(57)【要約】【課題】ビード部で構成されるダイヤフラム開口部に円板状の取付部材を押し込んで嵌合固定する嵌合方式を採用しつつ安定的に高いシール圧力を保持することが可能な空気バネを提供する。【解決手段】略円筒状のゴム製ダイヤフラム１の両端部開口にそれぞれ取付部材２，３を嵌装してなる空気バネであって、少なくともダイヤフラム１の両端部、短繊維９を含有する複合ゴムから構成し、複合ゴム中のゴム成分に対する短繊維９の配合量が、ゴム成分１００重量部に対して０．５重量部〜５．０重量部であり、複合ゴムの１０％圧縮時における圧縮応力が、短繊維未配合ゴムの１０％圧縮時における圧縮応力の１．５倍〜３倍になるようにする。【選択図】図２
2007064279.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
略円筒状のゴム製ダイヤフラムの両端部開口にそれぞれ取付部材を嵌装してなる空気バネであって、少なくとも前記ダイヤフラムの両端部が、短繊維を含有する複合ゴムから構成されたことを特徴とする空気バネ。
【請求項２】
前記短繊維が、ダイヤフラム軸方向に配向したことを特徴とする請求項１記載の空気バネ。
【請求項３】
前記短繊維が、ダイヤフラム周方向に配向したことを特徴とする請求項１記載の空気バネ。
【請求項４】
前記複合ゴムは、ダイヤフラム周方向と、ダイヤフラム軸方向との１００％伸張時の引張応力の比が、ダイヤフラム周方向／ダイヤフラム軸方向で２．０〜３．０であることを特徴とする請求項３記載の空気バネ。
【請求項５】
前記ダイヤフラムが、内層ゴム及び外層ゴムと、該内外層ゴムの間に介在される補強コードとから構成され、前記ダイヤフラム端部は、前記補強コードの端部で包み込んだビードワイヤーを内層ゴム及び外層ゴムで包み込んだ構造とされ、前記外層ゴム及び／又は内層ゴムが複合ゴムから構成されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の空気バネ。
【請求項６】
前記取付部材は、前記ダイヤフラムとの当接面が凸型円錐台形状に形成され、前記ダイヤフラム両端部は、前記取付部材との当接面が凹型円錐台形状に形成されたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の空気バネ。
【請求項７】
前記取付部材のダイヤフラムとの当接面の先端に返し部が形成されたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の空気バネ。
【請求項８】
前記複合ゴム中のゴム成分に対する短繊維の配合量が、ゴム成分１００重量部に対して０．５重量部〜５．０重量部であり、前記複合ゴムの１０％圧縮時における圧縮応力が、短繊維未配合ゴムの１０％圧縮時における圧縮応力の１．５倍〜３倍であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の空気バネ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮空気を封入したダイヤフラムの伸縮性を利用してばね作用を行うように構成されている空気バネに関するものであり、より詳しくは簡単なシール構造で安定的に高いシール圧力を保持可能な空気バネに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、空気バネは、両端部にビードワイヤが埋設されたビード部を有する円筒状のゴム製ダイヤフラムを用い、ビード部にアッパープレートやピストンなどの取付部材を気密に取り付けた構造を有している。ダイヤフラムに取付部材を取り付ける方式としては、特許文献１に示すように、ビード部を取付部材の周縁部で巻き込むようにして加締めて固定する加締め方式や、特許文献２に示すように、ビード部を二つの取付部材で挟み込んでボルト締めして固定するボルト締め方式、あるいは、特許文献３に示すように、ビード部で構成されるダイヤフラム開口部に円板状の取付部材を押し込んで嵌合固定する嵌合方式が知られている。
【特許文献１】特開２００１−２０１４８号公報
【特許文献２】特開２００３−２０２０４５号公報
【特許文献３】特開２００５−３６８２５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、上記加締め方式では、加締装置が高価であること、また、大径のダイヤフラムを用いる場合には取付部材の径も大きくなるため、部分的に加締め強度に変動が生じやすくなるといった問題が生じていた。また、ボルト締め方式では、シール性は安定しているものの部品点数が多くなり、取付部材の組み付け作業が煩雑であるといった問題が生じていた。
【０００４】
さらに、嵌合方式においては、図５に示すように、取付部材２２をダイヤフラム２１端部の開口に押し込んでビード部２８の内面（シール面）２８ａのゴムを圧縮し、このゴムの圧縮応力（シール圧力）によりビード部２８を各取付部材に密着させて空気バネをシールすることから、安定したシール性を確保することができるものの、ゴムの圧縮率を高めても圧縮応力はあまり大きくならず、空気バネの空気圧が高いとエアー漏れが生じるおそれがあった。
【０００５】
すなわち、嵌合方式の空気バネにおいては、ビード部２８のシール面２８ａに取付部材２２を嵌合するときに、取付部材２２によってシール面２８ａのゴムが大きく圧縮されると矢印で示すようにシール面８ａ周辺に向かってゴムの逃げが生じ、さらに使用中の空気バネの繰返し変位によりシール圧力が低下することでエアー漏れが発生する。
【０００６】
そこで、本発明においては、嵌合方式を採用しつつ安定的に高いシール圧力を保持することが可能な空気バネ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】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は、略円筒状のゴム製ダイヤフラムの両端部開口にそれぞれ取付部材を嵌装してなる空気バネであって、少なくとも前記ダイヤフラムの両端部が、短繊維を含有する複合ゴムから構成されたことを特徴とする。ここで、取付部材としては、アッパープレート及びピストンを例示することができる。
【０００８】
上記構成によれば、取付部材が当接するダイヤフラムの両端部が短繊維で補強され、短繊維を含有しないゴムに比べて、圧縮応力を大幅に高めることが可能となり、安定的に高いシール圧力を有する空気バネを得ることが可能となる。
【０００９】
本発明の大きな特徴は、バネ特性に大きな影響を与えることなくゴムの圧縮応力を高めることができる点にある。すなわち、ゴムの圧縮応力を高めるだけであればゴムの逃げが少ない高硬度ゴムを使用すれば足りるが、その場合には必然的にバネ特性及びダイヤフラムの耐久性が低下するという問題が生じる。ところが、本発明のように、ゴム成分に短繊維を含有させれば、ゴムの柔軟性を損なうことなく圧縮応力を高めることが可能となる。
【００１０】
短繊維は、ダイヤフラム周方向又はダイヤフラム軸方向に配向させることもできる。ダイヤフラム軸方向に短繊維を配向させる場合は、短繊維をダイヤフラム周方向に配向させる場合よりもシール圧力を高める効果が大きくなる傾向がある。一方、ダイヤフラム周方向に短繊維を配向させる場合は、短繊維を軸方向に配向させる場合よりも空気バネの上下方向及び前後方向のバネ特性に与える影響がより少ないという利点を有する。従って、空気バネの目的・用途に応じてダイヤフラム周方向又はダイヤフラム軸方向に短繊維を適宜配向させればよい。
【００１１】
複合ゴムにおいて、短繊維がダイヤフラム周方向又はダイヤフラム軸方向に配向しているか否かは、ダイヤフラム周方向の引張応力と、ダイヤフラム軸方向の引張り応力を比較することで容易に判断することができる。
【００１２】
すなわち、短繊維がダイヤフラム周方向又は軸方向のいずれかに配向すると、配向した方向にゴムが補強されるため、短繊維が配向した方向と配向していない方向とでは前者の方が引張応力が大きくなる。そして、配向する短繊維の割合が多くなるほど、引張応力の差も大きくなる。
【００１３】
例えば、短繊維をダイヤフラム周方向に配向させ、複合ゴムにおけるダイヤフラム周方向と、ダイヤフラム軸方向との１００％伸張時の引張応力（ＪＩＳ  Ｋ６２５１に準拠）の比が、ダイヤフラム周方向／ダイヤフラム軸方向で２．０〜３．０になるようにすれば、ダイヤフラムの上下前後左右のバネ特性は短繊維未配合のゴムとほぼ同等の特性を維持しつつ、シール圧力を高めることが可能となる。
【００１４】
本発明においては、少なくともダイヤフラム両端部のゴムが複合ゴムで構成されていればよく、ゴム全体を複合ゴムで構成してもよい。また、ダイヤフラムは、一般的に内層ゴム及び外層ゴムと、該内外層ゴムの間に介在される補強コードとから構成され、ダイヤフラム端部は、前記補強コードの端部で包み込んだビードワイヤーを内層ゴム及び外層ゴムで包み込んだ構造とされている。
【００１５】
このような構造のダイヤフラムにおいては、外層ゴム及び内層ゴムの両方のゴムを複合ゴムで構成してもよいが、外層ゴム又は内層ゴムのいずれか一方のみを複合ゴムで構成すれば、バネ特性に与える影響をできるだけ小さく抑えつつ、圧縮応力を高めることが可能となる。
【００１６】
この場合、ダイヤフラム端部表面に露出する方のゴムに短繊維を配合することで、ゴムの逃げを効果的に抑制し、圧縮応力をより高めることができる。具体的に、ダイヤフラムが、補強コードの端部で包み込んだ状態のビードワイヤーの周りに内層ゴムをダイヤフラム外面側に折り返しながら巻きつけた後、さらにその上から外層ゴムを巻きつけてダイヤフラム内面側に折り返した構造とされている場合には、外層ゴムがダイヤフラム端部表面に露出するため、外層ゴムを複合ゴムで構成すればよい。
【００１７】
取付部材及びダイヤフラム両端部の形状としては、取付部材をダイヤフラム端部に挿入する際に、取付部材によってダイヤフラム端部のゴムを均一に圧縮し、一定のシール圧力を生じさせるために、取付部材におけるダイヤフラムとの当接面（以下、取付部材のシール面という）を凸型円錐台形状に形成し、これに対応するようにダイヤフラム両端部における取付部材との当接面（以下、ダイヤフラムのシール面という）を凹型円錐台形状に形成するのが好ましい。
【００１８】
さらに、凸型円錐台形状に形成した取付部材のシール面の嵌合方向先端に返し部として環状突条を形成し、ダイヤフラムのシール面が返し部を乗り越えて取付部材のシール面に当接するようにすれば、ダイヤフラムに嵌装した取付部材がダイヤフラムから抜け出るのを防止するとともに、取付部材のシール面全面にわたってゴムを均一に圧縮した状態で保持することが可能となり、これにより安定したシール圧力を得ることができる。
【００１９】
本発明で使用される短繊維の材質としては、特に制限はないが、ナイロン繊維、ポリエステル繊維及び芳香族ポリアミド繊維等を例示することができる。また、短繊維の形状については、ゴムマトリックス中での分散性、補強性等の観点から、繊維長さ０．１ｍｍ〜２０ｍｍで、かつ繊維長さ／繊維径の比が５０〜５０００であることが好ましく、１００〜２０００であるのがより好ましい。
【００２０】
短繊維の配合量については、複合ゴム中のゴム成分１００重量部に対する短繊維の配合量を０．５重量部〜５．０重量部とし、そのときの複合ゴムの１０％圧縮時における圧縮応力が短繊維未配合ゴムの１０％圧縮時における圧縮応力の１．５倍〜３倍になるようにすれば、ダイヤフラムの柔軟性を損なうことなく、シール圧力に優れた空気バネを得ることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明では、少なくともダイヤフラムの両端部を、短繊維を含有する複合ゴムで構成したため、嵌合方式を採用しつつ安定的に高いシール圧力を保持することが可能な空気バネを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を基に本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明に係る空気バネを示す断面図である。空気バネは、上下両端部に開口を有するダイヤフラム１と、取付部材としてのアッパープレート２及びピストン３とを備えており、アッパープレート２はダイヤフラム１の上部開口に、ピストン３はダイヤフラム１の下部開口に、それぞれ嵌装されている。
【００２３】
図２はダイヤフラム１の一部断面図である。ダイヤフラム１は、内層ゴム４及び外層ゴム５と、該内外層ゴムの間に介在される補強コード６とから構成され、ダイヤフラム１の両端部には、ビードワイヤー７周りを補強コード６の端部で包み込み、さらにその周りを内層ゴム４及び外層ゴム５で包み込んだビード部８が形成されている。
【００２４】
本実施形態においては、内層ゴム４及び外層ゴム５の両方に、ダイヤフラム周方向（矢印Ａの方向）に配向させた短繊維９を含有させている。なお、短繊維９の配向方向としてはダイヤフラム軸方向（矢印Ｂの方向）とすることも可能である。ダイヤフラム１の両端部に形成されるビード部８は、取付部材２，３を嵌合すべく、その内面８ａ（ダイヤフラムのシール面）は軸方向内側に向かって小径になる傾斜面（軸方向に対する傾斜角度α）として形成され、ビード部８の内面全体としては凹型円錐台形状に形成されている。
【００２５】
図３は、取付部材としてアッパープレート２をビード部８に嵌合させた状態を示す一部断面図である。なお、図ではダイヤフラム１の上端部を下に向けた状態で示している。アッパープレート２は、厚みのある円板状に形成されており、その側面はビード部８が当接するシール面２ａとして凸型円錐台形状に形成されている。アッパープレート２のシール面２ａは、ダイヤフラム軸方向に対する傾斜角度αの傾斜面とされている。また、図１に示すように、ピストン３も同様に、ビード部８が当接するシール面３ａは、アッパープレート２と同じ傾斜角度αを有する傾斜面として形成され、ピストンのシール面３ａ全体として凸型円錐台形状に形成されている。
【００２６】
さらに、アッパープレート２及びピストン３のシール面２ａ及び３ａの先端にはそれぞれ返し部２ｂ及び３ｂとして環状突条が形成されており、これによりダイヤフラムが各取付部材から抜け出さないようにするとともに、各取付部材のシール面２ａ及び３ａの全面にわたってゴムを均一に圧縮した状態で保持することが可能となる。
【００２７】
図４は、内層ゴム及び外層ゴムに短繊維を含有させたときの空気バネの圧縮応力を示すグラフである。以下、圧縮応力試験の内容について説明する。まず、ゴム成分１００重量部に対してナイロン短繊維（繊維径０．５μｍ、繊維長さ７００μｍ）を２．０重量部含有させた未加硫の複合ゴムを押出し機から幅２０ｍｍ×厚さ１ｍｍの形状で押し出すことによって複合ゴムテープを得た。なお、複合ゴムテープの長さ方向の１００％伸張時の引張応力（ＪＩＳ  Ｋ６２５１に準拠）と、テープ幅方向の１００％伸張時の引張応力との比（テープ長さ方向／テープ幅方向）は、２：１であり、短繊維がテープ長さ方向に配向していることが確認された。
【００２８】
このように、複合ゴムを圧延することにより、圧延方向に短繊維を配向させることが可能となる。圧延手段としては、上記押出し機の他にロール機を使用し、混合物をシート状に圧延し、このシートを圧延方向にカットすることにより、短繊維が長手方向に配向した未加硫ゴムテープを作製することも可能である。
【００２９】
得られた複合ゴムテープは、ダイヤフラム成型用ドラムの周上に螺旋状に巻きつけて内層ゴム４を形成し、その上に補強コード６を載置した後、さらにその上に長さ方向に短繊維が配向したテープを螺旋状に巻きつけて外層ゴム５を形成して加硫成形を行なった。
【００３０】
このようにしてダイヤフラム周方向にナイロン短繊維９が配向した内層ゴム４及び外層ゴム５から構成されたダイヤフラム１を得た。得られたダイヤフラム１を試料１とし、試料１の比較材として、短繊維９を配合しない以外は試料１と同じようにして作製したダイヤフラムを試料２とした。
【００３１】
また、上記複合ゴムテープを所定の長さにカットし、カットしたテープをテープ長さ方向がダイヤフラム軸方向と平行になるようにしてダイヤフラム成型用ドラムの周上に敷き詰めて内層ゴム４を形成し、その上に補強コード６を載置した後、さらにその上に長さ方向をダイヤフラム軸方向と平行にした複合ゴムテープを載置して外層ゴム５を形成して加硫成形を行なった。
【００３２】
このようにしてダイヤフラム軸方向にナイロン短繊維９が配向した内層ゴム４及び外層ゴム５から構成されたダイヤフラムを得た。得られたダイヤフラム１を試料３とし、試料３の比較材として、短繊維９を配合しない以外は試料３と同じようにして作製したダイヤフラムを試料４とした。
【００３３】
上記試料１〜４はすべて同一形状とし、ダイヤフラム１の軸方向外側端部の開口径（ビード部内径）をφ１２８ｍｍとし、ダイヤフラム１のシール面８ａの傾斜角度は５°とした。圧縮応力はダイヤフラムにピストン３を挿入したときに、ピストンにかかる応力を測定することによって行なった。
【００３４】
具体的には、ピストン３のシール面３ａの傾斜角度を５°とし、ピストン３を挿入したときにダイヤフラム１のシール面８ａのゴム厚さ（シール面８ａからビードワイヤー７までの距離）が、ピストン３挿入前のシール面８ａのゴム厚さの９０％、８０％、７０％になるように、すなわち、ゴム圧縮率が１０％、２０％および３０％になるように径を調整した３種類のピストンを作製し、各ピストンをダイヤフラム開口に挿入したときにピストンにかかる応力を測定した。
【００３５】
図４の結果より、短繊維９を含有する複合ゴムを用いた試料１及び試料３は、いずれも比較材である試料２及び試料４よりも圧縮応力が増大していることが確認された。特に、試料３は、短繊維９がダイヤフラム軸方向に配向しているために、ゴムの逃げが少なく、最も圧縮応力が高くなっている。
【００３６】
短繊維９がダイヤフラム周方向に配向している試料１は、試料３ほど圧縮応力は高くないが、上下前後左右のバネ特性は試料１の比較材である試料２と同等であり、良好な柔軟性を維持していることが判明した。
【実施例】
【００３７】
上記実施形態で用いた試料１と同じ構成の空気バネを用いて、圧力の負荷試験を行なった。すなわち、天然ゴム（硬度５５度）１００重量部に対して所定量のナイロン短繊維（繊維径０．５μｍ、繊維長さ７００μｍ）を含有させた未加硫の複合ゴムを用いて、ダイヤフラム周方向にナイロン短繊維９が配向した内層ゴム４及び外層ゴム５を有するダイヤフラム１を備えた空気バネを作製した。
【００３８】
複合ゴムとしては、天然ゴム１００重量部に対して短繊維を１．０重量部含有するもの（発明品１）と、４．０重量部含有するもの（発明品２）の２種類を使用した。なお、比較材として、短繊維を配合しない天然ゴム１００％品（比較品）で作製した空気バネを使用した。
【００３９】
具体的には、全長３８６ｍｍ、最大径１８８ｍｍのダイヤフラムを作製し、この上下開口にアッパープレート及びピストンを嵌装し、図１に示す状態でＸが２４３ｍｍ、Ｙが２５６ｍｍとなる空気バネを使用した。ダイヤフラム１のシール面８ａ、アッパープレート２のシール面２ａ及びピストン３のシール面３ａの傾斜角度α（図２参照）は夫々５°とした。
【００４０】
補強コードは、ナイロンコード２プライを使用し、内層ゴム厚さ１．３ｍｍ、外層ゴム厚さ１．２ｍｍで、これらをビードワイヤー７（４×４×φ１）に巻きつけてビード部８のシール面８ａのゴム厚さが２．５ｍｍになるようにした。
【００４１】
上記構成のビード部８に取付金具を嵌装することにより、ゴム圧縮率が１０％になるようにシール面厚さを２．２５ｍｍに圧縮した状態で取付金具を固定した空気バネ（１０％圧縮品）と、ゴム圧縮率が２０％になるようにシール面厚さを２ｍｍに圧縮した状態で取付金具を固定した空気バネ（２０％圧縮品）の２種類の空気バネを作製した。すなわち、ダイヤフラムの原料ゴムの異なる３種類の空気バネ×ゴム圧縮率の異なる２種類の空気バネの計６種類の空気バネを作製した。
【００４２】
上記６種類の空気バネを用いて繰り返し圧力負荷試験を実施した。試験内容としては、圧縮装置を用いて空気バネの内圧（ゲージ圧）が０ＭＰａから所定圧になるまで圧縮したのち、圧力を０ＭＰａに戻して１サイクルとし、これを繰り返してエアー漏れが発生するまでの回数を測定した。なお、負荷圧力は０．６ＭＰａと０．８ＭＰａの２条件で行なった。試験はｎ＝４で行なった。結果を表１及び表２に示す。
【００４３】
【表１】
2007064279.tif 000003
【００４４】
【表２】
2007064279.tif 000004
【００４５】
表１及び表２の結果より、負荷圧力が０．６ＭＰａ、０．８ＭＰａいずれの場合でも、発明品１及び発明品２は、比較品に比べて耐久性が大幅に向上しており、また、この傾向は負荷圧力が高くなるほど顕著になることが明らかとなった。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明に係る空気バネを示す断面図
【図２】図１で使用されるダイヤフラムの一部断面図
【図３】図１の一部断面図
【図４】空気バネの圧縮応力を示すグラフ
【図５】従来の嵌合方式の空気バネを示す一部断面図
【符号の説明】
【００４７】
１        ダイヤフラム
２        アッパープレート
２ａ      シール面
２ｂ      返し部
３        ピストン
３ａ      シール面
３ｂ      返し部
４        内層ゴム
５        外層ゴム
６        補強コード
７        ビードワイヤー
８        ビード部
８ａ      シール面
９        短繊維
【図１】
2007064279.tif 000005
【図２】
2007064279.tif 000006
【図３】
2007064279.tif 000007
【図４】
2007064279.tif 000008
【図５】
2007064279.tif 000009