JP2009222197A - 空気ばね - Google Patents

Abstract

【課題】空気ばねのデフレート対策用のストッパゴム等を配設してなお、空気ばねの高さを十分低く抑えることができ、鉄道車両の低床化等を容易にすることができる空気ばねを提供する。
【解決手段】上面板１および下面板２のそれぞれに、ゴムベローズ３のそれぞれの端部分を気密に連結することによって区画した気室８内に加圧気体を充填封入してなるものであって、前記気室８内で、上面板１と、この上面板１に対して接近および離隔変位可能な可動プレート９との間に、ストッパゴム１０を、上下方向の予圧縮状態で配設してなる。
【選択図】図１

Description

この発明は、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することによって区画した気室内に加圧気体を充填封入してなる、鉄道車両用台車に適用して好適な空気ばねに関するものであり、とくには、空気ばねがパンク等によってデフレートされてなお、車両への一定の乗心地を確保しつつ、車両の比較的高速での走行を可能とした、高さ寸法を十分小さく抑えることができる空気ばねを提案するものである。

この種の空気ばねにあって、デフレート時の車両の安全走行を確保できるとする従来技術としては、特許文献１に開示されているように、筒状可撓膜体の内部に、デフレート時に上面板を支持する、ばね性のある内部ストッパを設け、この内部ストッパの一部を、下面板を支える積層ゴムの内部空間内に入り込ませ、さらに、内部ストッパを予備圧縮して空気ばねの全高を低くし、これにより、ばね定数が小さくて実質高さの高い内部ストッパの使用を可能として、デフレート時の空気ばねの剛性増加を抑える、とするものがある。

また、デフレート時に非線形のばね特性を持たせて乗心地性を良好にすることを目的とする従来技術としては、特許文献２に開示されているように、上面板と下面板との間に、内部に空気室を形成する筒状可撓膜体を介在させ、この筒状可撓膜体の内部には、低ばね定数の第１のストッパゴムと、第１のストッパゴムの軸方向の撓みを制限する高ばね定数の第２のストッパゴムとを設け、これにより、デフレート状態になったとしても、ボルスター付き台車およびボルスタレス台車のいずれであっても、暫時ばね定数が増加する非線形のばね特性を発揮し、乗心地性への影響を小さくし、車体の沈下量を制限して安全な走行が可能となる、とするものがある。
特開２００２−２０６５８２号公報 特開２００６−１０５２４４号公報

しかるに、これらの従来技術はいずれも、空気ばねの下面板側に、内部ストッパ等のストッパゴムを配設することとしていて、ストッパゴムの配設のための平面スペースが比較的狭いことから、所要のばね特性の実現のために必要となる体積のストッパゴムを配設するためには、ストッパゴムの上下方向の大型化が不可避となり、それ故に、空気ばねの上下寸法の低減、ひいては、空気ばねを取り付けた車両の低床化等が困難であるという問題があり、このことは、ストッパゴムを予圧縮するための機構部を、限られたスペース内に設ける場合に一層重大であり、この場合は、ストッパゴムの配設域の狭小化に起因して、空気ばねの全体高さがより高くなるという問題があった。

この発明は、従来技術の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、空気ばねのデフレート対策用のストッパゴム等を配設してなお、空気ばねの高さを十分低く抑えることができ、鉄道車両の低床化等を容易にすることができる空気ばねを提供するにある。

この発明は、空気ばねの上下のそれぞれの面板を相互に対比すると、上面板の方が空気ばねの気室に臨む表面積が大きく、従って、ストッパゴム等を配設するに当っては、下面板よりも上面板に対して配設する方がより広範囲にわたって配設できるという点に着目した結果としてなされたものであり、この発明の空気ばねは、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することによって区画した気室内に、加圧された、空気、窒素ガスその他の不活性ガス等の気体を充填封入してなるものであって、その気室内で、上面板と、この上面板に対して接近および離隔変位可能な可動プレートとの間に、たとえば、上面板および可動プレートの少なくとも一方に固着させた、または、それらのいずれにも固着されていないストッパゴムを、上下方向の予圧縮状態で配設してなるものである。

ここで好ましくは、上面板と可動プレートとの間に、たとえば、それらのいずれかに固着等された、予圧縮されていない他のストッパゴムを、予圧縮された前記ストッパゴムと並列に配設する。
そしてこの場合は、他のストッパゴムを、それと、可動プレートもしくは上面板との間に所要の間隔をおいて配設することが好ましい。

また好ましくは、可動プレートを、たとえば、可動プレートに貫通して、それの上下方向の変位を案内する複数本の抜け止めガイドピンにて上面板に取付ける。
そして、この抜け止めガイドピンは、ボルト、たとえば、可動プレートへの、ねじ山部での接触を防止したボルトによって構成することもできる。

ところで、以上のような空気ばねには、下面板の下方側に、環状のゴム板と環状剛性板との、所要の枚数の交互の水平積層構造になる積層ゴムを付設することもできる。

この発明の空気ばねでは、気室内で、気室に臨む面積の大きい上面板と可動プレートとの間に、ストッパゴムを配設することで、所要の体積のストッパゴムを、より広い範囲にわたって設けることができるので、ストッパゴムの高さ寸法、ひいては、空気ばねの高さを従来技術に比して有効に低減させることができ、この結果として、空気ばねを適用した車両の低床化を容易に実現することができる。

またここでは、ストッパゴムを上下方向の予圧縮状態で配設して、ストッパゴムそれ自身の上下方向高さを所要に応じて減じることにより、空気ばねの正常状態の下での、その空気ばねの所要の伸縮変形を、十分円滑に行わせて、所期した通りのばね機能を発揮させることができる。

この一方で、空気ばねの、パンク等に起因するデフレート状態の下では、予圧縮されたストッパゴムは、可動プレートを介して下面板に当接することになり、そして、上面板に作用する垂直荷重の大きさに応じて、その可動プレートの、上面板への近接変位の下で圧縮されて、比較的小さいばね定数の下で変形されるので、車両への一定の乗心地を確保しつつ、車両の、比較的高速での走行を可能とすることができる。
なおこの場合、ストッパゴムのばね定数は、予圧縮量に相当する分だけ大きくなることはもちろんである。

このような空気ばねにおいて、上面板と可動プレートとの間に、予圧縮されていない他のストッパゴムを、前記ストッパゴムと並列に配設したときは、予圧縮されたストッパゴムと、他のストッパゴムの両者が、可動プレートを介して同時に圧縮変形される場合、それぞれのストッパゴムのばね定数の加算値になる大きなばね定数の下で、弾性機能を発揮することができるので、空気ばねのデフレート状態での、とくに大きな垂直荷重の作用に対し、車両への乗心地を確保しつつ、車体の高さ変化を十分小さく抑えることができる。

そしてこの場合にあって、一方のストッパゴムの予圧縮状態の下で、他のストッパゴムを、たとえば、それと可動プレートとの間に所定の間隔をおいて配設したときは、空気ばねのデフレート状態で、予圧縮ストッパゴムが、その所定の間隔分だけ圧縮変形された後に、その予圧縮ストッパゴムと、他のストッパゴムとの同時の圧縮変形が行われることになるので、予圧縮ストッパゴムの変形当初は柔らかく、他のストッパゴムの変形の開始時から硬くなる非線形ばね特性をもたらすことができる。
従ってこの場合は、可動プレートが他のストッパゴムに当接するまでの間隔を適宜選択することで、所要の非線形ばね特性を容易に実現することができる。

またここで、可動プレートを、たとえば、可動プレートに貫通してそれの上下方向の変位を案内する複数本の抜け止めピンによって上面板に取付けるときは、一方のストッパゴムに対する予圧縮機構および、可動プレートの変位案内機構をともに簡単な構造として、ストッパゴムの配設のための平面スペースを一層広く確保することができるので、所要の体積のストッパゴムを、広い面積にわたってより低い高さで配設することが可能となる。

そして、前記抜け止めガイドピンをボルトとしたときは、ストッパゴムの所定の予圧縮と、可動プレートの変位案内とのそれぞれを、ボルトの所定量の締め込みによって、極めて簡単に、かつ容易に実現することができる。

さらに、下面板の下方側に、平面輪郭形状が円形、多角形等をなす環状のゴム板と、同様の環状剛性板との交互の水平積層構造になる積層ゴムを付設したときは、空気ばねがインフレート状態にあると、デフレート状態にあるとの別なく、水平荷重に対して、積層ゴムを、柔かいばね特性の下で弾性変形させることができるので、車両の走行性能を有効に高めることができる。
しかもここでは、ストッパゴムを、気室内で上面板側に配設することにより、積層ゴムそれ自体は、設計上の何の制約を受けることもないので、積層ゴムは、従来から使用されている設計通りのものをそのまま使用することができる。

図１はこの発明の実施の形態を、空気ばねの常態姿勢、すなわち、鉄道車両の車体側の所定荷重を、規定の高さで支持した姿勢で示す縦断面図であり、図中１は上面板を、２は下面板をそれぞれ示し、そして３は、ともに水平姿勢としたそれらの面板１，２に、図では上下のそれぞれの端部分をともに気密に連結した筒状膜体、ここでは、補強層を埋設した、実質的に伸縮変形しないゴムベローズを示す。

図示のこのゴムベローズ３のそれぞれの端部分は、たとえば、リング状をなすビードコア等の芯体４ａ，４ｂを埋設したそれぞれのビード部５ａ，５ｂを、上下の面板１，２のそれぞれの嵌合部に、ベローズ内に充填封入される、空気、窒素ガスその他の不活性ガス等の圧力によって押圧して、それらの面板１，２に気密に連結するセルフシール構造の下で、上下の面板１，２に取付けることができ、このセルフシール構造によれば、ボルト・ナット等の連結ないしは緊締手段が不要になることから、ゴムベローズ３の、上下の面板１，２に対する脱着を伴う、そのベローズ３のメンテナンス、交換等の作業を十分容易ならしめることができる。

また、この図に示すところでは、上述したような構成を具える空気ばね６の下面板２の下面に、図に仮想線で示すように、円形、角形等の所要の平面形状を有する環状のゴム板と、同様の環状剛性板との、所要枚数の交互の水平積層構造になる積層ゴム７を付設し、そして、図示しない補助タンクに連通される、この積層ゴム７の中央貫通穴７ａに、下面板２に設けた気体流路２ａの絞り部２ｂを開口させる。
また、上面板１に設けた、車体側への取付けボス１ａには、車体側の図示しない気体供給手段に連通される気体流路１ｂを設ける。

そしてさらに、この空気ばね６では、上下の面板１，２と、ゴムベローズ３とで区画されて、所定の圧力の気体を充填封入される気室８内で、上面板１と、この上面板１に対して接近および離隔変位可能な可動プレート９との間に、それらの少なくとも一方に固着等させることを可とする環状のストッパゴム１０を、上下方向の予圧縮状態で配設し、その可動プレート９と、下面板２との間に、空気ばね６の、軸線方向収縮変位に必要の間隔Ｃを確保する。

ここで、ストッパゴム１０のこの予圧縮は、たとえば、図に仮想線で例示するような自由長さを有するストッパゴム１０に対し、可動プレート９の周縁部分を、複数本、ボルト等とすることができる抜け止めガイドピン１１をもって、所定量締め込むこと等によって実現することができる。

ところで、ボルトを抜け止めガイドピン１１として用いる場合は、ボルトの頭部をもって可動プレート９の抜け止めを、そして首部をもって、可動プレート９の、上面板１に対する接近および離隔変位のガイドをそれぞれ司ることができる。
従って、可動プレート９の変位をガイドする首部部分にはねじ山部を設けないこと、または、そのガイドを司る首部部分に存在するねじ山を、たとえば、スペーサを兼ねるスリーブ等によってカバーして、可動プレート９を、そのスリーブ等の上で変位させることなどが、可動プレート９の円滑なる変位を担保する上で好ましい。

またこの空気ばね６では、可動プレート９の、ストッパゴム１０の予圧縮部分の外周側でのステップアップ部分９ａと上面板１との間に、ストッパゴム１０より大径の、予圧縮されていない他のストッパゴム１２を、上面板１もしくはステップアップ部分９ａへの固着下で、ステップアップ部分９ａもしくは上面板１との間、図ではステップアップ部分９ａとの間に所要の間隔８をおいて、前記ストッパゴム１０と並列に配設する。

ストッパゴム１０，１２をこのように配設するときは、上面板１が、下面板２に比して、気室８に臨む面積が大きいことに加え、可動プレート９によるストッパゴム１０の予圧縮および、可動プレート９の変位ガイドを、簡単な構造の下で小型に構成できることにより、ストッパゴム１０，１２をより広い面積にわたって配設することが可能となり、この結果として、所要の体積のストリップゴムの、上下方向の高さを十分低く設定することができる。
これにより、空気ばねを適用した車両の低床化を容易に実現することができる。

以上のように構成してなる空気ばね６は、気室８内に所要の気体を所要の圧力で充填封入した状態の下では、空気ばね６に作用する垂直荷重の増加に対し、間隔Ｃ内で収縮変形して、その垂直荷重を、空気ばね６に固有のばね特性の下で弾性的に支持することができる。

この一方で、ゴムベローズ３の損傷等によって、空気ばね６がデフレート状態となったときは、封入気体の洩出に起因して、予圧縮された環状のストッパゴム１０が可動プレート９を介して下面板２に当接することになり、上面板１に作用する垂直荷重の大きさに応じて、予圧縮されているストッパゴム１０は、可動プレート９の、抜け止めガイドピン１１の案内下での、上面板１側への近接変位に基いて徐々に圧縮変形されることになる。

この場合、たとえば、予圧縮されていない他のストッパゴム１２と、可動プレート９のステップアップ部分９ａとの間に、間隔δを設定したときは、可動プレート９が、この間隔δに相当する量だけ上面板１に近接変位するまでの間は、予圧縮されたストッパゴム１０だけが圧縮変形されることになり、このときのばね定数は、図２に実線Ａで例示するようになり、比較的柔かいばね特性が得られることになる。
従って、この範囲の垂直荷重の作用に対しては、車両への一定の乗心地を確保しつつ、車両の、比較的高速での走行を可能とすることができる。

この一方で、より大きな垂直荷重の作用下で、予圧縮されたストッパゴム１０の圧縮変形の継続によって間隔δが消滅した後は、下面板２に当接した可動プレート９が、ストッパゴム１０と併せて、他のストッパゴム１２をもまた圧縮変形させることになる。
そして、この場合の圧縮力の入力に対しては、両ストッパゴム１０，１２は、ばねの並列配置構造となることから、その後のばね定数は、それぞれのストッパゴム１０，１２のばね定数の加算値として、図２に実線Ｂで例示するような大きな傾き線分として顕在化されることになり、硬いばね特性が得られることになる。
従って、車両への大きな垂直荷重の作用に対しては、全体としてすぐれた乗心地を確保しつつ、車体の余剰の沈み込みに起因する車高の大きな変化を有効に防止することができる。

またここで、空気ばね６に、図１に仮想線で示すような積層ゴム７を付設したときはゴムベローズ３の正常時には、積層ゴムそれ自体は、設計寸法等に対する何の制約も受けることなしに、水平荷重の作用に対し、空気ばね６とともに、所期した通りに水平変形して、すぐれた乗心地と、高速走行性とを十分に実現することができる。

これに対し、空気ばね６のデフレート状態での、上面板１への垂直荷重の作用下での水平荷重の入力は、可動プレート９が下面板１に設けた、ポリテトラフロオロエチレン等からなる摺動シート１３に摺動することに基く、上下の面板１，２の相対水平変位と、ゴムベローズ３を介して下面板２に入力される水平荷重に起因する積層ゴム７の所定の剪断方向変形とによって、これもまた柔らかいばね特性の下で支持されることになる。
従って、水平荷重の入力に対しては、空気ばね６のインフレート状態、デフレート状態のいかんを問わず、すぐれた乗心地および、高速走行性能を十分に確保することができる。

この発明の実施の形態を示す縦断面図である。 空気ばねのデフレート状態での、垂直荷重によるストッパゴムの変形量に対するばね定数の変化例を示すグラフである。

符号の説明

１ 上面板
２ 下面板
３ ゴムベローズ
６ 空気ばね
７ 積層ゴム
８ 気室
９ 可動プレート
１０ 予圧縮ストッパゴム
１１ 抜け止めガイドピン
１２ 他のストッパゴム
１３ 摺動シート

Claims (6)

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することによって区画した気室内に加圧気体を充填封入してなる空気ばねであって、
   前記気室内で、上面板と、この上面板に対して接近および離隔変位可能な可動プレートとの間に、ストッパゴムを、上下方向の予圧縮状態で配設してなる空気ばね。
2. 上面板と可動プレートとの間に、予圧縮されていない他のストッパゴムを、前記ストッパゴムと並列に配設してなる請求項１に記載の空気ばね。
3. 他のストッパゴムを、それと、可動プレートもしくは上面板との間に所要の間隔をおいて配設してなる請求項２に記載の空気ばね。
4. 可動プレートを、それの上下方向の変位を案内する複数本の抜け止めガイドピンで上面板に取付けてなる請求項１〜３のいずれかに記載の空気ばね。
5. 抜け止めガイドピンをボルトにて構成してなる請求項４に記載の空気ばね。
6. 下面板の下方側に、環状ゴム板と環状剛性板との交互の積層構造になる積層ゴムを付設してなる請求項１〜５のいずれかに記載の空気ばね。

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