JP4855897B2 - 空気バネ - Google Patents

Description

本発明は、オリフィスを介して筒状可撓膜体内の気体を出し入れすることにより被支持体の変位を緩衝させる空気バネに関し、特に、気体がこのオリフィスを通過する際の笛吹音を低減することのできるものに関する。

従来から、図１に断面図で示すように、上面板９２と下面板９３と、これらの面板にそれぞれの端部を気密に連結され圧力気体を収容する筒状可撓膜体９５と、筒状可撓膜体９５内の圧力気体を外部に設けられた補助タンク８１に対して出し入させるオリフィス９６とを具える空気バネ９１は既に知られており（例えば、特許文献１参照。）、空気バネに支持された被支持体の変位よって、筒状可撓膜体内の気体がオリフィス９６を通過して出し入れされる際、オリフィス９６の絞り効果によってその流速に抵抗を与え、変位に対する粘性的な緩衝効果と、筒状可撓膜体９５内に残留する気体の圧縮による弾性的な緩衝効果とを得ることができるという特徴がある。
特開２００５−２３１４６４号公報

上記のような空気バネにおいて、従来から、被支持体が急激に変位したときに大きな笛吹音が発生していた。この笛吹音は、車体内外で騒音として捉えられるような事態を引き起こし問題となっていた。本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、被支持体が急激に変位する際の笛吹音を低減することのできる空気バネを提供することを目的とする。

この発明の空気バネは、上面板と、下面板と、上面板および下面板のそれぞれに、それぞれの端部を気密に連結されて、内部に圧力気体を収容する筒状可撓膜体と、筒状可撓膜体内の圧力気体を外部に対して出し入させるオリフィスとを具え、上面板と下面板との、離隔接近方向および面内方向における相対変位を緩衝させるよう構成された空気バネにおいて、
前記オリフィスは一定断面の流路を有し、このオリフィスは、その両端のそれぞれから、前記筒状可撓膜体内の領域と、前記外部の領域とに至るまで次第に流路を広げる流動案内部に接続されており、
前記流動案内部の少なくとも一部を、オリフィスの端から直接テーパ状に広がる流路で構成し、
前記オリフィスの断面を直径が10〜20mmの円とし、前記オリフィスの端に繋がってテーパ状に広がる流路の長さを1〜30mmとし、かつ、流路方向に対するテーパ角度を30〜60度としてなるものである。
ここで、本明細書において、「次第に流路を広げる」とは、この流路は、オリフィス端から離れるにしたがって断面積が増加する部分を少なくとも含むとともに、断面積が減少する部分がないことを意味する。したがって、この流路には断面積の変化しない部分が含まれていてもよい。

発明者らは、実験等を繰り返し、笛吹音の発生メカニズムを精査した結果、被支持体が大きく変位して、大量の気体が狭いオリフィスを通過して、外部側の領域へ、もしくは、筒状可撓膜体内側の領域へでて膨張するときの急激な流れの変化によって発生していることを見いだした。

この発明の空気バネによれば、気体が通過するオリフィスは、その両端のそれぞれから、前記筒状可撓膜体内の領域と、前記外部の領域とに至るまで次第に流路を広げる流動案内部に接続されているので、オリフィスを出た気体は、次第に広がる流路によって急激に膨張することはなく、流れの変化を滑らかなものにして、笛吹音の発生を抑制することができる。

またこの発明では、流動案内部の少なくとも一部を、オリフィスの端から直接テーパ状に広がる流路で構成したので、流れを一層滑らかなものにすることができ、笛吹音の発生を大幅に抑制することができる。

そしてまたこの空気バネは、オリフィスの断面を直径が10〜20mmの円とし、オリフィスの端に繋がってテーパ状に広がる流路の長さを1〜20mmとし、かつ、流路方向に対するテーパ角度を30〜60度とするものであるが、ここで、オリフィスの直径を10mm未満とした場合には、応答倍率特性のピークが大きくなりすぎ、一方、この直径を、20mmを超えるものとした場合には、応答倍率特性のピークが小さくなってしまい、また、テーパ状の流路の長さを1mm未満とした場合には、オリフィスとしての絞り効果がなくなってしまい、一方、この長さを、30mmを超えるものとした場合には、気柱共振が発生するという問題が生じ、さらに、流路方向に対するテーパ角度を30度未満としたり、60度を超えるものとしたりした場合には、テーパ部分の加工が難しくなり、いずれの場合も好ましくない。

本発明の実施形態について、図に基づいて説明する。図２（ａ）は、第一の実施形態の空気バネを示す断面図であり、また、図２（ｂ）は、図２（ａ）のｂ部の詳細を示す断面図であり、空気バネ１は、上面板２と下面板３と、これらの面板２、３にそれぞれの端部を気密に連結され圧力気体を収容する筒状可撓膜体５と、筒状可撓膜体５の中心軸線上に設けられ筒状可撓膜体５内の圧力気体を外部に対して出し入させるオリフィス６とを具えて構成される。また、空気バネ１の外には、オリフィス６を介して筒状可撓膜体５に連通する補助タンク１１が設けられ、筒状可撓膜体５と補助タンク１１とを合わせた空間に圧縮された気体が封入されている。

空気バネ１は、車体等の基体と、基体上に搭載される被支持体との間に取り付けられ、基体と被支持体との急激な相対変位を緩衝することにより、被支持体に大きな力がかかるのを抑えるものである。基体もしくは被支持体に大きな力が作用してこれらの間に急激な相対変位が発生すると、筒状可撓膜体５内の気体の容量が変化し、オリフィス６を介して、気体が、筒状可撓膜体５から補助タンク１１へ、もしくは、補助タンク１１から筒状可撓膜体５へと流動するが、このとき、オリフィス６の絞り効果により、流動に対する粘性抵抗による粘性的な緩衝作用が働き、また、残留する筒状可撓膜体５内の気体の圧縮膨張変形によって弾性的な緩衝作用が働き、空気バネ１は、これらの粘弾性緩衝作用によって被支持体に急激な力が働くのを効果的に抑えることができる。

空気バネ１には、一定断面の流路を有するオリフィス６の両端６ａ、６ｂのそれぞれから次第に流路を広げて、筒状可撓膜体５内の領域１５と、外部の領域を構成する補助タンク１１とに繋がる流動案内部１８Ａ、１８Ｂが形成されていて、このように、オリフィス６からの急激な流路の広がりを排除することにより、気体の急激な膨張を抑え、この膨張に起因して発生する笛吹音を抑制することができる。

オリフィス６の断面形状を円形とすることで、加工費も安くまた安定した絞り効果を得ることができ、そして、円の直径d₀ は、10〜20mmとする。

ここで、この発明では、流動案内部の少なくとも一部を、オリフィスの端から直接テーパ状に広がる流路８、９で構成し、また、テーパ状に広がる流路８、９の、流路に沿った長さSを1〜30mmとするとともに、テーパ面の、流路方向に対する傾斜角度θを30〜60度とする。

なお、従来の空気バネ９１においては、図１に示すように、オリフィス９６の両端の少なくとも一方が、テーパ状の流路を介することなく、筒状可撓膜体９５もしくは補助タンク８１に連通されており、このことによって、笛吹音が発生していたのである。なお、図１の場合は、筒状可撓膜体９５へはテーパ状の流路９７を介して連通しているが、補助タンク８１には、次第に流路を広げる流動案内部を介することなく、オリフィス６から直接繋がっている。

図３（ａ）は、第二の実施形態の空気バネを示す断面図であり、また、図３（ｂ）は、図３（ａ）のｂ部の詳細を示す断面図であり、空気バネ２１は、空気バネ２１と同様に、上面板２２と下面板２３と、これらの面板２２、２３にそれぞれの端部を気密に連結され圧力気体を収容する筒状可撓膜体２５と、筒状可撓膜体２５の中心軸線上に設けられ筒状可撓膜体２５内の圧力気体を外部に取り付けた補助タンク３１に対して出し入させるオリフィス２６とを具えて構成される。

空気バネ２１が空気バネ１と異なる点は、下面板２３が基体に支持されているのに対して、空気バネ２１は、下面板２３の、上面板２１の反対側に金属ゴム積層体２４が設けられ、金属ゴム積層体２４の作用により、一層面板２１、２２同士の面内の変位を許容することができるよう構成されている。

空気バネ２１にも、オリフィス２６の両端２６ａ、２６ｂからそれぞれテーパ状に広がって、筒状可撓膜体５内側の領域３５と、補助タンク３１の内部３６に繋がる外部の領域３２とにそれぞれ連通する流動案内部２８Ａおよび２８Ｂが形成されている。さらに、流動案内部２８Ａの、オリフィス２６に隣接する部分は、オリフィス２６からテーパ状に広がる流路２９Ａで構成されており、また、流動案内部２８Ｂは、その全部がテーパ状に広がる流路２９Ｂで構成されており、効果的に笛吹音を抑制することができる。

第二実施形態の流動案内部の変形例を図４〜図６に示す。図４に示す変形例１は、第二実施形態の下面板２３の下面にリング状突起３３を設けて、第二実施形態のものに対して、オリフィス３６部分を長くするとともにオリフィス３６に隣接するテーパ状に広がる流路３９Ｂを設けたものであり、３８Ａ、３８Ｂは、筒状可撓膜体５内側の領域３５と、外部の領域３２とにそれぞれ連通する流動案内部に該当し、そのうち、３９Ａ、３９Ｂが、オリフィス３６に直接繋がってテーパ状に広がる流路を構成する。

図５に示した変形例２は、下面板２３に設けられたオリフィス４６の長さをほぼゼロとし、オリフィス４６から、筒状可撓膜体５内側の領域３５と、外部の領域３２とにそれぞれ次第に断面を広げる流動案内部４８Ａ、４８Ｂは、ラッパ状に広がる曲面拡径流路で形成される。

図６に示した変形例３における流動案内部５８Ａ、５８Ｂは、オリフィス５６に繋がってラッパ状に広がる曲面拡径流路６１と、曲面拡径流路６１から、筒状可撓膜体５内側の領域３５と、外部の領域３２とに繋がるそれぞれの階段状拡径流路６２とよりなる。

図３（ａ）、図２（ｂ）に示した第二の実施形態の空気バネ１を実施例とし、また、実施例の空気バネにおける、外部領域３２に流動案内部を設けることなく、オリフィス２６から直接補助タンク１１に開放するよう構成した空気バネを従来例として、これらの実施例および従来例について、被支持体に加える振動の振幅と周波数とを変化させて笛吹音の有無を評価した。笛吹音の評価は、測定者の感応で行い、笛吹音も空気音もない場合を「○」で、空気音がある場合を「△」で、通常レベルの笛吹音がある場合を「×」で、さらに、高音の笛吹音がある場合を「××」として、実施例に対する評価結果を表１に、従来例に対する評価結果を表２に示した。

なお、図２に示した標準状態おける筒状可撓膜体内の圧力を196kPaとして、このときの寸法は、呼称有効径Dが540mm、面板同士の離隔距離Kが30mm、全高さHが219mmであった。
なお、オリフィスの内径d₀は14mmであり、補助タンクの容量は47litであった。また、実施例においてオリフィスの両側に、従来例においては片側に設けられているテーパ状流路は、いずれも、その長さSが4mmであり、テーパ角度θは45度であった。

実施例および従来例の空気バネに加える振動は、加振振幅（mm）、加振周波数（Hz）としては、実際の使用領域に対応させて、加振振幅を1〜6mmの範囲とし、加振周波数を1〜5Hzの範囲として実験を行った。表1と表２を比較すると、実施例のものは明らかに、従来例のものに対比して、笛吹音のレベルが抑制されていることがわかる。なお、実験に用いた空気バネの、吸収すべき最大加振周波数と、最大加振振幅は、表１および表２に示してあるように、それぞれ、5Hzおよび6mmである。

本発明に係る空気バネはオリフィスを有するものであれば種々のものに適用することができる。

従来の空気バネを示す断面図である。 本発明に係る第一の実施形態の空気バネを示す断面図である。 第二の実施形態の空気バネを示す断面図である。 第二実施形態の変形例１の空気バネを示す断面図である。 第二実施形態の変形例２の空気バネを示す断面図である。 第二実施形態の変形例３の空気バネを示す断面図である。

１ 空気バネ
２ 上面板
３ 下面板
５ 筒状可撓膜体
６ オリフィス
６ａ、６ｂ オリフィスの両端
８、９ テーパ状に広がる流路
１１ 補助タンク
１５ 筒状可撓膜体内の領域
１８Ａ 筒状可撓膜体内の領域に繋がる流動案内部
１８Ｂ 外部の領域に繋がる流動案内部
２１ 空気バネ
２２ 上面板
２３ 下面板
２４ 金属ゴム積層体
２５ 筒状可撓膜体
２６ オリフィス
２６ａ、２６ｂ オリフィスの両端
２８Ａ、２８Ｂ 流動案内部
２９Ａ、２９Ｂ テーパ状に広がる流路
３１ 補助タンク
３２ 外部の領域
３３ リング状突起
３４ 補助タンク側の内部
３５ 筒状可撓膜体内側の領域
３６ オリフィス
３８Ａ、３８Ｂ 流動案内部
３９Ａ、３９Ｂ テーパ状に広がる流路
４６ オリフィス
４８Ａ、４８Ｂ 流動案内部
５６ オリフィス
５８Ａ、５８Ｂ 流動案内部
６１ 曲面拡径流路
６２ 階段状拡径流路

Claims (1)

1. 上面板と、下面板と、上面板および下面板のそれぞれに、それぞれの端部を気密に連結されて、内部に圧力気体を収容する筒状可撓膜体と、筒状可撓膜体内の圧力気体を外部に対して出し入させるオリフィスとを具え、上面板と下面板との、離隔接近方向および面内方向における相対変位を緩衝させるよう構成された空気バネにおいて、
   前記オリフィスは一定断面の流路を有し、このオリフィスは、その両端のそれぞれから、前記筒状可撓膜体内の領域と、前記外部の領域とに至るまで次第に流路を広げる流動案内部に接続されており、
   前記流動案内部の少なくとも一部を、オリフィスの端から直接テーパ状に広がる流路で構成し、
   前記オリフィスの断面形状を、直径が10〜20mmの円形とし、前記オリフィスの端に繋がってテーパ状に広がる流路の長さを1〜30mmとし、かつ、流路方向に対するテーパ角度を30〜60度としてなる空気バネ。

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