JP2018100761A - 軸ばね - Google Patents

Abstract

【課題】さらなる構造工夫により、クッションストローク初期或いは前半部においてばね定数を無理なくソフト化し、耐最大荷重を落とすことなく乗り心地の改善が図れる軸ばねを提供する。【解決手段】主軸１と、主軸１の軸心Ｐ方向視で主軸１を囲繞する状態で配備される外筒２と、複数の弾性材層４ａ，４ｂ，４ｃと一又は複数の硬質材壁５ａ，５ｂとを軸心Ｐに対する径内外方向へ交互に積層させた状態で、主軸１と外筒２との間に介装されている弾性部３と、を有してなる軸ばねにおいて、主軸１の外周面１ａと外筒２の内周面２ａとが、軸心Ｐに対して互いに同じ第１角度θ１で傾斜した円錐面に形成され、硬質材壁５ａ，５ｂの軸心Ｐに対して傾斜する第２角度θ２が、第１角度θ１より小さい角度に設定されている。【選択図】図２

Description

本発明は、大型建機、大型船舶、とりわけ鉄道車両用として好適な軸ばねに係り、詳しくは、主軸と、主軸の軸心方向視で主軸を囲繞する状態で配備される外筒と、複数の弾性材層と一又は複数の硬質材壁とを軸心に対する径内外方向へ交互に積層させた状態で、主軸と外筒との間に介装されている弾性部と、を有してなる軸ばねに関するものである。

この種の軸ばねは、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は、主軸とその周囲に配置された外筒との間に、二つの硬質材壁と三つのゴム層とが同心状態で、かつ、半径方向に交互に積層されてなる構成のものが多い。

鉄道車両用軸ばねの傾向としては、乗り心地の良さを考慮すれば弾性層をばね定数の柔らかい方が望ましいが、定員以上の乗車時などの大きな重量が負荷された場合の耐荷重を考慮すればばね定数が硬い方が望ましい。このように相反する要求を満たすため、従来では、特許文献１（図３，６を参照）や特許文献２にて開示されたように、主軸の外周面、弾性層、及び外筒の内周面を互いに同方向に傾けた傾斜型の軸ばねとされていた。

傾斜型とすることにより、クッションストロークが増すほどにばね定数も大きくなるという、いわゆるプログレッシブ特性が得られ、クッションストロークが少ないときにはソフトなばね定数による良好な乗車感を出せ、かつ、クッションストロークが大きいときにはハードなばね定数による大荷重にも踏ん張りの効く軸ばねが実現されていた。

しかしながら、より一層の車両の乗り心地向上のため、上下方向の低剛性化、即ち低ばね定数化の要求がある。傾斜型の軸ばねにおいては、まず、その上下軸心に対する傾斜角度を緩く（立たせた）角度にして、ばね定数を低下させることが考えられるが、そうすれば耐最大荷重も小さくなってしまい、都合が悪い。そこで、弾性部をおおきくしながら傾斜角度も緩くし、耐最大荷重も確保する案も考えられるが、この手段では軸ばね自体が大型化してしまい、やはり都合が悪い。

特開２０１４−０７３７２６号公報 特開２０１５−１６９３１３号公報

本発明の目的は、さらなる構造工夫により、クッションストローク初期或いは前半部においてばね定数を無理なくソフト化し、耐最大荷重を落とすことなく乗り心地の改善が図れる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、前記主軸１の軸心Ｐ方向視で前記主軸１を囲繞する状態で配備される外筒２と、複数の弾性材層４ａ，４ｂ，４ｃと一又は複数の硬質材壁５ａ，５ｂとを前記軸心Ｐに対する径内外方向へ交互に積層させた状態で、前記主軸１と前記外筒２との間に介装されている弾性部３と、を有してなる軸ばねにおいて、
前記主軸１の外周面１ａと前記外筒２の内周面２ａとが、前記軸心Ｐに対して互いに同じ第１角度θ１で傾斜した円錐面に形成され、前記硬質材壁５ａ，５ｂの前記軸心Ｐに対して傾斜する第２角度θ２が、前記第１角度θ１より小さい角度に設定されていることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の軸ばねにおいて、
前記外筒２は前記主軸１に対して、前記軸心Ｐの方向における前記外周面１ａの先窄まり側に寄せて配置されていることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の軸ばねにおいて、
前記弾性部３は、内中外の三つの弾性材層４ａ，４ｂ，４ｃと内外二つの硬質材壁５ａ，５ｂとを備えてなり、前記内硬質材壁５ａの前記第２角度θ２及び前記外硬質材壁５ｂの前記第２角度θ２のいずれも前記第１角度θ１よりも小さい角度に設定されていることを特徴とする。

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軸ばねにおいて、
前記第２角度θ２の前記第１角度θ１より小さい範囲が１．５〜７．５度に設定されていることを特徴とする。

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軸ばねにおいて、
前記外周面１ａは、前記第１角度θ１よりも大きい第３角度θ３を有する先窄まり先端面９と、前記第１角度θ１よりも小さい第４角度θ４を有する先窄まり基端面１０とを有し、前記外周面１ａの平均角度が前記第１角度θ１に設定されていることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、積層ゴム構造を採る弾性部において、弾性材層で挟まれた硬質材壁の傾斜角度を、主軸の外周面や外筒の内周面の傾斜角度より小さくしてあるので、軸ばねに作用する荷重に対する弾性部の弾性変位量の増加程度を、硬質材壁の傾斜角度が主軸の外周面や外筒の内周面の傾斜角度に等しい従来のものに比べて緩くすることが可能になる。そして、主軸の外周面、及び外筒の内周面の傾斜角度は従来と同じであるから、最大荷重時の弾性変形量は変わらないようにすることができる。
その結果、さらなる構造工夫により、少ないクッションストローク初期或いは前半部においてばね定数を無理なくソフト化し、耐最大荷重を落とすことなく乗り心地の改善が図れる軸ばねを提供することができる。

請求項２の発明のように、外筒が主軸に対して軸心方向で主軸外周面の先窄まり側に寄せられた軸ばねであるとか、請求項３の発明のように、内外三つの弾性材層と内外二つの硬質材壁とを備えた軸ばねであれば、請求項１の発明による作用効果をより一層明確に得ることができる。

請求項４の発明によれば、ばね定数のソフト化が丁度良い範囲に設定され、請求項１の発明による作用効果を適切に得ることが可能になる。即ち、第２角度θ２の第１角度θ１より小さい範囲が１．５度を下回ると、ばね定数のソフト化の効果が殆ど期待できないようになり、７．５度を上回るとばね定数のソフト化が過剰気味になるからである。

請求項５の発明によれば、主軸の円錐面状外周面が、例えば、中間部に比べて、先端部の角度が大きく、かつ、基端部の角度が小さいという三段に傾斜したような場合であっても、それらの平均角度が外筒の内周面と同じ傾斜角度であれば良い。従って、主軸の形状バリエーションの豊富化が図れる利点がある。

実施形態１による軸ばねの平面図 図１の軸ばねを「前−軸心Ｐ−右」で切った断面図 荷重と変位量との関係グラフを示す図 実施形態２による軸ばねの平面図 図４の軸ばねを「前−軸心Ｐ−右」で切った断面図

以下に、本発明による軸ばねの実施の形態を、鉄道車両用軸ばねとして図面を参照しながら説明する。

〔実施形態１〕
鉄道車両用軸ばね（以下、軸ばねと略称する）Ａは、図１及び図２に示されるように、主軸１と、主軸１と互いに同一（又はほぼ同一でも良い）の縦向きの軸心Ｐを有する外筒２と、主軸１と外筒２との間に介装されている弾性部３とを有して構成されている。弾性部３は、三層の弾性層４と二層の中間硬質筒５とを軸心Ｐに対して同心状態（又はほぼ同心状態でも良い）で径内外方向へ交互に積層する積層ゴム構造として、主軸１と外筒２との間に構成されている。

ここで、図１（図４）においては、弾性層４に形成されている抜き孔６，７と軸心Ｐとを結ぶ線分の方向を左右、主軸１の下端部に形成されている一対のネジ孔１ｇ，１ｇを結ぶ方向を前後と定義する。そして、図２（図５）においては、軸心Ｐを有する主軸１を基準として、主軸１の形状から先窄まり側を上、元拡がり側（反先窄まり側）を下と定義する。

主軸１は、図１，２に示されるように、金属製のものであって、上窄まり状の円錐面でなる傾斜外周面１ａを備える円錐上部１Ａと、最大径の大外周面１ｂを有して円錐上部１Ａの下側に続くフランジ部１Ｂと、径の細い小外周面１ｃを有してフランジ部１Ｂの下側に続く下部直胴部１Ｃとを備える筒状軸に形成されている。傾斜外周面１ａは、軸心Ｐに対して第１角度θ１で傾斜されている。

円錐上部１Ａには、軸心Ｐを中心として上端開口している中空部１ｄが形成されており、この中空部１ｄは下部直胴部１Ｃの上下中間位置まで延設されている。下部直胴部１Ｃには、軸心Ｐを有して下端開口している細径縦孔１ｆ、及び細径縦孔１ｆの両脇それぞれに配置される状態でネジ孔１ｇ，１ｇが形成されている。これら細径縦孔１ｆ及びネジ孔１ｇ、１ｇは、中空部１ｄの漏斗状底面１ｅに開口されている。

外筒２は、図１，２に示されるように、金属製のものであって、下拡がり状の円錐面でなる傾斜内周面２ａ、傾斜内周面２ａの上側に続く嵌合内周面２ｂ、円環状の上端面２ｃを有し、縦断面形状がハ字状を呈する筒部材に形成されている。軸心Ｐを備える外筒２は、主軸１に対して上側（先窄まり側）に寄せて配置されている。即ち、主軸１の上端部の高さレベルと、外筒２の下端部の高さレベルがほぼ同じとなるように外筒２が上側に寄せられている。

傾斜内周面２ａの軸心Ｐに対する傾斜角度は、主軸１の傾斜外周面１ａと同じ第１角度θ１に設定されている。つまり、傾斜内周面２ａと傾斜外周面１ａとは互いに平行である。この第１角度θ１は、例えば１０度（又は１０度±５度）に設定されているが、それ以外の角度でも良い。
図２においては、傾斜外周面１ａの補助線ａと傾斜内周面２ａの補助線ｂとを矢印マークで互いに平行であることを表している。

弾性部３は、図１，２に示されるように、環状で三つのゴム層（弾性材層の一例）４ａ，４ｂ，４ｃからなる弾性層４と、金属製又は板金製で二つの環状輪（硬質材壁の一例）５ａ，５ｂとかなる中間硬質筒５とを、軸心Ｐに対する径内外方向へ交互に積層させた状態で、主軸１と外筒２との間に介装することで構成されている。弾性層４は、径方向で内から内ゴム層４ａ、中ゴム層４ｂ、外ゴム層４ｃを有している。内ゴム層４ａは、主軸１の上面（符記省略）の大部分を径外側から覆う薄膜部４ｈを有している。上部中間硬質筒５は、径方向で内から内環状輪５ａ、外環状輪５ｂを有している。

弾性層４及び中間硬質筒５は、軸心Ｐに対して主軸１の傾斜外周面１ａや外筒２の傾斜内周面２ａと同じ方向に傾けられている。そして、内及び外の各環状輪５ａ，５ｂの軸心Ｐに対して傾斜する第２角度θ２が、第１角度θ１より小さい角度に設定されている。
第２角度θ２は、例えば第１角度θ１が１０度のときに７．５度に設定されている。その他、（θ１−１．５度）≧θ２≧（θ１−７．５度）、好ましくは（θ１−２．５度）≧θ２≧（θ１−４．５度）、或いは、それら以外の角度（θ１＞θ２）でも良い。
図２においては、内環状輪５ａの補助線ｃと外環状輪５ｂの補助線ｄとを二重矢印マークで互いに平行であることを表している。

内ゴム層４ａ、中ゴム層４ｂ、及び外ゴム層４ｃは、それらのいずれも下端部の厚み（径方向の厚み）が互いに同じ（又はほぼ同じ）である。図２において、各ゴム層４ａ〜４ｃの下端面における最も上方に凹入した箇所を結んだ線分を補助線ｅとすると、各ゴム層４ａ〜４ｃの補助線ｅ上での幅が同じ又はほぼ同じとなるように構成されている。

二つの環状輪５ａ，５ｂが傾斜外周面１ａ及び傾斜内周面２ａに対して立った角度に傾いていることにより、外ゴム層４ｃ上端部の厚み＜中ゴム層４ｂ上端部の厚み＜内ゴム層４ａ上端部の厚み、になっている。また、内環状輪５ａは主軸１に対して上側（先窄まり側）に寄せられ、外環状輪５ｂは内環状輪５ａに対して上側（先窄まり側）に寄せられ、外筒２は外環状輪５ｂに対して上側（先窄まり側）に寄せられている。

図１、図２に示されるように、外ゴム層４ｃと中ゴム層４ｂとには、左右方向に配置された各一対の抜き孔６，７が上下に貫通状態で形成されている。図１に示されるように、外及び中の各抜き孔６，７の幅方向端（軸心Ｐに対する周方向端）を結んで軸心Ｐを通る補助線ｆ、ｇを引くと、各抜き孔６，７の幅角度は互いに等しい第６角度θ６に揃えられている。一方の補助線ｇは、外筒２の一対の取付用ネジ部８，８の中心も通る状態になっている。第６角度θ６は、前後に等しい角度ずつ振り分けられている。各抜き孔６，７は、外筒２及び各中間硬質筒５，５の防錆のため、径方向にはゴム膜４ｇを残してほぼゴム層４ｃ，４ｂの径方向幅に近い幅を有している。

外筒２に荷重が掛ると、外筒２が主軸１に対して下がる方向に弾性部３が弾性変形して懸架する。傾斜外周面１ａと傾斜内周面２ａとで挟まれている弾性部３には、せん断荷重に加えて圧縮荷重も掛る構造上、軸心Ｐ方向の荷重が増すに連れて弾性部３のばね定数が増す非線形特性、いわゆるプログレッシブ特性が得られる。

二つの環状輪５ａ，５ｂを傾斜外周面１ａ及び傾斜内周面２ａより立たせた角度にしてあるので、外筒２と主軸１とが軸心Ｐ方向で近付く方向の荷重が作用したときに、従来構造の弾性部（二つの環状輪５ａ，５ｂと傾斜外周面１ａ及び傾斜内周面２ａとが全て互いに同じ角度）に比べて、弾性部３としての最大荷重条件は変わらないようにしながら、弾性部３の全体としてのばね定数の増加具合を緩やかなものにすることができる。

弾性層４には、軸心Ｐ方向の荷重に対して耐せん断力と耐圧縮力との双方により弾性変位するが、中ゴム層４ｂについては、従来構造（環状輪５ａ，５ｂの傾斜角度θ２が傾斜内周面２ａの傾斜角度θ１に等しい構造）のものより耐せん断力の割合が多くなり、荷重が増すに連れてばね定数が増加する程度、即ちプログレッシブ特性が緩やかになる。内ゴム層４ａや外ゴム層４ｃも、片側の傾斜角度（θ２）が立っていることの影響を受け、中ゴム層４ｂほどではないが従来構造のものよりもプログレッシブ特性が緩やかになる。弾性部３としての内外の傾斜角度（θ１）は従来と同じであるから、ストローク後半部或いは限界近くまで荷重が増加した状態では、プログレッシブ特性は従来よりも大きくなる。従って、弾性部３としての最大荷重時における最大変位量は、従来と変わらないようにすることができる。

軸ばねにおける軸心Ｐ方向の荷重に対する弾性部３の変位量の関係を表した荷重−変位量のグラフの一例を図３に示す。ライン（ａ）は、環状輪５ａ，５ｂの傾斜角度が傾斜外周面１ａ及び傾斜内周面２ａと同じである従来の軸ばねのものを示し、ライン（ｂ）は本願による軸ばねＡの荷重−変位量のグラフを示す。図３のグラフから、従来の軸ばねと実施形態１の軸ばねとでは、最大荷重時の変位量は同じであるが、ある荷重のときの変位量は実施形態１の軸ばねの方が大きく、即ち、ばね定数が小さくなっていることが分かる。

〔実施形態２〕
軸ばねＡは、図４及び図５に示される構造のものでも良い。実施形態２の軸ばねＡは、実施形態１の軸ばねＡと、主軸１の形状と抜き孔６，７の周方向長さ（θ７）とが異なる以外は同じであり、対応する箇所には同じ符号を付し、説明は割愛する。主軸１の外周面１ａと外筒２の内周面２ａとは、軸心Ｐに対して互いに同じ方向に傾斜した円錐面（９，１１，２ａ）を有して形成されている。

主軸１は、図４、図５に示されるように、第１角度θ１よりも大きい第３角度θ３を有する先窄まり先端面９と、第１角度θ１よりも小さい第４角度θ４を有する先窄まり基端面１０と、第１角度θ１よりも僅かに小さい第５角度θ５を有する先窄まり中間面１１と、を備えて複数段傾斜の傾斜外周面１ａを有している。そして、この三段の傾斜外周面１ａの平均角度が第１角度θ１と同じ又はほぼ同じになるように設定されている。

即ち、主軸１と外筒２とに跨って形成されている弾性部３の配設方向（軸心Ｐに対する径方向での延び方向）を矢印Ｚで表し、先窄まり先端面９における弾性層４の矢印Ｚに対する幅長さをｗ９、先窄まり基端面１０における弾性層４の矢印Ｚに対する幅長さをｗ１０、先窄まり中間面１１における弾性層４の矢印Ｚに対する幅長さをｗ１１とした場合、式１：θ３×ｗ９＋θ４×ｗ１０＋θ５×ｗ１１≒θ１×（ｗ９＋ｗ１０＋ｗ１１）となる状態に構成されている。

弾性部３の配設方向Ｚは、三つのゴム層４ａ，４ｂ，４ｃそれぞれの上面どうしを径内外方向に結んだ上線分の軸心Ｐに対する角度と、下面どうしを径内外方向に結んだ下線分の軸心Ｐに対する角度との平均の角度である。
上線分は、三つのゴム層４ａ，４ｂ，４ｃそれぞれの上面において最も下方に凹入した箇所を結ぶ線分、或いは、各上面の径内外の端部それぞれと最も下方凹入した点を平均化した仮想箇所を結ぶ線分、として定義できる。
下線分は、三つのゴム層４ａ，４ｂ，４ｃそれぞれの下面において最も上方に凹入した箇所を結ぶ線分（図２の補助線ｅを参照）、或いは、各下面の径内外の端部それぞれと最も上方凹入した点を平均化した仮想箇所を結ぶ線分）として定義できる。
そして、図５に示されるように、外周面１ａの各面９，１０，１１それぞれに一体化されている弾性層４の実質厚みを、矢印Ｚに対する幅長さｗ９，ｗ１０，ｗ１１として定義している。

また、図５の軸ばねＡの場合、θ１＜θ３、θ１＞θ４、θ１＞θ５であるから、式１は、式２：（θ３−θ１）×ｗ９≒（θ１−θ４）×ｗ１０＋（θ１−θ５）×ｗ１１とも現すことができる。例えば、θ１＝１０度、θ３＝３３．５度、θ４＝０度、θ５＝７．５度、ｗ９＝６、ｗ１０＝１１、ｗ１１＝１２であるとき、（３３．５−１０）×６＝１４１、（１０−０）×１１＝１１０、（１０−７．５）×１２＝３０であるから、１４１≒１４０（１１０＋３０）である。

弾性層４の幅長さｗ９、ｗ１０、ｗ１１とは、弾性部３の傾きを考慮して各外周面９，１０，１１に対応させた実質的な幅の長さである。つまり、主軸１の傾斜外周面１ａを形成する３つの傾斜外周面９，１０，１１は、それらの算術平均角度がθ１に等しい又はほぼ等しい状態に構成されている。
なお、先窄まり中間面１０の軸心Ｐに対する傾斜角度がθ１であり、第１角度θ１に対して傾斜する面が、先窄まり先端面９（θ３）と先窄まり基端面１０（θ４）との二つだけとされた傾斜外周面１ａを持つ主軸１でも良い。

〔別実施形態〕
外筒２の主軸１に対する軸心Ｐ方向への寄せ度合い（寄せ量）は、図１，４に示される以外のものであっても良い。弾性層４が二つで中間硬質筒５が一つの構成や、弾性層４が四つ以上で中間硬質筒５が三つ以上の構成を採る軸ばねも可能である。

１ 主軸
１ａ 外周面
２ 外筒
２ａ 内周面
３ 弾性部
４ 弾性層
４ａ〜４ｃ 弾性材層
５ 中間硬質筒
５ａ，５ｂ 硬質材壁
９ 先窄まり先端面
１０ 先窄まり基端面
Ｐ 軸心
θ１ 第１角度
θ２ 第２角度
θ３ 第３角度
θ４ 第４角度

Claims (5)

1. 主軸と、
   前記主軸の軸心方向視で前記主軸を囲繞する状態で配備される外筒と、
   複数の弾性材層と一又は複数の硬質材壁とを前記軸心に対する径内外方向へ交互に積層させた状態で、前記主軸と前記外筒との間に介装されている弾性部と、
   を有してなる軸ばねであって、
   前記主軸の外周面と前記外筒の内周面とが、前記軸心に対して互いに同じ第１角度で傾斜した円錐面に形成され、前記硬質材壁の前記軸心に対して傾斜する第２角度が、前記第１角度より小さい角度に設定されている軸ばね。
2. 前記外筒は前記主軸に対して、前記軸心の方向における前記外周面の先窄まり側に寄せて配置されている請求項１に記載の軸ばね。
3. 前記弾性部は、内中外の三つの弾性材層と内外二つの硬質材壁とを備えてなり、前記内硬質材壁の前記第２角度及び前記外硬質材壁の前記第２角度のいずれも前記第１角度よりも小さい角度に設定されている請求項１又は２に記載の軸ばね。
4. 前記第２角度の前記第１角度より小さい範囲が１．５〜７．５度に設定されている請求項１〜３の何れか一項に記載の軸ばね。
5. 前記外周面は、前記第１角度よりも大きい第３角度を有する先窄まり先端面と、前記第１角度よりも小さい第４角度を有する先窄まり基端面とを有し、前記外周面の平均角度が前記第１角度に設定されている請求項１〜４の何れか一項に記載の軸ばね。

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