空気ばね

本発明は空気ばねに関する。詳しくは、本発明は荷重を支持するために車輌または工業用途に用いるための、ガス入りストラット及び空気タイヤホイールを含む、空気ばねに関する。

空気ばねは1930年代末期に車輌サスペンションシステムに用いるためのさらに効率的なばね、すなわち振動絶縁装置としてファイアストーン(Firestone)(登録商標)社によって開発された。例えば、本明細書に参照として含められる、特許文献1を参照されたい。ファイアストーン社の空気ばねが名付けられているように、エアライド(Airide)(登録商標)は車輌に伝達される路面衝撃及び振動の大きさをサスペンションが減じるための手段を提供した。

1950年代初期には、多年の実験及び製品開発の後、空気ばねを備えたバスの生産が始まった。バス用途における空気ばねの成功はトラック及びトレーラー用途への、また工業における衝撃/振動絶縁用途及びアクチュエータ用途へも、新たな関心を高めた。

この結果、今日道路を走行しているほとんど全てのバス及び多くのトラック及びトレーラーは今では空気ばねに載っている。空気ばねは自動車用途において、また工業用途においても、ますます普通になっている。

空気ばねのばね定数及び固有振動数と絶縁有効性の間には直接の関係があることが知られている。

一般に、ばね定数または固有振動数が小さくなるほど、優れた絶縁装置になる。

例えば、二重コンボリュート型空気ばねは通常、与えられた圧力において、単コンボリュート型空気ばねより小さいばね定数及び固有振動数を有する。補助貯気槽を付加することにより空気ばねのばね定数及び固有振動数を小さくし、したがって絶縁有効性を高めることが知られている。もちろん、空気ばねと貯気槽の間には自由な空気流がなければならず、貯気槽は空気ばねの可能な限り近くに設置されるべきである。

貯気槽の使用は費用がかかり、嵩張って重く、荷重支持システムの保守費用を高める。

米国特許第2208537号明細書

本発明の課題は、従来技術の上述した欠点の1つ以上を軽減または排除すると同時に、空気ばねのばね定数を下げる手段を提供することである。

本発明にしたがえば、添付される特許請求の範囲に述べられるような、使用、方法及び空気ばねが提供される。本発明のその他の特徴は従属請求項及び以下の説明から明らかであろう。

本発明にしたがえば、ばね定数を小さくするための、荷重を支持するために用いられる空気ばねにおける吸着材料の使用が提供される。

また、空気ばねを設計する方法も提供され、本方法はばね定数の所望の低下を達成するために空気ばねの荷重支持チャンバ内に入れる吸着材料の量を決定する工程を含む。

本発明にしたがえば、荷重を支持するための空気ばねが提供され、本空気ばねは、使用において加圧ガスを保持するためのチャンバ及び使用において荷重からの力を加圧ガスに伝達するように構成された荷重支持面を備え、チャンバの特徴は空気ばねのばね定数を低下させるための量の吸着材料を収めていることである。

ここで、術語「空気ばね」は、空気またはガスのいずれが満たされているかにかかわらず、空気ばね、ガス入りストラット及び空気タイヤホイールを含む。また、術語「加圧された」は大気圧より高い圧力にあることを意味するとされる。術語「ばね定数」はばねの力対変位曲線の勾配を意味する。

吸着材料には粒状材料を含めることができる。

吸着材料は活性炭を含むことが好ましい。活性炭は1500m²/gをこえるN2表面積を有することが好ましい。活性炭は、Chemviron(登録商標)社から市販されている、SRD 10-054,SRD 09-006及びSRD 09-010のうちの1つであることが好ましい。活性炭はChemviron社のSRD 10-054であることが好ましい。

本発明の一実施形態において、活性炭の集積は空気ばねの設計容積の0.2%と90%の間と等価なチャンバの容積を占める。集積活性炭は、空気ばねの設計容積の5%と75%の間、10%と50%の間、15%と40%の間及び30%と40%の間の1つに等価なチャンバの容積を占めることが好ましい。

ここで、術語「設計容積」は、空気ばねが製造業者の推奨設計位置に取り付けられたときのチャンバの容積を意味する。

空気ばねは吸着材料とチャンバの残余空間の間に1つ以上の制限開口を有することができる。ここで、術語「制限開口」は空気ばねに防振させるに十分な流体の流れに対する抵抗をつくるに十分に小さな開口を意味する。

チャンバは加圧され、荷重支持面は負荷に取り付けられることが好ましい。チャンバは少なくとも1barg(大気圧より100kPa高い)のゲージ圧に加圧されることが好ましい。チャンバは、1barg(大気圧より100kPa高い)と10barg(大気圧より1MPa高い)の間、2barg(大気圧より200kPa高い)と8barg(大気圧より800kPa高い)の間、3barg(大気圧より300kPa高い)と6barg(大気圧より600kPa高い)の間の内の1つに加圧されることが好ましい。

チャンバは空気で加圧されることが好ましい。しかし、別の構成において、チャンバは別のガス、例えば実質的に二酸化炭素からなるガスまたは実質的に窒素からなるガスで加圧することができる。

一実施形態例において、空気ばねは可逆スリーブ型空気ばねである。ピストンが吸着材料を収めることが好ましい。この場合、吸着材料を収めるが吸着材料と残余チャンバ領域の間の流体の流れを可能にするために、ピストンリッドが備えられる。ピストンリッドはこの目的のためにガーゼまたはメッシュまたはフィルタグリルを有することができる。ピストンリッドは吸着材料を出入りするガスの正味の運動を可能にするように構成された柔軟な弾性膜であることが好ましい。さらに、またはあるいは、ピストンリッドはオリフィスを定めるオリフィスプレートとすることができる。オリフィスは実質的に半球形のメッシュによって吸着材料から保護されることが好ましい。オリフィスプレートは半球形メッシュが取り付けられているオリフィスリベットを有することが好ましい。本実施形態例において、ピストンは空気ばねの設計容積のほぼ1/3を占めるように吸着材料で満たされることが好ましい。

可逆スリーブ空気ばねの関連実施形態例において、ベローズが吸着材料のためのケーシングを有し、吸着材料はケーシング内に収められる。ケーシングは空気ばねが完全に圧縮されたときにベローズに残される空間だけを占めるように構成される。一例において、ケーシングは円環形であり、空気ばねのベローズまたは上部ビードプレートに、あるいはベローズ及び上部ビードプレートのいずれにも、取り付けられる。ケーシングは弾性部材によって取り付けられることが好ましい。本実施形態例において、吸着材料は空気ばねの設計容積の1/3までを占め、好ましくは空気ばねの設計容積の15%程度を占める。

本発明の別の関連実施形態において、ピストン及びベローズのいずれもが上述したような吸着材料を収める。

一実施例において、空気ばねはコンボリュート型空気ばねである。空気ばねはバンパーを有し、バンパーは、吸着材料とチャンバの残余空間の間の流体の流れを可能にするための、少なくとも1つの、ガーゼ付またはメッシュ付またはフィルタ付の開口を有することが好ましい。バンパーはバンパーを巡って上部から底部まで走るスパイラルスロットを定め、よって中空バンパーばねを形成する、螺旋壁体を有することが好ましい。中空バンパーばねは螺旋壁体と吸着材料の間にガーゼまたはメッシュまたはフィルタのバリアを有することが好ましい。

一実施形態例において、空気ばねはガス入りストラットであり、ガス入りストラットはロッド及び、さらに、ガス入りストラットのストロークに沿って一層線形のばね定数を付加的に生じさせる量の吸着材料を有する。吸着材料はガス入りストラットのロッドに対向する側の末端区画内に収められることが好ましい。吸着材料は、吸着材料とチャンバの残余空間の間の流体の流れを可能にするため、ガーゼまたはメッシュまたはフィルタによって収められることが好ましい。バリアは吸着材料を出入りするガスの正味の運動を可能に知るように構成された柔軟な弾性膜であることが好ましい。オリフィスを有するオリフィスプレートが吸着材料を収めるために配されることが好ましい。オリフィスはガス入りストラットに防振させるに十分な流体の流れに対する抵抗を生じさせるに十分に小さいことが好ましい。

一実施形態例において、空気ばねは、リム及びタイヤを有し、振動絶縁を高めるためにばね定数を低下させる量の吸着材料を有する、空気タイヤホイールである。吸着材料の量は、チャンバの20%と30%の間であることが好ましい。タイヤのトレッドまたは壁の作用を妨げずに可能な限り多くの吸着材料が用いられることが好ましいが、一般に吸着材料の量はチャンバの容積の30%程度であると考えられ、本実施形態におけるチャンバはリム及びタイヤで定められている。吸着材料はチャンバの周縁に配されたセグメントに収められる。吸着材料はリムに隣接していることが好ましい。吸着材料を所定の場所に保持するため、リムにかけてメッシュが広がることが好ましい。吸着材料は布製ケーシング内に保持されることが好ましい。

若干異なる実施形態において、空気タイヤホイールは、空気タイヤホイール内の圧力がゼロの場合に空気タイヤホイールの動作を可能にするための、リムに取り付けられた強化リングを有する。吸着材料は強化リング内に収められ、強化リングは、吸着材料とチャンバの残余空間の間の流体の流れを可能にするための、少なくとも1つの流路を有する。少なくとも1つの流路は、十分に小さく、よって空気タイヤホイールに防振させるに十分な流体の流れに対する抵抗を生じさせる、オリフィスである。強化リングはセグメント構成であり、それぞれのセグメントに少なくとも1つの流路が配置される。

図1は可逆スリーブ型空気ばねの斜視破断図である。

図2は本発明の第1の実施形態にしたがう可逆スリーブ型空気ばねの斜視破断図である。

図3は本発明の第2の実施形態にしたがう可逆スリーブ型空気ばねの斜視破断図である。

図4はコンボリュート型空気ばねの斜視破断図である。

図5は本発明の第3の実施形態にしたがうコンボリュート型空気ばねの斜視破断図である。

図6は本発明の第4の実施形態にしたがう、オリフィスプレートを有するように改変された、図2の可逆スリーブ型空気ばねの斜視破断図である。

図7は本発明の第5の実施形態にしたがうリベットの斜視破断図である。

図8は本発明の第6の実施形態にしたがうガス入りストラットの斜視破断図である。

図9は本発明の第7の実施形態にしたがう空気タイヤホイールの斜視破断図である。

図10は本発明の第8の実施形態にしたがうランフラットタイヤの斜視破断図である。

図11は、空の及び活性炭で半分満たされた、密閉1リットル容器に注入されるモル数に対する圧力を決定するための実験の結果を示す。

図12は、3つのタイプの活性炭で半分満たされた、密閉1リットル容器に注入されるモル数に対する圧力を決定するための実験の結果を示す。

図13は、空の及び活性炭で半分満たされた、密閉容器のばね定数を決定するための実験の結果を示す。

本発明のさらに良い理解のため、及び実施形態例がどのように実行され得るかを示すため、添付図面がここで参照される。

本発明のいくつかの実施形態がここで説明される。本発明は初めに一般的な空気ばねに適用される。次いで、本発明はガス入りストラットに適用され、最後に空気タイヤホイールに適用される。これらの装置の全ては、本発明の説明及び特許請求のため、空気ばねであると見なされる。

図1は空気ばね1を示し、特に可逆スリーブ型空気ばねまたはローリングローブ型空気ばねを示す。空気ばね1は、空気ばねの普通の設計者には知られているであろうように、上部ビードプレート10,ベローズ20及び下面(本明細書では説明を容易にするために下部ビードプレート40と呼ばれる)を有するピストン30を備える。上部ビードプレート10,ベローズ20及びピストン30によってチャンバ50が定められ、チャンバ50は通常、使用において、荷重を支持するために加圧ガスを収める。チャンバの内部圧力または空気ばねの高さが制御され得るように、加圧ガス源また排気をチャンバに接続するため、空気流入口(図示せず)が用いられることが多い。空気ばねの一利点は、特定の用途または必要に適するように高さを調節できることである。負荷(図示せず)は、通常、それぞれの取付けプレート(図示せず)を介して上部ビードプレート10または下部ビードプレート40の一方に取り付けられる。ピストンリッド32が、ピストン30をチャンバ50から隔てる。

本発明にしたがえば、空気ばね1のばね定数及び固有振動数を下げるような態様で吸着材料が用いられる。空気ばね1のばね定数及び固有振動数を下げることで空気ばね1の絶縁有効性が高められる。車輌用途においては滑らかな乗り心地が達成される。工業用途においてはより優れた振動の遮断または絶縁が達成される。ガス入りストラット用途においては一層線形のばね定数が達成される。

特に、空気ばね1のばね定数及び固有振動数を下げるため、吸着材料の集積がチャンバ50の内部に入れられる。集積吸着材料は、空気流入口(図示せず)の閉塞を避け、ベローズ20または空気ばね1のいずれの可動部の作用の過度の妨害または制限も避けるような態様で、チャンバ50内に配される。

本発明の第1の実施形態説明例が、図1の可逆スリーブ空気ばね1の改変形態を示す、図2を参照して説明される。この場合、空気ばね1は空気のピストン30内への移動を可能にするように構成された流路60を有する。チャンバ50は実効的に2つのサブチャンバ52,54にさらに分割される。第1のサブチャンバ52は概ねベローズ20内にあり、使用において変化する容積を有する。第2のサブチャンバ54は概ねピストン30内にあり、固定容積を有する。本発明を達成するため、ピストン30または第2のサブチャンバ54は、少なくともある程度、吸着材料70の集積で満たされる。

集積吸着材料70はばね定数及び固有振動数の所望の低下をもたらすように選ばれるべきである。この第1の実施形態説明例においては、ピストン30または第2のサブチャンバ54の全体が集積吸着材料で満たされる。しかし、ピストン容積の5%と100%の間を占めるいずれかの量の集積吸着材料も改善をもたらすであろう。

吸着材料が空気ばね1のばね定数及び固有振動数を低下させる理由についてのさらなる情報は本明細書で後に与えられる。

第2のサブチャンバ64に吸着材料70を収めるために改変されたピストンリッド34が用いられる。改変されたピストンリッド34は、第1のサブチャンバ52と第2のサブチャンバ54の間の空気の流通を可能にするため、目のつんだガーゼまたは工業用フィルタ織布の部分を有する。

一般に、ピストン(第2のサブチャンバ54)の容積は、空気ばね1の設計容積のほぼ1/3を占める。出願人等によって得られた実験結果によれば、ピストン容積を完全に吸着材料で満たすと、6barg(大気圧より600kPa高い)の内部圧力において、空の空気ばね1のばね定数の2/3までのばね定数の低下(または緩和)が得られる。言い換えれば、チャンバ50のほぼ1/3を吸着材料70で満たすと、6barg(大気圧より600kPa高い)の内部圧力においてほぼ1/3までのばね定数低下が得られる。既知の手法を用いて1/3のばね定数緩和を達成するには、貯気槽により、チャンバ50の容積の1/2をチャンバ容積にさらに追加する必要がある。吸着材料70の付加の結果、空気ばね1の単位寸法当たりの振動絶縁が改善される。また、本発明の効果を別の観点から見ると、与えられた目的に対してかなり小さな空気ばね1を、同じ振動絶縁を達成しながら、用いることができる。したがって、本発明にしたがう空気ばね1を用いるサスペンションシステムは、従来の空気ばねと比較して、一層優れた性能を示すことができ、あるいはより小さくすることができ、安価にすることができ、装着及び保守が容易になり得る。

出願人等は、ばね定数の緩和の度合いが、動作振動数が高くなるにつれて低下することにも気付いた。例えば、1Hz及び6barg(大気圧より600kPa高い)においては、通常の(すなわち、吸着材料70を有していない同等の空気ばね1と比較すると)71%の緩和ばね定数が見られた。10Hz及び6barg(大気圧より600kPa高い)においては、77%の緩和ばね定数が見られた。出願人等は、ばね定数への吸着材料70の効果へのこの制限は、吸着材料70の吸着率への制限の結果であると考えている。

出願人等は、ばね定数の緩和の度合いが、圧力を低くするにつれて大きくなることにも気付いた。例えば、0.5barg(大気圧より50kPa高い)の内部圧力においては、55%の緩和ばね定数が見られた。

試験及び概念実証実験中の吸着材料70は十分に活性化した炭素であり、さらに詳しくは、Chemviron社の、SRD 10-054,SRD 09-006及びSRD 09-010であった。しかし、出願人等はいずれの吸着材料70も適していると考えている。特に、多孔質吸着材料が適していると考えられる。例えば、シリカゲル及びゼオライトが活性炭の信頼できる代替であると考えられる。

動作の振動数が高くなるにともなう緩和の低下の効果に対抗するため、出願人等は、炭素粉末のような、微細粒状炭素が粒状活性炭の8倍までの速い吸着速度を有することに気付いた。

本発明の第2の実施形態説明例は、図1の可逆スリーブ型空気ばね1の改変形態を示す、図3を参照して説明される。この場合、図2の第1の実施形態説明例とは異なり、ピストン30は図1にも示されるピストンリッド32を有する。

ピストン30内に集積吸着材料を有する代わりに、集積吸着材料70は、本例では、上部ビードプレート10,ベローズ30及びピストン30によって定められるチャンバ50(図2の第1のサブチャンバ52)内のピストン30の外側に保持される。吸着材料70を収めているケーシング72が、空気流入口(図示せず)の閉塞を避け、ベローズ20または空気ばね1のいずれの可動部の作用の過度の妨害または制限も避けるような態様で、チャンバ50内に配される。

詳しくは、空気ばね1が完全に圧縮された状態にあるときに空で残される空間の実質的に全てを占めるように、円環形またはリング状のケーシング72が用いられるが、空気ばね1が純粋に軸方向の運動に用いられている場合には特に、ケーシング72をより小さくすることができ、あるいは、吸着材料の圧潰を防止するような他の適する形状とすることができる。

ケーシング72は、弾性化結束部材(図示せず)を用いてベローズ20に、内表面22上で上部ビードプレート10に隣接して取り付けられる。しかし、ケーシング72は、上部ビードプレート10に隣接して配されたベローズの下側に、または上部ビードプレート10自体に、あるいはベローズ20の上部ビードプレート10のいずれにも、取り付けることができる。

ケーシング72は、チャンバ50内の空気のケーシング72内の吸着材料との流通を可能にするため、目のつんだガーゼまたは工業用フィルタ織布の部分を有する。本例において、ケーシング72のチャンバに面する表面の全体が目のつんだガーゼまたは工業用フィルタ織布からなる。そのような構成は、高振動数におけるばね定数の低下に特に有用である。この有用性は、小さいかまたは微細な吸着材料70を一層有効に用い得るからである。詳しくは、吸着材料70の深さが制限されるであろうし、チャンバ50内部のガスと直接に接触する材料70の表面積がより大きくなるであろう。出願人等は、より小さいかまたは微細な吸着材料70の高充填密度が、ガスが吸着材料70からの出入りを繰り返すときに、最大有効深さが得られ、本実施形態での問題が克服されることを意味する、より大きな圧力降下を生じさせることに気付いた。

この場合も、吸着材料70の量は、空気ばね1の物理的限界内で、ばね定数及び固有振動数の所望の低下が得られるように選ばれる。本例において、ピストン30は下部ビードプレート40に隣接するピストン30の下端においてピストン30から外側に向けて広がるフレア端部36を有する。フレア端部36は、ベローズ20がフレア端部36に移動したときに空気ばね1のばね定数を大きくするように作用し、空気ばね設計者は空気ばね1に含めるべき吸着材料の正しい量の決定に際してこの因子を考慮しなければならない。

チャンバ50の可能な多くを吸着材料70で満たすことでばね定数及び固有振動数の大きな低下が達成される。ピストン30の充填(図2)及びケーシング72の使用(図3)の両者により、ばね定数の大きな低下が達成される。したがって、空気ばね1内の吸着材料70の占有率を高めるため、図2及び3に示される本発明の第1及び第2の実施形態を併合することができる。

そのような併合により、設計高さにおける空気ばね1の炭素含有量を空気ばね1の総容量の1/3からほぼ2/3まで大きくすることができる。出願人等は、6barg(大気圧より600kPa高い)の圧力において50%の緩和ばね定数が達成されることを認めた。既知の手法を用いてこの改善を達成するには、補助貯気槽を用いて空気ばね容積を2倍にする必要があるであろう。

図4はコンボリュート型空気ばね1,特に3重コンボリュート型空気ばねを示す。ここでも、空気ばね1は、空気ばねの普通の設計者には知られているであろうように、上部ビードプレート10,ベローズ20及び下部ビードプレート40を備える。この場合、ベローズ20はさらに2つのグリドルフープ24によって3つのサブベローズ20a,20b、20cに分割される。チャンバ50は上部ビードプレート10,ベローズ50及び下部ビードプレート40によって定められ、通常は、使用において荷重を支持するために加圧ガスが入っている。チャンバ50の内部圧力が制御され得るようにチャンバに加圧ガス源または排気を接続するため、空気流入口(図示せず)が用いられることが多い。通常、上部ビードプレート10または下部ビードプレート40の一方にそれぞれの取付けプレート(図示せず)を介して負荷が取り付けられる。

さらに、図4の空気ばね1は、加圧された空気またはガスが空気ばね1内にないときに空気ばね1を保護するために用いられる、必要に応じるバンパー80を備える。既知のバンパー80は、中実ゴム材料、プラスチック材料、またはゴムと織布の材料でつくられる。バンパー80はチャンバ50内で下部ビードプレート40上に取り付けられる。バンパーはバンパー容積として知られる空間をチャンバ50内で占め、空気ばね1のばね定数及び固有振動数を上げる。

本発明の第3の実施形態説明例が、図4の空気ばね1の改変形態を示す、図5を参照して説明される。ここで、空気ばね1は、吸着材料70の集積で少なくともある程度は満たされた中空バンパー80を備える。バンパー80は集積吸着材料70のチャンバ50との流体流通を可能にする流路を定める。この場合も、先の実施形態を参照して説明したように、空気路は、バンパー80に吸着材料70を収めるため、目のつんだガーゼ、メッシュまたは工業用フィルタペーパーを有する。この特定の実施形態説明例において、バンパー80は。空気路として作用するため、螺旋に沿って走るスロットを定める螺旋側壁82を有する。側壁は金属でつくられ、バンパーばねとしてもはたらく。メッシュ84が吸着材料70を収める。

このようにすれば、空気ばね1のばね定数はバンパー80及び吸着材料70の付加によって下げられ、振動絶縁が改善される。本実施形態では、バンパー体積が空気ばね1のアセンブリ容積の1/3もの大きさを占めるようにはならないであろう。

本発明の第4の実施形態説明例が、図2の可逆スリーブ空気ばね1の改変形態を示す、図6を参照して説明される。第1の実施形態の説明例と第4の実施形態説明例の違いだけが説明される。ここで、空気ばね1は改変されたピストンリッド34の代わりにオリフィスプレート62を有する。オリフィスプレート62は、第1のサブチャンバ52から吸着材料を隔てるために必要なガーゼまたは工業用フィルタペーパーの量を最小限に抑える、オリフィス64を定める。言い換えれば、流路60の面積が制限される。

流路60の面積は、高流量において空気ばね1に防振させるに十分な抵抗を得るため、比較的狭いオリフィス64を有することによってさらに制限される。そのような制振は単発のまたは非常に低振動数の衝撃事象の影響を減衰させ、衝撃を和らげ、さらに空気ばね1の底付きを防止することができる。吸着材料70の存在は、吸着材料における吸着/脱着によるガス取込み増大により、オリフィス64によって生じる防振効果を強めると考えられる。

オリフィス64はオリフィスプレート62のピストン側に必要に応じて用いられる半球形網かご(図示せず)によって、吸着材料70による閉塞から保護される。

本発明の第5の実施形態説明例が、オリフィスリベット66を示す、図7を参照して説明される。オリフィスリベット66は、本実施形態において流路として作用するスロート67を有する。スロート67はガーゼでつくられた実質的に半球形のかごに連結する。オリフィスリベット66は、オリフィスプレート62にあらかじめ作成するか、あるいは既存のピストンリッド32にドリル穴開けまたは穿孔することができる、オリフィス64に嵌め込まれる。詳しくは、オリフィスリベット66は真鍮でつくられるが、いずれかその他の熱伝導性で寸法的に比較的安定な材料でつくることができるであろう。

第5の実施形態により、空気ばね1にオリフィス(またはスロート67)を形成する、より簡単で標準化された仕方が可能になる。

図8を参照すれば、ガス入りストラット100は、当業者には知られているであろうように、本体110及びロッド120を備える。ロッド120は軸方向態様で本体110に出入りし、本体110内でプランジャー122において終端する。本体110はロッド120に対向する側の末端に末端区画130を有し、ロッド120に隣接する末端に封止部140を有する。ロッド120は封止部120を通して本体110に入る。末端区画130と封止部140の間に、本体110の長さに沿って軸方向に動くようにプランジャー122がその中に配されている、密封チャンバ150がある。封止部140は液体を満たすことができ、チャンバ150に収められたガスの抜け出しを防止する。ガスは加圧されていることが多い。

従来のガス入りストラットは等価な金属ばねより線形のばね定数を有する。それにもかかわらず、ばね定数は、プランジャー122が末端区画130に近づくにつれて末端区画130に閉じ込められたガスが圧縮されるから、大きくなる(プランジャー122は若干のガスの通過を可能にするように設計されるが、ロッドは、ロッドが従来のガス入りストラットの本体110に進入するにつれて次第に大きくなるチャンバ150の容積の比率を占め、よってロッドが内側に向けて進むにつれてチャンバ150の圧力を高めるであろうことに注意されたい)。

第6の実施形態にしたがえば、末端区画130が吸着材料170で占められ、よってガス入りストラット100のばね定数を下げる。言い換えれば、ガス入りストラット100は実際よりも長いかのように振る舞う。実際上、これはばね定数がロッド120及びプランジャー130の全ストロークにわたって一層線形になり得ることを意味する。この効果を別の観点から見ると、物理的に一層小さいガス入りストラットで同じガス入りストラット性能を得ることができる。一層小さいガス入りストラットは、冗長ストロークがあらかじめ用いられている場合には一層短くなり、ロッド120のチャンバ150の容積の取込みを補償するために余分の容積が必要な場合には一層細くなり得るであろう。

本実施形態において、末端区画130には吸着材料170を収めるためのオリフィスプレート160が備えられる。オリフィスプレート160はロッド120及びプランジャー130のストロークを制動するためのオリフィス162を有する。制動は末端区画130に収められた吸着材料を出入りするガスの流れを制限することによって達成される。

本発明の第7の実施形態説明例が、空気タイヤホイール200の破断図を示す、図9を参照して説明される。ここで、本発明の効果は、空気ばね及びガス入りストラットの分野から離れ、空気タイヤホイールの分野に適用されている。空気タイヤホイールは荷重を支持し、ばね定数を示す。空気タイヤホイールのばね定数を下げれば、振動絶縁が改善される。

図9を参照すれば、空気タイヤホイール200は、タイヤ(図示せず)を受け入れるように通常構成されているリム210を有する。タイヤはリムと210との封着部を形成してチャンバ250をつくり、バルブ(図示せず)を介して加圧ガスで満たされる。リム210とタイヤで形成されるチャンバの大きさ及び形状を含む、空気タイヤホイールの寸法は、タイヤ空気圧及び製造材料とともに、空気タイヤホイール200のバネレートを決定するであろう。例えば、高性能自動車は、良好な操縦特性を示す広幅/ロープロファイルタイヤを着ける傾向があるが、そのようなタイヤは普通の幅及びプロファイルのタイヤに比較すると比較的高いばね定数を有する。

本発明の第7の実施形態にしたがえば、空気タイヤホイール200のばね定数を下げるためにチャンバ250内に収められた吸着材料270の集積が提供される。詳しくは、集積吸着材料270は空気タイヤホイールのばね定数の所望の低下が得られるように選ばれる。

特に、この第7の実施形態説明例においては、集積吸着材料270はインサート220に入ってチャンバ250内に保持される。インサート220はウエブ230及び一連の小室240を有する。小室240はリム210の面に嵌るように設計され、リム210の全周に沿うように設計される。ウエブ230はタイヤがリム210に嵌る位置の直下の点においてリムにかけて嵌り、小室240を所定の場所に固定するように設計される。

小室240は、チャンバ250内の空気またはガスと吸着材料の集積の間の流通を可能にする、いずれか適する材料でつくられる。

吸着材料は、力がタイヤ容積を圧縮させるときにタイヤ内の空気を吸着し、タイヤが緩むときに空気を放出または脱着する。この作用が空気タイヤホイール200のばね定数を下げ、乗り心地をより快適にすると考えられる。また、空気タイヤ200の物理的寸法は不変のままであるから、空気タイヤホイールの操縦特性も維持される。また、大型の空気タイヤホイールの役目をこなすために小型の空気タイヤホイールを用いることもできる。

図示されていない第7の実施形態の改変形態において、活性炭270の集積は、好ましくは使用において通常は地面に接するタイヤ面の内側上で、ただしこれには限定されずに、タイヤ自体に着けたインサート220に保持することができる。このようにすれば、活性炭270の集積に作用する遠心力はタイヤ面による抵抗を受ける。

本発明の第8の実施形態が、一般に、トラクター、トラックまたはオフロード車のための、ランフラットまたはゼロ圧タイプの空気タイヤホイール300の破断図を示す、図10を参照して説明される。

空気タイヤホイール300はリム310及びタイヤ320を有する。さらに、強化ポリウレタン支持リング330が、パンクまたはその他の圧力喪失に際してタイヤ320を支持するためにリング330が径方向に外側に向けて広がるように、リム310に取り付けられる。この構成は技術上既知である。リム310及びタイヤ320はリング330がその中に配されるチャンバ350を定める。技術上、通常は、リング330はチャンバ350の空気保持容積を少なくし、この結果、空気タイヤホイール300のばね定数が大きくなり、したがって堅めの乗り心地になる。

第8の実施形態説明例では、ばね定数を下げるため、吸着材料370の集積がチャンバ350内に配される。実際上、集積吸着材料370はリング330または支持ケーシング内に配される。支持ケーシング330は、チャンバ内での空気またはガスの吸着及び脱着の発生を可能にするため、少なくとも1つの流路360を介して集積吸着材料とチャンバ350の間の空気/ガス流通を可能にするように構成される。本実施形態例においては、支持ケーシングの外周に沿って等間隔に配された複数の流路360が設けられる。流路360は、支持ケーシングに流入して吸着材料370に吸着される空気またはガスの量を制限する、オリフィスである。このようにすれば、いかなる衝撃の防振も達成され得る。

吸着材料370は、それぞれが実質的に大径の外径を有する、セグメント340内に配される。同様に、支持ケーシング330は対応する、セグメント340より若干大きい、セグメント332内に配される。吸着材料がチャンバ350内に入ることを防止するため、吸着材料370とそれぞれの流路360の間にメッシュ372が備えられる。

第8の実施形態説明例の空気タイヤホイール300は、空気タイヤホイール自体が車輌単独のサスペンションとして作用する用途に用いられることが多く、よって本発明は、チャンバ350内の空間を占めている支持リング330の存在にもかかわらず、柔らかめの乗り心地を生じさせ得ることが利点である。

理論及び試験結果 特定の形態の吸着材料、すなわち活性炭は吸着により、与えられたガス圧において、自身の体積の5倍までの空気を、また自身の体積の12倍までの二酸化炭素を、保持することができる。圧力が上がるにつれて、単位体積当たりの面積が大きく、様々な寸法の多くの細孔を有する、活性炭粒の表面上にガス分子が吸着する。吸着すると、ガス分子はもはやブラウン運動に関与せず、あるいは空間の圧力に寄与しないと考えられる。

活性炭は数100の様々なグレードでつくられ、最も一般には、石炭、木材及びココナツ殻からつくられる。炭素の活性化を高めるほど、それぞれの炭素粒の多孔度が高まり、密度が低くなる。より強く活性化された炭素ほど、一般に高価になる。活性炭は数mmから微細粉末までにわたる範囲の粒径で利用される。粒径が小さくなるほど吸着速度が速くなると考えられる。

実験中、1リットルの容積を有する密閉容器内の圧力が、同じ体積の空気が容器にポンプで送り込まれたときに、活性炭の付加によって著しく低下することが見いだされた(図11を見よ)。

例えば、容器の半分がタイプ006の活性炭で満たされているときのチャンバにポンプで送り込まれた空気の1モル当たりの圧力上昇は、チャンバに活性炭が入っていないときよりもかなり小さくなった。図11はポンプの1動作当たりに0.0098モルの空気を送ると測定された自転車用ポンプを用いて、上述したように行われた実験の結果を示す。大気圧は10158Paであり、温度191.015K,湿度は64%であった。

容器の容積の50%が「半固体」粒状材料で占められているから、空の容器に比較して注入ガスによるモル毎の容器の圧力上昇が小さかったことは若干驚きであった。例えば、容器の半分が水で満たされていれば、空の状態に比較して、注入ガスによるモル毎の圧力上昇は大きくなると考えられるであろう。

上述したように、それぞれで粒径及び多孔度が変わる、異なる様々な活性炭が存在する。3つのタイプ(006,054及び073)の活性炭を、それぞれの場合に同様の効果が見られるかどうかを知るために、連続的に試験した。結果が、この静的試験に対し活性炭006及び073は同様に振る舞うことを示す、図12に見られる。しかし、活性炭054は容器の有効容積を他の2つの活性炭より若干大きくするように思われる。これは、活性炭006及び073に対してより密な充填をもたらす活性炭054の小粒径によると考えることができる。

吸着材料、この場合は活性炭、がある場合とない場合について、密封空気量のばね定数を測定するため、別の実験を行った。フラスコをガラスシリンダーに連結し、振動台の上台に載せた。ぴったり嵌ったプランジャーを力変換器によりシリンダー内をほぼ20mmの行程の4Hzの正弦波状運動で往復させるために上台を用いた。実験は、空のフラスコを用いて行い、次いで活性炭粒である程度満たしたフラスコを用いて行った。

変換器からの力のグラフを図13に示す。

空のフラスコのグラフは、それぞれのストローク(上/下)によりプランジャーがかなりの力(左から右)を受けていることを示す。ストローク/戻りループグラフは、シリンダー内のプランジャーの締付け、プランジャーのシール周りのいくらかの空気の抜け出し及びガラスシリンダーの柔軟で若干弾性のある取付けにおけるヒステリシスによって生じた、実験における防振の結果である。グラフの勾配(破線を見よ)によって、この系のばね定数を決定した。

活性炭充填フラスコによるグラフは、それぞれのストロークにともなう力勾配が小さいことで示されるように、ばね定数がかなり緩和されていることを示す。これは、材料による空間の部分充填はばね定数を緩和させず、引き上げるはずであるから、反直感的である。ばね定数の緩和は、特に長いストロークにわたって、手でシリンダーを作動させると非常に顕著である。

いくつかの好ましい実施形態を示し、説明したが、当業者には、添付される特許請求の範囲に定められるような、本発明の範囲を逸脱することなく様々な変更及び改変がなされ得ることは当然であろう。

1 空気ばね 10 上部ビードプレート 20 ベローズ 30 ピストン 32,34 ピストンリッド 40 下部ビードプレート 50 チャンバ 52,54 サブチャンバ 60 流路 70 吸着材料 100 ガス入りストラット 200,300 空気タイヤホイール