WO2018155380A1 - ピストンおよび緩衝器 - Google Patents

Abstract

ピストンが環状のピストンバンド（７）を備え、ピストンバンド（７）が軸方向の一端部に形成されて外径が他の部分よりも大きい環状突部（８）を有するとともに、上記他の部分の外周には、周方向に沿う環状の浅溝（９ａ）と、当該浅溝（９ａ）よりも深く周方向に沿う環状の深溝（９ｂ）が軸方向に交互に形成されている。

Description

ピストンおよび緩衝器

　本発明は、ピストンに関する。

　従来、緩衝器等に利用されるピストンは、シリンダ内に摺動自在に挿入されて、シリンダ内を液体が貯留された伸側室と圧側室に区画する。このようなピストンの中には、たとえば、ＪＰ３６８０８８２Ｂに開示されているように、ピストン本体と、ピストン本体の外周に装着されたピストンバンドとを備えて構成されて、ピストンバンドをシリンダの内周に摺接させたものがある。

　上記ピストンバンドは、ＰＴＦＥ（ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ）等の摺動性の高い材料で形成されており、当該ピストンバンドの利用によりピストンとシリンダとの間に生じる摩擦力を低減し、ピストンの摺動抵抗を低減できる。

　例えば、ＪＰ３６８０８８２Ｂの図５に記載のピストンバンドの外周形状は、図４に示すようになっている。なお、図４では、従来のピストンバンド７０の外周形状の特徴の理解を容易にするため、図中上下方向（ピストンの径方向）の倍率（拡大率）を左右方向（ピストンの軸方向）の倍率よりも高くして、外周面の凹凸形状を誇張して記載している。

　図４から理解できるように、従来のピストンバンド７０の外周には、軸方向の一端に他の部分よりも外径の大きい環状突部７０ａが形成されており、当該環状突部７０ａ以外の部分の外周は、ゆるやかに起伏する。当該構成によれば、ピストンバンド７０でピストンの良好な摺動性を確保できるとともに、環状突部７０ａ、及びそれ以外の部分の***部７０ｂによりシール作用を得られる。

　一般的に、車両の車体と車軸との間に介装されて車体振動を抑制するのに利用される車両用の緩衝器では、横方向からの力（横力）を受けた場合に、当該横力をピストンで受ける構造となっている。近年、このような車両用の緩衝器では、横力が負荷された場合にピストンの摺動抵抗を大きくし、コーナリング等、車両旋回時における車体の傾きを抑制したいという市場の要求がある。

　ピストンの摺動抵抗を大きくするには、ピストンとシリンダとの間に生じる摩擦力を大きくすればよい。しかし、従来のピストンで当該ピストンとシリンダとの間に生じる摩擦力を、緩衝器が所定の横力を受けた場合に適した摩擦力に合せて設定すると、図５中点線で示すように摩擦力が全体的に底上げされてしまう。

　よって、従来のピストンでは、横力が負荷された場合のピストンの摩擦力を大きくした場合、横力が負荷されていない場合（横力がゼロの場合）のピストンの摩擦力が過大となってピストンの摺動抵抗が過大となり、車両の直進走行時における緩衝器の円滑な伸縮が妨げられて搭乗者にゴツゴツ感を知覚させ、乗り心地が悪いとの印象を与えかねない。そうかといって、車両の直進走行時に合せてピストンとシリンダとの間に生じる摩擦力を小さくしたのでは、車両旋回時にピストンの摺動抵抗が充分に大きくならず、車体の傾きを充分に抑制できない。

　つまり、従来のピストンでは、図５中二点鎖線で示すように、横力がゼロの場合の摩擦力を小さくしつつ横力が負荷された場合の摩擦力を大きくするのが難しい。このため、従来のピストンでは、横力が負荷されない場合の摺動抵抗を小さく抑えるとともに、横力が負荷された場合の摺動抵抗を大きくするような摺動特性にするのが困難である。

　そこで、本発明はこのような不具合を解決するために創案されたものであり、横力が負荷されない場合の摺動抵抗が小さくなるとともに、横力が負荷された場合の摺動抵抗が大きくなるような摺動特性を実現できるピストンの提供を目的とする。

　前記課題を解決する本発明に係るピストンのピストンバンドは、軸方向の一端部に形成されて外径が他の部分よりも大きい環状突部を有し、前記他の部分の外周には、周方向に沿う環状の浅い溝と、前記浅い溝よりも深く周方向に沿う環状の深い溝が軸方向に交互に形成されている。

図１は、本発明の一実施の形態に係るピストンを備えた緩衝器を部分的に切欠いて示した正面図である。 図２は、図１のピストンの一部を拡大して示した縦断面図である。 図３は、図１のピストンのピストンリングの一部を拡大し、外周の凹凸形状を誇張して示した縦断面図である。 図４は、従来のピストンのピストンリングの一部を拡大し、外周の凹凸形状を誇張して示した縦断面図である。 図５は、ピストンとシリンダとの間に生じる摩擦力と横力との関係を示した特性図である。

　以下に本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。いくつかの図面を通して付された同じ符号は、同じ部品を示す。

　図１に示すように、本発明の一実施の形態に係るピストン１は、緩衝器Ｄに利用されている。当該緩衝器Ｄは、車両用の緩衝器であり、車両（図示せず）における車体と車軸との間に介装されて車体振動を抑制する。

　具体的に、緩衝器Ｄは、有底筒状のシリンダ２と、シリンダ２内に摺動自在に挿入されるピストン１と、先端がピストン１に連結されて末端がシリンダ２外へ突出するロッド３と、シリンダ２の開口端部に設けられてロッド３を摺動自在に軸支する環状のロッドガイド４と、シリンダ２内の反ロッド側に摺動自在に挿入されるフリーピストン５とを備える。

　シリンダ２の底部とロッド３の末端（図示せず）には、それぞれ取付部材２０が設けられる（シリンダ２に設けた取付部材２０のみを図示し、ロッド３に設けた取付部材については図示せず）。そして、シリンダ２が取付部材２０を介して車体と車軸の一方に連結されるとともに、ロッド３が取付部材（図示せず）を介して車体と車軸の他方に連結される。このため、車両が凹凸のある路面を走行する等すると、ロッド３がシリンダ２に出入りし緩衝器Ｄは伸縮して減衰力を発揮する。

　シリンダ２内は、ピストン１とフリーピストン５で軸方向に仕切られている。ピストン１で仕切られた二つの部屋には、それぞれ作動油等の液体が充填されている。これら二つの部屋のうち、緩衝器Ｄの伸長時にピストン１で圧縮される方の部屋が伸側室Ｒ１、緩衝器Ｄの収縮時にピストン１で圧縮される方の部屋が圧側室Ｒ２であり、伸側室Ｒ１がロッド３側に、圧側室Ｒ２がピストン１側に形成されている。

　その一方、フリーピストン５は、シリンダ２内に気室Ｇを形成し、当該気室Ｇと圧側室Ｒ２とを区画する。気室Ｇには、高圧ガスが封入されている。当該構成によれば、シリンダ２に出入りしたロッド３の体積を気室Ｇで補償できる。また、上記構成によれば、気室Ｇの圧力でシリンダ２内の液体を加圧して液柱剛性を高め、減衰力発生応答性を向上できる。

　つづいて、ロッド３は、先端と末端（図示せず）との間の中間部がロッドガイド４で支えられるとともに、先端部がピストン１で支えられた状態でシリンダ２に出入りする。当該構成により、緩衝器Ｄが横方向からの力（横力）を受けると、当該横力をロッドガイド４とピストン１で受けられる。

　ロッドガイド４の内周には、環状のブッシュ４０が嵌合されており、ロッドガイド４は当該ブッシュ４０を介してロッド３を摺動自在に軸支する。また、ロッドガイド４には、環状のシール部材４１が積層された状態で固定されており、当該シール部材４１でロッド３の外周とシリンダ２の内周が液密にシールされ、シリンダ２内の液体が外方へ漏れるのを防ぐ。

　シリンダ２内の伸側室Ｒ１と圧側室Ｒ２とを区画するピストン１は、ロッド３の先端部外周にナット３０で固定された環状のピストン本体６と、ピストン本体６の外周に装着された環状のピストンバンド７とを備える。

　ピストン本体６には、伸側室Ｒ１と圧側室Ｒ２とを連通する伸側通路６ａと圧側通路６ｂが形成されている。さらに、ピストン本体６の圧側室Ｒ２側には、伸側通路６ａの出口を開閉する伸側バルブ６０が積層され、ピストン本体６の伸側室Ｒ１側には、圧側通路６ｂの出口を開閉する圧側バルブ６１が積層されている。

　伸側バルブ６０は、伸側通路６ａを伸側室Ｒ１から圧側室Ｒ２へ向かう液体の流れに抵抗を与えるとともに逆向きの流れを阻止する。その一方、圧側バルブ６１は、圧側通路６ｂを圧側室Ｒ２から伸側室Ｒ１へ向かう液体の流れに抵抗を与えるとともに逆向きの流れを阻止する。

　上記構成によれば、緩衝器Ｄの伸長時に、ピストン１がシリンダ２内を図１中上方へ移動して伸側室Ｒ１を圧縮すると、当該伸側室Ｒ１の液体が伸側バルブ６０を押し開き、伸側通路６ａを通って圧側室Ｒ２へ移動する。伸側室Ｒ１から圧側室Ｒ２へ向かう液体の流れに対しては、伸側バルブ６０により抵抗が与えられる。このため、緩衝器Ｄの伸長時には伸側室Ｒ１の圧力が上昇し、緩衝器Ｄは伸長作動を妨げる減衰力を発生する。

　反対に、緩衝器Ｄの収縮時に、ピストン１がシリンダ２内を図１中下方へ移動して圧側室Ｒ２を圧縮すると、当該圧側室Ｒ２の液体が圧側バルブ６１を押し開き、圧側通路６ｂを通って伸側室Ｒ１へ移動する。圧側室Ｒ２から伸側室Ｒ１へ向かう液体の流れに対しては、圧側バルブ６１により抵抗が与えられる。このため、緩衝器Ｄの収縮時には圧側室Ｒ２の圧力が上昇し、緩衝器Ｄは収縮作動を妨げる減衰力を発生する。

　つまり、本実施の形態において、減衰力を発生するための減衰力発生要素が伸側バルブ６０と圧側バルブ６１である。このため、緩衝器Ｄの伸長時と収縮時とで減衰力を個別に設定できる。また、本実施の形態では、伸側バルブ６０と圧側バルブ６１がリーフバルブであるので、緩衝器Ｄが軸方向に嵩張るのを防止できる。

　しかし、減衰力発生要素の構成は、適宜変更できる。例えば、減衰力発生要素がリーフバルブ以外のバルブであってもよい。また、減衰力発生要素が伸側室Ｒ１と圧側室Ｒ２との間を移動する液体の双方向の流れを許容し、当該流れに抵抗を与えるオリフィスであってもよい。

　つづいて、ピストン本体６の外周に装着されたピストンバンド７は、ＰＴＦＥ（polytetrafluoroethylene）等の合成樹脂で形成されている。そして、ピストンバンド７は、当該ピストンバンド７の成形時にピストン本体６に一体化される。

　より詳しくは、図２に示すように、ピストン本体６の外周には、周方向に沿う環状凹部６ｃが軸方向に並んで複数形成されている。そして、ピストン本体６の外周に、後にピストンバンド７となる環板状の母材を装着し、加熱した金型内に押し込んだ後に冷却する。すると、加熱工程で上記母材がピストン本体６の外周形状に合せて筒状に変形し、その内周が各環状凹部６ｃに入り込む。このため、冷却工程を経てピストンバンド７の成形が完了すると、ピストンバンド７の内周に周方向に沿う環状の嵌合部７ａが軸方向に並んで複数形成されるとともに、これらの嵌合部７ａがピストン本体６の環状凹部６ｃにそれぞれ嵌合する。

　その一方、ピストンバンド７の外周形状は、図３に示すようになっている。なお、図３では、図４と同様に、ピストンバンド７の外周形状の特徴の理解を容易にするため、図中上下方向（ピストン１の径方向）の倍率（拡大率）を左右方向（ピストン１の軸方向）の倍率よりも高くして、外周面の凹凸形状を誇張して記載している。そして、図３に示すピストンバンド７の左側が圧側室Ｒ２側、右側が伸側室Ｒ１側である。

　図３から理解できるように、ピストンバンド７には、軸方向の一端部に他の部分の外径よりも外径の大きな環状突部８が形成されている。当該環状突部８の断面形状は、略角丸三角状であり、ピストン１の径方向外側へ突出した頂部８ａから軸方向の両側（伸側室Ｒ１側と圧側室Ｒ２側）へ向かうに従って外径が徐々に小さくなっている。つまり、環状突部８における頂部８ａの軸方向の両側に、それぞれ傾斜面８ｂ，８ｃが形成されている。

　また、無負荷状態では、環状突部８の頂部８ａの外径がシリンダ２の内径よりも大きく、環状突部８はシリンダ２に対して所定の締め代を有する。その一方、ピストンバンド７における環状突部８以外の部分（上記他の部分）を小外径部９とすると、当該小外径部９の外径はシリンダ２の内径よりも小さい。このため、ピストン１がシリンダ２内に挿入された状態であって、横力が負荷されていない場合には、環状突部８のみがシリンダ２の内周に摺接する。

　環状突部８の傾斜面８ｂ，８ｃの傾斜角度は大きく、環状突部８とシリンダ２との接触部の面圧勾配（面圧の傾き）の絶対値が大きくなるように設定されており、ピストンバンド７によりピストン１とシリンダ２との間をシールする。よって、緩衝器Ｄの伸縮時に伸側室Ｒ１又は圧側室Ｒ２の圧力が上昇した場合、当該圧力がピストン１とシリンダ２との間から抜けるのを防止できる。

　つづいて、小外径部９の外周には、ピストン１の周方向に沿う溝が軸方向に複数形成されている。溝は、深さに応じて二種類あり、以下、浅い方の溝を浅溝９ａ、深い方の溝を深溝９ｂとする。浅溝９ａと深溝９ｂは、ピストン１の軸方向に交互に形成されている。

　浅溝９ａの断面形状は円弧又は台形に近いが深溝９ｂの断面形状は略Ｖ字状であり、浅溝９ａは幅広で深さの浅い溝であるのに対し、深溝９ｂは幅狭で深さの深い溝である。また、谷状に窪む浅溝９ａと深溝９ｂの間にできる***した部分をそれぞれ山部９ｃとすると、各山部９ｃの断面形状は略角丸三角状である。

　以下、本実施の形態に係るピストン１の作動について説明する。

　ピストン１に横力が負荷されていない場合（横力がゼロの場合）には、環状突部８のみがシリンダ２の内周に摺接するが、ピストン１に横力が負荷されると、環状突部８のみならず小外径部９もシリンダ２の内周に接触する。

　そして、上記横力により小外径部９がシリンダ２に押し付けられると、山部９ｃでシリンダ２の内周に付着した液体を掻き切り、掻き落とされた液体が深溝９ｂへ逃げる。このため、ピストン１に横力が負荷された場合、横力が負荷されていない場合と比較してピストン１とシリンダ２との間に生じる摩擦力が大きくなり、ピストン１の摺動抵抗が大きくなる。

　さらに、このように横力が負荷された場合のピストン１の摺動抵抗を大きくしたとしても、横力がゼロの場合には、小外径部９の山部９ｃがシリンダ２から離れている。このため、横力がゼロの場合には、ピストン１とシリンダ２との間に生じる摩擦力を小さく抑えられるので、ピストン１の摺動抵抗が過大になって、緩衝器Ｄの円滑な伸縮を妨げることがない。

　以下、本実施の形態に係るピストン１の作用効果について説明する。

　本実施の形態のピストン１は、ピストン本体６と、ピストン本体６の外周に装着された環状のピストンバンド７とを備える。そして、ピストンバンド７は、軸方向の一端部に形成されて外径が小外径部（他の部分）９よりも大きい環状突部８を有する。また、小外径部（他の部分）９の外周には、周方向に沿う環状の浅溝（浅い溝）９ａと、浅溝９ａよりも深く周方向に沿う環状の深溝（深い溝）９ｂが軸方向に交互に形成されている。

　図４に示す従来のピストンバンド７０のように、環状突部７０ａ以外の部分の外周の起伏がゆるやかである場合、***部７０ｂの頂部の曲率半径を小さくするのは難しい。これに対して、本実施の形態のピストン１では、小外径部９の外周に深溝９ｂを形成しているので、山部９ｃにおける深溝９ｂ側の傾斜面の傾斜角度を大きくして山部９ｃの頂部の曲率半径を小さくできる。すると、ピストン１に横力が負荷されて山部９ｃがシリンダ２に押し付けられた場合、当該接触部での面圧のピークを急峻に立ち上げてシリンダ２の内周に付着する液体を掻き切れる。

　よって、上記構成によれば、ピストン１に横力が負荷された場合とそうでない場合とで、ピストン１とシリンダ２との間に生じる摩擦力の差を大きくし、当該摩擦力の特性を図５中二点鎖線で示した目標の特性にできる。このため、本実施の形態のピストン１によれば、横力が負荷されない場合の摺動抵抗が小さくなるとともに、横力が負荷された場合の摺動抵抗が大きくなるような摺動特性を実現できる。

　さらに、上記ピストン１を備えた緩衝器Ｄが車両に利用される場合には、車両の直進走行時におけるピストン１の摺動抵抗を小さく抑えられる。このため、車両の直進走行時にピストン１の摺動抵抗が過大となって緩衝器Ｄの円滑な伸縮を妨げることがなく、車両の乗り心地を良好にできる。その一方、車両の旋回時には、ピストン１の摺動抵抗を大きくして、車体の傾きを抑制できるので、優れた操縦安定性を得られる。

　また、本実施の形態において、ピストン１は緩衝器Ｄのシリンダ２内に摺動自在に挿入されている。そして、環状突部８はシリンダ２に対して締め代を有するが、小外径部（他の部分）９の外径はシリンダ２の内径よりも小さく形成されている。このため、横力が負荷されていない場合におけるピストン１とシリンダ２との間に生じる摩擦力を確実に小さくして、ピストン１に横力が負荷された場合とそうでない場合とでの、ピストン１とシリンダ２との間に生じる摩擦力の差を一層大きくできる。このため、上記構成を備えたピストン１によれば、ピストン１の摺動特性を上記所望の摺動特性にし易い。

　なお、横力がゼロの場合におけるピストン１とシリンダ２との間に生じる摩擦力を充分に小さくできれば、小外径部９の外径をシリンダ２の内径と同じか、それ以上に設定してもよい。また、本発明に係るピストンを備えた緩衝器を車両以外に利用してもよい。

　また、本実施の形態のピストン１では、ピストン本体６の外周に周方向に沿う環状凹部６ｃが軸方向に複数形成されるとともに、ピストンバンド７の内周に環状凹部６ｃに嵌合する嵌合部７ａが軸方向に複数形成されている。当該構成によれば、ピストン本体６の外周に、ピストンバンド７を容易に装着できる。しかし、ピストンバンド７の装着方法は上記の限りではなく、適宜変更できる。例えば、環状のピストンバンドの周方向の一部に割を設け、当該ピストンバンドを成形してから割を広げてピストン本体の外周に装着するとしてもよい。

　さらに、本実施の形態において、本発明に係るピストンを利用する緩衝器Ｄは、片ロッド型の単筒型緩衝器であり、シリンダ２内に形成された気室Ｇでシリンダ２に出入りするロッド３の体積補償をできる。しかし、緩衝器の構成は上記の限りではなく、適宜変更できる。

　例えば、内部に液体を貯留するリザーバでシリンダに出入りするロッドの体積補償をしてもよい。そして、この場合には、シリンダの外周に外筒を設け、当該シリンダと外筒との間に液体を貯留して緩衝器を複筒型にしてもよく、リザーバとシリンダと横並びに設けてもよい。また、緩衝器がリザーバを有して構成される場合には、液体がリザーバ、圧側室、及び伸側室を、この順に一方方向で循環するユニフロー型に設定されるとしてもよい。さらに、緩衝器が両ロッド型に設定されて、ロッドがピストンの両側からシリンダ外へ突出するとしてもよい。

　そして、これらの変更は、小外径部９の外径、及び緩衝器の利用目的によらず可能である。

　以上、本発明の好ましい実施の形態を詳細に説明したが、特許請求の範囲から逸脱しない限り、改造、変形、及び変更が可能である。

　本願は、２０１７年２月２４日に日本国特許庁に出願された特願２０１７－０３３０６６に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。
 

Claims (4)

1. 　ピストンであって、
   　ピストン本体と、
   　前記ピストン本体の外周に装着された環状のピストンバンドとを備え、
   　前記ピストンバンドは、軸方向の一端部に形成されて外径が他の部分よりも大きい環状突部を有し、
   　前記他の部分の外周には、周方向に沿う環状の浅い溝と、前記浅い溝よりも深く周方向に沿う環状の深い溝が軸方向に交互に形成されている
   　ピストン。
2. 　請求項1に記載のピストンであって、
   　緩衝器のシリンダ内に摺動自在に挿入されており、
   　前記環状突部は、前記シリンダに対して締め代を有し、
   　前記他の部分の外径は、前記シリンダの内径よりも小さく形成されている
   　ピストン。
3. 　請求項1に記載のピストンであって、
   　前記ピストン本体の外周には、周方向に沿う環状凹部が軸方向に複数形成されており、
   　前記ピストンバンドの内周には、前記環状凹部に嵌合する嵌合部が軸方向に複数形成されている
   　ピストン。
4. 　緩衝器であって、
   　シリンダと、
   　前記シリンダ内に摺動自在に挿入されるピストンと、
   　先端が前記ピストンに連結されて末端が前記シリンダ外へ突出するロッドとを備え、
   　前記ピストンは、
   　ピストン本体と、
   　前記ピストン本体の外周に装着された環状のピストンバンドとを有し、
   　前記ピストンバンドは、軸方向の一端部に形成されて外径が他の部分よりも大きい環状突部を有し、
   　前記他の部分の外周には、周方向に沿う環状の浅い溝と、前記浅い溝よりも深く周方向に沿う環状の深い溝が軸方向に交互に形成されている
   　緩衝器。
    

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