JP2013018342A - 鉄道車両用軸箱支持装置 - Google Patents

Abstract

【課題】曲線通過性能を向上することが可能な鉄道車両用軸箱支持装置を提供する。
【解決手段】車軸を回転可能に保持する軸箱１との間で台車枠を支持するモノリンク式軸箱支持装置は、軸箱１の上面上に上下方向に連設されて台車枠の側ばり３の端部を支持するコイルばね６およびリング板状の防振ゴム７と、両端部にゴムブッシュ９ａ、９ｂを有し軸箱１と側ばり３に前後方向で連結される１本のリンク８と、側ばり３の左右方向の変位を制限するストッパ機構１４と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、鉄道車両台車の台車枠を軸箱との間で支持する鉄道車両用軸箱支持装置に関する。

鉄道車両用台車において、軸箱は軸受を内蔵し、車輪や大歯車が嵌め込まれた車軸をその軸受によって回転可能に保持する。この軸箱と台車枠を結合するために、軸箱支持装置は欠かせない。軸箱支持装置は、軸箱との間で台車枠を支持し、両者の間に作用する上下方向（鉛直方向）、左右方向（車両の幅方向）および前後方向（車両の進退方向）の各荷重を支えるサスペンション機能を持つ。この軸箱支持装置には、モノリンク式や軸はり式など様々な形式のものがある。

図１は、従来の軸箱支持装置の一例を示す図であり、同図（ａ）は平面図を、同図（ｂ）は正面図を、同図（ｃ）は側面図をそれぞれ示す。なお、同図では構成部材の一部を断面で示している。図１に示す従来の軸箱支持装置は、モノリンク式であり、例えば、特許文献１に記載されるように、軸箱１の上面上に配設されたコイルばね６およびロールゴム２０によって台車枠の側ばり３の端部を支持し、１本のリンク８によって軸箱１と側ばり３を前後方向で連結した構成である。

具体的には、軸箱１の上面には上下方向に支柱２が立設され、この支柱２にロールゴム受け内筒２１が嵌入されてボルトで固定されている。一方、側ばり３の端部にはばね帽部４が形成されており、このばね帽部４の内部にロールゴム受け内筒２１と同心状にロールゴム受け外筒２２が配設されている。これらのロールゴム受け内筒２１とロールゴム受け外筒２２との隙間に、筒状のロールゴム２０が嵌め込まれ、ばね帽部４内には、ロールゴム受け外筒２２を包囲してコイルばね６が配設されている。

ロールゴム受け外筒２２の外周からはフランジ部２３が突出し、軸箱１の支柱２にはフランジ状の軸ばね座２４が挿入されている。コイルばね６は、その上端がロールゴム受け外筒２２のフランジ部２３と接触し、その下端が軸箱１上の軸ばね座２４と接触しており、それらのロールゴム受け外筒２２と軸ばね座２４によって上端と下端を拘束されている。こうして、側ばり３の端部は、コイルばね６およびロールゴム２０によって支持される。

また、リンク８は、両端部にそれぞれ筒状のゴムブッシュ９ａ、９ｂを有する。側ばり３の中央寄りには支軸１０ａが設置され、その側ばり側の支軸１０ａと対向する軸箱１の側面に支軸１０ｂが設置されている。これらの支軸１０ａ、１０ｂがリンク８のゴムブッシュ９ａ、９ｂにそれぞれ嵌入され、これにより、軸箱１と側ばり３が前後方向でリンク８を介して連結される。

このような従来のモノリンク式軸箱支持装置では、上下方向の荷重は、コイルばね６とロールゴム２０によって支えられる。左右方向の荷重は、コイルばね６の水平剛性成分とロールゴム２０によって支えられる。前後方向の荷重は、リンク８のゴムブッシュ９ａ、９ｂによって支えられる。

ところで、軸箱支持装置が持つ上下、左右、前後の各方向のサスペンション機能のうち、左右方向および前後方向のサスペンション機能は、剛性が柔らかい方が曲線通過性能を向上させる。

しかし、図１に示す従来のモノリンク式軸箱支持装置では、ロールゴム２０が上下および左右の方向のサスペンション機能に関与するため、サスペンション機能の剛性は、左右方向で必要以上に硬くなり、曲線通過性能の向上が望めない。ロールゴム２０の剛性は、各方向で別個に設定するのは不可能であり、過大な荷重が作用する上下方向にあわせて高く設定せざるを得ないからである。

実開平６−２３８６４号公報

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、モノリンク式を前提とし、曲線通過性能を向上することが可能な鉄道車両用軸箱支持装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成するため、モノリンク式の軸箱支持装置を前提として、種々の解析を実施し鋭意検討を重ねた結果、下記（ａ）および（ｂ）の知見を得た。

（ａ）曲線通過性能を向上させるには、左右方向および前後方向のサスペンション機能の剛性を柔らかくする必要がある。これを実現するには、上下および左右の方向に関与するロールゴムを省略し、その代わりに、防振ゴムを、上下方向のみに関与させるようにコイルばねの上下方向に連設する構成とするのが有効である。左右方向のサスペンション機能の剛性をロールゴムの剛性の分低減できるからである。

（ｂ）上記（ａ）に示す構成を採用した場合、特に左右方向の剛性が柔らかくなることに起因し、側ばり（台車枠）が軸箱に対して左右方向に過大に変位し得る。これを防止するには、側ばりの左右方向の変位を制限するストッパ機構を備えるのが有効である。

本発明は、上記（ａ）および（ｂ）に示す知見に基づいて完成させたものであり、その要旨は、下記の鉄道車両用軸箱支持装置にある。すなわち、車軸を回転可能に保持する軸箱との間で台車枠を支持する鉄道車両用軸箱支持装置であって、前記軸箱の上面上に上下方向に連設されて前記台車枠の側ばりの端部を支持するコイルばねおよびリング状の防振ゴムと、両端部にゴムブッシュを有し前記軸箱と前記側ばりに前後方向で連結される１本のリンクと、前記側ばりの左右方向の変位を制限するストッパ機構と、を備えることを特徴とする鉄道車両用軸箱支持装置である。

この軸箱支持装置において、前記ストッパ機構は、前記軸箱に固定のストッパ部材と、前記側ばりに固定の被ストッパ部材とからなり、前記ストッパ部材と前記被ストッパ部材が互いに左右方向で隙間を隔てて対向配置されている構成とすることができる。この場合、前記被ストッパ部材が前記ストッパ部材を間に挟む一対からなることが好ましい。

また、上記の軸箱支持装置では、前記ストッパ部材および前記被ストッパ部材が外部に表出していることが好ましい。

本発明の鉄道車両用軸箱支持装置によれば、防振ゴムの剛性が左右方向のサスペンション機能に関与することなく、その方向の剛性が柔らかくなるため、曲線通過性能を向上することが可能になる。しかも、左右方向の剛性が柔らかくなることに起因して側ばりが左右方向に過大に変位するのを、ストッパ機構によって防止することができる。

従来の軸箱支持装置の一例を示す図であり、同図（ａ）は平面図を、同図（ｂ）は正面図を、同図（ｃ）は側面図をそれぞれ示す。 本発明の第１実施形態である軸箱支持装置の構成例を示す図であり、同図（ａ）は平面図を、同図（ｂ）は正面図を、同図（ｃ）は側面図をそれぞれ示す。 本発明の第２実施形態である軸箱支持装置の構成例を示す図であり、同図（ａ）は平面図を、同図（ｂ）は正面図を、同図（ｃ）は側面図をそれぞれ示す。 本発明の第３実施形態である軸箱支持装置の構成例を示す図であり、同図（ａ）は平面図を、同図（ｂ）は正面図を、同図（ｃ）は側面図をそれぞれ示す。 １軸外軌横圧の挙動を示す図である。 車輪の摩耗指標の挙動を示す図であり、同図（ａ）は１軸外軌フランジ摩耗指標の場合を、同図（ｂ）は２軸内軌踏面摩耗指標の場合をそれぞれ示す。

以下に、モノリンク式を前提とする本発明の鉄道車両用軸箱支持装置について、その実施形態を詳述する。

１．第１実施形態
図２は、本発明の第１実施形態である軸箱支持装置の構成例を示す図であり、同図（ａ）は平面図を、同図（ｂ）は正面図を、同図（ｃ）は側面図をそれぞれ示す。なお、同図では構成部材の一部を断面で示している。図２に示す第１実施形態の軸箱支持装置は、軸箱１の上面上に上下方向に連設されたコイルばね６およびリング板状の防振ゴム７によって台車枠の側ばり３の端部を支持し、１本のリンク８によって軸箱１と側ばり３を前後方向で連結し、さらに、ストッパ機構１４によって側ばり３と軸箱１との左右方向の相対変位を制限した構成である。

具体的には、軸箱１の上面には上下方向に支柱２が立設され、一方、側ばり３の端部にはばね帽部４が形成されている。ばね帽部４の上壁５には、軸箱１の支柱２の延長線上に穴が形成されており、この穴にフランジ状のコイルばね用内筒１１が嵌入されている。軸箱１の支柱２には、フランジ状の軸ばね座１２、防振ゴム７および加減板１３が順に挿入されており、防振ゴム７の上下面はそれぞれ加減板１３、軸ばね座１２と接触している。

ばね帽部４内には、支柱２を包囲してコイルばね６が配設されている。コイルばね６は、その上端がコイルばね用内筒１１の外側でばね帽部４の上壁５と接触し、その下端が防振ゴム７上の加減板１３と接触しており、これにより、コイルばね用内筒１１およびばね帽部４の上壁５によって上端を拘束され、加減板１３によって下端を拘束されている。こうして、側ばり３の端部は、上下方向に積み重ねたコイルばね６および防振ゴム７によって支持される。

また、リンク８は、両端部にそれぞれ筒状のゴムブッシュ９ａ、９ｂを有する。側ばり３の中央寄りには支軸１０ａが設置され、その側ばり側の支軸１０ａと対向する軸箱１の側面に支軸１０ｂが設置されている。これらの支軸１０ａ、１０ｂがリンク８のゴムブッシュ９ａ、９ｂにそれぞれ嵌入され、これにより、軸箱１と側ばり３が前後方向でリンク８を介して連結される。

このような構成の本発明のモノリンク式軸箱支持装置では、上下方向の荷重は、上下方向に連なるコイルばね６と防振ゴム７によって支えられる。左右方向の荷重は、その方向に沿って防振ゴム７が変形しないことから、コイルばね６の水平剛性成分によって支えられる。前後方向の荷重は、リンク８のゴムブッシュ９ａ、９ｂによって支えられる。

このため、本発明のモノリンク式軸箱支持装置は、前記図１に示す従来の軸箱支持装置と比較し、防振ゴム７の剛性が左右方向のサスペンション機能に関与することなく、それらの方向の剛性をロールゴム２０の剛性の分低減できるので、その方向の剛性が柔らかくなり、その結果として、曲線通過性能を向上することが可能になる。しかも、上下および左右の方向の荷重に関与するロールゴム２０を省略することができ、それに代わる防振ゴム７は上下方向の荷重のみに関与するだけなので、ばね帽部４内の構造を簡単できるという利点もある。

ただし、本発明のモノリンク式軸箱支持装置の場合、左右方向の剛性が柔らかくなることに起因し、曲線通過時の遠心力の大きさ次第で、側ばり３（台車枠）が軸箱１に対して左右方向に過大に変位し得る。そこで、側ばり３が左右方向に過大に変位するのを防止するために、ストッパ機構１４が必要となる。

ストッパ機構１４は、軸箱１に固定のストッパ部材１５と、側ばり３に固定の被ストッパ部材１６とからなり、ストッパ部材１５と被ストッパ部材１６が互いに左右方向で隙間を隔てて対向配置された構成である。

図２に示すように、第１実施形態におけるストッパ機構１４では、ストッパ部材１５および被ストッパ部材１６はいずれも板状である。ストッパ部材１５は、リンク８が連結される支軸１０ｂが設けられた軸箱１の側面と反対側の側面に取り付けられている。一方、被ストッパ部材１６は、ストッパ部材１５を間に挟む一対からなり、各々がストッパ部材１５と左右方向で隙間を隔てて対向するように、側ばり３のばね帽部４の側面に取り付けられている。ストッパ部材１５および被ストッパ部材１６はいずれも外部に表出している。

このような構成のストッパ機構１４によれば、曲線通過時に側ばり３が左右方向に過大に変位すると、ストッパ部材１５と被ストッパ部材１６が互いに当接し、それ以上の側ばり３の変位が制限される。これにより、側ばり３が左右方向に過大に変位するのを防止することができる。

また、第１実施形態におけるストッパ機構１４の場合、ストッパ部材１５が一対の被ストッパ部材１６の間に挟まれていることから、右側に位置する側ばり３の変位にも左側に位置する側ばり３の変位にも対応することができるという利点がある。さらに、ストッパ部材１５および被ストッパ部材１６が外部に表出しているので、それらが摩耗しても、それらの交換は、台車を分解することなく組み立てた状態で容易に行えるという利点もある。

ストッパ部材１５および被ストッパ部材１６としては、特に材質を限定しないが、炭素鋼、ステンレス鋼、すり板材、硬質ゴムなどを適用することができ、これらを組み合わせてもよい。

ストッパ部材１５と被ストッパ部材１６との隙間は、左右方向に荷重が作用した際にできるだけ変位を許容させるために、可能な限り大きくするのが好ましい。その隙間の値は、台車枠と軸箱（輪軸を含む）間に作用する機能部品（モータ、継手、ブレーキ、リンクのゴムブッシュなど）の許容変位内とする。

２．第２実施形態
図３は、本発明の第２実施形態である軸箱支持装置の構成例を示す図であり、同図（ａ）は平面図を、同図（ｂ）は正面図を、同図（ｃ）は側面図をそれぞれ示す。なお、同図でも構成部材の一部を断面で示している。図３に示す第２実施形態の軸箱支持装置は、前記図２に示す第１実施形態の軸箱支持装置と基本構成は同じであるが、ストッパ機構１４の配置構成が相違する。

すなわち、図３に示すように、第２実施形態におけるストッパ機構１４では、ストッパ部材１５は、軸箱１の左右方向の外側となる正面から上方に延び出すように軸箱１に取り付けられている。一方、被ストッパ部材１６は、ストッパ部材１５と左右方向で隙間を隔てて対向するように、側ばり３のばね帽部４の正面に取り付けられている。この第２実施形態でも、ストッパ部材１５および被ストッパ部材１６はいずれも外部に表出している。

このような構成のストッパ機構１４によっても、第１実施形態と同様に、ストッパ部材１５と被ストッパ部材１６との当接により、側ばり３が左右方向に過大に変位するのを防止することができる。もっとも、第２実施形態におけるストッパ機構１４の場合、１つの軸箱支持装置のみでは、左右方向のうちの一方向の変位しか制限することができないが、台車枠の左右の側ばりをそれぞれ左右対称で支持する２つの軸箱支持装置によって、左右両方向の変位を制限することができるため、支障はない。

また、第２実施形態におけるストッパ機構１４の場合も、第１実施形態と同様に、ストッパ部材１５および被ストッパ部材１６が外部に表出しているので、それらの交換は容易に行える。

３．第３実施形態
図４は、本発明の第３実施形態である軸箱支持装置の構成例を示す図であり、同図（ａ）は平面図を、同図（ｂ）は正面図を、同図（ｃ）は側面図をそれぞれ示す。なお、同図でも構成部材の一部を断面で示している。図４に示す第３実施形態の軸箱支持装置は、前記図２に示す第１実施形態の軸箱支持装置と基本構成は同じであるが、ストッパ機構１４の配置構成が相違する。

すなわち、図４に示すように、第３実施形態におけるストッパ機構１４では、ストッパ部材１５は角筒状であり、側ばり３のばね帽部４内で軸箱１の支柱２に嵌入されて取り付けられている。一方、被ストッパ部材１６は、ばね帽部４内でストッパ部材１５と左右方向で隙間を隔てて対向する一対の平面を有するものであり、ばね帽部４の上壁５の穴に嵌入されたコイルばね用内筒１１がそれを兼ねている。この第３実施形態では、ストッパ部材１５および被ストッパ部材１６はいずれもばね帽部４内に収容されている。

このような構成のストッパ機構によっても、第１実施形態と同様に、ストッパ部材１５と被ストッパ部材１６との当接により、側ばり３が左右方向に過大に変位するのを防止することができる。

また、第３実施形態におけるストッパ機構１４の場合、ストッパ部材１５および被ストッパ部材１６がばね帽部４内に収容されていることから、それらの交換の作業性には前述の第１、第２実施形態と比較して不利であるが、装置全体のコンパクト化を実現できる点で有利である。

本発明の軸箱支持装置装置の効果を確認するため、近郊通勤車両がＲ２００［ｍ］の曲線軌道を時速４５［ｋｍ／ｈ］で走行する状況を想定し、数値解析を用いてシミュレーションを実施し、曲線通過性能を評価した。その際、本発明例として前記図２に示す第１実施形態の軸箱支持装置の構成を採用し、比較例として前記図１に示す従来の軸箱支持装置の構成を採用した。

曲線通過性能は、鉄道車両台車の先頭輪軸（第１軸）における外軌側車輪に作用する横圧、いわゆる１軸外軌横圧で評価した。これと合わせ、車輪の摩耗指標でも評価した。摩耗指標としては、Ｈｅｕｍａｎｎの摩耗指標に準じ、第１軸における外軌側車輪のフランジでの摩耗指標、いわゆる１軸外軌フランジ摩耗指標を採用するとともに、Ｅｌｋｉｎｓ＆Ｅｉｃｈｏｆｆの摩耗指標に準じ、第２軸における内軌側車輪の踏面での摩耗指標、いわゆる２軸内軌踏面摩耗指標を採用した。

それらの結果を下記の図５および図６に示し、下記の表１にまとめる。

図５は、１軸外軌横圧の挙動を示す図である。図６は、車輪の摩耗指標の挙動を示す図であり、同図（ａ）は１軸外軌フランジ摩耗指標の場合を、同図（ｂ）は２軸内軌踏面摩耗指標の場合をそれぞれ示す。

図５および表１に示す結果から、本発明例は、１軸外軌横圧が比較例よりも低減することがわかる。また、図６および表１に示す結果から、本発明例は、摩耗指標が比較例よりも低減し、特に２軸内軌踏面摩耗指標の低減が著しいことがわかる。摩耗指標の低減は、車輪の曲線部に発生する波状摩耗の低減につながるため、１軸外軌横圧の低減とあいまって、本発明の軸箱支持装置は、曲線通過性能が向上することが明らかとなる。

以上の曲線通過性能の評価に加え、左右方向の剛性の柔軟化に伴う高速安定性への影響に関し、上記の本発明例および比較例ごとに、数値解析を用いてシミュレーションを実施し、蛇行動限界速度を調査した。結果を下記の表２に示す。

表２に示す結果から、本発明例の蛇行動限界速度は、比較例と同等であることがわかる。したがって、本発明の軸箱支持装置は、高速安定性が既存ものと変わらず、直線での走行性能においても十分であることが明らかとなる。

その他、本発明は上記の各実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。例えば、上記の第１実施形態では、側ばり３に固定の被ストッパ部材１６を一対とし、この一対の被ストッパ部材１６によって軸箱１に固定のストッパ部材１５を間に挟む構成を採用しているが、これとは逆に、軸箱１に固定のストッパ部材１５を一対とし、この一対のストッパ部材１５によって側ばり３に固定の被ストッパ部材１６を間に挟む構成を採用しても構わない。また、上記の実施形態では、防振ゴム７の上にコイルばね６を積み重ねた構成を採用しているが、これとは上下逆に、コイルばね６の上に防振ゴム７を積み重ねた構成を採用することもできる。また、コイルばね６、防振ゴム７、軸ばね座１２および加減板１３の配置の順序に限定はない。

本発明の鉄道車両用軸箱支持装置は、曲線通過性能を向上することができるので、あらゆる鉄道車両に有用である。

１：軸箱、 ２：支柱、 ３：台車枠の側ばり、 ４：台車枠のばね帽部、
５：上壁、 ６：コイルばね、 ７：防振ゴム、 ８：リンク、
９ａ、９ｂ：ゴムブッシュ、 １０ａ、１０ｂ：支軸、
１１：コイルばね用内筒、 １２：軸ばね座、 １３：加減板、
１４：ストッパ機構、 １５：ストッパ部材、 １６：被ストッパ部材

Claims (4)

1. 車軸を回転可能に保持する軸箱との間で台車枠を支持する鉄道車両用軸箱支持装置であって、
   前記軸箱の上面上に上下方向に連設されて前記台車枠の側ばりの端部を支持するコイルばねおよびリング状の防振ゴムと、
   両端部にゴムブッシュを有し前記軸箱と前記側ばりに前後方向で連結される１本のリンクと、
   前記側ばりの左右方向の変位を制限するストッパ機構と、を備えることを特徴とする鉄道車両用軸箱支持装置。
2. 前記ストッパ機構は、前記軸箱に固定のストッパ部材と、前記側ばりに固定の被ストッパ部材とからなり、前記ストッパ部材と前記被ストッパ部材が互いに左右方向で隙間を隔てて対向配置されていることを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用軸箱支持装置。
3. 前記被ストッパ部材が前記ストッパ部材を間に挟む一対からなることを特徴とする請求項２に記載の鉄道車両用軸箱支持装置。
4. 前記ストッパ部材および前記被ストッパ部材が外部に表出していることを特徴とする請求項２または３に記載の鉄道車両用軸箱支持装置。

Images