JP6887311B2 - 能動型防振装置、及び、能動型防振装置の制御方法 - Google Patents
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Description
共振周波数が高いと、共振周波数より高い側の防振周波数領域が狭くなる。そこで、共振周波数を低くして、共振周波数より高い側の防振周波数領域を拡大させるためには、ロッド本体の質量を大きくする必要があった。しかし、その場合、ロッド本体の質量を大きくする分、車両の燃費が悪化するおそれがある。よって、実際にロッド本体の質量を大きくすることなく、ロッド本体の質量を大きくした場合と同等の防振性能が得られれば、望ましいといえる。
このように、ロッド本体の質量を実際とは異ならせた場合と同等の防振性能が得られるような、技術が望まれていた。
本発明の能動型防振装置によれば、ロッド本体の質量を実際とは異ならせた場合と同等の防振性能が得られる。
これにより、ロッド本体の質量を実際よりも増大させた場合と同等の防振性能が得られる。
これにより、共振周波数付近での振動伝達率を下げることができる。
これにより、加速度フィードバック制御と速度フィードバック制御とで1つの加速度センサを兼用できるので、高コスト化や大型化を抑制できる。
これにより、消費電力を低減しつつ、防振性能を向上することが可能となる。
本発明の能動型防振装置の制御方法によれば、ロッド本体の質量を実際とは異ならせた場合と同等の防振性能が得られる。
これにより、ロッド本体の質量を実際よりも増大させた場合と同等の防振性能が得られる。
これにより、共振周波数付近での振動伝達率を下げることができる。
これにより、加速度フィードバック制御と速度フィードバック制御とで1つの加速度センサを兼用できるので、高コスト化や大型化を抑制できる。
これにより、消費電力を低減しつつ、防振性能を向上することが可能となる。
まず、図1〜図3を参照しながら、本発明の一実施形態に係る能動型防振装置10の全体構成について説明する。
図1は、本実施形態に係る能動型防振装置10を示す、断面図である。図2は、図1の能動型防振装置の動作時の様子を、要部を拡大して示す、要部断面図である。本実施形態の能動型防振装置10は、トルクロッドとして構成されており、車両のエンジン側及び車体側どうしを連結するように構成されている。より具体的に、図の例の能動型防振装置10は、ペンデュラムマウント方式で車体に搭載したエンジンに連結される、アッパトルクロッドとして用いられると好適なものである。ただし、本発明の能動型防振装置は、ペンデュラムマウント方式以外の支持方式によるエンジンに連結されるように構成されてもよいし、また、アッパトルクロッド以外のトルクロッドとして用いられるように構成されてもよい。
本明細書では、ロッド本体40の中心軸線Cの延在方向を、ロッド本体40の軸方向(単に「軸方向」ともいう。)という。
ロッド本体40は、例えば、鉄又はアルミニウム等の金属、又は、樹脂等から構成される。
図の例において、第1弾性接続部20は、第2弾性接続部30よりも、外径が大きい。
本例では、第1弾性接続部20が、車両のエンジン側に接続されるように構成されており、第2弾性接続部30が、当該車両の車体側に接続されるように構成されている。
図の例では、第1弾性接続部20の内筒22の中心軸線と第2弾性接続部30の内筒32の中心軸線とが、互いに垂直な方向に延在しているが、これに限られず、例えば両者は互いに平行でもよい。
シャフト51は、ロッド本体40の窪み44内をロッド本体40の軸方向に延びている。シャフト51の軸方向の両端は、ロッド本体40の窪み44を区画する内壁面のうち、軸方向に互いに対向する一対の内壁面に、固定されている。図の例において、シャフト51の中心軸線は、ロッド本体40の中心軸線と一致している。なお、シャフト51の軸方向の一端のみがロッド本体40の窪み44の内壁面に固定されていてもよい。
慣性マス52は、シャフト51と同軸状の筒状に構成されており、径方向に延在する連結部材53を介して、シャフト51に連結されており、これにより、ロッド本体40に支持されている。図の例では、慣性マス52の軸方向両側の端部が、それぞれ連結部材53を介してシャフト51に連結されているが、慣性マス52の軸方向一方側の端部のみが、連結部材53を介してシャフト51に連結されてもよい。
連結部材53は、板バネ等の弾性部材から構成される。
慣性マス52の内周面には、互いに軸方向に隣り合う一対の永久磁石54が、互いに逆極性とした状態で固定されている。
シャフト51の外周面には、巻芯56およびこれの周りに巻かれたコイル55が、永久磁石54から径方向内側へ間隔を空けて固定されている。コイル55には、能動型防振装置10の外部へ延在するリード線57の一端が連結されている。リード線57の他端は、増幅器100に接続されている。
図示は省略するが、永久磁石54を巻芯56の外周面に固定してもよい。
慣性マス52を、シャフト51に対して軸方向の他方側に相対変位させるためには、コイル55への通電方向を逆向きにすればよい。
一方、アクチュエータ50は、概略的にいえば、ロッド本体40の弱点を電気的制御によって補強する役割を有しており、より具体的には、能動型防振装置10のロッド共振周波数(以下、単に「共振周波数」ともいう。)の値や、共振周波数近辺における振動伝達率を、能動的に制御して、防振性能を向上できるように構成されている。
なお、能動型防振装置10のロッド共振周波数は、アクチュエータ50が動作していない状態において、主に、ロッド本体40の質量と、弾性部材23、33の特性とにより決まる。
なお、図1の例において、加速度センサ80は、図3のx2を2回微分した値に相当する加速度を検出する。
つぎに、上述した本実施形態の能動型防振装置10を制御する方法について説明する。
本実施形態の能動型防振装置10の制御部90は、少なくとも、加速度フィードバック制御ができるように構成されている。
制御部90は、加速度フィードバック制御を常に行ってもよいし、あるいは、例えば所定の条件を満たす間のみなど、任意のタイミングで行ってもよい。
また、制御部90は、加速度フィードバック制御に加えて、速度フィードバック制御がさらにできるように構成されていてもよい。制御部90は、速度フィードバック制御を常に行ってもよいし、あるいは、例えば所定の条件を満たす間のみなど、任意のタイミングで行ってもよい。
制御部90は、加速度フィードバック制御と速度フィードバック制御とを同時に行うと、好適である。
以下、加速度フィードバック制御、速度フィードバック制御について、順番に説明する。なお、以下の説明では、簡単のため、一部、図3の物理モデルに示す符号とは異なる符号を用いる。
加速度フィードバック制御において、制御部90は、ロッド本体40の軸方向の加速度に比例する第1の力Fa1をロッド本体40に生じさせるように、駆動部90を制御する。
第1の力Fa1は、例えば、つぎの式(1)で表すことができる。
式(1)によって表される第1の力Fa1の方向は、ロッド本体40の軸方向の加速度d2x/dt2の方向とは逆である。
本例において、制御部90は、d2x/dt2の値として、加速度センサ80から出力される加速度を使用する。ただし、ロッド本体40の軸方向の加速度d2x/dt2は、その他の方法で得るようにしてもよい。
また、制御部90は、加速度フィードバックゲインGaの値を決定する。加速度フィードバックゲインGaは、加速度フィードバック制御を行う間、一定でもよいし、あるいは、例えば所定の条件を満たした場合等に変えられてもよい。
そして、増幅器100は、制御部90が決定した加速度フィードバックゲインGaに応じて、電圧を増大させ、第1の力Fa1が生じるように、駆動部90のコイル55に電圧を印加する。
まず、能動型防振装置10についての運動方程式は、概略的に、つぎの式(2)のようになる。
式(2)に式(1)を代入すると、
このように、この例の加速度フィードバック制御では、式(1)によって表されるように、ロッド本体40の軸方向の加速度d2x/dt2の方向とは逆の方向に、ロッド本体40の軸方向の加速度d2x/dt2に比例する第1の力Fa1を、生じさせている。これによって、式(3)により表される運動方程式における加速度項の係数が、mからm+Gaに増大する。このことは、ロッド本体40の質量があたかも実際の質量よりも大きいかのように(すなわち、ロッド本体40の質量を仮想的に増大させたかのように)、能動型防振装置10を動作させることができることを意味している。よって、ロッド本体40の質量を実際の質量よりも増大させた場合と同等の効果(防振性能)が得られる。ロッド本体40の仮想的な質量をこのように操作することにより、ロッド共振周波数を操作する(本例では、小さくする)ことができる。
ここで、従来より一般的なトルクロッドは、ロッド本体が、アルミニウム又は樹脂等の比較的軽い材料で構成されており、共振周波数が約600〜800Hzである。しかし、振動の減衰へのニーズは、低周波数になればなるほど高いこと等から、近年の能動的防振装置においては、ロッド本体を、鉄の鋳物等の重い材料で構成することにより、共振周波数を約200Hz程度と低くなるようにし、共振周波数の√2(ルート2)倍以上の防振周波数領域を拡大させるとともに、共振周波数近辺の振動伝達率を速度フィードバック制御によって下げている場合がある。しかし、その場合、ロッド本体の質量を重くした分、燃費が悪化するおそれがある。
これに対し、本例の加速度フィードバック制御によれば、ロッド本体40の質量を実際に増加させることなく、共振周波数を下げることができ、ひいては、共振周波数より高い側の防振周波数領域、より具体的には共振周波数の√2(ルート2)倍以上の防振周波数領域を拡大できる。ロッド本体40の質量を増加させる必要が無い分、燃費の悪化を抑制できる。
また、本例の加速度フィードバック制御によれば、共振周波数を変えずに、ロッド本体40の質量を減少させることも可能となる。これにより、防振性能を維持しつつ、燃費の向上が可能となる。
また、本例の加速度フィードバック制御によれば、速度フィードバック制御を行わずとも、共振周波数付近の振動伝達率を下げる効果もある。
式(2)に式(4)を代入すると、
このように、この例の加速度フィードバック制御では、式(4)によって表されるように、ロッド本体40の軸方向の加速度d2x/dt2の方向と同じ方向に、ロッド本体40の軸方向の加速度d2x/dt2に比例する第1の力Fa1を、生じさせている。これによって、式(5)により表される運動方程式における加速度項の係数が、mからm−Gaに減少する。このことは、ロッド本体40の質量があたかも実際の質量よりも小さいかのように(すなわち、ロッド本体40の質量を仮想的に減少させたかのように)、能動型防振装置10を動作させることができることを意味している。よって、ロッド本体40の質量を実際の質量よりも減少させた場合と同等の効果(防振性能)が得られる。これにより、ロッド本体40の質量を実際に減少させることなく、共振周波数を上げることができる。
上述のように、制御部90は、加速度フィードバック制御に加えて、速度フィードバック制御ができるように構成されていてもよい。
速度フィードバック制御において、制御部90は、ロッド本体40の軸方向の速度に比例する第2の力Fa2をロッド本体40に生じさせるように、駆動部90を制御する。
第2の力Fa2は、例えば、つぎの式(6)で表すことができる。
式(6)によって表される第2の力Fa2の方向は、ロッド本体40の軸方向の速度dx/dtの方向とは逆である。
本例において、制御部90は、dx/dtの値として、加速度センサ80から出力される加速度を1回積分することにより得られる速度を使用する。これにより、加速度フィードバック制御と速度フィードバック制御とで1つのセンサ(加速度センサ)を兼用できるので、高コスト化や大型化を抑制できる。ただし、ロッド本体40の軸方向の速度dx/dtは、その他の方法で得るようにしてもよい。
また、制御部90は、速度フィードバックゲインGvの値を決定する。速度フィードバックゲインGvは、速度フィードバック制御を行う間、一定でもよいし、あるいは、例えば所定の条件を満たした場合等に変えられてもよい。
そして、増幅器100は、制御部90が決定した速度フィードバックゲインGvに応じて、電圧を増大させ、第2の力Fa2が生じるように、駆動部90のコイル55に電圧を印加する。
なお、加速度フィードバック制御と速度フィードバック制御とを同時に行う場合、増幅器100は、第1の力Fa1と第2の力Fa2とを加算した力がロッド本体40に生じるように、駆動部90を電圧制御する。
まず、能動型防振装置10についての運動方程式は、概略的に、つぎの式(7)ようになる。
式(7)に式(1)と式(6)を代入すると、
このように、この例の速度フィードバック制御では、式(6)によって表されるように、ロッド本体40の軸方向の速度dx/dtの方向とは逆の方向に、ロッド本体40の軸方向の速度dx/dtに比例する第2の力Fa2を、生じさせている。これによって、式(8)により表される運動方程式において、速度項(減衰項)の係数が、cからc+Gvに増大する。これにより、振動伝達率を低下させることができ、特には、共振周波数近辺での高い振動伝達率を大きく低下させることができる。
また、この例においても、式(1)〜(3)を用いて上述した、加速度フィードバック制御の効果が得られる。なお、第1の力Fa1として、式(4)で表されるものを用いてもよい。
ここで、図4〜図7を参照しながら、本発明の能動型防振装置における実施例、比較例について説明する。
図4及び図5は、本発明の能動型防振装置の実施例1、2と比較例1、2についてシミュレーションを行った結果を示している。
実施例1、2と比較例1、2は、図1〜図3の例の能動型防振装置10の構成を有しており、その寸法や質量等の種々の構成は同一であり、アクチュエータ50を用いた制御の方法のみが異なるものであった。図4及び図5では、簡単のため、加速度フィードバック制御を「AFB」と記載し、速度フィードバック制御を「VFB」と記載している。加速度フィードバック制御における第1の力Fa1は、上記式(1)で表されるものを用い、速度フィードバック制御における第2の力Fa2は、上記式(6)で表されるものを用いた。ゲインGa、Gvの詳細は、図4及び図5に示すとおりであった。
図4及び図5において、横軸は周波数(Hz)であり、縦軸は振動伝達率Trである。振動伝達率Trは、Tr=|x2/x1|により表される。図3に示すように、x1は第1弾性接続部20の内筒22の軸方向変位であり、x2はロッド本体40の軸方向変位である。
図4において、加速度フィードバック制御及び速度フィードバック制御のいずれも行わなかった比較例1に比べて、加速度フィードバック制御のみ行った実施例1では、共振周波数が低くなっている。すなわち、実施例1は、比較例1に比べて、ロッド本体40の質量を増加させた場合と同等の効果が得られている。
図5において、速度フィードバック制御を行った実施例2、比較例2では、いずれも、速度フィードバック制御を行わなかった実施例1、比較例1(図4)よりも、共振周波数における振動伝達率Tr(山のピーク値)が、小さくなっている。さらに、加速度フィードバック制御と速度フィードバック制御との両方を行った実施例2は、速度フィードバック制御のみ行った比較例2に比べて、170Hz以上の帯域の振動伝達率が低くなっており、ロッド本体40の質量を増加させた場合と同等の効果が得られている。
図6及び図7は、本発明の能動型防振装置の実施例3〜10と比較例3〜5について実験を行った結果を示している。
実施例3〜10と比較例3〜5は、図1〜図3の例の能動型防振装置10の構成を有しており、その寸法や質量等の種々の構成は同一であり、アクチュエータ50を用いた制御の方法のみが異なるものであった。図6及び図7では、簡単のため、加速度フィードバック制御を「AFB」と記載し、速度フィードバック制御を「VFB」と記載している。加速度フィードバック制御における第1の力Fa1は、上記式(1)で表されるものを用い、速度フィードバック制御における第2の力Fa2は、上記式(6)で表されるものを用いた。ゲインGa、Gvの詳細は、図6及び図7に示すとおりであった。ただし、図6及び図7に示すゲインGa、Gvの数値は、実際の数値を相対的な代表値に変換した値で示している。
図6及び図7において、横軸は周波数(Hz)であり、縦軸は振動伝達率である。縦軸の振動伝達率は、図の上に向かうほど値が大きくなる。
図6において、加速度フィードバック制御及び速度フィードバック制御のいずれも行わなかった比較例3に比べて、加速度フィードバック制御のみ行った実施例3〜7では、共振周波数が低くなっている。また、加速度フィードバック制御を行った実施例3〜7では、加速度フィードバック制御を行わなかった比較例3に比べて、共振周波数での振動伝達率(山のピーク値)が低くなっている。
また、図6において、加速度フィードバック制御のみ行った実施例3〜7どうしを比べると、加速度フィードバックゲインGaが大きいものほど、共振周波数が低くなっている。また、実施例3〜7どうしでは、加速度フィードバックゲインGaが大きいものほど、共振周波数での振動伝達率(山のピーク値)が低くなっている。
図7において、比較例3〜5どうしを比べると、共振周波数はほぼ同じであるが、速度フィードバックゲインGvが大きいものほど、共振周波数での振動伝達率(山のピーク値)が低くなっている。
また、図7において、加速度フィードバック制御と速度フィードバック制御との両方を行った実施例8〜10は、加速度フィードバック制御を行わなかった比較例3〜5に比べて、共振周波数が低くなっている。また、実施例8〜10どうしを比べると、速度フィードバックゲインGvが大きいものほど、共振周波数での振動伝達率(山のピーク値)が低くなっている。また、比較例4と実施例9を比較すると、加速度フィードバック制御を行った実施例9の方が、加速度フィードバック制御を行わなかった比較例4に比べて、速度フィードバックゲインGvがやや小さいにも関わらず、共振周波数での振動伝達率が低い。
なお、本発明の能動型防振装置10及びその制御方法は、上述したものに限られず、様々な変形例が可能である。
例えば、制御部90は、能動型防振装置10と接続されたエンジンの振動周波数と、能動型防振装置10のロッド共振周波数とが、所定の周波数以上離れるように、加速度フィードバック制御を行うようにしてもよい。この場合、制御部90は、エンジンの振動周波数として、例えば、車両からエンジンの回転数信号を用いるとよい。
具体的には、例えば、エンジンの振動周波数とロッド共振周波数とが、所定の周波数以上離れるように、加速度フィードバックゲインGaの値を変更(例えば符号を逆転させる等)して、ロッド共振周波数を変化させるとよい。これにより、消費電力を低減しつつ、防振性能を向上することが可能となる。
Claims (10)
- 一対の弾性接続部と、
前記一対の弾性接続部どうしを連結するロッド本体と、
前記ロッド本体に支持された慣性マスと、
前記慣性マスを前記ロッド本体の軸方向に往復動させる、駆動部と、
前記ロッド本体の軸方向の加速度に比例する第1の力を生じさせるように、前記駆動部を制御する、加速度フィードバック制御ができるように構成された、制御部と、
前記ロッド本体に取り付けられ、前記ロッド本体の軸方向の加速度を検出する、加速度センサと、
を備え、
前記一対の弾性接続部のうち一方は車両のエンジン側に接続されるように構成され、
前記一対の弾性接続部のうち他方は前記車両の車体側に接続されるように構成され、
前記制御部は、前記加速度フィードバック制御において、前記加速度センサにより検出された加速度を使用する、能動型防振装置。 - 前記制御部は、前記加速度フィードバック制御において、前記第1の力の方向を、前記ロッド本体の軸方向の加速度の方向とは逆にする、請求項1に記載の能動型防振装置。
- 前記制御部は、前記ロッド本体の軸方向の速度に比例する第2の力を生じさせるように、前記駆動部を制御する、速度フィードバック制御がさらにできるように構成されている、請求項1又は2に記載の能動型防振装置。
- 前記制御部は、前記速度フィードバック制御において、前記加速度センサにより検出された加速度を積分することにより得られる速度を使用する、請求項3に記載の能動型防振装置。
- 前記制御部は、前記エンジンの振動周波数と前記能動型防振装置のロッド共振周波数とが所定の周波数以上離れるように、前記加速度フィードバック制御を行う、請求項1〜4のいずれか一項に記載の能動型防振装置。
- 一対の弾性接続部と、
前記一対の弾性接続部どうしを連結するロッド本体と、
前記ロッド本体に支持された慣性マスと、
前記慣性マスを前記ロッド本体の軸方向に往復動させる、駆動部と、
前記駆動部を制御する、制御部と、
前記ロッド本体に取り付けられ、前記ロッド本体の軸方向の加速度を検出する、加速度センサと、
を備えた、能動型防振装置を制御する方法であって、
前記一対の弾性接続部のうち一方は車両のエンジン側に接続されるように構成され、
前記一対の弾性接続部のうち他方は前記車両の車体側に接続されるように構成され、
前記制御部が、前記ロッド本体の軸方向の加速度に比例する第1の力を生じさせるように、前記駆動部を制御することにより、加速度フィードバック制御を行い、
前記制御部は、前記加速度フィードバック制御において、前記加速度センサにより検出された加速度を使用する、能動型防振装置の制御方法。 - 前記加速度フィードバック制御において、前記制御部は、前記第1の力の方向を、前記ロッド本体の軸方向の加速度の方向とは逆にする、請求項6に記載の能動型防振装置の制御方法。
- 前記制御部が、前記ロッド本体の軸方向の速度に比例する第2の力を生じさせるように、前記駆動部を制御することにより、速度フィードバック制御をさらに行う、請求項6又は7に記載の能動型防振装置の制御方法。
- 前記制御部は、前記速度フィードバック制御において、前記加速度センサにより検出された加速度を積分することにより得られる速度を使用する、請求項8に記載の能動型防振装置の制御方法。
- 前記能動型防振装置において、
前記制御部は、前記エンジンの振動周波数と前記能動型防振装置のロッド共振周波数とが所定の周波数以上離れるように、前記加速度フィードバック制御を行う、請求項6〜9のいずれか一項に記載の能動型防振装置の制御方法。
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