JP2008115959A - 空気ばねの構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】空気ばねの水平方向へのばね定数を増加させて、空気ばね構造体全体として、ストッパ等が作用するまでの少量の水平変形の間の車両への乗心地を高くする空気ばね構造体を提供する。
【解決手段】上面板３および下面板４のそれぞれに、筒状可撓膜体５のそれぞれの端部分を気密に連結してなる空気ばね１と、ゴムリング６と剛性リング７との積層構造になる積層ゴム２とを同軸に連結するとともに、車両の幅方向での、所定量を越える積層ゴム２の水平変形をストッパ１１によって制限してなるものにおいて、空気ばねの、上下方向ばね定数を５８８０〜１４７００N/mmの範囲とし、空気ばね内圧が１００〜２００ｋPaの状態での、その空気ばね１の水平方向ばね定数を、積層ゴム２の同方向のばね定数のほぼ１／３倍とするとともに、空気ばね内圧が５００〜６００ｋPaの状態での、空気ばね１の水平方向ばね定数を、積層ゴム２の同方向のばね定数とほぼ等しくする。
【選択図】図１

Description

この発明は、鉄道車両に用いて好適な空気ばね構造体に関するものであり、とくには、鉄道車両の台車と車体枠との間に配設されて、それらの、車両進行方向と直交する方向、すなわち左右方向の相対水平変位に対して非線形のばね特性を発揮して、鉄道車両の高速安定性を向上させるものである。

鉄道車両に適用される空気ばね構造体に対しては一般に、上下方向での所定のばね特性の発揮を前提として、車体の前後方向水平変位に対しては柔かいばね特性を、そして、車体の左右方向の水平変位に関しては、少許の変位の間は、乗心地の確保のために柔かく、一方、大きな水平変位に対しては、高速安定性の確保のために硬くなるばね特性をそれぞれの有することが要求されている。

そこで、特許文献１には、空気ばねと積層ゴムとからなる空気ばね構造体において、左右方向の水平変形に対して非線形のばね特性をもたらすべく、積層ゴムの、所定量を越える水平変形を阻止するストッパを設け、このストッパが作用するまでの間は、積層ゴムと空気ばねとの直列連結構造になる空気ばね構造体の、それらのゴムおよびばねの、通常はばね定数に反比例する量のそれぞれの水平変形に基づいて柔かいばね特性もたらす一方、ストッパの作用後は、空気ばねだけを、それに固有のばね定数の下で水平変形させることで、硬いばね特性をもたらすことが提案されている。
特許第３４００５５１号明細書

しかるに、左右方向の水平変形に対して非線形ばね特性を示すこのような空気ばね構造体では、ストッパが作用した後に、空気ばねだけを、それに固有のばね定数に基づいて水平変形させてなお、ばね定数が不足する傾向にあり、これがため、鉄道車両の一層の高速化の要求の下で、それが曲線路を走行する場合等の高速安定性を十分に担保することができず、また、車体がそれと台車との間に設けた硬質ゴム等からなるストッパに衝接し、そして、その衝接反力によって車体が加速度に揺り戻されることに起因する乗心地の悪さが否めないという問題があった。

このような問題に対しては、空気ばね構造体全体としての上下方向のばね特性を大きく変化させることなしに、左右方向の大変形に対してだけ、ばね定数を高めることが必要になるところ、空気ばねそれ自体のばね定数を高めた場合には、ストッパが作用するまでの間の少量の水平変形に対しても空気ばね構造体全体としてのばね定数が高くなるため、その少量の水平変形時の乗心地が悪化して、空気ばね構造体のばね特性を非線形とすることの実効に乏しくなり、この一方で、空気ばねのばね定数の増加に相当する分だけ、積層ゴムのばね定数をゴム硬度の低下をもって低減させて、少量の水平変形域での乗心地の悪化を防ぐ場合には、空気ばね構造体としての上下方向のばね特性が大きく変化することになって、車両の運動性能、空気ばね構造体の耐久性等についての他の問題が生じることになる。

この発明は、従来技術が抱えるこのような問題点を解決することを課題とするものであり、それの目的とするところは、空気ばねそれ自体の、水平方向への変形に対するばね定数を、従来技術のそれに比して増加させてなお、空気ばね構造体全体として、ストッパ等が作用するまでの少量の水平変形の間の、車両への乗心地を、その構造体の上下方向のばね特性にほとんど影響を及ぼすことなく、また、車両の運動性能、空気ばね構造体の耐久性等を損ねることなしに、十分高く確保することができる空気ばね構造体を提供するにある。

この発明に係る空気ばね構造体は、上記の目的を達成するために、空気ばねの水平方向変形に対するばね定数を全体的に増加させる一方で、空気ばねのばね定数のこの増加分を、積層ゴムの、ゴム硬度を低下させることのない、水平方向ばね定数の低減をもって相殺するものであり、上面板および下面板のそれぞれに、ダイヤフラム、ベローズ等の筒状可撓膜体のそれぞれの端部分を気密に連結してなる空気ばねと、ゴムリングと剛体リングとの多段積層構造になる積層ゴムとを、所要の上下関係の下で同軸に連結するとともに、積層ゴムの平面視で、それの中心部を通る直交軸の一方の軸方向での、所定量を越える積層ゴムの水平変形を、たとえばストッパによって制限してなるものにおいて、積層ゴムの、上下方向のばね定数を従来技術とほぼ同等の５８８０〜１４７００N/mm、より好ましくは７８４０〜１１７６０N/mmの範囲とし、空気ばね内圧が１００〜２００ｋPaの、鉄道車両の空車相当状態での、その空気ばねの水平方向のばね定数を、積層ゴムの同方向のばね定数に対し、従来技術より大きいほぼ１／３倍とするとともに、空気ばね内圧が５００〜６００ｋPaの、鉄道車両の満車相当状態での、空気ばねの水平方向のばね定数を、積層ゴムの同方向のばね定数に対し、これも従来技術より大きいほぼ同等としてなるものである。
なおここで、「ほぼ」とは、１／３ないしは同等に対して、±２５％の数値範囲を含む意である。

このような空気ばね構造体において、より好ましくは、空気ばね内圧が３００ｋPaの、鉄道車両の定員相当状態での、空気ばねの水平方向のばね定数を、従来技術より大きい２００〜２４０N/mmとし、積層ゴムの水平方向のばね定数を、従来技術より小さい４４０〜４８０N/mmとする。
これによれば、空気ばね構造全体としての水平方向ばね定数を、従来技術のそれとほぼ等しい１３７．５〜１６０N/mmとすることができる。

また好ましくは、このことに代えて、もしくは加えて、積層ゴムの水平変形がストッパ等によって制限されるに到るまでの距離範囲内、すなわち、ストッパ等が作用する方向であると否とにかかわらず、ストッパ等が水平変位を許容する距離範囲内での、空気ばねの水平変形量を、積層ゴムの水平変形量に対して１．５〜２．５倍の範囲とする。

この場合、より具体的には、積層ゴムの水平変形が制限されるに到るまでの距離範囲内での、空気ばねの水平方向のばね定数を、従来技術より大きい１５０〜１７０N/mmとするとともに、積層ばねの水平方向のばね定数を、従来技術より小さい２５０〜５００N/mmとすることが好ましい。

以上のような空気ばね構造体において、一層具体的には、ベローズ、ダイヤフラム等とすることができる筒状可撓膜体に、多くは埋設配置されてその可撓膜体の伸縮変形を拘束する補強コード、たとえば、ナイロン、ポリエステル、レーヨン等の有機繊維コードとすることができる、通常は（１０〜１５本／ｃｍ）程度の打込みの補強コードの、空気ばねの半径方向線分に対する傾き角を、従来技術より大きい８〜１８°、より好ましくは１２〜１６°の範囲とするとともに、積層ゴムの、ゴムリングの積層段数を、空気ばね内圧を３００ｋPaとした状態での空気ばね構造体の総高さを、従来技術の空気ばね構造体に対して変化させることなく、５〜７段とすることが好ましい。
なお、上記のコード角度は、ドラム上での成型角度を８〜１２°とすることで実現することができる。

この発明に係る空気ばね構造体では、とくに、積層ゴムの上下方向ばね定数を、従来技術とほぼ同等の５８８０〜１４７００N/mmの範囲とする一方で、空気ばね内圧が１００〜２００ｋPaの状態での、その空気ばねの水平方向ばね定数を、積層ゴムの同方向のばね定数のほぼ１／３とするとともに、空気ばね内圧が５００〜６００ｋPaの状態での、空気ばねの水平方向ばね定数を、積層ゴムの同方向のばね定数とほぼ等しくすることによって、従来技術に比して、空気ばねそれ自体の水平方向ばね定数を高める一方で、積層ゴムの水平方向ばね定数を、空気ばねのばね定数の増加分を相殺できる程度に低下させることにより、空気ばね構造体全体としての上下方向のばね定数を大きく変化させることなしに、積層ゴムがストッパ等によって水平変形を制限されるに到るまでの少量の変形たとえば±１０〜±１５mmの変形の間は、相互に直列に連結される空気ばねと積層ゴムとからなる空気ばね構造体全体としての柔かいばね特性の下で、鉄道車両の左右方向の振動に対するすぐれた乗心地を確保することができる。

これに対し、積層ゴムの水平方向の変形がストッパ等によって制限された後は、従来技術に比して、水平方向ばね定数を高めた空気ばねだけが水平変形して十分硬いばね特性をもたらすことになるので、空気ばね構造体に、所期したとおりの非線形ばね特性を、車両の運動性能、空気ばね構造体の耐久性等を損ねることなしに、確実に付与することができる。

この場合、具体的には、空気ばね内圧が３００ｋPaの、鉄道車両への定員乗車に相当する状態での、空気ばねの水平方向ばね定数を２００〜２４０N/mmとし、積層ゴムの水平方向ばね定数を４４０〜４８０N/mmとすることが好ましい。
このばね定数は、車両の運動性能等により、設計要素としては変化することはあるが、２００〜３００ｋｍ／ｈの速度で車体が傾斜する高速車両に対しては、快適な乗心地性を実現するに好適な値である。
積層ゴムのばね定数が上記の範囲を超えると、空気ばねの耐久性が低くなり、逆に、そのばね定数が上記の範囲未満では、積層ゴムの耐久性が低下することになる。

またここで、積層ゴムの水平変形がストッパ等によって制御されるまでの距離範囲内での、空気ばねの水平変形量を、積層ゴムの水平変形量に対して、従来技術より少ない１．５〜２．５倍としたときは、空気ばね構造体全体としてのばね定数は変わらないので、同等の乗心地性を確保することができる。
一方ストッパ等が作用した後は、反力が上がるので、横ゆれによる衝突衝撃の発生を防止することができる。

そして、これもまた具体的には、積層ゴムの水平変形が制限されるまでの距離範囲内での、空気ばねの水平方向ばね定数を１５０〜１７０N/mmとし、積層ゴムの水平方向ばね定数を２５０〜５００N/mmとした場合には、前述したと同様に、構成各部の耐久性の低下なしに、すぐれた乗心地性を実現することができる。

そして、かかる空気ばね構造において、より一層具体的には、筒状可撓膜体に配設する補強コードの、空気ばねの半径方向線分に対する傾き角を８〜１８°の範囲とし、また、積層ゴムの、ゴムリングの積層段数を、空気ばね構造体の総高さを変化させることなく５〜７段とすることにより、空気ばね構造体の耐久性をより十分に確保して、その空気ばね構造体に、左右方向の変形に際する、所期した通りの非線形ばね特性を発揮させることができる。

図１は、この発明に係る空気ばね構造体の実施の形態を、中心軸線を含む断面で示す縦断面図であり、図中１は空気ばねを、２は、図では空気ばねの下方側に同軸に連結した積層ゴムをそれぞれ示す。
ここで、図１に示す断面図は、中心軸線ＣＬの右側を車両の左右方向とし、一方、左側を車両の前後方向としてそれぞれ示す。

空気ばね１は、上面板３および下面板４と、これらの両面板３，４にそれぞれの端部分を気密に連結した、たとえば、補強コードを埋設したダイアフラムとすることができる、多くはゴムを主体とする筒状可撓膜体５を具えてなり、積層ゴム２は、ゴムリング５と、剛性リング７、たとえば金属リングとを加硫接着、接着剤接着等によって多段に積層してなり、ここにおける積層ゴム２は、５〜７段、図では５段に積層したゴムリング６を有する。

このような空気ばね１と積層ゴム２とは、積層ゴム２の上端に固着された剛性取付けリング８を、空気ばね１の下面板４に、オーリング９を介してボルト止めにすることにより、相互に直列に気密連結される。

また、図示の積層ゴム２は、その下端を閉塞する剛性の閉塞版１０から上方へ突出させて設けたストッパ１１の先端部を、下面板４に形成されて、車両の前後方向に長い、図２に下面板４を平面視で例示するような長孔１２内へ嵌め込むことによっても空気ばね１に関連づけられる。
なお、図２に示す長孔１２は、そこに嵌め込まれたストッパ１１の、車両の左右方向への相対変位を±５〜±１５mmの範囲内で許容すべく機能し、また、車両の前後方向への相対変位を±４５〜±７０mmの範囲内で許容すべく機能する。

また図１に示すところにおいて、１３は、上面板３に形成されて、空気ばね１の囲撓空間内への所要の空気圧の供給等を司る給排ノズルを、１４は、閉塞板１０から下方側へ突出形成されて、空気ばね構造体を図示しない補助タンクに気密に連結させるパイプをそれぞれ示し、そして、１５は、ストッパ１１の中心部に形成した、空気の絞り通路を示す。

ここで、この絞り通路１５は、パイプ１４の内腔に連通して、空気ばね１と補助タンクとの間で流動する加圧空気に流動抵抗等を作用させて、たとえば上下振動に対する所要のばね特性、振動域衰性能等をもたらすべく機能する。

このような構造を有する空気ばね構造体において、ここでは、積層ゴムの上下方向ばね定数を５８８０〜１４７００N/mmの範囲、すなわち従来技術のそれとほぼ同様とし、この一方で、空気ばね内圧が１００〜２００ｋPaの状態での、その空気ばね１の水平方向ばね定数を、積層ゴムの同方向のばね定数のほぼ１／３倍とするとともに、空気ばね内圧が５００〜６００ｋPaの状態での、空気ばね１の水平方向ばね定数を、積層ゴム２の同方向のばね定数とほぼ等しくする。

空気ばね１および積層ゴム２のこのような水平方向ばね定数は、たとえば、筒状可撓膜体５に配設される補強コードの、空気ばね１の半径方向線分に対する傾き角度、補強コードそれ自体の打込み密度等を選択して、空気ばねそれ自体の水平方向のばね定数を、従来技術のそれに比して高めることと、積層ゴム２の、ゴムリング６の積層段数を選択することで、ゴムリングそれ自体の硬度を低減させることなく、積層ゴム２の水平方向ばね定数を低下させることとによって実現することができる。

このように構成してなる空気ばね構造体によれば、前述したように、構造体全体としての上下方向のばね定数を従来技術とほぼ同様に確保することができ、また、空気ばね構造体の、車両の左右方向への変形であって、ストッパ１１が下面板４の長孔１２の孔縁に当接するまでの、±１０〜±１５mmの少量の変形に対しては、直列構造になる空気ばね１と積層ゴム２とのそれぞれの、ばね定数にほぼ反比例する量の各水平変形によって、車両への乗心地を損ねることのない程度の柔かいばね特性を発現させることができる。

この一方で、車両の左右方向への変形であって、ストッパ１１が作用した後、いいかえれば、ストッパ１１によって積層ゴム２の変形が阻止された後のさらなる変形は、水平方向のばね定数を高めた空気ばね１だけにて行われることになるので、所期した通りの硬いばね特性をもたらすことができ、所要の非線形ばね特性の下で、鉄道車両の高速安定性を十分に高めることができる。

図３はこのことを例示するグラフであり、図３に示すところによれば、ストッパ１１が作用する前の、±１０mmの左右方向水平変位に対しては、空気ばね１と積層ゴム２との両者の作用下で、十分柔かいばね特性をもたらすことができる一方で、ストッパ１１が作用後の、±１０mmを越える水平変位に対しては、空気ばね１だけの水平変形の下で、十分硬いばね特性をもたらし得ることが解かる。

なおここで、ストッパ１１の作用後の、空気ばね１の水平変形に当ってのばね定数が上述したところではまだ不足する場合には、図１に仮想線で例示するように、空気ばね１の左右方向の水平変形に際してそれの外表面に接触して、筒状可撓膜体５の変形を拘束して、ばね定数のさらなる増加をもたらすスカート１６を上面板３に付設することもでき、このスカート１６と、可撓膜体外表面との間隔を適宜に選択して、ストッパ１１の作用後直ちに、スカート１６を筒状可撓膜体５に接触させるときは、空気ばね１だけが水平変形する場合のばね特性をより一層硬いものとすることができる。

これに対し、スカート１６と可撓膜体５との間隔を、空気ばね１だけの水平変形が幾分進行した後に、そのスカート１６が筒状可撓膜体１５に接触するよう選択したときは、ストッパ１１が作用後の、空気ばね１だけの水平変形工程中にもまた非線形となるばね特性を作為的に発現させて、より大きな水平方向反力を発生させることができ、車両の、高速での曲線通過時の遠心力に対し、大きな反力の下で変位量を小さくして快適な乗心地を実現することができる。

このような空気ばね構造体において、より好ましくは、空気ばね内圧が３００ｋPaの状態での、空気ばね１の水平方向ばね定数を２００〜２４０N/mmとし、積層ゴム２の水平方向ばね定数を４４０〜４８０N/mmとする。

また、好ましくは、積層ゴム２の水平変形がストッパ１１によって制限されるまでの距離範囲内での、空気ばね１の水平変形量を、積層ゴム２の水平変形量に対して１．５〜２．５倍とする。
そして、これがためには、積層ゴムの水平変形が制限されるに到るまでの距離範囲内での、空気ばね１の水平方向ばね定数を１５０〜１７０N/mmにするとともに、積層ゴム２の水平方向ばね定数を２５０〜５００N/mmとする。

以上に述べたような空気ばね構造体は、より具体的には、筒状可撓膜体５に、多くは埋設配置する有機繊維等からなる補強コードを、図４に、上面板３を取り除いた平面図で空気ばねの要部を例示するように、空気ばね１の半径方向線分Rに対する傾き角度を８〜１８°、より好適には１２〜１６°とし、また、積層ゴム２のゴムリング６の積層段数を、その硬度は従来のままで、空気ばね内圧を３００ｋPaとした状態での空気ばね構造体の総高さを変化させることなく５〜７段、図１に示すところでは５段とすることによって構成することができる。

ちなみに、図１に示す空気ばね構造体は、空気ばね１の標準高さにおける有効直径を５１０mm、積層ゴム２のゴムリング外径を２９０mm、ゴムリング内径を１４９mmとし、積層ゴム２を含む、閉塞板１１から剛性取付けリング８までの高さを９７mmとするとともに、閉塞板１１から上面板３の上面までの高さを２００mmとしている。

この発明の実施の形態を示す縦断面図である。 下面板を示す平面図である。 空気ばね構造体のばね特性を例示するグラフである。 空気ばねの要部を、上面板を取り除いて示す平面図である。

符号の説明

１ 空気ばね
２ 積層ゴム
３ 上面板
４ 下面板
５ 筒状可撓膜体
６ ゴムリング
７ 剛性リング
８ 剛性取付けリング
９ オーリング
１０ 閉塞板
１１ ストッパ
１２ 長孔
１３ 給排ノズル
１４ パイプ
１５ 絞り通路
１６ スカート
ＣＬ 中心線
Ｒ 半径方向線分

Claims (5)

1. 上面板および下面板のそれぞれに、筒状可撓膜体のそれぞれの端部分を気密に連結してなる空気ばねと、ゴムリングと剛体リングとの積層構造になる積層ゴムとを同軸に連結するとともに、積層ゴムの平面視で、それの中心を通る直交軸の一方の軸方向での、所定量を越える積層ゴムの水面変形を制限してなる空気ばね構造体において、
   積層ゴムの、上下方向ばね定数を５８８０〜１４７００N/mmの範囲とし、空気ばね内圧が１００〜２００ｋPaの状態での、その空気ばねの水平方向ばね定数を、積層ゴムの同方向のばね定数のほぼ１／３倍とするとともに、空気ばね内圧が５００〜６００ｋＰａの状態での、空気ばねの水平方向ばね定数を、積層ゴムの同方向のばね定数とほぼ等しくしてなる空気ばね構造体。
2. 空気ばね内圧が３００ｋPaの状態での、空気ばねの水平方向ばね定数を２００〜２４０N/mm、積層ゴムの水平方向ばね定数を４４０〜４８０N/mmとしてなる請求項１に記載の空気ばね構造体。
3. 積層ゴムの水平変形が制限されるに到るまでの距離範囲内での、空気ばねの水平変形量を、積層ゴムの水平変形量に対し、１．５〜２．５倍としてなる請求項１もしくは２に記載の空気ばね構造体。
4. 積層ゴムの水平変形が制限されるに到るまでの距離範囲内での、空気ばねの水平方向ばね定数を１５０〜１７０N/mmとするとともに、積層ゴムの水平方向ばね定数を２５０〜５００N/mmとしてなる請求項３に記載の空気ばね構造体。
5. 筒状可撓膜体に配設する補強コードの、空気ばねの半径方向線分に対する傾き角を８〜１８°の範囲とするとともに、積層ゴムの、ゴムリングの積層段数を、空気ばね内圧を３００ｋPaとした状態での空気ばね構造体の総高さを変化させることなく５〜７段としてなる請求項１〜４のいずれかに記載の空気ばね構造体。

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