JP6787160B2

JP6787160B2 - 車両

Info

Publication number: JP6787160B2
Application number: JP2017018204A
Authority: JP
Inventors: 英人稲垣; 則和勝見; 日比野　良一; 良一日比野
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2017-02-03
Filing date: 2017-02-03
Publication date: 2020-11-18
Anticipated expiration: 2037-02-03
Also published as: JP2018122801A

Description

本発明は、車両の構造、特に、往復式エンジンを含むパワートレーンユニットの支持構造に関する。

往復式エンジンにおいては、ピストンの往復運動、コネクティングロッドの往復運動と遥動、クランクシャフトの回転運動により、各運動部品の重心位置の移動が発生し、これが振動源の一つとなる場合がある。このため、クランク軸ピッチ方向の偶力を相殺するようにクランクシャフトにウェイトを取り付けるとともに、エンジンをクランク軸方向に配置したマウントによって車体に支持する構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載された構造は、重量の大きいエンジンを支持するマウントの上下方向のばね定数を大きくした場合でも、車体の上下方向の振動を抑制することができる。

特開２００６−１７５８９４号公報

しかし、特許文献１に記載された従来技術では、クランク軸ピッチ方向の偶力を相殺することは可能であるが、クランク軸ロール方向の偶力を抑制することは考慮されておらず、エンジンと車体との間をトルクロッドで接続してエンジンのロール方向の動作を抑制している。このため、エンジンのロール方向の動作による振動が車体に伝達されてしまう場合がある。

そこで、本発明は、往復式エンジンを含むパワートレーンユニットが搭載される車両において、車体に伝わる振動を効果的に抑制することを目的とする。

本発明の車両は、往復式のエンジンを含むパワートレーンユニットと、車体に取り付けられて前記パワートレーンユニットを支持するマウント装置と、を備える車両であって、前記エンジンは、ピストンを含む運動部品の運動によって生じる前記運動部品の重心移動軌跡を直線状とするカウンターウェイトを備え、前記マウント装置は、車両に取り付けられた複数のマウントによって構成されるマウント組で、複数の前記マウントの配置によって決定される並進方向の弾性主軸が重力方向に対して垂直な水平面内に延び、前記パワートレーンユニットの重心位置と、前記エンジンの前記重心移動軌跡とが前記水平面内に位置すること、を特徴とする。

本発明の車両において、前記マウント装置の複数の前記マウントは、前記パワートレーンユニットの各支持面が前記水平面内に位置するように前記車体に取り付けられてもよい。

本発明の車両において、前記パワートレーンユニットの前記重心位置が、複数の前記マウントの配置によって決定される重力方向の弾性主軸の位置と一致してもよい。

本発明は、往復式エンジンを含むパワートレーンユニットが搭載される車両において、車体に伝わる振動を効果的に抑制することができる。

本発明の実施形態における車両に搭載されたパワートレーンユニットの概念側面図である。本発明の実施形態における車両に搭載されたパワートレーンユニットの概念平面図である。図１、図２に示すパワートレーンユニットにおけるピストンとコネクティングロッドとクランクシャフトの重心の移動軌跡と運動部品全体の重心の移動軌跡を示すグラフである。カウンターウェイトのオフセット角度と運動部品全体の重心移動軌跡の回転角度との関係を示すグラフである。本発明の他の実施形態における車両に搭載されたパワートレーンユニットの概念側面図である。本発明の他の実施形態における車両に搭載されたパワートレーンユニットの概念平面図である。図５、図６に示すパワートレーンユニットにおけるピストンとコネクティングロッドとクランクシャフトの重心の移動軌跡と運動部品全体の重心の移動軌跡を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら実施形態の車両１００について説明する。図１、図２に示すように、本実施形態の車両１００は、往復式のエンジン２０を含むパワートレーンユニット１０と、車体６０に取り付けられてパワートレーンユニット１０を支持するマウント装置５０とを備えている。

パワートレーンユニット１０は、エンジン２０と、モータ３１と、トランスミッション３３と、モータ補機３２と、エンジン補機３４とを含んでいる。エンジン２０とモータ３１とトランスミッション３３とは、ボルト等に締結部材によって一体に締結されている。モータ補機３２は、モータ３１のケーシングの外面に取り付けられている。また、エンジン補機３４は、エンジン２０の外部にボルト等で取り付けられている。エンジン２０は、図３（ａ）に示すピストン４１が往復するシリンダ２４と、クランクシャフト４３を支持するクランクケース２５と、吸気弁、排気弁、カムシャフト等が収容されたシリンダヘッド２６とを有している。モータ３１は、エンジン２０と共に車両１００を駆動するものである。モータ補機３２は、例えば、モータ３１に供給する電力を供給するパワーコントロールユニット等である。トランスミッション３３は、エンジン２０とモータ３１の動力を車両１００の駆動軸に伝達するものである。エンジン補機３４は、例えば、オイルポンプ等である。

図１から図３において、Ｚは重力方向を示す。重力は、Ｚ方向下向きに作用する。Ｘ方向、Ｙ方向は、Ｚ方向の高さがゼロでＺ方向に対して垂直な面内で互いに直交する方向である。また、図１から図３において、エンジン２０のクランクシャフト４３の軸方向を一点鎖線２２で示すＥｙ方向、Ｅｙ方向と直交する方向を一点鎖線２１で示すＥｘ方向、エンジン２０のピストン４１の往復動の方向を一点鎖線２３で示すＥｚ方向として説明する。

図１に示すように、パワートレーンユニット１０は、モータ３１に接続されてＸ方向マイナス側に延びる第１アーム１１と、エンジン２０に接続されてＸ方向プラス側に延びる第２アーム１２、第３アーム１３を有している。第１〜第３アーム１１、１２、１３の各先端部分のＺ方向の下側面はＺ方向の高さがゼロの同一の水平面９０の面上に位置している。第１〜第３アーム１１〜１３の各先端部分のＺ方向の下側の中心には、車体６０に取り付けられた第１マウント５１、第２マウント５２、第３マウント５３によって支持されている。第１〜第３マウント５１〜５３は、マウント組であるマウント装置５０を構成する。第１〜第３マウント５１〜５３の上側の面はＺ方向の高さがゼロの同一の水平面９０の面上に位置している。従って、第１〜第３マウント５１〜５３の上面の位置する水平面９０は、マウント装置５０がパワートレーンユニット１０をＺ方向に支持する支持面となる。このため、水平面９０にパワートレーンユニット１０の並進方向であるＸ方向またはＹ方向に横力が加わった場合、第１〜第３マウント５１〜５３の上面は、ピッチング方向、あるいは、ローリング方向に回転変位せず、水平面９０の面内で弾性変位する。

また、図２に示すように、第１マウント５１の中心はＸ軸９１の上に位置しており、第２マウント５２の中心はＸ軸９１から距離ＬＹの位置にあり、第３マウント５３の中心はＸ軸９１から距離−ＬＹの位置にある。第１〜第３マウント５１〜５３は同一のＸＹ方向、およびＺ方向のばね定数を有している。このため、パワートレーンユニット１０にＸ軸９１の方向の横力が加わった場合、第２マウント５２によるＺ軸９３周りの偶力と第３マウント５３によるＺ軸９３周りの偶力とは互いに相殺し合う。また、第１マウント５１にはＺ軸９３周りの偶力は発生しない。このため、パワートレーンユニット１０は、Ｚ軸９３の周り、すなわち、ヨーイング方向に回転せずにＸ軸９１の方向に変位する。

また、第１アーム１１を支持する第１マウント５１の中心位置は、Ｙ軸９２からＸ軸９１のマイナス方向に距離ＬＸ１だけ離れた位置にあり、第２、第３マウント５２、５３の中心はそれぞれＸ軸９１のプラス方向に距離ＬＸ２だけ離れた位置にある。ここで、距離ＬＸ１は距離ＬＸ２の２倍である。第１〜第３マウント５１〜５３は同一のＸＹ方向、およびＺ方向のばね定数を有しているので、パワートレーンユニット１０にＹ軸９２の方向の横力が加わった場合、第１マウント５１によるＺ軸９３周りの偶力と第２、第３マウント５２、５３によるＺ軸９３周りの偶力の合計とは互いに相殺し合う。このため、パワートレーンユニット１０はＺ軸９３の周り、すなわち、ヨーイング方向に回転せずにＹ軸９２の方向に変位する。

また、パワートレーンユニット１０にＺ軸９３の方向の力が加わった場合、第２マウント５２によるＸ軸９１周りの偶力と第３マウント５３によるＸ軸９１周りの偶力とは互いに相殺し合う。また、パワートレーンユニット１０にＺ軸９３の方向の力が加わった場合、第１マウント５１によるＹ軸９２周りの偶力と第２、第３マウント５２、５３によるＹ軸９２周りの偶力の合計とは互いに相殺し合う。このため、パワートレーンユニット１０にＺ軸方向の力が加わった場合、パワートレーンユニット１０は、Ｘ軸９１、Ｙ軸９２の周り、すなわち、ローリング方向およびピッチング方向に回転せずにＺ軸９３の方向に変位する。

以上述べたように、図１、図２に示す水平面９０の面内のＸ軸９１、Ｙ軸９２は、マウント装置５０にＸ方向、Ｙ方向に力が加えられた際に力の方向と弾性変位の方向とが一致し、回転変位を生じない弾性主軸である。また、先に述べたように、Ｘ軸９１の方向とＹ軸９２の方向はマウント装置５０の並進方向であるから、Ｘ軸９１、Ｙ軸９２は、それぞれ、マウント装置５０の並進方向の弾性主軸となる。このように、本実施形態の車両１００では、第１〜第３マウント５１〜５３の配置によって決定される並進方向の弾性主軸であるＸ軸９１、Ｙ軸９２が重力方向であるＺ方向に対して垂直な水平面９０の面内に延びている。また、Ｚ軸９３もＺ方向に力が加えられた際に力の方向と弾性変位の方向とが一致し、回転変位を生じない軸である弾性主軸である。Ｚ軸９３は、マウント装置５０の重力方向の弾性主軸となる。

なお、マウント装置５０の弾性主軸は、マウント装置５０を構成する各マウント５１〜５３のばね定数と配置によって決定される。本実施形態では、各マウント５１〜５３は、同一のＸＹ方向、およびＺ方向のばね定数を有しており、第１マウント５１はＸ軸９１上でＹ軸９２から−ＬＸ１の位置にあり、第２マウント５２はＸ軸９１から＋ＬＹでＹ軸９２からＬＸ２の位置にあり、第３マウント５３はＸ軸９１から−ＬＹでＹ軸９２からＬＸ２の位置にあるものとして説明したが、これに限らず、Ｘ軸９１、Ｙ軸９２、Ｚ軸９３がそれぞれ弾性主軸となるように第１〜第３マウント５１〜５３のばね定数、配置を任意に設定してもよい。例えば、Ｘ軸９１、Ｙ軸９２にそれぞれ軸対称となるように４つのマウントを配置するように構成してもよい。

先に述べたように、パワートレーンユニット１０のエンジン２０とモータ３１とトランスミッション３３とは、ボルト等の締結部材によって一体に締結されており、モータ補機３２、エンジン補機３４は、それぞれモータ３１のケーシングの外面、エンジン２０の外面に取り付けられている。このため、パワートレーンユニット１０のエンジン２０、モータ３１、トランスミッション３３、モータ補機３２、エンジン補機３４は一体となってＸＹＺ方向、ローリング、ピッチング、ヨーシング方向に移動する。パワートレーンユニット１０の重心９４は、重量の大きいエンジン２０とモータ３１との中間に位置している。本実施形態の車両１００では、パワートレーンユニット１０の重心９４が弾性主軸であるＸ軸９１とＹ軸９２とが位置する水平面９０の面内となるように、エンジン２０、モータ３１、トランスミッション３３、モータ補機３２、エンジン補機３４の配置を調整してある。

図３（ｂ）に示すように、エンジン２０は、シリンダ２４のボア２４ａの中をＥｚ方向に往復動するピストン４１と、ピストン４１に連結されてＥｚ方向に往復動するとともにＥｘ方向に遥動するコネクティングロッド４２と、コネクティングロッド４２に接続されてＥｙ周りに回転するクランクシャフト４３とを有している。クランクシャフト４３にはカウンターウェイト４４が取り付けられている。ピストン４１と、コネクティングロッド４２と、クランクシャフト４３とはピストン４１の往復動作をクランクシャフト４３の回転動作に変換するピストン−クランク機構の運動部品４０を構成する。

図３（ｂ）に示すピストン４１の重心４１ａは、図３（ａ）の実線４１ｂに示すようにＥｚ方向に往復動する。また、図３（ｂ）に示すコネクティングロッド４２の重心４２ａ、クランクシャフト４３の重心４３ａは、図３（ａ）の一点鎖線４２ｂ、破線４３ｂに示すように略円状に運動する。本実施形態の車両１００のエンジン２０では、ピストン４１とコネクティングロッド４２の往復運動分の質量とカウンターウェイト４４のアンバランス分とを一致させて運動部品４０の重心移動軌跡４０ｂのＥｚ方向成分をゼロとしている。これにより、総合的な運動部品４０の重心移動軌跡４０ｂは、図３（ａ）に示すように、エンジン２０のシリンダ軸であるＥｚおよびクランクシャフト軸であるＥｙと直交するＥｘ方向に直線状に延びる並進軌跡となる。つまり、本実施形態では、エンジン２０のカウンターウェイト４４は、ピストン４１を含む運動部品４０の往復動によって生じる重心移動軌跡４０ｂを直線状とするよう調整されている。

そして、図１に示すように、本実施形態の車両１００では、エンジン２０の運動部品４０の直線状の重心移動軌跡４０ｂが水平面９０の面上になるように、エンジン２０の配置を調整している。

以上説明したように、本実施形態の車両１００では、パワートレーンユニット１０の重心９４が弾性主軸であるＸ軸９１とＹ軸９２とが位置する水平面９０の面内となり、且つ、エンジン２０の運動部品４０の直線状の重心移動軌跡４０ｂが水平面９０の面上になるように、エンジン２０、モータ３１、トランスミッション３３、モータ補機３２、エンジン補機３４の配置を調整してある。これにより、運動部品４０による重心移動軌跡４０ｂとパワートレーンユニット１０の重心９４のＺ方向の距離がゼロになり、パワートレーンユニット１０のローリング方向、ピッチング方向には運動部品４０の重心移動による加振力は働かないので、パワートレーンユニット１０の振動は水平面９０の面内での並進運動および水平面９０の面内でのヨーイングのみとなる。一方、マウント装置５０の弾性主軸であるＸ軸９１、Ｙ軸９２は同一の水平面９０の面内となっているので、マウント装置５０は、パワートレーンユニット１０の水平面９０の面内での並進運動とヨーイングのみを許容するようにパワートレーンユニット１０を支持している。このため、運動部品４０の重心移動による水平面９０の面内の並進運動とヨーイングとは、マウント装置５０の弾性力で吸収されて車体６０に伝達されない。また、運動部品４０の重心移動によりＺ方向の振動が発生しないので、パワートレーンユニット１０のＺ方向の荷重を受けるようにマウント装置５０のＺ方向の剛性を高くしても車体６０にＺ方向の振動が伝達されることがない。

また、本実施形態の車両１００では、図２に示すように、パワートレーンユニット１０の重心９４の位置がＺ方向の弾性主軸であるＺ軸９３の位置と一致するように、エンジン２０、モータ３１、トランスミッション３３、モータ補機３２、エンジン補機３４の配置を調整している。これにより、エンジン２０の運動部品４０の重心移動によるＸ軸９１の方向の並進運動はパワートレーンユニット１０の重心９４を中心としたヨーイング、もしくは、Ｘ方向、Ｙ方向の並進振動に変換されるので、ローリング方向、ピッチング方向の振動を発生させることなくパワートレーンユニット１０を支持することができる。この構成は、エンジン２０の気筒毎の重心移動軌跡４０ｂとパワートレーンユニット１０の重心９４を一つの線上にまとめられない場合（例えば、３６０°位相以外の２気筒、３気筒エンジン、１８０°位相以外の４気筒エンジンなど）に有効となる。

このように、本実施形態の車両１００では、バランスシャフトやアクティブマウントなどの付加装置を用いずにパワートレーンユニット１０から車体６０に伝わる振動を効果的に抑制することができる。このため、低いコストで車体６０の振動低減を図ることができる。

以上説明した実施形態では、ピストン４１の往復動の方向であるＥｚが重力方向となるように、エンジン２０のシリンダ２４を鉛直に配置した場合について説明したが、Ｅｚを鉛直方向から傾けて配置した場合について説明する。

図３（ｂ）に示すように、クランクシャフト４３に取り付けられているカウンターウェイト４４の取り付け角度を時計周りに角度θ１だけオフセットすると、図３（ａ）に示すように、運動部品４０の重心移動軌跡４０ｂは、角度θ１に応じて、Ｅｘから角度θ２だけ反時計まわりに傾斜する。オフセット角度θ１と運動部品４０の重心移動軌跡４０ｂの回転角度θ２の関係を図４に示す。従って、エンジン２０をシリンダ２４が鉛直方向から角度θ２だけ傾斜するように搭載する場合、図４に従ってカウンターウェイト４４の取り付け角度を傾斜角度と反対方向に角度θ１だけオフセットすることにより、エンジン２０の運動部品４０の重心移動軌跡４０ｂを水平面９０に沿った方向とすることができる。そして、先に説明した実施形態と同様、パワートレーンユニット１０の重心９４が弾性主軸であるＸ軸９１とＹ軸９２とが位置する水平面９０の面内となり、且つ、エンジン２０の運動部品４０の直線状の重心移動軌跡４０ｂが水平面９０の面上になるように、エンジン２０、モータ３１、トランスミッション３３、モータ補機３２、エンジン補機３４の配置を調整することにより、先に説明した実施形態と同様、車体６０に伝わる振動を効果的に抑制することができる。

次に、図５から図７を参照して他の実施形態の車両１２０について説明する。先に図１から図３を参照して説明した実施形態の車両１００と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。

本実施形態の車両１２０は、図５に示すように、ピストン４１の往復動の方向であるＥｚが水平方向となるように、エンジン２０のシリンダ２４を水平方向に配置したものである。図７（ｂ）に示すように、本実施形態では、コネクティングロッド４２の回転質量を加えたクランクシャフト４３の回転質量の重心をクランクシャフト４３の回転軸であるＥｙ２２の上に位置させている。これにより、図７（ａ）に示すように、運動部品４０の重心移動軌跡４０ｂは、ピストン４１の往復方向であるＥｚ方向となる。

そして、先に説明した図１から図３に示す車両１００と同様、パワートレーンユニット１０の重心９４が弾性主軸であるＸ軸９１とＹ軸９２とが位置する水平面９０の面内となり、且つ、エンジン２０の運動部品４０の直線状の重心移動軌跡４０ｂが水平面９０の面上になるように、エンジン２０、モータ３１、トランスミッション３３、モータ補機３２、エンジン補機３４の配置を調整することにより、先に説明した実施形態と同様、車体６０に伝わる振動を効果的に抑制することができる。

また、図６に示すように、パワートレーンユニット１０の重心９４の位置がＺ方向の弾性主軸であるＺ軸９３の位置と一致するように、エンジン２０、モータ３１、トランスミッション３３、モータ補機３２、エンジン補機３４の配置を調整することにより、ローリング方向、ピッチング方向の振動を発生させることなくパワートレーンユニット１０を支持することができる。

このように、本実施形態の車両１２０も先に説明した車両１００と同様、バランスシャフトやアクティブマウントなどの付加装置を用いずにパワートレーンユニット１０から車体６０に伝わる振動を効果的に抑制することができる。このため、低いコストで車体６０の振動低減を図ることができる。

１０パワートレーンユニット、１１第１アーム、１２第２アーム、１３第３アーム、２０エンジン、２１−２３，４２ｂ一点鎖線、２４シリンダ、２４ａボア、２５クランクケース、２６シリンダヘッド、３１モータ、３２モータ補機、３３トランスミッション、３４エンジン補機、４０運動部品、４０ｂ重心移動軌跡、４１ピストン、４１ａ，４２ａ，４３ａ，９４重心、４１ｂ実線、４２コネクティングロッド、４３クランクシャフト、４３ｂ破線、４４カウンターウェイト、５０マウント装置、５１第１マウント、５２第２マウント、５３第３マウント、６０車体、９０水平面、９１Ｘ軸、９２Ｙ軸、９３Ｚ軸、１００，１２０車両。

Claims

往復式のエンジンを含むパワートレーンユニットと、
車体に取り付けられて前記パワートレーンユニットを支持するマウント装置と、を備える車両であって、
前記エンジンは、ピストンを含む運動部品の運動によって生じる前記運動部品の重心移動軌跡を直線状とするカウンターウェイトを備え、
前記マウント装置は、車両に取り付けられた複数のマウントによって構成されるマウント組で、複数の前記マウントの配置によって決定される並進方向の弾性主軸が重力方向に対して垂直な水平面内に延び、
前記パワートレーンユニットの重心位置と、前記重心移動軌跡とが前記水平面内に位置すること、
を特徴とする車両。
請求項１に記載の車両であって、
前記マウント装置の複数の前記マウントは、前記パワートレーンユニットの各支持面が前記水平面内に位置するように前記車体に取り付けられていること、
を特徴とする車両。
請求項１または２に記載の車両であって、
前記パワートレーンユニットの前記重心位置が、複数の前記マウントの配置によって決定される重力方向の弾性主軸の位置と一致すること、
を特徴とする車両。