JP2006342940A - 空気ばね - Google Patents

Abstract

【課題】 構造物の上下方向免震を実現できる、小型でストロークが長い高強度空気ばねを提供する。
【解決手段】 本発明に係る空気ばね１は、底面２ａを有し、上方に開放する円筒状の外筒２内に、外筒２より小径の作動体３が挿入され、外筒２と作動体３とがダイアフラム４によって連結された構成とされている。作動体３は、上端面３ａおよび下端面３ｂを有する円筒状容器であり、その内部は補助タンク６とされ、下端面３ｂにはオリフィス７が形成されている。ダイアフラム４は、円筒状のゴム膜であって、上縁部および下縁部に形成されたビード部４ｂ、４ｃを介して、作動体３の下端面３ｂと外筒２の底面２ａにそれぞれ固着されている。ダイアフラム４を形成するゴム膜中には、ナイロン繊維からなる補強繊維が、ダイアフラム４の経線方向に対して対称に補強繊維角度を有して二方向に配されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、空気ばねに関し、特に、構造物の上下方向免震に使用される空気ばねに関する。

立設する外筒内に、ダイアフラムと呼ばれる円筒状のゴム膜が嵌装され、当該ダイアフラムの上端部には上下方向に移動自在な内筒を備える「ローリングシール型空気ばね」と呼ばれる空気ばねは、圧力有効直径が殆ど変化せず、大きなストロークが可能という特徴を有しており、従来より車両の防振等に使用されてきた。
建築物の上下方向免震を実現するには、大きなストロークを有する軟らかいバネで２秒程度以上の固有周期を実現する必要があり、このローリングシール型空気ばねが適していると考えられる。特許文献１では、ローリングシール型空気ばねと積層ゴムとを直列に連結することにより、構造物の３次元免震装置を実現している。
特開２００５−１６６３３号公報 （第２−５頁、第１−２図）

しかしながら、従来のローリングシール型空気ばねで建築物のような大重量のものを支持しようとすると、空気ばねの直径が非常に大きくなってしまう場合があり、コストが上昇するうえ、必要とされる個数の空気ばねを平面的に配置するのが困難となる。従って、ローリングシール型空気ばねを使用して大重量の建築物の上下方向免震を実現しようとする場合には、高い内圧で使用できる高強度空気ばねとする必要があり、高強度化の工夫が必要となる。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、構造物の上下方向免震を実現できる、小型でストロークが長い高強度空気ばねを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、底面を有し、上方に開放する外筒内に挿入された、円筒状のゴム膜からなるダイアフラムの下端部が前記外筒の底面に固着され、前記ダイアフラムの上端部は、内部が補助タンクとされ、下端面にオリフィスが形成された作動体の当該下端面に固着され、前記作動体が前記ダイアフラムに支持されて前記外筒内を上下方向に可動する空気ばねであって、前記ダイアフラムを形成するゴム膜中に配される補強繊維が、当該ダイアフラムの経線方向に対して所定の角度（以下、補強繊維角度と称す）を有して二方向に配されていることを特徴とする。

図１に示すように、作動体３を変位ｘだけ下方に押し込むと、ダイアフラム４は作動体３に巻き込まれて動き、ダイアフラム４上の点ＡはＡ’に、点ＢはＢ’にそれぞれ移動し、ダイアフラム４の高さもｘ／２だけ変化する。このような丸まった部分が移動する動きを、ダイアフラム４が「ロールする」と表現し、その部分をロール部４ａと呼ぶ。
ダイアフラム４がロールするとき、ロール部４ａ付近のゴム膜は、ダイアフラムの緯線方向に伸縮しなければならない。所要ストロークが十分短い場合は、図２（ｂ）のような円錐台型のダイアフラム４’とすることにより、緯線方向の伸縮を小さく抑えることができるが、所要ストロークが長い場合は、ダイアフラム４の何処がロール部４ａとなっても特性が変化しない、図２（ａ）のような長い平行部を有する円筒型ダイアフラムが適している。

円筒型ダイアフラムの場合、図３（ａ）のように、経線方向Ｌ１と緯線方向Ｌ２に補強繊維５を配置すると、ロールに伴うゴム膜の伸縮が妨げられ、ダイアフラム４が作動体３や外筒２に馴染まない。また、作動体３と外筒２とが相対的に傾いたり、水平方向にずれたりせず、ダイアフラム４が軸対称の形状を必ず保持する場合は、図３（ｂ）のような経線方向Ｌ１のみの補強とすることも考えられるが、実際は、作動体３と外筒２とが相対的に傾いたり、水平方向にずれたりする。そのため、図３（ｃ）のように、補強繊維５を経線方向Ｌ１に対して補強繊維角度ψ_０を有して二方向に配する（以下、バイアス補強と称す）ことが望ましい。

本発明では、外筒内に挿入されるダイアフラムを円筒状とし、且つダイアフラムを形成するゴム膜中に配される補強繊維をバイアス補強とすることにより、小型でストロークが長く、且つ大重量を支持できる割に剛性の低い空気ばねを実現することができる。

また、本発明では、前記外筒と前記作動体との間の水平方向の間隙（以下、ロール部径と称す）を前記ダイアフラムの膜厚の４〜８倍とし、前記外筒と前記ダイアフラムとの間の初期隙間をロール部径の１／２以下とすることを好適とする。

図４は、本発明に係る空気ばねに鉛直荷重が作用していない自然状態を示したものである。同図に示すように、ロール部径Ｒは、外筒２と作動体３との間の水平方向の間隙であり、初期隙間Ｃは、自然状態におけるダイアフラム４と外筒２との間の間隙をいう。

空気ばね１の強度の点ではロール部径Ｒが小さいほうが有利であるが、ダイアフラム４の膜厚に比べてロール部径Ｒが小さすぎると、滑らかな作動の妨げとなることがあり、またゴム膜を過大な曲率で曲げるために耐久性の点でも問題が生じる。
そこで、膜厚に対するロール部径Ｒの比を変化させて作動性を確認した結果より、ロール部径Ｒを膜厚の４〜８倍とした。

一方、初期隙間Ｃを大きくすると、緯線方向の膜力が大きくなって最大内圧は低下する。さらに、初期隙間Ｃを大きくすると、ダイアフラム４が外筒２に接しなくなり、外筒２側のビード部４ｃが破損しやすくなる。従って、空気ばね１の強度の観点からは、初期隙間Ｃは小さいほどよい。製作（施工）性の観点からは、ダイアフラム４および外筒２の寸法誤差を吸収できるように、初期隙間Ｃは大きいほど都合がよいが、ロール部径Ｒの１／２より大きくする必要はない。なぜならば、初期隙間Ｃをロール部径Ｒの１／２より大きくすると、作動体３との納まりが問題となるからである。
そこで、初期隙間Ｃは、ロール部径Ｒの１／２以下とする。

さらに、本発明では、前記補強繊維角度ψ_０（度）を５〜５０度とし、且つ次式を満足することが望ましい。
ψ_０≦２８｛２α／（α−１）−α・ｔ・ｐ／（Ｎ・ｎ・Ｔ_ｙ）｝
ここに、
α＝Ｒ／ｔ（４≦α≦８）、Ｒ：ロール部径（ｍｍ）、ｔ：ダイアフラムの膜厚（ｍｍ）、ｐ：ダイアフラムの終局時最大内圧（ＭＰａ）、Ｎ：補強繊維の層数（ただし、Ｎは偶数）、ｎ：ダイアフラム単位幅当たりの補強繊維の本数（本／ｍｍ）、Ｔ_ｙ：補強繊維の強度（Ｎ／本）

補強繊維角度ψ_０が小さい程、空気ばねを高圧化できるが、ダイアフラム４の非対称変形を考慮する必要があるため、補強繊維角度ψ_０の最小値は５度とする。一方、補強繊維角度ψ_０の最大値については、後述するように、ダイアフラム４が外筒２に接する限界および上式の適用限界を考慮し、５０度とする。

ロール部径Ｒが膜厚ｔのα倍で、初期隙間Ｃをロール部径Ｒの１／２以下とした空気ばね１において、一本当たり強度Ｔ_ｙの補強繊維５をｎ本／ｍｍのピッチで並べた補強繊維層をＮ層配置するダイアフラム４の場合、所要の終局時最大内圧ｐを達成するためには、補強繊維角度ψ_０は上式を満足しなければならない。即ち、上式を満足するように補強繊維角度ψ_０を設定すれば、所要の終局時最大内圧ｐが実現される。

さらに、本発明では、前記補強繊維は鋼繊維またはアラミド繊維であってもよい。
本発明では、補強繊維を鋼繊維またはアラミド繊維とすることにより、空気ばねを、より高強度化することができる。

本発明によれば、ストロークが長く、且つ大重量を支持でき、過大な荷重を受けても破裂のおそれの少ない信頼性の高い高強度空気ばねを実現することができる。これにより、建築物や大型構造物などの上下方向免震が可能となる。また、小型で構造がシンプルであるため、空気ばねの製造コストを低く抑えることが可能となる。

以下、本発明に係る空気ばねの実施形態について図面に基づいて説明する。
図１に示すように、本発明に係る空気ばね１は、底面２ａを有し、上方に開放する円筒状の外筒２内に、外筒２より小径の作動体３が挿入され、外筒２と作動体３とがダイアフラム４によって連結された構成とされている。

作動体３は、上端面３ａおよび下端面３ｂを有する円筒状容器であり、その内部は空気を蓄える補助タンク６とされている。

ダイアフラム４は、円筒状のゴム膜であって、上縁部および下縁部にはそれぞれビード部４ｂ、４ｃが形成されており、ビード部４ｂ、４ｃを介して、作動体３の下端面３ｂと外筒２の底面２ａにそれぞれ気密に固着されている。
作動体３の下端面３ｂにはオリフィス７が形成されており、ダイアフラム４内の空気と補助タンク６内の空気とはオリフィス７を介して連通している。空気がオリフィス７を通過する際に、空気の流れに流通抵抗が発生し、減衰機能を備えた空気ばねとなる。

ダイアフラム４を形成するゴム膜中には、ナイロン繊維からなる補強繊維５が、ダイアフラム４の経線方向Ｌ１に対して対称に補強繊維角度ψ_０を有して二方向に配されている（図３（ｃ）参照）。即ち、バイアス補強されている。これにより、作動体３および外筒２に馴染みやすく、作動体３と外筒２とが相対的に傾いたり、水平方向にずれたりしても支障のないダイアフラムを実現することができる。

上記構成を有する空気ばね１の性状を左右する要因には以下のものがある（図４参照）。
（イ）ロール部径Ｒ
（ロ）初期隙間Ｃ
（ハ）補強繊維角度ψ_０
（ニ）補強繊維５の本数または補強繊維層数
（ホ）補強繊維５の材質

図５および図６は、初期隙間Ｃが小さい場合（Ｃ＝１６ｍｍ）と大きい場合（Ｃ＝２９ｍｍ）それぞれについて、補強繊維角度ψ_０による膜力分布の変化を示したものである。初期隙間Ｃが小さいほうが経線方向の膜力ｎ_φが大きく、従って空気ばねとして負担できる荷重も大きい（強度が高い）が、緯線方向膜力ｎ_θの値は逆に小さく、初期隙間Ｃが大きくなると、無駄な応力を生じていると言える。
また、補強繊維角度ψ_０が小さい程、経線方向の膜力ｎ_φが大きく、空気ばねとして負担できる荷重が大きいことがわかる。

繊維補強角度ψ_０が３５度の場合と４９度の場合を例にとり、ロール部径Ｒと初期隙間Ｃを変動させた場合の最大内圧の評価結果を図７に示す。ロール部４ａの水平断面積に内圧を乗じて得られる力が作動体３側と外筒２側で分担されるので、ロール部径Ｒを小さくすることが空気ばねの高強度化に最も効果的である。
補強繊維角度ψ_０が大きく初期隙間Ｃも大きい場合は、ダイアフラム４が最早、外筒２に接しなくなり、実際のロール部径Ｒが小さくなるので、最大内圧が上昇する。図７（ｂ）において、曲線が重なって右肩上がりとなっている部分がこれに相当する。但し、この場合はダイアフラム４が外筒２に押し付けられず摩擦力が殆ど作用しないため、ダイアフラム４を外筒２の底面２ａに取り付けるビード部４ｃの強度が高くないと、その部分で破壊が生じる場合がある。

図８は、補強繊維角度ψ_０が４９度、補強繊維層が２、４層で外径が２４３ｍｍのダイアフラム４を使用し、ロール部径Ｒを３０、５０ｍｍ、初期隙間Ｃを１６、２９ｍｍとした６ケースについて、水を封入した空気ばねに荷重を掛けて破裂させる耐圧試験を実施した結果を示したものである。補強繊維層の数を４層とした場合の結果は、シミュレーション値よりはやや低目であるが、ロール部径Ｒ＝３０ｍｍの場合、２００気圧（２０ＭＰａ）を超える結果が得られている。
なお、補強層数を多くすると、ゴム膜が厚くなって補強繊維に均等に力が負担され難くなる場合があるので、その場合はアラミド繊維等の高強度材料を用いるのがよい。

以上、空気ばねの強度に影響のある各種の要因について、最大内圧に及ぼす影響を調べた結果、得られた知見を以下に列記する。
（イ）ロール部径Ｒは出来るだけ小さいほうがよい。
（ロ）初期隙間Ｃは小さいほうがよい。但し、初期隙間Ｃが多少大きくても、補強繊維角度ψ_０を小さくすることで補うことができる。初期隙間Ｃが過大だとダイアフラム４が外筒２に接しなくなり、実際のロール部径Ｒが小さくなって耐力が上がるが、外筒２側のビード部４ｃで破壊し易くなる。
（ハ）補強繊維角度ψ_０が小さい程、高圧化できる。但し、作動体３が外筒２に対して水平にずれたり傾いたりする場合を考慮し、余り小さい角度としないほうがよい。

その他に、補強繊維５に関して以下の方策を採用することも、高強度化を図るうえで効果的である。
（ニ）配置のピッチを狭める、補強繊維層数を増やす等の方法により、単位幅当たり本数を増やす。
（ホ）鋼線やアラミド繊維等の高強度の補強繊維を使用する。

上記知見に基づき、本発明では、空気ばね１の諸元を以下のように設定する。
ロール部径Ｒをダイアフラム４の膜厚の４〜８倍とし、初期隙間Ｃをロール部径Ｒの１／２以下とする。

また、補強繊維角度ψ_０（度）を５〜５０度とし、且つ（１）式を満足するようにする。これにより、（１）式を満足するように補強繊維角度ψ_０を設定すれば、所要の終局時最大内圧ｐが実現される。
ψ_０≦２８｛２α／（α−１）−α・ｔ・ｐ／（Ｎ・ｎ・Ｔ_ｙ）｝ …（１）
ここに、
α＝Ｒ／ｔ（４≦α≦８）、Ｒ：ロール部径（ｍｍ）、ｔ：ダイアフラムの膜厚（ｍｍ）、ｐ：ダイアフラムの終局時最大内圧（ＭＰａ）、Ｎ：補強繊維の層数（ただし、Ｎは偶数）、ｎ：ダイアフラム単位幅当たりの補強繊維の本数（本／ｍｍ）、Ｔ_ｙ：補強繊維の強度（Ｎ／本）

逆に、補強繊維角度ψ_０が決まっている場合は、終局時最大内圧ｐは（２）式により評価される。
ｐ＝｛２／（α−１）−ψ_０／（２８α）｝Ｎ・ｎ・Ｔ_ｙ／ｔ …（２）

図９は、ダイアフラム４が外筒２に接しなくなるパラメータの組み合わせを示したシミュレーション結果である。同図より、補強繊維角度ψ_０を５０度より大きくすると、ダイアフラム４が外筒２に接しなくなることがわかる。しかも、ロール部径Ｒの膜厚ｔに対する比を４≦α≦８、補強繊維角度を５≦ψ_０≦５０、初期隙間Ｃをロール部径Ｒの１／２以下と限定すれば、外筒２の内径が膜厚ｔの５０倍程度以上の空気ばねについて、ダイアフラム４が外筒２に接しない場合を除外することができる。

図１０は、（１）式の適用性を評価したシミュレーション結果である。（１）式を示す一点鎖線は、回帰直線（初期隙間Ｃを一定とし、補強繊維角度ψ_０と外筒２の内径を変化させて理論的に求めた結果に対する回帰直線）と概ね同じ勾配を持ち、且つ、初期隙間Ｃをロール部径Ｒの１／２としたケース（例えば、α＝８なら初期隙間Ｃ＝４ｔ、α＝６なら初期隙間Ｃ＝３ｔ）の下限を与えていることが分かる。

本実施形態による空気ばね１によれば、ストロークが長く、且つ大重量を支持でき、過大な荷重を受けても破裂のおそれの少ない信頼性の高い高強度空気ばねを実現することができる。これにより、建築物や大型構造物などの上下方向免震が可能となる。
また、本実施形態による空気ばね１によれば、小型で構造がシンプルであるため、空気ばねの製造コストを低く抑えることが可能となる。

以上、本発明に係る空気ばねの実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。要は、本発明において所期の機能が得られればよいのである。

本発明に係る空気ばねの実施形態の一例を示す立断面図である。 ダイアフラムの立断面図であり、（ａ）は円筒型ダイアフラム、（ｂ）は円錐台型ダイアフラムである。 円筒型ダイアフラムに使用される補強繊維の配置を示す図であり、（ａ）は補強繊維を経線方向および緯線方向に配置した場合、（ｂ）は補強繊維を経線方向に配置した場合、（ｃ）はバイアス補強した場合を示す。 本発明に係る空気ばねに鉛直荷重が作用していない自然状態を示す立断面図である。 補強繊維角度による膜力分布の変化（ロール部径５０ｍｍ、初期隙間１６ｍｍ）を示すシミュレーション結果であり、（ａ）が経線方向膜力、（ｂ）が緯線方向膜力の図である。 補強繊維角度による膜力分布の変化（ロール部径５０ｍｍ、初期隙間２９ｍｍ）を示すシミュレーション結果であり、（ａ）が経線方向膜力、（ｂ）が緯線方向膜力の図である。 ロール部径と初期隙間が最大内圧に及ぼす影響を示したシミュレーション結果であり、（ａ）は補強繊維角度が３５度の場合、（ｂ）は補強繊維角度が４９度の場合の図である。 本発明に係る空気ばねの耐圧試験結果を示した図であり、（ａ）はロール部径が３０ｍｍの場合、（ｂ）はロール部径が５０ｍｍの場合である。 ダイアフラムが外筒に接しなくなるパラメータの組み合わせを示したシミュレーション結果であり、（ａ）は膜厚が５ｍｍの場合、（ｂ）は膜厚が７ｍｍの場合の図である。 （１）式の適用性を評価したシミュレーション結果であり、（ａ）は膜厚５ｍｍ、ロール部径４０ｍｍ、α＝８の場合、（ｂ）は膜厚５ｍｍ、ロール部径３０ｍｍ、α＝６の場合、（ｃ）は膜厚５ｍｍ、ロール部径２０ｍｍ、α＝４の場合、（ｄ）は膜厚７ｍｍ、ロール部径５６ｍｍ、α＝８の場合、（ｅ）は膜厚７ｍｍ、ロール部径４２ｍｍ、α＝６の場合、（ｆ）は膜厚７ｍｍ、ロール部径２８ｍｍ、α＝４の場合の図である。

符号の説明

１ 空気ばね
２ 外筒
３ 作動体
４、４’ ダイアフラム
４ａ ロール部
４ｂ、４ｃ ビード部
５ 補強繊維
６ 補助タンク
７ オリフィス

Claims (4)

1. 底面を有し、上方に開放する外筒内に挿入された、円筒状のゴム膜からなるダイアフラムの下端部が前記外筒の底面に固着され、前記ダイアフラムの上端部は、内部が補助タンクとされ、下端面にオリフィスが形成された作動体の当該下端面に固着され、
   前記作動体が前記ダイアフラムに支持されて前記外筒内を上下方向に可動する空気ばねであって、
   前記ダイアフラムを形成するゴム膜中に配される補強繊維が、当該ダイアフラムの経線方向に対して所定の角度（以下、補強繊維角度と称す）を有して二方向に配されていることを特徴とする空気ばね。
2. 前記外筒と前記作動体との間の水平方向の間隙（以下、ロール部径と称す）を前記ダイアフラムの膜厚の４〜８倍とし、前記外筒と前記ダイアフラムとの間の初期隙間をロール部径の１／２以下とすることを特徴とする請求項１に記載の空気ばね。
3. 前記補強繊維角度ψ_０（度）は５〜５０度とされ、且つ次式を満足することを特徴とする請求項２に記載の空気ばね。
   ψ_０≦２８｛２α／（α−１）−α・ｔ・ｐ／（Ｎ・ｎ・Ｔ_ｙ）｝
   ここに、
   α＝Ｒ／ｔ（４≦α≦８）、Ｒ：ロール部径（ｍｍ）、ｔ：ダイアフラムの膜厚（ｍｍ）、ｐ：ダイアフラムの終局時最大内圧（ＭＰａ）、Ｎ：補強繊維の層数（ただし、Ｎは偶数）、ｎ：ダイアフラム単位幅当たりの補強繊維の本数（本／ｍｍ）、Ｔ_ｙ：補強繊維の強度（Ｎ／本）
4. 前記補強繊維は鋼繊維またはアラミド繊維からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の空気ばね。

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