JP2009068514A - 車両用軸ばね - Google Patents

Abstract

【課題】種々に変化するばね上重量の変化に拘らずに良好な乗り心地や揺れ軽減作用が発揮可能となる非線形特を、部品点数の増加を招くことが極力なく、また騒音や早期摩耗のおそれがなく耐久性にも優れる状態としながら得ることができる改善された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とを軸心Ｐと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Ａにおいて、外筒２の軸心Ｐ方向における一端を閉塞してその閉塞部６と主軸１との間に密閉室７を形成し、かつ、その密閉室７に懸架用の流体８を封入することで成る流体クッション機構９が装備されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄道車両、トラック、産業用車両等に用いられる軸ばね装置に係り、詳しくは、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軸ばね装置に関するものである。

この種の軸ばね装置は、例えば鉄道車両においては、その蛇行動や上下動時の衝撃を吸収緩和するために、台車枠と車軸側部材との間に介装されている。即ち、軸箱支持装置の一例としての軸ばね装置は、特許文献１の図５に示すように、主軸とその周囲に配置された外筒との間に、複数の中間硬質筒とゴム製で複数の弾性層とが同心状態で、かつ、半径方向に交互に積層されて軸ばね装置が構成されている。

ここで、従来の一般的な軸ばねＡは、図３に示すように、鉄道台車（装着対象の一例）２９において車輪２５の車軸２６を支える車軸箱２７を台車枠２８に懸架支持させる手段であり、主軸３０とその周囲に配置された外筒３１との間に、複数の中間筒３２，３３と複数のゴム層３４とが同心状態で、かつ、径方向に交互に積層されて軸ばね部３５が構成されている。尚、３７は主軸３０に一体化されるストッパフランジである。

主軸３０は、金属製のものであって、円錐筒状に形成され、その下端には車軸２６の車箱２７に固定するための筒状支軸部３８が形成されている。この主軸３０の周囲に配置される複数の中間筒３２，３３及び外筒３１は、主軸３０と同様に金属製のものであって、円錐筒状に形成されており、これらの筒は径方向で外側に向かうほど上方位置となるよう主軸３０の軸心Ｑの方向にずれた状態で配置される。また、ゴム層３４は、主軸３０、中間筒３２，３３、及び外筒３１の間に介在され、これらに加硫成形されて一体化されている。

ところで、この種の軸ばね装置の傾向としては、空車時等のような車体重量が小さいときの乗り心地や曲線走行時における輪重抜けのし難さをより強める等のために、軸ばね装置を構成する弾性層として柔らかいゴムを使用し、全体のばね定数を低く設定するケースが多い。しかしながら、全体のばね定数を低く設定すると、例えば、定員以上の大きな車体重量が負荷された場合、弾性層が大きく撓んで却って乗り心地が悪化したり、それら弾性層に亀裂やクリープの生じるおそれが強まる等、軸ばね装置耐久性や乗車感に悪影響が出易い傾向がある。

そこで、定員等の大荷重時の乗り心地向上、弾性層の亀裂やクリープを回避するためにばね定数を高く設定すると、今度は空車時等のような車体重量が小さいときの曲線走行時の追従性や乗り心地が悪化する。また、最近の輪重管理の点で各荷重時のばね定数が一定では輪重抜けし易いことや輪重調整に手間が掛る等の観点から、新車への採用が困難になる場合もあった。

上記問題を解決するために、前記特許文献１の図１に示すように、主軸の上部に補助ばねを設け、低荷重域（空車時）では補助ばねが作用せず、定員又は定員付近の大なる車体重量になった高荷重域では、補助ばねが複数の弾性層と協働してばね作用を発揮する非線形ばね特性を有する構成の軸のばね装置も開示されている。また、特許文献２の図２に示されるように、主軸のフランジを大径化し、かつ、最内側の硬質隔壁（中間筒）を下方に延長させて、ある程度弾性部が撓むとフランジと最内側の硬質隔壁とが当接する構造（所謂メタルタッチ構造）として、非線形特性を出す工夫も試されている。
特開２００３−４０１０７号公報 特開２００６−５７７４６号公報

しかしながら、特許文献１の図１に示される手段では、弾性層とは別に補助ばねを必要とするため、部品点数の増加を伴うことになるとともに、補助ばねを主軸の上部に固定するためには、脱落しない適切な固定手段を用いなければならず、その固定作業も困難を要することが予想される。特許文献２に示される構成要素どうしを干渉させる手段では、干渉時の騒音の問題が残るとともに、摩耗や疲労を伴うものであって長期に安定した特性を得ることが困難であると思われる。

本発明の目的は、上記実情に鑑みて、種々に変化するばね上重量の変化に拘らずに良好な乗り心地や揺れ軽減作用が発揮可能となる非線形特を、部品点数の増加を招くことが極力なく、また騒音や早期摩耗のおそれがなく耐久性にも優れる状態としながら得ることができる改善された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、
前記外筒２の前記軸心Ｐ方向における一端を閉塞してその閉塞部６と前記主軸１との間に密閉室７を形成し、かつ、その密閉室７に懸架用の流体８を封入することで成る流体クッション機構９が装備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、請求項１に記載の車両用軸ばねにおいて、前記流体８が空気であ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１又は２に記載の車両用軸ばねにおいて、前記密閉室７に所定量の非圧縮性部材１２が配備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１〜３の何れか一項に記載の車両用軸ばねにおいて、前記主軸１の外周面１ａ、前記弾性部３、及び前記外筒内周面２ａそれぞれの前記軸心Ｐに沿う方向での断面視形状が互いに同じ向きに揃えられたハ字状に形成され、かつ、前記弾性部３が前記軸心Ｐに沿う方向においては前記主軸１に対してその小径側に寄せて配置され、かつ、前記外筒２が前記軸心Ｐに沿う方向においては前記弾性部３に対してその小径側に寄せて配置される円錐積層ゴム構造に構成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１〜４の何れか一項に記載の車両用軸ばねにおいて、前記主軸１が中空部１ｅを有する筒状に形成されるとともに、前記主軸１の前記密閉室側端に前記中空部１ｅを閉塞させる栓１０が装備されてい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、詳しくは実施形態の項にて説明するが、軸ばねによる線形のバネ特性と流体クッション機構による非線形のバネ特性とが合体された特性、即ち、非線形なバネ特性が得られるようになる。流体クッション機構は、密閉室に懸架用流体を封入させる一般的な構成のものであるから、メタルタッチ等の構成要素どうしの衝突が無く、騒音や耐久性の点で有利になるとともに、流体クッション機構はその殆どが軸ばねの構成要素で形成されているので、専用の追加部品等が少なくて済み、経済的でもある。その結果、種々に変化するばね上重量の変化に拘らずに良好な乗り心地や揺れ軽減作用が発揮可能となる非線形特を、部品点数の増加を招くことが極力なく、また騒音や早期摩耗のおそれがなく耐久性にも優れる状態としながら得ることができる改善された車両用軸ばねを提供することができる。そして、請求項２のように、流体として空気を選択すれば、廉価な構成としながら、明確な非線形特性を発揮する合理的なものとなる利点が追加される。

請求項３の発明によれば、密閉室に非圧縮性部材を配備することによって密閉室の容積（体積）を縮小させることができるから、要求されるバネ定数や初期荷重、或いは最大荷重といった条件に合せて適量の非圧縮性部材を入れ、所望するバネ特性が発揮されるように調節設定することが可能になり、従って、使い勝手が向上する利点がある。

請求項４の発明によれば、円錐積層ゴム構造を有する軸ばねにおいて請求項１〜３の構成によるいずれかの効果が発揮されるものとなり、例えば、鉄道車両に適用した場合には、乗り心地の向上や曲線通過性の向上といった利点が得られる車両用軸ばねを提供することができる。

請求項５の発明によれば、弾性部の伸び縮みに伴う軸ばね内部容積の変化による影響を受けないように、外部連通構造とすべく中空で筒状の主軸が採用されている現行の車両用軸ばねであっても、その一端を閉塞する栓の追加のみにより、非線形なバネ特性を得ることができるという汎用性に富むものとなる効果がある。

以下に、本発明による車両用軸ばねの実施の形態を、鉄道台車に用いられる鉄道車両用のものとして図面を参照しながら説明する。図１は本発明による車両用軸ばねの構造を示す断面図、図２は図１の軸ばねのバネ特性グラフを示す図、図３は従来の鉄道車両用軸ばねを示す一部切欠きの側面図である。

〔実施例１〕
実施例１による車両用軸ばねＡは、図１に示すように、主軸１とこれと互いに同一（又はほぼ同一でも良い）の縦軸心Ｐを有する外筒２との間に、三層（複数の一例）の弾性層４と二層（複数の一例）の硬質隔壁５とを縦軸心Ｐと同心状態（又はほぼ同心状態でも良い）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部ａと、この軸ばね部ａの上部に一体的に形成される流体クッション機構９とで構成されている。

主軸１は、金属製のものであって、上窄まり状の円錐外周面１ａ、ストッパフランジ１ｂ、下端開口１ｃ、ネジ部１ｄ（車軸の車箱に固定するために下端開口部１ｃに形成されるネジ部）、中空部１ｅを有する筒状部材に形成されている。外筒２は、下拡がり状の円錐内周面２ａ、上端内側の嵌合内周面２ｂを有する断面がハ字状の円錐筒に形成されている。外筒２は、主軸１に対してその上側（円錐外周面１ａ側）よりも上方に寄せて（軸心Ｐに沿う方向においては主軸１に対してその小径側に寄せて）配置されている。

弾性部３は、縦軸心Ｐを中心とする内外三層のゴム層（弾性層の一例）４Ａ，４Ｂ，４Ｃと、同様に内外二層の硬質隔壁５Ａ，５Ｂとから成り、円錐外周面１ａと円錐内周面２ａとの間に介装される状態で主軸１と外筒２とに亘って装備されている。各硬質隔壁５は鋼板等の金属板や強化プラスチック等から形成される。各ゴム層４及び各硬質隔壁５は、いずれも縦軸心Ｐに沿う方向での断面視形状がハ字状を呈するテーパ円筒状のものに形成されている。

つまり、軸ばね部ａは、主軸１の外周面１ａ、弾性部３、及び外筒内周面２ａそれぞれの縦軸心Ｐに沿う方向での断面視形状が互いに同じ向きに揃えられたハ字状に形成され、かつ、弾性部３が縦軸心Ｐに沿う方向においては主軸１に対してその小径側に寄せて配置され、かつ、外筒２が縦軸心Ｐに沿う方向においては弾性部３に対してその小径側に寄せて配置される円錐積層ゴム構造に構成されている。

流体クッション機構９は、外筒２の縦軸心Ｐ方向における一端を閉塞してその閉塞部６と主軸１との間に密閉室７を形成し、かつ、その密閉室７に懸架用の流体８を封入することで構成されている。詳述すると、主軸１の上端には、中空部１ｅを閉塞させるための栓１０が装備されるとともに、外筒２の上端には、Ｏリング１１を介することで外筒上端を閉塞するための円板蓋６が閉塞部として装備されている。従って、円板蓋６と弾性部３と栓１０とで囲まれる部分で密閉室７が形成されており、その密閉室７に空気（流体の一例）８を封入させることにより、流体クッション機構の一例としてのエアクッション機構９が構成されている。

尚、密閉室７の容積を調整（増減調節）するために、図１に示すように、水、不凍液、砂等の非圧縮性の液体や固体（細かい粒子）で成る内容積調整用体（非圧縮性部材の一例）１２を、予め密閉室７に封入しておいても良い。密閉室７の容積調整により、エアクッション機構９の初期荷重や非線形特性（後述）の調整が可能となる。

軸ばね部ａによるバネ特性（懸架特性）は、従来の軸ばねによるものと同等であり、図２に破線で示されるラインＸで示すように、外筒に下降移動量が増加するに対して弾性部３が外筒２を持上げようとするする力である反力荷重が比例して増加する線形特性（又はｈほぼ線形特性）が得られる。つまり、外筒２の下降移動量の如何に拘らずにバネ定数は一定となる特性である。但し、ハ字状を為す縦軸心Ｐに対する傾斜角度や、主軸１に対する外筒２の高さ位置等の緒元値の如何によっては、若干の非線形特性（外筒２の下降移動量が増すに連れてバネ定数が僅かに大きくなる特性）を示す場合もある。

そして、エアクッション機構９によるバネ特性（懸架特性）は、これはつまり一般的なエアサスペンションであるから、図２に一点破線のラインＹで示すように、外筒２の下方移動量が増すに連れて前記反力荷重の増加率が大きくなる明確な非線形特性を発揮する。つまり、外筒２の下方移動量が大きくなる程、バネ定数も大きくなる特性である。従って、車両用軸ばねＡとしての外筒２の下降移動と反力荷重との関係グラフは、図２に実線のラインＺで示すように、ラインＸとラインＹとの合体、即ち、非線形特性を示すものとなっている。

以上説明したように、本発明の実施例１による車両用軸ばねＡによれば、下記１.〜３．の効果を得ることができる。
１．非線形特性：密閉室（空気室）７のエア体積（容積）を荷重による変形で減少させる（押し潰す）ことにより、圧力が増加して非線形のバネ特性を得ることができる。
２．エア体積の調整：非圧縮性で自由に形状を変えることのできる液体や固体、即ち非圧縮性部材を密閉室（空気室）７に所定量封入することにより、密閉室の体積調整が行え、非線形特性や初期荷重の設定を調節可能となる。
３．安定性：栓１０と非圧縮性部材１２とＯリング１１との追加による密閉室７の体積調整のみでエアクッション機構９が、即ち非線形特性が実現できるので、軸ばねの構成要素どうしの干渉を伴って非線形特性を得る従来手段と比較して、経年変化が小さく、初期性能が維持され易い。

円板蓋６は、従来の軸ばねにおいても装備されており、密閉室７にすべく、円板蓋６と外筒２とをシールするＯリング１１が追加されている。非圧縮性部材１２は無くても可であるから、従来の中空状の主軸１を用いる現行モデルを基本とした場合の最低限度の追加部品は栓１０とＯリング１１とで済む。また、新設計する等により、孔の無い中実断面の主軸１を有する構成では、Ｏリング１１のみを追加するだけで流体クッション機構９が装備された非線形特性を有する車両用軸ばねを経済的に構築できる利点がある。尚、円板蓋６の厚みや非圧縮性部材１２の量は可変設定可能であることから、図１においては、円板蓋６の下端線及び非圧縮性部材１２の上端線を仮想線で描いてある。

〔別実施例〕
密閉室７に封入する流体としては、エア以外（例：窒素ガス等の不活性ガス、圧縮性の液体）でも良い。また、閉塞部６としては、外筒２に一体形成された円板蓋でも良い。車両用軸ばねＡの姿勢としては、図１とは上下が反転されたものや、左右向きの軸心Ｐを有する横向き姿勢のものも可能である。

実施例１による軸ばねの構造を示す断面図 図１の車両用軸ばねの外筒下降移動量と反力荷重との関係グラフを示す図 鉄道台車に装備された従来の軸ばねを示す一部切欠きの側面図

符号の説明

１ 主軸
１ａ 主軸の外周面
１ｅ 中空部
２ 外筒
２ａ 外筒内周面
３ 弾性部
４ 弾性層
５ 硬質隔壁
６ 閉塞部
７ 密閉室
８ 流体（空気）
９ 流体クッション機構
１０ 栓
１２ 非圧縮性部材
Ａ 車両用軸ばね
Ｐ 軸心

Claims (5)

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、
   前記外筒の前記軸心方向における一端を閉塞してその閉塞部と前記主軸との間に密閉室を形成し、かつ、その密閉室に懸架用の流体を封入することで成る流体クッション機構が装備されている車両用軸ばね。
2. 前記流体が空気である請求項１に記載の車両用軸ばね。
3. 前記密閉室に所定量の非圧縮性部材が配備されている請求項１又は２に記載の車両用軸ばね。
4. 前記主軸の外周面、前記弾性部、及び前記外筒内周面それぞれの前記軸心に沿う方向での断面視形状が互いに同じ向きに揃えられたハ字状に形成され、かつ、前記弾性部が前記軸心に沿う方向においては前記主軸に対してその小径側に寄せて配置され、かつ、前記外筒が前記軸心に沿う方向においては前記弾性部に対してその小径側に寄せて配置される円錐積層ゴム構造に構成されている請求項１〜３の何れか一項に記載の車両用軸ばね。
5. 前記主軸が中空部を有する筒状に形成されるとともに、前記主軸の前記密閉室側端に前記中空部を閉塞させる栓が装備されている請求項１〜４の何れか一項に記載の車両用軸ばね。

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