JP2013180744A - 車両用防振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】広い振動周波数域に対して防振効果を発揮する車両用防振装置を提供する。
【解決手段】少なくとも一端部がエンジン１から車体２への振動伝達経路に固定されるロッド８１と、前記ロッドに弾性体８２を介して支持された慣性マス８３と、前記慣性マスを前記ロッドの軸方向に往復動させるアクチュエータ８４と、前記エンジンの振動周波数のうちの一部の振動周波数域の振動を防振制御域として前記アクチュエータを駆動制御する制御手段８５と、を備える車両用防振装置において、前記慣性マスが前記ロッドの軸方向に往復動した際に生じる共振モードの周波数が、前記一部の振動周波数域以外の振動周波数に設定されている。
【選択図】 図４

Description

本発明は、振動源であるエンジンから車体側へ伝達される振動を抑制する車両用防振装置に関するものである。

エンジンから車体側へ伝達される振動を抑制する防振装置として、振動系の共振周波数をアイドル時のエンジン振動の周波数とほぼ同一に設定し、アイドル時に生じる大振幅の振動を効果的に低減するように構成したものが提案されている（特許文献１）。

特開平５−１６９９８４号公報

しかしながら、上記従来の防振装置では、防振制御を行っている場合は上記のとおりアイドル時のエンジン振動を効果的に低減できるが、防振制御を行っていない場合には、ダイナミックダンパなど別途の防振装置を設ける必要があり、広い振動周波数に対して防振効果を発揮できないという問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、部品点数を増加させることなく広い振動周波数域に対して防振効果を発揮する車両用防振装置を提供することである。

本発明は、慣性マスがロッドの軸方向に往復動する際に発生する共振モードの周波数を、制御目的とする振動周波数域以外の振動周波数域に設定することによって上記課題を解決する。

本発明によれば、防振装置を駆動すると制御目的とする振動周波数域の振動に対する防振が行われる一方、防振装置が駆動していない場合には慣性マス等がダイナミックダンパとして機能する。したがって、部品点数を増加させることなく制御目的以外の振動周波数の振動も防振することができるので、広い振動周波数域に対して防振効果を発揮する。

本発明の一実施の形態に係る車両用防振装置を適用するペンデュラム方式のエンジン例を示す正面図である。 図１の平面図である。 本発明の一実施の形態に係る車両用防振装置を示す断面図である。 図３の車両用防振装置をエンジンマウントに適用した一例を示す断面図である。 図３の車両用防振装置をエンジンマウントに適用した他例を示す断面図である。 図３の車両用防振装置の作用を説明する要部断面図である。 図３の車両用防振装置の作用を説明する要部断面図である。 エンジンの上下振動とエンジンマウント及び車両に伝達される振動の加速度との関係を示すタイムチャートである。 エンジン回転数に対するエンジンマウントの寄与率を示すグラフである。 エンジン音及びタイミングチェーン音それぞれの、振動周波数とエンジン回転速度との関係を示すグラフである。 エンジン音の防振効果を示すグラフである。 タイミングチェーン音の防振効果を示すグラフである。

最初に本発明の一実施の形態に係る車両用防振装置を適用することができる、いわゆるペンデュラム方式エンジンについて説明する。ペンデュラム方式によるエンジン１の支持構造とは、図１及び図２に示すように、エンジン１の慣性主軸Ｌを、車両の幅方向（進行方向と直交する方向，車両左右方向ともいう）と平行に向けて配置された、いわゆる横置きエンジン１に対して、エンジン１を支持する２個の支持点Ｐ１，Ｐ２が、図２の平面視においては、エンジン１の慣性主軸Ｌの近傍の、重心Ｇを挟んで互いに軸方向反対側に位置し、図１の側面視においては、ともに慣性主軸Ｌの車両上方に位置するように設けられた支持構造をいう。なお、２個の支持点Ｐ１，Ｐ２は、図４，５に示すように左右それぞれのエンジンマウント３，４により構成される。

ペンデュラム方式エンジンの支持構造は、エンジン１を振り子のように吊り下げて支持するとともに、それらの支持点Ｐ１，Ｐ２を結ぶ直線の周りを揺動するエンジン重心Ｇを、車体２に取り付けられたトルクロッド５，６（以下、アッパトルクロッド５、ロアトルクロッド６ともいう。）のような棒状部材で抑えるよう構成され、少ない点数の部品で従来と同様の制振効果が得られるといったメリットがある。すなわち、ペンデュラム方式でマウントされたエンジン１では、エンジン１の運転時に回転慣性力によって２つの支持点Ｐ１，Ｐ２を結んだ軸の回りにエンジン１が傾く。この傾きを防止してエンジン１を支持するため、エンジン１のほぼ上半分と車体２側部材とを連結するアッパトルクロッド５と、エンジン１の残り下半分と車体２側部材（サブフレーム７を含む）とを連結するロアトルクロッド６とを備える。アッパトルクロッド５が車両右上側からエンジン１に、もう一つのロアトルクロッド６が車両下側からエンジン１に連結され、これら２つのトルクロッド５，６により、ペンデュラム方式のエンジン１が傾くことを防止する。

上記のエンジン１は、たとえば直列４気筒エンジンである。４気筒エンジンでは、エンジン回転の基本次数で不平衡慣性力が小さいので、主にエンジントルク変動の反力がエンジン１に作用する。したがってエンジン回転の基本次数では、トルクを支持している上記２つのトルクロッド５，６からの入力によって主に車内音・車内振動が発生することが本発明者によって知見されている。さらに、車両の主に加速時に、基本次数の高次数で構成される約１０００Ｈｚまでの車内音が乗員にとって問題となることが知られている。

エンジン１を支持する２個の支持点Ｐ１，Ｐ２において、エンジンマウント３，４がエンジン１と車体２との間に設けられている。図４は、支持点Ｐ１におけるエンジンマウント３を示す断面図であり、弾性ゴムなどの弾性体からなるエンジンマウント３の一端が、エンジンマウントブラケット１１にボルトなどで固定され、他端がフロントサイドメンバなどの構造体からなる車体２にボルトなどで固定されている。これにより、重量物のエンジン１は車体２に対して弾性力を介して強固に支持されることになる。なお、他方のエンジンマウント４も同様の構成とされている。

特に本例のエンジン支持点Ｐ１，Ｐ２には、図４に示すようにエンジンマウント３の内部に振動体８が設けられている。図３は本例の振動体８を示す要部断面図であり、本例の振動体８は、一端部が車体２に固定され、他端部が解放されたロッド８１と、当該ロッド８１に一対の弾性支持バネ８２を介して支持された慣性マス８３と、慣性マス８３をロッド８１の軸方向に往復動させるアクチュエータ８４とを有する。なお、エンジン１から車体２へ伝達される振動の伝達経路上に振動体８を設けるために、ロッド８１の軸線はエンジンマウント３の中心線とほぼ一致するように設定されている。

本例の慣性マス８３は、磁性を有する金属等からなり、たとえば角筒型や円筒型とされ、慣性マス８３のロッド軸方向の両端（図３における上下端）がそれぞれ弾性支持バネ８２を介してロッド８１に連結されている。弾性支持バネ８２は、たとえば比較的小さな剛性を有する金属製板バネである。本例の慣性マス８３は、ロッド８１の周囲にロッド８１と同軸で設けられ、ロッド８１の軸方向に見た慣性マス８３の断面は、ロッド８１の中心（重心）を中心にした点対称な形であると共に、慣性マス８３の重心はロッド８１の中心に一致して設けられている。慣性マス８３の内壁の一部は、後述するアクチュエータ８４の永久磁石８４ｃに向けて凸設されている。

アクチュエータ８４は、上述した慣性マス８３の形状に応じて角筒状や円筒状のコア８４ａと、コイル８４ｂと、永久磁石８４ｃとを含むリニアタイプ（直線運動型）のアクチュエータであり、慣性マス８３をロッド８１の軸方向に往復動するものである。コイル８４ｂの磁路を構成するコア８４ａは積層鋼鈑から構成されており、ロッド８１に固定されている。コイル８４ｂは、この角筒状又は円筒状のコア８４ａに巻回されている。永久磁石８４ｃは、コア８４ａの外周面に設けられている。

アクチュエータ８４は、このような構成であるので、コイル８４ｂと永久磁石８４ｃとが発生する磁界によるリアクタンストルクによって慣性マス８３をリニアに、つまり慣性マス８３をロッド８１の軸方向に往復動するように駆動することになる。

本例の振動体８は、図４に示すようにエンジン１の上死点信号が入力されるコントローラ８５と、エンジンの上死点信号に応じた位相の正弦波を生成する位相器８６と、位相器８６の出力信号を増幅してアクチュエータ８４のコイル８４ｂに印加する（たとえば電圧制御）増幅器８７とを備える。そして、エンジン１の上死点信号に応じた電圧をコイル８４ｂに印加することで慣性マス８３をロッド８１の軸方向に往復振動させ、これによりエンジン１の振動を抑制する。

図５は、振動体８をエンジンマウント３に設ける構成の他例を示す断面図である。同図に示す例では、エンジンマウント３の内部に振動体８を設けることに代えて、エンジンマウント３をエンジンマウントブラケット１１と車体ブラケット２１との間に固定し、車体ブラケット２１の内部に振動体８が設けられている。なお、エンジン１から車体２へ伝達される振動の伝達経路上に振動体８を設けるために、ロッド８１の軸線はエンジンマウント３の中心線とほぼ一致するように設定されている。このように構成しても図４に示す実施形態と同様の作用効果を奏する。なお、図４及び５ではエンジンマウント３が設けられた支持点Ｐ１に振動体８を設けた例を説明したが、必要に応じてエンジンマウント４が設けられた支持点Ｐ２にも同様の構成で振動体８を設けてもよい。

さて、既述したペンデュラム方式のエンジンマウント構造では、エンジンマウント３，４に掛かるエンジン重量荷重と、ロール振動による変位の方向が直交するため、エンジン重量を支える剛性を保ったまま、ロール振動による変位方向の低剛性化を図ることができる。そのため、アイドル時にトルク変動が大きくなることによってもたらされるロール方向の振動対策は不要となる利点がある。ただし、エンジン１には、ロール方向の振動の他にピストン及びピストンと連結されているリンクが往復運動することによって発生する上下振動がある。図７は、エンジン１の上死点信号と、エンジンマウント３，４に入力されるエンジン１の上下振動の加速度Ｇと、エンジンマウント３，４を介して車体２へ伝達するエンジン１の上下振動の加速度との関係を示すタイムチャートである。

図７より、エンジンマウント３，４に入力される振動の周期、及びエンジンマウント３，４を介して車体２に伝わる振動の周期は、上死点信号の周期のほぼ２倍であらわれることがわかる。さらに、エンジンマウント３，４に入力される振動が上死点信号と同位相であるのに対して、車体２へ伝わる振動は位相差Δθがあることがわかる。そのため、上死点信号からピストンが往復する周期の２倍の周期をもつ正弦波をコントローラ８５で計算し、位相器８６によって位相差Δθ＋１８０度遅らせ、増幅器８７によって増幅させた正弦波信号によって、図４に示すエンジンマウント３の内部に設置した振動体８又は図５に示す車体ブラケット２１の内部に設置した振動体８のアクチュエータ８４を駆動することで、車体２に伝わるエンジン１の上下振動を打ち消すことができる。

図８は、エンジン１の回転速度ｒｐｍに対するエンジンマウント３，４の制振寄与率の一例を示すグラフであり、この例によればエンジン回転速度が３０００ｒｐｍ以上でエンジンマウント３，４の制振寄与率が６０％以上となる。エンジン回転速度が３０００ｒｐｍ以下ではエンジンマウント３，４の制振寄与率が低く吸気音や排気音による振動騒音が高くなる。したがって、本例の振動体８は、たとえば制振寄与率が高くなる３０００ｒｐｍ以上のエンジン回転速度で駆動し、それ以下のエンジン回転速度ではアクチュエータ８４を停止することで消費電力を抑制することとしている。

ところで、エンジン１の上下振動による振動周波数は、たとえば３３〜２００Ｈｚの低い周波数域で生じることが多いとされている。図９は、４気筒エンジンにおけるエンジン回転速度とエンジンの振動周波数との関係の一例を示すグラフであり、たとえば、エンジンの上下振動による車室内のこもり音は、エンジン回転速度が３０００〜６０００ｒｐｍで１００〜２００Ｈｚの振動周波数となる。

これに対して、エンジン１のタイミングチェーンのスプロケットとの噛み合わせ振動は、エンジン回転速度に応じて周期が変動し、タイミングチェーンの振動がフロントカバーの共振モードによって増幅されると車室内の騒音として問題となる。ＦＦ車両に搭載される４気筒エンジンの場合のフロントカバーの共振モードの周波数は５００〜１５００Ｈｚの範囲に存在することが多い。特にペンデュラム方式のエンジンマウント構造においては、フロントカバーにエンジンマウントブラケットが設定されることが多く、こうすると増幅されたタイミングチェーンの振動は、エンジンの上下振動と同じ伝達経路で車体に伝達される。

また、タイミングチェーンと同様に、エンジンの回転速度に応じて振動周期が変動し、エンジン１の上下振動と同じ伝達経路で車体に伝達される振動構造体として、空気調和装置のコンプレッサやオルタネータが挙げられる。いずれの振動構造体も、エンジン１のクランクシャフトの回転力を駆動源にして振動するものであり、これらの共振モードの周波数も５００〜１５００Ｈｚの範囲に存在することが多いとされている。

上述したとおり、本例の振動体８は、制振寄与率が所定値以上の振動周波数域（図９に示す例では１００〜２００Ｈｚ）でのみ駆動して防振制御を実行するものとし、それ以外の振動周波数域ではアクチュエータ８４を停止する。このとき本例では、アクチュエータ８４の非駆動時において慣性マス８３がロッド８１の軸方向に往復動した際に生じる共振モードの周波数が、上記防振制御を実行する振動周波数域（すなわち図９に示す例では１００〜２００Ｈｚ）以外の周波数域になるよう、本例の慣性マス８３の重量や弾性支持バネ８２の弾性力等が調節されている。

この慣性マス８３の共振モードの周波数を、防振制御を実行する振動周波数域以外の周波数に設定するに際し、防振制御を実行する振動周波数域の下限値未満の領域に設定してもよいし、上限値を超える領域に設定してもよい。たとえば、慣性マス８３が車両の上下方向に振動する共振モードの周波数を、防振制御を実行する振動周波数域の下限値未満の領域に設定し、タイミングチェーン，空気調和装置用コンプレッサ及びオルタネータなどの構造体が振動源となる振動に対しては防振制御を実行する振動周波数域の上限値を超える領域に設定する。

防振制御を実行する振動周波数域の上限値を超える領域に設定する場合には、エンジン１のタイミングチェーンの次数振動がエンジンフロントカバーの共振モードを励起する周波数を含む所定周波数に設定したり、空気調和装置用コンプレッサがエンジン１への装着部を支点にして振動する共振モードの周波数を含む所定周波数に設定したり、オルタネータがエンジン１への装着部を支点にして振動する共振モードの周波数を含む所定周波数に設定したりすることができる。

以上のとおり、本例の振動体８を備える防振装置によれば、エンジン回転速度がたとえば３０００ｒｐｍ以上の場合に防振制御を実行するが、エンジンマウント３を介して伝達されるエンジン１の上下振動は、エンジン回転速度の全域で変位振幅が一定になるため、エンジンマウント３を介して入力される力もほぼ一定となる。ここで本例では、防振制御を実行する振動周波数域に慣性マス８３の共振モードの周波数を設定していないので、図１０Ａに点線で示すように、３０００〜４５００ｒｐｍのエンジン回転速度、すなわち１００Ｈｚ〜１５０Ｈｚの広い周波数領域において一定の力を発生させることができる。

これに対して、本例の振動体８を備える防振装置によれば、駆動させていないエンジン回転速度域、すなわち振動周波数域が１００Ｈｚ未満や２００Ｈｚを超える領域において、振動体８がダイナミックダンパとして作用するので、別途のダイナミックダンパなどの部品を追加する必要がなく、図１０Ｂに点線で示すように、エンジンブラケット１１又はエンジンブラケット１１の近傍に配置されたタイミングチェーン、空気調和装置用コンプレッサ或いはオルタネータなどの構造体の共振モードで増幅された振動が、車体２に伝わるのを低減することができる。

また本例の振動体８を備える防振装置によれば、弾性支持バネ８２を金属製板バネで構成しているので、温度による剛性変動が小さく、温度差によるダイナミックダンパの共振周波数のばらつきを小さくすることができる。

また本例の振動体８を備える防振装置によれば、一対の弾性支持バネ８２，８２のオフセット量を適宜の量に設定することにより、回転方向に発生する共振モードの周波数のみを向上させることができる。すなわち、図６Ａに示すように弾性支持バネ８２の慣性マス８３の中心からのオフセット量を相対的に小さくした場合には、図６Ｂに示すようにオフセット量を相対的に大きくした場合に比べ、慣性マス８３が回転するのに必要な力は小さくなる。こうしたオフセット量を適宜量に設定することで目的とする回転方向に発生する共振モードの周波数のみを調節することができる。

上記弾性支持バネ８２は本発明に係る弾性体に相当し、上記コントローラ８５は本発明に係る制御手段に相当する。

実施の形態で説明に用いたエンジンは４気筒エンジンであったが、例えば３気筒エンジンや６気筒エンジン等、他のエンジンにおいても、それらに対応して防振制御を実行する振動周波数域と慣性マスの共振モード周波数を設定することで、本発明は他のエンジンに適用することもできる。

１…エンジン
１１…エンジンマウントブラケット
２…車体
３，４…エンジンマウント
Ｐ１，Ｐ２…支持点
５…アッパトルクロッド
６…ロアトルクロッド
７…サブフレーム
８…振動体
８１…ロッド
８２…弾性支持バネ
８３…慣性マス
８４…アクチュエータ
８４ａ…コア
８４ｂ…コイル
８４ｃ…永久磁石
８５…コントローラ
８６…位相器
８７…増幅器

Claims (7)

1. 少なくとも一端部がエンジンから車体への振動伝達経路に固定されるロッドと、
   前記ロッドに弾性体を介して支持された慣性マスと、
   前記慣性マスを前記ロッドの軸方向に往復動させるアクチュエータと、
   前記エンジンの振動周波数のうちの一部の振動周波数域の振動を防振制御域として前記アクチュエータを駆動制御する制御手段と、を備える車両用防振装置において、
   前記慣性マスが前記ロッドの軸方向に往復動した際に生じる共振モードの周波数が、前記一部の振動周波数域以外の振動周波数に設定されている車両用防振装置。
2. 前記共振モードの一の周波数が、前記一部の振動周波数域の下限値未満の振動周波数に設定され、
   前記共振モードの他の周波数が、前記一部の振動周波数域の上限値を超える振動周波数に設定されている請求項１に記載の車両用防振装置。
3. 前記共振モードの他の周波数は、前記エンジンのタイミングチェーンの次数振動がエンジンフロントカバーの共振モードを励起する周波数を含む所定周波数に設定されている請求項２に記載の車両用防振装置。
4. 前記共振モードの他の周波数は、空気調和装置用コンプレッサが前記エンジンへの装着部を支点にして振動する共振モードの周波数を含む所定周波数に設定されている請求項２に記載の車両用防振装置。
5. 前記共振モードの他の周波数は、オルタネータが前記エンジンへの装着部を支点にして振動する共振モードの周波数を含む所定周波数に設定されている請求項２に記載の車両用防振装置。
6. 前記弾性体は、金属製板ばねから構成されている請求項１〜５のいずれか一項に記載の車両用防振装置。
7. 前記慣性マスの回転中心から所定のオフセット量で、一対の前記弾性体が設けられている請求項１〜６のいずれか一項に記載の車両用防振装置。

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