JP5525396B2 - 防振装置 - Google Patents

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同軸に配設された外筒体及び内筒体と、該外筒体及び該内筒体の間に設けられて両者を連結するゴム弾性体とを備え、該外筒体の筒軸方向の一側端部には、径方向外側に膨出するフランジ部と該フランジ部の外周縁部から該筒軸方向の一側に突出する筒状立設部とが形成された防振装置に関する技術分野に属する。
従来より、自動車のエンジンマウント等に使用される防振装置として、互いに同軸に配設された金属製の内筒体及び外筒体と、該両筒体間に加硫接着されたゴム弾性体とを備えたものが知られている。この防振装置は、2つの防振装置の内筒体の筒軸方向の一端面同士を付き合わせて固定されるものであり、この状態でゴム弾性体には該筒軸方向に予圧縮が付与されるようになっている。
この種の防振装置では通常、自動車のバウンド時等にゴム弾性体の変形量を規制するためのストッパ部が設けられる。例えば、特許文献1に示す防振装置では、外筒体の筒軸方向の一側端部から径方向外側に膨出するフランジ部と、該フランジ部の外周縁部から該筒軸方向の一側に延びる筒状立設部と、筒状立設部の先端周縁部から径方向外側に突出する水平部とを備え、この水平部の表面にゴムストッパ部を設けることで、自動車のバウンド時等にエンジンが大きく振動したとしても、ゴムストッパ部を車体フレームに当接させて振動を早期に吸収するようにしている。
ゴム弾性体は、筒状立設部に沿って形成される外周リング部と、内筒体と同軸にその外周を囲むように形成され、外周面がテーパ状をなす中心コーン部とを有しており、中心コーン部の外周面と外周リング部の内周面との間には、上記筒軸方向の一側に開口する断面略V字状の凹部空間が形成されている。
特開2009−115282号公報
ところで、上述の防振装置では、ゴム弾性体に対してエンジンの振動等に同期した繰り返し荷重が作用するが、この繰り返し荷重にによりゴム弾性体に亀裂が生じたり、ゴム弾性体が軟化してバネ定数(静バネ定数及び動バネ定数)が低下したりするという問題がある。
本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、内筒体と外筒体と該両筒体の間に配設されるゴム弾性体とを備えた防振装置に対して、その構成に工夫を凝らすことで、ゴム弾性体に繰り返し荷重が作用することに起因した亀裂等の不具合を確実に防止しようとすることにある。
上記の目的を達成するために、この発明では、内筒体の外周を囲む中心コーン部の筒軸方向の一側端部に、該内筒体に対して該一側に突出する予圧縮部を設けるとともに、中心コーン部の外周面と外周リング部の内周面との間に全周に亘って凹部空間を形成し、予圧縮部に対する凹部空間の体積比率を1.21以上に設定するようにした。
具体的には、請求項1の発明では、同軸に配設された外筒体及び内筒体と、該外筒体及び該内筒体の間に設けられて両者を連結するゴム弾性体とを備え、該外筒体の筒軸方向の一側端部には、径方向外側に膨出するフランジ部と該フランジ部の外周縁部から該筒軸方向の一側に突出する筒状立設部とが形成された防振装置を対象とする。
そして、上記ゴム弾性体の上記筒軸方向の一側面には、上記筒状立設部に沿って全周に亘って形成される外周リング部と、上記内筒体と同軸にその外周を囲むように形成され、外周面が上記筒軸方向の一側ほど縮径するテーパ状をなす中心コーン部とが形成され、上記中心コーン部の上記筒軸方向の一側端部は、上記内筒体に対して該筒軸方向の一側に突出することで該筒軸方向に予圧縮可能に構成された予圧縮部とされ、上記中心コーン部の外周面と、上記外周リング部の内周面との間には、上記筒軸方向の一側に開口する凹部空間が該中心コーン部周りに全周に亘って形成されており、上記予圧縮部に対する上記凹部空間の体積比率が1.21以上に設定されているものとする。
この構成によれば、ゴム弾性体の予圧縮部に対する凹部空間の体積比率(以下、凹部/予圧縮部比率という)を1.21以上に設定するようにしたことで、ゴム弾性体に繰り返し荷重が作用することに起因したゴム弾性体の亀裂を防止することが可能となる。
すなわち、発明者らは、鋭意研究の末、凹部/予圧縮部比率が小さいと、予圧縮により中心コーン部の根元部分が径方向に膨出変形することにより凹部空間が完全に埋まってしまい、この結果、逃げ場のなくなった内筒体の内周面近傍のゴム弾性体が強く圧縮されて、この部分の応力集中に起因してゴム弾性体に亀裂が生じるとの考えに到達した。そして、発明者らは、このような考え方に基づきさらに鋭意研究を行った結果、凹部/予圧縮部比率を1.21以上に設定することで、ゴム弾性体の亀裂を防止することができることを見出して、本発明の構成に想到した。
請求項2の発明では、請求項1の発明において、上記体積比率が1.25以上で且つ1.65以下に設定されているものとする。
この構成によれば、ゴム弾性体に繰り返し荷重が作用することに起因する亀裂を防止しながら、ゴム弾性体のバネ定数の低下を抑制することができる。
より詳細には、発明者らは、鋭意研究の末、以下の考えに想到した。すなわち、上記凹部/予圧縮部比率(凹部空間の体積)が小さいと、予圧縮状態で凹部空間が完全に埋まってしまい、内筒体の内周面近傍に高い応力集中が生じる。このため、このような高応力状態で繰り返し荷重が作用すると、ゴム材料の疲労劣化がより進行し易くなり、延いてはバネ定数(バネ定数保持率)が低下し易くなる。これに対して、上記凹部/予圧縮部比率(凹部空間の体積B)が大きいと、予圧縮により中心コーン部が変形しても凹部空間が完全に埋まらないため、ゴム弾性体全体が、この凹部空間が形成された部分を支点として上下に変位し易くなる。この結果、ゴム弾性体の疲労劣化がより進行し易くなり、延いてはバネ定数(バネ定数保持率)が低下し易くなる。したがって、バネ定数保持率は、凹部/予圧縮部比率が大き過ぎても小さ過ぎても低い値になるからこれを最大化し得る中間の凹部/予圧縮部比率が存在するはずである。
発明者らは、このような考え方に基づきさらに鋭意研究を行った結果、凹部/予圧縮比率を1.25以上で且つ1.65以下に設定することで、所定期間使用後のゴム弾性体のバネ定数保持率の低下を所定以下に抑制できることを見出し、本請求項2の発明の構成に想到した。
以上説明したように、本発明の防振装置によると、内筒体の外周を囲む中心コーン部の筒軸方向の一側端部に、該内筒体に対して該一側に突出する予圧縮部を設けるとともに、中心コーン部の外周面と外周リング部の内周面との間に凹部空間を形成し、上記予圧縮部に対する凹部空間の体積比率を1.21以上に設定するようにしたことで、ゴム弾性体に繰り返し荷重が作用することに起因する亀裂等の不具合を防止することができる。
本発明の実施形態に係る防振装置としてのエンジンマウントを示す縦断面図である。 エンジンマウントの使用状態を示す縦断面図である。 有限要素法による非線形解析の結果を示す図であって、(a)はタイプIのエンジンマウントモデルの解析結果を示し、(b)はタイプVのエンジンマウントモデルの解析結果を示している。 凹部/予圧縮部比率と、耐久試験前後におけるゴム弾性体の筒軸方向のバネ定数保持率との関係を示すグラフである。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態に係る防振装置としてのエンジンマウント1を示し、このエンジンマウント1は、互いに同軸に配設された金属製の内筒体2及び外筒体3と、該内筒体2及び外筒体3間に設けられて両者を連結するゴム弾性体4とを備えている。
外筒体3の筒軸方向の一側端部には、径方向外側に膨出するフランジ部3aが設けられており、フランジ部3aの外周縁部には、筒軸方向の一側に突出する筒状立設部3bが全周に亘って形成されている。フランジ部3a及び筒状立設部3bは、外筒体3をプレス成形して折り曲げることで一体に形成されている。
内筒体2は、外筒体より厚肉の円筒状部材からなり、内筒体2の筒軸方向の一側端部は、外筒体3の筒状立設部3bに対して該一側に突出している。
上記ゴム弾性体4は、内筒体2及び外筒体3の間に設けられて、該両筒体2,3に対して一体に加硫接着されている。ゴム弾性体4の筒軸方向の一側面には、筒状立設部3bに沿って全周に亘って形成されるリング状の外周リング部4aと、内筒体2と同軸にその外周を囲むように形成される中心コーン部4bとが設けられている。
中心コーン部4bの外周面は、筒軸方向の一側ほど縮径するテーパ状をなしている。中心コーン部4bの筒軸方向の一側端部は、内筒体2に対して該筒軸方向の一側に突出して予圧縮部4cを構成している。この予圧縮部4cには、後述するように、エンジンマウント1の使用状態において車体側プレート11からの予圧縮荷重が直接作用するようになっている。すなわち、予圧縮部4cは、ゴム弾性体に予圧縮荷重を付与するための荷重入力部を構成している。
ゴム弾性体4の筒軸方向の他側面には、内筒体2の外周を囲むように全周に亘って凹部7が形成されており、凹部7の底壁面7aと側壁面7sとのコーナ部6は断面円弧状に形成されている。この凹部7は、内筒体2の外周面近傍から外筒体3の内周面近傍までの略全体に亘って形成されており、上記コーナ部6の半径は3〜5mmに設定されている。
外周リング部4aは、筒状立設部3b全体を覆うように形成されており、外周リング部4aの高さは、筒状立設部3bの高さよりも僅かに大きい。
中心コーン部4bと、外周リング部4aとの間には、上記筒軸方向の一側に開口する凹部空間5が該中心コーン部4b周りに全周に亘って形成されている。凹部空間5は、上記筒軸方向から見て中心コーン部4bを囲む環状に形成されていて、その径方向に沿った断面で見て略台形状をなしている。凹部空間5の底壁面5aは、中心コーン部4bが形成される土台となるベース部4dにより構成されていて、内筒体2の筒軸に対して垂直な平坦面とされている。凹部空間5の外周側の側壁面5gは、外周リング部4aの内周面により構成されていて、底壁面5aに対して略垂直に形成されている。凹部空間5の内周側の側壁面5nは、中心コーン部4bの外周面により構成されていて、底壁面5aに対して所定角(例えば60°〜65°)で傾斜している。
エンジンマウント1は、図2に示すように、上下一対のエンジンマウント1を、内筒体の端面同士が当接するように配置して、一対の車体側プレート11により上下両側から挟み込むようにして使用される。各エンジンマウント1の内筒体2は、エンジン側ブラケット12の取付孔12fに嵌入されており、これにより、不図示のエンジンが、エンジン側ブラケット12及びエンジンマウント1を介して車体側プレート11に連結支持されることとなる。一対の車体側プレート11は、内筒体2の端面に当接する状態でボルト13及びナット14により固定される。この固定状態において、ゴム弾性体4の予圧縮部は、車体側プレート11からの圧縮荷重により押し潰されて、予圧縮部4cの上面と内筒体2の上面とは略面一になる。こうして、エンジンマウント1の使用状態では、ゴム弾性体4に予圧縮部4cを介して所定の予圧縮荷重が付与されるようになっている。
ところで、エンジンマウント1には、走行振動等により筒軸方向に繰り返し荷重が作用する。この結果、ゴム弾性体に亀裂が生じたり、バネ定数が低下したりして所望の防振性能が得られなくなるという問題がある。
発明者らは、鋭意研究の末、このような不具合が上記予圧縮部4cに対する凹部空間5の体積比率R(=凹部空間5の体積B/予圧縮部4cの体積A。以下、凹部/予圧縮部比率Rという)に影響していることを見出して、この凹部/予圧縮部比率Rの異なる5つのタイプのテスト品I〜Vについて所定の耐久試験を行うことで、上記不具合を生じないエンジンマウント1の開発に成功した。
以下、この耐久試験の結果について、図3及び図4、並びに以下の表1〜表3を基に詳細に説明する。
<耐久試験の詳細>
本耐久試験は、耐久試験後の亀裂の有無を検査するとともに、耐久試験前後の筒軸方向の静バネ定数、動バネ定数を測定することにより、上記不具合を生じない適切な凹部/予圧縮部比率Rを見つけることを目的としている。
耐久試験は、上下一対のエンジンマウント1を耐久試験機(株式会社鷺宮製作所の油圧耐久試験機)にセットして表1に示す条件下で筒軸方向(上下方向)に加振することにより行う。
表1における、ポンプ側試験及びファン側試験はそれぞれ、エンジンのオイルポンプ側及び冷却ファン側を支持するエンジンマウント1に加わる振動を想定した試験を意味している。G及びGはそれぞれ、ポンプ側及びファン側試験において、エンジンマウント1を耐久試験機にセットした状態で該エンジンマウント1に付与される基準荷重(N)である。「1G士5G」,「1G士5G」はそれぞれ、基準荷重G,Gを基準としてその5倍の振幅の振動荷重を加えることを意味している。本実施形態では、G>Gとされている。
耐久試験を行うタイプI〜Vの各エンジンマウント1の形状特性は表2に示す通りである。
ここで、H、D、Tは、図1に示す代表寸法H、D、Tにそれぞれ対応している。Aは予圧縮部4cの体積を示し、Bは凹部空間5の体積を示している。表2からわかるように、タイプIの凹部/予圧縮部比率Rが0.78と最も小さく設定されており、タイプVの凹部/予圧縮部比率Rが1.95と最も大きく設定されている。そして、タイプI→II→III→IV→Vの順で凹部/予圧縮部比率Rが大きく設定されている。
タイプI〜Vのそれぞれについて、耐久試験後の亀裂の発生の有無と、耐久試験前後のバネ定数保持率とをまとめものを表3に示す。
表3に示す亀裂の発生の有無は、ゴム弾性体に亀裂が生じているか否かを目視検査することで判断する。
図3は、この亀裂の発生要因を調査するために行った構造解析の結果である。解析には、有限要素方法による汎用ソフト(例えば、MSCソフトウェア社製、商品名:MARC)を使用した。図3(a)及び(b)はそれぞれ、タイプI及びタイプVのエンジンマウントモデルに対し筒軸方向に所定の圧縮荷重を作用させたときの解析結果を示している。図の濃淡が各部の応力値のレベルを示し、吹出しは、歪み量(%)が最も大きくなる箇所とその値を示している。タイプI及びタイプVの双方ともに、内筒体2の内周面近傍部位Sに局所的な応力集中が見られるが、タイプIの方がタイプVに比べてこの応力集中部の応力値が高く且つ歪み量(%)も大きいことがわかる。これは、タイプIでは、凹部/予圧縮部比率Rが小さい(凹部空間5の体積Bが小さい)ため、予圧縮により中心コーン部4bの根元部分が径方向外側に膨出変形することにより凹部空間5が完全に埋まってしまい(図3(a)の領域Wを参照)、この結果、逃げ場のなくなった内筒体2の内周面近傍のゴム弾性体が強く圧縮されるためと考えられる。これに対して、タイプVでは、凹部/予圧縮部比率Rが大きい(凹部空間5の体積Bが大きい)ため、予圧縮時に中心コーン部4bの根元部分が変形しても凹部空間5が完全に埋まることはない(図3(b)の領域Wを参照)。このため、タイプVでは、タイプIに比べて、内筒の内周面近傍の応力値は低く最大歪量も小さい。以上より、凹部/予圧縮部比率Rが小さいほど内筒体2の内周面近傍部位Sの応力値が高くなってゴム弾性体に亀裂が生じ易くなると言える。
このことを考慮して表3の試験結果を見ると、ゴム弾性体の亀裂を防止するためには、凹部/予圧縮部比率Rを少なくとも1.21以上、好ましくは1.25以上に設定する必要があることがわかる。
表3に示すバネ定数保持率とは、耐久試験前のバネ定数に対する耐久試験後のバネ定数の比率(%)を意味している。尚、タイプIVでは、ファン側試験時における静バネ定数保持率が107.5%となって100%を越えているが、これはゴム弾性体の硬化(劣化)によりバネ定数が増加したためと考えられる。
図4は、表3のバネ定数保持率を、横軸を凹部/予圧縮部比率Rとし且つ縦軸をバネ定数保持率とするグラフにプロットしたものであり、図4の太線で示すラインは各プロットを基に描かれた2次の近似曲線である。尚、ポンプ側試験の方が、ファン側試験に比べてバネ定数保持率が低いのは、ポンプ側試験の方がファン側試験に比べて加振力が強いためと考えられる(表1参照)。
ここで、上記2次の近似曲線による近似の妥当性について説明する。上述したように、凹部/予圧縮部比率R(凹部空間5の体積B)が小さいと、予圧縮により凹部空間5が完全に埋まってしまい、内筒体2の内周面近傍部位S(図3参照)に高い応力集中が生じる。このため、このような高応力状態で繰り返し荷重が作用すると、ゴム材料の疲労劣化がより進行し易くなり、延いてはバネ定数が低下し易くなる。これに対して、上記凹部/予圧縮部比率R(凹部空間5の体積B)が大きいと、予圧縮により中心コーン部4bが変形しても凹部空間5が完全に埋まらないため、ゴム弾性体4全体が、この凹部空間5が形成された部分を支点として上下に変位し易くなり、これにより、ゴム弾性体の疲労劣化がより進行し易くなり、延いてはバネ定数が低下し易くなる。以上より、ばね定数保持率は、凹部/予圧縮部比率Rが大き過ぎても小さ過ぎても低い値になるため、バネ定数保持率を最大化し得る中間の凹部/予圧縮部比率Rが存在すると考えることができる。そうすると、タイプIとタイプVとの中間の凹部/予圧縮部比率Rにおいてバネ定数保持率が最大化されるように、図4に示す各プロットを、上側に凸となる二次曲線で近似することは十分に妥当性のある近似であると言える。
そうして、本実施形態では、この近似曲線を基に、所望のバネ定数保持率が得られるように凹部/予圧縮部比率Rを設定するようにしている。具体的には、本実施形態では、バネ定数保持率がエンジンマウント1の防振性能を維持する上で必要な75%以上になるように、凹部/予圧縮部比率Rを1.25以上で且つ1.65以下に設定するようにしている(図4参照)。凹部/予圧縮部比率Rがこの範囲内にあれば、亀裂防止の観点で要求される凹部/予圧縮部比率R≧1.21の要件も満たすため、ゴム弾性体の亀裂防止とバネ定数保持率の低下防止との両立を図ることができる。
以上の如く、上記実施形態では、中心コーン部4bの上記筒軸方向の一側端部を、上記内筒体2に対して該筒軸方向の一側に突出させて予圧縮部4cを形成するとともに、中心コーン部4bの外周面と、外周リング部4aの内周面との間に、上記筒軸方向の一側に開口する凹部空間5を該中心コーン部4b周りに全周に亘って形成した上で、予圧縮部4cの体積に対する凹部空間5の体積比率R(凹部/予圧縮比率)を1.25以上で且つ1.65以下に設定するようにしたことで、ゴム弾性体4に繰り返し荷重が作用することに起因する亀裂の防止とバネ定数保持率の低下防止との両立を図ることができる。
(他の実施形態)
本発明の構成は、上記実施形態に限定されるものではなく、それ以外の種々の構成を包含するものである。すなわち、上記実施形態では、凹部/予圧縮比率Rを1.25以上で且つ1.65以下に設定するようにしているが、亀裂を防止する観点では、凹部/予圧縮比率Rは1.21以上であればよい。
また、上記実施形態では、防振装置の一例としてエンジンマウント1を例に挙げて説明を行ったが、これに限ったものではなく、例えば工作機械等を支持や建物を支持するための防振装置であってもよい。
また、上記実施形態では、凹部空間5は断面略台形状に形成されているが(図1参照)、これに限ったものではなく、例えば断面略V字状であってもよい。
本発明は、同軸に配設された外筒体及び内筒体と、該外筒体及び該内筒体の間に設けられて両者を連結するゴム弾性体とを備え、該外筒体の筒軸方向の一側端部には、径方向外側に膨出するフランジ部と該フランジ部の外周縁部から該筒軸方向の一側に突出する筒状立設部とが形成された防振装置に有用であり、特に、該筒状立設部に沿って全周に亘って形成される外周リング部と、内筒体と同軸にその外周を囲むように形成され、外周面が上記筒軸方向の一側ほど縮径するテーパ状をなす中心コーン部とを有する防振装置に有用である。
R 凹部/予圧縮部比率
1 エンジンマウント(防振装置)
2 内筒体
3 外筒体
3a フランジ部
3b 筒状立設部
4 ゴム弾性体
4a 外周リング部
4b 中心コーン部
4c 予圧縮部
5 凹部空間

Claims (2)

  1. 同軸に配設された外筒体及び内筒体と、該外筒体及び該内筒体の間に設けられて両者を連結するゴム弾性体とを備え、該外筒体の筒軸方向の一側端部には、径方向外側に膨出するフランジ部と該フランジ部の外周縁部から該筒軸方向の一側に突出する筒状立設部とが形成された防振装置であって、
    上記ゴム弾性体の上記筒軸方向の一側面には、上記筒状立設部に沿って全周に亘って形成される外周リング部と、上記内筒体と同軸にその外周を囲むように形成され、外周面が上記筒軸方向の一側ほど縮径するテーパ状をなす中心コーン部とが形成され、
    上記中心コーン部の上記筒軸方向の一側端部は、上記内筒体に対して該筒軸方向の一側に突出することで該筒軸方向に予圧縮可能に構成された予圧縮部とされ、
    上記中心コーン部の外周面と、上記外周リング部の内周面との間には、上記筒軸方向の一側に開口する凹部空間が該中心コーン部周りに全周に亘って形成されており、
    上記予圧縮部に対する上記凹部空間の体積比率が1.21以上に設定されていることを特徴とする防振装置。
  2. 請求項1記載の防振装置において、
    上記体積比率が1.25以上で且つ1.65以下に設定されていることを特徴とする防振装置。
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