JP2012047251A - 外力緩衝装置 - Google Patents

Abstract

【課題】可変マス要素、ばね要素、ダンパー要素を一体化して軽量コンパクト化した外力緩衝装置を提供する。
【解決手段】作動流体３が充填してあるシリンダー１と、作動流体３の流れを受けて回転する回転羽根４とこの回転羽根４で回転駆動されるフライホィール５から構成され、外力が作用すると作動流体３はシリンダー１内を移動して流れを生じる。この作動流体３の流れがシリンダー１内に設けた回転運動変換手段４０の回転羽根４を回転させ、回転羽根４によってフライホィール５が回転駆動され、フライホィール５の慣性力により、作動流体３の移動に対して慣性抵抗として作用する。
【選択図】図１

Description

この発明は、振動などの外力の制御装置に関し、外力の影響を緩衝する装置に関する。

一般的な機械システムの動作を考慮する場合、その構成要素を、それぞれ、ばね要素、ダンパー要素、及びマス（質量）要素に分解して考えることができるが、自動車のサスペンション機構に当てはめた場合、ばね要素としてのスプリング、ダンパー要素としては、一例として、オイルとオリフィスを利用したオイルシリンダーが用いられているものの、マス要素に関しては特段の工夫はなされておらず、スプリングの下に配置されている重量そのものをマス要素として扱うのが一般的である。

しかしながら、前記マス要素が必ずしも、車両に最適な値に設定されているとは限らない。このマス要素の最適化は、マス要素を可変にすることで実現することが可能になる。具体的には、マスダンパと呼ばれる機械システムの振動をマスダンパ自体の質量を利用して運動エネルギーに変換して制振効果を得る方式や、回転体の慣性質量を利用して、見かけ上のマス効果（慣性質量効果）を得る方式がある。（特許文献１）
可変マス要素を導入することで、自動車の段差乗り越え、急加減速・急旋回時などにおける車両姿勢を更に安定化する効果がある。

図１０に示されるように、従来の回転体の慣性質量を利用してマス効果を得る方式（以下、従来機構と呼ぶ）では、プランジャにラックが形成してあり、このプランジャが直線的に移動してラックに係合しているピニオンを回転させ、更に、このピニオンの回転運動がギアなどを介して質量体のギヤホィールを回転させることによってプランジャに作用した外力を吸収するものである。

図１１に示すように、ラックアンドピニオン方式に代えて作動流体とギアポンプを使用した方式も提案されている。この方式では、シリンダーと複動式ピストンとから構成されてシリンダー内には作動流体が充填されている。シリンダーの両端部は、パイプに連結され、パイプはギアポンプ連結されており、外力によってピストンがシリンダー内を移動すると、作動流体はパイプに導かれてフライホィールが連結してあるギアポンプを駆動して外力を吸収するものである。

特公表２００４−５３７００９号公報

従来機構は、装置の取付端子の相対運動の伝達にラックアンドピニオンを利用しており、軽量化やコンパクト化が難しいものであった。また、流体シリンダーを使用し、シリンダー内の流体によってギアポンプを駆動し、更にギアポンプの回転運動をフライホィールに伝達するようにしたものは、ギアポンプがシリンダーとは別体に設けてあり、シリンダーからギアポンプまで作動流体を導く管路を必要とするものであり、これまたコンパクト化や軽量化が困難であり、搭載スペースを新たに設けることが困難な自動車や二輪車などに組み込むことは難しいものであった。
また、従来機構は、サスペンションシステムに連結される場合には、従来機構に設定値以上の力が作用した場合に従来機構に連結されたサスペンションシステムが固定された状態となる。そのため、サスペンションシステムに想定外の外力が加わり、破損に至るという問題がある。

以上のように、従来機構を用いた場合、新たな搭載空間を必要とし、また、ばね要素とダンパー要素とが一体化されておらず、システムの大きさが制限される場合には設計の自由度が低下してしまうため、従来機構は、F１マシン等の競技車両の車両姿勢安定化のために用いられるに留まっている。
可変マス要素を用いた機械システム設計の自由度を向上させるためには，既存のばねやダンパー装置などの機械要素とマス要素を一体化可能とし、搭載スペースを新たに要しない構造とすることが必要である。
本発明は、可変マス要素として機能する構成要素を軽量コンパクト化すること、及びこの構成要素を既存のばね要素などと並列に接続できるようにし、ばね要素及びダンパー要素と一体化可能とすることによって装置の搭載空間を新たに設ける必要を無くすることを課題とするものである。

外力の影響を緩衝するための外力緩衝装置であって、シリンダーと、前記シリンダー内に充填された作動流体と、外力によって生じる前記シリンダー内の作動流体の移動を回転運動に変換するための回転運動変換手段と、からなり、前記回転運動変換手段は、回転運動変換手段の持つ質量に対応した慣性力により作動流体の移動方向とは反対方向の反力を生じさせることを特徴とする外力緩衝装置であり、当該外力緩衝装置に作用した外力は回転運動変換手段の回転によって吸収される。

シリンダーとピストンと作動流体の流れによって回転する回転運動変換手段及びフライホィールを組み込むことによって機能する可変マス要素で構成されるので、コンパクト化が達成されると共に、新たな搭載空間を必要せず、また、ばね要素とダンパー要素との並列化についても同時に解決することができる。
シリンダー内に設けた回転運動変換手段を回転羽根とすることよって、作動流体の流れによって回転する回転羽根は、設定値以上の力を受けることによって高速移動する作動流体に対してスリップするため、フライホィールがほとんど回転することがない。システムが固定された状態となるのを回避できるので、装置の破損を防止することができる。

本発明に係る第１実施形態の概念図。 本発明の外力緩衝装置の効果を確認する実験用外力緩衝装置の断面図。 実験用外力緩衝装置による実験結果のグラフ。 第１実施形態の変形例の概念図。 本発明に係る外力緩衝装置の第２実施形態を示す断面図。 第２実施形態を自動車に搭載した場合の概略図。 第２実施形態を二輪車に搭載した場合の概略図。 第２実施形態の力学モデル図。 第２実施形態の振動特性のグラフ。 従来のラックアンドピニオンを利用した外力緩衝装置の概念図。 従来のギアポンプを利用した外力緩衝装置の概念図。

以下、図示の実施例を参照して本発明を更に詳しく説明する。

本発明の外力緩衝装置の第１実施形態を図１に示す。
本発明の外力緩衝装置は、作動流体３が充填してあるシリンダー１とそのシリンダー１の内部を往復動するピストン２、作動流体３の流れを受けて回転する回転運動変換手段４０は、回転羽根４とこの回転羽根４で回転駆動されるフライホィール５から構成されており、必要に応じて作動流体３の流れを絞る絞部７が設けてある。ピストン２０は、作動流体３を封止するための機能も併せ持っている。

ピストン２に外力が作用してシリンダー１の内部を摺動移動すると、作動流体３はピストン２に押されてシリンダー１内を移動して流れを生じる。この作動流体３の流れがシリンダー１内に設けた回転運動変換手段４０の回転羽根４を回転させ、回転羽根４と一体化または適宜の手段で連結されたフライホィール５を回転させる。
このとき、フライホィール５の慣性力により、回転する際にピストン２の移動に対して慣性抵抗として作用し、ピストン２に反力が生じピストン２の動きを抑制することになるので、フライホィール５の慣性モーメントの大小に応じた可変マス要素として機能することになる。

本発明におけるフライホィール５が可変マス要素として機能すること及びフライホィールの慣性モーメントの増加に伴い可変マス要素の反力が増加することを以下の実験によって確認した。
図２の断面図に示す実験用の外力緩衝装置のシリンダー１内に作動流体３として水を充填した。この外力緩衝装置において、表１に示す同一形状で慣性モーメントの異なるフライホィール（Ａ、Ｂ、Ｃ）を回転羽根４に装着し、シリンダー１を鉛直下向きに固定し、ピストン２と作動流体３を重力によってシリンダー１内を下降させた。
重力で下降するピストン２の位置（ｘ）を下降開始から一定時間間隔で観測して各フライホィール（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）についてグラフとしたものを図３に示す。図３のグラフにおいて、フライホィールＡを回転しないように固定したものをフライホィールＤとした。
ただし、フライホィールＣの慣性モーメントを基準に、Ａ、Ｂそれぞれのモーメント値を規格化している。また、図３のグラフの横軸は、時間軸であるが、効果が分かりやすいように、所定の経過時間を５等分してプロットしている。

図３のグラフからわかるように、フライホィール５の慣性モーメントが大きくなるに従って、ピストン２の動き出す付近でのピストン２の降下の勾配が小さくなっており、フライホィール５の慣性モーメントを変えることによってピストン２に作用する抵抗力が変わり、本発明の外力緩衝装置が可変マス要素として機能することが確認された。

図４（１）〜（４）に示すものは、本発明の外力緩衝装置の実施例１の変形例である。
図４（１）においては、回転運動変換手段４０は回転羽根４、フライホィール５、５１で構成され、図４（２）、（３）、（４）においては、回転羽根４及びフライホィール５で構成される。
図４（１）のものは、シリンダー１の外側および内側にそれぞれ、フライホィール５、５１を配置して、フライホィール５、５１に設けられた磁石（Ｓ極、Ｎ極）の反発、吸引力を利用して内側のフライホィール５１の回転を外側のフライホィール５に伝達するものである。磁石の配置を一例として示すと、回転方向に沿って、（ｂ）に示すように配置すればよい。図面では省略しているが、外側のフライホィール５は、位置を固定するための、固定具にてシリンダー１に回転可能に固定されている。
ばね９は、外力を受けて矢印方向に移動したピストン２０を、矢印方向とは逆方向に戻す働きをするものであり、必要に応じて取り付ければよい。

図４（２）のものは、高粘度の作動流体を用いる場合に有効である。具体的には、回転羽根４とフライホィール５の間にギア４１を介在させる。作動流体の粘度が高くなるにつれて、流体の粘性摩擦力が大きくなるため、外力を受けた際のロッド８の移動速度が減少する。移動速度の減少により、回転羽根４の回転速度が低下するので、それに伴い、慣性抵抗値も低下することになる。そこで、回転羽根４とフライホィール５の間にギア４１を介在させることで、フライホィール５の回転速度を高めるようにする。そうすることで、高粘度作動流体を使用した場合の慣性抵抗値を高めることができる。

図４（３）のものは、二つのピストン２、２０をロッド２１で連結し、このロッド２１に回転羽根４とフライホィール５を回転可能に同軸支持したものである。慣性抵抗を生じる原理は、実施例１と同様であるので説明は省略する。

図４（４）のものは、ピストン２を省き、ロッド８に、回転羽根４とフライホィール５を固定する構造である。ロッド８に外力が作用すると、ロッド８に連結された回転羽根４とフライホィール５がシリンダー１内を摺動移動して回転羽根４とフライホィール５が回転する。この移動により慣性抵抗が生じるが、慣性抵抗の発生原理は、実施例１と同様であるので説明は省略する。

図５に示すものは、本発明の流体を利用した回転羽根４及びフライホィール５で構成される可変マス要素に、ばね要素とダンパー要素とを組み合わせたものであり、シリンダー１の外周部にコイルバネ６が配設してあり、シリンダー１の内部には作動流体３の流れを絞る絞部７が設けてある点が特徴である。
絞部７を作動流体が通過する際にピストン２の速度に応じた粘性摩擦力が生じるためダンパー要素として機能し、また、ピストン２の位置に応じてコイルバネ６による反力が生じ、ばね要素として機能する。
このように、本実施例の外力緩衝装置１０は、流体を利用した可変マス機構にばねとダンパーを組み合わせて一体化したものであり、新たな搭載空間を必要とせずにマス要素を搭載空間の余裕が殆どない自動車や二輪車に装着することが可能である。

本実施例の外力緩衝装置１０を自動車のサスペンションシステムに搭載した一例を図６に、２輪車へ搭載した例を図７に示す。このようにばね要素、ダンパー要素、可変マス要素を一体化して搭載可能であるため、搭載空間の限られている場合に大きな効果を発揮することができる。
なお、可変マス要素に加えて、ばね要素、ダンパー要素の２要素を必ずしも同時に搭載する必要はなく、必要に応じて、前記２要素のうちの１つと可変マス要素との組合せ、あるいは可変マス要素のみで外力緩衝装置を構成することも可能である。

本実施例は、ダンパー要素、ばね要素、及びマス要素を並列に一体型にしたものであり、この一体型装置の力学モデルは図８に示すものとなる。この力学モデルに質点Ｍを直列に接続したシステムに周波数ωの強制振動の外力を加えた場合について運動方程式（１）を解き、加振力及び静的変位F/kで除して無次元振幅Anを求めると式（２）を得る。
ただし、質点の変位をx、ばね定数をk、減衰定数をcとおき、マス要素が加速度のb倍の慣性力を生ずるものとする。

ここで、(A)ダンパー要素とマス要素を用いない場合、(B)ダンパー要素のみを用いる場合、(C)ダンパー要素とマス要素を用いる場合のそれぞれの状態を表すように、表２に示すパラメータを採用すると、式（２）より図９の周波数に対する振幅のグラフが得られる。 図９のグラフより、マス要素の反力が増加するに従い、ダンパー要素のみを用いた場合と比べ高周波数領域において振幅が減少することが示されている。

１ シリンダー
２ ピストン
３ 作動流体
４ 回転羽根
４０ 回転運動変換手段
５、５１ フライホィール
６ ばね
７ 絞部
８ ロッド
４１ ギア

Claims (5)

1. 外力の影響を緩衝するための外力緩衝装置であって、
   シリンダーと、前記シリンダー内に充填された作動流体と、外力によって生じる前記シリンダー内の作動流体の移動を回転運動に変換するための回転運動変換手段と、からなり、
   前記回転運動変換手段は、回転運動変換手段の持つ質量に対応した慣性力により作動流体の移動方向とは反対方向の反力を生じさせることを特徴とする外力緩衝装置。
2. 前記回転運動変換手段が回転羽根とフライホィールによって構成されていることを特徴とする請求項１記載の外力緩衝装置。
3. 前記回転運動変換手段と、ばね要素と、ダンパー要素と、からなり、
   前記ばね要素は、外力緩衝装置を構成するシリンダーと同軸上に配置され、
   前記ダンパー要素は、前記シリンダー内に配置することを特徴とする請求項１または請求項２記載の外力緩衝装置。
4. 前記ダンパー要素は、シリンダー内に設けられ、シリンダー内の作動流体の移動を制限するための絞部であることを特徴とする請求項３記載の外力緩衝装置。
5. 前記回転運動変換手段を構成する回転羽根とフライホィールの間にギアを介在させることで、回転羽根とフライホィールの回転比率を変換することを特徴とする請求項２から請求項４のいずれかに記載の外力緩衝装置。