JP2011131705A - 車両の圧電変換機能付きエアサスペンション装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、エアスプリングのショック吸収時における大なる振動エネルギーから、車載の電気機器に利用できる電力を確保可能とした車両の圧電変換機能付きエアサスペンション装置を提供する。
【解決手段】本発明は、シャシフレーム１とアクスル１４との間に介在させたエアサスペンション用エアスプリング１５の内部に、路面振動のショックを吸収するときに生ずる圧電効果により交流の電力が発生する圧電素子３０を設け、この圧電素子３０で発生した電力を車両に搭載される電気機器の動力源となる蓄電池４０に供給する。同構成により、これまで廃棄されていたエアスプリング１５のショック吸収時の大なる振動エネルギーが、圧電素子に３０より電力に変換され、蓄電池４０に蓄えられ、同蓄電池４０に蓄えられた電力が、車載の電気機器６に利用される。
【選択図】図２

Description

本発明は、路面振動のショックを吸収するときのエアスプリングの挙動から発電を可能とした車両の圧電変換機能付きエアサスペンション装置に関する。

モータを動力源とした電気自動車や、エンジンとモータを動力源としたハイブリッド電気自動車（車両）は、自動車に搭載された蓄電池に蓄えた電力を用いて走行が行われる。こうした電気自動車は、蓄電池の容量に限りがあるため、走行距離が稼げないなど問題がある。
そこで、近時では、制動時の回生エネルギーを電力に変換して蓄電池に充電する技術や、エンジンの排熱エネルギーをランキンサイクルなどで電力に変換して蓄電池に充電する技術などを用いて、蓄えた電力をモータなど電気機器の作動にも用いることが行われるようになってきた。

これでも回収は十分とはいえない。このため電気自動車やハイブリッド電気自動車では、他から発生するエネルギーの回収についても検討が進められている。そこで、自動車の振動に着目して、振動エネルギーを電力として回収することが検討され始めている。
これには、特許文献１に開示されているようなエンジンの振動に注目し、圧電素子を用いて、エンジン振動から電力を得ることが考えられている。

特開２００５−１３７８８１号公報

ところが、圧電素子は、圧力に比例した表面電荷が現れるという特徴があり、エンジン振動の程度の圧力では、たとえ引用文献１のようにヒータを発熱させる電力が確保されることがあっても大きな電力の確保には程遠い。
このため、自動車の振動エネルギーは有効に活用されていないのが現状であり、圧電素子を用いて振動エネルギーから効果的に電力を確保する技術が要望されている。

そこで、本発明の目的は、エアスプリングのショック吸収時における大なる振動エネルギーから、車載の電気機器に利用できる電力を確保可能とした車両の圧電変換機能付きエアサスペンション装置を提供することにある。

請求項１の発明は、上記目的を達成するために、シャシフレームとアクスルとの間に介在させたエアサスペンション用エアスプリングの内部に、路面振動のショックを吸収するとき生ずる圧電効果により交流の電力が発生する圧電素子を設け、この圧電素子で発生した電力を、車両に搭載される電気機器の動力源となる蓄電池へ供給する構成とした。
同構成によると、これまで廃棄されていたエアスプリングのショック吸収時の大なる振動エネルギーは、圧電素子により電力に変換され、蓄電池に蓄えられる。この蓄電池に蓄えられた電力が、車載の電気機器に利用される電力となる。

請求項２の発明は、さらに圧電素子と蓄電池に接続され、圧電素子で発生した交流電力を直流電力に整流し、該直流電力を蓄電池へ貯蔵させる整流部を備える構成とした。
請求項３の発明は、さらに整流部、蓄電池と取り合う配線構造が簡単ですむよう、エアスプリングは、シャシフレームに固定されるプレート部材とアクスルに固定されるピストンとの間に介装した筒形のダイヤフラムを有した構成としたうえで、圧電素子を、路面振動で変位することのないプレート部材に支持させる構成とした。
請求項４の発明は、さらに大きな電力が発生されるよう、圧電素子は柱形の素子から構成し、同圧電素子の先端側の圧力を受ける入力部をプレート部材から張り出し、ダイヤフラム内部へ突き出せる構造を採用した。

請求項５の発明は、さらにバンプストッパに影響されずに圧電素子を取り付けられるよう、圧電素子の入力部は、バンプストッパとの干渉を避けるように配置させた。
請求項６の発明は、確実に圧電素子の入力部とバンプストッパとの干渉が避けられるよう、圧電素子の入力部は、バンプストッパの突出した端部の孔部と対応したプレート部材の地点からダイヤフラム内部に突出させ、同入力部の外形がバンプストッパの孔部で許容される大きさとした。

請求項７の発明は、特に容易に干渉が防げるよう、圧電素子の入力部の外形は、入力部において最大となる直径寸法がバンプストッパの孔部の直径寸法よりも小さく、かつ入力部のダイヤフラム内部に突き出る長さ寸法が、バンプストッパの孔部の長さ寸法よりも短く設定した。

請求項１の発明によれば、圧電素子の圧電効果を用い、これまで廃棄されていたエアスプリングのショック吸収時の大なる振動エネルギーから、車両の電気機器に利用できる電力を確保することができる。
請求項２の発明によれば、圧電素子で発生した交流電力を整流した直流電力を蓄電池へ貯蔵することができる。
請求項３の発明によれば、圧電素子は、車輪に追従して変位するアクスル側でなく、変位しないシャシフレーム側のプレート部材に支持されるから、圧電素子と整流部や蓄電池などと取り合う配線構造は簡単ですむ。

請求項４の発明によれば、柱形の圧電素子の組み付けにより、大きな電力の出力を発生させることが可能となる。
請求項５の発明によれば、バンプストッパに影響されずに、圧電素子をプレート部材に取り付けることができる。
請求項６の発明によれば、容易な構造で、圧電素子とバンプストッパとの干渉を確実に防ぐことができる。
請求項７の発明によれば、特に圧電素子の外形の設定だけで、容易に圧電素子とバンプストッパとの干渉が防ぐことができる。

本発明の第１の実施形態の圧電変換機能付きエアサスペンション装置を示す斜視図。 同装置における圧電素子の取付構造を同圧電素子周辺の回路と共に示す断面図。 本発明の第２の実施形態の要部を示す断面図。

以下、本発明を図１および図２に示す第１の実施形態にもとづいて説明する。
図１は、車両に装備されたエアサスペンション、例えば、トラックやバスなど大型車両のハイブリッド電気トラックに装備されたサスペンション装置１０を示している。ここでは、フロント側のエアサスペンション装置１０（片側だけ図示）を示している。図２は同エアサスペンション装置１０のエアスプリング構造を示している。

まず、図１を参照して車両構造の概略を説明すると、図１中１はシャシフレームで、例えば車両前後方向に延びる一対のサイドフレーム２（片側しか図示せず）の間に複数のクロスメンバ（図示せず）を掛け渡したラダー状をなしている。このシャシフレーム１のフロント側に、エンジン３、走行用モータ４、トランスミッション５、キャブ（図示はしない）、一対の前輪６（本願の車輪に相当）などが設けられる。シャシフレーム１のリヤ側に、エンジン３や走行用モータ４からの動力を受けるデファレンシャル（図示はしない）、同デファレンシャルから分配された駆動力で駆動される一対の後輪（図示しない）などが設けられる。またシャシフレーム２には、走行用モータ４やその他の空調機器や灯火機器など、車両に搭載された電気機器の動力源となる蓄電池４０が設けてある。

前輪６、後輪（図示しない）は、それぞれエアサスペンション装置１０を用いて、シャシフレーム１の車幅方向両側に懸架されている（図１は前輪６側しか図示していない）。前輪６のエアサスペンション装置１０は、路面振動のショックを吸収する構造として、例えばシャシフレーム１と交差するようにシャシフレーム１直下に配置された車幅方向に延びるアクスル１４と、同アクスル１４とサイドフレーム２との間にそれぞれ介装されたエアスプリング１５およびショックアブソーバ１６とから構成される吸収構造が用いられている。また姿勢を保つ構造として、各種ロッド部材、例えばラジアスロッド７などで構成されたリンク構造が用いられていて、双方の組み合わせからエアサスペンション装置１０を構成している。そして、アクスル１４の両端部に前輪６が取り付けられる。図示はしないが後輪側のエアサスペンション装置も同様な構造が用いられる。

エアスプリング１５は、いずれも図２にも示されるようにサイドフレーム２に取り付けられる円板状の一対のアッパプレート２０（本願のプレート部材に相当）と、アクスル１４に取り付けられる短筒形のピストン２１と、これらアッパプレート部材２０とピストン２１との間に介装した筒形のダイヤフラム２２とを組み合わせた構造が用いられる。ダイヤフラム２２の内部には、アッパプレート２０に設けてあるエアチューブコネクタ２３から所定空気圧の空気が充填される。そして、アッパプレート２０はシャシ側ブラケット２５を介して、サイドフレーム２の下部に固定され、ピストン２１の下部はフロントアクスル１４の上部に固定され、前輪３から伝わる路面振動のショックが、ダイヤフラム２２の伸縮（変形）により吸収される構造にしている。

またピストン２１の頂部にはバンプストッパ２７が設けられている。バンプストッパ２７は、ダイヤフラム２２の内部へ突出する例えば円錐台形状の緩衝部２７ａをもつ。これで、ダイヤフラム２２が限界域まで縮む方向に変形しても、緩衝部２７ａによる規制により、ピストン２１とアッパプレート２０との干渉が避けられる構造にしている。なお、緩衝部２７ａの先端面の中央には、緩衝性能を確保するための孔部２７ｂが形成してある。

各エアサスペンション装置１０には、路面振動を電力に変換する圧電変換機能が付けられている。同機能は、ショック吸収時のエネルギーを電力に変換するものである。同機能をもたらす圧電変換構造は、前・後輪のエアサスペンション装置１０とも同じである。図２は、そのうち前輪６のエアサスペンション装置１０の圧電変換構造が示してある。

同構造について説明すると、圧電素子３０には、圧電効果を高めるため、例えば柱形の素子が用いられている。例えば多数枚の圧電体を積層して直列につないで大きな電力を確保可能とした積層形の圧電素子３０が用いられている。圧電素子３０は錐状の先端部３０ａが圧力を受ける入力部となっている。この圧電素子３０がエアスプリング１５の内部に取り付けられている。この圧電素子３０は、前輪６（車輪）に追従して上下に変位するアクスル１４側でなく、変位しないシャシフレーム１側のアッパプレート２０に支持させて取り付けられている。

すなわち圧電素子３０は、ダイヤフラム２２の開口端部を挟み付けている一対のアッパプレート２０に固定され、先端部３０ａをダイヤフラム内部へ突き出させている。具体的には圧電素子３０の本体部分３０ｂは、バンプストッパ２７の孔部２７ｂ位置と対応するアッパプレート２０の中央部分を貫通するように固定され、入力部をなす先端部３０ａを同プレート２０から反対側のピストン２１側へ突き出し、ダイヤフラム内部に突出させている。本体部分３０ｂの固定には、例えば一組のナット３２を用いて、ダイヤフラム１４の密閉状態を保ちながらアッパプレート２０に締結する構造が用いてある。この孔部２７と対応した地点に圧電素子３０を配置することで、バンプストッパ２７からの干渉を避けている。なお、一対のアッパプレート２０はボルトナット２６で締結してある。

これにより圧電素子３０は、路面振動のショックを吸収するときに生ずるダイヤフラム１４の内部空気の圧迫を先端部３０ａで受けると、圧電効果により電力を発生する。ダイヤフラム１４に伝わる路面振動は上下に繰り返すから、圧電素子３０からは交流の電力を連続的に発生する。この圧電素子３０の固有の振動数は、車両の定常走行のときの振動周波数帯と合うよう、一般的な路面入力がもたらすロードノイズの周波数（Ｈｚ）帯域である「１００Ｈｚ近辺〜１０００Ｈｚ近辺」の周波数帯の中から、車種や重量や走行具合などで違う、乗用車、トラック、バスなどの車両を考慮しながら、適正な周波数を選んで設定してあり、路面からの振動で効果的に圧電効果が発揮されるようにしている。なお、「１００Ｈｚ近辺〜１０００Ｈｚ近辺」のロードノイズの周波数帯域は、社団法人 自動車技術会発行の「自動車技術ハンドブック １基礎・理論編 Ｐ３２５の図８−１」に基づく。

また圧電素子３０の先端部３０ａの外形は、緩衝部２７ｂの孔部２７ｂで許容される大きさに設定してあり、バンプストッパ２７が限界域まで上昇しても先端部３０ａがバンプストッパ２７の緩衝部２７ａと緩衝しないようにしてある。具体的には圧電素子３０は、ダイヤフラム内部に突き出る先端部３０ａのうち最大の直径寸法となるナット３２の直径寸法ｄが、バンプストッパ２７の孔部２７ｂの直径寸法Ｄよりも小さく、先端部３０ａのダイヤフラム内部に突き出る長さ寸法ｈが、バンプストッパ２７の孔部２７ｂの長さ寸法Ｈより短く定めてあり、バンプストッパ２７との干渉を確実に防げる構造してある。

この圧電素子３０がシャシフレーム１側（車体側）に設けた整流部３５に接続されている。整流部３５は、例えば図２に示されるように４つのダイオード３６ａ〜３６ｄとコンデンサ３７との組み合わせで構成される全波整流回路が用いられ、圧電素子２５で発生した交流電力を直流電力に整流できるようにしている。この整流部３５が、上記蓄電池４０に接続され、整流された直流電力が蓄電池４０に貯蔵されるようにしてある。

こうしたエアサスペンション装置１０により、入力される振動エネルギーから車載の電気機器に利用できる電力が確保される。
すなわち、車両の走行中、路面の凹凸は、路面振動となって、前輪６や後輪（図示しない）から各エアサスペンション装置１０のエアスプリング１５やショックアブソーバ１６へ伝わる。この際、各エアスプリング１５や各ショックアブソーバ１６は、路面振動により伸縮変形してショックを吸収する。

具体的にはエアスプリング１５は、路面の継ぎ目などを乗り越える際、前輪６や後輪から突き上げる方向の振動が加わると、充填された内部空気が、上方へ変位するピストン２１で押され、突き上げがなくなると、ピストン２１は戻るという挙動を繰り返して（あるいは逆）、路面振動のショックを吸収する。

振動ショックを吸収する都度、圧電素子３０の先端部３０ａは、図２中の矢印ａに示されるようにピストン２１で押されるエアスプリング１５の内部空気によって繰り返し圧迫されるから、圧電素子３０の圧電効果により、圧電素子３０からは交流の電力が連続的に発生する。このとき、エアスプリング１５に伝わる振動エネルギーは、エンジン振動に比べて格段に大きいから、かなりの電力が、車両の走行中に継続的に生み出される。これで、エアスプリング１５のショック吸収時における振動エネルギーは電気エネルギーに変換される（圧電素子発電）。出力された交流電力は、整流部３５にて直流の電力に変換され、蓄電池４０に逐次、貯蔵される。

それ故、これまで廃棄されていたエアサスペンション装置１０のショック吸収時の振動エネルギーは、走行用モータ４など電気機器に利用できる電力として用いることができる。特に圧電素子３０は、エアスプリング内部に配置してあるので、エアスプリング１５のショックを吸収するときの大きなエネルギーをそのまま用い電力を発生するから、多くの電力量が期待できる。しかも、圧電素子３０は、路面振動の「１００Ｈｚ近辺〜１０００Ｈｚ近辺」の周波数帯のうち、車両の定常走行時における振動周波数域とマッチした固有振動数に設定することにより、車両の走行中、最も効果的に電力を出力することができる。この圧電素子３０による発電は、大きなショックが生じやすい、重量の有る大型の車両に有効である。

また圧電素子３０は、車輪に追従して上下に変位するアクスル１４でなく、変位しないシャシフレーム１側のアッパプレート２０に支持させたので、整流部３５や蓄電池４０と取り合いやすく、整流部３５や蓄電池４０と取り合う配線構造が簡単ですむ。しかも、大きな電力が発生しやすい柱形の圧電素子３０が組み付けられることによって、一層、効果的に圧電素子３０から電力を回収することができる。

また圧電素子３０は、バンプストッパ２７を避けるように配置してあるので、バンプストッパ２７との干渉する影響は抑えられる。しかも、圧電素子３０の先端部３０ａは、バンプストッパ２７の孔部２７ａの直上に配置されるだけでなく、同孔部２７ａで許容される外形にしてあるので、ダイヤフラム内部に突き出る先端部３０ａとバンプストッパ２７の緩衝部２７ａとの干渉が確実に防げる。これだと圧電素子３０は、ダイヤフラム内部に突き出る先端部３０ａの直径寸法ｄを、バンプストッパ２７の孔部２７ｂの直径寸法Ｄよりも小さく、先端部３０ａのダイヤフラム内部に突き出る長さ寸法ｈを、バンプストッパ２７の孔部２７ｂの長さ寸法Ｈよりも短く設定した素子を用いるだけですむので、簡単である。

なお、圧電素子３０の出力を直接、整流部３５に導いたが、圧電素子３０の出力を高めたい場合は、図２中の二点差線に示されるように圧電素子３０と整流部３５との間に昇圧手段として例えば変圧器４５を介装して、圧電素子３０からの出力を昇圧すればよい。
図３は本発明の第２の実施形態を示す。
本実施形態は、第１の実施形態のように圧電素子３０をアッパプレート２０に取り付けたのではなく、反対側のピストン２１に取り付けたものである。

具体的には、例えばピストン２１の中央（孔部２７ｂと対応する地点）に、下面から上面側に向かう圧電素子挿入用の通路５０を設け、当該通路５０の端部に圧電素子３０の本体部分３０ｂを固定し、圧電素子３０の先端部３０ａを、ピストン２１の上面からバンプストッパ２７の孔部２７ｂ内へ突出させたものである。このようにしても、第１の実施形態と同様、エアスプリング内部に設けた圧電素子３０を用い、周囲の物体と干渉せずに、ショック吸収時のエネルギーから、効果的に電力を発生させることができる。
但し、図３において、第１の実施形態と同じ部分には同一符号を付してその説明を省略した。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々可変して実施しても構わない。例えば上述した実施形態では柱形の圧電素子を用いた例を挙げたが、これに限らず、例えばプレート形の圧電素子を用いてもよい。また同プレート形の圧電素子をダイヤフラム２２を含めたエアスプリング内面に貼り付けて電力を出力させてもよい。また、柱形の圧電素子３０の先端部３０ａをアッパプレート２０からピストン２１側に突き出して、ダイヤフラム２２内部へ突出させたが、アッパプレート２０と同一面上にしても良い。また上述の実施形態では、本発明をエンジンとモータを動力源とする車両に本発明を適用したが、これに限らず、モータを動力源とする車両や他の車両に適用してもよい。

１ シャシフレーム
６ 前輪（車輪）
１０ エアサスペンション装置
１４ アクスル
１５ エアスプリング
２０ アッパプレート（プレート部材）
２１ ピストン
２２ ダイヤフラム
２７ バンプストッパ
２７ｂ 孔部
３０ 圧電素子
３０ａ 先端部（入力部）
３５ 整流部
４５ 蓄電池

Claims (7)

1. 車両のシャシフレームと、
   前記車両の車輪を支持するアクスルと、
   前記シャシフレームと前記アクスルとの間に設けられ、前記車輪から伝わる路面振動を吸収するサスペンション用のエアスプリングと、
   前記車両に搭載された電気機器の動力源となる蓄電池と、
   前記エアスプリングの内部に設けられ、路面振動のショックを吸収するとき生ずる圧電効果により電力を発生する圧電素子とを備え、
   前記圧電素子で発生した電力を前記蓄電池に供給する
   ことを特徴とする車両の圧電変換機能付きエアサスペンション装置。
2. 前記圧電素子と前記蓄電池に接続され、前記圧電素子で発生した交流電力を直流電力に整流し、該直流電力を前記蓄電池へ貯蔵させる整流部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の車両の圧電変換機能付きエアサスペンション装置。
3. 前記エアスプリングは、
   前記シャシフレームに固定されるプレート部材と、
   前記アクスルに固定されるピストンと、
   前記プレート部材と前記ピストンとの間に介装され、前記ピストンから伝わる路面振動に追従して変形可能な筒形のダイヤフラムとを有して構成され、
   前記圧電素子は、前記プレート部材に支持されている
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の車両の圧電変換機能付きエアサスペンション装置。
4. 前記圧電素子は、先端側に圧力を受ける入力部をもつ柱形の素子から構成され、
   前記入力部が、前記プレート部材からピストン側に突き出し、ダイヤフラム内部へ突出させてある
   ことを特徴とする請求項３に記載の車両の圧電変換機能付きエアサスペンション装置。
5. 前記ピストン側は、前記ダイヤフラムの内部へ突き出すバンプストッパを備え、
   前記圧電素子の入力部は、前記バンプストッパとの干渉を避けるように配置させてある
   ことを特徴とする請求項４に記載の車両の圧電変換機能付きエアサスペンション装置。
6. 前記バンプストッパの突出した端面は、孔部に有し、
   前記圧電素子の入力部は、前記孔部と対応したプレート部材の地点に配置され、外形が前記孔部で許容される大きさにしてある
   ことを特徴とする請求項５に記載の車両の圧電変換機能付きエアサスペンション装置。
7. 前記圧電素子の入力部の外形は、当該入力部において最大となる直径寸法が前記バンプストッパの孔部の直径寸法よりも小さく、かつ入力部のダイヤフラム内部に突き出る長さ寸法が、前記バンプストッパの孔部の長さ寸法よりも短く設定されている
   ことを特徴とする請求項６に記載の圧電変換機能付きエアサスペンション装置。

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