JP2007092926A

JP2007092926A - ショックアブソーバ

Info

Publication number: JP2007092926A
Application number: JP2005284987A
Authority: JP
Inventors: Yohei Katayama; 洋平片山; Hiroshi Chikuma; 寛筑間; Masaaki Uchiyama; 正明内山
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2005-09-29
Filing date: 2005-09-29
Publication date: 2007-04-12

Abstract

【課題】入力振幅の大きさに応じて適切な摩擦力を発生させる、すなわち、小振幅時には摩擦力を小さく、大振幅時には摩擦力を大きくし、これにより振幅の大きさに応じて最適な減衰力を得る。
【解決手段】ピストンロッド５と摺動するとともに前記ピストンロッド５に対して摩擦力を発生する摩擦体２０が、前記ピストンロッド５の摺動時及び静止時に前記ピストンロッド５に接触する略環状の接触部２１と、該接触部に隣接して設けられ、前記ピストンロッド５の静止時には前記ピストンロッド５に非接触の略環状のリップ部２２とからなる。
【選択図】図３

Description

本発明は、自動車などの車両に装着されるショックアブソーバに関し、特にピストンロッドに摺接する部材とピストンロッドとの間に生ずる摩擦力を減衰力として利用するショックアブソーバに関する。

自動車などの車両には、路面の凹凸によって生じる走行中の上下振動を吸収するためにサスペンション装置が用いられている。ショックアブソーバは、このサスペンション装置を構成する主要部品の一つである。ショックアブソーバにはモノチューブ式やツインチューブ式など、いくつかの種類があるが、その基本的な構造は次のようなものである。

油液で満たされたシリンダの内部に、シリンダの軸方向に摺動可能にピストンが挿入されている。ピストンは、シリンダ内部を２つの油室に区画し、２つの油室はピストン内部またはシリンダ外部に設けられた油液通路を介してつながっている。このピストンにはピストンロッドの一端が固定され、ピストンロッドの他方の端部は、シリンダの軸方向外部に延出している。そして、シリンダの内部または外部には気体が封入されるとともに油室と連通しているリザーバ室が設けられている。リザーバ室は、ピストンロッドがシリンダ内に侵入した場合に、侵入した体積に応じて気体が圧縮されることにより、ショックアブソーバ内部全体の体積を一定に保つ機能を有する。

ショックアブソーバを自動車等の車両に装着する場合、通常、シリンダは車輪に固定され、ピストンロッドは車体に固定される。車両が走行し、路面の凹凸が振動として車輪に入力されると、ピストンロッド（およびピストン）に対してシリンダが上下に移動しようとする。このとき、シリンダ内部の２つの油室はピストンによって隔てられているため圧力差が生じ、この圧力差によって、油液が油液通路を通じて圧力の高い油室から低い油室へと移動する。油液通路の断面積は、圧力差や油液の粘度を考慮して十分に小さくしてあるため、油液がその中を流れる際に大きな流体抵抗を発生する。この流体抵抗による力は、ピストンとシリンダの相対速度の反対方向に働くため振動が抑制される。そして、振動の運動エネルギーは熱エネルギーに変換されて周囲に放出される。以上が、ショックアブソーバの基本的な仕組みである。

ところで、この流体抵抗による減衰力は、油液の流速、すなわちピストンとシリンダとの相対速度（ピストン速度）が大きくなるに従って増加する。したがって、入力される振動の振幅が小さい、すなわち、相対速度が小さい場合、流体抵抗による減衰力は、発生しないか、発生してもごく小さいものとなる。そのため、入力振動の振幅が小さな高速走行時（例えば、入力振幅3mm以下）には、減衰力が小さいために車両のふらつきが起きることがある。

そこで、このようなときにも減衰力を発生させるため、適当な摩擦力を付与することで、車両のふらつきを抑制する技術が盛んに研究され、特許文献１などに開示されている。特許文献１に開示されているショックアブソーバは、シリンダ側またはピストンロッド側の一方に固定されるとともに、他方に摺接してオイルシールのシールリップ部よりも大きな摩擦を発生する摩擦部材を有している。この摩擦部材は、例えば、金属環と、そこに加硫接着された環状の摩擦体（フッ素系ゴム材などの弾性ゴム材料からなる）とで構成され、内周面全体が上端部に向かうにつれて小径となるテーパ穴形状に形成されているため、上向き摺動時における摩擦力と下向き摺動時における摩擦力に差が生じている。

特開2001-330074

本発明者らは、入力振幅に対するバネ上最大変位の比に与える摩擦の影響を調べるため、１輪線形モデルによる応答解析を行った。ここで、１輪線形モデルとは、車両の振動特性を解析するために車両を１組の車輪、バネ、ダッシュポットおよび車体からなるものとして単純化したモデルである。

図５は、上記の一輪線形モデルを用いた応答解析の結果を示すグラフである。横軸は摩擦倍数、縦軸はバネ上変位を入力変位で割った値の最大値である。摩擦倍数は、摩擦力の相対的な値を示すものであり、摩擦倍数が２倍であれば、摩擦力も２倍となる。バネ上変位を入力変位で割った値の最大値は、減衰の程度を表し、１より大きい場合はバネ上が共振していることを示す。図に示されるように、入力振幅に対するバネ上最大変位への摩擦力の影響は、入力振幅の大きさによって傾向が異なる。具体的には、摩擦力の大きさを決める摩擦倍数を1.0と高くした場合、2.0mm程度の入力変位の場合にはバネ上変位を小さくすることができるが、0.5mm程度の入力変位の場合にはバネ上変位が大きくなる。逆に、摩擦倍数を0.2と低くした場合、0.5mm程度の入力変位の場合にはバネ上変位を小さくすることができるが、2.0mm程度の入力変位の場合にはバネ上変位が大きくなる。つまり、微小振動のうちで、小振幅時（振幅が0.5mm程度。以下同じ）には摩擦力を小さく、大振幅時（振幅が2.0mm程度。以下同じ）には摩擦力を大きくすることで、バネ上最大変位を低減できるのである。

なお、乗用車に用いられる通常のショックアブソーバの最大許容振幅は数cmであるが、本明細書においては、微小振動、例えば3mm以下の場合のみを議論している。したがって、本明細書における「大振幅」とは、上記のとおり、おおよそ2mm程度のものである。

この知見によれば、上記特許文献１の摩擦部材を用いた場合、摩擦部材の内周面が常にピストンロッドに接しているため、入力振幅の大きさにかかわらず摩擦力はほぼ一定となると考えられる。そのため、振幅の大小に応じた最適な摩擦力を発生することがない。

本発明は上記のような問題にかんがみてなされたものであり、入力振幅の大きさに応じて適切な摩擦力を発生させる、すなわち、微小振動中の小振幅時には摩擦力を小さく、大振幅時には摩擦力を大きくし、これにより振幅の大きさに応じて最適な減衰力を得るものである。

請求項１に記載の発明は、油液が封入されるとともに開口部を有するシリンダと、該シリンダに摺動可能に嵌装され、該シリンダの内部を第１油室と第２油室とに分割するピストンと、一端が前記ピストンに設けられ、他端が前記シリンダの外部に延出するピストンロッドと、前記シリンダの開口部に設けられ、前記ピストンロッドを前記シリンダの外部に摺動可能に案内するロッドガイドと、前記ロッドガイドに設けられ、前記ピストンロッドと摺動するとともに前記シリンダの内部と外部とを隔絶するオイルシールと、前記シリンダまたは前記ピストンロッドの一方に固設され、前記シリンダまたは前記ピストンロッドの他方と摺動するとともに前記シリンダまたは前記ピストンロッドの他方に対して摩擦力を発生する摩擦部材とからなる油圧緩衝器において、前記摩擦部材が、前記シリンダまたは前記ピストンロッドの他方に常時接触する略環状の接触部と、該接触部に隣接して設けられ、前記ピストンロッドの静止時には前記シリンダまたは前記ピストンロッドの他方に非接触で、かつ、前記ピストンロッドの摺動時であって振幅が所定値より大きいときには前記シリンダまたは前記ピストンロッドの他方に接触して前記摩擦部材が発生する摩擦力を増大する略環状のリップ部とからなることを特徴とするショックアブソーバである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のショックアブソーバであって、前記リップ部が、前記接触部の軸方向片側に複数設けられていることを特徴とするショックアブソーバである。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のショックアブソーバであって、前記リップ部が、前記接触部の軸方向両側にそれぞれ設けられていることを特徴とするショックアブソーバである。

請求項１に記載の発明によれば、入力振幅が小さいときは接触部のみがピストンロッドと摺動するため小さい摩擦力を発生し、入力振幅が大きいときは接触部に加えてリップ部もピストンロッドと摺動するため大きな摩擦力を発生する。これにより、入力振幅の大きさに応じて適切な摩擦力を発生することができる。

また、形状が単純であるため、製作が容易で安価である。

請求項２に記載の発明によれば、複数のリップ部を有するので、振幅の大きさに応じてピストンロッドに接触するリップ部の数が変化するため、発生する摩擦力を複数の段階で設定できる。

請求項３に記載の発明によれば、リップ部が接触部の両側にあるので、ピストンの伸び方向および縮み方向の両方向の摺動において、入力振幅の大きさに応じて適切な摩擦力を発生することができ、バネ上変位を小さくすることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態におけるショックアブソーバの断面図である。上端部が開口したシリンダ１には、ピストン４がシリンダ１と摺動可能に挿入され、シリンダ１内をピストン上室２とピストン下室３とに分けている。ピストン４には、ピストンロッド５の一方の端部が固定されており、ピストンロッド５の他方の端部はシリンダ１の軸方向外部に延出している。ピストン上室２およびピストン下室３には油液が満たされており、ピストン４には、シリンダ１とピストンロッド５との相対運動に応じて、油液が通過するピストン油液通路６が設けられている。ピストン油液通路６の両端には、油液の流れを制限するように環状のピストンバルブ６Ａが設けられ、減衰力を発生する。

シリンダ１の外周部には下端部が閉塞された円筒状のアウタシェル７がシリンダ１と同軸上に設けられている。アウタシェル７とシリンダ１とは、下端部に設けられたボディ部１７を介して固定されている。ボディ部１７には、ピストン下室３とリザーバ室８とを連通する油通路１５、ボディバルブ１６などが設けられている。アウタシェル７内部とシリンダ１の外周部により形成されるリザーバ室８は、油通路１５を介してピストン下室３と連通しており部分的に油液で満たされている。そして、残りの部分には気体が封入されている。この気体は、シリンダ１へのピストンロッド５の侵入及び退出に伴うシリンダ１内のピストンロッド５体積の変化分を補償するものである。すなわち、ピストンロッド５がシリンダ１内に侵入したときは気体が侵入体積の分だけ圧縮され、ピストンロッド５が退出したときは膨張することでシリンダ１内部の体積を一定に保っている。

ピストンロッド５は、ロッドガイド９の内周側に設けられたブシュ１０によって径方向の移動が拘束され、軸方向の移動のみ許容される。ブシュ１０は、ピストンロッド５と摺動する内周面がフッ化樹脂などでコーティングされた金属の筒またはフッ化樹脂成型品などであり、ピストンロッド５との摺動性に優れるものである。ロッドガイド９は小径部Ａと大径部Ｂとからなり、小径部Ａがシリンダ１に挿入されることによってシリンダ１を固定している。大径部Ｂは、アウタシェル７に挿入されることによりロッドガイド９とアウタシェル７との径方向の相対移動を規制している。また、アウタシェル７の上端部を径方向内側に向かってかしめを行うことによりロッドガイド９とアウタシェル７との軸方向の相対移動を規制している。

アウタシェル７の上端部には、これを覆うようにキャップ１１が圧入されている。キャップ１１は、オイルシール１２を保護するとともに、本実施例のショックアブソーバが車両に搭載した場合であって、大きく圧縮されたときに、ピストンロッド５の上端部に設けられる図示しないバンプラバーを受け止めるためのものである。

ロッドガイド９とキャップ１１の間には、シリンダ１内の油液が外部へ漏れることを防ぐためのオイルシール１２、外部からのダストなどがシリンダ１内に侵入することを防ぐためのダストリップ１３およびピストンロッド５との摺動によって摩擦力を発生する摩擦部材１８が配置され、ピストンロッド５がそれらを貫通するように設けられている。

図２に、ロッドガイド９近傍の拡大図を示す。ロッドガイド９の内側凹部９Ａには、金属環１９が圧入により軸方向に移動しないよう固定されている。金属環１９の内周側には、おおむね環状のゴム材料からなる摩擦体２０が加硫接着されている。摩擦体２０は、ピストンロッド５に挿入されていない状態では、その開口部の直径がピストンロッド５の径より小さくなるように設定されている。そのため、ピストンロッド５に挿入されると摩擦体２０は、ピストンロッド５の径方向内側への緊縛力を発揮し、ピストンロッド５に対して摩擦力を発生する。

摩擦体２０は、常時ピストンロッド５に接触する略環状の接触部２１と、接触部２１の軸方向両側にそれぞれ設けられた略環状のリップ部２２とからなる。ピストンロッド５への挿入時におけるリップ部２２の開口の直径は、ピストンロッド５の径よりわずかに大きく設定されており、このため、摩擦体２０をピストンロッド５に挿入した場合、ピストンロッド５が摺動していないときは、リップ部２２はピストンロッド５に接していない。

金属環１９にはピストンロッド５と略平行に油液通路２３が設けられ、金属環１９の中心軸方向の両側に圧力差が生じることを防止している。なお、油液通路２３の位置及び形状は、金属環１９の軸方向両側に圧力差が生じない限り特に限定されるものではない。

次に、このように構成された第１の実施形態のショックアブソーバについて、その動作状態を説明する。

図３は、振動の振幅が小さい場合における摺動状態を模式的に示す摩擦部材１８の断面図である。この図に示される摩擦体２０においては、金属環１９のロッド側端部（金属環１９の中心側端部）から接触部２１までの距離ｌ_１が、金属環１９のロッド側端部からリップ部２２までの距離ｌ_２より小さく（ｌ_１＜ｌ_２）設定されている。このように設定することにより、後述のように、摩擦体２０の変形が大きいときにのみリップ部２２をピストンロッド５に接触させることができる。

図の下方に示されているピストンロッド５は、摩擦部材１８の位置に対して矢印の方向に移動している。このとき、ピストンロッド５に接触している接触部２１が摩擦力によってピストンロッド５の移動方向に引っ張られ、変形する。ただし、振動の振幅が小さいため変形量は非常に小さく、リップ部２２がピストンロッド５の表面に接することはない。

一方、振動の振幅が大きい場合は、図４に示すように、ピストンロッド５の変位が大きいために摩擦体２０の変形が大きくなり、摺動方向上流にあるリップ部２２がピストンロッド５に接触する。このとき、ピストンロッド５とリップ部２２との間にも摩擦力が発生するため、摩擦体２０とピストンロッド５との間の摩擦力は、振幅が小さい場合と比較して大きくなる。

小振幅時には摩擦力を小さく、大振幅時には摩擦力を大きくすることで、バネ上最大変位を低減できることは先に述べた。ここで図５をもう一度説明する。このグラフは、ある一輪線形モデルのショックアブソーバについて、0.5mmから2.0mmの３種類の振幅における摩擦倍数ｎに対するバネ上変位／入力変位の特性を示している。

まず、振幅が0.5mmの場合、ひし形の点を結んだ曲線が示すように、摩擦倍数ｎが0.4以下のときにバネ上変位／入力変位が他の曲線よりも小さくなる。次に、振幅が1.0mmの場合、四角形の点を結んだ曲線が示すように、摩擦倍数ｎが0.4から0.8のときにバネ上変位／入力変位が他の曲線よりも小さくなる。同様に、振幅が2.0mmの場合、三角形の点を結んだ曲線が示すように、摩擦倍数ｎが0.8以上のときにバネ上変位／入力変位が他の曲線よりも小さくなる。つまり、このショックアブソーバの場合、振幅が0.5mmの場合は摩擦倍数を小さくし、振幅が2.0mmの場合は摩擦倍数を大きくすることでバネ上の振動変位を低減することが可能となる。

このことから、接触部２１のみがピストンロッド５と摺動しているときの摩擦倍数を0.5以下とし、接触部２１とリップ部２２がピストンロッド５と摺動しているときの摩擦倍数を0.5以上となるように適宜設定することで、振幅の大きさにかかわらず（ただし2.0mmを大きく超えない範囲）、バネ上振動が低減可能となる。つまり、本発明の第１の実施形態のショックアブソーバを用いるとバネ上最大変位を低減できる。これを車両に装着した場合、高速走行時など、流体抵抗による減衰力がほとんど発生しない程度に入力振幅が小さいとき（例えば、振幅が3.0mm以下）でも、良好に振動を抑制して乗り心地を改善することができる。

次に、図６に本発明の第２の実施形態によるショックアブソーバの摩擦部材１１８を拡大した図を示す。第１の実施形態と同じ部分については同じ参照番号を付し、その説明は省略する。また、図に示されていない部分については第１の実施形態と同じである。第２の実施形態の摩擦部材１８が第１の実施形態のそれと異なる点は、摩擦体１２０において、摩擦体１２１に対して軸方向片側だけにリップ部１２２が設けられている点である。このように構成した場合、当然ながら、伸び行程と縮み行程における振幅−摩擦特性が異なる。

ところで、高速走行時など、流体抵抗による減衰力がほとんど発生しない程度に入力振幅が小さい場合（例えば、振幅が3.0mm以下）、通常のショックアブソーバでは、接地荷重が小さくなり、走行が不安定になることがある。

そこで、伸び側の摩擦力が低く、かつ、縮み側の摩擦力が高くなるようにリップ部１２２を設けることにより、接地荷重を常に高く維持することが可能となり、走行を安定させることになる。

次に、図７に本発明の第３の実施形態によるショックアブソーバの摩擦部材２１８を拡大した図を示す。第１の実施形態と同じ部分については同じ参照番号を付し、その説明は省略する。また、図に示されていない部分については第１の実施形態と同じである。第３の実施形態の摩擦部材２１８が第１の実施形態のそれと異なる点は、リップ部が片側だけに２つ（第１リップ部２２２と第２リップ部２２３）設けられている点のみである。このように構成した場合、振幅の大きさに応じてピストンロッド５に接触するリップ部の数が変化するため、発生する摩擦力を段階的に増加させることができる。例えば、0.5mmの振幅の場合には接触部２２１のみが、1.0mmの振幅の場合には接触部２２１と第１リップ部２２２が、2.0mmの振幅の場合には接触部２２１、第１リップ部２２２および第２リップ部２２３がピストンロッド５と摺動するように設定すれば、振幅の大きさに応じて摩擦力を段階的に増加させることが可能となり、振動抑制効果が大きくなる。このことを図５に基づいて説明すれば次のようになる。

先に述べたように、図５の一輪線形モデルのショックアブソーバでは、振幅が0.5mmの場合、摩擦倍数ｎが0.4以下のときにバネ上変位／入力変位が他の曲線よりも小さくなる。次に、振幅が1.0mmの場合、摩擦倍数ｎが0.4から0.8のときにバネ上変位／入力変位が他の曲線よりも小さくなる。同様に、振幅が2.0mmの場合、摩擦倍数ｎが0.8以上のときにバネ上変位／入力変位が他の曲線よりも小さくなる。つまり、振幅が0.5mmの場合は摩擦倍数を0.4以下とし、振幅が1.0mmの場合は摩擦倍数を0.4から0.8とし、振幅が2.0mmの場合は摩擦倍数を0.8以上とすることでバネ上の振動変位を低減することが可能となる。

このことから、接触部２２１のみがピストンロッド５と摺動しているときの摩擦倍数を0.4以下とし、接触部２２１と第１リップ部２２２がピストンロッド５と摺動しているときの摩擦倍数を0.4から0.8とし、接触部２２１、第１リップ部２２２および第２リップ部２２３がピストンロッド５と摺動しているときの摩擦倍数を0.8以上となるように適宜設定することで、振幅の大きさにかかわらず（ただし2.0mmを大きく超えない範囲）、バネ上振動が低減可能となる。

次に、図８に本発明の第４の実施形態によるショックアブソーバを示す。第１の実施形態と同じ部分については同じ参照番号を付し、その説明は省略する。第４の実施形態では、金属環３１９がピストンロッド５に固定されており、摩擦部材３１８は、シリンダ１に対して摺動する。また、本実施形態では、油液通路３２３の通路断面積をピストン油液通路６よりも大きくとり、油液通路３２３で減衰力が発生しないようにしている。このように構成することで、第１の実施形態と同様の効果を発揮することができる。

なお、上記の実施形態ではツインチューブ式ショックアブソーバの例を示したが、本発明がモノチューブ式ショックアブソーバにも適用できることは言うまでもない。

上記実施形態では、摩擦部材を金属環と摩擦体で構成したが、金属環を樹脂等からなる環状の部材で代用することができる。また、環状のゴム材を直接ロッドガイドに接着すれば、金属環は不要であり、摩擦体は摩擦部材と同一となる。

上記第１の実施形態では、接触部の上側（一方の側）に設けられるリップ部の数と下側（他方の側）のそれが同じであったが、これを変えることで、伸び方向と縮み方向の振幅・摩擦力特性を変えることができる。

また、上記実施形態における摩擦体は単一の材料からなるものであったが、複数の材料から構成してもよく、例えば接触部とリップ部の材料を別のものとすることでリップ部がピストンロッドに接触したときの摩擦体の摩擦力と離れているときの摩擦体の摩擦力との差を任意に調整できる。

本発明の第１の実施形態におけるショックアブソーバの断面図本発明の第１の実施形態におけるロッドガイド近傍の拡大図本発明の第１の実施形態における振動の振幅が小さい場合の摩擦部材の断面図本発明の第１の実施形態における振動の振幅が大きい場合の摩擦部材の断面図一輪線形モデルを用いた応答解析の結果を示すグラフ本発明の第２の実施形態における摩擦部材の断面図本発明の第３の実施形態における摩擦部材の断面図本発明の第４の実施形態におけるショックアブソーバの断面図

符号の説明

１シリンダ
２第１油室
３第２油室
４ピストン
５ピストンロッド
９ロッドガイド
１２オイルシール
１８摩擦部材
２１接触部
２２リップ部
１２２リップ部
２２２第１リップ部
２２３第２リップ部
３１８摩擦部材

Claims

油液が封入されるとともに開口部を有するシリンダと、
該シリンダに摺動可能に嵌装され、該シリンダの内部を第１油室と第２油室とに分割するピストンと、
一端が前記ピストンに設けられ、他端が前記シリンダの外部に延出するピストンロッドと、
前記シリンダの開口部に設けられ、前記ピストンロッドを前記シリンダの外部に摺動可能に案内するロッドガイドと、
前記シリンダの開口部に設けられ、前記ピストンロッドと摺動するとともに前記シリンダの内部と外部とを隔絶するオイルシールと、
前記シリンダまたは前記ピストンロッドの一方に固設され、前記シリンダまたは前記ピストンロッドの他方と摩擦力を発生しつつ摺動する摩擦部材とからなる油圧緩衝器において、
前記摩擦部材が、前記シリンダまたは前記ピストンロッドの他方に常時接触する環状の接触部と、該接触部に隣接して設けられ、前記ピストンロッドの静止時には前記シリンダまたは前記ピストンロッドの他方に非接触で、かつ、前記ピストンロッドの摺動時であって振幅が所定値より大きいときには前記シリンダまたは前記ピストンロッドの他方に接触して前記摩擦部材が発生する摩擦力を増大する環状のリップ部とからなることを特徴とするショックアブソーバ。
請求項１に記載のショックアブソーバであって、
前記リップ部が、前記接触部の軸方向片側に複数設けられていることを特徴とするショックアブソーバ。
請求項１に記載のショックアブソーバであって、
前記リップ部が、前記接触部の軸方向両側にそれぞれ設けられていることを特徴とするショックアブソーバ。