JP4575096B2 - 空気ばね - Google Patents

Description

本発明は、トラックやバス等の車両のサスペンション、産業機械用の防振支持装置およびシリンダ機器に好適に用いられる空気ばねに関するものである。

この種の空気ばねとしてローリングローブ型の空気ばねが知られている。このローリングローブ型の空気ばね１は、図４に示すように、振動発生部および振動受け部のうちの一方に連結されるピストン２と、その上方に配置され振動発生部および振動受け部のうちの他方に連結される上面板３と、前記ピストン２と上面板３との間に配設されてこれらの部材の相対変位に伴って弾性変形する筒状のダイヤフラム４とを備えている。

筒状のダイヤフラム４は、その一端部４ａが前記上面板３に止着され、図４（ａ）に示すように、下方側が内方に折り畳まれて前記ピストン２の外周側壁２ａを経て他端部４ｂがピストンの上側端面板の内方側で上側端面板２ｂと下側挟持金具６とに挟まれて止着される。

ところで、このようなローリングローブ型空気ばね１は、振動発生部および振動受け部への組付け前には、ダイヤフラム４の内部には圧縮空気が封入されておらず、図４（ａ）に示すようにピストン２と上面板３とが接近した状態となっている。この状態から振動発生部（例えば、車軸）と振動受け部（例えば車体）に空気ばねを組付けると、振動発生部と振動受け部との間隔が空気ばねの通常のストローク以上になっている場合に、ピストン２が上下方向に変位してダイヤフラム４が急激に伸び方向に移動するため、ダイヤフラムの内部空間が負圧状態となり、図４（ｂ）の２点鎖線で示すように、ダイヤフラム４に弛み部Ａが生じ、ダイヤフラムの転動性が低下することがあった。その結果、ダイヤフラム４は、ピストン２側の止着部である他端部横のピストンの肩部付近から最終的に上方へ持ち上げられて、図４（ｂ）に示すような突出部Ｂが生じ、ダイヤフラム４の捲くれ現象が発生することがあった。

このような捲くれ現象は、空気ばねの組付け時のみならず、使用時においても起こり得る。特許文献１には、空気ばねの使用時において、ピストンと上面板との間のダイヤフラム内に空気を封じ込んで使用されるため、ダイヤフラムの内部が比較的低い圧力状態の時に、空気ばねを伸び方向にストロークさせた場合、ダイヤフラムの内部が負圧状態となって、捲くれ現象を起こすことが記載されている。

この捲くれ現象を防止するために、特許文献１では以下の手段を講じている。
ア）ピストンの外周面に接触する部分でのダイヤフラム製造時形状の外径をピストンの外径より小さくし、ピストンとダイヤフラムとの間の密着力を向上させる。
イ）ダイヤフラムの軸方向の中程をテーパー形状にして、ダイヤフラムの折り畳み部の内側と外側との間にクリアランスが存在する寸法設定とし、折り畳まれたダイヤフラムの内面同士が擦れあうのを防ぐ。
ウ）ダイヤフラムの内周側の空間が負圧状態になったときに開放される開閉弁を設け、大気圧と大きな気圧差を生じないようにする。
エ）ダイヤフラムの内周面側にシリコングリス等の潤滑剤を塗布し、ダイヤフラムが潤滑剤により滑り易くする。
特開２００３−２０２０４５号公報

しかし、本発明者の効果確認試験によると、特許文献１に示すダイヤフラムの捲くれ防止対策では、いまだ不十分であるとの結果が得られた。そのため、さらなる捲くれ防止対策が望まれるところである。

本発明は、ダイヤフラムのさらなる捲くれ防止対策を施した空気ばねの提供を目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は、ダイヤフラムの弛み部Ａの形成がピストンの外周側壁の上部位置で発生することに着眼し、前記ピストンの外周側壁の上部と接圧する部位に帯状補強層を設け、ダイヤフラムをピストンの外周側壁の周長方向で締め付けるようにしたものである。

通常、ダイヤフラムのピストンと接圧する部位の外径は、その自由状態においてピストンの外径よりも小径に形成され、ピストンの組付け時には、ダイヤフラムの弾性変形を利用してピストンに組付けることで、ダイヤフラムをピストンの外周側壁に接圧する形態を採用している。帯状補強層は、上記のようなダイヤフラムのピストン締め付け力をさらに補強するもので、筒状ダイヤフラムの周長方向の伸びを規制し、これにより、ダイヤフラムの弛み部Ａの形成を防ぎ、ダイヤフラムの捲くれを防止しようとするものである。

この場合、帯状補強層は、補強コード層よりも内側ゴム層または外側ゴム層側に埋設してもよく、あるいは補強コード層が少なくとも２プライから構成されている場合には２プライの補強コード層の重ね合わせ面に介在されることができる。また、帯状補強層は、ＮＲ系ゴムテープまたは厚織コードテープから構成することができる。

以上のとおり、本発明によると、ダイヤフラムのピストン外周側壁の上部と接圧する部位に帯状補強層を設けているので、ダイヤフラムの捲くれ現象を抑制することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の実施形態を示す空気ばねの縦断面図である。なお、背景技術の項で説明した空気ばねと同一機能部品は同一符号を用いて説明する。

本実施形態に示すローリングローブ型の空気ばね１は、図１に示すように、車両の車軸側４０（振動発生部）に連結されるピストン２と、その上方に配置され車体側４１（振動受け部）に連結される上面板３と、前記ピストン２と上面板３との間に配設されてこれらの部材の相対変位に伴って弾性変形する筒状のダイヤフラム４とを備えている。

ピストン２は、従来と同様に薄い鋼板製の円筒体から構成され、その外周側壁２ａだけでなく上下端部には上側端面板２ｂおよび下側端面板２ｃを有している。ピストン２の上側端面板２ｂと外周側壁２ａとの境界部はピストンの肩部２ｄとされる。この肩部２ｄは、ピストン２の全周において断面半円弧状に上方へ突出した形状となっている。

ピストン２の上側端面板２ｂは、ピストンの肩部２ｄから連続して底部が肩部２ｄよりも一段下がった凹状に形成されており、その内方側、すなわち、上側端面板２ｂの中央部に、皿状の下側挟持具６を嵌合するための開口１１が形成され、この開口１１の口縁部でダイヤフラム４の他端部が止着される。

ピストン２の下側端面板２ｃは、ピストン２の外周側壁２ａの下端面に蓋状に溶接固定され、この下側端面板２ｃに車軸側４０に連結するための複数本の頭付ボルト１３が挿通され、溶接されて固定されている。また、ピストン２の下側端面板２ｃの中央開口の口縁部には下側挟持具６の底部をボルト締結するための円筒状の内筒１４が立設されている。

なお、ピストン２の外周側壁２ａや上下端面板２ｂ、２ｃの形状は図１に示すものに限定されるものではない。例えばピストン２の外周側壁２ａは、図示の円筒状のものに限らず、断面台形筒状のものであってもよい。

ピストンの上側端面板２ｂの開口１１には下側挟持具６の底部が嵌合される。下側挟持具６は皿状に形成され、その底部６ａおよび側壁６ｂが開口１１に嵌合される。下側挟持具６の側壁上端には底部６ａよりも一段高く外周フランジ１５が外方に向かって形成される。この外周フランジ１５と上側端面板２ｂの開口縁部とでダイヤフラム４の他端部４ｂを挟圧して止着できるようになっている。

下側挟持具６の底部６ａは、内筒１４の上端にある蓋板１６にボルト１７により締結される。また、下側挟持具６の底部６ａには、押え板１８をボルト締めするための円筒状のボス１９が複数箇所に溶接固定されている。このボス１９の頭部には、ピストン２の肩部２ｄとの間でダイヤフラム４を挟み込む押え板１８が設けられ、押え板１８がボルト２０により下側挟持具６に締結される。

また、図１に示すように、ピストン２の直上の位置には、車体側に連結される上面板３が配置されている。この上面板３の下部側には、円盤状に形成された上側挟持具２１がボルト２２により締結されており、この上側挟持具２１の外周側に、全周にわたって一段低く形成されたフランジ２３が形成され、このフランジ２３と上面板３の外周部とによりダイヤフラム４の一端部４ａを挟持するようにしている。

そして、上面板３及び上側挟持具２１には、これらを貫通する連通管２６が配置され、この連通管２６により空気ばね１の外部の空間とダイヤフラム４内の空間Ｓとが連通され、空気等の気体を吸排できるようになっており、これに伴い、ダイヤフラム４は弾性変形するようになっている。

なお、図１はダイヤフラムの捲くれを防止するために押え板１８を設けた空気ばねについて説明したが、図２および図４に示すように、押え板１８を使用しない空気ばねにも本発明を適用することができる。本発明は、いずれの形態の空気ばねであっても、後述する帯状補強層３７をダイヤフラムに設けたことを特徴としている。

図２は押え板を使用しない空気ばねの要部拡大断面図であって、ピストンの上部におけるダイヤフラムとピストンとの組付け状態を示すものである。この例では、図４に示す空気ばねと同様に、ピストン２の上側端面板２ｂに皿状の下側挟持具６を載置固定し、下側挟持具６の外周フランジ１５と上側端面板２ｂとでダイヤフラム４の他端部４ａを挟圧して止着するようにしている。

図３はダイヤフラムの断面図である。このダイヤフラム４は、円筒状のゴム材からなる弾性膜であり、その両端部４ａ，４ｂには、鋼製の線材によりリング状に形成されたビード部３２を備え、内側ゴム層３３と、外側ゴム層３４と、これら内外のゴム層間に介在された補強コード層３５，３６とから構成されている。補強コード層３５，３６は、少なくとも２プライから構成され、これら２プライの補強コード層３５，３６の端部がビード部３２に外側から巻き付けられて折返された構成となっている。

また、ダイヤフラム４には、ピストン２の外周側壁２ａの上部と接圧する部位、すなわち、ダイヤフラム４の捲くれ現象が起き易い部位にダイヤフラム４の捲くれ防止用の帯状補強層３７が設けられている。帯状補強層３７は、ＮＲ系ゴムテープまたは厚織コードテープから構成され、２プライの補強コード層３５，３６の重ね合わせ面に介在されている。

帯状補強層３７の形状は、特に限定されるものではないが、テープ厚み１．５ｍｍ以下、テープ幅２０ｍｍ〜４０ｍｍが好ましい。テープ厚が１．５ｍｍを超えると、帯状補強層３７の介在位置とそうでない部分との境界部で段差が生じやすく、その部分の残留応力により耐久性に問題を生じるおそれがある。また、テープ幅が２０ｍｍ未満の場合には、捲くれが起こる箇所を十分カバーできないおそれがあり、また、４０ｍｍを超えると、ダイヤフラム４の密着幅が大きくなりすぎ、本来の機能を発揮できないおそれがあり、また、ピストンへの組付け作業にも支障を来たすおそれがある。この帯状補強層３７は、ゴムテープ又は厚織りコードを補強コード層３５，３６に巻き付けた後、内外に未加硫ゴムを巻きつけて、加硫成形することにより、ゴム層に埋設される。

なお、本実施形態では、帯状補強層３７は、２プライの補強コード層３５，３６の重ね合わせ面に介在された例を示したが、これに限らず、補強コード層３５，３６よりも内側ゴム層あるいは外側ゴム層に埋設する態様であってもよい。また、図１および図３では、ダイヤフラムの構造を簡略化するため、帯状補強層３７の存在のみを図示し、補強コード層の図示を省略している。

また、ダイヤフラム４は、一端部４ａが上面板３側に止着され、他端部４ｂは、ダイヤフラム４の下方側が内方に折り畳まれてピストン２の外周側壁２ａに沿って配置されると共にピストン２の肩部２ｄを通ってピストン２の上側端面板２ｂの内方側（開口１１の口縁部）に止着される。

このダイヤフラム４の製造時形状、つまりダイヤフラムを加硫成形した時点での形状は、図３に示すように、上面板３寄りの外径ＤＵが最も大径で、かつピストン２の肩部２ｄと接触する部位の外径ＤＳが最も小径となるテーパ形状に形成され、上側開口３０と下側開口３１とを備えている。そして、ピストンの肩部２ｄと接触する部位の外径ＤＳは、ピストン２の上部の最大外径ＤＰ（図１参照）より小径に形成される。これにより、ダイヤフラム４はピストン２に密着され、ダイヤフラム４が確実に転動して捲くれ現象を発生しないようにしている。

さらに詳述すると、ダイヤフラム４は、ピストン２の肩部２ｄからピストン２の上端側と接触する第１のテーパ部４ｅが最小径部位（外径ＤＳ）から徐々に広がるテーパ状（テーパ角α１）に形成される。第１のテーパ部４ｅに連続してピストン２の外周側壁２ａの下部領域と接触する第２のテーパ部４ｆもテーパ形状（テーパ角α２）に形成され、さらに、第２のテーパ部４ｆに連続して折り畳み部２７から上面板３側に至る第３のテーパ部４ｇもテーパ形状（テーパ角α３）に形成されている。各テーパ角はα１＞α２＞α３に設定されている。

そして、第１のテーパ部４ｅ、第２のテーパ部４ｆ、および第３のテーパ部４ｇのうち折り畳み部２７よりも下側部位がピストン２の外周側壁２ａと接触する内側部位を構成し、第３のテーパ部４ｇのうち、折り畳み部２７よりも上側部位が内側部位の外側に間隔をおいて配置される外側部位を構成することになる。このような各テーパ部４ｅ，４ｆ，４ｇのテーパ角の設定により、ダイヤフラム４の使用時における内側部位と外側部位との接触を回避して、ダイヤフラム４の捲くれを防止できるようにしている。

上記構成において、空気ばね１を車体４１と車軸４０との間に取り付ける際に、車体４１と車軸４０との間隔が空気ばね１の通常のストローク以上に空いている場合があるが、このような場合に、そのまま空気ばね１を取り付けると、図４（ｂ）に示すように、ピストン２が通常のストローク以上に落下し、ダイヤフラム４の内部が急激に負圧状態となってダイヤフラム４のピストン２の側壁２ａと接触する部位に弛み部Ａが発生し、これにより上方に突出する突出部Ｂが形成され、ダイヤフラム４内にそのまま圧縮空気を充填しても元の状態に戻らない可能性がある。

しかし、本実施形態では、ダイヤフラム４の弛み部Ａが形成されやすい位置、すなわち、ピストン２の外周側壁２ａの上部と接圧する部位に帯状補強層３７を設け、ダイヤフラム４をピストン２の外周側壁２ａの周長方向で締め付けるようにしているので、ピストン２が落下しダイヤフラム４の内部空間が急激な負圧状態となったとしても、ダイヤフラム４の捲くれを抑えることができる。

表１は、帯状補強層３７の物性を示すものである。表中、１０％伸び張力は、テープ周長の１０％伸び時の物性である。１０％伸び張力から明らかなように、種々のゴムテープを採用した場合、１０（Ｎ）〜５９（Ｎ）の張力を要することになる。勿論、帯状補強層３７を採用しない場合に比べてダイヤフラム４の周長方向の伸びは規制され、周長方向の剛性がアップすることになる。ゴムテープＮＯ．１〜ＮＯ．３はＮＲ系ゴムテープを示す。

このように、帯状補強層３７は、ダイヤフラムのピストン締め付け力をさらに補強することになり、筒状ダイヤフラムの周長方向の伸びを規制して、ダイヤフラム４の弛み部Ａの形成を防止し、捲くれ現象を防止することができる。

なお、本発明の上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で多くの修正・変更を加えることができるのは勿論である。例えば、上記実施形態では振動発生部として車軸側をピストンに連結し、振動受け部として車体側に上面板を連結したが、ピストンと上面板とを逆転して連結するようにしてもよい。さらに、振動発生部と振動受け部とは上記実施形態に例示した車軸および車体に限定されるものではない。

本発明の実施形態を示す空気ばねの縦断面図 ピストン上部におけるダイヤフラムとピストンとの組付け状態を示す拡大断面図 ダイヤフラムの縦断面図 （ａ）は空気ばねの組付け前の状態を示す断面図、（ｂ）は組付け時にピストンが落下してダイヤフラムが伸長した状態を示す空気ばねの断面図

符号の説明

１ 空気ばね
２ ピストン
２ａ 側壁
２ｂ 上側端面板
２ｃ 下側端面板
２ｄ 肩部
３ 上面板
４ ダイヤフラム
４ａ 一端部
４ｂ 他端部
４ｅ 第１のテーパ部
４ｆ 第２のテーパ部
４ｇ 第３のテーパ部
６ 下側挟持具
１５ 外周フランジ
１８ 押え板
１９ ボス
２０ ボルト
２１ 上側挟持具
２３ フランジ
２７ 折り畳み部
３２ ビード部
３３ 内側ゴム層
３４ 外側ゴム層
３５，３６ 補強コード層
３７ 帯状補強層

Claims (2)

1. 振動発生部および振動受け部のうちの一方に連結されるピストンと、その上方に配置され振動発生部および振動受け部のうちの他方に連結される上面板と、前記ピストンと上面板との間に配設された筒状のダイヤフラムとを備え、前記ダイヤフラムのうちのピストンと接する部位の自由状態における外径がピストンの外径よりも小径に設定されることにより、ダイヤフラムがピストンの外周側壁に接圧された空気ばねであって、
   前記ダイヤフラムは、内側ゴム層と外側ゴム層と、これら内外のゴム層間に介在された少なくとも２プライの補強コード層とから構成され、さらに、前記ピストンの外周側壁の上部と接圧する部位における前記少なくとも２プライの補強コード層の重ね合わせ面に、ダイヤフラムのピストン締め付け力を補強してダイヤフラムの捲くれを防止する帯状補強層が介在されたことを特徴とする空気ばね。
2. 前記帯状補強層が、ＮＲ系ゴムテープまたは厚織コードテープから構成されたことを特徴とする請求項１に記載の空気ばね。

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