(57)【要約】【課題】ベローズを具えたガススプリングにおいて、全長が短く、かつ製造工程が簡素なガススプリングを提供すること。【解決手段】外筒とシリンダの間に、シリンダとほぼ同軸に設けられた金属製のベローズを設け、ベローズの内側とシリンダの外側で区画されたベローズ内室と、シリンダとピストンとロッド側板で区画されたシリンダ室とを連通させるとともに内部に作動油を充填させた油室とし、更に、ベローズ外室を、所定の圧力のガスを封入させた高圧ガス室としてガススプリング構成した。これにより、ベローズによる圧力を付与できるとともに、全長を短くし、かつ容易に製造できるガススプリングを提供できる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンと、
前記ピストンを、内部に摺動自在に具えたシリンダと、
前記シリンダの外周に、該シリンダとほぼ同軸に設けられた外筒と、
前記外筒と前記シリンダの間に、該シリンダとほぼ同軸に設けられた金属製のベローズと、
前記シリンダを取り付け、かつ前記ベローズ、および前記外筒の軸方向一端側を気密に閉塞し、固定するシリンダ底板と、
前記シリンダを取り付け、かつ前記ベローズ、および前記外筒の軸方向他端側を気密に閉塞し、固定するとともに前記ピストンに固定されたロッドを、気密かつ摺動自在に貫通させたロッド側板と、を備え、
前記ベローズの内側と前記シリンダの外側で区画されたベローズ内室、もしくは前記ベローズの外側と前記外筒の内側で区画されたベローズ外室のいずれか一方と、前記シリンダと前記ピストンと前記ロッド側板で区画されたシリンダ室とを連通させ、該シリンダ室に連通された前記ベローズ内室、あるいは前記ベローズ外室の一方と、前記シリンダ室とを、内部に作動油を充填させた油室とし、
更に、該シリンダ室に連通されていない前記ベローズ内室、もしくは前記ベローズ外室の他方を、所定の圧力のガスを封入させた高圧ガス室として構成したことを特徴とするガススプリング。
【請求項２】
前記ベローズを予め軸方向に圧縮した状態で前記シリンダと前記外筒の間に組み入れたことを特徴とする請求項１記載のガススプリング。
【請求項３】
前記ベローズは、内径側の端縁、及び外径側の端縁が先鋭に屈曲しており、かつ腹部を波目状の凹凸に形成したことを特徴とする請求項１または２記載のガススプリング。
【請求項４】
前記高圧ガス室内に所定量の液体を収納させたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のガススプリング。
【請求項５】
前記シリンダと前記ピストンと前記シリンダ側板で区画されたピストン室を、前記高圧ガス室の内圧より低い内圧に設定した低圧ガス室とし、該低圧ガス室内に乾燥させた不活性ガスを封入させたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のガススプリング。
【請求項６】
前記外筒とロッドのいずれか一方を電車線あるいは送電線等の張力線に接続し、前記外筒とロッドの他方を張力線支持部材に接続し、前記高圧ガス室の圧力によって前記ロッドが前記シリンダ内部に引き込まれ前記張力線に所定の引張力を付与するとともに、温度変動にかかわらず前記引張力が一定となるように前記高圧ガス室を所定の容積に設定したことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のガススプリング。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば鉄道架線（電車線）や送電線等の張力線に張力を与える用途に好適なガススプリングに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス室とピストンシリンダ機構を組み合わせ、鉄道架線などに所定の張力を付与するためのガススプリングが知られている。例えば特開２００１−２０９８７号公報に記載されているガススプリングは、金属ベローズの内部を高圧ガス室、金属ベローズの外部を油室として形成し、シリンダ油室に連結させ、ロッドの動きに応じてピストンが作動して作動油が高圧ガス室を押圧し、ロッドを介して所定の張力が架線に付与されるように構成してある。このようなガススプリングは、一般にコイルスプリングに比較して初期荷重が高く、またばね定数を低くできる特長を有している点から好ましい。またガススプリングにおいて、ガス・油分離膜に使用される金属ベローズは、ゴムブラダ、フリーピストンに比較して、ガスリークがなく高耐久性を有し、更に高周波応答性が良いことからガス・油分離膜として最適である。
【特許文献１】特開２００１−２０９８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の金属ベローズの使用法は、金属ベローズの一端を固定し、他端を伸縮自在に気密に塞ぐ構造である。したがって、金属ベローズの伸縮自由端は固定できず、金属ベローズ内にシリンダを内蔵する場合は、シリンダ端も固定できず横荷重を受けられない問題があり、また、シリンダの後部に金属ベローズを直列に連結されている構造の場合は、ガススプリングの全長が長くなる問題があった。
【０００４】
またかかる構造の場合、シリンダ底部とピストンで区画された低圧ガス室が外筒に接しおらず、低圧ガス室に通じる通路を外筒に直接開口できないことから、低圧ガス室に低圧ガスを封入した後シリンダを外筒に組み付けなければならず、ガススプリングを製造するにあたり工程が若干複雑になっていた。
【０００５】
本発明は、ベローズを具えたガススプリングにおいて、全長が短くでき、かつ製造工程が簡素なガススプリングを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するため、ガススプリングを次のように構成した。
【０００７】
１、ピストンと、ピストンが内部に摺動自在に設けられたシリンダと、前記シリンダの外周に、該シリンダとほぼ同軸に設けられた外筒と、前記外筒と前記シリンダの間に、該シリンダとほぼ同軸に設けられた金属製のベローズと、前記シリンダを取り付け、かつ前記ベローズ、および前記外筒の軸方向一端側を気密に閉塞し、固定するシリンダ底板と、前記シリンダを取り付け、かつ前記ベローズ、および前記外筒の軸方向他端側を気密に閉塞し、固定するとともに前記ピストンに固定されたロッドを摺動自在に貫通させたロッド側板と、を備え、
前記ベローズの内側と前記シリンダの外側で区画されたベローズ内室、もしくは前記ベローズの外側と前記外筒の内側で区画されたベローズ外室のいずれか一方と、前記シリンダと前記ピストンと前記ロッド側板で区画されたシリンダ室とを連通させ、該シリンダ室に連通された前記ベローズ内室、あるいは前記ベローズ外室と、前記シリンダ室とを内部に作動油を充填させた油室とし、
更に、該シリンダ室に連通されていない前記ベローズ内室、もしくは前記ベローズ外室の一方を、所定の圧力のガスを封入させた高圧ガス室としてガススプリング構成した。
【０００８】
２、１に記載のガススプリングにおいて、前記ベローズを予め軸方向に圧縮した状態で前記シリンダと前記外筒の間に組み入れた。つまり、山、谷の数を多くし、予め山谷の間隔を密にした。
【０００９】
３、１または２に記載のガススプリングにおいて、ベローズは、内径側の端縁、及び外径側の端縁が先鋭に屈曲しており、かつ腹部を波目状の凹凸に形成した。
【００１０】
４、１〜３のいずれかに記載のガススプリングにおいて、前記高圧ガス室内に所定量の液体を収納させて構成した。
【００１１】
５、１〜４のいずれかに記載のガススプリングにおいて、前記シリンダと前記ピストンと前記シリンダ側板で区画されたピストン室を、少なくとも前記高圧ガス室の内圧より低い内圧に設定した低圧ガス室とし、乾燥させた不活性ガスを該低圧ガス室内に封入させたこととした。
【００１２】
６、１〜５のいずれかに記載のガススプリングを、前記外筒とロッドのいずれか一方を電車線あるいは送電線等の張力線に接続し、前記外筒とロッドの他方を張力線支持部材に接続し、前記高圧ガス室の圧力によって前記ロッドが前記シリンダ内部に引き込まれ前記張力線に所定の引張力を付与するとともに、温度変動にかかわらず前記引張力が一定となるように前記高圧ガス室を所定の容積に設定した。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のガススプリングは、シリンダの外周にベローズを設け、ピストンの作動範囲とベローズとをほぼ同軸に重ねて配置できるので、全長を短くし、小型化できる。高圧ガス室および低圧ガス室のいずれもガススプリングの外側に連通孔が形成できるので、それらガス室に各ガスを容易に封入させることができ、製造工程が簡易となる。
【００１４】
ベローズを軸方向に圧縮して取り付けることにより、ベローズの作動範囲を大きくでき、ガススプリングの可動域を拡大できる。ベローズの腹部が波目状の凹凸に形成されているので、膨張から収縮状態までベローズを大きく変動させることができ、容積の変化量を大きくでき、小型で、対応範囲の広いガススプリングを提供できる。高圧ガス室に液体、例えば油を封入したので、高圧ガス室の容積を任意に設定し、またベローズの作動を円滑にできる。高圧ガス室の容積を、張力が一定となる所定の容積としたので、温度変化にかかわらず張力線を常に一定の張力で引張できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明にかかるガススプリングの実施形態について説明する。
【００１６】
図１にガススプリング１０を示す。ガススプリング１０は、外筒１２と、外筒１２の内周側に設けられたベローズ筒体１４と、ベローズ筒体１４の内周側に設けられたシリンダ１６と、シリンダ１６内に設けられたピストン１８と、ピストン１８に取り付けられたロッド２０と、シリンダ１６の底部を塞ぐシリンダ底板２２と、シリンダ底板２２の反対側に設けられたロッド側板２４、およびロッド２０を覆うロッドカバー２５などから構成されている。
【００１７】
外筒１２は円筒状で、外筒１２の右端（図における右方。）にはシリンダ底板２２が気密に固定してあり、左端にはロッド側板２４が気密に固定してある。
【００１８】
ベローズ筒体１４は、薄い金属板からなる円筒体で、外筒１２とシリンダ１６の間に同心円状に取り付けられ、ベローズ筒体１４の右端（図における右方。）はシリンダ底板２２に気密に固定してあり、左端はロッド側板２４に気密に固定してある。ベローズ筒体１４は、径方向に拡大した山部と、谷部が軸方向に交互に形成された蛇腹状であり、例えば、板厚が０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ程度のオーステナイト系ステンレス鋼などの薄い金属板に塑性加工を行い、蛇腹状に成形した一体成形ベローズである。
【００１９】
ベローズ筒体１４は、基本的に径方向には拡大や縮小はせず、また軸方向はそれぞれシリンダ底板２２とロッド側板２４に固定されて長さ的に変動はしないが、隣接する山と山の傾斜面の間隔がベローズ筒体１４の内外に生じる圧力差により適宜変化し、内外の容積を変更させるベローズとして機能する。外筒１２とベローズ筒体１４の間で形成される空間をベローズ外室１３とする。
【００２０】
ベローズ筒体１４の外面側には、このベローズ筒体１４が外筒１２の内面と接触することによるベローズ筒体１４の摩耗や破損を防止するために、摩擦抵抗が少なくかつ耐摩耗性に優れた合成樹脂からなるガイド３７が設けられている。また同様に、ベローズ筒体１４の内面側には、このベローズ筒体１４がシリンダ１６の外面と接触することによるベローズ筒体１４の摩耗や破損を防止するために、摩擦抵抗が少なくかつ耐摩耗性に優れた合成樹脂からなるガイド３９が設けられている。尚ガイド３９は、必要に応じて取り付けることとする。
【００２１】
シリンダ１６は、ベローズ筒体１４の内側で、外筒１２とほぼ同軸、かつ同心円状に設けられている。シリンダ１６の右端（図における右方。）はシリンダ底板２２に気密に固定してあり、左端はロッド側板２４に気密に固定されている。シリンダ１６の内部にはピストン１８が、軸方向に摺動自在に設けられている。ベローズ筒体１４とシリンダ１６の間で形成される空間をベローズ内室１５とする。
【００２２】
ピストン１８は、外周面に、ガスシール１９をシリンダ底板２２側に具え、ピストンシール２１をロッド側板２４に具え、ガスシール１９とピストンシール２１の間にピストンベアリング２３を具え、これらにより、シリンダ１６に対して気密、及び液密が保持され、しかも摺動抵抗が少ない状態で移動自在となっている。
【００２３】
ピストン１８にはロッド２０が一体に固定してある。ロッド２０は、ロッド側板２４を貫通し、ピストン１８とともに軸方向に移動する。ロッド側板２４にはシールハウジング２７が取り付けてあり、シールハウジング２７はシールハウジング２７の外周に設けられたハウジングシール２９を介してロッド側板２４に液密に固定されている。そしてシールハウジング２７には、中心にロッド用孔３０が形成してあり、ロッド用孔３０の内周面に取り付けられたダストシール３１、ロッドシール３２、ロッドベアリング３３がロッド２０の外周に組み付き、これによりロッド２０がシールハウジング２７、つまりロッド側板２４に液密で、かつ摺動自在に保持されている。ロッド２０の端部には、取付具２８が設けられ、シリンダ底板２２に設けられた取付具２６と軸方向に対向している。またロッドカバー２５が外筒１２を覆うようにロッド２０に取り付けられている。
【００２４】
シリンダ１６はピストン１８で内部が区画されており、シリンダ１６の内部で、ピストン１８とロッド側板２４で区画された部分をシリンダ室３４とし、またピストン１８とシリンダ底板２２で区画された部分をピストン室３５とする。
【００２５】
更に、シリンダ１６には、ロッド側板２４側の端部に、連通孔３６が形成してあり、シリンダ室３４とベローズ内室１５とが連通されている。連通孔３６は、ピストン１８の作動範囲の外側に設けられており、ピストン１８がロッド側板２４側の停止点に達した場合でもピストン１８と連通孔３６が重なることはない。このシリンダ室３４とベローズ内室１５には作動油が充填してあり、油室となっている。
【００２６】
また、シリンダ底板２２には、ベローズ外室１３に連通する連通孔４０と、ピストン室３５に連通する連通孔４１が形成してある。これら連通孔４０と連通孔４１には、閉塞栓４２、４３がそれぞれ取り付けられており、ベローズ外室１３及びピストン室３５に所定のガスを封入した後、ベローズ外室１３及びピストン室３５の内部を密閉している。ベローズ外室１３には、不活性ガスが所定の圧力で封入してあり、ベローズ外室１３は、高圧ガス室として形成してある。ピストン室３５には、ピストン室３５の内部に錆が発生することを防止するため、乾燥窒素ガスなどの不活性ガスが大気圧程度の圧力で封入してあり、ピストン室３５は低圧ガス室として形成されている。少なくとも高圧ガス室は、（低圧ガス室の最大圧力）＊（ピストンの受圧面積）／（ロッド側のピストンの受圧面積）で求められる値よりも高い圧力に設定する。
【００２７】
また、必要に応じて、高圧ガス室の実質的な内容積を調整するためと、外筒１２に対するガイド３７の摺動を滑らかにするため、高圧ガス室としてのベローズ外室１３に適宜の量の液体３８が収容される。液体３８は、作動油等であり、液体３８が適宜収納されることによりベローズ外室１３内の体積が所定の体積に調整されるとともに摩擦を低減させベローズ筒体１４の伸縮動作、ガイド３７の作動を円滑にさせる。
【００２８】
次に、ガススプリング１０の作用について説明する。
【００２９】
図４に、ガススプリング１０を介して架線５０を支柱５２に取り付けた状態を示す。支柱５２は、地面などに固定された柱である。ガススプリング１０は、取付具２６を、支柱５２に固定された取付金具５４にボルト等で連結し、また取付具２８を架線５０に架線ジョイント５１を介して連結してある。また、ガススプリング１０の下面には、支え棒５６が取り付けてある。支え棒５６は、外筒１２の下側に設けられた固定金具５７と、支柱５２に固定された取付金具５８を連結し、ガススプリング１０を下側から支持している。
【００３０】
ガススプリング１０を支柱５２に固定し、架線５０を取付具２８に連結させると、ロッド２０は、架線５０から張力を受ける。すると、ピストン１８がシリンダ１６内で図１の左方に移動し、シリンダ室３４を押し縮め、図２の矢印で示すように作動油をベローズ内室１５に送り出す。
【００３１】
図２に作動油がシリンダ室３４からベローズ内室１５に流入した状態を示す。作動油がベローズ内室１５に流入すると、ベローズ筒体１４の山部が拡大し、谷部が縮小し、すなわちベローズ外室１３のガス室の体積が縮小される。図３に、有限要素法にて求めたベローズ筒体１４の山と谷の変形図を示す。これにより、高圧ガス室としてのベローズ外室１３内の圧力が上昇し、ピストン１８による押圧力とベローズ外室１３の内圧が均衡した位置でピストン１８が保持される。
【００３２】
したがって、図４に示す架線５０は、かかる状態でベローズ外室１３に生じる内圧、つまりピストン１８が作動油から受ける押圧力に等しい引張力（実際には、低圧ガス室内の圧力にも影響を受ける。）で引っ張られる。したがって、ガススプリング１０は、所定の力で架線５０を引張できるとともに、シリンダ１６の外側にベローズ筒体１４が設けられているので、ガススプリング１０は、ほぼシリンダ１６の長さで構成でき、全長を短く設定できる。
【００３３】
次に、ガススプリング１０を用いて、温度変化にかかわらず架線５０を一定の引張力で引張する点について説明する。
【００３４】
ベローズ外室１３に封入されたガスは、圧力をＰ、体積をＶ、温度をＴとしたとき、ガスの状態式により、｛（Ｐ×Ｖ）／Ｔ｝＝一定 ………（ａ）
の関係がある。
【００３５】
上記（ａ）式より、温度Ｔの変化によって圧力Ｐまたは体積Ｖが変化することから、温度変化によるベローズ外室１３の体積変化から得られるロッド２０の移動量と、温度変化による架線の伸縮量を同じに設定すれば、温度変化にかかわらず架線の張力を一定にできる。
【００３６】
温度変化によらず張力を一定にする条件は、ベローズ外室１３に封入するガスの体積Ｖを以下の値とする。
【００３７】
Ｖ＝Ａ×Ｌ×α×Ｔ ………（ｂ）
ここで、Ａ：ロッド２０の断面積とピストン１８の断面積の差、Ｌ：架線の長さ、α：架線の線膨張係数、Ｔ：絶対温度、更に、液室内の液の膨張を考慮した場合のガス体積は、Ｖ＝｛（Ａ×Ｌ×α）−（Ｖoil×β）｝×Ｔ ………（ｃ）
（ｃ）式において、Ｖoil：液の体積、β：液の体積膨張係数。このようにして求まるガス体積Ｖにより、温度変化によらず架線５０の張力を一定に保つことが可能となる。
【００３８】
このように、架線５０の全長の温度による変化量を、高圧ガス室、つまりベローズ外室１３内に封入されたガスの体積変化（作動油の膨張収縮、及び低圧ガス室での体積変化も考慮する。）で補償し、架線５０が長さが変動してもその分ガスの体積が正確に変動するようにベローズ外室１３の容積、ガスの封入量等を設定することにより、ガススプリング１０は架線５０に常に一定の張力を付与することができる。
【００３９】
また、ベローズ筒体１４は伸縮動作により、山、谷に応力が発生する。この応力と伸縮の繰り返し回数は、耐久試験により求められている。発生する応力は、ベローズ形状と、ベローズの山の数により決定される。したがって使用耐久回数から、必要なベローズの山の数が決定される。
【００４０】
なお、上記実施形態とは逆に、外筒１２の取付具２６を張力線（例えば架線５０）に接続し、ロッド２０の取付具２８を支柱５２側に固定してもよい。
【００４１】
比較例として、油量を省略して計算した概略計算例を以下に示す。
【００４２】
架線張力：約３５０００Ｎ（３５００ｋｇｆ）、架線長：８００ｍ、中心温度：１５℃、温度変化幅プラスマイナス：３０℃、架線温度伸び係数：０．００００１４２/℃、ロッド径：５０ｍｍ、ピストン径：７５ｍｍ、ベローズ有効径：７４．５ｍｍ、１万回に対するベローズ許容変位：２．５３ｍｍ／山、ベローズ最小ピッチ：２．４５ｍｍ/山、ベローズ端部長：４．５ｍｍとした場合についての必要ベローズ長さを求める。
【００４３】
張力一定とするガス体積（１５℃）は、式（ｃ）から約Ｖ＝８０００立方ｃｍと求まる。この場合のベローズ長さは、約１８００ｍｍと求まる。温度変化に対するシリンダストロークはプラスマイナス３４０．８ｍｍであり、従来例ではベローズ長さとシリンダストロークの合計としてガススプリングの長さは、約２５００ｍｍとなる。
【００４４】
これに対して、上記例では、ピストン最大ストロークに伴う体積変化をシリンダ長さにてベローズの許容応力内とできるベローズの外径、内径等に設定すれば、ガススプリングの全長をほぼシリンダストローク約６８２ｍｍに対応した外形長さに抑えることができ、外径は大きくなるが、ガススプリングの長さを大幅に短縮できる。
【００４５】
次に、ガススプリング１０の他の例を図５に示す。
【００４６】
このガススプリング１０は、ベローズ筒体１４の断面形状が、図に示すように外周端と内周端が先鋭に屈曲しており、腹部がいわゆる波目状に形成されている。ベローズ筒体１４は例えば金属製で、このようにベローズ筒体１４を構成すると、山谷を形成する各ひだの取付長を短くでき、より多くの山谷を形成でき、ベローズ筒体１４の容積変化量を、ベローズ筒体１４の全長に対してより大きくでき、作動範囲の広いガススプリング１０を、より小型化させることが可能となる。かかるベローズ筒体１４は、上述した架線５０の張力を一定にするガススプリングにも適用することができる。
【００４７】
更に、シリンダ１６の軸方向一端に底板を取り付け、シリンダ１６を有底円筒状とし、かかるシリンダ１６にロッド２０、作動油、シールハウジング２７等を組み付け、シリンダサブアッシーとして構成する。そして、外筒１２の内側にベローズ筒体１４を、ベローズ筒体１４の軸方向端部を取り付けて固定し、その外筒１２の内部に上記シリンダサブアッシーを組み込むようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明にかかるガススプリングの一実施形態を示す断面図。
【図２】図１のガススプリング示す部分断面図。
【図３】ベローズの変形状態を示す図。
【図４】ガススプリングの取り付け状態を示す図。
【図５】ガススプリングの他の例を示す部分断面図。
【符号の説明】
【００４９】
１０…ガススプリング
１２…外筒
１３…ベローズ外室（高圧ガス室）
１４…ベローズ筒体
１５…ベローズ内室（油室）
１６…シリンダ
１８…ピストン
２０…ロッド
３４…シリンダ室（油室）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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