JP2011144894A

JP2011144894A - 空気ばね及び免震装置

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Publication number: JP2011144894A
Application number: JP2010006962A
Authority: JP
Inventors: Shigenobu Suzuki; 重信鈴木
Original assignee: Bridgestone Corp
Current assignee: Bridgestone Corp
Priority date: 2010-01-15
Filing date: 2010-01-15
Publication date: 2011-07-28
Anticipated expiration: 2030-01-15
Also published as: JP5417192B2

Abstract

【課題】小型化しつつ高い使用圧力にも耐え得ると共に、シリンダ軸方向への大きな減衰力を得ることを目的とする。
【解決手段】シリンダ４と、シリンダ４に対して相対変位可能なピストン５と、ピストン５とシリンダ４との間の間隙部６を気密に閉塞する第一及び第二ダイヤフラム７、８とを備え、第一及び第二ダイヤフラム７、８は互いに重ね合わせられた可撓性を有する筒体からなり、第一及び第二ダイヤフラム７、８の一端がピストン５にそれぞれ固定されると共に他端がシリンダ４にそれぞれ固定され、第一及び第二ダイヤフラム７、８の中間部が間隙部６において互いにシリンダ軸方向にずらした位置でそれぞれ折り返され、第一及び第二ダイヤフラム７、８の折り返し部７０、８０の間に中間室９が形成されている空気ばね３において、中間室９に粘性流体１２が充填されていると共に、中間室９の内圧Ｐｂがシリンダ４の内圧Ｐａよりも低く且つ外気圧Ｐｏよりも高い。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリンダ内にピストンが配置された空気ばね、及びそれを用いた免震装置に関する。

この種の空気ばねとして、従来、例えば下記特許文献１に記載されているような、軸方向一端が閉塞されて他端が開口されたシリンダと、シリンダの開口端側からシリンダ内に挿入されていると共にシリンダに対して相対的に軸方向に沿って変位可能なピストンと、ピストンの外周面とシリンダの内周面との間の間隙部を気密に閉塞するダイヤフラムと、を備える構成が知られている。このような構成の空気ばねは、一般に鉄道車両や機器防振などに使用される空気ばねであり、その使用圧力は１ＭＰａ以下である。

一方、近年、上下方向のばね要素として空気ばねを使用した三次元免震装置が提供されている。このような免震装置に上記した空気ばねを用いる場合、コンパクト性が要求されるため、１ＭＰａ以上の使用圧力に耐え得るものが求められている。しかしながら、上記した構成の空気ばねでは、ダイヤフラムが耐えられる圧力までしかシリンダの内圧を高くできず、免震装置における使用圧力に対応できない場合が多い。

そこで、従来、例えば下記特許文献２に記載されているような、ピストンの外周面とシリンダの内周面との間の間隙部に二重のダイヤフラムを設け、それらのダイヤフラムの間の内圧をシリンダの内圧よりも低く、且つ、外気圧（大気圧）よりも高く設定した空気ばねが提案されている。このような構成の空気ばねによれば、シリンダの内圧を高く設定することが可能であり、高い使用圧力に対応可能である。また、上記した空気ばねでは、ピストンの先端壁にオリフィスが形成されており、このオリフィスを通してピストン内とシリンダ内との間で空気が流通することによって、上下方向（シリンダ軸方向）の減衰力を得ることができる。

特開昭６３−９２８４４号公報特開２００７−２１８３９１号公報

近年、免震装置の分野において、地震時の上部構造のロッキングや縦揺れ地震に対応するべく、シリンダ軸方向に高い減衰性能を発揮する空気ばねの要望があるが、上記した後者の従来の空気ばねでは、オリフィスによって減衰させるだけなので、大きな減衰力を得ることが難しく、上部構造のロッキングや縦揺れ地震に対して減衰性能が不十分になる場合がある。

本発明は、上記した従来の問題が考慮されたものであり、小型化しつつ高い使用圧力にも耐え得ることができ、且つ、シリンダ軸方向への大きな減衰力を得ることができる空気ばね、及び、その空気ばねを用いた免震装置を提供することを目的としている。

本発明に係る空気ばねは、シリンダと、該シリンダの開口端から該シリンダ内に挿入されていると共に該シリンダに対して相対的にシリンダ軸方向に沿って変位可能なピストンと、該ピストンの外周面と前記シリンダの内周面との間の間隙部を気密に閉塞する第一ダイヤフラム及び第二ダイヤフラムと、を備えており、前記第一及び第二ダイヤフラムは、互いに重ね合わせられた可撓性を有する筒体からなり、該第一及び第二ダイヤフラムの一端がピストンにそれぞれ固定されると共に他端が前記シリンダにそれぞれ固定され、前記第一及び第二ダイヤフラムの中間部が前記間隙部において互いにシリンダ軸方向にずらした位置でそれぞれ折り返され、前記第一及び第二ダイヤフラムの折り返し部の間に中間室が形成されている空気ばねにおいて、前記中間室に粘性流体が充填されていると共に、前記中間室の内圧が前記シリンダの内圧よりも低く且つ外気圧よりも高くなっていることを特徴としている。

上記した空気ばねでは、シリンダの内周面とピストンの外周面との間の間隙部に中間室が形成され、その中間室の内圧がシリンダの内圧よりも低く且つ外気圧よりも高くなっているので、シリンダの内圧を高くしても第一、第二ダイヤフラムに働く応力が小さく抑えられる。

また、上記した空気ばねでは、ピストンがシリンダに対して相対的にシリンダ軸方向に変位すると、その変位に伴い第一及び第二ダイヤフラムの折り返し部がシリンダ軸方向に平行移動し、中間室が形状を保持したままシリンダ軸方向に移動する。このとき、中間室内の粘性流体にシリンダ軸方向に沿ったせん断応力が作用する。

本発明に係る免震装置は、上部構造と下部構造との間に介装される免震装置であって、前記上部構造と前記下部構造との水平方向への相対変位を許容するアイソレータと、上記した空気ばねと、を備えることを特徴としている。

この免震装置によれば、地震動などの外力が入力されると、アイソレータの機能によって上部構造と下部構造とが水平方向に相対変位する。これにより、上部構造の固有周期が長くなり、上部構造が受ける地震応力が緩和される。
また、空気ばねによって鉛直方向への変位が許容されるので、鉛直方向に低い剛性が得られ、上部構造の鉛直固有周期も長くなり、上部構造が受ける地震応力が緩和される。このとき、上述したように中間室内の粘性流体にシリンダ軸方向へのせん断応力が作用するので、上部構造のロッキング振動や縦揺れの振動エネルギーが吸収され、上部構造の応答振動が減衰される。

本発明に係る空気ばねによれば、シリンダの内圧を高くすることができるので、使用圧力を高く設定することができる。また、中間室内の粘性流体にシリンダ軸方向に沿ったせん断応力が作用するので、シリンダ軸方向への大きな減衰力を得ることができる。

また、本発明に係る免震装置によれば、横揺れの振動だけでなく、縦揺れやロッキングも吸収することができ、上部構造の応答振動を確実に低減させることができる。

本発明の実施の形態を説明するための空気ばねを有する免震装置の断面図である。本発明の実施の形態を説明するための空気ばねの部分断面図である。

以下、本発明に係る空気ばね及び免震装置の実施の形態について、図面に基いて説明する。
なお、本実施の形態では、後述するシリンダ２の中心軸線を「軸線Ｏ」とし、その軸線Ｏに沿った方向を「軸方向」とし、軸線Ｏに直交する方向を「径方向」とし、軸線Ｏ周りの方向を「周方向」とする。また、軸方向の一方側（図１における上側）を「上方」とし、軸方向の他方側（図１における下側）を「下方」とする。

図１に示す免震装置１は、基礎等の下部構造１０と建物本体等の上部構造１１との間に介装され、地震動に対する上部構造１１の応答振動を低減させるための装置である。この免震装置１の概略構成としては、下部構造１０と上部構造１１との水平方向への相対変位を許容するアイソレータ２と、下部構造１０と上部構造１１との鉛直方向への相対変位を許容する空気ばね３と、を備えている。これらアイソレータ２及び空気ばね３は、鉛直方向に直列に並設されており、具体的には、アイソレータ２の上に空気ばね３が配設されている。なお、アイソレータ２及び空気ばね３を上下逆転させて空気ばね３の上にアイソレータ２が配設されていてもよい。

詳しく説明すると、アイソレータ２は、下部構造１０に固定される下側端板２０と、上部構造１１に固定される上側端板２１と、下側端板２０と上側端板２１の間に介在された積層体２２と、を備えている。

下側端板２０及び上側端板２１は、例えば平面視円形の鋼板であり、上下に対向して配置されている。また、下側端板２０及び上側端板２１は、それぞれ積層体２２の断面形状よりも大径に形成されており、これら下側端板２０及び上側端板２１の各外周部は、全周に亘って積層体２２の径方向外側に向けて突出されている。また、下側端板２０は、例えばアンカーボルト等を介して下部構造１０に固定され、また、上側端板２１は、例えばボルト等を介して後述する空気ばね３のピストン５の端板部５０に固定されている。

積層体２２は、複数の軟質板２３と硬質板２４とが交互に積層された積層構造の柱状体であり、水平方向にせん断変形可能な略円柱形状に形成されている。この積層体２２の外周部には、上記した軟質板２３及び硬質板２４の外周を被覆する被覆ゴム２５が全周に亘って形成されている。軟質板２３と被覆ゴム２４とは、一体に形成された弾性変形可能な加硫ゴムからなり、上記した複数の硬質板２４と共に未加硫の軟質板２３及び被覆ゴム２５を加硫させることで、軟質板２３及び被覆ゴム２５と複数の硬質板２４とが加硫接着されている。この積層体２２は、鉛直剛性が高くて鉛直方向に沈みにくく、且つ水平剛性が低くて水平方向にせん断変形しやすい。
なお、上記した軟質板２３及び被覆部２５はゴム以外であってもよく、例えば軟質樹脂で形成することも可能である。また、上記した硬質板２４は、鋼板以外であってもよく、例えば硬質樹脂からなる板材であってもよい。

空気ばね３は、シリンダ４と、シリンダ４の開口端からシリンダ４内に挿入されていると共にシリンダ４に対して相対的に軸方向に沿って変位可能なピストン５と、を備えている。

シリンダ４は、鉛直方向に沿って延設された略円筒形状の筒状部であり、上端が閉塞されて下端が開口された有頂の筒体である。このシリンダ４は、上部構造１１の下端部に埋設されて上部構造１１に固定されている。

ピストン５は、軸線Ｏに対して垂直に配設された端板部５０と、端板部５０の上面から軸方向に沿って立設された筒部５１と、を備えている。端板部５０は、上記したアイソレータ２の上側端板２１の上に載置されており、その上側端板２１に対して図示せぬボルトなどで固定されている。筒部５１は、外径がシリンダ４の内径よりも小さい略円筒形状の筒部であり、軸線Ｏを共通軸にしてシリンダ４と同軸上に配設されてシリンダ４の内側に挿入されている。

上記したピストン５（筒部５１）の外周面と上記したシリンダ４の内周面との間には、周方向の全周に亘って間隙部６が形成されている。そして、空気ばね３には、互いに重ね合わせられた二重のダイヤフラム７、８が備えられており、これらのダイヤフラム７、８によって上記した間隙部６が気密に閉塞されている。上記したダイヤフラム７、８は、いわゆるローリングシール部材であり、それぞれ可撓性を有する円筒形状の筒体からなり、例えばゴム膜を筒状に形成した構成からなる。このダイヤフラム７、８は、中間部が間隙部６において略Ｕ字状に折り返され、一端がピストン５に固定されて他端がシリンダ４に固定されている。また、一対のダイヤフラム７、８は、互いに軸方向にずらした位置で折り返されており、一方のダイヤフラム（第一ダイヤフラム７）の折り返し部７０と他方のダイヤフラム（第二ダイヤフラム８）の折り返し部８０とは軸方向に離間して配設されている。

詳しく説明すると、図２に示すように、第一ダイヤフラム７は、内外筒の下端同士が連結された二重筒形状となっており、その概略構成としては、シリンダ４の内周面に沿って形成された外筒部７１と、ピストン５（筒部５１）の外周面に沿って形成された内筒部７２と、外筒部７１の下端と内筒部７２の下端とを全周に亘って連結する折り返し部７０と、内筒部７２の上端からピストン５（筒部５１）の先端面に沿って形成された円環部７３と、外筒部７１の上端から径方向内側に全周に亘って突出されてシリンダ４の天井面に固定されたシリンダ側固定部７４と、円環部７３の内縁からピストン５（筒部５１）の内周面に沿って垂下されてピストン５の内周面に固定されたピストン側固定部７５と、を備えている。上記した外筒部７１の外周面は、シリンダ４の内周面に対して剥離可能に密接されており、また、内筒部７２の内周面はピストン５（筒部５１）の外周面に対して剥離可能に密接されている。

また、第二ダイヤフラム８は、内外筒の下端同士が連結された二重筒形状となっており、上記した第一ダイヤフラム７に軸方向上側から重ねられた状態で配設されている。この第二ダイヤフラム８の概略構成としては、第一ダイヤフラム７の外筒部７１の内周面に沿って形成された外筒部８１と、第一ダイヤフラム７の内筒部７２の外周面に沿って形成された内筒部８２と、外筒部８１の下端と内筒部８２の下端とを全周に亘って連結する折り返し部８０と、内筒部８２の上端から第一ダイヤフラム７の円環部７３の上面に沿って形成された円環部８３と、外筒部８１の上端から径方向内側に全周に亘って突出されてシリンダ４の天井面に固定されたシリンダ側固定部８４と、円環部８３の内縁から第一ダイヤフラム７のピストン側固定部７５の内面に沿って垂下されてピストン５の内周面に固定されたピストン側固定部８５と、を備えている。上記した第二ダイヤフラム８の外筒部８１の外周面は、第一ダイヤフラム７の外筒部７１の内周面に対して剥離可能に密接されており、また、第二ダイヤフラム８の内筒部８２の内周面は第一ダイヤフラム７の内筒部７２の外周面に対して剥離可能に密接されている。また、第二ダイヤフラム８の折り返し部８０は、第一ダイヤフラム７の折り返し部７０の軸方向上側に間隔をあけて配設されている。

また、上記した折り返し部７０、８０の間には、シリンダ４とピストン５との軸方向への相対変位に伴い軸方向に平行移動する中間室９が形成されている。この中間室９は、シリンダ４の内側と外部との間に介在された密閉空間であり、上記した第一ダイヤフラム７の折り返し部７０、外筒部７１及び内筒部７２と第二ダイヤフラム８の折り返し部８０とによって画成されている。

また、上記した中間室９には、記したシリンダ４とピストン５との軸方向への相対変位に伴う中間室９の平行移動に追従して当該中間室９の内面に対して摺動しながら変位する粘性流体１２が充填されている。粘性流体１２は、流動性を有する液体や半固体であり、例えばシリコーンオイル等の高粘性流体などである。
また、上記した中間室９の内圧Ｐｂは、シリンダの内圧Ｐａよりも低く、且つ、外気圧Ｐｏ（大気圧）よりも高くなっている。なお、この中間室９の内圧Ｐｂを調整する図示せぬ圧力調整手段を備えていることが好ましい。

次に、上記した構成からなる空気ばね３及び免震装置１の作用について説明する。

上記した下部構造１０に地震動が入力されると、アイソレータ２の積層体２２が水平方向にせん断変形し、下部構造１０と上部構造１１が水平方向に相対変位する。これにより、上部構造１１の固有周期が長くなり、上部構造１１が受ける地震応力が緩和される。

また、地震時に上下方向の地震動が入力されると、空気ばね３のピストン５がシリンダ４に対して相対的に軸方向に変位する。これにより、下部構造１０と上部構造１１との鉛直方向への変位が許容され、上部構造１１の鉛直固有周期が長くなり、上部構造１１が受ける鉛直地震応力も緩和される。このとき、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、上記したピストン５とシリンダ４との相対変位に伴い上記した第一、第二ダイヤフラム７、８の折り返し部７０、８０が軸方向に平行移動し、上記した中間室９が形状を保持したまま軸方向に移動する。つまり、第一ダイヤフラム７及び第二ダイヤフラム８が、ピストン５とシリンダ４との相対変位に伴い各々の折り返し位置を変えてそれぞれ追従変形し、これにより、中間室９が一定の形状のまま軸方向に変位する。

例えば、図３（ｂ）に示すように、ピストン５がシリンダ４に対して軸方向上側に相対変位すると、ピストン５によって第一ダイヤフラム７及び第二ダイヤフラム８のピストン側固定部７５、８５及び円環部７３、８３が軸方向上側にそれぞれ押し上げられる。これにより、シリンダ４の内周面に密接した第一ダイヤフラム７の外筒部７１が下端側から捲り剥がされつつ、径方向内側に折り返された後にピストン５（筒部５１）の外周面に張り付いていき、また、第一ダイヤフラム７の外筒部７１の内周面に密接した第二ダイヤフラム８の外筒部８１が下端側から捲り剥がされつつ、径方向内側に折り返された後に第一ダイヤフラム７の内筒部７２の外周面に張り付いていく。その結果、第一ダイヤフラム７の折り返し部７０及び第二ダイヤフラム８の折り返し部８０は、互いに一定の離間距離を保ったまま軸方向上側にそれぞれ平行移動し、中間室９は一定の形状のまま軸方向上側に変位する。

また、中間室９が一定の形状のまま軸方向に変位するとき、中間室９内に充填された粘性流体１２には、軸方向に沿ったせん断応力Ｆが作用する。このせん断応力Ｆによるダンパー効果（減衰力）が得られる。

上記した空気ばね３によれば、シリンダ４の内周面とピストン５の外周面との間の間隙部６に中間室９が形成され、その中間室９の内圧Ｐｂがシリンダの内圧Ｐａよりも低く、且つ、外気圧Ｐｏ（大気圧）よりも高くなっているので、シリンダ４の内圧を高くしても第一、第二ダイヤフラム７、８に働く応力が小さく抑えられる。したがって、シリンダ４の内圧を高くすることができ、空気ばね３の使用圧力を高く設定することができる。

また、上記した空気ばね３によれば、ピストン５とシリンダ４との軸方向への相対変位時に中間室９内の粘性流体１２にせん断応力Ｆが作用するので、軸方向への大きな減衰力を得ることができる。
したがって、上記した免震装置１によれば、横揺れの振動エネルギーだけでなく、縦揺れやロッキングの振動エネルギーも吸収することができ、上部構造１１の応答振動を確実に低減させることができる。

以上、本発明に係る空気ばねの実施の形態について説明したが、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、上記した実施の形態では、ダイヤフラム７、８が二重に設けられているが、本発明は、三重以上のダイヤフラムを設けることも可能である。これにより、間隙部６に二層以上の中間室を形成することができる。すなわち、粘性流体１２が充填された中間室９の上側（シリンダ４の内部側）や下側（シリンダ４の開口端側）に第２、第３の中間室が形成されていてもよい。また、前記した第２、第３の中間室に、上記した中間室９内の粘性流体１２と同一の粘性流体１２を充填してもよく、或いは、前記した粘性流体１２と異なる粘性流体又は気体を充填してもよい。なお、２室以上の中間室を形成する場合、それらの内圧は、少なくともシリンダ４の開口端側（図１における下側）に隣接する中間室の内圧以上に設定されていればよく、シリンダ４の内方側から外部に向かうに従い漸次低くなるように設定することが好ましい。

また、上記した実施の形態では、アイソレータ２と組み合わされて免震装置１を形成する空気ばね３について説明しているが、本発明における空気ばねは、免震装置１以外にも適用可能であり、例えば自動車や鉄道車両、その他の機器等に用いることも可能である。

また、上記した実施の形態では、アイソレータ２として積層体２２を備えた免震要素が備えられているが、本発明におけるアイソレータは、積層体２２以外のものであってもよく、例えば滑り支承や転がり支承を用いることも可能である。

その他、本発明の主旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した変形例を適宜組み合わせてもよい。

１免震装置
２アイソレータ
３空気ばね
４シリンダ
５ピストン
６間隙部
７第一ダイヤフラム
８第二ダイヤフラム
９中間室
１０下部構造
１１上部構造
１２粘性流体

Claims

シリンダと、該シリンダの開口端から該シリンダ内に挿入されていると共に該シリンダに対して相対的にシリンダ軸方向に沿って変位可能なピストンと、該ピストンの外周面と前記シリンダの内周面との間の間隙部を気密に閉塞する第一ダイヤフラム及び第二ダイヤフラムと、を備えており、
前記第一及び第二ダイヤフラムは、互いに重ね合わせられた可撓性を有する筒体からなり、該第一及び第二ダイヤフラムの一端がピストンにそれぞれ固定されると共に他端が前記シリンダにそれぞれ固定され、前記第一及び第二ダイヤフラムの中間部が前記間隙部において互いにシリンダ軸方向にずらした位置でそれぞれ折り返され、前記第一及び第二ダイヤフラムの折り返し部の間に中間室が形成されている空気ばねにおいて、
前記中間室に粘性流体が充填されていると共に、前記中間室の内圧が前記シリンダの内圧よりも低く且つ外気圧よりも高くなっていることを特徴とする空気ばね。
上部構造と下部構造との間に介装される免震装置であって、
前記上部構造と前記下部構造との水平方向への相対変位を許容するアイソレータと、請求項１に記載の空気ばねと、を備えることを特徴とする免震装置。