダンパを構成した場合、副振動系の振動モードを主振動に応じて常時最適に制御することができ、複雑な運輸装置の主振動を確実に低減するように追随する副振動系を構成して、より確実且つ的確に主振動を低減することができる。
【００１４】
【発明の他の態様】本発明の運輸装置用ダイナミックダンパは、次の様な態様も包含する。
【００１５】機械インピーダンスを可変とする態様は、結果として副振動系の合成機械インピーダンスが変更されることで足りる。例えば、ピストンに穿設された連通孔の有効面積を変更して粘性減衰係数ｃを直接変更する構成ばかりでなく、複数の連結部材の直並列の接続方式を変更したり、連結部材の接続にすべりを持たせて非線形の振動系としたり、それらを組み合わせるなどの態様が含まれる。
【００１６】また、機械インピーダンスを変更するその他の態様として、運輸装置の重心を中心として前後に揺れるピッチング、左右に揺れるローリング、全体が上下に揺れるバウンシング等の振動減衰の目標となる主振動に応じて運輸装置用ダイナミックダンパの取り付け位置を変更してもよい。例えば、ピッチングを振動減衰の目標とするときには、運輸装置用ダイナミックダンパにより、補助装置を重心を中心とした前後位置で取り付ければよい。同様に、ローリングを減衰対象とするときには、運輸装置用ダイナミックダンパにより、補助装置を重心を中心とした左右位置で保持すればよい。この様に振動減衰の目標に応じて運輸装置用ダイナミックダンパの取り付け位置を変更すれば、主振動に対する副振動の影響を大きくすることが可能となり、主振動吸収効果がより顕著となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を実施例に基づき説明する。図１は、第１実施例である運輸装置用ダイナミックダンパ２０をスペアタイヤＳＴの支持部に搭載した自動車ＡＭの全体概要図、図２は、その運輸装置用ダイナミックダンパ２０の構成を模式的に表した説明図である。
【００１８】これら図面に示すように、自動車ボディ側のクロスメンバ２２とスペアタイヤＳＴを支持するためのスペアタイヤサポート２４とは、車体幅方向に間隔をとった２点に設けられた２つの支持部材２６により連結支持されている。ここでそれぞれの支持部材２６とは、弾性係数（ばね定数）ｋのスプリング２６Ａと粘性減衰係数ｃのダンパ２６Ｂとを並列に接続したものであり、スペアタイヤＳＴの質量ｍとから副振動系を構成する。スペアタイヤＳＴは、スペアタイヤサポート２４と一体となって振動するように、スペアタイヤサポート２４に熔接されたスペアタイヤ固定用ボルト２８と、スペアタイヤ固定用ナット３０によりこのスペアタイヤサポート２４に強固に螺着されている。
【００１９】この様に構成される第１実施例の運輸装置用ダイナミックダンパ２０は、スペアタイヤＳＴの質量ｍと副振動系を構成する支持部材２６がばね定数ｋ、粘性減衰係数ｃという２種類の機械インピーダンスを有する。このため、その合成機械インピーダンスＺの設計自由度が高まり、自動車ＡＭの重心を中心として左右方向に発生する振動、すなわちローリングを吸収するのに最適の副振動系を構成するように設計することが可能となり、自動車ＡＭのローリングを効果的に吸収する運輸装置用ダイナミックダンパ２０となる。また、本実施例である運輸装置用ダイナミックダンパ２０は、車体幅方向に間隔を取った２点に支持部材２６を設けることで自動車ＡＭのローリングと同一方向の振動が発生しやすい構造となっているため、そのローリング吸収効果は極めて高い。
【００２０】また、この第１実施例では、自動車ＡＭのローリング吸収を図るための副振動系を構成するに当たり、自動車ＡＭに搭載が不可欠なスペアタイヤＳＴを用いた。よって、この副振動系構成のためだけの質量体を用いる必要がないので、部材点数の低減とこれを通したコスト低下を図ることができる。
【００２１】なお、本実施例の支持部材２６は、スプリング２６Ａとダンパ２６Ｂとの並列接続を例示しているが、自動車ＡＭに発生する主振動であるローリングを吸収するために最適の機械インピーダンスの設計は自由であり、これらの振動要素を直列接続したり、スペアタイヤＳＴの質量ｍを補完するためにスペアタイヤサポート２４に重りを付加するなど、任意の設計的な変更が可能であることは勿論である。この場合、ばね定数ｋ、粘性減衰係数ｃは、自動車ＡＭに現れる主振動の様子に応じて、具体的にはこの自動車ＡＭにおける外部的要因（路面状況等）や内部的要因（内燃機関や動力伝達機構の特性）に応じて、その設計段階或いは実車での走行試験等において決定される。
【００２２】また、本実施例の運輸装置用ダイナミックダンパ２０では車体幅方向に支持部材２６を設けて自動車ＡＭのローリングを吸収することを目的としているが、同一構成の運輸装置用ダイナミックダンパ２０を車体前後方向に設けて自動車ＡＭのピッチング吸収に最適となるように設計してもよい。更には、車体幅方向と車体前後方向の両方向において運輸装置用ダイナミックダンパ２０を設けるようにすることもできることは勿論である。なお、これらの場合、運輸装置用ダイナミックダンパ２０は、スペアタイヤＳＴを自動車ＡＭの重心直下に支持するよう設置することがより好ましい。
【００２３】図３は、第２実施例である運輸装置用ダイナミックダンパ４０の構成を模式的に表した説明図である。なお、この第２実施例と前述の第１実施例との構成は多くの共通点があり、その説明の重複を避けるために前述の実施例と構成が共通する部材には同一の符号を符してその説明を省略する。
【００２４】この第２実施例の運輸装置用ダイナミックダンパ４０の特徴は、前述の第１実施例の支持部材２６を構成するスプリング２６Ａ、ダンパ２６Ｂと並列にアクチュエータ２６Ｃを備え、このアクチュエータ２６Ｃを駆動信号に応じてその伸縮方向に沿って自在の力を発生するよう構成した点にある。すなわち、このアクチュエータ２６Ｃにより、支持部材２６の合成機械インピーダンスＺは、設計時に決定される固定値とならず、任意の値に適宜変更することが可能となるのである。この場合、アクチュエータ２６Ｃとしては、作動油の給排を通してピストンを進退させるシリンダピストン装置を用いることができ、ピストンの進退に伴う力をスペアタイヤＳＴに及ぼして、支持部材２６の合成機械インピーダンスを変更する。
【００２５】このアクチュエータ２６Ｃの発生する力をコントロールするために第２実施例の運輸装置用ダイナミックダンパ４０は、２つの支持部材２６が取り付けられたクロスメンバ２２の近傍に加速度センサ４２を設け、この加速度センサの検出出力により自動車ＡＭのローリングを演算してアクチュエータ２６Ｃに駆動信号を出力する制御回路４４を備えている。図４は、この制御回路４４のブロック図である。図示するように制御回路４４は、各加速度センサ４２からの出力をフィルタ処理してノイズを除去するフィルタ回路４４Ａ、このフィルタ回路４４Ａの出力信号を積分して加速度センサ４２が取り付けられた位置のクロスメンバ２２の移動速度Ｖを算出する速度演算回路４４Ｂ、２つの速度演算回路４４Ｂの算出結果から自動車ＡＭのローリングを算出するローリング演算回路４４Ｃ、そしてローリング演算回路４４Ｃで算出されたローリングを吸収するために最適なアクチュエータ２６Ｃの発生力を所定の制御則（ＰＩＤ制御、現代制御（Ｈ∞制御）など）に基づき演算するアクチュエータ制御回路４４Ｄとから構成されている。
【００２６】この様な構成の運輸装置用ダイナミックダンパ４０は、加速度センサ４２および制御回路４４によって検出された自動車ＡＭに実際に発生しているローリングを抑制するのに最適の機械インピーダンスを実現すべく、アクチュエータ２６Ｃが図示しないアクチュエータ駆動装置にて駆動され、支持部材２６の合成機械インピーダンスが適宜変更される。具体的には、アクチュエータ駆動装置において、シリンダピストン装置としてのアクチュエータ２６Ｃへの作動油の給排並びにその際の給排油量が決定され、この作動油の給排を通してアクチュエータ２６Ｃの図示しないピストンが進退してスペアタイヤＳＴにその進退に伴う力を及ぼす。従って、上記実施例と同様の効果に加えて、自動車ＡＭの積載重量などが変化してローリングの各周波数がずれても、現在のローリングを確実に抑制する副振動系が形成されるように運輸装置用ダイナミックダンパ４０の機械インピーダンスが追随して変化する効果がある。
【００２７】なお、この第２実施例ではローリングの吸収をより高速に行なうために制御回路４４をハード構成する例について説明したが、この制御回路４４の機能を車載コンピュータに行なわせるソフト構成としてもよい。ここで、車載コンピュータで行う一例について説明する。図５は、いわゆるスカイフック制御理論を用いたローリング抑制制御を示すフローチャートである。
【００２８】図示するように、まず、加速度センサ４２をスキャンしてバネ上加速度ｙｇを入力し（ステップＳ１００）、これをローパスフィルタ処理に処する（ステップＳ１１０）。この場合、ローパスフィルタの設計値として、バネ上共振点の周波数（約１Ｈｚ）を用いることがノイズ除去の点から好ましい。その後は、フィルタ処理済みのバネ上加速度ｙｇからバネ上速度ｙｚを演算し（ステップＳ１２０）、このバネ上速度ｙｚに制御ゲインＧを乗算してアクチュエータ２６Ｃの駆動力Ｆを演算する（ステップＳ１３０）。この駆動力演算に際しては、制御ゲインＧを一定とすることはもちろん、その時のバネ上質量に応じてこの制御ゲインＧをその都度演算するようにすることもできる。なお、バネ上質量は、乗員数の増減により変化し停車時の車高値から求めることができるので、停車時における車高センサからの出力により予め算出される。そして、求めた駆動力Ｆを発生するに必要な駆動信号をアクチュエータ２６Ｃに、より詳しくは当該アクチュエータの駆動回路に出力する（ステップＳ１４０）。
【００２９】また、この様に制御回路４４をソフト的に構成する場合には、アクチュエータ駆動量とローリング抑制の実績とを学習記憶してアクチュエータ駆動量を補正したり、自動車ＡＭのその他の運転情報に基づいた補正、例えばアクティブサスペンションとの協動、ステアリングやブレーキ操作量によるフィードフォワード補正などを行なうことも好ましい。
【００３０】また、第２実施例でも車両幅方向に２点支持の運輸装置用ダイナミックダンパ４０について説明し、自動車ＡＭのローリングを抑制する例について説明したが、これを車両前後方向に２点支持として自動車ＡＭのピッチングを抑制する構成としてもよい。更には、スペアタイヤＳＴを車両の幅方向・前後方向の４つの支持部材により４点支持とし、加速度センサも同様に重心を中心として前後左右に４箇所に配置して前後の検出出力の差からピッチング、左右の検出出力の差からローリング、総ての検出出力の同一成分からバウンシングを算出し、それぞれの振動を同時に抑制するように４つの支持部材を制御してもよい。
【００３１】以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこの様な実施例になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる態様で実施し得ることは勿論である。
【００３２】例えば、上記の各実施例では自動車に１つの運輸装置用ダイナミックダンパを搭載する例を示したが、複数の運輸装置用ダイナミックダンパを同時に搭載してもよい。また、自動車ばかりでなく電車や船舶などのあらゆる運輸装置に搭載できる。
【００３３】更に、第２実施例では、アクチュエータ２６Ｃの駆動力を演算するに当たり、クロスメンバ２２に加速度センサ４２を設置したが、自動車ＡＭに搭載済みの他のセンサをこの加速度センサ４２と代用することもできる。具体的に説明すると、自動車のサスペンション制御装置が有する加速度センサ（上下Ｇセンサ）を用いることができる。このように既存のセンサを用いることで、部品点数の低減とコスト低下を図ることができる。或いは、既存の車高センサを用いその検出出力の推移から上下加速度を演算し、この演算した上下加速度を加速度センサからの検出出力に替えて用いるよう構成することもできる。
【００３４】また、シリンダピストン装置から構成したアクチュエータ２６Ｃを、ピストンにその上下の油室を連通する油路を設け、この油路の開度を変更できるよう構成したシリンダピストン装置とすることもできる。この場合には、当該油路の開度変更を通してピストンがスペアタイヤＳＴに及ぼす力を調整することができるので、合成機械インピーダンスをよりきめ細かく変更できる。そして、このように構成すれば、主振動の振動をより効果的に抑制でき好ましい。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００３２０７
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
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| 【出願日】 |
平成９年（１９９７）９月２５日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】下出 隆史 （外２名）
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| 【公開番号】 |
特開平１１−９４０１８ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）４月９日 |
| 【出願番号】 |
特願平９−２７９５８５ |
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