JP3604402B2 - 脈動低減装置 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、油圧を伝達する管路の脈動を低減する脈動低減装置に関する。
背景技術
油圧管路内を流れる流体の脈動を低減するための脈動低減装置が知られており、車両用エンジンの２次空気導入時に生じる吸入音を低減させるようにした装置が特開昭60−40720号公報に開示されている。この装置は、排気系の２次空気供給口に連通する２次空気通路の逆止弁上流側に、所定範囲周波数成分に対する消音器と、それ以外の周波数成分に対する補助消音器とを備える。この補助消音器は、消音すべき周波数の波長の1/4の長さを有する閉鎖管を複数本上記２次空気通路の側方に突設して形成したものである。脈動に含まれる複数の周波数成分に合せた閉鎖管を複数設けることにより、脈動を効果的に低減することができる。
上記従来の装置では、消音すべき周波数の波長の1/4の長さを有する閉鎖管を設けることにより消音効果を得ているので、消音の対象になる周波数が多ければ、必要となる閉鎖管の本数も多くなり、装置が複雑かつ大型になるという問題が生じる。
また、単純に１つの閉鎖管により脈動低減装置を構成すると、閉鎖管の形状等により定まる1/4波長共振モードの奇数倍の周波数で透過損失の極大値をとるので、偶数倍の高調波を有効に低減することができない。すなわち、脈動の基本波およびその２次、３次等の高調波を同時の効率良く低減することができない。
発明の開示
本発明の目的は、油圧管路内を流れる流体の脈動を低減できる小型の脈動低減装置を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の油圧管路内を流れる油の脈動を低減する脈動低減装置は、管路から分岐し終端が閉鎖されたサイドブランチと、少なくとも脈動の基本周波数および第２次高調波を含む複数の周波数で透過損失が極大値を取るように、管路からの分岐点と終端との間でサイドブランチの内部を複数の領域に分割する少なくとも一つの絞りとを設ける。
【図面の簡単な説明】
図１は、第１の実施例の脈動低減装置の原理を示す図。
図2Aは、第１の実施例の脈動低減装置の全体を示す図。
図2Bは、ゴムホースの終端部分を示す図。
図2Cは、絞りの部分を示す断面図。
図３は、第１の実施例の脈動低減装置における透過損失の設計値および実測値を示す図。
図４は、第２の実施例の脈動低減装置の原理を示す図。
図５は、第２の実施例の脈動低減装置における透過損失の設計値および実測値を示す図。
図６は、第３の実施例の脈動低減装置における透過損失の設計値および実測値を示す図。
図７は、第４の実施例の脈動低減装置における透過損失の設計値および実測値を示す図。
図８は、他の絞りの例を示す図。
図９は、他の絞りの例を示す図。
図10は、サイドブランチの一部をポンプ内部に設けた場合を説明する図。
発明を実施するための最良の形態
−第１の実施例−
以下、図１〜図３を用いて本発明による脈動低減装置の第１の実施例について説明する。
図１は第１の実施例の装置を示す原理図であり、１は油圧ポンプ、２は油圧ポンプ１から吐出された作動油を導くメイン配管、３はメイン配管２から分岐して設けられたゴムホース製のサイドブランチ（閉鎖管）、５はコントロールバルブ等の油圧機器を代表する絞り、６は作動油タンクである。
図１に示すように、サイドブランチ３は始端3aを介してメイン配管２と接続され、終端3dは塞がれて閉鎖端とされている。サイドブランチ３の内部には金属製の絞り４が設けられ、絞り４によりサイドブランチは始端3a側と終端3d側とに二分されている。
図１において、メイン配管２の軸心から絞り４の下端（図１において下端）までの長さをL1、絞り４の上下端間の長さをL2、絞り４の上端からサイドブランチ３の終端3dまでの長さをL3、サイドブランチ３の内径の断面積をＡ、絞り４の開口の断面積をａとする。また、サイドブランチ３の始端3aにおける圧力脈動および流量脈動をそれぞれPiおよびQiとし、終端3dにおける圧力脈動および流量脈動をそれぞれPo、Qoとすると、これらの間には（１）式の関係が成立する。式（１）右辺の第１項、第２項、第３項の行列は、サイドブランチ３の長さL1部分、上下端の長さL2の絞り４部分、長さL3部分のそれぞれの伝達マトリックスに対応する。第２項の絞り４の伝達マトリックスは長さL2が脈動の波長に比べて十分に短いと仮定し簡略化している。

ここに、β（ｓ）は管路内流体中の波動伝播係数、Z₀は管路の特性インピーダンス（＝ρｃξ_Ｐ（ｓ）/A）、ρは流体の密度、ｃは管路内流体の音速、ξ_Ｐ（ｓ）は管路内流体の粘性に基づく抵抗の係数、ξ_０（ｓ）は絞り内流体の粘性に基づく抵抗の係数である。
式（１）でサイドブランチ３の終端3dの流量脈動Qoをゼロとおいて（終端3dは閉鎖端であるため）Pi、Qiを求めると、サイドブランチ３のインピーダンスZsは（２）式のようになる。

このサイドブランチ３をメイン配管２と分岐して配置した時のメイン配管２の入口3bにおける圧力脈動および流量脈動をそれぞれP1、Q1とし、メイン配管２の出口3c（図１）における圧力脈動および流量脈動をそれぞれP2、Q2とし、伝達マトリックスをＴとすると（３）式で表すことができる。

ここで、P1＝Pi＝P2、Q1＝Qi＋Q2の関係が成り立つので、式（２）から得られるQi＝Pi/Zsの関係を用いると、伝達マトリックスＴの各係数は、T₁₁＝１、T₁₂＝０、T₂₁＝1/Zs、T₂₂＝１となる。
このサイドブランチ３を特性インピーダンスがZcのメイン配管２に分岐して接続した時の透過損失TLは、伝達マトリックスＴの係数を使用して表すと（４）式で与えられる。この（４）式は、伝送工学や音響工学の分野で知られた式から導き出されるものである。

上記（４）式に前述の伝達マトリックスＴの各係数を代入すると、透過損失TLは、管路の長さL1、L3および断面積Ａと絞りの長さL2、断面積ａにより表せられる式となる。従って、管路の長さL1、L3や、断面積Ａや、絞りの長さL2や、断面積ａをいろいろと変えることにより所望の周波数で透過損失TLが極大となるよう設定できる。
本第１の実施例の脈動低減装置では、前述の（４）式および伝達マトリックスＴの各係数より、与えられた管路の長さL1、L3および断面積Ａと絞りの長さL2、断面積ａの下に所定の２つの周波数で透過損失が極大値をとるように設定できる。即ち、従来のサイドブランチが1/4波長共振モードの奇数倍の周波数でしか透過損失が極大値をとることができないのに対して、第１の実施例の脈動低減装置ではサイドブランチ３の管路長や断面積等のパラメータを上記（１）式〜（４）式に基づき決めることにより、任意の周波数で透過損失極大値を設定でき、例えば、油圧脈動の１次と２次あるいは２次と３次の周波数に透過損失極大値を設定できる。
なお所望の周波数で透過損失TLが極大となるための管路の長さL1、L3、断面積Ａ、絞りの長さL2、断面積ａなどは、コンピュータによりこれらの値を変化させながら上述の式（４）を演算することにより求めることができる。また、サイドブランチの試作を繰り返し実験等により透過損失を実測することによっても求めることができる。また、コンピュータによるシミュレーションと実験による実測を組み合わせることにより、効率よく精度の高いサイドブランチを設計することができる。
長さL1を770mm、L3を210mm、断面積Ａを283.5mm²、サイドブランチ内部の絞り４の長さL2を52mm、断面積ａを12.6mm²とし、（１）式〜（４）式に代入すると、図３の実線（設計値）に示すようにｆ^＊r.1＝230Hzおよびｆ^＊r.2＝460Hzに透過損失の極大値が現れる。この場合、油圧振動（脈動）の基本周波数が230Hzであれば、１つのサイドブランチ３で２次高周波までの振動を効果的に低減することができる。
第１の実施の形態では、サイドブランチ３の材質をゴムホースで構成している。図３にプロットされた「○」点は上記のパラメータにおける実測値を示しており、実線で示す設計値からのずれが存在する。このずれは主としてゴムホースのかしめ、および継手部の断面積の縮小によるものであり、これを考慮して設計すれば、このずれは殆ど無くなる。
このように、第１の実施例では、サイドブランチ３の内部に絞り４を設けることにより、絞り４の部分の流体の慣性効果（ρL2/a）で決まる反射係数（あるいは透過係数）と、絞り４の両側の管の長さを調節し、所望の２つの周波数でサイドブランチ３のインピーダンスZsを極小にする、すなわちサイドブランチ３による透過損失を極大にすることができる。したがって、１本のサイドブランチ（閉鎖管）により、脈動の周波数分布にあわせた振動低減特性を得ることができる。
また、第１の実施例は単純な構造を採用しているので、複数のサイドブランチを備える場合に比べて装置の信頼性を向上させることができ、コストも低く抑えられる。
図２は、第１の実施例の脈動低減装置を油圧ポンプの脈動の低減に適応した実装例を示している。図2Aに示すように、油圧ポンプ１からの吐出油はメイン配管（デリベリホース）２を介して、例えばコントロールバルブ等に向けて供給される。メイン配管２の一端は油圧ポンプ１のデリベリポートに設けられたブロック1aに接続され、そのブロック1aにはサイドブランチ３としてのゴムホース31の一端が接続されている。図2Bに示すように、ゴムホース31の他端はめくらプラグ32により塞がれ、めくらプラグ32がボルト33を介してメインフレーム35に固定されたブラケツト34に取付けられている。ゴムホース31、すなわちサイドブランチはブロック1aの内部の管路によってメイン配管２から分岐するように連通されている。なお、７はサクション配管である。
図2Cに示すように、ゴムホース31の中間には金属製の絞り40が挿入されており、絞り40はゴムホース31の外側からかしめリング36により締め付けて固定されている。
−第２の実施例−
以下、図４および図５を用いて本発明による脈動低減装置の第２の実施例について説明する。
図４に示すように、第２の実施例の装置では、１つのサイドブランチ3Aに２つの絞り41および42を設けている。図４において、メイン配管２の軸心から絞り41の下端（図４において下端）までの長さをL1、絞り41の上下端間の長さをL2、絞り41の上端から絞り42の下端（図４において下端）までの長さをL3、絞り42の上下端間の長さをL4、絞り42の状態からサイドブランチ3Aの終端3dまでの長さをL5、サイドブランチ3Aの内径の断面積をＡ、絞り41の開口の断面積をａ、絞り42の開口の断面積をｂとする。また、サイドブランチ３の始端3aにおける圧力脈動および流量脈動をそれぞれPiおよびQiとし、終端3dにおける圧力脈動および流量脈動をそれぞれPo、Qoとすると、これらの間には（５）式の関係が成立する。

そして、（５）式に基づいて（４）式と同様の式を導出することにより、透過損失TLを算出することができる。
長さL1を615mm、L2を26mm、L3を186mm、L4を42mm、L5を108mm、断面積Ａを283.5mm²、断面積ａを12.6mm²、断面積ｂを7.1mm²とすると、図５の実線（設計値）に示すようにｆ^＊r.1＝230Hz、ｆ^＊r.2＝460Hzおよびｆ^＊r.3＝690Hzに透過損失の極大値が現れる。この場合、油圧振動の基本周波数が230Hzであれば、１つのサイドブランチ3Aで１次、２次、３次高周波までの振動を効果的に低減することができる。
第２の実施の形態では、サイドブランチ3Aの材質をゴムホースで構成している。図５に実測値を「○」点で示すように、高周波領域で実測値が設計値からずれている点については第１の実施例と同様である。
−第３の実施例−
以下、図１および図６を用いて本実施例について説明する。第３の実施例は第１の実施例の装置のゴムホースに代えて鋼管を用いたサイドブランチを採用したものである。なお、第１の実施例と同一の構成要素については第１の実施例と同一符号を付してその説明を省略する。
図１において、長さL1を990mm、L3を250mm、断面積Ａを295.6mm²、サイドブランチ内部の絞り４の長さL2を55mm、断面積ａを12.6mm2とし、（１）式〜（４）式に代入すると、図６の実線（設計値）に示すようにｆ^＊r.1＝250Hzおよびｆ^＊r.2＝500Hzに透過損失の極大値が現れる。
図６の「○」点によって示すように、第３の実施例では透過損失の実測値が設計値とよく一致している。これは、鋼管が全長にわたって断面積が一様であり、しかも、波動伝播特性に関する精度の高い数学モデルが確立されている為である。第３の実施例では、油圧振動の基本周波数が250Hzの場合に、基本周波数成分とともにその２次高周波成分を効果的に減衰させることができる。
−第４の実施例−
以下、図４および図７を用いて本実施例について説明する。第４の実施例は第２の実施例の装置のゴムホースに代えて鋼管によるサイドブランチを採用したものである。なお、第２の実施例と同一の構成要素については第１の実施例と同一符号を付してその説明を省略する。
図４において、長さL1を738mm、L2を30mm、L3を225mm、L4を48mm、L5を134mm、断面積Ａを295.6mm²、断面積ａを12.6mm²、断面積ｂを7.1mm²とすると、図５の実線（設計値）に示すようにｆ^＊r.1＝250Hz、ｆ^＊r.2＝500Hzおよびｆ^＊r.3＝750Hzに透過損失の極大値が現れる。
図７の「○」点によって示すように、第４の実施例ではサイドブランチ3Aに断面積が一様で、しかも精度の高い数学モデルが確立されている鋼管を用いている為、透過損失の実測値が設計値とよく一致している。第４の実施例では、油圧振動の基本周波数が250Hzの場合に、基本周波数成分とともにその２次および３次高周波成分を効果的に減衰させることができる。
第１〜第４の実施例では、絞り４（41、42）を介して直列に接続される複数の管を同一材料（ゴムホースあるいは鋼管）で形成しているが、複数の管を互いに異なる材質で構成してもよく、この場合、材料の組合せにより脈動低減の周波数特性を多彩に制御することができ、性能やコストを考慮した実装面でのバリエーションを増やすことができる。
第１〜第４の実施例では、１つのサイドブランチの内部を絞りにより分割しているが、絞りにより分割する代りに、少なくとも２つ以上の管の間に挿入した径の異なる管がチョーク型絞りになるように閉鎖管を構成して、同様の効果を持たせるようにしても良い。
１つのサイドブランチの内部に３つ以上の絞りを設けることにより、あるいは別の方法で４つ以上の管を直列に接続してもよい。この場合、分割した管の数に対応して、脈動低減周波数の極大点を増やすことができる。なお、本発明による脈動低減装置は空気圧および水圧等、他の気体および液体の脈動低減に適用することもできる。
また、前述した第１の実施例では、絞りについて、図2Cに示すように、ゴムホース31の中間に金属製の絞り40が挿入されゴムホース31の外側からかしめる例を示したが、この内容に限定される必要はない。例えば、図８に他の絞りの例を示す。図８では、２本のゴムホース41、42を継手（アダプタ）43で接続し、継手43の内部には断面積が縮小された絞り43aが形成されている。ゴムホース41、42には口金44、45が設けられ継手43との接続を可能としている。継手43にはシールの目的でＯリング46が設けられている。図2A、図2Bと同様に、ブロック1aにゴムホース41の他の一端が接続され、ゴムホース42の他の一端はめくらプラグ32により塞がれボルト33を介してメインフレーム35に固定されたブラケット34に取付けられている。ゴムホース41、42は鋼管に置き換えてもよい。
図９はさらに他の絞りの例を示す。ゴムホース51と52は継手54、55を介して中継ブラケット53で中継されており、中継ブラケット53はゴムホース51、52の内径より狭い絞り53aが形成されている。継手54、55はブラケット53にねじ込まれ、ゴムホース51、52には口金56、57が設けられ継手54、55と接続される。中継ブラケット53はメインフレームに取り付けられる。継手54、55にはシールの目的でＯリング58が設けられている。このようにして、サイドブランチ全体はメインフレームに固定される。
また、第１〜第４の実施例ではポンプの外部においてサイドブランチを設ける例を説明したが、その内容に限定される必要はない。例えば、サイドブランチの一段目の絞り部分までをポンプ内部に設けるようにしてもよい。図10は、アキシャルタイプ斜板式ポンプを例にしてその内容を示す概念図である。61はポンプの外形を示す。ポンプ61は、回転軸64の回転によりシリンダ部65が回転し、それに伴いピストン66が斜板67に調整されて往復運動を行い、吸入口62から油を吸入し吐出口63から油を吐出する。68は弁板である。図10の例では、吐出口63への配管69の弁板68の近傍において第１サイドブランチ70への分岐を設けている。第１サイドブランチ70は第１サイドブランチ出口71まで導かれる。第１サイドブランチ出口71では、図８の継手と同様に内部に絞り72aを設けた継手72を取り付け、第２サイドブランチ73をポンプ61の外部に接続する。第２サイドブランチの一端には口金74が設けられ第２サイドブランチ73を継手72に接続する。第２サイドブランチ73の終端は図2Bと同様にめくらプラグにより塞がれフレーム等に固定される。継手72の絞り部72aは第１サイドブランチ70および第２サイドブランチ73の内径よりも細く形成されている。また、継手72はシールの目的からＯリング72bが設けられている。以上の内容を第１の実施例の図１に対応させると、図１のサイドブランチ３のL1部分が図10の第１サイドブランチ70に、図１の絞り４が図10の継手72に、図１のサイドブランチ３のL3部分が図10の第２サイドブランチ73にそれぞれ対応する。
脈動周波数はポンプ61の回転数等によって異なるものであり、ポンプの使用状況によって異なってくる。従って、低減させたい周波数もそれに応じて異なる。しかし、ポンプ61内部の第１サイドブランチ70の長さなどの調整ができなくても、ポンプ61の外部に取り付ける継手72の絞りの径や第２サイドブランチ73の長さ等を調整することは可能であるので、所望の周波数での低減を達成することができる。これにより、第１の絞りまでをポンプ内部に設けて共通化することができ、脈動低減対応可能なポンプの標準化およびコスト低減に寄与する。第１サイドブランチ70および第２サイドブランチ73は前述の実施例と同様にゴムホースであってもよいし鋼管であってもよい。
なお、サイドブランチの分岐は脈動の腹にあたる部分に設けるのが最も効率がよい。従って、図10の例のようになるべく弁板の近くに設定するのが効率がよい。ただし、脈動の波長等を考慮すると第１の実施例の図2Aのようにポンプ外部に設けても十分に効果を発揮する。例えば、脈動周波数を200Hz、配管内の音速を1000m/秒とすると腹と腹の間隔は2.5mとなるため、ポンプの弁板から数十cmの範囲内にサイドブランチの分岐を設けても十分に効果を発揮する。
産業上の利用の可能性
第１〜第４の実施例では油圧ポンプについて説明をしたが、この内容に限定される必要はない。例えば建設機械などにおいて、油圧を利用する他のアクチュエータなどにも適用することができる。すなわち、油圧における脈動が問題となるあらゆるところに適用することが可能である。

Claims (8)

1. 油圧管路内を流れる油の脈動を低減する脈動低減装置であって、
   前記管路から分岐し終端が閉鎖されたサイドブランチと、
   少なくとも前記脈動の基本周波数および第２次高調波を 含む複数の周波数で透過損失が極大値を取るように、前記管路からの分岐点と前記終端との間で前記サイドブランチの内部を複数の領域に分割する少なくとも一つの絞りとを備えることを特徴とする脈動低減装置。
2. 油圧管路内を流れる油の脈動を低減する脈動低減装置であって、
   前記管路から分岐し終端が閉鎖されたサイドブランチと、
   複数の周波数で透過損失が極大値を取るように、前記管路からの分岐点と前記終端との間で前記サイドブランチの内部を複数の領域に分割する少なくとも一つの絞りとを備え、
   少なくとも前記脈動の基本周波数および第２次高調波において透過損失が極大値をとるように、前記サイドブランチの内径、前記複数の領域のそれぞれの長さ、および前記絞りの特性を決定することを特徴とする脈動低減装 置。
3. 請求の範囲第２項の脈動低減装置において、
   前記サイドブランチは一つの絞りにより２つの領域に分割され、
   少なくとも前記脈動の基本周波数および第２次高調波において透過損失が極大値をとるように、前記サイドブランチの内径、前記２つの領域のそれぞれの長さ、および前記絞りの特性を決定することを特徴とする脈動低減装 置。
4. 請求の範囲第２項の脈動低減装置において、
   前記サイドブランチは２つの絞りにより３つの領域に分割され、
   少なくとも前記脈動の基本周波数、第２次高調波および第３次高調波において透過損失が極大値をとるように、前記サイドブランチの内径、前記３つの領域のそれぞれの長さ、および前記２つの絞りのそれぞれの特性を決定することを特徴とする脈動低減装置。
5. 請求の範囲第１〜４項のいずれかの脈動低減装置において、
   前記サイドブランチは１つの管からなり、
   前記絞りは前記サイドブランチの内部に挿入される部材であり、所定の位置で固定されることを特徴とする脈動 低減装置。
6. 油圧管路内を流れる油の脈動を低減する脈動低減装置であって、
   前記管路から分岐し終端が閉鎖されたサイドブランチを備え、
   前記サイドブランチは、少なくとも前記脈動の基本周波 数および第２次高調波を含む複数の周波数で透過損失が極大値をとるように、少なくとも２つ以上の管と、前記２つ以上の管の間にチョーク型絞りとなるように挿入された径の異なるつなぎ部材とを具備することを特徴とす る脈動低減装置。
7. 吐出油の脈動を低減する油圧ポンプであっ て、
   油を吐出口に導く主油圧管路と、
   前記主油圧管路から分岐し終端が閉鎖されたサイドブランチと、
   少なくとも前記脈動の基本周波数および第２次高調波を 含む複数の周波数で透過損失が極大値を取るように、前記主油圧管路からの分岐点と前記終端との間で前記サイドブランチの内部を複数の領域に分割する少なくとも一つの絞りとを備え、
   前記複数の領域の少なくとも一部が該油圧ポンプの内部に設けられることを特徴とする油圧ポンプ。
8. 請求の範囲第７項の油圧ポンプにおいて、
   前記サイドブランチの該油圧ポンプの外部に設けられた領域は交換可能に構成されることを特徴とする油圧ポン プ。

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