(57)【要約】【課題】ピストンの高さ寸法が短くされて軽量化された構造でありながら、動ばね定数を小さくできて自動車の乗り心地をよくすることができる空気ばねを提供する。【解決手段】  円筒状のダイヤフラム１と円板状のアッパープレート２と円筒状のピストン３とを備え、ダイヤフラム１の下端部９が内側に折り返されてピストン３に被さり、ダイヤフラム１とアッパープレート２とピストン３とが同芯状に位置し、ダイヤフラム１の下端部９が内側に折り返されてピストン３の上端部７Ｊ側だけに被さり、アッパープレート２の直径がピストン３の直径よりも小径に設定されて、ピストン３が上側ストローク端に位置したときの有効受圧面積が、ピストン３が下側ストローク端に位置したときの有効受圧面積よりも小になるよう構成されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体室の壁部を構成する円筒状のダイヤフラムと、前記ダイヤフラムの上端に固定される円板状のアッパープレートと、前記ダイヤフラムの下端に上端側の被固定部が固定される円筒状のピストンとを備え、前記ダイヤフラムの下端部が内側に折り返されて前記ピストンに被さり、前記ダイヤフラムとアッパープレートとピストンとが同芯状に位置している空気ばねであって、
前記ダイヤフラムの下端部が内側に折り返されて前記ピストンの上端部側だけに被さり、前記アッパープレートの直径が前記ピストンの直径よりも小径に設定されて、前記アッパープレートに対して前記ピストンが上側ストローク端に位置したときの有効受圧面積が、前記アッパープレートに対して前記ピストンが下側ストローク端に位置したときの有効受圧面積よりも小になるよう構成されている空気ばね。
【請求項２】
前記アッパープレートの周縁部が前記ダイヤフラムの上端にかしめ固定されて、前記アッパープレートの周縁部で前記ダイヤフラムの上端を上方から包み込んでいる請求項１記載の空気ばね。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、
気体室の壁部を構成する円筒状のダイヤフラムと、前記ダイヤフラムの上端に固定される円板状のアッパープレートと、前記ダイヤフラムの下端に上端側の被固定部が固定される円筒状のピストンとを備え、前記ダイヤフラムの下端部が内側に折り返されて前記ピストンに被さり、前記ダイヤフラムとアッパープレートとピストンとが同芯状に位置している空気ばねに関する。
【背景技術】
【０００２】
図７に示すように上記の空気ばねＡには、ピストン３に被さったダイヤフラム１の下端部９に下側に凸の曲面５が形成され、この曲面５を形成する円弧の中心Ｐをダイヤフラム１の周方向に結んで形成される直径Ｄ００の円の面積が空気ばねの有効受圧面積と定義されている。そして、アッパープレートに対するピストンのストロークをｄＸ、ピストン３がアッパープレート２に対して最も近づいて上側ストローク端に位置した状態における有効受圧面積と、最も離れて下側ストローク端に位置した状態における有効受圧面積との差をｄＡとした場合、ｄＡ／ｄＸが大きければ空気ばねの動ばね定数が大きくなり、ｄＡ／ｄＸが小さければ空気ばねの動ばね定数が小さくなることが明らかにされている。
【０００３】
ところで、空気ばねの有効受圧面積とピストンの変位量との関係は図１０に示すようになる。図１０の符号Ｘ０は、中立位置に位置しているピストン３の先端面から基準点（例えばピストンの下方の基準面）までの長さ、Ｘ１は、下側ストローク端に位置しているピストン３の先端面から前記基準点までの長さ、Ｘ２は、上側ストローク端に位置しているピストン３の先端面から前記基準点までの長さである。つまり、Ｘ０はピストンが中立位置に位置している状態、Ｘ１はピストンが下側ストローク端に位置している状態、Ｘ２はピストンが上側ストローク端に位置している状態を示している。Ｍ００はピストンが中立位置に位置した状態の有効受圧面積である。図７に示す空気ばねＡでは、ダイヤフラム１の下端部９がピストン３に充分深く被さった状態でピストン３がアッパープレート２に対して相対的に上下動する。従って図１０に示されているように、ピストンが前記上側ストローク端に位置した状態の有効受圧面積Ｍ４４と、前記下側ストローク端に位置した状態の有効受圧面積Ｍ３３とに差がほとんどなく、空気ばねの動ばね定数は大きくならない。
【０００４】
ところが、近年、空気ばねを軽量化するようになり、その手段の一つとしてピストンの高さ寸法を短くする手段が採用されている。この手段では図５，図６に示すように、ダイヤフラム１の下端部９が下方の他物と干渉しないようにする等の理由で、ダイヤフラム１の下端部９がピストン３に浅く被さった状態でピストン３が上下動する。すなわち図１０に対応する図９に示すように、図５の空気ばねでは、前記符号Ｘ０，Ｘ１，Ｘ２が、図１０に記載されたそれらに比べて紙面の左側に寄った状態になる。このような空気ばねＡにおいて、従来、アッパープレート２の直径ｄ２がピストン３の直径ｄ３よりも大きく（ｄ２＞ｄ３）設定されていた[図５，図６参照、図５は従来の空気ばねの縦断面図、図６は従来の空気ばねの作動を示す縦断面図である]。
【０００５】
空気ばねの動ばね定数が大きくなると上記の空気ばねを備えた自動車の乗り心地が悪くなることから、乗り心地を良くしたい場合、ｄＡ／ｄＸを小さくする必要がある。しかしながら上記従来の構造の空気ばねではアッパープレートの直径がピストンの直径よりも大きかったために、以下に図５，図６，図９に基づいて説明するようにｄＡ／ｄＸを小さくすることができず、自動車の乗り心地を良くすることが困難であった。
【０００６】
図６においては、ダイヤフラム１が実線で示す位置にあるときにピストン３が中立位置に位置している。このときの空気ばねＡの有効受圧面積Ｍ００は直径Ｄ００の円の面積である。ピストン３が中立位置からアッパープレート２に対して相対的に下降（以下、「下降」）すると、それに伴って、ピストン３の上端部７Ｊに被さったダイヤフラム１の下端部９がピストン３の上端部７Ｊから立ち上がる。そして、さらに下降して下側ストローク端に位置する状態では、ダイヤフラム１の下端部９に径方向内方側から当接しているピストン部分の上下方向の長さが短かいことに起因してダイヤフラム１の径が小さくなりやすく、その結果、前記有効受圧面積を決める円の直径がＤ００よりも短いＤ１１になり、前記有効受圧面積がＭ００よりも小さいＭ１１になる（図９参照）。（例えば、ダイヤフラムの下端部がピストンに充分深く被さった状態でピストンがアッパープレートに対して相対的に上下動する図７の空気ばねＡでは、ピストン３が前記下側ストローク端に位置する状態でもダイヤフラム１の下端部９に径方向内方側から当接しているピストン部分の上下方向の長さが長いことからダイヤフラム１の径が小さくなりにくい）。
【０００７】
一方、ピストン３が中立位置からアッパープレートに対して相対的に上昇（以下、「上昇」）すると、それに伴って、ダイヤフラム１の下端部９がピストン３の上端部７Ｊにさらに被さっていく。この場合、アッパープレート２の直径がピストン３の直径よりも大きい図５，図６に示す構造では、ピストン３が上昇したときに、ダイヤフラム１の上端部１２がアッパープレート２に拘束されて径方向外方側に膨らみにくい。そして、ダイヤフラム１の径もあまり大きくなることがなく、前記上側ストローク端に位置する状態では、有効受圧面積を決める前記円の直径が、ピストンが中立位置に位置しているときのＤ００とほぼ同一の値になり、前記有効受圧面積がＭ００とほぼ同一のＭ２２になる(図９参照）。図５，図６，図７において符号１Ａはダイヤフラムの上端、１Ｂはダイヤフラムの下端、４は空気給排孔、Ｏはダイヤフラムとピストンとアッパープレートとの共通の軸芯である。
【０００８】
上記の作動をする図５の従来の空気ばねでは、ｄＡ（図９における（Ｍ２２−Ｍ１１））が図７の空気ばねに比べて大きくなり、その結果、ｄＡ／ｄＸが大きくなって動ばね定数が大きくなり、この空気ばねを備えた自動車の乗り心地を良くすることが困難であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記実状に鑑みて成されたもので、その目的は、ピストンの高さ寸法が短くされて軽量化された構造でありながら、動ばね定数を小さくできて自動車の乗り心地をよくすることができる空気ばねを提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の特徴は、
気体室の壁部を構成する円筒状のダイヤフラムと、前記ダイヤフラムの上端に固定される円板状のアッパープレートと、前記ダイヤフラムの下端に上端側の被固定部が固定される円筒状のピストンとを備え、前記ダイヤフラムの下端部が内側に折り返されて（前記下端部が）前記ピストンに被さり、前記ダイヤフラムとアッパープレートとピストンとが同芯状に位置している空気ばねであって、
前記ダイヤフラムの下端部が内側に折り返されて前記ピストンの上端部側だけに被さり、前記アッパープレートの直径が前記ピストンの直径よりも小径に設定されて、前記アッパープレートに対して前記ピストンが上側ストローク端に位置したときの有効受圧面積が、前記アッパープレートに対して前記ピストンが下側ストローク端に位置したときの有効受圧面積よりも小になるよう構成されている点にある。
【００１１】
［イ］  上記の構成によれば、ダイヤフラムの下端部がピストンの上端部側だけに被さるから、アッパープレートに対してピストンが相対的に上下動しても、ダイヤフラムの下端部が下方の他物に干渉しにくくなる。従って、ピストンの高さ寸法を短く設定することができてピストンを軽量化できる。
【００１２】
［ロ］  本発明の上記の構成による作用を図３，図８等に基づいて説明する。この例ではダイヤフラム１が図３の実線で示す位置にあるときにピストン３が中立位置ＳＴ０（図４（ロ））に位置している。上記の構成によれば、アッパープレート２の直径ｄ２がピストン３の直径ｄ３よりも小径に設定されているから、図３に一点鎖線で示すように、ダイヤフラム１の上端部１２がアッパープレート２の外方側に向かって膨らむことができる。その結果、ピストン３が中立位置ＳＴ０に位置している状態で従来の構造よりもダイヤフラム１の径が小さくなりやすく、前記円の直径がＤ０になり、前記有効受圧面積が、従来構造の中立位置ＳＴ０における有効受圧面積Ｍ００よりも小さいＭ０になる(図３，図８，図９参照）。
【００１３】
［ハ］  ピストン３が中立位置ＳＴ０から下降すると、それに伴って、ピストン３の上端部７Ｊに被さったダイヤフラム１の下端部９がピストン３の上端部７Ｊから立ち上がる。そして、アッパープレート２の外方側へのダイヤフラム１の上端部１２の膨らみが小さくなり、ダイヤフラム１の径が大きくなって有効受圧面積が少し大きくなるが、下側ストローク端ＳＴ１に位置する状態(図４（イ）)では、ダイヤフラム１の下端部９に径方向内方側から当接しているピストン部分の上下方向の長さが短かいことに起因してダイヤフラム１の径が小さくなる。そして、有効受圧面積を決める前記円の直径がＤ１になり、前記有効受圧面積がＭ１になる（図４，図８，図９参照）。
【００１４】
［ニ］  一方、ピストン３が中立位置ＳＴ０から上昇すると、それに伴って、ダイヤフラム１の下端部９がピストン３の上端部７Ｊにさらに被さっていく。例えば、アッパープレートの直径がピストンの直径よりも大きい従来の構造（図５，図６参照）では、ピストンが中立位置から上昇したときに、ダイヤフラムの上端部がアッパープレートに拘束されて径方向外方側に膨らみにくいが、本発明の上記の構成によれば、アッパープレート２の直径ｄ２がピストン３の直径ｄ３よりも小径（ｄ２＜ｄ３）に設定されているから、図３に一点鎖線で示すように、ダイヤフラム１の上端部１２がアッパープレート２の外方側に向かって膨らむことができる。その結果、従来の構造に比べるとダイヤフラム１の径が小さくなりやすく、前記上側ストローク端ＳＴ２に位置する状態(図４（ハ）)では有効受圧面積を決める前記円の直径がＤ２になり、前記有効受圧面積がＭ１よりも小さいＭ２になる（図３，図８，図９参照）。このように本発明の上記構成によれば、アッパープレートに対して前記ピストンが上側ストローク端ＳＴ２に位置したときの有効受圧面積が、前記アッパープレートに対して前記ピストンが下側ストローク端ＳＴ１に位置したときの有効受圧面積よりも小になるよう構成されている。
【００１５】
［ホ］本発明の発明者は上記構成の空気ばねの作動を実験して、ｄＡ／ｄＸと、アッパープレートの直径／ピストンの直径との関係を示す図１１の実験結果を得た。この実験では、アッパープレートに対してピストンを中立位置から上下に２０ｍｍ相対変位させた（ストローク４０ｍｍ）。アッパープレートの直径は変更することなく一定の１７５ｍｍに固定し、この直径に対してピストン径を種々の値に変更してアッパープレートの直径／ピストンの直径を得ている。図１１によれば、アッパープレートの直径／ピストンの直径が０．９２でｄＡ／ｄＸが０になり、０．９２より小さくなるとｄＡが負の値になることを確認できた。つまり、アッパープレートの直径がピストンの直径よりも小径に設定され、かつ、アッパープレートの直径／ピストンの直径が０．９２よりも小さく設定されていると、アッパープレートに対してピストンが上側ストローク端に位置したときの有効受圧面積が、アッパープレートに対して記ピストンが下側ストローク端に位置したときの有効受圧面積よりも小になることを確認できた。
【００１６】
［ヘ］従って、前記［ハ］，［ニ］，［ホ］により、前記ｄＡを負の値にできて小さくすることができ（図８，図９において、（Ｍ２−Ｍ１）＜（Ｍ２２−Ｍ１１））、前記ｄＡ／ｄＸ（図８において、（Ｍ２−Ｍ１）／（Ｘ２−Ｘ１））を小さくすることができる。
【００１７】
本発明において、
前記アッパープレートの周縁部が前記ダイヤフラムの上端にかしめ固定されて、前記アッパープレートの周縁部で前記ダイヤフラムの上端を上方から包み込んでいる構成にすることができる。この構成によれば、アッパープレートの周縁部をダイヤフラムの上端に確実に固定することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、上記［イ］〜［ヘ］により、ピストンの高さ寸法が短くされて軽量化された構造でありながら、動ばね定数を小さくできて自動車の乗り心地をよくすることができる空気ばねを提供することができた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。図１〜図３に、鉄道車両、バス、トラック等の車体フレームと車軸側との間に設けられる空気ばねＡを示してある。この空気ばねＡは、気体室である第１空間Ｓ１の壁部を構成する縦形円筒状のダイヤフラム１と、ダイヤフラム１の上端１Ａにかしめ固定されて車体フレームに取付けられる円板状のアッパープレート２と、ダイヤフラム１の下端１Ｂに固定されるピストン３とを備えている。
【００２０】
アッパープレート２は、ダイヤフラム１内への空気給排孔４と取付けボルト８を備え、アッパープレート２の周縁部２Ｃでダイヤフラム１の上端１Ａを上方Ｕから包み込むように前記周縁部２Ｃをダイヤフラム１の上端１Ａにかしめ固定してある。つまり、アッパープレート２の周縁部２Ｃがダイヤフラム１の上端１Ａにかしめ固定されて、アッパープレート２の周縁部２Ｃでダイヤフラム１の上端１Ａを上方Ｕから包み込んでいる。符号Ｏはダイヤフラム１の軸芯であり、アッパープレート２の軸芯であり、ピストン３の軸芯である。すなわち、ダイヤフラム１とアッパープレート２とピストン３とは同芯状に位置している。
【００２１】
ピストン３は、ダイヤフラム１の下端１Ｂが固定される内側の有底の筒部６と、下側のダイヤフラム部分９（下端部９）が裏返って被さる外側の筒部７と、外側の筒部７の上端側の周壁と内側の筒部６の上端側の周壁とを連結する上壁１１とから成り、高さ寸法が短く設定されている。上記のように、ダイヤフラム１に対してピストン３を上向きに押し込んだようにダイヤフラム１の下端部９が内側Ｋに折り返されている。前記ダイヤフラム１の下端部９は外側の筒部７の上端部７Ｊ（ピストンの上端部に相当）側だけに被さるようにダイヤフラム１の下端部９の内側への折り返し長さが設定されている。すなわち、ピストン３が中立位置ＳＴ０（ピストンのストロークの中央、図４（ロ）参照）に位置している状態で、ダイヤフラム１の下端部９が外側の筒部７の上端部７Ｊ側だけに被さっている。前記中立位置からピストン３がアッパープレート２に対して相対的に上下動する。一例として、中立位置から上方に２０ｍｍ、下方に２０ｍｍ変位する。外側の筒部７は、下端部７Ｋが下広がりのテーパー筒状に形成され、下端部７Ｋより上側の筒部分が直胴状に形成されている。外側の筒部７に被さったダイヤフラム１の下端部９に下側に凸の曲面５が形成されている。符号Ｐはこの曲面５を形成する円弧の中心である。
【００２２】
上壁１１は径方向内方側ほど下方に位置するテーパー面に形成され、内側の筒部６の内部の第２空間Ｓ２はダイヤフラム１内の第１空間Ｓ１と連通している。内側の筒部６と外側の筒部７とは同心状に位置し、内側の筒部６の底部中央に円柱状の上向きの凸部１４を突設して凸部１４に下方から雌ねじ部１５を形成してある。前記ダイヤフラム１の下端部１Ｂには、上壁１１の内周側から上方に突出した内側の筒部６の上端部６Ｊ（上端側の被固定部に相当）が密嵌固定されている。
【００２３】
アッパープレート２の直径ｄ２は、ピストン３の直径ｄ３（詳しくは外側の筒部７の直胴状の部分の直径）よりも小径に設定されて、アッパープレート２に対してピストン３が上側ストローク端ＳＴ２に位置したとき（図４（ハ））の有効受圧面積が、アッパープレート２に対してピストン３が下側ストローク端ＳＴ１（図４（イ））に位置したときの有効受圧面積よりも小になるよう構成されている。上記構造の空気ばねＡによる作用は［課題を解決する手段］の項に記載した通りである。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】空気ばねの平面図
【図２】空気ばねの縦断面図
【図３】空気ばねの作動を示す縦断面図
【図４】（イ）はピストンが下側ストローク端に位置している状態を示す図  （ロ）はピストンが中立位置に位置している状態を示す図  （ハ）はピストンが上側ストローク端に位置している状態を示す図
【図５】従来の空気ばねの縦断面図
【図６】従来の空気ばねの作動を示す縦断面図
【図７】比較例の空気ばねを示す縦断面図
【図８】ピストンの変位量と空気ばねの有効受圧面積との関係を示す図
【図９】従来の技術のピストンの変位量と空気ばねの有効受圧面積との関係を示す図
【図１０】比較例のピストンの変位量と空気ばねの有効受圧面積との関係を示す図
【図１１】（ｄＡ／ｄＸ）と（アッパープレートの直径／ピストンの直径）との関係を示す図
【符号の説明】
【００２５】
１        ダイヤフラム（壁部）
１Ａ      上端（ダイヤフラムの上端）
１Ｂ      下端（ダイヤフラムの下端）
２        アッパープレート
２Ｃ      アッパープレートの周縁部
３        ピストン
４        空気給排孔
５        曲面
６        内側の筒部
６Ｊ      内側の筒部の上端部（上端側の被固定部）
７        外側の筒部
７Ｊ      外側の筒部の上端部（ピストンの上端部）
７Ｋ      下端部（外側の筒部の下端部）
８        取付けボルト
９        ダイヤフラムの下端部
１１      上壁
１２      ダイヤフラムの上端部
１４      凸部
１５      雌ねじ部
Ａ        空気ばね
Ｘ０      中立位置に位置しているピストンの先端面から基準点までの長さ
Ｘ１      下側ストローク端に位置しているピストンの先端面から基準点までの長さ
Ｘ２      上側ストローク端に位置しているピストンの先端面から基準点までの長さ
Ｄ０      中立位置における有効受圧面積を決める円の直径
Ｄ１      下側ストローク端における有効受圧面積を決める円の直径
Ｄ２      上側ストローク端における有効受圧面積を決める円の直径
Ｄ００    従来技術（又は比較例）の中立位置における有効受圧面積を決める円の直径
Ｄ１１    従来技術の下側ストローク端における有効受圧面積を決める円の直径
ｄ２      アッパープレートの直径
ｄ３      ピストンの直径
Ｋ        内側
Ｍ０      中立位置における有効受圧面積
Ｍ１      下側ストローク端における有効受圧面積
Ｍ２      上側ストローク端における有効受圧面積
Ｍ００    従来技術（又は比較例）の中立位置における有効受圧面積
Ｍ１１    従来技術の下側ストローク端における有効受圧面積
Ｍ２２    従来技術の上側ストローク端における有効受圧面積
Ｍ３３    比較例の下側ストローク端における有効受圧面積
Ｍ４４    比較例の上側ストローク端における有効受圧面積
Ｏ        軸芯
Ｐ        曲面を形成する円弧の中心
Ｓ１      第１空間（気体室）
Ｓ２      第２空間（気体室）
ＳＴ０    中立位置
ＳＴ１    下側ストローク端
ＳＴ２    上側ストローク端
Ｕ        上方
【図１】
2007107665.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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