JP2004360884A - 空気ばね - Google Patents

Abstract

【課題】軸線方向の伸縮変形に対して非線形のばね特性をもたらす。
【解決手段】ピストン１および、このピストン１より大径のシェル２のそれぞれに、円筒状のダイアフラム３のそれぞれの端部分を、中間部での内外反転姿勢で気密に連結するとともに、シェル２に取付けた外筒４を、内外反転姿勢のダイアフラム３の外周面に接触させてなり、外筒４とピストン１との間隔を、外筒４の、すくなくとも中間部分から遊端に向けて漸減させてなる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、各種の車両や、産業機械、精密機械等の防振支持装置として適用できる空気ばね、なかでも、ダイヤフラム形の空気ばねに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のダイアフラム形空気ばねとしては、図１０（ａ），（ｂ）に縦断面図および底面図で示すように、ピストン２１および、このピストンより大径のシェル２２のそれぞれの外側に、多くは補強ゴム膜からなる、円筒状のダイアフラム２３のそれぞれの端部を、それの中間部での内外反転姿勢で気密に連結し、そして、シェル２２に取付けた、剛性材料からなる外筒２４を、内外反転姿勢の、所要の内圧を充填したダイアフラム２３の外周面に接触させて構成したものがある。
なお、図中２５は、シェル２２に設けた空気充填口を示す。
【０００３】
このような空気ばねの、ピストン２１とシェル２２とが接近および離隔する方向の、図の上下方向のばね特性は、それのピストン２１およびシェル２２と、ダイアフラム２３とで画成される空気室２６への充填圧力と、その容積と、横断面内の有効受圧径および受圧面積変化率とで特定されることになり、この受圧面積は、ダイアフラム２３の、反転外側の直径とピストン外径とによって、また、ダイアフラム２３の上記反転直径は、外筒内径によってそれぞれ決まることになるので、図示の空気ばねのように、ピストン外径および外筒内径のそれぞれを、ダイアフラムの反転部位のストローク域の全体にわたって一定としたときは、上下方向のばね特性は、図１１に例示するようなほぼ線形となる。
【０００４】
また、かかる空気ばねの、縦断面内の有効受圧面積で決まる、水平面内のばね特性は、その有効受圧面積が、ピストン２１および外筒２４の全周にわたって一定であることにより、どの方向に対しても一定となる。
【０００５】
このような一般的な空気ばねに対し、近年は、空気ばねの用途との関連において、たとえば、上下方向のばね特性を非線形なものとしたり、水平面内のばね特性を、変形方向に応じて変化させたりすることが要求されることがある。
【０００６】
これがため、たとえば、特開平９−１１８９８号公報には、支持用のゴム積層体と、ゴムベローズで囲繞してなる気体室とを軸線方向を揃えて上下に連結してなる車両用の空気ばねにおいて、支持用ゴム積層体の、車両の前後方向への変形を十分に許容する一方で、左右方向への変形を拘束する拘束手段を設けたものが提案されており、また、特開２０００−２２０６８０号公報には、空気ばねの上蓋とシェラパックの下端を前後方向で薄板によって接続し、この薄板を、シェラパックの下端に対して回転が自在なように取付けた空気ばねが提案されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平９−１１８９８号公報
【特許文献２】
特開２０００−２２０６８０号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
これらの空気ばねによれば、水平面内のばね特性において、前後方向のばね定数に比して左右方向のばね定数を高めることが可能になるも、それらによれば、左右方向のばね定数を高めるための、拘束手段または薄板という別添部材の付設が必須となるという、構造上および製造工数上の問題があった他、前後および左右方向のそれぞれのばね定数に対して、それらの両方向の中間方向のばね定数を連続的に変化させることができないという問題があった。
【０００９】
この発明は、従来技術が抱えるこのような問題点を解決することを課題としてなされたものであり、それの主たる目的は、軸線方向の伸縮変形に対して、所期した通りの非線形のばね特性をもたらすことができる空気ばねを提供するにあり、他の目的は、軸線方向と直交する平面内での相対変形に対し、特別の付設部材なしに、ばね特性を所要に応じて変化させることができ、併せて、ばね特性を、周方向で連続的に変化させることができる空気ばねを提供するにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る空気ばねは、ピストンおよび、このピストンより大径のシェルのそれぞれに、コード補強したゴム膜よりなる円筒状のダイアフラムのそれぞれの端部分を、中間部での内外反転姿勢で気密に連結するとともに、シェルに取付けた、剛性材料よりなる外筒を、内外反転姿勢の、所要の内圧を充填したダイアフラムの外周面に接触させたものであり、外筒内周面とピストン外周面との間隔を、外筒の、少なくとも中間部分から遊端に向けて、たとえばその遊端に至るまで漸減もしくは漸増させたものである。
【００１１】
ここで、両周面の間隔のこの漸減もしくは漸増は、外筒の内径を、少なくともそれの中間部分から遊端に向けて漸減もしくは漸増させることによって行うことが好ましい。
すなわち、空気ばねの組立てに当っては、ダイヤフラムの、ピストンおよびシェルへの連結の後に外筒の取付けを行うことが一般的であるので、外筒の内径を変化させるときは、空気ばねの他の構成部材はそのままに、外筒だけを変更することで空気ばねのばね特性を所要に応じて調整することが可能となる。
これに対し、ピストンの外径を、シェルとは反対側の端縁に向けて漸増もしくは漸減させる場合には、ばね特性の調整のために、所要のばね特性に応じた多数種類のピストン、シェル、ダイヤフラムおよび外筒を予め準備することが必要になる。
【００１２】
なおこの場合の、外筒の内外径の変化は、それを、テーパ状に変化させることによって行わせ得ることはもちろん、ピストン側へ凸曲面もしくは凹曲面となるように径変化させて行わせることもできる。
【００１３】
このような空気ばねにあって、外筒とピストンとの間隔を、均一外径のピストンに対し、外筒内径の減少もしくは増加によって漸次変化させた場合には、空気ばねの、軸線方向の伸長変形によって、ダイアフラムの反転部位が外筒の端縁方向に変位するに当って、空気ばねの有効受圧面積が次第に減少もしくは増加することことになるので、図１０に示す従来技術のように、有効受圧面積が一定で、ばね定数が一定である場合に比し、ばね定数を適宜の非線形状に減少または増加させることができ、結果として、非線形のばね特定を容易に実現することができる。
【００１４】
この発明に係る他の空気ばねは、とくに、外筒とピストンとの間隔を、外筒の、少なくとも中間部分から遊端に向けて、好ましくは外筒に対する加工によって、順次に漸減および漸増または、順次に漸増および漸減させてものである。
なおここで、順次に漸減および漸増というときは、文字通り、漸減の終了後、直ちに漸増させる場合の他、漸減状態を特定の範囲にわたって維持した後に漸増させる場合をも含むものとし、このことは、順次に漸増および漸減させるに当ってもまた同様であって、漸増状態を特定範囲にわたって保つこともできる。
これによれば、空気ばねのたとえば伸長変形に際するばね特性を、その変形の途中で、複数回にわたって非線形状に変化させることができる。
【００１５】
また、この発明に係るさらに他の空気ばねは、とくに、外筒の内面形状もしくは、ピストンの外面形状を、それの横断面内でほぼ楕円状もしくは長円状としたものである。
【００１６】
この空気ばねでは、軸線と直交する平面内での空気ばねの変形に当り、ピストンと外筒との間隔が狭い方向への変形に対しては軸方向の断面積が大きくなる結果として大きいばね定数を、そして間隔の広い方向への変形に対しては小さいばね定数をそれぞれもたらすことができ、また、それらの両方向の中間方向への変形に対してはばね定数を連続的に変化させることができる。
【００１７】
従って、これによれば、特別の付設部材なしに、軸線と直交する面内のばね特性を、変形方向に応じて所期した通りに変化させることができ、しかも、そのばね特性を、ピストンの周りで連続的に変化させることができる。
【００１８】
なおここで、上述したところに加えて、外筒とピストンとの間隔を、外筒の、少なくとも中間部分から遊端に向けて、これも好ましくは外筒に対する加工によって、漸減もしくは漸増させた場合には、空気ばねの軸線と直交する平面内での、ばね特定を上述したように変化させることに加えて、それの伸縮変形に際するばね特性を所要に応じて非線形化することができる。
【００１９】
そしてさらに、上述したところのいずれかにおいて、ピストンおよびシェルのそれぞれに、ショックアブソーバのシリンダ側およびピストン側のそれぞれを所要の側で気密に連結した場合には、空気ばねを、車両のサスペンション装置として機能させることができ、所要のばね特性をもたらすことができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下にこの発明の実現の形態を図面に示すとこらに基づいて説明する。
図１はこの発明の実施の形態を示す縦断面図および底面図である。
図中１は、平面輪郭形状が円形をなす底壁付きのピストンを、２は、このピストン１より大径のシェルをそれぞれ示す。
【００２１】
ここでは、コード補強層を埋設したゴム膜よりなる円筒状のダイアフラム３のそれぞれの端部分を、それの中間部での内外反転姿勢で、ピストン１の、図では上端部外周面およびシェル２のそれぞれに気密に連結し、そしてまた、これもシェル２に取付けた、剛性材料よりなる外筒４を、所要の内圧を充填したダイアフラム３の、内外反転姿勢の下での外周面に接触させて、そのダイアフラム３の反転外側部分の、半径方向への膨出変形を拘束する。
なおこの図に示すところでは、ダイアフラム３の、シェル２への取付けを、そこへの、外筒４のかしめ固定と併せて行っているが、ダイアフラム３の取付けと、外筒４の固定とを別個独立に行うこともできる。
【００２２】
加えてここでは、このような外筒４を、それの中間部分から遊端に向けて、内径がテーパ状に漸減する形状に構成し、これにより、空気ばねの伸縮変形に当っての、ダイアフラム３の反転部位３ａの変位域の全体で、外筒内周面とピストン外周面との間隔を、外筒４の遊端側に向けて次第に減少させる。
なおここで、外筒４の内径は、それのほぼ全長にわたって漸変させることもでき、この一方で、ダイアフラム３の反転部位３ａの変位域の一部分でのみ漸変させることができる。
【００２３】
ところで、図中５は、シェル２に設けられて、ピストン１およびシェル２と、ダイアフラム３とで区画される空間内へ加圧空気を充填する空気充填口を示す。
【００２４】
このように構成してなる空気ばねにおいて、それが軸線方向の引張力を受けて伸長変形するときは、空気ばね内圧の減少の下で、ダイアフラム３の反転部位３ａが、次第に図の下方へ相対変位することになり、これに伴う、外筒４のいわゆる絞り作用に基づいて、空気ばねの有効受圧径Ｄ、ひいては、有効受圧面積が次第に減少することになる。
【００２５】
ここで、有効受圧面積のこのような減少は、式（１）で示すばね定数の式において、
【数１】

【外１】

を負の値とすることになって、空気ばねのばね定数の低下をもたらすことになり、この場合のばね力は、図２に模式的に示すように、伸長変形の全域にわたり、その伸長変形量の増加につれて非線形的に低下することになる。
これに対し、空気ばねが圧縮変形されるときは、逆に有効受面積が次第に増加することになるので、ばね定数は漸次増加されることになる。
【００２６】
これに対し、外筒４の内形を、図３（ａ）に示すように、外筒４の遊端の近傍部分でのみテーパ状に漸減させることにより、空気ばねの伸長量が大きくなってはじめて、ダイアフラム３の反転部位３ａが、外筒４のテーパ状の内面による拘束を受けるよう構成した場合には、空気ばねのばね力は、図３（ｂ）に模式的に示すように、そのテーパ状の内面に反転部位３ａが接触した後の伸長変形部分においてのみ非線形状に低下されることになる。
【００２７】
図４に示す他の実施形態は、図１に示す空気ばねにショックアブソーバを付設したものであり、この図に示すところでは、ショックアブソーバ６のロッド６ａを、シール部材７を介してシェル２に気密に連結する一方で、それのシリンダ６ｂの中間部を、シール部材８を介してピストン１に気密に連結している。
【００２８】
このように構成してなる空気ばねは、車両のサスペンション装置として用いることができ、この場合、ばね特性の、上述したような非線形性は、適度にやわらかいばね特性の下で、車両への乗心地を高めることができる。
【００２９】
図５（ａ）に示す空気ばねは、図１に示すところとは逆に、外筒４を、それの中間部分から遊端に向けて、内径がテーパ状に漸増する形状に構成して、空気ばねの伸長変形に際して反転部位３ａが変位する領域の全体にわたって、外筒内周面とピストン外周面との間隔を、外筒４の遊端側に向けて次第に増加させたものである。
この空気ばねによれば、それの伸長量が大きくなるにつれて有効受圧面積が次第に増加することから、図５（ｂ）に示すような、ばね力の非線形状の増加が実現されることになる。
【００３０】
また図６（ａ）に示す空気ばねは、外筒４の内径を、それの遊端の近傍部分でのみテーパ状に漸増させたものである。これによれば、図６（ｂ）に示すように、空気ばねの伸長変形量が所定量を越えた後に、ばね力を非線形状に高めることができる。
【００３１】
図７は他の実施形態を示す縦断面図であり、図７（ａ）に示すものは、外筒４の中間部分から遊端に向けて、それの内径の漸減域４ａ、均等域４ｂおよび漸増域４ｃを順次に設け、空気ばねの伸長変形に際する、ダイヤフラム３の反転部位３ａの変位域の全体を、それらのいずれかの領域をもってカバーしたものである。
【００３２】
また図７（ｂ）に示す空気ばねは、外筒４の中間部分から遊端に向けて、その内径の漸増域４ｄ、均等域４ｅおよび漸減域４ｆを順次に設けて、空気ばねの伸長変形時における、反転部位３ａの変位をそれらのいずれかの領域内にて行わせるものである。
【００３３】
前者の空気ばねによれば、それのばね力を、伸長変形量の増加に伴って図８（ａ）に示すように、また後者の空気ばねによれば、ばね力を図８（ｂ）に示すように変化させることができる。
【００３４】
図９は、さらに他の実施形態を示す縦断面図および底面図であり、これは、ほぼ円筒形状をなすピストン１に対し、外筒４の横断面形状をほぼ楕円形とし、それの長軸および短軸のそれぞれの長さを、外筒４の全長にわたって一定としたものである。
【００３５】
これによれば、空気ばねの図の水平面内での変形のうち、図に矢印Ａで示すように、ピストン１と外筒４との間隔がが狭い方向への変形に対してはばね定数を大きく、また、矢印Ｂで示すように、間隔が広い方向への変形に対してはばね定数を小さくすることができ、それらの方向の中間方向への変形に対しては、ばね定数を、連続的に漸次変化させることができる。
なおここで、外筒４に代えてピストン１の横断面形状を、それのほば全長にわたって、一定寸法の楕円形とすることもできる。
【００３６】
ところで、この実施形態において、外筒４の楕円寸法を、その遊端側に向けて次第に小さくもしくは大きくした場合には、空気ばねの伸縮変形に際するばね特性を非線形なものとすることができ、このことは、ピストン１の横断面形状を楕円形とした場合にあって、その楕円寸法を、外筒４の先端側に向けて次第に大きくもしくは小さくした場合もまた同様である。
【００３７】
【発明の効果】
以上述べたところから明らかなように、この発明によれば、とくに、外筒とピストンとの間隔を、外筒の端縁に向けて漸減もしくは漸増させることにより、または、外筒の遊端側に向けて、間隔の漸減部分と漸増部分とを所要の順序で配設することにより、空気ばねの伸縮変形に際し、所要に応じた非線形ばね特性をもたらすことができる。
また、外筒の内面形状もしくはピストンの外面形状を、それの横断面内でほぼ楕円状もしくは長円状とすることで、特別の付設部材なしに、軸線と直交する平面内のばね特性を所要に応じて変化させることができるとともに、ばね特性を、周方向へ連続的に変化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態を示す縦断面図および底面図である。
【図２】図１に示す空気ばねのばね力の変化を模式的に示す図である。
【図３】図１に示す空気ばねの変形例を示す。
【図４】他の実施形態を示す図である。
【図５】他の実施形態を示す図である。
【図６】他の実施形態を示す図である。
【図７】さらに他の実施形態を示す図である。
【図８】図７に示す空気ばねのばね力の変化を模式的に示す図である。
【図９】さらに他の実施形態を示す図である。
【図１０】従来技術を示す縦断面図および底面図である。
【図１１】図１０に示す空気ばねのばね力の変化を模式的に示す図である。
１ ピストン
２ シェル
３ ダイアフラム
３ａ 反転部位
４ 外筒
４ａ 漸減域
４ｂ 均等域
４ｃ 漸増域
４ｄ 漸増域
４ｅ 均等域
４ｆ 漸減域
５ 空気充填口
６ ショックアブソーバ
６ａ ロッド
６ｂ シリンダ
７，８ シール材
Ｄ 有効直径

Claims (6)

1. ピストンおよび、このピストンより大径のシェルのそれぞれに、円筒状のダイアフラムのそれぞれの端部分を、中間部での内外反転姿勢で気密に連結するとともに、シェルに取付けた外筒を、所要の内圧を封入した、内外反転姿勢のダイアフラムの外周面に接触させてなる空気ばねであって、
   外筒とピストンとの間隔を、外筒の、すくなくとも中間部分から遊端に向けて漸減もしくは漸増させてなる空気ばね。
2. 外筒の内径を、少なくともそれの中間部分から遊端に向けて漸減もしくは漸増させてなる請求項１に記載の空気ばね。
3. ピストンおよび、このピストンより大径のシェルのそれぞれに、円筒状のダイアフラムのそれぞれの端部分を、中間部での内外反転姿勢で気密に連結するとともに、シェルに取付けた外筒を、所要の内圧を封入した、内外反転姿勢のダイアフラムの外周面に接触させてなる空気ばねであって、
   外筒とピストンとの間隔を、外筒の、少なくとも中間部分から遊端に向けて順次に漸減および漸増または、順次に漸増および漸減させてなる空気ばね。
4. ピストンおよび、このピストンより大径のシェルのそれぞれに、円筒状のダイアフラムのそれぞれの端部分を、中間部での内外反転姿勢で気密に連結するとともに、シェルに取付けた外筒を、所要の内圧を封入した、内外反転姿勢のダイアフラムの外周面に接触させてなる空気ばねであって、
   外筒の内面形状もしくはピストンの外面形状を、それの横断面内でほぼ楕円状もしくは長円状としてなる空気ばね。
5. 外筒とピストンとの間隔を、外筒の、少なくとも中間部分から遊端に向けて漸減もしくは漸増させてなる請求項４に記載の空気ばね。
6. ピストンおよびシェルのそれぞれに、ショックアブソーバのシリンダ側およびロッド側を所要の側で気密に連結してなる請求項１〜５のいずれかに記載の空気ばね。

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