JP2013067259A - ダンパシステム - Google Patents

Abstract

【課題】ダンパシステムとして、ダンパの小型化を可能とし、ダンパの応答性を改善することである。
【解決手段】ダンパシステム１０は、ダンパ装置２０と、バッファタンク３０と、増圧装置４０を備える。増圧装置４０は、増圧シリンダ４２と動作軸４４を含む。動作軸４４は、ダンパ装置２０の前方空気室２６から入力気体圧を受ける前方気体受面と後方空気室２６から入力気体圧を受ける後方気体受面と、前方気体受面の受面積よりも狭い押面積の前方気体押面と後方気体受面の受面積よりも狭い押面積の後方気体押面を有する。増圧装置４０は、動作軸４４の前方揺動または後方揺動によって受面積と押面積の比に応じて入力気体圧を増圧した出力気体圧について逆止弁６０，６２を介してバッファタンク３０に出力し、バッファタンク３０を経てダンパ装置２０の前方空気室２６、後方空気室２８に供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ダンパシステムに係り、特に気体を用いるピストン・シリンダ機構によって振動を減衰させるダンパシステムに関する。

ダンパは、振動を減衰するために広く用いられる。例えば、特許文献１には、鉄道車両の振動抑制装置として、従来から、車体と台車の間に空気ばねもしくはコイルばねからなるばねを介装して、車体が台車から受ける衝撃を吸収していることを述べている。こうすることにより衝撃は吸収され、乗り心地が向上するが、空気ばね自体の振動が発生して車体が振動し、乗客に不快感を与えてしまうので、この空気ばねの横方向振動を減衰させるため左右動ダンパを用いることが述べられている。

ここで、左右動ダンパは、シリンダ内に充満された流体の流動抵抗を利用して、シリンダに対するピストンの移動速度に略比例した減衰力を発生させるもので、この比例定数が減衰係数、あるいはダンパ定数と呼ばれると述べられている。

そして、ダンパ定数を変動可能にしたセミアクティブダンパは、この流動抵抗を変化させてダンパ定数を変更するものであるが、ここでは、シリンダと連通する油圧回路の所定箇所に複数の電磁弁を設けている。これらの電磁弁を適宜開閉させることで油圧回路の流路抵抗を変更することが述べられている。

特開平９−３０１１６４号公報

ダンパは、上記のように、様々な用途に合わせて用いられる。本発明の目的は、ダンパの小型化を容易にするダンパシステムを提供することである。他の目的は、ダンパの特性を変化させることで有効なダンパ効果を得ることができるダンパシステムを提供することである。以下の手段は、上記目的の少なくとも１つに貢献する。

本発明に係るダンパシステムは、ダンパシリンダ内をダンパピストンが摺動するダンパ装置と、ダンパシリンダ内においてダンパピストンで区画される前方空気室および後方空気室にそれぞれ所定の気体圧に加圧された気体を供給するバッファタンクと、ダンパ装置の前方空気室から入力気体圧を受ける前方気体受面と後方空気室から入力気体圧を受ける後方気体受面と、前方気体受面の受面積よりも狭い押面積の前方気体押面と後方気体受面の受面積よりも狭い押面積の後方気体押面を有し、増圧シリンダ内を軸方向に揺動する動作軸を含み、動作軸の前方揺動または後方揺動によって受面積と押面積の比に応じて入力気体圧を増圧した出力気体圧を出力する増圧装置と、動作軸の前方気体押面と増圧シリンダとによって区画される前方出力気体室および動作軸の後方気体押面と増圧シリンダとによって区画される後方出力気体室のそれぞれに設けられ、前方出力気体室または後方出力気体室の何れかの出力気体圧の圧力がバッファタンクの内部の圧力より高圧となるときに高圧となった出力気体室の気体をバッファタンクに導入する逆止弁と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係るダンパシステムにおいて、ダンパ装置の前後空気室を外部で接続する外部流路と、外部流路の途中に直列に配置接続される可変絞り装置と、を備えることが好ましい。

また、本発明に係るダンパシステムにおいて、バッファタンクに設けられ、バッファタンクの内部の圧力が予め定めた最大気体圧を超えるときに、バッファタンク内の気体を外気に放出するチェック弁を備えることが好ましい。

上記構成により、ダンパシステムは、ダンパ装置と別に、増圧装置を備える。増圧装置は、気体受面の受面積よりも狭い押面積の気体押面を有し、気体受面にダンパ装置の気体室の気体圧が入力気体圧として作用するので、気体押面によって入力気体圧を増圧した出力気体圧を出力する。出力気体圧を有する気体は逆止弁を介してバッファタンクに導かれ、そこからダンパ装置の空気室に供給される。これによって、バッファタンクおよびダンパ装置の空気室の気体圧が漸次増圧される。

すなわち、ダンパ装置は、高圧の気体によって動作する。これによって、ダンパ装置の小型化が図れ、ピストンの軸方向変位に対する剛性が高くなるので、ダンパ特性の応答性が改善される。

また、ダンパシステムにおいて、ダンパ装置の前方空気室と後方空気室とを外部で接続する外部流路の途中に直列に可変絞り装置が配置接続される。可変絞り装置の絞り量を変更することによりピストンで区画される前方空気室と後方空気室の連通量を変化させることができる。これによって、ダンパ装置の動きをゆっくりにすることができ、逆に速くすることができる。

また、ダンパシステムにおいて、バッファタンクの内部の圧力が予め定めたチェック圧を超えるときに、バッファタンク内の気体を外気に放出するチェック弁を備える。これによって、バッファタンクからの供給圧を予め定めた高圧のチェック圧とすることができる。

本発明に係る実施の形態のダンパシステムの構成を説明する図である。 本発明に係る実施の形態において、増圧装置の動作軸の気体受面と気体押面のそれぞれの面積を説明する図である。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、ダンパシステムとしてダンパ装置に可変絞り装置が設けられるセミアクティブダンパ装置を説明するが、可変絞り装置を設けないパッシブダンパ装置であってもよい。

以下では、ダンパシステムに適用される流体として空気を説明するが、ここでいう空気は広義のものであって、大気以外にも、それに準じる成分構成を有する気体を用いるものとしてもよい。

以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。

図１は、ダンパシステム１０の構成を示す図である。ダンパシステム１０はダンパ装置２０を高気体圧の下で動作させるシステムである。ダンパシステム１０は、気体圧を増圧するための増圧装置４０と、増圧された気体を一時的に貯蔵してダンパ装置２０に供給するバッファタンク３０を含んで構成される。図１では、ダンパ装置２０の軸方向、増圧装置４０の軸方向をいずれもＸ方向として示した。

ダンパ装置２０は、ダンパシリンダ２２とダンパピストン２４を有し、ダンパシリンダ２２内の気体の流動抵抗を利用して、ダンパシリンダ２２に対するダンパピストン２４の移動速度に略比例した減衰力を発生させる装置である。

ダンパシリンダ２２は、円筒状の部材で、ダンパピストン２４は、ダンパシリンダ２２の内壁を摺動するピストン板と、ピストン板に接続されるピストンロッドを有する。ダンパシリンダ２２の内部は、ダンパピストン２４によって２つの空気室２６，２８に区画される。＋Ｘの側の気体室を前方空気室２６、−Ｘの側の空気室を後方空気室２８と呼ぶことにする。

前方空気室２６と後方空気室２８とをダンパ装置２０の外部で接続する外部流路７０は、ダンパ装置２０に並列に設けられる連通流路である。この外部流路７０の連通量、つまり、気体の流れやすさを調整することで、ダンパ装置２０の動きをゆっくりにすることができ、逆に速くすることができる。

可変絞り装置７２は、この外部流路７０の連通量を調整する装置である。具体的には、外部流路７０の流路内径を狭めあるいは広げることができる装置で、絞りとアクチュエータとで構成される。アクチュエータによって絞りの開口量を加減することで、ダンパ装置２０と外部流路７０の合成した流路抵抗を可変することができる。これによって、セミアクティブダンパ装置とすることができる。固定絞り６８は、可変絞り装置７２に並列に設けられる流路に設けられる。固定絞り６８は、常に一定の流路抵抗を確保するために用いられる。

バッファタンク３０は、ダンパ装置２０と増圧装置４０との間に設けられる気体タンクである。バッファタンク３０は、増圧装置４０の作用によって増圧された気体を一時的に貯蔵し、ダンパ装置２０の前方空気室２６と後方空気室２８に供給する機能を有する。ダンパ装置２０は、ピストン・シリンダ機構であるので、僅かではあるが気体の漏れがあるので、その漏れを補うことが必要になる。バッファタンク３０は、その漏れを補うための増圧された気体を一時的に貯蔵する。

図１には、バッファタンク３０に６つのポートがあることが示されている。１つは、並列に設けられる逆止弁６０，６２を介して増圧装置４０に接続されるポートである。このポートには、後述するように、増圧装置４０からの増圧された気体が供給される。１つは、固定絞り６６が設けられる並列の流路を介してダンパ装置２０に接続されるポートである。このポートは、ダンパ装置２０の前方空気室２６、後方空気室２８に増圧された気体を供給するためのものである。

次の２つのポートは、ダンパ装置２０と増圧装置４０を接続する流路７４，７６に付勢ばね付きの逆止弁３２，３４を介して接続されるポートである。このポートは、流路７４，７６の圧力がバッファタンク３０の圧力より大きくなるときに、バッファタンク３０に逃がすためものである。

残る２つのポートのうち、１つは、チェック圧を調整可能なチェック弁３６を介して大気に接続されるポートである。これは、バッファタンク３０の圧力がチェック圧を超えないようにするためのものである。チェック圧は、チェック弁３６の調整部によって任意に設定できる。最後の１つは、安全弁３８を介して大気に接続されるもので、バッファタンク３０の圧力が異常に高くなったときに、その圧力を大気に逃がすためのものである。

増圧装置４０は、ダンパ装置２０の前方空気室２６、後方空気室２８の圧力を増圧する装置である。増圧された気体は一旦バッファタンク３０に入り、その後前方空気室２６、後方空気室２８に戻される。したがって、増圧の限度はバッファタンク３０のチェック圧で上限が定められることになる。

図１には、増圧装置４０に６つのポートがあることが示されている。そのうち２つは、チェック弁６４を介して大気に接続されるポートである。チェック弁６４は、増圧装置４０において後述する空気室５４，５６の気圧が大気圧よりも低くなるときに、大気から空気を空気室５４，５６に供給する機能を有する。すなわち、チェック弁６４が接続されるポートは、増圧装置４０に、大気を適当に吸い込む吸い込みポートである。

増圧装置４０の軸方向の両端部にそれぞれ設けられるポート８０，８２は、ダンパ装置２０と流路７４，７６と接続されるポートで、増圧装置４０に現在のダンパ装置２０の前方空気室２６、後方空気室２８の気体圧を入力する役割を有するポートである。その意味で、これらのポート８０，８２を、入力側ポートと呼ぶことができる。

増圧装置４０の軸方向の中央部の両側にそれぞれ設けられるポート８４，８６は、逆止弁６０，６２を介してバッファタンク３０に接続されるポートで、増圧装置４０によって増圧された気体圧の気体についてバッファタンク３０を介してダンパ装置２０に出力する役割を有するポートである。

逆止弁６０，６２は、増圧装置４０から出力される気体の圧力がバッファタンク３０の内部の気体の圧力より高いときに、増圧装置４０から出力される気体をバッファタンク３０に出力する弁である。この逆止弁６０，６２を設けることで、バッファタンク３０には、その内部の気体圧より高く増圧された気体のみが供給されることになり、増圧装置４０から気体が出力されるにつれて、次第にバッファタンク３０の内部の気体の圧力が高められることになる。なお、その上限は、既に述べたチェック圧である。

増圧装置４０は、増圧シリンダ４２と、増圧シリンダ４２の内部を摺動して軸方向に動作可能な動作軸４４を含んで構成される。動作軸４４は、図１に示されるように、細長い棒材で、その軸方向に沿った中央部に、外径の大きいピストン部が設けられたものである。増圧シリンダ４２は、ピストン部が摺動する太径部と、ピストン部の設けられない細長軸部が摺動する細径部とを含んで構成される。

図２は、動作軸４４を＋Ｘ方向の端部側から見た図で、細長軸部の端面の大きさと、ピストン部の端面との大きさが示される。細長軸部の直径をＤ₁、ピストン部の直径をＤ₂とすると、細長軸部の端面４６の面積Ａは、Ａ＝（π／４）×Ｄ₁ ²で、ピストン部のフランジとなっている端面４８の面積Ｂは、Ｂ＝（π／４）×（Ｄ₂ ²−Ｄ₁ ²）である。ここで、Ｂ＜Ａに設定される。

このように、細長軸部の端面４６の面積Ａよりもピストン部の端面４８の面積Ｂを小さくすることで、動作軸４４が軸方向に移動するとき、細長軸部の端面に圧力Ｐ_Aが印加されていると、ピストン部の端面によって押される気体の圧力Ｐ_Bは、Ｐ_B＝Ｐ_A×（Ａ／Ｂ）であるので、Ｐ_BはＰ_Aより高圧となる。この原理を用いて、増圧装置４０は、動作軸４４の前方揺動または後方揺動によって細長軸部の端面４６の面積Ａとピストン部の端面４８の面積Ｂの比に応じて入力気体圧を増圧した出力気体圧を出力することができる。なお、以下では、細長軸部の端面を受圧面、その面積Ａを受面積、ピストン部の端面を押面、その面積Ｂを押面積と呼ぶことにする。

増圧装置４０の細径部における軸方向両端部には、動作軸４４の細長軸部の端面と、増圧シリンダ４２の内壁によって、２つの気体室が形成される。図１に示されるように、増圧装置４０は、Ｘ軸に沿って左右対称であるので、例えば、細長軸部の左右端面の面積はいずれも受面積Ａであり、ピストン部の左右端面の面積は、いずれも押面積Ｂである。

上記構成の作用について、ダンパ装置２０が鉄道車両の車体に取り付けられる場合を例として説明する。ダンパ装置２０のダンパピストン２４に、車体の動揺に伴う外力が働くと、それに伴ってダンパ装置２０の両側の空気室２６，２８の圧力が増減する。その増減した圧力は、流路７４，７６を介して増圧装置４０に導かれ、増圧装置４０の動作軸４４を左右に駆動する。増圧装置４０は、増圧装置４０は、動作軸４４の前方揺動または後方揺動によって細長軸部の端面４６の受面積Ａとピストン部の端面４８の押面積Ｂの比に応じて入力気体圧を増圧した出力気体圧を出力する。

具体的には、ダンパ装置２０の両側の空気室２６，２８の圧力は、流路７４，７６を介して、増圧シリンダ４２と細長軸部の両側端面とで形成される空気室５０，５２に入力される。この入力側の空気室５０，５２は、受面積Ａを有するので、ダンパ装置２０の左右の空気室２６，２８の圧力は、この受面積Ａにかけられるので、両側空気室２６，２８の圧力の増減に応じて、動作軸４４は左右に駆動される。増圧シリンダ４２とピストン部の両側端面とで形成される空気室５４，５６は押面積Ｂを有するので、この空気室５４，５６からは、Ａ／Ｂ倍に増圧された圧力の気体が出力される。なお、このとき、ピストン部に対し押圧される側と反対側の空気室は減圧されるが、その減圧が大気圧以下となると、チェック弁６４の機能によって、大気がその空気室に吸い込まれ補給される。

空気室５４，５６から出力される増圧された気体はバッファタンク３０を介して、ダンパ装置２０の両側の空気室２６，２８に戻される。これを繰り返すことで、バッファタンク３０の内部の気体圧およびダンパ装置２０の両側の空気室２６，２８の圧力が次第に高められてゆく。このように、ダンパ装置２０は、増圧装置４０の作用によって増圧された圧力の下で動作するので、増圧されない圧力の下で動作する場合に比べ、必要とする気体量が少なくて済む。これによって、ダンパ装置２０の小型化を図ることができる。また、高圧で動作するので、低圧で動作する場合に比べ、ダンパピストン２４の軸方向変位に対する剛性が高くなるので、ダンパ特性の応答性が改善される。

なお、増圧装置４０の構造について、上記は一例であって、他の構造であってもよい。例えば、作動軸の構造を変更し、作動軸の中央部に気体を入力し、作動軸の両端部から増圧された気体を出力するものとしてもよい。また、他の増圧機構を用いるものとしてもよい。

本発明に係るダンパシステムは、振動を減衰させるダンパとして利用できる。

１０ ダンパシステム、２０ ダンパ装置、２２ ダンパシリンダ、２４ ダンパピストン、２６，２８，５０，５２，５４，５６ 空気室、３０ バッファタンク、３２，３４ 逆止弁、３６，６４ チェック弁、３８ 安全弁、４０ 増圧装置、４２ 増圧シリンダ、４４ 動作軸、４６ （細長軸部の）端面、４８ （ピストン部の）端面、６０，６２ 逆止弁、６６，６８ 固定絞り、７０ 外部流路、７２ 可変絞り装置、７４，７６ 流路、８０，８２，８４，８６ ポート。

Claims (3)

1. ダンパシリンダ内をダンパピストンが摺動するダンパ装置と、
   ダンパシリンダ内においてダンパピストンで区画される前方空気室および後方空気室にそれぞれ所定の気体圧に加圧された気体を供給するバッファタンクと、
   ダンパ装置の前方空気室から入力気体圧を受ける前方気体受面と後方空気室から入力気体圧を受ける後方気体受面と、前方気体受面の受面積よりも狭い押面積の前方気体押面と後方気体受面の受面積よりも狭い押面積の後方気体押面を有し、増圧シリンダ内を軸方向に揺動する動作軸を含み、動作軸の前方揺動または後方揺動によって受面積と押面積の比に応じて入力気体圧を増圧した出力気体圧を出力する増圧装置と、
   動作軸の前方気体押面と増圧シリンダとによって区画される前方出力気体室および動作軸の後方気体押面と増圧シリンダとによって区画される後方出力気体室のそれぞれに設けられ、前方出力気体室または後方出力気体室の何れかの出力気体圧の圧力がバッファタンクの内部の圧力より高圧となるときに高圧となった出力気体室の気体をバッファタンクに導入する逆止弁と、
   を備えることを特徴とするダンパシステム。
2. 請求項１に記載のダンパシステムにおいて、
   ダンパ装置の前方空気室と後方空気室とを外部で接続する外部流路と、
   外部流路の途中に直列に配置接続される可変絞り装置と、
   を備えることを特徴とするダンパシステム。
3. 請求項１に記載のダンパシステムにおいて、
   バッファタンクに設けられ、バッファタンクの内部の圧力が予め定めたチェック圧を超えるときに、バッファタンク内の気体を外気に放出するチェック弁を備えることを特徴とするダンパシステム。

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