JP2005054850A - 液圧脈動低減装置 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的広い周波数帯域に対して脈動低減効果を発揮できると共に、耐久性に優れ、軽量で取り扱いが容易であり、且つ、単純な構成にする。
【解決手段】液圧脈動低減装置１は、高圧ゴムからなるホース状の部材である継手管２と、その両端に嵌合された上流側連結部材３および下流側連結部材４とを備えており、上流側管５および下流側管６の間に配置され且つそれぞれの端部に嵌合され、油圧回路内に設置される。継手管２の内径Ｄ２は上流側連結部材３の内径Ｄ３より大きく、継手管２と上流側連結部材３との接続部分には反射波を生じせしめる段差１０ａが形成されている。上流側から伝播してくる圧力の脈動はこの段差１０ａにおいて生じる反射波によって減衰され、段差１０ａより下流側に伝播する脈動は上流側よりもレベルが低減されたものとなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、液圧脈動低減装置に関し、特に油圧回路などの液圧回路内における圧力の脈動やサージ圧を低減する装置に関する。

例えば油圧ショベルなど建設機械の油圧回路では、油圧ポンプの機械的構造や制御系の共振に起因して圧力の脈動が発生したり、アクチュエータに衝撃的な負荷がかかったときやバルブの切換時などにサージ圧が発生したりする。これら圧力の脈動やサージ圧は、管路やアクチュエータを振動させ、これらを破損させ得ると共に、振動が車両の構造体から音として放射されて騒音問題にもなる。

そこでこのような脈動を低減するため、従来は、アキュムレータやサイドブランチなどが一般に用いられている。しかしアキュムレータはかなり高価である上に、内封するガスの管理などのメンテナンスに手間がかかってしまうという問題がある。一方、サイドブランチは、低減できる脈動の周波数帯域が限定されるため、油圧ポンプで発生する圧力の脈動が通常略３００Ｈｚの基本次周波数およびこの複数倍の音成分の高調波からなる高周波数帯域の広い範囲にわたる場合が多いことを考慮すると、十分な脈動低減効果を期待することができない。

上述のようなアキュムレータやサイドブランチの問題を解消するものとして、独立気泡を含む弾性体を用いて脈動を吸収させる構成が考え出されている。例えば、ケーシングの内面に独立気泡を含む弾性体を挿入し、さらに当該弾性体の内孔に多数の孔が形成されたフィルタ管を挿入した装置を油圧回路内の一部に設置する構成（特許文献１参照）や、油圧回路の配管を複数層の構成としてその層の一部に独立気泡を含む弾性体を設ける構成（特許文献２参照）が開示されている。

また、その他、比較的広い周波数帯域で脈動低減効果が得られるものとして、主配管の直径より大きな拡張室を設け、拡張室内での脈動干渉により脈動を低減する、いわゆる「拡張室型」の脈動低減装置がある。従来技術において、拡張室は鋼管により構成されるのが一般である。
特開２０００−２３９３号公報 （第２頁、図１） 特開２０００−５５２５０号公報 （第３頁、図１）

しかしながら、従来の「拡張室型」の脈動低減装置では、拡張室が鋼管で構成されるために、重量が大きく、取り扱いが困難である。また、鋼管を含む脈動低減装置の重量を支えるために支持部材がさらに必要となるので、部品点数が増え、コスト面でも不利である。

また、独立気泡を含む弾性体を用いる場合は、近年の油圧回路における高圧化傾向のため、耐久性が問題となる。特に高周波数帯域での脈動低減効果を大きくするには非常に柔らかい弾性体を用いざるを得ず、このような場合に脈動による圧縮膨張が繰り返されると、油の熱の影響も重なって、弾性体が劣化しやすい。また、上記特許文献１においては、弾性体を固定するためのケーシングや多孔管などの付加的な部材が必要であることから、部品点数の増加と共に構造が複雑化して製造コストが高くついてしまう。

そこで、本発明の目的は、比較的広い周波数帯域に対して脈動低減効果を発揮できると共に、耐久性に優れ、軽量で取り扱いが容易であり、且つ、単純な構成の液圧脈動低減装置を提供することである。

課題を解決するための手段および効果

上記目的を達成するため、本発明に係る液圧脈動低減装置の第１の特徴は、脈動が伝播する管路に沿って配置される継手管と、継手管および管路における上流側管を連結する第１の連結部と、継手管および管路における下流側管を連結する第２の連結部とを備えており、継手管が高圧ゴムからなり、継手管の内径が第１の連結部の内径より大きく、脈動が伝播する側における継手管と第１の連結部との接続部分に反射波を生じせしめる段差が形成されていることである。

上記構成は、比較的広い周波数帯域で脈動低減効果が得られるいわゆる「拡張室型」の脈動低減装置であって、第１の連結部と継手管との接続部分に形成された段差において脈動の反射波を生じさせることにより脈動のレベルを低減させるものである。ここで、拡張室を構成する継手管が従来のように鋼管ではなく高圧ゴムから構成されているため、軽量で取り扱いが容易になっている。そして鋼管の場合のように重量を支える支持部材も必要なく、部材点数が増えたりコスト面で不利になったりすることがない。

また、独立気泡を含む弾性体を用いる場合における耐久性の問題を軽減することができる。つまり、独立気泡を含む弾性体を用いる場合はその柔らかい材質のため劣化しやすいが、上記構成では比較的硬い高圧ゴムを用いているので高圧の状況下の使用でも劣化しにくく、耐久性に優れている。またさらに、弾性体を固定するための付加的な部材が必要ないので部品点数および製造コストも抑えられる。そして継手管と第１の連結部との接続部分に段差を形成するだけの単純な構成であって、容易に製作可能である。

なお、本明細書における“脈動”とは、サージ圧をも含むものである。

また、継手管の内径が第１の連結部の内径の２倍以上であることが好ましい。これは、第１の連結部と継手管との接続部分に形成された段差において反射波を生じさせることにより脈動のレベルを低減させる構成であるので、この段差の量が大きいほど脈動低減効果が大きいことになる。したがって、継手管の内径が第１の連結部の内径の２倍以上とすることで、段差が大きくなり、脈動を良好に低減することができる。

また、継手管により構成される拡張室の管路に沿った長さが脈動の周波数の基本次の１／４波長と実質的に等しいことが好ましい。この構成によると、拡張室内での共鳴現象によって反射波および干渉が強化され、高い脈動低減効果が得られる。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の一実施の形態に係る液圧脈動低減装置を示す横断面図である。本実施の形態に係る液圧脈動低減装置１は、油圧ショベルなど建設機械の油圧回路において、圧力の脈動が伝播する配管、即ち上流側管５および下流側管６の間に配置されて両者を連結するものであり、継手管２と、上流側連結部材３と、下流側連結部材４とから構成されている。図中の矢印は圧力の脈動の伝播方向を示すものであり、図１では紙面左側から右側に伝播し、左側が上流側、右側が下流側である。

継手管２は、高圧ゴムからなるホース状の部材であって、両端がそれぞれ上流側連結部材３および下流側連結部材４の挿込口３ａ，４ａに挿し込まれている。本実施の形態に係る液圧脈動低減装置１を組立てる際は、継手管２の両端をそれぞれ上流側連結部材３および下流側連結部材４の挿込口３ａ，４ａに挿し込んだ後、挿込口３ａ，４ａの外側から締め付けて固定する。このようにして組立てられた液圧脈動低減装置１は、脈動が伝播する上流側管５および下流側管６の間に管路に沿って配置され、上流側連結部材３および下流側連結部材４を上流側管５および下流側管６それぞれの一端に嵌合させることにより、油圧回路内に設置される。

継手管２を構成する高圧ゴムは、各種高圧装置の可撓性配管材として使用されるものであり、例えば内層ゴムチューブの上層に１又は複数の編組補強層を設け、その編組補強層の上層に外層ゴムを被覆してなる。内層ゴムチューブの材料は、内層ゴムチューブ内を移動させる流体に耐えられるゴムがよく、本実施の形態では流体が油であるので耐油性ゴムが好ましい。耐油性ゴムとしては、例えばニトリルゴム、スチレンブタジエンゴム、クロロプレンゴム、エチレンプロピレンジエンゴムなどがある。編組補強層の材料は、ゴムホースの高圧による変形を防止できる高強度の繊維がよく、例えば強力レーヨン、ポリエステル繊維、ポリアミド繊維、ポリビニルアルコール系繊維、ガラス繊維などが好ましい。編組補強層が二層以上になる場合には、その中間に各編組層間の相互擦れ防止と補強層相互の強度向上のために中間ゴム層を設けるのが一般である。外層ゴムの材料は、外界からの機械的ストレス、環境的ストレスに耐えられる材料がよく、例えばクロロプレンゴム、エチレンプロピレンジエンゴムなどが好ましい。

なお、油圧回路を構成する上流側管５および下流側管６もまた高圧ゴムからなるホース状の部材であって、両者は互いに内径および外径など同じサイズである。

上流側連結部材３および下流側連結部材４は、共に同じ構成で、それぞれ一端側は内径Ｄ３，Ｄ４（Ｄ３＝Ｄ４）を有し、その一端側の端面には継手管２の端部を挿入可能な円形の挿込口３ａ，４ａが管路方向に沿って形成されている。一方、上流側連結部材３および下流側連結部材４の他端側は、一端側よりも肉厚が薄く、一端側の内径Ｄ３，Ｄ４より大きい内径を有すると共に上流側管５および下流側管６の内径と同じ外径を有している。つまり、上流側連結部材３および下流側連結部材４の他端側は、上流側管５および下流側管６の内側に嵌合可能な突出部を形成している。

継手管２の内径Ｄ２は上流側連結部材３および下流側連結部材５の内径Ｄ３，Ｄ４より大きく、これらを組立てた際、脈動が伝播する側、即ち管の内側における各接続部分には段差１０ａ，１０ｂが形成される。つまり、本実施の形態における段差１０ａ，１０ｂは、継手管２の内径Ｄ２と上流側および下流側連結部材３，４の内径Ｄ３，Ｄ４との差によって形成されるもので、段差量ｔは内径の差（Ｄ２−Ｄ３，Ｄ２−Ｄ４）の１／２となる。

継手管２の内部で段差１０ａ，１０ｂの間の空間を拡張室１０と称する。

なお、上流側連結部材３と継手管２との接続部分の段差１０ａは、圧力の脈動がこの部分を伝播するときに反射波を生じせしめるもので、より詳細には、３／４インチ管の場合、段差量ｔは略１０ｍｍ以上必要である。本実施の形態の液圧脈動低減装置１は、後に詳述するように、段差１０ａにおいて反射波を生じさせることにより脈動のレベルを低減させる構成であるので、この段差１０ａの量ｔが大きいほど脈動低減効果が大きいことになる。簡易計算では、内径の比（Ｄ２／Ｄ３）の４倍が圧力脈動の減音量（ｄＢ）になる。継手管２の内径Ｄ２が上流側連結部材３の内径Ｄ３の２倍以上であるのが好ましく、これにより脈動を良好に低減することができる。

図２には、比較例として、脈動が伝播する管路内に段差が形成されていない液圧脈動低減装置が示されている。この液圧脈動低減装置１０１では、上流側側連結部材１０３および下流側連結部材１０４それぞれの継手管１０２との接続側の肉厚が図１のものに比べて薄く、内径Ｄ３，Ｄ４が継手管２の内径Ｄ２とほぼ同じである。つまり、図２の液圧脈動低減装置１０１では、図１の液圧脈動低減装置１のような段差１０ａ，１０ｂが実質的に形成されておらず、上流側管１０５から上流側連結部材１０３、継手管１０２、下流側連結部材１０４、そして下流側管１０６に至るまでの管路の内径はほぼ一定である。

従来は図２のように各接続部分に段差をなくす構成が一般に取られており、製造上やむを得ず微小な段差が形成される場合はあっても、図１に示した本実施の形態のように反射波を生じせしめるものではない。より詳細には、３／４インチ管の場合、従来は段差量ｔが略１ｍｍ未満である。

ここで、図１および図２の液圧脈動低減装置１，１０１における圧力の脈動の伝播について図３（ａ）および図３（ｂ）を参照しつつ説明する。図１に示した本実施の形態の液圧脈動低減装置１の場合は、図３（ａ）に示すように、脈動が左側即ち上流側から伝播してくると、段差１０ａにて反射波が生じ、段差１０ａより下流側に伝播する脈動のレベルが低減される。これに対し、図２に比較例として示した液圧脈動低減装置１０１の場合は、図３（ｂ）に示すように、段差がほとんどないために反射波が生じず、左側即ち上流側から伝播してくる脈動は減衰されることなく下流側へと伝播していく。

なお、継手管２により構成される拡張室１０の管路に沿った長さＬ１、即ち上流側の段差１０ａおよび下流側の段差１０ｂの間の距離（図１参照）を、低減効果を期待する脈動の周波数の基本次の１／４波長と実質的に等しくすることが好ましい。こうすることで、拡張室１０内での共鳴現象によって反射波および干渉が強化され、高い脈動低減効果が得られる。図４は、図１の液圧脈動低減装置１を用いた場合の減音量と周波数との関係を示すグラフである。ここでは、横軸の周波数ｆ１の１／４波長と拡張室１０の長さＬ１とが等しい場合が示しされており、周波数ｆ２，ｆ３はそれぞれｆ１の２倍および３倍の高次成分である。このグラフから、拡張室１０の長さＬ１が１／４波長となる周波数ｆ１と、その高次成分ｆ２，ｆ３とにおける減音量が大きいことがわかる。なお、このことは後述の実施例においてより明確に示されるものである。

以上に述べたように、本実施形態に係る液圧脈動低減装置１は、比較的広い周波数帯域で脈動低減効果が得られるいわゆる「拡張室型」であって、上流側連結部材３と継手管２との接続部分に形成された段差１０ａにおいて脈動の反射波を生じさせることにより脈動のレベルを低減させるものである。ここで、拡張室１０を構成する継手管２が従来のように鋼管ではなく高圧ゴムから構成されているため、軽量で取り扱いが容易になっている。そして鋼管の場合のように重量を支える支持部材も必要なく、部材点数が増えたりコスト面で不利になったりすることがない。

また、独立気泡を含む弾性体を用いる場合における耐久性の問題を軽減することができる。つまり、独立気泡を含む弾性体を用いる場合はその柔らかい材質のため劣化しやすいが、本実施形態では比較的硬い高圧ゴムを用いているので高圧の状況下の使用でも劣化しにくく、耐久性に優れている。またさらに、弾性体を固定するための付加的な部材が必要ないので部品点数および製造コストも抑えられる。そして継手管２と上流側連結部材３との接続部分に段差１０ａを形成するだけの単純な構成であって、容易に製作可能である。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更が可能なものである。

例えば、上流側連結部材３および下流側連結部材４は、上述の実施の形態のような差込口３ａ，４ａが形成されたものではなく、継手管２の内側又は外側に嵌合するより単純な形状など、様々な形状であってよい。

また、上流側の段差１０ａは、反射波を生じせしめるものであればよく、上述の実施の形態のように直角に形成されるのに限定されない。例えば、図１の断面において上流側連結部材３の内面に下流側に向けて狭まるテーパーが形成されていてもよい。しかしいかなる場合でも、上流側連結部材３の拡張室１０への開口部の内径は拡張室１０の内径即ち継手管２の内径よりも小さく、反射波を生じせしめる段差が形成されている必要がある。

また、継手管２と下流側連結部材４との接続部分に上流側と同様の段差１０ｂが形成されているが、この段差１０ｂは脈動低減効果に直接的に寄与するものではない。したがって、脈動低減のみを考慮すると下流側の段差１０ｂはなくてよい。しかしながら設計上は、上述の実施の形態のように上流側下流側共に同じ段差が形成されている方が好ましい。

また、継手管２の内径Ｄ２は上流側連結部材３の内径Ｄ３の２倍以上であることに限定されない。さらに、継手管２により構成される拡張室１０の管路に沿った長さＬ１は、低減効果を期待する脈動の周波数の基本次の１／４波長と実質的に等しくなくてもよい。上記条件はいずれも脈動低減効果において有利なものであるが、本発明に係る液圧脈動低減装置はこのような条件を満たすことを必須用件としていない。

また、上述の実施の形態では上流側管５および下流側管６は継手管２と同様の高圧ゴムからなるが、他の材料から構成されてもよい。

本発明に係る液圧脈動低減装置において、継手管２の内径Ｄ２を３８．６ｍｍ、上流側連結部材３の内径Ｄ３を１９．０ｍｍ、拡張室１０の管路に沿った長さＬ１を３８０ｍｍとし、上流側管５および下流側管６にそれぞれ圧力センサを取り付けて圧力を測定した。図５に、上流側から下流側に伝播する脈動の圧力伝達関数を調べた結果が示されており、このグラフにおいて、点線は上記条件の本発明に係る液圧脈動低減装置（段差あり）、実線は比較例としての従来の液圧脈動低減装置（段差なし）についての結果である。グラフ横軸は脈動の周波数（Ｈｚ）、縦軸は圧力伝達関数であり、縦軸の値の差が減音量であると考える。

図５から、上記条件の本発明に係る液圧脈動低減装置では、特に７５０Ｈｚ、１５００Ｈｚ、２２５０Ｈｚ前後において、従来のものより高い低減効果、より詳細には１０ｄＢ以上高いの低減効果が得られることがわかる。油中の音速が略１２００ｍ／ｓであることを考慮すると、Ｌ１（３８０ｍｍ）と１／４波長とが等しい周波数の値ｆｘは、ｆｘ＝１２００／（０．３８×４）＝７８０Ｈｚであって、高い低減効果が確認された７５０Ｈｚとほぼ一致している。そしてこの７５０Ｈｚを基本次とすると、２倍、３倍の高次成分が１５００Ｈｚ、２２５０Ｈｚにあたる。このことから、拡張室１０の長さＬ１を低減効果を期待する脈動の周波数の基本次の１／４波長と実質的に等しくすることにより、高い脈動低減効果が得られるといえる。

本発明の一実施の形態に係る液圧脈動低減装置を示す横断面図である。 比較例として脈動が伝播する管路内に段差が形成されていない液圧脈動低減装置を示す横断面図である。 （ａ）は、図１の液圧脈動低減装置における圧力の脈動の伝播を示す説明図である。（ｂ）は、図２の液圧脈動低減装置における圧力の脈動の伝播を示す説明図である。 図１の液圧脈動低減装置を用いた場合における脈動の周波数と減音量との関係を示すグラフである。 本発明に係る液圧脈動低減装置と段差のない従来の液圧脈動低減装置との各場合における上流側から下流側に伝播する脈動の圧力伝達関数を調べた結果を示すグラフである。

符号の説明

１ 液圧脈動低減装置
２ 継手管
３ 上流側連結部材（第１の連結部）
４ 下流側連結部材（第２の連結部）
５ 上流側管
６ 下流側管
１０ 拡張室
１０ａ 段差
Ｄ２ 継手管の内径
Ｄ３ 上流側連結部材の内径（第１の連結部の内径）
Ｌ１ 拡張室の長さ

Claims (3)

1. 脈動が伝播する管路に沿って配置される継手管と、
   前記継手管および前記管路における上流側管を連結する第１の連結部と、
   前記継手管および前記管路における下流側管を連結する第２の連結部とを備えており、
   前記継手管が高圧ゴムからなり、
   前記継手管の内径が前記第１の連結部の内径より大きく、前記脈動が伝播する側における前記継手管と前記第１の連結部との接続部分に反射波を生じせしめる段差が形成されていることを特徴とする液圧脈動低減装置。
2. 前記継手管の内径が前記第１の連結部の内径の２倍以上であることを特徴とする請求項１に記載の液圧脈動低減装置。
3. 前記継手管により構成される拡張室の前記管路に沿った長さが前記脈動の周波数の基本次の１／４波長と実質的に等しいことを特徴とする請求項１又は２に記載の液圧脈動低減装置。
   

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