JP2016142330A

JP2016142330A - ダンパ機能付ストッパ機構

Info

Publication number: JP2016142330A
Application number: JP2015018492A
Authority: JP
Inventors: 勝美佐々木; Katsumi Sasaki; 龍一伊藤; Ryuichi Ito; 大輔品川; Daisuke Shinagawa
Original assignee: PSC KK; Nippon Steel and Sumitomo Metal Corp
Current assignee: PSC KK; Nippon Steel Corp
Priority date: 2015-02-02
Filing date: 2015-02-02
Publication date: 2016-08-08
Anticipated expiration: 2035-02-02
Also published as: JP6488139B2

Abstract

【課題】移動体の運動を規制する機構として、移動体の移動範囲を規制するストッパ機能と、移動体に対しダンパとして働く機能を持たせることである。【解決手段】ダンパ機能付ストッパ機構１０は、シリンダ空間１４を内部に有する筐体１２と、シリンダ空間１４の内壁面１６に案内されてストローク範囲Ｓ内で摺動する移動体であるピストン２０と、シリンダ空間１４においてピストン２０で仕切られる第１気体圧室３１と第２気体圧室３２にそれぞれ設けられる第１連通穴３３と第２連通穴３４に供給圧力ＰSの気体が供給される気体供給路５０と、を備え、第１連通穴３３と第２連通穴３４は、ピストンのストローク範囲よりも予め狭く設定される連通範囲内に設けられる。【選択図】図１

Description

本発明は、ダンパ機能付ストッパ機構に係り、特に、移動体の移動範囲を規制するストッパ機構であって、所定の移動範囲においては移動体に対しダンパとして働くダンパ機能付ストッパ機構に関する。

本発明に関連する技術として、特許文献１には、乗り物のサスペンションのアンチローリングバーが述べられている。アンチローリングバーは、両端が車輪ホルダに固定されるＵ字形の素子で、Ｕ字形の中央バー部の両側の２箇所がベアリングで乗り物のシャーシに取り付けられる。

特開平９−２１８１２２号公報

車両のローリングを抑制するアンチローリングバーは軸部材であって、ローリングによる車体の左右両側の変位のそれぞれを軸の両端に印加することで、軸の捩じりに変換する。軸は捩じり剛性を有するので、車体による捩じりトルクに釣り合うまで捩られる。これにより車体のローリング運動が抑制される。

車両のアンチローリングバーに用いられるストッパ機構としては、台車のローリングの程度が大きいときはローリングに対する反力を受け止めるストッパ機構として働いてほしい。これに対し台車のローリングの程度が小さいときはダンパとして働いてほしい。このように、移動体の変位が大きいときは反力を受け止めるストッパ機構として働き、移動体の変位が小さいときはダンパとして働くことは、従来のピストンシリンダ機構では不可能である。

本発明の目的は、移動体の移動範囲を規制でき、移動体の変位が大きいときは反力を受け止めるストッパ機構として働き、移動体の変位が小さいときはダンパとして働くダンパ機能付ストッパ機構を提供することである。他の目的は、移動体の変位がストローク範囲の最大値に近づくほど受け止める反力が大きくなるダンパ機能付ストッパ機構を提供することである。他の目的は、移動体がストローク範囲内の予め定めた範囲内で移動するときは移動体が受ける反力をゼロにすることができるダンパ機能付ストッパ機構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機能付ストッパ機構は、軸方向に沿ったシリンダ空間を内部に有するシリンダ筐体と、シリンダ空間の内壁面に案内されて予め定められたストローク範囲で軸方向に摺動する移動体であるピストンと、シリンダ空間においてピストンで仕切られる第１流体圧室と第２流体圧室にそれぞれ開口する第１連通端部と第２連通端部に予め定めた供給圧力の流体が供給される流体供給路と、を備え、第１連通端部と第２連通端部は、ピストンのストローク範囲よりも予め狭く設定される連通範囲内に設けられることを特徴とする。

本発明に係るダンパ機能付ストッパ機構において、第２連通端部は、第２流体室におけるピストンのストローク端の壁部に設けられ、第１連通端部と第２連通端部の間の軸方向の長さはピストンのストローク範囲よりも予め狭く設定されることが好ましい。

本発明に係るダンパ機能付ストッパ機構は、軸方向に沿ったシリンダ空間を内部に有するシリンダ筐体と、シリンダ空間の内壁面に案内されて予め定められたストローク範囲で軸方向に摺動する移動体であるピストンと、シリンダ空間においてピストンで仕切られる第１流体圧室と第２流体圧室との間を高圧側から低圧側のみに流体が流れるように互いに向かい合う逆止弁で接続して、向かい合う逆止弁の接続点に予め定めた供給圧力の流体が供給される流体供給路と、シリンダ空間に開口する第１連通端部と第２連通端部の間を連通する連通路と、を備え、第１連通端部と第２連通端部は、ピストンのストローク範囲よりも予め狭く設定される連通範囲内に設けられることを特徴とする。

本発明に係るダンパ機能付ストッパ機構は、ピストンシリンダ機構を基本形とするものであって、移動体であるピストンの移動範囲はシリンダ空間の軸方向の両端壁面で制限され、それ以上は移動できないストッパ機能を有する。

また、シリンダ空間において移動体であるピストンで仕切られる第１流体圧室と第２流体圧室に予め定めた供給圧力の流体を供給する。これにより、例えば、ピストンが第１流体圧室側に移動するときは第１流体圧室の圧力が高圧となり第２流体圧室の圧力が低圧となる。逆に、ピストンが第２流体圧室側に移動するときは第２流体圧室の圧力が高圧となり第１流体圧室の圧力が低圧となる。いずれの場合にも、流体の圧縮特性に基づいて、ピストンの変位に応じた反力を受ける。

また、ピストンのストローク範囲よりも予め狭く設定される連通範囲内に第１連通端部と第２連通端部が設けられ、第１連通端部と第２連通端部は気体供給路で連通されている。ピストンが連通範囲内にあるときは、第１流体圧室と第２流体圧室が連通し、静的に第１流体圧室の圧力と第２流体圧室の圧力が同じとなっている。このとき、第１流体圧室と第２流体圧室には流体があり、ピストンの移動に伴い、流体が気体供給路を介して第１流体圧室と第２流体圧室の間を流通し、気体供給路に設けた絞りにより、ピストンの移動速度が速ければ速いほど、第１流体圧室の圧力と第２流体圧室の圧力の間に速度に比例した圧力差が発生し、速度に応じてピストンが受ける反力が増加するダンパとして働く。

このように、ダンパ機能付ストッパ機構は、ピストンシリンダ機構を基本形とするので、移動体であるピストンはストローク範囲で移動範囲が規制される。また、移動体の変位が大きいときは静的反力を受けるストッパ機構として働き、移動体の変位が小さいときはダンパとして働く。

また、本発明に係るダンパ機能付ストッパ機構において、第２連通端部は、第２流体室におけるピストンのストローク端の壁部に設けられ、第１連通端部と第２連通端部の間の軸方向の長さはピストンのストローク範囲よりも予め狭く設定される。ピストンが摺動する第１流体室の内壁面でなく、ピストンのストローク端の壁部に設けることで、ダンパ機能付ストッパ機構の全長を短くできる。この構造でも、ピストンが第１流体室側に移動し、第１連通端部を介しての気体供給路と第１流体室との間の連通状態がなくなると、流体の圧縮特性に基づいて、ピストンの変位に応じた反力を受ける。

本発明に係るダンパ機能付ストッパ機構は、シリンダ空間において移動体であるピストンで仕切られる第１流体圧室と第２流体圧室との間を高圧側から低圧側のみに流体が流れるように互いに向かい合う逆止弁で接続し、その接続点に予め定めた供給圧力の流体を供給する。これにより、ピストンが第１流体圧室側に移動するときは第１流体圧室の圧力が高圧となり第２流体圧室の圧力が低圧となる。逆に、ピストンが第２流体圧室側に移動するときは第２流体圧室の圧力が高圧となり第１流体圧室の圧力が低圧となる。このようにピストンが移動すると、流体の圧縮特性に基づいて、ピストンの変位に応じた反力を受ける。このように、ダンパ機能付ストッパ機構は、ピストンの変位に応じた反力を受けるストッパ機構として働く。

また、ピストンのストローク範囲よりも予め狭く設定される連通範囲内に第１連通端部と第２連通端部が設けられ、第１連通端部と第２連通端部は連通路で連通されるので、ピストンが連通範囲内にあるときは、第１流体圧室と第２流体圧室が連通し、静的に第１流体圧室の圧力と第２流体圧室の圧力が同じとなって、静的な圧力差によってピストンが受ける静的反力をゼロにすることができる。このとき、第１流体圧室と第２流体圧室には流体があり、ピストンの移動に伴い、流体が連通路を介して第１流体圧室と第２流体圧室の間を流通し、気体供給路に設けた絞りにより、ピストンの移動速度が速ければ速いほど、第１流体圧室の圧力と第２流体圧室の圧力の間に速度に比例した圧力差が発生し、速度に応じてピストンが受ける反力が増加するダンパとして働く。

本発明に係る実施の形態におけるダンパ機能付ストッパ機構の構成図である。本発明に係る実施の形態のダンパ機能付ストッパ機構における連通端部の例を示す図である。図２（ａ）は連通端部が連通穴の例を示す図で、（ｂ）は連通端部が連通溝の例を示す図である。本発明に係る実施の形態のダンパ機能付ストッパ機構において、ピストン外周面とシリンダ筐体内壁面との間の隙間のリークを抑制する構成例を示す図である。図３（ａ）は、１つのリーク防止リングを設ける構成を示す図、（ｂ）は、２つのリーク防止リングを設ける構成を示す図、（ｃ）は、（ｂ）にさらにＯリングを付加する構成を示す図、（ｄ）は、（ｃ）に対しリーク防止リングとＯリングとの間に連通路を付加する構成を示す図である。本発明に係る実施の形態におけるダンパ機能付ストッパ機構の具体的な構成図である。図４（ａ）は、軸方向を長手方向とする正面図であり、（ｂ）は、一部断面で示す上面図であり、（ｃ）は、軸方向から見た側面図である。本発明に係る実施の形態のダンパ機能付ストッパ機構の作用を示す図である。図５（ａ）は、図１と同様の図であり、（ｂ）はピストンの位置とピストンが受ける反力の関係を示す図である。本発明に係る実施の形態のダンパ機能付ストッパ機構が、鉄道車両のアンチローリングバーに適用される例を示す図である。図１の構造における小型のダンパ機能付ストッパ機構の具体的な構成図である。図７（ａ）は、断面図であり、（ｂ）は、シリンダ空間の第１気体圧室側と第２気体圧室側のそれぞれにおいてピストンが受ける力の大きさを示す図である。図７の小型のダンパ機能付ストッパ機構の作用を示す図である。図８（ａ）は、図５（ａ）に対応する図であり、（ｂ）は、図５（ｂ）に対応する図である。図７の小型のダンパ機能付ストッパ機構が、鉄道車両のアンチローリングバーに適用される例を示す図である。図９において、図８の小型のダンパ機能付ストッパ機構の作用を示す図である。図１０（ａ）は、車体のローリングがなく、車体が水平状態のときの図を示し、（ｂ），（ｃ）は、車体のローリングが生じたときの図を示す。連通路に関する他の構造例を示す図である。

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、鉄道車両のアンチローリングバーに適用されるダンパ機能付ストッパ機構について述べるが、これは説明のための１つの例示である。例えば、鉄道車両以外の車両のアンチローリングバーに適用してもよい。また、これら以外に、移動体の移動範囲を規制するストッパ機能と、所定の移動範囲において移動体に対しダンパとして働くダンパ機能を必要とする装置等に広く用いることが出来る。

以下では、ダンパ機能付ストッパ機構に用いら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、例えば乾燥空気、窒素ガス等を用いるものとしてもよい。

以下で述べる形状、寸法等は、説明のための例示であって、ダンパ機能付ストッパ機構の仕様に合わせ、適宜変更が可能である。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。

図１は、ダンパ機能付ストッパ機構１０の構成図である。ダンパ機能付ストッパ機構１０は、ピストンシリンダ機構を基本形とし、これに後述する気体供給路と連通路等を付加した構成を有する。そこで、以下では、特に断らない限り、移動体をピストンとして、移動体が摺動する筒体をシリンダ筐体と呼ぶ。図１には、ダンパ機能付ストッパ機構１０の構成要素ではないが、気体供給源８が示されている。気体供給源８は、供給圧力Ｐ_Sに加圧された圧縮空気源である。供給圧力Ｐ_Sは、数ａｔｍの圧力で、例えば、約＋３〜＋１０ａｔｍの圧力である。

ダンパ機能付ストッパ機構１０は、シリンダ筐体１３を含む筐体１２と、シリンダ筐体１３の内部に設けられるシリンダ空間１４の内壁面１６に案内されて軸方向に摺動する移動体であるピストン２０を備える。図１ではピストン２０の移動方向を軸方向とし、軸方向をＺ方向で示した。

筐体１２は、ダンパ機能付ストッパ機構１０の外形を形作るもので、円筒形の内壁面を有するシリンダ筐体１３と、シリンダ筐体１３の円筒形の両端開口部を塞ぐ両端部材と、気体供給源８に接続される気体供給口６０を備える気体供給部材等を含む複数の部材で構成される。筐体１２の両端部材の一方端にはピストン２０に接続されるピストンロッド１８を摺動自在に支持するロッド支持部が設けられる。

シリンダ筐体１３は、円筒状の内壁面１６を有する内部空間であるシリンダ空間１４を含み、内壁面１６でピストン２０の軸方向の移動を支持する外形が角筒状の部材である。シリンダ空間１４の両端開口部は筐体１２の両端部材で塞がれるので、シリンダ空間１４の軸方向に沿ったストローク範囲Ｓは、ピストン２０の軸方向に沿った移動範囲であって、ピストン２０はこれ以上軸方向に移動できない。シリンダ空間１４の両端開口部を塞ぐ筐体１２の両端壁面部材は、ピストン２０の移動範囲を規制するストッパ部材に相当する。

ピストン２０は、シリンダ筐体１３の内壁面１６を摺動する外径部を有する円板状の部材である。

ピストン２０の外周面に設けられるグライドリング２４は、ピストン２０の外周面とシリンダ筐体１３の内壁面１６との間の隙間２２における気体のリークを抑制するためのリーク防止リングである。グライドリング２４は、プラスチック製のリング部材で内径はピストン２０の外周面に嵌めこまれて固定され、その外周面は適当な加工手段等で外径寸法が調整される。加工手段等による外径寸法の調整は、隙間２２を極力小さくするように精密に行われる。例えば、グライドリング２４の外周面とシリンダ筐体１３の内壁面１６との間の隙間２２は数μｍ以下となるようにされる。ダンパ機能付ストッパ機構１０の仕様によってはグライドリング２４を省略することができる。ダンパ機能付ストッパ機構１０の仕様がリーク特性に対し厳しいときは、さらにリークを抑制するためのシールド手段が設けられる。それについては図３を用いて後述する。

ピストンロッド１８は、ピストン２０の端部から−Ｚ方向側に延びて筐体１２の外側に突き出る円形外形を有する棒状部材である。ピストンロッド１８は、筐体１２の両端部材の一方に設けられるロッド支持部によって摺動自在に保持される。ピストンロッド１８の外周面と筐体１２のロッド支持部の内壁面との間には、気密性を保持するために適当なシールドリング等を設けることが好ましい。シールドリングとしては、Ｏリング等を用いることができる。ピストンロッド１８の外形と筐体１２のロッド支持部の内壁面との間の隙間は、ダンパ機能付ストッパ機構１０の仕様によるが、例えば、数μｍに設定される。

シリンダ空間１４における軸方向に沿ったピストン２０の中立位置は、シリンダ空間１４のストローク範囲Ｓの中間に取ることができる。

ピストン２０によって、シリンダ筐体１３の内部のシリンダ空間１４は、第１流体圧室と第２流体圧室の２つの流体圧室に区画される。＋Ｚの側、つまりピストン２０においてピストンロッド１８が延びていない側の第１流体圧室を第１気体圧室３１、ピストン２０を隔てて第１気体圧室３１の反対側で、ピストン２０からピストンロッド１８が延びる側の第２流体圧室を第２気体圧室３２と呼ぶ。

バイパス路３８は、ピストン２０の内部にＺ方向に延びて設けられる気体流路で、第１気体圧室３１と第２気体圧室３２を結んで適当なバイアス流量を流す機能を有する。絞り装置３９は、バイパス路３８に設けられ、バイパス路３８を流れる気体流量を適当に絞る絞り装置である。

シリンダ筐体１３のシリンダ空間１４の内壁面１６に設けられる第１連通穴３３と第２連通穴３４は、軸方向に沿って互いに連通範囲Ｒだけ離間して設けられる開口部である。第１連通穴３３は、ピストン２０の中立位置に対し＋Ｚ方向側の位置に設けられ、第２連通穴３４は、ピストン２０の中立位置に対し−Ｚ方向側の位置に設けられる。ピストン２０が中立位置にあるときについて述べると、第１連通穴３３は第１気体圧室３１側に設けられ、第２連通穴３４は第２気体圧室３２側に設けられる。

連通範囲Ｒは、ストローク範囲Ｓよりも狭い範囲として設定される。ストローク範囲Ｓ、連通範囲Ｒは、ダンパ機能付ストッパ機構１０の仕様に応じて設定される。

気体供給路５０は、その＋Ｚ方向側の端部が第１連通穴３３に接続され、−Ｚ方向側の端部が第２連通穴３４に接続される。したがって、図１の例では、気体供給路５０は、シリンダ筐体１３においてシリンダ空間１４に開口する第１連通端部である第１連通穴３３と第２連通端部である第２連通穴３４の間を連通する連通路でもある。したがって、ピストン２０のＺ方向に沿った位置が連通範囲Ｒにあるとき、気体供給路５０は、第１連通穴３３と第２連通穴３４を介して、第１気体圧室３１と第２気体圧室３２との間を連通する。これにより、静的には、（第１気体圧室３１の圧力）＝（第２気体圧室３２の圧力）になる。

気体供給路５０は、筐体１２の外周に設けられた気体供給口６０と、第１気体圧室３１と第２気体圧室３２を結ぶ流体供給路で、筐体１２の内部に内蔵されて、軸方向に沿って設けられる。気体供給路５０の＋Ｚ方向側の端部は、シリンダ筐体１３を通り第１気体圧室３１に向かって第１連通穴３３として開口し、気体供給路４０の＋Ｚ方向側の端部は、シリンダ筐体１３を通り第２気体圧室３２に向かって第２連通穴３４として開口する。

気体供給路５０と気体供給口６０との間に設けられるフィルタ５４は、気体供給源８から供給圧力Ｐ_Sの気体のごみやチリを除去して気体供給路５０に供給するための濾過装置である。供給側オリフィス５３は、気体供給口６０から供給される気体が流量過多とならないように適当に絞る絞り部である。絞り装置４１，４２は、気体供給路５０から第１気体圧室３１と第２気体圧室に気体が過多に流れないように絞る絞り部である。

第１気体圧室３１と第２気体圧室３２との間は、バイパス路３８、気体供給路５０で連通される他は、ピストン２０の外径部とシリンダ空間１４の内壁面１６との間の隙間でつながっているのみで、外部へは気体が漏れることがない。第２気体圧室３２と外部との間は、ピストンロッド１８の外径部と筐体１２のロッド支持部の内壁面との間の隙間でつながっているので、第２気体圧室３２からごくわずかの気体が外部に漏れることがある。このように、ダンパ機能付ストッパ機構１０から外部へ洩れる気体の量はごく僅かであるので、気体供給源８から供給すべき流量はごく僅かでよい。

上記では、気体供給路５０は、筐体１２に内蔵して設けられるものとしたが、筐体１２の外側に配管等を用いて設けるものとしてもよい。

上記では、気体供給路５０の両端である第１連通端部と第２連通端部は、シリンダ筐体１３の内壁面１６に開口する第１連通穴３３、第２連通穴３４であるとした。第１連通穴３３と第２連通穴３４は、シリンダ筐体１３の内壁面１６の周方向に沿ってそれぞれ対となるように複数個設けることが好ましい。図１の例では、シリンダ筐体１３の内壁面１６の周方向に沿って等間隔に４つずつ設けられる。図２（ａ）は、対となる第１連通穴３３と第２連通穴３４と気体供給路５０の関係を示す断面図である。図２（ａ）に示すように、対となる第１連通穴３３と第２連通穴３４ごとに、それぞれ気体供給路５０が設けられる。気体供給路５０は、対となる第１連通穴３３と第２連通穴３４を結ぶように軸方向に沿って延びる。連通穴３３，３４の穴形状は、円形の他、長方形、楕円形でもよい。

気体供給路５０の両端は穴でなく溝でもよい。図２（ｂ）は、気体供給路５０の両端である第１連通端部と第２連通端部が、シリンダ筐体１３の内壁面１６に設けられる溝部である第１連通溝３５、第２連通溝３６である例を示す図である。第１連通溝３５、第２連通溝３６は、シリンダ筐体１３の内壁面１６の周方向に沿って一周延びる溝である。第１連通溝３５はピストン２０の中立位置に対し＋Ｚ方向に設けられ、第２連通溝３６はピストン２０の中立位置に対し−Ｚ方向に設けられる。気体供給路５０の両端はそれぞれ第１連通溝３５と第２連通溝３６に開口する。図２（ｂ）では気体供給路５０は２本設けられるが、１本でもよく、３本以上でもよい。気体供給路５０は、対となる第１連通溝３５と第２連通溝３６を結ぶように軸方向に沿って延びる。第１連通溝３５と第２連通溝３６は、ピストン２０のＺ方向の移動に対し、連通範囲Ｒとその外側のストローク範囲との間の切替溝として機能し、溝幅の領域をヒステリシス領域とすることができる。

図３は、ピストン２０の外周面とシリンダ筐体１３の内壁面１６との間の隙間２２における気体のリークをさらに抑制することが可能なシールド手段のいくつかの例を示す図である。図３（ａ）は、図１で説明したように、グライドリング２４を１つ用いる例である。この例では、グライドリング２４はピストン２０の−Ｚ方向側端部に近い位置に配置されているが、グライドリング２４をピストン２０の＋Ｚ方向側端部に近い位置に配置してもよい。あるいは、グライドリング２４をピストン２０のＺ方向に沿った中央部に配置してもよい。

図３（ｂ）は、２つのグライドリング２３，２４を用い、グライドリング２３をピストン２０の＋Ｚ方向側端部に近い位置に配置し、グライドリング２４をピストン２０の−Ｚ方向側端部に近い位置に配置する例を示す図である。ピストン２０のＺ方向に沿った両端部にそれぞれグライドリング２３，２４を配置することで、隙間２２における気体のリークを（ａ）の場合に比べ、一層抑制することができる。

図３（ｃ）は、２つのグライドリング２３，２４を用い、さらに２つのグライドリング２３，２４に挟まれる位置に弾力性のあるＯリング２６を設けたものである。Ｏリング２６の外径側には別のグライドリング２５が配置される。グライドリング２５はＯリング２６が配置される溝に嵌め込まれ、Ｏリング２６がピストン２０から外れないように位置を規制する役割を有する。また、グライドリング２５はＯリング２６によってシリンダ筐体１３の内壁面１６に対して押し付けられるので、隙間２２における気体のリークを（ｂ）に比べ、さらに一層抑制することができる。ここでは（ｂ）の構成にさらにＯリング２６グライドリング２５を設けるものとしたが、（ａ）の構成にさらにＯリング２６とグライドリング２５を設けるものとしてもよい。また、グライドリング２３，２４，２５に代えて、シリンダシリンダ機構の軸受材として一般的に用いられるウェアリングを用いてもよい。ウェアリングの断面形状は、円形断面形状を有するＯリングと異なり、矩形またはその角に面取りした形状である。

図３（ｄ）は、（ｃ）においてグライドリング２３，２４，２５のリークの影響を少なくするために、シールする部分をより明確にした例を示す図である。ここでは、グライドリング２５の＋Ｚ方向側の隙間２２と第１気体圧室３１の間、グライドリング２５の−Ｚ方向側の隙間２２と第２気体圧室３２の間についてそれぞれ連通させる連通路２７，２８が設けられる。（ｃ）の構成として、Ｏリング２６とグライドリング２５の外側に１つのグライドリングのみを設けるものとする場合は、連通路も１つでよい。

図３にいくつかの例を示したが、ダンパ機能付ストッパ機構１０の仕様に応じ、適当な構成を選ぶことができる。どの構成が適しているかは、実験等で確認することができる。

図４は、ダンパ機能付ストッパ機構１０の具体的構成を示す図で、図４（ａ）は、軸方向を長手方向とする正面図である。図４（ｂ）は、（ａ）に対し、軸方向周りに９０度回転させて上面側から見た上面図である。図４（ｃ）は、軸方向から見た側面図である。なお、図４では図１に対し、シリンダ筐体１３に対する第１連通穴３３と第２連通穴３４の配置をＺ軸周りに４５度ずらしたものを示した。このようにすることで、図４では第１連通穴３３、第２連通穴３４が２つずつ示される。図４（ａ），（ｂ），（ｃ）に、Ｚ方向に互いに直交するＸ方向とＹ方向を示した。

図４（ｃ）に示すように、筐体１２は、角筒状の外形を有し、その上面に気体供給口６０が設けられる。図４（ｂ）には一部断面図として、シリンダ筐体１３の内部空間であるシリンダ空間１４の内壁面１６が示される。図４（ｂ）に一部が示されるように、第１連通穴３３と第２連通穴３４は、内壁面１６においてＺ軸周りに予め定められた角度間隔で合計４つずつ設けられる。予め定められた角度間隔は９０度とすることが出来る。

図４（ａ），（ｂ）に示されるように、筐体１２の＋Ｚ方向側には取付部６２が設けられ、ピストンロッド１８の−Ｚ方向の先端部には取付部６４が設けられる。筐体１２と取付部６４との間に設けられる蛇腹部６６は、ピストンロッド１８と筐体１２のロッド支持部の内壁面との間に塵埃等の異物が侵入することを防ぐ伸縮自在の保護カバーである。

かかる構成のダンパ機能付ストッパ機構１０の作用について、図５を用いて説明する。図５（ａ）は、図１の構成図を用いてピストン２０の位置を示す図で、図５（ｂ）はピストン２０の位置とピストン２０が受ける反力の大きさとの関係を示す図である。図５（ｂ）の横軸は、ピストン２０のＺ方向に沿った位置Ｚで、原点はピストン２０の中立位置にとった。縦軸は、ピストン２０が第１気体圧室３１の静的圧力と第２気体圧室３２の静的圧力との差である静的圧力差に応じて受けるＺ方向の静的反力である。＋Ｚ方向に移動したときにピストン２０が受ける静的反力を＋側とし、−Ｚ方向に移動したときにピストン２０が受ける静的反力を−側とした。静的反力とは、ピストン２０の位置によって定まる反力のことで、ピストン２０の速度の大きさによって定まる動的反力と区別される。

図５（ｂ）に示されるように、ピストン２０のＺ方向の位置が連通範囲Ｒ内であるときは、気体供給路５０の連通機能によって、静的には（第１気体圧室３１の圧力）＝（第２気体圧室３２の圧力）となるので、ピストン２０が第１気体圧室３１と第２気体圧室３２の静的な圧力差によって受ける静的反力はゼロである。このときでも、第１気体圧室３１と第２気体圧室３２には気体があり、ピストンの移動に伴い、気体が気体供給路５０を介して第１気体圧室３１と第２気体圧室３２の間を流通し、ピストン２０の移動速度が速ければ速いほど、第１気体圧室３１の圧力と第２気体圧室３２の圧力の間に速度に比例した圧力差が発生し、速度に応じてピストン２０が受ける反力は増加する。このように、ピストン２０の変位が小さくてピストン２０のＺ方向の位置が連通範囲Ｒ内であるときは、ピストン２０が受ける静的反力＝０で、動的特性としてはダンパとして働く。このような反力特性を第１反力特性と呼ぶ。

ピストン２０の変位が大きくなって、ピストン２０のＺ方向の位置が連通範囲Ｒを越えたストローク範囲Ｓの間であるときは、ピストン２０は、第１気体圧室３１と第２気体圧室３２の間の静的な圧力差に応じた大きさの静的反力を受ける。ピストン２０が受ける静的反力は、ピストン２０のＺ方向の位置が連通範囲Ｒから離れるほど緩やかに増加する非線形特性７０を有し、ストロークが最大になる位置で絶対値が最大になる。図５（ｂ）では、ストローク範囲Ｓの両端の位置で、静的反力の絶対値が最大になり、そこでピストン２０の移動が止まる。非線形特性７０は、気体の圧縮特性に基づくものである。このような反力特性を第１反力特性と区別して第２反力特性と呼ぶ。

このように、ダンパ機能付ストッパ機構１０の反力特性は、ピストン２０の位置が連通範囲Ｒ内であればダンパとしての動的な第１反力特性を示し、連通範囲Ｒを越えると変位に応じた非線形の静的反力を生じる第２反力特性を示す。第１反力特性は、静的反力＝０であるが、速度に対する反力が生じる。第２反力特性は、変位が大きくなるにつれて静的反力が緩やかに大きくなり、ストローク範囲Ｓの両端の位置でそれぞれ絶対値が最大となり、ピストン２０の移動がそこで停止する。この２つの反力特性により、ダンパ機能付ストッパ機構１０は、ダンパ機能を有するストッパ機構として用いることが出来る。

また、ストローク範囲Ｓに対し連通範囲Ｒを適切に設定し、あるいはピストン２０がストローク範囲Ｓの両端位置まで移動してきたときにシリンダ空間１４内に残るデッドボリュームの大きさを適当に設けることで、ピストン２０が受ける静的反力の絶対最大値が過度に大きくならないように抑制することが出来る。また、第２反力特性において、ストローク範囲Ｓの両端の位置に近づくにつれて静的反力が計画値以上で増加する場合は、第１気体圧室３１、第２気体圧室３２に小さな空気溜まりを設けて、その増加の大きさを抑制することができる。

図６は、ダンパ機能付ストッパ機構１０を、鉄道車両１００のアンチローリングバー１３０に適用したときの例を示す図である。図６は、鉄道車両１００が路面１０２に敷設されたレール１０４，１０６の上を車輪１０８，１１０で走行するときの車輪１０８，１１０近傍の構造を示す図である。

鉄道車両１００は、車輪１０８，１１０が設けられる車軸１１２を懸架ばね１１４で支持する台車１２０と、乗客等が乗る車体１２６と、台車１２０と車体１２６の間に配置される空気ばね１２２，１２４を備える。図６に示すＸ方向は、車体１２６の車幅方向で、Ｙ方向は車体の長手方向で、Ｚ方向は路面１０２に対し垂直方向である。

ローリングとは、鉄道車両１００が走行する際に、台車１２０に対し車体１２６がＹ軸周りに回転することで、例えば、カーブを走行するとき等で、車体１２６の＋Ｘ方向側が＋Ｚ方向に持ち上がり、−Ｘ方向側が−Ｚ方向に下がると、車体１２６がＹ軸周りに回転する。アンチローリングバー１３０は、鉄道車両１００が走行中に過度のローリングとならないようにするための部材で、台車１２０に設けられる回転支持台１３２，１３４に回転自在に支持されてＸ方向に延びる棒材である。アンチローリングバー１３０の両端は、＋Ｙ方向に曲げられた中間部１３６となり、中間部１３６はさらに＋Ｚ方向に曲げられて端部１３８となる。従来技術ではＺ方向に延びる２つの端部１３８の先端がそれぞれ車体１２６に設けられる車体取付部１２６Ｂに直接的に固定される。

ローリングが生じて、車体１２６の＋Ｘ方向側が＋Ｚ方向に持ち上がり、−Ｘ方向側が−Ｚ方向に下がると、アンチローリングバー１３０の両端側で互いに逆方向に捩じられる。図６には、互いに逆方向となる捩じり方向を矢印で示した。従来技術では、アンチローリングバー１３０が単体で設けられる。アンチローリングバー１３０は単体でも捩じり剛性を有するので、捩じりの大きさにほぼ比例した反力を生じ、これによってローリングを抑制することが出来る。

図１から図５で説明したダンパ機能付ストッパ機構１０は、アンチローリングバー１３０の中間部１３６と車体１２６との間の端部１３８に相当する箇所に設けられる。図６では、アンチローリングバー１３０の−Ｘ方向側の中間部１３６と車体取付部１２６Ａとの間にダンパ機能付ストッパ機構１０が設けられる。もう一方側の端部である＋Ｘ方向側の端部１３８にはダンパ機能付ストッパ機構が設けられず、端部１３８が直接的に車体取付部１２６Ｂに接続される。

ダンパ機能付ストッパ機構１０は、ピストンロッド１８に設けられる取付部６２を用いて車体１２６に設けられる車体取付部１２６Ａに取り付けられる。また、筐体１２に設けられる取付部６４を用いてアンチローリングバー１３０の−Ｘ方向側の中間部１３６に取り付けられる。

ダンパ機能付ストッパ機構１０は、図５で説明した第１反力特性と第２反力特性とを有する。車体１２６にローリングが生じても、アンチローリングバー１３０の先端側の位置においてＺ方向に沿って連通範囲Ｒ内となる軽度の変位であれば、第１反力特性が働く。すなわち、ピストン２０が受ける静的反力＝０で、車体１２６はそのまま軽度のローリングをする。このとき、ダンパ機能付ストッパ機構１０はダンパとして働き、ピストン２０が過度の移動速度で移動することを抑制する。

ローリングの程度が大きくなって、アンチローリングバー１３０の先端側の位置においてＺ方向に沿って連通範囲Ｒを越えてストローク範囲Ｓとなる変位になると、第２反力特性が働く。すなわち、ピストン２０は、変位の増加に伴い緩やかに増加する静的反力を受ける。これによってアンチローリングバー１３０は捩じられ、車体１２６のローリングが抑制される。

ローリングの程度が更に大きくなり、ピストン２０の移動が最大ストロークの位置に達すると、ピストン２０の移動はそこで停止し、車体１２６がそれ以上ローリングすることがない。

上記のダンパ機能付ストッパ機構１０では、中立位置を中心に±Ｚ方向にピストン２０が移動し、ピストン２０の位置Ｚと反力の関係は、図５に示すように中立位置に対しほぼ対称形の特性となる。この場合には、ピストン２０のストローク範囲Ｓがかなり長くなる。鉄道車両１００における台車１２０と車体１２６の間の間隔距離を考えると、小型のダンパ機能付ストッパ機構が好ましい。ピストン２０の位置Ｚと反力の関係を中立位置に対し対称形とせずに、半分の特性で済ますことができれば、ダンパ機能付ストッパ機構の小型化が可能になる。

図７は、小型化を図ったダンパ機能付ストッパ機構１１の構成を示す図である。図７（ａ）は、断面図、（ｂ）は、シリンダ空間１４の第１気体圧室３１側と第２気体圧室３２側のそれぞれにおいてピストン２０が受ける力の大きさを示す図である。ダンパ機能付ストッパ機構１１の構成は、図１から図５で説明したダンパ機能付ストッパ機構１１の構成とほとんど同じであるが、軸方向の全長が短くなっている。図７に示すＸＹＺの各方向は、図４、図５と同じで、ピストンロッド１８が延びる方向が−Ｚ方向である。

ダンパ機能付ストッパ機構１１の構成において、図４のダンパ機能付ストッパ機構１０の構成と異なるのは、連通穴３４を省略し、これに代えて、第２気体圧室３２において、ピストン２０のストローク端となる壁部に気体供給路５０の開口部４４を設けたことである。連通穴３３はそのままである。連通穴３３と開口部４４は気体供給路４０によって連通している。したがって、ピストン２０が、連通穴３３のＺ方向位置よりも−Ｚ方向にあるときは、静的に、（第１気体圧室３１の圧力）＝（第２気体圧室３２の圧力）となる。

このとき、図７（ｂ）に示すように、シリンダ空間１４の第１気体圧室３１側と第２気体圧室３２側のそれぞれにおいてピストン２０の受圧面積を比較すると、第２気体圧室３２の受圧面積Ａ₃₂は、ピストンロッド１８の断面積分だけ、第１気体圧室３１の受圧面積Ａ₃₁よりも小さい。したがって、ピストン２０が受ける力の大きさは、第１気体圧室３１側の方が第２気体圧室３２側よりも大きい。これにより、ピストンは−Ｚ方向に移動し、シリンダ空間１４の−Ｚ側壁面で止まる。この状態は、ピストン２０のＺ方向位置が連通穴３３のＺ方向位置よりも−Ｚ側にある間継続する。この状態をノーマル状態と呼ぶと、ノーマル状態では、シリンダ空間１４の−Ｚ側壁面がピストン２０の−Ｚ方向移動のストッパとして機能する。

ピストン２０のＺ方向位置が、連通穴３３のＺ方向位置よりも＋Ｚ側に移動すると、連通穴３３がピストン２０で塞がれ、あるいはさらに移動して連通穴３３がピストン２０に対して第２気体圧室３２側となると、連通穴３３を介しての気体供給路５０と第１流体室との間の連通状態がなくなる。この状態は、図５におけるピストン２０が連通範囲Ｒを越えてストローク範囲Ｓにあるときに相当する。

図８は、図５に相当する図である。図８（ａ）は図７（ａ）をモデル化した図である。（ｂ）は、ピストンの位置とピストンが受ける反力の関係を示す図である。図７で説明したように、ピストン２０のＺ方向位置が連通穴３３のＺ方向位置よりも−Ｚ側にある範囲は、静的に、（第１気体圧室３１の圧力）＝（第２気体圧室３２の圧力）であり、静的な反力＝０である。したがって、この範囲は、図５の連通範囲Ｒに相当する。ピストン２０のＺ方向位置が連通穴３３のＺ方向位置よりも＋Ｚ側にある範囲は、通常のピストンシリンダ機構と同じで、変位に応じた非線形の静的反力を生じる。したがって、この範囲は、図５における連通範囲Ｒを超えたストローク範囲Ｓに相当する。

図８（ｂ）に示すように、ピストン２０の位置Ｚと反力の関係は、図５の中立位置に対称形の特性でなく、図５のほぼ片側の特性となっている。この片側の特性は、ストローク範囲Ｓと連通範囲Ｒを有し、図５で説明したものと同様に、ピストン２０の位置が連通範囲Ｒ内であればダンパとしての動的な第１反力特性を示し、連通範囲Ｒを越えると変位に応じた非線形の静的反力を生じる第２反力特性を示す。第１反力特性は、静的反力＝０であるが、速度に対する反力が生じる。第２反力特性は、変位が大きくなるにつれて静的反力が緩やかに大きくなり、ストローク範囲Ｓの両端の位置でそれぞれ絶対値が最大となり、ピストン２０の移動がそこで停止する。

このように、ダンパ機能付ストッパ機構１１は、ダンパ機能付ストッパ機構１０と同様に、第１反力特性と第２反力特性を有するが、その移動範囲は、ダンパ機能付ストッパ機構１０の移動範囲よりも少ない。５０％の移動範囲となることが理想であるが、具体的な寸法設計を行うと、ダンパ機能付ストッパ機構１１のＺ方向の寸法は、ダンパ機能付ストッパ機構１０のＺ方向寸法の約６０％から７０％程度とできる。

図９は、図６に対応する図で、図７の小型化したダンパ機能付ストッパ機構１１を鉄道車両１００のアンチローリングバー１３０に適用したときの図である。図６では、ダンパ機能付ストッパ機構１０の基準位置が中立位置であるため、安定位置とならない。そのために、アンチローリングバー１３０の−Ｘ側端部の側にのみダンパ機能付ストッパ機構１０を設け、＋Ｘ側端部は車体１２６に固定した。ダンパ機能付ストッパ機構１１は、ノーマル状態においてピストン２０のＺ方向の位置は、シリンダ空間１４の−Ｚ側壁面のストッパ機能によって、シリンダ空間１４の−Ｚ側壁面の位置が安定位置となる。このことから、ダンパ機能付ストッパ機構１１は、アンチローリングバー１３０の−Ｘ側端部と＋Ｘ側端部の双方に設けられる。

図１０は、鉄道車両１００のアンチローリングバー１３０の−Ｘ側端部に設けられるダンパ機能付ストッパ機構１１Ａと、＋Ｘ側端部に設けられるダンパ機能付ストッパ機構１１Ｂの相互作用を示す図である。図１０（ａ）は、車体１２６のローリングがなく、車体１２６が水平状態のときの図を示し、（ｂ），（ｃ）は、車体１２６のローリングが生じたときの図を示す。（ｂ）は、車体１２６の−Ｘ側の車体取付部１２６Ａが−Ｚ方向に沈んだときの図を示し、（ｃ）は、車体１２６の＋Ｘ側の車体取付部１２６Ｂが−Ｚ方向に沈んだときの図を示す。

図１０（ａ）では、ダンパ機能付ストッパ機構１１Ａのピストン２０もダンパ機能付ストッパ機構１１Ｂのピストン２０も連通範囲Ｒにあり、いずれもシリンダ空間１４の−Ｚ側壁面の位置で止まっている。

図１０（ｂ）では、ダンパ機能付ストッパ機構１１Ｂのピストン２０は連通範囲Ｒにあり、シリンダ空間１４の−Ｚ側壁面の安定位置にある。ダンパ機能付ストッパ機構１１Ａのピストン２０は連通範囲Ｒを超えたストローク範囲Ｓにあり、変位に応じた非線形の静的反力を生じる第２反力特性を示す。ダンパ機能付ストッパ機構１１Ａのピストン２０はストローク範囲Ｓでのみ移動可能で、シリンダ空間１４の＋Ｚ側壁面がストッパとなる。

図１０（ｃ）では、ダンパ機能付ストッパ機構１１Ａのピストン２０は連通範囲Ｒにあり、シリンダ空間１４の−Ｚ側壁面の安定位置にある。ダンパ機能付ストッパ機構１１Ｂのピストン２０は連通範囲Ｒを超えたストローク範囲Ｓにあり、変位に応じた非線形の静的反力を生じる第２反力特性を示す。ダンパ機能付ストッパ機構１１Ｂのピストン２０はストローク範囲Ｓでのみ移動可能で、シリンダ空間１４の＋Ｚ側壁面がストッパとなる。

このように、ダンパ機能付ストッパ機構１１においては、ダンパ機能付ストッパ機構１０と同様に第１反力特性と第２反力特性を備えながら、小型の構成とすることができる。

上記では、気体供給口６０から直接的に気体供給路５０を介して第１気体圧室３１と第２気体圧室３２に必要な気体を供給するものとした。図１１は、気体供給口６０から第１気体圧室３１と第２気体圧室３２に気体を供給する機能と、第１気体圧室３１と第２気体圧室３２を連通する機能を分ける構造例を示す図である。

気体供給口６０から第１気体圧室３１と第２気体圧室３２に気体を供給するための気体供給路５０は、筐体１２の外周に設けられた気体供給口６０と、第１気体圧室３１と第２気体圧室３２を結ぶ流体供給路で、筐体１２の内部に内蔵されて、軸方向に沿って設けられる。気体供給路５０の＋Ｚ方向側の端部は、第１気体圧室３１に向かって第１気体供給穴５５として開口し、気体供給路５０の＋Ｚ方向側の端部は、第２気体圧室３２に向かって第２気体供給穴５６として開口する。図１の例では第１気体供給穴５５、第２気体供給穴５６は、筐体１２の両端部材に開口するものとしたが、これに代えて、シリンダ筐体１３の両端部近傍に第１気体供給穴５５、第２気体供給穴５６を開口するものとしてもよい。

逆止弁５１，５２は、気体供給路５０において、第１気体圧室３１と第２気体圧室３２との間を高圧側から低圧側のみに流体が流れるように、逆止側が互いに向かい合って配置された２つの逆止弁である。気体供給路５０は、向かい合う逆止弁５１，５２の接続点において予め定めた供給圧力Ｐ_Sの気体を供給する。

第１気体圧室３１と第２気体圧室３２との間は、バイパス路３８、連通路４０で連通される他は、ピストン２０の外径部とシリンダ空間１４の内壁面１６との間の隙間でつながっているのみで、外部へは気体が漏れることがない。第２気体圧室３２と外部との間は、ピストンロッド１８の外径部と筐体１２のロッド支持部の内壁面との間の隙間でつながっているので、第２気体圧室３２からごくわずかの気体が外部に漏れることがある。このように、ダンパ機能付ストッパ機構１０から外部へ洩れる気体の量はごく僅かであるので、気体供給源８から供給すべき流量はごく僅かでよい。

上記では、連通路４０と気体供給路５０は、共に筐体１２に内蔵して設けられるものとしたが、いずれか一方、または両方を、筐体１２の外側に配管等を用いて設けるものとしてもよい。

本発明に係るダンパ機能付ストッパ機構は、車両用のアンチローリングバーのストッパ機構として用いることができる。

８気体供給源、１０，１１ダンパ機能付ストッパ機構、１２筐体、１３シリンダ筐体、１４シリンダ空間、１６内壁面、１８ピストンロッド、２０ピストン、２２（ピストン外周面とシリンダ筐体内壁面との間の）隙間、２３，２４，２５グライドリング（リーク防止リング）、２６Ｏリング、２７，２８，４０連通路、３１第１気体圧室（第１流体圧室）、３２第２気体圧室（第２流体圧室）、３３第１連通穴、３４第２連通穴、３５第１連通溝、３６第２連通溝、３８バイパス路、３９，４１,４２絞り装置、４４開口部、５０気体供給路、５１，５２逆止弁、５３供給側オリフィス、５４フィルタ、５５第１気体供給穴、５６第２気体供給穴、６０気体供給口、６２，６４取付部、６６蛇腹部、７０非線形特性、１００鉄道車両、１０２路面、１０４，１０６レール、１０８，１１０車輪、１１２車軸、１２０台車、１２２，１２４空気ばね、１２６車体、１２６Ａ，１２６Ｂ車体取付部、１３０アンチローリングバー、１３２，１３４回転支持台、１３６（アンチローリングバーの）中間部、１３８（アンチローリングバーの）端部。

Claims

軸方向に沿ったシリンダ空間を内部に有するシリンダ筐体と、
シリンダ空間の内壁面に案内されて予め定められたストローク範囲で軸方向に摺動する移動体であるピストンと、
シリンダ空間においてピストンで仕切られる第１流体圧室と第２流体圧室にそれぞれ開口する第１連通端部と第２連通端部に予め定めた供給圧力の流体が供給される流体供給路と、
を備え、
第１連通端部と第２連通端部は、ピストンのストローク範囲よりも予め狭く設定される連通範囲内に設けられることを特徴とするダンパ機能付ストッパ機構。
請求項１に記載のダンパ機能付ストッパ機構において、
第２連通端部は、第２流体室におけるピストンのストローク端の壁部に設けられ、
第１連通端部と第２連通端部の間の軸方向の長さはピストンのストローク範囲よりも予め狭く設定されることを特徴とするダンパ機能付ストッパ機構。
軸方向に沿ったシリンダ空間を内部に有するシリンダ筐体と、
シリンダ空間の内壁面に案内されて予め定められたストローク範囲で軸方向に摺動する移動体であるピストンと、
シリンダ空間においてピストンで仕切られる第１流体圧室と第２流体圧室との間を高圧側から低圧側のみに流体が流れるように互いに向かい合う逆止弁で接続して、向かい合う逆止弁の接続点に予め定めた供給圧力の流体が供給される流体供給路と、
シリンダ空間に開口する第１連通端部と第２連通端部の間を連通する連通路と、
を備え、
第１連通端部と第２連通端部は、ピストンのストローク範囲よりも予め狭く設定される連通範囲内に設けられることを特徴とするダンパ機能付ストッパ機構。