CN103129575B - 移动体用空气弹簧及使用该空气弹簧的移动体车辆 - Google Patents

Abstract

得到一种移动体用空气弹簧，其利用更简单的构造能够兼顾乘坐舒适性和车辆行驶的稳定性。该移动体用空气弹簧具有：隔膜，其被上面板和下面板夹持，该上面板设置在车体侧，该下面板设置在转向架侧；以及止动橡胶，其设置在上面板和下面板之间，该移动体用空气弹簧具有抑制面部件，该抑制面部件以与止动橡胶的侧面相对的方式具有抑制面，该移动体用空气弹簧构成为在放气时，对应于止动橡胶的与施加在止动橡胶上的载荷的变化相对应的形状变化，止动橡胶的侧面和抑制面的接触面积变化。

Description

移动体用空气弹簧及使用该空气弹簧的移动体车辆

技术领域

本发明涉及用于铁路车辆等移动体的空气弹簧，特别地，涉及提高了放气（爆裂）时的行驶安全性的空气弹簧。

背景技术

空气弹簧具有提高移动体行驶时的乘坐舒适性，并且，与乘车人数无关地将车体和站台之间的台阶保持为恒定等特长，常用作铁路车辆的车体和转向架间的弹簧。空气弹簧由于使用借助空气膨胀的隔膜，因此通常行驶时的乘坐舒适性这方面优异，但在放气时，空气漏掉而隔膜无法发挥作用。因此，出于改善放气时的乘坐舒适性或防止铁路车辆的脱轨的目的，采用在隔膜的内部具有止动橡胶（内部止动件）的构造。

在专利文献1中公开有上述构造的空气弹簧。在此，被指出存在如下问题，即，如果止动橡胶较硬（其弹簧特性为8k至15kN/mm），则放气时的脱轨系数超过限度即0.8至1.0而很有可能导致脱轨，相反地，如果作为止动橡胶使用柔软的材质（例如为3kN/mm左右），则放气时的止动橡胶的压缩量增大，需要厚度较厚的止动橡胶，车体的下沉量超过车辆极限，安装在车体下表面的设备与地面接触等。作为其解决对策，公开有如下构造，其使内部止动件的一部分进入支撑下面板的层叠橡胶的内部空间内，并且，将内部止动件预压缩，从而降低空气弹簧的整体高度。

在专利文献2中，同样地，关于设置在隔膜内的止动橡胶，公开有如下构造，其通过设置低弹簧常数的第1止动橡胶，以及限制第1止动橡胶的轴向挠曲的高弹簧常数的第2止动橡胶，从而发挥非线性的弹簧特性，减小对乘坐舒适性的影响，限制车体的下沉量，能够安全地行驶。

专利文献1：日本特许第3866520号公报

专利文献2：日本特开2006－105244号公报

根据专利文献1的构造，能够保持放气时的乘坐舒适性，且将车辆的脱轨系数抑制得较低，确保行驶稳定性，但构造变得复杂，成为成本增加的主要原因。另外，专利文献2的构造是发挥非线性的弹簧特性，减小对乘坐舒适性的影响，且限制车体的下沉量，从而能够安全地行驶的构造，但需要使用多个止动橡胶。

发明内容

在此，本发明的目的在于得到一种移动体用空气弹簧，其利用更简单的构造，能够兼顾乘坐舒适性和车辆行驶的稳定性。

为了实现上述目的，本发明的移动体用空气弹簧，其具有：隔膜，其被上面板和下面板夹持，该上面板设置在车体侧，该下面板设置在转向架侧；以及止动橡胶，其设置在所述上面板和所述下面板之间，该移动体用空气弹簧的特征在于，具有抑制面部件，其以与所述止动橡胶的侧面相对的方式具有抑制面，该移动体用空气弹簧构成为在放气时，对应于所述止动橡胶的与施加在所述止动橡胶上的载荷的变化相对应的形状变化，所述止动橡胶的侧面和所述抑制面的接触面积变化。

在放气时，通过将来自车体的压缩载荷施加在止动橡胶上，止动橡胶以向侧面方向膨胀的方式变形。此时，通过使膨胀的侧面与抑制面部件的抑制面接触而抑制变形，其结果，止动橡胶的弹簧常数变大。通过以对应于变形的程度，接触面积增加的方式构成，从而能够对应于载荷的大小使弹簧常数变化。即，通过上述比较简单的构造，能够实现伴随载荷的增大，弹簧常数增大的非线性特性。

在此，优选抑制面部件构成为，以包围止动橡胶的侧面的方式设置，在止动橡胶的无载荷状态下，抑制面和止动橡胶分离，并且，该分离的间隔在上下方向上增加或减少。

在通常的移动体运行时，优选止动橡胶完全不发挥作用，其侧面和抑制面不接触。另外，考虑到乘坐舒适性和稳定行驶，优选具有非线性特性，即，在放气时的初始阶段，在向止动橡胶施加的载荷较小的阶段，成为尽可能柔软（弹簧常数小）的状态，伴随载荷增加而成为较硬（弹簧常数大）的状态。

作为上述具有间隔的结构，止动橡胶的侧面为圆锥或纺锤形状，上表面和下表面为平面形状，抑制面为大致垂直的壁面即可。另外，也可以是止动橡胶的侧面为大致垂直的形状，上下表面为平面形状，抑制面为如下形状的壁面，即，形成圆锥或纺锤形状的一部分侧面。通过使面间隔逐渐增大等，能够任意地设计弹簧常数的变化，另外，能够实现像保持良好的乘坐舒适性且将脱轨系数抑制得较低这样的设计。

优选在抑制面形成有树脂涂层。通常，空气弹簧的部件内表面是利用冲压模或锻造模、铸模制造出的未进行进一步处理的面，大多比较粗糙、凹凸明显。在本发明中，由于通过与止动橡胶的接触而发挥作用，因此，粗糙的面有可能导致由橡胶的损伤引起的对产品寿命或功能的不良影响。因此，优选针对抑制面的与止动橡胶接触的部分，降低表面粗糙度，更优选形成树脂涂层。该树脂可以使用尼龙、聚乙烯等通用的树脂，并没有特别地限定，但为了实现低摩擦系数，特别优选氟类树脂等。

抑制面部件可以是与上面板或下面板一体形成的壁面部件。并且，优选止动橡胶进行了预压缩。

通常，用于空气弹簧的金属部件是通过钣金加工或锻造、铸造制造出的。因此，抑制面部件可以作为独立的部件制造出，固定在上面板或下面板上。通过将抑制面部件设计为与上面板或下面板一体，作为一体件进行制造，从而使得构造变得更简单，实现制造成本的降低。作为与抑制面部件的组合，止动橡胶可以设置在下面板或上面板上，但考虑到制造的容易性，优选设置为固定在下面板上的构造即可。另外，如果止动橡胶进行了预压缩，则能够实现使用了空气弹簧的车辆的低底盘化。

并且，本发明是铁路车辆等移动体车辆，其在转向架和车体之间具有上述移动体用空气弹簧。

发明的效果

根据本发明，能够得到移动体用空气弹簧，其通过更简单的构造，能够兼顾乘坐舒适性和车辆行驶的稳定性。

附图说明

图1是表示作为本发明的一个例子的空气弹簧的剖面示意图。

图2是表示图1的空气弹簧放气后的状态的剖面示意图。

图3是说明在图1的空气弹簧中，止动橡胶的压缩位移量X和压缩载荷P的关系的图。

图4是表示作为本发明的另一个例子的空气弹簧的剖面示意图。

图5是表示图4的空气弹簧放气后的状态的剖面示意图。

图6是表示作为本发明的另一个例子的空气弹簧的剖面示意图。

图7是说明在图6的空气弹簧中，将内部的止动橡胶预压缩后的状态的剖面示意图。

图8是表示图6的空气弹簧放气后的状态的剖面示意图。

图9是说明在图6的空气弹簧中，内部的止动橡胶的压缩位移量X和压缩载荷P的关系的图。

标号的说明

1上面板

2下面板

3抑制面部件

3a抑制面

4隔膜

5止动橡胶

50层叠止动橡胶

50a层叠板

50b层叠橡胶

6夹持板

7层叠止动橡胶

7a层叠橡胶

7b层叠板

8压缩板

8a抑制面

具体实施方式

参照附图，说明本发明所涉及的空气弹簧的结构。此外，在不同的附图中标注相同标号的要素，表示相同或相对应的要素。本发明并不限定于这些结构，而是通过权利要求书示出的，包含与权利要求书相同的内容以及在其范围内的全部变更。

图1是表示作为本发明的一个例子的空气弹簧的剖面示意图。图1表示将空气弹簧以通过其中心轴的垂直面切断的剖面，没有示出俯视图、仰视图，但整体是以中心轴为中心旋转而成的圆形形状。使用图1对本发明的基本结构要素和其作用进行说明。空气弹簧的基本构造是由隔膜4构成的，隔膜4由上面板1和下面板2分别将上下表面封堵且受到夹持。上面板1或下面板2的构造并不是单纯的板，而是具有各种复杂的构造，但在本发明中并不注重其采用的是何种构造，因此在以图1为首的各附图中，作为其一个例子而示意地示出具有代表性的构造。通过向由上面板1和下面板2夹持的空间内压缩填充空气，而使隔膜4膨胀。分别将上面板1安装在车辆的车体侧，将下面板2安装在转向架侧。隔膜4支撑车体侧的重量，从而实现空气弹簧的作用。

图1的空气弹簧在上面板1和下面板2之间、成为隔膜4的内部空间的位置具有止动橡胶5。由于止动橡胶设置在隔膜内部，因此，也称作内部止动件。在图1中，止动橡胶5是以其底面与下面板2接触的方式设置的橡胶块。止动橡胶5的上表面侧是与上面板1相对的平面，没有固定在上面板1上。在该状态下，止动橡胶5不承受任何载荷。

图2是表示图1的空气弹簧的放出空气后的状态（将该状态称作放气状态）的图。如果成为放气状态，则隔膜4不起空气弹簧的作用。上面板1由于受到来自其上部的载荷、即车体侧的载荷而向下方下降。在此，由于存在止动橡胶5，因此上面板1与止动橡胶5的上表面接触，止动橡胶5支撑载荷。止动橡胶5由于受到来自上部的载荷，因此以在上下方向上被压扁而向左右方向膨胀的方式变形。

此外，对于图1所示的空气弹簧的尺寸，例如是上面板的外直径为350至1000mm，止动橡胶的直径在下表面为100至500mm，在上表面为50至450mm，高度为15至250mm，作为特性，在放气时有效地起到弹簧的作用的止动橡胶的弹簧常数为3kN至15kN/mm左右，但这些等是对应于所适用的铁路车辆的规格确定的，并不限定于例示的数值。

对本发明所涉及的抑制面部件和其作用进行说明。在图1及图2中，以与止动橡胶5的侧面相对的方式设置抑制面部件3。抑制面部件3的与止动橡胶的侧面相对的面作为抑制面3a起作用。在此，所谓侧面是指分别连接在止动橡胶的与上面板侧相对的上表面及与下面板侧相对的下表面上的面，是通过受到上下方向的载荷而以膨胀方式变形那一侧的面。另外，抑制面部件3以在隔膜正常使用时抑制面3a与止动橡胶5的侧面成为分离状态的方式分离配置（图1）。一旦隔膜4成为放气状态，则止动橡胶5的侧面变形，并与抑制面3a接触，通过抑制面部件3抑制其变形。由于该抑制，止动橡胶5难以变形，即，成为作为橡胶来说较硬的状态。

图3的曲线图表示上述情况。图3的横轴是止动橡胶5的上下方向的压缩位移量X，纵轴是向该止动橡胶5施加的压缩载荷P。将隔膜成为放气状态，上面板1与止动橡胶5的上表面接触的位置表示为原点X=0。由于来自上面板1的垂直载荷（即车体侧的重量），止动橡胶5逐渐被压缩，并且，侧面以横向膨胀的方式变形。因此，相对于载荷P，压缩位移量X如线B所示地变化。但是，如果止动橡胶5的侧面成为与抑制面部件3的抑制面3a接触的状态（P=P_c、X=X_c），则由于侧面的变形受到抑制面的抑制，因此，橡胶的弹簧常数变大，如线A所示，对应于压缩载荷的位移量减小。即，其具有如下效果，即，在发生放气时的初期，柔软的橡胶支撑车体，另一方面，进行抑制以使得车体不易发生大于或等于一定大小的位移。如果车体向转向架侧过度位移（下沉），则除了存在设置在车体和转向架之间的其他设备类部件破损或动作不良等不良影响之外，还会发生完全无法起到作为弹簧的作用等不良情况。根据本发明，能够抑制上述的不良情况，并且确保放气时的乘坐舒适性。

如上所述，在图1中示出抑制面部件3作为下面板2的一部分而构成的例子，但也可以在下面板2上利用焊接或螺栓等固定作为其他部件的抑制面部件3，另外，也可以一体成型。从制造成本或强度方面考虑，大多优选一体成型的情况。另外，止动橡胶5除了设置在下面板2上之外，也可以构成为固定在上面板1上。另外，抑制面部件3也不限定于设置在下面板2上，也可以设置在上面板1侧。无论是哪种情况，只要构成为止动橡胶的侧面和抑制面，在隔膜的放气状态下配置在相对的位置，通过与抑制面的抵接而抑制止动橡胶的变形即可。

在图1、图2中示出了止动橡胶5的形状是侧面为圆锥或纺锤的一部分的形状，上表面和下表面为平面形状，抑制面部件3的抑制面3a是大致垂直的壁面的例子，但除此之外，可以是如下的结构。

首先，作为基本方式，可以使止动橡胶的侧面和抑制面这两者都是垂直的面。在此情况下，止动橡胶成为大致圆柱形状。由于上下方向的载荷，止动橡胶的侧面例如以上下方向的中央部较粗，上下端部较细的方式不均匀地变形，因此，从膨胀得较粗的部分开始依次与抑制面抵接。如上所述，由于抑制的效果连续地增大，因此橡胶常数逐渐变大，如图3例示，位移平缓地增加，因此冲击较少，能够获得乘坐舒适性。

上述抑制的效果在图3的曲线图中表现为线A的斜率或曲线形状，可以利用止动橡胶的侧面和抑制面的配置形状（间隔和倾斜度）进行各种设计。为了实现弹簧常数的更平缓的变化，优选以侧面和抑制面的分离间隔在上下方向上增加或减少的方式构成。也可以是止动橡胶的侧面为如图1所示的圆锥形状或进行了倒圆角的纺锤形状，抑制面部件3的抑制面3a为大致垂直的壁面，另外，也可以是止动橡胶的侧面为大致垂直的形状，抑制面设置为如下形状的壁面、即构成圆锥或纺锤形状的一部分侧面，也可以是它们的组合。

止动橡胶5的上表面，优选在隔膜4放气时在与上面板1接触状态下，在水平方向上光滑。这是因为从乘坐舒适性良好这方面和难以发生止动橡胶的破损这方面来说是有利的。因此，上表面优选利用低摩擦的滑动材料覆盖。具体来说，优选在上表面用树脂形成涂层。树脂材料可以是聚乙烯或聚氯乙烯、尼龙等，并不特别地限定，但从低摩擦这方面考虑，优选聚四氟乙烯等氟类树脂。

另外，从防止破损这方面考虑，优选抑制面3a的与止动橡胶5的接触部分利用低摩擦的滑动材料覆盖。即，优选利用如下的材料覆盖，即，在止动橡胶接触的状态下的切线方向的摩擦系数小于抑制面部件本身的表面的摩擦系数的材料。可以使用在表面上具有低摩擦的板材的抑制面，但更简单的做法是，利用橡胶之外的树脂在抑制面上形成涂层即可。树脂材料可以是聚乙烯或聚氯乙烯、尼龙等，并不特别地限定，但从低摩擦这方面考虑，优选聚四氟乙烯等氟类树脂。

图4是在与图1相同的空气弹簧中，将作为内部止动件的止动橡胶替换成由层叠橡胶构成的层叠止动橡胶50的例子。层叠止动橡胶50是将层叠板50a和层叠橡胶50b层叠了多层的构造，其中，层叠板50a是将中心设置为孔的圆盘形状的金属板，各层叠橡胶50b是具有相同的厚度的圆盘形状。上述的层叠止动橡胶在空气弹簧的领域中已经广泛使用，详细构造使用现有技术。图5表示的是在图4的空气弹簧中隔膜放气后的状态。由于上下载荷，构成层叠止动橡胶50的各个层叠橡胶50b，分别大致相等地在水平方向上变形。在使用层叠止动橡胶的情况下，与利用如图1所示的橡胶块的止动橡胶的情况相比，由于上下载荷而朝向水平方向膨胀的橡胶的变形量较少，各个层叠橡胶50b大致相等地变形。因此，将抑制面部件3的抑制面与各个层叠橡胶接近地设置是有效的。另外，为了逐渐发挥抑制面部件3的抑制的效果，可以将抑制面部件3的抑制面设置得稍微倾斜，或以对应于层叠橡胶以台阶状扩展的方式设置。

图6至图8是表示本发明的其他构成例的图。大体上来说，与图1所示的空气弹簧在2个方面上结构存在不同。1个是对内部止动件即止动橡胶5进行预压缩这方面。以下对预压缩和其作用进行说明。

参照图6，在止动橡胶5的位于上面板侧的上表面上，以形成为盖的方式设置有压缩板8。在该状态下，止动橡胶处于自由的状态，没有被压缩。在此，图7表示将压缩板8向下方按压，使止动橡胶5以一定量压缩变形后的状态。此外，在图6至图8中，没有详细图示压缩板的压缩及固定构造，但可以通过现有方法，例如使用螺栓和按压用部件等进行压缩，并以该状态进行固定。压缩载荷例如为30k至80kN，压缩位移量为5至35mm左右。上述的空气弹簧如图7所示，在止动橡胶5以一定量受到压缩的状态下使用。

在此，通过图8对隔膜4成为放气状态的情况进行说明。由于放气，上面板1因车体侧载荷而向下方下降，并按压压缩板8。压缩板8由于通过预压缩的载荷而从止动橡胶5预先向上方施加有力，因此，直至达到该载荷为止，车体不会进一步下沉，相对于超过该载荷的载荷，作为弹簧而起作用。因此，能够抑制放气时的车体的下沉量。在图8中示出施加超过预压缩载荷的载荷，压缩板8与下面板2接触的状态。如上所述，对于该空气弹簧来说从图7的状态至图8的状态为止成为压缩方向的位移幅度。

在此，说明抑制面部件3的作用。在预压缩前的止动橡胶5的无载荷状态下，止动橡胶5的侧面与抑制面3a分离（图6）。在预压缩状态下，止动橡胶5以一定量变形，在该状态下，止动橡胶5的侧面的一部分与抑制面3a接触。并且，如果成为放气状态，则止动橡胶5继续变形，止动橡胶5的侧面与抑制面3a的接触面积增加。如上所述，伴随由车体的下沉引起的载荷的增加，上下方向的弹簧常数逐渐增大，由此，能够获得乘坐舒适性和行驶稳定性。

并且，在本例中，示出压缩板8也形成为起抑制面部件的作用的形状。即，在本例中，压缩板8也成为以与止动橡胶5的侧面相对的方式具有抑制面8a的抑制面部件，构成为在放气时，对应于止动橡胶5的与施加在止动橡胶5上的载荷的变化相对应的形状变化，如图8所示，止动橡胶5的侧面与抑制面8a接触，与该抑制面8a的接触面积发生变化。

第2个不同点是，在本例中，在隔膜的位于下面板2和设置在更下方的夹持板6之间处，即，在隔膜4的外部还设置有其他的止动橡胶这一点。如上所述的止动橡胶称作外部止动件，作为与隔膜串联的弹簧起作用。对于作为外部止动件的层叠止动橡胶7，示出将层叠橡胶7a和层叠板7b层叠多层的例子。也可以使用其他已知的结构。

图9是说明从图6至图8所示的空气弹簧的特性的曲线图。图9的横轴是止动橡胶整体，即，上面板1和夹持板6之间的上下方向的压缩位移量X，纵轴是施加在该上面板1和夹持板6之间的压缩载荷P。将隔膜成为放气状态，上面板1与压缩板8的上表面接触的位置表示为原点X=0。在来自上面板1的垂直载荷P（即车体侧的重量）施加在压缩板8上的状态下，作为内部止动件的止动橡胶5具有与预压缩载荷相对应的大小的反作用力，因此，止动橡胶5本身并不变形，该力经由下面板传递至作为外部止动件的层叠止动橡胶7。因此，层叠止动橡胶7开始位移。如果载荷达到预压缩的载荷P₀（位移X₀），则止动橡胶5也开始作为弹簧起作用而开始位移，因此，整体的弹簧常数变小。在此，假设没有抑制面部件3的情况是图9中的线B的特性。位移X伴随载荷的增加，以相同的弹簧常数的延长进行变化，在压缩板8与下面板2接触的时刻（X₁）急剧地变化，返回至初始的仅具有层叠止动橡胶7的特性。因此，在该变化点，向车体施加冲击。并且，在此，在本例中，存在抑制面部件3的情况的特性如线A所示。如果在超过预压缩载荷后，止动橡胶5的侧面开始与抑制面3a接触，则止动橡胶5的弹簧常数逐渐增大，因此，直至压缩板8与下面板2接触为止的位移变化逐渐减小，接触时的冲击得到缓和。如上所述，通过缓和冲击，明显改善了车辆乘客的乘坐舒适性，并且，确保行驶稳定性。此外，如图7所示，在预压缩时刻，止动橡胶5的侧面已经与抑制面3a接触的情况下，在图9的特性曲线图中X_c与X₀一致。

工业实用性

根据本发明的空气弹簧，利用简单的构造能够兼顾乘坐舒适性和车辆行驶的稳定性，能够适用于如铁路车辆等利用弹簧对转向架与车体之间进行支撑的构造的移动体，特别地，能够适用于因高速行驶，而与直线行驶时的横向位移或弯道行驶时的离心力引起的横向位移相对应地要求稳定性和乘坐舒适性的移动体车辆。

Claims (11)

1.一种移动体用空气弹簧，其具有：

隔膜，其被上面板和下面板夹持，该上面板设置在车体侧，该下面板设置在转向架侧；以及

止动橡胶，其设置在所述上面板和所述下面板之间，

该移动体用空气弹簧的特征在于，

具有抑制面部件，其以与所述止动橡胶的侧面相对的方式具有抑制面，

该移动体用空气弹簧构成为在放气时，对应于所述止动橡胶的与施加在所述止动橡胶上的载荷的变化相对应的形状变化，所述止动橡胶的侧面和所述抑制面的接触面积变化。

2.根据权利要求1所述的移动体用空气弹簧，其特征在于，

所述抑制面部件构成为，以包围所述止动橡胶的侧面的方式设置，在所述止动橡胶的无载荷状态下，所述抑制面和所述止动橡胶分离，

并且，该分离的间隔在上下方向上增加或减少。

3.根据权利要求1所述的移动体用空气弹簧，其特征在于，

所述止动橡胶的侧面是圆锥或纺锤形状，上表面和下表面是平面形状，

所述抑制面是大致垂直的壁面。

4.根据权利要求1所述的移动体用空气弹簧，其特征在于，

所述止动橡胶的侧面是大致垂直的形状，上表面和下表面是平面形状，所述抑制面是如下形状的壁面，即，构成圆锥或纺锤形状的一部分侧面。

5.根据权利要求1所述的移动体用空气弹簧，其特征在于，

所述止动橡胶是由将层叠板和层叠橡胶层叠了多层的构造形成的层叠止动橡胶，所述抑制面以对应于所述层叠橡胶以台阶状扩展的方式设置。

6.根据权利要求1所述的移动体用空气弹簧，其特征在于，

在所述抑制面上形成有树脂涂层。

7.根据权利要求1所述的移动体用空气弹簧，其特征在于，

在所述止动橡胶的上表面形成有树脂涂层。

8.根据权利要求1所述的移动体用空气弹簧，其特征在于，

所述抑制面部件是与所述上面板或所述下面板一体形成的壁面部件。

9.根据权利要求1所述的移动体用空气弹簧，其特征在于，

在所述下面板和设置在更下方的夹持板之间还具有外部止动橡胶，所述外部止动橡胶是将层叠橡胶和层叠板层叠了多层的层叠止动橡胶。

10.根据权利要求1所述的移动体用空气弹簧，其特征在于，

对所述止动橡胶进行了预压缩。

11.一种移动体车辆，其在转向架和车体之间具有权利要求1至10中任一项所述的移动体用空气弹簧。