WO2016129648A1 - 模擬コイルばね装置と、その制御方法 - Google Patents

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coil spring
attachment member
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displacement
simulated coil
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仲村　崇広
和夫 古川
千里 森山
佐藤　隆一
真一 西沢
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日本発條株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F1/00—Springs
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F2230/00—Purpose; Design features
    • F16F2230/0017—Calibrating

Definitions

  • the present invention relates to a simulated coil spring device capable of generating a reaction force corresponding to a coil spring such as a suspension coil spring and a control method thereof.
  • a McPherson strut type suspension device is known as an example of a vehicle suspension device.
  • the McPherson strut type suspension device includes a coil spring and a strut (shock absorber) disposed inside the coil spring.
  • the coil spring is compressed by a load applied from above the coil spring, the coil spring expands and contracts according to the magnitude of the load, and the struts expand and contract.
  • the position of the reaction line of the coil spring is offset from the center of the coil spring in order to reduce the sliding resistance of the strut.
  • the reaction force line position of the coil spring is set at a position where the friction of the strut is minimized. For this reason, it is necessary to know the relationship between the position of the reaction force line of the coil spring and the sliding resistance of the strut.
  • Patent Document 1 a simulated coil spring device disclosed in US Pat. No. 7,606,690 (Patent Document 1) is known. Also, from the 21st to 24th pages of the Preliminary Proceedings published at the Spring Society of Japan (Nagoya) on November 1, 2013, “Investigation of the Effect of Coil Spring Reaction Force Lines on Universal Vehicles” ), Or SAE2014 “Experimental Study on the Effect of Coil Spring Reaction Force Vector on Suspension Characteristics (Non-Patent Document 2) announced in the US (Detroit) on April 8, 2014
  • These simulated coil spring devices have a Stewart platform type parallel mechanism having six hydraulic cylinders, and each hydraulic cylinder is operated by hydraulic pressure, thereby providing a reaction corresponding to a coil spring. Can generate power.
  • the length (deflection) of the coil spring changes according to the compression load applied in the axial direction.
  • the length (deflection) increases in proportion to the magnitude of the load.
  • characteristics eg, strut sliding resistance and kingpin moment
  • the spring constant is not always constant. For example, there is a coil spring in which the spring constant increases as the amount of compression increases.
  • the present invention provides a simulated coil spring device capable of generating a reaction force corresponding to the compressed amount in each hydraulic cylinder and simulating various coil springs, and a control method therefor. It is in.
  • One embodiment of the present invention is a simulated coil spring device provided in a strut having a lower spring seat and an upper spring seat, the first attachment member disposed on the lower spring seat, and the upper spring A second attachment member disposed on the seat; an actuator unit disposed between the first attachment member and the second attachment member; and an expansion / contraction operation; a spring height detection mechanism; and a control unit.
  • the spring height detection mechanism detects a displacement amount related to a distance between the first attachment member and the second attachment member.
  • the control unit controls the actuator unit according to the amount of displacement detected by the spring height detection mechanism.
  • An example of the actuator unit is composed of a Stewart platform type parallel mechanism having six hydraulic cylinders arranged with the inclination alternately changed between the first attachment member and the second attachment member.
  • An example of the spring height detection mechanism is constituted by a linear displacement meter provided in each of the hydraulic cylinders. Each of these displacement meters detects the amount of displacement from the reference length of each hydraulic cylinder.
  • One example of a displacement meter is an LVDT (linear variable differential) with a plunger. Furthermore, you may provide in the guide rod which guides the linear motion of each said plunger.
  • a first internal load cell for detecting an axial force applied to the lower spring seat and a moment around the axis; and a second internal load cell for detecting an axial force applied to the upper spring seat and a moment around the axis.
  • a load cell may be further provided.
  • the coil spring simulator equipped with the displacement meter calculates the vertical displacement from the reference height based on the displacement amount of each hydraulic cylinder detected by the displacement meter.
  • a vertical load obtained by multiplying the vertical displacement by a spring constant is added to the initial vertical load.
  • load control reaction force control
  • a spring constant is performed in the same manner as an actual coil spring.
  • the reaction force corresponding to the compressed amount can be generated in each hydraulic cylinder in the same manner as an actual coil spring having a spring constant. Even if a spring is not used, a characteristic test equivalent to a suspension device provided with a coil spring can be performed.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a McPherson strut type suspension device.
  • FIG. 2 is a perspective view of a simulated coil spring device according to one embodiment.
  • FIG. 3 is a side view of the simulated coil spring device shown in FIG. 4 is a bottom view of the simulated coil spring device shown in FIG.
  • FIG. 5 is a sectional view taken along line F5-F5 in FIG.
  • FIG. 6 is a block diagram showing an outline of the configuration of the simulated coil spring device shown in FIG.
  • FIG. 7 is a perspective view schematically showing a part of the simulated coil spring device shown in FIG.
  • FIG. 8 is a graph showing the relationship between the displacement amount of the hydraulic cylinder and the hydraulic pressure.
  • FIG. 1 shows a McPherson strut type suspension device 1 which is an example of a suspension device used in a vehicle.
  • the suspension device 1 includes a shock absorber as a strut 2 and a suspension coil spring 3 (hereinafter simply referred to as a coil spring 3).
  • the strut 2 includes an outer cylinder 4 as a first strut element and a rod 5 as a second strut element.
  • the rod 5 is inserted into the outer cylinder 4.
  • a damping force generating mechanism is provided at the tip of the rod 5 inserted into the outer cylinder 4.
  • the outer cylinder 4 and the rod 5 can move in the direction of the axis L 1 (strut axis).
  • a lower spring seat 10 is provided on the outer cylinder 4.
  • a bracket 11 is provided at the lower end of the outer cylinder 4.
  • a knuckle member 12 is attached to the bracket 11.
  • the wheel shaft is supported by the knuckle member 12.
  • An upper spring seat 15 is provided at the upper end of the rod 5.
  • a mount insulator 17 is provided between the upper spring seat 15 and the body member 16.
  • FIG. 2 is a perspective view of the simulated coil spring device 20.
  • FIG. 3 is a side view of the simulated coil spring device 20.
  • FIG. 4 is a bottom view of the simulated coil spring device 20.
  • FIG. 5 is a sectional view taken along line F5-F5 in FIG.
  • a strut 2A (shown in FIG. 5) used in the simulated coil spring device 20 includes an outer cylinder 4A as a first strut element, a rod 5A as a second strut element, a lower spring seat 10A, and a bracket. 11A and the upper spring seat 15A.
  • the lower spring seat 10A is attached to the outer cylinder 4A.
  • the upper spring seat 15A is disposed near the upper end of the rod 5A above the lower spring seat 10A.
  • the rod 5A can move in the direction of the axis L 1 (strut axis) with respect to the outer cylinder 4A.
  • the simulated coil spring device 20 includes a first attachment member 21, a second attachment member 22, a first seat adapter 27, a second seat adapter 28, and an actuator unit 30 including a Stewart platform type parallel mechanism.
  • the hydraulic pressure supply device 37, the first internal load cell 41, the second internal load cell 42, the base member 45, the rotation support mechanism 50, the control unit 70, and the like are included.
  • the first attachment member 21 is fixed to the lower spring seat 10A.
  • the first attachment member 21 includes a first disc portion 21a disposed above the lower spring seat 10A, and a cylindrical first extension portion 21b extending downward from the first disc portion 21a. And a first flange portion 21c protruding outward from the lower end of the first extension portion 21b. That is, the first attachment member 21 has a substantially hat shape.
  • Lower joint connection portions 25 are respectively provided at six locations in the circumferential direction of the first flange portion 21c.
  • the second attachment member 22 is fixed to the upper spring seat 15A.
  • the second attachment member 22 includes a second disc portion 22a disposed below the upper spring seat 15A, a cylindrical second extending portion 22b extending upward from the second disc portion 22a, It has the 2nd collar part 22c which protrudes outside from the upper end of the 2nd extension part 22b. That is, the second attachment member 22 has an inverted hat shape.
  • Upper joint connection portions 26 are respectively provided at six locations in the circumferential direction of the second flange portion 22c.
  • the first seat adapter 27 is disposed on the lower spring seat 10A.
  • the first sheet adapter 27 is made of a light alloy that is lighter than iron, such as an aluminum alloy, and has a flat upper surface 27a.
  • the lower surface 27b of the first seat adapter 27 has a shape that fits with the lower spring seat 10A.
  • the second seat adapter 28 is disposed under the upper spring seat 15A.
  • the second sheet adapter 28 is also made of a light alloy such as an aluminum alloy, for example, and has a flat lower surface 28a.
  • the upper surface 28b of the second seat adapter 28 has a shape that makes surface contact with the upper spring seat 15A.
  • the lower surface 28 a of the second sheet adapter 28 is parallel to the lower surface 27 b of the first sheet adapter 27.
  • the flange portion 21c of the first attachment member 21 is located below the lower spring seat 10A.
  • the flange portion 22c of the second attachment member 22 is located above the upper spring seat 15A.
  • An actuator unit 30 that expands and contracts by hydraulic pressure is disposed between the flanges 21c and 22c.
  • An example of the actuator unit 30 includes a Stewart platform type parallel mechanism.
  • FIG. 6 is a block diagram showing the configuration of the simulated coil spring device 20.
  • FIG. 7 is a perspective view schematically showing a part of the simulated coil spring device 20.
  • the actuator unit 30 composed of a Stewart platform type parallel mechanism has six hydraulic cylinders 31 1 to 31 6 . These hydraulic cylinders 31 1 to 31 6 are arranged with their inclinations alternately changed so that the angles with respect to the vertical line H (shown in FIG. 6) are alternately + ⁇ and ⁇ between adjacent hydraulic cylinders. ing.
  • Hydraulic cylinders 31 1 a piston rod 32 which is driven by a hydraulic (e.g. oil), a first hydraulic chamber 33 to move the piston rod 32 in a first direction (extension side), a piston rod 32 And a second hydraulic chamber 34 moved in the second direction (contraction side).
  • the first hydraulic pressure chamber 33 and the second hydraulic pressure chamber 34 are connected to a hydraulic pressure supply device 37 via hoses 35 and 36, respectively.
  • the hydraulic pressure hydraulic supply device 37 By supplying the hydraulic pressure hydraulic supply device 37 is generated in the first hydraulic chamber 33 or second hydraulic chamber 34, it can be moved to the side expansion side and contraction of the hydraulic cylinder 31 1.
  • the lower end of the hydraulic cylinders 31 1, the universal joint 38 which is represented by a ball joint, are connected pivotably to the joint connection 25 of the first attachment member 21.
  • the upper end of the hydraulic cylinder 31. 1, the universal joint 39 which is represented by a ball joint, is swingably connected to the joint connection 26 of the second attachment member 22.
  • Linear displacement meters 40 1 to 40 6 are provided in the hydraulic cylinders 31 1 to 31 6 , respectively. These displacement meters 40 1 to 40 6 constitute a spring height detection mechanism 40A. Since each construction of the displacement meter 40 1 to 40 6 are common to each other, it will be described here as a representative of the first displacement gauge 40 1 provided on the first hydraulic cylinder 31 1.
  • An example of a displacement meter 40 1 is a LVDT having a plunger 54 (linear variable differential transformer).
  • the displacement meter 40 1 detects the linear displacement of the hydraulic cylinder 31 1 of the reference length (reference position of the piston rod 32).
  • Other examples of the displacement meter 40 1 for example, an optical linear encoder, the linear displacement sensor such as a magnetic linear scale may be employed.
  • a linear displacement meter based on a detection principle other than these may be employed.
  • Displacement meter 40 1 is mounted to the hydraulic cylinders 31 1 by a mounting plate 55.
  • Displacement meter 40 1 of the plunger 54 is connected to the distal end of the hydraulic cylinder 31 1 of the piston rod 32 by a coupling member 56.
  • a guide rod 57 is inserted into the mounting plate 55.
  • the guide rod 57 is connected to the plunger 54 by a connecting member 56.
  • a piston rod 32, a plunger 54, the guide rod 57 in a state keeping the parallel relationship with each other, to move in the axial direction of the hydraulic cylinder 31 1.
  • the guide rod 57 guides the linear motion of the piston rod 32 and the plunger 54. Since the other displacement meters 40 2 to 40 6 have the same configuration as that of the first displacement meter 40 1 , common parts are denoted by common reference numerals in FIGS. 2 to 5.
  • a first internal load cell 41 is disposed between the disc portion 21 a of the first attachment member 21 and the first seat adapter 27.
  • the first internal load cell 41 is housed inside the first attachment member 21 and is disposed above the lower spring seat 10A.
  • the first inner load cell 41 includes a through hole 41a into which the outer cylinder 4A is inserted, a flat upper surface 41b in contact with the lower surface of the first disc portion 21a, and a flat surface in contact with the upper surface 27a of the first seat adapter 27. It has a lower surface 41c and has a ring shape as a whole.
  • the first internal load cell 41 so that its upper surface 41b and lower surface 41c the axial L 1 and right angle, and is fixed to the first sheet adapter 27.
  • the first internal load cell 41 detects an axial force acting on the upper surface 27a of the first seat adapter 27 and a moment around the axis.
  • the first internal load cell 41 includes an outer cylinder 4A, and the lower spring seat 10A, a first sheet adapter 27, the first attachment member 21, can pivot about the shaft L 1.
  • a second internal load cell 42 is disposed between the disc part 22 a of the second attachment member 22 and the second seat adapter 28.
  • the second internal load cell 42 is accommodated in the second attachment member 22 and is disposed below the upper spring seat 15A.
  • the second internal load cell 42 includes a through hole 42a into which the rod 5A is inserted, a flat lower surface 42b in contact with the upper surface of the second disc portion 22a, and a flat upper surface in contact with the lower surface 28a of the second seat adapter 28. 42c, and has a ring shape as a whole. Second internal load cell 42, so that its lower surface 42b and upper surface 42c the axial L 1 and right angle, and is fixed to the second sheet adapter 28.
  • Second internal load cell 42 like the first internal load cell 41, the rotation support mechanism 50 coaxially, that is, the center of the internal load cell 42 is arranged to coincide with the axis L 1.
  • the second internal load cell 42 detects an axial force acting on the lower surface 28a of the second seat adapter 28 and a moment around the axis.
  • Second internal load cell 42, an upper spring seat 15A, the second attachment member 22, together with the second sheet adapters 28 can rotate about the shaft L 1.
  • a rotation support mechanism 50 is disposed between the upper spring seat 15 ⁇ / b> A and the base member 45.
  • Rotation support mechanism 50 relative to the base member 45, and the actuator unit 30 and supported rotatably about the axis L 1.
  • An example of the rotation support mechanism 50 is a ball bearing, and includes a lower ring member 51, an upper ring member 52, and a plurality of rolling members 53 accommodated between the ring members 51 and 52. .
  • the lower ring member 51 is disposed on the upper surface of the upper spring seat 15A.
  • the upper ring member 52 is disposed on the lower surface of the base member 45.
  • the actuator unit 30 composed of a Stewart platform type parallel mechanism forms an arbitrary force field with six degrees of freedom by synthesizing the six axial forces P 1 to P 6 shown in FIG. That is, among the force vectors generated by the six hydraulic cylinders 31 1 to 31 6 , the resultant force of the component in the direction of the axis L 1 becomes a reaction force corresponding to the coil spring. For example, if the value obtained by combining the six axial forces P 1 to P 6 is positive, an upward force P Z along the axis L 1 is generated.
  • the six-axis force P 1 ⁇ P 6 is the sum of the moments exerted about the shaft L 1 becomes a moment Mz around the axis L 1.
  • three hydraulic cylinders 31 1, 31 3, 31 force 5 is produced the sum of (generating a positive Mz axial force), the other three hydraulic cylinders 31 2, 31 4, 31 If it is larger than the sum of the forces generated by 6 (the axial force that generates negative Mz), a positive value Mz is generated at the upper end (upper spring seat 15A) of the actuator unit 30. That is, the component around the axis of the force vector generated by the six hydraulic cylinders 31 1 to 31 6 is the moment (Mz) around the axis L 1 .
  • the displacement meters 40 1 to 40 6 detect the displacement amounts from the reference lengths of the hydraulic cylinders 31 1 to 31 6 .
  • the hydraulic pressure supply device 37 supplies the hydraulic pressure corresponding to the displacement detected by the displacement gauges 40 1 to 40 6 to the hydraulic cylinders 31 1 to 31 6 . Since the displacement gauge 40 1 to 40 6 functions are common to each other, it will be described here as a representative of the first displacement gauge 40 1 provided on the first hydraulic cylinder 31 1.
  • Control unit 70 based on the displacement of the hydraulic cylinders 31 1 detected by the displacement gauge 40 1 calculates the vertical displacement from the reference height of the hydraulic cylinders 31 1. A vertical load obtained by multiplying the vertical displacement by a spring constant is added to the initial vertical load. By controlling the hydraulic cylinders 31 1 of the hydraulic using this added value, like the actual coil springs, performs load control remembering the spring constant (the control of the reaction force).
  • the hydraulic A1 is supplied to the hydraulic cylinders 31 1.
  • hydraulic A2 (A2> A1) is supplied to the hydraulic cylinders 31 1.
  • the hydraulic A3 (A3> A2) is supplied to the hydraulic cylinders 31 1.
  • simulated coil spring device 20 of the present embodiment based on the amount of displacement of each hydraulic cylinder 31 1 to 31 6 detected by the displacement gauge 40 1 to 40 6, in the same way as the actual coil spring, Load control (control of reaction force) with a spring constant is performed.
  • a linear displacement meter 40B indicated by a two-dot chain line in FIG. 5 is disposed between the attachment members 21 and 22, and the vertical displacement is directly detected by the linear displacement meter 40B. May be.
  • the performance test of the strut 2A (for example, measurement of the sliding resistance and kingpin moment of the strut 2A) can be performed using the simulated coil spring device 20 of the present embodiment.
  • 5 and 6 show a part 80 of the load tester.
  • a predetermined load is applied to the simulated coil spring device 20 by this load testing machine. Due to this load, the distance between the lower spring seat 10A and the upper spring seat 15A is reduced, and a vertical reaction force is generated.
  • the base member 45 is moved up and down with a waveform having a vertical stroke of ⁇ 5 mm and 0.5 Hz, and the load is measured by the external load cell 81.
  • the frictional force generated in the strut 2A can be evaluated by a value half of the measured load hysteresis.
  • the actuator unit 30 is supported by the rotation support mechanism 50.
  • the friction of the rotation support mechanism 50 determines the magnitude of the kingpin moment.
  • the generated kingpin moment is detected in a state where a predetermined vertical reaction force is generated between the lower spring seat 10A and the upper spring seat 15A.
  • the simulated coil spring device according to the embodiment of the present invention is not limited to the McPherson strut type, but can be applied to other types of suspension devices having struts.
  • the actuator unit is not limited to the Stewart platform type parallel mechanism, and in short, an actuator unit having a cylinder that expands and contracts by the pressure of fluid (liquid or gas) can be adopted.
  • a linear actuator including a ball screw and a servo motor may be employed, or a differential transformer type linear actuator may be employed.
  • An actuator unit having a cylinder that expands and contracts by hydraulic pressure can be employed.
  • each of the components constituting the simulated coil spring device such as the first and second attachment members, the displacement meter constituting the spring height detection mechanism, the constitution and shape and arrangement of the hydraulic pressure supply device, etc.
  • the elements can be modified in various ways.

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Abstract

　模擬コイルばね装置(20)は、下側ばね座(10A)に配置される第１のアタッチメント部材(21)と、上側ばね座(15A)に配置される第２のアタッチメント部材(22)と、スチュワートプラットフォーム形パラレル機構からなるアクチュエータユニット(30)と、ばね高さ検出機構(40A)と、液圧供給装置(37)と、制御部(70)とを備えている。ばね高さ検出機構(40A)は、例えばＬＶＤＴ（linear variable differential transformer)等の変位計(401－406)によって構成される。これら変位計(401－406)は、それぞれ前記各液圧シリンダ(311－316)に設けられ、前記各液圧シリンダ(311－316)の基準長さからの変位量を検出する。前記液圧供給装置(37)は前記制御部(70)によってコントロールされ、前記変位計(401－406)によって検出された前記変位量に応じた液圧を、前記各液圧シリンダ(311－316)に供給する。

Description

模擬コイルばね装置と、その制御方法
　この発明は、例えば懸架用コイルばね等のコイルばねに相当する反力を生じることができる模擬コイルばね装置と、その制御方法に関する。
　車両用懸架装置の一例として、マクファーソンストラットタイプの懸架装置が知られている。マクファーソンストラットタイプの懸架装置は、コイルばねと、該コイルばねの内側に配置されたストラット（ショックアブソーバ）とを有している。前記コイルばねの上方から加わる荷重によってコイルばねが圧縮され、荷重の大きさに応じて前記コイルばねが伸縮するとともに、前記ストラットも伸縮する。
　マクファーソンストラットタイプの懸架装置において、ストラットの摺動抵抗を小さくするために、コイルばねの反力線位置をコイルばねの中心からオフセットさせることが知られている。例えば前記ストラットの摩擦が最小となる位置にコイルばねの反力線位置が設定される。このためコイルばねの反力線位置とストラットの摺動抵抗との関係を知る必要がある。しかし反力線位置が異なる多くの種類のコイルばねを試作するには、多大な時間と経費が必要である。そこでコイルばねを用いる代りに、模擬コイルばね装置を用いることが提案された。
　例えば米国特許第７，６０６，６９０号（特許文献１）に開示されている模擬コイルばね装置が知られている。また２０１３年１１月１日に日本国ばね学会（名古屋）で発表された予稿集第２１頁－第２４頁「ユニバーサルスプリングによるコイルばね反力線が車両特性へ及ぼす影響調査」（非特許文献１）、あるいは２０１４年４月８日に米国（デトロイト）で発表されたＳＡＥ２０１４「Experimental Study on the Effect of Coil Spring Reaction Force Vector on Suspension Characteristics（非特許文献２）に、改良された模擬コイルばね装置が開示されている。これらの模擬コイルばね装置は、６つの液圧シリンダを有するスチュワートプラットフォーム形パラレル機構を有している。各液圧シリンダを液圧によって動作させることにより、コイルばねに相当する反力を生じさせることができる。
　コイルばねは、軸方向に加わる圧縮の荷重に応じて長さ（撓み）が変化する。ばね定数が一定のコイルばねの場合には、荷重の大きさに比例して長さ（撓み）が増加する。コイルばねを備えた懸架装置の仕様によっては、コイルばねの長さ（圧縮量）に応じて、特性（例えばストラットの摺動抵抗やキングピンモーメント）が変化することがある。しかもコイルばねの種類によっては、ばね定数が一定とは限らない。例えば圧縮量が増加するにつれて、ばね定数が増加するようなコイルばねも存在する。
　特許文献１および非特許文献１，２に開示されている従来の模擬コイルばね装置では、上方から加わる荷重に対して常に一定の圧力の液を各液圧シリンダに供給している。よって各液圧シリンダは、上方から加わる圧縮の荷重に対して常に一定の反力を発生している。このため従来の模擬コイルばね装置では、圧縮された量に相当する反力を各液圧シリンダに発生させることができず、模擬できるコイルばねの種類が制約されるなど改善の余地があった。
　従ってこの発明は、圧縮された量に相当する反力を各液圧シリンダに発生させることができ、多様なコイルばねを模擬することが可能な模擬コイルばね装置と、その制御方法を提供することにある。
　本発明の１つの実施形態は、下側ばね座と上側ばね座とを有するストラットに設ける模擬コイルばね装置であって、前記下側ばね座に配置された第１のアタッチメント部材と、前記上側ばね座に配置された第２のアタッチメント部材と、前記第１のアタッチメント部材と前記第２のアタッチメント部材との間に配置され伸縮動作するアクチュエータユニットと、ばね高さ検出機構と、制御部とを具備している。前記ばね高さ検出機構は、前記第１のアタッチメント部材と前記第２のアタッチメント部材との間の距離に関する変位量を検出する。前記制御部は、前記ばね高さ検出機構によって検出された前記変位量に応じて前記アクチュエータユニットをコントロールする。
　前記アクチュエータユニットの一例は、前記第１のアタッチメント部材と前記第２のアタッチメント部材との間に交互に傾きを変えて配置された６つの液圧シリンダを有するスチュワートプラットフォーム形パラレル機構からなる。前記ばね高さ検出機構の一例は、前記各液圧シリンダにそれぞれ設けられた直線変位計によって構成される。これら変位計は、それぞれ前記各液圧シリンダの基準長さからの変位量を検出する。変位計の一例はそれぞれプランジャを備えたＬＶＤＴ（linear variable differential transformer)である。さらに前記各プランジャの直線運動を案内するガイドロッドに備えていてもよい。また、前記下側ばね座に加わる軸方向の力と軸まわりのモーメントを検出する第１の内部ロードセルと、前記上側ばね座に加わる軸方向の力と軸まわりのモーメントを検出する第２の内部ロードセルとをさらに備えているとよい。
　前記変位計を備えたコイルばね模擬装置は、前記変位計によって検出された各液圧シリンダの変位量に基いて、基準高さからの垂直方向変位を計算する。この垂直方向変位にばね定数を乗じた垂直荷重を初期垂直荷重に加算する。この加算値を用いて各液圧シリンダの液圧を制御することにより、実際のコイルばねと同じように、ばね定数をもたせた荷重制御（反力の制御）を行なう。
　本実施形態の模擬コイルばね装置によれば、ばね定数をもつ実際のコイルばねと同じように、圧縮された量に相当する反力を各液圧シリンダに発生させることができるため、実際のコイルばねを使用しなくても、コイルばねを備えた懸架装置と同等の特性試験を行なうことができる。
図１は、マクファーソンストラットタイプの懸架装置の断面図である。 図２は、１つの実施形態に係る模擬コイルばね装置の斜視図である。 図３は、図２に示された模擬コイルばね装置の側面図である。 図４は、図２に示された模擬コイルばね装置の底面図である。 図５は、図４中のＦ５－Ｆ５線に沿う断面図である。 図６は、図２に示された模擬コイルばね装置の構成の概略を示すブロック図である。 図７は、図２に示された模擬コイルばね装置の一部を模式的に示す斜視図である。 図８は、液圧シリンダの変位量と液圧との関係を示したグラフである。
　図１は、車両に使用される懸架装置の一例であるマクファーソンストラットタイプの懸架装置１を示している。この懸架装置１は、ストラット２としてのショックアブソーバと、懸架用コイルばね３（これ以降は単にコイルばね３と称す）とを含んでいる。ストラット２は、第１のストラット要素としての外筒４と、第２のストラット要素としてのロッド５とを含んでいる。ロッド５は外筒４に挿入されている。外筒４に挿入されたロッド５の先端に減衰力発生機構が設けられている。外筒４とロッド５とは、互いに軸Ｌ１（ストラット軸）方向に移動することができる。
　外筒４に下側ばね座１０が設けられている。外筒４の下端にブラケット１１が設けられている。ブラケット１１にナックル部材１２が取付けられている。ナックル部材１２によって車輪軸が支持される。ロッド５の上端に、上側ばね座１５が設けられている。上側ばね座１５とボデー部材１６との間にマウントインシュレータ１７が設けられている。ステアリング操作がなされると、ナックル部材１２に入力するステアリング操作力により、ストラット２がキングピン軸Ｌ２まわりに旋回する。コイルばね３は、下側ばね座１０と上側ばね座１５との間に圧縮された状態で設けられている。
　以下に１つの実施形態に係る模擬コイルばね装置２０について、図２から図８を参照して説明する。図２は模擬コイルばね装置２０の斜視図である。図３は模擬コイルばね装置２０の側面図である。図４は模擬コイルばね装置２０の底面図である。図５は、図４中のＦ５－Ｆ５線に沿う断面図である。
　模擬コイルばね装置２０に使用されるストラット２Ａ（図５に示す）は、第１のストラット要素としての外筒４Ａと、第２のストラット要素としてのロッド５Ａと、下側ばね座１０Ａと、ブラケット１１Ａと、上側ばね座１５Ａとを含んでいる。下側ばね座１０Ａは、外筒４Ａに取付けられている。上側ばね座１５Ａは、下側ばね座１０Ａの上方において、ロッド５Ａの上端付近に配置されている。ロッド５Ａは、外筒４Ａに対して軸Ｌ１（ストラット軸）方向に移動することができる。
　模擬コイルばね装置２０は、第１のアタッチメント部材２１と、第２のアタッチメント部材２２と、第１のシートアダプタ２７と、第２のシートアダプタ２８と、スチュワートプラットフォーム形パラレル機構からなるアクチュエータユニット３０と、液圧供給装置３７と、第１の内部ロードセル４１と、第２の内部ロードセル４２と、ベース部材４５と、回転支持機構５０と、制御部７０などを含んでいる。
　第１のアタッチメント部材２１は、下側ばね座１０Ａに固定されている。第１のアタッチメント部材２１は、下側ばね座１０Ａの上方に配置された第１の円板部２１ａと、第１の円板部２１ａから下方に延びる円筒形の第１の延出部２１ｂと、第１の延出部２１ｂの下端から外側に突き出る第１の鍔部２１ｃとを有している。すなわち第１のアタッチメント部材２１は、略ハット形をなしている。第１の鍔部２１ｃの円周方向の６箇所に、それぞれ下側のジョイント接続部２５が設けられている。
　第２のアタッチメント部材２２は、上側ばね座１５Ａに固定されている。第２のアタッチメント部材２２は、上側ばね座１５Ａの下方に配置された第２の円板部２２ａと、第２の円板部２２ａから上方に延びる円筒形の第２の延出部２２ｂと、第２の延出部２２ｂの上端から外側に突き出る第２の鍔部２２ｃとを有している。すなわち第２のアタッチメント部材２２は、逆ハット形をなしている。第２の鍔部２２ｃの円周方向の６箇所に、それぞれ上側のジョイント接続部２６が設けられている。
　下側ばね座１０Ａの上に第１のシートアダプタ２７が配置されている。第１のシートアダプタ２７は、例えばアルミニウム合金等のように鉄よりも軽い軽合金からなり、平坦な上面２７ａを有している。第１のシートアダプタ２７の下面２７ｂは、下側ばね座１０Ａと嵌合する形状である。
　上側ばね座１５Ａの下に第２のシートアダプタ２８が配置されている。第２のシートアダプタ２８も、例えばアルミニウム合金等の軽合金からなり、平坦な下面２８ａを有している。第２のシートアダプタ２８の上面２８ｂは、上側ばね座１５Ａと面接触する形状である。第２のシートアダプタ２８の下面２８ａは、第１のシートアダプタ２７の下面２７ｂと平行である。
　第１のアタッチメント部材２１の鍔部２１ｃは、下側ばね座１０Ａの下方に位置している。第２のアタッチメント部材２２の鍔部２２ｃは、上側ばね座１５Ａの上方に位置している。これら鍔部２１ｃ，２２ｃ間に、液圧によって伸縮動作をなすアクチュエータユニット３０が配置されている。アクチュエータユニット３０の一例は、スチュワートプラットフォーム形パラレル機構からなる。
　図６は、模擬コイルばね装置２０の構成を示すブロック図である。図７は、模擬コイルばね装置２０の一部を模式的に示す斜視図である。スチュワートプラットフォーム形パラレル機構からなるアクチュエータユニット３０は、６つの液圧シリンダ３１１～３１６を有している。これら液圧シリンダ３１１～３１６は、隣り合う液圧シリンダ同士で、垂直線Ｈ（図６に示す）に対する角度が交互に＋θと－θとなるように、交互に傾きを変えて配置されている。
　６つの液圧シリンダ３１１～３１６の構造は互いに共通であるため、ここでは第１の液圧シリンダ３１１を代表して説明する。液圧シリンダ３１１は、液圧（例えば油圧）によって駆動されるピストンロッド３２と、ピストンロッド３２を第１の方向（伸び側）に移動させる第１の液圧室３３と、ピストンロッド３２を第２の方向（縮み側）に移動させる第２の液圧室３４とを有している。第１の液圧室３３と第２の液圧室３４とは、それぞれホース３５，３６を介して液圧供給装置３７に接続されている。
　液圧供給装置３７が発生する液圧を第１の液圧室３３または第２の液圧室３４に供給することにより、液圧シリンダ３１１を伸び側および縮み側に移動させることができる。液圧シリンダ３１１の下端は、ボールジョイントに代表される自在継手３８によって、第１のアタッチメント部材２１のジョイント接続部２５に揺動自在に接続されている。液圧シリンダ３１１の上端は、ボールジョイントに代表される自在継手３９によって、第２のアタッチメント部材２２のジョイント接続部２６に揺動自在に接続されている。
　各液圧シリンダ３１１～３１６に、それぞれ直線変位計４０１～４０６が設けられている。これら変位計４０１～４０６によって、ばね高さ検出機構４０Ａが構成されている。各変位計４０１～４０６の構造は互いに共通であるため、ここでは第１の液圧シリンダ３１１に設けられた第１の変位計４０１を代表して説明する。
　変位計４０１の一例は、プランジャ５４を有するＬＶＤＴ（linear variable differential transformer）である。この変位計４０１は、液圧シリンダ３１１の基準長さ（ピストンロッド３２の基準位置）からの直線変位を検出する。変位計４０１の他の例として、例えば光学的リニアエンコーダや、磁気的リニアスケールなどの直線変位計が採用されてもよい。あるいはこれら以外の検出原理による直線変位計が採用されてもよい。
　変位計４０１は、取付板５５によって液圧シリンダ３１１に取付けられている。変位計４０１のプランジャ５４は、連結部材５６によって液圧シリンダ３１１のピストンロッド３２の先端に接続されている。取付板５５に、ガイドロッド５７が挿入されている。ガイドロッド５７は連結部材５６によってプランジャ５４に接続されている。ピストンロッド３２と、プランジャ５４と、ガイドロッド５７とは、互いに平行関係を保った状態において、液圧シリンダ３１１の軸線方向に移動する。ガイドロッド５７は、ピストンロッド３２とプランジャ５４の直線運動を案内する。なお、他の変位計４０２～４０６も第１の変位計４０１と共通の構成であるため、図２～図５では互いに共通の部分に共通の符号が付されている。
　第１のアタッチメント部材２１の円板部２１ａと第１のシートアダプタ２７との間に、第１の内部ロードセル４１が配置されている。第１の内部ロードセル４１は、第１のアタッチメント部材２１の内部に収容され、下側ばね座１０Ａの上方に配置されている。第１の内部ロードセル４１は、外筒４Ａが挿入される貫通孔４１ａと、第１の円板部２１ａの下面に接する平らな上面４１ｂと、第１のシートアダプタ２７の上面２７ａに接する平らな下面４１ｃとを有し、全体としてリング形状をなしている。第１の内部ロードセル４１は、その上面４１ｂと下面４１ｃとが軸Ｌ１と直角となるように、第１のシートアダプタ２７に固定されている。
　第１の内部ロードセル４１は、回転支持機構５０と同軸、すなわち内部ロードセル４１の中心が軸Ｌ１と一致するよう配置されている。第１の内部ロードセル４１は、第１のシートアダプタ２７の上面２７ａに作用する軸力と、軸まわりのモーメントを検出する。第１の内部ロードセル４１は、外筒４Ａと、下側ばね座１０Ａと、第１のシートアダプタ２７と、第１のアタッチメント部材２１と共に、軸Ｌ１まわりに回動することができる。
　第２のアタッチメント部材２２の円板部２２ａと第２のシートアダプタ２８との間に、第２の内部ロードセル４２が配置されている。第２の内部ロードセル４２は、第２のアタッチメント部材２２の内部に収容され、上側ばね座１５Ａの下方に配置されている。第２の内部ロードセル４２は、ロッド５Ａが挿入される貫通孔４２ａと、第２の円板部２２ａの上面に接する平らな下面４２ｂと、第２のシートアダプタ２８の下面２８ａに接する平らな上面４２ｃとを有し、全体としてリング形状をなしている。第２の内部ロードセル４２は、その下面４２ｂと上面４２ｃとが軸Ｌ１と直角となるように、第２のシートアダプタ２８に固定されている。
　第２の内部ロードセル４２は、第１の内部ロードセル４１と同様に、回転支持機構５０と同軸、すなわち内部ロードセル４２の中心が軸Ｌ１と一致するよう配置されている。第２の内部ロードセル４２は、第２のシートアダプタ２８の下面２８ａに作用する軸力と、軸まわりのモーメントを検出する。第２の内部ロードセル４２は、上側ばね座１５Ａと、第２のアタッチメント部材２２と、第２のシートアダプタ２８と共に、軸Ｌ１まわりに回転することができる。
　上側ばね座１５Ａとベース部材４５との間に、回転支持機構５０が配置されている。回転支持機構５０は、ベース部材４５に対して、アクチュエータユニット３０を軸Ｌ１まわりに回転自在に支持している。回転支持機構５０の一例はボールベアリングであり、下側のリング部材５１と、上側のリング部材５２と、これらリング部材５１，５２間に収容された複数の転動部材５３とを有している。下側のリング部材５１は、上側ばね座１５Ａの上面に配置されている。上側のリング部材５２は、ベース部材４５の下面に配置されている。
　以下に、模擬コイルばね装置２０の作用について説明する。　
　スチュワートプラットフォーム形パラレル機構からなるアクチュエータユニット３０は、図７に示す６つの軸力Ｐ１～Ｐ６を合成することで、６自由度の任意な力の場を形成する。すなわち、６つの液圧シリンダ３１１～３１６が発生する力のベクトルのうち、軸Ｌ１方向の成分の合力が、コイルばねに相当する反力となる。例えば６つの軸力Ｐ１～Ｐ６を合成した値が正であれば、軸Ｌ１に沿う上向きの力ＰＺが発生する。
　下側ばね座１０Ａと上側ばね座１５Ａと間でアクチュエータユニット３０が圧縮されると、６つの液圧シリンダ３１１～３１６が発生する力のベクトルのうち、軸方向の力が下側ばね座１０Ａに加わる。この場合、図７中の座標系において互いに直交関係にある３つの軸力（ＰＸ，ＰＹ，ＰＺ）と、３つのモーメント（ＭＸ，ＭＹ，ＭＺ）が発生する。下側ばね座１０Ａに加わる６分力（ＰＸ，ＰＹ，ＰＺ，ＭＸ，ＭＹ，ＭＺ）が第１の内部ロードセル４１によって検出され、制御部７０（図６に示す）に入力される。また上側ばね座１５Ａに加わる６分力が第２の内部ロードセル４２によって検出され、制御部７０に入力される。これら６分力に基いて、反力中心位置（荷重軸）Ｌ３が算出される。
　また６つの軸力Ｐ１～Ｐ６が軸Ｌ１まわりに及ぼすモーメントの合計が、軸Ｌ１まわりのモーメントＭｚとなる。例えば図７において、３つの液圧シリンダ３１１，３１３，３１５が発生する力（正のＭｚを発生させる軸力）の合計が、他の３つの液圧シリンダ３１２，３１４，３１６が発生する力（負のＭｚを発生させる軸力）の合計よりも大きければ、アクチュエータユニット３０の上端（上側ばね座１５Ａ）に正の値のＭｚが発生する。すなわち、６つの液圧シリンダ３１１～３１６が発生する力のベクトルの軸まわりの成分が、軸Ｌ１まわりのモーメント（Ｍｚ）である。キングピン軸Ｌ２においても６分力の影響により、キングピン軸Ｌ２まわりのモーメント（キングピンモーメント）が発生する。したがって、アクチュエータユニット３０によって６分力を変化させながらキングピン軸Ｌ２まわりのモーメントを測定することが可能である。
　変位計４０１～４０６は、各液圧シリンダ３１１～３１６の基準長さからの変位量を検出する。そして液圧供給装置３７は、変位計４０１～４０６によって検出された前記変位量に応じた液圧を、各液圧シリンダ３１１～３１６に供給する。各変位計４０１～４０６の機能は互いに共通であるため、ここでは第１の液圧シリンダ３１１に設けられた第１の変位計４０１を代表して説明する。
　変位計４０１の出力は、制御部７０に入力される。制御部７０は、変位計４０１によって検出された液圧シリンダ３１１の変位量に基いて、液圧シリンダ３１１の基準高さからの垂直方向変位を計算する。この垂直方向変位にばね定数を乗じた垂直荷重を初期垂直荷重に加算する。この加算値を用いて液圧シリンダ３１１の液圧を制御することにより、実際のコイルばねと同じように、ばね定数をもたせた荷重制御（反力の制御）を行なう。
　例えば、ばね定数が一定の場合には、図８に線分Ａで示すように、変位量Ｓ１が検出されると、液圧シリンダ３１１に液圧Ａ１が供給される。荷重が増加して変位量Ｓ２が検出されると、液圧シリンダ３１１に液圧Ａ２（Ａ２＞Ａ１）が供給される。さらに荷重が増加し、変位量Ｓ３が検出されると、液圧シリンダ３１１に液圧Ａ３（Ａ３＞Ａ２）が供給される。
　ばね定数が二段階で上昇する場合には、図８に線分Ｂで示すように、変位量Ｓ１が検出されると、液圧シリンダ３１１に液圧Ｂ１が供給される。荷重が増加して変位量Ｓ２が検出されると、液圧シリンダ３１１に液圧Ｂ２（Ｂ２＞Ｂ１）が供給される。さらに荷重が増加し、変位量Ｓ３が検出されると、液圧シリンダ３１１に液圧Ｂ３（Ｂ３＞Ｂ２）が供給される。
　ばね定数が連続的に上昇する場合には、図８に線分Ｃで示すように、変位量Ｓ１が検出されると、液圧シリンダ３１１に液圧Ｃ１が供給される。荷重が増加して変位量Ｓ２が検出されると、液圧シリンダ３１１に液圧Ｃ２（Ｃ２＞Ｃ１）が供給される。さらに荷重が増加し、変位量Ｓ３が検出されると、液圧シリンダ３１１に液圧Ｃ３（Ｃ３＞Ｃ２）が供給される。
　このように本実施形態の模擬コイルばね装置２０は、変位計４０１～４０６によって検出された各液圧シリンダ３１１～３１６の変位量に基いて、実際のコイルばねと同じように、ばね定数をもたせた荷重制御（反力の制御）を行なう。なお、ばね高さ検出機構の他の実施形態として、図５に２点鎖線で示す直線変位計４０Ｂをアタッチメント部材２１，２２間に配置し、この直線変位計４０Ｂによって垂直方向変位を直接検出してもよい。
　本実施形態の模擬コイルばね装置２０を用いてストラット２Ａの性能試験（例えばストラット２Ａの摺動抵抗やキングピンモーメントの測定）を行なうことができる。図５と図６に荷重試験機の一部８０が示されている。この荷重試験機によって模擬コイルばね装置２０に所定の荷重を加える。この荷重によって、下側ばね座１０Ａと上側ばね座１５Ａとの間の距離が小さくなるため、垂直反力が発生する。この垂直反力が発生している状態で、例えば上下方向のストロークが±５ｍｍ、０．５Ｈｚの波形でベース部材４５を上下させ、外部ロードセル８１によって荷重が測定される。ストラット２Ａに生じる摩擦力は、測定された荷重のヒステリシスの半分の値で評価することができる。
　各液圧シリンダ３１１～３１６に供給する液圧をコントロールすることにより、下側ばね座１０Ａと上側ばね座１５Ａとの間に軸Ｌ１まわりのモーメント（Ｍｚ）を生じさせると、軸Ｌ１とキングピン軸Ｌ２との幾何学的な位置関係に応じてキングピンモーメントが生じる。アクチュエータユニット３０は回転支持機構５０によって支持されている。回転支持機構５０の摩擦はキングピンモーメントの大きさを左右する。下側ばね座１０Ａと上側ばね座１５Ａとの間に所定の垂直反力を生じさせた状態において、発生したキングピンモーメントが検出される。
　本発明の実施形態に係る模擬コイルばね装置は、マクファーソンストラットタイプに限ることなく、要するにストラットを有する他の形式の懸架装置にも適用することができる。アクチュエータユニットは、スチュワートプラットフォーム形パラレル機構に限るものではなく、要するに流体（液体やガス）の圧力によって伸縮動作するシリンダを有するアクチュエータユニットを採用することができる。アクチュエータユニットの他の例として、ボールねじとサーボモータとを含むリニアアクチュエータが採用されてもよいし、あるいは差動変圧器タイプのリニアアクチュエータが採用されてもよい。液圧によって伸縮動作するシリンダを有するアクチュエータユニットを採用することができる。また本発明を実施するに当たり、第１および第２のアタッチメント部材や、ばね高さ検出機構を構成する変位計、液圧供給装置などの構成や形状および配置など、模擬コイルばね装置を構成する各要素を種々に変形して実施できることは言うまでもない。
　２Ａ…ストラット（ショックアブソーバ）、１０Ａ…下側ばね座、１５Ａ…上側ばね座、２０…模擬コイルばね装置、２１…第１のアタッチメント部材、２２…第２のアタッチメント部材、２７…第１のシートアダプタ、２８…第２のシートアダプタ、３０…アクチュエータユニット、３１１～３１６…液圧シリンダ、３７…液圧供給装置、４０Ａ…ばね高さ検出機構、４０１～４０６…変位計、４１…第１の内部ロードセル、４２…第２の内部ロードセル、５４…プランジャ、５７…ガイドロッド、７０…制御部。

Claims (6)

  1. 　下側ばね座(10A)と上側ばね座(15A)とを有するストラット(2A)に設ける模擬コイルばね装置(20)であって、
    　前記下側ばね座(10A)に配置された第１のアタッチメント部材(21)と、
    　前記上側ばね座(15A)に配置された第２のアタッチメント部材(22)と、
    　前記第１のアタッチメント部材(21)と前記第２のアタッチメント部材(22)との間に配置され、伸縮動作するアクチュエータユニット(30)と、
    　前記第１のアタッチメント部材(21)と前記第２のアタッチメント部材(22)との間の距離に関する変位量を検出するばね高さ検出機構(40A)と、
    　前記ばね高さ検出機構(40A)によって検出された前記変位量に応じて、前記アクチュエータユニット(30)をコントロールする制御部(70)と、
    　を具備した模擬コイルばね装置(20)。
  2. 　請求項１に記載の模擬コイルばね装置(20)において、
    　前記アクチュエータユニット(30)が、前記第１のアタッチメント部材(21)と前記第２のアタッチメント部材(22)との間に交互に傾きを変えて配置された６つの液圧シリンダ(311－316)を有するスチュワートプラットフォーム形パラレル機構からなる模擬コイルばね装置(20)。
  3. 　請求項２に記載の模擬コイルばね装置(20)において、
    　前記ばね高さ検出機構(40A)は、
    　前記各液圧シリンダ(311－316)に設けられ、前記各液圧シリンダ(311－316)の基準長さからの変位量をそれぞれ検出する変位計(401－406)によって構成された模擬コイルばね装置(20)。
  4. 　請求項３に記載の模擬コイルばね装置(20)において、
    　前記変位計(401－406)がそれぞれプランジャ(54)を備えたＬＶＤＴであり、かつ、前記各プランジャ(54)と平行に配置されて該プランジャ(54)の直線運動を案内するガイドロッド(57)に備えた模擬コイルばね装置(20)。
  5. 　請求項１に記載の模擬コイルばね装置(20)において、
    　前記下側ばね座(10A)に加わる軸方向の力と軸まわりのモーメントを検出する第１の内部ロードセル(41)と、前記上側ばね座(15A)に加わる軸方向の力と軸まわりのモーメントを検出する第２の内部ロードセル(42)とをさらに備えた模擬コイルばね装置(20)。
  6. 　模擬コイルばね装置(20)のための制御方法であって、
    　前記模擬コイルばね装置(20)が、下側ばね座(10A)に配置された第１のアタッチメント部材(21)と上側ばね座(15A)に配置された第２のアタッチメント部材(22)との間に配置された液圧シリンダ(311－316)を含み、
    　前記各液圧シリンダ(311－316)の基準長さからの変位量を検出し、
    　前記変位量に応じた液圧を、前記各液圧シリンダ(311－316)に供給すること、
    　を具備した模擬コイルばね装置(20)の制御方法。
PCT/JP2016/054012 2015-02-12 2016-02-10 模擬コイルばね装置と、その制御方法 WO2016129648A1 (ja)

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