JP2009036236A - 車両用軸ばね - Google Patents

Abstract

【課題】構造を見直して検討及び考察することにより、硬質隔壁を鉄製からアルミ合金等の比重の軽い素材で形成しながらも、必要となる強度や剛性が十分に備わったものとして軽量化が可能となる車両用軸ばね、或いは、硬質隔壁を鉄製のままとしながらも、その強度や剛性をさらに強化できて強度や耐久性が向上する車両用軸ばねを提供する。
【解決手段】主軸１とこれと互いに同一又はほぼ同一の軸心Ｐを有する外筒２との間に、複数の弾性層４Ａ〜４Ｄと硬質隔壁５Ａ〜５Ｃとを軸心Ｐと同心又はほぼ同心状態で径内外方向で交互に積層する積層ゴム構造の弾性部３が介装されて成る軸ばねにおいて、硬質隔壁５が、径方向に凹凸又は起伏する波状アルミ合金板材又は合成樹脂板によって形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、主に鉄道車両の台車に使用される車両用軸ばねに関するものである。

この種の車両用軸ばねは、主軸とこれと互いに同一又はほぼ同一の軸心を有する外筒との間に、複数の弾性層と硬質隔壁とを軸心と同心又はほぼ同心状態で径内外方向で交互に積層する積層ゴム構造の弾性部を介装することで構成されており、例えば特許文献１において開示された車両用軸ばねが知られている。

上記の車両用軸ばねにおいては、通常、弾性層はゴムから成り、主軸、硬質隔壁、及び外筒は、いずれも強度が必要となることから鋼板等の鉄製とされているが、昨今の走行速度の高速化に伴う軽量化のために、鉄材に代えてアルミ合金を用いることが検討されてきている。そこで、車両用軸ばねにおいては、主軸や外筒に比べて強度条件の緩い硬質隔壁をアルミ合金化することが比較的容易であると考えられる。

硬質隔壁は、その内外の弾性層に挟まれており、主軸と外筒との相対移動する懸架動によって比較的大きく動きうる部材であり、主軸や外筒に比べて肉厚が薄く設定されることが多いので、単純にそのままアルミ合金化すると種々の問題が生じ易い。即ち、寸法、形状が鉄製の場合と同じであると絶対的な強度や剛性が不足気味になるとか、局部的な力が作用したときの応力集中によって早期に疲労現象が起る可能性が高いといった不都合である。

製造時について考えると、金型に硬質隔壁をセットして弾性層用のゴムを流し込むようになるが、硬質隔壁の剛性が低いとゴムの注入圧によって硬質隔壁が変形するおそれがある。この場合、硬質隔壁に圧力調整用の孔を設けて変形を防ぐ手段が考えられるが、そうすると、製造後の製品（軸ばね）としての使用時にその圧力調整用孔が疲労亀裂の起点になり易いという問題が残る。このように、硬質隔壁をアルミ合金化するのは簡単ではなく、更なる工夫や改善が必要である。
特開平６−２４３３６号公報

本発明の目的は、構造を見直して検討及び考察することにより、硬質隔壁を鉄製からアルミ合金等の比重の軽い素材で形成しながらも、必要となる強度や剛性が十分に備わったものとして軽量化が可能となる車両用軸ばね、或いは、硬質隔壁を鉄製のままとしながらも、その強度や剛性をさらに強化できて強度や耐久性が向上する車両用軸ばねを提供する点にある。

請求項１に係る発明は、主軸１とこれと互いに同一又はほぼ同一の軸心Ｐを有する外筒２との間に、複数の弾性層４と硬質隔壁５とを前記軸心Ｐと同心又はほぼ同心状態で径内外方向で交互に積層する積層ゴム構造の弾性部３が介装されて成る車両用軸ばねにおいて、前記硬質隔壁５が、前記径方向に凹凸又は起伏する板材によって形成されていることを特徴とするものである。

請求項２に係る発明は、に請求項１に記載の車両用軸ばねおいて、前記凹凸又は起伏が、前記軸心Ｐに対する周方向の波形に設定されていることを特徴とするものである。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載の車両用軸ばねにおいて、前記硬質隔壁５が複数設けられており、それら各硬質隔壁５Ａ〜５Ｃにおける波形状の山部ｙ及び谷部ｔが前記軸心Ｐに対する放射線ｈ方向において合致されていることを特徴とするものである。

請求項４に係る発明は、請求項１に記載の車両用軸ばねにおいて、前記凹凸又は起伏が、前記軸心Ｐに対する周方向の波形に設定されていることを特徴とするものである。

請求項５に係る発明は、請求項４に記載の車両用軸ばねにおいて、前記硬質隔壁５が複数設けられており、それら各硬質隔壁５Ａ〜５Ｃにおける波形状の山部ｙ及び谷部ｔが前記軸心Ｐ方向において合致されていることを特徴とするものである。

請求項６に係る発明は、請求項１〜５の何れか一項に記載の車両用軸ばねにおいて、前記硬質隔壁５が、前記軸心Ｐに対する周方向で不連続なものに形成されていることを特徴とするものである。

請求項７に係る発明は、請求項１〜６の何れか一項に記載の車両用軸ばねにおいて、前記硬質隔壁５がアルミ合金製又は合成樹脂製であることを特徴とするものである。

請求項１の発明によれば、弾性部に介在される硬質隔壁を径方向に凹凸又は起伏する板材によって形成してあるので、単なる筒状や円弧状のものに比べて強度や剛性が向上する。故に、従来と同じ材料（金属製）を採用した場合には強度や耐久性が改善される車両用軸ばねとすることができ、アルミ合金や合成樹脂等の軽い材料を採用した場合には、強度や剛性を確保しながら軽量化が図れる車両用軸ばねとすることができる。その結果、構造を見直して検討及び考察することにより、硬質隔壁を鉄製からアルミ合金や合成樹脂（請求項７）等の軽比重の素材で形成しながらも、必要となる強度や剛性が十分に備わったものとして軽量化が可能となる車両用軸ばね、或いは、硬質隔壁を鉄製のままとしながらも、その強度や剛性をさらに強化できて強度や耐久性が向上する車両用軸ばねを提供することができる。

請求項２の発明によれば、硬質隔壁の凹凸又は起伏が軸心に対する周方向の波形とされているから、主軸の軸心に沿う方向での硬質隔壁の強度、剛性を大きく改善することができ、請求項３の発明では、弾性層の厚み変化を少なくしてその耐久性、即ち車両用軸ばねとしての耐久性を向上可能となる利点が追加される。

請求項４の発明によれば、硬質隔壁のの凹凸又は起伏が軸心方向にうねる波形とされているから、軸心に対する周方向での強度、剛性を大きく改善することができ、請求項５の発明では、弾性層の厚み変化を少なくしてその耐久性、即ち車両用軸ばねとしての耐久性を向上可能となる利点が追加される。

請求項６の発明によれば、硬質隔壁が周方向に不連続であるから、弾性部を主軸と外筒との間に組み込む際に、予め弾性部を径内側に所定量圧縮した状態で組付けること、即ち、予圧縮組付が可能になる。従って、その圧縮量の調節設定により、初期設定荷重を任意に選択して組付けることが可能であって、設計自由度の高い車両用軸ばねを提供することができる。

以下に、本発明による車両用軸ばねの実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図１，２は実施例１による車両用軸ばねの底面図と一部切欠き側面図、図３，４は鉄道台車への使用例を示す要部の側面図と全体斜視図、図５，６は硬質隔壁の波形の別形状を示す部分図、図７，８は実施例２による車両用軸ばねの一部切欠き側面図と平面図である。

〔実施例１〕
車両用軸ばね（以下、単に「軸ばね」と略称する）Ａは、例えば、図３，図４に示すように、ボルスタレス台車Ｄにおける車軸６を支える車軸箱７の両端と台車枠８との間のそれぞれに上下向きの縦軸心Ｐを有する状態で組付けられている。台車枠８は、左右の主枠部材８Ａ，８Ａと、それらを繋ぐ一対の連結枠部材８Ｂ，８Ｂとを備えて構成され、主枠部材８Ａの前後に車軸箱７が懸架装置Ｋを用いて支持されている。軸ばねＡは、懸架装置Ｋの一構成部品として組み込まれている。尚、１５は牽引装置、１６は空気ばねである。

懸架装置Ｋは、車軸箱７を支える支持アーム９と、主枠部材８Ａとに亘る前後一対のクッション機構１０，１０を設けて構成されており、クッション機構１０は、コイルばね１１と、その内側に配置される軸ばねＡとから成っている。即ち、支持アーム９におけるコイルばね１１の下側の受台である下フランジ１３に軸ばねＡの外筒２が内嵌連結され、主枠部材８Ａにおけるコイルばね１１の上側の受台である上フランジ１４の軸部１４Ａが筒状の主軸１に内嵌連結されている。上下の荷重は主にコイルばね１１が受け持ち、前後左右には軸ばねＡが弾性支持する構造となっている。

実施例１による軸ばねＡは、図１，図２に示すように、主軸１と、これと互いに同一（又はほぼ同一）の縦軸心Ｐを有する外筒２と、複数（四層）の弾性層４Ａ〜４Ｄと複数（三層）の硬質隔壁５Ａ〜５Ｃとを縦軸心Ｐと同心（又はほぼ同心）状態で径内外方向で交互に積層されて主軸１と外筒２との間に介装される積層ゴム構造の弾性部３と、を有して構成されている。この軸ばねＡは、図３，４に示す鉄道台車用のものであるが、図３，４に描かれたものとは、主軸１と外筒２との軸方向の相対位置がやや異なるタイプのものとして描いてある。

筒状の主軸１と外筒２とは金属製であるに対して、各硬質隔壁５Ａ〜５Ｃはアルミ合金製であり、内側から外側に向かって第１〜第４の各弾性層４Ａ〜４Ｄはゴム製である。硬質隔壁５Ａ〜５Ｃの縦軸心Ｐ方向の長さは、最内側の第１硬質隔壁５Ａが最も長く（主軸１よりは短い）、外側に行くに従って短くなり、最外側の第３硬質隔壁５Ｃは最も短い（外筒２よりも短い）。各硬質隔壁５Ａ〜５Ｃは、径方向に凹凸又は起伏するアルミ合金製の板材によって形成されており、具体的には、凹凸又は起伏は縦軸心Ｐに対する周方向の波形に設定されている。

そして、各硬質隔壁５Ａ〜５Ｃの波ピッチｐ１〜ｐ３が外側のものほどその絶対長さを長く（内側のものほど短く）なるように差を付ける（ｐ１＜ｐ２，ｐ２＜ｐ３）ことにより、各硬質隔壁５Ａ〜５Ｃにおける波形状の山部ｙ及び谷部ｔが縦軸心Ｐに対する放射線ｈの方向において合致するように構成されている。尚、各ピッチｐ１，ｐ２，ｐ３は、軸心Ｐを中心とする角度としては互いに同じである。この場合、径外側に膨らむ箇所が「山部ｙ」で、径内側に膨らむ箇所が「谷部ｔ」であると定義する。波形状は各硬質隔壁５Ａ〜５Ｃの全体に亘って形成されているが、部分的に波形を有さない形状（単なる円弧板状）でも良い。

図１に示すように、各弾性層４Ａ〜４Ｄは円筒形ではなく、半円よりやや角度の小なる円弧状弾性部４ａ〜４ｄの一対を縦軸心Ｐに関する点対称に配置して構成される周方向で不連続なものである。同様に、各硬質隔壁５Ａ〜５Ｃも、半円よりやや角度の小なる円弧状隔壁部５ａ〜５ｃの一対を縦軸心Ｐに関する点対称に配置して構成される周方向で不連続なものである。その結果、主軸１と外筒２とに亘る２箇所の肉抜き部１２，１２が形成されている。台車Ｄへの組付け方としては、一対の肉抜き部１２，１２がレール方向を前後方向とした場合の左右方向である矢印イ方向に向く状態とする。つまり、前後方向（レール方向又は車両進行方向）である矢印ロ方向には弾性層も硬質隔壁も詰まった状態となっている。

各硬質隔壁５Ａ〜５Ｃが、一対の周方向にうねる波形で円弧状の円弧状隔壁部５ａ〜５ｃで形成されていて、単なる円弧状のものに比べて強度や剛性が改善されるので、従来の鉄製のものと寸法（基準径、板厚）を同じとしても、十分な強度及び剛性を得ることができており、従って、必要な機能は維持しながら軽量化が可能となるより高性能に改善された軸ばねＡが実現できている。硬質隔壁５Ａ〜５Ｃの波形状が、周方向でうねるものであるから、特に縦軸心Ｐに沿う方向での強度、剛性のアップを大きくでき、縦軸心Ｐに交差する方向視（図２の断面図の部分を参照）において径方向の曲げ強さが大きく改善される利点がある。

そして、各円弧状隔壁部５ａ〜５ｃの山部ｙと谷部ｔとが放射線ｈ方向で一致されているので、例えば、内外で隣合う円弧状隔壁部の山部ｙと谷部ｔとが放射線方向で対向して極端に幅の狭いゴム層部分ができるといったことがなく、各弾性層４Ａ〜４Ｄを極力周方向で一定した厚みの状態とすることができ、幅の急変による応力集中やそれによる亀裂が生じ難い（特に、第２，３弾性層４Ｂ，４Ｃにおいて生じ難い）好ましいものとなっている。

図１に示すように、弾性部３には一対の肉抜き部１２，１２を設けて、各弾性層４Ａ〜４Ｄ及び各硬質隔壁５Ａ〜５Ｃが周方向に不連続な形状としてあるので、弾性部３を主軸１と外筒２との間に組み込む際に、予め弾性部３を径内側に所定量圧縮した状態で組付けること、即ち、予圧縮組付が可能な軸ばねＡとされている。従って、その圧縮量の調節設定により、初期設定荷重を任意に選択して組付けることが可能であって、設計自由度の高い軸ばねＡとなっている。

また、肉抜き部１２，１２が左右方向に位置しているので、急ブレーキ等の急な加減速が起こり得る前後方向（車両進行方向）のバネ定数に比べて、左右方向のバネ定数が幾分低いものとなっており、特性に見合ったバランスの良い横方向の弾性機能が発揮できる軸ばねＡともなっている。さらに、縦軸心Ｐ方向で見た場合は、弾性層４と硬質隔壁５とはねじのように噛み合わされているので、加硫接着による一体強度がより強固なものとなる付随効果を奏する点も好ましい。

尚、各硬質隔壁５Ａ〜５Ｃの凹凸又は起伏の形状としては、図５に示すように、段階的（階段状）にうねる略波形のものや、図６に示すように、台形状が反転しながら繰り返される角ネジ状の波形としても良い。

〔実施例２〕
実施例２による軸ばねＡは、図７，図８に示すように、角硬質隔壁５Ａ〜５Ｃの凹凸又は起伏が、縦軸心Ｐ方向にうねる波形に設定されている。この場合でも、隣合う硬質隔壁５Ａ，５Ｂ，５Ｃにおける山部ｙと谷部ｔとが縦軸心Ｐ方向において合致されており（軸心Ｐに直交する径方向線ｍ上に各山部っや各田に部ｔが揃っている）、内外が硬質隔壁５Ａ，５Ｂ，５Ｃで囲まれる第２及び第３弾性層４Ｂ，４Ｃの径方向の幅寸法が縦軸心Ｐ方向で極力変化しないように構成されている。

各硬質隔壁５Ａ〜５Ｃが、一対の縦軸心Ｐ方向にうねる波形で円弧状の円弧状隔壁部５ａ〜５ｃで形成されていて、単なる円弧状のものに比べて強度や剛性が改善されるので、従来の鉄製のものと寸法（基準径、板厚）を同じとしても、十分な強度及び剛性を得ることができており、従って、必要な機能は維持しながら軽量化が可能となるより高性能に改善された軸ばねＡが実現できている。そして、硬質隔壁５Ａ〜５Ｃの波形状が、軸心Ｐ方向にうねるものであるから、特に縦軸心Ｐに対する周方向での強度、剛性のアップを大きくでき、縦軸心Ｐに沿う方向視（図１を参照）において周方向の曲げ強さが大きく改善される利点（縦軸心Ｐ方向視で楕円に変形するといったことが生じ難く、保形性に優れている）がある。

〔別実施例〕
弾性層４や硬質隔壁５は、円筒形等の周方向に連続する単一の部品から成る構造としても良い。主軸１や外筒２は十分厚みを厚くできるので、主軸１、硬質隔壁５、及び外筒２を全てアルミ合金や合成樹脂、或いはＦＲＰ等の複合材料から構成しても良い。肉抜き部１２を３箇所以上設けて、硬質隔壁５が周方向に３つ以上に分割される構成でも良い。

以上説明したように、本発明の軸ばね（実施例１や実施例２）によれば、硬質隔壁５を波形等の凹凸又は起伏が施された形状としてあるので、下記１．〜５．のような利点が得られる。１．単なる筒状や円弧状のものに比べて剛性が増し、製品としての使用時の局部変形が抑制されて強度向上、耐久性向上が可能になる。２．弾性層４の加硫時における硬質隔壁５の変形を防止すべく、硬質隔壁５に調整孔を開けた場合、その孔が製品としての使用時における応力集中点となり、製品強度の低下をもたらし易くなるが、波形形状の採用により、加硫時の硬質隔壁５の変形が防止されるので調整孔を省略可能になり、従って、前述の製品強度低下が起きず、実質的に強度向上に寄与できるものとなる。３．硬質隔壁５の波形により、加硫時における弾性層との接着面積が増加し、接着強度が向上するようになる。４．硬質隔壁５の波形により、硬質隔壁と弾性層とが恰もねじのように噛み合い、構造的により強固に一体化される。

５．硬質隔壁の強度や剛性の向上により、アルミ合金、複合樹脂等の鉄より軽量な材料の使用が可能になり、軽量化が図れる（軽量化）。硬質隔壁の材料を合成樹脂に、かつ、弾性層をゴムとした場合には、両者共に高分子材料であって相性が良く、安定した接着力が得られる（接着性）。硬質隔壁を合成樹脂製とした場合には、金属のように腐食のおそれが無いので、鉄道車両等の洗浄時における酸やアルカリに対して安定した状態を得ることが可能になる（耐蝕性）。硬質隔壁を合成樹脂製とした場合は、弾性層が合成樹脂で仕切られることになるから、絶縁性を有する合成樹脂を用いることで弾性層（ゴム層）に絶縁性を求めなくても済むものとなり、ゴム配合自由度が増す等、弾性層の材料の点からの自由度が向上するとか、強度向上を図ることができる（電気絶縁性）。

実施例１による車両用軸ばねの底面図 図１の軸ばねの半断面図 軸ばねの使用例を示す鉄道台車要部の一部切欠き側面図 鉄道台車の概略構成を示す見下ろしの全体斜視図 図１の硬質隔壁の別形状例その１を示す要部の平面図 図１の硬質隔壁の別形状例その２を示す要部の平面図 実施例１による車両用軸ばねの半断面図 図７の軸ばねの半底面図

符号の説明

１ 主軸
２ 外筒
３ 弾性部
４ 弾性層
５ 硬質隔壁
５Ａ〜５Ｃ 第１〜第３硬質隔壁
Ａ 車両用軸ばね
Ｐ 軸心
ｈ 放射線
ｔ 谷部
ｙ 山部

Claims (7)

1. 主軸とこれと互いに同一又はほぼ同一の軸心を有する外筒との間に、複数の弾性層と硬質隔壁とを前記軸心と同心又はほぼ同心状態で径内外方向で交互に積層する積層ゴム構造の弾性部が介装されて成る車両用軸ばねであって、前記硬質隔壁が、前記径方向に凹凸又は起伏する板材によって形成されている車両用軸ばね。
2. 前記凹凸又は起伏が、前記軸心に対する周方向の波形に設定されている請求項１に記載の車両用軸ばね。
3. 前記硬質隔壁が複数設けられており、それら各硬質隔壁における波形状の山部及び谷部が前記軸心に対する放射線方向において合致されている請求項２に記載の車両用軸ばね。
4. 前記凹凸又は起伏が、前記軸心方向の波形に設定されている請求項１に記載の車両用軸ばね。
5. 前記硬質隔壁が複数設けられており、それら各硬質隔壁における波形状の山部及び谷部が前記軸心方向において合致されている請求項４に記載の車両用軸ばね。
6. 前記硬質隔壁が、前記軸心に対する周方向で不連続なものに形成されている請求項１〜５の何れか一項に記載の車両用軸ばね。
7. 前記硬質隔壁がアルミ合金製又は合成樹脂製である請求項１〜６の何れか一項に記載の車両用軸ばね。

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