JP2005054847A - 粘性可変流体緩衝器 - Google Patents

Abstract

【課題】 粘性可変流体の抵抗力特性の範囲の増大を図って、衝突物体の減速度特性の改善を図ること。
【解決手段】 シリンダとこのシリンダ内にピストンを挿入し、前記シリンダには、その周囲壁に長手方向に間隙をおいて多数のオリフィス孔を設ける。この多数のオリフィス孔とピストンとで面積可変のオリフィスが形成される。それから、シリンダの外周で長手方向に粘性可変流体が流れる粘性可変流体の通路を構成し、この通路内を流れる粘性可変流体の粘性による抵抗可変効果発生用オリフィスを設ける。そして、この粘性可変流体の通路の一方を前記多数のオリフィス孔に、他方を加圧気体にて加圧された室にそれぞれ連通したこと。
【選択図】 図１

Description

この発明は、鉄道車両の連結器、航空機の着陸装置、エレベータ落下時の緩衝装置などに応用されている流体を用いた緩衝器に関する。

上記分野に応用されている緩衝器は、いずれの場合も衝突物体に生じる減速度をできるだけ軽減するように衝突エネルギを吸収する能力を持たなければならない。この種の緩衝器は、そのほとんどがシリンダとピストンの摺動による面積可変のオリフィスを有する構造であり、その抵抗力は動圧による抵抗力と復元ばねによる抵抗力を組み合わせたもの、もしくは動圧による抵抗力のみによるもので，衝突物体の質量・速度を想定して、この条件下で面積可変のオリフィスを決定し、衝突条件に合わせて抵抗力−ストロークの特性を設計していた。

しかしながら、動圧による抵抗力はシリンダに対するピストンの相対変位に依存する動圧抵抗係数と、同じくピストンの相対速度の二乗との積で表されるため、衝突直後の抵抗力は、衝突速度のみに依存して、衝突物体の質量の大小にかかわりなく同一であり、したがって軽量物体の減速度は重量物体のそれよりも著しく高くなるという本質的な欠点があった。

すなわち、従来の技術では、図５に流体を用いた従来の緩衝器の抵抗力特性を実線で示したように、軽量物体の抵抗力は、ストローク開始点では、破線で示した重量物体の場合の一定抵抗力と同一であるものの、ストロークの増加とともに減少する。したがって、図６に流体を用いた従来の緩衝器における衝突物体の減速度波形を示した線図において、実線で示したように、軽量物体の減速度は破線で示した重量物体の一定の減速度とは対照的に、ストローク開始から著しく大きく、その後急激に減少するのである。

ところで、緩衝器の設置の実例では、緩衝器に取り付けられた緩衝ゴムなどの緩衝体や衝突物体そのものの弾性によるエネルギ吸収によって、衝突直後の緩衝器の抵抗力は軽量物体の場合の方が重量物体の場合よりもいくぶん低下するが、緩衝器の本質的な欠点は改善されていない。

また、近年、ＥＲ流体（または電気粘性流体と称する）という電圧を印加することによってその粘性が変化する性質を利用して作動流体に用いた振動減衰のダンパの例（例えば、特許文献１）があるが、この場合の抵抗力は、ダンパ内に設けた電極をＥＲ流体が通る際の粘性による抵抗力と電極に電圧を印加した場合のＥＲ流体の粘性変化による抵抗力の変化を応用したものである。
特開平４−２１９５３６

しかし、電圧を印加しない場合の粘性可変流体緩衝器の抵抗力は、温度に依存するＥＲ流体粘性係数に比例するため、温度の変化によって変化してしまうこととなる。この温度による抵抗力の変化を印加電圧によるＥＲ流体の粘性変化の性質を利用して補正することもできるが、前記性質による抵抗力の最大値は、電極に印加しうる最大電圧によって制限されるので、ＥＲ流体を用いた緩衝器において温度変化の補正にこの抵抗力を充てることは、緩衝器の容量、すなわち最大吸収エネルギ量を減ずることになる。

ＥＲ流体を用いた振動減衰のダンパの場合と同様に、電流の増加減少による磁界の変化によって粘性が変化するＭＲ流体（または磁気粘性流体と称する）を作動流体に用いた振動減衰のダンパの場合においても、磁界を印加しない場合の粘性の抵抗力は、温度に依存するＭＲ流体粘性係数に比例するため、温度の変化によって変化してしまうこととなる。この温度による抵抗力の変化を印加電流によるＭＲ流体の粘性変化の性質を利用して補正することもできるが、前記性質による抵抗力の最大値は、最大電流によって制限されるので、ＭＲ流体を用いた緩衝器において温度変化の補正にこの抵抗力を充てることは、緩衝器の容量、すなわち最大吸収エネルギ量を減ずることになる。

一方、動圧による抵抗力は温度変化の影響を受けないので、ＥＲ流体又はＭＲ流体のような粘性可変流体を用いた緩衝器において温度変化の影響をできるだけ少なくするには、動圧による抵抗力を発生させる構造を組み込み、全抵抗力の中で無電界時または無磁界時の粘性抵抗力の占める割合をできるだけ少なくすることが肝要となる。

このような観点から問題の解決を図った例がＥＲ流体緩衝器（特許文献２）であり、電圧印加により変化する粘性抵抗力を発生させる構造と動圧抵抗力を発生させる構造を組み合わせたものである。
特開平８−２４７２０３

しかしながらその緩衝器においては、電圧印加により変化する粘性抵抗力を発生させる構造は、シリンダと摺動し得る中空ピストンロッドの内部に組み込まれているため、その全長が制限され、これによって緩衝器の容量、すなわち最大吸収エネルギ量には限界があった。

この発明は、粘性抵抗力を発生させる構造をシリンダの長さに影響を受けずに構成できるようにし、且つ緩衝器の衝突質量変化に対する緩衝器の抵抗力特性及び衝突物体の減速度特性の改善を図るものである。

この発明に係る粘性可変流体緩衝器は、シリンダとこのシリンダ内に挿入するピストンを有し、前記ピストンにはピストンロッドが設けられ、前記シリンダには、その周囲壁に長手方向に間隙をおいて多数のオリフィス孔を設け、この多数のオリフィス孔と前記ピストンとで面積可変オリフィスを形成され、さらに、前記シリンダの外周で長手方向に添って粘性可変流体の通路を形成し、この粘性可変流体の通路は、磁性材と多数個長手方向に順次配したコイルとケースにより構成し、この粘性可変流体の通路内に抵抗可変効果発生用オリフィスを持ち、その一端が前記オリフィス孔に、他端が加圧気体にて加圧された室にそれぞれに連通したことにある（請求項１）。

これによって、衝突物など大きな力が緩衝器に加えられた時、ピストンヘッド側室内の粘性可変流体は、多数のオリフィス孔により成る面積可変オリフィスを通り、さらに粘性可変流体の通路内を流れる。まず粘性可変流体が面積可変オリフィスを通る際に動圧による抵抗力が発生し、また粘性可変流体の通路を通る際に、コイルに印加される電流値に比例して生じた粘性により抵抗可変効果発生用オリフィスによって発生の粘性抵抗力及び復元ばねの抵抗力の和の抵抗力が発生する。前記粘性可変流体の通路は、シリンダの外側で長手方向に形成され、従来例よりも大きな長さが持たされ、充分な抵抗力特性範囲が得られることになり、小型大容量で減速制御特性の優れた緩衝器が得られる。

加圧気体にて加圧された室は、前記シリンダとケースより構成され、前記粘性可変流体の通路と連通すると共に、ピストンロッド側室に孔を介して連通され（請求項２）、また前記シリンダのピストンヘッド側室より延出して設けられ、内部にフリーピストンが配されてリザーバ室となり、該リザーバ室に前記粘性可変流体の通路と連通したことにある（請求項３）。これにより、粘性可変流体への加圧と、該粘性可変流体の逃げ空間となる。

前記粘性可変流体の通路を前記シリンダの長手方向で折り返して長手方向寸法の複数倍の長さとすることが出来る（請求項４）。これにより、抵抗力の変化範囲の拡大となり、減速制御が良好となる。

また、粘性可変流体として、電流値によって変化される磁気の変化で粘性が変化されるＭＲ流体（磁気粘性流体）を用いている（請求項５）。このＭＲ流体により可変抵抗力の範囲が拡大した。

抵抗可変効果発生用オリフィスとして、磁性材と、粘性可変流体の通路を構成する他の部材との隙間により形成される（請求項６）。この隙間にて粘性可変流体に抵抗力を与えることができる。

前記ピストンは、ピストンロッドが最も押し入れられた時に、前記オリフィス孔の全てが該ピストンの後端よりも前方に形成されていることにある（請求項７）。これにより、粘性可変流体が粘性可変流体の通路を必ず通ることになる。

さらに、前記コイルへの印加電流値を可変とすることで粘性可変流体の粘性を可変とすることができる（請求項８）。これにより加えられる力に比して抵抗力を可変でき、減速度を一定に保持することができる。

さらにまた、質量検出器を備え、この質量の検出値に比してコイルへの印加電流の値を変化させることで（請求項９）、質量の軽重があっても、粘性可変流体の通路の抵抗力の値が任意に変化させられるようになり、質量による減速度特性が変化しない効果が得られる。

この発明によれば、粘性可変流体の通路が、シリンダの外側で長手方向に形成され、従来例よりも長く構成でき、充分な抵抗力を得ることができる。しかも、必要により、粘性可変流体の通路を折り返し設けることで、抵抗力の範囲を更に拡大できる。即ち抵抗力の大容量化で減速特性の優れた小型の緩衝器が得られる。

また前記コイルへ印加する電流値を可変することで、粘性可変流体の通路通過時の流体の粘性を可変とすることができ、しかも、質量検知器からの値により電流値を変化させれば、受け止める質量の軽重があっても、抵抗力の値を変化させ、もって、減速度を理論的最低限度の値に出来るだけ近づくように設定することができる。

以下、実施例を図面にもとづいて説明する。

図１において、この発明の第１の実施例である緩衝器１が示され、該緩衝器は、シリンダ２が縦方向に配され、その内部にピストン４が摺動自在に挿入され、該ピストン４には、ピストンロッド５が固着され、前記シリンダ２より外部へ突出している。

また前記シリンダ２には、周囲壁に長手方向に適宜な間隙をあけて多数のオリフィス孔６が形成され、この多数のオリフィス孔６と前記ピストン４とにより面積可変オリフィス７が構成される。前記ピストン４と多数のオリフィス６との関係は、ピストン４が最も押し込まれてピストンヘッド側室９の容積を最小とする時でも、該ピストンの後端を越えないように構成されている。

この面積可変オリフィス７は、最軽量物体衝突時を想定して減速度が理論的最低限度に近づくように設定している。

粘性可変流体の通路１２は、前記シリンダ２の外周に設けられた磁性材より成る中間筒１３とその外側に配されるケース１４とより成り、前記中間筒１３は、径寸法を交互に変更することで、凹部１５ａと凸部１５ｂが多数連続的に縦方向に形成している。

前記凹部１５ａには、コイル１７が配され、また前記凸部１５ｂは、前記ケース１４との間で絞り作用を有する隙間が多数形成されている。この隙間の寸法は実験の結果から得られる。この隙間は粘性可変流体により抵抗可変効果発生用オリフィス１９となっている。

粘性可変流体の通路１２は、一方を前記オリフィス孔６と連通し、他方をシリンダ２の上方でケース１４とで形成の加圧気体にて加圧された室２０と連通している。この加圧気体にて付加された室２０は、加圧気体が粘性可変流体（ＭＲ流体）に圧力を加える作用をし、シリンダ２に形成の上方の孔２２を介してピストンロッド室２３に連通している。即ち、加圧気体は、ピストン４を上方へ動かす復元ばね作用をしている。

粘性可変流体の通路１５中を流れる粘性可変流体は、コイル１７に電流を印加することで励磁され、その粘性を変化させることができ、例えばＭＲ流体である。即ち、この通路１２の抵抗可変効果発生用オリフィス１８を通る際には大きな抵抗力が発生する。この抵抗力は、電流値の増加により増加する関係となっている。

コイルに印加する電流は、外部に設けられた制御回路２６から出力され、この制御回路２６の出力は、質量検出器２７から入力される質量の値によって変化される。
なお、緩衝体２９はゴム等で製造され、前記シリンダ２の上面に取付られ、落下する物体を受け止める際に使用される。

この発明の緩衝器１が落下する物体に対して緩衝作用を働かせる作用を説明すると、シリンダ２側をグランドに固定する。そして、物体が落下して緩衝体２９に当接すると、ピストン４がその物体を受け止め、該ピストン４は下方（ピストンヘッド方向）へ動く。

すると、ピストンヘッド側室９内に入っていた粘性可変流体は、まず面積可変オリフィス７において動圧による抵抗力が発生することから、落下時のエネルギーの一部が吸収され、そして粘性可変流体の通路１２を通ることで、更に粘性可変流体の粘性抵抗によって落下時のエネルギーの大部分が吸収される。この粘性抵抗を利用するに当たり、コイル１７に印加する電流値を予め定めておくことが必要である。即ち、軽量物体、重量物体が共に同じ減速度特性線図を得ることが必要だからである。

また落下する質量が最軽量から最重量までの任意の値の場合には、質量検出器（例えば重量計）からの検出信号を用いれば、コイル１７に印加する電流値を変化させ、最適な抵抗力が得られ、最適な減速特性線図が得られるものである。即ち、最軽量物体であれば、コイル１７の励磁は行われず、質量が増加するにつれて電流値が大きくなって、磁力が増大し抵抗力が増加する。

すなわち、図２にこの発明における緩衝器のシミュレーション計算結果による抵抗力特性を示した線図において、最軽量物体の衝突時では、緩衝器の抵抗力は細い実線で示したように、一転鎖線で示す動圧抵抗力、二点鎖線で示す粘性抵抗力、点線で示す復元ばねによる抵抗力の三つの和の抵抗力となる。

そして、最重量物体時に、抵抗力は太い実線で示すように、破線で示すＭＲ流体の粘性の変化による抵抗力を前記の細い実線で示す三つの和の抵抗力に加えた抵抗力となる。その結果、図３に示すシミュレーション計算結果による物体の減速度線図における最軽量物体と最重量物体の減速度は、ほぼ同一となる。

前記実施例では、粘性可変流体の通路１２は、一本の通路であるが、大容量の緩衝器の場合は、現在の通路の外側に新たなる通路を形成することで、大容量の抵抗力を有するものを作ることができる。

なお、この発明の緩衝器に粘性可変流体としてＭＲ流体を用いた例を説明してきたが、粘性可変流体としてＥＲ流体に置き替えて使用することも可能と思えるが、電界印加時のＥＲ流体の最大降伏せん断応力は、磁場印加時のＭＲ流体の最大降伏せん断応力の２０分の１程度に過ぎず、ＥＲ流体緩衝器は必然的に大型化することになり、その実用性はＭＲ流体緩衝器よりもかなり低くなる。

図４において、この発明の第２の実施例である緩衝器３０が示され、該緩衝器３０は、前記した第１の実施例の緩衝器１と基本的には変わらないので、均等部分に同一符号を付して説明を省略し、異なる部分を説明する。

この実施例２にあっては、シリンダ２の外周で適宜な間隙を有して磁性材の中間筒１３が設けられ、該シリンダ２との間に側室３２が形成されている。この側室３２は、その下方で前記した多数のオリフィス孔６を介して前記ピストンヘッド側室９に連通し、また、その上方で上方の孔２２を介してピストンロッド側室２３と連通している。

したがって、ピストンロッド５に下方への力が働くと、ピストンヘッド側室９が縮小し、粘性可変流体は、面積可変オリフィス７から側室３２に流出する。この粘性可変流体は、その一部が上方の孔２２及びオリフィス孔６を介してピストンロッド側室２３に入ると共に、残りは全て、粘性可変流体の通路１２を通り、抵抗可変効果発生用オリフィス１８にて絞られ、適宜な抵抗力が付加される。そして、粘性可変流体は、シリンダ２に形成の下方の孔３３を介してリザーバ室３４に流入する。このリザーバ室３４のフリーピストン３５を押圧し降下させる。

このように、粘性可変流体の通路１２を粘性可変流体が通過時に得られる抵抗力は、コイル１７に印加される電流値により決定され、その作用効果は前述した実施例１と同様である。

この発明の実施例１の縦断面図である。 この発明の抵抗力線図である。 この発明の衝突物体の減速度線図である。 この発明の実施例２の縦断面図である。 流体を用いた従来の緩衝器の抵抗力線図である。 流体を用いた従来の緩衝器における衝突物体の減速度線図である。

符号の説明

１ 緩衝器
２ シリンダ
４ ピストンチューブ
５ 密閉空間
７ プランジャチューブ
８ 第１の室
９ 第２の室
１１ オリフィス孔
１２ メータリングピン
１３ 面積可変オリフィス
１５ 粘性可変流体の通路
１６ 中間筒
１７ａ 凹部
１７ｂ 凸部
１９ コイル
２０ 抵抗可変効果発生用オリフィス
２４ リザーバ室
２６ 制御回路
２７ 質量検出器

Claims (9)

1. シリンダとこのシリンダ内に挿入するピストンを有し、前記ピストンにはピストンロッドが設けられ、前記シリンダには、その周囲壁に長手方向に間隙をおいて多数のオリフィス孔を設け、この多数のオリフィス孔と前記ピストンとで面積可変オリフィスを形成され、さらに、前記シリンダの外周で長手方向に添って粘性可変流体の通路を形成し、この粘性可変流体の通路は、磁性材と多数個長手方向に順次配したコイルとケースにより構成し、この粘性可変流体の通路内に抵抗可変効果発生用オリフィスを持ち、その一端が前記オリフィス孔に、他端が加圧気体にて加圧された室にそれぞれに連通したことを特徴とする粘性可変流体緩衝器。
2. 加圧気体にて加圧された室は、前記シリンダとケースにより構成され、前記粘性可変流体の通路と連通すると共に、ピストンロッド室に孔を介して連通したことを特徴とする請求項１記載の粘性可変流体緩衝器。
3. 加圧気体に加圧された室は、前記シリンダのピストンヘッド側室より延出して設けられ、内部にフリーピストンが配されて、リザーバ室となり、該リザーバ室に前記粘性可変流体の通路と連通したことを特徴とする請求項１記載の粘性可変流体緩衝器。
4. 前記粘性可変流体の通路は、前記シリンダの長手方向で折り返して長手方向寸法の複数倍としたことを特徴とする請求項１記載の粘性可変流体緩衝器。
5. 粘性可変流体として、電流値によって変化される磁気の変化で粘性が変化されるＭＲ流体（磁気粘性流体）を用いたことを特徴とする請求項１記載の粘性可変流体緩衝器。
6. 抵抗可変効果発生用オリフィスとして、磁性材と粘性可変流体の通路を構成する部材との隙間により形成したことを特徴とする請求項１記載の粘性可変流体緩衝器。
7. 前記ピストンは、ピストンロッドが最も押し入れられた時に、前記オリフィス孔の全てが該ピストンの後端よりも前方にシリンダに形成されていることを特徴とする請求項１記載の粘性可変流体緩衝器。
8. 前記コイルへ印加する電流値を可変とすることで粘性可変流体の粘性を可変とすることを特徴とする請求項１又は５記載の粘性可変流体緩衝器。
9. 質量検知器を備え、この質量の検出器に比してコイルへの印加する電流値を定めるようにしたことを特徴とする請求項８記載の粘性可変流体緩衝器。

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