JP2005140144A

JP2005140144A - 車両懸架装置

Info

Publication number: JP2005140144A
Application number: JP2003373933A
Authority: JP
Inventors: Hirobumi Inoue; 博文井上; Suguru Watanabe; 英渡邉; Takahiro Kondo; 卓宏近藤
Original assignee: Kayaba Industry Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; KYB Corp
Priority date: 2003-11-04
Filing date: 2003-11-04
Publication date: 2005-06-02

Abstract

【課題】小型で軽量な車両懸架装置を提供する。
【解決手段】電磁サスペンション４において、モータ２０による回転力は、ボールねじ２４及びボールねじナット２６によって直線方向の駆動力に変換され、バネ上部材であるロッド２８とバネ下部材であるアウターシェル３０とを上下に摺動させる。これにより、電磁サスペンション４は、バネ上部材とバネ下部材との間に減衰力を発生させる。ロッド２８とバネ下部材であるアウターシェル３０で構成されるシリンダの内部には、高圧の気体が封入され、バネ上部材の重量を支えるエアばねとして機能する。
【選択図】図２

Description

本発明は、車両懸架装置に関し、特に、モータによる回転力をねじ機構によって直線方向の駆動力に変換することで、バネ上部材とバネ下部材との間に減衰力を発生させる車両懸架装置に関する。

車両懸架装置として、電気モータ式の電磁サスペンションが提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示された車両懸架装置では、相互に噛合する雄ねじ部材と雌ねじ部材とを、モータにより伸縮駆動することにより、バネ上−バネ下間の減衰力をアクティブに制御する。また、車輪から衝撃的な荷重が入力したときに、その荷重を吸収するために、モータ又はねじ部材の少なくとも一方が、コイルスプリングなどのバネにより車輪又は車体に弾性支持される。
特開平８−１９７９３１号公報

上述のように、電磁サスペンションでは、一般にコイルスプリングなどのバネにより車体が弾性支持される。しかしながら、車両の軽量化や、生産コストの低減のためには、車両懸架装置の構成をさらに簡略にし、車両懸架装置を小型化及び軽量化を実現する技術が求められる。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、車両懸架装置の構成を簡略化し、小型で軽量な車両懸架装置を提供することにある。

本発明のある態様は、車両懸架装置に関する。この車両懸架装置は、モータによる回転力をねじ機構によって直線方向の駆動力に変換することで、バネ上部材とバネ下部材との間に減衰力を発生させる車両懸架装置において、前記バネ上部材と前記バネ下部材との間に存在する気体を、前記バネ上部材と前記バネ下部材との間に密閉する密閉手段を備えることを特徴とする。前記密閉手段により密閉された気体は、前記バネ上部材を支持するバネとして機能してもよい。この構成により、コイルスプリングなどのバネが不要となるので、車両懸架装置の部品数が削減され、車両懸架装置の小型化、軽量化、生産コストの低減に寄与することができる。

前記密閉手段は、前記ねじ機構を内包し前記直線方向の駆動力により摺動するシリンダの内部に前記気体を密閉してもよい。前記密閉手段は、前記ねじ機構を内包し前記直線方向の駆動力により摺動するシリンダの外側に設けられたエアチャンバであってもよい。これらの構成によっても、車両懸架装置の部品数が削減され、車両懸架装置の小型化、軽量化、生産コストの低減に寄与することができる。

車両懸架装置は、前記気体の圧力を調整することにより車高を調整するための車高調整手段をさらに備えてもよい。これにより、簡易に車高を調整することが可能となり、車高調整に要する電力を低減することができる。

本発明によれば、車両懸架装置を小型化又は軽量化する技術を提供することができる。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る車両１の構成を示す。車両１は、車体２と、左前輪である車輪３ａ、右前輪である車輪３ｂ、左後輪である車輪３ｃ及び右後輪である車輪３ｄ（以下、適宜「車輪３」と総称する）を備える。車輪３はホイールとゴムタイヤから構成される。車体２と車輪３は、車両１のバネ上とバネ下の減衰力をモータを用いて発生するアブソーバを備えた車両懸架装置の一例である電磁サスペンションを介して接続される。なお、電磁サスペンションのバネにより支えられる部材の位置を「バネ上」と呼び、バネにより支えられていない部材の位置を「バネ下」と呼ぶ。すなわち、バネ上は車体２側であり、バネ下は車輪３側である。この例では、車輪３ａが電磁サスペンション４ａに、車輪３ｂが電磁サスペンション４ｂに、車輪３ｃが電磁サスペンション４ｃに、車輪３ｄが電磁サスペンション４ｄにそれぞれ取り付けられる。以下、各電磁サスペンション４ａ、４ｂ、４ｃ及び４ｄを総称する場合には、「電磁サスペンション４」と呼ぶ。各電磁サスペンション４は、電子制御装置（以下、電子制御装置を「ＥＣＵ」と表記する）１０により独立に制御される。ＥＣＵ１０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭを備えて構成される。

電磁サスペンション４のモータに流れる電流は、電流センサにより検出される。電磁サスペンション４ａに対して電流センサ５ａ、電磁サスペンション４ｂに対して電流センサ５ｂ、電磁サスペンション４ｃに対して電流センサ５ｃ、電磁サスペンション４ｄに対して電流センサ５ｄがそれぞれ設けられる。以下、電流センサ５ａ、５ｂ、５ｃ及び５ｄを総称する場合には「電流センサ５」と呼ぶ。各電流センサ５の検出結果は、ＥＣＵ１０に伝達される。なお電流センサ５による電流検出機能は、ＥＣＵ１０により実現されてもよい。

電磁サスペンション４を車輪３ごとに設けることにより、ＥＣＵ１０が、各車輪３の状態に応じて電磁サスペンション４のモータに印加する電流をそれぞれ独立して制御することが可能となる。また、電磁サスペンション４を採用することで、応答性の優れた制御を実現できる。

本実施の形態の電磁サスペンション４は、後述するように、バネ上部材の重量を支えるバネとして、一般に用いられているコイルスプリングなどのバネではなく、気体の圧力を利用したエアばねを採用している。すなわち、電磁サスペンション４に設けられた密閉手段により高圧封入された気体により、車体２の重量を支えるとともに、路面から与えられる振動や衝撃を吸収する。電磁サスペンション４ａ、４ｂ、４ｃ及び４ｄには、コンプレッサ６ａ、６ｂ、６ｃ及び６ｄ（以下、適宜「コンプレッサ６」と総称する）がそれぞれ接続されており、コンプレッサ６から各電磁サスペンション４のエアばねに気体が送り込まれる。また、各コンプレッサ６は、後述するように、ＥＣＵ１０により独立に制御され、密閉手段により封入される気体の圧力を調整する。これにより、各電磁サスペンション４ごとに、エアばねの特性を調整したり、車高を調整したりすることが可能となる。

図２は、電磁サスペンション４の構成を示す。電磁サスペンション４は、モータ２０、ボールねじ２４、ボールねじナット２６、ロッド２８、アウターシェル３０、軸受３２、３４、３６、回転角センサ４４、高圧シール部５０、５２、及び気体注入口５４を備える。軸受３２はロッド２８内部においてボールねじ２４を回動可能に支持し、また軸受３４及び３６は、アウターシェル３０内部においてロッド２８を摺動可能に支持する。回転角センサ４４は、モータ２０の回転量を検出する。回転角センサ４４の検出結果は、ＥＣＵ１０に伝達される。回転角センサ４４は、モータ２０の外部に設けられてもよく、またモータ２０の内部に設けられてもよい。この電磁サスペンション４は、第１取付部４０において車体２側の構成に取り付けられ、また第２取付部４６において車輪３側の構成に取り付けられる。

ボールねじ２４、ロッド２８及びアウターシェル３０は同軸に配置されている。アウターシェル３０には、雌ねじ部分を有するボールねじナット２６が内設される。ボールねじ２４は雄ねじ部分を有し、ボールねじナット２６に螺合した状態にある。モータ２０はボールねじ２４の一端を回動可能にセレーションで支持する。モータ２０を駆動すると、ボールねじ２４がボールねじナット２６に対して相対回転し、モータ２０に対してアウターシェル３０が下方に押し下げられ、又は上方に引き上げられる。こうして、モータ２０の回転力は、ボールねじ２４及びボールねじナット２６を含むボールねじ機構により、上下の直線方向の駆動力に変換される。なお、本実施の形態では、ボールねじ２４が車両のバネ上に、ボールねじナット２６が車両のバネ下に設けられる例について説明するが、逆に、ボールねじ２４が車両のバネ下に、ボールねじナット２６が車両のバネ上に設けられてもよい。

ロッド２８及びアウターシェル３０により形成されるシリンダ内には、高圧の気体が封入されており、エアばねとして機能する。コイルスプリングなどのばねに代えてエアばねを採用することにより、車両懸架装置の小型化及び軽量化を実現することができる。また、車両懸架装置の部品数を削減し、生産コストを低減することができる。高圧シール部５０は、ボールねじ２４と第１取付部４０との間に、高圧シール部５２は、ロッド２８とアウターシェル３０との間にそれぞれ設けられ、シリンダ内の気体が外部へリークするのを防ぐ。これらの高圧シール部５０及び５２は、気体をシリンダ内に密閉する密閉手段として機能する。シリンダ内には、車体２の重量を支えるのに十分な圧力の気体を封入する必要があるから、これらの高圧シール部５０及び５２は、その圧力に耐えうる素材又は構造とする。たとえば、ロッド２８の内径が４０ｍｍの場合、３ＰＭａ程度の内圧になるように気体を封入すると、約４００ｋｇｆの反発力を生じさせることができるが、走行時にバネ上−バネ下間の上下運動によりシリンダが縮んで気体が圧縮されることを考慮すると、高圧シール部５０及び５２は、１０ＭＰａ程度の耐圧性を有するのが好ましい。

従来の油圧式のアブソーバでは、シリンダ内にオイルが充填されており、気体をシリンダ内に封入するための十分な容量がとれない。また、従来のアブソーバは、一般にロッド径が小さいので、十分な量の気体を封入することができず、大きな反発力を得にくい。本実施の形態では、電磁式のアブソーバのシリンダ内に気体を封入してエアばねを構成することにより、十分な反発力を確保することができる。

車両１が良路を走行している場合、ＥＣＵ１０はそれぞれの電磁サスペンション４のモータ２０に印加する電流値を、例えば０Ａである基準電流値に設定する。路面に凹凸があって、車輪３が上下動する場合、ロッド２８とアウターシェル３０との相対運動によりエアばねが伸縮する。このとき、ボールねじ２４がボールねじナット２６に対して相対回転することにより、モータ２０が回転して発電機として作用し、このときに生じる抵抗力により減衰力が発生する。電流センサ５は、モータ２０内部で電磁誘導により発生した電流を検出し、ＥＣＵ１０に伝達する。ＥＣＵ１０は、エアばねの伸縮を抑制する方向の電流、すなわち電磁誘導により生じた電流とは逆向きの電流をモータ２０に印加する。ＥＣＵ１０は、車体２の上下方向の加速度に応じてモータ２０に印加する電流を設定し、減衰力を調整する。このように、本実施の形態のショックアブソーバは、電磁式ショックアブソーバとして機能する。このショックアブソーバは、モータ２０を用いて車両１のバネ上とバネ下の間の減衰力を発生することができ、制御応答性に優れている。また、ボールねじ２４を回転させることにより、車体２を上下方向に変位させることができるので、本実施の形態のショックアブソーバは、車体２の車高や姿勢を制御するために利用することができる。

電磁サスペンション４が作動するとき、高圧シール部５０には、ロッド２８の回転により摩擦が生じる。また、高圧シール部５２には、ロッド２８及びアウターシェル３０の上下運動により摩擦が生じる。そのため、高圧シール部５０及び５２は、耐摩擦性に優れた素材により構成されるのが好ましい。また、ロッド２８の回転運動や上下運動を阻害しないように、高圧シール部５０及び５２は、摩擦係数の小さい素材又は構造であることが好ましい。

図３は、エアばねの特性を示す。所定量の気体をシリンダ内に封入したとき、エアばねの反発力は、ロッド２８とアウターシェル３０との相対移動量（ストローク）に対して、ほぼ反比例の関係にある。コンプレッサ６は、たとえばイグニションオン時に、車両標準位置に対応するストロークの位置で釣り合うようにシリンダ内に気体を封入する。

コンプレッサ６によりシリンダ内に気体をさらに封入すると、エアばねの特性曲線は右上へ移動し、気体の圧力により車体２が上方へ押し上げられ、車高が高くなる。逆に、シリンダ内の気体をリークすると、エアばねの特性曲線は左下へ移動し、車体２が下方へ沈み、車高が低くなる。このように、シリンダ内の気体の封入量を調整することにより、車高を調整することができる。このとき、コンプレッサ６又はＥＣＵ１０が車高調整手段として機能する。上述したように、本実施の形態の電磁式ショックアブソーバは、モータ２０によりボールねじ２４を回転させることで車高を調整することができるが、この場合、車両の標準位置よりも高い又は低い状態を維持するためには、常時モータ２０に電流を供給する必要があり、消費電力が増大する。本実施の形態では、エアばね内の気体の圧力を調整して車高を調整することにより、消費電力を低減することができる。

図４は、本実施の形態の電磁サスペンション４により車高を調整する方法を示すフローチャートである。まず、図示しない車高センサにより車高を検知する（Ｓ１０）。車高センサに代えて、加速度センサなどを用いてもよいし、電流センサ５により検知された電流又は回転角センサ４４によりボールねじ２４の回転量を取得し、回転量からストローク量を算出することにより車高を算出してもよい。ＥＣＵ１０は、車高センサから車高を取得すると、その車高が適正か否かを判断する（Ｓ１２）。適正であれば（Ｓ１２のＹ）、車高調整を行わない。車高の調整が必要である場合は（Ｓ１２のＮ）、ＥＣＵ１０が車高の調整量を算出し（Ｓ１４）、その車高に調整するのに必要な気体の封入量を算出して（Ｓ１６）、コンプレッサ６を始動させる（Ｓ１８）。コンプレッサ６は、電磁サスペンション４のシリンダ内に、ＥＣＵ１０により算出された量の気体を封入する（Ｓ２０）。車高を下げる場合は、ＥＣＵ１０により算出された量の気体をリークする。

以上説明したように、本実施の形態の電磁サスペンション４は、電磁式ショックアブソーバにより減衰力の調整を行い、エアばねにより車高を調整することで、消費電力を低く抑えつつ、車両の姿勢を適切かつ効果的に制御することができる。
（第２の実施の形態）
図５は、第２の実施の形態に係る電磁サスペンション４の構成を示す。本実施の形態の電磁サスペンション４は、シリンダ内ではなく、シリンダの外部に設けられた密閉手段の他の例であるエアチャンバ５６内に気体を封入してエアばねを構成する。図２に示した第１の実施の形態の電磁サスペンション４と同様の構成には同一の符号を付している。以下、主に第１の実施の形態と異なる点について説明する。

エアチャンバ５６は、一端がアウターシェル３０に、他端がアッパーサポート４８に固定されており、アウターシェル３０の上下運動に伴って変形可能に構成されている。エアチャンバ５６により形成された空間には、高圧の気体が封入されている。ボールねじ２４とモータ２０との接続部分付近には、気体がリークするのを防ぐために、Ｏリング５８が設けられる。この構成によっても、車両懸架装置を小型化及び軽量化することができる。また、この構成によれば、ロッド２８とアウターシェル３０とが上下に相対運動したときに摩擦が生じないので、耐久性を向上させることができる。

本実施の形態の電磁サスペンション４においても、第１の実施の形態と同様に、気体注入口５４を介してコンプレッサ６から気体を封入することにより、車高を調整することが可能である。車高を調整する場合の手順は、第１の実施の形態と同様である。この構成によっても、少ない消費電力で適切に車高を調整することができる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。実施の形態では、ねじ機構の一例として、ボールねじ２４及びボールねじナット２６を用いたが、単なるねじ機構とすることもできる。

第１の実施の形態に係る車両の構成を示す図である。第１の実施の形態に係る電磁サスペンションの構成を示す図である。エアばねの特性を示す図である。第１の実施の形態に係る電磁サスペンションにより車高を調整する方法を示すフローチャートである。第２の実施の形態に係る電磁サスペンションの構成を示す図である。

符号の説明

１車両、２車体、３車輪、４電磁サスペンション、５電流センサ、６コンプレッサ、１０ＥＣＵ、２０モータ、２４ボールねじ、２６ボールねじナット、２８ロッド、３０アウターシェル、４８アッパーサポート、５０，５２高圧シール部、５４気体注入口、５６エアチャンバ、５８Ｏリング。

Claims

モータによる回転力をねじ機構によって直線方向の駆動力に変換することで、バネ上部材とバネ下部材との間に減衰力を発生させる車両懸架装置において、
前記バネ上部材と前記バネ下部材との間に存在する気体を、前記バネ上部材と前記バネ下部材との間に密閉する密閉手段を備えることを特徴とする車両懸架装置。
前記密閉手段により密閉された気体は、前記バネ上部材を支持するバネとして機能することを特徴とする請求項１に記載の車両懸架装置。
前記密閉手段は、前記ねじ機構を内包し前記直線方向の駆動力により摺動するシリンダの内部に前記気体を密閉することを特徴とする請求項１又は２に記載の車両懸架装置。
前記密閉手段は、前記ねじ機構を内包し前記直線方向の駆動力により摺動するシリンダの外側に設けられたエアチャンバであることを特徴とする請求項１又は２に記載の車両懸架装置。
前記気体の圧力を調整することにより車高を調整するための車高調整手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の車両懸架装置。