JP2002005113A - シリンダ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ピストンに装着される軸受を薄肉化しても、
高い強度を有し、横荷重の作用による変形等を抑制する
ことができるようにする。 【解決手段】 ピストン２０の外周面に設けた円環状の
凹溝２０ａに装着される軸受２２は、内層２４，中間層
２５及び外層２６からなり、内層２４は鋼材で構成され
ており、最も厚みが大きいものであり、中間層２５は燒
結金属で形成され、外層２６はフッ化エチレン樹脂等の
ように、摩擦係数が小さく、摺動性が良好で、優れた耐
摩耗性を有する樹脂材から構成され、中間層２５は内層
２４に強固に固着され、外層２６が剥離しないようにす
る保持機能を発揮するためのものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば油圧アクチ
ュエータ等として用いられるシリンダ装置に関するもの
であり、特にシリンダ装置のピストンに装着され、シリ
ンダ本体の内面に沿って摺動する軸受の改良に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】シリンダ装置として、例えば油圧シリン
ダは、一般に、図５に示した構造となっている。同図に
おいて、１はシリンダ本体、２はピストン、３はピスト
ンロッドである。シリンダ本体１は、シリンダチューブ
４と、このシリンダチューブ４の一端を閉塞させるキャ
ップ５と、他端側に連結され、ピストンロッド３を導出
させるロッド導出部６とから構成される。

【０００３】ピストン２は、シリンダ本体１をボトム室
７とロッド室８とに区画形成するものであり、またシリ
ンダ本体１のキャップ５及びロッド導出部６には、それ
ぞれ流路９，１０が設けられている。一方側の流路から
圧油を導入し、他方側の流路をタンクに接続することに
よって、ピストン２がボトム室７とロッド室８との間に
生じる差圧によりシリンダチューブ４の内面を摺動変位
することになる。その結果、ピストン２に連結したピス
トンロッド３は、シリンダ本体１から伸長したり、縮小
したりすることになる。そして、キャップ５及びピスト
ンロッド３の先端には、それぞれ取付部１１，１２が設
けられており、これら各取付部１１，１２に連結ピンを
介して種々の部材に連結される。例えば、油圧ショベル
には、旋回フレームにブーム，アーム，バケット等から
なる作業機が装着されるが、旋回フレームとブームとの
間、ブームとアームとの間、アームとバケットとの間に
それぞれ前述した構成のシリンダ装置が連結され、これ
ら各シリンダ装置に圧油を給排することによって、作業
機が駆動されることになる。

【０００４】図６にピストン２とシリンダチューブ４と
の間の摺動部を拡大して示す。この図から明らかなよう
に、ピストン２の外周面はシリンダチューブ４の内面と
は直接摺動するのではなく、ピストン２に軸受１３が装
着されて、この軸受１３がシリンダチューブ４の内面を
摺動することになる。このために、ピストン２には円環
状の凹溝２ａ（図示したものにあっては、前後２箇所の
凹溝）が形成されており、これらの凹溝２ａに軸受１３
が装着される。また、ピストン２には軸受１３の装着部
を挟んだ両側の位置に一対の凹溝２ｂが形成されてお
り、これら各凹溝２ｂにはシール部材１４が装着され
る。

【０００５】前述したように、ピストン２に軸受１３が
設けられるのは、ピストン２が直接シリンダチューブ４
に接触しないようにするためである。ここで、ピストン
２及びシリンダチューブ４は共に高い強度を必要とする
ので、それらは鋼材で構成される。また、シリンダチュ
ーブ４の内面の硬度を高くすることは加工上困難を伴う
ことになる。従って、ピストン２及びシリンダチューブ
４のヤング率の差が殆どないために、ピストン２を直接
シリンダチューブ４と摺動させると、その摺動部にかじ
りや焼き付き等による損傷が生じることになる。以上の
ことから、ピストン２とシリンダチューブ４とは相互に
接触しないように保持し、ピストン２に装着した軸受１
３をシリンダチューブ４の内面と摺動させるようにする
のが一般的である。ここで、軸受１３が備えなければな
らない特性としては、摩擦係数が小さいこと、耐摩耗性
が良好であること、できるだけ柔らかい材質のものであ
ること等である。そこで、軸受１３の材質としては、布
入りフェノール樹脂を用いるのが一般的である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】軸受はピストンに強固
に固定されていなければならない。このために、軸受が
装着される凹溝の深さを大きくする必要があり、しかも
ピストンがシリンダチューブに接触するのを確実に防止
するために、軸受のピストン表面からの突出長さをある
程度大きくして、ピストン外面とシリンダチューブ内面
との間に所定の間隔を持たせなければならない。前述し
たように、シリンダ装置を油圧ショベルの作業機を駆動
するための手段として用いる場合等には、このシリンダ
装置に作用する荷重は極めて大きく、しかも様々な方向
に荷重が作用する。従って、軸受には極めて大きな横荷
重が繰り返し作用することになる結果、ヤング率が小さ
く、柔らかい部材で構成される軸受が圧縮変形されるこ
とになる。たとえ布により強化されているにしても、フ
ェノール樹脂からなる軸受に対して、このように繰り返
し圧縮変形されると、復元力が低下することになり、や
がては破損に至るというように、軸受の耐久性に問題が
ある。また、軸受が圧縮変形すると、ピストンの外面が
シリンダチューブ内面に近接するようになり、特に繰り
返しの圧縮変形により軸受の復元力が低下した状態で、
大きな横荷重が作用しながらピストンが変位すると、こ
のピストンの外面がシリンダチューブ内面と接触してか
じりや焼き付き等が生じる。そうなると、ピストンに設
けたシール部材が損傷するおそれがあり、また摩耗粉が
発生して、作動油を汚損する等という問題点も生じる。

【０００７】軸受の強度を向上させ、かつピストンとシ
リンダチューブとの接触を防止するために、軸受の厚み
寸法を大きくし、ピストンの外面とシリンダチューブの
内面との間の間隔を大きくすることが考えられる。しか
しながら、そうすると、ピストンの外周面に設ける凹溝
の加工が面倒になり、またシリンダ本体におけるボトム
室とロッド室との間を区画するためのシール部材の撓み
代を大きくしなければならず、このためにシール機能が
低下する等といった問題点が生じる。

【０００８】本発明は以上の点に鑑みてなされたもので
あって、その目的とするところは、ピストンに装着され
る軸受を薄肉化しても、高い強度を有し、横荷重の作用
による変形等を抑制することができるようにすることに
ある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前述した目的を達成する
ために、本発明は、シリンダ本体内に、外周に凹溝を形
成して、この凹溝にリング状の軸受を装着したピストン
を摺動可能に設け、このピストンによりシリンダ本体の
内部を２室に区画形成するようになし、このピストンに
連結したピストンロッドをシリンダ本体から外部に導出
させたシリンダ装置であって、前記軸受は、金属層で形
成した内層に、燒結金属からなる中間層を積層し、また
この中間層には摺動性の良好な樹脂からなる外層を積層
した３層構造となし、この外層を構成する樹脂は中間層
を構成する燒結金属に含浸させる構成としたことをその
特徴とするものである。

【００１０】ここで、外層を構成する樹脂は、摩擦係数
が小さいもので、シリンダチューブの内面に対する摺動
性が良好なものであれば良く、従来技術で用いられてい
るフェノール樹脂等も用いることができるが、摺動性等
の特性を重視すれば、フッ化エチレン樹脂がその材質と
して好適である。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図１乃至図４に基づいて本
発明の実施の一形態について説明する。まず、図１に
は、ピストンのシリンダチューブへの摺接部の断面を示
す。図中において、２０はピストン、２１はシリンダチ
ューブであり、ピストン２０の外周面には、前後２箇所
にわたって円環状の凹溝２０ａ，２０ａが形成されてお
り、これら両凹溝２０ａにはリング状に形成した軸受２
２が装着される。また、軸受２２，２２を挟むように前
後の位置にシール部材２３が装着される円環状の凹溝２
０ｂが設けられている。以上の点、及びシリンダ装置の
全体構成については、前述した従来技術で説明したもの
とは格別の差異はない。

【００１２】ここで、軸受２２は、図２に示したよう
に、内層２４，中間層２５及び外層２６からなる３層構
造となっている。内層２４は金属、特に強度の高い鋼材
で構成されており、この内層２４は裏金として機能する
強度部材であり、最も厚みが大きい。また、内層２４の
外周面に積層した中間層２５は燒結金属で形成されてお
り、この中間層２５は鋼材からなる内層２４に強固に固
着され、外層２６が剥離しないように保持する機能を発
揮させるためのものである。さらに、外層２６は、例え
ばフッ化エチレン樹脂等のように、摩擦係数が小さく、
摺動性が良好で、優れた耐摩耗性を有する樹脂材から構
成され、この外層２６は中間層２５の外面に積層されて
所定の厚みを有する単独の層を形成するだけでなく、多
孔質の燒結金属からなる中間層２５の内部にも含浸させ
ている。これによって、外層２６と中間層２６とは明確
な境界部のない一体不可分の状態となる。

【００１３】軸受２２は、その内層２４の大半の部分が
ピストン２０の凹溝２０ａに嵌合しており、シリンダチ
ューブ２１に対して直接摺接するのは外層２６のみであ
る。ここで、シリンダチューブ２１の内面に沿って摺動
し、しかも極めて大きな横荷重が作用することもある。
ただし、摺動性が良好で、しかもシリンダチューブ２１
に対してヤング率に大きな差を持たせなければならない
のは、この外層２６だけであり、中間層２５及び内層２
４はについては、このような特性を持たせる必要はな
い。また、シリンダチューブ２１の内面に対する馴染み
性等を良好にするために、ある程度の柔らかさが要求さ
れるのも、外層２６である。

【００１４】外層２６をフッ化エチレン樹脂で構成した
のは、以上の特性を持たせるためである。このフッ化エ
チレン樹脂は摩擦係数が小さく、高い強度を持たせる必
要から鋼材で形成されるシリンダチューブ２１に対する
摺動性が極めて良好である。また、鋼材からなるシリン
ダチューブ２１と外層２６を構成するフッ化エチレン樹
脂とのヤング率を比較すると、前者の方が数十倍乃至数
百倍というように、ヤング率の差が極めて大きいものと
なる。従って、摺動時にかじりや焼き付き等が発生する
ことはない。しかも、このように柔軟な部材あるが故
に、軸受２２の外層２６はシリンダチューブ２１に対す
る馴染み性が良好である。そして、外層２６として要求
される以上のような特性は、この外層２６の厚みを極薄
くしたとしても十分に発揮することになる。

【００１５】これに対して、内層２４は軸受２２におけ
る強度部材であり、ピストン２０の凹溝２０ａに嵌合さ
せた状態で確実に固定的に保持され、かつシリンダ装置
に作用する横荷重に対して高い耐変形性、形状保持機能
を発揮させるためのものである。このように、内層２４
は強度部材であることから、その厚み寸法は外層２６及
び中間層２５より十分大きくし、その大部分が凹溝２０
ａ内に嵌合するように構成する。これによって、軸受２
２の厚みを薄くしても、ピストン２０に対する固定性が
良好となる。

【００１６】内層２４に外層２６を直接積層させるので
はなく、間に燒結金属からなる中間層２５を介在させて
いる。内層２４を構成する鋼材に直接外層２６を構成す
る樹脂材を積層させたのでは、層間の固着強度が十分で
なく、シリンダチューブ２１との摺動時に層間の剥離が
生じることがある。中間層２５を燒結金属で形成するこ
とによって、つまり内層２４に直接燒結することによっ
て、内層２４と中間層２５との固着強度は極めて高くな
る。そして、中間層２５は多孔質の部材であるから、そ
の表面に樹脂を積層させると、中間層２５内に樹脂があ
る程度含浸されることになり、この積層体の固着強度が
著しく高くなり、層間剥離が生じることはない。従っ
て、内層２４と外層２６との間に介装されている中間層
２５は、層間剥離を防止する機能を発揮する。このため
に、中間層２５の厚み寸法は、この層間剥離防止機能を
発揮させることができる程度の厚みとすれば良い。

【００１７】以上のことから、３層構造の軸受２２は、
内層２４が最も厚みが大きく、次いで中間層２５、外層
２６の順に厚みを薄くすることができる。そして、内層
２４の厚み寸法は軸受２２全体の厚みの８０％以上とす
るのが望ましい。例えば、内層２４の厚みを２ｍｍとし
た時に、中間層２５の厚みは０．２ｍｍ程度で良く、さ
らに外層２６の厚みは０．１ｍｍ程度の極薄のもので良
い。なお、前述した外層２６の厚み寸法は、中間層２５
内に含浸されている部分は含まない。このように、軸受
２２は内層２４が大半の厚みを占めることから、この軸
受２２の全体のヤング率は実質的に内層２４のヤング率
に近いものとなる。

【００１８】このように、軸受２２におけるシリンダチ
ューブ２１に対する摺動面の摺動抵抗が小さくなるの
で、ピストン２０は極めて円滑に作動し、また摩耗が著
しく低減される。しかも、軸受２２全体は高ヤング率を
有することから、シリンダ装置にたとえ極めて大きな横
荷重が作用しても、軸受２２が圧縮変形されることはな
い。従って、ピストン２０とシリンダチューブ２１との
間隔を適正に保つことができる。

【００１９】而して、図３に示したように、荷重が作用
していない時における軸受２２によりピストン２０の外
面と、シリンダチューブ２１の内面との間隔をδとした
時において、この軸受２２に横荷重、つまり厚み方向に
圧縮する力が作用したとして、この荷重による軸受２２
の変形量は、軸受２２全体のヤング率から、図４に実線
で示したようになる。従って、シリンダ装置に作用する
最大荷重をＬ_max とした時に、間隔δ分に相当する変形
量となる横荷重をこの最大荷重Ｌ_max 以上に設定するこ
とにより、最大横荷重が作用している状態で、ピストン
２０が摺動しても、ピストン２０とシリンダチューブ２
１とが直接接触することはない。従って、その間でかじ
りや焼き付き等が発生するおそれはない。一方、図４に
布入りフェノール樹脂で軸受を形成した場合における横
荷重に対する変形量が点線で示されており、この軸受を
布入りフェノール樹脂のヤング率は小さいので、横荷重
が作用すると、容易に変形することになる。従って、ピ
ストンとシリンダチューブとの間の接触のおそれが極め
て高くなる。

【００２０】以上のことから、軸受２２を用いると、ピ
ストン２０とシリンダチューブ２１との間隔δを小さく
することができ、また全体としての軸受２２の厚み寸法
を小さくしても、十分な強度なり耐久性なりを保持でき
るようになる。このように、間隔δを小さくできると、
ピストン２０の凹溝２０ｂに装着されるシール部材２３
によるシールしなければならない隙間が小さくなる。従
って、シール部材２３のシール性能が向上し、ボトム室
とロッド室との間の液密性が極めて高くなり、内部リー
クの問題が生じない。また、軸受２２の厚み寸法を小さ
くできることから、ピストン２０の外周面に形成される
凹溝２０ａの加工も容易になる。

【００２１】

【発明の効果】本発明は以上のように構成したので、ピ
ストンに装着される軸受を薄肉化させても、その本来の
機能を低下させることなく、しかも高い強度を有し、横
荷重の作用による変形等を抑制できる等の効果を奏す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態を示すシリンダ装置の要
部断面図である。

【図２】図１の軸受の切断部端面図である。

【図３】図１の要部拡大図である。

【図４】従来技術の軸受と共に示す本発明の軸受の横荷
重に対する変形量を示す線図である。

【図５】従来技術によるシリンダ装置の半断面図であ
る。

【図６】図５のシリンダ装置の要部拡大断面図である。

【符号の説明】

２０ ピストン ２０ａ，２０ｂ 凹溝 ２１ シリンダチューブ ２２ 軸受 ２４ 内層 ２５ 中間層 ２６ 外層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉本 光宏 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機株 式会社土浦工場内 Ｆターム(参考） 3H081 AA03 BB02 CC04 CC24 DD02 EE20 EE21

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリンダ本体内に、外周に円環状の凹溝
   を形成して、この凹溝にリング状の軸受を装着したピス
   トンを摺動可能に設け、このピストンによりシリンダ本
   体の内部を２室に区画形成するようになし、このピスト
   ンに連結したピストンロッドをシリンダ本体から外部に
   導出させたシリンダ装置において、 前記軸受は、金属材で形成した内層に、燒結金属からな
   る中間層を積層し、またこの中間層には摺動性の良好な
   樹脂からなる外層を積層した３層構造となし、この外層
   を構成する樹脂は中間層を構成する燒結金属に含浸させ
   る構成としたことを特徴とするシリンダ装置。
2. 【請求項２】 前記外層を構成する樹脂はフッ化エチレ
   ン樹脂であることを特徴とする請求項１記載のシリンダ
   装置。