JP2009227004A - サスペンション装置 - Google Patents

Abstract

【課題】左右のサスペンション装置が逆相にストロークするような路面状況においても車両の直進性を確保する。
【解決手段】ストラット式サスペンション装置１０は、車輪を支持するナックル１２と、ナックル１２を車体に連結するロアアーム３０と、ナックル１２と車体との間に配置されロアアーム３０の揺動を減衰するショックアブソーバ２５と、車体のロールを抑制するスタビライザバー５１と、ショックアブソーバのシェルケース２５ａとスタビライザバー５１の端部とを連結するスタビライザリンク５３と、を備える。左右車輪のショックアブソーバ２５が互いに逆方向にストロークしたとき、車輪重量によってキングピン軸周りに発生するモーメントと、スタビライザリンク反力によりキングピン軸周りに発生するモーメントとが釣り合うように、スタビライザリンク５３が配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、サスペンション装置においてロール抑制のために配置されるスタビライザの構成に関する。

一般に、車両が旋回すると、遠心力によって車体にロールが発生して車両の安定性が損なわれる。ロールを抑制すべく、車両にはスタビライザが設置されることが多い。スタビライザの両端部は車輪を支持する部材に連結されている。車両の旋回時にロールが発生すると、左右の支持部材の上下方向変位が異なるためにスタビライザにねじれが生じる。このねじれがロールモーメントに抗する力となり、結果としてロールが抑制される。

上記のようなスタビライザを備える車両用サスペンションでは、車両の性能を改善するためにスタビライザバーの取付位置が様々に工夫されている。例えば、特許文献１には、転舵時に車輪とともに回動するサスペンション部材にスタビライザバーの両端部が連結されている構造が開示されている。また、特許文献２には、コンロッドの中心軸とキングピン軸との交点にスタビライザバーの固定点を設定する構造が開示されている。特許文献３には、スタビライザリンクを操舵に対して回転しない部材に結合する構造が開示されている。
特開平３−２７６８１２号公報 特開２００５−３０６２５４号公報 特開２００６−１１７１５９号公報

上記特許文献１に開示されている技術では、車両旋回時のロール剛性を高めることができる。しかしながら、車両の直進時に路面の凹凸などによって左右のサスペンション装置が逆相にストロークする場合、すなわちサスペンション装置の一方が上方にストロークし、他方が下方にストロークするような場合には、スタビライザバーによって車輪を転舵させる力が働き、結果的に車両直進性を低下させてしまうという問題がある。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、左右のサスペンション装置が逆相にストロークするような路面状況においても車両の直進性を低下させないサスペンション構造を提供することにある。

本発明のある態様は、車両の転舵時に車輪とともに回動するサスペンション部材と、左右車輪のサスペンション部材を接続してロールを抑制するスタビライザバーと、前記サスペンション部材の構成要素と前記スタビライザバーの端部とを連結するスタビライザリンクと、を備えるサスペンション装置である。この装置では、左右車輪のサスペンション部材が互いに逆方向にストロークしたとき、車輪重量によって操舵の回転軸であるキングピン軸周りに発生するモーメントと、スタビライザリンク反力によりキングピン軸周りに発生するモーメントとが釣り合うように、キングピン軸とスタビライザリンク軸のなす角と、キングピン軸とスタビライザリンク軸の間の最短距離が設定されている。

この態様によると、車両の直進時に路面に存在する凹凸などによって左右車輪のサスペンション部材が逆相にストロークした場合でも、キングピン軸に生じるモーメントが釣り合うようにスタビライザリンクが配置されている。そのため、左右の車輪に働く力の差が発生せず、車輪を転舵させることがない。したがって、車両直進性の低下が防止される。

スタビライザリンクの端部と連結されるサスペンション部材は、キングピン軸に対して車輪とともに転舵される部材であれば限定されないが、ショックアブソーバのシェルケースとするのが好ましい。

スタビライザリンクの結合部はボールジョイントであることが好ましい。しかし、結合部はブッシュであってもよいし、スタビライザリンクの端部をゴム等の弾性部材を介して結合するクッション方式であってもよい。

本発明の別の態様は、ストラット式サスペンション装置である。この装置は、車輪を支持するナックルと、前記ナックルを車体に連結するロアアームと、前記ナックルと車体との間に配置され、前記ロアアームの揺動を減衰するショックアブソーバと、車体のロールを抑制するスタビライザバーと、前記ショックアブソーバのシェルケースと前記スタビライザバーの端部とを連結するスタビライザリンクと、前記ショックアブソーバの車体への連結点と、前記ナックルと前記ロアアームとの連結点とを結ぶキングピン軸と、を備える。左右車輪のショックアブソーバが互いに逆方向にストロークしたとき、車輪重量によって前記キングピン軸周りに発生するモーメントと、スタビライザリンク反力により前記キングピン軸周りに発生するモーメントとが釣り合うように、前記スタビライザリンクが配置される。

この態様によると、車両の直進時に路面に存在する凹凸などによって左右車輪のショックアブソーバが逆相にストロークした場合でも、キングピン軸に生じるモーメントが釣り合うようにスタビライザリンクが配置されている。そのため、左右の車輪に働く力の差が発生せず、車輪を転舵させることがない。したがって、車両直進性の低下が防止される。

本発明のサスペンション装置によれば、左右の車輪で逆相にストロークが生じるような路面状況においても、ストロークにより発生するキングピン軸周りのモーメントを打ち消すようにスタビライザリンクが配置されているので、車両の直進性を低下させることがない。

図１は、ストラット式サスペンション装置１０の構成を示す斜視図である。ストラット式サスペンション装置１０は、ロアアーム３０と、車輪を回転自在に支持するナックル１２と、ストラット２０とを備える。ナックル１２の中央部には、車輪を支持する車軸が形成されている。ロアアーム３０の二股になった基端部は、それぞれブッシュを介して車体に枢支され、基端部から車幅方向外側に延びる先端部はナックル１２の下部にボールジョイントを介して枢支される。また、ナックル１２にはタイロッド４１が接続されており、キングピン軸を中心に車輪を回転操作できるように構成されている。

図１のサスペンション構造では、ショックアブソーバ２５がサスペンションのストラットを兼ねている。ストラット２０は、外筒としてのシェルケース２５ａとこれに内挿されたピストン（図示せず）に連結されシェルケース２５ａ外に延長する内筒としてのピストンロッドとを有するショックアブソーバ２５で構成される。シェルケース２５ａの下端は、車幅方向外側に突出するハウジングブラケット２７によってナックル１２の上部と連結されている。ピストンロッドの上端にはアッパースプリングシート２２が取り付けられ、シェルケース２５ａの軸方向中央部にはロアースプリングシート２４が取り付けられる。アッパースプリングシート２２とロアースプリングシート２４との間には、コイルスプリング２３が介挿されている。ピストンロッドの先端にはアッパーマウント２１が取り付けられ、アッパーマウント２１を介してショックアブソーバ２５が車体に取り付けられる。

アッパーマウント２１にはストラットベアリング（図示せず）が取り付けられる。ストラットベアリングは、操舵方向の回転を許容するためのベアリングである。これにより、ストラット２０が車体に回動可能に支持される。

図示しないステアリングホイールから入力される操舵トルクは、ステアリングコラム（図示せず）を介してギヤボックス４０に伝達される。ギヤボックス４０は、ステアリングホイールからの回転運動を車幅方向の直線運動に変換して、タイロッド４１に伝達する。タイロッド４１は、ボールジョイント４２を介してナックル１２に結合されている。以上の構成により、ドライバーがステアリングホイールを操舵すると、タイロッド４１によって車輪が転舵される。

以上の構成のうち、ショックアブソーバ２５のピストンロッドは車体に対して回転不能であり、ショックアブソーバ２５のシェルケース２５ａは車体に対して回転可能である。すなわち、ドライバーがステアリングホイールを操舵すると、シェルケース２５ａは回転するが、ピストンロッドは回転しない。このショックアブソーバ２５の上端とナックル１２の下端とを通る軸が、キングピン軸である。

スタビライザは、スタビライザバー５１、ブシュ５２およびスタビライザリンク５３から構成される。スタビライザバー５１は、略コの字状のトーションバーである。このスタビライザバー５１のねじれに対する復元力によってロール剛性が高められ、車両旋回時のロールが抑制される。スタビライザバー５１は、左右のブシュ５２により車体に取り付けられている。

スタビライザリンク５３は棒状の部材であり、両端部にボールジョイントが取り付けられている。スタビライザリンク５３の下端は、ボールジョイントを介してスタビライザバー５１の先端に連結される。スタビライザリンク５３の上端は、ボールジョイントを介してシェルケース２５ａの外周に突設されたスタビライザブラケット２６に連結される。

次に、スタビライザの一般的な動作について説明する。スタビライザは、左右のサスペンションアームをコの字型をしたトーションバーで連結した構造である。ドライバーによるステアリングホイールへの操舵入力によって車両が旋回すると、車両には遠心力が作用する。この遠心力によってロール荷重が発生し、外輪側のサスペンションが沈み込むとともに、内輪側のサスペンションが延びる。これによって、左右のサスペンションの位置に差異が生じると、スタビライザバー５１の一端が上方にねじられ、他端が下方にねじられる。スタビライザバー５１にねじれに対する復元力が生じ、この復元力がスタビライザリンク５３を介してナックル１２に伝達される。これにより、沈み込んだ外輪側が持ち上げられて、ロールが抑制される。すなわち、スタビライザの復元力により車体の傾きが抑制される。なお、左右両方のサスペンションが同方向にストロークする際には、スタビライザバー５１にねじれによるばね作用は生じない。このように、スタビライザを採用すると、サスペンションのストロークを規制することなく車体のロールを抑制することができる。

図２は、キングピン軸を説明する図である。図中、（ａ）はフロントサスペンションの左輪側を背面方向から観察した図であり、（ｂ）は左輪を車体側面方向から観察した図である。ストラット式サスペンション装置のキングピン軸は、ショックアブソーバの車体への連結点Ｘと、ロアアームのナックルへの連結点Ｙとにより決まる。（ａ）、（ｂ）から分かるように、通常、フロントサスペンションのキングピン軸は、タイヤ中心側よりも内側を通って下方が外寄りかつ車両前方に開くように設定されている。したがって、輪重を支えている状態では、タイロッド４１には引っ張り荷重が加わっている。しかし、車両の直進時には左右のタイロッドに働く力が釣り合っているため、タイヤはステアしない状態で安定している。

しかし、路面の凹凸などの原因でサスペンションが左右で逆相にストロークすると、バウンドしてストロークが縮んだ側ではコイルスプリングの反力が増加するためにタイロッド反力が増加する。逆に、リバウンドしてストロークが伸びた側ではスプリング反力が減少してタイロッド反力が減少する。この結果、左右のタイロッドに反力差が生じることになり、タイヤを転舵させる力が生じてしまう。つまり、左右タイロッドの反力差が、車両の直進性を悪化させる要因となっている。

現実の車両においては、キングピン軸周りの摩擦やステアリング系統の摩擦が存在するため、左右タイロッドの反力差がそのまま転舵につながるわけではなく、ある程度は抑制される。それにもかかわらず、ホイールレートやロール剛性が高い場合には、逆相ストロークによって発生するキングピン軸周りのモーメントも大きくなるため、タイヤがステアしてしまうことがあり得る。

上記のような現象の発生を予防するには、キングピン軸を地面に対して傾けるのではなく、垂直に設定すればよい。しかしながら、このようなジオメトリ設定は現実的でない。キングピン軸周りやステアリング系統の摩擦を増加させることでタイヤのステア量を減じる方法も考えられるが、このような処置は操舵フィーリングを悪化させ車両性能を低下させるため、実際には採用しがたい。

そこで、本実施形態では、ストラットに対するスタビライザリンクの配置を見直すことによって、上記現象を緩和するようにした。ストラットに対してスタビライザリンクを後述するような関係を満足するようなかたちで配置することによって、サスペンションのストロークに伴ってキングピン軸周りに発生するスタビライザリンクによるモーメントを、輪重によるモーメントと同等の大きさでタイロッドに発生させることができる。この結果、タイロッド反力を左右輪で釣り合わせ、意図しないタイヤのステアを防止することができる。

図３は、サスペンションの構成要素にかかる力の釣り合いを説明する模式図である。図３は、右輪を右斜め後方から観察したときの様子を表している。この図では各要素を簡略化して表しており、ＫＰはキングピン軸、ＳＢはスタビライザバー、ＳＬはスタビライザリンク、Ｗは車輪を表している。また、節点Ｊ１はショックアブソーバ２５の車体取付け部を表し、節点Ｊ２はロアアーム３０とナックル１２を連結するボールジョイントを表す。節点Ｊ３は、スタビライザリンク５３の上端とシェルケース２５ａとの連結部のボールジョイントを表し、節点Ｊ４は、スタビライザリンク５３とスタビライザバー５１との連結部のボールジョイントを表す。

図３において、サスペンションのストロークに伴って発生するコイルスプリングの荷重変動とスタビライザの荷重変動とが釣り合うように、キングピン軸とスタビライザリンク軸のジオメトリを設定する。すなわち、キングピン軸ＫＰとスタビライザリンク軸ＳＬとのなす角をθｓ、キングピン軸ＫＰとスタビライザリンク軸ＳＬとの間の最短距離をＬｓとしたとき、これらが満たすべき関係を考える。

輪重Ｆによって発生するキングピン軸周りのモーメントをＭｋとすると、次式が成り立つ。
Ｍｋ＝ＩＫ・θｋ・Ｆ （１）
但し、ＩＫはキングピン軸とタイヤ回転中心軸との距離、θｋはキングピン軸がタイヤの垂直軸となす角である。また、θｋは十分小さいため、ｓｉｎθｋ≒θｋとしている。

続いて、サスペンションストロークｘに伴うモーメント増分ΔＭｋを求めると、次式のようになる。
ΔＭｋ＝ＩＫ・θｋ・Ｋ・ｘ （２）
但し、Ｋはホイールレートであり、部材間の伝達効率等も考慮した値である。

一方、スタビライザリンクの反力Ｐによってキングピン軸ＫＰに発生するモーメントＭｓは、次式で表される。
Ｍｓ＝Ｌｓ・θｓ・Ｐ （３）

サスペンションストロークｘに伴うモーメント増分ΔＭｓを求めると、次式のようになる。
ΔＭｓ＝Ｌｓ・θｓ・Ｋｓ・ｘ （４）
但し、Ｋｓはスタビライザレートであり、スタビライザバーの変位量が左右で二倍になること、および部材間の伝達効率などを考慮して設定されている。

車両の仕様や運動性能などから、ホイールレートＫやロール剛性（Ｋ＋Ｋｓ）は、車両毎に算出可能である。そこで、式（２）と（４）から、ΔＭｋ＝ΔＭｓが成り立つようにＬｓとθｓを決定し、この値に合わせてスタビライザリンク５３の取付位置を決定する。具体的には、スタビライザリンク５３の上端とシェルケース２５ａとの取付位置、およびスタビライザリンク５３の下端とスタビライザバー５１の先端との取付位置を決定する。このようにすると、逆相ストローク時であってもタイロッド反力の左右差をゼロとすることができる。そのため、路面の凹凸によるタイヤの意図しないステアを防止でき、車両の直進を維持することができる。

図４は、図３で述べた関係を満たすサスペンション装置において、サスペンションのストローク量に応じたタイロッドの引っ張り反力変化を示すグラフである。
図中、Ｅは車輪が接地した状態での初期反力を表す。曲線Ａは、左右のショックアブソーバが同相にストロークした場合のタイロッド引っ張り反力を表し、曲線Ｂは、左右のショックアブソーバが逆相にストロークした場合のタイロッド引っ張り反力を表す。図から分かるように、曲線Ｂはほぼ左右対称となっており、したがって左右のサスペンションが逆相に同量だけストロークした場合、同程度の引っ張り反力が生じることが分かる。

図５は、図３で述べた関係を満たすサスペンション装置において、左右逆相ストローク時における左右タイロッドの反力の差を示すグラフである。図中、曲線Ｃは、サスペンション装置がコイルスプリングのみを備えるとして、左右のショックアブソーバに逆相ストロークが生じたときに左右のタイロッドに生じる反力差を示す。このように、コイルスプリングのみであると逆相ストローク量が大きくなるほど左右タイロッドの反力差が大きくなり、したがってタイヤを転舵させる力が大きくなる。曲線Ｄは、図３で述べた関係を満たすようにスタビライザリンクが配置されたサスペンション装置において、左右のショックアブソーバに逆相ストロークが生じたときに左右のタイロッドに生じる反力差を示す。図から分かるように、この場合、逆相ストロークが大きくなっても左右タイロッドの反力差はほとんど増加しない。したがって、路面の凹凸等によって逆相ストロークが生じた場合でも、車輪を転舵させる力はほとんど発生せず、したがって車両の直進を維持することができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、スタビライザを有するサスペンション構造において、左右逆相ストローク時に、キングピン軸に対してステアアウト側に適切なモーメントが発生するように、スタビライザリンクの配置を設定するようにした。これにより、車両の直進時に路面の凹凸などによって左右逆相のストロークが生じた場合でも、キングピン軸周りに発生するモーメントによってタイヤがステアする現象を打ち消すことができる。

以上、本発明をいくつかの実施の形態をもとに説明した。これらの実施の形態はあくまで例示であり、実施の形態どうしの任意の組合せ、実施の形態の各構成要素の任意の組合せなどの変形例もまた、本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

本発明は、上述の各実施形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能である。各図に示す構成は、一例を説明するためのもので、同様な機能を達成できる構成であれば、適宜変更可能である。

図２では、キングピン軸に対してスタビライザリンクを車両後側に配置したサスペンション構造を示した。しかしながら、例えばスタビライザリンクを車両前側に配置したようなサスペンション構造であっても、上記式（２）と（４）とが釣り合うようにＬｓとθｓを設定すれば、上述の実施形態と同様の効果が得られる。

実施の形態では、スタビライザリンク５３の上端はシェルケース２５ａと連結されているが、スタビライザリンクの連結先は、キングピン軸に対して車輪とともに転舵される部材である限り任意である。

また、実施の形態ではストラット式サスペンションに関して本発明を説明した。しかしながら、独立懸架式のサスペンションにおいて、タイヤと一緒にストロークしかつ転舵されるアクスル部分にスタビライザリンクが取り付けられる構造のものであれば、本発明を適用することができる。

本発明の一実施形態に係るストラット式サスペンション装置の全体構成を示す斜視図である。 （ａ）、（ｂ）はキングピン軸を説明する図である。 サスペンション装置のキングピン軸およびスタビライザリンク軸に働くモーメントの釣り合いを説明する模式図である。 サスペンション装置のストローク量に応じたタイロッドの引っ張り反力変化を示すグラフである。 左右逆相ストローク時における左右タイロッドの反力差を示すグラフである。

符号の説明

１０ サスペンション装置、 １２ ナックル、 ２０ ストラット、 ２１ アッパーマウント、 ２２ アッパースプリングシート、 ２３ コイルスプリング、 ２４ ロアースプリングシート、 ２５ ショックアブソーバ、 ２５ａ シェルケース、 ２６ スタビライザブラケット、 ３０ ロアアーム、 ４０ ギヤボックス、 ４１ タイロッド、 ４２ ボールジョイント、 ５１ スタビライザバー、 ５２ ブシュ、 ５３ スタビライザリンク、 ＫＰ キングピン軸、 ＳＬ スタビライザリンク、 ＳＢ スタビライザバー、 θｓ キングピン軸とスタビライザリンク軸のなす角、 Ｌｓ キングピン軸とスタビライザリンク軸との最短距離。

Claims (4)

1. 車両の転舵時に車輪とともに回動するサスペンション部材と、
   左右車輪のサスペンション部材を接続してロールを抑制するスタビライザバーと、
   前記サスペンション部材の構成要素と前記スタビライザバーの端部とを連結するスタビライザリンクと、
   を備えるサスペンション装置であって、
   左右車輪のサスペンション部材が互いに逆方向にストロークしたとき、車輪重量によって操舵の回転軸であるキングピン軸周りに発生するモーメントと、スタビライザリンク反力によりキングピン軸周りに発生するモーメントとが釣り合うように、キングピン軸とスタビライザリンク軸のなす角と、キングピン軸とスタビライザリンク軸の間の最短距離が設定されていることを特徴とするサスペンション装置。
2. 前記サスペンション部材の構成要素は、ショックアブソーバのシェルケースであることを特徴とする請求項１に記載のサスペンション装置。
3. 前記スタビライザリンクによる連結部がボールジョイントであることを特徴とする請求項１または２に記載のサスペンション装置。
4. 車輪を支持するナックルと、
   前記ナックルを車体に連結するロアアームと、
   前記ナックルと車体との間に配置され、前記ロアアームの揺動を減衰するショックアブソーバと、
   車体のロールを抑制するスタビライザバーと、
   前記ショックアブソーバのシェルケースと前記スタビライザバーの端部とを連結するスタビライザリンクと、
   前記ショックアブソーバの車体への連結点と、前記ナックルと前記ロアアームとの連結点とを結ぶキングピン軸と、
   を備えるストラット式サスペンション装置であって、
   左右車輪のショックアブソーバが互いに逆方向にストロークしたとき、車輪重量によって前記キングピン軸周りに発生するモーメントと、スタビライザリンク反力により前記キングピン軸周りに発生するモーメントとが釣り合うように、前記スタビライザリンクが配置されることを特徴とするストラット式サスペンション装置。

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