JP4557531B2 - 気体ばね式緩衝器 - Google Patents

Description

本発明は、気体を利用して動作する気体ばね式緩衝器に関し、主として、自動二輪車や自動車などの車両用を意図している。

気体ばね式緩衝器は、シリンダとピストンで形成されるシリンダ室内の空気を圧縮して緩衝効果を得るように構成されている。この種の緩衝器では、シリンダとピストンとの摺動部から空気が洩れることのないようシリンダとピストン及びピストンロッドとの摺動部を、高精度に加工するとともに耐久性の高いシール部材でシールする必要があり、また空気圧の調節が可能なことが要請される。

このような高精度の加工が要求されることがなく、また空気圧調整が容易な緩衝器として、従来、例えば、上記シリンダ室内に、気体が充填されて密封されたゴム袋を収容し、該ゴム袋の一部をシリンダ室外に延出し、該延出端部にエアバル部を設けたものがある（例えば特許文献１参照）。
特開２００１−０５０３２５号公報

上記従来の緩衝器では、高精度の加工が要求されることなく空気の洩れを防止でき、また空気圧の調節が可能である。しかしこの従来構造の場合、空気圧の調節は人手で行なわざるを得ず、手間がかかるという問題があり、また自動二輪車の走行中に自動的に空気圧が調節されるものではない。

本発明は上記従来の実情に鑑みてなされたものであり、簡単な構成により、気体の量や圧力を調節可能とした気体ばね式緩衝器を提供することを課題としている。

請求項１の発明は、シリンダ内にピストンを摺動自在に配置するとともに該ピストンに連結されたピストンロッドをシリンダ外方に突出させ、上記シリンダとピストンで形成されるシリンダ室内に気体を充填してなる気体ばね式緩衝器において、上記シリンダ室を、上記ピストンにより圧縮室と膨張室とに画成し、上記ピストンが所定位置に位置したとき上記圧縮室と膨張室とを連通する通路を形成し、該通路に、上記圧縮室，膨張室の一方あるいは両方の圧力が所定圧力より上昇したとき該圧力を大気に逃がすリリーフ弁を接続し、上記膨張室に、該膨張室への流れのみを許容する逆止弁を介して圧力供給源を接続し、該圧力供給源を大気圧又はそれより高い供給圧に設定し、上記膨張室の圧力が上記大気圧又は供給圧より低いとき気体が膨張室に供給されることを特徴としている。

請求項２の発明は、請求項１において、上記所定位置は、上記ピストンが最小ストローク位置から１〜５０mmストロークした位置にあることを特徴としている。

請求項３の発明は、請求項１又は２において、上記所定位置は、上記ピストンが該所定位置に位置したとき、上記圧縮室及び膨張室の圧力（Ｐ）が、該緩衝器の機能中に生じるこれらの室の最大圧力より低い圧力（例えば１〜２０bar ）となるように設定されていることを特徴としている。

請求項４の発明は、請求項１ないし３の何れか１項に記載の気体ばね式緩衝器において、該緩衝器におけるピストンストローク−ばね力曲線が少なくもと最小ストローク時に曲線変化となることを特徴としている。

請求項５の発明は、請求項１ないし４の何れか１項に記載の気体ばね式緩衝器において、上記所定位置を調節可能とする調節機構を備えたことを特徴としている。

請求項６の発明は、請求項１において、上記リリーフ弁は、弁ケース内に気体放出通路を開閉するピストン弁を配置し、該ピストン弁を閉方向に付勢するとともに該ピストン弁に上記緩衝器側の圧力が開方向に作用するように構成されていることを特徴としている。

請求項７の発明は、請求項６において、上記弁ケースとピストン弁との間がダイヤフラムによりシールされており、該ダイヤフラムは、ピストン弁の上記開閉方向と直角方向の動きは規制し、かつ開閉方向の動きは該ダイヤフラムが撓むことで許容することを特徴としている。

請求項８の発明は、請求項６又は７において、上記ピストン弁を閉方向に付勢するばね部材のばね力が調節可能かあるいは該ばね部材を取り替え可能になっていることを特徴としている。

請求項１の発明によれば、ピストンが上記所定位置を通過する際に上記圧縮室と膨張室とが上記通路により連通されるので、これら両室間で気体及びその圧力が互いに影響し合い、両室の圧力平衡や差圧調節がなされる。即ち、上記圧縮室，膨張室の中の気体の必要量および気圧設定あるいは差圧は、シリンダとピストンとの間などで発生する気体洩れや該緩衝器の内部や外部で生じる温度変化によって変動するが、本発明では、圧縮室と膨張室とがピストンのストロークに応じて上記通路を介して連通するので、両室間で自動的に調整される。
また、上記膨張室に該膨張室への流れのみを許容する逆止弁を介して大気圧又はそれより高い供給圧の圧力供給源を接続したので、上記膨張室の圧力が上記大気圧又は供給圧より低いときに気体を膨張室に供給することができ、シリンダとピストンロッドとの隙間からの気体洩れや該緩衝器の内部や外部で起こる温度変化があっても、これらの室内に必要な気体の量および圧力あるいは差圧を確実に維持することができる。より具体的には、例えば車輪が路面の比較的大きな突起等に乗り上げた場合、圧縮ストロークが大きくなり、膨張室の圧力が低くなるが、大気等が膨張室に導入され、この導入された大気等が膨張行程で圧縮されることから減衰力が発生し、車輪の振動が直ちに収束し、乗り心地が改善される。
さらにまた、上記圧縮室，膨張室の一方あるいは両方の圧力が所定圧力より上昇したとき該圧力を逃がすリリーフ弁を備えたので、上述の圧縮ストローク時に導入された大気等が膨張行程で圧縮されて圧力が高くなった場合や、該緩衝器の内部や外部で起こる温度変化がある場合にも、これらの室内に必要な気体の量および圧力あるいは差圧を確実に維持することができる。より具体的には、例えば請求項７で説明したように、車輪が比較的大きな突起等に乗り上げて圧縮ストロークが大きくなると膨張室の圧力が低くなり、大気等が膨張室に導入され、膨張行程ではこの導入された大気等が圧縮されることとなるが、この場合膨張室内の圧力が必要以上に高くならないように上記リリーフ弁が膨張室内の圧力を逃がすこととなり、この点からも乗り心地が改善される。

請求項２の発明よれば、上記所定位置を、上記ピストンが最小ストローク位置から１〜５０mmストロークした位置という比較的小ストローク位置に設定したので、緩衝器を長くすることなく必要なストーロクを確保でき、かつ必要なばね力を確保できる。

また請求項３，４の発明によれば、上記所定位置を、上記ピストンが該所定位置に位置したとき、上記圧縮室及び膨張室の圧力（Ｐ）が、該緩衝器の機能中に生じるこれらの室の最大圧力より低い圧力（例えば１〜２０bar ）となるように設定し、少なくとも最小ストローク時に曲線変化としたので、乗り心地の良い緩衝器を実現できる。

また、請求項５の発明によれば、上記所定位置を調節可能としたので、所望のストローク−ばね力特性を得ることができる。

請求項６の発明によれば、上記リリーフ弁を、弁ケース内に気体放出通路を開閉するピストン弁を配置し、該ピストン弁を閉方向に付勢するとともに該ピストン弁に上記緩衝器側の圧力が開方向に作用するように構成したので、膨張室の圧力上昇や該緩衝器の内部や外部で起こる温度変化があっても、これらの室内に必要な気体の量および圧力あるいは差圧を確実に維持することができる。

請求項７の発明によれば、上記弁ケースとピストン弁との間をダイヤフラムによりシールし、該ダイヤフラムを、ピストン弁の上記開閉方向と直角方向の動きは規制し、かつ開閉方向の動きは該ダイヤフラムが撓むことで許容するようにしたので、上述の圧力変化や温度変化に対する応答性が高くなり、より一層確実に緩衝器内を所定圧力に維持できる。

請求項８の発明よれば、上記ピストン弁を閉方向に付勢するばね部材のばね力が調節可能かあるいは該ばね部材を取り替え可能に構成したので、所望のストローク−ばね力特性を得ることができる。

次に本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。

図１ないし図３は本発明の一実施形態に係る気体ばね式緩衝器を説明するための図であり、図１は該緩衝器の模式構成図、図２は該緩衝器のピストンストローク−圧縮室・膨張室圧力特性図、図３は該緩衝器のピストンストローク−ばね力特性図である。

図１において、１は自動二輪車用の気体ばね式緩衝器であり、これはシリンダ２と、該シリンダ２内に挿入配置されたピストン４にピストンロッド５を接続してなるピストン・ロッド構成体３と、該緩衝器１における気体の体積，圧力，及び差圧を制御する逆止弁１７及びリリーフ弁２８とを備えている。

上記シリンダ２の下端部に形成された支持ボス部２ａは自動二輪車の後輪を支持するリヤアーム６に従来公知の方法で連結されており、また上記ピストンロッド５の上端に形成された支持ボス部３ａは自動二輪車の車体フレーム７に従来公知の方法で連結されている。なお、符号２ｄはシリンダ２の胴体部分を表している。

上記ピストン４は、シリンダ２の内部空間を２つの室に分割しており、該ピストン４の下側は圧縮室８に、上側は膨張室（あるいは帰還室）９になっている。また上記ピストン４の外周表面にはシールリング１０が配設されており、これにより該ピストン４はシリンダ２の内面２ｂに気密に摺接している。また上記ピストンロッド５とシリンダ２の上端開口との隙間はシール部材１１によってシールされている。

また上記シリンダ２の胴体２ｄの上部には、上記圧縮室８と膨張室９とを連通する通路１２を有する拡張部２ｃが形成されている。より正確には、上記ピストン４が図１に示されている所定位置４１に位置している時、シールリング１０はシリンダ２の内面２ｂに対するシール機能を果たしておらず、よって上記通路１２は、上記圧縮室８と膨張室９とを連通することとなる。ここで上記所定位置４１は、上記ピストン４の最小ストローク位置４１′からの距離Ａが１ないし５０mmとなる位置である。なお、上記距離Ａは、図１に示されている本実施形態では約５ｍｍに設定されている。

上記圧縮室８内には、空気，又は空気と適切な潤滑剤あるいは耐腐食剤との混合物等の気体が充填されており、該気体は符号１３で表されている。上記膨張室９内にも上記圧縮室８内のものと同じ気体が導入されており、該気体は符号１４で表されている。

ピストン４が図１の所定位置４１にある時には、気体１３と１４は通路１２を介して相互に接触しており、該通路１２を介して一方の室からもう一方の室に移動することができ、このことを矢印１５と１６で表している。従ってピストン４が上述の所定位置４１にある時には、気体の体積変化，圧力変化及び差圧の変化は、２つの室１３と１４との間で影響を与えあうこととなり、均一化される。

上記膨張室９は大気の上記膨張室９側への流れのみを許容し、これと逆方向の流れを阻止する逆止弁１７を介在させた通路２４により大気に連通している。この逆止弁１７は、弁ケース１７ａ内に鋼球１８を弁座１７ｂを開閉可能に配置し、該鋼球１８をばね２０で閉方向に付勢した構造のものである。

上記逆止弁１７によって空気または混合空気が膨張室９に供給可能となっている。この場合の供給方向は２１で示されている。膨張室９内の圧力が大気圧２２よりも低くなり、両圧力の差がばね２０による付勢力より大きくなると、大気が圧力供給源となって空気が膨張室９に供給される。

ここで、圧力供給源は、空気ポンプ２３あるいはこれと同様のもの、又は過剰圧力発生要素や外部エネルギー源からなるものであってもよい。図１ではポンプ２３を備えた態様も示されている。このポンプ２３は、通路２４の逆止弁１７より上流側に連通接続されている。なお、これらの圧力供給源を複数設け、バルブ等で切り替えるようにすることもできる。

そして上記圧力供給源を備えている場合に、膨張室９内の圧力が上記圧力供給源、例えば大気圧よりも低くなれば、気体は対応する圧力源から膨張室９に供給される。なお、図１における逆止弁１７は、その作動圧力を調節できるタイプのものではないが、調節可能の構成を付加することも勿論可能である。

図１による実施形態においては、圧縮室８及び膨張室９内の気体の体積、圧力および差圧を制御する構成体として、圧縮室８又は膨張室９からの圧力を大気２９に逃がすリリーフ弁２８を備えている。矢印３０は上記気体の放出方向を示す。このリリーフ弁２８により、緩衝器１のピストン４が圧力平衡位置にあるときの圧力レベルが決定される。

また上記膨張室９又は圧縮室８内の気体は、上記リリーフ弁２８の所定の、あるいは連続的に調節可能な値よりも圧力が高くなったときに放出される。なお、上記圧力の調節に当たっては、他のタイプの調整機構であってもよいが、ここでは逆止弁機能体を利用している。また、シリンダ２内に上下方向に移動可能に配置されたピストン４が通路１２の各室内側開口を通過する瞬間においては、該室からの上記リリーフ弁２８による空気の周囲大気への圧力逃がしは行なわれない。

上記リリーフ弁２８は、弁座３２の中央に上下に貫通形成された弁孔３２ａを開閉可能に配置されたピストン弁３１を有しており、該ピストン弁３１はばね３８で閉方向に付勢されている。なお、このばね３８は該弁２８の弁ケースの一部をなす支持部２８ａと上記ピストン弁３１のフランジ部３１ｂとの間に介在されており、また該ばね３８のばね力を調節可能に構成するか、該ばね３８を取り替え可能に構成しても良い。また上記ピストン弁３１の突出部３１ａの下端面には上記弁座３２の弁孔３２ａ周囲との間をシールするオーリング３３が配設されている。

また上記ピストン弁３１のフランジ部３１ｂと弁ケースの胴体部３５の内面３４とは第１ダイヤフラム３６によって連結され、さらにまたピストン弁３１の上記突出部３１ａと上記弁座３２の内周面とは第２ダイヤフラム３７によって連結されている。この第１，第２ダイヤフラム３６，３７は環状のもので、径方向への撓みはほとんどなく、従って上記ピストン弁３１の軸直角方向への移動は抑えられている。一方、上記両ダイヤフラムは軸方向には撓むことから、上記緩衝器１側の圧力が高くなるとピストン弁３１は軸方向に僅かに移動し、弁孔３２ａが開かれ、緩衝器側の圧力が大気に逃げることとなる。なお、上記フランジ部３１ｂの直径は突出部３１ａの直径よりも、実質的に、例えば２〜４倍と大きくなっており、これにより該リリーフ弁２８は緩衝器側の小さな圧力変化に応答性よく動作する。

また上記ピストン弁３１の軸心部には、上記緩衝器１側の圧力を大気に逃がす気体放出通路３１ｃが縦方向に延びるように形成されており、該気体放出通路３１ｃは上記ピストン弁３１が弁孔３２ａを開くとこれに連通する。

上記緩衝器１側の圧力が高くなると、上記ばね３８の付勢力に抗してピストン弁３１が上昇し、弁孔３２ａを開く。該ピストン弁３１が弁孔３２ａを開くと、気体４９は、突出部３１ａの下端面と上記弁座３２の弁孔３２ａ周囲との隙間から上記気体放出通路３１ｃを通って周囲の大気中へと放出され、これにより緩衝器１側の圧力が所要の圧力に調整される。

より詳細には、上記ピストン弁３１においては、これのフランジ部３１ｂ及び第１ダイヤフラム３６の面積に対応した大きさの力が開方向の力として作用し、第２ダイヤフラム３７の面積に対応した大きさの力が閉方向の力として作用し、両者の間に著しい差圧力が得られ、この差圧力がばね３８のばね力を相殺してピストン弁３１を開かせるのである。ここでリリーフ弁２８における力の大きさを、開閉に影響を与える部品の重さに応じた大きさに設定することにより、リリーフ弁２８を素早く、つまり高い応答性でもって開くようにでき、その結果ピストン弁３１の開放時間を短くすることができる。

ここで圧縮室８の圧力が低すぎると、気体あるいは圧力は、ピストン４が図１に示している所定位置４１にあるとき、該膨張室９から通路１２を通じて圧縮室８へと送られる。また圧縮室８及び膨張室９内の気体の温度上昇等によって過剰圧力になると、気体は、上記のように、リリーフ弁２８を介して放出される。

このようにして圧縮室８，膨張室９内の気体の体積、圧力および差圧を一定に保つことができ、これらの室８，９内の圧力Ｐを本質的に一定に保つことができる。このことは、この気体ばね式緩衝器１が所定のばね特性で機能できるということを意味するのである。

下記にさらに説明するが、上記圧縮室８，膨張室９の中の圧力は、ピストン４が図１に示している所定位置４１にあるときは比較的低く、かつ両室の中の圧力は等しく、１〜２０ｂａｒの間の値、３〜８ｂａｒとなるのが好ましい。

図２において、グラフの横軸Ｈはピストンストロークをｍｍで示しており、縦軸Ｖは圧縮室８，膨張室９の中の圧力をｂａｒで示している。この場合、ピストンストロークは０〜６０ｍｍの間で、圧力は０〜２０ｂａｒの間で変化する。３９は、ピストン４が圧縮行程にあるときの圧縮室８内の圧力変化を表し、一方、曲線４０は膨張室９内の圧力変化を表している。ピストン４が図１に示す位置４１にある時の圧力は曲線３９と４０の交点４２に対応している。この交点４２は、圧力値が約４．５ｂａｒ、距離Ａ' が約５ｍｍのところに位置していることが判る。

図３は、本実施形態の気体ばね式緩衝器１の作用効果を説明するためのピストンストローク−ばね力特性図である。この図においても横軸Ｈはピストンストロークをｍｍで示しており、縦軸Ｖは気体ばね式緩衝器が発生するばね力をＮで示している。曲線４３は本実施形態緩衝器１の特性を示し、一方、曲線４４は従来技術のコイルスプリング式の緩衝器の特性を示す。なおこのばね特性によれば、０〜６０ｍｍの間のストロークと、０〜８０００Ｎの間の力が使用される。

本実施形態緩衝器１の特性曲線４３は、ストローク零の領域に隣接して立ち上がる曲線部４３ａから緩やかな曲線形４３ｃを経て部分４３ｂでなだらかになっていることに特徴がある。この特性から良好で柔らかい乗り心地を有する車両のサスペンションが得られることが判る。

ここで、本発明では、マニュアルで作動可能な調節要素などの調節要素を付加することもできる。即ち、この空気ばね式緩衝器の一方又は両方の室の中の気体の体積，圧力を外部から調節できるようにするのである。このような調節要素を図１に符号４５で略図的に示している。この調節要素は調節機能体４６を有することもでき、これによってその機能を、そしてまた上記リリーフ弁２８を作動させることができる。この作動を４７で象徴的に表している。

上述の代わりに、調節要素４５はコンピュータに基づく調節要素から構成されていてもよい。また代わりにあるいは追加的に、作動機能体４６を、この気体ばね式緩衝器１の中の圧力レベルを調節するように構成することもできる。また、ばね３８のばね力を調節して該気体ばね式緩衝器１のばね力を調節するようにしてもよい。ばね力あるいはばね特性は、ばね３８を変えたり支持部２８ａをばね長さ方向にずらす等して調節してもよい。

１つの実施形態では、ばね３８のばね力を変えるのに電磁石を使ってもよい。また、該緩衝器１のばね特性は、圧縮室８，膨張室９の体積を変えることによっても変更、あるいは設定することができる。交点４２（図２参照）の位置，通路１２の位置の移動も、該緩衝器１のばね特性の調節、設定などに利用することができる。通路１２あるいはシリンダ内の所定位置４１を垂直（上方又は下方）に移動させ、曲線３９と４０の交点４２を別のところに作るようにすることも実施可能である。

図１には、さらに上記リリーフ弁２８の代わり又は補助となるリリーフ弁２８′が模式的に示されている。このリリーフ弁２８′は、弁ケース３５′の底面３２′とともに協働するピストン弁３１′を有している。このピストン弁３１′は、ばね３８′によって閉方向に付勢されており、このばね３８′とともに内面３４′で規定される空間に適合せしめられている。気体４９′は気体４９と同様に、ピストン弁３１′と弁座３２′の座面と、これのシール部材３３′との間を通って流れる。リリーフ弁２８' には、この実施形態においては、単に空間２８ｂ′と２８ｃ′とを隔てる１枚のダイヤフラム５０だけが設けられている。上記ピストン弁３１′の移動は内向きのフランジ５１によって制限される。気体４９′は、ピストン弁３１′が上記座面を開くと流れることができ（破線を参照）、閉じると流れることができなくなる。

なお、本発明は、例示のために説明した上記の実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲および本発明の思想の範囲内での変更が可能である。

本発明の一実施形態に係る気体ばね式緩衝器の模式構成図である。 上記緩衝器のストローク−圧力特性図である。 上記緩衝器のストローク−ばね力特性図である。

符号の説明

１ 緩衝器
２ シリンダ
４ ピストン
５ ピストンロッド
８ 圧縮室
９ 膨張室
１２ 通路
１７ 逆止弁
２８ リリーフ弁
３１ ピストン弁
３１ｃ 気体放出通路
３５ 弁ケース
３６ ダイヤフラム
３８ ばね部材
４１ 所定位置
４１′ 最小ストローク位置

Claims (8)

1. シリンダ内にピストンを摺動自在に配置するとともに該ピストンに連結されたピストンロッドをシリンダ外方に突出させ、上記シリンダとピストンで形成されるシリンダ室内に気体を充填してなる気体ばね式緩衝器において、
   上記シリンダ室を、上記ピストンにより圧縮室と膨張室とに画成し、上記ピストンが所定位置に位置したとき上記圧縮室と膨張室とを連通する通路を形成し、
   該通路に、上記圧縮室，膨張室の一方あるいは両方の圧力が所定圧力より上昇したとき該圧力を大気に逃がすリリーフ弁を接続し、
   上記膨張室に、該膨張室への流れのみを許容する逆止弁を介して圧力供給源を接続し、該圧力供給源を大気圧又はそれより高い供給圧に設定し、上記膨張室の圧力が上記大気圧又は供給圧より低いとき気体が膨張室に供給される
   ことを特徴とする気体ばね式緩衝器。
2. 請求項１において、上記所定位置は、上記ピストンが最小ストローク位置から１〜５０mmストロークした位置にあることを特徴とする空気ばね式緩衝器。
3. 請求項１又は２において、上記所定位置は、上記ピストンが該所定位置に位置したとき、上記圧縮室及び膨張室の圧力が、該緩衝器の機能中に生じるこれらの室の最大圧力より低い圧力となるように設定されていることを特徴とする気体ばね式緩衝器。
4. 請求項１ないし３の何れか１項に記載の気体ばね式緩衝器において、該緩衝器におけるピストンストローク−ばね力曲線が少なくもと最小ストローク時に曲線変化となることを特徴とする気体ばね式緩衝器。
5. 請求項１ないし４の何れか１項に記載の気体ばね式緩衝器において、上記所定位置を調節可能とする調節機構を備えたことを特徴とする気体ばね式緩衝器。
6. 請求項１において、上記リリーフ弁は、弁ケース内に気体放出通路を開閉するピストン弁を配置し、該ピストン弁を閉方向に付勢するとともに該ピストン弁に上記緩衝器側の圧力が開方向に作用するように構成されていることを特徴とする気体ばね式緩衝器。
7. 請求項６において、上記弁ケースとピストン弁との間がダイヤフラムによりシールされており、該ダイヤフラムは、ピストン弁の上記開閉方向と直角方向の動きは規制し、かつ開閉方向の動きは該ダイヤフラムが撓むことで許容することを特徴とする気体ばね式緩衝器。
8. 請求項６又は７において、上記ピストン弁を閉方向に付勢するばね部材のばね力が調節可能かあるいは該ばね部材を取り替え可能になっていることを特徴とする空気ばね式緩衝器。

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