JP6996222B2

JP6996222B2 - 振動低減装置

Info

Publication number: JP6996222B2
Application number: JP2017203106A
Authority: JP
Inventors: 友博宮部; 祥宏水野; 英滋土屋
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2017-10-20
Filing date: 2017-10-20
Publication date: 2022-01-17
Anticipated expiration: 2037-10-20
Also published as: JP2019078275A

Description

本発明は、振動低減装置に関し、特に、動力伝達系の捩り振動を低減する振動低減装置に関する。

従来から動吸振器を利用した制振技術が知られている。例えば、特許文献１には、エンジンなどの駆動源から得られる駆動トルクを伝達する動力伝達系において変動トルクを吸収する装置として、ばねと慣性体により構成される動吸振器を備えたダンパ装置が記載されている。変動トルクを吸収することにより、変動トルクに伴う捩り振動が低減される。

また、特許文献２には、位置調整部材によりばね定数を調整できる可変ばね式の動吸振器が記載されている。ばね定数を調整することにより、制振対象物に対して動吸振器の特性を最適化することができる。

特開２０１７－２０５２９号公報特開２０１３－１００８８２号公報

特許文献１に記載される動吸振器を備えたダンパ装置において、例えば、動吸振器を構成するばねのばね定数や慣性体の慣性（質量）が固定的であると、捩り振動を低減できる回転速度領域が限定的となる。

また、特許文献２に記載される動吸振器は、制振対象物に取り付ける構造であり、制振対象物と共に振動するため、例えば、ばね定数を調整するための指令やエネルギーの供給を行うのが難しい。

このように、従来から知られる制振技術には改良の余地があり、動力伝達系の捩り振動を低減する制振技術の更なる改良が期待されている。

本発明の目的は、着磁技術を利用して動力伝達系の捩り振動が低減される回転速度領域を変更する振動低減装置を提供することにある。

本発明の具体例として好適な振動低減装置は、主振動系と副振動系を含む動力伝達系の捩り振動を低減する振動低減装置であって、着磁技術を利用して前記副振動系の固有振動数を変更する着磁機構を備え、前記副振動系の固有振動数を変更することにより、前記動力伝達系の捩り振動が低減される回転速度領域を変更することを特徴とする。

上記構成により、着磁技術を利用して動力伝達系の捩り振動が低減される回転速度領域を変更する振動低減装置が提供される。例えば、上記構成の振動低減装置を車両に搭載して、車両の走行状態（エンジンの回転数など）に応じて捩り振動が低減される回転速度領域を変更することにより、捩り振動が低減される回転速度領域を着磁技術によって拡大することができ、車両の乗り心地が改善される。また、上記構成の振動低減装置を車両に搭載し、車両の低回転速度領域における捩り振動を低減することにより、従来から知られる流体継手や係合装置のすべり制御による動力伝達で捩り振動を低減する場合に比べて、機械要素による直結状態での走行が可能となるため燃費の改善も期待される。

前記着磁機構は、例えば、着磁技術を利用して前記副振動系の慣性値を変更することにより、前記副振動系の固有振動数を変更することが望ましい。

また、前記着磁機構は、例えば、着磁式の係合機構により前記副振動系を構成する複数の慣性体を係合させて前記副振動系の慣性値を変更することが望ましい。

また、前記振動低減装置は、例えば、前記主振動系の回転速度に応じて前記副振動系の固有振動数を変更することにより、前記捩り振動が低減される回転速度領域を拡大することが望ましい。

また、前記振動低減装置は、前記主振動系の回転速度に応じて前記副振動系の固有振動数を変更することにより、前記捩り振動の共振を回避することが望ましい。

本発明により、着磁技術を利用して動力伝達系の捩り振動が低減される回転速度領域を変更する振動低減装置が提供される。

振動低減装置を搭載した車両の具体例を示す図である。ばねと慣性による動力伝達系モデルの具体例を示す図である。動吸振器による捩り振動の低減の具体例を示す図である。捩り振動が低減される回転速度領域の変更の具体例を示す図である。捩り振動が低減される回転速度領域の拡大の具体例を示す図である。着磁技術により磁気回路を変更する具体例を示す図である。動吸振器の慣性値を変更する着磁機構の具体例を示す図である。振動低減装置の構成例を示す図である。着磁における電流の消費エネルギーを示す図である。

以下に、本発明の実施において好適な振動低減装置の具体例を説明する。振動低減装置は、例えば、自動車などの車両に搭載され、車両を駆動するための動力を伝える伝達経路内に生じる捩り振動を低減するために利用することが可能である。

図１は、振動低減装置を搭載した車両の具体例を示す図である。図１に示す具体例において、車両は、例えばエンジン（内燃機関）などを動力源２００としており、動力源２００から出力された動力を変速機３００を介して、タイヤなどで構成される駆動軸４００に伝えて走行する。

図１に示す具体例において、振動低減装置１００は、動力源２００と変速機３００の間に配置される。振動低減装置１００は、車両の乗り心地を改善するために、動力源２００から駆動軸４００までの動力伝達系に生じる捩り振動を低減する。例えば、動力源２００がエンジンである場合に、そのエンジンの回転速度が低い領域の振動を低減することが可能であれば、従来から知られる流体継手による動力伝達を減らし、機械要素による直結状態でエンジンからの動力を駆動軸４００に伝えることができるため、燃費の改善が期待される。

図２は、ばねと慣性による動力伝達系モデルの具体例を示す図である。図２には、図１に示す車両の動力源２００から駆動軸４００までの動力伝達系に関するモデルの具体例が図示されている。なお、図１に示す車両の動力伝達系は回転系であるが、図２では、その動力伝達系を並進系のモデル要素で示した動力伝達系モデルを利用する。

図２の動力伝達系モデルは、図の左側（例えば車両前方側）から順に、動力源２００（図１）に対応した動力源慣性２０２、振動低減装置１００（図１）に対応した振動低減装置慣性１０２、変速機３００（図１）に対応した変速機慣性３０２、駆動軸４００（図１）に対応した駆動軸慣性４０２を備えている。

また、動力源慣性２０２と振動低減装置慣性１０２は、ばね５１と摩擦項６１を介して連結され、振動低減装置慣性１０２と変速機慣性３０２は、ばね５２と粘性減衰器７２を介して連結され、変速機慣性３０２と駆動軸慣性４０２は、ばね５３と粘性減衰器７３を介して連結される。

さらに、図２の動力伝達系モデルは、動力源２００（動力源慣性２０２）から駆動軸４００（駆動軸慣性４０２）まで動力を伝達する主振動系とは枝分かれする形で、振動低減装置１００（図１）が備える動吸振器に対応した副振動系を備えている。図２に示す具体例において、副振動系は、動吸振器慣性１０と動吸振器ばね２０と動吸振器粘性減衰器３０で構成される。

なお、図２に示す具体例では、副振動系の構成要素（動吸振器慣性１０と動吸振器ばね２０と動吸振器粘性減衰器３０）が動力源慣性２０２に取り付けられているが、副振動系の構成要素は振動低減装置慣性１０２に取り付けられてもよい。副振動系とされる動吸振器は、それ自身が振動することにより、主振動系の振動を抑制する機能を有している。

図３は、動吸振器による捩り振動の低減の具体例を示す図である。図３はエンジンで発生した正弦波状のトルクが駆動軸をどれだけ振動させるかを計算した結果を示している。図３において、横軸は動力源であるエンジンの回転速度であり、縦軸は駆動軸でのトルク振動レベルを示している。また、図３には、動吸振器を備えた車両モデルにより得られるトルク振動レベル（動吸振器あり）と、動吸振器を備えていない車両モデルにより得られるトルク振動レベル（動吸振器なし）の具体例が図示されている。

図３に示す具体例において、動吸振器を備えた車両モデル（動吸振器あり）は、回転速度領域Ａにおいて、動吸振器を備えていない車両モデル（動吸振器なし）よりも振動レベルが低く、良好な結果が得られることを示している。一方、回転速度領域Ｂでは、動吸振器を備えた車両モデル（動吸振器あり）の方が、動吸振器を備えていない車両モデル（動吸振器なし）よりも振動レベルが高い。

動吸振器によって振動レベルが下がる回転速度領域は、動吸振器の固有振動数によって決まる。一般的なばね・マスによって構成される振動系と同様に、動吸振器の固有振動数は数１式によって算出される。数１式において、ｆ_ｄは動吸振器の固有振動数、Ｉ_ｄは動吸振器の慣性値、ｋ_ｄは動吸振器の捩りばね定数（剛性）、πは円周率である。

例えば数１式に示すように、動吸振器の固有振動数は、動吸振器の慣性値とばね定数によって決定されることが分かる。例えば、図３の具体例で用いた動吸振器を備えた車両モデルにおいて、動吸振器の諸元値を変更した後に、駆動軸のトルク振動レベルを計算すると図４に示す具体例が得られる。

図４は捩り振動が低減される回転速度領域の変更の具体例を示す図である。図４には、動吸振器を備えた車両モデル（図３）において、動吸振器の諸元値を変更した後に、駆動軸のトルク振動レベルを計算することにより得られるトルク振動レベル（動吸振器あり）と、動吸振器を備えていない車両モデルにより得られるトルク振動レベル（動吸振器なし）の具体例が図示されている。

図４に示す具体例では、動吸振器を備えていない車両モデル（動吸振器なし）よりも動吸振器を備えた車両モデル（動吸振器あり）の振動レベルが低下する回転速度領域が、図３の具体例よりも高速回転側に移動している。

動吸振器を構成するばねのばね定数や慣性体の慣性（質量）が、例えば装置の設計・製作した段階で固定されていると、振動レベルが低下する回転速度領域が固定的となり、捩り振動を低減できる回転速度領域が限定的となる。これに対し、例えば、車両の走行中に動吸振器の諸元値を変更して動吸振器の固有振動数を変更することができれば、車両の走行状態（エンジンの回転数など）に応じて、振動レベルが低下する回転速度領域を調整することができるため、回転速度領域が限定的な場合に比べて、広い回転速度領域で捩り振動の低減効果を得ることが可能となる。

図５は捩り振動が低減される回転速度領域の拡大の具体例を示す図である。図５には、図３の動吸振器を備えた車両モデルにより得られるトルク振動レベル（動吸振器ありＡ）と、図４の動吸振器を備えた車両モデルにより得られるトルク振動レベル（動吸振器ありＢ）と、動吸振器を備えていない車両モデルにより得られるトルク振動レベル（動吸振器なし）の具体例が図示されている。

例えば車両の走行中に動吸振器の諸元値を変更することが可能であれば、図５に示す具体例のように、低回転速度領域では「動吸振器ありＡ」の諸元値を選択し、中回転速度領域では「動吸振器ありＢ」の諸元値を選択することができる。これにより、走行中に諸元値を変更できない場合よりも、広い回転速度領域で振動レベルを抑えることができるようになる。

また、図５に示すように、共振点αと共振点βではトルク振動レベルが極大となる。車両の走行中に動吸振器の諸元値を変更することが可能であれば、例えば、車両の走行状態（エンジンの回転数など）に応じて動吸振器の諸元値を変更し、動吸振器の固有振動数を変更することにより、共振現象を回避することも可能になる。

図１の振動低減装置１００は、動吸振器の諸元値を変更するために、磁石の着磁技術を活用する。

図６は、着磁技術により磁気回路を変更する具体例を示す図である。磁界密度がゼロの時の磁界の強さを保持力と呼ぶ。図６には、保持力が比較的高い（大きい）ネオジム磁石４４と、保持力が比較的低い（小さい）アルニコ磁石４６を用いた磁気回路の具体例が図示されている。

アルニコ磁石４６は、その保持力が低いため、ネオジム磁石４４を対象とする場合よりも、小さい外部磁界によって着磁や減磁を行うことができる。図６（ａ）の直列磁気回路では、磁束４８が第１ヨーク４１内を流れるものの第２ヨーク４２内を流れないため、第１ヨーク４１と第２ヨーク４２の間に磁束４８による吸引力が発生しない。

図６（ａ）の直列磁気回路の状態から、着磁技術によりアルニコ磁石４６の極性を反転させると、図６（ｂ）の並列磁気回路に変更される。図６（ｂ）の並列磁気回路では、第１ヨーク４１内を流れる磁束４８が第２ヨーク４２内を流れてから第１ヨーク４１内に戻るため、第１ヨーク４１と第２ヨーク４２の間に磁束４８による吸引力が発生し、第１ヨーク４１と第２ヨーク４２が係合する。

なお、アルニコ磁石４６の磁極を変更（極性を反転）させるためには、例えば、アルニコ磁石４６の周辺に電気コイルを配置し、その電気コイルに電流を流して外部磁界を発生させる方法を用いることができる。例えば、電気コイルに流す電流の向きを変更することにより、図６（ａ）の直列磁気回路と図６（ｂ）の並列磁気回路を選択的に実現することができる。

図１の振動低減装置１００は、例えば図６を利用して説明される着磁技術を利用して、副振動系である動吸振器の固有振動数を変更する着磁機構を備えている。例えば、着磁技術を利用して動吸振器の慣性値を変更することにより、副振動系である動吸振器の固有振動数を変更することができる。

図７は、動吸振器の慣性値を変更する着磁機構の具体例を示す図である。図７には、図２の動力伝達系モデルにおいて副振動系として用いられる動吸振器の具体例が図示されている。図２の動力伝達系モデルにおいて、副振動系は、動吸振器慣性１０と動吸振器ばね２０と動吸振器粘性減衰器３０で構成される。

図７に示す具体例では、動吸振器第１慣性１１と動吸振器第２慣性１２が動吸振器慣性１０を構成している。そして、動吸振器第１慣性１１と動吸振器第２慣性１２に、図６の第１ヨーク４１と第２ヨーク４２による着磁機構が設けられている。なお、図７に示す主振動系慣性は、図２の動力伝達系モデルにおける主振動系の慣性である。

図７（ａ）に示す解放時は、第１ヨーク４１と第２ヨーク４２による着磁機構が直列磁気回路（図６（ａ））の状態であり、磁束が第２ヨーク４２内を流れないため、第１ヨーク４１と第２ヨーク４２の間に磁束による吸引力が発生しない。この状態では、動吸振器第１慣性１１が動吸振器第２慣性１２から切り離されているため、動吸振器全体の慣性値は数２式によって算出される。数２式において、Ｉは動吸振器全体の慣性値、Ｉ_２は動吸振器第２慣性１２の慣性値である。

図７（ａ）に示す解放時の状態から、着磁技術によりアルニコ磁石の極性を反転させると、図７（ｂ）に示す係合時の状態となる。図７（ｂ）に示す係合時は、第１ヨーク４１と第２ヨーク４２による着磁機構が並列磁気回路（図６（ｂ））の状態であり、磁束が第２ヨーク４２内を流れるため、第１ヨーク４１と第２ヨーク４２の間に磁束による吸引力が発生し、第１ヨーク４１と第２ヨーク４２が係合する。この状態では、動吸振器第１慣性１１と動吸振器第２慣性１２が係合しているため、動吸振器全体の慣性値は数３式となる。数３式において、Ｉは動吸振器全体のばね定数、Ｉ_１は動吸振器第１慣性１１の慣性値、Ｉ_２は動吸振器第２慣性１２の慣性値である。

例えば図７に示す着磁機構を利用することにより、数２式と数３式に示すように動吸振器全体の慣性値を変更することができ、これにより、数１式で表される動吸振器の固有振動数も変更される。

図８は、振動低減装置１００の構成例を示す図である。図８には、振動低減装置１００の断面が図示されている。図８に示す具体例において、振動低減装置１００は、入力軸１と出力軸２を回転軸Ａとする回転対称な立体形状であり、ケース１００Ｃ内に収められた内部構成を備えている。なお、図８には、主振動系ばね３も図示されている。

図８に示す構成例では、電気コイルＥＣを巻くために、第１ヨーク４１が第１ヨーク４１Ａと第１ヨーク４１Ｂの２つに分離されており、第１ヨーク４１Ａと電気コイルＥＣがケース１００Ｃに固定されている。

そして、電気コイルＥＣに流れる電流を制御することにより、第１ヨーク４１（第１ヨーク４１Ａと第１ヨーク４１Ｂ）の磁極の向きが変更され、第１ヨーク４１と第２ヨーク４２の間の吸引力が制御される。これにより、動吸振器第１慣性（慣性体）１１と動吸振器第２慣性（慣性体）１２の解放と係合が制御され、動吸振器第２慣性１２のみを利用する解放状態と、動吸振器第１慣性１１と動吸振器第２慣性１２の両方を利用する係合状態を選択することができる。

図８に示す構成例によれば、ケース１００Ｃに取り付けられた電気コイルＥＣに流す電流を変更することにより、動吸振器の固有振動数を変更することができる。そのため、車両の運転状態に合わせて、例えば主振動系の回転速度に応じて、副振動系である動吸振器の固有振動数を比較的容易に変更することが可能になる。

また、図８に示す構成例では、第１ヨーク４１（第１ヨーク４１Ａと第１ヨーク４１Ｂ）の磁極の向きを変更する時に電流を流すだけで、動吸振器の固有振動数を変更することができる。つまり、例えば、図９に示す着磁ＯＮのタイミングと着磁ＯＦＦのタイミングで電気コイルＥＣに電流を流せばよいため、図９に示す比較例のように着磁ＯＮの状態を維持するために電流を流し続ける場合に比べて、非常に少ないエネルギー消費量で動吸振器の固有振動数を変更できる。また、図８に示す構成例は、ボールねじのように摩擦によってエネルギーを散逸してしまうような機構が無い点も優れている。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上述した実施形態は、あらゆる点で単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。本発明は、その本質を逸脱しない範囲で各種の変形形態を包含する。

１０動吸振器慣性、１１動吸振器第１慣性、１２動吸振器第２慣性、２０動吸振器ばね、３０動吸振器粘性減衰器、４１第１ヨーク、４２第２ヨーク、４４ネオジム磁石、４６アルニコ磁石、１００振動低減装置、２００動力源、３００変速機、４００駆動軸。

Claims

主振動系と副振動系を含む動力伝達系の捩り振動を低減する振動低減装置であって、
前記副振動系は、前記主振動系にばねで連結される複数の慣性体を有し、
前記複数の慣性体は、複数の磁石と第１ヨークとによって構成される磁気回路と、前記磁気回路から生ずる外部磁界と磁気的に結合可能な第２ヨークと、を備え、
電気コイルに電流の向きを変えて電流を流して複数の磁石の一部の磁石の極性を反転させることで、前記第１ヨークと前記第２ヨークとの間に吸引力を発生させ、前記複数の慣性体の間に吸引力が発生する係合状態と前記複数の慣性体の間に吸引力が発生しない解放状態を選択することで前記副振動系の慣性値を変更する着磁機構を備え、
前記着磁機構を用いて前記副振動系の慣性値を変更することにより前記副振動系の固有振動数を変更して、前記動力伝達系の捩り振動が低減される回転速度領域を変更する、
ことを特徴とする振動低減装置。
請求項１に記載の振動低減装置において、
前記複数の磁石は保磁力が異なる２種類の磁石を含み、前記保磁力の違いを利用して前記２種類の磁石のうち保磁力がより低い磁石の極性を反転させる、
ことを特徴とする振動低減装置。
請求項１又は２に記載の振動低減装置において、
前記主振動系の回転速度に応じて前記副振動系の慣性値を変更することにより、前記捩り振動が低減される回転速度領域を拡大する、
ことを特徴とする振動低減装置。
請求項１から３のいずれか１項に記載の振動低減装置において、
前記主振動系の回転速度に応じて前記副振動系の慣性値を変更することにより、前記捩り振動の共振を回避する、
ことを特徴とする振動低減装置。