JP2006511391A - 自動車の調節可能なスプリング及びダンパシステム - Google Patents

Abstract

本発明は、自動車の調節可能なスプリング及びダンパシステムに関するもので、前記システムは、受動型のばね要素（５）と、それに並列に取り付けられた減衰要素（９）とを含んでおり、この減衰要素（９）は、可変に調節可能な減衰特性であって、能動的に調節可能な基準システム（１）との比較によって決定される減衰特性を有している。

Description

本発明は、請求項１又は９の前段による自動車の調節可能なスプリング及びダンパシステムに関する。

特許文献１には、自動車の車輪と車体との間のばね式支柱として取り付けられ、油圧を充填された変位器と、油圧蓄圧器と、変位器を油圧蓄圧器に連結する２本の配管とを有する流体ばね式装置として構成されたスプリング及びダンパシステムに関する記述がある。調節可能な絞り弁が１本の配管に装着され、もう１本の配管は磁界を発生する機器に囲まれている。全装置には磁気流動体が充填され、その流動特性を、１本の連結配管に磁界を印加することによって変化させることができる。このようにして、磁界発生機器に取り囲まれた配管内で可変の減衰力を調節することができ、一方、並列に伸びる配管内で絞り機器によって一定の減衰力が発生する。ばね力は、システムにおいて、油圧媒体から分離された圧縮性の空気容積を有する油圧蓄圧器によって調節することができる。

さらに付加的な調節の可能性が、絞り機器を通して油圧媒体を供給又は排出することによって生まれてくる。供給又は排出するべき油圧媒体の容積流量は１つの操作変数を表し、それによって能動的に制御されるシステムを実現することができる。しかし、油圧流体の供給にはかなりのエネルギー消費が必要である。

独国特許出願公開第１９９ ６１ ７１５ Ａ１号明細書

本発明は、能動型のシステムの特性に本質的に匹敵する特性を有するが、エネルギー消費の必要量は僅かで済むような調節可能なスプリング及びダンパシステムを提供するという課題に基づいている。

上記課題は、本発明により、請求項１又は９の特徴によって解決される。従属請求項は有利な発展の形態を特定している。

本発明による自動車の調節可能なスプリング及びダンパシステムは、受動型のばね要素と、それに並列に取り付けられた減衰要素とを含んでおり、この減衰要素は、可変に調節することができる減衰特性であって、能動的に調節可能な基準システムとの比較によって決定される減衰特性を備えるように構成されている。このスプリング及びダンパシステムは半能動型の代替システムに相当し、この代替システムは、能動型の基準システムの代わりに用いられ、基準システムと本質的に同等の好ましい特性を有しているが、それが必要とするエネルギーは大幅に少ない。

本発明によるスプリング及びダンパシステムは、ソフトウェア部分とハードウェア部分とを備えている。ソフトウェア部分は、制御器、例えばシャシ制御用の制御器とハードウェア部分との間のインターフェースに相当する。調節可能な減衰要素の減衰特性は、運転中、現在の状況に連続的に適合させることができる。減衰特性の変化は、受動型の構成要素（開ループ制御又は閉ループ制御なしの）及び能動型の構成要素からなるスプリング及びダンパシステムに作用する全体の力を発生させる。この場合、減衰特性の現在値は、等価の能動型の基準システムに取り付けられた最終制御要素に作用する操作変数に依存している。本発明によるスプリング及びダンパシステムにおいては、この操作変数が、減衰要素を調節するための計算にだけは用いられるが、スプリング及びダンパシステムにおいて物理的に実現される必要がないので、エネルギー及び構造設計の点で重要な利点が得られる。それは、操作変数に対応する媒体の供給及び排出のためのエネルギー消費を準備する必要がなく、従って、このために必要な構造的機器も用意しなくてよいからである。むしろ、減衰特性を変化させることによって、本発明によるシステムの減衰要素に影響を与えることで十分である。減衰特性を調節する方法を支配する法則は、能動型の基準システムの数学的挙動を半能動型のシステムのそれと比較することに基づいている。

本発明によるスプリング及びダンパシステムは、代替するように意図されている能動型の基準システムの挙動と等価の挙動を示すので、既存の制御の方式及び手法は、そのまま本発明によるシステムに適用することができる。新規の又は修正した制御方式の開発は全く必要ない。半能動型のシステムは、インターフェースと連携して、対応する能動型のシステムと同一か又は少なくともほぼ同一の機能性を有している。

本発明によるスプリング及びダンパシステムは、受動型のばね要素と、それと並列に取り付けられた減衰要素とを備えるのみである。この減衰要素は、代替されるべき能動型のスプリング及びダンパシステムの構造には関係なく、可変に調節することができる減衰特性を有している。機械的なシステムと、油圧、空圧又は混合システムとの両システムが、代替されるべき能動型のシステムに関しても、また、実際に使用される半能動型のスプリング及びダンパシステムに関しても考慮の対象となる。この場合、代替されるべき能動型のシステムの複雑さの程度は問題ではない。能動型のシステムの側の異なった挙動は、インターフェースと、そこで計算される減衰特性用の関数とを通して考慮されるので、半能動型のスプリング及びダンパシステムは常に同じ構造を具備することができる。

変位器と、ばね要素としての流体ばね式蓄圧器とを有する流体ばね式システムは、半能動型のスプリング及びダンパシステムとして好適に用いられる。この場合、油圧ダンパは、調節可能な絞りが配置された連結配管を介して、ばね式蓄圧器の油圧側と連結される。絞りの断面積を変えることによって、減衰値を変化させることができる。

低周波成分又は準定常成分が減衰特性の計算の中に入り込むのを避けるために、操作変数を表す信号を高域フィルタにかけて、予め定めることができるしゃ断周波数を超える信号中の周波数を除去することができる。

本発明の本質的な思想を一般的な表現で繰り返すと次のようになる。すなわち、本発明による自動車の調節可能なスプリング及びダンパシステムは、ばね要素と、それと並列に取り付けられた減衰要素とを含んでおり、それらの要素の１つは調整可能なように構成される。半能動型のシステムを実現するために、ばね要素は受動型であり、減衰要素は可変に調節することができる減衰特性を有するように構成されている。この半能動型のシステムは力の変化過程に従って記述することができ、この力の変化過程は、受動型のばね要素のばね常数を記述する変数、及び／又は、可変に調節することができる減衰値を記述する変数、及び／又は、システムの状態変数を記述する変数、及び／又は、状態変数の時間に関する導関数を記述する変数の関数として表現することができる。減衰要素は、前記の減衰値によって調節されるが、この減衰値は、受動型のばね要素のばね常数を記述する変数、及び／又は、操作変数、及び／又は、操作変数の時間に関する導関数を記述する変数、及び／又は、システムの状態変数を記述する変数、及び／又は、状態変数の時間に関する導関数を記述する変数の関数として表現することができる関係式に、少なくとも近似的には従う。この場合、この関係式は、調整可能な最終制御要素を有する能動的に調節可能な基準システムから知られる関数に基づいている。基準システムの力の変化過程は、操作変数、及び／又は、操作変数の時間に関する導関数を記述する変数、及び／又は、システムの状態変数を記述する変数、及び／又は、状態変数の時間に関する導関数を記述する変数の関数として表現することができる関係式に従って記述することができる。この場合、操作変数、及び／又は、操作変数の時間に関する導関数を記述する調整可能な最終制御要素の変数は、閉ループ及び開ループの制御ユニットにおいて、保存された数学関係式に従って定めることができる。このスプリング及びダンパシステムは、能動型の基準システムの代わりに用いられる半能動型の代替システムに相当し、基準システムと本質的に同等の好ましい特性を有しているが、それが必要とするエネルギーは大幅に少ない。

さらに有利かつ好都合な形態をさらなる請求項及び図面に基づく説明から汲み取ることができる。

図１には２つのスプリング及びダンパシステムが表されている。最初のものは、能動型のスプリング及びダンパシステムで、これを基準システム１と呼称する。このシステムにおいては、制御された能動型の調節を、システムの状態変数及び操作変数の関数として、保存された制御方式によって遂行することができる。そしてもう１つは、インターフェース３及び半能動型のスプリング及びダンパシステム４を含む代替システム２である。代替システム２は、能動型の基準システム１に代わるものとして意図されており、基準システム１の物理的及び数学的特性が半能動型の代替システム２においても本質的に実現されるように意図されている。また、代替システム２は、基準システム１と同じ制御方式によって作動させることができるようにも意図されている。

能動型の基準システム１は操作変数ｕによって制御することができるが、この供給されるべき操作変数ｕの代替システム２への転送は、インターフェース３を介して行われる。インターフェース３においては、操作変数ｕの信号が可変の減衰値ｄ_ｕに変換され、その減衰値ｄ_ｕは、減衰特性を可変に調節するために半能動型のシステム４において調節される。このようにして、能動型の基準システム１を代替システム２によって複製することができる。図１の例によれば、出力変数として、基準システム１に対しては力Ｆ_Ｒが、半能動型のシステム４に対しては力Ｆ_Ｓが記入されているが、最適な転送が行われた場合は、これらの力は同一であるか又は実質的に同一である。

能動型のスプリング及びダンパシステムを有する基準システム１を図２の左半分に示す。この基準システム１は、ばね常数ｃを有する受動型のばね要素５と、操作変数ｕを有しばね要素５に直列に取り付けられた能動型の最終制御要素６と、減衰定数ｄを有しばね要素５及び最終制御要素６に並列に取り付けられた受動型の減衰要素７とを含んでいる。基準システム１は能動型のばね式支柱として構成されており、それを介して、自動車の車輪８を自動車の車体に連結することができる。力Ｆ_Ｒが基準システム１に作用し、ｚはばね式支柱の作動距離を表し、システムの状態変数を意味する。

能動型の基準システム１は、半能動型の代替システム２に置き換えられる。代替システム２は、受動型のばね要素５と、それに並列に取り付けられた能動型の減衰要素９とを含んでいる。減衰要素９の減衰値ｄ_ｕは、減衰要素の減衰特性を変えるために調節することができる。また、代替システム２は、力Ｆ_Ｓが作用するばね式支柱として構成されている。その作動距離は同様にｚで表示され、それはまた、代替システム２における状態変数の関数となる。

基準システム１に作用する力Ｆ_Ｒは、一般的に、関係式：

に従って、状態変数ｚと、状態変数の時間に関する導関数ｚ’と、操作変数ｕと、操作変数の時間に関する導関数ｕ’との関数ｆとして記述することができる。

代替システム２に作用する力Ｆ_Ｓは、図２に表される代替システム２の実装例の場合には、関係式：

によって記述される。式中、ｃは受動型のばね要素５のばね常数であり（基準システム１のばね常数又はばね要素５と同等）、ｄ_ｕは調節可能な減衰要素９の可変の減衰値であり、ｆ（ｚ，ｚ’，ｕ，ｕ’）は基準システム１から知られる既知の関数を表す。

状態変数の時間に関する導関数ｚ’が零を通過する際に減衰値ｄ_ｕが無限大になるのを避けるために、減衰値ｄ_ｕに対しては、近似関数：

を導入する。この式中、

は、状態変数の割合の２乗が変動し得る許容間隔範囲を表し、例えば

である限界値νが許容下限値として規定される一方、上方向には、間隔範囲は開放されている。操作変数ｕ又は操作変数の時間に関する導関数ｕ’は、保存されている制御仕様又は演算仕様に従って、閉ループ及び開ループの制御ユニットにおいて決定される。

低周波成分及び準定常成分が、代替システムの減衰調整のための変換に入り込まないことを確実にするために、操作変数ｕを、閉ループ及び開ループの制御ユニットにおいて、関係式：

（式中、Ｔ_ＨＰは関係式：

による利得因子であり、ｆ_ＨＰは高域フィルタのしゃ断周波数を表す）
に従う高域フィルタにかけることができる。高域フィルタに通された操作変数ｕ_ＨＰは、減衰値ｄ_ｕの算定に用いられる。

図２の例の場合には、基準システム１に作用する力Ｆ_Ｒは関係式：

に従って計算される。この場合、可変の減衰値ｄ_ｕは、

として得られるか、又は、近似関数を適用して、

として得られる。

図３による例示的な実施の形態の場合には、能動的に調節可能な基準システム１は、ばね常数ｃを有する受動型のばね要素５と、減衰定数ｄを有し受動型のばね要素に並列に取り付けられた受動型の減衰要素７と、操作変数ｕを有しこれらの両要素に直列に取り付けられた最終制御要素６とを含んでいる。基準システムの関数ｆは、関係式：

に従って記述することができる。ここで、操作変数の時間に関する導関数ｕ’も関係式中に含まれている。これによって、代替システム２の減衰要素９の調節可能な減衰値ｄ_ｕが、

として、又は、近似関数：

として定まる。

図４においては、自動車の流体ばね式支柱がスプリング及びダンパシステムとして示されており、原理的に、図３のシステムと同じ構造を有している。図の左半分に示される能動型の流体ばね式基準システム１は油圧式の最終制御要素６を備えており、その最終制御要素６は、供給又は排出可能なオイルの容積流量Ｑ_ＡＨＰによって調節することができる。またこれによって力Ｆ_Ｒを調節することができる。オイルの容積流量Ｑ_ＡＨＰは、操作変数の１次導関数ｕ’：

に比例する。式中、Ａ_ＨＫは変位器として構成された最終制御要素６の主室の表面積を表す。操作変数ｕに対しては、関係式：

が成り立つ。

最終制御要素６の油圧室は、定量絞りとして構成された受動型の減衰要素７が配置された配管１１を通して、同様に受動型に構成されたばね要素５と連絡しており、ばね要素５は、流体ばね式蓄圧器として構成され、容積Ｖ_ＦＳの空圧室と、その中に充満している空気又はばね式蓄圧器圧力ｐ_ＦＳとを有している。流体ばね式のばね要素５はばね式支柱の垂直方向の弾性を可能にする。すなわち、減衰定数ｄを有する定量絞り７が、その絞りを通過する容積流量Ｑ_Ｄに比例する減衰力を発生させる。基準システム１に作用する力Ｆ_Ｒは、方程式

によって記述される。

図４の右半分に表される代替システムの場合には、オイルの容積流れがシステムに導入されたりシステムから排出されたりせず、ただシステムの構成要素間を行き来させられるだけである。自動車の車輪８が取り付けられる受動型の変位器１０が設けられている。この変位器１０と流体ばね式のばね要素５との間の配管１１に、調整可能な絞りとして構成され、調節可能な減衰値ｄ_ｕを有する減衰要素９が配置されている。この減衰値ｄ_ｕは、絞りに作用する適切な調整ユニットを用いて、基準システム１における力Ｆ_Ｒに対する上記の関係式と、関係式：

による半能動型の代替システム２における力Ｆ_Ｓとを等置することによって調節することができる。流体ばね式のばね要素５のばねのこわさｃは、既知の基準圧力ｐ_０及びこの基準圧力における既知のばねのこわさｃ_０から、ばね要素５の空気蓄圧器における圧力ｐ_ＦＳと空気蓄圧器の空気の等エントロピー指数κとの関数として、関係式：

に従って計算することができる。

図５による例示的な実施の形態の場合には、能動的に調節可能な基準システム１及び半能動型の代替システム２の両者が、それぞれ、全体システムの中のサブシステムとして構成されており、各サブシステムは、ばね常数ｃ_２を有する付加的な受動型のばね要素１２に並列に取り付けられている。基準システム１のサブシステムは図３の例示的な実施の形態のそれと同一であり、従って、基準サブシステムの関数ｆは、関係式：

に従って記述することができる。式中、ｃ_１は基準サブシステム１内の受動型のばね要素５のばね常数を表す。これによって、代替サブシステム２の減衰要素９の減衰値ｄ_ｕが、

として得られる。全体システムに関しては、基準システムの全体の力Ｆ_Ｇは、

として与えられ、代替システムの全体の力は、

として与えられる。式中、ｃ^＊は代替システム全体の代替のこわさを表す。

自動車における能動型の基準システム、及び能動型のシステムの代わりに用いることができる代替システムであって、インターフェースと半能動型のスプリング及びダンパシステムとを含む代替システムの基本構成を示す図である。 能動型の基準システム、並びに半能動型のスプリング及びダンパシステムを示す図であり、能動型の基準システムの場合は、ばね要素と最終制御要素とが直列に取り付けられ、減衰要素がばね要素及び最終制御要素の両者に並列に取り付けられているのに対して、半能動型のシステムは、受動型のばね要素と、それに並列に取り付けられた調節可能な減衰要素とを含んでいる。 図２に相当する図を示しており、能動型の基準システムは、受動型のばね要素と、それに並列に取り付けられた受動型の減衰要素と、この両要素に直列に取り付けられた能動型の最終制御要素とを含んでいる。 流体ばね式のばね式支柱として構成された、図３に対応する能動型のシステム及び半能動型のシステムのための実装例を示す図である。 能動型及び半能動型のスプリング及びダンパシステムのさらに別の例示的な実施の形態を示す図であり、能動型のサブシステムが半能動型のサブシステムに置き換えられている。

Claims (9)

1. 並列に取り付けられたばね要素（５）と減衰要素（９）とを有し、それらの要素の１つが調整可能に構成された自動車の調節可能なスプリング及びダンパシステムであって、半能動型のシステム（４）を実現するために、前記ばね要素（５）が受動型であり、前記減衰要素（９）が可変に調節することができる減衰特性を有するように構成され、前記半能動型のシステム（４）が、力の変化過程式（Ｆ_Ｓ）：
   

   

   （式中、
   ｃは、前記受動型のばね要素（５）のばね常数を表し、
   ｄ_ｕは、可変に調節することができる減衰値を表し、
   ｚは、システムの状態変数を表し、
   ｚ’は、状態変数の時間に関する導関数を表す）
   に従って記述することができ、かつ、
   前記減衰要素（９）が、少なくとも近似的には、関係式：
   

   

   （式中、
   ｕは、操作変数を表し、
   ｕ’は、操作変数の時間に関する導関数を表し、
   ｆは、既知の関数を表す）
   に従う前記減衰値（ｄ_ｕ）によって調節され、前記関数（ｆ）が、調整可能な最終制御要素（６）を有する能動的に調節可能な基準システム（１）から知られ、前記基準システム（１）の力の変化過程（Ｆ_Ｒ）が、関係式：
   

   

   によって記述することができ、前記調整可能な最終制御要素（６）の操作変数（ｕ）又は操作変数の時間に関する導関数（ｕ’）が、保存された数学的関係式に従って、閉ループ及び開ループの制御ユニットにおいて決定されることを特徴とするスプリング及びダンパシステム。
2. 前記減衰値（ｄ_ｕ）が、近似関数：
   

   

   （式中、
   

   

   は、状態変数（ｚ）の割合の２乗の許容下限値（ν）及び上限値（∞）を表す）
   に従って調節されることを特徴とする請求項１に記載のスプリング及びダンパシステム。
3. 空気ばねの場合の前記受動型のばね要素（５）のばねのこわさ（ｃ）が、関係式：
   

   

   （式中、
   ｐ_０は、基準圧力を表し、
   ｃ_０は、基準圧力におけるばねのこわさを表し、
   ｐ_ＦＳは、前記ばね要素（５）の空気蓄圧器の圧力を表し、
   κは、前記空気蓄圧器内の空気の等エントロピー指数を表す）
   に従うことを特徴とする請求項１あるいは２に記載のスプリング及びダンパシステム。
4. 能動的に調節可能な基準システム（１）が、受動型のばね要素（５）と、前記受動型のばね要素（５）に直列に取り付けられた最終制御要素（６）と、前記受動型のばね要素（５）及び前記最終制御要素（６）に並列に取り付けられた受動型の減衰要素（７）とを含み、かつ、関数：
   

   

   によって記述することができる場合、前記調節可能な減衰要素（９）の減衰値（ｄ_ｕ）が、関係式：
   

   

   に従って調節されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のスプリング及びダンパシステム。
5. 能動的に調節可能な基準システム（１）が、受動型のばね要素（５）と、前記受動型のばね要素（５）に並列に取り付けられた受動型の減衰要素（７）と、これらの両要素（５、７）に直列に取り付けられた最終制御要素（６）とを含み、かつ、関数：
   

   

   によって記述することができる場合、前記調節可能な減衰要素（９）の減衰値（ｄ_ｕ）が、関係式：
   

   

   に従って調節されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のスプリング及びダンパシステム。
6. 半能動型の流体ばね式支柱を調整可能な減衰要素（９）として実現するために、調節可能な絞りが設けられて、変位器（１０）と前記ばね要素（５）としての流体ばね式蓄圧器の油圧側との間の配管（１１）に配置され、前記減衰値（ｄ_ｕ）は、絞りを調整することによって調節することができることを特徴とする請求項５に記載のスプリング及びダンパシステム。
7. 前記操作変数の１次導関数（ｕ’）が、前記基準システム（１）の調節可能な最終制御要素（６）を通過するオイルの容積流量（Ｑ_ＡＨＰ）に比例する、すなわち、
   

   

   （式中、Ａ_ＨＫは前記変位器（１０）の主室の表面積を表す）であることを特徴とする請求項６に記載のスプリング及びダンパシステム。
8. 前記操作変数（ｕ）が、閉ループ及び開ループの制御ユニットにおいて、関係式：
   

   

   （式中、Ｔ_ＨＰは、関係式：
   

   

   に従って定められる利得因子を表し、この式中、ｆ_ＨＰは高域フィルタのしゃ断周波数を表す）
   に従う高域フィルタにかけられることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のスプリング及びダンパシステム。
9. 並列に取り付けられたばね要素（５）と減衰要素（９）とを有し、それらの要素の１つが調整可能に構成された自動車の調節可能なスプリング及びダンパシステムであって、半能動型のシステム（４）を実現するために、前記ばね要素（５）が受動型であり、前記減衰要素（９）が可変に調節することができる減衰特性を有するように構成され、前記半能動型のシステム（４）が力の変化過程（Ｆ_Ｓ）に従って記述することができ、この力の変化過程（Ｆ_Ｓ）は、前記受動型のばね要素（５）のばね常数（ｃ）を記述する変数、及び／又は、可変に調節することができる減衰値（ｄ_ｕ）を記述する変数、及び／又は、前記システムの状態変数（ｚ）を記述する変数、及び／又は、前記状態変数の時間に関する導関数（ｚ’）を記述する変数の関数として表現することができ、かつ、前記減衰要素（９）が前記減衰値（ｄ_ｕ）によって調整され、この減衰値（ｄ_ｕ）は、前記受動型のばね要素（５）のばね常数（ｃ）を記述する変数、及び／又は、操作変数（ｕ）、及び／又は、前記操作変数の時間に関する導関数（ｕ’）を記述する変数、及び／又は、前記システムの状態変数（ｚ）を記述する変数、及び／又は、前記状態変数の時間に関する導関数（ｚ’）を記述する変数の関数として表現することができる関係式に、少なくとも近似的には従っており、この関係式は、調整可能な最終制御要素（６）を有する能動的に調節可能な基準システム（１）から知られる関数（ｆ）に基づいており、前記基準システム（１）の力の変化過程（Ｆ_Ｒ）は、前記操作変数（ｕ）、及び／又は、前記操作変数の時間に関する導関数（ｕ’）を記述する変数、及び／又は、前記システムの状態変数（ｚ）を記述する変数、及び／又は、前記状態変数の時間に関する導関数（ｚ’）を記述する変数の関数として表現することができる関係式に従って記述することができ、前記操作変数（ｕ）、及び／又は、前記操作変数の時間に関する導関数（ｕ’）を記述する調整可能な最終制御要素（６）の変数は、閉ループ及び開ループの制御ユニットにおいて、保存された数学的関係式に従って定めることができることを特徴とする自動車の調節可能なスプリング及びダンパシステム。

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