(57)【要約】  機械力の制御に用いられる装置が提供される。前記装置は、使用時、機械力を制御するシステムの構成要素に接続され、個別に移動可能な第１および第２端子を備える。前記装置はさらに、これらの端子の間に接続されるとともに流体を収容する油圧手段を備える。前記油圧手段は、使用時、前記端子の相対移動に応じて流体の流れを起こして前記流体の質量に起因して慣性力を発生させ、前記各端子における前記機械力を制御して前記端子間の相対加速度に略比例させる。
2013501200.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械力の制御に用いられる装置であって、
使用時、機械力を制御するシステムの構成要素に接続され、独立に移動可能な第１および第２端子と、
これらの端子の間に接続されるとともに流体を収容し、使用時、前記端子の相対移動に応じて流体の流れを起こして前記流体の質量に起因して慣性力を発生させ、前記各端子における前記機械力を制御して前記端子間の前記相対加速度に略比例させる油圧手段と、を備える
ことを特徴とする装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置において、
前記油圧手段は、
前記流体を収容するチャンバを形成し、前記端子の一方に取り付けられるハウジングと、
他方の端子に取り付けられるとともに前記チャンバ内で移動可能に構成され、移動すると前記流体の流れが少なくとも１つの流路に沿って引き起こされるピストンと、
を備えることを特徴とする装置。
【請求項３】
請求項２に記載の装置において、
前記少なくとも１つの流路は螺旋状である
ことを特徴とする装置。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の装置において、
前記少なくとも１つの流路は前記チャンバの外部に設けられる
ことを特徴とする装置。
【請求項５】
請求項２または請求項３に記載の装置において、
前記少なくとも１つの流路は前記チャンバの内部に設けられる
ことを特徴とする装置。
【請求項６】
前記請求項のいずれかに記載の装置であって、
前記端子における機械力を前記端子間の前記相対加速度および線形または非線形な減衰特性に比例するように制御する調整手段をさらに備える
ことを特徴とする装置。
【請求項７】
前記請求項のいずれかに記載の装置であって、
前記２つの端子の相対移動の範囲を制限する手段をさらに備える
ことを特徴とする装置。
【請求項８】
前記請求項のいずれかに記載の装置を備える質量シミュレータ。
【請求項９】
請求項１から請求項７のいずれかに記載の装置を用いる、自動車懸架装置内のシステムといった機械的減衰システム。
【請求項１０】
請求項９に記載の機械的減衰システムにおいて、
前記装置は、前記２つの端子がいずれも固定位置に接続されないように構成される
ことを特徴とする機械的減衰システム。
【請求項１１】
請求項１から請求項７のいずれかに記載の装置を用いる工程を備える防振方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体を用いて振動力等の機械力を制御する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
力制御装置は、例えば、車両懸架システムに用いられる。車両懸架システムには、従来、ダンパと並列するばねといったパッシブサスペンションシステムが採用される。しかしながら、このようなシステムでは、実際に慣性力を発揮するために必要な質量が大きく、さまざまな性能要件の最適化が制限されてしまう。このような問題に対し、米国特許第７,３１６,３０３号の装置は、所望の機械インピーダンスを有しつつも全体質量は小さく維持される懸架システムを構築するための部品を備える。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
米国特許第７,３１６,３０３号に記載の装置は、従来のように、はずみ車に接続される直線−回転変換機構を備える。この装置の変形例はいくつか提案されており、その中には、例えば、ボールねじやラックアンドピニオンを用いるものもある。このような装置の問題は、可動部がかなり多く存在してしまうことである。
【０００４】
したがって、本願では、可動部の数が大幅に削減された、簡略化された装置の提供を模索する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば機械力の制御に用いられる装置が提供され、当該装置は、使用時、機械力を制御するシステムの構成要素に接続され、独立に移動可能な第１および第２端子と、これらの端子の間に接続されるとともに流体を収容し、使用時、前記端子の相対移動に応じて流体の流れを起こして前記流体の質量に起因して慣性力を発生させ、前記各端子における前記機械力を制御して前記端子間の前記相対加速度に略比例させる油圧手段とを備える。
【０００６】
したがって、本発明によれば、移動する流体が運動エネルギーの貯蔵手段として機能する装置が提供される。本発明の装置の利点は、製造時の扱いやすさである。
【０００７】
前記油圧手段は、前記流体を収容するチャンバを形成し、前記端子の一方に取り付けられるハウジングと、他方の端子に取り付けられるとともに前記チャンバ内で移動可能に構成され、移動すると前記流体の流れが少なくとも１つの流路に沿って引き起こされるピストンとを備える。
【０００８】
前記少なくとも１つの流路は螺旋状である。したがって、本発明によれば、流体が回転運動エネルギーの貯蔵手段として機能するとともに、直線−回転変換機構としても機能する装置が提供される。
【０００９】
前記少なくとも１つの流路は前記チャンバの外側または内側のいずれかに設けられればよい。
【００１０】
前記装置はさらに、前記端子における機械力を前記端子間の前記相対加速度に比例するように制御する調整手段を備え、その比例項は一定の定数である。
【００１１】
前記装置は、前記２つの端子の相対移動の範囲を制限する手段をさらに備える。
【００１２】
また、本発明によれば、上記で規定された装置を備える質量シミュレータが提供される。
【００１３】
また、本発明によれば、上記で規定された装置を用いる、自動車懸架装置内のシステムといった機械的減衰システムが提供される。
【００１４】
また、本発明によれば、上記で規定された装置を用いる防振方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
次に、本発明の例を添付図面を参照して説明する。
【図１】本発明に係る力制御油圧装置の一実施形態を示す概略図である。
【図２】本発明に係る力制御油圧装置の別の実施形態を示す概略図である。
【図３】（一定）ピストン速度に応じた、図１の装置全域の圧力低下を示す。
【図４】（一定）ピストン速度に応じた、図１の装置のピストンに対する減衰力を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
２種類の試作品が構築され試験された。一方は、図１に示されるように筒体の外部にコイルを有し、流体として水を使用する。他方は、図２に示されるようにピストン形状自体に形成された内部螺旋流路を有し、作動油を使用する。
【００１７】
図１は、本発明に係る力制御油圧装置１の一例を示す。この装置１は、筒体２と、筒体内で移動可能なピストン３と、筒体内に収容される流体４を備える。この装置はまた、筒体の外側に設けられて、２つのオリフィス（６,７）を介して筒体に流体を流出入させる密閉流路を規定する螺旋管５を備える。ピストン３が移動すると流体４は螺旋管５を流れ、流体の移動質量に起因して慣性力を生み出す。筒体とピストンはそれぞれ１つの端子を備えてもよい。以下で説明されるように、これらの端子間の相対移動によって生じる流体の移動質量に起因した慣性力により、端子間の相対加速度に略比例するように各端子における機械力が制御される。
【００１８】
ピストン３の動作は図示されないばね緩衝器等の装置により制限されてもよい。たとえピストンの移動限度において大きな力すなわち速度が発生しても、このような手段によって装置を保護することができ安全面で有益である。
【００１９】
図１の装置は貫通ロッド８を用いて実装される。あるいは、浮動ピストンや二重管あるいはその他の同様な構成を備えるシングルロッドを用いても、同様に実装可能である。図示されない流体を昇圧する手段が想定される。
【００２０】
図２は、本発明に係る力制御油圧装置１１の別の一例を示す。この装置１１は、筒体１２と、前記筒体内で移動可能なピストン１３と、前記筒体内に収容される流体１４とを備える。ピストン１３の外面は螺旋状の溝を有しており、ピストンが筒体に挿入されるとピストンと筒体との間に螺旋流路１５が形成される。ピストン１３が移動すると流体１４は螺旋流路１５を流れ、筒体内の流体の移動質量に起因して慣性力を生み出す。図２の例において、螺旋流路１５の断面形状は、機械加工に都合のよい半ディスク形状である。他の断面形状を用いて当該装置の減衰特性を制御する効果を得てもよい。図２の例は貫通ロッド１５を用いて実装される。
【００２１】
図１に示される例において、装置１の特性パラメータ（すなわち、端子における作用力を端子間の相対加速度に関連付ける比例定数）は、ピストン、筒体および螺旋管の各半径、筒体の長さ、流体密度といった値を変えることによって変更可能である。このようなパラメータの効果は以下で詳述される。
【００２２】
図１の構成を考察する。ｒ１はピストンの半径であり、ｒ２は筒体の内半径であり、ｒ３は螺旋管の内半径であり、ｒ４は螺旋形状の半径であり、ｈは螺旋形状のピッチであり、ｎは螺旋形状の周回数であり、Ｌは筒体の内部の長さであり、ｐは流体密度である。
【００２３】
また、Ａ１＝π（ｒ２２−ｒ１２）は筒体の断面積を示し、
Ａ２＝πｒ３２は管の断面積を示す。
【００２４】
螺旋管内の流体の全質量は下記式（１）に略等しい。
【００２５】
【数１】
2013501200.tif 000003
【００２６】
筒体内の流体の全質量は下記式（２）に略等しい。
【００２７】
【数２】
2013501200.tif 000004
【００２８】
ピストンがｘに等しい直線的な変位を行った場合、その際の螺旋管内の流体要素では下記式（３）に略等しい角変位θ（ｒａｄｓ）が予想される。
【００２９】
【数３】
2013501200.tif 000005
【００３０】
ピストン軸回りの螺旋管内の全流体質量の慣性モーメントはｍｈｅｌｒ４２＝：Ｊと略等しい。次に、装置１が比例定数をｂとする理想挙動を行い、端子間で生成された慣性力が端子間の相対加速度に比例する場合を想定する。この場合、下記式（４）が想定される。
【００３１】
【数４】
2013501200.tif 000006
【００３２】
式（４）から下記式（５）が導かれる。
【００３３】
【数５】
2013501200.tif 000007
【００３４】
ｍｔｏｔ＝ｍｈｅｌ＋ｍｃｙｌを全流体質量とする。図１の実施形態で用いられる２つの異なる流体に関し、例示的な値が以下で表に示される。以下の例において、ｒ４＝ｒ２＋ｒ３、ｈ＝２ｒ３およびＬ=ｎｈであるものとする。また、装置の外径（ＯＤ）は２（ｒ４＋ｒ３）に等しいものとする。
【００３５】
【表１】
2013501200.tif 000008
【００３６】
【表２】
2013501200.tif 000009
【００３７】
表１および２に示されるように、モデリングおよびテスト作業により、得られた慣性抵抗効果（加速に比例する力）が十分大きくなりうる（比例定数ｂは５０ｋｇ以上）ことが分かった。このような効果は、装置がばねやダンパに平行して設けられる場合必要となりうる。
【００３８】
さらに、流体粘度により理想挙動とは異なる挙動が得られることがモデリングおよびテストで分かった。より寄生的な要素が流体の圧縮性によってもたらされ、２つの平行な要素に直列するばねとしてモデル化されうる。
【００３９】
米国特許第７，３１６，３０３号には理想的な装置（力が相対加速度に比例）が規定されており、摩擦やバックラッシュ等によって引き起こされる偏差は、装置の必須機能が達成されるように必要最小限にすることが可能な寄生振動とみなされている。しかしながら、本発明の場合、流体粘度に起因する非線形の減衰は本質的なものであり、ピストン速度が大きい場合に理想挙動からの逸脱を引き起こすと考えられる。
【００４０】
本発明の本質的な非線形減衰は「累進的」である。すなわち、力は線形減衰に比べ早いペースで相対速度に伴い増加する。自動車用途における実際のダンパは逆累進的であることが多い。すなわち、力は線形減衰に比べ遅いペースで相対速度に伴い増加する。作動油のような通常の流体を用いる場合でも、本発明の装置は調整手段を用いることによって理想挙動を示すことが可能である。例えば、ほとんど平行ダンパとなることがあるものの、オリフィス６および７においてシムパックを用い、より線形な減衰性能を達成してもよい。こうして、本発明の理想的な装置の挙動と線形のダンパを兼ね備えた便利な統合装置を作り出すことが可能になる。状況が異なれば、粘度効果を補正しない方が有利な場合もある。
【００４１】
以下、減衰効果を詳述する。ｕが螺旋管内の流体の平均速度であり、Δｐがピストン全域にわたる圧力低下であり、μが流体粘度であり、ｌが螺旋管の長さであるとき、下記式（６）が成り立つ。
【００４２】
【数６】
2013501200.tif 000010
【００４３】
次に、平均速度ｕである管内の流れを維持するために必要な、メインピストン全域にわたる圧力低下Δｐを求める。
【００４４】
こうして、
【００４５】
【数７】
2013501200.tif 000011
【００４６】
を維持するために必要な定常力が求められ、その結果減衰係数が求められる。
【００４７】
【数８】
2013501200.tif 000012
【００４８】
である場合、管のレイノルズ数（Ｒｅ）は下記式（７）に等しい。
【００４９】
【数９】
2013501200.tif 000013
【００５０】
層流から乱流への移行は（Ｒｅ）＝２×１０３周辺で起こる。
ｕが層流が持続するのに十分小さい場合、直管に関するハーゲン・ポアズイユの式を用いると下記式（８）が得られる。
【００５１】
【数１０】
2013501200.tif 000014
【００５２】
【数１１】
2013501200.tif 000015
【００５３】
を維持するのに必要なピストンにかかる力はΔｐＡ１に等しい。このことは、線形減衰率係数が下記式（９）に等しいことを示唆する。
【００５４】
【数１２】
2013501200.tif 000016
【００５５】
乱流を維持するのに必要な圧力低下は、ダルシーの公式によれば下記式（１０）で示される。
【００５６】
【数１３】
2013501200.tif 000017
【００５７】
式中、ｆは無次元摩擦係数である。平滑管に関し、ブラジウスの実験式は下記式（１１）となる。
【００５８】
【数１４】
2013501200.tif 000018
【００５９】
この式から、安定した速度を維持するのに必要なピストンにかかる一定の力を示す以下の式が求められる。
【００６０】
【数１５】
2013501200.tif 000019
【００６１】
流体には水（ρ＝１００ｋｇｍ−３、μ＝１０−３Ｐａｓ）を用いる。ｌ=７ｍ、ｒ１＝８ｍｍ、ｒ２＝２０ｍｍ、ｒ３＝４ｍｍ、Ｌ＝３００ｍｍとする。これにより以下のような装置が得られる。
【００６２】
ｍｈｅｌ＝０．３５２ｋｇ
ｍｃｙｌ＝０．３７１ｋｇ
ｂ＝１５５ｋｇ
【００６３】
乱流への移行は、
【００６４】
【数１６】
2013501200.tif 000020
【００６５】
かつ層流に一致する速度で起こり、
【００６６】
【数１７】
2013501200.tif 000021
【００６７】
乱流の状態における圧力低下および直線力は図３および図４にそれぞれ示される。
【００６８】
ｒ１、ｒ２およびｒ３が全て２倍に増加し、ｌが４分の１に減少し、ｍｈｅｌおよびｂが変わらない場合、ｍｃｙｌは４倍に増加し、乱流の減衰力は２１．２５（＝２．３８）分の１に減少する。
【００６９】
本発明の他の実施形態において、図１に示される螺旋管は異なる形状の管に置き換えられてもよい。さらに、流路が筒体内に形成され、ピストンが例えば螺旋状の流路またはいくつかの同心円状の螺旋形状を規定するように形成されてもよい。また、ピストン周りのクリアランスを用いて筒体内に流路を形成してもよい。実際には、螺旋状の流路によって最良の結果が得られると思われる。
【００７０】
自動車懸架装置として適用される際、サスペンションが比較的堅い場合、本発明の実施形態は標準的なばねおよびダンパと並行して用いるのが効果的である。乗用車の場合、この並列構造が他の直列要素と組み合わされなければならない場合がある。
【図１】
2013501200.tif 000022
【図２】
2013501200.tif 000023
【図３】
2013501200.tif 000024
【図４】
2013501200.tif 000025
【国際調査報告】
2013501200.tif 000026
2013501200.tif 000027
2013501200.tif 000028