JP5467110B2 - エネルギ回生ダンパ - Google Patents

Description

本発明は、作動流体の運動エネルギを電力に回生するエネルギ回生ダンパに係り、伸縮ストロークの確保や構成の簡素化等を実現する技術に関する。

自動車のサスペンションに用いられるテレスコピック型のダンパには、車載バッテリの充電や作動油の昇温抑制を図るべく、シリンダ内でピストンが移動する際における流体の運動エネルギを電力に回生するもの（エネルギ回生ダンパ）が存在する。エネルギ回生ダンパの具体的な例としては、ピストンの下方に回転体（タービン）を設置し、ピストンの上方にロータを有する発電機を設置し、タービンと発電機のロータとをロッドを介して連結したものが提案されている（特許文献１参照）。このエネルギ回生ダンパでは、テレスコピック作動に伴ってピストンがシリンダの軸方向に沿って移動すると、タービン（すなわち、発電機のロータ）が作動油によって回転駆動されることで発電が行われるとともに、流体の運動エネルギが熱に変換され難くなって作動油の昇温が抑制される。
実開平５−５０１９６号公報

特許文献１のエネルギ回生ダンパでは、タービンと発電機とをピストンの上下に分離して設置し、更にタービンを軸方向寸法の大きなホルダ内に保持しているため、ピストンの実質的な軸方向寸法が長くなり、伸縮ストロークが十分に確保し難くなる問題があった。また、ピストンに対してロータと発電機とを個別に組み付けるため、部品点数や製造工数も多くなって製造コストが高くなることが避けられなかった。

本発明は、このような背景に鑑みなされたもので、伸縮ストロークの確保や構成の簡素化等を実現したエネルギ回生ダンパを提供することを目的とする。

第１の発明は、流体が充填されるとともに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と、前記シリンダを一側液室と他側液室とに区画するとともに当該シリンダ内を軸方向に移動可能なピストンと、前記車体側部材と車輪側部材とのどちらか他方に前記ピストンを連結するロッドと、前記流体の運動エネルギを電力に回生するエネルギ回生手段とを備えたエネルギ回生ダンパであって、前記エネルギ回生手段は、前記ピストンに一体に形成されるとともに、複数の固定子巻線が形成されたステータと、前記ピストン内に回転自在に保持され、当該ピストンが軸方向に移動する際に前記流体に付勢されて回転するとともに、前記固定子巻線に対峙する複数の磁極が形成されたロータとを有し、前記ピストンは前記シリンダの内周面に摺動自在に内嵌したハウジングを備え、前記ステータおよび前記ロータが当該ハウジングに収容され、前記ハウジングは、前記ロータを支持する軸受と、前記流体を前記ロータに導く流通孔と、所定の流通抵抗を与えながら前記流体を流通させるオリフィスとを有することを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明に係るエネルギ回生ダンパにおいて、前記ステータが円環状または円筒状を呈し、前記固定子巻線が当該ステータの内周側に形成され、前記磁極が前記ロータの外周側に形成されたことを特徴とする、請求項１に記載されたエネルギ回生ダンパ。

また、第３の発明は、第１の発明に係るエネルギ回生ダンパにおいて、前記ロータが円環状または円筒状を呈し、前記固定子巻線が前記ステータの外周側に形成され、前記磁極が当該ロータの内周側に形成されたことを特徴とする。

また、第４の発明は、第１の発明に係るエネルギ回生ダンパにおいて、車載バッテリと前記エネルギ回生手段との間に介装される電流制御ユニットを備え、前記電流制御ユニットは、前記エネルギ回生手段が発生した電流を前記車載バッテリに供給する、あるいは、前記車載バッテリから前記エネルギ回生手段にロータを駆動する電流を供給することを特徴とする。

また、第５の発明は、第１の発明に係るエネルギ回生ダンパにおいて、前記ロータは、前記流体に付勢されて回転すべく、スパイラル形またはプロペラ形のスクリュー部を有することを特徴とする。

本発明によれば、ピストンと別体に設けられていた回転体の回転を伝達して発電機を駆動する従来装置と異なり、エネルギ回生手段のロータが流体の移動に伴って回転するようにしたため、ピストンの実質的な軸方向寸法が短縮されて十分な伸縮ストロークを有するエネルギ回生ダンパを実現できる。また、ピストンにステータおよびロータが一体に組み込まれるため、発電機や回転体をピストンに組み付ける必要がなくなり、組み付け作業性も向上する。また、ハウジングに流通孔とオリフィスとが設けられたものでは、流通孔から導入された流体によってロータを回転させる一方、流体をオリフィスに通過させることによって減衰力を発生させることが可能となる。また、電流制御ユニットを備えたものでは、オルタネータの発電負荷を軽減させることや、ダンパの減衰力を増減させることが可能となる。また、ロータがスパイラル形またはプロペラ形のスクリュー部を有するものでは、作動油の移動に伴ってロータが回転し、それにより磁極がステータに対して相対回転するため、誘導起電力が発生して発電を行うことができる。

以下、図面を参照して、本発明を４輪自動車のリヤサスペンション用エネルギ回生ダンパに適用したいくつかの実施形態を詳細に説明する。

［第１実施形態］
《第１実施形態の構成》
図１に示すように、第１実施形態のリヤサスペンション１は、いわゆるＨ型トーションビーム式サスペンションであり、左右のトレーリングアーム２，３や、両トレーリングアーム２，３の中間部を連結するトーションビーム４、懸架ばねである左右一対のコイルスプリング５、左右一対のダンパ６等から構成されており、左右のリヤホイール７，８を懸架している。ダンパ６は、エネルギ回生ダンパであり、トランクルーム内等に設置されたダンパＥＣＵ９と電流制御ユニット１０とによって発電や減衰力が可変制御される。

＜ダンパ＞
図２に示すように、第１実施形態のダンパ６は、モノチューブ式（ド・カルボン式）であり、作動油が充填された円筒状のシリンダ１２と、このシリンダ１２に対して軸方向に摺動するダンパロッド１３と、ダンパロッド１３の先端に装着されてシリンダ１２内を上部液室（一側液室）１４と下部液室（他側液室）１５とに区画するピストン１６と、シリンダ１２の下部に高圧ガス室１７を画成するフリーピストン１８と、ダンパロッド１３等への塵埃の付着を防ぐカバー１９と、フルバウンド時における緩衝を行うバンプストップ２０とを主要構成要素としている。

シリンダ１２は、下端のアイピース１２ａに嵌挿されたボルト２１を介して、車輪側部材であるトレーリングアーム２の上面に連結されている。また、ダンパロッド１３は、上下一対のラバーマウント２２，２３とナット２４とを介して、その上部ねじ軸１３ａが車体側部材であるダンパベース（ホイールハウス上部）２５に連結されている。

＜ピストン＞
図３に示すように、ピストン１６は、シリンダ１２の内周面に摺動自在に内嵌したハウジング３１と、ハウジング３１の内側に収容／固着されたステータ３２と、ステータ３２の内側に回転自在に保持されたロータ３３と、ハウジング３１の上下面に設けられた減衰バルブ３４，３５とを備えている。

ハウジング３１は、ボルト３６で締結されたアッパハーフ３１ａとロアハーフ３１ｂとからなっており、アッパハーフ３１ａの上端にダンパロッド１３が固着されている。アッパハーフ３１ａおよびロアハーフ３１ｂには、ロータ３３を支持する軸受３９がそれぞれ内装されるとともに、外周側に作動油が流通する複数のオリフィス３７ａ，３７ｂが穿設され、内周側に作動油が流通する流通孔３８ａ，３８ｂが穿設されている。

（エネルギ回生手段）
図４にも示すように、ステータ３２は、非磁性体（アルミニウム等）からなる円筒状のステータ本体４１と、ステータ本体４１に埋設された固定子巻線４２とを有している。固定子巻線４２は、ステータ本体４１の円周上に３０°間隔で上下４本ずつ（すなわち、計４８本）配置されている。また、ステータ本体４１には、ハウジング３１のオリフィス３７ａ，３７ｂに連続するオリフィス４３が穿設されている。

一方、ロータ３３は、ハウジング３１の軸受３９に支持されるシャフト部４５と、シャフト部４５の外周に形成されたスパイラル形のスクリュー部４６とを有している。スクリュー部４６は、非磁性体（アルミニウム等）を素材としており、その外周に永久磁石からなる磁極４７Ｓ（Ｓ極），４７Ｎ（Ｎ極：クロスハッチングで示す）が４５°間隔で交互に埋設されている。

＜電流制御ユニット＞
電流制御ユニット１０は、昇圧回路やＰＷＭ回路、スイッチ素子等から構成され、車載バッテリ５１とダンパ６との間に介装されている。電流制御ユニット１０は、ダンパＥＣＵ９から入力した制御信号によって制御され、ダンパ６の発生電流を車載バッテリ５１に供給する、あるいは車載バッテリ５１からダンパ６に駆動電流を供給する。

《第１実施形態の作用》
自動車が走行を開始すると、路面の凹凸やうねり、車体のロール動やピッチ動等に応じ、ダンパ６がテレスコピック作動する（すなわち、ピストン１６がシリンダ１２内を軸方向に移動する）し、作動油が上部液室１４と下部液室１５との間で移動する。例えば、ダンパ６が縮み側にテレスコピック作動した場合、ピストン１６がシリンダ１２に対して下降し、図３に示すように、一部の作動油がオリフィス３７ｂ，４３，３７ａを下方から上方に通過して減衰力を発生し、一部の作動油が流通孔３８ａ，３８ｂを介してステータ本体４１の中空部を上方に通過する。

ピストン１６がシリンダ１２に対して下降した場合、ロータ３３は、ハウジング３１にシャフト部４５が回転自在に支持されているため、作動油がスクリュー部４６に衝突することによって平面視で左回転する。これにより、スクリュー部４６の磁極４７Ｓ，４７Ｎがステータ本体４１の固定子巻線４２に交互に接近／離反し、固定子巻線４２内に誘導起電力による直流電流が生成される。生成された直流電流は、ダンパロッド１３から電流制御ユニット１０を介して車載バッテリ５１に供給される。これにより、夜間走行時等における消費電力の一部がまかなわれるとともに、オルタネータ（図示せず）の発電負荷も軽減される。

一方、ダンパＥＣＵ９は、各種センサ類から入力した検出信号（車速信号、横加速度信号、上下加速度信号等）に基づき、必要に応じて目標減衰力を設定して電流制御ユニット１０に減衰力制御指令を出力する。例えば、高速旋回走行時等には、自動車の車体に大きな横加速度が作用する。そこで、ダンパＥＣＵ９は、各ダンパ６の減衰力を高めて旋回外側へのロールを抑制すべく、電流制御ユニット１０を介して、車載バッテリ２３からの電流をダンパ６（ステータ本体４１の固定子巻線４２）に供給する。この際、旋回内側のダンパ６については、下部液室１５内の作動油を上部液室１４側に導入させるように、ロータ３３を所定速度で右回転させる。これにより、上部液室１４の圧力が上昇してダンパ６が伸び難くなり（すなわち、伸び側の減衰力が増大し）、車体の旋回内側における浮き上がりが抑制される。また、旋回外側のダンパ６については、上部液室１４内の作動油を下部液室１５側に導入させるように、ロータ３３を所定速度で左回転させる。これにより、下部液室１５内の圧力が上昇してダンパ６が縮み難くなり（すなわち、縮み側の減衰力が増大し）、車体の旋回外側における沈み込みが抑制される。

［第２実施形態］
第２実施形態も、その全体構成は上述した第１実施形態と同様であるが、ピストンの構造が異なっている。すなわち、図５に示すように、第２実施形態では、ピストン１６の軸心側にステータ３２が固着される一方、ステータ３２の外側にロータ３３が配置されている。なお、第２実施形態については、その作用および効果が第１実施形態と同様であるため、構造が異なる部分についてのみ記す。

図６にも示すように、ステータ３２は、非磁性体（アルミニウム等）からなる円柱状のステータ本体４１と、ステータ本体４１の外周に埋設された固定子巻線４２とを有している。固定子巻線４２は、ステータ本体４１の円周上に４５°間隔で上下４本ずつ（すなわち、計３２本）配置されている。また、ステータ本体４１には、ハウジング３１のオリフィス３７ａ，３７ｂに連続するオリフィス４３が穿設されている。

一方、ロータ３３は、ハウジング３１の軸受３９に支持される円筒部４９と、円筒部４９の内周に形成されたスパイラル形のスクリュー部４６とを有している。スクリュー部４６は、非磁性体（アルミニウム等）を素材としており、その内周に永久磁石からなる磁極４７Ｓ（Ｓ極），４７Ｎ（Ｎ極：クロスハッチングで示す）が３０°間隔で交互に埋設されている。

［第３実施形態］
第３実施形態も、その全体構成は前述した第１実施形態と同様であるが、ピストンの構成が異なっている。すなわち、図７に示すように、第３実施形態では、発電用のピストン１６と減衰用のピストン６１とを個別に設けるとともに、ロータ３３にプロペラ形のスクリュー部６２を採用している。

ダンパロッド１３には、発電用のピストン１６の上方に、減衰用のピストン６１が固着されている。減衰用のピストン６１は円盤形状を呈しており、軸方向に貫通する複数のオリフィス４３を有するとともに、その上下面にオリフィス４３を閉鎖する減衰バルブ３４，３５がそれぞれ設置されている。

図８にも示すように、ステータ３２は、非磁性体（アルミニウム等）からなる円筒状のステータ本体４１と、ステータ本体４１に埋設された固定子巻線４２とを有している。固定子巻線４２は、第１実施形態のものと同様に、ステータ本体４１の円周上に３０°間隔で上下４本ずつ配置されている。

一方、ロータ３３は、ハウジング３１の軸受３９に支持されるシャフト部４５と、シャフト部４５の外周に形成された６列のプロペラ形のスクリュー部６２とを有している。スクリュー部６２は、非磁性体（アルミニウム等）を素材とした８枚羽根のものであり、そ外端に永久磁石からなる磁極４７Ｓ（Ｓ極），４７Ｎ（Ｎ極：クロスハッチングで示す）が交互に埋設されている。

第３実施形態の作用は、前述した第１実施形態と略同様であるが、発電用のピストン１６と減衰用のピストン６１とを個別に設けるようにしたため、それぞれピストン１６，６１の設計自由度が向上する。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明はこれら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輪自動車のリヤサスペンションを構成するエネルギ回生ダンパに本発明を適用したものであるが、本発明は、フロントサスペンション用のエネルギ回生ダンパにも適用できるし、２輪自動車等のエネルギ回生ダンパ等にも適用可能である。また、上記実施形態では、ロータがスパイラル形やプロペラ形のスクリュー部を有するものとしたが、ロータを軸流タービンとしてもよい。また、ロータに形成された磁極やステータに形成された固定子巻線の個数や配置等についても、上記実施形態で例示したものに限らず、適宜設定可能である。また、誘導起電力によってロータの回転抵抗（すなわち、作動油の流通抵抗）が十分に確保できれば、減衰用のオリフィスを廃することも可能である。その他、ダンパや電気回路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あれば適宜変更可能である。

第１実施形態に係るリヤサスペンションの斜視図である。 第１実施形態に係るダンパの縦断面図である。 図２中のIII部拡大図である。 図３中のＩＶ−ＩＶ断面図である。 第２実施形態に係るダンパの要部拡大縦断面図である。 図５中のＶＩ−ＶＩ断面図である。 第３実施形態に係るダンパの要部拡大縦断面図である。 図７中のＶIII−ＶIII断面図である。

２ トレーリングアーム（車輪側部材）
６ ダンパ
１２ シリンダ
１３ ダンパロッド
１４ 上部液室（一側液室）
１５ 下部液室（他側液室）
１６ ピストン
２５ ダンパベース（車体側部材）
３１ ハウジング
３２ ステータ
３３ ロータ
４２ 固定子巻線
４６ スクリュー部
４７Ｓ，４７Ｎ 磁極
６１ ピストン
６２ スクリュー部

Claims (5)

1. 流体が充填されるとともに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と、前記シリンダを一側液室と他側液室とに区画するとともに当該シリンダ内を軸方向に移動可能なピストンと、前記車体側部材と車輪側部材とのどちらか他方に前記ピストンを連結するロッドと、前記流体の運動エネルギを電力に回生するエネルギ回生手段とを備えたエネルギ回生ダンパであって、
   前記エネルギ回生手段は、
   前記ピストンに一体に形成されるとともに、複数の固定子巻線が形成されたステータと、
   前記ピストン内に回転自在に保持され、当該ピストンが軸方向に移動する際に前記流体に付勢されて回転するとともに、前記固定子巻線に対峙する複数の磁極が形成されたロータと
   を有し、
   前記ピストンは前記シリンダの内周面に摺動自在に内嵌したハウジングを備え、前記ステータおよび前記ロータが当該ハウジングに収容され、
   前記ハウジングは、
   前記ロータを支持する軸受と、
   前記流体を前記ロータに導く流通孔と、
   所定の流通抵抗を与えながら前記流体を流通させるオリフィスと
   を有することを特徴とするエネルギ回生ダンパ。
2. 前記ステータが円環状または円筒状を呈し、前記固定子巻線が当該ステータの内周側に形成され、前記磁極が前記ロータの外周側に形成されたことを特徴とする、請求項１に記載されたエネルギ回生ダンパ。
3. 前記ロータが円環状または円筒状を呈し、前記固定子巻線が前記ステータの外周側に形成され、前記磁極が当該ロータの内周側に形成されたことを特徴とする、請求項１に記載されたエネルギ回生ダンパ。
4. 車載バッテリと前記エネルギ回生手段との間に介装される電流制御ユニットを備え、
   前記電流制御ユニットは、前記エネルギ回生手段が発生した電流を前記車載バッテリに供給する、あるいは、前記車載バッテリから前記エネルギ回生手段にロータを駆動する電流を供給することを特徴とする、請求項１に記載されたエネルギ回生ダンパ。
5. 前記ロータは、前記流体に付勢されて回転すべく、スパイラル形またはプロペラ形のスクリュー部を有することを特徴とする、請求項１に記載されたエネルギ回生ダンパ。

Images