(57)【要約】【課題】固有振動数と減衰係数比は、パッシブ要素で構成する緩衝装置において最も重要な特性パラメータであり、この値を変更すると、一部の特性（例：衝撃緩和特性）は向上するが、他の特性（例：動的耐荷重または静的耐荷重）は減退するというジレンマが生じる場合がある。【解決手段】パッシブ系緩衝装置にアクチュエータによるアクティブ制御を併用し、リミット加速度に到達する前に逆位相の作用を衝撃後の応答に直接作用させる手法により、他の特性の犠牲を極力抑え、ピンポイントで衝撃緩和特性を向上させる。【選択図】図１
2010241401.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
陸上輸送車両における垂直方向の衝撃の緩和のために電動アクチュエータや加速度センサなどで構成するアクティブ制御を併用する緩衝装置。
【請求項２】
請求項１に示すアクティブ制御を併用する緩衝装置に関する制御方法。外部環境に近い側のセンサーの検出量からアクチュエータ出力などを決定する方式。ばねの上下に配備した両センサーなどからの入力をＡＮＤゲートにかけてアクチュエータ出力する機構等。
【請求項３】
請求項２に示す制御方法において適用するアクチュエータ出力波形の以下の３条件。
（イ）応答加速度が規定値到達でアクチュエータ出力開始
（ロ）アクチュエータ出力開始時の応答加速度（すなわち規定値）が最大応答加速度となるように応答加速度を制御するアクチュエータ出力
（ハ）跳ね上げや残留振動が極力残らないタイミング（応答速度ゼロ、応答変位ゼロ近傍）でアクチュエータ出力停止。
【請求項４】
請求項３のアクチュエータ出力波形（一方向作用）と適合するワイヤーケーブルによる張力伝達機構および非線形ダンパー機構。
【請求項５】
請求項１〜４を適用した電動モータ搭載被牽引車両の様式。および電動モータの搭載有無にかかわらずばね付き被牽引車両の様式。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、ばねやダンパーなどにより構成された陸上輸送車両における緩衝装置に関するものである。また、電動アクチュエータなどのアクティブ制御要素を併用し、垂直方向の衝撃緩和特性の向上を目的とした制御に関するものである。なお、衝撃緩和特性を定量的に評価するための指標として最大応答加速度を適用するものである。
【背景技術】
【０００２】  従来の陸上輸送用車両の中でエアサスペンションを装備したトラックや列車による輸送環境の評価は高い（非特許文献１）。エアサスペンションが優れている理由として、固有振動数が低いこと（数Ｈｚ）、また、エアサスペンションシステムは圧力可変のため荷物の重量に拘らず平衡高さを保持することなどが挙げられる。前者は外部振動や衝撃を遮蔽する上で必要な基本的な特性であり、後者は段差やレールの継ぎ目を通過する際に生じる大きな衝撃に対して制動距離を確保するという意味で必要な特性の１つである。【０００３】  「緩衝装置の特性をアクティブに制御する」という概念は、上述のエアサスペンションシステムにおいても存在する。ただし、それは、走行中リアルタイムに振動環境をモニターし、共振発生の可能性があればフィードバックして、空気圧調節により固有振動数を最適制御するものである（定常的な振動に対する固有振動数制御）。したがって、非定常的、瞬間的な衝撃を想定するものではない。衝撃を問題にする場合は、エアサスペンションといえども固有振動数不制御のパッシブ要素の１つとして取り扱う必要がある。【０００４】  「最大応答加速度」という指標は、ＪＩＳ規格（非特許文献１）において「衝撃応答スペクトル」に適用されており、衝撃緩和特性を定量的に評価する上で適当な指標と言える。また、衝撃の作用（数ｍｓ〜１０ｍｓのオーダー）に対して緩衝装置の固有周期（数１００ｍｓのオーダー）が十分長ければ、最大応答加速度は下記の数式で表すことができる。【０００５】
【数式１】
最大応答加速度＝ｔｃ・ωｏ・Ｒ（ζ）
【０００６】  上記の数式において、ｔｃは緩衝装置の特性とは関係がなく衝撃の波形などによって決まる時定数である。ωｏは固有角振動数（＝固有振動数×２π）である。Ｒ（ζ）は、減衰係数比率ζの関数で、下記の図に示すようなζ依存性をもつ。
【０００７】
【図表１】
2010241401.tif 000003
【０００８】  上記の図表において、横軸は減衰係数比率ζ、縦軸はζ依存性を表すＲである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】ＪＩＳ規格  ＪＩＳ  Ｃ  ６０７２１−３−２「環境条件の分類  環境パラメータとその厳しさの分類−輸送条件」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】  固有振動数と減衰係数比は、パッシブ要素で構成する緩衝装置において最も重要な特性パラメータであり、パラメータ値を変更すると一部の特性（例：衝撃緩和特性）は向上するが、他の特性（例：動的または静的耐荷重）は減退するというジレンマが生じる場合がある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】  パッシブ要素で構成する緩衝装置にアクチュエータによるアクティブ制御を併用し、他の特性の減退を極力抑え、衝撃緩和特性の向上を図るものとする。当該アクティブ制御の制御の流れを下記の（イ）〜（二）に示す。なお、（  ）内の数字は、図面内の番号と対応する。
（イ）衝撃の入力がない状態では、入力側の加速度センサ（１２）と出力側の加速度スイッチ（１３）も規定値以上の加速度を検知しないため、アクチュエータ（９）作用は待機状態をとる。
（ロ）外部から規定以上の衝撃が入力した場合、まず入力側の加速度センサ（１２）がデータを制御部（コンピュータ）に送る。送られたデータに基づき制御部が所要のアクチュエータ（９）の作用力や作用開始時間Ｔ２を計算する。
（ハ）加速度センサ（１２）が検知した後、ばね（１）などを介して衝撃が伝達し、加速度スイッチ（１３）も規定の加速度を検知する。このとき、アクチュエータ（９）のスイッチも入り、アクチュエータ作用が開始する。また、作用開始時の応答加速度（規定値）を最大応答加速度にするようにアクチュエータ（９）の作用量は制御される。
（二）応答加速度のピークを過ぎ、跳ね上げや残留振動などの応答が極力残らないようなタイミング（応答速度ゼロ、応答変位ゼロ近傍等）アクチュエータ作用を停止する。当該タイミングによる停止で不十分の場合は衝撃緩和特性との適合性が高い非線形ダンパーも合わせて適用する。
【発明の効果】
【００１２】  当該発明の効果として、当該アクティブ制御を併用の場合と併用しない場合の衝撃応答の比較を下記に示す。【００１３】
【図表２】
2010241401.tif 000004
【００１４】  上記の図表の▲１▼は、アクチュエータ出力（作用加速度）の時間スケジュールの１つの例である。上記の図表の▲２▼、▲３▼、▲４▼における実線は、当該アクティブ制御を適用した加速度応答、速度応答、変位応答である。また、▲２▼、▲３▼、▲４▼の破線は当該アクティブ制御を適用していないパッシブ緩衝装置固有の応答（ζ＝０．１５の減衰振動）を示す。▲２▼において示す矢印は最大応答加速度を示し、アクチュエータ作用によって応答加速度が増減するもアクチュエータ作用開始時の応答加速度のあたりで上げ止まりが起こっていることが分かる。また、▲２▼、▲３▼、▲４▼において、実線と破線を比較すると、実線の方が、減衰が速くなっていることが分かる。これはアクチュエータ作用停止のタイミング制御に起因する。
【００１５】  当該発明の効果として、当該アクティブ制御と非線形ダンパーを適用の場合と適用しない場合の衝撃応答の比較を下記に示す。
【００１６】
【図表３】
2010241401.tif 000005
【００１７】  上記の図表の▲１▼は、アクチュエータ出力（作用加速度）の時間スケジュールの１つの例である。上記の図表の▲２▼、▲３▼、▲４▼における実線は、当該アクティブ制御および非線形ダンパー（応答速度が負の場合はζ＝０．１５、正の場合はζ＝０．５）を適用した加速度応答、速度応答、変位応答である。また、▲２▼、▲３▼、▲４▼の破線は当該アクティブ制御を適用していないパッシブ緩衝装置固有の応答（ζ＝０．１５の減衰振動）を示す。▲２▼において示す矢印は最大応答加速度を示し、アクチュエータ作用開始時から応答加速度がしばらく一定値をとり、増加しないことが分かる。また、▲２▼、▲３▼、▲４▼において、実線と破線を比較すると、実線の方が、減衰が速くなっていることが分かる。これは非線形ダンパーの効果に起因する。
【００１８】  当該発明の効果のまとめとして、当該アクティブ制御併用による最大応答加速度の低減化効果を減衰係数比依存性と共に示すと下記の図のようになる。
【００１９】
【図表４】
2010241401.tif 000006
【００２０】  上記の図において、実線はパッシブ緩衝装置固有の最大応答加速度のζ依存性を示す（図表１）。□、○、△は、当該アクティブ制御においてアクチュエータ作用の開始時間Ｔ２を、それぞれ１／１０固有周期、１／２０固有周期、１／３０固有周期に設定したものである。なお、破線はアクティブ制御を併用しても絶対に不可能な領域との境界線（理論曲線）である。本図から、当該アクティブ制御併用によりζが小さい領域において最大応答加速度の大幅な低減効果の可能であることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】従来のばねやダンパーなどパッシブ要素で構成する緩衝装置にアクチュエータ、加速度センサーなどのアクティブ制御を併用する概念図である（実施例１）。
【図２】アクティブ制御併用型の緩衝装置の１つの実施例として一輪車タイプの被牽引車両に関する説明図である。緩衝ばねとして圧縮ばねを適用し、電磁モータを緩衝ばねの上に配置したものを例示（実施例２）。
【図３】アクティブ制御併用型の緩衝装置の１つの実施例として二輪車タイプの被牽引車両に関する説明図である。緩衝ばねとして圧縮ばねを適用し、電磁モータを緩衝ばねの下に配置したものを例示（実施例３）。
【図４】アクティブ制御併用型の緩衝装置の１つの実施例として二輪車タイプの被牽引車両に関する説明図である。緩衝ばねとして引張ばねを適用し、電磁モータを緩衝ばねの下に配置したものを例示（実施例３）。
【図５】アクティブ制御併用型の緩衝装置の１つの実施例として二輪車タイプの被牽引車両に関する説明図である。緩衝ばねとして空気ばねを適用し、電磁モータを緩衝ばねの下に配置したものを例示（実施例３）。
【図６】アクティブ制御併用型の緩衝装置の１つの実施例として二輪車タイプの被牽引車両に関する説明図である。緩衝ばねとして補助タンク付空気ばねを適用し、電磁モータを緩衝ばねの下に配置したものを例示（実施例３）。
【図７】アクティブ制御併用型の緩衝装置の１つの実施例として二輪車タイプの被牽引車両に関する説明図である。緩衝ばねとして圧縮ばねを適用し、電磁モータを緩衝ばねの上に配置したものを例示（実施例３）。
【図８】アクティブ制御併用型の緩衝装置の１つの実施例として二輪車タイプの被牽引車両に関する説明図である。緩衝ばねとして空気ばねを適用し、電磁モータを緩衝ばねの上に配置したものを例示（実施例３）。
【図９】アクティブ制御併用型の緩衝装置の１つの実施例として二輪車タイプの被牽引車両に関する説明図である。緩衝ばねとして補助タンク付空気ばねを適用し、電磁モータを緩衝ばねの上に配置したものを例示（実施例３）。
【図１０】非線形オイルダンパーの構造を示す説明図である（実施例４）。
【図１１】非線形オイルダンパーに関する付図である（実施例４）。
【図１２】非線形オイルダンパーに関する付図である（実施例４）。
【図１３】非線形空気ダンパーの構造を示す説明図である（実施例５）。
【図１４】非線形空気ダンパーに関する付図である（実施例５）。
【図１５】非線形空気ダンパーに関する付図である（実施例５）。
【図１６】非線形電磁ダンパーに関する図である（実施例６）。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００２２】  図１は、本発明による緩衝装置の概念図であって、１〜３、９、１２〜１４は図２と同様である。
【実施例２】
【００２３】  図２は、本発明による緩衝装置を適用した被牽引車両の１実施例の平面図、側面図、断面図である。本実施例は一輪車タイプであり、１〜４、６〜１４は図３〜図９と同様である。
また、５は一輪車タイプの牽引構造である。
【実施例３】
【００２４】  図３〜図９は、本発明による制御方法および緩衝方式を適用した被牽引車両の１実施例の平面図、側面図、断面図である。本実施例は二輪車タイプであり、２〜４、６〜１３、１５は図３〜図９において共通である。図３、図７において、１は圧縮ばね、１４はオイルダンパーである。図４において、１４はオイルダンパー、１６は引張ばねとその支持構造である。図５、図８において、１４はオイルダンパー、１７は空気ばね（大）である。図６、図９において、１８は空気ばね（小）、１９は空気ダンパー、２０は補助タンクである。また、基本的な緩衝制御機構については前出の一輪車タイプ（実施例２）と同様である
【実施例４】
【００２５】  図１０、図１１、図１２は、本発明による非線形オイルダンパーの構造を示す断面図等である。２１はピストンロッド、２２はシリンダ、２３は非対称オリフィス、２４は可動はねである。
【実施例５】
【００２６】  図１３、図１４、図１５は、本発明による非線形空気ダンパーの構造を示す断面図等である。２３は非対称オリフィス、２４は可動はね、２５は補助タンクに通ずる配管である。
【実施例６】
【００２７】  図１６は、電磁ダンパーの外観図である。機能としてワイヤ１０のたるみを防止するトルクレギュレーション機能があり、電磁誘導によりシャフト２６の回転速度に比例した逆方向のトルクを発生させる電磁制動機能を有す。なお、本発明においては、電磁モーターとして兼用可能な場合も含む。
【産業上の利用可能性】
【００２８】  従来の陸上輸送車両または被牽引軽車両の緩衝装置の特性改善用。【００２９】  将来的に太陽電池パネルなどを搭載する車両または被牽引軽車両の緩衝装置用。
【符号の説明】
【００３０】  １    圧縮ばね
２    荷台構造
３    ばね台構造
４    車輪
５    牽引構造
６    荷台と牽引車間の結合部フック（または軸受）
７    牽引構造（またはトーションバー）と牽引車間の結合部フック（または軸受）
８    バランスウェイト
９    電磁モーター（アクチュエータ）
１０  ワイヤーとターンバックル
１１  滑車
１２  加速度センサー（速度変化センサー）
１３  加速度スイッチ
１４  オイルダンパー
１５  トーションバー
１６  引張ばねおよび支持構造
１７  空気ばね（大）
１８  空気ばね（小）
１９  空気ダンパー
２０  補助タンク
２１  ピストンロッド
２２  シリンダ
２３  非対称オリフィス
２４  可動はね
２５  配管
２６  シャフト
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2010241401.tif 000016
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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