JP2015051677A - 鉄道車両用台車 - Google Patents

Abstract

【課題】軸梁式の鉄道車両用台車において、リンクなど複雑な機構を付加することなく、台車枠と軸箱体間で相対上下変位が発生しても、軸ばねの上端と下端の平行度を維持して、軸ばね抉りを効果的に抑制し、水平方向と鉛直方向の弾性支持系を独立して最適値にチューニングできるようにする。【解決手段】軸箱体２と台車枠３との間を軸ばね５により上下方向に弾性支持する軸梁式の鉄道車両用台車において、軸ばね５の軸ばね座６の下面と、軸箱体２との間に弾性体８を介在させる。弾性体８の前後両側部を中央部に対し厚くして弾性係数を小さくすることにより、台車枠３と軸箱体２との間で相対上下変位が発生したとき、軸ばね座下面と軸箱体との間のピッチ方向の剛性を小さくすることによりピッチ方向の回転自由度を与えることで、軸ばねの中心軸を湾曲させる軸ばね抉りモーメントを減少し、軸ばね５の上端と下端の平行度を維持する。【選択図】図２

Description

本発明は、特に、軸箱体と台車枠との間を軸ばねにより弾性支持する軸梁式の鉄道車両用台車に関する。

図８に一般的な軸梁式の鉄道車両用台車の側面図を示す。
鉄道車両用台車では、輪軸３６を回転自由に保持した軸箱体３１と、台車枠との間を、前後・左右・上下方向に弾性支持している。軸箱体３１を台車枠３３に弾性支持する方式には、後述する軸梁式軸箱指示方式を含めて複数の支持方式がある。

軸梁式軸箱支持方式の台車(以下、軸梁式台車または台車）では、軸箱体３１と台車枠３３との間を、軸箱体上部に配置した軸ばね３４により上下方向を弾性支持する。そして、軸梁腕３５と台車枠３３との連結部に配置した軸梁ゴム３７と、軸ばね３４の水平方向の剛性により前後・左右方向を弾性支持する。このような支持構造により、軸箱体３１は、軸梁ゴム３７の部位を回転中心として軸梁腕３５が旋回することによって軸箱３１が上下方向に変位する構成となっている。

上記の軸梁式台車では、軌道不整などによって輪軸３６が上下方向に変位するとき、軸箱体３１は、軸梁ゴム３７の部位を旋回中心、軸梁腕３５を旋回半径として旋回するとともに上下方向に変位する。軸箱体３１の上下変位（台車枠３３と軸箱体３１との間に相対上下変位）に伴い、軸箱体３１の上面はレール上面に対して傾斜しながら、軸ばね３４は鉛直方向に圧縮されたり引っ張られたりして撓む。
この時、軸ばね３４の上面は台車枠３３に押圧されているため、ほぼレール上面に対して平行を維持するが、軸箱体３１の上面に押圧されている軸ばね３４の下面は軸箱体３１の傾斜に合わせて傾く。このため、軸ばね３４は、その上面はレール上面に対してほぼ平行であるが、その下面はレール上面に対して傾斜するため、軸ばね３４に、その中心軸を湾曲させる、いわゆる軸ばね抉り（こじり）が発生するとともに、軸梁腕３５に軸ばね抉りを解消しようとする水平方向の成分を有す反力が生じる。

また、軸箱体３１が、軸梁ゴム３７の部位を旋回中心、軸梁腕３５を旋回半径として旋回するとともに上下方向に変位する時、軸箱体３１はレール方向にも変位するため、軸ばね３４の上面と下面との間に前後方向（レール方向）の変位が生じるため、軸ばね３４はこの前後変位に伴い生じるせん断力を解消しようとして前後力（水平方向の反力）が生じる。

一般的に、弾性支持による懸架を行う場合、上下方向と水平方向とが非連成であることを前提に独立して弾性支持系を設計する。
ところが、上述のように、軸梁式台車では、台車枠３３と軸箱体３１との間に鉛直方向の相対上下変位が発生した時に、軸ばね３４はその中心軸が湾曲したり、ばね３４の上面と下面とが前後（レール）方向にせん断変形したりするため、軸ばね３４には水平方向の成分を有する反力が生じる。このため、本来、上下方向の荷重のみを扱うことを期待される軸ばね３４は、水平方向の荷重を生じさせてしまう。
このように軸梁式台車では、上下方向と水平方向の挙動が連成してしまうため、水平方向と上下方向の弾性支持系を設計する際、台車枠３３と軸箱体３１間の弾性支持剛性に関して、非連成を前提に、水平方向と上下方向の弾性支持系を独立することができない。

このように、水平方向と上下方向の弾性支持系が相互に影響を及ぼすため、前後・左右・上下方向のチューニングを独立して個別に行うことができず、一方向のチューニングが他方向のチューニングに干渉するため、各方向の支持剛性を目標値に設計することがきわめて困難なものになってしまう。
これらの課題は、軸梁式軸箱支持方式の台車において、台車枠と軸箱体との間に相対上下変位が発生した際、軸箱体が傾くことによって、軸ばねがその中心軸に湾曲するとともに軸ばねの上面と下面との間にせん断変形が生じることが要因となる。

そこで、下記特許文献１には、台車枠と軸箱体間に、両端にゴムブッシュを与えたリンクを軸箱体の上部、下部からレール方向に２本ほぼ平行に台車枠方向に延ばして、双方を弾性支持することが開示されている。

特開２０１１−３７３３５号公報

特許文献１に示される軸箱支持装置では、それぞれの両端の連結部に弾性体を装着したリンクを、台車の側面から見てほぼ水平でかつ平行に配置する構成となっている。
かかる構成により、台車枠と軸箱体間に相対上下変位が発生時にも、両端の連結部の弾性体が抉り方向に変形するため、軸箱体そのものは車軸周りに回転させないことを狙っている。

しかし、この軸箱支持装置には、次のような問題がある。
（１）２本のリンクを軸箱体と台車枠との間に配置させるため、軸箱体と台車枠にリンク受けが２箇所必要となり、構造が複雑となるだけでなく、部品点数も増え、それに伴い台車の質量増を招く可能性がある。
（２）台車枠と軸箱体間の前後方向の弾性支持高さは、通常の台車では輪軸と同じ高さとなっているのに対して、２本のリンクを、軸箱体と台車枠との間に、上下方向に異なる高さで配置させる構成となっているため、前後方向の発生力が、輪軸中心部を通らないことになり、軸箱支持剛性に関して、前後方向のチューニングが困難となる可能性がある。

そこで、本発明の目的は、リンクなど複雑な機構を付加することなく、台車枠と軸箱体間で相対上下変位が発生しても、軸ばねの上端と下端の平行度を維持して、軸ばね抉りを効果的に抑制することにより、水平方向と鉛直方向の弾性支持系を独立して最適値にチューニングできるようにすることにある。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、本発明の鉄道車両用台車は、軸箱体と台車枠との間を軸ばねにより上下方向に弾性支持する軸梁式の鉄道車両用台車において、前記軸ばねの軸ばね座下面と前記軸箱体との間に弾性体を介在させ、前記台車枠と前記軸箱体間で相対上下変位が発生したとき、軸ばね座下面と軸箱体との間のピッチ剛性を小さくして前記軸ばねの上端と下端の平行度を維持するようにした。

本発明の鉄道車両によれば、次のような効果を奏することができる。
（１）軸ばねの軸ばね座下面と軸箱体との間に弾性体を介在させ、台車枠と軸箱体間で発生する相対上下変位に対し、軸ばね座下面と軸箱体との間のピッチ剛性を小さくしてピッチ方向の回転自由度を与えることで軸ばねの上端と下端の平行度を維持するようにしたので、軸箱体の車軸周りの回転を抑制し、軸ばねの上端と下端の平行度を維持して、軸ばね抉りを効果的に抑制することができる。
（２）軸ばね抉りを抑制できることより、軸梁の強度設計条件を緩和でき、軸梁を軽量化できる。
また、リンクなどの複雑な機構を付加する必要もないので、従来の軸梁式台車よりも台車質量を低減できる。
（３）軸ばね抉りが抑制されることで、台車枠と軸箱体間の弾性支持に関して、上下方向は軸ばねの鉛直方向のばね特性、水平方向は軸梁ゴムのばね特性と、水平・上下方向の弾性支持の機能を分けることができるため、各方向の支持剛性のチューニングが容易となる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

図１は、本発明の第１実施例の鉄道車両の側面図である。 図２は、本発明の第１実施例の軸箱支持装置の側面図である。 図３は、図２のＡ−Ａ断面図である。 図４は、台車枠と軸箱体との間で相対上下変位ΔＺが発生した場合の動きを示す図である。 図５は、実施例１の軸箱支持装置の別形状である。 図６は、実施例２の軸箱支持装置の側面図である。 図７は、図６のＢ−Ｂ断面図である。 図８は、従来の軸梁式台車の側面図である。

以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。

［実施例１］
以下に本発明の実施例１を図１〜図３に基づいて説明する。
図１において、本実施例の鉄道車両用の台車は、台車枠３、軸箱支持装置、輪軸１、空気ばね３０により主に構成される。輪軸１は軸箱体２に対して、回転可能に保持されている。軸箱体２と台車枠３の間は軸箱支持装置により、車体４と台車枠３の間は空気ばね３０により弾性支持されている。

図２の側面図を用いて、軸箱支持装置の主要な構成要素を説明する。
軸箱支持装置は、台車枠３に対し軸箱体２を弾性支持するもので、本実施例では、主として、軸ばね５、下端側の軸ばね座６、上端側の軸ばね座７、弾性部材８、軸梁ゴム１４、軸梁腕１５により構成される。弾性部材８は、弾性体１２の下部に備えられる第１金属部材１１と、弾性体１２の上部に備えられる第２金属部材１３と、から構成される。
軸箱体２は軸受けを介して輪軸１を回転自由に保持しており、レール方向の台車中心（図２では左方）に向かって延びた軸梁腕１５が一体成形されており、その先端部が軸梁ゴム１４を介して、台車枠３に設けられた軸梁腕受１６に弾性支持される。

軸箱体２の側面には、軸箱体２の中心部からレール方向両端面側（図２における左右端面側）に向かって下降する傾斜面１８が設けてあり、弾性部材８の下面（第１金属部材１１）に設けている傾斜面と当接する構成となっている。
軸箱体２と台車枠３との間には、鉛直方向に、弾性部材８を配置しており、図３の軸箱体２のＡ−Ａ断面図に示すように、軸箱体２の上面に設けられた４箇所の穴に、弾性部材８の下面に接着された第１金属部材１１に形成された突起１７を挿入することで、前後方向に固定している。ここで軸箱体２に設ける穴は、４個に限らず、さまざま個数を選択することができる。

また、弾性部材８を構成する第２金属部材１２と弾性体１１の中央部付近に形成された穴に、軸ばね座６下面の突起３１を挿入する構成となっている。このため、軸箱体２が台車枠３に対し水平方向に変位した時には、軸箱体２に形成した穴部に、第１金属部材１１に形成され突起１７が当接し、弾性体１２、第２金属部材１３と当接する軸ばね座６の突起３１を介して水平方向の力が伝達される。

軸ばね座６の下端部には、水平方向に突出した円板状のフランジ部が形成されて、その上面に凸部が設けられ、周方向に形成された段差の外周に円筒状の軸ばね５の下端部を配置する構成となっている。
同様に、軸ばね５の上端部は、上端側の軸ばね座７の上面に形成された凸部の外周に配置され、上端側軸ばね座７の上部が、台車枠３に設けられた穴に挿入される構成となっている。
このように構成することで、軸箱体２が上下変位時には、弾性部材８、軸ばね座６、軸ばね５、軸ばね座７を介して、台車枠３に鉛直方向の力が伝達される。

本実施例の弾性部材８は、第１金属部材１１、第２金属部材１３、弾性体１２により構成される。第１金属部材１１のレール方向の両端部には、軸箱体２に設けた傾斜面１８と同じ角度の傾斜面を設けてあり、第２金属部材１３は、平板状の金属部材となっている。第１金属部材１１と第２金属部材１３との間に弾性体１２が接着されている。

以上の構成により、弾性体１２は、中心部の厚さＭから、レール方向（進行方向）両端面側に向けて徐々に厚さを増し厚さＬとなる。
一般的に制振材料として用いられる高分子材料やゴム材料では、ゴムが厚いほど鉛直方向の弾性係数が小さくなる。また、ゴムの厚さが同じであってもゴム硬度の選択によって弾性係数を小さくすることができる。

本実施例では、弾性部材８では、弾性体１２のゴムの厚さが、軸箱体２の外側になるほど増大しているため、第１金属部材１１と第２金属部材１３との間の弾性体１２の鉛直方向の弾性係数は、軸箱体２の進行方向両側の部位の方が、軸箱体２の中心部位よりも低くなる。

以上の構成の本発明の実施例１の作用・効果を以下に説明する。
図４に、本実施例の軸箱支持装置にて、台車枠３と軸箱体２との間で相対上下変位ΔＺが発生した場合の動きを示す。
台車枠３と軸箱体２との間で相対上下変位が発生した場合、軸箱体２は軸梁ゴム１４の部位を回転中心として上下動する。これに伴って、軸箱体２の上面はレール上面に対して傾斜するが、弾性部材８では、弾性体１２の鉛直方向の弾性係数が軸箱体２の外側になるほど低い構成となっている。

これにより、軸箱体２の外側の部位が鉛直方向に大きく変形することで、金属部材１１と金属部材１３との間に見かけ上、回転自由度ができ、第１金属部材１１と当接した軸箱体２がレール上面に対して傾斜しても、金属部材１３と当接した軸ばね座６の下面は、レール上面に対して平行度を保つことができる。

すなわち、本実施例によれば、軸箱体２と台車枠３との間に相対上下変位が発生した際に、軸ばね座６下面と軸箱体２との間のピッチ方向の剛性を小さくすることによりピッチ方向の回転自由度を与えることで、軸ばね５を湾曲させる軸ばね抉りモーメントを抑制できる。この結果、軸梁腕１５への負担モーメントも抑制することができるので、軸梁腕１５を構成する材料の板厚などを減らすことができ、軽量化することができる。弾性部材８を軸箱体２と台車枠３との間に配置することだけで、軸梁式台車の部品点数の少ない長所を活かしつつ、台車質量を軽量化できる。

また、本実施例によれば、軸箱体２と台車枠３との間に相対上下変位が発生した際に、軸ばね５の上面と下面の平行度が維持される。このため、軸ばね５による水平方向の力が発生しない。
弾性部材８の水平方向の変形は、弾性体１２の剪断方向の変形であることから、軸梁ゴム１４の水平方向の弾性係数と比べて非常に小さい。これにより、台車枠３と軸箱体２との間の水平方向の弾性支持は軸梁ゴム１４で受け持っているとみなせる。

一方、台車組立状態での台車枠３と軸箱体２との間の鉛直方向の見かけ上の弾性支持は、軸ばね５の鉛直方向のばね定数そのもので受け持っているとみなせる。この事より、台車枠と軸箱体間のサスペンション設計として、水平方向と鉛直方向をそれぞれ分けてチューニングすることができる。

図５に、本実施例の変形例を示し、弾性部材２３を軸箱体２５と軸ばね座６との間に配置された弾性部材２３は、第１金属部材２１と第２金属部材２２との間に、第１弾性体１９、第２弾性体２０が接着される構成となっている。第１弾性体１９と第２弾性体２０として、例えば、ゴム硬度が異なるものを使用することで、第１弾性体１９の弾性係数を第２弾性体２０と比較して小さくし、鉛直方向の剛性を第２弾性体２０の鉛直方向の剛性よりも小さくできる。

図２に示すものと同様に、台車枠３と軸箱体２４との間で相対上下変位発生時には弾性体１９の部位が鉛直方向に大きく変形することで、第１金属部材２１と第２金属部材２２との間に見かけ上、回転自由度ができる。
その結果、台車枠３と軸箱体２４の間に相対上下変位発生時にも、軸ばね５の上面と下面の平行度を保つことができるため、実施例１と同様に、軸梁への負担モーメントを減らすことができる。また台車枠３と軸箱体２４との間の水平・上下方向の弾性支持のチューニングを独立して行うことができる。

［実施例２］
実施例２では、実施例１で示した弾性部材とは、別構造弾性部材４０を使用している。
図６は、実施例２の軸箱支持装置の断面図である。弾性部材４０は、第１金属部材４１、第２金属部材４３、弾性体４２から構成される。第１金属部材４１下部には、突起４４が設けており、軸箱体２に設けられた穴に挿入する構成となっている。

第１金属部材４１の上面は上方に凸の円弧状（円筒面状）となっており、図６および図６のＢ−Ｂ断面図の図７に示すように、弾性体４２をその周方向に配置する構成となっている。弾性体４２は円柱形状をしており、車軸方向両端で弾性体４７でそれぞれが接着されて一体となっており、第１金属部材４１、第２金属部材４３との間に接着される。第２金属部材４３の上部には突起４６が設けてあり、軸ばね座４５に設けられている穴に挿入される構成となっている。軸ばね座４５の鉛直上方は、実施例１と同様の構成となっている。

本実施例においても、第１金属部材４１と第２金属部材４３との間に見かけ上回転自由度ができる。この構成により、第１金属部材４１と当接した軸箱体２が、レール上面に対して傾斜しても、第２金属部材４３と当接した軸ばね座４５の下面は、レール上面に対して平行度を保つことができ、軸ばね４６の抉りモーメントをなくすことができる。

本実施例においても実施例１と同様に、軸梁への負担モーメントを減らすことができ、台車枠３と軸箱体２４との間の水平・上下方向の弾性支持のチューニングを独立して行うことができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明したすべての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１：輪軸、２：軸箱体、３：台車枠、４：車体、３０：空気ばね（以上、図１）
５：軸ばね、６：軸ばね座、７：軸ばね座、８：弾性部材、１１：第１金属部材、１２：弾性体、１３：第２金属部材、１４：軸梁ゴム、１５：軸梁腕、１６：軸梁腕受、１８：傾斜面（以上、図２）、
１９：第１弾性体、２０：第２弾性体、２１：第１金属部材、２２：第２金属部材、２３：弾性部材、２５：軸箱体、（以上、図５）
３１：軸箱体、３３：台車枠、３４：軸ばね、３５：軸梁腕、３６：輪軸、
３７：軸梁ゴム（以上、図８）
４０：弾性部材、４１：第１金属部材、４２：弾性体、
４３：第２金属部材、４４：突起、４５：軸ばね座、４６：軸ばね、４７：弾性体（以上、図７）

Claims (4)

1. 軸箱体と台車枠との間を軸ばねにより上下方向に弾性支持する軸梁式の鉄道車両用台車において、
   前記軸ばねの軸ばね座下面と前記軸箱体との間に弾性体を介在させ、前記台車枠と前記軸箱体間で相対上下変位が発生したとき、前記軸ばね座下面と前記軸箱体との間のピッチ方向の剛性を小さくすることで、前記軸ばねの上端と下端の平行度を維持するようにしたことを特徴とする鉄道車両用台車。
2. 鉄道車両の進行方向からみて、前記弾性体の前後両側部を中央部に対し厚くしたことを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用台車。
3. 前記弾性部材を複数設け、鉄道車両の進行方向からみて、前後両側部に配置される弾性部材の弾性係数を、中央部に配置される弾性部材に対し小さくしたことを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用台車。
4. 前記軸ばねの軸ばね座下面に、鉄道車両の進行方向からみた中央部に凹部を備えた第１金属部材を配設するとともに、前記軸箱体の上面に円弧状凸部を形成した第２金属部材を配設し、前記第１金属部材と前記第２金属部材の間に、前記弾性部材を、鉄道車両の進行方向に対し直交する方向に複数配設したことを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用台車。

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