JP2007153173A - ハイドロニューマチックサスペンション - Google Patents

Abstract

【課題】 比較的簡便かつ安価な構成を採りながら、制御応答性や耐久性に優れたハイドロニューマチックサスペンションを提供する。
【解決手段】 アクティブサスペンションシステムは、車体側部材Ｃと車輪側部材Ａとを接近または離反させる車高調整機構１と、ホイールＷから車体側部材Ｃへの上下方向入力を緩衝する緩衝機構２とを有している。アクチュエータ３１は、その上端が車体側部材Ｃに連結されたシリンダチューブ４１や、シリンダチューブ４１をＨＣＦが貯留された車高調整液室４２とＭＲＦが貯留された緩衝液室４３とに画成するフリーピストン４４と、緩衝液室４３を第１液室４５と第２液室４６とに画成するピストン４７、ピストン４７に形成されてＭＲＦを第１液室４５と第２液室４６との間で流通させる流路４８、ピストン４７と車輪側部材Ａとを連結するピストンロッド４９を備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、アクティブサスペンションシステム等に好適なハイドロニューマチックサスペンションに関する。

近年、自動車用のサスペンションとして、スカイフック理論に基づくアクティブサスペンションシステムの開発が進められている（例えば、特許文献１〜３参照）。アクティブサスペンションシステムでは、各車輪における車体−路面間の距離（以下、地上高と記す）やダンパの減衰力を路面状況や車両の運動状態等に応じてリアルタイムに制御するため、車体の姿勢変化が抑制されて良好な乗り心地が得られると同時に、タイヤの路面追従性が良好となることで操縦安定性や駆動／制動性も向上する。

アクティブサスペンションシステムでは、各車輪の地上高制御等が容易であることから、ハイドロニューマチック方式を採用したものが一般的である。ハイドロニューマチック方式のアクティブサスペンションシステムは、サスペンションの変位や、車体の加速度（上下Ｇ、前後Ｇおよび横Ｇ）、車高等を検出する多数のセンサを始め、車体側部材と車輪側部材との間に介装される油圧アクチュエータ、油圧アクチュエータに接続されてばね／ダンパを構成する緩衝用アキュムレータ、油圧アクチュエータに圧油を供給する油圧ポンプ、油圧アクチュエータに対して圧油の給排を行う油圧バルブユニット等から構成されている。

一方、減衰力可変式ダンパとしては、ロータリアクチュエータや電磁アクチュエータによってオリフィスの断面積を機械的に変化させるものが一般的であったが、作動流体として磁性流体を用い、ピストンに形成された流路を通過する磁性流体の粘度をコイルによって変化させるもの（特許文献４参照）が開発されている。この減衰力可変式ダンパによれば、精密な加工を要する減衰力可変機構が不要となって製造コストや構成部品点数の大幅な削減が可能となるだけでなく、磁性流体の粘度変化が極めて短時間（数ミリセカンド）で行われるために制御応答性も著しく向上する。なお、近年では、磁性流体に代えて、磁気粘性流体を用いた減衰力可変式ダンパの開発も進められている。
特開２００４−１４９０４６号公報 特開平８−５８３４２号公報 特開平７−２７６９５０号公報 特開昭６０−１１３７１１号公報

本発明者等が、製造コストの削減や制御応答性の向上等を図るべく、アクティブサスペンションシステムの作動油に磁気粘性流体を採用することを試みたところ、以下のような問題が生じることが判明した。すなわち、磁気粘性流体は鉱物油等に強磁性微粒子（フェライト等）を分散させたものであるため、アクティブサスペンションシステムの作動油に用いた場合、強磁性微粒子が油圧ポンプや油圧バルブユニット等の作動部材間に入り込んでこれらの摺動面等を徐々に摩耗させてしまう。その結果、長期間の運転が行われると、油圧ポンプの吐出圧の低下や、油圧バルブユニットの作動不良等が避けられず、アクティブサスペンションシステムの耐久性が低下するのである。

本発明は、このような背景に鑑みなされたもので、比較的簡便かつ安価な構成を採りながら、制御応答性や耐久性に優れたハイドロニューマチックサスペンションを提供することを目的とする。

請求項１の発明に係るハイドロニューマチックサスペンションは、車体側部材と車輪側部材とのどちらか一方に連結されたシリンダチューブ、当該シリンダチューブを車高調整用流体が貯留された車高調整液室と緩衝用流体が貯留された緩衝液室とに画成するフリーピストン、前記緩衝液室を第１液室と第２液室とに画成するピストン、当該ピストンと当該シリンダチューブとの少なくとも一方に形成されて前記緩衝用流体を当該第１液室と当該第２液室との間で移動させる流路、および当該車体側部材と当該車輪側部材とのどちらか他方を当該ピストンに連結するピストンロッドを有し、当該車高調整液室に車高調整用流体が給排されることによって当該車体側部材と当該車輪側部材とを接近または離反させるアクチュエータと、前記緩衝液室に連通路を介して接続された圧液室と、当該圧液室と隔壁によって区画された加圧ガス室とを有する緩衝用アキュムレータと、前記車高調整液室に前記車高調整用流体を供給する車高調整用流体供給手段とを備えたハイドロニューマチックサスペンションであって、前記緩衝用流体が磁気粘性流体であり、前記流路と前記連通路との少なくとも一方を通過する前記磁気粘性流体に対して磁界を印可する磁界印可手段が設けられたことを特徴とする。

また、請求項２の発明に係るハイドロニューマチックサスペンションは、請求項１に記載のハイドロニューマチックサスペンションにおいて、前記車体側部材と前記車輪側部材との間に介装され、当該車体側部材と当該車輪側部材とを離反させる弾性部材を更に備えたことを特徴とする。

請求項１のハイドロニューマチックサスペンションによれば、車高調整機構がフリーピストンによって緩衝機構から隔離されるため、緩衝機構の作動流体として磁気粘性流体を用いても、油圧ポンプや油圧バルブユニット等の摩耗や損傷が起こらなくなる。また、請求項２のハイドロニューマチックサスペンションによれば、例えば弾性部材によって車重を負担させることにより、作動液供給手段の駆動力が小さくなってエネルギー損失の低減等が図れるとともに、緩衝用アキュムレータにも比較的小さいものを採用できるようになる。

以下、図面を参照して、本発明を４輪自動車用のアクティブサスペンションシステムに適用した一実施形態と、その一部変形例とを詳細に説明する。
図１は実施形態に係るアクティブサスペンションシステムの模式的構成図であり、図２は減衰力制御用ＭＬＶ（Magnetizable Liquid Valve）の概略構造図である。また、図３は実施形態の第１変形例に係るアクティブサスペンションシステムの要部構成図であり、図４は実施形態の第２変形例に係るアクティブサスペンションシステムの要部構成図である。

〔実施形態〕
本実施形態のアクティブサスペンションシステムは、車高調整用流体として比較的低粘度の鉱物油であるＨＣＦ（Height Control Fluid：車高調整油）を用い、緩衝用流体としてＭＲＦ（Magneto-Rheological Fluid：磁気粘性流体）を用いている。本実施形態のＭＲＦは、分散媒である鉱物油中に真球状で微細（直径１０μｍ程度）な強磁性微粒子を分散させたものであり、外部から磁界が印可されることにより強磁性微粒子が凝集して鎖状のクラスタを形成し、これにより見かけ上の粘度（以下、単に粘度と記す）が上昇する。

《実施形態の構成》
図１に示すように、本実施形態のアクティブサスペンションシステムは、車体側部材（ホイールハウスアッパ等）Ｃと車輪側部材（サスペンションアームやナックル等）Ａとを接近または離反させる車高調整機構１と、ホイールＷ（車輪側部材Ａ）から車体側部材
Ｃへの上下方向入力を緩衝する緩衝機構２と、車高調整機構１および緩衝機構２の駆動制御を行うＥＣＵ３とから構成されている。なお、緩衝機構２は、各ホイールＷごとに同一構成のものがそれぞれ設けられているが、説明が煩雑になることを避けるため、図１には１つのホイールＷに対するもののみを示す。

＜車高調整機構＞
車高調整機構１は、ＨＣＦを貯留するオイルパン１１や、サクションパイプ１２を介してオイルパン１１内のＨＣＦを吸い込んでフィードパイプ１３に吐出するエンジン駆動のオイルポンプ１４、フィードパイプ１３の管路に設けられた調圧用アキュムレータ１５、フィードパイプ１３からＨＣＦの供給を受ける油圧バルブユニット１６、油圧バルブユニット１６を後述するアクチュエータ３１の上部に接続させるコネクトパイプ１７、油圧バルブユニット１６からオイルパン１１にＨＣＦを還流させるリターンパイプ１８等から構成されている。

油圧バルブユニット１６は、多数の電磁比例圧力制御弁等から構成されており、前述したＥＣＵ３によって駆動制御される。また、フィードパイプ１３とリターンパイプ１８とはリリーフパイプ１９により連結されており、フィードパイプ１３の内圧が設定値以上となるとリリーフパイプ１９の管路に設けられたリリーフバルブ２０が開弁し、フィードパイプ１３からリターンパイプ１８に余剰なＨＣＦが排出される。そして、調圧用アキュムレータ１５からフィードパイプ１３側へのＨＣＦの逆流を防止すべく、フィードパイプ１３の管路にはチェックバルブ２１が設けられている。

＜緩衝機構＞
緩衝機構２は、車体側部材Ｃと車輪側部材Ａとの間に介装されたアクチュエータ３１と、アクチュエータ３１の下部に連通パイプ３２を介して接続された緩衝用アキュムレータ３３とから構成されている。

（アクチュエータ）
アクチュエータ３１は、その上端が車体側部材Ｃに連結されたシリンダチューブ４１や、シリンダチューブ４１をＨＣＦが貯留された車高調整液室４２とＭＲＦが貯留された緩衝液室４３とに画成するフリーピストン４４と、緩衝液室４３を第１液室４５と第２液室４６とに画成するピストン４７、ピストン４７に形成されてＭＲＦを第１液室４５と第２液室４６との間で流通させる流路４８、ピストン４７と車輪側部材Ａとを連結するピストンロッド４９を備えている。なお、前述した車高調整機構１のコネクトパイプ１７は、車高調整液室４２に接続している。

（緩衝用アキュムレータ）
緩衝用アキュムレータ３３は、ブラダ（弾性隔壁）５１によって金属ケース５２の内部を加圧ガス室５３と作動液室５４とに区画したブラダ型である。加圧ガス室５３には高圧窒素ガスが充填される一方、ブラダ５１を介して加圧された作動液室５４にはＭＲＦが充填されている。作動液室５４とアクチュエータ３１の第２液室４６とは前述した連通パイプ３２を介して接続されているため、車輪側部材Ａの上下動によってピストンロッド４９のシリンダチューブ４１内への進入量が変化すると、ＭＲＦが作動液室５４と第２液室４６との間を移動する。また、連通パイプ３２の管路には減衰力制御用ＭＬＶ５５が設けられており、この減衰力制御用ＭＬＶ５５によって連通パイプ３２を通過するＭＲＦの流量が制御される。

（減衰力制御用ＭＬＶ）
図２に示すように、減衰力制御用ＭＬＶ５５は、連通孔（連通路）５６と、連通孔５６を囲繞するコイル５７とを備えている。減衰力制御用ＭＬＶ５５では、ＥＣＵ３からコイル５７に電流が供給されると、連通孔５６を流通するＭＲＦにコイル５７から磁界が印可される。

≪実施形態の作用≫
自動車のエンジンが始動されると、オイルパン１１内のＨＣＦは、サクションパイプ１２からオイルポンプ１４に吸い込まれて昇圧された後、フィードパイプ１３を介して油圧バルブユニット１６に圧送される。この際、エンジン回転速度（すなわち、オイルポンプ１４の回転速度）に応じてフィードパイプ１３の内圧が変動するが、その圧力変動は調圧用アキュムレータ１５によって吸収される。また、エンジン回転速度が高くなる急加速走行時等には、フィードパイプ１３の内圧が設定値を超えてリリーフバルブ２０が開弁し、フィードパイプ１３からリターンパイプ１８に余剰なＭＲＦが排出される。

油圧バルブユニット１６からアクチュエータ３１の車高調整液室４２に所定量のＨＣＦが供給されると、車高調整液室４２の容積の増大に伴ってフリーピストン４４が図１中で下方に移動し（緩衝液室４３の容積が減少し）、緩衝液室４３の内圧Ｐが増加する。すると、アクチュエータ３３では、緩衝液室４３の内圧をＰ、ピストン４７における第１液室４５側の受圧面積をＳ１、第２液室４６側の受圧面積をＳ２とすると、ピストン４７に次式で示す押下げ力Ｆが発生する。
Ｆ＝Ｐｘ（Ｓ１−Ｓ２）
その結果、ピストン４７（すなわち、ピストンロッド４９）は、路面からの入力と押下げ力Ｆとが釣り合う位置に移動し、所定の地上高が確保される。

＜車高制御＞
ＥＣＵ３は、路面状況や車両の運動状態によって車両の挙動変化を検知あるいは予測すると、その挙動変化に対応すべく、各ホイールＷにおける目標地上高を算出して油圧バルブユニット１６に供給する制御電流を増減させる。すると、油圧バルブユニット１６は、ＥＣＵ３からの制御電流に応じて、アクチュエータ３１の車高調整液室４２へのＨＣＦの供給や、車高調整液室４２からのＨＣＦの排出を行う。車高調整液室４２にＨＣＦが供給された場合、フリーピストン４４が図１中で下方に移動し、緩衝液室４３では容積の減少に伴ってその内圧Ｐが増大し、押下げ力Ｆが増加することで車体側部材Ｃと車輪側部材Ａ（すなわち、ホイールＷ）との距離が増大する。また、車高調整液室４２から油圧バルブユニット１６側にＨＣＦが排出されると、フリーピストン４４が図１中で上方に移動し、緩衝液室４３では容積の増大に伴ってその内圧Ｐが減少し、押下げ力Ｆが減少することで車体側部材Ｃと車輪側部材Ａとの距離が逆に減少する。車高調整機構１は、鉱物油であるＨＣＦを作動流体として用いているため、長期間の運転が行われてもオイルポンプ１４や油圧バルブユニット１６の作動部材の摩耗が殆ど起こらない。

＜減衰力制御＞
また、ＥＣＵ３は、車両の挙動変化を検知あるいは予測すると、これらの挙動変化に対応すべく、各車輪の目標減衰力を新たに算出して減衰力制御用ＭＬＶ５５に供給する電流も増減させる。減衰力制御用ＭＬＶ５５では、ＥＣＵ３からの制御電流がコイル５７に供給されると、図２に示すように、ＭＲＦ中の強磁性微粒子５９が磁界の方向に所定の凝集度をもって瞬時に凝集して鎖状のクラスタを形成し、連通孔５６内を流通するＭＲＦの流動抵抗（すなわち、減衰力）が非常に高い制御応答性をもって変化する。例えば、路面の凹凸やうねり等によって車輪側部材Ａ（すなわち、ホイールＷ）が上下動すると、ＭＲＦがアクチュエータ３１と緩衝用アキュムレータ３３との間を移動して緩衝（車体への衝撃入力の緩和）が行われるが、バウンド時に減衰力制御用ＭＬＶ５５の連通孔５６内でのＭＲＦの流動抵抗を増大させることによって車体振動が効果的に減衰される。

本実施形態では、このように、ＨＣＦを作動流体とする車高調整機構１とＭＲＦを作動流体とする緩衝機構２とをアクチュエータ３１内のフリーピストン４４で区画するようにしたため、高い耐久性を確保しながら、製造コストの低減や減衰力制御の応答性向上等を実現することができた。

〔第１変形例〕
図３に示すように、第１変形例のアクティブサスペンションシステムは、上述した実施形態と略同様の構成を採っているが、減衰力制御用ＭＬＶ５５がピストン４７に内装されている。本実施形態では、ＥＣＵ３から減衰力制御用ＭＬＶ５５に制御電流が供給されると、流路４８内を流通するＭＲＦの粘度が瞬時に変化し、ピストン４７の上下動に伴うＭＲＦの第１液室４５と第２液室４６との間での流動抵抗（すなわち、減衰力）を非常に高い制御応答性をもって制御することができる。

〔第２変形例〕
図４に示すように、第２変形例のアクティブサスペンションシステムも、上述した実施形態と略同様の構成を採っているが、アクチュエータ３１と車輪側部材Ａとの間に圧縮コイルスプリング（弾性部材）６１が付加されている。圧縮コイルスプリング６１は車体の空車重量（いわゆる、１Ｇ）を支持するもので、エンジン（すなわち、オイルポンプ１４）の停止時においても自動車の地上高が所定の値に維持される。第２変形例では、このような構造としたため、オイルポンプ１４やアクチュエータ３１、緩衝用アキュムレータ３３に吐出圧や体格の小さいものが採用でき、エンジンの動力損失や装置重量等を軽減することができた。また、エンジンの停止後に車高が低下することがないため、路面に段差がある場所での駐車等も容易となる。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、上記実施形態は４輪自動車のアクティブサスペンションシステムに本発明を適用したものであるが、２輪車や６輪以上の貨物車等にも適用できるし、通常のハイドロニューマチックサスペンション等にも適用できる。また、上記実施形態では緩衝用アキュムレータとしてプラダ型を採用したが、ピストン型やダイヤフラム型等も採用可能である。また、上記実施形態のアクチュエータではピストン側に連通孔を設け、更に第１変形例ではピストン側に減衰力制御用ＭＬＶを設けたが、これらの一方あるいは双方をシリンダチューブ側に設けるようにしてもよい。また、上記実施形態では作動液供給手段としてエンジン駆動のオイルポンプを用いたが、電動のオイルポンプを用いてもよく、その場合には調圧用アキュムレータを省略することが可能である。また、上記実施形態ではシリンダチューブの下方にピストンロッドが位置するアクチュエータを採用したが、シリンダチューブの上方にピストンロッドが位置するものを採用してもよい。その他、アクティブサスペンションシステムの具体的構成等についても、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

実施形態に係るアクティブサスペンションシステムの模式的構成図である。 減衰力制御用ＭＬＶの概略構造図である。 第１変形例に係るアクティブサスペンションシステムの要部構成図である。 第２変形例に係るアクティブサスペンションシステムの要部構成図である。

符号の説明

１ 車高調整機構
２ 緩衝機構
３ ＥＣＵ
４ オイルポンプ（車高調整用流体供給手段）
１６ 油圧バルブユニット（車高調整用流体供給手段）
３１ アクチュエータ
３２ 連通パイプ（連通路）
３３ 緩衝用アキュムレータ
４１ シリンダチューブ
４２ 車高調整液室
４３ 緩衝液室
４４ フリーピストン
４５ 第１液室
４６ 第２液室
４７ ピストン
４８ 流路
４９ ピストンロッド
５１ ブラダ（隔壁）
５３ 加圧ガス室
５４ 作動液室
５５ 減衰力制御用ＭＬＶ（磁界印可手段）
６１ 圧縮コイルスプリング（弾性部材）
Ａ 車輪側部材
Ｃ 車体側部材
Ｗ ホイール

Claims (2)

1. 車体側部材と車輪側部材とのどちらか一方に連結されたシリンダチューブ、当該シリンダチューブを車高調整用流体が貯留された車高調整液室と緩衝用流体が貯留された緩衝液室とに画成するフリーピストン、前記緩衝液室を第１液室と第２液室とに画成するピストン、当該ピストンと当該シリンダチューブとの少なくとも一方に形成されて前記緩衝用流体を当該第１液室と当該第２液室との間で移動させる流路、および当該車体側部材と当該車輪側部材とのどちらか他方を当該ピストンに連結するピストンロッドを有し、当該車高調整液室に車高調整用流体が給排されることによって当該車体側部材と当該車輪側部材とを接近または離反させるアクチュエータと、
   前記緩衝液室に連通路を介して接続された圧液室と、当該圧液室と隔壁によって区画された加圧ガス室とを有する緩衝用アキュムレータと、
   前記車高調整液室に前記車高調整用流体を供給する車高調整用流体供給手段と
   を備えたハイドロニューマチックサスペンションであって、
   前記緩衝用流体が磁気粘性流体であり、
   前記流路と前記連通路との少なくとも一方を通過する前記磁気粘性流体に対して磁界を印可する磁界印可手段が設けられたことを特徴とするハイドロニューマチックサスペンション。
2. 前記車体側部材と前記車輪側部材との間に介装され、当該車体側部材と当該車輪側部材とを離反させる弾性部材を更に備えたことを特徴とする、請求項１に記載のハイドロニューマチックサスペンション。

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